JPH0249361B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属基体特に鉄系母材表面に耐摩耗
性の焼結層を形成する方法に関する。 〔従来技術〕 従来、金属基体表面に耐摩耗性の焼結層を形成
する方法として多くの方法が提案されている。た
とえば、特公昭53−19540号公報には、有機結合
剤中に分散され、かつ研磨材、金属および合金か
らなる群から選ばれた粒状充てん剤からなる層
と、該充てん剤より低い固相線温度を有しかつ溶
融時に前記の充てん剤粒子を湿らす金属または合
金を含有する層を基体に適用し、前記の層と基体
とからなる集合体を前記金属または合金の固相線
温度より高いが前記充てん剤の固相線温度より低
い温度まで加熱し、それによつて前記結合剤を分
散させかつ前記充てん剤粒子を前記金属または合
金の溶融マトリツクス中に分散させ、そして前記
集合体を前記金属または合金の固相線温度以下に
冷却することを特徴とする、金属マトリツクス中
に分散された粒状充てん剤の層の製法が記載され
ている。この方法では、研磨材等からなる硬質粒
子は粒子サイズが大きく、しかも溶融しないた
め、使用した原料の粒子サイズがそのまま維持さ
れる。このため、この方法によりつくられた耐摩
耗性部材を摺動部に使用すると、相手の部材に傷
をつけてしまうという欠点がある。 また、合金粉末と合成樹脂を混練したのち圧延
してなる合金粉末シートを金属母材に密着させ、
加熱昇温して合金粉末を焼結させ、母材表面に合
金層を形成する方法が知られている。たとえば、
特開昭51−83834号公報には、自溶性合金粉末と
熱可塑性アクリル樹脂とから形成した合金粉末シ
ートを、トルエンのような溶剤で湿らせて金属母
材上に貼り付け、大気雰囲気下で加熱融着させる
方法が開示されている。この方法において、接着
された合金粉末シートを加熱していくと、200℃
〜300℃の温度では合金粉末シート中の合成樹脂
が母材との接着剤として機能するが、温度がさら
に上昇して、合成樹脂分が焼失、揮散してしまう
と、合金粉末シートと母材との接着性が失われ
る。したがつて、母材の斜面や湾曲面、さらには
下向きの面等、合金粉末シートの重量が母材との
接着面に作用するばあいには、合金粉末シートの
重量を支えることができなくなつて、シートが母
材表面から剥離もしくは脱落してしまうという問
題があつた。さらにこのような合金粉末シートを
焼結すると、著しく収縮するため、焼結接合後に
さらに機械的な加工を必要とするという欠点があ
つた。 〔発明の目的〕 したがつて本発明の目的は、常温から焼結温度
に至るまで自己接着性を保持し、耐摩耗性を有
し、摺動部に使用されたばあいにも相手材を傷つ
けることがなく、しかも焼結時の収縮が極めて少
ない焼結層を、金属基体表面、特に鉄系母材表面
に形成することができるような方法を提供するこ
とである。 〔発明の構成〕 本発明者らは鋭意研究を行い、Fe−Cr系合金
粉末を含む第１シート層と、共晶合金粉末を含む
第２シート層を積層して金属基体表面に形成し、
加熱して共晶合金を溶融させ、Fe−Cr系合金の
第１シート層中に生成する気孔中に、溶融した共
晶合金を浸入させるようにすることにより、上記
目的が達成されることの知見を得、本発明を完成
するに至つた。 本発明は、金属基体表面に、Fe−Cr系合金粉
末94〜99重量％と、アクリル系粘着性結合剤６〜
１重量％とを含む第１合金粉末シートからなる層
と、共晶合金粉末94〜99重量％と、アクリル系粘
着性結合剤６〜１重量％とを含む第２合金粉末シ
ートからなる層を、一方が上層に、他方が下層に
なるように積層し、次に、非酸化性雰囲気中、
150〜380℃の温度で５分間以上加熱保持した後、
前記共晶合金の固相線温度より高く、前記Fe−
Cr系合金の固相線温度より低い温度で加熱焼結
させることを特徴とする、金属基体表面に焼結層
を形成する方法である。 以下、本発明を詳細に説明する。 本発明者らは先に、耐摩耗性共晶合金粉末85〜
97容量％とアクリル系樹脂15〜３容量％に溶剤を
加えて混練したのち圧延して形成した合金粉末シ
ートが、400℃以上の高温においても金属母材に
対して、従来の合金粉末シートと比較して著しく
大きな接着性を有することを発見した。この合金
粉末シートの見掛密度は4.0〜6.0ｇ／cm³であり、
合金粉末自身が占める体積は約50〜70容量％であ
る。このシートを焼結すると、見掛密度は理論密
度の94％すなわち7.33ｇ／cm³以上になる。このた
め、焼結したのち、合金粉末シートは、長さが10
〜25％も収縮してしまう。本発明者らはこのよう
な欠点を改良するためにさらに研究を行い、耐摩
耗性は低いが、上記共晶合金より固相線温度が高
いFe−Cr系合金粉末を含むシートを上記共晶合
金粉末シートと組み合せ、共晶合金の固相線温度
より高く、Fe−Cr系合金粉末の固相線温度より
低い温度で焼結すると、粘着剤が焼失することに
より、軟質のFe−Cr系合金層中に生成した気孔
中に、溶融した共晶合金が浸入し、シートの収縮
が著しく少なくなることを見出した。本発明者ら
はまた、Fe−Cr系合金層中の気孔内に浸入した
共晶合金成分と、Fe、Crなどが反応して、該気
孔内に、極めて微細かつ耐摩耗性の大きい
（Fe・Cr・Mo）_x・（Ｐ・Ｃ）_yのような複合炭化物
を新たに生成することを見出した。 本発明は、上記の新しい知見に基いて完成され
たものである。 （合金粉末） 本発明において第１シートに含有されるFe−
Cr系合金粉末としては、Fe−Cr系ステンレス鋼、
Fe−Cr−Ni系ステンレス鋼など、Crを５〜20重
量％程度含有する合金粉末が使用される。この合
金自体は、硬さがHv200以下であり、耐摩耗性は
低い。 また第２シートに含有される共晶合金として
は、特に、Fe−Ｍ−Ｃ系の三元共晶合金粉末を
用いることが好ましい。Ｍとしては、MO、Ｂ、
Ｐまたはこれらの２種以上の混合物が好ましい。
特にＰはＣと同様、母材への拡散性が強いので好
ましい。この共晶合金はさらに副次的成分とし
て、Cr、Ｖ、Nb、Ｗ、Niなどを含むことができ
る。 より具体的には、合金粉末は、1000〜1150℃の
温度範囲で液相が20〜100容量％となり、しかも
液相は母材および第１シートの合金に対して漏れ
性が優れていることが好ましい。 液相量が20容量％未満では液相不足となつて母
材との有効な接合が行なえなくなり、又、第１シ
ートの空孔を充填し、しかも耐摩耗性が高い硬質
相の生成する効果が少なくなる。 ＭがＰの場合の三元共晶合金Fe−Ｐ−Ｃにお
いて、ＰはFe、Ｃと結合して燐共晶を形成し、
耐摩耗性を向上させるとともに、融点を下げる役
割りをするものである。Ｐは1.0重量％未満では、
液相量が20容量％未満になるため、母材との接合
が不可能となるし、又、第１シートの空孔の充填
も不十分で、耐摩耗性硬質相の生成も不十分とな
る。また5.0重量％を越えると燐共晶がネツト状
に晶出して靭性を著しく低下させる。よつて1.0
〜5.0重量％の範囲にあることが必要である。 次に、ＣはFe、Ｐと結合して基地の強化およ
び硬質相の形成を行なうとともに、燐共晶を形成
し密度の上昇および母材との接合に役立つもので
ある。Ｃは3.0重量％未満では、低融点晶出物の
生成が少なく母材との接合が不十分になるし、第
１シートの空孔の充填も不十分で、耐摩耗性硬質
相の生成も不十分となる。また5.0重量％を越え
ると、炭化物がネツト状に晶出し結晶粒も粗大化
するため靭性が低下する。よつて3.0〜5.0重量％
の範囲にあることが必要である。 ＭがMoの場合の三元共晶合金Fe−Mo−Ｃに
おいて、Moは基地の強化および硬質相の形成に
寄与するとともにFe、Ｃと結合して融点を下げ
る役割りをするものとして必要な元素であり、
5.0重量％未満では硬質相が少なくなり、また液
相量が少なくなるために密度が上らず、その結
果、耐摩耗性が低下するとともに接合が不可能に
なる。20.0重量％を越えると液相量が多くなりす
ぎるために脆くなり、靭性を著しく低下する。よ
つて5.0〜20.0重量％の範囲にあることが必要で
ある。 ＭがＢの場合の三元共晶合金Fe−Ｂ−Ｃにお
いて、ＢはFe、Ｃと接合して硬質相を形成する
とともに融点を下げる役割りをする元素であり、
1.0重量％未満ではFe−Ｂ−Ｃの三元共晶が少な
くなるため、耐摩耗性および耐焼付き性が悪くな
る。6.0重量％を越えると非常に脆くなつてまた
実用的でなくなる。よつて1.0〜6.0重量％の範囲
にあることが必要である。 次にFe−Ｍ−Ｃ三元共晶合金の強度、耐摩耗
性を改善する副次的な元素としてはCr、Ｖ、Ｗ、
Nb、Ta、Tiが有効である。これらの元素は基地
の強化、特に靭性の向上に役立ち、さらにＣと結
合して硬質相を形成するのに好ましい元素であ
り、10重量％を越えると上記効果が飽和して経済
的に必要でない。 また、その他の元素として、Siの役割りは合金
粉末製造時の溶湯の流動性を改善するとともに、
接合時に母材とのぬれ性をも改善する元素であ
り、5.0重量％を越えると硬さが低下し、耐摩耗
性が悪くなる。 次にNiは、基地の強化に役立つ元素であるが、
5.0重量％を越えると硬質相の割合が少なくなる
ため、焼付きを起しやすくなる。 また、MnもNiと同様の機能を有していること
から、5.0重量％以下の範囲で添加されることが
好ましい。 また、粉末の粒度は焼結層の気孔率に大きな影
響を与える要素であり、150メツシユ以下とする
ことが好ましい。粒度が150メツシユを越えて大
きくなると気孔率もこれにつれて上昇し、焼結層
の耐摩耗性を阻害する。 （粘着性結合剤） 本発明において合金粉末シート形成に用いる粘
着性結合剤を構成するアクリル系樹脂としては、
アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステル
の重合体および共重合体、又はこれらのエステル
と共重合可能な官能基を持つ重合性単量体との共
重合体が好ましい。 アクリル系樹脂からなる粘着性結合剤と、合金
粉末との配合比は、粘着性結合剤を６〜１重量
％、合金粉末を94〜99重量％とする。粘着性結合
剤が１重量％より少ないと、粘着性が不足してシ
ートが脆化し、必要なシートの可撓性を確保する
ことができず、また、６重量％より多いと、樹脂
分が過剰となつて、焼結層の気孔率等に悪影響を
与えるだけでなく、母材との接合が不十分となり
好ましくない。 （合金粉末シートの形成） 合金粉末シートは、種々の任意の方法により形
成することができる。たとえば、粘着性結合剤と
合金粉末に適量の溶剤、たとえばアセトン、トル
エン、メチルエチルケトンなどを、粘着性結合剤
100重量部に対して100〜1000重量部加えて混練し
て泥しよう化したのち、離型紙を被せた型枠上に
流し込み、溶剤を蒸発させたのち、圧延ロールに
通して適当な厚み、たとえば、0.5〜5.0mmの厚み
を有するシートに成形する。あるいは、溶剤を使
用することなく、合金粉末と粘着性結合剤の混合
物を必要により加熱しながら、混練したのち、シ
ートに成形することもできる。 （合金粉末シートの接着） 合金粉末シートは、通常、母材表面に押圧する
ことにより容易に接着する。しかし、必要によ
り、合金粉末シートの粘着性結合剤として使用し
ているアクリル系樹脂を、母材表面および／また
は合金粉末シート表面に塗布して仮着性ポリマー
層を形成し、接着力を補強してもよい。塗布する
代りに、粘着性シートを仮着性ポリマー層として
使用してもよい。 Fe−Cr系合金粉末シートと共晶合金粉末シー
トの積層順序は、母材表面にまずFe−Cr系合金
粉末シートを接着して下層を形成し、この上に共
晶合金粉末シートを積層して上層を形成すること
が好ましいが、この逆に積層することもできる。
また各シートの厚みは、特に制限はないが、一般
にFe−Cr系0.1〜5.0mm、共晶合金系0.1〜5.0mm程
度が適切である。 （加熱焼成） 加熱は、合金粉末および粘着性結合剤の酸化を
防ぐため、窒素、アルゴン等の不活性ガス、水素
等の還元性ガス、真空中等の、非酸化性雰囲気中
で行うことが必要である。 昇温速度は40℃／分以下とすることが好まし
い。40℃／分より大きくすると、粘着性結合剤中
の低沸点成分が急激に揮発するため、粉末シート
が破損したり、接着面に気泡が発生して、粉末シ
ートが剥離したり、脱落したりすることがあり、
好ましくない。 本発明方法を実施するばあい、焼結温度まで昇
温する前に、予備加熱処理を行う。この加熱処理
は、150℃〜380℃、好ましくは200℃〜350℃で５
分間以上保持すればよい。この加熱処理によつて
粘着性結合剤および仮着性ポリマーとして使用さ
れている合成樹脂が完全に焼失することなく熱分
解重縮合反応を起こし、タールピツチ状物質を生
成する。このタールピツチ状物質によつて、300
℃以上においても合金粉末シートの重量を保持す
るのに十分な接着力が維持される。したがつて、
被処理物品の搬送中に、振動や衝撃が与えられて
も、合金粉末シートは脱落したり、剥離したりす
ることがない。加熱処理温度が150℃より低いと、
樹脂成分の熱分解が十分に行われず、したがつて
タールピツチ状物質の生成量が少なく、十分な接
着力が得られない。一方、加熱処理温度が380℃
より高いと、樹脂成分が急激に分解し、このばあ
いにも、タールピツチ状物質の生成量が少なく、
十分な接着力が得られない。 予備加熱処理時間が５分間より短いばあいに
も、タールピツチ状物質の生成が不十分であり、
十分な接着力が得られない。処理時間は、熱処理
温度、樹脂成分の種類等によつて適宜決定される
が、一般に120分間以上保持することは不必要で
ありかつ不経済である。 〔発明の効果〕 本発明によれば、常温から焼結温度に至るまで
自己接着性を保持し、耐摩耗性を有し、摺動部に
使用されたばあいにも相手材を傷つけることがな
く、しかも焼結時の収縮が極めて少ない焼結層
を、金属基体表面に形成することができる。ま
た、焼結時の収縮が少ないので、寸法の制御が容
易になる。 〔実施例〕 次に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説
明する。 第１表に示す組成を有し、粘度が200メツシユ
以下のFe−Cr系合金粉末93容量％（97.55重量
％）と、アクリル系粘着性結合剤（アクリル酸エ
ステル−アクリル酸共重合体）７容量％（2.45重
量％）とを混練し、ロール圧延して第１表に示す
３種の第１合金粉末シートＡ１，Ｂ１，Ｃ１をつ
くつた。さらに、Fe−Cr系合金粉末の代りに、
第１表に示す組成を有し、粒度が200メツシユ以
下の共晶合金粉末を使用したほかは同様の操作を
繰り返し、第１表に示す３種の第２合金シートＡ
２，Ｂ２，Ｃ２をつくつた。さらに比較例とし
て、上記Fe−Cr系合金粉末と上記共晶合金粉末
の１：１（重量比）混合物を、Fe−Cr系合金粉末
の代りに使用したほかは同様の操作を繰り返し、
シートＤをつくつた。 鋼製基材表面に、前記アクリル系粘着性結合剤
と同一組成の粘着性テープ（厚み10μm）を介し
て第１シート（10mm×10mm）を接着し、この第１
シートの上に同じ粘着性テープを介して第２シー
ト（10mm×10mm）を接着し、試料Ａ，Ｂ，Ｃをつ
くつた。同様にシートＤ（１枚）を接着した試料
Ｄをつくつた。 この試料Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを、水素ガス雰囲気
中、昇温速度15℃／分で300℃まで昇温し、この
温度に60分間保持したのち、昇温速度10℃／分で
1100℃まで昇温し、この温度に20分間保持したの
ち徐冷した。こうして得られた焼結層の密度、硬
さ、収縮率を測定した。結果を第１表に示す。

【表】 ある。
第１表から、本発明実施例の試料Ａ，Ｂ，Ｃの
収縮率は、比較例のものにくらべて著しくすぐれ
ていることがわかる。 実施例の試料Ａに使用した第１シート、第２シ
ートならびに第１シートと第２シートの積層物を
それぞれ、真空中で1090℃に20分間保持したの
ち、900℃まで３℃／分の冷却速度で冷却し、900
℃に30分間保持し、次いで、N₂ガス冷却した時
の内部組織の顕微鏡写真と、Ｃ、Ｐ、No、Crの
Ka特性Ｘ線像写真をそれぞれ第１図、第２図お
よび第３図に示す。第１ａ図は第１シートの焼結
品をマーブル試薬で腐食した内部組織の顕微鏡写
真であるが、灰色はフエライトを示し、結晶粒
界、気孔が見られる。第１ｂ図は、CK〓特性Ｘ線
像で反応はなかつた。同じく第１ｃ図、第１ｄ図
はそれぞれＰ、MoのK〓特性Ｘ線像であり、反応
はなかつた。第１ｅ図はCrK〓特性Ｘ線像でCrが
均一に存在している事を示している。 第２ａ図は第２シートの焼結品を３％硝酸アル
コールで腐食した内部組織の顕微鏡写真である。
白色はFe、Cr、MoPの複合炭化物、共晶組織、
マルテンサイト組織の混合組織であり、この焼結
品そのものは炭化物が粗大であるため、非常に脆
い。第２ｂ〜第２ｅ図はそれぞれＣ、Ｐ、Mo、
CrのK〓特性Ｘ線像写真であり、Ｃ、Crは白色炭
化物、共晶部分に多く、Ｐ、Moは共晶部分に多
く、存在していることがわかる。 第３ａ図は、第１シートと第２シートを積層し
た焼結品を、３％硝酸アルコールで腐食した内部
組織の顕微鏡写真であるが、塊状炭化物が微細に
分布しており、しかも金属基地中にもさらに微細
な白色粒状炭化物が存在している。第３ｂ〜第３
ｅ図はそれぞれＣ、Ｐ、Mo、CrのK〓特性Ｘ線像
写真であり、Ｃ、Ｐ、Mo、Crが均一に分布して
いることを示している。このように単独で焼結し
たばあいには、非常に軟いフエライト組織になる
Fe−Cr系の第１シートと、粗大な炭化物、共晶
組織が存在した非常に脆い性質の組織になる第２
シートとを積層して、焼結すると、微細な塊状炭
化物と粒状炭化物が生成し、新しい金属組織を持
つた合金が得られることがわかる。この合金は
K〓特性Ｘ線像からも明らかなように、組織が微
細で、Ｃ、Ｐ、Mo、Cr等が均一に分布している
ため、靭性、も高く、耐摩耗性が優れた合金であ
る。 〔実験例〕 実施例Ａ、Ｂ、Ｃおよび特公昭53−19540号公
報の例−１の方法にしたがつて、1500c.c.ガソリン
エンジンのアルミニウム製ロツカーアーム用チツ
プ材を作り、ロツカーアームの実体を製造して、
実機モータリング法で耐摩耗性を評価した。 テスト条件 1500c.c.エンジンモータリングテスト カムシヤフト：合金鋳鉄（3.5％Ｃ、1.8％Si、
0.7％Mn、0.3％Cr、残Fe）チル品、硬さ
Hv550〜650、表面粗さ２〜4μ 最大面圧：57Kg／mm² 回転数 ：2000r.p.m 使用油 ：モービルSAE#20 油 温：45〜50℃ ロツカーパツト摺動面の表面粗さ：２〜3μ カムノーズの摩耗量は、カムノーズの縁部にロ
ツカーパツトの当らない部分を設けておいて、そ
れを基準にして、形状測定により摩耗量を求め
た。 またロツカーパツト面の摩耗量は、摺動方向と
直角をなす方向に隔置された、摺動方向に平行な
３本の測定線上で、それぞれの最大凹部の大きさ
を求め、その平均値を摩耗量とした。結果を第４
図に示す。本発明品の耐摩耗性が著しくすぐれて
いることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、Fe−Cr系合金粉末シートの焼結
品をマーブル試薬で腐食したときの内部組織を示
す顕微鏡写真であり、第１ｂ〜第１ｅ図はこの試
料のそれぞれ、Ｃ、Ｐ、Mo、CrのK〓特性Ｘ線像
写真である。第２ａ図は、共晶合金粉末シートの
焼結品を３％硝酸アルコールで腐食したときの内
部組織を示す顕微鏡写真であり、第２ｂ〜第２ｅ
図はこの試料のそれぞれ、Ｃ、Ｐ、Mo、CrのK〓
特性Ｘ線像写真である。第３ａ図は、Fe−Cr系
合金粉末シートと、共晶合金粉末シートを積層し
て焼結し、３％硝酸アルコールで腐食したときの
内部組織を示す顕微鏡写真であり、第３ｂ〜第３
ｅ図はこの試料の、それぞれ、Ｃ、Ｐ、Mo、Cr
のK〓特性Ｘ線像写真である。第４図はロツカー
アームの耐摩耗性を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属基体表面に、 Fe−Cr系合金粉末94〜99重量％と、アクリル
   系粘着性結合剤６〜１重量％とを含む第１合金粉
   末シートからなる層と、 共晶合金粉末94〜99重量％と、アクリル系粘着
   性結合剤６〜１重量％とを含む第２合金粉末シー
   トからなる層とを、一方が上層、他方が下層とな
   るように積層し、次に、 非酸化性雰囲気中、150〜380℃の温度で５分間
   以上加熱保持した後、前記共晶合金の固相線温度
   より高く、前記Fe−Cr系合金の固相線温度より
   低い温度で加熱焼結させることを特徴とする、金
   属基体表面に焼結層を形成する方法。