(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材上に施された、内層としてセラミックス接合性合金の溶射層を、外層としてセラミックスの溶射層を有する複合溶射被覆において、前記外層が、内側外層と外側外層の２段階で形成されており、前記内側外層の方に封孔剤を含浸させる封孔処理が施されて前記被覆の表面下30μm位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に無気孔層が形成されていると共に、前記外側外層には潤滑剤定着層として前記被覆の表面から最低30μmの厚さの未封孔層が残されていることを特徴とする複合溶射被覆。
【請求項２】
金属母材上に施された、内層としてセラミックス接合性合金の溶射層を、外層としてセラミックスの溶射層を有する複合溶射被覆において、前記内層の金属母材側に、加熱による再溶融処理が施されて前記被覆の表面下30μm位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に無気孔層が形成されていると共に、前記外層には潤滑剤定着層として前記被覆の表面から最低30μmの厚さの未封孔層が残されていることを特徴とする複合溶射被覆。
【請求項３】
前記内層は、母材と接する側の10〜50μm程度の厚さが再溶融され、前記外層と接する側の表面は溶射のままの粗面状態に維持されている、請求項２に記載の複合溶射被覆。
【請求項４】
前記セラミックス接合性合金がＣｒを含有する合金であり、前記セラミックスがＣｒ2Ｏ3基のセラミックスである、請求項１〜３のいずれかに記載の複合溶射被覆。
【請求項５】
前記セラミックス接合性合金がＡｌを含有する合金であり、前記セラミックスがＡｌ2Ｏ3基のセラミックスである、請求項１〜３のいずれかに記載の複合溶射被覆。
【請求項６】
金属母材上に、内層としてセラミックス接合性合金の溶射層を、外層としてセラミックスの溶射層を施して複合溶射被覆を形成し、該被覆の表面下30μm位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に無気孔層を形成する複合溶射被覆の形成方法において、前記内層を形成した段階で誘導加熱を短時間行って当該内層の母材と接する側を10〜50μmの厚さ再溶融させることにより、当該部分を無気孔化させると共に、前記外層には潤滑剤定着層として前記被覆の表面から最低30μmの厚さの未封孔層を残すことを特徴とする複合溶射被覆の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス接合性合金から成る内層とセラミックスから成る外層が、いずれも溶射法によって形成される複合溶射被覆に、摩耗により低下することのない耐久性を具備させるための被覆構成とその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材等の金属材料に耐摩耗・耐食性を付与する表面改質手段として、近年、溶射被覆が主流となってきている。特に、セラミックス溶射被覆は、安価であることから有力であるが、適用に際して次の点に留意を要する。
【０００３】
その一つは、金属母材への密着性であって、鋼材等の上にＡｌ2Ｏ3のようなセラミックスを直接溶射しても使用に耐える密着性は得られないという問題である。しかして、この問題はＮｉ−Ｃｒ基合金等のセラミックスが接合しやすい合金の溶射層を介してＡｌ2Ｏ3等を溶射した複合被覆とすることによって解決されている。
【０００４】
もう一つは、溶射層に特有の溶射気孔の存在である。この気孔は堆積した溶射粒子の粒界に生成するものであるから、気孔の数や大きさに応じて、母材面に連通する径路が大なり小なり形成されて、腐食性物質の浸透による母材金属の腐食が起り、被覆の剥離に至るという問題である。即ち、それ自体は十分な耐食性を有するセラミックスを外層に配していながら、被覆全体としての耐食性が確保されないケースが生じる。
【０００５】
上記気孔の問題は、溶射層が金属系の場合には再溶融処理によって解決されるが、セラミックス溶射層の再溶融処理は、試みはあるものの、実用化には至っていない。よって、従来は、セラミックス外層に封孔処理を施す対策がとられてきた。この封孔処理は、外層の表面にシリケート系，樹脂系などの封孔剤を塗布して気孔中に含浸させ、乾燥・硬化させて無気孔化させるものである。
【０００６】
しかしながら、被覆の施された部材の使用を進めていくうちに、耐食性が低下して、時期は遅れるものの、被覆の剥離が起ることがあった。しかして、封孔処理の効果が及ぶのは主として溶射層の表層部であり、深部迄は十分には及ばないことがその原因であることが判明した。即ち、セラミックス溶射層の摩耗がある程度進んだ段階で、封孔処理が十分奏効している表層部が消失して封孔効果がなくなり、この段階以降は腐食性物質の浸透による金属母材の腐食が進んで被覆の剥離に至るものである。
【０００７】
又、上記被覆面が相手部材と摺動する形で使用されるピストンロッドのような部材にあっては、摺動面に適用される油などの潤滑剤の摺動面への定着性が、被覆に含浸されている封孔剤によって阻害されて摩耗の進行が速くなり、上記表層部が消失する時期が早くなることが判った。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、外層がセラミックスから成る複合溶射被覆における上記早期剥離問題の解消を目的としたものであって、摩耗によって低下することのない耐久性を具備させるべく、セラミックス外層の表層側への封孔処理によらずに金属母材面への腐食性物質の浸透を阻止できる被覆構成とその形成方法の提供を課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべくなされた本発明複合被覆の一つは、金属母材上に施された、内層としてセラミックス接合性合金の溶射層を、外層としてセラミックスの溶射層を有する複合溶射被覆において、前記外層が、内側外層と外側外層の２段階で形成されており、前記内側外層の方に封孔剤を含浸させる封孔処理が施されて前記被覆の表面下30μm位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に無気孔層が形成されていると共に、前記外側外層には潤滑剤定着層として前記被覆の表面から最低30μmの厚さの未封孔層が残されていることを特徴とするものであり、他の一つは、金属母材上に施された、内層としてセラミックス接合性合金の溶射層を、外層としてセラミックスの溶射層を有する複合溶射被覆において、前記内層の金属母材側に、加熱による再溶融処理が施されて前記被覆の表面下30μm位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に無気孔層が形成されていると共に、前記外層には潤滑剤定着層として前記被覆の表面から最低30μmの厚さの未封孔層が残されていることを特徴とするものである。上記セラミックス接合性合金としては、前記Ｎｉ−Ｃｒ基合金の他、Ｎｉ−Ａｌ基，ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ2Ｏ3基，Ｍｏ基等の合金を例示でき、又、セラミックスとしてはＡｌ2Ｏ3基の他、Ｃｒ2Ｏ3基，ＺｒＯ2基等のセラミックスを例示できるが、いずれも限定はされない。
【００１０】
本発明において、無気孔層を表面下30μmの位置よりも母材寄りの領域内に形成させるのは、表層部が摩耗してもなお潤滑剤定着層が残るようにするために、表層部の最低30μmの厚さを未封孔層として残しておくべきことが知得されたからである。よって、上記未封孔層の厚さは更に大きく確保されてよく、このためには、無気孔層がなるべく母材に近い側に形成されているのがよい。
【００１１】
また、上記課題を解決すべくなされた本発明複合被覆の形成方法は、金属母材上に、内層としてセラミックス接合性合金の溶射層を、外層としてセラミックスの溶射層を施して複合溶射被覆を形成し、該被覆の表面下30μm位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に無気孔層を形成する複合溶射被覆の形成方法において、前記内層を形成した段階で誘導加熱を短時間行って当該内層の母材と接する側を10〜50μmの厚さ再溶融させて当該部分を無気孔化させることを特徴とするものである。
【００１２】
上記本発明によれば、腐食性物質は、金属母材面の手前のいずれかの位置に形成された無気孔層により阻止されて母材面には到達しえず、又、該無気孔層が摩耗によって消失することがなく、更には、被覆表層部への潤滑剤の定着が容易となって摩耗の進行自体も抑制されて、前記早期剥離問題が解消される。なお、上記無気孔層の厚さについては10μm程度あれば奏効することを確認している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明における前記無気孔層を形成させる好適な態様について以下に述べる。
その１は、溶射気孔中に封孔剤を含浸させる封孔処理を、従来のようにセラミックス外層の表層部本位に適用するのではなく、外層の表面下30μm位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に適用する態様である。セラミックス外層は、通常、100〜400μmの厚さに形成されるが、この厚さの外層を、内側外層と外側外層の２段階で形成するようにして、内側外層を形成した段階で封孔処理を適用する方案により上記態様が実現される。この方案による場合は、上記外側外層の厚さを30μm以上確保することが要件となるが、外側外層と内側外層とは必ずしも同材質でなくてよい。
この他、前記Ｎｉ−Ｃｒ基合金等の内層を形成した段階で封孔処理を適用し、このあとセラミックス外層を適用する方案も実施可能ではあるが、上記封孔処理がセラミックス外層と合金内層の接合を阻害するケースもあるので、セラミックス内側外層を形成した段階で封孔処理を適用する前記方案の方が、内側外層と外側外層が共にセラミックスであって、封孔処理による接合の阻害も起りにくいことから推奨されるものである。
なお、上記方案における封孔処理は、従来と同様、シリケート系，樹脂系などの封孔剤を塗布して乾燥・硬化させて行えばよい。
【００１４】
その２は、Ｎｉ−Ｃｒ基合金等の内層の金層母材側に再溶融処理を適用する態様である。上記態様は、上記合金内層を形成した段階で誘導加熱を短時間行う方案により実現される。上記誘導加熱は、合金内層が形成されたピストンロッド等の外周に誘導コイルを配し、これに交流を通電して行うが、渦電流の発生は連続体である金属母材の表層部に集中して該表層部が急速加熱されるので、上記加熱を３〜30ｓ程度の短時間に留めることにより、合金内層の母材と接する側を10〜50μm程度の厚さだけ再溶融させて、その部分を無気孔化させるものである。これにより、腐食性物質の金属母材面への浸透は十分阻止される。更には、合金内層が、通常30〜100μmの厚さに形成されることから、合金内層厚さに応じて上記再溶融厚さを設定することにより、合金内層の表面を溶射のままの粗面状態に且つ酸化膜の生成が少ない状態に維持することができて、このあと施工されるセラミックス外層が良好に接合する。又、合金内層の金属母材との接合が、上記母材側を再溶融させる処理によって強化されることは云う迄もない。
【００１５】
この他、合金内層全体を再溶融処理する方案、あるいは、合金内層の表層部のみを再溶融処理する方案も実施可能ではあるが、両方案共に合金内層の表面が再溶融により平滑化されるため、セラミックス外層の適用に先立ってブラスチングなどによる再度の粗面化処理が必要になる。又、合金内層全体を再溶融させる方案においては、大入熱による歪の残留が問題になるケースがあり、表層部のみを再溶融させる方案では、母材面との接合性が強化される利点は生じない。即ち、合金内層の母材側を再溶融させる前記方案が推奨されるものである。
なお、上記方案における再溶融処理に際しては、雰囲気制御，酸化防止剤塗布などの酸化抑制対策が適宜講じられてよい。
【００１６】
本発明は、上記その１，その２等の態様にて実施されるものであるが、既に述べたように、金属母材，合金内層，セラミックス外層相互間の接合状態の良いことが、被覆の耐久性を確保するために重要である。しかして、本発明被覆の内層をＮｉ−Ｃｒ基合金等のＣｒを含有する合金、外層をＣｒ2Ｏ3基セラミックスとする構成、及び、Ｎｉ−Ａｌ基等のＡｌを含有する合金上にＡｌ2Ｏ3基セラミックスを積層する構成が上記観点から好ましいものとなる。これは、上記合金内層の表面にＣｒ2Ｏ3又はＡｌ2Ｏ3を主体とした酸化膜の薄層が形成されるので、同系のＣｒ2Ｏ3基又はＡｌ2Ｏ3基セラミックスの接合性が優れるからである。
【００１７】
【実施例】
表１に示す溶射被覆を施した試験片を、摩耗試験とこれに続く腐食試験に供して、本発明被覆と従来被覆の性能を比較した。
【００１８】
【表１】
0003655982.tif 000002
【００１９】
＜試験片＞
Ｓ45Ｃ製円盤形試験片（径30mm，巾８mm）の外周面に表１の仕様の被覆を形成させた。なお、溶射施工は、メテコ９MB型ガンを用いてプラズマ溶射方式により行った。
＜摩耗試験＞
２輪転動接触式摩耗試験を西原式摩耗試験機により実施した。前記試験片の相手材には、同材質，同形状の裸円盤を使用し、マシン油潤滑下、荷重２MPa，回転数800rpm，スベリ度３％で10時間試験を継続し、摩耗減量を測定した。
＜腐食試験＞
上記摩耗試験後の試験片及び摩耗試験未適用の仕様No．１試験片に、JISH8617準拠のＣＡＳＳ（酢酸酸性塩水噴霧）試験を100時間適用し、腐食状況を観察した。なお、試験片の外周面以外の部分には樹脂による防食被覆を施した上で供試した。
＜試験結果＞
表２に示す。
【００２０】
【表２】
0003655982.tif 000003
【００２１】
表２の結果に見る通り、本発明例の試験片は、摩耗減量，腐食状況のいずれにおいても比較例の試験片より優れており、特に腐食状況についてその傾向が顕著である。又、摩耗試験未適用の試験片を供しNo．６試験において腐食が殆んど見られないことから、本発明例における腐食防止効果が摩耗によっても喪失しない無気孔化処理に基づくものであることが確認できた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、上述のように、Ｎｉ−Ｃｒ基合金等の内層とセラミックスの外層を、いずれも溶射法によって形成した複合被覆において、表面下30μmの位置よりも母材寄りの領域の一部の厚さ範囲に無気孔層が封孔剤を含浸させる封孔処理が施され、又は、加熱による再溶融処理が施されて形成されていることを特徴とする被覆構成により、表層側に潤滑剤定着性を確保して摩耗を低減するとともに、表層部が摩耗しても無気孔層による腐食性物質遮断機能が維持されるようにして、長期に亘る耐久性を具備させたものである。
【００２３】
セラミックス系溶射被覆は、従来、セラミックス自体の耐久性を十分活かしたものとはなっていなかったが、本発明構成により、上述の通り、耐久性減殺要因を排除することができて、セラミックスに見合った耐久性が実現された。セラミックス系溶射被覆はサーメット系溶射被覆よりも安価であるので、本発明による性能向上が産業界にもたらす利益は大きい。