JPH0692602B2

JPH0692602B2 - ＴｉおよびＴｉ合金母材の表面硬化肉盛用添加粉末

Info

Publication number: JPH0692602B2
Application number: JP63034757A
Authority: JP
Inventors: 渉高橋; 睦夫中西
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-02-17
Filing date: 1988-02-17
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPH01212741A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、TiおよびTi合金母材の表面に、耐摩耗性の
すぐれた肉盛硬化層を、割れや気泡などの欠陥発生なく
形成することができる表面硬化肉盛用添加粉末に関する
ものである。

〔従来の技術〕

一般に、純Tiや、代表的組成がTi-5％Al-2.5％Snのα型
Ti合金、さらに同じくTi-6％Al-4％Ｖのα＋β型Ti合金
や、同Ti-15％Ｖ−３％Al-3％Sn-3％Crのβ型Ti合金な
どの各種のTiおよびTi合金（これらを総称してTiおよび
Ti合金母材という）は、耐摩耗性が十分でなく、このた
めこれを例えば機械部品などの摺動部材として使用しよ
うとする場合には、（ａ）特開昭62-56561号公報に記載される通りの、Tiお
よびTi合金母材の表面層を、高エネルギー照射で溶解
し、この溶融池に、TiCやWCなどの金属炭化物粉末や、T
iNなどの金属窒化物粉末、さらにFe、Si、およびMoなど
の金属粉末を混入させて表面を硬化する方法や、（ｂ）特開昭61-231151号公報に記載されれる通りの、T
iおよびTi合金母材の表面に、TiO₂などの金属酸化物粉
末、TiCやWCなどの金属炭化物粉末、さらにTiNなどの金
属窒化物粉末、TiB₂などの金属ほう化物粉末、およびFe
やAlなどの金属粉末を付着させた後、この粉末付着部に
高エネルギービームを照射して、前記TiおよびTi合金母
材と前記付着粉末とを母材表面部で融合一体化させ、も
つて表面部を硬化する方法、などの方法が用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記の（ａ）および（ｂ）方法によるTiおよび
Ti合金母材の表面硬化方法においては、使用される粉末
が金属酸化物粉末、金属炭化物粉末、金属窒化物粉末、
および金属ほう化物粉末の場合には、母材の表面硬さが
ビツカース硬さ（Hv）で700〜1000程度に上昇して、非
常に硬くなるが、逆に脆くなつて、使用中および硬化処
理中に硬化部に割れが生じたり、硬化処理中に気泡が発
生したりして健全な硬化部を形成することができない場
合が多く発生し、また、粉末が金属粉末である場合に
は、母材表面硬さがHv:300〜380程度にしか上昇せず、
耐摩耗性改善の面からは十分でないのが現状である。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、Tiおよ
びTi合金母材の表面に、耐摩耗性にすぐれ、かつ硬化処
理中に割れや気泡などの欠陥の発生がなく、また使用中
にも割れの発生がない硬化層を形成すべく研究を行なつ
た結果、TiおよびTi合金母材の表面に、公知のPTA法お
よびTIG法、さらにレーザービーム法および電子ビーム
法などを用いて硬化肉盛層を形成するに際して、添加粉
末として、上記の公知の材質である純Ti、α型Ti合金、
α＋β型Ti合金、およびβ型Ti合金に、酸素を0.15〜３
重量％含有させ、かつ粉末化に際しては、アトマイズド
法によらずに、望ましくは例えば水素化チタン粉砕法に
よつて形状を多角形とすると共に、粒度範囲を60〜250
メツシユに調整してなるTi合金粉末を用いると、添加粉
末の母材へのぬれ性および溶け込み性が良好となり、こ
の結果肉盛処理中に割れや気泡などの欠陥発生がなく、
勿論使用中に割れが発生することもない状態で、Hv:380
〜600程度の高硬度を有する肉盛硬化層をコスト安く形
成することができるようになり、さらに前記Ti合金粉末
に、TiC、W₂C、Cr₃C₂等の金属炭化物粉末およびTiN等の
金属窒化物粉末のうちの１種以上を混合すれば、一段と
肉盛硬化層の耐摩耗性が向上するようになるという知見
を得たのである。

この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであつ
て、酸素含有量が0.15〜３重量％にして、60〜250メツ
シユの粒度範囲を有し、かつ形状を多角形としたTi合金
粉末、およびこのTi合金粉末に、金属炭化物粉末および
金属窒化物粉末のうちの１種以上からなる硬質粉末を１
〜80重量％の割合で混合してなる混合粉末で構成された
TiおよびTi合金母材の表面硬化肉盛用添加粉末に特徴を
有するものである。

つぎに、この発明の添加粉末において、酸素含有量、粒
度範囲、および硬質粉末の混合割合を上記の通りに限定
した理由を説明する。

（ａ）酸素含有量酸素には、上記の通り母材へのぬれ性および溶け込み性
を良好ならしめ、かつ硬さを向上せしめ、もつて割れや
気泡などの欠陥発生のない、耐摩耗性のすぐれた肉盛硬
化層を形成する作用があるが、その含有量が0.15重量％
未満では、前記作用に所望の効果が得られず、硬さもH
v:380以下となつてしまい、一方その含有量が３重量％
を越えると肉盛硬化層に割れが発生するようになること
から、酸素含有量を0.15％〜３％と定めた。

（ｂ）粒度範囲 60メツシユを越えた粗粒粉末があると、溶融池で未溶解
となる場合が発生し、母材との融合性が低下して、健全
な肉盛硬化層の形成が困難となる場合が生じ、一方250
メツシユ未満の細粒粉末があると、添加粉末の流動性が
低下し、粉末供給設備中で目詰まりが生ずるようになつ
て、溶融池への円滑な粉末供給ができなくなることか
ら、粒度範囲を60〜250メツシユと定めた。

（ｃ）硬質粉末の混合割合その混合割合が１重量％未満では、所望の耐摩耗性向上
硬化が得られず、一方その混合割合が80重量％を越える
と、肉盛部の切削性が悪化したり、Ti合金粉末のもつぬ
れ性および溶け込み性改善効果が害なわれるようになつ
て、割れが発生したり、肉盛部の靱性が劣化するように
なることから、その混合割合を１〜80重量％と定めた。

なお、この発明の添加粉末の形状を多角形としたのは、
PREP法やアトマイズド法などにより製造された球状粉末
に比して、溶融池での溶解性および分散均質化性が良好
であると共に、硬質粉末との混合性がよく、均一な混合
粉末を得るのが容易となる理由からである。

また、上記の多角形粉末は、主要工程が、Ti合金鋳塊→
水素化→粉砕→リーチング、乾燥→ふるい分け→水素化
Ti合金粉末→脱水素→粉砕→ふるい分け→Ti合金粉末か
らなる水素化チタン粉砕法によつて製造するのが望まし
い。

〔実施例〕

つぎに、この発明の添加粉末を実施例により具体的に説
明する。

実施例いずれも水素化チタン粉砕法により多角形とすると共
に、80〜200メツシユの粒度範囲に調整し、かつそれぞ
れ第１表に示される成分組成のTi合金粉末と、いずれも
粒度範囲が100〜350メツシユの各種の硬質粉末とを用意
し、これらの粉末を用いて、同じく第１表に示される混
合割合の本発明添加粉末１〜10を調製し、ついで、これ
らの本発明添加粉末１〜10を用いて、直径:100mm×高
さ:40mmの純Ti材、またはTi-6％Al-4％Ｖの組成（以上
重量％、以下％は重量％を示す）をもつたTi合金材から
なる母材の表面に、第１図に概略断面図で示されるプラ
ズマトーチ法またはPTA法にて、トーチ１の速度:500m/min、電流:150A、電圧:35V、プラズマArガス量:3l/min、シールドArガス量:15l/min、ノズル２からの粉末供給量:6cc/min、キヤリアーArガス量:2l/min、の条件で肉盛処理を行ない、前記母材の表面に肉盛硬化
層３を形成した。

また、比較の目的で、同じくプラズマトーチ法を用い、
添加粉末として硬質粉末のみを用いる従来法１、２、お
よび添加粉末を用いず、酸素の吹き込みだけを行なう従
来法３、４を実施し、上記の母材表面に硬化層を形成し
た。

ついで、この結果の表面硬化処理を施した母材、および
これらの処理を行なう前の母材から直径:10mm×長さ:40
mmの摩耗試験片を切り出し、その表面を研磨した状態で
摩耗試験に供した。

摩耗試験は、第２図に概略斜視図で示されるように、摩
耗試験片４を、その硬化部５をデイスク６の上面に当接
させた状態で立設配置し、前記試験片に荷重をかけなが
らデイスクを回転させるピンオンデイスク方式にて、荷重:2kg、摺動速度:62.8m/min、摺動距離:2.5×10⁴m、相手材:HT60高張力鋼、潤滑油：なし、の条件で行ない、試験後の試験片の重量減を測定した。
これらの測定結果を第１表に示した。

なお、第１表には硬化層の硬さ（ビツカース硬さ）を示
すと共に、硬化層の観察結果も示した。

第１表に示されるように、添加粉末として酸素含有のTi
合金粉末（本発明添加粉末１〜５）を用いて形成した肉
盛硬化層は、純TiおよびTi合金母材との硬さ比較から明
らかなように、表面硬さが著しく上昇し、この結果すぐ
れた耐摩耗性を示し、さらにこれに加えて硬質粉末を混
合した本発明添加粉末５〜10を用いた場合には一段の硬
さおよび耐摩耗性向上が見られ、しかも肉盛硬化層には
割れや気泡の発生がなく、良好な状態を示しているのに
対して、従来法１〜４で形成された硬化層においては、
いずれの場合も硬化層の硬さは上昇するものの、割れや
気泡が発生し、実用に供することができないものであつ
た。

比較例１いずれも水素化チタン粉砕法により多角形とすると共
に、粒度範囲も本発明範囲内の80〜200メツシユに調整
したが、酸素含有量がこの発明の範囲から外れたTi-6％
Al-4％‐0.1％O₂の組成、およびTi-6％Al-4％−４％O₂
の組成をもつた２種の比較添加粉末を用いる以外は、上
記実施例におけると同一の条件で、Ti-6％Al-4％Ｖの組
成を有するTi合金母材の表面に肉盛を行なつたところ、
酸素含有量が本発明範囲から低い方に外れた0.1％の比
較添加粉末を用いた場合には、肉盛硬化層に硬さ上昇が
見られず、母材とほとんど同じ硬さを示し、また酸素含
有量が本発明範囲から高い方に外れた４％の比較添加粉
末を用いた場合には肉盛硬化部に著しい割れが発生し
た。

比較例２水素化チタン粉砕法により多角形とすると共に、酸素含
有量が本発明範囲内の0.5％であるTi-6％Al-4％V-0.5％
O₂の組成を有するが、80〜250メツシユの粒度範囲に対
する250〜350メツシユの重量比率を15％として粒度範囲
を本発明範囲から外れた80〜350メツシユに調整した比
較添加粉末について、PTA粉末供給装置で供給テストを
行なつたところ、供給量にバラツキが生じ、一定量の供
給は不可能であつた。この場合、JISZ2502に則した流動
度の測定で、好ましくは35秒/50g以下の流動度を示す粉
末がPTA粉末供給装置でバラツキのない供給が可能であ
り、ちなみに上記比較添加粉末の流動度は45〜55秒/50g
であつた。

また、上記の250〜350メツシユの粒度範囲のものに代つ
て、40〜80メツシユの粒度範囲のものを用い、これの80
〜250メツシユの粒度範囲のものに対する比率を20％と
して粒度範囲を本発明範囲から外れた40〜250メツシユ
に調整した比較添加粉末を用いる以外は、上記の実施例
におけると同一の条件で肉盛を行なつたところ、肉盛硬
化層に未溶解粉末が存在するものであつた。

比較例３ PREP法により形状を球状とする以外は、本発明範囲内の
80〜250メツシユの粒度範囲をもち、かつTi-6％Al-4％V
-0.5％O₂の組成を有する比較Ti合金粉末に、60〜250メ
ツシユの粒度範囲を有するW₂C粉末を50％配合し、混合
したが、均質な混合粉末とすることができなかつた。

〔発明の効果〕

上述のように、この発明の添加粉末によれば、Tiおよび
Ti合金母材の表面に、割れや気泡などの欠陥発生のない
耐摩耗性のすぐれた肉盛硬化層をコスト安く形成するこ
とができ、例えば自動車エンジンバルブフエースや各種
摺動軸受部、さらにドリルパイプ切断面やエロージヨン
シールド面などに適用した場合、すぐれた耐摩耗性が得
られるようになるなど実用上有用な効果がもたらされる
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマトーチ法を示す概略断面図、第２図は
摩耗試験態様を示す概略斜視図である。１……プラズマトーチ、２……ノズル、３……肉盛硬化層、４……摩耗試験片、５……硬化部、６……デイスク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素含有量が0.15〜３重量％にして、60〜
250メツシユの粒度範囲を有し、かつ形状を多角形とし
たTi合金粉末からなるTiおよびTi合金母材の表面硬化肉
盛用添加粉末。
【請求項２】酸素含有量が0.15〜３重量％にして、60〜
250メツシユの粒度範囲を有し、かつ形状を多角形とし
たTi合金粉末に、金属炭化物粉末および金属窒化物粉末
のうちの１種以上からなる硬質粉末を１〜80重量％の割
合で混合してなるTiおよびTi合金母材の表面硬化肉盛用
添加粉末。