(57)【要約】【課題】硬質の化合物粒子が分散する合金層を表面に有する金属部材を、溶接等の接合方法を用いることなく製造する。【解決手段】化合物を含む合金の粉末を筒状の容器に封入し、その状態で熱間静水圧成形及び／または熱間押出し加工を施し、これらの加工により化合物を分断し粉末同士を金属的に結合させる。容器内に金属部材を挿入するか或いは金属部材が筒状のものであるときは容器を金属部材となる材料にて形成する。その後、機械加工を施して前記化合物粒子が分散した合金層を表面に有する金属部材を製造する。化合物粒子分散合金層を表面に有する金属部材を、溶接等の接合方法によらずに製造できる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法において、前記化合物を含む合金の粉末を筒状の金属容器に封入し、その状態で熱間静水圧成形及び熱間押出し加工から選ばれた少なくとも一方よりなる熱間塑性加工を施し、該熱間塑性加工により前記化合物を分断し前記粉末同士及び前記粉末と前記金属容器とを金属的に結合し、その後、機械加工を施して前記化合物粒子が分散した合金層を内表面に有する筒状金属部材を製造することを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記化合物を含む合金が、けい化物とほう化物及び炭化物から選ばれた少なくとも１種よりなる前記化合物を含むニッケル基合金，コバルト基合金及び鉄基合金のいずれかよりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、前記ニッケル基合金が、けい素８重量％以下、ほう素０〜４重量％，クロム７〜３０重量％，炭素１．２  重量％以下，タングステン０〜５重量％，鉄４２重量％以下でニッケル量を超えない範囲、及び残部がニッケルよりなるニッケル基合金よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１において、前記粉末が、前記合金の溶湯より噴霧することによって製造された合金粉末よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、前記噴霧によって製造された合金粉末が、不活性ガス噴霧により製造されたガスアトマイズ粉よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項６】
請求項４において、前記合金粉末が、粉末製造過程でデンドライト状に析出した化合物を含む合金粉末よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項７】
請求項１において、前記合金粉末を前記金属容器に封入する際に該容器内のガス排気を行うことを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項８】
表面に化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法において、前記化合物を含む合金の粉末及び前記金属部材を容器に封入し、その状態で熱間静水圧成形及び熱間押出し加工から選ばれた少なくとも一方よりなる熱間塑性加工を施し、該熱間塑性加工により前記化合物を分断し前記粉末同士及び前記粉末と前記金属部材とを金属的に結合し、その後、機械加工を施して前記化合物粒子が分散した合金層を表面に有する金属部材を製造することを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、前記化合物を含む合金が、けい化物とほう化物及び炭化物から選ばれた少なくとも１種よりなる前記化合物を含むニッケル基合金，コバルト基合金及び鉄基合金のいずれかよりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記ニッケル基合金が、けい素８重量％以下，ほう素０〜４重量％，クロム７〜３０重量％，炭素１．２  重量％以下，タングステン０〜５重量％，鉄４２重量％以下でニッケル量を超えない範囲、及び残部がニッケルよりなるニッケル基合金よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項１１】
請求項８において、前記粉末が、前記合金の溶湯より噴霧することによって製造された合金粉末よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記噴霧によって製造された合金粉末が、不活性ガス噴霧により製造されたガスアトマイズ粉よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１において、前記合金粉末が、粉末製造過程でデンドライト状に析出した化合物を含む合金粉末よりなることを特徴とする化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法。
【請求項１４】
化合物粒子が分散した合金層を摺動面に有する摺動部材において、前記化合物粒子が分散した合金層が熱間静水圧成形及び熱間押出し加工から選ばれた少なくとも一方よりなる熱間塑性加工によって得られ、該熱間塑性加工時に前記摺動部材と一体化されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項１５】
請求項１４において、前記合金層がニッケル基合金，コバルト基合金及び鉄基合金のいずれかよりなり、前記化合物粒子としてけい化物，ほう化物及び炭化物から選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項１６】
請求項１５において、前記ニッケル基合金が、けい素８重量％以下，ほう素０〜４重量％，クロム７〜３０重量％，炭素１．２  重量％以下，タングステン０〜５重量％，鉄４２重量％以下でニッケル量を超えない範囲、及び残部がニッケルよりなるニッケル基合金よりなることを特徴とする摺動部材。
【請求項１７】
請求項１４において、前記金属部材が、炭素鋼，低合金鋼及びステンレス鋼から選ばれた１つよりなることを特徴とする摺動部材。
【請求項１８】
請求項１４において、前記合金層の表面に該合金層よりも硬質のセラミックス皮膜のコーティング層を有することを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物粒子分散合金層を表面に有する金属部材の製造方法に係り、また摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物分散合金層を表面に有する金属部材は、弁等の摺動部品に使用されている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１には、ほう化クロム粒子を分散させたクロム−ホウ素−けい素系のニッケル基合金により、弁の摺動面を形成することが記載されている。また、特許文献２には、粒状又は塊状の共晶炭化物が分散したコバルト基，ニッケル基又は鉄基合金により弁の摺動面を形成することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−６３２５１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開２００１−２８８５２１号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、いずれも、合金中に硬質の化合物粒子を分散させることによって、耐摩耗性及び耐焼き付き性を高めたものである。硬質の化合物粒が分散した合金は、一般に延性が乏しく加工しにくい。したがって、弁の本体は加工性の良い他の金属で形成し、摺動面のみに化合物粒子分散合金層を形成することが行われる。化合物粒子分散合金層を形成する方法としては、溶接が最も一般的であるが、溶接を行うと溶融により粗大な化合物を含む凝固組織になってしまい、当初の微細な粒子の状態を保持できない。
【０００６】
本発明の目的は、溶接等の接合手段を採らずに、化合物粒子分散合金層を金属部材の表面に形成することができるようにしたことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に化合物粒子分散合金層を有する金属部材を、熱間静水圧成形（ｈｏｔ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ）及び熱間押出し加工から選ばれた少なくとも一方よりなる熱間塑性加工によって製造することにある。
【０００８】
前記熱間塑性加工を施すに当たっては、化合物を含む合金の粉末を用意して、これを容器に封入する。封入する際には、容器内に溜まっている気体主に空気を排気して、粉末の酸化を防ぐことが望ましい。粉末を容器に封入した状態で、熱間静水圧成形と熱間押出し加工の一方又は両方を施す。これらの塑性加工により、化合物は分断されて粒状又は塊状になる。また、粉末同士が金属的に結合する。容器が金属でできていれば、金属容器と粉末も金属的に結合する。粉末の一部が金属容器の内面に食い込む現象も起こる。前記熱間塑性加工が終了したならば、機械加工、例えばワイヤカットによる切削加工を行う。前記容器が筒状の金属容器であれば、化合物粒子分散合金層を内表面に有する筒状金属部材を製造することができる。
【０００９】
また、粉末を容器内に封入するときに、同時に金属部材を挿入しておけば、金属部材の表面に化合物粒子分散合金層が形成された金属部材を製造することができる。管状の金属部材の内面に化合物粒子分散合金層を形成する場合には、管状の金属部材が容器を兼ねることができる。
【００１０】
本発明は、弁の摺動面あるいは弁の軸，はめ輪，ブッシュ等に化合物粒子分散合金層を形成する方法として好適である。
【００１１】
本発明の製造方法を実施する場合に好適な化合物粒子分散合金の例としては、けい化物とほう化物及び炭化物から選ばれた少なくとも１種を含むニッケル基，コバルト基或いは鉄基合金がある。
【００１２】
ニッケル基合金としては、けい素を８重量％以下，ほう素を０〜４重量％，クロムを７〜３０重量％，炭素を１．２  重量％以下，タングステンを０〜５重量％，鉄を４２重量％以下かつニッケル量を超えない範囲で含み、残部がニッケルよりなるものが望ましい。
【００１３】
また、合金粉末には、合金の溶湯より噴霧することによって製造されたアトマイズ粉末を用いることが望ましい。アトマイズ粉は、きれいな丸みを帯びた粒子になるので、容器に詰めるのに適する。噴霧方法としては、液体を噴霧する方法及びガスを噴霧する方法がいずれも適用可能であるが、不活性ガスを噴霧する方法が望ましい。水アトマイズは、粉末の表面が酸化されやすく、また、この酸化を伴うために丸い形状の粒子が得られにくい。不活性ガスアトマイズ粉は、酸化がなく、丸い形状の粒子が得られやすい。
【００１４】
粉末を容器に封入する段階では、化合物を粒子状にしておく必要はない。アトマイズ粉では、溶湯が粉化されたのち凝固する過程で、化合物がデンドライト状に析出するが、それを用いることができる。たとえば、前記化学成分範囲のニッケル基合金よりなるアトマイズ粉は、けい化物と場合によってほう化物がデンドライト状に析出するが、それを用いることができる。デンドライト状の析出物は、熱間静水圧成形または熱間押出し加工の過程で、粒状又は塊状に分断される。
【００１５】
本発明の方法によれば、溶接等の接合工程を経ずに、金属部材の表面に化合物粒子分散合金層を形成することができる。また、前記合金層は、金属部材の表面に形成される過程で溶融したりすることはないので、微細な粒状または塊状をした化合物粒子を分散させることができる。
【００１６】
熱間静水圧成形または熱間押出し加工は、一般に知られている方法で行うことができる。例えば、熱間静水圧成形方法としては、アルゴンガスなどの不活性ガスを圧力媒体とし、粉末を封入した容器を所定の温度と圧力の下で加圧処理する方法が知られているが、この方法を適用することができる。また、熱間押出し加工方法としては、ダイスを用いて素材を押し出すことが知られているが、この方法を適用して、粉末を封入した容器を押し出すことができる。
【００１７】
本発明によれば、熱間静水圧成形及び熱間押出し加工から選ばれた少なくとも一方よりなる熱間塑性加工によって化合物粒子分散合金層が形成され、かつその塑性加工時に摺動部材の本体と一体化された摺動部材が提供される。
【００１８】
本発明の摺動部材は、各種弁に用いることができる。また、スイング弁（ｓｗｉｎｇｃｈｅｃｋ  ｖａｌｖｅ）やちょう型弁（ｂｕｔｔｅｒｆｌｙ  ｖａｌｖｅ）の軸，はめ輪或いはブッシュ等に用いることができる。
【００１９】
摺動部材に用いる場合には、炭素鋼，低合金鋼またはステンレス鋼よりなる部材の表面に、けい化物粒子，ほう化物粒子及び炭化物粒子の少なくとも１種を分散したニッケル基合金，コバルト基合金または鉄基合金の層を形成することが望ましい。粒状または塊状の前記化合物粒子が分散したニッケル基合金，コバルト基合金または鉄基合金は、耐摩耗性及び耐焼き付き性が優れており、摺動部材に適する。また、摺動部材に用いる場合、化合物粒子分散合金層の表面に更に硬質のセラミックス皮膜をコーティングして耐摩耗性を高めてもよい。セラミックス材料には、窒化クロム（ＣｒＮ），窒化チタン（ＴｉＮ），炭化チタン（ＴｉＣ）或いは炭化ハフニウム（ＨｆＣ）などを用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施例１
重量％でけい素６．１％，ほう素１．１％，クロム１９．７％，炭素０．３２％，タングステン２．０％，鉄７．６％を含み、残部がニッケルと同伴する不純物よりなるニッケル基合金の粉末を不活性ガスアトマイズ法により製造した。粒度分布が７０〜２５０メッシュの前記ニッケル基合金粉末を、外径１４５ｍｍφ，内径
１２３ｍｍφの炭素鋼Ｓ１２Ｃ製の中空円筒形状をした容器に充填し、常温で圧縮成形してから容器を密封した。その後、約９５０℃の温度で熱間静水圧成形を行い、更に９５０℃の温度で熱間押出し加工を行った。熱間押出し加工は、押し出し圧力が約５，０００ｋｇ／ｃｍ２，ステム速度が２０ｍｍ／秒の条件で行った。容器は、外径が６０ｍｍφになるまで加工された。その後、機械加工を施して、各種試験片を切り出し各種の試験を行った。
【００２１】
ニッケル基合金は、粉末同士が相互に金属的に結合していた。また、ニッケル基合金粉末は、炭素鋼製の容器とも金属的に結合していた。更に粉末の一部は、炭素鋼製の円筒容器の内部まで食い込み、容器と強固に結合していた。また、炭素鋼製の円筒状容器の内面に形成されたニッケル基合金層は、アトマイズ粉の状態ではデンドライト状になっていた化合物が、粒径１０μｍ以下の粒状または塊状をした化合物に粒子に分断されていた。化合物は主にけい化物であり、一部ほう化物も含まれていた。
【００２２】
各種試験では、本実施例によって製造されたニッケル基合金層から溶接棒を切り出して、肉盛溶接を行ったものと比較した。
【００２３】
まず、本発明の実施例によるニッケル基合金層は、肉盛溶接材に比べて、延性が３倍以上も優れていた。また、本発明によるものは、肉盛溶接材に比べて、ノッチ無し衝撃試験では約２．５  倍、Ｕノッチ衝撃試験では約１．４  倍も高い衝撃値を示した。硬さは本発明材及び肉盛溶接材ともにＨｖ５５０〜６００の範囲内であった。
【００２４】
沸騰硫酸と硫酸銅を含む水溶液中に試験片を７２時間浸漬するストラウス試験（ＪＩＳＧ０５７５）を行い、試験後に断面を観察したところ、本発明によるものは侵食深さが最大で１０μｍ以下であり、肉盛溶接材の最大侵食深さ約２００μｍに比べて、耐食性が優れていた。
【００２５】
表面に窒化クロム膜をコーティングした析出硬化型ステンレス鋼ＳＵＳ６３０を摺動相手材に用いて、面圧２０００ｋｇ／ｃｍ２  ，摺動速度３００ｍｍ／分の条件で高温水中における摩擦係数を測定したところ、本発明材は０．３４  であり、肉盛溶接材は０．４３  であった。これより、本発明材は、回転摺動部或いは往復摺動部を有するスイング弁やちょう型弁の軸，はめ輪等に使用するのに適することが確認された。
【００２６】
実施例２
重量％でけい素６．０％，ほう素１．６％，クロム２０．０％，炭素０．７％，タングステン１．６％，鉄５．０％を含み、残部がニッケルと同伴する不純物よりなるニッケル基合金の不活性ガスアトマイズ粉を、外径１４５ｍｍφ，内径１２３ｍｍφの低合金鋼Ｆ１１Ａ（１．５クロム−０．５モリブデン鋼）製の中空円筒形状をした容器に充填して密封し、約９００℃の温度で熱間静水圧成形及び熱間押出し加工を行って、外径７０ｍｍφに加工した。機械加工により円筒状容器を切断したところ、内径は５６ｍｍφであり、金属組織のマトリクスに粒径１０μｍ以下の粒状または塊状のけい化物粒子とほう化物粒子等が分散しているニッケル基合金が詰まっていた。低合金鋼製の円筒状容器とその内部に詰まっているニッケル基合金との間のせん断強度を測定したところ、１５ｋｇ／ｍｍ２以上であった。せん断強度が低い場合には、剥離等が生じやすくなり、スイング弁のはめ輪には適用しにくくなる。本実施例材は、合金層と低合金鋼との界面に１５ｋｇ／ｍｍ２  のせん断力が負荷されても破断せず、例えばはめ輪の摺動相手材である逆止弁の軸との摩擦係数を０．５とすれば、約３，０００気圧（３０００ｋｇ／ｃｍ２）の面圧に耐えられることが確認された。
【００２７】
本実施例材から、外径６８ｍｍφ，内径５０ｍｍφ，長さ１６０ｍｍのスイング逆止弁のはめ輪を機械加工により製作した。低合金鋼製の円筒の内側には厚さ３ｍｍのニッケル基合金層が形成されている。
【００２８】
一方、スイング逆止弁の軸として、析出硬化型ステンレス鋼ＳＵＳ６３０
（１７−４ＰＨ）の表面に窒化クロム膜を約１０μｍの厚さに蒸着によりコーティングした、外径５０ｍｍφの軸を作製した。
【００２９】
更に、外径７０ｍｍφの本実施例材から、長さ１５０ｍｍのものを切り出し、９５０〜１０００℃の温度で軸方向に垂直に熱間プレスして外径を１００ｍｍφ以上に拡張し、これから弁体ブッシュを機械加工により製作した。
【００３０】
本実施例品は、肉盛溶接材に比べて、機械的衝撃に強く割れにくく、また耐食性も良好であった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、粒状または塊状の化合物粒子が分散する合金層を表面に有する金属部材を、溶接等の接合方法を経ずに製造することができる。