JP2004124129A

JP2004124129A - 溶射用粉末

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Publication number: JP2004124129A
Application number: JP2002287169A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Itsukaichi; 五日市　剛; Satoru Osawa; 大澤　悟; Hiroaki Mizuno; 水野　宏昭
Original assignee: Fujimi Inc
Current assignee: Fujimi Inc
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP4346883B2

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れた溶射皮膜を確実に得ることができるとともに、付着効率を向上させることができる溶射用粉末を提供する。
【解決手段】溶射用粉末は、タングステンカーバイドと金属との複合材であるサーメット、あるいは、タングステンカーバイドとタングステンカーバイド以外のセラミックスと金属との複合材であるサーメットからなり、一次粒子の平均粒子径が２．５μｍ以上５μｍ未満であるタングステンカーバイドを５０重量％以上含有する。溶射用粉末を構成する粒子の機械的強度は、１００〜６００Ｎ／ｍｍ^２であることが好ましい。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タングステンカーバイドを主体とするサーメットからなる溶射用粉末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タングステンカーバイドは、硬度が高く優れた耐摩耗性を有しているが、それ単独では溶射することが困難なことから、通常、金属と複合化したサーメット、あるいは、タングステンカーバイド以外のセラミックスとともに金属と複合化したサーメットの形で溶射材として溶射に供される。
【０００３】
特許文献１には、タングステンカーバイドと金属との複合材であるサーメットからなる溶射用粉末として、一次粒子の平均粒子径が１〜７μｍであるタングステンカーバイドを５０重量％以上含有するものが開示されている。特許文献２には、タングステンカーバイドとタングステンカーバイド以外のセラミックスと金属との複合材であるサーメットからなる溶射用粉末として、一次粒子の平均粒子径が５〜２０μｍであるタングステンカーバイドを５０重量％以上含有するものが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−８８３１１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３４３２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に開示される溶射用粉末では、タングステンカーバイドの高耐摩耗性に基づいた耐摩耗性に優れる溶射皮膜を得られない場合があった。また、特許文献２に開示される溶射用粉末は、耐摩耗性に優れる溶射皮膜こそ得られるものの、付着効率が悪いという欠点があった。
【０００６】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、耐摩耗性に優れた溶射皮膜を確実に得ることができるとともに、付着効率を向上させることができる溶射用粉末を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、サーメットからなる溶射用粉末であって、一次粒子の平均粒子径が２．５μｍ以上５μｍ未満であるタングステンカーバイドを５０重量％以上含有することを要旨とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶射用粉末において、前記サーメットがタングステンカーバイドと金属との複合材であることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の溶射用粉末において、前記サーメットがタングステンカーバイドとタングステンカーバイド以外のセラミックスと金属との複合材であることを要旨とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の溶射用粉末において、前記溶射用粉末を構成する粒子の機械的強度が１００〜６００Ｎ／ｍｍ^２であることを要旨とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態について説明する。
【００１１】
本実施形態の溶射用粉末は、タングステンカーバイドと金属との複合材であるサーメットからなる。
溶射用粉末に含まれるタングステンカーバイドの量は、５０重量％以上であり、好ましくは７０重量％以上である。タングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径は、２．５μｍ以上５μｍ未満であり、好ましくは３μｍ以上４μｍ以下である。タングステンカーバイドには、ＷＣ（一炭化一タングステン）とＷ_２Ｃ（一炭化二タングステン）の２種類があるが、好ましいタングステンカーバイドはＷＣである。
【００１２】
一方、溶射用粉末に含まれる金属の量は、５０重量％以下であり、好ましくは３０重量％以下である。溶射用粉末に含まれる金属は、金属単体であっても合金であってもその混合物であってもよい。金属単体としては、例えば、コバルト、ニッケル、鉄及びそれらの混合物が挙げられる。合金としては、例えば、コバルト合金、ニッケル合金、鉄合金及びそれらの混合物が挙げられる。
【００１３】
溶射用粉末を構成する粒子の機械的強度は、１００〜６００Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、２００〜５００Ｎ／ｍｍ^２がより好ましい。前記機械的強度は、粒子の破壊が起こる圧縮荷重から下記の計算式により求められるものであって、例えば島津製作所社製の微小圧縮試験装置「ＭＣＴＥ−５００」を用いて測定される。なお、前記微小圧縮試験装置は、一定速度で増加する圧縮荷重を圧子でもって粒子に加えたときに測定される、圧子の変位量が急激に増加するときの圧縮荷重から粒子の機械的強度を求めるものである。
（粒子の機械的強度）＝２．８×（粒子の破壊が起こる圧縮荷重）／π／（粒子径）^２
溶射用粉末の粒度分布は、溶射時に使用する溶射機の種類や溶射条件に応じて適宜設定することが好ましく、例えば５〜７５μｍ、１０〜４５μｍ、１５〜４５μｍ、２０〜６３μｍ、２５〜７５μｍに設定される。なお、前記粒度分布の下限の値は、レーザ回折式粒度測定機（例えば堀場製作所社製の「ＬＡ−３００」）を用いて求められる値であって、その値以下の粒度を有する粒子の割合が５％以下となる値である。また、前記粒度分布の上限の値は、ロータップ法（ＪＩＳ　Ｒ６００２）で求められる値であって、その値以上の粒度を有する粒子の割合が５％以下となる値である。すなわち粒度分布が５〜７５μｍであれば、レーザ回折式粒度測定機を用いて求められる５μｍ以下の粒子の割合が５％以下であり、ロータップ法で求められる７５μｍ以上の粒子の割合が５％以下であることを示す。
【００１４】
本実施形態の溶射用粉末は、造粒−焼結法により製造される。すなわち、タングステンカーバイド粉末及び金属粉末を適当な分散媒に分散させたスラリーを噴霧造粒法により造粒し、それを焼結した後に解砕、分級することで製造される。ここで使用されるタングステンカーバイド粉末の平均粒子径は、２．５μｍ以上５μｍ未満であり、好ましくは３μｍ以上４μｍ以下である。一方、金属粉末の平均粒子径は、好ましくは１０μｍ以下である。
【００１５】
本実施形態によって得られる効果について、以下に記載する。
・　本実施形態の溶射用粉末によれば、耐摩耗性に優れた溶射皮膜を確実に得ることができる。これは、溶射用粉末に含まれるタングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径が２．５μｍ以上と比較的大きいことが理由と考えられる。一般に、サーメットからなる溶射用粉末を溶射して形成される溶射皮膜では、溶射用粉末中の金属成分がマトリックス相となって、そのマトリックス相に溶射用粉末中のセラミックス粒子が分散した状態となる。このとき、セラミックス粒子のサイズが小さいと、各セラミックス粒子のマトリックス相に対する接触面積が小さくなるため、各セラミックス粒子を溶射皮膜中に保持する力は小さくなる。従って、溶射皮膜に対して摩擦力が加わったときにセラミックス粒子が溶射皮膜から容易に脱落してしまい、溶射皮膜は優れた耐摩耗性を発揮することができない。しかし、タングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径が２．５μｍ以上であれば、各セラミックス粒子のマトリックス相に対する接触面積が比較的大きくなるので、各セラミックス粒子を溶射皮膜中に保持する力もそれに伴って大きくなる。よって、溶射皮膜に対して摩擦力が加わったときのセラミックス粒子の脱落を抑制することができ、その結果、溶射皮膜は、セラミックス粒子の高耐摩耗性に基づいて、優れた耐摩耗性を発揮することができる。
【００１６】
また、セラミックス粒子のサイズが小さいと、溶射中にセラミックス粒子の表面が酸化される度合いが大きくなる。セラミックス粒子の酸化された部分は、溶射皮膜において欠陥部となって溶射皮膜の耐摩耗性を低下させる。しかし、タングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径が２．５μｍ以上であれば、各セラミックス粒子の溶射中の酸化を大幅に抑制することができ、耐摩耗性に優れた溶射皮膜を形成することができる。
【００１７】
・　本実施形態の溶射用粉末によれば、溶射時の付着効率を向上させることができる。これは、溶射用粉末に含まれるタングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径が５μｍ未満であることが理由と考えられる。すなわち、タングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径が過度に大きいと、溶射用粉末が軟化又は溶融してなる溶射粒子が、基材（被溶射体）に衝突した際に、基材に付着しないではね返る傾向が大きくなる。しかし、タングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径が５μｍ未満であれば、溶射粒子のはね返りが抑制されるため、付着効率は向上する。
【００１８】
・　溶射用粉末に含まれるタングステンカーバイドがＷＣ（一炭化一タングステン）であれば、溶射の過程でタングステンカーバイドと金属とが反応することにより化合物相が生成するのを抑制することができ、化合物相の生成による溶射皮膜の特性の低下を抑制することができる。
【００１９】
・　溶射用粉末を構成する粒子の機械的強度が１００Ｎ／ｍｍ^２以上であれば、溶射用粉末が溶射炎中で容易に崩壊し細粒化してしまうことを防ぐことができるため、スピッティングの発生を抑制することができる。また、２００Ｎ／ｍｍ^２以上であればこの効果を一層高めることができる。ここでスピッティングとは、溶融した溶射用粉末が溶射装置の噴射ノズルの内壁に付着・堆積し、その堆積物が脱落し皮膜内部に混入する現象をいう。スピッティングは、溶射用粉末の粒度が比較的小さい時に発生しやすい。これは、粒度が比較的小さい溶射用粉末は溶射中に加熱されやすく、過溶融されることにより噴射ノズルの内壁に付着しやすくなるためである。スピッティングが発生すると、噴射ノズル口が閉塞したり、溶射中にノズル内壁の付着物が脱落して皮膜内部に取り込まれてしまうことがあり、溶射効率が低下することにより溶射皮膜形成の妨げとなったり、溶射皮膜の品質低下の原因となる。
【００２０】
・　溶射用粉末を構成する粒子の機械的強度が６００Ｎ／ｍｍ^２以下であれば、溶射用粉末が溶射炎中で軟化・溶融されやすくなるため、付着効率を高めることができる。また、５００Ｎ／ｍｍ^２以下であればこの効果を一層高めることができる。
【００２１】
・　造粒−焼結法により製造されるサーメットは、球状に近い形状を有し比較的粒度が揃っているため、良好な流動性を備えている。また、多孔質で比表面積が大きく溶融しやすいので溶射効率が高いという利点も有する。従って、本実施形態の溶射用粉末も、これらの利点を有する。
【００２２】
（第２実施形態）
以下、本発明を具体化した第２実施形態について説明する。
本実施形態の溶射用粉末は、タングステンカーバイドとタングステンカーバイド以外のセラミックスと金属との複合材であるサーメットからなる。
【００２３】
溶射用粉末に含まれるタングステンカーバイドの量は、５０重量％以上であり、好ましくは７０重量％以上である。タングステンカーバイドの一次粒子の平均粒子径は、２．５μｍ以上５μｍ未満であり、好ましくは３μｍ以上４μｍ以下である。タングステンカーバイドには、ＷＣ（一炭化一タングステン）とＷ_２Ｃ（一炭化二タングステン）の２種類があるが、好ましいタングステンカーバイドはＷＣである。
【００２４】
溶射用粉末に含まれるタングステンカーバイド以外のセラミックスの量は、好ましくは３０重量％以下である。タングステンカーバイド以外のセラミックスの一次粒子の平均粒子径は、好ましくは０．５μｍ以上５μｍ以下である。タングステンカーバイド以外のセラミックスとしては、例えば、クロムカーバイド、タンタルカーバイド、チタンカーバイド等の金属炭化物が挙げられる。
【００２５】
溶射用粉末に含まれる金属の量は、好ましくは５〜３０重量％である。溶射用粉末に含まれる金属は、金属単体であっても合金であってもその混合物であってもよい。金属単体としては、例えば、コバルト、ニッケル、鉄及びそれらの混合物が挙げられる。合金としては、例えば、コバルト合金、ニッケル合金、鉄合金及びそれらの混合物が挙げられる。
【００２６】
溶射用粉末を構成する粒子の機械的強度は１００〜６００Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、２００〜５００Ｎ／ｍｍ^２がより好ましい。
溶射用粉末の粒度分布は、溶射時に使用する溶射機の種類や溶射条件に応じて適宜設定することが好ましく、例えば５〜７５μｍ、１０〜４５μｍ、１５〜４５μｍ、２０〜６３μｍ、２５〜７５μｍに設定される。
【００２７】
本実施形態の溶射用粉末は、造粒−焼結法により製造される。すなわち、タングステンカーバイド粉末、タングステンカーバイド以外のセラミックス粉末及び金属粉末を適当な分散媒に分散させたスラリーを噴霧造粒法により造粒し、それを焼結した後に解砕、分級することで製造される。ここで使用されるタングステンカーバイド粉末の平均粒子径は、２．５μｍ以上５μｍ未満であり、好ましくは３μｍ以上４μｍ以下である。タングステンカーバイド以外のセラミックス粉末の平均粒子径は、好ましくは０．５μｍ以上５μｍ以下である。金属粉末の平均粒子径は、好ましくは１０μｍ以下である。
【００２８】
本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
・　前記実施形態では溶射用粉末を造粒−焼結法により製造したが、焼結−粉砕法、すなわち、タングステンカーバイド粉末（及びタングステンカーバイド以外のセラミックス粉末）と金属粉末とを混合し圧縮成型してから焼結し、得られた焼結体を機械的に粉砕した後に分級する方法で製造するようにしてもよい。
【００２９】
・　前記実施形態の溶射用粉末に自溶合金等の金属粉末を混合してもよい。前記実施形態の溶射用粉末と金属粉末を混合したものも、溶射材として使用することができ、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
【実施例】
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１〜７及び比較例１〜４）
タングステンカーバイドを８８重量％及びコバルトを１２重量％含有するサーメットからなる溶射用粉末を、高速フレーム溶射機（ＰＲＡＸＡＩＲ／ＴＡＦＡ社製ＪＰ−５０００）を用いて、基材（ＳＳ４００鋼板）上に溶射して３００μｍ厚の溶射皮膜を作製した。このときの溶射条件は以下の通りである。酸素流量：１９００ｓｃｆｈ（８９３ｌ／ｍｉｎ）、灯油流量：５．１ｇｐｈ（０．３２ｌ／ｍｉｎ）、溶射距離：３８０ｍｍ、バレル：８インチ（約２００ｍｍ）、溶射用粉末供給量：７５ｇ／ｍｉｎ
作製した溶射皮膜について、ＪＩＳ　Ｈ８６８２−１に準拠して摩耗試験を行なった。すなわち、スガ摩耗試験機を用い、研磨紙（ＣＰ１８０（ＵＳ　ＣＡＭＩ規格））によって荷重３．１５ｋｇｆ（≒３１Ｎ）で溶射皮膜の表面を摩擦した。そのときの摩耗体積が、ＳＳ４００鋼板で同様の摩耗試験を行なったときの摩耗体積を１としたときに０．０２０未満のものを◎、０．０２０以上０．０３０未満のものを○、０．０３０以上０．０４０未満のものを△、０．０４０以上のものを×と評価した。その結果を表１に示す。
【００３１】
また、次の式に従って算出される付着効率が４３％以上のものを○、３８％以上４３％未満のものを△、３８％未満のものを×と評価した。その結果も表１に示す。付着効率〔％〕＝｛（溶射後の基材の重量−溶射前の基材の重量）／溶射に使用した溶射用粉末の重量｝｝×１００
さらに、スピッティングに関して評価するべく、上記溶射条件にて１０分間及び３０分間の連続溶射を行った後に溶射機の噴射口ノズル内壁に対する溶射用粉末の付着状態を観察した。そして、３０分間連続溶射した後であっても溶射用粉末の付着が認められなかったものを◎、１０分間連続溶射した後では付着が認められなかったが３０分間連続溶射した後には付着が認められたものを○、１０分間連続溶射した後に付着が認められたものを△、１０分間連続溶射する間に噴射口ノズル内壁から堆積物の脱落が観察されたものを×と評価した。その結果も表１に示す。
【００３２】
【表１】

上記表１及び下記表２，３に示す「総合評価」は、耐摩耗性に関する評価の◎を５０点、○を４０点、△を２０点、×を０点とし、付着効率に関する評価の○を３０点、△を１５点、×を０点とし、スピッティングに関する評価の◎を２０点、○を１５点、△を１０点、×を０点としたときに、その合計が１００点のものを◎、９０点以上９９点以下のものを○、６５点以上８９点以下のものを△、６４点以下のものを×と評価したものである。
【００３３】
（実施例８〜１４及び比較例５〜８）
タングステンカーバイドを８６重量％、コバルトを１０重量％及びクロムを４重量％含有するサーメットからなる溶射用粉末を、高速フレーム溶射機（ＰＲＡＸＡＩＲ／ＴＡＦＡ社製ＪＰ−５０００）を用いて、基材（ＳＳ４００鋼板）上に溶射して３００μｍ厚の溶射皮膜を作製した。このときの溶射条件は、酸素流量を１８５０ｓｃｆｈ（８７０ｌ／ｍｉｎ）、灯油流量を６．０ｇｐｈ（０．３８ｌ／ｍｉｎ）に変更した点を除いては実施例１〜７及び比較例１〜４の場合と同じである。
【００３４】
作製した溶射皮膜について、ＪＩＳ　Ｈ８６８２−１に準拠して摩耗試験を行なった。すなわち、スガ摩耗試験機を用い、研磨紙（ＣＰ１８０（ＵＳ　ＣＡＭＩ規格））によって荷重３．１５ｋｇｆ（≒３１Ｎ）で溶射皮膜の表面を摩擦した。そのときの摩耗体積が、ＳＳ４００鋼板で同様の摩耗試験を行なったときの摩耗体積を１としたときに０．０２５未満のものを◎、０．０２５以上０．０３５未満のものを○、０．０３５以上０．０４５未満のものを△、０．０４５以上のものを×と評価した。その結果を表２に示す。
【００３５】
また、次の式に従って算出される付着効率が３８％以上のものを○、３３％以上３８％未満のものを△、３３％未満のものを×と評価した。その結果も表２に示す。付着効率〔％〕＝｛（溶射後の基材の重量−溶射前の基材の重量）／溶射に使用した溶射用粉末の重量］｝×１００
さらに、上記溶射条件にて１０分間及び３０分間の連続溶射を行った後に溶射機の噴射口ノズル内壁に対する溶射用粉末の付着状態を観察し、先に記載した判定基準に従ってスピッティングに関して評価した。その結果も表２に示す。
【００３６】
【表２】

（実施例１５〜２１及び比較例９〜１２）
タングステンカーバイドを７３重量％、クロムカーバイドを２０重量％及びニッケルを７重量％含有するサーメットからなる溶射用粉末を、高速フレーム溶射機（ＰＲＡＸＡＩＲ／ＴＡＦＡ社製ＪＰ−５０００）を用いて、基材（ＳＳ４００鋼板）上に溶射して３００μｍ厚の溶射皮膜を作製した。このときの溶射条件は、実施例１〜７及び比較例１〜４の場合と同じである。
【００３７】
作製した溶射皮膜について、ＪＩＳ　Ｈ８６８２−１に準拠して摩耗試験を行なった。すなわち、スガ摩耗試験機を用い、研磨紙（ＣＰ１８０（ＵＳ　ＣＡＭＩ規格））によって荷重３．１５ｋｇｆ（≒３１Ｎ）で溶射皮膜の表面を摩擦した。そのときの摩耗体積が、ＳＳ４００鋼板で同様の摩耗試験を行なったときの摩耗体積を１としたときに０．０３５未満のものを◎、０．０３５以上０．０４５未満のものを○、０．０４５以上０．０５５未満のものを△、０．０５５以上のものを×と評価した。その結果を表３に示す。
【００３８】
また、次の式に従って算出される付着効率が４０％以上のものを○、３６％以上４０％未満のものを△、３６％未満のものを×と評価した。その結果も表３に示す。付着効率〔％〕＝｛（溶射後の基材の重量−溶射前の基材の重量）／溶射に使用した溶射用粉末の重量］｝×１００
さらに、上記溶射条件にて１０分間及び３０分間の連続溶射を行った後に溶射機の噴射口ノズル内壁に対する溶射用粉末の付着状態を観察し、先に記載した判定基準に従ってスピッティングに関して評価した。その結果も表３に示す。
【００３９】
【表３】

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
【００４０】
・　サーメット粉末と金属粉末との混合物からなる溶射用粉末であって、前記サーメット粉末は、一次粒子の平均粒子径が２．５μｍ以上５μｍ未満であるタングステンカーバイドを５０重量％以上含有することを特徴とする溶射用粉末。このようにしても、耐摩耗性に優れた溶射皮膜を確実に得ることができるとともに、付着効率を向上させることができる。
【００４１】
（定義）
・　タングステンカーバイド及びそれ以外のセラミックスの一次粒子の平均粒子径は、フィッシャーサブシーブサイザー（ＦＳＳＳ）法により測定される平均粒子径をいう。
【００４２】
・　金属粉末の平均粒子径は、レーザ回折式粒度測定機（例えば堀場製作所社製の「ＬＡ−３００」）により測定される平均粒子径をいう。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、耐摩耗性に優れた溶射皮膜を確実に得ることができるとともに、付着効率を向上させることができる溶射用粉末を提供しうる。

Claims

サーメットからなる溶射用粉末であって、一次粒子の平均粒子径が２．５μｍ以上５μｍ未満であるタングステンカーバイドを５０重量％以上含有することを特徴とする溶射用粉末。
前記サーメットがタングステンカーバイドと金属との複合材であることを特徴とする請求項１に記載の溶射用粉末。
前記サーメットがタングステンカーバイドとタングステンカーバイド以外のセラミックスと金属との複合材であることを特徴とする請求項１に記載の溶射用粉末。
前記溶射用粉末を構成する粒子の機械的強度が１００〜６００Ｎ／ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の溶射用粉末。