JP2001172757A

JP2001172757A - 亜鉛イオン拡散アルミニウム溶射方法及び装置

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Publication number: JP2001172757A
Application number: JP35630899A
Authority: JP
Inventors: Masuzo Hamamura; 村益三濱
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-26
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: JP3134154B1

Abstract

(57)【要約】【課題】溶融噴射手段による亜鉛拡散アルミニウム、
亜鉛複合皮膜形成方法、及びこの方法を遂行するための
装置を提供する。【解決手段】環状スリットからの噴射エアーにより減
圧層を発生させ、この減圧層内に、亜鉛線材及びアルミ
ニウム線材を連続的に供給し、定電圧定電流電源から供
給される高周波電流により、亜鉛線材及びアルミニウム
線材の先端を、亜鉛の融点４２０℃〜１１５０℃の温度
で連続的に高周波アーク溶融し、亜鉛イオン雰囲気が安
定持続する静止アーク内で、アルミニウム溶融粒子側に
亜鉛イオンの拡散を起こさせることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄鋼、とくに薄鋼
板の表面に対して、防錆、防食効果を付与するために適
用される亜鉛イオン拡散アルミニウム及び亜鉛複合皮膜
の製造のための溶射方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼の錆腐食を防止する手段として、電
気防食法が汎用的に使用されている。この電気防食法を
大きく区分すれば、水中、及び土中の亜鉛、亜鉛・アル
ミニウム合金、アルミニウムの陰、陽電極を使用したア
ノード及びカソード防食法である。大気中では、防食電
位である−７７０ｍＶ以下の微弱電流は電極周囲２ｍｍ
程度にしか通電せず、鉄鋼腐食表面の全てを覆うメッキ
工法が採用されている。通常、溶融亜鉛メッキが一般的
である。しかし、化石燃料を多用する状況にある現在、
炭酸ガス、窒素酸化物、硫化物等が降雨に溶け込み、ｐ
Ｈ３．５〜４．０を記録する酸性雨が発生し、防錆・防
食に有効な亜鉛皮膜を酸化亜鉛に変え、急激な皮膜の劣
化を伴うことが、多くの調査報告書に見ることができ
る。具体的には、溶融亜鉛メッキの消耗速度は、下記に
表示する平均消耗量である。

【０００３】

【表１】鉄鋼構造物の溶融亜鉛メッキの厚みは通常５５０ｇ/ｍ²
〜７５０ｇ/ｍ²目付量（７７〜１０５μｍ）で、通常部
材の目付量より厚く仕様されているが、重工業地域で
は、溶融亜鉛メッキの寿命が１０年の計算となり、亜鉛
単体では有効な防食皮膜とは言えない状況である。従っ
て現実には、亜鉛用プライマを塗布し、２〜３回塗りの
塗装と組み合わせて防食年月の延長を実施している。山
間地域では、重工業地域の３倍以上の寿命を保持してい
たが、３６％程度の寿命の延長に止まる（１９９５
年）。この事実は、地域に関係なく酸性雨の影響が広が
り、むしろ山間部は、酸性霧の発生等による亜鉛の溶損
が激しいことを意味している。実際の鉄鋼構造物は、メ
ッキ厚みのバラッキ、及び結露の激しい部位等による錆
びの発生は、６〜７年程度で発見される場合が多い。こ
れらの現象の原因は、我が国、及び近隣国における急激
な火力発電所の増設による化石燃料使用による、酸化形
成物（二酸化炭素、窒素酸化物、硫化物等）の膨大な大
気希釈が原因であると指摘されている。都会地における
自動車排気ガスも同様といえる。

【０００４】このような観点から、金属溶射法が注目さ
れている。金属溶射法の開発は、１９１０年、ショープ
博士（Ｄｒ．Ｍ．Ｕ．Ｓｃｈｃｈｏｏｐ）、スイスにて
発表され、９０年の歳月が経過している。溶射は、材料
の溶融方式により、ガスフレーム、アーク、プラズマの
三種類が、汎用溶射装置として開発製作され、目的に最
も通した装置の選定が容易な時代ではあるが、防錆防食
分野では、７０％がガスフレームであり、３０％がアー
ク溶射と二分される。溶射は、金属、セラミック表面に
各種金属、セラミック、及び樹脂コーティングする工法
であり、膜厚は３０〜５００μｍ範囲が一般的である。
防錆防食溶射の分野は、陰極防食性能の高い亜鉛、及び
亜鉛アルミニウム合金、海洋構造物を対象としたアルミ
ニウムが主体である。

【０００５】鋼材防食法として、安定した実績を持つ溶
融亜鉛メッキの寿命が大幅に短命化していることが、調
査、測定値として報告されている。事例として、日本に
おける溶融亜鉛メッキ皮膜の溶損は、１９８０年初期と
比較して、１９９７年平均値は２．０倍となり、工業地
帯に限定すれば３．０倍に及ぶ消耗速度を記録してい
る。塩害、及び酸性腐食環境に強靱な防食皮膜が要求さ
れ、各種工法が開発されてはいるが決定的な効果が確認
されているものは皆無というのが現状である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】鉄鋼の防食対策として
溶融亜鉛メッキを施工するメッキ業界も、亜鉛皮膜の溶
損を防止する手段として、亜鉛のイオン化傾向を制御す
る目的で、アルミニウム、マグネシウム等を５〜１５％
（重量比）合金化させ、３０〜１００％範囲の寿命の延
長に成功しているが、決定的な工法は開発されていな
い。限定された薄鋼板（０．６〜２．３ｍｍ）の処理と
して、溶融亜鉛、及びアルミニウム複合メッキのみは、
同等厚みの亜鉛メッキと対比して7倍程度の長期耐食性
を発揮している（米国ベスヘルムスチール社）。この
メッキ法は、溶融亜鉛槽（溶融温度４７０〜４８０℃）
に浸漬し、次に溶融アルミニウム槽（溶融温度４７０〜
４８０℃）に浸漬し、同様手段を繰り返しし、亜鉛及び
アルミニウム層を繰り返し形成させていく。しかし、融
点の異なる溶融金属層を交互に形成させるため、亜鉛か
らアルミニウムに移行した時、融点の低い亜鉛が再溶解
し、皮膜が喪失してしまうため、瞬時に拡散合金層が形
成される薄鋼板を高速処理しなければならず、対象部材
の厚みが０．６〜２．３ｍｍと限定される。このため、
重厚な鉄鋼メーカーの工場のみで実施可能なメッキ手段
である。本発明は、以上の問題点を解決するためになさ
れたものであり、溶射業界において、減圧内アーク溶融
溶射法により、亜鉛、及びアルミニウムを同時溶融さ
せ、アルミニウムの溶融量を多くし、アルミニウムリッ
チ亜鉛複合皮膜による、溶損の少ない陰極防食皮膜の形
成させ、同等亜鉛メッキ厚みの８倍以上の防食寿命をめ
ざすものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上記の
ような従来の課題に鑑み、亜鉛アルミニウム複合メッキ
以上の耐食性能を持つ溶融噴射手段による亜鉛拡散アル
ミニウム、亜鉛複合皮膜形成方法、及びこの方法を遂行
するための装置を提供することである。本発明は、環状
スリットからの噴射エアーにより減圧層を発生させ、こ
の減圧層内に、亜鉛線材及びアルミニウム線材を連続的
に供給し、定電圧定電流電源から供給される高周波電流
により、前記亜鉛線材及びアルミニウム線材の先端を、
亜鉛の融点４２０℃〜１１５０℃の温度で連続的に高周
波アーク溶融し、亜鉛イオン雰囲気が安定持続する静止
アーク内で、アルミニウム溶融粒子側に亜鉛イオンの拡
散を起こさせることを特徴とする亜鉛イオン拡散アルミ
ニウム溶射方法である。

【０００８】さらに本発明は、噴射エアーを環状噴射口
から所定の速度で噴射して減圧層を形成するとともに、
アルミニウム線材と亜鉛線材を所定の角度で交差するよ
うに供給するノズルと、このノズルに前記アルミニウム
線材を前記亜鉛線材よりも速い速度で供給する供給手段
と、前記アルミニウム線材及び前記亜鉛線材に高周波電
流を供給する手段と、前記アルミニウム線材と前記亜鉛
線材の交点で高周波アーク溶融させ、溶融金属を吸引し
て高速気流により微粒化させる手段とを備えたことを特
徴とする亜鉛イオン拡散アルミニウム溶射装置を提供す
る。本発明は、薄鋼板専用に開発されたもので、塗装機
に近いスプレー工法により、工場内の自動機、及びロボ
ット手段を使用して、大面積はもとより、既設構造物の
メンテナンスとして現場でも容易に施工可能である。本
発明は、メッキ法とは異なり、厚みの設計も自在であ
り、４０〜３０００μｍ範囲の皮膜形成が容易に実施で
き、鉄鋼構造物の長期防食（１００年以上）を低コスト
で実現することが可能である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一つの特徴は、減圧内ア
ーク溶射を適用していることである。以下に、減圧内ア
ーク溶射について説明する。減圧内アーク溶射とは、２
本の金属ワイヤーを連続供給して、プラス、及びマイナ
ス電流を大容量通電による、短絡アークを持続させ、後
方よりジェット気流を噴射し、溶融金属粒子を微粒化さ
せて、基材面に予めブラストにより形成されたアンカー
パターンに溶融粒子を１６０〜２００ｍ／秒の飛行速度
で激突させ、機械的結合、及びアトマイズによる高い密
着力を付加させる、という溶射形態を指す。アーク電源
は、交流、及び直流を使用するが、臨界温度は７５００
℃と限定される。溶融量を向上させる目的で電源容量を
大きくすれば、例えば６００Ａで亜鉛４０ｋｇ／時間の
溶融を実施すれば、有効率（実付着量）は５０％とな
り、多くは気化し、有効率が大幅に低下し、亜鉛粒子の
表面が酸化することとなる。

【００１０】本発明が目標としている、アルミニウムリ
ッチな亜鉛複合皮膜（容積比でＡｌ５５％，Ｚｎ４５％
の複合皮膜）は、融点の異なるアルミニウム（融点６６
０℃）、及び亜鉛（融点４２０℃）を同時に溶融し、融
点の高いアルミニウムを多く溶融し、亜鉛を酸化させず
に複合皮膜の形成を可能とする。このような減圧内アー
ク溶射を実現するための装置は、噴射エアーを環状噴射
口から６．５〜８．５ｋｇ/ｃｍ²の圧力で、秒速２５０
ｍ（臨界速度）で噴射し、噴射口の中心に発生する０．
７〜０．８ｋｇ/ｃｍ²の減圧層で連続供給される２本の
金属線（例えば１．３ｍｍ径）の交点で高周波アーク溶
融させ、溶融金属をバキューム（吸引）させて高速気流
により微粒化（５〜５０μｍ径）させ、急冷却させて基
材のアンカーパターンに激突させることにより、複雑な
粗面に充填凝固させることによる高密着力を保持させ
る。この時、冷却粒子は、各種金属融点の１/３〜１/４
範囲に急冷却されるが、高速飛行させるため、凝固の時
間的ずれが発生し、温度は低い（凝固点以下）が溶融状
態を保持している、いわゆる金属過冷却現象が発生す
る。この現象が有効な時間は1／１０００秒と短時間で
あり、完全凝固がなされる前に、皮膜形成を終了させる
ことが重要である。つまり、２５０ｍ／秒の噴射エアー
を使用すれば、金属粒子の飛行速度は、約８０％平均の
速度であり、２００ｍ／秒で飛行する。従って、被射体
までの適性距離は２００ｍｍとなる。溶射ガンの移動
は、２００ｍｍ離して、塗装のように平均に被射体面を
移動させ皮膜を形成させ、設計厚みにスプレーしてい
く。形成される溶射直後の皮膜温度は４５℃平均と常温
に近い温度であり、被射体の熱歪みは全く発生しない。

【００１１】本発明において、ガルバリウム組成溶射被
膜は、減圧内アーク溶射ガン先端の溶融点から噴射され
た亜鉛、及びアルミニウム溶融粒子は、最小５μｍ、最
大６０μｍ径の不定形、溶岩形状粒子で構成され、基材
のアンカーパターン（ブラスト粗面）に激突、充填、凝
固し、機械的結合、及びアトマイズ結合により、６０〜
８５ｋｇ/ｃｍ²（垂直引張力）の安定した付着力を示
す。各粒子間の結合も、溶射粒子が持つ複雑なアンカー
パターンで同様の粒子間密着力を示す。溶射皮膜は平均
に２〜４％程度の比重の減少が確認されており、連続気
孔形状を形成する。表面形状は複雑であり、２５ｓ〜５
０ｓ程度の粗面を形成する。皮膜特性から、上部塗装と
の密帯力は、平滑面と比較して１０倍程度に向上する。
しかし、内部気気孔処理を目的としたミストコート（１
００〜１５０％希釈塗料塗布）を塗装面に実施すること
が必要である。

【００１２】つぎに、本発明の減圧内アーク溶射を行う
装置について説明する。アーク溶射技術自体は、古くか
ら一般に知られており、ガンの２本のノズルから連続的
に供給される２本の溶射材料（ワイヤー）の先端間にア
ークを発生させ、それによって生じた溶融部を、ノズル
の中間にある別のノズルから噴出するエアージェットで
微粒子として基材表面に吹き付けて皮膜とする。本発明
では、２台の高トルクモーターを、連携制御インバータ
によりドライブ指示され、相互に異なった速度で、負荷
重に関係なく駆動する。２本のワイヤーの送り速度はＡ
ｌ及びＺｎの容積比率に適合するように、微少な間隔で
調整可能である。

【００１３】本発明の溶射装置においては、減圧内にお
いて亜鉛線及びアルミニウム線をアーク溶融させる。こ
のための必要条件は、溶融点が亜鉛イオンガスでシール
ド（酸素量１０^−３以下）されていることによる、溶融
時のアルミニウム溶融粒子表面に亜鉛イオンの拡散現象
を発生させることであり、２本の金属ワイヤーが連続供
給され、アークにより溶融されるとき、大気中を大容量
電流が流れるため、電弧が発生する。従来の溶射装置の
溶融制御は、電圧設定により最小入力電流を決定し、使
用線材の太さ、及び供給速度により、電流最大容量、及
び時には電流容量を遙かに超える突入電流を使用してア
ーク溶射されている。

【００１４】供給線材の先端部（交点）では、５〜１５
ｍｍの範囲で瞬時に溶融し、線材供給により２本の線材
が接触し、溶融という現象を連続的に持続させている。
従って、電弧は間欠的に発生し、線材供給速度により変
化するが、０．０５秒以上の電弧の途切れが発生する。
電弧の途切れは、線材の溶融による両極（２本の線材）
の喪失、及び電流波形（５０〜３６０波形／秒）から発
生する。電弧の途切れは、アーク点の膨張エネルギーの
消滅であり、大気が侵入する。従って、本形式の溶融法
では、酸素の侵入を防止することが不可能であり、溶融
現象は当然、大気中溶融を繰り返しすこととなる。溶融
粒子表面には酸化被膜が形成され、アルミニウム粒子表
面への亜鉛イオン拡散現象を阻害する。

【００１５】本発明は、高速インバータドライブ電源に
よって駆動される減圧内溶射装置であって、２本の線材
を溶融させる手段として、電弧間距離を０．５〜１．５
ｍｍ間隔とし、この範囲で連続電弧が持続可能な溶融制
御を可能にする。具体的に説明すると、高速インバータ
ドライブ電源装置の一例を図１に示す。この電源装置
は、入力容量約７ｋＶＡ、出力容量２５Ｖ,２５０Ａ
（最大３００Ａ）の性能を有するもので、高周波波形を
使用することにより波形上の休止時間をなくすことがで
きる。入力の２００Ｖ３相電流を全波整流し、矩形波交
流に変換後、高周波変圧器で２０ｋＨｚに変換し、さら
に全波整流して４０ｋＨｚの出力が得られるものであ
る。

【００１６】図２は、この高速インバータドライブ電源
装置によって駆動される減圧内溶射装置の概略平面図、
図３はその一部を示す斜視図で、符号１はノズルヘッド
ユニット、２は噴射口、３は減圧層、４は電極ブロッ
ク、５ａは(−)側ノズル、５ｂは(＋)側ノズル、６は同
軸異径ローレット、７はエアー導入管、８は電弧点、９
ａは亜鉛線材、９ｂはアルミニウム線材、１０は亜鉛イ
オンガス、１１は飛行粒子、Ｐａ、Ｐｂはプーリー、Ｂ
はベルト、Ｓは空気パイプ、Ｗは空気孔、Ｍはモーター
である。ノズルヘッドユニット１の構成の一例を図３及
び図４に示す。手動式アークガンの軽量化を目的とする
同軸異径ローレット６は、周面に滑り止めを設けた、相
互に直径の異なる２つのローレット６１，６２を備え、
アーム６３，６４の自由端に取り付けた圧接ローラー６
５，６６によって線材９ａ，９ｂを密着させた状態で所
定の速度で給送できるようになっている。

【００１７】図５はノズルヘッドユニット１を示してい
る。このような構成を有する減圧内溶射装置において、
アルミニウム線材９ｂをプラス側、亜鉛線材９ａをマイ
ナス側として使用して、その交点で電弧を発生させるに
あたり、使用電流（電圧、及び波形を含む）の突入量を
制御し、溶け過ぎない溶融連続現象を持続させる。具体
的には、高速インバータドライブ電源装置は、３５００
０Ｈｚから４５０００Ｈｚの範囲の電流波形が緻密な高
周波に制御し、金属線材の交点における接触（短絡）時
に、突入電流を入力側及び出力側でピーク電流、電圧を
検出し、３５０００〜４００００分の１秒範囲の高速制
御回路を使用して、ゲート素子（ＩＪＢＴブリッジ素
子）の高速開閉によるアーク溶融速度を制御し、電弧間
隔を０．５から１．５ｍｍ間隔の範囲に制御可能な使用
電流（電圧、及び波形を含む）を供給する。使用金属線
として、プラス側にアルミニウム線材、マイナス側に亜
鉛線材を使用し、同軸異径ローレット６及び圧接ローラ
ー６５，６６間に金属線材を挿入し、モーター駆動によ
り供給される。同軸異径ローレット６の２つのローレッ
トの直径比は、２０：５０から２０：６０までの任意の
値に設定することができ、アルミニウム及び亜鉛の溶融
量を変化させて有効な複合被膜を形成する。

【００１８】図６は、溶融噴射のノズルの他の形態を示
すもので、（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）はそのキャッ
プを取り外した状態の正面図、（Ｃ）はその斜視図であ
る。このノズルは、ほぼ円筒形の本体１００と、その先
端部に取り付けた裁頭円錐形のキャップ１０１を備え、
このキャップ１０１に覆われた状態で、本体１００の先
端に、キャップ１０１の内面との間に環状の空間、例え
ば０．６〜１．０ｍｍの厚さの空間を形成するように、
裁頭円錐形のノズル部分１０２が形成され、この空間内
から、本体１００に接続されたエアー導入管７からの空
気が外部に向けて噴射されるようになっている。この空
気流は、エジェクター効果により大量の空気を吸引する
が、本体の底部を遮蔽すれば、１０^−６オーダーの高い
真空圏が形成される。

【００１９】またノズル部分１０２には、その先端に噴
射口１０３が設けられているとともに、その軸方向の中
央部に、４つのノズル孔１０４が形成されている。この
ノズル孔１０４は、導入された空気を噴射口１０３側に
壁面に沿って噴射させ、これにより溶融金属が吸引され
て、金属線材に当たらないようにして前方に押し出され
る。再び図２において、亜鉛線材９ａ及びアルミニウム
線材９ｂは、絶縁板に取り付けた電極（銅ブロック）内
部に設けられた挿入口からノズルユニット１に導かれ、
同軸異径ローレット６の作用で前方に押し出されなが
ら、ノズルユニット１の形状に従って、１２〜１４°の
角度で屈曲された後、ノズルから出て相互に交差する。
噴射空気量は、内管圧力が０．７ｋｇ/ｃｍ²を維持でき
る流量に制御される。なお、銅ブロック及びチップは、
大容量電流（５００Ａ）による温度上昇を防止するため
に設けられている。

【００２０】溶融は、ノズル５ａ，５ｂにより形成され
た噴射エアーの中心に発生する減圧層（０．７〜０．８
ｋｇ/ｃｍ²）内で、円錐形（直径１３〜１４ｍｍ、厚さ
１４〜１６ｍｍ）に形成され、プラス側アルミニウム線
材９ｂ及びマイナス側亜鉛線材９ａの交点が円錐底辺に
位置する。３５０００〜４５０００Ｈｚに制御された高
周波電流により、交点部において９５０〜１２５０℃の
範囲の溶融粒子温度で電弧溶融が起こる。この溶融時、
融点４２０℃の亜鉛は、沸点温度９０７℃であり、電弧
熱（９５０〜１２５０℃）により、一部（最大２％）が
亜鉛イオンガスとなり、アルミニウム溶融部をシールド
し、アルミニウムの燃焼を制御し、同時に溶融粒子表面
に亜鉛イオン拡散現象が発生する。

【００２１】減圧内アーク溶射の利点として、下記の点
が挙げられる。１．低融点金属の適正溶融温度制御従来の溶射は、溶融温度制御が不可能であり、低融点
金属はオーバヒートして、かなりの量が金属蒸気として
飛散し、溶融時の激しい酸化が発生する。一方、減圧内
溶融は、金属融点の２倍以内の温度で良好な高速溶融が
可能である。亜鉛、及びアルミニウムという融点の異なる２本の金
属線を同時溶融できる。従来溶射は、アルミニウムが良
好に溶融する温度として２５００℃以上の瞬時入熱が必
要なため、亜鉛（沸点９０７℃）を同時溶融させれば、
瞬時に２５％相当の亜鉛が気化し、残留亜鉛も酸化亜鉛
層が深く形成される。２．傾斜組成皮膜の形成（Ａｌ５５％、Ｚｎ４５％容積
比複合皮膜）腐食環境下（塩害、酸性雨、製鉄、及び化学プラント
周辺）において、溶損率の低い陰極防食皮膜の形成が可
能。金属線の供給速度が不等速でも良好なアークが持続可
能なため、アルミニウムと亜鉛の配合比率を自在に制御
し、防食年月を飛躍的に延長させることが可能（１００
年防食設計）３．亜鉛、アルミニウム同時溶融によるアルミニウム粒
子表面への亜鉛イオン拡散現象亜鉛、アルミニウム同時溶融によるアルミニウム粒子
亜鉛イオン拡散は、本発明の最大の目的である。電流密
度の高い（４０ｋＨｚ）高周波アークにより、亜鉛、及
びアルミニウムが亜鉛イオン雰囲気にて溶融された、ア
ルミニウム粒子表面に亜鉛イオン拡散現象を発生させ
る。拡散条件は、拡散阻害要因である酸素を遮断（酸素
量１０^−３以下）、亜鉛イオン置換雰囲気でアルミニウ
ム溶融粒子温度が９０７〜１１５０℃範囲が有効であ
る。従って、溶融粒子温度は、上記拡散条件範囲に制御
可能な溶射電源として高速インバータドライブ溶射装置
によるアーク溶融を条件とする。アルミニウムの高耐食性処理としての事例は、自動車
用ラジエターのアルミニウム製熱コンデンサ表面処理と
して、アルミニウム押出成形加工後、無電解亜鉛メッキ
４〜８μｍを形成し、誘導加熱（アルゴンガス雰囲気）
で亜鉛溶融拡散を形成する。塩害環境下で２０年以上腐
食させない処理技術として確立されている。

【００２２】

【実施例】（実施例１）ガルバリウム組成溶射装置のア
ーク点は、０．７〜０．８ｋｇ/ｃｍ²に保持され、亜鉛
イオンガスと置換雰囲気中において、９００〜１１５０
℃の範囲に溶融粒子温度が制御された条件下で、亜鉛、
及びアルミニウムを同時噴射することにより、アルミニ
ウム粒子には、ジオメトリパラメータ測定により、亜鉛
イオン拡散状態が確認された。繰り返し測定により、最
小拡散率、及び最大拡散率は、重量比１６．１％〜４
７．７％、原子量比で７．３２％〜２７．３３％の範囲
の良好な拡散が確認された。なお、亜鉛粒子には、アル
ミニウム拡散の痕跡は皆無であった。

【００２３】図７は、最小拡散例における拡散濃度の測
定結果を示すグラフであり、この時の測定は次の条件で
行った。使用機種：ＪＥＯＬ−ＪＥＤ−２１００測定：ジオメトリーパラメータ加印電圧：２０．０ｋＶ取り出し角度：３０．
００° 経過時間：１４５．７３秒有効時間：１０
０．００秒図８は、最大拡散例における拡散濃度の測定結果を示す
グラフであり、この時の測定は次の条件で行った。使用機種：ＪＥＯＬ−ＪＥＤ−２１００測定：ジオメトリーパラメータ加印電圧：２０．０ｋＶ取り出し角度：３０．
００° 経過時間：１４３．９０秒有効時間：１０
０．００秒また、図９は、亜鉛へのアルミニウム拡散の有無を示す
グラフであり、この時の測定は次の条件で行った。使用機種：ＪＥＯＬ−ＪＥＤ−２１００測定：ジオメトリーパラメータ加印電圧：２０．０ｋＶ取り出し角度：３０．
００° 経過時間：１４２．９６秒有効時間：１０
０．００秒

【００２４】さらに図１０は、ガルバリウム組成溶射の
断面（Ａｌ５５％, Ｚｎ４５％,容積比複合被膜）を示
す、金属顕微鏡写真（１００倍）であり、白色部はアル
ミニウム、黒色部は亜鉛、下層部は鉄である上記の拡散
膜に対して、各種の試験を実施した。その条件及び結果
は下記の通りである。＜塩水噴霧試験＞ＪＩＳＺ２３７１に基づく塩水噴霧試
験を実施し、その結果を図１１に示す。なお、塩分濃度
は５％、温度は５０℃で、被膜のみによる試験であり、
クロスカットは２ｍｍ幅である。＜耐食試験＞酸性液による耐食試験を行った。試験条件
は下記の通りである。石炭酸液（ｐＨ４．０濃度、液温
１００℃）による酸性環境下での腐食促進試験。試験板：ＳＳ４００, １５０×７５×２．３ｔ、重量２
０３．６ｇブラスト処理：Ｇ５０/Ｇ１００（５０：５０）Ｒｚ７
５μｍＳＡ３．０溶射：ガルバリウム組成溶射１００μｍ１２．０６８
g 全面被覆Ａｌ/Ｚｎ疑似合金溶射１００μｍ１３．０６ｇ全面被
覆亜鉛溶射１００μｍ１９．０６ｇ全面
被覆誤差：４％重量測定：１２０℃乾燥炉で完全乾燥後、電子天秤で計
測試験の結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】以上の結果から、ガルバリウム組成溶射１
００μｍは、塩水噴霧試験２００ｈｒ/Ｙｒから判断し
て８０年以上の耐食性評価が可能で、アルミニウム亜鉛
疑似合金は３０年、亜鉛メッキは１２年程度と評価され
る。また酸性腐食環境下においても、耐食性比率はほぼ
同様な傾向が確認できた。ガルバリウム組成溶射は、ア
ルミニウム表皮に形成された、亜鉛拡散層が不活性皮膜
として働き、亜鉛の溶損を防止、亜鉛はカソード反応を
示し、相乗効果による、皮膜の消耗を微小にして、陰極
防食皮膜として機能するものと考察できる。

【００２７】＜防食性能＞基準値を上回る塩分濃度であ
る５％（基準は３％）による塩水噴霧試験時の防食電位
変化を測定。Ａ．ガルバリウム組成溶射（Ａｌ５５％,Ｚｎ４５％容
積比複合被膜）ＡｌにＺｎイオン拡散有Ｂ．アルミニウム、亜鉛疑似合金（Ａｌ５０％, Ｚｎ５
０％容積比疑似合金）ＡｌにＺｎイオン拡散無Ｃ．亜鉛（Ｚｎ１００％）溶射厚み：各１００μｍ、封孔処理はエポキシ樹脂１０
０％希釈にて１６０ｋｇ/ｃｍ²目付量塩水温度：５０℃に保持。夏期における腐食促進を意
図。この防食試験の結果をまとめて図１２に示す。なお図１
２において、縦軸は防食試験での電位ｍＶ（Ａｇ/Ａｇ
Ｃｌ）、横軸は塩水噴霧時間である。丸印はガルバリウム組成溶射(Ａｌ５５％、Ｚｎ４５％
容積比複合皮膜) ＡｌにＺｎイオン拡散がある場合を、四角印はアルミニ
ウム、亜鉛疑似合金(Ａｌ５０％、Ｚｎ５０％容積比疑
似合金)ＡｌにＺｎイオン拡散無しを、菱形印は亜鉛(Ｚ
ｎ１００％)を示している。

【００２８】以上の結果から、封孔処理された溶射皮膜
では、亜鉛は５０％程度、寿命を延長するが、２５００
時間の時点で防食電位である−７７０ｍＶ以下に低下
し、防食機能を完全に喪失する。アルミニウム、亜鉛疑
似合金は４０００時間までは安定した電位挙動をしめす
が、それ以後は亜鉛を消耗し、やがてアルミニウムも消
耗し、６０００時間では防食機能を完全に喪失する。ガ
ルバリウム組成溶射は、１６０００時間まで安定した電
位挙動を示し、−９００ｍＶ以上を保持している。亜鉛
の溶損を防止するだけではなく、Ｚｎイオン拡散皮膜に
保護されアルミニウムそのものの溶損も発生していな
い。

【００２９】（実施例２）この実施例では、洋上に架設
されるために長期防鏡防食に有効な工法を採用した。溶
接部、及び添接板部以外は、加工工場にて実施、架設
後、溶接部、及び添接板（高力ボルトを含む）は現地に
て施工した。施工条件を表３に示す。

【００３０】

【表３】以上の条件による溶射により、１００年間に及ぶ防錆防
食が期待できる。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明したように本発明のガルバリ
ウム組成溶射によれば、塗装との組み合わせにより、寿
命をさらに延長できる。塗料も常乾燥型セラミック塗料
を使用すれば、５０年程度の塗装間隔が期待され、維持
費理のトータルコストは大幅に縮減可能である。また溶
射の品質は、ブラストのグレードにより左右されるが、
ブラストノズル周辺から超高圧薄膜水流を噴射し粉塵飛
散を防止し、減音効果のある技術（ｍｏｉｓｔｕｒｅ
ａｂｒａｓｉｖｅｂｌａｓｔｉｎｇ）を適用すれば、
現場における最も低コストな素地調整技術となり得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の亜鉛イオン拡散アルミニウム及び亜鉛
複合皮膜の製造装置に適用される高速インバータドライ
ブ電源装置の一例を示すブロック回路図である。

【図２】図１の高速インバータドライブ電源装置によっ
て駆動される減圧内溶射装置の概略平面図である。

【図３】図２の装置の一部を示す斜視図である。

【図４】ノズルヘッドユニット１の構成の一部を示す側
面図である。

【図５】ノズル部分の縦断面図である。

【図６】溶融噴射のノズルの他の形態を示し、（Ａ）は
全体の斜視図、（Ｂ）はそのキャップを取り外した状態
の正面図、（Ｃ）はその斜視図である。

【図７】最小拡散例における拡散濃度の測定結果を示す
グラフである。

【図８】最大拡散例における拡散濃度の測定結果を示す
グラフである。

【図９】亜鉛へのアルミニウム拡散の有無を示すグラフ
である。

【図１０】ガルバリウム組成溶射の断面（Ａｌ５５％,
Ｚｎ４５％,容積比複合被膜）を示す、金属顕微鏡写真
(×１００倍)である。

【図１１】塩水噴霧試験の結果を示す図である。

【図１２】塩水噴霧試験時の防食電位変化を表すグラフ
である。

【符号の説明】

１ノズルヘッドユニット２噴射口３減圧層４電極ブロック５ａ (−)側ノズル５ｂ (＋)側ノズル６同軸異径ローレット６１，６２ローレット６３，６４アーム６４，６５圧接ローラー７エアー導入管８電弧点９ａ亜鉛線材９ｂアルミニウム線材１０亜鉛イオンガス１１飛行粒子１００本体１０１キャップ１０２ノズル部分１０３エアー供給管１０４噴射口１０５ノズル孔Ｐａ、ＰｂプーリーＢベルトＳ空気パイプＷ空気孔

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年７月３１日（２０００．７．３
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上記の
ような従来の課題に鑑み、亜鉛アルミニウム複合メッキ
以上の耐食性能を持つ溶融噴射手段による亜鉛拡散アル
ミニウム、亜鉛複合皮膜形成方法、及びこの方法を遂行
するための装置を提供することである。本発明は、環状
スリットからの噴射エアーにより減圧層を発生させ、こ
の減圧層内に、亜鉛線材及びアルミニウム線材を連続的
に供給し、高速インバータドライブ電源装置から供給さ
れる周波数が３５０００〜４５０００Ｈｚの範囲の高周
波電流により、前記亜鉛線材及びアルミニウム線材の先
端の交点部における温度を９５０〜１１５０℃で連続的
に高周波アーク溶融し、亜鉛イオン雰囲気が安定持続す
る静止アーク内で、アルミニウム溶融粒子側に亜鉛イオ
ンの拡散を起こさせることを特徴とする亜鉛イオン拡散
アルミニウム溶射方法である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】環状スリットからの噴射エアーにより減
圧層を発生させ、この減圧層内に、亜鉛線材及びアルミ
ニウム線材を連続的に供給し、定電圧定電流電源から供
給される高周波電流により、前記亜鉛線材及びアルミニ
ウム線材の先端を、亜鉛の融点４２０℃〜１１５０℃の
温度で連続的に高周波アーク溶融し、亜鉛イオン雰囲気
が安定持続する静止アーク内で、アルミニウム溶融粒子
側に亜鉛イオンの拡散を起こさせることを特徴とする亜
鉛イオン拡散アルミニウム溶射方法。
【請求項２】前記環状スリットからのエアー噴射角度
が１２〜１４°の範囲である請求項１記載の亜鉛イオン
拡散アルミニウム溶射方法。
【請求項３】前記エアー噴射が６〜８．５Ｋｇ/ｃｍ²
の圧力を保持して行われる請求項１または２記載の亜鉛
イオン拡散アルミニウム溶射方法。
【請求項４】前記高周波電流の周波数が２５０００〜
４５０００Ｈｚの範囲である請求項１〜３のいずれか１
項に記載の亜鉛イオン拡散アルミニウム溶射方法。
【請求項５】アルミニウム溶融粒子への亜鉛イオン拡
散率が重量比で１６〜４８％である請求項１〜４のいず
れか１項に記載の亜鉛イオン拡散アルミニウム溶射方
法。
【請求項６】アルミニウム溶融粒子への亜鉛イオン拡
散率が原子量比で７〜２８％である請求項１〜４のいず
れか１項に記載の亜鉛イオン拡散アルミニウム溶射方
法。
【請求項７】噴射エアーを環状噴射口から所定の速度
で噴射して減圧層を形成するとともに、アルミニウム線
材と亜鉛線材を所定の角度で交差するように供給するノ
ズルと、このノズルに前記アルミニウム線材を前記亜鉛
線材よりも速い速度で供給する供給手段と、前記アルミ
ニウム線材及び前記亜鉛線材に高周波電流を供給する手
段と、前記アルミニウム線材と前記亜鉛線材の交点で高
周波アーク溶融させ、溶融金属を吸引して高速気流によ
り微粒化させる手段とを備えたことを特徴とする亜鉛イ
オン拡散アルミニウム溶射装置。
【請求項８】環状噴射口からの噴射エアーの圧力が
５．０〜８．５ｋｇ/ｃｍ²であり、前記噴射エアーの流
速が秒速２５０ｍである請求項７記載の亜鉛イオン拡散
アルミニウム溶射装置。
【請求項９】前記アルミニウム線材と前記亜鉛線材と
の間に生じる電弧間距離が０．５〜１．５ｍｍである請
求項７または８記載の亜鉛イオン拡散アルミニウム溶射
装置。