JP2008534788A

JP2008534788A - 耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法及びこれを利用して製造されたコーティング層

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Publication number: JP2008534788A
Application number: JP2008505234A
Authority: JP
Inventors: コ，ギョン−ヒョン; イ，ハ−ヨン; イ，ジェ−フン; イ，ジェ−ジュン; ユ，ヨン−ホ
Original assignee: エスエヌティー・カンパニー・リミテッド
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: WO2006107172A1; US8486496B2; KR20060106865A; TWI405873B; KR100802328B1; EP1883716A4; CN101155946A; CN100577873C; JP4772860B2; TW200643221A; US20080220234A1; EP1883716A1

Abstract

【課題】コーティング層の形成過程によって母材に熱変形などの損傷が発生せず前記表面に耐摩耗性及び疲労亀裂に対する優れた抵抗性を有するコーティング層を調製する方法及びこれによって製造されるコーティング層を提供する。
【解決手段】本発明は、母材を提供する工程、５０〜１００μｍの平均粒径を有する金属、合金またはその混合体粒子と、２５〜５０μｍの平均粒径を有するセラミックまたはその混合体粒子とを１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末を準備する工程、前記の準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程、前記ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度に加速して前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程を含む耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法及びこれを利用して製造されたコーティング層を提供する。
【選択図】図６

Description

本発明は耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法及びこれを利用して製造されたコーティング層に係り、より詳しくは、コーティング層の形成過程によって母材に熱変形などの損傷が発生せず前記表面に耐摩耗性及び疲労亀裂に対する優れた抵抗性を有するコーティング層を提供する方法及びこれによって製造されるコーティング層に関する。

摩擦、疲労、侵食または腐蝕など摩耗性環境で使用される機械部品の寿命延長のために部品の表面を硬化するか耐摩耗性物質をコーティングする等の方法が使用されてきた。

このような耐摩耗性向上コーティング物質としては、硬度の高い物質、つまり、アルミナなどの酸化物、ＳｉＣまたはＴｉＣなどの炭化物、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮなどの窒化物などセラミック材料が主に使用されている。

このような耐摩耗性コーティング構造を有する代表的な機械部品としては、自動車エンジンブロック及びこれと関連する部品を挙げることができ、特にシリンダーボア内壁の摩耗を抑制するために多くの技術が開発されてきた。その例として、下記特許文献１及び下記特許文献２、下記特許文献３などが挙げられ、その内容を具体的に見てみると、下記特許文献１はシリンダーボア内壁に従来の鋳鉄材ライナーの代わりにコーティング被膜を形成する方法を提示しており、この方法はプラズマまたはアークを熱源とした溶射法によってセラミック及びその混合物からなるコーティング粉末をボア内壁に形成することにより耐摩耗性を向上させる。

下記特許文献２は炭化ケイ素などの粒子を利用してプラズマ溶射によってアルミニウムシリンダーブロックのボア（bore）面に耐摩耗性コーティング層を形成する方法を使用している。

また、下記特許文献３はステンレス材質のシリンダーボア内面に溶射コーティング用粉末組成物を高温の熱源で溶融させながら噴射して被膜を形成する方法を提示しており、この時に使用される溶射コーティング用粉末組成物はアルミナ及びジルコニアの混合物である。

このように、耐摩耗性の優れたセラミック材質で金属母材上に耐摩耗性コーティングを形成しようとする多くの試みがあったが、これら方法は全てプラズマまたは電気アークを利用した溶射法が主流をなしている。このような溶射法はコーティングされる粉末粒子をほとんど融点付近またはそれ以上に加熱して粉末粒子の最小限一部分を溶融させて母材に提供する。

したがって、母材にコーティングされるセラミック粒子は一般的なセラミック粒子の溶融温度である千℃付近の高温で加熱されて母材に供給され、接触するようになるのでコーティング時に母材表面に熱衝撃による損傷と共に高温加熱後の冷却過程で発生する残留応力を誘発して付着力が低下し部品の寿命を短縮させる問題点を有する。

また、高温の粒子噴射によって溶射装備の運用に伴う危険性も増加し作業が複雑になるという短所を避け難く、この他にも、高温の溶融された粒子は金属基上または表面の不純物と反応して新たな化合物を形成することによって材料の特性に悪影響を与えることがある。

一方、周期的なサイクリングによって周期的応力が発生し往復動機関及びこれらの関連部品がエンジン動作中にエンジンの回転によって非常に多くの回数のサイクリング応力を持続的に繰り返して受けるようになるので、周期的な応力によって部品に局部的に発生する加熱と共に熱機関の関連部品に疲労による亀裂を発生させ、結果的に部品寿命を短縮させる。例えば、ディーゼルエンジンブロックにはシリンダー溝周囲にグロープラグを挿入するインサート溝が形成されており、インサート溝とシリンダー溝の間は短くなった間隔及び高い温度によって疲労亀裂による破壊のおそれが非常に高い部分である。

したがって、往復動機関、ガスタービンなどのエンジン部品のような熱機関に使用される部品は耐摩耗性だけでなく疲労亀裂に対する抵抗性の優れるものが要求される場合が多い。しかし、前述の従来のコーティング技術はセラミックを単独でコーティングする場合がほとんどなので、この場合には熱伝逹が容易に行われないため耐摩耗性を向上させることはできても基材への熱伝逹が容易に行われず高温に維持されて疲労による亀裂発生を深化させるので疲労に対する抵抗性が劣るという問題点がある。

韓国特許公開公報第１９９７−００４５０１０号韓国特許公開公報第１９９８−０１７１７１号韓国特許公開公報第２００３−００９５７３９号

このような従来の技術の問題点を解決するために、本発明は、母材に熱的変形または熱衝撃による損傷を誘発するおそれがないようにすると共に耐摩耗性の優れた最適のコーティング層を形成する方法及びコーティング層を提供することを目的とする。

また、本発明は、コーティング層に熱が蓄積されることを防止し、母材とコーティング層との間またはコーティング層内の亀裂生成を抑制してコーティング層の疲労による亀裂発生に対する抵抗性の優れたコーティング層の形成方法及びコーティング層を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、
母材を提供する工程と、
５０〜１００μｍの平均粒径を有する金属、合金またはその混合体粒子と、２５〜５０μｍの平均粒径を有するセラミックまたはその混合体粒子とを１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末を準備する工程と、
前記準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程と、
前記ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度に加速して前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法によって形成されることを特徴とする耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層を提供する。

このような本発明の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法及びこれを利用して製造されるコーティング層によると、最適の工程条件で最適の耐摩耗性を有し、疲労亀裂に対する抵抗性の優れたコーティングを得ることができ、付加的に熱疲労特性も向上させることができる。このように製造されたコーティング層は摩擦性環境に使用される機械部品の表面コーティングとして用いられたり、周期的な熱応力環境下で動作するエンジン部品に使用され、部品の耐磨耗特性及び亀裂生成及び伝播を抑制することによる疲労特性を向上させ、付加的に熱伝導特性の向上及び熱膨張係数調節によってコーティング層と母材間の剥離またはコーティング層の亀裂を最少化することができて熱疲労亀裂に対する抵抗性を向上させることができる。

また、相対的に低い混合粉末注入圧力と低い運搬ガス温度を利用してコーティング層を形成することができるので製造費用が安いという長所がある。

特に、アルミニウム金属粒子とＳｉＣセラミック粒子でコールドスプレー工程を利用して母材に金属マトリックス複合体コーティング層を形成する工程において、最適の耐磨耗特性を有する工程条件を提供する効果がある。

さらに、本発明の方法は熱エネルギーでなくコーティング粒子の運動エネルギーによってコーティング層を形成する。したがって、母材に熱衝撃を加えたり熱変形を発生するおそれがなく、母材との反応によって母材の特性に悪影響を及ぼす新たな相を形成するおそれもない。

以下、本発明について図面及び具体的な実施例を参照して詳細に説明する。

本発明は耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法に関するものであって、母材（Ｓ）を提供する工程、５０〜１００μｍの平均粒径を有する金属、合金またはその混合体粒子と、２５〜５０μｍの平均粒径を有するセラミックまたはその混合体粒子とを１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末を準備する工程、前記準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程及び前記ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度に加速して前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程を含んで構成される。

つまり、本発明はコールドスプレー（低温噴射）方法を適用して母材に金属マトリックス複合体のコーティング層を形成する方法において、コーティング層の耐摩耗性向上に焦点を置きこれを最大限向上させるための最適の工程条件及びこれによって製造されるコーティング層に関する。

コールドスプレー方法自体は公知の技術であって、このようなコールドスプレーのための装置の概略図は図１に示した通りである。つまり、図１は本発明で母材（Ｓ）にコーティング層を形成するための低温噴射（コールドスプレー）装置（１００）の概略図を示した図面である。

前記噴射装置（１００）はコーティング層を形成する粉末を亜音速または超音速に加速して母材（Ｓ）に提供する。このために、前記噴射装置（１００）はガス圧縮器（compressor）（１１０）、ガスヒーター（１２０）、粉末供給器（powder feeder）（１３０）及び噴射用ノズル（１４０）で構成される。

ガス圧縮器（１１０）から提供された約５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧縮ガスは粉末供給器（１３０）から提供される粉末を噴射用ノズル（１４０）を通じて約３００〜１２００ｍ／ｓの速度で噴出してコーティングする。このような亜音速〜超音速の流動を発生させるためには、通常は図１に示したように前記噴射用ノズル（１４０）として収斂−発散型ノズル（de Laval-Type）が使用され、このような収斂及び発散過程によって超音速流動を発生させることができる。

前記装置（１００）において圧縮ガス供給経路上のガスヒーター（１２０）は圧縮ガスの運動エネルギーを増加させて噴射用ノズルでの噴射速度を高めるために圧縮ガスを加熱するための付加的な装置であり、必ずしも必要なものではない。また、図示されているよ（１１０）の圧縮ガス一部は前記粉末供給器（１３０）に供給されることができる。

前記装置において圧縮ガスとしては常用のガス、例えばヘリウム、窒素、アルゴン及び空気などを使用でき、使用ガスの種類は噴射用ノズル（１４０）での噴射速度及び経済性などを考慮して適切に選択できる。

図示された装置の動作及び構造に関するより具体的な説明はアルキモブ（Anatoly P.Alkh imov）などによる米国特許第5,302,414号に詳細に記述されており、ここでは詳細な説明を省略する。

このような装置を利用してコールドスプレーコーティングをすることにおいて、第１工程として母材を提供する。前記母材（Ｓ）は耐摩耗性を要求する部品の母材になる多様な公知の材質がこれに該当することができ、任意の材質からなることができる。具体的には、前記母材は熱的、機械的部材に広く使用されるアルミニウム、アルミニウム合金、特に、Ａｌ−ＳｉまたはＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金、または鋳鉄（Cast Iron ）などの鉄系合金材質であることができ、シリコンなどの半導体材質であることができる。好ましくは、前記母材は耐摩耗性が劣って本発明のコーティング層形成によって改善効果の大きいアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが良い。

また、本発明に使用される前記金属、合金またはその混合体粒子は鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、モリブデン及びチタンからなる群より一つ以上選択される金属を含むことができる。また、前記金属は鉄系合金、ニッケル合金、銅合金、アルミニウム合金、モリブデン合金及びチタン合金からなる群より一つ以上選択される金属を含むことができ、これに関する例としてはアルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウムとアルミニウム合金との混合体、アルミニウムとチタンとの混合体、アルミニウムとチタン合金との混合体、アルミニウム合金とチタン合金との混合体などを挙げることができ、特に、通常の熱的、機械的部材に頻繁に使用されるアルミニウム合金またはチタン合金であることができる。好ましくは、前記金属または合金は、耐摩耗性が劣って本発明のコーティング層形成によって効果の大きいアルミニウムまたはアルミニウム合金母材にコーティングされることが良いので、同質性の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが良い。

本発明において前記セラミックまたはその混合体は公知の耐摩耗性の優れた多様な種類のセラミックとその混合物がこれに該当し、これには酸化物、炭化物または窒化物が含まれる。具体的に、前記セラミックとしては金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物などが使用可能であり、より具体的には、二酸化硅素、ジルコニア、アルミナなどの酸化物、ＴｉＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄などの窒化物、ＴｉＣ、ＳｉＣなどの炭化物を用いることができ、アルミナまたはＳｉＣであることが耐摩耗性増大のために好ましい。

また、本発明において前記混合粉末に混合される前記セラミック粒子は凝集粉末（agglomerated powder）形態で提供されることができ、この場合、前記コーティング工程で前記粉末粒子が基板などと衝突する時に凝集粉末の場合は微細な粒子への粉砕が容易なため微細粒子になるので、微細なセラミック粒子が均等に分散されたコーティング層を形成することができるという点で有利である。

このような成分の混合粉末に混合される金属、合金またはその混合体粒子とセラミックまたはその混合体粒子の大きさは耐摩耗性の相対的指標であるマイクロビッカース硬度値を最大化するためにその平均粒径が各々５０〜１００μｍ内外と２５〜５０μｍ内外の範囲を有し、これらの混合比は金属：セラミックの体積比が１：１〜３：１の範囲である。これに関する例として、アルミニウムとＳｉＣを混合した場合にアルミニウムの粒子の大きさを１００メッシュ（平均粒径：約１４０μｍ）、２００メッシュ（平均粒径：約７７μｍ）、３２５メッシュ（平均粒径：約４４μｍ）に変更し、ＳｉＣの粒子の大きさを１５０メッシュ（平均粒径：約１０６μｍ）、４００メッシュ（平均粒径：約３５μｍ）、１０００メッシュ（平均粒径：約１３μｍ）、２０００メッシュ（平均粒径：約６μｍ）に変化させ、混合比を全体混合粉末に対するＳｉＣの体積％として１０％、２５％、５０％含まれている場合に変化させてコールドスプレーをした場合のマイクロビッカース硬度値を測定した結果が図２（１００メッシュアルミニウム使用）、図３（２００メッシュアルミニウム使用）、図４（３２５メッシュアルミニウム使用）に示されている。これによると、２００メッシュアルミニウムと４００メッシュＳｉＣを２５体積％〜５０体積％で混合した場合に８０Ｈｖ以上の高い硬度値を示すことが分かる。

これはＳｉＣの含量が各々２５体積％と５０体積％である場合のコーティング層の微細構造を図５（２００メッシュアルミニウム＋１５０メッシュＳｉＣ使用）、図６（２００メッシュアルミニウム＋４００メッシュＳｉＣ使用）、図７（２００メッシュアルミニウム＋１０００メッシュＳｉＣ使用）、図８（２００メッシュアルミニウム＋２０００メッシュＳｉＣ使用）に示したように、同一な平均粒径を有するアルミニウム粉末に対してＳｉＣの大きさ及び含量によるモーフォロジー（morphology）の変化を観察してみればその原因が分かる。つまり、ＳｉＣの大きさが大きすぎる場合には金属マトリックス複合体内のＳｉＣ分散が円滑に行われず、その大きさが小さすぎる場合にはＳｉＣ粒子間引力によって図７と図８に示したようにテクスチャー（texture）形状のモーフォロジーを有するので分散効果が劣る。

さらに、粒子の大きさが小さすぎる場合には粒子の重量が少ないので速い速度にもかかわらずコーティング層に対する衝突時に衝撃量が少なすぎるのでショットピーニング（shot peening）のような加工硬化が少なく起こり、粒子の大きさが大きすぎる場合には衝撃量は大きいが衝突回数及び面積が少なくて加工硬化が少ないので、加工硬化を最大化する最適の中間大きさ範囲が存在する。

また、粒子の大きさ及び混合比による耐摩耗性特性を評価するために摩耗量を測定した結果が使用されたＳｉＣのメッシュ大きさに対する摩耗量としてそれぞれの条件に対して図９（２００メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ２５ｖｏｌ％使用）、図１０（２００メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ５０ｖｏｌ％使用）、図１１（３２５メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ２５ｖｏｌ％使用）、図１２（３２５メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ５０ｖｏｌ％使用）に示される。これによると、摩耗特性は２００メッシュアルミニウムにＳｉＣを２５〜５０体積％含む場合が優れており、特に、２００メッシュアルミニウムに４００メッシュＳｉＣを５０体積％含む場合が優れていることが分かる。

したがって、摩耗量とモーフォロジー及び硬度実験結果によると、５０〜１００μｍの平均粒径を有する金属、合金またはその混合体粒子と、２５〜５０μｍの平均粒径を有するセラミックまたはその混合体粒子とを１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末を使用することによって最も優れる耐磨耗特性を有するコーティング層を形成することができることが分かり、好ましくは、５０〜１００μｍの平均粒径を有するアルミニウム粒子と、２５〜５０μｍの平均粒径を有するＳｉＣ粒子とを１：１〜３：１の体積比範囲で含む混合粉末を使用することが良い。

前記セラミックまたはその混合体粒子と金属、合金またはその混合体粒子との混合粉末は通常の方法によって製造できる。最も簡単な方式としてはセラミック粉末と金属粉末をｖ−ミル（v-mill）によって乾式混合する方式を挙げることができる。乾式混合された粉末は別途に処理せずそのまま粉末供給器に使用されることができる。前記混合物のうちのセラミック粉末と金属粉末の混合比率は用途によって適切に調節できるが、耐摩耗性の最適化のためには前述の比率の範囲内で混合し、前記セラミック粒子の体積比が５０％を超える場合にはコーティング層が一定の厚さ以上に増加しないという問題点が発生する可能性があるので前述の範囲内で混合する。

一般に、前記ノズルとして収斂−発散型ノズルを使用し通常の構成を有する場合には前記混合粉末に約５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧縮ガスが供給される。前記圧縮ガスとしてはヘリウム、窒素、アルゴン及び空気などを用いることができる。前記ガスはコンプレッサのようなガス圧縮器によって約５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ²に圧縮されて提供される。必要によって、前記圧縮ガスは図１のガスヒーター（１２０）のような加熱手段によって約２００〜５００℃の温度で加熱された状態で提供されることができる。

前記コールドスプレー工程には前述のように粉末に対する圧縮圧力、運搬ガスの流動速度、運搬ガスの温度などその制御変数が多いが、好ましくは、耐摩耗性の増大のためにはノズルから噴射された粉末が全てコーティングされることより全体混合粉末の５０％以上はコーティング面にショットピーニングのような加工硬化に寄与するためにコーティング面にぶつかってから落ち、最大に噴射された粉末の５０％のみが実質的にコーティングされるようにすることがコーティング層の加工硬化による硬度向上及び耐摩耗性増大に良い。さらに好ましくは、前記コーティング効率の範囲は１０〜２０％の範囲であることが硬度向上及び耐摩耗性増大に良い。

したがって、前記コーティング効率を維持する場合には混合粉末の衝突時に速度を相対的に低く維持することが好ましく、速度は運搬ガス温度の自乗根にほぼ比例して変わるので、このような場合には前記混合粉末のノズルを通じたコーティング時、前記ノズルに供給される運搬ガスの温度は相対的に低い温度に維持しても良く、この場合に前記運搬ガスの温度は２８０±５℃であるのが好ましい。さらに好ましくは、前記運搬ガスの温度はアルミニウム金属とセラミック混合粉末の場合に適正コーティング効率を示すので良い。

また、特に、前記金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合には、そのセラミック粒子の種類に関わらず前記母材にコーティングされる粉末の速度を３００〜５００ｍ／ｓに維持すれば前述のようなコーティング層の加工硬化効果を得ることができ、したがって、耐摩耗性増大を最大化することができるので好ましい。

また、前記コールドスプレー装置のノズルは、前述のような通常のデラバルタイプ（de Laval-Type）の収斂−発散型ノズルの外に、図１３〜１６に示したように、スロート（throat）を有する収斂−発散型ノズルまたは収斂−直管型ノズルが使用され、前記混合粉末の注入はスロートを貫通して位置する注入管を通じて前記ノズルの発散または直管部分で行われる形態でコーティングを実施できる。これによって混合粉末の注入が発散〜直管部分で行われるため相対的に低い圧力で行われるので混合粉末の注入のための圧力を低く維持することができてコールドスプレー装置を安価に構成でき、発散または直管区間で粉末が注入されるのでノズル内部、特にスロートに粉末がコーティングされることを防止して長時間操作が可能なようにするので好ましい。

したがって、上記のようなノズル及び注入管を使用する場合には前記混合粉末のノズルへの注入時の圧力は通常の圧力より非常に低い９０〜１２０ｐｓｉの相対的に低い圧力を使用するのが好ましい。

さらに好ましくは、上記形式のノズル及び注入管を使用する場合に混合粉末のノズルへの注入時の圧力は９０〜１２０ｐｓｉであり、運搬ガスの温度は２８０±５℃であることが耐摩耗性の優れるコーティング層を形成するのに良く、特にこれは前記金属がアルミニウムであり、前記セラミックがＳｉＣである場合にさらに良い。

その外に、前記コーティング工程で前記金属、合金またはその混合体粒子とセラミックまたはその混合体粒子との混合比を１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末をコーティングする前に、これより低い比率でセラミックまたはその混合体粒子を含む混合粉末を先にコーティングすることができる。つまり、低いセラミック含量を有する層を一つまたは二つ以上含むようにすることができる。また、これと異なり、前記金属、合金またはその混合体粒子とセラミックまたはその混合体粒子との混合比を１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末をコーティングする前に、これより低い比率でセラミックまたはその混合体粒子を含む混合粉末を先にコーティングし、母材表面からコーティング層表面に行くほど順次に高い比率でセラミックまたはその混合体粒子を含んで最終的に前記１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末をコーティングすることができる。つまり、母材からコーティング層の最外郭部に、厚さ方向に対してセラミック粒子の濃度勾配が発生するようにコーティングする。

これによって母材とコーティング層間の熱膨張係数の差による熱応力発生を最少化し、熱伝逹を活性化して熱サイクリングによって発生できるコーティング層の剥離、残留応力発生を最少化することができる。

このような追加中間層の形成も好ましくは前記金属がアルミニウムであり、前記セラミックがＳｉＣである場合に適用することがアルミニウムとＳｉＣの熱膨張係数の差を克服するために良い。

また、このようなコーティング工程を行った後に、前記金属、合金またはその混合体の焼鈍温度に該当する温度で焼鈍熱処理をする熱処理工程をさらに含むようにすることができる。つまり、前述の各工程によって形成されたコーティング層は必要によって適切な後処理工程を経ることができる。後処理工程は例えば表面粗度調節のための機械加工またはコーティング層の接着力向上のための熱処理を含むことができる。

また、本発明は前述の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法によって形成されることを特徴とする耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層を提供する。このような前記コーティング層の厚さは好ましくは１０μｍ〜１ｍｍであるが、薄すぎる場合には耐摩耗性が劣る問題が発生し、厚い場合にはコーティング層形成の製造費用と熱膨張による剥離、熱応力発生などが起こる可能性があるので、上記範囲であるのが良い。

さらに好ましくは、前記金属としてはアルミニウムを使用し、前記セラミックとしてはＳｉＣを使用して形成され、このように形成されたコーティング層の硬度はマイクロビッカース硬度で最小限８０Ｈｖを示す。

本発明の方法によって得られた耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層は母材またはコーティング自体の物性を向上させる。

まず、高硬度のセラミック粒子をコーティング層に含むことによって、部材の耐摩耗性を向上させることができる。

第２に、本発明によって製造されたコーティング層はコーティングされた部品の疲労特性を向上させる。つまり、コーティング層と母材間の高い結合力によって母材とコーティング層間の亀裂発生を抑制し、コーティング層は金属マトリックス複合体の特性を有するためこれに伴う微細構造の特性上コーティング層内部の亀裂発生及び伝播速度を低くする効果があるので疲労特性を向上させる。また、このような部品が熱疲労（thermal fatigue）破壊に対して高い抵抗性を有するようにする。ガスタービンのような耐熱機関に使用される部品での亀裂の発生及び伝播の主な原因としては局部的な温度差に起因した熱応力を挙げることができる。また、エンジンブロックにおいてエンジンの燃焼によってシリンダーから近い側は高い温度状態にあり、シリンダーから遠い側は低い温度状態にあるようになる。このような温度差はエンジンブロック表面での亀裂生成の原因になる熱応力を発生させる。特に、エンジンのように周期的な燃焼と冷却が同伴される場合、周期的な熱応力による熱疲労破壊特性を制御することが非常に重要である。本発明では金属としてアルミニウムまたはアルミニウム合金、セラミックとしてＳｉＣのような高い熱伝導度を有する粒子を使用してコーティング層を形成することによって、部材の熱伝導特性を向上させることができる。熱伝導特性の向上は部品に発生する局部的な温度差を減少させるので、結局部品の熱疲労破壊特性を向上させる。また、複合体の形成によって母材との熱膨張係数差を減らすことができ、これによって加熱時に発生する熱応力を減らすことができるのでコーティング層の剥離や亀裂発生を最少化することができるという長所がある。

以上で説明した本発明は前述の発明の詳細な説明及び図面によって限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で当該技術分野の当業者が多様に修正及び変更させたものも本発明の範囲内に含まれることはもちろんである。

本発明において金属マトリックス複合体コーティング層を形成するために使用される低温噴射装置を概略的に示した図面である。本発明のコーティング層形成方法を得るために１００メッシュ（約１４０μｍ）のアルミニウムを用い、ＳｉＣ粒子の大きさ及び割合分率を変化させて硬度を測定した結果を示した結果である。本発明のコーティング層形成方法を得るために２００メッシュ（約７７μｍ）のアルミニウムを用い、ＳｉＣ粒子の大きさ及び割合分率を変化させて硬度を測定した結果を示した結果である。本発明のコーティング層形成方法を得るために３２５メッシュ（約４４μｍ）のアルミニウムを用い、ＳｉＣ粒子の大きさ及び割合分率を変化させて硬度を測定した結果を示した結果である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、２００メッシュアルミニウム＋１５０メッシュＳｉＣを使用し、ＳｉＣの割合を２５体積％及び５０体積％としたときの微細構造を撮影した写真である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、２００メッシュアルミニウム＋４００メッシュＳｉＣを使用し、ＳｉＣの割合を２５体積％及び５０体積％としたときの微細構造を撮影した写真である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、２００メッシュアルミニウム＋１０００メッシュＳｉＣを使用し、ＳｉＣの割合を２５体積％及び５０体積％としたときの微細構造を撮影した写真である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、２００メッシュアルミニウム＋２０００メッシュＳｉＣを使用し、ＳｉＣの割合を２５体積％及び５０体積％としたときの微細構造を撮影した写真である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、２００メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ２５体積％使用し、ＳｉＣの大きさ及び割合を変化させて摩耗量を測定した結果を示した結果である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、２００メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ５０体積％使用し、ＳｉＣの大きさ及び割合を変化させて摩耗量を測定した結果を示した結果である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、３２５メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ２５体積％使用し、ＳｉＣの大きさ及び割合を変化させて摩耗量を測定した結果を示した結果である。本発明のコーティング層形成方法を得るために、３２５メッシュアルミニウム＋ＳｉＣ５０体積％使用し、ＳｉＣの大きさ及び割合を変化させて摩耗量を測定した結果を示した結果である。本発明のコーティング層形成方法に使用されるノズルに関する具体的な１実施例を示した図面である。本発明のコーティング層形成方法に使用されるノズルに関する具体的な他の実施例を示した図面である。本発明のコーティング層形成方法に使用されるノズルに関する具体的な他の実施例を示した図面である。本発明のコーティング層形成方法に使用されるノズルに関する具体的な他の実施例を示した図面である。

符号の説明

Ｓ母材
２収斂部
４スロート部
６発散部／直管部
８出口端
１０ノズル部
１２注入口
２０注入管
２２基点
２４連接部
３０緩衝チェンバ
１１０ガス圧縮器
１２０ガスヒーター
１３０粉末供給器
１４０ノズル

Claims

母材を提供する工程と、
５０〜１００μｍの平均粒径を有する金属、合金、またはその混合体粒子と、２５〜５０μｍの平均粒径を有するセラミックまたはその混合体粒子とを１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末を準備する工程と、
前記の準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程と、
前記ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度に加速して前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記金属が、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、モリブデン及びチタンからなる群より一つ以上選択される金属を含む請求項１に記載の耐摩耗性金属基複合体コーティング層形成方法。
前記金属が、鉄系合金、ニッケル合金、銅合金、アルミニウム合金、モリブデン合金及びチタン合金からなる群より一つ以上選択される金属を含む請求項１に記載の耐摩耗性金属基複合体コーティング層形成方法。
前記セラミックが酸化物、炭化物、または窒化物である請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記セラミックがアルミナまたはＳｉＣである請求項４に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記混合粉末に混合される前記セラミック粒子が凝集粉末で提供される請求項４に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記母材が、アルミニウム、アルミニウム合金、または鋳鉄である請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記コーティング工程でコーティング効率を最大５０％に維持する請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記母材にコーティングされる粉末の速度が３００〜５００ｍ／ｓである請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記ノズルがスロートを有する収斂−発散型ノズルまたは収斂−直管型ノズルであり、前記混合粉末の注入がスロートを貫通して位置する注入管を通じて前記ノズルの発散または直管部分で行われる請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記混合粉末のノズルへの注入時の圧力が９０〜１２０ｐｓｉである請求項１０に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記混合粉末のノズルを通じたコーティング時、前記ノズルに供給される運搬ガスの温度が２８０±５℃である請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記金属、合金またはその混合体粒子とセラミックまたはその混合体粒子との混合比を１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末をコーティングする前に、（１）これより低い比率でセラミックまたはその混合体粒子を含む混合粉末を先にコーティングするか、（２）これより低い比率でセラミックまたはその混合体粒子を含む混合粉末を先にコーティングして母材表面からコーティング層表面に行くほど順次に高い比率でセラミックまたはその混合体粒子を含み最終的に前記１：１〜３：１の体積比で含む混合粉末をコーティングする請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
前記コーティング工程以後に前記金属、合金またはその混合体の焼鈍温度で焼鈍熱処理をする熱処理工程をさらに含む請求項１に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法。
請求項１〜１４のうちのいずれか一項記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層形成方法によって形成されることを特徴とする耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層。
前記コーティング層の厚さが１０μｍ〜１ｍｍで請求項１５に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層。
前記金属としてアルミニウムを使用し、前記セラミックとしてＳｉＣを使用して形成され、コーティング層の硬度が最小限８０Ｈｖである請求項１５に記載の耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層。