JPS6089504A - 耐摩耗複合材の被覆方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、耐摩耗複合材の被覆方法、詳しくはプラスチ
ック加工機のシリンダおよび工作機械の摺動部などの耐
摩耗性を必要とする機械部品に適する耐摩耗複合材の被
覆方法に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

従来、金属材料の表面に耐摩耗複合材の被覆方法として
、肉盛、溶射、遠心鋳造法が知られている。

肉盛は、著しい耐摩耗性を有するＷＣ粒子と自溶性合金
の複合体の溶接棒を酸素アセチレン溶接によって鋼材の
表面に溶接する方法である。

しかし、この肉盛は、イ）作業が複雑で熟練を必要とし
非能率的であり、Ｕ）シリンダ等長さ／径（以下Ｌ／Ｄ
という）の大きな内径部に適用できず、ハ）溶接（肉盛
）中に割れを生じやすく。

二）被覆面が平滑でなく、研磨加工の加工費が大となり
、ホ）ＷＣの含有量は１０〜２０饅までで多くできない
ため、耐摩耗性が劣ｐＷＣ量を多くすると割れを生じや
すくなる等の欠点がある。

溶射は、自溶性合金の粉末とＷＣ粉末の混合粉をｅ８ア
セチレンの燃焼によシ溶融噴射することによって鋼材の
表面に耐摩耗性の被覆を行い、その後１０００〜１１０
０℃で被覆の再溶融処理を行い鋼材との密着性を高める
ものである。

しかし、この溶射は、イ〕シリンダ等のＬ／Ｄの大きな
内径部には適用不可能であシ、口）作業に熟練を要し、
ハ）再溶融処理の温度管理を肉眼で行っているので品質
にばらつきを生じやすい等の欠点がある。

遠心鋳造法は、ＷＣ粉末を含有する自溶性合金を溶融し
、回転するシリンダ内に遠心力を用いて被覆するもので
ある。しかし、この遠心鋳造法は、イ）シリンダ形状の
内径のみに適用でき、平面、外径部へは適用できず、口
】第１図に示すように、シリンダ１０の内径部であって
も段差１２のあるものや、第２図に示す開口部１４のあ
るもの、第６図に示す多軸シ１ノンダ１６には適用でき
ず、ノ１）薄肉の被覆ができない等の欠点がある。

〔発明の目的〕

それ故、本発明の一般的な目的は、先に述べた多くの欠
点を除去し、あらゆる形状の部材に耐摩耗複合材の所望
の厚さの被覆を可能とし、被覆層中に耐摩耗性のすぐれ
るセラミックスを約７０９６含有させることができ、分
布も均一となる極めて優れた特性を有する耐摩耗複合材
の被覆方法を提供するにある。

〔発明の要点〕

この目的を達成するため、本発明に係る耐摩耗複合材の
被覆方法において、金属粉末およびセラミックス粉末を
それぞれ有機バインダーに混合してスラリー状にし、こ
れを金属材料の表面に交互に付着を繰返して所定厚の多
重層を形成した後、加熱して有機バインダー成分を分解
燃焼によシ完全に除去し、次いで真空中または無酸化雰
囲気中にて加熱して金属粉末の層とセラミックス層とが
焼結して均一な複合体層を生成すると同時に金属材料の
表面と拡散層を介して一体的に結合した均一被覆層を形
成せしめることを特徴とする。

金属とセラミックスの複合層を形成させる場合の原料の
付着の方法として、金属粉末とセラミックス粉末とをあ
らかじめ混合し、それに有機バインダーを加えスラリー
とした混合スラリーを、金属材料に付着させる方法も考
えられるが、この方法では、焼結して得られた複合層に
亀裂を生じ、平滑な面の複合層を得ることができず、ま
た、この方法によれば、複合層中の耐摩耗性粒子として
のセラミックスの含有量を多くすると焼結が不完全とな
り、複合層の強度が低下し、実用上は、４０慢以上の含
有は不可能で、得られた複合層の耐摩耗性にも限界があ
ったＯ 本発明は、金属粉末とセラミックス粉末のスラリーを交
互に多重層に付着させる方法によって、そのような欠点
を解決することができ、従って本発明の方法によれば亀
裂のない平滑な複合層が得られ、セラミックスの含有量
も７０ｉ＃まで高めることができる。

本発明における金属粉末には次のものを用いる。粒度は
１５０メツシュ以上のものであって、（１）　Ｎｉ基自
溶性合金　（Ｃｒ　Ｏ〜２０％、８１．０〜５．０％、
Ｓ＋１．Ｓ〜５．０俤、Ｃ１，１≠以下−、Ｆｅ５カ以
下、残部Ｎｌ　）（２１Ｃｏ基自溶性合金（ＣｒＱ　〜
２４％、Ｂ１．０〜５．０％、　Ｓｉ　１．５〜５．０
％、Ｃ１，５％以下、Ｆｅ５％以下、ＮｉＯ〜３ｏ％。

残部Ｃｏ） （１１、（２１の自溶性合金を用いた理由は、融点が９
００〜１１００℃と比較的低く、焼結中の流れ、ダレに
よる変形が小さいこと、耐摩耗性、耐食性が優れている
ことである。この耐摩耗性は、合金成分の化合物の主と
して硼化クロム、炭化クロムによる。硼化り四ム（Ｃｒ
Ｂ２）の硬度はＨＶ２１００、炭化クロム硬度はＨｖ１
４００である。

セラミックス粉末としては、ＷＣ，ＶＣ％ＴｉＢ２゜Ｍ
ｏＢ　、　ＴｉＮ　、　ＺｒＮ等、Ｎｉ基自溶性合金お
よびＣＯ基自溶性合金の溶融体と濡れ性の良いものを用
いる。これらセラミックスの硬度は、１（ｖ１５００〜
６４００であシ優れた耐摩耗性を有する。

有機バインダーとしては、天然または合成の高分子化合
物を水または揮発性溶剤に溶解した粘性溶液で、金属材
料の表面にスラリーを付着させる際に、粉末粒子間およ
び粉末粒子と金属材料の間の接着剤の役目を果す・高分
子化合物はなるべく低い温度で完全に分解燃焼するもの
が良い。有機バインダー中の水または揮発性溶剤に対す
る高分子化合物の混合割合は約１〜２０重量％であり、
耐摩耗材の粉末と有機バインダーの混合比によって、ス
ラリーの粘度が変り、混合比が一定の場合、粉末の粒度
によってスラリーの粘度が異なる。耐摩耗材の粉末に対
する有機バインダーの混合比は約０．１〜５重量％が好
ましい。本発明の方法は、上記金属粉末またはセラミッ
クス粉末を有機バインダー中に分散させ、第４図に示す
ように多重層として付着させることにある。高分子化合
物および溶剤の混合割合の好適な例は、ポリエステルウ
レタン（８％）／メチルエチルケトン（９２％）、ポリ
アクリル酸メチル（１３，５％）／トルエン（８６，５
％）、ポリビニルアルコール（６％）／水（９７％）が
挙げられる・ 多重層状に付着させる方法は、塗布、浸漬、吹付などの
方法によシ、第４図（１１、（２）または（６）。

（４）に示すように、母材１８の表面上にセラミックス
スラリー２０と金属粉末スラリー２２とを交互に付着を
繰返して多重層とする。スラ１７−を付着させる方法は
、上記以外の方法によってもかまわない。

金属材料の表面にスラリーを付着後の乾燥は、乾燥が不
充分のまま、次の大気中での加熱を実施すると、付着層
の溶剤が急激に蒸発し、耐摩耗材の付着層に脹れ、亀裂
を生成するので、室内温度で自然乾燥が好ましい。

乾燥スラリー層の加熱は、耐摩耗材の結合剤として用い
た有機バインダーの高分子化合物成分を酸素と反応させ
、分解燃焼してガス化させるために行う。高分子化合物
が分解せず残ると真空炉、ガス雰囲気炉を汚染し、また
耐摩耗被覆層中に空孔を形成する原因となる。加熱温度
は、高分子化合物が分解燃焼する温度で、約６００〜７
５０℃である。

真空中、無酸化雰囲気中での加熱は、金属粉末トセラミ
ックス粉末の焼結が目的であって。

用いた自溶性合金の融点よシ５０〜２００”Ｃ高い温度
、すなわち約１０００〜１６００℃にて実施される◎自
溶性合金およびセラーミックスの粉末が酸化、脱炭素さ
れないようにするため、真空中または無酸化雰囲気中に
て実施される。この温度で自Ｍ性合金が溶解し、ＷＣ層
に浸透して両者の間に液相焼結が行われる結果、自溶性
合金をマトリックスとし、その中に耐摩耗性に優れたセ
ラミックス粉末が多量かつ均一に分散分布した複合層が
形成される。多重層に形成されたスラリー相は、この段
階で一つの複合層として形成され、かつこの複合層と金
属材料（母材）との間には拡散層が生成し密着強度の優
れた被覆層が得られる。

〔発明の実施例〕

次に、実施例によシ本発明を具体的に説明する。

実施例において使用される自溶性合金及び有機バインダ
ーの組成を下記に一括して表示する。

実施例１ 平均粒径１０μのタング狐テンカーノ（イド（ｗｃ）の
粉末１００１と１２１ｕの有機ノくインダー（Ｂ−１）
とを混合しスラリーとした。このスラリーを外径４０關
、長さ５００ｍＲのｍｔｂ部材（８０Ｍ４３５）の外周
の一部に、塗装ガンにて吹付は約１關の厚さに付着させ
た。次いで自溶性合金（Ｎｉ−２）の粒度２５０メツシ
ユ以下の粉末１５０ｙと２０１ｎｌ！の有機ノくインタ
゛−（Ｂ−１３とを混合してスラリーとし、このスラリ
ーを上記のＷＣ層の上に塗装ガンにて吹付けし約１．４
順の厚さに付着させた。これを約１４時間自然乾燥させ
１次いで大気中で４００℃に３０分間保持してポリエス
テルウレタン樹脂を完全に分解燃焼後、真空中で１０５
（１１に１時１司加熱した後炉冷し２００℃以下で炉出
し室ｍまで空冷した。

得られた被覆層は、その断面を顕微鏡写真で観察したと
ころ、第８図および第９図に示すように、ＮＩ固溶体２
６のマトリックス中にＷＣの粒子２４が均一に分散分布
し、層厚さは’Ｉ、　ｕ＋であり、硬さは１ｌｖ７５０
〜１３００であった。

また、母材３０の表面との間に形成された拡散層２８ａ
２５μであった。この時の被覆層のＷＣの含有量は約６
５重量％であった。

実施例２ 実施例１においてＷＣのスラリーと自溶性合金のスラリ
ーの吹付順序を逆にした以外は同様に処理した。被覆層
の厚さは約１鰭、ＷＣの含有量は６２％、拡散層は約６
０μ、被覆層の硬さはＨｖ７３０〜１２８０であった。

ＷＣの分布状態も実施例１のものと全く同様であった。

実施例３ 粒度２５０メツシユ以下の自溶性合金（Ｎｉ−１）の粉
末１．５９を２２０ｄの有機バインダー（Ｂ−２）に混
合してスラリーとした。このスラリーを第５図および第
６図に示すプラスチック押出機用のシリンダ（長さ１８
０１１１１．内径５０朋）の内面３４に長着塗装ガンで
吹付けし約１．５酩の厚さに付着させた。次いで、粒度
２５０メツシ二以下のＷＣ粉末１．０卒を１５０Ｍの有
機バインダー（Ｂ−２）に混合してスラリーとし、この
スラリーを上記のようにして自溶性合金の層の上りこ約
１．Ｑｍｘの厚さに付着させた。これを実施例１と全く
同一の方法で焼結した。得られた被覆層の厚さは１．２
門、ＷＣの含有量５９重量％、拡散層は約３０μ、被覆
層の硬さはＨｖ７ｏｏ〜１２５０であった。

実施例４ 平均粒径乙μのＷＣの粉末８００Ｆを９０ｍの有機バイ
ンダー（Ｂ−２）に混合しスラリーとした。次に粒度２
５０メツシユ以下の自溶性合金（Ｃｏ　−１）＋７）粉
末１２００９　を１８０＃＋ｊＯ有機バインダー（Ｈ−
２）に混合しスラリーとした。先ず、ＷＣのスラリーを
第７図に示す片側を蓋体６６で閉じたプラスチック成形
機用のシリンダ３８　［８０Ｍ４３５Ｊ　（長さ６５０
關、内径２８關）の内部４０に注入し、内面全体にスラ
リーが付着した後、シリンダからスラリーを流し出して
内面に付着したスラリーを乾燥させた。その後またＷＣ
のスラリーをシリンダ内に注入し、流し出して乾燥した
。この操作を繰返し内面に約０．８皿の付着層を形成し
た。その後、自溶性合金のスラリーを注入、流出、乾燥
を繰返してＷＣ層の上に約１．２間の自溶性合金層を形
成させた。これを実施例１と全く同一の方法で焼結した
。被覆層の厚さは１．０朋、ＷＣの含有量は７０重量％
、拡散層は約２０μ、複合層の硬さはＨＶ７００〜１２
００であった。

婁施例５ 平均粒径１０μのＷＣ粉末５００ノを６０ゴの有機バイ
ンダー（Ｂ−１）に混合しスラリーとした。別に、粒度
２５０メツシユ以下の自溶性合金（Ｎｉ−３）の粉末５
００ノを８０ｍの有機バインダー（Ｂ−３）に混合しス
ラリーとした・先ず、ＷＣのスラリーを長さ２００闘、
幅９０ｍ＋１１、厚さ６罷の摺動部材の片面に約１１１
Ｉｘの厚さに塗布し、次いで自溶性合金のスラリーをそ
の上に約１．５關の厚さに塗布し約１４時間自然乾燥さ
せ、その後こ几を実施例１と全く同様の方法で焼結した
。得られた被覆層の厚さは１．０絹、ＷＣの含有量は６
６重量％、拡散層は約２０μ、被覆層の硬さはＨｖ　７
５０〜１２００であった。

実施例６ 実施例１で得られた複合材被覆の耐摩耗性と、従来公知
の超硬合金、窒化鋼に窒化したもの、実施例１と同じ自
溶性合金（Ｎｉ−２）とＷＣとの混合粉を溶射により形
成した複合材被覆との比較を大越式迅速摩耗試験機によ
り測定した結果を第１０図に示す。なお、耐摩耗試験の
相手材は５ＫＤｉ１　（ＨＲＣ５５）で、試験条件は、
摩耗距離６００ｍ、押付荷重１８．９今によって行った
。第１０図中の比摩耗量は摩擦距離１關、押付荷重’ｌ
−ｆ当りの摩耗量のことである。

第１０図に示されるように、本発明に係る複合材の被覆
層は、他のいずれの方法の硬化ノーと比較しても優れた
耐摩耗性を有することがわかる。

本発明によると、平面部、円筒の外径部、内径部とを問
わず金属材料の表面に平滑でかつ任意の厚さの耐摩耗複
合材の被覆層を容易かつ熟練を必要とせずに形成でき、
また複合材被覆層中のＷＣなどのセラミックスの含有量
を約７０％の多量を可能とし、耐摩耗性の優れた複合材
の被覆層が提供される。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、この
発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の変化をな
し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は遠心鋳造による内径部の被覆のできない段差の
あるシリンダ断面図、第２図は同じく開口部のあるシリ
ンダ断面図、第３図は同じく多軸シリンダの断面斜視図
、第４図（１）〜（４）は本発明のスラリー付着工程に
おける金属粉末スラリーとセラミックス粉末スラリーの
多重層付着状態を示す説明図、−第５図は杢発明の実施
例３に適用されたプラスチック押出機のシリンダの横断
面図、第６図は第５図のＶＴ−Ｖｌ線断面図、第７図は
本発明の実施例４に適用されたプラスチック成形機用の
シリンダ（８０Ｍ４３５）に蓋体を設けた状態を示す断
面図、第８図は本発明の実施例１の被覆層断面の顕微鏡
写真（Ｘ４００）並びにその説明図、第９図は同じ顕微
鏡写真（Ｘ２００）並びにその説明図、　第１０図は実
施例１の被覆層並びに比較資料として超硬合金、窒化鋼
に窒化処理したもの、実施例１と同じ組成物を溶射法で
被覆したものの摩耗試験結果を示すグラフである。 １０・・・シリンダ　１２・・・段　差１４・・・開　
口　部　１６・・・２軸シリンダ１８・・・母　材 ２０・・・セラミックススラリー ２２・・・金属粉末スラリー ２４・・・炭化タングステン粒子 ２６・・・Ｎｉ固溶体　２８・・・拡　散　層６０・・
・母　材　６２・・・２軸シリンダ３４・・・内　面　
３６・・・蓋　体 ３８・・・シリンダ　４０・・・内　部Ｆ”１０．１ １０ ［１Ｇ、、３ 「”ｌＧ５４ （２） 、３４ ＦＩＧ、６ ２ 「１０７ Ｂ ：ＩＣ３，８ に４０（） Ｆ“’ＩＯ，９ 手続補正書彷力 ＩＩ訓５９年２月８日 特許庁長官　若杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５８年特許願第１９６１６６号 ２、発明の名称 耐摩耗複合材の被覆方法 ３、？ｉＩｉ正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　東京都中央区銀座４丁目２番１１号名称（３４５
）東芝機械株式会社 イ懺者飯村　相離 ４、代理人 ６、補正の対象 特願昭５８−１９６１６６号 補正官− １、明細書第１８頁第２〜５行 ［第８図は・・・・・・説明図、」を 「第８図は本発明の実施例１の被ＥＮの結晶構造の断面
の顕微鏡写真（Ｘ４００）並びにその説明図、第９図は
第８図と同し被ＮＮの結晶構造の断面の顕微鏡写真（ｘ
　２００　）並びにその説明図、」と補正します。 特許出願人　東芝機械株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）金属粉末およびセラミックス粉末をそれぞれ有機
   バインダーに混合してスラリー状にし、これを金属材料
   の表面に交互に付着を繰返して所定厚の多重層を形成し
   た後、加熱して有機バインダー成分を分解燃焼によ）完
   全に除去し、次いで真空中または無酸化雰囲気中にて加
   熱して金属粉末層とセラミックス層とが焼結して均一な
   複合体層を生成すると同時に金属材料の表面と拡散層を
   介して一体的に結合した均一被覆層を形成することを特
   徴とする耐摩耗複合材の被覆方法。 （２）金属粉末がＮｉ基自溶性合金粉末またはＣＯ基自
   溶性合金粉末であること全特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の耐摩耗複合材の被覆方法。 （６）　セラミックス粉末がＷＣ，ＶＣ等の金属炭化物
   、Ｔ　ＩＢ２　、　Ｍｏ８　等ノ金８　硼化物、ＴｉＮ
   　。 Ｚｒ、Ｎ等の金属窒化やまたはこれらの混合物より成る
   群から選択される粉末であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の耐摩耗複合材の被覆方法。 （４）有機バインダーが天然または合成の高分子物質の
   水または揮発性有機溶剤の溶液から成ることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗複合材の被覆方法
   。