JPH09241863A - レーザ溶射法による高耐食性改質層の作製方法 - Google Patents
レーザ溶射法による高耐食性改質層の作製方法Info
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- JPH09241863A JPH09241863A JP8047151A JP4715196A JPH09241863A JP H09241863 A JPH09241863 A JP H09241863A JP 8047151 A JP8047151 A JP 8047151A JP 4715196 A JP4715196 A JP 4715196A JP H09241863 A JPH09241863 A JP H09241863A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 軟鋼にクロム等の緻密で密着性の大きな耐食
性の大きな被膜を形成して改質する。 【解決手段】 軟鋼などの金属基体上に金属基体表面を
溶融することが可能な出力のレーザを照射しながら、レ
ーザの焦点位置の近傍にクロム、モリブデン、ニッケ
ル、コバルト、タングステン、ケイ素の少なくとも１種
を含む被覆形成材料の粉末を注ぎ、レーザによって被覆
形成材料の粉末を溶融して金属基体上の溶融金属層に溶
射することによって基体金属との合金層を形成するレー
ザ溶射法による高耐食性改質層の作製方法。
性の大きな被膜を形成して改質する。 【解決手段】 軟鋼などの金属基体上に金属基体表面を
溶融することが可能な出力のレーザを照射しながら、レ
ーザの焦点位置の近傍にクロム、モリブデン、ニッケ
ル、コバルト、タングステン、ケイ素の少なくとも１種
を含む被覆形成材料の粉末を注ぎ、レーザによって被覆
形成材料の粉末を溶融して金属基体上の溶融金属層に溶
射することによって基体金属との合金層を形成するレー
ザ溶射法による高耐食性改質層の作製方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本内容は、レーザ溶射法を利
用し、金属表面、とくに鉄鋼の表面にクロム等を含む改
質層を形成し、材料の耐食性を著しく改善する方法に関
するものである。
用し、金属表面、とくに鉄鋼の表面にクロム等を含む改
質層を形成し、材料の耐食性を著しく改善する方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】鉄鋼材料表面の耐食性改善法としては、
耐食性の金属被膜を電気めっき、化学めっき等の方法に
よって形成するめっき法、めっきしたクロム等の表面に
レーザ照射し、金属基体と合金化する方法、金属粉末を
塗布した表画にレーザ照射し合金化する方法、金属粉末
をプラズマ溶射等の方法によって溶射して金属表面に溶
射層を形成する方法等が知られている。
耐食性の金属被膜を電気めっき、化学めっき等の方法に
よって形成するめっき法、めっきしたクロム等の表面に
レーザ照射し、金属基体と合金化する方法、金属粉末を
塗布した表画にレーザ照射し合金化する方法、金属粉末
をプラズマ溶射等の方法によって溶射して金属表面に溶
射層を形成する方法等が知られている。
【０００３】めっき法による耐食皮膜形成は簡便であり
古くから用いられている。しかしこの方法は厚膜の形成
には不向きであり、数十μｍ程度が限界である。また、
基体金属と金属被膜の間の密着性が小さく、また皮膜中
にピンホールが存在するため、基板金属を外界から完全
に遮断することは困難である。またクロムめっきの場
合、一般にクラックが生ずるため耐食性が不充分であっ
た。また、クロムめっきした鉄鋼材料にレーザ照射し、
基体の鉄鋼と合金化する方法は一般に改質層の厚さが５
０μｍ〜２５０μｍ程度と薄いため耐食性には限界があ
る。また、めっき工程、レーザ照射工程と２工程を要す
るという問題がある。 金属粉末をあらかじめ塗布して
レーザ照射する方法では粉末全体が溶融した後、基体金
属が溶融するために界面では合金層が形成されるが表面
は塗布した粉末と同一組成となり、基体金属との合金層
を厚さ方向の広い範囲に形成したり、均一組成の合金層
を形成することは困難である。また、その組成は局所的
にかなりのばらつきが見られ、さらに界面の合金層形成
が不十分であることが多いため、密着性に問題がある。
古くから用いられている。しかしこの方法は厚膜の形成
には不向きであり、数十μｍ程度が限界である。また、
基体金属と金属被膜の間の密着性が小さく、また皮膜中
にピンホールが存在するため、基板金属を外界から完全
に遮断することは困難である。またクロムめっきの場
合、一般にクラックが生ずるため耐食性が不充分であっ
た。また、クロムめっきした鉄鋼材料にレーザ照射し、
基体の鉄鋼と合金化する方法は一般に改質層の厚さが５
０μｍ〜２５０μｍ程度と薄いため耐食性には限界があ
る。また、めっき工程、レーザ照射工程と２工程を要す
るという問題がある。 金属粉末をあらかじめ塗布して
レーザ照射する方法では粉末全体が溶融した後、基体金
属が溶融するために界面では合金層が形成されるが表面
は塗布した粉末と同一組成となり、基体金属との合金層
を厚さ方向の広い範囲に形成したり、均一組成の合金層
を形成することは困難である。また、その組成は局所的
にかなりのばらつきが見られ、さらに界面の合金層形成
が不十分であることが多いため、密着性に問題がある。
【０００４】また、プラズマ溶射のような溶射による方
法は、供給した金属粉末をプラズマ中で溶融し、基体上
に被膜を形成する方法であるが、基体金属との合金化は
一般に不可能である。そのため、密着性に問題がある。
しかも、クロム溶射膜の場合、必ずクラックを生じ、耐
食性を保持できないので、封孔処理を行ったり、あるい
はクロムめっきに先だってニッケルの下地めっきを行う
必要があった。また、減圧プラズマ溶射にレーザ照射を
併用したレーザ・プラズマハイブリッド溶射により、母
材上に高性能摺動面を被着する方法が「トライポロジー
会議予稿集 福岡１９９１−１０」 Ｐ１７５〜Ｐ１７
８（特開平６−２６５７８６号公報）に記載されている
が、プラズマ溶射によって形成した被膜を併用したレー
ザによって溶融させて気孔等を消滅させたものであり、
プラズマ溶射とレーザ溶射の２種の装置を用いることが
必要であった。
法は、供給した金属粉末をプラズマ中で溶融し、基体上
に被膜を形成する方法であるが、基体金属との合金化は
一般に不可能である。そのため、密着性に問題がある。
しかも、クロム溶射膜の場合、必ずクラックを生じ、耐
食性を保持できないので、封孔処理を行ったり、あるい
はクロムめっきに先だってニッケルの下地めっきを行う
必要があった。また、減圧プラズマ溶射にレーザ照射を
併用したレーザ・プラズマハイブリッド溶射により、母
材上に高性能摺動面を被着する方法が「トライポロジー
会議予稿集 福岡１９９１−１０」 Ｐ１７５〜Ｐ１７
８（特開平６−２６５７８６号公報）に記載されている
が、プラズマ溶射によって形成した被膜を併用したレー
ザによって溶融させて気孔等を消滅させたものであり、
プラズマ溶射とレーザ溶射の２種の装置を用いることが
必要であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、金属材料、
特に鉄鋼材料の表面に耐食性に優れ、基体金属との密着
性が大きな金属被膜を形成する方法を提供することを課
題とするものであり、とくに基体の金属材料と合金化を
した密着性が大きな緻密な金属被膜を形成する方法を提
供することを課題とするものである。
特に鉄鋼材料の表面に耐食性に優れ、基体金属との密着
性が大きな金属被膜を形成する方法を提供することを課
題とするものであり、とくに基体の金属材料と合金化を
した密着性が大きな緻密な金属被膜を形成する方法を提
供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属基体上に
高耐食性改質層を形成する方法において、金属基体上に
金属基体表面を溶融することが可能な出力のレーザを照
射しながら、レーザの焦点の近傍に金属基体上に被覆形
成材料の粉末を注ぎ、被覆形成材料の粉末を溶融して金
属基体上の溶融した金属層に溶射することによって基体
金属との合金層を形成する高耐食性改質層の形成方法で
ある。
高耐食性改質層を形成する方法において、金属基体上に
金属基体表面を溶融することが可能な出力のレーザを照
射しながら、レーザの焦点の近傍に金属基体上に被覆形
成材料の粉末を注ぎ、被覆形成材料の粉末を溶融して金
属基体上の溶融した金属層に溶射することによって基体
金属との合金層を形成する高耐食性改質層の形成方法で
ある。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の方法は、レーザの焦点位
置と金属基体との距離を調整し、金属基体の表面に金属
基体の表面を溶融することが可能なレーザを照射しなが
ら、レーザの焦点の近傍に金属基体上に被覆を形成する
材料の粉末を供給し、レーザによって溶融した金属基体
表面に、被覆材料を溶射するものであり、金属基体表面
に被覆材料との合金からなる改質層を形成するものであ
る。
置と金属基体との距離を調整し、金属基体の表面に金属
基体の表面を溶融することが可能なレーザを照射しなが
ら、レーザの焦点の近傍に金属基体上に被覆を形成する
材料の粉末を供給し、レーザによって溶融した金属基体
表面に、被覆材料を溶射するものであり、金属基体表面
に被覆材料との合金からなる改質層を形成するものであ
る。
【０００８】本発明を図面を参照して説明する。図１
は、本発明に用いるレーザ溶射装置を説明する図であ
る。真空室１に設けた試料を任意の方向に移動すること
ができる試料載置台２に金属基体３が載置されており、
炭酸ガスレーザ等によって発生させたレーザビーム４を
Ｚｎ−Ｓｅレンズからなる焦点調節レンズ５が設けられ
ており、Ｚｎ−Ｓｅ窓６を通じて真空室内に照射するよ
うに構成されている。金属基体と焦点との距離を試料載
置台の位置と焦点調節レンズによって調整し、金属基体
表面を溶融する条件に設定し、真空室内に保護ガス供給
口７からアルゴン等の保護ガスを供給しながらレーザビ
ームを金属基体に照射し、被覆材料粉末８をキャリアー
ガス９によってレーザビームの焦点位置１０の近傍に供
給すると被覆材料は瞬時に溶融し、レーザービームによ
って表面が溶融した金属基体上に溶射する。金属基体の
表面と溶射する金属が共に溶融状態であるので、広範な
成分範囲の合金が得られる。また、試料載置装置を移動
しながら、溶射することによって金属基体の所望の部分
に被膜を形成することができる。
は、本発明に用いるレーザ溶射装置を説明する図であ
る。真空室１に設けた試料を任意の方向に移動すること
ができる試料載置台２に金属基体３が載置されており、
炭酸ガスレーザ等によって発生させたレーザビーム４を
Ｚｎ−Ｓｅレンズからなる焦点調節レンズ５が設けられ
ており、Ｚｎ−Ｓｅ窓６を通じて真空室内に照射するよ
うに構成されている。金属基体と焦点との距離を試料載
置台の位置と焦点調節レンズによって調整し、金属基体
表面を溶融する条件に設定し、真空室内に保護ガス供給
口７からアルゴン等の保護ガスを供給しながらレーザビ
ームを金属基体に照射し、被覆材料粉末８をキャリアー
ガス９によってレーザビームの焦点位置１０の近傍に供
給すると被覆材料は瞬時に溶融し、レーザービームによ
って表面が溶融した金属基体上に溶射する。金属基体の
表面と溶射する金属が共に溶融状態であるので、広範な
成分範囲の合金が得られる。また、試料載置装置を移動
しながら、溶射することによって金属基体の所望の部分
に被膜を形成することができる。
【０００９】本発明には、各種の金属基体を用いること
ができるが、軟鋼、ステンレス等を用いることが好まし
い。また、金属基体上に形成する被膜材料には、クロ
ム、モリブデン、タングステン、ニッケル、コバルト、
ケイ素等の金属を単独、もしくはそれらの合金を用いる
ことができ、鉄鋼とニッケル、クロム、モリブデン等と
の金属との合金化の結果、ステンレスと同様の合金の被
膜が得られる。また、鉄鋼材料にタングステンの被膜を
形成した場合には、Ｆｅ2Ｗ 等の超硬質合金の被膜を形
成することができ、ステンレスの表面にケイ素の被膜を
形成するとステンレス基材の耐酸性を向上することがで
きる。
ができるが、軟鋼、ステンレス等を用いることが好まし
い。また、金属基体上に形成する被膜材料には、クロ
ム、モリブデン、タングステン、ニッケル、コバルト、
ケイ素等の金属を単独、もしくはそれらの合金を用いる
ことができ、鉄鋼とニッケル、クロム、モリブデン等と
の金属との合金化の結果、ステンレスと同様の合金の被
膜が得られる。また、鉄鋼材料にタングステンの被膜を
形成した場合には、Ｆｅ2Ｗ 等の超硬質合金の被膜を形
成することができ、ステンレスの表面にケイ素の被膜を
形成するとステンレス基材の耐酸性を向上することがで
きる。
【００１０】被膜材料として用いる粉末の粒子の形状
は、供給する際に流れやすい球形もしくは楕円形状のも
のが好ましい。また、粒子の大きさは０．５μｍ以上と
することが好ましい。粒子の大きさがあまりに小さくな
ると凝集が起こり取り扱いが困難となる。本発明の方法
では、基体金属と被膜形成材料から形成される合金は、
一定の組成のものとすることも、焦点位置と金属基体と
の距離の調整によって組成を変化させることも可能であ
る。また、金属基体上に形成する被覆の厚さは、任意の
厚さのものを形成することができるが、とくに１ｍｍ以
上の膜厚の大きな被膜を容易に形成することができる。
は、供給する際に流れやすい球形もしくは楕円形状のも
のが好ましい。また、粒子の大きさは０．５μｍ以上と
することが好ましい。粒子の大きさがあまりに小さくな
ると凝集が起こり取り扱いが困難となる。本発明の方法
では、基体金属と被膜形成材料から形成される合金は、
一定の組成のものとすることも、焦点位置と金属基体と
の距離の調整によって組成を変化させることも可能であ
る。また、金属基体上に形成する被覆の厚さは、任意の
厚さのものを形成することができるが、とくに１ｍｍ以
上の膜厚の大きな被膜を容易に形成することができる。
【００１１】本発明に用いるレーザは、炭酸ガスレー
ザ、ＹＡＧレーザ等の比較的大きな出力を得られるもの
であれば任意のものを用いることができ、レーザの焦点
位置と金属基体との距離は、レーザの出力、金属基体の
種類、形成すべき被膜の厚み等の条件によって適宜調整
することができる。本発明の方法によって金属基体上に
形成された被膜は、基体の金属と完全に一体化してお
り、強固な密着性を有するとともに合金化によって優れ
た耐食性を有するものが得られる。
ザ、ＹＡＧレーザ等の比較的大きな出力を得られるもの
であれば任意のものを用いることができ、レーザの焦点
位置と金属基体との距離は、レーザの出力、金属基体の
種類、形成すべき被膜の厚み等の条件によって適宜調整
することができる。本発明の方法によって金属基体上に
形成された被膜は、基体の金属と完全に一体化してお
り、強固な密着性を有するとともに合金化によって優れ
た耐食性を有するものが得られる。
【００１２】
【実施例】以下に本発明の実施例を示し、本発明をさら
に詳細に説明する。 実施例１ 真空室内に１７×１５×７０ｍｍの大きさの軟鋼を金属
基体とし、真空室内を溶射操作の前に４Ｐａまで排気
し、保護気体として窒素を５ｄｍ3／分 の流量で供給
し、２ｋＷの炭酸ガスレーザを用い、焦点位置と基板と
の距離を５〜２５ｍｍに変化させながら溶射中の真空室
内は、２×１０3Ｐａ の圧力として、平均直径１０μｍ
のクロム粉末を、２ｄｍ3／分 の流量の窒素をキャリア
ー気体として４ｇ／分の速度でレーザの焦点位置に供給
し、金属基体を５５ｍｍ／秒で移動させながらレーザ溶
射を行い厚さ０．５ないし１ｍｍの被膜を有する４個の
試料を作製した。試料の作製条件を表１に示す。
に詳細に説明する。 実施例１ 真空室内に１７×１５×７０ｍｍの大きさの軟鋼を金属
基体とし、真空室内を溶射操作の前に４Ｐａまで排気
し、保護気体として窒素を５ｄｍ3／分 の流量で供給
し、２ｋＷの炭酸ガスレーザを用い、焦点位置と基板と
の距離を５〜２５ｍｍに変化させながら溶射中の真空室
内は、２×１０3Ｐａ の圧力として、平均直径１０μｍ
のクロム粉末を、２ｄｍ3／分 の流量の窒素をキャリア
ー気体として４ｇ／分の速度でレーザの焦点位置に供給
し、金属基体を５５ｍｍ／秒で移動させながらレーザ溶
射を行い厚さ０．５ないし１ｍｍの被膜を有する４個の
試料を作製した。試料の作製条件を表１に示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】次いで、各試料について、銅ターゲットＸ
線管と回折ビームモノクロメーターを備えたＸ線回折装
置（日本電子製 ＪＴＸ３５３０）を用いて、Ｘ線回折
角を測定し、軟鋼についてのデータと共にその結果を図
２に示す。金属基体と焦点位置との距離によって生成す
る合金の組成が変化していることを示しており、試料４
では金属基体との合金化が進んでおらず、クロムから形
成された層が生成していることを示している。また、エ
ネルギー分散型Ｘ線分析装置（エリオニクス製 ＥＲＡ
−８０００ＥＤＳ）によって、試料１および試料２につ
いて、厚さ方向のクロムの分布を測定し、その結果を金
属基体からの表面からの距離に対するクロムの存在量を
図３に示す。生成条件の違いによって、被膜の組成を均
一にすること、あるいは組成を連続的に変化させること
が可能であることを示している。 軟鋼、試料１および
試料２を、２５℃１規定硫酸中に、３０分間浸漬処理の
後、飽和甘汞電極を参照電極として、−１．０Ｖの電位
に５分間、陰分極した後に、３０分間の浸漬処理をし、
次いで腐食電流を測定し、その結果を図４に示す。軟鋼
は、０．８Ｖと１．６Ｖの間で不働態化したが、試料１
および試料２は、−０．３Ｖと１．０Ｖの間で不働態化
した。試料１および試料２の不働態領域での電流密度
は、軟鋼に比べて５０〜１００分の１であった。この値
は、Ｆｅ−２５Ｃｒの１規定硫酸中の値と同様であり、
軟鋼上の被膜は大きな耐食性を示していた。
線管と回折ビームモノクロメーターを備えたＸ線回折装
置（日本電子製 ＪＴＸ３５３０）を用いて、Ｘ線回折
角を測定し、軟鋼についてのデータと共にその結果を図
２に示す。金属基体と焦点位置との距離によって生成す
る合金の組成が変化していることを示しており、試料４
では金属基体との合金化が進んでおらず、クロムから形
成された層が生成していることを示している。また、エ
ネルギー分散型Ｘ線分析装置（エリオニクス製 ＥＲＡ
−８０００ＥＤＳ）によって、試料１および試料２につ
いて、厚さ方向のクロムの分布を測定し、その結果を金
属基体からの表面からの距離に対するクロムの存在量を
図３に示す。生成条件の違いによって、被膜の組成を均
一にすること、あるいは組成を連続的に変化させること
が可能であることを示している。 軟鋼、試料１および
試料２を、２５℃１規定硫酸中に、３０分間浸漬処理の
後、飽和甘汞電極を参照電極として、−１．０Ｖの電位
に５分間、陰分極した後に、３０分間の浸漬処理をし、
次いで腐食電流を測定し、その結果を図４に示す。軟鋼
は、０．８Ｖと１．６Ｖの間で不働態化したが、試料１
および試料２は、−０．３Ｖと１．０Ｖの間で不働態化
した。試料１および試料２の不働態領域での電流密度
は、軟鋼に比べて５０〜１００分の１であった。この値
は、Ｆｅ−２５Ｃｒの１規定硫酸中の値と同様であり、
軟鋼上の被膜は大きな耐食性を示していた。
【００１５】
【発明の効果】本発明の方法は、レーザ溶射のみによ
り、軟鋼表面にクロムをはじめとする金属が軟鋼と合金
化した、密着性が大きな厚みの厚い緻密な被膜を形成す
ることができるので、従来のクロム溶射膜、ステンレス
めっき等を行った軟鋼の耐食性の問題点を解決すること
が可能となった。
り、軟鋼表面にクロムをはじめとする金属が軟鋼と合金
化した、密着性が大きな厚みの厚い緻密な被膜を形成す
ることができるので、従来のクロム溶射膜、ステンレス
めっき等を行った軟鋼の耐食性の問題点を解決すること
が可能となった。
【図１】本発明のレーザ溶射装置の一例を説明する図で
ある。
ある。
【図２】本発明の実施例で得られた試料と軟鋼のＸ線回
折を説明する図である。
折を説明する図である。
【図３】本発明の実施例で得られた厚さ方向のクロムの
分布を説明する図である。
分布を説明する図である。
【図４】本発明の実施例で得られた試料と軟鋼の腐食電
流を説明する図である。
流を説明する図である。
１…真空室、２…試料載置台、３…金属基体、４…レー
ザビーム、５…焦点調節レンズ、６…Ｚｎ−Ｓｅ窓、７
…保護ガス供給口、８…被覆材料粉末、９…キャリアー
ガス、１０…焦点位置
ザビーム、５…焦点調節レンズ、６…Ｚｎ−Ｓｅ窓、７
…保護ガス供給口、８…被覆材料粉末、９…キャリアー
ガス、１０…焦点位置
Claims (2)
- 【請求項１】 レーザ溶射法による高耐食性改質層を作
製する方法において、金属基体上に金属基体表面を溶融
することが可能な出力のレーザを照射しながら、レーザ
の焦点位置の近傍に被覆形成材料の粉末を注ぎ、レーザ
によって被覆形成材料の粉末を溶融して金属基体上の溶
融金属層に溶射することによって基体金属との合金層を
形成することを特徴とするレーザ溶射法による高耐食性
改質層の作製方法。 - 【請求項２】 金属基体が軟鋼であり、被膜形成材料が
クロム、モリブデン、ニッケル、コバルト、タングステ
ン、ケイ素の少なくとも１種を含むことを特徴とする請
求項１記載のレーザ溶射法による高耐食性改質層の作製
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04715196A JP3354377B2 (ja) | 1996-03-05 | 1996-03-05 | レーザ溶射法による高耐食性改質層の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04715196A JP3354377B2 (ja) | 1996-03-05 | 1996-03-05 | レーザ溶射法による高耐食性改質層の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09241863A true JPH09241863A (ja) | 1997-09-16 |
| JP3354377B2 JP3354377B2 (ja) | 2002-12-09 |
Family
ID=12767103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04715196A Expired - Fee Related JP3354377B2 (ja) | 1996-03-05 | 1996-03-05 | レーザ溶射法による高耐食性改質層の作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3354377B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE10154093A1 (de) * | 2001-11-02 | 2003-05-22 | Daimler Chrysler Ag | Verfahren zur Oberflächenbehandlung durch einen Pulverwerkstoff mit Hilfe eines Laserstrahls |
| KR100931664B1 (ko) * | 2007-12-21 | 2009-12-14 | 주식회사 포스코 | 내마모성이 우수한 스케일 브레이크 워크롤 |
| JP2013520001A (ja) * | 2010-02-10 | 2013-05-30 | タタ、スティール、ネダーランド、テクノロジー、ベスローテン、フェンノートシャップ | 太陽電池を金属基材上に製造する積層システム、および該積層システムを製造する方法 |
| CN103691949A (zh) * | 2014-01-09 | 2014-04-02 | 湖北工业大学 | 一种wc-金属复合材料结构件的激光成形方法 |
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-
1996
- 1996-03-05 JP JP04715196A patent/JP3354377B2/ja not_active Expired - Fee Related
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