JP4083817B2 - 表面耐摩耗焼結機械部品及びその製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明はレーザによる機械部品の耐摩耗処理に関する。特に本発明は、サーメット・コーティングのレーザ溶射による、粉末冶金の焼結機械部品の表面処理に関する。サーメットとは金属の固着剤でコーティングされたセラミック製品によって形成される複合材料である。本発明はこのような機械部品の製造方法をも含む。
従来技術の説明
ニッケル，クロム基球状炭化タングステン複合塗料を鉄と鋼（非焼結機械部品）にレーザ溶射させる技術はすでに存在している。カナダの特許出願ＮＯ．２，１２６，５１７号はこの溶射技術の実例である。ＣＯ₂レーザを連続的に発射し、赤外線ビームからのエネルギーを利用して、微細粉末の形で注入される溶加材と共に、コーティングされるべき金属基材を溶かす。レーザビームがその中心を貫通するノズルを通して、コーティングを形成する粉末を受け取り、レーザビームと同軸に注入する。形成させるコーティングは溶接帯のように見える。これまで、このレーザ溶射は非焼結の金属機械部品のコーティングのみに用いられ、特に、磨耗しやすい環境で適用される。
周知の通り、従来の技術条件における粉末冶金機械部品は耐応力、耐摩耗及び耐摩擦の物理特性を持たない。それは、このような焼結機械部品の表面には多数の細孔があり、鍛造部品や機械加工部品と比較して、その割れの形成までの時間を短縮させるからである。即ち、粉末冶金機械部品表面の多孔性はその割れ形成までの時間を短縮し、耐衝撃性と耐摩耗性を阻害する。
発明の概要
本発明の目的の一つは、粉末冶金によって得られ、耐衝撃性に優れ、耐摩耗性と耐摩擦性を持ち、同時に機械耐力に非常に優れた機械部品を提案することである。
具体的に言えば、本発明の目的は以下のものを含むことを特徴とする表面耐摩耗機械部品を提案することである：
粉末冶金の焼結金属基材、及び、
金属基材に付着し耐摩耗性の面で構成される外面を持つサーメット・コーティング。
前記機械部品には下記の特徴がある：
前記コーティングは、コーティングを形成する、球状炭化物を含む金属粉末とセラミック粉末の混合物を同軸でレーザビームに注入するレーザ溶射によって得られるものであり、該コーティングは、多孔性を除去され、金属基材と冶金的に結合され、厚さは１０ミクロンから１ミリぐらいあり、また金属マトリックス中の球状炭化物を含むことを特徴とする。
当業者の間で周知の通り、「金属基材と冶金的に結合する」とは、コーティング層が焼結機械部品の表面と融合することにより該コーティング層基盤のマイクロ組織が前記部品の金属基材のマイクロ組織と完全に一体となるということを意味する。
この機械部品には摩耗が厳しい環境又は高応力環境において使用されてきたあらゆる部品を含んでいてもよい。例えば、木材皮剥ぎ機のアームに設置するナイフヘッドである。
本発明は上記機械部品の製造方法を提案することも目的としている。具体的には前記方法は以下の工程を含むことを特徴とする：
ａ）粉末冶金の焼結機械部品の準備。
ｂ）レーザによる前記機械部品の外面に対するサーメット溶射すること、
好ましくは前記レーザ溶射には下記の工程がある。
...機械部品の外面にレーザビームを発射し、レーザビームの一定温度の熱により前記外面を一定の深さまで溶かす工程、
...レーザビームにサーメット・コーティングを形成するセラミック粉末と金属粉末の混合物を注入する工程。セラミックの融解点はレーザの温度より高く、金属粉末の融解点はレーザの温度より低いため、レーザは混合粉末の中の金属粉末を機械部品の外面に融合させる。
...機械部品に対応して、レーザビームを移動させ、部品の表面を走査して、サーメット・コーティングを形成させる工程。
混合物は、レーザビームがその中心を貫通するノズルを通してレーザビームと同軸に注入され、このノズルは混合物の受け取りとレーザビームへの注入を可能とする。
好ましくはレーザビームは固定し、機械部品の方をレーザビームに対応して移動する台に設置する。
レーザ溶射を利用した本発明のコーティングにより、焼結機械部品の表面はレーザの作用により溶かされコーティングされる。焼結機械部品の表面には１０ミクロンから１ミリの溶融層になり、焼結機械部品にありがちな表面の細孔を塞ぎ、その結果、耐衝撃性を増加させる。また、レーザビームが連続して、極めて小さい表面を通過して、金属基材の熱散逸効果により、露出ゾーンは自動的に焼き入れされる。粉末はレーザの作用により、十分に融合されるので、本発明によってコーティングされたサーメット・コーティング層の多孔性は極めて小さい。
本発明による他の形態、特徴及び利点は、添付図を参照しながら下記の好ましい実施の態様によってよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は木材皮剥ぎ機のアームの透視図で、該アームには、本発明の好ましい態様による耐磨耗性の焼結ナイフヘッドが取り付けられる。
図２は図１に示す木材皮剥ぎ機のアームナイフヘッド作業面の断面概略図を示す。
図３は本発明の実施のためのレーザ溶射装置の部分概略図を示す。
図４は電子顕微鏡による走査写真で、プラズマ溶射技術によるコーティングと金属体の間の接触面のマイクロ組織を示す。
図５は電子顕微鏡による走査写真で、本発明のレーザ溶射によるコーティングと粉末冶金金属体の間の接触面のマイクロ組織を示す。
好ましい態様の説明
図１は、回転式木材皮剥ぎ機のアーム２を示し、該アーム２には、本発明により造ったナイフヘッド４が装着されている。アーム２と上端６は木材皮剥ぎ機の環状回転盤に固定される。アーム２の下端８はアーム２の作業面を構成する。このアームが環状回転盤に垂直方向に移動するとき、その作業面が樹の皮を剥ぐ。ナイフヘッドは操作しやすいよう下端に固定させる。下端８は木の皮を剥ぐのに使われるアームの一部分であり、摩耗の厳しい環境に耐えられる必要がある。本発明による木材皮剥ぎ機のナイフヘッドはこのように使用に便利である。このナイフヘッドには硬質サーメット・コーティングがあり、厳しい作業環境に堪えるからである。ここで説明した木材皮剥ぎ機用ナイフヘッドは本発明の好ましい態様であり、これは本発明による数多くの機械部品実例の一つすぎない。実際、摩耗が厳しい環境又は高応力の環境において使用される機械部品が、本発明により製造されることができる。下記の機械部品は本発明により製造される機械部品の他の実例である。
......露天採鉱業：ホイールミル、ペプルミル、クラッシャー、搬送機など；
......セラミック及び関連工業：機、カッタ、金型、コンベアーのスクリューレバー、バルブの受台など；
......製紙業：ホモジネート機用プレート、紙業用底板、ナイフブレードなど；
......冶金業：ロール、フェルール、プーリーホイールなど；
......プラスチック加工業：押し出し機と射出機用スクリューなど；
......食品加工業：ロール、押し出し金型、ガイド装置など、
図２に示すように、木材皮剥ぎ機用の表面耐摩耗ナイフヘッド４或いはその他の本発明による製造機械部品は粉末冶金の焼結金属基材１０と金属基材１０に付着するサーメット・コーティング１２を持つ。コーティング層の外面１４は機械部品の耐摩耗表面となる。コーティング１２は一定の厚さがある。その中の一部分は図５に示すように基材１０の冶金性の結合層を構成する。この部分は好ましくは１０ミクロンから１ミリの厚さである。
好ましくは、サーメット・コーティング１２の主な成分は金属マトリックス１８に複合した球状炭化タングステン１６、炭化チタン又は炭化ホウ素である。
好ましくは、金属マトリックス１８の主な成分はニッケル、クロム、コバルトからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属である。特にニッケル、クロム、コバルトを同時に含む方がよい。最適モデルはＮｉ−９％Ｃｒ−Ｃｏである。
好ましくは、コーティング１２は６５重量％の炭化タングステン１６を含み、実質的に多孔性ではない。
本発明による焼結機械部品のコーティング１２はレーザ溶射によるものである。
図３に示すようにノズル２０は出口から８ＫＷのＣＯ₂レーザビーム２２を射出し、レーザビーム２２に定量的に溶射用粉末材料２４を連続注入する。レーザビーム２２は粉末材料２４を溶かして、線形溶接により金属基材４にコーティング１２を形成する。機械部品４表面を走査させて必要な部分にコーティングを形成させる。レーザコーティング１２にはニッケル、クロムベース１８に複合した高硬度炭化タングステン１６微粒子を含んでいる。それは優れた耐摩耗性と耐侵食性を有し、かつ耐食性も強い。図４はプラズマ溶射による炭化物２８コーティング２６のマイクロ組織を示す。図５は焼結機械部品４表面のレーザコーティングのマイクロ組織を示す。図に示した通り、レーザコーティング１２の中の炭化タングステン１６の微粒子は球状であり、プラズマ溶射形成したコーティング２６の炭化物２８は角状となることが多い。そして、焼結機械部品４の表面はコーティング１２の金属部分と融合しており、この融合により、金属焼結機械部品４の表面微細孔を塞じさせる。
レーザ２２を固定し、溶射される機械部品４を４軸デジタル式平台３０に設置する。レーザビームに対応して機械部品４を動かすことにより、高精度かつ均一な溶射を実現できる。レーザ２２の連続走査によって、１０ミクロンから１ミリの厚さのコーティングが得られる。
レーザコーティングの材料として、通常、高純度、高硬度の炭化タングステン、炭化チタンと炭化ホウ素があり、使用する場合によって、ニッケル、クロム、コバルトを主成分とする金属粉末が融合される。溶射中に、金属粉末はレーザ２２に溶かされるが、炭化タングステンはまだ固体状態のままで、同じ硬度を保っている。このサーメット材料はコーティング１２の優れた耐摩耗性と耐侵食性、並びに高い耐食性を有する。
レーザ溶射には多種の特性があるので、この技術によって形成したコーティング１２は幾つかの優れた特性を持っている。まず、レーザコーティングは金属基材１０と冶金的な融合を実現し、理想的な密度（微細孔なし）を得られ機械部品１０とコーティング１２との優れた結合を実現させる。一方、高温コーティングでは数多くの微細孔が発生するので結合効果を保証するために、処理面に対し特殊な準備が必要である。
金属基材表面に入射するエネルギーを確実に制御することにより、金属基材の溶化散逸量を少なくし、できるだけ各種類の変形を少なくさせあるいは避けさける。また、レーザ溶射によれば処理中の急速な冷却により、精巧な冶金マイクロ組織が得られる。同時に、金属マトリックス１６の硬度（２４００〜３６００ＨＶ）を増加させる。最後にＣＮＣプログラム及びコントロールシステムによって、一定の時間内で繰り返し溶射できる。従って、コーティングの最終厚さを完全にコントロールすることができる。ロット生産の機械部品もこの方法で処理できる。
本発明の産業上の適用
本発明に示すサーメット・コーティングを持たない粉末冶金機械部品は下記の物理的及び経済的特性がある。
......表面には大量の微細孔がある；
......耐衝撃力が弱い；
......一般に、機械性能は鍛造機械部品より悪い；
......密度は極めて低い；
......ノイズを吸収できる；
......液体状態で混合できない合金を利用できる；
......それ自体で焼き入れされる合金を利用できる；
......シリーズ機械部品の加工コストは低い。
これらの特性は、粉末冶金機械部品が生産技術市場に参入する力となったが限界も現れた。
粉末冶金機械部品は、鍛造機械部品および機械加工部品と比較すると、表面の多孔性が割れ形成までの時間の短縮をもたらし、その耐衝撃性及び／又は耐摩耗性が阻害される。これは粉末冶金機械部品が通常、摩耗が厳しいか高応力の環境では使用されない原因である。これが、本発明、特に、レーザ溶射によるＷＣコーティングによる機械部品がこの産業分野における革新的な概念から生まれるゆえんである。
上記の目的のため、Ｎｉ−９％Ｃｒ−Ｃｏマトリックスに結合される６５％の球状ＷＣ微粒子によって形成される、コーティングのレーザ溶射は、粉末冶金機械部品の表面に対して、下記の改善をもたらす：
......粉末冶金機械部品の表面は１０ミクロンから１ミリまでの深さで溶かされる。これにより機械部品の表面の微細孔を塞がれ、耐衝撃性が増加する。
......レーザビームを連続的に移動させて，きわめて小さい表面を瞬間的に通過して、金属基材は熱散逸効果の作用により、露出ゾーンを自動的に焼き入れさせる。
......レーザはＮｉ−９％Ｃｒ粉末を完全に融合させる。従って、コーティング表面の多孔率は１％未満という非常に低い値となる。ほかの溶射方法、たとえば、プラズマ溶接トーチ或いはアセチレン溶接トーチによる溶射方法では達成できない。粉末を溶かすのに必要な温度に達すると機械部品の表面に大量な熱エネルギーを放射し、機械部品の焼入れを損うからである。
......溶解溶接ゾーンが一層あるので、コーティングは機械部品としっかり結合される。
さらに、本発明による球状炭化タングステンを含むコーティングには、下記の利点がある：
......幾何多角形炭化物と比較して割れが生じにくいので、非常に高い耐衝撃性がある。
......幾何多角形炭化物と比較し、球状炭化物の摩擦係数は小さいので、摩擦による摩耗に限度がある。
......炭化物は硬いため、機械部品表面の磨耗に明確な限度がある。
さらに、上記のＮｉ−９％Ｃｒマトリックスは鋼よりも靭性に優れる。
簡単に言えば、本発明に示すコーティングをもつ焼結機械部品は下記の利点をもっている：
......コーティングと金属基材の間の冶金的な連結があるので、コーティングは優れた連着性がある。
......プラズマスプレー溶射技術とは逆に、微細孔と割れが消えることにより、強い耐衝撃性が生ずる。
......厚さは０．５ｍｍ〜数ｍｍ（修理して、再利用の機械部品）。
......前記溶射による方法の場合、炭化物の微細粒子は固体のままである。それにより、強い鋼性を保持される。
本発明は数多い分野に応用される。特に、木材皮剥ぎ機のアームに取り付けるナイフヘッドは本発明により製造されれば利点が多い。また、上記列挙した部品においても利点がある。

Claims (14)

1. 耐磨耗性の面を持つ機械部品（４）であって、
   粉末冶金焼結金属基材（１０）及び、該金属基材（１０）に付着し、前記耐磨耗性の面を構成する外面（１４）を持つサーメット・コーティング（１２）を含み、
   該コーティングは、該コーティングを形成するための、金属粉末と球状炭化物からなるセラミック粉末の混合物をレーザビームに同軸で注入することによるレーザ溶射によって得られ、多孔性が除かれ、前記金属基材（１０）に冶金的に結合し、１０ミクロンから１ミリの厚さであり、金属マトリックス中の球状炭化物（１６）を含むコーティングを特徴とする、機械部品。
2. 前記サーメット・コーティング（１２）は、金属マトリックス中の球状炭化物（１６）を含み、
   該球状炭化物は、炭化タングステン、炭化チタン及び炭化ホウ素からなる群から選ばれたものであることを特徴とする、請求項１記載の耐磨耗性の面を持つ機械部品。
3. 前記球状炭化物は炭化タングステンであることを特徴とする、請求項２記載の耐磨耗性の面を持つ機械部品。
4. 前記金属マトリックス（１８）は、ニッケル、クロミウム及びコバルトからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属を含むことを特徴とする、請求項２又は３記載の耐磨耗性の面を持つ機械部品。
5. 前記金属マトリックス（１８）は、ニッケル、クロミウム及びコバルトを含むことを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載の耐磨耗性の面を持つ機械部品。
6. 前記金属マトリックス（１８）は、Ｎｉ−９％Ｃｒ−Ｃｏマトリックスであることを特徴とする、請求項２から５のいずれかに記載の耐磨耗性の面を持つ機械部品。
7. 前記コーティング（１２）は６５重量％の炭化タングステンを含むことを特徴とする、請求項２から６のいずれかに記載の耐磨耗性の面を持つ機械部品。
8. 耐磨耗性の面を持つ機械部品（４）の製造方法であって、
   該方法は、
   ａ）粉末冶金で得られる焼結金属部品（４）を準備する工程、及び、
   ｂ）前記部品（４）の外面にレーザでサーメット・コーティング（１２）を溶射する工程、を含み、
   前記レーザ溶射の工程は、
   前記部品（４）の外面に、一定温度の熱を発散するレーザビームを放出する工程、
   前記サーメット・コーティングを形成する、金属粉末と球状炭化物からなるセラミック粉末の混合物（２４）を絶え間無く前記レーザビーム（２２）に注入することにより、前記セラミック粉末の融解点は前記レーザビームの温度より高いが前記金属粉末の融解点は前記レーザビームの温度より低いため、前記レーザビームが前記混合粉末中の金属粉末を前記部品（４）の外面に融合し、前記混合粉末は、前記レーザビーム（２２）が中心を貫通するノズル（２０）により前記レーザビーム（２２）に注入され、前記ノズル（２０）は前記混合粉末を受け入れで前記レーザビームに注入されるようになっている工程、及び、
   前記機械部品（４）に対応して前記レーザビーム（２２）を移動し、金属基材（１０）の外面上を前記レーザビーム（２２）が走査して前記サーメット・コーティング（１２）を形成する工程、を含むことを特徴とする、方法。
9. 前記レーザビーム（２２）は固定され、前記機械部品（４）は、前記レーザビーム（２２）に対応して移動可能な移動台（３０）に設置されることを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. 前記サーメット・コーティング（１２）は金属マトリックス（１８）中の炭化タングステン（１６）を含むことを特徴とする、請求項８又は９記載の方法。
11. 前記セラミック粉末は炭化タングステンの粉末であり、前記金属粉末は、ニッケル、クロミウム及びコバルトからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属を含むことを粉末であることを特徴とする、請求項８から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記金属粉末はＮｉ−９％Ｃｒ−Ｃｏ粉末であることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 低い面が皮剥ぎアーム（２）先端に取り付けられる金属基材（１０）及び耐磨耗性の作業面を含む木材皮剥ぎ機（４）であって、
    該木材皮剥ぎ機（４）において、前記金属基材（１０）は粉末冶金焼結金属基材であり、
    前記耐磨耗性の作業面は、前記金属基材（１０）に付着する前記サーメット・コーティング（１２）で形成され、該コーティングは金属粉末と球状炭化物からなるセラミック粉末の混合物から形成されて、１０ミクロンから１ミリの厚さで前記金属基材と冶金的に結合していることを特徴とする、木材皮剥ぎ機。
14. 前記サーメット・コーティング（１２）は、金属粉末と球状炭化物からなるセラミック粉末の混合物がレーザで前記金属基材（１０）に溶射されたことを特徴とする、請求項１３記載の木材皮剥ぎ機。

Images