溶射コーティングをやさしく解説：WC-CoとCr₂C₃の使い分けと耐摩耗性

溶射コーティングは、高速の熱流体で溶融・半溶融させた粉末を基材に吹き付けて皮膜を形成する技術だ。耐摩耗コーティングで最も多用される2つがWC-Co（炭化タングステン—コバルト）とCr₂C₃-NiCr（炭化クロム—ニッケルクロム）で、どちらも超硬系のサーメット皮膜だが適用温度域がまったく異なる。常温〜500℃ならWC-Co、500℃を超えるならCr₂C₃-NiCrという大原則を軸に、選定の根拠と注意点を整理する。

溶射の種類と特徴

溶射方式	粒子速度	皮膜品質	主な用途
HVOF（高速フレーム溶射）	600〜900 m/s	高密度・低気孔率（1%以下）	WC-Co・Cr₂C₃の主流方式
プラズマ溶射（APS）	200〜400 m/s	中密度・気孔率2〜5%	セラミック（Al₂O₃・ZrO₂）・遮熱コーティング
フレーム溶射	50〜200 m/s	低密度・気孔率5〜15%	補修・安価な防食用途
コールドスプレー	500〜1200 m/s	高密度・酸化なし	銅・アルミ・導電性皮膜

なぜWC-CoにHVOFが必須か

WCは高温になるとW₂C（炭素欠乏相）やη相に変質し、硬さと耐摩耗性が大幅に低下する。HVOFは燃焼ガスで加熱しつつ超音速で吹き付けるため、粒子の滞空時間が短く酸化・脱炭を抑えられる。プラズマ溶射でWC-Coを施工すると皮膜硬さが大きく下がるため、WC-Coには原則HVOF方式を選ぶ。

WC-Co vs Cr₂C₃-NiCr 成分・特性比較

特性	WC-Co（HVOF）	Cr₂C₃-NiCr（HVOF）
主成分	WC 83〜88% + Co 12〜17%	Cr₂C₃ 75〜80% + NiCr 20〜25%
皮膜硬さ	1000〜1300HV	850〜1000HV
使用温度上限	約500℃（酸化・脱炭が始まる）	約900℃（高温安定性が高い）
耐摩耗性（室温）	◎ 非常に優れる	○ 優れる
耐摩耗性（高温）	△ 500℃超で急低下	◎ 900℃まで安定
耐食性	△ Coが溶出しやすい（酸性環境）	○ NiCrが耐食バインダーとして機能
皮膜密度	14〜15 g/cm³	6〜7 g/cm³
膜厚範囲	100〜400μm	100〜400μm

室温での耐摩耗性はWC-Coが上。ただし500℃を超える環境ではWCが酸化・脱炭してWO₃になり急激に劣化する。この温度境界を超えるかどうかが選択の分岐点。

使い分け判断軸

判断軸	WC-Coを選ぶ	Cr₂C₃-NiCrを選ぶ
使用温度	常温〜500℃以下	500〜900℃
摩耗環境	アブレシブ摩耗（砥粒・スラリー）が支配的	高温スライディング摩耗・フレッティング
腐食環境	中性〜弱アルカリ（酸性は避ける）	酸化雰囲気・高温腐食がある場合
典型用途	印刷ロール・製紙ロール・航空機ランディングギア・スリーブ	製鉄炉ロール・排気系バルブ・ガスタービン部品・高温スライド面
代替前処理	硬質クロムめっきからの代替（環境規制対応）	高温環境の溶射更新・耐熱皮膜の強化

代替可否マトリクス

変更方向	可否	条件・注意点
WC-Co → Cr₂C₃-NiCr（温度上昇対応）	○ 可	室温硬さはやや低下。摩耗寿命の再評価が必要
Cr₂C₃-NiCr → WC-Co（コスト削減）	△ 条件付き	使用温度が500℃以下であることを確認すること
硬質クロムめっき → WC-Co（HVOF）	○ 可	HVOFはRoHS対応・環境負荷低減の代替として推奨。膜厚設計の見直し要。硬質クロムの1000〜1100HVに対しWC-Coは1000〜1300HVで同等以上
WC-Co → WC-CoCr（耐食強化）	○ 可	Crを5〜10%添加したWC-CoCrは耐食性が改善。海水・弱酸性環境に有効
溶射 → PVD/CVD（薄膜化）	△ 条件付き	PVD/CVDは5μm以下の薄膜。溶射（100〜400μm）のような厚膜摩耗代が必要な部位には不向き

トラブル事例

WC-Co施工ロールが炉内で短期間で剥離した

状況製鉄工場の炉内搬送ロールにコスト重視でWC-Coを採用。3ヶ月で皮膜が剥離・脱落した。

原因炉内温度が600〜700℃で、WCが酸化してWO₃に変質。皮膜が脆化して熱サイクルによる熱応力で剥離した。WC-Coの使用温度上限（約500℃）を超えていた。

対策Cr₂C₃-NiCrに変更。高温用途では施工前に最高使用温度を確認し、500℃超ならCr₂C₃系を原則とする。

硬質クロムめっきからWC-Coに変更後、軸受部が摩耗した

状況環境規制対応で硬質クロムめっきをHVOF-WC-Coに変更。皮膜硬さは上がったが、相手材の軸受が短寿命になった。

原因WC-Coは硬質クロムより硬く（1200HVvs1100HV）表面粗さも大きいため、相手材の軸受（SUJ2・60〜65HRC相当）への攻撃性が増した。溶射面の仕上げ研削が不十分だったことも一因。

対策HVOF施工後にRa0.2μm以下まで研削仕上げを行う。相手材の硬さ・材質との組合せを事前に摩耗試験で確認する。攻撃性を下げたい場合はWC粒径を細かくしたグレード（WC-Co fine）を選定する。

用途カード

航空機ランディングギア（WC-Co）

着陸時の衝撃・摩耗に対応。硬質クロムめっきの環境規制代替として業界標準化が進む。膜厚250〜400μm・Ra0.2μm以下に仕上げる。航空規格（AMS 2447等）に基づく施工管理が必要。

印刷・製紙ロール（WC-Co）

紙・インクによるアブレシブ摩耗に対応。硬さ1100〜1200HVで長寿命を実現。ロール表面を鏡面研磨（Ra0.05μm以下）に仕上げることで印刷品質を確保。定期的な再施工で繰り返し使用。

製鉄炉内搬送ロール（Cr₂C₃-NiCr）

600〜800℃の炉内でスチール材を搬送するロールに適用。高温酸化・スケール（酸化膜）との摩耗に耐える。母材はステンレス鋼・耐熱鋼が多く、下地ボンドコートを施してから施工する。

ガスタービン静翼シール部（Cr₂C₃-NiCr）

高温燃焼ガス雰囲気でのフレッティング摩耗対策。900℃近傍でも皮膜硬さを維持できるCr₂C₃-NiCrが採用される。プラズマ溶射で施工するケースもあり、用途と温度に応じて方式を選定。

施工前の確認事項

溶射コーティング採用時に整理すべき5項目

①使用温度：最高到達温度が500℃以下か超えるかで材料が分岐する。
②摩耗形態：砥粒摩耗（アブレシブ）か滑り摩耗（スライディング）かで最適皮膜が変わる。
③相手材の硬さ：溶射皮膜より柔らかい相手材は攻撃的に摩耗させる場合がある。
④腐食環境：酸性スラリー・海水環境ではWC-CoCrやCr₂C₃を選ぶ。
⑤仕上げ精度：溶射後の研削仕上げ工程を設計に組み込む（Ra・寸法公差）。

溶射コーティング選定チェックリスト

使用温度の上限は何℃か（500℃超 → Cr₂C₃-NiCr）
摩耗環境はアブレシブ摩耗か高温スライド摩耗か
相手材との硬さバランスを確認したか
腐食環境がある場合はCo溶出リスクを検討したか
施工後の研削仕上げ工程と精度要求を設計に織り込んだか
施工業者がHVOF設備と施工実績を持っているか

まとめ

WC-CoとCr₂C₃-NiCrは同じHVOF溶射サーメットでも適用温度域が異なる：WC-Coは〜500℃、Cr₂C₃-NiCrは〜900℃
室温での硬さ・耐摩耗性はWC-Coが上。500℃を超えるとWCが酸化・脱炭して急激に劣化する
硬質クロムめっきからの代替はWC-Co（HVOF）が標準。環境規制対応と性能改善を両立できる
施工後の研削仕上げを怠ると相手材への攻撃性が増す。表面粗さの管理が品質を左右する
選定は「使用温度」「摩耗形態」「腐食環境」の3軸で整理すると迷わない