JPH09502769A - 熱溶射コーティング用の改善された複合粉末 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コア（２８）を有し、これに発熱反応性アルミニウムもしくはアルミニウム合金の粉末（２２）および鉄もしくは銅の微細粉末（２４）が結合した複合熱溶射粉末。この熱溶射粉末は、凝集技術により製造することができ、高い接着結合強度および良好な機械加工性の双方を有するコーティングの製造に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 熱溶射コーティング用の改善された複合粉末 技術分野 本発明は、一般に、熱溶射粉末に係り、より具体的には、高い接着結合強度お よび良好な機械加工性を有するコーティングを作るために使用される低コストの 複合熱溶射粉末に関する。 発明の背景 金属部品の表面特性を改善するために、熱溶射方法を利用して金属部品にコー ティングを施すことができる。熱溶射は、熱溶射ガンの使用を含み、これを通し て粉末材料が、典型的には金属が、高速で噴射される。粉末材料が溶射ガンを通 過するにつれ、粉末は燃焼ガス（溶射）により、または放電（プラズマ溶射）に より加熱される。加速された高温粒子は金属ターゲットを打撃してそのターゲッ ト表面に接着するコーティングを生成する。このようにして、金属部品の表面特 性が、個々の用途に適合するように有意に変更される。 長年に渡り、いくつかの熱溶射粉末が開発されている。そのような粉末の１種 は、結合材料とともにまたは結合材料を用いないで結合した２種またはそれ以上 の金属もしくは金属合金の複合粒子により特徴付けられる。また、これらの複合 粉末は、コア金属を有し、このコア表面に他の金属の微細粒子が結合したものか ら構成できることも知られている。 例えば、米国特許第４，１８１，５２５号において、ニッケル、鉄、銅、コバ ルトまたはそれらの合金のコアが結合剤によりコートされた熱溶射粉末が記載さ れている。結合剤は、アルミニウムおよび実質的に純粋なニッケルの個別粒子を 含有する。コア材料は、粉末の合計平均含有量の７０〜９８％を構成する。コア 粒子は、そのサイズが−６０メッシュから＋３メッシュに渡る。アルミニウムに 加えて、結合剤がモリブデンをさらに含んでいてもよいことが開示されている。 微細なニッケルおよびアルミニウムはコーティングを接着性のあるものとする上 で有用であるが、コーティング中に硬質のアルミニウム化ニッケルが生成するこ とにより機械加工性が制限される。 「アルミニウムおよびコバルト塗布熱溶射粉末」と題する米国特許第４，５７ ８，１１５号には、ニッケル、鉄またはクロムおよび変性用元素であるクロムお よびアルミニウムの少なくとも１種で形成されたベース成分、さらに個々の成分 としてアルミニウム、コバルト、および場合に応じてモリブデンを有する複合熱 溶射複合体が開示されている。各粒子はベース材料および変性用元素からなる合 金コアを包含し、結合剤により個々の元素の微細粒子がコアに結合している。 加えて、機械的凝集による結合剤を使用しないクラッド粒子の製造も知られて いる。例えばナラらに与えられた米国特許第４，９１５，９８７号において、１ 種の材料のコアからなり、他種の材料からなるクラッドを有する粒子を製造する ために、機械的凝集技術が利用されている。ケンプに与えら れた米国特許第４，８１８，５６７号には、金属フレークを作り、これをコア粒 子に機械的に適用することによって生成された金属コート粒子が開示されている 。 溶射中に成分が発熱反応する粉末も開示されている。「溶射用発熱反応性金属 間化合物生成性複合体」と題する米国特許第３，４３６，２４８号には、２また はそれ以上の成分であって溶射中に他の成分と反応するものを溶射して金属間化 合物を生成させることによって表面をコートする方法が記載されている。ここに は、溶射の各粒子は発熱反応する上記２種の成分を含有するアグリゲート（凝集 体）からなり得るが、好ましくは個々の粒子は上記成分の１つからなるコア、お よび他の成分からなる少なくとも１つのコーティング層からなるクラッド複合体 の形態にあることが述べられている。また、ここには、複合体が上記２種の成分 の別個の同心的コーティング層と第３の材料の核とからなり得ることも開示され ている。これら従来の粉末を製造するために開示された方法は、化学的メッキ、 蒸着、および１つの成分を液状結合剤中に分散させ、これをコア粒子をコートす るために使用することを含む。結合剤と混合された成分を例えば−３２５メッシ ュに微粉砕することが記載されている。また、アグリゲートは、種々の成分を個 々の粒子にまたはより大きなアグリゲートに圧縮またはブリケットし、これらの アグリゲートを顆粒に破砕することによって生成されることが記載されている。 全体の粒子サイズは、−６０メッシュないし＋３メッシュであると開示されてい る。 従来の教示にもかかわらず、接着性が高く、しかも優れた機械加工性を示す低 コストの複合体熱溶射粉末に体する要求が産業界に存在することは明らかである 。本発明はこれらの要求に応える複合粉末を提供するものである。 発明の概要 １つの側面において、本発明は、金属表面（多くの場合、高価な表面準備を必 要としない）に強く結合し、かつ耐水性であり容易に機械加工し得るコーティン グを生成するために特に設計された熱溶射粉末を提供する。この粉末を構成する 個々の粒子は、凝集技術により生成された複合構造である。これら粒子は、コア 領域と表面領域を有する。コアは、次の金属、すなわち、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃ ｕおよびＣｒの１またはそれ以上から選ばれる。また、コアは、Ａｌ、Ｙ、Ｈｆ およびランタニドのような付加的合金金属を約１５重量％まで含有することがで きる。表面領域は、結合剤によりコアに結合されているか、またはコア表面に部 分的に埋め込まれている微粉砕粒子により構成されている。少なくとも２つの別 のタイプの微粉砕粒子がコアに結合されて複合粒子表面を形成している。第１の タイプ（第１の粒状材料）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。ア ルミニウム合金を使用する場合には、ケイ素、マグネシウムおよびチタンのよう ないくつかの他の金属をアルミニウムと組み合わせることができるが、アルミニ ウムは第１の粒状材料の少なくとも８０重量％を構成すべきである。一般に、ど のような合金よりも純粋なアルミニウムが好ましい。好ましいアルミニウム合金 は、アルミニウム／ケイ素、およびアルミニウム／銅である。第２のタイプの微 細粒子（第２の粒状材料）は、ＦｅおよびＣｕ、並びにこれらの金属と他の金属 との合金（この場合、Ｆｅおよび／またはＣｕは第２の粒状材料の少なくとも８ ０重量％を構成する）例えばＦｅ／ＮｉおよびＣｕ／Ｎｉ、およびＦｅおよび／ またはＣｕの酸化物、水酸化物、炭酸塩、および／または硝酸塩からなる群の中 から選ばれる。 他の側面において、本発明は、本発明の新規粉末を製造する方法を提供する。 この方法は、各成分を組み合わせて所望のアグリゲートを生成させることを含む 。最も好ましい態様において、この方法は、１９９２年３月６日に出願された米 国特許出願第０７／８４７，５５４号（この開示内容は本明細書の内容の一部を なすものとする）に開示されているような、制限された期間の摩擦ミリング法（ limited duration attrition milling）を用いることにより、コア粒子の表面に 第１および第２の微細粒状材料を機械的に凝集させることを含む。 さらに他の側面において、本発明は、本発明の新規複合粉末をターゲット上に 熱溶射することによってコーティングを作る方法を提供する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に従って製造された複合粒子の正面図。 図２は、本発明に従って製造された複合粒子の断面図。 好ましい態様の詳細な説明 上記概要で説明したように、本発明は、優れた機械化構成 を示す、高い接着性を有するコーティングを生成する改善された複合溶射粉末に 関する。より広い意味において、本発明の熱溶射粉末は、コア材料を包含し、以 下本明細書において微細粒状材料と称する一層小さい粒子がこれに結合している 。材料の選定、それらの相対量、およびそれらの分配がすべて組み合わされて粒 子を、従って、発熱反応が一斉に開始されるように通常の熱溶射装置およびパラ メータを使用して溶射することができる粉末を生成する。この発熱反応により、 付加的な粒子熱が発生し、本発明の新規コーティングを生成する金属の組み合わ せをもたらす。 粒子コア 粒子のコアすなわちベース材料は、ニッケル、鉄、コバルト、銅およびクロム からなる群の中から選ばれることが最も好ましい。これら材料の合金も好適であ る。例えば、コア材料は、ニッケルと銅、またはニッケルとクロムおよび鉄との 合金を包含し得る。最終コーティングの基本的な金属学的性質を変更しない少量 の他の金属は、ほとんどの場合、コア中に許容される。 コア材料は、個々の粒子の約７０ないし約９６重量％、より好ましくは約８０ ないし約９５重量％、最も好ましくは約８３ないし約９３重量％を構成する。従 って、コア材料は、最も好ましくは、本発明の新規熱溶射粉末の約８３ないし約 ９３％を構成する。 コア材料は、初めは、上記付加的な成分が好ましくは結合した粗大粒子として 提供される。このコア粒子は、そのサイ ズが、直径で、約３８ないし約１２５ミクロン、より好ましくは約４５ないし約 １０６ミクロン、最も好ましくは約４５ないし約９０ミクロンに渡る。最終粉末 としては、平均コアサイズは、最も好ましくは、約６０ないし約９０％である。 メッシュサイズの点では、本発明の複合粒子を製造するために使用されるコア粒 子は、約−８０／＋６３５、好ましくは−１４０／＋４００米国標準メッシュサ イズである。微細粒状材料との凝集中にコアサイズに有意の変化は生じないので 、これらのコアサイズのデータは、最終粉末におけるコアを正確に記述するもの でもある。 微細粒状材料 上述したように、本発明の新規複合粒子は、さらに、相互作用して熱溶射中に 発熱反応を生じる２種の非類似材料の複数の別個の領域を含む。これらの材料を 内部含有物としてまたはコア表面のやや下の粒子内領域として提供することもで きるが、本発明の最も好ましい態様においては、微細粒状材料は、コア表面に結 合した実質的に別個の粒子を構成する。これは、スプレー乾燥等のいくつかの方 法によって達成され得る。１つの態様においては、微細粒状材料を液状結合剤に 添加し、ついでこれを使用してコア粒子をコートする。フェノール系結合剤のよ うな数多くの結合剤が当業者に既知であろう。ＰＶＰ（ポリビニルピロリドン） は、特に好ましい結合剤である。本発明において結合剤を使用した場合には、当 該結合剤は、粒子のせいぜい約５重量％までを構成すべきであり、より好ましく は粒子の約３重量％未満であり、最も好 ましくは散逸性結合剤を利用する。 より好ましい態様においては、本発明の粒子は、本出願の譲受人に譲渡された 同時係属中の米国特許出願第０７／８４７，５５４号（この開示内容は本明細書 の内容の一部をなすものとする）に記載された摩擦凝集を使用した機械的凝集に より生成される。この方法により生成した粒子は、微細粒状材料がコア粒子の表 面中にわずかに埋め込まれている。すなわち、平均で、各微細粒子の約１ないし 約１０体積％がコア中に埋め込まれている。もちろん、保存中および溶射中に複 合粒子が何ら損なわれないように微細粒状材料とコア粒子との間には十分な結合 がなければならない。 コアには少なくとも２つの別個のタイプの微細粒状材料が結合して粒子表面を 形成している。第１の粒状材料はアルミニウムまたはアルミニウム合金である。 アルミニウム合金を使用する場合には、ケイ素、マグネシウムおよびチタンのよ うな複数の他の金属がアルミニウムと組み合わされていてもよいが、アルミニウ ムは第１の粒状材料の少なくとも８０重量％を構成すべきである。一般に、どの ような合金よりも純粋なアルミニウムが好ましい。好ましいアルミニウム合金は 、アルミニウム／ケイ素、およびアルミニウム／銅である。第２のタイプの微細 粒子（第２の粒状材料）は、ＦｅおよびＣｕ、並びにこれらの金属と他の金属と の合金例えばＦｅ／ＮｉおよびＣｕ／Ｎｉ（この場合、Ｆｅおよび／またはＣｕ は第２の粒状材料の少なくとも８０重量％を構成する）、およびＦｅおよび／ま たはＣｕの酸化物、水酸化物、炭酸塩、お よび／または硝酸塩からなる群の中から選ばれる。 このように、上記複数の微細粒状非類似材料は、別個の粒子として提供される 少なくとも２種の非類似材料を構成することが理解されるであろう。さて、図１ および図２を参照すると、複合コア粒子２０が示されており、その上には複数の 微細粒状材料２２および２４（比例していない）がコア２８のの表面領域２６に 部分的に結合し、または埋め込まれたものとして示されている。この例示におい て、微細粒子２２はアルミニウムであり、微細粒子２４は鉄である。第１および 第２の粒子は、それらが熱溶射中に発熱反応を行うように緊密に接触している。 アルミニウムまたはアルミニウム合金の微細粒状材料は、個々の複合粒子の約 ３ないし約２０重量％を、より好ましくは約４ないし約１５重量％を、最も好ま しくは約５ないし１２重量％を構成する。従って、第１の微細粒状材料は、最も 好ましくは、本発明の最終の熱溶射粉末の約５ないし約１２重量％を構成する。 第２の微細粒状材料は、個々の複合粒子の約０．５ないし約１０重量％を、よ り好ましくは約１ないしf約７重量％を、最も好ましくは約１．５ないし約４重 量５を構成する。従って、第２の微細粒状材料は最終粉末の約１．５ないし約４ 重量％を構成する。 微細粒状材料の粒子は、そのサイズが、直径で、約０．２ないし約１０ミクロ ン、より好ましくは約０．５ないし約５ミクロン、最も好ましくは約１．０ない し約４ミクロンに渡 る。 本発明の熱溶射材料は、最も好ましくは、粉末の形態で提供されるが、特別の 用途には、ワイヤまたはロッドに圧縮等することもできる。粉末として提供する 場合には、本発明は、好ましくは、約−８０／＋６３５米国メッシュであり、よ り好ましくは約−１４０／＋４００米国メッシュであり、最も好ましくは約−１ ４０／＋３２５米国メッシュである。 本発明の方法によれば、本明細書に開示された新規粉末は、通常の熱溶射装置 を用いてこれを溶射して接着性の高い、機械加工し得るコーティングを金属基板 上に生成する。熱溶射装置の操作パラメーターは通常のものであるが、粉末の非 類似タイプの微細粒状材料を含む所望の発熱反応を生じさせるために十分な熱を 粉末に提供しなければならない。かくして、非類似微細粒子は互いに反応し、コ アおよびおそらく周囲雰囲気と相互作用して多くの基板に極度に良好に結合する 過加熱滴を生成する。このようにしていくつかの鋼および他の基板は、事前に表 面の粗面化を行う必要なく、適切にコートされる。微細粒状材料中のいずれもの 有意の量のニッケルを除去することにより、得られるコーティングは、そうしな ければコーティングの機械加工性を低下させることとなるアルミニウム化ニッケ ル相を生じない。本発明をより十分に説明するために、以下に例を示すが、これ は添付請求の範囲に記載した本発明の全範囲をいかなるようにも制限することを 意図するものではない。 本発明をその具体的な態様に関して説明したが、上記説明に照らせば、多くの 代替、変形および変更が当業者に明らかであろうことは明白である。したがって 、添付請求の範囲の精神および広い範囲内に属するすべてのそのような代替、変 形および変更を含むことが意図されている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９５年７月１７日 【補正内容】 請求の範囲 １．複数の複合粒子を包含する熱溶射粉末であって、該粉末の複合粒子が、 ニッケル、鉄、コバルト、銅およびクロム、並びにそれらの組合わせおよ び合金よりなる群の中から選ばれた少なくとも１種の金属からなるコア部であっ て、該金属が該コアの少なくとも約８５重量％を構成し、該コアが該複合粒子の 約７０ないし９６重量％を構成するもの、 該コア部の表面における、アルミニウムおよびその合金からなる群の中か ら選ばれた第１の金属の第１の複数の粒子であって、アルミニウムが該第１の複 数の粒子の少なくとも約８０重量％を構成し、該第１の複数の粒子が該複合粒子 の約３ないし約２０重量％を構成するもの、 該コア部の表面における、鉄、銅、鉄合金および銅合金からなる群の中か ら選ばれた第２の金属の第２の複数の粒子であって、該第２の複数の粒子の少な くとも８０重量％が鉄、銅または鉄と銅との組合わせを包含し、該第２の複数の 粒子が該複合粒子の約０．５ないし約１０重量％を構成するもの を包含し、該第１および第２の複数の粒子は熱溶射中に発熱反応を行い得るもの である熱溶射粉末。 ２．該第１の複数の粒子がアルミニウムであり、該第２の複数の粒子が鉄である 請求項１記載の熱溶射粉末。 ３．該第２の金属が、金属酸化物として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ４．該第２の金属が、金属水酸化物として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ５．該第２の金属が、金属炭酸塩として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ６．該第２の金属が、金属硝酸塩として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ７．該コア金属が、Ａｌ、Ｙ、Ｈｆおよびランタニドからなる群の中から選ばれ た合金金属を包含する請求項１記載の熱溶射粉末。 ８．該第１および第２の複数の粒子が、該コアに結合した微細粒状材料である請 求項１記載の熱溶射粉末。 ９．該微細粒子を該コアに結合させる結合剤をさらに含む請求項８記載の熱溶射 粉末。 １０．該結合剤が、ポリビニルピロリドンである請求項９記載の熱溶射粉末。 １１．該微細粒状材料が、約０．２ないし１０ミクロンのサイズを有する請求項 ８記載の熱溶射粉末。 １２．複数の複合粒子を包含する熱溶射粉末であって、個々の複合粒子が、 ニッケル、鉄、コバルト、銅およびクロム、並びにそれらの組合わせおよ び合金よりなる群の中から選ばれた金属によりその少なくとも約８５重量％が形 成されたコア、 該コアに結合した第１の粒状材料の複数の粒子であって、該第１の粒状材 料がアルミニウムおよびその合金からなる群の中から選ばれ、アルミニウムが該 第１の粒状材料の少 なくとも８０重量％を構成するもの、 該コアに結合した第２の粒状材料の複数の粒子であって、該第２の粒状材 料が鉄、銅およびそれらの合金からなる群の中から選ばれ、鉄、銅または鉄と銅 との組合わせが該第２の粒状材料の少なくとも約８０重量％を構成するもの を包含し、該コアは、該複合粒子の約７０ないし約９６重量％を構成し、 該第１の粒状材料は、該複合粒子の約３ないし約２０重量％を構成し、 該第２の粒状材料は、該複合粒子の約０．５ないし約１０重量％を構成す る 熱溶射粉末。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．熱溶射粉末であって、該粉末の粒子が、 ニッケル、鉄、コバルト、銅およびクロム、並びにそれらの合金よりなる 群の中から選ばれた少なくとも１種の金属からなるコア部、 該コア部の表面における、アルミニウムおよびその合金からなる群の中か ら選ばれた第１の金属の第１の複数の粒子、 該コア部の表面における、鉄、銅、鉄合金および銅合金からなる群の中か ら選ばれた第２の金属の第２の複数の粒子 を包含し、該粒子は溶射中に発熱反応を行う熱溶射粉末。 ２．該第１の複数の粒子がアルミニウムであり、該第２の複数の粒子が鉄である 請求項１記載の熱溶射粉末。 ３．該第２の金属が、金属酸化物として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ４．該第２の金属が、金属水酸化物として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ５．該第２の金属が、金属炭酸塩として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ６．該第２の金属が、金属硝酸塩として存在する請求項１記載の熱溶射粉末。 ７．該コア金属が、Ａｌ、Ｙ、Ｈｆおよびランタニドからなる群の中から選ばれ た合金金属と合金化されている請求項１記載の熱溶射粉末。 ８．該第１および第２の複数の粒子が、該コアに結合した微細粒状材料である請 求項１記載の熱溶射粉末。 ９．該微細粒子を該コアに結合させる結合剤をさらに含む請求項８記載の熱溶射 粉末。 １０．該結合剤が、ＰＶＰである請求項９記載の熱溶射粉末。 １１．該コアが、該粒子の各々の約７０ないし約９６重量％を構成する請求項１ 記載の熱溶射粉末。 １２．該第１の金属が、各粒子の約３ないし約２０重量％を構成する請求項１記 載の熱溶射粉末。 １３．該第２の金属が、各粒子の約０．５ないし約１０重量％を構成する請求項 １記載の熱溶射粉末。 １４．該微細粒状材料が、約０．２ないし１０ミクロンのサイズを有する請求項 ８記載の熱溶射粉末。 １５．熱溶射粉末であって、個々の粉末が、 ニッケル、鉄、コバルト、銅およびクロム、並びにそれらの合金よりなる 群の中から選ばれた金属で形成されたコア、 該コアに結合した第１の粒状材料の複数の粒子であって、該第１の粒状材 料が、アルミニウムおよびその合金からなる群の中から選ばれるもの、 該コアに結合した第２の粒状材料の複数の粒子であって、該第２の粒状材 料が、鉄、銅およびそれらの合金からなる群の中から選ばれるもの を包含し、該コアは、該粒子の約７０ないし約９６．５重量％を構成し、 該第１の粒状材料は、該粒子の約３ないし約２０重量％を構成し、 該第２の粒状材料は、該粒子の約０．５ないし約１０重量％を構成する 熱溶射粉末。 １６． ニッケル、鉄、コバルト、銅およびクロム、並びにそれらの合金よりな る群の中から選ばれた少なくとも１種の金属からなるコア部、 該コア部の表面における、アルミニウムおよびその合金からなる群の中 から選ばれた第１の金属の第１の複数の粒子、 該コア部の表面における、鉄、銅、鉄合金および銅合金からなる群の中か ら選ばれた第２の金属の第２の複数の粒子 を有し、 該粒子は溶射中に発熱反応を行う熱溶射粉末を調製する工程、 熱溶射ガンを提供し、該ガンにより該粉末をターゲット上に溶射して熱溶射コ ーティングを生成させる工程 を包含する熱溶射コーティングの形成方法。 １７． 金属コア粒子であって該金属がニッケル、鉄、コバルト、銅およびクロ ム、並びにそれらの合金よりなる群の中から選ばれるものを提供する工程、 アルミニウムおよびその合金からなる群の中から選ばれた第１の微細粒 状材料を提供する工程、 鉄、銅およびそれらの合金からなる群の中から選ばれた第２の微細粒状 材料を提供する工程、 該コア、該第１の微細粒状材料および該第２の微細粒状材料を凝集させ て、該第１および第２の粒状材料が該コア粒子に結合した複数の粒子を生成させ る工程 を包含する熱溶射粉末の製造方法。