JPH042761A - 耐摩耗性複合材料及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、耐摩耗性及び熱間硬さに優れた高速度鋼とＦ
ｅ基基材材の組み合わせにより、高厚膜及び高緻密性を
有する耐摩耗性複合材料及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ 基材に耐摩耗性材料を被覆することによる耐摩耗性複合
材料の従来の製造法には次のようなものがある。

（１）カプセルＨＩＰ法 これは、第７図に示すように基材１の周囲をその形状に
合わせたカプセル２で囲み、カプセル２と基材１との空
間に所要の耐摩耗性粉末合金３を充填し、脱気及びシー
ルを行ったのち、熱間静水圧処理（以下、ＨＩＰ処理と
呼ぶ）を行って粉末合金３を焼結させ被覆する方法であ
る。

しかし、この方法はある程度厚膜化は可能であるが、曲
面等を有する複雑な形状品ではカプセル加工費が高くつ
くという問題がある。

（２）溶射法 これは、プラズマ溶射法で耐摩耗性合金を被覆する方法
であり、複雑な形状品には特に適した方法であるが、皮
膜層の気孔の存在は避けられず緻密性が欠如する。また
、基材界面との接合力が弱いことも問題である。

（３）溶射後ＨＩＦ処理する方法 上記（２）で溶射後にＨＩＰ処理をすれば皮膜の品質を
改善することが可能である。

しかし、従来の溶射法では上記問題のために皮膜を厚く
することができず、一般に０．５〜１．５關の厚さで、
これ以上の厚膜化は困難であった。

（４）特公昭５８−３９２２８号の方法これは、Ｆｅ基
基材材Ｗ、Ｍｏ　、Ｃｏ　、Ｎ１基合金、ｗｃ、ｖｃを
含む自溶性合金等の耐熱耐摩耗性合金の粉末を溶射し、
その後ＨＩＰ処理を加えた被覆方法で、上記（３）に属
する方法である。

しかし、この方法でも厚膜化は対象となっておらず、ま
た溶射材料に高速度鋼を含んでいない。さらに溶射法と
してガス溶射法、プラズマ溶射法を示しているが、この
プラズマ溶射法は常圧下で行うものと解され、低圧プラ
ズマ溶射法の適用を示唆する記述は認められない。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の従来法に共通の問題は、皮膜層を大にできないこ
とである。仮にそれが可能であるとしても（例えば上記
（１）のカプセルＨＩＰ法）、緻密性・接合力の欠如等
が問題となって実質的に不可能である。

溶射法において厚膜化が不可能な理由としては、溶射粒
子の急冷により発生する内部応力（これは、冷却時の熱
収縮と相変態による体積変化に起因するものである）が
膜厚とともに増加し、剥離、割れを招く力として作用す
ること、皮膜内部の気孔、酸化物が割れへの抵抗を弱め
ること、皮膜と基材間の密着力の不足が剥離への抵抗を
弱めることなどがあげられる。

一方、高厚膜化が可能になれば、特に複雑な形状品、例
えば棒鋼、線材の製造ラインに使用されるガイドロール
等に適用でき、しかも摩耗の程度に応じて皮膜層を研削
することにより何回でも再使用可能となるので、耐用性
、コスト面でのメリットは大きい。

そこで、本発明者らは高膜厚を得る目的で、まず皮膜材
料の選定にあたり、耐摩耗性及び熱間硬さに優れた高速
度鋼を中心に各種の試験を行い、その結果、特定の製造
プロセスの下では十分目的を達成し得ることを確認した
。

したがって、本発明の目的は、上記の知見に基づき、高
膜厚を持つ安価で耐摩耗性に富む複合材料及びその製造
方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成する本発明に係る耐摩耗性複合材料は
、Ｆｅ基の基材と、その上に被覆された高速度鋼を主成
分とする厚さ３　ｍｍ以上の溶射皮膜との組み合わせか
ら成るものである。

溶射材料の高速度鋼は、耐摩耗性及び熱間硬さに優れた
ものとして知られているＷ系、Ｍｏ系、Ｖ系のいずれで
もよいが、中でも高Ｖ系のものが適当である。

この耐摩耗性複合材料を製造するには、まず基材を６０
０℃以上に予熱し、次いてこの予熱温度下にある基材の
表面に低圧プラズマ溶射法を適用して上記の高速度鋼を
主成分とする溶射材料を溶射し皮膜を形成する。

この場合のプラズマ溶射は、酸素分圧が２Ｔｏｒｒ以下
で、全圧が２０〜３００　Ｔｏｒｒの減圧雰囲気の条件
下で行うものとする。

その後、皮膜層の緻密化のためＨＩＰ処理を行う。

また、上記ＨＩＰ処理に代えて皮膜層の焼入れ焼戻しを
行ってもよい。さらにこのＨＩＰ処理と熱処理の双方を
行ってもよい。

［作　用］ まず、複合材料の組み合わせを、Ｆｅ基の基材と高速度
鋼の被覆材料とすることで、高速度鋼の持つ耐摩耗性及
び熱間硬さの特長を十分に発揮させることできる。また
両材料は熱膨張率が接近しているため（例えば、炭素鋼
の線膨張率１１Ｘ１０−６／”Ｃ，高速度鋼の線膨張率
１１×１０−６／℃）、溶射終了後、予熱温度から室温
までの冷却時における熱応力を抑止でき、皮膜と基材間
の密着力が高い。

次に、溶射前に基材を６００℃以上に予熱しておくこと
により、溶射粒子の急冷を防止できるため溶射粒子間の
熱歪に基づく内部応力が低減し、また溶射期間中溶射粒
子の熱活性化が保たれるため内部応力が緩和する。その
結果、厚膜としても皮膜の剥離、割れ等を生じにくいの
である。

第３図は酸素分圧、雰囲気全圧が上記の規定値以内で３
　ｍｍ以上の膜厚を得るには、最小限基材予熱温度をい
くらにしたらよいかを調べた線図であり、基材予熱温度
（”Ｃ）の変化により、剥離を生ずることなく形成可能
な最大膜厚（ｗ　）を表している。第３図から、膜厚３
ｍｍ以上を得るには、基材予熱温度を６００℃以上に保
持すべきことがわかる。

次に、上記の予熱温度条件下で、基材表面に、ＪＩＳ　
Ｇ　４４０３相当の高速度鋼粉末を酸素分圧２　Ｔｏｒ
ｒ以下、全圧２０〜３００　Ｔｏｒｒの減圧雰囲気下で
プラズマ溶射し皮膜を形成する。

まず、酸素分圧を低く限定することで、予熱中の基材及
び溶射粒子の酸化が防止される。そのため、皮膜の割れ
の原因となる酸化物が減少する。

第１図は酸素分圧（Ｔｏｒｒ）の影響を抗折力（）ｃｇ
／關２）の変化で調べた線図であり、この図から、酸素
分圧が低いほど抗折力は安定しており、酸素分圧が２　
Ｔｏｒｒを越えると、抗折力ひいては皮膜の割れの抵抗
力が急激に低下することがゎがる。

次に、雰囲気全圧を上記の低圧条件とすることで、溶射
粒子の加熱溶融を促進し、粒子飛行速度を増大させるた
め、皮膜中の気孔が減り、緻密性が向上し、この結果耐
摩耗性が向上する。また気孔中のガス圧が低いため、後
工程のＨＩＰ処理にも都合がよい。

第２図は酸素分圧が２Ｔｏｒｒのもとで、雰囲気全圧（
Ｔｏｒｒ）の影響を皮膜の気孔体積率（％）の変化で調
べた線図であり、雰囲気全圧が３００　Ｔｏｒｒ以下で
あれば、気孔はほとんど生じない。なお、全圧の下限値
は実用的経済性の見地から定めている。

そして最後に、皮膜中にわずかに残る気孔を消失させ完
全に緻密化するために、ＨＩＰ処理を行う。なお、ＨＩ
Ｐ条件は、１１００℃Ｘ　１５００ｋｇ　／　ｃｄ　Ｘ
１時間としている。

このＨＩＰ処理に代えて焼入れ焼戻しを行っても同等程
度の緻密性が得られる。また、ＨＩＰ処理後に焼入れ焼
戻しを行ってもよいことはいうまでもない。

熱処理後の皮膜組織の顕微鏡写真を第４図（ａ）に示す
。また、比較のため従来のカプセルＨＩＰ法で処理した
ままの皮膜組織の顕微鏡写真を第４図（ｂ）に示す。な
お、基材材質及び被覆材料は両者共同じである。

両者を対比すれば、明らかに本発明の皮膜組織は緻密化
が著しく進行しており、かつ、ｗ、ｖ等の炭化物は５μ
ｍ以下に微細化され、均一に分散していることがわかる
。

［実施例］ 本発明において、基材予熱温度、酸素分圧、及び雰囲気
全圧の影響を調べるために、次のような試験を行った。

試験は三段階に分けて実施した。

試験１：最初に、気孔の無い緻密な皮膜を形成し、その
上で酸化物巻き込みの観点がら、抗折力の低下しない溶
射雰囲気中の酸素分圧の上限を調べた。

試験２：次に、気孔の存在が耐摩耗性を低下させるため
、溶射に引き続＜Ｉ（ＩＰ処理によって、完全に気孔の
無くなる溶射雰囲気の全圧の上限を調べた。

試験３：最後に、上記二条性を満たした上で、３龍以上
の膜厚が形成できる基材の予熱温度を調べた。

試験条件及び結果 共通条件 被覆材料 ５ＫＨＩＯ相当組成の合金粉末 粒径１００μｍ以下 低圧プラズマ溶射機 Ａｒ−２０％Ｈ２ 溶射機 プラズマガス 溶射電流 基材材質 基材寸法 ００　Ａ ４５Ｃ 直径８０ｍｒａ、高さ１００ｍ＋＊の円柱体（第５図参
照、図中、１は 基材、４は皮膜である） 試験１ 基材予熱温度　　　８００℃ 雰囲気全圧　　　　１００　Ｔｏｒｒ 被覆厚　　　　　　５　ｍｍ 溶射後ＨＩＰ条件　１１００℃Ｘ　１５００ｋｇ　／　
ｃｄ　Ｘ　Ｉ　Ｈｒ熱処理　　　　　　焼入れ１２３０
℃Ｘ　１．５　ｗｉｎ加熱後油冷 焼戻し　５５０℃Ｘ８Ｈｒ 加熱後空冷 試験方法と結果 皮膜４より、直径５　ｍｍの丸棒状試験片を採取し、３
点曲げ試験機にて抗折力を求めた。

その結果を第１図に示す。

これより、皮膜品質の点からは、酸素分圧を２Ｔｏｒｒ
以下にしなければならないことが明らかとなった。

試験２ 基材予熱温度　　　８００℃ 酸素分圧　　　　　２　Ｔｏｒｒ 被覆厚　　　　　　３ｍｍ 溶射後ＨＩＰ条件　１１００℃Ｘ　１５００ｋｇ　／　
ｃｄ　Ｘ　Ｉ　Ｈｒ試験方法と結果 皮膜４より試験片を採取し、光学顕微鏡観察により、気
孔の体積率を求めた。

その結果を第２図に示す。

これより、ＨＩＰ後において、完全に気孔の無い緻密な
膜を得るには溶射時の雰囲気の全圧を３００Ｔｏｒｒ以
下にしなければならないことが明らかとなった。

試験３ 雰囲気全圧　　　　１００　Ｔｏｒｒ 酸素分圧　　　　　２　Ｔｏｒｒ 試験方法と結果 溶射後室温まで試験体を冷却したときの、皮膜の剥離を
生じない最大の膜厚を求めた。

その結果を第３図に示す。

これより、試験１，２で求めた、良好な品質を有する皮
膜形成条件下において、３ｍｍ以上の厚い皮膜を得るに
は６００℃以上の基材予熱温度の必要なことか明らかと
なった。

実施例 以下の基本条件を使用し、本発明に関わる条件を変化さ
せた試験を実施した。

試験条件と試験結果は第１表のとおりである。

最初に、皮膜に剥離、割れ等を生じない膜厚を決定した
。本発明の目的は３１１℃ｍ以上の皮膜の得られる条件
である。

次に、割れ、剥離のない皮膜の得られる範囲内の膜厚に
おいて試験材を作製し、ＨＩＦ処理の後、各種試験片を
採取して性能を調べた。

皮膜の密度は、ＨＩＰ処理後のサンプルについて、顕微
鏡で空孔の体積率を調べ、空孔の無い完全緻密な状態を
１００％の密度とした。

抗折力試験及び摩耗試験に当たっては、高速度鋼被覆材
は焼入れ焼戻しを行った後に試験に供した。

耐摩耗性はアムスラー式摩耗試験機により評価した。こ
の試験法は、第６図に示すように３４５Ｃ製の直径４０
ｍｍ、厚さ３　ｍｍの回転円盤５の外周面に、水金しな
がら試験片６を５０ｋｇの力で押し当てて、摩擦距離５
００ｍ摺動させた後、試験片６の摩耗幅を測定すること
により実施した。

試験条件 基材材質 基材寸法 被覆材料 ４５Ｃ 直径８０ｍｍ、高さ１００１１Ｉ＋１の円柱体（第５図
参照） Ａ：５ＫＨ１０相当組成粉末 粒径１００μｍ以下 Ｂ：超硬粉末（ＶＣ−１７％Ｃｏ） 粒径１００μｍ以下 溶射条件 溶射法　　　　　プラズマ溶射法 試験片Ｎｏ、　１〜７−低圧プラズマ溶射性試験片Ｎｏ
、８　−常圧プラズマ溶射法プラズマガス　　Ａｒ−２
０％Ｈ２ 電流　　　　　　８００　Ａ 溶射後ＨＩＰ条件　１１００℃Ｘ　１５００ｋｇ　／　
ｃｄ　Ｘ　Ｉ　Ｈｒ被覆後熱処理 焼入れ１２３０℃ｘ　１，５　ｓｉｎ 加熱後油冷 ５５０℃Ｘ’ｌＨｒ 加熱後空冷炉冷 焼戻し 第１表から、本発明の条件を満たすもの（試験Ｎｏ、１
〜３）は、膜厚、抗折力、密度、及び耐摩耗性の全ての
面で優れていることがわかる。

また、高膜厚を得られるとしても、基材予熱温度、酸素
分圧、雰囲気全圧が皮膜の品質上重要であることか、試
験Ｎα４．５．６からもわかる。

そして、比較材として示した試験ＮＧ、　７　、８では
、皮膜の割れ、剥離を生じ、使用不能である。特に、常
圧プラズマ溶射法（試験Ｎｏ、８）では被覆ができない
。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、耐摩耗性、耐用性に優れ
た安価な複合材料の提供が可能となる。

また、皮膜の高厚膜化、高緻密化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明において低圧プラズマ溶射法の適用に際
し、酸素分圧の影響を抗折力の面から調べた線図、第２
図は同じく雰囲気全圧の影響を気孔体積率の面から調べ
た線図、第３図は同じく基材予熱温度の影響を最大膜厚
の面から調べた線図、第４図（ａ）、（ｂ）は本発明及
び従来の場合を比較して示す皮膜組織写真、第５図は本
発明の実施例に供した試験体の斜視図、第６図は摩耗試
験方法の説明図、第７図は従来のカプセルＨＩＰ法の説
明図である。 １・・・基材 ４・・・皮膜 代理人　弁理士　　佐々木　宗　治

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ基の基材と、該基材の表面に施された高速度
   鋼を主成分とする厚さ３ｍｍ以上の溶射皮膜とを有する
   耐摩耗性複合材料。
2. （２）Ｆｅ基の基材をあらかじめ６００℃以上に加熱し
   、前記基材の表面に高速度鋼を主成分とする材料を酸素
   分圧が２Ｔｏｒｒ以下、全圧が２０〜３００Ｔｏｒｒの
   減圧雰囲気下でプラズマ溶射して皮膜を形成し、その後
   熱間静水圧処理を行うことを特徴とする耐摩耗性複合材
   料の製造方法。
3. （３）前記プラズマ溶射後に焼入れ焼戻しの熱処理を行
   うことを特徴とする請求項２記載の耐摩耗性複合材料の
   製造方法。
4. （４）前記熱間静水圧処理後に焼入れ焼戻しの熱処理を
   行うことを特徴とする請求項２記載の耐摩耗性複合材料
   の製造方法。