JPS628496B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高耐アブレーシブ摩耗、耐食、耐熱
複合材料に関し、高硬度で強度も充分高く、耐摩
耗性、特に耐アブレーシブ摩耗性、耐アツシユエ
ロージヨンに優れ、かつ、耐食性、耐熱性にも優
れた複合材料に関するものである。 本発明は、少なくとも10％（以下％は重量％を
表わす）のFeを含む複硼化物よりなる硬質相を
40〜95％と、該硬質相を結合する結合相よりなる
硬質焼結合金であり、該硬質焼結合金中の、Ｂ含
有量３〜８％、Cr含有量0.5〜35％、Ni含有量0.5
〜35％、Al含有量2.85％以下、Si含有量0.03〜
4.75％。Ｃ含有量0.05〜0.95％、Ｏ含有量2.3％以
下であり、かつMoおよびＷのいづれか１種また
は２種の含有量が（MoおよびＷ）／Ｂの原子比
で0.3〜1.25を満足する範囲内にあり、残部がFe
および少量の不純物である硬質焼結合金を鉄基母
材表面に0.5〜20mmの厚さで接合することを特徴
とする高耐摩耗性、特に高耐アブレーシブ摩耗、
高耐アツシユエロージヨン耐食、耐熱複合材料を
提供するものである。 本発明に使用する硬質焼結合金（以後本硬質焼
焼合金という）は、主要構成元素を前記のように
し、特に（MoおよびＷ）／Ｂの原子比を0.3〜
1.25、好ましくは、0.75〜1.25の範囲にしたいと
きに、硬度がＨ_RA80〜93の範囲で、130〜300
Kg／mm²という高い抗折力を安定して示す。（Moお
よびＷ）／Ｂの原子比を１前後にとると何故、抗
折力が高くかつバラツキが少なくなるのか、理由
ははつきりしないが、更に詳細に調べてみると硬
質相を形成するFeを含む複硼化物が、主として
MO₂FeB₂あるいはWFeB型またはこれらの混合
した複硼化物と、その他の若干のMB、M₂B、Ｍ_X
Ｎ_YＢ型の硼化物で構成されていることが判明し
た。さらに、特にＷ含有量が多い場合には
W₂FeB₂型の複硼化物も認められた。 Mo₂FeB₂、WFeBあるいはW₂FeB₂型の複硼化
物において、MoとＷは相互に、Feは、Cr、Ni、
Coの元素と、部分的に置換していることが観察
される。よつて以下これら３種の複硼化物のMo
あるいはＷが部分的に置換した形態、FeがCr、
Ni、Coと部分的に置換した形態も含めて、
Mo₂FeB₂、WFeB、W₂FeB₂型複硼化物と総称す
ることにする。 これらのMo₂FeB₂、WFeB、W₂FeB₂型の複硼
化物を主体とした硬質相を形成させるためには、
少なくとも10％のFeを硬質相に含む必要があ
る。 なお、本焼結合金においてFeおよびFeを含む
複硼化物を用いたのは、Feを含有する複硼化物
の焼結体が充分に高い硬度と靭性を示すこと、
CrやNiなどの適量添加によつてステンレス鋼と
同様の優れた耐食性と耐熱性、耐酸化性を示すこ
と、Feを主とした硼化物粉末は工業的に容易に
作ることができること、Feは資源的に豊富であ
り、かつ安価であることによる。 本焼結合金の硬度は硬質相となる複硼化物の量
と結合相の量および結合相の硬度に依存する。本
焼結合金の硬度はＨ_RＡで80〜93の範囲である。
硬度をＨ_RA80以上にするには、硬質相の量を最
低40％必要とする。一方、硬質相の量が95％をこ
えると、硬度がＨ_RA93となるものの、抗折力が
130Kg／mm²となる。よつて硬質相の量は40〜95％
の範囲とする。 硬質相形成元素であるＢは、硬質相を下限で40
％形成させるために３％を必要とし、硬質相を95
％形成させるために８％を必要とする。よつてＢ
の限定範囲は３〜８％とする。 MoおよびＷはＢ同様硬質相となる複硼化物を
形成する元素であり、（MoおよびＷ）／Ｂの原子
比で0.3〜1.25、好ましくは、0.75〜1.25を満足す
る範囲内で含有された時、本焼結合金は硬度Ｈ_R
A80〜93の範囲内で、130〜300Kg／mm²という高い
抗折力を安定して示す。さらに（Moおよび
Ｗ）／Ｂの原子比を0.90〜1.20とすると、さらに
高い抗折力が得られる。よつてMoおよびＷのい
づれか１種または２種の含有量は、（Moおよび
Ｗ）／Ｂの原子比で0.3〜1.25、好ましくは0.75〜
1.25、更に好ましくは0.90〜1.20を満たす範囲と
する。 Crは本焼結合金の耐食性、耐熱性および耐酸
化性を向上させるばかりでなく、Niと組合せて
使用した場合には、結合相をオーステナイト化す
ることにより本硬質合金を非磁性にする働きを持
つ。本焼結合金を機械的強度と耐摩耗性を必要と
し耐食性を必要としない用途に適用する場合は、
本焼結合金中に特にCrを含有する必要はない
が、通常はこれらの特性と合わせて耐食性も必要
とされる場合が多いので、耐食性が必要な場合
Crは下限で0.5％含まれることが好ましい。一
方、Cr含有量が35％をこえると耐食性、耐熱性
および耐酸化性の面からは優れるものの、機械的
強度が低下し、抗折力が130Kg／mm²以下となる。
よつてCr含有量は35％以下、好ましくは0.5〜35
％とする。 NiはCrと同様に耐食性、耐酸化性に役立つ元
素であり、また結合相の組織をオーステナイト系
の非磁性材とする場合に必要とする元素である。 これらの目的を達成させるためには、最大35％
まで必要であるが、耐食性の点からCrと同様に
下限で0.5％含まれることが好ましい。よつてNi
含有量は0.5〜35％とする。 Ｃの酸化物の還元ならびに結合相の硬度を高め
るのに効果のある元素で、その効果により本焼結
合金全体の硬度を高めるが、0.95％をこえても硬
度は向上せず、かえつて抗折力が低下し始める。 酸化物の還元のためにはＣは最底0.05％必要で
あり、これは混式粉砕の工程において、振動ボー
ルミルのポツトおよびボール（軸受鋼製）よりの
混入量により補われている。よつてＣ含有量は
0.05〜0.95％とする。 Alは原料粉から混入するものであつて、Ｂお
よびＯと反応し、Al硼化物、Al酸化物を形成し
やすく、特にAlの酸化物は本焼結合金の焼結性
を阻害する。従つて本焼結合金中に含まれるAl
の量はできるだけ少ないことが好ましいが、１％
以下であればその影響は比較的少ない。しかし本
焼結合金中へのＯの混入を極力防止した場合、
Alが2.85％以下であればAlによる害はかなり小さ
なものにすることができる。よつてAl含有量は
2.85％以下とする。 ＯはＢ、Cr、Al、Si等と反応して酸化物を形
成し、焼結性を阻害すると共に抗折力の低下とバ
ラツキの拡大を生ずるため、その量は極力少なく
した方が良い。しかしその量が2.3％以下であれ
ばその影響は比較的少なく、よつてＯ含有量は
2.3％以下とする。 Siは主に原料粉から混入してくる元素である。
このSiは本焼結合金の焼結性を向上させ、密度の
上昇をもたらし、結果的に本焼結合金の機械的特
性を向上させる効果を有している。しかし0.03％
以下ではその効果は少なく、4.75％をこえると本
焼結合金をかえつて脆化させる。よつてSi含有量
は0.03〜4.75％とする。 なお、本焼結合金はボロン源として、水または
ガスアトマイズによつて作成したFe−Ｂまたは
Fe−Ｂ系合金粉末を使用するか、場合によつて
はフエロボロン粉末、Ni、Cr、Ｗ、Ti、Mo等の
各ボライド粉末もしくはＢ単体粉を用い、これら
とMo、Ｗ、Ti、Ｖ、Fe、Cr、Ni、Co、Cu等の
単体金属粉、もしくはこれらを２種以上を含む合
金粉とを所定の組成になるように配合し、必要に
応じて、炭素粉もしくは炭化物を混合し、これら
の混合粉を振動ボールミルを用い、有機溶媒中で
湿式粉砕後、乾燥造粒、成形を行い、該成形体を
真空中または非酸化性雰囲気中で、液相焼結を行
うことにより製造される。液相焼結法を用いるこ
とにより、本焼結合金はほぼ100％の密度とな
る。焼結の際の酸化防止のため、真空、還元性ガ
ス、あるいは不活性ガスなどの非酸化性雰囲気中
で、焼結を行うことが重要である。液相焼結は通
常1100〜1400℃で５〜90分行う。焼結温度が1100
℃末満では、液相が充分な量出現しないため焼結
が充分進行せず、空孔の多い焼結体となる。一
方、1400℃をこえると液相焼結は充分進行するも
のの、結晶粒の粗大化と形状の崩れがおこり、抗
折力の低下を生ずる。また焼結時間が５分末満で
あると充分な高密度化がなされず、一方90分をこ
えても、時間の経過に見合う強度の向上がみられ
ない。場合によつては強度が低下することもあ
る。よつて90分以上の焼結時間をとる必要はな
い。 なお、本焼結合金の空孔を極力減少させる目的
で液相焼結法について述べたが、該目的を達成す
るためには液相焼結法のみでなく、熱相静水圧プ
レス法、ホツトプレス法、通電焼結法においても
充分にその目的を達することができる。 このようにして得られた本硬質焼結合金は、優
れた耐摩耗性を共に耐食性、耐熱性を付与でき
る。しかしながら本硬質焼結合金を実用に供する
場合に、特に必要な部分のみに適用して複合化し
て使用する場合が生ずる。このような場合には、
母材として鋼材を使用する。使用する鋼材は、
JIS規格のSS材、SC材、SB材およびSTB材のよ
うな低炭素鋼、普通鋼、SUJ材、SCM材、SK
材、SKS材、SKD材、SKH材、SUS材、および
SUH材のような低合金鋼、構造用鋼、工具剛、
ステンレス鋼、耐熱鋼、高速度鋼、鋳鋼、鋳鉄等
の板、線、棒、パイプ、ブロツク、切削加工材等
を目的に応じて使用する。 接合方法は、本発明複合材の使用目的および使
用条件によつて異なるが、従来からの公知の方法
を用いることができる。すなわち、銀ろう、銅ろ
う、ニツケルろう等によるろう付け接合、電弧溶
接等の溶接棒を使用した溶接、電子ビーム溶接、
プラズマアーク溶接、レーザー溶接、拡散接合、
粉末からの直接焼結接合法等を用いる。常温使用
の場合には有機高分子接合剤による接合を用いる
場合もある。 本硬質焼結合金は熱膨張係数を常温から1000℃
までで９〜13×10^-6／℃の範囲にでき、母材の鋼
材に近いので、ろう付けや拡散接合、溶接等高温
での接合の場合に母材との熱膨張係数の差による
残留応力が小さく、有利である。 また、本硬質焼結合金は、Ｂを３〜８％含有し
た鉄基の複合硼化物系焼結合金であり、焼結は鉄
基の硼化物とFe、Cr、Ni等との間で生じる共晶
液相焼結を利用して相対密度100％のほぼ真密度
焼結体としているため拡散接合を容易に行うこと
ができる。また、焼結時の液相出現を利用した圧
粉体からの焼結と接合を同時に進行させることも
容易である。 本硬質焼結合金を母材に接合する厚さは0.5mm
から20mmの厚さの範囲である。0.5mm以下の厚さ
にすることは粉末の圧粉体および焼結体製造上困
難を伴い、また20mm以上の厚さにすることは複合
体としての経済性がなくなる。 接合の方法は、母材の鋼材の全表面を覆うよう
に接合する方法、また表面積が大きい場合は、硬
質焼結合金の板やチツプ、円筒状や円弧状のもの
を必要な表面積に応じて必要な数をすき間なく接
合する方法、または、硬質焼結合金の板やチツ
プ、円筒状や円弧状のものを所要の間〓を設けて
接合する方法をとる。粉末圧粉体からの直接焼結
接合法の場合に、接合する粉末圧粉体を複数個、
使用する場合には、粉末圧粉体が焼結接合される
場合に約20％の寸法収縮を示すのでその分丈、焼
結体相互の間に間〓を生じるが、サンドエロージ
ヨンやフライアツシユによるエロージヨン防止の
場合等には、充分な効果を示す。 Niろう付けや、拡散接合の場合には、接合温
度が1000℃以上で1275℃にも及ぶための鉄基母材
の結晶粒が粗大化し、当初の機械的強度が得られ
ない場合が生ずる。母材の当初の機械的強度が必
要な場合には、使用した母材に応じた調質熱処理
をほどこすことによつて機械的特性を回復するこ
とが出来る。例えば、炭素鋼等は950℃位で不活
性雰囲気や真空中で10分〜１時間加熱した後急冷
する焼準熱処理によつて、低下した強度をもとに
回復できる。構造用鋼や、工具鋼などは、油焼入
れ後焼戻し熱処理を、ステンレス鋼では、950℃
〜1200℃での溶体化処理後油冷速度での急冷な
ど、使用する母材に公知の方法で熱処理する。こ
れらの熱処理によつて、接合した硬質焼結合金の
機械的特性が大きく変化することはないが、特に
高硬度とした焼結合金の場合には水冷では焼き割
れを生ずることがあるので、冷却速度を遅くする
必要がある。 本願発明は高耐摩耗、耐食、耐熱複合材料であ
り、多くの耐摩耗用に使用できるが、特に効果が
大きい用途について下記に示す。最も効果が大き
い用途としては、耐サンドエロージヨン、耐アツ
シユエロージヨン等や乾燥状態または湿式状態で
の、土砂、粉塵、石炭灰等によるアブレーシブ摩
耗（ひつかき摩耗）に極めて強い。この使用例を
更に細分すると、ガウジング摩耗、グラインデン
グ摩耗、スクラツチング摩耗である。使用される
条件は常温から1000℃までの温度範囲である。上
記の耐摩耗性については従来から使用されている
工具鋼や、窒化鋼、高Cr鋳鉄、ステンレス鋼の
約５倍から60倍の耐摩耗性を示す、これらの用途
としては、石炭焚きボイラーの排気軸流フアンの
翼先端部への拡散接合、ろう付けまたは溶接、流
動床ボイラー炉内水管保護のための水管への拡散
接合、ろう付け、または溶接、あるいは他の鉄基
合金への接合を行つた複合材料を水管表面に溶接
する方法、砂や高硬度鋳鉄、マルテンサイト系高
硬度鋼シヨツトブラスト用のインペラ、およびシ
ヨツト室内へのろう付け、拡散接合、石炭、コー
クス、焼結鉱石処理、運搬装置、選鉱機給鉱設
備、高炉装入装置、石灰石、鉱石、岩石等の破砕
機、粉砕機、分級機振動コンベアー、空気輸送パ
イプ、振動コンベア等の部材としてのろう付け、
拡散接合、土木建築用トラツクター等建機類のキ
ヤタピラースプロケツトピン等の部品、バケツ
ト、爪、等部材へのろう付け、拡散接合、砕岩
機、掘削用ドリル先端への拡散接合、ろう付け、
樹皮剥離機械のカツタ刃先へのろう付け、拡散接
合、更に耐食性を要求される土砂を伴なつた。海
水や汚水用のポンプの羽根、軸受けスリーブ、ケ
ーシング、遠心分離機や鉱石、移動用のスクリユ
ー羽根等へのろう付けや溶接または鉄基合金へ接
合したプレートのはり付け等々である。 次に金属加工工具としての用途がある。 打抜きダイスやパンチの摩耗部分へのろう付け
や拡散接合、ガイドロール、ガイドプレート、ガ
イド棒、銅棒の圧延ロール、ライナーなど、鉄鋼
およびCu、Al、Zn等非鉄金属加工機の部品とし
ての摩耗の激しい部材へのろう付けや拡散接合が
ある。更に疲労摩耗を伴うものとして、金属や
紙、プラスチツク、木の切断用の刃先についても
同様の接合により使用する。 なお、上記の用途のうち、常温程度で温度の上
昇が少なく、また、金属接合のような強い接合強
度を要しない部材については、有機高分子の接着
剤による接合で充分である。 次に本発明を実施例により説明する。 実施例 １ 13％Ｂ、５％Cr、FeBalの粉末（但し不純物元
素として、0.03％Al、0.4％Si、0.031％Ｏを含
む）にMo粉末50％、Ni粉末３％、Fe粉末４％、
黒鉛粉末0.3％とパラフインを混合し、ボールミ
ルで、平均粒径1.3μｍに湿式粉砕し、乾燥造粒
後500Kg／cm²で圧粉成型し、真空中で4.5×
10^-2Torrで1250℃で焼結した。得られた50mm×
50mm×４mmの焼結体をJIS規格BNi−２のB2.75〜
3.75％、Cr6.0〜8.0％、Si4.0〜5.0％、Fe2.0〜
4.0％Ni BalよりなるNiろう粉末で真空中、1050
℃でSUS405に接合した。同じ焼結体をSUS405上
におき、10^-3Torrの真空中で1220℃に加熱して
拡散接合した。 実施例 ２ 16％Ｂ、Fe Balの粉末（但し不純物元素とし
て、0.04％Al、0.38％Si、0.034％Ｏを含む）に
Mo粉末51％、Cr粉末1.3％、Ni粉末３％、黒鉛粉
末0.3％とパラフインを混合し、実施例１と同様
の処理を行つて50mm×50mm×４mmの焼結体を得、
軟鋼板上にJIS規格Ｂ Ag−２のAg 34〜36％、
Cu 25〜27％、Zn 19〜33％、Cd 17〜19％のAg
ろう粉末で780℃に加熱して接合した。 実施例 ３ 10％Ｂ、13％Cr、Fe Balの粉末（但し不純物
元素として、0.06％Al、0.25％Si、0.016％Ｏを含
む）に、MoB粉末14％、Mo粉末38％、Ni粉末３
％、Cr粉末５％、Ｗ粉末４％、Fe粉末17％、グ
ラフアイト粉末0.5％とパラフインを混合し、ボ
ールミルで平均粒径1.1μｍに湿式粉砕し、乾
燥、造粒後圧粉成型し、真空中10^-3Torrで1275
℃で焼結した。得られた50mm×50mm×５mmの焼結
体をSUS405上に実施例１のNiろうで1050℃で接
合した。 実施例 ４ 10％Ｂ、13％Cr、Fe Bal.の粉末にMo粉末33
％、Ni粉末８％、Cr粉末19％、Fe粉末4.6％、グ
ラフアイト粉末0.45％とパラフインを混合し、ホ
ールミルで平均粒径1.0μに湿式粉砕し、乾燥造
粒後1000Kg／cm²の圧力で圧粉成型後、SUS304板
上に圧粉体を乗せ、真空中10^-3Torrで1275℃で
焼結接合を行つた。 上記実施例１〜３について、シヨツトブラス
ト、サンドブラスト、およびフライアツシユによ
る耐摩耗テストを行つた。 試験機はシヨツトブラスト機を使用し、インペ
ラー後方壁面に各テストピースを置き試験を行つ
た。シヨツトは、マルテンサイト系でC1.0％、
Si0.8％、Mn0.7％、の成分であり、HmV900の硬
度をもつ＃80スチールグリツドである。SiO₂は
粒度250μｍのものを使用した。比較材として従
来からこの用途に使用されている高Cr高Ｃ白銃
である27Cr鋳鉄（C2.25〜2.85％、Si0.25〜1.0
％、Mn0.50〜1.25％、Cr25〜30％、V0.25〜2.0
％、Mo〜6.5％）を使用した。また、フライアツ
シユテストは、SiO₂54％、Al₂O₃22％、CaO5
％、Fe₂O₃5％を主成分とするもので、流速50
ｍ／sesでノズルから試料に吹きつけて行つた。
比較材には窒化処理鋼を選んだ。 実施例１、２、３と比較例の高Cr鋳鉄および
窒化鋼の結果を第１表に示した。スチールグリツ
ドでは、高Cr鋳鉄の８〜15倍、SiO₂粒では６〜
10倍の寿命を示した。フライアツシユのテスト結
果では、窒化鋼に比較して30倍から62倍の長寿命
を示した。浸炭焼入鋼に対しては窒化鋼の場合よ
りも更に高寿命で最大80倍を示した。なお、試験
中に接合試片の剥離等は生じなかつた。

【表】 実施例４の接合材を海水中20℃で10日間浸漬腐
食試験を行つた。腐食減量は０であり、海水中で
の腐食にも強い。 同じ試料を大気中で700℃、800℃、900℃にそ
れぞれ各１時間加熱して酸化増量を測定した。測
定結果は０〜0.32mg／cm²であり、高温でもほとん
ど酸化されないことがわかつた。硬度は常温で
Hv740、800℃でHv450を保つており、高温での
硬度も高く、高温での耐摩耗性も充分高いことが
わかつた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも10％（以下％は重量％を表わす）
   のFeを含む複合硼化物よりなる硬質相を40〜95
   ％と、該硬質相を結合する結合相５〜60％よりな
   る硬質焼結合金であり、該硬質焼結合金中のＢ含
   有量３〜８％、Cr含有量0.5〜35％、Ni含有量0.5
   〜35％、Al含有量2.85％以下、Si含有量0.03〜
   4.75％、Ｃ含有量0.05〜0.95％、Ｏ含有量2.3％以
   下であり、かつMoおよびＷのいづれか１種また
   は２種の含有量が（MoおよびＷ）／Ｂの原子比
   で0.3〜1.25を満足する範囲内にあり、残部がFe
   および少量の不純物である硬質焼結合金を鉄基母
   材の表面に0.5〜20mmの厚さで接合したことを特
   徴とする高耐アブレーシブ摩耗、耐食、耐熱複合
   材料。 ２ MoおよびＷのいづれか１種または２種の含
   有量が（MoおよびＷ）／Ｂの原子比で0.75〜
   1.25を満足する範囲である特許請求の範囲第１項
   記載の複合材料。