JP2000279876A

JP2000279876A - コーティング方法

Info

Publication number: JP2000279876A
Application number: JP11086733A
Authority: JP
Inventors: Seiji Kuroda; 聖治黒田; Blatzer Philip; ブラッツェルフィリップ
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-10
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP3265359B2

Abstract

(57)【要約】【課題】皮膜の組織と性能の均一性を高め、再理性の
良好な緻密な組織とする。【解決手段】コーティング原料微粉末の懸濁液からな
る液滴を、直線上実質的な等間隔な均一径の液滴列とし
て生成させ、この液滴列を加熱域に投入して液媒を蒸発
させるとともにコーティング原料微粉末を焼結もしくは
溶融し、基板上に堆積させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、コーティ
ング方法に関するものである。さらに詳しくは、この出
願の発明は、材料表面の改質によって高機能化や高性能
化、または長寿命化等を図ることのできる、新しいコー
ティング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、金属等の材料の表
面に異性材料をコーティングすることによって、新しい
機能を付与したり、あるいは耐食性、耐摩耗性、耐熱性
等の性能の向上を図ることが有効であることが知られて
いる。このようなコーティング法のうちの、いわゆるド
ライプロセスには、ＰＶＤ，ＣＶＤ等の薄膜製造法と、
溶射のような厚膜製造法がある。いずれもよく知られた
方法である。

【０００３】前者の薄膜製造法の場合には、得られる膜
が緻密で高純度ではあるが、成膜速度が低く、しかも真
空装置が必要である等の理由からコストが高いという基
本的な問題がある。これに対し、溶射法は、成膜速度が
高く、経済性に優れているという特徴がある。しかしな
がら、この溶射による厚膜製造法においては、皮膜組織
の制御性や性能の安定性に問題がある。その原因として
は、通常、溶射法で用いる粉末は粒径が１０ミクロン以
上であり、しかも粒分布が広いことが考えられる。この
ため、結果としてプラズマジェット等の熱源に投入する
際の速度と位置のばらつきが生じ、これが粉末粒子の溶
融状態や速度のばらつきの主要な原因となり、形成され
るコーティング内部には、未溶融粒子等が含まれる等の
組織のばらつきが生じ、コーティングの耐食性等の性能
やその再現性を阻害することになると考えられる。

【０００４】このような問題を解決するためには、溶射
法に用いるコーティング原料粉末の粒径を小さくし、粒
径分布を狹くすることが当然に考えられる。しかし溶射
法においては、粒径を１０ミクロン以下に小さくするこ
とは、その方法および装置での粉末の取扱いを困難と
し、実際的に溶射によるコーティングを難しくしてしま
うという問題が発生する。

【０００５】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
の従来技術の問題点を解消し、溶射法の経済性に優れた
特徴を生かしつつ、しかも皮膜の組織と性能の均一性を
高め、しかも再理性を高めることのできる新しいコーテ
ィング方法を提供することを課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、コーティング
原料微粉末の懸濁液からなる液滴を、直線上実質的に等
間隔な均一径の液滴列として生成させ、この液滴列を加
熱域に投入して液媒を蒸発させるとともにコーティング
原料微粉末を焼結もしくは溶融し、基板上に堆積させる
ことを特徴とするコーティング方法を提供する。

【０００７】また、この出願の発明は、第２には、加熱
域への投入時に、コーティング原料微粉末を反応性ガス
と接触させる前記のコーティング方法も提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴を有するものであって、従来の溶射技術の問題点
を、オフィス用プリンタとしてすでに高度な制御性と安
定性を確立しているインクジェットあるいはバブルジェ
ットプリンタ等の機構を利用して、加熱域へコーティン
グ原料を精密かつ安定的に投入することで解決するもの
である。

【０００９】以下にこの発明の実施の形態について説明
する。この発明のコーティング方法では、たとえばその
概要を図１に示したように、液滴発生装置において、コ
ーティング原料微粉末の懸濁液からなる液滴を、直線上
実質的に等間隔な均一径の液滴列として生成させ、この
液滴列を、加熱装置による加熱域に投入し液媒を蒸発さ
せるとともにコーティング原料微粉末を焼結もしくは溶
融し、基板上に堆積させる。

【００１０】そして、所望によっては、加熱域への投入
時に、コーティング原料微粉末を反応性ガスと接触させ
る。微細液滴を得るための液滴発生装置には、たとえば
インクジェットまたはバブルジェットを用いることがで
きる。このインクジェットまたはバブルジェットはプリ
ンタノズルとして知られているものであり、プリントす
る際のインク発生装置である。このインク発生装置は、
高精度の印字が目的であるので、インクの発生は以下に
示すように高度に制御されたものであり、このような高
度に制御されたインクの発生メカニズムが、この発明に
とって重要なものとなる。すなわち、発生する液滴径が
厳密に制御できる点において重要なものとなる。これら
のノズルを用いた場合の液滴の発生は、たとえば、バブ
ルジェット方式では、まず、ノズル内のヒーターで水溶
液を瞬間的に３００℃程度に加熱し、水溶液を発泡させ
る。さらに、ノズル内で泡の成長を行うと同時に、排出
する動作を繰り返す。これらの一連の動作によって同じ
直径の液滴を発生することができる。

【００１１】いずれのノズルを用いても目的とする液滴
は得られるが、インクジェット方式のノズルは比較的安
価であると言う特徴を有し、一方バブルジェット方式の
ノズルは目詰まりが無く、安定して同じサイズの液滴を
排出することができるという利点を有している。従っ
て、これらの利点および特徴を考慮してインクジェット
またはバブルジェットを選択することができる。なお、
液滴径に応じてノズルの大きさに依存するので、目的の
液滴径に応じてノズルの大きさを選択すればよい。

【００１２】たとえば以上のノズルから噴出されるこの
発明の液滴は、コーティング原料の微粉末が液媒体に分
散された懸濁液によって構成されている。コーティング
原料の粉末としては特にその程度に限定はなく、金属、
合金、無機物、有機物の各種のものでよく、目的とする
皮膜の用途、機能等に応じて適当に選択されてよい。た
とえば耐摩耗性、耐熱性の皮膜を溶射により形成する場
合には、ジルコニア、アルミナ等の無機粉末が、耐食性
の皮膜を溶射により形成する場合にはＮｉ基合金等の粉
末を用いることができる。

【００１３】これらコーティング原料粉末を分散させて
懸濁液とするための液媒体としては、コーティング原料
粉末と反応しないもののうちから選択される。たとえば
水をはじめ、アルコール、エステル、アミド、スルホキ
シド、ニトリル、エーテル、炭化水素等の各種の有機溶
剤のうちから選ばれる。そして、当然のことであるが、
これらの液媒体としては、加熱時に燃焼や爆発の危険性
のないものが使用される。

【００１４】この発明の方法においては、以上のよう
に、インクジェットプリンタまたはバブルジェットプリ
ンタ等のノズルを用いてコーティングの原料となる液体
を液滴とする。液滴は、微細なセラミックや金属粉末を
懸濁液として安定化したものである。懸濁液を用いるこ
とから、ノズルが詰まることなく安定的に液滴が形成さ
れるために、十分微細な粉末が適当な濃度で均一に分散
されていることが必要となる。そして、この液滴は図１
のように、直線上に実質的に等間隔で整列して噴出され
る。この噴出においては、液滴の径と飛行速度が一定で
あることを特徴とする。

【００１５】ノズル径、懸濁液の濃度、コーティング原
料粉末の径等が以上のことを考慮して適宜に選択される
ことになる。限定されるものではないが、たとえば１０
０ミクロン程度の大きさの液滴を発生させるには、ノズ
ル径は５０〜７０ミクロン程度のものが、原料粉末の径
としては５ミクロン以下、さらには１ミクロン以下で、
懸濁液中には１０体積％以下、さらには５体積％以下で
あることが考慮される。

【００１６】次いで、この発明の方法では、発生した液
滴列を熱源に投入し、懸濁液の分散媒を蒸発させて分散
されている微細粉末を焼結もしくは溶融させて、基板上
に堆積させる。この際に、ノズルまたは基板に適当な移
動機構を付与することによって基板表面全体を覆うコー
ティングを得ることもできるし、必要とする部分にのみ
パターン形成を行うこともできる。

【００１７】基板上には、コーティング原料微粉末の溶
融粒子が堆積されて緻密な組織の皮膜等のコーティング
が得られる。また、焼結された集合粒子の堆積が形成さ
れるようにすることもできる。いずれのものとするか
は、原料粉末の種類と加熱温度、基板の種類、さらには
原料粉末の基板までの飛行距離等によってコントロール
されることになる。加熱域の加熱のための装置としても
各種のものが考慮される。たとえばプラズマジェット、
レーザー光、赤外光、高温ガス流等である。

【００１８】基板についても各種のものから目的に応じ
て選択されてよい。たとえば、金属、合金、セラミック
ス等の各種の施工物であってもよい。加熱域において
は、反応性ガス、あるいはプラズマとの接触によって、
酸化物や窒化物等の化合物を生成させることもできる。
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの発明につ
いて説明する。もちろんこの出願の発明は以下の例に限
定されることはない。

【００１９】

【実施例】液滴発生装置としてインクジェットプリンタ
用ノズルを用い、ジルコニアの微粉末（平均粒径０．１
μｍ）を酢酸ブチルに２体積％の割合で界面活性剤を加
えて均一分散させたものをコーティング原料として用い
た。インクジェットノズルに原料を供給し、所定の周波
数で加振して得られた液滴の直径は約１００ミクロン
で、飛行速度は約２０ｍ／ｓであった。これをＤＣプラ
ズマトーチによって発生させたプラズマジェットに投入
し、溶媒の酢酸ブチルを蒸発させ、ジルコニア粉末を加
熱してステンレス基板上に堆積させた。この際、プラズ
マジェットの乱流の影響をさけるために途中経路にパイ
プを設け、その中を液滴が飛行するようにした。

【００２０】また、基板位置はプラズマからあまり離す
と粒子が冷却・凝固してしまうのでプラズマトーチ出口
から６０〜８０ｍｍの距離とした。プラズマへの投入電
力を変化させて基板上に堆積する粒子の状態を調査し
た。プラズマ電流が５００Ａ以下では原料のセラミック
微粉末がほとんどそのまま堆積していた。電流を増加さ
せるに伴い、溶融したセラミック粒子の割合が増加し、
１．３ｋＡでは基板上に捕捉された粒子はほとんどが直
径１０ミクロン以下の溶融粒子であった。これは従来の
プラズマ溶射法で得られる粒子サイズの約１／１０であ
り、緻密性がかなり高いことが確認される。

【００２１】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって皮膜の組織と性能の均一性を高め、再現性
の良好な緻密な組織を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この出願の発明を示した概略的な構成図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コーティング原料微粉末の懸濁液からな
る液滴を、直線上実質的に等間隔な均一径の液滴列とし
て生成させ、この液滴列を加熱域に投入して液媒を蒸発
させるとともにコーティング原料微粉末を焼結もしくは
溶融し、基板上に堆積させることを特徴とするコーティ
ング方法。
【請求項２】加熱域への投入時に、コーティング原料
微粉末を反応性ガスと接触させる請求項１のコーティン
グ方法。