コールドスプレー用金属粉末
【課題】コールドスプレーにより厚膜の皮膜を効率的に形成することが可能なコールドスプレー用金属粉末を提供する。
【解決手段】本発明のコールドスプレー用金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布している。第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上である。第２の金属粒子のビッカース硬さは、第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上でかつ１４００以下であることが好ましい。
【解決手段】本発明のコールドスプレー用金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布している。第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上である。第２の金属粒子のビッカース硬さは、第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上でかつ１４００以下であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー用途で使用される金属粉末に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼フレームやプラズマジェットなどを熱源として用いて金属やセラミックスなどの粉末を基材に吹き付けることにより基材上に皮膜を形成する溶射は、表面改質方法の一種として広く知られている。溶射では一般に、熱源により融点又は軟化点以上にまで粉末を加熱するため、基材の材質や形状によっては基材の熱変質や熱変形が起こることがある。そのため、一般的な溶射ではあらゆる材質及び形状の基材に対して皮膜を形成することができるわけでなく、基材の材質及び形状が制限されるという欠点がある。
【０００３】
このような従来の溶射の欠点を解消する新たな手法としてコールドスプレー法が近年注目されている。コールドスプレー法では、粉末の融点及び軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速にまで加速し、その加速した作動ガスにより粉末を固相のまま基材に衝突及び付着させる。例えば、特許文献１には、クロムを含有した金属粉末をコールドスプレーすることにより、クロムを含有した金属皮膜をピストンリングの摺動面上に形成することが開示されている。また、特許文献２には、金属粉末をコールドスプレーして金属皮膜を形成するに際して、金属粉末よりも粒径が大きくかつ高硬度の鉄基合金又は炭化タングステンからなるピーニング粉末を金属粉末と一緒又は別々にコールドスプレーすることにより、形成される金属皮膜の硬度及び緻密度を高めることが開示されている。
【０００４】
しかしながら、コールドスプレー法は、プロセス温度の低いことなどが原因で厚膜の皮膜を効率的に形成することが容易でなく、この点改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９８５８号公報
【特許文献２】特開２００６−５２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、コールドスプレーにより厚膜の皮膜を効率的に形成することが可能なコールドスプレー用金属粉末を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様では、コールドスプレー用途で使用される金属粉末であって、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布しているコールドスプレー用金属粉末を提供する。第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上である。
【０００８】
第２の金属粒子のビッカース硬さは、第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上でかつ１４００以下であることが好ましい。
第１の金属粒子のビッカース硬さは、３０〜８００であることが好ましい。
【０００９】
第１の金属粒子の平均径は、０．１〜５０μｍであることが好ましい。
コールドスプレー用途は、例えば、１ＭＰａ以下の作動ガス圧で行われる低圧型コールドスプレー用途である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コールドスプレーにより厚膜の皮膜を効率的に形成することが可能なコールドスプレー用金属粉末を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布している。
【００１２】
第１の金属粒子と第２の金属粒子は互いに同じ種類の金属からなってもよいし、異なる種類の金属からなってもよい。
第１の金属粒子は、例えば、ニッケル、銅、アルミニウム、鉄、錫及び鉛の少なくとも一種を含んだ金属単体又は金属合金からなる。中でも、第１の金属粒子がニッケル、銅、アルミニウム及び鉄の少なくとも一種を含んだ金属単体又は金属合金からなる場合には、良好な硬度の皮膜をコールドスプレー用金属粉末から形成することが容易となる。第１の金属粒子は、ニッケル、鉄、クロム、ニオブ、モリブデンなどを含んだニッケル基超合金からなってもよい。
【００１３】
第２の金属粒子は、例えば、コバルト、銅、アルミニウム、ニッケル及びクロムの少なくとも一種を含んだ金属単体又は金属合金からなる。第２の金属粒子は、コバルトクロム合金のようなクロム合金からなってもよい。
【００１４】
第２の金属粒子の平均径（体積平均径）は、第１の金属粒子の平均径（体積平均径）の１．５倍以上である。この場合、コールドスプレー時、第２の金属粒子によるピーニング効果により塑性変形による第１の金属粒子の基材への付着が促進される結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第２の金属粒子の平均径は、第１の金属粒子の平均径の２倍以上であることが好ましく、より好ましくはその３倍以上、最も好ましくは５倍以上である。
【００１５】
第１の金属粒子の平均径は、０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは４μｍ以上、最も好ましくは６．７μｍ以上である。第２の金属粒子の平均径が第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上であることから、換言すれば、第２の金属粒子の平均径は、０．１５μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１．５μｍ以上、さらに好ましくは６μｍ以上、最も好ましくは１０μｍ以上である。第１の金属粒子及び第２の金属粒子の平均径が大きくなるにつれて、コールドスプレー用金属粉末の流動性が向上する結果、コールドスプレー装置への金属粉末の供給が容易となる。
【００１６】
第１の金属粒子の平均径はまた、５０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは４５μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下である。第１の金属粒子の平均径が小さくなるにつれて、コールドスプレー時の基材への第１の金属粒子の衝突速度が増す結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。また、このとき形成される皮膜の硬度も向上する。
【００１７】
第２の金属粒子の平均径の上限は２００μｍである。第２の金属粒子の平均径が２００μｍ以下である場合には、コールドスプレー時に第２の金属粒子が基材及び／又は基材上の第１の金属粒子を削ってしまう負のエロージョン効果が減る結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第２の金属粒子の平均径は、１００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは７５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下である。
【００１８】
なお、第１の金属粒子及び第２の金属粒子の平均径の測定は、例えば、レーザー回折散乱法やＢＥＴ法、光散乱法により行うことができる。レーザー回折散乱法による平均径の測定は、例えば、株式会社堀場製作所製のレーザー回折／散乱式粒度測定機“ＬＡ−３００”を用いて行うことができる。
【００１９】
第２の金属粒子のビッカース硬さは、第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上であることが好ましく、より好ましくはその１．５倍以上、さらに好ましくは２倍以上、特に好ましくは３倍以上である。第２の金属粒子のビッカース硬さが第１の金属粒子のビッカース硬さと比べて大きくなるにつれて、第２の金属粒子によるピーニング効果により、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。
【００２０】
第１の金属粒子のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）は、３０以上であることが好ましく、より好ましくは５０以上である。第２の金属粒子のビッカース硬さが好ましくは第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上であることから、換言すれば、第２の金属粒子のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）もまた、３０以上であることが好ましく、より好ましくは５０以上である。第１の金属粒子及び第２の金属粒子のビッカース硬さが大きくなるにつれて、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性が向上する。
【００２１】
第１の金属粒子のビッカース硬さはまた、８００以下であることが好ましく、より好ましくは７００以下、さらに好ましくは６００以下である。第１の金属粒子のビッカース硬さが小さくなるにつれて、第１の金属粒子の塑性変形能が向上する結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。
【００２２】
第２の金属粒子のビッカース硬さはまた、１４００以下であることが好ましく、より好ましくは１２００以下、さらに好ましくは１０００以下である。第２の金属粒子のビッカース硬さが小さくなるにつれて、第２の金属粒子によるエロージョン効果が減る結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。
【００２３】
なお、第１の金属粒子及び第２の金属粒子のビッカース硬さの測定は、例えば、株式会社島津製作所製の微小硬度測定器“ＨＭＶ−１”を用いて行うことができる。
コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量の下限は２０質量％である。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量の上限は８０質量％である。第１の金属粒子の含有量が２０質量％以上である場合、すなわち第２の金属粒子の含有量が８０質量％以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第１の金属粒子の含有量は、３０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは４０質量％以上である。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量は、７０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは６０質量％以下である。
【００２４】
また、コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量の上限は７０質量％である。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量の下限は３０質量％である。第１の金属粒子の含有量が７０質量％以下である場合、すなわち第２の金属粒子の含有量が３０質量％以上である場合には、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第１の金属粒子の含有量は、６０質量％以下であることが好ましい。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量は、４０質量％以上であることが好ましい。
【００２５】
本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、第１の金属粒子と第２の金属粒子を混合することにより調製することができる。第１の金属粒子及び第２の金属粒子を作製する方法は特に限定されない。第１の金属粒子及び第２の金属粒子は、例えば、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心力アトマイズ法、プラズマアトマイズ法などのアトマイズ法により作製してもよいし、メルトスピニング法や回転電極法、あるいは粉砕又はメカニカルアロイングのような機械的プロセスにより作製してもよい。また、第１の金属粒子及び第２の金属粒子は、酸化物還元法、カルボニル反応法又は湿式冶金技術のような化学的プロセスにより作製してもよい。
【００２６】
本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、コールドスプレー用途で用いられる。すなわち、コールドスプレー用金属粉末は、コールドスプレーにより基材上に金属皮膜を形成する用途で用いられる。一般にコールドスプレーは、作動ガス圧により高圧型と低圧型に分類される。すなわち、作動ガス圧が１ＭＰａ以下である場合を低圧型コールドスプレーといい、作動ガス圧が５ＭＰａ以下である場合を高圧型コールドスプレーという。高圧型コールドスプレーでは、主としてヘリウムガスや窒素を主成分としたガスもしくはそれらの混合ガス等の不活性ガスが作動ガスとして使用される。低圧型コールドスプレーでは、高圧型コールドスプレーで使用されるのと同じ種類のガスか、あるいは圧縮空気が作動ガスとして使用される。本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、低圧型コールドスプレー及び高圧型コールドスプレーのいずれで使用してもよいが、好ましくは低圧型コールドスプレーで使用される。
【００２７】
コールドスプレー用金属粉末を高圧型コールドスプレー用途で使用する場合、作動ガスは好ましくは０．５〜５ＭＰａ、より好ましくは０．７〜５ＭＰａ、さらに好ましくは１〜５ＭＰａ、特に好ましくは１〜４ＭＰａの圧力でコールドスプレー装置に供給されて、好ましくは１００〜１０００℃、より好ましくは３００〜１０００℃、さらに好ましくは５００〜１０００℃、特に好ましくは５００〜８００℃にまで加熱される。コールドスプレー用金属粉末は、好ましくは１〜２００ｇ／分、さらに好ましくは１０〜１００ｇ／分の供給速度でもって作動ガスと同軸方向から作動ガスに供給される。コールドスプレー時、コールドスプレー装置のノズル先端から基材までの距離（すなわち溶射距離）は、５〜１００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜５０ｍｍであり、コールドスプレー装置のノズルのトラバース速度は、好ましくは１０〜３００ｍｍ／秒、より好ましくは１０〜１５０ｍｍ／秒である。また、形成する皮膜の膜厚は、好ましくは５０〜１０００μｍであり、より好ましくは１００〜５００μｍである。
【００２８】
一方、コールドスプレー用金属粉末を低圧型コールドスプレー用途で使用する場合、作動ガスは好ましくは０．３〜１ＭＰａ、より好ましくは０．５〜１ＭＰａ、さらに好ましくは０．７〜１ＭＰａの圧力でコールドスプレー装置に供給されて、好ましくは１００〜６００℃、より好ましくは２５０〜６００℃、さらに好ましくは４００〜６００℃にまで加熱される。コールドスプレー用金属粉末は、好ましくは１〜２００ｇ／分、さらに好ましくは１０〜１００ｇ／分の供給速度でもって作動ガスと同軸方向から作動ガスに供給される。コールドスプレー時、コールドスプレー装置のノズル先端から基材までの距離は、５〜１００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜４０ｍｍであり、コールドスプレー装置のノズルのトラバース速度は、好ましくは５〜３００ｍｍ／秒、より好ましくは５〜１５０ｍｍ／秒である。また、形成する皮膜の膜厚は、好ましくは５０〜１０００μｍであり、より好ましくは１００〜５００μｍ、さらに好ましくは１００〜３００μｍである。
【００２９】
本実施形態によれば、以下の利点が得られる。
・ 本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布しており、第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上である。このことにより、コールドスプレー用金属粉末は高い皮膜形成能を有しており、コールドスプレーにより（特に低圧型コールドスプレーでも）厚膜の皮膜を効率的に形成することができる。
【００３０】
・ 第２の金属粒子の平均径が第１の金属粒子の平均径の３倍以上、さらに言えば５倍以上である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３１】
・ 第１の金属粒子の平均径が０．１μｍ以上、さらに言えば１μｍ以上又は５μｍ以上である場合（換言すれば、第２の金属粒子の平均径が０．１５μｍ以上、さらに言えば１．５μｍ以上又は７．５μｍ以上である場合）には、コールドスプレー装置への金属粉末の供給を容易にすることができる。
【００３２】
・ 第１の金属粒子の平均径が５０μｍ以下、さらに言えば４５μｍ以下又は３０μｍ以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。また、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度を向上させることもできる。
【００３３】
・ 第２の金属粒子の平均径が１００μｍ以下、さらに言えば７５μｍ以下又は５０μｍ以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３４】
・ 第２の金属粒子のビッカース硬さが第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上である場合、さらに言えばその１．５倍以上、２倍以上又は３倍以上である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３５】
・ 第１の金属粒子のビッカース硬さが３０以上、さらに言えば５０以上である場合（換言すれば、第２の金属粒子のビッカース硬さが３０以上、さらに言えば５０以上である場合）には、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性を向上させることができる。
【００３６】
・ 第１の金属粒子のビッカース硬さが８００以下、さらに言えば７００以下又は６００以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３７】
・ 第２の金属粒子のビッカース硬さが１４００以下、さらに言えば１２００以下又は１０００以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３８】
・ コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量が３０質量％以上、さらに言えば４０質量％以上である場合（換言すれば、第２の金属粒子の含有量が７０質量％以下、さらに言えば６０質量％以下である場合）には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３９】
・ コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量が６０質量％以下である場合（換言すれば、第２の金属粒子の含有量が４０質量％以上である場合）には、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性を向上させることができる。
【００４０】
前記実施形態は次のように変更してもよい。
・ コールドスプレー用金属粉末は、第１の金属粒子及び第２の金属粒子以外の成分を含有してもよい。ただし、第１の金属粒子及び第２の金属粒子以外の成分の含有量はできるだけ少ないことが好ましい。
【００４１】
・ 第１の金属粒子及び第２の金属粒子はそれぞれ、金属微粒子を造粒して得られる造粒物（顆粒）を焼結することにより得られる造粒−焼結粒子であってもよい。
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
【００４２】
表１の“第１の粒子”欄に示す金属粒子及び“第２の粒子”欄に示す金属又はセラミックス粒子からなる実施例１〜１０及び比較例１〜４の粉末を用意し、表２に示す条件でそれぞれ基材に向けてコールドスプレーした。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“種類”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中に含まれる第１の粒子及び第２の粒子がそれぞれどのような種類の金属又はセラミックスから形成されているかを示す。同欄中、“Ｎｉ”はニッケルを、“Ａｌ”はアルミニウムを、“Ｃｕ”は銅を、“Ｎｉ−５０Ｃｒ”は５０質量％のニッケルと残部のクロムからなるニッケルクロム合金を、“ＷＣ”は炭化タングステンを、“Ｆｅ−６０Ｃｒ−５Ｃ”は６０質量％のクロムと５質量％の炭素と残部の鉄からなる鉄クロム合金を表す。
【００４５】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“含有量”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中に第１の粒子及び第２の粒子がそれぞれどれだけ含有されているかを示す。
【００４６】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“平均粒径”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中の第１の粒子及び第２の粒子の平均径（体積平均径）を測定した結果を示す。この測定には、株式会社堀場製作所製のレーザー回折／散乱式粒度測定機“ＬＡ−３００”を使用した。
【００４７】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“ビッカース硬さ”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中の第１の粒子及び第２の粒子のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）を測定した結果を示す。この測定には、株式会社島津製作所製の微小硬度測定器“ＨＭＶ−１”を使用した。
【００４８】
表１の“皮膜形成能”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末を表２に示す条件でコールドスプレーしたときに１パス当たりに形成される皮膜の厚さに基づいて各粉末の皮膜形成能を評価した結果を示す。具体的には、１パス当たりに形成される皮膜の厚さが３００μｍ以上であった場合には良（◎）、２００μｍ以上３００μｍ未満であった場合には可（○）、２００μｍ未満であった場合又は皮膜を形成できなかった場合には不良（×）と評価した。
【００４９】
表１の“皮膜ビッカース硬さ”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末を表２に示す条件でコールドスプレーして得られた皮膜のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）を測定した結果を示す。この測定には、株式会社島津製作所製の微小硬度測定器“ＨＭＶ−１”を使用した。同欄中の“−（ハイフン）”は、皮膜を形成できなかったことを表す。
【００５０】
表１に示されるように、実施例１〜１０の粉末の場合には、皮膜形成能の評価がいずれも可以上であった。それに対し、比較例１〜４の粉末の場合には、皮膜形成能の評価が不良であった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー用途で使用される金属粉末に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼フレームやプラズマジェットなどを熱源として用いて金属やセラミックスなどの粉末を基材に吹き付けることにより基材上に皮膜を形成する溶射は、表面改質方法の一種として広く知られている。溶射では一般に、熱源により融点又は軟化点以上にまで粉末を加熱するため、基材の材質や形状によっては基材の熱変質や熱変形が起こることがある。そのため、一般的な溶射ではあらゆる材質及び形状の基材に対して皮膜を形成することができるわけでなく、基材の材質及び形状が制限されるという欠点がある。
【０００３】
このような従来の溶射の欠点を解消する新たな手法としてコールドスプレー法が近年注目されている。コールドスプレー法では、粉末の融点及び軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速にまで加速し、その加速した作動ガスにより粉末を固相のまま基材に衝突及び付着させる。例えば、特許文献１には、クロムを含有した金属粉末をコールドスプレーすることにより、クロムを含有した金属皮膜をピストンリングの摺動面上に形成することが開示されている。また、特許文献２には、金属粉末をコールドスプレーして金属皮膜を形成するに際して、金属粉末よりも粒径が大きくかつ高硬度の鉄基合金又は炭化タングステンからなるピーニング粉末を金属粉末と一緒又は別々にコールドスプレーすることにより、形成される金属皮膜の硬度及び緻密度を高めることが開示されている。
【０００４】
しかしながら、コールドスプレー法は、プロセス温度の低いことなどが原因で厚膜の皮膜を効率的に形成することが容易でなく、この点改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９８５８号公報
【特許文献２】特開２００６−５２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、コールドスプレーにより厚膜の皮膜を効率的に形成することが可能なコールドスプレー用金属粉末を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様では、コールドスプレー用途で使用される金属粉末であって、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布しているコールドスプレー用金属粉末を提供する。第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上である。
【０００８】
第２の金属粒子のビッカース硬さは、第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上でかつ１４００以下であることが好ましい。
第１の金属粒子のビッカース硬さは、３０〜８００であることが好ましい。
【０００９】
第１の金属粒子の平均径は、０．１〜５０μｍであることが好ましい。
コールドスプレー用途は、例えば、１ＭＰａ以下の作動ガス圧で行われる低圧型コールドスプレー用途である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コールドスプレーにより厚膜の皮膜を効率的に形成することが可能なコールドスプレー用金属粉末を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布している。
【００１２】
第１の金属粒子と第２の金属粒子は互いに同じ種類の金属からなってもよいし、異なる種類の金属からなってもよい。
第１の金属粒子は、例えば、ニッケル、銅、アルミニウム、鉄、錫及び鉛の少なくとも一種を含んだ金属単体又は金属合金からなる。中でも、第１の金属粒子がニッケル、銅、アルミニウム及び鉄の少なくとも一種を含んだ金属単体又は金属合金からなる場合には、良好な硬度の皮膜をコールドスプレー用金属粉末から形成することが容易となる。第１の金属粒子は、ニッケル、鉄、クロム、ニオブ、モリブデンなどを含んだニッケル基超合金からなってもよい。
【００１３】
第２の金属粒子は、例えば、コバルト、銅、アルミニウム、ニッケル及びクロムの少なくとも一種を含んだ金属単体又は金属合金からなる。第２の金属粒子は、コバルトクロム合金のようなクロム合金からなってもよい。
【００１４】
第２の金属粒子の平均径（体積平均径）は、第１の金属粒子の平均径（体積平均径）の１．５倍以上である。この場合、コールドスプレー時、第２の金属粒子によるピーニング効果により塑性変形による第１の金属粒子の基材への付着が促進される結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第２の金属粒子の平均径は、第１の金属粒子の平均径の２倍以上であることが好ましく、より好ましくはその３倍以上、最も好ましくは５倍以上である。
【００１５】
第１の金属粒子の平均径は、０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは４μｍ以上、最も好ましくは６．７μｍ以上である。第２の金属粒子の平均径が第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上であることから、換言すれば、第２の金属粒子の平均径は、０．１５μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１．５μｍ以上、さらに好ましくは６μｍ以上、最も好ましくは１０μｍ以上である。第１の金属粒子及び第２の金属粒子の平均径が大きくなるにつれて、コールドスプレー用金属粉末の流動性が向上する結果、コールドスプレー装置への金属粉末の供給が容易となる。
【００１６】
第１の金属粒子の平均径はまた、５０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは４５μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下である。第１の金属粒子の平均径が小さくなるにつれて、コールドスプレー時の基材への第１の金属粒子の衝突速度が増す結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。また、このとき形成される皮膜の硬度も向上する。
【００１７】
第２の金属粒子の平均径の上限は２００μｍである。第２の金属粒子の平均径が２００μｍ以下である場合には、コールドスプレー時に第２の金属粒子が基材及び／又は基材上の第１の金属粒子を削ってしまう負のエロージョン効果が減る結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第２の金属粒子の平均径は、１００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは７５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下である。
【００１８】
なお、第１の金属粒子及び第２の金属粒子の平均径の測定は、例えば、レーザー回折散乱法やＢＥＴ法、光散乱法により行うことができる。レーザー回折散乱法による平均径の測定は、例えば、株式会社堀場製作所製のレーザー回折／散乱式粒度測定機“ＬＡ−３００”を用いて行うことができる。
【００１９】
第２の金属粒子のビッカース硬さは、第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上であることが好ましく、より好ましくはその１．５倍以上、さらに好ましくは２倍以上、特に好ましくは３倍以上である。第２の金属粒子のビッカース硬さが第１の金属粒子のビッカース硬さと比べて大きくなるにつれて、第２の金属粒子によるピーニング効果により、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。
【００２０】
第１の金属粒子のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）は、３０以上であることが好ましく、より好ましくは５０以上である。第２の金属粒子のビッカース硬さが好ましくは第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上であることから、換言すれば、第２の金属粒子のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）もまた、３０以上であることが好ましく、より好ましくは５０以上である。第１の金属粒子及び第２の金属粒子のビッカース硬さが大きくなるにつれて、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性が向上する。
【００２１】
第１の金属粒子のビッカース硬さはまた、８００以下であることが好ましく、より好ましくは７００以下、さらに好ましくは６００以下である。第１の金属粒子のビッカース硬さが小さくなるにつれて、第１の金属粒子の塑性変形能が向上する結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。
【００２２】
第２の金属粒子のビッカース硬さはまた、１４００以下であることが好ましく、より好ましくは１２００以下、さらに好ましくは１０００以下である。第２の金属粒子のビッカース硬さが小さくなるにつれて、第２の金属粒子によるエロージョン効果が減る結果、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。
【００２３】
なお、第１の金属粒子及び第２の金属粒子のビッカース硬さの測定は、例えば、株式会社島津製作所製の微小硬度測定器“ＨＭＶ−１”を用いて行うことができる。
コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量の下限は２０質量％である。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量の上限は８０質量％である。第１の金属粒子の含有量が２０質量％以上である場合、すなわち第２の金属粒子の含有量が８０質量％以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第１の金属粒子の含有量は、３０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは４０質量％以上である。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量は、７０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは６０質量％以下である。
【００２４】
また、コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量の上限は７０質量％である。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量の下限は３０質量％である。第１の金属粒子の含有量が７０質量％以下である場合、すなわち第２の金属粒子の含有量が３０質量％以上である場合には、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性が向上する。皮膜形成能のさらなる向上のためには、第１の金属粒子の含有量は、６０質量％以下であることが好ましい。換言すれば、コールドスプレー用金属粉末中の第２の金属粒子の含有量は、４０質量％以上であることが好ましい。
【００２５】
本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、第１の金属粒子と第２の金属粒子を混合することにより調製することができる。第１の金属粒子及び第２の金属粒子を作製する方法は特に限定されない。第１の金属粒子及び第２の金属粒子は、例えば、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心力アトマイズ法、プラズマアトマイズ法などのアトマイズ法により作製してもよいし、メルトスピニング法や回転電極法、あるいは粉砕又はメカニカルアロイングのような機械的プロセスにより作製してもよい。また、第１の金属粒子及び第２の金属粒子は、酸化物還元法、カルボニル反応法又は湿式冶金技術のような化学的プロセスにより作製してもよい。
【００２６】
本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、コールドスプレー用途で用いられる。すなわち、コールドスプレー用金属粉末は、コールドスプレーにより基材上に金属皮膜を形成する用途で用いられる。一般にコールドスプレーは、作動ガス圧により高圧型と低圧型に分類される。すなわち、作動ガス圧が１ＭＰａ以下である場合を低圧型コールドスプレーといい、作動ガス圧が５ＭＰａ以下である場合を高圧型コールドスプレーという。高圧型コールドスプレーでは、主としてヘリウムガスや窒素を主成分としたガスもしくはそれらの混合ガス等の不活性ガスが作動ガスとして使用される。低圧型コールドスプレーでは、高圧型コールドスプレーで使用されるのと同じ種類のガスか、あるいは圧縮空気が作動ガスとして使用される。本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、低圧型コールドスプレー及び高圧型コールドスプレーのいずれで使用してもよいが、好ましくは低圧型コールドスプレーで使用される。
【００２７】
コールドスプレー用金属粉末を高圧型コールドスプレー用途で使用する場合、作動ガスは好ましくは０．５〜５ＭＰａ、より好ましくは０．７〜５ＭＰａ、さらに好ましくは１〜５ＭＰａ、特に好ましくは１〜４ＭＰａの圧力でコールドスプレー装置に供給されて、好ましくは１００〜１０００℃、より好ましくは３００〜１０００℃、さらに好ましくは５００〜１０００℃、特に好ましくは５００〜８００℃にまで加熱される。コールドスプレー用金属粉末は、好ましくは１〜２００ｇ／分、さらに好ましくは１０〜１００ｇ／分の供給速度でもって作動ガスと同軸方向から作動ガスに供給される。コールドスプレー時、コールドスプレー装置のノズル先端から基材までの距離（すなわち溶射距離）は、５〜１００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜５０ｍｍであり、コールドスプレー装置のノズルのトラバース速度は、好ましくは１０〜３００ｍｍ／秒、より好ましくは１０〜１５０ｍｍ／秒である。また、形成する皮膜の膜厚は、好ましくは５０〜１０００μｍであり、より好ましくは１００〜５００μｍである。
【００２８】
一方、コールドスプレー用金属粉末を低圧型コールドスプレー用途で使用する場合、作動ガスは好ましくは０．３〜１ＭＰａ、より好ましくは０．５〜１ＭＰａ、さらに好ましくは０．７〜１ＭＰａの圧力でコールドスプレー装置に供給されて、好ましくは１００〜６００℃、より好ましくは２５０〜６００℃、さらに好ましくは４００〜６００℃にまで加熱される。コールドスプレー用金属粉末は、好ましくは１〜２００ｇ／分、さらに好ましくは１０〜１００ｇ／分の供給速度でもって作動ガスと同軸方向から作動ガスに供給される。コールドスプレー時、コールドスプレー装置のノズル先端から基材までの距離は、５〜１００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜４０ｍｍであり、コールドスプレー装置のノズルのトラバース速度は、好ましくは５〜３００ｍｍ／秒、より好ましくは５〜１５０ｍｍ／秒である。また、形成する皮膜の膜厚は、好ましくは５０〜１０００μｍであり、より好ましくは１００〜５００μｍ、さらに好ましくは１００〜３００μｍである。
【００２９】
本実施形態によれば、以下の利点が得られる。
・ 本実施形態のコールドスプレー用金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布しており、第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ第１の金属粒子の平均径の１．５倍以上である。このことにより、コールドスプレー用金属粉末は高い皮膜形成能を有しており、コールドスプレーにより（特に低圧型コールドスプレーでも）厚膜の皮膜を効率的に形成することができる。
【００３０】
・ 第２の金属粒子の平均径が第１の金属粒子の平均径の３倍以上、さらに言えば５倍以上である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３１】
・ 第１の金属粒子の平均径が０．１μｍ以上、さらに言えば１μｍ以上又は５μｍ以上である場合（換言すれば、第２の金属粒子の平均径が０．１５μｍ以上、さらに言えば１．５μｍ以上又は７．５μｍ以上である場合）には、コールドスプレー装置への金属粉末の供給を容易にすることができる。
【００３２】
・ 第１の金属粒子の平均径が５０μｍ以下、さらに言えば４５μｍ以下又は３０μｍ以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。また、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度を向上させることもできる。
【００３３】
・ 第２の金属粒子の平均径が１００μｍ以下、さらに言えば７５μｍ以下又は５０μｍ以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３４】
・ 第２の金属粒子のビッカース硬さが第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上である場合、さらに言えばその１．５倍以上、２倍以上又は３倍以上である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３５】
・ 第１の金属粒子のビッカース硬さが３０以上、さらに言えば５０以上である場合（換言すれば、第２の金属粒子のビッカース硬さが３０以上、さらに言えば５０以上である場合）には、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性を向上させることができる。
【００３６】
・ 第１の金属粒子のビッカース硬さが８００以下、さらに言えば７００以下又は６００以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３７】
・ 第２の金属粒子のビッカース硬さが１４００以下、さらに言えば１２００以下又は１０００以下である場合には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３８】
・ コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量が３０質量％以上、さらに言えば４０質量％以上である場合（換言すれば、第２の金属粒子の含有量が７０質量％以下、さらに言えば６０質量％以下である場合）には、コールドスプレー用金属粉末の皮膜形成能を向上させることができる。
【００３９】
・ コールドスプレー用金属粉末中の第１の金属粒子の含有量が６０質量％以下である場合（換言すれば、第２の金属粒子の含有量が４０質量％以上である場合）には、コールドスプレー用金属粉末から形成される皮膜の硬度及び耐摩耗性を向上させることができる。
【００４０】
前記実施形態は次のように変更してもよい。
・ コールドスプレー用金属粉末は、第１の金属粒子及び第２の金属粒子以外の成分を含有してもよい。ただし、第１の金属粒子及び第２の金属粒子以外の成分の含有量はできるだけ少ないことが好ましい。
【００４１】
・ 第１の金属粒子及び第２の金属粒子はそれぞれ、金属微粒子を造粒して得られる造粒物（顆粒）を焼結することにより得られる造粒−焼結粒子であってもよい。
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
【００４２】
表１の“第１の粒子”欄に示す金属粒子及び“第２の粒子”欄に示す金属又はセラミックス粒子からなる実施例１〜１０及び比較例１〜４の粉末を用意し、表２に示す条件でそれぞれ基材に向けてコールドスプレーした。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“種類”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中に含まれる第１の粒子及び第２の粒子がそれぞれどのような種類の金属又はセラミックスから形成されているかを示す。同欄中、“Ｎｉ”はニッケルを、“Ａｌ”はアルミニウムを、“Ｃｕ”は銅を、“Ｎｉ−５０Ｃｒ”は５０質量％のニッケルと残部のクロムからなるニッケルクロム合金を、“ＷＣ”は炭化タングステンを、“Ｆｅ−６０Ｃｒ−５Ｃ”は６０質量％のクロムと５質量％の炭素と残部の鉄からなる鉄クロム合金を表す。
【００４５】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“含有量”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中に第１の粒子及び第２の粒子がそれぞれどれだけ含有されているかを示す。
【００４６】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“平均粒径”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中の第１の粒子及び第２の粒子の平均径（体積平均径）を測定した結果を示す。この測定には、株式会社堀場製作所製のレーザー回折／散乱式粒度測定機“ＬＡ−３００”を使用した。
【００４７】
表１の“第１の粒子”欄及び“第２の粒子”欄中の“ビッカース硬さ”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末中の第１の粒子及び第２の粒子のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）を測定した結果を示す。この測定には、株式会社島津製作所製の微小硬度測定器“ＨＭＶ−１”を使用した。
【００４８】
表１の“皮膜形成能”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末を表２に示す条件でコールドスプレーしたときに１パス当たりに形成される皮膜の厚さに基づいて各粉末の皮膜形成能を評価した結果を示す。具体的には、１パス当たりに形成される皮膜の厚さが３００μｍ以上であった場合には良（◎）、２００μｍ以上３００μｍ未満であった場合には可（○）、２００μｍ未満であった場合又は皮膜を形成できなかった場合には不良（×）と評価した。
【００４９】
表１の“皮膜ビッカース硬さ”欄には、実施例１〜１０及び比較例１〜４の各粉末を表２に示す条件でコールドスプレーして得られた皮膜のビッカース硬さ（Ｈｖ０．２）を測定した結果を示す。この測定には、株式会社島津製作所製の微小硬度測定器“ＨＭＶ−１”を使用した。同欄中の“−（ハイフン）”は、皮膜を形成できなかったことを表す。
【００５０】
表１に示されるように、実施例１〜１０の粉末の場合には、皮膜形成能の評価がいずれも可以上であった。それに対し、比較例１〜４の粉末の場合には、皮膜形成能の評価が不良であった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールドスプレー用途で使用される金属粉末であって、
金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布しており、
前記第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ前記第１の平均径の１．５倍以上である、コールドスプレー用金属粉末。
【請求項２】
前記第２の金属粒子のビッカース硬さは、前記第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上でかつ１４００以下である、請求項１に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【請求項３】
前記第１の金属粒子のビッカース硬さは３０〜８００である、請求項１又は２に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【請求項４】
前記第１の平均径は０．１〜５０μｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【請求項５】
前記コールドスプレー用途は、１ＭＰａ以下の作動ガス圧で行われる低圧型コールドスプレー用途である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【請求項１】
コールドスプレー用途で使用される金属粉末であって、
金属粉末は、第１の平均径を有する第１の金属粒子を２０〜７０質量％の量で含有し、残部が第１の平均径よりも大きな第２の平均径を有する第２の金属粒子からなることにより、粒子径がバイモーダルに分布しており、
前記第２の金属粒子の平均径は、２００μｍ以下でかつ前記第１の平均径の１．５倍以上である、コールドスプレー用金属粉末。
【請求項２】
前記第２の金属粒子のビッカース硬さは、前記第１の金属粒子のビッカース硬さと同じかそれ以上でかつ１４００以下である、請求項１に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【請求項３】
前記第１の金属粒子のビッカース硬さは３０〜８００である、請求項１又は２に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【請求項４】
前記第１の平均径は０．１〜５０μｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【請求項５】
前記コールドスプレー用途は、１ＭＰａ以下の作動ガス圧で行われる低圧型コールドスプレー用途である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコールドスプレー用金属粉末。
【公開番号】特開２０１２−３１４４３（Ｐ２０１２−３１４４３Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６９５４８（Ｐ２０１０−１６９５４８）
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００２３６７０２）株式会社フジミインコーポレーテッド (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００２３６７０２）株式会社フジミインコーポレーテッド (126)
【Ｆターム（参考）】
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