JPH02268964A - 耐摩耗ポンプ部品およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は表面改質金属部品とその製造法に係り、特に耐
摩耗性を必要とするポンプの羽根車やケーシングなどの
産業機械部品およびショベル、ブルドーザなどの建設機
械部品に好適な表面改質部品とその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に部品の耐摩耗性を向上させるためには、部品全体
の材質を耐摩耗性のあるものとする方法（第１の方法）
、部品表面に耐摩耗性の薄層を形成させる方法（第２の
方法）１表面のみに焼入れなどの熱処理を施して硬化す
る方法（第３の方法）、金属とセラミックスとの複合材
で部品をつくる方法（第４の方法）などが挙げられる。

第１の方法に属するものとして、たとえば鋳鉄の場合に
は高Ｃｒ鋳鉄、鋳鋼の場合には高Ｍｎ鋳鋼（ハツトフィ
ールドｍ）などが挙げられる。後者は加工硬化による表
面硬化を狙ったものである。

いずれも、耐摩耗性を向上させるための合金元素を添加
する方法であり、これによって部品全体の硬さが向上す
る。

第２の方法に属するものとして部品表面への硬質クロー
ムメツキ、セラミック粒子を分散させた無電解Ｎｉメツ
キ、セラミック溶射などが挙げられる。

第３の方法に属するものとして、高周波加熱やプラズマ
加熱などによる表面焼入れ、浸炭もしくは窒化焼入れな
ど、要するに鉄のマルテンサイト変態を利用して金属表
面を硬化する方法がある。

第４の方法に属するものとして、金属部品にセラミック
ス部品を何らかの方法で固着させ一体部品として用いる
方法がある。

この第４の方法に属するものとして、たとえばパイプな
どの内部にセラミックスを焼ばめ（鋳ぐるみ）したもの
もこの中に入る（特開昭６０−２１６９６８号、特開昭
６０−２２３６５５号）。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の方法は、ポンプ部品、建設機械部品などにおいて
、土砂などによるａｂｒａｓｉｖｅｇ耗を防止するため
には問題を有する。

すなわち、部品全体を耐摩耗性のあるものとする第１の
方法は１表面層のみならず内面も硬化しているので、耐
摩耗性は良好なのであるが１反面このことは部品全体の
耐衝撃性の低下を招きやすい、何故ならば、一般に材料
は硬くなると脆くなるのが濃側だからである。また全体
を高品質にするのでコストも上昇しがちである。さらに
全体が高硬度のためボス部などの加工にも多くの工数を
要する。従って、この方法は表面層には耐摩耗性を必要
とし、部品全体としては強じん性を必要とする用途には
適合しない。

部品表面に耐摩耗性にメツキやセラミックス溶射などの
コーティングを施す第２の方法には次の問題がある。

溶射は厚さの均一性を得るのが難しい。しだがつて寸法
精度を必要とする部品の場合には溶射後に機械加工を必
要とする。メツキの厚さは比較的に均一であり、特に無
電解メツキの厚さ均一性は優れている。そして硬質クロ
ームメツキ「複合メツキ」も皮膜自体の硬さは前首がＨ
ｖ９００、後者が高いものはＨｖ　１３００はどあり普
通鋼がＨｖ　２００〜３００程度であるのと比べると５
〜７倍もの硬さを有、しており皮膜の耐摩耗性はすぐれ
ている。

しかし、これらの簿い皮膜（通常、メツキは約５０μｍ
以下、溶射は約５００μｍ以下）が摩耗に耐えられる条
件以下であれば良いが１条件が更に苛酷でｆＬ膜が消失
するような場合には、その背後の素地金属の摩耗損失は
急檄に増大し、終局的には部品がその用を果たさなくな
る。たとえば鎚鉄面に上記メツキ（２０μｍ）を施し水
と砂の混合物を試験面に高速噴射したところ０．５　分
程度でメツキは全て摩耗剥離してしまった。

表面熱処理などによる第３の方法は、加熱によって製品
の形状・寸法が狂う場合のあること５割れの発生などが
見られる。従って、扁精度を要する部品の場合には、再
度の機械加工を要する。

特に素材が鋳鉄の場合には、黒鉛の膨張により製品の割
れが発生しやすいため、この方法は殆んど行なわれてい
ない。

またセラミックスを鋳ぐるむ第４の方式は、形状がパイ
プ状に限られる上に金属が外側に位置する必要があり、
従って極めて限定的な用途にしか用いられない、また、
セラミックス成形部品を金属部品に接着（接合）する方
法もあるが、セラミック自体の脆さの故にａｂｒａｓｉ
ｖｅＪＳｉｌ！耗を呈する高速回転体に対しては問題が
多い。

また、全体を高品質にするのでコスト上昇も大きい、従
って、この方法は表面層には耐摩耗性を必要とし、部品
全体としては強じん性を必要とする用途には適合しない
。

以上、従来技術の問題点を理解した上で、本発明の目的
は激しいａｂｒａｓｉｖｅ摩耗を受けるような苛酷な使
用環境において、良好な耐摩耗性と靭性とを併せもつ表
面改質部品とその製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は産業機械や建設機械などに用いる鉄合金鋳物
部品において、耐摩耗性を真に必要とする部分の表面層
（たとえば表面層からおよそ２〜６圓の深さ）を、母材
組成とは異なった高耐摩耗性の組織とすることに依って
達成される。

なお本願発明と前述した従来技術のうちの第４の方法と
の相違は次の通りである。

すなわちセラミックスを鋳ぐるむことによって耐摩耗部
品を得る方＠（特開昭６０−２１６９６８号、６０−２
２３６５５号）は、第７図に示すように部品形状がパイ
プ状況に限られる上に、金属が外側である必要がある。

何となれば、セラミックスは、その特性として圧縮応力
には強いが引張り応力には極めてもろいためである。

従って、引例の方法は有効な方法ではあるが、極めて限
定的なケースにしか用いられない。

これに対して本願発明の場合は、第２図のように部品の
表面層は、それが外表面であっても内表面であっても任
意に組成変化させ耐摩耗性などの特性を付与することが
できる。

さらには、外表面、内表面の全体に限らず必要な部分の
表面層のみに耐摩耗性などの特性を付与することができ
る。

また、引例の従来技術においては、金属−セラミックス
への変換は、いわば不連続的であるのに対し、本＊＊明
における両者のｂｏｕｎｄｏｒｙは徐々に変化している
ので、この境界部において破壊やクラックの発生は殆ん
どおこらない。

〔作用〕

また本ｗＩｔ発明の場合は真に必要な部分のみを特性変
化（たとえば高耐摩耗性の付与）させているので、マシ
ニング性の低下などの弊害は起らない。

こうして、表面層の必要箇所が高硬度の耐摩耗特性を有
し、この表面層以外は高い靭性や良好なマシニング性を
具備するハイブリッド特性を有する鉄合金部品が得られ
る。

次に本発明の製造工程について原理的に説明する。

（１）Ｆｅ−Ｃｒ粉末にバインダー（ＰＶＡ水溶液など
の有機バインダー）を少量添加した混合物を第３図に示
す鋳型３の空洞４の内壁に何らかの方法内壁への塗布、
担体へ塗布してこれを内壁にセットするなどで存在させ
、Ｆｅ−ＣｒＭ５を形成させる。

（２）この鋳型を組立て、バインダ中の媒液（水など）
を蒸発させたのち湯口より普通鋳鉄溶湯６を鋳込む（第
４図参照）、溶湯６は凝固までの間に鋳型空間の内壁に
存在しているＦｅ−Ｃｒ粉と反応し１表面層の一定厚さ
部分はＣｒＣｚ粒子が多数分散する（第６図参照）。

（３）溶湯が凝固したのち型ばらしを行うことによって
表面層の一定厚さがＣｒＣｚ粒子分散層となった。

以上の原理により機械部品において必要な箇所の耐摩耗
性は大幅に向上する。

かつ、この部品は表面層のみが高硬度化しているに過ぎ
ないので、全体が高硬度化している一般の高硬度部品や
一般のセラミックス部品にありかちな脆性を示すことも
なく高速回転体であっても安心して使用できる。

本願発明の概要は以上であるが次に各工程における主要
構成要素について定義し説明する。

（１０反応物質） Ｆｅ−Ｃｒ粉末であることが必要であり、その形態は粉
末状もしくは、これを圧縮成形などにより所定の形状に
成形したものであれば良い、前者は、所定のバインダを
加えて必要箇所につめこむか若しくは塗布すること鋳型
内壁に介在させる。

後者は必要箇所にカセット形式でインサートすれば良い
。

（２，鋳込金属） 鉄溶湯、すなわち鋳鉄溶湯もしくは鋳鋼溶湯であれば何
でも良い、なお鋳込温度は１反応を十分に行わせること
を考え（反応による温度降下も考慮し）、若干（１００
〜２００℃）高めの方が良い。

（３，鋳物） 原則としてその種類は問わない、しかし、溶湯との反応
をより確実にするため鋳込まえに鋳型を加熱しておく場
合には、加熱温度とのからみで種類を決める可きである
。

たとえば鋳込前に鋳型を７００℃に加熱しておくような
場合には、通常有機系と云われている鋳型（フラン樹脂
型、シェルモールド型ｅｔｃ）などは耐熱性の点で使用
できないことは自明である。

（４，鋳物の加熱方法） これは必要に応じ実施するものであり、鋳型全体を炉中
にセットする雰囲気加熱が一般的であるが、鋳込直前に
熱風発生機などによって鋳型内壁などを局部加熱する方
法でも良い。

（５，鋳心時の真空吸引） これも必要に応じて実施するものである。鋳込と同時に
鋳型を外部から真空吸引することによって溶湯は鋳型空
洞の内壁に押しつけられるような力をうける。そのため
溶湯と接種合金剤（Ｆｅ−Ｃｒ）と密着し、もって接種
反応が十分に促進される。ただし、この場合、真空度が
高すぎるとｍｅｔａｌ　−Ｐｅｍｔｒａｔｉｏｎなどの
欠陥を招来するので。

鋳型粒子の粗度、すなわち鋳型の通気性なども併せ考慮
することによって適度な吸引力を求めて実際に適用すべ
きである。

〔実施例〕

まず、表面改質部品の基本的な構造について説明すると
、耐摩耗性を必要とする金属部品の断面層は第１図のよ
うな構造となっており、高硬度層の顕微鏡による拡大ソ
シキは第８図のようである。

すなわち表面層、たとえば表面から５ｒｒｎていどの厚
さ（この値は場合によって自由に変化させることができ
る）は高硬度層［５となっており、それ以外の部分は素
地金属８としての普通鉄合金となっている。

第９図に本願を実施した部品断面の硬度分布を示す。表
面より約２．５Ｍｎの厚さ全面には参考写真に示したよ
うにＣｒ　Ｃｚ粒子が分散しており約Ｈｖ　＝　７００
〜１５００の硬さであり極めて高硬度である。これに対
し素地金属の硬さはＨｖ　’４２２０であり、本願発明
の効果が顕著であることがわかる。

したがって部品表面の特殊合金組織、たとえば耐摩耗性
を有する高硬度層５に土砂などの硬い粒子が衝突しても
、表面組織は高硬度（Ｈｖ７００〜１５００）なので全
くと云って良いほど摩耗しない。

そして使用時において衝撃力が掛っても、部品全体とし
ては耐衝撃性が低下していないし、また引張りつよさを
維持しているので容易に破壊することがないなど、表面
耐摩耗化によって良い結果は得られるが弊害は全くない
。

なお、上記において塗布剤の組成、塗布剤を介在させる
方法、厚さ、鋳込温度、鋳込時の真空吸引の有無、鋳型
の加熱温度などの諸条件を変化させることによって高Ｍ
ｎ層の厚さなど本発明による金の硬さ、耐食性その他の
特性は変えることが出来る。

以上、本発明の構成要件について定義をすると共に全体
の構成をのべた。

以下に本発明の具体的実施例について述べる。

（実施例１） 第１０図に示すように２分割の無機自硬性鋳型のキャビ
ティ４の内壁の上部に高炭素Ｆ　ｅ　−Ｃｒ粉末（Ｃ’
ｒ：５０％）：１００部にＰＶＡ水溶液（ＰＶＡ２０％
）を均一に混合した混合物をつき固め成形し、５［厚さ
とし、その後、乾燥し成形体を固化した。

その後、１７００℃の普通鋳鋼溶湯６を鋳型３の頂部か
ら湯口部９を通して注入した。溶湯６が凝固したのち鋳
型３を除去したところ鋳物表面下０〜５ｎｍのところが
ＣｒＣ２粒子が分散している高硬度部品（耐摩耗性部品
）を得ることが出来た。

（実施例２） 第１４図に示すようにアルミ製の三次元綱状金属で出来
た多孔質担体１０の表面にＦｅ−Ｃｒ粉末１００部に前
記実施例１のＰＶＡバインダを混ぜて均一に混合したス
ラリーを任意の方法（たとえば浸漬、塗布など）によっ
て付着させる。

これを鋳型内壁の所定部にセットしたのち実施例１に準
じて準鋼溶湯を鋳込むことにより実施例１より厚い高硬
度層を得ることが出来た（第１６図参照）。

なお本例によれば担体の厚さを場所によって変えること
により硬化層の厚さは任意に変化させうる。

（実施例３） 第１７図に示すように多分割鋳型３　（３００＋ｅｏｈ
の鉄粉＝１００重量部、３号水ガラス水溶液（Ｓｇｌ、
６）：６部のＣＯｚ鋳型）の内壁に６ｍの厚さに実施例
２に示した接種合金層５を設置する。

鋳型３の外側に高周波コイル１１を設置し、高周波によ
って鉄粉鋳型３を誘導加熱し約３００’Ｃに加熱し、そ
の熱を接種合金Ｍ５に伝えることによって、接種合金Ｍ
５を同様の温度とする。

次に減圧箱１２を、鋳型３の下部に設置し、湯口部より
鋳鉄溶湯６を鋳込み、その後ただちに。

鋳型３の底部の減圧ボックス１２内を減圧することによ
り、溶湯６と接種金属Ｎ５を緊密に接触させ１体化する
と共に反応させる。

溶湯６の凝固後、型はらしをして、表面に耐摩耗特性を
有する鋳鉄品を得た。

（実施例４） 第１８図、第１９図、第２０図、第２１図はケーシング
１３と、ケーシング１３内の遠心羽根車１４と、吸込口
１５中で羽根車１４と共に回転するインジューサ１６と
、圧力逃し弁２７とを含み、圧力逃し弁２７はインジュ
ーサ両側に接続され、インジューサ１６を横切る圧力差
は予め決められたレベル以上に生じるとき、流体をイン
ジューサ１６の上流端へ戻すため開放するように配置さ
れている。

第１８図に示すように、インジューサ１６と羽根車１４
が一体となった遠心ポンプに本願発明を適用した。

すなわち、適用部分はインジューサ１６の外表面と羽根
車１４の外表面、およびケーシング１３の内表面で、本
願発明による改質層をそれぞれ１３ａ、１４ａ＋　１６
ａで示す。

〔発明の効果〕

本発明に依れば、表面層は高硬度もしくは加工硬化性の
特殊耐摩耗性を有するものとすることができ、内部は通
常の鋳鉄（鋳鋼）とすることができる等、特殊表面特性
を有する、普通鋳鉄品（普通Ｍ鋼重）を容易に得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例に係る表面改質部品の断面図、第
２図は本発明と従来例との断面特徴を比較説明した模式
図、第３図、第４図、第５図及び第６図は夫々本発明の
工程を例示した断面図、第７図は従来例に係る断面図、
第８図に本発明の一例に係るＣ　ｒ　Ｃｚ粒子の分布を
示す模式図、第９図は本発明におけるＦｅ−Ｃｒ反応断
面の硬度分布を示す特性図、第１０図、第１１図、第１
２図及び第１３図、並びに第１４図、第１５図及び第１
６図は夫々本発明の他の工程を例示した断面図。 第１７図は同じく本発明の一工程の例示断面図、第１８
図は本発明の一例を適用したポンプケーシングの断面図
、第１９図、第２０図及び第２１図は夫々第１８図の部
分断面図、第２２図は本発明の一例に係るＦｓ−Ｃｒ反
応断面の金属組織の４００倍の顕微鏡写真である。 ３・・・鋳型、４・・・鋳型空洞、５・・・接種材層（
Ｆｅ−Ｃｒ）、６・・・鋳込金属溶湯、７・・・特殊表
面層（耐摩耗層）、８・・・母材金属層、９・・・湯道
、１０・・・担竿 図 不 図 ５　＝−’：ｄｆ／１４（、ＣｒＣｚＺｆｔ秒Ｒジロー
・−鼾一鷹（籾鼾確ジ て 図 匡 ■ 回 ′￥ｊ３ 圓 ４し来オ受イ（デ（ヤ２の７刃にン 第 口 第 区 第 ｚ 図 纂 図 ■ ／７ 図 不 Ｂ 図 図 ×４ρθ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面層の所定部のみにＣｒＣ＿２粒子を分散させた
   ことを特徴とする鉄合金鋳物。 ２、耐摩耗性を必要とする表面層の所定部分についての
   みに一定厚さにＣｒＣ＿２粒子を分散させてあることを
   特徴とする耐摩耗性ポンプ部品。 ３、Ｆｅ−Ｃｒ粉末を鋳型キャビティ内壁の所定部に存
   在させ、その後鉄溶湯を鋳込み溶湯とＦｅ−Ｃｒを反応
   させることにより、上記表面層及びその直下の一定厚さ
   のみにＣｒＣ＿２粒子を分散させ高硬度としたことを特
   徴とする表面改質鋳物の製造法。 ４、Ｆｅ−Ｃｒ粉末を塗型骨機と鋳型空洞の内壁に塗布
   し、その後鉄溶湯を鋳込み、鋳物表面層をＣｒＣ＿２粒
   子を分散させた高硬度組織としたことを特徴とする表面
   改質鉄系鋳物の製造法。 ５、所定形状に成形したＦｅ−Ｃｒ粉末成形体を鋳型空
   洞の所定位置に設置し、その後鉄溶湯を鋳込み鋳物表面
   層をＣｒＣ＿２粒子を分散させた高硬度組織としたこと
   を特徴とする表面改質鋳物の製造法。