JPH055892B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は高強度で高耐摩耗性を有する複合材に
係り、特に、高荷重または衝撃的荷重を受けなが
ら摺動する部材に用いるに好適な高硬度複合材お
よびその製造方法に関する。 〔従来の技術〕 一般に構造部品においては、部品全体がある特
定の性質を必要とするのではなく、全体の大部は
比較的安価な材料で構成し、必要とする表面の特
定部分だけ特定の性質を要求する使用法が多い。
例えば、切削工具の場合では切削部分が硬質で他
の部分は切削荷重で変形、破損等の生じない材料
であれば十分である。しかも部品が大型になる
程、特定の特性の要する部分の割合が少なくなる
ことが多い。このような部品では全体の大部分を
占める基材に所要の特性を有する材料よりなる表
面層を組合せた複合材とすることが性能、価格と
上で有利になる。耐摩耗性の要求される摺動部品
等においては、基材上に硬質の表面層を設けた複
合材が用いられる。 摺動部材用の複合材として特開昭60−12424号
には高炭素−高Cr鋳鋼あるいはこれと自溶性合
金を混合した粉末を基材上にプラズマ溶射してな
る複合材が記載されている。また、高炭素−高
Cr鋳鋼とCu合金を基材上にプラズマ溶射してな
る複合摺動部材が特開昭60−12425号に記載され
ている。しかし、これらはいずれも摺動部材製作
の際の溶射が大気圧中で行なわれるので、基材と
の密着状態、皮膜中の個々の粉末粒子の積層間の
密着強度が不十分であり、また、硬質金属間化合
物の析出密度及び分散量について検討されていな
い。 また、特開昭57−57552号には金属ハロゲン化
物と炭素、硼素または珪素からなる硬質金属合金
析出層をCVD法で基材上に形成する方法が記載
されている。しかし、この方法はCVD法である
ため析出層は単一相となるので、基材との間の物
性値の差により発生する処理歪にもとづく密着強
度あるいは析出層の低下の靭性の問題がある。析
出層のみを取り出して利用することも記載されて
いるが、析出層は金属間化合物であるので大きく
なつた場合、靭性の点で十分とはいえない。ま
た、金属ハロゲン化物の熱分解を利用するため、
ハロゲン化ガスの後処理、金属ハロゲン化物の製
造価格等の点から単位面積当りの処理費が高くな
ること等により、適用部品に制約がある。 一方、高硬度の熔解材料（インゴツト）として
は、例えば耐摩耗切削用工具鋼として特開昭57−
17069号記載の合金が公知である。この合金系の
耐摩耗性はMC系炭化物が多くなる程改善される
が、これを増すためＶを多くすると溶融温度が高
くなり、作製が難かしくなる。また、MC系炭化
物の比重が熔湯よりも軽いので、溶融時上部に集
まり、均一にならなくなる傾向がある。また、溶
融温度が高くなると、炭化物の晶出の際大きく成
長するので、靭性が低下するとともに機械加工性
が低下する傾向がある。従つて、熔解法では成分
の範囲が製品の特性からではなく、作業上の制約
条件から決まることになり、機械設計範囲が狭く
なる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明の目的は耐腐食性、耐高荷重性、耐高衝
撃性、耐摩耗性、耐高温摩耗性に優れた金属間化
合物系が均一かつ微細に分布している高硬度複合
材を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明の高硬度複合材は、金属材料製基材の表
面に、重量でＣ：２〜10％、Cr：18〜60％、
Ｖ：0.3〜30％で、かつMo、Ｗ、Nb、Tiおよび
Zrの一種以上が、それぞれ重量でMo：30％以
下、Ｗ：25％以下、Nb：15％以下、Ti：15％以
下及びZr：15％以下であり、残部：Feからなる
溶射層を有し、該溶射層は、マルテンサイト基地
中に炭化物、窒化物または炭窒化物の粒子が分散
しており、該粒子の幅方向の大きさ3μｍ以下及
び面積率15％以上であることを特徴とするもので
あり、該高硬度複合材の製造方法は、重量でCi：
２〜10％、Cr：18〜60％、Ｖ：0.3〜30％で、か
つ、Mo、Ｗ、Nb、TiおよびZrの一種以上が、
それぞれ重量でMo：30％以下、Ｗ：25％以下、
Nb：15u以下、Ti：15％以下及びZr15％以下で
あり、残部：Feの合金粉末を金属材料製基材の
表面に減圧雰囲気中でプラズマ溶射することを特
徴とするものである。 なお、前記溶射層の圧さは、30μｍ以上である
ことが望ましい。 〔作用〕 複合摺動部材の耐荷重性及び耐摩耗性を改善す
るには表面層は、高靭性の基地相（マトリクス）
と硬質相が強固に結合し、更に、硬質な金属間化
合物が微細で且つその占有率が多いものである方
がよい。従つて、表面層には微細な金属間化合物
である炭化物、窒化物あるいは炭窒化物が多く晶
出している方がよい。しかし、炭化物を多くする
ために炭素の添加量を多くすると、材料の溶融温
度が高くなり、炭化物が粗大に成長し、更に、比
重差による偏析等が生じ、耐摩耗性、耐荷重性を
低下させる恐れがある。 本発明の高硬度複合部材では上記問題は解決さ
れる。本発明において、マルテンサイト基地中に
分布する破片状の硬質な金属間化合物が巾方向の
大きさが3μｍ以下、面積率15％以上と規定した
のは下記の理由による。すなわち、破片状の巾方
向の大きさが3μｍ以上の金属間化合物が大半を
占めると、金属間化合物の形状が本発明の破片状
のように複雑な場合結合に関与する表面積が少な
く、基地相との結合が不十分なため、高硬度部品
に用いた場合、仕上げ加工時あるいは使用時に金
属間化合物が脱落し易くなる。一方、金属間化合
物の大きさが巾方向で3μｍ以上と大きく、また、
面積率で15％以下となると、金属間化合物より軟
質な基地の面積が増大し、基地の変形に伴つて割
れが発生したり、金属間化合物が周囲の摩耗によ
り剥離、脱落したりして耐摩耗性が低下する。特
に使用時に脱落した場合は、脱落した金属間化合
物が摩擦面に介入し摩擦面に傷をつけ、あるいは
減摩剤となつて摩耗を促進する。 〔実施例〕 本発明の複合材は、金属材料製基材の表面に形
成する表面層の金属間化合物の構成成分はFe、
Cr、ＶおよびＣ又はＮの他に、Mo、Ｗ、Nb、
Ti、Zrの少くとも１つを含んでいてもよい。好
ましくは表面層の金属間化合物を形成する成分
は、重量でＣ：２〜10％、Cr：18〜60％、Ｖ：
0.3〜30％で、かつ、Mo、Ｗ、Nb、TiおよびZr
の一種以上が、それぞれ重量でMo：30％以下、
Ｗ：25％以下、Nb：15％以下及びZr：15％以下
及びZr：15％以下であり、残部：Feであるのが
好ましい。 表面層の構成成分について説明すると、炭素は
炭化物形成元素と密接な関係がある。炭化物形成
元素の添加量が多くなる程、硬質な炭化物量が多
くできる。２％以下では高硬度部材としての効果
が顕著でない。炭素量を多くする程、炭化物の晶
出量が多くなり硬化するが、10％以上になると融
解、熱間・冷間加工、研削時等の作業性が低下
し、硬質層に気孔が発生し、脆化する。 Crは炭化物を形成するとともに基地の熱処理
性を改善し、耐摩耗性、耐荷重性を良好にすると
ともに、比重も基地の金属より低く、価格の上で
も有利な成分である。その効果は他の成分との共
存にもよるが18％未満では不十分である。Cr量
とともに硬化能が増大するか、60％を超えると作
業性が極めて低下し、硬質層内に気孔が存在し脆
くなる。 Ｖは炭化物を形成するとともに基地の結晶粒を
微細化し強靭化するので極めて有効な成分であ
る。この炭化物は極めて硬い。結晶粒の微細化及
び窒化による硬化に対しては微量でも効果がある
が、本発明のような高合金鋼系になると0.3％以
上で顕著な効果が現われる。Ｖ量とともに炭化物
量が増え、耐摩耗性が増大し、30％程度で飽和す
るので上限を30％とする。また、同族の元素に
Nb、Taがあり、炭化物、窒化物、炭窒化物を形
成して硬化させ、耐摩耗性を向上させるのに効果
がある。拡散熱処理に対しては微量で効果がみら
れるが、いずれも15％で飽和する。 Mo及びＷはM₆C及びMC型炭化物を形成し、
耐摩耗性を向上させる。これらの元素の添加量が
多くなる程炭化物の量も増え、耐摩耗性も改善さ
れるが、それぞれ30及び25％で飽和する傾向があ
る。 更に、炭化物あるいは窒化物形成元素として、
4A族のTi、Z₁、Hfがあり、硬化に対し有効な成
分である。硬化に対してはその添加量が多い程よ
いのであるが、15％以上になると作業性が低下
し、脆性する傾向がある。その他、Si、Mnも含
まれていてよい。 表面層としての硬質層の厚さは30μｍ以上にす
るのが好ましい。30μｍ以下では使用時の仕上げ
加工の際に除去される恐れがあり、また高荷重で
使用すると硬質層の耐圧が低下し、基材をも変形
させる原因となる。 前記のような硬質層としての表面層を基材の表
面に形成するには、該表面層の組成を有する合金
溶湯から直接基材に噴霧化して吹き付けるか、粉
末に加工後、溶射法でコーテイングする。いずれ
の場合も、減圧した雰囲気容器内で作製する。例
えば、溶射法で行なう場合、従来のように大気中
で作業を行なうと溶射される粉末は熱源で加熱さ
れた状態で、大気中から混入する酸素あるいは窒
素ガスと反応し、この反応生成物は溶融温度が高
いので、基材に密着する前に凝固するか又は凝固
温度に近い状態になる。このような条件で表面層
としての皮膜が形成されると、皮膜内は用いた粉
末が密着時の衝撃で偏平につぶれて積層し、その
積層粒子間に気孔、酸化物等の不必要な欠陥を含
んだ層になり、従つて、皮膜は極めて脆弱にな
る。これを防止するために減圧雰囲気中でのプラ
ズマ溶射を行なうのがよい。これによれば密着時
の個個の粒子間の不必要な酸化膜や気孔等の欠陥
が存在せずに、相互の粒子が融合し、金属間化合
物を微細に析出させるとともに緻密な硬質層を形
成するのに有効である。 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。第１
表に示す成分（残部はFe）の合金鋼を溶解し、
真空アトマイジング法で粒径10〜44μｍの粉末を
作製し、この粉末を基材であるSCM415鋼の表面
に約30μｍ厚さに減圧雰囲気中でプラズマ溶射し
た。雰囲気は50TorrのArを用いた。プラズマガ
スはAr＋H₂でプラズマ電流は800Aであつた。そ
の後、被処理品を930℃×30分の油焼入れし、そ
の後、170℃×120分の熱すなわち、本実施例にお
いてマルテンサイト基地は、まず、被処理品を
930℃×30分加熱することにより溶射のままで強
制固溶されている合金元素が析出し、その後油焼
入れにおいても、焼入れされることによつてマル
テンサイト組織となるが、その後の170℃×120分
の加熱の焼戻し処理によつて焼戻しマルテンサイ
ト組織となることにより得られる。このようにし
て第１表に示す試料Ａ〜Ｅを作製した。第１表
中、試料Ｆ〜Ｊは参考のための比較例である。こ
れらの表面の観察による判定結果は第１表の作業
性の項に示したようである。表中の○印は皮膜が
均質で平滑な構造部材として適用できるものであ
る。×印は表面が多孔質となり、脆弱で構造部材
表面として不適当なものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の熔解法や焼結法とは異
なつて、靭性に富む材料で出来ている基材の表面
に炭化物、窒化物あるいは炭窒化物形成自由エネ
ルギーの低い成分が固溶し更に炭化物を形成する
材料を減圧雰囲気中でプラズマ溶射し、その後熱
処理することにより、極めて微細かつ均一な相の
状態で高硬度の表面層を持つ著しく耐摩耗性に優
れた強靭な複合材が得られ、表面層と基材との密
着性および表面層中の粒子の密着性が良好であ
る。 かかる表面層は基材表面の所要の範囲にのみ溶
射形成してよい。従来の熔解法による製造法で作
られた耐摩耗材ではある大きさになると鍛造時の
冷却速度に限界があり、この冷却の熱平衡で晶析
相が粗大化して、成分範囲が決まるが、本発明で
は最高44μｍの粒子を用い、極めて急冷による相
であるので、材料の設計範囲を著しく広げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る複合材の断面
の金属組織を示す顕微鏡写真、第２図は同複合材
の断面の金属組織を示す電子顕微鏡写真、第３図
は従来の熔解法で作製した比較材の金属組織を示
す顕微鏡写真、第４図は摺動摩耗試験後の摩耗量
の比較図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属材料製基板の表面に、重量でＣ：２〜10
   ％、Cr：18〜60％、Ｖ：0.3〜30％で、かつ、
   Mo、Ｗ、Nb、TiおよびZrの一種以上が、それ
   ぞれ重量でMo：30％以下、Ｗ：25％以下、Nb：
   15％以下、Ti：15％以下及びZr：15％以下であ
   り、残部：Feからなる溶射層を有し、該容射層
   は、マルテンサイト基地中に炭化物、窒化物また
   は炭窒化物の粒子が分散しており、該粒子の幅方
   向の大きさ3μｍ以下及び面積率15％以上である
   ことを特徴とする高硬度複合材。 ２ 金属材料製基材表面の前記溶射層の厚さが
   30μｍ以上である特許請求の範囲第１項記載の高
   硬度複合材。 ３ 重合でＣ：２〜10％、Cr：18〜60％、Ｖ：
   0.3〜30％で、かつ、Mo、Ｗ、Nb、TiおよびZr
   の一種以上が、それぞれ重量でMo：30％以下、
   Ｗ：25％以下、Nb：15％以下、Ti：15％以下及
   びZr：15％以下であり、残部：Feの合金粉末を
   金属材料製基板材の表面に減圧雰囲気中でプラズ
   マ溶射することを特徴とする高硬度複合材の製造
   方法。