JP2601754B2 - 基板の耐食耐摩耗性の改善法 - Google Patents

基板の耐食耐摩耗性の改善法

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JP2601754B2 JP4354808A JP35480892A JP2601754B2 JP 2601754 B2 JP2601754 B2 JP 2601754B2 JP 4354808 A JP4354808 A JP 4354808A JP 35480892 A JP35480892 A JP 35480892A JP 2601754 B2 JP2601754 B2 JP 2601754B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は使用に当たって機械的な
耐食性や耐摩耗性の要求される粉砕装置用のスクリーン
のような工業部品および該部品の使用寿命を延長される
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】全ての工業分野において用いられる機械
装置は使用に際して常に摩耗、侵食および／または腐食
の危険に曝されている。そして不活性雰囲気下であれ、
腐食性雰囲気下であれ、過度の摩耗のために早期に劣化
した部品を交換するために、数十億ドルの莫大な金額が
投じられている。種々の機械部品がより硬質で耐腐食性
のある材料で作られていれば、機械部品の交換に要する
費用は削減され、これによって得られる満足できる操業
とそうでない場合における余分な費用を伴う不満足な操
業との差はきわめて大きい。
【０００３】工業部品において、表面硬化や耐食、耐摩
耗性材料の被着を行なわせる方法は数多くある。最も古
い方法としては拡散処理、即ち鉄基材料における窒化処
理や浸炭処理がある。この技術の最も大きな障害は処理
部品を高温にしなければならないことである。また部品
を高温に加熱することはエネルギーコストを高めたり作
業時間がかかったりするばかりでなく、部品の寸法変化
や機械的性質の劣化を招くので使用に耐えなくなった
り、また表面処理終了後にさらなる熱処理や清浄処理を
施すことを必要とするなどの障害もある。
【０００４】ごく一般的に硬質クロムまたはニッケル・
コーティングを得るために行なわれる電気めっきは、コ
ーティングする部品を高度に清浄化する必要があり、ま
た毒性の高い溶液を使用しなければならないので環境保
全の面からコストがかかる問題がある。
【０００５】化学的または物理的蒸着によるコーティン
グは、多額の投資を必要とし、且つ操業コストも高い上
にコーティングも非常に薄く、また施される部品の大き
さも小さいものに限定される。熱スプレーコーティング
法は、部品の大きさやコーティングの厚みに制限がない
が、火焔を使用したスプレーでは往々にしてコーティン
グに酸化物の混入による空隙を生ずることがある。
【０００６】また、特に真空または雰囲気制御した反応
容器中で行なわれるプラズマ溶射によるときは、緻密で
均質なコーティングを得ることができるが、非常にコス
トが高いので使用上制限がある。
【０００７】高速デトネーション（爆ごう）ガンによる
ときは、基板上に厚いセラミックス・コーティングを得
ることができるが、装置や原料粉末および操業に費用が
掛かりすぎる欠点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来法による
種々の問題点を克服し、基板上に優れた品質の硬質のコ
ーティングを効率よく経済的に得ることにより、基板の
耐食性並びに耐摩耗性を改善する方法を提供することを
目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は基板の表面に窒化チタニウム粒子をコー
ティングすることにより、前記基板の耐食性および耐摩
耗性を強化する基板の耐食耐摩耗性の改善法であり、チ
タニウムからなる第１の溶射線と、心線または全体が
鉄、鉄合金、チタニウムを除く非鉄金属、非鉄合金、セ
ラミックス、金属間化合物、またはこれらの組合せから
なる第２の溶射線との２本の溶射線を使用し、さらにア
トマイズ・推進ガスとして窒素ガスを使用したアーク式
溶射用ガンからの排出ガスに基板を曝すことによって、
該基板上に第２の溶射線によって形成されたマトリック
ス中に埋め込まれた窒化チタニウム粒子よりなるコーテ
ィングを形成することを特徴とするものである。部品の
耐摩耗性を改善するために、窒化チタニウム・コーティ
ングがアーク式熱溶射法により施され、窒素は推進（ア
トマイズ）ガスとして使用され、チタニウム線が供給材
料として使用される。チタニウムの前窒化がコーティン
グに行われると、基板がチタニウムを前窒化なしでコー
ティングされた場合よりも一層硬度が増し耐摩耗性が向
上する。本発明は、２つの別個の線材を使用し、その少
なくとも一方をチタニウム線としたものである。チタニ
ウム線はまったく前窒化せず、一方第２の線は、その心
線が鉄、鉄合金、チタニウムを除く非鉄金属、非鉄合
金、セラミックス、金属間化合物、またはこれらの組合
せからなる有芯線、または全体が鉄、鉄合金、チタニウ
ムを除く非鉄金属、非鉄合金、セラミックス、金属間化
合物、またはこれらの組合せからなるものである。チタ
ニウム線を前窒化しない場合は、コーティングにおける
ＴｉｘＮ相を強化するため窒素中で焼鈍するか、或いは
被着したまま冷却する熱処理をするのが好ましい。複合
コーティングが施された基板は、金属、セラミック、グ
ラファイト、プラスチック、また炭素／グラファイト組
成物からなる。
【００１０】
【作用】以下に本発明の詳細およびその作用について述
べる。一般に不活性ガスを使用したアーク式溶射は種々
の基板材料上に密着性よく厚い均一なコーティングを生
成することができる。しかも、これを窒化チタニウムの
ような高エンタルピー焔を必要としない低温のアーク式
溶射に使用するときは、高温のプラズマ焔による溶射を
行なう場合に比べて基板材料に歪などの害を与えること
なくコーティングを行なうことができ、しかも、アーク
式溶射装置の投資額や操業コストはプラズマ高速溶射法
による場合に比べて約半分であり、化学蒸着法による場
合に比べると約１桁低いことが分かった。
【００１１】工業部品の耐摩耗性を向上するための１方
法は、部品の表面に窒化チタニウムのコーティングを施
すことである。そしてこのようなコーティングを施すた
めにアーク式溶射法を用いるに際し、推進ガスとして空
気の代りに高純度窒素ガスを採用するときは、チタニウ
ム線はアーク式溶射装置内で溶解して酸化を最小限に留
めた状態で窒化し、基板上に窒化チタニウムのコーティ
ングを得ることができることが見出された。この方法に
よれば、アーク式溶射法において雰囲気室や雰囲気炉を
必要とせず、またはコーティングに対して窒化のための
後処理を施す必要もない。また特に効果的なコーティン
グを施すためには、チタニウム線をアーク式溶射を行な
う前に窒化しておくとよい。
【００１２】アーク式溶射に際して推進（アトマイズ）
ガスとして用いられる窒素は供給されるチタニウム線の
先端部から脱離した溶融チタニウム滴と反応し飛翔中に
窒化チタニウムを生成する。この飛翔した溶融滴が部品
の表面に達すると、凝固して硬い窒化チタニウムベース
の耐食性、耐摩耗性コーティングを形成する。
【００１３】窒素を推進ガスとして使用したチタニウム
・コーティングのアーク式溶射は、プラズマ高速燃焼溶
射法や、化学的蒸着法または物理的蒸着法に較べて低コ
ストであり、その上窒化チタニウムや酸化チタニウム
は、例えば他の表面硬化法において通常用いられている
クロムやニッケル・リンに較べて毒性がないために、食
品や化粧品製造用の装置への使用に適している。またさ
らにアーク式溶射は他の方法が数時間を要するのに対し
て数分で行なうことができるので、毒性のある副生成物
を生ずることもなく、またこれらの処理にかかる投資額
も最小限で済むなどの利点もある。
【００１４】図１は本発明におけるアーク式溶射法の一
実施態様を示したものである。アーク式溶射装置１０
は、アーク式溶射ガン１２、定電圧電力装置１４、制御
コンソール１６およびスプール１８および２０からなる
溶射線供給装置を有する。アーク式溶射ガン１２にはそ
れぞれ別個の溶射線２６、２８をガンからノズル端３０
に移送する２セットの供給ローラ２２、２４を有し、ノ
ズル端３０においては異なる極性の電流によって溶射線
２６と２８の間においてアークを発生する。溶射線はア
ークによって溶融するが、一方圧縮窒素ガスがアークガ
ン１２内を矢印３２の方向に導入されてノズル端３０を
通過するので、このときに溶融金属は分散されて溶融滴
流になる。このとき圧縮ガスは金属をアトマイズすると
ともに、該アトマイズ金属を溶射流として、例えばハン
マーミル・スクリーンのような基板３４に向けて推進す
る。アトマイズされたチタニウムは飛翔中に窒素と反応
して窒化チタニウム化合物を生成する。
【００１５】基板３４は垂直または水平に設置され、コ
ーティングが電極の長さを超えて均一に行なわれるよう
に基板３４またはアークガンを振動させる。溶射線供給
装置のスプール１８および２０は、溶射線が該スプール
からガン１２に円滑に供給されるように二対の供給ロー
ラ３６、３８を有している。アークガン中の導入ローラ
および溶射線供給ローラはプッシュ／プルまたはその組
み合わせ技術を使用して溶射線が円滑にアークガンを通
過できるようにする。
【００１６】チタニウム線と窒素ガスを使用した熱アー
ク溶射法によって基板上に施された窒化チタニウムは高
い耐摩耗性のコーティングを形成するが、供給されるチ
タニウム線は窒素が増加するように前処理されていると
きは、得られたコーティングはより硬質でまた使用に供
される部品の寿命も多くの場合長くなる。
【００１７】チタニウム線の前処理は、Ｎ２−溶射Ｔｉ
ｘＮコーティングが窒素（Ｎ）の不足になりやすいこと
と飛翔中の酸化が激しいことが判明したので開発された
のである。そしてさらに溶射線の前処理には他の２つの
理由がある。その１つの理由は供給されるチタニウム線
はアークガンの溝を通過し難いのに対して、窒素をコー
ティングしたチタニウム線はこれを導入するときの摩擦
抵抗が少ないことの発見によるものであり、もう１つの
理由はアーク溶射されたＴｉｘＮへの溶射後の窒素雰囲
気による熱処理は常には可能ではないこと、つまりある
種の基板は高温に対して敏感であり、またＴｉｘＮコー
ティングと基板との熱膨張係数の差が著しく大きく、コ
ーティングの劣化を生ずるために焼鈍を行なうことは不
都合であることなどによる。
【００１８】次に、チタニウム線の窒化焼鈍条件の選
定、焼鈍したチタニウム線の溶射性、焼鈍したチタニウ
ム線を溶射して得られたコーティングの評価について実
験した結果について示す。表１はその窒化焼鈍条件の選
定試験の概要について示したものである。
【００１９】
【表１】
【００２０】次に、表１において好ましい結果を示した
実験番号＃３の条件を選択して得られた窒化焼鈍チタニ
ウム線と窒化焼鈍前のチタニウム線とについてその断面
のマイクロ硬さを測定した結果、前者は２６９ＶＨＮで
あるのに対して後者は１５０ＶＨＮであった。その硬度
測定値の差から供給チタニウム線が硬質チタニウムであ
れ軟質チタニウムであれ、窒素焼鈍を１０００℃以上の
温度で行なったものはよい結果が得られることが分かっ
た。表２は軟質チタニウム線について１０００℃での窒
素焼鈍の前後におけるチタニウム線中の窒素含有量を示
すものである。
【００２１】
【表２】
【００２２】溶射性実験の結果、焼鈍によって黄色の窒
化物が被覆された窒化焼鈍後のチタニウム線は焼鈍処理
前の供給されたままのチタニウム線と変りなく溶融、ア
トマイズおよび基板への被着を行ない得ることが分かっ
た。その上軟質チタニウム線を連続窒化焼鈍して黄色窒
化物が被覆されたチタニウム線は線のアークガンへの導
入をより円滑に行なうことができ、溶射に際してのアー
クの安定性も一段と改善されることが分かった。
【００２３】次に、窒化焼鈍したチタニウム線を使用し
てＴｉｘＮコーティングを溶射し、これと従来の窒素焼
鈍しないチタニウム線を使用して溶射して得られたコー
ティングおよびこれに溶射後窒素熱処理を施したものの
性能を比較した。新しく得られたコーティングは外観、
表面粗度、自己結合性および基板への被着性（曲げ試験
による）において従来法によるコーティングとほぼ同様
であった。しかしながら、ヌープ・マイクロ硬さ測定結
果においてはその両者の間に著しい差を生じた。
【００２４】硬質チタニウム線の場合には、窒化焼鈍を
施したチタニウム線を使用して溶射して得られたコーテ
ィングは、実質的に純粋なチタニウム線を用いて溶射
後、窒素雰囲気中で焼鈍したコーティングと同様に高い
硬度を有する。これら両コーティングは何れも供給され
たままのチタニウム線を溶射した後窒素熱処理を施さな
い通常のコーティングに較べて硬度が高いことは云うま
でもない。前処理として窒化焼鈍を施した軟質チタニウ
ム線を使用して得られたＴｉｘＮコーティングのうち最
も高い値を示すものをステンレスおよび炭素鋼基板の硬
度と比較したところ、該コーティングの硬度はステンレ
スの６．３倍、炭素鋼の９倍の値を示した。
【００２５】前窒素化チタニウム線はＴｉｘＮコーティ
ング中の窒素含有量を高めるので該コーティングの硬度
を高めることができること、また窒素含有量が増えても
溶射されるＴｉｘＮの自己結合性が低下しないことが分
かった。
【００２６】この新しいコーティングの硬度は少なくと
も従来の溶射後に焼鈍したコーティングより劣ることは
ない。したがってコーティングした部品に焼鈍処理を施
すことは不必要になる。コーティングの硬度調節のため
の前窒化処理および溶射後の窒素熱処理はそれぞれ別の
装置によって行なわれる。そして、チタニウム線の前窒
化処理は溶射ガンの溝に導入されるチタニウム線の摩擦
を低下し、これによってアークの安定性が改善されるこ
とが観察された。
【００２７】チタニウム線は、例えば鉄、バナジウム等
の含有規定のない特別の純度規格を要しない工業的な純
チタニウム線であればどのようなものでもよい。工業的
な純チタニウムにおいては窒素の含有量は１００ｐｐｍ
（重量基準で）を超えることはない。またチタニウム線
の物理的条件は「軟質」であっても「硬質」であって
も、または「半硬質」であっても何れでもよい。
【００２８】図２に処理前のチタニウム線の顕微鏡組織
を示す。
【００２９】前窒化処理はチタニウム線に以下に示すよ
うな特性を与えるものでなければならない。 （ａ）処理後の線の表面に金色のＴｉＮフィルムを生成
する。 （ｂ）窒素含有量が５００ｐｐｍ以上増加する。 （ｃ）チタニウム線をリールから溶射用ガンに導入する
ために必要な柔軟性を確保するために線の中心部が金属
組織を保つようにする。このためには線中の窒素含有量
は最高で２０％程度に留めなければならない。
【００３０】図３に前窒化処理（焼鈍）を施したチタニ
ウム線の顕微鏡組織を示す。図３に見られるように処理
後のチタニウム線は周囲に表面から中心部に向かう結晶
成長が見られ、これに応じて表面から中心にかけて硬度
（ＶＨＮ）が高くなる変化を生ずる。
【００３１】本発明の方法は、窒化チタニウム系のコー
ティングを形成し得るあらゆる材料に適用できる。本発
明のコーティングは基板の耐摩耗性を増加させるために
きわめて有効であり、また基板を経済的に有利にコーテ
ィングすることができる。
【００３２】本発明によるコーティングは、例えばゴム
を粉砕するために用いられるハンマーミルのスクリーン
に適用すれば、従来のコーティングなしのスクリーンよ
りも２乃至２０倍の使用寿命を示す。また、金属基板上
に施された耐食性、耐摩耗性のチタニウム−窒素化合物
によるコーティングは、ビッカース・マイクロ硬さ測定
で８６０−１５００（ＶＨＮ）の範囲のきわめて高い硬
度を示し、これは一般的に使用される鋼板材料の５〜１
１倍の硬度である。
【００３３】また、本発明の溶射コーティングはハンマ
ーミル・スクリーンへの応用に加え、金属塩化物の粉砕
に使用されるエアジェット微粉砕機の部材にも使用する
ことができる。従来においては金属塩化物を粉砕する
と、粉砕機のミル内面の浸食（エロージョン）によっ
て、製品を灰色化する問題があったが、本発明のコーテ
ィングを研磨ミルに施すことによって製品の灰色化が防
止され、明らかな汚染を生ずることなく金属塩化物の粉
砕を行なうことができる。また、遠心ケルプ処理機に本
発明の溶射コーティングを施した場合には、従来使用さ
れているタングステン・カーバイトによるコーティング
よりも２倍以上の継続使用が可能になることが判明して
いる。
【００３４】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。
【００３５】本実施例においては、種々の基板材料につ
いて、溶射によって窒化チタニウムからなる均一な耐食
耐摩耗性コーティングを施した。コーティングは前処理
が施された０．０６２インチまたは０．０３０インチ
（１５．７５ｍｍまたは７．６２ｍｍ）径のチタニウム
線を使用し、窒素ガスを推進（アトマイズ）ガスとして
用いたアーク式溶射により被着させた。チタニウムの酸
化が最小限の状態でさらに一層の窒化が行なわれるよう
に推進ガスの空気を高純度の窒素と置き換えた。２個の
スプールのチタニウム線を１００〜４００アンペアで２
８Ｖおよび４８Ｖ間の電圧差でアークを発生させたガン
１２に導入した。
【００３６】他方本発明では、ＴｉｘＮ合金または準合
金コーティングにより形成される他のコーティング材料
を有する１個のリールの線をアークガンに導入した。他
のコーティング材料には鉄、クロム、ニッケル、モリブ
デン、タングステン合金および非鉄金属合金の化合物等
が含まれ、金属シース内に充填される。チタニウム線と
チタニウム以外の金属線との同時使用によって得られた
コーティングは硬度が低下するものの衝撃値は高い。
【００３７】これらの実施例における溶射の条件は次の
通りである。窒素ガス流は３０〜１３０ｐｓｉｇ（２０
６．１〜８９３．１ｋＰＡ）で行なわれた。溶融した線
の先端部および溶融滴は窒素と反応を起こし基板の表面
に窒化チタニウムのコーティングが形成された。溶射ガ
ンと基板の距離は３〜８インチ（７．６〜２０．３ｃ
ｍ）であった。基板には生成したコーティングと基板と
の接着強度が高くなるように溶射前に砂研磨を施した。
溶射によって得られたコーティングの厚さは０．００１
インチ（０．００２５ｃｍ）から数インチの範囲であっ
た。
【００３８】また別の実施態様として、種々の基板材料
に耐摩耗性および耐食性を付与するためのＴｉｘＮベー
スのセラミックあるいは金属マトリックス複合コーティ
ングの溶射について実験が行なわれた。純ＴｉｘＮコー
ティングのために前窒化した線および／または溶射され
たコーティングに窒化処理を施したものを用いることが
できるが、本発明によれば複合コーティングは準備する
必要はない。溶射されたコーティング中におけるＴｉｘ
Ｎの存在は、金属、セラミックス、プラスティックまた
はカーボン／グラファイト組成物上へ溶射されたコーテ
ィングの耐摩耗性および耐食性を改善する。
【００３９】以下に本発明の複合コーティングの効果を
示すために行なわれた幾つかの実施例について詳述す
る。表３および表４は、実施例１〜５におけるコーティ
ングを施すために行なわれる溶射のためアークガンに供
給される線の種別、溶射条件および溶射によって形成さ
れるコーティングの種類やその厚み等について示したも
のである。
【００４０】
【表３】
【００４１】
【表４】
【００４２】実施例１： ハイネス・インターナショナル社製のハステロイＣ−２
２（ニッケル合金）によって作られたロールは、高温
（３０〜２５０℃）でシリカ粉末と、塩酸に曝される化
学蒸着（ＣＶＤ）を行なう場合に、高い腐食摩耗性のた
めにしばしば操業を中断しなくてはならない。この腐食
−摩耗の問題を解決するために、ロール上に本発明の複
合コーティングの溶射を行なった。
【００４３】コーティングは２つの試験に供された。先
ず、第１の試験においては、表３および表４に示された
結果に基づき、耐塩酸腐食性のあるコーティングについ
て硬度試験を行なった。その結果を表５に示す。表５の
結果から最も硬度が高いのは前窒化チタニウム線を用い
て形成されたＴｉｘＮコーティングであり、次がハステ
ロイＢ−２および前窒化チタニウムを使用して得られた
ＴｉｘＮからなる複合コーティングであることが分かっ
た。後者は本発明によってハステロイＢ−２線と前窒化
チタニウム線とを窒素アトマイズガスを使用した同時ア
ーク式溶射によって形成される。
【００４４】
【表５】 第２の試験においては、表５の結果から、硬度の高い２
つのコーティングを選び腐食試験を行なった。なお、比
較のため高クロム耐食鋼についても試験した。その結果
を表６に示す。表６の結果から最も耐食性があるのはハ
ステロイＢ−２コーティングであり、ハステロイＢ−２
／前窒化チタニウム線ＴｉｘＮ複合コーティングが次
で、比較材の高クロム耐食ステンレス鋼は１桁劣る水準
であった。
【００４５】表５および表６の結果を総合すると、ハス
テロイＢ−２／前窒化チタニウム線ＴｉｘＮによる複合
コーティングが硬度、耐摩耗性、耐塩酸腐食性において
最も良好なバランスを示している。このことは実地試験
および製造の実施によって確認されている。
【００４６】
【表６】
【００４７】実施例２： 炭素鋼基板にアーク溶射によってコーティングを施した
一連のサンプルを準備し、乾燥砂／ゴムホイールを使用
したＡＳＴＭ−Ｇ６５Ｄ試験法によって溶射状態のま
ま、即ち未研磨でサンプルの耐摩耗性試験を行ない、表
７にその結果を示した。表７には使用サンプル別に摩耗
減量と同時に行なわれた表面硬度測定結果が表示されて
いる。
【００４８】
【表７】
【００４９】表７における乾燥砂／ゴムホイール使用の
摩耗試験および硬度測定も結果からＮ２ガス溶射によっ
て形成されるＴｉｘＮコーティングはきわめて脆性が高
く、これは、前窒化チタニウムによっても殆ど改善され
ず、コーティング中に他の金属によるバインダーを含有
させて一体化することが望ましいことが分かった。
【００５０】そしてＦｅ−２２Ｃｒ−４Ａｌステンレス
鋼はＴｉｘＮコーティングのマトリックスとして用いら
れると得られた複合コーティングは前窒化または無窒化
チタニウム使用のＴｉｘＮコーティングの表面硬度より
低いが、耐摩耗性は飛躍的に向上することが示されてい
る。他の金属バインダーの使用によっても同様の効果が
示されることは、次の表８に示されるコーティング・サ
ンプルのアルミナ・ホイール使用の促進研磨ＡＳＴＭ−
Ｇ６５Ａ試験法による耐摩耗試験法によっても観察され
た。
【００５１】
【表８】
【００５２】次に下記の仕様によるアルミナ粒子衝突ジ
ェット浸食試験装置を用いた耐摩耗性試験を行なった。 −ジェットノズル径 ：０．０４６ｃｍ −ノズルとの距離 ：１．５２ｃｍ −衝突角 ：２２．５０ −Ｎ２キャリアーガス供給圧力 ：２２１×１０３Ｐａゲージ −試験温度 ：室温 −浸食媒体 ：２０μｍｄｍ角Ａｌ２Ｏ３粒子 −浸食流体流量 ：１．６ｇ／分 −浸食率測定 ：浸食空洞の深さ（μｍ／分）
【００５３】浸食試験は前出と同様のコーティングにつ
いて実施し、同じ状態、即ち溶射したままの未研磨の表
面で行なった。表９に浸食試験の結果を示してある。
【００５４】
【表９】
【００５５】表９の浸食試験結果によれば、先の耐摩耗
性試験結果と同様に脆硬なＴｉｘＮに対する延性のある
金属バインダーの役割が明らかに示されている。浸食ジ
ェット試験はコーティングの脆性についてはより敏感で
あるが、硬度についてはあまり敏感でないので、前窒化
チタニウム線使用のコーティングと無処理チタニウム線
使用のコーティングとの間の差異は明確に示されず、チ
タニウム線と第２の金属線とを同時に使用して窒素ガス
溶射を行なったときのみ本発明の効果が明瞭に示されて
いる。
【００５６】実施例３： 炭素鋼部材の電食保護に広く用いられているアーク式溶
射アルミニウム・コーティングは、移動粒子、スラリ
ー、高速水流等との接触により速やかに摩耗してしまう
傾向がある。アルミニウム・コーティングの耐摩耗性の
改善には、電気化学的に保護された柔らかいアルミニウ
ム・マトリックス中に、硬くて不活性なセラミックス粒
子を埋め込んだ複合コーティングを形成させることによ
って達成できる。
【００５７】表１０は溶射された様々な電食保護コーテ
ィングに対する硬度を測定した結果を示したものであ
る。表１０の記載にあるように、１０％アルミナ含有ア
ルミニウムによるコーティングが試みられているが、得
られた複合コーティングは純アルミニウムよりは良好で
あるものの比較基準サンプルとして用いられた硬質の炭
素鋼板に比べると遥かに柔らかかった。これに対して本
発明による窒素ガスアーク式溶射コーティング技術を用
い、アルミニウム−アルミナ複合コーティング中にＴｉ
ｘＮ粒子を埋め込んだコーティングにおいては該炭素鋼
板に優るとも劣らない高い硬度を示すことが分かる。
【００５８】
【表１０】
【００５９】次に、本発明によるＴｉｘＮによって改善
されたアルミニウム−アルミナ・コーティングを他の比
較コーティングとともに単純暴露試験による電食保護試
験を行なった。表１１はその試験の手順を示すものであ
る。
【００６０】
【表１１】
【００６１】最終暴露試験が終った段階でサンプルと腐
食媒体の検査を行なったところ、コーティングを施さな
かったサンプル１の場合は、塩水は黒ずんで多量の錆に
よる懸濁物を含んでおり、またこのサンプルは完全に腐
食されていた。他のコーティング・サンプルはコーティ
ング面に若干のしみがあり、非コーティング面は赤茶色
の錆の発生が認められた。また、サンプル２およびサン
プル３は試験中減量は認められなかったが、コーティン
グなしのサンプル１では元の重量の１．４４％、またＴ
ｉｘＮ−Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３片面コーティング・サンプル
３では０．５６％の減量が認められた。
【００６２】結論として、サンプル４のＴｉｘＮによる
改善複合コーティングは、研磨剤を含まない静的腐食条
件下では電食保護炭素鋼板に対して、若干は劣るものの
殆ど満足できる防食効果を有することが分かった。
【００６３】実施例４： 実施例３におけるＴｉｘＮ−Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３複合コー
ティングを、実施例３のときとは幾分異なる溶射条件、
即ちアークによる溶解率を２００アンペアから１８０ア
ンペアに低下させ、また溶射ノズルとコーティング部材
との距離を６インチ（１５．２４ｃｍ）から４インチ
（１０．１６ｃｍ）に減少させて窒素ガス使用の溶射
し、これの高荷重表面硬度測定を行なった。１つのコー
ティング・サンプルは前窒化チタニウム線と１０％Ａｌ
２Ｏ３アルミナ含有アルミニウム線を、また他の１つの
コーティング・サンプルは無窒化アルミニウム線と１０
％アルミナ含有アルミニウム線を使用して得た。また比
較のため１０％アルミナ含有アルミニウム線２本使用し
たコーティング・サンプルを作成した。表１２にその測
定結果を示す。
【００６４】
【表１２】
【００６５】表１２に示すように、本実施例による新し
い窒素ガス溶射条件の下では、前窒化チタニウムの使用
は複合コーティングの硬度改善のために必ずしも必要で
ないことが分った。これは、溶射距離が短くなればなる
程、アークガンにおける供給線に対する窒素アトマイズ
ガス比が高くなること、またさらに供給線中のアルミナ
・セラミック粒子の存在によって、良好な硬度を得るた
めのチタニウム線の前窒化処理は不必要になってくるこ
とを意味するものである。
【００６６】実施例５： ＴｉｘＮコーティングの硬度は、供給チタニウム線の前
窒化、あるいはコーティングを施した基板を窒素ガス中
で後熱処理を施すことによって増加させることができ
る。そこで前窒化チタニウム線を窒素ガスアーク式溶射
することによって得られたＴｉｘＮコーティングを純窒
素ガス雰囲気下で２５０℃、２１時間の後熱処理試験を
行ない、その硬度をビッカース・マイクロ硬度計を用い
て測定した。その結果を表１３に示す。
【００６７】
【表１３】
【００６８】表１３の結果より、コーティングの硬度は
無処理チタニウム線によるものよりも前窒化チタニウム
線、即ち得られたＴｉｘＮコーティング中の窒素含有量
が大きい程高くなることが明らかになった。
【００６９】
【発明の効果】以上述べたように本発明によるときは、
公害問題を引き起こすことなく経済的且つ効率的に基板
上に耐摩耗性、耐腐食性および耐浸食性の優れたコーテ
ィングを形成させることができるので工業上きわめて有
効な発明であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するために使用される電気
アーク式溶射装置の概略説明図である。
【図２】顕微鏡による無処理のチタニウム線の金属組織
を示す写真である。
【図３】顕微鏡による前窒化処理を施したチタニウム線
の金属組織を示す写真である。
【符号の説明】
１０ 電気アーク式溶射装置 １２ アーク式溶射ガン １４ 定電圧電力装置 １６ 制御コンソース １８、２０ スプール ２２、２４ 導入ローラ ２６、２８ 溶射線 ３０ ノズル端 ３４ 基板 ３６、３８ 供給ローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドワード．アンドリュー．ヘイダッ ク．ジュニア アメリカ合衆国．19510．ペンシルバニ ア州．ブランドン．ダマスカス．ドライ ヴ．11 (72)発明者 ジョン．グレゴリー．ノース アメリカ合衆国．19464．ペンシルバニ ア州．ポッツタウン．セント．ピーター ズ．ロード．1830 (72)発明者 ロバート．ブルース．スワン アメリカ合衆国．18235．ペンシルバニ ア州．リハイトン．ジェファースン．ス トリート．307 (72)発明者 ケリー．レナード．バーガー アメリカ合衆国．18235．ペンシルバニ ア州．リハイトン．ボックス．63ビー. ロード．ナンバー７ (56)参考文献 欧州特許出願公開445538（ＥＰ，Ａ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板の表面に窒化チタニウム粒子をコー
    ティングすることにより、前記基板の耐食性及び耐摩耗
    性を強化する基板の耐食耐摩耗性の改善法であり、 チタニウムからなる第１の溶射線と、心線または全体が
    鉄、鉄合金、チタニウムを除く非鉄金属、非鉄合金、セ
    ラミックス、金属間化合物、またはこれらの組合せから
    なる第２の溶射線との２本の溶射線を使用し、さらにア
    トマイズ・推進ガスとして窒素ガスを使用したアーク式
    溶射用ガンからの排出ガスに基板を曝すことによって、
    該基板上に第２の溶射線によって形成されたマトリック
    ス中に埋め込まれた窒化チタニウム粒子よりなるコーテ
    ィングを形成することを特徴とする基板の耐食耐摩耗性
    の改善法。
  2. 【請求項２】 コーティングの厚みが少なくとも０．０
    ０１インチ（０．００２５ｃｍ）である請求項１記載の
    基板の耐食耐摩耗性の改善法。
  3. 【請求項３】 アーク式溶射ガンはチタニウム／窒素の
    比率が１乃至２であるチタニウム含有粒子を有するコー
    ティングを得るように操作するものである請求項１記載
    の基板の耐食耐摩耗性改善法。
  4. 【請求項４】 アーク式溶射ガンは１００乃至４００ア
    ンペアの範囲の電流で操作される請求項１記載の基板の
    耐食耐摩耗性改善法。
  5. 【請求項５】 アーク式溶射ガンと基板の距離は少なく
    とも該基板のオーバーヒートが起こらないだけの距離を
    保つものである請求項１記載の基板の耐食耐摩耗性改善
    法。
  6. 【請求項６】 該距離は３乃至８インチ（７．６乃至２
    ０．３ｃｍ）である請求項５記載の基板の耐食耐摩耗性
    改善法。
  7. 【請求項７】 チタニウムからなる第１の溶射線を少な
    くとも５００ｐｐｍの窒素含有量の増加があるように窒
    素中で焼鈍する請求項１記載の基板の耐食耐摩耗性改善
    法。
  8. 【請求項８】 該コーティングを選択された基板上に施
    した後、窒素雰囲気中で加熱処理をする請求項１記載の
    基板の耐食耐摩耗性改善法。
  9. 【請求項９】 該基板は金属、セラミックス、炭素、グ
    ラファイト、プラスティックまたは炭素／グラファイト
    組成物からなる請求項１記載の基板の耐食耐摩耗性改善
    法。
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