JP6457420B2 - 溶射用粉末およびこれを用いたアブレーダブル溶射皮膜の成膜方法 - Google Patents
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Description
1.溶射用粉末10について
図1は、本発明の実施形態に係る溶射用粉末10の模式的概念図である。
本実施形態に係る溶射用粉末10は、アブレーダブル溶射皮膜(以下、溶射皮膜という)を成膜するための溶射用粉末である。なお、アブレーダブル溶射皮膜とは、アブレーダブル特性を有した溶射皮膜のことである。
NiCr系合金粒子11は、NiCr系合金からなる粒子であり、Crの含有量は特に限定されないが、NiCr系合金粒子に、粒子全体の質量に対して20〜50質量%の範囲でCrを含有していることが好ましい。これにより、NiCr系合金粒子の耐酸化性を向上させることができる。
合成マイカ粒子12は、人工的に合成されたマイカからなる粒子のことであり、天然マイカからなる粒子とは異なる。一般的に、合成マイカは、天然マイカよりも融点が高い。合成マイカ粒子12は、溶射用粉末10の全体積に対して、40体積%以下含有されている。合成マイカ粒子12を溶射用粉末10の全体積に対して40体積%以下含有させることにより、成膜された溶射皮膜の強度を確保することができる。h−BN粒子を含まない場合、溶射用粉末10の全体積は、NiCr系合金粒子11、および合成マイカ粒子12の体積の合計値である。
図1に示す溶射用粉末10には、h−BN粒子をさらに含んでいてもよい。h−BN粒子は、六方晶系の窒化ホウ素からなる粒子である。h−BN粒子は、溶射用粉末10を造粒する際に、NiCr系合金粒子11および合成マイカ粒子12と共に結合剤を介して結合されてもよい。
以下に、図2および図3を参照しながら、溶射皮膜1の成膜方法と溶射皮膜1の特性について説明する。図2は、図1に示す溶射用粉末10で成膜された溶射皮膜1の模式的概念図である。図3は、図2に示す溶射皮膜1に相手部材4が接触したときの溶射皮膜1の合成マイカ粒子12Aの挙動を説明するための図である。
(1)供給する燃焼ガスの供給流量(例えばC2H2ガスの供給流量)
(2)燃焼ガスに流速を向上させるためのノズル外周エア圧
(3)基材と溶射ガンとの溶射距離
(4)溶射用粉末の供給速度
まず、以下の参考例1−1〜1−7および参考例2−1,2−2に従って、以下の確認試験を行うことにより、溶射用粉末で溶射皮膜を成膜するための条件を確認した。
具体的には、ガスフレーム溶射装置(Castolin Eutectic社製、TERO−DYN3000)を用いて、以下に示す溶射用粉末を、幅25mm、長さ50mm、厚さ6mmの基材(JIS規格:S45C)の表面に溶射し、溶射皮膜を成膜した。
図4に示すように、参考例1−1〜1−5の総合指数よりも大きい総合指数となる参考例1−6,1−7の溶射皮膜の硬さは、参考例1−1〜1−5のものよりも大きかった。参考例2−1,2−2の溶射皮膜の硬さは、参考例1−1〜1−7のものよりも大きかった。
図7に示すように、参考例1−5の溶射皮膜では、合成マイカ粒子に特有の鱗片状の組織が残存し、溶射皮膜の断面はややポーラスであった。一方、参考例1−6では合成マイカ粒子に特有の鱗片状の組織はなく、合成マイカが溶融して凝固したものが緻密な塊となっていることがわかる。
〔実施例1〕
上述した確認試験における参考例1−5で示した条件(表1参照)で、基材の表面に溶射皮膜を成膜した溶射試験片を作製した。確認試験1−5と相違する点は、合成マイカ粒子が、溶射用粉末に含まれるNiCr系合金粒子と合成マイカ粒子とを合わせた体積である、溶射用粉末の全体積に対して、10体積%以下含有されるように、NiCr系合金粒子と合成マイカ(フッ素金雲母)粒子から、溶射用粉末を造粒した点である。なお、この合成マイカ粒子の含有量の10体積%は、溶射用粉末に含まれるNiCr系合金粒子と合成マイカ粒子とを合わせた質量(溶射用粉末の全質量)に対して、2.5質量%に相当する。
実施例1と同じようにして、溶射試験片を作製した。実施例1と相違する点は、表2に示すように、溶射用粉末の全体積に対して、合成マイカ粒子の含有量を、順次、20体積%、30体積%、40体積%にした点である。なお、この合成マイカ粒子の含有量の、20体積%、30体積%、および40体積%は、溶射用粉末の全質量に対して、順次、3.5質量%、7.4質量%、17.7質量%に相当する。
実施例1と同じようにして、溶射試験片を作製した。実施例1と相違する点は、表2に示すように、比較例1では、合成マイカ粒子を含有させていない点(0体積%)であり、比較例2では、合成マイカ粒子の含有量を、50体積%、にした点である。
実施例1と同じようにして、溶射皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、表2に示すように、合成マイカ粒子の代わりに、h−BN粒子を添加した点であり、溶射用粉末に含まれるNiCr系合金粒子とh−BN粒子とを合わせた体積(溶射用粉末の全体積)に対して、h−BN粒子を、順次、20体積%、25体積%、30体積%含有した点である。
実施例1と同じようにして、溶射皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、NiCr系合金粒子の代わりに、Ni:13質量%、Cr:8質量%、残部がFeおよび不可避不純物からなる鉄系合金粒子を用いた点と、合成マイカ粒子の代わりに、h−BN粒子と、Al粒子とを用い、溶射用粉末に含まれる鉄系合金粒子、h−BN粒子、およびAl粒子とを合わせた全体積(溶射用粉末の全体積)に対して、h−BN粒子を、19.2体積%、Al粒子を8.8体積%、含有させた点である。
実施例1〜4および比較例1〜6の溶射試験片に対して、図8に示す被削性試験装置を用いて、被削性試験を行った。具体的には、相手部材として、自動車のターボチャージャのタービンホイールと同じ材料(Ni−13Cr−4Mo−2Nb−6Al−0.8Ti−0.1Zn−0.01B)のチップ型試験片51を準備し、これを電気炉52内のロータ53に2枚取付けた。次に、可動装置54に取付けた溶射試験片55を、チップ型試験片51に当接させた状態で、溶射試験片55の位置を固定した。次に、電気炉52内の温度を500℃まで昇温し、ロータ53の回転速度を1200rpmにし、チップ型試験片51の送り速度を0.05mm/秒で、10秒間、ロータ53を回転させた。
図9に示すように、合成マイカ粒子を含有していない比較例1の溶射試験片は、ほとんど削れておらず、チップ型試験片の摩耗量は、実施例1〜4に比べて多かった。ここで、実施例1〜4では、上述した確認試験の参考例1−5の条件で、溶射皮膜を成膜していることから、溶射皮膜には、劈開性を有した合成マイカ粒子(マイカの鱗片状の組織)が残存している。したがって、実施例1〜4では、溶射皮膜が削られた際には、鱗片状の組織を有した合成マイカ粒子が破砕されて、鱗片状の微細な合成マイカ粒子になると考えられる。この結果、後述するように、実施例1〜4では、溶射試験片の溶射皮膜の被削性を高めつつ、相手部材であるチップ型試験片の凝着摩耗を抑制することができたと考えらえる。
実施例1と同じようにして、基材の表面に溶射皮膜を成膜した溶射試験片を作製した。実施例1−1は、実施例1と同じである。実施例1−2〜1−5が、実施例1と相違する点は、溶射用粉末に、平均粒径を5μmに分級したh−BN粒子をさらに含めた点である。具体的には、表3に示すように、実施例1−2〜1−5では、h−BN粒子が、溶射用粉末の全体積である、NiCr系合金粒子と合成マイカ粒子とh−BN粒子とを合わせた体積に対して、順次、5体積%、10体積%、15体積%、および20体積%含有されている点である。なお、このh−BN粒子の含有量の5体積%、10体積%、15体積%および20体積%は、溶射用粉末の全質量に対して、順次、1.5質量%、3.3質量%、4.9質量%、および6.9質量%に相当する。
実施例1−1と同じようにして、基材の表面に溶射皮膜を成膜した溶射試験片を作製した。比較例1−1が、実施例1−1と相違する点は、溶射用粉末に、平均粒径を5μmに分級したh−BN粒子をさらに含めた点である。具体的には、表3に示すように、比較例1−1では、h−BN粒子が、溶射用粉末の全体積に対して、25体積%含有されている点である。
実施例2と同じようにして、基材の表面に溶射皮膜を成膜した溶射試験片を作製した。実施例2−1は、実施例2と同じである。実施例2−2〜2−5が、実施例2と相違する点は、溶射用粉末に、平均粒径を5μmに分級したh−BN粒子をさらに含めた点である。具体的には、表3に示すように、実施例2−2〜2−5では、h−BN粒子が、溶射用粉末の全体積に対して、順次、5体積%、10体積%、15体積%、および20体積%含有されている点である。なお、このh−BN粒子の含有量の5体積%、10体積%、15体積%および20体積%は、溶射用粉末の全質量に対して、順次、1.6質量%、3.4質量%、5.4質量%、および7.5質量%に相当する。
実施例2−1と同じようにして、基材の表面に溶射皮膜を成膜した溶射試験片を作製した。比較例2−1が、実施例2−1と相違する点は、溶射用粉末に、平均粒径を5μmに分級したh−BN粒子をさらに含めた点である。具体的には、表3に示すように、比較例2−1では、h−BN粒子が、溶射用粉末の全体積に対して、25体積%含有されている点である。
実施例3と同じようにして、基材の表面に溶射皮膜を成膜した溶射試験片を作製した。実施例3−1は、実施例3と同じである。実施例3−2〜3−4が、実施例3と相違する点は、溶射用粉末に、平均粒径を5μmに分級したh−BN粒子をさらに含めた点である。具体的には、表3に示すように、実施例3−2〜3−4では、h−BN粒子が、溶射用粉末の全体積に対して、順次、5体積%、10体積%、および15体積%含有されている点である。なお、このh−BN粒子の含有量の5体積%、10体積%、および15体積%は、溶射用粉末の全質量に対して、順次、1.8質量%、3.7質量%、および5.9質量%に相当する。
実施例3−1と同じようにして、基材の表面に溶射皮膜を成膜した溶射試験片を作製した。比較例3−1,3−2が、実施例3−1と相違する点は、溶射用粉末に、平均粒径を5μmに分級したh−BN粒子をさらに含めた点である。具体的には、表3に示すように、比較例3−1および比較例3−2では、h−BN粒子が、溶射用粉末の全体積に対して、順次、20体積%、25体積%含有されている点である。
実施例1〜1〜1−5、比較例1−1、実施例2−1〜2−5、比較例2−1、実施例3−1〜3−4、および比較例3−1、3−2の溶射試験片に対して、実施例1と同様に被削性試験を行った。この結果を表3および図11に示す。なお、図11には、比較例3および4の結果も合わせて示した。
図11に示すように、実施例1〜1〜1−5、実施例2−1〜2−5、および実施例3−1〜3−4の場合にも、h−BN粒子の含有量が増加するに従って、溶射試験片の削れ深さが増加し、チップ型試験片の摩耗量が減少した。これは、h−BN粒子のh−BNは、グラファイトのように、固体潤滑性を有する材料であるからであると考えられる。
以下の参考例3−1〜3−4および参考例4−1〜4−5の材料を、以下の確認試験2を行うことにより、実施例1で用いたNiCr系合金粒子の好ましい組成を確認した。
[参考例3−1〜3−4]
参考例3−1〜3−4では、NiCr系合金粒子の素材として、順次、Crの含有量が、10質量%,20質量%,30質量%,50質量%、残部がNiおよび不可避不純物からなるNiCr合金材を準備した。
参考例4−1〜4−5では、NiCr系合金粒子の素材として、Alの含有量が5質量%であり、順次、Crの含有量が、9.5質量%、18質量%、19質量%、33.2質量%、47.5質量%であり、残部がNiおよび不可避不純物からなるNiCrAl合金材を準備した。
参考例3−1〜3−4および参考例4−1〜4−5の合金材を、加熱炉内に投入し、酸素ガス雰囲気下で、850℃、120時間加熱し、各合金材の酸化増量を測定した。なお、酸化増量は、試験前後の合金材の重量差を、合金材の表面積で除算した値である。この結果を、図12に示す。
参考例3−1〜3−4および参考例4−1の合金材のビッカース硬さを、20℃、500℃、850℃の温度条件で測定した。なお、相手部材となるチップ型試験片と同じ材料のビッカース硬さを、参考例5として、20℃および500℃の温度条件で測定した。この結果を、図13に示す。
Claims (6)
- アブレーダブル溶射皮膜を成膜するための溶射用粉末であって、
前記溶射用粉末は、NiCr系合金粒子、合成マイカ粒子、およびh−BN粒子からなり、
前記合成マイカ粒子は、前記溶射用粉末の全体積に対して、30体積%以下含有されており、
前記h−BN粒子は、前記溶射用粉末の全体積に対して、15体積%以下含有されていることを特徴とする溶射用粉末。 - アブレーダブル溶射皮膜を成膜するための溶射用粉末であって、
前記溶射用粉末は、NiCr系合金粒子、合成マイカ粒子、およびh−BN粒子からなり、
前記合成マイカ粒子は、前記溶射用粉末の全体積に対して、20体積%以下含有されており、
前記h−BN粒子は、前記溶射用粉末の全体積に対して、20体積%以下含有されていることを特徴とする溶射用粉末。 - 前記合成マイカ粒子は、フッ素金雲母からなる粒子であることを特徴とする請求項1または2に記載の溶射用粉末。
- 前記NiCr系合金粒子は、20〜50質量%の範囲でCrを含有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の溶射用粉末。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の溶射用粉末を用いて、アブレーダブル溶射皮膜を成膜する方法であって、
前記溶射用粉末に含まれる前記合成マイカ粒子の一部を固相状態に維持しつつ、前記アブレーダブル溶射皮膜を成膜することを特徴とするアブレーダブル溶射皮膜の成膜方法。 - 前記溶射用粉末を用いた前記アブレーダブル溶射皮膜の成膜を、ガスフレーム溶射により行うことを特徴とする請求項5に記載のアブレーダブル溶射皮膜の成膜方法。
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