(57)【要約】【課題】鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料の製造方法において、より成形性が高く、より強度の高い複合材料の製造方法を提供する。【解決手段】鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料の製造方法であって、原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることで前記硬質粒子の平均粒径が１５μｍ以下となるようにした複合材料の製造方法である。また、粒径が１５０μｍ以下とした原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることを特徴とする複合材料の製造方法である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料の製造方法であって、
原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることで前記硬質粒子の平均粒径が１５μｍ以下となるようにした複合材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材料の製造方法であって、
粒径が１５０μｍ以下とした原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の複合材料の製造方法であって、
平均粒径が８０μｍ以下とした原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材堆積させることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、
原料粉末は、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料を粉末状にしたものであることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、
原料粉末は、鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質化合物の粉末とから構成されており、これらの粉末を別々にあるいは混合した状態で高密度エネルギー熱源に供給することを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、
原料粉末は、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素と結合することで硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を析出させる元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末とから構成されており、これらの粉末を別々にあるいは混合した状態で高密度エネルギー熱源に供給することを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、
原料粉末は、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素と結合することで硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を析出させる元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末とから構成されており、これらの粉末を別々にあるいは混合した状態で高密度エネルギー熱源に供給することを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、
原料粉末を無酸化雰囲気中で高密度エネルギー熱源により溶融し基材に堆積させることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、
高密度エネルギー熱源は、移行性プラズマアーク、非移行性プラズマアーク、レーザ、あるいはこれらの熱源の組み合わせにより構成されていることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の製造方法によって得られた複合材料の表面に、硬質粒子を含まない鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなる層を所定の厚みに堆積させることを特徴とする複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料の製造方法等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば内燃機関やモータなどでは、振動や騒音を低減するために、ギヤやシャフト、バルブなどの可動部品の剛性を高めることが強く望まれている。また、内燃機関に使用するピストンピンなどでは、燃料が爆発する際の圧力をそのピストンの頂面を介して受けるために、より高い剛性と疲労強度を備えることが強く要求されている。また、例えば工作機械の分野では、振動を低減してより高い加工精度を実現するために、回転駆動する主軸や治具等に対してより高い剛性を備えることが要求されている。
そこで、従来、これらの可動部品等を形成するための材料として、硬質粒子として硼化物や炭化物、窒化物を含有し、鉄、鋼、もしくはこれらの合金をマトリックスとした複合材料を用いることが提案されている（例えば［特許文献１］の高ヤング率材料を参照）。このような複合材料を用いれば、鉄や鋼の合金をそのまま用いるよりも高い剛性を備えた可動部品を実現することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３２５６４１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、［特許文献１］に開示された複合材料によれば、鋳造や溶湯鍛造等により成形した炭素鋼ないしは合金鋼中に硬質粒子を含有させるというものであり、析出する硬質粒子が粗大になりやすく、十分に高い剛性を備えた部材を製造するのは困難であるという問題があった。
また、［特許文献１］に開示された複合材料によれば、炭素鋼ないしは合金鋼中に硬質粒子を含んでいる粉末のみを粉末治金的な手法により成形したのち焼結するというものであり、その内部に空隙等が生じやすく、十分に高い剛性を備えた部材を製造するのは困難であるという問題があった。これを解決するために、例えばＨＩＰ（熱間静水圧プレス）等の手法を用いて真密度にする（すなわち空隙をなくす）ことで強度を向上させることも提案されているが、一般に、ＨＩＰを用いる場合には部材の成形の際の自由度が低くなるという問題があり、製品加工の際の削り代が必要となるので、部材の製造コストが極めて多大になるという問題があった。
【０００５】
本願発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料の製造方法において、より成形性が高く、より強度の高い複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、特許請求の範囲の各請求項に記載した発明が構成される。
本願の第１の発明は、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料の製造方法であって、原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることで前記硬質粒子の平均粒径が１５μｍ以下となるようにした複合材料の製造方法である。ここで、「鉄、鋼、あるいはこれらの合金」とあるのは、マトリックス部分として用いることのできる金属として、鉄及び鋼のみならず、鉄と他の元素（例えばニッケル、クロム等）との合金や、鋼と他の元素（例えばニッケル、クロム等）との合金等が広く含まれる趣旨である。また、「硬質粒子の平均粒径」とあるのは、マトリックス金属中に分散して存在している硬質粒子を光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡等により観察したときに、所定の面積あたりに含まれるそれら硬質粒子の円相当径の算術的平均値のことを指している。
このような構成により、本願の第１の発明によれば、原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることで硬質粒子の平均粒径が１５μｍ以下となるようにしたので、マトリックス中に含まれる硬質粒子の大きさが微細となり、成形性が良好でかつ高い剛性を備えた複合材料を製造することができる。
【０００７】
本願の第２の発明は、請求項１に記載の複合材料の製造方法であって、粒径が１５０μｍ以下とした原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることを特徴とする複合材料の製造方法である。「粒径が１５０μｍ以下」とあるのは、ふるい分け法により測定される原料粉末の最大粒子径が１５０μｍ以下であることを意味している。原料粉末の粒子径（粒径）は、例えば、ＪＩＳ  Ｚ  ８８０１に定められたふるいを用いて測定することができる。また、簡便に測定するために、レーザ回折式粒度測定器を用いることもできる。粉末の粒子径については、例えばＪＩＳ  Ｚ  ８８１９に定義されている。
このような構成により、本願の第２の発明によれば、粒径が１５０μｍ以下とした原料粉末を溶融し基材に堆積させるので、基材側からの吸熱により溶融した原料粉末が急速に凝固する。したがって、析出する硬質粒子が粗大にならずに強度の高い複合材料を製造することができる。
【０００８】
本願の第３の発明は、請求項１または請求項２に記載の複合材料の製造方法であって、平均粒径が８０μｍ以下とした原料粉末を高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させることを特徴とする複合材料の製造方法である。ここで、「平均粒径が８０μｍ以下」とあるのは、ふるい上曲線を描いたときに、Ｒ（ふるい上）＝５０％に相当する粒子径が８０μｍ以下であることを意味している。
したがって、原料粉末が微細な状態でかつ均一な粒径に揃うことになるので、高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させたときに、内部組織が緻密となってその内部に空隙等が発生しない。これにより、硬質粒子が粗大にならず、かつ、マトリックス部分が真密度となってより強度の高い複合材料を製造することができる。
【０００９】
本願の第４の発明は、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、原料粉末は、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料を粉末状にしたものであることを特徴とする複合材料の製造方法である。
【００１０】
本願の第５の発明は、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、原料粉末は、鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質化合物の粉末とから構成されており、これらの粉末を別々にあるいは混合した状態で高密度エネルギー熱源に供給することを特徴とする複合材料の製造方法である。
【００１１】
本願の第６の発明は、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、原料粉末は、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素と結合することで硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を析出させる元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末とから構成されており、これらの粉末を別々にあるいは混合した状態で高密度エネルギー熱源に供給することを特徴とする複合材料の製造方法である。
【００１２】
本願の第７の発明は、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、原料粉末は、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、硼素、炭素、窒素のうち１種以上の元素と結合することで硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を析出させる元素を含有する鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末と、鉄、鋼、あるいはこれらの合金の粉末とから構成されており、これらの粉末を別々にあるいは混合した状態で高密度エネルギー熱源に供給することを特徴とする複合材料の製造方法である。
【００１３】
つまり、本願発明で用いる原料粉末としては、溶融凝固後に、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料となるように成分の配合がしてある原料粉末であれば、どのような原料粉末を用いてもよいということである。
例えば、上記第４〜第７の発明のように、高密度エネルギー熱源で溶融し基材に堆積させる原料粉末として、予め原料粉末の中に硬質粒子となる成分（硼化物、炭化物、窒化物）が存在している原料粉末を用いてもよいし、溶融凝固の際の化学反応により硬質粒子を析出させる元素を含有する原料粉末を用いてもよい。このとき、複数種類の原料粉末を用いる場合には、予め混合した状態で高密度エネルギー熱源に供給してもよいし、別々の状態で高密度エネルギー熱源に供給してもよい。
【００１４】
本願の第８の発明は、請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、原料粉末を無酸化雰囲気中で高密度エネルギー熱源により溶融し基材に堆積させることを特徴とする複合材料の製造方法である。
硬質粒子を形成する炭素や窒素などの元素は、酸素との結合力が強く、溶融する際の雰囲気中に酸素が存在すると、一部が酸化物となって複合材料の内部に介在物として混在してしまう。この場合、硬質粒子を析出させるための元素量が減少するので強度が落ちるばかりか、基材に堆積した複合材料の表面に酸化物がスケールとなって表出してしまうので外観が悪くなるという問題がある。しかしながら、本願の第８の発明によれば、原料粉末を無酸化雰囲気中で高密度エネルギー熱源により溶融し基材に堆積させるので、このような問題を解消することができる。なお、溶融凝固時の雰囲気を無酸化状態に保つためには、例えば、雰囲気中にアルゴンガス等の不活性ガスを流通させてもよいし、雰囲気中の空気を吸引することで真空状態にしてもよい。
【００１５】
本願の第９の発明は、請求項１から請求項８のうちいずれか１項に記載の複合材料の製造方法であって、高密度エネルギー熱源は、移行性プラズマアーク、非移行性プラズマアーク、レーザ、あるいはこれらの熱源の組み合わせにより構成されていることを特徴とする複合材料の製造方法である。レーザには、例えば、炭酸ガスレーザや、ＹＡＧレーザなどを用いることができる。これらのレーザは、加熱溶融する原料粉末の量や、成形する部材の成形精度などによって使い分けることができる。
したがって、このようなエネルギー集中度が高い熱源を用いることで原料粉末を急速に溶融させることができ、基材側への入熱を抑制することができる。すると、溶融した原料粉末が基材に堆積した際に急速に凝固するので、硬質粒子が粗大にならずに微細な内部組織を持つ複合材料を得ることができる。なお、これら複数種類の熱源は、複合材料の種類、形成する部材の形状や大きさ等によって適宜に使い分けることができる。
【００１６】
本願の第１０の発明は、請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の製造方法によって得られた複合材料の表面に、硬質粒子を含まない鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなる層を所定の厚みに堆積させることを特徴とする複合部材の製造方法である。
硬質粒子がその内部に分散している複合材料は、切削などの機械加工を行うと、その硬質粒子が阻害因子となり、加工性が悪いことが問題となっている。本願の第１０の発明による複合部材によれば、機械加工を行いたい表面部分に硬質粒子が含まれていない鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなる層が所定の厚みに堆積しているので、一般の鉄鋼材料と同様な方法で部材の仕上げ加工等を行うことができる。また、部材の強度を向上させるための浸炭処理や窒化処理などの表面処理をその層に対して容易に施すことができるという効果もある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施の形態は、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料３０を製造する例について説明するものである。
【００１８】
〔溶射装置について〕
図１は、プラズマ溶射装置１０によって基材２０の表面に原料粉末を溶射する際の態様を示す模式図であり、図１（ａ）は原料粉末を堆積させる前の状態を示しており、図１（ｂ）は原料粉末を堆積させた後の状態を示している。
図１に示すように、プラズマ溶射装置１０は、基材２０との間に発生させたプラズマアーク中に原料粉末を噴射することでその原料粉末を溶融し基材２０の表面に堆積させる装置である。プラズマ溶射装置１０は、電源の負極側に接続されたタングステン等の金属で構成される放電極、原料粉末を噴射するための噴射ノズル、噴射ノズル自体の過熱を防止するための冷却水を流すための冷却機構、溶融凝固する原料粉末の酸化を防止するためのシールドガスを噴射するシールドガス噴射機構等をトーチ本体１１の内部に一体状に備えて構成されている。プラズマ溶射装置１０は、このプラズマ溶射装置１０を基材２０の軸方向に沿って自在に移動させることのできる図示しない可動受台に装着されている。
なお、プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法と呼ばれることがある）を用いてもよいし、非移行性プラズマアーク（プラズマ溶射法と呼ばれることがある）を用いてもよい。また、プラズマを熱源とした溶射装置に限らず、熱集中度の高いものであれば、例えばレーザを熱源とした溶射装置を用いることも可能である。
【００１９】
基材２０は、所定の長さを有する鋼管で形成されており、電源の正極側が接続されることで放電極との間にプラズマアークを発生させるように配線がなされている。基材２０は、その基材２０を軸中心に回転させることのできる図示しない回転受台に装着されている。本実施の形態では、基材２０として外径２０ｍｍのＳ１０Ｃ（機械構造用炭素鋼）の鋼管を用いている。
【００２０】
〔複合材料の元素比率について〕
本実施の形態において製造する複合材料の元素比率としては、図２の表中に示す３つの鋼種を設定した。
すなわち、鋼種Ａとして、硼素（Ｂ）：６．２％、チタン（Ｔｉ）：１３．６％、クロム（Ｃｒ）：１．２％、炭素（Ｃ）：０．０５％、鉄（Ｆｅ）：７８．９５％を設定した。また、鋼種Ｂとして、硼素（Ｂ）：２．７％、チタン（Ｔｉ）：６．３％、クロム（Ｃｒ）：１６．０％、炭素（Ｃ）：０．０５％、鉄（Ｆｅ）：７４．９５％を設定した。また、鋼種Ｃとして、クロム（Ｃｒ）：３．２％、モリブデン（Ｍｏ）：３．６％、タングステン（Ｗ）：２５．２％、炭素（Ｃ）：２．１％、鉄（Ｆｅ）：６５．９％を設定した。ただし、上記の「％」はすべて重量％であり、これらの元素比率は複合材料が凝固もしくは焼結した後の元素比率である。
なお、鋼種Ａは、硬質粒子としてＴｉＢ２が約３０体積％析出するように設定したものである。鋼種Ｂは、硬質粒子としてＴｉＢ２が約１５体積％析出するように設定したものである。鋼種Ｃは、硬質粒子としてＷＣなどの炭化物が約４０体積％析出するように設定したものである。
【００２１】
〔実施例１〕
実施例１では、原料粉末として、主にマトリックスを形成するクロム鉄合金、鉄チタン合金、硼化鉄の３種類の粉末を混合したものを用いた。この実施例１では、前記３種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下、平均粒径が８０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法）を用い、雰囲気中にアルゴンガスを流通させることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ａの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２２】
〔実施例２〕
実施例２では、原料粉末として、主にマトリックスを形成するクロム鉄合金、鉄チタン合金、硼化鉄の３種類の粉末を混合したものを用いた。この実施例２では、前記３種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下、平均粒径が８０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、非移行性プラズマアーク（プラズマ溶射法）を用い、雰囲気中を真空にすることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ａの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２３】
〔実施例３〕
実施例３では、原料粉末として、主にマトリックスを形成するクロム鉄合金、鉄チタン合金、硼化鉄の３種類の粉末を混合したものを用いた。この実施例３では、前記３種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下、平均粒径が８０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。原料粉末の溶射装置としては、プラズマ溶射装置１０ではなく、レーザを熱源とした溶射装置を用いた。雰囲気中にアルゴンガスを流通させることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ａの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２４】
〔実施例４〕
実施例４では、原料粉末として、鉄チタン合金、硼化鉄の２種類の粉末を混合したものを用いた。この実施例４では、前記２種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下、平均粒径が８０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法）を用い、雰囲気中にアルゴンガスを流通させることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ａの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２５】
〔実施例５〕
実施例５では、原料粉末として、鉄チタン合金、硼化鉄の２種類の粉末を混合したものを用いた。ただし、この実施例５では、前述した実施例４とは異なるチタン及び硼素の含有率を有する原料粉末を用いた。この実施例５では、前記２種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下、平均粒径が８０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法）を用い、雰囲気中にアルゴンガスを流通させることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ｂの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２６】
〔実施例６〕
実施例６では、原料粉末として、硬質粒子となる硼化チタンを含有する鉄を粉末状にしたものを用いた。この実施例６では、硼化チタンを含有する鉄をスプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下、平均粒径が８０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法）を用い、雰囲気中にアルゴンガスを流通させることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ｂの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２７】
〔実施例７〕
実施例７では、原料粉末として、主にマトリックスを形成するクロムモリブデン鋼と炭化タングステンチタンの２種類の粉末を混合したものを用いた。この実施例７では、前記２種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下、平均粒径が８０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法）を用い、雰囲気中にアルゴンガスを流通させることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ｃの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２８】
〔比較例１〕
比較例１では、原料粉末として、主にマトリックスを形成するクロム鉄合金、鉄チタン合金、硼化鉄の３種類の粉末を混合したものを用いた。この比較例１では、前記３種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上２５０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法）を用い、雰囲気中にアルゴンガスを流通させることで無酸化状態にして原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ａの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００２９】
〔比較例２〕
比較例２では、原料粉末として、主にマトリックスを形成するクロム鉄合金、鉄チタン合金、硼化鉄の３種類の粉末を混合したものを用いた。この比較例２では、前記３種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。プラズマ溶射装置１０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法）を用い、大気に開放された雰囲気中において原料粉末の溶融堆積を行った。原料粉末は、溶融凝固後に鋼種Ａの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００３０】
〔比較例３〕
比較例３では、原料粉末として、主にマトリックスを形成するクロム鉄合金、鉄チタン合金、硼化鉄の３種類の粉末を混合したものを用いた。この比較例３では、前記３種類の成分を混合し、スプレードライヤーなどの造粒手段により造粒し、標準櫛によりふるい分けをすることで粒径が１０μｍ以上１５０μｍ以下に調整した原料粉末を用いた。
この比較例３では、基材２０の表面に原料粉末を堆積させることで複合材料３０を形成するという方法ではなく、製造方法の違いによる比較検討のために、調整した原料粉末をＳ１０Ｃの容器の中に封入した後、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）により１２００℃、１１００気圧の条件下で焼結させることにより所定形状の複合材料の成形を試みた。原料粉末は、焼結後に鋼種Ａの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００３１】
〔比較例４〕
比較例４では、基材２０の表面に原料粉末を堆積させることで複合材料３０を形成するという方法ではなく、製造方法の違いによる比較検討のために、原料となる金属化合物を所定の成分となるように調合し、真空溶解炉で溶解させることにより所定形状の複合材料の成形を試みた。真空溶解炉に投入する原料は、溶融凝固後に鋼種Ｂの複合材料が得られるように成分を調整した。
【００３２】
上記の実施例１〜７及び比較例１〜４の実験条件についてまとめた表を図３に示した。
【００３３】
〔結果〕
実施例１〜７及び比較例１〜４において得られた複合材料について、下記の各項目について測定・調査した結果を図４の表に示した。
・複合材料中の硬質粒子（硼化チタン）の析出量［体積％］
・複合材料のヤング率［ＧＰａ］
・複合材料中に含まれる硬質粒子の平均粒径［μｍ］
・複合材料中における硬質粒子の分散状態
・複合材料のニアネット性（成形性）の良否
【００３４】
〔結果からの考察〕
実施例１〜７では、微細な硬質粒子（硼化チタン）が内部組織中に均一に分散しており、同等な鋼種における他の条件の比較例に対して高いヤング率（もしくは剛性）を有する複合材料３０を得ることができた。
【００３５】
実施例１と比較例２の結果を比較すると、実施例１では２８３ＧＰａという高ヤング率の複合材料３０が得られたのに対し、比較例２では２５８ＧＰａという低いヤング率の複合材料３０が得られた。また、実施例１では硬質粒子の分散状態が比較的均一であったのに対し、比較例２では硬質粒子の分散状態が不均一であり、表層近傍の硬質粒子の密度が中心部から離れるにしたがって徐々に減少している状態が観察された。これは、比較例２では雰囲気中に存在する酸素と原料粉末中のチタンとが化合してしまい、硬質粒子を形成すべきチタンが酸化して酸化スケールとなって表出してしまったことが原因であると考えられる。
【００３６】
実施例１〜７及び比較例１〜３では硬質粒子の平均粒径がいずれも１５μｍ以下と微細であったのに対し、比較例４では硬質粒子の大きさが３０μｍと粗大であった。これは、比較例４では投入される原料が粉末状でないために、溶融した原料の凝固の速度が遅いために硬質粒子が粗大化してしまったものと考えられる。
【００３７】
実施例１と比較例１の結果を比較すると、実施例１では硬質粒子の分散状態が比較的均一であったのに対し、比較例２では硬質粒子の分散状態が不均一であった。これは、比較例１では原料粉末として使用したクロム鉄合金の粒径が２５０μｍ以下であったために、マトリックスが広がっている部分が生じてしまい、硬質粒子が密集している部分と密集していない部分とに分かれてしまったことが原因であると考えられる。
【００３８】
複合材料のニアネット性（より製品に近い形状に成形できること）を比較すると、実施例１〜実施例７及び比較例１〜２の溶融堆積法では、トーチ本体１１の移動量等を制御することにより、曲面や複雑な凹凸形状等を有する複合材料３０を基材２０の外周に沿って形成することができた。これに対し、比較例３では、ＨＩＰ法によるプレスのために成形の自由度が低く、円柱状の鋼塊しか成形することができなかった。比較例４では、鋳型によって複雑な形状を有する複合材料を成形することができた。
【００３９】
上記の結果より、硬質粒子が粗大化せずに緻密な内部構造を持つ複合材料を得るためには、原料粉末として最大粒子径が１５０μｍ以下のものを使用するのが好ましいことが判明した。さらに、平均粒子径が８０μｍ以下のものを使用するのが一層好ましいことが判明した。
また、原料粉末を溶融させるための熱源としては、移行性プラズマアーク、非移行性プラズマアーク、レーザなどのエネルギー集中度の高いものを使用するのが好ましいことが判明した。
【００４０】
〔他の実施例〕
図５に示すように、実施例１〜７によって得られた複合材料３０の外表面に、さらに、硬質粒子を含まない鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなる層４１を所定の厚みに堆積させることで複合部材４０を製造することができた。このような層４１は、例えばプラズマ溶射装置１０によって形成することができる。
このような複合部材４０によれば、切削などの機械加工を行いたい表面に硬質粒子を含まない層４１が堆積していることになり、硬質粒子に阻害されることなく一般の鉄鋼材料と同様な方法で表面の仕上げ加工等を行うことができる。また、強度を向上させるための浸炭処理や窒化処理などの表面処理を層４１に対して容易に施すことができるという効果もある。
【００４１】
〔変更例〕
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更することが可能である。
本発明により製造されるべき複合材料において、マトリックス金属中に分散させる硬質粒子としては、硼化チタン（ＴｉＢ２）に限らず、例えば、硼化鉄（ＦｅＢ２）、硼化ニオブ（Ｎｂ２Ｂ）、硼化クロム（Ｃｒ３Ｂ）などを採用することができる。また、硼化物に限らず、主に金属の炭化物、窒化物等を硬質粒子として採用することができる。例えば、炭化物の硬質粒子として、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化モリブデン（Ｍｏ２Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）などを採用することができる。例えば、窒化物の硬質粒子として、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化硼素（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化バナジウム（ＶＮ）などを採用することができる。
【００４２】
本発明で用いることのできる原料粉末としては、上述した原料粉末に限らず、溶融凝固後にマトリックス中に硬質粒子が存在している複合材料となるように成分の配合がしてある原料粉末であれば、どのような原料粉末でも用いることが可能である。本発明において採用できる原料粉末としては、例えば以下のものが挙げられる。
１．モリブデン鉄合金の粉末と、高炭素鉄合金（炭素工具鋼ＳＫ３など）の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として炭化モリブデンが析出する。
２．チタン鉄合金の粉末と、高炭素鉄合金（炭素工具鋼ＳＫ３など）の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として炭化チタンが析出する。
３．鉄もしくは鉄合金の粉末と、硼化鉄の粉末と、鉄チタン合金の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として硼化チタンが析出する。
【００４３】
上記実施の形態では、予め混合した状態の原料粉末をプラズマ溶射装置１０に供給して基材２０の表面に堆積させる例を示したが、このような態様に限定するものではない。原料粉末が複数種類の粉末からなる場合には、予め混合した状態で熱源に供給してもよいし、別々の状態で熱源に供給してもよい。
【００４４】
上記実施の形態では、原料粉末を溶融させるための熱源が、移行性プラズマアーク、非移行性プラズマアーク、レーザである例を示したが、必要に応じてこれらの熱源を組み合わせて使用してもよい。
【００４５】
上記実施の形態では、基材２０がＳ１０Ｃの鋼管である例を示したが、このような態様に限定するものではない。基材２０の材質はＳ１０Ｃに限らず、例えばＳＳ、ＳＵＳ、ＳＫ等どのような材質を用いてもよい。また、基材２０の形状は管状である必要はなく、例えば、棒状、板状、球状の基材に対しても本発明を適用することができる。
【００４６】
本発明は、剛性が必要とされる様々な機械部品に対して適用可能である。例えば、内燃機関のピストンピン、バルブヘッド、ギヤ、シャフト、ケーシング等を製造する際に本発明を適用することができる。また、本発明は、剛性や硬度が必要とされる工具や工作機械の分野に対しても適用可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなるマトリックス金属中に、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の硬質粒子が分散して存在している複合材料の製造方法において、より成形性が高く、より強度の高い複合材料の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ溶射装置によって基材の表面に原料粉末を溶射する際の態様を示す模式図である。
【図２】実施の形態において製造する複合材料の元素比率を示す表である。
【図３】実施例１〜７及び比較例１〜４の実験条件についてまとめた表である。
【図４】実施例１〜７及び比較例１〜４において得られた複合材料について調査した結果を示す表である。
【図５】複合材料の外表面に、さらに、硬質粒子を含まない鉄、鋼、あるいはこれらの合金からなる層を所定の厚みに堆積させて複合部材を製造する際の態様を示す模式図である。
【符号の説明】
１０    プラズマ溶射装置
１１    トーチ本体
２０    基材
３０    複合材料
４０    複合部材
４１    層
【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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