JPH07268602A - 金属基材表面へのコーティング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、コーティング材料自体を変
質させることなく皮膜の高い密着性を有した金属基材表
面へのコーティング方法を得ることである。 【構成】 本発明のコーティング方法は、コーティング
対象物をコーティング箔材料で覆い、高温に加熱し、コ
ーティング箔材料で覆った内部の空気を脱気し、コーテ
ィング対象物とコーティング箔材料を密着させ、加熱拡
散処理によりコーティングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐食性や耐摩耗性などの
材料の表面機能向上を図った金属基材表面へのコーティ
ング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、耐食、耐摩耗、耐熱など過酷
な環境下で運転される機器においては、基材の本来有す
る特性のみでは十分にその機能を発揮することができ
ず、表面に耐食、耐摩耗、耐熱などの特性に優れた材料
をコーティングすることが行われている。特に、この表
面のコーティングのためには多くのプロセスが適用され
ている。すなわち、溶射、ＰＶＤ（物理蒸着法）、ＣＶ
Ｄ（化学蒸着法）などのプロセスから溶接肉盛などで幅
広く適用されている。これらの従来の技術においては、
必ずしも十分に満足できる効果が得られるとは限らな
い。特に、プロセス施工の関心事は、溶射、ＰＶＤ、Ｃ
ＶＤ、溶接肉盛などのプロセスにおいては均一膜厚の皮
膜を基材表面上に形成させることである。

【０００３】しかしながら、実用部材においては、必ず
しも形状の単純ではないことから均一膜厚の皮膜を得る
ことができない。また、コーティング材料を溶融あるい
は蒸発させてコーティングするプロセスでは必ずしもコ
ーティング材料と同一組成の皮膜が形成されず、特定の
元素成分のみが消失、減少する問題点がある。これは溶
射、ＰＶＤ、溶接などのプロセスにおいて認められる。

【０００４】一方、ＣＶＤなどの様に基材表面にコーテ
ィング材料を化学合成させるプロセスにおいては、必ず
しも希望する組成が形成され得ない難点がある。さら
に、溶接肉盛などにおいては、１mm以下の薄い膜の形成
が困難である。さらに、基材と皮膜との間に十分な拡散
が期待できないプロセスでは、皮膜の密着性に問題があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
コーティング方法では、コーティング材料を一度に全領
域にコーティングすることができない場合、例えば、板
材料の表面と裏面を広範囲にコーティングする場合にお
いて均一膜厚の皮膜が得られないという問題が生じる。
そのために、被コーティング材を回転させたり、あるい
は上下左右に動かすなどの操作を行っているか、十分に
は皮膜の厚さの均一化を得るのが困難である。

【０００６】また、皮膜の元になる材料を直接基材上に
合成したり、あるいはコーティング材料を溶融蒸発など
の中間過程で変質されてしまうことが、必ずしも所定の
組成が得られていない原因であると考えられる。

【０００７】さらに、コーティング材料と基材との間で
元素拡散が生じるようなプロセスであるＣＶＤなどで
は、皮膜の密着強度が関しては十分に高い値が得られ
る。そのため、溶射やＰＶＤなどのプロセスにおいて
は、皮膜の密着強度を高めるためにコーティング施工後
に拡散熱処理を施すことが行われており、工業的には皮
膜の密着強度の不足に関しては、基材と皮膜との間の元
素拡散が不十分であるためと考えられる。

【０００８】本発明の目的は、コーティング材料自体を
溶融蒸発などにより変質させることなく、また、部品表
面にほとんど同時期に均一膜厚のコーティング材料を形
成され、さらに、皮膜と基材との間には十分な元素拡散
が生じており、皮膜の高い密着性を保有することが可能
なコーティング方法を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、コー
ティング対象物をコーティング箔材料で覆い、高温に加
熱し、コーティング箔材料で覆った内部の空気を脱気
し、コーティング対象物とコーティング箔材料を密着さ
せ、加熱拡散処理によりコーティングする。

【００１０】請求項２の発明では、コーティング対象物
に比べて、高温での強度が低く、延性に優れたコーティ
ング箔材料を用いる。請求項３の発明では、加熱拡散処
理を10気圧以下の不活性ガス雰囲気で行う。

【００１１】請求項４の発明では、コーティング対象物
として、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅと、それらを主成分とする合
金を対象とする。請求項５の発明では、コーティング箔
材料として、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅを主成分とし、Ｃｒ，Ａ
ｌ，Ｙを含む。

【００１２】

【作用】

（１）本発明のプロセスは、コーティング箔材料をコー
ティング対象物の表面に同時期に拡散コーティングさせ
るために、比較的複雑な部材においても均一膜厚の皮膜
が形成される。

【００１３】（２）コーティング箔材料自体は、溶融蒸
発の工程を通ることなくコーティング対象物の表面に皮
膜として形成されることから、コーティング箔と同一組
成の皮膜が形成される。

【００１４】（３）コーティング皮膜とコーティング対
象物との間には元素拡散が生じていることから、皮膜の
密着性に関しては十分に高い強度と信頼性が確保され
る。 （４）コーティング対象物に比べて、高温での強度が低
く、延性に優れたコーティング箔材料を用いることで高
温での脱気において、コーティング対象物表面に均一に
コーティング箔材料を密着させることが容易に可能とな
り作業の簡素化と均一膜厚の信頼性が向上する。

【００１５】（５）加熱拡散処理を10気圧以下の不活性
ガス雰囲気で実施することにより、複雑部品の変形を最
小限に抑えると共に、作業の簡易性が増し、加熱拡散処
理中の皮膜の剥れを防止することができる。

【００１６】

【実施例】請求項（１）に対応する発明は、図１（ａ）
で示すようにコーティング材料７を箔状に整形してお
き、その箔状コーティング材料で、コーティング対象物
６を覆い、一端には脱気パイプ10を介してその両端を溶
接する。そして、コーティング材料７と、コーティング
対象物６を同時に高温に加熱し、コーティング材料７と
コーティング対象物６との間に存在する空気を脱気し、
コーティング対象物６とコーティング箔材料７を密着さ
せ、図１（ｂ）に示すようにヒーター14の加熱処理によ
り、基材とコーティング箔との間に元素拡散を生じさせ
てコーティングし、図１（ｃ）に示すように切断仕上げ
する。

【００１７】請求項（２）に対応する発明は、コーティ
ング対象物６に比べて高温での強度が低く、延性に優れ
ており、コーティング対象物６の表面をコーティング箔
材料７によって容易に覆えるように材料選択したことを
特徴とするコーティング方法である。

【００１８】請求項（３）に対応する発明は、コーティ
ング材料７によるコーティング対象物６の被覆と、加熱
拡散処理とを10気圧以下の不活性ガス雰囲気で実施する
ことを特徴とするコーティング方法である。

【００１９】請求項（４）に対応する発明は、コーティ
ング対象物６として、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅと、それらを主
成分とする合金を対象とするコーティング方法である。
請求項（５）に対応する発明は、コーティング箔材料７
として、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅを主成分とし、Ｃｒ，Ａｌ，
Ｙを含む合金であることを特徴とするコーティング方法
である。

【００２０】図２には、本発明の耐食コーティング方法
の一実施例について示す。基材となるコーティング対象
物とコーティング箔材料とは、処理前には脱脂洗浄を実
施する（工程１）。これは、皮膜と基材界面の接合性を
向上させるために有効な工程である。工程２は、コーテ
ィング対象物をコーティング箔材料で覆う。後工程では
真空脱気を行うために、リークのない信頼性の高いコー
ティング箔材料を用いたコーティング対象物の被覆を行
う必要がある。図３には箔材料箔７の端部におけるシー
ル溶接構造の一例を示す。薄膜の単純重ね合わせによる
溶接だけでは必ずしも接合部リークの信頼性が確保でき
ないために、多重に折り重ねて接合している。又、真空
脱気用の脱気パイプ10についても図４で示すように溶接
接合する。工程３では以上のコーティング箔７で覆った
コーティング対象物６を全体加熱する。全体加熱と同時
にコーティング箔に取り付けた脱気パイプ10により真空
脱気することにより、コーティング箔内面、コーティン
グ基材表面の酸化物、脂分などを除去し、接合界面の特
性向上を計る。さらに高温加熱により軟化したコーティ
ング箔が、大気圧によりコーティング対象物表面に追従
性良く密着する。その後、工程４において、コーティン
グ箔７とコーティング対象物６とが元素拡散する温度域
で加熱することにより拡散熱処理を施す。工程５におい
ては、コーティング部材の使用において適合するよう
に、余分な部分や脱気用に用いたパイプ部分などを切断
し最終仕上げ加工を施す。

【００２１】コーティング対象物６に比べて、高温での
強度が低く、延性に優れたコーティング箔材料７を用い
ることで、工程３が容易に実施できる。すなわち、コー
ティング箔材料７のみを軟化させることでコーティング
対象物６を変形させることなく、コーティング箔を密着
させることが可能となる。

【００２２】また、工程３，４の加熱処理を10気圧以下
の不活性ガス雰囲気で実施することにより、コーティン
グ対象物を著しく変形させることなくコーティングする
ことが可能となる。

【００２３】図５は、本発明プロセスによりＩＮ738 基
材の表面にＮｉＣｒ系合金箔をコーティングした場合の
皮膜厚さの均一性をプラズマ溶射のそれと比較した結果
である。50mm幅、10mm厚さ、長さ 300mmの板材の表面に
200μｍを目標にコーティングを施した場合の結果であ
る。本発明プロセスでは 200μｍ厚さのＮｉＣｒ系合金
箔（200mm 幅× 400mm長さ）２枚を準備し、この２枚の
箔でＩＮ738 基材をはさみ込む要領で、端部を図３の要
領で折り返し、ＴＩＧ溶接により低入熱で溶接した。ま
た、脱気パイプの取り付けについては、図４の要領でＴ
ＩＧ溶接により溶接幅広く取って溶接することにより作
製した。加熱脱気は、 700℃に加熱しロータリーポンプ
で10^-1〜10^-3Torrに真空引きを行いながら実施した。工
程４の拡散熱処理は1040℃、２ｈ、Ａｒ雰囲気において
実施した。その後に機械加工により余分な物を切断し、
仕上げを行った。

【００２４】図５にはコーティング部材の各位置Ａ〜Ｇ
の７ケ所について、長さ方向の５断面について切断調査
し、皮膜厚さの測定を実施した結果についてまとめて示
す。ただし、図中の各実験点は５断面での測定値の平均
値を示す。図から明らかなように、本発明によるコーテ
ィング方法での皮膜厚さでは、非常に膜厚の均一性に優
れていることが明らかである。特に、この優れた点は 2
00μｍ膜厚を目標にプラズマ溶射により形成した皮膜の
厚さ分布と比較をすると顕著である。

【００２５】また、図６には図中に示すようにピンテス
トにより測定した皮膜の密着強度について、測定した結
果をまとめて示す。実験は５回実施し全データについて
示す。図６から明らかなように、本発明によるコーティ
ング方法においては、皮膜の密着強度が 450MPa と極め
て高く、また値もほぼ同一であり、安定した密着強度が
確保されていることがわかる。比較材であるプラズマ溶
射においては、25〜80MPa と値も低いが、ばらつきも大
きいことがわかる。

【００２６】図７ではコーティング皮膜中のＣｒ濃度に
ついて測定した結果を示す。コーティングに用いた箔材
中のＣｒ濃度を基準にして、本発明により形成された皮
膜とプラズマ溶射により形成された皮膜中のＣｒ濃度の
測定結果を比較して示す。Ｃｒは蒸気圧が高いために、
プラズマ溶射などの高温加熱プロセスにおいては、気化
して減少することが知られている。この結果は図５から
明らかである。一方、本発明においては最高加熱1040℃
であり、コーティング箔中のＣｒ濃度とほぼ同程度のＣ
ｒ濃度を確保できることが明らかである。耐食性コーテ
ィングの場合には、Ｃｒ量の低下は、即、耐食性の低下
につながることから、図６の結果からは、皮膜特性の低
下を本発明のプロセスによって防止できることは明らか
である。

【００２７】このように、本発明の実施例によるコーテ
ィング方法により以下の効果が得られる。 （１）コーティング皮膜と基材との間の密着性が良好で
あり、均一に皮膜の厚さを制御することが容易であると
共に、所定の組成のコーティング箔を用意することによ
り、所定の組成の皮膜が形成可能である。

【００２８】（２）一般のプラズマ溶射では基材に付着
しない粒子が多く、歩留まりが良くないが、本発明によ
り90％と高い歩留まりを得ることができる。 （３）コーティング箔の厚さが皮膜厚さとなることか
ら、皮膜厚さの管理が容易であると共に、膜質が緻密で
あり、結晶構造などの配向性のない均質な皮膜が得られ
る。

【００２９】（４）加熱炉とロータリーポンプのみで、
複雑高価な装置を必要としない。 （５）複雑形状への均一膜厚のコーティングが容易であ
る。 次に、本発明は図８に示すように、パイプ10の内外面同
時のコーティング球体15の内面コーティングなどについ
ても、外側コーティング箔11と同様の手法で内側コーテ
ィング箔12を加熱脱気法により密着させ、拡散熱処理に
より固着コーティングさせる点が可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、密着性、
皮膜厚さの均一性、皮膜組成の均質性と制御性に優れた
皮膜を形成することが可能であり、皮膜の信頼性向上と
共に、歩留まり向上による低コスト化が達成できる。ま
た、特別の装置を必要とせず、複雑形状部材へのコーテ
ィングが容易となるなどの特性を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の説明図。

【図２】本発明のコーティング方法の工程図。

【図３】工程２における皮覆終端部の一端における説明
図。

【図４】工程２における皮覆終端部の他端における説明
図。

【図５】本発明によるコーティング皮覆の厚さ分布の特
性図。

【図６】本発明によるコーティング皮覆の密着強度の特
性図。

【図７】本発明によるコーティング皮覆中のＣｒ濃度の
特性図。

【図８】本発明の他の実施例の説明図。

【符号の説明】

６…コーティング対象物 ７…コーティング材料 10…脱気パイプ 11…内側コーティング箔 12…外側コーティング箔 14…ヒーター 15…コーティング球体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コーティング対象物をコーティング箔材
   料で覆い、高温に加熱し、コーティング箔材料で覆った
   内部の空気を脱気し、コーティング対象物とコーティン
   グ箔材料を密着させ、加熱拡散処理によりコーティング
   する金属基材表面へのコーティング方法。
2. 【請求項２】 コーティング対象物に比べて、高温での
   強度が低く、延性に優れたコーティング箔材料を用いる
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属基材表面へのコ
   ーティング方法。
3. 【請求項３】 加熱拡散処理を10気圧以下の不活性ガス
   雰囲気で行うことを特徴とする請求項１に記載の金属基
   材表面へのコーティング方法。
4. 【請求項４】 コーティング対象物として、Ｎｉ，Ｃ
   ｏ，Ｆｅと、それらを主成とする合金を対象とすること
   を特徴とする請求項１に記載の金属基材表面へのコーテ
   ィング方法。
5. 【請求項５】 コーティング箔材料として、Ｎｉ，Ｃ
   ｏ，Ｆｅを主成分とし、Ｃｒ，Ａｌ，Ｙを含むことを特
   徴とする請求項１に記載の金属基材表面へのコーティン
   グ方法。