JPH02294457A - 金属基材の厚膜被覆方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は金属基村上に耐摩耗性、耐熱性、または耐食
性を有する金属、セラミックスまたはそれらの混合物質
の皮膜を緻密かつ厚く形成させる方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

金属機械部品等の表面に特殊機能、例えば耐摩耗性、耐
熱性、耐食性などが必要とされる場合には経済性、強度
等を勘案して金属基材の表面に特定の物質を被覆する方
法がしばしば採用される。

皮膜形成方法としては多くの方法があるが、０，１１Ｉ
ｌｍ以上の厚さの皮膜を形成するには、皮膜形成速度の
速い溶射法が広く使われる。溶射法とは被覆物質を加熱
溶融し同時に微粒子化して対象材に吹付け付着させる方
法であり、アーク溶射法、ガス溶射法、常圧プラズマ溶
射法および低圧プラズマ溶射法が知られている。これら
のうち、低圧プラズマ溶射法は数百Ｔｏｒｒの低圧雰囲
気下で高温プラズマガスにより溶融粒子を得る方法であ
る。この方法では、プラズマガス温度が高いためセラミ
ックを含む高融点物質の溶融が可能であると同時に、低
圧雰囲気であるため粒子の飛行速度が速く、得られた皮
膜は緻密なものとなる。したがって、要求品質の高い部
位には低圧プラズマ溶接がしばしば使用される。

しかし、低圧プラズマ溶射皮膜においても５〜１０％程
度の気孔の残留が避け難く、より高度な品質を得るため
には、さらにＨＩＰ処理を施すことが有効であるとされ
ている。この技術は特開昭６１−１５９５６６号におい
て金属あるいはセラミック被覆に適用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、圧延機ロール等の重負荷機械部品の耐摩
耗被覆を検討した際に従来技術の問題点に気付いた。こ
れら部品においてはしばしば厚さが５ｍｍ以上の皮膜が
必要となる。しかしながら低圧プラズマ溶射法で皮膜を
形成すると厚さが２ｍｍ以下で剥離を生じてしまい。膜
形成が不可能であった。剥離を生じる厚さは皮膜物質に
より異なるが、一般に使用される融点がｌ２００゜Ｃ以
上の物質では２Ｉｌｍを超えることはなかった。したが
って、２閤以上の皮膜を得るには従来技術と異なる新た
な方法の考察が必要となった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らはこのような問題点を解決するべく鋭意検討
の結果、剥離の原因は溶射皮膜が溶融粒子の急冷凝固体
の堆積層であるため、冷却時の内部応力が望積し、これ
が剥離力として作用することと、２、冷凝固であるがた
め粒子と基林間の冶金的接合が十分ではなく、付着力が
弱いことの２点にあることを見出した。

従って、前記問題点を解決するには、溶射皮膜の内部応
力の解放か、皮膜と基材の接合力の向上を図ることが必
要である。そこで、低圧プラズマ溶射皮膜の厚さが剥離
の限界厚さに達する以前に中間熱処理を施しその後溶射
を継続し、必要皮膜厚さが得られるまでこれらを繰返す
ことで前記問題点を解決することができた。

すなわち、本発明は、金属基材の表面に金属、セラミッ
ク又は金属とセラミックの混合物からなる皮膜を低圧プ
ラズマ溶射法によって形成し、その後熱間静水圧処理に
よって皮膜を緻密化する方法において、前記溶射工程中
に溶射物質の融点のうち最も低い融点の絶対温度で０．
６倍以上０．７５倍以下の温度で中間熱処理を施すこと
を特徴とする金属基材の厚膜被覆方法に関するものであ
る。

金属基材の材質は熱間静水圧処理を行いうるちのであれ
ばよく、例えば炭素鋼、ステンレス鋼、低合金鋼、高速
度工具鋼、ニッケル合金、コバルト合金等を挙げること
ができる。

皮膜は金属、セラミック又は金属とセラミックの混合物
によって形成される。これらは低圧プラズマ溶射法で溶
射しうるものであって皮膜を形成する目的を考慮して選
択される。例えば耐摩耗性向上の目的では、高速度工具
鋼、コバルト合金、Ｎｉ合金等の金属、ＡＩ！０３、サ
イアロン、Ｓｉ．Ｎ．、ＴｉａＸ等のセラミック及びこ
れらの混合物、耐熱性向上の目的では、タングステン（
合金）、モリブデン（合金）、Ｎｉ合金、コバルト合金
等の金属、ＳｉＣ、ＳｉＪａ等のセラミック及びこれら
の混合物、そして耐食性向上の目的では、ステンレス、
Ｎｉ基合金、チタン（基合金）等の金属、ＡＩ！０３、
Ｓｉｎｇ等のセラミック、及びこれらの混合物等を利用
するこができる．皮膜材料の選択に当ってはさらに金属
基材との適合性も考慮されることはいうまでもない。

皮膜の厚さは特に制限されないが、本発明の方法の特徴
を活かす点で２ｆｆｉＩＩ１以上、特に５ｍ以上の場合
に本発明の方法は有効である。厚さの上限は特に制限さ
れないが通常１５ｍｍ以上である。皮膜はその目的に応
じて金属基材全面に形成させる場合もあり、特に耐摩耗
性等を要求される部位のみに形成させる場合もある。

金属、セラミック又は金属とセラミックの混合物の皮膜
形成は低圧プラズマ溶射法によって行う。

溶射条件は溶射材料等によって適用になるように設定さ
れ、例えば４０〜３５０Ｔｏｒｒ程度の範囲から選択さ
れる。

本発明の方法は溶射工程において一度に厚膜を形成する
のではなく一定厚さの皮膜を形成するごとに特定温度条
件下で中間熱処理を行うところに特徴がある．この一定
膜厚は剥離を生じない膜厚であり皮膜形成物質等によっ
て異なるが一般に使用される融点がｌ２００゜Ｃ以上の
物質では２ｎｕｎ未満であり、通常２〜３ｍ＋ａ程度ご
とに中間熱処理を行うのがよい。中間熱処理の温度は、
溶射物質の融点のうち最も低い融点を基準として絶対温
度で表記したそれの０．６倍以上、０．７５倍以下の温
度が適当である。この温度未満では十分な拡散を得るの
に長時間を要し、実際的ではない。また、皮膜物質が複
数の物質から成る場合には、低融点側の物質を基準にす
ることで実用上差支えないことが判明した。これは剥離
が皮膜全体のマクロ現象であるのに対し、内部応力接合
力の部分的改善がマクロ的には平均値的に寄与するため
である。次に加熱温度が上記基材物質の融点の０．７５
倍を超えるとその物質の結晶粒が異常粗大化成長し、皮
膜の靭性を損い、冷却後に割れを招《。処理時間は通常
５〜４０分間程度が適当である。

また、中間熱処理の雰囲気は大気であっても効果が得ら
れるが、酸化生成物削除の作業を省略するためには、非
酸化性雰囲気あるいは真空中での熱処理が適当である。

特に、被覆物質が多くの鉄基合金のように高温大気中で
酸化する場合には、熱処理後、酸化皮膜の除去作業が必
要になったり、除去により皮膜厚の減少が生じる。従っ
て、このような場合には熱処理と非酸化性雰囲気あるい
は真空雰囲気で行うことが望ましい。非酸化性雰囲気に
保つガスは水素ガス、水素一窒素混合ガス等の還元性ガ
スまたは、窒素ガス、ヘリウム、アルゴン等の普通の不
活性ガスでよい。

中間熱処理は低圧プラズマ溶射の装置を利用して真空チ
ャンバー中で、プラズマアークであぶることにより代替
することも可能である。

以上の条件は皮膜の剥離を防止するための必要条件であ
り、必ずしも皮膜内組織、緻密性、接合力の完全性を保
証するものではない。そこで最終的に完全に健全な被覆
を得かつ面接合力の向上をはかるためには上記処理後の
基材と被覆にＨＩＰ処理を施すことが適当である。ＨＩ
Ｐ処理条件は処理する材質に応じて異なるが、その材質
に応じた公知の処理条件にて行えばよい。

（作用） 内部応力の残留は皮膜中において転位等の格子欠陥の多
量の存在として生じているものである。

したがって内部応力を解放するには、格子欠陥の低減が
必要であり、そのためには高温度における熱活性化に基
づく原子拡散が有効である。

一方、基材と皮膜の接合力の不足は両者の間の界面が完
全に密着していないためである。いい換えると界面には
ミクロ的意味において隙間が存在している．この隙間の
解消は原子の移動すなわち拡散によってのみ可能である
。以上より皮膜剥離の原因である内部応力と界面接合力
の不足はいずれもが原子拡散により解決される。すくな
くとも内部応力に関しては皮膜物質中の原子の拡散が必
要である。本発明の方法においては皮膜を所定厚さごと
に一定温度で中間熱処理することによって結晶相を粗大
化させずに十分な原子拡散を行わせて皮膜の剥離及び割
れを生じないようにしている。

〔実施例〕

鉄鋼形鋼ラインでのロールを２種類試作した。

一つは冷間耐摩耗性を要するもの、一つは熱間耐摩耗性
を要するものである。試作結果を以下に示す。

（１）冷間耐摩耗用 基材一炭素ｗ４Ｓ４５Ｃ、直系９９ｍｍ、高さ１００ｒ
ｏｍ被覆面一円柱体側面 目標皮膜厚−８ｍｍ 溶射粉末一高速度鋼、最大粒径１００μ溶射条件−８０
ＯＡ、８０Ｔｏｒｒ 基材予熱−７００℃ 結果 航溶射を連続して実施したところ、皮膜厚２ｍｍで皮膜
が剥離した。

Ｂ．溶射皮膜を１．６胴形成する毎に真空中で１０００
”ＣＸ３０分の中間熱処理を施こし、合計５回の溶射に
より、割れ、剥離を生じることな＜８ｍｍ厚の皮膜を形
成することができた。この時の皮膜の真密度は９４％で
あった。引続き２０００気圧Ｘ１１５０’Ｃ　Ｘ　１時
間のＨＩＰ処理を行ったところ皮膜の真密度は１００％
に向上した。

（２）熱間耐摩耗用 溶射粉末−コバルト合金（３３Ｃｒ−１８Ｗ−２．５Ｃ
−Ｃｏ）、最大粒径１００μ 他の条件は（１）の同じである。

八．？￥ｊ射を連続して実施したところ、皮膜厚１．４
閣で皮膜が割れ、および剥離を生じた。

Ｂ．溶射皮膜を１間形成する毎に大気中で６００’ＣＸ
３０分の中間熱処理を行った。合計４回の溶射を実施し
た時点で皮膜が剥離した。

Ｃ．溶射皮膜を１ｍｍ形成する毎に大気中で８００″Ｃ
×３０分の中間熱処理を施した。合計８回の溶射により
８ｍｍ厚の皮膜を形成することが出来た。皮膜の真密度
は９２％であったが２０００気圧Ｘ　１０５０゜ｃｘｉ
時間のＨＩＰ処理により真密度は１００％に向上した． Ｄ．溶射皮膜を１＋ｍａ形成する毎に大気中で９００″
Ｃ×３０分の中間熱処理を施した．合計７回の溶射を実
施した時点で、皮膜に微細な割れが多数発生した。

〔発明の効果〕

本発明により、機械部品に耐摩耗、耐熱、耐食性が要求
される場合、安価な金属基材を使用し、表面のみに必要
性能を付与することができ、かつ重負荷部品に要求され
る厚皮膜を形成することができる．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属基材の表面に金属、セラミック又は金属とセラミッ
   クの混合物からなる皮膜を低圧プラズマ溶射法によって
   形成し、その後熱間静水圧処理によって皮膜を緻密化す
   る方法において、前記溶射工程中に溶射物質の融点のう
   ち最も低い融点の絶対温度で０．６倍以上０．７５倍以
   下の温度で中間熱処理を施すことを特徴とする金属基材
   の厚膜被覆方法