(57)【要約】【課題】鉄鋼部材に溶射層を形成すると、長時間の使用の後に、鉄鋼部材と溶射層との境界面に亀裂が発生することがある。【解決手段】溶射層２０は、強固した自溶性合金３７にセラミックス粉末２１・・・が分散した状態になり、且つ溶射層２０は拡散接合層３４により鉄鋼部材１５に強固に接合していることを示す。【効果】自溶性合金の採用により、溶射層と鉄鋼部材との接合強度を高めることができると共にセラミックス粉末を適度に分散させることができる。この結果、ワークの寿命、耐久性を飛躍的に高めることができる。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合してなる混合粉末を溶射法により鉄鋼部材の表面に積層する溶射工程と、
前記工程で得た溶射層並びに前記鉄鋼部材を、前記自溶性合金の融点を超える温度まで加熱する加熱工程と、からなり、
前記加熱により溶射層を金属部材に冶金的に結合させることを特徴とする溶射層と鉄鋼部材との結合方法。
【請求項２】
前記加熱工程は、鉄鋼部材の焼入工程を兼ねることを特徴とする請求項１記載の溶射層と鉄鋼部材との結合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶射層と鉄鋼部材との結合方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋳型などの鉄鋼部材の表面を保護するために、鉄鋼部材を溶射層で被覆する技術が実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２４１９２０公報（第４頁〜第５頁、図２）
【０００４】
図１２は特許文献１の図２の再掲図説明図であり、２４は被保護基体、２６は第１溶射層、２８は第２溶射層、３０は第３溶射層、３２は含浸強化層である。
被保護基体２４は、例えば鉄製材料、アルミニウム合金（特許文献１段落番号［００２９］第３、４行参照）である。
第１溶射層２６は、例えばＮｉＣｒＡｌ系耐熱合金（同段落番号［００３２］第１、２行参照）である。
【０００５】
第２溶射層２８は、ＭｏＢ（ほう化モリブデン）系複合溶射材料（同段落番号［００３５］第１、２行参照）である。
第３溶射層３０は、セラミックス粉末／ＭｏＢ粉末の混合物からなる複合溶射材料（同段落番号［００４２］参照）である。
含浸強化層３２は、有機けい素材料溶解液を含浸させた後、焼き付けることで形成する（同段落番号［００５４］第１〜３行参照）。
【０００６】
特許文献１の技術は、ＭｏＢを混合したので、耐熱性、耐摩耗性が高まるというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者等が検討したところ、特許文献１のような単に溶射層を積層させただけの構造では、長期に亘る繰返し使用の結果、層と層との間で剥離、特に第１溶射層２６と第２溶射層２８との間で剥離が、発生することが分かった。このメカニズムは第１溶射層２６を構成する耐熱合金と第２溶射層２８を構成するＭｏＢ系複合溶射材料との間の密着性が比較的小さく、そこから亀裂が発生し進行すると思われる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、セラミックスを含む溶射層を鉄鋼部材の表面に十分に密着させ、溶射層を鉄鋼部材により強く接合することのできる技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、セラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合してなる混合粉末を溶射法により鉄鋼部材の表面に積層する溶射工程と、前記工程で得た溶射層並びに前記鉄鋼部材を、自溶性合金の融点を超える温度まで加熱する加熱工程と、からなり、加熱により溶射層を金属部材に冶金的に結合させることを特徴とする溶射層と鉄鋼部材との結合方法である。
【００１０】
自溶性合金を採用したので、溶射層と鉄鋼部材との境界面に拡散接合層が形成でき、この拡散接合層が溶射層と鉄鋼部材との接合強度を高める作用を発揮する。
加えて、自溶性合金は、溶射後に加熱溶融化させることにより、セラミックス粉末を適度に分散させる役割を果たす。
従って、自溶性合金の採用により、溶射層と鉄鋼部材との接合強度を高めることができると共にセラミックス粉末を適度に分散させることができる。
この結果、ワークの寿命、耐久性を飛躍的に高めることができる。
【００１１】
請求項２では、加熱工程は、鉄鋼部材の焼入工程を兼ねることを特徴とする。
加熱工程で焼入（加熱）工程を実施すれば、鉄鋼部材の熱処理により改質が図れ、ワークの強度を更に高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る溶射工程の原理図であり、溶射工程では、溶射ガン１０から高温流体１１（高温のガス又はプラズマジェット）を発射し、この高温流体１１に粉末供給管１２を通じて、セラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合してなる混合粉末１３を供給し、この混合粉末１３を溶融させつつ、鉄鋼部材１５に吹付け、積層する。積層物を溶射層２０と呼ぶことにする。
【００１３】
鉄鋼部材１５は、例えば鋳造用金型（ＪＩＳ  ＳＫＤ６１）である。
セラミックス粉末は、ジルコニア（ＺｒＯ２）系セラミックス粉末、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系セラミックス粉末、チタニア（ＴｉＯ２）系セラミックス粉末、シリカ（ＳｉＯ２）系セラミックス粉末が採用できる。
【００１４】
自溶性合金は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系合金が好適であり、それの融点は９８０℃〜１０００℃である。Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系合金は、例えばＣ：０．６９％、Ｂ：３．２８％、Ｓｉ：４．５０％、Ｆｅ：２．８６％、Ｃｒ：１６．７％％、Ｎｉ：Ｂａｌａｎｃｅの組成からなる。
溶射は、高温高速でセラミックス粉末や合金粉末を鉄鋼部材に吹付ける技術であるが、原理的に微細な隙間が発生する。溶射材料に自溶性合金粉末を採用すれば、溶射後に溶射層を融点以上に加熱するだけで、前記微細な隙間を消滅させることができる。
【００１５】
図２は図１の２部拡大図であり、溶射層２０は、影付き楕円で表わしたセラミックス粉末２１・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ）と、白抜き楕円で表わした自溶性合金２２・・・とが、ほぼ交互に重なり合った断面となる。
【００１６】
溶射層２０の厚さは、１００μｍ〜１０００μｍの範囲から選ぶ。１００μｍ未満では、溶湯の熱を遮断する能力が不十分となり、金型の寿命が短くなる。また、溶湯の熱が逃げやすくなるため冷却・凝固が進み、湯廻り不良の原因となる。  また、１０００μｍを超えると、溶射層内に大きな残留応力が発生し、割れ易くなる。従って、溶射層２０の厚さは、１００μｍ〜１０００μｍの範囲から選ぶことが望ましい。溶射層が多層の場合は、合計厚さが上記範囲に収まるようにする。
【００１７】
図３は本発明に係る加熱工程の原理図であり、加熱工程では、前記溶射層を表面に備えるワーク２４を、加熱炉２５に装入し、自溶性合金の融点以上の温度まで加熱する。具体的には、加熱炉２５は、密閉性炉体２６と、加熱手段２７と、雰囲気ガス吹込み手段２８と、ガス排出管２９とからなり、ワーク２４を密閉性炉体２６に装入し、雰囲気ガス吹込み手段２８を用いてアルゴンガスなどの不活性ガスを炉内に吹込み、その際に炉内の空気はガス排出管２９で排出することで、炉内を不活性ガスで満たす。その後に、加熱手段２７により、炉内を所定温度まで上げ、所定時間高温状態を保つ。
【００１８】
図４は加熱工程途中の溶射層の状態を示す断面図であり、鉄鋼部材１５と共に溶射層２０を、自溶性合金の融点以上の温度に加熱したことにより、溶射層２０は、溶融合金３１にセラミックス粉末２１・・・が混じった状態になる。
これと同時に、溶射層２０と鉄鋼部材１５との境界面３２では、溶融拡散現象が進行する。
【００１９】
図５は加熱工程完了時の溶射層の状態を示す断面図であり、溶射層２０と鉄鋼部材１５との境界面３２を挟んで拡散接合層３４が形成できたことを示す。
この拡散接合層３４は、鉄鋼部材１５に溶射層２０を強く接合させる役割を果たす。
【００２０】
鉄鋼部材１５を冶金的に強化することを目的に、ワーク２４に焼入を施すことがある。焼入は、ワークを焼入温度まで加熱する工程と、高温のワークを常温まで急冷する工程との連続した２工程からなる。加熱する工程は、図３〜図５での工程と同一である。
【００２１】
急冷する工程を説明する。
図６はワークの急冷工程の原理図であり、油焼入の例を説明すると、焼入槽３５に油３６を満たし、そこへ高温のワーク２４を浸漬する。ワーク２４は油３６により急冷され、焼きが入る。焼入法は、油焼入の他、衝風焼入と呼ばれる冷たい空気を高速で吹付けることでも実施できる。しかし、水焼入は冷却速度が大きすぎて、割れが発生するため、好ましくない。
【００２２】
焼入後に、焼戻しを施すことが望ましく、焼戻しは、図３で述べた加熱炉に類似した焼戻し炉により、ワークを５５０℃〜７００℃に加熱することで実施できるので、詳細な説明は省略する。
【００２３】
図７は本発明により得られたワークの要部断面図であり、ワークを常温付近まで冷却すると、溶射層２０は、強固した自溶性合金３７にセラミックス粉末２１・・・が分散した状態になり、且つ溶射層２０は拡散接合層３４により鉄鋼部材１５に強固に接合していることを示す。
【００２４】
以上の説明をフロー図により説明する。
図８は本発明方法に係る第１のフロー図であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：図１、図２の要領で溶射工程を実施する。
ＳＴ０２：図３〜図５の要領で加熱工程を実施する。
これで、図７の断面構造が得られる。
【００２５】
上記第１のフロー図を文章化すると、次の通りになる。
第１の発明は、セラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合してなる混合粉末を溶射法により鉄鋼部材の表面に積層する溶射工程と、
前記工程で得た溶射層並びに前記鉄鋼部材を、前記自溶性合金の融点を超える温度まで加熱する加熱工程と、からなり、
前記加熱により溶射層を金属部材に冶金的に結合させることを特徴とする溶射層と鉄鋼部材との結合方法である。
【００２６】
自溶性合金を採用したので、溶射層と鉄鋼部材との境界面に拡散接合層が形成でき、この拡散接合層が溶射層と鉄鋼部材との接合強度を高める作用を発揮する。
加えて、自溶性合金は、溶射後に加熱溶融化させることにより、セラミックス粉末を適度に分散させる役割を果たす。
従って、自溶性合金の採用により、溶射層と鉄鋼部材との接合強度を高めることができると共にセラミックス粉末を適度に分散させることができる。
この結果、ワークの寿命、耐久性を飛躍的に高めることができる。
【００２７】
図９は本発明方法に係る第２のフロー図であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ１１：図１、図２の要領で溶射工程を実施する。
ＳＴ１２：図３〜図５の要領で焼入（加熱）工程を実施する。
ＳＴ１３：図６の要領で焼入（急冷）工程を実施する。
ＳＴ１４：焼戻し工程を実施する。
これで、図７の断面構造（ただし、熱処理済み）が得られる。
【００２８】
前記第１のフロー図での加熱工程を、上記第２のフロー図では焼入（加熱）工程に兼用したことを特徴とする。
加熱工程で焼入（加熱）工程を実施すれば、鉄鋼部材の熱処理により改質が図れ、ワークの強度を更に高めることができる。
【００２９】
本発明に係る別実施例を次に説明する。
図１０は図７の別実施例に係るワークの要部断面図であり、鉄鋼部材１５に自溶性粉末のみからなる溶射層３８を溶射により形成し、この溶射層３８にセラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合してなる混合粉末からなる溶射層２０を形成する。そして、自溶性合金の融点以上に加熱することで、２層の溶射層３８、２０を鉄鋼部材１５に積層したワークが得られると共に、鉄鋼部材１５と溶射層３８との間に強い拡散接合層３４を形成できたことを示す。
【００３０】
この構成によれば、溶射層と鉄鋼部材の中間に自溶性合金のみからなる層を有するため、より強い拡散接合をさせることができる。
【００３１】
図１１は図７のさらなる別実施例に係るワークの要部断面図であり、鉄鋼部材１５に自溶性粉末のみからなる溶射層３８を溶射により形成し、この溶射層３８にセラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合してなる混合粉末からなる溶射層２０Ａを形成し、この溶射層２０Ａにより自溶性合金粉末の混合割合を下げ、セラミックス粉末の混合割合を高めた混合粉末からなる溶射層２０Ｂを形成する。そして、自溶性合金の融点以上に加熱することで、見かけ上、傾斜構造にした溶射層３８、２０Ａ、２０Ｂを鉄鋼部材１５に積層したワークが得られると共に、鉄鋼部材１５と溶射層３８との間に強い拡散接合層３４を形成できたことを示す。
【００３２】
この構成によれば、溶射層と鉄鋼部材の中間に自溶性合金のみからなる層を有するため、より強い拡散接合をさせることができる。
溶射層は傾斜構造にしたので、表層は耐摩耗性を強化し、拡散接合層３４付近は耐久性及び接着性を高めることができる。
【００３３】
【実施例】
本発明に係る実施例を次に説明する。
○溶射条件：
鉄鋼部材：鋳造用合金
溶射材料：ＺｒＯ２粉末５０質量％＋Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ自溶性粉末５０質量％
溶射層の厚さ：３００μｍ
【００３４】
○焼入・焼戻し条件：
加熱温度：１０２５℃
急冷方法：油冷
焼戻し回数：３回
焼戻し温度：１回目：５５０℃、２回目：６５０℃、３回目：６００℃
【００３５】
○評価
以上の条件で得た鋳造用金型は、自溶性合金を使用しない、従来の溶射を施した鋳造金型に対して、鋳造回数が１．２〜１．５倍の増加が見込めた。
【００３６】
なお、実験を重ねた結果、次のことが判明した。
溶射層を構成するＺｒＯ２粉末／Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ自溶性粉末の比率は、５／９５〜９５／５の範囲であれば、本発明の作用、効果が期待できる。
５／９５未満であると、断熱性と耐摩耗性が不十分になる。９５／５超では、潤滑性、皮膜強度、密着性の何れもが不十分になる。
【００３７】
また、ＺｒＯ２粉末は、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２などの添加成分を６〜３０質量％含む安定化又は部分安定化ジルコニアが適当であり、なかでも８質量％のＹ２Ｏ３を添加した部分安定化ジルコニアが好適であって、最も耐熱疲労性に優れていた。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、セラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合してなる混合粉末を溶射法により鉄鋼部材の表面に積層する溶射工程と、前記工程で得た溶射層並びに前記鉄鋼部材を、自溶性合金の融点を超える温度まで加熱する加熱工程と、からなり、加熱により溶射層を金属部材に冶金的に結合させることを特徴とする溶射層と鉄鋼部材との結合方法である。
【００３９】
自溶性合金を採用したので、溶射層と鉄鋼部材との境界面に拡散接合層が形成でき、この拡散接合層が溶射層と鉄鋼部材との接合強度を高める作用を発揮する。
加えて、自溶性合金は、溶射後に加熱溶融化させることにより、セラミックス粉末を適度に分散させる役割を果たす。
従って、自溶性合金の採用により、溶射層と鉄鋼部材との接合強度を高めることができると共にセラミックス粉末を適度に分散させることができる。
この結果、ワークの寿命、耐久性を飛躍的に高めることができる。
【００４０】
請求項２では、加熱工程は、鉄鋼部材の焼入工程を兼ねることを特徴とする。
加熱工程で焼入（加熱）工程を実施すれば、鉄鋼部材の熱処理により改質が図れ、ワークの強度を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶射工程の原理図
【図２】図１の２部拡大図
【図３】本発明に係る加熱工程の原理図
【図４】加熱工程途中の溶射層の状態を示す断面図
【図５】加熱工程完了時の溶射層の状態を示す断面図
【図６】ワークの急冷工程の原理図
【図７】本発明により得られたワークの要部断面図
【図８】本発明方法に係る第１のフロー図
【図９】本発明方法に係る第２のフロー図
【図１０】図７の別実施例に係るワークの要部断面図
【図１１】図７のさらなる別実施例に係るワークの要部断面図
【図１２】特許文献１の図２の再掲図説明図
【符号の説明】
１３…混合粉末、１５…鉄鋼部材、２０…溶射層、２１…セラミックス粉末、２２…自溶性合金粉末、３４…拡散接合層、３７…凝固した自溶性合金。
【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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