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JP2005519190A - Thermal spraying of machine parts - Google Patents

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JP2005519190A
JP2005519190A JP2003571522A JP2003571522A JP2005519190A JP 2005519190 A JP2005519190 A JP 2005519190A JP 2003571522 A JP2003571522 A JP 2003571522A JP 2003571522 A JP2003571522 A JP 2003571522A JP 2005519190 A JP2005519190 A JP 2005519190A
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coating
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machine
heat treatment
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JP2003571522A
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モクズルスキ,レク
ベンゾン,マイケル,エイス
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マン ビーアンドダブリュ ディーゼル エー/エス
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Abstract

本発明は、溶射工程により少なくとも部分的にコーティング材を塗布した機械部品表面(22)を開示する。上記コーティング材は、高温で、かつ、コーティング材がその下の表面中に少なくとも部分的に拡散するのに有効な時間、熱処理に曝露し、これによってコーティング材とその下の表面の間にネックを形成する。さらにコーティング材層(24)を塗布して、各コーティング材層を順次熱処理に供することにより、同じ上記コーティング材の複数の層(24)を上記機械部品表面(22)上に設け、これによって、上記コーティング材が、少なくともコーティングにおける粒子(21)と層の接触点にネック(23)を形成するようにする。また、機械部品表面にこのようなコーティングを製造する方法も開示される。The present invention discloses a machine part surface (22) that is at least partially coated with a coating material by a thermal spray process. The coating material is exposed to heat treatment at an elevated temperature and for a time effective for the coating material to diffuse at least partially into the underlying surface, thereby creating a neck between the coating material and the underlying surface. Form. Furthermore, by applying a coating material layer (24) and subjecting each coating material layer to sequential heat treatment, a plurality of layers (24) of the same coating material are provided on the surface of the machine part (22), thereby The coating material forms a neck (23) at least at the point of contact between the particles (21) and the layer in the coating. Also disclosed is a method for producing such a coating on a machine part surface.

Description

本発明は、溶射工程によりコーティング材でコーティングされ、高い温度で該コーティング材の熱処理に供される機械部品、好ましくは、エンジン機械部品に関する。本発明はまた、機械部品にコーティングを施す方法も開示する。   The present invention relates to a machine part, preferably an engine machine part, coated with a coating material by a thermal spraying process and subjected to heat treatment of the coating material at a high temperature. The present invention also discloses a method of applying a coating to a machine part.

機械部品は、特に、例えば、強度、耐腐食性、耐摩耗性、延性および材料レジリエンスに関して、特定の要求が満たされなければならない。   The machine parts must meet certain requirements, especially with respect to, for example, strength, corrosion resistance, wear resistance, ductility and material resilience.

今日、機械部品は、一般に鋳鉄ブランク(cast-iron blank)から製造されており、これは、強度およびレジリエンスに関しては材料に課された要件を実質的に満たしているが、所定の範囲を超えて加熱されると、磨耗の問題が生じる。非常に多くの機械部品が、例えば、エンジン装置における摺動面同士の内部摩擦によって起こる磨耗を被る。特に、大型船用ディーゼル機関では、摩擦力は大きなものとなりうる。摩擦以外にも、高温の環境は、材料の強度を低下させ、高温で要求される耐スカッフィング性が不十分な鋳鉄からなる機械部品に著しい磨耗が急速に起こる可能性がある。従って、鋳鉄エンジン部分は、磨耗に最もさらされる表面に耐摩耗層または慣らし層(running-in layer)を備えていることが多い。   Today, machine parts are generally manufactured from cast-iron blanks, which substantially meet the requirements imposed on materials in terms of strength and resilience, but beyond a predetermined range. When heated, wear problems arise. A large number of machine parts suffer from wear caused by, for example, internal friction between sliding surfaces in an engine device. In particular, in a large marine diesel engine, the frictional force can be large. In addition to friction, high temperature environments can reduce the strength of the material and can cause significant wear on mechanical parts made of cast iron that have poor scuffing resistance required at high temperatures. Thus, cast iron engine parts often have a wear-resistant or running-in layer on the surface most exposed to wear.

しかし、ブランクの材料と耐摩耗層の材料の間に十分に強力な結合を達成するのは困難であり、これが問題を引き起こす。何故なら、耐摩耗層の材料が擦り切れ、ブランクの材料から剥がれてしまう恐れがあるからである。このようなことが起こると、ブランク材料表面の材料は、隣接する機械部品の接触領域で磨耗を被るため、その機械部品の寿命をかなり縮めてしまう。   However, it is difficult to achieve a sufficiently strong bond between the blank material and the wear-resistant layer material, which causes problems. This is because the material of the wear-resistant layer may be worn out and peeled off from the blank material. When this happens, the material on the surface of the blank material is subject to wear in the contact area of adjacent machine parts, thus significantly reducing the life of the machine parts.

別の問題は、表面同士の結合が比較的強くても、コーティングが徐々に摩滅していくことである。機械部品での磨耗は、耐摩耗層が無傷である限りゆっくりと進行するが、耐摩耗層が摩滅してしまうと、急速に進行する。その結果、可能であれば、機械部品を交換すべき適切な時期を決定するのが難しくなると考えられる。   Another problem is that the coating gradually wears away even when the bonding between the surfaces is relatively strong. Wear on mechanical parts proceeds slowly as long as the wear-resistant layer is intact, but proceeds rapidly when the wear-resistant layer is worn away. As a result, if possible, it may be difficult to determine an appropriate time to replace the machine part.

溶射は、例えば、鉄ブランクにコーティングを施すために用いるのに便利である。一般に、コーティングを施すのに溶射を用いる際起こる1つの問題は、得られたコーティングが遊離した粒子(loose particles)の画分を含むことである。これらの遊離した粒子は、2つの機械部品の摺動面間に「三体磨耗(three-body-abration)」の危険性を高める。三体磨耗は、前述した漸次磨耗の過程をよく引き起こしている。   Thermal spraying is convenient to use, for example, to apply a coating to an iron blank. In general, one problem that arises when using thermal spray to apply a coating is that the resulting coating contains a fraction of loose particles. These loose particles increase the risk of “three-body-abration” between the sliding surfaces of the two machine parts. Three-body wear often causes the above-described gradual wear process.

運転中、機械部品のいくつかの領域、特に、エンジン部分は、高温、著しい温度差、および非常に腐食性の高い環境にさらされる。従って、これらの応力誘導原因の作用に耐えるために、機械部品のコーティングは、前記の耐摩耗性に加えて、相当の延性および熱安定性を呈示するものでなければならない。本明細書において、延性とは、割れが開始するまでの材料の歪の最大限度を意味する。運転中だけではなく、製造中の熱衝撃および大きな温度差も熱処理工程中の機械部品に同様の作用を及ぼす。これについては、以下に詳しく説明する。   During operation, some areas of the machine parts, particularly the engine parts, are exposed to high temperatures, significant temperature differences, and very corrosive environments. Therefore, in order to withstand the effects of these stress-inducing causes, the coating of the machine part must exhibit considerable ductility and thermal stability in addition to the wear resistance described above. In this specification, ductility means the maximum degree of strain of a material until cracking starts. Thermal shock and large temperature differences during manufacturing as well as during operation have similar effects on machine parts during the heat treatment process. This will be described in detail below.

コーティングを後加熱または焼結する様々な方法が知られており、これらは、コーティングと支持体の強力な結合を達成するために実施されている。米国特許第5,268,045号は、このような従来のコーティング方法の例を記載しており、そこでは、コーティングしようとする部品を化学的に洗浄し、溶射で金属をコーティングすることにより、表面処理を施した後、高温で後処理することにより、上記金属を部品の表面中に拡散させる。   Various methods are known for post-heating or sintering the coating, and these have been implemented to achieve a strong bond between the coating and the support. U.S. Pat.No. 5,268,045 describes an example of such a conventional coating method in which a surface treatment is applied by chemically cleaning the part to be coated and coating the metal by thermal spraying. After that, the metal is diffused into the surface of the component by post-processing at a high temperature.

このような工程の間、コーティングはその融解温度に達し、コーティング下の支持体も作用を受けて、支持体に応力が誘導される危険性が生じる。さらに、このような工程では、延性の低い硬質コーティングが得られる。   During such a process, the coating reaches its melting temperature, and the support under the coating is also affected, creating a risk of stress being induced in the support. Furthermore, in such a process, a hard coating with low ductility is obtained.

これは、支持体、また往々にして湾曲した形状のブランクにコーティングを施す際の課題である。ブランクに施すコーティングを加熱すると、ブランクも加熱されるため、機械部品ブランクの膨脹を引き起こす。熱処理後、機械部品が冷却したら、該部品はその本来の形状を取り戻し、その結果、新しく結合されたコーティングは機械部品ブランクに従うことを余儀なくされる。コーティングを例えば、曲面に施す場合には、コーティングは冷却する間引張り応力を被り、ひび割れまたは剥離が起こる恐れがある。これは、機械部品の運転寿命の短縮につながると考えられる。   This is a challenge when coating a support and often a curved blank. When the coating applied to the blank is heated, the blank is also heated, causing the machine part blank to expand. After the heat treatment, when the machine part cools, the part regains its original shape, so that the newly bonded coating is forced to follow the machine part blank. If the coating is applied to, for example, a curved surface, the coating is subject to tensile stress during cooling and can crack or delaminate. This is thought to lead to a shortened operating life of the machine parts.

従来の技術に関するその他の課題は文献にさらに詳しく記載されている。従って、強力な結合で、機械部品に延性耐摩耗性コーティングを達成する方法をみいだすことが望ましい。また、誘導される応力を最小限にして、機械部品にコーティングを施すと共に、コーティング内に遊離した粒子および実際の割れが生じる危険性を小さくする方法をみいだすことも本発明の目的である。現在のところ、前記の課題を解決するような機械部品のコーティングを施す方法は知られていない。   Other issues related to the prior art are described in more detail in the literature. Therefore, it is desirable to find a way to achieve a ductile wear resistant coating on a machine part with a strong bond. It is also an object of the present invention to find a way to minimize the induced stresses and to coat the machine parts while reducing the risk of free particles and actual cracking in the coating. At present, there is no known method for applying a coating to a machine part that solves the above-mentioned problems.

本発明の目的は、特に機械部品に意図されるコーティングを施す方法であって、耐摩耗性、レジリエンス、防蝕性、硬度、熱安定性および延性に関する必要条件を満たす方法を提供することである。   It is an object of the present invention to provide a method for applying a coating specifically intended for mechanical parts, which meets the requirements for wear resistance, resilience, corrosion resistance, hardness, thermal stability and ductility.

別の目的は、従来技術に認められる前記の問題点を解消した、コーティングされた機械部品を提供することである。本発明のその他の特徴および利点は、本発明に関する以下の説明から明らかにになるであろう。   Another object is to provide a coated machine part which overcomes the above-mentioned problems found in the prior art. Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of the invention.

本発明は、機械部品の表面の少なくとも一部にコーティング材を塗布する方法であって、以下のステップ:
溶射工程により上記コーティング材を塗布し;
高温で、かつ、コーティング材がその支持構造の表面中に少なくとも部分的に拡散するのに有効な時間、コーティング材を熱処理し;そして、
同一の上記コーティング材の複数の層を上記機械部品表面に被せるために、さらなるコーティング材層を塗布して、各コーティング材層を順次熱処理する(ここで、上記熱処理により、少なくとも上記コーティングの粒子間の接触点にネックが形成される);
ことを含む前記方法を提供する。
The present invention is a method for applying a coating material to at least a part of the surface of a machine part, comprising the following steps:
Applying the coating material by a thermal spraying process;
Heat treating the coating material at an elevated temperature and for a time effective for the coating material to diffuse at least partially into the surface of the support structure; and
In order to cover a plurality of layers of the same coating material on the surface of the machine part, a further coating material layer is applied, and each coating material layer is sequentially heat-treated (here, at least between the particles of the coating by the heat treatment). A neck is formed at the contact point);
Providing the method.

本発明の方法によれば、コーティング材と機械部品表面との強力な結合、並びにコーティング内部の強力な結合が形成される。機械部品にコーティング材を塗布する際コーティング材が曝露される加熱温度を制御することにより、コーティング材は、コーティングと機械部品表面における粒子同士の接触点にネック(微細熔接:microwelds)を形成し、これによって、粒子同士の強力な結合が得られる。コーティングおよび機械部品の材料に応じて、コーティング材の融点未満か、それに近い加熱温度に前記材料を曝露することにより、接触点ネック(necks)が形成される。機械部品用のコーティング材は、典型的に、マトリックス材料と強化材を含んでいる。限定するものではないが、機械部品に塗布されるコーティング材は、コーティングの強化材の融解温度の60〜80%の範囲にあるのが好適である。従って、マトリックス材料は、材料に前記ネックの形成を引き起こすのに適切な短い時間、その融解温度近い温度の熱に曝露する。本発明の方法により、コーティングの粒子間に開いた微細孔(open pores)を有するコーティングが提供される。さらに、本発明の方法に従い、機械部品のコーティングにおける遊離した粒子を減少させる目的が達せられる。   In accordance with the method of the present invention, a strong bond between the coating material and the machine part surface as well as a strong bond within the coating is formed. By controlling the heating temperature to which the coating material is exposed when applying the coating material to the machine part, the coating material forms a neck (microwelds) at the point of contact between the coating and the particles on the machine part surface, This provides a strong bond between the particles. Depending on the material of the coating and the machine part, contact point necks are formed by exposing the material to a heating temperature below or close to the melting point of the coating material. Coating materials for machine parts typically include a matrix material and a reinforcement. Without limitation, the coating material applied to the machine part is preferably in the range of 60-80% of the melting temperature of the coating reinforcement. Thus, the matrix material is exposed to heat close to its melting temperature for a short period of time appropriate to cause the material to form the neck. The method of the present invention provides a coating having open pores between the particles of the coating. Furthermore, according to the method of the present invention, the object of reducing free particles in the coating of machine parts is achieved.

好ましくは、溶射装置および熱処理装置を機械部品に接続し、それに対して相対的に移動させながら、同時にこの機械部品へのコーティング材の塗布および熱処理を実施する。   Preferably, the thermal spraying device and the heat treatment device are connected to the machine part, and the coating material is applied to the machine part and the heat treatment is simultaneously performed while moving relative to the machine part.

運動を制御することにより、熱への曝露時間を所望のように制御することができる。   By controlling the movement, the heat exposure time can be controlled as desired.

機械部品の所望する高温熱処理を達成するために、誘導加熱を用いるのが好ましい。誘導加熱による熱処理は、有効かつ費用効率的であると考えられるが、当業者には公知の他の方法を用いてもよい。そのような方法の一つがレーザーである。   Induction heating is preferably used to achieve the desired high temperature heat treatment of the machine parts. Heat treatment by induction heating is considered effective and cost effective, but other methods known to those skilled in the art may be used. One such method is a laser.

本発明の方法の別の利点は、得られる機械部品のコーティングが均一に分布する多孔度(porosity)を有することである。好ましくは、得られる機械部品のコーティングは、1〜15容量%の多孔度を有する。従って、このような多孔度を有するコーティング材は、使用中に誘導された応力により起こる歪および欠陥を吸収することができる。   Another advantage of the method of the present invention is that the resulting coating of machine parts has a uniformly distributed porosity. Preferably, the resulting coating of machine parts has a porosity of 1-15% by volume. Therefore, the coating material having such a porosity can absorb strain and defects caused by stress induced during use.

開いた微細孔を潤滑物質の緩衝物として用いることにより、使用中機械部品に潤滑作用をもたらし、従って、摩擦および磨耗を減少させることもできる。しかし、閉じた微細孔は外部から供給される潤滑剤を容易に受け入れることができないため、これを所望する場合には、機械部品にあまり有用ではない。   The use of open micropores as a lubricant buffer provides a lubrication effect on machine parts during use, thus reducing friction and wear. However, closed micropores are not very useful for machine parts if this is desired because they cannot easily accept externally supplied lubricant.

さらに、前記コーティング材層の各々は、典型的に0.005〜0.40 mmの厚さを有する。好ましくは、本発明の方法による一層の厚さは、約0.01 mmである。熱曝露の間、コーティング層の粒子同士の接触点に所望のネックを形成するためには、本発明の方法による一コーティング層の厚さは0.005〜0.10 mmの範囲にあるのが好適である。   Further, each of the coating material layers typically has a thickness of 0.005 to 0.40 mm. Preferably, one layer thickness according to the method of the present invention is about 0.01 mm. In order to form the desired neck at the point of contact between the particles of the coating layer during thermal exposure, the thickness of one coating layer according to the method of the present invention is preferably in the range of 0.005 to 0.10 mm.

本発明の好ましい方法では、コーティング材は、前記溶射工程に供給する時点で微粉タイプ(pulverulent type)のものである。あるいは、前記コーティング材は、効率的かつ制御された製造工程を達成するために、溶射工程に供給される際、ワイヤー様の形態をしている。   In a preferred method of the invention, the coating material is of the pulverulent type at the time of supply to the thermal spraying process. Alternatively, the coating material is in a wire-like form when supplied to the thermal spray process to achieve an efficient and controlled manufacturing process.

本発明の特に好ましい方法では、湾曲した形状の表面を含む機械部品に本発明の方法を適用するが、その際、この曲面の少なくともいくつかの領域に、前記コーティング材を塗布する。このような機械部品の場合、前述したように、湾曲した形状の機械部品に従来のコーティング方法を用いる際に誘導される応力の問題は背景技術において特に難題であることから、本発明の方法が特に適している。誘導される応力をさらに最小限にするために、コーティング材を塗布するステップの前に、機械部品を予熱する。   In a particularly preferred method according to the invention, the method according to the invention is applied to a machine part comprising a curved surface, with the coating material being applied to at least some areas of the curved surface. In the case of such a machine part, as described above, the problem of stress induced when the conventional coating method is used on a machine part having a curved shape is a particularly difficult problem in the background art. Especially suitable. In order to further minimize the induced stress, the machine part is preheated prior to applying the coating material.

本発明によれば、溶射工程によりコーティング材を塗布され、高温で、かつ、コーティング材がその支持構造の表面(underlying surface)中に少なくとも部分的に拡散するのに有効な時間、該コーティング材の熱処理に曝露され、そして、同一の上記コーティング材の複数の層を上記機械部品表面上に設けるために、さらにコーティング材層が塗布されて各コーティング材層は順次熱処理されており、上記コーティング材は、少なくとも該コーティング中の粒子間の接触点にネックを有する前記機械部品。   According to the present invention, the coating material is applied by a thermal spraying process, at a high temperature and for a time effective for the coating material to diffuse at least partially into the underlying surface of the support structure. In order to be exposed to heat treatment and to provide multiple layers of the same coating material on the surface of the machine part, further coating material layers are applied and each coating material layer is sequentially heat treated, and the coating material is The machine part having a neck at least at the point of contact between the particles in the coating.

本発明の機械部品コーティングの好ましい実施形態によれば、コーティング材と機械部品表面同士の強力な結合と共に、コーティング内部の強力な結合が達成される。機械部品に塗布する際にコーティング材が曝露される熱を制御することにより、コーティング材は、該コーティングにおける粒子同士の接触点にネック(微細熔接)を形成し、これによって、これら粒子同士の強力な結合が得られる。コーティングおよび機械部品用に選択した材料に応じて、該材料の融点未満の加熱温度に前記材料を曝露することにより、接触点ネックが形成される。   According to a preferred embodiment of the machine part coating of the present invention, a strong bond within the coating is achieved along with a strong bond between the coating material and the machine part surface. By controlling the heat to which the coating material is exposed when applied to machine parts, the coating material forms a neck (microweld) at the point of contact between the particles in the coating, thereby increasing the strength of the particles. Bond is obtained. Depending on the material chosen for the coating and machine parts, a contact point neck is formed by exposing the material to a heating temperature below the melting point of the material.

限定するわけではないが、機械部品に塗布されるコーティング材の高温熱処理は、コーティングに用いられる強化材の融解温度の60〜80%の範囲内で実施するのが好適である。本発明の方法により、コーティングの粒子間に開いた微細孔を形成する材料が提供される。コーティング材は、以下に挙げる材料の群の少なくとも1つのグループから選択するのが好適である:金属、合金、カーバイド、ケイ酸塩、セラミック、酸化物、サーメット、並びにそれらの混合物。   Although it is not limited, it is preferable that the high temperature heat treatment of the coating material applied to the machine part is performed within a range of 60 to 80% of the melting temperature of the reinforcing material used for coating. The method of the present invention provides a material that forms open micropores between the particles of the coating. The coating material is preferably selected from at least one of the following groups of materials: metals, alloys, carbides, silicates, ceramics, oxides, cermets, and mixtures thereof.

本発明によれば、好ましいコーティング材は、Cr3C2、Cr2O3、CuAlおよびAl2O3からなる群より選択される金属化合物を含む。これらの化合物および合金は、優れた耐摩耗性および摺動性能を有する高品質の機械部品コーティングの製造に十分に適合していることが証明されている。好ましい実施形態によるコーティングは、部分的に金属の形態で、部分的に強化材(reinforcement)の形態をした混合物を含む。本発明の好ましい実施形態によれば、コーティング材はサーメットである。サーメットは、セラミックと金属または合金を組み合わせたコーティング材の一グループである。よく用いられる例として、ニッケル/クロムマトリックスにおけるクロムカーバイド(セラミック構成要素)がある。当業者であれば、その他のセラミック化合物、合金およびサーメット(ここには記載していない)を用いて、本発明に従う機械部品へのコーティングを提供することができると考えられる。 According to the present invention, a preferred coating material comprises a metal compound selected from the group consisting of Cr 3 C 2 , Cr 2 O 3 , CuAl and Al 2 O 3 . These compounds and alloys have proven to be well suited for the production of high quality mechanical part coatings with excellent wear resistance and sliding performance. The coating according to a preferred embodiment comprises a mixture partly in the form of a metal and partly in the form of a reinforcement. According to a preferred embodiment of the present invention, the coating material is cermet. Cermets are a group of coating materials that combine ceramics and metals or alloys. A commonly used example is chromium carbide (ceramic component) in a nickel / chromium matrix. Those skilled in the art will be able to use other ceramic compounds, alloys and cermets (not described herein) to provide coatings on machine parts according to the present invention.

さらに、本発明によれば、コーティング材層の各々が典型的に、0.005〜0.10 mmの厚さを有する機械部品が提供される。好ましくは、本発明の機械部品のその一層の厚さは、約0.01 mmである。製造中、コーティング層の粒子同士の接触点に所望のネックを形成するためには、本発明の方法による一コーティング層の厚さは0.005〜0.10 mmの範囲にあるのが好適である。コーティングの合計厚さは、機械部品のサイズおよび種類に応じて変動する。船用ディーゼル機関に用いる機械部品の場合には、コーティングの合計厚さは約5mmまで可能である。   Furthermore, according to the present invention, there is provided a machine part in which each of the coating material layers typically has a thickness of 0.005 to 0.10 mm. Preferably, that one layer thickness of the mechanical component of the present invention is about 0.01 mm. In order to form the desired neck at the point of contact between the particles of the coating layer during manufacture, the thickness of one coating layer according to the method of the present invention is preferably in the range of 0.005 to 0.10 mm. The total thickness of the coating varies depending on the size and type of machine part. For mechanical parts used in marine diesel engines, the total coating thickness can be up to about 5 mm.

添付の図面を参照しながら、現時点で好ましい本発明の実施形態をこれからさらに詳しく説明する。   The presently preferred embodiments of the invention will now be described in further detail with reference to the accompanying drawings.

添付の図面を参照にしながら、本発明に従い現時点で好ましい方法を本発明の機械部品の好ましい実施形態と一緒に説明する。   The presently preferred method according to the present invention will be described together with the preferred embodiments of the mechanical parts of the present invention with reference to the accompanying drawings.

図1を参照すると、機械部品1がコーティングを施すために配置されている。コーティング製造集成装置はさらに、溶射装置3と熱処理装置5を備える。限定するものではないが、好ましくは、保護カバー(図示していない)を備えることにより、周囲の要素を覆って例えば溶射から保護する。さらに、誘導子(inductor)が熱処理装置5を形成している。誘導子5は、機械部品1のサイズに応じて、多数の方法で取り付けることができる。この実施形態では、1以上の誘導子5が示されている。洗浄済の機械部品1をコーティング装置で処理するために配置する。機械部品は鋳鉄ブランクであるのが好ましい。本発明の好ましい実施形態によれば、コーティング材4を溶射により、機械部品1の所望の部分に塗布する。溶射装置3は、当業者には公知と考えられる例えばプラズマ、アーク、HVOF、もしくはフレーム溶射方法を用いるのが好適である。   Referring to FIG. 1, a machine part 1 is arranged for applying a coating. The coating production assembly apparatus further includes a thermal spraying device 3 and a heat treatment device 5. Although not limited thereto, a protective cover (not shown) is preferably provided to cover surrounding elements and protect them from thermal spraying, for example. Furthermore, an inductor forms a heat treatment device 5. The inductor 5 can be attached in a number of ways depending on the size of the machine part 1. In this embodiment, one or more inductors 5 are shown. The cleaned machine part 1 is arranged for processing in a coating apparatus. The machine part is preferably a cast iron blank. According to a preferred embodiment of the invention, the coating material 4 is applied to the desired part of the machine part 1 by thermal spraying. For the thermal spraying device 3, it is preferable to use, for example, plasma, arc, HVOF, or flame spraying methods that are known to those skilled in the art.

機械部品1は、溶射中、溶射装置3および熱処理装置5に対して連続的に移動し(またはその逆)、直ちにコーティング材を高温での熱処理に供することができる。好ましい方法によれば、コーティングしようとする機械部品表面速度は、コーティング材を塗布中の溶射装置、並びに熱処理装置に対し約20m/分である。   During thermal spraying, the machine part 1 moves continuously with respect to the thermal spraying device 3 and the heat treatment device 5 (or vice versa), and the coating material can be immediately subjected to heat treatment at a high temperature. According to a preferred method, the surface speed of the machine part to be coated is about 20 m / min for the thermal spraying apparatus applying the coating material as well as for the heat treatment apparatus.

好ましい実施形態に従うコーティングは、部分的に金属の形態、部分的に強化材の形態の混合物を含む。コーティング材は、該コーティングにおける強化材の融解温度の60〜80%まで短時間で加熱するのが好ましい。   The coating according to a preferred embodiment comprises a mixture in part in metal form, part in reinforcement form. The coating material is preferably heated in a short time to 60-80% of the melting temperature of the reinforcement in the coating.

コーティング材4を塗布し、コーティング材4を加熱する各サイクルによって、図2に示すように、機械部品表面に新しいコーティング層24が形成される。図2では、原理を説明するために三層の24しか示していないが、通常、十層以上、好ましくは、五十層以上が塗布される。当然ながら、層24の数は例えば、層24の厚さに応じて変わる。本発明の好ましい実施形態によれば、各コーティング層24の厚さは、典型的に0.01 mmである。機械部品1の塗布されたコーティング24aの合計厚さは、約0.8 mmであるが、約5mmまで可能である。しかし、これらの図は、用いようとする特性の概念を示すために例として与えたにすぎず、当業者であれば、コーティングしようとする機械部品1の具体的要求に応じて、層24の厚さ、コーティング製造中の表面速度、並びに層24の数のような特性を調節できることが理解されよう。   Each cycle of applying the coating material 4 and heating the coating material 4 forms a new coating layer 24 on the surface of the machine component, as shown in FIG. In FIG. 2, only three layers 24 are shown to explain the principle, but usually more than ten layers, preferably more than fifty layers, are applied. Of course, the number of layers 24 varies depending on the thickness of the layers 24, for example. According to a preferred embodiment of the present invention, the thickness of each coating layer 24 is typically 0.01 mm. The total thickness of the applied coating 24a of the machine part 1 is about 0.8 mm, but can be up to about 5 mm. However, these figures are only given as an example to illustrate the concept of the properties to be used, and those skilled in the art will be able to understand the layer 24 according to the specific requirements of the machine part 1 to be coated. It will be appreciated that properties such as thickness, surface velocity during coating manufacture, and the number of layers 24 can be adjusted.

さらに本発明に応じて、コーティング材4は、例えば、Cr2O3およびAl2O3からなる群より選択される金属化合物を含む。これらの化合物および合金により、高品質の機械部品コーティングが得られることが証明されている。本発明の好ましい実施形態によれば、コーティング材はサーメットである。サーメットは、少なくとも1種のセラミックと少なくとも1種の金属または合金を組み合わせたコーティング材のグループである。よく用いられる例として、ニッケル/クロムマトリックスにおけるクロムカーバイド(セラミック構成要素)がある。当業者であれば、その他のセラミック化合物、合金及びサーメット(ここには詳細に記載していない)を用いて、本発明の機械部品にコーティングを施すことができると思われる。 Furthermore, according to the present invention, the coating material 4 includes, for example, a metal compound selected from the group consisting of Cr 2 O 3 and Al 2 O 3 . These compounds and alloys have proven to provide high quality machine part coatings. According to a preferred embodiment of the present invention, the coating material is cermet. Cermets are a group of coating materials that combine at least one ceramic and at least one metal or alloy. A commonly used example is chromium carbide (ceramic component) in a nickel / chromium matrix. One skilled in the art would be able to use other ceramic compounds, alloys and cermets (not described in detail herein) to coat the mechanical parts of the present invention.

本発明の機械部品1の好ましい実施形態によれば、コーティング材4と機械部品表面22同士の強力な結合と共に、コーティング内部の強力な結合が達成される。機械部品1に塗布する際にコーティング材が曝露される熱を制御することにより、コーティング材4は、該コーティングおよび機械部品表面における粒子同士の接触点にネック(微細熔接)を形成し、これによって、これら粒子同士の強力な結合が得られる。限定するわけではないが、機械部品に塗布されるコーティング材の高温熱処理は、コーティング材のうち少なくとも強化材料の融解温度の60〜80%の範囲内で実施するのが好適である。   According to a preferred embodiment of the machine part 1 of the present invention, a strong bond within the coating is achieved along with a strong bond between the coating material 4 and the machine part surface 22. By controlling the heat to which the coating material is exposed when applied to the machine part 1, the coating material 4 forms a neck (microweld) at the point of contact between the coating and the particle on the machine part surface, thereby A strong bond between these particles can be obtained. Although it does not necessarily limit, it is suitable to perform the high temperature heat processing of the coating material apply | coated to a machine component within the range of 60-80% of the melting temperature of a reinforcement material at least among coating materials.

これは図3にさらに詳しく示されており、ここに、一層の24における粒子21同士の結合を拡大した概略図を示す。本発明の方法により、コーティングの粒子21の間に開いた微細孔を含む、機械部品のコーティングが提供される。コーティングおよび機械部品1の材料に応じて、該材料の融解温度より低い温度の熱に材料を曝露することにより、接触点ネック23が形成される。接触点ネック23は、コーティングの強度をさらに高める。従って、高温にコーティングを曝露するステップにより、通常、溶射だけで行われる機械的結合と比較して、有意に強力な結合が得られる。   This is shown in more detail in FIG. 3, which shows an enlarged schematic view of the bonds between the particles 21 in one layer 24. The method of the present invention provides a coating of mechanical parts comprising micropores opened between the particles 21 of the coating. Depending on the coating and the material of the machine part 1, a contact point neck 23 is formed by exposing the material to heat below the melting temperature of the material. The contact point neck 23 further increases the strength of the coating. Thus, the step of exposing the coating to an elevated temperature results in a significantly stronger bond compared to the mechanical bond that is usually done by spraying alone.

図4では、コーティング層または支持体のコーティング全体に過剰熱を加える作用を示す。これは、他の用途に有益な場合もあるが、前記タイプの機械部品コーティングには有益ではない。支持体のコーティング中に過剰熱を加えると、コーティング材は溶融する。図3に示すコーティングされた部分の大きさと比較できるように、これは図4とほぼ同じサイズである。図4に示すコーティングは、多孔度に有意な減少が認められ、多孔度が均一に分布しておらず、しかも微細孔は閉じていることがわかる。   FIG. 4 shows the effect of applying excess heat to the coating layer or the entire coating of the support. This may be beneficial for other applications, but not for the type of machine part coating. When excessive heat is applied during coating of the support, the coating material melts. This is approximately the same size as FIG. 4 so that it can be compared with the size of the coated part shown in FIG. In the coating shown in FIG. 4, a significant decrease in the porosity is recognized, the porosity is not uniformly distributed, and it can be seen that the micropores are closed.

閉じた微細孔は、一般に潤滑効果を全くもたらすことができない。さらに、数が少なく、しかも不均一に分布した微細孔を有する上記コーティングにより得られる延性は、一般に機械部品のコーティングに使用するには十分ではない。このようなコーティングにおいて結合は強力であるだろうが、前述のように、その他の特徴は、機械部品に用いられる条件を満たすように調整されていない。本発明に従う熱処理の間に、多層のコーティング内部およびそれらの間にネックが形成されるため、優れた延性および耐摩耗性を有する強力な結合のコーティングを達成できることがわかっている。   Closed micropores generally cannot provide any lubrication effect. Furthermore, the ductility obtained by the above coatings having a small number and non-uniformly distributed micropores is generally not sufficient for use in coating machine parts. In such coatings, the bond will be strong, but as noted above, other features are not tailored to meet the conditions used for machine parts. During the heat treatment according to the invention, it has been found that a strong bond coating with excellent ductility and wear resistance can be achieved because the necks form within and between the multilayer coatings.

さらに、コーティングを施すのに過剰熱が用いられると、機械部品のその他の特性が有害な影響を受ける危険性もある。従って、本発明により、機械部品ブランクに対する損傷が制限され、該部品との優れた結合、開いた微細孔および十分な多孔度を備えた、機械部品へのコーティングを達成する方法が提供される。   In addition, if excessive heat is used to apply the coating, there is a risk that other properties of the machine part may be adversely affected. Thus, the present invention provides a method for achieving a coating on a machine part with limited damage to the machine part blank, with excellent bonding to the part, open micropores and sufficient porosity.

本発明のコーティングは、磨耗を被る機械部品の摺動面に好適に施される。好ましくは、コーティングをポンプ、油圧ポンプ、並びに消火ポンプの摺動面に用いることができる。本発明のコーティングは、内燃機関、並びに最も好ましくは、船用ディーゼル機関に用いられる機械部品をコーティングするのに特に適している。   The coating of the present invention is suitably applied to the sliding surfaces of mechanical parts that are subject to wear. Preferably, the coating can be used on the sliding surfaces of pumps, hydraulic pumps, and fire pumps. The coatings of the present invention are particularly suitable for coating mechanical parts used in internal combustion engines, and most preferably marine diesel engines.

本発明の好ましい実施形態によれば、コーティングをシリンダーライナーの摺動面の少なくとも一部に施す。シリンダーライナーは、全体をコーティングしても、所望の部分に予め決定したパターンでコーティングしてもよい。このようなコーティングパターンの一例として、シリンダーライナーの内側表面におけるらせん形状が挙げられる。   According to a preferred embodiment of the invention, the coating is applied to at least a part of the sliding surface of the cylinder liner. The cylinder liner may be coated entirely or on a desired portion with a predetermined pattern. An example of such a coating pattern is the helical shape on the inner surface of the cylinder liner.

本発明の別の好ましい実施形態によれば、機械部品はピストン、ピストンロッド、もしくはピストンスカートである。本発明のコーティングを用いてピストンの環状溝のコーティングを施すのが特に好適であると考えられる。本発明のさらに別の実施形態によれば、スタッフィングボックスリングの内側摺動面の所定部分の一部または全体に本発明のコーティングを施す。   According to another preferred embodiment of the invention, the mechanical part is a piston, a piston rod or a piston skirt. It is considered particularly suitable to coat the annular groove of the piston using the coating of the present invention. According to still another embodiment of the present invention, the coating of the present invention is applied to a part or the whole of the predetermined portion of the inner sliding surface of the stuffing box ring.

本発明のコーティングを施すその他の実施形態は、カムシャフトおよび/またはクランクシャフトの少なくとも好適な部分、並びにカムシャフトカムの摺動面である。   Other embodiments for applying the coating of the present invention are at least suitable portions of the camshaft and / or crankshaft and the sliding surface of the camshaft cam.

さらに、シャフトパッキンの摺動面に本発明のコーティングを施すことも有益であると考えられる。本発明の実施形態によれば、燃料ポンプの摺動面に本発明のコーティング材を塗布する。本発明のさらに別の実施形態によれば、入口弁および/または出口弁の、熱および磨耗を被る部分にコーティングを施すことができ、このような弁は、大型2サイクルディーゼル機関に用いるのが好ましい。   Furthermore, it is considered beneficial to apply the coating of the present invention to the sliding surface of the shaft packing. According to the embodiment of the present invention, the coating material of the present invention is applied to the sliding surface of the fuel pump. According to yet another embodiment of the present invention, the heat and wear portions of the inlet and / or outlet valves can be coated, such valves being used in large two-cycle diesel engines. preferable.

具体的な実施形態を参照にしながら、本発明を詳しく説明してきたが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更および改変を本発明に実施できることが当業者には明らかであろう。従って、プラズマ、HVOF、およびアーク溶射のような各種方法、もしくはその他の関連方法を用いて、本発明の組成物を機械部品に塗布できることは理解されよう。当然ながら、機械部品1にコーティングを施し、該コーティングを加熱する装置および方法は、存在する要求に合わせて調節することができ、例として挙げたにすぎない前記の方法により制限されるものではない。このように、コーティングを施すのに考えられる別の選択肢として、レーザー装置を用いるものがある。   Although the invention has been described in detail with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made to the invention without departing from the spirit and scope of the invention. Let's go. Thus, it will be appreciated that the compositions of the present invention can be applied to machine parts using various methods such as plasma, HVOF, and arc spraying, or other related methods. Of course, the apparatus and method for applying a coating to the machine part 1 and heating the coating can be adjusted to the existing requirements and is not limited by the method described above, which is given as an example only. . Thus, another possible option for applying the coating is to use a laser device.

本発明に従い機械部品にコーティング材を塗布する方法を用いるための集成装置を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a gathering apparatus for using a method of applying a coating material to a machine part according to the present invention. 本発明のコーティングを含む機械部品の一部を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a portion of a mechanical component including a coating of the present invention. 本発明に従う図2の一部を拡大した概略図である。FIG. 3 is an enlarged schematic view of a part of FIG. 2 according to the present invention. 別の従来の方法を用いて得られるコーティングの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the coating obtained using another conventional method.

Claims (25)

機械部品(1)、好ましくはエンジン作動部品の表面(22)の少なくとも一部にコーティング材を塗布する方法であって、以下のステップ:
溶射工程により上記コーティング材を塗布し;
高温で、かつ、コーティング材がその支持構造の表面中に少なくとも部分的に拡散するのに有効な時間、コーティング材を熱処理し;そして、
同一の上記コーティング材の複数の層(24)を上記機械部品表面(22)に被せるために、さらなるコーティング材層(24)を塗布して、各コーティング材層(24)を順次熱処理する(ここで、上記熱処理により、少なくとも上記コーティングの粒子(21)間の接触点にネック(23)が形成される);
ことを含む前記方法。
A method of applying a coating material to at least a part of a surface (22) of a machine part (1), preferably an engine operating part, comprising the following steps:
Applying the coating material by a thermal spraying process;
Heat treating the coating material at an elevated temperature and for a time effective for the coating material to diffuse at least partially into the surface of the support structure; and
In order to cover a plurality of layers (24) of the same coating material on the surface (22) of the machine part, a further coating material layer (24) is applied and each coating material layer (24) is heat-treated in order (here And at least a neck (23) is formed at the contact point between the particles (21) of the coating by the heat treatment);
Said method comprising:
前記機械部品のコーティング材の高温熱処理温度が、コーティング材の融解温度の60〜80%の範囲内である、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein a high temperature heat treatment temperature of the coating material of the mechanical part is within a range of 60 to 80% of a melting temperature of the coating material. 前記溶射装置(3)及び熱処理装置(5)が、機械部品(1)に接続されて相対的に移動しながら、同時に機械部品(1)へのコーティング材(4)の塗布及び熱処理を行う、請求項1〜2のいずれか1項に記載の方法。 The thermal spraying device (3) and the heat treatment device (5) are connected to the machine part (1) and move relatively, and at the same time, apply the coating material (4) to the machine part (1) and perform heat treatment. The method according to claim 1. 前記機械部品(1)の熱処理が誘導加熱により行われる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the heat treatment of the mechanical part is performed by induction heating. 得られた機械部品のコーティングが、均一に分布した多孔度を備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the resulting coating of machine parts comprises a uniformly distributed porosity. 得られた機械部品のコーティングが、1〜15容量%の多孔度を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the resulting coating of machine parts has a porosity of 1 to 15% by volume. 得られた機械部品コーティングの微細孔の少なくとも10%が開いた微細孔(23)である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。 7. A method according to any one of the preceding claims, wherein at least 10% of the micropores of the resulting machine part coating are open micropores (23). 前記コーティング材層(24)の各々が典型的に0.005〜0.4 mmの厚さを有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of the preceding claims, wherein each of the coating material layers (24) typically has a thickness of 0.005 to 0.4 mm. 前記コーティング材が、溶射工程に供給されるとき、微粉タイプのものである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the coating material is of a fine powder type when supplied to the thermal spraying process. 前記コーティング材が、溶射工程に供給されるとき、ワイヤー様の形態をしている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the coating material is in a wire-like form when supplied to the thermal spraying process. 前記コーティング材が、次の材料:金属、合金、カーバイド、ケイ酸塩、セラミック、サーメット、並びにこれらの混合物のうち少なくとも1種を含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the coating material comprises at least one of the following materials: metals, alloys, carbides, silicates, ceramics, cermets, and mixtures thereof. 前記コーティング材が、Cr3C2、Cr2O3、CuAlおよびAl2O3からなる群より選択される金属化合物を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the coating material includes a metal compound selected from the group consisting of Cr 3 C 2 , Cr 2 O 3 , CuAl, and Al 2 O 3 . 前記コーティング材を塗布するステップの前に機械部品(1)を予熱する、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。 13. A method according to any one of the preceding claims, wherein the machine part (1) is preheated before applying the coating material. 機械部品(1)が湾曲した形状の表面を有し、その曲面の少なくともいくつかの領域にコーティング材を塗布する、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。 14. A method according to any one of the preceding claims, wherein the mechanical part (1) has a curved surface and the coating material is applied to at least some areas of the curved surface. 溶射工程によりコーティング材を塗布された機械部品(1)であって、高温で、かつ、コーティング材がその支持構造の表面中に少なくとも部分的に拡散するのに有効な時間、該コーティング材の熱処理に曝露され、そして、同一の上記コーティング材の複数の層(24)を上記機械部品表面(22)上に設けるために、さらにコーティング材層(24)が塗布されて各コーティング材層が順次熱処理されており、上記コーティング材は少なくとも該コーティング中の粒子間の接触点にネック(23)を形成している前記機械部品(1)。 Heat treatment of the coating material (1) coated with the coating material by a thermal spraying process at a high temperature and for a time effective for the coating material to diffuse at least partially into the surface of the support structure In order to provide multiple layers (24) of the same coating material on the machine component surface (22), a further coating material layer (24) is applied and each coating material layer is sequentially heat-treated. The machine part (1), wherein the coating material forms a neck (23) at least at the point of contact between the particles in the coating. 前記機械部品のコーティング材の高温熱処理温度が、コーティング材の融解温度の60〜80%の範囲内である、請求項15に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to claim 15, wherein the high temperature heat treatment temperature of the coating material of the machine part is in the range of 60-80% of the melting temperature of the coating material. 前記機械部品(1)の熱処理が誘導加熱により行われる、請求項15〜16のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to any one of claims 15 to 16, wherein the heat treatment of the machine part (1) is performed by induction heating. 前記機械部品のコーティングが、均一に分布した多孔度を有する、請求項15〜17のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to any one of claims 15 to 17, wherein the coating of the machine part has a uniformly distributed porosity. 前記機械部品のコーティングが、1〜15容量%の多孔度を有する、請求項15〜18のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to any one of claims 15 to 18, wherein the coating of the machine part has a porosity of 1 to 15% by volume. 得られた機械部品コーティングの微細孔の少なくとも10%が開いた微細孔(23)である、請求項15〜19のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to any one of claims 15 to 19, wherein at least 10% of the micropores of the resulting machine part coating are open micropores (23). 前記コーティング材層(24)の各々が典型的に0.005〜0.4 mmの厚さを有する、請求項15〜20のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 21. Mechanical component (1) according to any one of claims 15 to 20, wherein each of the coating material layers (24) typically has a thickness of 0.005 to 0.4 mm. 前記コーティング材が、金属、合金、カーバイド、ケイ酸塩、セラミック、サーメット、酸化物並びにこれらの混合物の少なくとも1種を含む、請求項15〜21のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to any one of claims 15 to 21, wherein the coating material comprises at least one of metals, alloys, carbides, silicates, ceramics, cermets, oxides and mixtures thereof. . 前記コーティング材が、Cr3C2、Cr2O3、CuAlおよびAl2O3、並びにこれらの混合物からなる群より選択される金属化合物を含む、請求項15〜22のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 Wherein the coating material comprises Cr 3 C 2, Cr 2 O 3, CuAl and Al 2 O 3, as well as metal compounds selected from the group consisting of mixtures according to any one of claims 15 to 22 Machine parts (1). 前記コーティング材がサーメットである、請求項15〜23のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to any one of claims 15 to 23, wherein the coating material is cermet. 前記機械部品(1)の湾曲表面の少なくとも一部にコーティング材を塗布する、請求項15〜24のいずれか1項に記載の機械部品(1)。 The machine part (1) according to any one of claims 15 to 24, wherein a coating material is applied to at least a part of the curved surface of the machine part (1).
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