JPS608302B2 - 高硬度銅・アルミ合金火炎溶射粉末 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は火炎溶射用のアルミ・銅合金粉末に関し、特に
耐摩耗性・耐剥離性を併せもっとともに改善された溶射
硬度を有するそのような合金粉末に関する。

火炎漆射用アルミ・銅合金粉末は、金属基体上に滑かで
耐酸化性および耐剥離性を呈する金属被覆を形成するも
のとして知られている。

典型的な合金は、一般に曙霧化粉末として使用され、基
本的には、重量で、約２％Ｆｅ，１０％ＡＩおよび残部
基本的には銅例えば８８％Ｃｕからなるものである。上
記の合金の付着被覆を生成する好ましい方法は、金属基
体上に、まず接着金属層を溶射し引き続いてアルミ鋼合
金被覆を港射することである。

接着金属の一例としてはニッケル粉末とアルミ粉末を樹
脂をバインダーとして造粒して得た金属粉末がある。こ
の造粒粉末は、重量で、約３〜１５％山（好ましくは３
〜１０％ＡＩ）と残部基本的にニッケルよりなる組成を
有している。このＮｉ−ＡＩ系の接着層は金属基体への
良好な接着を呈し、かつアルミ鋼合金を強力に接着する
ための下地層として作用する。このようにして、かなり
厚いアルミ鋼合金被覆が設けられ得る。そしてこの被覆
は、炭化工具刃で容易に加工され得る。上記のアルミ鋼
合金組成の欠点の１つは、その硬度が約６５〜７０Ｒｂ
と比較的小さく、従って用途も限定されるということで
ある。

しかしながら、耐酸化性および耐剥離性とともに被膜の
滑らかさを失うことなく、より高い硬度のアルミ鋼合金
被覆を必要とする場合がある。

我々は、アルミ鋼合金にニッケルをある量添加すれば、
これ迄得られなかったような高い溶射硬度を有する改良
された火炎溶射用アルミ鋼合金が得られることを発見し
た。本発明の一実施例として、我々は、必須成分として
、重量で、約５％Ｆｅ，約２〜８％Ｎｉ，約５〜１５％
Ｎおよび残部鋼よりなる火炎溶射用アルミ銅合金粉末を
提供する。

好ましくは、この合金組成体は、基本的には、０〜３％
Ｆｅ，約４〜６％Ｎｉ，約８〜１２％Ｎおよび残部鋼か
らなって良い。しかしながら、広義には、ニッケルの添
加量はトニッケルを含有しない組成をもつ合金の溶射し
たときの硬度（溶射硬度）より少なくとも１０％港射硬
度を高めるに充分な量に選ぶべきである。

ニッケルの上記した添加量範囲にわたって試みたところ
、ニッケルを含有しない合金に比して、著しく改良され
た溶射硬度が得られた。これは、第１図から明らかであ
ろう。第】図は、ニッケルが約２〜８％の範囲で特に４
〜６％の範囲で添加されると熔射硬度が増加することを
示している。ニッケルの存在は、合金の耐酸化性や耐摩
耗性に悪影響を与えない。その結果、これらの特性を備
えながら硬度の改善が達成される。更に、ニッケルの添
加は、好ましい黄色のアルミ鋼合金色に変化を与えない
。厚みは約０．１２５インチ（０．３１２５伽）以上の
もの迄得られ、金属基体上にそれは下地層として他の金
属の接着層を使用して強固に接着する。接着層は、一般
には、約０．００５〜０．０１５インチ（０．０１２５
〜０．０３７５伽）の厚みを持つ。アルミ鋼合金被膜の
厚みは「 約０。００５〜０．１２５インチ（０．０１
２５〜０．３１２５ｃの）「一般には約０．０１〜０．
１インチ（０．０２５〜０．０２５弧）の範囲にあると
良い。

アルミ銅合金粉末は、好ましくは、噴霧化粉末を使用す
ると良い。この種の粉末は、格別に良好な自由な流動性
をもつ。このような粉末は第２図に示すような重力供給
型のトーチにおいて使用するのに特に適している。粉末
の好ましい大きさは、平均粒径で、約一１００メッシュ
から十３２５メッシュの間、より好ましくは、一１４０
メッシュから十３２５メッシュの間である。金属基体上
に銅合金層を作る際、基体は、まず、通常の方法で清浄
化された後、サンドブラスト法その他の機械的処理を施
された後、火炎溶射法によって下地となる接着金属層が
施される。

好ましい接着金属は、前述したとおり、ニッケルとアル
ミニウムとの造粒粉末である。この粉末は、ニッケルと
アルミニウムの粉末を樹旨バインダーを含む揮発性有機
溶剤中で混合することによって得られる。例えば、（フ
ェノールフオルムアルデヒドのような）フェノール樹脂
を、エチルアルコール，メチルメタクリレイト，ポリビ
ニールクロラィド，ポリビニールアルコール等に溶かし
たものが用いられる。有機溶剤が蒸発して塊ができたと
き、重量で、１〜５％、好ましくは３％の樹脂を含んだ
粉末が、造粒物の形で得られる。この造粒物は、砕かれ
網目を通されて、一１００〜十３２５メッシュ好ましく
は、一１４０〜十３２５メッシュの粉末を得る。前述し
たように、造粒物は、樹脂を除いて、３〜１５％のアル
ミニウムと残部実質的にニッケルとからなる（アルミニ
ウムは、３〜１０％，例えば６％が好ましい。

）。アルミニウム粉末は、樹脂によってニッケル粉末に
粘着的に援着されている。そしてアルミニウム粉末の大
きさは、平均粒径で「ニッケルの約１／２９好ましくは
１／４である。ニッケル粉末は粒径約６０〜８０ミクロ
ンの範囲で、アルミニウム粉末は約１５ミクロンより小
さく「好ましくは２〜１０ミクロンの範囲である。Ｎｉ
−ＡＩ下地接着層は「公知の種種の型の火炎溶射トーチ
を使用して形成される。

そのようなトーチにおいては、調整された粉末は、ガス
火炎中に注がれてトーチから噴射され「金属基体上に施
される。噴霧化アルミ鋼合金粉末も同様に、上記したよ
うなトーチで漆射され得る。

好ましいトーチは、米国特許第３，６２０，４５４号明
細書に開示され、第２図に示されたような重力供給型ト
ーチである。第２図を参照して、トーチ２５は五辺形の
錘体２６を有しており、その一辺は握り部２７、他の一
辺は基部２８、更に他の一辺は供給部２９、そして更に
他の一辺はトーチの頭部３０を構成している。蓮体２６
には、粉末供給装置３１と火炎装置３２が取付けられて
おり、火炎装置にはノズル３３が結合されている。頭部
３０には、合金粉末を保持するための容器３５（部分的
に示されている）を受けるための口金３４が設けられて
おり、一方、粉末供給を制御するための調整装置は口金
３４の下方の頭部３０中のスロット３７中に摺動可能に
設けた供給制御板３６を有している。

供給制御板３６は蓮体上方に突出したノブ３８を備えて
おり、これによって供給制御板３６を供給部２９に対し
て往復動できるようになつている。粉末は、丸口を通っ
て重力によって滑らかに流れる。

丸口の寸法は種々の合金粉末に対して０．０７５〜０．
１２０インチ（０．１８７５〜０．３００肌）であり、
粉末の流れは、一１００〜十３００メッシュの範囲にわ
たって実質的に一定に維持される。球形の贋霧化粉が、
この種のトーチに対して特に使用される。所望の流量を
得るには、供給制御板３６は、容器３５から流出口３９
，導管４０および可変出射制御装置４１を通って流れる
量を種々調整するための粉末流出口に選択的に整合され
る。出射制御装置４１‘ま、粉末供給管４３とこれに摺
敷可能に鉄入された中空円筒芯管４４とを備えトこの芯
管４４は導管４川こ直接運通しておりｔ これによって
、粉末は供給管４３を通って、放故端４５へ流れる。供
孫合管４３の外表面の一部には、指標すなわち溝４６が
設けられており、これはラッチング装置４７と協働して
、粉末供給管４３を、その放出端４５がノズル３３から
の火炎端から正確な距離にあるように、設定する。この
ラッチング装置４７は、指標溝４６の一つへスプリング
４９によって付勢された保持ピン４８を有しており、こ
の保持ピン４８は「供給管設定の際、幹５０によって操
作される。すなわち、幹５０を押すと、保持ピン４８が
指標溝４６の一つから外れ、この結果、供給管４３は、
所望の位置に設定される。火炎装置３２は、摺動子５１
に支持されており、摺動子５１は、錘体２６の基部に設
けた軌道６２に沿って動かされ、また鍵止される。止錠
ピンｔ５Ａが図示のとおり設けられている。ガス管５３
が酒動子５１に固定保持されている。これは工場で取付
けられても良い。ガス管５３の一端はアセチレンと酸素
のガス源に接続するための接続部５４を備えている。粉
末は、供給管４３を流下し、放出口４５から火炎中に放
出される。

上述したトーチをもって製造した接着層は、一般に、０
．００５〜０．０１５インチ（０．０１２５〜０．０３
７５伽）の厚さである。

アルミ鋼合金被覆は、この接着層の上に、約０．０８イ
ンチ（０．２００弧）の厚さに溶射される。本発明の例
を次に示す 例 次に示す３種類のアルミ鋼合金が製造された。

｛１｝ ８８％Ｃｕ−１０％ＡＩ−２％Ｆｅ■ ８３％
Ｃｕ−１０％ＡＩ−２％Ｆｅ−５％Ｎｉ‘３｝ ７８％
Ｃｕ−１０％ＡＩ−２％Ｆｅ−１０％Ｎｉこれらの合金
粉末は、１０２雌鋼板上に被着した接着層上に上被層を
形成するために用いられた。粉末粒径は一１４０〜十３
２５メッシュであった。接着層は６％ＡＩと９４％Ｎｉ
を含み、アルミニウム粉末がニッケル粉末に樹脂によっ
て粘着的に接着されたＮｉ−ＡＩ造粒粉末を溶射するこ
とによって得られた。この接着層の厚みは約０．００８
インチ（ｏ．０２０柳）であった。接着層の形成後、上
誌の各合金粉末‘１｝，‘２｝，｛３１が第２図に示す
重力供給型トーチを用いて溶射された。

その被覆層の厚みは０．０８インチ（０．２０肌）であ
った。こうして得た被覆層について、標準ロックウェル
試験機と、ノツプ圧子（Ｋｎｏｏｐｉｎｄｅｎｔｅｒ）
を使用する標準ッーコン（Ｔｕｋｏｎ）マイクロ硬度試
験機を使用して、硬度試験を行なった。

ノップ硬度（ＫＨＮ）は、被覆の粒子の面を顕微鏡下に
おいて、溶射粒子について直接求められた。各合金につ
いて、１０回の試験を行なった。その結果を下表に示す
。※ 本発明 ※※ ロックゥェルＢ硬度 第１図から明らかなように、５％Ｎｉを含む本発明の被
覆によれば、ニッケルを含まない合金ｍの場合および１
０％Ｎｊを含む合金‘３｝の場合に比較して、著しい硬
度の改善が得られる。

この硬度の改善は、合金ｍに対して、ロックウェルＢ硬
度で３７％を越え、ノップ硬度で５０％を越えている。
本発明による合金｛狐こついて「金属学的微少組織につ
いて調べたところ、溶射したアルミ鋼合金の粒子間接着
がすばらしく、被覆の一体性が非常に良好であった。ニ
ッケル含有量に対する硬度の変化は第１図に示されると
おりで、最大硬度は５％ニッケルのところで得られる。

ニッケル含有量は、約２〜８％の範囲なら良く、好まし
くは、４〜６％の範囲が良い。ニッケル含有量が１０％
に近づくと何故硬度が低下するのかは明らかではない。

ニッケル含有量２〜８％の範囲で達成される著しく改善
された硬度は、多分硬質相の析出に関係するものと考え
られる。これは通常の光では、顕微鏡で観察されない。
この推理は確かではないが、理由はともあれ、得られた
結果は、驚くべきもので、期待されないほどのものであ
る。引き続いて、摩耗試験を行なったところ、ニッケル
の添加は被覆の耐摩耗性に悪影響を与えないことがわか
つた。

摩耗試験 摩耗試験は、合金（１｝と【２｝について２回行われ、
合金｛２｝を合金（１｝の摩耗特性と比較した。

摩耗試験装置は、第３図に概略を示したように、２つの
互いに直角な枝部をもつレバー１４を有している。一方
の枝部１４Ａは試料１３を取付けられ、この試料１３は
図示のとおり、回転軸１２に押圧されている。レバー１
４は支点１５で枢軸支持されている。試料の面積は３平
方インチ（７．５の）で、回転輪との接触面積は１平方
インチ（２．５の）である。レバー１４の自由端には支
点から１６インチ（４０伽）のところに、重り１６が支
持されており、これによって、試料１３がゴム輪１２Ａ
の周辺に押圧される。

ホッパー１０１こは、硬い材料、例えばシリカ（Ｓｉ０
２）や炭化シリコン（ＳＩＣ）等の粒子が収容されてお
り、これは、栓１０Ａの開口を経て下向シュート１１へ
供給される。

下向シュート１１は、レバーの水平軸に関しては傾斜し
ており、試料の表面に向かって延在し、枝部１４Ａ上に
支持され重りの作用でゴム論１２Ａに接している試料面
へ硬い粒子を確実に供Ｖ給するのに適するようになって
いる。硬い粒子ＩＴは、試料と回転論との接触面間に供
給され、試料との摩擦接触領域を通って下方へ流出する
。次の条件が、この試験において採用された。粗研摩試
験：−２０十４０メッシュの砂 試験時間：１８分 砂の流量：１ポンド／分 ２回の試験の結果の平均を次に示す。

ここで摩耗係数は、試験中の被覆の減少体積の逆数とし
て定義され、重量（グラム）の減少が立方センチに変換
される。

摩耗係数が大であれば、耐摩耗性は良好である。ニッケ
ルの添加によって耐摩耗性は、明らかに悪影響を受けて
おらず、むしろ改善されている。５％ニッケルを含む合
金の摩耗係数は「ニッケルを含まない場合に比して１５
％以上も改善されている。

合金２（本発明）で被覆した１０２雌鋼軸は、炭化物切
断工具を用いて、２０〜２球ＭＳ（二乗平均平方根）の
マイクロィンチで定義される平滑さで示されるように、
平滑に加工された。

このアルミ鋼合金は、鋼，鋳鉄のような鉄金属基体ばか
りでなく、モネル合金（６７％Ｎｉ−３３％Ｃｕ）やそ
の他の金属基体のような非鉄金属に対しても適用される
。

アルミ鋼合金へのニッケルの２〜８％好ましくは４〜６
％の添加によって、アルミ鋼合金被覆の耐摩耗性や耐剥
離性を維持しながら、硬度を著しく改善できることが明
らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アルミ鋼合金へのニッケル添加量と硬度との
関係を示すグラフ、第２図は、溶射被覆を形成するため
に使用される重力供給型火炎溶射トーチの一例を示す図
、第３図は、被覆の耐摩耗性を測定するのに使用した装
置の概略図を示す。 １２・…・・回転軸、１２Ａ・・・・・・ゴム輪、１３
・・・・・・試料、１４・・・・・・レバー、１５・・
・・・・支点、１６・・・・・・重り、１７・・・・・
・硬粒子、２５・・・・・・トーチ、２６・・・・・・
鯵体、３１・・・・・・粉末供給装置、３２・・・・・
・火炎装置、４１・・…・粉末出射制御装置。 ＦＩＧ．ｌ ｎｏ．２ ＦＩＧ．３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 火炎溶射用アルミ・銅合金粉末であって、該合金粉
   末は、重量で、５％迄のＦｅ，５〜１５％Ａｌ，２〜８
   ％Ｎｉ，および残部実質的に銅よりなり、金属基体上に
   溶射して被覆を形成したときに耐酸化性，耐剥離性およ
   び耐摩耗性を併せもつとともに改善された溶射硬度を有
   することを特徴とする高硬度銅・アルミ合金火炎溶射粉
   末。 ２ 特許請求の範囲第１項の火炎溶射粉末において、重
   量で、上記ニツケルが４〜６％で、アルミニウムが８〜
   １２％であるもの。 ３ 特許請求の範囲第１項の火炎溶射粉末において、上
   記合金粉末が噴霧化粉末であり、−１００〜＋３２５メ
   ツシユの範囲の平均粒径をもつもの。