JP2009191318A - 耐浸炭性に優れた溶射皮膜を有する金属部材 - Google Patents

Abstract

【課題】浸炭性雰囲気で使用される金属部材の耐摩耗性と耐焼付き性を向上しかつ優れた耐浸炭性を有する溶射皮膜を表面に形成した金属部材を提供する。
【解決手段】Cr炭化物，Ｗ炭化物およびTi炭化物の中から選ばれる１種または２種以上の炭化物を30〜95質量％含有し、残部がNi，CoおよびFeの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金と不可避的不純物からなる溶射皮膜２をトップコートとして表面に有する金属部材。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属部材の表面に形成される耐浸炭性に優れた溶射皮膜を有する金属部材に関するものである。

熱処理炉内に配設される搬送ローラー等の高温環境に曝される金属部材は、使用中に変形が生じるのを防止するために、高温においても一定の強度を維持する必要がある。そこで高温環境で使用する金属部材に好適なステンレス鋼，耐熱鋼，耐熱合金が実用化されている。ところがこれらの金属部材を高温環境で使用すると、表面の摩耗や焼付き等の問題が発生する。

たとえば熱処理炉内に配設される搬送ローラーの場合は、走行する鋼材との摩擦によって搬送ローラーの表面に摩耗や焼付きに起因する疵が発生する。その疵が後続の鋼材に転写されて、鋼材の表面性状が劣化する。
そこで、金属部材に溶射皮膜を形成して、表面の摩耗や焼付きを防止する技術が種々検討されている。

たとえば特許文献１には、熱交換体鋳物の表面を酸化クロムで被覆して、表面の気孔を被覆する技術が開示されている。熱交換体は一般に大気中で使用される。ところが、浸炭性雰囲気で使用される金属部材（たとえば熱処理炉内に配設される搬送ローラー等）に特許文献１の技術を適用すると、短期間で酸化クロムの被覆層に亀裂が生じて、金属部材の耐用性が低下する。

特許文献２には、熱処理炉内に配設される炭素系複合材料の搬送ローラーの表面にＹ₂Ｏ₃の溶射皮膜を形成する技術が開示されている。炭素系複合材料は、炭素繊維を混合した高強度カーボンである。この特許文献２の技術を浸炭性雰囲気で使用される金属部材（たとえば熱処理炉内に配設される搬送ローラー等）に適用すると、短期間でＹ₂Ｏ₃の被覆層に亀裂が生じて、金属部材の耐用性が低下する。
特開2004-43922号公報 特開2003-213323号公報

本発明は、浸炭性雰囲気で使用される金属部材の耐摩耗性と耐焼付き性を向上しかつ優れた耐浸炭性を有する溶射皮膜を表面に形成した金属部材を提供することを目的とする。

本発明者らは、特許文献１，２に開示された技術を、浸炭性雰囲気で使用される金属部材（たとえば熱処理炉内に配設される搬送ローラー等）に適用した場合に、表面の皮膜に亀裂が生じる原因を検討した。その結果、金属部材に変形（たとえば曲り等）が発生し、その変形した部位の皮膜に亀裂が生じることが分かった。
そこで、ステンレス鋼，耐熱鋼，耐熱合金等からなる金属部材を浸炭性雰囲気で使用することによって変形が生じる原因を詳しく調査した。その結果、浸炭によって金属部材の特性が局部的に変化し、その特性のバラツキが変形の原因であることが判明した。

つまり、金属部材の表面に形成する溶射皮膜の耐浸炭性を高めることによって、浸炭性雰囲気で使用しても金属部材の変形を防止でき、ひいては金属部材の耐用性を向上できるという知見を得た。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、Cr炭化物，Ｗ炭化物およびTi炭化物の中から選ばれる１種または２種以上の炭化物を30〜95質量％含有し、残部がNi，CoおよびFeの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金と不可避的不純物からなる溶射皮膜をトップコートとして有する金属部材である。

また本発明は、Cr炭化物，Ｗ炭化物およびTi炭化物の中から選ばれる１種または２種以上の炭化物を30〜95質量％含有し、残部がNi，Co，Fe，Cr，Al，Ｙ，Ti，NbおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金と不可避的不純物からなる溶射皮膜をトップコートとして有する金属部材である。
なおトップコートは、２層の皮膜からなる溶射皮膜の場合には上層の皮膜を指し、単層の皮膜からなる溶射皮膜の場合にはその皮膜を指す。

本発明の金属部材においては、トップコートの下地として、Ni，CoおよびFeの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金を主体とし、残部が不可避的不純物からなる溶射皮膜をアンダーコートとして有することが好ましい。
あるいは、トップコートの下地として、Ni，Co，Fe，Cr，AlおよびＹの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金を主体とし、残部が不可避的不純物からなる溶射皮膜をアンダーコートとして有することが好ましい。

さらに、トップコートの上表面に、SiＯ₂，Cr₂Ｏ₃またはAl₂Ｏ₃からなる被覆層を有することが好ましい。

本発明によれば、浸炭性雰囲気で使用される金属部材の耐摩耗性と耐焼付き性を向上しかつ優れた耐浸炭性を有する溶射皮膜を表面に形成した金属部材を得ることができる。

本発明の溶射皮膜のトップコートは、Cr，ＷまたはTiの炭化物を30〜95質量％含有する。あるいはCr，ＷおよびNbの中から選ばれる２種以上の炭化物を合計30〜95質量％含有する。これらの炭化物の溶射皮膜は優れた耐摩耗性と耐焼付き性を有する。しかも、侵入してきたＣ（炭素）と結合して、トップコート内にＣを固定する作用を有する。そのため、トップコートの耐浸炭性が改善される。ただし、これらの炭化物の含有量が30質量％未満では、十分な耐浸炭性が得られない。一方、95質量％を超えると、耐浸炭性のさらなる向上が期待できない。

なおトップコートは、２層の溶射皮膜の場合には上層の溶射皮膜を指し、単層の溶射皮膜の場合にはその溶射皮膜を指す。
トップコートの残部は、下記に示す(a)，(b)のいずれかの合金、すなわち
(a)Ni，CoおよびFeの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金、
(b)Ni，Co，Fe，Cr，Al，Ｙ，Ti，NbおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金、
および不可避的不純物である。

上記の(a)，(b)の合金は、容易にＯ（酸素）と結合して酸化物を形成し、トップコートの耐摩耗性と耐焼付き性を改善する作用を有する。トップコートとして使用する合金は、これらの中から、トップコートに含有される炭化物の種類や含有量あるいはトップコートを形成した金属部材の仕様や用途に応じて適宜選択する。
トップコートは優れた耐摩耗性，耐焼付き性，耐浸炭性を有するので、トップコートのみ（すなわち単層の溶射皮膜）を金属部材に形成することによって、その金属部材を高温かつ浸炭性の雰囲気で支障なく使用できる。ただし、急加熱，急冷却の熱衝撃を繰り返し受ける金属部材には、トップコートの下地としてアンダーコートを形成（すなわち２層の溶射皮膜）することが好ましい。

つまり、単層の溶射皮膜の場合は、金属部材の基地の上面にこのトップコートが形成される。２層の溶射皮膜の場合は、金属部材の基地の上面に下層の皮膜としてアンダーコートが形成され、さらにアンダーコートの上面にトップコートが形成される。
アンダーコートは、下記に示す(A)，(B)のいずれかの合金、すなわち
(A)Ni，CoおよびFeの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金、
(B)Ni，Co，Fe，Cr，Al，およびＹの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金、
を主体とすることが好ましい。残部は不可避的不純物である。

上記の(A)，(B)の合金は、容易にＯ（酸素）と結合して酸化物を形成し、アンダーコートの耐熱衝撃性を改善する作用を有する。アンダーコートとして使用する合金は、これらの中からトップコートの成分に応じて適宜選択する。
さらに、トップコートの上表面にSiＯ₂，Cr₂Ｏ₃またはAl₂Ｏ₃からなる被覆層を形成することが好ましい。この被覆層は、トップコートの上表面に露出した気孔に充満して上表面を平滑にする（いわゆる封孔処理）ためのものである。この封孔処理によってトップコートの耐浸炭性が改善される。封孔処理を施す方法は特に限定しないが、ゾルゲル法が好ましい。

以上に説明したトップコートとアンダーコートを有する溶射皮膜を形成すると、金属部材の耐摩耗性，耐焼付き性のみならず耐浸炭性を著しく向上することができ、熱衝撃を受ける用途に支障なく使用できる。

SUS304ステンレス鋼板（50mm×50mm×15mm）の片側表面に種々の溶射皮膜を形成して試験片を作製した。トップコートを形成するにあたって、ＨＶＯＦ溶射法を採用した。溶射粉末は、造粒焼結法を用いて炭化物粒子と合金粉末が均一に分散させた。溶射粉末の粒度は、ＨＶＯＦ溶射法に好適な15〜53μｍの範囲内に調整した。トップコートの厚みは150μｍとした。

また、トップコートの下地としてアンダーコートを形成する場合は、トップコートの溶射に先立って、アンダーコートをＨＶＯＦ溶射法で施工した。溶射粉末は、ガスアトマイズ法で、粒度をＨＶＯＦ溶射法に好適な15〜53μｍの範囲内に調整した。アンダーコートの厚みは50μｍとした。
さらに一部の試験片には封孔処理を施した。封孔処理は、SiＯ₂，Cr₂Ｏ₃またはAl₂Ｏ₃のゾル溶液をトップコートの上表面に塗布し、大気中で1000℃にて焼成して、被覆層を形成した。封孔処理による被覆層の厚みは５μｍ以下とした。

次いで図１に示すように、これらの試験片にカーボンを静置し、高温炉（雰囲気：Ｎ₂＋５体積％Ｈ₂，温度：1000℃）内で６ケ月間保持した。その後、試験片を高温炉から取り出し、その断面を電子顕微鏡で観察してステンレス鋼板の結晶粒界における炭化物の析出状況を調査した。ステンレス鋼板の表面と炭化物が析出した最も深い位置との距離（以下、浸炭深さという）を表１に示す。

なお、溶射皮膜を形成せずに浸炭深さを調査した例も表１に示す。すなわち表１のNo.18，19は、ステンレス鋼板に封孔処理を施した例、No.20はステンレス鋼板のままの例である。

表１から明らかなように、発明例（No.１〜12）の浸炭深さは0.7〜1.5mmであったのに対して、比較例（No.13〜20）の浸炭深さは2.4〜6.0mmであった。
このようにして本発明の金属部材では、表面に形成される溶射皮膜が優れた耐浸炭性を有することが確かめられた。
次に、表１のNo.１の溶射皮膜を、薄鋼板焼鈍炉（雰囲気：窒素ガス，温度：1000℃）で用いるカーボンロールに形成した。このカーボンロールは、基材となるステンレス鋼（すなわちSUS310S）の表面に溶射皮膜を形成し、さらにその表面をカーボンスリーブで被覆したものである。

このカーボンロールを薄鋼板焼鈍炉内で12ケ月間継続して使用した後、基材の曲りを調査した。その結果、曲りは0.4mm／ｍであった。
従来の酸化物を溶射した皮膜を有するカーボンロールでは、曲りが１mm／ｍ程度であったことを考慮すると、本発明を適用することによって、カーボンロールの曲りを大幅に低減できることが判明した。この曲りは、浸炭によってカーボンロールが局部的に変形して発生するものであるから、本発明では優れた耐浸炭性が発揮されることが確かめられた。

試験片を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ ステンレス鋼板
２ 溶射皮膜
３ カーボン

Claims (5)

1. Cr炭化物、Ｗ炭化物およびTi炭化物の中から選ばれる１種または２種以上の炭化物を30〜95質量％含有し、残部がNi、CoおよびFeの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金と不可避的不純物からなる溶射皮膜をトップコートとして有することを特徴とする金属部材。
2. Cr炭化物、Ｗ炭化物およびTi炭化物の中から選ばれる１種または２種以上の炭化物を30〜95質量％含有し、残部がNi、Co、Fe、Cr、Al、Ｙ、Ti、NbおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金と不可避的不純物からなる溶射皮膜をトップコートとして有することを特徴とする金属部材。
3. 前記トップコートの下地として、Ni、CoおよびFeの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金を主体とし、残部が不可避的不純物からなる溶射皮膜をアンダーコートとして有することを特徴とする請求項１または２に記載の金属部材。
4. 前記トップコートの下地として、Ni、Co、Fe、Cr、AlおよびＹの中から選ばれる１種または２種以上を含有する合金を主体とし、残部が不可避的不純物からなる溶射皮膜をアンダーコートとして有することを特徴とする請求項１または２に記載の金属部材。
5. 前記トップコートの上表面に、SiＯ₂、Cr₂Ｏ₃またはAl₂Ｏ₃からなる被覆層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属部材。
   

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