(57)【要約】  耐アブレシブ摩耗性の局所複合ゾーンを作成するように設計された鋳造インサートの作製に使用する粉末組成物。複合ゾーンは、鋳造物にインサイチュで形成される炭化物およびホウ化物またはその混合体により強化され、粉末組成物は、ＴｉＣ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２またはそれらの混合物の群から選択される炭化物および／またはホウ化物を形成する粉末反応物を含む。炭化物および／またはホウ化物は、結晶化後に鋳造物の複合ゾーンを強化する粒子を形成し、粉末組成物は、結晶化後に鋳造物に複合ゾーンのマトリックスを形成する金属粉末混合物の形態の調整材粉末をさらに含む。本発明はまた、鋳造物に耐アブレシブ摩耗性の局所複合ゾーンを作成するための鋳造インサート、およびこの目的のために自己伝播高温合成（ＳＨＳ）の反応を使用して鋳造物に局所複合ゾーンを作製する方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐摩耗性の局所複合ゾーンを形成するように設計された、鋳造インサートを作製するための粉末組成物であって、
前記複合ゾーンは、炭化物およびホウ化物、あるいは炭化物およびホウ化物の混合体により強化され、鋳造物にインサイチュで形成され、
前記粉末組成物は、ＴｉＣ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２またはその混合物からなる群から選択される前記炭化物および／または前記ホウ化物を形成する粉末反応物を含み、前記炭化物および／または前記ホウ化物は結晶化後に前記鋳造物の前記複合ゾーンを強化する粒子を形成し、
前記粉末組成物は、調整材金属粉末混合物を形成する調整材粉末を含み、前記金属粉末は結晶化後に前記鋳造物に前記複合ゾーンのマトリックスを形成することを特徴とする粉末組成物。
【請求項２】
ＴｉＣ炭化物を形成する前記粉末反応物の量が３〜４０重量％であり、前記調整材粉末の量が６０〜９７重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項３】
ＷＣ炭化物を形成する前記粉末反応物の量が４０〜９９重量％であり、前記調整材粉末の量が１〜６０重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項４】
ＴｉＣ炭化物およびＷＣ炭化物の合成結合反応用の前記粉末反応物の混合物の量が１０〜７０重量％であり、前記調整材粉末の量が３０〜９０重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項５】
前記炭化物を形成する前記粉末反応物の粉末は、最大１００μｍである、好ましくは４５μｍ以下の粒径を有することを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項６】
前記粉末反応物としての炭素が、グラファイト、アモルファスグラファイト、炭素質材料またはそれらの混合物の形態であり、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａの場合、これらは純金属、または前記金属と他の元素との合金、またはそれらの混合物の粉末であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項７】
前記調整材粉末が、炭素の形態の非金属をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項８】
前記金属群から選択される前記調整材粉末が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌの群から選択される任意の粉末を含むか、または前記粉末の混合物を含むことを特徴とする、請求項１または７に記載の粉末組成物。
【請求項９】
前記調整材粉末が、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｂの群から選択される少なくとも１つの粉末、または前記粉末の混合物をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の粉末組成物。
【請求項１０】
前記調整材粉末が灰色鋳鉄、白色鋳鉄、クロム鋳鉄、鋳造クロム鋼、鋳造非合金鋼、鋳造低合金鋼、鋳造ハドフィールドマンガン鋼、またはＮｉを含有するＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄の群から選択される合金の化学組成を有することを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項１１】
前記調整材粉末は、（ａ）Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｃ、（ｂ）Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃ、（ｃ）Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、（ｄ）Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃ、（ｅ）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、（ｆ）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ、（ｇ）Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの群から選択される粉末の混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項１２】
前記調整材粉末が、耐摩耗性を高めるセラミック粉末の相、特に、ＺｒＯ２、安定化ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはそれらの混合物、並びに／または、Ａｌおよび／若しくはＳｉの形態の低減コンポーネントから選択されるセラミック粉末の相も含み、前記低減コンポーネントの量が前記粉末組成物の最大５重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末組成物。
【請求項１３】
炭化物を形成する反応物を含む耐摩耗性の局所複合ゾーンを作製するための鋳造インサートであって、前記インサートが成形体、固体、プリフォームまたは顆粒の形態であって、前記インサートが請求項１〜１２に記載の粉末組成物の圧縮成形体を含むことを特徴とする、鋳造インサート。
【請求項１４】
鋳造物に局所複合ゾーンを作製する方法であって、自己伝播高温合成（ＳＨＳ）反応を使用し、前記方法は、粉末混合物の調製を含み、前記粉末混合物は炭化物形成反応物を含み、
前記粉末混合物を次に圧縮成形して、圧縮成形された粉末組成物に特定の形態、特に成形体、固体、プリフォームまたは顆粒、を与えて鋳造インサートを形成し、
次に、少なくとも１つの前記鋳造インサートを鋳型の内部に配置し、
前記鋳型に前記ＳＨＳ反応を開始させるのに十分な量の溶融鋳造合金を注ぐ、前記方法において、
前記方法が、前記炭化物形成反応物を含む前記粉末混合物を調製し、前記混合物が請求項１〜１２に記載の粉末組成物であることをさらに特徴とする、方法。
【請求項１５】
前記粉末混合物を調製した後、水分含有量が最大２％になるまで、好ましくは２００℃で前記混合物を乾燥させることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記圧縮成形を、４５０〜６５０ＭＰａの範囲の圧力下で実施することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記鋳造インサートを鋳型キャビティの所定の位置に配置し、ボルトにより前記鋳型に固定するか、または鋼フレーム上に配置し、前記フレームを前記鋳型キャビティ内に配置し、好ましくは、前記鋼フレームはロッドを含み、該ロッドに、穴を有する前記圧縮成形体をねじ込むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の目的は、耐摩耗性の局所複合ゾーンの作製に使用する鋳造インサートを製造するための粉末組成物であり、本発明の別の目的は鋳造インサートであり、鋳造インサートの使用は機械的高負荷条件下で動作する機械の鋳造部品の耐アブレシブ摩耗性を高めることを可能にする。本発明はまた、鋳造物に局所複合ゾーンを作製する方法を提供し、局所複合ゾーンは、鋳造物の分解プロセスに対する耐性を高め、機械的高負荷条件下で動作する機械の耐アブレシブ摩耗性を高める。
【背景技術】
【０００２】
選択された領域が向上した耐衝撃性および摩耗抵抗性を特徴とする鋳造物を作る技術において、炭化ケイ素ＳｉＣのインサイチュ（ｉｎ ｓｉｔｕ）合成プロセスは、Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＳＨＳ）法を使用する。炭化チタンＴｉＣの合成プロセスは、古典的な粉末冶金の分野において周知である。一旦開始された反応が自己持続的プロセスであるＳＨＳ反応の制御に関する問題も同じく周知であり、これは反応によって生成される熱量がこの反応をさらに広げることができることを意味する。反応の減退は、システムによって放散される熱量が反応中に生成される熱量よりも大きいときにのみ起こり得る。
【０００３】
鋳造プロセスに関しては、米国特許出願公開第２０１１／０２２６８８２号（Ａ１）に記載されている方法が周知であり、これによって機械および装置の鋳造部品に局所複合補強材が作製される。開示された方法は、成形されたインサートまたは炭化チタンＴｉＣの形成を担う反応物の顆粒を鋳型キャビティ内に配置する工程を含み、次にそこに溶融鉄ベースの合金を注ぐ。溶融合金によって供給される熱により、炭化チタンＴｉＣの合成反応が開始される。溶融合金中で起こるインサイチュ合成プロセスは、液体中で起こる物理現象によって支配される。これは特に、毛細管現象によって助長され、合金鋳造の高温によって、また炭化チタンＴｉＣ合成反応中に発生する高値の熱によって強化される、反応浸透に当てはまる。合成反応の開始後、溶融合金中で核生成および成長する炭化チタンＴｉＣの結晶は架橋を形成し、合体することができる。しかし、反応浸透によって、ＴｉＣの核生成結晶および成長結晶または凝固粒子の間に溶融合金が広がる結果となる。結果として、炭化チタンＴｉＣの粒子または結晶は、液体によって分離される。炭化チタンＴｉＣの結晶または粒子は溶融した鉄ベースの合金および炭化チタンの異なる密度によって引き起こされる浮力の作用に曝されるため、鋳造物にこれらの要素の不均一な分布が生じる。これは複合ゾーンの断片化を招く可能性があり、鋳造物に有効な局所複合補強を形成する障害となる。鋳造物において特に望ましくないのは、亀裂伝播の壊滅的な影響である。鋳造材料の亀裂は、材料の最も脆い相が位置する鋳造領域に生じ得る微小亀裂によって始まり、この相はこの場合炭化チタンＴｉＣの粒子で構成されている。炭化チタンＴｉＣの粒子間に多量の金属マトリックス材料が存在することによって、これらの脆弱領域のさらなる伝播が阻止されるため、炭化チタンＴｉＣで構成される脆弱領域は、金属マトリックス材料によって互いに完全に分離されていることが有利であり望ましい。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１１０３０３７７８号（Ａ１）には、亀裂伝播現象を低減する方法が開示されている。この目的は、階層構造を特徴とする材料を使用することによって達成され、強化相は、鉄合金中に広がる、炭化チタンＴｉＣのマイクロサイズの凝固粒子を含むミリサイズの顆粒を含み、炭化チタンＴｉＣ粒子間の領域も鉄合金で満たされる。示された構造を達成するために、予め調製したＴｉおよびＣの圧縮粉末の顆粒を鋳型の選択された領域に入れ、分離手段によって分散させないようにし、次いで鋳型に鉄合金を注ぐ。顆粒状複合構造は、炭化チタンＴｉＣのクラスターを有する領域のサイズの制御と、これらのクラスター間の距離の部分的な制御を可能にする。加えて、ＳＨＳ合成中に形成されるガスの除去も容易になり、鋳造物内の孔数が減少する。一方、顆粒構造は、材料に十分な耐アブレシブ摩耗性を提供しない。炭化チタンＴｉＣ粒子を有する顆粒間の距離が大きいことは、浸透材料の浸食プロセスを容易にし、ひいては炭化チタンＴｉＣ凝集物のチッピングを促進するため、好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２２６８８２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１０３０３７７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、目標は、亀裂伝播の影響および浸食の影響にも抵抗する複合構造を開発することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
鋳造技術によって作製される機械および装置の現代の部品の製造において、目標は、強度および耐アブレシブ摩耗性が向上した局所ゾーンを作製し、したがってこれらの機械および装置の鋳造部品の耐久性をさらに向上させ、追加の装置を使用する必要なしにこれらの方法を簡便かつ容易に適用することを同時に可能にする、新規の単純化された方法を模索することである。本発明の本質は、耐アブレシブ摩耗性の局所複合ゾーンを作成するように設計された鋳造インサートを作製するための粉末組成物であり、複合ゾーンは、鋳造物にインサイチュで形成された炭化物およびホウ化物で強化され、粉末組成物は、ＴｉＣ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２またはそれらの混合物の群から選択される炭化物および／またはホウ化物を形成する粉末反応物を含むことを特徴とし、炭化物および／またはホウ化物は、結晶化後に鋳造物の複合ゾーンを強化する粒子を形成し、粉末組成物は、結晶化後に鋳造物に複合ゾーンのマトリックスを形成する金属粉末混合物の形態の調整材粉末をさらに含む。
【０００８】
好ましくは、本発明による組成物の炭化チタンＴｉＣを形成する粉末反応物の量は３〜４０重量％であり、調整材粉末の量は６０〜９７重量％である。
また、好ましくは、本発明による組成物中の炭化タングステンＷＣを形成する粉末反応物の量は４０〜９９重量％であり、調整材粉末の量は１〜６０重量％である。
【０００９】
また、好ましくは、本発明による組成物において炭化チタンＴｉＣおよび炭化タングステンＷＣを形成する結合反応の粉末反応物の混合物の量は１０〜７０重量％であり、調整材粉末の量は３０〜９０重量％である。
【００１０】
また、好ましくは、炭化物および／またはホウ化物を形成する粉末反応物は、最大１００μｍ、好ましくは４５μｍ以下のサイズの粒子を有する。
【００１１】
好ましくは、調整材粉末は、Ｃの形態の非金属をさらに含む。
【００１２】
好ましくは、反応物粉末としての炭素は、グラファイト、アモルファスグラファイト、炭素質材料またはそれらの混合物の形態をとり、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａの場合、これらは純金属の粉末、またはこの金属と他の元素との合金の粉末、またはそれらの混合物である。
【００１３】
好ましくは、金属群からの調整材粉末は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌの群から選択される粉末、またはこれらの粉末の混合物から構成される。特に、調整材粉末は、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｂ、またはそれらの混合物の群から選択される少なくとも１つの粉末をさらに含むことが好ましい。
【００１４】
また、調整材粉末は、灰色鋳鉄、白色鋳鉄、クロム鋳鉄、鋳造クロム鋼、鋳造非合金鋼、鋳造低合金鋼、鋳造ハドフィールドマンガン鋼またはＮｉを含有するＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄を含む群から選択される合金の化学組成を有することが好ましい。
【００１５】
本発明による組成物の別の実施形態において、調整材粉末は、（ａ）Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｃ、（ｂ）Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃ、（ｃ）Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、（ｄ）Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃ、（ｅ）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、（ｆ）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ、（ｇ）Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの群から選択される粉末の混合物である。
【００１６】
好ましくは、調整材粉末は、耐摩耗性を高めるセラミック相の粉末、特に、ＺｒＯ２、安定化ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはそれらの混合物、ならびに／またはＡｌおよび／もしくはＳｉの形態の低減コンポーネントから選択された粒子粉末を含み、粉末組成物中の低減コンポーネントの量は最大５重量％である。
【００１７】
本発明の本質は、鋳造物に耐摩耗性の局所複合ゾーンを形成するための鋳造インサートでもあり、鋳造インサートは、炭化物および／またはホウ化物を形成する反応物を含み、鋳造インサートは、成形体、固体、プリフォームまたは顆粒の形態であり、本発明による圧縮成形された粉末組成物を含むことを特徴とする。
【００１８】
さらに別の実施形態では、本発明はまた、鋳造物に局所複合ゾーンを形成する方法に関し、自己伝播高温合成（ＳＨＳ）反応を含み、炭化物および／またはホウ化物を形成する反応物を含む粉末混合物を調製し、次に、この粉末混合物を圧縮成形し、圧縮成形した粉末混合物に鋳造インサートとして機能する特定の成形体、固体、プリフォームまたは顆粒の形態を与え、次に、少なくとも１つの鋳造インサートを鋳型の内部に配置し、次に、この鋳型にＳＨＳ反応を開始させるのに十分な量の溶融鋳造合金を注ぎ、本発明は、炭化物および／またはホウ化物を形成する反応物を含む粉末混合物を調製し、この粉末混合物が本発明による粉末組成物を作ることを特徴とする。
【００１９】
好ましくは、調製した粉末混合物を、水分含有量が最大２％になるまで好ましくは２００℃の温度で乾燥させる。
【００２０】
好ましくは、圧縮成形作業は、４５０〜６５０ＭＰａの範囲の圧力下で実施する。
【００２１】
好ましくは、鋳造インサートを鋳型キャビティの所定の位置に配置し、ボルトで鋳型に固定するかまたは鋼フレーム上に配置し、このフレームは鋳型キャビティ内に配置されており、好ましくは、鋼フレームはロッドを含み、穴を有する圧縮成形体をロッドの上にねじ込む。
【００２２】
調整材の使用により、鋳造物にインサイチュで形成された複合ゾーンは安定した予測可能なサイズを特徴とし、炭化チタンＴｉＣの結晶は同様のサブミクロン寸法を有する。比較的均一に分布した多数の炭化チタンＴｉＣ微結晶の存在は、微結晶の近傍で機械的応力が低減されるため、複合ゾーンに改善された耐アブレシブ摩耗性と改善された衝撃強度を与え、一方で、これらの結晶間の距離が短くなると、複合ゾーンの耐侵食性が増す。
【００２３】
本発明による方法は、鋳造中のＳＨＳプロセスのより正確な制御を提供する。既に述べたように、典型的なＳＨＳプロセスは、自己持続的反応であり、一旦開始されると全ての投入物質が反応するまで迅速に進行する。反応は非常に発熱性であり、ガスの放出と組み合わされた急速な温度上昇をもたらすため、空洞および孔を形成するリスクが高い。本発明による実施形態では、調整材の組成物を注意深く選択することにより、調整材組成物は過剰な熱を効果的に吸収する能力を有するだけでなく、複合物マトリックスの硬度および耐摩耗性を高める能力も有し、さらにガスを吸収する能力を有するため、前述の欠点を最小限に抑える。
【００２４】
本発明および特許請求の範囲の説明の範囲内で、以下の用語は下記のように解釈されるものとする。
【００２５】
「金属粉末」という用語は、任意の方法によって粉末に崩壊した任意の形態の任意の金属を意味するものとする。
【００２６】
「調整材」という用語は、金属粉末の混合物を意味するものとし、この混合物は任意選択的に非金属も含み、この金属粉末は、選択された炭化物または炭化物混合物のＳＨＳ合成反応中に溶融し、複合ゾーンのマトリックスを形成する。ＳＨＳ反応を受ける化合物を形成する反応物に導入される調整材の基本的な役割は、消散エネルギー量を減少させることであり、これは反応物の重量部を調整材で置き換えることによって可能となる。したがって、調整材の役目は、選択されたセラミック相の高度発熱ＳＨＳ合成中に起こる反応浸透を減少させ、反応浸透と共に、インサイチュで形成される複合ゾーンの破壊的断片化として知られる有害現象を低減することである。調整材のさらなる役目は、ＳＨＳ合成反応の結果として形成される粒子のサイズを減少させることであり、これは粒子の結晶化プロセスに対する調整材の影響を通して達成される。調整材の存在はまた、複合ゾーン内の粒子の比較的均一な分布をもたらし、これらのゾーンの硬度および耐摩耗性を向上させる。
【００２７】
「セラミック調整材」という用語は、セラミック粉末、好ましくはＺｒＯ２および／またはＡＩ２Ｏ３を意味するものとし、これは複合ゾーンの耐アブレシブ摩耗性を高め、反応浸透の現象を制御し、全体の断片化の有害な影響を軽減するために組み込まれる。
【００２８】
「低減コンポーネント」という用語は、好ましくはＡｌおよび／またはＳｉの粉末の添加を意味するものとし、これはインサイチュで形成された複合ゾーン内で鋳造中に進行するＳＨＳ合成反応の間に放出されるガスの原子を結合させるため、および孔の形態の欠陥を低減または排除するためにも組み込まれる。
【００２９】
「鋳造インサート」という用語は、緻密化された粉末組成物を意味するものとし、これは炭化物および／または酸化物で強化された複合ゾーンを鋳造物にインサイチュで形成するために組み込まれ、この鋳造インサートの重要な要素は調整材の添加である。鋳造インサートに存在する調整材は、複合ゾーンの断片化の有害現象が発生し、その結果、複合ゾーンが破片に分割され、鋳型キャビティに注入された溶融合金中を移動することができることを防止する。鋳造インサートは、任意の固体またはプリフォームの形状をとることができ、または顆粒の形態で使用することができる。鋳造インサートは、鋳型キャビティ内に配置され、鋳型キャビティの注入中に鋳造物内でのその移動を防止するように、その中に固定されなければならない。
【００３０】
「ベース合金」という用語は、鋳造合金を意味するものとし、鋳造物に複合ゾーンを形成するために、鋳型キャビティの内部に鋳造インサートを配置した状態で鋳型キャビティに注入される。
【００３１】
本発明の目的は、その範囲および図面に限定されない実施形態において以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】鋳造物に複合ゾーンを形成する方法の一連の工程を示し、鋳造インサートが配置される鋳型キャビティ（ａ）、鋳造インサートを定位置に固定する方法（ｂ）、鋳造物底部のミリング断面に見える複合ゾーン（ｃ）、および鋳造物上部のミリング断面（ｄ）を含み、（ｄ）は、炭化チタン（ＴｉＣ）形成反応物と２１重量％Ｍｎの鋳造ハドフィールド高マンガン鋼の形態の調整材粉末５０重量％未満とを含有する鋳造インサートから形成された複合ゾーンの散乱した断片を示す。
【図２】複合ゾーンが炭化チタン（ＴｉＣ）形成反応物と純鉄の形態の調整材粉末とを含有する材料から作製される場合の、鋳造インサートが配置される鋳型キャビティ（ａ）および鋳造物の研磨断面（ｂ）を示す。
【図３】複合ゾーンが炭化チタン（ＴｉＣ）形成反応物と２１重量％Ｍｎの鋳造ハドフィールド高マンガン鋼の形態の調整材粉末とを含有する材料から作製される場合の、鋳造インサートが配置される鋳型キャビティ（ａ）、鋳造物のミリング断面（ｂ）、および鋳造物の研磨断面（ｃ）を示す。
【図４】複合ゾーンが炭化チタン（ＴｉＣ）形成反応物とＮｉを含有するＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄の形態の調整材粉末とを含む材料から作製される場合の、鋳造インサートが配置される鋳型キャビティ（ａ）、鋳造物のミリング断面（ｂ）、および鋳造物の研磨断面（ｃ）を示す。
【図５】複合ゾーンが炭化タングステン（ＷＣ）形成反応物とＮｉを含有するＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄の形態の調整材粉末とを含む材料から作製される場合の、鋳造インサートが配置される鋳型キャビティ（ａ）および鋳造物の研磨断面（ｂ）を示す。
【図６】複合ゾーンがチタン炭化物およびタングステン炭化物（ＴｉＣ、ＷＣ）を結合形成する反応物と、Ｎｉを含有するＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄の形態の調整材粉末とを含む材料から製造される場合の、鋳造インサートが配置される鋳型キャビティ（ａ）および鋳造物の研磨断面（ｂ、ｃ）を示す。
【図７】複合ゾーンと鋳造物の残りの部分との間に位置する遷移領域の断面における微細構造、および複合ゾーンの微細構造を示し、微細構造は、調整材の量を含む鋳造インサート作製に使用される粉末混合物の組成に依存する。
【図８】複合ゾーンと鋳造物の残りの部分との間に位置する遷移領域の断面における微細構造、および複合ゾーンの微細構造を示し、微細構造は、調整材の量を含む鋳造インサート作製に使用される粉末混合物の組成に依存する。
【図９】複合ゾーンと鋳造物の残りの部分との間に位置する遷移領域の断面における微細構造、および複合ゾーンの微細構造を示し、微細構造は、調整材の量を含む鋳造インサート作製に使用される粉末混合物の組成に依存する。
【図１０】本発明による鋳造物に局所複合ゾーンを形成する方法の一般的なフローチャートを示す。
【図１１】鋳造物にインサイチュで形成される複合ゾーンの硬度変化と、鋳造インサートの製造に使用される粉末混合物の組成物（インサートの製造に使用する粉末混合物に組み込まれる調整材の含有重量を含む）との関係を示す。
【図１２】鋳造物にインサイチュで形成される複合ゾーンの硬度変化と、鋳造インサートの製造に使用される粉末混合物の組成物（インサートの製造に使用する粉末混合物に組み込まれる調整材の含有重量を含む）との関係を示す。
【図１３】鋳造物にインサイチュで形成される複合ゾーンの硬度変化と、鋳造インサートの製造に使用される粉末混合物の組成物（インサートの製造に使用する粉末混合物に組み込まれる調整材の含有重量を含む）との関係を示す。
【図１４】鋳造物にインサイチュで形成される複合ゾーンの硬度変化と、鋳造インサートの製造に使用される粉末混合物の組成物（インサートの製造に使用する粉末混合物に組み込まれる調整材の含有重量を含む）との関係を示す。
【図１５】鋳造物にインサイチュで形成される複合ゾーンの硬度変化と、鋳造インサートの製造に使用される粉末混合物の組成物（インサートの製造に使用する粉末混合物に組み込まれる調整材の含有重量を含む）との関係を示す。
【図１６】鋳造物にインサイチュで形成される複合ゾーンの硬度変化と、鋳造インサートの製造に使用される粉末混合物の組成物（インサートの製造に使用する粉末混合物に組み込まれる調整材の含有重量を含む）との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
ここで本発明を以下の実施形態の例により説明する。
【実施例１】
【００３４】
実施例１では、ＴｉＣ炭化物で強化された複合ゾーンを作製するために鋳型キャビティと鋳造インサートを準備し（図１ａ）、組立システムを用いて鋳型キャビティ内に鋳造インサートを固定する作業が含まれていた（図１ｂ）。鋳造インサートは、ＴｉＣ形成反応物と、２１％Ｍｎを含有する鋳造高マンガン鋼の組成を有する調整材とを含む粉末混合物で作られた。鋳造インサートの作製に使用した粉末混合物の組成および得られた結果を表１に示す。表１〜表６中の記号「＋」および「−」は、インサイチュ法で作製された複合ゾーンを備えた鋳造物の研磨断面の試験結果の模式的な説明において、「はい」および「いいえ」の回答をそれぞれ表す。鋳造ハドフィールド高マンガン鋼の形態の調整材の化学組成を表８に示す。
【００３５】
【表１】
2019501026.tif 000003
【００３６】
第１の実験では、図１ａおよび図１ｂに示すように、鋳造インサートを鋳型キャビティ内に固定して、炭化チタンＴｉＣで強化された複合ゾーンを形成した。インサートは、２１重量％Ｍｎの鋳造ハドフィールド高マンガン鋼の組成を有する粉末混合物の形態の様々な量の調整材と、炭化チタンＴｉＣ形成反応物とを含有していた。反応物の原子比は、５０ａｔ％Ｔｉ対５０ａｔ％Ｃであった。インサートは、６００ＭＰａの圧力下で圧縮成形し、２０×１００×Ｘｍｍの寸法を有し、個々のインサートのＸはそれぞれ８〜１５ｍｍであった。次に、寸法７０×１５０×１５０ｍｍ、重さ６ｋｇの鋳造物をＬ３５ＧＳＭ鋼で作り、ゾーンＡ４〜Ａ６に５０重量％、７０重量％および９０重量％の調整材添加物をそれぞれ含有する鋳造インサートからインサイチュで形成された図１ｃに見られる複合ゾーンを有し、鋳造インサートからインサイチュで形成された複合ゾーンは、０重量％、１０重量％および３０重量％の調整材添加物を含有し、散乱して見えなかった（図１ｃに記号Ａ１〜Ａ３で印を付けた領域）。散乱した複合ゾーンの断片は、図１ｄに示すミリングされた上部鋳造表面で見ることができる。
【００３７】
調整材を添加せずに形成した複合ゾーン、および調整材を１０重量％および３０重量％の量で添加して形成した複合ゾーン（それぞれ表１の圧縮成形体Ａ１、Ａ２およびＡ３）を、鋳造物上部にかなりの占有率のマクロ孔と複合層断片が存在する状態で（図１ｄ）断片化プロセス（図１ｃ）に供した。このマクロ構造は、調整材が存在しないことによって生じた炭化チタンＴｉＣのＳＨＳ合成反応中に、著しい温度上昇によって誘発された強い浸透の結果であった。合成反応は非常に発熱性であるため、温度の著しい上昇が浸透プロセスならびにガスの生成および溶解を促進する。その結果、鋳造物に安定した複合ゾーンが得られず、その代わりに、ＴｉＣ炭化物を含むこれらのゾーンのランダムに分布した断片のみが存在する。２１％Ｍｎの鋳造高マンガン鋼の組成を有する調整材の添加量の割合が増加するにつれて、寸法安定化傾向が優勢になり始め、各ゾーンでマクロ孔の欠陥が消滅する。図１および図２に示すように、調整材の含有量７０重量％で、鋳造物には巨視的に最適な寸法安定性およびマクロ孔の最低割合が得られる。この調整材を使用すると、相対的な寸法安定性は、調整材粉末の含有率が５０重量％を超えるゾーンでのみ得られる。図１ｄに見られるように、鋳造物の上面は、０重量％、１０重量％、３０重量％の調整材添加により得られた複合ゾーンの断片を示し、複合ゾーンは、溶融合金中のインサイチュＴｉＣ合成反応の間に断片化のプロセスを受け、上部に浮かんだ。この効果は一連の１５回の試験で観察された。実験的研究の結果はまた、鋳造物に複合ゾーンをインサイチュで作製するための鋳造インサートがＴｉＣを合成する粉末反応物のみを含有する場合、これらのゾーンの断片化という不都合な現象のために局所複合ゾーンが形成されないことを示した。
【００３８】
第２の実験では、ＴｉＣ炭化物で強化された複合ゾーンを作製するために鋳型キャビティと鋳造インサートを準備し（図２ａ）、組立システムを用いて鋳型キャビティ内に鋳造インサートを固定する作業が含まれていた。鋳造インサートは、ＴｉＣ形成反応物と表２に示す量で添加した純Ｆｅ粉末の組成を有する調整材とを含む粉末混合物で作った。鋳造インサートの作製に使用した粉末混合物の組成および得られた結果を表２に示す。反応物の原子比は、５５ａｔ％Ｔｉ対４５ａｔ％Ｃであった。インサートは、５００ＭＰａの圧力下で圧縮成形し、２０×５０×Ｘｍｍの寸法を有し、個々のインサートのＸはそれぞれ１５〜２５ｍｍであった。
【００３９】
【表２】
2019501026.tif 000004
【００４０】
第３の実験では、図３ａに示すように、ＴｉＣ炭化物で強化された複合ゾーンを形成するための鋳造インサートを鋳型キャビティ内に固定した。インサートは、２１重量％Ｍｎの鋳造高マンガン鋼の組成を有する様々な量の調整材粉末を含有していた。鋳造インサートの作製に使用した粉末混合物の組成および得られた結果を表３に示す。反応物の原子比は、５５ａｔ％Ｔｉ対４５ａｔ％Ｃであった。インサートは、５００ＭＰａの圧力下で圧縮成形し、２０×５０×Ｘｍｍの寸法を有し、個々のインサートのＸはそれぞれ１５〜２５ｍｍであった。次に、寸法４３×７０×２５０ｍｍ、壁厚４８ｍｍのＬ４５０鋼から作られた重さ７ｋｇの鋳造物に、ミリング（図３ｂ）および研磨（図３ｃ）によって２つの断面を用意した。両方の断面領域には、試料Ｃ３〜Ｃ８に５０重量％、６０重量％、７０重量％Ａ、７０重量％Ｂ、８０重量％、９０重量％および９７重量％でそれぞれ添加した調整材を含有する鋳造インサートからインサイチュで作製された複合ゾーンが見えるが、試料Ｃ１〜Ｃ２に１０重量％および３０重量％でそれぞれ添加した調整材を含有する複合ゾーンは、鋳造物に起こる全断片化効果により分散して見えない。調整材を５０重量％添加して形成したゾーンは、ゾーンに浸透し、ゾーンをより小さな断片に分割する溶融合金の存在によって証明されるように、部分的な断片化を受けている。
【００４１】
【表３】
2019501026.tif 000005
【００４２】
第４の実験では、Ｎｉを含有するＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄の組成を有する粉末混合物の形態で調整材が添加されたＴｉＣ炭化物で強化された局所複合ゾーンの作製について粉末組成物を試験した。鋳造インサートの作製に使用した粉末混合物の組成および得られた結果を表４に示す。反応物の原子比は５５重量％Ｔｉ対４５ａｔ％Ｃであった。インサートは、５００ＭＰａの圧力下で圧縮成形され、２０×５０×Ｘｍｍの寸法を有し、個々のインサートのＸはそれぞれ１５〜２５ｍｍであった。鋳造インサートは、図４ａに示すように鋳型キャビティ内に固定した。鋳造インサートを固定した鋳型キャビティに、表８に示す組成を有するＬ４５０合金を注いだ。このようにして、複合ゾーンが存在する寸法４３×７０×２５０ｍｍ、壁厚４８ｍｍ、重さ７ｋｇの鋳造物を作製した。次いで、ミリング（図４ｂ）および研磨（図４ｃ）によってＬ４５０鋼鋳造物の２つの断面を用意した。両方の断面領域には、試料Ｃ３〜Ｃ８に５０重量％、６０重量％、７０重量％、８０重量％、９０重量％および９７重量％でそれぞれ添加した調整材を含有する鋳造インサートからインサイチュで作製された複合ゾーンが見えるが、試料Ｃ１〜Ｃ２に０重量％、１０重量％および３０重量％でそれぞれ添加した調整材を含有する複合ゾーンは、鋳造物に起こる全断片化効果により分散して見えない。調整材を５０重量％添加して形成したゾーンは、ゾーンに浸透し、ゾーンをより小さな断片に分割する溶融合金の存在によって証明されるように、部分的な断片化を受けている。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
実験研究の実施において、鋳造壁の厚さは５０〜１５０ｍｍの範囲で設定し、これは、円錐形クラッシャ、ジョークラッシャ、ハンマークラッシャおよびインパクトクラッシャに用いられる多数の鋳造構造部品、また、ボールミルのボールやローラーミルのロールに典型的な値である。上記の値の範囲では、６０重量％を超える調整材含有量で形成された複合ゾーンは安定であり、断片化を受けなかった。より重い鋳造壁の場合、調整材をより多く含有した粉末組成物を使用して浸透を減少させ、そのような鋳造物に安定した複合ゾーンを形成することができる。
【実施例２】
【００４５】
実施例２では、図５ａに示すように、鋳造インサートを鋳型キャビティ内に固定して、ＷＣ炭化物で強化された複合ゾーンを形成した。鋳造インサートは、ＷＣ炭化物を形成する反応物と、Ｎｉを含有するＮｉＨａｒｄ４白色鋳鉄の組成を有する様々な量の粉末調整材とを含んでいた。鋳造インサートの作製に使用した粉末混合物の組成および得られた結果を表５に示す。ＷＣ炭化物を形成する反応物の原子比は、９４．９３％Ｗ対５．０７％Ｃであった。鋳造インサートＥ２〜Ｅ９の製造に用いた調整材には、２重量％の量で導入したＡｌ粉末の形態の脱酸素剤の添加が含まれていた。インサートは、５００ＭＰａの圧力下で圧縮成形され、２０×５０×Ｘｍｍの寸法を有し、寸法Ｘの値は個々の粉末組成物の圧縮可能性に依存した。圧縮成形体Ｅ１〜Ｅ８は、各々重さ１００ｇの粉末組成物の試料から作られ、圧縮成形体Ｅ９は重さ１５０ｇの試料から作られた。次いで、寸法４３×７０×２５０ｍｍ、壁厚４８ｍｍ、重さ７ｋｇのＬ４５０鋼鋳造物に研磨断面を作った（図５ｂ）。研磨断面積は、Ｅ１〜Ｅ５の鋳造インサートからインサイチュで形成された複合ゾーンの存在を示し、インサートはＷＣ炭化物で強化された寸法安定ゾーンを作り出したが、ゾーンＥ６〜Ｅ９は、より多くの調整材を含有する圧縮成形体に起こる不完全な反応から生じる欠陥を有する。これは、炭化チタンＴｉＣと炭化タングステンＷＣを形成するＳＨＳ合成反応の異なる性質を示す。ＴｉＣの場合、合成反応に伴う高エネルギーと比較的低い活性化エネルギーが複合ゾーンの断片化をもたらし、したがって、好ましくは調整材の添加は６０重量％を超える量で使用するべきであるが、ＷＣ炭化物の場合、調整材は好ましくは６０重量％を超えない量で使用するべきである。なぜならこの調整材の含有量が高いと反応が抑制され非効率になる傾向があるためである。これにより、複合ゾーンの領域に欠陥が生じる。ＴｉＣ炭化物とＷＣ炭化物ではＳＨＳ合成反応に関連するエネルギーおよび活性化エネルギーが異なるため、鋳造物中の複合ゾーンの形成は異なる方法で進行し、使用する炭化物のタイプに依存し、したがって異なる範囲の調整材添加量が必要である。ＷＣ炭化物に基づく複合ゾーンでは、断片化の現象は起こらず、これらのゾーンは調整材の含有量を少なくして形成することができる。
【００４６】
【表５】
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【実施例３】
【００４７】
実施例３では、図６ａに示すように、鋳造インサートを鋳型キャビティ内に固定して、ＳＨＳ合成の結合反応を開始させ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ炭化物を作製した。鋳造インサートは、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ炭化物の結合ＳＨＳ合成のＴｉＣおよびＷＣ反応物と、Ｎｉを含有するＮｉＨａｒｄ４白色鋳鉄の組成を有する粉末混合物の形態の様々な量の調整材とを含んでいた。鋳造インサートの作製に使用した粉末混合物の組成および得られた結果を表６に示す。反応物の重量分率は５０％ＴｉＣ（５５ａｔ％Ｔｉ対４５ａｔ％Ｃ）および５０重量％ＷＣ（９４．９３ａｔ％Ｗ対５．０７ａｔ％Ｃ）であった。鋳造インサートＦ１〜Ｆ４の製造に使用した調整材には５％の量で導入したＡｌ粉末の形態の脱酸素剤の添加が含まれていたが、インサートＦ５〜Ｆ８の場合、脱酸素剤の量は０．１％に減らした。インサートは、５００ＭＰａの圧力下で圧縮成形され、２０×６０×Ｘｍｍの寸法を有し、寸法Ｘの値は、個々の粉末組成物の圧縮可能性に依存した。次いで、寸法４３×７０×２５０ｍｍ、壁厚４８ｍｍ、重さ７ｋｇのＬＧＳ３０鋼鋳物に研磨断面を作り（図５ｂ）、研磨断面は鋳造物の上面（図６ｂ）および鋳造物の側面（図６ｃ）に作った。両方の断面積は、鋳造インサートからインサイチュで形成された複合ゾーンの存在を示した。ＴｉＣ炭化物とＷＣ炭化物のＳＨＳ合成の結合反応を用いると、５５〜８９．９重量％の調整材含有量を有する（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ炭化物で強化された寸法的に安定で断片化抵抗性の複合ゾーンが作り出された。巨視的観察では、０．１重量％の量で添加された低い含有量のＡｌ脱酸素剤で形成したＦ６〜Ｆ８ゾーンにおいてガス欠陥の存在が明らかになったが、５重量％Ａｌを添加して形成したゾーンには孔の欠陥がなかった。
【００４８】
【表６】
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【００４９】
本発明による局所複合ゾーンの作製に使用した選択された材料について、複合ゾーンと鋼鋳造物の残りの部分との間に位置する遷移領域の断面において、また複合ゾーンの断面においても、微細構造を調べた。試験は表７に含まれる実験モデルで行った。
【００５０】
【表７】
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【００５１】
【表８】
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【００５２】
図７および図８は、鋳造Ｌ３５ＧＳＭ鋼で形成された複合ゾーンの微細構造の画像を示す。複合ゾーンは、２１重量％Ｍｎの鋳造ハドフィールド高マンガン鋼の組成を有する調整材添加物７０重量％を含有する鋳造インサートから作られ、調整材はＦｅ、ＦｅＭｎ、Ｃ、ＦｅＳｉ、Ａｌの粉末の混合物であった。図７ａに見られる複合ゾーンと残りの鋳造物との間の遷移領域は、インサイチュ反応ゾーンの領域と鋳型に注ぎ込まれた液体合金との間に液体状態で生じる浸透および拡散の制御されたプロセスで得られる強い結合を特徴とする。複合ゾーンと残りの鋳造物との間の相境界は、直線を形成し、連続性および寸法安定性を特徴とする。作製された複合ゾーンは、主に、ゾーンの領域内に均一に分布するサブミクロンサイズのＴｉＣ炭化物を含む。図７ｃ〜図７ｄに見られるように、断片化の目に見える効果は、ＴｉＣ炭化物の表面展開とゾーンの領域内での均一分布を高める。図８は、９０重量％の量で添加された調整材の高い含有量では、複合ゾーンにおける炭化チタンＴｉＣ結晶の分布が不均一であるが、ＴｉＣ結晶のクラスターは図８ｆに見られるリングおよび鎖の形態で自己組織化構造の特定の形状をとることを示す。これらの鎖の環は、サブミクロンおよびナノメートルサイズの厚さである。
【００５３】
粉末の形態の調整材を使用することは、ＴｉＣ、ＷＣ、（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ、およびＳＨＳ反応を受けている他の炭化物などの炭化物の合成反応中に溶融する合金における核形成速度および結晶成長に好ましい影響を与え、ＳＨＳ反応は、粉末混合物に含有される炭化物形成粉末反応物の間で起こり、この粉末混合物は、鋳造インサートを圧縮成形した後に形成される。例えば複合ゾーンのマトリックスにおけるＴｉＣなどの、結晶の優れた分散が特に好ましい。これは、例えば炭化チタンＴｉＣなどの炭化物の含有率が比較的低い場合に複合ゾーンの好ましい動作パラメータを得ることを可能にする。金属粉末と非金属粉末との混合物として導入される調整材の添加は、鋳造物にインサイチュで得られる複合ゾーンの硬度と耐摩耗性の両方を著しく改善する。
【００５４】
硬度試験は、本発明による調整材を異なる含有量で有する、異なる組成の材料から本発明による方法によって作製した局所複合ゾーンで実施した。結果を図１０〜図１３に示す。複合ゾーンの硬度は、壁厚４８ｍｍ、寸法４３×７０×２５０ｍｍ、重さ７ｋｇの鋳造品で試験し、この複合ゾーンはインサイチュ法で作製した。
【００５５】
図１１〜図１４に示すビッカース硬度測定の結果は、各３０個の試料サイズを用いて得た。グラフで使用されている記号は、点は平均値、ダッシュは５０％中央値、フレームは偏差２σの信頼限界、ｘ、ｘは極値を表す。硬度は、９，８０７Ｎ（ＨＶ１）（ａ）および２９４，２Ｎ（ＨＶ３０）（ｂ）の荷重下で測定した。
【００５６】
従来の方法とは対照的に、本発明による複合ゾーンのマトリックスは、鋳型キャビティに注入するベース鋳造合金の特性とは実質的に異なる特性を特徴とする化学組成の材料から作ることができる。これにより、予測可能な機械的および機能的特性をもたらす合金の慎重な選択、再現可能な合成プロセス、および例えば局所複合ゾーンにおける炭化チタンなどの炭化物結晶の再現可能な分布が可能になる。
【００５７】
新規な方法の好ましい特徴は、図１１および図１２に示す比較硬度試験の結果によって確認され、図１１は、Ｌ４５０鋼から作られた鋳造物にインサイチュで得られた複合ゾーンの硬度と、ベース鋳造合金の特性に近い特性を有する純鉄の形態の調整材の量との関係を示し、図１２は、Ｌ３５ＧＳＭ鋼から作られた鋳造物にインサイチュで得られた複合ゾーンの硬度と調整材の量との関係を示し、適用された炭化チタンＴｉＣ形成反応物は、調整材粉末と混合され、ＳＨＳ合成反応によって、ベース鋳造合金の特性と実質的に異なる特性を有するクロム鋳鉄を形成する。
【００５８】
実験研究の結果は、硬度変化の過程に影響する２つの重要なパラメータを示している。１つ目は調整材の効果であり、これは反応性浸透プロセスを安定化させることによって複合ゾーンの寸法安定性を制御する。寸法安定性は、これらの炭化物を形成する反応物の所与の含有量におけるゾーン内の炭化物の最大体積分率、およびこの分率に対応する複合ゾーンの硬度を保証する。得られた炭化物の体積分率に加えて、形成されたブリッジ間の形態および相互接続も幾分重要である。図１１〜図１４に見られるように、調整材含有量が鋳造インサートの作製に使用される粉末組成物の６０÷７０重量％である場合、ＴｉＣ炭化物で強化されたゾーンで最高硬度が得られる。複合ゾーン中の調整材含有率のこの範囲は、純鉄粉末、クロム鋳鉄の組成を有する粉末混合物、２１％Ｍｎの鋳造ハドフィールド高マンガン鋼の組成を有する粉末混合物、およびＮｉを含有するＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄の組成を有する粉末混合物の形態の調整材に最適である。Ｎｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄（７０重量％）の組成を有する調整材は、比較的柔らかい鋳造Ｌ４５０鋼に作製される複合ゾーンの硬度を高めるのに最適なものとして選択された。得られた高い硬度値（１４００ＨＶ１、図１３）は、調整材粉末の相乗効果によるものであり、調整材粉末は７０重量％の量で使用し、Ｎｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄に典型的な相と炭化チタンＴｉＣ形成反応物が生成された。
【００５９】
同様に、７０重量％の量で添加した鋳造マンガン鋼の組成を有する調整材（図１４）は、ベース鋳造Ｌ４５０鋼（５５０ＨＶ１）の比較的低い硬度で複合ゾーン（１２００ＨＶ１）に高い硬度値をもたらす。
【００６０】
場合によっては、調整材組成物は、酸化アルミニウムＡＩ２Ｏ３または酸化ジルコニウムＺｒＯ２（その安定化された種類を含む）などのセラミック相で補充されてもよい。複合ゾーンへのセラミック相の導入は、限られた浸透を介して、炭化チタン形成反応物の含有率を増加させることができ、したがって摩耗抵抗性を著しく改善することができる。それ自体で導入された酸化物の形態のセラミック相はまた、複合ゾーンの耐摩耗性を増加させることができ、例えばＴｉＣ炭化物の形成に使用されるチタンＴｉよりも安価である。この特定のケースでは、炭化チタンＴｉＣ形成反応物の高い含有率は、セラミック相、特に酸化アルミニウムが、高い比熱を有することによって、ＳＨＳ合成中に形成される熱を吸収し、したがってＳＨＳプロセスを制御するため、複合ゾーンの断片化を生じない。調整材組成物中に酸化アルミニウムＡＩ２Ｏ３または酸化ジルコニウムＺｒＯ２を使用すると、アブレシブ摩耗に対する非常に高い耐性を特徴とする複合ゾーンが作り出されるが、このようなインサートの実際の使用は、高い衝撃抵抗が必要とされない用途に限定される。
【００６１】
ＷＣ炭化物で強化された複合ゾーンでは、図１５に示す最高硬度は調整材の低い含有量によって得られる。ただし、この特定のケースでは、調整材の添加が増加しても硬度は低下しない。結果として、好ましくは、調整材の添加を用いて、高価なタングステンＷの量を減らして鋳造物中に補強材を形成することが可能である。（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ炭化物で強化された複合ゾーンは、合成の結合反応の結果として形成され、調整材添加量５５％で図１６に示す好ましい硬度値を有する。
【００６２】
個々の複合ゾーンについて得られた硬度測定の結果および図１１〜図１４に示す結果に加えて、表９では、選択された複合ゾーンで実施した摩耗抵抗性試験の結果を比較する。複合ゾーンおよび鋳造Ｌ３５ＧＳＭ鋼の摩耗指数の測定は、ＩＳＯ  ２０８０８：２００４に従ってＢａｌｌ−ｏｎ−Ｄｉｓｃ法で行った。以下の表に開示した試験結果から、高い硬度を有する複合ゾーンは低い摩耗指数を特徴とすることが確認される。例えば、Ｎｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄から作られたマトリックスに基づく複合ゾーンは、１４００ＨＶ１の硬度と、同時に７．０７×１０６［ｍｍ３／Ｎｍ］の最低摩耗指数を有する。
【００６３】
【表９】
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【００６４】
本発明による鋳造物の局所複合ゾーンの形成方法を図１１に示し、実施例４〜実施例７で説明する。
【実施例４】
【００６５】
高いアブレシブ摩耗および低い動的負荷の環境で使用するための複合鋳造物４４．５μｍ未満の平均直径を有するチタン粉末と、３μｍ未満の平均直径を有する炭素粉末との混合物を、１：１の相互原子比を維持して調製した。炭化チタンＴｉＣ形成反応物の粉末混合物４０重量％に調整材５９重量％を添加し、調整材は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、ＭｏおよびＣを含むＮｉ−Ｈａｒｄ４クロム鋳鉄の組成を有する粉末混合物であり、その一部はフェロアロイの形態で添加した。さらに、粉末混合物にＡｌ粉末の形態の低減コンポーネント１重量％を導入した。次いで、全ての粉末を混合し、乾燥させ、５００ＭＰａの圧力下で圧縮した。寸法１０×２０×１００ｍｍの３４個の鋳造インサートが得られ、これらの鋳造インサートを、重量１７ｋｇの鋳造物における推定最高摩耗領域で鋳型キャビティ内に組立工具で固定した。水分を除去するために、鋳造インサートの固定されたセットを備えた鋳型をガスバーナーで乾燥させた。次に、この鋳型にクロム鋳鉄の組成を有する溶融鋳造合金を注いだ。その結果、複合ゾーンで強化された鋳造物が得られ、オーステナイトマトリックス中に配置されたＴｉＣ炭化物のサブミクロンの長円形粒子を主に含有し、Ｃｒ７Ｃ３炭化物の粒子も含有していた。
【実施例５】
【００６６】
高いアブレシブ摩耗および高い動的負荷の環境で使用するための複合鋳造物４４．５μｍ未満の平均直径を有するチタン粉末と、３μｍ未満の平均直径を有する炭素粉末との混合物を、１：１の相互原子比を維持して調製した。炭化チタンＴｉＣ形成反応物の粉末混合物３０重量％に調整材６９重量％を添加し、調整材はＦｅ、Ｍｎ、ＳｉおよびＣを含む２１重量％Ｍｎの鋳造高マンガン鋼の組成を有する粉末混合物であり、混合物の一部はフェロアロイの形態で添加し、他の元素も少量添加した。さらに、粉末混合物にＡｌ粉末の形態の低減コンポーネント１重量％を導入した。低減コンポーネントは、圧縮成形体に存在するガスを結合させるために導入した。次いで、全ての粉末を混合し、乾燥させ、５００ＭＰａの圧力下で圧縮した。１００個の量で作製した寸法１５×２０×１００ｍｍの得られた鋳造インサートを、重さ２００ｋｇの鋳造物で発生する推定最高摩耗領域に配置した。水分を除去するために、鋳造インサートの固定されたセットを備えた鋳型をガスバーナーで乾燥させた。次に、１８重量％Ｍｎを含有するマンガン鋼の組成を有する溶融鋳造合金を鋳型に注いだ。その結果、複合ゾーンで強化された鋳造物が得られ、オーステナイトマトリックス中に配置されたＴｉＣ炭化物のサブミクロン粒子を主に含有していた。
【実施例６】
【００６７】
高い動的負荷のない環境で使用するための超高耐アブレシブ摩耗性鋳造物４４．５μｍ未満の平均直径を有するチタン粉末と、３μｍ未満の平均直径を有する炭素粉末との混合物を、１：１の相互原子比を維持して調製した。ＴｉＣ炭化物形成反応物の粉末混合物５０重量％に、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３１０重量％と、Ａｌ２Ｏ３１０重量％と、２１重量％Ｍｎを含有する鋳造高マンガン鋼の組成を有する粉末混合物２９重量％とを導入した。さらに、粉末混合物に、Ａｌ粉末の形態の低減コンポーネントを１重量％添加して、成形体に存在するガスを結合させた。次いで、全ての粉末を混合し、乾燥させ、５００ＭＰａの圧力下で圧縮した。その結果、寸法１０×２０×１００ｍｍの鋳造インサートが得られ、次にこの鋳造インサートを鋳型キャビティ内に組立工具で固定した。水分を除去するために、鋳造インサートの固定されたセットを備えた鋳型をガスバーナーで乾燥させた。次いで、この鋳型に、１８重量％Ｍｎを含有する高マンガン鋼の組成を有する溶融鋳造合金を注いだ。その結果、主にＴｉＣ炭化物のサブミクロン粒子およびミクロン粒子、ならびにＡｌ２Ｏ３およびＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物のサブミクロン粒子およびミクロン粒子で構成されるＴｉＣ／Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３／マトリックスタイプのハイブリッド複合物を備えたゾーンで補強された重さ４０ｋｇの鋳造物が得られた。
【実施例７】
【００６８】
高い動的負荷のない環境で使用するための超高耐アブレシブ摩耗性鋳造物４４．５μｍ未満の平均直径を有するチタン粉末と、３μｍ未満の平均直径を有する炭素粉末との混合物を、１：１の相互原子比を維持して調製した。炭化チタンＴｉＣ形成反応物の粉末混合物３０重量％に、調整材３９重量％を添加し、この調整材は２１％Ｍｎを含有する鋳造高マンガン鋼の組成を有する粉末混合物であり、この混合物はＦｅ、Ｍｎ、ＳｉおよびＣを含み、その一部はフェロアロイの形態で添加し、また平均直径４４．５μｍ未満の少量の他の元素と、平均直径１ｍｍ未満のＹ２Ｏ３−安定化ＺｒＯ２粉末の形態のセラミック調整材３０重量％も添加した。さらに、粉末混合物にＡｌ粉末の形態の低減コンポーネント１重量％を導入した。低減コンポーネントは、圧縮成形体に存在するガスを結合させるために導入した。次いで、全ての粉末を混合し、乾燥させ、５００ＭＰａの圧力下で圧縮した。
【実施例８】
【００６９】
（実施例８ａ）
実施例７による粉末混合物に基づく寸法１５×２０×１００ｍｍの鋳造インサートを形成し、次に予想される最高摩耗領域で重さ７ｋｇの鋳造物に５個を固定した。吸収された水分を除去するために、内側に鋳造物インサートのセットを固定した鋳型をガスバーナーで乾燥させた。次に、この鋳型にＬ３５ＧＳＭ鋼の組成を有する溶融鋳造合金を注いだ。その結果、主にＴｉＣ炭化物のサブミクロン粒子およびミクロン粒子、ならびにＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物のミクロン粒子およびミリメーター粒子で構成されたＴｉＣ／ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３／マトリックスタイプのハイブリッド複合物を備えたゾーンで補強された鋳造物が得られた。
【００７０】
（実施例８ｂ）
第２の実施形態の第１の変形例における鋳造物インサート４４．５μｍ未満の平均直径を有するチタン粉末と、３μｍ未満の平均直径を有する炭素粉末との混合物を、１：１の相互原子比を維持して調製した。炭化チタンＴｉＣ形成反応物の粉末混合物４５重量％に、調整材１０重量％を添加し、この調整材はＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、ＳｉおよびＣを含むクロム鋳鉄の組成を有する粉末混合物であり、混合物の一部はフェロアロイの形態で添加し、平均直径４４．５μｍ未満の他の元素も少量添加し、平均直径１００μｍ未満のＹ２Ｏ３−安定化ＺｒＯ２粉末５重量％と平均直径１３０μｍ未満のＡＩ２Ｏ３粉末４０重量％とを含むセラミック調整材４５重量％を添加した。さらに、粉末混合物にＡｌ粉末の形態の低減コンポーネント１重量％を導入した。次いで、全ての粉末を混合し、乾燥させ、５００ＭＰａの圧力下で圧縮して、寸法１５×２０×１００ｍｍの鋳造インサートを形成した。
【００７１】
（実施例８ｃ）
第２の実施形態の第２の変形例における鋳造インサート４４．５μｍ未満の平均直径を有するチタン粉末と、３μｍ未満の平均直径を有する炭素粉末との混合物を、１：１の相互原子比を維持して調製した。炭化チタンＴｉＣ形成反応物の粉末混合物２０重量％に、調整材１９重量％を添加し、この調整材は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、ＳｉおよびＣを含むクロム鋳鉄の組成を有する粉末混合物であり、混合物の一部はフェロアロイの形態で添加し、平均直径０．５ｍｍ未満のＹ２Ｏ３−安定化ＺｒＯ２粉末を含むセラミック調整材６０重量％を添加した。さらに、粉末混合物にＡｌ粉末の形態の低減コンポーネント１重量％を導入した。次いで、全ての粉末を混合し、乾燥させ、５００ＭＰａの圧力下で圧縮して、寸法１５×２０×１００ｍｍ寸法の鋳造インサートを作製した。
【００７２】
局所複合ゾーンは、鋳型キャビティ内に鋳造インサートを配置することによって形成し、鋳造インサートは、例えばＴｉＣ炭化物などＳＨＳ合成を受ける炭化物形成反応物を含む粉末混合物と金属および非金属の選択された粉末の混合物とを圧縮成形することによって得られ、鋳造後に凝固によって複合材マトリックスが形成され、このマトリックスは鋳鉄ベースの合金である。６０〜９７重量％の量で導入される調整材は、複合ゾーンの幾何学的寸法を安定化させ、壁厚１０〜１５０ｍｍの鋳造物における炭化チタンＴｉＣの合成中に生じる反応性浸潤の過程でこのゾーンの断片化を防止する。複合マトリックスのインサイチュ形成をもたらす炭化チタンＴｉＣ形成反応物の最小量は３重量％である。炭化チタンＴｉＣ形成反応物の量を減少させることは効果的ではなく、複合ゾーンの複合物マトリックスの設計された構造を形成することにはつながらない。酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムに基づくセラミック構造を使用すると、複合ゾーンにおけるＴｉＣ結晶の含有率（＞３０％）を増加させることができ、それによって硬度および摩耗抵抗性の両方が著しく上昇する。
【００７３】
ＷＣ炭化物で強化された複合ゾーンの合成のために、調整材は６０重量％までの量で使用することができ、このレベルを上回ると反応は非効率的であり抑制される。６０重量％までの量の調整材を添加したＷＣ炭化物形成反応物を使用すると、図５に例示するように、寸法的に安定した複合ゾーンを得ることが可能である。
【００７４】
図６に示すように、例えばＴｉＣ炭化物およびＷＣ炭化物の形成反応物の混合物を使用して、本発明による複合ゾーンを形成することも可能である。そして、鋳造物中で合成の結合反応が進行することにより、コア−リング構造を有する（Ｗ、Ｔｉ）Ｃまたは（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ型の炭化物が形成される。合成の結合反応のために、より多量の調整材を使用し、複合ゾーンの機械的特性を制御することが可能である。
【００７５】
本発明に従って鋳造物に複合ゾーンをインサイチュ作製するための粉末組成物および鋳造インサートは、ＳＨＳ合成の反応を受ける種々のタイプの炭化物およびホウ化物の広範な使用を可能にする。鋳造物に複合ゾーンを作製する例は、炭化物およびその混合物を使用する２つの極端なケースを含み、これらはそれぞれＴｉＣおよびＷＣ炭化物、（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ炭化物である。
【図１】
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【図２】
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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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