DE112011102251T5

DE112011102251T5 - Pulver zum thermischen Spritzen und Verfahren zur Bildung einer Spritzbeschichtung

Info

Publication number: DE112011102251T5
Application number: DE112011102251T
Authority: DE
Inventors: Kazuto Sato
Original assignee: Fujimi Inc
Current assignee: Fujimi Inc
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-05-23
Also published as: JP5676161B2; CN103108976A; CN103108976B; WO2012002475A1; JP2012012686A; US9394598B2; US20130095250A1

Abstract

Es ist ein thermisches Spritzpulver, das granulierte und gesinterte Cermetteilchen enthält, die ein Metall mit einer Eindruckhärte von 500 bis 5.000 N/mm2 enthalten, offenbart. Die granulierten und gesinterten Cermetteilchen weisen eine mittlere Größe von 30 μm oder weniger auf. Die granulierten und gesinterten Cermetteilchen bestehen aus Primärteilchen mit einer mittleren Größe von 6 μm oder weniger. Die granulierten und gesinterten Cermetteilchen weisen eine Druckfestigkeit von 100 bis 600 MPa auf. Es ist bevorzugt, dass das in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen enthaltene Metall wenigstens eines einschließt, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen, Aluminium, Kupfer und Silber. Das thermische Spritzpulver kann bei einem thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahren, wie beispielsweise Kaltspritzen, unter Verwenden von Stickstoff als Arbeitsgas verwendet werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pulver zum thermischen Spritzen oder thermisches Spritzpulver, das bei einem thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahren verwendet werden kann, sowie ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung oder eines thermischen Spritzüberzugs unter Verwenden des thermischen Spritzpulvers.
Stand der Technik
Thermisches Spritzen, welches ein weithin verwendetes Verfahren unter den bekannten Verfahren zur Modifizierung von Oberflächen ist, umfasst das Bilden einer Beschichtung auf einem Substrat durch das Aufspritzen eines thermischen Spritzpulvers, das aus einem Material wie beispielsweise einem Metall, Keramik und Cermet besteht, unter Verwenden einer Wärmequelle, zum Beispiel einer Verbrennungsflamme oder eines Plasmastrahls, auf ein Substrat. Mit Hilfe der Wärmequelle wird das thermische Spritzpulver üblicherweise auf eine Temperatur von gleich oder mehr als dem Schmelzpunkt oder dem Erweichungspunkt erwärmt. Je nach Material und Form des Substrats kann das Substrat daher eine thermische Veränderung oder eine thermische Verformung erfahren. Dementsprechend ist es mit einem herkömmlichen thermischen Spritzverfahren nicht möglich, eine Beschichtung auf einem Substrat aus einem beliebigen Material und mit einer beliebigen Form zu bilden. Der Nachteil dabei ist daher, dass das Material und die Form des verwendeten Substrats beschränkt sind.
In den letzten Jahren haben thermische Niedertemperatur-Spritzverfahren als neues Verfahren zur Behebung derartiger Nachteile eines herkömmlichen thermischen Spritzverfahrens an Aufmerksamkeit gewonnen. Die Patentschrift 1 offenbart zum Beispiel, dass Kaltspritzen dazu verwendet wird, eine Chrom-haltige Beschichtung auf der Gleitfläche oder Lauffläche eines Kolbenrings zu bilden. Ebenso offenbart die Patentschrift 2 ein Pulver zum Kaltspritzen, welches granulierte und gesinterte Cermetteilchen aus Wolframcarbid und Metall enthält.
Aufgrund der niedrigen Prozesstemperatur ist es jedoch nicht leicht, mit den thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahren, wie beispielsweise Kaltspritzen, in effizienter Weise dicke thermische Spritzbeschichtungen zu erhalten. Dieses Verhalten tritt bei Pulvern zum thermischen Spritzen, die aus einem Cermet bestehen, noch deutlicher zu Tage als bei Pulvern, die aus einem Metall bestehen.
Dokumente aus dem Stand der Technik

Patentschrift 1: japanische Patentveröffentlichung Nr. 2005-29858
Patentschrift 2: japanische Patentveröffentlichung Nr. 2008-231527

Zusammenfassung der Erfindung
Probleme, die die Erfindung lösen wird
Es ist entsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermisches Spritzpulver bereitzustellen, das dazu in der Lage ist, mit Hilfe eines thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahrens in effizienter Weise eine dicke thermische Spritzbeschichtung zu bilden, und ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung unter Verwenden des thermischen Spritzpulvers bereitzustellen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um das vorstehend genannte Ziel zu erreichen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein thermisches Spritzpulver bereitgestellt, das bei einem thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahren verwendet werden kann. Das thermische Spritzpulver enthält granulierte und gesinterte Cermetteilchen, die ein Metall mit einer Eindruckhärte von 500 bis 5.000 N/mm² enthalten. Die mittlere Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt 30 μm oder weniger. Die granulierten und gesinterten Cermetteilchen bestehen aus Primärteilchen mit einer mittleren Größe von 6 μm oder weniger. Die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen liegt zwischen 100 und 600 MPa.
Vorzugsweise enthält das in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen enthaltene Metall wenigstens eines, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen, Aluminium, Kupfer und Silber.
Das thermische Niedertemperatur-Spritzverfahren ist zum Beispiel ein Kaltspritzverfahren, bei dem ein Arbeitsgas verwendet wird, welches als Hauptbestandteil Stickstoff enthält.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung mit Hilfe eines thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahrens aus dem thermischen Spritzpulver gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Effekte der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt erfolgreich ein thermisches Spritzpulver bereit, welches mit Hilfe eines thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahrens in effizienter Weise eine dicke thermische Spritzbeschichtung bilden kann; und sie stellt erfolgreich ein Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung unter Verwenden des thermischen Spritzpulvers bereit.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das thermische Spritzpulver der vorliegenden Ausführungsform ist aus granulierten und gesinterten Cermetteilchen gebildet. Jedes der granulierten und gesinterten Cermetteilchen ist ein Komposit- oder Verbundteilchen, das durch eine Agglomeration feiner Keramikteilchen und feiner Metallteilchen erhalten wird. Die granulierten und gesinterten Cermetteilchen werden erzeugt, indem eine Mischung aus feinen Keramikteilchen und feinen Metallteilchen granuliert werden und das erhaltene granulierte Produkt (die granulierten Teilchen) gesintert wird.
Das thermische Spritzpulver kann bei thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahren, wie beispielsweise Kaltspritzen, Warmspritzen und thermischem Hochgeschwindigkeits-Luft-Brennstoff-Spritzen (HVAF = high-velocity air-fuel), verwendet werden, d. h. das thermische Spritzpulver wird bei Anwendungen verwendet, bei denen mit Hilfe eines thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahrens eine thermische Spritzbeschichtung aus Cermet gebildet wird. Bei Kaltspritzen wird ein Arbeitsgas bei einer Temperatur, die kleiner ist als der Schmelzpunkt und der Erweichungspunkt des thermischen Spritzpulvers, auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und das beschleunigte Arbeitsgas bewirkt, dass das thermische Spritzpulver in der festen Phase mit einem Substrat kollidiert und auf diesem abgeschieden wird. Beim Warmspritzen wird durch Einmischen von Stickstoffgas als Gas zum Kühlen in eine Verbrennungsflamme, die unter Verwenden von Kerosin und Sauerstoff als Brandverbesserer erhalten wird, eine Verbrennungsflamme mit einer Temperatur, die kleiner ist als beim thermischen Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff-Spritzen (HVOF = high-velocity oxygen-fuel), gebildet. Das thermische Spritzpulver wird durch die Verbrennungsflamme mit vergleichsweise niedriger Temperatur erwärmt und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und wird infolgedessen zur Kollision mit einem Substrat gebracht und auf diesem abgeschieden. Beim thermischen HVAF-Spritzen wird unter Verwenden von Luft anstelle des Sauerstoffs als Brandverbesserer eine Verbrennungsflamme mit einer Temperatur, die kleiner ist als die Temperatur beim thermischen HVOF-Spritzen, gebildet. Das thermische Spritzpulver wird durch die Verbrennungsflamme erwärmt und beschleunigt und dadurch zur Kollision mit einem Substrat gebracht und auf diesem abgeschieden. Bei allen thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahren wird das thermische Spritzpulver vorzugsweise niemals auf eine Temperatur von mehr als 1.500°C erwärmt, bei der die Keramikteilchen in dem thermischen Spritzpulver und insbesondere das Wolframcarbid (WC) eine thermische Zersetzung erfahren.
Je nach dem Druck des Arbeitsgases wird das Kaltspritzen allgemein in Hochdruck-Kaltspritzen und Niederdruck-Kaltspritzen unterteilt. Speziell das Niederdruck-Kaltspritzen stellt einen Fall dar, bei dem der Druck des Arbeitsgases 1 MPa oder weniger beträgt, und das Hochdruck-Kaltspritzen stellt einen Fall dar, bei dem der Druck des Arbeitsgases mehr als 1 MPa beträgt und 5 MPa oder weniger beträgt. Beim Hochdruck-Kaltspritzen wird vorwiegend ein inertes Gas, wie beispielsweise ein Gas, das Helium oder Stickstoff als Hauptbestandteil enthält, oder ein gemischtes Gas aus Helium und Stickstoff, als Arbeitsgas verwendet. Die gleichen Arten an Gasen wie beim Hochdruck-Kaltspritzen oder Pressluft werden als Arbeitsgas beim Niederdruck-Kaltspritzen verwendet. Das thermische Spritzpulver der vorliegenden Ausführungsform kann entweder beim Niederdruck-Kaltspritzen oder beim Hochdruck-Kaltspritzen verwendet werden. Das Arbeitsgas, das verwendet wird, ist vorzugsweise ein Gas, zum Beispiel Stickstoffgas oder Luft, das Stickstoff als Hauptbestandteil enthält. Die Verwendung eines Gases, welches Stickstoff als Hauptbestandteil enthält, ist in Anbetracht der geringeren Kosten – im Vergleich zu Heliumgas – und in Anbetracht der leichteren Erhitzbarkeit des thermischen Spritzpulvers von Vorteil. Das Arbeitsgas wird einer Kaltspritzeinrichtung mit einem Druck, der in einem Bereich von vorzugsweise 0,5 bis 5 MPa, besonders bevorzugt 0,7 bis 5 MPa, weiter bevorzugt 1 bis 5 MPa und ganz besonders bevorzugt 1 bis 4 MPa liegt, zugeführt und wird auf eine Temperatur von vorzugsweise 100 bis 1.000°C, besonders bevorzugt 300 bis 1.000°C, weiter bevorzugt 500 bis 1.000°C und ganz besonders bevorzugt 500 bis 800°C erwärmt. Das thermische Spritzpulver wird dem Arbeitsgas in einer Richtung, die zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases koaxial ist, und mit einer Zuführungsgeschwindigkeit, die in einem Bereich von vorzugsweise 1 bis 200 g/min und besonders bevorzugt 10 bis 100 g/min liegt, zugeführt. Während des Kaltspritzens beträgt der Abstand zwischen dem distalen Ende der Düse der Kaltspritzeinrichtung und dem Substrat (d. h. der Abstand des thermischen Spritzens) vorzugsweise 5 bis 100 mm und besonders bevorzugt 10 bis 50 mm, die Verfahrgeschwindigkeit (traverse velocity) der Düse der Kaltspritzeinrichtung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 300 mm/s und besonders bevorzugt 10 bis 150 mm/s, und die Dicke der gebildeten thermischen Spritzbeschichtung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 1.000 μm und besonders bevorzugt von 100 bis 500 μm.
Die feinen Keramikteilchen, die zum Erzeugen der granulierten und gesinterten Cermetteilchen verwendet werden, bestehen vorzugsweise aus einer Hartkeramik, die wenigstens eines enthält, das ausgewählt ist, aus der Gruppe, bestehend aus Carbiden, wie beispielsweise Wolframcarbid und Chromcarbid, Boriden, wie beispielsweise Molybdänborid und Chromborid, Nitriden, wie beispielsweise Aluminiumnitrid, Siliciden und Oxiden. Die Keramik in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen ist vorzugsweise insbesondere eine Einkomponenten-Keramik oder eine Komposit- oder Verbundkeramik, die aus wenigstens einem gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Carbiden, Boriden, Nitriden, Siliciden und Oxiden. Wenn die Keramik in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen von den vorstehend genannten Typen irgendeine Art an Carbiden, Boriden und Oxiden und insbesondere Carbiden ist, wird mit Hilfe eines thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahrens mit einem thermischen Spritzpulver leicht eine thermische Spritzbeschichtung mit einer ausgezeichneten Abrasionsbeständigkeit gebildet.
Die feinen Metallteilchen, die zum Erzeugen der granulierten und gesinterten Cermetteilchen verwendet werden, bestehen aus einem beliebigen Metall, das eine Eindruckhärte von 500 bis 5.000 N/mm² aufweist. Das heißt, dass das in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen enthaltene Metall ein beliebiges Metall ist, das eine Eindruckhärte von 500 bis 5.000 N/mm² aufweist. Wenn die Eindruckhärte des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen innerhalb des vorstehend angegebenen Bereichs liegt, wird durch die Kollision der Teilchen mit den Substrat leicht eine ausreichende plastische Verformung der granulierten und gesinterten Cermetteilchen zur Adhäsion oder Anhaftung an und Abscheidung auf dem Substrat ausgelöst. Die Wirksamkeit der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers wird infolgedessen verbessert. Die thermische Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildet ist, zeigt eine ausgezeichnete Härte und eine ausgezeichnete Abrasionsbeständigkeit. Die Eindruckhärte kann unter Verwenden von zum Beispiel dem Nano-Eindruckhärte-Messgerät „ENT-1100a”, das von der Firma Elionix hergestellt ist, einen dreieckig-pyramidenförmigen Eindruckkörper aus Diamant aufweist sowie eine Prüfbelastung von 100 mN und ein Zeitintervall zwischen den Stufen von 20 Millisekunden besitzt, gemessen werden.
Spezielle Beispiele für Metalle, die eine Eindruckhärte von 500 bis 5.000 N/mm² aufweisen, schließen Cobalt, Nickel, Eisen, Aluminium, Kupfer und Silber ein. Die feinen Metallteilchen, die zum Erzeugen der granulierten und gesinterten Cermetteilchen verwendet werden, können aus einem beliebigen einfachen Metall oder aus einer beliebigen Metalllegierung, oder aus einer beliebigen Kombination derselben, aus wenigstens einem Metall, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen, Aluminium, Kupfer und Silber, gebildet sein. Das Metall in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen kann insbesondere ein beliebiges solch einfaches Metall oder Metalllegierung sein, oder eine beliebige Kombination derselben. Die plastische Verformbarkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen erhöht sich und als Folge davon wird die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers besonders verbessert, wenn das Metall in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen ein beliebiges einfaches Metall oder eine beliebige Metalllegierung oder eine beliebige Kombination derselben ist, wobei wenigstens ein Metall enthalten ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Aluminium, Kupfer und Silber.
Die Eindruckhärte des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt vorzugsweise 700 N/mm² oder mehr und besonders bevorzugt 1.000 N/mm² oder mehr. Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildet ist, erhöhen sich, wenn die Eindruckhärte des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen zunimmt.
Die Eindruckhärte des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt vorzugsweise 4.000 N/mm² oder weniger und besonders bevorzugt 3.000 N/mm² oder weniger. Wenn die Eindruckhärte des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen abnimmt, erhöht sich die plastische Verformbarkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen und infolgedessen nimmt die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers zu.
Der Anteil an Keramik in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt bevorzugt 50 Massen-% oder mehr, besonders bevorzugt 60 Massen-% oder mehr, weiter bevorzugt 70 Massen-% oder mehr und ganz besonders bevorzugt 80 Massen-% oder mehr. Anders ausgedrückt liegt der Anteil an Metall in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen vorzugsweise bei 50 Massen-% oder weniger, besonders bevorzugt bei 40 Massen-% oder weniger, weiter bevorzugt bei 30 Massen-% oder weniger und ganz besonders bevorzugt bei 20 Massen-% oder weniger. Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildet ist, nehmen mit zunehmendem Anteil an Keramik (d. h. mit abnehmendem Anteil an Metall) zu.
Der Anteil an Keramik in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen liegt bevorzugt bei 95 Massen-% oder weniger, besonders bevorzugt bei 92 Massen-% oder weniger und weiter bevorzugt bei 90 Massen-% oder weniger. Anders ausgedrückt, beträgt der Anteil des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen bevorzugt 5 Massen-% oder mehr, besonders bevorzugt 8 Massen-% oder mehr und besonders bevorzugt 10 Massen-% oder mehr. Wenn der Anteil an Keramik abnimmt (d. h. der Anteil des Metalls zunimmt), nimmt die plastische Verformbarkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen zu und infolgedessen nimmt die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers zu.
Die Obergrenze für die mittlere Teilchengröße (volumengemittelte Teilchengröße) der granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt 30 μm. Wenn die mittlere Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen 30 μm oder weniger beträgt, werden die granulierten und gesinterten Cermetteilchen während des thermischen Spritzens leicht erwärmt und dementsprechend wird die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers verbessert. Die Dichte der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildet ist, nimmt in einem solchen Fall ebenfalls zu. Dies überträgt sich auf eine Zunahme der Härte und der Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung. Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers sowie einer Verbesserung der Härte und der Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung beträgt die mittlere Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen bevorzugt 25 μm oder weniger, besonders bevorzugt 20 μm oder weniger und ganz besonders bevorzugt 15 μm oder weniger. Die Messung der mittleren Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen kann zum Beispiel gemäß Verfahren wie einer Laserbeugung/-streuung, BET, Lichtstreuung oder dergleichen, durchgeführt werden. Die mittlere Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen kann gemäß einer Laserbeugung/-streuung unter Verwenden von zum Beispiel dem Teilchengrößen-Messinstrument des Laserbeugungs-/-streuungstyps „LA-300”, das von der Firma Horiba Ltd. hergestellt ist, gemessen werden.
Die mittlere Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt bevorzugt 1 μm oder mehr, besonders bevorzugt 3 μm oder mehr und ganz besonders bevorzugt 5 μm oder mehr. Wenn die mittlere Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen größer wird, nimmt die Fließfähigkeit des thermischen Spritzpulvers zu und als Folge davon wird das thermische Spritzpulver leicht einer thermischen Spritzeinrichtung zugeführt.
Die Obergrenze für die mittlere Teilchengröße (mittlerer Feret-Durchmesser) der Primärteilchen, d. h. der Primärteilchen aus Keramik und der Primärteilchen aus Metall, in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt 6 μm. Wenn die mittlere Teilchengröße der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 6 μm oder weniger beträgt, werden die granulierten und gesinterten Cermetteilchen während des thermischen Spritzens leicht erwärmt und dementsprechend wird die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers verbessert. Ebenfalls nimmt in einem solchen Fall die Dichte der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildet ist, zu, was sich auf eine erhöhte Härte und Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung überträgt. Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers sowie der Härte und der Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung beträgt die mittlere Teilchengröße der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen bevorzugt 5 μm oder weniger und besonders bevorzugt 4,5 μm oder weniger. Die mittlere Teilchengröße der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen kann zum Beispiel mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops „S-3000N”, das von der Firma Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt ist, gemessen werden.
Die mittlere Teilchengröße der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt bevorzugt 0,01 μm oder mehr, besonders bevorzugt 0,03 μm oder mehr und ganz besonders bevorzugt 0,05 μm oder mehr. Die Herstellungskosten für das thermische Spritzpulver nehmen mit zunehmender mittlerer Teilchengröße der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen ab.
Die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen liegt in einem Bereich von 100 bis 600 MPa. Innerhalb dieses Bereichs werden die granulierten und gesinterten Cermetteilchen während des thermischen Spritzens leicht erwärmt und dementsprechend wird die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers verbessert. Die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen kann zum Beispiel mit Hilfe des Mikro-Druckprüfgeräts „MCTE-500”, das von der Firma Shimadzu Corporation hergestellt ist, gemessen werden.
Die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt vorzugsweise 200 MPa oder mehr. Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildet ist, nehmen mit zunehmender Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen zu.
Die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen liegt bevorzugt bei 500 MPa oder weniger und besonders bevorzugt bei 400 MPa oder weniger. Die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers nimmt mit abnehmender Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen zu.
Die vorliegende Ausführungsform stellt die nachstehend beschriebenen Vorteile bereit.
Das thermische Spritzpulver der vorliegenden Ausführungsform enthält granulierte und gesinterte Cermetteilchen, die ein Metall mit einer Eindruckhärte von 500 bis 5.000 N/mm² enthalten. Die mittlere Größe der granulierten und gesinterten Cermetteilchen beträgt 30 μm oder weniger. Die granulierten und gesinterten Cermetteilchen bestehen aus Primärteilchen mit einer mittleren Größe von 6 μm oder weniger. Die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen liegt in einem Bereich von 100 bis 600 MPa. Als Folge davon ist das thermische Spritzpulver dazu in der Lage, eine Beschichtung mit einer hohen Effizienz der Abscheidung auszubilden, und mit Hilfe eines thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahrens wird in effizienter Weise eine dicke thermische Spritzbeschichtung gebildet.
Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung nehmen zu, wenn die Eindruckhärte des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 700 N/mm² oder mehr beträgt und nehmen noch mehr zu, wenn die Eindruckhärte 1.000 N/mm² oder mehr beträgt.
Die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers wird verbessert, wenn die Eindruckhärte des Metalls in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 4.000 N/mm² oder weniger beträgt und sie wird noch mehr verbessert, wenn die Eindruckhärte 3.000 N/mm² oder weniger beträgt.
Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung nehmen zu, wenn der Anteil an Keramik in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 50 Massen-% oder mehr beträgt und sie nehmen noch mehr zu, wenn der Anteil 60 Massen-% oder mehr, 70 Massen-% oder mehr oder 80 Massen-% oder mehr beträgt.
Die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers wird verbessert, wenn der Anteil an Keramik in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 95 Massen-% oder weniger beträgt, und sie wird noch mehr verbessert, wenn der Anteil 92 Massen-% oder weniger oder 90 Massen-% oder weniger beträgt.
Die Fließfähigkeit des thermischen Spritzpulvers nimmt zu, wenn die mittlere Größe der granulierten und gesinterten Cermetteilchen 1 μm oder mehr beträgt, und sie nimmt noch mehr zu, wenn die mittlere Teilchengröße 3 μm oder mehr oder 5 μm oder mehr beträgt.
Die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers wird verbessert, wenn die mittlere Größe der granulierten und gesinterten Cermetteilchen 25 μm oder weniger beträgt, und sie wird noch mehr verbessert, wenn die mittlere Teilchengröße 20 μm oder weniger oder 15 μm oder weniger beträgt. Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung nehmen in gleicher Weise zu.
Die Herstellungskosten für das thermische Spritzpulver reduzieren sich, wenn die mittlere Größe der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 0,01 μm oder mehr beträgt, und sie reduzieren sich noch weiter, wenn die mittlere Größe der Primärteilchen 0,03 μm oder mehr oder 0,05 μm oder mehr beträgt.
Die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers wird verbessert, wenn die mittlere Größe der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 5 μm oder weniger beträgt, und sie wird noch mehr verbessert, wenn die mittlere Größe der Primärteilchen 4,5 μm oder weniger beträgt. Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung nehmen in gleicher Weise zu.
Die Härte und die Abrasionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung nehmen zu, wenn die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen 200 MPa oder mehr beträgt.
Die Effizienz der Abscheidung des thermischen Spritzpulvers wird verbessert, wenn die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen 500 MPa oder weniger beträgt, und sie nimmt noch mehr zu, wenn die Druckfestigkeit 400 MPa oder weniger beträgt.
Beispiele, bei denen das thermische Spritzpulver der vorliegenden Ausführungsform mittels Kaltspritzen thermisch aufgespritzt wird, führen weniger wahrscheinlich zu einer thermischen Veränderung oder einer thermischen Verformung des Substrats als Fälle, bei denen das thermische Spritzen durch andere thermische Niedertemperatur-Spritzverfahren durchgeführt wird, wie zum Beispiel einem Warmspritzen oder einem thermischen HVAF-Spritzen, weil die Temperatur des Verfahrens beim Kaltspritzen, d. h. die Temperatur des thermischen Spritzpulvers während des thermischen Spritzens, niedrig ist. Die Sicherheit ist in gleicher Weise ausgezeichnet, da das Arbeitsgas, das verwendet wird, kein Verbrennungsgas ist.
Im Vergleich zu Fällen, bei denen Heliumgas als Arbeitsgas verwendet wird, kann das thermische Spritzen auf einfache und weniger kostenintensive Weise durchgeführt werden, wenn das Arbeitsgas, das beim Kaltspritzen verwendet wird, Stickstoffgas ist.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann folgendermaßen modifiziert werden.
Die granulierten und gesinterten Cermetteilchen in dem thermischen Spritzpulver können andere Bestandteile als Keramik und Metall, wie beispielsweise Additive oder unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
Das thermische Spritzpulver kann andere Bestandteile als die granulierten und gesinterten Cermetteilchen enthalten.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen ausführlicher beschrieben.
Die thermischen Spritzpulver aus den Beispielen 1 bis 8 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 5, die aus granulierten und gesinterten Cermetteilchen bestehen, wurden vorbereitet und unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen thermisch gespritzt.
Die mit „Zusammensetzung der granulierten und gesinterten Cermetteilchen” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt die chemische Zusammensetzung der granulierten und gesinterten Cermetteilchen des entsprechenden thermischen Spritzpulvers an. In dieser Spalte bezeichnet „WC-12%Ni” einen Cermet mit einem Massenanteil an Nickel von 12%, wobei der Rest zum Ausgleich Wolframcarbid ist. In ähnlicher Weise bezeichnet „WC-20%CrC-7%Ni” einen Cermet mit 7 Massen-% Nickel und 20 Massen-% Chromcarbid, wobei der Rest zum Ausgleich Wolframcarbid ist. Die anderen Bezeichnungen folgen dem gleichen Muster. Die chemische Zusammensetzung der granulierten und gesinterten Cermetteilchen wurde unter Verwenden der Röntgenstrahl-Fluoreszenz-Analysiereinrichtung „LAB CENTER XRF-1700”, das von der Firma Shimadzu Corporation hergestellt ist, und der Kohlenstoff-Analysiereinrichtung „WC-200”, die von der Firma LECO hergestellt ist, gemessen.
Die mit „Eindruckhärte des Metalls” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt das Ergebnis der Messung der Eindruckhärte des in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen des entsprechenden thermischen Spritzpulvers enthaltenen Metalls an. Die Eindruckhärte wurde unter Verwenden des Nano-Eindruckhärteprüfgeräts „ENT-1100a”, das von der Firma Elionix hergestellt ist und einen dreieckig-pyramidenförmigen Eindruckkörper aus Diamant, eine Prüfbelastung von 100 mN und ein Zeitintervall zwischen den Stufen von 20 Millisekunden aufweist, gemessen.
Die mit „mittlere Größe der Primärteilchen” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt das Ergebnis der Messung der mittleren Größe (mittlerer Feret-Durchmesser) der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen des entsprechenden thermischen Spritzpulvers an. Die Messung wurde unter Verwenden des Rasterelektronenmikroskops „S-3000N”, das von der Firma Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt ist, durchgeführt. Es wurden insbesondere Reflexionselektronenaufnahmen mit 5.000-facher Vergrößerung der Querschnitte von sechs granulierten und gesinterten Cermetteilchen mit einer Teilchengröße in einem Bereich von ±3 μm der mittleren Teilchengröße der granulierten und gesinterten Cermetteilchen gemacht. Die mittlere Größe der Primärteilchen wurde anhand der erhaltenen Querschnittsaufnahmen der Teilchen bestimmt.
Die mit „mittlere Größe der granulierten und gesinterten Cermetteilchen” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt das Ergebnis der Messung der mittleren Größe (volumengemittelte Größe) der granulierten und gesinterten Cermetteilchen des entsprechenden thermischen Spritzpulvers an. Die Messung wurde unter Verwenden des Teilchengrößen-Messinstruments des Laserbeugung/-streuungs-Typs „LA-300”, das von der Firma Horiba Ltd. hergestellt ist, durchgeführt.
Die mit „Druckfestigkeit” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt die Ergebnisse der Messung der Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen des entsprechenden thermischen Spritzpulvers an. Die Druckfestigkeit gibt insbesondere den Mittelwert der Druckfestigkeit σ (Einheit: MPa) von zehn granulierten und gesinterten Cermetteilchen an, die anhand der Gleichung σ = 2,8 × L/π/d² berechnet wurde. In der Gleichung gibt L die kritische Belastung (Einheit: N) an und d gibt die mittlere Größe (Einheit: mm) der granulierten und gesinterten Cermetteilchen an. Die kritische Belastung bezeichnet die Größe oder das Ausmaß der Druckbelastung, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf ein granuliertes und gesintertes Cermetteilchen ausgeübt wird, an dem die Auslenkung oder Verschiebung eines Eindruckkörpers, der auf das granulierte und gesinterte Cermetteilchen eine Druckbelastung ausübt, die mit konstanter Rate zunimmt, abrupt zunimmt. Das Mikro-Druckprüfgerät „MCTE-500”, das von der Firma Shimadzu Corporation hergestellt ist, wurde zum Messen der kritischen Belastung verwendet.
Die mit „Art des Arbeitsgases” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt die Art des Arbeitsgases an, die während des thermischen Spritzens des entsprechenden Pulvers zum thermischen Spritzen unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen verwendet wurde.
Die mit „Fähigkeit zum Ausbilden einer Beschichtung (1)” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt das Ergebnis einer Beurteilung der Fähigkeit des entsprechenden thermischen Spritzpulvers zum Ausbilden einer Beschichtung auf der Grundlage der Dicke der thermischen Spritzbeschichtung an, die pro Durchlauf während des thermischen Spritzens des entsprechenden thermischen Spritzpulvers unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen gebildet wurde. Der Grad der Beurteilung war insbesondere: gut (o) für Fälle, in denen die Dicke der pro Durchlauf gebildeten thermischen Spritzbeschichtung 40 μm oder mehr betrug, annehmbar (Δ) für Fälle, in denen die Dicke weniger als 40 μm betrug, und schlecht (x) für Fälle, in denen keine Bildung einer thermischen Spritzbeschichtung beobachtet wurde.

Die mit „Fähigkeit zum Ausbilden einer Beschichtung (2)” beschriftete Spalte in der Tabelle 2 gibt das Ergebnis einer Beurteilung der Fähigkeit des entsprechenden thermischen Spritzpulvers zum Ausbilden einer Beschichtung auf der Grundlage dessen an, ob während des thermischen Spritzens des entsprechenden thermischen Spritzpulvers unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen eine thermische Spritzbeschichtung mit einer Dicke, die für eine praktische Verwendung geeignet ist, gebildet werden konnte oder nicht. Der Grad der Beurteilung war insbesondere: gut (o) für Fälle, in denen bei mehreren Wiederholungen der Durchgänge eine 150 μm dicke thermische Spritzbeschichtung gebildet wurde; annehmbar (Δ) für Fälle, in denen keine 150 μm dicke thermische Spritzbeschichtung, jedoch eine 100 μm dicke thermische Spritzbeschichtung gebildet wurde; und schlecht (x) für Fälle, in denen selbst bei mehreren Wiederholungen der Durchgänge keine 100 μm dicke thermische Spritzbeschichtung gebildet wurde. Tabelle 1

Thermische Spritzvorrichtung: Kaltspritzvorrichtung „ PCS-304”, hergestellt von der Firma Plasma Giken Co., Ltd. Art des Arbeitsgases: Stickstoff oder Helium Druck des Arbeitsgases: 4,0 MPa Temperatur des Arbeitsgases: 800°C Abstand des thermischen Spritzens: 20 mm Verfahrgeschwindigkeit: 300 mm/s Rotationsgeschwindigkeit der Zuführungseinrichtung: 1 rpm (1 U/min) Substrat: Walzstahl für allgemeine Strukturen SS400

Tabelle 2

Wie Tabelle 2 zeigt, ergab die Beurteilung der Kriterien der Fähigkeit zum Ausbilden von Beschichtungen für die thermischen Spritzpulver aus den Beispielen 1 bis 8 in beiden Fällen einen Grad, die annehmbar oder besser waren. Im Gegensatz dazu war die Beurteilung des thermischen Spritzpulvers aus dem Vergleichsbeispiel 1, bei dem das Metall in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen eine Eindruckhärte von 15.000 N/mm² besaß, d.h. einem Fall, bei dem das Metall in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen Chrom war, bei beiden Kriterien der Fähigkeit zum Ausbilden von Beschichtungen schlecht. Die Beurteilung der beiden Kriterien der Fähigkeit zum Ausbilden einer Beschichtung ergab wenigstens ein schlechtes Ergebnis für die thermische Spritzbeschichtung aus dem Vergleichsbeispiel 2, bei dem die mittlere Größe der Primärteilchen in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen 7,0 μm betrug, für das thermische Spritzpulver aus dem Vergleichsbeispiel 3, bei dem die mittlere Größe der granulierten und gesinterten Cermetteilchen 44,7 μm betrug, und für die thermischen Spritzpulver aus den Vergleichsbeispielen 4 und 5, bei denen die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermetteilchen 600 MPa oder mehr betrug.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-29858 [0005]
JP 2008-231527 [0005]

Claims

Thermisches Spritzpulver, das bei einem thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahren verwendet werden kann, umfassend granulierte und gesinterte Cermetteilchen, die ein Metall mit einer Eindruckhärte von 500 bis 5.000 N/mm² enthalten, wobei die granulierten und gesinterten Cermetteilchen eine mittlere Größe von 30 μm oder weniger aufweisen; die granulierten und gesinterten Cermetteilchen aus Primärteilchen mit einer mittleren Größe von 6 μm oder weniger bestehen und die granulierten und gesinterten Cermetteilchen eine Druckfestigkeit von 100 bis 600 MPa aufweisen.
Thermisches Spritzpulver nach Anspruch 1, wobei das in den granulierten und gesinterten Cermetteilchen enthaltene Metall wenigstens eines umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen, Aluminium, Kupfer und Silber.
Thermisches Spritzpulver nach Anspruch 1 oder 2, wobei das thermische Niedertemperatur-Spritzverfahren ein Kaltspritzen ist, bei dem ein Arbeitsgas verwendet wird, das Stickstoff als Hauptbestandteil enthält.
Verfahren zum Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung, wobei das Verfahren das Bilden einer thermischen Spritzbeschichtung mit Hilfe eines thermischen Niedertemperatur-Spritzverfahrens mit dem thermischen Spritzpulver gemäß Anspruch 1 oder 2 umfasst.