JPS62227072A - 高強度部材およびその製造法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表層は強硬度で内部の基材は高靭性である高
強度部材およびその製造法に関する。

〔従来技術およびその問題点〕

一般に構造部材の場合、部品全体がある特定の性質を必
要とするのではなく、全体は比較的安価な材料で構成し
、必要とする表面の特定部分に特殊な性質を要求する使
用法が多い。例えば、切削工具の場合では、切削部分が
硬質で他の部分は切削荷重で変形、破損等の生じない材
料であれば十分である。このように、部品が大型になる
ほど、特定の特性を要する部分の割合が少なくなること
が多い。このような部品では、２Ｎ１以上の特性を有す
る材料の複合構造とすることが、性能２価格のうえで有
利になる。また、構成材料は、その生産性、加工性のう
えから、基材部は一般構造材が望ましい。

従来の強度部材は、特開昭６０−１２４２４号公報に記
載のように、高炭素−高クロム鋳鉄あるいはこれと自溶
性合金を混合した粉末を基材表面にプラズマ溶射したも
のが知られている。また、高炭素−高クロム鋳鉄と、Ｃ
ｕ合金をプラズマ溶射した強度部材が、特開昭６０−１
２４２５号公報に記載されている。しかし、この強度部
材の製造の際のプラズマ溶射は、いずれの場合も、大気
中で行ねれるものである。さらに、プラズマ溶射後、何
ら熱処理、塑性加工が施されていない。そのため、基材
と表層との密着状態が悪いという問題があった。

また、表層となる被膜中にプラズマ溶射中に酸素が混入
するため、個々の粉末粒子の積層間の密着強度が低かっ
た。

次に、基材の表面に硬質な被膜を形成する方法に関して
は、例えば特開昭５７−５９５５２号公報がある。これ
は、金属ハロゲン化物と、炭素、硼素または珪素からな
る硬質金属合金析出層を形成するのであるが、この方式
はＣＶＤ法であるので、その析出層は結晶粒界はあるが
、単−相となる。したがって、基材と表層との間の物性
の差により処理歪が発生し、密着強度あるいは析出層の
靭性が低いという問題があった。また、金属ハロゲン化
物の熱分解を利用する方法であるため、ハロゲン化ガス
の後処理、金属ハロゲン化物の製造価格等の点から、単
位面積当りの処理費用が高くなる等により、適用部品が
狭く、制約される問題があった。

一方、高硬度の溶解材料としては、例えば耐摩耗切削用
工具鋼として、特開昭５７−１７０６９号公報がある。

この合金系の耐摩耗性は、ＭＣ系炭化物が多くなるほど
改善される。そこで、耐摩耗性を増やすため、■を多く
することが一般的に行われるが、そうすると溶解温度が
高くなり、製造が芝しくなる。また、ＭＣ系炭化物の比
重が溶液よりも軽いので、溶解時に上部に集まり、均一
にならなくなる傾向がある。また、溶解温度が高くなる
と、炭化物が大きく成長して晶出するので、靭性が低下
するとともに１機械加工性が低下する傾向がある。した
がって、溶解法では成分の範囲が、製品の特性からでは
なく作業上の制約条件から決まることになり、材料設計
範囲が狭くなっている。

本発明の目的は、耐高荷重性、耐高衝撃荷重性。

耐摩耗性、耐高温摩耗性の優れた鉄鋼−金属間化合物系
表面層のある高強度部材を提供することにある。

他の目的は、塑性加工性９機械加工性に富み、硬質で耐
摩耗性、耐焼付き性の優れた高強度部材の製造法を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明に係
る高強度部材は、鉄系合金の基材表面にＣｒ及びＶを含
む合金鋼よりなる溶射層が形成され、この溶射層は炭化
物と窒化物と硼化物の少なくとも１つを含み且つ溶射層
と前記基材との境界に相互拡散層を有することを特徴と
する。このようにすることにより、基材の性質と表層の
性質との相乗効果により耐摩耗性を高めるとともに。

耐高荷重性、耐高衝撃荷重性を高めたものである。

また９本発明を鉄系合金の基材表面に減圧雰囲気中でＣ
ｒ及びＶを含む合金鋼をプラズマ溶射して表層を形成し
たのち、浸炭、窒化及び硼化のいずれか１つの雰囲気中
で熱処理を施し且つ該熱処理により表層と基材との境界
を相互拡散させることを特徴とする。これにより、塑性
加工性９機械加工性に富み、耐摩耗性に優れた高強度部
材を容易に製造することができるようにしたものである
。

〔発明の実施例〕

本発明に係る高強度部材は、内部が高靭性の基材で１表
層が硬質材の被膜よりなる。高靭性の基材としては、生
産性、加工性を高めるため、一般の構造材が望ましい。

本実施例では、鉄系の基材を用いた。表面は耐摩耗性を
高めるため、硬質材よりなるが、その種類は使用目的に
合わせて適宜選定する。通常は、この表層は、Ｃｒ：１
〜４５％、Ｖ：０．３〜３０％、Ｍｏ：３０％以下、Ｗ
：４０％以下、Ｎｂ：１５％以下、Ｔｉ　：１５％以下
、Ｚｒ：１５％以下の少なくとも一成分を含み、残りが
鉄系成分であれば、充分な耐摩耗性を発揮しうる。そし
て、基材と表層との境界が熱処理による相互拡散層とさ
れ、これにより内部の基材と表層の性質とが相乗効果を
もって発揮されるようになっている。

次に１表層の上記各構成成分の限定理由について説明す
る。Ｃｒは炭化物を形成するとともに、基地の熱処理性
を改善し、耐摩耗性、耐荷重性を良好にするとともに、
比重も基地の鉄鋼よりも低く、価格のうえでも有利な成
分である。その効果は、他の成分との共存にもよるが、
１％未満では不十分であるａ　Ｃｒ量の増加とともに硬
化能が増大するが、４５％を越えると作業性が極めて低
下し１表面層内に気孔が形成され、脆くなるので上限と
した。

■は炭化物を形成するとともに、基地の結晶粒を微細化
し強靭化するので、極めて有効な成分である。この炭化
物は極めて硬い。結晶粒の微細化および窒化による硬化
に対しては微量でも効果があるが、本発明のような高合
金鋼系になると、０．３　　％以上で顕著な効果が現わ
れる。Ｖ量の増加とともに炭化物量が増え、耐摩耗性も
増大し。

３０％程度で飽和するので、上限を３０％とした。

また、同族の元素にＮｂ、Ｔａがあり、炭化物。

窒化物、炭窒化物を形成して硬化させ、耐摩耗性を上げ
るのに効果がある。拡散硬化熱処理に対しては、微量で
効果がみられるが、いずれも１５％で飽和する。

次に、ＭｏおよびＷは、ＭｅＣおよびＭＣ型の炭化物を
形成し、耐摩耗性を向上させるゆこれらの元素の添加量
が大きくなるほど炭化物の量も増え、耐摩耗性も改善さ
せるが、それぞれ３０％および４０％で飽和する傾向が
ある。

次に、炭化物あるいは窒化物形成元素として。

４Ａ族のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆがあり、硬化に対し有効な成
分である。硬化に対しては添加量が多いほどよいのであ
るが、１５％以上になると作業性が低下し、脆性化する
傾向にあり、上限とした。

なお、炭素は上述の炭化物形成元素と密接な関係がある
。炭化物形成元素の添加量が多くなるほど炭素量も増加
できる。本発明の下限値は、基材によって変わるが、−
膜構造材を対象とするので、０．１％である。この量以
下では、複合材としての効果が顕著でない。炭素量を多
くするほど、炭化物の晶出量が多くなり、硬化するが、
６％以上になると作業性が低下し、表面層に気孔が発生
し、脆性化させるので、この値を上限とするのが望まし
い。その他、鉄鋼の必須成分として、Ｓｉ。

Ｍｎも含まれている。

本発明において、表層の表面から内、部に向って炭素、
窒素または硼素の少なくとも一成分が表面側が大となる
濃度勾配をもって拡散されている。

これにより、表層はより一層耐摩耗性が向上し、内部に
向って連続的に硬度が低下するため、靭性が徐々に現わ
れ、全体として耐摩耗性かつ高靭性の高強度部材となる
。

次に１本発明に係る高強度部材の製造法について説明す
る。基材表面に減圧雰囲気中で硬質材をプラズマ溶射し
て表層を形成しく５０μｍ以上が望ましい）、その後、
熱処理を施して表層と基材との境界を相互拡散させる。

すなわち、このプラズマ溶射法で行う場合、従来のよう
に大気中で作業を行うと、溶射される粉末は、熱源で加
熱された状態で大気中から混入する酸素あるいは窒素ガ
スと反応する。この反応生成物は、溶融温度が高いので
、基材に密着する前に凝固するか、凝固温度に近い状態
になる。このような条件で被膜が形成されると、被膜内
は用いた粉末が密着時の衝撃で偏平して積層し、そのＭ
層粒子間に気孔や酸化物等不必要な欠陥を含んだ層にな
る。したがって、膜は極めて脆弱になる。これを防止す
るために、減圧雰囲気中でのプラズマ溶射を行った。こ
れによれば、密着時の個々の粒子間の不必要な酸化膜や
気孔は形成されない。しかし、この状態では、被膜内の
個々の粒子間および基材と被膜間での相互拡散が不十分
で１機械的強度が低い。そこで。

熱処理を施して表層と基材との境界を相互拡散させ、高
強度かつ高靭性となるようにした。この熱処理として、
浸炭、窒化、硼化等の少なくとも１つの雰囲気中で熱処
理を行えば１粒子間および被膜と基材間での原子の相互
拡散をより一層確実に。

また迅速に行わせることができるとともに、雰囲気から
の原子の拡散によって偏平して密着している粒子間の不
純物の除去と被膜を硬質化させる金属間化合物を微細、
に析出させることができる。この場合、必要に応じて熱
処理前に塑性加工を加えることも有効である。その際の
加工率は、断面減少率で３０％以上で効果が顕著になる
。

なお、金属間化合物である炭化物を多くするために炭素
の添加量を多くすると、材料を溶解する温度が高くなり
、さらに炭化物が粗大に成長する。

そのために、均一な素材を効果よく作製することが困難
となる。この解決策として、素材の状態ではある程度炭
素量を制約し、その組織は炭化物。

窒化物、硼化物形成の自由エネルギーの低い元素を多く
しておき、素材を部品に成形加工したのち、炭素、窒素
、硼素の少なくとも一成分を表面から拡散させて、これ
らの金属間化合物を析出させる方法が望ましい。

なお、プラズマ溶射後の表層は、自然に急冷されるが、
この急冷される効果は、これにより過飽和固溶体相が多
くなるので、その後の熱処理での金属間化合物が微細で
、速く析出する。熱処理後は、焼入れ一焼戻し工程で高
硬度で強靭イＬする。

また、析出物の量は構成成分、熱処理の温度、拡散させ
る原子の量およびその比率で制御できる。

失直匹 本発明の一実施例を第１表により説明する。第１表に示
す成分の合金鋼（硬質材）を溶解し、真空アトマイジン
グ法で１０〜４４μｍの粉末を作製した。この粉末を８
４５Ｃの基材表面に約０．３Ｉ厚さに、減圧雰囲気中で
プラズマ溶射した。雰囲気は５０ＴｏｒｒのＡｒガスで
ある。プラズマはＡ　ｒ　＋　Ｈｚガスで、プラズマ電
流は８００Ａである。その後、被処理品をプラズマ浸炭
した。浸炭条件は１０００℃、２０ｍ１ｎである。浸炭
ガスはＣＨａである。その表面の観察による判定結果は
、第１表の作業性の項に示したようである。表中の○印
は被膜が均質、平滑で構造部材として適用できるもので
あり、ｘ印は表面が多孔質となり脆弱で構造材表面とし
て不適当なものである。

次に、第１図に代表例として試料Ａの断面の顕微鏡によ
る金属組織を示した。炭素量が高いにもかかわらず、極
めて微細な組織になっている。なお、硬さは最表面で１
２００〜１３００　Ｈｖであり、基材との境界付近の表
面層側で８５０　Ｈｖであった。第２図は、プラズマ溶
射した段階の同金属組織を示す。参考までに、従来の溶
解法で作製した試料も浸炭した。溶解法では、作業性等
の上でＣｒ、Ｃに制約があり、同一成分の加工は困難で
あった。そこで、現在、高炭素−高クロム鋼である５Ｋ
Ｄｚ（２％Ｃ−１３％Ｃｒ）を比較材として用いた。第
３図は、この５ＫＤＩを同一条件で浸炭、窒化した断面
の顕微鏡による金属組織である。図中の白色にａｍでき
る相が、炭窒化物である。本発明の組織に比較して炭窒
化物が粗大化し、不均一になっている。これに対し、本
発明鋼は。

第１図に示したように、極めて均一で微細化している。

また、５ＫＤｌの硬さは８３０　Ｈｖ程度で、浸炭、窒
化の効果がほとんどない。次に、第４図は、摩耗試験結
果を示したものである。摺動の相手材は、硬さ８４０　
Ｈｖのロール材を用い、タービン油による潤滑条件で試
験した。荷重は１００聴・ｆ／ｄで、繰返し数は１００
００回である。比較材は５ＫＤ１である。図に示すよう
に、本発明材はほとんど摩耗が発生せず、耐摩耗性が優
れていることがわかる。

また、プラズマ溶射後、表面層に塑性加工を加え、同様
の処理をした。その結果、耐摩耗性は不変であるが、顕
微鏡組織をｗｉ察すると、塑性加工なしでわずかにみら
れた気孔がほとんど消失しており、靭性が改善のうえで
効果が大きいことがわかった。

次に、同一試料を用い、５５０℃、５時間の窒化熱処理
を行った。硬さは最表面層で１３００〜１５００Ｈｖで
、浸炭、窒化よりも硬化していた。

耐摩耗性は第４図と同様、摩耗はほとんどみられなかっ
た。

第　　１　　表 〔発明の効果〕 本発明によれば、内部の基材は高靭性であり、表層は硬
質材であり１両者の境界は相互拡散層であるため、基材
と表層の両性質の相乗効果により耐摩耗性、耐高温摩耗
性が高いとともに、耐高荷重性、耐高衝撃荷重性の高い
高強度部材となる。

また、本発明の製造法によれば、減圧雰囲気中でプラズ
マ溶射するため、表層中に酸化物や窒化物の混入しない
微細な均一組織よりなる塑性加工性２機械加工性に優れ
た高強度部材を容易に製造することができる。

すなわち、本発明によれば、従来の溶解法や焼結法とは
異なって、製品の内部は靭性に富む材料で製作し、その
動作面に炭化物および窒化物形成自由エネルギーに低い
成分が固溶し、さらに炭化物のある材料を減圧雰囲気中
でプラズマ溶射し、さらに塑性加工と浸炭、窒化の熱処
理をして、炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を表面はど
多い状態にできるので、極めて微細な相の状態で強靭で
高硬度で、著しく耐摩耗性の優れた材料ができる。

なお、この複合材料によれば、従来の溶解法による製造
法では、ある大きさになると鋳造時の冷却速度に限界が
あり、この冷却の熱平衡で晶祈相が粗大化して、成分範
囲が決まるが、本発明は最大４４μｍの粒子を用いるの
で、極めて急冷による相であるので、材料の設計範囲を
著しく広げることができる。すなわち、急冷効果とその
後の拡散硬化熱処理とによって、従来にない組成での新
材料を製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る高強度部材の表面部の顕微鏡によ
る金属層＄［１（４００倍）を示す写真、第２図はプラ
ズマ溶射後の同金属組ｍ（４００倍）を示す写真、第３
図は従来例の金属組織を示す写真、第４図は摺ａ摩耗試
験結果を示す特性図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鉄系合金基材表面にＣｒ及びＶを含む合金鋼よりな
   る溶射層を有し、該溶射層は炭化物、窒化物、硼化物の
   少なくとも１つを含み且つ前記基材と前記溶射層の境界
   に相互拡散層を有することを特徴とする高強度部材。 ２、特許請求の範囲第１項において、表層の表面から内
   部の基材側に向つて、炭素、窒素または硼素の少なくと
   も一成分が表面側が大となる濃度勾配をもつて拡散して
   いる高強度部材。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項の記載において
   、表層がＣｒ：１〜４５％、Ｖ：０．３〜３０％、Ｍｏ
   ：３０％以下、Ｗ：４０％以下、Ｎｂ：１５％以下、Ｔ
   ｉ：１５％以下、Ｚｒ：１５％以下の少なくとも一成分
   を含み、残りが鉄系成分である高強度部材。 ４、鉄系合金の基材表面に減圧雰囲気中でＣｒ及びＶを
   含む合金鋼をプラズマ溶射して表層を形成したのち、浸
   炭、窒化及び硼化のいずれか１つの雰囲気中で熱処理を
   施し且つ該熱処理により表層と基材との境界を相互拡散
   させることを特徴とする高強度部材の製造法。 ５、特許請求の範囲第４項において、表層を形成したの
   ち、塑性加工をし、その後に浸炭、窒化または硼化の少
   なくとも一つの熱処理を施す高強度部材の製造法。