JPWO2017006838A1 - 鋳造材及び鋳造材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の鋳造材において、前記結合相が、Cr,Mo,Mn,Cu,W,Fe及びSiのうち少なくとも1種の金属と、Co及び/又はNiとの合金であることが好ましい。
本発明の鋳造材において、鋳造材中におけるBの含有量が1〜6重量%であり、前記鋳造材中におけるCの含有量が0〜2.5重量%であることが好ましい。
本発明の鋳造材において、前記硬質相粒子がMo2NiB2またはMo2(Ni,Cr)B2で表される複硼化物からなり、前記結合相がNi基合金からなるものであることが好ましい。
本発明の鋳造材は、硼化物又は炭化物を主体とする硬質相粒子と、Co及び/又はNiを主成分として含有する合金を含む結合相とからなり、硬質相粒子の平均粒径が3μm以下、硬質相粒子のアスペクト比の平均値が2.3以下、長径が5μm超である前記硬質相粒子の含有量が2450μm2あたり3個以下、硬質相粒子同士の接触率が40%以下であることを特徴とする。
本発明の鋳造材を構成する硬質相粒子は、硼化物および/または炭化物を主として含み、鋳造材の硬度及び耐摩耗性に寄与する。本発明の鋳造材において、硬質相粒子は、後述する結合相のマトリックス中に分散された状態で存在している。
本発明の鋳造材を構成する結合相は、Co及び/又はNiを主成分として含有する合金を含み、上述した硬質相粒子を結合するためのマトリックスを形成する相である。結合相を構成する合金の具体例としては、Co基合金及び/又はNi基合金であって、Cr,Mo,Mn,Cu,W,Fe及びSiから選択される少なくとも1種を含む合金などが挙げられる。本発明の鋳造材では、結合相を、Co及び/又はNiを主成分として含有する合金を含むものとすることにより、例えば、結合相に、Fe基合金を主成分とする合金を含有させた場合と比較して、得られる鋳造材の耐食性が向上する。
本発明の鋳造材は、その微細構造、具体的には、硬質相粒子の平均粒径、硬質相粒子のアスペクト比の平均値、長径が5μm超である硬質相粒子の含有量、及び硬質相粒子同士の接触率が、後述する所定の範囲に制御されたものである。本発明によれば、これらを後述する所定の範囲に制御することにより、耐食性及び耐摩耗性に優れ、かつ、高硬度及び高抗折力を備えるものとすることができる。
dm=(4/π)×(NL/NS) …(1)
上記式(1)中、dmは、硬質相粒子の平均粒径である。πは、円周率である。NLは、断面組織上の任意の直線によってヒットされる(任意の直線を引いた場合に、該任意の直線と接触あるいは交差する)、該任意の直線の単位長さあたりの硬質相粒子の数であり、具体的には、断面組織上の長さLの任意の直線によってヒットされる粒子の数を、該任意の直線の長さLで除したものにより算出される値である。また、NSは、任意の単位面積内に含まれる硬質相粒子の数を表したものであって、測定領域範囲Sの任意の測定面積内に含まれる粒子の数を、該任意の測定領域範囲Sで除したものを表す。なお、この際においては、直線Lの長さは、平均粒径の測定に十分な数の硬質相粒子が交わる長さとすればよく、20μm以上とすることが好ましい。なお、後述する実施例では、直線Lの長さは42μmとしている。また、測定領域範囲Sは、平均粒径の測定に十分な数の硬質相粒子が含まれる範囲とすればよく、長さ20μm以上、幅20μm以上の範囲とすることが好ましい。なお、後述する実施例では、測定領域範囲Sの長さは57μm、幅は43μm(すなわち、2450μm2)としている。
Cont=2N(IHH)/{2N(IHH)+N(IHB)}×100 …(2)
なお、上記方法にしたがって、硬質相粒子同士の接触率を算出する際には、上記とは別の測定用のラインLを、上記とは異なる場所を通るようにSEM写真上に引き、同様にして、硬質相−硬質相界面IHH、および硬質相−結合相界面IHBの数をカウントする操作を、合計6回行い、合計6回の測定結果を平均することにより、硬質相粒子同士の接触率を算出することが好ましい。
本発明の鋳造材の組成は、特に限定されないが、結合相をNiを主成分とするNi基合金とする場合には、B:1〜6重量%、C:0〜2.5重量%、Co:0〜30重量%、Si:0〜5重量%、Cr:0〜20重量%、Mo:5〜40重量%、Fe:0〜25重量%、Ni:残部であることが好ましい。あるいは、結合相をCoを主成分とするCo基合金とする場合には、B:1〜6重量%、C:0〜2.5重量%、Ni:0〜5重量%、Si:0〜5重量%、Cr:0〜25重量%、Mo:5〜40重量%、Fe:0〜25重量%、Co:残部であることが好ましい。
次に、本発明の鋳造材の製造方法について、説明する。
まず、本発明の鋳造材を形成するための原料粉末を準備する。原料粉末としては、鋳造材を形成する各元素の含有割合が所望の組成比となるように、準備すればよい。なお、本発明においては、原料粉末中に、予め硼化物及び/又は炭化物を主体とする硬質相粒子を含有させるようにしてもよいし、原料粉末中には硬質相粒子を含有させずに、原料粉末を用いて鋳造材を作製する過程で、鋳造材中に、原料粉末に含まれるホウ素や炭素に由来して、硼化物及び/又は炭化物を主体とする硬質相粒子が形成されるようにしてもよい。
本発明では、溶解混合物を冷却する際には、冷却開始温度から400℃までの温度範囲において、100℃/min.以上の冷却速度で継続して溶解混合物を冷却する過程を含むようにする。本発明において、100℃/min.以上の冷却速度で継続して溶解混合物を冷却する過程を含むようにするとは、一定程度継続して、100℃/min.以上の冷却速度となるような態様とすればよいことを意味し、好ましくは1分以上、より好ましくは5分以上継続して、100℃/min.以上の冷却速度にて冷却を行う過程が含まれていればよく、たとえば、瞬間的に100℃/min.以上の冷却速度となるような態様(たとえば、1秒以下だけ、100℃/min.以上の冷却速度となるような態様)は含まれないものである。なお、溶解混合物を冷却する際には、冷却開始温度から400℃までの温度範囲において、100℃/min.以上の冷却速度で継続して溶解混合物を冷却する過程を含むようにすればよいが、この際の冷却速度は、好ましくは200℃/min.以上、より好ましくは400℃/min.以上である。溶解混合物の冷却を上記条件で行うことによって、得られる鋳造材について、硬質相粒子の平均粒径、硬質相粒子のアスペクト比の平均値、硬質相粒子の長径の平均値、及び硬質相粒子同士の接触率を、上述した範囲に制御することができる。
なお、各特性の定義および評価方法は、以下のとおりである。
走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、鋳造材の切断面について、反射電子像の撮影を行い、上述した方法に従い、硬質相粒子の平均粒径、硬質相粒子のアスペクト比の平均値、長径が5μm超である硬質相粒子の個数及び硬質相粒子同士の接触率の測定を行った。なお、本実施例では、各測定を行う際における、直線Lの長さは42μmとし、測定領域範囲Sは2450μm2とした。
鋳造材について、硬度(ロックウェルCスケール)の測定を行なった。
鋳造材を、4mm×7mm×24mmのサイズとなるように切削加工することで、試験片を得て、得られた試験片について、CIS 026に準拠して、抗折力(3点曲げ試験)の測定を行なった。
Mo2NiB2型の複硼化物20重量%と、Ni基自溶性合金(組成は、Cr:10重量%、B:2重量%、Si:2.7重量%、C:0.4重量%、Fe:2重量%、Ni:残部。)80重量%とを乾式混合して、混合粉末を得た。次いで、得られた混合粉末を、るつぼに入れて、真空鋳造機(田邊研電社製 TCP−5250)を用いて、高周波溶解炉で1200℃まで昇温して溶融させることで溶解混合物を得て、得られた1200℃の溶解混合物を、400℃に熱した金型に流し込み、その後室温まで空冷することで鋳造材を得た。このとき、溶解混合物の温度を、高周波溶解炉から取り出してから2分後に測定したところ、温度は400℃であった。すなわち、溶解混合物は、高周波溶解炉から取り出された後の2分間で、1200℃から400℃まで冷却されたこととなり、この際の溶解混合物の冷却速度は400℃/min.であり、この結果より、溶解混合物は、1200℃から400℃までの範囲において、400℃/min.程度の冷却速度にて継続して冷却されたといえる。
Mo2NiB2型の複硼化物10重量%と、Ni基自溶性合金(組成は、B:2.3重量%、Si:7.1重量%、C:0.06重量%以下、Fe:1.5重量%、Ni:残部。)90重量%とを乾式混合して、混合粉末を得た。次いで、得られた混合粉末を、真空炉を用いて1160℃、30分間の条件で、真空中で焼き固めてインゴットを得た。その後、インゴットを、大気炉を用いて、大気中で1200℃まで昇温して溶解させることで溶解混合物を得て、得られた1200℃の溶解混合物を、20℃の室温の金型に流し込み、その後空冷することで鋳造材を得た。このとき、溶解混合物の温度を、大気炉から取り出してから約1分後に測定したところ、温度は400〜500℃であった。すなわち、溶解混合物は、大気炉から取り出された後の1分間で、1200℃から400〜500℃まで冷却されたこととなり、この際の溶解混合物の冷却速度は700〜800℃/min.であり、この結果より、溶解混合物は、1200℃から400℃までの温度範囲において、700〜800℃/min.程度の冷却速度にて継続して冷却される過程を経たといえる。
混合粉末として、Mo2NiB2型の複硼化物15重量%と、Ni基自溶性合金(組成は、B:2.3重量%、Si:7.1重量%、C:0.06重量%以下、Fe:1.5重量%、Ni:残部。)85重量%とを乾式混合したものを用いた以外は、実施例2と同様にして、鋳造材を得て、同様に各測定を行った。各測定のために撮影した走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を、図4(A)、図4(B)に示す。ここで、図4(B)は、図4(A)の一部を拡大した拡大図である。図4(A)、図4(B)の反射電子像では、白い領域が硼化物(硬質相粒子)であり、黒い領域が不純物であり、残りの灰色の領域がNi基合金である。なお、灰色の領域のうち、細長い形状をした部分(図4(B)において矢印で示した部分等)は、Ni基合金中の晶質の違いにより、Ni基合金の他の部分より色が濃く写っているものであって、あくまでNi基合金であり、硬質相粒子を構成するものではないと考えられる。
混合粉末として、Mo2NiB2型の複硼化物20重量%と、Ni基自溶性合金(組成は、B:2.3重量%、Si:7.1重量%、C:0.06重量%以下、Fe:1.5重量%、Ni:残部。)80重量%とを乾式混合したものを用いた以外は、実施例2と同様にして、鋳造材を得て、同様に各測定を行った。各測定のために撮影した走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を、図5(A)、図5(B)に示す。ここで、図5(B)は、図5(A)の一部を拡大した拡大図である。図5(A)、図5(B)の反射電子像では、白い領域が硼化物(硬質相粒子)であり、黒い領域が不純物であり、残りの灰色の領域がNi基合金である。なお、灰色の領域のうち、細長い形状をした部分(図5(B)において矢印で示した部分等)は、Ni基合金中の晶質の違いにより、Ni基合金の他の部分より色が濃く写っているものであって、あくまでNi基合金であり、硬質相粒子を構成するものではないと考えられる。
混合粉末に代えて、Ni基自溶性合金(組成は、Cr:10重量%、B:2重量%、Si:2.7重量%、C:0.4重量%、Fe:2重量%、Ni:残部。)のみを用いた以外は、実施例2と同様にして、鋳造材を得て、同様に各測定を行った。各測定のために撮影した走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を、図6(A)、図6(B)に示す。ここで、図6(B)は、図6(A)の一部を拡大した拡大図である。図6(A)、図6(B)の反射電子像では、黒い領域が炭化物(硬質相粒子)であり、残りの灰色の領域がNi基合金である。なお、炭化物は、Ni基自溶性合金中の炭素が、金属元素(Ni、CrまたはFe)と反応して形成されたものであると考えられる。
実施例1と同様にして得た混合粉末を、るつぼに入れて、真空熱処理炉(島津製作所社製 PVSGgr 20/20)を用いて1200℃まで昇温して溶融させた溶解混合物を、高周波溶解炉内で、約1時間かけて400℃まで徐冷して、鋳造材を得た。次いで、得られた鋳造材について、実施例1と同様に各測定を行った。各測定のために撮影した走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を、図7(A)、図7(B)に示す。ここで、図7(B)は、図7(A)の一部を拡大した拡大図である。図7(A)、図7(B)の反射電子像では、白い領域が硼化物(硬質相粒子)であり、黒い領域が炭化物であり、残りの灰色の領域がNi基合金である。
実施例1と同様にして得た混合粉末を、るつぼに入れて、真空熱処理炉(島津製作所社製 PVSGgr 20/20)を用いて1200℃まで昇温して溶融させた溶解混合物を、高周波溶解炉内で、約5時間かけて800℃まで徐冷して、鋳造材を得た。次いで、得られた鋳造材について、実施例1と同様に各測定を行った。各測定のために撮影した走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を、図8(A)、図8(B)に示す。ここで、図8(B)は、図8(A)と同じ試験片の高倍率電子像である。図8(A)、図8(B)の反射電子像では、白い領域が硼化物(硬質相粒子)であり、黒い領域が炭化物であり、残りの灰色の領域がNi基合金である。
混合粉末に代えて、Ni基自溶性合金(組成は、Cr:10重量%、B:2重量%、Si:2.7重量%、C:0.4重量%、Fe:2重量%、Ni:残部。)のみを用いた以外は、比較例2と同様にして、鋳造材を得て、同様に各測定を行った。各測定のために撮影した走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を、図9(A)、図9(B)に示す。ここで、図9(B)は、図9(A)の一部を拡大した拡大図である。図9(A)、図9(B)の反射電子像では、黒い領域が炭化物(硬質相粒子)であり、残りの灰色の領域がNi基合金である。
なお、上述した実施例2〜5では、溶解混合物を、室温の金型に流し込み、その後空冷することで鋳造材を得たが、金型として、実施例1と同様に400℃に加熱された金型を用いた場合でも、冷却開始温度から400℃までの温度範囲において、100℃/min.以上の冷却速度で継続して溶解混合物を冷却する過程を経たものになると考えられるため、得られる鋳造材は、同様に、優れた耐食性及び耐摩耗性に加え、抗折力及び硬度が高いという特性を有するものになると考えられる。
また、比較例3の測定結果より、硬質相粒子同士が結合して大きな塊となってしまった鋳造材は、抗折力及び硬度が、いずれも低くなる結果であった。
Claims (7)
- 硼化物及び/又は炭化物を主体とする硬質相粒子と、Co及び/又はNiを主成分として含有する合金を含む結合相とからなる鋳造材であって、
前記硬質相粒子の平均粒径が3μm以下、前記硬質相粒子のアスペクト比の平均値が2.3以下、長径が5μm超である前記硬質相粒子の含有量が2450μm2あたり3個以下、前記硬質相粒子同士の接触率が40%以下である鋳造材。 - 前記硬質相粒子が、Ni,Co,Cr,Mo,Mn,Cu,W,Fe及びSiのうち少なくとも一種と、B及び/又はCとからなる硼化物及び/又は炭化物である請求項1に記載の鋳造材。
- 前記結合相が、Cr,Mo,Mn,Cu,W,Fe及びSiのうち少なくとも1種の金属と、Co及び/又はNiとの合金である請求項1又は2に記載の鋳造材。
- 前記鋳造材中におけるBの含有量が1〜6重量%であり、前記鋳造材中におけるCの含有量が0〜2.5重量%である請求項1〜3のいずれかに記載の鋳造材。
- 前記硬質相粒子がMo2NiB2またはMo2(Ni,Cr)B2で表される複硼化物からなり、前記結合相がNi基合金からなる請求項1〜4のいずれかに記載の鋳造材。
- 硼化物及び/又は炭化物を主体とする硬質相粒子と、Co及び/又はNiを主成分として含有する合金を含む結合相とからなる鋳造材の製造方法であって、
前記鋳造材を形成するための原料を混合させた状態で溶解させることで、溶解混合物を得る工程と、
前記溶解混合物を冷却する工程と、を有し、
前記溶解混合物を冷却する工程において、冷却開始温度から400℃までの温度範囲において、100℃/min.以上の冷却速度で継続して前記溶解混合物を冷却する過程を含む鋳造材の製造方法。 - 前記溶解混合物の冷却を、前記溶解混合物を、室温〜1100℃の金型中に流し込むことにより行う請求項6に記載の鋳造材の製造方法。
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