JP2009035811A

JP2009035811A - 磁性鋼のための耐食性及び耐摩耗性コーティング

Info

Publication number: JP2009035811A
Application number: JP2008152974A
Authority: JP
Inventors: Don L Mittendorf; ドン・エル・ミッテンドーフ; Amer Aizaz; アマー・アイザズ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US20080308425A1; EP2014792A1

Abstract

【課題】磁性鋼構成要素を製造する方法を提供する。
【解決手段】無電解ニッケルめっきを、磁性鋼を含む基体１０表面に形成する。その後、熱サイクルを、無電解ニッケルめっきを焼結して基体１０表面に緻密化されためっき１６を形成するのに十分に高い温度で実行する。一つの実施態様では、熱サイクルは、基体１０及び緻密化されためっき１６を、少なくとも約１３００°F（約７０４℃）の温度であって、しかし無電解ニッケルめっきの融解温度未満の温度に加熱する固相拡散焼結プロセスを含む。別の実施態様によれば、熱サイクルは、基体１０及び緻密化されためっき１６を少なくとも無電解ニッケルめっきの融解温度に加熱する過渡的液相焼結プロセスを含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、概してソレノイド及びモーターを含む航空機及び産業用構成要素の構成において使用される磁性鋼に関する。より詳細には、本発明は、作動及び作動環境の結果として摩擦または腐食により発生し得る構成要素の使用中の損傷を防ぐための磁性鋼のための耐摩耗性及び耐食性コーティングに関する。

磁性鋼は、航空機及び産業上の用途のためのモーター及びガスタービンエンジン構成要素を製造するために使用される。一例として、電磁作動弁（solenoid actuated valve）もまた磁性鋼から製造される。電磁弁には、線形電気機械ソレノイドに結合した弁アセンブリが含まれる。アセンブリは、電子的制御装置と空気圧または油圧システムとの間のインターフェースとして機能し、電気的入力が空気圧または油圧流れを制御することを可能にする。従って、以下にソレノイドと呼ぶ電磁作動弁は、しばしば、タービンエンジン及び航空機の空気圧及び油圧システムにおける流体の流れを制御するために使用される。

ソレノイドは、可動機械構成要素を含み、汚染された高温ガスが流れることがある高圧導管中にぴったり配置されているので、摩耗及び腐食にさらされる。特に、磁気力を最適化するために、可動磁性鋼構成要素はしばしば、可動磁気部片の間に小さなギャップを有する。従って、可動部片は、摩擦摩耗及び腐食を受けることがある。磁性鋼の摩耗及び腐食は、磁性鋼から製造された装置の適切な運動を阻害することになる。

物品とその隣接する構成要素との間の相対運動が原因となる摩擦並びに使用環境及び制御流体組成物が原因となる腐食を受けることがある、磁性鋼から製造されるソレノイド、モーター構成要素及び他の物品のための摩耗及び腐食挙動を、様々なコーティングを使用して向上させる。電気めっきは、磁性鋼構成要素表面の保護コーティングの多くの一般的な形成方法のうちの１つである。しかしながら、磁性鋼のために開発された電気めっきされた保護コーティングは、固有のコーティング多孔性及び欠陥並びに腐食電解質のその後の浸透が原因となって、現場での使用が制限される。

従って、腐食を防ぎ、耐摩耗性を改善するように作用し、それによって、磁性鋼構成要素の機能寿命を増大する、改良されたコーティングを提供することが望ましい。加えて、このようなコーティングの形成方法を提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴及び特性は、添付図面及び本発明の背景と共に検討することで、以下に続く発明の詳細な説明及び添付の請求の範囲から明瞭になろう。

磁性鋼構成要素を製造する方法を提供する。無電解ニッケルめっきを、磁性鋼を含む基体表面に形成する。熱サイクルをその後、無電解ニッケルめっきを焼結して基体表面に緻密化されためっきを形成するのに十分に高い温度で実行する。一つの実施態様によれば、熱サイクルは、基体及び緻密化されためっきを、少なくとも約１３００°F（約７０４℃）の温度であって、無電解ニッケルめっきの融解温度未満の温度に加熱する固相拡散焼結プロセスを含む。別の実施態様によれば、熱サイクルは、基体及び緻密化されためっきを少なくとも無電解めっきの融解温度に加熱する過渡的液相焼結プロセスを含む。

本発明を、添付図面を用いて以下に説明し、ここで、同じ符号は同じ要素を示す。

以下の発明の詳細な説明は、本質的には単なる例示であり、本発明又は本発明の用途及び使用を限定することを意図するものではない。その上、前述の発明の背景または以下の発明の詳細な説明において提出される何らかの理論に束縛されることを意図するものではない。

本発明は、磁性鋼構成要素のための耐食性コーティングとしての金属層を形成するめっき方法を使用することの利点を提供する。めっき方法を使用して、一連のコーティングを形成して、コーティング配合物を最適化し、めっきされたコーティングの様々な部分における特定の金属を濃縮してよい。図１〜５は、耐食性コーティング及び耐摩耗性コーティングを表面に形成するプロセスの様々な工程の最中の基体１０を表す断面図である。図１によれば、基体１０は、典型的には磁性鋼を、一次または単独の基体組成物として含む。典型的の基体１０は、モーター構成要素またはガスタービンエンジン構成要素の例えばソレノイドを形成する磁性鋼である。

典型的な実施態様によれば、薄い金属ストライク１２を基体１０の表面に形成して、酸化物がほとんど乃至全く存在しない表面を提供する。基体１０における磁性鋼は、金属酸化物、例えば酸化鉄ＩＩＩを非常に形成しやすい。酸化物形成は、上にあるコーティングの基体１０への接着性を減少させる傾向があり、さらに、それに続く熱加工の最中に基体１０と上にある任意のコーティングとの間の金属の拡散を減少させる傾向がある。従って、基体１０はストライク１２でコーティングされる。ストライク１２は、磁性鋼の酸化物を除去し、酸化物を薄い金属層で置き換える堆積プロセスによって適用される金属コーティングである。金属層も酸化物を形成することがあるが、該酸化物をより厚いトップコートの適用の最中に除去することは、基体１０の一部分である磁性鋼表面に一般に形成されるより厚い酸化物の場合と比較して、困難ではない。典型的な金属ストライク材料は、銅及びニッケルを含む。一実施態様によれば、ストライク材料が厚さ約０．０００１〜０．０００５インチ（約２．５４〜１２．７マイクロメートル）に達するまで、金属ストライク１２を電解めっきプロセスによって形成する。

図２に表すように、無電解ニッケルめっき１４を基体１０上に形成する。薄い金属ストライク１２を基体１０表面に形成する実施態様では、無電解ニッケルめっき１４を直接に金属ストライク１２表面に形成し、これは、実質的に酸化物の無い界面を提供する。無電解ニッケルめっきは、約２〜１５重量％の範囲にわたるリン含量を有し、好ましいリン含量は約７重量％であり、これは、望ましい拡散及び層間結合が得られるリン濃度である。無電解ニッケルめっきは、基体表面にニッケルのコーティングを堆積するために使用される自己触媒反応である。電気めっきと異なり、電流を溶液に通して堆積物を形成する必要は無い。無電解ニッケルめっきは、電気めっきにまさる幾つかの利点を提供する。フラックス密度及び電源の問題が無いので、無電解ニッケルめっきは、工作物の幾何学的形状または表面伝導率にかかわらず一様な堆積物を提供する。典型的な実施態様によれば、無電解ニッケルめっき１４を、約０．００００５〜０．００５インチ（約１．２７〜１２７マイクロメートル）の範囲にわたる厚さに形成する。別の模範的な実施態様では、無電解ニッケルめっき１４を、薄い電解ニッケルめっきで被覆する。例えば、約０．０００２〜０．０００３インチ（約５．１〜約７．６マイクロメートル）の範囲にわたる厚さを有する図示しない電解ニッケルめっきを、所望により無電解ニッケルめっき上に形成してよい。

少なくとも無電解ニッケルめっき１４を形成した後、熱サイクルを実行する。最初に形成しためっき１４は微視的細孔及び欠陥を有し、ニッケル及びリンのアモルファス混合物を含む。めっきプロセスは、めっき１４全体にわたって残留応力をもたらす。コーティング１４を十分な温度で十分な時間加熱することによって引き起こされる原子間拡散によって、めっき内部の欠陥及び内部応力を減少させる。得られたコーティングは、改良された耐食性を有する。

その上、熱サイクルを実行することは、めっき１４と基体１０との間に冶金学的結合を生成する。従来のコーティングは機械的に結合させているので、使用の最中に層状に剥離（stall off）することがある。本発明によれば、熱サイクルを、めっき１４が層状に剥離するのを防ぐために実行する。

熱サイクルのための時間及び温度は、無電解ニッケルめっきの厚さ及び組成によって変化する。さらに、熱サイクル温度は、基体１０における磁性鋼のためのアニーリング温度に整合的であるべきである。熱サイクルは、図３に表すように緻密化された無電解ニッケルめっき１６を生成する。薄い金属ストライク１２を基体１０の表面に形成する実施態様では、緻密化された無電解ニッケルめっき１６は、薄い金属ストライク１２からの拡散した金属原子を含む。その上、電解ニッケルめっきを無電解ニッケルめっき１４上に堆積する場合、電解ニッケルめっきからの拡散した金属原子は、緻密化された無電解ニッケルめっき１６中に拡散する。厚さが０．００１インチ（２５．４マイクロメートル）未満の場合でさえも、緻密化された無電解めっき１６は、優れた腐食保護を提供する。緻密化された無電解ニッケルめっき１６は、堆積したままのめっき１４から微視孔及び内部残留応力を除去することによる改善された耐食性という利点を提供することに加えて、従来のより厚いコーティングと比較した場合に、表面にめっき１６が形成された電磁構成要素の効率をより良好に維持するのに十分なくらいに薄い。構成要素の電磁効率は、上にある層の厚さが増大するにつれて減少するからである。

緻密化された無電解ニッケルめっき１６の２つの典型的な形成方法は、固相拡散焼結及び過渡的液相焼結である。どちらの熱プロセスも、細孔を閉じ、密閉することによってコーティングの多孔性を有効に低下させる。この結果、無電解ニッケルめっきの耐食特性は改善される。固相拡散焼結は、磁性鋼基体１０と上にあるめっき１４との間の差異のある組成（differential composition）によって駆動される。差異は、ニッケル及びニッケルリンの不整合の結晶粒、並びに不整合の結晶粒が生成するギャップによって生じるめっき１４内部の残留応力によって強調される。過渡的液相焼結を固相拡散焼結よりも高い温度で実行して、めっき１４中の共晶組成物を少なくとも部分的に融解することにより、毛管作用によりめっき１４内部の多孔性を実質的に取り除く。

固相拡散焼結プロセス及び過渡的液相焼結プロセスのいずれかを、真空または不活性ガス環境中で実行する。表面に形成された無電解ニッケルめっき１４を有する基体１０を、約１３００〜約１６００°F（約７０４〜約８７０℃）の範囲にわたる温度に加熱することによって、典型的な固相拡散プロセスを実行する。先に述べたように、熱サイクル温度はまた、基体１０のためのアニーリング温度に整合的である必要もある。無電解ニッケルめっき１４の厚さ及び組成並びに緻密化されためっき１６を基体１０に融合するのに必要な機構に応じて、高温を約１分〜約４時間の範囲にわたる時間維持する。

典型的な過渡的液相焼結プロセスを、固相拡散プロセスのための温度よりも高い温度で実行する。過渡的液相焼結の最中に無電解ニッケルめっき材料を少なくとも部分的に融解する温度で、熱サイクルを実行する。毛管作用は、めっき１４における細孔を閉じさせる。無電解ニッケルめっき１４の部分的融解の結果として、コーティングの緻密化は迅速に起きる。また、基体１０及びめっき１４、及び含まれる場合にニッケルストライク１２の間の原子の拡散の増加は、固相拡散焼結プロセスの代わりに過渡的液相焼結プロセスを実行することの結果である。

緻密化された無電解ニッケルめっき１６はまた、図４における無電解ニッケルめっき１４上に追加のコーティングを適用し、３つの層を一緒に拡散することによって形成してよい。典型的な実施態様によれば、厚さ約０．０００１〜０．０００５インチ（２．５〜１２．７マイクロメートル）を有するニッケルめっきを、無電解ニッケルめっき１４上に形成し、３つの層（すなわちニッケルストライク１２、緻密化された無電解ニッケルめっき１６、及び追加のニッケルめっき）を一緒に拡散して、ニッケル含量に富んだ外側層を提供する。

多くの用途について、構成要素が特に流れる空気中の粒子又は他の構成要素との間で時々摩擦または接触を受ける場合、緻密化された無電解ニッケルめっき上に、及び、上にある別のコーティングが含まれる場合には、そのコーティング（例えば上にある金属ストライク１８）上に、耐摩耗性コーティングを形成してよい。図５は、拡散した金属コーティング１６及び金属ストライク１８を耐摩耗性コーティング２０でコーティングした後の、図４に表す組成物の断面図である。コーティング２０は、高い耐摩耗性及び低い摩擦係数を有する外部表面を提供する材料である。耐摩耗性コーティング２０のための幾つかの典型的な金属は、クロム及び無電解ニッケルを含む。無電解ニッケルめっきを、めっき１４を形成するプロセスと同様の方法を使用して形成してよい。無電解ニッケルめっきは、リン含量（Ｎｉ−Ｐ）またはホウ素含量（Ｎｉ−Ｂ）を含んでよい。このような無電解ニッケルめっきのいずれかの場合、熱処理は好ましくは、コーティング２０を硬化させるために、耐摩耗性コーティングを用いるめっきの後で実施する。例えば、Ｎｉ−ＰまたはＮｉ−Ｂめっきの形成に続いて、約７５０°F（約４００℃）での熱サイクルは、耐摩耗性コーティング２０を硬化させる。加熱処理の温度及び継続時間は、コーティング厚さ及びコーティング材料に依存して変化する。例えば、クロムから形成されたコーティングは、その後に熱処理を十分に厳しく実施することを要求することなく、適切な耐摩耗性及び低摩擦をもたらす。

少なくとも１つの典型的な実施態様を、前述の発明の詳細な説明において提出したが、非常に多くの数の変形例が存在することは了解されるはずである。また、単数の典型的な実施態様または複数の典型的な実施態様は例示にすぎず、本発明の範囲、利用可能性、または形状をいかなる点からも限定することを意図したものではないことは了解されるはずである。むしろ、前述の詳細な説明は、本発明の典型的な実施態様を実施するための便利な工程表を当業者に提供するであろう。添付の請求の範囲において述べる本発明の範囲から逸脱することなく、典型的な実施態様において説明した要素の機能及び配置において様々な変更を行うことができることは理解される。

金属ストライクでコーティングされた基体を含む磁性鋼構成要素の断面図である。無電解金属コーティングプロセス後における、図１に表す磁性鋼構成要素の断面図である。熱拡散プロセス後における、図２に表す磁性鋼構成要素の断面図である。拡散した金属コーティングを金属ストライクでコーティングした後の、図３に表す磁性鋼構成要素の断面図である。拡散した金属コーティングを耐摩耗性コーティングでコーティングした後の、図４に表す磁性鋼構成要素の断面図である。

符号の説明

１０基体
１２金属ストライク
１４無電解ニッケルめっき
１６緻密化された無電解ニッケルめっき
１８金属ストライク
２０耐摩耗性コーティング

Claims

磁性鋼構成要素を製造する方法であって、
磁性鋼を含む基体（１０）表面上に無電解ニッケルめっき（１４）を形成する工程、及び、
前記無電解ニッケルめっき（１４）を焼結して前記基体（１０）表面上に緻密化されためっき（１６）を形成するのに十分な高温で熱サイクルを実行する工程
を含む方法。
前記熱サイクルは、前記基体（１０）及び前記緻密化されためっき（１６）を、約１３００°F（約７０４℃）以上であって、前記無電解ニッケルめっき（１４）の融解温度未満の温度に加熱する固相拡散焼結プロセスを含む、請求項１に記載の方法。
前記熱サイクルは、前記基体（１０）及び前記緻密化されためっき（１６）を、少なくとも前記無電解ニッケルめっき（１４）の前記融解温度に加熱する過渡的液相焼結プロセスを含む、請求項１に記載の方法。