(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＪＩＳ  Ｈ８２６０に規定され、ふるい分け法で測定される粒径が４５〜１２５μｍである自溶合金粉末１００質量部と、ふるい分け法で測定される粒径が１２５μｍ以下であるホウ砂粉末０．０５〜１．０質量部とを混合して混合粉末を調製する工程と、
前記混合粉末を基材表面に供給して粉末層を形成する工程と、
前記粉末層を、温度１０００〜１２００℃、誘導加熱手段の移動速度０．５〜５ｍｍ／ｓの条件で誘導加熱して前記粉末層中の前記自溶合金粉末を焼結させることにより、焼結体からなる気孔率１０％以下の自溶合金被覆層を前記基材表面に形成する工程とを含む自溶合金被覆層の形成方法。
【請求項２】
自溶合金粉末とホウ砂粉末とともにセラミック粒子を混合して前記混合粉末を調製する工程を含む請求項１に記載の複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材などの基材表面に自溶合金被覆層を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
苛酷な環境で使用される鋼材などの基材表面を自溶合金で被覆して良好な耐熱性、耐腐食性および耐摩耗性を付与することが一般的に行われている。
【０００３】
鋼材などの基材の表面に自溶合金被覆層を形成する方法として、下記特許文献１には、ブラスト処理された基材表面に、耐摩耗性を有する自溶合金粉末を載置し、この粉末層を所定の厚さに整えた後に、加熱炉内に搬入して加熱し、粉末層を焼結させるとともに基材表面に溶着させる方法が記載されている。
【０００４】
しかして、自溶合金被覆層を基材表面に形成するに際しては、生産性の向上を図るなどの観点から、焼結して自溶合金被覆層となる粉末層の加熱処理を、特許文献１に記載されているような加熱炉内で実施するよりも、短時間・急速加熱のプロセスによって実施することが望ましい。
【０００５】
ここに、短時間・急速加熱のプロセスとして高周波誘導加熱が知られており、例えば、下記特許文献２には、基材表面に自溶合金を溶射後、高周波誘導加熱によって再溶融処理することが紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４０３０７号公報
【特許文献２】特開平７−１８８８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、粉末どうしが結合していない状態の粉末層は熱伝導性に劣るとともに、溶融時において粉末表面の酸化が起こりやすいため、基材表面に形成された粉末層の加熱処理を誘導加熱による短時間・急速加熱のプロセスによって実施すると、粉末層中の自溶合金粉末が均一に溶融されず、形成される自溶合金被覆層において溶融されていない部分が生じたり、基材表面が露出したりすることがあり、均一な自溶合金被覆層を形成することができない、という問題がある。
【０００８】
本発明は以上のような事情に基いてなされたものである。
本発明の目的は、基材表面に形成された自溶合金粉末を含む粉末層の加熱処理を、誘導加熱による短時間・急速加熱のプロセスにより実施しても、均一で緻密な自溶合金被覆層を基材表面に形成することができる自溶合金被覆層の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の自溶合金被覆層の形成方法は、ＪＩＳ  Ｈ８２６０に規定され、ふるい分け法で測定される粒径が４５〜１２５μｍである自溶合金粉末１００質量部と、ふるい分け法で測定される粒径が１２５μｍ以下であるホウ砂粉末０．０５〜１．０質量部とを混合して混合粉末を調製する工程（以下、「粉末混合工程」ともいう）と、
前記混合粉末を基材表面に供給して粉末層を形成する工程（以下、「粉末層形成工程」ともいう）と、
前記粉末層を、温度１０００〜１２００℃、誘導加熱手段の移動速度０．５〜５ｍｍ／ｓの条件で誘導加熱して前記粉末層中の前記自溶合金粉末を焼結させることにより、焼結体からなる気孔率１０％以下の自溶合金被覆層を前記基材表面に形成する工程（以下、「焼結工程」ともいう）とを含むことを特徴とする。
【００１０】
このような形成方法によれば、ホウ砂粉末が混合されていることによって粉末層（混合粉末）の溶融性が格段に向上し、当該粉末層の加熱処理を、誘導加熱による短時間・急速加熱のプロセスによって実施しても、均一で緻密な自溶合金被覆層を基材表面に形成することができる。
【００１２】
また、前記粉末混合工程において、自溶合金粉末とホウ砂粉末とともにセラミック粒子を混合して前記混合粉末を調製してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の自溶合金被覆層の形成方法によれば、誘導加熱による短時間・急速加熱のプロセスによって自溶合金粉末を含む粉末層の加熱処理を実施するものでありながら、均一で緻密な自溶合金被覆層を基材表面に形成することができる。
そして、誘導加熱による短時間・急速加熱のプロセスによって粉末層の加熱処理を実施することにより、加熱炉内で粉末層を加熱処理する従来の形成方法と比較して、生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１で基板表面に形成された自溶合金被覆層の表面状態を示す写真である。
【図２】実施例２で基板表面に形成された自溶合金被覆層の表面状態を示す写真である。
【図３】比較例１で基板表面に形成された自溶合金被覆層の表面状態を示す写真である。
【図４】比較例２で基板表面に形成された自溶合金被覆層の表面状態を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の自溶合金被覆層の形成方法は、粉末混合工程と、粉末層形成工程と、粉末焼結工程とを含む。
【００１６】
＜粉末混合工程＞
本発明の形成方法の粉末混合工程は、自溶合金粉末とホウ砂粉末とを混合して混合粉末を調製する工程である。
【００１７】
本発明の形成方法で使用する自溶合金粉末としては、ＪＩＳ  Ｈ  ８２６０（溶射用粉末材料）に規定されているものを挙げることができる。
自溶合金粉末の粒径としては、ふるい分け法で測定される粒径が２５０μｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは４５〜１２５μｍとされる。
【００１８】
本発明の形成方法で使用するホウ砂粉末は、四ホウ酸ナトリウムの水和物または無水物からなる。
ホウ砂粉末の粒径としては、ふるい分け法で測定される粒径が１２５μｍ以下であることが好ましい。粒径が過大なホウ砂粉末は、自溶合金粉末の間に入り込むことができないため溶融性の向上に十分に寄与することができず、また、得られる自溶合金被覆層の表面にガラス系の化合物が点在して外観不良を招くことがある。
【００１９】
自溶合金粉末とホウ砂粉末とを混合してなる混合粉末（粉末層）の溶融性は、自溶合金粉末のみの溶融性と比較して格段に優れている。
そのような理由としては明らかではないが、相対的に融点の低いホウ砂粉末は、自溶合金粉末の溶融前に溶融して粉末層の熱伝導性を向上させるとともに、ホウ砂中に含まれるホウ素が、粉末層中の酸素および基材表面の酸素と結合して粉末表面等の酸化を抑制するからであると推測される。
【００２０】
自溶合金粉末にホウ砂粉末を直接混合することにより、粉末層（混合粉末）の溶融性を格段に向上させることができることから、後述する焼結工程（誘導加熱による加熱処理）において、粉末層全体が均一に溶融され、この結果、均一で緻密な自溶合金被覆層を形成することができる。
【００２１】
なお、自溶合金粉末に直接混合すること以外の態様でホウ砂を自溶合金粉末に添加しても（例えば、自溶合金粉末からなる粉末層にホウ砂を含有する液状組成物を塗布しても）、粉末の溶融性を向上させることができない（後述する比較例２参照）。
【００２２】
混合粉末中のホウ砂の含有割合としては、自溶合金粉末１００質量部あたり０．０５〜１．０質量部（四ホウ酸ナトリウムの十水和物における質量部）であることが好ましく、好適な一例を示せば０．２質量部とされる。
【００２３】
ホウ砂の含有割合が過少である場合には、混合粉末の溶融性を十分に向上させることができず、均一で緻密な自溶合金被覆層を形成することが困難となる。
一方、ホウ砂の含有割合が過剰である場合には、得られる自溶合金被覆層の表面にガラス系の化合物が点在するなどして外観不良を招くことがある。
【００２４】
この粉末混合工程において、自溶合金粉末とホウ砂粉末とともにセラミック粒子を混合して混合粉末を調製してもよい。これにより、耐摩耗性の更なる向上を図ることができる。
【００２５】
＜粉末層形成工程＞
本発明の形成方法の粉末層形成工程は、粉末混合工程で調製された混合粉末を基材表面に供給して粉末層を形成する工程である。
具体的には、基材表面に混合粉末を載置して所定の厚さに調整することにより、粉末層を形成する。
【００２６】
ここに、粉末層が表面に形成される基材（被処理物）としては、通常、鋼材（軟鋼・ＳＵＳ）などの金属からなる。基材の形状としては特に限定されるものではないが、板状であることが好ましい。
なお、粉末層を形成する基材表面はブラスト処理によって粗面化されていることが好ましい。
【００２７】
混合粉末を基材表面に供給する方法としては特に限定されるものではなく、例えば、基材表面に外枠を設けて枠内に混合粉末を流入させる方法を挙げることができる。
【００２８】
粉末層の厚さとしては、焼結による厚さ変化（目減り）を考慮して、形成する自溶合金被覆層の厚さの１．４〜２．０倍程度であることが好ましい。
粉末層の厚さの調整方法としては、例えば、基材表面に設けた上記の外枠内に過剰量の混合粉末を流入させた後、余分な混合粉末を適宜の厚さ規制部材（例えばブレード）で掻き落とす方法を挙げることができる。
【００２９】
本発明の形成方法においては、自溶合金粉末とホウ砂粉末とを含む混合粉末を、粉末の状態を維持した粉末層として基材表面に形成する。
これにより、生産性の向上・生産コストの低減を図ることができるとともに、基材の形状によって発生することが懸念される当該基材の熱ひずみを回避することができる。また、混合粉末におけるセラミック粒子の配合も可能となる。
粉末層に代えて溶射法により溶射皮膜を形成する場合には、２回の加熱処理を実施することにより生産性の低下・生産コストの上昇を招き、基材の形状によって（例えば薄板状の場合に）熱ひずみを招くことがある。
【００３０】
＜焼結工程＞
本発明の形成方法の焼結工程は、基材表面に形成された粉末層を誘導加熱手段で１０００〜１２００℃に加熱し、粉末層中の前記自溶合金粉末を焼結させることにより、焼結体からなる自溶合金被覆層を形成する工程である。
【００３１】
この焼結工程では、誘導加熱（移動加熱）による短時間・急速加熱のプロセスによって粉末層の加熱処理が実施される点に特徴を有する。
誘導加熱による短時間・急速加熱のプロセスによって粉末層の加熱処理を実施することにより、加熱炉内で粉末層を加熱処理する従来の形成方法と比較して生産性の向上を図ることができる。
【００３２】
粉末層の加熱温度は１０００〜１２００℃とされ、好ましくは１０５０〜１１５０℃とされる。
加熱温度が１０００℃未満であると、粉末が十分に溶融しないため、緻密な皮膜（自溶合金被覆層）を形成することができない。他方、加熱温度が１２００℃を超えると、過剰に溶融して被覆層の形状を維持できなかったり、過加熱によって被覆層の硬さが低下したりする。
【００３３】
粉末層に対する誘導加熱手段の移動速度としては０．５〜５ｍｍ／ｓとされ、好ましくは１〜３ｍｍ／ｓとされる。
【００３４】
この焼結工程により、基材表面に形成されている粉末層（自溶合金粉末にホウ砂粉末が直接混合されてなる混合粉末）は、その全体が均一に溶融され、均一で緻密な焼結体（自溶合金被覆層）を基材表面に形成することができる。
本発明の方法により形成される自溶合金被覆層の厚さとしては、例えば０．５〜５ｍｍとされ、好ましくは１．０〜２．０ｍｍ、好適な一例を示せば２．０ｍｍとされる。
【００３５】
本発明の形成方法により基材表面に自溶合金被覆層が形成されてなる複合部材は、良好な耐熱性、耐腐食性および耐摩耗性が付与され、特に耐摩耗部材であるサイクロン・攪拌機・ダクト・スクリュー・各種レールなどの用途に適用され、また、耐熱・耐食性部材である炉壁材・各種高温配管などの用途に適用される。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例で使用された粉末の粒径はふるい分け法で測定された値である。
【００３７】
＜実施例１＞
（１）粉末混合工程：
ＪＩＳ  Ｈ  ８３０３  ２．１４Ａに相当する、粒径４５〜１２５μｍのＮｉ系自溶合金粉末「１３０１７」（Ｅｕｔｅｃｔｉｃ  Ｃａｎａｄａ  Ｉｎｃ．製）１００質量部と、粒径が１２５μｍ以下のホウ砂粉末「四ほう酸ナトリウム十水和物」（関東化学 (株) 製）０．２質量部とを均一に混合して混合粉末を調製した。
【００３８】
（２）粉末層形成工程：
上記（１）で得られた混合粉末を、ブラスト処理が施された一般構造用圧延鋼材ＳＳ４００からなる基板（幅１５０ｍｍ×長さ８００ｍｍ×厚さ４．５ｍｍ）の表面に供給し、当該基板表面に厚さ３．５ｍｍに調整して粉末層を形成した。
【００３９】
（３）焼結工程：
上記（２）により基板表面に形成された粉末層に対して、高周波誘導加熱装置を基板の長さ方向に移動させて誘導加熱を行い、粉末層中の自溶合金粉末を焼結させることにより、焼結体からなる自溶合金被覆層を基板表面に形成した。ここに、誘導加熱装置の移動速度（送り量）は１ｍｍ／ｓとした。
【００４０】
＜実施例２＞
粉末混合工程において、ＪＩＳ  Ｈ  ８３０３  ２．２９Ｂに相当する、粒径４５〜１２５μｍのＮｉ系自溶合金粉末とＷＣ粉末との混合物「２３００５」（Ｅｕｔｅｃｔｉｃ  Ｃａｎａｄａ  Ｉｎｃ．製）１００質量部と、粒径が１２５μｍ以下のホウ砂粉末「四ほう酸ナトリウム十水和物」（関東化学 (株) 製）０．２質量部とを均一に混合して混合粉末を調製したこと以外は実施例１と同様にして、焼結体からなる自溶合金被覆層を基板表面に形成した。
【００４１】
＜比較例１＞
実施例１の粉末混合工程を実施せずに、粉末層形成工程において、ＪＩＳ  Ｈ  ８３０３  ２．１４Ａに相当する、粒径４５〜１２５μｍの自溶合金粉末を基板表面に供給して、厚さ３．５ｍｍに調整して粉末層（自溶合金粉末のみからなる粉末層）を形成したこと以外は実施例１と同様にして、焼結体からなる自溶合金被覆層を基板表面に形成した。
得られた自溶合金被覆層は、不均一で、一部において基板表面が露出していた。
【００４２】
＜比較例２＞
比較例１の粉末層形成工程終了後、ホウ砂粉末「四ほう酸ナトリウム十水和物」（関東化学 (株) 製）５質量部とエタノール（溶剤）９５質量部とを含むホウ砂粉末のアルコール溶液約８０ｇを、基板表面に形成された粉末層にスプレーにより塗布し、乾燥後、比較例１と同様にして焼結工程を実施して、焼結体からなる自溶合金被覆層を基板表面に形成した。
【００４３】
＜被覆層の評価＞
実施例１〜２および比較例１〜２によって形成された自溶合金被覆層の各々について、下記項目（１）〜（４）の評価を行った。評価方法（評価基準）は下記のとおりである。結果を図１および下記表１に示す。
【００４４】
（１）外観検査：
自溶合金被覆層の表面状態を目視により観察して下記の基準に従って評価した。
「○」：全面にわたり均一に溶融され、表面にしわなどがなく、均一で緻密な表面状態である。
「△」：溶融むらに起因するしわが表面に認められる。
「×」：大きな割れまたはしわが発生し、基板表面が露出している部位がある。
【００４５】
（２）膜厚の測定：
形成された自溶合金被覆層の膜厚をマイクロメーター［参考（被覆層＋基板）−基板＝被覆層］により測定した。
【００４６】
（３）硬度：
形成された自溶合金被覆層を基板とともに切断し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４（ビッカース硬さ試験―試験方法）に準拠して、被覆層断面のビッカース硬さを測定した。
【００４７】
（４）気孔率の測定（緻密性の評価）方法：
形成された自溶合金被覆層の断面を光学顕微鏡により観察し、画像解析により気孔率を測定した。ここで、緻密性が良好であるというためには、その気孔率は１０％以下であることが必要である。
【００４８】
【表１】
0006718644.tif 000002
【図１】
0006718644.tif 000003
【図２】
0006718644.tif 000004
【図３】
0006718644.tif 000005
【図４】
0006718644.tif 000006