JPS6247408A - 自溶性合金粉末シ−トとこのシ−トを用いた金属母材の表面改質方法 - 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〕 この発明は工具９機械、電気部品などの各種金属製品を
構成する金属母材を表面改質するための自溶性合金粉末
シートとこのシートを用いた上記母材の表面改質方法に
関する。

〔従来の技術〕

従来より、自溶性合金粉末にタングステンカーバイド（
炭化タングステン）などのセラミックス粉末を混合して
なる混合粉末を、金属母材面に溶射することにより、金
属母材面にサーメット層、つまり金属とセラミックスと
の共焼結体層を形成する方法が知られている。

この方法によって表面改質された金属製品は、上記サー
メット層によりその表面が耐摩耗性や耐熱性などにすぐ
れたものとなることから、金属母材だけでは不可能であ
った各種用途への応用や過酷な条件下での使用が可能と
なり、その利用価値の極めて高いものとなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、金属母材面にサーメット層を形成する上記従
来の溶射法にあっては、溶射作業に熟練を要し、また溶
射時の騒音、高熱によって作業環境の悪化を伴いやすく
、そのうえ完全な焼結化のために溶射後に再度加熱焼結
する後処理が通常必要となるなど、サーメット層の形成
作業性に劣り、また大量生産のための自動化に難があっ
た。

しかも、このような作業性などの問題のほかに、サーメ
ット層本来の特性上の問題をも有していた。

すなわち、上記従来の溶射法では、サーメット層の層厚
を厚くしたり、また均一な厚みとすることが難しく、し
かも溶射および上記後処理を含めた焼結時の温度制御が
それほど容易でないため焼結条件にばらつきを生じやす
く、結果としてサーメット層か有するべき耐摩耗性や耐
熱性などの特性や金属母材面とサーメット層との接合強
度が充分に得られなかったり、安定した上記特性を得に
くいという問題があった。

したがって、この発明は、上記従来法の問題点を回避す
ること、特に金属母材面にサーメット層を形成する際の
作業性にすぐれ、その自動化が容易であり、またサーメ
ット層の耐摩耗性２耐熱性。

母材との接合強度などの特性面での改善を図りうる表面
改質方法とこれを特徴とする特定の表面改質用材料を提
供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討
した結果、金属母材の表面改質用材料としてセラミック
ス粉末を含む特定の自溶性合金粉末シートを使用し、こ
のシートを金属母材面に貼着したのち焼結処理して上記
母材面にサーメット層を形成するという方法によれば、
前記従来の溶射法の問題点を悉（解消できるものである
ことを知り、この発明を完成するに至った。

すなわち、この発明は、Ｎｉ基ないしＣｏ基自溶性合金
粉末と有機高分子バインダとを含む第１の組成物層に、
Ｎｉ基ないしＣＯ基自溶性合金粉末とセラミックス粉末
と有機高分子バインダとを含む第２の組成物層を積層し
てなる自溶性合金粉末シートからなる金属母材の表面改
質用材料に係る第１の発明と、この材料を上記第１の組
成物層側が金属母材面に当接するように上記母材面に貼
着したのち、非酸化性ガス雰囲気下で加熱焼結すること
により、上記母材面にサーメットａを形成することを特
徴とする金属母材の表面改質方法に係る第２の発明とか
らなるものである。

このように、この発明においては、上記の如き特定の自
溶性合金粉末シートを金属母材面に貼着したのち焼結処
理するといった非常に筒車な操作で上記母材面に所望の
サーメット層を形成できるものであり、この際前記溶射
法におけるような熟練を要するとか作業環境の悪化を伴
うといった問題がなく、また上記焼結処理後にあえて後
処理を施す必要がないため、サーメット層形成のための
作業性の大幅な改善を図れ、しがも上記の貼着作業と焼
結処理作業とを流れ作業的に行えるがら大量生産にあた
っての自動化が容易となる。

また、上記の如く金属母材面に自溶性合金粉末シートを
貼着する方法にあっては、上記シートの厚みが本来均一
であるため、これより形成されるサーメット層の層厚も
均一となり、しかも上記シートの厚みを厚くすることに
よりサーメット層の層厚を任意に厚くできるという特徴
があり、そのうえ上記貼着後焼結処理する際には、加熱
炉などを用いることによって一定の昇温速度でかつ一定
の温度下で焼結できるから、焼結条件にばらつきを住し
ることなく安定した焼結処理を行える。

このため、上記この発明方法にて形成されるサーメット
層はその本来の特性である耐摩耗性、耐熱性などの特性
にすぐれ、かっ自溶性合金の一部が金属母材中に良好に
拡散していくことによって上記母材面との接合強度が大
きくなり、しかもこれら特性が安定して得られるがら、
前記従来法に比しサーメット層の特性面において格段に
すぐれた効果を発揮できる。

しかも、この発明のさらに大きな特徴点として上記の自
溶性合金粉末シートをセラミックス粉末を含む第２の組
成物層と上記粉末を含まない第１の組成物層とで構成し
て、これを上記第１の組成物層側が金属母材面に当接す
るように貼着して焼結処理するようにしたことにより、
サーメット層の前記すぐれた耐摩耗性、耐熱性と母材面
に対する接合強度との両立をうまく図れるという利点が
ある。

すなわち、サーメット層の耐摩耗性、耐熱性を良くする
ためには、自溶性合金粉末シート中に含ませるセラミッ
クス粉末の量を多くした方がよいが、この場合上記シー
トが単層構造であると、自溶性合金粉末の相対量がそれ
だけ減少する結果、金属母材へのなじみや焼結時の拡散
性が低下してサーメット層の上記母材面に対する接合強
度が悪くなるという問題がある。

これに対し、この発明では、自溶性合金粉末シートを上
述の如き２層構成として、セラミックス粉末を含まない
第１の組成物層側を金属母材面に・　　当接させるよう
にしたごとにより、上記母材面に対する接合強度の維持
を図れ、一方セラミックス粉末を含む第２の組成物層の
上記粉末量を多くすることによって焼結処理後のサーメ
ット層、特にその表面側の耐摩耗性、耐熱性に良好な結
果を得ることができる。つまり、接合強度と耐摩耗性。

耐熱性との両立がうまく図れるのである。

〔発明の構成・作用〕

この発明の自溶性合金粉末シートは、Ｎｉ基ないしＣｏ
基自溶性合金粉末とこの粉末を分散結着する有機高分子
バインダとを含む第１の組成物層に、Ｎｉ基ないしＧｏ
’基自溶性合金粉末とセラミックス粉末とこれら粉末を
分散結着する有機高分子バインダとを含む第２の組成物
層を積層した構造を有するものである。

上記第１および第２の組成物層に含ませるＮｉ基ないし
Ｃｏ基自溶性合金粉末は、いずれもその焼結温度が比較
的低く、９００−１，２００℃程度の温度で金属母材に
対して良好な濡れ性を示してかつ上記母材への接合強度
の大きいサーメット層を付与できる金属粉末として選ば
れたものである。

この合金粉末の平均粒子径としては、１００μｍ以下で
あるのがよく、粒子径があまり大きすぎると均一なサー
メット層の形成に支障をきたすおそれがあり、好ましく
ない。

なお、Ｎｉｉ自溶性合金粉末とは、金属元素としてＮｉ
、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｉ、Ｆｅを含むもので、各元素の含有量
としては一般にＣｒで０〜２５重量％、Ｂ　テ０．５〜
５重量％、Ｓｉで０．５〜７重量％、Ｆｅで０〜７重量
％程度で、残部がＮｉである。また、Ｃｏ基自溶性合金
粉末とは、金属元素としてＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｔ
、Ｆｅを含むもので、各元素の含有量としては一般にＮ
ｉで０〜４０重量％、Ｃｒ　Ｔ：　１０〜３０重量％、
Ｂ　テ０゜５〜５重量％、Ｓｉで０．５〜５重［％、Ｆ
ｅでＯ〜７重量％程度で、残部がＣｏである。

また、上記第２の組成物層に含ませるセラミックス粉末
としては、炭化物型セラミックス、窒化物型セラミック
ス、酸化物型セラミックスなどの各種の粉末が包含され
る。このうち特に好適なものは、炭化物型セラミックス
または窒化物型セラミックスからなる粉末である。炭化
物型セラミックス粉末の具体例としては炭化タングステ
ン、炭化チタン、炭化ケイ素などの粉末が、また窒化物
型セラミックス粉末の具体例としては窒化チタン、窒化
アルミなどの粉末が挙げられる。これらの粉末はその一
種を用いても二種以上を併用してもよい。

このようなセラミックス粉末は、これが焼結後のサーメ
ット層の表層部内に均一に存在して耐熱性、耐摩耗性な
どの特性を良好に発揮させる必要から、適度の粒子径と
されていることが望ましく、一般には平均粒子径が７０
μｍ以下、通常は５〜５０μｍ程度であるのがよい。

このセラミツ・クス粉末の使用量としては、第２の組成
物層中に含まれるＮｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉末と
の合計量中に占めるセラミックス粉末の割合が一般に１
〜８０重量％、特に５〜６０重量％となるようにするの
がよい。このような使用量範囲とするごとにより、サー
メット層の耐熱性、耐摩耗性と金属母材に対する接合強
度とに共に好結果が得られる。

つぎに、上記第１および第２の組成物層に含ませる有機
高分子バインダとしては、シート成形性が良くかつシー
ト状物に良好な柔軟性を付与しうるものが好ましく、そ
の中でも特にゴム質ポリマーが好適である。このゴム質
ポリマーとしては、アクリル系ゴム、クロロプレン系ゴ
ム、シリコン系ゴム、天然ゴム、エチレン−プロピレン
系ゴム、ポリイソブチレン系ゴムなどが挙げられ、これ
らの中からその一種または二種以上を混合使用すればよ
い。

もちろん、上記のゴム質ポリマーとともに、フェノール
系樹脂、キシレン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステ
ル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、アク
リロニトリル−ブタジェン−スチレン共重合体などの各
種の熱硬化性樹脂ないし熱可塑系樹脂からなる他のポリ
マーを使用することも可能である。

なお、これら有機高分子バインダの分子量については、
特に限定されないが、前述のゴム質ポリマーの如き熱可
塑性ポリマーにあっては、一般に１万以上、好適には１
０万〜ｌＯＯ万程度であるのがよい。分子量が低すぎて
は前記自溶性合金粉末またはこれとセラミックス粉末と
の混合物の分散結着性に劣り、またあまり高くなりすぎ
るとシート成形のための作業性に難があり、いずれも好
ましくない。

この有機高分子バインダの使用量は、第１の組成物層で
はＮｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉末１００重量部に対
して、また第２の組成物層ではＮｉ基ないしＣｏ基自溶
・性合金粉末とセラミックス粉末との混合粉末１００重
量部に対して、いずれも１〜３０重量部、好適には２〜
ＩＯ重量部程度となるようにするのがよい。使用量が少
なすぎるとシート成形が困難となるかシート状物の機械
的強度を保てず、また多くなりすぎると焼結処理時に炭
化消失する揮発分の量が多くなり、サーメット層の密度
ひいては耐摩耗性などの特性を損なうおそれがあり、好
ましくない。

このような構成成分からなるこの発明の自溶性合金粉末
シートは、上記第１および第２の組成物層に相当するシ
ート状物をそれぞれ作製し、これらを熱プレスにより積
層するか、あるいは前記有機高分子バインダと同様のポ
リマーを含む液状ないしフィルム状の接着剤を介して積
層することにより、得ることができる。

上記第１および第２の組成物層に相当するシート状物を
作製するには、たとえばまず有機高分子バインダをアセ
トン、トルエン、メチルエチルケトンなどの適宜の有機
溶剤に溶解させた溶液を調製し、つぎにこの溶液に、第
１の組成物層では前記の自溶性合金粉末を、第２の組成
物層では前記の自溶性合金粉末とセラミックス粉末との
混合粉末を、それぞれ加えて混練し、これらを一般に離
型紙を被せた型枠上に流し込み、溶剤を蒸発させたのち
、圧延ロールに通すなどしてシート成形する方法が好ま
しく採用される。また、溶剤を用いることなく、必要に
応じて加熱下または加熱真空下で有機高分子バインダと
前記の自溶性合金粉末またはこれとセラミックス粉末と
の混合粉末とを混合してプレス、金型などを用いて加圧
成形するようにしてもよい。

また、この発明の自溶性合金粉末シートを作製する他の
方法として、たとえば上記同様の方法にて第１または第
２の組成物層に相当するひとつのシート状物を作製し、
このシート状物上に他方の組成物層用の前記混練物を塗
布し、この混練物が溶剤を含むものでは溶剤を蒸発させ
たのち、加圧成形するという方法を採用し”ζもよい。

なお、このような自溶性合金粉末シートの作製にあたっ
て、第１の組成物層および第２の組成物層を構成する自
溶性合金粉末および有機高分子バインダは、上記両層間
で同一である必要は特にない。すなわち、必要に応じて
自溶性合金粉末か有機高分子バインダかのいずれか一方
または両方が、上記両層間で異なる構成としてもよい。

このようにして作製されるこの発明の自溶性合金粉末シ
ートの厚みとしては、第１の組成物層で０．０２〜４１
自、好適には０．１〜２ｍｍ、第２の組成物層で０．０
３〜８龍、好適には０．５〜５ｍｍであって、シート全
体の厚みが０．０５〜１０１ｇ＋、好適には０．５〜７
１１程度であるのがよい。なお、第２の組成物層は第１
の組成物層の厚みの０．５倍以上、通常１〜７倍の厚み
を有していることが望ましい。

このような厚みを有してなるこの発明の自溶性合金粉末
シートは、このシートを金属母材面に貼着する際に望ま
れる非常に良好な柔軟性を具備し、また取り扱い上問題
のない良好な機械的強度をも備えている。

この発明の表面改質方法においては、このような自溶性
合金粉末シートを用いて、このシートをまずその第１の
組成物層側、つまりセラミックス粉末を含まない第１の
組成物層側が金属母材面一に当接するように上記母材面
に貼着する。この際第１の組成物層の表面を適宜の有機
溶剤で湿潤処理してお（と、貼着が容易となるため、便
利である。

また、必要なら前述の有機高分子バインダと同様のポリ
マーを含む粘着性物質を、金属母材面と自溶性合金粉末
シートの第１の組成物層との間に介在させるようにして
もよい。

このようにして貼着したのち、非酸化性ガス雰囲気下で
加熱焼結することにより、上記母材面にサーメット層を
形成する。ここで、非酸化性ガス雰囲気とする理由は、
焼結処理中の自溶性合金粉末の酸化を防止するためであ
る。非酸化性ガス雰囲気としては、水素ガス雰囲気やア
ルゴンガス。

窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気とする以外に、真空雰
囲気としてもよい。

また、加熱焼結の方法としては、溶射用のヒユージング
トーチを用いる方法、誘導加熱による方法、炉加熱によ
る方法−などがある。このうち温度や雰囲気のコントロ
ールが容易な炉加熱による方法が特に好適である。加熱
焼結の条件としては、自溶性合金粉末やセラミックス粉
末の種類に応じて適宜決定されるが、たとえば炉加熱に
よる方法では、−最に１０〜４０°Ｃ／分の昇温速度で
最終加熱温度が９００〜１，２００℃の範囲となるよう
に設定し、保持時間が５〜１８０分となるようにずれば
よい。

ごのようにして金属母材面に形成されるサーメット層は
、自溶性合金中主とした薄めの内層と自溶性合金中にセ
ラミックスが均一に分散された厚めの外層とが完全に一
体化した構造を有し、全体厚みが通常０．０４〜８龍程
度の表面硬度が高くて耐摩耗性にす（れかつ耐熱性にも
すぐれた共焼結体層からなり、焼結処理中に自）容性合
金の一部が金属母材中に拡散することによって上記母材
面との接合強度の非常に大きいものとなる。

このため、このようなザーメツＩ・層により表面改質さ
れた金属母材からなる工具、ａ械、電気部品、自動車部
品などの各種金属製品は、上記の特徴を生かした各種用
途に有利に応用することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明においては、Ｎｉ基ないしＣｏ
基自溶性合金粉末と有機高分子バインダとを含む第１の
組成物層に上記自溶性合金粉末とセラミックス粉末とさ
らに有機高分子バインダとを含む第２の組成物層を積層
してなる特定の自溶性合金粉末シートを、金属母材の表
面改質用材料として使用し、かつこの材料を上記第１の
組成物層側が金属母材面に当接するように上記母材面に
貼着したのち焼結処理してサーメット層を形成するもの
であるから、前記従来の溶射法に比し、金属母材面への
サーメット層の形成作業性の改善を図れ、またその自動
化が容易となり、そのうえ耐摩耗性、耐熱性などの特性
や上記母材面との接合強度などのサーメット層本来の特
性面での大幅な改善を図ることができる。

〔実施例〕

つぎに、この発明の実施例を記載してより具体的に説明
する。なお、以下において、部とあるは重量部を意味す
るものとする。

実施例１ 平均粒子径４０μｍのＮｉ基自溶性合金ＭＳＦＮｉ５（
ＪＩＳ規格）粉末９７部、ブチルゴム２部、フェノール
樹脂１部およびトルエン１００部からなる組成物を均一
に混合し、これを離型紙を被せた型枠上に流し、トルエ
ンを蒸発させたのち、ロール圧延することにより、厚さ
０．５鰭の第１の組成物層用のシート・状物を作製した
。

また、平均粒子径２０μｍの炭化タングステン（ＷＣ）
粉末３５部、平均粒子径４０ｐｍのＮｉ基自′溶性合金
ＭＳＦＮｉ５　（ＪＩＳ規格）粉末６２部、ブチルゴム
４部、フェノール樹脂１部およびトルエン１００部から
なる組成物を均一に混合し、この組成物を用いて前記と
同様にして、厚さ１．０鶴の第２の組成物層用のシート
状物を作製した。

つぎに、上記の第１の組成物層用のシート状物と第２の
組成物層用のシート状物とを熱プレスにより積層して、
この発明の自溶性合金粉末シートとした。このシートを
１（ＪＩＩＸＩＣＩｌｌの大きさに切断し、第１の組成
物層の表面を少量のアセトンで濡らしたのち、鋼板母材
の表面に、上記第１の組成物層側が鋼板母材面に当接す
るように貼着した。

しかるのち、真空雰囲気下１５°Ｃ／分の速度で１゜０
６０　’Ｃまで昇温加熱し、この温度で２０分間保持し
たのち徐冷し、焼結処理を完了した。

この焼結処理により、鋼板母材の表面に厚さが１．２５
〜１．３龍の外観良好なサーメット層を形成できた。こ
のサーメット層の硬度はＨｖ　１．１．００ｋｇ／−で
、鋼板母材との接合強度は３５ｋｇ／−であった。

実施例２ 平均粒子径４０μｍのＮｉ基自溶性合金ＭＳＦＮｉ５（
ＪＩＳ規格）粉末９７部、クロロプレンゴム３部および
トルエン１００部からなる組成物を均一に混合し、これ
を離型紙を被せた型枠上に流し、′トルエンを蒸発させ
たのち、ロール圧延することにより、厚さＯ，−２鰭の
第１の組成物層用のシート状物を作製した。

また、平均粒子径１０μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末
１５部、平均粒子径４０μｍのＣｏ基自溶性合金ＭＳＦ
Ｃｏ　１　　（Ｊ　Ｉｓ規格）粉末８２部、ブチルゴム
４部、フェノール樹脂１部およびトルエン１００部から
なる組成物を均一に混合し、この組成物を用いて前記と
同様にして、厚さ０．８　＋ｕの第２の組成物層用のシ
ート状物を作製した。

つぎに、上記の第１の組成物層用のシート状物と第２の
組成物層用のシート状物とを、両者間に厚さ１０μｍの
アクリル系フィルム状感圧接着剤を介して積層し、この
発明の自溶性合金粉末シートとした。このシートをｌ　
ａｍ　Ｘ　ｌ　ｃｍの大きさに切断し、第１の組成物層
の表面を少量のアセトンで濡らしたのち、鋼板母材の表
面に、上記第１の組成物層側が鋼板母材面に当接するよ
うに貼着した。

しかるのち、水素ガス雰囲気下１５℃／分の速度で１，
０５０℃まで昇温加熱し、この温度で２０分間保持した
のち徐冷し、焼結処理を完了した。

この焼結処理により、鋼板母材の表面に厚さが０．７５
〜０．８５　＋ｎの外観良好なサーメット層を形成でき
た。このサーメット層の硬度はＨｖ９００ｋｇ　／　ｍ
ＩＡで、鋼板母材との接合強度は３０ｋｇ／ｎｖＭであ
った。

実施例３ 平均粒子径４０μｍのＣｏ基自溶性合金ＭＳＦＣＯＬ（
ＪＩＳ規格）粉末９７部、クロロプレンゴム３部および
トルエン１００部からなる組成物を均一に混合し、これ
を離型紙を被せた型枠上に流し、トルエンを蒸発させた
のぢ、ロール圧延することにより、厚さ０．４　ｕの第
１の組成物層用のシート状物を作製した。

また、平均粒子径２０μｍの窒化チタン（ＴｉＮ）粉末
１６部、平均粒子径４０μｍのＣｏｇ自溶性合金ＭＳＦ
Ｃｏ　１　　（Ｊ　Ｉ　Ｓ規格）粉末８１部、クロロプ
レンゴム３部およびトルエン１００部からなる組成物を
均一に混合し、この組成物を用いて前記と同様にして、
厚さ０．８　ａｍの第２の組成物層用のシート状物を作
製した。

つぎに、上記の第１の組成物層用のシート状物と第２の
組成物層用のシート状物とを、両者間に実施例２と同様
の接着剤を介して積層し、この発明の自溶性合金粉末シ
ートとした。このシートを１　ｃｒｎ　Ｘ　１　ｃｍの
大きさに切断し、第１の組成物層の表面を少量のアセト
ンで濡らしたのち、鋼板母材の表面に、上記第１の組成
物層側が鋼板母材面に当接するように貼着した。しかる
のら、真空雰囲気下り０℃／分の速度で１，０７０℃ま
で昇温加熱し、この温度で３０分間保持したのち徐冷し
、焼結処理を完了した。

この焼結処理により、鋼板母材の表面に厚さが０．９５
〜１．　ＯＯａｍの外観良好なサーメット層を形成でき
た。このサーメット層の硬度はＨｖ　８００ｋｇ／−で
、鋼板母材との接合強度は３２ｋｇ／−であった。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｎｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉末と有機高分子
   バインダとを含む第１の組成物層に、Ｎｉ基ないしＣｏ
   基自溶性合金粉末とセラミックス粉末と有機高分子バイ
   ンダとを含む第２の組成物層を積層してなる自溶性合金
   粉末シート。
2. （２）セラミックス粉末が炭化物型セラミックスまたは
   窒化物型セラミックスからなる特許請求の範囲第（１）
   項記載の自溶性合金粉末シート。
3. （３）有機高分子バインダがゴム質ポリマーからなる特
   許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の自溶性
   合金粉末シート。
4. （４）金属母材面に、Ｎｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉
   末と有機高分子バインダとを含む第１の組成物層にＮｉ
   基ないしＣｏ基自溶性合金粉末とセラミックス粉末と有
   機高分子バインダとを含む第２の組成物層を積層してな
   る自溶性合金粉末シートを、上記第１の組成物層側が金
   属母材面に当接するように貼着したのち、非酸化性ガス
   雰囲気下で加熱焼結することにより、上記母材面にサー
   メット層を形成することを特徴とする金属母材の表面改
   質方法。