JP4762583B2 - Ｎｉ基自溶合金粉末およびその粉末を用いた耐食性、耐摩耗部品 - Google Patents
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Description
本発明は、耐食、耐摩耗部品に、特にガスフレーム溶射を用いて基板に溶射皮膜を形成するためのＮｉ基自溶合金粉末およびその部品に関する。
従来、Ｎｉ基合金の溶射皮膜は耐摩耗性、耐熱性、耐食性に優れるため多くの分野で利用されている。例えばＪＩＳ Ｈ８３０３にはＮｉ基の自溶合金粉末として１種〜５種まで５種類の成分が記載されている。また、例えば特開平１０−６０６１８号公報（特許文献１）に開示されているようにＳｉ，Ｃｒ量および粉末の粒度を制限して溶射皮膜中の酸化物を低減させる方法が提案されている。しかしながら、その発明には、粉末の酸素含有量、Ｍｏ質量％の規定はなく、それらが皮膜特性および再溶融処理特性に与える影響について解明には至っていない。
本発明は、Ｓｉ、Ｃｒ等の酸化されやすい元素を制限するのではなく、粉末自体の酸素含有量を制限することおよびＭｏ含有量を制限し、良好な皮膜特性および再溶融処理特性が得られるＮｉ基自溶合金粉末を提供するものである。
上記目的を達成するものとして、本発明は、質量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：３．５〜５％、Ｃｒ：１２〜１７％、Ｍｏ：３〜８％、Ｃｕ：４％以下、Ｆｅ：５％以下、Ｂ：２．５〜４％、Ｏ：２００ｐｐｍ以下を含み、残部がＮｉおよび不可避不純物であり、かつＯｐｐｍ≧−２０Ｍｏ％＋１００を満たすＮｉ基自溶合金粉末である。また、粉末分級粒度が４４〜１２５μｍの範囲内であり、平均粒径が８０μｍ以上であることが好ましい。
以上述べたように、本発明によるＮｉ基自溶合金粉末をガスフレーム溶射を用いて基板に溶射して得た溶射皮膜中に存在する酸化物を極力低減させることが可能となり、しかも溶射皮膜の耐食性、耐摩耗性に優れた品質向上に貢献するため、耐食性、耐摩耗部品へのさらなる適用が拡大可能となる等極めて優れた効果を奏するものである。
以下、本発明のＮｉ基自溶合金粉末の化学成分限定理由について説明する。
Ｃ：０．４〜０．９％
Ｃは、主にＣｒと結合しＣｒ系炭化物（Ｃｒ7 Ｃ3 ）を形成する。また、Ｍｏを含む組成では前述の炭化物の一部にＭｏが固溶した複炭化物となる。この複炭化物は硬質であることから、溶射皮膜の硬度、耐摩耗性を向上させる。しかし、その含有量が０．４％未満では炭化物の量が少ないために十分な耐摩耗性が得られない。また、０．９％を超える過度の添加は複炭化物が多くなりすぎて靭性を損なう。従って、その範囲は０．４〜０．９％とする。
Ｃ：０．４〜０．９％
Ｃは、主にＣｒと結合しＣｒ系炭化物（Ｃｒ7 Ｃ3 ）を形成する。また、Ｍｏを含む組成では前述の炭化物の一部にＭｏが固溶した複炭化物となる。この複炭化物は硬質であることから、溶射皮膜の硬度、耐摩耗性を向上させる。しかし、その含有量が０．４％未満では炭化物の量が少ないために十分な耐摩耗性が得られない。また、０．９％を超える過度の添加は複炭化物が多くなりすぎて靭性を損なう。従って、その範囲は０．４〜０．９％とする。
Ｓｉ：３．５〜５％
Ｓｉは、Ｂとともに溶射用自溶合金材料の必須元素であり、再溶融処理時に自溶性を与えるとともに脱酸剤として働く。また、マトリックス中にＮｉ3 Ｓｉを形成することにより溶射皮膜の硬さや耐摩耗性を向上させる。しかし、その含有量が３．５％未満では前記特性が十分に得られず、また、５％を超えると硬さが高くなりすぎて脆くなるため、その範囲を３．５〜５％とする。
Ｓｉは、Ｂとともに溶射用自溶合金材料の必須元素であり、再溶融処理時に自溶性を与えるとともに脱酸剤として働く。また、マトリックス中にＮｉ3 Ｓｉを形成することにより溶射皮膜の硬さや耐摩耗性を向上させる。しかし、その含有量が３．５％未満では前記特性が十分に得られず、また、５％を超えると硬さが高くなりすぎて脆くなるため、その範囲を３．５〜５％とする。
Ｃｒ：１２〜１７％
Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物（Ｃｒ7 Ｃ3 ）を形成し、また、Ｂと結合して硼化物（ＣｒＢ）を形成する。また、Ｍｏを含む組成では前述の炭化物、硼化物の一部にＭｏが固溶した複炭化物、複硼化物となる。これらの複炭化物や複硼化物は硬質であることから、溶射皮膜の硬度、耐摩耗性を向上させる。さらに、マトリックス中に固溶したＣｒは溶射皮膜の耐食性を向上させる。しかし、その含有量は１２％未満では複炭化物や複硼化物の形成およびマトリックス中への固溶量が不十分であり、高い耐摩耗性および耐食性が得られず、また、１７％を超えると靭性の低下が生じるため、その範囲を１２〜１７％とする。
Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物（Ｃｒ7 Ｃ3 ）を形成し、また、Ｂと結合して硼化物（ＣｒＢ）を形成する。また、Ｍｏを含む組成では前述の炭化物、硼化物の一部にＭｏが固溶した複炭化物、複硼化物となる。これらの複炭化物や複硼化物は硬質であることから、溶射皮膜の硬度、耐摩耗性を向上させる。さらに、マトリックス中に固溶したＣｒは溶射皮膜の耐食性を向上させる。しかし、その含有量は１２％未満では複炭化物や複硼化物の形成およびマトリックス中への固溶量が不十分であり、高い耐摩耗性および耐食性が得られず、また、１７％を超えると靭性の低下が生じるため、その範囲を１２〜１７％とする。
Ｍｏ：３〜８％
Ｍｏは、Ｃｒと同様にＣと結合して複炭化物を形成し、また、Ｂと結合して複硼化物を形成することにより耐摩耗性を向上させる必須元素である。さらに、上述の複硼化物は晶出温度が比較的高く、再溶融処理時に半溶融状態にある溶射皮膜に適度な粘性を与え、皮膜が流れ落ちてしまうことを抑制する。しかし、その含有量は３％未満では複炭化物および複硼化物を形成する作用が小さく、一方、８％を超えると靭性の低下を招くため、その範囲を３〜８％とする。より好ましくは４％超え、８％以下とする。
Ｍｏは、Ｃｒと同様にＣと結合して複炭化物を形成し、また、Ｂと結合して複硼化物を形成することにより耐摩耗性を向上させる必須元素である。さらに、上述の複硼化物は晶出温度が比較的高く、再溶融処理時に半溶融状態にある溶射皮膜に適度な粘性を与え、皮膜が流れ落ちてしまうことを抑制する。しかし、その含有量は３％未満では複炭化物および複硼化物を形成する作用が小さく、一方、８％を超えると靭性の低下を招くため、その範囲を３〜８％とする。より好ましくは４％超え、８％以下とする。
Ｃｕ：４％以下
Ｃｕは、Ｎｉマトリックス中に固溶して溶射皮膜全体の強度を高め、複炭化物や複硼化物の形成を促し、組織を安定させる必須の元素である。しかし、４％を越えると複炭化物や複硼化物の形成作用が大きくなりすぎて溶射皮膜の脆化を招くため、その範囲を４％以下とする。
Ｃｕは、Ｎｉマトリックス中に固溶して溶射皮膜全体の強度を高め、複炭化物や複硼化物の形成を促し、組織を安定させる必須の元素である。しかし、４％を越えると複炭化物や複硼化物の形成作用が大きくなりすぎて溶射皮膜の脆化を招くため、その範囲を４％以下とする。
Ｆｅ：５％以下
Ｆｅは、Ｎｉマトリックス中に固溶してＣｕと同様に溶射皮膜全体の強度を向上させる元素である。しかし、その含有量が５％を超えると皮膜硬さが低下し、耐食性および耐摩耗性が劣化するため、その範囲を５％以下とする。
Ｆｅは、Ｎｉマトリックス中に固溶してＣｕと同様に溶射皮膜全体の強度を向上させる元素である。しかし、その含有量が５％を超えると皮膜硬さが低下し、耐食性および耐摩耗性が劣化するため、その範囲を５％以下とする。
Ｂ：２．５〜４％
Ｂは、Ｓｉと同様、溶射用自溶合金材料の必須元素であり、再溶融処理時に自溶性を与えるとともに、脱酸剤として働く。また、Ｃｒ、Ｍｏと結合して複硼化物を形成し、溶射皮膜の硬度、耐摩耗性を向上させる。さらに、マトリックス中ではＮｉ3 Ｂを形成し、マトリックス硬度を向上させる。しかし、その含有量が２．５％未満では複硼化物の形成量が少なく、十分な耐摩耗性が得られず、一方、４％を超えると複硼化物の形成量が多くなりすぎ、靭性の低下を招くため、その範囲を２．５〜４％とする。
Ｂは、Ｓｉと同様、溶射用自溶合金材料の必須元素であり、再溶融処理時に自溶性を与えるとともに、脱酸剤として働く。また、Ｃｒ、Ｍｏと結合して複硼化物を形成し、溶射皮膜の硬度、耐摩耗性を向上させる。さらに、マトリックス中ではＮｉ3 Ｂを形成し、マトリックス硬度を向上させる。しかし、その含有量が２．５％未満では複硼化物の形成量が少なく、十分な耐摩耗性が得られず、一方、４％を超えると複硼化物の形成量が多くなりすぎ、靭性の低下を招くため、その範囲を２．５〜４％とする。
Ｏ：２００ｐｐｍ以下
Ｏは、溶射皮膜中の酸化物の原因となる元素である。この酸化物は再溶融処理時にある程度Ｓｉ、Ｂの脱酸効果により除去されるが、過度に酸化物が形成すると脱酸しきれずに溶射皮膜中に残存し、溶射皮膜の靭性や耐食性を劣化させる。しかし、Ｏ量が、２００ｐｐｍを超えると溶射皮膜中に残存酸化物が増加するため、その含有量を２００ｐｐｍ以下とする。
残部Ｎｉ
Ｎｉは、本発明の、Ｎｉ基自溶合金粉末のマトリックスを形成する元素である。
Ｏは、溶射皮膜中の酸化物の原因となる元素である。この酸化物は再溶融処理時にある程度Ｓｉ、Ｂの脱酸効果により除去されるが、過度に酸化物が形成すると脱酸しきれずに溶射皮膜中に残存し、溶射皮膜の靭性や耐食性を劣化させる。しかし、Ｏ量が、２００ｐｐｍを超えると溶射皮膜中に残存酸化物が増加するため、その含有量を２００ｐｐｍ以下とする。
残部Ｎｉ
Ｎｉは、本発明の、Ｎｉ基自溶合金粉末のマトリックスを形成する元素である。
Ｏｐｐｍ≧−２０Ｍｏ％＋１００
上記に示したＭｏ、Ｏの効果の通り、Ｍｏは複硼化物の形成により再溶融処理時の皮膜の粘性を改善し、一方、Ｏは適度な酸化物を形成することにより再溶融処理時の皮膜の粘性を改善する。従って、両元素は皮膜の粘性に関して互いに補う関係にある。すなわち、Ｍｏ量が５％以下と比較的少量の場合にはある程度高いＯ量が必要となる。このような相関から、Ｏｐｐｍ＜−２０Ｍｏ％＋１００の場合、再溶融処理時に良好な皮膜の粘性が維持できないため、Ｏｐｐｍ≧−２０Ｍｏ％＋１００とする。
上記に示したＭｏ、Ｏの効果の通り、Ｍｏは複硼化物の形成により再溶融処理時の皮膜の粘性を改善し、一方、Ｏは適度な酸化物を形成することにより再溶融処理時の皮膜の粘性を改善する。従って、両元素は皮膜の粘性に関して互いに補う関係にある。すなわち、Ｍｏ量が５％以下と比較的少量の場合にはある程度高いＯ量が必要となる。このような相関から、Ｏｐｐｍ＜−２０Ｍｏ％＋１００の場合、再溶融処理時に良好な皮膜の粘性が維持できないため、Ｏｐｐｍ≧−２０Ｍｏ％＋１００とする。
粉末分級粒度が４４〜１２５μｍの範囲内であり、平均粒径が８０μｍ以上であることが好ましい。すなわち、粉末分級粒度が４４μｍ未満では、溶射時に４４μｍ未満の微粉が過加熱され、粉末表面に強固な酸化皮膜が生成し皮膜中の酸化物の増大の原因となる。また、１２５μｍを超えると溶射時に１２５μｍを超える粗粉の加熱が不十分となり、溶射皮膜へ付着せず粉末歩留りを低下させる。また、平均粒径が８０μｍ以上の場合、特に溶射皮膜中の残留酸化物が低減できるためである。
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
まず、所望の成分組成になるように配合した原料を高周波誘導真空溶解炉を用いて、真空溶解し、不活性ガスアトマイズ法によって合金粉末とした。この合金粉末を、機械分級にて４４〜１２５μｍに分級し、溶射用粉末とした。これらの合金粉末の化学成分を表１に示す。これらの合金粉末を用いてステンレス鋼板上にガスフレーム溶射を行い、次に燃焼炎トーチにより、再溶融処理を施して溶射皮膜を形成し、皮膜を切断してミクロ試験片を作製した。再溶融処理時の作業性、皮膜中の酸化物の割合を調査し、表１に合わせて記載した。
まず、所望の成分組成になるように配合した原料を高周波誘導真空溶解炉を用いて、真空溶解し、不活性ガスアトマイズ法によって合金粉末とした。この合金粉末を、機械分級にて４４〜１２５μｍに分級し、溶射用粉末とした。これらの合金粉末の化学成分を表１に示す。これらの合金粉末を用いてステンレス鋼板上にガスフレーム溶射を行い、次に燃焼炎トーチにより、再溶融処理を施して溶射皮膜を形成し、皮膜を切断してミクロ試験片を作製した。再溶融処理時の作業性、皮膜中の酸化物の割合を調査し、表１に合わせて記載した。
皮膜調査は、ミクロ組織を１００倍で観察したとき、５００μｍ×５００μｍの範囲内に存在する酸化物の数量で判断した。○：２０個未満、△：２０〜４０個未満、×：４０個以上で評価した。また、再溶融処理特性については、作業中に皮膜流動の有無で判断した。○：皮膜流動なし、×：皮膜流動ありで評価した。表１に示すように、Ｎｏ．１〜１０は本発明例であり、Ｎｏ．１１〜１６は比較例である。
比較例Ｎｏ．１１はＭｏ含有量が低く、かつ平均粒径が小さいために、皮膜特性が劣り、再溶融処理特性が悪い。比較例Ｎｏ．１２はＳｉ含有量が高く、かつＭｏ含有量が低く、さらに平均粒径が小さいために、皮膜特性が劣る。比較例Ｎｏ．１３はＣｒ含有量が低く、かつ平均粒径が小さいために、皮膜特性が劣る。比較例Ｎｏ．１４はＳｉ含有量、およびＭｏ含有量が低く、さらに酸素含有量が高いために、皮膜特性が劣る。比較例Ｎｏ．１５はＣｒ、ＣｕおよびＯ含有量が高く、かつＭｏ含有量が低いために、皮膜特性が劣り、再溶融処理特性が悪い。比較例Ｎｏ．１６はＯｐｐｍ≧−２０Ｍｏ％＋１００を満足しないために、皮膜特性が悪い。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜１０のいずれも皮膜特性および再溶融処理特性に優れていることが分かる。
さらに、図１は、ガスフレーム溶射を用いて基板に溶射して得られた皮膜の顕微鏡写真による断面ミクロ写真図である。この図に示すように（ａ）、（ｂ）は本発明例であり、（ｃ）、（ｄ）は比較例であり、本発明例（ａ）、（ｂ）は比較例（ｃ）、（ｄ）に比べ酸化物の少ない溶射皮膜となっていることが分かる。
上述したように、粉末自体の酸素含有量を制限することおよびＭｏ含有量を制限し、良好な皮膜特性および再溶融処理特性が得られるＮｉ基自溶合金粉末について、ガスフレーム溶射を用いて基板に溶射して得た溶射皮膜は、この皮膜中に存在する酸化物を極力低減させることが可能となり、しかも溶射皮膜の耐食性、耐摩耗性に優れた品質向上を図ることを可能とした。
Claims (3)
- 質量％で、
Ｃ：０．４〜０．９％、
Ｓｉ：３．５〜５％、
Ｃｒ：１２〜１７％、
Ｍｏ：３〜８％、
Ｃｕ：４％以下、
Ｆｅ：５％以下、
Ｂ：２．５〜４％、
Ｏ：２００ｐｐｍ以下
を含み、残部がＮｉおよび不可避不純物であり、かつＯｐｐｍ≧−２０Ｍｏ％＋１００を満たすことを特徴とするＮｉ基自溶合金粉末。 - 粉末分級粒度が４４〜１２５μｍの範囲内であり、平均粒径が８０μｍ以上である請求項１に記載のＮｉ基自溶合金粉末。
- 請求項１または２に記載の粉末を、溶射法により成膜した皮膜を有する耐食性および耐摩耗部品。
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| JP2005082419A JP4762583B2 (ja) | 2005-03-22 | 2005-03-22 | Ｎｉ基自溶合金粉末およびその粉末を用いた耐食性、耐摩耗部品 |
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| JP2005082419A JP4762583B2 (ja) | 2005-03-22 | 2005-03-22 | Ｎｉ基自溶合金粉末およびその粉末を用いた耐食性、耐摩耗部品 |
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