JPH10204569A

JPH10204569A - 自己潤滑複合材及びそれを用いた複合表面処理方法

Info

Publication number: JPH10204569A
Application number: JP586397A
Authority: JP
Inventors: Mikio Yoneyama; 三樹男米山; Yoshihiro Tatsumi; 佳宏辰巳; Hidenori Mitsui; 英伯三井; Minoru Ueda; 実上田
Original assignee: Kinzoku Giken Co Ltd; Osaka Fuji Corp
Current assignee: Kinzoku Giken Co Ltd; Osaka Fuji Corp
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 1998-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】高温、高面圧下での乾式摺動部材の焼付き防
止に最適な自己潤滑複合材及びそれを用いた複合表面処
理方法を得る。【解決手段】Ｃｏ基合金に、約２０〜４０ｖｏｌ％の
ＢＮ又は約２０〜８０ｖｏｌ％のＣｒ₂Ｏ₃を分散させた
自己潤滑複合材、金属材料の表面にＣｏ基合金からなる
下盛層を粉体プラズマ溶接法によって形成し、この下盛
層の表面に前記自己潤滑複合材からなる上盛層を熱間静
水圧法によって形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、乾式ポンプの軸等
無潤滑状態で使用される機械部品用の自己潤滑複合材及
びそれを用いた複合表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術と課題】一般に、機械部品の損耗原因は、
腐食、摩耗、焼付きに大別される。このうち、腐食と摩
耗については、各種の防食処理や硬化肉盛等によって対
策がほぼ確立されている。ところで、焼付きを防止する
対策としては、水、油等の流体潤滑材もしくは有機系Ｍ
ｏやグラファイトを用いることが知られている。しか
し、高温、高面圧下での乾式摺動に対して肉盛方法での
焼付き防止に関しては未開発である。

【０００３】そこで、本発明の目的は、高温、高面圧下
での乾式摺動部材の焼付き防止に最適な自己潤滑複合材
及びそれを用いた複合表面処理方法を提供することにあ
る。

【０００４】

【発明の要旨及び効果】以上の目的を達成するため、本
発明に係る自己潤滑複合材は、Ｃｏ基合金に、約２０〜
４０ｖｏｌ％のＢＮ又は約２０〜８０ｖｏｌ％のＣｒ₂
Ｏ₃を分散させたサーメット材料であることを特徴とす
る。Ｃｏ基合金は、耐食性、耐摩耗性の高い材料であ
り、これをマトリックス材として自己潤滑性を有するＢ
Ｎ又はＣｒ₂Ｏ₃を分散材とする。この複合材を金属母材
の表面にライニングすることにより、乾式摺動時の耐焼
付き性が大きく向上する。

【０００５】さらに、本発明に係る複合表面処理方法で
は、金属材料の表面にＣｏ基合金からなる下盛層を粉体
プラズマ溶接法によって形成し、前記下盛層の表面に前
記自己潤滑複合材からなる上盛層を熱間静水圧法によっ
て形成することを特徴とする。

【０００６】ここで、粉体プラズマ溶接法とは、移行性
プラズマアーク（Plasma Transferred Arc）を利用した
溶接法であり、電気アークによって溶接トーチ内にアル
ゴンガスのプラズマを発生させ、ここに粉末を供給して
溶融し、さらにプラズマアークにより母材表面に溶接を
行う。熱間静水圧法（Hot Isostatic Pressing）とは、
高圧加熱容器に被処理品を装填し、高温加熱下で不活性
の圧媒ガス（通常、アルゴンガスを使用する）によって
等方的に超高圧を加え、金属−金属（粉末）の拡散接合
を行う。

【０００７】自己潤滑性を有する分散材（ＢＮ，Ｃｒ₂
Ｏ₃）は溶接による肉盛施工では分解してしまう。そこ
で、熱間静水圧法によって母材上に肉盛りすることが考
えられる。しかし、熱間静水圧処理後の冷却過程におい
て、熱膨張係数の差を起因とする残留応力により、肉盛
層の剥離や割れを生じる。そこで、まず、粉体プラズマ
溶接法により、母材と肉盛層の中間の熱膨張係数を有す
る材料を下盛し、その上に自己潤滑性を有するサーメッ
ト材料を熱間静水圧法で肉盛りすることとした。

【０００８】以上の複合表面処理方法によれば、肉盛層
の熱膨張係数に傾斜機能を持たせ、熱的な残留応力が軽
減され、剥離や割れのない耐焼付き性に優れた摺動機械
部品を得ることができる。また、下盛層と上盛層のマト
リックス材が同一であることにより、上盛層の拡散接合
性が向上する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る自己潤滑複合
材及びそれを用いた複合表面処理方法の実施形態につい
て説明する。

【００１０】（自己潤滑複合材）自己潤滑性を有する分
散材を耐食、耐摩耗性の高いＣｏ基合金と共にボールミ
ルにより混合し、目的とするサーメット材料を得た。こ
の自己潤滑複合材（実施例１〜４）と比較例１〜６の成
分を第１表に示し、ボールミルによる混合条件を第２表
に示し、さらに、使用材料の物性値について第３表に示
す。

【００１１】

【表１】

【００１２】

【表２】

【００１３】

【表３】

【００１４】ところで、使用材料は全て３５０メッシュ
（４４−１０μｍ相当）とした。また、ＢＮ（窒化ホウ
素）はその性質から離型材的性質を有するため、マトリ
ックス材との結合が困難であると考えられる。このた
め、マトリックス材との結合性を向上させるため、予め
ＢＮ粒子の表面にＮｉメッキを施した。

【００１５】（複合肉盛）本実施形態では、まず、粉体
プラズマ溶接法によって金属母材の表面にＣｏ基合金か
らなる下盛層を形成し、さらにその上に熱間静水圧法に
よって前記実施例１〜４及び比較例１〜６のサーメット
材料を上盛層として形成した。

【００１６】プラズマ粉体溶接法は、図１に示すよう
に、溶接トーチ１０の中心孔１１にタングステン電極１
２を設け、中心孔１１にアルゴンガスを供給してガスプ
ラズマを発生させる。溶接トーチ１０の先端からはパイ
ロットアークＰａ及びメインアークＭａが噴出する。同
時に、溶接トーチ１０の粉末供給孔１３からＣｏ基合金
粉末を供給する。この粉末はメインアークＭａによって
溶融し、母材１５の表面に溶着し、肉盛層１５ａにな
る。また、溶接トーチ１０のガス供給孔１４からはシー
ルドガス（通常、アルゴンガス）が供給される。

【００１７】このようなプラズマ粉体溶接法は他の溶接
法（被覆アーク溶接、ティグ溶接、ミグ溶接、サブマー
ジ溶接、ガス溶接）と比較して、以下の特徴を有してい
る。（１）母材への溶け込み深さが小さく、希釈率は通常５
％以下である。従って、１層で目標の化学成分の肉盛金
属が得られる。（２）肉盛材料として粉末を用いるため、材料をワイヤ
やロッドに形成する必要がなく、一般金属の他各種炭化
物を主成分とする超硬複合合金の肉盛も容易に行うこと
ができ、炭化物含有量の調整も自由である。

【００１８】（３）アルゴンガス中での自動溶接である
ため、ブローホール等の欠陥が少ない。（４）溶融溶接であるため、母材との結合は冶金結合で
あり、剥離等の問題はない。第４表に下盛材の溶接条件
の一例を示す。

【００１９】

【表４】

【００２０】次に、熱間静水圧法は、図２に示す装置を
使用して処理される。この熱間静水圧装置は、概略、本
体部２０と、プレスフレーム２５と、ガス供給部３０
と、搬送部３５と、加熱電源制御部４０とで構成されて
いる。本体部２０は、被処理品を収容するために圧力容
器２１の内部にＭｏヒータ２２を設け、加熱炉を構成し
ている。プレスフレーム２５は、圧力容器２１内のガス
圧を保持するためのもので、鋼板積層構造になってい
る。ガス供給部３０は、Ａｒ圧媒ガスを圧力容器２１に
加圧注入し、処理後回収するためのもので、ガス圧縮機
３１、圧力調整器３２、ガス集合装置３３、真空ポンプ
３４等によって構成されている。搬送部３５は被処理品
を圧力容器２１に送り込み、処理後取り出すためのもの
である。

【００２１】この熱間静水圧法では、被処理品を圧力容
器２１に収容すると共に材料粉末を投入し、加圧加熱処
理を行う。加圧及び加熱の条件は図３に示すとおりであ
る。

【００２２】（実施品の性能）以上の如き粉体プラズマ
溶接法及び熱間静水圧法で複合表面処理された金属材の
各種性能について説明する。

【００２３】まず、リングオン摺動摩耗試験装置を用い
て、乾式摺動状態を再現し、図４に示すように、相手材
５５と母材５１の肉盛層５２の表面とを摺動させること
により、各肉盛材（第１表参照）のミクロ組織を観察す
ると共に、摺動時のトルク変動を調査した。摺動条件の
設定値は第５表に示すとおりである。

【００２４】

【表５】

【００２５】摺動試験後、各試験片表面の組織を顕微鏡
写真を撮って観察したところ、実施例１〜４全ての試験
片において、マトリックス材の接合不良は見られず、分
散材が均一に分布していた。しかし、比較例１（ＢＮ５
０ｖｏｌ％）では局所的に大きな塊として分布する傾向
が見られた。また、Ｃｒ₂Ｏ₃をコンポジットしたもので
は、Ｃｒ₂Ｏ₃の粒径が公称値よりも小さいため、マトリ
ックス材粒子の粒界に並ぶように分布していた。Ｃｒ₂
Ｏ₃はＮｉＰメッキを施さずにコンポジットしたが、研
磨中における脱落等もなく、マトリックス材と良好に拡
散接合されていると考えられる。なお、ミクロ組織の顕
微鏡写真の添付は省略する。

【００２６】一方、各試験片と相手材（Ｓｉ₃Ｎ₄）との
摺動時の時間経過に伴うトルク変動を調査した。安定摺
動時における摺動トルクと摩擦係数を以下の第６表に示
し、摺動トルクの変動について図５〜図１４に示す。

【００２７】

【表６】

【００２８】摺動トルクの変動に関して、最も摺動トル
クが低いのは、ＢＮ３０ｖｏｌ％を分散材とした材料で
あった。また、ＢＮ混合比が約２０〜４０ｖｏｌ％の範
囲外では焼付きが見られた。ＢＮとＷＣを混合した材料
では焼付きやすくなっていた。Ｃｒ₂Ｏ₃を分散材とした
材料では、Ｃｒ₂Ｏ₃の量が増加するに伴ってトルク変動
幅が小さくなっている。ＷＣをコンポジットした材料で
は、摺動トルクが大きな周期で変動しており、好ましい
ことではない。

【００２９】さらに、摺動試験前後における試験面を観
察したところ、ＢＮ５０ｖｏｌ％を分散材とした材料で
は、焼付きによって摺動面の損傷が著るしいことが確認
された。Ｃｒ₂Ｏ₃をコンポジットした材料では、摺動面
が黒色光沢を示している。一般鋼材であるＳＵＳ−３０
４は、焼付きによる摺動面の損傷が最も著しかった。

【００３０】次に、各試験片の肉盛層について、ビッカ
ース硬度を測定した。その結果を第７表に示す。

【００３１】

【表７】

【００３２】硬度測定の結果、ＢＮに関してはその混合
比が４０ｖｏｌ％を超えると、肉盛層の硬度が大きく低
下することが確認された。また、Ｃｒ₂Ｏ₃を混合する
と、Ｈｖ₂₀：１０〜１５０程度の硬度上昇が認められ
た。

【００３３】（まとめ）以上の性能試験によれば、多量
のＢＮをコンポジットすることによって、肉盛層の硬度
が著しく低下し、かつ、焼付きも発生しやすくなること
が判明した。これは、ミクロ組織の観察から見て、多量
のＢＮを混合することで、ＢＮが局部的に大きな塊りと
なっているためで、このような状態ではマトリックス材
間の結合が低く、肉盛層自体の剛性が低下するためであ
ると考えられる。

【００３４】ＢＮとＷＣを混合してコンポジットした場
合、焼付きが発生しやすくなった。これも、混合したＷ
Ｃの量に応じてマトリックス材の量が低下し、多量のＢ
Ｎをコンポジットした場合と同様に、ＢＮが局部的に大
きな塊りになるためと考えられる。

【００３５】Ｃｒ₂Ｏ₃をコンポジットした場合、摺動特
性が向上した。摺動特性の変化をマクロ的に観察する
と、トルク変動の上限値及び下限値はほぼ同じである。
しかし、変動の振幅は、混合量が増加することで小さく
なっている。これは、Ｃｒ₂Ｏ₃自体の摺動特性が良好で
あることによると考えられる。また、摺動面が黒色光沢
を示していた。これは、摺動によって酸化物スケール等
の移着膜が発生しているのではないかと考えられる。

【００３６】以上の如く、自己潤滑材（ＢＮ，Ｃｒ
₂Ｏ₃）を分散材としてＣｏ基合金に混合することで、耐
焼付き性の著しい向上が見られた。摩擦係数に関して
は、文献値によれば、金属間で０．６〜１．２、金属と
セラミックス間で０．４〜０．８であり、焼付きが発生
した試験片における摩擦係数は０．５〜０．８であっ
て、値が一致している。これに対して実施例１〜４の自
己潤滑複合材では、それらの約１／３と著しく低い値と
なっている。この値はセラミックス間の乾式摺動時にお
ける摩擦係数よりも小さい。

【００３７】組織上の問題として、ＢＮを多量に混合し
た場合、それ自体の硬度が低いために肉盛層の強度が低
下し、焼付きに至ると考えられる。ＢＮは混合比が約３
０ｖｏｌ％のとき最も好ましい結果が得られた。Ｃｒ₂
Ｏ₃を約２０〜８０ｖｏｌ％の範囲で混合した場合も、
摺動特性の向上が確認された。この場合、Ｃｒ₂Ｏ₃自体
の硬度が高いため、肉盛層の硬度が上昇し、耐摩耗性も
向上すると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ溶接トーチを示す断面図。

【図２】熱間静水圧装置を示す概略構成図。

【図３】熱間静水圧法の処理条件を示すチャート図。

【図４】試験片を示す断面図。

【図５】実施例１の試験片における摺動トルクの変化を
示すグラフ。

【図６】実施例２の試験片における摺動トルクの変化を
示すグラフ。

【図７】実施例３の試験片における摺動トルクの変化を
示すグラフ。

【図８】実施例４の試験片における摺動トルクの変化を
示すグラフ。

【図９】比較例１の試験片における摺動トルクの変化を
示すグラフ。

【図１０】比較例２の試験片における摺動トルクの変化
を示すグラフ。

【図１１】比較例３の試験片における摺動トルクの変化
を示すグラフ。

【図１２】比較例４の試験片における摺動トルクの変化
を示すグラフ。

【図１３】比較例５の試験片における摺動トルクの変化
を示すグラフ。

【図１４】比較例６の試験片における摺動トルクの変化
を示すグラフ。

【符号の説明】

１０…溶接トーチ２０…熱間静水圧装置本体２５…プレスフレーム５１…金属母材５２…肉盛層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２３Ｃ 4/06 Ｃ２３Ｃ 4/06 (72)発明者三井英伯兵庫県尼崎市常光寺１丁目９番１号大阪富士工業株式会社内 (72)発明者上田実兵庫県姫路市林田町下伊勢970番地金属技研株式会社姫路工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｏ基合金に約２０〜４０ｖｏｌ％のＢ
Ｎを分散させたことを特徴とする自己潤滑複合材。
【請求項２】Ｃｏ基合金に約２０〜８０ｖｏｌ％のＣ
ｒ₂Ｏ₃を分散させたことを特徴とする自己潤滑複合材。
【請求項３】金属材料の表面にＣｏ基合金からなる下
盛層を粉体プラズマ溶接法によって形成し、前記下盛層の表面に請求項１又は請求項２記載の自己潤
滑複合材からなる上盛層を熱間静水圧法によって形成す
ること、を特徴とする複合表面処理方法。