JP2567304B2 - 支持体の耐摩耗性の増進法とその製品 - Google Patents

支持体の耐摩耗性の増進法とその製品

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えばハンマーミル
スクリーンのような使用中に機械的摩擦を受けやすい工
業用部品における耐摩耗性を増進し、その有効寿命を延
長する方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】世界の産業部門全域に亘って多数の機械
装置は摩耗、浸食又は（及び）腐食をそれらの通常有効
寿命中に受け易い。不活性且つ腐食性使用環境において
過度の摩耗のため初期破損を起こす部品の交換に、産業
界で莫大な費用を費している。多数の部品は硬質耐食性
材料で製造される場合、寿命をさらに延ばせるよう製作
できるが、その製作費がしばしば極端に高価で、その法
外な費用のため、操業が成功するかしないかの分岐点と
いえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】工業部品の表面硬化法
または耐食耐摩耗性物質析出方法は多数ある。このうち
最も古くから知られている方法に鉄系部品の窒化または
炭化浸透法があるが、この技術の大きな欠点は該材料を
高温に暴露しなければならないことである。このような
高温での暴露処理には、多大のエネルギーと処理時間を
要するほか、部品が使用に耐えなくなる恐れを生じ、か
つ処理後の部品を更に熱処理都それに伴う洗浄処理を行
わなければならないので、部品寸法の変化や機械的特性
の低下を招く原因となる可能性もあった。
【０００４】硬質クロム又はニッケル被膜の生成に極く
普通に用いられる電気めっきは、被覆される部品の高度
の洗浄と、環境上安全な方法での処理に当り、高価につ
く有毒溶液を必要とする。
【０００５】被膜の化学的及び物理的蒸着は高額の資本
投下と高額の加工費を必要とし、しかも極めて薄い被膜
と小形部品に限定される。制限のない大きさの部品を制
限のない厚さの被膜で被覆するのに用い得る熱噴霧蒸着
法の溶射はしばしば酸素が混入する多孔質被膜をつく
る。
【０００６】プラズマ溶射は特に真空若しくは大気圧で
行われた場合、稠密均質被膜をつくるが、高価につくの
で従って用途は制限される。
【０００７】高速爆発ガンは支持体上に稠密セラミック
被膜を蒸着できるが、装置、供給粉末及び加工は非常に
高価につく。
【０００８】金属線を溶射用材料とし、不活性ガスを噴
霧用キャリアーガスとするアーク溶射法は、種々の支持
体材料に緻密な均質被膜を接着性よく生成することがで
きる。そしてチタン線と窒素ガスを用いた窒化チタン被
覆アーク溶射法は、支持体の変形や損傷を招くような高
熱を必要とするプラズマ溶射法に比べて高エンタルピー
の火炎を必要としない低温加工法であり、その上該プラ
ズマ溶射法に比べて設備コストや運転コストは半額以下
であり、さらに化学的蒸着方法よりも下回っている。ま
た窒化チタン被覆アーク溶射法によるときは、被覆され
る支持体に前処理としてグリットブラスト処理またはこ
れと類似する粗面化表面処理以外の特別の処理を行う必
要がないという利点もある。この発明は上記の知見に基
づいてなされたものであって、安価でかつ毒性副成物を
生ずることなく工業部品の耐摩耗性を増進を図ることの
できる硬質被膜形成方法を提供することを目的とするも
のである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は、耐摩耗性を増進すべき工業部品材料（以
下、支持体と称する）を、予備窒化されたチタン線およ
び噴霧用ガスとして窒素ガスを用いたアーク熱溶射ガン
から噴射された噴霧流体中に曝すことによって、該支持
体上に窒化チタン被覆を生成させることを特徴とする支
持体の耐摩耗性の増進法である。本発明においてチタン
線の予備窒化処理は、これを行うことなくチタン線を溶
射した場合に比べて、より硬質でより耐食性に富む被膜
を支持体上に生成することができるので必須である。
【００１０】
【作用】以下に本発明について添付図面に基づいてさら
に詳細に説明する。
【００１１】使用中に常に機械的な摩耗に曝されるよう
な機械部品の使用寿命を増加させることは製造業者また
は使用者によって有効な経費節減効果を生ずることから
極めて重要なことである。例えば、ゴムやプラスチック
材料を粉砕してコンパウンドを再形成する場合などにお
いて、インパクトミル（例えばハンマーミル）で使用さ
れる分級用スクリーンの寿命を倍増させることは製造業
者に大きな利益をもたらすことになる。
【００１２】工業用機械部品の耐摩耗性の増進のための
一方法に、摩耗を受ける部品の表面に窒化チタン被膜を
析出させる方法がある。しかして該窒化チタン被膜を得
るために、電気アーク溶射法を適用してチタン線を供給
し、噴霧用キャリアーガスとして空気の代わりに高純度
窒素を使用するときは、該チタン線がアーク熱によって
溶融してアーク溶射機と支持体基板間を液滴の状態で飛
翔し、該チタンが窒化して該基板上に窒化チタンが析出
することが見出されている。上記のアーク溶射法によれ
ば、雰囲気調整室や雰囲気調整炉、あるいはその後工程
で窒化処理を行う必要なく窒化チタン被膜の析出を行う
ことができる。そして、本発明は、上記の場合におい
て、アーク溶射に使用するチタン線を事前に窒化処理を
施すことにより、目的達成のためにさらに有効な被覆を
得ることができることを見出し完成したものである。
【００１３】アーク溶射中に、噴霧キャリアーガスとし
て用いられる窒素ガスは、溶射に際して溶融液滴として
空間中を飛翔するチタンと直ちに反応して、殆ど酸化物
を生ずることなく窒化チタンを生成する。そしてこの溶
融液滴が被覆すべき支持体上に付着すると凝固して、耐
摩耗性および耐腐食性のある窒化チタン被覆を形成する
のである。
【００１４】上記したように、噴霧キャリアーガスとし
て空気の代わりに窒素ガスを用いたチタン線アーク溶射
法は、プラズマ溶射法、高速デトネーション法、化学的
蒸着法、物理的蒸着法などに比較して設備コストや運転
コストが安価であり、その上得られる窒化チタン被覆は
硬質めっき仕上げなどによるクロムやニッケル・燐被膜
などのように毒性がないので、得られた硬質製品は例え
ば食品加工装置などへの使用に適している。またさらに
本発明によるアーク溶射法によれば、数分間という極め
て短時間で被覆を行うことができるので効率的である
し、また有害な副成物を生ずることなく、また投下資本
が少なくて済むなど多くの利点がある。
【００１５】
【実施例】以下本発明の実施例について図１に基づいて
詳述する。図１に示されるようにアーク溶射装置１０に
は、アークガン１２と、定電圧電源１４と、制御コンソ
ール１６及び線巻き枠１８と２０で示される線供給装置
が設けられている。該アークガン１２には、二組の供給
ロール２２、２４が設けられ、別々の線２６、２８のそ
れぞれを前記アークガン１２を通してノズル端３０に移
動させ得る。該ノズル端３０では、図中に示されるよう
に異なる極性の電流のために線２６と線２８の間でアー
クを発生する。アークによって線が溶融する一方で、矢
印で示された圧縮窒素ガスはアークに導入されてノズル
端３０より噴射され、これにより溶融金属が噴霧化され
て微細な液滴となる。圧縮ガスは、前記したように溶融
金属を液滴として噴霧化するばかりでなく、この噴霧化
された溶融金属流を、例えばハンマーミルスクリーンの
ような支持体に向かって飛翔させるキャリアーガスとし
て作用する。そしてこの噴霧化チタンの飛翔する空間中
において該チタンと窒素ガスが反応して窒化チタンを生
成する。
【００１６】支持体３４は、垂直方向または水平方向に
設置可能であり、または均一な被膜を形成させるために
該アークガンは長さ方向に対して振動可能にすることが
できる。線供給装置１８と２０にも線のアークガンへの
供給を円滑化するために一組のロール３６、３８が付設
されている。アークガンのロールと線供給装置のロール
とは、互いに押し、または引きの技術または両技術を適
宜組み合わせてることにより線のアークガンへの移動の
調整を図ることができる。従来のチタン線及び窒素ガス
を用いた熱アーク溶射法により得られた窒化チタン被膜
においても支持体の耐摩耗性のかなりの増進を図ること
ができたが、本発明による予備窒化チタン線を用いた場
合には、より硬質で有効寿命の長い被膜を形成させるこ
とが可能である。
【００１７】電線供給装置１８及び２０にも１組のロー
ル３６、３８が備わり、前記電線のスプールから前記ガ
ン１２への供給を手伝う。ガンにある供給ロールと、電
線供給は押し、引きあるいは両手法の組合せを用いて電
線をアークガン１２を通す移動が可能である。
【００１８】チタン電線と窒素ガスを用いる熱アーク噴
霧方法により支持体上に施す通常の窒化チタン被膜は強
化耐摩耗性の被膜をつくったが、受け入れたままのチタ
ン電線を前処理して窒素含量を増加させた場合、結果と
して出来る被膜はより硬質で、部品の有効寿命は増大し
た。
【００１９】本発明においてチタン線に予備窒化処理を
施した理由は、従来のＮ２噴射によるＴｉｘＮ被覆で
は、被膜中の窒素（Ｎ）が不十分で、かつ噴霧の飛翔中
における酸化が認められたためにこれを解決するために
開発されたものである。またさらに、次の２つの理由か
らなされたものである。すなわち：（１）チタン線はそ
のままではアーク溶射ガンの導管を通しての供給が困難
であるが、線を予備窒化して導管を通した場合には線の
摩擦抵抗が少なくなり供給が容易になること。（２）従
来のチタン線アーク溶射によるＴｉｘＮ被膜を後処理で
窒素析出焼鈍をした場合に、ある種の支持体は焼鈍時の
高温に対して敏感であることがあることおよび／または
ＴｉｘＮ被膜と支持体との間に大きな膨張係数の差があ
って被覆に欠陥を与える（例えばステンレスースチール
にＴｉｘＮを被覆した場合など）ことがあることなどに
よる。
【００２０】以下に、チタン線の予備窒化焼鈍条件の選
択、予備窒化チタン線の溶射適性試験及び予備窒化チタ
ン線による溶射被膜の評価試験結果を示す。表１は焼鈍
条件選択試験結果を示す。この結果から試験番号＃３に
よる窒化焼鈍が採用可能であることが分かり以後の試験
はこれによって行われた。Ｎ２焼鈍したチタン線と
「硬」「軟」チタン線の各断面における微小硬度の差
（例えば、２６９ＶＨＮ対１５０ＶＨＮ）の結果はＮ２
焼鈍が１０００℃で可能であることを示している。図２
は前記した１０００℃Ｎ２焼鈍によるチタン線の８−フ
ォールド「Ｎ」ピックアップ試験結果を示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】 初めの溶射適性試験では、黄色窒化焼鈍（窒化処理）被
覆を生ずるか否かに拘らず、前記Ｎ２処理チタン線は未
処理のチタン線と同様に、溶融、噴霧、析出を行うこと
ができることが分かった。その上、連続窒化焼鈍後の
「軟質」チタン線を用いた試験では、黄色窒化焼鈍被覆
を生じたものは、アークガンへの供給を円滑に行なうこ
とができ、溶射中のアークの安定性が大いに改善され
た。
【００２３】本発明のＮ２焼鈍チタン線を用いて溶射に
よりＴｉｘＮを被覆したものと、先に用いた非処理チタ
ン線により溶射した被覆および／またはさらに溶射後Ｎ
２焼鈍処理を行った被覆とを比較した。本発明によって
得られた新規な被覆の外観、表面粗さ、粘着性、及び支
持体への付着力（曲げ試験）の試験結果は、先に溶射し
た被覆の場合と同様であった。しかし、ヌープ微小硬度
測定値は各被覆間で有意の差を示した。「硬質」チタン
線の場合には、Ｎ２焼鈍線を用いて溶射して得られた被
覆は、未処理のチタン線で溶射し、その後Ｎ２雰囲気中
でその後焼鈍を施して得られた被覆と同様の硬度を示し
た。そしてこれらの被覆は、未処理線で溶射後窒化焼鈍
処理を行わなかった被覆に比べてはるかに硬質であっ
た。Ｎ２予備焼鈍「軟質」チタン線を溶射して得られた
ＴｉｘＮ被膜の硬度は、この試験シリーズにおいては最
高であり、ステンレス・スチールや炭素鋼による支持体
の硬度と比較すると、該被膜の硬度はステンレス・スチ
ールの６．３倍、炭素鋼の９倍も高かった。
【００２４】Ｎ２による線の予備窒化（焼鈍）処理は、
窒素含有量の増加及び窒化物の化学量論の改善（指数Ｘ
の低下）によるＴｉｘＮ被覆の硬度増加をもたらすこと
が分かった。そして、窒素含有量の増加にも拘らず、Ｔ
ｉｘＮ被覆層の自己結合能力は低下することがない。本
発明による新規な被覆の微小硬度は、溶射後窒化焼鈍を
行った被覆の微小硬度と同等であるから、本発明の予備
窒化チタン線の溶射により被覆された機械部品は、溶射
後に後窒化焼鈍を行う必要がないともいえる。しかし、
予備窒化焼鈍と後窒化焼鈍の両工程は、２つの独立した
処理手段として併用することができることは勿論であ
る。なお、予備窒化処理を施した線がアークガン導管中
を通過するに際しての摩擦抵抗を減少させ、アーク安定
性の向上を図ることができることも観察により確認され
た。
【００２５】本発明において使用されるチタン線は、実
質上純粋で合金化していないチタン線であって、Ｆｅや
Ｖなどについて特別の規定のないものであればどのよう
なものでも差し支えない。また一般的には工業用純チタ
ン線は重量基準で１００ｐｐｍ以上の窒素を含んでいな
い。使用チタン線は、「軟質」、「硬質」または「半硬
質」などの如何なる物理条件を有するものであってもす
べて使用することができる。
【００２６】図２は典型的電線の処理前の顕微鏡写真で
ある。
【００２７】チタン線の予備窒素化は、下記の特性を付
与するものと考えられる。すなわち、 （ａ）表面に黄金色のＴｉＮ被膜を生成する。 （ｂ）被覆の窒素含有量を５００重量ｐｐｍ以上に増加
させる。 （ｃ）予備処理後の線は芯が金属組織のままで存続する
ので、リールから溶射ガンへの供給に必要な線の可撓性
を十分に維持することができる。この場合における線中
の窒素含有量の上限は２０重量％である。
【００２８】図３に示されるように、予備窒化（焼鈍）
チタン線の顕微鏡組織は、その表面から線の中心に向か
い硬度差に応じて粗い環状の結晶粗大化層を生じてい
る。
【００２９】以下に本発明の典型的な具体例を示す。本
発明では種々の支持体上に、主として窒化チタンからな
る均一な耐摩耗性及び耐食性の被膜を溶射により生成す
ることができる。被膜は上述したような予備窒化処理を
施した０．０６インチ（約０．１５８ｃｍ）または０．
０３０インチ（約０．０７６ｃｍ）の直径のチタン線
と、窒素を噴射用キャリアーガスとして用いたアーク溶
射によって析出する。窒素を空気の代わりにキャリアー
ガスとして用いることによってチタン線はさらに窒化さ
れ、溶射中の酸化を最小化することができる。チタン線
を２つのスプールから一定速度でアークガンに供給し、
これらの線は２８ボルト乃至４８ボルトの範囲の電位差
と１００乃至４００アンペアの電流によってアークを発
生する。また別法として、線の１つのスプールをチタン
線とし、ＴｉｘＮと合金して疑似合金被覆を形成する他
の被覆用材料とともに溶射ガンに導入する方法を採るこ
とができる。このような他の被覆用材料としては、硬質
なＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＷおよびその合金や軟質
な低融点非鉄金属およびその合金がある。これらチタン
と非チタン材料の組み合わせによる同時溶射によって生
成する被覆は、低硬度であるが耐衝撃性が高い。そして
この場合において溶射条件は特に変更する必要はない。
本発明において、キャリアーガスとして供給する窒素ガ
スは、３０乃至１３０ｐｓｉｇ（約２．１乃至９．１ｋ
ｇ／ｃｍ２）の圧力でノズルに供給される。溶融された
金属は液滴となって窒素ガスとともに空間を飛翔する間
に反応して支持体３４上に窒化チタンの被覆を形成す
る。アークガンと支持体間の距離は３乃至８インチ（約
７．６乃至２０．３ｃｍ）程度とすればよい。支持体に
溶射を行うに際して、該支持体をグリットブラストして
おけば支持体と被覆間の機械的接着力を一層増大させる
ことができる。得られる被覆の厚みは０．００１乃至数
インチ（約０．００２５乃至１０数ｃｍ）である。
【００３０】被覆部品の耐摩耗性と耐食性は増大した。
特に、ゴムの極低温粉砕に用いるハンマーミルのスクリ
ーンを上述の条件下で、０．０１２インチ（約０．０３
１ｃｍ）の呼称厚さをもつ被膜の蒸着に用いられる３つ
の通路をつけて被覆した。本発明により被覆したスクリ
ーンは未被覆スクリーンの２乃至１０倍もの有効寿命を
示した。被覆部品を長時間の間海水中に入れて腐食暴露
試験を行ったが、被膜には何等明白な影響はなかった。
【００３１】耐摩耗性と耐食性が金属支持体が備える以
上に増大した被膜を形成する窒化チタン化合物の被覆硬
度がビッカース法による測定で８６０乃至１５００（Ｖ
ＨＮ）微少硬度の範囲内にあることを示す。これは通常
支持体材料より５乃至１１の係数だけ硬い。
【００３２】
【発明の効果】本発明の方法は、窒化チタン接着被膜を
許容する材料のすべてに応用できる。被膜は耐摩耗性の
増大には効果的で、経済的方法により支持体上に塗被で
きる。ハンマーミルスクリーンのほかに、本発明の方法
を金属塩材料の粉砕に用いられるエアジェット微粉砕機
に適用した。金属塩材料の粉砕に使用者が以前に行った
数々の試みは、前記ミルの内面の腐食のため淡色材料を
灰色化する結果となった。実験室ミルの被覆は塩基材料
の粉砕ができるようになり、白色材料を灰色化させるも
のは何も出来なかった。
【００３３】遠心ケルプ灰加工機からのウエアクリップ
（Ｗｅａｒｃｌｉｐ）を本発明により被覆したが、使用
者が炭化タングステンで被覆していた部品の２倍も長持
することがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による被覆物品を製造し、また本発明の
方法を実施するために用いられる典型的なアーク溶射装
置の概略説明図である。
【図２】予備窒化処理を行わないチタン線の断面の金属
組織写真である。
【図３】予備窒化処理を行ったチタン線の断面の金属組
織写真である。
【符号の説明】
１０ アーク溶射装置 １２ アークガン １４ 定電圧電源 １６ 制御コンソール １８ 線供給装置 ２０ 線供給装置 ２２ 供給用ロール ２４ 供給用ロール ２６ 線 ２８ 線 ３０ ノズル端 ３２ 圧縮窒素ガス ３４ ハンマーミルスクリーン（被溶射支持体） ３６ ロール ３８ ロール
フロントページの続き (72)発明者 エドワード．アンドリュー．ヘイダッ ク．ジュニア アメリカ合衆国．19510．ペンシルバニ ア州．ブランドン．ダマスカス．ドライ ブ．11 (72)発明者 ジョン．グレゴリー．ノース アメリカ合衆国．19464．ペンシルバニ ア州．ポッツタウン．セント．ピーター ス．ロード．1830 (72)発明者 ロバート．ブルース．スワン アメリカ合衆国．18014．ペンシルバニ ア州．バース．スクール．ロード．7465

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 支持体を、溶射用金属線として予備窒化
    されたチタン線を用い、噴霧用キャリアーガスとして窒
    素ガスを用いたアーク熱溶射ガンから噴射された流体中
    に曝すことによって、該支持体上に窒化チタン被膜を生
    成させることを特徴とする支持体の耐摩耗性の増進法。
  2. 【請求項２】 前記被膜は少なくとも０．００１インチ
    （約０．００２６ｃｍ）の厚さである請求項１記載の支
    持体の耐摩耗性の増進法。
  3. 【請求項３】 前記アーク熱溶射ガンの噴射は、得られ
    る窒化チタン被膜におけるチタン対窒素の比が重量基準
    で１乃至２の範囲であるように実施される請求項１記載
    の支持体の耐摩耗性の増進法。
  4. 【請求項４】 前記アーク熱溶射ガンの噴射は、１０乃
    至４００アンペアの範囲の電流で実施される請求項１記
    載の支持体の耐摩耗性の増進法。
  5. 【請求項５】 前記アーク熱溶射ガンから前記支持体ま
    での距離は、前記支持体の過熱を防ぐことのできる最少
    間隔で設定される請求項１記載の支持体の耐摩耗性の増
    進法。
  6. 【請求項６】 前記距離は３乃至８インチ（約７．６２
    乃至２０．３２ｃｍ）である請求項１記載の支持体の耐
    摩耗性の増進法。
  7. 【請求項７】 前記予備窒化チタン線は、チタン線を該
    チタン線の窒素含有量が重量基準で少なくとも５００ｐ
    ｐｍになるように窒素中で焼鈍されたものである請求項
    １記載の支持体の耐摩耗性の増進法。
  8. 【請求項８】 前記溶射用金属線として、さらにＦｅ、
    Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、低融点非鉄金属、これらの合金
    およびセラミックまたは金属間化合物からなる線を用い
    た請求項１記載の支持体の耐摩耗性の増進法。
  9. 【請求項９】 請求項１記載の窒素ガスをキャリアーガ
    スとした予備窒化チタン線アーク溶射法による窒化チタ
    ン被覆を少なくともその１面に形成してなる高耐摩耗性
    支持体製品。
  10. 【請求項１０】 前記窒化チタン被覆の厚さは少なくと
    も０．００１インチ（約０．００２５ｃｍ）である請求
    項９記載の高耐摩耗性支持体製品。
  11. 【請求項１１】 前記支持体製品はハンマーミルスクリ
    ーンである請求項９記載の高耐摩耗性支持体製品。
  12. 【請求項１２】前記支持体製品は金属部品である請求項
    ９記載の高耐摩耗性支持体製品。
  13. 【請求項１３】 前記支持体製品はセラミックまたは黒
    鉛部品である請求項９記載の高耐摩耗性支持体製品。
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