JP2006002253A - 複合粉末および耐摩損皮膜 - Google Patents

Abstract

【課題】 複合粉末および耐摩損皮膜を提供する。
【解決手段】 複合粉末は、約２０重量％から約５５重量％のＦｅと約４５重量％から約８０重量％のＭｏとを含むＦｅＭｏ系第１粉末を含んでいる。この複合粉末は、ＦｅＭｏ系第１粉末と混合されたアルミニウム青銅系第２粉末も含んでいる。
【選択図】 なし

Description

本明細書は一般に複合粉末に関し、より詳しくは、複合粉末供給原料と、構成部材上に耐摩損皮膜を施す方法とに関する。

摩損とは２つの金属表面間の摩擦の結果として生じる状態であり、例えば摺動接触している２つの構成部材の係合表面において見出される。摩擦で発生する熱によって、それら金属表面間に局所的溶着および金属移行が起こることがある。この局所的溶着および金属転移の影響により、接触する金属表面の表面形状が粗くなる。粗くなった表面はさらに大きな摩擦を引き起こし、さらなる摩損の一因となり、最終的には容認不可能な性能低下あるいは摺動する構成部材の破損をもたらすこともある。

係合する構成部材の摺動面に付加的な耐磨耗性を付与する一つの方法には、摺動する構成部材の表面硬度を増すことを含めてもよい。そのような硬度の増大により構成部材の耐磨耗性が増す一方、より硬い材料は摺動面間の摩擦を有効に低下させるのに十分な潤滑性に欠けることがある。そのため、なおも摩損が生じることがある。

ある用途では、係合する構成部材の摺動面間に相対的に柔軟な金属の潤滑層を加えることにより摩損を最小限にするか回避してもよい。しかしながら単に摺動面に柔軟な金属層を加えることは、ある用途に関しては不適切になるかもしれない。例えば、多くの摺動する構成部材が作用するのは、高温、高軸受荷重を含む過酷な環境においてである。そのためある用途に関しては、高い潤滑性と特定の環境条件の組合せに耐えるのに十分な硬度とを含む特性の組合せを示す耐摩損皮膜が必要になることがある。そのような皮膜を形成することは困難な場合があり、望ましい物理的特性の組合せを実現するために複数の構成成分を使用することが含まれる場合もある。

高橋らに付与された米国特許公報（特許文献１）は、材料の組合せを用いて、摺動する構成部材の皮膜を形成する方法および装置が記載されている。具体的には、米国特許公報（特許文献１）には、鉄系の粉末とアルミ系の粉末とを別々にプラズマ溶射装置に供給する混合粉末プラズマ溶射技術が記載されている。（特許文献１）の方法では、これらの粉末がプラズマ噴霧中で溶融され表面皮膜として共に溶着する。

米国特許公報（特許文献１）の方法は適切な耐摩損皮膜を潜在的に形成可能かもしれないが、この方法にはいくつかの短所がある。例えば、鉄系とアルミ系の構成成分を別々にプラズマ溶射装置に供給するには、所望の皮膜を形成するため必要な異なる物質の正確な比率と送り速度とを制御するための複雑な機構が必要となる。また米国特許公報（特許文献１）のプラズマ溶射技術は低密度で高レベルの酸化を伴った皮膜を形成しやすく、その結果、皮膜が脆くなることがある。さらに、米国特許公報（特許文献１）のプラズマ溶射方法により形成された皮膜は、プラズマ溶射溶着皮膜の高い多孔率と引張残留応力により接着強さが低くなるおそれがある。

米国特許第６，５４４，５９７号明細書

開示された皮膜および方法は上記問題のうち１つ以上を克服することを目的としている。

ある形態では、本明細書は約２０重量％から約５５重量％のＦｅと、約４５重量％から約８０重量％のＭｏとを含むＦｅＭｏ系第１粉末を含む複合粉末に関する。この複合粉末は、ＦｅＭｏ系第１粉末と混合されたアルミニウム青銅系第２粉末も含んでいる。

別の形態では、本明細書は耐摩損皮膜を形成する方法に関する。この方法は、ＦｅＭｏ系粉末とアルミニウム青銅粉末との混合物を含む複合粉末供給原料を得ることと、この複合粉末供給原料を溶着装置に供給することとを含んでもよい。この溶着装置を用いて、耐摩損皮膜を下地上に溶着してもよい。

別の形態では、本明細書は少なくとも１つの磨耗面を有する下地を含む耐摩損構成部材に関する。この少なくとも１つの磨耗面上に少なくとも部分的に皮膜を溶着してもよく、この皮膜は約８重量％から約５５重量％のＦｅと、約１５重量％から約８０重量％のＭｏと、約８重量％から約６０重量％のＣｕと、約０．５重量％から約１５重量％のＡｌとを含んでもよい。

本明細書は下地上に耐摩損皮膜を施すための供給原料および溶着方法に関する。本明細書はまた耐摩損皮膜を有する様々な構成部材に関する。

前記供給原料は、例えば高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）装置や爆発銃（Ｄガン）装置などの溶着装置に供給可能な任意の材料を含んでいてもよい。前記供給原料は、２種類以上の構成成分を有する複合粉末を含んでもよい。ある実施形態では、複合粉末は銅系の粉末と混合された鉄系の粉末を含んでもよい。鉄系の粉末は例えばＦｅＭｏ系粉末を含んでもよく、銅系の粉末はアルミニウム青銅系粉末を含んでもよい。

アルミニウム青銅系粉末に対するＦｅＭｏ系粉末の比率は、溶着した耐摩損皮膜における物理的特性の望ましい組合せを実現する上での主要因となることがある。ある例示的な実施形態では、ＦｅＭｏ系粉末は複合粉末の約２５重量％から約９９重量％を占めてもよく、アルミニウム青銅系粉末は複合粉末の約１重量％から約７５重量％を占めてもよい。別の実施形態では、ＦｅＭｏ系粉末は複合粉末の約７０重量％から約９５重量％を占めてもよく、アルミニウム青銅系粉末は複合粉末の約５重量％から約３０重量％を占めてもよい。さらに別の実施形態では、ＦｅＭｏ系粉末は複合粉末の約４０重量％から約７０重量％を占めてもよく、アルミニウム青銅系粉末は複合粉末の約３０重量％から約６０重量％を占めてもよい。

さらに、ＦｅＭｏ系粉末構成成分に含まれるＦｅおよびＭｏの百分比を変化させてもよい。ある実施形態では、ＦｅＭｏ系粉末は約２０重量％から約５５重量％のＦｅと、約４５重量％から約８０重量％のＭｏとを含んでもよい。別の実施形態では、ＦｅＭｏ系粉末は約２５重量％から約３５重量％のＦｅと、約６５重量％から約７５重量％のＭｏとを含んでもよい。ＦｅＭｏ系粉末構成成分は所望の用途に応じて小さい百分比で他の元素を含んでもよい。

開示された供給原料を製造するため様々なアルミニウム青銅系原料を使用してもよい。ある実施形態では、アルミニウム青銅系粉末は約８０重量％から約９５重量％のＣｕと、約５重量％から約２０重量％のＡｌとを含んでもよい。アルミニウム青銅系粉末は小さい比率で他の元素を含んでもよい。例えば、アルミニウム青銅系粉末は約２重量％未満のＦｅを含んでもよい。

開示された複合粉末供給原料は、選択された溶着技術で使用するのに適した任意の平均粒度を有してよい。ある例示的な実施形態では、ＦｅＭｏ系粉末およびアルミニウム青銅系粉末の構成成分を含む複合粉末は約７０ミクロン未満の平均粒度を有してもよい。

本明細書と一致する耐摩損皮膜は、様々な異なる技術を用いて作製することができる。ある方法では、「スルザー・メテコ・ダイヤモンド・ジェット（Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｊｅｔ）（登録商標）２７００」などのＨＶＯＦ装置を用いて下地材料上に耐摩損皮膜を溶着させてもよい。別の方法では、Ｄガン装置を用いて耐摩損皮膜を溶着させてもよい。そのような溶着方法は、ＦｅＭｏ系粉末とアルミニウム青銅粉末との混合物を含む複合粉末供給原料を得ることと、溶着装置（例えばＨＶＯＦまたはＤガン装置）に複合粉末供給原料を供給することとを含んでもよい。この溶着装置を用いて、主にＦｅ、Ｍｏ、ＣｕおよびＡｌを含む耐摩損皮膜を下地上に溶着させてもよい。前記下地材料は事実上、任意の金属または金属構成部材であってよい。しかし、ある種の用途では、下地は非金属材料でもよいものと考えられる。

ＨＶＯＦは、様々な技術を用いて達成される高い溶射速度を含む熱溶着技術である。ある方法では、プロピレン、プロパン、水素、天然ガスなどの燃料ガスが酸素と組み合わされる。この混合された燃料ガスおよび酸素ガスはＨＶＯＦガンのノズルから射出され、ガンの外側で着火される。窒素をキャリヤガスとして用いて粉末状の皮膜供給原料をガンを通して外へ軸方向に送ってもよい。着火されたガスは、ガンから出てワークピースの表面まで送られる際、粉末状の溶射材料を包囲して均一に加熱する円形の火炎形状を形成する。ＨＶＯＦプロセスによって粒子に高い運動エネルギーが伝達される結果として、皮膜材料は完全に溶融させる必要はない。その代わりに粉末粒子は、下地表面に衝突する際に塑性的に平坦化するように、溶融状態または半溶融状態にしてもよい。

Ｄガンは基本的に、ガスおよび供給原料粉末のための入口弁を有する水冷式の長い銃身を備えている。酸素および燃料（例えばアセチレン）は１回分の粉末とともに銃身内に供給される。ガス混合物に点火するために火花を用いてもよく、その結果生じる爆発により、ガンの銃身内で粉末が加熱されるとともに超音速まで加速される。加熱された粉末粒子の超音速流を下地の表面に向けることによって皮膜を下地に溶着させてもよい。各爆発後に銃身を浄化するために窒素のパルスを用いてもよい。この爆発プロセスは毎秒多数回反復してもよい。

開示された溶着方法には他の工程を含めてもよい。例えばグリットブラスチングによって溶着前に下地の１以上の面を清掃してもよい。さらに、耐摩損皮膜に１以上の付加的な皮膜を加えてもよい。ある実施形態では、構成部材表面の摩擦係数を潜在的に低下させるか、あるいは調節するためのオーバレイヤ皮膜（例えばバビット合金層）を耐摩損皮膜上に溶着させてもよい。そのようなオーバレイヤは、スズ、鉛、アンチモン、および所望の表面特性を実現するための他の材料のうち少なくとも１つを含んでもよい。

開示された複合粉末供給原料は、望ましい耐摩損皮膜を実現するため適切な溶着装置とともに使用してもよい。上記のように、ＨＶＯＦおよびＤガン溶着装置を用いてこれらの皮膜を溶着させてもよい。ＨＶＯＦおよびＤガンによるプロセスにより、他の溶着技術と比較して高い密度、高い接着強さの値、低い酸化レベルを備えもつ皮膜を作製できる。さらに、この複合粉末供給原料によれば、溶着装置に送られる複数種の供給原料の送り速度および比率を制御する必要を省くことにより溶着プロセスを簡略化することができる。

前記複合粉末供給原料の各々の構成成分は前記耐摩損皮膜により実現される物理的特性の望ましい組合せに寄与するものであってもよい。例えば、ＦｅＭｏ構成成分は皮膜の全体的な硬度および耐磨耗性に寄与するものであり得る。他方、アルミニウム青銅成分は皮膜の潤滑性およびかじり抵抗に寄与するものであり得る。複合粉末供給原料の開示された量によるＦｅＭｏおよびアルミニウム青銅成分が組み合わさると、磨耗および荷重に起因する損傷に耐えるのに十分な硬度を有する潤滑性の耐摩損皮膜が得られる。

開示された耐摩損皮膜は、摩損にも耐える硬い耐磨耗性の表面から利益を得る適切な下地に適用することができる。そのような下地は、少なくとも１つの磨耗面（すなわち、同一または異なる構成部材の別の表面との接触により摩擦を生じうる表面）を有する様々な構成部材を含むものでもよい。開示された皮膜は磨耗面の一部分上に配置してもよく、あるいは構成部材の磨耗面を実質的に覆うものでもよい。開示された耐摩損皮膜の適用から利益を得る１つ以上の磨耗面を有する構成部材には、機械エンジンまたはドライブトレインに見られる構成部材を含む様々な金属構成部材を含むものもある。あるそのようなドライブトレイン構成部材にはスラストボタンが含まれ、これは機械の最終ドライブギヤとアクスルとの間に配置可能な部品である。

開示されたＨＶＯＦにより溶着される耐摩損皮膜には、いくつかの望ましい特性をもたせることができる。例えば、ＨＶＯＦにより作製された皮膜はＤガンプロセスにより作製された皮膜と類似しており、高密度、強靭で、低い引張残留応力を示すものがある。ある場合には、これらの皮膜は残留圧縮応力を有してもよく、これは溶着された皮膜の高い引張接着強さ特性に寄与するものである。このようにして、低い引張残留応力あるいは残留圧縮応力の存在により、他の溶着方法で可能な厚さよりも厚い皮膜が実現可能となる。さらに、開示されたＨＶＯＦ技術における粉末粒子の運動エネルギーは高いので、供給原料の粉末粒子が下地表面と衝突した際に完全に溶融しなくても、高密度で強靭な皮膜を作製することができる。

開示された技術により溶着された皮膜は、それら皮膜を作製するために使用された複合粉末供給原料と化学的に関連していてもよい。ある例示的な実施形態では、皮膜は約８重量％から約５５重量％のＦｅと、約１５重量％から約８０重量％のＭｏと、約８重量％から約６０重量％のＣｕと、約０．５重量％から約１５重量％のＡｌとを含んでもよい。

溶着された皮膜は摩損に抗する一方で、相対的に高い硬度および引張接着強さの値を有し得る。例えば、それら皮膜は５００グラムの荷重を使用した場合に約３３０から約５５０の間のクノープ硬さの値を有してもよい。他の実施形態では、それら皮膜は５００グラムの荷重を使用した場合に約３４０から約３８０の間のヌープ（Knoop）硬さの値を有してもよい。さらに、それら皮膜は少なくとも８０００ｐｓｉの引張接着強さを示してもよい。他の実施形態では、それら皮膜は少なくとも１０，０００ｐｓｉの引張接着強さを有してもよい。

開示された耐摩損皮膜は１以上のオーバレイヤ皮膜を有してもよい。これらのオーバレイヤ皮膜はスズ、鉛、アンチモンのうち少なくとも１つを含んでもよい。しかしながら、所望の表面特性の組合せに応じてこのオーバレイヤには任意の適切な材料を用いてもよい。

開示された実施形態に対して本発明の範囲を逸脱することなく様々な修正および変更をなしうることは当業者には明らかであろう。またここに開示された本発明の明細書および実施を考慮することにより、本発明の他の実施形態も当業者には明らかであろう。本明細書および例は単なる例示と見なすべきであり、本発明の厳密な範囲は特許請求の範囲およびそれらの同等物によって示されるものと解される。

Claims (5)

1. 約２０重量％から約５５重量％のＦｅと約４５重量％から約８０重量％のＭｏとを含むＦｅＭｏ系第１粉末と、
   ＦｅＭｏ系第１粉末と混合されたアルミニウム青銅系第２粉末と
   を含む複合粉末。
2. ＦｅＭｏ系第１粉末が複合粉末の約２５重量％から約９９重量％を構成しており、アルミニウム青銅系第２粉末が複合粉末の約１重量％から約７５重量％を構成している、請求項１に記載の複合粉末。
3. ＦｅＭｏ系粉末とアルミニウム青銅粉末との混合物を含む複合粉末供給原料を得る工程と、
   複合粉末供給原料を溶着装置に供給する工程と、
   耐摩損皮膜を下地上に溶着する工程と
   を含む耐摩損皮膜の形成方法。
4. 少なくとも１つの磨耗面を有する下地と、
   少なくとも１つの磨耗面上に少なくとも部分的に溶着された皮膜と
   を含む耐摩損構成部材であって、
   皮膜が約８重量％から約５５重量％のＦｅと、約１５重量％から約８０重量％のＭｏと、約８重量％から約６０重量％のＣｕと、約０．５重量％から約１５重量％のＡｌとを含む、耐摩損構成部材。
5. 構成部材がスラストボタンであり、皮膜が少なくとも８０００ｐｓｉの引張接着強さと、５００グラムの荷重を使用した場合に約３３０から約５５０の間のヌープ硬さの値とを有する、請求項４に記載の耐摩損構成部材。