JP2015151622A - Powder for flame spray, production method of powder for flame spray, and production method of sprayed coating - Google Patents

Powder for flame spray, production method of powder for flame spray, and production method of sprayed coating Download PDF

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Kunihiko Wada
国彦 和田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide powder for flame spray capable of forming a coating at an excellent deposit rate by using a non-hot spray method, even when the powder for flame spray contains ceramics, and to provide a production method thereof.SOLUTION: Powder for flame spray in an embodiment, which is powder for flame spray for forming a coating by using a non-hot spray method, is constituted of secondary particles formed by aggregating primary particles, and the primary particle is constituted by including a metal layer on the surface of a ceramic particle.

Description

本発明は、溶射用粉末、溶射用粉末の製造方法及び溶射皮膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a thermal spraying powder, a thermal spraying powder manufacturing method, and a thermal spray coating manufacturing method.

従来、溶射法は、樹脂のような低融点材料から、セラミックスのような高融点材料まで幅広い材料の皮膜を効率よく形成できる成膜方法である。この溶射法は、主として100μm以上の厚膜を必要とする発電プラントなどのエネルギ機器、自動車や飛行機、船舶などの輸送機器、印刷用ロールや建設機械などの幅広い分野で用いられている。   Conventionally, the thermal spraying method is a film forming method capable of efficiently forming a film of a wide range of materials from a low melting point material such as a resin to a high melting point material such as ceramics. This thermal spraying method is mainly used in a wide range of fields such as energy equipment such as a power plant that requires a thick film of 100 μm or more, transportation equipment such as automobiles, airplanes and ships, printing rolls and construction machinery.

溶射法としては、フレーム溶射法等、溶射用粉末をその融点以上に加熱して溶融させ、この液滴を高速のガス流によって搬送して、基材に衝突させる溶融スプレー法が広く用いられている。しかし、近年では、コールドスプレー法、ウォームスプレー法など、溶射用粉末を、固相状態のまま音速を超える高速で基材に衝突させる非溶融スプレー法が開発され、実用化が進められている。非溶融スプレー法では、溶射用粉末を溶融させる必要がない。そのため、高温加熱に起因する、溶射用粉末材料の酸化や相変態などを抑制することができ、溶射用粉末材料の機能を損なわずに皮膜を形成することが可能である。この方法で使用される材料の多くは、銅などの低融点の金属である。これに対し、金属とセラミックスとの複合材料であるサーメット等を使用し、従来は溶射法で形成することができなかった機能性皮膜を形成する例も報告されている。   As the thermal spraying method, a flame spraying method such as a flame spraying method, in which a thermal spraying powder is heated and melted to a temperature higher than its melting point, and the droplets are transported by a high-speed gas flow to collide with a substrate, is widely used. Yes. However, in recent years, a non-melting spray method such as a cold spray method and a warm spray method in which a thermal spray powder is made to collide with a substrate at a high speed exceeding the speed of sound in a solid state has been developed and put into practical use. In the non-melting spray method, it is not necessary to melt the thermal spraying powder. Therefore, oxidation or phase transformation of the thermal spraying powder material due to high temperature heating can be suppressed, and a film can be formed without impairing the function of the thermal spraying powder material. Many of the materials used in this method are low melting point metals such as copper. On the other hand, an example of using a cermet or the like, which is a composite material of metal and ceramics, to form a functional coating that could not be formed by a thermal spraying method has been reported.

特開2012−193441号公報JP 2012-193441 A 特開2012−192401号公報JP 2012-192401 A

しかしながら、セラミックスのような高融点で、高硬度の材料を含む溶射用粉末を使用し、上記した非溶融スプレー法を用いて被膜を形成する場合には、溶射用粉末材料を適正に選択しないと、基材への付着率が低くなる。そのため、歩留りの高い皮膜の形成は難しい。   However, when using a thermal spraying powder containing a high-melting-point, high-hardness material such as ceramics and forming a coating using the non-melt spray method described above, it is necessary to select the thermal spraying powder material appropriately. The adhesion rate to the base material is lowered. Therefore, it is difficult to form a film with a high yield.

本発明は上記した課題を解決するためになされたものであって、溶射用粉末がセラミックスを含む場合においても、非溶融スプレー法を用いて、優れた付着率で皮膜を形成することのできる溶射用粉末及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and even when the thermal spraying powder contains ceramics, the thermal spraying can form a film with an excellent adhesion rate by using the non-melting spray method. An object of the present invention is to provide a powder for use and a method for producing the same.

実施形態の溶射用粉末は、非溶融スプレー法を用いて皮膜を形成するための溶射用粉末であって、1次粒子が凝集した2次粒子から構成され、前記1次粒子は、セラミックス粒子の表面に金属層を備えて構成されることを特徴とする。   The thermal spraying powder of the embodiment is a thermal spraying powder for forming a film using a non-melting spray method, and is composed of secondary particles in which primary particles are aggregated, and the primary particles are ceramic particles. It is characterized by comprising a metal layer on the surface.

実施形態の溶射用粉末を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the powder for thermal spraying of embodiment.

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、実施形態の溶射用粉末1を模式的に示す断面図である。図1に示す実施形態の溶射用粉末1は、非溶融スプレー法を用いて皮膜を形成するための材料である。非溶射スプレー法は、溶射用粉末1を必要に応じてその融点又は軟化点以下の温度に加熱し、固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する方法である。溶射用粉末1は、表面に金属層3を備えるセラミックス粒子2の1次粒子が凝集した2次粒子で構成されている。
なお、1次粒子とは、表面に金属層3を備えるセラミックス粒子2、1個のことをいい、2次粒子とは、1次粒子が複数個凝集した粒子のことをいう。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a thermal spraying powder 1 according to an embodiment. The thermal spraying powder 1 of the embodiment shown in FIG. 1 is a material for forming a film using a non-melting spray method. The non-thermal spraying method is a method in which the thermal spraying powder 1 is heated to a temperature equal to or lower than its melting point or softening point as required, and is allowed to collide with a substrate in a solid state to form a coating. The thermal spraying powder 1 is composed of secondary particles in which primary particles of ceramic particles 2 having a metal layer 3 on the surface are aggregated.
The primary particle refers to one ceramic particle 2 having a metal layer 3 on the surface, and the secondary particle refers to a particle in which a plurality of primary particles are aggregated.

本実施形態の溶射用粉末1において、セラミックス粒子2の材料は、その融点が金属層3を構成する元素の融点より高い材料である。セラミックス材料は、金属層3として用いられる金属材料の融点が1000℃程度であるため、融点が1000〜3000℃であることが好ましく、1500〜3000℃であることがより好ましい。また、セラミックス粒子2のビッカース硬度は、基材との衝突に際して塑性変形しないために、10〜100GPaであることが好ましい。   In the thermal spraying powder 1 of the present embodiment, the material of the ceramic particles 2 is a material whose melting point is higher than that of the elements constituting the metal layer 3. In the ceramic material, since the melting point of the metal material used as the metal layer 3 is about 1000 ° C., the melting point is preferably 1000 to 3000 ° C., more preferably 1500 to 3000 ° C. Further, the Vickers hardness of the ceramic particles 2 is preferably 10 to 100 GPa so as not to be plastically deformed upon collision with the substrate.

セラミックス材料としては、耐摩耗性や、耐熱性、耐環境性等の点から、例えば、金属酸化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属窒化物、金属硫化物等が好ましい。セラミックス材料は、2種以上の金属の複合酸化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合窒化物、複合硫化物であってもよい。また、セラミックス材料は上記した1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。   As the ceramic material, for example, metal oxides, metal carbides, metal borides, metal nitrides, metal sulfides and the like are preferable from the viewpoints of wear resistance, heat resistance, environment resistance, and the like. The ceramic material may be a composite oxide, composite carbide, composite boride, composite nitride or composite sulfide of two or more metals. In addition, the ceramic materials may be used alone or in combination of two or more.

このようなセラミックス材料を構成する金属元素としては、例えばアルミニウム、クロム、タングステン、ガドリニウム、モリブデンなどが好適に用いられる。セラミックス材料は、得られる皮膜の用途により選択することができるが、例えば炭化タングステン、炭化クロム、酸化アルミニウム、酸化ガドリニウム、ホウ化モリブデン、硫化モリブデン等が好適である。   As a metal element constituting such a ceramic material, for example, aluminum, chromium, tungsten, gadolinium, molybdenum and the like are preferably used. The ceramic material can be selected depending on the intended use of the resulting film. For example, tungsten carbide, chromium carbide, aluminum oxide, gadolinium oxide, molybdenum boride, molybdenum sulfide and the like are suitable.

セラミックス粒子2は上記したセラミックス材料を主成分とする粒子であればよく、本実施形態の効果を損なわない範囲でその他の成分を含有していてもよい。セラミックス粒子2は、例えば上記したセラミックス材料を80質量%以上含み、その他の成分として、SiO、TiO、Fe、Cr、C等を含有するセラミックス粒子2を用いることができる。 The ceramic particles 2 may be particles having the above-described ceramic material as a main component, and may contain other components as long as the effects of the present embodiment are not impaired. Ceramic particles 2, for example, comprise a ceramic material described above 80 wt% or more, as other components, can be used ceramic particles 2 containing SiO 2, TiO 2, Fe, Cr, C and the like.

1次粒子を構成するセラミックス粒子2の平均粒径は好ましくは0.1〜10μmであり、より好ましくは1〜5μmである。溶射用粉末1を使用し、非溶融スプレー法を用いて成膜する場合に、付着性は、粉末状態での表面の活性に影響される。一般に、微粉末であるほど、体積に対して表面積が大きく、表面での化学的活性が向上し、付着性が向上する。溶射用粉末1において、金属層3の厚みは、セラミックス粒子2の平均粒径に比べて小さい。そのため、セラミックス粒子2の平均粒径が上記した範囲であることで、溶射用粉末1の表面の化学的活性を向上させて基材への付着性を向上させることができる。なお、平均粒径は、粒度分布曲線の相対粒子量50%の値となる50%径による平均粒径を示し、レーザ回折式粒度分布測定装置によって測定した値である。   The average particle diameter of the ceramic particles 2 constituting the primary particles is preferably 0.1 to 10 μm, more preferably 1 to 5 μm. When the thermal spraying powder 1 is used and a film is formed using the non-melting spray method, the adhesion is affected by the surface activity in the powder state. In general, the finer the powder, the larger the surface area relative to the volume, the more the chemical activity on the surface is improved, and the adhesion is improved. In the thermal spraying powder 1, the thickness of the metal layer 3 is smaller than the average particle diameter of the ceramic particles 2. Therefore, when the average particle diameter of the ceramic particles 2 is in the above-described range, the chemical activity of the surface of the thermal spraying powder 1 can be improved and the adhesion to the substrate can be improved. The average particle diameter is a value measured by a laser diffraction particle size distribution measuring device, which indicates an average particle diameter with a 50% diameter that is a value of 50% relative particle amount in the particle size distribution curve.

金属層3は、溶射用粉末1と基材の衝突の際に変形して溶射用粉末を基材に付着させるとともに、1次粒子同士を付着させる働きをする。また、金属層3を構成する金属材料は、溶射用粉末1が基材に衝突した際に塑性変形するのに十分なじん性を持つ材料である。基材の衝突の際に塑性変形するために、金属層3のビッカース硬度は、5GPa以下であることが好ましい。また、金属材料の融点は、800〜1600℃であることが好ましい。   The metal layer 3 is deformed when the thermal spraying powder 1 and the base material collide to adhere the thermal spraying powder to the base material and to make primary particles adhere to each other. The metal material constituting the metal layer 3 is a material having a toughness sufficient for plastic deformation when the thermal spraying powder 1 collides with the substrate. The Vickers hardness of the metal layer 3 is preferably 5 GPa or less in order to be plastically deformed when the base material collides. Moreover, it is preferable that melting | fusing point of a metal material is 800-1600 degreeC.

上記したような金属材料として、例えば、ニッケル、銅、鉄を主成分とする金属を用いることができる。このような金属材料としては、ニッケル、銅、鉄の純金属や、ニッケル基合金、銅合金、鉄基合金等の、前記した純金属に他の金属元素や非金属元素を添加した合金等が挙げられる。金属材料は、上記したセラミックス材料との結合性や、金属層3の付着性、成膜性の観点、製造される溶射皮膜の用途等から適宜選択することができる。   As the metal material as described above, for example, a metal whose main component is nickel, copper, or iron can be used. Examples of such metal materials include pure metals such as nickel, copper, and iron, and alloys obtained by adding other metal elements or non-metal elements to the above-described pure metals, such as nickel-based alloys, copper alloys, and iron-based alloys. Can be mentioned. The metal material can be appropriately selected from the viewpoints of bonding with the above-described ceramic material, adhesion of the metal layer 3, film forming properties, use of the sprayed coating to be manufactured, and the like.

金属層3の厚みは、好ましくは0.01〜5μm、より好ましくは0.1〜3μmである。金属層3の厚みが0.01μm以上であることで、溶射用粉末1材料の基材への付着性が向上される。また、5μm以下であることで、セラミックス粒子本来の特性を発現させることが可能である。   The thickness of the metal layer 3 is preferably 0.01 to 5 μm, more preferably 0.1 to 3 μm. The adhesiveness to the base material of the powder 1 for thermal spraying is improved because the thickness of the metal layer 3 is 0.01 micrometer or more. Moreover, it is possible to express the original characteristic of ceramic particles by being 5 micrometers or less.

溶射用粉末1を構成する2次粒子の平均粒径は、好ましくは10〜100μm、より好ましくは10〜50μmである。溶射用粉末1は、2次粒子の平均粒径が10μm以上であることで、高圧ガス流によって飛散せずに基材に衝突させることができ、また、基材への衝突に際して衝突エネルギによってその表面の金属層3が塑性変形するのに十分な質量を有する。また、100μm以下であることで、高圧ガス流を用いて、金属層3が塑性変形するのに十分な高速で基材に衝突させることが可能である。2次粒子の平均粒径は、このような観点から、溶射用粉末1を構成するセラミックス材料及び金属材料の比重、融点、硬さなどを考慮して適宜設計することが好ましい。また、2次粒子の形状は、溶射用粉末1を構成する各粒子を、ほぼ均一な速度で、基材に衝突させるために、略球状であることが好ましく、楕円球状、円柱状形状等であってもよい。   The average particle diameter of the secondary particles constituting the thermal spraying powder 1 is preferably 10 to 100 μm, more preferably 10 to 50 μm. The thermal spraying powder 1 has a secondary particle having an average particle diameter of 10 μm or more, so that it can be made to collide with the base material without being scattered by the high-pressure gas flow. The surface metal layer 3 has a mass sufficient for plastic deformation. Moreover, by being 100 micrometers or less, it is possible to make it collide with a base material at a high speed sufficient for plastic deformation of the metal layer 3 using a high-pressure gas flow. From such a viewpoint, the average particle size of the secondary particles is preferably designed appropriately in consideration of the specific gravity, melting point, hardness, etc. of the ceramic material and metal material constituting the thermal spraying powder 1. The shape of the secondary particles is preferably substantially spherical in order to cause each particle constituting the thermal spraying powder 1 to collide with the substrate at a substantially uniform speed, such as an elliptical spherical shape, a cylindrical shape, etc. There may be.

本実施形態の溶射用粉末1は、基材に衝突した際に1次粒子表面の金属層3が塑性変形することで、基材に付着する。さらに、基材に衝突した際に、凝集した1次粒子間の微小な間隙が塑性変形した金属によって充填されることから、溶射皮膜の基材への付着性を向上させる。したがって、溶射用粉末1を非溶融スプレー法に適用した場合に、付着性に優れ、歩留まりを高く溶射皮膜を形成することができる。   The thermal spraying powder 1 of the present embodiment adheres to the base material by plastic deformation of the metal layer 3 on the surface of the primary particles when it collides with the base material. Furthermore, since the minute gaps between the agglomerated primary particles are filled with the plastically deformed metal when colliding with the base material, adhesion of the sprayed coating to the base material is improved. Therefore, when the thermal spraying powder 1 is applied to the non-melting spray method, the thermal spray coating can be formed with excellent adhesion and high yield.

本実施形態の溶射用粉末1を、例えば印刷用ロールや建設機械等における、耐摩耗コーティングの用途として用いる場合、セラミックス粒子2としては極力硬度の高い材料を用いるのが好ましい。そのため、セラミックス粒子2としては、例えば、タングステン炭化物、クロム炭化物、アルミニウム炭化物などのセラミックス、もしくはこれらを主成分とするセラミックス材料が好ましい。また、金属材料としては、セラミックス材料との結合性、金属層3の結合性、変形のし易さ、成膜性(メッキの容易性)の点や、耐食性を勘案すると、ニッケルを主成分とする金属を用いることが特に好ましい。   When the thermal spraying powder 1 of the present embodiment is used for wear-resistant coating in, for example, printing rolls and construction machines, it is preferable to use a material having as high a hardness as possible as the ceramic particles 2. Therefore, as the ceramic particles 2, for example, ceramics such as tungsten carbide, chromium carbide, and aluminum carbide, or ceramic materials containing these as a main component are preferable. Further, as a metal material, nickel is a main component in consideration of the bondability with a ceramic material, the bondability of the metal layer 3, the ease of deformation, the film formability (ease of plating), and the corrosion resistance. It is particularly preferred to use a metal that does this.

本実施形態の溶射用粉末1を、中性子吸収の用途として用いる場合、セラミックス粒子2としては中性子の衝突断面積の大きな材料を用いるのが好ましい。そのため、セラミックス粒子2としては、ガドリニウム酸化物を使用することが好適である。この場合、金属材料としては、ガドリニウム酸化物との結合性、金属層3の結合性、変形のし易さや成膜性の点から、銅及びニッケルが好ましい。   When the thermal spraying powder 1 of the present embodiment is used for neutron absorption, it is preferable to use a material having a large neutron collision cross section as the ceramic particles 2. Therefore, it is preferable to use gadolinium oxide as the ceramic particles 2. In this case, as the metal material, copper and nickel are preferable from the viewpoints of bondability with gadolinium oxide, bondability of the metal layer 3, ease of deformation, and film formability.

本実施形態の溶射用粉末1を、例えば発電プラントや自動車や飛行機、船舶などのタービン部材等における、しゅう動部の摩擦低減に用いる場合、セラミックス粒子2としては、摩擦係数の低い材料を用いるのが好ましい。そのため、セラミックス粒子2としては、硼化モリブデンや硫化モリブデンなどを使用することが好適である。この場合、金属材料としては、セラミックスとの結合性、金属層3の結合性、変形のし易さや成膜性の点から、銅及びニッケルが好ましい。   When the thermal spraying powder 1 of the present embodiment is used for reducing friction of sliding parts in, for example, turbine members of power plants, automobiles, airplanes, ships, etc., a material having a low friction coefficient is used as the ceramic particles 2. Is preferred. Therefore, it is preferable to use molybdenum boride or molybdenum sulfide as the ceramic particles 2. In this case, copper and nickel are preferable as the metal material from the viewpoints of bonding with ceramics, bonding of the metal layer 3, ease of deformation, and film formability.

(溶射用粉末の形成方法)
次に、実施形態の溶射用粉末1の製造方法について説明する。
実施形態の溶射用粉末1の製造方法は、セラミックス粒子2の表面に、金属層3を形成して1次粒子を形成する工程と、当該1次粒子を凝集させて2次粒子を形成する工程を備えている。
(Method of forming powder for thermal spraying)
Next, the manufacturing method of the thermal spraying powder 1 of the embodiment will be described.
The manufacturing method of the thermal spraying powder 1 according to the embodiment includes a step of forming a metal layer 3 on the surface of the ceramic particle 2 to form primary particles, and a step of aggregating the primary particles to form secondary particles. It has.

1次粒子を形成する工程では、上述したセラミックス粒子2の表面に、電解メッキや無電解メッキなどのメッキ法又は化学蒸着法を用いて金属層3を形成する。これらの方法で、セラミックス粒子2の表面に、セラミックス粒子2との密着性が良好で、均質な金属層3を形成することができる。   In the step of forming the primary particles, the metal layer 3 is formed on the surface of the ceramic particles 2 using a plating method such as electrolytic plating or electroless plating or chemical vapor deposition. By these methods, a homogeneous metal layer 3 having good adhesion to the ceramic particles 2 can be formed on the surface of the ceramic particles 2.

2次粒子を製造する工程では、上記で得られた1次粒子同士を付着させて、凝集させる。1次粒子を凝集させる方法としては、高温で加熱処理する方法、又は、1次粒子を加圧成型する方法を用いることができる。   In the step of producing secondary particles, the primary particles obtained above are adhered and aggregated. As a method of aggregating the primary particles, a method of heat treatment at a high temperature or a method of pressure-molding the primary particles can be used.

1次粒子を加熱処理する方法としては、特に限定されず、例えば、高温等方圧加圧(HIP)炉などを用いて加圧焼結する方法や焼成炉内で加熱する方法が用いられる。加熱温度は、1次粒子表面の金属層3を変形させて1次粒子を付着させることのできる温度であり、金属材料の融点以下の温度である。例えば、金属材料としてニッケルを用いる場合には、加熱温度は、好ましくは800〜1500℃、より好ましくは900〜1300℃である。   The method for heat-treating the primary particles is not particularly limited. For example, a method of pressure sintering using a high temperature isostatic pressing (HIP) furnace or a method of heating in a firing furnace is used. The heating temperature is a temperature at which the primary particles can be adhered by deforming the metal layer 3 on the surface of the primary particles, and is a temperature below the melting point of the metal material. For example, when nickel is used as the metal material, the heating temperature is preferably 800 to 1500 ° C, more preferably 900 to 1300 ° C.

2次粒子の平均粒径を上記した範囲とするために、加熱時に積層される1次粒子の平均粒径や、積層厚み、質量などから、得られる2次粒子の平均粒径を推算して、加熱する際の1次粒子の積層厚みや体積を決定すればよい。また、加熱処理と同時に又は加熱処理後に、1次粒子を加圧して圧着させてもよい。また、2次粒子の形状を制御して、例えば略球状に形成するために、ボールミリングや、スタンプミルなどにより、角部を除去する方法を用いることができる。   In order to set the average particle size of the secondary particles in the above-described range, the average particle size of the obtained secondary particles is estimated from the average particle size of the primary particles stacked during heating, the layer thickness, the mass, and the like. What is necessary is just to determine the lamination | stacking thickness and volume of the primary particle at the time of heating. Further, the primary particles may be pressed and pressure bonded simultaneously with or after the heat treatment. Further, in order to control the shape of the secondary particles to form, for example, a substantially spherical shape, a method of removing the corners by ball milling, a stamp mill, or the like can be used.

このようにして、上記した平均粒径の2次粒子から構成される溶射用粉末1を製造することができる。また、加熱処理により1次粒子同士を付着させた後に、解砕して、2次粒子の平均粒径を上記した範囲に制御してもよい。   Thus, the thermal spraying powder 1 composed of the secondary particles having the above average particle diameter can be manufactured. Moreover, after adhering primary particles by heat processing, you may crush and control the average particle diameter of a secondary particle to the above-mentioned range.

また、1次粒子を加圧成型する方法では1次粒子を加圧処理して圧粉体を形成した後に解砕する。この場合の、例えば、プレス、冷間等方圧加圧(CIP)装置、加圧器等により、1次粒子を加圧する。加圧力は、1次粒子表面の金属層3を変形させて1次粒子同士を付着させることのできる圧力であり、セラミックス粒子2や金属層3の材料に応じて適宜変更することができる。例えば、金属材料としてニッケルを用いる場合には、加圧力は、好ましくは10〜800MPaであり、より好ましくは50〜400MPaである。   In the method of pressure-molding primary particles, the primary particles are pressed to form a green compact and then crushed. In this case, the primary particles are pressurized by, for example, a press, a cold isostatic pressing (CIP) device, a pressurizer, or the like. The applied pressure is a pressure that can deform the metal layer 3 on the surface of the primary particles and adhere the primary particles to each other, and can be appropriately changed according to the material of the ceramic particles 2 and the metal layer 3. For example, when nickel is used as the metal material, the applied pressure is preferably 10 to 800 MPa, more preferably 50 to 400 MPa.

次いで、1次粒子同士を付着させた圧粉体をボールミル、スタンプミル等で解砕して、上記した平均粒径の2次粒子を形成する。   Next, the green compact to which the primary particles are adhered is crushed by a ball mill, a stamp mill or the like to form secondary particles having the above average particle diameter.

このようにして得られた本実施形態の溶射用粉末1を用いて、例えば、コールドスプレー法によって、次のように溶射皮膜を形成することができる。   Using the thermal spraying powder 1 of the present embodiment thus obtained, a thermal spray coating can be formed as follows, for example, by a cold spray method.

溶射装置であるコールドスプレーガンの内部に、圧縮空気、加圧したヘリウムや窒素等の不活性ガスなどの高圧ガスを、加熱装置等により加熱して供給する。また、コールドスプレーガンの内部に、本実施形態の溶射用粉末1を供給する。この供給した溶射用粉末1は、前記の高圧ガスにより加熱し加速される。加熱し加速された溶射用粉末1は、コールドスプレーガンのノズルから噴出されて被溶射対象物である基材に衝突し、溶射皮膜が形成される。例えば、溶射皮膜の形成にあたっての高圧ガスの圧力及び温度は、溶射用粉末を構成する材料の融点や、溶射用粉末の平均粒子径等により適宜調節する。例えば、セラミックスとしてタングステン炭化物を含む材料を用い、金属材料としてニッケルを用いる場合には、高圧ガスの圧力は0.5〜5MPa程度、高圧ガスの温度は300〜1000℃程度であることが好ましい。また、コールドスプレーガンのノズル先端から基材までの距離(溶射距離)は、5〜100mmであることが好ましく、形成する溶射皮膜の膜厚は、用途にもよるが、50〜500μmであることが好ましい。   High pressure gas such as compressed air, inert gas such as pressurized helium and nitrogen is heated and supplied to the inside of a cold spray gun which is a thermal spraying device. Further, the thermal spraying powder 1 of the present embodiment is supplied into the cold spray gun. The supplied thermal spraying powder 1 is heated and accelerated by the high-pressure gas. The heated and accelerated thermal spraying powder 1 is ejected from a nozzle of a cold spray gun and collides with a base material which is an object to be sprayed to form a thermal spray coating. For example, the pressure and temperature of the high-pressure gas in forming the thermal spray coating are appropriately adjusted depending on the melting point of the material constituting the thermal spray powder, the average particle diameter of the thermal spray powder, and the like. For example, when a material containing tungsten carbide is used as the ceramic and nickel is used as the metal material, the pressure of the high pressure gas is preferably about 0.5 to 5 MPa, and the temperature of the high pressure gas is preferably about 300 to 1000 ° C. Moreover, it is preferable that the distance (spraying distance) from the nozzle tip of a cold spray gun to a base material is 5-100 mm, and the film thickness of the sprayed coating to be formed is 50-500 micrometers although it depends on a use. Is preferred.

以上、本実施形態の溶射用粉末によれば、非溶融スプレー法等、溶射用粉末を溶融させずに基材に衝突させて皮膜を形成する方法に用いた場合に、基材への付着性を向上させることができ、そのため歩留まりの高い皮膜の形成を行うことができる。   As described above, according to the thermal spraying powder of the present embodiment, when used in a method such as a non-melting spray method, in which the thermal spraying powder is made to collide with the base material without being melted, the film is deposited. Therefore, it is possible to form a film with a high yield.

次に、実施例について説明する。
(実施例1)
溶射用粉末の例として、耐摩耗コーティング用途を考え、平均粒径10μmのタングステン炭化物の表面に無電解メッキ法により厚み3μmのニッケル層を形成して1次粒子を作成した。1次粒子を、アルミナ製の箱に充填し、その後、焼成炉内で900℃、60分間加熱することで凝集させた。この際、粒子に適宜、振動を加えることで、2次粒子を、平均粒径が40μmの略球状に形成した。
Next, examples will be described.
Example 1
As an example of the thermal spraying powder, a wear resistant coating application is considered, and a primary particle is formed by forming a nickel layer having a thickness of 3 μm on the surface of tungsten carbide having an average particle size of 10 μm by an electroless plating method. The primary particles were filled in an alumina box and then aggregated by heating at 900 ° C. for 60 minutes in a firing furnace. At this time, secondary particles were formed into a substantially spherical shape having an average particle diameter of 40 μm by appropriately applying vibration to the particles.

このようにして得られた溶射用粉末を低圧型と呼ばれる1MPaの圧縮空気を用いた非溶融スプレー装置(スプレーガン)を用いて、溶射用粉末の予備加熱温度500℃で、スプレーガンを直角に保った状態で、溶射距離10mmで、ステンレスの基板上に成膜を行なった。その結果、投入した溶射用粉末の15%以上が基材に付着した。なお、溶射用粉末の基材への付着率は、供給した粉末に対する基材の重量増加量との比から算出した。   The spray powder thus obtained was sprayed at a right angle using a non-melting spray device (spray gun) using compressed air of 1 MPa called a low pressure type at a preheating temperature of the spray powder of 500 ° C. In this state, a film was formed on a stainless steel substrate at a spraying distance of 10 mm. As a result, 15% or more of the injected thermal spraying powder adhered to the substrate. In addition, the adhesion rate to the base material of the powder for thermal spraying was computed from ratio with the weight increase amount of the base material with respect to the supplied powder.

(実施例2)
実施例1と同じ材料系、すなわちセラミックス粒子としてタングステン炭化物を、金属としてニッケルを用い、タングステン炭化物表面に化学蒸着法によって厚み3μmのニッケル層を形成した。1次粒子を、アルミナ製の箱に充填し、焼成炉内で900℃、60分間加熱することで凝集させた。この際、粒子を適宜、振動させることで、2次粒子を、平均粒径が40μmの略球状に形成した。このようにして得られた溶射用粉末を、2次粒子の平均粒径を約40μmに制御し、溶射用粉末を作成した。この溶射用粉末を用い、実施例1と同様の条件で成膜試験を行なった。その結果、実施例2では投入した溶射用粉末の38%が基材に付着した。
(Example 2)
Using the same material system as in Example 1, that is, tungsten carbide as the ceramic particles and nickel as the metal, a nickel layer having a thickness of 3 μm was formed on the tungsten carbide surface by chemical vapor deposition. The primary particles were packed in an alumina box and aggregated by heating at 900 ° C. for 60 minutes in a firing furnace. At this time, the secondary particles were formed into a substantially spherical shape having an average particle diameter of 40 μm by appropriately vibrating the particles. The thermal spraying powder thus obtained was prepared by controlling the average particle size of the secondary particles to about 40 μm. Using this thermal spraying powder, a film formation test was performed under the same conditions as in Example 1. As a result, in Example 2, 38% of the injected thermal spraying powder adhered to the substrate.

(実施例3,4)
実施例1と同じ材料系を用いた。実施例3では、タングステン炭化物表面に、無電解メッキ法によって厚み3μmのニッケル層を形成し、その後、1次粒子を、アルミナ製の箱に充填し、焼成炉内で、900℃で60分間加熱して焼成した。その後、スタンプミルによって解砕して2次粒子の平均粒径を40μmに制御し、溶射用粉末を作成した。また、実施例4では、実施例3のメッキ後の1次粒子を加圧プレスを用いて50MPaで1分、加圧成型して圧粉体を形成し、その後、解砕して2次粒子を40μmに制御し、溶射用粉末を作成した。このようにして得られた溶射用粉末を用い、それぞれ実施例1と同様の条件で成膜試験を行なった。
その結果、実施例3では、投入した溶射用粉末の48%が、実施例4では39%が基板に付着し、本実施例の2次粒子の形成方法が効果的であることが分かった。
(Examples 3 and 4)
The same material system as in Example 1 was used. In Example 3, a nickel layer having a thickness of 3 μm was formed on the tungsten carbide surface by an electroless plating method, and then the primary particles were filled in an alumina box and heated at 900 ° C. for 60 minutes in a firing furnace. And fired. Thereafter, the powder was pulverized by a stamp mill to control the average particle size of the secondary particles to 40 μm to prepare a thermal spraying powder. Further, in Example 4, the primary particles after plating in Example 3 were pressure-molded at 50 MPa for 1 minute using a pressure press to form a green compact, and then crushed into secondary particles. Was controlled to 40 μm to prepare a powder for thermal spraying. Using the thermal spraying powder thus obtained, a film formation test was performed under the same conditions as in Example 1.
As a result, in Example 3, 48% of the injected thermal spraying powder adhered to the substrate in Example 4, and it was found that the secondary particle forming method of this example was effective.

(比較例1)
セラミックス材料として平均粒径40μmのタングステン炭化物と、金属として平均粒径40μmのニッケル粉末を、重量比(タングステン炭化物/ニッケル粉末)80%/20%の割合で単純混合して、溶射用粉末を作成した。この溶射用粉末を用いて、実施例1と同様の条件で成膜試験を行った。その結果、比較例1では、投入した粉末のうち、7%しか基材に付着しなかった。
(Comparative Example 1)
A powder for thermal spraying is created by simply mixing tungsten carbide with an average particle size of 40 μm as a ceramic material and nickel powder with an average particle size of 40 μm as a metal at a weight ratio (tungsten carbide / nickel powder) of 80% / 20%. did. Using this thermal spraying powder, a film formation test was performed under the same conditions as in Example 1. As a result, in Comparative Example 1, only 7% of the charged powder adhered to the substrate.

(比較例2)
平均粒径10μmのタングステン炭化物の表面に無電解メッキ法により厚み3μmのニッケル層を形成し、凝集過程を行なわない溶射用粉末(1次粒子)を用いて、実施例1と同様の条件で成膜試験を行なった。その結果、付着率は3%にしかならず、本発明の最後の凝集による2次粒子の調整が重要な効果をもつことが明らかになった。
(Comparative Example 2)
A nickel layer having a thickness of 3 μm is formed by electroless plating on the surface of tungsten carbide having an average particle diameter of 10 μm, and a thermal spraying powder (primary particles) that is not subjected to an agglomeration process is used under the same conditions as in Example 1. A membrane test was performed. As a result, the adhesion rate was only 3%, and it became clear that the adjustment of secondary particles by the final aggregation of the present invention has an important effect.

(比較例3)
実施例1と同じ材料系を用い、セラミックス表面に、電子ビームによる物理蒸着法によって厚み10μmのニッケル層を形成し、1次粒子を作成した。1次粒子をアルミナ製の箱に充填し、焼成炉内で900℃、60分間加熱し、凝集させて、2次粒子の平均粒径を約40μmに制御した溶射用粉末を作成した。この溶射用粉末を用いて、実施例1と同様の条件で成膜試験を行なった。その結果、比較例2では、付着率は8%に過ぎなかった。
(Comparative Example 3)
Using the same material system as that of Example 1, a nickel layer having a thickness of 10 μm was formed on the ceramic surface by a physical vapor deposition method using an electron beam to produce primary particles. The primary particles were filled in an alumina box, heated in a firing furnace at 900 ° C. for 60 minutes, and aggregated to prepare a thermal spraying powder in which the average particle size of the secondary particles was controlled to about 40 μm. Using this thermal spraying powder, a film formation test was performed under the same conditions as in Example 1. As a result, in Comparative Example 2, the adhesion rate was only 8%.

比較例3の結果は、電子ビームによる物理蒸着のような方法では、セラミックス粒子の表面全体に金属層を形成することが難しく、凝集後もセラミックス粒子同士が接触した界面が形成されているためであると考えられる。このような界面が形成されると、成膜時にこの脆弱な界面で割れが生じ、最終的にこの割れを起点にして皮膜が剥離してしまうため、付着率が低くなると推測される。したがって、セラミックス粒子表面への金属層の形成方法としては、実施例におけるメッキ法や化学蒸着のような、つきまわりの良い成膜法が好適であることが分かった。   The result of Comparative Example 3 is that it is difficult to form a metal layer on the entire surface of the ceramic particles by a method such as physical vapor deposition using an electron beam, and an interface where the ceramic particles are in contact with each other is formed even after aggregation. It is believed that there is. When such an interface is formed, cracking occurs at the fragile interface during film formation, and the film is finally peeled off starting from this crack, so that the adhesion rate is estimated to be low. Therefore, it was found that a film forming method with good throwing power, such as a plating method and chemical vapor deposition in the examples, is suitable as a method for forming the metal layer on the ceramic particle surface.

このように、実施例の溶射用粉末を用いることで、非溶融スプレー法でも高い付着率を実現できることが分かった。   Thus, it was found that by using the thermal spraying powder of the example, a high adhesion rate can be realized even by the non-melt spray method.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…溶射用粉末、2…セラミックス粒子、3…金属層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermal spraying powder, 2 ... Ceramic particle, 3 ... Metal layer.

Claims (10)

非溶融スプレー法を用いて皮膜を形成するための溶射用粉末であって、
1次粒子が凝集した2次粒子から構成され、
前記1次粒子は、セラミックス粒子の表面に金属層を備えて構成されることを特徴とする溶射用粉末。
A thermal spraying powder for forming a film using a non-melt spray method,
Composed of secondary particles in which primary particles are aggregated,
The said primary particle is equipped with the metal layer on the surface of ceramic particle | grains, The powder for thermal spraying characterized by the above-mentioned.
前記セラミックス粒子の平均粒径は、0.1μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1記載の溶射用粉末。   2. The thermal spraying powder according to claim 1, wherein the ceramic particles have an average particle size of 0.1 μm to 10 μm. 前記金属層の厚みは、0.01μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の溶射用粉末。   The thermal spraying powder according to claim 1 or 2, wherein the metal layer has a thickness of 0.01 µm or more and 5 µm or less. 前記2次粒子の平均粒径は、10μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の溶射用粉末。   4. The thermal spraying powder according to claim 1, wherein an average particle size of the secondary particles is 10 μm or more and 100 μm or less. 5. 前記金属層は、メッキ法又は化学蒸着法により形成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の溶射用粉末。   The thermal spraying powder according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal layer is formed by a plating method or a chemical vapor deposition method. 前記セラミックス粒子は、タングステン炭化物、クロム炭化物、アルミニウム酸化物及びガドリニウム酸化物から選ばれる1種以上を含むことを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項記載の溶射用粉末。   The thermal spraying powder according to any one of claims 1 to 5, wherein the ceramic particles include at least one selected from tungsten carbide, chromium carbide, aluminum oxide, and gadolinium oxide. 前記金属層は、鉄、銅又はニッケルを主成分とすることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項記載の溶射用粉末。   The thermal spraying powder according to claim 1, wherein the metal layer contains iron, copper, or nickel as a main component. 前記セラミックス粒子は、炭化タングステン、炭化クロム、酸化アルミニウム、酸化ガドリニウム、ホウ化モリブデン及び硫化モリブデンから選ばれる1種以上を含み、前記金属層は、銅又はニッケルを主成分とすることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項記載の溶射用粉末。   The ceramic particles include at least one selected from tungsten carbide, chromium carbide, aluminum oxide, gadolinium oxide, molybdenum boride, and molybdenum sulfide, and the metal layer is mainly composed of copper or nickel. The thermal spraying powder according to any one of claims 1 to 7. 非溶融スプレー法を用いて皮膜を形成するための溶射用粉末の製造方法であって、
セラミックス粒子の表面に、金属層を形成して1次粒子を形成する工程と、
前記1次粒子を凝集させて2次粒子を形成する工程と
を備えることを特徴とする溶射用粉末の製造方法。
A method for producing a thermal spraying powder for forming a film using a non-melting spray method,
Forming a metal layer on the surface of the ceramic particles to form primary particles;
And a step of agglomerating the primary particles to form secondary particles. A method for producing a thermal spraying powder, comprising:
請求項1乃至8のいずれか1項記載の溶射用粉末を、前記金属層を構成する元素の融点よりも低い温度で加熱する工程と、
加熱された前記溶射用粉末を、高圧ガス流により搬送して基材に衝突させる工程と
を備えることを特徴とする溶射皮膜の製造方法。
Heating the thermal spraying powder according to any one of claims 1 to 8 at a temperature lower than a melting point of an element constituting the metal layer;
And a step of transporting the heated powder for thermal spraying with a high-pressure gas stream to collide with a substrate.
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