(57)【要約】【課題】表面に対する動きに対応させたコーティングを施した部材およびコーティングを施した部材を作製する方法を提供する。【解決手段】コーティングを施した部材（２２）と表面（２６）との間の間隙距離（４０）がコーティングを施した部材（２２）の限界領域（３０）内に存在する。コーティングを施した部材（２２）は限界領域（３０）内に仕上がり寸法（３６）を有する。基体（４６）は、間隙距離（４０）の約７５％に等しい最小減寸深さ（５０）の減寸基体領域（４８）を有する。減寸基体領域（４８）はコーティングを施した部材（２２）の限界領域（３０）に一致する。完成コーティングスキーム（５６）は減寸基体領域（４８）にある。完成コーティングスキーム（５６）は、増寸コーティングスキーム（６０）が仕上げられて形成される。コーティングを施した部材（２２）は限界領域（３０）内に仕上がり寸法（３６）を有する。【選択図】図１
2014001453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（２６）に対する動きに適応させたコーティングを施した部材（２２）であって、
前記コーティングを施した部材（２２）と前記表面（２６）との間の間隙距離（４０）が前記コーティングを施した部材（２２）の限界領域（３０）内に存在し、前記コーティングを施した部材（２２）が前記限界領域（３０）内に仕上がり寸法（３６）を有し、
前記コーティングを施した部材（２２）は、
最小減寸深さ（５０）の減寸基体領域（４８）を備えた基体（４６）であって、前記最小減寸深さ（５０）が前記間隙距離（４０）の約７５％に等しく、前記減寸基体領域（４８）が前記コーティングを施した部材（２２）の前記限界領域（３０）に一致する、基体（４６）と、
前記減寸基体領域（４８）上の完成コーティングスキーム（５６）であって、前記完成コーティングスキーム（５６）は増寸コーティングスキーム（６０）が処理されて形成され、前記コーティングを施した部材（２２）が前記限界領域（３０）内に前記仕上がり寸法（３６）を有する、完成コーティングスキーム（５６）と、
を含む、コーティングを施した部材（２２）。
【請求項２】
前記完成コーティングスキーム（５６）がスラリー中の粒子の平均粒径の少なくとも０．７５倍の厚さであり、前記平均粒径が約２５〜約２００マイクロメートルの範囲である、請求項１に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項３】
前記基体（４６）が、鋳造、ロッドまたは薄板からの機械加工、もしくは粉末冶金技術を使用して製造された、鋼、工具鋼、ステンレス鋼、鋳鉄または超合金の１つを含む請求項１または請求項２に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項４】
前記コーティングを施した部材（２２）がポンププランジャ（２２）の軸である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項５】
前記コーティングを施した部材（２２）が、侵食性および／または腐食性スラリーを処理するために使用される羽根車である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項６】
前記完成コーティングスキーム（５６）が、侵食性および／または腐食性環境に接触する前記コーティングを施した部材（２２）の全面を被覆している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項７】
前記完成コーティングスキーム（５６）の厚さが２０マイクロメートル超である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項８】
前記最小減寸深さ（５０）が、前記間隙距離（４０）の約８０％、前記間隙距離（４０）の約８５％、前記間隙距離（４０）の約９０％、前記間隙距離（４０）の約９５％、前記間隙距離（４０）の約１００％、または前記間隙距離（４０）の約１００％超の１つに等しい、請求項１〜７のいずれか一項に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項９】
前記間隙距離（４０）が約２マイクロメートル〜約２５０マイクロメートルの範囲である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項１０】
前記間隙距離（４０）が約１０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のコーティングを施した部材（２２）。
【請求項１１】
表面（２６）に対する動きに適応させたコーティングを施した部材（２２）を作製する方法であって、
前記コーティングを施した部材（２２）と前記表面（２６）との間の間隙距離（４０）が前記コーティングを施した部材（２２）の限界領域（３０）内に存在し、前記コーティングを施した部材（２２）が前記限界領域（３０）内に仕上がり寸法（３６）を有し、
前記方法は、
最小減寸深さ（５０）を有する減寸基体領域（４８）を備えた基体（４６）を用意するステップであって、前記減寸基体領域（４８）が前記コーティングを施した部材（２２）の前記限界領域（３０）に一致し、前記最小減寸深さ（５０）が前記間隙距離（４０）の約７５％に等しい、ステップと、
増寸コーティングスキーム（６０）を前記減寸基体領域（４８）に堆積させるステップと、
完成コーティングスキーム（５６）を形成し、前記コーティングを施した部材（２２）が前記限界領域（３０）内に前記仕上がり寸法（３６）を有するように前記増寸コーティングスキーム（６０）を仕上げるステップと、
を含む、方法。
【請求項１２】
前記最小減寸深さ（５０）が、前記間隙距離（４０）の約８０％、前記間隙距離（４０）の約８５％、前記間隙距離（４０）の約９０％、前記間隙距離（４０）の約９５％、前記間隙距離（４０）の約１００％、または前記間隙距離（４０）の約１００％超の１つに等しい、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記最小減寸深さ（５０）が前記減寸基体領域（４８）の軸方向長さに沿って一定である、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記増寸コーティングスキーム（６０）を堆積するステップが、残留引張応力の低下を示す完成コーティングスキーム（５６）を提供する、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記完成コーティングスキーム（５６）の所定の深さまで圧縮応力領域を生成するのに十分な力を前記完成コーティングスキーム（５６）のコーティング面に衝突させ、クラックの伝播を防止するための手段を提供するエネルギー送達システムにより、前記完成コーティングスキーム（５６）を処理するステップをさらに含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記間隙距離（４０）が約２マイクロメートル〜約２５０マイクロメートルの範囲である、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記間隙距離（４０）が約１０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲である、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に対する動きに適応させたコーティングを施した部材およびコーティングを施した部材を作製する方法に関する。特に、本発明は、コーティングを施した部材と表面との間に厳密な公差を必要とする状況において、コーティングスキーム（ｓｃｈｅｍｅ；組織）が侵食および／または腐食に対する抵抗を提供する、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材およびコーティングを施した部材を作製するための方法に関する。このようなコーティングスキームを施すことによって、コーティングを施した部材の有効寿命および性能が向上することはもとより、コーティングを施した部材の早期かつ予期せぬ破損が低減される。これら改良により、コーティングを施した部材の全体的な価値が増加する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、往復動ポンプのプランジャなどの種々の直線摺動用途、ならびにポンプ内において圧力差を発生させるために使用される、例えば、羽根車などの回転用途において使用される特定の構成要素は、研磨性、侵食性および腐食性の固体粒子、流体およびスラリーに曝露される。理解されうるように、過剰な摩耗、侵食および／または腐食は往復動ポンプおよび渦巻ポンプなどの当該物品の性能に好ましくない。これら直線摺動および回転用途の多くに共通する条件は、互いに対して動く部品間における厳密な公差についての要件である。例えば、往復動ポンプにおいてはプランジャと、その隣接する、対応するシール、または渦巻ポンプにおいては羽根車と、その隣接するハウジングなどのような摺動嵌合部品間において適切な密封を維持するために厳密な公差が必要である。特定の規模は特定の用途によって様々であるが、少なくとも６．５ミリメートルに等しい直径を有し、約４〜約１６マイクロインチ（０．１〜０．４マイクロメートル）Ｒａに等しい表面仕上げ基準を有する部品では、一般に、典型的な厳密な公差は±０．０００５インチ（±１２．７マイクロメートル）である。
【０００３】
従来、そのような、厳密な公差を有するコーティングされた部品を作製するための典型的なプロセスは、構成要素を減寸し、その上に、あらゆる歪みまたは非同心状態に適応させるための増寸コーティングスキームを堆積させ、その後、構成要素が公差の仕様を満たすまで特定の機械加工技術を使用して増寸コーティングから材料を除去するというものであった。この前述の典型的なプロセスにおける欠点の１つは、コーティングの硬さおよび低靭性のため、構成要素を公差の仕様に準拠させるためには、費用のかかる機械加工技術を使用する必要があるということである。これら費用がかかる機械加工技術のため、従来の手法では、寸法要件を満たすために必要な研削の程度を最低限にするという試みがなされている。
【０００４】
研削の程度を最低限にするための１つの方法は、公差基準（例えば、約１０マイクロメートル）に匹敵する深さまで構成要素を減寸し、その後、正に十分に適度な厚さ（例えば、約７マイクロメートル〜約１０マイクロメートル）のコーティングを堆積させ、その後、仕様を満たすため、増寸されたコーティングを研削することである。（特許文献１）はこの種のプロセスを開示している。研削作業の公差と構成要素の同心度の組み合わせのため、この方法を使用した構成要素のコーティング厚さは、約３マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの範囲である。
【０００５】
厳密な寸法公差基準を満たす必要がある、低摩擦用途において使用される典型的な部品には、例えば、軸受、ギヤ等のような種々の自動車用途を含む。これら低摩擦かつ厳密な公差用途においては、コーティングされた面が比較的均一に摩耗するため、約３マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの厚さを有するコーティングを有する部品で十分である。しかしながら、構成要素が比較的均一に摩耗しない用途（例えば、研磨スラリーの取り扱い）がある。そのような不均一に摩耗する用途に使用される構成要素（または部品）においては、約３マイクロメートル〜約１０マイクロメートルに等しいコーティング厚さを有する部品は早期かつ予期せぬ破損につながる可能性が最も高い。研磨スラリーの取り扱いにおける早期破壊の試験では、これら早期破壊の予期せぬ原因が明らかになった。
【０００６】
スラリーが流体中に担持される研磨用硬質粒子を含むことは公知である。硬質粒子は大きさが様々であり、大きさはサブマイクロメートルから約１００マイクロメートルまで、および場合によってはそれをさらに上回る。正常動作条件下において、これら硬質粒子が部品の表面にあふれ出ることにより、侵食性および／または腐食性損傷が生じる。部品上のコーティングの目的は、硬質粒子の流れに起因する侵食性および／または腐食性損傷に抵抗するためである。さらに、動作中、硬質粒子の中には、構成要素（例えば、プランジャまたは羽根車）と、それが相対運動する表面（例えば、ポンプのシールまたは壁）との間に閉じ込められるものもあることは公知である。コーティングされた構成要素と、それが相対運動する表面との間の許容距離がわずかである（例えば、約２５マイクロメートルのオーダー）ため、閉じ込められる硬質粒子のサイズも小さい（すなわち、約２５マイクロメートル以下）。それらの小さなサイズのため、これら閉じ込められた小さな硬質粒子の負の影響はほとんど見過ごされてきた。しかし、これら小さな閉じ込められた硬質粒子は、コーティングを施した部材の有効寿命に、これまでに考えられていたものよりも大きな、顕著な負の影響を及ぼしていると考えられる。
【０００７】
（非特許文献１）に記載されているように、接触力学の原理は、粒子が表面に接触している場合、この接触による最大せん断応力が表面下に生じるため、表面下の破損を引き起こすおそれがあることを示している。最大せん断応力が到達しうる深さは「限界深さ」と呼ばれる。弾性接触状態において、最大せん断応力は粒径の約１０分の１に等しい限界深さに到達しうる。したがって、例えば、硬質粒子が２５マイクロメートルに等しい大きさのものである場合、コーティングを施した部材の限界深さは約２．５マイクロメートルとされうる。明らかになったことは、限界深さがコーティング内にとどまっていたとしても、限界深さのかなり下に相当のせん断応力がなお存在することである。
【０００８】
限界深さ下の表面下せん断応力は、限界深さの５倍を超える深さまで到達しうる。表面下せん断応力はコーティングと基体との界面を損傷するおそれがある。また、これら表面下せん断応力は基体自体を可塑的に変形するおそれがある。コーティングと基体の界面に対する損傷、ならびに基体の塑性変形は、コーティングの局所的剥離につながるおそれがあり、基体（例えば鋼）を腐食環境に曝露することになる。基体の腐食環境への曝露は、コーティングを施した部材の早期かつ予期せぬ破損につながる。したがって、表面下せん断応力がコーティングと基体との界面または基体自体に到達しないような、十分な厚さを有するコーティングスキームを有する、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材を提供することが大変望ましいことは明らかである。そのようなコーティングを施した部材を作製するための方法を提供することが非常に望まれよう。換言すると、そのような深さまで達した表面下せん断応力がコーティング内にとどまるような、十分な厚さを有するコーティングを有する、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材を提供することが非常に望ましい。そのようなコーティングを施した部材を作製するための方法を提供することが非常に望まれよう。
【０００９】
そのような深さに達した表面下せん断応力がコーティング内にとどまるような十分な厚さのコーティングを使用するコーティングを施した部材では、剥離により基体が侵食性および／または腐食性環境に曝露するおそれがあるため、コーティングの剥離が起こらないようにすることが大変望ましい。種々のコーティング材の延性ならびに耐侵食／耐腐食特性を最適化するコーティングスキーム（またはコーティング構造）の使用には利点がある。１つの手法は、延性のある、耐腐食性の金属中間層が硬質セラミック層の間にある複数層コーティング構造を使用することである。このような手法により、延性と、研磨スラリーのような媒質の好ましくない作用（例えば、侵食および／または腐食）に対する抵抗との両方が提供される。したがって、延性と耐侵食性および耐腐食性との両方を提供するために、延性のある、耐腐食性の金属中間層が硬質セラミック層の間にある複数層コーティング構造を含むコーティングスキームを有する、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材を提供することが非常に望ましい。そのようなコーティングを施した部材を作製するための方法を提供することが非常に望まれよう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，２１２，９９７Ｂ１号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｂｈａｒａｔ  Ｂｈｕｓｈａｎ，ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ  Ｌｔｄ．，（１９９９）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
その１つの形態では、本発明は、表面に対する動きに適応させたコーティングを施した部材である。コーティングを施した部材表面に写像した場合、コーティングを施した部材と隣接する表面との間の間隙距離はコーティングを施した部材のコーティングされた部分の限界領域内に存在する。コーティングを施した部材のコーティングされた部分はこの限界領域内にある仕上がり寸法を有する。コーティングを施した部材は、最小減寸深さの減寸基体領域を備えた基体を有する。この最小減寸深さは間隙距離の約７５％に等しい。減寸基体領域はコーティングを施した部材の限界領域に一致する。完成コーティングスキームが減寸基体領域上にあり、完成コーティングスキームは、増寸コーティングスキームの処理または仕上げの結果で完成コーティングスキームが形成される。コーティングを施した部材は限界領域内に仕上がり寸法を有する。
【００１３】
そのさらに別の形態では、本発明は、表面に対する動きに適応させたコーティングを施した部材を作製する方法である。コーティングを施した部材と表面との間の間隙距離はコーティングを施した部材の限界領域内に存在し、かつコーティングを施した部材は限界領域内に仕上がり寸法を有する。方法は、最小減寸深さを有する減寸基体領域を備えた基体を用意するステップであって、減寸基体領域がコーティングを施した部材の限界領域に一致しており、最小減寸深さが間隙距離の約７５％に等しい、ステップと、増寸コーティングスキームを減寸基体領域に堆積させるステップと、完成コーティングスキームを形成し、コーティングを施した部材が限界領域内に仕上がり寸法を有するように増寸コーティングスキームを仕上げるステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ポンププランジャがシールの表面に対して動く構成要素である、ポンププランジャとシールとの間の関係を示す往復動ポンプの一部の断面図である。
【図２】動作時、プランジャがシールに対して動く表面を含む、プランジャ（すなわちコーティングを施した部材）およびシールの線図である。
【図３Ａ】プランジャの基体の減寸基体領域の線図である。
【図３Ｂ】増寸されたコーティング層を上に有する基体の減寸基体領域の線図である。
【図３Ｃ】コーティングを施した部材の限界領域が仕上がり寸法を達成するため、コーティング材のいくらかを除去するために、増寸されたコーティング層を処理した後の基体の減寸基体領域の線図である。
【図４】コーティングを施した部材の限界領域内の寸法関係を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照すると、図１は、全体として２０で示される往復動ポンプの一部を示す。往復動ポンプ２０は、全般的に、ＭｃＣｏｌｌｏｕｇｈらに付与された米国特許第６，２１２，９９７Ｂ１号明細書に開示されているポンプに沿った構造を有する。米国特許第６，２１２，９９７号明細書の全体は参照によって本明細書中に組み込まれる。図１は、プランジャ軸とシール２４とを有するコーティングを施したプランジャ２２を示す。シール２４はシール表面２６を有する。コーティングを施したプランジャ２２は、表面に対する動きに適応させたコーティングを施した部材である。この表面はシール表面２６である。コーティングを施したプランジャ２２の、シール表面２６に対して動く領域は、コーティングを施したプランジャの限界領域３０、すなわち、コーティングを施した部材の限界領域（図２を参照）である。コーティングを施した部材２２の限界領域（図２の括弧３０を参照）の実際寸法は表面２６に対するコーティングを施した部材２２の動きの性質および程度によって変えることができることは理解すべきである。
【００１６】
この特定の実施形態では、および図２に示すように、コーティングを施したプランジャ２２の行程の長さは限界領域３０のサイズに影響する。図２は、シール２４の軸方向長さ３２がコーティングを施した部材２２の限界領域の軸方向長さ３１よりも短い（括弧３０を参照）ことを示す。これは、コーティングを施した部材２２がシール２４に対して往復動するように動くことが理由である。相互の動きの程度は、コーティングを施した部材２２の、シール表面２６と協働する（またはシールに影響する）部分が限界領域３０を画定する軸方向長さ３１を有するほどである。したがって、コーティングを施した部材２２の領域、すなわち限界領域３０は、限界領域３０の軸方向長さ３１がシール２４の軸方向長さ３２よりも長いという点でシール２４よりも長い軸方向長さを有する。
【００１７】
さらに図２を参照すると、コーティングを施した部材（コーティングを施したプランジャ２２）は、限界領域３０内に仕上がり寸法３６を有する。コーティングを施した部材２２とシール２４との相対的な空間的位置が設けられる、すなわち、写像される場合、それらの間には間隙距離４０がある。換言すると、仕上がり寸法３６を有するコーティングを施した部材２２と、コーティングを施した部材２２の限界領域３０内の（シール２４の）表面２６との間に間隙距離４０がある。図２の図は、構成要素と間隙距離４０との間の関係について教示するため構成要素の相対的なサイズを誇張したものである。間隙距離４０の規模を特定の用途の性質によって変えることができることを理解すべきである。間隙距離４０の例示的な範囲は約２マイクロメートル〜約２５０マイクロメートルの範囲とされうる。間隙距離４０の別の範囲は、（１）約５マイクロメートル〜約１２５マイクロメートル、（２）約１０マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、（３）約２０マイクロメートル〜約３０マイクロメートルである。ある例示的な間隙距離４０は約２５マイクロメートルに等しい。
【００１８】
図３Ａを参照すると、コーティングを施したプランジャ２２は、低減されたサイズを有する減寸基体領域（括弧４８を参照）を備えた基体４６を有する。減寸基体領域４８は、前に図２に示した、コーティングを施した部材２２の限界領域３０に一致する。換言すると、基体の、コーティングを施した部材２２の限界領域３０を形成する部分は減寸基体領域４８である。
【００１９】
基体の材料は特定の用途によって変えることができる。基体は、以下の材料、鋳造、ロッドまたは薄板からの機械加工、もしくは粉末冶金技術を使用して製造された、鋼（低炭素鋼を含む）、工具鋼、ステンレス鋼または超合金のいずれか１つとすることができる。材料の特定の種類は、例えば、ＣＡ６ＮＭなどのステンレス鋼もしくは３００系または４００系ステンレス鋼とされうる。基体は、４１４０または４３４０等のような鋼材であってもよい。さらに、基体は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）［連邦商標登録（Ｆｅｄｅｒａｌ  Ｔｒａｄｅｍａｒｋ  Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）第３０８，２００号で示されるＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎ  Ａｌｌｏｙｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ，Ｗｅｓｔ  Ｖｉｒｇｉｎｉａ  ２５７０５の登録商標］であっても、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）［連邦商標登録（Ｆｅｄｅｒａｌ  Ｔｒａｄｅｍａｒｋ  Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）第２６９，８９８号によって示されるＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．，Ｋｏｋｏｍｏ，Ｉｎｄｉａｎａ  ４６９０４の登録商標］材であっても、類似のニッケルベースの合金であってもよい。
【００２０】
図３Ｃを参照すると、減寸基体領域４８は、低減されたサイズ５２を達成するため最小減寸深さ５０に等しい量減寸されている。最小減寸深さ５０は間隙距離４０の約７５パーセント（７５％）に等しい。これが意味することは、減寸基体領域４８の減寸の最少量は間隙距離４０の約７５パーセント（７５％）に等しいということである。減寸とは、コーティングを施した部材２２の仕上がり寸法３６に対する、減寸基体領域４８の寸法を意味するものである。減寸基体領域４８の位置はコーティングを施した部材２２の限界領域３０に一致する。換言すると、減寸基体領域４８は、低減されたサイズ５２と最小減寸深さ５０を２倍したものとの合計が仕上がり寸法３６に等しくなるように減寸される。他の代案として、減寸基体領域４８の減寸の程度は、間隙距離４０の約８０パーセント（８０％）または約８５パーセント（８５％）、または約９０パーセント（９０％）または約９５パーセント（９５％）または約１００パーセント（１００％）に等しくされうる。減寸基体領域４８の減寸の程度は、特定の用途によっては、間隙距離４０の１００パーセント（１００％）を超えることができと考えられる。さらに、完成コーティングスキーム５６のコーティング厚さはスラリー中の粒子の平均粒径の約７５パーセント（７５％）であってもよい。典型的な平均粒径は約２５マイクロメートル〜約２００マイクロメートルの範囲である。
【００２１】
図３Ｃを参照すると、コーティングを施した部材２２は減寸基体領域４８上に完成コーティングスキーム５６を有する。通常、完成コーティングスキーム５６の厚さは約２０マイクロメートル超である。完成コーティングスキーム５６は、増寸コーティングスキーム６０（図３Ｂを参照）が処理され、完成コーティングスキーム５６が形成された結果であり、コーティングを施した部材２２は、限界領域３０内に仕上がり寸法３６を有する。完成コーティングスキーム５６を形成するために増寸コーティングスキーム６０を処理する技術には、ダイヤモンド研磨を含む。増寸コーティングスキーム６０を処理するための他の適切な技術には、研削または高硬度旋削を含む。完成コーティングスキーム５６が、侵食性および／または腐食性環境に接触する、コーティングを施した部材２２の全面を被覆することは理解すべきである。
【００２２】
完成コーティングスキーム５６の組成およびコーティング構造は、コーティングを施した部材（例えばプランジャ）が組み込まれる特定の用途によって変えることができる。プランジャの場合、コーティングスキームは、炭窒化チタンシリコンまたは炭窒化チタンクロムシリコンまたはタングステン−炭化タングステンまたは金属酸化物、金属炭化物または金属窒化物の単一層またはナノ複合材とすることができる。さらなる例示的なコーティングスキームとして、コーティングスキームは複数層を含むことができる。この層は、金属、セラミックまたは複合材の１つとすることができる。例示的な金属材料は、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、タングステンまたはハフニウムである。例示的なセラミック層は、窒化チタン、炭窒化チタン、チタン窒化アルミニウム、炭窒化チタンアルミニウムシリコンおよび炭化タングステンである。例示的な複合材層は、タングステン−炭化タングステン、炭窒化チタンシリコン（ナノ複合材構造）、炭窒化シリコン、炭化タングステン−コバルト、炭化タングステン−ニッケルおよびニッケル−ダイヤモンドを含む。代案として、上記コーティングスキームのそれぞれは、基体上のボンディングコーティング層を含みうる。ボンディングコーティング層は、チタン、ニッケル、クロムまたはシリコンのいずれか１つを含みうる。
【００２３】
コーティングを堆積させるための１つの適切な技術はプラズマ強化マグネトロンスパッタリング（ＰＥＭＳ）法である。ＰＥＭＳ法については、Ｗｅｉらに付与された、耐侵食性コーティング（ＥＲＯＳＩＯＮ  ＲＥＳＩＳＴＡＮＴ  ＣＯＡＴＩＮＧＳ）という名称の米国特許出願公開第２００９／０２１４７８７Ａ１号明細書に示され、かつ記載されている。さらに、ＰＥＭＳ法については、Ｗｅｉらによる論文、「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｉｃｋ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ  ａｎｄ  ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ  ｆｏｒ  ｓａｎｄ  ｅｒｏｓｉｏｎ  ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ」，  Ｓｕｒｆａｃｅ  ＆  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１（２００６），ｐｐ．４４５３−４４５９に示され、かつ記載されている。さらに、適切なコーティング方法は、Ｈｏｌｚｌらに付与された米国特許第４，４２７，４４５号明細書およびＬａｋｈｏｔｋｉｎらに付与された米国特許第６，８００，３８３号明細書に示されている。加えて、プロセスには、化学気相成長法（ＣＶＤ）または物理気相蒸着法（ＰＶＤ）のような気相からの、もしくはスラリーまたは化学溶液のような液体媒体からの他の堆積法を含みうる。これら他の堆積技術は、基体を過度に歪ませない温度に関して特定のプロセス要件を満たしていなければならない。典型的な堆積温度は５２０℃を超えず、別の選択肢としては、５００℃を超えない。これら他の堆積技術また、所望の寸法および性能特性を得るためにツールの設計要件を満たさなければならない。
【００２４】
完成コーティングスキーム５６の他の有利な物理的特性は、１００Ｋｇ超のロックウェル押し込み強さ（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ  ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を使用した密着性、ＡＳＴＭ  Ｇ６５−０４（２０１０）［“Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ａｂｒａｓｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｄｒｙ  Ｓａｎｄ／Ｒｕｂｂｅｒ  Ｗｈｅｅｌ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ”］試験を使用した耐摩耗性（耐摩耗性はコーティングを施していない基体の耐摩耗性の１０倍超）、酸、硫化物およびブライン溶液などに耐性のある耐腐食性、ＡＳＴＭ  Ｇ７６−０７［“Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｅｒｏｓｉｏｎ  Ｔｅｓｔｓ  ｂｙ  Ｓｏｌｉｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ  Ｕｓｉｎｇ  Ｇａｓ  Ｊｅｔｓ”］試験を使用した耐侵食性（耐侵食性は、コーティングを施していない鋼基体または超硬（コバルト）炭化タングステン基体の耐侵食性の２倍）、硬さ（コーティングは約１０００ＨＶ超の硬さを有していなければならない）、基体の硬さはコーティングの塗布により４ＨＲＣ超低下してはならない、摩擦係数が、アルミナ（酸化アルミニウム）ボールに対して１ＧＰａの応力にて実施したＡＳＴＭ  Ｇ９９［ＡＳＴＭ  Ｇ９９−０５（２０１０）“Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｗｅａｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｐｉｎ−ｏｎ−Ｄｉｓｋ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ”］ピンオンディスク摩耗試験において０．４未満に等しい、均一性（視認可能な傷、視認可能な剥離または視認可能な露出面がない）、ならびにコーティングを施した部材の色の均一性である。
【００２５】
図３Ａ〜図３Ｃの組を参照すると、この組は、表面２６に対する動きに適応させたコーティングを施した部材２２を作製するための方法の基本ステップを示す。コーティングを施した部材２２と表面２６との間の間隙距離４０はコーティングを施した部材２２の限界領域３０内に存在し、コーティングを施した部材２２は限界領域３０内に仕上がり寸法３６を有する。方法は以下のステップを含む。
【００２６】
第１のステップは基体を用意するステップである。本明細書中で上述したように、基体は本明細書中で上記した材料のいずれか１つとすることができる。
【００２７】
次のステップは、減寸基体領域４８を形成するために基体４６を最小減寸深さ５０まで減寸するステップである。最小減寸深さは減寸基体領域４８の軸方向長さに沿って一定である。減寸基体領域４８はコーティングを施した部材２２の限界領域３０に一致する。最小減寸深さ５０は間隙距離の約７５％に等しい。他の代案として、減寸基体領域４８の減寸の程度は、間隙距離４０の約８０パーセント（８０％）または８５パーセント（８５％）、または９０パーセント（９０％）または９５パーセント（９５％）または１００パーセント（１００％）に等しくされうる。減寸基体領域４８の減寸の程度は、特定の用途によっては、間隙距離４０の１００パーセント（１００％）を超えることができると考えられる。
【００２８】
上述した最初の２つのステップ、すなわち、基体を用意するステップと、基体を減寸するステップの代案として、方法は、最小減寸深さを有する減寸基体領域を備えた基体を提供することができる。
【００２９】
次のステップは、増寸コーティングスキーム６０を減寸基体領域４８に堆積させるステップである。増寸コーティングスキーム６０は増寸サイズ６１を有する（図３Ｂを参照）。増寸コーティングスキーム６０は複数層を含むことができ、これら層は、金属、セラミックまたは複合材の１つとすることができる。例示的な金属材料は、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、タングステンまたはハフニウムである。例示的なセラミック層は、窒化チタン、炭窒化チタン、チタン窒化アルミニウム、炭窒化チタンアルミニウムシリコンおよび炭化タングステンである。例示的な複合材層は、タングステン−炭化タングステン、炭窒化チタンシリコン（ナノ複合材構造）、炭窒化シリコン、炭化タングステン−コバルト、炭化タングステン−ニッケルおよびニッケル−ダイヤモンドを含む。増寸コーティングスキーム６０を有するコーティングを施した部材は、完成コーティングスキーム５６を有するコーティングを施した部材２２と比較して、例えば、数マイクロメートルなどのわずかな量増寸されることが一般的である。換言すると、増寸サイズ６１と仕上がり寸法３６との間の差は数マイクロメートルの２倍のオーダーである。このようなわずかな量だけ増寸することにより、仕上がり寸法に到達するためコーティングを施した部材に必要とされる研削、研磨等の程度が最小限になる。仕上がり寸法を得るために研削、研磨等の程度を最小限にすることは有益である。
【００３０】
コーティングを塗布するために使用される特定のプロセスは本明細書中で上記されており、Ｗｅｉらに付与された米国特許出願公開第２００９／０２１４７８７Ａ１号明細書に示され、かつ記載されているＰＥＭＳ法を含む。ＰＥＭＳ法は、Ｗｅｉらの論文、「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｉｃｋ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ  ａｎｄ  ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ  ｆｏｒ  ｓａｎｄ  ｅｒｏｓｉｏｎ  ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ」，  Ｓｕｒｆａｃｅ  ＆  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１（２００６），ｐｐ．４４５３−４４５９に記載されている。コーティングの方法は、米国特許第４，４２７，４４５号明細書および米国特許第６，８００，３８３号明細書に示されている。
【００３１】
最終ステップは、完成コーティングスキーム５６を形成するため増寸コーティングスキーム６０を処理するステップである。これにより、コーティングを施した部材２２は限界領域３０内に仕上がり寸法３６を有する。このステップにおいては、適切な技術の１つがダイヤモンド研磨である。ダイヤモンド研磨のようなコーティング後処理は、コーティング内の残留引張応力を低減することができる。通常、このような低減はコーティング特性に有利である。ダイヤモンド研磨は、また、コーティングを施した部材２２を寸法公差仕様および表面仕上げ仕様にすることができる。コーティングを施した部材２２は、厚さの許容均一性を示す構成要素に沿って有利な機械的特性および摩擦特性ならびに寸法公差を有しうる。他の適切な技術には、ダイヤモンド研削、電解研磨または研削を含む。処理ステップは、増寸コーティングスキーム６０に比べて低い残留引張応力を示す完成コーティングスキーム５６を生じることが一般的である。
【００３２】
上記コーティング法の完了後の選択として、コーティングを施した部材は、コーティング層の所定の深さまで圧縮応力領域を生成するほどの十分な力をコーティング面に衝突させるエネルギー送達システムにさらすことができ、それにより、クラックの伝播を防止するための手段を提供する。例示的なエネルギー送達システムにはショットピーニングまたは据え込みを含む。
【００３３】
一例（試料Ａ）を基準材料に対して試験した。基準材料は、コーティングを施していないＡＩＳＩグレード４２０Ｃステンレス鋼である。試料Ａは、コーティングスキームを堆積させた基体を含むものであった。コーティングスキームは、基体と、化学気相成長法（ＣＶＤ）によって基体に塗布されたＷＣ／Ｗコーティング層とを含み、このため、ＣＶＤベースのコーティングであった。ＷＣ／Ｗコーティングは約５０マイクロメートルに等しい厚さを有するものであった。試料Ａについては、基体は鋼であり、低温ＣＶＤ技術は、数マイクロメートルのニッケル金属を鉄ベースの基体に塗布するステップと、この部分を真空中において約５００〜５２０℃に加熱するステップと、加熱した気体反応生成物をこの部分に流すステップと、その後、不活性雰囲気中で室温まで冷却するステップと、の基本ステップを含むものであった。
【００３４】
試料Ａを、標準的な化学液浸試験において、ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４およびＨＦに浸漬することにより、酸への耐性について試験した。反応性は重量変化および外観により測定した。摩擦係数は、ＡＳＴＭ  Ｇ９９−０５（２０１０）［“Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｗｅａｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｐｉｎ−ｏｎ−Ｄｉｓｋ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ”］試験方法を使用し、アルミナボールを用いて約１ＧＰａの応力で試験した。コーティングは層間剥離に耐え、かつ低摩擦を示した。耐摩耗性は、ＡＳＴＭ  Ｇ６５−０４（２０１０）［“Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ａｂｒａｓｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｄｒｙ  Ｓａｎｄ／Ｒｕｂｂｅｒ  Ｗｈｅｅｌ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ”］試験方法を使用して求められた。この結果を以下、表１に説明する。
【表１】
2014001453.tif 000003
【００３５】
上の表１の結果に基づくと、試料Ａのコーティングが、低温堆積、低摩擦および良好な耐摩耗性の良好な組み合わせを示した。具体的には、「良好」の評価は「許容」の評価と比べると良いため、試料Ａのコーティングにおける酸への耐性はコーティングを施していない物品における酸への耐性よりも良好であった。摩擦係数は、コーティングを施していない物品に比べて試料Ａのコーティングにおいてより低い摩擦を示した。最後に、試料Ａのコーティングにおける耐摩耗性は、コーティングを施していない物品の耐摩耗性に比べてかなり良好であった。すなわち、１０〜４０倍良好であった。
【００３６】
本発明は、向上した、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材と、コーティングを施した部材を作製するための方法とを提供することは明らかである。コーティングは、コーティングを施した部材と表面との間に厳密な公差を必要とする状況において、侵食および／または腐食に対する抵抗を提供する。
【００３７】
本発明は、向上した、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材と、コーティングを施した部材を作製するための方法とを提供することは明らかである。寸法要件を満たすために必要な、費用がかかる研削処置を排除はしないまでも、低減する。
【００３８】
本発明は、向上した、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材と、コーティングを施した部材を作製するための方法とを提供することは明らかである。コーティングを施した部材は、小さな硬質粒子がコーティングを施した部材と、それが相対的に動く表面との間に閉じ込められた場合でさえも耐侵食性および耐腐食性を提供する。
【００３９】
本発明は、向上した、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材と、コーティングを施した部材を作製するための方法とを提供することは明らかである。コーティングは、表面下せん断応力がコーティングと基体との界面または基体自体に到達しないような、十分な厚さのものである。さらに、本発明は、向上した、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材と、コーティングを施した部材を作製するための方法とを提供することは明らかである。コーティングは、そのような深さに達した表面下せん断応力がコーティング内にとどまるような十分な厚さを有する。
【００４０】
本発明は、向上した、表面に対する動きのためのコーティングを施した部材と、コーティングを施した部材を作製するための方法とを提供することは明らかである。コーティングスキームが複数層コーティング構造を含み、延性と耐侵食性および耐腐食性との両方を提供するために、延性のある、耐腐食性金属中間層が硬質セラミック層の間にある。
【００４１】
本明細書中に示される特許および他の文書は参照により本明細書に組み込まれる。本発明の他の実施形態は、当業者には、明細書の考察または本明細書中に開示される本発明の実施から明らかとなろう。明細書および実施例は単に例証的なものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明の実際の範囲および精神は以下の特許請求の範囲によって示される。
【符号の説明】
【００４２】
２０  往復動ポンプ
２２  コーティングを施したプランジャ
２４  シール
２６  表面
３０  限界領域
３１  軸方向長さ
３２  軸方向長さ
３６  仕上がり寸法
４０  間隙距離
４６  基体
４８  減寸基体領域
５０  最小減寸深さ
５２  低減されたサイズ
５６  完成コーティングスキーム
６０  増寸コーティングスキーム
６１  増寸サイズ
４２０Ｃ  ＡＩＳＩグレード
Ａ  試料
ＣＶＤ  低温
【図１】
2014001453.tif 000004
【図２】
2014001453.tif 000005
【図３Ａ】
2014001453.tif 000006
【図３Ｂ】
2014001453.tif 000007
【図３Ｃ】
2014001453.tif 000008
【図４】
2014001453.tif 000009