JPS6331547B2

JPS6331547B2 -

Info

Publication number: JPS6331547B2
Application number: JP59224277A
Authority: JP
Inventors: Eriku Jakuson Jon; Aren Adoraa Tomasu; Marii Kuetsutsu Jiin
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1983-10-28
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1988-06-24
Also published as: AU564804B2; KR890005129B1; KR850003905A; EP0143343A1; HK35888A; JPS60128257A; EP0143343B1; CA1229204A; DE3466251D1; IN167503B; AU3473184A; SG5188G

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は耐摩耗性及び耐食性コーテイング及び
該コーテイングの製造方法に関する。より詳細に
は、本発明は改良された強度及び耐摩耗性を有す
る新規なＷ―Co―Cr―Ｃコーテイング系統に関
する。

背景技術優れた耐摩耗性と耐食性の両方が要求される用
途においてはＷ―Co―Cr―Ｃのコーテイングが
使用されている。これらのコーテイング用の代表
的な組成物は、コバルト約８〜10重量％と、クロ
ム約３〜４重量％と、炭素約4.5〜5.5重量％と、
残りのタングステンとから成る。これらのコーテ
イングは種々の支持体、例えば鉄基材合金支持体
に公知の熱吹付けサーマルスプレー技法を用いて
塗布して良好な結果を得ることができる。かかる
技法は、例えば、米国特許2714563号及び同
2950867号に開示されるデトネーシヨンガン（Ｄ
―ガン）付着、米国特許2858411号及び同3016447
号に開示されるプラズマアーク溶射、その他のい
わゆる「高速」プラズマ、又は「超音速」燃焼吹
付けプロセスを包含する。

Ｗ―Co―Cr―Ｃのコーテイングは過去10年又
はそれ以上にわたつて多くの工業用途において用
いられてきて良好な結果を得てきたが、優れた耐
摩耗性とを有する更に良好なコーテイングに対す
る要求が今までに増大している。例えば、繊維工
業においては、摩損の異常な条件を受けるクリン
パーロールにこの型の特殊なコーテイングを用い
る必要がある。

一般に知られているように、これらのコーテイ
ングは耐摩耗性をＷ、Co、Crの複合カーバイド
の存在から得る。また、コーテイングの耐摩耗性
は通常カーバイドの容量分率の増大と共に増大す
ることも知られている。従つて、従来、最適の耐
摩耗性を得るためには相対的に高い炭素含量が必
要であると当業者に考えられてきた。

発明の要約本発明によれば、驚くべきことに、上述のＷ―
Co―Cr―Ｃコーテイングの炭素含量を約4.0重量
％又はそれ以下にまで低下させてCoとCrの割合
を適当にすることにより、実際に、従来技術の教
示内容と反対に耐摩耗性を向上させることを今見
出した。しかし、使用する炭素含量があまり低い
場合、すなわち約3.0重量％よりも少い場合には、
生成するコーテイングは、摩砕して平滑仕上げに
するのが不可能でないにしても困難であることが
わかつた。

本発明によるコーテイング組成物は、本質的
に、コバルト約6.5〜約9.0重量％と、クロム約2.0
〜約4.0重量％と、炭素約3.0〜約4.0重量％と、残
りのタングステンとから成る。

好適な実施態様の説明本発明のコーテイングは、任意の慣用熱吹付け
技法を用いて支持体に塗布することができる。コ
ーテイングを塗布する好ましい方法は、デトネー
シヨンガン（Ｄ―ガン）付着によるものである。
代表的なＤ―ガンは、本質的に、長さ数フイート
で内径約１インチ（2.5cm）の水冷バレルから成
る。実施する場合、酸素と燃料ガス、、例えばア
セチレンとが特定の比（通常、約１：１）の混合
物を、塗布すべき粉末の装入量と共にバレルに供
給する。次いで、ガスを点火すればデトネーシヨ
ン波が粉末を約2400ft.／秒（730ｍ／秒）に加速
し、しかも粉末を融点近く又はそれ以上に加熱す
る。粉末がバレルを出た後に、窒素のパルスがバ
レルをパージして系を次のデトネーシヨンのため
に準備する。次いで、サイクルを１秒に数回繰り
返す。

Ｄ―ガンは各デトネーシヨンについて支持体に
コーテイングの円を付着させる。コーテイングの
円は直径約１インチ（25mm）で厚さ１万分の数イ
ンチ（ミクロン）である。コーテイングの各々の
円は個々の粉末粒子に相当する多数の重なり合う
微細な平板（スプラツト）から成る。重なり合う
平板は互いに及び支持体にかみ合いかつ機械的に
結合してそれらの界面において実質的に合金しな
い。円の配置及びコーテイング付着を厳密に制御
して均一な厚さの平滑なコーテイングを付着さ
せ、支持体の加熱と塗布コーテイングにおける残
留応力の確立とを最小にする。

本発明のコーテイングを製造するのに使用する
粉末は、本質的に、従来技術のＷ―Co―Cr―Ｃ
を付着させるのに従来用いられてきたものと同じ
粉末組成物にすることができる。しかし、この場
合、Ｄ―ガンプロセスに用いるオキシ―燃料ガス
比を約1.0の値から約1.1〜1.2の間の値に増大させ
る。これらの条件下で、コーテイングプロセスの
間に変化させることが所望のコーテイング組成物
となる。Ｄ―ガンについてその他の操作条件を用
いることも可能であり、かつ更に粉末組成物を適
宜に調節するならば所望のコーテイング組成物を
得ることができる。その上、その他の粉末組成物
をその他の熱吹付け塗布装置で用いて付着の間の
組成変化を補つて本発明の所望のコーテイング組
成物を得ることができる。

本発明に従つてコーテイングを塗布するＤ―ガ
ンに用いる粉末は、焼結した粉末が好ましい。し
かし、その他の粉末形、例えば鋳造及び破砕粉末
を使用することもできる。通常、粉末の大きさは
約―325メツシユにすべきである。その他の製造
方法によつて製造し、かつその他の大きさの分布
を有する粉末を、該粉末が特別の吹付け装置及
び／又は大きさに一層適している場合にはその他
の熱吹付け付着技法により、本発明に従つて使用
することができる。

上述したように、従来技術のＷ―Co―Cr―Ｃ
コーテイングを付着させるのに従来用いられてき
たものと本質的に同じ粉末組成物を使用するのが
好ましい。この粉末組成物は、本質的にコバルト
約10重量％と、クロム約４重量％と、炭素約５重
量％と、残りのタングステンとから成る。この粉
末の場合、酸素と燃料ガス（例えば、アセチレ
ン）の両方の供給速度を調節してオキシ―燃料ガ
ス比約1.1〜1.2の間にすべきである。この比は、
同じ粉末組成物について従来通常用いられてきた
ものよりも高く、かつ酸化混合物を与えて塗布コ
ーテイングの炭素含量を低減させる。

Ｄ―ガンプロセスを使用する慣用の粉末組成物
は、約1.1に近いオキシ―燃料ガス比において、
炭素含量約3.5重量％のコーテイングを与える。
逆に、約1.2に近いオキシ―燃料ガス混合物にお
いて、この同じ粉末は炭素含量が約3.1重量％と
低いコーテイングを与える。

代りに、本発明のコーテイングは、プラズマア
ーク溶射或はその他の熱吹付け技法によつて支持
体に塗布することができる。プラズマアーク溶射
プロセスにおいて、非消耗性電極とそれと間隔を
置いて並べる第２の非消耗性電極との間に電気ア
ークを確立させる。ガスがアークを含有するよう
にガスを非消耗性電極に接触させて通す。アーク
含有ガスはノズルで絞られて熱含量の高い流出流
となる。粉末コーテイング材料を熱含量の高い流
出流ノズルの中に注入して被覆されるべき表面上
に付着させる。上記の米国特許2858411号に記載
されているこのプロセスは、強固で、密な、支持
体に密着した付着コーテイングを作る。また、塗
布コーテイングは不規則な形状の微細な平板又は
薄片が互いにかつまた支持体にかみ合わされ
（interlocked）かつ機械的に結合されて成る。

プラズマアーク溶射プロセスを用いて本発明の
コーテイングを塗布するそれらの場合では、アー
クトーチに供給する粉末は、塗布したコーテイン
グ自体と本質的に同じ組成を有することができ
る。しかし、ある種のプラズマアーク或はその他
の熱吹付け装置の場合では、組成のある程度の変
更が期待され、このような場合には粉末組成物を
適宜に調節して本発明のコーテイング組成物を達
成することができる。

本発明のコーテイングは、ほとんど全ての型の
支持体、例えば鉄又はスチール等の金属支持体、
或は、例えば炭素、グラフアイト又はポリマー等
の非金属支持体に塗布することができる。種々の
環境において用いかつ本発明のコーテイング用支
持体としてりつぱに適した支持体材料のいくつか
の例は、例えば、スチール、ステンレススチー
ル、鉄基材合金、ニツケル、ニツケル基材合金、
コバルト、コバルト基材合金、クロム、クロム基
材合金、チタン、チタン基材合金、アルミニウ
ム、アルミニウム基材合金、銅、銅基材合金、耐
熱金属、耐熱金属基材合金を包含する。

本発明のコーテイングの組成は上に示した範囲
内で変わり得るが、好適なコーテイング組成物
は、本質的に、コバルト約7.0〜約8.5重量％と、
クロム約2.5〜約3.5重量％と、炭素約3.0〜約4.0
重量％と、残りのタングステンとから成る。かか
るコーテイングは工業バルブ、機械シール、ブツ
シユ（bushing）等に理想的に適している。ま
た、かかるコーテイングは、繊維工業において、
例えばクリンパーロールに用いるのに理想的に適
している。

本発明のコーテイングの微細構造は極めて複雑
であつて完全には理解されない。しかし、コーテ
イングの主な部分は、本質的にWC及び（Ｗ、
Cr、Co）₂Cとその他の金属カーバイド及びおそら
く金属相との混合物から成るものと考えられる。
従来技術の同様のコーテイングに比べて存在する
カーバイドの容量分率が低いにもかかわらず、本
発明のコーテイングは、驚くべきことに改良され
た耐摩耗性を示し、しかもその他の望ましい特
性、例えば、硬度、タフネス等を犠性にしない。
本発明のコーテイングについての代表的な値は約
900DPH₃₀₀を超える。

以下の例は、本発明の実施について更に例示す
る役割を果すものである。

例 AISI 1018スチールの試験片を洗浄して以下の
コーテイングに備えた：各々の試験片の片側表面
を平滑にかつ反対側と平行に研削した。次いで、
表面に60メツシユのAl₂O₃をグリツトブラストし
て表面の荒さ約120ミクロインチRMSにした。次
いで、全ての試験片に、デトネーシヨンガン（Ｄ
―ガン）及び以下の組成の焼結粉末を用いる従来
技術によつて塗布した：Co 10重量％、Cr ４重
量％、Ｃ 5.2重量％、残りＷ。粉末の大きさは
約―325メツシユであつた。アセチレンを燃料ガ
スとして用いた。オキシ―燃料ガス比は0.98であ
つた。

コーテイングの化学分析は以下の組成を示し
た：Co ８重量％、Cr 3.2重量％、Ｃ 4.7重量
％、残りＷ。化学分析は主に２つの方法で行つ
た。炭素はレコ（Leco）カーボンアナライザー
及びガス状生産量の容積定量を用いる燃焼分析技
法によつて分析した。コバルト及びクロムは、初
めに試料をNa₂O₂中で融解させてコバルトとクロ
ムとを分離し、次いで各々の量を電位差計で定量
することによつて分析した。

また、塗布したコーテイングの耐耗量特性は、
ASTM規準G65―80、手順Ａに記載されている
標準の乾燥砂／ゴムホイール摩耗試験を用いて求
めた。この試験において、試験片に、ホイールの
周囲にクロロブチルゴムのリムを有する回転ホイ
ールに対するレバーアームによつて荷重を加え
た。研摩材（すなわち、50―70メツシユのオタワ
シリカサンド）を試験片とゴムホイールとの間に
導入した。ホイールを研摩材の流れ方向に回転さ
せた。試験片を試験の前後及び試験中定期的に評
量し、その重量損失を記録した。試験する材料の
種類が異なれば密度が広範囲に相違することか
ら、材量の相対的な順位付けの評価を行うために
重量損失を容量損失に変換するのが普通である。
これらの試験片（慣用のＷ―Co―Cr―Ｃコーテ
イング）についての平均の容量損失は1000回転当
り1.7mm³であつた。

また、これらの試験片の硬度を標準方法によつ
て測定した。平均の硬度は1100DPH₃₀₀であるこ
とがわかつた。また、試験片は、耐摩耗性コーテ
イングにダイヤモンド研削ホイール及び１パス当
り0.0005インチ（0.013mm）の切込みにより仕上
げをする通常の方法を用いて摩砕して容易に平滑
な仕上げになつた。

例 AISI 1018スチールの試験片を例で説明した
のと同し方法で調製した。次いで、Ｄ―ガンを用
いかつ以下の同じ焼結粉末、すなわち、Co 10重
量％、Cr ４重量％、Ｃ 5.2重量％、残りＷ、を
用いて試験片表面を塗布した。粉末の大きさも同
じ、すなわち―325メツシユであつた。また、ア
セチレンを燃料ガスとして用いた。しかし、この
場合、Ｄ―ガン中のオキシ―燃料ガス比は本発明
に従つて1.1であつた。

コーテイングの化学分析は以下の組成を示し
た：Co 7.6重量％、Cr 2.9重量％、Ｃ 3.5重量
％、残りＷ。

また、ASTM基準G65―80、手順Ａを用いて
摩耗量試験を行つた。試験片についての平均の容
積損失は1000回転当り1.1mm³であつた。これは例
の試験片よりも耐摩耗性が相当に向上している
ことを示す。

また、試験片の硬度を測定して1150DPH₃₀₀で
あることがわかつた。更に、試験片は例におけ
るごとき通常の方法を用いて摩砕して容易に平滑
な仕上げになつた。

例 AISI 1018スチールの試験片を例で説明した
のと同じ方法で調製した。次いで、Ｄ―ガンを用
いかつ以下の同じ焼結粉末、すなわち、Co 10重
量％、Cr ４重量％、Ｃ 5.2重量％、残りＷ、を
用いて試験片表面を塗布した。粉末の大きさも同
じ、すなわち―325メツシユであつた。また、ア
セチレンを燃料ガスとして用いた。しかし、この
場合に使用したオキシ―燃料ガス比は本発明に従
つて1.2であつた。

コーテイングの化学分析は以下の組成を示し
た：Co 7.8重量％、Cr 2.9重量％、Ｃ 3.1重量
％、残りＷ。

また、ASTM基準G65―80を用い１つの試験
片について摩耗量試験を行つた。この試験片につ
いての平均の容積損失は、1000回転当り1.1mm³で
あつた。これは例の試験片よりも耐摩耗性が相
当に向上していることを示す。

また、試験片の硬度を測定して1080DPH₃₀₀で
あることがわかつた。更に、試験片は例におけ
るごとき通常の方法を用いて摩砕して平滑である
がいく分荒い仕上げになつた。

例 AISI 1018スチールの試験片を例で説明した
のと同じ方法で調製した。次いで、Ｄ―ガンを用
いかつ以下の同じ焼結粉末、すなわち、Co 10重
量％、Cr ４重量％、Ｃ 5.2重量％、残りＷ、を
用いて試験片表面を塗布した。粉末の大きさも同
じ、すなわち―325メツシユであつた。また、ア
セチレンを燃料ガスとして用いた。しかし、この
場合に使用したオキシ―燃料ガス混合物は1.3で
あつた。

コーテイングの化学分析は以下の組成を示し
た：Co 7.6重量％、Cr 2.7重量％、Ｃ 2.6重量
％、残りＷ。

この型のコーテイングの硬度は約1125DPH₃₀₀
である。このコーテイングについて、摩耗量試験
を例、、の通りに行つたところ、容量損失
は1000回転当り1.5mm³であつた。しかし、例に
説明した如き通常の方法を用いてコーテイングを
摩砕して平滑な仕上げにしようとする試みはうま
くいかなかつた。

例 AISI 1018スチールの試験片を例で説明した
のと同じ方法で調製した。次いで、プラズマ溶射
トーチを用いかつ以下の同じ焼結粉末、すなわ
ち、Co 10重量％、Cr ４重量％、Ｃ 5.2重量
％、残りＷ、を用いて試験片表面を塗布した。粉
末の大きさも―325メツシユであつた。

コーテイングの化学分析は以下の組成を示し
た：Co 9.2重量％、Cr 3.5重量％、Ｃ 5.0重量
％、残りＷ。

このコーテイングのコバルト及び炭素含量は本
発明のコーテイングよりも高かつた。

また、ASTM基準G65―80、手順Ａを用いて
摩耗量試験を行つた。コーテイング試験片につい
ての平均の容積損失は、1000回転当り9.3mm³であ
つた。このコーテイングの耐摩耗性は例の慣用
のＤ―ガンコーテイングの耐摩耗性に対して比べ
た場合でさえ劣つていた。このことはＤ―ガンコ
ーテイング程には良好に使用に耐え得ないプラズ
マ溶射コーテイングの場合に予想されるべきであ
る。

また、試験片の硬度を測定して687DPH₃₀₀であ
ることがわかつた。

例 AISI 1018スチールの試験片を例で説明した
のと同じ方法で調製した。次いで、プラズマ溶射
トーチを用いかつ以下の組成の焼結粉末：Co
10.9重量％、Cr 4.3重量％、Ｃ 3.8重量％、残り
Ｗ、を用いて試験片表面を塗布した。粉末の大き
さは―325メツシユであつた。

コーテイングの化学分析は以下の組成を示し
た：Co 8.6重量％、Cr 3.6重量％、Ｃ 3.4重量
％、残りＷ。このコーテイング組成物は本発明の
範囲内である。

また、ASTM基準G65―80、手順Ａを用いて
摩耗量試験を行つた。コーテイング試験片につい
ての平均の容積損失は、1000回転当り4.1mm³であ
つた。このコーテイングについての摩耗率は慣用
の粉末を用いた前の例のプラズマ溶射コーテイン
グについての摩耗率の半分よりも小さかつた。

また、コーテイング試験片の硬度を測定して
830DPH₃₀₀であることがわかつた。

本明細書中、粉末及びコーテイング組成物を必
須成分の各々についてある特定の範囲によつて定
義したが、種々の不純物が少量で存在してもよい
ことは理解されよう。

通常、粉砕操作から生ずる鉄がコーテイング中
の主たる不純物であり、組成物の約1.5、いくつ
かの場合では2.0重量％までの量で存在すること
ができる。

上記の例はＤ―ガン及びプラズマ溶射コーテイ
ングのみしか包含していないが、その他の熱吹付
け技法、例えば「高速」プラズマ、「超音速」燃
焼吹付けプロセス、又はその他種々のデトネーシ
ヨン装置を用いて本発明のコーテイングを製造す
ることができることは理解されるものと思う。

Claims

【特許請求の範囲】１本質的に、コバルト約6.5〜約9.0重量％と、
クロム約2.0〜約4.0重量％と、炭素約3.0〜約4.0
重量％と、残りのタングステンとから成り、熱吹
付け方法によつて支持体に塗布されるコーテイン
グ組成物。２本質的に、コバルト約7.0〜約8.5重量％と、
クロム約2.5〜約3.5重量％と、炭素約3.0〜約4.0
重量％と、残りのタングステンとから成る特許請
求の範囲第１項記載のコーテイング組成物。３約900DPH₃₀₀を越える硬度値を有する特許請
求の範囲第１項記載のコーテイング組成物。４支持体がスチール、ステンレスチール、鉄基
材合金、ニツケル、ニツケル基材合金、コバル
ト、コバルト基材合金、クロム、クロム基材合
金、チタン、チタン基材合金、アルミニウム、ア
ルミニウム基材合金、銅、銅基材合金、耐熱金
属、耐熱金属基材合金から成る群より選ぶ金属材
料である特許請求の範囲第１項記載のコーテイン
グ組成物。５支持体が炭素、グラフアイト、ポリマーから
成る群より選ぶ非金属材料である特許請求の範囲
第１項記載のコーテイング組成物。６粉末コーテイング材料を、高温、高速のガス
状流れの中に懸濁させ、少なくとも粉末材料の融
点に近い温度にまで加熱し、該ガス状流れを支持
体の表面に向けて該粉末コーテイング材料を付着
させてコーテイングを形成する支持体の塗布方法
において、該粉末コーテイング材料は、該支持体
の上に付着させたコーテイングが本質的にコバル
ト約6.5〜約9.0重量％と、クロム約2.0〜約4.0重
量％と、炭素約3.0〜約4.0重量％と、残りのタン
グステンとから成るような組成を有することを特
徴とする該コーテイングの耐摩耗性を増大させる
支持体の塗布方法。７粉末コーテイング材料は、前記支持体の上に
付着させたコーテイングが本質的にコバルト約
7.0〜約8.5重量％と、クロム約2.5〜約3.5重量％
と、炭素約3.0〜約4.0重量％と、残りのタングス
テンとから成るような組成を有する特許請求の範
囲第６項記載の方法。８粉末コーテイング材料をデトネーシヨン装置
で作る高温、高速のガス状流れの中に懸濁させる
特許請求の範囲第６項記載の方法。９粉末コーテイング材料が本質的にコバルト約
6.5〜約9.0重量％と、クロム約2.0〜約4.0重量％
と、炭素約3.0〜約4.0重量％と、残りのタングス
テンとから成る組成を有する特許請求の範囲第６
項記載の方法。１０粉末コーテイング材料をプラズマアークト
ーチで作る高温、高速のガス状流れの中に懸濁さ
せる特許請求の範囲第６項記載の方法。１１粉末コーテイング材料が実質的に前記コー
テイングの組成と同じである組成を有する特許請
求の範囲第１０項記載の方法。１２酸素と燃料ガスとの混合物を粉末コーテイ
ング材料と共にデトネーシヨンガンのバレルに供
給し；酸素と燃料ガスとの混合物を点火して該バ
レルの長さ方向に沿つてデトネーシヨン波を作り
出して該粉末コーテイング材料を高温、高速のガ
ス状流れ中で加速し；該ガス状流れを支持体の表
面に向けて該粉末コーテイング材料を表面に付着
させてコーテイングを形成することを含み、該粉
末コーテイング材料は、該支持体の上に付着させ
たコーテイングが本質的にコバルト約6.5〜約9.0
重量％と、クロム約2.0〜約4.0重量％と、炭素約
3.0〜約4.0重量％と、残りのタングステンとから
成るような組成を有する支持体の塗布方法。１３粉末コーテイング材料は、前記支持体のう
えに付着させたコーテイングが本質的にコバルト
約7.0〜約8.5重量％と、クロム約2.5〜約3.5重量
％と、炭素約3.0〜約4.0重量％と、残りのタング
ステンとから成るような組成を有する特許請求の
範囲第１２項記載の方法。１４前記混合物における酸素対燃料ガスの比が
およそ1.0である特許請求の範囲第１２項記載の
方法。１５粉末コーテイング材料が実質的に前記コー
テイングの組成と同じである組成を有する特許請
求の範囲第１４項記載の方法。１６前記混合物における酸素対燃料ガスの比が
約１：1.1〜１：1.2の間である特許請求の範囲第
１２項記載の方法。１７粉末コーテイング材料が本質的にコバルト
約10重量％と、クロム約４重量％と、炭素約5.2
重量％と、残りのタングステンとから成る組成を
有する特許請求の範囲第１６項記載の方法。１８本質的に、コバルト約6.5〜約9.0重量％
と、クロム約2.0〜約4.0重量％と、炭素約3.0〜約
4.0重量％と、残りのタングステンとから成り、
熱吹付け方法による支持体への耐摩耗性及び耐食
性コーテイングの塗布用粉末コーテイング組成
物。１９本質的にコバルト約7.0〜約8.5重量％と、
クロム約2.5〜約3.5重量％と、炭素約3.0〜約4.0
重量％と、残りのタングステンとから成る特許請
求の範囲第１８項記載の粉末コーテイング組成
物。２０焼結粉末から成る特許請求の範囲第１９項
記載の粉末コーテイング組成物。２１支持体と、熱吹付け方法によつて該支持体
に塗布したコーテイングとを含み、外コーテイン
グが本質的にコバルト約6.5〜約9.0重量％と、ク
ロム約2.0〜約4.0重量％と、炭素約3.0〜約4.0重
量％と、残りのタングステンとから成る製品。２２前記コーテイングが、本質的に、コバルト
約7.0〜約8.5重量％と、クロム約2.5〜約3.5重量
％と、炭素約3.0〜約4.0重量％と、残りのタング
ステンとから成る特許請求の範囲第２１項記載の
製品。