JP2012107299A

JP2012107299A - 溶射合金、および部材上に合金溶射膜を設置する方法

Info

Publication number: JP2012107299A
Application number: JP2010258138A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nishizawa; 誠二西澤; Yasuo Tanno; 康雄丹野; Takashi Kurosawa; 隆黒沢
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: JP5631706B2

Abstract

【課題】本発明では、良好な耐摩耗性を有するとともに、さらに良好なじん性を有する溶射合金を提供することを目的とする。
【解決手段】Ｎｉ（ニッケル）−Ｂ（ホウ素）系合金と、金属元素Ｍとを有する溶射合金であって、前記Ｎｉ−Ｂ系合金は、重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、および４〜５％のＳｉ（ケイ素）を含み、前記金属元素Ｍは、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように含まれ、前記金属元素Ｍは、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）であることを特徴とする溶射合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、Ｎｉ（ニッケル）−Ｂ（ホウ素）系の溶射合金に関する。

例えば、各種機械装置の摺動部などでは、しばしば、２つの部材の摩耗や当接による部材の消耗が問題となる場合がある。このような場合、摺動部や当接部に溶射膜等を設置することにより、部材の耐摩耗性の改善が図られる。

例えば、特許文献１には、Ｎｉ−（８〜１２ｗｔ％）Ｂ系合金とホウ化物生成元素とを混合した合金粉末を使用して、部材上にプラズマ溶射を行い、得られた溶射膜を熱処理することにより、耐摩耗性の良好な溶射膜を形成できることが開示されている。
（特許文献１）。

特開２０１０−２４５２９号公報

前述のように、特許文献１に記載の溶射合金を用いて、対象部材上に溶射を行うことにより、部材の耐摩耗性を有意に高めることが可能となる。

しかしながら、耐摩耗性が要求される部材には、しばしば、高いじん性が必要となる場合がある。部材同士の摺動や当接の際に、部材が破壊に至る危険性を抑制する必要があるからである。この点、特許文献１に記載の技術は、溶射膜のじん性については、特に考慮しておらず、このため、特許文献１に記載の溶射合金で形成された溶射膜は、じん性が未だ不十分である可能性が高い。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、良好な耐摩耗性を有するとともに、さらに良好なじん性を有する溶射合金を提供することを目的とする。また、そのような溶射合金を使用して、部材上に合金溶射膜を設置する方法を提供することを目的とする。

本発明では、Ｎｉ（ニッケル）−Ｂ（ホウ素）系合金と、金属元素Ｍとを有する溶射合金であって、
前記Ｎｉ−Ｂ系合金は、重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、および４〜５％のＳｉ（ケイ素）を含み、
前記金属元素Ｍは、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように含まれ、
前記金属元素Ｍは、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）であることを特徴とする溶射合金が提供される。

ここで、本発明による溶射合金において、前記Ｎｉ−Ｂ系合金の粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であり、および／または
前記金属元素Ｍの粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であっても良い。

また、本発明では、部材上に合金溶射膜を設置する方法であって、
重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、４〜５％のＳｉ（ケイ素）、およびベース材としてＮｉ（ニッケル）を含む第１の粉末を準備する工程と、
金属元素Ｍを含む第２の粉末を準備する工程であって、第２の粉末は、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である、工程と、
前記第１および第２の粉末を混合して、溶射粉末を得る工程であって、前記第２の粉末は、前記第１の粉末に対して、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合される、工程と、
前記溶射粉末を用いて部材に溶射を行い、溶射膜を形成する工程と、
前記溶射膜を熱処理して、ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）を形成する工程と、
を有することを特徴とする方法が提供される。

ここで、本発明による方法において、前記第１の粉末の粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であり、および／または
前記第２の粉末の粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であっても良い。

本発明では、良好な耐摩耗性を有するとともに、さらに良好なじん性を有する溶射合金を提供することが可能となる。また、そのような溶射合金を使用して、部材上に合金溶射膜を設置する方法を提供することが可能となる。

本発明による溶射合金を使用して、対象部材に合金溶射膜を設置する方法の一例を概略的に示した図である。耐摩耗性評価試験装置の構成を概略的に示した図である。

以下、本発明について詳しく説明する。

本発明では、
Ｎｉ（ニッケル）−Ｂ（ホウ素）系合金と、金属元素Ｍとを有する溶射合金であって、
前記Ｎｉ−Ｂ系合金は、重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、および４〜５％のＳｉ（ケイ素）を含み、
前記金属元素Ｍは、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように含まれ、
前記金属元素Ｍは、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）であることを特徴とする溶射合金が提供される。

本発明により提供される溶射合金を用いて、通常の条件でプラズマ溶射を行い、さらに、通常の条件で熱処理を行った場合、良好な耐摩耗性とじん性をともに有する溶射膜を得ることができる。

溶射膜の熱処理は、溶射膜中のホウ素と金属元素Ｍとを反応させて、金属ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）を生成させるために実施される。この金属ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）は、溶射膜の耐摩耗性の向上に寄与する。

本発明では、溶射合金に、金属Ｗ（タングステン）および／または金属Ｍｏ（モリブデン）を添加している。これらの金属は、熱力学的にＢ（ホウ素）と結びつきやすい元素であり、このため、本発明では、金属ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）を比較的容易に生成させることができる。

なお、これまで、溶射膜の耐摩耗性を高めるためには、溶射合金中のホウ素、および該ホウ素との間で金属ホウ化物を形成する金属元素Ｍは、できる限り多く含有させることが望ましいと考えられてきた。

しかしながら、本願発明者らは、溶射膜に含まれる金属ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）が逆に多くなりすぎると、溶射膜の引張強度が低下し、じん性が低下する危険性があることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明では、Ｎｉ−Ｂ系合金に含まれるＢの量が５ｗｔ％〜７ｗｔ％に抑制されている。このため、本発明では、溶射膜のじん性をあまり低下させずに、高い耐摩耗性を発現させることができる。

（本発明による溶射合金を用いて、対象部材に合金溶射膜を設置する方法）
次に、図面を参照して、本発明による溶射合金を用いて、対象部材に合金溶射膜を設置する方法の一例について説明する。ただし、以下の説明は、単なる一例であって、他の方法により、対象部材に合金溶射膜を設置しても良い。

図１には、本発明による溶射合金を使用して、対象部材に合金溶射膜を設置する方法の一例を概略的に示す。

図１に示すように、本発明による方法は、重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、４〜５％のＳｉ（ケイ素）、およびベース材としてＮｉ（ニッケル）を含む第１の粉末を準備する工程（ステップＳ１１０）と、金属元素Ｍを含む第２の粉末を準備する工程であって、第２の粉末は、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である、工程（ステップＳ１２０）と、前記第１および第２の粉末を混合して、溶射粉末を得る工程であって、前記第２の粉末は、前記第１の粉末に対して、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合される、工程（ステップＳ１３０）と、前記溶射粉末を用いて部材に溶射を行い、溶射膜を形成する工程（ステップＳ１４０）と、前記溶射膜を熱処理して、ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）を形成する工程（ステップＳ１５０）と、を有する。以下、各ステップについて、詳しく説明する。

（ステップＳ１１０）
まず、第１の粉末が準備される。第１の粉末は、重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、および４〜５％のＳｉ（ケイ素）を含むＮｉ（ニッケル）合金である。

第１の粉末の粒径は、特に限られないが、例えば粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であっても良い。このような粒径範囲内の粉末は、篩いによる篩い分けにより、容易に得ることができる。

（ステップＳ１２０）
次に、金属元素Ｍを含む第２の粉末が準備される。金属元素Ｍは、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である。

第２の粉末の粒径は、特に限られないが、例えば粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であっても良い。このような粒径範囲内の粉末は、篩いによる篩い分けにより、容易に得ることができる。

（ステップＳ１３０）
次に、第１の粉末と第２の粉末が混合され、溶射粉末が調製される。第２の粉末は、第１の粉末に対して、金属元素Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合されることが好ましい。

混合の方法は、特に限られない。

（ステップＳ１４０）
次に、ステップＳ１３０で調製された溶射粉末を用いて、対象部材の表面に溶射膜が設置される。

溶射の方法は、特に限られず、溶射は、プラズマ溶射、フレーム溶射、または爆発溶射等であっても良い。また、溶射条件は、特に限られず、溶射は、従来の一般的な条件で行われても良い。なお、溶射の前に、対象部材の表面に対して、ブラスト処理等の前処理を実施しても良い。

（ステップＳ１５０）
次に、溶射膜が熱処理される。溶射膜の熱処理条件は、特に限られず、熱処理は、従来の一般的な条件で行われても良い。例えば、熱処理は、溶射膜を真空中、１２００℃以上の温度に保持することにより行われても良い。

これにより、溶射膜中に金属ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）が形成される。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
以下の方法で、溶射合金を調製した。

まず、粒径が４５μｍ〜９０μｍの範囲にあるＮｉ−Ｂ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末（第１の粉末：純度９９．８％）と、粒径が１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲にあるタングステン粉末（第２の粉末：純度９９．８％）とを準備した。第１の粉末の組成は、Ｎｉ（ベース）−６ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。

次に、ミキサーに、第１の粉末および第２の粉末を入れ、これらを混合した。第１および第２の粉末は、混合物中のタングステンとホウ素のモル比（Ｗ：Ｂ）が１：１となるように添加した。

次に、得られた混合合金粉末を用いて、基材上にプラズマ溶射を行った。基材には、ＳＣＭ４４０材（Ｃｒ−Ｍｏ綱）を使用した。溶射前に、基材の被溶射面にブラスト処理を行った。

プラズマ溶射は、以下のような一般的な条件で実施した：
電流；５００Ａ、
電圧；６５Ｖ、
キャリアガス（アルゴンガス）流量；１８．５ＳＣＦＨ、
燃料供給用水素流量；１５ＳＣＦＨ。

溶射膜の厚さは、１ｍｍを目標とした。

次に、得られた溶射膜を高温（１２００℃以上）の真空中に保持し、熱処理を行った。熱処理後には、溶射膜中のタングステンとホウ素が反応し、ホウ化物（ＷＢ）が生じていることが確認された。

以上の方法で得られた溶射試料を、実施例１に係る試料と称する。

（比較例１）
実施例１と同様の方法により、比較例１に係る試料を作製した。ただし、比較例１では、第１の粉末の組成は、Ｎｉ（ベース）−３ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。その他の作製条件は、実施例１と同様である。

（比較例２）
実施例１と同様の方法により、比較例２に係る試料を作製した。ただし、比較例２では、第１の粉末の組成は、Ｎｉ（ベース）−８ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。その他の作製条件は、実施例１と同様である。

（比較例３）
実施例１と同様の方法により、比較例３に係る試料を作製した。ただし、比較例３では、第１の粉末の組成は、Ｎｉ（ベース）−１０ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。その他の作製条件は、実施例１と同様である。

（評価）
次に、得られた各試料を用いて、耐摩耗性の評価試験を行った。

耐摩耗性の評価は、比摩耗量Ｓを指標とし、以下に示す方法（大越式摩耗試験）により実施した。

図２には、試験装置２００の構成を概略的に示す。図２に示すように、試験装置２００は、試料２１０の上部に配置されたリング２２０（ＳＵＪ２製）で構成される。

この試験装置２００を用いて、試料２１０の上から、加重ｗでリング２２０を押し付けた状態で、リング２２０を１．０ｍ／秒の回転速度で回転させる。所定の時間後に、リング２２０の回転を停止し、試料２１０の損耗体積Ｖを測定する。

損耗体積Ｖを用いて、以下の（１）式から、比摩耗量Ｓを算出する：

Ｓ＝Ｖ／ｗ・Ｌ（１）式

ここで、Ｌは、リング２２０の摺動距離（すなわち試料２１０とリング２２０とが摺動した距離）であり、今回の試験では、２００ｍである。

（１）式から、比摩耗量Ｓは、耐摩耗性の指標となり、比摩耗量Ｓが小さいほど、試料３１０の耐摩耗性が優れることになる。

なお、試験の際に、潤滑剤は、使用していない。

結果を表１に示す。

この耐摩耗性の評価試験結果から、実施例１に係る試料は、比較例２〜３に係る試料とほぼ同等の耐摩耗性を有することがわかる。一方、比較例１に係る試料は、他の試料に比べて、耐摩耗性が劣ることがわかった。比較例１に係る試料は、溶射合金中に含まれるホウ素Ｂの量が３ｗｔ％と少なくなっている。このことから、比較例１に係る試料では、熱処理によって生成するタングステンホウ化物の量が少なく、十分な耐摩耗性向上効果が得られなかったものと考えられる。

次に、得られた各試料を用いて、じん性の評価試験を行った。

じん性の評価は、３点曲げ試験により実施した。すなわち、試料の上から、クロスヘッド移動速度１ｍｍ／分で、試料に荷重を加えて行き、試料が破壊した際の荷重と試料の断面積から、破壊応力（抗折力）を求めた。支点間距離は、２０ｍｍとした。なお、抗折力は、４本以上の同一試料における平均値として算出した。

結果を前述の表１に示す。

このじん性の評価試験結果から、実施例１に係る試料では、比較例１〜３に係る試料に比べて、抗折力が有意に向上していることがわかる。

実施例１に係る試料の抗折力が比較例１に係る試料よりも向上しているのは、比較例１に係る試料では、熱処理によって生成するタングステンホウ化物の量が少なすぎ、十分な強度向上効果が得られなかったためであると考えられる。一方、実施例１に係る試料の抗折力が比較例２〜３に係る試料よりも向上しているのは、比較例２〜３に係る試料では、熱処理によってタングステンホウ化物が多量に生成されたためであると考えられる。すなわち、じん性の観点からは、熱処理によって生成される金属ホウ化物の量には、最適範囲が存在し、金属ホウ化物の生成量が多くなりすぎると、逆にじん性の低下が生じるものと考えられる。

換言すれば、実施例１に係る試料において、第１の粉末に含まれるホウ素の量（６ｗｔ％）は、この最適範囲に含まれるため、実施例１に係る試料では、金属ホウ化物が適度に生成され、じん性が有意に向上したものと考えられる。

このように、本発明による溶射合金を使用することにより、耐摩耗性とじん性がともに良好な溶射膜を得ることができることが確認された。

本発明は、例えば、耐摩耗性と靭性がともに必要となる部材等に適用することができる。

２００試験装置
２１０試料
２２０リング。

Claims

Ｎｉ（ニッケル）−Ｂ（ホウ素）系合金と、金属元素Ｍとを有する溶射合金であって、
前記Ｎｉ−Ｂ系合金は、重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、および４〜５％のＳｉ（ケイ素）を含み、
前記金属元素Ｍは、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように含まれ、
前記金属元素Ｍは、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）であることを特徴とする溶射合金。
前記Ｎｉ−Ｂ系合金の粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であり、および／または
前記金属元素Ｍの粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の溶射合金。
部材上に合金溶射膜を設置する方法であって、
重量比で、５〜７％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、４〜５％のＳｉ（ケイ素）、およびベース材としてＮｉ（ニッケル）を含む第１の粉末を準備する工程と、
金属元素Ｍを含む第２の粉末を準備する工程であって、第２の粉末は、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である、工程と、
前記第１および第２の粉末を混合して、溶射粉末を得る工程であって、前記第２の粉末は、前記第１の粉末に対して、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合される、工程と、
前記溶射粉末を用いて部材に溶射を行い、溶射膜を形成する工程と、
前記溶射膜を熱処理して、ホウ化物Ｎｉ（Ｍ_ｘＢ_ｙ）を形成する工程と、
を有することを特徴とする方法。
前記第１の粉末の粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であり、および／または
前記第２の粉末の粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の方法。