JPH04218657A - 支持体の耐摩耗性の増進法とその製品 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は産業用物品例えば、使
用中通常機械的摩耗を受け易い純粋装置のスクリーンと
、前記部品の有効寿命の延長法に関する。

【０００２】

【従来の技術】世界の産業部門全域に亘って多数の機械
装置は摩耗、浸食又は（及び）腐食をそれらの通常有効
寿命中に受け易い。不活性且つ腐食性使用環境において
過度の摩耗のため初期破損を起こす部品の交換に、産業
界で莫大な費用を費している。多数の部品は硬質耐食性
材料で製造される場合、寿命をさらに延ばせるよう製作
できるが、その製作費がしばしば極端に高価で、その法
外な費用のため、操業が成功するかしないかの分岐点と
いえる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】工業用部品についての
耐食性及び耐摩耗性材料の表面硬貨又は蒸着に利用でき
る方法は多数ある。最も旧式で周知の方法は第１鉄をベ
ースにした材料の拡散処理、窒化及び浸炭である。これ
らの技術利用における不利益は、前記部品を高温に暴露
する必要のあることである。エネルギーと運転時間に関
連する高額の費用とは別に、部品の高温暴露は前記部品
が使用に適さなくなるが、あるいは前記表面処理後に実
施されるさらなる熱処理作業やそれに引続く洗浄作業が
必要となる大きさ、変化や機械的特性の損失の原因とな
りうる。

【０００４】硬質クロム又はニッケル被膜の生成に極く
普通に用いられる電気めっきは、被覆される部品の高度
の洗浄と、環境上安全な方法での処理に当り、高価につ
く有毒溶液を必要とする。

【０００５】被膜の化学的及び物理的蒸着は高額の資本
投下と高額の加工費を必要とし、しかも極めて薄い被膜
と小形部品に限定される。制限のない大きさの部品を制
限のない厚さの被膜で被覆するのに用い得る熱噴霧蒸着
法の溶射はしばしば酸素が混入する多孔質被膜をつくる
。

【０００６】プラズマ溶射は特に真空若しくは大気圧で
行われた場合、稠密均質被膜をつくるが、高価につくの
で従って用途は制限される。

【０００７】高速爆発ガンは支持体上に稠密セラミック
被膜を蒸着できるが、装置、供給粉末及び加工は非常に
高価につく。

【０００８】不活性ガスでのアーク噴霧は稠密均武質被
膜を生産でき、それはいろいろな支持体材料によく接着
する。高エンタルピー火災を必要としないアーク噴霧さ
れた窒化チタンは、支持体材料を損傷又は変形させ得る
高熱入カプラズマと溶射方法に比較される常温加工であ
る。そのうえ、資本設備及び運転費用は前記プラズマ高
速溶射法の費用の半分以下、そして薬品蒸着の費用を少
し下廻ったところといえる。本発明で開示の窒化チタン
型被膜のアーク噴霧において、被覆される表面はグリッ
トブラスト仕上以外の特別な製法を必要としない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は使用中に摩耗
、浸食又は（及び）腐食を通常受け易い部品の摩耗寿命
を改善するために、窒化チタンがアーク熱噴霧方法によ
って施せることが発見した。そこにおいて窒素を噴射（
噴霧）ガスとして、又チタン電線を供給材料として用い
る。チタン電線の補助予備窒化は、前記チタン電線を予
備チタン化することなく支持体を被覆した場合に見られ
るよりさらに硬質で、又さらに耐食性の被膜が結果とし
てできる。本発明は、２つの異なる電線材料を用い、そ
のうちの少くとも１つがチタン電線である場合、窒素ア
ーク噴霧された被膜を含む。

【００１０】

【作用】ここで本発明をさらに詳細に説明するため添付
図面を参照する。

【００１１】使用中機械的摩耗を通常受け易い部品の有
効寿命の増加は製造業者及び使用者には有効の費用節約
をもたらすことになる。例えば、ゴム及びプラスチック
のような材料を粉砕して配合物に再配合をたてるには、
インパクトミル（例えばハンマーミル）中の材料の分級
に用いられるスクリーンの有効寿命を倍増することは大
きな利益となる。

【００１２】工業用部品の耐摩耗性強化の一方法は、摩
耗を受け易い部品の表面にチタン窒化物被膜を蒸着する
ことである。アーク噴霧方法を前被膜の塗被に用い、又
高純度窒素を噴射ガスとしての空気の代りに用いる場合
、前記チタン電線が溶融し、チタンがアーク噴霧装置と
支持体の間での最少酸化で窒化してチタン窒化物被膜を
蒸着させることが発見された。前記アーク噴霧方法は大
気室又は被膜を引続き窒化させる炉なしで使用できる。 特に有効な被覆は前記チタン電線を窒化してからアーク
噴霧装置で用いる場合に達成される。

【００１３】アーク熱噴霧操作中、噴射（噴霧）ガスと
して用いられる窒素はチタン供給電線と反応して、チタ
ン窒素化合物を噴霧飛翔中に生成する。前記溶融液滴が
被覆された物品の表面に降りるに従って、それらは凝固
し、そこで硬質の窒化チタンベースの被膜を形成し、摩
耗と腐食を防ぐ。

【００１４】窒素を噴射ガスとして用いるチタン被膜の
アーク噴射はプラズマ、高速爆発噴霧、薬品蒸着及び物
理蒸着法技術による蒸着と比較すると安価につく。その
うえ、窒化チタン及び酸化チタンは他の硬質表面仕上技
術で用いられるクロムやニッケル・燐と比較して無毒で
あるので、前記被膜は食品加工装置の用途に適している
。さらに、アーク噴霧は他の方法では数時間もかかると
ころを数分間しかかからないことと、有毒副生物を残さ
ないこと、及び最少の資本投下ですむことが特徴である
。

【００１５】

【実施例】図１に示されているように、アーク噴霧装置
１０にはアークガン１２と、定電圧電源１４と、制御コ
ンソール１６及び電線巻わく１８と２０それぞれで示さ
れる電線供給装置が備わる。前記アークガン１２には２
組の供給ロール２２、２４が備わり、別々の電線２６、
２８それぞれを前記ガンを通ってノズル端３０に移動さ
せる。前記ノズル端では異なる極性（例えば図面に示さ
れているように）の電流のため、アークが前記電線２６
と２８の間に衝突する。前記アークの作用のため前記電
線が溶融するに従い、圧縮窒素ガスが矢印３２で示され
るように１２でアークに導入される。前記窒素ガスは前
記ノズル３０を出て、それが前記溶融金属が粉砕されて
液滴流となる。前記金属の噴霧に加えて、前記圧縮ガス
はこの噴霧金属（噴霧流れ）を支持体３４例えば通常型
ハンマーミルスクリーン３４に向って噴射する。前記噴
霧化チタンの空中横断中の窒素との反応が窒化チタン化
合物を形成する。

【００１６】前記支持体３４は垂直方向若しくは水平方
向に取付け可能で、そのいずれか又はアークガン１２を
振動させて電極の全長に亘って均質の被膜を施すことが
できる。

【００１７】電線供給装置１８及び２０にも１組のロー
ル３６、３８が備わり、前記電線のスプールから前記ガ
ン１２への供給を手伝う。ガンにある供給ロールと、電
線供給は押し、引きあるいは両手法の組合せを用いて電
線をアークガン１２を通す移動が可能である。

【００１８】チタン電線と窒素ガスを用いる熱アーク噴
霧方法により支持体上に施す通常の窒化チタン被膜は強
化耐摩耗性の被膜をつくったが、受け入れたままのチタ
ン電線を前処理して窒素含量を増加させた場合、結果と
して出来る被膜はより硬質で、部品の有効寿命は増大し
た。

【００１９】チタン電線の前処理はＮ２−噴霧ＴｉｘＮ
被膜が双方窒素（Ｎ）不十分、且つ噴霧飛翔酸化の傾向
のあることがわかったので開発されたものである。電線
前処理には２つの別の理由があった。すなわち：（１）
供給されたままのＴｉ−電線はアーク噴霧ガン導管を通
っての供給は困難であることと、電線上の窒化物被膜は
電線供給摩擦を弱めることを発見した。（２）アーク噴
霧ＴｉｘＮの蒸着後の窒素焼なましが必ずしも可能でな
いこと、いくつかの支持体が高温に敏感であるか、過度
に大きい不整合が前記ＴｉｘＮ被膜と、前記被膜を損傷
させる支持体の熱膨脹係数の間に存在することがある（
例えばステンレス鋼支持体上のＴｉｘＮ被膜）。

【００２０】実験にはＴｉ電線の焼なまし条件の選択と
、焼なまし電線での噴霧適性試験、及び前記焼なまし電
線で噴霧した被膜の評価が含まれた。下記表１は前記選
択の方法を示す。第３工程焼なましは任意であることが
わかり、試験に用いられた。前記Ｎ２焼なましの、初期
に「硬質」及び「軟質」Ｔｉ電線の横断面上の異なる微
少硬度（例えば２６９対１５０ＶＨＮ）はＮ２焼なまし
が１０００℃以上の温度で行えることを示した。表２は
、前記１０００℃Ｎ２焼なましに起因する前記Ｔｉ電線
の８−フォールド［Ｎ］ピックアップ（８−ｆｏｌｄ［
Ｎ］ｐｉｃｋｉｕｐ）を示す。

【００２１】

【表１】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ２焼
なまし条件の選択試験―――――――――――――――
―――――――――――――――――――――　　　　
　　Ｊ＆Ｗベルト炉、ホットゾーンにおいて２５乃至２
９分の処理時間、　　　　　　　　　　乾燥家庭用ガス
使用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
―――――――――――――――――――――――――
―――――――――――　　工程　　　　　　条　　　
　件　　　　　　　　目　　　　　　　　的　　　　　
　　　　　　　　　結　　　　　　　　果　　　　　　
―――――――――――――――――――――――――
―――――――――――　　＃１　　　　１０００℃　
　　　チタン電線上の酸化チ　　　　全体として脆弱電
線で硬　　　　　　　　　　　　でＮ２−　　　　　　
タンフィルムをＨ２で　　　　質、軟質の双方に言える
　　　　　　　　　　１０％Ｈ２　　　　弱化させＮ２
の電線へ　　　　電線の変形は不可能。　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　への拡散
を増進させる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　―――――――――――――――――
―――――――――――――――――――　　＃２　　
　　８００℃で　　　　認められるチタン電線　　　　
両（硬／軟）☆チタン電　　　　　　　　　　　　Ｎ２
は　　　　　　　　の脆化を防ぐ。　　　　　　　　　
　線は色又は機械的特性を　　　　　　　　　　純粋　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　変形させなかった。 ―――――――――――――――――――――――――
―――――――――――　　＃３　　　　１０００℃　
　　　チタン窒化の動力学の　　　　両（硬／軟）チタ
ン電線　　　　　　　　　　　　で　　Ｎ２は　　　　
増進と電線表面のＨ２　　　　は黄色（すずの色）を示
　　　　　　　　　　純粋　　　　　　　　　　活動化
の見切。　　　　　　　　　　し、薄手、均一、円滑な
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　窒化
物が電線上に展開。 ―――――――――――――――――――――――――
――――――――――― ☆硬／軟即ち´硬質´と´軟質´の電線は試験すべてに
用いられた供給されたままの２種類の異なる供給材料で
あった。両材料は純粋チタンで、硬度差は電線製造業者
の現場での引抜工程の終りにおける相違する焼なまし度
に起因する。

【００２２】

【表２】 　　　　供給されたままのものと；Ｎ２処理されたＴｉ
（軟質）電線の窒素含量　　　　――――――――――
――――――――――――――――――――――　　　
　　　Ｊ＆Ｗベルト炉、ホットゾーンにおいて２５乃至
２９分の処理時間、　　　　　　１０００℃でＮ２−純
粋 　　　　―――――――――――――――――――――
―――――――――――――　　　　　　　　供給され
たままのもの　　　　　　　　　　　　Ｎ２処理もの　
　　　　　　　　　９１ｗｐｐｍ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　７９０ｗｐｐｍ初期噴霧適性試験
では、黄色窒化物後焼なまし（窒化物処理ずみ）被膜に
もかかわらず、前記Ｎ２処理Ｔｉ電線は前記（未処理）
供給されたままの電線と同様に溶融、噴霧ならびに蒸着
ができることがわかった。そのうえ、連続窒素焼なまし
「軟質」電線を用いる試験では、前記黄色窒化物後焼な
まし被膜は、ガンへの電線供給を円滑にし、噴霧中のア
ーク安定性を大きく改善した。

【００２３】ＴｉｘＮ被膜を前記Ｎ２焼なまし電線を用
いて蒸着させ、前記供給されたままの電線又は（及び）
前記Ｎ２後蒸着焼なましを用いて先に生産した被膜と比
較した。新被膜の外観、表面荒さ、粘着性、及び支持体
への付着力（曲げ試験）は先に蒸着した被膜の事例と同
一であった。しかし、ヌープ（Ｋｎｏｏｐ）微少硬度測
定値は被膜間に有意の差異のあることを示した。前記「
硬質」Ｔｉ供給電線の場合、前記Ｎ２焼なまし電線を用
いて蒸着した被膜は、本質的に純粋のチタンを蒸着し、
その後、Ｎ２雰囲気中で後蒸着焼なましして施した被膜
と同じように硬質であった。これら両被膜は、後蒸着焼
なましを行わない前記供給されたままの電線で生産した
「塩基性」被膜よりもはるかに硬質であった。前記Ｎ２
焼なまし「軟質」Ｔｉ電線で生産された前記ＴｉｘＮ被
膜の硬度は、この系では最高であるが、ステンレス鋼や
炭素鋼製支持体の硬度と比較された。この被膜はステン
レス鋼の６．３倍、炭素鋼の９倍も硬かった。

【００２４】前記Ｎ２電線の前処理は、前記ＴｉｘＮ被
膜の硬度が、窒素含量の増量と窒化物化学量論（低ｘ）
の改良とにより改善されることがわかった。それにもか
かわらず、窒素含量が増量されても前記ＴｉｘＮ付着層
の粘着性を低下させなかった。　　新被膜の微少硬度は
いずれにしても、前記後蒸着焼なまし被膜のそれと等し
いので被覆部分品の焼なましの必要性はない。又、前処
理と後蒸着焼なましの両工程は被膜硬度調節の２つの独
立手段として使用することもできる。前記電線前処理が
ガン導管中の電線摩擦を低下させることでアーク安定性
を向上させたことがさらに観察された。

【００２５】電線については、実用上純粋すなわち合金
化していないチタン電線で、特別な必要条件若しくは純
度についての規格、例えばＦｅ、Ｖなどのないものであ
ればどのようなものも使用できる。典型的例として、実
用上純粋のチタン電線は１００ｐｐｍ以上の窒素を含ん
ではならない（重量ベース）。チタンの物理的条件、例
えば軟質、硬質又は半硬質などすべてが許容できる。

【００２６】図２は典型的電線の処理前の顕微鏡写真で
ある。

【００２７】電線の予備窒素化は下記の特性を付与する
ものと考えられる。すなわち： （ａ）金色のすずフィルムを処理ずみ電線の表面に展開
させること、 （ｂ）窒素含量を、例えば５００ｐｐｍｗ／ｏ以上に増
加させること、 （ｃ）処理ずみ電線の心が金属のまま残り、そのためリ
ールからアーク噴霧ガンへの供給に必要な電線の可撓性
を保存させること、これは換言すれば、電線に含まれる
窒素の上限量が２０％ｗ／ｏであること。

【００２８】図３に示されるように、予備窒素化（焼な
まし）電線は、その表面から電線の心に向って、前記表
面から前記心への硬度（ＶＨＮ）移行に対応する度合い
による粗粒の円形生長移行を示すものである。

【００２９】本発明によれば、主として窒化チタンから
成る均一耐摩耗性及び耐食性被膜を色々な支持体材料に
蒸着できる。被膜は上記に詳述した前処理を施した０．
０６２インチ（約０．１５８ｃｍ）又は０．０３０イン
チ（約０．０７６ｃｍ）直径のチタン電線と、窒素を噴
射（噴霧）ガスとして用いるアーク噴霧により蒸着され
る。窒素を高純度の空気の代りに噴射ガスとして用い、
それによって前記チタンをさらに窒素化し、酸化を最少
化する。チタン電線の２つのスプールを一定速度でガン
１２に供給して、それらが２８ボルト４８ボルトの間の
電位差と１００〜４００アンペアの電流でアークを生ず
る。その他に、電線の１つのスプールが前記噴霧ガンに
類似合金化被覆のために合金化した前記ＴｉｘＮで形成
することになる別の被覆材料を供給する。この別の材料
には硬質Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＷ合金と化合物、
それと同様に軟質結合非鉄金属と合金が含まれる。前記
Ｔｉと非Ｔｉ電線との同時使用で生産された被膜は低硬
度、高耐衝撃性を提供する。必要噴霧条件はそのまま変
化しない。窒素ガス流れは３０乃至１３０ｐｓｉｇの圧
力でノズルに供給される。溶融液滴は前記窒素ガスと飛
翔中に反応して支持体３４上に窒化チタン被膜を形成す
る。前記ガンと支持体間の離間距離は３乃至８インチ（
約７．６２乃至２０．３２ｃｍ）である。支持体をグリ
ットブラスト仕上してから噴霧し、それにより被膜と支
持体の間の機械的接着の力を増大させる。被膜そのもの
は深さが０．００１乃至数インチ（参考−１インチは約
２．５４ｃｍ）の厚みに蒸着できる。

【００３０】被覆部品の耐摩耗性と耐食性は増大した。 特に、ゴムの極低温粉砕に用いるハンマーミルのスクリ
ーンを上述の条件下で、０．０１２インチ（約０．０３
１ｃｍ）の呼称厚さをもつ被膜の蒸着に用いられる３つ
の通路をつけて被覆した。本発明により被覆したスクリ
ーンは未被覆スクリーンの２乃至１０倍もの有効寿命を
示した。被覆部品を長時間の間海水中に入れて腐食暴露
試験を行ったが、被膜には何等明白な影響はなかった。

【００３１】耐摩耗性と耐食性が金属支持体が備える以
上に増大した被膜を形成する窒化チタン化合物の被覆硬
度がビッカース法による測定で８６０乃至１５００（Ｖ
ＨＮ）微少硬度の範囲内にあることを示す。これは通常
支持体材料より５乃至１１の係数だけ硬い。

【００３２】

【発明の効果】本発明の方法は、窒化チタン接着被膜を
許容する材料のすべてに応用できる。被膜は耐摩耗性の
増大には効果的で、経済的方法により支持体上に塗被で
きる。ハンマーミルスクリーンのほかに、本発明の方法
を金属塩材料の粉砕に用いられるエアジェット微粉砕機
に適用した。金属塩材料の粉砕に使用者が以前に行った
数々の試みは、前記ミルの内面の腐食のため淡色材料を
灰色化する結果となった。実験室ミルの被覆は塩基材料
の粉砕ができるようになり、白色材料を灰色化させるも
のは何も出来なかった。

【００３３】遠心ケルプ灰加工機からのウエアクリップ
（Ｗｅａｒｃｌｉｐ）を本発明により被覆したが、使用
者が炭化タングステンで被覆していた部品の２倍も長持
することがわかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の物品をつくり、且つその方法の実施に
用いられる典型的アーク噴霧装置の略図による説明図で
ある。

【図２】チタン電線処理前を顕微鏡で示す金属組織写真
である。

【図３】チタン電線処理後を顕微鏡で示す金属組織写真
である。

【符号の説明】

１０　　アーク噴霧装置 １２　　アークガン １４　　定電圧電源 １６　　制御コンソール １８　　電線供給装置 ２０　　電線供給装置 ２２　　供給ロール ２４　　供給ロール ２６　　電線 ２８　　電線 ３０　　ノズル端 ３２　　圧縮窒素ガス ３４　　ハンマーミルスクリーン ３６　　ロール ３８　　ロール

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　支持体の耐機械的摩耗性の増進法であ
   って、前記支持体を予備窒化チタン電線と、噴霧。噴射
   ガスとして窒素ガスを用いるアーク熱噴霧ガンからの流
   出液に暴露して、実質的窒化チタン被膜を前記支持体に
   生成させることを特徴とする上記方法。
2. 【請求項２】　　前記被膜には少くとも０．００１イン
   チ（約０．００２６ｃｍ）、の厚さをもつことを特徴と
   する請求項１の方法。
3. 【請求項３】　　前記アーク熱噴霧ガンを操作してチタ
   ンの窒素に対する比が１乃至２の被膜を生産することを
   特徴とする請求項１の方法。
4. 【請求項４】　　前記アーク熱噴霧ガンを１０乃至４０
   ０アンペアの電流で操作することを特徴とする請求項１
   の方法。
5. 【請求項５】　　前記アーク熱噴霧ガンから前記支持体
   までの距離を前記支持体の過熱を防ぐ最少間隔で設定す
   ることを特徴とする請求項１の方法。
6. 【請求項６】　　前記間隔は３乃至８インチ（約７．６
   ２乃至２０．３２ｃｍ）であることを特徴とする請求項
   ４の方法。
7. 【請求項７】　　前記電線を窒素中で焼なまして前記電
   線の窒素含量を少くとも５００ｐｐｍに増加させること
   を特徴とする請求項１の方法。
8. 【請求項８】　　前記供給電線のうちの一方だけがチタ
   ン電線で、他方の供給電線がＦｅ、Ｃｒ，Ｎｉ、Ｍｏ、
   Ｗ、低融点非鉄金属とそれらの合金、及びセラミック又
   は金属間化合物であることを特徴とする請求項１の方法
   。
9. 【請求項９】　　耐機械的摩耗性を増進させた少くとも
   １面を有する製品であって、通常使用中に機械的摩耗を
   受け易い少くとも１表面を備える製品から成る支持体と
   、前記１表面に実質的に蒸着された窒化チタンの被膜で
   、前記被膜が窒素ガスを噴霧・噴射ガスとして用いるチ
   タン電線のアーク噴霧により塗被して、前記製品の摩耗
   寿命を少くとも倍増させることを特徴とする被膜と、か
   ら成る製品。
10. 【請求項１０】　　前記被膜が少くとも０．００１イン
    チ（約０．００２５ｃｍ）の厚さであることを特徴とす
    る請求項９の製品。
11. 【請求項１１】　　前記支持体がハンマーミルスクリー
    ンであることを特徴とする請求項９の製品。
12. 【請求項１２】　　前記支持体が金属部品であることを
    特徴とする請求項９の製品。
13. 【請求項１３】　　前記支持体がセラミック若しくは黒
    鉛部品であることを特徴とする請求項９の製品。