耐摩耗コーティングと放電プラズマ焼結 — 部材の表面に硬い層を作り込む

表面だけを硬くする、という発想

機械の部品が摩耗で寿命を迎えるとき、すり減っているのは表面である。歯車の歯面、軸受、ポンプの羽根、掘削の刃——いずれも摩耗は表層で進み、芯はほとんど無傷のまま残る。ならば、部品を芯まで硬い高価な材料で作る必要はない。表面だけを硬く緻密にすれば、摩耗は十分に抑えられる。

これが耐摩耗コーティングの発想である。芯は、安価で靭性のある金属に任せて、衝撃や荷重を受け止めさせる。表面には硬質材料の層を設けて、摩耗の役割を分担させる。硬さと粘り強さを一つの均質な材料に求めるのではなく、深さ方向で役割を分けることで、性能とコストを両立させる。

本稿が扱うのは、塊（バルク）として成形する工具材料そのものではなく、この表面層をどう作るかという問題である。そして、層を硬く緻密に仕上げる手段の一つとして、放電プラズマ焼結（SPS）が検討されてきた。

硬い層に何を選ぶか

耐摩耗コーティングの表層に選ばれる材料は、まず硬く、摩耗しにくいものでなければならない。代表は炭化タングステン（WC）を金属コバルトで結合した超硬合金（WC-Co）系である。硬いWC粒子が摩耗に抗い、コバルトの結合相が粒子をつなぎ、層に粘りを与える。硬さと割れにくさを層の中で両立させる、定評ある組み合わせだ [3]。

近年は、多元素を等量近く混ぜた高エントロピー合金を結合相に用い、その中に硬質粒子を分散させる試みもある。結合相そのものを強くすることで、層全体の耐摩耗性と耐食性を高める狙いである [5]。

いずれの場合も、層の性能を決めるのは組織の質だ。硬質粒子が細かく均一に分散し、気孔が少なく、相が設計どおりであるほど、摩耗に強い。逆に、気孔が残ったり、硬質相が変質したりすると、せっかくの硬さが発揮されない。耐摩耗コーティングの良し悪しは、結局のところ、層をどれだけ緻密かつ健全に作れるかにかかっている [3][4]。

溶射皮膜の二つの弱点

硬質層を作る代表的な方法に溶射がある。溶かした硬質粉末を高速で基材に吹き付け、積み重ねて層にする。装置が確立しており、大きな面や複雑な形にも被覆できる利点がある。だが、溶射でできた皮膜には、摩耗特性を制約する二つの弱点が残りやすい。

第一は気孔だ。吹き付けた粒子が重なるとき、隙間が完全には埋まらず、層の中に気孔が残る。気孔は層を弱くし、摩耗の起点や、腐食液の通り道になる。

第二は相の変質である。WC-Co系では、高温で吹き付ける過程でWCが脱炭し、W₂CやWといった別の相に変わってしまうことがある。これらの相は本来のWCより摩耗特性が劣るため、層の性能を損なう。せっかくのWCが、被覆の過程で別物に変わってしまうのだ [4]。

気孔と相の変質。この二つを後から手当てできれば、溶射皮膜の実力は引き上げられる。ここにSPSの出番がある。

SPSが耐摩耗コーティングに効く理由

放電プラズマ焼結（SPS）は、黒鉛ダイスに充填した粉末や被覆体へパルス直流を流し、ジュール加熱で急速に昇温しながら一軸加圧する手法である [1]。耐摩耗コーティングに対しては、二つの使い方が検討されてきた。

一つめは、既存皮膜の緻密化と相の回復である。溶射でできた皮膜にSPSの加圧通電処理を施すと、気孔が潰れて緻密になり、加えて脱炭で生じたW₂CやWといった相が、再びWCへと戻る方向に働く。Yuらは、プラズマ溶射したWC–Co皮膜にSPSを施し、皮膜中のWCが回復することを報告している。溶射の弱点である気孔と相の変質を、後処理で同時に手当てする発想である [4]。Zhouらは、プラズマ堆積したCoCrFeMnNi/WC皮膜にSPS処理を加え、組織と力学特性が改善することを示している [5]。

二つめは、基材の上に硬質層を一体形成することである。基材に硬質粉末を載せ、加圧通電で焼き固めれば、緻密な硬質層を基材と一体に作れる。Nishimotoらは、チタンの表面にSPSで炭化物層を形成する手法を報告している。低温・短時間で固められるため、硬質粒子の粗大化を抑えつつ、緻密な層を得やすい [2]。緻密で微細な組織は摩耗・エロージョン（粒子の衝突による削れ）への抵抗を高める方向に働き、Sunらは、微細なWC–Co系をSPSで緻密化し、エロージョン抵抗を評価している [3]。

いずれの使い方も、耐摩耗コーティングが求める「気孔がなく、相が健全で、硬質粒子が微細に分散した緻密な表層」を、SPSの低温・短時間焼結と加圧通電によって作り込もうとするものである。

深さ方向に役割を分ける設計

耐摩耗コーティングは、一つの部材に求められる「硬さ」と「粘り強さ」を、深さ方向で分担させる設計思想である。芯は靭性を、表面は硬さを受け持つ。その表面層が気孔だらけだったり、相が変質していたりすれば、分担そのものが崩れてしまう。だからこそ、層をいかに緻密かつ健全に仕上げるかが問われる。

SPSは、溶射皮膜の気孔を潰し変質相を回復する後処理として、また基材上に緻密な硬質層を一体形成する手段として、この問いに二つの道で応える。加圧通電による緻密化と、低温・短時間焼結による微細組織の保持が、その柔軟さを支えている。表面だけを硬くするという発想を、組織の健全さまで含めて実現する——耐摩耗コーティングの焼結は、部材の表層に性能を集中させる作業である。

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