JPH0288756A - 耐摩耗被膜の形成方法 - 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、金属部材の要所表面に部材表面との密着性に
すぐれた高緻密性を有する耐摩耗被膜の形成方法に関す
る。

〔従来の技術〕

鋼材圧延用ロール、射出成形機のシリンダ・スクリュ、
あるいは粉体送風機のファンや草刈り用カッタ刃など、
耐摩耗性を必要とする金属部材の表面改質法として、溶
射法により、部材表面に耐摩耗材料からなる被膜を形成
することが広く行われている。その被膜材料として、例
えば１３Ｃｒ系鋼、あるいは高Ｃｒ合金とセラミックと
の複合材料等が使用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、溶射被膜は、被膜材料の溶滴の吹付けにより
形成される粒子の付着堆積層であり、緻密性に乏しく、
かつ部材表面との密着力が弱いため、実機使用時の機械
的または熱的衝撃により亀裂や剥離が生じ易く、表面保
護膜としての信転性に乏しい。

また、被膜材質についてみると、部材の用途・使用条件
により耐摩耗性だけでなく、他の材料特性を必要とする
ことが多い。例九ば鋼材の熱間圧延用ロールでは、耐摩
耗性のほかに、肌あれが生じにくく、かつ赤熱鋼材の表
面スケールとの焼付きを生じにくいものであることが、
ロール耐久性の向上、被圧延材の品質向上のために必要
であるが、従来の被膜材料はこれらの緒特性を十分に満
足し得るものとは言い難い。

本発明は、従来の部材表面改質法に関する上記問題を解
決することを目的としてなされたものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明に係る
部材の保護被膜形成方法は、金属部材の要所表面に、Ｃ
：２〜３．５％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．４％
以下、Ｃｒ：３〜６％、ｖ：６〜１２％、Ｗ：５〜１４
％、Ｃｏ：７〜１４％、Ｍｏ：３〜９％、残部実質的に
Ｆｅからなる合金の溶射皮膜を形成したのち、熱間静水
圧プレス処理を施すことを特徴としている。

以下、本発明について詳しく説明する。

まず、対象部材の要所表面に、上記所定の成分組成を有
する合金からなる溶射被膜を形成する。

溶射施工は、上記合金のワイヤ、粉末、または粉末焼結
材を溶射材料とし、公知のアーク溶射、プラズマ溶射等
により常法に従って行えばよい。なお、部材の表面には
溶射施工の前処理として、酸洗、脱脂、あるいはグライ
ンダ研削、サンドブラスト等の表面処理が必要に応じて
施こされることも、通常の溶射施工のそれと特に異なら
ない。

部材表面に所定の層厚の溶射被膜を形成したのち、これ
を熱間静水圧プレス装置により、アルゴンガス等の不活
性ガスを圧力媒体とし、高温・高圧力下にプレス処理を
行う。その処理温度は、約９００〜１２（１０’ｃ、加
圧カニ約５００〜１５００ｋｇ　ｆ　／ｃ＋ｆｌであっ
てよい。この熱間静水圧プレス処理により、溶射被膜の
圧縮と焼結が達成され、同時に母材との界面の拡散によ
る冶金学的結合関係が形成される。

上記熱間静水圧プレス処理を終えたのち、所望により、
その被膜の調質のための焼入れ・焼もどし処理からなる
熱処理が行われる。その焼入れ温度は１０５０〜１２５
０°Ｃ１好ましくは、１１００〜１２００°Ｃであり、
またその温度からの冷却は、亀裂・変形等の防止のため
に、略常圧のガスを冷媒とするガス冷却、または加圧ガ
ス（例えば３〜７　ｋｇ　ｆ　／ｃｆ）を冷媒とする強
制ガス冷却により行うことが好ましい。焼入れ後の焼も
どし処理は、５００〜６００’Ｃ１好ましくは５２０〜
５８０°Ｃに加熱保持した後、徐冷する操作を１回また
は複数回（例えば２〜４回）反復することにより好適に
達成される。

次に、被膜合金の成分限定理由を説明する。％はすべて
重量％である。

Ｃ：２〜３．５％ Ｃは、被膜合金の基地に固溶し、一部は■やＷの炭化物
を形成して被膜の硬度を高める。Ｃ量の下限値を２％と
したのは、それより少ないと、ＶやＷ等の炭化物形成元
素との量的バランスが悪く、被膜を高合金化したことの
効果が十分に得られず、他方３．５％を上限としたのは
、それをこえると、ＶやＷの炭化物の粗大化等により靭
性が低下するからである。

Ｓｉ：０．４％以下 Ｓｉは被膜合金の焼入れ性を高めるが、焼もどし処理に
よる二次硬化への関与は殆どなく、高温硬さの改善効果
は小さいので、０．４％までの添加で十分である。

Ｍｎ：０．４％以下 Ｍｎは被膜合金の焼入れ性改善効果を有するが、焼もど
し処理による二次硬化の寄与はなく、高温硬さの改善効
果は小さいので０．４％までの添加で十分である。

Ｃｒ：３〜６％ Ｃｒは被膜合金の焼入性を大きく高めるとともに、焼も
どし軟化抵抗性を示す。この効果を得るには３％以上の
添加を必要とするが、Ｃｒの増量に伴って被膜合金の焼
付抵抗性が低下し、熱間圧延用ロールでは、６％をこえ
ると、焼付の問題が生じるので３〜６％とした。

ｖ：６〜１２％ ■は、焼入れ後の焼もどし処理により、微細なＭＣ型炭
化物として析出し顕著な二次硬化現象を生起し、併せて
焼もどし軟化抵抗性を示す。また、被膜合金組織を微細
化し、靭性等を高める。その組織の微細化効果は、６％
未満の少量添加でも得られるが、ＭＣ型炭化物の析出に
よる十分な高硬度・高耐摩耗性を得るには、６％以上の
添加を必要とする。一方、１２％をこえると、析出炭化
物の粗大化により、却って靭性が低下し、また切削加工
性等が悪くなる。よって、６〜１２％とした。

Ｗ：５〜１４％ Ｗは強力な炭化物形成元素であり、焼もどし処理により
ＭＣ型炭化物として微細析出し顕著な二次硬化を生起す
る。また焼もどし軟化抵抗性を示す。添加量の下限値を
５％としたのは、それより少ないと、ＭＣ型炭化物の析
出量が不足するからである。添加量を増すほど、その効
果は増大するが、１４％をこえると、析出炭化物の粗大
化により、靭性等の機械的性質の低下をみるので、５〜
１４％とした。

ＣＯ：７〜１４％ Ｃｏは、焼もどし処理による炭化物の析出と、マトリッ
クスの二次マルテンサイト化により、被膜合金を強化す
ると共に、高温硬さを高める。この効果は７％以上の添
加により得られるが、１４％をこえると効果はほぼ飽和
するので、７〜１４％とした。

Ｍｏ：３〜９％ Ｍｏは、焼入れ性を高めると共に、焼もどし処理により
微細な炭化物を形成して二次硬化を生じさせ、高温硬さ
を高める。添加量が３％に満たないと、その効果が十分
でなく、他方９％をこえると、その効果はほぼ飽和する
。よって、３〜９％とした。

本発明により部材表面に形成される被膜は、熱間静水圧
プレス処理による高緻密性と高密着力を有する。その密
着力は、ＪＩＳ　Ｇ　０６０１　（クラツド鋼の試験方
法）の剪断強さで、処理前の約３ｋｇ／ｄ以下のレベル
から、数十ｋｇ／−以上に高められ、また緻密性（嵩密
度）は処理前の９０％以下のレベルから９８％ないしそ
れ以上に向上する。その処理においては、母材にも圧縮
緻密化が生じ、例えば母材内のミクロキャビティ等の鋳
造欠陥の圧着消滅による健全性の向上・機械的性質の改
善効果が得られる。

更に、熱間静水圧プレス処理後に施される焼入れ・焼も
どし処理により、被膜のマトリックス金属の相変化（オ
ーステナイト相からヘイナイトないしはマルテンサイト
への変態）、およびＭＣ型炭化物の微細析出によって、
被膜硬度は、Ｈｓ９０以上に高められる。また、その被
膜は、高温特性にすぐれており、赤熱鋼材に対する安定
した焼付抵抗性を示す。

なお、部材の材質は、その用途・使用条件に応じて選ば
れるが、その選択の自由度は大きく、例えば熱間圧延用
ロールでは、耐摩耗性や耐焼付性等を考慮する必要がな
く、使用時の負荷に耐える機械強度を有する材料、例え
ばＳＣＭｆｉｆＡやＳＮＣＭ鋼等の強靭鋼であればよく
、また草刈り用カッタ刃の場合は、バネ鋼材を使用する
必要はなく、炭素鋼（例えば５４５Ｃ）等で十分である
。部材表面の被膜の形成パターンも、部材の用途・使用
態様に応じて自由に決定される。第１図は、圧延用ロー
ルにおいて、ロール胴部（１０）の円筒状金属部材（１
１）の外周面全体に一定の膜厚を有する被膜（１２）を
形成した例、第２図は、草刈り用カッタ刃の場合におい
て、摩耗の進み易い刃先部分（３１）と、その後部の掻
き上げ部（３２）表面に被膜（散点模様で示す）を形成
した例を示している。これらの被膜厚さは任意であるが
、約０．１〜２ｍｍ程度で十分である。

〔実施例〕

実施■よ 中空円筒形状を有する強靭鋼鋳造材の表面に機械加工を
施して圧延用ロールの胴部材とし、その外側周面に合金
粉末を溶射材としてプラズマ溶射を施工して被膜を形成
したのち、熱間静水圧プレス処理を行い、ついで焼入れ
・焼もどしの熱処理を行った。

（Ｉ）製造条件 （１）基材 材質：ＳＣＭ４４０鋼（０，４％Ｃ−０，３５％５ｔＯ
０７５％Ｍｎ−１％Ｃｒ　−０，２％Ｍｏ）サイズ：外
径２００×内径３５０（ｍｍ）（２）溶射合金粉末 ガスアトマイズ粉末（１００メツシユアンダー）成分組
成（ｗｔ％）：　Ｃ２，５，Ｓ　ｉＯ，２，ＭｎＯ，３
Ｃｒ４．８．Ｖ７、Ｏ，Ｗ７．９．Ｃｏ１１．８．Ｍｏ
６．９゜ｅＢａｊ２ （３）熱間静水圧プレス処理 １１５０℃ｘ　１０００ｋｇ　ｆ　／　ｃｉ　Ｘ　３．
５　Ｈｒ（４）熱処理 焼入れ：真空焼入れチャンバー内にて１２００°Ｃに１
時間保持後、常温常圧Ａｒガスを導入してガス冷却。

焼もどし＝５４０°Ｃに５時間加熱保持して放冷するヒ
ートパターンを３回反復。

（ＩＩ）被膜特性 （１）表面硬さ：Ｈｓ９２〜９４（軸方向および円周方
向のバラツキ≦±ＩＨｓ） （２）部材表面との結合状態 超音波探傷によるエコー波は、被膜と部材との界面が完
全に融着結合していることを示す。ＪＩＳＧ　０６０１
により測定される密着強度は９３〜９６ｋｇ　ｒ　／−
であった。

（３）耐焼付性 フレックス型焼付試験（荷重：１５０ｋｇ、相手材：Ｓ
ＵＳ　３０４）による焼付抵抗性測定結果を第３図に示
す。図中、曲線（イ）は試験面に対する相手材の押付荷
重、（ロ）は回転トルクである。回転トルクの縦軸の１
目盛りは１０ｋｇ−ａｎ、荷重の縦軸の１目盛りは５０
ｋｇ、横軸（時間）の１目盛りは５０秒である。

開示のように、相手材との接触面に焼付きが生じた場合
に検出される回転トルクの異常変動は全くなく、耐焼付
性にすぐれていることがわかる。

（４）実機使用試験 上記円筒体を胴部材とし、第１図のように別途準備した
アーム（２０）に焼嵌めし、仕上げ加工を行ったうえ、
熱間圧延ラインの仕上圧延用ロールとして実機使用に供
した結果、従来の代表的な高硬度ダクタイル鋳鉄ロール
（表面硬度Ｈｓ：６５）に比し、摩耗速度は約１／６で
あり、肌荒れは極めて少なく、被圧延鋼材との焼付も皆
無であった。

太膳拠Ｉ 炭素鋼板を打抜加工して草刈り用カッタ刃の基材を得、
合金粉末を溶射材料としてプラズマ溶射により刃先部お
よび掻上げ部表面に被膜を形成し、熱間静水圧プレス処
理を行ったのち、焼入れ・焼もどしの熱処理を施し、つ
いで仕上げ加工を施して第２図に示す形状のカッタ刃（
３０）を得た。

ＣＩ）製造条件 （１）基材材質：５４５Ｃ炭素鋼 （２）溶射材料 ガスアトマイズ粉末（１００メツシユアンダー）成分組
成（ｗｔ％）：　Ｃ２，８，Ｓ　ｉｏ、３．ＭｎＯ，３
゜Ｃｒ４．３．Ｖ６．２．Ｗ５．３．Ｃｏ７．０．Ｍｏ
３．５゜ｅＢａｆ （３）熱間静水圧プレス処理 １１００°ＣＸ　９５０ｋｇ　ｆ　／　ｃＩＩＩＸ　３
．　Ｏ１１ｒ（４）熱処理 焼入れ：真空焼入れチャンバー内にて１１００°Ｃに１
時間保持後、常温常圧Ａｒガスを導入してガス冷却。

焼もどし＝５２０°Ｃに３時間加熱保持して放冷。

（ＩＩ）被膜特性 （１）表面硬さ：Ｈ８９０〜９１ （２）部材表面との結合状態 超音波探傷によるエコー波は、被膜と部材との界面が完
全に融着結合していることを示す。

（３）耐摩耗性 上記カッタ刃に、その刃面とは＼゛平行方向の砂粒吹付
は摩耗試験を行った（砂粒径＝３００メツシュアンダー
、吹付速度：マッハ２．吹付量１０ｇ／秒。比較例とし
て従来の代表的なカッタ刃（材質：５ＵＰ６．硬さＨｓ
６０）、および前記実施例における熱間静水圧プレス処
理を省略した点を除いて同一の条件で製造したカッタ刃
とを準備し、上記と同一の摩耗試験を行った。

この摩耗試験において、熱間静水圧プレス処理が省略さ
れたカッタ刃の被膜には著しい剥離が生じたのに対し、
発明例における被膜の剥離損傷は殆どなく、また表面摩
耗は、従来の５ＵＰＳ製カツタ刃の約１１５と極めて軽
微であった。

〔発明の効果〕

本発明方法により部材の表面に形成される被膜は極めて
硬質・緻密性であり、部材表面との密着力も高く、摩耗
・衝撃に対する安定性にすくれているので、圧延用ロー
ル、射出成形のシリンダ・スクリュー、粉体送風機のフ
ァンや送風管、草刈り用カッタ刃、マッドポンプライナ
その他の部材の耐久性の向上に大きな効果が得られる。

また、耐摩耗性等のほか、高温特性、特に耐焼付性にす
くれているので、鋼材の熱間圧延用ロールでは、ロール
寿命の向上と併せて圧延製品の品質向上に大きく寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す断面図、第２図は本発明
の他の実施例を示す斜視図、第３図は被膜の焼付試験結
果を示すグラフである。 １０：ロール胴部、１１：ロール胴部基材、１２：被膜
、３０：草刈り用カッタ刃、３１：刃先部、３２：掻上
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、金属部材の要所表面に、Ｃ：２〜３．５％、Ｓｉ：
   ０．４％以下、Ｍｎ：０．４％以下、Ｃｒ：３〜６％、
   Ｖ：６〜１２％、Ｗ：５〜１４％、Ｃｏ：７〜１４％、
   Ｍｏ：３〜９％、残部実質的にＦｅからなる合金の溶射
   被膜を形成したのち、熱間静水圧プレス処理を施すこと
   を特徴とする耐摩耗被膜の形成方法。