JP2016501983A - セラミック材料の溶射 - Google Patents
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Abstract
Description
ケイ素およびホウ素の炭化物系材料および窒化物系材料は、優れた機械的、熱的および化学的性質を併せ持つため、多くの産業において幅広く用いられてきた。これらの炭化物および窒化物は、非常に良好な摩擦学的性質および耐食性を示すため、耐摩耗・耐研磨性が要求される塗装用途、例えば、腐食性環境において一般に使用される。これらは、ダイヤモンドなどの高価な材料と比べても、このような特性において遜色がない。
一態様によれば、本発明は、金属酸化物被覆セラミック粒子を基板上に溶射するためのプロセスであって、
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を得る工程と、
(ii)工程(I)の上記粒子を基板上に溶射する工程と
を含むプロセスを提供する。
(I)金属水酸化物被覆粒子および/または金属炭酸塩被覆粒子などの炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属塩被覆粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の粒子を焼成および焼結して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程と、
(III)工程(II)の粒子を基板上に溶射する工程とを含むプロセスを提供する。
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属水酸化物被覆粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の粒子を焼成して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程と、
(III)工程(II)の前記粒子を基板上に溶射する工程とを含むプロセスを提供する。
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の粒子を、弱酸または弱塩基の存在下で、少なくとも1つの金属塩、例えば、2つの金属塩と組み合わせて、該粒子上に金属塩被膜を形成する工程と、
(III)工程(II)の粒子を乾燥、例えば、噴霧乾燥する工程と、
(IV)工程(III)の粒子を焼成および焼結して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程と、
(V)工程(IV)の粒子を基板上に溶射する工程とを含むプロセスを提供する。
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の粒子を、弱塩基の存在下で、少なくとも1つの金属塩と組み合わせて、当該粒子上に金属水酸化物被膜を形成する工程と、
(III)工程(II)の粒子を乾燥、例えば、噴霧乾燥する工程と、
(IV)工程(III)の粒子を焼成して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程と、
(V)工程(IV)の粒子を基板上に溶射する工程とを含むプロセスを提供する。
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の粒子を、弱酸または弱塩基の存在下で、少なくとも1つの金属塩とを組み合わせて、上記粒子上に金属塩被膜を形成する工程と、
(III)工程(II)の粒子を乾燥、例えば、噴霧乾燥する工程と、
(IV)工程(III)の粒子を焼成および焼結して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程とを含むプロセスを提供する。
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の粒子を、弱塩基の存在下で、少なくとも1つの金属塩とを組み合わせて、上記粒子上に金属水酸化物被膜を形成する工程と、
(III)工程(II)の粒子を乾燥、例えば、噴霧乾燥する工程と、
(IV)工程(III)の粒子を焼成して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程とを含むプロセスを提供する。
本明細書において、溶射という用語は、燃焼溶射プロセス、デトネーション溶射プロセス(例えば、高周波数パルスデトネーション)または電気/プラズマ溶射プロセスのいずれかを用いた噴霧を包含するものとして使用される。これらの技術は、新規ではなく、当該分野の技術者に良く知られている。
発明の詳細な説明
よって、被覆作業の成功の鍵は、セラミック粒子上への金属塩の沈殿を可能にする「沈殿剤」化合物の存在である。この化合物は、弱酸または弱塩基である。沈殿剤化合物は、存在する金属塩のモル量のおよそ1〜30倍、好ましくは3〜30倍、例えば、5〜30倍、好ましくは6〜20倍、特に、5〜10倍、例えば、8〜10倍のモル量で存在していてもよい。
ふるい分け後(かつ溶射前)に、高周波数パルスデトネーションまたは高速フレーム溶射技術用の供給原料として粒径20〜45ミクロンの粉末が好ましくは使用できる。粒径45〜90ミクロンのより大きな粉末を大気圧プラズマ溶射に使用してもよい。
次いで、焼成後に形成された粒子を基板上に溶射することができる。燃焼(例えば、火炎溶射またはHVOF)、デトネーション(デトネーションガンまたは高周波数デトネーションガン)または電気/プラズマ溶射(大気圧プラズマ溶射、ワイヤーアーク噴霧、低圧プラズマ溶射または真空プラズマ溶射)に基づく溶射技術などの様々な溶射技術を用いることができる。好ましい噴霧技術は、高周波数デトネーションガン、HVOF技術または大気圧プラズマ溶射を含む。上述したように、これらの技術は周知であり、ここで完全に概説する必要はない。
図2は、500℃での予備焼成工程および1750℃での焼結工程後の粉末の30重量%のYAG相含有量についてのXRDスペクトルを示す。
図3は、本発明に係る噴霧後の粉末の被膜の性質を説明するための、本発明に係る噴霧後の粉末の被膜断面の走査電子顕微鏡写真を示す。なお、これらの電子顕微鏡写真の最上層は、画像を生成するために加えた単なるエポキシ層である。
図4は、本発明に係る噴霧後の粉末の被膜の性質を説明するための、本発明に係る噴霧後の粉末の拡大図を示す。
図5は、HFPDに適した焼結・凝集SiC粉末を示す(24〜45ミクロン)。
本実施例は、炭酸水素アンモニウム(AHC)との以下の推定される反応に基づくものである。
1.蒸留水中でのAHCの初期加水分解:
NH4HCO3+H2O→NH4OH+H2CO3
NH4OH⇔NH4 ++OH-
H2CO3→H++HCO3 -
HCO3 -→H++CO3 2-
2.硝酸アルミニウム反応
Al(NO3)3・9H2O+3NH4HCO3=AlOOH+3(NH4)NO3+3CO2+10H2O (ベーマイトまたはアルミニウム水酸化物)
懸濁液を周囲温度下で数時間エージング(aging)すると、水酸化物は反応し、アンモニウムドーソナイトを形成し得る。
Al(NO3)3・9H2O+4NH4HCO3=NH4Al(OH)2CO3+3(NH4)NO3+3CO2+10H2O (アンモニウムドーソナイト)
AlOOH+NH4HCO3=NH4Al(OH)2CO3
3.硝酸イットリウム反応
2Y(NO3)3・6H2O+6NH4HCO3=Y2(CO3)3・6H2O+6NH4NO3+3CO2+9H2O (正炭酸塩水和物:normal carbonate hydrate)
または
Y(NO3)3・6H2O+3NH4HCO3=Y(OH)CO3+3(NH4)NO3+2CO2+7H2O (塩基性炭酸塩)
粉末径20〜45μmの実施例1(オーブン乾燥)の粉末を以下のパラメータに従って高周波数パルスデトネーションガンにより炭素鋼基板に噴霧した。
ガス流:48SLPMのプロピレンおよび170SLPMの酸素(SLPM=1分当たりの標準リットル)
周波数:60ヘルツ
基板からのトーチの距離:40mm
ThermicoCPF−2による粉体の供給には、20SLPMの窒素キャリアガスおよび10rpmの回転数の供給ディスクを用いる。
基板上のトーチ走査回数:4×6秒
本実施例では、3ミクロンの炭化ケイ素粒子を用いたことを除いて、実施例1のプロセスを繰り返した。
封入された酸化物は、プラズマとの直接的な作用からSiC粒子を保護し、それによって分解を抑制する。
成分:
a.Washington Mills AS社(ノルウェー、オルカンゲル)によって提供されたd50=0.6μmのα−SiC粒子
b.Al(NO3)3・9H2O(Merck KGaA社、ドイツ)
c.H.C.Starck社グレードCのY2O3(HNO3溶液に溶解させ、Y2O3+6HNO3+9H2O→2Y(NO3)3・6H2Oの反応後に2Y(NO3)3・3H2Oを生成した)
d.沈殿剤である弱塩基:尿素
e.分散剤:Dolapix A88(Zschimmer & Schwarz GmbH & Co KG社、ドイツ)
共沈工程後の総固体充填量は、およそ5重量%である。
尿素/(Al3++Y3+)モル比=7.5
100gのα−SiC粒子を721.96mlの6M尿素中に分散させ、600rpmで30分間撹拌した。0.4重量%のDolapix A88を加え、尿素を含有するSiC懸濁液を安定化させ、15分間撹拌した。混合物を90℃に加熱した。これとは別に、YAG塩前駆体(Al3+:Y3+の割合=5:3)の金属塩溶液を、721.96mlの0.5MのAl(NO3)3・9H2Oと721.96mlの0.3MのY(NO3)3・6H2Oとを組み合わせることにより調製した。これにより、焼結と同時に、含有量30重量%のイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)が得られる。この金属塩前駆体溶液を、SiC懸濁液中で流量3ml/分にて逆滴定した。NH4OHを加えることにより、懸濁液のpHを9以上に維持した。
上記滴定工程の終了後、懸濁液を1時間エージングした(エージング=90℃に維持した温度にて600rpmで1時間撹拌)。エージング後の懸濁液を濾過して余剰のNO3 2-イオンを除去した。次いで、SiCの上澄みを炉中で100℃にて24時間乾燥した。
乾燥後のSiCを500℃にて2時間予備焼成し、プロセスのこの段階で被膜を形成する水酸化物種および炭酸塩種を除去した。更にアルゴン雰囲気炉において1750℃にて焼結を行い、凝集SiC粉末の結晶化および焼結を行った。
凝集および焼結後の粉末をふるい分け機で分粒し、25〜45μmの粉末および45〜90μmの粉末を生成した。25〜45μmの凝集粉末は、主に高周波数パルスデトネーション(HFPD)ガンに用い、45〜90μmの変形SiC粉末は、主に大気圧プラズマ溶射(APS)システムに用いる。
尿素との反応:
1.蒸留水中での尿素の初期加水分解
CO(NH2)2→NH4 ++OCN-(初期加水分解)
OCN-+2H++H2O→CO2+NH4 +(酸性媒質中)
OCN-+OH-+H2O→NH3+CO3 2-(中性溶液または塩基性溶液中)
2.硝酸アルミニウム反応
2Al(NO3)3・9H2O+3CO(NH2)2→2AlOOH+6(NH4)NO3+3CO2+11H2O (ベーマイトまたは水酸化アルミニウム)
または
Al(NO3)3・9H2O+2CO(NH2)2→NH4Al(OH)2CO3+3(NH4)NO3+CO2+4H2O (アンモニウムドーソナイト)
3.硝酸イットリウム反応
2Y(NO3)3・6H2O+3CO(NH2)2→Y2(CO3)3・6H2O+6(NH4)NO3+CO2+5H2O (正炭酸塩)
Y3++H2O=(Y(OH))2++H+
(Y(OH))2++CO2+2H2O=Y(OH)CO3・H2O+2H+
(塩基性炭酸塩)
実施例1、3および4においてオーブン乾燥または噴霧乾燥によって形成された粉末は、HFPD、HVOFまたはAPSによって溶射することができる。
大気圧プラズマ溶射プロセス
粉末径45〜90μmの実施例1(オーブン乾燥)の粉末を、以下のパラメータに従ってプラズマ溶射システムA3000S(Sulzer Metco社、スイス、ヴォーレン)内に取り付けたアノード径6mmの大気圧プラズマスプレーガンF4−MBプラズマガンにより炭素鋼基板に噴霧した。
ガス流:45SLPMのアルゴンおよび12SLPMの水素(SLPM=1分当たりの標準リットル)
電流:700アンペア
電圧:47ボルト
インゼクタ直径=1.8mm
基板からのプラズマトーチの距離:100mm
デジタル粉末供給回転数:2.8SLPMのArキャリアガスで20rpm
ロボット移動 0.2m/秒
基板上でのトーチ走査回数:4×6秒
SiC粒子を混合した噴霧乾燥後の金属塩前駆体により、水酸化物金属または炭酸塩金属の前駆体に封入されたSiC粒子が生成される。金属前駆体のナノ粒子を含む凝集SiC粉末が本プロセスによって生成されるので、焼結工程により、YAG被覆SiC粉末供給原料が生成される。
a.Saint Gobain Ceramic Materials AS Lillesand社(ノルウェー)によって提供されたd50=1μmのα−SiC粒子
b.Al(NO3)3・9H2O(Merck KGaA社、ドイツ)
c.H.C.Starck社グレードCから得たY2O3(HNO3溶液に分散させ、Y2O3+6HNO3+9H2O→2Y(NO3)3・6H2Oの反応後にY(NO3)3・6H2Oを生成した)
d.沈殿剤である弱酸:クエン酸
e.分散剤:Dolapix A88(Zschimmer&SchwarzGmbH&CoKG社、ドイツ)
共沈工程後の総固体充填量は、およそ10重量%であった。
クエン酸/(Al3++Y3+)モル比=3
100gのα−SiC粒子を360.98mlの4.8Mクエン酸中に分散させ、600rpmで30分間撹拌した。0.4重量%のDolapix A88を加え、クエン酸を含有するSiC懸濁液を安定化させ、15分間撹拌した。懸濁液を80℃に加熱した。
これとは別に、YAG塩前駆体(Al3+:Y3+の割合=5:3)の金属塩溶液を、360.98mlの1MのAl(NO3)3・9H2Oと360.98mlの0.6MのY(NO3)3・6H2Oを組み合わせることにより調製した。これにより、焼結と同時に、含有量30重量%のイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)が得られる。この金属塩溶液をSiC懸濁液に徐々に注入し、1時間撹拌した。
噴霧乾燥器を、入口温度が210℃に達し、出口温度が90〜110℃で安定するまで加熱した。このSiC/金属塩溶液混合物を、懸濁液の供給および吸引器を調整しながら噴霧乾燥し、25〜90ミクロンの所望の粒子径を有する球状凝集SiCを生成した。
これらの粒子を雰囲気炉中で500℃にて2時間焼成し、噴霧乾燥中に形成された水酸化物種および炭酸塩種を除去した。更に、アルゴン雰囲気炉中で1750℃にて焼結を行い、凝集SiC粉末の結晶化および焼結を行った。凝集および焼結後の粉末をふるい分け機で分粒し、25〜45μmの粉末および45〜90μmの粉末を生成した。25〜45μmの凝集粉末は、主に高周波数パルスデトネーション(HFPD)ガンに用いられ、45〜90μmの変形SiC粉末は、主に大気圧プラズマ溶射(APS)システムに用いられる。
Claims (23)
- 金属酸化物被覆セラミック粒子を基板上に溶射するためのプロセスであって、
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を得る工程と、
(ii)工程(I)の前記粒子を基板上に溶射する工程と
を含むプロセス。 - 金属酸化物被覆セラミック粒子を基板上に溶射するためのプロセスであって、
(I)金属水酸化物被覆粒子および/または金属炭酸塩被覆粒子などの、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属塩被覆粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の前記粒子を焼成および焼結して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程と、
(III)工程(II)の前記粒子を基板上に溶射する工程と
を含むプロセス。 - 金属酸化物被覆セラミック粒子を基板上に溶射するためのプロセスであって、
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の前記粒子を、弱酸または弱塩基の存在下で、少なくとも1つの金属塩、例えば、2つの金属塩と組み合わせて、該粒子上に金属塩被膜を形成する、例えば、金属水酸化物被覆粒子および/または金属炭酸塩被覆粒子を形成する工程と、
(III)工程(II)の前記粒子を乾燥、例えば、噴霧乾燥する工程と、
(IV)工程(III)の前記粒子を焼成および焼結して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程と、
(V)工程(IV)の前記粒子を基板上に溶射する工程と
を含むプロセス。 - 前記粒子は炭化ケイ素粒子である、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
- 工程(II)の前記金属塩は、硝酸塩、特に、イットリウムと硝酸アルミニウムとの混合物である、請求項3または4に記載のプロセス。
- 前記金属塩は、2つの異なる塩の混合物である、請求項3から5のいずれかに記載のプロセス。
- 前記金属塩または複数の金属塩は、前記粒子と水中で組み合わされる、請求項3から6のいずれかに記載のプロセス。
- 前記金属塩は、前記粒子上にベーマイト被膜を生成する、請求項3から7のいずれかに記載のプロセス。
- 工程(II)中、存在する粒子の固形分重量に対し、少なくとも5重量%の金属塩が存在している、請求項3から8のいずれかに記載の方法。
- 金属塩に対する弱塩基または弱酸のモル比は、1〜30倍であり、好ましくは、弱酸を使用した場合は1〜3モル当量、弱塩基を使用した場合は6〜8モル当量である、請求項3から9のいずれかに記載のプロセス。
- 工程(II)中のpHは、少なくとも9、例えば、9〜11であるか、あるいは2以下である、請求項3から10のいずれかに記載のプロセス。
- 前記金属塩が前記弱塩基または弱酸と粒子との溶液中に滴定されるか、あるいは、前記弱塩基または弱酸が前記金属塩と前記粒子との溶液中に滴定される、請求項3から11のいずれかに記載のプロセス。
- 金属水酸化物被膜および/または金属炭酸塩被膜などの前記金属塩被膜で前記粒子を被覆するために、前記金属塩、弱塩基または弱酸と前記粒子とを組み合わせ、噴霧乾燥する、請求項3から11のいずれかに記載のプロセス。
- 前記金属酸化物被膜は、共晶、特にYAGである、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
- 前記溶射は、デトネーションガンを用いて行われる、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
- 前記弱塩基は、尿素、アンモニアまたは炭酸水素塩、特に、炭酸水素アンモニウムであり、前記弱酸はクエン酸である、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
- 前記基板は金属である、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
- 前記金属酸化物被膜は、前記溶射プロセス前の前記被覆粒子重量の少なくとも10重量%を形成している、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
- 前記粒子は、焼成前に水酸化物および/または炭酸塩で被覆される、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
- 請求項1〜19のいずれかに記載の溶射プロセスによって塗工された被膜をその上に有する物品。
- 基板上に溶射するための炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の金属酸化物被覆粒子の使用。
- 炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の金属酸化物被覆粒子であって、該金属酸化物の量が、前記粒子の総重量の少なくとも10重量%である、金属酸化物被覆粒子。
- 金属酸化物被覆セラミック粒子を調製するためのプロセスであって、
(I)炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の粒子を得る工程と、
(II)工程(I)の前記粒子を、弱酸または弱塩基の存在下で、少なくとも1つの金属塩とを組み合わせる工程と、
(III)工程(II)の前記粒子を乾燥、例えば、噴霧乾燥する工程と、
(IV)工程(III)の前記粒子を焼成および焼結して、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素または窒化ホウ素の複数の金属酸化物被覆粒子を形成する工程と
を含むプロセス。
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