JP2001504036A

JP2001504036A - 複合耐摩耗部品

Info

Publication number: JP2001504036A
Application number: JP51711098A
Authority: JP
Inventors: ユベールフランソワ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2001-03-27
Also published as: EE9900139A; KR100691295B1; WO1998015373A8; TR199900645T2; UA46124C2; MY128314A; EP0930948A1; EP0930948B1; WO1998015373A1; CN1114513C; PT930948E; CZ294041B6; DE69702988T2; HUP9904505A3; USRE39998E1; SK40299A3; HUP9904505A2; US20020136857A1; CA2266475A1; SK284900B6

Abstract

(57)【要約】鋳造によって製造され、作用面に極めて高い耐摩耗性を有するインサートを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品であって、インサートがセラミック・パッドから成り、セラミック・パッドが２０〜８０重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び８０〜２０重量％のＺｒＯ₂の均質固溶体から成り、鋳造過程においてパッドに液体金属を含浸させる。

Description

【発明の詳細な説明】複合耐摩耗部品発明の主題この発明は、鋳造によって製造され、極めてすぐれた耐摩耗性を有するインサートを耐摩耗面に含む金属母材から成る複合耐摩耗部品に係わる。発明の技術背景この発明は、特にセメント工場や鉱山、冶金工場、発電所、各種採石場のような産業に見られる種々の摩耗性材料の破砕や搬送を行う施設において使用される耐摩耗部品に係わる。これらの部品には多くの場合、全体に高い機械的応力が作用し、作用面が著しく摩耗する。したがって、この種の耐摩耗部品は、高い耐摩耗性とある程度の延性とを有することによって、衝撃のような機械的応力に耐え、必要に応じて機械加工可能であることが望ましい。この２つの性質を同一の材料が兼備することは難しいから、比較的延性にすぐれた合金から成るコアの中に、すぐれた耐摩耗性を有する独立のインサートを埋め込んだ複合部品がすでに提案されている。文献ＥＰ−Ａ−０４７６４９６号は、クロム銑鉄から成るインサートを作用面に埋め込んだ研摩ホイールの製造にこの技術を応用することを提案している。セラミック材がすぐれた耐摩耗性を有することが明らかになり、耐摩耗部品の耐摩耗性を高めるのにこのセラミック材を使用することも公知となっている。文献ＥＰ−Ａ−０５７５６８５号は、小さな耐摩耗部品のロストワックス精密鋳造にセラミック材を使用することを提案している。この公知方法では、金属を充填すべき型のキャビティーを形成するために、ワックスモデルを利用してこれを融解させる；この型自体はセラミック製であり、従来のような砂型ではない。この文献によれば、互いに連通する開放気泡から成る３次元ネットワークを有するスポンジ構造のセラミック・パッド（ウェーファー・コア）を先ず形成する。このセラミック・パッドは、セラミック材粒子を適当な型に注入し、次いで流動性にすぐれた液状接着剤、例えば、液状樹脂であって、硬化後には、その粒子を固めてセラミック構造を形成することができる接着剤を注入することによって得られる。セラミック材としては、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムを使用すればよい。このパッドは、あらかじめワックスを含浸させた後、部品のワックスモデルを製造するための型の中に配置する。次いで、ワックスモデルを鋳造し、最終的にはこのワックスモデルをセラミック・スラリーに浸漬することによって、セラミック型を製造する。ワックスモデルを内蔵するセラミック型を加熱することによって、ワックスモデルを融解させる。ワックスはセラミック型から流出するが、あらかじめワックスモデルに埋め込んでおいたパッドは、セラミック型の壁に接着されたままとなる。セラミック型で金属を鋳造するため、セラミック型を約１１５０℃の温度に、原則的には真空下であらかじめ加熱する。しかし、この公知技術はロストワックス精密成形に限られる。また、上記文献に述べられている用途の場合、金属を鋳造する際に型とセラミック構造とをあらかじめ高温に加熱すれば、特に温度性向という点で金属母材とセラミック構造との間の相溶性が問題となることは殆どない。さらに、この技術は極めて精密な特殊部品の製造に限られ、このような部品は、ロストワックス成形法そのものが極めて高コストの方法であるだけに、非常に高価である。発明が解決すべき課題上記技術は、研磨、破砕または摩耗性材料の搬送などを行なう工場などで使用される断面が少なくとも２５ｍｍ、時には４０ｍｍ以上の大きな耐摩耗部品の製造にそのまま応用することはできない。他方、この発明の技術では、金属を鋳造する前に型もセラミック・インサートも高温加熱することはないから、断面が例えば２５ｍｍ以下の薄い部分を有する部品を鋳造することは不可能か、さもなければ困難である。また、部品は鋳造後に熱処理されるのが普通である。従って、セラミック・インサート上へ液体金属を流し込む際の熱衝撃による亀裂を避けるためにも、以後の熱処理の過程で両材料の膨脹係数差に起因する亀裂を避けるためにも、温度性向という点で、セラミック材と金属との間にある程度の相溶性が必要である。さらにまた、所期の特定用途に適した性質の部品を製造するためには、セラミック材の機械的性質を金属の機械的性質に適合させねばならない。この発明の目的は、以上に述べた条件を満たす、セラミック・インサートを含む複合耐摩耗部品を提供することにある。第２の問題は、セラミック材の厚さが２５ｍｍ以上になると、金属が充分に浸透しないことから起こる。そこで、この発明の他の目的は、複合耐摩耗部品の特殊な形状を提案することによってこの第２の問題を解決することにある。発明の主な特徴的要素第１の目的を達成するため、この発明は従来方式の鋳造または遠心鋳造によって製造される複合耐摩耗部品を提案する。この発明の複合耐摩耗部品は、耐摩耗性にすぐれたインサートを作用面に含む金属母材から成り、インサートは、２０〜８０重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び８０〜２０重量％のＺｒＯ₂を含む固溶体または均質相から成るそれ自体が複合材であるセラミック材で形成されている。セラミック材は、重量比率が３〜４％を超えない他の酸化物をも含むことがある。この発明の第１の好ましい実施例では、セラミック材の組成は下記のとおりである：５５〜６０重量％のＡｌ₂Ｏ₃、及び３８〜４２重量％のＺｒＯ₂。他の好ましい実施例では、セラミック材の組成は下記のとおりである。７０〜７７重量％のＡｌ₂Ｏ₃、及び２３〜２７重量％のＺｒＯ₂。インサート中に占めるセラミック材の含有率は、３５〜８０重量％、好ましくは４０〜６０重量％、さらに好ましくは約５０％である。この複合耐摩耗部品は、ＦＥＰＡ規格のＦ６〜Ｆ２２以内の粒度、即ち、直径が約０．７ｍｍ〜５．５ｍｍのセラミック粒子の集合体から製造される。これらのセラミック粒子は電溶、焼結、溶射または両成分の融合を可能にするその他の方法によって公知の態様で製造される。セラミック粒子を、パッドの総重量に対して４重量％を超えない割合の、好ましくは２〜３重量％の接着剤を利用して一体化させる。この接着剤は無機でも有機でもよい。その例として、ケイ酸塩系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤などが挙げられる。この発明は、以下に述べるような所見に基づく。即ち、酸化アルミニウム（鋼玉）と酸化ジルコニウムとは比較的異なる性質を有し、このことが、両者の割合を適正に選択することでセラミック複合体の硬度、靭性及び熱膨脹係数を、すぐれた硬度とすぐれた靭性を兼備するように調節することを可能にし；同時に、部品の用途に適合させながら、複合セラミックの膨張係数を鋳造される金属、即ち、銑鉄や鋼の１０×１０^-6〜１１×１０^-6という膨張係数に近似させることができる。酸化ジルコニウムは、金属の膨脹係数に近似した膨脹係数を有する。しかも靭性の向上に寄与する。即ち、破損の危険を軽減する。他方、酸化アルミニウムは、硬度の向上に寄与する。パッド内で、アルミナ中に存在するジルコニウムはアルミナの耐亀裂性を高め、両成分のそれぞれが単独で存在する場合、即ち、ＺｒＯ₂だけか、Ａｌ₂Ｏ₃だけの場合よりも高い靭性を実現する。換言すると、強い摩耗作用を受ける耐摩耗部品においては、酸化アルミニウムの割合を増やすことが好ましいが、一定限度を超えると耐摩耗性及び靭性が低下し始める。この場合、セラミック組成として第２の範囲を選択する。他方、大きい衝撃または高い圧力を受ける部品の場合には、硬度を犠牲にして膨脹係数を優先し、部品中に生ずる応力を、したがって、破損の危険を軽減するため酸化ジルコニウムの割合を増やすことが好ましい。鋳造過程または以後の熱処理過程において亀裂を生ずるおそれがある部品の場合、酸化ジルコニウムの割合を増やし、インサートの膨脹係数を金属母材の熱膨脹に近づけることも好ましい。複合セラミック・インサートの構成成分の割合を選択する際には、部品の用途に必要な性質に合わせて、鋳造金属の組成を考慮に入れることはいうまでもない。同様に、鋳造金属の組成の選択は、複合インサートの性質に適合するように配慮する。セラミック相への液体金属の不充分な浸透という問題を解決するため、この発明の範囲内で種々の形状を提案する。セラミック材から成るパッドが厚くなる場合には、第１実施例では、セラミック材から成る複数パッドを、液体金属の流入を可能にするため最小限１０ｍｍ程度の間隙をパッド間に残して重ねる。このようにすれば、個々のパッドに正しく浸透させることができる。この構成によって、金属の浸透不足に悩まされることなく、インサート中におけるセラミック相の割合を適正に増やすことができる。他の実施例では、セラミック相内に多角形または円形を呈する構成セルを含んでいる“ハニカム”構造の形態のパッドを製造する。セラミック相を構成する個々のセルの壁厚は、５〜２５ｍｍであることが好ましい。この実施例においても、摩耗が特に深さ方向で現われる部品の場合に、液体金属の浸透不足の問題に悩まされることなく、セラミック相の量を増やすことができる。ここでも、液体金属を浸透させるには、セルの壁厚が約２５ｍｍという限度を超えないことが好ましい。ただし、セル壁の高さは複合部品の高さとほぼ等しくする。パッドを“ハニカム”構造に形成するこの第２実施例では、粉砕作業において改善が見られる。具体的には、一定期間にわたる部品の使用後に、セル状金属部分に中空の凹みが現われ、被粉砕材料がこの凹みを埋めて摩耗に対する自己防衛に一役買うことになる。この過程があるから、粉砕機の場合、生産低下につながる優先摩耗経路の発生を被粉砕材料によって避けることができる。また、第２の好ましい実施態様によるこの“ハニカム”構造によって、部品製造中に浸透パッドに発生し易い亀裂が広がるおそれを軽減することができる。事実、割れ目が発生しても塞がり、部品全体に広がることがない。図面の簡単な説明図１は、この発明の第１の好ましい実施態様による複合耐摩耗部品を示す。図２は、この発明の第２の実施態様による複合耐摩耗部品を示す。図３は、この発明の複合耐摩耗部品の特殊な用途を示す。実施例例１：縦軸型破砕機用エジェクターの製造７５％のＡｌ₂Ｏ₃と２３％のＺｒＯ₂を混合し、この両成分を電融処理によって融合して、ＦＥＰＡ規格のＦ６〜Ｆ２０分類に含まれる粒度の複合粒子を形成する。次いで、この粒子を液状接着剤と共に適当な形状の鋳型に注入し、硬化後、前記接着剤が粒子を凝集保持することによってセラミック・パッドが形成される。この実施例の場合、２層のセラミック・パッドが１０ｍｍの間隙を挟んで重なり合う、図１に示す構造を採用することが好ましい。これらのパッドを、好ましくは砂型内に配置し、次いで、３％の炭素と、２６％のクロムと、この種の合金に例外なく含まれるその他の元素とを含有する液状銑鉄を前記砂型に注入する。こうして製造された耐摩耗部品においては、硬度が約７５０Ｈｖの銑鉄母材中に硬度が約１６００Ｈｖ、膨脹係数が約８×１０^-6のセラミック・インサートが保持されている。例２：破砕機ローターの製造セラミック材の調製は例１と同様であるが、この実施例では硬度を犠牲にして膨脹係数を優先する。即ち、ＺｒＯ₂を４０％、Ａｌ₂Ｏ₃を６０％とする。この種の部品は特に厚さが大きいから、図２に示すような“ハニカム”構造を採用する。この場合、“ハニカム”構造を形成するセルの厚さは約２０ｍｍ、高さは複合部品の高さにほぼ等しい。この構造の製造には、１％の炭素、１４％のマンガン及び１．５％のモリブデンを含有するマンガン鋼を利用する。こうして製造された複合部品においては、硬度が約１３５０Ｈｖ、膨脹係数が約９×１０^-6である。この実施例が目的とするところは、この種の部品が高レベルの衝撃を受けるだけに、この衝撃によって部品に割れ目が生ずる危険を軽減することにある。例３：ビーター図３はビーターに採用するセラミック・パッドを例示し、このセラミック・パッドによって、ビーターの３つの耐摩耗相を強化することができる。このセラミック・パッドは、金属相内に配置される一体的部品である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年７月１０日（１９９８．７．１０）【補正内容】密な特殊部品の製造に限られ、このような部品は、ロストワックス成形法そのものが極めて高コストの方法であるだけに、非常に高価である。文献“Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ”（１９８５），Ｗ．Ｇｅｒｈａｒｔｚ，ＶＣＨＶｅｒｓｌａｇｓｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ，５ｔｈＥｄｉｔｉｏｎＸＰＯＯ２０２３８２６，ｐ．５には、鋳造物（ビレット及びスラブ）を仕上げ加工する研摩装置用のＡｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂をベースとする組成物が記述されている。発明が解決すべき課題上記技術は、研磨、破砕または摩耗性材料の搬送などを行なう工場などで使用される断面が少なくとも２５ｍｍ、時には４０ｍｍ以上の大きな耐摩耗部品の製造にそのまま応用することはできない。他方、この発明の技術では、金属を鋳造する前に型もセラミック・インサートも高温加熱することはないから、断面が例えば２５ｍｍ以下の薄い部分を有する部品を鋳造することは不可能か、さもなければ困難である。また、部品は鋳造後に熱処理されるのが普通である。従って、セラミック・インサート上へ液体金属を流し込む際の熱衝撃による亀裂を避けるためにも、以後の熱処理の過程で両材料の膨脹係数差に起因する亀裂を避けるためにも、温度性向という点で、セラミック材と金属との間にある程度の相溶性が必要である。さらにまた、所期の特定用途に適した性質の部品を製造するためには、セラミック材の機械的性質を金属の機械的性質に適合させねばならない。この発明の目的は、以上に述べた条件を満たす、セラミック・インサートを含む複合耐摩耗部品を提供することにある。第２の問題は、セラミック材の厚さが２５ｍｍ以上になると、金属が充分に浸透しないことから起こる。そこで、この発明の他の目的は、複合耐摩耗部品の特殊な形状を提案することによってこの第２の問題を解決することにある。請求の範囲１．古典的鋳造または遠心鋳造によって製造され、極めて高い耐摩耗性を有するインサートを作用面に含む金属母材から成る複合耐摩耗部品において、インサートがセラミック・パッドから成り、このセラミック・パッドが２０〜８０重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び８０〜２０重量％のＺｒＯ₂の均質な固溶体から成り、鋳造の過程においてパッドに液体金属を含浸させたことを特徴とする前記複合耐摩耗部品。２．セラミック材が５５〜６０重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び３８〜４２重量％のＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の複合耐摩耗部品。３．セラミック材が７０〜７７重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び２３〜２７重量％のＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の複合耐摩耗部品。４．インサート中に占めるセラミック材の含有量が３５〜８０重量％、好ましくは４０〜６０重量％、さらに好ましくは約５０重量％であることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。５．インサートがＦＥＰＡ規格のＦ６〜Ｆ２２の粒度を有する複合セラミック粒子の集合体から成ることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。６．セラミック粒子を電融、焼結、溶射またはその他の方法によって製造したことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。７．セラミック・パッドを製造するため、無機または有機液状接着剤を利用してセラミック粒子を一体化したことを特徴とする請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。８．パッドが最大限４％の接着剤を含有することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の複合耐摩耗部品。９．鋳造によって製造され、少なくとも１つのセラミック・パッドを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品において、少なくとも２つのセラミック・パッドを、パッド間に極めて小さい間隙を残して並置したことを特徴とする前記複合耐摩耗部品。１０．液体金属の流入を可能にするため、前記極めて小さい間隙を約１０ｍｍとしたことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の複合耐摩耗部品。１１．鋳造によって製造され、耐摩耗性のセラミック・パッドを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品において、セラミック・パッドがハニカム構造の形態を有し、該ハニカム構造を構成する個々のセルがセラミック相内で多角形または円形を呈することを特徴とする前記複合耐摩耗部品。１２．セラミック相を構成する個々のセルの壁厚が５〜２５ｍｍであることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の複合耐摩耗部品。【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年１２月４日（１９９８．１２．４）【補正内容】求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。８．パッドが最大限４％の接着剤を含有することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の複合耐摩耗部品。９．鋳造によって製造され、少なくとも１つのセラミック・パッドを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品において、液体金属の流入を可能にするため、パッド間に約１０ｍｍの間隙を残して少なくとも２つのセラミック・パッドを並置したことを特徴とする前記複合耐摩耗部品。１０．セラミック・パッドがハニカム構造の形態を有し、ハニカム構造の個々のセルがセラミック相内において多角形または円形セルであることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の、古典的鋳造または遠心鋳造によって製造され、耐摩耗性セラミック・パッドを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品。１１．セラミック相を構成する個々のセルの壁厚が５〜２５ｍｍであることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の複合耐摩耗部品。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ【要約の続き】

Claims

【特許請求の範囲】１．鋳造によって製造され、作用面に極めて高い耐摩耗性を有するインサートを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品において、前記インサートがセラミック・パッドから成り、該セラミック・パッドが２０〜８０重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び８０〜２０重量％のＺｒＯ₂の均質固溶体から成り、鋳造過程において前記パッドに液体金属を含浸させたことを特徴とする前記複合耐摩耗部品。２．セラミック材が５５〜６０重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び３８〜４２重量％のＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の複合耐摩耗部品。３．セラミック材が７０〜７７重量％のＡｌ₂Ｏ₃及び２３〜２７重量％のＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の複合耐摩耗部品。４．インサートに占めるセラミック材の含有量が３５〜８０重量％、好ましくは４０〜６０重量％、さらに好ましくは約５０重量％であることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。５．インサートがＦＥＰＡ規格のＦ６〜Ｆ２２以内の粒度を有ナる複合セラミック粒子の集合体から成ることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。６．セラミック粒子を、電融、焼結、溶射またはその他の方法によって製造したことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。７．セラミック・パッドを製造するため、無機また有機接着剤を利用してセラミック粒子を一体化したことを特徴とする請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載の複合耐摩耗部品。８．パッドが最大限４％の接着剤を含有することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の複合耐摩耗部品。９．鋳造によって製造され、少なくとも１つのセラミック・パッドを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品において、少なくとも２つのセラミック・パッドを、パッド間に極めて小さい間隙を残して並置したことを特徴とする前記複合耐摩耗部品。１０．液体金属の流入を可能にするため、前記極めて小さい間隙を約１０ｍｍとしたことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の複合耐摩耗部品。１１．鋳造によって製造され、耐摩耗性のセラミック・パッドを含む金属母材から成る複合耐摩耗部品において、セラミック・パッドがハニカム構造の形態を有し、該ハニカム構造を構成する個々のセルがセラミック相内で多角形または円形を呈することを特徴とする前記複合耐摩耗部品。１２．セラミック相を構成する個々のセルの壁厚が５〜２５ｍｍであることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の複合耐摩耗部品。