JPS61570A - Powder for thermal spraying - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain a thermal spraying material for forming a sprayed film having superior resistance to heat, corrosion and wear at a low cost by mixing powders of high-carbon ferrochrome, stainless steel and a self-fluxing alloy in a specified ratio. CONSTITUTION:The thermal spaying material for forming a sprayed film consisting of 25-82% Cr, 5-51% Ni, 1.3-7% C, 0.5-7% Si, 0.1-2.0% B and the balance Fe and having superior resistance to heat, corrosion and wear, especially abrasive wear on the surface of a metallic material is obtd. by mixing 40-80% high-carbon ferrochrome of <=150mum size with 10-50% stainless steel powder and 10-50% atomized powder of a self-fluxing alloy consisting of 60-89% Ni, 0-20% Cr, 1-4% B, 2-5% Si and 0.1-1% C. A sprayed film having said superior characteristics can be formed by using the inexpensive starting materials.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属材料の表面に皮膜を形成するための溶射用
粉末材料に関し、特に耐摩耗性、耐アブレシブ摩耗性、
耐食性にすぐれた皮膜を得るのに適した安価な溶射用粉
末に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a powder material for thermal spraying for forming a film on the surface of a metal material, and in particular, it has excellent abrasion resistance, abrasive wear resistance,
The present invention relates to an inexpensive thermal spray powder suitable for obtaining coatings with excellent corrosion resistance.

近年、内燃機関の小型軽量化と高出力化の要求が高まり
、内燃機関用部材に対して、より高度な耐摩耗性、耐焼
付性が要求されるに至っている。In recent years, there has been an increasing demand for internal combustion engines to be smaller and lighter and to have higher output, and internal combustion engine components are now required to have higher wear resistance and seizure resistance.

従来、かかる要求に対しては部材表面にポーラスクロム
メッキを施こされ、高融点・高硬度を有し、かつ耐食性
に優れ、しかも潤滑油を適当に保持することから重用さ
れてきた。しかし最近の材料に対する要求のうち、耐摩
耗性、特に耐アブレシブ摩耗性に関して満足する特性が
得られていないのが実状である。Conventionally, in order to meet such requirements, porous chromium plating has been applied to the surface of parts, which has been widely used because it has a high melting point, high hardness, excellent corrosion resistance, and retains lubricating oil appropriately. However, the current situation is that, among the recent requirements for materials, properties that satisfy the wear resistance, particularly abrasive wear resistance, have not been obtained.

そこでこれらの要求に答えるため、金属材料の表面に溶
射皮膜を形成し、耐摩耗性、耐食性、潤滑性を向上させ
る試みが多数提案されている。従来、溶射材としてはそ
の皮膜に要求される特性に応じ、各種の金属粉末、酸化
物粉末、あるいはこれらの複合粉末がある。これら溶射
材の中で機械部材に使用しうる硬さ、耐摩耗性、耐食性
を有し、かつ溶射面が良好な仕上げ面とすることが可能
なものとしてはモリブデン、コバルト、ニッケル等の金
属や、ニッケル、クロムを主体とした自溶性合金や各種
サーメット、あるいはクロミア、チタンカーバイド等の
セラミック材料がある。しかしながら、現在使用されて
いるセラミック溶射材では高硬度だが脆く、高荷重で衝
撃が加わる環境では著しく摩耗する欠点を有する。また
、各種金属材料のうち、モリブデンや自溶性合金ば溶射
作業も容易ですぐれた性能を有しており、相対的摩耗に
おいてもかなりの好結果を得ている。しかしながら高温
における耐酸化性および耐摩耗性において、最近の内燃
機関に課せられた過酷な条件に絶えることができず、さ
らに優れた耐摩耗性、耐焼付性が求められている。In order to meet these demands, many attempts have been made to form thermal spray coatings on the surfaces of metal materials to improve wear resistance, corrosion resistance, and lubricity. Conventionally, thermal spray materials include various metal powders, oxide powders, and composite powders thereof, depending on the characteristics required for the coating. Among these thermal spraying materials, metals such as molybdenum, cobalt, and nickel have the hardness, wear resistance, and corrosion resistance that can be used for mechanical parts, and can provide a good thermal sprayed surface finish. There are self-fusing alloys mainly composed of nickel and chromium, various cermets, and ceramic materials such as chromia and titanium carbide. However, the ceramic sprayed materials currently in use have the disadvantage that although they have high hardness, they are brittle and wear out significantly in environments where high loads and impacts are applied. Furthermore, among various metal materials, molybdenum and self-fusing alloys are easy to thermally spray and have excellent performance, and have obtained fairly good results in terms of relative wear. However, in terms of oxidation resistance and wear resistance at high temperatures, they cannot withstand the harsh conditions imposed on modern internal combustion engines, and even better wear resistance and seizure resistance are required.

本発明の目的は溶射皮膜が耐熱性、耐食性、耐摩耗性に
優れ、特に耐アブレシブ摩耗に優れた性能を発揮し、し
かも溶射作業が容易で皮膜面を平滑に仕りげることが可
能であり、かつ安価な溶射材料を提供することに有る。The purpose of the present invention is to provide a thermal spray coating that has excellent heat resistance, corrosion resistance, and abrasion resistance, and in particular exhibits excellent performance in abrasive wear resistance, and that the thermal spraying process is easy and the coating surface can be finished smoothly. The object of the present invention is to provide a thermal spraying material that is also inexpensive.

本発明の溶射材は前記の性質を有するので機械部材、特
に内燃機のピストンやシリンダー等の摺動部分の表面を
被覆するのに好適である。Since the thermal spray material of the present invention has the above-mentioned properties, it is suitable for coating the surfaces of mechanical parts, particularly sliding parts such as pistons and cylinders of internal combustion engines.

本発明のは耐摩耗性に寄与する硬質相成分として、高硬
度でかつ安価なフェロクロム中のクロム（・鉄カーバイ
ド（（Ｃｒ　、Ｆｅ）７Ｃ３）を利用し、クロム・鉄カ
ーバイドの持つ欠点である靭性不足を補うため、バイン
ダー相成分として低硬度ではあるが靭性に優れ、かつ耐
食性も良好なステンレス鋼と中程度の硬度を有し、靭性
も備えた自溶性合金とを混合し、クロム争鉄カーバイド
の靭性不足から生ずるクラックの発生を防止し、耐摩耗
性、耐食性に優れた強靭な溶射皮膜を得られるようにし
たものである。たとえばこれまで用いられてきた高炭素
フェロクロム（ＦＣｒＨ）とモリブデン（Ｎｏ）からな
る溶射材による皮膜では、高硬度ではあるが靭性が不足
しており、大荷重下では耐摩耗性が劣っていた。また、
低炭素フェロクロム（ＦＧｒＬ）とＦＧｒＨｌＭＯとＦ
ＣｒＩ、からなる溶射材を用いた皮膜でも同様に靭性不
足から耐摩耗性に難点があった。すなわち、耐摩耗性を
有する高硬変相の靭性不足に起因する粒子の脱落を何ら
かのバインダー相を使用して防止する必要がある。この
ような靭性不足による耐摩耗粒子の脱落の傾向は、高硬
度の材料はど大きく、またこれは材料の本来の性質にも
依存する。The present invention uses chromium (-iron carbide ((Cr, Fe)7C3) in ferrochrome, which has high hardness and is inexpensive, as a hard phase component that contributes to wear resistance, and overcomes the drawbacks of chromium-iron carbide. In order to compensate for the lack of toughness, we mixed stainless steel, which has low hardness but excellent toughness and good corrosion resistance, with a self-fusing alloy that has medium hardness and toughness as a binder phase component, and created a chromium-based alloy. This prevents the occurrence of cracks caused by the lack of toughness of carbide, making it possible to obtain a tough thermal sprayed coating with excellent wear resistance and corrosion resistance.For example, the high carbon ferrochrome (FCrH) and molybdenum Although the coating made of thermal sprayed material (No.) had high hardness, it lacked toughness and had poor wear resistance under heavy loads.
Low carbon ferrochrome (FGrL) and FGrHlMO and F
Similarly, coatings using a thermal spray material made of CrI had problems in wear resistance due to lack of toughness. That is, it is necessary to use some kind of binder phase to prevent the particles from falling off due to insufficient toughness of the hard, wear-resistant phase. The tendency for wear-resistant particles to fall off due to lack of toughness is greater in highly hard materials, and this also depends on the original properties of the material.

たとえば、溶射皮膜としてのＮｏは硬度はＨマー４００
〜６００　とあまり大きくはないが、ＭＯ本来の脆性の
ために皮膜の脱落が起り、結果的に大荷重下での摩耗、
あるいはアブレシブ摩耗は大きくなる。For example, the hardness of No as a thermal spray coating is Hmer 400.
~600, which is not very large, but due to the inherent brittleness of MO, the film falls off, resulting in wear and tear under heavy loads.
Alternatively, abrasive wear increases.

一方、これらの点を改良するために自溶性合金相をバイ
ンダー成分として使用する試みもある。On the other hand, in order to improve these points, there are also attempts to use a self-fusing alloy phase as a binder component.

自溶性合金相は硬度はＨマ；４００〜６００で合金自身
の靭性も良好であるが、融点が低く強度も大きいために
溶射皮膜の張力が大きく、粒子間結合力は弱い。したが
って摺動摩擦面の皮膜を観察すると、ＭＯやＦＣｒＨで
は個々の皮膜の粒子内でクラックによる破壊が進行し脱
落していくが、自溶性合金ではこの破壊の単位が太きく
、大荷重下での脱落はより大きい。すなわち、大荷重下
での摺動摩擦下では著しく摩耗することになる。The self-fusing alloy phase has a hardness of Hma; 400 to 600, and the alloy itself has good toughness, but since the melting point is low and the strength is high, the tension of the sprayed coating is large and the bonding force between particles is weak. Therefore, when observing the coating on the sliding friction surface, in MO and FCrH, the fracture due to cracks progresses within the individual particles of the coating and it falls off, but in the case of self-fusing alloys, the units of this fracture are large, and it does not occur under heavy loads. Shedding is greater. In other words, significant wear occurs under sliding friction under heavy loads.

本発明では上記の欠点を解消するため、バインダー相と
して硬度がＨマ＝２００〜４００と比較的低いが靭性に
優れ、かつ皮膜内の張力が比較的小さいステンレス銅相
を用いるとともに、硬度がＨｖ＝４００〜６００程度で
靭性も有する自溶性合金を併用することにより、大荷重
下での耐摩耗性を向−ヒさせることにある。In order to eliminate the above-mentioned drawbacks, the present invention uses a stainless copper phase as a binder phase, which has a relatively low hardness of Hv = 200 to 400, but has excellent toughness, and has a relatively low tension within the film. By using a self-fluxing alloy having toughness of about 400 to 600, the wear resistance under heavy loads is improved.

さらにステンレス鋼はそれ自身、耐酸化性、耐熱性、耐
食性にも優れ、溶射性も良好である。Furthermore, stainless steel itself has excellent oxidation resistance, heat resistance, corrosion resistance, and thermal sprayability.

本発明の溶射材はフェロクロム粉末４０〜８０重量％と
ステンレス鋼粉末１０〜５０重量％、自溶性合金粉末１
０〜５０重量％とを混合して得られるものであり、その
組成はクロム２０〜６０重量％、ニッケル５〜５１重量
％、炭素１．３〜７重量％、シリコン０．５〜７重量％
、ホウ素０．１〜２．０重量％を含み、残部が鉄および
付随的不純物となるように定められる。この場合、炭素
はクロムと鉄との炭化物として含まれることが必要であ
り、クロムまたはニッケルは鉄との合金をなしているこ
とが必要であざ。The thermal spraying material of the present invention includes 40-80% by weight of ferrochrome powder, 10-50% by weight of stainless steel powder, and 1% by weight of self-fusing alloy powder.
The composition is 20-60% by weight of chromium, 5-51% by weight of nickel, 1.3-7% by weight of carbon, and 0.5-7% by weight of silicon.
, 0.1 to 2.0% by weight of boron, with the balance being iron and incidental impurities. In this case, carbon must be included as a carbide of chromium and iron, and chromium or nickel must be alloyed with iron.

各成分の限定理由は次のとおりである。The reasons for limiting each component are as follows.

炭素はクロムφ鉄とカーバイドを形成して耐摩耗性に寄
与することから、炭素が１．３重量％以下ではカーバイ
ドが不足し、硬度が低くて耐アブレシプ摩耗性が劣り、
炭素が７重量％以上では、カーバイドが多すぎて皮膜が
脆化する結果となる。Carbon forms carbide with chromium φ iron and contributes to wear resistance, so if carbon is less than 1.3% by weight, carbide is insufficient, resulting in low hardness and poor abrasion wear resistance.
If the carbon content is 7% by weight or more, there will be too much carbide and the film will become brittle.

クロムはクロム・鉄カーバイドとして存在する他に鉄と
の合金をなして靭性改善に寄与することから、総量とし
ては２５〜６２重量％含ませる必要がある。クロムが２
５重量％以下では硬度が不足し耐ラッピング摩耗特性が
低下し、６２重量％以上ではかえって脆くなる。Since chromium exists as chromium-iron carbide and also forms an alloy with iron and contributes to improving toughness, it is necessary to include the total amount in an amount of 25 to 62% by weight. chrome is 2
If it is less than 5% by weight, the hardness will be insufficient and the lapping wear resistance will deteriorate, and if it is more than 62% by weight, it will become brittle.

ニッケル、シリコン、ホウ素はクロムと共に合金相を形
成して存在すると硬度および靭性が増加し、耐アブレシ
ブ摩耗性にすぐれたものとなる。When nickel, silicon, and boron exist together with chromium to form an alloy phase, hardness and toughness increase, resulting in excellent abrasive wear resistance.

好ましい組成範囲はニッケル５〜５１重量％、シリコン
０．５〜７重量％、ホウ素０．１〜２．０重量％であり
、これは自溶性合金量から限定されるものである。The preferred composition range is 5 to 51% by weight of nickel, 0.5 to 7% by weight of silicon, and 0.1 to 2.0% by weight of boron, which is limited by the amount of self-fusing alloy.

溶射材の残部は鉄または鉄とニッケルおよび付随的不純
物からなり、鉄または鉄とニッケルは主としてクロムと
の合金をなしている。The remainder of the spray material consists of iron or iron and nickel and incidental impurities, with the iron or iron and nickel being primarily alloyed with chromium.

シＮｉは靭性を増して耐アブレシブ摩耗特性を向上させ
る効果を有するので適量を含んでいても良い。Ｎｉの適
量は５〜１３重量％であり、あまり多量に添加するとか
えって耐摩耗性が劣化する。Since Ni has the effect of increasing toughness and improving abrasive wear resistance, it may be included in an appropriate amount. The appropriate amount of Ni is 5 to 13% by weight; adding too much will actually deteriorate the wear resistance.

その他の成分はステンレス鋼中への添加元素として含ま
れる程度のものが含まれていても、本発明の効果を得る
上で特に支障はない。Even if other components are included to the extent that they are added to stainless steel, there is no particular problem in obtaining the effects of the present invention.

本発明において使用するフェロクロム粉末は、クロム・
鉄カーバイドを利用するから市販の高炭素フェロクロム
を使用するのが必須である。その他には本発明の要件を
満たす範囲で中炭素フェロクロムあるいは低炭素フェロ
クロムを用いてもさしつかえない。これらのフェロクロ
ム粉末はインゴットを機械的に粉砕するか、あるいは溶
湯に気体を吹きつける等の方法で得られる。フェロクロ
ム粉末粒子の大きさは１５０　ｐ、　ｍ以下、好ましく
は１０〜７４ｐｍに整粒したものが好ましい。The ferrochrome powder used in the present invention is chromium.
Since iron carbide is used, it is essential to use commercially available high carbon ferrochrome. In addition, medium carbon ferrochrome or low carbon ferrochrome may be used as long as the requirements of the present invention are met. These ferrochrome powders can be obtained by mechanically crushing an ingot or by blowing gas onto a molten metal. The size of the ferrochrome powder particles is preferably 150 pm or less, preferably 10 to 74 pm.

また本発明において使用するステンレス鋼粉末はＳＵＳ
　４３０に代表されるフェライト系ステンレス鋼や、Ｓ
Ｏ８３０４に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼
さらにはＳＵＳ　３１Ｅｉに代表されるＭＯ入りのステ
ンレス鋼でも使用可能である。ステンレス鋼粉末は一般
にアトマイズ法によって製造され、好ましい粉末の粒子
の大きさはフェロクロム粉末と同様１５０Ｂｍ以下で、
特に１０〜７４＃Ｌｍに整粒したものが良い。In addition, the stainless steel powder used in the present invention is SUS
Ferritic stainless steel represented by 430, S
Austenitic stainless steels such as O8304 and MO-containing stainless steels such as SUS 31Ei can also be used. Stainless steel powder is generally produced by the atomization method, and the preferred powder particle size is 150 Bm or less, similar to ferrochrome powder.
Particularly good is one sized to 10 to 74 #Lm.

自溶性合金は一般に使用されているＮｉ：６０〜８７％
、Ｃｒ：０〜２６％、Ｂ　：　１．０〜４．０％、Ｓｉ
：２〜５％、Ｃ：０．１〜１％からなる合金を使用する
。自溶性合金は通常はアトマイズ粉末を整粒して使用す
る。Self-fusing alloys are commonly used Ni: 60-87%
, Cr: 0-26%, B: 1.0-4.0%, Si
An alloy consisting of C: 2 to 5% and C: 0.1 to 1% is used. Self-fusing alloys are usually used by sizing atomized powder.

以上の粉末を所定の割合に配合し、均一に混合して溶射
用粉末とする、 本発明は経済性の点から単に混合したままで使用するが
、適当なバインダーを使用して複合粉末として使用して
も何らさしつかえない。その場合も粒子径は１５０ルｍ
以下、好ましくは１０〜７４μｍに整粒すると溶射作業
性が良くなることは言うまでもない。The above powders are blended in a predetermined ratio and mixed uniformly to make a powder for thermal spraying.In the present invention, from an economical point of view, the powder is used as it is, but it can also be used as a composite powder by using an appropriate binder. Even if you do, there is nothing wrong with that. In that case, the particle size is also 150 lm.
It goes without saying that thermal spraying workability will be improved if the particles are sized to preferably 10 to 74 μm.

次に実施例をあげて本発明を説明する。Next, the present invention will be explained with reference to Examples.

実施例 表１に示すようなフェロクロム粉末とステンレス銅粉末
と自溶性合金粉末とを表２に示す割合で均一混合して溶
射材とした。EXAMPLES Ferrochrome powder, stainless steel copper powder, and self-fusing alloy powder as shown in Table 1 were uniformly mixed in the proportions shown in Table 2 to prepare a thermal spraying material.

（以下余白） 次に上記溶射材を使用して溶射皮膜を作り、硬度測定（
Ｈマ）、ブラストエロージョンテスト（Ｂ、Ｅ。(Left below) Next, a thermal spray coating was made using the above thermal spray material, and the hardness was measured (
Hma), blast erosion test (B, E).

Ｔｅｘｔ）　、　　ラップテスト（ＬＰ　Ｔｅ５ｔ）を
実施した。各テストの条件は次のとおりであった。Text), a lap test (LP Te5t) was conducted. The conditions for each test were as follows.

１、溶射材料 溶射装置；プラズマダイン社製 溶射装置　Ｓ　Ｇ　−１００ 条　　　件；　Ａｒ＝　４０１　／ｓｉｎ　、　Ｈｅ＝
　１５Ｊ１　／ｍａｉｎ　。1. Thermal spraying material Thermal spraying equipment; Thermal spraying equipment manufactured by Plasmadyne SG-100 Conditions: Ar=401/sin, He=
15J1/main.

ｐｏｗｄｅｒ　ｇａｓ（Ａｔ）＝　７．５１／ｗｉｎ。powder gas (At) = 7.51/win.

ｐｏｗｄｅｒ量＝　５０ｇ／ｗｉｎ。Powder amount = 50g/win.

入力＝　８０ＯＡ、　３５Ｖ。Input = 80OA, 35V.

溶射距離＝　１００ｍｍで溶射 ２、試験条件 （１）断面硬度測定（Ｈマ（０，５））通常の鋼材上に
０．３ｍｍｔ溶射し、切断後研磨し、島津製作所製マイ
クロビッカーズ硬度計にて荷重５００ｇで測定 （２）ブラストエロージョン試験（Ｂ、Ｅ、Ｔｅｘｔ）
■サンプルサイズ ５０Ｘ　８０Ｘ　３　　鋼材上に０．３＋ｗｍｔ溶射■
試溶射性 試験スト装置；不二製作所製ＦＤＫ−２型ノズル内径＝
　９ｍｍ＋、距離＝　１０（ｌｖｍ。Spraying distance = 100mm, thermal spraying 2, test conditions (1) Cross-sectional hardness measurement (Hma (0,5)) 0.3mmt thermal spraying on normal steel material, cutting and polishing, using a Shimadzu Micro Vickers hardness meter. Measured with a load of 500g (2) Blast erosion test (B, E, Text)
■Sample size 50X 80X 3 0.3+wmt thermal spraying on steel material■
Trial spraying test device; Fuji Seisakusho FDK-2 type nozzle inner diameter =
9mm+, distance = 10 (lvm.

ブラスト圧力＝　４．０ｋｇ／　ｃ　ｒｎ”　。Blasting pressure = 4.0kg/crn”.

ブラスト材；昭和電工部Ａ−４０゜ 粒度＝−３２メツシュ＋６０メツシュ。Blasting material: Showa Denko Department A-40° Particle size = -32 mesh + 60 mesh.

試験片ノズル角＝３ｏ”。Test piece nozzle angle = 3o”.

ブラスト時間＝　１０ｓｅｃ （３）ラップテスト（ＬＰ　Ｔｅｘｔ）■サンプルサイ
ズ 外径１１０ｍｍＸ内径１００ｍｍＸ　５＋＋＋＋＊ｔリ
ング面に０．３ｍｍｔ溶射 ■試験条件 ラップ装置；ツートン製ラップマスタ−１２荷重＝　５
ｋｇ、試験時間＝　２０＋ｓｉｎ。Blasting time = 10 sec (3) Lap test (LP Text) ■Sample size Outer diameter 110mm x Inner diameter 100mm x 5+++++*t 0.3mmt thermal spray on ring surface ■Test conditions Wrap device; Two-tone Lap Master 12 Load = 5
kg, test time = 20+sin.

研磨材；昭和電工部Ａ−Ｅ１００ＩＩ、　２０　ｇ／文
。Abrasive material: Showa Denko Department A-E100II, 20 g/text.

研磨材使用量；　１０ｇ／１０ｍ１ｎ使用以上の測定結
果を表２に併記する。Amount of abrasive used; Table 2 also shows the measurement results when using 10 g/10 m1n or more.

結果から明らかなとおり、本発明による溶射材を使用し
た溶射皮膜はフーロクロム単独やステンレス鋼単独の溶
射皮膜に比較して優れた耐摩耗性を備えていることがわ
かる。これは単に組成を一致させるだけでなく、クロム
・鉄カーバイドとステンレス鋼の有する効果を兼ね備え
た結果書られる特有の効果である。As is clear from the results, it can be seen that the thermal sprayed coating using the thermal spraying material according to the present invention has superior wear resistance compared to the thermal sprayed coating made of fluorochrome alone or stainless steel alone. This is a unique effect resulting from not only matching the composition, but also combining the effects of chromium/iron carbide and stainless steel.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] クロム２５〜８２重量％、ニッケル５〜５１重量％、炭
素１．３〜７重量％、シリコン０．５〜７重量％、ホウ
素０．１〜２．０重量％を含み、残部が鉄および付随的
不純物より成る組成を有するごとくフェロクロム粉末と
ステンレス鋼粉末と自溶性合金粉末粉末とを混合してな
ることを特徴とする溶射用粉末。Contains 25-82% by weight of chromium, 5-51% by weight of nickel, 1.3-7% by weight of carbon, 0.5-7% by weight of silicon, 0.1-2.0% by weight of boron, and the balance is iron and related materials. 1. A thermal spraying powder comprising a mixture of ferrochrome powder, stainless steel powder, and self-fusing alloy powder having a composition consisting of impurities.