JP2016520711A - 三元系セラミック溶射粉末およびコーティング方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(連邦政府の委託研究または開発に関係する表明)
本発明は、米国エネルギー省(DOE)によって与えられた契約DE−SC0003454の下、政府支援で作られた。政府は本発明に一定の権利を有している。
尚、文献、特開平9−268361号、特開平9−227243号、米国特許出願公開第2004/0194662号、米国特許第6,238,807号および米国特許第7,862,911号は、ホウ化モリブデン、ニッケル、クロムおよびタングステンを含む溶射粉末または溶射皮膜のいずれかを開示している。しかし、得られた皮膜は、溶融金属環境の下で優れた耐熱衝撃性、耐摩耗性および耐腐食性を示さない。
したがって、溶融金属腐食環境に対して改善された抵抗性、優れた耐熱衝撃性および高温での高耐摩耗性を与える皮膜を形成する、噴射粉末を開発する必要がある。
本発明の別の実施形態は、約20〜70質量%の1種または複数の金属−Mo−B、金属−Mo2−B2もしくは金属2−Mo2−B2の三元系ホウ化物セラミックスであって、式中、金属がCo、NiまたはFeである三元系ホウ化物セラミックスと、ほぼ0〜60質量%の1種または複数の二元系ホウ化モリブデンと、ほぼ0〜50質量%の1種または複数の二元系金属ホウ化物であって、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される1種または複数の二元系金属ホウ化物とを含む組成物を用意するステップを含む、溶射粉末の製造方法を含む。
本発明のさらに別の実施形態は、約20〜70質量%の1種または複数の金属−Mo−B、金属−Mo2−B2もしくは金属2−Mo2−B2の三元系ホウ化物セラミックスであって、式中、金属がCo、NiまたはFeである三元系ホウ化物セラミックスと、ほぼ0〜60質量%の1種または複数の二元系ホウ化モリブデンと、ほぼ0〜50質量%の1種または複数の二元系金属ホウ化物であって、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される1種または複数の二元系金属ホウ化物とを含む溶射粉末から形成された、溶射皮膜を含む。
添付の図面において示されているように、本発明の上記およびその他の目的、特徴および利点は、本発明の特定の実施形態の以下のより詳細な記述から明らかである。ただし、同様な参照番号は本発明の同様な部分を表す。
したがって、本発明は、溶融金属環境、優れた耐熱衝撃性、低温および高温条件下の高耐摩耗性および低摩擦特性に対して改善された特性を備えた溶射皮膜を製造することができる、三元系および二元系セラミックスからなる改善された溶射粉末を提供する。ここで、粉末および溶射皮膜の第一結晶相は、三元系および二元系セラミックスを含むマルチセラミックスである。
約20〜70質量%(すなわち約20質量%から70質量%まで)の1種または複数の金属−Mo−B、金属−Mo2−B2もしくは金属2−Mo2−B2の(これらの任意の組み合わせを含む)三元系ホウ化物セラミックスであって、式中、金属がCo、NiまたはFeである三元系ホウ化物セラミックスと、
ほぼ0〜60質量%(ほぼ60質量%まで)の1種または複数の二元系ホウ化モリブデンをと、
ほぼ0〜50質量%(ほぼ50質量%まで)の1種または複数の二元系金属ホウ化物であって、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される1種または複数の二元系金属ホウ化物と
を含む。
代替的な実施形態では、溶射粉末の任意の実施形態に関して、溶射粉末はさらに以下:
BN、WS2またはMoS2を含む、ほぼ0〜10質量%(すなわち、ほぼ0質量%から10質量%まで)の1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズ(submicro-sized)の強化固体潤滑剤を
を含む。
特定の実施形態においては、溶射複合粉末の製造は、混合、粉砕、凝集、および焼結を含む。特定の実施形態においては、溶射複合粉末の製造方法は、組成混合物を粉砕して粉砕組成混合物を形成するステップと、前記粉砕組成混合物を凝集させて凝集組成物を形成するステップと、次いで、凝集組成物を焼結して溶射複合粉末を形成するステップとを含む。混合、粉砕、凝集、および焼結には、1種または複数の既知の機械またはプロセスを使用することができることを理解されたい。
特定の実施形態では、粉砕ステップは、
ほぼ0〜80質量%(ほぼ80質量%まで)の1種または複数の金属であって、前記1種または複数の金属がMo、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される金属と、
ほぼ0〜80質量%(ほぼ80質量%まで)の1種または複数の二元系ホウ化物セラミックスであって、前記1種または複数の二元系金属ホウ化物が、Mo、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される二元系ホウ化物セラミックスとを含む組成混合物を粉砕するステップを含む。
凝集とは、一般に、組成物の粒子を付着または結合させて、凝集体を含有する組成物を形成するプロセスを指す。特定の実施形態では、凝集させるステップは、粉砕された組成混合物に1種または複数の成分を加えて、所望の特性を有する変性された粉砕された組成混合物を形成するステップを含むことが理解されよう。例えば、特定の実施形態では、前記変性された粉砕された組成混合物は、湿潤組成混合物であり、前記湿潤組成混合物の一部は液体であり、前記湿潤混合物の所望の特性には所望の粘度が含まれる。前記粉砕された組成混合物に加えてもよい例示的な成分としては、1種もしくは複数のバインダー、1種もしくは複数の界面活性剤、および/または水が挙げられる。
特定の実施形態では、焼結プロセスは、850℃以上1300℃以下の温度でほぼ1〜5時間行われる。他の変形実施形態では、焼結プロセスは、ほぼ900℃〜1000℃でほぼ2〜4時間行われる。より具体的な実施形態では、焼結プロセスは、ほぼ900℃でほぼ3時間行われる。特定の実施形態では、前記粉末を作製するために使用される前記材料(前記の1種または複数の三元系ホウ化物セラミックス、二元系ホウ化モリブデン、二元系金属ホウ化物、および任意のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤を含む)の平均粒子径は、0.1μm以上10μm以下である。前記粉末は、凝集および焼結作業まで(すなわち、混合および粉砕プロセスを通して)これらの粒径を有していると見なすことができる。他の実施形態では、前記粒径は、0.1μm未満とすることができることを理解されたい。前記粉末を溶射する準備として、使用される特定の溶射作業に十分な任意の粒径を得るために、粉末の凝集および焼結が行われる。
加えて、特定の実施形態では、溶射皮膜は、それだけに限らないが、例えば窒化ホウ素を含む、1種または複数の固体潤滑剤をゼロから10質量%含む。固体潤滑剤の含有量が高すぎると、例えば20%質量以上ならば、皮膜の耐熱衝撃性および付着性はかなり低下することになる。
特定の用途では、皮膜の厚さは、ほぼ50〜300μmであり、特定の実施形態では、ほぼ100〜200μmである。皮膜がこれより薄いと、皮膜の防腐食性が不十分である。皮膜がこれより厚いと、耐熱衝撃性はかなり低下する。
以上論じた三元系ホウ化物セラミックスを試験し評価した。特に、粉末と溶射皮膜との間であまり変化が見られなかったことから、これらの粉末および皮膜は高い熱安定性を示すことが分かった。例えば、図1を参照すると、焼結三元系セラミック粉末のX線回折(XRD)走査パターンが、粉末の噴射皮膜のXRD走査パターンとともに示されている。XRDパターンにおいて検出された主な相は、三元系ホウ化物セラミックスを含み、さらに少量の二元系セラミックスも含む。特に、粉末の走査パターンは、Mo2FeB2、FeMoB、MoB、FeB、Fe2BおよびFe3Bの硬質相からなる。検討したところ、皮膜は広い回析ピークを示すが、これはアモルファス相を示す。これは、HVOF溶射後の溶射粒子のおよそ106ks-1の高冷却速度によって説明することができる。結論として、粉末と溶射皮膜との間であまり変化が見られなかったことから、セラミックス相は非常に固く、高い熱安定性を示す(図1を参照)。
さらに、三元系ホウ化物セラミック皮膜は、溶解、破砕または劣化することなく3000時間以上の試験に耐えた。これは、市販のWC−Co皮膜より8倍長く、コーティングしていないステンレス鋼より860倍以上長かった。
この皮膜は、Zn、Zn合金または溶鋼を含む溶融金属浴に適用するのに少なくとも好適である。
粉砕ステップ行う際には、ボールミル内で、ミクロンサイズのMo粉末を、ほぼ70質量%のFeBおよび1〜10質量%のBNとともに、ほぼ4時間ボールミル粉砕することによって複合粉末を調製した。次いで、水とともにアルコール系バインダーおよび1種もしくは複数の通常の界面活性剤を加えて、ほぼ200センチポアズ以上300センチポアズ以下の粘度を有する変性された粉砕組成混合物を得る。アトマイザーを用いて生成したスラリーを噴霧乾燥することにより粉末を含む凝集組成物を形成し、球状で易流動性の凝集粉末を作製する。粒子のおよそ三分の二が直径35μmであった。これらの粉末は、ほぼ100℃以上200℃以下の温度でほぼ2時間脱バインダーし、ほぼ900℃でほぼ3時間焼結させて、三元系セラミックを生産した。これらの三元系セラミック粉末をふるいでより分けて、−230、+500メッシュのカット分を実質的に得る。
Claims (43)
- 約20〜70質量%の1種または複数の金属−Mo−B、金属−Mo2−B2もしくは金属2−Mo2−B2の三元系ホウ化物セラミックスであって、式中、金属がCo、NiまたはFeである三元系ホウ化物セラミックスと、
ほぼ0〜60質量%の1種または複数の二元系ホウ化モリブデンと、
ほぼ0〜50質量%の1種または複数の二元系金属ホウ化物であって、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される1種または複数の二元系金属ホウ化物と
を含む溶射粉末。 - 前記1種または複数の二元系ホウ化モリブデンが、ほぼ20〜60質量%である、請求項1に記載の溶射粉末。
- 前記1種または複数の二元系金属ホウ化物が、ほぼ10〜50質量%である、請求項1または2に記載の溶射粉末。
- 前記1種または複数の三元系ホウ化物セラミックス、前記1種または複種の二元系ホウ化モリブデン、および前記1種または複数の二元系金属ホウ化物の粒径が、0.1μm以上10μm以下である、請求項1に記載の溶射粉末。
- 凝集後かつ焼結後の状態において、前記粉末の粒径が、ほぼ5〜125μm(マイクロメートル)の範囲である、請求項4に記載の溶射粉末。
- 凝集後かつ焼結後の状態において、前記粉末の粒径が、ほぼ10〜45μm(マイクロメートル)の範囲である、請求項4に記載の溶射粉末。
- ほぼ10質量%までの1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤をさらに含み、前記1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤が、BN、WS2またはMoS2を含む、請求項1に記載の溶射粉末。
- 前記1種または複数の三元系ホウ化物セラミックス、前記1種または複数の二元系ホウ化モリブデン、前記1種または複数の二元系金属ホウ化物、および前記1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤の粒径が、0.1μm以上10μm以下である、請求項7に記載の溶射粉末。
- 凝集後かつ焼結後の状態において、前記粉末の粒径が、ほぼ5〜125μm(マイクロメートル)の範囲である、請求項8に記載の溶射粉末。
- 凝集後かつ焼結後の状態において、前記粉末の粒径が、ほぼ10〜45μm(マイクロメートル)の範囲である、請求項8に記載の溶射粉末。
- 組成混合物を粉砕して粉砕組成混合物を形成するステップであって、前記組成混合物が、
ほぼ0〜80質量%(ほぼ80質量%まで)の1種または複数の金属であって、前記1種または複数の金属が、Mo、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される金属と、
ほぼ0〜80質量%(ほぼ80質量%まで)の1種または複数の二元系ホウ化物セラミックスであって、前記1種または複数の二元系金属ホウ化物が、Mo、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される二元系ホウ化物セラミックスと、
0〜10質量%の1種または複数の固体潤滑剤と
を含むステップと、
前記粉砕組成物を凝集させて凝集組成物を形成するステップと、
前記凝集組成物を焼結して溶射複合粉末を形成するステップであって、前記溶射複合粉末が、
約20〜70質量%の1種または複数の金属−Mo−B、金属−Mo2−B2もしくは金属2−Mo2−B2の三元系ホウ化物セラミックスであって、式中、金属がCo、NiまたはFeである三元系ホウ化物セラミックスと、
ほぼ0〜60質量%の1種または複数の二元系ホウ化モリブデンと、
ほぼ0〜50質量%の1種または複数の二元系金属ホウ化物であって、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される1種または複数の二元系金属ホウ化物と
を含むステップと
を含む、溶射粉末の製造方法。 - 粒径が0.1μm以上10μm以下である、前記1種または複数の三元系ホウ化物セラミックス、前記1種または複数の二元系ホウ化モリブデン、および前記1種または複数の二元系金属ホウ化物が用意される、請求項11に記載の溶射粉末の製造方法。
- 前記溶射複合粉末を形成する粒子の粒径が5μm以上125μm以下となるように凝集させるおよび焼結するステップをさらに含む、請求項12に記載の溶射粉末の製造方法。
- 前記溶射複合粉末を形成する粒子の粒径が10μm以上45μm以下となるように凝集させるおよび焼結するステップをさらに含む、請求項12に記載の溶射粉末の製造方法。
- 焼結が、ほぼ850℃以上ほぼ1300℃以下の温度でほぼ1〜5時間行われる、請求項13または14に記載の溶射粉末の製造方法。
- 前記溶射複合粉末が0〜10質量%の1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤をさらに含み、前記1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤がBN、WS2またはMoS2を含む、請求項11に記載の溶射粉末の製造方法。
- 粒径が0.1μm以上10μm以下である、前記1種または複数の三元系ホウ化物セラミックス、前記1種または複数の二元系ホウ化モリブデン、前記1種または複数の二元系金属ホウ化物、および1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤が用意される、請求項11に記載の溶射粉末の製造方法。
- 前記溶射複合粉末を形成する粒子の粒径が5μm以上125μm以下となるように凝集させるおよび焼結するステップをさらに含む、請求項17に記載の溶射粉末の製造方法。
- 前記溶射複合粉末を形成する粒子の粒径が10μm以上45μm以下となるように凝集させるおよび焼結するステップをさらに含む、請求項17に記載の溶射粉末の製造方法。
- 焼結が、ほぼ850℃以上ほぼ1300℃以下の温度でほぼ1〜5時間行われる、請求項18または19に記載の溶射粉末の製造方法。
- 前記1種または複数の二元系ホウ化モリブデンがほぼ20〜60質量%である、請求項11から20のいずれか1項に記載の溶射粉末の製造方法。
- 前記1種または複数の二元系金属ホウ化物がほぼ10〜50質量%である、請求項11から21のいずれか1項に記載の溶射粉末の製造方法。
- 約20〜70質量%の1種または複数の金属−Mo−B、金属−Mo2−B2もしくは金属2−Mo2−B2の三元系ホウ化物セラミックスであって、式中、金属がCo、NiまたはFeである三元系ホウ化物セラミックスと、
ほぼ0〜60質量%の1種または複数の二元系ホウ化モリブデンと、
ほぼ0〜50質量%の1種または複数の二元系金属ホウ化物であって、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される1種または複数の二元系金属ホウ化物と
を含む溶射粉末から形成された溶射皮膜。 - BN、WS2またはMoS2を含む、ほぼ0〜10質量%の1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤をさらに含む、請求項23に記載の溶射皮膜。
- 前記1種または複数の二元系ホウ化モリブデンがほぼ20〜60質量%である、請求項23または24に記載の溶射皮膜。
- 前記1種または複数の二元系金属ホウ化物がほぼ10〜50質量%である、請求項23から25のいずれか1項に記載の溶射皮膜。
- 溶射皮膜の厚さがほぼ50〜300μmである、請求項23から26のいずれか1項に記載の溶射皮膜。
- 基板上に溶射皮膜を形成する方法であって、
約20〜70質量%の1種または複数の金属−Mo−B、金属−Mo2−B2もしくは金属2−Mo2−B2の三元系ホウ化物セラミックスであって、式中、金属がCo、NiまたはFeである三元系ホウ化物セラミックスと、
ほぼ0〜60質量%の1種または複数の二元系ホウ化モリブデンと、
ほぼ0〜50質量%の1種または複数の二元系金属ホウ化物であって、Cr、Fe、Ni、W、およびCoから選択される1種または複数の二元系金属ホウ化物と
を含む溶射粉末を用意するステップと、
前記基板上に前記溶射粉末を溶射するステップと
を含む方法。 - 前記溶射ステップで用いられる溶射粉末が、ほぼ5〜125μm(マイクロメートル)の範囲の粒径から構成される、請求項28に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記溶射ステップで用いられる溶射粉末が、ほぼ10〜45μm(マイクロメートル)の範囲の粒径から構成される、請求項28に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記溶射ステップが、プラズマ溶射、フレーム溶射、爆発溶射、コールドガス溶射、アーク溶射、または高速フレーム溶射によって行われる、請求項28から30のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記溶射粉末が0〜10質量%の1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤をさらに含み、前記1種または複数のナノおよびサブミクロンサイズの強化固体潤滑剤が、BN、WS2またはMoS2を含む、請求項28から31のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記溶射ステップによって、ほぼ50〜300μmの厚さを有する皮膜が前記基板上に前記溶射粉末から形成される、請求項28から32のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記基板が金属である、請求項28から33のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記金属が鋼である、請求項34に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記皮膜が溶融金属に対して耐腐食性を有することを特徴とする、請求項28から35のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記溶融金属が亜鉛である、請求項36に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記皮膜が優れた耐熱衝撃性を有することを特徴とする、請求項28から37のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記皮膜が、気孔率1%未満の緻密な超微細構造の均質な組織形態を有することを特徴とする、請求項28から38のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記皮膜が、895±61HV0.3のビッカース硬さを有することを特徴とする、請求項28から39のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記皮膜が、高耐摩耗性および低摩擦を有することを特徴とする、請求項28から40のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記1種または複数の二元系ホウ化モリブデンが、ほぼ20〜60質量%である、請求項28から41のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
- 前記1種または複数の二元系金属ホウ化物が、ほぼ10〜50質量%である、請求項28から42のいずれか1項に記載の溶射皮膜形成方法。
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