JPS62263951A - 耐摩耗性鉄系材料とその製法 - 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〕 本発明は高強度で高耐摩耗性を有するＦｅを主成分とす
る金属材料およびその製法に関する。

〔従来の技術〕

従来、耐摩耗金属材料としてはＦ″ｅを主成分とする材
料が多用されており、特にＦｅマトリックス中に炭化物
を形成し、その硬さを向上せしめたものが主に用いられ
ている。このような材料においては炭化物の大きさとそ
の分散針が非常に重要であり、良好な耐摩耗性を得るに
は炭化物が微細に分散しかつその分散針が多いことが望
ましい。

しかるに、従来の市販されている工具鋼等においては微
細な炭化物の析出した金属組織ではあるが、その分布量
に限界がある。すなわち、炭化物の分布量を多くするに
はＣの含有量を多くする必要かあるが、その場合、炭化
物が巨大になる。

このような観点から、溶融状態から急冷凝固せしめるこ
とによυ、高Ｃ含有金属材料を得る試みが行なわれてお
シ、例えば特開昭６０−１２４２４号公報、特開昭６０
−１２４２５号公報に記載のように高Ｃ−高Ｃｒ鋳鉄粉
末をプラズマ溶射した耐摩耗材あるいは摺動部材が公知
になっている。しかし、これらのいずれのも、溶射被膜
の断面組織において炭化物が微細に析出したものではあ
るが、被膜中には空孔等の欠陥が含まれたものになシ、
被膜中には酸化物の介在物が存在している。このような
組織になるのは、公知の方法では大気中でプラズマ溶射
したためである。すなわち、溶射中に、プラズマジェッ
ト中で加熱溶融した粉末粒子の表面が酸化され、そのよ
うな酸化被膜が混入した被膜では、積層される溶射粒子
間に空孔等の欠陥が生じ易くなる。このような組織を有
した被膜は局部的には炭化物が微細に析出したものであ
るが、必らずしも均質なものではなく、良好な耐摩耗性
を得る上で好ましくない。このような問題点を改善する
ため、上記公報の中では、高Ｃ−高Ｃｒ鋳鉄粉末に更に
自溶性合金又はＣｕ合金等の粉末を混合した材料を溶射
する方法も提案されているが、やはり、炭イＬ物が均質
に分散した組織にはなシ得ず、むしろ、二相が混在した
ものになυ、良好な耐摩耗性を得る上で十分満足できる
ものではない。

このように、従来のプラズマ溶射による高Ｃ−高Ｃｒ鋳
鉄材料においては、良好な耐摩耗性を得る上で、炭化物
の分散状態、酸化物被膜、空孔等の内部欠陥の存在が間
粗となる。

又、特開昭５９−４７３４６号、特開昭５９−４７３４
７号に示されたように高合金粉末およびその焼結合金の
製法及び焼結合金に関する公知例がある。これは、良好
な耐摩耗性部材を得る方法として、高Ｃ−高Ｃｒ鋳鉄材
料を原料粉末とし、この粉末を平衡炭化物の析出する温
度で加熱焼結し、均質な焼結合金を得るものである。こ
の場合、１μ以下の微細な炭化物が微細に分散した組織
を有する耐摩耗性部材が得られるが、焼結材であるため
、その形状・大きさに制約がある。又、部材の表面に被
榎層として上記耐摩耗焼結合金を用いる場合・接合等の
技術課題がある。

なお、鋳造、鍛造等の方法では、高Ｃ−高Ｃｒ鋳鉄材料
において炭化物を微細に均質に分散させることは著しく
困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、プラズマ溶射による従来の高Ｃ高Ｃｒ鋳
鉄材料は材料中に酸化物被膜や空孔等の欠陥を含み、耐
摩耗性材料として問題があった。一方、焼結材料の場合
、製品の形状に制約がある等の問題がある。

本発明の目的は、このような点に鑑みて、炭化物が微細
かつ均質に分散し、更に、その内部構造も酸化物、空孔
等の欠陥を含ま、ない良好な耐摩耗性を有するプラズマ
溶射耐摩耗鉄系材料とその製法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のプラズマ溶射耐摩耗性鉄系材料はＦｅを主成分
とし、ＣおよびＣｒを含有する材料であって、大きさが
０．１〜５μｍの析出炭化物が均質に分散しておシ、酸
素含有量が約３０００ｐｐｍ未満であシ、密度が理論度
の９７％以上であることを特徴とするものである。

この耐摩耗性鉄系材料は、基材（例えば軟鋼）上に減圧
雰囲気中でプラズマ溶射された核種として形成されても
よいし、又は、基材に減圧雰囲気中でプラズマ溶射後、
基材を除去することによって、該耐摩耗性鉄系材料のみ
からなる部材として形成されてもよい。

〔作用〕 上記本発明の耐摩耗性鉄系材料は、耐摩耗性材料として
要求される炭化物微細均質分散、炭化物脱落防止性、強
靭性等の諸性質を十分満足するものである。

〔実施例〕

本発明者らは、高Ｃ高Ｃｒ鋳鉄材料の炭化物の大きさ及
びその分布状態と耐摩耗性との関連について注目した。

一般に良好な耐摩耗性を得る上では、微細な炭化物が多
量に均質に分布している構造が望ましい。その為にはＣ
含有量が多い方が望ましいが、一方、Ｃ含有量の増加と
ともに炭化物の析出物の大きさは大きくなってくる。従
って高ＣＭ鉄は溶湯から急冷凝固せしめることにより、
過飽和にＣを固溶した高Ｃ鋳鉄を得ることができる。

このような観点から本発明者らはプラズマ溶射法が適し
ていると考えた。更に、プラズマ溶射法で形成した高Ｃ
鋳鉄においては、炭化物の大きさ、その分布状態が重要
になり、更に、良好な耐摩耗材料を得る上で、その材料
中の酸素含有量、密度が重要である。

プラズマ溶射で形成した材料において微細な炭化物を形
成する上でＦｅ−Ｃ−Ｃｒ系が有効である。これは炭化
物としてＦｅ炭化物の他にＣｒ炭化物を析出させること
ができるからである。このような炭化物を有効に析出さ
せるためにはＣ量は１ｗｔ％以上が必要である。一方、
Ｃｒの含有量は有効なＣｒ炭化物を形成する上で５　ｗ
ｔ％以上が必要である。

ところでプラズマ溶射は急冷凝固作用を有するが、プラ
ズマ溶射法においてもその冷却速度には限界があり、Ｃ
含有量が多すぎると析出する炭化物は大きくなる。そこ
で、本発明者らはプラズマ溶射法で形成し７’ｃ　Ｆｅ
−Ｃ−Ｃｒ系の種々の成分の材料について、炭化物の大
きさ、材料中の酸素含有量、材料の密度等をパラメータ
ーとして、それぞれのパラメータと耐摩耗性の関係につ
いて検削した。

耐摩耗試験としてはロールによる摺動摩耗試験を行なっ
た。摺動の相手材は硬度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１０ｏｋｇｔ／ｃｒ＆で繰り返し数は１００００
回とした。比較材としてはＪＩＳ工具鋼５ＫＤ−１を用
いた。

第１図は炭化物の大きさを種々変えた場合の結果である
。図から炭化物の大きさが５μｍ以上の場合、耐摩耗性
は低下することがわかる。一方、炭化物が０．１μｍ以
下の場合、耐摩耗性は若干低下する傾向が認められる。

このように、良好な耐摩耗性を得る上で炭化物の大きさ
は５μｍ以下であることが望ましい。

次に、材料中の酸素含有蓋について検討した。

第２図はその結果である。この場合、炭化物の大きさは
約１μｍである。図から、材料中の酸素含有量は非常に
重要な要因であ）、３０００　ｐｐｍ以上の場合、耐摩
耗性は劣しく低下することがわかる。

次に第３図は材料の密度について検討した結果でおる。

この場合、炭化物の大きさ約１μｍである。

図から材料の密度が理論密度の９７％以下の場合、その
耐摩耗性は著しく低下することがわかる。

このように、プラズマ溶射Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ系耐摩耗材料
において、炭化物の大きさ、材料中の酸素含有量、材料
の密度が重要な要因であることを見い出した。

炭化物の大きい材料の場合、ロール材との摺動摩耗にお
いて相手材たるロールを蓄しく損傷させてしまう。一方
、材料中の酸素含有量が多い場合、このような酸素は主
に材料中の酸化物であるが、摩耗によシこのような酸化
物の介在している脆弱な部分から脱落が生じ材料が摩耗
損傷する。更に、材料の密度が理論密度の９７％以下の
場合、このような密度比の低下は主に材料中の空孔、空
隙等に起因しているが、摩耗によりこのような欠陥部か
ら材料が脱落し摩耗損傷する。又、このような脱落等の
摩耗損傷が生じた場合、相手材であるロール材のかじり
等の原因になる。

以上のように、耐摩耗性に優れたプラズマ溶射Ｆｅ−Ｃ
−Ｃｒ系耐摩耗材料としては、炭化物の大きさが５μｍ
以下で、その分布が均一で、かつ、材料中の酸素含有量
が３０００ｐｐｍ以下、＠度が理論密度の９７チ以上の
ものが望ましいことがわかった。

本発明の耐摩耗性材料は、このような特徴を持たせたも
のである。

このような特徴を有する本発明の耐摩耗性材料を得る上
でその成分も重要な要素となる。すなわち、有効な炭化
物の分散状態を得る上でＣ含有量は１％以上が望ましい
。１チ以下の場合、炭化物の析出物は数少なく、炭化物
の分散状態を示す目安である硬さも低くなる。一方、Ｃ
含有量が６チ以上の場合、急冷凝固作用を有するプラズ
マで溶射法においても炭化物の粗大化を紹き、第１図に
示すように耐摩耗性は低下する。次に、Ｃｒの含有量に
ついては、これが５チ以下の場合、有効な量のＣｒ炭化
物を形成することができない。この場合、Ｃｒ炭化物の
析出状態を知る目安となる硬さも低くなる。一方、Ｃｒ
含有蓋が４５％以上の場合、材料は著しく脆くなシ、良
好な耐摩耗性を示さなくなる。このような本発明のプラ
ズマ溶射による耐摩耗材料において、ＣとＣｒ含有量に
ついては、Ｃの含有量が増加するに従ってＣｒの含有量
も増加させることが有効な炭化物を形成する上で望まし
いう又、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ系材料に対してＭｏ　、　Ｗ　
、　Ｎｂ　。

Ｔｉ　、　Ｖ　、　Ｈｆ　、　Ｚｒ　、　Ｔａ等の炭化
物形成元素を添加することは、本発明のプラズマ溶射耐
摩耗材料の炭化物の大きさ、酸素含有量、密度のそれぞ
れの範囲内である限シ何ら支障はない。このような炭化
物形成元素の添加によシ、Ｃｒ炭化物の他に他の炭化物
が形成され、材料の硬さも増加する傾向があり、耐摩耗
性はむしろ向上する。しかしながら、それらの添加量は
Ｍｏ、Ｗの場合２５ｗｔ％以下、Ｎｂ　、　Ｖ　、　Ｔ
ｉ　、　Ｚｒ　、　Ｈｆ　、　Ｔａの場合１５　ｗｔ　
Ｔｏ以下が望ましい。それ以上では材料は著しく脆くな
シ、良好な耐摩耗性を示さなくなる。

以上のような本発明の耐摩耗性鉄系材料を製造するには
溶射粒子としてＦｅを主成分とするＦｅ−Ｃ−Ｃｒ合金
粉末′を減圧雰囲気中でプラズマ溶射する。

大気中プラズマ溶射で形成した場合には溶射中に溶射粒
子が酸化し、酸化被膜等の介在物の混入した組織になシ
、又、このような介在物の混入によシ、空孔等の内部欠
陥も導入され、密度も低くなるという欠点があるが一方
、本発明の製造方法の特徴である減圧雰囲気中のプラズ
マ溶射では、Ａｒ等の不活性ガスの雰囲気中で溶射でき
、かつ、雰囲気自体も減圧しているので、大気中プラズ
マ溶射に比べ、内部欠陥の少ない高密度のものが得られ
る。減圧の効果として、プラズマジェットが長くなシ高
温領域が大きくなるため、溶射粒子がプラズマジェット
中で十分に加熱溶融され、その結果として被膜が高密度
になる。このような本発明の製造方法に基づく減圧雰囲
気中のグラダマ溶射法を行う場合において、雰囲気ガス
としてはＡｒ。

Ｈｅ等の不活性ガスを用いるのが望ましい。又、雰囲気
圧力は１５〜２００　Ｔｏｒｒ望ましくは３０〜１００
　Ｔｏｒｒの範囲が適している。１５　Ｔｏｒｒ以下で
はプラズマジェットが発散し゛、溶射に適したプラズマ
ジェットでなくなる。１００　Ｔｏｒｒ以上では、プラ
ズマジェットの長さが十分に長くならず、減圧の効果を
発揮する上で好ましくない、３０〜１００　Ｔｏｒｒの
圧力範囲が減圧の効果を発揮する上で望ましく、溶射粒
子はプラズマジェット中で十分に溶融し、その結果、被
膜は高密度化し、理論密度の９７チ以上のものが得られ
る。

溶射粉末の粒径は本発明の製造方法における減圧雰囲気
中のプラズマ溶射を行う上で重要である。

粒子径は１〜１００μｍの範囲、望ましくは５〜７５μ
ｍの範囲が適している。１μｍ以下の場合、粉末の供給
が不安定になシ、一定量をプラズマジェット中へ投入す
ることが困難になる。粉末の投入量が不安定になると、
プラズマジェット中での粉末の加熱状態が変化し、被膜
中に空孔等の内部欠陥を生じ易くなる。７５μｍ以上で
は、プラズマジェット中で粉末が十分に加熱されず、未
溶融状態の粒子が溶射され、その結果、被膜中に空孔等
の内部欠陥を生じ易くなる。５〜７５μｍの範囲の粉末
の場合、粉末の供給は安定で、一定量がプラズマジェッ
ト中へ投入されるため、プラズマジェット中での粉末の
加熱状態は安定する。又、粉末はプラズマジェット中で
十分に加熱される。その結果、被膜は空孔等の内部欠陥
の少ない高密度なもので、理論密度の９７チ以上になる
。

又、減圧雰囲気ガスとしてＡｒ　Ｉ　Ｈ・等の不活性を
主たる成分とし、その他Ｈ２，Ｎ２等のガスを含む雰囲
気中で溶射するのが望ましい。被膜の酸素含有量を３０
００ｐｐｍ以下にするには、プラズマジェットの周辺の
酸素分圧を少くする必要ある。Ａｒ。

Ｈｅ等を主たるｉ分とし、その他Ｈ２，Ｎ２等のガスを
含む３０〜１００　Ｔｏｒｒの雰囲気では酸素分圧は１
０−３気圧以下とな勺、被膜の酸素含有量は３０００ｐ
ｐｍ以下になる。

以上のように本発明においては、減圧雰囲気中のプラズ
マ溶射により、大きさが０．１〜５μｍの範囲の析出炭
化物が均質に分散しておυ、酸素含有量が約３０００ｐ
ｐｍ未満であり、密度が理論密度の９７チ以上である、
Ｆｅを主成分としＣおよびＣｒを含有する耐摩耗性鉄系
材料を得ることができる。

以下、本発明の具体的実施例について説明する。

第４図は本発明のプラズマ溶射耐摩耗材料の断面組織の
写真である。溶射材料としてｎ　Ｆｅ　−３，５ｗｔ％
　Ｃ−２０ｗｔ％Ｃｒ合金粉末を用い、この粉末を減圧
雰囲気中のプラズマ溶射法で基材に溶射した。

基材は軟９ｓ（８８−４１）である。溶射中の雰囲気は
Ａｒで、雰囲気圧力は５０　Ｔｏｒｒとした。プラズマ
はＡｒ　十Ｈ２ガスでプラズマ電流は８００Ａとした。

被膜の厚さは０．５１Ｈであった。溶射後９５０’ＯＡ
ｒ中で約３０劇加熱後、油中焼入れ処理を行なった。被
膜の断面組織は第４図から明らかなように空孔や酸化物
被膜等の内部欠陥或いは介在物を含まない緻密な構造で
あった。被膜の酸素含有量の分析結果は約１ｏｏｏｐｐ
ｍであった。又、その密度は理論密度の約９８．５％で
あった。第５図の写真は第４図を拡大観察した結果であ
シ、村上試薬でエツチングしたものを示している。第５
図から明らかなように高Ｃ−高Ｃｒ鋳鉄にもかかわらず
析出している炭化物の大きさは約１μｍ程度で均質に分
散している。被膜の硬さはＨｖ　９００〜１０００であ
った。このような被膜は第１図〜第３図に示したように
従来の高Ｃ−高Ｃｒ鋼である５ＫＤ−１に比べ著しく優
れた耐摩耗性を示した。

更に、基材の表面に前述の様に被膜を形成した後、基材
を数カ除くことによシ、以下に示すように、本発明の耐
摩耗性材料のみで構成される部材を形成することができ
る。先ず、基材の表面に減圧雰囲気中プラズマ溶射によ
り前記と同様のＦａ　−２０ｗｔ％Ｃｒ　−３，５ｗｔ
　％　Ｃを溶射し、約５ｍの厚さの被膜を形成した。し
かる後、９５０’ＯＡｒ中で６０ｍ加熱し、その後、油
中に焼入れ処理をした。このようにして得た被膜の断面
組織は第４図、第５図と同様である。その後、基材（８
８−４１）を研削加工して取り除き、被膜のみで構成さ
れる部材を得た。このようにして本発明の耐摩耗性に優
れた材料のみで構成された部材を形成することができた
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の高Ｃ系の耐摩耗材料とは異なり
、高Ｃ系材料中の炭化物の大きさを０．１〜５μｍと微
細にし、且つその分布状態を均質にし、しかも材料中の
酸素含有量を３０００　ｐｐｍ以下、密度を理論密度の
９７チ以上とすることによシ、耐摩耗性材料として要求
される炭化物微細均質分散、炭化物等の脱落防止、強靭
化等の諸性質を十分満足する高Ｃ−’７４　Ｃｒ系鋳鉄
耐摩耗材料を提供することができる。しかも、その製造
法には減圧雰囲気中プラズマ溶射法を採用することによ
り、部品の耐摩耗性を要求される部分にのみ、本発明の
材料を被覆することにより部品の靭性、強度、コスト等
に関して部品の基材を構成する材料の特徴を生かすこと
ができる。あるいは本発明の耐摩耗性鉄系材料のみで構
成される部品としても形成することができ、この場合、
焼結方法等では困難な薄肉複雑形状部品の製作も可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は夫々炭化物の大きさ、酸素含
有量、密度と岸耗童の関係を示す実験結果の図、第４図
、第５図は本発明の実施例によるプラズマ溶射耐摩耗鉄
系材料の金属組織を示す顕微鏡写真である。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、大きさが０．１〜５μｍの範囲の析出炭化物が均質
   に分散しており、酸素含有量が約３０００ｐｐｍ未満で
   あり、密度が理論密度の９７％以上であることを特徴と
   する、Ｆｅを主成分としＣおよびＣｒを含有する耐摩耗
   性鉄系材料。 ２、Ｃを１〜６ｗｔ％、Ｃｒを５〜４５ｗｔ％含有し、
   残部がＦｅである特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性
   鉄系材料。 ３、Ｃを１〜６ｗｔ％、Ｃｒを５〜４５ｗｔ％含有し、
   Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａの一つ又は複数をその総
   量が１５ｗｔ％以下の範囲にて含有し、Ｗ、Ｍｏの一つ
   又は両方をその総量が２５ｗｔ％以下の範囲で含有し、
   残部がＦｅである特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性
   鉄系材料。 ４、鉄を主成分とする粒径１〜１００μｍのＦｅ−Ｃ−
   Ｃｒ合金粉末を１５〜２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気中の
   プラズマ溶射により基材上に溶射することを特徴とする
   耐摩耗性鉄系材料の製法。 ５、上記溶射後、基材を除去する特許請求の範囲第４項
   記載の耐摩耗性鉄系材料の製法。