KR20010017862A

KR20010017862A - 탄화티탄/붕화텅스텐 코팅

Info

Publication number: KR20010017862A
Application number: KR1019990033598A
Authority: KR
Inventors: 지인젠앨버트 슈
Original assignee: 로버트 에이. 바쎄트; 프랙스에어 에스.티. 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 1999-08-16
Publication date: 2001-03-05
Also published as: KR100447289B1

Abstract

우수한 내접착제 마모와 내 부식성을 가지며 다양한 기판 재료와 호환가능한 패밀리의 탄화티탄/붕화텅스텐 코팅을 제공하고 있다. 이들 코팅은 금속 매트릭스내에 분산된 단단하고, 초미세한, 탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물을 포함하며, 두 상은 코팅의 약 30 내지 80 체적 퍼센트로 이루어져 있고, 그 나머지는 금속 매트릭스이다. 금속 매트릭스는 니켈, 코발트와 철로 구성하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함한다. 코팅은 탄화텅스텐를 함유하는 제 1 성분과 붕소를 함유하는 제 2 성분과 니켈, 코발트와 철로 구성하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 개별 성분으로 구성된 기계적으로 혼합된 분말 혼합물을 증착하는 단계와 그 다음 증착한 그 상태의 코팅을 열처리하는 단계를 포함하는 공정에 의해 준비될 수 있으며, 분말 혼합물은 제 1 또는 제 2 성분 또는 별도의 제 3 성분내에서 티탄을 포함하며, 제 1, 제 2 또는 제 3 성분중 하나 이상은 약 1200℃ 아래의 용융점을 가진다. 열처리는 증착된 원소사이의 확산 반응을 일으켜 금속 매트릭스내에 분산된 초미세 탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물의 형성을 야기한다. 코팅은 어느 종래의 증착 기술을 사용해서 기판상에 증착될 수 있다.

Description

탄화티탄/붕화텅스텐 코팅{TITANIUM CARBIDE/TUNGSTEN BORIDE COATINGS}

본 발명은 우수한 내마모성과 내부식성을 가진 탄화티탄/붕화텅스텐 코팅과 이런 코팅을 만드는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 금속 매트릭스내에 분산된 탄화티탄와 붕화텅스텐 석출물의 초미세 입자를 함유하는 단단하고, 조밀하고, 저다공성이고, 내마모성 및 내부식성인 코팅에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 열 스프레이 및 확산 반응 기술에 의해 이런 코팅을 만드는 방법에 관한 것이다.

명세서 전반에, 코팅을 만들기 위한 플라즈마 아크 스프레이 및 폭발건(detonation gun)을 참조로 한다. 통상적인 폭발건 기술은 미국 특허 제 2,714,563 호 및 제 2,950,867 호에 기술되어 있다. 플라즈마 아크 스프레이 기술은 미국 특허 제 2,858,411 호와 제 3,016,447 호에 기술되어 있다. 다른 열 스프레이 기술은 예를 들어 소위 "고속" 플라즈마 및 "극초음속" 스프레이 방법 뿐만 아니라 다양한 플레임 분사방법(flame spray processes)으로 알려져 있다. 코팅의 열처리는 필요하며 증착후 진공 또는 불활성 가스노내에서 전자빔, 레이저, 유도열, 전달된 플라즈마 아크 또는 다른 기술에 의해 행할 수 있다. 열처리 후에, 슬러리, 충만 섬유 또는 전기영동과 같은 변경적인 증착 기술이 또한 알려져 있다. 여전히 다른 방법은 사전 증착 열 처리와 함께 또는 없는 플라즈마 전달된 아크, 레이저 또는 전자빔 표면용해를 이용하는 동시 증착 및 용해를 포함한다.

절삭공구는 대개 탄화텅스텐-코발트 합금으로 만들어진다. 이들 합금은 매우 단단하고 강하고 튼튼하며 사용중 상태에서 우수한 마모 성질을 나타낸다. 그러나, 이들 합금에서의 문제점은 약 540℃의 온도에서 탄화텅스텐가 산화되기 쉽다는 것이다. 어느 지속적 주기동안 이들 상승 온도에서 작동될 때, 이들 합금으로 만들어진 절삭 공구는 이들의 마모성질을 망가뜨리고 자주 크랙, 스팰 또는 칩을 발생시킨다.

화학 증착 기술은 마모 성질과 부품의 표면상에 이붕화티탄(TiB₂)의 얇은 층을 증착함으로써 탄화텅스텐-코발트 절삭 공구의 내산화성을 개선하는데 사용되어왔다. 상승 온도에서의 TiB₂와 WC/Co 사이의 상호 작용에 의해서, 30 미크론 두께보다 적은 얇은 필름은 CoWB와 TiC 화합물을 함유하는 절삭 공구의 표면상에 형성되어 있다. 탄화티탄는 탄화텅스텐보다 높은 내산화성을 가지며 보다 안정적이다. 따라서, 이들 화합물을 포함하는 필름의 포메이션은 절삭 공구의 내마모성을 증가한다.

CoWB와 TiC를 함유하는 기상 증착된 필름은 특히 단 몇개의 기판, 특히 탄화텅스텐-코발트 합금으로 사용이 제한된다. 그러므로, 다양한 기판 재료에 적용될 수 있는 TiC/WCoB 코팅을 개발하는 것이 좋다.

도 1은 본 발명에 따른 전형적인 증착한 그 상태의 코팅을 도시하는 220X 확대한 현미경 사진.

도 2는 본 발명에 따른 열 처리 코팅을 도시하는 440X 확대한 현미경 사진.

도 3은 본 발명에 따른 전형적인 코팅의 미세조직을 확대 상세히 도시하는 주사 전자 현미경(SEM)에서의 3500X 확대한 현미경 사진.

도 4는 산화 환경에 노출될 때 본 발명과 종래 코팅에 따라서 준비된 코팅의 중량 이득을 비교하는 곡선 그룹을 도시하는 그래프.

본 발명에 따라서, 우수한 내접착제 마모와 내 부식성을 가지며 다양한 기판 재료와 호환가능한 패밀리의 탄화티탄/붕화텅스텐 코팅을 제공하고 있다. 이들 코팅은 금속 매트릭스내에 분산된 단단하고, 초미세한, 탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물을 포함하며, 두 상(페이스)은 코팅의 약 30 내지 90 체적 퍼센트로 이루어져 있다. 코팅은 약 700 내지 1200 DPH₃₀₀(HV.3)의 경도를 가지고 약 800℃까지의 온도에서 견딜 수 있다.

본 발명의 코팅은 탄화텅스텐를 함유하는 제 1 성분과 붕소를 함유하는 제 2 성분중 하나 이상과 니켈, 코발트와 철로 구성하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 개별 성분으로 구성된 기계적으로 혼합된 분말 혼합물을 기판상에 증착하는 단계와 그 다음 증착한 그 상태의 코팅을 열처리하는 단계를 포함하는 공정에 의해 준비될 수 있으며, 상기 분말 혼합물은 제 1 또는 제 2 성분 또는 별도의 제 3 성분내에서 티탄을 포함하며, 제 1, 제 2 또는 제 3 성분중 하나 이상은 약 1200℃ 아래의 용융점을 가진다. 열처리는 증착된 원소사이의 용해 반응을 일으켜 금속 매트릭스내에 분산된 탄화티탄와 붕화텅스텐의 초미세 입자의 형성을 야기한다. 코팅은 이미 앞서 언급한 어느 종래의 증착 기술 또는 유사한 기술을 사용해서 기판상에 증착될 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 탄화티탄와 붕화텅스텐 석출물을 함유하는 코팅은 다양한 기판 재료에 적용된다.

양호한 실시예의 설명

본 발명의 코팅은 적합하게 열 스프레이 공정을 사용하여 기질에 양호하게 적용된다. 이런 공정, 즉 플라즈마 스프레이에서, 전기 아크는 비소모가능한 전극과 이로부터 이격된 제 2 비소모가능한 전극사이에 설정된다. 가스는 아크를 포함하도록 비소모가능한 전극과 접촉한 상태로 통과된다. 아크-함유 가스는 노즐에 의해 압축되어 높은 열 내용물 유출을 가져온다. 분말형 코팅 재료는 높은 열 내용물 유출로 분사되고 코팅되어질 표면상에 증착된다. 이 공정과 여기서 사용된 플라즈마 아크 토치는 미국 특허 제 2,858,411 호에 기술되어 있다. 플라즈마 스프레이 공정은 기판에, 견고하고, 조밀하고 접착성을 띤 증착 코팅을 만든다. 또한, 증착 코팅은 서로 그리고 또 기질에 연결되고 기계적으로 결합되어 있는 불규칙하게 형상된 미세한 스플레트(splats) 또는 리브(leaves)로 이루어져 있다.

코팅을 기질에 적용하는 다른 방법은 폭발건 증착(detonation gun(D-gun) deposition)에 의한 것이다. 통상적인 폭발건은 주로 약 1인치의 내경과 몇 피트의 길이로된 수냉각된 배럴로 구성한다. 작동시, 특정비( 대개 약 1: 1)의 산소와 연료 가스, 예를 들어, 아세틸렌의 혼합물은 코팅되어질 분말의 충전물과 함께 배럴로 공급된다. 그리고 나서, 가스는 점화되고 폭발파는 약 2400 ft/sec(730 m/sec)까지 분말을 가속하면서 융점근처 또는 그 이상으로 가열한다. 분말이 배럴을 방출한 후, 질소의 펄스는 배럴을 정화하고 다음 폭발을 위해 시스템을 준비한다. 그리고 나서 사이클은 1초에 여러번 반복된다.

폭발건은 각 폭발로 기질상에 원형 코팅을 증착한다. 원형 코팅은 약 1인치(25mm) 직경과 몇 만분지 1의 인치(즉, 몇 미크론) 두께이다. 각 원형 코팅은 개별 분말 입자에 대응하는 많은 중첩하는 극히 작은 스플레트로 구성되어 있다. 중첩 스플레트는 이들의 경계면에서의 실질적으로의 합금없이 서로 그리고 기질에 연결하고 결합한다. 코팅 증착에서의 원형의 위치는 균일한 두께의 부드러운 코팅을 생성하고 기판 열을 최소화하고 적용된 코팅내에 잔류 응력을 최소화하도록 정밀하게 제어된다.

대체로, 열 스프레이 공정에 사용된 분말형 코팅 재료는 본질적으로 가해진 코팅과 동일한 조성물을 가질 것이다. 그러나, 약간의 열 스프레이 장비에서의 조성물의 변화가 예상될 수 있으며 이러한 경우에 분말 조성물은 소망의 코팅 조성물을 성취하기 위해서 조정될 것이다.

본 발명이 플라즈마 아크 스프레이 공정에 의해 만들어진 코팅을 참고로 설명되어 있을 지라도, 이미 상술한 어떠한 증착 기술 또는 유사한 기술이 또한 사용될 수 있음을 알아주기 바란다.

본 발명에 따라서, 내마모성 및 내부식성 코팅은 탄화텅스텐를 함유하는 제 1 성분과 붕소를 함유하는 제 2 성분과 니켈, 코발트와 철로 구성하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 개별 성분으로 구성된 기계적으로 혼합된 분말 혼합물을 플라즈마 스프레이함으로써 금속 기판상에 적용된다. 분말 혼합물은 또한 제 1 또는 제 2 성분 또는 별도의 제 3 성분내에서 티탄을 포함한다. 제 1, 제 2 또는 제 3 성분중 하나, 양호하게 붕소를 함유하는 제 2 성분은 약 1200℃ 아래의 용융점을 가진다. 그 다음 증착한 그 상태의 코팅을 분말 혼합물내의 상기 성분을 용융하는데 충분한 상승 온도에서 열처리된다. 이들 온도에서, 확산 및 화학 반응이 플라즈마 스프레이 공정에 의해 증착된 얇은 중첩 스플레트사이에서 일어나며, 이들중 약간은 티탄을 가지거나 가지지 않거나 탄화텅스텐 성분을 포함하고, 다른 것은 티탄을 가지거나 가지지 않거나 붕소 함유 합금을 포함하며, 또 다른 것은 먼저 언급한 성분들 중에 티탄이 사용되지 않을 때 티탄을 함유하는 것이다. 이들 확산 및 화학 반응은 탄화물 페이스내에서 텅스텐을 티탄으로 치환하고 붕화물 석출물을 형성하는 텅스텐과 붕소사이의 반응을 가져온다. 이 이유는 탄소 대 티탄의 친화력이 텅스텐에 대한 것보다 크기 때문이다. 탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물은 금속 매트릭스내에 균일하게 분산된다. 본질적으로 열처리전에 스플레트가 초기 분말 조성물을 유지하도록 증착동안 분말 입자사이에서 반응은 일어나지 않는다.

본 발명의 코팅은 두 성분 시스템, 즉, 제 1 탄화텅스텐 성분과 제 2 붕소 함유 합금 성분(여기서 제 1 성분과 제 2 성분중 어느 하나가 티탄을 함유하거나 또는 양자가 티탄을 함유함)을 사용해서 준비될 수 있으며 또는 변경적으로 다 성분 시스템을 사용할 수 있다. 이들 다 성분 시스템은 티탄이 두 성분중 어느 것에서도 사용되지 않은 경우에 사용된다. 다 성분 시스템은 또한 합금 매트릭스내에 추가의 원소를 포함시키는 것이 바람직한 경우에 사용될 수 있다.

탄화티탄와 붕화텅스텐 석출물을 함유하는 코팅의 포메이션은 아래의 식 중 하나에 따라서 진행한다.

(1) (W, Ti)C - M₁+ (M₂-B) → WM'₁B + TiC + (M₂-M₁")

(2) WC - M₁+ Ti + (M₂-B) → WM'₁B + TiC + (M₂-M₁")

(3) WC - M₁+ Ti-B + (M₂-B) → WM'₁B + TiC + (M₂-M₁")

여기서, M₁및 M₂는 니켈, 코발트와 철 및 선택적으로 어느 다른 금속 또는 금속 합금으로 구성하는 그룹중 선택된 하나 이상의 금속이고,

B는 붕소이다.

M₁= M'₁+ M₁"

상술한 요소에 추가해서, M₁과 M₂는 또한 탄소, 산소와 질소와 같은 다른 원소를 소량으로 포함할 수 있다.

분말 혼합물내에 사용된 티탄, 텅스텐, 탄화물와 붕소의 비는 금속 매트릭스내에 석출하는 탄화티탄와 붕화텅스텐 양자의 체적 분률을 결정한다. 일반적으로, 텅스텐 대 붕소의 비는 약 0.4 내지 2.0의 범위로 유지되어야 한다. 티탄 대 탄소의 비는 약 1.0이다.

최상의 접착제 마모 성질을 위해서, 코팅내의 탄화티탄와 붕화텅스텐 석출물의 체적 분률은 약 30 내지 80 체적 퍼센트의 범위내에 유지될 것이다. 전형적으로 탄화티탄 입자의 체적 분률은 약 15 내지 30 체적 퍼센트이며 반면에 붕화텅스텐 석출물의 체적 분률은 약 30 내지 50 체적 퍼센트 범위내에 유지될 것이다

코팅은 붕소 함유 합금내의 원소가 아래의 중량비내에서 유지되는 경우에, 즉, 약 3 wt. % 내지 약 20 wt. %붕소, 0 내지 약 10 wt. % 몰리브덴, 0 내지 약 20 wt. % 크롬, 0 내지 약 5 wt. % 망간, 0 내지 약 5 wt. % 알루미늄, 0 내지 약 1 wt. % 탄소, 0 내지 약 5 wt. % 실리콘, 0 내지 약 5 wt. % 인, 0 내지 약 5 wt. % 구리 및 0 내지 약 5 wt. % 철, 그 나머지 니켈, 코발트 또는 철 또는 이들의 합금인 경우에, 상술한 범위내에서 붕화텅스텐의 체적 분률로 준비될 수 있다.

붕소 함유 합금중 대부분은 이들 합금이 확산 반응의 요구조건을 만족하는 한 본 발명에 따른 코팅을 준비하는데 사용될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 코팅을 준비하는데 사용하기에 적합한 합금은 아래 표 I에 나타나 있다.

표 1

붕소 함유 합금

합금 No. 조성물(중량 %)

Ni Cr Si B Fe C

1 나머지 13-17 3-5 2.75-4 3-5 0.6-0.9

2 나머지 6-8 3-5 2.5-3.5 2-4 0.5-Max

3 나머지 3-4 3-5.4 8.8-10.8 2-3.5 0.32-Max

4 나머지 4.5-6 2.3-4 5.6-7 1.5-7 0.41-Max

5 나머지 3.2 2.5 6

물론, 티탄 함유 합금 또는 화합물이 붕소와 결합하는 경우에, 예 TiB₂인 경우에 붕소 함유 합금은 필요하지 않을 수 있다.

본 발명을 실행함에 있어서 붕소 함유 합금이 확산 반응을 촉진하기에 충분한 유체로 될 수 있는 충분히 상승된 온도에서, 통상적으로 1000℃ 이상에서, 증착한 그 상태의 코팅을 열처리하는 것이 중요하다. 열처리 온도를 필요하다면 1000℃ 보다 높은 온도, 예를 들어 1200℃로 할 수 있지만, 이 온도는 기판에 나쁜 영향을 줄 수 있을 정도로 높지 않아야 한다. 증착한 그 상태의 코팅은 코팅의 성분들사이의 반응 및/또는 확산을 촉진시키도록 열처리온도에서 충분한 시간동안 유지되어야 한다. 확산 반응의 제한되지만 중요한 량은 또한 기판에서도 일어난다.

코팅의 열처리는 일반적으로 진공 또는 불활성가스노에서 이루어진다. 변경적으로, 열처리는 상승된 온도에서의 시간이 충분히 짧거나 보호 분위기가 제공되어 상당한 산화가 일어나지 않은 한, 전자빔, 레이저빔, 전달된 플라즈마 아크, 유도가열 또는 다른 기술과 같은 표면 용착 공정에 의해 성취된다.

본 발명의 장점은 상술한 바와 같은 종래의 증착 기술 또는 유사한 기술을 사용해서 기판의 다양한 형태에 성공적으로 적용될 수 있다는 것이다. 그러나, 기판은 어느 해로운 결과없이 열처리의 영향을 견딜 수 있어야 한다. 본 발명에 따라서 코팅될 수 있는 적합한 기판 재료는 예를 들어 강, 스테인레스강, 철계 합금, 니켈, 니켈계 합금, 코발트, 코발트계 합금, 크롬, 크롬계 합금, 티탄, 티탄계 합금, 내화 금속 및 내화 금속계 합금을 포함한다.

본 발명의 코팅은 탄소강, 스테인레스강 및 초합금(예, 철, 니켈 및/또는 코발트계 합금)의 기판에 가장 양호하게 적용된다.

일반적으로, 본 발명에 따라서 준비된 코팅의 두께는 약 0.005 내지 약 0.04인치(0.1 내지 1.0mm)로 변할 것이다.

본 발명의 코팅의 미세조직은 다소 복잡하고 완전히 이해되지 않는다. 그러나, 지금까지 이루어진 연구로부터 코팅이 금속 매트릭스내에 분산된 초미세 탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물을 포함하는 주로 두 개별 하드 페이스를 포함하다는 것이 알려져 있다. 금속 매트릭스는 본질적으로 결정체이고 상당히 조밀하고 하드 페이스보다 더 연하고 낮은 투과성을 가진다.

탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물의 크기는 열처리 온도와 시간을 포함하는 몇 몇 요소에 따라서 변할 것이다. 그러나, 평균 입자 크기는 대개 서브-미크론, 통상적으로 약 0.5 내지 약 3.0 미크론이다.

총괄적으로 말하면, 코팅의 경도는 하드 페이스의 체적 분률에 직접 비례해서 변한다. 예들 들어, 분말 혼합물내에 텅스텐 대 붕소의 원자비를 변경함으로써 경도 값을 특정 범위로 맞출 수 있다. 일반적으로 코팅의 경도는 약 800 DPH₃₀₀(HV.3)이다.

본 발명의 중요한 장점은 텅스텐과 붕소 함유 합금사이의 확산 반응이 상당히 낮은 열처리 온도, 예, 1000℃에서 일어난다는 것이다. 이 현상의 정확한 이유는 알 수 없지만, 열 스프레이에 의해 기판상에 증착되는 리브 또는 겹침 스플레트 내측의 디스로케이션과 높은 내부 응력의 생김에 의한 것이라고 믿어진다. 이와 반대로, 금속 붕화물과 탄화물는 정상적으로 매우 높은 온도, 즉 약 1300℃ 보다 높은 온도에서 종래의 코팅 또는 고온 프레스 법에 의해 형성된다. 이들의 보다 높은 온도는 대개 대부분의 강에 해롭다. 본 코팅 공정에서 필요한 낮은 열처리 온도에 의해, 이들 기판은 지금 약간의 해로운 결과 없이 코팅될 수 있다.

아래의 예는 본 발명의 실시를 더욱더 설명하는 역활을 한다.

예 1

다수의 TiC/W₂CoB₂코팅을 3/4 × 1/2 × 2-3/4인치(19 × 13× 70mm)의 저 탄소 AISI 1018 강( 저탄소강(약 0.18 C와 나머지 Fe)) 시편상에 약 0.020 인치(0.5mm)의 두께로 탄화텅스텐 코발트 합금, 이붕화티탄(TiB₂)과 함금 No.2의 분말 혼합물을 플라즈마 스프레이함으로서 준비한다. 혼합 공식은 50 wt% (WC-10 Co) + 10 wt.% TiB₂+ 40 wt.% 합금 No.2이다. W 대 B 원자비는 약 1이다. 증착한 그 상태의 코팅의 폴리싱한 단면은 도 1에 도시되어 있다. 코팅은 서로 및 강 기판에 확고하게 부착된 불규칙형상 스플레트로 구성하는 층상 조직을 가진다. 이 스플레트는 기판상에 용융 또는 반용융 상태에서 WC-Co, TiB₂및 합금 No.2의 충격에 의해 형성된다. 그 다음, 증착한 상태의 코팅은 진공 또는 아르콘에서 약 1000 내지 1075℃의 온도에서 한 시간 열처리된다. 도 2는 열처리후 코팅 조직을 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 코팅은 주 코팅과 코팅 재료와 기판사이의 확산 반응에 의해 형성된 중간확산 영역으로 구성되어 있다. 중간확산 영역은 확산 영역/기판 경계면을 따라서 분산되어진 핑거형 철-붕화물 페이스를 가지며 약 50 내지 60 마이크로미터이다. 주 코팅은 Ni-Cr-Si-Fe 매트릭스내에 균일하게 분포된 다수의 미세 입자를 포함한다. 입자는 X- 레이 굴절과 EDX 분석에 의해서 TiC와 W₂CoB₂페이스로 확인된다. TiC와 W₂CoB₂페이스는 WC-Co와 TiB₂스플레트사이의 화학 반응에서 탄화물내에 W를 Ti로 치환하고 확산동안 W와 Co를 B와 반응함으로써 형성된다. 이 이유는 Ti 대 C의 친화력이 W 대 C의 친화력보다 크기 때문이다. 도 3에서, 주사 전자 현미경은 1마이크로미터보다 적은 입자 크기를 가진 TiC와 W₂CoB₂를 나타낸다. W₂CoB₂페이스는 특징있는 밝은 콘트라스트를 나타내지만, TiC 페이스는 매트릭스내에 분산된 어두운 콘트라스트를 나타낸다.

코팅의 금속학적 실험은 0.5 내지 0.75 퍼센트 범위의 겉보기 다공성과 700 내지 1100 DPH₃₀₀(HV.3) 범위의 경도를 나타낸다.

위에서 준비된 TiC/W₂CoB₂코팅의 마찰 마모 성질은 ASTM Standard G 65-80, Procedure A에서 기술한 표준 건조 모래/고무 휠 마찰 테스트를 사용해서 결정된다. 이 테스트에서, 코팅된 시편을 휠 둘레의 클로로부틸 고무 림을 가진 회전 휠에 레버 암에 의해서 장착한다. 마찰재(즉, 50 -70 메쉬 Ottawa Silica Sand)을 코팅과 고무 휠사이에 넣는다. 휠을 마찰재 흐름의 방향으로 회전한다. 테스트 시편을 테스트 전후에 중량을 측정하고 이들 중량 손실을 기록한다. 테스트된 여러 재료의 밀도의 넓은 차이에 의해서, 질량 손실은 정상적으로 체적 손실로 전환되고 재료의 상대적인 순위를 판정한다. 이들 특정 코팅 시편에 대한 평균 체적 손실은 약 1.4 mm³/1000 회전이다.

TiC/W₂CoB₂코팅을 또한 부식 테스트한다. 이들 테스트는 90도와 30도의 두 충돌 각도에서 약 91 미터/초의 입자 속도와 27미크론의 크기를 가진 알루미나 입자를 사용해서 표준 과정에 따라서 이루어진다. 부식률은 제각기 약 128 내지 120과 26 ㎛/gm으로 되는 것을 알 수 있다.

코팅의 내마찰성과 부식성은 다른 종래 코팅과 비교해서 우수한 것으로 간주된다.

또 다른 일련의 테스트에서, 산화 측정은 다른 조성물로된 두 TiC/W₂CoB₂코팅상에서 실시하고 종래의 탄화텅스텐계 코팅과 비교한다. 각 샘플 코팅의 산화 량은 중량 이득(마이크로그램/cm²)과 산화 환경에서의 노출 시간을 측정함으로써 결정된다. 테스트 결과는 도 4에 도시되어 있다. 예를 들어, 종래의 WC코팅이 곡선 A로 도시한 바와 같이 650℃의 온도로 가열될 때 대부분의 중량 이득을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 다소 낮은 중량 이득은 곡선 B로 도시한 바와 같이 50 wt% (WC-10 Co) + 8 wt.% TiB₂+ 42 wt.% 합금 No.2을 포함하는 분말 혼합 공식 P1으로부터 만든 TiC/W₂CoB₂코팅에 의해 나타나 있다. 그러나, 아주 작은 중량 이득은 곡선 C로 도시한 바와 같이 50 wt% (WC-10 Co) +10 wt.% TiB₂+ 40 wt.% 합금 No.2을 포함하는 분말 혼합 공식 P2으로부터 만든 TiC/W₂CoB₂코팅에 의해 나타나 있다. 후자의 코팅은 약 900℃ 이상의 온도에 노출될 때 까지 아주 적은 중량 이득을 나타내고 있다.

예 2

다수의 TiC/WCoB 코팅을 3/4 × 1/2 × 2-3/4인치(19 × 13× 70mm)의 저 탄소 AISI 1018 강 시편상에 약 0.020 인치(0.5mm)의 두께로 탄화텅스텐 코발트 합금, 이붕화티탄(TiB₂), 코발트와 합금 No.2의 분말 혼합물을 플라즈마 스프레이함으로서 준비한다. 추가의 코발트는 예 1에서와 같이 W₂CoB₂보다 더 WCoB의 포메이션을 선호하도록 분말 혼합물내에 사용된다. 혼합 공식은 50 wt% (WC-10 Co) + 10 wt.% TiB₂+ 20 wt.% 합금 No.2 + 20 wt.% Co이다. W 대 B 원자비는 약 1이다. 증착한 그 상태의 코팅은 진공 또는 아르콘에서 약 1050 내지 1075℃의 온도에서 한 시간 열처리된다. 열처리후, 코팅은 냉각되어 실험된다. 코팅은 Ni-Cr-Si-Fe 매트릭스내에 분산된 TiC와 WCoB를 함유하는 스플레트의 층상 조직을 가진다. 석출물의 크기는 약 1미크론보다 적다.

TiC/WCoB의 경도는 700 내지 1100 DPH₃₀₀(HV.3) 범위이다.

코팅의 마찰 마모와 부식 성질은 예 1에서 기술된 동일한 테스트 과정을 사용해서 결정된다. 이들 코팅의 모래 마찰 마모율은 약 1.9 mm³/1000 회전이다.

90도와 30도의 두 충돌 각도에서 알루미나 입자에 대한 부식 마모율은 제각기 약 30과 130 ㎛/gm으로 되는 것을 알 수 있다. 이들 코팅의 마찰 및 부식 성질은 매우 우수한 것으로 생각된다.

예 3

다수의 TiC-농후 TiC/W₂NiB₂/WC/WC₂코팅을 3/4 × 1/2 × 2-3/4인치(19 × 13× 70mm)의 저 탄소 AISI 1018 강 시편상에 약 0.020 인치(0.5mm)의 두께로 텅스텐 -탄화티탄 - 니켈 합금과 합금 No.5의 분말 혼합물을 플라즈마 스프레이함으로서 준비한다. 혼합 공식은 60 wt% (W, Ti)C - Ni+ 40 wt.% 합금 No.5이다. 증착한 그 상태의 코팅은 진공 또는 아르콘에서 약 1045℃의 온도에서 한 시간 열처리되고 그 다음 냉각된다. 코팅은 Ni-Cr-Si-Fe 매트릭스내에 WC 또는 WC₂입자사이에 분산된 TiC와 W₂NiB₂의 미세 석출물의 층상 조직을 가진다.

이들 코팅의 경도는 약 900 DPH₃₀₀(HV.3) 범위이다.

코팅의 마찰 마모와 부식 성질은 또한 예 1에서 기술된 표준 건조 모래/고무 휠 테스트를 사용해서 결정된다. 평균 마모율은 약 1.3 mm³/1000 회전이다.

90도와 30도의 두 충돌 각도에서 알루미나 입자(1.2그램/분의 공급 속도, 91m/초의 속도)에 대한 부식 마모율은 제각기 약 30과 126 ㎛/gm이다. 이들 코팅의 부식 성질은 또한 매우 우수한 것으로 생각된다.

본 발명에 의하면, 우수한 내마모성과 내부식성을 가진 탄화티탄/붕화텅스텐 코팅을 제공한다. 그리고, 종래의 증착 기술을 사용해서 다양한 형태의 기판에 코팅을 적용할 수 있다.

Claims

기판상에 내마모와 내부식성 코팅으로서,

상기 코팅은 금속 매트릭스내에 분산된 단단하고, 초미세한, 탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물을 포함하며, 상기 두 상은 상기 코팅의 약 30 내지 80 체적 퍼센트로 이루어져 있고, 그 나머지는 금속 매트릭스인 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 탄화티탄 입자는 상기 코팅의 약 15 내지 30 체적 퍼센트로 이루어져 있고 상기 붕화텅스텐 석출물은 상기 코팅의 약 30 내지 50 체적 퍼센트로 이루어져 있는 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 코팅내의 텅스텐 대 붕소의 원자비는 약 0.4와 2.0사이이고, 티탄 대 탄소의 원자비는 약 0.1인 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 탄화티탄 입자와 붕화텅스텐 석출물의 평균 크기는 약 0.5 내지 3.0미크론 범위인 코팅.
제 1항에 있어서, 약 700 내지 1200 DPH₃₀₀(HV.3)의 경도를 가지는 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 금속 매트릭스는 니켈, 코발트와 철로 구성하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 구성되어 있는 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 기판은 강, 스테인레스강, 철계 합금, 니켈, 니켈계 합금, 코발트, 코발트계 합금, 크롬, 크롬계 합금, 티탄, 티탄계 합금, 내화 금속과 내화 금속계 합금으로 구성하는 그룹으로부터 선택된 재료인 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 붕화텅스텐 석출물은 W₂CoB₂를 포함하는 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 붕화텅스텐 석출물은 W₂NiB₂를 포함하는 코팅.
제 1항에 있어서, 상기 붕화텅스텐 석출물은 WCoB를 포함하는 코팅.