JPH10280120A - フラックス入りワイヤーを用いた金属被覆の溶射方法 - Google Patents

フラックス入りワイヤーを用いた金属被覆の溶射方法

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JPH10280120A
JPH10280120A JP10024768A JP2476898A JPH10280120A JP H10280120 A JPH10280120 A JP H10280120A JP 10024768 A JP10024768 A JP 10024768A JP 2476898 A JP2476898 A JP 2476898A JP H10280120 A JPH10280120 A JP H10280120A
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substrate
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ジェームズ クック デビッド
Deborah Rose Pank
ローズ パンク デボラ
Armando Mateo Joaquin
マテオ ジョアクイン アルマンド
Matthew John Zaluzec
ジョン ザルゼック マシュー
Oludele Olusegun Popoola
オルセガン ポポーラ オルデール
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 粗面化されていない清浄化されたアルミニウ
ムまたはアルミニウム合金基体に少なくとも一つの金属
被覆を溶射する改良方法の提供。 【解決手段】 金属接合溶滴およびフラックス粒子を空
気推進により基体に溶射し、フラックス粒子と接合溶滴
とを同時に被着させる。溶射には空気推進と、芯材を有
するワイヤーを使用する。芯材は、基体に対して容易に
接合可能な金属粉末と基体を容易に脱酸できるフラック
ス粉末とから成る。フラックス粉末は、溶融して接触す
ることで基体を有効に脱酸するハロゲン化塩を有し、溶
射により一層均等に分散される粒子寸法を有する。アル
ミニウムまたはアルミニウム合金基体の溶射に使用され
るワイヤーは、接合金属粉末が溶融状態の間に基体と
発熱反応して接合する金属接合粉末と、溶融状態の間に
前記基体からアルミニウム酸化物を剥取るフラックス粉
末とで構成された粉末芯材混合物、この粉末混合物を
取囲み、金属間化合物を形成するようにアルミニウム面
と反応する組成を有する金属シースから成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアルミニウム合金製
自動車部品に対する硬質表面被覆の溶射に係わり、特に
溶射される金属のアルミニウムまたはアルミニウム合金
に対する付着性を増進するフラックスを有する芯材入り
ワイヤーの使用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム合金は、重量軽減および熱
量経済化連邦規格エンジンブロックおよびヘッド、ピス
トン、バケットタペット、ブレーキローターその他のよ
うな自動車部品に現在使用されている。このような応用
例のほとんどにおいて、使用時に与えられる熱応力に耐
えるようにそれらの部材の表面を被覆することが必要と
されている。従来、アルミニウム表面に耐熱被覆を付与
するために溶射技術が使用されているが、付着を確実に
するために被覆前の表面の調製として、ある種の粗面化
が必要であった。このような粗面化は、通常はグリット
・ブラスト、非常に高圧な水ジェット噴射、放電加工な
どの幾つかの形態を含む。このような粗面化段階の必要
性が付着性を犠牲にせずに解消できるならば望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】鋼、鋳鉄および幾つか
の非鉄合金を溶接するとき、溶接するその部品の表面調
製はフラックスを芯材とした溶接ワイヤーを使用するこ
とによって省略される。このようなフラックスを芯材と
した溶接ワイヤーは、適正な作動を得るために、また融
解に悪影響しないように溶融した溶接溜りの頂部に可融
スラグを形成するために、ＣＯ2 ガスシールドの形成を
必要とする。このようなフラックス芯材の溶接ワイヤー
はスケールおよび汚れた溶接状態の許容範囲を拡げた
が、一般に突き合わせ、角隅およびＴ継手の融合に限ら
れていた。
【０００４】極く最近のフラックスを芯材とする鑞接リ
ングでさえ、アルミニウム合金製シートメタルを鑞接す
るためにインプラントとして使用されている。これらの
リングは接合金属組成物（Ａｌ−Ｓｉ）を必要とする
が、該組成物は溶射に適用できない。その理由は、この
組成物はあまりに低い温度で溶融し、これは緩速鑞接に
は満足であるが瞬間的な溶射では不満足だからである。
これまでは溶射用のワイヤー材料は潤滑剤または耐摩耗
性粒子を含んでいたが、粉末フラックスは含んでいなか
った。溶射用材料の芯材としてフラックスを使用するに
は、（ａ）溶射の接触時間の動的状態内で表面酸化物の
瞬間的な表面剥離、（ｂ）接触による瞬間的な一様な反
応を可能にするためにフラックスおよび接合金属粉末の
両方の粒子寸法の制御、および（ｃ）瞬間的なフラック
ス形成を増進するためにワイヤー材料の有効な組成比、
を与えるような或る種の問題を解決しなければならな
い。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の観点で
は、被覆基体を製造するために粗面化されていない清浄
化されたアルミニウムまたはアルミニウム合金製基体に
少なくとも一つの付着金属被覆を溶射する方法であっ
て、溶融された金属接合溶滴およびフラックス粒子を空
気推進を使用して基体にワイヤー・アーク溶射して、フ
ラックス粒子と接合溶滴とを同時に付着させるようにす
ることを含み、この溶射は空気推進と芯材およびシース
（さや）を有するワイヤー材料とを使用し、ワイヤー芯
材は基体に対して冶金的に容易に接合可能な金属粉末と
基体を容易に脱酸できるフラックス粉末とで構成され、
ワイヤー・シースは芯材金属粉末と冶金的に両立できる
融通性のある金属で構成され、フラックス粉末は溶融し
たそのフラックス粉末が接触することによって基体を化
学的に有効に脱酸するハロゲン化塩を有し、前記フラッ
クス粉末は前記溶射を通じて一層均等に分散される粒子
寸法を有する溶射方法である。
【０００６】第二の観点において本発明は、アルミニウ
ムまたはアルミニウム合金製基体の溶射に使用されるフ
ラックス芯材付きワイヤーであり、このワイヤーは
（ａ）（ｉ）接合金属粉末が溶融状態にある間に基体と
発熱反応して冶金的に接合する上で有効な金属接合粉
末、および（ｉｉ）溶融状態にある間に前記基体からア
ルミニウム酸化物を剥離させる上で有効なフラックス粉
末から成る芯材粉末混合物と、（ｂ）粉末混合物を取囲
み、また接合金属と冶金的に両立するとともに、金属間
化合物を形成するようにアルミニウム面と反応する上で
有効な組成を有す融通性のある金属シースとで構成され
ている。
【０００７】本発明の利点は、従来の湿潤状態で付与さ
れるフラックスの撹拌、乾燥および脱湿の各段階を排除
する一方で、瞬間的なフラックス付与と接合の動的状態
を通じての同等または増進された付着を促進することで
ある。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１に示されるように、本発明方
法は要約すれば、例えば溶射ガン１０を使用し、粗面化
せずに清浄化したアルミニウムまたはチタン合金の基体
１３に対して、ワイヤー材料１２を使用して少なくとも
一つの接着金属被覆１１を溶射することを含む。ワイヤ
ーは、ノズル１６に形成されるアークまたはそのワイヤ
ー先端１４へ飛ぶアークによって発生されたプラズマ１
５の作用をその先端１４に受けて溶融される。プラズマ
発生ガス１７ならびにシュラウド・ガス１８は溶射パタ
ーン１９を形成し、これが溶融されたフラックス粒子２
０と、溶融された接合金属溶滴２１と、ワイヤーのシー
ス金属の溶融された溶滴２２とを基体に対して投射し
て、薄い被覆１１を形成するようになされる。溶融され
たフラックス金属は、衝突の衝撃によって基体から基体
酸化物を瞬間的に剥取り、これと同時に付着された接合
金属溶滴は即座に酸化物の剥取られた基体と冶金属学的
に接合する。
【０００９】ワイヤー１２は融通性のある金属シース２
３で構成され、このシースは（ｉ）溶融状態で基体と冶
金的に接合（好ましくは発熱反応による）するのに有効
な接合金属粉末２５と、溶融状態のときに基体から酸化
物を剥取る上で有効なフラックス粉末２６とから成る芯
材粉末混合物２４を取囲む（包み込む）。金属シース２
３は約０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）の厚さ２７を
有し、また芯材の接合金属粉末と冶金属学的に両立する
（アルミニウムまたはその合金と金属間化合物を形成す
る）組成を有し、ニッケル、銅または鉄のいずれかの形
態であるのが好ましい。シース金属は、特にＦｅ−Ａ
ｌ、Ａｌ青銅、Ｓｉ青銅、最も有利な純粋ニッケル(str
aight nickel）から成る群から選ばれた金属で構成され
る。この群の金属は以下の性質（融通性のあるシースと
して機能するのに必要なものであり、アルミニウムまた
はアルミニウム合金の被覆の一部を形成する）を有す
る。すなわち、それらは６６０℃を超える温度で溶融
し、アルミニウムと反応する。
【００１０】フラックス粉末２６は熱で活性化されたと
きにアルミニウムまたはチタンを脱酸するように化学的
に構成されており、ＫＡｌＦ、ＫＡｌＦ＋ＬｉＦまたは
ＫＡｌＦ＋ＬｉＦ＋ＣｓＦから選ばれるのが好ましいハ
ロゲン化塩である。ＫＡｌＦは主としてＫＡｌＦ4 を意
味し、少量のＫ2 ＡｌＦ5 （約１５重量％）およびＫ 3
ＡｌＦ6 （約５重量％）を含む。このようなフラックス
粉末は或る接合性能を達成するためにワイヤーの０．７
〜１０重量％の量で芯材中に存在する。フラックス粉末
の粒子寸法の範囲は一般に２〜４０マイクロメートルで
あるが、最適平均粒子寸法は約２〜１０マイクロメート
ルである。
【００１１】接合金属粉末２１はＮｉ−Ａｌ（９５Ｎｉ
／５Ａｌが最適）、Ｆｅ−Ａｌ、Ａｌ青銅、およびＳｉ
青銅の群から選ばれるのが好ましい。接合金属粉末の全
体的な粒子寸法の範囲は１０〜４００マイクロメートル
で、接合粉末の平均粒子寸法は約１００マイクロメート
ルであるのが有利である。この接合金属粉末粒子寸法は
選択されるときはフラックス粉末粒子寸法よりも大きく
なければならず、このことが接合金属粒子に対するフラ
ックス粉末の隣接化を一層有効に保証する。接合金属粉
末２１に対するフラックス粉末２０の体積比は約３：７
であり、それぞれの重量比は約１：１０である。シース
金属２３に対する粉末芯材混合物２４の重量比は約１：
３である。
【００１２】溶射パターン１９は秒速約１００〜２００
メートルの速度で基体に衝突し、ワイヤーの溶滴は温度
約１５００〜１８００℃である。基体に対する衝撃によ
り、溶融したフラックス粉末の微細溶滴は基体表面上の
酸化物（すなわち、Ａｌ2 Ｏ 3 ）を化学的に分解する。
副生成物は揮発され、図３により明白となるように被覆
した製品に侵入したり、または存在することはないと思
われる。
【００１３】被覆を溶射する第一段階は、Ｎｉ−Ａｌ
（２８）、Ｎｉ（２９）およびＮｉ−ＡｌまたはＮｉの
いずれかの分け与えられた酸化物（３０）の混ざり合っ
た粒子で構成される。Ｎｉ−ＡｌまたはＮｉのこれらの
酸化物はフラックスが芯材を形成するワイヤーを使用し
た動的状態の結果として現れる。ＮｉおよびＮｉーＡｌ
酸化物は非常に有用である。その理由は、それらが非酸
化アルミニウム面に対して酸素の飽和した面を与えるこ
とにより、基体に対する被覆の付着性を向上させるから
である。接合金属粒子２５およびフラックス粉末２６は
効率的に機能するように芯材付きワイヤーの混合物内で
一様に混ぜ合わされねばならないというわけではない。
ワイヤー・アークによる溶融およびガス推進によって生
じる乱流が溶滴を再分配して不規則分布を増大し、これ
により均質性が高められる。
【００１４】耐摩耗性且つ潤滑性の形式の被覆１１を形
成するために、頂部被覆３１は接合金属３２の上から溶
射される（図２参照）。頂部被覆３１は低炭素合金鋼、
好ましくはＦｅとＦｅＯとの複合材で構成される。複合
頂部被覆が望まれるならば、ワイヤー材料１２は中実の
低炭素合金鋼で構成され、また二次ガス３４が使用さ
れ、この二次ガスはワイヤーから生じた溶滴と酸素が反
応し、酸化して選択的な酸化鉄ＦｅX Ｏ（ウエスタイト
（Wuestite）、自己潤滑性を有する硬質の耐摩耗性酸化
物相）を形成するように制御される。したがってこの複
合材は固有の潤滑剤として黒鉛を含む鋳鉄に非常に良く
似た作用をできる。ＦｅX Ｏは酸化鉄の最低の分子形態
のもので、しばしば簡単にＦｅＯと称され、Ｆｅ2 Ｏ3
およびＦｅ 3 Ｏ4 は除かれる。酸素を含む溶射のガス成
分は、１００％空気（または酸素）から１００％不活性
ガス（例えばアルゴンや窒素）までの間で変化でき、Ｆ
ｅの酸素飽和度に対応する。この二次ガスの流量は、全
ての溶滴を酸化元素で包込むのを確実にし、そのような
ガスに対する鋼溶滴の露出を制御するために、毎分８５
０〜３４００リットル（３０〜１２０立方フィート）と
されねばならない。このような複合被覆を得る方法のこ
れ以上の説明は、本願の譲受人に共通して譲渡されてい
る関連する米国特許出願第０８／６６１０７１号にさら
に完全に記載されており、その開示内容を本明細書の記
載として援用する。
【００１５】結合被覆３２または頂部被覆３１の溶射は
図２に示すような溶射ガンすなわち装置を使用すること
で実行できる。金属ワイヤー材料３２は溶射ガンのプラ
ズマすなわち炎３３の中に送られ、その材料の先端１４
は溶融され、高速の一次ガスジェット３９によって溶滴
に霧化される。このガスジェットは溶射４０をエンジン
ブロック３５の軽金属円筒穴壁４２に投射し、これによ
って被覆を被着させる。溶射ガンは内側ノズルを有して
構成され、このノズルは炎すなわちプラズマ３３のよう
な熱源を集中させる。プラズマ雲は一次ガスが中央電気
３６と陽極とされる内側ノズル３７との間を通過すると
きにその一次ガス３９から電子を遊離させて発生され、
高温度のイオン放電すなわち雲を形成する。このプラズ
マの熱源はワイヤー先端１４を溶融し、形成された溶滴
１４は極めて高速度でターゲットへ向けて投射される。
加圧された、すなわちシュラウドを形成するガス３４は
この溶射パターンをさらに制御する。このような二次ガ
ス３４は内側ノズル３７とノズルハウジングとの間に形
成された通路を通って導入される。二次ガスはプラズマ
雲の軸線に対して半径方向内方へ向けられる。
【００１６】アークが飛ばされるプラズマトーチとして
溶射ガンを構成して作動させるならば、フラックス芯材
付きワイヤーとしてのワイヤー材料はノズルの表面から
約４．５ミリメートルの距離を隔ててプラズマ雲３３へ
向けて供給される。陰極３６は負電荷によって付勢さ
れ、内側ノズル３７ならびにワイヤー２３の両方が陽極
として正に帯電される。まず溶射ガンが始動されると、
プラズマガスがノズル組立体を通って流れを開始し、短
時間、典型的には２秒後にＤＣ電源が確立されて陰極３
６および内側ノズル３７を横断するアークが発生し、パ
イロットアークが形成されてプラズマが時々刻々と活性
化される。この非移動プラズマが確立されると、極度に
高温のイオン化された導電性ガスがノズルから流出し、
アークが放電可能で且つ放電されるワイヤー先端に接触
して、陰極３６から拘束オリフィスとして作用する内側
ノズルの開口部を通る低圧の渦流中心部分を通ってワイ
ヤー先端へ至るプラズマ電流の流れが確立される。その
後ワイヤーは移動するプラズマ流の中へ連続的に供給さ
れて、ワイヤー先端が溶失されても放電アークを保持す
るようになす。
【００１７】結果として得られる被覆は飛散した層およ
び粒子で構成される。アルミニウム基体に接触するとき
の飛散粒子の熱容量は高く、約１２００〜２０００℃で
ある。接合被覆は約５０マイクロメートルの厚さに被着
され、被着粒子寸法は約２．５〜８マイクロメートルで
あるのが好ましい。
【００１８】図３に示されるように、結果として得られ
た製品は溶射被覆３２とＡｌ基体（穴壁４２）との間に
境界面４３を有し、この境界面は残留フラックスも全く
なくてＡｌに冶金的に接合したＮｉ（２９）およびＮｉ
Ａｌ（２８）の粒子を形成している。溶射の衝撃による
動的状態は鋳造面の多孔率を増大または変化させず、Ｎ
ｉまたはＮｉ−Ａｌの或る種の分散された酸化物３０で
置換されて接着強度（剥離強度）が維持または増大され
た。最適な剥離強度（２１１０ｋｇ／ｃｍ2 （３０００
ｐｓｉ）を超える）はフラックス粉末がワイヤーの０．
７〜３．０重量％に制限された場合に得られ、これは約
２９〜３０のワイヤー重量％と同様にＮｉ−Ａｌ結合粉
末が僅かに増大されるようになす。ニッケル−アルミニ
ウムのアルミニウム量の増大は、価格を低減化する。
【００１９】本発明の特定の実施例が図示され説明され
たが、当業者には様々な変形および変更が本発明から逸
脱せずに行えることが明白となり、特許請求の範囲の欄
に記載の請求項では本発明の精神および範囲に含まれる
それらの全ての変形例および等価例を含めることが意図
される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により作られた溶射パターンおよび被着
した被覆粒子の、ワイヤー・アーク溶射ガンのノズル部
分およびこの工程で使用されるフラックス芯材付きワイ
ヤーの先端部分を示す、概略的拡大図。
【図２】この工程を実施するのに使用された好ましい全
体装置の構成図。
【図３】本発明を使用して得られた付着した被覆とアル
ミニウム基体との間に形成されたマイクロ組織の境界面
の拡大図（倍率２００倍）。
【図４】本発明で使用された粉末を芯材としたワイヤー
材料の一般的な拡大断面図（倍率８５倍）。
【符号の説明】 １０ 溶射ガン １２ ワイヤー材料 １３ 基体 １４ ワイヤー先端 １５ プラズマ １６ ノズル １７ プラズマ発生ガス １８ シュラウド形成ガス １９ 溶射パターン ２０ フラックス粒子 ２１ 接合溶滴 ２２ 溶融溶滴 ２３ 金属シース ２４ 粉末混合物 ２５ 接合金属粉末 ２６ フラックス粉末 ３２ 接合金属 ３４ 二次ガス ３６ 陰極 ３７ 内側ノズル ３９ 一次ガスジェット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デボラ ローズ パンク アメリカ合衆国 ミシガン州サリーヌ，ホ イスパーリング パインズ ドライブ 9225 (72)発明者 アルマンド マテオ ジョアクイン アメリカ合衆国 ミシガン州ロチェスター ヒルズ，シルバーブルック 311 (72)発明者 マシュー ジョン ザルゼック アメリカ合衆国 ミシガン州キャントン, カントリー クラブ レーン 310 (72)発明者 オルデール オルセガン ポポーラ アメリカ合衆国 ミシガン州グランド ブ ランク，チャリング クロース 457

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被覆された基体を製造するために、粗面
    化されていないアルミニウムまたはアルミニウム合金か
    ら成る清浄化された基体に少なくとも一つの付着金属被
    覆を溶射する方法であって、 溶融した金属接合溶滴およびフラックス粒子を前記基体
    にワイヤー・アーク溶射して、フラックス粉末粒子およ
    び接合金属溶滴を同時に付着させるようになすことを含
    み、前記溶射で、空気推進と芯材およびシースを有する
    ワイヤー材料とを使用し、前記芯材は、基体に対して冶
    金的に容易に接合可能な金属粉末と、基体を容易に脱酸
    できるフラックス粉末とで構成され、ワイヤー・シース
    は前記芯材金属粉末と冶金的に両立できる融通性のある
    金属で構成され、フラックス粉末は溶融したそのフラッ
    クス粉末が接触することによって前記基体を化学的に有
    効に脱酸するハロゲン化物を有し、前記フラックス粉末
    は前記溶射を通じて一層均等に分散されるように粒子寸
    法２〜４０マイクロメートルを有し、これは前記接合金
    属の粒子寸法よりも小さく、形成された被覆基体は
    （ｉ）接合金属と基体の間の境界面に残留フラックスお
    よび気孔がないこと、および（ｉｉ）基体と被着金属と
    の間の、被着金属酸化物および被着金属から成り基体酸
    化物の全く存在しない分配された冶金的な表面を示すこ
    とを特徴とする溶射方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載された方法であって、前
    記フラックス粉末がＫＡｌＦ塩を含むことを特徴とする
    溶射方法。
JP10024768A 1997-03-31 1998-02-05 フラックス入りワイヤーを用いた金属被覆の溶射方法 Pending JPH10280120A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/829,666 US5820939A (en) 1997-03-31 1997-03-31 Method of thermally spraying metallic coatings using flux cored wire
US829666 1997-03-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10280120A true JPH10280120A (ja) 1998-10-20

Family

ID=25255184

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP10024768A Pending JPH10280120A (ja) 1997-03-31 1998-02-05 フラックス入りワイヤーを用いた金属被覆の溶射方法

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US (1) US5820939A (ja)
EP (1) EP0869198A1 (ja)
JP (1) JPH10280120A (ja)

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