JP2017521548A

JP2017521548A - 炭化チタンオーバーレイ及びその製造方法

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Publication number: JP2017521548A
Application number: JP2016562239A
Authority: JP
Inventors: フィアラ、ペトル; エノホチャヴェス、オセロ; コズクラブ、エリック
Original assignee: エリコンメテコ（ユーエス）インコーポレイテッド
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2035-04-09
Also published as: AU2015253670B2; CN106536774B; SA516380102B1; JP6804982B2; CN106536774A; RU2682738C2; US20170043426A1; AU2015253670A1; JP2020186165A; WO2015167769A1; EP3137643A4; EP3137643B1; RU2016144040A; CA2944782A1; EP3137643A1; RU2016144040A3

Abstract

炭化チタンを含むオーバーレイを表面に適用するための組成物及び方法を提供する。前記組成物は、丸みのある炭化チタン粒子を含み、必要に応じて角張った炭化チタン粒子を含む。前記組成物は、例えば、プラズマ移行型アーク又は噴霧／溶融堆積によって適用してもよい。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１４年４月３０日に出願された米国仮特許出願番号６１／９８６，５１６号の優先権を主張する国際出願であり、その開示は、参照によりその全体が本明細書に明示的に取り込まれる。

本発明は、炭化チタンを含むオーバーレイを表面に適用するための組成物及び方法に関する。

基材上に金属オーバーレイを製造するためのいくつかの異なる方法が知られている。その方法には、プラズマ移行型アーク溶接（ｐｌａｓｍａｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ：ＰＴＡ）、噴霧及び溶融法（ｓｐｒａｙ−ａｎｄ−ｆｕｓｅｍｅｔｈｏｄｓ）、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、及びレーザー被覆（ｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ）が含まれる。ＰＴＡは、基材に金属コーティングを融着する（ｆｕｓｅ）ために使用することができ、摩耗及び／又は腐食に対する耐性を向上させることができる。この技術は、硬化肉盛（ｈａｒｄｆａｃｉｎｇ）とも呼ばれている。

ＰＴＡプロセスでは、非移行型アークが電極とノズルの間に形成され、次いで、移行型アークが電極と被加工物の間に形成される。移行型アークが点火されると、被加工物は、電気回路の一部となり、プラズマアークが、トーチオリフィスを通じて被加工物の上に向けられ、フォーカスされる。粉末組成物（例えば、合金及び／又は炭化物を含む）を、陽圧ガスフロー下で、ノズル内に計量供給する。それによって、被加工物表面上に溶融堆積物が形成され、それを冷却することによって硬化する。トーチ及び／又は被加工物を移動させることにより、被加工物上に溶接オーバーレイ堆積物を形成することができる。

炭化チタン（ＴｉＣ）は高硬度の材料であるため、ＰＴＡプロセスではＴＩＣを使用するのが望ましい。しかし、ＴｉＣは、ほとんどの金属と比較して、非常に低密度の材料でもある。したがって、ＰＴＡプロセスでＴＩＣを使用する場合、市販のＴｉＣ粒子は、堆積物（ｄｅｐｏｓｉｔ）が冷えて硬化する前に、その堆積物の上部に浮く（ｆｌｏａｔ）傾向がある。このことは、不均一な堆積物をもたらし、ＴｉＣは堆積物の主に上の部分に存在し、比較的少量のＴｉＣは堆積物の中間部と被加工物の隣接部分に存在する。この作用は、厚い堆積物の層が必要な場合に、及びマルチパス堆積プロセスにおいて、状況を悪化させる。その結果、硬化肉盛用のＴｉＣは、微細粒状又は凝集及び焼結した形態で主に用いられ、一般に、ＰＴＡ又は噴霧／溶融堆積以外の方法によって適用される。

米国特許第４，６１５，７３４号は、その全体が参照により本明細書に取り込まれ、当該文献には、ＰＴＡを適用する場合にＴｉＣが浮遊するという不利な傾向についてコメントがされている。当該文献は、３０〜５０重量％の角張ったＴｉＣ、１０〜３０％のクロム、約１．５〜５％の炭素、及び残部鉄を実質的に含む組成物を開示している。その粉末は、熱間静水圧プレス法によって、焼結し次いで表面上に硬化される（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ）。

米国特許第３，７２５，０１６号は、その全体が参照により本明細書に取り込まれ、当該文献には、スラリー中に組成物を形成し；そのスラリーを、噴霧、浸漬、又はペインティングによって金属表面に適用し；次いで乾燥することによって；１０〜７５％のＴｉＣ微粉末（例えば、５〜７μｍ）、２５〜９０％の鋼形成マトリックス、及び他の任意の成分を含む組成物を用いて硬質表面を形成することが記載されている。

ＰＴＡ及び噴霧／溶融堆積などの溶接法によって基材上にＴｉＣコーティングを適用する方法の必要性が依然として残されている。この方法は、好ましくは、粗いＴｉＣ（例えば４５μｍより大きな粒子）使用するのに適している。

ＰＴＡ及び噴霧／溶融堆積などの溶接法によって適用される、ＴｉＣ、好ましくは粗いＴｉＣ、を含む均一な基材表面硬化コーティングの必要性が依然として残されている。

驚くべきことに、ＴｉＣの浮遊挙動（ｆｌｏａｔｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒ）が、溶接性の問題、ポロシティ、及びプロセス不安定性と同じように、ＴｉＣ粒子の、形態（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）、サイズ、及び粒子密度によって影響を受けることを見出した。ＴｉＣ粒子の形態及びサイズを制御することにより、驚くべきことに、ＰＴＡ及び噴霧／溶融堆積プロセスにおいてその使用を可能にし、改善された均一性を有する基材コーティングが提供されることを見出した。

本発明は、基材上にオーバーレイを調製する方法を提供し、当該オーバーレイは炭化チタンを含み、当該方法は以下の工程を含む：
（ａ）ＴｉＣ粒子と非ＴｉＣ粒子とを含む組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク（ｐｌａｓｍａｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄａｒｃ）又は噴霧／溶融（ｓｐｒａｙ／ｆｕｓｅ）堆積によって、基材上に組成物を適用する工程であって；前記ＴｉＣ粒子は−６０＋３２５メッシュサイズであり；前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある（ｒｏｕｎｄｅｄ）粒子と、０〜５０重量％の角張った（ａｎｇｕｌａｒ）粒子とを含み；前記ＴｉＣは、ＴｉＣ及び非ＴｉＣ粒子の重量に基づいて、組成物の５〜７０重量％を含み；非ＴｉＣ粒子は、合金及び／又は非金属を含む。

本発明はまた、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積に適した組成物を提供し、前記組成物はＴｉＣ粒子と非ＴｉＣ粒子とを含み、前記ＴｉＣ粒子は−６０＋３２５メッシュサイズであり；前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含み；前記ＴｉＣは、ＴｉＣ及び非ＴｉＣ粒子の重量に基づいて、組成物の５〜７０重量％を含み；非ＴｉＣ粒子は、合金及び／又は非金属を含む。

本発明はまた、炭化チタン粒子を含むオーバーレイを提供し、当該オーバーレイは以下の工程によって調製される。
（ａ）ＴｉＣ粒子と非ＴｉＣ粒子とを含む組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に組成物を適用する工程であって；前記ＴｉＣ粒子は、−６０＋３２５メッシュサイズであり；前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含み；前記ＴｉＣは、ＴｉＣ及び非ＴｉＣ粒子の重量に基づいて、組成物の５〜７０重量％を含み；非ＴｉＣ粒子は、合金及び／又は非金属を含む。

本発明はまた、炭化チタン粒子を含むオーバーレイを提供し、前記オーバーレイは、基材上にオーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上にＴｉＣ粒子を含む組成物を適用する工程によって調製され、前記オーバーレイは、−６０＋３２５メッシュサイズであり、前記オーバーレイ中に前記ＴｉＣ粒子が均一に分散している。好ましくは、前記組成物中の前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含む。

本発明はまた、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積に適した組成物を提供し、前記組成物は被覆ＴｉＣ粒子（ｃｌａｄＴｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓ）を含み、前記被覆ＴｉＣ粒子は、−６０＋３２５メッシュサイズであり；前記被覆ＴｉＣ粒子は、炭化チタン粒子と被覆材料（ｃｌａｄｄｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ）とを含み；前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含み；前記被覆ＴｉＣ粒子は、５〜７０重量％のＴｉＣを含み；前記被覆材料は、金属及び／又は合金を含む。

本発明はまた、基材上にオーバーレイを調製する方法を提供し、当該オーバーレイは炭化チタンを含み、当該方法は以下の工程を含む：
（ａ）請求項１３に記載の組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に組成物を適用する工程。

本発明はまた、炭化チタン粒子を含むオーバーレイを提供し、当該オーバーレイは以下の工程によって調製される：
（ａ）請求項１３に記載の組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に組成物を適用する工程。

本発明はまた、炭化チタン粒子を含むオーバーレイを提供し、前記オーバーレイは、基材上にオーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に請求項１３に記載の組成物を適用する工程によって調製され、前記オーバーレイは、−６０＋３２５メッシュサイズであり、前記オーバーレイ中に前記ＴｉＣ粒子が均一に分散している。

前記組成物は、好ましくは高密度化ＴｉＣ粒子を含み、より好ましくはプラズマ高密度化ＴｉＣ粒子を含む。好ましくは、前記ＴｉＣ粒子は、−１００＋２３０メッシュサイズである。好ましくは、前記組成物は、−６０＋３２５メッシュサイズであり、より好ましくは−１００＋２３０メッシュサイズである。

好ましくは、非ＴｉＣ粒子は、ニッケル又は鉄を含む合金を含む。好ましくは、非ＴｉＣ粒子は非金属を含む。

被覆材料（ｃｌａｄｄｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ）は、好ましくは、ニッケル金属、又はニッケルを含む合金を含む。好適なニッケル合金被覆材料は、クロム及び／又はアルミニウムを含む。

好ましくは、適用する工程は、プラズマ移行型アーク溶接を含む。好ましくは、オーバーレイは、均一に分散したＴｉＣを含む。

本発明において有用なＴｉＣ粉末の、倍率２００倍のＳＥＭ写真である。基準線は１００μｍである。

３２重量％のＴｉＣと６８重量％のＮｉ自溶合金とを含む材料の、倍率１５倍のＯＬＭ顕微鏡写真である。基準線は１０００μｍである。

例１に従って堆積した、ＴｉＣ粒子を含むオーバーレイの断面写真である。

例２に従って堆積した、ＴｉＣ粒子を含むオーバーレイの断面写真である。

例３に従って堆積した、ＴｉＣ粒子と合金とを含む（３０／７０重量比）オーバーレイの断面写真である。

図６は、例３に従って堆積した、ＴｉＣ粒子と合金とを含む（５０／５０重量比）オーバーレイの断面写真である。

例３に従って堆積した、ＴｉＣ粒子と合金とを含む（７０／３０重量比）オーバーレイの断面写真である。

例４に従って堆積したニッケル−被覆ＴｉＣ粒子を含むオーバーレイの断面写真である。

例５に従って堆積した合金−被覆ＴｉＣ粒子を含むオーバーレイの断面写真である。

例６に従って堆積した合金−被覆ＴｉＣ粒子を含むオーバーレイの断面写真である。

炭化チタン粒子の密度及び形態を制御することにより、驚くべきことに、炭化チタンの浮遊傾向（ｆｌｏａｔｉｎｇｔｅｎｄｅｎｃｙ）を制御することができることを見出した。炭化チタンの丸みのある（滑らかな）高密度化粒子は、堆積したばかりの（固化していない）層の中に沈んでいく傾向がある。一方で、高密度化した炭化チタンの角張った粒子は、浮く傾向、あるいは十分にゆっくりと沈んでオーバーレイ硬化時に所定の位置にとどまる傾向、のいずれかがあるようにみえる。予期せずに見出されたことは、丸みのある粒子と角張った粒子を組み合わせて用いることにより、これらの傾向を互いに対して釣り合わせることが可能であり、これにより、以前可能であったよりも、ハードコート中で、実質的により均一なＴｉＣ粒子の（好ましくは、粗いＴｉＣ粒子の）分布が得られたことである。

本発明は、炭化チタンを含む粉末組成物で、基材をコーティングする方法を提供する。炭化チタンは、好ましくは丸みのある粒子を含み、より好ましくは角張った粒子をも含む。炭化チタンに加えて、組成物は、他の組成物、例えば、金属、合金、非金属、及び／又は他の炭化物を含んでもよい。コーティング方法は、好ましくは、ガスプラズマ（例えば、プラズマ移行型アーク）又は噴霧／溶融堆積である。

ＴｉＣは、数マイクロメーターの小さな粒子サイズで市販され、容易に入手可能である。このような粒子は、例えば、ＴｉＣ粒子と有機バインダーのスラリーを調製し、そのスラリーを噴霧乾燥チャンバー内に注入し、圧縮ガスでアトマイズすることによって、凝集させることができる。バインダーを除去し、かつ凝集体の強度を増加させるため、バインダーによって互いに接着したＴｉＣ粒子の球状凝集体を収集し、焼結してもよい。当業者に既知の方法を含む、凝集及び焼結する他の方法、又は上記の方法の変形例が、利用可能である。

焼結は、ＴｉＣ凝集体の強度を増加させる一方で、焼結した生成物は、多孔質になる傾向があり、焼結した凝集体が、メルトプール（ｍｅｌｔｐｏｏｌ）に浮かぶという結果につながり得る。したがって、凝集体を処理して気孔（ｐｏｒｅｓ）を除去するのが好ましく、それにより、粒子の密度を高めるのが好ましい。高密度化には任意の方法を用いることができる。好ましい方法には、プラズマ高密度化が含まれる。プラズマ高密度化では、凝集体は、誘導プラズマ中に注入されて、溶け、又は部分的に溶け、その後、粒子の混合物に再固化する。その混合物には、完全に緻密な球状粒子から、球状又は角張った形態を有する、部分的に溶け、又は溶けていない粒子に至るまで、幅広く存在する。誘導プラズマ高密度化は、例えば、ＴｅｋｎａＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社製の装置を用いて行うことができる。当業者が日常的に使用する方法を含む、高密度化の他の方法、例えば、球状キャスト炭化タングステンの製法によって、同様の結果を達成できると考えられる。緻密な丸みのある粒子を含む好適な市販の製品には、ＴＥＫＭＡＴＴＩＣ−１５０及びＴＩＣ−１２５（ＴｅｋｎａＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）が含まれる。

緻密なＴｉＣ粒子は、浮遊性の低減（ｒｅｄｕｃｅｄｆｌｏａｔｉｎｇ）に加えて、多くの予期せぬ利点を有する。その利点は、特にＰＴＡ又は噴霧／溶融堆積において顕著である。緻密なＴｉＣ粒子は、より優れた粒子機械特性、例えば、表面硬化においてより優れた耐摩耗性をもたらす凝集強度（ｃｏｈｅｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する。ＴｉＣの密度を高めることにより、ＴｉＣとマトリックス合金の間の密度差が小さくなる（例えば、Ｎｉ合金の密度は、合金元素に依存するが、一般的には約８〜９ｇ／ｃｍ^３である）。より規則的な粒子形状とすることにより、抗力（ｄｒａｇｆｏｒｃｅ）が低くなり、その結果、オーバーレイ中においてより良い粒子サイズ分布をもたらす。以下に説明するサイズ（例えば、少なくとも４５μｍ）の緻密なＴｉＣ粒子が、有利な硬度属性のため、特に好ましい。ＴｉＣの理論上の嵩密度は、４．９３ｇ／ｃｍ^３である。本発明の組成物及び方法における緻密なＴｉＣ粒子は、好ましくは、少なくとも４ｇ／ｃｍ^３、４．２ｇ／ｃｍ^３、４．４ｇ／ｃｍ^３、４．６ｇ／ｃｍ^３、４．８ｇ／ｃｍ^３、又は４．９ｇ／ｃｍ^３の嵩密度を有する（任意の残りの気孔を含む）。

炭化チタンの角張った粒子の供給源は、任意の供給源であってよい。角張ったＴｉＣ粒子を製造する一つの方法は、米国特許第４，６１５，７３４号に開示されている。角張った粒子は、例えば、ＴｅｋｎａＰｌａｓｍａＳｙｓｔｅｍｓ社から入手できるプラズマトーチを用いて、製造し、及び／又は高密度化することもできる。好ましくは、不活性雰囲中で高密度化することができる。角張った粒子は、他の方法で、例えば、大きなＴｉＣ粒子を破砕することによって、製造することもできる。

丸みのあるＴｉＣ粒子と角張ったＴｉＣ粒子の比率は、任意の特定用途の要件に応じて変えることができ、当業者によって決定することができる。一般的事項として、丸みのあるＴｉＣと角張ったＴｉＣの比率は、１００：０、９５：５、７５：２５、又は５０：５０（全ての比率は重量比）であってもよい。これらの値の任意の組合せによって作られる範囲も好ましい。好適な市販の製品には、ＴＥＫＭＡＴＴＩＣ−１５０及びＴＩＣ−１２５（ＴｅｋｎａＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）が含まれる。

任意のＴｉＣ粒子サイズを使用することができる。しかし、ＴｉＣの粒子が小さすぎる場合、ハードコート適用中に供給の問題が生じることがある。また、粒子が小さいと、十分な耐摩耗性を提供することができない。一方で、粒子が大きすぎると、プラズマガンを通して適切に処理できないことがある。ＴｉＣ粒子は、ＰＴＡ又は噴霧／溶融法を用いて適用できるような適切なサイズであることが好ましい。粒子は、約３８μｍ、４５μｍ、５４μｍ、又は６４μｍであるか、それより大きいのが好ましい。粒子は、約２５０μｍ、２１０μｍ、１７７μｍ、１４９μｍ、１２５μｍ、１０５μｍ、８８μｍ、又は７４μｍであるか、それより小さいのが好ましい。これらの値から作られる全ての範囲、例えば、４４〜６３μｍ、３７〜８８μｍなども、好ましい。

ＴｉＣ粒子組成物が、完全に又は部分的に所望のサイズ範囲外の粒子を含む場合は、ターゲットとなるサイズ範囲を達成するように、その組成物を変更することができる。ターゲットとなるサイズ範囲を得るために、任意のいくつかのサイジング方法を使用することができ、その方法は当業者によって決定することができる。いくつかのサイジング方法はまた、粒子サイズ分布を確認するために使用することができる。

好ましい方法にはメッシュを用いることが含まれ、標準化又は非標準化メッシュであってもよい。このうち標準化メッシュが好ましく、それらは当業者によく知られている。例えば、３２５メッシュは４４μｍの粒子の通過を可能にし、２７０メッシュは５３μｍの粒子の通過を可能にする。したがって、−２７０＋３２５メッシュの組成物は、４５〜５３μｍの範囲の粒子を含む。いくつかの標準化メッシュのサイズには、６０（２５０μｍ）、７０（２１０μｍ）、８０（１７７μｍ）、１００（１４９μｍ）、１２０（１２５μｍ）、１４０（１０５μｍ）、１７０（８８μｍ）、２００（７４μｍ）、２３０（６３μｍ）、２７０（５３μｍ）、３２５（４４μｍ）、及び４００（３７μｍ）が含まれる。メッシュサイズ、好ましくは標準化メッシュのサイズ、の組合せによって作られた全ての粒子サイズの範囲が、好適である。メッシュサイズは、説明的な意味で用いられてもよく、すなわち、組成物の粒子サイズ分布が実際に得られたかに関わらず用いられてもよい。例えば、任意の方法で得られた４７〜５２μｍの粒子サイズ分布は、−２７０＋３２５の分布と−２３０＋３２５の分布とを満たす。本発明のいくつかの好ましいメッシュサイズ及び／又は粒子サイズは、−６０＋３２５、より好ましくは−８０＋２７０、更により好ましくは−１００＋２３０を含む。

丸みのあるＴｉＣ粒子と角張ったＴｉＣ粒子のサイズ範囲について、任意の組合せを用いてもよい。丸みのあるＴｉＣ粒子と角張ったＴｉＣ粒子の両方が、同じサイズ範囲にあるのが好ましい。

粉末組成物は、ＴｉＣに加えて、一つ以上の非ＴｉＣ成分、すなわち、金属、合金、又は非金属などのＴｉＣ以外の成分を含むことができる（例えば、別個の粉末として、又は、ＴｉＣ粒子の被覆材料として）。これらの成分は任意の比率で使用してもよく、本明細書の開示をガイドとして用い、特定の用途のため、当業者によって決定することができる。好ましくは、ＴｉＣは、少なくとも５％、１０％、１５％、２０％、又は２５％の重量比の粉末組成物を含む。好ましくは、ＴｉＣは、最大７０％、６０％、５０％、４０％、又は３０％の重量比の粉末組成物を含む。

金属及び／又は合金を、粉末組成物中に含めてもよい（例えば、別個の粉末として、又は、ＴｉＣ粒子の被覆材料として）。いくつかの好ましい金属には、鉄、ニッケル、コバルト、銅、及び／又はアルミニウムが含まれる。いくつかの好ましい合金には、鉄、ニッケル、コバルト、銅、及び／又はアルミニウムの合金が含まれ；より好ましくは、鉄、ニッケル及び／又はコバルトの合金が含まれ；更により好ましくは、ニッケル及び／又は鉄の合金が含まれる。鉄、ニッケル、コバルト又は銅が合金元素である場合は、それらの含有量は、その合金の、好ましくは、最大５０重量％及び／又は少なくとも５重量％、１０重量％、又は１５重量％である。クロムもまた、必要に応じて使用され、使用する場合は、その合金の、好ましくは最大５０重量、４０重量％、又は３０重量％を構成し、及び／又は、その合金の、好ましくは少なくとも５重量％、１０重量％、又は１５重量％を構成する。アルミニウムは、必要に応じて使用され、使用する場合は、その合金の、好ましくは最大２０重量％を構成する。合金中に含まれ得る他の金属には、モリブデン、ニオブ、バナジウム、マンガン、及び／又はチタンが含まれ、それぞれ、その合金の最大１０重量％まで含まれる。

合金は、非金属成分も同様に含んでよい。例えば、合金は、炭素（好ましくは１重量％未満）、ケイ素（好ましくは１０重量％未満、より好ましくは５重量％未満）、ホウ素（好ましくは１０重量％未満、より好ましくは５重量％未満）、及び／又はリン（好ましくは１０重量％未満、より好ましくは５重量％未満）を含んでもよい。

使用される特定の合金は、用途に応じて、当業者によって決定することができる。ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼、及び炭素鋼が好ましい。いくつかの好ましいニッケル−クロム合金には、例えば、ＭＥＴＣＯＣＬＡＤ、ＡＭＤＲＹ、及びＭＥＴＣＯ（全て、エリコンメトコ社から入手可能）などの市販の粉末が含まれる。いくつかの好適なステンレス鋼には、例えばタイプ３０４及びタイプ３１６などの３００シリーズ（オーステナイト系クロム−ニッケル鋼）；並びに、例えばタイプ４１０、タイプ４２０、及びタイプ４３０などの４００シリーズ（フェライト系及びマルテンサイト系クロム鋼）が含まれる。いくつかの好適な炭素鋼には、最大０．３％までのＣを有する低炭素鋼（例えば、ＡＩＳＩ１００８、１０１０、１０１５、１０１８、１０２０、１０２２、１０２５）、０．３〜０．６％のＣを有する中炭素鋼（例えば、ＡＩＳＩ１０３０、１０４０、１０５０、１０６０）；及び、０．６〜０．９５％のＣを含む高炭素鋼（例えば、ＡＩＳＩ１０８０、１０９５）が含まれる。これらは全て市販されており、多くの供給源から入手可能である。

合金、及び非金属は、使用される場合には、任意の量の粉末組成物を含むことができる。非ＴｉＣ成分の量及び種類は、それぞれの用途に合わせて当業者によって決定することができる。一般的事項として、粉末組成物の非ＴｉＣ部分は、粉末組成物の少なくとも５０重量％、６０重量％、又は６５重量％を好ましくは構成し、及び／又は、粉末組成物の最大９５重量％、８５重量％、又は７５重量％を好ましくは構成する。

合金粉末は、ＴｉＣ粉末とオーバーレイの適用とを組み合わせることを可能にするように、任意の粒子サイズ分布を有することができる。処理と取り扱いを容易にするため、合金粉末は、ＴｉＣ粉末と同じ粒子サイズ分布を有するのが一般的には好ましい。例えば、ＴｉＣ粉末と同様に、合金粉末に適した粒子サイズ分布は、−６０＋３２５、より好ましくは−８０＋２７０、更により好ましくは−１００＋２３０メッシュサイズを含む。

炭化チタン粒子が被覆される（ｃｌａｄｄｅｄ）場合、それらは好ましくは金属又は合金で被覆される。当該技術分野でよく理解されているように、「被覆」（“ｃｌａｄｄｉｎｇ”）は、ある材料（例えば、金属又は合金）を他の材料（例えば、ＴｉＣ粒子）の表面に適用して、層を形成することを指す。「被覆」はまた、適用される材料、又は適用された層も指す。被覆のために、任意の金属又は合金を使用してもよく、組成物を基材に適用したときに好適なオーバーレイ、好ましくは均一に分布したＴｉＣを有するオーバーレイ、を生成する金属又は合金を使用するのが好ましい。好ましい被覆材料は、ニッケル及びニッケル合金を含む。

被覆されたＴｉＣ粒子が使用される場合、ＴｉＣ粒子は任意の方法で被覆することができ、その方法は当業者によって決定することができる。そのような方法の一つは、Ｓｈｅｒｒｉｔｔ湿式精錬プロセスを用いる。ＴｉＣ粒子が合金で被覆される場合、被覆を合金として直接適用することができ、又は合金被覆を段階的に適用することができる。その例として、例えば、第一の金属被覆（例えば、ニッケル）を適用し、これに続いて、第一の金属被覆を他の材料（例えば、クロム及び／又はアルミニウム）で合金化することが挙げられる。合金化プロセスは、任意の方法で、例えば、拡散浸透処理（ｐａｃｋｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）法によって行うことができる。拡散浸透処理は、粗い被覆粉末と合金金属の微粉末とをブレンドすること、及び、合金元素が被覆材料中に拡散し均一に分布するまで、そのブレンドを還元雰囲気中で、通常約９００℃で熱処理すること、を含む。複合粉末の被覆内への合金金属の移動速度を増加させるために、活性剤、例えばハロゲン化物、好ましくはＮＨ_４Ｃｌなどの塩化物、を添加することもまた一般的である。このような方法は、例えば、米国特許第３，９１４，５０７号に記載されており、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。

［例１］

粒子範囲が−１２５＋４５マイクロメートル（−１２０＋３２５メッシュ）である、プラズマ高密度化ＴｉＣ（丸みのあるもの：角張ったもの、重量比は約７０：３０）を、サイズ範囲が−１００＋２００メッシュである、６５重量％のＭＥＴＣＯＣＬＡＤ６２５粉末（エリコンメトコ社）と一緒にブレンドする。ＭＥＴＣＯＣＬＡＤ６２５粉末（エリコンメトコ社）は、公称化学組成（ｎｏｍｉｎａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）Ｎｉ２１Ｃｒ９Ｍｏ４Ｎｂを有するニッケル系粉末である。この単純な機械的混合物を、軟鋼基材上にＰＴＡ（プラズマ移行型アーク）堆積する。流堆積装置は、ＥＸＣＡＬＩＢＵＲトーチを備えたＳＴＡＲＷＥＬＤ４００Ａであり、堆積パラメータは以下の通りである：２リットル／分のＡｒ中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１２リットル／分のＡｒ／Ｈ２シールドガス流、電圧２９Ｖ、電流１４５Ａ、４３ｇ／分の供給速度、振動幅２２ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．２秒、振動速度１１００ｍｍ／分、移動速度６０ｍｍ／分、カソード及び電極１／８”（インチ）。オーバーレイの断面を図３に示す。

耐摩耗性のためのＡＳＴＭＧ６５に従ってオーバーレイを試験し、工具鋼Ｄ２標準、及び工業ＰＴＡ標準ＰＬＡＳＭＡＤＵＲ５１３２２（ＷＣ＋４０重量％ＮｉＣｒＢＳｉ）と比較した。その結果を表１に示す。

これらのオーバーレイの２つはまた、以下の試験条件の下で、腐食侵食試験機（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ−ｅｒｏｓｉｏｎｔｅｓｔｅｒ）で試験した：３．５％ＮａＣｌ、３５重量％の砂負荷（ｓａｎｄｌｏａｄｉｎｇ）、温度２７℃、２４時間。結果を表２に示す。

［例２］

粒子範囲が−１２５＋４５マイクロメートル（−１２０＋３２５メッシュ）である、プラズマ高密度化ＴｉＣ（丸みのあるもの：角張ったもの、重量比は約７０：３０）を、サイズ範囲が−１４０＋３２５メッシュである、７０重量％のＡＭＤＲＹ８０５粉末（エリコンメトコ社）と一緒にブレンドする。ＡＭＤＲＹ８０５粉末（エリコンメトコ社）は、公称化学組成（ｎｏｍｉｎａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）Ｆｅ２９Ｃｒ１８Ｎｉ６Ｐ６Ｓｉ０．２ＲＥを有する鉄系ろう付け粉末（ｉｒｏｎｂａｓｅｄｂｒａｚｉｎｇｐｏｗｄｅｒ）である。その単純な機械的混合物を、軟鋼基材上にＰＴＡ（プラズマ移行型アーク）堆積する。堆積装置は、ＥＸＣＡＬＩＢＵＲトーチを備えたＳＴＡＲＷＥＬＤ４００Ａであり、堆積パラメータは以下の通りである：２リットル／分のＡｒ中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１２リットル／分のＡｒシールドガス流、電圧２７Ｖ、電流１２０Ａ、２５ｇ／分の供給速度、振動幅１８ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．２秒、振動速度８００ｍｍ／分、移動速度５０ｍｍ／分、カソード１／８”及び電極３／１６”。

オーバーレイの断面を図４に示す。オーバーレイは、均一な炭化物分布と良好な結合を有する。

本明細書に示される詳細は、一例であって、本発明の実施形態の例示的な説明のみを目的とするものであり、本発明の原理及び概念的態様について最も有用かつ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示されている。この点で、本発明の基本的な理解に必要である以上に詳細には、本発明の構造的な詳細を示す試みはされていない。図面と明細書の記載により、本発明のいくつかの形態をどのようにして実際に具体化するかが当業者に明らかになるであろう。

［例３］

粒子範囲が−１５０＋４５マイクロメートル（−１００＋３２５メッシュ）である、プラズマ高密度化ＴｉＣ（丸みのあるもの：角張ったもの、重量比は約９０：１０）を、Ｍｅｔｃｏｃｌａｄ３１６Ｌ−Ｓｉ粉末とＦｅ２９Ｃｒ１７．５Ｎｉ６．５Ｓｉ６Ｐ粉末との合金（トータル６５重量％で、比率は、３０／７０、５０／５０、及び７０／３０）と一緒にブレンドする。Ｍｅｔｃｏｃｌａｄ３１６Ｌ−Ｓｉ粉末は、Ｓｉを添加したステンレス鋼３１６Ｌ系粉末である。これらのブレンドを、軟鋼基材上にＰＴＡ（プラズマ移行型アーク）堆積する。堆積装置は、ＥＸＣＡＬＩＢＵＲトーチを備えたＳＴＡＲＷＥＬＤ４００Ａであり、堆積パラメータは以下の通りである：
比率３０／７０用には、２リットル／分のＡｒ／Ｈ２中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１６リットル／分のＡｒシールドガス流、電圧３０Ｖ、電流１４０Ａ、２５ｇ／分の供給速度、振動幅２６ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．２秒、振動速度１２００ｍｍ／分、移動速度４５ｍｍ／分、カソード３／１６”、比率３０／７０のためのノズル１／８”；
比率５０／５０用には、３リットル／分のＡｒ／Ｈ２中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１６リットル／分のＡｒシールドガス流、電圧３０Ｖ、電流１４０Ａ、３９ｇ／分の供給速度、振動幅２６ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．２秒、振動速度１０００ｍｍ／分、移動速度５０ｍｍ／分、カソード３／１６”、比率５０／５０のためのノズル１／８”；及び
比率７０／３０用には、３リットル／分のＡｒ／Ｈ２中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１６リットル／分のＡｒシールドガス流、電圧３０Ｖ、電流１２０Ａ、４０ｇ／分の供給速度、振動幅２６ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．２秒、振動速度１０００ｍｍ／分、移動速度５０ｍｍ／分、カソード３／１６”、比率７０／３０のためのノズル１／８”。
オーバーレイの断面を、図５、図６及び図７に示す（それぞれ、比率３０／７０、５０／５０、及び７０／３０に対応する）。

耐摩耗性のためのＡＳＴＭＧ６５に従ってオーバーレイを試験し、工業標準Ｐｌａｓｍａｄｕｒ５１３２２（ＷＣ＋４０重量％ＮｉＣｒＢＳｉ）と比較した。その結果を表３に示す。

オーバーレイはまた、硬度（ｈａｒｄｎｅｓｓ）、微小硬さ（ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ）、及びマトリックス中のＣｒ含有量などの特性を測定するために試験した。その結果を表４に示す。

オーバーレイはまた、以下の試験条件の下で、腐食侵食試験機で試験した：３．５％ＮａＣｌ、３５重量％の砂負荷、温度２７℃、２４時間。結果を表５に示す。

［例４］

粒子範囲が−１５０＋４５マイクロメートル（−１００＋３２５メッシュ）である、プラズマ高密度化ＴｉＣ（丸みのあるもの：角張ったもの、重量比は約８０：２０）を、オートクレーブ内で懸濁させ、ＴｉＣ粒子表面を実質的に覆うニッケル被覆の層を、当業者に既知のＳｈｅｒｒｉｔｔ湿式精錬プロセスを用いて堆積する。Ｎｉ被覆は、組成物の６５重量％を構成する。この複合粉末を、軟鋼基材上にＰＴＡ（プラズマ移行型アーク）堆積する。堆積装置は、ＥＸＣＡＬＩＢＵＲトーチを備えたＳＴＡＲＷＥＬＤ４００Ａであり、堆積パラメータは以下の通りである：２．５リットル／分のＡｒ／Ｈ２中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１４リットル／分のＡｒシールドガス流、電流１２０Ａ、２３．５ｇ／分の供給速度、振動幅２６ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．１秒、振動速度８００ｍｍ／分、移動速度３０ｍｍ／分、カソード３／１６”、ノズル１／８”。オーバーレイの断面を図８に示す。

［例５］

Ｎｉ被覆ＴｉＣ粉末（例えば、例４からの）を、拡散浸透処理によってＣｒと合金化し、Ｎｉ／Ｃｒ比が８０／２０重量％のＮｉＣｒ被覆を得る。この合金複合粉末を、軟鋼基材上にＰＴＡ（プラズマ移行型アーク）堆積する。堆積装置は、ＥＸＣＡＬＩＢＵＲトーチを備えたＳＴＡＲＷＥＬＤ４００Ａであり、堆積パラメータは以下の通りである：２．５リットル／分のＡｒ中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１６リットル／分のＡｒシールドガス流、電流１００Ａ、電圧３５Ｖ、２３．５ｇ／分の供給速度、振動幅２６ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．１秒、振動速度８００ｍｍ／分、移動速度３０ｍｍ／分、カソード３／１６”、ノズル１／８”。オーバーレイの断面を図９に示す。

［例６］

ＮｉＣｒ被覆ＴｉＣ粉末（例えば、例５からの）を、拡散浸透処理によって更にＡｌと合金化し、Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌ比が７３．５／１７．８／８．７重量％のＮｉＣｒＡｌ被覆を得る。この合金複合粉末を、軟鋼基材上にＰＴＡ（プラズマ移行型アーク）堆積する。堆積装置は、ＥＸＣＡＬＩＢＵＲトーチを備えたＳＴＡＲＷＥＬＤ４００Ａであり、堆積パラメータは以下の通りである：１．５リットル／分のＡｒ中心ガス流、２リットル／分のＡｒ粉末ガス流、１２リットル／分のＡｒシールドガス流、電流１５０Ａ、電圧３０Ｖ、２５ｇ／分の供給速度、振動幅２６ｍｍ、それぞれの側の滞留時間０．１秒、振動速度８００ｍｍ／分、移動速度３０ｍｍ／分、カソード３／１６”、ノズル１／８”。オーバーレイの断面を図１０に示す。

上記の例は、説明のためにのみ提供されており、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本明細書で使用した用語は、限定のための用語ではなく、むしろ、説明及び例示のための用語であると理解されたい。その態様において本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、現在記載された、及び補正された、添付の特許請求の範囲内で、変更が行われてもよい。本明細書において、特定の手段、材料及び実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は、本明細書に開示された特定ものに限定されるものではない。むしろ、本発明は、現在記載された、及び補正された、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるような、全ての機能的に等価な構造、方法及び使用にまで及ぶ。

Claims

基材上にオーバーレイを調製する方法であって、前記オーバーレイは炭化チタンを含み、以下の工程を含む前記方法。
（ａ）ＴｉＣ粒子と非ＴｉＣ粒子とを含む組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に組成物を適用する工程であって；
前記ＴｉＣ粒子は−６０＋３２５メッシュサイズであり；
前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含み；
前記ＴｉＣは、ＴｉＣ及び非ＴｉＣ粒子の重量に基づいて、組成物の５〜７０重量％を含み；
非ＴｉＣ粒子は、合金及び／又は非金属を含む。
前記組成物が、プラズマ高密度化ＴｉＣ粒子を含む、請求項１の方法。
前記組成物が、−６０＋３２５メッシュサイズである、請求項１の方法。
前記組成物が、−１００＋２３０メッシュサイズである、請求項１の方法。
非ＴｉＣ粒子が、ニッケル又は鉄を含む合金を含む、請求項１の方法。
非ＴｉＣ粒子が非金属を含む、請求項１の方法。
前記適用する工程が、プラズマ移行型アーク溶接を含む、請求項１の方法。
前記オーバーレイが、均一に分散したＴｉＣを含む、請求項１の方法。
プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積に適した組成物であって、前記組成物はＴｉＣ粒子と非ＴｉＣ粒子とを含み、
前記ＴｉＣ粒子は−６０＋３２５メッシュサイズであり；
前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含み；
前記ＴｉＣは、ＴｉＣ及び非ＴｉＣ粒子の重量に基づいて、組成物の５〜７０重量％を含み；
非ＴｉＣ粒子は、合金及び／又は非金属を含む、
前記組成物。
炭化チタン粒子を含むオーバーレイであって、以下の工程によって調製されるオーバーレイ。
（ａ）ＴｉＣ粒子と非ＴｉＣ粒子とを含む組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に組成物を適用する工程であって；
前記ＴｉＣ粒子は、−６０＋３２５メッシュサイズであり；
前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含み；
前記ＴｉＣは、ＴｉＣ及び非ＴｉＣ粒子の重量に基づいて、組成物の５〜７０重量％を含み；
非ＴｉＣ粒子は、合金及び／又は非金属を含む。
炭化チタン粒子を含むオーバーレイであって、前記オーバーレイは、基材上にオーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上にＴｉＣ粒子を含む組成物を適用する工程によって調製され、
前記オーバーレイは、−６０＋３２５メッシュサイズであり；
前記オーバーレイ中に前記ＴｉＣ粒子が均一に分散している、
前記オーバーレイ。
前記組成物中の前記炭化チタン粒子が、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含む、請求項１１のオーバーレイ。
プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積に適した組成物であって、前記組成物は被覆ＴｉＣ粒子を含み、
前記被覆ＴｉＣ粒子は、−６０＋３２５メッシュサイズであり；
前記被覆ＴｉＣ粒子は、炭化チタン粒子と被覆材料とを含み
前記炭化チタン粒子は、ＴｉＣの重量に基づいて、５０〜１００重量％の丸みのある粒子と、０〜５０重量％の角張った粒子とを含み；
前記被覆ＴｉＣ粒子は、５〜７０重量％のＴｉＣを含み；
前記被覆材料は、金属及び／又は合金を含む、
前記組成物。
基材上にオーバーレイを調製する方法であって、前記オーバーレイは炭化チタンを含み、以下の工程を含む前記方法。
（ａ）請求項１３に記載の組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に組成物を適用する工程。
炭化チタン粒子を含むオーバーレイであって、以下の工程によって調製される前記オーバーレイ。
（ａ）請求項１３に記載の組成物を得る工程；並びに
（ｂ）オーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に組成物を適用する工程。
炭化チタン粒子を含むオーバーレイであって、前記オーバーレイは、基材上にオーバーレイを形成するために、プラズマ移行型アーク溶接、又は噴霧／溶融堆積によって、基材上に請求項１３に記載の組成物を適用する工程によって調製され、
前記オーバーレイは、−６０＋３２５メッシュサイズであり、
前記オーバーレイ中に前記ＴｉＣ粒子が均一に分散している、
前記オーバーレイ。
前記被覆材料がニッケルを含む、請求項１３の組成物。
前記被覆材料が、ニッケルを含む合金を含む、請求項１３の組成物。
ニッケルを含む前記合金が、更に、クロム及びアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８の組成物。
前記ＴｉＣ粒子が、プラズマ高密度化ＴｉＣ粒子を含む、請求項１３の組成物。
前記被覆ＴｉＣ粒子が、−１００＋２３０メッシュサイズである、請求項１３の組成物。