JP2002194522A - コーティング構造及びコーティング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コーティング層に生じる応力を緩和し、金属
母材からコーティング層が剥がれたりコーティング層が
割れるのを抑制することを目的とする。 【解決手段】 金属母材１をセラミックスのコーティン
グ層２により被覆するコーティング構造であって、コー
ティング層２は、溝４によって区画された複数の所定領
域５により構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属母材の表面を
被覆するセラミックスのコーティング構造、及び金属母
材の表面に溶融状態のセラミックスを吹き付けることに
よりコーティング層を形成するコーティング方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、金属部材の耐熱性や耐摩耗性な
どを向上させるために、金属表面にセラミックスのコー
ティングを施すことが行われている。このセラミックス
のコーティングは、母材である金属表面に向けて溶融状
態のセラミックスを吹き付けるといった溶射により実施
され、溶射技術としては融点の高いセラミックスを溶融
させるためにプラズマ溶射等が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ックスの溶射によってコーティングを形成する際、溶射
によってコーティング層内には微少な気泡を有してお
り、セラミックスが硬化するに従って収縮し、コーティ
ング層に生じる大きな応力によってついには金属母材か
らコーティング層が剥がれたり、コーティング層が割れ
てしまう場合があるといった問題点を有している。ま
た、金属母材にコーティング層が形成された後であって
も、温度変化の大きい環境下で使用されると、金属母材
よりセラミックスの熱膨張率が小さいことに起因してコ
ーティング層に大きな応力が生じ、前記と同様に金属母
材からコーティング層が剥がれたり、コーティング層が
割れてしまう可能性を有している。特に、コーティング
層を厚く形成したときは、コーティング層の剥がれや割
れの問題が顕著となる。

【０００４】本発明は、以上の課題を解決するものであ
り、コーティングの形成時や温度変化の大きい環境下で
の使用に際してコーティング層に生じる応力を緩和し、
金属母材からコーティング層が剥がれたりコーティング
層が割れるのを抑制することができるコーティング構造
及びコーティング方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、請求項１に係る発明は、金属母材をセラミックス
のコーティング層により被覆するコーティング構造であ
って、コーティング層が、溝によって区画された複数の
所定領域により構成されることを特徴とする。このコー
ティング構造では、コーティング層が溝によって区画さ
れた複数の所定領域により構成されるので、コーティン
グ層に生じる応力を各所定領域ごとに分散して生じさせ
ることになり、全体としてコーティング層に生じる応力
を緩和して過大な応力が発生するのを防止している。従
って、コーティング層の形成時や温度変化の大きい環境
下で使用されるときでも、コーティング層に過大な応力
が発生するのを防止し、コーティング層の剥がれや割れ
を抑制することが可能となる。

【０００６】請求項２に係る発明は、請求項１のコーテ
ィング構造において、所定領域のそれぞれがほぼ同一の
形状であることを特徴とする。このコーティング構造で
は、各所定領域がほぼ同一の形状であるため、隣り合う
所定領域どうしで生じる応力の大きさや方向がほぼ同一
になり、同じ応力に対して極端に弱い部分を形成する可
能が低く、応力に対する強度を一様化させることが可能
となる。請求項３に係る発明は、請求項１または２のコ
ーティング構造において、所定領域が略六角形状である
ことを特徴とする。このコーティング構造では、所定領
域が略六角形状であるため、所定領域内で応力が生じた
場合に応力集中が生じにくく、応力に対する各所定領域
の強度を向上させることが可能となる。

【０００７】請求項４に係る発明は、金属母材に溶融状
態のセラミックスを吹き付けることによりコーティング
層を形成するコーティング方法であって、予め金属母材
に溝形成用のマスキング材を設置し、次いで金属母材へ
向けてセラミックスを吹き付けた後に前記マスキング材
を除去することを特徴とする。このコーティング方法で
は、金属母材に溝形成用のマスキング材を設置してから
セラミックスを吹き付けるので、後にマスキング材を除
去することでコーティング層に対して容易かつ確実に溝
を形成することが可能となる。

【０００８】請求項５に係る発明は、請求項４のコーテ
ィング方法において、マスキング材としてハニカム材が
用いられることを特徴とする。このコーティング方法で
は、マスキング材としてハニカム材が用いられるため、
コーティング層に対して略六角形状に展開する溝を容易
かつ確実に形成することが可能となる。請求項６に係る
発明は、請求項４または５のコーティング方法におい
て、マスキング材が熱可塑性の材質で形成され、焼却に
より除去されることを特徴とする。このコーティング方
法では、熱可塑性のマスキング材を用いるとともに焼却
によりマスキング材を除去するので、セラミックスの吹
き付け後に焼却処理といった簡単な作業で容易かつ確実
にマスキング材を除去することが可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態につき図面を参
照して説明する。図１は本発明に係るコーティング構造
を示す斜視断面図である。図１に示すように、このコー
ティング構造は、チタン−アルミ合金やチタン−ニッケ
ル合金などの金属母材１の表面にセラミックスのコーテ
ィング層２が施されたものであり、これら金属母材１と
コーティング層２との間には両者を接合するためのボン
ドコーティング層３が設けられている。

【００１０】コーティング層２は、図１に示すように、
溝４によって区画された複数の所定領域５により構成さ
れており、各所定領域５のそれぞれは、略同一大きさの
六角形状に形成されている。なお、所定領域５を六角形
状とすることに限定されず、例えば三角形状や四角形状
であってもよい。ただし、所定領域５を六角形状とした
場合は、三角形状や四角形状と比較して所定領域５内で
の応力集中を緩和させることができる点で好ましい。し
かも、五角形状や七角形状、八角形状と比較して、六角
形状は平面上に整列させたときに隣り合う間隔を密にで
きる点で有利である。

【００１１】さらに、各所定領域５を略同一大きさにす
ることに限定されず、大きさを適宜変更してもよい。例
えば、熱変化の大きい箇所は所定領域５を小さくして応
力を分散させるとともに、それ以外の箇所では所定領域
５を大きくしてコーティング層２形成の手間（溝４形成
の手間）を軽減させることも可能である。なお、所定領
域５について、前記した形状の変化と大きさの変化を適
宜組み合わせてコーティング層２を構成することは可能
である。

【００１２】溝４は、図１に示すものでは幅を０．５ｍ
ｍとして設けられているがこれに限定されず、任意に設
定できる。すなわち、溝４は、金属母材１やセラミック
スの性状や、コーティング層２の使用目的などに応じて
幅を設定すればよく、例えば、金属母材１とコーティン
グ層２（セラミックス）との熱膨張率の差が小さいとき
は溝４の幅を狭くすることが可能であり、また、コーテ
ィング層２が耐熱性を目的とするときは、母材金属１を
保護するために積極的に幅を狭くすることが好ましい。

【００１３】また、溝４は、図１ではその深さがコーテ
ィング層２の厚さに等しく、各所定領域５が互いに接続
しない形態となっているが、コーティング層２に生じる
応力の緩和を達成できるのであればこれに限定されず、
溝４の深さをボンドコーティング層３まで達しない深さ
（例えばコーティング層２の半分ぐらいの深さ）に設定
して、各所定領域５が金属母材１側で接続するような形
態であってもよい。この場合、溝４部分もコーティング
層２（セラミックス）で被覆するため、金属母材１への
影響を軽減することが可能となる。

【００１４】ボンドコーティング層３は、金属とセラミ
ックスとの中間の性状を持つものが用いられ、金属母材
１とコーティング層２（セラミックス）とを接着させる
ために形成されている。なお、ボンドコーティング層３
を設けるか否かは任意である。また、図１に示すよう
に、ボンドコーティング層３には溝４が形成されていな
いが、ボンドコーティング層３の一部または全部を切り
欠く状態で溝４を形成することは任意である。ただし、
ボンドコーティング層３は金属母材１の酸化等を防止す
るため、金属母材１の表面を露出させないことが好まし
い。

【００１５】以上のように構成されたコーティング構造
について、比較的大きな熱変化を受けた場合、金属母材
１とコーティング層２との熱膨張率の違いから金属母材
１が大きく伸縮するが、溝４の幅が広狭することによっ
てコーティング層２の各所定領域５に生じる応力は小さ
くなり、金属母材１の表面全体にコーティング層が形成
された場合と比較して応力を分散させた状態となる。従
って、コーティングの形成時や温度変化の大きい環境下
で使用した場合であっても、金属母材１からコーティン
グ層２が剥がれたりコーティング層２が割れるのを抑制
することができる。

【００１６】次に、このようなコーティング構造を形成
するためのコーティング方法について説明する。その方
法の１つとして、予め金属母材１の表面全体にセラミッ
クスによりコーティング層２を形成し、次いでグライン
ダ等の機械加工によりコーティング層２の表面から切り
込んで溝４を形成する、といった方法がある。ただし、
この方法ではコーティング層２をグラインダ等で切り込
むときに金属母材１（ボンドコーティング層３を含む）
を損傷させないことが必要である。

【００１７】図２は、図１に示すようなコーティング構
造を容易かつ確実に形成するためのコーティング方法を
示す工程図である。先ず、図示しないが金属母材１の表
面にボンドコーティング層３を溶射等により形成する。
ただし、前記のとおり、ボンドコーティング層３を設け
るか否かは任意である。次に、図２（ａ）のマスキング
材設置工程に示すように、ボンドコーティング層３の表
面上に溝形成用のマスキング材６を設置する。なお、ボ
ンドコーティング層３を形成しないときは、金属母材１
の表面上にマスキング材６を設置する。

【００１８】マスキング材６は、熱可塑性樹脂によりハ
ニカム形状に形成されたものが用いられ、その厚さは、
形成する溝４の幅に合わせて約０．５ｍｍに設定されて
いる。ここで、ハニカム形状が用いられるのは、所定領
域５を六角形状とするためであり、形成すべき所定領域
５の形状に合わせて例えば四角形状の所定領域５を形成
するときは格子状のマスキング材６を用いる。また、熱
可塑性樹脂が用いられるのは、後述するマスキング材除
去工程でマスキング材６を焼却により除去するためであ
り、マスキング材６を金属で形成してもよい。

【００１９】ただし、マスキング材６は、後にセラミッ
クス溶射を受けるためある程度の耐熱性を有しているこ
とが必要である。なお、マスキング材６をボンドコーテ
ィング層３に緩く接着してもよく、これにより、後のセ
ラミックス溶射工程でマスキング材６のズレを防止でき
る。

【００２０】続いて、図２（ｂ）のセラミックス溶射
（吹き付け）工程に示すように、マスキング材６の上方
から金属母材１へ向けて、溶融状態のセラミックスを溶
射装置７によって吹き付け、セラミックスのコーティン
グ層２を形成する。このとき、セラミックスはマスキン
グ材６によって六角形状部分に溶射され、これがコーテ
ィング層２の所定領域５となる。なお、溶射装置７とし
てはセラミックスを溶融可能なプラズマ溶射装置などが
用いられるがこれに限定されるものではない。なお、本
明細書において「吹き付け」の概念は溶融状態のセラミ
ックスを流し込む程度の態様や、音速を超える速度でぶ
つける程度の態様までをも含む意として用いている。

【００２１】また、図２（ａ）のマスキング設置工程を
セラミックス溶射工程の途中で行ってもよい。すなわ
ち、ボンドコーティング層３の表面に、ある程度の厚さ
までセラミックスを溶射し、このセラミックスの表面に
マスキング材６を設置してから再度セラミックスの溶射
を行ってもよい。これにより溝４はコーティング層２の
途中までの深さのものが形成されることになる。

【００２２】次に、図２（ｃ）のマスキング材除去工程
に示すように、セラミックスの溶射が終了した対象物を
焼却室８内に設置し、ヒータ等の加熱装置９により焼却
室８内を加熱してマスキング材６を焼却除去する。マス
キング材６は前述のとおり熱可塑性樹脂で形成されてい
るため、焼却室８内が所定温度まで加熱されることによ
り焼却され、これによりコーティング層２から除去され
る。これにより、コーティング層２にはマスキング材６
が除去された跡として溝４が形成されることになる。な
お、マスキング材除去工程は焼却除去に限定されるもの
ではなく、例えば溶剤等を用いて化学的にマスキング材
６を溶解除去させてもよい。また、金属製のマスキング
材６を用いるときは酸またはアルカリ溶剤で除去するこ
とも可能である。

【００２３】なお、前記実施の形態において示した各構
成部分の諸形状や組み合わせ、並びに手法等は一例であ
って、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要
求等に基づき種々変更可能である。例えば、図示のコー
ティング構造では溝４内に何も入れていないが、溝４内
に金属や他の性状を持つ（例えば熱膨張率の大きな）セ
ラミックスを入れることは任意である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係るコ
ーティング構造は、コーティング層が溝によって区画さ
れた複数の所定領域により構成されるので、コーティン
グ層に生じる応力を各所定領域ごとに分散して生じさせ
ることになり、全体としてコーティング層に生じる応力
を緩和して過大な応力が発生するのを防止できる。従っ
て、コーティング層の形成時や温度変化の大きい環境下
で使用されるときでも、コーティング層に過大な応力が
発生するのを防止し、コーティング層の剥がれや割れを
抑制することができる。請求項２に係るコーティング構
造コーティング構造は、各所定領域がほぼ同一の形状で
あるため、隣り合う所定領域どうしで生じる応力の大き
さや方向がほぼ同一になり、同じ応力に対して極端に弱
い部分を形成する可能が低く、応力に対する強度を一様
化させることができる。請求項３に係るコーティング構
造は、所定領域が略六角形状であるため、所定領域内で
応力が生じた場合に応力集中が生じにくく、応力に対す
る各所定領域の強度を向上させることができる。

【００２５】請求項４に係るコーティング方法は、金属
母材に溝形成用のマスキング材を設置してからセラミッ
クスを吹き付けるので、後にマスキング材を除去するこ
とでコーティング層に対して容易かつ確実に溝を形成す
ることができる。請求項５に係るコーティング方法は、
マスキング材としてハニカム材が用いられるため、コー
ティング層に対して略六角形状に展開する溝を容易かつ
確実に形成することができる。請求項６に係るコーティ
ング方法は、熱可塑性のマスキング材を用いるとともに
焼却によりマスキング材を除去するので、セラミックス
の吹き付け後に焼却処理といった簡単な作業で容易かつ
確実にマスキング材を除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るコーティング構造の実施形態を
示す斜視断面図である。

【図２】 本発明に係るコーティング方法を示す工程図
であって、（ａ）はマスキング材設置工程、（ｂ）はセ
ラミックス溶射工程、（ｃ）はマスキング材除去工程で
ある。

【符号の説明】

１ 金属母材 ２ コーティング層 ３ ボンドコーティング層 ４ 溝 ５ 所定領域 ６ マスキング材 ７ 溶射装置 ８ 焼却室 ９ 加熱装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属母材をセラミックスのコーティング
   層により被覆するコーティング構造であって、 前記コーティング層は、溝によって区画された複数の所
   定領域により構成されることを特徴とするコーティング
   構造。
2. 【請求項２】 前記所定領域のそれぞれはほぼ同一の形
   状であることを特徴とする請求項１記載のコーティング
   構造。
3. 【請求項３】 前記所定領域は略六角形状であることを
   特徴とする請求項１または２記載のコーティング構造。
4. 【請求項４】 金属母材に溶融状態のセラミックスを吹
   き付けることによりコーティング層を形成するコーティ
   ング方法であって、 予め前記金属母材に溝形成用のマスキング材を設置し、
   次いで該金属母材へ向けてセラミックスを吹き付けた後
   に前記マスキング材を除去することを特徴とするコーテ
   ィング方法。
5. 【請求項５】 前記マスキング材としてハニカム材が用
   いられることを特徴とする請求項４記載のコーティング
   方法。
6. 【請求項６】 前記マスキング材は熱可塑性の材質で形
   成され、焼却により除去されることを特徴とする請求項
   ４または５記載のコーティング方法。