JPH01289558A - 耐摩耗用金属セラミックス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、耐摩耗性に優れた金属セラミックス複合材料
およびその製造方法に関するものであり、特に連続鋳造
鋳片の搬送スキッドレールまたは棒ｆｉＩ搬送装置の棒
鋼支持面、粉粒体輸送ライン用のエルボ管などに使用さ
れる耐摩耗用金属セラミックス複合材およびその製造方
法に関するものである。

（従来の技術） 最近、異なった複数の素材を複合化し、より優れた材料
を作ろうという目的から、複合材料の開発が活発となっ
ている。

特に、セラミックスは高強度、耐摩耗性、耐熱性などに
優れているため強化材として注目されている。しかし、
セラミックスは靭性の面で信頼性に欠けるという基本的
な難点があり、−ｉ的かつ広汎な分野での利用を妨げて
いる。

このようなセラミックスの優れた特性を生かす材料とし
て高靭性を有する鉄系金属とセラミックスとの複合材が
注目され、その製造技術も種々研究されている。

セラミックスと金属の複合材の製造方法のうちの１つと
して、強化材を予め所定の形状に成形した空隙を有する
予成形体とし、この予成形体の空隙部にマトリックスと
なる溶融状態の金属（以下、溶融金属という）を流し込
む鋳込み法がある。

この鋳込み法では、■多孔質に焼成されたセラミックス
を所定の形状に加工して予成形体をつくり、それを鋳型
に入れるか、あるいは０球状に焼成された直径が数ｎの
セラミックス粒子を所定の形状に成形された鋳型に入れ
て予成形体とし、次にこれを所定の温度に予熱した後、
溶融金属を鋳込み、予成形体の空隙に溶融金属を含浸さ
せ、そのまま冷却して製品を製造することが一般的であ
る（特開昭６２−１２７１５８号公輻等）、その他の方
法としては溶融金属の含浸状態を改善するために、溶融
金属を鋳込んだ後に加圧する方法もある。

このように金属をマトリックスとし、セラミックス多孔
質体あるいは球状のセラミックスで構成した予成形体と
の複合材が製造され、耐摩耗材料として使用されていた
。

なお、前記予成形体に鋳込む金属は目的が耐摩耗用であ
るため、−船釣には鋳鉄であるが、用途によっては２５
Ｃｒ鋳鉄やステンレス鋼も使用されている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記した鋳込み方法によって製造された耐摩耗
用金属セラミックス複合材料では、金属とセラミックス
とは単に物理的に結合しているだけであるため、金属マ
トリックスからのセラミックスの抜は落ちという現象を
生じ、複合材料としての機能を全く失うという基本的な
欠陥が発生していた。

すなわち、鋳鉄、普通鋼あるいはステンレス鋼などの鉄
系の金属と、アルミナ系あるいはジルコニア系のセラミ
ックスでは、金属の鋳込温度領域以下の温度範囲では化
学反応を起こさないため、界面ではそれぞれが物理的な
接触をしているにすぎない、このため、マトリックスと
なっている金属が摩耗により減ってきた場合にはセラミ
ックスを支持していた部分が少なくなってセラミックス
は容易にはく離し、脱落することになる。そして、セラ
ミックス部分の脱落により、期待した耐摩耗性は当然得
られなくなり、かえってセラミックスのな（なった部分
が生じることにより荷重に対する面積当たりの負荷が増
大し、摩耗が激しくなる場合もでてくる。この傾向は、
セラミックスの予成形体として球状粒子のセラミックス
を使用した時に最も著しいものである。

本発明は、上記した従来法の欠点を改善するためになさ
れたものであり、金属とセラミックスの界面の結合を改
善し、セラミックスの脱落を防止し、耐摩耗性を向上さ
せた耐摩耗用金属セラミックス複合材料およびその製造
方法を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 鋳鉄、普通鋼、ステンレス鋼などの鉄系金属と、′　　
アルミナ系あるいはジルコニア系のセラミックスでは相
互に反応することはない。このため金属とセラミックス
の界面は物理的にのみ接しているだけとなっている。

ところで、セラミックスと金属の接合の場合、一般に活
性金属であるＴｉを接合助剤として用いることが多い。

例えばＴｉとアルミナは次式のような反応を起こし、そ
の結果金属とアルミナとの接合が起こると言われている
。

３Ｔｉ＋Ａｌ□０．→３ＴｉＯ＋２ＡＩ本発明は、この
基礎的事実を応用したものである。すなわち、本発明者
は、金属中にＴｉを含有させることにより、金属とセラ
ミックスの接合が強固な複合材が得られることを見い出
し、かつその製造方法としては溶融金属中にＴｉを添加
した後、多孔質セラミックスあるいはセラミックス予成
形体に鋳込んだ場合に、金属中のＴｉがセラミックスと
反応を起こし金属とセラミックスの界面にＴｉの濃化し
た反応層を形成し、強固な接合を起こすことを知見し、
それを耐摩耗用金属セラミックス複合材料に応用したも
のである。

本発明によって得られる複合材料では、次の機構で強固
な結合が起こると考えられる。複合材料の金属とセラミ
ックスの界面には、通常厚さ数μｍ程度の反応層が存在
する。この反応層をＸｖＡマイクロアナライザーによっ
て元素分析するとＴｉが著しく濃化していることが認め
られた。このことは、溶融金属中の溶質としてのＴｉと
セラミックス（たとえばアルミナ）の間にも、前述と同
様な反応が起こることを裏付けている。

３　ＣＴｉ）　＋Ａｌ４０３→３ＴｉＯ＋２　（Ａｌ）
〔〕は金属中の溶質を示す。

このため、金属側から反応層にかけてＴｉの遷移層があ
り、反応層から金属側へはＡＩの遷移層が存在すること
になる。この遷移層の存在が強固な強含に結びついてい
ると言える。

つまり本発明は、Ｔｉを０．１重量％〜３．０重量％含
む鉄系金属およびアルミナとジルコニアの少な（ともい
ずれか１種を主成分とするセラミックスからなる耐摩耗
用金属セラミックス複合材、ならびにこの複合材を鋳込
み法で製造するに際し、アルミナあるいはジルコニアの
少なくともどちらか１種を主成分とするセラミックス多
孔質体又は空隙を有するセラミックスの予成形体を鋳型
に入れ、これらセラミックス多孔質体又は予成形体を加
熱した後、該鋳型に０．１重量％〜３．０重量％のＴｉ
を含有する溶融状態の鉄系金属を鋳込むことを要旨とす
るものである。

（作　　用） 一般に耐摩耗用のセラミックスとして使用されるものは
、アルミナ系、ジルコニア系および窒化珪素系があるが
、窒化珪素は鉄系金属に容易に溶解してしまうため、鉄
系金属との鋳込み方法による複合化は不可能である。従
って、本発明ではアルミナ系、ジルコニア系のセラミッ
クスを使用して複合化するものに限定される。

Ｔｉは金属とセラミックスとの界面結合を強化するため
に必要な金属である。第１表に板状の金属セラミックス
複合体を作製し耐摩耗性を調査した結果を示す。結合材
としてのＴｉの含有量は最低０．１重量％以上必要であ
ることが下記表に示した結果より明らかとなった。また
、Ｔｉ含有量の上限であるが、Ｔｉは活性金属であるた
め、その量が多すぎるとセラミックスを浸食し、セラミ
ックスそのものを脆化してしまうことになる。従ってそ
の含有量にも自ずと上限があり、第１表に示した結果よ
り、３．０重量％以下が適切である。

上記第１表の実験結果として示した摩耗量は、第２図に
示すようなピンオンディスク法によって摺動摩耗の試験
を実施した結果である。また、辛耗量はディスクがセラ
ミックス試料と接して移動した距離当たりの試料の重量
減少量として表した。

なお、試料２の荷重条件は、０．０２ｋｇ／ｍｍ”　、
速度は、０．４ｍ／秒、ディスク３には５４５（、を使
用し、大気中において無潤滑で行った。第２図中、１は
試料支持棒を示す。

本発明法の複合材料では、セラミックスと金属とが占め
る表面積の割合によって摩耗量が影響されるため、試料
２を２０ｍｍＸ２０ｍｍＸ５ｆｌに加工し、さらに金属
とセラミックスの試料２における面積比率が各試料とも
相互にできる限り等しいものを選んで用いた。

上記第１表より明らかな如く、本発明の金属セラミック
ス複合材は、いずれも耐摩耗性が良好であり、セラミッ
クスの抜は落ちも生じなかった。

しかし、Ｔｉ含有量の上下限外では、セラミックスと金
属の界面接合が不十分あるいはＴｉによるセラミックス
の脆化が原因と判断されるセラミックスの抜は落ちが生
じた。

以下本発明の製造方法を第１図に基づいて説明する。

第１図において、１１は所定形状に成形された砂型、金
型などの鋳型であり、この鋳型１１と砂型またはセラミ
ック多孔質体などの中子１４との間にアルミナ等のセラ
ミックス粒子１２を所要量充填するのである（第１図（
イ））。

そして、セラミックス粒子１２を例えば１０００〜１１
００℃に加熱し、この加熱された鋳型１１内にＴｉＯ４
１〜３．０重量％含有する溶融状態の鉄系金属１３を鋳
込んで、前記セラミックス粒子１２の空隙に前記溶融状
態の鉄系金属１３を含浸させるのである。なお、前述の
ようにセラミックス粒子を用いる代わりに多孔質のセラ
ミックス予成形体を用いてもよい。

かかる状態で冷却を行えば金属セラミックス複合材が得
られる。

本発明の方法で金属セラミックス複合体を製造する場合
には、セラミックス予成形体の空隙部に溶融金属を隅々
まで浸透させる必要がある。そのためには、セラミック
スの空隙部を耐摩耗性を劣化させない範囲で大きくする
ことが望ましく、球状セラミックス粒子の場合には、径
１龍以上が適当である。また、セラミックス予成形体の
予熱温度を極力高くすること、溶融金属の粘度を下げる
ために鋳込み前の溶融金属の温度を極力高くすること、
セラミックス予成形体を気密に保持し、空隙部を減圧な
いし真空にすることなどの手段も効果的である。

すなわち、本発明方法は通常の鋳込み方法において、セ
ラミックスとしてアルミナ又はジルコニア系のものを使
用し、溶融状態の鉄系金属としてＴｉを０．１〜３．０
重量％含有したものを使用することを特徴としている。

（実施例１） 以下に本発明方法で製造した鋼片搬送用のスキッドライ
ナをブルーム用連続鋳造設備に適用した例について示す
。第３図にスキッドライナの概略図を示す。

マトリックス金属としてはＦＣＤ４５をベースとしてＴ
ｉＯ，９８重量％を添加した第２表に示す組成のものを
用いた。またセラミックス予成形体として平均直径３ｆ
ｉのアルミナ製粒子で構成し、本発明の鋳込み方法で製
造した。これを綱片搬送用のスキッドライナ１５をブル
ーム用連続鋳造設備に取付けて試験を行った。比較材と
して、従来から使用゛されているＦＣＤ４５のみの材質
のものと、上記と同様のセラミックス球とＦＣＤ４５（
Ｔｉ添加なし）を複合化したものも取り付けて試験を行
った。

６ケ月間経過後にそれぞれの試験品の摩耗量を測定した
ところ、従来品（ＦＣＤ４５のみ）は１６龍、Ｔｉ添加
なしの複合材は１４■寵、本発明方法により製造した複
合材では９龍であったｅ　Ｔｉ添加のない複合材ではア
ルミナ球の抜は落ちが多く、ライナー面にはアルミナ球
を引きずった跡がついていた。

Ｔｉを添加した本発明方法により製造した複合材につい
ても、アルミナ球の抜は落ちは少しは観察されたが、Ｔ
ｉ添加のないものに比べて抜は落ちた金属部の直径が小
さいことから判断し、アルミナ球が摩耗によりかなり小
さくなるまで金属と接合していたものであることが明ら
かとなった。

なお、試験終了後スキッドライナの一部を採取し、塩酸
で金属部を溶解（セラミックスは不溶）し、金属部の化
学組成を分析した結果を第２表に示した。金属部の化学
組成は鋳込前とほぼ同一であることが確認された。

（実施例２） 第２の実施例として、本発明法で製造した粉粒体輸送ラ
イン用のエルボ管を、高炉での粉焼結鉱の気送吹込配管
に適用した。第４図にエルボ管１６の概略図を示す。

マトリックス金属は、第３表に示すようにＦｅ１２をベ
ースにＴｉ１．９５重量％を添加した。またセラミック
ス予成形体は、平均直径２Ｂのアルミナ製粒子１２で構
成した。本発明鋳込み方法で製造したエルボ管１６を高
炉での粉焼結鉱の気送吹込配管に組込み、試験を行った
。比較材として、従来から使用されている５ＴＰＧ３８
（ＪＩＳ　Ｇ　３４５４）材質単体のもの、及び上記と
同様のセラミックス球とＦｅ１２（Ｔｉ添加なし）を複
合化したものも取付けて試験を行った。

３ケ月間経過後にそれぞれの試験品の摩耗量を測定した
ところ、従来品（ＳＴＰＧ３８）は１０１層で穴が貫通
しており、Ｔｉ添加なしの複合材は６１■、本発明方法
により製造した複合材は４ｍｍであった。Ｔｉ添加のな
い複合材ではアルミナ球の抜は落ちが多く摩耗量が比較
的多かった。Ｔｉを添加した本発明法により製造した複
合材についても、アルミナ球の抜は落ちは観察されたが
、Ｔｉ添加のないものに比べて、表面に残っているアル
ミナ球の直径が小さいことから判断し、アルミナ球が摩
耗によりかなり小さくなるまで金属と接合していたもの
であることが明らかとなった。

なお、試験終了後の複合材の金属部の化学組成について
実施例１と同様の方法で分析した結果を第３表に示した
。

第　３　表　　　　　（８位　重量％）（発明の効果） 以上説明したように本発明は、Ｔｉを０．１重量％〜３
．０重量％含む鉄系金属およびアルミナとジルコニアの
少なくともどちらか１種を主成分とするセラミックスか
らなる耐摩耗用金属セラミックス複合材、ならびにこの
複合材を鋳込み法で製造するに際し、アルミナあるいは
ジルコニアの少なくともどちらか１種を主成分とするセ
ラミックス多孔質体又はセラミックスの予成形体を鋳型
に入れ、これらセラミックス多孔質体又は予成形体を加
熱した後、この鋳型に０．１重量％〜３，０重量％のＴ
ｉを含有する溶融状態の鉄系金属を鋳込むものであり、
アルミナ系、ジルコニア系セラミックスと鉄系金属の鋳
込み法において、溶融金属にＴｉを添加することで、金
属とセラミックスの界面結合を改善でき、従来品と比較
してより長い寿命の耐摩耗材が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の説明図、第２図は摺動摩耗試験の
概略説明図、第３図（イ）（ロ）および第４図は本発明
の方法の実施例を示す図である。 １１は鋳型、１２はセラミックス粒子、１３は溶融金属
、１５はスキンドライナ、１６はエルボ管。 （は力’２　るン 第１図 （イ） （ロ） 第２図 第３図 （イ） 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｔｉを０．１重量％〜３．０重量％含む鉄系金属
   およびアルミナとジルコニアの少なくともいずれか１種
   を主成分とするセラミックスからなる耐摩耗用金属セラ
   ミックス複合材。
2. （２）アルミナあるいはジルコニアの少なくともどちら
   か１種を主成分とするセラミックス多孔質体又は空隙を
   有するセラミックスの予成形体を鋳型に入れ、これらセ
   ラミックス多孔質体又は予成形体を加熱した後、この鋳
   型に０．１重量％〜３．０重量％のＴｉを含有する溶融
   状態の鉄系金属を鋳込むことを特徴とする請求項１記載
   の複合材の製造方法。