JP2016509126A - 新たな製品及びその使用 - Google Patents

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Abstract

本発明は、金属部品の表面被覆に使用されることを意図した、新たなプレアロイ金属を基本とした粉末に関するものである。粉末は、例えばレーザ・クラッディング若しくはプラズマ粉体肉盛溶接であるＰＴＡ、又は溶射、例えばＨＶＯＦを使用して被覆される。粉末は、被覆の摩擦減少及び摩耗減少の改善に有用である。そのような被覆は、被削性も改善できる。摩擦又は摩耗を減少させる成分として、プレアロイ粉末における硫化マンガン又は硫化タングステンの介在物が使用できる。

Description

本発明は、金属部品の表面被覆に使用されることを意図した新たなプレアロイ金属を基とした粉末に関するものである。この粉末は、例えばレーザ・クラッディング若しくはプラズマ粉体肉盛溶接（ＰＴＡ）、又は溶射（例えばＨＶＯＦ）を使用して被覆される。粉末は、被着された被覆の摩擦の減少及び摩耗減少の改善に有用である。この被覆は被削性も改善できる。摩擦又は摩耗を減少させる成分として、プレアロイ粉末における硫化マンガン又は硫化タングステンの介在物が使用できる。
熱表面処理、すなわち溶射被覆及び肉盛溶接の粉末グレードは、摩耗及び腐食に対する部品の表面の被覆に幅広く使用される。Ｆｅ基、Ｎｉ基及びＣｏ基のグレードは、摩耗及び／又は腐食に曝された部品の寿命を根本的に改善することが知られている。しかし、部品寿命の改善が必要な用途が、依然として多く存在する。さらに、世界市場におけるＮｉ及びＣｏが高価格であり入手が限定されることによっても、寿命をより長く改善することが求められている。最終的に、レーザ・クラッディング、コールド・スプレー及び高速溶射のような新たな被覆方法の開発によりアロイングの新たな可能性が開かれ、被覆プロセスがより正確に管理され、より高度に自動化されるようになった。これにより、さらなる種類の粉末が必要となっている。
摩擦及び摩耗性を改善する可能性のある手法は、熱表面処理グレードに固体潤滑剤を組み込み、被覆が許容できる程度の耐食性及び硬さを維持しつつ、摩擦及び摩耗を減少させる物質を含ませることである。
固体潤滑剤は、液体媒体を必要とせずに、互いに摺動する２つの表面の間の摩擦及び摩耗を減少させることが可能な軟質の固体材料である。固体潤滑剤と考えられる材料は、少なくとも以下の基準を満たすことが必要である。すなわち、接触面への粘着（粘着性）、低せん断強度（内部摩擦が小さい）、硬さが小さいこと（摩耗性の低さ及び意図した環境に対する熱化学的安定性）である。固体潤滑剤の例は、滑石、グラファイト、硫化マンガン（ＭｎＳ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）又は二硫化タングステン（ＷＳ２）である。固体潤滑剤を使用することにより、極低温又は極高温での安定性、極限環境（例えば寒い若しくは熱い環境又は輻射値の大きい環境）における安定性、機械的設計（軽量設計、臨界速度の低下）について利点があり、又は極限荷重の積載が可能となる。
熱表面処理に固体潤滑剤を使用することは、長きにわたって困難な命題であった。その理由は、多くの固体潤滑剤が金属硫化物であり、溶接の際に微量の硫黄でさえ亀裂及び／又は腐食を引き起こす可能性があることである。
非特許文献１〜３には、金属粉末と混合されたＭｎＳ粉末を使用すること、及びその粉末混合体を例えばＰＴＡ（プラズマ粉体肉盛溶接）に使用するが記載されている。
Ｓｋａｒｖｅｌｉｓら、ＡＳＭＥ Ｊ．Ｔｒｉｂｏｌ．１３２（２０１０年）、第０３１３０２−１頁〜０３１３０２−８頁 Ｓｋａｒｖｅｌｉｓら、Ｓｕｒｆ．＆Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈｎ．２０３（２００９年）、第１３８４頁〜１３９４頁 Ｓｋａｒｖｅｌｉｓら、Ｔｒｉｂ．Ｉｎｔ．４２（２００９年）、第１７６５頁〜１７７０頁
しかし、固体潤滑剤は、油又はグリースと比較して摩擦係数が高く、固体潤滑剤膜の摩耗寿命は、再生できない場合は限定的であり、油又はグリースと比較して冷却能力がないか又は限定され、或いは破片及び残留粒子で目詰まりを引き起こしやすい傾向を有することがある。
驚くべきことに、本発明者らは、固体潤滑剤が、プレアロイ金属粉末に介在物として存在する場合は、固体潤滑剤が粉末混合物に粉末成分として存在する場合よりも優れた潤滑効果を呈することに気付いた。本発明は、固体潤滑剤（例えばＭｎＳ又はＷＳ２）とのプレアロイ金属粉末、及び基板を表面被覆するためのその金属粉末の使用に関するものである。本発明による固体潤滑剤を使用する主な効果は、摩耗及び／又は腐食に曝された部品の長寿命化である。
金属合金粉末とプレミックスしたＭｎＳ粉末を使用した被覆の摩擦係数（ＣＯＦ）及び摩耗。 ＭｎＳ介在物を含有するプレアロイ金属粉末を使用した被覆の摩擦係数（ＣＯＦ）及び摩耗。 １５２５−３０ＳＰ５７０と５％ＭｎＳとのプレアロイ粉末の粒子のＳＥＭ顕微鏡写真。濃灰色の部分は、ＭｎＳを含有する介在物である。 シート摩耗における摺動体。ステンレス鋼シート上でトライボ接触した摺動体、通常の荷重１０Ｎ、摺動速さ０．３６ｍ／秒、乾燥（無潤滑）。Ｙ軸は摩擦係数を示し、Ｘ軸は摺動距離を示す。
本発明者らは、硫化マンガンであるＭｎＳが適切な固体潤滑剤であることを示した。その結果から、金属粉末にプレアロイされたＭｎ及びＳにより摩擦及び摩耗を減少させる可能性が示される。Ｍｎ及びＳを有するプレアロイされた粉末は、溶接クラッディング方法、例えばレーザ・クラッディング又はＰＴＡに特に良好に適する。さらに、溶射、例えばフレーム溶射、ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦ、コールド・スプレー、プラズマ溶射も適切な用途になり得る。試験の平面研削により評価される被削性は、固体潤滑剤介在物を有さない金属合金と比較して、ＭｎＳ介在物を有するプレアロイ金属粉末から作られたアロイ・グレードは変えがたいものである。
本明細書のすべての割合は重量％である。
一観点によれば、本発明は、硫化マンガン（ＭｎＳ）又は硫化タングステン（ＷＳ２）介在物を含むプレアロイ金属粉末の組成物を提供する。本明細書で使用される「プレアロイ」という用語は、金属粉末粒子が、例えばＭｎＳ及び／又はＷＳ２、すなわちＭｎ及び／又はＷ並びにＳの介在物を有し、それはプレアロイ粉末の製造時には溶融物に含まれていたことを示している。
本発明による、使用に適した金属粉末合金は、通常はニッケル基、鉄基又はコバルト基である。
すなわち、本発明の一具体例は、ニッケル基のプレアロイ金属粉末合金の組成物であり、Ｃ０．０５〜０．４％、Ｓｉ２．０〜３．１、Ｂ０．６〜１．５、Ｃｒ２．６〜３．６、Ｆｅ１．２〜２．５、Ａｌ０．２〜０．７、ＭｎＳ介在物４〜１５％、および残部のＮｉを含有するか、又はそれらからなるものである。
本発明の他の具体例は、コバルト基のプレアロイ金属粉末合金の組成物であり、Ｃ０．０５〜０．４％、Ｓｉ２．０〜３．１、Ｂ０．６〜１．５、Ｃｒ２．６〜３．６、Ｆｅ１．２〜２．５、Ａｌ０．２〜０．７、ＭｎＳ介在物４〜１５％、および残部のＣｏを含有するか、又はそれらからなるものである。
本発明のさらに他の具体例は、鉄基のプレアロイ金属粉末合金の組成物であり、１〜１．３％Ｃ１〜１．３％、Ｃｒ２２〜２７％、Ｍｎ４〜５％、Ｎｉ３〜５％、Ｓｉ３〜４％、Ｍｏ１．５〜２．５％、ＭｎＳ介在物４〜１５％、および残部のＦｅを含有するか、又はそれらからなるものである。
本発明のさらに他の具体例は、ニッケル基のプレアロイ金属粉末合金の組成物であり、Ｃ０．０５〜０．２％、Ｓｉ２．２〜２．９、Ｂ０．８〜１．３、Ｃｒ２．８〜３．４５、Ｆｅ１．４〜２．３、Ａｌ０．３〜０．５、ＭｎＳ介在物４〜１５％、および残部のＮｉを含有するか、又はそれらからなるものである。
本発明のさらに他の具体例は、コバルト基のプレアロイ金属粉末合金の組成物であり、Ｃ０．０５〜０．２％、Ｓｉ２．２〜２．９、Ｂ０．８〜１．３、Ｃｒ２．８〜３．４５、Ｆｅ１．４〜２．３、Ａｌ０．３〜０．５、ＭｎＳ介在物４〜１５％、および残部のＣｏを含有するか、又はそれらからなるものである。
本発明のさらに他の具体例は、鉄基のプレアロイ金属粉末の組成物であり、１．２％Ｃ１．２％、Ｃｒ２５％、Ｍｎ４．５％、Ｎｉ４％、Ｓｉ３．３％、Ｍｏ２％、ＭｎＳ介在物４〜１５％、および残部のＦｅを含有するか、又はそれらからなるものである。
一具体例によれば、介在物の形態であるＭｎＳ及び／又はＷＳ２の量は４〜８重量％又は５〜８重量％である。
ニッケル基、鉄基又はコバルト基のプレアロイ粉末は、Ｍｎ又はＷ、Ｓ、及びＣ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＶからなる群から選択される他の合金元素を含む溶融物から水アトマイズ又はガスアトマイズにより製造されることが好ましい。
プレアロイ粉末合金の粒径は、通常は１０μｍ〜８００μｍ、若しくは１０μｍ〜２００μｍ、又は好ましくは１５〜１５０μｍ、若しくは５０〜１５０μｍである。
固体潤滑剤（例えばＭｎＳ又はＷＳ２）は、介在物として存在する。これらの介在物は、固体潤滑剤（例えばＭｎＳ又はＷＳ２）を溶融金属にそのまま加えるか、又はその代わりに、ＦｅＳを適切な量のＦｅＭｎと混合してから溶融金属に加えて作ることができる。
一観点によれば、本発明は、以下の手段により上記の金属粉末を用いて金属部品を表面被覆する方法を提供する。
被覆技術、例えばレーザ・クラッディング若しくはＰＴＡ（プラズマ粉体肉盛溶接）
溶射方法、例えばＨＶＯＦ（高速酸素燃料溶射）、ＨＶＡＦ（高速アセチレン燃料溶射）若しくはプラズマ溶射又は
スラリー方法、例えば、遠心成形。
一具体例によれば、本発明は、介在物として４〜１０％、又は４〜８％、又は５〜７重量％のＭｎＳ又はＷＳ２を含有する上記金属粉末による使用を提供する。
他の観点によれば、本発明は、機械における乾燥摩擦接触に対して、本発明による粉末による被覆に適した上記により製造された金属部品、例えば、工業用バルブ、シート・メタル成形（ＳＭＦ）工具、製鉄所の運搬ローラー、ペーパー・ナイフ及びガラス金型も提供する。
実施例１
プレアロイ粉末の製造
金属粉末を以下のように製造した。以下の組成；Ｃ０．０５〜０．２％、Ｓｉ２．２〜２．９％、Ｂ０．８〜１．３％、Ｃｒ２．８〜３．４５％、Ｆｅ１．４〜２．３％、Ａｌ０．３〜０．５％、ＭｎＳ４〜１５％、残部Ｎｉを有する金属粉末を、上記成分量の元素を含有する溶融物をアトマイズすることにより製造した。製造した粉末は、合金マトリックスに介在物としてＭｎＳを含有する。この粉末は、以後「粉末Ａ」という。
実施例２
以下の組成、すなわちＣ０．０５〜０．２％、Ｓｉ２．２〜２．９％、Ｂ０．８〜１．３％、Ｃｒ２．８〜３．４５％、Ｆｅ１．４〜２．３％、Ａｌ０．３〜０．５％を有するプレアロイ金属粉末を、一般的な粉末混合器中で５重量％のＭｎＳ粉末と混合することにより、プレミックス粉末の製造を行った。この粉末は、本明細書では「粉末Ｂ」という。
実施例３
ＰＴＡを使用した被覆による粉末の付着
プレアロイ粉末又はプレミックス粉末を、以下のように試料に付着させた。
粉末ＡをＰＴＡ（プラズマ粉体肉盛溶接）によりＳ２３５ＪＲＧ（基本的な構造用鋼）基板に、５〜１５％希釈させるパラメータで被着させた。
実施例４
粉末Ｂを、基板に融合させる前に、基板上に手で撒布した。
実施例５
本発明による粉末も、レーザ・クラッディングにより基板に付着させた。粉末Ａ及び粉末Ｂからの固体潤滑剤（ＭｎＳ）の介在物が、被覆内に存在した。粉末Ａ被覆は、ＭｎＳ介在物の大きさが粉末Ｂのものよりも細かくなるようである。
実施例６
摩耗試験
摩耗試験が実施された。この摩耗試験は、金属表面被覆層又はクラッドにおける粉末Ａの有益な効果を示している。試験片は、硬化処理された長方形ブロックであり、基体金属は、一般的に使用される低炭素の構造用鋼（ＥＮ Ｓ２３５ ＪＲＧ、ＡＳＴＭ Ａ５７０ Ｇｒ．３６）であり、表面層は、測定終了時に少なくとも１ｍｍ厚であった。試験表面は、研磨仕上げが施され、表面粗さはＲａ０．３〜０．４μｍであり、平面研磨研削によっても調製した。φ６０／ＣＲ１００ｘ１７リングの相手材は、ＡＩＳＩ３１６Ｌ（ＥＮ Ｘ２ＣｒＮｉＭｏ１７ １２ ２）又はＡＩＳＩ３０４Ｌ（ＥＮ Ｘ２ＣｒＮｉ１９−９）ステンレス鋼製である。摩擦試験は無潤滑、すなわち乾燥であり、試験試料を慎重に清掃し、試験前にエタノールにより脱脂した。摩耗試験は、規格ＡＳＴＭＧ７７に記載されている試験に類似していた。ヘルツ接触の最大圧力は１８０ＭＰａであり、角速度は０．３６ｍ／秒であり、全体の摺動距離は５９４ｍであった。
実施例７
シート上摺動体摩耗試験
シート上摺動体摩耗試験が実施された。この摩耗試験は、金属表面被覆層又はクラッドにおける粉末Ａの有益な効果を示している。試験片は、円筒形のリングφ５０／ＣＲ５ｍ×１０ｍｍであり、基体金属は、一般的に使用される低炭素の構造用鋼（ＥＮ Ｓ２３５ ＪＲＧ、ＡＳＴＭ Ａ５７０ Ｇｒ．３６）であり、表面層は、測定終了時に少なくとも０．５ｍｍ厚であった。試験表面に研磨仕上げを施し、表面粗さはＲａ０．３〜０．４μｍであり、ＯＤ研磨によっても調製した。相手材シート１０００×１０００×１．５ｍｍは、ＡＩＳＩ３１６Ｌ（ＥＮ Ｘ２ＣｒＮｉＭｏ１７ １２ ２）ステンレス鋼製であった。摩擦試験は、無潤滑、すなわち乾燥であり、試験試料を慎重に清掃し、次いで試験前にエタノールにより脱脂した。通常の荷重は１０Ｎであり、スライド速度は０．３６ｍ／秒であり、全体の摺動距離は３ｍであった。結果を図４に示す。
実施例８
腐食試験
ＩＳＯ１６７０１に従った塩水噴霧腐食試験を実施した。１２日後、１５日後、３０日後及び３９日後の各間隔で部品を接写した。続いて、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った。粉末Ｂの被覆層は、３９日後に５０μｍの錆の起伏を多数呈した。錆の始まりを１２日目の中断時に判別した。粉末Ａの被覆層では、類似した種類の錆が得られたが、錆の起伏の数はかなり少なく、これらの大きさはより小さかった。結果の定量は、画像分析ソフトウェア、例えばＡｄｏｂｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐを使用したＳＥＭ−顕微鏡写真のピクセル化により行うことができる。

Claims (8)

  1. 水アトマイズ又はガスアトマイズされた金属粉末であっって、
    Ｃ ０．０５〜０．２％、
    Ｓｉ ２．２〜２．９、
    Ｂ ０．８〜１．３、
    Ｃｒ ２．８〜３．４５、
    Ｆｅ １．４〜２．３、
    Ａｌ ０．３〜０．５、
    ＭｎＳ介在物 ４〜１５％、
    残部であるＮｉ
    を含有するか、又はそれらからなり、
    前記金属粉末が熱表面処理に適している、金属粉末。
  2. 水アトマイズ又はガスアトマイズされた金属粉末であっって、
    Ｃ ０．０５〜０．２％、
    Ｓｉ ２．２〜２．９、
    Ｂ ０．８〜１．３、
    Ｃｒ ２．８〜３．４５、
    Ｆｅ １．４〜２．３、
    Ａｌ ０．３〜０．５、
    ＭｎＳの介在物 ４〜１５％、
    残部であるＣｏ
    を含有するか、又はそれらからなり、
    前記金属粉末が熱表面処理げに適している、金属粉末。
  3. 水アトマイズ又はガスアトマイズされた金属粉末であっって、
    １．２％Ｃ １．２％、
    Ｃｒ ２５％、
    Ｍｎ ４．５％、
    Ｎｉ ４％、
    Ｓｉ ３．３％、
    Ｍｏ ２％、
    ＭｎＳ介在物 ４〜１５％、
    残部であるＦｅである
    を含有するか、又はそれらからなり、
    前記金属粉末が熱表面処理に適している、金属粉末。
  4. ＭｎＳ量が４〜８重量％、又は５〜７重量％である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された金属粉末。
  5. プレアロイ粉末合金の粒径が４５μｍ〜２００ｍｍ、又は５０〜１５０μｍである、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された金属粉末。
  6. 金属部品の表面被覆を行う方法であって、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された金属粉末を用いて、レーザ・クラッディング又はＰＴＡ（プラズマ粉体肉盛溶接）により金属被覆部品を製造する、方法。
  7. 請求項６に記載された方法により製造される金属被覆部品。
  8. 工業用バルブ、シート・メタル成形（ＳＭＦ）工具、製鉄所の運搬ローラー、ペーパー・ナイフ及びガラス金型からなる群から選択される、請求項７に記載された金属被覆部品。
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