WO2010143594A1 - 溶射用粉末及び溶射皮膜の形成方法 - Google Patents

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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the present invention relates to a thermal spraying powder composed of granulated and sintered cermet particles and a method for forming a thermal spray coating using the thermal spraying powder.
  • Thermal spray coatings composed of cermets are used in various industrial fields, and development of thermal spraying powders aimed at further improving the performance of such thermal spray coatings has been actively conducted (for example, see Patent Document 1). The demand for improved hardness and wear resistance for thermal spray coatings is still high.
  • the inventor of the present application has conducted intensive research with particular attention to the straightness of particles in the thermal spraying powder as a factor that affects the characteristics of the thermal spray coating formed from the thermal spraying powder. Proceeded. As a result, the present invention has been completed.
  • a thermal spraying powder comprising granulated and sintered cermet particles.
  • the average particle size of the granulated and sintered cermet particles is 5 to 25 ⁇ m.
  • the granulated-sintered cermet particles have a compressive strength of 50 MPa or more.
  • the value of straightness of the granulated-sintered cermet particle to be defined is 0.25 or more.
  • the average aspect ratio of the granulated-sintered cermet particles is preferably 1.25 or less.
  • the average particle diameter of primary particles constituting the granulated-sintered cermet particles is preferably 6.0 ⁇ m or less.
  • the dispersibility value defined as a value obtained by dividing the number average diameter of the primary metal particles constituting the granulated-sintered cermet particles by the volume average diameter of the same primary metal particles may be 0.40 or less. preferable.
  • the granulated-sintered cermet particles preferably have a compressive strength of 1000 MPa or less.
  • the average fractal dimension value of the granulated-sintered cermet particles is preferably 1.075 or less.
  • the thermal spraying powder of the first aspect is preferably used for forming a thermal spray coating by high-speed flame spraying or cold spray spraying.
  • thermo spraying powder suitable for forming a thermal spray coating excellent in hardness and wear resistance, and a method for forming the thermal spray coating using the thermal spray powder.
  • the thermal spraying powder of this embodiment is composed of granulated and sintered cermet particles.
  • This thermal spraying powder is used, for example, in applications in which a cermet sprayed coating is formed by high-speed flame spraying such as high-speed air fuel (HVAF) spraying or high-speed oxygen fuel (HVOF) spraying.
  • high-speed flame spraying such as high-speed air fuel (HVAF) spraying or high-speed oxygen fuel (HVOF) spraying.
  • the granulated-sintered cermet particles contained in the thermal spraying powder are composite particles obtained by agglomerating ceramic fine particles and metal fine particles, and a granulated product obtained by granulating a mixture of ceramic fine particles and metal fine particles ( Granules).
  • the ceramic fine particles are, for example, particles made of a carbide such as tungsten carbide or chromium carbide, particles made of a boride such as molybdenum boride or chromium boride, particles made of a nitride such as aluminum nitride, or silicide.
  • the particles may be particles or oxide particles, or any combination of these particles.
  • the metal fine particles may be, for example, particles made of a simple metal such as cobalt, nickel, iron, chromium, particles made of a metal alloy, or any combination of these particles.
  • the content of metal fine particles in the granulated-sintered cermet particles is 5 to 40% by volume (in other words, the content of ceramic fine particles in the granulated-sintered cermet particles is 60 to 95% by volume. Is preferred).
  • the thermal spraying powder has a lower limit of 0.25 for the straightness value of the granulated-sintered cermet particles defined below.
  • the straightness value is the maximum thickness of the thermal spray coating obtained when spot spraying 150 grams of thermal spraying powder on the substrate, and is the maximum of the length of the line segment having both ends on the contour line of the thermal spray coating. It is a value obtained by dividing by a thing.
  • This straightness value is an index indicating the degree to which the thermal spraying powder goes straight toward the base material during thermal spraying. The larger the value, the more granulated-sintered cermet particles are applied to the base material during thermal spraying. Indicates to go straight ahead.
  • the deposition efficiency As the straightness value increases, the efficiency with which a thermal spray coating is formed from a unit amount of thermal spraying powder, that is, the deposition efficiency (spraying yield) tends to improve. In addition, the hardness and wear resistance of the thermal spray coating formed from the thermal spraying powder tend to be improved. This is probably because granulated-sintered cermet particles having a high straightness value are efficiently accelerated during thermal spraying, and as a result, collide with the substrate at a higher speed.
  • a thermal spraying powder having a straightness value of granulated-sintered cermet particles of 0.25 or more is particularly advantageous in forming a thermal spray coating having required hardness and wear resistance. From the viewpoint of further improving the hardness and wear resistance of the thermal spray coating, the value of the straightness of the granulated-sintered cermet particles is preferably 0.27 or more, more preferably 0.30 or more.
  • the lower limit of the average particle diameter (volume average diameter) of the granulated-sintered cermet particles is 5 ⁇ m.
  • spitting occurs as a result of the decrease in the amount of fine free particles that may overmelt during the thermal spraying contained in the thermal spraying powder.
  • Spitting is a phenomenon in which deposits formed by depositing and depositing the overmelted thermal spraying powder on the inner wall of the nozzle of the thermal sprayer drop off from the inner wall during thermal spraying of the thermal spraying powder and enter the thermal spray coating. It becomes a factor which reduces the performance of a film.
  • the average particle diameter of the granulated-sintered cermet particles is 5 ⁇ m or more, it becomes easy to suppress the occurrence of spitting during thermal spraying of the thermal spraying powder to a particularly suitable level for practical use.
  • the average particle diameter of the granulated / sintered cermet particles is preferably 8 ⁇ m or more, more preferably 10 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the average particle size of the granulated-sintered cermet particles is 25 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the granulated-sintered cermet particles decreases, the density of the thermal spray coating formed from the thermal spraying powder increases, and as a result, the hardness and wear resistance of the thermal spray coating tend to improve.
  • the average particle size of the granulated-sintered cermet particles is 25 ⁇ m or less, it is particularly advantageous in forming a thermal spray coating having the required hardness and wear resistance from the thermal spraying powder.
  • the average particle size of the granulated / sintered cermet particles is preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 15 ⁇ m or less.
  • the upper limit of the average aspect ratio of the granulated-sintered cermet particles is preferably 1.25, more preferably 1.20, and even more preferably 1.15.
  • the aspect ratio is defined as a value obtained by dividing the major axis length of an elliptic sphere that most closely approximates the outer shape of the granulated-sintered cermet particle by the minor axis length of the elliptic sphere. .
  • the average aspect ratio decreases, the deposition efficiency of the thermal spraying powder tends to improve.
  • the hardness and wear resistance of the thermal spray coating formed from the thermal spraying powder tend to be improved.
  • the average fractal dimension value of the granulated-sintered cermet particles is preferably 1.075 or less, more preferably 1.070 or less, still more preferably 1.060 or less, and most preferably 1.050 or less.
  • the average fractal dimension value is a value obtained by quantifying the degree of unevenness on the surface of the granulated / sintered cermet particles, and is an index indicating the shape of the granulated / sintered cermet particles as well as the average aspect ratio.
  • the average fractal dimension value takes a value in the range of 1 or more and less than 2.
  • the lower limit of the compressive strength of the granulated-sintered cermet particles is 50 MPa.
  • Granulated-sintered cermet particles with high compressive strength are unlikely to collapse. For this reason, spray powder composed of granulated-sintered cermet particles with high compressive strength produces fine free particles that may overmelt during thermal spraying due to the collapse of the granulated-sintered cermet particles before spraying. As a result, the occurrence of spitting tends to be less likely to occur.
  • the compression strength of the granulated-sintered cermet particles is 50 MPa or more, it becomes easy to suppress the occurrence of spitting during thermal spraying of the thermal spraying powder to a particularly suitable level for practical use. From the viewpoint of further suppressing the occurrence of spitting, the compression strength of the granulated / sintered cermet particles is preferably 80 MPa or more, more preferably 100 MPa or more.
  • the upper limit of the compressive strength of the granulated-sintered cermet particles is preferably 1000 MPa, more preferably 800 MPa, and even more preferably 600 MPa.
  • Granulated-sintered cermet particles having low compressive strength are easily softened or melted by being heated by a heat source during thermal spraying. Therefore, the thermal spraying powder composed of granulated-sintered cermet particles with low compressive strength tends to improve the adhesion efficiency.
  • the compressive strength of the granulated-sintered cermet particles is 1000 MPa or less, more specifically 800 MPa or less, and more specifically 600 MPa or less, the adhesion efficiency of the thermal spraying powder is improved to a particularly suitable level for practical use. Easy to do.
  • the upper limit of the average particle diameter (fixed direction average diameter) of primary particles (including both ceramic primary particles and metal primary particles) constituting the granulated-sintered cermet particles is preferably 6.0 ⁇ m, more preferably 5. It is 0 ⁇ m, more preferably 4.5 ⁇ m.
  • the average particle size of the primary particles is 6.0 ⁇ m or less, more specifically 5.0 ⁇ m or less, and more specifically 4.5 ⁇ m or less, the average particle size of the granulated-sintered cermet particles is 25 ⁇ m or less and the average aspect It becomes easy to control the ratio to 1.25 or less.
  • the upper limit of the dispersibility value defined below for the primary metal particles in the granulated-sintered cermet particles is preferably 0.40, more preferably 0.30, and even more preferably 0.25.
  • the dispersibility value is a value obtained by dividing the number average diameter of the metal primary particles constituting the granulated-sintered cermet particles by the volume average diameter of the same metal primary particles. This dispersibility value is an index indicating the degree to which the primary metal particles are dispersed in the granulated-sintered cermet particles. The smaller the value, the more primary metal particles in the granulated-sintered cermet particles. It shows that it is uniformly distributed.
  • the dispersibility value is 0.40 or less, further 0.30 or less, and more specifically 0.25 or less, the average aspect ratio of the granulated-sintered cermet particles is controlled to 1.25 or less. It becomes easy.
  • the thermal spraying powder of the present embodiment has a small average particle diameter of granulated-sintered cermet particles of 5 to 25 ⁇ m, a large value of straightness of the granulated-sintered cermet particles of 0.25 or more, Since the compression strength of the grain-sintered cermet particles is as high as 50 MPa or more, it is extremely advantageous in forming a thermal spray coating having the required hardness and wear resistance from the thermal spray powder with high adhesion efficiency. Therefore, the thermal spraying powder of the present embodiment is suitable for forming a thermal spray coating excellent in hardness and wear resistance with high adhesion efficiency.
  • the embodiment may be modified as follows.
  • the granulated-sintered cermet particles in the thermal spraying powder may contain components other than ceramics and metals such as inevitable impurities or additives.
  • the thermal spraying powder may contain components other than the granulated and sintered cermet particles. However, the content of components other than the granulated and sintered cermet particles is preferably as small as possible.
  • Thermal spraying powders are formed using thermal spraying methods other than high-speed flame spraying, such as relatively low-temperature spraying processes such as cold spray and warm spray, or relatively high-temperature spraying processes such as plasma spraying. It may be used for the purpose.
  • Cold spraying accelerates the working gas heated to a temperature lower than the melting point or softening temperature of the thermal spraying powder to supersonic speed, and the accelerated working gas causes the thermal spraying powder to collide with the base material at a high speed.
  • This is a technique for forming a film by making it happen.
  • the base material may be thermally altered or deformed depending on the material and shape of the base material. There is. Therefore, it is not possible to form a film on a substrate of any material and shape, and there is a drawback that the material and shape of the substrate are limited.
  • the apparatus since it is necessary to heat the thermal spraying powder to the melting point or the softening temperature or higher, the apparatus becomes large and the conditions such as the construction site are limited. On the other hand, since cold spray spraying is performed at a relatively low temperature, there is an advantage that the base material is unlikely to be thermally altered or deformed, and some apparatuses are smaller than a relatively high temperature spraying process. Furthermore, since the working gas to be used is not a combustion gas, there is an advantage that it is excellent in safety and convenient in local construction.
  • cold spray is classified into a high pressure type and a low pressure type according to the working gas pressure. That is, a case where the upper limit of the working gas pressure is 1 MPa is referred to as a low pressure type cold spray, and a case where the upper limit of the working gas pressure is 5 MPa is referred to as a high pressure type cold spray.
  • a high-pressure type cold spray an inert gas such as helium gas, nitrogen gas or a mixed gas thereof is mainly used as a working gas.
  • the low pressure type cold spray the same kind of gas as that used in the high pressure type cold spray or compressed air is used as the working gas.
  • the working gas is preferably 0.5 to 5 MPa, more preferably 0.7 to 5 MPa, still more preferably 1 to Supplyed to the cold spray device at a pressure of 5 MPa, most preferably 1 to 4 MPa, preferably 100 to 1000 ° C., more preferably 300 to 1000 ° C., further preferably 500 to 1000 ° C., most preferably 500 to 800 ° C. Until heated.
  • the thermal spraying powder is preferably supplied to the working gas from the same direction as the working gas at a feed rate of 1 to 200 g / min, more preferably 10 to 100 g / min.
  • the distance from the nozzle tip of the cold spray device to the substrate is preferably 5 to 100 mm, more preferably 10 to 50 mm, and the traverse speed of the nozzle of the cold spray device is preferably Is 10 to 300 mm / sec, more preferably 10 to 150 mm / sec.
  • the film thickness of the sprayed coating to be formed is preferably 50 to 1000 ⁇ m, more preferably 100 to 500 ⁇ m.
  • the thermal spray powder of the above embodiment is used for the purpose of forming a thermal spray coating by low pressure type cold spray using an inert gas such as helium gas, nitrogen gas or a mixed gas thereof as a working gas
  • the working gas Is preferably supplied to the cold spray device at a pressure of 0.3 to 0.6 MPa, more preferably 0.4 to 0.6 MPa, preferably 100 to 540 ° C., more preferably 250 to 540 ° C., most preferably Is heated to 400-540 ° C.
  • the thermal spraying powder is preferably supplied to the working gas from the same direction as the working gas at a feed rate of 1 to 100 g / min, more preferably 10 to 100 g / min.
  • the distance from the nozzle tip of the cold spray device to the substrate is preferably 5 to 100 mm, more preferably 10 to 40 mm, and the traverse speed of the nozzle of the cold spray device is preferably 5 to 300 mm. / Second, more preferably 5 to 150 mm / second.
  • the film thickness of the sprayed coating to be formed is preferably 50 to 1000 ⁇ m, more preferably 100 to 500 ⁇ m, and most preferably 100 to 300 ⁇ m.
  • the working gas is preferably 0.3 to 1 MPa, more preferably Preferably supplied to the cold spray device at a pressure of 0.5 to 1 MPa, most preferably 0.7 to 1 MPa, preferably 100 to 600 ° C., more preferably 250 to 600 ° C., most preferably 400 to 600 ° C. Until heated.
  • the thermal spraying powder is preferably supplied to the working gas from the same direction as the working gas at a feed rate of 1 to 200 g / min, more preferably 10 to 100 g / min.
  • the distance from the nozzle tip of the cold spray device to the substrate is preferably 5 to 100 mm, more preferably 10 to 40 mm, and the traverse speed of the nozzle of the cold spray device is preferably 5 to 300 mm. / Second, more preferably 5 to 150 mm / second.
  • the film thickness of the sprayed coating to be formed is preferably 50 to 1000 ⁇ m, more preferably 100 to 500 ⁇ m, and most preferably 100 to 300 ⁇ m.
  • Example 11 As granulated powders of Example 11 and Comparative Examples 10 and 11, various granulated and sintered cermet particles composed of 25% by volume of an iron-base alloy and the balance of tungsten carbide were prepared. Thermal spray coating was formed by thermal spraying under the respective conditions.
  • Example 12 As granulated powders of Example 12 and Comparative Example 12, various granulated-sintered cermet particles composed of 12% by volume of cobalt and the balance of tungsten carbide were prepared, and each was sprayed under the third condition shown in Table 3. By doing so, a sprayed coating was formed.
  • Example 13 As granulated powders of Example 13 and Comparative Examples 13 to 15, various granulated-sintered cermet particles composed of 25% by volume of an iron-base alloy and the balance of tungsten carbide were prepared. Thermal spray coating was formed by thermal spraying under the respective conditions.
  • thermal spraying powders of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 15 and thermal spray coatings formed from these thermal spraying powders are shown in Tables 5 to 8.
  • the critical load is the compression applied to the granulated-sintered cermet particles when the displacement of the indenter suddenly increases when a compressive load increasing at a constant speed is applied to the granulated-sintered cermet particles with the indenter.
  • the magnitude of the load For the measurement of the critical load, a micro compression test apparatus “MCTE-500” manufactured by Shimadzu Corporation was used.
  • the measurement result of the average fractal dimension value of the granulated / sintered cermet particles contained in each of the thermal spraying powders of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 15 Indicates.
  • the average fractal dimension value is measured for five particles having an average particle size within ⁇ 3 ⁇ m among the granulated and sintered cermet particles contained in the thermal spraying powder of each example. Based on a secondary electron image (magnification 1000 to 2000 times) obtained by a scanning electron microscope, the image was analyzed by a divider method using Image Analysis Software Image-Pro Plus of Nippon Rover Co., Ltd.
  • the “Spitting” column in Table 5 shows the presence or absence of spitting when the thermal spraying powders of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 9 were sprayed continuously for 5 minutes.
  • the “Film thickness of spray coating” column in Tables 6 to 8 shows the film thickness of the spray coating formed from the respective thermal spraying powders of Examples 11 to 13 and Comparative Examples 10 to 15.
  • the thermal spray coatings formed from the thermal spraying powders of Examples 1 to 6, 8 to 10 and Comparative Examples 1 to 9 all have a thickness of 200 ⁇ m.
  • the Vickers hardness (Hv0.2) of the sprayed coating formed from each of the thermal spraying powders of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 15 is Shimadzu Corporation. The results of measurement with a micro hardness tester HMV-1 manufactured by Seisakusho are shown. “-” In the same column indicates that the film could not be formed, and “peeled” indicates that the film was peeled off immediately after the film formation and could not be measured.

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Abstract

　本発明の溶射用粉末は、造粒－焼結サーメット粒子からなる。造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径は５～２５μｍである。造粒－焼結粒子は５０ＭＰａ以上の圧縮強度を有する。１５０グラムの溶射用粉末をスポット溶射したときに得られる溶射皮膜の最大厚さを同溶射皮膜の輪郭線上に両端を有する線分の長さのうち最大のもので除することにより得られる値として定義する造粒－焼結サーメット粒子の直進性の値は０．２５以上である。造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比は、好ましくは１．２５以下である。溶射用粉末は、好ましくは高速フレーム溶射又はコールドスプレー溶射により溶射皮膜を形成する用途で使用される。

Description

溶射用粉末及び溶射皮膜の形成方法
　本発明は、造粒－焼結サーメット粒子からなる溶射用粉末、及びその溶射用粉末を用いた溶射皮膜の形成方法に関する。
　サーメットからなる溶射皮膜が各種産業分野において利用されており、そのような溶射皮膜のさらなる性能の向上を目指した溶射用粉末の開発が盛んに行われているが（例えば、特許文献１参照）、溶射皮膜に対する硬度及び耐摩耗性向上の要求は依然として高い。
特開２００８－６９３８６号公報
　そこで本発明の目的は、硬度及び耐摩耗性に優れた溶射皮膜を形成するのに適した溶射用粉末を提供することにある。また本発明の別の目的は、その溶射用粉末を用いた溶射皮膜の形成方法を提供することにある。
　本願発明者は、上記の目的を達成するために、溶射用粉末から形成される溶射皮膜の特性を左右する因子として溶射時の溶射用粉末中の粒子の直進性に特に着目して鋭意研究を進めた。本発明は、その結果として完成するに至ったものである。
　本発明の第１の態様では、造粒－焼結サーメット粒子からなる溶射用粉末が提供される。造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径は５～２５μｍである。造粒－焼結サーメット粒子は５０ＭＰａ以上の圧縮強度を有する。１５０グラムの溶射用粉末をスポット溶射したときに得られる溶射皮膜の最大厚さを同溶射皮膜の輪郭線上に両端を有する線分の長さのうち最大のもので除することにより得られる値として定義する造粒－焼結サーメット粒子の直進性の値（straight ratio）は０．２５以上である。
　造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比は１．２５以下であることが好ましい。造粒－焼結サーメット粒子を構成する一次粒子の平均粒子径は６．０μｍ以下であることが好ましい。造粒－焼結サーメット粒子を構成する金属一次粒子の個数平均径を同じ金属一次粒子の体積平均径で除することにより得られる値として定義する分散性の値は０．４０以下であることが好ましい。造粒－焼結サーメット粒子は１０００ＭＰａ以下の圧縮強度を有することが好ましい。造粒－焼結サーメット粒子の平均フラクタル次元値は１．０７５以下であることが好ましい。
　本発明の第２の態様では、上記第１の態様の溶射用粉末を高速フレーム溶射又はコールドスプレー溶射して溶射皮膜を形成する溶射皮膜の形成方法が提供される。すなわち、上記第１の態様の溶射用粉末は、好ましくは高速フレーム溶射又はコールドスプレー溶射により溶射皮膜を形成する用途で使用される。
　本発明によれば、硬度及び耐摩耗性に優れた溶射皮膜を形成するのに適した溶射用粉末、及びその溶射用粉末を用いた溶射皮膜の形成方法が提供される。
　以下、本発明の一実施形態を説明する。
　本実施形態の溶射用粉末は、造粒－焼結サーメット粒子からなる。この溶射用粉末は、例えば、高速空気燃料（ＨＶＡＦ）溶射や高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射などの高速フレーム溶射によりサーメット溶射皮膜を形成する用途で用いられる。
　溶射用粉末中に含まれる造粒－焼結サーメット粒子は、セラミックス微粒子及び金属微粒子が互いに凝集してなる複合粒子であり、セラミックス微粒子と金属微粒子の混合物を造粒して得られる造粒物（顆粒）を焼結することにより製造される。セラミックス微粒子は、例えば、炭化タングステンや炭化クロムなどの炭化物からなる粒子、あるいはホウ化モリブデンやホウ化クロムなどのホウ化物からなる粒子、あるいは窒化アルミニウムなどの窒化物からなる粒子、あるいはケイ化物からなる粒子、あるいは酸化物からなる粒子であってもよいし、これらの粒子の任意の組み合わせであってもよい。金属微粒子は、例えば、コバルトやニッケル、鉄、クロムなどの金属単体からなる粒子、あるいは金属合金からなる粒子であってもよいし、これらの粒子の任意の組み合わせであってもよい。
　造粒－焼結サーメット粒子中の金属微粒子の含有量は、５～４０体積％であること（換言すれば、造粒－焼結サーメット粒子中のセラミックス微粒子の含有量が６０～９５体積％であること）が好ましい。
　溶射用粉末は、以下に定義する造粒－焼結サーメット粒子の直進性の値について０．２５という下限を有する。直進性の値は、１５０グラムの溶射用粉末を基材上にスポット溶射したときに得られる溶射皮膜の最大厚さを同溶射皮膜の輪郭線上に両端を有する線分の長さのうち最大のもので除することにより得られる値である。この直進性の値は、溶射用粉末が溶射時に基材に向けて直進する程度を示す指標となるものであり、値が大きいほどより多くの造粒－焼結サーメット粒子が溶射時に基材に向けて直進することを示す。直進性の値が大きくなるにつれて、単位量の溶射用粉末から溶射皮膜が形成される効率、すなわち付着効率（溶射歩留まり）は向上する傾向がある。また、溶射用粉末から形成される溶射皮膜の硬度及び耐摩耗性が向上する傾向もある。これは、直進性の値が高い造粒－焼結サーメット粒子は溶射時に効率よく加速を受けて、その結果、より高速度で基材上に衝突するためと考えられる。この点、造粒－焼結サーメット粒子の直進性の値が０．２５以上である溶射用粉末は、所要の硬度及び耐摩耗性を有する溶射皮膜を形成するうえで特に有利である。溶射皮膜の硬度及び耐摩耗性のさらなる向上という点からは、造粒－焼結サーメット粒子の直進性の値は０．２７以上であることが好ましく、より好ましくは０．３０以上である。
　造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径（体積平均径）の下限は５μｍである。造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径が大きくなるにつれて、溶射用粉末中に含まれる溶射中に過溶融するおそれのある微小な遊離粒子の量が少なくなる結果、いわゆるスピッティングの発生が起こりにくくなる傾向がある。スピッティングとは、過溶融した溶射用粉末が溶射機のノズルの内壁に付着堆積してできる堆積物が溶射用粉末の溶射中に同内壁から脱落して溶射皮膜に混入する現象であり、溶射皮膜の性能を低下させる要因となる。この点、造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径が５μｍ以上である場合には、溶射用粉末の溶射時のスピッティングの発生を実用上特に好適なレベルにまで抑制することが容易となる。スピッティング発生のさらなる抑制という点からは、造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径は８μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上である。
　造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径の上限は２５μｍである。造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径が小さくなるにつれて、溶射用粉末から形成される溶射皮膜の緻密度が増す結果、溶射皮膜の硬度及び耐摩耗性は向上する傾向がある。この点、造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径が２５μｍ以下である場合には、所要の硬度及び耐摩耗性を有する溶射皮膜を溶射用粉末から形成するうえで特に有利である。溶射皮膜の硬度及び耐摩耗性のさらなる向上という点からは、造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径は２０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１５μｍ以下である。
　造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比の上限は、好ましくは１．２５、より好ましくは１．２０、さらに好ましくは１．１５である。なお、アスペクト比は、造粒－焼結サーメット粒子の外形形状に最も近似する楕円球の長軸の長さを同楕円球の短軸の長さで除することにより得られる値として定義される。平均アスペクト比が小さくなるにつれて、溶射用粉末の付着効率は向上する傾向がある。また、溶射用粉末から形成される溶射皮膜の硬度及び耐摩耗性が向上する傾向もある。これは、アスペクト比が小さい造粒－焼結サーメット粒子は溶射時に効率よく加速を受けて、その結果、より高速度で基材上に衝突するためと考えられる。この点、造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比が１．２５以下、さらに言えば１．２０以下である場合には、もっと言えば１．１５以下である場合には、溶射皮膜の硬度及び耐摩耗性を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる。
　造粒－焼結サーメット粒子の平均フラクタル次元値は、好ましくは１．０７５以下、より好ましくは１．０７０以下、さらに好ましくは１．０６０以下、最も好ましくは１．０５０以下である。平均フラクタル次元値とは、造粒－焼結サーメット粒子表面の凹凸度を定量化した値であり、平均アスペクト比と同様、造粒－焼結サーメット粒子の形状を示す指標の一つである。造粒－焼結サーメット粒子表面の凹凸度が高いほど、換言すれば造粒－焼結サーメット粒子の形状が複雑であるほど、造粒－焼結サーメット粒子の平均フラクタル次元値は大きくなる。なお、平均フラクタル次元値は、１以上２未満の範囲内の値をとる。造粒－焼結サーメット粒子の平均フラクタル次元値が１．０７５以下、さらに言えば１．０７０以下、１．０６０以下又は１．０５０以下である場合には、溶射皮膜の硬度及び耐摩耗性を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる。
　造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度の下限は５０ＭＰａである。圧縮強度の高い造粒－焼結サーメット粒子は崩壊しにくい。そのため、圧縮強度の高い造粒－焼結サーメット粒子からなる溶射用粉末では、溶射前に造粒－焼結サーメット粒子が崩壊することにより溶射中に過溶融するおそれのある微小な遊離粒子が生じることが抑制される結果、スピッティングの発生が起こりにくくなる傾向がある。この点、造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度が５０ＭＰａ以上である場合には、溶射用粉末の溶射時のスピッティングの発生を実用上特に好適なレベルにまで抑制することが容易となる。スピッティング発生のさらなる抑制という点からは、造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度は８０ＭＰａ以上であることが好ましく、より好ましくは１００ＭＰａ以上である。
　造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度の上限は、好ましくは１０００ＭＰａ、より好ましくは８００ＭＰａ、さらに好ましくは６００ＭＰａである。圧縮強度の低い造粒－焼結サーメット粒子は、溶射時に熱源による加熱を受けて容易に軟化又は溶融する。そのため、圧縮強度の低い造粒－焼結サーメット粒子からなる溶射用粉末では、付着効率が向上する傾向がある。この点、造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度が１０００ＭＰａ以下、さらに言えば８００ＭＰａ以下、もっと言えば６００ＭＰａ以下である場合には、溶射用粉末の付着効率を実用上特に好適なレベルにまで向上することが容易となる。
　造粒－焼結サーメット粒子を構成する一次粒子（セラミック一次粒子及び金属一次粒子の両方を含む）の平均粒子径（定方向平均径）の上限は、好ましくは６．０μｍ、より好ましくは５．０μｍ、さらに好ましくは４．５μｍである。一次粒子の平均粒子径が６．０μｍ以下、さらに言えば５．０μｍ以下、もっと言えば４．５μｍ以下である場合には、造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径を２５μｍ以下及び平均アスペクト比を１．２５以下にコントロールすることが容易となる。
　造粒－焼結サーメット粒子中の金属一次粒子は、以下に定義する分散性の値の上限が好ましくは０．４０、より好ましくは０．３０、さらに好ましくは０．２５である。分散性の値は、造粒－焼結サーメット粒子を構成する金属一次粒子の個数平均径を同じ金属一次粒子の体積平均径で除することにより得られる値である。この分散性の値は、造粒－焼結サーメット粒子中で金属一次粒子が分散する程度を示す指標となるものであり、値が小さいほど造粒－焼結サーメット粒子中で金属一次粒子がより一様に分散していることを示す。分散性の値が０．４０以下、さらに言えば０．３０以下、もっと言えば０．２５以下である場合には、造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比を１．２５以下にコントロールすることが容易となる。
　本実施形態によれば、以下の利点が得られる。
　本実施形態の溶射用粉末は、造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径が５～２５μｍと小さく、かつ造粒－焼結サーメット粒子の直進性の値が０．２５以上と大きく、かつ造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度が５０ＭＰａ以上と高いため、所要の硬度及び耐摩耗性を有する溶射皮膜を高い付着効率で溶射用粉末から形成するうえで極めて有利である。従って、本実施形態の溶射用粉末は、硬度及び耐摩耗性に優れた溶射皮膜を高い付着効率で形成するのに適するものである。
　前記実施形態は次のように変更してもよい。
　・　溶射用粉末中の造粒－焼結サーメット粒子は、不可避不純物あるいは添加剤などのセラミックス及び金属以外の成分を含有してもよい。
　・　溶射用粉末は、造粒－焼結サーメット粒子以外の成分を含有してもよい。ただし、造粒－焼結サーメット粒子以外の成分の含有量はできるだけ少ないことが好ましい。
　・　溶射用粉末は、コールドスプレーやウォームスプレーのような比較的低温の溶射プロセス、あるいはプラズマ溶射のような比較的高温の溶射プロセスなどの高速フレーム溶射以外の溶射法を使用して溶射皮膜を形成する用途で使用されてもよい。
　コールドスプレーとは、溶射用粉末の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱した作動ガスを超音速にまで加速し、その加速した作動ガスにより溶射用粉末を固相のまま高速で基材に衝突させることにより皮膜を形成する技術である。比較的高温の溶射プロセスの場合、一般に、融点又は軟化温度以上にまで加熱された溶射用粉末が基材に吹き付けられるため、基材の材質や形状によっては基材の熱変質や変形が起こることがある。そのため、あらゆる材質及び形状の基材に対して皮膜を形成することができるわけではなく、基材の材質及び形状が制限されるという欠点がある。また、溶射用粉末を融点又は軟化温度以上にまで加熱する必要があるために、装置も大型になり、施工場所等の条件が限られてくる。それに対し、コールドスプレー溶射は比較的低温で行われるため、基材の熱変質や変形を起こしにくく、また装置によっては比較的高温の溶射プロセスと比較して小型ですむという利点がある。さらに、使用する作動ガスが燃焼ガスではないために安全性に優れ、現地施工での利便性が高いという利点もある。
　一般的に、コールドスプレーは、作動ガス圧により高圧型と低圧型に分類される。すなわち、作動ガス圧の上限が１ＭＰａである場合を低圧型コールドスプレーといい、作動ガス圧の上限が５ＭＰａである場合を高圧型コールドスプレーという。高圧型コールドスプレーでは、主としてヘリウムガスや窒素ガスもしくはそれらの混合ガス等の不活性ガスが作動ガスとして使用される。低圧型コールドスプレーでは、高圧型コールドスプレーで使用されるのと同じ種類のガス、あるいは圧縮空気が作動ガスとして使用される。
　高圧型コールドスプレーにより溶射皮膜を形成する用途で前記実施形態の溶射用粉末を使用する場合、作動ガスは、好ましくは０．５～５ＭＰａ、より好ましくは０．７～５ＭＰａ、さらに好ましくは１～５ＭＰａ、最も好ましくは１～４ＭＰａの圧力でコールドスプレー装置に供給されて、好ましくは１００～１０００℃、より好ましくは３００～１０００℃、さらに好ましくは５００～１０００℃、最も好ましくは５００～８００℃にまで加熱される。溶射用粉末は、好ましくは１～２００ｇ／分、さらに好ましくは１０～１００ｇ／分の供給速度でもって作動ガスと同軸方向から作動ガスに供給される。スプレー時、コールドスプレー装置のノズル先端から基材までの距離（溶射距離）は、５～１００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０～５０ｍｍであり、コールドスプレー装置のノズルのトラバース速度は、好ましくは１０～３００ｍｍ／秒、より好ましくは１０～１５０ｍｍ／秒である。また、形成する溶射皮膜の膜厚は、好ましくは５０～１０００μｍであり、より好ましくは１００～５００μｍである。
　一方、主としてヘリウムガスや窒素ガスもしくはそれらの混合ガス等の不活性ガスを作動ガスとして使用する低圧型コールドスプレーにより溶射皮膜を形成する用途で前記実施形態の溶射用粉末を使用する場合、作動ガスは、好ましくは０．３～０．６ＭＰａ、より好ましくは０．４～０．６ＭＰａの圧力でコールドスプレー装置に供給されて、好ましくは１００～５４０℃、より好ましくは２５０～５４０℃、最も好ましくは４００～５４０℃にまで加熱される。溶射用粉末は、好ましくは１～１００ｇ／分、さらに好ましくは１０～１００ｇ／分の供給速度でもって作動ガスと同軸方向から作動ガスに供給される。スプレー時、コールドスプレー装置のノズル先端から基材までの距離は、５～１００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０～４０ｍｍであり、コールドスプレー装置のノズルのトラバース速度は、好ましくは５～３００ｍｍ／秒、より好ましくは５～１５０ｍｍ／秒である。また、形成する溶射皮膜の膜厚は、好ましくは５０～１０００μｍであり、より好ましくは１００～５００μｍ、最も好ましくは１００～３００μｍである。
　また、主として圧縮空気を作動ガスとして使用する低圧型コールドスプレーにより溶射皮膜を形成する用途で前記実施形態の溶射用粉末を使用する場合には、作動ガスは、好ましくは０．３～１ＭＰａ、より好ましくは０．５～１ＭＰａ、最も好ましくは０．７～１ＭＰａの圧力でコールドスプレー装置に供給されて、好ましくは１００～６００℃、より好ましくは２５０～６００℃、最も好ましくは４００～６００℃にまで加熱される。溶射用粉末は、好ましくは１～２００ｇ／分、さらに好ましくは１０～１００ｇ／分の供給速度でもって作動ガスと同軸方向から作動ガスに供給される。スプレー時、コールドスプレー装置のノズル先端から基材までの距離は、５～１００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０～４０ｍｍであり、コールドスプレー装置のノズルのトラバース速度は、好ましくは５～３００ｍｍ／秒、より好ましくは５～１５０ｍｍ／秒である。また、形成する溶射皮膜の膜厚は、好ましくは５０～１０００μｍであり、より好ましくは１００～５００μｍ、最も好ましくは１００～３００μｍである。
　次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
　実施例１～１０及び比較例１～９の溶射用粉末として１２体積％のコバルトと残部の炭化タングステンとからなる各種の造粒－焼結サーメット粒子を用意し、これを表１に示す第１の条件でそれぞれ溶射することにより厚さ２００μｍの溶射皮膜を形成した。
　実施例１１及び比較例１０，１１の溶射粉末として２５体積％の鉄基合金と残部の炭化タングステンとからなる各種の造粒－焼結サーメット粒子を用意し、これを表２に示す第２の条件でそれぞれ溶射することにより溶射皮膜を形成した。
　実施例１２及び比較例１２の溶射粉末として１２体積％のコバルトと残部の炭化タングステンとからなる各種の造粒－焼結サーメット粒子を用意し、これを表３に示す第３の条件でそれぞれ溶射することにより溶射皮膜を形成した。
　実施例１３及び比較例１３～１５の溶射粉末として２５体積％の鉄基合金と残部の炭化タングステンとからなる各種の造粒－焼結サーメット粒子を用意し、これを表４に示す第４の条件でそれぞれ溶射することにより溶射皮膜を形成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 　実施例１～１３及び比較例１～１５の溶射用粉末及びそれら溶射用粉末から形成された溶射皮膜の詳細を表５～８に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 　表５～８の“造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末の平均粒子径（体積平均径）を、（株）堀場製作所製のレーザー回折／散乱式粒度測定機“ＬＡ－３００”を用いて測定した結果を示す。
　表５～８の“造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末に含まれる造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比を、走査型電子顕微鏡画像の解析により測定した結果を示す。
　表５～８の“造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末に含まれる造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度を測定した結果を示す。具体的には、式：σ＝２．８×Ｌ／π／ｄ２に従って算出される造粒－焼結サーメット粒子の圧縮強度σ［ＭＰａ］を示す。上式中、Ｌは臨界荷重［Ｎ］を表し、ｄは溶射用粉末の平均粒子径［ｍｍ］を表す。臨界荷重は、一定速度で増加する圧縮荷重を圧子で造粒－焼結サーメット粒子に加えたときに、圧子の変位量が急激に増加する時点において造粒－焼結サーメット粒子に加えられた圧縮荷重の大きさである。この臨界荷重の測定には、（株）島津製作所製の微小圧縮試験装置“ＭＣＴＥ－５００”を使用した。
　表５～８の“一次粒子の平均粒子径”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末に含まれる造粒－焼結サーメット粒子を構成する一次粒子の平均粒子径（定方向平均径）を、走査型電子顕微鏡を用いて測定した結果を示す。
　表５～８の“金属一次粒子の分散性”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末に含まれる造粒－焼結サーメット粒子中の金属一次粒子の個数平均径を同じ金属一次粒子の体積平均径で除することにより得られる値が０．４０以下であるか否かを示す。
　表５～８の“直進性”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末１５０グラムをスポット溶射したときに得られた溶射皮膜の最大厚さを同溶射皮膜の輪郭線上に両端を有する線分の長さのうち最大のもので除することにより得られる値を示す。
　表５～８の“平均フラクタル次元値”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末に含まれる造粒－焼結サーメット粒子の平均フラクタル次元値を測定した結果を示す。平均フラクタル次元値の測定は、具体的には、各例の溶射用粉末に含まれる造粒－焼結サーメット粒子のうち平均粒子径±３μｍ以内の大きさの粒子径を有する５つの粒子についての走査型電子顕微鏡による二次電子像（倍率１０００～２０００倍）に基づいて、株式会社日本ローバーの画像解析ソフトImage-Pro Plusを用いてディバイダー法により行った。
　表５の“溶射機のバレル長さ”欄には、実施例１～１０及び比較例１～９の各溶射用粉末を溶射するときに使用したＨＶＯＦ溶射機のバレル長さを示す。
　表５の“付着効率”欄には、実施例１～１０及び比較例１～９の各溶射用粉末から形成された溶射皮膜の重量を、溶射した溶射用粉末の重量で除することにより得られる値を百分率で示す。同欄中の“－”は成膜できなかったことを表す。
　表５の“スピッティング”欄には、実施例１～１０及び比較例１～９の各溶射用粉末を５分間連続して溶射したときのスピッティング発生の有無を示す。
　表６～８の“溶射皮膜の膜厚”欄には、実施例１１～１３及び比較例１０～１５の各溶射用粉末から形成された溶射皮膜の膜厚を示す。なお、表５中には示していないが、実施例１～６，８～１０及び比較例１～９の溶射用粉末から形成された溶射皮膜の膜厚はいずれも２００μｍである。
　表５～８の“溶射皮膜の硬度”欄には、実施例１～１３及び比較例１～１５の各溶射用粉末から形成された溶射皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ０．２）を、株式会社島津製作所製の微小硬度測定器ＨＭＶ－１で測定した結果を示す。同欄中の“－”は成膜できなかったことを表し、“剥離”は成膜後すぐに剥離してしまい測定できなかったことを表す。
　表５の“溶射皮膜の耐摩耗性”欄には、スガ摩耗試験機を用いたJIS H8682-1に準ずる往復運動平面摩耗試験（abrasive wheel wear test）による実施例１～１０及び比較例１～９の各溶射用粉末から形成された溶射皮膜の摩耗体積量を、同じ往復運動平面摩耗試験による炭素鋼ＳＳ４００の摩耗体積量で除することにより得られる値を示す。同欄中の“－”は成膜できなかったことを表す。

Claims (8)

  1. 　造粒－焼結サーメット粒子からなる溶射用粉末であって、
    　前記造粒－焼結サーメット粒子の平均粒子径は５～２５μｍであり、
    　前記造粒－焼結サーメット粒子は５０ＭＰａ以上の圧縮強度を有し、
    　１５０グラムの溶射用粉末をスポット溶射したときに得られる溶射皮膜の最大厚さを同溶射皮膜の輪郭線上に両端を有する線分の長さのうち最大のもので除することにより得られる値として定義する前記造粒－焼結サーメット粒子の直進性の値が０．２５以上であることを特徴とする溶射用粉末。
  2. 　前記造粒－焼結サーメット粒子の平均アスペクト比が１．２５以下である請求項１に記載の溶射用粉末。
  3. 　前記造粒－焼結サーメット粒子を構成する一次粒子の平均粒子径が６．０μｍ以下である請求項１又は２に記載の溶射用粉末。
  4. 　造粒－焼結サーメット粒子を構成する金属一次粒子の個数平均径を同じ金属一次粒子の体積平均径で除することにより得られる値として定義する分散性の値が０．４０以下である請求項１～３のいずれか一項に記載の溶射用粉末。
  5. 　前記造粒－焼結サーメット粒子は１０００ＭＰａ以下の圧縮強度を有する請求項１～４のいずれか一項に記載の溶射用粉末。
  6. 　前記造粒－焼結サーメット粒子の平均フラクタル次元値が１．０７５以下である請求項１～５のいずれか一項に記載の溶射用粉末。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の溶射用粉末を高速フレーム溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
  8. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の溶射用粉末をコールドスプレー溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
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