JP2001234320A - 溶射粉末材、およびそれを使用した溶射方法並びに溶射皮膜 - Google Patents

溶射粉末材、およびそれを使用した溶射方法並びに溶射皮膜

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剛 五日市
Satoru Osawa
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 各種産業機械や一般向け機械の金属製部品に
は、耐食性、耐摩耗性、耐熱性など求められる特性は用
途にあわせて多岐にわたっており、その解決手段として
溶射技術が採られるケースが多い。しかし、溶射皮膜
は、靭性及び耐衝撃性が低いことが問題となっている。 【解決手段】 本発明は、粒径６〜６３μｍであって、
ＷＣ粉末とクロムカーバイド粉末からなるセラミックス
相７５〜９５重量％と、ＮｉまたはＮｉ基合金粉末５〜
２５重量％からなる金属結合相とを含み、セラミックス
相を構成するＷＣ粉末の一次粒子の平均粒径が５〜２０
μｍ、クロムカーバイド粉末の一次粒子の平均粒径が１
〜１０μｍである、ＷＣ／クロムカーバイド／Ｎｉまた
はＮｉ基合金の複合溶射粉末材、及びそれを用いた溶射
方法並びに溶射皮膜により、これを解決するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、溶射粉末材、それ
を用いた溶射方法、および溶射皮膜に関する。更に詳し
くは、本発明は、従来品に比べ極めて高い靭性及び耐衝
撃性と、湿式環境下において優れた耐食性・耐摩耗性を
兼ね備えた溶射皮膜を形成することができ、高い溶射効
率を示すことができる溶射粉末材およびそれを用いた溶
射方法並びに溶射皮膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】各種産業機械や一般向け機械の金属製部
品には、耐食性、耐摩耗性、耐熱性など、求められる特
性は用途にあわせて多岐にわたる。しかし、金属自体の
みではその要求特性を十分に満たされない場合も多く、
表面改質により問題を解決しようとすることが多い。溶
射法は、物理的蒸着法や化学的蒸着法などとともに、実
用化されている表面改質技術の一つである。溶射は、基
材の寸法に制限がなく、広い面積の基材に対しても一様
な溶射皮膜を形成できること、皮膜の形成速度が大きい
こと、現場施工が容易であること、比較的容易に厚膜が
形成できることなどの特徴を有するため、近年、各種の
産業にその適用が拡大し、極めて重要な表面改質技術と
なってきた。
【０００３】溶射法については、数多くの技術が開発さ
れているが、その中で高速フレーム溶射は、粉末粒子の
飛行速度が大きく、高速度で基材に衝突するため、緻密
で基材への密着性の高い皮膜が得られること、フレーム
（溶射炎）中への大気の混入が比較的少なく、しかも粉
末粒子の飛行速度が大きいので、フレーム中での滞留時
間が短くなり、粉末粒子が過熱されることが少なく、溶
射材料の変質が少ないことなどの特徴を有している。
【０００４】溶射材料としてのＷＣは硬度が極めて高
く、耐摩耗性に優れているが、ＷＣ単体の溶射は困難で
あり、通常はＣｏやＮｉ等の金属、またはそれらを含む
合金を結合材として、ＷＣと混合もしくは複合化して使
用される。結合材にＮｉまたはＮｉ基合金を使用したＷ
Ｃ／クロムカーバイド／ＮｉまたはＮｉ基合金溶射粉末
材からなる溶射皮膜は、湿式環境下において優れた耐食
性・耐摩耗性を示し、産業界で広く使われ始めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記溶
射粉末材を用いて形成された溶射皮膜は、靭性及び耐衝
撃性が低いことが問題となっている。具体的には、上記
溶射粉末材は、湿式環境下で使用される部品に溶射され
ることが多いが、その使用時に大きな衝撃を受けること
により、溶射皮膜に亀裂を生じ、これが原因となって基
材から剥離を生じる。こうなると製品寿命は短くなり、
溶射皮膜の用途が限定されてしまう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、適切な粒度範囲
に調整した原料粉末（ＷＣ、クロムカーバイドおよび、
ＮｉまたはＮｉ基合金）を、造粒・焼結することによ
り、極めて高い靱性および耐衝撃性と、湿式環境下にお
いて優れた耐食性・耐摩耗性を兼ね備えた溶射皮膜を形
成することができ、また高い溶射効率を示す溶射粉末材
が得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を
完成するに至った。
【０００７】すなわち、本発明は、上記の課題を解決す
るために、粒径が６〜６３μｍであって、ＷＣ粉末とＣ
ｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３またはＣｒ２３Ｃ６から選ばれた
１種または複数種のクロムカーバイド粉末からなるセラ
ミックス相７５〜９５重量％と、ＮｉまたはＮｉ基合金
粉末５〜２５重量％からなる金属結合相とを含み、該セ
ラミックス相を構成するＷＣ粉末の一次粒子の平均粒径
が５〜２０μｍ、クロムカーバイド粉末の一次粒子の平
均粒径が１〜１０μｍであることを特徴とする溶射粉末
材を提供するものである。
【０００８】また、前記溶射粉末材を用いて、高速フレ
ーム溶射を行う溶射方法および前記溶射粉末材を用いて
高速フレーム溶射して、ＷＣ粉末とクロムカーバイド粉
末からなるセラミックス相７５〜９５重量％と、Ｎｉま
たはＮｉ基合金粉末５〜２５重量％からなる金属結合相
とを含み、セラミックス相を構成するＷＣ粉末の一次粒
子の平均粒径が５〜２０μｍ、クロムカーバイド粉末の
一次粒子の平均粒径が１〜１０μｍであることを特徴と
する溶射皮膜を提案するものである。
【０００９】
【発明実施の形態】本発明において使用するＷＣ粉末の
平均粒径は５〜２０μｍであり、より好ましくは１０〜
１５μｍである。本発明において使用するクロムカーバ
イド粉末の平均粒径は１〜１０μｍであり、より好まし
くは３〜６μｍである。また本発明において使用するＮ
ｉまたはＮｉ基合金粉末の平均粒径は１〜１５μｍであ
り、より好ましくは１〜１０μｍである。ＷＣ粉末およ
びクロムカーバイド粉末の平均粒径がそれぞれ５μｍ、
１μｍ以下であると、溶射皮膜は衝撃により亀裂を生じ
やすくなり、靭性及び耐衝撃性は低い。また、ＷＣ粉末
およびクロムカーバイド粉末の平均粒径がそれぞれ２
０、１０μｍ以上であると、造粒により一次粒子が均一
に分散した粒径６３μｍ以下の顆粒を得ることが困難に
なり、また、溶射効率は非常に低くなる。
【００１０】本発明において使用するＮｉまたはＮｉ基
合金粉末は、溶射フレームにより熱せられて軟化または
溶融し、粒径が小さいほど軟化または溶融しやすいが、
平均粒径１μｍ未満のＮｉまたはＮｉ基合金粉末を得る
ためには、その製造コストが非常に高くなり好ましくな
い。ＮｉまたはＮｉ基合金粉末の平均粒径が１５μｍを
超えると、造粒により、一次粒子が均一に分散した平均
粒径６３μｍ以下の顆粒を得ることが困難になり、ま
た、溶射中にＮｉまたはＮｉ基合金粒子が軟化または溶
融し難くなるおそれがある。
【００１１】本発明においては、平均粒径５〜２０μｍ
のＷＣ粉末６０〜８０重量％と、平均粒径１〜１０μｍ
のクロムカーバイド粉末１０〜２０重量％と、平均粒径
１〜１５μｍのＮｉまたはＮｉ基合金粉末５〜２５重量
％を造粒して複合化した後、焼結する。ＷＣおよびクロ
ムカーバイドのセラミックス粉末が合計で７５重量％未
満であり、ＮｉまたはＮｉ基合金粉末が２５重量％を超
えると、溶射により形成される皮膜の硬度と耐摩耗性の
低下が著しく、実用に供せられないおそれがある。
【００１２】ＷＣ粉末およびクロムカーバイドのセラミ
ックス粉末が合計で９５重量％を超え、ＮｉまたはＮｉ
基合金粉末が５重量％未満であると、セラミックス粒子
のバインダーとして作用するＮｉまたはＮｉ基合金の量
が不足し、溶射により形成される皮膜の靭性が低下する
とともに、基材との密着性が低下して、剥離しやすくな
るおそれがある。
【００１３】本発明の溶射粉末は、球形に造粒し、焼結
してなるものが好ましい。本発明の溶射粉末を球形に造
粒し、焼結する方法に特に制限はないが、各原料粉末を
混合し、有機バインダー（例えばＰＶＡ：ポリビニルア
ルコール）と水（またはアルコール等の溶剤）を加えス
ラリー状態とし、噴霧造粒機を用いて造粒することによ
り、球形の顆粒を得ることができ、さらにこの顆粒を焼
結し、解砕・分級することにより、球形のＷＣ／クロム
カーバイド／ＮｉまたはＮｉ基合金複合の溶射粉末材を
得ることができる。
【００１４】噴霧造粒機において、形成される顆粒の粒
度分布は５〜７５μｍであることが好ましい。粒度分布
５〜７５μｍの顆粒を焼結し、解砕・分級することによ
り、高速フレーム溶射に適した６〜６３μｍの溶射粉末
を得ることができる。噴霧造粒機により球形に造粒した
粉末を３００〜５００℃で脱脂を行った後、真空または
アルゴンガス雰囲気下において、１２００〜１４００℃
において焼結する。焼結を真空またはアルゴンガス雰囲
気下で行うことにより、酸化の問題を排除することがで
きる。焼結後固化したＷＣ／クロムカーバイド／Ｎｉま
たはＮｉ基合金複合の溶射粉末材を解砕する。解砕方法
には特に制限はなく、公知の解砕機を用いて解砕するこ
とができる。
【００１５】解砕により、顆粒一個一個が分離した球形
の顆粒となる。解砕されたＷＣ／クロムカーバイド／Ｎ
ｉまたはＮｉ基合金複合の溶射粉末材は、必要に応じて
分級することができる。例えば、溶射粉末を粒度分布６
〜３８μｍ、１０〜４５μｍ、１５〜４５μｍ、１５〜
５３μｍ、２０〜６３μｍに分級し、高速フレーム溶射
装置の種類や出力に応じて使い分けることができる。例
えば、スルザーメテコ社製の高速フレーム溶射装置であ
る。ダイヤモンドジェット（スタンダードタイプ）であ
れば、粒度分布６〜３８μｍあるいは１０〜４５μｍの
ＷＣ／クロムカーバイド／ＮｉまたはＮｉ基合金複合の
溶射粉末材が使用されることが好ましい。
【００１６】ハイブリッドタイプのダイヤモンドジェッ
トであれば、粒度分布１５〜４５μｍ、１５〜５３μｍ
が好ましい。また、ＴＡＦＡ社製の高速フレーム溶射装
置であるＪＰ−５０００において、粒度分布が１５〜４
５μｍであり、組成がＷＣ粉末７０重量％、クロムカー
バイド粉末１５重量％、Ｎｉ基合金粉末１５重量％であ
る溶射粉末材を用いると、溶射皮膜のビッカース硬度は
１１００〜１３００ｋｇ／ｍｍ2 に達し、良好な耐摩耗
性、耐衝撃性を示す。本発明のＷＣ／クロムカーバイド
／ＮｉまたはＮｉ基合金複合の溶射粉末材を用い、高速
フレーム溶射を行うことにより、溶射皮膜中の気孔が３
％以下と少なく、緻密な溶射皮膜を得ることができる。
【００１７】
【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定
されるものではない。なお、実施例および比較例におい
て、溶射粉末材および溶射皮膜の特性は、下記の方法に
より測定した。 （１）溶射効率 溶射による基材の重量増加を測定し、使用した溶射粉末
材の重量に対する比として求めた。脱脂および粗面化し
た７．５ｃｍ×２５ｃｍの炭素鋼板を基材として、溶射
機にはＴＡＦＡ社製ＪＰ−５０００を用いた。溶射条件
を以下に示す。 酸素流量：１９００ｓｃｆｈ 灯油流量：５．５ｇｐｈ 粉末流量：１００ｇ／ｍｉｎ 溶射距離：３８０ｍｍ
【００１８】（２）ビッカース硬度 上記溶射試験で形成された溶射皮膜（溶射皮膜厚さ：３
００μｍ）を切断し、断面を研磨により鏡面加工し、溶
射皮膜断面のビッカース硬度を測定した。試験機には、
島津製作所製ビッカース硬度試験機ＨＭＶ−１を用い
た。圧子はダイヤモンド製正四角すいで、対面角は１３
６°である。圧子の試験荷重は０．２ｋｇｆ、負荷後の
保持時間は１５秒とした。
【００１９】（３）靱性の評価 島津製作所製ビッカース硬度試験機ＨＭＶ−１を用い、
圧子の荷重を１ｋｇｆとし、負荷後３０秒間保持し、圧
痕の周辺に亀裂を生じるかどうかで皮膜の靱性を評価し
た。測定した溶射皮膜は、（２）で使用したものと同じ
である。圧子はダイヤモンド製正四角すいで、対面角は
１３６°である。靱性の低い溶射皮膜には亀裂が入りや
すく、靱性の高い溶射皮膜には亀裂はほとんど入らな
い。１０ヶ所測定を行い、亀裂が確認できた回数によ
り、靱性を以下のように評価した。 ◎：亀裂は確認できず。 ○：１〜３回亀裂確認。 △：４回〜７回亀裂確認。 ×：８回以上亀裂確認。
【００２０】（４）耐湿式摩耗特性の評価 特願平１０−３６０７６６号公報記載の湿式摩耗試験機
を用いて評価した。研磨材にはＡ＃８（ＪＩＳ Ｒ６１
１１）を使用し、水を加えてスラリー濃度を８０重量％
とした。基準試料には機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＭＫ１
２Ｃを用いた。溶射皮膜厚さは３００μｍとした。評価
方法は基準試料の体積摩耗量（ｍｍ3）に対する試料の
体積摩耗量（ｍｍ3 ）の比を摩耗比として算出した。試
験時間は２００ｈｒ（摺動距離：５．６７×１０5 ｍ）
とした。ただ、試験時間中に、クラックや剥離が確認さ
れたものは、極端に摩耗量が大きくなるため、クラック
・剥離が確認されるまでの摩耗量により、摩耗比を算出
した。クラック・剥離が発生する試料は、靭性及び耐衝
撃性が低いと考えられる。
【００２１】実施例１：平均粒径１１μｍのＷＣ粉末７
０重量％と、平均粒径５μｍのクロムカーバイド粉末１
５重量％と、平均粒径５μｍのＮｉ・Ｃｒ合金粉末１５
重量％との混合物に対し、ＰＶＡ及び水を加え撹拌し、
そのスラリーを噴霧造粒することにより球形に造粒し、
アルゴンガス雰囲気下、１３３０℃において焼結した。
その後、それを解砕・分級して、１５〜４５μｍの粒度
分布を有する、ＷＣ／クロムカーバイド／Ｎｉ・Ｃｒ合
金複合の溶射粉末材を得た。図１に電子顕微鏡写真（拡
大倍ｍ×２５００）の写図を示す。１はクロムカーバイ
ド粉末の１次粒子、２はＷＣ粉末の１次粒子であり、こ
れらが複合して粒度分布１５〜４５μｍの溶射粉末材を
形成している。
【００２２】高速フレーム溶射装置にＴＡＦＡ社製ＪＰ
−５０００を用い上記の溶射粉末材を、脱脂および粗面
化した７．５ｃｍ×２５ｃｍの炭素鋼板を基材として溶
射し、溶射皮膜を形成した。溶射効率は４２％であり、
溶射皮膜のビッカース硬度は、１２００であった。靱性
の試験においては、亀裂は確認されず、評価は◎であっ
た。湿式摩耗試験では、クラック・剥離は確認されず、
摩耗比は０．０６６であった。
【００２３】比較例１：平均粒径２μｍのＷＣ粉末７０
重量％と、平均粒径０．８μｍのクロムカーバイド粉末
１５重量％と、平均粒径５μｍのニッケル・クロム合金
粉末１５重量％との混合物に対し、ＰＶＡ及び水を添加
して撹拌し、そのスラリーを噴霧造粒することにより球
形に造粒し、アルゴンガス雰囲気下、１３３０℃におい
て焼結した。その後、それを解砕・分級して、１５〜４
５μｍの粒度分布を有する、ＷＣ／クロムカーバイド／
Ｎｉ・Ｃｒ合金複合の溶射粉末材を得た。図２に電子顕
微鏡写真（拡大倍ｍ×２５００）の写図を示す。１０は
クロムカーバイド粉末の１次粒子、２０はＷＣ粉末の１
次粒子であり、これらが複合して粒度分布１５〜４５μ
ｍの溶射粉末材を形成している。
【００２４】高速フレーム溶射装置にＴＡＦＡ社製ＪＰ
−５０００を用い、上記の溶射粉末材を、脱脂および粗
面化した７．５ｃｍ×２５ｃｍの炭素鋼板を基材として
溶射して、溶射皮膜を形成した。溶射効率は４６％であ
り、溶射皮膜のビッカース硬度は、１２５０であった。
しかし、靱性の試験においては、亀裂は９回確認され、
評価は×であり、靱性が著しく低いことを示した。湿式
摩耗試験においては９０時間試験を行った時点で剥離が
観察され、剥離が発生するまでの摩耗比は０．０９８で
あった。
【００２５】比較例２：平均粒径２２μｍのＷＣ粉末７
０重量％と、平均粒径１０μｍのクロムカーバイド粉末
１５重量％と、平均粒径５μｍのＮｉ・Ｃｒ合金粉末１
５重量％の混合物に対し、ＰＶＡ及び水を添加して撹拌
し、そのスラリーを噴霧造粒することにより球形に造粒
し、アルゴンガス雰囲気下、１３３０℃において焼結し
た。その後、それを解砕・分級して、１５〜４５μｍの
粒度分布を有する、ＷＣ／クロムカーバイド／Ｎｉ・Ｃ
ｒ合金複合の溶射粉末材を得た。高速フレーム溶射装置
にＴＡＦＡ社製ＪＰ−５０００を用い、上記の溶射粉末
材を、脱脂および粗面化した７．５ｃｍ×２５ｃｍの炭
素鋼板を基材として溶射し、溶射皮膜を形成した。溶射
効率は３０％であり、溶射皮膜のビッカース硬度は、９
００であった。靱性の試験においては、亀裂は３ヶ所確
認され、評価は○であった。摩耗比は０．１５２であっ
た。 実施例１および比較例１、２の結果を表１に示
す。
【００２６】
【表１】
【００２７】実施例１の本発明の溶射粉末材は、溶射効
率が高く、溶射皮膜のビッカース硬度は１，１００を超
える大きい値を有し、高い靱性、耐湿式摩耗性を兼ね揃
えている。これに対して平均粒径の小さいセラミックス
粉末を用いた比較例１の溶射粉末材は、溶射効率は比較
的高く、ビッカース硬度も大きいが、靱性、耐衝撃性は
著しく低下している。湿式摩耗試験においても、その靭
性の低さのため、溶射皮膜に亀裂が発生し基材から剥離
を生じた。また、平均粒径の大きいセラミックス粉末を
用いた比較例２の溶射粉末材は、実施例１より靱性は劣
り、溶射効率は著しく低く、ビッカース硬度も低い。ま
た摩耗比は大きく、溶射皮膜の耐湿式摩耗性は著しく低
い。
【００２８】
【発明の効果】本発明は、１）ＷＣ粉末とクロムカーバ
イド粉末からなるセラミックス相７５〜９５重量％と、
ＮｉまたはＮｉ基合金粉末５〜２５重量％からなる金属
結合相とを含み、セラミックス相を構成するＷＣ粉末の
一次粒子の平均粒径が５〜２０μｍ、クロムカーバイド
粉末の一次粒子の平均粒径が１〜１０μｍであり、粒径
６〜６３μｍであるＷＣ／クロムカーバイド／Ｎｉまた
はＮｉ基合金の複合溶射粉末材であり、溶射作業におけ
る溶射効率が高く、これにより極めて高い靭性及び耐衝
撃性を有する溶射皮膜を製造することができる。また、
２）前記溶射粉末材を用いた高速フレーム溶射により、
安定した高い溶射効率を保証することができ、更に、
３）前記溶射粉末材を用いて高速フレーム溶射をするこ
とによる溶射皮膜は、極めて高い靭性及び耐衝撃性と、
ビッカース硬度１，１００以上の高い硬度と、且つ、優
れた耐湿式摩耗性を保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の溶射粉末材の顕微鏡写真
の写図である（拡大倍率×２５００）。
【図２】 従来の溶射粉末材（比較例１）の顕微鏡写真
の写図である（拡大倍率×２５００）。
【符号の説明】
１ ＷＣの１次粒子、２ クロムカーバイドの１次粒
子、３ 溶射粉末、１０ＷＣの１次粒子、２０ クロム
カーバイドの１次粒子、３０ 溶射粉末。
フロントページの続き (72)発明者 大澤 悟 愛知県西春日井郡西枇杷島町地領２丁目１ 番地の１ 株式会社フジミインコーポレー テッド内 Ｆターム(参考） 4K031 AA01 AB02 AB08 AB09 CB21 CB45 DA01

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 粒径が６〜６３μｍであって、ＷＣ粉末
    とＣｒ3Ｃ2、Ｃｒ7Ｃ3またはＣｒ23Ｃ6から選ばれた１
    種または複数種のクロムカーバイド粉末からなるセラミ
    ックス相７５〜９５重量％と、ＮｉまたはＮｉ基合金粉
    末５〜２５重量％からなる金属結合相とを含み、前記セ
    ラミックス相を構成するＷＣ粉末の一次粒子の平均粒径
    が５〜２０μｍ、クロムカーバイド粉末の一次粒子の平
    均粒径が１〜１０μｍであることを特徴とする溶射粉末
    材。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の溶射粉末材を用いて、
    高速フレーム溶射を行うことを特徴とする溶射方法。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の溶射粉末材を用いて、
    高速フレーム溶射を行い、ＷＣ粉末とクロムカーバイド
    粉末からなるセラミックス相７５〜９５重量％と、Ｎｉ
    またはＮｉ基合金粉末５〜２５重量％からなる金属結合
    相とを含み、該セラミックス相を構成するＷＣ粉末の一
    次粒子の平均粒径が５〜２０μｍ、クロムカーバイド粉
    末の一次粒子の平均粒径が１〜１０μｍあることを特徴
    とする溶射皮膜。
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