熱間スプレー耐摩耗コーティング技術の研究状況

1. 金属コーティングの現在の研究状況

熱間スプレー金属コーティングは、最も早く研究され、適用された耐摩耗コーティングの一つです。一般的に使用される材料には、金属（Mo、Ni）、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼、およびNi-Cr合金シリーズコーティングが含まれます。フレームスプレー、アークスプレー、プラズマスプレー、HVOF（高速度酸素燃料）、および爆発スプレーなどの技術が一般的に使用されます。これらのコーティングは、基材との高い結合強度を示し、優れた摩耗および腐食抵抗を持っているため、摩耗した部品の修理やオーバーサイズ部品の加工に適しています。

アルミニウム系合金を用いたプラズマスプレー技術でピストンリング、シンクロナイザーリング、シリンダーをコーティングすると、コーティングは優れた耐摩耗性、高い結合強度、優れた防粘着摩耗特性を示します。潤滑条件下では、良好な防焼き付きおよび防スカッフ性能も発揮します。高炭素鋼ワイヤーやステンレス鋼（Cr13型、18-8型など）合金ワイヤーは、一般的に耐摩耗性および耐腐食性のスプレー材料として使用されます。これらの材料は、高強度、良好な耐摩耗性、広い入手可能性、低コストが特徴です。NiCrコーティングは、優れた耐熱性、耐腐食性、侵食摩耗抵抗を提供し、発電所ボイラーの過熱器および再加熱器チューブの保護コーティングとして適しています。フレームおよびプラズマスプレー法を用いて、異なる微細構造を持つNiCr金属耐摩耗コーティングを準備することができますが、これらのコーティングは通常、より高い多孔性と酸化物含量を持つ傾向があります。

セラミックコーティングの現在の研究状況

熱スプレーセラミック粉末には、酸化物、炭化物、ボリウム化物、窒化物、シリサイドが含まれ、これらは金属および非金属元素から構成される結晶性または非晶質の化合物です。セラミックコーティングは、高い融点、高い硬度、優れた耐摩耗性、耐腐食性、高温安定性で知られています。しかし、セラミックコーティングのスプレー工程は複雑でコストがかかり、コーティングは表面亀裂が発生しやすく、金属コーティングと比較して熱疲労耐性が劣ります。さらに、セラミックコーティングは靭性が低く、重大な衝撃荷重を伴う用途には不向きです。一般的に使用されるセラミックコーティングには、Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2、WC、TiC、Cr3C2、TiB2が含まれ、通常はプラズマスプレー、フレームスプレー、HVOF、爆発スプレー技術を使用して準備されます。

Ren Jingri et al.は、プラズマスプレーされたAl2O3-40%TiO2およびCr2O3セラミック粉体コーティングの滑り摩擦および摩耗特性を研究しました。

他の研究では、プラズマスプレーされた多層金属およびセラミックコーティングの滑り摩擦および摩耗特性が調査されています。スプレーの順序は、まず基材にNiCrバンドコートを適用し、その後、NiCr-Cr2O3の異なる割合の遷移層を施し、最後に100% Cr2O3の表面層を施すというものです。遷移層における金属とセラミックの適切な比率がコーティングの摩耗抵抗を改善できることがわかりました。主な摩耗メカニズムには、脆性破壊、摩耗、付着、および酸化摩耗が含まれます。

金属-セラミックコーティングの現在の研究状況

金属とセラミックはそれぞれ独自の利点と明確な性能の弱点を持っています。両方の材料の有利な特性を組み合わせることは、材料科学と工学における長年の研究の方向性です。金属とセラミックの強度と靭性を高温耐性、耐摩耗性、耐腐食性と結合する金属-セラミック複合コーティング技術は、適切な形状とサイズのセラミック粒子をプラスチックマトリックス内に均一に分散させることを含みます。これにより、金属とセラミック材料の両方の適用範囲が大幅に広がり、航空宇宙、化学、機械、電力産業での成功した応用が見られます。産業で最も広く使用されている金属-セラミックコーティングはCr3C2-NiCrとWC-Coであり、通常はHVOF、プラズマ、爆轟スプレー技術を使用して準備されます。

Cr3C2-NiCr金属-セラミックコーティングは、耐火性のクロムカーバイド硬相と延性のニッケル-クロム合金相で構成されています。

WCベースの金属セラミックコーティングは、450°C以下の摩耗および侵食条件で一般的に使用されています。徐向陽らは、プラズマスプレーされたWC/18Coコーティングのフレッティング摩耗メカニズムを研究しました。結果は、フレッティング摩耗の初期段階は接着摩耗が支配的であり、コーティングの高い硬度と強い反接着特性により摩耗が最小限に抑えられることを示しました。安定した段階では、疲労剥離と脆性亀裂剥離が主要な摩耗メカニズムとなり、コーティングの脆さと低い粒子間結合強度が摩耗の増加を引き起こします。コーティング内の酸化物 Inclusion は、フレッティング摩耗抵抗が不十分な主な原因です。

無定形コーティングの現在の研究状況

非晶質材料は、長距離の無秩序と短距離の秩序によって特徴付けられます。

薄熙華らは、プラズマスプレーを用いてFeベースのアモルファス合金コーティング（Si、B、Cr、Niなどを含む）を作製した。

他の研究では、爆発スプレーによるFe-Cr-B合金コーティングの微細構造と摩耗抵抗が調査された。

要約すると、HVOF、プラズマスプレー、アークスプレー、爆発スプレーを使用して金属、セラミック、金属-セラミック、非晶質耐摩耗コーティングを適用することは、基材材料の耐摩耗性を効果的に向上させることができます。