JP3247095B2 - 炭化クロムとニッケルクロムとからなる粉末 - Google Patents
炭化クロムとニッケルクロムとからなる粉末Info
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Description
ケルクロム合金とからなる溶射粉末に関する。
金属又はセラミック等の熱溶融性材料を溶融又は少なく
とも熱軟化させる工程と、軟化した材料を粒状で被溶射
表面に対して噴射する工程とを含む。加熱された粒子
は、その表面に衝突し、そこで急冷されて表面に付着す
る。プラズマ型溶射ガンでは、アークにより加熱したプ
ラズマガスの高温流を使用して、粉末粒子を溶融及び噴
射する。他の型の溶射ガンとして、粉末を燃焼フレーム
に同伴させ、加熱する燃焼スプレーガン、例えば、高速
酸素燃料(HVOF)ガンがある。
ッケルクロム合金とから形成されたものがある。この炭
化物は、十分には溶融せず、被膜に単独で存在すると脆
すぎるので、合金、典型的にはニッケルとクロム20重
量%との合金を、各粉末粒子に含有させてマトリックス
を形成している。ガスタービンエンジンにおけるよう
な、最大約815℃の高温、腐食性及び酸化性環境の観
点から、炭化クロムとニッケルクロム合金が選択され
る。標準的な相図によれば、炭化クロムには3つの形
態、Cr3C2、Cr7C3及びCr23C6がある。第一の
形態Cr3C2は、最も耐摩耗性があり、安定であり、1
811℃で溶融する。第二の形態Cr7C3は、1766
℃で溶融する。第三の形態Cr23C6は、耐摩耗性及び
安定性が最も低く、1576℃で溶融する。第一の形態
と第二の形態は、斜方構造を有し、第三の形態は立方構
造を有する。
炭化クロム粉末は、一般的にブレンドによるか、前記合
金を上記炭化物粒に化学的又は機械的に被覆することに
よるか、混合、焼結及び破砕によって製造されている。
このような方法は、比較的高価であり、且つ比較的大き
い炭化物粒を含有する粒子が得られる。溶射中に、これ
らの粒子は、炭化物を脱炭し被膜に酸化物を導入する酸
化性条件に暴露される。また、被膜中での粒子が大きい
と、合わせ面に擦り傷が生じることがある。パンフレッ
ト「CAT Powders−Introducing
A Whole New Breed of CrC
−NiCr Powder Technology」
(日付なし)によれば、インディアナ州インディアナポ
リスにあるPraxair Surface Tech
nologiesにより、一群の炭化クロム粉末が最近
紹介された。これらは、CRC−410(70CrC−
30NiCr)、CRC−425(60CrC−40
NiCr)及びCRC−415(35CrC−65Ni
Cr)である。本発明者等は、これらの粉末をX線回折
をしたところ炭化物がCr23C6の形態であることが判
明し、及び化学分析により、粉末中のクロムの炭素に対
する比(重量比)がCRC−410−1及びCRC−4
25−1と称される粉末の場合、22.2であり、CR
C−415−1の場合37.6であることを見いだし
た。
の製造コスト及び該粉末を用いた被膜コストが減少し、
且つ類似組成の従来の粉末から得た被膜と同等に優れた
高温特性を有する溶射被膜を形成できる、炭化クロムと
ニッケル−クロムとからなる新規な溶射粉末を提供する
ことにある。
により達成される。即ち、本発明は以下の通りである。 (1)粉末粒子を含んでなる溶射粉末であって、前記溶
射粉末粒子が各々ニッケルと、クロムと、炭素とから実
質的になり、前記クロムが第一部分と第二部分とからな
り、前記ニッケルが合金マトリックスにおいて前記第一
部分と合金化しており、前記第二部分と前記炭素とが化
合して実質的にCr3C2若しくはCr 7C3又はそれらの
組み合わせの形態の炭化クロムとなっており、前記炭化
クロムは前記合金マトリックスに実質的に均一に分布し
た実質的に0.1μm〜5μmの析出物の形態である、
ことを特徴とする溶射粉末。 (2)前記ニッケルが、ニッケルと、クロムと、炭素と
の合計の10%〜90%である、前記(1)に記載の溶
射粉末。 (3)前記クロムの前記炭素に対する比が、6〜12で
ある、前記(1)に記載の溶射粉末。 (4)前記比が、約6.5〜10である、前記(3)に
記載の溶射粉末。 (5)前記ニッケルが、ニッケルと、クロムと、炭素と
の合計の10%〜90%である、前記(4)に記載の溶
射粉末。 (6)実質的に10μm〜125μmのサイズ分布を有
する、前記(1)に記載の溶射粉末。 (7)各粒子が、ニッケルと、クロムと、炭素と、マン
ガンとの合計に対して1%〜5%のマンガンをさらに含
有する、前記(1)に記載の溶射粉末。 (8)前記粉末粒子が、ガス微粒化粉末粒子である、前
記(1)に記載の溶射粉末。
分布が実質的に10μm〜125μmの範囲である。サ
イズ分布は、被膜形成に使用される溶射法の種類によっ
て選択される。例えば、高速スプレーのプラズマガンの
場合には44μm〜125μmのサイズ分布が適当であ
り、低速スプレーのプラズマガンの場合には10μm〜
53μmのサイズが適当であり、HVOFガンの場合に
は16μm〜44μmのサイズが適当である。
素とから実質的に構成されている。典型的な粉末粒子
を、図1の断面顕微鏡写真に示す。(中央の粒子は、直
径約40μmである。)マトリックス相(濃い灰色)
は、ニッケル−クロム合金である。析出物(薄い灰色)
は、実質的にCr3C2若しくはCr7C3又はそれらの組
み合わせの形態の炭化クロムから形成されている。合金
は、好ましくは公称ニッケル:クロム比が80:20で
あるが、クロムが炭化物から奪取される程度までクロム
をさらに含有してよい。合金におけるニッケルの割合
は、本発明にとっては臨界的ではなく、変更して(例え
ば、特殊な腐食条件(例えば、燃料油汚染物又は添加物
由来)の場合50:50Ni:Cr合金として)、被膜
特性を高めてもよい。(本明細書及び請求の範囲におけ
る全ての百分率及び比は、炭化物に関する化学式におけ
る原子割合を除いて、重量基準である。)
部分とからなり、第一部分はニッケルと合金化されてお
り、第二部分は炭化物において炭素と化合している。ニ
ッケルは、ニッケルと、クロムと、炭素との合計の約1
0%〜90%でなければならない。このような組成を有
する粉末は、表示の炭化クロムの高温耐摩耗性と、ニッ
ケル−クロム合金の耐酸化性及び耐腐食性を有する溶射
被膜製造用である。炭化物の析出物は、通常約1μm、
実質的には0.1μm〜5μmの大きさを有し、合金マ
トリックス中に実質的に均一に分布する。(このサイズ
は、細長いことがある樹枝状析出物の平均断面直径であ
る。)
の急速凝固法、好ましくは通常の微粒化法、より好まし
くは不活性ガス微粒化法により形成しなければならな
い。空気又は水を使用してもよいが、この場合、酸化物
が粉末中に導入される。このような粉末製造では、成分
ニッケル、クロム及び炭素の溶融物を、約1600℃
(最低炭素含量の場合)〜 1460℃(最高炭素含量
の場合)で微粒化する。好ましくは、微粒化は、密閉カ
ップルガス微粒化システムにおいてアルゴン等の不活性
アスピレーションガスを用いておこなう。例えば、溶融
物は、重力によって直径2.4cmの環に約1.0〜
2.0mmの環状開口部を備えた環状吐出管を通って流
れ、吐出管と同心の直径3.0cmの環に設けた約0.
3〜0.5mmの環状ノズルからのチョークフローによ
って吐出管の先端でアスピレーション状態を生じさせて
微粒化を促進することにより微粒化される。微粒化ガス
圧力は、2.76MPag(400psig)(最低炭
素含量)〜3.45MPag(500psig)で変化
させ、流量は212〜236sl/秒(450〜500
scfm)である。
成、例えば、非アスピレーション重力フロー微粒化ノズ
ルシステムを、使用してもよい。また、迅速凝固のため
に、他の粉末製造法、例えば、回転ディスク又は回転電
極を用いた遠心法を、用いてもよい。
産若しくは粉末特性又は被膜特性を高めてもよい。例え
ば、1%〜5%(例えば、2%又は4%)マンガン等を
添加して、製造性を高めてもよい。しかしながら、添加
物は、Cr3C2及びCr7C3の存在にとって顕著な妨げ
となったり、粉末の融点を顕著に低下させてはならな
い。
るが、本発明は以下の実施例に限定されるものではな
い。本発明の範囲内のいくつかの組成物を、表1に示
す。これらは、No.1を除いて、試験用に製造したも
のである。「Cr:C比」の欄は、粉末における総クロ
ムの炭素に対する比を示す。表から明らかなように、比
は、6.5:1〜10:1で比較的低い、すなわち、よ
り広い範囲6〜12内にある。
的に、炭化物は実質的にCr3C2及びCr7C3であるこ
とが分かった。遊離炭素分析から、微量(0.1%未
満)の遊離炭素の存在が確認された。最高所望Cr:C
比は12であり、最低比は6.5である。これよりも顕
著に高いCr:C比は、顕著な量のCr23C6を含有す
る炭化物を生じることが予想されるので、避けなければ
ならない。ニッケルは、耐食性とマトリックスのために
使用される。ニッケルは炭化物を形成しないので、その
相対含量は、炭化クロムの形成又は種類に顕著には影響
しない。図1の写真は、No.3の粉末のものである。
なお、No.3の粉末を、窒素中1038℃(1900
°F)で20分間熱処理することによりNo.3Aの粉
末を得た。該熱処理により、粉末中のCr3C2の割合が
増加した。
許第4,865,252号に記載の種類のMetco
(商標)型DJ HVOF溶射ガンを用いて噴霧した
(DJ2603ノズル及び以下のパラメータを使用):
圧力0−97MPag(140psig)、流量231
sl/分(489scfh)の水素燃焼ガス、圧力1.
17MPag(170psig)、流量685sl/分
(1450scfh)の酸素、噴霧速度1.8〜2.2
kg/時(4〜5lb/時)、噴霧距離22.5cm、
トラバースレート75cm/分、被膜厚さ0.1〜0.
5mm。−60メッシュアルミナグリットを用いたグリ
ットブラストにより調製した軟鋼上に、低気孔率(5%
未満)で良好な基材付着の緻密で高品質な被膜が得られ
た。
イズ11μm〜45μmのアルミナの水性スラリーによ
る通常の摩耗試験を用いたスラリー摩耗(被膜試験片に
ついて、スラリーを軟鋼板に対して10分間滑らす試験
を2回)についての結果を、表2に示す。「スラリー摩
耗」は重量損失(単位:g)であり、「摩耗深さ」は実
測厚さ損失(単位:mm)である。比較粉末Diama
lloy(商標)3007(Sulzer Metco
より販売されている)は、20%Ni−20Crで被覆
され、サイズ5.5μm〜44μmの通常のCr3C2粉
末である。この粉末には、各粉末粒子に一般的にサイズ
約25μmの大きな炭化クロム(Cr3C2)粒が含まれ
ている。
きる。No.3の組成物を表3に示した他の粉末と混合
することにより、具体的混合物を調製した。これらの他
の粉末は、通常のものである:Diamalloy40
06は、20Cr、10W、9Mo及び4Cuを含有し
大きさが11〜53μmであるニッケル合金であり;D
iamalloy1006は、19Cr、18Fe及び
3Moを含有し大きさが11〜45μmであるニッケル
合金であり;Metco(商標)70F−NSは、大き
さが5〜45μmである破砕Cr3C2であり;Metc
o43Fは、20Crを含有し大きさが11〜53μm
であるニッケル合金である。このようなブレンドを、表
3に示す。(請求の範囲に記載の粉末は、このような追
加の粉末を含んでなるブレンドでよい。)
及び噴霧パラメータで溶射した。150グリットダイヤ
モンド砥石を用いて研削することにより、被膜を仕上げ
た。付着効率、被膜中の炭素の百分率、マクロ硬度(R
ockwell C−Rc)、ミクロ硬度(DPH V
ickers、負荷300g)及び研削面仕上げを、測
定した。表4に、従来の被膜Diamalloy300
7(上記したもの)及び3004(Cr3C2と、サイズ
5.5〜45μmの25%ニッケル−20%クロム合金
とのブレンド)と比較した結果を示す。これらの従来の
粉末は、一般的に類似の組成を有するが、炭化物粒の大
きさがもっと大きい。これらの粉末を、上記したガン及
びパラメータを用いて噴霧した。
ては、炭化物のサイズは、実質的に粉末中の炭化物粒の
サイズ(約5〜53μm)である。本発明の粉末から得
られた被膜中の炭化物は、1ミクロン台である。No.
3の粉末から形成した被膜をX線回折したところ、炭化
物(主にCr7C3)の存在が確認された。炭化物粒が微
細であるので、合わせ面に擦り傷がつきにくくしゅう動
摩耗が向上し、且つ粒子が脱落しにくい。また、炭素保
持率が類似組成を有する従来の炭化クロム被膜では35
%〜65%であったのに対して約80%と高保持率であ
るとともに、酸素含量が比較的低かった。高炭素及び低
酸素により、溶射中の酸化が減少する。
来の粉末よりも高い。したがって、粉末自体の製造(微
粒化)コストが低いだけでなく、高付着効率であるので
被膜コストもさらに低い。炭素保持率、硬度及び仕上が
りについては、従来の被膜と同様に優れたものであっ
た。
と混合して他の特性を付与してもよい。一例として、サ
イズ30〜90μmの20%黒鉛にニッケルを被覆した
粉末がある。
による炭化クロムとニッケル−クロムとからなる溶射粉
末は、製造コスト、及び該粉末を用いた被膜コストを減
少でき、且つそれから得られる溶射被膜は、類似組成の
従来の粉末から得た被膜と同様に優れた高温特性を有す
る。
Claims (8)
- 【請求項1】粉末粒子を含んでなる溶射粉末であって、
前記溶射粉末粒子が各々ニッケルと、クロムと、炭素と
から実質的になり、前記クロムが第一部分と第二部分と
からなり、前記ニッケルが合金マトリックスにおいて前
記第一部分と合金化しており、前記第二部分と前記炭素
とが化合して実質的にCr3C2若しくはCr7C3又はそ
れらの組み合わせの形態の炭化クロムとなっており、前
記炭化クロムは前記合金マトリックスに実質的に均一に
分布した実質的に0.1μm〜5μmの析出物の形態で
ある、ことを特徴とする溶射粉末。 - 【請求項2】前記ニッケルが、ニッケルと、クロムと、
炭素との合計の10%〜90%である、請求項1に記載
の溶射粉末。 - 【請求項3】前記クロムの前記炭素に対する比が、6〜
12である、請求項1に記載の溶射粉末。 - 【請求項4】前記比が、約6.5〜10である、請求項
3に記載の溶射粉末。 - 【請求項5】前記ニッケルが、ニッケルと、クロムと、
炭素との合計の10%〜90%である、請求項4に記載
の溶射粉末。 - 【請求項6】実質的に10μm〜125μmのサイズ分
布を有する、請求項1に記載の溶射粉末。 - 【請求項7】各粒子が、ニッケルと、クロムと、炭素
と、マンガンとの合計に対して1%〜5%のマンガンを
さらに含有する、請求項1に記載の溶射粉末。 - 【請求項8】前記粉末粒子が、ガス微粒化粉末粒子であ
る、請求項1に記載の溶射粉末。
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