JPS6396257A - セラミツク・コ−テイングにおけるアンダ−・コ−ト形成用金属材料 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミック・コーティングに係わシ、よシ具
体的には、特に酸化性の高温雰囲気中で使用される各種
の金属製構造物、機械装置、部品などを対象としたセラ
ミック・コーティングの下地として好適なアンダー・コ
ート形成用金属材料の組成に関するものである。

〔従来技術〕

硬度がきわめて大きく、耐熱性、断熱性、耐食性、耐摩
耗性にすぐれ、急熱、急冷にも耐えられるなどの卓越し
た特性を有することから、新素材として近年脚光を浴び
、その実用化、用途拡大に関連した多面的な開発研究が
世界的規模で行われている、いわゆるファイン（二ニー
）セラミックスも、現時点においては、価格がきわめて
高り、シかもその成形、加工品は衝撃に弱く、脆いとい
う重大な欠点がある丸め、構造材料としての使用は、少
くとも当分の間は期待できないものと考える。そのため
、自動車用エンジンを含む構造材料用セラミックスの研
究開発とは別に、それらセラミックスと金属の長所を組
合わせて、良質の耐熱機械要素を作るという発想に基づ
き、耐熱鋼の表面に、セラミックスをコーティングして
、性能をさらに改善。

強化しようとする試みが各用途分野に広がシ、それに関
連した技術上の問題点、障害の解決、排除のための研究
が現在活発に行われていることは、よく知られていると
おりである。

ところで、かかる目的に使用される代表的なセラミック
ス材料としては、酸化物系のアルミナ、ジルコニア、ム
ライト、非酸化物系の窒化珪素、炭化珪素などを挙げる
ことができるが、従来は、これらのコーティングを施工
すべき各種の構造物、機械装置、部品などを構成する金
属材料、すなわち、基材とトップ・コートとなる当該セ
ラミックスとの関係については、■　セラミックスは、
基材と熱膨張率ができるだけ近いものを選定して、使用
すること。

■　セラミックスは、高温における安定性、すなわち、
耐熱性、耐錯化性、耐食性、断熱性などのほか、当該構
造物の構成要部としての長期間（有効寿命期間）Ｋわた
る安定性（所定の物理的、化学的性質の維持、劣化の防
止機能）が強く要求されている関係上、上記■で述べた
ように、セラミックスは基材とその熱膨張率が実質的に
同一といえるものが原則としては望ましいとされていた
。ところが実際問題として考えると、高温度で使用され
る構造用の耐熱、耐食性金属材料では、要求される緒特
性、特に、耐酸化性ならびに高温強さく引張９強さ、ク
リープ強さ、降伏点、破断強さ）が優秀なものになれば
なる程、一般に、それらセラミックスとの熱膨張率や熱
伝導率における差は、大きくなる傾向が見られる。した
がって、使用中に、折角コーティングしたセラミックス
の被膜に剥離や亀裂などの欠陥が早期に発生しやすくな
るので、かかる不都合を防止する有効な手段として、基
材とトップ・コートとなるセラミックス被膜との間には
、両者の熱膨張率の差を段階的に変化させることで、表
面積の変化を緩衝、吸収できる、少くともアンダー・コ
ートおよびミドル・コートを介在せしめること。

が必須不可欠である、との考え方が関係業界にオＩｎて
広く支持され、各種セラミック・コーティングは、この
方針、要領で実施がされているのが現状である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来公知公用のこの種のセラミック・コ
ーティングの麹工方法におりては、耐熱性金属材料から
なる構造物、機械装置、部品などの表面に、上述したよ
うに、当該機械製Ｒ々どを構成する金属材料（基材）お
よびトップコートとなる（を形成す）べきセラミックス
の両者と熱膨張率が異なる少なくとも２桓類の金属材料
および金属とセラミックスとの混合材料（サーメット）
の溶射による２層のコーティング被膜を、上記基材上面
とトップコート下面との間に介在させる必要があること
から、コーティング作業はそれだけ厄介、面倒となシ、
工数、経費の増大をきたしておシ、シかも所期の効果を
必ずしも期待することができず、早期にトップコートに
剥離、亀裂などの欠陥が発生する事例が散見されるので
ある。

したがって、従来のコーティング施工方法は、作業性、
経済性、有効性のいずれの面からしても、満足できるも
のとは、いうことができない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、このような実情に鑑み、かつ関連技術分野、
業界の強い要望に応えるためてなされたもので、その目
的とするところは、特に、酸化性の高温雰囲気中で使用
される各種構造物、機械装置部分などにおける耐熱性、
耐食性、断熱性その他の特性、性能の飛躍的な向上、強
化を可能とし、かつ耐久性、寿命の延長を招来すること
により、当該構造物などの用途、使用分野の拡大に貢猷
しうる、すぐれたセラミック・コーティングが、工業的
に有利に、かつ容易に施工、実施できるようなアンダー
・コート形成用の金属材料の提供にある。

本発明者達は、この種のセラミック・コーティングにつ
いての経験、実績から、セラミックスによるトップ・コ
ートと基材との間に介在させる、通常二層の中間コート
は、当該セラミックスと基材との熱膨張率における落差
を援和させることを第一義目的とするものである、とす
る従来の考え方の正当性に多大の疑問をいだいていたた
め、上記の目的達成を可能とする新規々アンダーーコー
ト形成用金属材料の開発研究に当っては、その特性、構
成に必要または少なくとも好適であろうと推定されるア
ンダー・コート形成用材料の選定を、熱膨張率だけを重
量することなく、すなわち、従来とは異々る観点、基準
に立って行ない、そのようにして選定された各金属材料
を用いて種々の実験、比較試験および入念な検討、考察
を重ねた結果、酸化性の高温（ｚｏｏ０〜／：（ＢＯ’
　Ｃ程変の）雰囲気中で、セラミックスによるトップ・
コートに剥離、表面亀裂が発生する主原因は、従来考え
られていたような、基材とセラミックスとの熱膨張率の
　。

相違にちるのではなく、むしろ両者間におけるこの熱膨
張率の差異に対する有効な緩衝手段として設けたアンダ
ー・コートおよびミドル・コートを形成する金属材料の
組成自体に間通がらること、よシ具体的には、上記トッ
プ・コートと基材との間に介在させる中間コートを形成
する金属材料の酸化性雰囲気中における高温特性、特に
、耐食性および耐酸化性の不足にあることを突きとめた
。

本発明は、このような知見、確認に基づいて完成された
ものである。

すなわち、本発明に係るアンダー・コート形成用金属材
料は、Ｎｉを主成分とし、これに他の成分Ｃｒ　、　Ａ
ｌ、Ｙの如き金属元素がそれぞれ適量ずつ添力目せられ
てなることを、最も重要な、基本的な特徴とするもので
ある。

そして、さらに具体的にいえば、上記アンダー・コート
形成用金属材料のうち、Ｎｉ−Ｃｒ系のものは、重量割
合にて、Ｃｒが１５〜ダθ俤、残余がＮｘ１Ｎｔ　　Ｃ
ｒ　　Ａｌ系のものは、同じ（Ｃｒがｉｓ〜ｙ：、。

チ、Ａ７’が２〜１Ｏｑ６、残余がＮｉ、ま７’ｈＮｉ
　−Ｃｒ　−Ａｌ−Ｙ系のものは、同じ＜Ｃｒが１５〜
グθ％、Ａｊが！〜＆％、Ｙが５％以下、残余がＮｉよ
シなっている。

〔実施例および対照例〕 本発明に係るアンダー・コート形成用金属材料の効果を
確認する之め、その実施例として第２表にそれぞれの化
学成分を示したＮｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ　−Ｃｒ−Ａｌ系、
およびＮｉ　−Ｃｒ　−Ａｌ　−Ｙ系を、そして、対照
例としては、従来この種の目的に広く使用されているＮ
ｉ−４１系のもの（Ｎｉ　９３　ｗｔ％、Ａｌ　ｊ　ｗ
ｔチ）を、アンダー・コート用に、同じくＭｅ　ｔ　ｃ
ｏ　４ｔ２／　（米国Ｗｅｓｔｂｕｒｙ、Ｌｏｎｇ　Ｉ
ａＩａｎｄ在Ｍｅｔｃｏ　Ｉｎｃ、の製造に係るＺｒ０
２−ＭｇＯとＮｉ　−Ａ１合金とからなるサーメットの
商標名）をミドル・コート用に使用した。

〔試料の作成〕

セラミック・コーティングを行うべき対象としての基材
（金属材料）には、代表的にハステロイ−Ｘを選び、は
ぼ同一の寸法、形状（長さＸ幅Ｘ厚さ）に仕上げた該基
材各３枚の表面に上記した第１層としてのアンダー争コ
ートおよび第２層目のミドル・コート（対照例コに対し
てのみ）を慣用手段のプラズマ溶射法を介して、はぼ均
一な所定厚さに付着、形成せしめた後、酸化マグネシア
で安定化したジルコニアの粉末を、上記と同様にプラズ
マで溶かし溶射ガンのノズルから吹きつけることで、セ
ラミックスのドッグコートをいずれも形成させた。それ
らコートの被膜厚さおよび／３数は、第１表に記載した
とおシである。

〔耐酸化、耐熱性特性などの比較試験〕上記の如くして
作成されたそれぞれ１０枚ずつの試料（実施例／〜３、
対照例／〜２）を、第々促進曝露試験装置内にいれて、
急熱、急冷的に変化する酸化性高温雰囲気に露出せしめ
、予め設定した各経過時間毎に試料の重量増加ないしは
変化量およびトップ・コートにおける亀裂または剥離の
発生有無および基材の酸化現象進行の有無、程度を調べ
た。

〔実施例および対照例の性能〕

実施例／〜３および対照例／〜コにつき、上述した要領
で行なった性能比較試験の結果（各１０枚ずつの試料に
よるものの平均値）を、第３図および第ｙ図に示す。

？０θ０Ｃで行なった試験結果を示す第３図によれば、
対照例／〜コにおいても、肉眼観察による限シ、２００
°Ｃでは、その曝露時間の合計が４ｔＯｈｒｓに達した
段階でも、トップ・コートには亀裂、剥離は認められな
かったが、重量増加率における両者の相違から判断する
と、従来から主として採用されているＮｉ−Ａｌ系合金
によるアンダー・コートとミドル・コートの二層を基材
表面につけ、その上にトップ・コートを三層目として形
成、接着させる方式の対照例コよシも、むしろミドル拳
コートは省略した対照例／の方が若干よい成績を示して
いる。このことは、Ｘ０！０°Ｃで行なわれた試験結果
を示す′Ｎ／ＩＪ４を図において、よシ明瞭に示されて
おシ、対照例２は、７ｈｒｓの＠露で、トップ・コート
は完全に剥離して了ったのに対し、対照例１の方は完全
に剥離するまで約／ｊｈｒｓかかつている。

〔発明の効果〕

第１表から明らかなように、基材は同一、トップ・コー
トの下地としての中間コート（アンダー・：ｆｆ−）１
ｃｉｄアンダー・コートトミドル・コート）の厚さはい
ずれも実質的に同一（１００μ程度）、トップ・コート
としてのセラミックスの種類、被膜厚さもほぼ同一にし
て調製せられた試料（実施例／〜３、対照例／〜２）に
ついて行なわれた耐酸化性の高温（？θθ０Ｃおよび＜
ｏｓｏｏｃ　＞雰囲気下での曝露試験結果が例示されて
いる第３〜４を図を見れば、きわめて容易に指摘、理解
できるように、本発明の実施例／〜３は、２００°Ｃで
は酸化による重量増加率に多少の差異は認められるもの
の、１０ｈｒａ以上経過してもその増加率には変化が見
られず、きわめて安定した状態を示しておシ、シたがっ
て、なお相当の長時間のｓｊ！にも耐え、亀裂、剥離な
どの欠陥は発生しないであろうと期待される。それに反
し、　　７ｏｒｏＯｃまで温度を上昇させ、条件が苛酷
になると、それら実施例７〜３間の効果上の相違、すな
わち、アンダー・コート形成用金属材料としての性能上
の優劣は、かなシ明確に現われてｂる。少しく具体的に
いえば、実施例３が最もよい成績を示しておシ、乙ｈｒ
ｓ経過後は、はとんど重量の変化は起っておらず、換言
すれば、トップ・コートになんらの異常、変化も肉眼的
に認めることができず、基材がトップ・コートによシは
ぼ完全に保護されているものと推定１判断される。ま之
、実施例／、２についても重量増加率は、実施例３に比
べて大であ）、１（ＢＯｏＣテｏ合計＠露時間が２６〜
３０　ｈｒ　ｓに達するまでは、重量増加が見られると
はいえ、それ以後はほとんど重量は一定で、あまシ変化
していない。

以上の説明から、本発明に係るアンダー・コート形成用
金属材料は、従来広く使用されているこの種のものに比
べて、次の如き格別な利点、作用効果を有することが明
白に確認、立証される。

（１ン　　セラミックスΦコーティングの下地としては
、アンダー・コート一層のみを形成させることで、使用
条件として一般に最も多く要求されるであろうと思われ
る最高？０００Ｃ〜ｉｏｏ。

０Ｃ程度の高温度の酸化性雰囲気下はもちろん、それ以
上の高温度においても、長時間の使用に耐え、当該トッ
プ・コートの亀裂、剥離を招来せず、したがって、耐品
性、計酸化性、高温強度その他の点ですぐれた特性を具
備し九基材を有効に保ｉＪＬ、対象とする各種の機械装
置などの耐久性、寿命を著しく延長させることができる
ものと期待される。

（２）トップ拳コートの下地としては、一層だけで差支
えなく、シかもこのアンダー・コート形成作業自体には
なんら技術的に困難な点はないから、労力２時間、経費
のいずれの面からしてもその実施は有利である。

（３）　　従来のものは、きわめて大量のＮｉを必要と
している関係上、非常に高価であったが、本発明に係る
ものは、　Ｃｒが多（、Ｎｉの含有量はそれだけ少なく
て済むから、コスト的にも有利である。

なお以上の説明には、基材としては、ハステロイ−Ｘ１
セラミツクス材料としては、ジルコニア系のものを、ま
た、たとえば、トップψ；−ティングの施工に当っては
粉末状のものを溶射する方式による場合について述べた
が、本発明に係るアンダー・コート形成用金属材料の使
用に際しては、そのような限定、制限は全くなく、要す
るに、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内で、基
材、セラミックス材料のコーティング施工方式などの選
定は適宜に行なうことができることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明に係るアンダー・コート
形成用金属材料の効果を確認する九め酸化性高温雰囲気
下で行なった急熱、急冷電性での試料曝露試験において
、それぞれ最高温度とＯｏｏＣおよびＸ０！０°Ｃに、
断続的に曝露させた時間および酸化に伴う試料の重量増
加ないし変化量を測定した時点を例示する線図、第３図
および第９図はそれぞれ第１図および第２図に対応せる
試験結果を例示した線図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化性高温雰囲気中で使用される各種構造物、機
   械装置、部品などにセラミック・コーティングを施工す
   る際、耐熱性金属材料からなる上記部品などの表面に溶
   射し、アンダー・コートを形成させるためのものであつ
   て、Ｎｉを主成分とし、これにＣｒ、Ａｌ、Ｙなどの金
   属元素がそれぞれ適量ずつ添加せられてなることを特徴
   とする、アンダー・コート形成用の耐酸化性、耐熱性金
   属材料。
2. （２）Ｎｉ−Ｃｒ系のものは、重量割合にて、Ｃｒが１
   ５〜４０％、残余がＮｉであることを特徴とする、特許
   請求の範囲第１項記載のアンダー・コート形成用金属材
   料。
3. （３）Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ系のものは、重量割合にて、Ｃ
   ｒが１５〜４０％、Ａｌが２〜１０、残余がＮｉである
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載のアンダ
   ー・コート形成用金属材料。
4. （４）Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ系のものは、重量割合にて
   、Ｃｒが１５〜４０％、Ａｌが５〜２０％、Ｙが５％以
   下、残余がＮｉであることを特徴とする、特許請求の範
   囲第１項記載のアンダー・コート形成用金属材料。