JPH0277536A - 高炭素、コバルト基合金部材の製造方法 - 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〉 この発明は、高炭素、コバルト基合金よりなる部材の製
造方法にかかり、特に粉末冶金技術を利用して上記合金
により所望形状の部材を成型する方法に関する。

〈従来の技術〉 Ｃ０１５〜５．０重量％及びＧｏ４０重量％以上を基本
とし、これをＣｒ、　Ｎｉ、　Ｗ、　Ｍｏ、　Ｖ、　Ｎ
ｂ、　Ｔｉ、　Ｆｅなどの各種成分を適宜添加してなる
高炭素、コバルト基合金は、高温硬さ、耐摩耗性及び耐
食性か何れも優れているため、苛酷な用途の材料として
注目されてし）る。

しかし、この種の材料は、変形抵抗が大きく靭性に乏し
いので、塑性加工が不可能とされていた。そのため、従
来は、肉盛りや溶射などの溶着方法や、鋳造方法によっ
て所望の部材を製造していた。

〈発明が解決しようとする課題〉 一般に、溶着や鋳造による製造方法では、溶融物が凝固
したままの状態のものしか得られないので、凝固時の内
部欠陥か内在したり、組織が不均一になったりして、当
該金属が保有する性質を十分発揮させることができない
、特に高炭素、コバルト基合金は、凝固時に共晶炭化物
が粗大凝集し、かつマトリクス中に不均一に分散するほ
か、空孔等の内部欠陥が混在し易いために、合金の持つ
耐摩耗性、耐食性、高温硬さなどの品質特性か、ともに
非常に低くなる。

これに加え、溶着方法では、内径７０■ｌ以下の比較的
細い管や長さ１ｍ以上の比較的長い管の内面溶着が極め
て困難なことに加えて、その作業俺率か低く、鋳造法で
は薄肉管の製造かできないなど、製品の形態か厳しく制
約される。

この発明は、上述の溶融、凝固による製品の品質上の問
題点を解決し、かつ、製造される製品の形態による制約
を緩和し、生産性を高めようとするものである。

く課題を解決するための手段〉 この発明では、先ず、炭素０．５〜５．０重量％及びコ
バルト４０重量％以上を基本成分とする合金を粉末化す
る０次いで、この合金粉末を金属カプセルに充填して封
止し、その後に加熱してカプセル内の合金粉末を予備焼
結させる。そして、これを誘導加熱により更に昇温させ
、熱間押出機に装填して押出しによる塑性加工を加える
。

ここで、炭素０．５〜５．０重量％及びコバルト４０重
量％以上の組成は、周知の高炭素、コバルト基合金の組
成に準拠するものであり、やはり周知のようにＣｒ、　
Ｎｉ、　Ｗ、Ｍｏ、　Ｖ、Ｎｂ、　Ｔｉ、　Ｆｅ等の成
分を、適宜選択して添加する。

粉末化の方法としては、炭化物か微細で均一に分散し、
マトリクスの結晶粒も微細化するように、急冷を伴うア
トマイズ法か適当であり、特にカプセル内ての充填率を
高める上で、球状粉末か得られるガスアトマイズ法が最
適である。その粒径は、カプセル内での充填率を高め、
加熱を容易にするために、約１０００ｇ以下の各種のも
のを混在させるのが望ましい。

カプセルとしては、軟鋼、不錆鋼を始め、加工性が悪く
ない金属であれば使用できる。製品が高炭素、コバルト
基合金のみからなる棒または管の場合は、円筒形または
２重円筒形の薄肉のカプセルを用いる。製品か高炭素、
コバルト基合金と通常の金属とのクラット材である場合
は、カプセル壁の一部または中子に、クラツド材を構成
させるための金属を適当な厚さにして使用する。

粉末原料をカプセルに充填したならば、カプセルを封止
し、必要に応じ内部を排気する。熱間押出は、カプセル
内の粉末原料が１１５０〜１２００℃になるように加熱
した上で実施する。その際に、粉末原料か適温に長時間
置かれると、炭化物や結晶粒か粗大化するので、昇温及
び押出加工は出来るだけ速やかに行わなければならない
。

原料粉末の昇温を助けるため、カプセルへ充填した後に
、冷間静水圧プレスを行うのが望ましい、これを行うこ
とにより、粉末の充填密度は、６０〜６５％から６５〜
７０％に上昇し、予備焼結のための熱伝導度が向上する
。

カプセル内の原料粉末を押出温度にまで急速に加熱する
には、誘導加熱が最良である。しかし、粉末原料は、充
填密度が上述のように高められていても、誘導電流が流
れにくい、よって、誘導加熱に先立って、カプセルを７
００℃以上に加熱して、内部の粉末を予備焼結させる必
要がある。

カプセルが、誘導加熱によって所定温度に達したら、速
やかに全面にガラス潤滑剤を付着させ、熱間押出機に装
填して加工する。

〈作用〉 カプセルに充填された粉末原料は、必要に応じ冷間静水
圧プレスにより圧縮されて充填密度か高められ、予備焼
結によって誘導電流が流れ易くなり、誘導加熱により速
やかに加工温度に昇温し、熱間押出加工を受ける。

このように、昇温から熱間押出加工までの過程か極めて
迅速に進行する結果、合金を構成する炭化物やマトリク
スの結晶粒の成長が抑えられる。

そのために、従来塑性加工か不可能視されていた高炭素
、コバルト基合金でも、熱間押出加工か可能になる。

〈実施例〉 第１図に示すように、円筒状金属カプセルｌ内に高炭素
、コバルト基合金粉末２を充填し、これを熱間押出加工
するときは、カプセルｌに由来する薄い金属層を被った
合金の棒が得られる。金属の被層を研削等によって除去
して使用する。

第２図に示すように、外筒３及び内筒４よりなる２重筒
状カプセルの内外筒間に合金粉末５を充填し、これを熱
間押出加工するときは、内外面に薄い金属層を被った合
金管か得られる。必要に応じ、内面、外面または両面の
金属被層を除去して使用する。

第３図に示すように、適当な金属よりなる中子６を有す
る円筒状金属カブセルフ内に１合金粉末８を充填し、こ
れを熱間押出加工するときは、外面に薄い金属層を被っ
たクラツド棒か得られる。

外面の金属被層を除去して使用するが、内部の金属芯に
よって補強されて、高い機械強度を得ることができる。

第４図に示すように、薄肉の外筒９と厚肉の内筒１０と
よりなる２重筒状金属カプセルの内外筒間に合金粉末１
１を充填し、これを熱間押出加工するときは、外面に薄
い金属層を被フたクラット管か得られる。外面の金属被
層を除去して使用するか、内筒ｌＯに由来する金属層に
よって補強されて、高い機械強度を得ることができる。

第５図に示すように、厚肉の外筒１２と薄肉の内筒１３
とよりなる２重筒状金属カプセルの内外筒間に合金粉末
１４を充填し、これを熱間押出加工するときは、内面に
薄い金属層が付着したクラツド管が得られる。内面の金
属被層を除去して使用するか、外筒１２に由来する金属
層によって補強されて、高い機械強度を得ることができ
る。

第６図に示すように、適当な金属よりなる同径の円柱形
中子１５．１６を有する厚肉の金属カプセル１７内に合
金粉末１８を充填し、これを熱間押出加工する。その押
出品の中子１５．１６に由来する芯を機械加工によって
除去し、生じた孔面を仕上加工するときは、第７図に示
すように１合金部分１９にだるま形の孔２０を有し、外
側が補強金属円筒２１によって包まれた、２軸エクスト
ルーダ用外囲器を得ることかできる。

次に、各種の組成の高炭素、コバルト基合金にこの発明
を実施した実施例の性状を説明する。

実施例１及び比較例 カプセルとして第４図示の構造のものを用い。

内部に第１表に示す組成の合金のガスアトマイズ粉末（
平均粒径１５０４）を充填した。なお、カプセルの諸元
は次の通りである。

全長　４００麿Ｉ 外筒　外径１５１ｍ５　、内径１４７ｍｍ　、材質３２
０Ｃ内筒　外径７４謹ｍ　、内径４０ｕ、材質ＳＴＢ＾
２４粉末充填率　６２％ 上記カプセルを冷間静水圧プレスにより圧縮した結果は
１次の通りである。

全長　４００−層 外筒　外径１４９■ｌ、内径１４５ｍ５内筒　外径７４
■鳳、内径４０ｍ膳 粉末充填率　６５％ これを、雰囲気炉で８００℃に加熱した後１１８０℃に
誘導加熱し、内径１６０ｓ■のシリンダを有する熱間押
出機に装填して、押出加工を行った。製品の寸法は、表
面の金属被層込みで、次の通りである。

外径５８■鵬、境界部径４２層■、内径３６■。

長さ３．７ｍ 第１表に示すように、実施例１と事実上同組成の合金で
、比較例ＩＡ、　ＩＢ及びＩＣを製造した。比較例１＾
は、平均粒径１５０μのガスアトマイズ合金粉末を１１
５０℃、　１０００　Ｋｇ／ｃ■２で熱間ブレス加工に
より成型し、比較例１Ｂは鋳造材であり、比較例ＩＣは
溶射材である。

第　　　１　　　表 実施例１の製品の焼結合金部分は、第８図に示すように
、炭化物及びマトリクスの結晶粒が、余り成長していな
い。これに対し、同様な原料粉末を焼結したものであっ
ても、比較例ＩＡの製品の場合は、第９図に示すように
、炭化物やマトリクス結晶粒が細長く成長している。更
に、比較例ＩＢ及びＩｃの製品の場合は、それぞれ第１
Ｏ図及び第１１図に示すように、結晶粒子が著しく粗大
であることが判る。

次に、その硬さを比較すると、第１表のように、粉末冶
金法を採用している実施例１及び比較例ＩＡの製品が格
段と優れており、中でも実施例１の方が勝っている。そ
して、高温における硬さの変化を調べてみると、第１２
図に示すように、実施例１の製品か比較例ＩＡ、ＩＢ及
びＩＣの製品に勝っている。

また、耐摩耗性の比較のために、大越式摩耗試験機を用
い、相手材としてＳＣＭ４２０を使用し、摩擦距離４０
０層、最終荷重６．３にｇで測定した結果は、第１３図
に示すように、何れの摩擦速度においても、実施例１の
製品は比較例ＩＡ、　１Ｂ及びＩＣの製品よりも格段と
摩耗減量か少なかった。

また、＃食性の比較のために、５０°Ｃの５０％塩酸、
５０°Ｃの３０％硫酸及び５０℃の１０％硝酸に浸漬し
、腐食減量を求めた結果を、それぞれ第１４図（ａ）　
、　（ｂ）及び（Ｃ）に示す、この結果から何れの条件
においても、実施例１の製品は比較例ＩＡ、ＩＢ及びＩ
Ｃの製品に較べて腐食による減量か少なかった。

更に、脆性を比較するためのシャルピー衝撃試験を行っ
た結果でも、第１５図に示すように実施例１の製品は比
較例ＩＡ、　ＩＢ及びＩＣの製品に較べて優れた値を示
しているが、材料の硬度を併せて考慮するときは、実施
例１の価値か極めて高いものであることか判る。なお、
第１５図中の符号は、実施例または比較例の番号を示す
。

実施例２及び比較例 カプセル及び中子として第６図示の構造のものを用い、
内部に第２表に示す合金のガスアトマイズ粉末（平均粒
径１５０ｔｚ）を充填した。カプセルの諸元は次の通り
である。

全長　６９０層１ 外筒　外径２０７．５Ｂｍ　、内径１８０■■、材質Ｓ
Ｏ３：１０４ 中子　直径７４１１１１１Ｘ　２本、材質５ＵＳ３０４
粉末充填率　６３％ 上記カプセルを、冷間静水圧プレスすることなく、その
まま雰囲気炉で８００℃に加熱し、これを１１８０℃に
誘導加熱し、内径２１５ｍｍのシリンダを有する熱間押
出機に装填して、押出加工を行った。

押出品の寸法は次の通りである。

外筒　外径口５龜■、内径９０ｓｎ、長さ２．５ｍ中子
　直径４８ｓ＋ｓｘ　２本 第２表に示すように、実施例２と事実１同組成の合金で
、比較例２Ａ、　２Ｂ及び２Ｃを製造した。比較例２Ａ
の製法は比較例１Ａと同様であり、比較例２Ｂは鋳造材
、比較例２Ｃは溶射材である。

第　　２　　表 硬さは第２表に示すように、実施例２の製品が最も優れ
ていた。また、脆性を示すシャルピー衝撃値も第１５図
に示すように実施例２の製品が比較例２八、２Ｂ及び２
Ｃの製品より優れ、硬さを考慮すれば、これら比較例に
較べて実施例２の価値か大きいことが判る。

更に、ＷＪ微鏡写真（４００倍）の所見では、第１６図
に示すように、カプセル１７に由来する金属部分（上方
）と粉末１８に由来する焼結合金部分（下方）とは、完
全に金属間の拡散接合がなされており、優れた接合強度
を有していることが判った。

実施例３及び比較例 カプセルとして第１図示の構造のものを用い。

内部に第３表に示す組成の合金のガスアトマイズ粉末（
平均粒径１５０ｐ）を充填した。カプセルの諸元は次の
通りである。

全長４００ｍｍ　、外径１４９ｍｍ　、内径１４７＋ｓ
ｍ材質　５ｚｏｃ 粉末充填率　６５％ 上記カプセルを冷間静水圧プレスにより圧縮した結果は
次の通りである。

全長３９８ｍｍ　、外径１４９層■、内径１４５ｍｍ粉
末充填率６８％ これを雰囲気炉て８００℃に加熱した後、１１８０’（
：に誘導加熱し、内径１６０１のシリンダを有する熱間
押出機に装填して、表面の金属被層込みで外径か３５ｇ
１１．長さか７．２ｍの合金棒を得た。

比較のために、第３表に示すように、実施例３と事実上
同組成の合金て、比較例３Ａを作成した。

その作成方法は、比較例ＩＡと同しである。

第３表 第３表及び第１５図から明らかなように、硬さは実施例
３の製品か優れ、脆性も実施例３の製品が僅かに優れて
いるか、両者を綜合して比較すると、実施例３の製品か
格段と優れている。

実施例４及び比較例 カプセルとして第１図示の構造のものを用い、内部に第
４表に示す組成の合金のガスアトマイズ粉末（平均粒径
ｔｓｏｇ）を充填した。カプセルの諸元は次の通りであ
る。

全長４００ｍｍ　、外径１５１ｍｍ　、内径１４７ｆｆ
ｉ履材質　５ｚｏｃ 粉末充填率　６５％ 上記カプセルを冷間静水圧プレスにより圧縮した結果は
次の通りである。

全長：１９８ｍｍ　、外径１４９ｍｍ　、内径１４５ｍ
ｍ粉末充填率　６９％ これを雰囲気炉で８００°Ｃに加熱した後、誘導炉で１
０８０℃に加熱し、内径１６０ｍ−のシリンダを有する
熱間押出機によって加工し、外径か６０ｍ１、長さか２
．５ｍの合金棒を得た。

比較のために、第４表に示すように、実施例４と事実上
同組成の合金で比較例４Ａを作成した。その作成方法は
、比較例ＩＡと同じである。

第４表 第４表及び第１５図から明らかなように、硬さは実施例
４の製品が優れ、脆性も若干実施例４の製品か勝ってい
るが１両者を綜合して比較すると、実施例４の製品が格
段と優れている。

実施例５ カプセルとして第４図示の構造のものを用い、内部に第
５表に示す組成の合金のガスアトマイズ粉末（平均粒径
１５０ｐ）を充填した。このカプセルの諸元は次の通り
である。

全長　４（１０飄− 外筒　外径１５１ｍ５、内径１４７膳ｌ、材質８２０Ｃ
内筒　外径８５１１１１１、内径３５１、材質５ＵＳ３
２９Ｊｌ粉末充填率　６５％ 上記カプセルな冷間静水圧プレスにより圧縮した結果は
、次の通りである。

全長　４００會ｍ 外筒　外径１４９■ｌ、内径１４５ｍ５内筒　外径８５
諺■、内径３５朧■ 粉末充填率　６７％ これを雰囲気炉て８００°Ｃに加熱した後、　１１８０
’ｃに誘導加熱し、内径１６０■のシリンダを有する熱
間押出機で加工し、次の寸法の製品を得た。

外径４８ｍｍ、境界部径３８■騰、内径３０■１、長さ
６．０ｍ 第５表及び第１５図から明らかなように、その硬さは極
めて高く、靭性も非常に優れている。

実施例６ カプセルとして第５図示の構造のものを用い、内部に第
５表に示す組成の合金のガスアトマイズ粉末（平均粒径
１５０終）を充填した。このカプセルの諸元は次の通り
である。

全長　　５０口Ｉ鳳 外筒　外径２０７．５ｍｍ　、内径１４０ｍｍ、材賀Ｓ
ＵＳ３０４ 内筒　外径９４Ｉ、内径９０■、材質５２０Ｃ粉末充填
率　６５％ 上記カプセルな冷間静水圧プレスにより圧縮すると０次
のようになる。

全長　５００１ 外筒　外径２０７．５ｍｍ　、内径１４０ａｍ内筒　外
径９６■１、内径９２■■ 粉末充填率　６８％ これを雰囲気炉で８００℃に加熱した後、１１８０°Ｃ
に誘導加熱し、内径２１５１■のシリンダを有する熱間
押出機で加工して１次の寸法にする。

外径１４８ｍ５　、境界部径１０８ｍ５　、内径９６厘
膳、長さ２．５ｍ 第５表及び第１５図に示すように、極めて高い硬さが得
られる。

実施例７ カプセルとして第４図に示す構造のものを用い、内部に
第５表に示す組成の合金のガスアトマイズ粉末（平均粒
径１５０ｐ）を充填した。このカプセルの諸元は次の通
りである。

全長　４００■ 外筒　外径１５１ａｕ＋、内径１４７ｍ５、材質３２０
Ｇ内筒　外径７３＋ｓｍ、内径４０ｍｍ、材質ＳＯ３：
１０４粉末充填率　６５％ 上記カプセルを冷間静水圧プレスて圧縮すると次のよう
になる。

全長　　４００璽鳳 外筒　外径１４９■謬、内径１４Ｓｖｍ内筒　外径７３
■鵬、内径４０■■ 粉末充填率　６９％ これを雰囲気炉で８００°Ｃに加熱した後、１１８０℃
に誘導加熱し、内径１６０■■のシリンダを有する熱間
押出機で加工して、次の寸法にする。

外径６０■、境界部径４０鳳■、内径コ０■、長さ３．
０ｍ 第５表及び第１５図に示すように、極めて高い硬さが得
られ、脆性も十分実用になる程度の値を示した。

第５表 〈発明の効果〉 以上のように、従来技術では、高炭素、コバルト基合金
は、熱間塑性加工が不可部で、鋳造法や溶着法でしか利
用することができなかったが、この発明によるときは、
熱間押出による塑性加工が可ス艶になり、かつ合金の各
種特性も向上した。よって、従来は得られなかった高炭
素、コバルト基合金の細径長尺棒や細径長尺管が得られ
るばかりでなく、各種鉄合金や非鉄合金とのクラ・井ト
材も経済的に生産することができる。

特に、第７図に示したような耐食、耐摩耗を必要とする
プラスチックの押出機や射出成形機のシリンダとして、
内周が高炭素、コバルト基合金で形成され、外周に不銹
鋼を用いたクラット材による製品は、極めて長寿命でか
つ経済的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に使用するカプセルの第１の例のＭ断
面図及び横断面図、第２図はカプセルの第２の例の縦断
面図及び横断面図、第３図はカプセルの第３の例の縦断
面図及び横断面図、第４図はカプセルの第４の例の縦断
面図及び横断面図、第５図はカプセルの第５の例の縦断
面図及び横断面図、第６図はカプセルの第６の例の縦断
面図及び横断面図、第７図は第６図のカプセルを用いた
この発明による製品の横断面図、第８図は第１の実施例
による焼結合金部分の３０００倍拡大組織図、第９図は
比較例合金の合金の３０００倍拡大組織図。 第１Ｏ図は別の比較例合金の金属組織を示す４００倍顕
微鏡写真、第１１図は更に別の比較例合金の金属組織を
示す４００倍顕微鏡写真、第１２図はこの発明の第１の
実施例による焼結合金及び比較例の温度−硬さ特性線図
、第１３図はこの発明の第１の実施例による焼結合金及
び比較例の庁耗特性線図、第１４ｕはこの発明の第１の
実施例による焼結合金及び比較例の腐食特性線図、第１
５図は各実施例及び各比較例の焼結合金の硬さ一衝撃値
特性線図、第１６図はこの発明の第２の実施例によるク
ラット材の金属と焼結合金の境界の組織を示す４００倍
顕微鏡写真である。 特許出願人　　山陽特殊製鋼株式会社 代　　理　　人　　　清　　水　　　　　哲　　ほか２
多糖１０ 舅２回 菖３０ 菖４図 舅５回 葛６ブ 第７図 第８１２］ 第７　口 竿／６０ 第１Ｏ圓 第１１図 ）Ｘ争Ｉ−Ｉυ 舅１２回 ＲＴ　　　２００　　４００　　６００　　８００　　
１０００神１星度（°Ｃ） 菖１３回 ０　　　　１．０　　　２．０　　　３．ＯＨ通度（ｍ
／　Ｓ　ｅ　Ｃ） 第１４回 ＋ａ） ３０２≦＆酸（５σＣンラ（トメ１虻０間（ｈγ）第１
４図 （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素０．５〜５．０重量％及びコバルト４０重量
   ％以上を基本としこれに適宜の成分を添加してなる高炭
   素、コバルト基合金を粉末化し、この粉末を金属カプセ
   ルに封入し、その後にこれを加熱してカプセル内の粉末
   を予備焼結させた上で、押出加工温度に誘導加熱して熱
   間押出法により塑性加工を加えることを特徴とする高炭
   素、コバルト基合金部材の製造方法。