JPH07214288A

JPH07214288A - 鋳鋼品の表面硬化材、鋳型および表面硬化方法

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Publication number: JPH07214288A
Application number: JP3423194A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Motokawa; 博幸本川; Yoshikatsu Kakichi; 義勝垣地; Nobuyuki Sakamoto; 信行坂元
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1995-08-15
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JP3215568B2

Abstract

(57)【要約】【目的】部品表面に安定した硬化層形成を可能とし、
耐摩耗性と靱性を有する鋳鋼品を提供する。【構成】表面硬化材においては、黒鉛粉末のみ、又
は、黒鉛粉末と、炭化物と金属粉末とより選ばれる少な
くとも一とからなる混合物である。鋳型においては、溶
湯と接する鋳型内面の表面近傍に表面硬化材を有する。
また、表面硬化方法においては、表面硬化材を含む表面
硬化材部を鋳型内面の表面近傍に形成し、鋳型に溶湯を
注入し、溶湯に表面硬化材を拡散させ、凝固させる。さ
らに、少なくとも黒鉛粉末を含む表面硬化材に溶剤を加
え溶液とし、溶液を鋳型内面の表面に塗布後、乾燥して
なる表面硬化材部を形成し、鋳型に溶湯を注入し、溶湯
に表面硬化材を拡散させ、凝固させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋳鋼品の表面硬化材、
鋳型および表面硬化方法に係り、特に高い硬度が要求さ
れる耐摩耗部品に好適な鋳鋼品の表面硬化材、鋳型およ
び表面硬化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋳鋼品等の表面硬化材、鋳型、表
面硬化方法などに関するものとして、次が知られてい
る。低炭素系鋼を使用して所定形状に鋳造し、鋳造後に
浸炭処理を施して鋳鋼品表面の炭素量を増加させ、焼入
れ等により表面硬度を高くする。また、必要に応じて焼
戻しを行い、耐摩耗性を有するとともに、靱性も有する
表面硬化鋳鋼品としている。また、中炭素系鋼を用い、
鋳造後に短時間処理が可能な高周波焼入れを行い、耐摩
耗鋳鋼品とすることも知られている。別の従来技術とし
て、鋳型内の表面に超硬チップをセットし、溶湯を注入
する鋳包み法により、超硬チップを接合するとともに、
極めて高硬度な耐摩耗部品を得ていることが知られてい
る（例えば、特開平２−１８７２５０号公報参照）。ま
た、超硬チップの替わりに超硬合金粉末を用いて、高硬
度にすることも知られている（例えば、特開平３−２８
９７４号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題点がある。すなわち、浸炭焼
入れ法では、表面の硬度Ｈ_Vが８５０程度と高硬度が可
能であるが、大きい硬化深さ、例えば２ｍｍ程度あるい
はそれ以上の深さが必要な場合は、処理時間が極めて長
く、高価になるという問題がある。また、高周波焼入れ
法では、鋳鋼品形状毎に焼入れコイルを製作する必要が
あり、しかも単純な鋳鋼品形状以外では一定の硬度・硬
度深さを得るのが困難である。超硬チップ鋳包み法で
は、相対的に硬度の低い鋳包み部が摩耗して超硬チップ
が突き出し状態等になると、衝撃的な負荷等により靱性
の低い超硬チップが破損・破壊し、極めて高硬度な超硬
チップを備えている割りには寿命が短い問題がある。ま
た、超硬合金粉末を使用する場合には、破損・破壊を生
じることは少ないものの、部品の所定部分に超硬合金粉
末を含有させるため、鋳型内の表面の所定部に設置する
が、超硬合金粉末の保持方法等が難しく、また多くの工
数を要する問題がある。

【０００４】本発明は、上記従来技術の問題点に着目
し、部品表面に安定した硬化層の形成を可能とすること
で、良好な耐摩耗性と靱性とを兼ね備え、さらには安価
な鋳鋼品を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る鋳鋼品の表面硬化材において、第１発
明は、溶湯注入時に前記溶湯へ拡散する黒鉛粉末からな
ることを特徴とする。第２発明は、第１発明において、
前記黒鉛粉末は、黒鉛粉末と、炭化物と金属粉末とより
選ばれる少なくとも一と、からなる混合物である。本発
明に係る鋳鋼品の鋳型において、第３発明は、溶湯と接
する鋳型内面の表面近傍に黒鉛粉末からなる表面硬化材
を有することを特徴とする。第４発明は、第３発明にお
いて、前記表面硬化材は、炭化物と金属粉末とより選ば
れる少なくとも一と、黒鉛粉末とからなる。

【０００６】本発明に係る鋳鋼品の表面硬化方法におい
て、第５発明は、黒鉛粉末を含有した表面硬化材を作製
し、前記表面硬化材を含む表面硬化材部を鋳型内面の表
面近傍に形成し、前記鋳型に溶湯を注入し、前記溶湯に
前記表面硬化材を拡散させ、凝固させたことを特徴とす
る。第６発明は、第５発明において、前記表面硬化材
は、黒鉛粉末と炭化物との混合物である。第７発明は、
第６発明において、前記炭化物は、タングステン炭化
物、チタン炭化物、ホウ素炭化物、クロム炭化物、バナ
ジウム炭化物、シリコン炭化物、モリブデン炭化物より
選ばれる少なくとも一の炭化物である。第８発明は、第
５発明乃至第７発明において、前記凝固後、表面硬化熱
処理を施した。

【０００７】第９発明は、少なくとも黒鉛粉末を含む表
面硬化材に溶剤を加え溶液とし、前記溶液を鋳型内面の
表面に塗布後、乾燥してなる表面硬化材部を形成し、前
記鋳型に溶湯を注入し、前記溶湯に前記表面硬化材を拡
散させ、凝固させたことを特徴とする。第１０発明は、
少なくとも黒鉛粉末を含む表面硬化材に、鋳物砂と水ガ
ラスとを加えて水ガラス混合物とし、鋳型内面の表面部
に前記水ガラス混合物からなる表面硬化材部を形成し、
前記鋳型に溶湯を注入し、前記溶湯に前記表面硬化材を
拡散させ、凝固させたことを特徴とする。第１１発明
は、第１０発明において、前記水ガラス混合物は、前記
表面硬化材、鋳物砂、水ガラスと高融点無機材とからな
る。第１２発明は、第１１発明において、前記高融点無
機材は、アルミナ粉末である。第１３発明は、第１１発
明において、前記高融点無機材は、アルミニウム粉末と
酸化剤とからなる。本発明に係わる鋳鋼品の表面硬化
材、鋳型および表面硬化方法は、以上の構成とした。

【０００８】

【作用】上記構成による本発明の作用を説明する。第１
発明に係る鋳鋼品の表面硬化材において、表面硬化材で
ある黒鉛粉末が、溶湯注入時に溶湯に溶け込みつつ溶湯
表面部に急速に拡散するので、鋳鋼品表面部は高炭素と
なり、凝固表面が高硬度となると共に、内部は低硬度で
あるので靱性も得られる。また、さらに炭化物および／
あるいは金属粉末を黒鉛粉末に加えることにより、鋳鋼
品表面部に硬質粒子として分散したり、硬質粒子との接
合性を向上するので、さらに高硬度、高靱性が得られ
る。次に、第３発明に係る鋳鋼品の鋳型において、鋳型
内面の表面部あるいは鋳型空間に、黒鉛粉末、炭化物、
金属粉末を組み合わせた表面硬化材を有するので、溶湯
注入時に溶湯への溶融等により溶湯表面部に拡散し、上
記と同様に表面硬度が高く靱性のある鋳鋼品が得られ
る。

【０００９】また、第５発明に係る鋳鋼品の表面硬化方
法では、表面硬化材を含む表面硬化材部が鋳型内面の表
面近傍に安定して形成され、注入溶湯表面に表面硬化材
が拡散するので、凝固後の鋳鋼品表面は高炭素となり、
冷却の効果も加わって高硬度となる。また、表面硬化材
を、黒鉛粉末と種々の炭化物との混合物とすることで、
表面硬度が高くなる。さらに、凝固後の鋳鋼品を焼入れ
等の表面硬化熱処理を施すので、鋳鋼品の表面硬度は高
くなり、耐摩耗性を有するとともに、靱性も得られる。
次に、第９発明に係る鋳鋼品の表面硬化方法では、表面
硬化材を含む溶液を鋳型内面の表面に塗布し、乾燥させ
ることで均一な厚さの表面硬化材部が安定して形成され
るので、注入溶湯表面に平均して拡散し、凝固表面部の
高炭素深さが同様となり、表面部が高硬度で靱性のある
鋳鋼品が得られ、しかも安価である。

【００１０】さらに、第１０発明に係る鋳鋼品の表面硬
化方法では、鋳型内面の表面部が表面硬化材を含む水ガ
ラス混合物で形成されるので、必要に応じた厚さ、高硬
度部分が可能な表面硬化材部となり、溶湯注入、凝固さ
せることで、靱性があり高硬度表面の鋳鋼品が安価に得
られる。この水ガラス混合物に、高融点無機材、例えば
アルミナ粉末を加えることにより、溶湯の保温性が向上
することが推察され、高炭素領域をより深くすることを
可能とするとともに、アルミナは高融点であるので溶湯
との反応が抑制されて鋳鋼表面品質も向上する。さら
に、高融点無機材として、アルミニウム粉末と酸化剤を
使用することで、溶湯注入時に酸化反応してアルミナと
なり、同様な作用を行う。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明に係る鋳鋼品の表面硬化材、
鋳型および表面硬化方法の実施例につき、図面を参照し
つつ詳述する。本発明の鋳鋼品は、鋳鋼品表面部の全部
あるいは一部が高硬度で、内部が相対的に低硬度である
ので、耐摩耗性と靱性とを共に要求される部品に適用可
能である。したがって、掘削機械の刃部、歯車、内燃機
関のコンロッド等々適用できるが、実施例では適用例と
して掘削機械の刃部を対象として説明する。図１に掘削
機械のバケットの主要部の斜視図、図２に図１のツース
の断面図を示す。掘削機械の一つである油圧ショベル等
の建設機械の作業機（図示せず）の先端に具備されるバ
ケット１は、バケット本体２の先端部に取り付け部材３
を複数備え、刃部となる複数のツース５がピン４を介し
て取り付け部材３に装着されている。かかる構成におい
て、土砂等の掘削時にツース５の表面部５ａは耐摩耗性
が要求され、さらに、負荷の大きい掘削において、ツー
ス５は更なる耐摩耗性と靱性が要求される。

【００１２】（実施例１）図３に、本実施例に係る鋳型
の断面を説明する図を示す。鋳鋼品であるツース５（図
１参照）の鋳込み用鋳型１０は、鋳型１１、１２から構
成され、ツース５用の空隙部１３を形成している。この
鋳型１１は、湯口１６を備えるとともに、ツース５の凹
部用の中子１４を備えている。また、この鋳型１０に
は、内面表面部に表面硬化材を含有する表面硬化材部１
５（図中、二点鎖線より空隙部１３側）が形成されてい
る。この表面硬化材部１５の形成手順概要は以下の通り
である。まず、砂型、ＣＯ₂型、時効性型など一般鋳造
用鋳型１１、１２を造型する。一方、黒鉛粉末とタング
ステン炭化物粉との混合物からなる表面硬化材に、メタ
ノール若しくは水等の溶剤を加え、濃度が３０〜１００
ボーメ程度の溶液とする。この溶液を刷毛塗り、スプレ
ー等で鋳型１１、１２表面に塗布する。次に、熱風、メ
タノール着火等により溶剤を乾燥させ、表面硬化材部１
５を形成させる。この表面硬化材部１５の厚さは必要に
応じて選定されるが、好ましくは、その厚さは０．１〜
１ｍｍ程度である。

【００１３】かかる構成の鋳型１０を使用し、湯口１６
より鋳鋼溶湯を注入する。この鋳鋼は一般的組成でよ
く、炭素量が０．２〜０．４％程度の低炭素系鋼、例え
ばＳＣＣｒＭ１が使用され、注入温度は１５００〜１６
５０℃程度である。注入後、溶湯は表面硬化材部１５と
接するが、黒鉛粉末は溶湯と反応して溶け込み、急速に
溶湯内部に拡散する。一方、タングステン炭化物粉もそ
の表面の一部を溶湯に固溶しつつ、溶湯内部に拡散す
る。これら拡散は溶湯の冷却・凝固によりほぼ完了し、
鋳鋼製ツース５が得られる。なお、凝固後、必要に応じ
てツース５の全体或いは一部を空冷、水冷等強制冷却し
てもよい。

【００１４】本実施例で得られたツース５表面からの炭
素量変化を図４に示す。この炭素量は、ツース５断面部
をＥＰＭＡで分析し、データより推定炭素量を模式的に
図示したものである。図より明らかなように、ツース５
表面部の炭素量は高く、ツース５内部の母材炭素量Ｃ_M
に比して、距離Ｌ₁〜距離Ｌ₂間では炭素量Ｃ₂分高
く、表面〜距離Ｌ₁間ではさらに炭素量Ｃ₁分高炭素で
ある。この炭素量Ｃ₂は黒鉛粉末の固溶拡散による炭素
量増加、炭素量Ｃ₁は表面近くの黒鉛粉末の高濃度固溶
と拡散したタングステン炭化物粉の炭素とによる増加量
と推定される。以上のように、ツース５の表面部は高炭
素量となり、凝固後の表面部の硬度は高くなる。凝固
後、強制冷却すると、より硬度は上昇する。さらに、表
面側は高硬度のタングステン炭化物が分散しているの
で、さらに高硬度となる。したがって、表面は硬度が高
く耐摩耗性を有し、内部は相対的に低硬度の母材であ
り、靱性も兼ね備えた表面硬化鋳鋼品となる。

【００１５】さらに、より高負荷掘削用のツース５で
は、上記鋳造後、表面硬化熱処理を施した。この熱処理
は焼入れ焼戻し等一般的熱処理が適用可能であるが、本
実施例では８５０〜９５０℃に加熱後、油焼入れを行
い、１５０〜２００℃で焼戻し後急冷した。なお、この
焼戻し工程は、省略しても良い。これにより得られたツ
ース５について、ビッカース硬度計測定による断面の硬
度分布を図５に、断面の表面部の組織を図６に示す。図
５より明らかなように、本発明では表面硬度が高く、硬
化層深さも約３ｍｍと大きい。硬化層の組織（図６参
照）は、マルテンサイトを主体としており、表面から２
ｍｍ程度までの表面側にはタングステン炭化物の分散が
観察される。したがって、より高硬度で耐摩耗性が高
く、靱性も有している。なお、本実施例では硬化材とし
て黒鉛粉末とタングステン炭化物粉との混合物を使用し
たが、黒鉛粉末のみ、あるいはチタン炭化物、ホウ素炭
化物、クロム炭化物、バナジウム炭化物、シリコン炭化
物、モリブデン炭化物等の炭化物を一種類以上用いて
も、同様に硬化層が得られ、有効である。

【００１６】（実施例２）本実施例は、実施例１と異な
る主要な点は、表面硬化材部を造型工程で形成すること
である。図７に、造型工程の鋳型断面の説明図を示す。
鋳型２０の造型概要は次の通りである。表面硬化材とな
る黒鉛粉末、鋳物砂およびアルミナ粉末に水ガラス加え
混合物とし、この水ガラス混合物を鋳造用模型２１の表
面に当て表面硬化材部２２を形成し、さらに表面硬化材
部２２の上に通常の鋳物砂部２３を形成し、ＣＯ₂を吹
き込み表面硬化材部２２を硬化させる。かかる構成の鋳
型２０に、実施例１と同様に鋳鋼溶湯を注入する。溶湯
と接する表面硬化材部２２より黒鉛粉末が溶湯と反応し
て溶け込み、急速に溶湯内部に拡散する。この拡散する
深さは実施例１より大きい。この理由は明らかではない
が、アルミナによる溶湯表面の保温性向上、あるいは、
アルミナにより溶湯表面が清浄化され、炭素の拡散が維
持される等起因すると推察される。

【００１７】図８に、凝固後の鋳鋼品の表面からの炭素
量変化示す。概略は図４と同様なパターンとなるが、表
面硬化材が黒鉛粉末のみでも距離Ｌ₃までの炭素量は極
めて高く、距離Ｌ₃〜距離Ｌ₄まで炭素量が高く、しか
も距離Ｌ₄は実施例１より大きい。本実施例によって
も、表面部は高炭素であり、耐摩耗性と靱性が得られ
る。更に、実施例１と同様に焼入れ・焼戻しを施した鋳
鋼品断面の硬度分布を図９に示す。図から明らかなよう
に、硬化深さは約５ｍｍと深く、より長寿命な耐摩耗性
が得られる。また、アルミナ粉末は溶湯との反応が極め
て少ないので、鋳鋼品表面も良好である。本実施例の応
用例として、アルミナ粉末の代わりに、アルミニウム粉
末と酸化剤との混合物を使用しても良い。この場合は、
注入される溶湯の熱により、アルミニウム粉末と酸化剤
との酸化反応により発熱し、溶湯表面の保温性を向上す
るとともに、反応により生成するアルミナが上記実施例
と同様に作用すると推察され、同様な効果が得られる。

【００１８】以上、本発明に係る実施例を詳述したが、
実施例に限定されるものではない。表面硬化材は、黒鉛
粉末単味、あるいはタングステン炭化物、チタン炭化
物、ホウ素炭化物、クロム炭化物、バナジウム炭化物、
シリコン炭化物、モリブデン炭化物より選ばれる炭化物
と黒鉛粉末との混合物、さらには金属粉等を添加したも
のでよい。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。鋳
型表面の近傍に黒鉛粉末を含む表面硬化材部を形成し、
注入される鋳鋼溶湯を注入することで、黒鉛粉末は溶け
込みつつ急速に溶湯内部に拡散し、鋳鋼品表面が高炭素
となると共に、炭化物等は一部溶湯に固溶しつつも内部
に拡散し硬質粒子として分散するので、高硬度で良好な
耐摩耗性を有するとともに、靱性も兼ね備えた鋳鋼品が
得られる。表面硬化材部の形成方法により、鋳鋼品の表
面硬化深さが必要に応じてえられ、硬化深さを大きくす
る場合は、高負荷使用のもとで長寿命が要求される耐摩
耗部品にも対応可能である。また、表面硬化材を鋳型表
面に塗布するだけでも表面硬化材部が得られ、安価に表
面硬化部品が得られる。さらに、必要に応じた表面硬化
熱処理を施すことで、より高硬度な鋳鋼品が得られる。
表面硬化材部にアルミナ粉を含有させることで、鋳鋼表
面品質の向上も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る適用例である掘削機械のバケット
の主要部の斜視図である。

【図２】図１のツースの断面図である。

【図３】実施例１に係る鋳型の断面を説明する図であ
る。

【図４】実施例１に係る鋳鋼品表面からの炭素量変化を
表す図である。

【図５】実施例１に係る鋳鋼品断面の硬度分布を表す図
である。

【図６】実施例１に係る鋳鋼品断面の表面部の組織を示
す図である。

【図７】実施例２に係る造型工程の鋳型の断面を説明す
る図である。

【図８】実施例２に係る鋳鋼品表面からの炭素量変化を
表す図である。

【図９】実施例２に係る鋳鋼品断面の硬度分布を表す図
である。

【符号の説明】

５ツース、１１、１２鋳型、１３空隙部、１５、
２２表面硬化材部、２１鋳造用模型。

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【手続補正書】

【提出日】平成６年６月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】実施例１に係る鋳鋼品断面の表面部の
組織を示す図に代わる顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶湯注入時に前記溶湯へ拡散する黒鉛粉
末からなることを特徴とする鋳鋼品の表面硬化材。
【請求項２】前記黒鉛粉末は、黒鉛粉末と、炭化物と
金属粉末とより選ばれる少なくとも一と、からなる混合
物であることを特徴とする請求項１記載の鋳鋼品の表面
硬化材。
【請求項３】溶湯と接する鋳型内面の表面部に黒鉛粉
末からなる表面硬化材を有することを特徴とする鋳鋼品
の鋳型。
【請求項４】前記表面硬化材は、炭化物と金属粉末と
より選ばれる少なくとも一と、黒鉛粉末とからなること
を特徴とする請求項３記載の鋳鋼品の鋳型。
【請求項５】黒鉛粉末を含有した表面硬化材を作製
し、前記表面硬化材を含む表面硬化材部を鋳型内面の表
面部に形成し、前記鋳型に溶湯を注入し、前記溶湯に前
記表面硬化材を拡散させ、凝固させたことを特徴とする
鋳鋼品の表面硬化方法。
【請求項６】前記表面硬化材は、黒鉛粉末と炭化物と
の混合物であることを特徴とする請求項５記載の鋳鋼品
の表面硬化方法。
【請求項７】前記炭化物は、タングステン炭化物、チ
タン炭化物、ホウ素炭化物、クロム炭化物、バナジウム
炭化物、シリコン炭化物、モリブデン炭化物より選ばれ
る少なくとも一の炭化物であることを特徴とする請求項
６記載の鋳鋼品の表面硬化方法。
【請求項８】前記凝固後、表面硬化熱処理を施したこ
とを特徴とする請求項５〜７いずれか１項に記載の鋳鋼
品の表面硬化方法。
【請求項９】少なくとも黒鉛粉末を含む表面硬化材に
溶剤を加え溶液とし、前記溶液を鋳型内面の表面に塗布
後、乾燥してなる表面硬化材部を形成し、前記鋳型に溶
湯を注入し、前記溶湯に前記表面硬化材を拡散させ、凝
固させたことを特徴とする鋳鋼品の表面硬化方法。
【請求項１０】少なくとも黒鉛粉末を含む表面硬化材
に、鋳物砂と水ガラスとを加えて水ガラス混合物とし、
鋳型内面の表面部に前記水ガラス混合物からなる表面硬
化材部を形成し、前記鋳型に溶湯を注入し、前記溶湯に
前記表面硬化材を拡散させ、凝固させたことを特徴とす
る鋳鋼品の表面硬化方法。
【請求項１１】前記水ガラス混合物は、前記表面硬化
材、鋳物砂、水ガラスと高融点無機材とからなることを
特徴とする請求項１０記載の鋳鋼品の表面硬化方法。
【請求項１２】前記高融点無機材は、アルミナ粉末で
あることを特徴とする請求項１１記載の鋳鋼品の表面硬
化方法。
【請求項１３】前記高融点無機材は、アルミニウム粉
末と酸化剤とからなることを特徴とする請求項１１記載
の鋳鋼品の表面硬化方法。