JP2011068991A - 耐摩耗デバイスおよびこれを処理する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な形態の摩耗メカニズムに対処する耐摩耗デバイスが求められている。
【解決手段】耐摩耗デバイス１２０が、基材５０と、この基材５０上に配置された耐摩耗層２２と、を含む。耐摩耗層２２は、マトリクス２４と、マトリクス２４全体に拡散した微粒子２６と、ホウ素材料と、を含む。この耐摩耗層２２をホウ化処理することによって、マトリクス２４内へホウ素を拡散させる。ホウ化処理の温度は、微粒子２６とマトリクス２４とを相互拡散させて結合を強化するという利点が追加されるように、選択することができる。選択されるホウ化処理の温度は、基材５０として選択される材料の種類に依存する。
【選択図】図２

Description

本発明は、改善された耐摩耗性を提供する材料およびその組成に関する。

ボアの表面やシャフトなどは、摩耗を受ける表面を有する。これらの表面は、材料に応じて、炭化処理あるいは窒化処理によって直接的に硬化されることによって、耐摩耗性が向上し得る。あるいは、他の例においては、これらの表面は、クロムめっき処理されることによって、さらに高い耐摩耗性を備え得る。

近年、クロムの代替品が求められている。しかし、代替品となる可能性のある材料は、クロムめっき処理したものと同程度の耐摩耗性をもたらすことに成功していない。また、その種の材料は、硬い微粒子との接触、嵌合部品との接触、および高温における接触などの、様々な形態の摩耗メカニズムに対処する、広範囲に及ぶ耐摩耗性を示していない。

耐摩耗デバイスの一例は、第１の金属材料からなる基材と、この基材上に配置された耐摩耗層と、を含む。耐摩耗層は、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなるマトリクスと、マトリクス全体に拡散した微粒子と、マトリクスの一部分内に拡散したホウ素材料と、を含む。

他の態様においては、耐摩耗デバイスは耐摩耗層そのものであり、この耐摩耗層は、金属材料からなるマトリクスと、マトリクス全体に拡散した微粒子と、マトリクスの一部分内に拡散したホウ素材料と、を含み得る。

耐摩耗デバイスの一例は、金属材料からなるマトリクスと、マトリクス全体に拡散した微粒子と、からなる耐摩耗層をホウ化処理することによって、マトリクスの一部分内にホウ素材料が拡散されるように、加工あるいは処理される。

耐摩耗デバイスの一例を示す図。 耐摩耗デバイスの他の例を示す図。

図１は、耐摩耗デバイス２０の一例を示す。この耐摩耗デバイス２０は、単独で或いは他の部品と組み合わせて与えられ、広範囲に及ぶ様々な摩耗メカニズムに対して、改善された耐摩耗性を提供する。この実施例においては、耐摩耗デバイス２０は、耐摩耗層２２（例えば、コーティング）を含み、この耐摩耗層２２は、マトリクス２４と、マトリクス２４全体に拡散した微粒子２６と、マトリクス２４の一部分（ドットを付して示した領域）内に拡散したホウ素材料２８と、を含む。

ホウ素材料２８は、耐摩耗性を増大させるようにマトリクス２４を硬化させ、これによって微粒子２６がマトリクス２４内に保持され易くなるという利点を有する。一例としては、耐摩耗デバイス２０は、摩耗を受ける外面３０を含む。ホウ素材料２８を含有していない場合、マトリクス材料２４が摺り減るのとともに微粒子２６がむき出され、この微粒子２６の結合が弱くなって、マトリクス２４から分離してしまうことがある。分離した微粒子は、摩耗粒子となり、摩耗を進行させる恐れがある。しかし、ホウ素材料２８を含んでいる場合、マトリクス２４の外側部分が硬化することによって、摩耗が低減するとともに、微粒子２６がマトリクス２４内に保持され易くなる。

耐摩耗層２２は、内側部分３２および外側部分３４を含み得る。ここで、「内側」および「外側」という用語は、摩耗面３０を基準とするものであるが、代替的に、耐摩耗層２２に関する他の要素を基準点とするものであってもよい。この実施例においては、外側部分３４は、ホウ素材料２８を含んでいるが、内側部分３２は、ホウ素材料２８を含んでいない。これによって、内側部分３２は、外側部分３４ほど硬くはなく、程度の大きな延性が維持されている。外側部分３４にクラックが生じた場合、ホウ素材料２８を含んでいない内側部分３２の延性によって、クラックの伝播を防ぐことができる。

いくつかの例においては、外側部分３４は、摩耗面３０に近い最も外側の第１の層（サブレーヤ：ｓｕｂｌａｙｅｒ）３６と、この第１の層３６と内側部分３２とに隣接する第２の層３８と、を含み得る。この実施例においては、第１の層３６および第２の層３８の各々は、ホウ素材料２８を含むが、ホウ素材料２８は、それぞれの層３６，３８内に異なる形態で含まれ得る。例えば、ホウ素材料２８は、第１の層３６内においてホウ化物として存在しているとともに、第１の層３６および第２の層３８内において単体のホウ素として存在している。従って、第１の層３６は、第２の層３８よりもホウ化物を多く含む層であると言える。ここで、ホウ化物とは、ホウ素と、ホウ素よりも電気陰性度の小さい元素と、の化合物であり、単体のホウ素とは、他の種類の元素と化学的に結合していないものである。

第１の層３６全体に亘って、ホウ化物の微粒子ないし相４０が拡散している。このホウ化物の微粒子ないし相４０の濃度は、耐摩耗層２２の厚さ方向の距離の関数として、摩耗面３０から第２の層へ向かって、低下あるいは変化し得る。

ホウ化物の種類もまた、摩耗面３０からの距離の関数として変化し得る。例えば、摩耗面３０付近に第１の種類のホウ化物の層が存在する一方で、第１の層３６内の深い位置において他の種類のホウ化物が主に存在し得る。

一例として、（一つまたは複数の種類の）ホウ化物は、ホウ素と、マトリクス２４を構成する金属と、の化合物を含み得る。これに関して、生成するホウ化物の種類は、マトリクス２４として選択された金属または合金の種類に依存し得る。いくつかの例においては、マトリクス２４の金属材料は、コバルト、ニッケル、コバルト−燐、ニッケル−燐およびニッケル−タングステンのいずれかまたはこれらの組み合わせとすることができる。この場合、ホウ化物は、ホウ化ニッケルあるいはホウ化コバルトを含み得る。

また、ホウ化物は、ホウ素と、微粒子２６を構成する金属と、の化合物を含み得る。一例として、微粒子２６は、一般にマトリクス２４の材料よりも硬い、金属炭化物、金属酸化物、あるいは他の材料とすることができる。微粒子２６は、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化クロム、炭化タングステンのいずれかまたは他の非ホウ化物材料とすることができる。これに関して、ホウ化物は、アルミニウム、ケイ素、クロムあるいはタングステンと、ホウ素と、の化合物であり得る。代替的に、微粒子は、ホウ素と反応し得ない窒化ホウ素あるいはダイヤモンドとしてもよい。

微粒子２６は、約２０μｍを上限とする平均の寸法を有し得る。他の実施例においては、この寸法は、２〜１０μｍであり、さらには、８〜１０μｍであってもよい。一般に、この寸法は、通常２μｍよりも小さいホウ化物の微粒子ないし相４０の寸法よりも大きい。

外側部分３４は、所望の耐摩耗特性に応じて、耐摩耗層２２の厚さに対して所望の厚さとなるように形成される。いくつかの例においては、耐摩耗層２２全体の厚さに対する外側部分３４の厚さの比は、０．５以下である。すなわち、外側部分３４の厚さは、耐摩耗層２２の厚さの約５０％までの厚さとすることができる。いくつかの例においては、外側部分３４の厚さは、約２．５ミル（約０．６３５ｍｍ）とすることができる。他の例においては、外側部分３４の厚さは、約１．２ミル（約０．３０５ｍｍ）以下とすることができる。

マトリクス２４と、微粒子２６と、ホウ素材料２８を含む外側部分３４と、からなる上記の実施例の材料の組み合わせは、クロムめっき処理したものや他の耐摩耗層と比較して、優れた耐摩耗特性をもたらす。例えば、クロムめっき処理したものは、金属部品との接触に対しては、優れた耐摩耗性を示すが、酸化アルミニウム粒子に対しては、耐磨耗性が低い。また、ホウ素材料２８を含まず、マトリクス２４および微粒子２６からなる複合材は、特定の種類の合金と接触するときには、優れた耐摩耗性を示すが、高温における他の合金に対しては、耐摩耗性が低い。これらと比較して、マトリクス２４、微粒子２６およびホウ素材料２８を含む耐摩耗層２２は、酸化アルミニウム摩耗粒子、および高温における様々な種類の合金に対して、優れた耐摩耗性を有する。すなわち、耐摩耗層２２は、様々な種類の摩耗メカニズムに対して、広範囲に及ぶ耐摩耗性を備えている。

図２は、他の実施例の耐摩耗デバイス１２０を示す。この実施例においては、耐摩耗デバイス１２０は、基材５０上に配置された耐摩耗層２２を含む。この実施例においては、基材５０は、鉄基合金、ニッケル基合金、コバルト基合金、ニッケル−クロム合金、コバルト−クロム合金およびチタン合金のいずれか又はこれらの組み合わせなどの金属材料から形成されている。すなわち、基材５０の金属材料は、耐摩耗層２２のマトリクス２４の金属材料とは異なる種類のものである。

一般に、基材５０が部品の本体であって、この基材５０上に耐摩耗層２２を配置することができる。これに関して、耐摩耗層２２は、基材５０上に直接配置してもよいし、別個の部品として形成した後、これを基材５０に接合させてもよい。一例として、この部品は、アクチュエータ（ボア）、シャフト、エアサイクルマシーンの部品、プロペラのブレード、タービンの部品、あるいは摩耗面を有し開示例から恩恵を受け得る種々の部品とすることができる。

耐摩耗層２２は、マトリクス２４内にホウ素材料２８を組み込むように処理され得る。一例として、マトリクスは、電気めっき処理などの周知の方法で、微粒子２６とともに形成することができる。続いて、「ホウ化処理（ｂｏｒｏｎｉｚｉｎｇ）」において、このマトリクス２４内に、ホウ素材料２８を組み込むことができる。このホウ化処理において、ホウ素がマトリクス２４内へ拡散する。このプロセスは、約５３７℃〜１０９４℃などの高温で、所望の微細構造および所望の外側部分３４の厚さを製造するのに適当な時間に亘って行うことができる。他の例においては、ホウ化処理の温度は、約６４８℃〜９８３℃とされ、さらには、７６０℃〜９２７℃とされる。ホウ化処理の温度は、また、微粒子２６とマトリクス２４とを相互拡散させて結合を強化するという利点が追加されるように、選択することができる。これに関して、選択されるホウ化処理の温度は、基材５０として選択される材料の種類に依存し得る。ニッケル基材料あるいはコバルト基材料からなる基材については、上記の例のマトリクス材料に関する相互拡散を生じさせるのに、７６０℃〜９２７℃の温度範囲が適当である。これに関して、拡散接合が、ホウ化処理と調和して生じ得る。

ホウ素の源としては、固体化合物、粉末、ペースト、液体、または気体雰囲気とすることができる。ホウ素は、表面３０から離れた位置よりも表面３０付近においてホウ素濃度が高くなるように、マトリクス２４内へ拡散する。

ホウ素の濃度が、マトリクス２４内における溶解度限界を越えると、過剰なホウ素が、第１の層３６内にホウ化物の粒子ないし相４０を形成する。いくつかの例においては、第２の層３８内のホウ素の量が溶解度限界を超えることなく、従って、マトリクス２４中に格子間不純物となって溶けており、ホウ化物が生成されない。上記のように、第１の層３６の所望の厚さ、第２の層３８の所望の厚さ、および所望の種類のホウ化物が生成されるように、ホウ化処理において、時間、温度、ホウ素源の種類を制御することができる。

図示した例に特徴の組み合わせが示されているが、本発明の様々な利点を実現するために、これらの特徴のすべてを組み合わせる必要はない。言い換えれば、本発明の実施例に従って設計されたシステムは、いずれか１つの図に示される特徴のすべて、または各図に概略的に示される部品のすべてを含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴を他の実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。

２０…耐摩耗デバイス
２２…耐摩耗層
２４…マトリクス
２６…微粒子
２８…ホウ素材料
３０…摩耗面
３２…内側部分
３４…外側部分
３６…第１の層
３８…第２の層
４０…基材
１２０…耐摩耗デバイス

Claims (20)

1. 第１の金属材料からなる基材と、
   上記基材上に配置された耐摩耗層と、
   を備えてなる耐摩耗デバイスであって、
   上記耐摩耗層は、第１の金属材料とは異なる第２の種類の金属材料から形成されたマトリクスと、上記マトリクス全体に拡散した微粒子と、上記マトリクスの一部分内に拡散したホウ素材料と、を含む、耐摩耗デバイス。
2. 上記耐摩耗層は、上記基材に対する内側層を有し、この内側層は、ホウ素材料を含んでいないことを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
3. 上記耐摩耗層は、上記基材に隣接する内側層と、上記基材に対する第１および第２の外側層と、を含み、上記第１の外側層は、ホウ素材料としてホウ化物を含み、上記第２の外側層は、ホウ素材料として単体のホウ素を含み、上記内側層は、ホウ素材料を含んでいないことを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
4. 上記第１の金属材料は、鉄基合金、ニッケル基合金、コバルト基合金、ニッケル−クロム合金、コバルト−クロム合金、チタン合金およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
5. 上記第２の金属材料は、コバルト、ニッケル、コバルト−燐、ニッケル−燐、ニッケル−タングステンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
6. 上記微粒子は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化クロム、炭化タングステン、ダイヤモンド、窒化ホウ素およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
7. 上記微粒子は、上記第２の金属材料よりも硬くかつ２０μｍ以下の平均の寸法を有する材料から選択されることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
8. 上記ホウ素材料の少なくともいくらかは、ホウ化物であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
9. 上記ホウ素材料の少なくともいくらかは、単体のホウ素であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
10. 上記微粒子は、非ホウ化物材料であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
11. 上記ホウ素材料は、上記第２の金属材料と化合したホウ化物であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗デバイス。
12. 金属材料からなるマトリクスと、上記マトリクス全体に拡散した微粒子と、上記マトリクスの一部分内に拡散したホウ素材料と、からなる耐摩耗層を備える耐摩耗デバイス。
13. 上記微粒子は、炭化物微粒子、酸化物微粒子およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１２に記載の耐摩耗デバイス。
14. 上記微粒子は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化クロム、炭化タングステン、ダイヤモンド、窒化ホウ素およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１２に記載の耐摩耗デバイス。
15. 上記金属材料は、コバルト、ニッケル、コバルト−燐、ニッケル−燐、ニッケル−タングステンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１２に記載の耐摩耗デバイス。
16. 上記耐摩耗層は、ホウ素材料を含んでいない層を含むことを特徴とする請求項１２に記載の耐摩耗デバイス。
17. 上記耐摩耗層全体の厚さに対する上記マトリクスの部分の厚さの比が、０．５以下であることを特徴とする請求項１２に記載の耐摩耗デバイス。
18. 上記ホウ素材料は、ホウ化物および単体のホウ素を含むことを特徴とする請求項１２に記載の耐摩耗デバイス。
19. 金属材料からなるマトリクスと、上記マトリクス全体に拡散した微粒子と、からなる耐摩耗層を含む耐摩耗デバイスを処理する方法であって、
    上記マトリクスの一部分にホウ素材料を拡散させるように、上記耐摩耗層をホウ化処理すること、
    を含む方法。
20. 上記マトリクスと上記微粒子との間、および上記マトリクスと上記基材との接合面のいずれかまたは両方において相互拡散を生じさせるホウ化処理温度において、上記耐摩耗層をホウ化処理することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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