JP2002503293A

JP2002503293A - 性能改善のため部品に機能勾配材料コーティングを形成する方法

Info

Publication number: JP2002503293A
Application number: JP55051399A
Authority: JP
Inventors: ケニスダブリューバーリス; エムブラッドビアズリー; リオニードチューゾイ
Original assignee: キャタピラーインコーポレイテッド
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2002-01-29
Also published as: WO1999051790A1; US6048586A; EP0991790A1

Abstract

(57)【要約】表面を有し、ローリング、摺動、摩耗又は曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒される部品に機能勾配コーティングを形成するプロセスにおいて、前記表面上に、機能勾配材料（ＦＧＭ）コーティングを形成するＦＧＭを溶射するステップを備え、該ＦＧＭコーティングは、厚さと、複数の材料組成と、複数の弾性率曲線とを有する。各弾性率曲線は、その厚さ内の複数の対応するポイントにおける複数の弾性率を含む。弾性率は、約28Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉまでの範囲である。オプションとして、また炭素含有量曲線がある。

Description

【発明の詳細な説明】性能改善のため部品に機能勾配材料コーティングを形成する方法技術分野本発明は、一般に色々な部品の設計における機能傾斜材料（ＦＧＭ）の形成に関し、より詳しくは、ローリング、摺動、摩耗、及び曲げ接触のうち１つ又はそれ以上に晒される機械部品にＦＧＭコーティングを使用し、その性能特性を改善することに関する。背景技術土工機械等の機械の歯車、軸受、カム軸、遊星歯車軸、及び他のエンジン、変速機、及び/又は車台部品は、絶えずローリング及び/又は摺動接触に晒される。トラックリンク、トラックローラー、ブシュ、アイドラー、地面作業用具（ＧＥＴ）もまた、一般に摩耗及び/又は曲げ力に晒される。このような接触を経験する部品の耐久性と信頼性を増すため、このような金属部品は通常表面硬化される。表面硬化すると、外面がより硬くなり内側コアが比較的柔らかくなり、これは、浸炭、誘導硬化、炎焼入れ、または熱処理の当業者が知っている他の選択的プロセス等の方法により行われる。これらの表面硬化プロセスにより表面硬化することの１つの欠点は、マルテンサイトと非マルテンサイト構造の異なる勾配により、硬さの勾配が生じ、この勾配は部品の弾性率と関係がないことである。従って、部品の外面が内側コアより硬さが硬く、耐摩耗性が良くても、負荷又は応力が一定に保たれると、部品の歪み即ち変形は変化しない。言換えると、部品は一定の負荷で一定の量の変形を受ける。このように、大きい負荷で部品の変形を調整できないことが、長い間、上述した色々の接触にさらされる色々の種類の部品を設計する際の障害となっていた。ローリング及び/又は摺動の負荷状態に晒される部品において、一定の量の変形に応じて異なる量のミーゼス応力を示すように設計されることが好ましい。言換えると、固定した量の負荷で、変形量が変化するように調整された部品を作り、機械における意図する用途に従って部品の曲げ又は接触疲労抵抗又は耐摩耗性を調整するすることが好ましい。従って、部品の表面からの深さに関係付けられ、部品の幾何学的形態に関係付けられた部品を作り、ローリング、摺動、摩耗又は曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒されるとき、所望のように疲労又は耐摩耗性が向上する部品を得ることが好ましい。本発明は、ローリング、摺動、摩耗又は曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒されるこれまで利用されてきた部品の１つ又はそれ以上の問題を解決することを目的とする。発明の開示本発明の１態様では、表面を有し、ローリング、摺動、摩耗又は曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒される部品に機能勾配コーティングを形成するプロセスにおいて、前記表面上に、厚さと、複数の材料組成と、複数の弾性率曲線（プロファイル）とを有するＦＧＭコーティングを形成する機能勾配材料（ＦＧＭ）を溶射するステップを備える。各弾性率曲線は、その厚さ内の複数の対応するポイントにおける複数の弾性率を有する。弾性率は、約28Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉまでの範囲である。オプションとして、また炭素含有量曲線がある。この部品の表面には、厚さのあるＦＧＭコーティングが形成される。ＦＧＭコーティングは、複数の材料組成を有する。これらの用途で選択される材料は、合金鋼である。金属の炭化物、ホウ化物、窒化物、又は酸化物等の鋼より弾性率が高い硬い微粒子を添加して、その結果ＦＧＭコーティングの弾性率が上がるように、ＦＧＭ組成は調整される。炭素含有量もまた、ＦＧＭ層の全体にわたって調整し、マルテンサイト開始（Ｍｓ）温度の勾配が生じ、物品の残留応力勾配を制御できるようにする。図面の簡単な説明図１は、本発明の１実施例によるＦＧＭコーティングを有する部品の調整した弾性率曲線の図である。図２は、本発明の他の実施例によるＦＧＭコーティングを有する部品の調整した弾性率曲線の図である。図３は、本発明のさらに他の実施例によるＦＧＭコーティングを有する部品の調整した弾性率曲線の図である。図４は、本発明第１実施例の部品の表面からの深さに対する弾性率の上限と下限を示す図である。図５は、表面硬化した部品の弾性率曲線の図である。図６は、浸炭し表面硬化したＦＧＭでない部品についての、深さに対する炭素の割合と弾性率を示す図である。図７は、図５の浸炭し表面硬化したＦＧＭでない部品についての、深さに対する残留応力を示す図である。図８は、ＦＧＭコーティングの１例の部品について、深さに対する炭素の割合と弾性率を示す図であり、弾性率のみが変更されている。図９は、図７のＦＧＭコーティングを有する部品について、浸炭し表面硬化したＦＧＭでない部品と比較して、深さに対する残留応力を示す図である。図１０は、ＦＧＭコーティングの１例の部品について、深さに対する炭素の割合と弾性率を示す図であり、炭素勾配曲線のみが変更されている。図１１は、図９のＦＧＭコーティングを有する部品について、浸炭し表面硬化したＦＧＭでない部品と比較した、深さに対する残留応力を示す図である。図１２は、ＦＧＭコーティングの１例の部品について、深さに対する炭素の割合と弾性率を示す図であり、弾性率と炭素勾配曲線の両方が変更されている。図１３は、摩耗と曲げ接触に晒され、ＦＧＭコーティンクを有する部品の表面からの深さに対する炭素のパーセントの上限と下限を示す図である。図１４は、ローリング、摺動、摩耗又は曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒され、ＦＧＭコーティングを有する部品の表面からの深さに対する弾性率の上限と下限を示す図である。図１５は、図１１のＦＧＭコーティングを有する部品について、浸炭し表面硬化したＦＧＭでない部品と比較した、深さに対する残留応力を示す図である。好適な実施例の詳細な説明この発明の詳細な説明と請求の範囲で使用する「ローリング接触」という言葉は、２つの物体の間の接触面で、１方の表面に対する他方の表面の移動が、線速度ででも回転速度ででも表せるものを言う。「ローリング接触」という言葉には、例えば転がり軸受けにおけるように、接触する点での表面速度が、等しく平行であるような接触も含まれる。「ローリング/摺動接触」という言葉は、同じような接触を表すが、２つの接触表面の表面速度は大きく異なり、そのため例えば歯車におけるように、接触する部品が摺動する。この発明の詳細な説明と請求の範囲で使用する「摺動接触」という言葉は、２つの物体の間の接触面で、１方の表面が静止し、第２表面に対する一方の表面の移動を接触界面と一致する速度ベクトルで表すことが出来るものを言う。摺動接触に晒される部品の例としては、燃料インジェクターのプランジャー、バレル組立体、ジャーナル軸受等がある。この発明の詳細な説明と請求の範囲で使用する「摩耗接触」という言葉は、２つの表面の間の接触で、第２表面の力と速度の組合わせにより、一方の表面から材料が除去される接触を言う。除去される材料は、例えばＧＥＴの摩耗のように大きい場合もあり、又は例えば歯車の歯の溝のように小さく局所的な場合もある。この発明の詳細な説明と請求の範囲で使用する「曲げ接触」という言葉は、２つの物体の間の接触面で、部品に片持ち梁のように負荷がかかり、そのため部品を接触面から離す応力がかかるものを言う。例えば、バケット先端等のＧＥＴは、曲げ接触に晒される。この発明の詳細な説明と請求の範囲で使用する「機能変化材料」という言葉は、組成及び/又はミクロ構造が、一方の境界から他方へ連続的に変化する材料を言う。この発明の詳細な説明と請求の範囲で使用する「弾性率」という言葉は、ＡＳＴＭ方法Ｅ１１１「ヤング率、接線係数、弦係数の標準試験方法」により求めた弾性率を言う。この発明の詳細な説明と請求の範囲で使用する「溶射堆積」という言葉は、酸素アセチレントーチ溶射、ガス安定化プラズマ溶射、水安定化プラズマ溶射、燃焼溶射、高速酸素供給溶射（ＨＶＯＦ）等の溶射技術を言う。溶射技術は、上述した方法に限らず、当業者が知っている他の溶射技術を使用することも出来る。ここで使用する「結合した」という言葉は、基体の表面上の凹凸との機械的連結に基づく溶射コーティングの基体への結合を言う。この機械的連結は、例えば、サンドブラストにより基体の表面を粗くすることにより得られる。コーティングの結合強度は、ＡＳＴＭ推奨方法Ｃ６３３により測定される。本発明の好適な実施例では、表面を有する部品が提供される。表面は清浄で汚染がないことが好ましい。クリーニングは、溶剤洗浄、脱脂、サンドブラスト、化学エッチング、超音波洗浄等の当業者に知られている色々の方法で行うことが出来る。本発明の好適な実施例では、ＦＧＭは基体表面に溶射されるのが望ましく、ガス又は水安定化プラズマ溶射により溶射されるのが好ましい。ＦＧＭコーティングは、表面上に形成される。ＦＧＭコーティングの厚さは、約0.5ｍｍから約20 ｍｍの範囲が好ましい。0.5ｍｍ以下の厚さが好ましくないのは、薄すぎてＦＧＭの組成を変えて係数曲線を調整することができないからである。20ｍｍ以上の厚さが好ましくないのは、労力と材料が無駄になるからである。本発明の好適な実施例では、ＦＧＭコーティングはまた、複数の材料組成を有する。ＦＧＭコーティングはまた、複数の弾性率曲線を有する。ＦＧＭコーティングはまた、複数の炭素勾配曲線を有する。これらの炭素勾配曲線により、マルテンサイト開始（Ｍｓ）温度の勾配を生じ、それを単独でまたは弾性率曲線と組合せて使用して残留応力曲線を生じ、それにより部品の性能を改善することが出来る。弾性率と炭素の勾配曲線は、実際の用途で部品が晒される接触の量と厳しさによって、部品表面の色々の位置で変化する。コーティングの厚さに対する弾性率カーブの形状は、与えられた歪みについて最大の負荷に耐える能力を与えるように調整することが好ましい。残留応力カーブの形状は、表面と表面に近い材料内で最大の圧縮残留応力を与えるように調整される。残留応力曲線は、その厚さ内の複数の対応する点における複数の弾性率を含む。弾性率は、約28Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉの範囲が好ましく、ここに単位「Ｍｐｓｉ」は百万ポンド/平方インチである。本発明には２つの態様がある。第１の態様では、部品の寿命中に部品の表面材料が擦り減り使い尽くされる。トラックローラー、トラックリンク、地面作業用具は、これらの種類の部品の例である。第２の態様では、部品の寿命中部分の形態がほぼそのままであることを意図する。歯車、軸受、カム軸は、この例である。その寿命中部品には少しの摩耗がおこるが、最小限で0.25ｍｍ以下である。使用する形態は、用途の種類と、その特定の部品がどのように接触するかによる。第２の態様の他の面は、弾性率曲線とＦＧＭ炭素勾配曲線が組み合わさり、部品の寿命を改善するのに有利な残留応力曲線を与えことが出来ることである。第１の態様では、その部品の寿命中に表面材料は擦り減るので、炭素勾配曲線を制御する必要はない。適当な機能勾配材料（ＦＧＭ）コーティングを有する物品は、熱処理するべきである。ＦＧＭ層と基部材料の間で炭素含有量に大きな差がないＦＧＭの場合、部品は、炉内加熱、誘導加熱等の熱処理の当業者が出来る手段でオーステナイト化するべきである。オーステナイト化した後、マトリックスはオーステナイト又は炭化物、窒化物、又は酸化物を有するオーステナイトからなるように、温度を選択するべきである。この温度は、一般には亜共析鋼のＡｃ₃温度と過共析鋼のＡｃ₁温度より27.7℃（50°Ｆ）から55.6℃（100°Ｆ）だけ高い。部品のすべての部分で完全にオーステナイト化されるように、時間を選択する必要がある。部品は次に、媒体中で焼入れされ、ＦＧＭ層がマルテンサイト変態される。部品に表面から部品の中心部へ行くに従い冷却速度は遅くなる。マルテンサイト変態の割合も表面から部品の中心部へ向かい減少する。硬化性は、工業上/設計上の要求に従って、部品の大きさと釣り合い、完成した物品の硬さ、強度、ミクロ構造にマッチするように選択する必要がある。表面に近いＦＧＭで炭素勾配があるＦＧＭの場合、部品は、炉内加熱、誘導加熱等の熱処理の当業者が出来る手段でオーステナイト化するべきである。ＦＧＭ層だけでなくコア材料も完全にオーステナイト化されるように温度を選択する必要がある。この温度は、一般にはコア材料のＡｃ₃温度より27.7℃（50°Ｆ）から55.6℃（100°Ｆ）だけ高い。0.20重量％の鋼では、一般的な温度は871℃(160 0°Ｆ)である。部品のすべての部分で、ＦＧＭの側とコア材料の両方が、完全にオーステナイト化されるように時間を選択する必要がある。部品は次に、媒体中で焼入れされ、硬化性に従ってＦＧＭ層とコア材料がマルテンサイト変態する。部品に表面から部品の中心へ行くに従い冷却速度は遅くなる。マルテンサイト変態の割合も表面から中心へ向かい減少する。硬化性は、工業上/設計上の要求に従って、部品の大きさと釣り合い、完成した物品の硬さ、強度、ミクロ構造にマッチするように選択する必要がある。本発明の第１の態様では、トラックローラー、トラックリンク、地面作業用具等の部品は、約3ｍｍ（0.118インチ）から20ｍｍ(0.78インチ）の厚さのＦＧＭコーティング層を有する。表Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及び対応する図１、２、３に示すように、コーティングの表面から測定してコーティング厚さの最初の25％では、コーティングの表面から測定してコーティング厚さの最後の25％と比較して、弾性率は約15％から約30％大きい。当業者は、ある種類の接触状況について、過度の実験を行わずに、コンピュータシミュレーションにより動的負荷状況にある部品の有限要素分析法（ＦＥＡ）を行って、好適な弾性率曲線を作ることが出来るであろう。鉄ベース材料を使用するときは、弾性率は約28Ｍｐｓｉ以下にすることは出来ない。60Ｍｐｓｉ以上の弾性率が好ましくないのは、意図する部品の用途では実際的でなく、また労力と資源を不必要に浪費するからである。図４を参照すると、摩耗接触に晒される擦り減る部品の第１の態様の好適な実施例では、部品表面上にＦＧＭコーティングを形成する機能勾配材料（ＦＧＭ）が溶射され、ＦＧＭコーティングは厚さと、複数の材料組成と、２から４の一連の弾性率曲線を有する。ここでは記述のため４つの曲線範囲とするが、一連の曲線は同じで、ＦＧＭ層は図２に示すのと同じように２つの曲線範囲であるように見えても良い。図４はまた、部品表面からの深さに対する弾性率のおよその上側範囲と下側範囲を示す。部品は、ローリング、摺動、摩耗又は曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒される。第１の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティングの表面からコーティング厚さ約15％までで、約28Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉの範囲である。第２の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約15％からコーティング厚さ約65％までで、約35Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉの範囲である。第３の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約65％からコーティング厚さ約85％までで、約45Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲である。第４の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約85％からコーティング厚さ約100％までで、約32Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲である。他の弾性率曲線では、第１の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティングの表面からコーティング厚さ約15％までで、約30Ｍｐｓｉから約 60Ｍｐｓｉの範囲である。第２の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約15％からコーティング厚さ約65％までで、約30Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉの範囲である。第３の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約65％からコーティング厚さ約85％までで、約30Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲である。第４の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約85％からコーティング厚さ約100％までで、約30Ｍｐｓｉから約32Ｍｐｓｉの範囲である。本発明以前には前述したように、これらの擦り減る部品は、誘導又は炎焼入れ等の方法により硬化即ち表面硬化されていた。これらのプロセスにより、表面から中心への硬さ勾配が生じるが、図５に示すように、弾性率曲線は変らない。本発明の第２の態様では、典型的な部品は、歯車、軸受、カム軸であり、ＦＧＭコーティング層の厚さは、約0.5ｍｍ（0.02インチ）から4ｍｍ（0.16インチ）である。第２の態様に関する部品は、動力を伝達するように設計され、部品の寿命中部品の完全さが保たれることを意図して設計されている。表面硬化プロセスは、一般に拡散を制御した浸炭プロセスにより実行される。図６に、結果の炭素勾配曲線と弾性率曲線を示す。図７に結果の残留応力曲線を示す。図６を参照すると、部品内の深さが深くなると、炭素の割合が減少するが、弾性率は一定のままである。図７に示すように、比較的浅いところにかなりの量の残留応力がある。図８を参照すると、ＦＧＭコーティングを有する第２の態様の部品について、弾性率と炭素含有量のパーセントが示される。ＦＧＭコーティングの炭素のパーセントは、図６に示す炭素の曲線の勾配を有する浸炭した部品についてのパーセントと非常に似ている。このＦＧＭの例では、炭素の勾配は、従来の浸炭した部品の勾配に良く似ているが、さらに弾性率曲線が変化している。図９に、結果の残留応力勾配曲線を示す。弾性率は、一連の４つの曲線で示される。第１の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティングの表面からコーティング厚さ約15％までで、約28Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲である。第２の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約15％からコーティング厚さ約65％までで、約35Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲である。第３の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約65％からコーティング厚さ約85％までで、約45Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲である。第４の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約85％からコーティング厚さ約100％までで、約32Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲である。第１の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約 15％よりもコーティングの表面で実質的に低い。さらに、第３の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定してコーティング厚さ約85％よりも、コーティングの表面から測定してコーティング厚さ約65％の方が実質的に高い。図９に示すように、溶射したＦＧＭコーティングの表面直下の残留応力は、溶射したＦＧＭコーティングがない浸炭した部品の残留応力の量の少なくとも２倍である。図１０を参照すると、ＦＧＭ層が部品に形成され、結果としての残留応力が図６、７に示す従来の浸炭した部品の残留応力から修正されるように、炭素の曲線が修正される。炭素含有量は、一連の４つの曲線で示すことが出来る。第１の炭素含有量曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティングの表面からコーティング厚さ約15％までで、炭素重量は約0.75％から約0.95％の範囲である。第２の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約15 ％からコーティング厚さ約65％までで、炭素重量は約0.95％から約0.35％の範囲である。第３の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約65％からコーティング厚さ約85％までで、炭素重量は約0.5％から約0.1％の範囲である。第４の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約85％からコーティング厚さ約100％までで、炭素重量は約0.35％から約0.1％の範囲である。弾性率曲線は、コーティングの全体で修正されず一定のままである。図１１に示すように、結果としての残留応力の変化は、表面でもっとも大きく、標準の浸炭した部品より殆ど２倍以上増加している。図１２を参照すると、炭素勾配曲線と弾性率曲線の両方が従来の部品から修正されるように、部品にＦＧＭコーティングが形成される。炭素含有量は、一連の４つの曲線で表すことが出来る。第１の炭素含有量曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティングの表面からコーティング厚さ約15％までで、炭素重量は約0.75％から約0.95％の範囲である。第２の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約15％からコーティング厚さ約65％までで、炭素重量は約0.95％から約0.35％の範囲である。第３の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約65％からコーティング厚さ約85 ％までで、炭素重量は約0.5％から約0.1％の範囲である。第４の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約85％からコーティング厚さ約100％までで、炭素重量は約0.35％から約0.1％の範囲である。図１３に、コーティングの表面からの炭素含有量の割合の他の例を示す。およその上側炭素含有量範囲と下側炭素含有量範囲が、部品の表面からの深さとの関係で示される。さらに、図８に示すのと同じように、弾性率は一連の４つの曲線で表すことが出来る。第１の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティングの表面からコーティング厚さ約15％までで、約28Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲である。第２の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約15％からコーティング厚さ約65％までで、約35Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲である。第３の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約65％からコーティング厚さ約85％までで、約45Ｍｐｓｉから約28 Ｍｐｓｉの範囲である。第４の弾性率曲線は、コーティングの表面から測定して、コーティング厚さ約85％からコーティング厚さ約100％までで、約32Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲である。図１４に、コーティングの表面からの深さをパーセントで示し、およその弾性率の上側範囲と深さの関係、及びおよその弾性率の下側範囲と深さの関係を示す。図１５に示すように、上述した弾性率曲線と炭素含有量曲線で示される溶射したＦＧＭコーティングを有する表面は、表面の残留応力と表面直下の残留応力の両方が、表面硬化した又は浸炭したものより少なくとも２倍大きい。さらに、表面直下の残留応力は、表面硬化した又は浸炭したものの表面直下の残留応力より約70％から約90％の範囲だけ大きい。本発明の両方の実施例で、好適なセラミックは、炭化チタン(ＴｉＣ)、タングステンカーバイト(ＷＣ)、Ｃｒ₂Ｃ₃、ＭｏＦｅＢ、ＢＣ₄、及びこれらの混合物の内の１つが好ましい。ここで使用する「サーメット」という言葉は、セラミック成分と金属成分を含有する種類の材料を言う。サーメットの例は、ニッケル- クロム-アルミニウム-イットリア合金(ＮｉＣｒＡｌＹ)、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）を有するニッケル-クロム(ＮｉＣｒ)、ＺｒＯ₂とＹ₂Ｏ₃を有するＮｉＣｒＡｌＹ、Ａｌ₂Ｏ₃を有するニッケル、タングステンカーバイト、コバルト- クロムカーバイト等がある。本発明は、上述した材料に限られず、当業者は他のセラミック、サーメット、または金属材料を選択することが出来る。次の例Ａ、Ｂ、Ｃは、本発明の第１の態様のプロセスを示し、土工機械用トラックローラーの基体表面にＦＧＭコーティングを溶射して、弾性率曲線を調整したものであり、その結果ローリングと、摺動と、摩耗性能が改善された。次の材料を使用して、ガス安定化プラズマ溶射により、トラックローラーＳＡＥグレード４１Ｂ３５の基体上に8ｍｍ厚さのＦＧＭコーティングを溶射した：Ｍ４、ＴｉＣ、ＷＣ、Ａ４６３５鋼合金。Ｍ４材料の組成は、重量パーセントで次の通りである：Ｃ1.5％、Ｓｉ0.39％、Ｍｎ0.40％、Ｐ0.015％、Ｓ0.14％、Ｃ r4.57％、Ni0.08％、Ｍｏ4.58％、Ｃｕ0.05％、Ａｌ0％、Ｃｏ0.03％、Ｖ3.9％、Ｗ5.8％、Ｎ0.04％、Ｏ90ｐｐｍ、残り鉄。Ｍ４材料は、アンバルコーポレーションが商品名「ＡｎｖａｌＭ４」で供給している。Ａ４６３５材料の組成は、重量パーセントで次の通りである：Ｃ0.35％、Ｓｉ0.005％、Ｍｎ0.17％、Ｐ0.0 06％、Ｓ0.015％、Ｃｒ0.03％、Ｎｉ1.78％、Ｍｏ0.54％、Ｃｕ0.09％、Ａ10％、Ｃｏ0％、Ｖ0％、Ｗ0％、Ｎ0.01％以下、Ｏ1100ｐｐｍ、残り鉄。Ａ４６３５材料は、ホエガネスコーポレーションが自社製造の金属粉末を混合して製造し、商品名「AncorsteelA4600V」(炭素0.5重量％)で供給している。同様に、Ａ４６９０、Ａ４６７０、Ａ４６２５は、それぞれ「Ancorsteel A4600V」を0.90、0.7 0、0.25重量％の炭素と混合して製造される。例Ａ表Ａ１に示すように、ＳＡＥグレード４１Ｂ３５の基体上に、次の組成勾配曲線で8ｍｍ厚さのＦＧＭコーティングを形成した。表Ａ２に示すように、ＦＧＭコーティングは、次の弾性率曲線を有する。このＦＧＭの弾性率勾配を図１に図式的に示す。例Ｂ表Ｂ１に示すように、ＳＡＥグレード４１Ｂ３５の基体上に、次の組成勾配曲線で8ｍｍ厚さのＦＧＭコーティングを形成した。表Ｂ２に示すように、ＦＧＭコーティングは次の弾性率曲線を有する。このＦＧＭの弾性率勾配を図２に図式的に示す。例Ｃ表Ｃ１に示すように、ＳＡＥグレード４１Ｂ３５の基体上に、次の組成勾配曲線で8ｍｍ厚さのＦＧＭコーティングを形成した。表Ｃ２に示すように、ＦＧＭコーティングは、次の弾性率曲線を有する。このＦＧＭの弾性率勾配を図３に図式的に示す。例Ｄ次の例Ｄは、本発明の第２の態様のプロセスを示し、土工機械用歯車の基体表面上にＦＧＭコーティングを溶射して、一連の弾性率曲線を得て、その結果摺動性能が改善された。表Ｄ１に示すように、ＳＡＥグレード４１１８の基体上に、次の組成勾配曲線で1.2mm厚さのＦＧＭコーティングを形成した。表Ｄ２に示すように、ＦＧＭコーティングは、次の弾性率曲線を有する。このＦＧＭの弾性率勾配と炭素組成勾配を図１２に図式的に示す。工業上の適用性本発明は、ローリング、摺動、摩耗、及び曲げ接触のうち１つ又はそれ以上に絶えず晒される機械部品を製造するのに有用である。このような部品は一般に、エンジンと変速機に使用される色々の種類の軸受、カム軸、遊星歯車軸、及び歯車；トラックローラー、トラックリンク、トラックシユー、履帯（トラック）型トラクターの履帯用のトラックシューとトラックリンク、土工機械、地面作業用具である。一般には、本発明の第１の態様の対象となる部品の種類は、トラックローラー、トラックリンク、トラックブシュ、地面作業用具である。また、一般に上にリストした部品のうち、本発明の第１の態様の対象となる部品の種類は、歯車、軸受、遊星歯車軸、カム軸である。本発明は、ＦＧＭを使用して、コーティング厚さと部品表面の形態の関数として、複数の弾性率曲線を有するＦＧＭコーティングした部品を得て、ローリング、摺動、摩耗、及び曲げ接触のうち１つ又はそれ以上に晒される部品の性能を向上させるのに特に有用である。本発明はまた、ガンバレル、鋼のミルロール、カレンダー加工と紙加工用ミルロールを製造するのに有用である。本発明の他の局面、目的、利点は、図面、発明の詳細な説明、請求の範囲から分かるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者チューゾイリオニードアメリカ合衆国イリノイ州 61525 ダンラップノースヒッコリーグローヴロード 12052

Claims

【特許請求の範囲】 1. ローリング、摺動、摩耗及び曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒される表面を有する部品に機能勾配コーティングを形成する方法において、前記表面上に、厚さと、複数の材料組成と、複数の弾性率曲線とを有するＦＧＭコーティングを形成する機能勾配材料（ＦＧＭ）を溶射するステップを備え、前記弾性率曲線は、前記厚さ内の複数の対応するポイントにおける複数の弾性率を含み、前記弾性率は、約28Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉまでの範囲であることを特徴とする方法。 2. ローリング、摺動、摩耗及び曲げ接触の１つ又はそれ以上に晒される表面を有する部品に機能勾配コーティングを形成する方法において、前記表面上に、厚さと、複数の材料組成と、複数の弾性率曲線とを有するＦＧＭコーティングを形成する機能勾配材料（ＦＧＭ）を溶射するステップを備え、前記弾性率曲線は、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティングの前記表面から前記コーティング厚さの約15％までで、約28Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲の第１の弾性率曲線と、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約15％から約65％までで、約35Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲の第２の弾性率曲線と、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約65％から約85％までで、約45Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲の第３の弾性率曲線と、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約85％から約100％までで、約32Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲の第４の弾性率曲線と、からなることを特徴とする方法。 3. 請求の範囲第２項に記載した方法であって、前記第１の弾性率曲線は、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティングの前記表面において前記コーティング厚さの約15％の点より低い方法。 4. 請求の範囲第２項に記載した方法であって、前記第３の弾性率曲線は、前記コーティングの前記表面から測定して前記コーティング厚さの約65％の点において、前記コーティングの前記表面から測定して前記コーティング厚さの約85 ％の点より低い方法。 5. 請求の範囲第２項に記載した方法であって、前記部品は軸受である方法。 6. 請求の範囲第２項に記載した方法であって、前記部品は内燃エンジン用カム軸である方法。 7. 請求の範囲第２項に記載した方法であって、前記部品は歯車である方法。 8. 摩耗又は曲げ接触に晒される表面を有する部品に機能勾配コーティングを形成する方法において、前記表面上に、厚さと、複数の材料組成と、複数の弾性率曲線と、複数の炭素含有量曲線とを有するＦＧＭコーティングを形成する機能勾配材料（ＦＧＭ）を溶射するステップを備え、前記弾性率曲線と前記炭素含有量曲線は、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティングの前記表面から前記コーティング厚さの約15％までで、約28Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲の第１の弾性率曲線と、炭素重量約0.75％から約0.95％の範囲の第１炭素含有量曲線、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約15％から約65％までで、約35Ｍｐｓｉから約45Ｍｐｓｉの範囲の第２の弾性率曲線と、炭素重量約0.95％から約0.35％の範囲の第２炭素含有量曲線、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約65％から約85％までで、約45Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲の第３の弾性率曲線と、炭素重量約0.5％から約0.1％の範囲の第３炭素含有量曲線、及び、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約85％から約100％までで、約32Ｍｐｓｉから約28Ｍｐｓｉの範囲の第４の弾性率曲線と、炭素重量約0.35％から約0.1％の範囲の第４炭素含有量曲線からなることを特徴とする方法。 9. 請求の範囲第８項に記載した方法であって、前記第１の弾性率曲線は、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティングの前記表面において前記コーティング厚さの約15％の点より低い方法。 10. 請求の範囲第８項に記載した方法であって、前記第３の弾性率曲線は、前記コーティングの前記表面から測定して前記コーティング厚さの約65％の点において、前記コーティングの前記表面から測定して前記コーティング厚さの約 85％の点より低い方法。 11. 請求の範囲第８項に記載した方法であって、前記溶射したＦＧＭコーティングを有する前記表面は、前記表面における前記ＦＧＭコーティング表面の残留応力が、前記溶射したＦＧＭコーティングのない浸炭した表面より、少なくとも２倍大きい方法。 12. 請求の範囲第８項に記載した方法であって、前記溶射したＦＧＭコーティングを有する前記表面は、表面直下における前記ＦＧＭコーティングの残留応力が、前記溶射したＦＧＭコーティングのない浸炭した表面より、少なくとも２倍大きい方法。 13. 請求の範囲第８項に記載した方法であって、前記溶射したＦＧＭコーティングを有する前記表面は、表面直下における前記ＦＧＭコーティングの残留応力が、前記溶射したＦＧＭコーティングのない浸炭した表面より、約70％から約90％の範囲で大きい方法。 14. 表面を有し、少なくとも摩耗接触に晒される部品に機能勾配コーティングを形成する方法において、前記表面上に、厚さと、複数の材料組成と、複数の弾性率曲線とを有するＦＧＭコーティングを形成する機能勾配材料（ＦＧＭ）を溶射するステップを備え、前記弾性率曲線は、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティングの前記表面から前記コーティング厚さの約15％までで、約30Ｍｐｓｉから約60Ｍｐｓｉの範囲の第１の弾性率曲線と、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約15％から約65％までで、約30Ｍｐｓｉから約60ｐｓｉの範囲の第２の弾性率曲線と、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約65％から約85％までで、約45Ｍｐｓｉから約30Ｍｐｓｉの範囲の第３の弾性率曲線と、前記コーティングの前記表面から測定して、前記コーティング厚さの約85％から約100％までで、約32Ｍｐｓｉから約30Ｍｐｓｉの範囲の第４の弾性率曲線と、からなることを特徴とする方法。 15. 請求の範囲第１４項に記載した方法であって、前記部品は土工機械の履帯用トラックローラーである方法。 16. 請求の範囲第１４項に記載した方法であって、前記部品は土工機械の履帯用トラックリンクである方法。 17. 請求の範囲第１４項に記載した方法であって、前記部品は土工機械用の地面作業用具である方法。 18. 請求の範囲第１４項に記載した方法であって、前記部品は土工機械の履帯用トラックシューである方法。 19. 請求の範囲第１４項に記載した方法であって、前記部品は土工機械の履帯用トラックブシュである方法。 20. 請求の範囲第１４項に記載した方法であって、前記部品は歯車である方法。