JP2004360040A

JP2004360040A - Surface-treated member and method for forming thermally sprayed diamond composite film

Info

Publication number: JP2004360040A
Application number: JP2003162279A
Authority: JP
Inventors: Eiji Matsuura; 英次松浦; Norio Arita; 憲生有田; Yoshio Nitta; 好男新田; Hiroyuki Senya; 宏幸千屋; Hiroshi Suzuki; 鈴木　　寛; Yoshihiro Takeyasu; 義博竹保; Masami Okawa; 正巳大川; Tatsuo Hanabusa; 龍雄花房
Original assignee: KYOWA SEIKI KK; MY METALICON KK; Hiroshima Prefecture; Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: KYOWA SEIKI KK; MY METALICON KK; Hiroshima Prefecture; Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To impart at least abrasion resistance to a substrate by forming a thermally sprayed diamond composite film on the surface of the substrate by high-velocity flame spraying. <P>SOLUTION: The surface-treated member has a diamond region where a thermally sprayed film adhered or formed on part or all of the entire surface of the substrate is dispersed in and exposed to its free surface. The method for forming a thermally sprayed diamond composite film comprises thermally spraying metal-coated diamond particles at a high velocity to form the outermost or second outermost layer or an intermediate layer so as to be dispersed in an anchoring manner and allowing the diamond region to expose to the free surface of the outermost layer. In some embodiments, the outermost layer has at least abrasion resistance and is endowed with at least one gradient function selected from among magnetism, electric conductivity, and other physicochemical properties. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材表面に対して高速フレーム溶射によるダイヤモンド複合溶射皮膜を形成して少なくとも耐磨耗性を付与した表面加工部材及びダイヤモンド複合溶射皮膜の形成方法に関する。ここで、表面加工部材は金属材料、無機材料又は有機材料からなる基材（被溶射基材に同じ。）の部分表面又は全表面にダイヤモンド複合溶射皮膜を形成して少なくとも耐磨耗性を付与したダイヤモンド金型、ダイヤモンド工具、ダイヤモンド耐磨耗品その他の表面改質を施した部材をいうものである。なお、成膜は膜（皮膜）形成の意である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ダイヤモンド膜を成長させる基板上に溶射膜を中間層として単層あるいは多層に形成させ、この中間層上にダイヤモンド膜を気相成長させるダイヤモンド被覆方法があった。（例えば、特許文献１を参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−５６５８５号公報（全頁、全図）
【０００４】
また、金属コーティングしたダイヤモンド砥粒と金属結合剤粉末とを混合した溶射材料をプラズマ溶射して砥粒層を形成したダイヤモンド砥石を製造する方法、あるいは仮付基材の上に金属コーティングしたダイヤモンド砥粒を分散させて置着した後、金属結合剤粉末もしくはワイヤをプラズマ溶射してダイヤモンド砥粒を固着（保持）させた砥粒層を形成したダイヤモンド砥石の製造方法があった。（例えば、特許文献２を参照。）
【０００５】
【特許文献２】
特開平４−２１０３８０号公報（全頁、全図）
【０００６】
また、各種の溶射法により、ダイヤモンド粒子の分散を試みた研究報告があった。（例えば、非特許文献１を参照。）
【０００７】
【非特許文献１】
竹保、水成、塚脇：広島県立東部工業技術センター研究報告、第１４号（２００１）、ｐ．３８−４２
【０００８】
さらに、その他の従来技術として、メッキ、気相等の表面処理法と焼結法とで製造されたダイヤモンド製品があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１は、基板上に金属を主体とした高融点・低融点材料を溶射した上に気相ダイヤモンドを形成させるが、この方法は、ダイヤモンド溶射による皮膜形成でなく、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）で、根本的に手法が相違する大きな課題がある。
【００１０】
上記特許文献２は、金属コーティングしたダイヤモンド砥粒と金属結合剤粉末とを混合した溶射材料をプラズマ溶射して、ダイヤモンド砥石を製造する方法だが、ダイヤモンド砥粒と金属結合剤粉末を混合する関係上、ダイヤモンド砥石のダイヤモンド量が大幅に減少すること、さらに最も重要なことはプラズマ溶射のフレームスピード（マッハ１以下）ではダイヤモンドをコーティングしている金属が溶融・酸化し、コーティング内のダイヤモンドにも大きなダメージを与え、ダイヤモンド皮膜を形成できない大きな課題がある。
【００１１】
また、仮付基材上にろう付法によるダイヤモンドの仮付は、作業の困難性、ダイヤモンドとろう材とのぬれ性、あるいはプラズマ溶射時の剥離等、ダイヤモンド含有皮膜を形成せせるには大きな難問があり、工業的レベルでは採用できないとう問題がある。
【００１２】
上記非特許文献１の粉末式フレーム溶射では、ダイヤモンドを被溶射基材への皮膜形成はできず、高速溶射フレームでも、皮膜中にダイヤモンド粒子の分散を確認しているに過ぎず、付着量データを含む溶射条件等を含む確実な付着形成手法の獲得については未解決のままであった。
【００１３】
ここでは、高速フレーム溶射について「大部分の溶射材料は、基材に衝突した瞬間にコートメタルだけが飛散して付着し、むき出しになったダイヤモンド粒子は脱落していると考えられる。」と記載しているように、実用材料としてダイヤモンド金型、ダイヤモンド工具及びダイヤモンド耐摩耗品を製作するまでには至らなかった。
【００１４】
さらに、従来のメッキ法、気相法及び焼結法では、ダイヤモンドの製品化に長時間を要し、大きさや形状が限定され、さらに特殊な雰囲気が必要等、製造コストが高騰する大きな課題がある。
【００１５】
こうしたなかで、本発明者らは、被溶射基材の表面性状、ダイヤモンド粒子、溶射装置及び溶射条件を特定することにより、所望に沿ったダイヤモンド溶射皮膜を形成可能な新技術を開発するに至った。
【００１６】
ここでは、ユーザーがダイヤモンド金型、ダイヤモンド工具及びダイヤモンド耐摩耗品の溶射皮膜厚さ、ダイヤモンド付着率、表面粗さ等を指定すれば、直ちに被溶射基材の表面性状、ダイヤモンド粒子、溶射装置及び溶射条件等を特定させ、高精度のダイヤモンドの溶射皮膜を形成することが可能である。
【００１７】
また、ダイヤモンド粒子を直接、被溶射基材上に溶射することで、従来技術のようにダイヤモンドをろう材で仮付あるいはダイヤモンドと金属粉末との混合粉末等、手間のかかることを不要とするものである。
【００１８】
さらに、新しい優位性として、ダイヤモンド皮膜形成が大気中で即時にできること、被溶射物の形状、大きさに問わないこと、製品を部分的にダイヤモンド皮膜形成ができること等、従来技術では不可能なことが実現できる画期的な手法である。
【００１９】
さらにまた、ダイヤモンド仕上げには労費を重ねることが多いので、この解決法として、ダイヤモンドを溶射後さらに、金属材料、セラミックス材料等を溶射して、複合溶射皮膜を形成させた後、ユーザーの要求する表面粗さまで研磨することができるという利点もある。
【００２０】
本発明は上記知見と成果に基づきなされたものであって、基材表面（被溶射基材の部分表面又は全表面）に対して、高速フレーム溶射によるダイヤモンド複合溶射皮膜を形成して耐磨耗性を付与した表面加工部材及びダイヤモンド複合溶射皮膜の形成方法を提供するものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するために本発明は、基材表面にダイヤモンド複合溶射皮膜を形成することにより少なくとも耐磨耗性を付与した表面加工部材であって、
基材の部分表面又は全表面に対して付着形成又は成膜した溶射皮膜が、その自由表面に分散露出したダイヤモンド領域を有することを特徴とするものである。
【００２２】
また、この表面加工部材を得るためにおこなうダイヤモンド複合溶射皮膜の形成方法であって、基材の部分表面又は全表面に対して単層又は多層の耐磨耗性その他の機能性被覆を施す際に、メタルコートダイヤモンド粒子を高速フレーム溶射して最外層又は最外第２層ないしは中間層を形成してダイヤモンド粒子を投錨的に分散させ、かつ、最外層の自由表面にダイヤモンド領域を露出させることを特徴とするものである。
【００２３】
ここで、機能性被覆が、最外層に対して傾斜機能材料を溶射するものであって、少なくとも耐磨耗性を確保し、かつ、磁性、電導性、耐蝕性その他の物理化学的性質から選択された一又は複数の傾斜機能を付与するための金属、合金、又は炭化物、酸化物、窒化物その他の化合物とする場合がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、上記構成の表面加材において、溶射皮膜が、メタルコートダイヤモンド粒子を高速フレーム溶射することにより形成した単層被覆であって、コートメタル中にダイヤモンド粒子を投錨的に分散させ、かつ、その自由表面にダイヤモンド領域を露出させてなるものである。
【００２５】
また、溶射皮膜が２層又は３層からなる多層被覆であって、メタルコートダイヤモンド粒子を高速フレーム溶射することにより形成した最外層又は最外第２層ないしは中間層にダイヤモンド粒子を投錨的に分散させ、かつ、最外層の自由表面にダイヤモンド領域を露出させてなるものである。
【００２６】
好適には、部分表面又は全表面を下地処理した被溶射基材にメタルコートダイヤモンド粒子を１マッハ以上で高速フレーム溶射することにより成膜され、コートメタル中にダイヤモンド粒子が投錨的に分散した第１皮膜と、第１皮膜上にダイヤモンドとの親和性を有する超硬合金粉末その他の傾斜機能材料を溶射することにより成膜した第２皮膜を積層形成し、第２皮膜を研磨処理して表面粗さを調整するとともに、その自由表面にダイヤモンド領域を平面的に露出するようにしている。
【００２７】
一方、上記構成のダイヤモンド複合溶射皮膜の形成方法において、好適には、以下の処理工程を包含するものである。
（１）被溶射基材の部分表面又は全表面に対してブラスト処理を施し基材表面に凹凸粗面を形成し、かつ、清浄化する下地形成工程。
（２）下地形成面にメタルコートダイヤモンド粒子を１マッハ以上で高速フレーム溶射して第１皮膜を形成する第１の成膜工程。
（３）第１皮膜上にダイヤモンドとの親和性を有する超硬合金粉末その他の機能性材料粉末を溶射して第２皮膜を形成する第２の成膜工程。
（４）第２皮膜を研磨して表面粗さを調整するとともに、その自由表面にダイヤモンド領域を平面的に露出させる研磨仕上げ工程。
【００２８】
上記いずれにおいても、機能性材料粉末は少なくとも耐磨耗性を確保し、かつ、磁性、電導性、耐蝕性その他の物理化学的性質から選択された一又は複数の傾斜機能を付与するための金属、合金、又は炭化物、酸化物、窒化物その他の化合物である。
【００２９】
【実施例】
本発明の一実施例について添付図面を参照して以下説明する。
【００３０】
本実施例では、実用材としてのダイヤモンド金型、ダイヤモンド工具、ダイヤモンド耐磨耗品の製作に関して、ユーザーから溶射材料の皮膜厚さやダイヤモンドの付着率等、条件を指定された場合、要望に応えたダイヤモンド製品の提供を考慮しておこなったものである。以下、製作プロセスを詳細に述べる。
【００３１】
図１にダイヤモンド金型の製作プロセスを示す。
【００３２】
第１ステップは、実験計画法により、被溶射基材の表面性状と溶射条件の要因・水準を決定した後、ダイヤモンドの溶射実験を行い、ダイヤモンドを含有した溶射皮膜（ダイヤモンド複合溶射皮膜に同じ。）を被評価物として溶射材料の歩留、溶射材料の皮膜厚さ及びダイヤモンドの付着率を求める。（ここでは、ダイヤモンド粒子と溶射装置については、同一条件とした。）
【００３３】
第２ステップは、第１ステップの要因・水準と第１ステップの溶射材料の歩留、溶射材料の皮膜厚さ及びダイヤモンドの付着率等との相関図を創作する。
【００３４】
第３ステップは、例えばユーザーが金型へダイヤモンドの溶射を希望する場合、指定された「溶射材料の皮膜厚さやダイヤモンドの付着率」をクリアするため、第２ステップの相関図を用いて被溶射基材の表面性状と溶射条件を選出する。
【００３５】
第４ステップは、持ち込まれた金型の表面を清浄化することと粗面化するため、第３ステップで選出したブラスト材（セラミックス粉体）を用いてブラストする。
【００３６】
第５ステップは、選出した溶射条件と同一条件のダイヤモンド粒子と溶射装置を用いて、テストピース上にダイヤモンドの溶射を行い、ユーザーの要求をクリアしたか調査をする。この調査は必要に応じておこなう選択的なステップであって、所与の条件下で１回おこなっておけばよいものである。
【００３７】
第６ステップは、第５ステップのダイヤモンドの皮膜厚さとダイヤモンドの付着率がクリアしたなら、上述と同様にダイヤモンド溶射を行い、ダイヤモンド金型を製作する。〔表面加工材Ｘ〕
【００３８】
第７ステップは、ユーザーが金型、工具及び耐摩耗品の表面粗さを厳しく求める場合には、ダイヤモンド溶射上に、指定された溶射材料、例えば超硬合金粉末（ＷＣ−Ｃｏ）を溶射し、複合溶射皮膜を形成させる。
【００３９】
第８ステップは、研削砥石によりダイヤモンド複合皮膜を研磨し、ユーザーが希望する表面粗さに仕上げる。〔表面加工材Ｙ〕
【００４０】
実際に取り扱った数値条件とともに述べると、最初に、実験計画法により、溶射基材の表面性状、ダイヤモンド粒子、溶射装置及び溶射条件の要因と水準を決定した。
【００４１】
被溶射基材の表面性状は表面粗さ４μｍ（セラミックス粉体：＃１００でブラスト）と６μｍ（セラミックス粉体：＃４６でブラスト）の２水準とした。
【００４２】
溶射条件の要因と水準は、溶射距離（２００、２５０、３００ｍｍ）、ダイヤモンド粒子供給量（毎分１０、２０、３０ｇ）、溶射ガン移動速度（毎分３０、４０、８０ｍ）とし、溶射パス回数は全て２回とした。
【００４３】
ダイヤモンド粒子は、Ｎｉ−Ｐコーティングダイヤモンド（平均粒度：約２０μｍ、コーティング３μｍ、ダイヤモンド：Ｎｉ−Ｐ体積比＝１：１）を用いた。
【００４４】
溶射装置は、高速フレーム溶射装置とし、フレーム速度毎秒１３００ｍ（マッハ：約４）、酸素流量毎分５０Ｌ、プロピレン流量毎分５０Ｌ、空気流量毎分６０Ｌ及び粉体供給窒素流量毎分５５Ｌとした。
【００４５】
つぎに、上述した条件に従って溶射実験を行い、このデータから図２、図３、図４に示すように、（ａ）表面粗さ、（ｂ）溶射距離、（ｃ）溶射材料供給量及び（ｄ）溶射ガン移動速度（各Ｘ軸）と、各Ｙ軸の溶射材料の歩留〔図２〕、溶射材料の皮膜厚さ〔図３〕及びダイヤモンド付着率〔図４〕との関係をデータプロットした。
【００４６】
ダイヤモンド付着率は、図５の走査電子顕微鏡とＸ線分析装置で解析したダイヤモンド（炭素）の分布画像（図上）を画像処理（図下）して求めるが、測定誤差をなくすため２００倍以下の倍率を用いた。
【００４７】
つぎに、図６、図７、図８に示すように、表面性状・溶射条件（各Ｘ軸）の異なる指標について、各Ｙ軸の溶射材料の歩留〔図６〕、溶射材料の皮膜厚さ〔図７〕及びダイヤモンド付着量〔図８〕との相関図を創出した。
【００４８】
ユーザーから図９のダイヤモンド金型（深絞り用金型）の製作依頼され、溶射皮膜のダイヤモンド付着率を１５％にするよう要望された場合、図８から溶射材料供給量毎分２０ｇ、表面粗さ４μｍ、溶射距離２５０ｍｍ、溶射ガン移動速度毎分４０ｍを選出し、この場合、ダイヤモンド付着量は１４．６％と予想される。
【００４９】
つぎに、溶射前処理として、深絞り用金型（材質：ＳＫＤ１１、硬さ：ＨＲＣ６０、表面粗さ３μｍ）に＃１００のセラミックスブラスト材でブラストし表面粗さ４μｍとした。
【００５０】
つぎに上述したダイヤモンド粒子、溶射装置、溶射条件でテストピースにメタルコートダイヤモンド粒子を溶射し、後述の図１０、図１１、表１により、ダイヤモンドの定性と定量の評価を行い、ユーザーから要望されたダイヤモンド付着率１５％に極めて近いことを確認した。
【００５１】
図１０は、ダイヤモンド複合溶射皮膜の断面図であって、ダイヤモンド、ニッケル（ダイヤモンドのメタルコート材）、金型材料を示すものである。
【００５２】
図１１は、図１０のダイヤモンド、ニッケル及び被溶射基材のスペクトルを示し、それぞれ間違いないことを確認した。
【００５３】
表１は、テストピースのダイヤモンド付着率の測定結果である。ダイヤモンド複合溶射皮膜の表面を走査電子顕微鏡により倍率２００倍で撮影し〔図示省略〕、これを画像処理してダイヤモンドを定量したもので、ダイヤモンド付着率約１５％を得た。
【００５４】
【表１】

【００５５】
ダイヤモンド付着率をクリアしたので、深絞り用金型にテストピースと同条件で溶射し、ダイヤモンド付着率１５％のダイヤモンド金型を製作した。
【００５６】
図１２にダイヤモンドの溶射皮膜の一例であるダイヤモンド工具（エンドミル）、及び図１３に同じくダイヤモンド耐磨耗品（軸付きローラ）を示す。
【００５７】
【発明の効果】
本発明は以上の構成よりなるものであり、これによれば被溶射基材の表面特性、溶射材料、溶射装置、溶射条件を最適化することによって、金属材料、無機材料又は有機材料にダイヤモンドを含有した溶射皮膜（ダイヤモンド複合溶射皮膜）を確実に形成することができる。
【００５８】
また、ユーザーから溶射皮膜の特性を要望された場合、迅速・高品質・低価格に対処できるよう、事前にダイヤモンド皮膜の特性評価を相関図を作成しているので、加工性に関し信頼性を向上できる。
【００５９】
しかも、施工時間は数分間であり、従来のダイヤモンド製造法の１／１０以下に施工時間を短縮できる。
【００６０】
さらに、ダイヤモンド複合溶射皮膜の特性を簡単・迅速に変えることができること、例えば、被溶射基材に第１層目、第２層目、第３層目等多層化した場合、ダイヤモンドの溶射を目的に添った順位で溶射できるので、高機能化が発揮できるという利点がある。
【００６１】
従来のダイヤモンド製品の製造法は、大きさや形状あるいは全面又は部分的にダイヤモンドを施工することは非常に困難であったが、本発明はこれらを全てクリアできることから、用途拡大が期待される。
【００６２】
従来技術では、大きさや形状あるいは全面又は部分的にダイヤモンドを施工すること、例えば、直径×長さが５００×１０００ｍｍの大きなダイヤモンドロールの製作は困難であったが、本発明方法を適用すれば技術的に問題がなく施工でき、ロール寿命を飛躍的に向上させることができるので、有用性や用途拡大の点で産業上有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の一実施例であるダイヤモンド金型の製作プロセスである。
【図２】表面性状・溶射条件と溶射材料の歩留との関係を示すデータプロットである。
【図３】表面性状・溶射条件と溶射材料の皮膜厚さとの関係を示すデータプロットである。
【図４】表面性状・溶射条件とダイヤモンド付着率との関係を示すデータプロットである。
【図５】走査電子顕微鏡とＸ線分析装置によりダイヤモンド領域の解析をおこなった皮膜表面組織の性状を示す図面代用写真である。
【図６】表面性状・溶射条件と溶射材料の歩留との相関図である。
【図７】表面性状・溶射条件と溶射材料の皮膜厚さとの相関図である。
【図８】表面性状・溶射条件とダイヤモンド付着量との相関図である。
【図９】深絞り用のダイヤモンド金型の断面視説明図である。
【図１０】ダイヤモンド複合溶射皮膜の断面組織を示す図面代用写真である。
【図１１】ダイヤモンド複合溶射皮膜のスペクトル１〜３である。
【図１２】ダイヤモンド工具耐磨耗品（エンドミル）の断面視説明図である。
【図１３】ダイヤモンド耐磨耗品（軸付きローラ）の断面視説明図である。
【符号の説明】
１ダイヤモンド（粒子）
２コートメタル
３傾斜機能被覆（機能性材料粉末）
４被溶射基材
Ｘ表面加工材
Ｙ表面加工材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface-treated member having a diamond composite thermal spray coating formed on a substrate surface by high-speed flame spraying to impart at least abrasion resistance and a method for forming a diamond composite thermal spray coating. Here, the surface-processed member is formed with a diamond composite spray coating on a partial surface or the entire surface of a base material (same as a base material to be sprayed) made of a metal material, an inorganic material, or an organic material to impart at least abrasion resistance. Diamond molds, diamond tools, diamond wear-resistant products, and other surface-modified members. In addition, film formation means a film (film) formation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there has been a diamond coating method in which a sprayed film is formed as a single layer or a multilayer as an intermediate layer on a substrate on which a diamond film is grown, and a diamond film is vapor-phase grown on the intermediate layer. (For example, see Patent Document 1)
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-6-56585 (all pages, all figures)
[0004]
Also, a method of manufacturing a diamond grindstone in which an abrasive layer is formed by plasma spraying a sprayed material in which a metal-coated diamond abrasive grain and a metal binder powder are mixed, or a method in which a diamond-coated diamond metal is coated on a temporarily attached base material. There has been a method of manufacturing a diamond whetstone in which an abrasive layer is formed by dispersing and attaching the particles and then plasma-spraying a metal binder powder or wire to fix (hold) the diamond abrasive particles. (See, for example, Patent Document 2)
[0005]
[Patent Document 2]
JP-A-4-210380 (all pages, all drawings)
[0006]
In addition, there have been research reports on attempts to disperse diamond particles by various thermal spraying methods. (For example, see Non-Patent Document 1.)
[0007]
[Non-patent document 1]
Takeho, Minari, Tsukawaki: Hiroshima Prefectural Eastern Technology Center Research Report, No. 14 (2001), p. 38-42
[0008]
Further, as another conventional technique, there has been a diamond product manufactured by a surface treatment method such as plating and vapor phase and a sintering method.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned Patent Document 1, a vapor phase diamond is formed on a substrate by spraying a high melting point material and a low melting point material mainly composed of a metal. This method is not a film formation by diamond spraying but a chemical vapor deposition method. There is a major problem that the method is fundamentally different in (CVD method).
[0010]
Patent Document 2 discloses a method of manufacturing a diamond grindstone by plasma spraying a thermal spray material obtained by mixing a metal-coated diamond abrasive grain and a metal binder powder. However, in view of mixing the diamond abrasive grain and the metal binder powder, In addition, the amount of diamond in the diamond grindstone is greatly reduced, and most importantly, the plasma coating flame speed (Mach 1 or less) melts and oxidizes the metal coating the diamond, and the diamond in the coating is also large. There is a major problem that damage is caused and a diamond film cannot be formed.
[0011]
In addition, the temporary attachment of diamond to the temporary attachment base material by the brazing method is a major difficulty in forming a diamond-containing film, such as difficulty in work, wettability between diamond and brazing material, or separation during plasma spraying. There is a problem that it cannot be adopted at the industrial level.
[0012]
In the powder-type flame spraying of Non-patent Document 1, diamond cannot be formed on the substrate to be sprayed, and even with a high-speed spraying flame, it is only confirmed that diamond particles are dispersed in the film. The acquisition of a reliable adhesion forming method including the thermal spraying conditions including the above has not been solved.
[0013]
Here, a description of high-speed flame spraying is that "most of the sprayed materials are considered to have only the coated metal scattered and attached at the moment of collision with the base material, and the exposed diamond particles have fallen off." As described above, it has not been possible to produce diamond molds, diamond tools and diamond wear-resistant products as practical materials.
[0014]
Furthermore, the conventional plating method, vapor phase method and sintering method require a long time for commercialization of diamond, and are limited in size and shape, and also require special atmospheres. is there.
[0015]
Under these circumstances, the present inventors have developed a new technology capable of forming a diamond sprayed film as desired by specifying the surface properties of the substrate to be sprayed, diamond particles, a spraying device and spraying conditions. Was.
[0016]
Here, if the user specifies the spray coating thickness, diamond adhesion rate, surface roughness, etc. of diamond molds, diamond tools and diamond wear products, the surface properties of the base material to be sprayed, diamond particles, spraying equipment and By specifying the thermal spraying conditions and the like, it is possible to form a high-precision thermal spray coating of diamond.
[0017]
In addition, by spraying diamond particles directly onto the substrate to be sprayed, it is unnecessary to temporarily attach diamond with a brazing material or to use a mixed powder of diamond and metal powder as in the prior art. It is.
[0018]
In addition, new advantages include the ability to immediately form a diamond film in the atmosphere, regardless of the shape and size of the object to be sprayed, and the ability to partially form a diamond film on products. Is a revolutionary method that can be realized.
[0019]
In addition, diamond finishing often involves a lot of labor, and as a solution to this problem, after spraying diamond, further spraying a metal material, ceramic material, etc. to form a composite spray coating, There is also an advantage that polishing can be performed to a desired surface roughness.
[0020]
The present invention has been made based on the above findings and achievements, and abrasion resistance is achieved by forming a diamond composite sprayed coating by high-speed flame spraying on a substrate surface (partial surface or entire surface of the substrate to be sprayed). It is an object of the present invention to provide a surface-treated member provided with a property and a method of forming a diamond composite sprayed coating.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the problem, the present invention is a surface-treated member imparted at least abrasion resistance by forming a diamond composite spray coating on the substrate surface,
The thermal spray coating adhered or formed on the partial surface or the entire surface of the substrate has a diamond region dispersed and exposed on its free surface.
[0022]
A method for forming a sprayed diamond composite film to obtain the surface-treated member, wherein a single-layer or multi-layer wear-resistant or other functional coating is applied to a partial surface or the entire surface of the substrate. A high-speed flame spraying of metal-coated diamond particles to form an outermost layer or an outermost second layer or an intermediate layer to disperse the diamond particles in an anchoring manner and to expose a diamond region on the free surface of the outermost layer. It is characterized by the following.
[0023]
Here, the functional coating sprays the functionally graded material on the outermost layer and ensures at least abrasion resistance, and is selected from magnetism, electrical conductivity, corrosion resistance and other physicochemical properties. Metal, alloy, or carbide, oxide, nitride, or other compound for imparting one or a plurality of graded functions.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The embodiment of the present invention is directed to a surface additive having the above-described structure, in which the thermal spray coating is a single-layer coating formed by high-speed flame spraying of metal-coated diamond particles, and the diamond particles are anchored in the coated metal. It is obtained by dispersing and exposing a diamond region on its free surface.
[0025]
The thermal spray coating is a multilayer coating consisting of two or three layers, and the diamond particles are anchored and dispersed in the outermost layer or the outermost second layer or the intermediate layer formed by high-speed flame spraying of metal-coated diamond particles. And the diamond region is exposed on the free surface of the outermost layer.
[0026]
Preferably, metal-coated diamond particles are formed by high-speed flame spraying at 1 Mach or more on a substrate to be spray-coated having a partial surface or an entire surface undercoated, and the diamond particles are anchor-dispersed in the coated metal. 1 film and a second film formed by spraying a cemented carbide powder having an affinity for diamond or other functionally graded material on the first film to form a laminate, and polishing the second film to form a surface. The roughness is adjusted, and the diamond region is planarly exposed on its free surface.
[0027]
On the other hand, the method for forming a sprayed diamond composite film having the above configuration preferably includes the following processing steps.
(1) A base forming step of performing blast treatment on a partial surface or the entire surface of a substrate to be sprayed to form a roughened surface on the surface of the substrate and cleaning the substrate.
(2) A first film forming step of forming a first film by high-speed flame spraying of metal-coated diamond particles on the underlayer forming surface at 1 Mach or more.
(3) A second film forming step of forming a second film by spraying a cemented carbide powder having an affinity for diamond or other functional material powder on the first film.
(4) A polishing finishing step of polishing the second film to adjust the surface roughness and exposing the diamond region to the free surface in a planar manner.
[0028]
In any of the above, the functional material powder secures at least abrasion resistance, and is a metal for imparting one or more gradient functions selected from magnetism, conductivity, corrosion resistance and other physicochemical properties. , Alloys, carbides, oxides, nitrides and other compounds.
[0029]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0030]
In the present embodiment, a diamond mold, a diamond tool, and a diamond wear-resistant product as practical materials were met in response to a request when a user specified conditions such as a coating thickness of a thermal sprayed material and a diamond adhesion rate. This was done in consideration of the provision of diamond products. Hereinafter, the manufacturing process will be described in detail.
[0031]
FIG. 1 shows a process for manufacturing a diamond mold.
[0032]
In the first step, the surface properties of the substrate to be sprayed and the factors and levels of the spraying conditions are determined by the experimental design method, and then a diamond spraying test is performed, and a diamond-containing sprayed coating (the same as a diamond composite sprayed coating). ) Is evaluated, and the yield of the thermal spray material, the film thickness of the thermal spray material, and the adhesion rate of diamond are determined. (Here, the same conditions were used for the diamond particles and the thermal spraying device.)
[0033]
The second step creates a correlation diagram between the factors and levels of the first step and the yield of the sprayed material in the first step, the coating thickness of the sprayed material, the adhesion rate of diamond, and the like.
[0034]
In the third step, for example, when the user desires to spray diamond on the mold, the spraying is performed by using the correlation diagram of the second step in order to clear the specified “coating thickness of the sprayed material and the adhesion rate of diamond”. Select the surface properties of the substrate and the spraying conditions.
[0035]
In the fourth step, blasting is performed using the blast material (ceramic powder) selected in the third step in order to clean and roughen the surface of the brought-in mold.
[0036]
In the fifth step, diamond is sprayed on the test piece using diamond particles and a spraying device having the same conditions as the selected spraying conditions, and it is investigated whether or not the user's requirements are cleared. This investigation is an optional step performed as needed and need only be performed once under given conditions.
[0037]
In the sixth step, if the diamond film thickness and the diamond adhesion rate in the fifth step are cleared, diamond spraying is performed in the same manner as described above to manufacture a diamond mold. [Surface processing material X]
[0038]
The seventh step is to spray a designated spray material, for example, cemented carbide powder (WC-Co) on diamond spray when the user demands the surface roughness of molds, tools and wear-resistant products strictly. To form a composite thermal spray coating.
[0039]
In the eighth step, the diamond composite film is polished with a grinding wheel to finish the surface roughness desired by the user. [Surface processing material Y]
[0040]
First, the surface properties of the thermal spray substrate, diamond particles, thermal spray equipment and thermal spray conditions and levels were determined by experimental design.
[0041]
The surface properties of the substrate to be sprayed were set to two levels of a surface roughness of 4 μm (ceramic powder: blasted by # 100) and 6 μm (ceramic powder: blasted by # 46).
[0042]
The factors and levels of the spraying conditions are: spraying distance (200, 250, 300 mm), diamond particle supply rate (10, 20, 30 g / min), spray gun moving speed (30, 40, 80 m / min), Were all performed twice.
[0043]
As the diamond particles, Ni—P coated diamond (average particle size: about 20 μm, coating 3 μm, diamond: Ni—P volume ratio = 1: 1) was used.
[0044]
The thermal spraying apparatus was a high-speed flame spraying apparatus, with a flame speed of 1300 m / sec (Mach: about 4), an oxygen flow rate of 50 L / min, a propylene flow rate of 50 L / min, an air flow rate of 60 L / min, and a powder supply nitrogen flow rate of 55 L / min.
[0045]
Next, a thermal spraying experiment was performed according to the above-described conditions, and from this data, as shown in FIGS. 2, 3, and 4, (a) surface roughness, (b) thermal spraying distance, (c) thermal spray material supply amount, and (c) d) Data showing the relationship between the spray gun moving speed (each X axis), the yield of the spray material in each Y axis (FIG. 2), the coating thickness of the spray material (FIG. 3), and the diamond adhesion rate (FIG. 4). Plotted.
[0046]
The diamond adhesion rate is obtained by performing image processing (bottom) on the diamond (carbon) distribution image (top) analyzed by the scanning electron microscope and the X-ray analyzer of FIG. 5, but 200 times or less to eliminate measurement errors. Magnification was used.
[0047]
Next, as shown in FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 8, the yield of the thermal spray material on each Y axis (FIG. 6) and the film thickness of the thermal spray material are shown for different indices of surface properties and thermal spray conditions (each X axis). A correlation diagram between the height (FIG. 7) and the amount of adhered diamond (FIG. 8) was created.
[0048]
When a user requests the production of the diamond mold (deep drawing mold) shown in FIG. 9 and requests that the diamond adhesion rate of the thermal spray coating be 15%, FIG. A thickness of 4 μm, a spraying distance of 250 mm, and a spraying gun moving speed of 40 m per minute were selected.
[0049]
Next, as a pretreatment for thermal spraying, a deep drawing die (material: SKD11, hardness: HRC60, surface roughness: 3 μm) was blasted with a # 100 ceramic blast material to a surface roughness of 4 μm.
[0050]
Next, metal-coated diamond particles are sprayed on a test piece under the above-described diamond particles, a thermal spraying apparatus, and thermal spraying conditions, and qualitative and quantitative evaluations of the diamond are performed according to FIGS. It was confirmed that the diamond adhesion rate was very close to 15%.
[0051]
FIG. 10 is a cross-sectional view of the diamond composite thermal spray coating, showing diamond, nickel (a metal coating material of diamond), and a mold material.
[0052]
FIG. 11 shows the spectra of diamond, nickel and the substrate to be sprayed in FIG.
[0053]
Table 1 shows the measurement results of the diamond adhesion rate of the test piece. The surface of the diamond composite sprayed film was photographed with a scanning electron microscope at a magnification of 200 times (not shown), and this was subjected to image processing to determine the amount of diamond, and a diamond adhesion rate of about 15% was obtained.
[0054]
[Table 1]

[0055]
Since the diamond adhesion rate was cleared, a deep drawing mold was sprayed under the same conditions as the test piece to produce a diamond mold having a diamond adhesion rate of 15%.
[0056]
FIG. 12 shows a diamond tool (end mill), which is an example of a sprayed diamond film, and FIG. 13 shows a diamond wear-resistant product (a roller with a shaft).
[0057]
【The invention's effect】
The present invention has the above-described configuration.According to this, by optimizing the surface characteristics of the base material to be sprayed, the spray material, the spraying device, and the spraying conditions, a diamond is formed on a metal material, an inorganic material, or an organic material. A contained thermal spray coating (diamond composite thermal spray coating) can be reliably formed.
[0058]
In addition, when the user requests the properties of the sprayed coating, a correlation chart is created in advance to evaluate the properties of the diamond coating so that quick, high quality, and low prices can be dealt with, improving reliability in terms of workability. it can.
[0059]
Moreover, the construction time is several minutes, and the construction time can be reduced to 1/10 or less of the conventional diamond manufacturing method.
[0060]
Furthermore, it is possible to easily and quickly change the characteristics of the diamond composite sprayed coating. For example, when the base material to be sprayed is multilayered such as a first layer, a second layer, and a third layer, the purpose is to spray diamond. Since the thermal spraying can be performed in the order according to the above, there is an advantage that a higher function can be exhibited.
[0061]
In the conventional method for producing diamond products, it was very difficult to apply diamond in size, shape, or entire or partial area. However, since the present invention can clear all of them, application expansion is expected.
[0062]
In the prior art, it was difficult to apply diamond to the size, shape, or entire or partial area, for example, it was difficult to manufacture a large diamond roll having a diameter × length of 500 × 1000 mm. Since the construction can be performed without any problem and the roll life can be significantly improved, it is industrially useful in terms of usefulness and expansion of applications.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a process for manufacturing a diamond mold according to an embodiment of the method of the present invention.
FIG. 2 is a data plot showing a relationship between surface properties / spraying conditions and yield of a sprayed material.
FIG. 3 is a data plot showing a relationship between a surface property / spraying condition and a film thickness of a sprayed material.
FIG. 4 is a data plot showing the relationship between the surface texture / spraying conditions and the diamond adhesion rate.
FIG. 5 is a photograph as a substitute of a drawing showing the properties of the surface texture of a film obtained by analyzing a diamond region using a scanning electron microscope and an X-ray analyzer.
FIG. 6 is a correlation diagram between the surface properties / spraying conditions and the yield of the sprayed material.
FIG. 7 is a correlation diagram between surface properties / spraying conditions and a film thickness of a sprayed material.
FIG. 8 is a correlation diagram between the surface texture / spraying condition and the diamond adhesion amount.
FIG. 9 is an explanatory view in cross section of a diamond die for deep drawing.
FIG. 10 is a photograph as a substitute of a drawing, showing a cross-sectional structure of a diamond composite thermal spray coating.
FIG. 11 shows spectra 1 to 3 of the diamond composite thermal spray coating.
FIG. 12 is an explanatory cross-sectional view of a wear-resistant diamond tool (end mill).
FIG. 13 is an explanatory view in cross section of a wear-resistant diamond product (roller with shaft).
[Explanation of symbols]
1 diamond (particle)
2 Coated metal 3 Functionally graded coating (functional material powder)
4 Base material to be sprayed X Surface treatment material Y Surface treatment material

Claims

A surface-treated member having at least abrasion resistance by forming a diamond composite spray coating on the substrate surface,
A surface-processed member characterized in that a sprayed coating adhered or formed on a partial surface or an entire surface of a substrate has a diamond region dispersedly exposed on its free surface.

The thermal spray coating is a single-layer coating formed by high-speed flame spraying of metal-coated diamond particles, wherein the diamond particles are anchor-dispersed in the coated metal, and the diamond region is exposed on its free surface. The surface-treated member according to claim 1, wherein

The thermal spray coating is a multilayer coating of two or three layers, wherein the diamond particles are anchor-dispersed in the outermost layer or the outermost second layer or the intermediate layer formed by high-speed flame spraying of metal-coated diamond particles, and 2. The surface-treated member according to claim 1, wherein the diamond region is exposed on the free surface of the outermost layer.

The outermost layer is a functionally graded coating, and is a metal for ensuring at least abrasion resistance and providing one or more graded functions selected from magnetism, conductivity, corrosion resistance and other physicochemical properties. 4. The surface-treated member according to claim 3, which is an alloy, a carbide, an oxide, a nitride, or another compound.

A surface-treated member having at least abrasion resistance by forming a diamond composite spray coating on the substrate surface,
A first coating in which metal-coated diamond particles are formed by high-speed flame spraying at 1 Mach or more on a substrate to be spray-coated having a partial surface or an entire surface undercoated, and diamond particles are anchor-dispersed in the coated metal; A second film is formed on the first film by spraying a cemented carbide powder having affinity for diamond with a coated metal and other functional material powder, and a second film is formed by lamination. A surface-processed member having a roughness adjusted and a diamond region exposed in a planar manner on a free surface thereof.

The functional material powder secures at least abrasion resistance, and a metal, an alloy, or a metal for imparting one or more gradient functions selected from magnetism, electrical conductivity, corrosion resistance and other physicochemical properties, or The surface-treated member according to claim 4, which is a carbide, an oxide, a nitride, or another compound.

In order to apply a single-layer or multi-layer abrasion resistance or other functional coating to the partial surface or the entire surface of the substrate, metal-coated diamond particles are subjected to high-speed flame spraying to form an outermost layer or an outermost second layer or an intermediate layer. A method for forming a sprayed diamond composite film, comprising forming a layer to disperse diamond particles in an anchoring manner and exposing a diamond region on a free surface of an outermost layer.

A method for forming a sprayed diamond composite film, comprising the following treatment steps for applying a wear-resistant or other functional coating to a substrate.
(1) A base forming step of performing blast treatment on a partial surface or the entire surface of a substrate to be sprayed to form a roughened surface on the surface of the substrate and cleaning the substrate.
(2) A first film forming step of forming a first film by high-speed flame spraying of metal-coated diamond particles on the underlayer forming surface at 1 Mach or more.
(3) A second film forming step of forming a second film by spraying a cemented carbide powder or other functional material powder having an affinity for diamond with a coat metal on the first film.
(4) A polishing finishing step of polishing the second film to adjust the surface roughness and exposing the diamond region to the free surface in a planar manner.

The functional material powder secures at least abrasion resistance, and a metal, an alloy, or a metal for imparting one or more gradient functions selected from magnetism, electrical conductivity, corrosion resistance and other physicochemical properties, or 9. The method for forming a diamond composite spray coating according to claim 8, wherein the method is a carbide, oxide, nitride or other compound.

The method for forming a diamond composite sprayed coating according to any one of claims 6 to 9,
In order to ensure a coating thickness of the thermal spray material of 5 μm or more and a diamond adhesion rate of 5% or more, the coating metal is copper, nickel, iron or an alloy thereof, and the film thickness is 30 μm or less, The surface properties of the substrate to be sprayed, the diamond particles, the thermal spraying device and the thermal spraying conditions were respectively adjusted to the arithmetic average height (hereinafter, surface roughness) of the roughness curve of the substrate to be sprayed, 20 μm or less, and the average particle size of diamond particles, 200 μm or less. The flame speed of the thermal spraying apparatus is set to 1 Mach or more at which a shock diamond wave is generated, the thermal spraying distance is set to 500 mm or less, the diamond particle supply rate is set to 200 g or less per minute, and the parallel moving speed between the base material to be sprayed and the thermal spray gun is set to each time. A method for forming a diamond composite sprayed coating having a thickness of 150 m or less.