JP3872665B2 - 傾斜複合材の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面から内部に指向してセラミックスの組成比が増加するとともに金属の組成比が減少する傾斜複合材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の加工分野で使用される加工工具、例えば、切削工具の刃具や圧延ロールには、硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性、圧縮強度等に優れていることが要求される。このような観点から、近年では、加工工具を、コバルト（Ｃｏ）粉末と炭化タングステン（ＷＣ）粉末が焼結されてなるＷＣ−Ｃｏ系超硬合金や、モリブデン（Ｍｏ）粉末と炭化チタン（ＴｉＣ）粉末が焼結されてなるＴｉＣ系サーメット等、金属とセラミックスとを含有する複合材料から構成することが試みられている。圧延ロールを例として説明すれば、この種の複合材料を素材とする圧延ロールは上記の各特性をある程度は兼ね備えているので、一回の圧延加工における圧下率を大きくすることができるという利点がある。
【０００３】
なお、刃具や圧延ロールの表面の硬度や耐摩耗性をさらに向上させるため、該表面に対し、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法によってＴｉＮやＴｉＣからなる被膜が形成されることもある。
【０００４】
圧延ロールが著しく摩耗した場合には、ワークを所定の厚みの板材に展延することが困難となるため、交換が必要となる。
【０００５】
ところで、圧延ロールの寸法は、一般的なものでも直径１ｃｍ〜１ｍ、長さ５０ｃｍ〜１．５ｍ程度であり、大きなものでは直径４ｍ、長さ５ｍに及ぶこともある。一方、上記したような複合材料は小寸法のものでも高価であり、必然的に、前記のような寸法の複合材製圧延ロールはかなり高価である。このため、交換頻度が多くなると、複合材製圧延ロールの購入費が高騰して圧延加工コストも上昇してしまうという不具合を招く。したがって、複合材製圧延ロールには、通常の圧延ロールに比して耐摩耗性が優れていることが要求される。
【０００６】
複合材製圧延ロールの耐摩耗性を向上させるには、セラミックスの組成比を高くすることによって該ロールの硬度を向上させればよい。しかしながら、この場合、該ロールの強度および靱性が低下し、その結果、該ロールに脆性破壊が生じ易くなるという不具合が惹起される。このような理由から、充分な耐摩耗性を有しながらも脆性破壊が生じにくい複合材製圧延ロールは、これまでのところ得られていない。
【０００７】
また、ＰＶＤ法やＣＶＤ法により被膜を形成する場合、被膜形成対象の大きさや形状に制約を受けるという不都合があるため、被膜を効率よく形成することができない。このため、複合材製圧延ロールの製造コストを上昇させ、結局、複合材製圧延ロールの価格をさらに高騰させてしまう。しかも、この被膜は、高応力下では容易に剥離してしまう。
【０００８】
そこで、本出願人は、特開２０００−３０１２１６号公報にて、表面から内部に指向してセラミックスの組成比が減少し、かつ金属の組成比が増加する傾斜複合材からなる圧延ロールを提案している。この場合、表面が高硬度であるので耐摩耗性に優れ、かつ内部が高靱性であるので割れや欠けが生じ難い圧延ロールを構成することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特開２０００−３０１２１６号公報にて提案された圧延ロールには、表面が高硬度であるので仕上げ加工が容易ではないという不具合がある。この不具合を解消するためには、表面における金属の組成比を高めればよいと考えられる。周知のように、金属の組成比が高くなると加工性に富むようになるからである。
【００１０】
この種の傾斜複合材は、例えば、１００体積％の金属粒子、８０体積％の金属粒子と２０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、６０体積％の金属粒子と４０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、４０体積％の金属粒子と６０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、２０体積％の金属粒子と８０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、１００体積％のセラミックス粒子、２０体積％の金属粒子と８０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、４０体積％の金属粒子と６０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、６０体積％の金属粒子と４０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、８０体積％の金属粒子と２０体積％のセラミックス粒子の混合粉末、１００体積％の金属粒子をこの順序で積層し、次いでこの積層体を焼結させることにより製造することができる。
【００１１】
しかしながら、金属粒子の焼結可能な温度とセラミックス粒子の焼結可能な温度は周知のように大きく異なり、後者の方がより高温である。したがって、金属粒子が焼結可能な温度で上記積層体を焼結した場合には、セラミックス粒子が緻密化しないので低強度の傾斜複合材となる。一方、セラミックス粒子が焼結可能な温度で上記積層体を焼結した場合には、金属が融解してしまうので所望の形状の傾斜複合材を製造することができない。また、上記のように段階的に組成比が異なる積層体の焼結を行うと、緻密化速度や焼結に伴う収縮の度合いが各層において異なるために、焼結体（傾斜複合材）が変形する。さらに、焼結の際に、焼結体にクラックが発生することもある。
【００１２】
すなわち、従来技術に係る傾斜複合材の製造方法には、実用に供することが可能な程度の硬度および靱性を兼ね備える傾斜複合材を所望の形状で製造することが著しく困難であるという不具合がある。
【００１３】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加し、このために表面が高靱性でかつ内部が高硬度であり、容易に加工を施すことが可能な傾斜複合材の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、表面から内部に指向してセラミックスの組成比が増加するとともに金属の組成比が減少し、かつ内部に存在するセラミックス粒子が表面に存在するセラミックス粒子に比して大きく粒成長した傾斜複合材の製造方法であって、
Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種のセラミックス粒子と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種の金属粒子とが重量比で６０：４０〜９７：３で混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、
前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工程と、
前記多孔質体の内部に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドを含む粒成長促進剤含有溶液を含浸させる含浸工程と、
前記粒成長促進剤含有溶液が含浸された前記多孔質体を窒素ガス雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程と、
を有し、
前記一次焼結工程は、前記金属粒子同士が融着してネックが形成され、かつ前記セラミックス粒子同士が融着されない時点で終了され、
前記二次焼結工程では、昇温開始時から窒素ガスを導入することを特徴とする。
【００１５】
この場合、二次焼結工程において、多孔質体の表面近傍に存在する金属粒子がセラミックス粒子に比して早期に粒成長を開始する。さらに、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子は、窒素等の窒化ガスにより粒成長が抑制される。窒化ガスは、一般的にセラミックス粒子の粒成長を阻害するからである。その一方で、多孔質体の内部に存在するセラミックス粒子は、窒化ガスが到達し難いので粒成長が抑制されることはない。しかも、粒成長促進剤によって粒成長が促進される。このような理由から、金属粒子が表面に集中するような再配列が起こり、その結果、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材が得られる。
【００１６】
なお、前記窒化ガスとしては、取り扱いの容易さや反応速度を容易に制御することができる等の点から、窒素が用いられる。
【００１７】
このようにして得られた傾斜複合材は、金属に由来する靱性と、セラミックスに由来する硬度および強度とを兼ね備える。このため、割れや欠けが生じ難く、しかも、耐摩耗性が向上するとともに変形が生じ難い各種加工用工具を構成することができる。
【００１８】
しかも、この傾斜複合材における金属の組成比は、表面で最も高い。換言すれば、加工 を施すことが最も容易な部位は表面である。このため、研削加工等の各種の機械加工を容易に施すことができ、結局、所望の寸法精度を有する製品を得ることができる。
【００１９】
ワークに各種の機械加工を施すに際して充分な硬度、強度および靱性を有する加工工具とするためには、セラミックス粒子をＷ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種とし、かつ金属粒子をＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種とする。さらに、金属粒子にＣｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種を添加するようにしてもよい。この場合、セラミックス粒子と金属粒子との組成比は重量比で６０：４０〜９７：３に設定される。金属が３重量部未満であると、靱性が乏しくなるので割れや欠けが生じ易くなるからである。また、４０重量部を超えると、硬度や強度が低下するので耐摩耗性が乏しくなるとともにワークの加工時に変形が生じ易くなるからである。
【００２０】
また、粒成長促進剤含有溶液に含有される粒成長促進剤としてはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドを好適な例として挙げることができる。
【００２１】
傾斜複合材の好適な例としては、圧延ロールを挙げることができる。圧延ロールを製造する場合、前記成形工程で、圧延ロールに対応する形状の成形体を作製するようにすればよい。この場合、寸法精度に優れた圧延ロールとするために、得られた緻密焼結体の表面を研削加工して圧延ロールとする仕上げ加工工程を行うことが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る傾斜複合材の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、傾斜複合材として圧延ロールを例示して説明する。
【００２３】
本実施の形態に係る圧延ロールの概略全体斜視図を図１に示すとともに、縦断面図を図２に示す。この圧延ロール１０は、冷間圧延用工具であり、ロール部１２と、該ロール部１２の両端に設けられた小径な支持軸１４ａ、１４ｂとを有する。
【００２４】
該圧延ロール１０は、セラミックスと金属とを含む複合材で構成されている。そして、内部と表面とを比較すると、金属の組成比は表面の方が大きい。すなわち、圧延ロール１０は、金属の組成比が比較的大きな金属リッチ部２０が表面に設けられる一方で、金属リッチ部２０に比して金属の組成比が小さくかつセラミックスの組成比が大きなセラミックスリッチ部２２が内部に設けられ、さらに、金属リッチ部２０とセラミックスリッチ部２２との間に傾斜部２４が設けられた形態となっている。なお、傾斜部２４においては、金属リッチ部２０側からセラミックスリッチ部２２側に指向して金属の割合が漸減している。
【００２５】
すなわち、圧延ロール１０では、金属の組成比は、表面である内周壁部および外周壁部で最も高く、内部に指向して減少している。また、その逆に、セラミックスの組成比は表面である内周壁部および外周壁部で最も低く、内部に指向して増加している。
【００２６】
圧延ロール１０の構成材料であるセラミックスとしては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種が好ましく、また、金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種が好ましい。金属には、これらに加え、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種がさらに含有されていてもよい。上記したセラミックスおよび金属を構成材料とすることにより、実用上必要な強度、硬度および靱性を有する圧延ロール１０を得ることができる。
【００２７】
上記したセラミックスおよび金属を圧延ロール１０の構成材料とする場合、セラミックスと金属との組成比は、６０：４０〜９７：３（重量比、以下同じ）に設定される。金属が３重量部未満であると、靱性が乏しくなるので割れや欠けが生じ易くなる。また、４０重量部を超えると、セラミックス量が少なくなるので硬度や強度が低下し、その結果、耐摩耗性が乏しくなるとともにワークに対して圧延加工を施す際に変形が生じ易くなる。
【００２８】
なお、圧延ロール１０として充分な耐摩耗性と靱性とを均衡させるためには、セラミックスと金属との組成比を８５：１５〜９５：５とすることが好ましい。
【００２９】
この圧延ロール１０における金属の組成比は、表面で最も高い。このため、該表面に対して容易に加工を施すことができる。したがって、圧延ロール１０の寸法精度を所望のものとすることができる。
【００３０】
この圧延ロール１０は、その過程がフローチャートとして図３に示される製造方法により製造することができる。図３に示されるように、この製造方法は、圧延ロール形状の成形体を得る成形工程Ｓ１と、前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工程Ｓ２と、前記多孔質体の内部に粒成長促進剤含有溶液を含浸する含浸工程Ｓ３と、前記多孔質体を再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程Ｓ４と、前記緻密焼結体に対して研削加工を施す仕上げ加工工程Ｓ５とを有する。
【００３１】
まず、成形工程Ｓ１において、セラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を調製する。
【００３２】
上記した理由から、セラミックス粒子としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種が好ましく、また、金属粒子としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種が好ましい。さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種を添加するようにしてもよい。そして、混合粉末におけるセラミックス粒子と金属粒子との組成比は、最終的に得られる圧延ロール１０におけるセラミックスと金属との組成比が６０：４０〜９７：３となるように調整する。
【００３３】
そして、この混合粉末に成形加重を加えて成形体を作製する。この際、成形荷重は、後述する一次焼結工程Ｓ２において多孔質体が得られるようにするため、金属粒子が塑性変形を起こさない程度に設定される。具体的には、成形荷重を１００〜３００ＭＰａ程度とすることが好ましい。この場合、金属粒子が塑性変形を起こすことを回避することができるので、成形体の開気孔が閉塞されることはない。
【００３４】
この場合、圧延ロール１０を製造するのであるから、成形体としては、圧延ロール１０の形状に対応する形状のものを作製する。
【００３５】
次いで、一次焼結工程Ｓ２において、開気孔が残留するように前記成形体を焼結して多孔質体とする。この時点で緻密焼結体とすると、含浸工程Ｓ３において粒成長促進剤含有溶液を内部に含浸させることが困難となるからである。
【００３６】
したがって、一次焼結工程Ｓ２における焼結温度や時間は、金属粒子同士の融着が起こり、該金属粒子同士にネックが形成された状態で終了されるように設定される。すなわち、一次焼結工程Ｓ２では、セラミックス粒子同士は融着されない。このため、成形体が多孔質体になる過程においては、体積はほとんど変化しない。
【００３７】
次いで、含浸工程Ｓ３において、粒成長促進剤を含有する粒成長促進剤含有溶液を前記多孔質体の内部に含浸させる。具体的には、粒成長促進剤含有溶液中に前記多孔質体を浸漬する。この浸漬により、粒成長促進剤含有溶液が多孔質体の開気孔を介してその内部へと浸透する。
【００３８】
なお、粒成長促進剤は、二次焼結工程Ｓ４においてセラミックス粒子の粒成長を促進する物質であれば特に限定されるものではないが、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイド等を好適な例として挙げることができる。粒成長促進剤含有溶液としては、上記した金属を含有する金属塩を溶媒に溶解したものや有機金属溶液を使用すればよい。
【００３９】
この場合、粒成長促進剤は、溶媒中に分散または溶解されることにより単一分子またはイオンにまで解離される。したがって、含浸工程Ｓ３においては、単一分子またはイオンにまで解離された粒成長促進剤が多孔質体の内部に均一に分散される。このため、二次焼結工程Ｓ４におけるセラミックス粒子の粒成長は、多孔質体の表面から内部に亘り促進される。
【００４０】
含浸工程Ｓ３を行った後には、自然放置により粒成長促進剤含有溶液を乾燥する。または、多孔質体を加熱して粒成長促進剤含有溶液を乾燥するようにしてもよい。
【００４１】
次いで、二次焼結工程Ｓ４において、多孔質体を窒素等の窒化ガス雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする。なお、雰囲気とする窒化ガスは、二次焼結工程Ｓ４の昇温開始時から導入する。これにより、緻密焼結体（傾斜複合材）が得られる。
【００４２】
二次焼結工程Ｓ４では、雰囲気である窒化ガスによって、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子の粒成長が阻害される。その一方で、窒化ガスは多孔質体の内部には到達し難い。このため、内部に存在するセラミックス粒子の粒成長が窒化ガスによって阻害される度合いは、表面に比して小さい。しかも、内部に存在するセラミックス粒子の粒成長は、前記粒成長促進剤によって促進される。
【００４３】
結局、二次焼結工程Ｓ４においては、多孔質体の表面ではセラミックス粒子の粒成長が抑制され、内部では促進される。その結果、金属粒子が表面近傍に集中するような再配列が起こる。すなわち、表面では金属の組成比が高く、内部ではセラミックスの組成比が高い傾斜複合材が得られる。
【００４４】
このように、昇温開始時から窒化ガス雰囲気を導入して二次焼結工程Ｓ４を行うことにより、粒成長促進剤含有溶液が含浸された多孔質体の内部に存在するセラミックス粒子の粒成長の度合いを表面近傍に比して大きくすることができる。これに伴って金属粒子が再配列することにより、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材を得ることができる。
【００４５】
最後に、仕上げ加工Ｓ５において、前記傾斜複合材の表面を研削加工することにより、セラミックスと金属との組成比が６０：４０〜９７：３、好ましくは８５：１５〜９５：５でありかつ製品としての寸法精度を有する圧延ロール１０が得られるに至る。なお、研削加工における研削幅は、一般的には０．５〜数ｍｍ程度とすれば充分である。
【００４６】
この仕上げ加工では、傾斜複合材の表面における金属の組成比が比較的高いので、該表面に対し研削加工を容易に施すことができる。すなわち、研削加工が施された後の圧延ロール１０においては、高硬度でかつ高強度なセラミックスリッチ部２４の厚みが著しく大きくなる。その一方で、該圧延ロール１０の表面には金属リッチ部２０が残存している。したがって、靱性、硬度、強度を兼ね備える圧延ロール１０を得ることができる。
【００４７】
なお、本実施の形態においては、成形工程Ｓ１と一次焼結工程Ｓ２とを個別に行っているが、熱間等圧成形（ＨＩＰ）等のように、両工程Ｓ１、Ｓ２を同時に行うようにしてもよい。
【００４８】
また、上記した実施の形態では、傾斜複合材として圧延ロール１０を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、その他の加工工具や構造材等であってもよいことはいうまでもない。
【００４９】
【実施例】
平均粒径１μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粒子を９０重量部、平均粒径１μｍのコバルト（Ｃｏ）粒子１０重量部を、ヘキサンを用いて湿式混合して混合粉末とした。次いで、この混合粉末を、静水圧加圧成形法にて１００ＭＰａの加圧力で成形しながら、窒素を３０リットル／分で流通して９００℃で３０分間保持することにより直径１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの円柱状の多孔質体とした。なお、成形は、前記金型のクリアランスを介してキャビティからヘキサンを排出しながら行った。
【００５０】
次いで、この多孔質体を濃度１０％のＮｉイオン溶液に３分間浸漬することにより、多孔質体の内部にＮｉイオンを分散させた。さらに、多孔質体を９０℃で１時間保持することにより乾燥した。
【００５１】
次いで、前記多孔質体を、窒素雰囲気中において図４に示すパターンで再焼結することにより緻密焼結体（傾斜複合材）を得た。得られた傾斜複合材を切断して電子顕微鏡により観察したところ、表面に存在するセラミックス粒子は丸みを帯びた微細なものであり、一方、内部に存在するセラミックス粒子は大きく粒成長していることが認められた。
【００５２】
また、機器分析を行ったところ、表面から内部に指向して金属の組成比が減少しているとともに、セラミックスの組成比が増加していることが認められた。さらに、表面近傍のＷＣが窒化され、タングステンの炭窒化物が生成していることが確認された。表面のセラミックス粒子が丸みを帯びているのは、このためであると考えられる。
【００５３】
この傾斜複合材の断面につき、表面から内部に亘ってビッカース硬度およびＡスケールのロックウェル硬度を測定した。結果を図５に示す。この図５から、得られた傾斜複合材においては、表面から内部に指向して硬度が上昇していることが明らかである。
【００５４】
また、平均粒径３μｍのＷＣ粒子が９３重量％、平均粒径０．８μｍのＣｏ粒子が７重量％となるように秤量し、ヘキサンを用いて両粒子を湿式混合して混合粉末とした。そして、ヘキサンが９重量％となるまで乾燥した後、金型内静水加圧法にて１００ＭＰａの加圧力でこの混合粉末を直径８０ｍｍ×長さ３２０ｍｍの円柱体形状に成形した。なお、成形は、前記金型のクリアランスを介してキャビティからヘキサンを排出しながら行った。
【００５５】
次いで、この円柱状成形体を窒素雰囲気下において９００℃で３０分間保持することにより、多孔質体とした。
【００５６】
さらに、該多孔質体を濃度１０％の硝酸ニッケル水溶液に浸漬することによって多孔質体の内部にＮｉイオンを分散させた後、１３０℃で２時間保持することにより乾燥させた。
【００５７】
そして、この多孔質体を窒素雰囲気下において１４００℃で２時間保持することにより、ＷＣ粒子を粒成長させた。すなわち、ＷＣとＣｏの焼結体からなる複合材製円柱体を得た。これを実施例１とする。なお、窒素は、昇温を開始した時点から導入した。
【００５８】
また、ＷＣ粒子を９０重量％、Ｃｏ粒子を３重量％、平均粒径０．４μｍのＮｉ粒子を５重量％、平均粒径５μｍのＣｒ粒子を２重量％として混合粉末を得たことを除いては実施例１に準拠して、ＷＣ、Ｃｏ、ＮｉおよびＣｒの焼結体からなる複合材製円柱体を作製した。これを実施例２とする。
【００５９】
これら実施例１、２の複合材製円柱体につき、表面からの距離とビッカース硬度との関係を調べた。結果を図６に示す。図６から、実施例１、２の複合材製円柱体においては、表面から内部に指向して硬度が上昇していることが明らかである。この理由は、表面から内部に指向してセラミックスの組成比が増加しているためである。
【００６０】
さらに、比較のため、ＷＣ粒子、Ｃｏ粒子、Ｎｉ粒子、Ｃｒ粒子の割合を図７に示すように変化させて混合粉末とした。そして、実施例１、２に準拠して同一寸法の円柱状成形体とした後、該円柱状成形体を窒素雰囲気下において１４００℃で２時間保持することによって複合材製円柱体とした。これらをそれぞれ比較例１〜４とする。なお、図７には、実施例１、２における混合粉末の組成も併せて示した。また、実施例１および比較例３、４の組成は、複合材製圧延ロールの原材料として採用されている超硬合金の組成に相当するものである。
【００６１】
以上の各複合材製円柱体の側周壁部に対し、表面から深さ０．２ｍｍまでを全周に亘って切削除去した。この切削除去後に露呈した表面につき、温度とＡスケールのロックウェル硬度との関係を調べた。高硬度であるほど耐摩耗性に優れた材料であることを表す。結果を図８に示す。この図８から、実施例１、２の複合材製円柱体は、全温度領域に亘って比較例１〜４の複合材製円柱体よりも著しく高い硬度を示すこと、すなわち、耐摩耗性が優れていることが明らかである。
【００６２】
また、実施例１および比較例１の各複合材製円柱体につき、大越式摩耗試験機にて、低炭素鋼を相手材とする摩耗試験を行った。すべり距離と摩耗量との関係をグラフにして図９に示す。図９から、金属の割合が同一であるにも関わらず、実施例１の複合材製円柱体の方が著しく優れた耐摩耗性を有することが分かる。
【００６３】
さらに、実施例１、２および比較例１、２の各複合材製円柱体につき、抗折強度を測定した。実施例１、比較例１については、ヤング率も測定した。結果を図７に併せて示す。この測定結果から、粒成長促進剤含有溶液を含浸させた後に窒化ガス雰囲気下で焼結させることにより金属およびセラミックスの組成比を傾斜的に変化させることができ、その結果、一般的な複合材に比して強度およびヤング率を向上させることができるということがいえる。
【００６４】
以上の結果から、粒成長促進剤含有溶液を含浸させた後に窒化ガス雰囲気下で焼結させることによって、耐摩耗性に優れ、かつ高強度でヤング率も大きな傾斜複合材を得ることができることが諒解される。そして、該傾斜複合材の耐摩耗性、強度、ヤング率等は、該傾斜複合材を圧延ロールとする際に充分な値である。すなわち、この傾斜複合材を使用することによって、交換頻度が少なくかつ脆性破壊が生じ難い上、ワークに対して効率よく圧延加工を施すことが可能な圧延ロールを得ることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る傾斜複合材の製造方法によれば、粒成長促進剤含有溶液が含浸された多孔質体を窒素等の窒化ガス雰囲気中で再焼結して緻密焼結体（傾斜複合材）とするようにしている。この場合、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子は窒素により粒成長が抑制され、一方、内部に存在するセラミックス粒子は粒成長促進剤により粒成長が促進される。このために金属粒子が表面に集中するような再配列が起こり、その結果、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材、すなわち、表面が高靱性でかつ内部が高硬度の傾斜複合材を得ることができるという効果が達成される。
【００６６】
このようにして得られた傾斜複合材は、靱性、強度および硬度等の諸特性に優れる。このため、例えば、耐摩耗性に優れるとともに割れや欠けが生じ難い圧延ロールを容易に構成することができる。しかも、この傾斜複合材における金属の組成比は表面で最も高いので、研削加工等の機械加工を容易に施すことができ、結局、寸法精度の良好な製品とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態に係る圧延ロール（傾斜複合材）の概略全体斜視図である。
【図２】 図１の圧延ロールの縦断面図である。
【図３】 本実施の形態に係る傾斜複合材の製造方法のフローチャートである。
【図４】 二次焼結工程を行う際の温度パターンを示すグラフである。
【図５】 得られた傾斜複合材における硬度の変化を表面から内部に指向して示すグラフである。
【図６】 実施例１、２の複合材製円柱体における表面からの距離とビッカース硬度との関係を示すグラフである。
【図７】 実施例１、２および比較例１〜４の焼結体（複合材製円柱体）における原料粒子の組成比と、抗折強度およびヤング率とを示す図表である。
【図８】 実施例１、２および比較例１〜４の複合材製円柱体における温度とＡスケールのロックウェル硬度との関係を示すグラフである。
【図９】 実施例１および比較例１の複合材製円柱体におけるすべり距離と摩耗量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…圧延ロール １２…ロール部
１４ａ、１４ｂ…支持軸 ２０…金属リッチ部
２２…セラミックスリッチ部 ２４…傾斜部

Claims (4)

1. 表面から内部に指向してセラミックスの組成比が増加するとともに金属の組成比が減少し、かつ内部に存在するセラミックス粒子が表面に存在するセラミックス粒子に比して大きく粒成長した傾斜複合材の製造方法であって、
   Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種のセラミックス粒子と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種の金属粒子とが重量比で６０：４０〜９７：３で混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、
   前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工程と、
   前記多孔質体の内部に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドを含む粒成長促進剤含有溶液を含浸させる含浸工程と、
   前記粒成長促進剤含有溶液が含浸された前記多孔質体を窒素ガス雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程と、
   を有し、
   前記一次焼結工程は、前記金属粒子同士が融着してネックが形成され、かつ前記セラミックス粒子同士が融着されない時点で終了され、
   前記二次焼結工程では、昇温開始時から窒素ガスを導入することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前記金属にさらにＣｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種を混合することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
3. 請求項１または２記載の製造方法において、前記成形工程で、圧延ロールに対応する形状の成形体を作製することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
4. 請求項３記載の製造方法において、得られた緻密焼結体の表面を研削加工して圧延ロールとする仕上げ加工工程を有することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。

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