(57)【要約】【課題】鉄鋼部材に溶射層を積層形成すると、長時間の使用の後に、鉄鋼部材と溶射層との境界面や溶射層間で亀裂が発生することがある。【解決手段】焼入工程及び溶射工程を経た鋼製ワーク１５を焼戻しすると、溶射層３０は、焼戻し後の自溶性合金３３にセラミックス粉末３１・・・が分散した状態になり、且つ溶射層３０は拡散接合層３４により鋼製ワーク１５に接合する。【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６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材料を所望の形状に加工してなるワークに、焼入処理を施す焼入工程と、焼入処理済みのワークの表面に、セラミックス粉末及び自溶性合金粉末の混合粉末を溶射する溶射工程と、溶射を施したワークに、複数回の焼戻し処理を施す焼戻し工程とからなり、この焼戻し工程により、溶射層をワーク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。
【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３頁〜第５頁、図２）
【０００４】
図１０は特許文献１の図２の再掲図である。ただし、符号は振り直す。１０１は被保護基体、１０２は第１溶射層、１０３は第２溶射層、１０４は第３溶射層、１０５は含浸強化層である。
被保護基体１０１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１０２は、例えばＮｉＣｒＡｌ系耐熱合金（同段落番号［００３２］第１〜３行参照）である。
【０００５】
第２溶射層１０３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１０４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１０５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、耐摩耗性、耐熱性が高まるというものである（例えば段落番号［００３７］、［００４６］参照）。
【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１０２と第２溶射層１０３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１０２を構成する耐熱合金と第２溶射層１０３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したものと思われる。
【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、鉄鋼材料を所望の形状に加工してなるワークに、焼入処理を施す焼入工程と、焼入処理済みのワークの表面に、セラミックス粉末及び自溶性合金粉末の混合粉末を溶射する溶射工程と、溶射を施したワークに、複数回の焼戻し処理を施す焼戻し工程とからなり、この焼戻し工程により、溶射層をワーク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、溶射後に複数回焼戻しを施すことにより、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、溶射層間のクラックの進展を抑制し、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】
【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。
【００１２】
図１は本発明に係る焼入工程の原理図であり、焼入工程では、鋼製ワーク１５を焼入炉１０に装入し、１０００℃〜１０５０℃の温度で焼入する。具体的には、焼入炉１０は、炉体１１と、加熱手段１２と、雰囲気ガス吹込み手段１３と、ガス排出管１４とからなり、鋼製ワーク１５を炉体１１に装入し、雰囲気ガス吹込み手段１３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１４で排出することで、炉内を不活性ガスで満たす。
【００１３】
次に、加熱手段１２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。その後、鋼製ワーク１５を急冷処理する。急冷処理は、油冷や衝風冷却が適当である。
これで焼入工程が終了する。
【００１４】
図２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２０から高温流体２１（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２１に粉末供給管２２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２３を供給し、この混合粉末２３を溶融させつつ、鋼製ワーク１５に吹付け、積層する。積層物を溶射層３０と呼ぶことにする。
【００１５】
鋼製ワーク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。
【００１６】
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、前記微細な隙間を低減させることができる。
【００１７】
図３は図２の３部拡大図であり、溶射層３０は、影付き楕円で表わしたセラミックス粉末３１・・・（・・・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粉末３２・・・とが、ほぼ交互に重なり合った断面となる。
【００１８】
溶射層３０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３０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。
【００１９】
図４は本発明に係る焼戻し工程の原理図である。焼戻し工程では、図１の焼入工程及び図２の溶射工程を経た鋼製ワーク１５を炉体４１に装入し、５５０℃〜６５０℃の温度で焼戻しする。
【００２０】
具体的には、焼戻し炉４０は、炉体４１と、ドア４２と、ローラーテーブル４３と、電熱体４６と、モータ４７と、熱風ファン４８とからなり、鋼製ワーク１５を炉体４１のドア４２を開いて、ローラーテーブル４３上に装入する。その後に、電熱体４６とモータ４７を用いた熱風ファン４８により、炉内を所定温度まで上げる。熱風ファン４８は雰囲気ガスを攪拌させ、炉内温度の均一化と、鋼製ワーク１５への伝熱を促す役割を示す。
【００２１】
図５は本発明の焼戻し工程のための温度曲線図であり、横軸は時間、縦軸は処理温度を示す。
一次焼戻しは約５５０℃程度で実施する。二次焼戻しはそれより数十℃高めの温度で処理し、三次焼戻しでは二次焼戻し温度より低めの温度で実施する。
【００２２】
焼戻しは、本来靱性向上を目的とするが、金型として通常用いる合金工具鋼では複数回の焼戻しを施すことで適度な硬さを得ることもできる。
すなわち、鋼製ワーク材料は、例えばＪＩＳ  ＳＫＤ６１であり、ＳＫＤ６１は合金工具鋼で、一般的には複数回の焼戻しを行わないが、本発明のように金型などに適用する場合に機械的性質を向上させる目的で３回繰返して焼戻すことが望ましい。焼戻しの温度及び回数は鋼種やワークの形状に応じて適宜決めればよい。
【００２３】
図６は本発明により得られた鋼製ワークの要部断面図である。鋼製ワーク１５を焼戻しすると、溶射層３０は、焼戻し後の自溶性合金３３にセラミックス粉末３１・・・が分散した状態になり、且つ溶射層３０は拡散接合層３４により鋼製ワーク１５に接合する。
【００２４】
以上の作用をフロー図により説明する。
図７は本発明方法に係るフロー図であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：ワークの加工工程を実施する。
ＳＴ０２：図１の要領で焼入工程を実施する。
ＳＴ０３：図２、３の要領で溶射工程を実施する。
ＳＴ０４：図４、５の要領で焼戻し工程を実施する。
これで、図６の断面構造が得られる。
【００２５】
上記のフロー図を文章化すると、次の通りになる。
鉄鋼材料を所望の形状に加工してなるワークに、焼入処理を施す焼入工程と、焼入処理済みのワークの表面に、セラミックス粉末及び自溶性合金粉末の混合粉末を溶射する溶射工程と、溶射を施したワークに、複数回の焼戻し処理を施す焼戻し工程とからなり、この焼戻し工程により、溶射層をワーク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、溶射後に焼戻しを行うことにより、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、鋼製ワークの寿命、耐久性を飛躍的に高めることができる。
【００２７】
本発明に係る別実施例を次に説明する。
図８は図６の別実施例に係る鋼製ワークの要部断面図であり、鋼製ワーク１５に自溶性粉末のみからなる溶射層３５を溶射により形成し、この溶射層３５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３０を形成する。そして、２層の溶射層３５、３０を鋼製ワーク１５に積層したワークが得られると共に、鋼製ワーク１５と溶射層３５との間に拡散接合層３４を形成できたことを示す。
【００２８】
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。
【００２９】
図９は図６のさらなる別実施例に係るワークの要部断面図であり、鋼製ワーク１５に自溶性粉末のみからなる溶射層３５を溶射により形成し、この溶射層３５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３０Ａを形成し、この溶射層３０Ａ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３０Ｂを形成する。そして、見かけ上、傾斜構造にした溶射層３５、３０Ａ、３０Ｂを鋼製ワーク１５に積層したワークが得られると共に、鋼製ワーク１５と溶射層３５との間に拡散接合層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。
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。
【００３１】
【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：鋳造用金型合金
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
【００３２】
○焼入・焼戻し条件：
加熱温度：１０２５℃
焼戻し回数：３回
焼戻し温度：１回目：５５０℃、２回目：６５０℃、３回目：６００℃
【００３３】
○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用金型に対して、鋳造回数が１．２〜１．５倍の増加が見込めた。
【００３４】
尚、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。
【００３５】
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。
【００３６】
【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、鉄鋼材料を所望の形状に加工してなるワークに、焼入処理を施す焼入工程と、焼入処理済みのワークの表面に、セラミックス粉末及び自溶性合金粉末の混合粉末を溶射する溶射工程と、溶射を施したワークに、複数回の焼戻し処理を施す焼戻し工程とからなり、この焼戻し工程により、溶射層をワーク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。
【００３７】
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、溶射後に複数回焼戻しを施すことにより、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、溶射層間や鋼製ワークと溶射層間のクラックの進展を抑制し、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る焼入れ工程の原理図
【図２】本発明に係る溶射工程の原理図
【図３】図２の３部拡大図
【図４】本発明に至る焼戻し工程の原理図
【図５】本発明の焼戻し工程のための温度曲線図
【図６】本発明により得られた鋼製ワークの要部断面図
【図７】本発明方法に係るフロー図
【図８】図６の別実施例に係るワークの要部断面図
【図９】図６のさらなる別実施例に係るワークの要部断面図
【図１０】特許文献１の図２の再掲図
【符号の説明】
１５…鋼製ワーク、２３…混合粉末、３０…溶射層、３１…セラミックス粉末、３２…自溶性合金粉末、３３…焼戻し後の自溶性合金、３４…拡散接合層。
【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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【図６】
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【図７】
2004307938.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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