JP2018537291A - 酸化抑制ツインワイヤーアークスプレー材料 - Google Patents

酸化抑制ツインワイヤーアークスプレー材料 Download PDF

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Abstract

基材のコーティングのためのツインワイヤーアークスプレー方法において特に有利な合金の実施態様がここに開示されている。いくつかの実施態様において、複数の合金は、表面に、硬質粒子及び軟質粒子の両方を形成するために使用され得る。いくつかの実施態様において、クロムは最少化されるか、又は取り除かれる。
【選択図】図１

Description

［優先権主張出願の参考としての編入］
本出願は、米国仮出願第６２／２５３６２２号（発明の名称「酸化抑制ツインワイヤーアークスプレー材料」、２０１５年１１月１０日出願）、及び米国仮出願第６２／４０６５７３号（発明の名称「酸化抑制ツインワイヤーアークスプレー材料」、２０１６年１０月１１日出願）の利益を主張するものである。これらの内容は、本明細書に参考として組み込まれている。
本開示の実施態様は、一般に、ツインワイヤーアークスプレー供給原材料等の熱スプレー供給原材料、及び得られるスプレーコーティングに関する。
アークスプレーコーティングは、２つのワイヤーの交差により生じ、該ワイヤーを融解する電気アークによって生産される。そしてガス供給により、融解した金属を微細化し、表面上に推進させてコーティングを形成する。アークスプレーコーティングは、多くの目的に用いられ、このように、アークスプレープロセスでは、多くの異なる材料が用いられる。アークスプレーコーティングは、基材上に蓄積し、一方では所望の厚さのコーティングを形成する多くの金属性小滴で構成される。アークスプレープロセスにより、そのコーティング構造内に、酸化物だけでなく、ある程度の多孔質を備えるコーティングが形成され得る。
金属入り（コアード（ｃｏｒｅｄ））ワイヤーは、ツインワイヤーアークスプレープロセスでは、通常の供給原料である。金属入りワイヤーにおいて、金属シースは、金属性パウダーが充填されているシリンダに巻き取られる。アークスプレープロセスでは、シース及び金属パウダーが共に融解され、比較的均質の混合物が生成される。
硬質コーティングの特定のアプリケーションにおいて、クロムは、熱スプレーアプリケーションのための金属性パウダーにおいて用いられる、通常の元素である。しかしながら、供給原料合金が融解されるときにアークスプレープロセスの間に発生し得る六価Ｃｒの生産を避けるためには、合金におけるクロムの使用を避けることに利点がある。溶接及びアークスプレーの両方で用いられる非クロムハードフェーシング（硬化肉盛）コーティングの開発についての技術が存在している。非クロムハードフェーシングに用いられる通常の合金元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｖ、及びＷを含み得る難揮発性元素である。これらの合金は、Ｆｅ系コーティングの硬度を上昇させるのに有効であることが既知であり、非Ｃｒハードフェーシング合金の生産に有効であることが実証されてきた。
米国特許第４６７３５５０号明細書は、その全文がここに参考として組み込まれており、金属性マトリクスに分散したＴｉＢ２結晶を利用する非Ｃｒハードフェーシング合金を詳述している。Ｔｉへの依存に加えて、この合金は、アークスプレープロセスと関連していない特定の熱処理及びプロセスを利用して、ＴｉＢ２結晶を生産している。特定のプロセス条件を、硬く、耐摩耗性を呈する粒子を得るために用いることができ、硬く、耐摩耗性を呈するコーティングが生産される。
米国特許第７５６９２８６号明細書は、その全文がここに参考として組み込まれており、４．５〜６．５重量％のＮｂをさらに利用し、溶接プロセスによって特定の結晶構造体を生産する非Ｃｒハードフェーシング合金を詳述している。米国特許第８２６８４５３号明細書は、その全文がここに参考として組み込まれており、５．６３％〜１０．３８重量％のＭｏをさらに使用し、溶接プロセスによってハードフェーシングを生産することを記載している。米国特許公開第２０１２／００９７６５８号明細書は、その全文がここに参考として組み込まれており、１％と６％との間のニオブと、少なくとも０．１％のＷとを使用し、溶接プロセスによってハードフェーシング溝（ｇａｉｎ）を生産することを記載している。この場合、各実施例では、難揮発性元素が利用され、非Ｃｒハードコーティングが生産されている。また、これら各実施例では、根本的に異なる微細構造体を生産し、アークスプレーコーティングの微細構造又は性能を理解するためには使用することができない、溶接プロセスが詳述されている。
米国特許公開第２０１６／００２４６２８号明細書は、その全文がここに参考として組み込まれており、アークスプレーコーティングと関係がある非Ｃｒハードコーティングを記載している。この明細書には、５重量％から２３重量％の範囲でのＭｏの使用が記載されている。この出願は特に、主に難揮発性元素からなる大きな原子半径の元素種を最少量で使用することに関する。
金属入りワイヤーはまた、軟質コーティングを生産するためのアークスプレープロセスにおいて、供給原料として使用され得る。本開示において、「軟質（ｓｏｆｔ）」とは、特定の磁性とは対照的な低硬度を示す。軟質コーティングは、容易にかつ急速に機械加工され得るので、有利である。軟質コーティングは、寸法復元アプリケーションにおいて使用される。従来、寸法復元合金としてＮｉ−Ａｌが使用されている。Ｎｉ−Ａｌは、高粘着性で非常に有効であるが、Ｎｉ系合金のために高価である。また、軟鋼、４００シリーズステンレス鋼、及び３００シリーズステンレス鋼等の標準鋼合金のソリッドワイヤーが使用されている。通常の鋼のソリッドワイヤーは非常に安価であるが、殆どのアプリケーションにおける機能に必要とされる高粘着性を有していない。
米国特許第４６７３５５０号明細書 米国特許第７５６９２８６号明細書 米国特許第８２６８４５３号明細書 米国特許公開第２０１２／００９７６５８号明細書 米国特許公開第２０１６／００２４６２８号明細書
したがって、従来の金属入りワイヤーに替えて、アークスプレープロセス等の供給原料として用いることができる材料が必要とされている。
ここに開示しているのは、２重量％を超える荷重溶質供給原料濃度（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｏｌｕｔｅ ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）と２重量％未満の荷重溶質コーティング濃度（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｏｌｕｔｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）とを有するコアード（ｃｏｒｅｄ）ワイヤーへと製造される金属合金組成の実施態様である。
いくつかの実施態様においては、荷重溶質供給原料濃度を、１０重量％を超える値とすることができる。いくつかの実施態様においては、荷重溶質コーティング濃度を、１重量％未満の値とすることができる。
いくつかの実施態様においては、組成は、重量％基準で、残部のＦｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；又は
Ａｌ：約４、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１
とから与えられ得る。
いくつかの実施態様においては、金属合金から形成されたコーティングは、５０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、５００ビッカース以下の微小硬度、及び、２０重量％を超える、コーティングにおける元素を増強する固溶体の荷重モル分率を備えることができる。
いくつかの実施態様においては、酸化後の金属合金組成は、さらに、１０００Ｋよりも低いオーステナイト−フェライト温度を備えることができる。
いくつかの実施態様においては、組成は、重量％基準で、残部のＦｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；又は
Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１
とから与えられ得る。
ここに開示されているのは、金属合金組成の実施態様であり、該組成は、重量％基準で、残部のＦｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；
Ａｌ：約４、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１；
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；及び
Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１
とから与えられる。
いくつかの実施態様においては、金属合金組成は、さらに、２重量％を超える荷重溶質供給原料濃度と、１０００Ｋよりも低いオーステナイト−フェライト温度とを備えることができる。いくつかの実施態様においては、金属合金組成は、５０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、５００ビッカース以下の微小硬度、２重量％未満の荷重溶質濃度、及び、２０重量％を超える、元素を増強する固溶体の荷重モル分率を備えるコーティングを形成することができる。いくつかの実施態様においては、組成は、パウダーと、該パウダーを包囲するシースとの両方を含むコアードワイヤーの組成であり得る。
ここに開示されているのは、基材に適用するための軟質金属性コーティングの実施態様であり、該軟質金属性コーティングは、５０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、５００ビッカース以下の微小硬度、２０重量％を超える、元素を増強する固溶体の荷重モル分率、及び、２重量％未満の荷重溶質濃度を備えており、コーティングを形成するパウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせは、２重量％を超える荷重溶質供給原料濃度を備えており、酸化後の、パウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせは、１０００Ｋよりも低いオーステナイト−フェライト温度を備えている。
いくつかの実施態様においては、パウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせの組成は、重量％基準で、残部のＦｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；
Ａｌ：約４、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１；
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；及び
Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１
とから構成され得る。
ここに開示されているのは、基材上に、コーティングを熱スプレーする方法の実施態様である。該方法は、金属合金組成を供給すること、及び該金属合金組成を基材上に熱スプレーしてコーティングを形成することからなり、該組成は、重量％基準で、残部のＦｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；
Ａｌ：約４、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１；
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；及び
Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１
とから与えられる。
いくつかの実施態様においては、コーティングは、５０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、５００ビッカース以下の微小硬度、２０重量％を超える、元素を増強する固溶体の荷重モル分率、及び、２重量％未満の荷重溶質濃度を備えることができる。
いくつかの実施態様においては、コーティングを形成するためのパウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせは、２重量％を超える荷重溶質供給原料濃度を備えることができる。いくつかの実施態様においては、酸化後の、パウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせは、１０００Ｋよりも低いオーステナイト−フェライト温度を備えることができる。いくつかの実施態様においては、金属合金組成は、１つ又はそれ以上のコアードワイヤーとして供給される。
ここに開示されているのは、金属合金組成の実施態様であり、該組成は、重量％基準で、Ｆｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約２．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；
Ａｌ：約４、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１；
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１；
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．３；又は
Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、及びＳｉ：約３．３
とから与えられる。
ここに開示されているのは、基材に適用するための軟質金属性合金の実施態様であり、該軟質金属性合金は、７０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、３００ビッカース以下の微小硬度、及び、合金の融解温度で１０重量％未満の、該合金のコーティング化学組成における荷重溶質分率（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｏｌｕｔｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）を備えるコーティングを形成するように構成されている。
いくつかの実施態様においては、軟質金属性コーティングは、パウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせから形成されることができ、該パウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせの組成は、重量％基準で、Ｆｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；又は
Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、及びＳｉ：約３．３
とからなる。
ここに開示されているのは、基材に適用するための硬質金属性合金の実施態様であり、該硬質金属性合金は、７０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、１０００ビッカース以下の微小硬度、１重量％未満のＣｒ、及び、硬質金属性合金の融解温度で５０重量％を超える、該硬質金属性合金の化学組成における荷重溶質分率を備えるコーティングを形成するように構成されている。
いくつかの実施態様においては、コーティングは、パウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせから形成されることができ、該パウダー及び／又はパウダーとシースとの組み合わせの組成は、重量％基準で、Ｆｅと、以下の１つ、すなわち、
Ａｌ：約２．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１；又は
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．３
とからなる。
ここに開示されているのは、コーティングを生産する方法の実施態様であり、該方法は、１０００ビッカース以上の硬度を有する粒子を生成し得る第１Ｆｅ系金属コアードワイヤーをスプレーすることと、２００ビッカース以下の硬度を有する粒子を生成し得る第２Ｆｅ系金属コアードワイヤーをスプレーすることとからなり、これら第１ワイヤー及び第２ワイヤーは、共にスプレーされ、該コーティングは、研磨され、表面粗さＲａが２ミクロン又はそれよりもよい値に仕上げられるように構成されている。
いくつかの実施態様においては、第１ワイヤーは、重量％基準で、Ｆｅと、以下の化学組成の１つ、すなわち、
Ａｌ：約２、Ｂ：約４、Ｃｒ：約１３、Ｎｂ：約６；
Ａｌ：約２．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１；又は
Ａｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．３
とから構成され得る。
いくつかの実施態様においては、第２ワイヤーは、重量％基準で、Ｆｅと、以下の化学組成の１つ、すなわち、
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；又は
Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、及びＳｉ：約３．３
とから構成され得る。
ここに開示されているのは、コーティングを生産する方法の実施態様であり、該方法は、１重量％以下のＣｒを含む第１ワイヤーをスプレーすることと、アルミニウム及び／又は亜鉛を含む第２ワイヤーをスプレーすることとからなり、これら第１ワイヤー及び第２ワイヤーは、共にスプレーされ、該コーティングは、錆びない。
いくつかの実施態様においては、第１ワイヤーは、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、及びＳｉ：約３．２５とを含むことができる。
いくつかの実施態様においては、コーティングは、１重量％以下のＣｒを含むことができる。
いくつかの実施態様においては、コーティングは、Ｃｒを含まない。
ここに開示されているのは、鉄系コアードワイヤー合金供給原料の実施態様であり、該コアードワイヤー合金供給原料は、ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成されている。該コアードワイヤー合金供給原料は、パウダー及びシースからなり、該パウダーとシースとの組み合わせは、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約０〜２．５、Ｃｒ：約１０〜１５、Ｍｎ：約０〜２、Ｎｉ：約１５〜２５、及びＳｉ：約０〜５とからなる組成を有する。該コアードワイヤー合金供給原料は、ツインワイヤーアーク熱スプレーから鉄系軟質金属性コーティングを形成するように構成されており、該コーティングは、７０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、４００ビッカース以下の微小硬度、合金の融解温度で１０重量％未満の、該合金のコーティング化学組成における荷重溶質分率、及び、１０００Ｋ以下のフェライト−オーステナイト転移温度を備えている。いくつかの実施態様においては、鉄系コアードワイヤー合金供給原料は、ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションにて酸化後にコーティングを形成するように、構成され得る。
いくつかの実施態様においては、シースは、１／１６インチの直径を有することができ、該シースに対する前記パウダーの比が、約２０〜４０重量％であり得る。
いくつかの実施態様においては、コーティングの微小硬度は、３００ビッカース以下であり得る。いくつかの実施態様においては、コーティングの微小硬度は、２００ビッカース以下であり得る。いくつかの実施態様においては、コーティングの微小硬度は、１００ビッカース以下であり得る。いくつかの実施態様においては、コーティングの荷重溶質分率は、合金の融解温度で６重量％未満であり得る。いくつかの実施態様においては、コーティングの荷重溶質分率は、合金の融解温度で２重量％未満であり得る。
いくつかの実施態様においては、組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、及びＳｉ：約３．３とからなり得る。いくつかの実施態様においては、組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；又はＡｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、及びＳｉ：約３．３とからなり得る。いくつかの実施態様においては、オーステナイト−フェライト転移温度は、約９５０Ｋ未満であり得る。
ここに開示されているのは、鉄系コアードワイヤー合金供給原料の実施態様であり、該コアードワイヤー合金供給原料は、ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成されている。該コアードワイヤー合金供給原料は、パウダー及びシースからなり、該パウダーとシースとの組み合わせは、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約０〜２．５、Ｂ：約３〜６、Ｃ：約３〜５、Ｍｎ：約０〜２、Ｎｉ：約０〜２、及びＳｉ：約０〜５とからなる組成を有する。該コアードワイヤー合金供給原料は、ツインワイヤーアーク熱スプレーから鉄系硬質金属性コーティングを形成するように構成されており、該コーティングは、７０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、１０００ビッカース以上の微小硬度、１重量％未満のＣｒ、及び、硬質金属性合金の融解温度で５０重量％を超える、該硬質金属性合金の化学組成における荷重溶質分率を備えている。
いくつかの実施態様においては、コーティングの荷重溶質分率は、硬質金属性合金の融解温度で７０重量％を超えることができる。いくつかの実施態様においては、組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、及びＳｉ：約３．３とからなり得る。いくつかの実施態様においては、組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約２．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１；又はＡｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．３とからなり得る。
ここに開示されているのは、鉄系コアードワイヤー合金供給原料の実施態様であり、該コアードワイヤー合金供給原料は、ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成されており、該コアードワイヤー合金供給原料は、パウダー及びシースからなり、該パウダーとシースとの組み合わせは、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約０〜２．５、Ｃｒ：約１０〜１５、Ｍｎ：約０〜２、Ｎｉ：約１５〜２５、及びＳｉ：約０〜５とからなる組成を有する。いくつかの実施態様においては、シースは、１／１６インチの直径を有することができ、該シースに対する前記パウダーの比は、約２０〜４０重量％である。
ここに開示されているのは、鉄系コアードワイヤー合金供給原料の実施態様であり、該コアードワイヤー合金供給原料は、ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成されており、該コアードワイヤー合金供給原料は、パウダー及びシースからなり、該パウダーとシースとの組み合わせは、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約０〜２．５、Ｂ：約３〜６、Ｃ：約３〜５、Ｍｎ：約０〜２、Ｎｉ：約０〜２、及びＳｉ：約０〜５とからなる組成を有する。いくつかの実施態様においては、シースは、１／１６インチの直径を有することができ、該シースに対する前記パウダーの比は、約２０〜４０重量％である。
ここに開示されているのは、供給原料合金組成を有するコアードワイヤーを用いて、基材上に、コーティングをツインワイヤーアーク熱スプレーする方法の実施態様である。該方法は、前記基材上に、前記コアードワイヤーを熱スプレーし、少なくとも７０００ｐｓｉの粘着力を有するコーティングを形成することからなり、該コーティングは、
４００ビッカース以下の微小硬度、合金の融解温度で１０重量％未満の、該合金のコーティング化学組成における荷重溶質分率、及び、１０００Ｋ以下のフェライト−オーステナイト転移温度を備えた軟質コーティングであるか、又は
１０００ビッカース以上の微小硬度、１重量％未満のＣｒ、及び、硬質金属性合金の融解温度で５０重量％を超える、該硬質金属性合金の化学組成における荷重溶質分率を備えた硬質コーティングである。
いくつかの実施態様においては、供給原料合金組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約０〜２．５、Ｃｒ：約１０〜１５、Ｍｎ：約０〜２、Ｎｉ：約１５〜２５、及びＳｉ：約０〜５とからなることができ、前記コアードワイヤーは、前記軟質コーティングを形成するように構成されている。いくつかの実施態様においては、供給原料合金組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、及びＳｉ：約３．３とからなることができ、前記コアードワイヤーは、前記軟質コーティングを形成するように構成されている。いくつかの実施態様においては、供給原料合金組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約０〜２．５、Ｂ：約３〜６、Ｃ：約３〜５、Ｍｎ：約０〜２、Ｎｉ：約０〜２、及びＳｉ：約０〜５とからなることができ、前記コアードワイヤーは、前記硬質コーティングを形成するように構成されている。
いくつかの実施態様においては、供給原料合金組成は、重量％基準で、Ｆｅと、Ａｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、及びＳｉ：約３．３とからなることができ、前記コアードワイヤーは、前記硬質コーティングを形成するように構成されている。いくつかの実施態様においては、２つのコアードワイヤーをスプレーすることができ、これらは同一組成を有する。いくつかの実施態様においては、軟質コーティング又は硬質コーティングの１つのみが形成される。
さらに開示されているのは、前記又は下記供給原料合金組成のいずれかを用いて形成されるコーティングの実施態様である。さらに開示されているのは、ここに開示されているコアードワイヤー合金供給原料を用いるツインワイヤーアークスプレープロセスの実施態様である。加えて開示されているのは、パルプ及びペーパーロール、発電ボイラー、及び油圧シリンダの実施態様であり、これらは各々、ここに開示されているコーティングか、又は、ここに開示されている供給原料から形成されたコーティングを有することができる。
図１は、デュアルワイヤー熱スプレーアプリケーションプロセスの実施態様を示す。 図２は、合金Ｘ１の凝固図の実施態様を示す。 図３は、合金Ｘ９の凝固図の実施態様を示す。 図４は、合金Ｘ９のＸ線回折プロファイルの実施態様を示す。 図５は、合金Ｘ９を用いたコーティングの実施態様の顕微鏡写真を示す。 図６は、合金Ｘ８のＸ線回折プロファイルの実施態様を示す。 図７は、合金Ｘ８を用いたコーティングの実施態様の顕微鏡写真を示す。
ここに開示されているのは、アークスプレーコーティングの実施態様であり、該アークスプレーコーティングにおいて、コーティング化学組成は、アークスプレープロセスの酸化熱力学に基づいて特別に設計されている。特に、ここに開示されているのは、軟質合金及び硬質合金の実施態様であり、これらの各合金は、ツインアーク熱スプレープロセス等の熱スプレープロセスを用いるコーティングとして適用され得る。これらの合金はいずれも、コーティングとして有利に作用する高粘着特性を備えることができる。熱スプレープロセスに組み入れることが困難であった、殆ど又は充分に非クロムとすることが、硬質合金の実施態様で実現され得る。
本開示において、供給原料合金からコーティング合金への化学組成の変化をモデル化する技術が説明されている。該化学組成の変化は、供給原料合金におけるある特定種の優先的酸化によって起こり得る。ここに開示されているように、該優先的酸化は、高性能合金コーティングを達成するための合金設計において利用され得る。
優先的酸化は、供給原材料がコアードワイヤーであるときに起こり得る。コアードワイヤーは、金属性合金パウダーの物理的混合物を含有する金属性シースで構成される。この特定の製品により、コアードワイヤーの個々の種は、ここに開示された設計プロセスの実施態様にしたがって優先的に酸化することができる。これに対して、ソリッドワイヤーは、予合金化した均質供給原料化学組成で構成されており、よって、単一成分として酸化するであろう。要するに、熱力学的設計基準、アークスプレープロセスに対する合金の反応、及びここに開示された合金の最終的な性能は、ソリッドワイヤーを用いることによっては達成され得ない。
コアードワイヤーはまた、溶接アプリケーションにも使用され得る。しかしながら、酸化現象は、シールドガス及び脱酸素剤の使用により、普及していない。
熱スプレー用のワイヤーの例は、１／１６インチの直径のワイヤーである。しかしながら、３／１６インチ、１／８インチ、３／３２インチ、及び１／１５インチ等の他の直径のワイヤーも使用することができ、直径は特に限定されない。一杯の量にて使用される特定のパウダーに基づき、この配合についてのワイヤーに対するパウダーの比は、３０〜４５重量％であるが、特別な組成に限定されない。例えば、ワイヤーに対するパウダーの比は、２０〜４０重量％であり得る。いくつかの実施態様においては、この比は３０重量％であり得る。いくつかの実施態様においては、シースは、軟鋼、４２０ＳＳ（ステンレス鋼）、又は３０４ＳＳ（ステンレス鋼）ストリップであり得るが、他のタイプのシースも使用され得る。
熱スプレープロセスにおいて、２９〜３２ボルト（又は、約２９〜約３２ボルト）、１００〜２５０アンペア（又は、約１００〜約２５０アンペア）、及び６０〜１００ｐｓｉ（又は、約６０〜約１００ｐｓｉ）の空気圧で、熱スプレーデバイスが使用され得る。ここで説明するように、ボルト数及びアンペア数の変更は、おそらく、最終的なコーティングパラメータに影響を与えない。空気圧の変更は、コーティング粒子のサイズ調整を可能にするが、該粒子の化学組成には影響を与えない。熱スプレーアプリケーションについて、他の変更可能なものには、スプレー距離（４インチ〜８インチ）及びパス（ｐａｓｓ）あたりのコーティング厚さ（２〜３ミル）が含まれる。これらのパラメータはいずれも、化学組成に影響を与えないが、コーティングの巨視的な完全性（ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）には影響を与えることができる。このように、作業をするプロセスにとって合理的な範囲内でこれらのパラメータを維持することは、有利であり得る。
ツインワイヤーアークスプレープロセスにとって、本開示の実施態様は特に有利であり得る。ツインワイヤーアークスプレープロセスに伴う急速な凝固のもとで、これらの組成は効果的であり得る。しかしながら、これらの合金で生産された溶接物は、実用上有用であるというには脆弱過ぎる、本開示外の材料を生産するかもしれない。しかしながら、本開示の実施態様は、シースを使用せずに、代わりにパウダーのみを含むプラズマスプレー等の、他の熱スプレープロセスと共に使用され得る。パウダー／シースの組み合わせ又はパウダーのみを含んでいてもよい他のスプレー技術がまた、使用されてもよい。このように、シースを使用しないか又はパウダーとシースとの組み合わせを使用しないアプリケーション等のために、ここに開示された供給原料組成は、パウダーのみにまで及んでいてもよい。
さらに、本開示の実施態様では、Ｃｒ及び／又は難揮発性元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｖ、及びＷ）の両方の使用が制限もしくは回避され得る。高価であり、合金の原料コストを上昇させるこれらの元素の使用を回避することは有利であり得る。一方、Ｃｒは比較的高価ではなく、硬質コーティングの生産において使用が許される元素である。非Ｃｒ組成を設計するときは、産業で通常使用される現在のＣｒ含有合金と同等か又は類似した原料コストを維持することが有利であり得る。
アークスプレーコーティングの１つの通常のアプリケーションは、軟質合金を用いる表面更生である。本開示の実施態様において、アークスプレーコーティングは、構成要素を所望の寸法に復元するために、該構成要素に適用され得る。典型的には、本開示のアークスプレーコーティングにとって、機械加工性かつ高粘着性であることは有利であり得る。表面更生に最も広範に用いられている材料は、ニッケル−アルミニウム合金である。
アークスプレーコーティングの第２の通常のアプリケーションは、耐摩耗性コーティングとして作用するための硬質表面の沈殿である。本開示において、コーティングにとって、可能な限り硬質であり、高粘着性であることは有利であり得る。現在、このアプリケーションに使用されている種々のＣｒベアリング材料があり、４２０ＳＳ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系、及びＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金が含まれる。
ここに開示のとおり、「合金」という用語は、パウダーを形成する化学組成物、パウダーそのもの、パウダーとシースとの組み合わせ、並びにパウダーの加熱及び／又は沈殿によって形成される金属成分（例えば、コーティング）の組成物をいうことができる。
熱力学的、微細構造的、及び組成的基準を、このような合金を生産するために使用することができた。いくつかの実施態様においては、基準の１つだけを、合金を形成するために使用することができ、いくつかの実施態様においては、複数の基準を、合金を形成するために使用することができる。
＜金属合金組成＞
いくつかの実施態様においては、合金（パウダー又はパウダー／シース）及び／又は最終的なコーティングは、ここに開示されている熱力学的及び性能的特性を発現する要素の名目上の組成によって説明され得る。表１の化学組成は、供給原料化学組成（例えば、金属性シース及び金属性合金パウダーの両方を含む、製造されたとおりのコアードワイヤーの合金組成）を示す。アークスプレープロセス及びここで説明された固有の優先的酸化に供された後、各合金は、異なるコーティング化学組成を形成するであろう。表１に示す合金は、例えば、硬質コーティングを形成するように構成され得る。
表１から分かるように、これらの実施態様の合金組成では、非クロムであるか、又は実質非クロムである。いくつかの実施態様においては、クロムは特に回避されていてよい。クロムは、いずれかのアークプロセスに供されたとき、六価クロム蒸気を生成する。六価クロムは発癌性であり、その生成を回避することが望ましい。最も硬質で、最も耐摩耗性のアークスプレーコーティングは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ及びＦｅ−Ｃｒ−Ｃの群に属しており、クロムを含んでいる。
高価な遷移／難揮発性元素：Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、及びＷの合金含量を減少させるか、又はこれらを除外することがさらに有利である。これらの元素は、炭化物及び／又はホウ化物を形成する元素として既知であるので、Ｃｒの代わりにこれらの元素を利用することは、ありきたりなことである。いくつかの実施態様においては、遷移金属（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｍｏ＋Ｖ＋Ｍｏ）の合金含量は、５重量％以下（又は、約５重量％以下）である。いくつかの実施態様においては、遷移金属（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｍｏ＋Ｖ＋Ｍｏ）の合金含量は、３重量％以下（又は、約３重量％以下）であり得る。いくつかの実施態様においては、遷移金属（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｍｏ＋Ｖ＋Ｍｏ）の合金含量は、約１重量％以下（又は、約１重量％以下）であり得る。
表１の化学組成は、供給原料化学組成（例えば、金属性シース及び金属性合金パウダーの両方を含む、製造されたとおりのコアードワイヤーの合金組成）を示す。アークスプレープロセス及びここで説明された酸化に供された後、各合金は、異なるコーティング化学組成を形成するであろう。
表２に示す供給原料合金は、例えば、熱スプレー技術を用いて軟質コーティングを形成するように構成される。
軟質コーティングあるいは硬質コーティングについて、いくつかの実施態様においては、合金のクロム含量は、１重量％未満（又は、約１重量％未満）である。いくつかの実施態様においては、合金のクロム含量は、０．５重量％未満（又は、約０．５重量％未満）である。いくつかの実施態様においては、合金のクロム含量は、０．１重量％未満（又は、約０．１重量％未満）である。いくつかの実施態様においては、合金のクロム含量は、０重量％（又は、約０重量％）である。
いくつかの実施態様においては、合金は、少なくとも以下の組成範囲にて説明され得る。すなわち、
Ａｌ：０〜５、Ｂ：０〜４、Ｃ：０〜５、Ｍｎ：０〜３、Ｎｉ：０〜１５、Ｓｉ：０〜５；又は
Ａｌ：約０〜約５、Ｂ：約０〜約４、Ｃ：約０〜約５、Ｍｎ：約０〜約３、Ｎｉ：約０〜約１５、Ｓｉ：約０〜約５
である。
いくつかの実施態様においては、合金は、重量％基準で、残部のＦｅと、以下の元素とからなる特定の組成にて説明され得る。
（１）Ａｌ：１．５、Ｃ：５、Ｍｎ：１、Ｓｉ：８（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８）
（２）Ａｌ：１．５、Ｃ：５、Ｍｎ：１、Ｓｉ：３．２５（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５）
（３）Ａｌ：１．５、Ｃ：１、Ｍｎ：１、Ｓｉ：３．２５（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５）
（４）Ａｌ：１．５、Ｃ：１．５、Ｍｎ：１、Ｎｉ：１２（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２）
（５）Ａｌ：４、Ｃ：１、Ｍｎ：１（又は、Ａｌ：約４、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１）
（６）Ａｌ：１．５、Ｂ：４、Ｃ：４、Ｍｎ：１、Ｎｉ：１、Ｓｉ：３．２５（又は、Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５）
（７）Ｂ：１．８５、Ｃ：２．１５、Ｍｏ：１５．７、Ｖ：１１（又は、Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１）
（８）Ａｌ：１．５、Ｂ：５、Ｃ：４、Ｍｎ：１、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．８５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．３）
（９）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：１１．２７、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：２０、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、Ｓｉ：約３．３）
（１０）Ａｌ：２．５、Ｃ：５、Ｍｎ：１、Ｓｉ：８（又は、Ａｌ：約２．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８）
合金Ｘ９は、高粘着性及び加工性軟質合金コーティングの形成における典型的な実施態様を表している。ニッケル量を少なくすることによって合金コストをさらに低下させるか、もしくは、Ｃｒ量を少なくするか又はＣｒを除外することによって六価クロム蒸気の放出を低減させるか又はなくすために、数種の合金化の調整がなされ得る。この特定の変更には、以下の組成が含まれる。
（１１）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：１１．２７、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１８、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１８、Ｓｉ：約３．３）
（１２）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：１１．２７、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１５、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１５、Ｓｉ：約３．３）
（１３）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：１１．２７、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１２、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１２、Ｓｉ：約３．３）
（１４）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：１１．２７、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１０、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１０、Ｓｉ：約３．３）
（１５）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：２０、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、Ｓｉ：約３．３）
（１６）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１８、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１８、Ｓｉ：約３．３）
（１７）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１５、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１５、Ｓｉ：約３．３）
（１８）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１２、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１２、Ｓｉ：約３．３）
（１９）Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１０、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１０、Ｓｉ：約３．３）
説明したように、「表面更生」のために最も広範に用いられているアークスプレー材料の１つは、ニッケル−アルミニウム合金である。しかしながら、これは、生産するのに非常に高価な合金である。このように、本開示において提示されている材料はＦｅ系であり、経済性基準と性能基準との組み合わせを満足する。アークスプレープロセスのためのＦｅ系合金が多く存在する一方、これらは、表面更生アプリケーションのためのＮｉ−Ａｌの性能特徴を、まだ満足していない。これまでのＦｅ系合金は、高酸化物含量及び望ましくない酸化物形態に悩まされており、よって、表面更生アプリケーションで要求される高粘着性を達成していない。
最も標準的なものは、８０重量％のＮｉ／２０重量％のＡｌと９５重量％のＮｉ／５重量％のＡｌとである、Ｎｉ−Ａｌ合金は、７０００ｐｓｉを超える結合強さで特徴付けられる、非常に高い粘着性を有する。このような高い粘着性から、これらは、基材に対して非常に良好に結合し、しばしば結合コートといわれる。結合コートは、基材に対して非常に良好に接着するので、特に種々のアプリケーションにおいて使用される。高価な鋼ワイヤーの含有量が少ない大半のアークスプレー合金は、３０００ｐｓｉ〜５０００ｐｓｉの領域の結合強さを有する。このように、本開示の「軟質合金」は、適切なＦｅ系結合コートを生成し、より高価なニッケル合金と交換され得る。
本開示の合金は、前記元素成分を、合計１００重量％まで組み入れることができる。いくつかの実施態様においては、合金は、前記指定の元素を含んでいてもよく、前記指定の元素に限定されていてもよく、本質的に前記指定の元素から構成されていてもよい。いくつかの実施態様においては、合金は、２重量％以下の混じり物を含んでいてもよい。該混じり物は、製造プロセスにおいて導入される、供給原料成分に含有されていることに起因する、合金中に含有されていてもよい元素又は組成物として理解されてよい。
いくつかの実施態様においては、合金は、鉄系であってもよい。いくつかの実施態様においては、鉄系とは、合金の少なくとも５０重量％が鉄であることを意味する。いくつかの実施態様においては、鉄系とは、合金において、その他の元素よりも鉄が多く存在することを意味する。
前記複数の段落で記載の全ての組成において定義されるＦｅ含量は、前記のとおり、組成の残部であればよいか、又はその代わりに、該組成の残部は、Ｆｅ及び他の元素からなればよい。いくつかの実施態様においては、該残部は、本質的にＦｅからなればよく、付随的な混じり物を含んでいてもよい。さらに、合金における全ての鉄は、パウダーを包囲するシースからのものであればよいか、又は、組み合わせにおけるシース中の鉄とパウダー中の鉄との両方を含むことができる。
＜熱力学的基準＞
いくつかの実施態様においては、合金は、熱力学的基準によって充分に説明され得る。前記のとおり、優先的酸化習性が制御され、理解されることは有利であり得る。この理解のレベルは、広範囲に亘る実験及び独創的なプロセスの結果である。
いくつかの実施態様においては、高性能アークスプレー材料を設計するための方法が説明されている。いくつかの実施態様においては、熱スプレー合金は、合金の酸化習性を予測するために、モデル化された化学組成に酸素を組み込む一般式を用いて、モデル化され得る。該一般式は、以下のとおりである。
（供給原料合金組成）９２Ｏ８
アークスプレープロセスにおいて、このモデルは、潜在的な供給原料合金の修正を予測するために使用される。この技術を効率よく使用し、何百万もの潜在的な候補から実験的合金を効率よく同定するために、ハイスループットコンピュータ冶金が使用される。このように、本開示の実施態様により、コーティングの形状での後酸化で、以下に説明する特定の特性を与えるであろう予備酸化での組成の選択が可能となる。
この熱力学的モデルは、図１に示されるコーティングプロセスを予測している。本開示における合金の１つの実施態様は、ツインワイヤーアークスプレープロセスにおいて使用されるコアードワイヤー（１０１）である。コアードワイヤー（１０１）は、合金仕様ごとに製造され、本開示においては、供給原料化学組成という。コアードワイヤー（１０１）は、ツインワイヤーアークスプレープロセスのための供給原料である。アークスプレープロセスの間に、コアードワイヤー（１０１）は融解し、基材にスプレーされる。スプレープロセスは、供給原料コアードワイヤー（１０１）を、空気を通して伝わる微小融解粒子（１０２）へと霧化することを伴う。このプロセスの間に、コアードワイヤーを供給原料として使用する際には、ある元素種は、他の元素よりも空気とより反応する。この「優先的酸化」の結果は、融解粒子（１０２）の化学組成は、供給原料化学組成から変化してしまった、ということである。このプロセスの目的は、融解粒子が基材に強い衝撃を与え、コーティングを形成することである。コーティング（１０３）を構成する粒子の化学組成は、融解粒子（１０２）の化学組成と同等であり、該融解粒子（１０２）の化学組成は、供給原料ワイヤー（１０１）と異なる。本開示にて説明するモデル化技術により、ツインワイヤーアークスプレープロセスに固有の、供給原料化学組成からコーティング化学組成への化学的発展を予測することができ、その結果、適切な供給原料化学組成が設計され、所望のコーティング化学組成が得られる。
図２は、優先的酸化モデルの対象である合金Ｘ１、例えば硬質合金、の凝固図を示す。合金Ｘ１のアークスプレーをモデル化する際には、前記一般式が使用され、Ｘ１ワイヤー供給原料化学組成の組成ではない、以下の組成のシミュレーション図が計算される。
（合金Ｘ１供給原料組成）９２Ｏ８
＝Ａｌ：１．４％、Ｃ：４．６％、Ｍｎ：０．９％、Ｏ：８％、Ｓｉ：７．４％
図２には、点線で表される酸化物種（２０２）と金属性種（２０１）とに分割された多くの相が含まれている。本実施態様において、酸化物種には、ＣＯ２ガス、ＦｅＯ液、コランダム、ロードナイト、スピネル、及びトリジマイトが含まれる。本実施態様において、示される金属性種は、Ｆｅ系液、グラファイト、及びオーステナイトである。コーティング化学組成を算定する目的で、特定の相は、酸化物又は金属性物としてカテゴリー化するためにのみ妥当である。コーティング化学組成は、各々のモル分率にのみ基づく金属性種と各相の元素化学組成との混合物の規則として算定される。
いくつかの実施態様においては、コーティング化学組成は、１３００Ｋで算定される。いくつかの実施態様においては、コーティング化学組成は、合金の融解温度で算定され、合金の金属性成分が１００％液体である最も低い温度として定義される。いくつかの実施態様においては、コーティング化学組成は、融解温度での金属性液の化学組成である。
この流儀において、各実験的ワイヤー組成から形成されるコーティング化学組成を算定した。その結果を表３〜４に示す。これらには、硬質合金及び軟質合金の両方が含まれている。表１と比較すると、合金のコーティング化学組成は、前述の供給原料化学組成と同一でないことは明白である。これは、優先的酸化の原理による。例えば、合金Ｘ１の供給原料におけるＡｌは、完全に酸化し、コーティング化学組成中には存在しない。優先的酸化により、いくつかの種の元素濃度を低減させ、他の種の元素濃度を上昇させることができる。
一度合金のコーティング化学組成が決定されると、該合金は、単一の均質固溶体材料として評価され得る。広範囲に亘る実験及び進歩的なプロセスの結果から、凝固図で生じた相を無視し、全アークスプレー合金候補を単一の相固溶体として考える。
いくつかの実施態様においては、軟質コーティングについて、固溶体が強化されることは殆どないことは、合金にとって有利であり得る。固溶体の強化により、コーティングの硬度が上昇し、機械加工に供することがより困難になる。それにも係らず、高品質で混じり気がなく、酸化物含有物がないコーティングを生産するためには、供給原料ワイヤーにおいて、脱酸素元素の量を最大化することは有利であり得る。酸化物含有物は、コーティングの粘着力を低減させ、それ自身は機械加工が厳しく困難である。
炭素及びホウ素及び他の非金属元素の固溶体強化効果は、金属性元素と比べると比較的影響力が大きい。したがって、固溶体強化効果を予測する目的で合金のモル分率を評価するとき、非金属元素の濃度に１０倍乗数を適用することがより正確である。この計算を行うことにより、溶質のモル分率は、溶質の荷重モル分率へと変換される。Ｆｅと同程度の原子半径であり、鋼のより軟質な形態であるオーステナイトを促進する傾向があることを考慮すると、Ｎｉの固溶体強化効果は、事実上ゼロである。したがって、本開示の目的では、Ｎｉは荷重固溶体強化が考慮されない。しかしながら、Ｎｉは、最適な軟質アークスプレーコーティングを決定する要素であるＦＣＣ−ＢＣＣ転移温度に影響を与える。
いくつかの実施態様においては、特に軟質合金について、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、２０重量％未満（又は、約２０重量％未満）であり得る。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、１０重量％未満（又は、約１０重量％未満）であり得る。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、２重量％未満（又は、約２重量％未満）である。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、１重量％未満（又は、約１重量％未満）である。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、０．５重量％未満（又は、約０．５重量％未満）である。
いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、２重量％超（又は、約２重量％超）である。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、５重量％超（又は、約５重量％超）である。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、１０重量％超（又は、約１０重量％超）である。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、１５重量％超（又は、約１５重量％超）である。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける溶質元素の荷重モル分率は、２０重量％超（又は、約２０重量％超）である。いくつかの溶質元素の含有物は、軟質合金の特性のいくつかを向上させることができる。
機械加工が可能な軟質アークスプレーワイヤーの製造を意図して、合金Ｘ３及びＸ５を生産した。両合金について、各合金の供給原料及びコーティング化学組成の荷重モル分率を算出した。その結果を表５に示す。示されるように、両合金とも、供給原料における溶質の荷重モル分率が１５重量％を超えているのに対して、コーティング化学組成における溶質の荷重モル分率は１重量％未満である。これらの合金では、混じり気がなく低酸化物のスプレー環境を創造するように合金化する元素が導かれることと、硬化材を殆ど有さないコーティングが生産されることと、が両立されている。これらの熱力学的特徴を両方とも同時に発現する特定の合金を探し出すためには、高処理計算冶金学を用い、何千もの合金候補を含む広範な組成範囲を評価する必要がある。
いくつかの実施態様においては、合金にとって、特に軟質合金にとって、オーステナイト系であることは有利であり得る。鋼のオーステナイト相は、最も軟質な形態であり、このタイプの合金にとっては、表面更生アプリケーションにおいて用いられることもまた、有利である。このタイプの合金をモデル化するために、オーステナイト−フェライト転移温度の予測にコーティング化学組成が使用され得る。コーティングにおける低硬度を達成するために、合金Ｘ４は、オーステナイト系コーティング合金の形成を目的としている。表３に示すように、コーティング化学組成には、１３．５３％のニッケル及び０．０５％のＣが含まれ、これらは両方とも、オーステナイト安定化元素である。これらの合金化元素により、オーステナイト−フェライト温度が１０００Ｋ未満（又は、約１０００Ｋ未満）に引き下げられる。オーステナイト−フェライト転移温度がより引き下げられると、コーティングは、ますますオーステナイト構造を形成するようになる。
いくつかの実施態様においては、軟質合金は、９０体積％以上（又は、約９０体積％以上）のオーステナイト相分率を有し得る。いくつかの実施態様においては、軟質合金は、９５体積％以上（又は、約９５体積％超）のオーステナイト相分率を有し得る。いくつかの実施態様においては、軟質合金は、９９体積％以上（又は、約９９体積％以上）のオーステナイト相分率を有し得る。いくつかの実施態様においては、軟質合金は、１００体積％（又は、約１００体積％）のオーステナイト相分率を有し得る。
コーティングにおける低硬度を達成するために、合金Ｘ９は、オーステナイト系コーティングを形成するように構成され得る。前記表３に示されるように、合金Ｘ９におけるコーティング化学組成のＮｉ含量は、１３００Ｋで２３％と計算される。前記表４に示されるように、合金Ｘ９におけるコーティング化学組成のＮｉ含量は、融解温度で２３．１％と計算される。合金Ｘ９がコーティングとしてどのように振舞うかを予測するために、融解温度技術によって計算されたコーティング化学組成を図３に示す。図３に示されるように、相図には、液相、オーステナイト相（３０１）、及びフェライト相（３０２）の３つの相が含まれている。オーステナイトがフェライトへと変形する転移温度（３０３）を用いて、スプレーされたままの形態でのコーティングの最終相を決定することができる。より低い転移温度により、コーティングが殆どオーステナイトからなる見込みが増大したことが示されている。合金Ｘ９の転移温度（３０３）は８５０Ｋであり、これにより、充分にオーステナイト系のコーティング構造である見込みが大きいことが示されている。いくつかの実施態様においては、開示された材料は、９０〜１００％（又は、約９０〜約１００％）のオーステナイトを形成し得る。
いくつかの実施態様においては、合金のオーステナイト−フェライト温度は、１０００Ｋ未満（又は、約１０００Ｋ未満）である。いくつかの実施態様においては、合金のオーステナイト−フェライト温度は、９５０Ｋ未満（又は、約９５０Ｋ未満）である。いくつかの実施態様においては、合金のオーステナイト−フェライト温度は、９００Ｋ未満（又は、約９００Ｋ未満）である。
いくつかの実施態様においては、耐摩耗性コーティングを形成することを目的として、合金が非常に高度な固溶体強化を呈することは有利であり得る。いくつかの実施態様においては、クロムを合金化元素として使用せずに、この高度な固溶体強化を達成することは有利であり得る。いくつかの実施態様においては、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、及びＭｏ等の高価な遷移金属を合金化元素として使用せずに、この高度な固溶体強化を達成することは有利であり得る。
いくつかの実施態様においては、硬質合金のような合金では、コーティングにおける固溶体強化元素の荷重モル分率は、２０重量％（又は、約２０重量％）を超える。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける固溶体強化元素の荷重モル分率は、３０重量％（又は、約３０重量％）を超える。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける固溶体強化元素の荷重モル分率は、５０重量％（又は、約５０重量％）を超える。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける固溶体強化元素の荷重モル分率は、６０重量％（又は、約６０重量％）を超える。いくつかの実施態様においては、コーティングにおける固溶体強化元素の荷重モル分率は、７０重量％（又は、約７０重量％）を超える。特定の硬質合金のコーティングにおける荷重溶質モル分率を表６に示す。
いくつかの実施態様においては、硬質合金の微細構造は、６０〜９０％（又は、約６０〜約９０％）のナノ結晶質又はアモルファスの鉄であり得る。いくつかの実施態様においては、硬質合金の微細構造は、１０〜４０％（又は、約１０〜約４０％）の炭化物、ホウ化物、又はホウ炭化物の沈殿を含み得る。
軟質コーティングの形成を目的とする場合の熱力学的基準に合致する合金を、表７に示す。表７には、合金のコーティング化学組成に加えて、合金の供給原料化学組成が示されており、また、対応する荷重溶質モル分率（ＷＳＳと表す）及びＦＣＣ−ＢＣＣ転移温度（ＴｒａｎｓＴと表す）も示されている。
硬質コーティングの形成を目的とする場合の熱力学的基準に合致する合金を、表８に示す。表８には、合金のコーティング化学組成に加えて、合金の供給原料化学組成が示されており、また、対応する荷重溶質モル分率（ＷＳＳと表す）も示されている。
＜性能基準＞
いくつかの実施態様においては、自身が有する性能的な特徴によって充分に説明され得る。全てのアークスプレーアプリケーションにおいて、コーティングが、高い粘着力を発現し、最低限の六価クロム蒸気しか生成しないことは、有利であり得る。
コーティング粘着力は、通常、ＡＳＴＭ ４５４１又はＡＳＴＭ Ｃ６３３（いずれも同程度の値となり、交互に使用される）によって測定される。ＡＳＴＭ ４５４１及びＡＳＴＭ Ｃ６３３はいずれも、その全文がここに参考として組み込まれている。いくつかの実施態様においては、合金コーティングは、５０００ｐｓｉ（又は、約５０００ｐｓｉ）以上の粘着力を有する。いくつかの実施態様においては、合金コーティングは、７０００ｐｓｉ（又は、約７０００ｐｓｉ）以上の粘着力を有する。いくつかの実施態様においては、合金コーティングは、９０００ｐｓｉ（又は、約９０００ｐｓｉ）以上の粘着力を有する。このことは、硬質合金及び軟質合金の両方に相当し、これにより、いずれの合金もコーティングアプリケーションに適用可能となる。
ＡＳＴＭ ４５４１スタンダードを用いて粘着力測定を行った。その結果を以下の表９に示す。
いくつかの実施態様においては、コーティング微小硬度が、軟質合金にとっての機械加工性の測定基準である特定値よりも低いことは、有利であり得る。コーティング微小硬度が低下すると、コーティングはより容易に機械加工され得る。いくつかの実施態様においては、コーティングは、５００以下（又は、約５００以下）のビッカース微小硬度を有する。いくつかの実施態様においては、コーティングは、４５０以下（又は、約４５０以下）のビッカース微小硬度を有する。いくつかの実施態様においては、コーティングは、４００以下（又は、約４００以下）のビッカース微小硬度を有する。
良好な機械加工性を備えた合金のビッカース微小硬度を表１０に示す。
合金Ｘ９は、前述の合金の中で最も低い硬度を有する。合金Ｘ９の低硬度は、コーティング構造の１００％オーステナイト系の特質に起因し得る。このことは、スプレーされたコーティング上のＸ線回折によって実証された。Ｘ線回折スペクトルを図４に示す。示されるように、コーティングに存在する唯一の相はオーステナイト系の鉄であり、これは、全ての５つのピーク（４０１）からなる。コーティングのＳＥＭ顕微鏡写真を図５に示す。
一方、いくつかの実施態様においては、摩耗に対する耐性を備えたハードフェーシング表面を供給するには、コーティング微小硬度が可能な限り高いことは、有利であり得る。コーティング微小硬度が低下すると、コーティングはより容易に機械加工され得る。
いくつかの実施態様においては、コーティングは、８００以上（又は、約８００以上）のビッカース微小硬度を有する。いくつかの実施態様においては、コーティングは、９５０以上（又は、約９５０以上）のビッカース微小硬度を有する。いくつかの実施態様においては、コーティングは、１１００以上（又は、約１１００以上）のビッカース微小硬度を有する。
以下の表１１に示すコーティングは、非常に硬質である。これは、これらのコーティングが、高分率の硬質の炭化物又はホウ化物が組み込まれた構造とは対照的に、非常に硬質のナノ結晶質／アモルファス粒子を形成するからである。合金Ｘ８は、本開示の典型的な実施態様であり、スプレーされたコーティングの構造を、Ｘ線回折技術によって評価した。合金Ｘ８についてのＸ線回折図を図６に示す。Ｆｅ（６０１）は主要相であり、ピークの広い特質がＦｅ相はアモルファス又はナノ結晶質であると示唆していることが、この図によって示される。Ｘ８コーティングの顕微鏡写真を図７に示す。
熱力学的特性、微細構造的特性、及び性能的特徴の関係は、既知ではなく、広範な実験に基づくこの研究によって究明された。本発明の典型的な実施態様、すなわち、硬質アークスプレーコーティングの場合のＸ８及び軟質アークスプレーコーティングの場合のＸ９は、製造し、スプレーし、多くの熱スプレーワイヤーの評価並びに合金のワイヤー微細構造及び性能と熱力学的性質との対比を行った後に、開発された。
＜アプリケーション方法＞
いくつかの実施態様においては、ツインワイヤーアークスプレープロセスにて、２つの異なる合金を同時にスプレーすることができ、１つの合金のみの場合よりもより高度な仕上げのために構成されるコーティングが達成される。ツインワイヤーアークスプレープロセスでは、一方のワイヤーからもう一方のワイヤーへの電気アークによって融解され、加圧ガス流によって基材上へスプレーされる２つのワイヤーが利用され得る。２つのワイヤーが同時にスプレーされるとき、結果得られるコーティングは、主に合金１の粒子及び合金２の粒子から構成され得る。言い換えれば、このプロセスにおいて、２つのワイヤーの間に極めて少量の化学混入物が存在し得る。軟質ワイヤーを硬質ワイヤーと組み合わせてスプレーすることにより、高度な仕上げでコーティングを生産することができる。高度な仕上げは、一般に、小さな表面粗さと等価である。小さな表面粗さは、油圧シリンダのリペア等のいくつかのアプリケーションにとって有利である。このアプリケーションにおいて、シリンダにＯリングを装着して封をするには、表面が滑らか（例えば、高度な仕上げ／小さな粗さ）であることが有利であり得る。
いくつかの実施態様においては、ツインワイヤーアークスプレープロセスにて、２つの同じ合金を同時にスプレーすることができる。ツインワイヤーアークスプレープロセスでは、一方のワイヤーからもう一方のワイヤーへの電気アークによって融解され、加圧ガス流によって基材上へスプレーされる２つのワイヤーが利用され得る。いくつかの実施態様においては、単一のワイヤーのみがツインワイヤーアークスプレーに使用される。いくつかの実施態様においては、２つのスプレーのためのシースは、異なる材料であり得るが、パウダー構成としては、各ワイヤーからスプレーされるべき総元素が同じであり得る。このように、単一の最終コーティング組成が、熱スプレープロセスから形成され得る。
いくつかの実施態様においては、異なる合金の２つの金属コアードワイヤーが、コーティングのスプレーに使用され得る。いくつかの実施態様においては、１つの金属コアードワイヤーが、３００ビッカース以下（又は、約３００ビッカース以下）の微小硬度の粒子を生成する。いくつかの実施態様においては、１つの金属コアードワイヤーが、１０００ビッカース以上（又は、約１０００ビッカース以上）の微小硬度の粒子を生成する。
いくつかの実施態様においては、２つの異なる金属コアードワイヤーをスプレーすることによって生成されるコーティングにより、３００ビッカース未満の微小硬度を有する軟質粒子だけでなく、１０００ビッカースを超える微小硬度を有する硬質粒子も含むコーティングが生産され得る。コーティングは、３ミクロン以下の表面粗さＲａに仕上げられ得る。いくつかの実施態様においては、このコーティングは、Ｒａが２ミクロン又はそれよりもよい値に仕上げられ得る。いくつかの実施態様においては、このコーティングは、Ｒａが１ミクロン又はそれよりもよい値に仕上げられ得る。仕上げの工程には、次第に粒度が低くなる粉砕メディア（サンドペーパーに用いられるＡｌＯ等）で、特定の表面粗さとなるまで熱スプレーコーティングの凹凸を摩擦し、研磨することが含まれる。
いくつかの実施態様においては、以下の合金が、高硬度の粒子を生成する金属コアードワイヤーとして使用され得るが、ここに開示された他の合金も同様に使用され得ることが理解されるであろう。該合金は、重量％基準で、Ｆｅ及び以下の元素を含む。
Ａｌ：２、Ｂ：４、Ｃｒ：１３、Ｎｂ：６（又は、Ａｌ：約２、Ｂ：約４、Ｃｒ：約１３、Ｎｂ：約６）
Ａｌ：２．５、Ｃ：５、Ｍｎ：１、Ｓｉ：８（又は、Ａｌ：約２．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８）
Ａｌ：１．５、Ｃ：５、Ｍｎ：１、Ｓｉ：３．２５（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５）
Ａｌ：１．５、Ｂ：４、Ｃ：４、Ｍｎ：１、Ｎｉ：１、Ｓｉ：３．２５（又は、Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５）
Ｂ：１．８５、Ｃ：２．１５、Ｍｏ：１５．７、Ｖ：１１（又は、Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１）
Ａｌ：１．５、Ｂ：５、Ｃ：４、Ｍｎ：１、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．３）
いくつかの実施態様においては、以下の合金が、低硬度の粒子を生成する金属コアードワイヤーとして使用され得るが、他の合金も同様に使用され得る。該合金は、重量％基準で、Ｆｅ及び以下の元素を含む。
Ａｌ：１．５、Ｃ：１、Ｍｎ：１、Ｓｉ：３．２５（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５）
Ａｌ：１．５、Ｃ：１．５、Ｍｎ：１、Ｎｉ：１２（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２）
Ａｌ：１．５、Ｃｒ：１１．２７、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：２０、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、Ｓｉ：約３．３）
いくつかの実施態様においては、ツインワイヤーアークスプレープロセスにて、合金Ｘ９は、１０００ビッカースの微小硬度を有する硬質粒子を生成することが可能な合金と組み合わせて使用され得る。
いくつかの実施態様においては、１つの非Ｃｒワイヤーは、第２のワイヤー合金と共にスプレーされ得る。該第２のワイヤー合金は、ガルバニ列（ｇａｌｖａｎｉｃ ｓｅｒｉｅｓ）で非Ｃｒワイヤーよりもより反応性が高いものである。このような実施態様において、両ワイヤーは、金属コアードワイヤー又はソリッドワイヤーの形状であり得る。このような技術によってＣｒを使用せずに表面をスプレーすることができ、その結果、水と接触したときに錆が生じない。第２の合金の粒子は、非Ｃｒ合金の粒子をガルバニ電気的に保護する（ｇａｌｖａｎｉｃａｌｌｙ ｐｒｏｔｅｃｔ）作用を呈する。
いくつかの実施態様においては、非Ｃｒ合金は、重量％基準で、Ｆｅ及び以下の元素を含み得る。
Ａｌ：１．５、Ｃ：１、Ｍｎ：１、Ｓｉ：３．２５（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５）
Ａｌ：１．５、Ｃ：１．５、Ｍｎ：１、Ｎｉ：１２（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２）
Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：２０、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、Ｓｉ：約３．３）
Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１８、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１８、Ｓｉ：約３．３）
Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１５、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１５、Ｓｉ：約３．３）
Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１２、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１２、Ｓｉ：約３．３）
Ａｌ：１．５、Ｃｒ：０、Ｍｎ：１．０３、Ｎｉ：１０、Ｓｉ：３．３（又は、Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約０、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約１０、Ｓｉ：約３．３）
いくつかの実施態様においては、ガルバニ電気的反応性合金（ｇａｌｖａｎｉｃａｌｌｙ ｒｅａｃｔｉｖｅ ａｌｌｏｙ）は、アルミニウム、亜鉛、もしくはアルミニウム又は亜鉛含有合金であり得る。
＜使用のためのアプリケーション及びプロセス＞
本件に開示の合金の実施態様は、各種アプリケーション及び工業において使用され得る。制限なしで、使用アプリケーションの例がいくつか挙げられる。
採掘アプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、スラリーパイプライン用の耐摩耗性スリーブ及び／又は耐摩耗性ハードフェーシング（硬化肉盛）；ポンプハウジング、又は羽根車、又は泥水ポンプ部品用のハードフェーシングを含む泥水ポンプ部品；シュートブロック、又はシュートブロックのハードフェーシングを含む給鉱シュート部品；限定はされないが、ロータリーブレーカースクリーン、バナナスクリーン、及びシェーカースクリーンを含むセパレーションスクリーン；自生粉砕ミル及び半自生粉砕ミル用のライナー；グランド係合ツール、及びグランド係合ツール用のハードフェーシング；ドリルビット及びドリルビットインサート；バケツ及びダンプトラックライナー用の摩耗プレート；ヒールブロック、及び採鉱ショベル上のヒールブロック用のハードフェーシング；グレイダーブレード、及びグレイダーブレード用のハードフェーシング；スタッカリクレーマ；整粒クラッシャ；採鉱部品及び他の粉砕部品用の一般的な摩耗パッケージである。
開始段階のオイル及びガスアプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、ダウンホールケーシング；ドリルパイプ、及びハードバンディングを含むドリルパイプ用のコーティング；泥水マネージメント部品；泥水モーター；水圧破砕ポンプスリーブ；水圧破砕羽根車；水圧破砕ブレンダーポンプ；停止カラー；ドリルビット、及びドリルビット部品；方向掘削装置、及び安定化装置と中心化装置とを含む方向掘削装置用のコーティング；噴出防止装置、並びに噴出防止装置、及びシェアー・ラムを含む噴出防止装置部品用のコーティング；油田管、及び油田管用のコーティングである。
終了段階のオイル及びガスアプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、プロセス容器、及び蒸気発生装置を含むプロセス容器用のコーティング；アミン容器；蒸留塔；サイクロン；触媒クラッカー；一般的な精製配管；絶縁保護下でのコロージョン；硫黄回収装置；対流型フード；酸性ストリッパーライン；スクラバ；炭化水素ドラム；並びに他の精製装置及び容器である。
パルプ及び紙アプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、ヤンキードライヤー及び他のドライヤーを含む抄紙機に用いられるロール；カレンダーロール；マシンロール；プレスロール；ダイジェスター；パルプミキサー；パルパー；ポンプ；ボイラー；シュレッダー；ティッシュマシン；ロールベールハンドリングマシン；ドクターブレード；蒸発器；パルプミル；ヘッドボックス；ワイヤー部；プレス部；ＭＧシリンダ；ポープリール；巻き取り機；真空ポンプ；デフレーカー；並びに他のパルプ及び紙に係る装置である。
発電アプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、ボイラーチューブ；集塵器；火室；タービン；発生器；冷却塔；コンデンサー；シュート及び槽；オーガー；バグハウス；ダクト；ＩＤファン；石炭配管；並びに他の発電に係る部品である。
農業アプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、シュート；ベースカッターブレイド；槽；第１ファンブレード；第２ファンブレード；オーガー；及び他の農業アプリケーションである。
建築アプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、セメントシュート；セメント配管；バグハウス；混合装置；及び他の建築アプリケーションである。
機械要素アプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、シャフトジャーナル；ペーパーロール；ギアボックス；ドライブローラー；シリンダブロック；油圧シリンダ；羽根車；一般的な開墾及び寸法復元アプリケーション；並びに他の機械要素アプリケーションである。
鋼アプリケーションには、以下の部品と、以下の部品のためのコーティングとが含まれる。該部品とは、コールドローリングミル；ホットローリングミル；ワイヤーロッドミル；溶融亜鉛メッキ（ガルバナイジング（ｇａｌｖａｎｉｚｉｎｇ））ライン；継続酸洗ライン；連続キャスティングロール及び他の鋼ミルロール；並びに他の鋼アプリケーションである。
本件に記載の合金は、種々の技術で効果的に、製造され得る、及び／又は、沈殿し得る。制限なしで、プロセスの例がいくつか挙げられる。
熱スプレープロセスには、ツインワイヤーアーク、スプレー、高速アークスプレー、燃焼スプレー等のワイヤー供給原料を用いるプロセスと、高速酸素燃料、高速エアスプレー、プラズマスプレー、デトネーションガンスプレー、コールドスプレー等のパウダー供給原料を用いるプロセスとが含まれる。ワイヤー供給原料は、金属コアワイヤー、ソリッドワイヤー、又はフラックスコアワイヤーの形状であり得る。パウダー供給原料は、単独均質合金、又は共に融解したときに所望の化学構成となる複合合金パウダーの組み合わせであり得る。
溶接プロセスには、制限されないが、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、アーク溶接、サブマージアーク溶接、オープンアーク溶接、バルク溶接、レーザークラッディングを含むワイヤー供給原料を用いるプロセスと、制限されないが、レーザークラッディング及びプラズマ移行アーク溶接を含むパウダー供給原料を用いるプロセスとが含まれる。ワイヤー供給原料は、金属コアワイヤー、ソリッドワイヤー、又はフラックスコアワイヤーの形状であり得る。パウダー供給原料は、単独均質合金、又は共に融解したときに所望の化学構成となる複合合金パウダーの組み合わせであり得る。
キャスティングプロセスには、制限されないが、砂型キャスティング、永久鋳型キャスティング、チルキャスティング、インベスティメントキャスティング、消失性キャスティング、ダイキャスティング、遠心キャスティング、ガラスキャスティング、スリップキャスティングを含む、鋳鉄を製造するのに代表的なプロセスと、連続キャスティングプロセスを含む、錬鋼物を製造するのに代表的なプロセスとが含まれる。
ポストプロセス技術には、制限されないが、圧延、鍛冶、浸炭、チッ化、浸炭チッ化等の表面処理、制限されないが、オーステナイト化、正常化、アニール化等の熱処理、応力除去、焼戻し、エイジング、焼入れ、低温処理、炎焼入れ、誘導加熱焼入れ、差別焼入れ、肌焼入れ、脱炭化、機械加工、摩砕、冷間加工、加工硬化、及び溶接が含まれる。
先の記載から、発明に値する熱スプレー産物及び使用方法が開示されていることが分かるであろう。数種の成分、技術及び側面が、ある程度の特別性を伴って記載されているが、ここでは、本開示の精神及び範囲を超えない範囲で、特定のデザイン、構成、及び形態における多くの変更を、先の記載に加えることができる。
別々に実装することに関連して本開示に記載されたある特定の特徴はまた、単独の実装を組み合わせた状態で、実装に供され得る。逆に、単独で実装することに関連して記載された種々の特徴はまた、複合的な実装で別々に、又はいずれかの適したサブコンビネーションの状態で、実装に供され得る。さらに、特徴は、ある特定の組み合わせにおいて作用すると上述されているかもしれないが、いくつかの場合、請求された組み合わせからの１つ又はそれ以上の特徴を、該組み合わせから切り離すことができ、該組み合わせは、いずれかのサブコンビネーションとして、又はいずれかのサブコンビネーションの変形として請求されてもよい。
さらに方法は、特定の順序で、図面に描かれているか、又は明細書に記載されているかもしれないが、望ましい結果を得るために、このような方法は、示された特定の順序、又は連続した順序で採用される必要がなく、全ての方法が採用される必要もない。描かれていないか、又は記載されていない他の方法を、例示した方法及びプロセスに組み込むことができる。例えば、１つ又はそれ以上の追加の方法を、記載した方法のいずれかの、前に、後で、同時に、又は間で採用することができる。さらに、他の実装において、これらの方法は再編成又は再整理されてもよい。また、前記実装における種々のシステム部品の分離は、全ての実装において必要とされるものである、と理解されるべきではない。記載された部品及びシステムは一般的に、単一の製品において一緒に合体されるか、又は複合的な製品へと包括されることが可能である、と理解されるべきである。加えて、他の実装が本開示の範囲内に含まれる。
特に言及しない限り、又は文脈中で用いられているとおりであると理解される限り、例えば「〜できる（し得る）（ｃａｎ）」、「〜できる（し得る）（ｃｏｕｌｄ）」、「〜して（も）よい（ｍｉｇｈｔ）」、又は「〜して（も）よい（ｍａｙ）」といった条件的な用語は、一般的に、ある特定の実施態様が、ある特徴、要素、及び／又はステップを含むか、もしくは含まないことを伝える、ということを目的としている。よって、このような条件的な用語は、一般的に、特徴、要素、及び／又はステップが多少なりとも１つ又はそれ以上の実施態様のために必要とされていると暗示する、ということを目的とはしていない。
特に言及しない限り、又は文脈中で用いられているとおりであると理解される限り、例えば「Ｘ、Ｙ、及びＺの少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ｘ，Ｙ，ａｎｄ Ｚ）」といった表現の結合した用語は、一般的に、ある項目、言葉等が、Ｘ、Ｙ、又はＺであってよいことを伝える、ということを目的としている。よって、このような結合した用語は、一般的に、ある特定の実施態様が、Ｘの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ、及びＺの少なくとも１つの存在を必要としていると暗示する、ということを目的とはしていない。
ここで用いられる、例えば「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ（およそ）」、「ａｂｏｕｔ（約）」、「ｇｅｎｅｒａｌｌｙ（一般的に）」、及び「ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ（実質的に）」といった程度を示す用語は、まだ所望の機能を発揮するか又は所望の結果を達成させる、提示した体積、量、又は特徴に近い体積、量、又は特徴を示す。例えば「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ（およそ）」、「ａｂｏｕｔ（約）」、「ｇｅｎｅｒａｌｌｙ（一般的に）」、及び「ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ（実質的に）」という用語は、提示した値の１０％以下、５％以下、１％以下、０．１％以下、及び０．０１％以下の範囲内にある値をいう。もし提示した値が０（例えば、値なし、値を有しない）であれば、新しく定めた前記範囲は、特定の範囲となることができ、特定体積％の範囲内には入らない。例えば、提示した値の１０ｗ／ｖ％以下、５ｗ／ｖ％以下、１ｗ／ｖ％以下、０．１ｗ／ｖ％以下、０．０１ｗ／ｖ％以下の範囲内である。
いくつかの実施態様が、添付の図面に関連して記載されている。図面は一定のスケールで描かれているが、示されている以外の寸法及び比率は、熟考され、開示した発明の範囲内にあるので、このスケールには制限がない。距離、角度等は、単なる一例であり、例示されたデバイスの実際の寸法及びレイアウトに対して正確な関係を有する必要はない。構成要素の追加、削除、及び／又は再配列が可能である。さらに、種々の実施態様と関連している、いずれかの特別な特徴、側面、方法、特性、特徴、品質、特質、要素等の本開示は、ここで説明する全ての他の実施態様において使用され得る。加えて、ここに開示のいずれかの方法は、列挙されたステップを遂行するのに適したいずれかのデバイスを用いて実行される、ことが認められる。
多くの実施態様及びその変更が詳細に記載されているが、他の実施態様及びそれを用いる方法が、当業者に明らかになるであろう。したがって、種々の応用、修飾、材料、及び置換は、特有で発明となり得る本開示及び請求項の範囲から逸脱することなく、同等となり得る。

Claims (33)

  1. ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成される鉄系コアード（ｃｏｒｅｄ）ワイヤー合金供給原料であって、
    前記コアードワイヤー合金供給原料が、パウダー及びシースからなり、
    前記パウダー及びシースの組み合わせが、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約０〜２．５、
    Ｃｒ：約１０〜１５、
    Ｍｎ：約０〜２、
    Ｎｉ：約１５〜２５、及び
    Ｓｉ：約０〜５
    とからなる組成を有し、
    前記コアードワイヤー合金供給原料が、ツインワイヤーアーク熱スプレーから、鉄系軟質金属性コーティングを形成するように構成されており、
    前記コーティングが、
    ７０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、
    ４００ビッカース以下の微小硬度、
    前記コアードワイヤー合金供給原料の融解温度で、１０重量％未満の荷重溶質分率（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｏｌｕｔｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）、及び
    １０００Ｋ以下のフェライト−オーステナイト転移温度
    を備えてなる、鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  2. 請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料から形成されてなる、コーティング。
  3. ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションにおける酸化後に、前記コーティングを形成するように構成されている、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  4. 前記シースが、１／１６インチの直径を有し、該シースに対する前記パウダーの比が、約２０〜４０重量％である、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  5. 前記コーティングの微小硬度が、３００ビッカース以下である、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  6. 前記コーティングの微小硬度が、２００ビッカース以下である、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  7. 前記コーティングの微小硬度が、１００ビッカース以下である、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  8. その融解温度で、前記荷重溶質分率が、６重量％未満である、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  9. その融解温度で、前記荷重溶質分率が、２重量％未満である、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  10. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約１．５、
    Ｃｒ：約１１．２７、
    Ｍｎ：約１．０３、
    Ｎｉ：約２０、及び
    Ｓｉ：約３．３
    とからなる、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  11. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
    Ａｌ：約１．５、Ｃ：約１．５、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１２；又は
    Ａｌ：約１．５、Ｃｒ：約１１．２７、Ｍｎ：約１．０３、Ｎｉ：約２０、及びＳｉ：約３．３
    とからなる、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  12. 前記フェライト−オーステナイト転移温度が、約９５０Ｋよりも低い、請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料。
  13. 請求項１に記載のコアードワイヤー合金供給原料を用いる、ツインワイヤーアークスプレープロセス。
  14. ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成される鉄系コアード（ｃｏｒｅｄ）ワイヤー合金供給原料であって、
    前記コアードワイヤー合金供給原料が、パウダー及びシースからなり、
    前記パウダー及びシースの組み合わせが、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約０〜２．５、
    Ｂ：約３〜６、
    Ｃ：約３〜５、
    Ｍｎ：約０〜２、
    Ｎｉ：約０〜２、及び
    Ｓｉ：約０〜５
    とからなる組成を有し、
    前記コアードワイヤー合金供給原料が、ツインワイヤーアーク熱スプレーから、鉄系硬質金属性コーティングを形成するように構成されており、
    前記コーティングが、
    ７０００ｐｓｉ以上のコーティング粘着力、
    １０００ビッカース以上の微小硬度、
    １重量％未満のＣｒ、及び
    前記コアードワイヤー合金供給原料の融解温度で、５０重量％を超える荷重溶質分率（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｏｌｕｔｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）
    を備えてなる、鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  15. その融解温度で、前記荷重溶質分率が、７０重量％を超える、請求項１４に記載の鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  16. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約１．５、
    Ｂ：約５、
    Ｃ：約４、
    Ｍｎ：約１、及び
    Ｓｉ：約３．３
    とからなる、請求項１４に記載の鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  17. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約２．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約８；
    Ａｌ：約１．５、Ｃ：約５、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
    Ａｌ：約１．５、Ｂ：約４、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｎｉ：約１、Ｓｉ：約３．２５；
    Ｂ：約１．８５、Ｃ：約２．１５、Ｍｏ：約１５．７、Ｖ：約１１；又は
    Ａｌ：約１．５、Ｂ：約５、Ｃ：約４、Ｍｎ：約１、Ｓｉ：約３．３
    とからなる、請求項１４に記載の鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  18. 請求項１４に記載の鉄系コアードワイヤー合金供給原料から形成されてなる、コーティング。
  19. 請求項１８に記載のコーティングを有する、パルプ及びペーパーロール。
  20. 請求項１８に記載のコーティングを有する、発電ボイラー。
  21. 請求項１８に記載のコーティングを有する、油圧シリンダ。
  22. 請求項１４に記載の鉄系コアードワイヤー合金供給原料を用いる、ツインワイヤーアークスプレープロセス。
  23. ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成される鉄系コアード（ｃｏｒｅｄ）ワイヤー合金供給原料であって、
    前記コアードワイヤー合金供給原料が、パウダー及びシースからなり、
    前記パウダー及びシースの組み合わせが、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約０〜２．５、
    Ｃｒ：約１０〜１５、
    Ｍｎ：約０〜２、
    Ｎｉ：約１５〜２５、及び
    Ｓｉ：約０〜５
    とからなる組成を有する、鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  24. 前記シースが、１／１６インチの直径を有し、該シースに対する前記パウダーの比が、約２０〜４０重量％である、請求項２３に記載の鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  25. ツインワイヤーアーク熱スプレーアプリケーションのために構成される鉄系コアード（ｃｏｒｅｄ）ワイヤー合金供給原料であって、
    前記コアードワイヤー合金供給原料が、パウダー及びシースからなり、
    前記パウダー及びシースの組み合わせが、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約０〜２．５、
    Ｂ：約３〜６、
    Ｃ：約３〜５、
    Ｍｎ：約０〜２、
    Ｎｉ：約０〜２、及び
    Ｓｉ：約０〜５
    とからなる組成を有する、鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  26. 前記シースが、１／１６インチの直径を有し、該シースに対する前記パウダーの比が、約２０〜４０重量％である、請求項２５に記載の鉄系コアードワイヤー合金供給原料。
  27. 供給原料合金組成を有するコアードワイヤーを用いて、基材上に、コーティングをツインワイヤーアーク熱スプレーする方法であって、
    前記基材上に、前記コアードワイヤーを熱スプレーし、少なくとも７０００ｐｓｉの粘着力を有するコーティングを形成することからなり、
    前記コーティングが、
    ４００ビッカース以下の微小硬度、
    前記コアードワイヤーの融解温度で、１０重量％未満の荷重溶質分率（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｏｌｕｔｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）、及び
    １０００Ｋ以下のフェライト−オーステナイト転移温度
    を備えた軟質コーティングであるか、又は
    １０００ビッカース以上の微小硬度、
    １重量％未満のＣｒ、及び
    前記コアードワイヤーの融解温度で、５０重量％を超える荷重溶質分率
    を備えた硬質コーティングである、方法。
  28. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約０〜２．５、
    Ｃｒ：約１０〜１５、
    Ｍｎ：約０〜２、
    Ｎｉ：約１５〜２５、及び
    Ｓｉ：約０〜５
    とからなり、
    前記コアードワイヤーが、前記軟質コーティングを形成するように構成されている、請求項２７に記載の方法。
  29. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約１．５、
    Ｃｒ：約１１．２７、
    Ｍｎ：約１．０３、
    Ｎｉ：約２０、及び
    Ｓｉ：約３．３
    とからなり、
    前記コアードワイヤーが、前記軟質コーティングを形成するように構成されている、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約０〜２．５、
    Ｂ：約３〜６、
    Ｃ：約３〜５、
    Ｍｎ：約０〜２、
    Ｎｉ：約０〜２、及び
    Ｓｉ：約０〜５
    とからなり、
    前記コアードワイヤーが、前記硬質コーティングを形成するように構成されている、請求項２７に記載の方法。
  31. 前記組成が、鉄と、以下の元素（重量％）：
    Ａｌ：約１．５、
    Ｂ：約５、
    Ｃ：約４、
    Ｍｎ：約１、及び
    Ｓｉ：約３．３
    とからなり、
    前記コアードワイヤーが、前記硬質コーティングを形成するように構成されている、請求項３０に記載の方法。
  32. ２つのコアードワイヤーがスプレーされ、これらは同一組成を有する、請求項２７に記載の方法。
  33. 前記軟質コーティング又は前記硬質コーティングの１つのみが形成される、請求項２７に記載の方法。
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