JP6351070B2 - 機能性自溶合金被覆層の形成方法 - Google Patents
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Description
また、自溶合金被覆層に機能性材料を含有させることによって、当該自溶合金被覆層に特定の機能を付与したり、自溶合金による性能(例えば耐摩耗性)を更に向上させたりすることも行われている。
本発明の目的は、自溶合金とともに使用する機能性材料に熱劣化などを生じさせることがなく、当該機能性材料による機能を十分に発揮させることのできる機能性自溶合金被覆層の形成方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、自溶合金による優れた耐摩耗性および耐食性とともに、使用する機能性材料による優れた潤滑性を十分に発揮させることのできる機能性自溶合金被覆層の形成方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、自溶合金による優れた耐摩耗性および耐食性を、使用する機能性材料により更に向上させることのできる機能性自溶合金被覆層の形成方法を提供することにある。
前記基材の表面に形成された塗膜を乾燥して前記溶剤を除去する乾燥工程と、
高周波誘導加熱装置により乾燥塗膜を1000〜1200℃に加熱することによって、前記結着樹脂を熱分解除去するとともに前記自溶合金粉末および前記機能性材料粉末を焼結させる焼結工程とを含み、
前記焼結工程において、焼結温度に至るまでの昇温速度が20〜200℃/秒であることを特徴とする。
これにより、当該機能性材料による機能を十分に発揮させることのできる機能性自溶合金被覆層を形成することができる。
本発明の形成方法は、自溶合金粉末と機能性材料粉末と結着樹脂と溶剤とを含むスラリー状の膜形成性組成物を基材の表面に塗布する塗布工程と、基材の表面に形成された塗膜を乾燥する乾燥工程と、乾燥塗膜を1000〜1200℃に加熱して自溶合金粉末および機能性材料粉末を焼結させる焼結工程とを含む。
本発明の形成方法に使用する膜形成性組成物は、自溶合金粉末と機能性材料粉末と結着樹脂と溶剤とを含有するスラリー状の組成物である。
膜形成性組成物に含有される自溶合金粉末としては、JIS H 8260(溶射用粉末材料)に規定されているものを挙げることができる。
自溶合金の焼結温度としては1000〜1200℃であることが好ましく、更に好ましくは1010〜1100℃とされる。
自溶合金粉末の平均粒径としては150μm以下であることが好ましく、更に好ましくは10〜45μmとされる。
また、自溶合金被覆層の耐摩耗性や耐食性を更に向上させることのできる機能性材料粉末として、炭化タングステン(WC)、炭化ケイ素(SiC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、二炭化三クロム(Cr3 C2 )などの金属炭化物粒子、窒化チタン(TiN)、窒化クロム(CrN)などの金属窒化物粒子、二酸化ケイ素(SiO2 )、酸化アルミニウム(Al2 O3 )、酸化クロム(Cr2 O3 )などを挙げることができる。
これらは、単独でまたは2種以上を組み合わせて機能性材料粉末として使用することができる。
機能性材料粉末の平均粒径としては100μm以下であることが好ましく、更に好ましくは1〜50μmとされる。
結着樹脂の熱分解温度は600℃以下であることが好ましい。
結着樹脂の含有割合が過小である場合には、自溶合金粉末および機能性材料粉末を十分に結着させることができず、得られる組成物は塗膜形成性に劣るものとなる。
他方、結着樹脂の含有割合が過大である場合には、気孔率が高くなり、緻密な焼結体を形成することが困難となる。
本発明の形成方法における塗布工程では、上記の膜形成性組成物を基材表面に塗布する。
本発明において使用される基材(機能性自溶合金被覆層を形成する被処理物)は、通常、鋼材などの金属材料からなる。なお、鋼材上に形成された既存の被覆層、例えば、自溶合金以外の被覆層、溶射工程を経て形成された自溶合金被覆層、機能性材料を含有しない自溶合金被覆層などの表面に塗布すること(本発明による機能性自溶合金被覆層を積層形成すること)も可能である。
基材の形状としては、特に限定されるものではなく、複雑な形状であっても適応することができる。
本発明の形成方法における乾燥工程は、基材の表面に形成された塗膜を乾燥することにより、塗膜中の溶剤を除去して乾燥塗膜を形成する工程である。
ここに、乾燥温度としては100℃以下とされ、好ましくは10〜70℃とされる。
乾燥方法としては、塗膜が形成された基材を大気中に放置するだけでよいが、圧縮空気や熱風を塗膜に吹き付けてもよい。
乾燥時間としては、膜形成性組成物中の溶剤の含有割合や乾燥条件などにより異なるが、通常1〜20時間とされる。
溶剤が除去された乾燥塗膜の膜厚としては、通常0.1〜5.0mmとされ、好ましくは0.5〜3.0mmとされる。
本発明の形成方法における焼結工程は、基材の表面に形成された乾燥塗膜を1000〜1200℃に加熱して、結着樹脂を熱分解除去するとともに自溶合金粉末および機能性材料粉末を焼結させる工程である。
焼結時間が短すぎる場合には、結着樹脂の熱分解除去、粉末の焼結、基材と被覆層との相互拡散を十分に行うことができない。他方、焼結時間が長すぎる場合には、被覆層を構成する自溶合金および機能性材料が劣化して、被覆層の性能が低下するおそれがある。
ここに、昇温速度が低すぎると、焼結温度に達する前に結着樹脂がすべて熱分解されるため、焼結温度まで被覆層を十分に保持できず、最終的に得られる自溶合金被覆層にムラができやすい。他方、昇温速度が高すぎると、焼結温度に達したときにも多量の結着樹脂が被覆層内に残存するため、最終的に得られる自溶合金被覆層の気孔率が高くなる。
この焼結工程によって、緻密な皮膜(機能性自溶合金被覆層)が基材の表面に形成され、その耐久性(耐摩耗性・耐食性)が向上するとともに、機能性材料による機能性が発揮される(あるいは、機能性材料による更なる耐摩耗性・耐食性の向上効果が得られる)。 ここに、本発明の形成方法により形成される機能性自溶合金被覆層の膜厚としては、通常0.05〜3.0mmとされ、好ましくは0.5〜2.0mmとされる。
また、本発明の方法により形成された機能性自溶合金被覆層は、強固で基材に対する密着性も良好であり、また、その気孔率も低くて緻密性も良好である。
<実施例1>
(1)膜形成性組成物の調製:
JIS H 8303 NiCrCuMoBSi 69 15 3 3 Aに相当する平均粒径37μmの自溶合金粉末「Diamalloy 4016」(Sulzer Metco製)95.0質量部と、機能性材料粉末(固体潤滑剤粒子)として平均粒径30μmのボロンナイトライド(電気化学工業(株)製)5.0質量部と、熱分解温度が400℃の結着樹脂1質量部と、溶剤18質量部とを混合して、粘度(25℃)が100dPa・sの膜形成性組成物を調製した。
ブラスト処理が施された一般構造用圧延鋼材SS400からなる基板(40mm×30mm×4.5mm)の表面に、上記(1)で得られた膜形成性組成物をスプレー装置により塗布して塗膜を形成した。
上記(2)により塗膜が形成された基板を、温度50℃の恒温槽内に6時間放置することにより、塗膜中の溶剤を完全に除去した。
このようにして形成された乾燥塗膜の厚さは1.7mm程度であった。
上記(3)により基板の表面に形成された乾燥塗膜を、高周波誘導加熱装置を用いて、約50℃/秒の昇温速度で1050℃まで昇温させ、この温度で60秒間にわたり加熱することにより、結着樹脂を熱分解除去するとともに自溶合金粉末およびボロンナイトライドを焼結させた。その後、30分間かけて室温まで冷却することにより、基板の表面に厚さ1mm程度の機能性(潤滑性)自溶合金被覆層を形成した。
自溶合金粉末の配合量を100.0質量部に変更し、ボロンナイトライドを混合しないで膜形成性組成物を調製したこと以外は実施例1(1)〜(4)と同様にして、厚さ1mm程度の自溶合金被覆層を基板の表面に形成した。
実施例1で使用したものと同様の自溶合金粉末95.0質量部と、実施例1で使用したものと同様のボロンナイトライド5.0質量部とを混合し、この混合粉末を、SS400からなる基板(40mm×30mm×4.5mm)の表面に溶射することにより、当該基板の表面に溶射皮膜を形成した。ここに、フレーム温度は2900℃であった。
このようにして基板の表面に形成された溶射皮膜を1050℃に加熱して再溶融(フュージング)処理することにより厚さ1mm程度の溶射被覆層を基板の表面に形成した。
実施例1および比較例1〜2によって自溶合金被覆層を形成した基板の各々について、リニアモジュール試験機(CSM Instruments社製)により摩擦係数を測定した。結果を図1〜3および下記表1に示す。
ここに、測定条件は下記のとおりである。
・最大速度:50mm/s
・荷重 :10N
・停止条件:1433サイクル
・相手材 :SUJ2(ボール)
(1)膜形成性組成物の調製:
実施例1で使用したものと同様の自溶合金粉末65.0質量部と、機能性材料粉末として平均粒径10μmの炭化タングステン粒子(住友金属鉱山(株)製)35.0質量部と、熱分解温度が400℃の結着樹脂1質量部と、溶剤18質量部とを混合して、粘度(25℃)が100dPa・sの膜形成性組成物を調製した。
鋼材からなる円筒状の試験材(直径:28mm,幅:8mm)の側周面をブラスト処理した後、上記(1)で得られた膜形成性組成物をスプレー装置により塗布して塗膜を形成した。
上記(2)によって側周面に塗膜が形成された試験材を、温度50℃の恒温槽内に6時間放置することにより、塗膜中の溶剤を完全に除去した。
このようにして形成された乾燥塗膜の厚さは1.7mm程度であった。
上記(3)により試験材の側周面に形成された乾燥塗膜を、高周波誘導加熱装置を用いて、約50℃/秒の昇温速度で1050℃まで昇温させ、この温度で60秒間にわたり加熱することにより、結着樹脂を熱分解除去するとともに自溶合金粉末および炭化タングステン粒子を焼結させた。その後、30分間かけて室温まで冷却することにより、試験材の側周面に厚さ1mm程度の機能性自溶合金被覆層を形成した。
自溶合金粉末の配合量を100.0質量部に変更し、炭化タングステン粒子を混合しないで膜形成性組成物を調製したこと以外は実施例2(1)〜(4)と同様にして、試験材の側周面に厚さ1mm程度の自溶合金被覆層を形成した。
実施例2および比較例3によって側周面に自溶合金被覆層を形成した試験材の各々について、西原式摩耗試験機を用いて自溶合金被覆層の摩耗減量を測定することにより、耐摩耗性を評価した。ここに、測定条件は下記のとおりである。
・試験荷重:1.5kN
・すべり度:30%
・試験時間:6時間
・回転数 :800rpm
・試験環境:湿式
Claims (2)
- 自溶合金粉末と固体潤滑剤粒子からなる機能性材料粉末と結着樹脂と溶剤とを含むスラリー状の膜形成性組成物を基材の表面に塗布する塗布工程と、
前記基材の表面に形成された塗膜を乾燥して前記溶剤を除去する乾燥工程と、
高周波誘導加熱装置により乾燥塗膜を1000〜1200℃に加熱することによって、前記結着樹脂を熱分解除去するとともに前記自溶合金粉末および前記機能性材料粉末を焼結させる焼結工程とを含み、
前記焼結工程において、焼結温度に至るまでの昇温速度が20〜200℃/秒であることを特徴とする機能性自溶合金被覆層の形成方法。 - 前記機能性材料粉末が、ボロンナイトライド、二硫化モリブデンおよびグラファイトから選ばれた少なくとも一種の固体潤滑剤粒子であることを特徴とする請求項1に記載の機能性自溶合金被覆層の形成方法。
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