JP2006111929A - 溶射用粉末、溶射方法及び溶射皮膜 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な耐摩耗性を有するクロム−鉄系合金製の溶射皮膜を形成可能な溶射用粉末を提供する。
【解決手段】 本発明の溶射用粉末は、炭素を含むクロム−鉄系合金粉末を含有する。合金粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する合金粉末中の炭素の質量の比率は２％以上である。合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀は１０μｍ以上であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高速フレーム溶射により溶射皮膜を形成する用途において有用な溶射用粉末に関する。本発明はまた、そうした溶射用粉末を用いた溶射方法、及びそうした溶射用粉末から形成される溶射皮膜に関する。

耐食性、耐摩耗性、耐熱性などの特性を付与するべく、各種産業機械や一般向け機械の金属製部品の表面に溶射皮膜を設ける技術が知られている。例えば特許文献１及び２には、多硫化ナトリウムによる腐食に対する耐性を付与するべく、ナトリウム−硫黄電池の陽極容器の内面にクロム−鉄系合金製の溶射皮膜を設ける技術が開示されている。中でも特許文献２には、クロム−鉄系合金粉末をプラズマ溶射して溶射皮膜を形成することが開示されている。

特許文献１及び２のクロム−鉄系合金製の溶射皮膜は、硬度が低く耐摩耗性に劣るため、耐摩耗性が要求される用途には向かない。耐摩耗性に優れる溶射皮膜としては、炭化タングステンとコバルトを含有するサーメット粉末、あるいは炭化タングステンとコバルトとクロムを含有するサーメット粉末から形成される溶射皮膜が知られている。しかしながら、これらサーメット粉末から形成される溶射皮膜は、クロム−鉄系合金製の溶射皮膜に比べて非常に高価である。従って、サーメット粉末から形成される溶射皮膜が高価である現状にあって、クロム−鉄系合金製の溶射皮膜の耐摩耗性を向上させることは産業的に有用である。
特許第２９６９０５０号公報 特許第３１５５１２４号公報

本発明の目的は、良好な耐摩耗性を有するクロム−鉄系合金製の溶射皮膜を形成可能な溶射用粉末を提供することにある。本発明はまた、そうした溶射用粉末を用いた溶射方法、及びそうした溶射用粉末から形成される溶射皮膜を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、クロム−鉄系合金粉末を含有する溶射用粉末であって、前記合金粉末は炭素を含み、合金粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する合金粉末中の炭素の質量の比率が２％以上である溶射用粉末を提供する。

請求項２に記載の発明は、前記合金粉末の小粒子径側からの積算粒子体積が全粒子体積の１０％に相当する粒子径を合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀とするとき、合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀が１０μｍ以上である請求項１に記載の溶射用粉末を提供する。

請求項３に記載の発明は、高速フレーム溶射により溶射皮膜を形成する用途に使用される請求項１又は２に記載の溶射用粉末を提供する。
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶射用粉末を高速フレーム溶射する溶射方法を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶射用粉末を高速フレーム溶射して形成される溶射皮膜を提供する。

本発明によれば、良好な耐摩耗性を有するクロム−鉄系合金製の溶射皮膜を形成可能な溶射用粉末が提供される。また本発明によれば、そうした溶射用粉末を用いた溶射方法、及びそうした溶射用粉末から形成される溶射皮膜も提供される。

以下、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態に係る溶射用粉末はクロム−鉄系合金粉末からなる。クロム−鉄系合金粉末は炭素を含む。

合金粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する合金粉末中の炭素の質量の比率が２％よりも小さい場合、溶射用粉末から形成される溶射皮膜は、硬度が低くて良好な耐摩耗性を有さない。従って、良好な耐摩耗性を有する溶射皮膜を得るためには、炭素の比率は２％以上であることが必須である。ただし、炭素の比率がたとえ２％以上であっても３％よりも小さい場合には、溶射皮膜の耐摩耗性は大して良好でないことがある。従って、炭素の比率は３％以上であることが好ましい。一方、炭素の比率が１０％よりも大きい場合には、溶射皮膜の脆化により溶射皮膜の耐摩耗性が低下する虞がある。従って、脆化による溶射皮膜の耐摩耗性の低下を防ぐためには、炭素の比率は１０％以下であることが好ましい。本実施形態に係る溶射用粉末の場合、合金粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する合金粉末中の炭素の質量の比率は、溶射用粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する溶射用粉末中の炭素の質量の比率に換言可能である。

合金粉末中のクロムの含有量が６０質量％よりも少ない場合、溶射用粉末から形成される溶射皮膜は硬度があまり高くないことがある。溶射皮膜の硬度があまり高くない場合には、溶射皮膜の耐摩耗性は大して良好でない。従って、クロムの含有量は６０質量％以上であることが好ましい。一方、クロムの含有量が９５質量％よりも多い場合、さらに言えば８５質量％よりも多い場合、さらに言えば８０質量％よりも多い場合には、付着効率（溶射歩留まり）が低下する虞がある。従って、付着効率の低下を防ぐためには、クロムの含有量は９５質量％以下であることが好ましく、８５質量％以下であることがより好ましく、８０質量％以下であることが最も好ましい。本実施形態に係る溶射用粉末の場合、合金粉末中のクロムの含有量は、溶射用粉末中のクロムの含有量に換言可能である。

合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀が１０μｍよりも小さい場合、さらに言えば１５μｍよりも小さい場合には、溶射時にスピッティングと呼ばれる現象が発生する虞がある。従って、スピッティングの発生を防ぐためには、１０％粒子径Ｄ₁₀は、１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましい。一方、１０％粒子径Ｄ₁₀が２５μｍよりも大きい場合には、付着効率が低下する虞がある。従って、付着効率の低下を防ぐためには、１０％粒子径Ｄ₁₀は２５μｍ以下であることが好ましい。合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀は、合金粉末の小粒子径側からの積算粒子体積が全粒子体積の１０％に相当する粒子径である。換言すれば、合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀は、積算体積が合金粉末中の全粒子の体積の合計の１０％以上になるまで粒子径の小さい粒子から順に合金粉末中の各粒子の体積を積算したときに最後に積算される粒子の粒子径である。合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀は、例えばレーザー回析式粒度測定機を用いて測定される。本実施形態に係る溶射用粉末の場合、合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀は、溶射用粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀に換言可能である。

スピッティングは、過溶融した溶射用粉末が溶射機のノズルの内壁に付着堆積してできる堆積物が溶射皮膜に混入する現象をいう。スピッティングが発生すると、溶射皮膜の組織構造が不均一となるため、溶射皮膜の品質が著しく低下する。

合金粉末の５０％粒子径Ｄ₅₀が２０μｍよりも小さい場合にも、スピッティングが発生する虞がある。従って、スピッティングの発生を防ぐためには、５０％粒子径Ｄ₅₀は、２０μｍ以上であることが好ましい。一方、５０％粒子径Ｄ₅₀が５０μｍよりも大きい場合には、付着効率が低下する虞がある。従って、付着効率の低下を防ぐためには、５０％粒子径Ｄ₅₀は５０μｍ以下であることが好ましい。合金粉末の５０％粒子径Ｄ₅₀は、合金粉末の小粒子径側からの積算粒子体積が全粒子体積の５０％に相当する粒子径である。換言すれば、合金粉末の５０％粒子径Ｄ₅₀は、積算体積が合金粉末中の全粒子の体積の合計の５０％以上になるまで粒子径の小さい粒子から順に合金粉末中の各粒子の体積を積算したときに最後に積算される粒子の粒子径である。合金粉末の５０％粒子径Ｄ₅₀は、例えばレーザー回析式粒度測定機を用いて測定される。本実施形態に係る溶射用粉末の場合、合金粉末の５０％粒子径Ｄ₅₀は、溶射用粉末の５０％粒子径Ｄ₅₀に換言可能である。

本実施形態に係る溶射用粉末は、例えば、高速フレーム溶射により溶射皮膜を形成する用途に使用される。本実施形態に係る溶射用粉末を高速フレーム溶射して形成される溶射皮膜は良好な耐摩耗性を有する。本実施形態に係る溶射用粉末を特に好適に溶射することができる高速フレーム溶射機としては、例えば、Ｐｒａｘａｉｒ／ＴＡＦＡ社製の“ＪＰ−５０００”やスルザーメテコ社製の“ダイヤモンドジェット（ハイブリッドタイプ）”などの高出力タイプの高速フレーム溶射機が挙げられる。

本実施形態は、以下の利点を有する。
・ 本実施形態に係る溶射用粉末を高速フレーム溶射して形成される溶射皮膜は良好な耐摩耗性を有する。従って、本実施形態に係る溶射用粉末は、炭化タングステンとコバルトを含有するサーメット粉末あるいは炭化タングステンとコバルトとクロムを含有するサーメット粉末の代替物として、耐摩耗性が要求される用途の溶射皮膜の材料として極めて有用である。

・ 高速フレーム溶射によれば、フレーム溶射、プラズマ溶射などの他の溶射の場合に比べて、溶射機から射出される溶射用粉末の飛行速度が大きいため、溶射用粉末は基材表面に高速度で衝突する。従って、基材への密着性が高く且つ緻密な溶射皮膜が得られる。さらに高速フレーム溶射によれば、他の溶射の場合に比べて、溶射時に溶射用粉末が過熱されにくいため、溶射用粉末の熱変質が抑制される。高速フレーム溶射の場合に溶射用粉末の熱変質が抑制される理由には、高速フレーム溶射の溶射熱源であるフレームが高圧であるためにフレーム中への大気の混入が比較的少ないこと、飛行速度が大きいために溶射用粉末がフレーム中に滞留している時間が短いことが含まれる。溶射皮膜の耐摩耗性は、基材への溶射皮膜の密着性が高いこと、溶射皮膜が緻密であること、溶射皮膜が熱変質した溶射用粉末を含まないことによっても向上する。

前記実施形態は以下のように変更されてもよい。
・ クロム−鉄系合金粉末は、炭素、クロム、及び鉄以外の成分を含有してもよい。ただし、合金粉末中の炭素、クロム及び鉄の含有量の総計は、好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、最も好ましくは９８質量％以上である。合金粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する合金粉末中のケイ素の質量の比率が１％よりも大きいと良質な溶射皮膜が得られない虞がある。従って、合金粉末がケイ素をさらに含有する場合には、ケイ素の比率は１％以下であることが好ましい。

・ 溶射用粉末は、クロム−鉄系合金粉末以外の粉末を含有してもよい。ただし、溶射用粉末中のクロム−鉄系合金粉末の含有量は、好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、最も好ましくは９８質量％以上である。

・ 前記実施形態に係る溶射用粉末は、高速フレーム溶射以外の溶射により溶射皮膜を形成する用途に使用されてもよい。
次に、本発明の実施例及び比較例を説明する。

クロム−鉄系合金粉末からなる実施例１〜４及び比較例１〜３に係る溶射用粉末を調製した。各溶射用粉末の詳細は表１に示すとおりである。
表１の“炭素の比率”欄中の数値は、溶射用粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する溶射用粉末中の炭素の質量の比率を表す。表１の“Ｄ₃”、“Ｄ₁₀”、“Ｄ₅₀”、及び“Ｄ₉₀”欄中の数値はそれぞれ、堀場製作所製のレーザー回析式粒度測定機“ＬＡ−３００”を用いて測定された溶射用粉末の３％粒子径Ｄ₃、１０％粒子径Ｄ₁₀、５０％粒子径Ｄ₅₀、及び９０％粒子径Ｄ₉₀を表す。溶射用粉末の３％粒子径Ｄ₃は、積算体積が溶射用粉末中の全粒子の体積の合計の３％以上になるまで粒子径の小さい粒子から順に溶射用粉末中の各粒子の体積を積算したときに最後に積算される粒子の粒子径である。溶射用粉末の９０％粒子径Ｄ₉₀は、積算体積が溶射用粉末中の全粒子の体積の合計の９０％以上になるまで粒子径の小さい粒子から順に溶射用粉末中の各粒子の体積を積算したときに最後に積算される粒子の粒子径である。

実施例１〜４及び比較例１〜２においては、表２に示す第１溶射条件に従って溶射用粉末を高速フレーム溶射して基材上に膜厚２００μｍの溶射皮膜を形成した。比較例３においては、表２に示す第２溶射条件に従って溶射用粉末をプラズマ溶射して基材上に膜厚２００μｍの溶射皮膜を形成した。

溶射中のスピッティングの発生の有無に基づいて、実施例１〜４及び比較例１〜３に係る各溶射用粉末を良（○）、不良（×）の二段階で評価した。すなわち、溶射を開始してから５分が経過した時点において溶射機のノズルに溶融した溶射用粉末の付着が認められた場合には不良、付着が認められなかった場合には良である。この評価の結果を表１の“スピッティング”欄に示す。

溶射皮膜が設けられた後の基材を基材の表面に直交する面で切断し、研磨による鏡面加工、洗浄、及び乾燥をその切断面に順次に施した。その後、（株）島津製作所製のビッカース硬度試験機“ＨＭＶ−１”を用いて、表３に示す測定条件に従って切断面の溶射皮膜部分のビッカース硬度を測定した。その測定結果に基づいて、実施例１〜４及び比較例１〜３に係る各溶射用粉末から形成される溶射皮膜の硬度を優（◎）、良（○）、不良（×）の三段階で評価した。すなわち、ビッカース硬度（Ｈｖ０．２）が８００以上の場合には優、ビッカース硬度（Ｈｖ０．２）が７００以上８００未満の場合には良、ビッカース硬度（Ｈｖ０．２）が７００未満の場合には不良である。測定されたビッカース硬度の値と、それに基づく評価の結果を表１の“硬度”欄に示す。

基材上に設けられた溶射皮膜をＪＩＳ Ｈ ８６８２−１に準拠した乾式摩耗試験に供した。具体的には、スガ式摩耗試験機を用いて研磨紙（ＳｉＣ＃１８０）でもって荷重約３１Ｎ（３．１５ｋｇｆ）で溶射皮膜の表面を４００回摩擦した。この摩耗試験による溶射皮膜の摩耗体積量に基づいて、実施例１〜４及び比較例１〜３に係る各溶射用粉末から形成される溶射皮膜の耐摩耗性を優（◎）、良（○）、不良（×）の三段階で評価した。すなわち、基準試料（ＳＳ４００鋼板）を同じ摩耗試験に供したときの基準試料の摩耗体積量に対する溶射皮膜の摩耗体積量の比率が２０％未満の場合には優、２０％以上３０％未満の場合には良、３０％以上の場合には不良である。基準試料の摩耗体積量に対する溶射皮膜の摩耗体積量の比率と、それに基づく評価の結果を表１の“耐摩耗性”欄に示す。

表１に示すように、実施例１〜４においては、スピッティング、硬度及び耐摩耗性のいずれの評価も◎又は○であって良好である。この結果は、実施例１〜４に係る溶射用粉末がスピッティングを発生することなく硬度及び耐摩耗性が高い良質な溶射皮膜を形成可能であることを示唆するものである。高速フレーム溶射により溶射皮膜を形成した実施例１においては、プラズマ溶射により溶射皮膜を形成した比較例３に比べて、スピッティング、硬度及び耐摩耗性のいずれの評価も良好である。この結果は、本発明の溶射用粉末が高速フレーム溶射により溶射皮膜を形成する用途に特に適することを示唆するものである。

Claims (5)

1. クロム−鉄系合金粉末を含有する溶射用粉末であって、前記合金粉末は炭素を含み、合金粉末中のクロム及び鉄の質量の総計に対する合金粉末中の炭素の質量の比率が２％以上であることを特徴とする溶射用粉末。
2. 前記合金粉末の小粒子径側からの積算粒子体積が全粒子体積の１０％に相当する粒子径を合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀とするとき、合金粉末の１０％粒子径Ｄ₁₀が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の溶射用粉末。
3. 高速フレーム溶射により溶射皮膜を形成する用途に使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶射用粉末。
4. 請求項１又は２に記載の溶射用粉末を高速フレーム溶射することを特徴とする溶射方法。
5. 請求項１又は２に記載の溶射用粉末を高速フレーム溶射して形成されることを特徴とする溶射皮膜。