(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生成される微粒化粉の組成がクロム８２〜９０重量％と炭素２〜６重量％と、或いはさらにホウ素、ケイ素、マンガン、及びリンから選択された一種以上を１重量％以下と、残部が７．９重量％以上のニッケルとよりなるように、クロムと、炭素と、ホウ素、ケイ素、マンガン、及びリンから選択された一種以上と、ニッケルとを溶融して液体流を形成する段階と、気体、液体及びこれらの混合物から成る群から選択される高圧の微粒化流を衝突させて前記液体流を小液滴に破砕する段階と、この液滴を凝固させてニッケルクロム金属のマトリックス中に炭化クロムの粒子を分散させた微粒化粉を形成する段階とから成るニッケルクロムのマトリックス中に炭化クロムの粒子を分散させた微粒化粉の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ニッケルクロムのマトリックス中に炭化クロムの粒子を分散させた微粒化粉の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微粒化技術は液体を小液滴に破砕する技術であって通常は高速のジェット又はフィルムの中で行なわれる。アルミニウム、黄銅、ニッケル合金、コバルト合金、耐摩耗鋼等の高品質の粉を製造する場合にはこの微粒化技術が用いられてきた。簡単に定義すると、“微粒化”とは液体を典型的には約１５０μｍ以下の小液滴に破砕することをいう。水またはガスの高速ジェットを衝突させて液体流を破砕することをそれぞれ水微粒化またはガス微粒化と呼ぶ。遠心力を用いて液体流を破砕することは遠心微粒化として知られており、真空を用いる場合は真空微粒化、超音波エネルギーを用いて液体流を有効に破砕する場合は超音波微粒化として知られている。微粒化プロセスのパラメーターを調整することにより粒子径、粒子径分布、粒子形状、化学組成及び粒子の微細構造を変えることができる。
【０００３】
現在金属の微粒化粉の大半は従来法である水またはガスの微粒化プロセスにより製造されている。水微粒化粉は一般的に形が不ぞろいであり、表面酸素含量が比較的多い。一方ガス微粒化粉は一般的により球状またはより角の無い形をしており、不活性ガスを用いて微粒化した場合は一般に酸素（酸化物）含量が低い。典型的な微粒化のための設備を構成する主な装置としては、溶解装置、微粒化チャンバー、及び粉乾燥装置（水微粒化のため）がある。金属の溶融は通常の手順に従って行なわれる。この溶融には空気、不活性ガス又は真空での誘導溶融、アーク溶融、及び燃料加熱が適している。
【０００４】
溶融した金属を鋳型用じょうご（Ｔｕｎｄｉｓｈ）に注ぐ。この鋳型用じょうごは基本的にじょうごのノズルに溶融した金属を均一にしかも制御しながら供給するための貯水槽の役割をしている。この鋳型用じょうごの基部にあるノズルは金属流の形と大きさとを制御し、微粒化ノズル装置に金属流を流通させる。この微粒化ノズル装置で金属流は高速の微粒化媒体により小さな液滴に分断される。液状の液滴は微粒化タンクの底に沈殿するにつれて冷えて固まる。この粉の酸化を防止又は最少化するために、このタンクを不活性ガスでパージしてもよい。ガス微粒化する時にこの粉を乾燥した粒子として集めるか又はタンクの底で水冷却してもよい。乾燥した状態で集める場合は、粉が収集室の底に着く前に確実に固化するように微粒化タンクは高くしてもよい。また長くて水平なタンクを用いて水平のガス微粒化を行なうこともできる。微粒化プロセスのパラメーターを制御して希望する粉製品を製造するために、ガス又は水のノズルには種々のタイプが知られている。
【０００５】
単一のオリフィスノズルを通過する典型的な金属流の流速は約４．５〜９０Ｋｇ／分（約１０〜２００ポンド／分）であり、典型的な流水の流速は１１４〜３７９リットル／分（３０〜１００ガロン／分）であって、この場合の水の速度は７０〜２２９ｍ／秒（２３０〜７５０フィート／秒）であり、圧力は５６〜２１１Ｋｇ／ｃｍ2（８００〜３，０００ｐｓｉ）であることがこの分野では明らかである。ガスの圧力が３．５〜８４．３Ｋｇ／ｃｍ2（５０〜１，２００ｐｓｉ）の範囲での典型的なガス流の流速は１．１〜４２．５ｍ3／分（４０〜１５００ｃｆｍ）（標準状態）の範囲にある。ガスの速度はノズルのデザインに依存するが１８ｍ／秒（６０フィート／秒）から超音速の間の範囲である。その金属の融点と溶融した金属が微粒化する時の温度（溶融した金属の過熱状態）との温度差は一般には約７５〜３００℃（１３５〜５７２°Ｆ）である。これら以外にも粉製品を製造するために知られている微粒化プロセスに関する変数がある。
【０００６】
米国特許第５，１２６，１０４号には、熱スプレーコートに適したニッケル−クロム−ホウ素−ケイ素合金、モリブデン金属粉、及びＣｒ3Ｃ2／ＮｉＣｒ合金から成るよく混ざった粉の混合物を製造するための方法が開示されている。この方法は、上記の二つの合金の初期混合物をモリブデン粉と共に粉砕して平均粒径（直径）が約１０μｍより小さい粉砕混合物を製造する段階と、その粉砕混合物とアンモニアモリブデン酸塩化合物またはポリビニルアルコールであってもよいバインダーとからなる水性スラリーを生成する段階と、粉砕混合物とバインダーとを凝集する段階とから成る。その混合物とバインダーを還元性の雰囲気で約８００〜９５０℃で充分な時間焼結させると、嵩密度が約１．２ｇ／ｃｃより大きく焼結して一部合金化した混合物を生成する。その結果生成した焼結混合物を不活性キャリアーガスにのせて、アルゴン又はアルゴンと水素との混合物のプラズマ炎の中に導入してその中で充分な時間保持すると、焼結混合物の粉粒子が基本的に全て溶融して溶融した部分が球状の粒子を生成し、焼結混合物をさらに合金化するので、この粒子を冷却する。
【０００７】
米国特許第３，８４６，０８４号には、独特の摩耗及び摩擦特性を有する物品やコーティングの製造に使用する複合材粉が開示されている。この複合材粉は基本的にクロムのマトリックスとＣｒ23Ｃ8、Ｃｒ7Ｃ3及びＣｒ3Ｃ2からなる炭化物の一群から選択された少なくとも一つの炭化クロムとから成り、各粒子が約０．２〜約５．４重量％の炭素を含む。米国特許第４，７２５，５０８号には、熱スプレープロセスに使用するための炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ2）粉の使用法が開示されている。この炭化クロム粉の多くは従来から知られている焼結技術を用いて製造されている。微粒化プロセス自体は１９４５年から知られているが、微粒化プロセスを炭化クロム相が大きい容積比率を占める粉を製造するために用いることは認められていなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、ニッケルクロムのマトリックス中に炭化クロムの粒子を分散させた微粒化粉を製造することにある。
この発明の別の目的は、低コストの原料を用いて最小限の製造工程で粉を製造することにある。
この発明のさらに別の目的は、ニッケルクロムのマトリックス中に炭化クロムの粒子を分散させた微粒化粉であって、その粉中のクロム含量が８２〜９０重量％、炭素含量が２〜６重量％、或いはさらにホウ素、ケイ素、マンガン、及びリンから選択された一種以上を１重量％以下、及び残部が７．９重量％以上のニッケルである微粒化粉を製造することにある。
さらに、この発明の目的は、基体の上に微粒化粉を熱堆積させて前記基体の上に接着コーティングを製造することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ニッケルクロムのマトリックス中に炭化クロムの粒子を分散させた微粒化粉の製造方法に関する。この方法は、クロム、炭素、及びニッケルを溶融して液体流を形成する段階と、気体、液体及びこれらの混合から成る群から選択される高圧の微粒化流を衝突させて液体流を小液滴に破砕する段階と、この液滴を凝固させてニッケルクロム金属のマトリックス中に炭化クロムの粒子を分散させた微粒化粉を形成する段階とから成る。生成された微粒化粉はクロム５２〜９０重量％、炭素２〜６重量％、或いはさらにホウ素、ケイ素、マンガン、及びリンから選択された一種以上を１重量％以下、及び残部が７．９重量％以上のニッケルよりなる。
【００１０】
この発明の方法の新規な点は、水微粒化法またはガス微粒化法により炭化クロム相が大きい容積比率を占める炭化クロム−ニッケルクロム粉を製造するためにクロム、ニッケル及び炭素を溶融しうることが利用できることを認識したことにある。この発明の別の新規な点は、クロムと炭素の含量を変えることにより、炭化クロムのタイプ（Ｃｒ7Ｃ3及びＣｒ23Ｃ6）、その量（容積％）及びニッケルクロムのマトリックス中に分散した炭化クロム微粒子(Grain) のサイズを制御できる点にある。このマトリックス中のクロムに対するニッケルの比率も考慮すべきである。クロムの量を多くしてニッケルの量を少なくすると、より硬くより耐食性で、より耐摩耗性のバインダー相が形成される。
【００１１】
微粒化により溶融状態から作られた微粒化粉の中のクロム重量含量が高いこと（８２重量％以上）はこの発明の独特で新規な点である。さらに高いクロム含量と炭素の存在の結果、微細（サブミクロン又はミクロン）炭化クロム相が高い容積率を占めることになり、このこともこの発明の微粒化粉の独特で新規な点である。また微粒化粉粒子は基本的に球状の形状をしていることが好ましい。
【００１２】
この発明の一つの具体例では、まず炭化クロム化合物、ニッケルクロム合金、クロム、ニッケル、及び炭素からなる群から選択される少なくとも二つの構成成分を溶融して液体流を作る。この液体流を好ましくは１３００〜１９００℃に、より好ましくは１５００〜１８００℃に、最も好ましくは１６５０〜１７５０℃に加熱する。微粒化粉の炭化クロム相の容積比率は０．２５より大きいことが好ましい。この容積比率は０．５以上であることがより好ましく、約０．７であることがさらに好ましい。
水微粒化プロセスを用いる場合は、微粒化水の圧力は４２〜３５２Ｋｇ／ｃｍ2（６００〜５０００ｐｓｉ）であることが好ましい。ガス微粒化プロセスを用いる場合は、微粒化ガスの圧力は３．５〜８５Ｋｇ／ｃｍ2（５０〜１２００ｐｓｉ）であることが好ましい。微粒化流体の圧力は液体流を直径が１〜３００μｍの液滴に破砕（分断）するのに充分であるべきである。
【００１３】
液体流を構成する成分は、クロム含量が全粉の８２重量％以上であり、かつ炭素が炭化クロム相の容積比率が０．２５以上になるように充分なものであるべきである。この粉はＣｒ7Ｃ3、Ｃｒ23Ｃ6及びこれらの混合物を含むのが好ましい。ニッケルクロムマトリックスに分散した炭化クロム微粒子の容積比率は０．２５以上であることが好ましく、より好ましくは０．３５〜０．８０である。炭化クロム微粒子の径は１〜２０μｍであることが好ましく、２μｍと最大でも１０μｍの間であることがより好ましい。炭化クロム微粒子の径と容積比率はクロムと炭素の含量を変えることで調整できる。微粒化粉中のクロムに対するニッケルの重量比率はその金属マトリックスの中で０．３０〜０．７０であることが好ましい。上で述べたように金属マトリックス中のクロムの含量を増やしニッケルの含量を減らすと、より硬くより耐食性でより耐摩耗性のコーティングを製造するために使用できる粉を作ることができる。この発明の粉は熱堆積コーティングやオーバーレー（被覆）及び溶接オーバーレーの製造に用いられ、高速酸素燃料、プラズマ及び／又はディトネーション・ガンを使用する種々の用途に用いられる。
【００１４】
この発明の方法で製造された微粒化粉は、ニッケル−クロムマトリックスに分散した炭化クロム粒子から成り、その粉中のクロム含量は８２〜９０重量％であって、その粉中の炭素含量は２〜６重量％であって、その粉中のニッケル含量は残部（４〜１６重量％）である。
いくつかの応用例においては、液体流の融点抑制剤又はフラックスとしてホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）等からなる群から選択される少なくとも一つの成分を添加することも有効である。一般的にこれら添加剤の量はその粉の５重量％以下、好ましくは０．０３〜２．０重量％である。
【００１５】
【実施例】
参考例１
炭化クロム２７重量％とニッケルクロム７３重量％の混合物を約１７００℃に加熱して液体流を作った。５６．２Ｋｇ／ｃｍ2（８００ｐｓｉ）の圧力のアルゴンガスから成る微粒化流を用いて液体流を液滴に破砕し、その液滴を固化して微粒化粉を作った。その粉の組成は、Ｃｒが約７５．５重量％、Ｎｉが２１重量％及び炭素が約３．５重量％であった（図１を参照）。
実施例１
炭化クロム３２重量％とニッケルクロム６８重量％の混合物を約１７００℃に加熱して液体流を作った。５６．２Ｋｇ／ｃｍ2（８００ｐｓｉ）の圧力のアルゴンガスから成る微粒化流を用いて液体流を液滴に破砕し、その液滴を固化して微粒化粉を作った。その粉の組成は、Ｃｒが約８８重量％、Ｎｉが約８重量％及び炭素が約４重量％であった（図２を参照）。
【００１６】
参考例２
クロム６０重量％、ニッケル３８．３重量％及び炭素１．７重量％の混合物を約１７００℃に加熱して液体流を作った。５６．２Ｋｇ／ｃｍ2（８００ｐｓｉ）の圧力のアルゴンガスから成る微粒化流を用いて液体流を液滴に破砕し、その液滴を固化して微粒化粉を作った。その粉の組成は、Ｃｒが６０重量％、Ｎｉが３８．３重量％及び炭素が１．７重量％であった（図３を参照）。
参考例４
炭化クロム１１．５重量％、クロム６５．５重量％、ニッケル２１重量％及び炭素２重量％の混合物を約１７００℃に加熱して液体流を作った。５６．２Ｋｇ／ｃｍ2（８００ｐｓｉ）の圧力のアルゴンガスから成る微粒化流を用いて液体流を液滴に破砕し、その液滴を固化して微粒化粉を作った。その粉の組成は、Ｃｒが約７５．５重量％、Ｎｉが２１重量％及び炭素が約３．５重量％であった（図４を参照）。この発明の方法を用いて製造した好ましい微粒化粉を以下の表１に示す。
試料１〜１２は参考例、試料１３〜２１は実施例である。
【００１７】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【図１】図１に参考例１で作成した炭化クロム−ニッケルクロム粉の微粒化粒子の５００倍の顕微鏡写真を示す。その粒子が中濃度の炭素と中濃度のクロムから生じた大きな炭化物の微粒子（Ｃｒ7Ｃ3及びＣｒ23Ｃ6）を含んでいるのがわかる。
【図２】図２に実施例１で作成した炭化クロム−ニッケルクロム粉の微粒化粒子の２００倍の顕微鏡写真を示す。その粒子が高濃度の炭素と高濃度のクロムから生じた大きな炭化物の微粒子（Ｃｒ7Ｃ3）を含んでいるのがわかる。
【図３】図３に参考例２で作成した炭化クロム−ニッケルクロム粉の微粒化粒子の５００倍の顕微鏡写真を示す。その粒子が低濃度の炭素と低濃度のクロムから生じた小さな炭化物の微粒子（Ｃｒ23Ｃ6）を含んでいるのがわかる。
【図４】図４に参考例３で作成した炭化クロム−ニッケルクロム粉の微粒化粒子の図１と同様な２００倍の顕微鏡写真を示す。その粒子が中濃度の炭素と中濃度のクロムから生じた大きな炭化物の微粒子（Ｃｒ7Ｃ3及びＣｒ23Ｃ6）を含んでいるのがわかる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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