JP2016528379A - 新規な粉末 - Google Patents

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Abstract

本発明は、鋳鉄部品を被覆するのに有用な新しい金属粉末に関する。本発明は、新しい金属粉末を用いることによって鋳鉄部品を被覆する方法にも関する。特に重要であるのは、ガラスモールドの表面を被覆するために金属粉末を用いる可能性である。本発明は、金属粉末によって被覆された鋳鉄部品などの金属部品又はガラスモールドにも関する。

Description

本発明は、鋳鉄部品を被覆するのに有用である新しい金属粉末に関する。本発明は、新しい金属粉末を用いることによって鋳鉄部品を被覆するための方法にも関する。特に重要なのは、ガラスモールドの表面を被覆するために金属粉末を用いる可能性である。本発明は、金属粉末によって被覆される鋳鉄部品などの金属部品又はガラスモールドにも関する。
過酷な摩耗及び腐食条件下で加工される金属の工具の寿命は、工具を耐摩耗性且つ耐食性の表面で被覆することによって長くすることができる。そのような金属の工具は、種々の産業で見出され、例えば、低合金鋼、青銅、ステンレス鋼又は鋳鉄で作製することが可能である。
多くの産業は、摩耗、腐食及び熱サイクルに付される鋳鉄部品を有している。これらは、中空ガラス製造、自動車、船舶、土壌処理用具等を含む。この例は、ガラスボトルやジャーの生産で用いられる工具である。該装具の寿命を改良するためには、重要部品（例えば、モールドやガイドリングのエッジ、ブランジャー及びネックリングの表面）をニッケル基自溶粉末で被覆する。種々の硬化肉盛方法（ｈａｒｄｆａｃｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）が用いられる：例えば、プランジャーは、溶着後にフレーム溶射によって、又は溶着後にＨＶＯＦによって被覆され、他方、モールドエッジ、ネックリング、ガイドリングは、粉末溶接又はプラズマアーク（ＰＴＡ）溶接のどちらかを用いて被覆される。
ガラス成形は２つの工程：いわゆるブランクモールドで行われるプレモールディング、及びいわゆる仕上げモールドで行われる最終モールディングで行われる。モールドと接触しているガラスの温度は、ブランクモールドでは凡そ１１００℃、及び仕上げモールドでは７００〜８００℃である。モールドの温度は５５０〜６００℃まで変動し得るが、表面温度は短時間の間はさらに高くなり得る。さらに、モールドの表面は化学的に活性なガラスと接触している。モールドにとって重要な要件は、良好な表面仕上げ、良好な熱衝撃抵抗性、寸法変化に対する抵抗性、酸化及び成長に対する抵抗性である。これは、３つの重要な問題：ダイ表面へのガラスの粘着／接着及び凹凸の形成（表面粗面化）；ダイの酸化；及びダイの摩耗／孔食を招く。
これらの問題は、ガラス製品における欠陥を生じ、ダイの使用可能寿命を制限する。
一般に、自溶合金は、Ｗ、及び／又はＭｏ及び／又はＣｒとしての強力な炭化物及びホウ化物形成剤と組み合わせた、０．５〜５％のホウ素、０．１〜６％のケイ素及び３％までの炭素を含有する鉄基、ニッケル基、コバルト基又は銅基合金と定義される。最も商業的に使用される自溶合金は、１．５％よりも多いホウ素及びケイ素いずれか単独、又はそれらを組み合わせて含有するＮｉ基合金である。ホウ素及びケイ素は数百度融点を低下させ；それらは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＦｅの酸化物を還元することによって濡れを促進し；それらは、その析出物の表面へ流動する軽い低融点のホウケイ酸塩ガラスを形成し、それを酸化から保護する。ホウ素は、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン及び鉄と一緒に硬いホウ化物を形成する強力な硬化剤でもある。Ｎｉ基自溶合金の場合には、ホウ素含有量は、１〜３．５％の範囲であり、クロム含有量に依存し、１６％に達し得る。
種々の産業で使用される基材材料は、低合金鋼、ノジュラー又はラメラ鋳鉄、青銅又はステンレス鋼の場合がある。一部の用途では、ラメラ鋳鉄が、より高い生産率及びより低いコストを可能にする良好な熱伝導性に起因して好ましい選択肢である。ラメラ鋳鉄の肉盛溶接法による硬化肉盛は、鋳鉄が黒鉛ラメラの低い強度、低い延性及びゼロに近い熱膨張係数のために亀裂に対して敏感であるので、困難である。亀裂形成は青銅又はステンレス鋼のような他のタイプの基材の硬化においても起こり得る。現在、無亀裂被覆は、鋳鉄部品の肉盛溶接法がニッケル基自溶グレードで行なわれる場合に限り得ることができる。
コスト並びに環境及び健康の懸念のため、より多くのＦｅを粉末に導入することによって合金化コストを低減化するのが長い間の要望であったが、そうする試みは成功しておらず、ラメラ鋳鉄の熱影響域（ＨＡＺ）における亀裂形成の増大をもたらしていた。
本発明は、前記問題に対する解決を提供する。本発明者らは、金属粉末の鉄含有量を上昇させ、亀裂形成を回避しつつ、鋳鉄、例えば、ラメラ鋳鉄で作製された部品のＰＴＡ溶接のような肉盛溶接のためにこの粉末を使用することが可能であることを示した。
クロム及びニッケルの量を最適化しつつ、比較的高量の鉄でニッケル基グレードを希釈し、そして、金属基材を表面被覆するために、例えば、鋳鉄のＰＴＡ溶接のために、この合金粉末を用いることによって、以下の特性を備えた被覆が達成される。現在使用されているニッケル基自溶グレードと同様な硬度；現在使用されているニッケル基グレードにおけるのと同様な溶接及び機械加工挙動；鋳鉄熱影響ゾーンにおける亀裂は回避でき、及び／又はニッケル基グレードのそれに匹敵するサイズまで低下させることができる；現在使用されているニッケル基自溶グレードよりも少ない気孔とより少ない遊離黒鉛；より低い材料コスト；取扱い及び溶接中の環境に対するより少ない衝撃及びより有害でない加工条件。
鋳鉄熱影響域における亀裂の合計長を最小化するためにＣｒ及びニッケルの量を最適化することができ、その結果、０から最大１１００μｍの合計亀裂長がもたらされる。
鉄基被覆をニッケルで希釈することによって、遊離黒鉛及び被覆における気孔率の量が徐々に減少し、１６％ニッケルにおいては、気孔及び遊離黒鉛の量は、一般に使用されるＮｉ基材料で見られるものよりも小さい。
本発明は、ニッケルの使用を最小化し、そのようにして、粉末の生産、取扱い及び溶接の間における健康及び／又は環境に対する強力な衝撃を低下させる利点も有する。
ラメラ鋳鉄に肉盛溶接された試料１の断面を示すＬＯＭ顕微鏡写真である。被覆と基材との間の結合領域が示される。亀裂は鋳鉄ＨＡＺで観察されない。 ラメラ鋳鉄に肉盛溶接された比較例３の断面を示すＬＯＭ顕微鏡写真である。被覆と基材との間の結合が示される。被覆エッジ（ｃｏａｔｉｎｇ ｅｄｇｅ）から開始する鋳鉄ＨＡＺにおいて亀裂が観察される。 実施例８から得られる表面被覆の図である。 実施例９から得られる表面被覆の図である。 実施例１０から得られる表面被覆の図である。 実施例１１から得られる表面被覆の図である。
明細書を通じて、被覆すべき、又は被覆される金属の部品（ｐａｒｔ）又は構成部品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）（例えば、鋳鉄構成部品）を基材という。
基材の表面を被覆する方法を、「表面被覆」又は「硬化肉盛」又は肉盛溶接と呼ぶことができる。
本発明は、比較的高いＦｅ含有量を有する金属粉末を、被覆と基材との間の亀裂の形成を最小にして、表面被覆する基材、例えば、鋳鉄、低合金炭素鋼、青銅、又はステンレス鋼部品に用いることができるという認識に基づく。表面被覆で用いられる方法は、それによって金属粉末を鋳鉄部品上に付着させることができるいずれの方法であってもよい。そのような方法は、例えば、プラズマアーク（ＰＴＡ）又はレーザ肉盛；ＨＶＯＦ又はＨＶＡＦ、フレーム溶射、プラズマ溶射、又はコールドスプレーのような溶射方法を含む。
本発明に従って用いられる金属粉末は、適切な量の合金化元素を有する溶融体を微粒化することによって生産することができる。ガス−ガス又はガス−水微粒化は、そのような方法の例である。粒度の選択は、表面被覆で用いられる付着方法及び選択された機器に依存し、当業者の能力内のものである。粒度は、１０から２５０μｍ、好ましくは、ＰＴＡでは５３から２１２μｍの間、レーザ肉盛では４５から１５０μｍの間、フレーム溶射では３６から１２５μｍの間、及びＨＶＯＦ、ＨＶＡＦ、コールドスプレー又はプラズマ溶射では５３μｍから１０μｍの間の範囲であり得る。
本発明は、以下のものを提供する。
１． ５〜２０％のＣｒ；０．５〜５％のＳｉ；０．２〜３．５％のＢ；１２〜７０％のＮｉ；０〜１．５％のＣ、０〜２％のＰ；残部がＦｅからなる、金属部品を溶射する又は溶接肉盛することによる表面被覆に適合した金属粉末。
２． ５〜９％のＣｒ；２〜３％のＳｉ；０．２〜２％のＢ；１６〜５５％のＮｉ；０〜１．５％のＣ、０〜２％のＰ；残部がＦｅからなる、上記１に記載の金属粉末。
３． ５．５〜８％のＣｒ、２〜３％のＳｉ；０．２〜２％のＢ、１６〜５０％のＮｉ；０〜１．５％のＣ、０〜２％のＰ；残部がＦｅからなる、上記１又は２に記載の金属粉末。
４． プラズマアーク溶接又はレーザ肉盛による表面被覆に適合した、上記１から３までのいずれか１つに記載の金属粉末。
５． 鋳鉄を表面被覆するのに適合した、上記１から４のいずれか１つに記載の金属粉末。
６． 鋳鉄構成部品のプラズマアーク溶接又はレーザ肉盛のための、上記１から５のいずれか１つに記載の金属粉末の使用。
７． 上記１から５のいずれか１つに記載の粉末を用いて作製された表面被覆を有する金属又は鋳鉄構成部品。
金属粉末は、ノジュラー及びラメラ鋳鉄の双方の肉盛法で用いることができる。
なおもう１つの態様において、本発明は、金属粉末を用いて被覆され、又は肉盛された鋳鉄部品を提供する。
（例１）
以下の実施例で用いた粉末は慣用的なガス微粒化によって作製され、次いで、５３から１５０μｍの間に篩分けをした。種々の粉末の含有量は、表１に示される。
（例２）
９０ｍｍの直径及びほぼ３５ｍｍの高さを持つラメラ鋳鉄パック（ｐｕｃｋ）を以下のように被覆した。パックを、３８０℃の空気中にて、炉中で予熱した。ほぼ１ｃｍの幅を持つ１つの層をパック直径に沿って付着させた。以下の溶接パラメータを用いた；溶接電流９０〜１０５Ａ、溶接速度６〜７ｃｍ／分、供給速度２８〜３０ｇ／分、３．５リットル／分の供給ガス、ＰＴＡビームの振動、１〜２Ａの監視電流。溶接の後、試料をバーミキュライト中で冷却した。
（例３）
９０ｍｍの直径及びほぼ３５ｍｍの高さを持つラメラ鋳鉄パックを、以下のようにレーザ肉盛りした。パックを、３８０℃の空気中にて、炉中で予熱した。共軸粉末供給装置を備えた、１２×２ｍｍのスポットを持つ４ｋＷダイレクトダイオードレーザを用いることによって、ほぼ１ｃｍの幅を持つ１つの層をパック直径に沿って付着させた。以下のレーザ肉盛パラメータを用いた：２ｋＷ電力、４〜５ｍｍ／秒の間の肉盛速度、粉末供給速度３１ｇ／分及びシールドガス１０〜１１リットル／分。達成された結果を表２に示す。
（例４）
ダイ浸透剤を用いることによって、溶接したままの構成部品を被膜中の亀裂形成に関して評価した。毛細管作用を介して表面の欠陥又は亀裂に吸い込まれる、高度に浸透性の赤色染料で試料を被覆した。一定の時間の後、過剰な染料を表面から除去し、白色顕色剤を適用する。顕色剤は、表面に開いている欠陥から浸透剤を吸出し、表面に接触している亀裂が存在するかを見るのを可能とする。いずれの被覆も表面に接触した亀裂を示さなかった。
（例５）
基材材料からの希釈。試料の表面を軽く研磨して、表面酸化物を除去し、被覆の化学的性質を、携帯式Ｘ線蛍光アナライザーによって、ほぼ７ｍｍ２の２つの領域で、各々、分析した。次いで、平均的な被覆の化学的性質を評価した。粉末の、及び基材材料の化学組成を知ることによって、希釈は以下のように計算された。
希釈＝ρｃ（Ｘｃ＋ｓ−Ｘｃ）／ρｓ（Ｘｓ−Ｘｃ＋ｓ）＋ρｃ（Ｘｃ＋ｓ−Ｘｃ）
ρｃ＝溶融した粉末合金の密度（ｋｇ／ｍ３）
ρｓ＝基材材料の密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｘｃ＋ｓ＝皮膜中の元素Ｘの重量％
Ｘｃ＝粉末合金中の元素Ｘの重量％
Ｘｓ＝基材中の元素Ｘの重量％
行った試験は、全ての材料について５〜２０％の範囲の希釈を示した。
（例６）
３０ｋｇｆの負荷でのビッカース硬度（ＨＶ３０）は、被覆表面にてビューラー（Ｂｕｅｈｌｅｒ）硬度計で測定した。硬度測定に先立って、被覆を酸化アルミニウム石で平面研磨して、試料の底部に平行な平坦な表面を達成した。平面研磨に続いて、５００メッシュ、次いで、８００メッシュの炭化ケイ素ペーパーでの精研磨を行った。５回の圧痕を被覆表面で行い、平均硬度を計算した。
（例７）
微細構造。光学顕微鏡下で試料を分析した。金属組織学的検討用の試料を、被覆のほぼ中央において溶接方向に垂直に切断した。試料をベークライト中で成形し、次いで、Ａｌ２Ｏ３石上で、及び９μｍの布上で平面研磨した。次いで、試料を３μｍの布、続いて、１μｍの布上で磨いて、鏡面状の表面を得た。試料を磨いたままの条件で調べて、基材に対する結合度、最大長さが１００μｍを超える気孔の数、遊離黒鉛の存在、被覆中及び／又は鋳鉄熱影響域中の亀裂を評価した。被覆中で亀裂は見出されなかった。いくつかの試料では、被覆エッジで出発する鋳鉄ＨＡＺにおいて亀裂が観察された。亀裂の長さを測定し、双方の被覆エッジにおける合計亀裂長は、ＰＴＡ被覆試料については表１で、レーザ肉盛りした試料については表２で報告する。調べた断面における最大長さが１００μｍを超える気孔の数は０から５の間であり、比較例１から３におけるように同様な量であった。
（例８）
粉末１を、フレーム溶射後、溶着によって低合金炭素鋼上に付着させた。２０ｍｍの直径を持つ円柱ロッドを被覆した。ロッドをまず磨き、次いで、Ｍｅｔｃｏ ５Ｐ−ＩＩガンで溶射した。溶着は、空気中にて、オキシアセチレントーチによって行った。溶射及び溶着双方の間、ロッドを回転させた。基材への良好な結合及び通常の気孔率が達成された。図３参照。
（例９）
粉末１を、ＵｎｉｑｕｅＣｏａｔ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓのＭ３ ＨＶＡＦガンによって、低合金炭素鋼上に付着させた。試験のための選択された粒度は２５〜３７μｍであった。直径がほぼ２０ｍｍのコインを被覆した。被覆に先立って、試料をグリットブラスト処理した。空気及びプロパンを燃焼ガスとして用い、他方、空気をキャリアガスとして用いた。供給速度は１００ｇ／分であった。被覆の概要は図４に示される。結合領域における黒色粒子は、グリットブラスティング工程からのアルミナである。
（例１０）
粉末１を、ＰＴＡ溶接によって、アルミニウム青銅基材タイプＳＳ５７１６−１５（典型的な化学組成７７〜８２％のＣｕ、８．５〜１１％のＡｌ、４〜６％のＮｉ、２．５〜５％のＦｅ）上に付着させた。被覆は、直径が約９２０ｍｍ及び高さが３０ｍｍのパック上で行った。被覆に先立って、パックを、空気中で４５０℃にて予熱した。以下の処理パラメータ、即ち、Ｅｆｆｅｃｔ ９０Ａ、溶接速度７ｃｍ／分、供給速度２５ｇ／分を用いた。１つの層を付着させた。基材への結合が良好な無亀裂被覆を得ることができた。図５。
（例１１）
粉末１を、ステンレス基材タイプＡＩＳＩ３１６Ｌ上にＰＴＡ溶接によって付着させた。被覆は、５０×１００×３０ｍｍのサイズを持つ棒上で行った。被覆のために、以下の処理パラメータを用いた。Ｅｆｆｅｃｔ １１０Ａ、溶接速度７ｃｍ／分、供給速度２５ｇ／分。１つの層を付着させた。基材への結合が良好な無亀裂被覆が達成された。
（例１２）
５０％の粉末１を、５０％の球状鋳造炭化タングステンＷＣ／Ｗ２Ｃと混合した。４ｋＷのダイオードレーザを用いることによって、混合物をレーザ肉盛りした。混合物は、３ｋＷの電力及び５ｍｍ／秒の肉盛速度を用いて肉盛処理した。被覆の断面は図６に示される。

Claims (7)

  1. 金属部品を溶射又は溶接肉盛することによる表面被覆に適合した金属粉末であって、５〜２０％のＣｒ、０．５〜５％のＳｉ、０．２〜３．５％のＢ、１２〜７０％のＮｉ、０〜１．５％のＣ、０〜２％のＰ、そして残部がＦｅからなる金属粉末。
  2. ５〜９％のＣｒ、２〜３％のＳｉ、０．２〜２％のＢ；１６〜５５％のＮｉ、０〜１．５％のＣ、０〜２％のＰ、残部がＦｅからなる、請求項１に記載の金属粉末。
  3. ５．５〜８％のＣｒ、２〜３％のＳｉ、０．２〜２％のＢ、１６〜５０％のＮｉ、０〜１．５％のＣ、０〜２％のＰ、残部がＦｅからなる、請求項１又は２に記載の金属粉末。
  4. プラズマアーク溶接又はレーザ肉盛による表面被覆に適合した、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属粉末。
  5. 鋳鉄を表面被覆するのに適合した、請求項１から４のいずれか一項に記載の金属粉末。
  6. 鋳鉄構成部品のプラズマアーク溶接又はレーザ肉盛のための、請求項１から５のいずれか一項に記載の金属粉末の使用。
  7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の粉末を用いて作製された表面被覆を有する金属又は鋳鉄構成部品。
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