(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能材としての用途に適した合金組成となるように調合した塊状物、成形体あるいは粉末材料からなる金属材の混合物を、基材となる金属材からなる容器に装入し、
この装入した金属材の混合物を非酸化性雰囲気の下で少なくとも混合物の一部に液相を生じる温度以上に加熱して容器と一体化するクラッド材の製造方法。
【請求項２】
非酸化性雰囲気が、不活性、還元性あるいは真空雰囲気である請求項１に記載のクラッド材の製造方法。
【請求項３】
非酸化性雰囲気を、加熱時に容器中の酸素を吸収、消費あるいは外部と遮断する材料を金属体の混合物とともに容器内に装入して形成する請求項２に記載のクラッド材の製造方法。
【請求項４】
機能材が耐摩耗性を有する金属材料であり、容器が耐摩耗性金属材料を支持する基材からなり、且つ、クラッド材が耐摩耗部材である請求項１に記載のクラッド材の製造方法。
【請求項５】
耐摩耗性を有する金属材料が高クロム鉄材料であり、且つ、基材が鉄材である請求項４に記載のクラッド材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、耐摩耗性を必要とする部位に使用するのに適した金属機能材を基材上に接合したクラッド材の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、耐摩耗性を必要とする部材としては高クロム鋳鉄が多く使用されてきた。ところが、全体を単一の高クロム鋳鉄により製造していたため、部材基部のように耐摩耗性を必要としない部位も高クロム鋳鉄から作られるためにコスト高となり、その上、全体として靭性に乏しく衝撃などにより割れが発生し易い部材にならざるを得なかった。
【０００３】
そこで、この高クロム鋳鉄の単一材に代えて、基材を通常の鋼製とし、必要とする部位のみを耐摩耗性材としたクラッド材の使用が試みられるようになった。
【０００４】
このクラッド材として、短冊状の鋼板上に肉盛溶接により高クロム鉄の層を形成させたものがある。
【０００５】
ところが、この肉盛溶接による耐摩耗クラッド材の場合は、高クロム鉄肉盛部分に割れと、肉盛時での曲がりが発生し易く良好なクラッド材とするのが難しく、また、肉盛する高クロム鉄の厚さに制限があり、耐摩耗部材としての寿命が充分に得られないという欠点があった。
【０００６】
その他、クラッド材を製造する方法として、鋳込み、鋳かけなどもあるが、製造装置設備が大がかりなものとなるために製造コストが高くなり、得られる製品も形状の自由度が乏しくなるという欠点がある。
【０００７】
さらには、高クロム鉄粉末を用いて熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法によりクラッド材を製造する方法もあるが、これも同様に製造装置設備が大がかりなものであり、また粉末材料の焼結時に生じる変形によって曲がりが発生し、板状のクラッド材を製造することには問題が多い。また、高クロム鉄は高硬度であるために機械加工が困難であり、クラッド材を貫通する穴あけ加工などはプラズマガス切断または放電加工のような特殊加工によるほか手立てがない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、この耐摩耗性部材のような金属機能材を基材金属上に接合したクラッド材を得るための簡単で効率のよい製造方法を見いだすことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のクラッド材の製造方法は、機能材としての用途に適した合金組成となるように調合した塊状物、成形体あるいは粉末材料からなる金属材の混合物を、基材となる金属材からなる容器に装入し、この装入した金属材の混合物を非酸化性雰囲気の下で少なくとも混合物の一部に液相を生じる温度以上に加熱して、容器と一体化することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
金属機能材は、最終製品の表面材として、その用途に適した機能を発揮させるもので、クラッド材の用途に応じて、種々の機能を有する金属材料を使用できる。例えば、耐摩耗部材としては、高クロム鋳鉄、高クロム鉄、工具鋼などを、また、ライナーなどの摺動部材用としては、球状黒鉛鋳鉄などを、さらに、軸受などには、銅合金など非鉄金属材を含めて適用でき、特定用途に適した合金組成を有し、あるいは、合金組成となるように調合された板状あるいはブロック状の塊状物、各種成形体、粉末材料の混合物を用いることができる。
【００１１】
容器は、クラッド材の基材となる金属材を使用し、軟鋼、炭素鋼、合金鋼あるいはステンレス鋼などが用いられ、最終製品の基材として、その基材の形状を有するものが使用できる。この容器は完全な気密構造である必要はなく、蓋なしのもの、あるいは溶接により蓋まで一体化された構造のものを使用できる。また、この容器には、容器内部の大気および生じたガスの、温度上昇による昇圧・膨張を防ぐために、排気口を設けた構造とする。この排気口としては、容器蓋の任意の位置に、２ｍｍφ程度の小穴として設けることもできる。
【００１２】
あるいは、容器が比較的良好な密着が得られるのであれば、鋼箱の上面にアルミナ等のセラミックスを蓋として置くだけで、容器内の不活性あるいは還元性雰囲気に対する気密性と容器内部で生じたガスを逃がすための通気性が適度に保たれ、良好なクラッド材を製造することができる。ただし、軟鋼製の蓋を用いる場合は、溶接によって側面と固定しておかなければ、高温での処理中に過度な変形が生じ、適度な気密性が保たれない。
【００１３】
また、本発明を還元性雰囲気炉または真空炉を用いて行う場合は、特に鋼箱に蓋を設ける必要は無く、一体化されたときに基材となる底板と溶融した機能金属を保持する側壁があれば良い。
【００１４】
容器内に装入された希望の合金組成となるように調合された金属機能材の酸化を防ぐための手段の一つとして、空気中の酸素を吸収あるいは消費し、あるいは、外気と遮断する材料として、炭素または炭素化合物、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｇなどの酸素との親和性の高い材料をゲッター材として鋼製容器の内容積に対して充分な量を配置する。これらの微量のゲッター材が容器内の残存酸素と反応して酸化物を形成し、容器内は不活性あるいは還元性雰囲気となる。金属機能材が高クロム鉄のように鉄系金属の場合には、ゲッター材として金属機能材とは別に配置する方法のほか、所定の合金組成となるように炭素等を調合する際に、容器内の残存酸素と反応して消費される量を加味して調合する方法でもよい。ただし、いずれの場合でも必要以上に多量に供給すると、ゲッター材あるいは、炭素あるいは炭素化合物が、共晶反応によって容器を溶融し、所定の形状、雰囲気を保てなくなる。
【００１５】
金属機能材の酸化防止手段としては、この他に、溶接用溶融フラックスなどのフラックスを装入金属材の表面を充分に覆うに必要な量を配置することもできる。フラックスを用いた場合、フラックスは溶融した装入金属材と反応してスラグを形成し、溶融した金属材の表面を覆い、大気を遮断するとともに金属機能材を精錬して脱酸作用により内部のボイドを減少し、さらには金属機能材表面の平滑化が達成される。
【００１６】
また、通常の大気炉を用いて金属機能材の酸化を防止しつつ一体接合を行うためには、気密構造となる箱状容器に金属機能材を真空封入して行うこともできる。
【００１７】
容器に装入された金属機能材の一部に液相を生じさせるための加熱は、電気炉、ガス炉などにより鋼容器全体を加熱し、金属機能材の一部で液相が生じ、かつ容器が溶解しない温度範囲に加熱して、金属機能材と容器を構成する基材金属とを一体接合させる。
【００１８】
【実施例】
本発明の実施例として、金属機能材１として高クロム鉄を、また基材金属として軟鋼板とからなる耐摩耗性クラッド材を製造する例について説明する。
【００１９】
接合用基材金属の容器２として、板厚９ｍｍの軟鋼板を用い、容器内寸幅１９０ｍｍ、長さ２６０ｍｍ、高さ７０ｍｍとなるよう、被覆アーク溶接で組み立てた。図１に示す一体構造タイプのものでは、直径２ｍｍの小孔を１ヵ所設けた軟鋼板で蓋３をし、側面と同様に被覆アーク溶接で全周溶接した。
【００２０】
この軟鋼製容器は一体構造のほかに、図２に示すような排気口を設けた溶接構造の軟鋼外箱４を別に用意した包み込みタイプのものでも、図３に示すような排気口を設けた溶接構造の軟鋼蓋３’と受け皿５を別に用意したマッフルタイプのものでもよく、さらには前述したようにアルミナ蓋を置くタイプのものでもよい。なお、図３で軟鋼蓋３’と受け皿５のすき間に存在するものは、外気との接触を遮断するための耐火物粉末６である。
【００２１】
実施例１
図１に示す軟鋼製箱に、高クロム鋳鉄（炭素３．０５重量％，シリコン０．６７重量％，マンガン０．７４重量％，クロム２１．００重量％，ニッケル０．９０重量％，モリブデン１．６５重量％，残鉄及び不可避不純物）の小片を合計４．５ｋｇ入れ、その上に木炭粉末２０ｇを散布した。
【００２２】
これを電気炉内に置き、２００°Ｃ／ｈｒで加熱し、１３００°Ｃで２時間保持した後、炉冷した。
【００２３】
得られたクラッドライナーは、母材となる厚さ９ｍｍの軟鋼製底板上に厚さ１２ｍｍの硬化層が形成されており、母材と硬化層とは全面に渡って健全な接合がなされていた。
【００２４】
また、得られた硬化層は、炭素３．０６重量％，シリコン０．５８重量％，マンガン０．６９重量％，クロム１９．８７重量％，ニッケル０．９１重量％，モリブデン１．７０重量％の組成となり、マトリックス中には耐摩耗性に寄与する炭化物が析出しており、硬さは平均Ｈｖ７３２であった。
【００２５】
実施例２
図１の軟鋼製箱に、フェロクロム（炭素７．５４重量％，クロム６３．３９重量％，残鉄及び不可避不純物）を３５重量％，フェロタングステン（タングステン７７．４３重量％，残鉄及び不可避不純物）を３重量％，フェロモリブデン（モリブデン６３．３３重量％，残鉄及び不可避不純物）を１１重量％，フェロバナジウム（バナジウム５２．０１重量％，残鉄及び不可避不純物）を２重量％，フェロニオブ（ニオブ６６．９３重量％，残鉄及び不可避不純物）を１２重量％，鋳鉄粉（炭素３．０重量％，残鉄及び不可避不純物）を３５重量％，鱗状黒鉛を２重量％の割合で混合した粉末材料を２０ｍｍの厚さで充填した。
【００２６】
その上部にＡｌ2Ｏ3：３１．８６重量％，ＳｉＯ2：２１．３５重量％，ＣａＦ2：１８．１２重量％，ＣａＯ：１３．４４重量％，ＭｇＯ：１１．２６重量％，Ｋ2Ｏ：２．５３重量％，残ガラス質などの組成の高塩基性溶融フラックス粉末を２０ｍｍの厚さに充填し、更にその上面に１０ｇの木炭を散布した。
【００２７】
これを電気炉内に置き、２００°Ｃ／ｈｒで加熱し、１３００°Ｃで２時間保持した後、炉冷した。
【００２８】
側面を放電切断で除去し、幅１７０ｍｍ、長さ２４０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ（硬化層厚さ１２ｍｍ）のライナーを得た。
【００２９】
得られた硬化層は、炭素４．５９重量％，クロム１７．７９重量％，モリブデン５．４８重量％，タングテスン１．８７重量％，バナジウム０．９１重量％，ニオブ８．１６重量％の組成となり、硬さは平均Ｈｖ７４３であった。
【００３０】
さらに、このライナーを焼入れ（１０００°Ｃから空冷）することにより、硬さは平均Ｈｖ１０４９まで上昇した。
【００３１】
この実施例２によって製作したライナーについて、ＡＳＴＭ−Ｇ６５の規定に基づいて、ラバーホイール摩耗試験を行った。試験条件は回転数３０００回、回転速度１２０ｒｐｍ、試験荷重１０．８ｋｇ、研磨材けい砂６号（土岐砿業社製）で行なった。その結果を、従来法によって得たライナーを同様の試験に供した結果とともに、表１に示す。
【００３２】
【表１】
0003774272.tif 000002
この表１に見られるように、本発明品は従来法によるライナーに比べて２〜３倍の耐磨耗性を有していることが確認される。
【００３３】
実施例３
図２の軟鋼製箱に実施例２と同一混合比の粉末材料を２０ｍｍの厚さで充填した。これを真空封入し、大気炉内で２００°Ｃ／ｈｒで加熱し、１３００°Ｃで２時間保持した後、炉冷した。
【００３４】
その結果、厚さ１２ｍｍの硬化層が得られ、その硬さは平均Ｈｖ９０２であった。
【００３５】
実施例４
図１の軟鋼製箱の底面上に直径４０ｍｍ、高さ６０ｍｍのＳ４５Ｃ円柱を３個立て、点付溶接により固定した。これに実施例２と同一混合比の粉末材料と、さらにその上に実施例２と同一組成の高塩基性溶融フラックス粉末を充填した。
【００３６】
これを電気炉内に置き、２００°Ｃ／ｈｒで加熱し、１３００°Ｃで２時間保持した後、炉冷した。
【００３７】
Ｓ４５Ｃ円柱材は、高クロム鉄との反応により外径が約３６ｍｍと細くなってはいたが、直径３０ｍｍの取付用貫通穴を機械加工で設けることができた。
【００３８】
実施例５
図１の軟鋼製箱に実施例２と同一混合比の粉末材料を４ｋｇ充填し、さらにその上に実施例２と同一組成の高塩基性溶融フラックス粉末を全面に１０ｍｍの厚さで充填し、１５ｇの木炭を散布した。
【００３９】
これを長手方向について両端で１０ｍｍの高低差を設けた状態で電気炉内に置き、２００°Ｃ／ｈｒで加熱し、１３００°Ｃで３時間保持した後、炉冷した。
【００４０】
その結果、高クロム鉄の厚さが長手方向では６ｍｍから１５ｍｍまで連続して変化したクラッドライナーが得られた。
【００４１】
比較例１
図１の軟鋼製箱に実施例２と同一混合比の粉末材料を充填し、軟鋼あるいはアルミナいずれの蓋も用いず、そのまま電気炉にて２００°Ｃ／ｈｒで加熱し、１３００°Ｃで２時間保持した後、炉冷した。
【００４２】
その結果、粉末材料充填部はスポンジ状に膨らみ、硬化層は得られなかった。
【００４３】
上記実施例は、機能金属として高クロム鉄を、基材金属として軟鋼を使用した例についてのみ説明したが、このような耐摩耗性の用途以外に、耐食性、耐焼付性などが必要とされる用途に用いられる他の組合せのクラッドの製造にも適用できることは、上記の実施例からも明らかである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明方法では、鋳込みや鋳かけとは異なり、金属機能材が溶融状態で一定時間保持されるので、母材とのなじみもよく、母材／金属機能材の接合界面においては欠陥の無い良好な接合が得られる。
【００４５】
また、予め金属機能材が形成される層の任意の位置に任意の形状の鋼塊あるいは耐火物などを配置しておけば、金属機能材の溶融凝固後もその位置には鋼塊あるいは耐火物などが残存する。そして、この部位を機械加工その他の方法で除去することによってクラッド材を貫通する穴加工なども自在に容易に行うことができる。
【００４６】
さらに、同様に、容器の底面に凹凸を設けることで、部分的に厚さの異なる金属機能材層を形成することもできるし、さらには予め容器の底面を傾斜させておくことで、厚さを連続的に変化させた金属機能材層を形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一体構造タイプの鋼製容器の断面図である。
【図２】  本発明の軟鋼外箱を別に用意した包み込みタイプの鋼製容器の断面図である。
【図３】  本発明の軟鋼蓋と受け皿を別に用意したマッフルタイプの鋼製容器の断面図である。
【符号の説明】
１  金属機能材、２  接合用の基材金属容器、３，３’  蓋、
４  鋼製外箱、５  受け皿、６  耐火物粉末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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