JP2003301278A

JP2003301278A - 複合金属の製造方法及び複合金属部材

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Publication number: JP2003301278A
Application number: JP2002111253A
Authority: JP
Inventors: Akiko Suyama; 章子須山; Yoshiyasu Ito; 義康伊藤; Masahiro Saito; 正弘齋藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-24
Anticipated expiration: 2022-04-12
Also published as: JP3898082B2

Abstract

(57)【要約】【課題】膜質、皮膜の密着性に優れた複合金属製品と
成膜速度、プロセスの簡便性、環境低負荷などの要求特
性を全て満足する複合金属の製造方法を提供すること。【解決手段】基材表面に、非溶融状態の金属粉末を高
速に噴射して、基材表面に金属粉末の塑性変形による金
属皮膜又は前記金属粉末と雰囲気ガスとの反応による金
属化合物皮膜を形成する。得られた金属製品表面の金属
皮膜又は金属化合物皮膜の気孔率は１０％以下であり、
圧縮の残留応力を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギー機械分
野、航空宇宙、輸送用機械分野、素材製造加工機械分
野、その他の一般機械分野等において、特に機械的特
性、熱的特性、耐環境性を向上させるため、母材質の基
材表面に金属皮膜又は金属化合物皮膜を形成させる複合
金属の製造方法及び複合金属部材、さらには、この複合
金属部材が組み込まれた製品に関する。

【０００２】詳しくは、本発明は、鉄基、ニッケル基あ
るいはコバルト基の超耐熱超合金からなる火力機器のタ
ービン翼のような基材に高温燃焼ガス等による腐食、酸
化等に対する抵抗を増加させるための耐食耐酸化性の表
面保護皮膜の形成に用いられる複合金属の製造方法、さ
らにコンパクトで迅速な負荷追従性が要求される燃料電
池発電装置に使用される燃料改質器のような基材に触媒
コーティングのような金属皮膜を形成するのに用いられ
る複合金属の製造方法ならびにかかる製造方法により形
成された火力機器のタービン翼又は燃料電池発電装置の
燃料改質器のような複合金属部材に関する。

【０００３】

【従来の技術】電気機器をはじめとして、エネルギー・
重工業分野では使用環境の過酷化から防食、耐酸化、耐
摩耗を目的としたコーティング技術が幅広く適用されて
いる。従来から、基材に、金属皮膜又は金属化合物皮膜
を形成する方法としては、アルミナイジング処理などの
化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、イオンプレーティングなど
の物理気相蒸着法（ＰＶＤ）、電解あるいは無電解めっ
き法、各種溶射法などのプロセスがよく知られている。
これら公知の各種コーティングプロセスで形成された金
属皮膜は、それぞれプロセス特有の利点、欠点がある。
例えば、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法では緻密で密着性に優れた
金属皮膜が得られる反面、成膜速度が遅く、排ガスが発
生するためその処理を要するという問題があり、めっき
法では基材の熱劣化を伴わずに金属皮膜を形成できる反
面、廃液が発生するためその処理が必要になるという問
題があり、溶射法では成膜速度が速いが多孔質の金属皮
膜しか得られないという問題があった。

【０００４】特に、ガスタービンやジェットエンジンの
タービン動翼や静翼などの高温部材は高温で燃焼ガスに
直接さらされるため、その材料には鉄基、ニッケル基あ
るいはコバルト基の超耐熱合金が使用され、その表面に
は燃焼ガス中に含まれる化合物による腐食に対する耐性
のあるクロムやアルミニウムの保護皮膜を形成すること
が行われているが、従来の方法では、いずれも金属皮膜
による保護効果、生産コスト、生産性等の点でなお十分
なものではなかった。

【０００５】すなわち、従来高温部材に対する金属皮膜
の形成は、ハロゲン化物を高温で反応拡散させて行う拡
散めっき法、電解あるいは化学めっきによる方法、合金
粉末などを溶射肉盛する方法などにより行われている
が、拡散めっき法、電解あるいは化学めっきによる方法
では、いずれも形成される保護皮膜が均質緻密でなく空
孔が生じやすく、保護効果が十分でないという問題があ
り、溶射肉盛する方法では、特別に用意された設備が必
要で、作業時間も長く（通常３〜７日間）、このため生
産コストが高くなる上に、生産性も低いという問題があ
った。

【０００６】このように各種機器の使用環境の過酷化が
進む現状において、基材に金属皮膜を形成する技術は不
可欠となっているが、膜質、皮膜の密着性、成膜速度、
プロセスの簡便性、環境低負荷などの要求特性を全て満
足するプロセスは、いまだ確立されておらず、その開発
が望まれていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したとおり、従来
公知の基材に、金属皮膜又は金属化合物皮膜を形成する
方法は、ＣＶＤ法やＰＶＤ法では緻密で密着性に優れた
金属皮膜が得られる反面、成膜速度が遅く排ガスが発生
するためその処理を要するという問題があり、めっき法
では基材の熱劣化を伴わずに金属皮膜を形成できる反
面、廃液が発生するためその処理が必要になるという問
題があり、溶射法では成膜速度が速いが多孔質の金属皮
膜しか得られないという問題があった。

【０００８】また、高温部材に対する金属皮膜の形成方
法としてこれらの方法を見た場合、拡散めっき法、電解
あるいは化学めっきによる方法では、いずれも形成され
る保護皮膜が均質緻密でなく空孔が生じやすく保護効果
が十分でないという問題があり、溶射肉盛する方法で
は、特別に用意された設備が必要で、作業時間も長く、
このため生産コストが高くなる上に生産性も低いという
問題があった。

【０００９】本発明は、かかる従来の問題を解決すべく
なされたもので、膜質、皮膜の密着性に優れた複合金属
を、成膜速度、プロセスの簡便性、環境低負荷などの要
求特性を全て満足するプロセスによって提供することを
目的とする．

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の複合金属の製造
方法は、基材表面に、非溶融状態の金属粉末を高速に噴
射して、前記基材表面の一部又は全部に前記金属粉末の
塑性変形による金属皮膜又は前記金属粉末と雰囲気ガス
との反応による金属化合物皮膜を形成することを特徴と
している。

【００１１】また、本発明の複合金属部材は、基材表面
の一部又は全部に、高速に噴射された非溶融状態の金属
粉末が、気孔率１０％以下で、圧縮の残留応力を有する
金属皮膜又は金属化合物皮膜が形成されて成ることを特
徴としている。

【００１２】本発明においては、基材に非溶融状態の金
属粉末を高速に噴射すると、初期に基材表面にエロージ
ョンを生じるが、その後基材表面に緻密な金属皮膜が形
成される。この金属皮膜は、エロージョンにより基材の
新生面が得られたところに、衝突による衝撃エネルギー
により、金属粉末が塑性変形及び一部が溶融して形成さ
れるもので高い密着力を有している。また、この方法で
は、コーティングする金属粉末が非溶融状態で高速に噴
射されるので、酸化等熱劣化の影響が小さく、気孔率の
小さい高品位な金属皮膜を形成する。

【００１３】一般的に、本発明においては、基材の金属
と金属粉末とは、次の関係を１つ又は２つ以上有するこ
とが望ましい。（１）金属粉末は、基材よりも低い融点を有する。（２）金属粉末は、基材の硬度よりも低い硬度を有す
る。（３）金属粉末は、基材のヤング率よりも低いヤング率
を有する。

【００１４】上記の条件を１つ以上満足する基材及び金
属粉末を選定した場合には、一層高品位な膜質で、密着
力の高い皮膜を提供することが可能となる。

【００１５】本発明における基材と金属粉末の好ましい
組み合わせとしては、次のような組み合わせが挙げられ
る。（Ａ）（基材）［グループ１］／（金属粉末）［グループ２］（Ｂ）（基材）［グループ３］／（金属粉末）［グループ２］（Ｃ）（基材）［グループ３］／（金属粉末）［グループ１］ただし、［グループ１］：シリコン、チタン、ニッケル、鉄、コ
バルト、パラジウム、白金及びこれらの合金からなる群
より選ばれた１種以上の金属。［グループ２］：アルミニウム、銅、銀、金、錫、亜
鉛、マグネシウム及びこれらの合金からなる群から選ば
れた１種以上の金属。［グループ３］：タングステン、モリブデン、ニオブ、
クロム、ジルコニウム、バナジウム及びこれらの合金か
らなる群より選ばれた１種以上の金属。

【００１６】上記の（Ａ）〜（Ｃ）の組合せの中から基
材と金属粉末を選定することによって、より高品質な膜
質で、密着力の高い皮膜が提供される。ちなみに、（Ｄ）［グループ２］から選ばれた基材に［グループ
１］より選ばれた粉末を高速に噴射して、金属皮膜又は
金属化合物皮膜を形成させた複合金属部材（（基材）
［グループ２］／（金属粉末）［グループ１］）（Ｅ）［グループ２］から選ばれた基材に、［グループ
３］より選ばれた粉末を高速に噴射して、金属皮膜又は
金属化合物皮膜を形成させた複合金属部材（（基材）
［グループ２］／（金属粉末）［グループ３］）（Ｆ）［グループ１］より選ばれた基材に、［グループ
３］より選ばれた粉末を高速に噴射して、金属皮膜又は
金属化合物皮膜を形成させた複合金属部材（（基材）
［グループ１］／（金属粉末）［グループ３］）については、上述した従来の方法よりは幾つかの面で優
れた特長を有するものの（Ａ）〜（Ｃ）の組み合わせを
採用した場合と比較して基材のエロージョン量が多く、
安定した膜厚及び膜質の皮膜が得られにくく、基材と形
成した皮膜の密着力も安定しないものとなる。なお、本
発明においては、金属以外の基材、例えばセラミックス
に対しても金属皮膜や化合物皮膜を形成することが可能
である。

【００１７】本発明により得られる金属皮膜の特性は、
金属粉末の噴射速度、金属粉末の粒径等のコーティング
条件によっても大きく影響される。

【００１８】すなわち、材料の組合せや形成する膜厚に
よっても異なるが、噴射速度としては、常温常圧で、６
０〜６００ｍ／ｓの速度が適当であり、金属粉末の平均
粒径は、０．５〜５００μｍの範囲が適している。

【００１９】噴射速度が６０ｍ／ｓ未満では、粉末が基
板材料に衝突したときのエネルギーが小さく、皮膜が形
成されない領域が生じ、６００ｍ／ｓを超える速度で皮
膜を形成した場合、基板材料のエロージョン摩耗が大き
くなり、安定した膜厚の皮膜がえられにくく、皮膜中の
残留応力が高くなって皮膜の剥離が起こりやすくなる。
また、金属粉末の平均粒径が０．５μｍ未満では、噴射
されたときの衝突エネルギーが小さく、皮膜が形成され
ない領域が生じ、５００μｍを超えると基板材料のエロ
ージョン摩耗が大きくなり、安定した膜厚の皮膜がえら
れにくく、皮膜中の残留応力が高くなり、皮膜の剥離が
起こりやすくなる。

【００２０】本発明における金属粉末の最適噴射速度
は、金属粉末の種類によっても影響を受ける。

【００２１】アルミニウム（融点６６０．４℃）、錫
（融点２３２℃）、亜鉛（融点４１９．６℃）、マグネ
シウム（融点６５１℃）のような融点が１０００Ｋ未満
の金属や合金、銅（融点１０８４．５℃）、金（融点１
０６４．４℃）、銀（融点９６１．９℃）のような延性
金属、チタン（融点１６７５℃）のような活性金属など
からなる金属粉末の場合には、６０ｍ／ｓ以上、６００
ｍ／ｓ以下、シリコン（融点１４１４℃）、ニッケル
（融点１４５５℃）、鉄（融点１５３５℃）、コバルト
（融点１４９４℃）、パラジウム（融点１５５４℃）、
白金（融点１７７２℃）のような融点が１０００Ｋ以
上、２０００Ｋ未満の金属からなる金属粉末の場合には
１８０ｍ／ｓ以上、６００ｍ／ｓ以下、タングステン
（融点３３８７℃）、モリブデン（２６１０℃）、ニオ
ブ（１９５０℃）、クロム（１８９０℃）、ジルコニウ
ム（１８５２℃）、バナジウム（１８９０℃）のような
融点が２０００Ｋ以上の金属からなる金属粉末の場合に
は、３６０ｍ／ｓ以上、６００ｍ／ｓ以下の範囲とする
ことが望ましい。

【００２２】金属粉末を搬送する搬送ガスとしては、空
気、窒素、アルゴン、酸素、ヘリウムからなる群より選
ばれた少なくとも１種を含む搬送ガスが用いられる。搬
送ガスは、金属粉末の特性や、皮膜に要求される純度、
材料組成を考慮して選択される。本発明においては、搬
送ガスとして窒素ガスを用いることにより金属窒化物の
皮膜を、搬送ガスとして酸素ガスを用いることにより金
属酸化物の皮膜を形成することができる。この場合、基
材、好ましくは基材と搬送ガスを含む雰囲気ガスの温度
を１００℃以上に加熱しておくことにより、これらの化
合物皮膜の形成や成膜速度を促進することができる。基
材や雰囲気ガスの温度を４００℃以上にしてもその効果
はほとんど変わらず、かえって操作が難しくなるので、
加熱温度は４００℃以下とすることが望ましい。基材や
搬送ガスの加熱温度は、成膜する膜質、成膜速度、膜厚
等に応じて適宜設定され必要に応じて制御される。

【００２３】このようにして得られる金属皮膜や化合物
（窒化物、酸化物）皮膜は、溶射により形成された金属
皮膜と比べて顕著な特徴を備えている。

【００２４】一般に、溶射による金属皮膜では気孔率を
３０％以下にすることは非常に難しいが、本発明によれ
ば、緻密で表面平滑性に非常に優れた金属皮膜や化合物
皮膜を形成することができる。すなわち、本発明によれ
ば、金属皮膜の形成条件を選択することにより、５００
０倍のＳＥＭで観察しても気孔の存在が認められず、水
銀圧入法で測定しても１％以下の気孔率の緻密な皮膜を
形成することが可能である。また、本発明により形成さ
れた金属皮膜や化合物皮膜は均質であり反応相や粒界は
認められない。このような緻密で均質な皮膜の平均表面
粗さは３０μｍＲａ以下である。また、雰囲気ガスを選
択することにより酸化物の存在量を１０重量％以下、実
質的にゼロとすることもできる。なお、本発明において
は、必要に応じて、皮膜の形成条件を選択することによ
り１０％までの気孔率の皮膜を形成したり、後述するよ
うに、酸化物や窒化物を形成させることも可能である。

【００２５】さらに、溶射による金属皮膜では、冷却時
に皮膜に大きい引っ張りの残留応力が存在し、この引っ
張りの残留応力は皮膜の密着力を低くする方に作用する
が、本発明により形成される金属皮膜や化合物皮膜で
は、熱による影響を実質的に受けないのでこのような引
っ張りの残留応力は形成されない。本発明により形成さ
れたままの金属皮膜や化合物皮膜には、Ｘ線回折・応力
測定装置で測定すると圧縮の残留応力が認められ、この
ため基材に対して１０ＭＰａ以上の高い密着力を有して
いる。この圧縮の残留応力は、必要に応じて熱処理によ
り緩和することができる。

【００２６】本発明は、従来、溶射が適用されていた火
力機器のタービン翼又は燃料電池発電装置の燃料改質器
等への皮膜形成は勿論、従来、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法ある
いはめっき法が適用されていた薄膜の形成にも適用する
ことができる。

【００２７】以上説明したとおり、本発明の複合金属の
製造方法は、常温での衝撃による皮膜形成という画期的
な原理を用いたものであって、本発明によれば、大気中
において常温常圧で基材表面に金属粉末を高速に噴射さ
せて金属皮膜を形成することも可能であり、大気中で皮
膜を形成させた場合でも酸化の影響が少なく、緻密で、
密着性に優れた金属皮膜、化合物皮膜を得ることができ
る。また、窒素雰囲気や酸素含有雰囲気中で窒化膜や酸
化膜を形成させることも可能であり、その応用範囲は極
めて広い。さらに、本発明の方法は極めて簡便かつ低コ
ストであり、排ガス、排水を生成しないので、環境に優
しいプロセスということができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明による実施形態について、
以下の実施例及び比較例を参照して、より具体的に説明
する。

【００２９】［第１の実施の形態］以下に、本発明にお
ける第１の実施の形態を、表１を参照して説明する。φ
５０ｍｍのステンレス鋼板の表面に、平均粒径５０μｍ
のアルミニウム粉末を、室温大気中、２００ｍ／ｓの噴
射速度で吹き付けるショットコーティング法を用いて、
アルミニウム皮膜を約５０μｍの膜厚でコーティングし
た（実施例１）。これとは別に、実施例１と同じφ５０
ｍｍのステンレス鋼の表面に、平均粒径５０μｍのアル
ミニウム粉末を用いて、大気溶射法（比較例１）、アル
ミナイジング法（比較例２）、電気めっき法（比較例
３）により、ほぼ同じ膜厚のアルミニウム皮膜を形成し
た。

【００３０】実施例１及び比較例１〜３について、得ら
れたコーティング皮膜の気孔率、残留応力、皮膜中に含
まれる酸化物量、基板材料と皮膜材料の密着強度、皮膜
の成膜速度、プロセスの簡便性、コスト、耐環境性（環
境低負荷）の評価を行った結果を、表１に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】なお、表中の各特性は、それぞれ次のよう
にして測定したものである（以下、同じ。）。気孔率：水銀圧入法を用いて測定した。残留応力：Ｘ線回折・応力測定装置（特性Ｘ線：Ｃｒ
（Ｋα線）、管電圧３０ｋＶ、管電流３００ｍＡ）を用
いて測定した。密着強度：コーティング皮膜に治具を取り付けて引張試
験を行った。

【００３３】表１の結果から、実施例１は、比較例１〜
３と比べて、得られた皮膜の膜質、基板と皮膜の密着
性、成膜速度、プロセスの簡便性、コスト、耐環境性の
観点から、すぐれた特性を示すことがわかる。これに対
して、比較例１（大気溶射法）は、成膜速度が速く、厚
膜のものまで形成可能であるが、皮膜中の気孔率が高
く、さらに含まれる酸化物の含有量も高く、コーティン
グ効率が低く、コスト高である。また比較例２（アルミ
ナイジング法）、比較例３（電気めっき法）では、安定
した皮膜が得られるが、特別に用意された設備が必要
で、特に環境負荷の面で問題がある。

【００３４】［第２の実施の形態］以下に本発明におけ
る第２の実施の形態について説明する。φ５０ｍｍの炭
素鋼板の表面に、粒径１００μｍの銅粉末を、室温大気
中、３００ｍ／ｓの噴射速度で吹き付けるショットコー
ティング法を用いて、銅皮膜を約５０μｍの膜厚でコー
ティングした（実施例２）。同様に、φ５０ｍｍのタン
グステン合金板に粒径２００μｍのチタン粉末を、室温
大気中、２００ｍ／ｓの噴射速度で吹き付けるショット
コーティング法を用いて、チタン皮膜を約５０μｍの膜
厚でコーティングした（実施例３）。同様に、φ５０ｍ
ｍのモリブデン合金板に粒径１μｍの銀粉末を、室温大
気中、３００ｍ／ｓの噴射速度で吹き付けるショットコ
ーティング法を用いて、銀皮膜を約５０μｍの膜厚でコ
ーティングした（実施例４）。

【００３５】同様に、φ５０ｍｍの黄銅板に粒径１００
μｍのコバルト粉末を、室温大気中、３００ｍ／ｓの噴
射速度で吹き付けるショットコーティング法を用いて、
コバルト皮膜を約５０μｍの膜厚でコーティングした
（実施例５）。同様に、φ５０ｍｍのマグネシウム合金
板に粒径５０μｍのクロム粉末を、室温大気中、４００
ｍ／ｓの噴射速度で吹き付けるショットコーティング法
を用いて、クロム皮膜を約５０μｍの膜厚でコーティン
グした（実施例６）。同様に、φ５０ｍｍの工具鋼板に
粒径１μｍのタングステン粉末を、室温大気中、５００
ｍ／ｓの噴射速度で吹き付けるショットコーティング法
を用いて、タングステン皮膜を約５０μｍの膜厚でコー
ティングした（実施例７）。

【００３６】表２に、各実施例のコーティング皮膜の気
孔率、皮膜中に含まれる金属酸化物含有量、基板材料と
皮膜材料の密着強度、皮膜表面の表面粗さを示す。

【００３７】

【表２】

【００３８】なお、表面粗さ、金属酸化物の重量割合
は、それぞれ次のようにして測定したものである（以
下、同じ。）。表面粗さ：平均表面粗さ（Ｒａ）を測定した。金属酸化物の重量割合：酸素量を燃焼法により求めて金
属酸化物としての重量割合を算出した。

【００３９】表２の結果から、金属基板材料より融点、
硬度、ヤング率のいずれか１条件以上低い金属の粉末を
高速に噴射した実施例においては、皮膜中の気孔率が低
く、密着強度もバラツキなく安定して高い強度を示し、
表面粗さも小さく、酸化物含有量も大幅に少ない皮膜が
得られることがわかる。

【００４０】［第３の実施の形態］本発明における第３
の実施の形態について説明する。この実施の形態では、
本発明における皮膜の形成条件、すなわち、（１）金属粉末の粒径（２）金属粉末の噴射速度（３）基板材料の温度を変えて複数種類の金属皮膜を作製し、これらの形成条
件が得られる金属皮膜に及ぼす影響、特に得られる皮膜
の膜厚及びバラツキに及ぼす影響を調べた。

【００４１】以下に、各条件に関して具体的に設定した
複数種類の形成条件と、その複数種類の形成条件によっ
て形成された金属皮膜を持つ複数種類の試験体の評価結
果について、個別に説明する。

【００４２】（１）コーティング皮膜材料の粉末粒径コーティング皮膜材料の粉末粒径を変えて、第１及び第
２の実施の形態と同じ条件で金属皮膜を形成した場合の
膜厚及び成膜状態を示したものである。ここで用いた粉
末の粒径は、粉末をレーザー回折法により求めた５０％
粒径とした。φ５０ｍｍのステンレス鋼板に粒径１０μ
ｍと３００μｍのアルミニウム粉末を、室温大気中、２
００ｍ／ｓの噴射速度で、一定時間吹き付けて、アルミ
ニウム皮膜をショットコーティングした（実施例８、
９）。

【００４３】同様に、φ３０ｍｍのステンレス鋼板に平
均粒径０．１μｍと１ｍｍのアルミニウム粉末を、室温
大気中、２００ｍ／ｓの噴射速度で、一定時間吹き付け
て、アルミニウム皮膜を形成した（実施例１０、１
１）。図１は、粉末粒径（μｍ）と、膜厚（μｍ）との
関係を示すグラフであり、具体的には基板材料に高速に
噴射する金属皮膜形成材料の粉末粒径と、粉末粒径を変
えたコーティング皮膜の膜厚の測定結果（表３）をグラ
フで示したものである。

【００４４】

【表３】

【００４５】図１から明らかなように、１０μｍ（実施
例８）及び３００μｍ（実施例９）の粒径の金属粉末を
高速に噴射すると、バラツキの小さい膜厚の皮膜が容易
に形成される。これに対して、０．１μｍ（実施例１
０）の粒径の粉末では、高速に噴射されたときの衝突エ
ネルギーが小さく、皮膜が形成されない領域が生じる。
また、１ｍｍ（実施例１１）の粒径の粉末では、基板材
料のエロージョン摩耗が大きくなり、安定した膜厚の皮
膜がえられにくいことがわかる。

【００４６】図１には、ステンレス鋼板にアルミニウム
粉末を高速に噴射したときの結果を示したが、その他の
組合せを用いた場合も同様な結果が見られた。

【００４７】以上のように、基板材料に金属粉末を高速
で吹き付ける皮膜形成方法において、金属粉末の粒径が
０．５μｍ〜５００μｍの場合、高品位な膜質で、密着
力の優れた皮膜が簡便に低コストで提供することができ
る。

【００４８】（２）金属粉末の速度図２は、金属粉末の噴射速度と、金属皮膜の膜厚との関
係を示すグラフであり、具体的には金属粉末の噴射速度
を変えて作製した金属皮膜の膜厚の測定結果（表４）を
グラフで示したものである。

【００４９】

【表４】

【００５０】φ５０ｍｍの炭素鋼板に粒径１００μｍの
銅粉末を、室温大気中、２００ｍ／ｓ（実施例１２）と
４５０ｍ／ｓ（実施例１３）の噴射速度で、一定時間吹
き付けて、シリコン皮膜を形成させた。同様に、φ５０
ｍｍの炭素鋼板に粒径１００μｍの銅粉末を、室温大気
中、３０ｍ／ｓ（実施例１４）と７５０ｍ／ｓ（実施例
１５）の噴射速度で、一定時間吹き付けるショットコー
ティングを用いて、銅皮膜をコーティングした。

【００５１】図２中において、実施例１２乃至１５の金
属皮膜の厚さとバラツキをそれぞれ示す。図２に示す結
果から明らかなように、金属粉末の噴射速度が２００ｍ
／ｓ（実施例１２）及び４５０ｍ／ｓ（実施例１３）の
両方とも、安定した膜質の皮膜形成される。これに対
し、７５０ｍ／ｓで皮膜を形成した場合には、基板材料
の表面がエロージョン摩耗を起こし、所定膜厚の皮膜が
得られにくく、また、皮膜中の残留応力が高くなり、剥
離が起こりやすくなり、３０ｍ／ｓで皮膜を形成した場
合には、速度が遅すぎるため、粉末が基板材料に衝突し
たときのエネルギーが小さく、皮膜が形成されていない
領域が生じ、その部分では膜厚が不均一となっている。

【００５２】以上のように、基板材料に金属粉末を高速
で吹き付ける皮膜形成方法において、金属粉末の噴射速
度が６０〜６００ｍ／ｓで皮膜を形成した場合、所定の
膜厚の皮膜が得られやすく、また、皮膜中の残留応力が
低いため、密着性の高い皮膜が得られる。

【００５３】（３）基板材料の予熱条件図３は、基板材料の予熱の有無と、皮膜の膜厚との関係
を示すグラフであり、具体的には基板材料温度を変えて
作製した皮膜の膜厚の測定結果（表５）をグラフで示し
たものである。

【００５４】

【表５】

【００５５】φ５０ｍｍのタングステン合金を室温のま
ま（実施例１５）と２００℃に加熱したもの（実施例１
６）を準備して、粒径２０μｍのチタン粉末を、大気
中、３００ｍ／ｓの噴射速度で一定時間吹き付けるショ
ットコーティング法を用いて、チタン皮膜をコーティン
グした。同様に、φ５０ｍｍのタングステン合金板を５
００℃に加熱したもの（実施例１７）を準備して、粒径
２０μｍのチタン粉末を、大気中、３００ｍ／ｓの噴射
速度で一定時間吹き付けるショットコーティング法を用
いて、チタン皮膜を形成した。

【００５６】図３に示す結果から明らかなように、基板
材料を加熱したものの方が、厚膜が短時間で形成され、
皮膜中の残留応力が低いため、密着性の高い皮膜が得ら
れることがわかる。また、５００℃に加熱しても、効果
は２００℃の場合とほとんど同じであることがわかる。
このような高温では、材料によっては酸化や熱変質が見
られる場合もある。

【００５７】以上のように、板材料に金属粉末を高速で
吹き付ける皮膜形成方法において、、基板材料を予熱し
た状態で金属粉末を吹き付けると、さらに優れた皮膜が
短時間で、効率よく提供することができる。

【００５８】［第４の実施の形態］本発明における第４
の実施の形態について説明する。この実施の形態は、金
属基材に、金属粉末を高速に噴射するとき、搬送ガスを
含む雰囲気ガスと、基材の温度を制御することによっ
て、金属化合物皮膜を形成させたものであり、具体的に
は、（１）金属酸化物の皮膜を形成させたもの（２）金属窒化物の皮膜を形成させたものについて、複数の形成条件によって複数種類の皮膜を作
製した例である。

【００５９】そして、これらの各条件対象毎に、複数種
類の得られた皮膜の構造をＸ線回折により評価した。以
下に、各条件に関して具体的に設定した複数種類の形成
条件と、その複数種類の形成条件によって形成された皮
膜を持つ複数種類の試験体の評価結果について、個別に
説明する。

【００６０】（１）金属酸化物皮膜実施例１と同様にして、φ５０ｍｍのステンレス鋼板を
６００℃に加熱して、粒径５０μｍのアルミニウム粉末
を、搬送ガスに空気又は酸素ガスを用いて、２００ｍ／
ｓの噴射速度で吹き付けて皮膜を形成した（実施例１
８）。

【００６１】実施例１では、形成された皮膜は金属アル
ミニウムであるのに対し、６００℃に加熱したステンレ
ス鋼に、空気又は酸素ガスを含む搬送ガスを用いて、又
は空気又は酸素ガスを含む雰囲気中で高速に噴射した実
施例１８では、金属酸化物であるアルミナ皮膜が形成さ
れた。

【００６２】（２）金属窒化物皮膜実施例３と同様にして、φ５０ｍｍのタングステン合金
板を６００℃に加熱して、粒径２０μｍのチタン粉末
を、窒素ガスを含む搬送ガス、又は窒素ガスを含む雰囲
気中で、３００ｍ／ｓの噴射速度で吹き付けて皮膜を形
成した（実施例１９）。

【００６３】実施例４では、形成された皮膜は金属チタ
ンであるのに対し、６００℃に加熱したタングステン合
金に、窒素ガスを含む搬送ガスを用いて、又は窒素ガス
を含む雰囲気中で高速噴射した実施例１９では、金属酸
化物である窒化チタン皮膜が形成された。

【００６４】すなわち、金属基材に、金属粉末を高速噴
射するとき、搬送ガスを含む雰囲気ガスと、基板材料の
温度を制御することによって、金属化合物皮膜が形成で
きる。

【００６５】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明のによれば、低コストで高品位な膜質で密着力の高
い皮膜を形成した複合金属製品を成膜速度、プロセスの
簡便性、環境低負荷などの要求特性をバランスよく満足
するプロセスによって提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる皮膜の成膜速度と皮膜の膜厚
の関係を示す図である。

【図２】本発明に係わる複合金属の形成方法における
皮膜材料の粉末粒径と皮膜の膜厚の関係を示す図であ
る。

【図３】本発明に係わる複合金属の形成方法における
基板材料の予熱と皮膜の膜厚の関係を示す図である。

フロントページの続き (72)発明者齋藤正弘神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 4K044 AA01 AA02 AA06 BA02 BA06 BA08 BA10 BA12 BB01 BC01 CA02 CA21 CA25 CA42 CA51

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材表面に、非溶融状態の金属粉末を噴
射して、前記基材表面の一部又は全部に前記金属粉末の
塑性変形による金属皮膜又は前記金属粉末と雰囲気ガス
との反応による金属化合物皮膜を形成することを特徴と
する複合金属の製造方法。
【請求項２】前記金属粉末は、前記基材よりも融点の
低い金属からなることを特徴とする請求項１記載の複合
金属の製造方法。
【請求項３】前記金属粉末は、前記基材の硬度よりも
低い硬度の金属からなることを特徴とする請求項１又は
２記載の複合金属の製造方法。
【請求項４】前記金属粉末は、前記基材のヤング率よ
りも低いヤング率の金属からなることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれか１項記載の複合金属の製造方法。
【請求項５】基材表面に、非溶融状態の金属粉末を、
常温常圧で、かつ６０〜６００ｍ／ｓの速度で噴射し
て、前記基材表面の一部又は全部に金属皮膜又は金属化
合物皮膜を形成することを特徴とする請求項１乃至４の
いずれか１項記載の複合金属の製造方法。
【請求項６】金属粉末の平均粒径が、０．５〜５００
μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか
１項記載の複合金属の製造方法。
【請求項７】前記基材表面に、非溶融状態の金属粉末
を、空気、窒素、アルゴン、酸素、ヘリウムからなる群
より選ばれた少なくとも１種を含む搬送ガスで噴射する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の
複合金属の製造方法。
【請求項８】前記基材は、４００℃を超えない温度に
加熱されていることを特徴とする請求項１乃至７のいず
れか１項記載の複合金属の製造方法。
【請求項９】前記基材表面に、非溶融状態の前記金属
粉末を噴射する際に、前記搬送ガスを含む雰囲気ガス及
び基材の温度を制御することを特徴とする請求項７又は
８記載の複合金属の製造方法。
【請求項１０】１００℃以上に加熱した前記基材表面
に、酸素ガスを含む搬送ガスを用いて及び／又は酸素ガ
スを含む雰囲気中で、非溶融状態の金属粉末を噴射する
ことを特徴とする請求項８又は９記載の複合金属の製造
方法。
【請求項１１】１００℃以上に加熱した基材表面に、
窒素ガスを含む搬送ガスを用いて及び／又は窒素ガスを
含む雰囲気中で、非溶融状態の金属粉末を噴射すること
を特徴とする請求項８又は９記載の複合金属の製造方
法。
【請求項１２】基材表面の一部又は全部に、非溶融状
態の金属粉末の噴射により形成された、気孔率１０％以
下で、圧縮の残留応力を有する金属皮膜又は金属化合物
皮膜が形成されて成ることを特徴とする複合金属部材。
【請求項１３】前記金属皮膜は、前記基材よりも融点
の低い金属からなることを特徴とする請求項１２記載の
複合金属部材。
【請求項１４】前記金属皮膜は、前記基材の硬度より
も低い硬度の金属からなることを特徴とする請求項１２
又は１３記載の複合金属部材。
【請求項１５】前記金属皮膜は、前記基材のヤング率
よりも低いヤング率の金属からなることを特徴とする請
求項１２乃至１４のいずれか１項記載の複合金属部材。
【請求項１６】前記金属皮膜又は前記金属化合物皮膜
の前記基材との密着力が１０ＭＰａ以上であることを特
徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項記載の複合
金属部材。
【請求項１７】前記金属皮膜又は前記金属化合物皮膜
の平均表面粗さが３０μｍＲａ以下であることを特徴と
する請求項１２乃１６のいずれか１項記載の複合金属部
材。
【請求項１８】前記金属皮膜又は前記金属化合物皮膜
に含まれる酸化物量が１０重量％以下であることを特徴
とする請求項１２乃至１７のいずれか１項記載の複合金
属部材。