JPH05502911A - 急速凝固アルミニウムベース合金のアーク噴霧 - Google Patents
急速凝固アルミニウムベース合金のアーク噴霧Info
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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】
臭速凝固アルミニウムヘース合金のアーク噴霧本発明は、材料の特性を改良する
方法、より詳細には急速凝固金属から金属皮膜を製造する方法に関するものであ
る。
2、先行技術の説明
噴霧金属化は、金属を高温の熱源内に導通することにより加熱して溶融状態また
は半溶融状態となし、それを微細な形で支持体上に析出させることよりなる。
溶融または半溶融粒子は支持体に衝突した際に偏平になり、その表面に付着する
。
続いて析出する粒子も偏平になり、先に析出したものに付着し、こうして噴霧析
出物の組織は層状となる。噴霧金属析出物は誘導品であるワイヤまたは粉末と化
学的には類似するが、それらの物理的特性、特にそれらのミクロ組織は元の鍛錬
用金属のものと全く異なる。凝集は機械的および冶金学的結合により得られる。
ある種の材料は噴霧したのち融着させて、支持体に冶金学的に結合した緻密かつ
均Nな皮膜を形成することができる。融着した皮膜は通常は、支持体材料を高温
での使用に際して、また摩耗性および腐食性の環境において保護するために、ま
たは均一に高い硬度を備えた表面を形成するために必要とされる。たとえば鋼上
に噴霧されたアルミニウム皮膜は、皮膜を鋼に冶金学的に結合させるためには4
82℃以上に加熱する必要がある。一般には、ベースメタルに冶金学的に結合し
た緻密かつ均質な皮膜を得るために材料は732−1093℃に後続加熱される
であろう。
アルミニウム皮膜を噴霧金属化し、次いでこのアルミニウム噴霧皮膜を拡散させ
ることにより、析出粒子内に分散した、および皮M/支持体界面における粗大な
アルミニウムー鉄金属間化合物の形成によって、問題が生じる場合がある。これ
らの金属間化合物は極めて脆く、たとえば部材間に脆性層を形成することにより
部材の機械的特性を低下させる可能性がある。同様に、噴霧アルミニウム皮膜は
熱拡散処理を必要とするので、支持体材料が適切に熱処理されない状況かありう
る。溶接されたアルミニウム被覆鋼部品に間開を生じる場合かある。アルミニウ
ムと鉄の合金化により、溶接および熱作用を受けた帯域において延性の喪失およ
び耐食性の低下を生じる可能性がある。最後に、噴霧アルミニウム皮膜と支持体
との熱膨張率の不一致のため、高温に暴露された際に皮膜が劣化し、破砕する場
合がある。
発明の要約
本発明は、後続の熱処理を必要としない、経済的かつ有効なアルミニウムベース
合金のアーク噴霧(arc spraying)法を提供する。有利なことに、
アルミニウム噴霧金属化皮膜の高温強度および安定性、耐食性および耐酸化性、
ならびに支持体との適合性などの特性か、本発明に従って急速凝固した高温のア
ルミニウム合金を当該支持体上にアーク噴霧することにより改良される。以下ア
ーク噴霧と呼ぶこの方法により、高温噴霧金属化皮膜か形成される。従来、皮膜
を支持体に付着させるために必要とされていた後続の熱処理、たとえば皮膜を合
金の固相線以上に加熱することは、実際上排除される。急速凝固合金を支持体上
に析出させ、保持することか、単一作業工程で行われる。被覆された支持体は、
急速凝固皮膜のミクロ組織のため、周囲温度および高められた温度における改良
された機械的および物理的特性を示す。
すなわち本発明は、急速凝固アルミニウムベース含金皮膜を製造するための、下
記工程からなる方法を提供する
(a)急速凝固アルミニウムベース合金をワイヤ状となし、そして(b)該ワイ
ヤを支持体上にアーク噴霧する。
アーク噴霧に適した直径をもつワイヤか、直接に摩擦作動法(fricti。
n actuated process)により、または通常のワイヤ延伸法に
より製造され、そしてアーク噴霧法により支持体上に噴霧され、はぼ完全に5密
な噴霧金属化皮膜を形成する。さらに、急速凝固ワイヤの魅力的な特性か保持さ
れる。rfR霧皮膜上に後続の噴霧を行う形で、この処理を反復することかでき
る。
次いて一般的な金属仕上げ操作、たとえば機械加工、研削仕上げ、磨き仕上げお
よび艶出しにより噴霧金属皮膜を仕上げ処理することかできる。ただし噴霧金属
化皮膜に関して通常従う注意事項に従う。また噴霧金属化皮膜を保有する部材は
適度な成形操作、たとえば延伸、スピニング、ブレーキ(brake)およびロ
ール銭形ならびにエンボス加工に耐えうる。
アーク噴霧皮膜は腐食、酸化および高温に対する保護を必要とする部材として用
いるのに適している二宇宙空間用部材、たとえばタービンブレード、タービン羽
根およびファスナー、自動車部材、たとえば排気パイプ、吸気弁およびシリンダ
ーバレル、ならびに工業用部材、たとえば熱交換器、化学薬品配管用およびボイ
ラー用のファスナー、反応器チューブ、ならびに熱処理装置。その後の鋳造に用
いるための型など、急速凝固皮膜の高温性能、すなわち硬度を特に利用した用途
が挙げられる。あるいは、急速凝固材料から直接製造された工業用造形品のほか
、皮膜の修復にアーク噴霧層を用いることができる。詳細には、支持体にその表
面欠陥を修復するために上記皮膜を付与することができる。アーク噴霧層は、支
持体が硬質または準硬質材料、たとえば耐火性の炭化物、酸化物または窒化物か
ら製造された、連続もしくは織成繊維、バンドル、ホイスカーまたは粒子からな
る、各種複合材料用のプレフォームの製造にも使用しうる。
また急速凝固合金をワイヤに成形する前に、強化相と組み合わせて複合材料を形
成してもよい:米国特許出願第242.989号明細書に記載、1988年9月
12日出願、この明細書をここに参考として引用する。
図面の簡単な説明
以下の本発明の好ましい形態および添付の図面の簡単な説明を参照することによ
って、本発明かより十分に理解され、他の利点が明らかになるであろう第1図は
、本発明により製造された、アルミニウムをベースとする、鉄、バナジウムおよ
びケイ素を含有する平坦なフロー鋳造リボン上に均一に析出した、アルミニウム
をベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金からなる
ワイヤアーク噴霧皮膜の表面の走査電子顕微鏡写真である。
第2図は、本発明により製造された、アルミニウムをベースとする、鉄、バナジ
ウムおよびケイ素を含有する平坦なフロー鋳造リボン上に析出した、アルミニウ
ムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金からな
るワイヤアーク噴霧皮膜の断面の光学顕微鏡写真である。ならびに第3図は、本
発明により製造された、アルミニウムをベースとする、鉄、/・ナノラムおよび
ケイ素を含有する急速凝固合金からなるワイヤアーク噴霧皮膜の透過型電子顕微
鏡写真である。
好ましい形態の説明
本発明方法に用いるために指定されたアルミニウムをベースとする急速凝固合金
は、本質的に式Alb、IFe、S 1bX−からなる組成をもち、式中のXは
Mn、V、Cr、Mo、W、Nb、Taよりなる群から選ばれる少なくとも1種
の元素であり、a″は1.5−8.5服子%、b″は領 25−5.5服子%、
C″は0.05−4.25服子%であり、残部はアルミニウムおよび付随する不
純物であり、ただし比[Fe+X]:Siは約2.0:1−5.0:1である。
合金の例には、アルミニウムー鉄−ハナシウムーケイ素組成物が含まれ、その除
鉄は約1. 5−8. 5服子%、バナジウムは約0.25−4.25服子%、
ケイ素は約0. 5−5. 5服子%である。
本発明方法に用いるのに適したアルミニウムをベースとする他の急速凝固合金は
、本質的に式AIb、IFeaS ibX、からなる組成をもち、式中のXはM
n、V。
Cr、Mo、W、Nb、Taよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であ
り、#a″は1. 5−7. 5服子%、b#は0.751.’55服子、C″
は0.25−4.5服子%であり、残部はアルミニウムおよび付随する不純物で
あり、ただし比[Fe+X]:Siは約2.01:1−1.0:1である。
本発明方法に用いるのに適したアルミニウムをベースとするさらに他の急速凝固
合金は、本質的に式A lb、IFe、S ibX、からなる組成をもち、式中
のXはMn、V、CrSMo、WSNb、Ta、Ce、Ni、ZrXHf、Ti
、Scよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、′a#はL 5−
8. 5服子%、b″は0.25−7.0原子%、C″は0.05−4.25服
子%であり、残部はアルミニウムおよび付随する不純物である。
本発明方法に用いるのに適したアルミニウムをベースとするさらに他の急速凝固
合金は、本質的に約2〜15原子%のンルコニウム、l\フニウム、チタン、ノ
\ナンウム、ニオブ、タンタル、エルビウムよりなる群からのもの、約O−5原
子%のカルシウム、約0−5服子%のゲルマニウム、約0−2服子%のホウ素か
らなり、残部はアルミニウムおよび付随する不純物である組成をもつ。
本方法に用いるのに適したアルミニウムーリチウムをベースとする低密度の急速
凝固合金は、本質的に式ATo、IZ r、LibMg、Tnからなる組成をも
ち、式中のTはCu、Si、Sc、Ti、B、、Hf、C’r、Mn、Fe、C
oおよびNiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、a″は0.
05−075服子%、b″は9.0−17.75服子%、C″は領 45−8゜
5服子%、“d″は約0.05−13原子%であり、残部はアルミニウムおよび
付随する不純物である。
他の分散強化された、急速凝固または機械的合金化した合金または複合材料を本
発明方法において皮膜材料として用いるために指定しうろことは、当業者に自明
であろう。機械的に合金化した適切な1材料は、前記の米国特許出願第242゜
987号明細書、1988年9月12日出願、に記載されたものである。詳細に
は、その粉末は急速凝固合金を約0.1−50容量%の量で存在する強化材の粒
子と組み合わせたものから構成することができ、この粉末はボールミル処理され
て各粒子の周りに金属マトリックス材料を抱き込んでいる。
これらの合金を調製するために用いられる金属合金急冷法は、一般に目的組成の
溶融物を少なくとも約10”C/秒の速度で冷却する工程からなる。一般に特定
の組成を選び、目的とする割合の必要な元素の粉末または顆粒を溶融および0實
化し、そして溶融合金を冷却面、たとえば急速に移動している金属表面、衝突す
る気体または液体で急冷する。
これらの急速凝固法により処理した場合、アルミニウム合金は実質的に均一なミ
クロ組織および化学組成をもつリボン、粉末またはスプラット(splat)と
して得られる。次いでこの実質的に均一な組織をもつリボン、粉末またはスプラ
ットを微粉砕して、後続処理に用いる粒子となすことかできる。アルミニウムー
リチウムを調製するためのこの処理経路に従うことにより、急速凝固アルミニウ
ム合金粒子は直接的な摩擦作動によるワイヤへの押出し、およびこれらの粉末の
加工に用いられる多数の粉末冶金学的方法により処理しうる特性を備える。
これには、吸着されたガスの大部分か粉末表面から駆出されかつ分散相の分解か
起こらない温度で、急速凝固粉末を真空高温ガス抜きおよび圧縮してほぼ完全に
緻密なビレットとなすことが含まれる。次いでビレットを盲ダイ付き押出しプレ
ス中で圧縮して完全に緻密となし、鍛造し、または直接に押出してプロフィル付
き押出品およびワイヤを含めた各種造形品となすことができる。
処理に際して支持体を水もしくはガスで冷却するか、または直接的もしくは間接
的に加熱してもよい。最適な支持体温度は急速凝固合金および凝固に際して形成
されるはずの分散相に依存する。ワイヤ状の急速凝固合金をアーク噴霧して皮膜
を形成する。
アーク噴霧工程は(1)2本のワイヤストラット間にアークを撃ち当ててそれら
の先端を溶融させ、そして(11)溶融物に高圧の不活性ガスを衝突させること
によりアーク内で溶融物を霧化する工程からなる。
アーク噴霧は、まず2本の導電性金属ワイヤストランド間にアークを撃ち当て、
溶融した金属先端に高圧の不活性ガスを衝突させることにより、アーク内で形成
される溶融金属を本質的に霧化することを伴う。アーク噴霧は消費性の処理であ
るので、ワイヤは連続的に供給され、アークおよび金属源は維持される。急速凝
固合金はワイヤとして供給されなければならず、これは直径0. 05−0.
25cm、より好ましくは直径約0.1−0.18cmのサイズであってよく、
最適なワイヤ直径は合金組成、ワイヤ間の電圧、およびアーク噴霧装置により物
理的に許容される供給サイズに依存する。アーク噴霧に適した直径のワイヤは、
直接に摩擦作動法により、または通常のワイヤ延伸法により製造することかでき
る。
アーク噴霧は必要な噴霧プレフォームの厚さに応して種々の期間実施することが
できる。急速凝固ワイヤの魅力的なミクロ組織ならびに機械的および物理的特性
か保持される。噴霧皮膜上に後続の噴霧を行う形でこの処理を反復して、多層皮
膜を調製することかできる。
アーク噴霧された材料は急速凝固ワイヤの魅力的なミクロ組織ならびに機械的お
よび物理的特性を保持するので、噴霧皮膜は拡散処理を必要としない。
実施例I
直径0.16cm、ならびに紐銭 残部アルミニウム、4.06原子%鉄、0゜
70原子%バナジウム、151原子%ケイ素を有する急速凝固合金(以下、合金
Aと表示する)からなるワイヤを、直径約30cmのマンドレルに巻き付けた合
金Aからなる平坦なフロー鋳造した幅2インチ(5,08crn)のリボン上に
ワイヤアーク噴霧した。ワイヤアーク噴霧は34ボルト、100アンペアおよび
霧化ガス圧50ps i (0,34MPa)で10分間実施され、厚さ約0.
015cmの析出層を得た。第1図は、アルミニウムをベースとする、鉄、バナ
ジウムおよびケイ素を含有する平坦なフロー鋳造リボン上に析出した、アルミニ
ウムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マト
リックスからなるワイヤアーク噴霧皮膜の表面の走査電子顕微鏡写真である。噴
霧溶融合金の凝固液滴に対応する個々の領域またはスプラットを観察した。皮膜
は均一かつ連続性であった。第2図は、アルミニウムをベースとする、鉄、バナ
ジウムおよびケイ素を含有する平坦なフロー鋳造リボン上に析出した、アルミニ
ウムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マト
リックスからなるワイヤアーク噴霧プレフォームの断面の光学顕微鏡写真である
。若干の多孔性か認められたが、マトリックス合金Aのミクロ組織中に明瞭に区
別される一次金属間化合物粒子は見られず、これはアーク噴霧されたワイヤの凝
固が粗大な一次分散雷粒子の形成を抑制するのに十分なほど急激な速度で起こっ
たこ析出層のミクロ組織をさらに調へるために、ワイヤアーク噴霧皮膜につき透
過型電子顕微鏡検査(TEM)を実施した。試料は平坦なフロー鋳造合金A製支
持体から機械的に削り取り、この試料を厚さ約25μmに薄くすることにより調
製された。TEM箔は80容量%のメタノールおよび20容量%の硝酸からなる
電解液中において、通常の電解研摩法により調製された。研摩したTEM箔をフ
ィリ/ブスEM 40’OT電子顕微鏡により検査した。本発明により製造され
た、アルミニウムをベースとする、鉄、/\ナンウムおよびケイ素を含有する急
速凝固合金からなるワイヤアーク噴霧皮膜の透過型電子顕微鏡写真を第3図に示
す。析出層のミクロ組織はアルミニウム固溶体マトリックス中に均一に分散した
直径50−LOOnmの微細なA l 13 (F e、V) 151分散質か
らなることか観察された。このミクロ組織は、平坦なフロー鋳造した急速凝固合
金Aリボンにおいて、および急速凝固粉末粒子から粉末冶金学的方法により圧密
した部材において、一般に観察されるものと極めて類似する。
以上、本発明をかなり詳細に説明したが、これらの詳細に厳密に従う必要はなく
、さらに変更および修正しうろことは当業者に自明であり、これらはすへて付記
する請求の範囲に定める本発明の範囲に含まれる。
g I
Fig 3
呈杓1
急速凝固アルミニウムベース含金をワイヤに成形し、そして支持体上にアーク噴
霧して、均一な連続した皮膜を得る。支持体上への合金の析出および保持か単一
作業工程で行われる。この皮膜は優れた耐食性および耐酸化性ならびに改良され
た高温強度および熱安定性を含めた、改良された機械的および物理的特性を示す
。
補正音の翻訳文提出書
(特許法第184条の8)
平成 4年 7月17日[ん
Claims (10)
- 1.急速凝固アルミニウム噴霧金属化皮膜を製造するための、下記工程からなる 方法: (a)急速凝固アルミニウムベース合金をワイヤ状となし;そして(b)該ワイ ヤを支持体上にアーク噴霧する。
- 2.急速凝固合金が実質的に均一な組織を有する、請求の範囲第1項に記載の方 法。
- 3.急速凝固アルミニウムベース合金が、アルミニウムベース合金の溶融物を調 製し、そして溶融物を移動冷却面上において少なくとも105℃/秒の速度で急 冷する工程からなる方法により調製される、請求の範囲第2項に記載の方法。
- 4.急速凝固アルミニウムベース合金が、合金の溶融物を衝突する気体または液 体によって少なくとも約105℃/秒の速度で急冷して粉末となす工程からなる 方法により調製される、請求の範囲第2項に記載の方法。
- 5.アーク噴霧工程が(i)2本のワイヤストランド間にアークを撃ち当ててそ れらの先端を溶融させ;そして(ii)溶融物に高圧の不活性ガスを衝突させる ことによりアーク内で溶融物を霧化する工程からなる、請求の範囲第1項に記載 の方法。
- 6.ワイヤが直径0.05−0.25cmの直径を有する、請求の範囲第5項に 記載の方法。
- 7.急速凝固アルミニウム合金を支持体上にアーク噴霧することにより形成され た噴霧金属化皮膜。
- 8.皮膜が優れた耐食性および耐酸化性ならびに改良された高温強度および熱安 定性を合わせて示す、請求の範囲第7項に記載の噴霧金属化皮膜。
- 9.皮膜が支持体にその表面欠陥を修復するために付与された、請求の範囲第7 項に記載の噴霧金属化皮膜。
- 10.支持体が急速凝固アルミニウム合金である、請求の範囲第9項に記載の噴 霧金属化皮膜。
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