JP5114539B2 - 物品の磨耗性能を改良するコーティングおよび物品のコーティング方法 - Google Patents

Description

本発明は、物品または部品に磨耗性能を与える改良型コーティングに関する。

クロムめっきは、種々のコンポーネントの磨耗を防ぐために、５０年以上に亘り使用されてきた。１つの例では、アクチュエータのピストンシャフトやアクチュエータのボア部の摩滅（スコーリング）や一般的な磨耗を防ぐように、硬質のコーティングがなされる油圧アクチュエータがある。これらの面に対する損傷によって、過剰なシール漏れや早期の故障となる。

高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）炭化タングステン熱溶射法は、クロムめっきの代替法として大きな成果を挙げてきた。しかしながら、熱溶射法は、直線的な溶射方法（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）に主に限定され、また、クロムめっき法の３倍の費用を要することがある。ボアの長さを直径で割った値が１より大きい箇所のハウジングのボア部について、最も高い費用となる。

環境に有害な多数の周知な物質または処理方法についてのよりいっそう厳しい規制によって、製造者は、環境調和型の方法のみしか、製造者自身の製品および製造者が購入する製品の製造において用いてはならないことが求められる。有害な処理方法には、６価クロムが含まれる。

６価クロムは、クロムめっき浴における主な機能性成分である。これらのめっき浴によって、めっき処理中に６価クロムを含む、ミストが生じ、このミストは、廃棄する前に、複雑でコストのかかる排出処理システムを介して捕獲して処理しなければならない。さらに、めっき浴から取り出した部品も水で洗浄しなければならない。この洗浄水も、捕獲したミストと同様に、洗浄水を適宜排出する前に、有害排出物として処理しなければならない。また、クロムめっき浴の使用によって、作業者が、６価クロムを含む化合物を取り扱う危険性に晒される。

炭化珪素や炭化クロムなどの硬質粒子を含む電気めっきした複合型ニッケルめっきまたはコバルトめっきは、クロムめっきの代替法としては限界がある。これらのコーティングにおける硬質カーバイド粒子は、過剰に磨耗するのを防止するが、硬質粒子を保持する軟質のニッケルまたはコバルトめっきマトリックスは、容易に剥がれてしまい、シール漏れが加速される不完全な表面となる可能性がある。さらに、このような軟質マトリックスが磨耗すると、カーバイド粒子が脱落する。カーバイド粒子の脱落によって、シール漏れの原因となる表面の孔が生じ、さらに硬質カーバイド粒子が、あらたなる磨耗要因となる粒子として作用することになる。

硬質粒子が添加されない、ニッケル−ホウ素またはニッケル−リンの無電解めっきなどの硬質めっきにも、効果に限界がある。このような仕上げ加工処理は、従来、極めて薄く付着する用途に限定される（０．００３インチ未満の厚み）。このような付着は、積層後に十分に機械加工することができず、磨耗した表面を回復する用途に限定される。新規な金属製品についても、めっき後の加工を防ぐために、より厳格な製造公差が要求される。硬質粒子を付加しない場合、これらのコーティングは、クロムめっきやＨＶＯＦ炭化タングステン法よりも激しく磨耗する傾向にある。さらに、ニッケル−リンの無電解めっきは、かじりきず（ｇａｌｌｉｎｇ）などの粘着性のある磨耗が生じることが知られており、ニッケル−ホウ素の無電解めっきは、柱状構造の不安定な破砕によって破損することがあり、コーティングが剥がれてしまう。

近年の環境的制限により、耐摩耗性コーティングを含むあらゆる用途に対して、従来のクロムめっきに代替する方法が必要とされている。

本発明によれば、物品の磨耗性能を改善するコーティングが提供される。このコーティングは、５５０〜１０００ＨＶの範囲の硬度を有するコバルト材料マトリックスと、このコバルト材料マトリックス中の複数のカーバイド粒子と、を広く含む。

さらに、本発明によれば、５５０〜１０００ＨＶの範囲の硬度を有するコバルト材料マトリックスと、コバルト材料マトリックス中の複数のカーバイド粒子と、を広く含むコーティングを備える物品を提供する。

さらに、物品にコーティングを形成する方法を提供する。この方法は、コーティングするべき物品を備えるステップと、約１８０〜２１０ｇ／ｌの塩化コバルト、約０．０５〜２．０ｇ／ｌの炭酸コバルト、約４５〜５５ｇ／ｌのオルトリン酸、および約５．０〜１５．０ｇ／ｌの亜リン酸からなる化学組成を有するめっき浴溶液を設けるステップと、このめっき浴溶液と接触するように物品を配置して、この物品にコーティングを積層するように電流を流すステップと、を含むとともに、上記めっき浴溶液を設けるステップが、最終的なコーティングにおいてカーバイド粒子が約１５〜３０体積％となるのに十分なだけの量のカーバイド粒子を、上記めっき浴溶液に添加することをさらに含む。

アクチュエータの断面図。 粒子を加えていないコバルト−リン酸コーティングの倍率５００倍のＳＥＭ顕微鏡写真。 炭化珪素粒子を含むコバルト−リン酸コーティングの倍率５００倍のＳＥＭ顕微鏡写真。 炭化クロム粒子を含むコバルト−リン酸コーティングの倍率５００倍のＳＥＭ顕微鏡写真。 実験例で試験に供した炭化クロムを含むコーティングの断面図の顕微鏡写真。 実験例で試験に供した炭化珪素を含むコーティングの断面図の顕微鏡写真。

本発明によれば、部品の耐磨耗性能を改善するコーティングを提供する。このコーティングは、電気めっき処理を用いて部品または物品に塗布される。

このコーティングは、少なくとも５５０ＨＶの硬度を有するコバルト材料マトリックスと、このコバルト材料マトリックス中の複数のカーバイド粒子と、を広く備える。このコバルト材料マトリックスは、５５０〜１０００ＨＶの範囲の硬度を有する。コバルト材料マトリックスは、コバルト‐リン（ＣｏＰ）合金でも良く、ここで、リンは、最終的なコーティング中に、４．０〜６．０重量％存在する。最終的なコーティングのマトリックス中に散在つまり分散しているカーバイド粒子は、炭化クロム粒子、炭化珪素粒子、または他の種類の粒子でもよい。カーバイド粒子の代わりに、ダイヤモンドまたはダイヤモンド粒子を用いることができる。カーバイド粒子または他の粒子は、コバルト材料マトリックス中に、約１５〜３０体積％の範囲で存在し、均一に分散される。各粒子は、約２．０〜１０μｍの範囲の平均粒子寸法を有する。最終的なコーティングの残りは、コバルトである。

図２は、何も粒子を加えていないＣｏＰコーティングを示している。図３は、本発明による炭化珪素粒子を加えて形成されたＣｏＰコーティングを示している。図４は、炭化クロム粒子を含むＣｏＰコーティングを示している。図２〜図４は、二次電子モード（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｄｅ）で撮影されたトポグラフを示す。

本発明のコーティングは、めっき技術を用いて形成することができる。めっき浴溶液は、約１８０〜２１０ｇ／ｌの塩化コバルト（ＣｏＣｌ₂・６Ｈ₂Ｏ）、中和／ｐＨ調整用の約０．０５〜２．０ｇ／ｌの炭酸コバルト（ＣｏＣＯ₃）、約４５〜５５ｇ／ｌのオルトリン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）および約５．０〜１５．０ｇ／ｌの亜リン酸（Ｈ₃ＰＯ₃）からなる化学組成を有する。さらに、この溶液は、最終的なコーティングにおいて約１５〜３０体積％のカーバイド粒子となるのに十分なだけの量のカーバイド粒子を含む。これらの粒子は、めっき処理中に、攪拌され、共に積層（ｃｏ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）される。粒子の攪拌は、コーティング中にカーバイド粒子を均一に分散させるので、好ましい。このような攪拌処理は、攪拌装置などの当業者に周知な適宜な手段を用いて行われる。上記めっき浴は、約６５〜８５°Ｃの温度範囲に維持される。さらに、このめっき浴は、約０．７〜１．７のｐＨを有する。このコーティングは、めっき浴溶液に浸漬されるか、あるいは接触するように配置された物品、部品、または複数の部品に、４５〜３００アンペア／平方フィートの範囲の電流密度を用いて、積層される。１つまたは複数のアノードが、部品の上にめっきを積層するように用いられる。各アノードは、消耗可能なコバルト材料、またはプラチナやグラファイトなどの不活性な材料から形成することができる。積層されたままのコーティングは、約５５０〜６５０ＨＶの範囲の硬度を有する。コーティングの硬度、特に、コバルト−リンマトリックスの硬度を増加させるために、コーティングが積層された部品は、約２００〜４００°Ｃの温度範囲で、約１．０〜２．０時間の時間範囲で、熱処理される。このような熱処理は、炉などの周知な適宜の加熱装置および適宜な雰囲気を用いて行うことができる。この熱処理によって、コバルト−リンマトリックスおよび分散したカーバイド粒子を有するコーティングの製造が可能となり、コバルト−リンマトリックスは、約６５０〜１０００ＨＶの硬度範囲を有する。

本発明のコーティングの形成方法は、従来のクロムめっきに関する環境的な危険性を取り除くとともに、好ましい電気溶着の特性を包含する点、すなわち、直線的な溶射法に限定されず、さらに、研磨や製造公差を考慮するように積層可能な点において有利である。

実験例
本発明のコーティングを、Ｔｒｉｂａｌｙ Ｔ−４００プラズマ溶射コーティングと比較して、試験した。このＴｒｉｂａｌｙ Ｔ−４００プラズマ溶射コーティングは、特定用途においてクロムめっきに代替する方法として現在用いられている。試験では、アクチュエータのボア部を有する試験用ハウジングをコーティングし、油圧アクチュエータの寿命を推定するように、ボア部内のピストンを十分な回数往復させた。この場合、アクチュエータのピストンヘッドを、炭化タングステン−コバルトコーティングを用いたＨＶＯＦ（高速酸素燃料）でコーティングした。アクチュエータのボア部の母材は、チタンとし、ピストンヘッドのシールは、ＰＴＦＥベースのエラストマーで被覆されたキャップシールとし、アクチュエータ試験用の流体は、ジェット燃料と一致する性質の脂肪族炭化水素とした。ピストンヘッドは、５００ポンドの荷重でアクチュエータのボア部に対して側面荷重をかけ、ピストンヘッドのシール全体の圧力差は、２８００ｐｓｉだった。ピストンの移動は、−０．０１０〜＋０．０１０インチのディザ（ｄｉｔｈｅｒｉｎｇ）、および−０．２５〜＋０．２５インチのストロークとした。Ｔｒｉｂａｌｏｙコーティングは、コーティングの損壊によって、試験終了時に破損した。このような破損によって、ピストンヘッドの位置で、コーティングは０．００３０〜０．００３５インチ磨耗し、コーティングが薄い層にさけた箇所の残ったコーティングの厚みは、０．０００５〜０．００１０インチだった。ＰＴＦＥキャップシールの重量損失は、０．１１０２ｇだった。（１）炭化クロム粒子を有するコーティング、および（２）炭化珪素粒子を有するコーティングを用いて、本発明のコーティングを試験した。図５は、炭化クロム含有コーティングを示す。図６は、炭化珪素含有コーティングを示す。これらの顕微鏡写真は、断面図の写真である。両方のコーティングは、４００°Ｆ（約２０４°Ｃ）で、１時間熱処理した。同一の試験条件において、炭化クロム含有コーティングは、ピストンの接触部で、深さが０．０００００４インチの磨耗を示し、シールの重量損失は、０．０１８８ｇの減少となった。炭化珪素粒子含有コーティングは、ピストンヘッドで、０．０００００８インチの磨耗を示し、シールの重量損失は、０．１３６３ｇの増加となった。従って、炭化珪素粒子含有コーティングは、完璧な耐摩耗性を示した。炭化クロム含有コーティングは、特に、シール用途に適している。

本発明のカーバイド粒子含有コーティングは、クロムめっきや他のめっきよりも、機械的特性において著しく有利である。ひずみ限界つまり単調な荷重が作用する下でコーティングにクラックが生じるまでのひずみを試験した。この特性によって、脆いコーティングの疲労性能に関して信頼性の高い指標（ランキング）を少なくとも得られ、さらにいくつかのケースでは、コーティングの疲労特性を予測するために利用できることがわかっている。めっきしたままの条件において、炭化クロムおよび炭化珪素含有コーティングの双方は、０．００６５インチ／インチのひずみ限界を示した。４５０°Ｆ（約２３２°Ｃ）、２時間の熱処理後、炭化クロム含有コーティングのひずみ限界は、０．００５０インチ／インチであり、炭化珪素含有コーティングのひずみ限界は、０．００２５インチ／インチだった。これらの結果全ては、ひずみ限界が０．００１１インチ／インチであるクロムめっき、ならびに、ひずみ限界が０．０００６５インチ／インチのニッケル−ホウ素無電解めっきと比較して、好ましいものである。さらに、めっきされたままの炭化クロムおよび炭化珪素含有コーティングの双方、ならびに、熱処理された炭化クロム含有コーティングのサンプルは、ひずみ限界が０．００５〜０．００６インチ／インチの範囲である、最も疲労耐性に優れたＨＶＯＦまたはスーパＤ−ｇｕｎ炭化タングステンコーティングと同等のひずみ限界であることが示された。

本発明のコーティングは、幅広い種々の用途において使用することができる。例えば、本発明のコーティングは、図１に示されるように、アクチュエータのボア部のコーティング２０として使用することができる。さらに、本発明のコーティングは、プロペラのドーム部、プロペラのヨーク部、プロペラの反トルクアーム部、ランディングギア、燃料制御用ボア部、ガンバレル（ｇｕｎ ｂａｒｒｅｌ）、および硬質コーティングが塗布されるのに望ましい他の用途において利用することができる。

２０…アクチュエータボア

Claims (12)

1. 電気めっきされたコバルト−リン合金からなる６５０〜１０００ＨＶの範囲の硬度のコバルト材料マトリックスと、
   このコバルト材料マトリックス中に含まれる２．０〜１０μｍの範囲の平均粒子寸法を有する複数のカーバイド粒子と、
   を含み、
   最終的なコーティング中の上記リンが、４．０〜６．０重量％の範囲で存在し、かつ上記カーバイド粒子が、１５〜３０体積％の範囲で存在することを特徴とする物品の磨耗性能を改良するコーティング。
2. 上記カーバイド粒子が、炭化クロム粒子および炭化珪素粒子からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の物品の磨耗性能を改良するコーティング。
3. 上記コーティングが、５５０〜６５０ＨＶの範囲の硬度を有することを特徴とする請求項１に記載の物品の磨耗性能を改良するコーティング。
4. 電気めっきされたコバルト−リン合金からなる６５０〜１０００ＨＶの範囲の硬度を有するコバルト材料マトリックスと、このコバルト材料マトリックス中に含まれる２．０〜１０μｍの範囲の平均粒子寸法を有する複数のカーバイド粒子と、を備えたコーティングを有する物品であって、
   最終的なコーティング中の上記リンが、４．０〜６．０重量％の範囲で存在し、かつ上記カーバイド粒子が、１５〜３０体積％の範囲で存在することを特徴とする物品。
5. アクチュエータのボア部を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
6. プロペラのドーム部を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
7. プロペラのヨーク部を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
8. プロペラの反トルクアーム部を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
9. 燃料制御用ボア部を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
10. ガン・バレルを含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
11. 上記カーバイド粒子が、炭化クロム粒子および炭化珪素粒子からなる群から選択されることを特徴とする請求項４に記載の物品。
12. 上記コーティングが、５５０〜６５０ＨＶの範囲の硬度を有することを特徴とする請求項４に記載の物品。