JP2017534766A - 読取可能な熱溶射 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、「読取可能な熱溶射(READABLE THERMAL SPRAY)」と題される、2014年9月19日に出願された米国仮出願番号第62/052,671号の利益を主張し、当該米国仮出願番号第62/052,671号は、全体が引用によって本明細書に援用される。
分野
本開示は、概して、磁気厚さ計を用いて皮膜厚さをモニタリングする能力を維持しながら、腐食および侵食環境で使用される基板に熱溶射することができる低磁性の鉄ベースの合金に関する。
ツインワイヤアーク溶射(twin wire arc spray:TWAS)、高速酸素溶射(high velocity oxygen spray:HVOF)、プラズマ溶射、燃焼溶射およびデトネーションガン溶射を含む皮膜の熱溶射に利用される技術は多数ある。これらの方法は全て類似しているが、TWASが最も単純な方法であると考えられる。
いくつかの実施形態では、本開示は、低い透磁率を維持して、磁気厚さゲージを用いた測定を可能にしながら、ナノ結晶の形態で基板に熱溶射できる合金に関する。熱溶射皮膜合金は、10重量%〜18重量%のMnと、3重量%〜6重量%のCrと、3重量%〜6重量%のNbと、0重量%〜5重量%のVと、2重量%〜5重量%のCと、3重量%〜6重量%のWと、0重量%〜3重量%のNiと、0重量%〜3重量%のAlと、0重量%〜0.5重量%のTiと、残りはFeと製造上の不純物とを組成として含み得る。溶射されたままの状態の皮膜は、ASTM G65手順Aに従って測定したときに1.4gの摩耗損失を有する。皮膜は、機械的に結合された多くのオーステナイトまたは半オーステナイトスプラットで構成され得る。エルコメータ磁気厚さゲージを用いて測定される精度は、±0.001″である。
本明細書に開示されている合金は、皮膜、特に磁気センサが読取可能なままでありながら有利な物理的特性を有する皮膜、の形成に使用することができる。いくつかの実施形態では、合金は、依然として磁気的に読取可能でありながら熱溶射皮膜で使用される鉄ベースの合金であってもよい。
供給原料の化学的性質とは、ツインワイヤアーク溶射プロセス(または他の熱溶射プロセス)に送られる前のワイヤの化学的性質を指す。
いくつかの実施形態では、合金は、特定の合金組成によって説明することができる。本開示における合金の化学的性質の実施形態を表1に示す。
Al:0〜10(または約0〜約10)
B:0〜3(または約0〜約3)
C:0〜6(または約0〜約6)
Mn:0〜16(または約0〜約16)
Ni:0〜16(または約0〜約16)
Si:0〜10(または約0〜約10)。
B+C:1〜6(または約1〜約6)
Mn+Ni:8〜16(または約8〜約16)
Al+Si:0〜14(または約0〜約14)。
TS4:Fe:残り、Mn:12、Cr:5、Nb:4、V:0.5、C:4、W:5、Ni:0、Al:2、Ti:0.2(または、Fe:残り、Mn:約12、Cr:約5、Nb:約4、V:約0.5、C:約4、W:約5、Ni:約0、Al:約2、Ti:約0.2)
TS3:Fe:残り、Mn:12、Cr:5、Nb:4、V:0.5、C:4、W:5、Ni:2、Al:1、Ti:0.2(または、Fe:残り、Mn:約12、Cr:約5、Nb:約4、V:約0.5、C:約4、W:約5、Ni:約2、Al:約1、Ti:約0.2)
TS2:Fe:残り、Mn:12、Cr:5、Nb:4、V:0.5、C:4、W:5、Ni:2、Al:0、Ti:0.2(または、Fe:残り、Mn:約12、Cr:約5、Nb:約4、V:約0.5、C:約4、W:約5、Ni:約2、Al:約0、Ti:約0.2)
TS1:Fe:残り、Mn:12、Cr:5、Nb:4、V:0.5、C:4、W:5、Ni:1、Al:0、Ti:0.2(または、Fe:残り、Mn:約12、Cr:約5、Nb:約4、V:約0.5、C:約4、W:約5、Ni:約1、Al:約0、Ti:約0.2)。
いくつかの実施形態では、合金は、熱力学的基準によって十分に説明することができる。開示されている全ての熱力学的基準を満たす合金は、本明細書に開示されている所望の微細構造特徴も性能特性も示す可能性が高い。
いくつかの実施形態では、合金は、微細構造特性によって十分に説明することができる。合金の微細構造特徴は、供給原料ワイヤの構造とは対照的に、溶射が完了した後の皮膜の形態に関連する。
いくつかの実施形態では、合金は、一組の性能特性によって十分に説明することができる。これらの性能特性は、熱溶射処理前の合金の供給原料とは対照的に、堆積後の合金皮膜に関連し得る。
以下の実施例は、例示的であり非限定的であるよう意図されている。
ツインワイヤアーク溶射プロセスによって生成される皮膜の供給原料の化学的性質と皮膜の化学的性質との間の差に対する酸化の影響を定量化するために、広範な実験を行った。この実験の目的は、本開示で見出される未来の合金のモデル化に使用される酸素含有量を決定することであった。この実施例では、以下の表3に供給原料の化学的性質に従って記載されているように、ツインワイヤアーク溶射プロセスによって3つの合金を溶射した。上記のX3合金に加えて、公知でありかつ読取可能でない熱溶射合金である合金E1〜E3を溶射した。
接着性能を定性化するために、以下の試験を行った。
・60psi
・32V
・250アンペア
各合金を20ミル(0.020″)のターゲットに溶射した。合金および溶射角度に応じた接着結果を、合金X3については表7に示し、合金X4については表8に示す。これらの結果に基づいて、X3合金もX4合金も、ツインワイヤアーク溶射プロセスにおいて>5,000psi接着強度皮膜を堆積させる。
ツインワイヤアーク溶射製品としての有用性についてX3およびX4を定性化するために、堆積効率を測定した。堆積効率は、重量でどのぐらいの材料が溶射されるかで除算した、重量でどのぐらいの材料が基板に付着するかの程度である。十分に高い堆積効率、典型的には>60%(または>約60%)が使用するのに有利である。この実験では、合金X3およびX4を12″×12″回転鋼板に溶射した。溶射パターン全体が鋼板と交差するようにガンを固定して保持した。使用されるワイヤの重量および板に蓄積する皮膜の重量を各材料ごとに測定して、堆積効率を判断した。X3は、2回の測定で測定された堆積効率が64%および67%であった。X4は、3回の測定における堆積効率測定値が70%、71%および76%であった。
摩耗性能が必要である特定の用途における開示されている合金の有用性を定性化するために、皮膜に対していくつかの摩耗試験を実施した。比較測定のために、読取可能でない、公知の、耐摩耗性の、Feベースの皮膜E2も試験した。結果を表9に示す。示されているように、X3合金は、標準的な耐摩耗性材料の15%散乱の範囲内であった。このレベルの散乱は、試験自体の散乱によくみられ、両方の皮膜が当該分野において同様に機能すると予想されるであろう。したがって、X3合金は、E2合金と同様の耐摩耗性を有するが、読取可能でもあると言うことができる。
各合金の読取可能性を測定するために、入念な実験を実施した。鋼パネルの1/2が溶射され、パネルの残り半分が溶射されないままになるように、熱溶射皮膜試験片を生成した。このタイプの試料によって、0−1マイクロメータ測定技術とエルコメータとの間の単純な比較が可能になった。この実験では、0−1マイクロメータ測定は正確な読取りであり、比較の目的でエルコメータ読取りを行って、皮膜が読取可能であるか否かを判断する。読取り対象の皮膜を用いてエルコメータを校正することは、標準的手法であり、名目上15ミルの皮膜で実行された。次いで、マイクロメータおよび校正されたエルコメータを両方とも用いて、さまざまな厚さの5つの皮膜を測定した。「溶射パラメータ1」を用いて、6″溶射距離および90°溶射角度で、全ての試料を溶射した。読取可能性の測定結果を表10に示し、表10は、X3合金が実際に読取可能であることを当業者に対して実証している。読取可能性は、エルコメータ測定において散乱が比較的低いことまたは%不正確さが20%未満であることによって示されている。
いくつかの実施形態では、合金は、さまざまな供給原料材料を混合することによって形成され得て、次いで炉または加熱炉内で溶融されてインゴットにされ得る。インゴットは、1回以上再溶融されて裏返しにされ得て、これは、インゴットの均一性を向上させることができる。
透磁率の測定は、セバンエンジニアリング(Severn Engineering)社から供給される低Mu透磁率試験機を用いて遂行された。公知の透磁率を有する参照基準を試験機に設置した。試験機は、当該参照基準と回動磁石とで構成される。当該磁石は、参照基準とは反対側の試験機の側面から延在している。磁石先端は、インゴットの表面と接触させられる。磁石がインゴットに引き付けられなければ、透磁率は、使用されている参照基準の透磁率未満である。
20ミルの厚さを有する本開示からの合金でコーティングされた板は、10,000psiを超える平均皮膜接着性値を有していた。1つの合金の実施形態では、磁気厚さゲージによって測定された厚さは、±0.001″の精度を有し、第2の実施形態では、厚さ精度±0.00075は、優れた読取可能性を示し、磁気妨害が十分に低かった。
本特許に記載されている合金の実施形態は、さまざまな用途および産業で使用することができる。使用の用途のいくつかの非限定的な例としては、以下が挙げられる。
Claims (20)
- 合金から形成されるFeベースの熱溶射皮膜であって、前記皮膜は、
1.4グラム以下のASTM G65B質量損失によって特徴付けられる高い耐摩耗性と、
少なくとも60重量%のFeを有する概してオーステナイトのマトリクスとを備え、
前記皮膜は、磁性を持たず、磁気厚さゲージにより読取可能である、熱溶射皮膜。 - 前記皮膜または前記合金の組成は、
Feと、
約1重量%〜約6重量%のB+Cと、
約8重量%〜約16重量%のMn+Niと、
約0重量%〜約14重量%のAl+Siとを含む、請求項1に記載の熱溶射皮膜。 - 前記皮膜または前記合金の組成は、
Feと、
約10重量%〜約18重量%のMnと、
約3重量%〜約6重量%のCrと、
約3重量%〜約6重量%のNbと、
約0重量%〜約6重量%のVと、
約2重量%〜約5重量%のCと、
約3重量%〜約6重量%のWと、
約0重量%〜約3重量%のNiと、
約0重量%〜約3重量%のAlと、
約0重量%〜約0.5重量%のTiとを含む、請求項1〜2のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。 - 前記皮膜は、ASTM G65手順Bに従って測定したときに0.6gの摩耗損失を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記皮膜は、5,000psi以上の接着強度を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記皮膜は、600℃および30°の衝突角度で高温侵食試験において200mg未満の損失を示す、請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記皮膜の厚さは、0−1マイクロメータ測定値の20%以内で前記磁気厚さゲージによって読取ることができる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記皮膜の厚さは、磁気厚さゲージによって25%の測定値標準偏差の範囲内で測定することができる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記合金は粉末である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜によって少なくとも部分的にコーティングされた発電機における構成要素。
- 合金から形成される熱溶射皮膜であって、前記皮膜は、
鉄ベースのマトリクスと、
前記マトリクス内の少なくとも5重量%の元素溶質と、
1.4グラム以下のASTM G65B質量損失によって特徴付けられる高い耐摩耗性とを備え、
前記皮膜は、磁性を持たず、磁気厚さゲージにより読取可能であり、
前記合金は、950K以下でオーステナイトからフェライトへの熱力学的な安定した転移を有する、熱溶射皮膜。 - 前記皮膜または前記合金の組成は、
Feと、
約1重量%〜約6重量%のB+Cと、
約8重量%〜約16重量%のMn+Niと、
約0重量%〜約14重量%のAl+Siとを含む、請求項11に記載の熱溶射皮膜。 - 前記皮膜または前記合金の組成は、
Feと、
約10重量%〜約18重量%のMnと、
約3重量%〜約6重量%のCrと、
約3重量%〜約6重量%のNbと、
約0重量%〜約6重量%のVと、
約2重量%〜約5重量%のCと、
約3重量%〜約6重量%のWと、
約0重量%〜約3重量%のNiと、
約0重量%〜約3重量%のAlと、
約0重量%〜約0.5重量%のTiとを含む、請求項11〜12のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。 - 前記マトリクスは、少なくとも10重量%の元素溶質を含む、請求項11〜13のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記マトリクスは、少なくとも15重量%の元素溶質を含む、請求項11〜14のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記合金は、900K以下でオーステナイトからフェライトへの熱力学的な安定した転移を示す、請求項11〜15のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記マトリクスは、体積で90%を超えるオーステナイトと、少なくとも1つの非磁性酸化物含有物とを有する、請求項11〜16のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 前記皮膜は、400ビッカー以上の微小硬度を有する、請求項11〜17のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜。
- 請求項11〜18のいずれか1項に記載の熱溶射皮膜によって少なくとも部分的にコーティングされた発電機における構成要素。
- 基板に皮膜を熱的に適用するための方法であって、
鉄ベースの粉末合金を前記基板に熱溶射して、皮膜を形成するステップを備え、
前記皮膜は、磁性を持たず、磁気厚さゲージにより読取可能であり、
前記皮膜は、400ビッカー以上の微小硬度を有し、
前記皮膜は、1.4グラム以下のASTM G65B質量損失によって特徴付けられる高い耐摩耗性を有する、方法。
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