(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐摩耗性等の表面改質が要求される基材(12,52)の改質予定面の所定位置に、互いに所定間隔を保持して固定される表面改質部材(14,54)と、
前記表面改質部材(14,54)の隣接し合う周囲空間に充填され、該表面改質部材(14,54)を前記基材(12,52)の改質予定面に対して接合させるロー付け組成物からなる充填材(16,56)とから構成され、
前記表面改質部材(14,54)と前記基材(12,52)との間に設けられる隙間(20,58)の間隔は、０.１〜０.４ｍｍの範囲に設定されている
ことを特徴とする表面改質材。
【請求項２】
少なくとも前記表面改質部材(14,54)における前記基材(12,52)側の裏側面および全側面が、前記充填材(16,56)により接触的に覆われている請求項１記載の表面改質材。
【請求項３】
前記表面改質部材(14,54)および／または基材(12,52)の表面に、可融性金属層(60)が０.１〜１０ｍｍの範囲で積層されている請求項１または２記載の表面改質材。
【請求項４】
前記表面改質部材(14,54)は、幾何学的形状をなす多角形であって、その多角形の最大長さ方向の最大長さと、この方向に交差する方向の最大長さとの比が１００：１０〜１００：１００の範囲内にある請求項１〜３の何れかに記載の表面改質材。
【請求項５】
前記表面改質部材(14,54)における相互間の距離は、前記最大長さ方向の最大長さを１００とした場合に、０.３〜１００の範囲にある請求項４記載の表面改質材。
【請求項６】
前記表面改質部材(14)は、矩形をなすと共に規則的に配列され、長手方向の長さと短手方向の長さとの比が１００：１０〜１００：１００の範囲内にある請求項１〜３の何れかに記載の表面改質材。
【請求項７】
前記表面改質部材(14)における相互間の距離は、前記短手方向の長さを１００とした場合に、３〜１００の範囲にある請求項６記載の表面改質材。
【請求項８】
前記隙間(20)は、前記表面改質部材(14)における基材(12)改質予定面側の所定位置に設けた複数の突起(14a)により画成される請求項１〜７の何れかに記載の表面改質材。
【請求項９】
前記表面改質部材(14,54)は、炭化タングステン系合金または炭化クロム系合金からなる請求項１〜８の何れかに記載の表面改質材。
【請求項１０】
前記充填材(16,56)は、Ｎｉ-Ｃｒ系合金からなる請求項１〜９の何れかに記載の表面改質材。
【請求項１１】
前記表面改質部材(54)は、超硬チップの再生品からなる請求項１〜１０の何れかに記載の表面改質材。
【請求項１２】
複数の表面改質部材(14,54)を表面改質が施される基材(12,52)の改質予定面に対して互いに所定間隔だけ離間させる共に、前記基材(12,52)からも所定間隔だけ離間させることで隙間(20,58)が画成されるよう配設・固定し、
次いで前記表面改質部材(14,54)の相互間を介して前記隙間(20,58)にロー付け組成物からなる充填材(16,56)をパウダー溶射により充填して、該表面改質部材(14,54)と前記基材(12,52)の改質予定面との間に設けられる隙間(20,58)の間隔を０.１〜０.４ｍｍの範囲に設定して接合すると共に、隣接し合う該表面改質部材(14,54)同士を接合させるようにした
ことを特徴とする表面改質材の製造方法。
【請求項１３】
前記表面改質部材(14,54)の配設・固定に先立ち、該表面改質部材(14,54)および／または基材(12,52)の表面に、０.１〜１０ｍｍの範囲で可融性金属層(60)を積層させる請求項１２記載の表面改質材の製造方法。
【請求項１４】
前記表面改質部材(14,54)の前記基材(12,52)表面への固定は、電気溶接で行なわれる請求項１２または１３の何れかに記載の表面改質材の製造方法。
【請求項１５】
前記表面改質部材(14)は、前記基材(12)における改質予定面の取り付け位置に対応可能なシート状物(44)に貼着されている請求項１２〜１４の何れかに記載の表面改質材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面改質材およびその製造方法に関し、更に詳細には、基材の改質予定面に表面改質部材を取り付けることで、該基材の耐食性等の諸物性を向上させ得る表面改質材と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
例えば高い耐食性を必要とする溶鉱炉内壁や、高い耐摩耗性を必要とするドリルの先端等には、夫々基材とする物質表面に所望の耐食・耐摩耗性を発現する超硬材等を(i)溶接または(ii)ロー付けすることで接合し、表面改質を行なっていた。
【０００３】
前述の(i)溶接による方法は、所望の表面改質材自体を電気溶接またはガス溶接により前記基材表面に溶接させるものであり、また(ii)ロー付けによる方法は、所望の表面改質材をロー部材を介して該基材表面に接合させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記(i)溶接による接合の場合、基材および溶接接合される表面改質部材の線膨張係数が異なるため、溶接直後または一定時間経過後に多数のクラックが生じてしまう。この現象を回避する方法として、基材を溶接される表面改質部材と同等程度にまで予め加熱(９００℃程度)して、該表面改質部材を溶接接合する方法が知られている。この場合、前記基材の予熱温度が高くなり、また前記表面改質部材の溶接速度も低下してしまうため、製造コストが嵩む他、作業環境の悪化や、要求される作業者の技術水準が高くなる等の難点が指摘される。
【０００５】
また、前記表面改質部材を溶接により溶かして前記基材上に溶着させるため、該基材を構成する元素成分が該表面改質部材内に不純物として取り込まれてしまい、結果として必要とされる耐食性、耐摩耗性および強度等の諸物性に悪影響を与えることが考えられる。
【０００６】
一方前記(ii)ロー付けによる接合の場合、該ロー部材により前記基材と表面改質部材との間の接合強度が決定される。従って前記ロー部材を流し込む際に、該ロー部材が前記基材と表面改質部材との間に充分に行き渡らなければ、必要とされる接合強度は得られず、結果として該表面改質部材は容易に剥がれ落ちてしまう。
【０００７】
また例えば油井技術で使用されるドリルストリングのスタビライザのように、前記基材の形状が所定の曲率をもっている場合、該基材の曲率と前記表面改質部材裏面の曲率とが同一でなければ、接合強度を決定するロー部材の厚みが均一にならず部分的なパラつきを生じてしまう欠点が指摘される。更に前述の(i)溶接による接合と同様に、使用中のヒートショック(熱衝撃)を原因として線膨張係数の違いから発生する熱応力により、クラックが容易に発生してしまう。
【０００８】
【発明の目的】
この発明は、従来の表面改質材およびその製造方法に内在している前記問題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、表面改質部材を基材上に所定距離離間させると共に、複数の該表面改質部材も互いに所要間隔離間させるように配置し、これらの隙間に充填材を充填することで、該表面改質部材を３次元的に該基材に対して接合させ、熱衝撃等に対して充分な耐久性を発現する高い靱性を有する表面改質材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため本願の発明に係る表面改質材は、耐摩耗性等の表面改質が要求される基材の改質予定面の所定位置に、互いに所定間隔を保持して固定される表面改質部材と、
前記表面改質部材の隣接し合う周囲空間に充填され、該表面改質部材を前記基材の改質予定面に対して接合させるロー付け組成物からなる充填材とから構成され、
前記表面改質部材と前記基材との間に設けられる隙間の間隔は、０.１〜０.４ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１０】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため本願の別の発明に係る表面改質材の製造方法は、複数の表面改質部材を表面改質が施される基材)の改質予定面に対して互いに所定間隔だけ離間させる共に、前記基材からも所定間隔だけ離間させることで隙間が画成されるよう配設・固定し、
次いで前記表面改質部材の相互間を介して前記隙間にロー付け組成物からなる充填材をパウダー溶射により充填して、該表面改質部材と前記基材の改質予定面との間に設けられる隙間の間隔を０.１〜０.４ｍｍの範囲に設定して接合すると共に、隣接し合う該表面改質部材同士を接合させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る表面改質材およびその製造方法につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。本願の発明者は、基材の改質予定面上に所定間隔だけ離間させて、矩形形状の如き規則的な幾何学的形状の表面改質部材を所要間隔毎に規則的に配置し、該基材と該表面改質部材との間および該表面改質部材の相互間に、接合物質として作用し、靱性を発現する充填材を充填することで、耐食性および耐摩耗性等に優れかつ強固な接合力を発現し得る表面改質材が得られることを知見したものである。
【００１２】
前記表面改質材１０は、図１および図２に示す如く、基材１２となる母材と、この基材１２上に規則的に配置される長方形形状の複数の表面改質部材１４と、この表面改質部材１４を該基材１２に接合すると共に、隣接する該表面改質部材１４同士も接合する充填材１６とからなる。
【００１３】
前記表面改質材１０の製造方法は、図３に示す如く、表面改質部材１４を基材１２上へ配置する配置段階Ｓ１と、該表面改質部材１４を基材１２上に固定する固定段階Ｓ２と、該表面改質部材１４と基材１２との間および複数の該表面改質部材１４間に充填材１６を充填する充填段階Ｓ３と、最終仕上げを行なう仕上段階Ｓ４とから基本的になる。
【００１４】
前記配置段階Ｓ１は、前記表面改質部材１４により表面改質が施される基材１２上に、所定間隔をもって規則的に該表面改質部材１４を配置する段階であり、後述する固定段階Ｓ２を行なうための予備的な段階である。
【００１５】
前記表面改質部材１４には、基本的に２次元的に規則的な幾何学形状であり、平面を有するもの、具体的には、三角形状、四角形状等の幾何学的多角形状物または楕円、円等の円形状物等が採用されており、本実施例においては長手方向１３.２５ｍｍ×短手方向５ｍｍ寸法の長方形形状平面物が使用されている(図１参照)。このような長方形形状の場合、この長手方向および短手方向の寸法比は、１００：１０〜１００：１００の範囲に設定される。前記寸法比がこれ以上となると、前記表面改質部材１４の長手方向の強度が低下し、また前記基材１２表面が曲率をもっている場合等に形状的に対応が困難となるために採用されない。前記表面改質部材１４の厚さは、そのまま耐食性または耐摩耗性等を発現し得る有効使用期間に関わるので、前記基材１２に対して充分な接合力を発現する範囲内で最大となるように設定され、本実施例においては３０ｍｍに設定されている。なお規則的な幾何学形状を有しない表面改質部材１４についても採用は可能であるが、例えば鋭角的な多数突出を備える等して、形状の重点が該形状外部に位置するようなものについては採用し得ない。
【００１６】
前記表面改質部材１４の材質としては、超硬材や各種セラミック等が採用されるが、耐熱性、耐食性または耐摩耗性等の要求される諸物性によって適宜選択される。殊に耐食性および耐摩耗性が要求される場合には、炭化カーバイト系合金または炭化クロム系合金が好適である。
【００１７】
また前記表面改質部材１４の底面部四方の隅部には、図４に示す如く、該表面改質部材１４および基材１２の間に０.１〜０.４ｍｍ程度の隙間２０を画成し得る突起１４ａが夫々設けられている。この突起１４ａの突出度合いは、前記基材１２表面が平面である場合には前記隙間２０の合わせて設定されるが、例えば曲面である場合には、最も該隙間２０の間隔が小さくなる部位において、少なくとも０.１ｍｍとなるように設定される(図４参照)。従って、前記突起１４ａの大きさは、前記表面改質部材１４の大きさによっても変化する。この隙間２０の間隔は、前記表面改質部材１４と、基材１２との間の接合強度に大きな影響を与え、０.１ｍｍより小さいと該隙間２０に充填材１６(後述)が充分に充填されず、また０.４ｍｍより大きいと該充填材１６自体の強度が前述した表面改質部材１４と基材１２との間の接合強度になってしまい、何れの場合においても接合強度が低下してしまうので注意が必要である。
【００１８】
更に複数の前記表面改質部材１４の配置に関しては、前記隙間２０に対して後述する充填材１６が充分に流し込めるように、互いに所要距離だけ離間して配置される。この際の離間距離は、幾何学的多角形状物の場合、該多角形形状物内で最も長い距離を設定可能な線分長さを１００して、０.３〜１００とされ、本実施例に記載の矩形形状の場合、短手方向の長さを１００として、３〜１００の範囲に設定される。
【００１９】
前述したように所定間隔を保持した状態で、隣接する表面改質部材１４同士を互いに離間させるようにしたので、前記基材１２を覆うのに必要とされる該部材１４の量は、同面積の該基材１２全体を覆う場合に較べて２０％程の減少が可能となった。しかしながら、この被覆面積の低下による耐摩耗性等の表面改質作用への影響は僅かであり、殊に図１および図７(後述)に矢印で示す方向に対する影響は殆ど皆無であり、実際使用において問題はない。
【００２０】
前記表面改質部材１４の基材１２上への配置の具体的な手段としては、図５に示す如く、固定すべき基材１２の改質予定面に合わせた大きさを有すると共に、該基材１２の表面改質部材１４の配置予底面に該表面改質部材１４が位置決め可能な配置部４２を有する配置部材４０を使用する方法がある。この場合、まず前記基材１２の改質予底面上に前記配置部材４０を載置し(図５(ａ)参照)、次いで載置された配置部材４０の所定位置(基材１２の表面改質部材１４の予定配置位置に対応)に設けられた前記通孔部４２に対して該表面改質部材１４を配置する(図５(ｂ)参照)ものである。この配置部材４０は後述する固定段階Ｓ２の後に前記基材１２上から取り外される(図５(ｃ)参照)。このような配置部材４０を使用することで、前述の表面改質部材１４間の離間距離を正確に測り、かつ速やかな配置が可能となる。なおここで使用される前記配置部材４０の厚さとしては、前記表面改質部材１２の半分程度のものが好適である。材質としては、該表面改質部材１４を基材１２上に固定する際の温度等の諸条件に耐え得ると共に、後述する固定段階Ｓ２で使用される固定方法に対応したものが好適である。
【００２１】
またより効率的な手段として、図６に示す如く、前記配置部材４０と表面改質部材１４とを一体化させたシート状物４４として使用する方法も採用可能である。すなわち前記表面改質部材１４を着脱自在とした前記配置部材４０に対して、予め該表面改質部材１４を一体化させてシート状物４４とし、このシート状物４４を該基材１２の改質予定面に載置し(図６(ａ)参照)、一度に複数の該表面改質部材１４を該基材１２の所定位置に固定後(図６(ｂ)参照)、該配置部材４４を取り去る(図６(ｃ)参照)方法も考えられる。殊にこの方法は、予め基材１２上への表面改質部材１４の配置パターンを持ったシート状物４４が得られているので、該表面改質部材１４の輸送等にも便利であり、また同形状の基材１２から表面改質材１０を量産するような場合に好適である。材質としては前述の〔００２０〕記載の条件に加えて、前記表面改質部材１４を貼着・仮止めし得るテープ材等や、該表面改質部材１４の着脱を容易になし得る可撓性を有するシリコーンまたはポリウレタンゴム等の耐熱性ゴムが好適である。
【００２２】
なお前述の配置部材４０やシート状物４４を前記基材１２上に効率よく配置するために、該基材１２上の表面改質部材１４の取り付けの障害とならない、例えば隅部等に嵌合突起を設け、この嵌合突起に対応した嵌合孔を夫々配置部材４０およびシート状物４４を設けるようにしてもよい。
【００２３】
前記固定段階Ｓ２は、前述の配置段階Ｓ１で所定位置に配置された前記表面改質部材１４を基材１２上に固定する段階である。この固定には、様々な方法が採用可能であるが、本実施例では、前記基材１２および表面改質部材１４が導電性物質であるので、該表面改質部材１４の表面に電極棒を接触させることで、前記突起１４ａと基材１２との接触部に該電極棒からの電気を集中させて溶接を施す、所謂電気溶接による固定方法が採用されている。また前記表面改質部材１４として、セラミック等の無機材料が採用される場合には、所要の耐熱性を有する接着剤等が好適に使用される。
【００２４】
前述の電気溶接は、標準的な条件として、例えば約７５ボルトの電圧および約５０００アンペアの電流を流すことで実施される。
【００２５】
前記充填段階Ｓ３は、前述の固定段階Ｓ２で所定位置に固定の完了した複数の前記表面改質部材１４の間に、前記充填材１６を流し込んで前記基材１２上に該表面改質部材１４を３次元的に覆い、マクロ的に高い靱性を確保しつつ接合させる段階である。
【００２６】
前記充填材１６としては、各種ロー付け組成物が好適に使用される。これら充填材１６は、前記表面改質部材１４に要求される物性(殊に耐熱性)に合わせて適宜選択される。前記ロー付け組成物としては、殊にＮｉ-Ｃｒ系合金の如きニッケル、クロムまたはホウ素系合金が好適である。
【００２７】
前記充填材１６がロー付け組成物の場合には、該ロー付け組成物を溶融温度以上として溶融させ、しかる後に注湯すればよい。複数の前記表面改質部材１４間および隙間２０には、前記ロー付け組成物としての充填材１６が充分に注湯されるに足る間隔が設けられているので、複数の該表面改質部材１４間と該表面改質部材１４および基材１２との間を充分な強度をもって接合し得る。この際のロー付け組成物の充填方法としては、殊にパウダー溶射法が好適である。
【００２８】
通常、前記充填材１６は、前記基材１２上に固定された表面改質部材１４が覆い隠される程度にまで充填される。従って前記表面改質部材１４は、充填材１６により、前記基材１２側、すなわち裏面側だけでなく、側方側も全方位に亘り充填されることになる。この結果、前記充填材１６により発現する接合強度自体は変わらなくても、その接合面積が大きく取られることになるので、トータルした接合力は従来のものに較べて飛躍的に向上する。
【００２９】
更に前記充填材１６は、前記表面改質部材１４とは違い高い充分な靱性を発現し得るものであるので、該充填材１６に３次元的に覆われた形となる表面改質部材１４も、表面改質材１０全体で捉えれば夫々靱性が向上することになる。すなわち、前記表面改質部材１４および基材１２の線膨張係数の違いから発生する熱衝撃等による、例えばクラックまたは該表面改質部材１４の剥離といった様々な現象が回避されることになる。
【００３０】
前記最終段階Ｓ４は、得られた表面改質材１０の最終仕上げおよび検査等を施す段階である。本最終段階Ｓ４を経ることで前記表面改質材１０は製品として完成する。前述の最終仕上げとして研磨を施し、前記表面改質部材１４上を覆っている充填材１６を研磨により取り除き、該表面改質部材１４を完全に露出させるようにしてもよい。この作業は、得られた表面改質材１０が耐食性や耐摩耗性に重点をおく場合には必要ないが、該表面改質材１０に精密な寸法精度が要求される場合に行なわれる。
【００３１】
【別の実施例】
前述の実施例では、表面改質部材として表面改質が施される基材が要求する物性を満足する新品の場合を説明したが、本発明はこれに限らず、該表面改質部材として、例えば旋盤等の如き、超硬材が好適に使用されている超硬チップ等の廃棄品を使用してもよい。この場合、廃棄品をリサイクルして表面改質部材５４として再利用するので、表面改質材５０の製造コストの大きな低減が可能である。また前記超硬チップは、極微小のカケが生じても使用不可能となり、かつ再利用分野およびルートが殆ど確立されていないので、省資源および資源の再利用の観点からも極めて有効である。
【００３２】
前記超硬チップを表面改質部材５４として使用した表面改質材５０は、図７および図８に示す如く、基材５２の改質予定面上に夫々所要間隔だけ離間した該表面改質部材５４を配設したものである。前記表面改質部材５４の形状は、超硬チップの一般的形状である略正三角形形状であり、前記基材５２上への通常の配置形態は、隣接する該表面改質部材５４,５４が互いに逆向きとなるよう、すなわちより多くの該表面改質部材５４が同一面積内に最も効率よくなるように配置される。このとき前記表面改質部材５４と基材５２との間に画成される隙間５８は、前述の実施例と同様に０.１〜０.４ｍｍに設定され、また該表面改質部材５４,５４間は、この表面改質部材５４の一辺を１００とした場合で、３〜１００の範囲の間隔が設けられる。
【００３３】
【更に別の実施例】
更に前記基材１２と表面改質部材１４との接合強度を高める構成および方法として、図９および図１０に示す如く、前記固定段階Ｓ２に先立ち、接触状態となる該基材１２および／または表面改質部材１４表面にコーティングまたは溶射等公知の手段で可融性金属層６０を付与してもよい。前記可融性金属層６０は、前記基材１２および表面改質部材１４の溶接接着性を改善させる効果を奏し、また該基材１２にも可融性金属層６０を形成した場合には、該基材１２の酸化を回避して接合強度の低下を抑える効果を奏する。前記可融性金属層６０としては、０.１〜１０ｍｍの厚みが好適であり、また材質としては、銅系、ニッケル系または鉄系の合金が好適である。なおこの構成および方法は、前記表面改質部材１４が、金属等の導電性物質であり、電気溶接によって前記基材１２上に固定される場合にだけ採用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明した如く、本発明に係る表面改質材およびその製造方法によれば、耐食性または耐摩耗性等の表面改質作用を発現する表面改質部材同士を互いに所定間隔離間させると共に、接合させる基材からも所定間隔離間させ、これにより画成される隙間に充填材を充填することで、該表面改質部材を３次元的に覆うようにして該基材に対して接合するようにしたので、必要とされる表面改質作用および高い靱性を併せて発現し得る効果を奏する。また特定方向からの耐摩耗性等の表面改質作用に影響を与えることなく、前記表面改質部材で覆う基材の改質予定面の割合を約８０％程度としたので、必要とされる該表面改質部材の総量を低減させ得る。
【００３５】
更に超硬材が使用され、その廃棄後の再利用分野が殆ど確立されていない、例えば超硬チップ等の再使用によっても、同様の効果を発現させ得る。この場合、表面改質材の製造コストの低減と、再利用した部材の省資源等とを両立し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好適な実施例に係る表面改質材を示す平面図である。
【図２】  本発明の好適な実施例に係る表面改質材を一部切り欠いて示す斜視図である。
【図３】  本発明の好適な実施例に係る表面改質材の製造方法を示す工程図である。
機内部の状態を概略的に表す状態図である。
【図４】  基材が曲面である場合の該基材と、表面改質部材との間に画成される隙間を示す断面図である。
【図５】  表面改質部材の基材への配置・固定において、配置板を使用した場合を示す状態図である。
【図６】  表面改質部材の基材への配置・固定において、シート状物を使用した場合を示す状態図である。
【図７】  別の実施例に係る表面改質材の平面図である。
【図８】  図７に係る表面改質材のＡ−Ａ断面図である。
【図９】  更に別の実施例に係る表面改質材の断面図である。
【図１０】  図９に係る表面改質材の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１２  基材
１４  表面改質部材
１４ａ  突起
５２  基材
１６  充填材
２０  隙間
４４  シート状物
５４  表面改質部材
５６  充填材
６０  可融性金属層
５８  隙間
【図１】
0003694830.tif 000002
【図２】
0003694830.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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