JPS63109151A - 高硬度複合材およびその製造方法 - 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】 〔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複合材に係り、
特に、高荷重または衝撃的荷重を受けながら摺動する部
材に用いるに好適な複合材に関する０〔従来の技術〕 一般に構造部品においては、部品全体がある特定の性質
を必要とするのではなく、全体の大部は比較的安価な材
料で構成し、必要とする表面の特定部分だけに特定の性
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。しかも部品が大型になる程、特定の特注の要す
る部分の割合が少なくなることが多い。このような部品
では全体の大部分を占める基材に所要の特性を有する材
料よシなる表面層を組合せた複合材とすることが性能、
価格の上で有利になる。耐摩耗性の要求される摺動部品
等においては、基材上に硬質の表面層を設けた複合材が
用いられる。

摺動部材用の複合材として特開昭６０−１２４２４号に
は高炭素−高Ｃｒ鋳鋼あるいはこれと自溶性合金を混合
した粉末を基材上にプラズマ溶射してなる複合材が記載
されている。また、高炭素−高Ｃｒ鋳鋼とＣｕ合金を基
材上にプラズマ溶射してなる複合摺動部材が特開昭６０
−１２４２５号に記載されている。しかし、これらはい
ずれも摺動部材製作の際の溶射が大気圧中で行なわれる
ので、基材との密着状態、皮膜中のｉｌＮ々の粉末粒子
の横１−間の密着強度か不十分であシ、また、硬質金属
間化合物の析出台間及び分散量について検討されていな
い。

また、特開昭５７−５７５５２号に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
ＣＶＤ法で基材上に形成する方法が記載されている。し
かし、この方法は（、／Ｄ法であるため析出層は単一相
となるので、基材との間の物性値の差によシ発生する処
理歪にもとづく督庸強度あるいは析出Ｊ−のｖＪ性の低
下の問題がある。

析出層のみを取シ出して利用することも記載されている
が、析出１−は金属間化合物であるので大きくなった場
合、靭性の点で十分とはいえない。また、金属ハロゲン
化物の熱分解を利用するため、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
の処理費が高くなること号により、通用部品に制約がお
る。

一方、高硬度の熔解材料（インゴツト）としては、例え
ば耐摩耗切削用工具鋼として特開昭５７−１７０．６９
号記載の合金が公知である。この合金系の耐摩耗性はＭ
Ｃ系炭化物が多くなる程改嵜されるが、これを増すため
Ｖを多くすると溶＃！！Ｉｌ温度が高くなシ、作表が４
かしくなる。また、ＭＣ系炭化物の比重が溶湯よりも軽
いので、溶融持上部に本まり、均一にならなくなる傾向
がある。また、溶融温度が高くなると、炭化物が晶出の
際大きく成長するので、ＵＪ注が低下するとともに機械
加工性が低下する傾向がある。従って、熔解法では成分
の範囲が製品の特注からではなく、作業上の制約条件か
ら決まることになり、機械設計範囲が狭くなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は耐腐食性、耐高性１注、耐高衝撃性、耐
幸耗注、耐高温摩耗性に優れた金属間化合力系が均一か
つ微細に分布している高硬度複合材を提供することにあ
る。

〔問題点を情夫するための手段〕

本発明の高＜＄！ｖＬシｑ合材は、マルテンサイト基地
中にＦｅ、ＣｒおよびＶを含む金属間化合物である炭化
物、窒化物又は炭窒化物の破片状粒子が、粒子の巾方向
の大きさが３μｍ以下で面積率が１５％以上の債にて曲
線上に分布した組織構造を、■する層が金属材料製の基
材の表面に拡散結合していることを特徴とするものであ
る。

この複合材は、基材表面上に上記表面層の組成を有する
合金粉末を減圧雰囲気中でプラズマ溶射することＫより
製造される。

〔作用〕

複合摺動部材の耐荷重任及び：ｉｒｔ：９耗性を改害す
るには表面層は、高靭性の基地相（マトリクス）と硬質
相が強固に結合し、更に、硬質な金４間化合物が微細で
且つその占有率が多いものである方がよい。従って、表
面Ｊ−には微細な金属間化合物である炭化物、窒化物あ
るいは炭窒化物が多く晶出している方がよい。しかし、
炭化物を多くするために炭素の添加量を多くすると、材
料を溶融温健が高くなり、炭化物が粗大に成長し、更に
、比重差による偏析号が生じ、耐４粍社、耐荷重任を低
下させる恐れがある。

本発明の高硬度複合部材では上記問題は解決される。本
発明において、マルテンサイト基地中に分布する破片状
の硬質な金属間化合物が巾方向の大きさが３μｍ以下、
面積率１５チ以上と規定したのけ下記の理由による。す
なわち、破片状の巾方向の大きさが３μｍ以上の金属間
化合物が大半を占めると、金属間化合物の形状が本発明
の破片状のように複雑な場合結合に関与する表面積が少
なく、基地相との結合が不十分なため、高硬度部品に用
いた場合、仕上げ加工時あるいは使用時に金属間化合′
勿が脱落し謳くなる。一方、金属間化合物の大きさが中
刃１β」で３μｍ以上と大きく、また、面積率で１５チ
以下となると、金属間化合物よシ軟質な基地の面積が増
大し、基地の変形に伴って割れが発生したり、金属間化
合物が周囲の摩耗により剥離、脱落したりして＃Ｆ摩耗
注が低下する。特に丈用時に脱落した場合は、脱落した
金属間化合物が摩り５面に介入し二墳摂面に傷をつけ、
あるいは減摩剤となって摩耗を促進する。

〔実画例〕

本発明の複合材は、金属材料製基材の表面に形成する表
面層の金属間化合物の構成成分′はｆ＋’ｅ。

Ｃｒ、ＶおよびＣ又はＮｏ他に、Ｍｏ、　Ｗ、　　Ｎｂ
。

Ｔｉ、　Ｚｒの少くとも１つを含んでもよい。好ましく
は表面層の金属間化合物を形成する成分は重を慢でＣ：
　２〜１（１，Ｃｒ　：　１８〜６０’ｌ、Ｖ：０．３
〜３０慢、ＭＯ：　３０チ以下、Ｗ：２５チ以下、Ｎｂ
　：　ｌ　５％以下、Ｔｉ：１５％以下、Ｚｒ　：　１
５俤以下、残部Ｆ、でおるのが好ましい。

表面層の構成成分について説明すると、炭素は炭化物形
成元素と密接な関係がある。炭化物形成元素の添加量が
多くなる程、硬質な炭化＊量が多くできる。２％以下で
は高硬度部材としての効果が顕著でない。炭素量を多く
する程、炭化物の晶出量が多くなシ硬化するが、１０チ
以上になると融解、熱間・冷間加工、研削持前の作業性
が低下し、硬質１＃１に気孔が発生し、脆化する。

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
基地の金属より低く、価格の上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１８％未満では
不十分である。Ｃｒｔとともに硬化能が増大するか、６
０チを超えると作業性が極めて低下し、硬質層内に気孔
が存在し脆くなる。

■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。結晶粒の微細化及び窒化によ
る硬化に対してはａｔでも効果があるが、本発明のよう
女高合金鋼系になると０．３１以上で顕著な効果が現わ
れる。ｖｔとともに炭化物量が゛増え、耐摩耗性が増大
し、３０％程度で飽和するので上限を３０％とする。１
だ、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、耐摩耗性を向上さ
せるのに効果がある。拡散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。

ＭＯ及びＷはＭ、Ｃ及びＭＣ型炭化物を形成し、耐摩耗
性を向上させる。これらの元素の添ヵロ債が多くなる程
炭化物の量も増え、耐摩耗性も改善されるが、それぞれ
３０及び２５チで飽和する傾向がある。

更に、炭化物あるいは窒化物形成元素として、４Ａ族の
Ｔｉ、ｚｌ、Ｈｆがあり、硬化に対し有効な成分である
。硬化に対してはその添加量が多い程よいのであるが、
１５％以上になると作業性が低下し、脆性する傾向があ
る。その池、Ｓｔ、Ｍｎも含まれていてよい。

表面層としての硬質層の厚さは３０μｍ以上にするのが
好ましい。３０μｍ以下では使用時の仕上げ加工の際に
除去される恐れがあり、また高荷重で使用すると硬質層
の耐圧が低下し、基材をも変形させる原因となる。

前記のような硬質層としての表面層を基材の表面に形成
するには、該表面層の組成をＭする合金溶湯から直接基
材にｌ！Ｊｔ霧化して吹き付けるか、粉末に加工後、溶
射法でコーティングする。いずれの場合も、減圧した雰
囲気容器内で作製する。例えば、溶射法で行なう場合、
従来のように大気中で作業を行な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し、この反応生成物は溶融温度が高
いので、基材にＩ！！！着する前に凝固するか又は凝固
温度に近い状態になる。このような条件で表面層として
の皮膜が形成されると、皮膜内は用いた粉末が密着時の
＃撃で偏平につぶれて積層し、その積層粒子間に気孔、
酸化物号の不必要な欠陥を含んだ層になり、従って、皮
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
行なうのがよい。これによれば密着時の個個の粒子間の
不必要な酸化膜や気孔等の欠陥が存在せず、相互の粒子
が融合し、金属間化合物を微細に析出させるとともに緻
密な硬質層を形成するのに有効である。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。第１表に示す
成分（残部はＦｅ）の合金鋼をｍ解し、＾空アトマイジ
ング法で粒径１０〜４４μｍの粉末を作製し、この粉末
を基材である８０Ｍ４１５ｆｉの表面に約３０μｍ厚さ
に減圧雰囲気中でプラズマ溶射した。雰囲気は５０　Ｔ
ｏｒｒのＡｒを用いた。プラズマガスはＡｒ−１−Ｈ，
でプラズマ成流は８００Ａであった。その後、被処理品
を９３０℃×３０分の油焼入れし、その後、１７０℃Ｘ
１２０分の熱処理を行った。このようにして第１表に示
す試料Ａ−Ｅを作製した。第１表中、試料Ｆ、Ｊは参考
のための比較例である。これらの表面の観察による判定
、ｔｉ果は第１表の作業性の項に示したようでおる。表
中のＯ印は皮膜が均質で平滑な構造部材として適用でき
るものである。Ｘ印は表面が多孔質となシ、脆弱で構造
部材表面として不適当なものである。

第　　１　　表 （２）　　　　　残部二Ｆｅ ８ｇ１図は代表例として、本発明に基づく試料Ａの析面
顕微鏡組４Ｉ＆を示した写真であり、第２図は試料Ａの
硬質皮膜断面の走ｆ：型電子顕微傭写真（倍率４０００
倍）である。炭素量が高いのにも拘らず極めて微細な組
織〈なっている。これらの写真中、黒灰色に見える破片
状に微細かつ勿−に分布している相が金属間化合物たる
炭化物である。

これら炭化物相の粒子は粒子中刃同の大きさが３μｍ以
上であり、面積率が１５チ以上であること、そして全体
として波打った曲線上にてマルテンサイト基地相（写真
中に、白灰色に見える部分）中に分布していることがわ
かる。これら炭化物相の粒子間の距離は上記曲線の長手
方間よりも直角方向の方が小さいこともわかる。皮膜を
成す硬質層のｊｌ、Ｉｐさは）ｌＶ１２００〜１３００
である。

なお、第１表中の比較例は熔解法で作製したものである
が、熔解法では作業注寺の上でＣｒ、Ｃに制約があり本
発明実施例と同一成分のものの加工は困難であったので
、第１表では高炭素−高Ｃｒ鋼Ｃ：ｈるＳＫＤ　ｉ　（
２％Ｃ−１３Ｃｒ）を比較材とした。第３図は５ＫＤＩ
を同条件で熱処理した後の顕微鏡組織を示したものであ
る。図中の白色に観察できる相が炭化物である。本発明
に基づく第１図、第２図の組繊に比較して炭化物が粗大
化し不均一になっている。５ＫＤＩの硬さはＨＶ　８３
０程度である。

第４図は前記試料Ａ、Ｊの摩耗試験の結果を示したもの
である。摺動の相手材は硬さＨＶ　８４０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１
００　Ｋｑ・ｆ／−で、繰返し数は１０回とした。比較
材Ｆ−Ｊは５ＫＩ）Ｉである。図に示すように本発明材
Ａ、Ｅはほとんど摩耗ぜず、耐摩耗性が潰れていること
が分る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の熔解法や焼結法とは異って、靭
性に富む材料で出来ている基材の表面に炭化物、窒化物
あるいは炭窒化物形成自由エネルギーの低い成分が固溶
し更に炭化物を形成する材料を減圧雰囲気中でプラズマ
溶射し、その後熱処理することにより、極めて微細かつ
均一な相の状、懐で高く叱度の表面層を持つ著しくＭＬ
ｊｔｌ札注に優ｎた強靭な複合材が得られ、表面層と基
材との密着性ンよび表面層中の粒子の密着性が良好であ
る。

かかる表面層は基材表面の所要の範囲にのみ溶射形成し
てよいつ従来の熔解法による製造法で作らルた耐４粍材
ではある大きさに々ると鍛造時の冷却速度に限界がおり
、この冷却の熱平衡で晶析相が粗大化して、成分範囲が
決まるが、本発明では最高４４μｍの粒子を用い、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る複合材の断面の金属組
織を示す顕微鏡写真、第２図は同複合材の断面の金ｌｊ
４徂織を示す電子顕微鏡写真、第３図は従来の熔解法で
作製した比較材の金属組織を示す顕微鏡写真、第４図は
摺劾李耗試験後の摩耗量の比較図である。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　マルテンサイト基地中にＦｅ、ＣｒおよびＶを含む
   金属間化合物である炭化物、窒化物または炭窒化物の破
   片状粒子が粒子の巾方向の大きさが３μｍ以下で面積率
   が１５％以上の量にて曲線上に分布した組織構造を有す
   る層が金属材料製基材の表面に拡散結合していることを
   特徴とする高硬度複合材。 ２　前記金属間化合物を成す成分が重量でＣ：２〜１０
   ％、Ｃｒ：１８〜６０％、Ｖ：０．３〜３０％、Ｍｏ：
   ３０％以下、Ｗ：２５％以下、Ｎｂ：１５％以下、Ｔｉ
   ：１５％以下、Ｚｒ：１５％以下、残部：Ｆｅである特
   許請求の範囲第１項記載の高硬度複合材。 ３　金属材料製基材上の前記層の厚さが３０μｍ以上で
   ある特許請求の範囲第１項又は第２項記載の高硬度複合
   材。 ４　重量でＣ：２〜１０％、Ｃｒ：１８〜６０％、Ｖ：
   ０．３〜３０％、Ｍｏ：３０％以下、Ｗ：２５％以下、
   Ｎｂ：１５％以下、Ｔｉ：１５％以下、Ｚｒ：１５％以
   下、残部：Ｆｅの合金粉末を金属材料製基材の表面に減
   圧雰囲気中でプラズマ溶射することを特徴とする高硬度
   複合材の製造方法。