JP2001020055A - Chromium boride coating - Google Patents

Chromium boride coating

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JP2001020055A
JP2001020055A JP11191544A JP19154499A JP2001020055A JP 2001020055 A JP2001020055 A JP 2001020055A JP 11191544 A JP11191544 A JP 11191544A JP 19154499 A JP19154499 A JP 19154499A JP 2001020055 A JP2001020055 A JP 2001020055A
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coating
chromium
alloy
coatings
substrate
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JP11191544A
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Japanese (ja)
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Jiinjen A Sue
ジインジェン・アルバート・スー
Jr Robert C Tucker
ロバート・クラーク・タッカー・ジュニア
Patrick Nemes Joseph
ジョセフ・パトリック・ネメス
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Praxair ST Technology Inc
Original Assignee
Praxair ST Technology Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide new kind of chromium boride coating having excellent sticking wear resistance and corrosion resistance. SOLUTION: This coating is composed in such a manner that superfine hard chromium boride particles having the average particle size of <1 μ are dispersed into a metallic matrix, the above particles occupy about <30 vol.% of the coating, and the balance is composed of a metallic matrix. The metallic matrix can be composed of nickel or an alloy consisting of nickel as a base and contg. metals selected from the group consisting of chromium, silicon and iron. The coating can be produced by a method in which a mechanically blended powdery mixture of a chromium metal or a chromium alloy or a mixture thereof and a boron-contg. alloy is deposited on a base material, and the coating as-deposited is subjected to heat treatment. The heat treatment causes duffusion reaction between the deposited elements, and as a result, the formation of the fine particles of chromium boride dispersed into the metallic matrix is caused. The coating can be deposited on the base material by using optional well-known depositing technique.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた耐粘着摩耗
及び耐腐蝕性を有する硼化クロムコーティング並びにか
かるコーティングの製造方法に関する。より特定的に
は、本発明は、金属マトリックス中に分散された超微細
硼化クロム粒子を含有する、硬く、稠密で、低気孔率
で、耐摩耗性且つ耐腐蝕性のコーティングに関する。本
発明はまた、溶射(thermal spray)及び拡散反応技術に
よって現場でかかるコーティングを製造するための方法
にも関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to chromium boride coatings having excellent anti-adhesive and anti-corrosion properties and to a method for producing such coatings. More specifically, the present invention relates to hard, dense, low porosity, abrasion and corrosion resistant coatings containing ultrafine chromium boride particles dispersed in a metal matrix. The invention also relates to a method for producing such a coating in situ by thermal spray and diffusion reaction techniques.

【0002】本明細書を通じて、コーティングを付着さ
せるためにはプラズマアークスプレー及びデトネーショ
ンガン(D−ガン)技術を例にとって説明を行なう。典
型的なデトネーションガン技術は、米国特許第2714
563号及び同第2950867号明細書に開示されて
いる。プラズマアークスプレー技術は、米国特許第28
58411号及び同第3016447号明細書に開示さ
れている。その他の溶射技術もまた周知であり、例えば
いわゆる「高速」プラズマ及び「極超音速」燃焼スプレ
ー法、並びに様々なフレーム溶射(flame spray)法が
知られている。コーティングは熱処理が必要であり、こ
の熱処理は、付着させた後に、真空若しくは不活性ガス
炉中で又は電子ビーム、レーザービーム、誘導加熱、移
行式プラズマアーク若しくはその他の技術によって行な
うことができる。また、スラリー、充填済織物又は電気
泳動のような別の付着技術の後に熱処理を行なうことも
知られている。さらにその他の方法には、プラズマ移行
アークを利用する同時的な付着及び溶融、レーザー又は
電子ビーム表面溶融(付着後の熱処理ありで又はなし
で)が包含される。
[0002] Throughout this specification, the application of a coating will be described using plasma arc spray and detonation gun (D-gun) techniques as examples. A typical detonation gun technique is described in US Pat.
No. 563 and No. 2950867. Plasma arc spray technology is disclosed in US Pat.
Nos. 58411 and 3016447. Other thermal spray techniques are also well known, for example, so-called "high-speed" plasma and "hypersonic" combustion spray methods, and various flame spray methods. The coating requires heat treatment, which can be performed after deposition in a vacuum or inert gas furnace or by electron beam, laser beam, induction heating, transfer plasma arc or other techniques. It is also known to perform the heat treatment after another deposition technique such as slurry, filled fabric or electrophoresis. Still other methods include simultaneous deposition and melting using a plasma transfer arc, laser or electron beam surface melting (with or without post-deposition heat treatment).

【0003】[0003]

【従来の技術】石油産業においては、様々な腐蝕性液体
を高い液圧下で取り扱うために、機械的ゲート弁が一般
的に用いられている。これらの弁を作動させる際には、
弁を閉じて封鎖するために高い機械力下でゲートが弁座
に対して非常に迅速に動くことが必要とされる。このよ
うな条件は、ゲート及び弁座の両方の金属表面上にひど
い粘着及び腐蝕摩耗を作り出して、弁の早期の破損をも
たらすことがある。
BACKGROUND OF THE INVENTION In the petroleum industry, mechanical gate valves are commonly used to handle various corrosive liquids under high hydraulic pressure. When activating these valves,
It is required that the gate move very quickly against the valve seat under high mechanical force to close and close the valve. Such conditions can create severe sticking and corrosive wear on both the gate and valve seat metal surfaces, leading to premature valve failure.

【0004】石油産業においては、金属ゲートと弁座と
の合せ面に耐粘着及び耐腐蝕性のコーティングが適用さ
れた機械的ゲート弁を用いるのが一般的である。基材の
材料及び伴う摩耗メカニズムのタイプの違いのせいで、
ゲート表面に適用されるコーティングと弁座表面に適用
されるコーティングとは通常は異なるものである。例え
ば、粘着摩耗に対して金属ゲート表面を保護するために
は、デトネーションガン炭化タングステンベースコーテ
ィング(炭化タングステンを基とするコーティング)が
好結果で用いられており、他方、弁座は既知の溶接技術
によって上塗り層として適用されたNi−Cr−B−S
i−Fe合金によって保護されてきた。
[0004] In the petroleum industry, it is common to use a mechanical gate valve in which an adhesive and corrosion resistant coating is applied to the mating surface of the metal gate and the valve seat. Due to differences in the material of the substrate and the type of accompanying wear mechanism,
The coating applied to the gate surface and the coating applied to the valve seat surface are usually different. For example, detonation gun tungsten carbide based coatings (tungsten carbide based coatings) have been successfully used to protect metal gate surfaces against sticky wear, while valve seats are known from known welding techniques. Ni-Cr-BS applied as an overcoat layer by
It has been protected by i-Fe alloys.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】これらの特定的なコー
ティングの組合せについての問題点は、弁座コーティン
グは、基材材料として有用な多くの熱処理された硬化可
能な合金との適合性がないということである。例えば、
慣用のNi−Cr−B−Si−Feコーティング合金は
一般的に、AISI 410ステンレス鋼又はAISI 4130鋼製の
弁座に対して上塗り層として適用された場合に、熱処理
後に亀裂又は破砕によって破損してしまう。これは基材
とコーティングとの間で膨張率が不適合であるせいであ
る。従って、もっと様々な基材材料と共に用いることが
できる新たなコーティングを開発することの要求があ
る。
A problem with these particular coating combinations is that valve seat coatings are not compatible with many heat treated hardenable alloys useful as substrate materials. That is. For example,
Conventional Ni-Cr-B-Si-Fe coating alloys generally fail by cracking or fracturing after heat treatment when applied as a topcoat to AISI 410 stainless steel or AISI 4130 steel valve seats. Would. This is due to an incompatibility in the coefficient of expansion between the substrate and the coating. Accordingly, there is a need to develop new coatings that can be used with a wider variety of substrate materials.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明に従えば、優れた
耐粘着摩耗性及び耐腐蝕性を有し且つ多くの合金基材と
適合性である新規の類の硼化クロムコーティングが提供
される。これらのコーティングは、金属マトリックス中
に硬質の超微細硼化クロム粒子が分散されて成り、これ
ら粒子はコーティングの約30容量%未満を占め、残り
が金属マトリックスである。コーティング中のクロム金
属対硼素の原子比は約0.8〜1.5の範囲である。金
属マトリックスは、ニッケル又はニッケルを基とし且つ
クロム、珪素及び鉄より成る群から選択される金属を含
有する合金から成ることができる。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, there is provided a new class of chromium boride coatings that have excellent anti-adhesion and corrosion resistance and are compatible with many alloy substrates. You. These coatings consist of a dispersion of hard ultrafine chromium boride particles in a metal matrix, which make up less than about 30% by volume of the coating, with the remainder being the metal matrix. The atomic ratio of chromium metal to boron in the coating ranges from about 0.8 to 1.5. The metal matrix can be composed of nickel or an alloy based on nickel and containing a metal selected from the group consisting of chromium, silicon and iron.

【0007】本発明のコーティングは、クロム金属若し
くはクロム合金又は両者の混合物と硼素含有合金との機
械的にブレンドされた粉末混合物を基材上に付着させ、
次いでこの付着させたままのコーティングを熱処理する
ことを含む方法によって製造することができる。この熱
処理は、付着させた元素間の拡散反応をもたらし、その
結果金属マトリックス中に分散された硼化クロムの超微
粒子の生成をもたらす。コーティングは、以前に報告さ
れている既知の任意の付着技術を用いて基材上に付着さ
せることができる。
The coating of the present invention comprises depositing a mechanically blended powder mixture of chromium metal or a chromium alloy or a mixture of both and a boron-containing alloy on a substrate.
The as-deposited coating can then be manufactured by a method that includes heat treating. This heat treatment results in a diffusion reaction between the deposited elements, resulting in the formation of ultrafine chromium boride particles dispersed in the metal matrix. The coating can be deposited on the substrate using any of the previously reported known deposition techniques.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明のコーティングは、溶射法
を用いて基材上に適用するのが好ましい。かかる方法の
一つ、即ちプラズマ溶射においては、一つの非消耗性電
極とそれから間隔をあけて設置された第二の非消耗性電
極との間に電気アークが確立される。気体が通されて非
消耗性電極と接触せしめられ、電気アークを含有するよ
うになる。アーク含有ガスはノズルによって圧縮され、
高い熱含有量の流出液をもたらす。この高熱含有量流出
液中に粉末状コーティング材料が射出され、コーティン
グされるべき表面上に付着せしめられる。この方法及び
そこで用いられるプラズマアークトーチは、米国特許第
2858411号明細書に記載されている。プラズマ溶
射法は、堅固で、稠密で、基材に対する付着力がある付
着したコーティングを作る。付着したコーティングは、
不規則な形状の顕微鏡サイズの縦長平板状物(splats)
又は葉状物が互いに且つ基材に対して絡み合い且つ機械
的に結合されて成る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The coating of the present invention is preferably applied to a substrate using a thermal spray method. In one such method, plasma spraying, an electric arc is established between one non-consumable electrode and a second non-consumable electrode spaced therefrom. Gas is passed through and brought into contact with the non-consumable electrode to contain an electric arc. The arc-containing gas is compressed by the nozzle,
This results in an effluent with a high heat content. A powdery coating material is injected into this high heat content effluent and deposited on the surface to be coated. This method and the plasma arc torch used therein are described in U.S. Pat. No. 2,858,411. Plasma spraying produces a firm, dense, adherent adherent coating to the substrate. The applied coating is
Irregularly shaped microscope-sized vertical splats
Or the leaves are entangled and mechanically connected to each other and to the substrate.

【0009】基材にコーティングを適用する別の方法
は、デトネーションガン(D−ガン)付着によるもので
ある。典型的なD−ガンは、長さ数フィート、内径約1
インチの水冷式バレルから本質的に成る。操作に当たっ
ては、酸素と燃料ガス(例えばアセチレン)との特定の
比率(通常は約1:1)の混合物が、コーティングされ
るべき粉末の装填物と共にバレル中に供給される。次い
でこのガスが点火され、デトネーション波が粉末を約2
400フィート/秒(730m/秒)に加速しながら、
粉末をその融点付近又はそれ以上に加熱する。粉末がバ
レルを出た後に、窒素のパルスがバレルをパージし、シ
ステムに次のデトネーションの用意をさせる。次いでこ
のサイクルを何回も繰り返す。
[0009] Another method of applying a coating to a substrate is by detonation gun (D-gun) deposition. A typical D-gun is several feet long and has an inside diameter of about 1
Consists essentially of an inch water cooled barrel. In operation, a mixture of oxygen and a fuel gas (eg, acetylene) in a particular ratio (typically about 1: 1) is fed into a barrel with a charge of powder to be coated. The gas is then ignited and a detonation wave dissolves the powder for about 2
While accelerating to 400 feet / second (730 m / s)
The powder is heated to near or above its melting point. After the powder exits the barrel, a pulse of nitrogen purges the barrel and prepares the system for the next detonation. This cycle is then repeated many times.

【0010】D−ガンはそれぞれのデトネーションにつ
いて1つのコーティングの環(circle)を基材上に付着
させる。コーティングの環は典型的には、直径約1イン
チ(25mm)、厚さ1万分の数インチ(即ち数μ)で
ある。それぞれの環状コーティングは、個々の粉末粒子
に対応する顕微鏡サイズのたくさんの縦長平板状物が部
分的に重なり合って成る(以下、部分的に重なり合うこ
とを単に重なり合うと言う)。これらの重なり合った縦
長平板状物は、それらの界面において実質的に合金を作
ることなく、互いに且つ基材に対して絡み合い且つ結合
する。均一な厚さの平滑なコーティングを堆積させ且つ
基材の加熱及び適用されたコーティング中における残留
応力を最小限にするためには、コーティング付着におけ
る環群の配置が緊密になるように調節する。
The D-gun deposits one coating circle on the substrate for each detonation. The ring of the coating is typically about 1 inch (25 mm) in diameter and several ten thousandths of an inch (or a few microns) thick. Each annular coating is composed of a number of microscopic sized slabs corresponding to the individual powder particles, partially overlapping (hereinafter, partially overlapping is simply referred to as overlapping). These overlapping elongated plates entangle and bond to each other and to the substrate substantially without alloying at their interfaces. In order to deposit a smooth coating of uniform thickness and to minimize residual stresses during heating of the substrate and applied coating, the arrangement of rings in the coating deposition is adjusted to be tight.

【0011】原則として、溶射法において用いられる粉
末状のコーティング材料は、適用されたコーティング自
体と本質的に同じ組成を有するだろう。しかし、ある種
の溶射装置を用いた場合には、組成の変化が予測される
ことがある。かかる場合には、所望のコーティング組成
を達成するように粉末の組成を調節する。
In principle, the powdery coating material used in the thermal spraying process will have essentially the same composition as the applied coating itself. However, when a certain type of thermal spraying device is used, a change in composition may be expected. In such cases, the composition of the powder is adjusted to achieve the desired coating composition.

【0012】以下においては特にプラズマアークスプレ
ー法によって製造されるコーティングを参照して本発明
を説明するが、先に報告された任意の既知の付着技術を
用いることもできるということを理解されたい。
In the following, the invention will be described with particular reference to coatings produced by the plasma arc spray method, but it will be understood that any of the previously known deposition techniques reported above may be used.

【0013】本発明に従えば、クロム金属若しくはクロ
ム合金又は両者の混合物の粒子と硼素含有合金又は合金
混合物の粒子とを含有する機械的にブレンドされた粉末
混合物をプラズマ溶射し、次いで高温(例えば約900
〜約1100℃)において熱処理することによって、金
属基材に耐摩耗・耐腐蝕性コーティングが適用される。
これらの温度において、溶射プロセスによって付着され
た薄い重なり合った縦長平板状物(それらの一部はクロ
ム金属成分を含有し、その他は硼素含有合金又は合金混
合物を含有する)の間で拡散及び化学反応が起こる。こ
れらの拡散及び化学反応は、金属マトリックス中に分散
された硼化クロム(CrB)沈殿の形成をもたらす。こ
の沈殿は通常はマトリックス全体に均一に分散される
が、場合によっては凝集して、マトリックス中に均一に
分散された複数個の小さい集落になることがある。付着
の際には粉末粒子の間で本質的に何ら反応は起こらず、
熱処理の前は縦長平板状物はそれらの初期粉末組成を維
持する。
According to the present invention, a mechanically blended powder mixture containing particles of chromium metal or a chromium alloy or a mixture of both and particles of a boron-containing alloy or alloy mixture is plasma sprayed and then heated to a high temperature (eg, About 900
(~ 1100 ° C) to apply a wear and corrosion resistant coating to the metal substrate.
At these temperatures, diffusion and chemical reactions between thin overlapping elongated plates (some of which contain a chromium metal component and others of which contain a boron-containing alloy or alloy mixture) deposited by a thermal spray process. Happens. These diffusions and chemical reactions result in the formation of chromium boride (CrB) precipitates dispersed in the metal matrix. The precipitate is usually evenly dispersed throughout the matrix, but in some cases can agglomerate into a plurality of small colonies that are evenly dispersed throughout the matrix. During adhesion, essentially no reaction occurs between the powder particles,
Prior to heat treatment, the elongated plates maintain their initial powder composition.

【0014】本発明のコーティングは、2成分系、即ち
第一のクロム金属又はクロム合金成分及び第二の硼素含
有合金成分を用いて製造することができ、また、多成分
系を用いることもできる。多成分系には、追加のクロム
金属又はクロム合金を含ませることができ、この多成分
系は、例えば耐腐蝕性を高めるために合金マトリックス
中にクロム金属を加えることが望ましい場合に用いるこ
とができる。
The coatings of the present invention can be made using a two-component system, a first chromium metal or chromium alloy component and a second boron-containing alloy component, or a multi-component system can be used. . The multi-component system can include additional chromium metal or chromium alloys, which can be used, for example, when it is desired to add chromium metal in the alloy matrix to increase corrosion resistance. it can.

【0015】金属マトリックス中に硼化クロム沈殿を含
有するコーティングの形成は、次の式の内の一つに従っ
て進行することができる:
The formation of the coating containing the chromium boride precipitate in the metal matrix can proceed according to one of the following equations:

【化1】 (ここで、M1及びM2はニッケル並びに随意としてのク
ロム、珪素、燐、アルミニウム、マンガン、コバルト及
び鉄より成る群から選択される1種以上の金属であり、
Bは硼素である)。
Embedded image (Where M 1 and M 2 are nickel and optionally one or more metals selected from the group consisting of chromium, silicon, phosphorus, aluminum, manganese, cobalt and iron;
B is boron).

【0016】前記のように、金属M2の目的は、マトリ
ックスの特性を変えること、例えば耐腐蝕性を改善する
ために追加のクロムを含ませることである。
As mentioned above, the purpose of the metal M 2 is to change the properties of the matrix, eg to include additional chromium to improve corrosion resistance.

【0017】前記の元素に加えて、M1及びM2は炭素、
酸素及び窒素のようなその他の元素を少量含有すること
もまたできる。
In addition to the above elements, M 1 and M 2 are carbon,
Small amounts of other elements such as oxygen and nitrogen can also be included.

【0018】粉末混合物中に用いられるクロム金属及び
硼素の割合は、金属マトリックス中に沈殿する硼化クロ
ムの体積分率を決定する。一般的に、この比は約0.8
〜約1.5の範囲に保つべきである。
The proportions of chromium metal and boron used in the powder mixture determine the volume fraction of chromium boride that precipitates in the metal matrix. Generally, this ratio is about 0.8
Should be kept in the range of ~ 1.5.

【0019】最適な粘着摩耗特性のためには、コーティ
ング中の硼化クロム沈殿の体積分率を約12〜約30容
量%の範囲に保つべきであり、約15〜25容量%の範
囲に保つのが好ましい。
For optimal cohesive wear properties, the volume fraction of chromium boride precipitate in the coating should be kept in the range of about 12 to about 30% by volume, and in the range of about 15 to 25% by volume. Is preferred.

【0020】硼素含有合金中の元素が次の割合: 約2.5〜約10重量% 硼素 0〜約25重量% クロム 0〜約2重量% マンガン 0〜約2重量% アルミニウム 0〜約1重量% 炭素 0〜約5重量% 珪素 0〜約5重量% 燐 0〜約2重量% 銅 0〜約5重量% 鉄 残り ニッケル の内に保たれれば、前記の範囲の硼化クロムの体積分率
を有するコーティングを製造することができる。
The elements in the boron-containing alloy are in the following proportions: about 2.5 to about 10% by weight Born 0 to about 25% by weight Chromium 0 to about 2% by weight Manganese 0 to about 2% by weight Aluminum 0 to about 1% by weight % Carbon 0 to about 5% by weight Silicon 0 to about 5% by weight Phosphorus 0 to about 2% by weight Copper 0 to about 5% by weight Iron Remaining nickel if kept within the range of chromium boride in the above range A coating having a high modulus can be produced.

【0021】硼素含有合金としては、前記の式(1)〜
(3)の内の一つについての反応要件を満足し且つ金属
マトリックス中に所望の成分を提供するものでありさえ
すれば、殆どの任意の硼素含有合金を本発明のコーティ
ングの製造に用いることができる。本発明に従うコーテ
ィングの製造に用いるのに特に適した合金を、以下の表
Iに与える。
As the boron-containing alloy, the above formulas (1) to (1)
Use of almost any boron-containing alloy in the preparation of the coating of the present invention, as long as it satisfies the reaction requirements for one of (3) and provides the desired components in the metal matrix. Can be. Particularly suitable alloys for use in producing the coating according to the invention are given in Table I below.

【0022】[0022]

【表1】 [Table 1]

【0023】一般的に、コーティングを製造するために
用いられる粉末混合物は約200メッシュより小さい粒
子寸法を有する。
Generally, the powder mixture used to make the coating has a particle size of less than about 200 mesh.

【0024】本発明の実施に当たっては、付着させたま
まのコーティングを、硼素含有合金が拡散反応を促進す
るのに充分流動性であるのに充分高い温度(典型的には
約900℃)において熱処理することが重要である。こ
の熱処理温度は、所望ならば900℃よりもかなり高く
することができ、例えば約1100℃にすることができ
るが、しかしこの温度は、基材に有害作用を及ぼすほど
高くすべきではない。付着させたままのコーティング
を、コーティングの成分の間の反応及び(又は)拡散を
促進するのに充分な時間、熱処理温度に保つべきであ
る。また、基材についても、制限された量ではあるが重
大な量の拡散反応が起こる。
In practicing the present invention, the as-deposited coating is heat treated at a temperature high enough for the boron-containing alloy to be sufficiently fluid to promote the diffusion reaction (typically about 900 ° C.). It is important to. This heat treatment temperature can be much higher than 900 ° C. if desired, for example about 1100 ° C., but this temperature should not be so high as to have a detrimental effect on the substrate. The as-deposited coating should be kept at the heat treatment temperature for a time sufficient to promote reaction and / or diffusion between the components of the coating. Also, for the substrate, a limited but significant amount of diffusion reaction occurs.

【0025】コーティングの熱処理は、真空又は不活性
ガス炉中で実施するのが一般的である。また、高温にお
ける時間が充分短く又はコーティングの有意の酸化が何
ら起こらないような保護性雰囲気がもたらされる限り、
電子ビーム、レーザービーム、移行式プラズマアーク、
誘導加熱又はその他の技術のような表面融解プロセスに
よって熱処理を達成することもできる。
The heat treatment of the coating is generally carried out in a vacuum or inert gas furnace. Also, as long as the time at high temperatures is sufficiently short or a protective atmosphere is provided such that no significant oxidation of the coating occurs,
Electron beam, laser beam, transitional plasma arc,
Heat treatment can also be achieved by a surface melting process such as induction heating or other techniques.

【0026】本発明のコーティングは、前記の既知の付
着技術を用いて、多くの様々なタイプの基材にうまく適
用することができる。しかしながら、基材は熱処理の影
響に何ら有害な結果なしに耐えることができなければな
らない。本発明に従ってコーティングすることができる
好適な基材材料には、例えば鋼、ステンレス鋼、鉄ベー
ス合金(鉄を基とする合金。以下、・・・ベース合金と
はすべて・・・を基とする合金を意味する)、ニッケ
ル、ニッケルベース合金、コバルト、コバルトベース合
金、クロム、クロムベース合金、チタン、チタンベース
合金、耐火性金属及び耐火性金属ベース合金が包含され
る。
The coatings of the present invention can be successfully applied to many different types of substrates using the known deposition techniques described above. However, the substrate must be able to withstand the effects of the heat treatment without any detrimental consequences. Suitable substrate materials that can be coated according to the present invention include, for example, steel, stainless steel, iron-based alloys (iron-based alloys; hereafter, all base alloys are based on ...) Alloys), nickel, nickel-based alloys, cobalt, cobalt-based alloys, chromium, chromium-based alloys, titanium, titanium-based alloys, refractory metals and refractory metal-based alloys.

【0027】本発明に従うコーティングを熱処理された
硬化可能な例えばAISI 4140/4130鋼のような合金基材に
適用する場合には、硬質相の体積分率は20%又はそれ
以上ほど高くすることができる。コーティングをAISI 4
10ステンレス鋼に適用する場合には、硬質相の体積分率
を約20%以下に保つべきである。これらのレベル以上
のCrBの体積分率を有するコーティングは基材の膨張
によって課される高い内部応力に耐えるのに充分に延性
ではないということがわかった。このことは、マルテン
サイト相変形による熱膨張をこうむるAISI 410のような
ある種の合金については、特に厄介な問題である。(AI
SI 410の公称組成は12.5重量%Cr、0.15重量
%最大C、残りが鉄であり、AISI 4130の公称組成は
0.3C、0.5Mn、0.2Si、1.0Cr、0.
2Mo、残りが鉄であり、AISI 4140の公称組成は0.
4C、0.9Mn、0.2Si、1.0Cr、0.2M
o、残りが鉄である。)
When the coating according to the invention is applied to a heat-treated, hardenable alloy substrate such as, for example, AISI 4140/4130 steel, the volume fraction of the hard phase can be as high as 20% or more. it can. AISI 4 coating
When applied to 10 stainless steel, the volume fraction of the hard phase should be kept below about 20%. It has been found that coatings having a volume fraction of CrB above these levels are not sufficiently ductile to withstand the high internal stresses imposed by the expansion of the substrate. This is particularly troublesome for certain alloys, such as AISI 410, which undergo thermal expansion due to martensitic phase deformation. (AI
The nominal composition of SI410 is 12.5 wt% Cr, 0.15 wt% maximum C, and the balance is iron, the nominal composition of AISI 4130 is 0.3 C, 0.5 Mn, 0.2 Si, 1.0 Cr, 0 .
2Mo, balance iron, AISI 4140 nominal composition is 0.
4C, 0.9Mn, 0.2Si, 1.0Cr, 0.2M
o, the rest is iron. )

【0028】本発明に従って製造されるコーティングの
厚さは、一般的に約0.005〜約0.040インチ
(0.1〜1.0mm)の範囲である。
[0028] The thickness of the coating produced according to the present invention generally ranges from about 0.005 to about 0.040 inches (0.1 to 1.0 mm).

【0029】本発明のコーティングの微細構造は多少複
雑であり、充分に理解されていない。しかし、これまで
実施された研究から、コーティングが、金属マトリック
ス中に硼化クロムの超微細粒子を含む硬質相を含有する
ということがわかっている。金属マトリックスは本質的
に結晶質であり、比較的稠密であり、硬質相よりも柔ら
かく、低い透過性を有する。
The microstructure of the coatings of the present invention is somewhat complicated and is not well understood. However, studies performed to date have shown that the coating contains a hard phase containing ultrafine particles of chromium boride in a metal matrix. The metal matrix is crystalline in nature, relatively dense, softer and less permeable than the hard phase.

【0030】コーティング中の硬質相の体積分率に応じ
て、硼化クロム粒子がマトリックス全体に実質的に均一
に分散されることもあり、この粒子が凝集して複数個の
小さい集落(これらの集落は通常はマトリックス中に均
一に分散される)になることもある。一般的に、CrB
粒子の集落は、体積分率が約30容量%の上限に近づく
につれてコーティング中に形成される。
Depending on the volume fraction of the hard phase in the coating, the chromium boride particles may be substantially evenly dispersed throughout the matrix, and the particles aggregate to form a plurality of small colonies (these are referred to as chromium boride particles). The colonies are usually evenly distributed in the matrix). Generally, CrB
Particle clusters form in the coating as the volume fraction approaches the upper limit of about 30% by volume.

【0031】硼化クロム粒子の寸法は、熱処理温度及び
時間を含むいくつかの要因に応じて変化する。一般的
に、平均粒子寸法はμ以下、典型的には約0.1〜約
1.0μとなるだろう。
The size of the chromium boride particles will vary depending on several factors, including heat treatment temperature and time. Generally, the average particle size will be below μ, typically from about 0.1 to about 1.0μ.

【0032】コーティングの硬度は硬質相の体積分率に
比例して変化する。従って、粉末混合物中のクロム金属
対硼素の原子比を変えることによって硬度を特定範囲の
値に仕立てることができる。一般的に、コーティングの
硬度は約250〜約700DPH300(HV.3)の範
囲である。
The hardness of the coating changes in proportion to the volume fraction of the hard phase. Thus, by varying the atomic ratio of chromium metal to boron in the powder mixture, the hardness can be tailored to a specific range of values. Generally, the hardness of the coating ranges from about 250 to about 700 DPH 300 (HV.3).

【0033】本発明の重大な利点は、クロム又はクロム
合金と硼素含有合金との間の拡散反応が比較的低い熱処
理温度、例えば約1000℃において起こるということ
である。この現象の正確な理由はわかっていないが、溶
射によって基材上に付着される層状の縦長平板状物又は
葉状物の内部における高い内部応力の蓄積及び転位によ
るものと思われる。対照的に、慣用の注型又はホットプ
レス法では、約1150℃を超える有意に高い温度にお
いて硼化クロムが生成されてきた。これらの高い温度は
通常は殆どの鋼にとって有害である。本発明のコーティ
ング方法には低い熱処理温度が必要とされるだけなの
で、これらの基材は何の悪影響もなくコーティングする
ことができる。
A significant advantage of the present invention is that the diffusion reaction between chromium or a chromium alloy and a boron-containing alloy occurs at relatively low heat treatment temperatures, eg, about 1000 ° C. The exact reason for this phenomenon is unknown, but is believed to be due to the accumulation and dislocation of high internal stresses within the layered elongated plate or leaf deposited on the substrate by thermal spraying. In contrast, conventional casting or hot pressing methods have produced chromium boride at significantly higher temperatures, above about 1150 ° C. These high temperatures are usually harmful for most steels. Since only low heat treatment temperatures are required for the coating method of the present invention, these substrates can be coated without any adverse effects.

【0034】[0034]

【実施例】以下、実施例によって本願発明の実施をさら
に例示する。
The following examples further illustrate the practice of the present invention.

【0035】例I ニッケル−20クロムの合金と合金No.2との粉末混合物
を、1/2×3/4×(2+3/4)インチ(13×19×70m
m)の寸法にした低炭素AISI 1018鋼試験片、5/8×1×
2インチ(16×25×51mm)の寸法にしたAISI 4
10ステンレス鋼試験片、1/2×1×(2+3/4)インチ(1
3×25×70mm)の寸法にしたInconel 718超合金
試験片及び1/2×1×(2+3/4)インチの寸法にしたAISI
4130合金鋼試験片上に約0.020インチ(0.5m
m)の厚さでプラズマ溶射することによって、一連のC
rBコーティングを製造した。(AISI 1018の公称組成
は、0.18C、残りがFeであり、Inconel 718の公
称組成は、19Cr、3.0Mo、5.1Nb、0.8
Ti、0.5Al、18.5Fe、0.08Cmax、残
りがNiである。Inconelは、International Nickel Co
mpanyの商標である。)粉末混合物中のCr対Bの原子
比は約1だった。これらの付着させたままのコーティン
グを真空又はアルゴン中で約970〜1020℃の温度
において1時間熱処理し、次いで基材材料に応じて一連
の熱処理に付した。付着されて熱処理されたコーティン
グは、約0.5%より低い見掛気孔率を有していた。こ
れらの熱処理されたコーティング中には、非常に微細な
CrB沈殿がNi−Cr−Si−Feマトリックス全体
に均一に分散されていた。コーティング/基材の相互拡
散帯域は、約30〜40μmの厚さを有していた。
EXAMPLE I A powder mixture of an alloy of nickel-20 chromium and alloy No. 2 was placed in a 1 / 2.times.3 / 4.times. (2 + 3/4) inch (13.times.19.times.70 m
m) dimensioned low carbon AISI 1018 steel specimen, 5/8 × 1 ×
AISI 4 with dimensions of 2 inches (16 x 25 x 51 mm)
10 stainless steel specimens, 1/2 × 1 × (2 + 3/4) inch (1
Inconel 718 superalloy specimens sized 3x25x70mm) and AISI sized 1 / 2x1x (2 + 3/4) inches
Approximately 0.020 inch (0.5m
m) by plasma spraying to a series of C
An rB coating was produced. (The nominal composition of AISI 1018 is 0.18C, the balance is Fe, and the nominal composition of Inconel 718 is 19Cr, 3.0Mo, 5.1Nb, 0.8
Ti, 0.5Al, 18.5Fe, 0.08Cmax, the balance being Ni. Inconel is International Nickel Co
mpany is a trademark. ) The atomic ratio of Cr to B in the powder mixture was about 1. These as-deposited coatings were heat treated for 1 hour at a temperature of about 970-1020 ° C. in vacuum or argon and then subjected to a series of heat treatments depending on the substrate material. The deposited and heat treated coating had an apparent porosity of less than about 0.5%. In these heat treated coatings, very fine CrB precipitates were uniformly dispersed throughout the Ni-Cr-Si-Fe matrix. The coating / substrate interdiffusion zone had a thickness of about 30-40 μm.

【0036】コーティングされた試験片に対して、油焼
入れ装置及び10cfh(0.28m3/h)アルゴン
ガス定常流を備えた水平炉中で、一連の熱処理実験を行
なった。コーティング/基材システムに対して適用され
た熱処理を下記の表IIに概略する。
A series of heat treatment experiments were performed on the coated specimens in a horizontal furnace equipped with an oil quenching apparatus and a constant flow of 10 cfh (0.28 m 3 / h) argon gas. The heat treatment applied to the coating / substrate system is outlined in Table II below.

【表2】 [Table 2]

【0037】上記の表IIにおいて、最初の熱処理工程
(1)はコーティング中における拡散反応を促進し、第
二の熱処理工程(2)は基材の所望の機械的性質を達成
する。
In Table II above, the first heat treatment step (1) promotes the diffusion reaction in the coating, and the second heat treatment step (2) achieves the desired mechanical properties of the substrate.

【0038】熱処理サイクルの完了後に、コーティング
又は基材中の何らかの欠陥を見出すために、金属組織検
査及び浸透剤技術を用いた。AISI 410ステンレス鋼上の
コーティングが亀裂の証拠を示したのを除いて、コーテ
ィングが第二の熱処理によって本質的に影響を受けない
ことがわかった。
After completion of the heat treatment cycle, metallographic and penetrant techniques were used to find any defects in the coating or substrate. It was found that the coating was essentially unaffected by the second heat treatment, except that the coating on AISI 410 stainless steel showed evidence of cracking.

【0039】410ステンレス鋼上のこの同じコーティン
グについての続いての実験において、熱処理スケジュー
ルを調節することによって亀裂のないコーティングが製
造された。しかし、この変更は熱処理を非常に正確に制
御することを必要とし、これは生産における現実的な利
用には適さないものにする。
In subsequent experiments on this same coating on 410 stainless steel, a crack-free coating was produced by adjusting the heat treatment schedule. However, this change requires very precise control of the heat treatment, which makes it unsuitable for practical use in production.

【0040】例II ニッケル−20クロムと合金No.1との粉末混合物を、5/
8×1×2インチ(16×25×51mm)の寸法にし
たAISI 410ステンレス鋼上に約0.020インチ(0.
5mm)の厚さでプラズマ溶射することによって、一連
のCrBコーティングを製造した。前記混合物の配合は
次の通りである:合金No.1+39.3(Ni−20C
r)。以下においてはすべての組成は重量%で表わし、
例えば60.7重量%合金No.1+39.3重量%(Ni
−20Cr)は合金No.1+39.3(Ni−20Cr)
と表わす。Cr対Bの原子比は約1.4だった。これら
の付着させたままのコーティングを真空又はアルゴン中
で約970〜1020℃の温度において1時間熱処理し
た。これらのコーティング中には、CrB沈殿がNi−
Cr−Si−Feマトリックス全体に均一に分散されて
いた。
EXAMPLE II A powder mixture of nickel-20 chromium and alloy No. 1 was mixed with 5 /
Approximately 0.020 inch (0.2 mm) on AISI 410 stainless steel sized 8 × 1 × 2 inch (16 × 25 × 51 mm).
A series of CrB coatings were produced by plasma spraying at a thickness of 5 mm). The composition of the mixture is as follows: Alloy No. 1 + 39.3 (Ni-20C
r). In the following, all compositions are expressed in weight%,
For example, 60.7% by weight of alloy No. 1 + 39.3% by weight (Ni
-20Cr) is alloy No. 1 + 39.3 (Ni-20Cr)
It is expressed as The atomic ratio of Cr to B was about 1.4. These as-deposited coatings were heat treated for 1 hour at a temperature of about 970-1020 ° C. in vacuum or argon. During these coatings, the CrB precipitate was Ni-
It was uniformly dispersed throughout the Cr-Si-Fe matrix.

【0041】これらのコーティング中のCrB沈殿の体
積分率は15.5容量%だった。これは例1のコーティ
ング中の沈殿の体積分率より低かった。
The volume fraction of CrB precipitate in these coatings was 15.5% by volume. This was lower than the volume fraction of precipitate in the coating of Example 1.

【0042】この例において製造されたコーティング
を、表IIに概略したようにAISI 410ステンレス鋼基材に
ついてのものと同じ熱処理スケジュールに付した。熱処
理後に、コーティングを検査して、亀裂や欠陥がないこ
とがわかった。このことは、この特定的なコーティング
が410ステンレス鋼基材と適合性であることを示す。
The coating produced in this example was subjected to the same heat treatment schedule as for the AISI 410 stainless steel substrate as outlined in Table II. After heat treatment, the coating was inspected and found to be free of cracks and defects. This indicates that this particular coating is compatible with the 410 stainless steel substrate.

【0043】これらのCrBコーティングの硬度は約3
40DPH300(HV.3)だった。これは例1で製造
したコーティングの硬度より低かった。しかしこの場合
のコーティングはより一層延性であり、歪抵抗性だっ
た。
The hardness of these CrB coatings is about 3
40 DPH 300 (HV.3). This was lower than the hardness of the coating made in Example 1. However, the coating in this case was more ductile and strain resistant.

【0044】例III クロム金属又はニッケル−20クロムと硼素含有合金と
の粉末混合物を、3/4×1/2×(2+1/2)インチの寸法に
したAISI 1018鋼試験片上に約0.020インチ(0.
5mm)の厚さでプラズマ溶射することによって、Cr
Bコーティングを製造した。この粉末混合物は、計算さ
れた硼化クロム体積分率が約13.4〜42.6%の範
囲になるようなコーティング中の化学量論的なCrBの
配合に基づくものだった。この混合物の配合は次の通り
だった。 (1)合金No.1+50(Ni−20Cr) (2)合金No.1+39.3(Ni−20Cr) (3)合金No.2+56(Ni−20Cr) (4)合金No.3+35(Ni−20Cr)+15Cr (5)合金No.3+30Cr
EXAMPLE III A powder mixture of chromium metal or nickel-20 chromium and a boron-containing alloy was placed on an AISI 1018 steel specimen sized 3 / 4.times.1 / 2.times. (2 + 1/2) inches by about 0.020. Inches (0.
5 mm) by plasma spraying,
A B coating was produced. This powder mixture was based on a stoichiometric CrB incorporation in the coating such that the calculated chromium boride volume fraction was in the range of about 13.4-42.6%. The composition of this mixture was as follows. (1) Alloy No. 1 + 50 (Ni-20Cr) (2) Alloy No. 1 + 39.3 (Ni-20Cr) (3) Alloy No. 2 + 56 (Ni-20Cr) (4) Alloy No. 3 + 35 (Ni-20Cr) + 15Cr (5) Alloy No.3 + 30Cr

【0045】これらの付着させたままのコーティングを
真空又はアルゴン中で約960〜1020℃の温度にお
いて1時間熱処理し、次いで油焼入れした。これらのコ
ーティングは、Ni−Cr−Si−Fe中に微細なCr
B沈殿が分散されて成っていた。配合物(1)〜(5)
のそれぞれから製造されたコーティング中の硬質相の計
算体積分率は、それぞれ13.4、15.5、19.
7、32.5及び42.6%だった。CrBコーティン
グの硬度は約280〜740DPH300(HV.3)の
範囲だった。
The as-deposited coatings were heat treated for 1 hour at a temperature of about 960-1020 ° C. in vacuum or argon and then oil quenched. These coatings contain fine Cr in Ni-Cr-Si-Fe.
The B precipitate consisted of a dispersion. Formulations (1) to (5)
The calculated volume fraction of the hard phase in the coatings made from each of 13.4, 15.5, and 19.
7, 32.5 and 42.6%. The hardness of the CrB coating ranged from about 280-740 DPH 300 (HV.3).

【0046】比較のために、慣用の合金粉末(ここでは
C1と称する)、鑞付け合金(合金No.1)(C2)か
ら、合金粉末を同じAISI 1018鋼試験片上にプラズマ溶
射し、次いで付着させたままのコーティングを前記と同
じ態様で熱処理することによって、コーティングを作っ
た。別の慣用の合金粉末(Ni−Cr−B−Si−F
e)(ここではC3と称する)から作ったコーティング
を、標準的溶接付着技術を用いて鋼試験片上に適用し
た。
For comparison, from a conventional alloy powder (referred to herein as C1), a brazing alloy (alloy No. 1) (C2), the alloy powder was plasma sprayed onto the same AISI 1018 steel specimen and then deposited. The coating was made by heat treating the as-coated coating in the same manner as described above. Another conventional alloy powder (Ni-Cr-B-Si-F
e) A coating made from (referred to herein as C3) was applied on steel specimens using standard weld adhesion techniques.

【0047】下記の表IIIに、すべてのコーティングに
ついての公称組成を列挙する。
Table III below lists the nominal compositions for all coatings.

【表3】 [Table 3]

【0048】表IIIから、混合配合物(2)及び(3)
から製造されたコーティングの組成が慣用のコーティン
グ(特にコーティングC3)の組成に密接に対応してい
るということに注目すべきである。本発明に従って製造
されたコーティングの組成は慣用のコーティングのもの
に類似しているが、これらのコーティングの構造は顕微
鏡的には有意に異なっている。
From Table III, it can be seen that the mixed formulations (2) and (3)
It should be noted that the composition of the coatings produced from Co., Ltd. closely corresponds to the composition of conventional coatings, in particular coating C3. Although the compositions of coatings made according to the present invention are similar to those of conventional coatings, the structures of these coatings are significantly different microscopically.

【0049】上で製造されたコーティングの研磨摩耗特
性を、ASTM規格G65−80(手順A)に記載され
ている標準乾燥砂/ゴム車輪研磨試験を用いて測定し
た。この試験においては、コーティングされた試験片
に、レバーアーム手段によって、車輪のまわりにクロロ
ブチルゴムリムを有する回転車輪に対して荷重をかけ
た。研摩材(50〜70メッシュのオタワシリカサン
ド)をコーティングとゴム車輪との間に導入した。この
車輪を研摩材の流れの方向に回転させた。この試験片を
試験の前後で計量し、その重量損失を記録した。試験し
た様々な材料の密度は大きく異なるので、その質量損失
を材料の容量損失に標準的に変換して、その材料の相対
的ランキングを評価した。本発明のコーティングについ
ての平均容量損失は約5〜50mm3/1000回転の
範囲だった。コーティング中の硬質相の体積分率が高く
なるにつれて容量損失が小さくなるのがわかった。
The abrasive wear properties of the coatings prepared above were measured using the standard dry sand / rubber wheel polishing test described in ASTM Standard G65-80 (Procedure A). In this test, the coated specimen was loaded by a lever arm means against a rotating wheel having a chlorobutyl rubber rim around the wheel. An abrasive (50-70 mesh Ottawa silica sand) was introduced between the coating and the rubber wheels. The wheel was rotated in the direction of the abrasive flow. The specimen was weighed before and after the test and its weight loss was recorded. Because the densities of the various materials tested varied widely, their mass loss was typically converted to the material's capacity loss to evaluate the relative ranking of the material. The average volume loss for the coating of the present invention was in the range of about 5 to 50 mm 3/1000 rotations. It was found that the volume loss decreased as the volume fraction of the hard phase in the coating increased.

【0050】また、これらのCrBコーティングを侵食
試験にも付した。これらの試験は、公称寸法27μのア
ルミナ粒子を用い、粒子速度を約91m/秒とし、衝突
角度を90°及び30°にして、標準的手順に従って実
施した。平均侵食速度はそれぞれ約60〜120μm/
g及び約30〜37μm/gであることがわかった。
[0050] These CrB coatings were also subjected to an erosion test. These tests were performed according to standard procedures using alumina particles with a nominal size of 27μ, a particle velocity of about 91 m / sec, and impact angles of 90 ° and 30 °. The average erosion rate is about 60 to 120 μm /
g and about 30-37 μm / g.

【0051】硼化クロム及び慣用のコーティングの両方
の耐乾式粘着摩耗性を、ブロック−オン−リング(bloc
k-on-ring)(α)試験機を用いて評価した。ユニオン
・カーバイド社によってUCAR LW-15(商標)の名前で製
造されているデトネーションガン(W,Cr)C−CO
コーティングを有するコーティングされたリングを、試
験コーティングでコーティングされた静止ブロックに対
して回転させた。試験条件は、室温の乾燥空気中で、8
0°の振動、1000及び2000サイクル、164K
g(360ポンド)の常用荷重及び18m/分(60フ
ィート/分)の回転速度に固定した。ブロック上につい
ての摩耗、傷の長さ及び幅の測定に基づく容量損失、並
びにリングについての重量損失を測定することによっ
て、コーティングの耐粘着摩耗性を決定した。混合配合
物(1)〜(3)を用いて製造されたコーティングは1
000サイクル試験において約1.3mm3の重量損失
を示したのに対して、慣用のコーティングは1000サ
イクル試験において2.0mm3を超える重量損失を示
した。2000サイクル試験においてはそれぞれの重量
損失は1.4〜1.9及び1.8〜3.4mm3だっ
た。
The dry tack and abrasion resistance of both chromium boride and conventional coatings was determined by block-on-ring (bloc).
Evaluation was performed using a k-on-ring (α) tester. Detonation gun (W, Cr) C-CO manufactured by Union Carbide Company under the name UCAR LW-15 ™
The coated ring with the coating was rotated against a stationary block coated with the test coating. The test conditions were 8 in dry air at room temperature.
0 ° vibration, 1000 and 2000 cycles, 164K
g (360 lbs) and a rotating speed of 18 m / min (60 ft / min). The abrasion resistance of the coating was determined by measuring the abrasion on the block, the volume loss based on the measurement of the length and width of the scratch, and the weight loss on the ring. The coatings produced using the blends (1) to (3) are 1
The conventional coating showed a weight loss of more than 2.0 mm 3 in the 1000 cycle test, while the conventional coating showed a weight loss of about 1.3 mm 3 in the 000 cycle test. Each weight loss in 2000 cycle test was 1.4 to 1.9 and 1.8~3.4mm 3.

【0052】試験したすべてのコーティングの金属組織
評価、砂研磨、侵食及び耐粘着摩耗性を表IVにまとめ
る。
Table IV summarizes the metallographic evaluation, sand polish, erosion and tack and abrasion resistance of all coatings tested.

【表4】 [Table 4]

【0053】図1の曲線群は、本発明に従って製造され
たコーティングにおける硬度、研磨及び粘着摩耗とコー
ティング中の硼化クロムの体積分率との間の関係を示
す。これらの曲線は、この例において製造した様々なC
rBコーティングについて得られた試験結果の平均値に
基づく。コーティングの硬度はCrBの体積分率に直線
的に比例するということにまず注目すべきである。曲線
Aはコーティングの砂研磨摩耗率を表わす。砂研磨摩耗
率は非直線的であり、硼化クロムの体積分率とは反比例
的に変化するということがわかるだろう。曲線Bは10
00サイクルにおける粘着摩耗率を、曲線Cは200サ
イクルにおける粘着摩耗率を表わす。粘着摩耗率はコー
ティング中の硼化物含有率が増加するにつれて非直線的
に増加する。これらのコーティングは2000サイクル
において試験したときにより一層高い粘着摩耗率を示
す。また、コーティング中の硼化クロム体積分率が約1
2〜30%の範囲である場合に容量損失が最小になると
いうことにも注目すべきである。硼化クロムの体積分率
が約30%以上であるコーティングは容量損失の有意の
増大を示す。
The curves in FIG. 1 show the relationship between hardness, abrasive and cohesive wear in coatings made according to the present invention and the volume fraction of chromium boride in the coating. These curves show the various Cs produced in this example.
Based on the average of the test results obtained for the rB coating. It should first be noted that the hardness of the coating is linearly proportional to the volume fraction of CrB. Curve A represents the sand abrasive wear rate of the coating. It can be seen that the sand polishing wear rate is non-linear and varies inversely with the volume fraction of chromium boride. Curve B is 10
The adhesive wear rate at 00 cycles and curve C represents the adhesive wear rate at 200 cycles. Adhesive wear increases non-linearly with increasing boride content in the coating. These coatings show higher cohesive wear when tested at 2000 cycles. The chromium boride volume fraction in the coating is about 1
It should also be noted that the capacity loss is minimal when in the range of 2-30%. Coatings with a chromium boride volume fraction of about 30% or more show a significant increase in capacity loss.

【0054】図2の棒グラフは、UCAR LW-15と合わせた
ときの硼化クロムコーティングと慣用の合金コーティン
グとの間の容量損失の比較を示す。CrBコーティング
M2、M3及びM4はそれぞれ混合配合物(2)、
(3)及び(4)から製造されたものを表わし、これら
は慣用の合金コーティングC1及びC2より優れてお
り、慣用のコーティングC3に匹敵し又はそれより良好
である。CrBコーティングに対して合わせたときのLW
-15コーティングの容量損失は、慣用の合金コーティン
グと合わせたときのものの1/3〜1/10である。
The bar graph in FIG. 2 shows a comparison of the capacity loss between a chromium boride coating and a conventional alloy coating when combined with UCAR LW-15. CrB coatings M2, M3 and M4 are each a mixed formulation (2),
Represents those made from (3) and (4), which are superior to the conventional alloy coatings C1 and C2 and comparable or better than the conventional coating C3. LW when matched to CrB coating
The volume loss of the -15 coating is 1/3 to 1/10 of that when combined with a conventional alloy coating.

【0055】混合配合物(1)〜(5)から作られた一
連の硼化クロムコーティングの表面に対して水平の断面
及び垂直の断面の顕微鏡写真を、図3(a)及び(b)
〜図7(a)〜(b)に示す。これらの混合配合物
(1)〜(5)から製造されたコーティング中の硼化ク
ロムの体積分率は、13.4〜42.6の範囲である。
Micrographs of horizontal and vertical cross-sections relative to the surface of a series of chromium boride coatings made from blends (1)-(5) are shown in FIGS. 3 (a) and (b).
7 (a) and 7 (b). The volume fraction of chromium boride in coatings made from these blends (1) to (5) ranges from 13.4 to 42.6.

【0056】すべての顕微鏡写真において、Cはコーテ
ィングを、Sは基材を、黒っぽい領域は沈殿物を、明る
い領域はマトリックスを表わす。
In all micrographs, C represents the coating, S represents the substrate, the dark areas represent the precipitate and the light areas represent the matrix.

【0057】コーティングの表面に対して垂直の断面の
微細構造は、図3(a)、図4(a)及び図5(a)に
示されたように、それぞれCrBの体積分率がそれぞれ
13.4、15.5及び19.7%である混合配合物
(1)、(2)及び(3)から作られたコーティングの
場合には硼化クロムの沈殿がマトリックス全体に実質的
に均一に分散されていることを示している。残りの混合
配合物(4)及び(5)から作られたコーティングの微
細構造は、図6(a)及び図7(a)に示されたよう
に、硼化クロムの沈殿が凝集して層状集落としてマトリ
ックス全体に分布されていることを示している。これら
のコーティングはそれぞれ32.5及び42.6%のC
rB体積分率を有していた。
As shown in FIGS. 3 (a), 4 (a) and 5 (a), the microstructure in a cross section perpendicular to the surface of the coating has a volume fraction of CrB of 13 respectively. In the case of coatings made from blends (1), (2) and (3) which are 0.4, 15.5 and 19.7%, the precipitation of chromium boride is substantially uniform throughout the matrix. It shows that it is distributed. The microstructure of the coatings made from the remaining blended formulations (4) and (5), as shown in FIG. 6 (a) and FIG. This indicates that the village is distributed throughout the matrix as settlements. These coatings have 32.5 and 42.6% C, respectively.
It had an rB volume fraction.

【0058】コーティングの表面に対して水平の断面
は、一般的に摩耗環境にさらされる。従って、表面に対
して水平の断面におけるコーティングの微細構造はコー
ティングの摩耗挙動に対して有意の影響を有するという
ことが予測される。図3(b)〜図7(b)はそれぞれ
混合配合物(1)〜(5)から作られたコーティングの
表面に対して水平の断面の微細構造を示し、基本的にコ
ーティングの表面に対して垂直の断面において起こるの
と同じタイプの沈殿を示している。CrB体積分率が1
3.4、15.5及び19.7%である混合配合物
(1)、(2)及び(3)から作られたコーティング
は、図3(b)、図4(b)及び図5(b)に示された
ように、マトリックス全体に硼化クロムが実質的に均一
に沈殿していることを示している。その他の混合配合物
(4)及び(5)から作られた残りのコーティングにお
いては、図6(b)及び図7(b)に示されたように、
沈殿が凝集してマトリックス全体に均一に分散された集
落になった。これらのコーティングは、30%より高い
体積分率を有していた。
[0058] Cross sections horizontal to the surface of the coating are generally exposed to a wear environment. Thus, it is expected that the microstructure of the coating in a cross section horizontal to the surface will have a significant effect on the wear behavior of the coating. FIGS. 3 (b) to 7 (b) show the microstructure of the cross section horizontal to the surface of the coating made from the blended formulations (1) to (5), respectively. And shows the same type of precipitation that occurs in vertical sections. CrB volume fraction of 1
The coatings made from the blended formulations (1), (2) and (3), which are 3.4, 15.5 and 19.7%, are shown in FIGS. 3 (b), 4 (b) and 5 ( As shown in b), it shows that chromium boride is substantially uniformly precipitated throughout the matrix. In the remaining coatings made from the other mixed formulations (4) and (5), as shown in FIGS. 6 (b) and 7 (b),
The precipitate aggregated into colonies that were uniformly dispersed throughout the matrix. These coatings had a volume fraction higher than 30%.

【0059】比較のために、慣用のプラズマ溶射をされ
且つ熱処理されたC1及びC2コーティング並びに溶接
付着されたC3コーティングの表面に垂直な断面の微細
構造をそれぞれ図8(a)、(b)及び(c)に示す。
これらの慣用の合金コーティングは予め合金化された粉
末を用いて作られたので、各コーティングの表面に水平
な断面の微細構造は表面に垂直な断面のものと同じであ
ることが予測される。コーティングC1については、比
較的高い硼素含有率及び低いクロム含有率が、一次硬質
相のような非常に微細なNi3B構造の形成を結果とし
てもたらす。コーティングC2については、図8(b)
に示されたように硼化クロム沈殿は針形状にある。溶接
付着コーティングC3においては、CrB沈殿は約3μ
mの粒子寸法のブロック状である。
For comparison, the microstructures in cross-section perpendicular to the surface of conventional plasma sprayed and heat treated C1 and C2 coatings and weld deposited C3 coatings are shown in FIGS. 8 (a), (b) and It is shown in (c).
Since these conventional alloy coatings were made using pre-alloyed powders, it is expected that the microstructure of the cross-section horizontal to the surface of each coating will be the same as that of the cross-section perpendicular to the surface. For coating C1, the relatively high boron content and low chromium content result in the formation of very fine Ni 3 B structures, such as primary hard phases. As for the coating C2, FIG.
The chromium boride precipitate is in the form of needles, as shown in FIG. In the weld adhesion coating C3, the CrB precipitation was about 3μ.
It is a block with a particle size of m.

【0060】また、CrBコーティングの表面に対して
水平の断面において、走査型電子顕微鏡(SEM)によ
って、硼化クロム沈殿の形態及び粒子寸法を検査した。
硼化クロム沈殿の形態及び粒子寸法は共に形成メカニズ
ムに依存するということがわかった。2種の粉末成分、
即ち低融点硼素含有ニッケルベース合金及びニッケル−
20クロム又はクロム金属から作られたコーティング
は、3成分、即ち硼素含有合金、ニッケル−20クロム
及びクロム金属から作られたものよりも均一な沈殿の分
布を有していた。CrB体積分率が13.4、15.5
及び19.7%であるコーティングについては、低融点
ニッケルベース合金からの硼素とNi−20クロム固溶
体中のクロムとの間の拡散反応が、平均寸法約0.5μ
mの棒状又は板状CrB沈殿をもたらす(前記平均寸法
は、棒の長さ又は板の直径である)。
The morphology and particle size of the chromium boride precipitate were examined by scanning electron microscopy (SEM) in a cross section horizontal to the surface of the CrB coating.
It has been found that both the morphology and the particle size of the chromium boride precipitate depend on the formation mechanism. Two powder components,
That is, a low melting point boron-containing nickel base alloy and nickel
Coatings made from 20 chromium or chromium metal had a more uniform distribution of precipitates than those made from the three components, the boron-containing alloy, nickel-20 chromium and chromium metal. CrB volume fraction of 13.4, 15.5
And a coating of 19.7%, the diffusion reaction between boron from the low melting point nickel base alloy and chromium in the Ni-20 chromium solid solution has an average size of about 0.5 μm.
This results in m or rod-like or plate-like CrB precipitates (the average size is the length of the rod or the diameter of the plate).

【0061】混合配合物(5)を用いて2種の粉末成分
から作られたCrB体積分率42.6%のコーティング
においては、低融点合金からの硼素と純粋クロムと間の
拡散反応が1〜5μmの粒子寸法を有するブロック状C
rB沈殿の形成を導く。混合配合物(4)を用いて3種
の粉末成分から作られたCrB体積分率32.5%のコ
ーティングにおいては、前記の両方のメカニズムによっ
て沈殿の形成が制御された。従って、マトリックス中で
1〜5μmの粒子寸法を有するブロック状沈殿を含有す
る硼化物の集落の間に微細な板状CrB沈殿が形成され
た。
In a 42.6% CrB volume fraction coating made from the two powder components using the blend formulation (5), the diffusion reaction between boron and pure chromium from the low melting point alloy is 1%. Block-shaped C having a particle size of 55 μm
Leads to the formation of an rB precipitate. In a 32.5% CrB volume fraction coating made from the three powder components using the blended formulation (4), the formation of precipitate was controlled by both mechanisms. Thus, fine plate-like CrB precipitates were formed between the boride settlements containing block-like precipitates having a particle size of 1-5 μm in the matrix.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に従うコーティング中のCrB粒子の体
積分率と硬度、研磨及び粘着摩耗との間の関係を示すグ
ラフである。
1 is a graph showing the relationship between the volume fraction of CrB particles in a coating according to the invention and hardness, polishing and cohesive wear.

【図2】慣用のデトネーションガン炭化タングステンベ
ースコーティングに対して合わせた様々なコーティング
の耐粘着摩耗を示す棒グラフである。
FIG. 2 is a bar graph showing the anti-adhesion wear of various coatings tailored to a conventional detonation gun tungsten carbide base coating.

【図3】混合配合物(1)から製造された本発明のCr
Bコーティングの表面に対して垂直(a)又は水平
(b)の断面の微細構造を示す、200倍の倍率で撮ら
れた顕微鏡写真である。
FIG. 3: Cr according to the invention produced from the blended formulation (1)
4 is a photomicrograph taken at 200 × magnification showing the microstructure of a cross section perpendicular (a) or horizontal (b) to the surface of the B coating.

【図4】混合配合物(2)から製造された本発明のCr
Bコーティングの表面に対して垂直(a)又は水平
(b)の断面の微細構造を示す、200倍の倍率で撮ら
れた顕微鏡写真である。
FIG. 4: Cr according to the invention produced from mixed formulation (2)
4 is a photomicrograph taken at 200 × magnification showing the microstructure of a cross section perpendicular (a) or horizontal (b) to the surface of the B coating.

【図5】混合配合物(3)から製造された本発明のCr
Bコーティングの表面に対して垂直(a)又は水平
(b)の断面の微細構造を示す、200倍の倍率で撮ら
れた顕微鏡写真である。
FIG. 5: Cr of the invention produced from the blended formulation (3)
4 is a photomicrograph taken at 200 × magnification showing the microstructure of a cross section perpendicular (a) or horizontal (b) to the surface of the B coating.

【図6】混合配合物(4)から製造された本発明のCr
Bコーティングの表面に対して垂直(a)又は水平
(b)の断面の微細構造を示す、200倍の倍率で撮ら
れた顕微鏡写真である。
FIG. 6: Cr of the present invention produced from mixed formulation (4)
4 is a photomicrograph taken at 200 × magnification showing the microstructure of a cross section perpendicular (a) or horizontal (b) to the surface of the B coating.

【図7】混合配合物(5)から製造された本発明のCr
Bコーティングの表面に対して垂直(a)又は水平
(b)の断面の微細構造を示す、200倍の倍率で撮ら
れた顕微鏡写真である。
FIG. 7: Cr according to the invention produced from the blended formulation (5)
4 is a photomicrograph taken at 200 × magnification showing the microstructure of a cross section perpendicular (a) or horizontal (b) to the surface of the B coating.

【図8】3つの従来技術の慣用のコーティングの表面に
対して垂直の断面の微細構造を示す、200倍の倍率で
撮られた顕微鏡写真である。
FIG. 8 is a photomicrograph taken at 200 × magnification showing the microstructure of a cross section perpendicular to the surface of three prior art conventional coatings.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

C・・・コーティング S・・・基材 C: Coating S: Substrate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・クラーク・タッカー・ジュニア アメリカ合衆国インディアナ州ブラウンス バーグ、リッジウェイ・ドライブ61 (72)発明者 ジョセフ・パトリック・ネメス アメリカ合衆国インディアナ州インディア ナポリス、ハッテラス・レーン7201、アパ ートメント3ビー Fターム(参考) 4K031 AA08 AB08 AB09 CB01 CB22 CB44 DA04 FA01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Robert Clark Tucker Jr., Inventor Ridgway Drive 61, Brownsburg, Indiana, USA (72) Inventor Joseph Patrick Nemes Hatteras Lane, Indianapolis, Indiana, USA 7201, Apartment 3B F-term (reference) 4K031 AA08 AB08 AB09 CB01 CB22 CB44 DA04 FA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多数の薄い不規則形状の縦長平板状物が
重なり合い且つ互いに及び基材に結合して成る、基材上
の耐摩耗性且つ耐腐蝕性のコーティングであって、 前記縦長平板状物が、金属マトリックス中に約1μ未満
の平均粒子寸法を有する超微細な硬い硼化クロム粒子が
分散されて成り、 前記粒子がコーティングの約30容量%未満を占め、残
りが金属マトリックスである、前記コーティング。
1. An abrasion and corrosion resistant coating on a substrate comprising a plurality of thin irregularly shaped elongated plates overlapping and bonded to each other and to the substrate, wherein the elongated plates are The article comprises dispersed ultrafine hard chromium boride particles having an average particle size of less than about 1 micron in a metal matrix, said particles comprising less than about 30% by volume of the coating and the balance being the metal matrix; The coating.
【請求項2】 クロムを含有する第一の成分と硼素含有
合金を含有する第二の成分とを含む少なくとも2種の成
分の機械的にブレンドされた粉末混合物を基材上に付着
させ、 次いでこの付着されたままのコーティングを、付着され
た元素の間の拡散反応をもたらしてその結果として金属
マトリックス中に分散された超微細な硼化クロム粒子の
生成をもたらすのに充分な高温に加熱することを含む、
基材上に耐摩耗性且つ耐腐蝕性のコーティングを製造す
る方法。
2. depositing a mechanically blended powder mixture of at least two components comprising a first component containing chromium and a second component containing a boron-containing alloy on a substrate; The as-deposited coating is heated to a high enough temperature to cause a diffusion reaction between the deposited elements, resulting in the formation of ultrafine chromium boride particles dispersed in the metal matrix. Including
A method for producing an abrasion and corrosion resistant coating on a substrate.
【請求項3】 クロムを含有する第一の成分と硼素含有
合金を含有する第二の成分とを含む少なくとも2種の成
分の機械的にブレンドされた粉末混合物を含み、クロム
対硼素の原子比が約0.8〜1.5の範囲である、コー
ティングを製造するための組成物。
3. An atomic ratio of chromium to boron comprising a mechanically blended powder mixture of at least two components including a first component containing chromium and a second component containing a boron-containing alloy. Wherein the is in the range of about 0.8 to 1.5.
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