JP2007522346A - 多孔性コーティング部材及び低温噴射法を利用したその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、熱交換機の表面に相互連結された開気孔(open pore)から構成された多孔性コーティング層が形成されている場合、熱交換機は周辺空気と一層広い接触面積を有するようになって、より効率的な熱交換性能を達成することができる。一方、摩擦部材の場合、周辺コンポーネントとの関係によって部材が低い強度及び硬度を有することが要求されることもあり、多孔性コーティング層はこのような要求を満足させることができる。また、母材と異種物質を接合することにおいては、接合界面に格子不整合による応力が発生することがあり、多孔性コーティング層はこのような接合応力を解消する緩衝層としても作用することができる。
前記技術的課題を達成するために、本発明は、多孔性コーティング層を母材に形成する方法において、母材を提供する工程、前記母材上にAl、Mg、Zn及びSnからなる群よりそれぞれ選択され、xA−(1−x)B(0<x<1、xはAとBの重量比)で表わされる互いに異なる2種以上の金属を少なくとも含む金属組成の粉末を供給する工程、前記粉末に高圧ガスを提供する工程、前記高圧ガスによって前記金属粉末を超音速ノズルで噴射して前記母材にコーティングする工程及び前記コーティングされた母材を熱処理して多孔性コーティング層を形成する工程を含む多孔性コーティング層形成方法を提供する。
本発明は、金属コーティング部材を提供する。金属コーティング部材は、金属母材及び前記金属母材上にxA−(1−x)B(ここで、xはAとBの重量比)で表わされる少なくとも2種の金属元素を含むコーティング層を備え、前記AとBはそれぞれAl、Mg、Zn及びSnからなる群より選択された互いに異なる1種の金属であり、前記xは0<x<1の範囲内で前記コーティング層の厚さ方向に変化し、前記xの変化によって前記コーティング層内の気孔率が変化する。
また、前記コーティング方法で形成されたコーティング層は400〜500℃の温度で前記有機バインダーをバーンアウトする工程をさらに経ることができる。
図1は本発明で粉末を加速して基板Sにコーティング層を形成するための低温噴射装置100の概略図を示した図面である。
図2aを参照すれば、本発明の方法は、まず、前記噴射装置100の粉末供給器130から2種以上の金属を含む金属粉末を供給する工程(S210)と、ガス圧縮器110から高圧の圧縮ガスを提供する工程(S220)で始まる。
次に、超音速噴射ノズルで前記圧縮ガスと前記金属粉末の混合物を噴射する(S230)。前記ノズルを通して噴射されるガス−粉末混合物の速度は流入されるガスの温度、圧力及び粉末の粒子大きさ及び比重に依存する。前述の流入ガスの圧力、温度条件及び約1〜50μmの粒子大きさで、前記ガス−粉末混合体の噴射速度は約300〜1200m/sである。
図3を参照すれば、Alのような母材S上に、重量比が2:1であるAl−Zn層210、重量比が1:1であるAl−Zn層220、及び重量比が1:2であるAl−Zn層230が形成された状態を示している。後述する本発明の実施例によれば、このように積層されたコーティング層を熱処理すると、Zn含有量が増加するに従って内部の気孔大きさ及び気孔率が増加する。したがって、図3のような組成でコーティングされた部材を熱処理すると、母材から遠くなるほど気孔率及び/または気孔含量が増加するコーティング部材を得ることができる。このような気孔分布は母材との界面で安定したコーティング接着性を保障するという面で好ましい。また、このような構造で気孔率及び気孔含量が増加することによってコーティング層の表面付近に形成された気孔は、相互連結された開気孔とすることができる。このような開気孔は特に母材の熱交換特性を向上させることに重要な役割を果たす。
図11を参照すれば、まず、平均粒径が10μm以下であるカーボン粉末を、PVA、PVB、PEG、レジン及びロジンからなる群より選択された少なくとも一つのバインダーと混合する(S310)。混合はバインダーによって適切な溶媒、即ち、水やアルコールなどの有機溶媒で行われる。
下記の実施例1から7で使用された金属の一般的な物性は表1の通りである。
−ノズル:標準ラバル型(standard laval type)
アパーチャ:4×6mm
スロウトギャップ:1mm
−圧縮ガス:種類:空気
圧力:7気圧
温度:330℃
−供給粉末サイズ:<44μm(325メッシュ)
重量比50:50であるAl粉末とAlMg(共融温度約400℃)粉末の混合粉末(即ち、0.5Al−0.5AlMg)を、7気圧の空気を噴射ノズルに供給してアルミニウム基板上にコーティングした。
形成されたコーティングを約620℃で1時間熱処理した。熱処理された基板を切断及び研磨した後、その切断面を光学顕微鏡で観察した。図4はこのように製造された基板の切断面写真を図示している。
混合粉末にAlMgの重量を増加させて0.3Al−0.7AlMgの組成を金属粉末の組成としたことを除いては、実施例1と同一な条件でコーティング層を製造した。実施例1と同一に製造されたコーティング層を熱処理し、その断面を光学顕微鏡で観察して、これを図5に示した。
図4と比較すると、図5では気孔の大きさが増加したことが分かり、肉眼でも気孔率が増加したことが分かる。
Al粉末/AlMg粉末/Al粉末/AlMg粉末/Al粉末の順に粉末組成を変化させながらコーティング層を形成した。残りコーティング条件は実施例1と同一であった。次に、形成されたコーティング層を620℃、1時間熱処理した。
図6は熱処理された基板の断面を示す光学顕微鏡写真である。図示されているように、純粋なAl層では気孔がよく観察されなかったが、AlMg層では気孔が観察されることが分かる。
Al基板上に組成が0.667Al−0.333Mgである混合粉末でコーティングした後、続いて組成が0.5Al−0.5Mgである混合粉末でコーティングした。残りコーティング条件は実施例1と同一であった。次に、形成されたコーティング層を約620℃の温度で1時間熱処理して、その断面を光学顕微鏡で観察した。
Al基板上に組成が0.5Al−0.5SnであるAlとSnの混合粉末をコーティングした。残りコーティング条件は実施例1と同一であった。
形成されたコーティング層を約650℃の温度で1時間熱処理した後、その断面を研磨した後に光学顕微鏡で観察した。図8はその断面光学顕微鏡写真である。図7から分かるように、コーティング層内部で数多くの気孔を確認することができ、これら気孔は形状及び気孔率から察して、相互連結されているものであると把握される。
組成が0.667Al−0.333Snである混合粉末で実施例1と同様な方法でコーティングした後、続いて組成が0.5Al−0.5Snである混合粉末で追加コーティングした。形成されたコーティング層を620℃で1時間熱処理した後、研磨された断面を光学顕微鏡で観察した。
図9はその断面写真であって、0.667Al−0.333Snがコーティングされた界面付近と0.5Al−0.5Snがコーティングされた表面付近を比較すると、表面付近で気孔の大きさが大幅に増加し、気孔率も増加したことが分かる。したがって、Snの含量増加が気孔生成を促進することが分かる。
Al基板に組成が0.667Al−0.333Znである混合粉末でコーティングした後、続いて組成が0.5Al−0.5Znである混合粉末でコーティングした。コーティング条件は実施例1と同一であった。次に、形成されたコーティング層を約620℃の温度で1時間熱処理し、その断面を光学顕微鏡で撮影して図10に示した。
このような現状の原因について本発明者は次の通り推測する。しかし、以下の説明は本発明の理解のための参照的なものであり、本発明の技術的範囲の解釈根拠として提示されるものではない。
一方、溶融Alと空気中の水分が反応することによって生成された水素などの副産物ガスを気孔生成の原因として挙げることができる。AlだけでなくAlより融点が低いMg、Sn、Znなども熱処理温度でこのような反応を起こすことと推測される。
このような推測は、前述の実施例のようにMgの添加に比べてZnやSnが添加される時に相対的に多くの気孔が形成されることにもよく符合する。なぜなら、Znの溶融温度(419.46℃)またはSnの溶融温度(231.9℃)はMgの溶融温度(650℃)に比べて低いためである。
銅(Cu)板上にカーボンコーティング層を形成した。平均粒径5〜10μmであるカーボン粉末を約15重量%のPVAに混合及び乾燥してカーボンケーキを製造した後、これを乳鉢で粉砕して粒子が150μm以下のカーボン粒子を選別した。選別されたカーボン粉末を前述の実施例と同一な温度及び圧力で前記銅板上に噴射してカーボンコーティング層を形成した。
Claims (16)
- 多孔性コーティング層を母材に形成する方法であって、
母材を提供する工程;
前記母材上にAl、Mg、Zn及びSnからなる群より選択され、xA−(1−x)B(0<x<1、xはAとBの重量比)で表わされる互いに異なる2種以上の金属を少なくとも含む金属組成の粉末を供給する工程;
前記粉末に高圧ガスを供給する工程;
前記高圧ガスによって前記金属粉末を超音速ノズルで噴射して前記母材にコーティングする工程;及び
前記コーティングされた母材を熱処理して多孔性コーティング層を形成する工程
を含む多孔性コーティング層形成方法。 - 前記金属組成の粉末は、前記群より選択された少なくとも2種の金属の合金粉末を含む請求項1に記載の多孔性コーティング層形成方法。
- 前記AはAlであり、前記BはMg、Zn及びSnからなる群より選択された1種の金属元素を含む請求項1に記載の多孔性コーティング層形成方法。
- 前記ガス供給工程は、
前記ガスを圧縮する工程;
前記圧縮されたガスを予熱する工程を含む請求項1に記載の多孔性コーティング層形成方法。 - コーティング母材の前記熱処理工程は、前記AとBの共融温度以上及び前記AとBのうちの高い融点を有する金属の融点以下で行われる請求項1に記載の多孔性コーティング層形成方法。
- コーティング母材の前記熱処理工程は、約200〜650℃の温度範囲で行われる請求項1に記載の多孔性コーティング層形成方法。
- 前記粉末供給工程は、前記xを変化させることによって粉末組成を変化させる工程をさらに含む請求項1に記載の多孔性コーティング層形成方法。
- 前記ガスは、ヘリウム、窒素、アルゴン及び空気からなる群より選択された1種を含む請求項1に記載の多孔性コーティング層形成方法。
- 金属母材;及び
前記金属母材上にxA−(1−x)B(ここで、xはAとBの重量比)で表わされる少なくとも2種の金属元素を含むコーティング層を備え、
前記AとBはそれぞれAl、Mg、Zn及びSnからなる群より選択された互いに異なる1種の金属であり、前記xは0<x<1の範囲内で前記コーティング層の厚さ方向に変化し、前記xの変化によって前記コーティング層内の気孔率が変化する金属コーティング部材。 - 前記xは前記コーティング層の厚さ方向に増加または減少し、前記xの増加または減少によって前記コーティング層内の気孔率が増減する請求項9に記載の金属コーティング部材。
- 前記AはAlであり、前記BはMg、Zn及びSnからなる群より選択された1種の金属であり、前記金属母材と前記コーティング層の界面から前記コーティング層の表面に向かって進むに従って前記xは減少し、前記コーティング層の気孔率が増加する請求項10に記載の金属コーティング部材。
- 金属母材;及び
前記金属母材上にA−Bで表わされる少なくとも2種の金属元素を含むコーティング層を備え、
前記AとBはそれぞれAl、Mg、Zn及びSnからなる群より選択された互いに異なる1種の金属であり、前記群より選択されるAまたはBは前記コーティング層の厚さ方向によって変化し、前記AまたはBの変化によって前記コーティング層内の気孔率が変化する金属コーティング部材。 - 前記コーティング層は、前記コーティング層内部の少なくとも一部分に相互連結された開気孔を含む請求項9または請求項12に記載の金属コーティング部材。
- 前記開気孔は、前記コーティング層の上部に存在する請求項13に記載の金属コーティング部材。
- 多孔性カーボンコーティング層を母材に形成する方法であって、
母材を提供する工程;
有機バインダーによって結合されたカーボン粉末を供給する工程;
前記カーボン粉末に高圧ガスを供給する工程;及び
前記高圧ガスによって前記カーボン粉末を超音速ノズルで噴射して前記母材にコーティングする工程を含む多孔性コーティング層形成方法。 - 前記コーティング工程以後に、400〜500℃の温度で前記有機バインダーをバーンアウトする工程をさらに含む請求項15に記載の多孔性コーティング層形成方法。
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