(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品を加工する方法であって、
基材と、該基材に施されたコバルト−燐めっきからなるコバルト−燐コーティングと、を有する物品を熱処理し、
前記熱処理を用いて前記コバルト−燐コーティングの少なくとも１つの物理特性を変え、前記物品の性能特性を変化させる、
ことを含み、
前記コバルト−燐コーティングの少なくとも１つの物理特性を変えることが、前記コバルト−燐コーティングと前記基材との間の接合強度を変えることを含み、
該方法は、
前記コバルト−燐コーティングの初期の硬度を維持しつつ前記コバルト−燐コーティングの接合強度を変えるような熱処理温度を選択し、
熱処理温度を、４３５°Ｆ±１５°Ｆ（２２４℃±１０℃），５５０°Ｆ±１５°Ｆ（２８８℃±１０℃）のうちのいずれかから選択する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記熱処理を９０分間行うことを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
チタン基材と、
前記チタン基材上に接合され、５００ＨＶより大きな硬度を有するコバルト−燐コーティングと、
からなる複合材物品であって、
前記コバルト−燐コーティングは、めっき後の特性に関して熱処理によって変わって、前記基材との接合強度が増加しているが、めっき後の硬度は維持されており、
前記コバルト−燐コーティングが、６ｗｔ％より大きく９ｗｔ％以下の燐を含み、
前記コバルト−燐コーティングが、コバルト−燐マトリクスの内部に分散された硬質粒子を含み、
前記硬質粒子がクロムカーバイドおよびシリコンカーバイドのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする複合材物品。
【請求項４】
前記コバルト−燐コーティングが、実質的にコバルト、燐および硬質粒子からなることを特徴とする請求項３に記載の複合材物品。
【請求項５】
前記コバルト−燐コーティングが、４ｗｔ％〜９ｗｔ％の燐を含むことを特徴とする請求項３に記載の複合材物品。
【請求項６】
前記基材および前記コバルト−燐コーティングが、アクチュエータ部品の形状に形成されることを特徴とする請求項３に記載の複合材物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保護コーティングに関し、詳しくは、磨耗耐性を提供するために施されるコバルトおよび燐を含む保護コーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
磨耗が生じるような条件のもとで、様々な種類の部品が広く使用されている。これに関して、いくつかの部品には、その部品の望ましい寿命に亘って磨耗を抑制するために、保護コーティングが使用される。例えば、保護コーティングとしてクロムめっきが使用されている。しかし、クロムの使用が規制されていることにより、クロム以外の代替的な種類のコーティングが必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
クロムコーティング以外のコーティングも利用することができるが、クロムコーティングと同様の性能を与えるクロムコーティング以外のコーティングおよびその加工方法を見つけるという課題が残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
開示例のコバルト−燐コーティングは、クロムコーティングの代用物として意図するものであり、本明細書中の実施例は、所望の設計要求を満足するとともにクロムコーティングの機能性と同等または同等以上の機能性を満足し得る物理特性を有するコバルト−燐コーティングを提示する。
【０００５】
コバルト−燐コーティングが施された物品を加工する方法が、例えば、物品の基材にコバルト−燐コーティングが施されたその物品を熱処理することと、この熱処理を用いてコバルト−燐コーティングの少なくとも１つの物理特性を変え、延いてはその物品の性能特性を変化させることと、を含む。例えば、コバルト−燐コーティングの硬度、コバルト−燐コーティングと基材との接合強度、或いはこれらの両方を修正するように、熱処理を行う。硬度や接合強度を修正することによって、例えば、物品の磨耗耐性を向上させることができる。
【０００６】
本発明の方法は、コバルト−燐コーティングが施されるアクチュエータなどの種々の物品に使用することができる。例えば、コバルト−燐コーティングは、アクチュエータ本体のボアの表面、および／または、少なくとも部分的にこのボア内に可動に配置されたシャフトの表面に施すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、一例としての物品１０の選択された部分を概略的に示し、この物品１０は、本明細書中の開示例から恩恵を受け得る様々な種類の物品を代表する。この例においては、物品１０は、基材１２と、この基材１２に施されたコバルト−燐コーティングと、を含む。一般に、基材１２は、この基材１２に磨耗を生じさせるような比較的厳しい環境に晒されている。これに関して、コバルト−燐コーティング１４は、磨耗、腐食などから基材１２を保護する。
【０００８】
基材１２としては、物品１０での使用に適した様々な種類の材料がある。例えば、基材１２としては、チタン（例えば、チタン合金）がある。しかし、他の実施例においては、他の種類の金属、金属合金または他の材料が代用され得ることを理解されたい。
【０００９】
コバルト−燐コーティング１４は、種々の適当な技術を用いて基材１２に堆積させることができる。一例として、係属中の米国特許出願１１／６５３，５２５号明細書に開示されている技術があるが、これに限らない。他の技術を代用してもよいことを理解されたい。
【００１０】
コバルト−燐コーティング１４は、実質的にコバルトおよび燐のみを含む。しかし、コバルト−燐コーティング１４内で測定されない又は検出できないくらいの量で、コバルト−燐コーティング１４の特性に悪影響を与えない他の要素が不純物として含まれていてもよいことを理解されたい。コバルト−燐コーティング１４は、燐よりも多くの量のコバルトを含み得る。すなわち、コバルト−燐コーティング１４は、コバルト基合金である。一実施例においては、コバルト−燐コーティング１４は、公称で約４ｗｔ％〜９ｗｔ％の量の燐と、残りの割合のコバルトと、を含む。他の実施例においては、コバルト−燐コーティング１４は、公称で６ｗｔ％より多く９ｗｔ％以下の燐と、残りの量のコバルトと、を含む。６ｗｔ％より多く９ｗｔ％以下の燐は、加工中に発生する内部応力を低減することに寄与し、クラッキングに対してある程度の耐性を与える。本明細書中で組成や他の値に関して使用する「約」という語句は、当技術分野で通常許容される変動や誤差などの、所定の値に存在し得る差異について言及している。
【００１１】
図２は、物品１００の他の例を示し、同様の構成要素を同様の参照番号で示している。この例においても、物品１００は基材１２を含むが、前述の例のコバルト−燐コーティング１４の代わりにコバルト−燐コーティング１１４が使用されている。コバルト−燐コーティング１１４は、前述の例のコバルト−燐コーティング１４といくらか類似しているが、コバルト−燐コーティング１１４は、コバルト−燐マトリクス１１８の内部に硬質粒子１１６が拡散されている点で異なる。硬質粒子１１６は、マトリクス１１８よりも硬い。従って、硬質粒子１１６は、コバルト−燐コーティング１１４の全体の硬度を増大させることができる。
【００１２】
マトリクス１１８は、上記に示したような組成としてコバルト−燐コーティング１４に用いることができる。すなわち、マトリクス１１８は、４ｗｔ％〜９ｗｔ％の燐を含んでいてもよく、或いは６ｗｔ％より多く９ｗｔ％以下の燐を含んでいてもよい。あるいは、コバルト−燐コーティング１１４の全体の重量に対する燐の量を、４ｗｔ％〜９ｗｔ％とすることができ、或いは６ｗｔ％より多く９ｗｔ％以下にすることができる。
【００１３】
硬質粒子１１６は、コバルト−燐コーティング１１４の所望の物理特性を実現する種々の適切な種類のカーバイドとすることができる。硬質粒子１１６は、例えば、クロムカーバイド（Ｃｒ3Ｃ2）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはこれらの両方を含む。この例のコバルト−燐コーティング１１４は、前述の例のコバルト−燐コーティング１４と同様に、係属中の米国特許出願１１／６５３，５２５号明細書に開示されている技術を用いて堆積させることができる。しかし、他の堆積法を用いてもよいことを理解されたい。
【００１４】
図３は、物品２００の他の例としてのアクチュエータ２０２を示す。この例においては、アクチュエータ２０２は、アクチュエータシャフト２０８を受ける中央ボア２０６が形成されているアクチュエータ本体２０４を含む。アクチュエータシャフト２０８は、一般に、ボア２０６内でこのボア２０６の中心軸Ａの軸方向に沿って可動である。
【００１５】
アクチュエータシャフト２０８は、直径Ｄ1を有するシャフト部２１０と、直径Ｄ1よりも大きな直径Ｄ2を有するピストン部２１２と、からなる。
【００１６】
ピストン部２１２の外側表面２１４には、ピストン部２１２とボア２０６との間をシールするＯ−リング２１８を収容する凹部２１６が形成されている。
【００１７】
作動中に、（例えば、空圧、油圧、電気または磁気のエネルギを使って）シャフト２０８がボア２０６内で動くと、ピストン部２１２の外側表面２１４がボア２０６の表面と摩擦接触しつつ摺動する。これに関して、アクチュエータ２０２の磨耗を抑制し、ピストン部２１２とボア２０６との間のシールを維持するために、ボア２０６、ピストン部２１２の外側表面２１４またはこれらの両方に前述の例のコバルト−燐コーティング１１４（またはコーティング１４）を施すことができる。ピストン部２１２とボア２０６との間のシールを維持することにより、例えば、ピストン部２１２の周囲で気体ないし液体の流体が漏れることなく、シャフト２０８が効率良く動く。この例においては、コバルト−燐コーティング１１４のみを示しているが、アクチュエータ２０２に、代替的にコバルト−燐コーティング１４を施してもよいことを理解されたい。
【００１８】
コバルト−燐コーティング１４，１１４は、基材１２と比べて相対的に硬い。その硬度は、コバルト−燐コーティング１４，１１４の特定の組成に依存し得るが、約５００ＨＶ（ビッカース硬さ）よりも大きい。いくつかの例においては、コバルト−燐コーティング１４のめっき後の初期の硬度は、約６３３ＨＶである。クロムカーバイドを含むコバルト−燐コーティング１１４のめっき後の初期の硬度は約６１５ＨＶ〜６４１ＨＶであり、シリコンカーバイドを含むコバルト−燐コーティング１１４のめっき後の初期の硬度は約５４０ＨＶ〜５５９ＨＶである。
【００１９】
めっきしただけのコバルト−燐コーティング１４，１１４を利用しても物品１０，１００，２００は要求レベルの性能を呈するが、この性能をさらに向上させることが望ましい。性能の向上を実現するために、コバルト−燐コーティング１４，１１４の１つまたは複数の物理特性を変えることによって、物品１０，１００，２００の性能特性を向上させることができる。例えば、物品１０，１００，２００の磨耗耐性は、コバルト−燐コーティングの１４，１１４の硬度、および／またはコバルト−燐コーティング１４，１１４と基材１２との間の接合強度に対応する。従って、コバルト−燐コーティング１４，１１４の硬度や接合強度などの物理特性を変えることによって、物品１０，１００，２００の性能特性を変えることができる。
【００２０】
図４は、種々の物品１０，１００，２００の性能特性を向上させるように、物品１０，１００，２００を加工する方法２０の一例を示す。例えば、方法２０は、コバルト−燐コーティング１４，１１４が施された物品１０，１００，２００を熱処理すること（ステップ２２）を含む。この熱処理２２を用いてコバルト−燐コーティング１４，１１４の少なくとも１つの物理特性を変え（ステップ２４）、延いては、物品１０，１００，２００の性能特性を変化させる（ステップ２６）。
【００２１】
熱処理２２を用いて、コバルト−燐コーティング１４，１１４の様々な異なる物理特性を変えることができる。例えば、熱処理２２を用いて、コバルト−燐コーティング１４，１１４の硬度、接合強度またはこれらの両方を変えることができる。
【００２２】
一例においては、コバルト−燐コーティング１４，１１４の硬度を増大させるために、熱処理２２を用いる。めっき後の初期の状態においては、コバルト−燐コーティング１４，１１４は、上記に示したような硬度を有する。このコバルト−燐コーティング１４，１１４が施された物品１０，１００，２００を所定の時間、所定の温度で熱処理２２し、コバルト−燐コーティング１４，１１４を変性させ、延いては硬度を増大させる。
【００２３】
所望の硬度増大の程度に応じて、約４２０°Ｆ〜７６５°Ｆ（約２１６℃〜４０７℃）の熱処理温度で熱処理２２を行うことができる。例えば、硬度を大きく増大させるためには、所定の温度範囲の上限に近い温度を使用することができる。いくつかの他の実施例においては、熱処理温度は、約７５０°Ｆ±１５°Ｆ（約３９９℃±１０℃），約６００°Ｆ±１５°Ｆ（約３１６℃±１０℃），約５５０°Ｆ±１５°Ｆ（約２８８℃±１０℃），約４３５°Ｆ±１５°Ｆ（約２２４℃±１０℃）のいずれかから選択される。これらの温度は、示差走査熱量計のデータを使用して導き出された温度である。当業者であれば、この説明が与えられれば、同様の技術を使用して、コバルト−燐コーティング１４，１１４および硬質粒子１１６の特定の組成に対して他の温度を確定することができるであろう。
【００２４】
以下の表１は、所定の温度で熱処理された異なる種類のコバルト−燐コーティング１４，１１４の硬度を示す。しかし、実際の結果はこれとは異なり得ることを理解されたい。
【００２５】
【表１】
0005026401.tif 000002
【００２６】
熱処理２２によって、コバルト−燐コーティング１４，１１４の微細構造が変化し、それによって硬度が増大する。また、熱処理２２に用いられる所定の温度は、基材１２として選択される材料の臨界温度よりも低い温度に選択することができる。例えば、所定の温度は、基材１２として使われる金属の微細構造に実質的に悪影響を及ぼさない。従って、基材１２の物理特性を大幅に変えることなく、コバルト−燐コーティング１４，１１４の硬度を増大させるように、熱処理２２を用いることができる。
【００２７】
代替的に、コバルト−燐コーティング１４，１１４のめっき後の初期の硬度を維持しつつ、コバルト−燐コーティング１４，１１４と基材１２との接合強度を変えるように、熱処理２２を用いることができる。すなわち、所定の温度範囲の比較的低い所定の温度で熱処理２２することによって、硬度を変えることなく接合強度を大きくすることができる。例えば、約４３５°Ｆ±１５°Ｆ（約２２４℃±１０℃）の所定の温度で約９０分間熱処理を行うことによって、めっき後の初期の硬度を維持しつつ接合強度を大きくする。このように、硬度を増大させるのではなく接合強度を強くすることによって、物品１０，１００，２００の磨耗耐性を変えることができ、延いては、コバルト−燐コーティング１４，１１４の剥離を抑制することができる。
【００２８】
図示した例に特徴の組合せが示されているが、本開示の様々な利点を実現するために、これらの特徴のすべてを組み合わせる必要はない。換言すれば、本開示の実施例に従って設計されたものが、いずれか１つの図に示される特徴のすべて、または各図に概略的に示される部分のすべてを含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴を他の実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。
【００２９】
前述の説明は、例示するためのものであり、本質を限定するものではない。当業者であれば、本発明の発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの修正および変更がなされ得ることを理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】コバルト−燐コーティングが施された物品の一例を示す図。
【図２】硬質粒子を含むコバルト−燐コーティングが施された物品の例を示す図。
【図３】コーティングが施される物品をアクチュエータとした例を示す図。
【図４】コバルト−燐コーティングが施された物品の加工方法例のフローチャート。
【符号の説明】
【００３１】
１０…物品
１２…基材
１４…コバルト−燐コーティング
１１４…コバルト−燐コーティング
１１６…硬質粒子
１１８…マトリクス
【図１】
0005026401.tif 000003
【図２】
0005026401.tif 000004
【図３】
0005026401.tif 000005
【図４】
0005026401.tif 000006