DE112010002444T5

DE112010002444T5 - Pulver zum thermischen Spritzen und ein Verfahren zum Bilden eines thermischenSpritzbelages

Info

Publication number: DE112010002444T5
Application number: DE112010002444T
Authority: DE
Inventors: Kazuto Sato; Junya Kitamura
Original assignee: Fujimi Inc
Current assignee: Fujimi Inc
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2012-10-25
Also published as: WO2010143594A1; JP2011017079A; US20120042807A1; TW201103883A; CN102439192A

Abstract

Offenbart ist ein thermisches Spritzpulver von granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen. Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben eine durchschnittliche Teilchengröße von 5 bis 25 μm. Die Teilchen haben eine Druckfestigkeit von 50 MPa oder höher. Die Teilchen haben ein Geradenverhältnis von 0,25 oder höher, das Geradenverhältnis ist definiert als ein Wert, resultierend aus der Division der maximalen Dicke einer thermischen Spritzbeschichtung, welche erhalten wird, wenn 150 g eines thermischen Spritzpulvers einem thermischen Punktspritzen unterzogen werden, durch die Länge des längsten von linearen Segmenten, von denen jedes beide Enden an der Kontur der thermischen Spritzbeschichtung hat. Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben ein durchschnittliches Aspektverhältnis von bevorzugt 1,25 oder niedriger. Das thermische Spritzpulver wird bevorzugt in Anwendungen verwendet, wo eine thermische Spritzbeschichtung durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Kaltspritzen gebildet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Spritzpulver aus granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen und ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung durch Verwendung des thermischen Spritzpulvers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Thermische Spritzbeschichtungen aus Cermet wurden in unterschiedlichen industriellen Bereichen eingesetzt und umfangreiche Weiterentwicklungen des thermischen Spritzpulvers mit dem Ziel durchgeführt, die Leistungsfähigkeit einer solchen thermischen Spritzbeschichtung weiter zu verbessern, (siehe zum Beispiel Patent Dokument 1). Allerdings wird nach wie vor eine Verbesserung der Härte und der Abriebbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtungen benötigt.
STAND DER TECHNIK

Patent Dokument 1: Offen gelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2008-69386 .

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabenstellung:
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermisches Spritzpulver bereitzustellen, welches zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung geeignet ist, welche eine gute Härte und Abriebbeständigkeit hat. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung durch Verwendung des thermischen Spritzpulvers.
Lösung der Aufgaben
Zur Erreichung der oben genannten Aufgaben haben die Erfinder umfangreiche Studien durchgeführt und dabei ihre Aufmerksamkeit auf die Eigenschaft zur geraden Bewegung der Teilchen in dem thermischen Spritzpulver während des thermischen Spritzens gerichtet, als ein Faktor, welcher die Eigenschaften von einer thermischen Spritzbeschichtung beeinflusst, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird. Als ein Ergebnis davon wurde die vorliegende Erfindung erreicht.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein thermisches Spritzpulver aus granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bereit. Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben eine durchschnittliche Teilchengröße von 5 bis 25 μm. Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben eine Druckfestigkeit von 50 MPa oder höher. Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben ein Geradenverhältnis („straight ratio”) von 0,25 oder höher, das Geradenverhältnis ist definiert als ein Wert, resultierend aus der Division der maximalen Dicke von einer thermischen Spritzbeschichtung, die erhalten wird, wenn 150 g des thermischen Spritzpulvers einem thermischen Punktspritzen („thermal spot spraying”) unterzogen werden, durch die Länge des längsten von linearen Segmenten („line segments”), von denen jedes beide Enden an der Kontur der thermischen Spritzbeschichtung hat.
Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben ein durchschnittliches Aspektverhältnis von bevorzugt 1,25 oder niedriger. Primärteilchen, die die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen darstellen, haben eine durchschnittliche Teilchengröße von bevorzugt 6,0 μm oder niedriger. Metallprimärteilchen, die die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen darstellen, haben eine Dispergierbarkeit von bevorzugt 0,40 oder niedriger die Dispergierbarkeit ist definiert als ein Wert, der durch Division einer durchschnittlichen Zahlengröße der Metallprimärteilchen durch eine durchschnittliche Volumengröße der Metallprimärteilchen erhalten wird. Die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ist bevorzugt 1000 MPa oder niedriger. Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben eine durchschnittliche fraktale Dimensionalität von bevorzug 1,075 oder niedriger.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung bereit, wobei das thermische Spritzpulver des ersten Aspekts einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (high-velocity flame spraying) oder einem Kaltspritzen unterzogen wird, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden. Das heißt, dass thermische Spritzpulver des ersten Aspekts wird für das Ziel des Bildens einer thermischen Spritzbeschichtung verwendet, bevorzugt durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Kaltspritzen.
Effekte der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein thermisches Spritzpulver bereit, welches zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung geeignet ist, welche eine gute Härte und Abriebbeständigkeit hat, und stellt ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung durch Verwendung des thermischen Spritzpulvers bereit.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
Ein thermisches Spritzpulver der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen. Das thermische Spritzpulver wird mit dem Ziel verwendet, eine thermische Cermet-Spritzbeschichtung zu bilden, zum Beispiel durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, wie zum Beispiel thermisches Hochgeschwindigkeitsspritzen unter Verwendung von Luft als Brennstoff (high-velocity air fuel (HVAF) thermal spraying) und thermisches Hochgeschwindigkeitsspritzen mit Sauerstoff als Brennstoff (high-velocity Oxygen fuel (HVOF) thermal spraying).
Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, welche in dem thermischen Spritzpulver enthalten sind, sind Verbundteilchen, in welchen Feinkeramik-Teilchen mit Feinmetall-Teilchen miteinander agglomeriert sind. Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen werden durch Granulieren einer Mischung der Feinkeramik-Teilchen mit den Feinmetall-Teilchen und Sintern der resultierenden Teilchen(granulierte Teilchen) hergestellt, Die Feinkeramik-Teilchen können Teilchen von einem Karbid, wie zum Beispiel Wolframkarbid und Chromkarbid, Teilchen von einem Borid, wie zum Beispiel Molybdänborid und Chromborid, Teilchen von einem Nitrid, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, Teilchen von einem Silicid, Teilchen von einem Oxid, oder von jeder Kombination von diesen Teilchen sein. Die Feinmetall-Teilchen können Teilchen eines elementaren Metalls sein, wie zum Beispiel Kobalt, Nickel, Eisen und Chrom, Teilchen von Metalllegierungen oder von jeder Kombination dieser Teilchen sein.
Es ist bevorzugt, dass der Gehalt der Feinmetall-Teilchen in den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen von 5–40% nach Volumen ist. In anderen Worten, es ist bevorzugt, dass der Gehalt der Feinkeramik-Teilchen in den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen von 60–95% nach Volumen ist.
Das thermische Spritzpulver hat eine untere Grenze von 0,25 in Bezug auf ein Geradenverhältnis der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen definiert wie folgt. Das Geradenverhältnis ist ein Wert, der erhalten wird durch Division der maximalen Dicke von einer thermischen Spritzbeschichtung, die erhalten wird, wenn 150 g des thermischen Spritzpulvers einem thermischen Punktspritzen auf einem Substrat unterzogen werden, durch die Länge des längsten von linearen Segmenten, von denen jedes beide Enden an der Kontur der thermischen Spritzbeschichtung hat. Das Geradenverhältnis ist ein Index, der zeigt, zu welchem Grad das thermische Spritzpulver während des thermischen Spritzens gerade auf das Substrat aufgebracht wird. Ein höheres Geradenverhältnis zeigt, dass eine gröbere Menge an granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen während des thermischen Spritzens gerade auf das Substrat geht. Mit einem Anstieg des Geradenverhältnisses tendiert die Bildungsrate einer thermischen Spritzbeschichtung dazu pro Mengeneinheit an thermischem Spritzpulver, das heißt also, der Abscheidewirkungsgrad (die thermische Spritzausbeute; „thermal spraying yield”) zu steigen. Zusätzlich tendiert die Härte und Abriebbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, welche von dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, dazu verbessert zu sein. Es wird angenommen, dass dies darauf beruht, dass granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, die ein hohes Geradenverhältnis haben, zum Zeitpunkt des thermischen Spritzens effizient beschleunigt werden und, im Ergebnis, mit dem Substrat bei einer höheren Geschwindigkeit kollidieren. Ein thermisches Spritzpulver von granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, die ein Geradenverhältnis von 0,25 oder höher haben, ist insbesondere vorteilhaft zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung, die die benötigte Härte und der Abriebbeständigkeit besitzt. Von dem Standpunkt der weiteren Verbesserung der Härte und Abriebbeständigkeit einer thermischen Spritzbeschichtung ausgehend, ist das Geradenverhältnis der granulierten und gesinterten Cermet-Teilehen bevorzugt 0,27 oder höher, und mehr bevorzugt 0,30 oder höher.
Die untere Grenze der durchschnittlichen Teilchengröße („average particle size”) (Volumendurchschnittsgröße) der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ist 5 μm. Mit einem Anstieg der durchschnittlichen Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilehen nimmt der Gehalt an freien Feinteilchen ab, welche in dem thermischen Spritzpulver enthalten sind und welche während des thermischen Spritzens übermäßig schmelzen können, und im Ergebnis tendiert die Bildung von so genanntem „Spitting” dazu, kaum vorzukommen. Spitting ist ein Phänomen, bei dem sich eine Ablagerung von übermäßig geschmolzenem thermischen Spritzpulver auf einer inneren Wand einer Düse eines thermischen Spritzapparates während der Zeit des thermischen Spritzens, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden, von der inneren Wand ablöst, und der thermischen Spritzbeschichtung beigemengt wird. Spitting ist dabei ein Faktor, der die Leistungsfähigkeit der thermischen Spritzbeschichtung herabsetzt. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen 5 μm oder höher ist, ist es leicht, die Bildung von Spitting während der Zeit des thermischen Spritzens des thermischen Spritzpulvers in einem besonders geeigneten Maß fair die praktische Anwendung zu unterdrücken. Von dem Standpunkt der weiteren Unterdrückung der Bildung von Spitting aus, ist die durchschnittliche Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilehen bevorzugt 8 μm oder höher, und mehr bevorzugt 10 μm oder höher.
Die obere Grenze der durchschnittlichen Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ist 25 μm. Mit einer Erniedrigung der durchschnittlichen Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen nimmt der Dichtegrad der thermischen Spritzbeschichtung, gebildet aus dem thermischen Spritzpulver, zu, und im Ergebnis, tendiert die Härte und Abriebbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung dazu, verbessert zu sein. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen 25 μm oder niedriger ist, ist das besonders vorteilhaft, zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung von dem thermischen Spritzpulver, die die benötigte Härte und Abriebbeständigkeit hat. Vom Standpunkt der weiteren Verbesserung der Härte und Abriebbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung aus, ist die durchschnittliche Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bevorzugt 20 μm oder niedriger, und mehr bevorzugt 15 μm oder niedriger.
Die obere Grenze des durchschnittlichen Aspektverhältnisses („average aspect ratio”) der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ist bevorzugt 1,25, mehr bevorzugt 1,20, und noch mehr bevorzugt 1,15. Das Aspektverhältnis ist definiert als ein Wert, welcher durch Division der Länge der Hauptachse von einer elliptischen Sphäre, welche der äußeren Form eines der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen am nächsten kommt, durch die Länge der Nebenachse der elliptischen Sphäre. Mit einer Erniedrigung des durchschnittlichen Aspektverhältnisses tendiert die Abscheidungseffizienz des thermischen Spritzpulvers dazu, anzusteigen. Zusätzlich tendiert die Härte und Abriebbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, welche von dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, dazu, verbessert zu sein. Es wird angenommen, dass dies darauf beruht, dass die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, die ein kleines Aspektverhältnis haben, während der Zeit des thermischen Spritzens effizient beschleunigt werden und, im Ergebnis, mit dem Substrat bei einer höheren Geschwindigkeit kollidieren. Wenn das durchschnittliche Aspektverhältnis der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen 1,25 oder niedriger ist, spezifischer 1,20 oder niedriger, und noch spezifischer 1,15 oder niedriger, dann ist es leicht, die Härte und Abriebbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung auf ein besonders geeignetes Maß für die praktische Anwendung zu verbessern.
Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben eine durchschnittliche fraktale Dimensionalität („average fractal dimensionality”) von bevorzugt 1,075 oder niedriger, mehr bevorzugt 1,070 oder niedriger, noch mehr bevorzugt 1,060 oder niedriger, und am meisten bevorzugt von 1,050 oder niedriger. Die durchschnittliche fraktale Dimensionalität ist ein Wert, der den Unregelmäßigkeitsgrad („irregularity degree”) der Oberflächen auf den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen quantifiziert, und ist einer der Indizes die die Form der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen zeigen, wie auch das durchschnittliche Aspektverhältnis. Mit einer Erhöhung des Unregelmäßigkeitsgrades der Oberflächen der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, in anderen Worten, der Komplexität der Form der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, steigt die durchschnittliche fraktale Dimensionalität der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen an. Indessen ist die durchschnittliche fraktale Dimensionalität ein Wert in dem Bereich von 1 oder höher, aber niedriger als 2. Es ist leicht, die Härte und Abriebbeständigkeit von der thermischen Spritzbeschichtung auf ein besonders geeignetes Maß für die praktische Anwendung zu verbessern, wenn die durchschnittliche fraktale Dimensionalität der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen 1,075 oder niedriger, spezifischer 1,070 oder niedriger, noch spezifischer 1,060 oder niedriger, und weiterhin spezifischer 1,050 oder niedriger ist.
Die untere Grenze der Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ist 50 MPa. Granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, die eine hohe Druckfestigkeit haben, sind schwer zum Kollabieren zu bringen. Daher hat ein thermisches Spritzpulver von granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, das eine hohe Druckfestigkeit hat, die Tendenz, die Bildung von freien Feinteilchen zu unterdrücken, welche durch das Kollabieren der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen vor dem thermischen Spritzen gebildet werden und während des thermischen Spritzens übermäßig schmelzen können, und als Ergebnis davon, tendiert die Bildung von Spitting dazu, kaum aufzutreten. Wenn die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen 50 MPa oder höher ist, ist es leicht, die Bildung von Spitting während der Zeit des thermischen Spritzens von dem thermischen Spritzpulver zu einem besonders geeigneten Maß für die praktische Anwendung zu unterdrücken. Von dem Standpunkt der weiteren Unterdrückung der Bildung von Spitting, ist die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bevorzugt 80 MPa oder höher, und mehr bevorzugt 100 MPa oder höher.
Die obere Grenze der Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ist bevorzugt 1000 MPa, mehr bevorzugt 800 MPa, und noch mehr bevorzugt 600 MPa. Granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, die eine niedrige Druckfestigkeit haben, lassen sich leicht durch Erhitzen durch eine Hitzequelle während der Zeit des thermischen Spritzens aufweichen oder schmelzen. Aus diesem Grund hat ein thermisches Spritzpulver von granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, das eine niedrige Druckfestigkeit hat, die Tendenz, die Abscheidungseffizienz zu verbessern. Wenn die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen 1000 MPa oder niedriger, spezifischer 800 MPa oder niedriger, und nach spezifischer 600 MPa oder niedriger ist, dann ist es leicht, die Abscheidungseffizienz des thermischen Spritzpulvers auf ein besonders geeignetes Maß für die praktische Anwendung zu erhöhen.
Die obere Grenze der durchschnittlichen Teilchengröße (durchschnittlicher Feret's Durchmesser) der Primärteilchen (beides einschließend, keramische Primärteilchen und Metallprimärteilchen), die die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bilden, ist bevorzugt 6,0 μm, mehr bevorzugt 5,0 μm und noch mehr bevorzugt 4,5 μm. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße der Primärteilchen 6,0 μm, spezifischer 5,0 μm und noch spezifischer 4,5 μm ist, dann ist es leicht, die durchschnittliche Teilchengröße und das durchschnittliche Aspektverhältnis der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen auf 25 μm oder niedriger bzw. 1,25 oder niedriger, zu kontrollieren.
Die obere Grenze der Dispergierbarkeit, wie unten definiert, der Metallprimärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ist bevorzugt 0,40, mehr bevorzugt 0,30, und noch mehr bevorzugt 0,25. Die Dispergierbarkeit ist ein Wert, der durch Division einer durchschnittlichen Zahlengröße der Metallprimärteilchen durch eine durchschnittliche Volumengröße der Metallprimärteilchen erhalten wird. Die Dispergierbarkeit ist ein Index, der den Grad der Dispersion der Metallprimärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen zeigt. Eine niedrigere Dispergierbarkeit zeigt, dass die Metallprimärteilchen gleichmäßiger in den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen dispergiert sind. Wenn die Dispergierbarkeit 0,40 oder niedriger, spezifischer 0,30 oder niedriger, und noch spezifischer 0,25 oder niedriger ist, dann ist es leicht, das durchschnittliche Aspektverhältnis der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen auf 1,25 oder niedriger zu kontrollieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der folgende Vorteil erlangt.
Ein thermisches Spritzpulver der vorliegenden Ausführungsform ist überaus vorteilhaft bei der Bildung einer thermischen Spritzbeschichtung, die die benötigte Härte und Abriebbeständigkeit bei hoher Abscheidungseffizienz des thermischen Spritzpulvers hat, weil die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen eine niedrige durchschnittliche Teilchengröße von 5 bis 25 μm haben, weil die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ein hohes Geradenverhältnis von 0,25 oder höher haben, und die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen eine hohe Druckfestigkeit von 50 MPa oder höher haben. Aus diesem Grund ist ein thermisches Spritzpulver der vorliegenden Ausführungsform geeignet zur Bildung einer thermischen Spritzbeschichtung, die eine gute Härte und Abriebbeständigkeit bei hoher Abscheidungseffizienz hat.
Die obige Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden.
Die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen in dem thermischen Spritzpulver können weitere Bestandteile abgesehen von Keramiken und Metall enthalten, wie zum Beispiel eine unvermeidbare Verunreinigung und einen Zusatzstoff.
Das thermische Spritzpulver kann Bestandteile, abgesehen von den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, enthalten. Allerdings ist bevorzugt, dass die Menge der Komponenten, abgesehen von den granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, so klein wie möglich ist.
Das thermische Spritzpulver kann dafür verwendet werden, eine thermische Spritzbeschichtung unter Verwendung eines anderen thermischen Spritzverfahrens als Hochgeschwindigkeitsflammspritzen zu bilden, dies beinhaltet einen thermischen Spritzprozess bei einer relativ niedrigen Temperatur („relatively low-temperature thermal spraying process”), wie zum Beispiel Kaltspritzen („cold spray”) und Warmspritzen („warm spray”) und einen thermischen Spritzprozess bei einer relativ hohen Temperatur („relatively high-temperature thermal spraying process”), wie zum Beispiel thermisches Plasmaspritzen.
Kaltspritzen ist eine Technologie, bei der ein Arbeitsgas, welches auf eine Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt oder die Erweichungstemperatur des thermischen Spritzpulvers erhitzt wird, auf eine Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, und das thermische Spritzpulver als feste Phase durch das beschleunigte Arbeitsgas bei einer hohen Geschwindigkeit in Kollision mit dem Substrat gebracht wird, und daher eine Beschichtung auf dem Substrat gebildet wird. Im Fall des thermischen Spritzprozess bei einer relativ hohen Temperatur wird generell ein thermisches Spritzpulver, welches auf eine Temperatur, nicht niedriger als der Schmelzpunkt oder die Erweichungstemperatur erhitzt wird, auf ein Substrat gespritzt, wodurch eine thermische Verschlechterung oder Deformierung des Substrats abhängig von der Form oder dem Material des Substrats vorkommen kann. Aus diesem Grund kann eine Beschichtung nicht auf allen Substraten jedweden Formtyps oder jedweden Materials gebildet werden, und die Form und das Material des Substrats sind begrenzt. Zusätzlich ist es erforderlich, das thermische Spritzpulver auf den Schmelzpunkt oder die Erweichungstemperatur zur erhitzen, und daher ist die Vorrichtung groß und Bedingungen wie der Arbeitsplatz sind begrenzt. Im Gegensatz dazu wird Kaltspritzen bei relativ niedriger Temperatur durchgeführt, und daher gibt es den Vorteil, dass thermische Verschlechterung oder Deformierung des Substrats kaum vorkommt, und die Vorrichtung kleiner sein kann als die für den thermischen Spritzprozess bei relativ hoher Temperatur. Zudem gibt es auch den Vorteil, dass das verwendete Arbeitsgas kein Verbrennungsgas ist, was folglich gut für die Sicherheit ist, und einen hohen Komfort für die Verwendung vor Ort bietet.
Generell wird Kaltspritzen als Hochdrucktyp und Niederdrucktyp, entsprechend des Druckes des Arbeitsgases, klassifiziert. Das heißt in dem Fall, dass der Druck des Arbeitsgases eine obere Grenze von 1 MPa hat, wird es Niederdrucktyp-Kaltspritzen genannt, und in dem Fall, dass der Druck des Arbeitsgases eine obere Grenze von 5 MPa hat, wird es Hochdrucktyp-Kaltspritzen genannt. Im Hochdrucktyp-Kaltspritzen wird hauptsächlich ein inertes Gas, wie zum Beispiel Heliumgas, Stickstoffgas und Mischungen davon, als Arbeitsgas verwendet. Im Niederdrucktyp-Kaltspritzen wird ein ebensolches Gas wie im Hochdrucktyp-Kaltspritzen verwendet oder Druckluft wird als Arbeitsgas verwendet.
Für den Fall, dass ein thermisches Spritzpulver der oberen Ausführungsform für die Bildung einer thermischen Spritzbeschichtung unter Verwendung des Hochdrucktyp-Kaltspritzens verwendet wird, wird das Arbeitsgas einer Kaltspritzvorrichtung bei einem Druck von bevorzugt 0,5 bis 5 MPa, mehr bevorzugt von 0,7 bis 5 MPa, noch mehr bevorzugt von 1 bis 5 MPa, und am meisten bevorzugt von 1 bis 4 MPa bereitgestellt, und wird auf eine Temperatur von bevorzugt von 100 bis 1000°C, mehr bevorzugt von 300 bis 1000°C, noch mehr bevorzugt von 500 bis 1000°C und am meisten bevorzugt von 500 bis 800°C erhitzt. Das thermische Spritzpulver wird dem Arbeitsgas entlang der koaxialen Richtung zugeführt, wobei das Arbeitsgas eine Vorschubgeschwindigkeit von bevorzugt 1 bis 200 g/min, und mehr bevorzugt von 10 bis 100 g/min hat. Der Abstand zwischen dem Substrat und der Düsenspitze der Kaltspritzvorrichtung zum Zeitpunkt des Spritzens, oder in anderen Warten, der thermische Spritzabstand, ist bevorzugt von 5 bis 100 mm, und mehr bevorzugt von 10 bis 50 mm. Die Verfahrgeschwindigkeit der Düse der Kaltspritzvorrichtung ist bevorzugt von 10 bis 300 mm/s, und mehr bevorzugt von 10 bis 150 mm/s. Die Dicke der thermischen Spritzbeschichtung, die gebildet wird, ist bevorzugt von 50 bis 1000 μm, und mehr bevorzugt von 100 bis 500 μm.
In dem Fall, dass das thermische Spritzpulver der obigen Ausführungsform für das Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung unter Verwendung des Niederdrucktyp-Kaltspritzens verwendet wird, welches hauptsächlich ein inertes Gas, wie zum Beispiel Heliumgas, Stickstoffgas und Mischungen davon als Arbeitsgas verwendet, so wird das Arbeitsgas einer Kaltspritzvorrichtung bei einem Druck von bevorzugt von 0,3 bis 0,6 MPa, und mehr bevorzugt von 0,4 bis 0,6 MPa zugeführt, und wird auf eine Temperatur von bevorzugt von 100 bis 540°C, mehr bevorzugt von 250 bis 540°C und am meisten bevorzugt von 400 bis 540°C erhitzt. Das thermische Spritzpulver wird dem Arbeitsgas entlang der koaxialen Richtung zugeführt, wobei das Arbeitsgas eine Vorschubgeschwindigkeit von bevorzugt von 1 bis 100 Gramm pro Minute und mehr bevorzugt von 10 bis 100 g/min hat. Der Abstand zwischen dem Substrat und der Düsenspitze der Kaltspritzvorrichtung zum Zeitpunkt des Spritzens ist bevorzugt von 5 bis 100 mm und mehr bevorzugt von 10 bis 40 mm. Die Verfahrgeschwindigkeit der Düse der Kaltspritzvorrichtung ist bevorzugt von 5 bis 300 mm/s und mehr bevorzugt von 5 bis 150 mm/s. Die Dicke der thermischen Spritzbeschichtung, welche gebildet wird, ist bevorzugt von 50 bis 1000 μm, mehr bevorzugt von 100 bis 500 μm, und am meisten bevorzugt von 100 bis 300 μm.
In dem Fall, dass das thermische Spritzpulver der obigen Ausführungsform für das Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung unter Verwendung des Niederdrucktyp-Kaltspritzens verwendet wird, welches hauptsächlich Druckluft als Arbeitsgas verwendet, so wird das Arbeitsgas einer Kaltspritzvorrichtung bei einem Druck von bevorzugt von 0,3 bis 1 MPa, mehr bevorzugt von 0,5 bis 1 MPa und am meisten bevorzugt von 0,7 bis 1 MPa zugeführt, und wird auf eine Temperatur von bevorzugt von 100 bis 600°C, mehr bevorzugt von 250 bis 600°C und am meisten bevorzugt von 400 bis 600°C erhitzt. Das thermische Spritzpulver wird dem Arbeitsgas entlang der koaxialen Richtung zugeführt, wobei das Arbeitsgas eine Vorschubgeschwindigkeit von bevorzugt von 1 bis 200 g/min, und mehr bevorzugt von 10 bis 100 g/min hat. Der Abstand zwischen dem Substrat und der Düsenspitze der Kaltspritzvorrichtung zum Zeitpunkt des Spritzens ist bevorzugt von 5 bis 100 mm und mehr bevorzugt von 10 bis 40 mm. Die Verfahrgeschwindigkeit der Düse der Kaltspritzvorrichtung ist bevorzugt von 5 bis 300 mm/s, und mehr bevorzugt von 5 bis 150 mm/s. Die Dicke der thermischen Spritzbeschichtung, die gebildet wird, ist bevorzugt von 50 bis 1000 μm, mehr bevorzugt von 100 bis 500 μm, und am meisten bevorzugt von 100 bis 300 μm.
Als nächstes wird die vorliegende Erfindung spezifisch anhand von demonstrierenden Beispielen und Vergleichsbeispielen erklärt.
Thermische Spritzpulver gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 9 wurden hergestellt, jedes davon enthält granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, bestehend aus 12 Volumen-% Kobalt und Wolframkarbid als dem Rest. Die thermischen Spritzpulver wurden jeweils gemäß den ersten Bedingungen, gezeigt in Tabelle 1, thermisch gespritzt, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden, die eine Dicke von 200 μm hat.
Die thermischen Spritzpulver gemäß Beispiel 11 und gemäß den Vergleichsbeispielen 10 und 11 wurden hergestellt, wobei jedes granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, bestehend aus 25 Volumen-% von einer Eisen-basierten Legierung mit Wolframkarbid als Rest, beinhaltet. Die thermischen Spritzpulver wurden jeweils gemäß den zweiten Bedingungen, gezeigt in Tabelle 2, thermisch gespritzt, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden.
Die thermischen Spritzpulver gemäß Beispiel 12 und gemäß dem Vergleichsbeispiel 12 wurden hergestellt, wobei jedes granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, bestehend aus 12 Volumen-% Kobalt mit Wolframkarbid als dem Rest, enthält. Die thermischen Spritzpulver wurden jeweils unter den dritten Bedingungen, gezeigt in Tabelle 3, thermisch bespritzt, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden.

Die thermischen Spritzpulver gemäß Beispiel 13 und gemäß den Vergleichsbeispielen 13 bis 15 wurden hergestellt, wobei jedes granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, bestehend aus 25 Volumen-% von einer Eisen-basierten Legierung mit Wolframkarbid als dem Rest, beinhaltet. Die thermischen Spritzpulver wurden jeweils unter den vierten Bedingungen, gezeigt in Tabelle 4, thermisch gespritzt, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden. Tabelle 1

Erste Bedingungen Thermische Spritzvorrichtung: HVOF thermische Spritzvorrichtung „JP-5000” kommerziell erhältlich von Praxair/TAFA Ltd. Sauerstoffflussrate: 1900 scfh (ca. 893 Liter/Minute) Kerosinflussrate: 5,1 gph (ca. 0,32 Liter/Minute) Thermischer Spritzabstand: 380 mm Lauflänge der thermischen Spritzvorrichtung: 4 Zoll (ca. 101,6 mm), 6 Zoll (ca. 152,4 mm), oder 8 Zoll (ca. 203,2 mm) Pulverförderer: PL-25 kommerziell erhältlich von Technoserve Co., Ltd. Vorschubgeschwindigkeit des thermischen Spritzpulvers: 50 bis 60 g/Minute Art des Arbeitsgases: Stickstoffgas Vorschubrate des Arbeitsgases: 7,9 L/Minute Interner Druck des Förderers: 0,30 psi (ca. 2 kPa)

Tabelle 2

Zweite Bedingungen Thermische Spritzvorrichtung: thermische Kaltspritzvorrichtung „PCS-203” kommerziell erhältlich von Plasma Giken Co., Ltd. Art des Arbeitsgases: Helium Arbeitsgasdruck: 3.0 MPa Arbeitsgastemperatur: 600°C Thermischer Spritzabstand: 15 mm Verfahrgeschwindigkeit: 20 mm/Sekunde Zahl der Durchlaufe: 1 Durchlauf Vorschubrate des thermischen Spritzpulvers: 50 g/Minute Substrat: SS400

Tabelle 3

Dritte Bedingungen Thermische Spritzvorrichtung: thermische Kaltspritzvorrichtung „KM-CDS” kommerziell erhältlich von Inovati Co., Ltd. in den USA Art des Arbeitsgases: Helium Arbeitsgasdruck: 0,6 MPa Arbeitsgastemperatur: 537°C Thermischer Spritzabstand: 15 mm Verfahrgeschwindigkeit: 50 mm/Sekunde Zahl der Durchlaufe: 1 Durchlauf Vorschubrate des thermischen Spritzpulvers: 10 g/Minute Substrat: SS400

Tabelle 4

Vierte Bedingungen Thermische Spritzvorrichtung: thermische Kaltspritzvorrichtung „Dymet” kommerziell erhältlich von TWIN TC Co., Ltd. aus Russland Art des Arbeitsgases: Luft Arbeitsgasdruck: 0,7 MPa Arbeitsgastemperatur: 600°C Thermischer Spritzabstand: 20 mm Verfahrgeschwindigkeit: 5 mm/Sekunde Zahl der Durchlaufe: 1 Durchlauf Vorschubgeschwindigkeit des thermischen Spritzpulvers: 15 g/Minute Substrat: SS400

Details der thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15 und der thermischen Spritzbeschichtungen, welche davon gebildet werden, sind in den Tabellen 5 bis 8 gezeigt.
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Die Spalten bezeichnet mit „Durchschnittliche Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen die Ergebnisse der Messung der durchschnittlichen Teilchengröße (durchschnittliche Volumengröße) von jedem thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15 unter Verwendung eines Laserbeugung/Streuung-Teilchengrößenverteilungsanalysator „LA-300”, welcher kommerziell von Horiba, Ltd. erhältlich ist.
Die Spalten bezeichnet mit „Durchschnittliches Aspektverhältnis der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen die Ergebnisse der Messung eines durchschnittlichen Aspektverhältnisses der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, welche in jedem der thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15 enthalten sind, durch Analyse von Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop.
Die Spalten bezeichnet mit „Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen die Ergebnisse der Messung der Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, welche in jedem der thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15 enthalten sind. Genauergesagt wird eine Druckfestigkeit δ [MPa] der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen gezeigt, welche gemäß der Formel: δ = 2,8 × L/π/d² berechnet wird. In der oben genannten Formel, repräsentiert L die kritische Last [N] und d repräsentiert eine durchschnittliche Teilchengröße [mm] des thermischen Spritzpulvers. Die kritische Last ist ein Wert der Druckbelastung, welcher auf die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen zu dem Zeitpunkt der plötzlichen Erhöhung eines Verschiebungsbetrages („displacement amount”) eines Eindrückwerkzeugs („indenting tool”) einwirkt, wenn eine bei konstanter Geschwindigkeit zunehmende Druckbelastung, durch das Eindrückwerkzeug auf die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen einwirkt. Die kritische Last wurde unter Verwendung eines Mikrokompressionstesters „MCTE-500” gemessen, welcher kommerziell erhältlich ist von Shimadzu Corporation.
Die Spalten bezeichnet mit „Durchschnittliche Teilchengröße der Primärteilchen” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen die Ergebnisse der Messung der durchschnittlichen Teilchengröße (durchschnittlicher Feret's Durchschnitt) der Primärteilchen, die die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bilden, welche in den jeweiligen thermischen Spritzpulvern der Beispiele 1 bis 13 und in den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 enthalten sind, unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops.
Die Spalten bezeichnet mit „Dispergierbarkeit der Metallprimärteilchen” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen, ob oder ob nicht ein Wert 0,40 oder niedriger ist, ein Wert, welcher durch Division einer durchschnittlichen Anzahl der Metallprimärteilchen, die die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bilden, welche in den jeweiligen thermischen Spritzpulvern der Beispiele 1 bis 13 und in den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 enthalten sind, durch eine durchschnittliche Volumengröße der Metallprimärteilchen erhalten wird.
Die Spalten bezeichnet mit „Geradenverhältnis” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen einen Wert, der durch Division der maximalen Dicke einer thermischen Spritzbeschichtung, die erhalten wird, wenn 150 g von dem jeweiligen thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15 einem thermischen Punktspritzen unterzogen werden, durch die Länge des längsten der linearen Segmente, von denen jedes beide Enden an der Kontur der thermischen Spritzbeschichtung hat.
Die Spalten bezeichnet mit „Durchschnittliche fraktale Dimensionalität” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen die Ergebnisse einer Messung einer durchschnittlichen fraktalen Dimensionalität der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen, welche in dem jeweiligen thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15 erhalten sind. Die durchschnittliche fraktale Dimensionalität wurde spezifisch unter Verwendung einer Bildanalysesoftware Image-Pro Plus, erhältlich von Nippon Roper K. K., gemäß einer Teilungsmethode basierend auf Sekundärelektronenbildern (1000 bis 2000 fache Vergrößerungen) durch Rasterelektronenmikroskopie von fünf Teilchen gemessen, die eine Teilchengröße innerhalb von ±3 μm von der durchschnittlichen Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen haben, welche in den jeweiligen thermischen Spritzpulvern der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15 enthalten sind.
Die Spalte bezeichnet mit „Lauflänge der thermischen Spritzvorrichtung” in Tabelle 5 zeigt die Lauflänge von HVOF thermischen Spritzvorrichtungen, die zum Zeitpunkt des thermischen Spritzens von jedem der thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 9 verwendet wurde.
Die Spalte bezeichnet mit „Abscheidungseffizienz” in Tabelle 5 zeigt einen prozentualen Wert, welcher durch Division einer Menge der thermischen Spritzbeschichtung, welche von dem jeweiligen thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 9 gebildet wurde, durch das Gewicht des thermischen Spritzpulvers, welches thermisch gespritzt wurde. Das Symbol „–” in der Spalte bedeutet, dass es nicht möglich war, einen Film zu bilden.
Die Spalte bezeichnet mit „Spitting” in Tabelle 5 zeigt die Anwesenheit oder Abwesenheit der Bildung von Spitting, wenn jedes der thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 9 kontinuierlich für fünf Minuten thermisch gespritzt wurde.
Die Spalten bezeichnet mit „Dicke der thermischen Spritzbeschichtung” in den Tabellen 6 bis 8 zeigt die Dicke der thermischen Spritzbeschichtung, welche von dem jeweiligen thermischen Spritzpulver der Beispiele 11 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 10 bis 15 gebildet wurde. Obwohl dies in Tabelle 5 nicht gezeigt ist, war die Dicke der thermischen Spritzbeschichtung, welche von dem jeweiligen thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 6 und 8 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 9 gebildet wird, in jedem Fall 200 μm.
Die Spalten bezeichnet mit „Härte der thermischen Spritzbeschichtung” in den Tabellen 5 bis 8 zeigen die Ergebnisse einer Messung der Vickers Härte (Hv 0,2) der thermischen Spritzbeschichtung, gebildet von dem jeweiligen thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 13 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 15, unter Verwendung eines Mikrohärtetesters HMV-1, welcher kommerziell erhältlich ist von Shimadzu Corporation. Das Symbol „–” in den Spalten repräsentiert, dass ein Film nicht geformt werden konnte, und „Abblättern” bedeutet, dass die Messung nicht durchgeführt werden konnte, da der Film direkt nach der Filmbildung abgeblättert ist.
Die Spalte bezeichnet mit „Abriebbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung” in Tabelle 5 zeigt einen Wert, welcher durch Division eines Abriebvolumen-Verlusts („abrasion volume loss”) an der thermischen Spritzbeschichtung, welche von dem jeweiligen thermischen Spritzpulver der Beispiele 1 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 9 gebildet wurde, basierend auf einem Abriebradverschleißtest gemäß den Japanischen Industriestandards JIS H8682-1 unter Verwendung eines Suga Abriebtesters, durch einen Abriebvolumen-Verlust von Karbonstahl SS 400, basierend auf demselben Abriebradverschleißtest, erhalten wird. Das Symbol „–” in der Spalte bedeutet, dass ein Film nicht gebildet werden konnte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-69386 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS H8682-1 [0052]
SS 400 [0052]

Claims

Ein thermisches Spritzpulver umfassend granulierte und gesinterte Cermet-Teilchen, das thermische Spritzpulver ist dadurch gekennzeichnet, dass: die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von 5 bis 25 μm haben; die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen eine Druckfestigkeit von 50 MPa oder höher haben; und die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ein Geradenverhältnis von 0,25 oder höher haben, wobei das Geradenverhältnis definiert ist als ein Wert, der aus der Division der maximalen Dicke einer thermischen Spritzbeschichtung, die erhalten wird, wenn 150 g des thermischen Spritzpulvers einem thermischen Punktspritzen unterzogen werden, durch die Länge des längsten von linearen Segmenten, von denen jedes beide Enden an der Kontur der thermischen Spritzbeschichtung hat, resultiert.
Das thermische Spritzpulver gemäß Anspruch 1, wobei die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen ein durchschnittliches Aspektverhältnis von 1,25 oder niedriger haben.
Das thermische Spritzpulver gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Primärteilchen, die die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bilden, eine durchschnittliche Teilchengröße von 6,0 μm oder niedriger haben.
Das thermische Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallprimärteilchen, die die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen bilden, eine Dispergierbarkeit von 0,40 oder niedriger haben, wobei die Dispergierbarkeit definiert ist als ein Wert, der erhalten wird durch Division einer durchschnittlichen Zahlengröße der Metallprimärteilchen durch eine durchschnittliche Volumengröße der Metallprimärteilchen.
Das thermische Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen 1000 MPa oder niedriger ist.
Das thermische Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die granulierten und gesinterten Cermet-Teilchen eine durchschnittliche fraktale Dimensionalität von 1,075 oder niedriger haben.
Ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung, das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen unterzogen wird, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden.
Ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung, das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 einem Kaltspritzen unterzogen wird, um eine thermische Spritzbeschichtung zu bilden.