JP2007126751A - 低摩擦係数皮膜を塗布するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑を必要とする部品を有する様々な機械及び装置においては、潤滑材を塗布された部品に潤滑が不足しているときや、または非常に激しい力が潤滑を効果的なものではなくするときがある。
【解決手段】本発明は複合材料皮膜及びゴーリング耐性及びフレッチング耐性を有する複合材料皮膜の調製方法を提供する。前記皮膜は基板に塗布され、アロイマトリックス中の硬質なカーバイド粒子または酸化物及びバインダー内に取り込まれた固体潤滑剤粒子の混合物を含む。自己潤滑相とともに硬質相または酸化物相の両方を含む粉末を塗布するために溶射工程を用いて皮膜が製造された。従って、本発明により塗布された皮膜は、磨耗、アブレーション、熱及び腐食という点において従来の溶射皮膜で得られた利点を、固体潤滑剤により得られる利点と組み合わせる。加えて、本発明の皮膜は皮膜表面上に液体潤滑剤を保持するために配置された表面多孔性を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複合材料溶射皮膜及び皮膜を作成する方法に係り、より詳細には、カーバイドまたは酸化物等の硬質相材料と、グラファイト等の自己潤滑相材料との双方を含む粉末を塗布するために溶射工程を用いて製造される皮膜に関する。

潤滑を必要とする部品を有する様々な機械及び装置においては、潤滑材を塗布された部品に潤滑が不足しているときや、または非常に激しい力が潤滑を効果的なものではなくするときがある。ポンプ、モーター、及びタービンのような機械に関しては、二つの基本的な潤滑システムの様式がある。潤滑剤の一つの様式は圧力に基づくものであり、一般的には燃焼機関及びタービンでみられるものであって、潤滑剤は圧力の下でベアリングまたはシール内部に強制的に保持される。その他の潤滑剤の様式は流体力学的なものであり、一般的には小さなモーター及びポンプで使用されるものであって、潤滑剤は、はめあい面の回転の結果として、シールまたはベアリング内部へと引き込まれる。双方の潤滑システムにおいて、原則は、圧力下ではめあい部品の間に潤滑剤の層を構築することである。低い滑り速度（流体力学的）または低供給圧力（圧力に基づく）の結果として生じる不十分な圧力は、摩擦係数対滑り速度の特性曲線であるストライベック曲線において表現されるように摩擦及び磨耗の増加につながる。

スタートアップの間、潤滑システムがある圧力に達するまでは、または回転部品が部品間の隙間内部に潤滑剤を引き込むため十分な回転速度に達するまでは、シール、ベアリング表面及びリングには液体潤滑が不足している。この状態は、スタートアップとスタートアップの間機械が使用されていない状態が長いほど悪くなるが、これは表面上の残りの潤滑が枯渇する結果である。構成部品が静止している間の潤滑の損失は、特に流体力学的なシールの問題であり、ボイラーポンプがそうであるように潤滑は水に過ぎないかもしれない。結果として、機械によっては、操作時間数のみではなく、スタートアップサイクルの数もまた、構成部品の寿命を決定する。圧力に基づく潤滑システムに関する一つの問題解決法は、機械のスタートアップに先立って、潤滑システムを前もってスタートすることである。しかし、シール及びベアリングによっては機械の回転部品が操作速度（流体力学的な成分）に達するまで潤滑剤が不足した表面を有しているので、これは限られた利点しか持たない。流体潤滑に関しては、前もって潤滑を開始するという観点では、簡易なまたは実行可能な解決方法はない。部品は、単純に境界潤滑条件を越える十分な滑り速度を持たなくてはならない。

ポンプ及びモーターによっては、出力を迅速に変更するという性質に起因して、非常に激しい力にさらされる。これらの力は、シール及びベアリングに移動されるとき、一瞬はめあい部品を引き離す潤滑圧力を超え、表面を接触させる原因となる。結果として、これらの構成部品の寿命が短くなり、摩擦及び付加的な熱が機械内部に取り込まれる。

これまでの溶射技術の発展によって、ベアリング表面の寿命を延ばすことができる多くの皮膜が紹介されている。最も単純で基本的なものは、モリブデン（Ｍｏ）等の硬金属からなる耐磨耗性及び耐エロージョン性皮膜である。この皮膜は根本的な潤滑の問題を解決しないが、潤滑表面の寿命を延ばす。さらに極端な応用では、タングステンカーバイド及びクロムカーバイド等、耐摩耗性を有するだけではなく、腐食、熱、及び酸化からの保護を提供する皮膜が作られてきた。基礎的な問題―潤滑の欠乏―は残るが、これらの皮膜を使用することで、目的とされた操作環境の下で構成部品はより長く使用に耐える。ニッケルに覆われたグラファイト固体潤滑剤が皮膜の一部として添加されるといった具合に、固体潤滑剤を皮膜の母材に加えることが以前から知られていた。この添加は実質的に皮膜の使用上の性能を改良した。固体潤滑剤の添加は、磨耗率を減少させ、より低速においてより低い摩擦を与えるが、さらに改良の余地がある。低操作速度における従来の皮膜の保護に潤滑を付加するだけではなく、そのような低速度における潤滑自身の性質の改善方法を提供する皮膜に関する技術の必要性も残っている。

従来の皮膜システムの状況を示す例として、タングステンカーバイドで作られ、従来の方法（例えば、ミクロ孔を含有しない方法、本発明で開示されたものとは異なる技術）で塗布されたコバルトクロム母材皮膜を有するボイラーポンプ磨耗リングで熱衝撃試験が行われた。構成部品が加熱された後、取り付けのためパージされるときに、または別の方法では、取り付けのため急冷されるときに、熱衝撃は一般的なものである。クリアランスが特に狭いとき、構成部品は他の構成部品上部への焼きばめを必要とするかもしれない。これは、構成部品を膨張させ、はめ込むために、例えば酸素−アセチレンフレーム等の加熱メカニズムの使用を伴う。構成部品がはめ込まれると、例えば部品を冷水に浸す、または、液体二酸化炭素、窒素またはアルゴンを用いる等、促進剤を用いて収縮させられることが多い。試験された磨耗リングサンプルにおいて、クラックは構成部品の底端部において明瞭であった。クラックの原因は、皮膜に固有の二つの性質に由来する。第一の性質は、皮膜が製造されたときの、既存の引張応力である。皮膜が脆性であるという第二の性質と相まって、熱衝撃にさらされたとき皮膜のクラックに繋がる。よって、良好な耐熱衝撃性を示す潤滑皮膜に関する必要性がいまだ存在する。

皮膜による保護に加えて、溶射皮膜に固有の多孔性によって、ある程度の液体潤滑剤がトラップされることが観察された。このトラップされた潤滑剤は、潤滑層がないときに摩擦及び加熱を減少させる。一般的には溶射皮膜における孔の生成は偶然であり予測できないものであり、通常はコーティング工程における欠陥であるとみなされる。従って、最大の保護機能を提供するには、液体潤滑剤を保持する一貫した多孔性を有することができる皮膜及び塗布技術の必要性がいまだ残っている。

従来システムにおける前述の欠点を解決するために、本発明は、複合材料皮膜と、及びゴーリング、フレッチング、及び滑り磨耗に対して耐性を有する複合材料皮膜を形成し塗布する方法とを提供する。皮膜は基板に塗布され、アロイマトリックス内の凝集サイズが約２μｍ以下の硬質カーバイド粒子、または凝集サイズが約０．５μｍ以下の酸化物類と、バインダー内に取り込まれた固体潤滑剤粒子との混合物を含む。皮膜は、結果として得られる皮膜が応力を持たないかまたは圧縮性の残留応力を示すように、硬質表面（または酸化物）相及び自己潤滑相を有する粉末を塗布する溶射工程を用いることによって製造される。従って、本発明により塗布された皮膜は、磨耗、アブレーション、熱及び腐食という点において従来の溶射皮膜で得られた利点と、供給原料製造及び皮膜塗布における最近の溶射技術を用いた最適な皮膜としての固体潤滑剤により得られる利点とを兼ね備える。加えて、本発明の皮膜は皮膜表面上に液体潤滑剤を保持するために確実に配置された表面多孔性を提供する。

本発明の一つの実施形態では、皮膜を形成する方法が提供される。皮膜は低摩擦係数を有し、耐摩耗性、耐腐食性、及び耐熱性である。本方法は、硬質表面材料を含む粒子を提供し、固体潤滑剤材料を含む粒子を提供し、皮膜を形成するために基板に両方の粒子タイプを塗布する段階を含むものであって、前記皮膜は硬質表面材料及び固体潤滑剤材料の配合物を含む。硬質表面材料は、クロムカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、モリブデンカーバイド及びバナジウムカーバイドのうち一つ以上のものからなってよい。固体潤滑剤材料粒子は、グラファイト、ボロンナイトライド、シリコーン、ポリエステル及びＰＴＦＥのうち一つ以上のものであってよい。

他の実施形態によると、約２μｍ以下のカーバイド硬質相材料の微粒子は、溶射工程がより容易に実施されるように、混合される前にバインダー材料を用いてより大きな粒子に凝集される。バインダー材料は、クロム、モリブデン、バナジウム及び銅のうち一つ以上と合金化されたコバルト、ニッケル及び鉄のうち一つ以上から作られる。

本発明のさらなる目的及び利点は、この後の記述において説明され、及び一部分においては記述から明白であるか、または本発明の実施によって理解されるであろう。本発明の目的及び利点は、この後に特に指摘される手段及び組み合わせによって実現され、得られてよい。

添付する図は、本発明のさらなる理解を提供するために記載され、この明細書の一部に組み入れられ、またはこの明細書の一部を構成している。本発明の目的及び利点は、この後特別に示された手段及び組み合わせによって理解され、達成されるだろう。

ここで本発明の好ましい実施形態の詳細について述べるが、それらの例示は添付された図において説明される。

ここで定義されたように本発明は、磨耗、アブレーション、熱及び腐食という点で従来の溶射皮膜で得られる利点と、固体潤滑剤により得られる利点とを兼ね備える溶射皮膜を得るために、互いに混合された二つの異なる溶射材料を使用する。本発明による溶射工程を用いて塗布されたとき、結果として得られる皮膜は、潤滑を必要とする構成部品が、少なくとも一時的に潤滑が欠乏するような条件、または潤滑圧力が一時的に下がるような条件下で操作される用途において、優れた耐ゴーリング性、耐フレッチング性及び耐すべり磨耗性を提供するのに必要な特性を示す。ここで使用される溶射工程は、高速酸素フレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射、ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙｇｅｎ ｆｕｅｌ）、高速液体燃料フレーム溶射（ＨＶＬＦ溶射、ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｌｉｑｕｉｄ ｆｕｅｌ）、高速空気フレーム溶射（ＨＶＡＦ溶射、ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｉｒ ｆｕｅｌ）、プラズマ、コールドスプレー、デトネーション工程及び同様の工程であるが、これらに制限されるものではない。

図１は本発明の実施形態による皮膜を調製するための工程のフローチャートを提供する。図１に示されるように、皮膜を塗布するための方法１００は、二つのタイプの粒子材料を別途に製造することを必要とする。工程は、硬質相材料粒子が溶射塗布のために製造される段階Ｓ１０２において開始する

段階Ｓ１０２において製造された硬質相材料は、熱、腐食及び酸化に対する耐性と同様に必要とされる耐磨耗性を付与する。一般的なカーバイドは、タングステンカーバイド、クロムカーバイド、チタンカーバイド及びバナジウムカーバイドを含み、それらは全て一般的に使用される溶射材料である。カーバイドは優れた耐エロージョン性、耐腐食性及び耐熱性を可能にする。しかしながら、カーバイドは、摩擦係数が不十分であるため、潤滑が不足した環境下ではあまり性能を発揮しない。なお、ナノ粒子はより高い延性を有し脆性が非常に低いので、凝集したナノ酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）またはそれらの混合物等の材料も、より大きな粒子を用いて製造された皮膜と比較すると、硬質相材料として同様の利点を提供する。例えば、クロムカーバイドは、耐腐食性及び耐酸化性が最高であるため良い材料選択であり、この材料を使用すると、適切な溶射工程を用いて塗布されたとき、熱衝撃勾配に対する高い耐性を有する皮膜が生成する。

段階Ｓ１０２において未加工のパウダーとして形成されたカーバイドの粒子サイズは、良好な延性を持つ皮膜を製造するため、例えば約２ミクロン（μｍ）以下等小さいものである必要がある。カーバイド粒子を調製する一つの方法は、粒子を粉砕するためアトリションミルを使用し、その後０．５μｍより小さい粒子を製造するために、不活性ガス噴霧工程を使用することである。アトリションミル内で粉砕した後の他の方法は噴霧乾燥及び焼結であり、約２μｍのサイズの、より大きい粒子を製造する。工程はその後段階Ｓ１０４へ移る。段階Ｓ１０４では、小さな粒子の未加工パウダーはバインダー材料を用いて凝集されて大きな粒子になる。凝集は不活性ガス噴霧装置を用いるか、または噴霧乾燥及び焼結工程によってなされてよい。

段階Ｓ１０４において使用されるバインダー材料は、得られる皮膜にさらなる利点を与える数多くの因子に基づいて選択される。第一に、バインダーの母材は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、またはニッケル（Ｎｉ）の群から選択されてよい。耐腐食性に関して、ニッケルは最良の特性を示し、その次にコバルト、そして鉄である。母材に対するクロム（Ｃｒ）の合金化（例えば、重量にして３０％未満）は、耐腐食性を付加する。母材に対するバナジウム（Ｖ）の合金化（例えば、重量にして１０％未満）は、カーバイドを形成する工程からのフリーな炭素原子残留物の存在下で溶射工程の間クロムカーバイドの形成に対してバナジウムカーバイドの形成を促進し、付加された耐腐食性に関して合金マトリックス中のクロムをフリーにしておく。モリブデン（Ｍｏ）の合金化（例えば、重量にして１０％未満）は耐摩耗性及び耐腐食性を追加する。低濃度での銅（Ｃｕ）の合金化（例えば、重量にして５％未満）は耐腐食性を追加する。

段階Ｓ１０４における凝集した硬質表面粒子の調製では、好ましくは、バインダーを溶解するために不活性ガスオーブンを用い、その後カーバイド粒子を添加し、それから溶射塗布において許容できるサイズの粒子を製造するために不活性ガス噴霧が実施される。これによって合金マトリックス中に約０．５μｍ以下のカーバイド粒子が得られる。最終的な凝集粒子は、約１１μｍから約６０μｍの範囲のサイズになるのが好ましい。図２は、０．５μｍ以下のカーバイド粒子１２２が合金バインダー１２４中に埋め込まれ、およそ１１μｍ及び６０μｍの間の粒子を形成する凝集硬質相粒子１２０の断面図を示す。

上述のように、硬質表面材料の他の形成について、ナノチタニア（ＴｉＯ_２）、ナノクロミア（ＣｒＯ_２）、及び／またはナノアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が使用されてよい。これらの酸化物は、まず段階Ｓ１０２において約０．１μｍ以下のナノ結晶として形成され、その後噴霧乾燥工程で凝集され、その後段階Ｓ１０４において溶射塗布に適切なサイズの凝固粒子を形成するためにプラズマ再処理される。結果として得られる皮膜の性質は耐摩耗性、硬さ、延性、クラッキング耐性等の性質を変えるために調整されてよく、様々な処理によって皮膜の性質の変化がもたらされる。材料の処理には、最終製品には残留しないバインダーを初期段階において用いる。カーバイドに用いられるものと同様の添加剤の使用（腐食、熱及び耐磨耗性に関する補助材であるクロムまたはバナジウム等）は、前述のナノ酸化物に関して必要とされない。さらに、バインダーとして金属合金を使用しても、追加的な腐食または磨耗の保護を付与しないので、それらの使用は必要とされない。

段階Ｓ１０６において、第二の溶射材料が製造される。この材料は、構成部品の潤滑を目的として低摩擦係数を付与するための固体潤滑剤である。溶射されうる一般的な固体潤滑剤は、グラファイト、窒化ボロン、シリコーン、ポリエステル、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む。これらの材料は剥離剤の性質を有しているので、それらの噴霧適性は乏しく、また、グラファイトの場合には硬質相材料である金属合金バインダーとともに所望しないカーバイドの形成をもたらすかもしれない。噴霧適性を改良するために、及び硬質相材料との反応性構成物を防ぐために、それらはニッケル、コバルト、銅、モリブデンまたは金またはそれらの合金で被覆されてよい。他の実施形態では、固体潤滑剤は、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、またはカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の適切なバインダーとともに噴霧乾燥されてよい。金属被覆材料の好ましい形態での使用は、硬質相材料の調製において前述したように溶射工程を用いて塗布されたときと同様、結果として得られる皮膜において他の重要な利点を持つ。好ましい材料選択は、ニッケルで被覆されたグラファイトである。例えばポリエステル等溶射工程によっては耐えることができない材料を使用するとき、被覆の使用が必要とされる。ポリエステルのような材料は、もしも皮膜を塗布するためにプラズマ溶射工程が用いられた場合にはプラズマガンの柱状噴流中で蒸発、または分解する可能性があり、または、コールドスプレーまたはＨＶＯＦ工程のどちらかでは酸化される可能性がある。結果として得られる凝集固体潤滑剤粒子は凝集硬質相粒子よりも大きいものであるべきであって、好ましくは約２０μｍから１５０μｍの範囲である。図３は、金属殻１３４中に固体潤滑剤１３２を有し、約２０μｍから約１５０μｍの範囲の粒子サイズを有する粒子１３０の断面図を示す。固体潤滑剤の粒子サイズがより大きい範囲にあることは、仕上げの間表面において十分な数の粒子の脱離を促進するために同伴粒子が十分なサイズを有することを保証するために必要である。段階Ｓ１０２／Ｓ１０４及び段階Ｓ１０６は同時に、または連続して実行されてよいことは理解されるべきである。

その後工程は、二つの上述の溶射材料が混合される段階Ｓ１１０に移る。粒子は、溶射工程へと供給される前に前もってブレンドされてよく、または二つの異なる材料として溶射工程へと供給されてよい。材料を別途に供給することは、例えば固体潤滑剤を露出表面において、またはその近傍で濃縮するために皮膜内部に勾配を作る等、特定の用途に適合するように個々の皮膜層の調製を可能にするという利点を与える。段階Ｓ１１２において、皮膜は適切な溶射工程を用いてコートされるべき構成部品に塗布され、適切な溶射工程には高速酸素フレーム溶射、高速液体燃料フレーム溶射、高速空気フレーム溶射、プラズマ、コールドスプレー、デトネーション工程が含まれるが、これらに制限されない。

段階Ｓ１１２における皮膜の塗布は、結果として得られる内部応力がないかまたは圧縮であるように実行される。これは、各溶射工程に特定のプロセスパラメータを適切に選択することを通じて、粒子温度を最小化し粒子速度を最大化することによって成される。応力の制御は、コーティング工程の間均一な温度を保持するための冷却手順の効率的な使用と同様に、パス毎に塗布される材料の量を最小にするために高い表面速度で皮膜をスプレーすることによって、さらに強化される。構成部品の温度を一貫して保持することは、内部応力の蓄積を制御するのと同様に、保護皮膜内部の潤滑剤の構成成分の適切な量を保持することにおいて重要である。

段階Ｓ１１４において、皮膜は最適な表面仕上げ及び寸法を達成するために必要な適切な装置で仕上げられる。例えば、ダイアモンド研磨は、材料を除去するために、及び、これらに最終的な寸法を与えるために、及び仕上がり要件を満たすために、一般的に使用される。吹き付けの間適切な量の固体潤滑剤を皮膜内部に保持することの重要性は、ダイアモンド研磨工程固有の性質として、全てではないがある程度の量の露出された固体潤滑剤粒子を脱離させる効果と関係する。図１に関して以下に述べるように、より大きな固体潤滑剤粒子をある程度脱離させることは、皮膜表面にミクロ孔を構築するために重要である。

本発明の仕上がった皮膜の動力学は、上述の新規の工程による皮膜の断面図を与える図４に説明される。図４を参照すると、皮膜２００は基板２１０に塗布され、基板２１０は加重２３０によってはめあい部品２２０に機能的に拘束される。皮膜２００を有する基板２１０は、圧力のかかった潤滑剤、または、基板２１０がはめあい部品２２０に関連する動きにある結果生じる流体力学的圧力のどちらかによって作られる公称作動ギャップ２４０によって、はめあい部品２２０から分離される。液体潤滑剤は、基板２１０の動き２１２の方向に関連して、ギャップ２４０を通じて方向２４２に流れる。仕上げ工程の間、皮膜中のより大きな固体潤滑剤粒子がある程度脱離することにより、皮膜２００の表面上のミクロ孔２０４を生成する。ミクロ粒子２０４は、皮膜の性能を最大にするのに必要な、所望する流体力学的な力の生成を助ける。固体潤滑剤リザーバ２０６は、ミクロ孔２０４によって生成される。例えばカーボン（グラファイト）等の、皮膜中の残りの固体潤滑剤は、水及び有機潤滑剤に対して良好な濡れ特性を有する。これらのミクロ孔２０４は、皮膜層２００の表面において境界潤滑支配を増大し、その結果、二つのはめあい表面の間で流体及び弾性流体の範囲を改善する。これらの潤滑ポケット（ミクロ孔２０４によって形成される）によって引き起こされるこれらの表面の不連続性は、追加の流体圧力ピークを導入する助けになり、その結果はめあい部品２２０及び皮膜２００の二つの対向する表面を引き離しておく力を増大する。

図５は、ミクロ孔によって生成される流体力学的圧力ピークを示す。詳細には、代表的な圧力スケール２５０は、基板２１０及び皮膜２００がはめあい部品２２０と相対的に方向２１２に移動するとき、各ミクロ孔２０４の直後に起こる流体力学的な圧力ピーク２５２を示す。

ミクロ孔も、操作時の温度変動に起因する基板及び保護皮膜層の膨張及び収縮を可能にする。表面上の各孔は応力開放点として働き、皮膜内部にトラップされた固体潤滑剤は、硬質相材料と比較してより柔軟で、密度が低く、同様に働く。クラックが、表面クラックの孔または皮膜内部の固体潤滑剤領域のどちらかに出会うとき、皮膜の応力によりクラックが生じるどのような傾向も緩和される。これらのミクロ孔は、装置に取り付けられたとき、ある構成部品においてもまた利点を有する。クリアランスが小さいのはよくあることであり、時には１／１０００インチ未満であって、これらの構成部品は他の構成部品上部への焼きばめを必要とする。これは、加熱メカニズム、一般的には構成部品を膨張させ、はめ込むための酸素アセチレン炎の使用を含む。構成部品がはめ込まれると、それらは冷水に浸漬する、または液体二酸化炭素、窒素またはアルゴンを使用する等、加速剤を用いて収縮させられることが多い。これらの皮膜は、応力クラックが、その成長が伝播せず、固体潤滑剤粒子間の平均距離を越えてさらに伝播することのない短いマイクロクラックとして残留するような、良好な熱衝撃耐性を示す。

本発明による低摩擦係数を有する皮膜に関する適切な用途は、代表的な構成部品がシール、ベアリング及びピストンリングであるターボ機械、ポンプ及びエンジンである。皮膜は、例えば、磨耗リング、バランスドラム、インペラ磨耗リング、及びボイラーフィードポンプにおける様々な構成部品に関する保護層として有効であり、これらの構成部品はスタートアップ時に潤滑の欠乏する条件下で作動し、真水及び／または塩水、中ｐＨから高ｐＨの水、及び様々なサイズ及び体積の粒子状物質をポンプで注入する。皮膜の小さな（２μｍより小さく、好ましくは０．５μｍより小さい）カーバイド相は、耐酸化性を提供する一方で、アブレシブ磨耗、腐食磨耗、及びエローシブ磨耗を減少するように働く。固体潤滑剤を含有することで、特に潤滑が欠乏する条件下での摩擦（ｒｕｂｂｉｎｇ）、ゴーリング、フレッチング及びピックアップを減少することによって、これらのカーバイドが最大能力で機能することを可能にする。ミクロ孔の存在は、特に低速において、流体潤滑を促進する。

本発明の実験的試験が、二組の試験において実施された。第一に、様々な異なる材料及び様々なブレンド組成で吹き付けすることによって、特定用途に関して皮膜を最適化するための初期試験がなされた。ピンオンディスク、腐食、エロージョン、及び金属組織学の分析に関する試験材が、ボイラーフィードポンプ構成部品という特定の用途に関して最も可能性を有する材料組成を決定するために吹き付けされた。次に、その後の試験は、実際のボイラーフィードポンプ磨耗リングの吹き付け試験、熱衝撃及びダイレクトフレーム衝突特性の測定を含むものだった。

一般的にピンオンディスク試験は、実際の潤滑媒体をシミュレートするために界面に水を加えて、皮膜の耐摩耗性及び摩擦係数を決定するために実施される。本発明の皮膜の試験において、ステンレス鋼ピンが、階段状に変化するスピードで回転する完成した皮膜に対して所定の荷重で押し当てられた。試験される皮膜は、結果的にピンとの接触表面を形成し、その結果として生じる磨耗率が測定された。試験では、“スカッフィング痕”の開始に関する限界荷重が決定される。エロージョン試験は、研磨粒子を含む水のジェット衝突に対してアブレーションに抵抗する皮膜の性能を決定するために実施された。腐食試験は、各々ｐＨ６．５及び９．０において各皮膜の貫通ポテンシャルを測定することにより実行された。

腐食及びエロージョンに関する優れた結果が、カーバイド粒子に相当する部分のサイズ分布が小さい（２μｍ以下）Ｓｕｌｚａｒ Ｍｅｔｃｏ ＳＭ５２４１ ＣｒＣ Ｎｉ Ｃ硬質表面材料（およそ、クロムカーバイドが５４重量％、ニッケルが３９重量％、カーボン７重量％）を用いることによって得られる。この材料は、クロムカーバイド粒子が小さいことに一部起因して、低いインパクト角度（例えば１５°）においてその最大のエロージョン抵抗を示し、高いインパクト角度（例えば９０°）において、例えばタングステンカーバイド、ハステロイＣ、及びナノ酸化チタン等他の材料と比較してより高いエロージョン抵抗を示した。この材料も、中間のｐＨ値から高いｐＨ値において高い腐食抵抗を示した。本発明における硬質表面材料の使用に関しては、これが唯一の選択というわけではないが、他の材料と比較して好ましい選択であった。ＣｒＣ Ｎｉ Ｃ材料において示された炭素は、１％未満の少量で存在し、カーバイド形成工程における残留物であることは留意せねばならない。

ピンオンディスク試験（ＡＳＴＭ Ｇ９９）を含むさらなる初期の実験的試験は、固体潤滑材として働く２５重量％のＮｉ２５Ｃ_{Ｇｒａｐｈｉｔｅ}（ニッケル被覆で覆われた２５重量％のグラファイト粒子）がブレンドされた元のＣｒＣ Ｎｉ Ｃ硬質表面材料で実施された。パウダーが５００ｍ／ｓｅｃを超える速度で基板上に塗布されるＨＶＯＦスプレー工程は、圧縮残留応力を有し、相対的に平滑な皮膜の仕上がりを有し、硬質相材料中に固体潤滑粒子が均一に分布する皮膜結果物を形成した。

図６は、吹き付けされた皮膜のミクロ構造の断面を示すＳＥＭ写真である。仕上がり後の表面上にミクロ孔２０４が存在するのに対して、皮膜の厚みを通じて固体潤滑剤２０６が含有されているのが示されている。図６に示された皮膜は、微小硬度７１３ＨＶ_{３００ｇｐｍ}（クロムカーバイド硬質表面材料単独で達成される硬度と比較して約１３％低い）を示した。

摂氏２０度の水中におけるピンオンディスク試験による磨耗及び摩擦の測定は、０．５ｍ／ｓｅｃ、１７５Ｎ／ｍｍ^２（ＣｒＣ Ｎｉ Ｃ硬質表面材料単独の皮膜と比較しておよそ１７５％高い）、及び１ｍ／ｓｅｃ、２５Ｎ／ｍｍ^２（ＣｒＣ Ｎｉ Ｃ硬質表面材料単独の皮膜と比較しておよそ２５％高い）における凝着磨耗の開始を示した。その結果、固体潤滑剤及び孔の存在によって、流体力学的な力が最も低いとき、より低速において凝着磨耗に対する抵抗が最も増加した。ステンレス鋼３１４及び同様の合金におけるＡＳＴＭ Ｇ９９試験の結果は、どちらの試験速度条件下であっても２５Ｎ／ｍｍ^２未満で凝着磨耗の開始を示した。

図７は、仕上げ後の図６の皮膜の皮膜表面を、２００倍で示すＳＥＭ写真である。表面上には、操作条件下で、皮膜とはめあい部品との間に流体力学的な層を生成するのに必須であるミクロ孔２０４がある。固体潤滑剤粒子２０６もまた表面に存在する。

熱衝撃試験は、図８に示されるように、皮膜をボイラーフィードポンプ磨耗リング３００上部に吹き付けすることによって、及び前もって加熱されたオーブン内で構成部品の温度を華氏４６５度（２４０℃）に増加させ、その部品を華氏７１度（２１℃）の１．３５ガロン（５リットル）の水中に直接配置することによって実施された。構成部品が室温になってから浸透色素を用いてクラックについて調査したが、クラックは観察されなかった。この加熱及び焼きばめによる方法を用いた一般の磨耗皮膜単独の塗布では、ほとんどの場合皮膜内に眼に見えるクラックを生成する。（例えば、実験室での試験において、構成部品のアセンブリ工程の一部として経験されるような一般的な熱衝撃を受ける、従来の塗布技術で塗布されたＷＣ−ＣｏＣｒ皮膜でコートされた磨耗リング部品内にクラックが見られる。）図８は、本発明により塗布された皮膜でコートされたポンプ磨耗リング３００を示し、熱衝撃試験後、前記磨耗リングはクラックが一般的に予期される角部を含む表面において明瞭なクラッキングを示さない。フレームインフリンジメント試験（ｆｌａｍｅ ｉｎｆｒｉｎｇｅｍｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ）は、同様のクラックのない結果を示す。

本発明の実施形態の例示がここに示され、記述されたが、そのような実施形態が例示のみを目的として与えられていることは、当業者には明白であろう。数多くの架空の変形、変更、及び置換は、出願人によってここに開示された本発明の範囲から逸脱することなしに当業者にとっては明らかなものであるだろう。従って、本発明はクレームの精神及び範囲によってのみ、それらが許容されるであろうものとして、制限されることが意図されている。

本発明の実施形態による皮膜塗布工程のフローチャートを提供する。 凝集した硬い相の粒子の断面図を示す。 固体潤滑剤粒子の断面図を示す。 本発明の実施形態による、皮膜システムの適用を説明する断面図である。 本発明の実施形態による、適用された皮膜システムを説明する断面図である。 本発明の実施形態により適用された皮膜のミクロ構造の拡大図である。 本発明の実施形態により適用された皮膜の表面の拡大図である。 本発明の実施形態により適用された皮膜でコートされた構成部品を示す。

符号の説明

１２０ 凝集硬質相粒子
１２２ カーバイド粒子
１２４ 合金バインダー
２００ 皮膜
２０４ ミクロ孔
２０６ 固体潤滑剤リザーバ
２１０ 基板
２２０ はめあい部品
２３０ 加重
２４０ ギャップ
２４２ 方向
２５０ 圧力スケール
２５２ 圧力ピーク

Claims (23)

1. 耐摩耗性、耐腐食性及び耐熱性を有する低摩擦係数の皮膜を形成する方法であって、前記方法は、
   硬質表面材料粒子を提供する段階と、
   固体潤滑剤材料粒子を提供する段階と、
   前記皮膜を形成するため前記粒子タイプの両方を基板に塗布する段階であって、前記皮膜が前記硬質表面材料と前記固体潤滑剤材料との混合物を含むところの段階と、
   を含む方法。
2. 前記硬質表面材料粒子が、クロムカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、モリブデンカーバイド、及びバナジウムカーバイドのうち一つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記硬質表面材料粒子が噴霧乾燥及び焼結工程を用いて製造され、前記硬質表面粒子の粒子サイズが約２μｍ以下である、請求項２に記載の方法。
4. 前記硬質表面材料粒子が噴霧工程を用いて製造され、前記硬質表面粒子の粒子サイズが約０．５μｍ以下である、請求項２に記載の方法。
5. 前記硬質表面材料粒子を、バインダー材料を用いてより大きな硬質相粒子へと凝集させる段階をさらに含み、前記バインダー材料はクロム、モリブデン、バナジウム及び銅のうち一つ以上と合金化されたコバルト、ニッケル及び鉄のうち一つ以上を含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記硬質表面材料粒子がナノ酸化チタン、ナノ酸化クロム及びナノ酸化アルミニウムのうち一つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記硬質表面材料粒子の粒子サイズが、溶射に適したより大きな粒子へと凝集するより前には約０．１μｍ以下である、請求項６に記載の方法。
8. 前記固体潤滑剤材料粒子が、ニッケル、コバルト、銅、モリブデン、金及びそれらの合金で被覆されるかまたは外装されたグラファイト、窒化ボロン、シリコーン、ポリエステル、及びＰＴＦＥのうち一つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記固体潤滑剤材料粒子が、バインダー材料とともに噴霧乾燥されたグラファイト、窒化ボロン、シリコーン、ポリエステル、及びＰＴＦＥのうち一つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記バインダー材料がポリビニルアルコールまたはカルボキシメチルセルロースである、請求項９に記載の方法。
11. 前記塗布段階が高速酸素フレーム溶射工程、高速空気フレーム溶射工程、高速液体燃料フレーム溶射工程の使用を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記皮膜には応力がないか圧縮応力を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記塗布段階がプラズマ溶射工程の使用を含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記皮膜には応力がないか圧縮応力を有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記塗布段階がコールドスプレー工程の使用を含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記皮膜には応力がないか圧縮応力を有する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記塗布段階がデトネーション溶射工程の使用を含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記皮膜には応力がないか圧縮応力を有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記皮膜を所望する表面仕上げ及び寸法へと研磨する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
20. 耐摩耗性、耐腐食性及び耐熱性を有する低摩擦係数の皮膜であって、
    クロムカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、モリブデンカーバイド、バナジウムカーバイド、ナノ酸化チタン、ナノ酸化クロム及びナノ酸化アルミニウムのうち一つ以上である硬質表面材料粒子を提供する段階と、
    第一のバインダー材料を用いて前記硬質表面材料粒子をより大きな硬質相粒子へと凝集させる段階と、
    グラファイト、窒化ボロン、シリコーン、ポリエステル、及びＰＴＦＥの一つ以上である固体潤滑剤材料粒子を提供する段階と、
    第二のバインダー材料を用いて前記固体潤滑剤材料粒子をより大きな粒子へと凝集させる段階と、
    前記凝集した硬質表面材料粒子及び前記凝集した固体潤滑剤材料粒子を溶射工程によって基板に塗布する段階とを含む工程によって調製された皮膜。
21. 前記硬質表面材料粒子の粒子サイズが約２μｍ以下である、請求項２０に記載の皮膜。
22. 前記塗布段階が、高速酸素フレーム溶射工程、高速空気フレーム溶射工程、高速液体燃料フレーム溶射工程、プラズマ溶射工程、コールドスプレー工程及びデトネーション溶射工程のうち少なくとも一つの使用を含む、請求項２１に記載の皮膜。
23. 前記皮膜には応力がないか圧縮応力を有する、請求項２１に記載の皮膜。