JPH0362762B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、鉄系金属とセラミツク（金属炭化
物、金属窒化物、金属酸化物を含む。以下同様と
する。）との複合材の製造方法に関する。 〔従来の技術及びその問題点〕 工具や構造材料をはじめとする広い分野におい
て高強度、高耐摩耗性を有する材料が必要とされ
ている。近年このような材料の１つとして、耐摩
耗性に優れた性質を有するセラミツクが注目さ
れ、また種々の分野においてその利用が進みつつ
ある。しかし、このセラミツクは靱性の面で信頼
性に欠けるという基本的な難点があり、この点が
一般的且つ広汎な分野での利用を妨げていた。そ
こで、このようなセラミツクの優れた特性を生か
す材料として、高靱性を有する鉄系金属とセラミ
ツクとの複合材が注目され、その製造技術も種々
研究されているが、この種の製造法ではセラミツ
クの不均一分散、密着性不良、空孔欠陥の存在、
製造工程の複雑化等、種々の問題があり、未だ実
用化される程に確立された技術とはなつていな
い。例えばセラミツク繊維を用いた液体鋳造法
（溶融浸透法、加圧鋳造法、真空鋳造法）では、
空孔欠陥が少なく、セラミツクと母材金属の密着
状態も良好であるが、セラミツクと溶融金属に比
重差が存在する場合、セラミツクの浮上又は沈降
を生じ、セラミツクの均一分散が困難となるとい
う欠点があり、また製造に当り、母材金属を溶融
するために比較的高温下での作業を必要とする欠
点がある。また、粉体を用い、ホツトプレス、押
し出し等を利用した固体拡散法（焼結法）では、
拡散接合を可能ならしめるため還元雰囲気が不可
欠であり、且つ十分な拡散接合を行うためには長
時間加熱を必要とし、さらに空孔欠陥を無くすた
めには大容量のホツトプレス装置を必要とするた
め製造が極めて複雑になるという欠点があり、ま
た特に多量のセラミツクを含有する複合材を製造
する場合には、母相金属の拡散接合が非常に困難
となるという欠点もある。このように従来法はい
ずれも、得られる複合材の材質や製造工程の面で
根本的な問題点を有するものであり、このためこ
れらの問題を生ずることなく、適正な材質の複合
材を簡易な工程で得ることができる方法の開発が
望まれていたものである。 〔問題点を解決するための手段及び実施例〕 本発明はこのような現状に鑑み研究開発された
ものである。本発明者らは、この種の複合材で従
来問題となつていた不均一分散と密着強度不足と
いう点に関し、密着強度向上には溶融母相金属と
セラミツクの接触が有効であり、一方セラミツク
の均一分散には母相金属の固相の存在が有効であ
るという観点から、母相金属の固液が共存する半
溶融状態を利用することにより、上記問題を一挙
に解決できることを見い出した。即ち、第１図で
模式的に示すように母相金属を半溶融状態として
液相を出現させ、これを加圧成型することによ
り、セラミツクとの密着強度を強めるとともに空
孔を消失させ、また半溶融状態の母材金属の固相
部分によりセラミツクの浮上や沈降が抑制される
ため、セラミツクを均一分散させることが可能と
なる。加えて、空孔消失のため加圧力は液相（溶
融相）が存在するため比較的小さくて済み、しか
も母相金属を半溶融状態にするだけであるため加
熱温度も従来の鋳造法に較べ低くて済むという製
造上の利点を有し、さらに還元性雰囲気が特に必
要とされず大気中でも十分な強度の複合材が製造
できる利点を有する。しかし、このような製法も
半溶融状態を示す母相金属の組成及び温度範囲が
あまり広くないという難点がある。例えば、鉄・
炭素系の状態図から言つても実用的な温度範囲で
ある1150〜1400℃で半溶融状態を示すＣ量は1.3
〜3wt％程度であり、このままでは複合材料は限
られた組成の母相金属を有するものしか得られな
いことになる。そこで本発明者らは、このような
基本的製造法をさらに押し進め、母相金属の組成
の広範囲な選択を可能ならしめる製造法に開発に
成功したものである。即ち本発明は、母相となる
べき金属粉末とセラミツクの粉末又は繊維との混
合物を加熱し、母相金属が半溶融化した状態で加
圧成型することをその基本構成とするとともに、
特に、母相鉄系金属を形成すべき金属粉末として
半溶融状態を容易に得ることができる金属粉末
と、該金属粉末との関係で母相金属全体の組成を
調整するための金属粉末という異なる種類の金属
粉末を用いるようにしたものであり、これら異な
る種類の金属が有するそれぞれの機能に基づき、
母相鉄系金属を広範囲な組成とし、しかも高密度
の複合材の製造を可能ならしめたものである。 すなわち、本発明の第１の特徴とするところ
は、母相鉄系金属の形成すべき金属粉末を、比較
的低温で溶融状態となる高炭素鋼粉末と、該粉末
との関係で母相鉄系金属全体の組成を軟鋼側に調
整するための鉄系金属粉末であつて、Ti、Nb、
Ｖ、Ta、Ｗ、Mo、CrまたはMnの各鉄合金の群
の中から選ばれた１種以上の金属粉末とで構成
し、これら金属粉末とセラミツクの粉末又は繊維
との混合物を加熱し、母相金属が半溶融化した状
態で加圧成型するとともに、該加熱加圧成型時に
おいて、加熱状態を保持することにより母相金属
を構成する上記異種金属の均一化及び炭化物析出
を目的とした拡散処理を行うようにしたことにあ
る。 また、本発明の第２の特徴とするところは、上
記と同様の混合物を加熱し、母相金属が半溶融化
した状態で加圧成型し、該加圧成型後、母相金属
の均一化及び炭化物析出を目的とした拡散熱処理
を行うようにしたとこにある。 以下、本発明の詳細を説明する。 本発明の大きな特徴は、従来極めて困難とされ
ていた母相鉄系金属とセラミツクとに比重差が存
在する場合の均一分散の確保と材質の高密度化と
を比較的容易な方法で可能ならしめ、しかも鉄系
金属の組成を広範囲に選択できるようにした点に
ある。一般に、鉄系金属とほとんど等しい比重の
セラミツクは非常に少なく、現在一般に用いられ
ているセラミツクのアルミナ（Al₂O₃）や金属炭
化物のクロムカーバイドなどは炭素鋼との比重差
（強化材／鉄系金属）が前者では１／２、後者で
は１／1.16にもなり、この比重差がセラミツクの
浮上や沈降を生じさせその不均一分散を招く原因
となる。前述したように、従来の焼結法では鉄系
金属を溶融させないため、セラミツクを均一分散
させることは可能であるが、空孔を無くすために
は焼結時に非常に高い圧力、例えば数千〜数万気
圧を必要とし、また焼結後鋳造などの後加工を必
要とする。これに対して本発明では、基本的に半
溶融状態の母相金属の液相部が比較的低い圧力で
空孔に充満し、且つ固相によりセラミツクの浮上
又は沈降が拘束されるため、セラミツクが均一に
分散した高密度の複合材が得られる。加えて本発
明では母相鉄系金属を形成すべき金属粉末として
母相金属全体を比較的低温で半溶融状態にさせる
という機能を有する金属粉末、すなわちそれ自体
比較的低温で溶融化する高炭素鋼粉末と、この金
属との関係で靱性劣化を防止する観点から母相金
属全体の組成を軟鋼側に調整するという機能を有
する金属粉末とを用いるため、複合材の高密度性
及びセラミツク均一分散性を確保しつつ、母相鉄
系金属の組成を広範囲で選択でき、任意の組成の
母相鉄系金属からなる複合材を得ることができ
る。 上記異なる種類の金属のうち、前者すなわち比
較的低温で溶融化する高炭素鋼粉末としては、例
えば炭素含有量が0.5〜4.3wt％となるものを、ま
た後者すなわち母相金属全体の成分調整を目的と
する金属としてはTi、Nb、Ｖ、Ta、Ｗ、Mo、
Cr、Mn（Feよりも炭化物形成能力の大きい元素）
の鉄合金（FeTi、FeNb、FeTa、FeV、FeW、
FeMo、FeCr、FeMn）を用いる。これらの金属
粉末は単独で使用する他、複合して使用すること
ができる。 また本発明では、異なる種類の金属を用いるこ
とから、半溶融状態になつた時に固相部となる領
域と液相部となる領域とでは炭素含有量が異なつ
ており、加熱保持時間が短くそのまま冷却される
と、母相金属に炭素のミクロ偏析部分を生じるこ
とになる。従つて、第一義的には、母相全体にお
けるこれら異種金属の均一拡散を図るため、又付
随的には母相金属の成分調整を目的とした上記金
属による炭素吸収、即ち炭化物析出を促すため、
その製造時或いは製造後、所定の加熱状態に一定
時間保持する拡散熱処理を行う。すなわち、第２
図に示すように、その製造時において、母相金属
が半溶融状態化した温度で一定時間保持すること
により母相金属を構成するこれらの異種金属を拡
散均一させ、或いは冷却された複合材を再加熱し
て一定時間保持することにより母相金属自身の拡
散熱処理を行い、且つ母相金属の成分調整を目的
とした金属粉末によつて炭化物析出を促進するも
のである。 さらに本発明を具体的に実施するに当つては、
母相金属半溶融状態における液相率（母相金属及
び強化材混合物全体に対する溶融相体積比率、以
下同様）の好ましい範囲が存在する。すなわちこ
の液相率が50％を超えると固相によるセラミツク
の拘束が少なくなるためセラミツクの沈降や浮上
によりその偏在が生じ易くなり、セラミツクの均
一分散性が十分に確保できなくなる。また液相率
が５％を下回ると必要な密着性を得ることが難し
くなる。したがつて、この母相金属の液相率は５
〜50％の範囲とすることが好ましい。 本発明を実施する上で従来の焼結法などと較べ
た大きな利点としては、 (1) 還元雰囲気を特に必要としない。 (2) 加熱時間が大幅に短縮できる。 等の点があげられる。このような利点は本発明法
の密度向上メカニズムが焼結法のそれとは異なる
ことによるものである。すなわち、焼結では化学
的結合の促進による空孔が減少するため、これを
阻害する大気中の酸素との接触は極力避ける必要
があり、且つこの結合促進には長時間高温で保持
して加圧すること（または焼結後鍛造すること）
が必要であるのに対し、本発明法では母相金属が
半溶融温度に加熱されれば、液相の存在により低
加圧力で真密度の複合材が得られ、半溶融温度で
長時間保持する必要はない。すなわち極言すれ
ば、加圧後の拡散熱処理で所望の複合材が得られ
る場合には半溶融温度になつた瞬間の加圧で高密
度複合材が得られる。 更に複合材の母材となる鉄系金属の高度な品質
管理をする場合（すなわち鉄系金属と大気中成分
の反応等を極度に防止する必要がある場合）、以
下に示すキヤンニング−静水圧プレス法が有効で
ある。この方法は第１６図に示す様に、まず鉄系
金属粉末とセラミツク粉末又は繊維を混合し、こ
れをキヤンニングした後真空（＜10^-1torr）に引
き、加熱するとともに静水圧により加圧成型する
ものである。 実施例 １ ３％Ｃ鋳鉄粉に、母相金属成分を調整するため
の金属粉としてフエロタングステン粉（80W、
0.32）、セラミツクとしてAl₂O₃粉をそれぞれ第１
表に示すような割合で加えて十分に混合し、この
混合物を黒鉛型に充填し、1500Kg／cm²に加圧しな
がら1130℃で15分間加熱して加圧成型し、複合材
を製造した。なお、炉冷後一部の試料について拡
散熱処理を目的とした1000℃×1hrのオイルクエ
ンチ及び600℃×2hrの焼戻しを行つた。なお、比
較のため３％Ｃ鋳鉄粉：80％、Al₂O₃粉：20％の
熱処理有りと、熱処理無しの複合材を製造した。
第３図にこれら複合材のアムスラー摩耗試験機に
よる耐摩耗性試験の結果を、また第４図及び第５
図に硬度及びシヤルピー衝撃試験結果を示す。上
記第３図によれば、本発明において特に拡散熱処
理を施したものはWCが析出し、優れた耐摩耗性
を示していることが判る。

【表】 実施例 ２ ３％Ｃ鋳鉄粉に、母相金属成分を調整するため
の金属粉としてFeX粉（ＸはＷ、Ｖ、Nb及び
Cr）、セラミツクとしてAl₂O₃をそれぞれ第２表
に示すような割合で加えて混合し、この混合物を
1500Kg／cm²に加圧しながら1130℃で15分間加熱し
て加圧成型し、炉冷後、拡散熱処理を目的として
1000℃×1hr焼入れ及び600℃×2hrの焼戻しを行
い、複合材を製造した。なお、FeX粉の割合は母
相Ｃが完全拡散したときに２％となるよう計算し
た。また比較材として、３％Ｃ鋳鉄粉80％、
Al₂O₃粉20％からなる複合材を同様の条件で製造
した。第６図、第７図及び第８図に得られた複合
材の摩耗試験結果、硬度及びシヤルピー衝撃試験
結果を示すものであり、FeX粉で母相金属の成分
調整を行つている本発明材は比較材に較べ耐摩耗
性及び硬度ともに上昇していることが判る。

【表】 実施例 ３ ３％Ｃ鋳鉄粉に、母相金属成分を調整するため
の金属粉としてFeV粉、セラミツクとしてAl₂O₃
粉を第３表に示す割合で混合し、それぞれFeV粉
の粒径を変えた複合材試料を作成した。なお、加
圧成型及び熱処理条件は実施例２と同様である。
また比較材として、３％Ｃ鋳鉄粉80％、Al₂O₃粉
20％からなる複合材を同様の条件で作成した。第
９図及び第１０図は得られた複合材から、FeV粒
径と硬度及びシヤルピー衝撃試験値の各関係を調
べたものであり、特にFeVの平均粒径が小さいほ
ど衝撃値が大きくなつている。

【表】 実施例 ４ 従来法たる焼結法と本発明法とにより第４表中
に示される材料を用い複合材を製造した。従来法
では、1120℃で一次焼結後、還元雰囲気中におい
て第１１図の加熱パターン及び加圧力13Kg／mm²の
条件で、また本発明法では大気中において第１２
図に示される加熱パターン及び加圧力８Kg／mm²の
条件でそれぞれ製造した。

〔発明の効果〕

以上述べた本発明によれば、母相金属を半溶融
状態とし、これを加圧成型することにより、空孔
を消失させ高度の密着性を得ることができるとと
もに、半溶融状態の母相金属の固相部分によりセ
ラミツクの均一分散性を適切に確保することがで
きる。また空孔消失のための加圧力は、液相が存
在するため比較的小さくて済み、しかも母相金属
を半溶融状態にするだけであるため加熱温度も従
来の鋳造法に較べて低くて済むという製造上の利
点を有する。このような利点に加え、特に母相鉄
系金属を形成すべき金属粉末として、母相金属全
体を比較的低温で半溶融状態にさせるという機能
を有する金属粉末、すなわちそれ自体比較的低温
で溶融化する高炭素鋼粉末と、この金属との関係
で靭性劣化を防止する観点から母相金属全体の組
成を軟鋼側に調整するという機能を有する金属粉
末とを用いるため、複合材の高密度性及びセラミ
ツク均一分散性を確保しつつ、母相鉄系金属の組
成を広範囲で選定でき、任意の組成の母相鉄系金
属からなる複合材を容易に得ることができ、しか
も、金属の均一拡散を図るために拡散熱処理を行
うため、異なる種類の鉄系金属を用いながら、均
一な組成の母相鉄系金属の複合材とすることがで
きる。さらに、無酸化雰囲気を必要としたり、長
時間加熱を必要としたりすることなく、簡易な工
程と設備とにより複合材を製造でき、特に従来の
焼結法に較べ、複合材製造における作業性や、能
率面及び加熱・加圧のための設備面での煩雑さを
大きく減少させる利点があり、多量の製品を製造
するような場合、長時間加熱を必要としないた
め、加熱に必要なエネルギーを焼結法に較べて大
幅に削減することが可能であり、且つ短時間で多
量の製品を製造することが可能となる。また雰囲
気制御に必要な装置を必要としないため、加熱・
加圧装置も比較的コンパクトにでき、加圧装置も
大容量のものを必要としないという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の採用する基本原理を模式的に
示す説明図である。第２図は本発明法の工程を模
式的に示すものである。第３図は実施例１におい
てFeW添加量が耐磨耗特性に与える影響を示す
ものである。第４図は同じく実施例１において
FeW添加量が硬度に与える影響を示すものであ
る。第５図は同じく実施例１においてFeW添加
量がシヤルピー衝撃試験値に与える影響を示すも
のである。第６図は実施例２における各試料の耐
摩耗性を示すものである。第７図は同じく実施例
２における各試料の硬度を示すものである。第８
図は同じく実施例２における各試料のシヤルピー
衝撃試験値を示すものである。第９図は実施例３
においてFeV粒径が硬度に与える影響を示すもの
である。第１０図は実施例３においてFeV粒径が
シヤルピー衝撃試験値に与える影響を示すもので
ある。第１１図及び第１２図は実施例４において
採られた加熱パターンを示すもので、第１１図は
従来の焼結法、第１２図は本発明の各加熱パター
ンを示している。第１３図及び第１４図は実施例
４において得られた複合材のセラミツク−金属複
合組織の顕微鏡拡大写真であり、第１３図は本発
明法による複合材、第１４図は従来の焼結法によ
る複合材を示すものである。第１５図は実施例５
において得られた複合材のセラミツク−金属複合
組織の顕微鏡拡大写真である。第１６図は本発明
法で使用されるキヤンニング−静水圧プレス法を
工程順に示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 母相鉄系金属を形成すべき金属粉末を、比較
   的低温で溶融状態となる高炭素鋼粉末と、該粉末
   との関係で母相鉄系金属全体の組成を軟鋼側に調
   整するための金属粉末であつて、Ti、Nb、Ｖ、
   Ta、Ｗ、Mo、CrまたはMnの各鉄合金の群の中
   から選ばれた１種以上の金属粉末とで構成し、こ
   れら金属粉末とセラミツクの粉末又は繊維との混
   合物を加熱し、母相金属が半溶融化した状態で加
   圧成型するとともに、該加熱加圧成型時におい
   て、加熱状態を保持することにより母相金属を構
   成する上記異種金属の均一化及び炭化物析出を目
   的とした拡散処理を行うことを特徴とする鉄系金
   属とセラミツクとからなる複合材の製造方法。 ２ 大気中で加熱・加圧成型を行なうことを特徴
   とする特許請求の範囲１記載の鉄系金属とセラミ
   ツクとからなる複合材の製造方法。 ３ 鉄系金属粉末とセラミツクの粉末又は繊維と
   の混合物をキヤンニングし、これを真空に引いた
   ものを、加熱後又は加熱しつつ静水圧により成型
   することを特徴とする特許請求の範囲１記載の鉄
   系金属とセラミツクとからなる複合材の製造方
   法。 ４ 母相金属の半溶融化による混合物全体に対す
   る液相体積率が５〜50％となるよう加熱すること
   を特徴とする特許請求の範囲１、２または３記載
   の鉄系金属とセラミツクとからなる複合材の製造
   方法。 ５ 母相鉄系金属を形成すべき金属粉末におい
   て、比較的低温で溶融状態となる高炭素鋼粉末と
   して炭素含有量が0.5〜4.3wt％のものを用いるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲１、２、３または
   ４記載の鉄系金属とセラミツクとからなる複合材
   の製造方法。 ６ 母相鉄系金属を形成すべき金属粉末を、比較
   的低温で溶融状態となる高炭素鋼粉末と、該粉末
   との関係で母相鉄系金属全体の組成を軟鋼側に調
   整するための金属粉末であつて、Ti、Nb、Ｖ、
   Ta、Ｗ、Mo、CrまたはMnの各鉄合金の群の中
   から選ばれた１種以上の金属粉末とで構成し、こ
   れら金属粉末とセラミツクの粉末又は繊維との混
   合物を加熱し、母相金属が半溶融化した状態で加
   圧成型し、該加圧成型後、母相金属を構成する上
   記異種金属の均一化及び炭化物析出を目的とした
   拡散処理を行うことを特徴とする鉄系金属とセラ
   ミツクとからなる複合材の製造方法。 ７ 大気中で加熱・加圧成型を行なうことを特徴
   とする特許請求の範囲６記載の鉄系金属とセラミ
   ツクとからなる複合材の製造方法。 ８ 鉄系金属粉末とセラミツクの粉末又は繊維と
   の混合物をキヤンニングし、これを真空に引いた
   ものを、加熱後又は加熱しつつ静水圧により成型
   することを特徴とする特許請求の範囲６記載の鉄
   系金属とセラミツクとからなる複合材の製造方
   法。 ９ 母相金属の半溶融化による混合物全体に対す
   る液相体積率が５〜50％となるよう加熱すること
   を特徴とする特許請求の範囲６，７または８記載
   の鉄系金属とセラミツクとからなる複合材の製造
   方法。 １０ 母相鉄系金属を形成すべき金属粉末におい
   て、比較的低温で溶融状態となる高炭素鋼粉末と
   して炭素含有量が0.5〜4.3wt％のものを用いるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲６，７，８または
   ９記載の鉄系金属とセラミツクとからなる複合材
   の製造方法。