JPH0346534B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の詳細な説明〕 本発明は金属部品のハードフエーシング
（hard−facing）、特にハードフエーシングに用い
られる均質な延性材料に関する。 ハードフエーシングは現場で適宜な合金を溶融
することにより耐摩耗性および耐食性の層を沈着
させる方法である。ハードフエーシングされるべ
き基材金属の表面のみが融点となされ、ハードフ
エーシング用の棒材、綿材または粉末が溶融され
て基材金属の表面に施される。 ハードフエーシングは摩耗した部品を修理しま
たは補強するために用いられる迅速かつ経済的な
方法であり、これによつて操作および停止時間の
総体的経費が低減する。この方法を用いると、低
い経費で強度、靱性および耐食性を合わせもつ複
合部品を作ることができる。適切な耐摩耗性およ
び耐食性の表面層を、たとえば比較的安価な耐衝
撃性合金（たとえば普通の炭素鋼または低合金
鋼）製のダイおよび成形用具などの部品に施すこ
とができる。さらにハードフエーシングは、応力
を克服するために柔軟な心材を用い、摩耗に耐え
るために硬質のケーシングを用いた構造物に採用
される。この種の構造物の例には、プラスチツク
の加工などに用いられる射出スクリユーおよび押
出スクリユーが含まれる。他の場合には廃棄され
るであろう多くの部品が原価以下で再び使用され
る。必要な場合にはその部品を現場で再生するこ
とができるので、さらに節約できることが理解さ
れる。 一般的ハードフエーシング法にはオキシアセチ
レン法、タングステン不活性ガス溶接法（TIG）、
金属不活性ガス溶接法（MIG）、浸漬電弧溶接、
プラズマ伝達電弧溶接などが含まれる。このよう
な方法に用いられるハードフエーシング用合金は
実質的な量（約１〜11重量％）のメタロイド元素
たとえばホウ素、ケイ素または炭素を含有する。
その結果、これらの合金はきわめてもろく、棒状
または粉末状で得られるにすぎない。 一般的なハードフエーシング法およびその材料
に関して最も困難な問題の１つは、表面層の厚さ
および均質性を制御することが困難なことであ
る。ハードフエーシング材料を加熱帯域に押し出
すために用いられる強靱な棒状構造物を、連続的
な表面処理法に経済的に有利に適用することはで
きない。ハードフエーシング用棒材は通常はタン
グステン不活性ガス法またはオキシアセチレン法
により手動で施される。これらは非連続的であ
り、本来低速である。連続的ハードフエーシング
は個々の棒材が重力によつて供給される自動タン
グステン不活性ガス機械、または粉末状のハード
フエーシング材料を加熱帯域に供給するプラズマ
溶接電弧（PTA）溶接法によつて達成される。
このような方法には、比較的高価な装置および材
料が必要とされる。さらにPTA溶接法において
プラズマにより発生する過剰の熱はハードフエー
シング合金の流動性に不利な影響を与え、基材金
属からの材料で合金を希釈し、表面層の組成の均
質性を変える。従つて、当技術分野では経済的な
連続的ハードフエーシング法に対する要求が残さ
れている。 延性のガラス質合金が米国特許第3856513号
（1974年12月24日にH.S.チエンらに付与）明細書
に示されている。これらの合金には式MaYbZc
をもつ組成物が含まれる。式中Ｍは鉄、ニツケ
ル、コバルト、バナジウムおよびクロムよりなる
群から選ばれる金属であり、Ｙはリン、ホウ素お
よび炭素よりなる群から選ばれる元素である、Ｚ
はアルミニウム、ケイ素、スズ、ゲルマニウム、
インジウム、アンチモンおよびベリリウムよりな
る群から選ばれる元素であり、“ａ”は約60〜90
原子％の範囲にあり、“ｂ”は約10〜30原子％の
範囲にあり、“ｃ”は約0.1〜15原子％の範囲にあ
る。また式TiXjをもつガラス質線材も示されて
いる。式中Ｔは少なくとも１種の遷移金属であ
り、Ｘはリン、ホウ素、炭素、アルミニウム、ケ
イ素、スズ、ゲルマニウム、インジウム、ベリリ
ウムおよびアンチモンよりなる群から選ばれる元
素であり、“ｉ”は約70〜87原子％の範囲にある。
このような材料は今日では当業界に周知となつて
いる加工法を用いてメルトから急速冷却により簡
便に調製される。しかし、ハードフエーシング用
組成物はここには示されていない。 当業界には薄い延性の箔状で得られる均質なハ
ードフエーシング材料に対する要求が残されてい
る。 本発明によれば、ハードフエーシング処理金属
物品用の充填金属として有用な均質の延性のハー
ドフエシーグ箔が提供される。このハードフエー
シング箔は少なくとも50％がガラス質構造である
準安定（metastable）材料より成り、厚さが
0.004インチ（10.16×10^-3cm）よりも大きくなく、
特に0.0005〜0.04インチ（1.27×10^-3〜10.16×
10^-3cm）の範囲にある。前記のように柔軟で細い
均質なハードフエーシング箔を用いることにより
ハードフエーシング速度を高めることができかつ
沈着した表面層の硬度を改善できることが見出さ
れた。 より詳細には、このハードフエーシング箔は厚
さ約0.0005〜0.004インチ（1.27×10^-3〜10.16×
10^-3cm）をもつ。この本発明の箔は、最も広い概
念で総括的に表現すれば、次の通りである。すな
わち、ハードフエーシング処理金属物品の表面層
として使用するための均質で延性のハードフエー
シング箔であつて、少なくとも50％がガラス質構
造であり、かつ２〜25原子％のホウ素と； 15原子％以下のケイ素、５原子％以下の炭素、
30原子％以下のクロム、16原子％以下のタングス
テン、５原子％以下のモリブデン、２原子％以下
のマンガン、25原子％以下のコバルト、および、
32原子％以下のニツケルから成る群から選ばれた
少くとも１種の元素とを含み、残部が鉄および付
随不純物であり、ただし、鉄、コバルト、ニツケ
ル、クロム、タングステン、モリブデン、および
マンガンの合計が70〜88原子％の範囲内にあり、
かつ、ホウ素、ケイ素および炭素の合計が12〜30
原子％の範囲内にある組成を有する準安定性材料
からなるハードフエーシング箔。好ましくはこの
箔は、本質的にコバルト25原子％以下、ニツケル
30原子％以下、クロム30原子％以下、タングステ
ン５原子％以下、モリブデン４原子％以下、ホウ
素２〜25原料％、ケイ素15原子％以下および炭素
５原子％以下よりなる組成をもち、残りは鉄およ
び付随する不純物であり、ただし鉄、コバルト、
ニツケル、クロム、タングステンおよびモリブデ
ンの合計は70〜88原子％の範囲にあり、ホウ素、
ケイ素および炭素の合計は12〜30原子％の範囲に
ある。 他の好ましいハードフエーシング箔組成は、本
質的なコバルト25原子％以下、鉄20原子％以下、
クロム15原子％以下、タングステン16原子％以
下、モリブデン５原子％以下、ホウ素２〜20原子
％、ケイ素10原子％以下、および炭素５原子％以
下よりなり、残りはニツケルおよび付随する不純
物であり、ただし鉄、コバルト、ニツケル、クロ
ム、タングステンおよびモリブデンの合計は70〜
88原子％の範囲にあり、ホウ素、ケイ素および炭
素の合計は12〜30原子％の範囲にある。 さらに他の好ましいハードフエーシング箔組成
は、本質的にニツケル32原子％以下、鉄10原子％
以下、クロム30原子％以下、タングステン２原子
％以下、モリブデン４原子％以下、ホウ素２〜25
原子％、ケイ素15原子％以下、マンガン２原子％
以下および炭素５原子％以下よりなり、残りは本
質的にコバルトおよび付随する不純物であり、た
だし鉄、コバルト、ニツケル３クロム、マンガ
ン、タングステンおよびモリブデンの合計は70〜
88原子％であり、ホウ素、ケイ素および炭素の合
計は12〜30原子％の範囲にある。 本発明のハードフエーシング箔合金が各成分元
素を必要とする理由は次の通りである。元 素 必要とする理由 クロム 耐食および酸化に対する
抵抗性をもつ合金とする
ため。 タングステン 熱硬度および摩耗抵抗を
改善するため。 モリブデン 腐食および摩耗抵抗を改
善し、熱硬度を高めるた
め。 ホウ素 溶融温度を下げるため。 ケイ素 溶融温度を下げるため。 炭 素 炭化物を形成によつて摩
耗抵抗を改善するため。 ニツケル及びコバルト 腐食抵抗を改善するた
め。 各元素についての組成範囲の限定理由は、それ
ぞれそのような組成範囲とすることが、必要な制
限の下で液相および固相温度を保ち、かつ合金の
所望の機械的および化学的性質を維持するために
必要だからである。 本発明の均質なハードフエーシング箔は、上記
組成のメルトを調製し、このメルトを回転急冷ホ
イール上で少なくとも約10⁵℃／秒の速度で急冷
することにより製造される。 この充填金属箔を、ハードフエーシングに有用
な均質な延性リボンとして容易に加工することが
できる。さらに本発明の均質な延性ハードフエー
シング箔によれば沈着厚を減少させることがで
き、その結果基材からの希釈が少なく、かつ沈着
層の研削に際しての経費が少ない。 本発明の好ましい実施態様に関する下記の詳細
な記載を参照するならば、本発明がより十分に理
解され、他の利点も明らかになるであろう。 本発明によれば箔状の均質な延性ハードフエー
シング材料が提供される。このハードフエーシン
グ箔は厚さ0.004インチ（10.16×10^-3cm）以下、
好ましくは0.004〜0.002インチ（10.16×10^-3〜
5.08×10^-3cm）であり、本質的に下記の組成をも
つ。 １ コバルト25原子％以下、ニツケル30原子％以
下、クロム30原子％以下、タングステン５原子
％以下、モリブデン４原子％以下、ホウ素２〜
25原子％、ケイ素15原子％以下および炭素５原
子％以下、残りは鉄および付随する不純物であ
り、ただし鉄、コバルト、ニツケル、クロム、
タングステンおよびモリブデンの合計は70〜88
原子％の範囲にあり、ホウ素、ケイ素および炭
素の合計は12〜30原子％の範囲にある。 ２ コバルト25原子％以下、鉄20原子％以下、ク
ロム15原子％以下、タングステン16原子％以
下、モリブデン５原子％以下、ホウ素２〜20原
子％、ケイ素10原子％以下および炭素５原子％
以下、残りはニツケルおよび付随する不純物で
あり、ただし鉄、コバルト、ニツケル、クロ
ム、タングステンおよびモリブデンの合計は70
〜88原子％の範囲にあり、ホウ素、ケイ素およ
び炭素の合計は12〜30原子％の範囲にある。 ３ ニツケル32原子％以下、鉄10原子％以下、ク
ロム30原子％以下、タングステン２原子％以
下、モリブデン４原子％以下、ホウ素２〜25原
子％、ケイ素15原子％以下、マンガン２原子％
以下および炭素５原子％以下、残りはコバルト
および付随する不純物であり、ただし鉄、コバ
ルト、ニツケル、クロム、マンガン、タングス
テンおよびモリブデンの合計は70〜88原子％の
範囲にあり、ホウ素、ケイ素および炭素の合計
は12〜30原子％の範囲にある。 これらの組成物は比較的大きな耐摩耗性および
耐食性をもつ低炭素鋼および低合金鋼のハードフ
エーシングに適している。 均質（homogeneous）とは製造された箔があ
らゆる方向に実質的に均一な組成をもつことを意
味する。延性（ductile）とは箔を箔厚の10倍の
円の半径にまで破断せずに曲げることができるこ
とを意味する。 本発明の範囲内のハードフエーシング合金組成
物の例を下記の表に示す。表中のａ／ｏおよび
at％は原子％を、ｗ／ｏおよびwt％は重量％を
意味する。

【表】 本発明のハードフエーシング箔は希望する組成
のメルトを少なくとも約10⁵℃／秒の速度で、ガ
ラス質金属合金技術の分野で周知の合金急冷技術
（たとえば米国特許第3856513号および第4148973
号各明細書参照）を用いて冷却することにより製
造される。すべての組成物の純度は普通の商業的
実際においてみられるものである。 連続したリボン、綿材、シートなどの加工のた
めには各種の技術が用いられる。代表例として
は、特定の組成を選定し、この希望する割合の必
要元素の粉末または顆粒を溶融して均質化し、こ
の溶融合金を冷却面、たとえば急速に回転してい
る金属シリンダー上で急冷する。 この急冷条件下で、準安定性の均質な延性材料
が得られる。この準安定性材料はガラス質であつ
てもよく、この場合は広範囲の配列はない。ガラ
ス質合金のＸ線回折図は、無機酸化物ガラスのも
のに類似した拡散ハロのみを示す。この種のガラ
ス質合金は、その後取扱う（たとえば合金リボン
から複雑な形状を打抜く）ことができるほど十分
に延性であるためには少なくとも50％ガラス質で
なければならない。優れた延性を得るためには、
ガラス質合金は好ましくは少なくとも80％ガラス
質でなければならず、実質的に（あるいは全体的
に）ガラス質であることが最も好ましい。 準安定相は構成元素の固溶体であつてもよい。
本発明の合金の場合は、この種の準安定性固溶体
相は通常は結晶性合金加工の技術分野で用いられ
る普通の処理技術によつては製造されない。固溶
体合金のＸ線回折図は結晶性合金に特有の鋭い回
折ピークを示し、希望する微粒状の微結晶に基づ
いてピークの若干の広がりを伴なう。この種の準
安定性材料は前記の条件下で製造された場合に延
性でもある。 本発明によれば、金属基材のハードフエーシン
グは連続フイラメントをスプールまたはこれに類
する他の巻いた状態の供給源から加熱帯域へ供給
することによつて容易に行なわれる。こうして供
給されたフイラメントは均質かつ延性であり、少
なくとも50％のガラス質構造をもつ準安定材料よ
りなり、本質的に下記よりなる組成をもつ。 １ コバルト25原子％以下、ニツケル30原子％以
下、クロム30原子％以下、タングステン５原子
％以下、モリブデン４原子％以下、ホウ素２〜
25原子％、ケイ素15原子％以下、および炭素５
原子％以下、残りは鉄および付随する不純物で
あり、ただし鉄、コバルト、ニツケル、クロ
ム、タングステンおよびモリブデンの合計は70
〜88原子％の範囲にあり、ホウ素、ケイ素およ
び炭素の合計は12〜30原子％の範囲にある。 ２ コバルト25原子％以下、鉄20原子％以下、ク
ロム15原子％以下、タングステン16原子％以
下、モリブデン５原子％以下、ホウ素２〜20原
子％、ケイ素10原子％以下、および炭素５原子
％以下、残りはニツケルおよび付随する不純物
であり、ただし鉄、コバルト、ニツケル、クロ
ム、タングステンおよびモリブデンの合計は70
〜88原子％の範囲にあり、ホウ素、ケイ素およ
び炭素の合計は12〜30原子％の範囲にある。 ３ ニツケル32原子％以下、鉄10原子％以下、ク
ロム30原子％以下、タングステン２原子％以
下、モリブデン４原子％以下、ホウ素２〜25原
子％、ケイ素15原子％以下、マンガン２原子％
以下および炭素５原子％以下、残りはコバルト
および付随する不純物であり、ただし鉄、コバ
ルト、ニツケル、クロム、タングステンおよび
モリブデンの合計は70〜88原子％の範囲にあ
り、ホウ素、ケイ素および炭素の合計は12〜30
原子％の範囲にある。 過熱帯域内でフイラメントに熱をかけてフイラ
メントを溶融させ、これをそれにごく近接した加
工物表面に沈着させる。次いで加工物表面を放冷
し、沈着したフイラメントをこの面上で硬い付着
被膜となす。 本発明をより十分に理解するために以下の実施
例を示す。本発明の原理および実際を具体的に示
すために提示された特定の手法、条件、材料、割
合および報告されたデータは一例であり、本発明
の範囲を限定するものと解すべきではない。 実施例 １ 特定の組成のメルトを急速に回転している銅製
冷却ホイール（表面速度3000〜6000ft／分、すな
わち914.4〜1828.8ｍ／分）上にアルゴンの重圧
により噴射することによつて、幅2.5〜25.4mm
（0.10〜1.00インチ）および厚さ13〜60μｍ（約
0.0005〜0.0025インチ）のリボンを作成した。下
記の組成（重量％および原子％）をもつ実質的に
ガラス状の合金の準安定性の均質なリボンが得ら
れた。リボンの組成を下記の表に示す。

【表】 各種合金組成のリボンを用いて以下の手順によ
りハードフエーシング層を形成させた。リボンの
厚さは0.001〜0.0025インチ（2.54×10^-3〜6.35×
10^-3cm）の範囲にあつた。リボンをAISI340ステ
ンレス鋼シート（厚さ0.0625インチ〔1.59×10^-1
cm〕に対置し、この複合材料を個々に真空炉中で
各合金に応じて1900〜2300〓（1038〜1260℃）の
温度に15分間加熱した。次いで試料を炉から取出
し、切断し、マウントし、ハードフエシング処理
層の微小硬さ測定のために研摩した。 試験した各リボン状合金の組成およびヌープ硬
さ（負荷100ｇ、押込み時間15秒）を表に示す。

【表】 以下本発明をより詳細に説明したが、これらの
詳細な説明に厳密に固執する必要はなく、当業者
には各種の変更および修正が考えられ、これらが
すべて特許請求の範囲に定められた本発明の範囲
内に入ることは理解されるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハードフエーシング処理金属物品の表面層と
   して使用するための均質で延性のハードフエーシ
   ング箔であつて、少なくとも50％がガラス質構造
   であり、かつ２〜25原子％のホウ素と； 15原子％以下のケイ素、５原子％以下の炭素、
   30原子％以下のクロム、16原子％以下のタングス
   テン、５原子％以下のモリブデン、２原子％以下
   のマンガン、25原子％以下のコバルト、および32
   原子％以下のニツケルから成る群から選ばれた少
   くとも１種の元素とを含み、残部が鉄および付随
   不純物であり、ただし、鉄、コバルト、ニツケ
   ル、クロム、タングステン、モリブデンおよびマ
   ンガンの合計が70〜88原子％の範囲内にあり、か
   つ、ホウ素、ケイ素および炭素の合計が12〜30原
   子％の範囲内にある組成を有する準安定性材料か
   らなることを特徴とするハードフエーシング箔。 ２ タングステン含有量が５原子％以下であり、
   モリブデン含有量が４原子％以下である特許請求
   の範囲第１項に記載のハードフエーシング箔。 ３ 前記材料が少なくとも80％ガラス質である特
   許請求の範囲第２項に記載のハードフエーシング
   箔。 ４ 前記材料が100％ガラス質である特許請求の
   範囲第２項に記載のハードフエーシング箔。 ５ (a) 均質かつ延性であつて、少なくとも50％
   がガラス質構造であり、かつ２〜25原子％のホ
   ウ素と； 15原子％以下のケイ素、５原子％以下の炭
   素、30原子％以下のクロム、16原子％以下のタ
   ングステン、５原子％以下のモリブデン、２原
   子％以下のマンガン、25原子％以下のコバル
   ト、および32原子％以下のニツケルから成る群
   から選ばれた少くとも１種の元素とを含み、残
   部が鉄および付随不純物であり、ただし、鉄、
   コバルト、ニツケル、クロム、タングステン、
   モリブデンおよびマンガンの合計が70〜88原子
   ％の範囲内にあり、かつ、ホウ素、ケイ素およ
   び炭素の合計が12〜30原子％の範囲内にある組
   成を有する準安定性材料からなる連続箔をスプ
   ールから加熱帯域に供給すること、 (b) 上記連続箔を、これに熱をかけるに先立つ
   て、加工物表面の近傍に位置させること、 (c) 上記加熱帯域内で箔に熱をかけて箔を溶融さ
   せ、これをそれにごく近接した加工物表面に沈
   着させること：および (d) この加工物表面を冷却し、沈着した箔を加工
   物表面上で硬い付着被膜となすこと； からなる、金属基材のハードフエーシング法。 ６ 前記箔のタングステン含有量が５原子％以下
   であり、モリブデン含有量が４原子％以下である
   特許請求の範囲第５項に記載の金属基材のハード
   フエーシング法。