JP2003034856A - 溶射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒状基材の内面への付着力が強く、均一な厚
さの溶射被膜を形成することができる溶射方法を提供す
ることである。 【解決手段】 筒状基材４５を非回転状態にセットす
る。溶射材料を供給する材料供給部１０と、プラズマ炎
を放射状に噴射することにより溶射材料を溶融させて溶
射粒子にするとともに放射方向に運搬する溶融・運搬部
２５とを持つ溶射装置５０を筒状基材４５内にセットす
る。そして、溶融装置５０を非回転状態のまま筒状基材
４５内において軸線方向に移動させることにより、溶射
粒子により筒状基材４５の内面４６に溶射被膜４７を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶射材料を基材の
表面に溶射する溶射方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶射方法とは、溶射ガン等を用いて、金
属等から成る溶射材料をプラズマ炎等により溶融して溶
射粒子とし、基材の表面に噴射することにより溶射被膜
を形成する加工方法をいう。溶射被膜は、基材の表面の
耐摩耗性や耐食性等を向上させるために形成される。

【０００３】溶射材料を噴射する溶射ガンの具体的構成
は、基材の形状等に依存して決まる。例えば、基材が円
筒部材でその内周面に溶射被膜を形成する場合、円筒部
材及びその中空部に挿入した溶射ガンを固定していたの
では、円筒状の内周面全体に均一な厚さの溶射被膜を形
成することは困難である。そこで、円筒部材と溶射ガン
とを軸方向において相対的に移動させるとともに、円周
方向において相対的に回転させる場合がある。

【０００４】その一例として、特開平１１−１７５８号
に開示された溶射方法（第１従来例）では、図５に示す
ように、中空円筒管７０を軸線の周りに回転させる（軸
方向には移動しない）とともに、溶射ガン７３を軸線方
向に移動（軸線周りには回転しない）させている。詳述
すると、立設された中空円筒管７０が固定用チャック７
１に固定され、固定用チャック７１に接続された駆動装
置（不図示）により軸線の周りに円周方向に回転され
る。溶射材料を一半径方向に噴射する溶射ガン７３が中
空円筒管７０の上部開口部よりその内部に挿入され、内
周面７２と一定の溶射距離を保持しつつ上下方向に往復
動されるようになっている。

【０００５】また、中空円筒管７０の下端寄りの外周面
に、下端開口と平行な面内に位置するリング溝７４が形
成されている。中空円筒管７０の下端の側方に配設され
た噴射ノズル７５からリング溝７４に向かって圧縮空気
７６を噴射するようになっている。

【０００６】溶射時は、中空円筒管７０を軸線の回りに
回転させるとともに、溶射材料８１を一半径方向に噴射
する溶射ガン７３を中空円筒管７０の内周面７２に沿っ
て上下方向に移動させる。溶射ガン７３のノズル７８か
ら噴射するジェット７９の熱エネルギにより溶射材料８
１を溶融粒子８２に溶融し、ジェット７９の運動エネル
ギにより内周面７２に噴射する。これにより、中空円筒
管７０の内周面７２に均一な厚さの溶射被膜８３が形成
される。

【０００７】また、噴射ノズル７５からリング溝７４に
噴射する圧縮空気７６により中空円筒管７０の下部開口
部より内周面７２に沿って上方に吹き上げる気流８４を
生じさせる。この気流８４により中空円筒管７０の内周
面７２に付着した未溶解粒子、ヒューム又は粉塵が中空
円筒管７０内を上方に移動され、外部へ排出される。

【０００８】一方、筒状部材は軸方向及び円周方向にお
いて固定しておき、溶射ガンを軸方向に移動させるとと
もに円周方向において回転させる溶射方法（第２従来
例）もある（例えば、米国特許第５，４５２，８５４号
参照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第１従来
例には以下の不具合があった。この不具合は主に、溶射
時に中空円筒管７０を軸線の周りに回転させることに起
因する。即ち、ある時点で溶射ガンに対向する中空円筒
管７０の内周面７２の円周方向の第１所定部分に溶射ガ
ン７３のノズル７８から溶射材料が噴射される。内周面
７２の第１所定部分に付着した溶射粒子８２は、中空円
筒管７０の回転につれて、ノズル７８に対向しない位置
に移動する。

【００１０】しかし、溶射ガン７３から噴射され第１所
定部分に付着しない粒子乃至粉末（ヒューム）が中空円
筒管７０内に浮遊している。このヒュームは、第１所定
部分に対して直径方向に位置する第２所定部分に噴射さ
れる溶融粒子８２内に巻き込まれる。ヒュームは溶射被
膜８３として内周面７２に付着する前に酸化されてお
り、正常に噴射された溶射粒子との結合力が弱い。酸化
物が溶射粒子８２同士の結合を阻害するからである。そ
の結果、溶射被膜８３のうち、溶射粒子８２同士の結合
力が弱い部分は、加工後中空円筒管７０に曲げやせん断
が加わった場合にはもろくなり、剥離等するおそれがあ
る。

【００１１】一方、上記第２従来例は、筒状部材が移動
も回転もせず、溶射ガンが移動及び回転する点で上記第
１実施例とは異なる。しかし、溶射時に筒状部材と溶射
ガンとが軸方向及び円周方向において相対的に移動及び
回転する点では第１従来例と共通しており、第１従来例
と同様の不具合がある。

【００１２】本発明はこのような事情を背景にしてなさ
れ、筒状基材の内面への付着力が強く、均一な厚さの溶
射被膜を形成することができる溶射方法を提供すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願の発明者は、筒状基
材と溶射装置とを相対的に回転させることなく、溶射装
置から溶射材料を筒状基材に向かって全円周方向に即ち
放射状に噴射させることを思い付いて、本発明を完成し
た。

【００１４】即ち、本発明は、筒状基材の内面に溶射材
料の溶射被膜を形成する溶射方法であって、筒状基材を
非回転状態にセットし；溶射材料を供給する材料供給部
と、燃焼炎又はプラズマ炎を放射状に噴射することによ
り溶射材料を溶融させて溶射粒子にするとともに放射方
向に運搬する溶融・運搬部とを持つ溶射装置を、非回転
状態のまま筒状基材内において軸線方向に移動させ、溶
射粒子により筒状基材の内面に溶射被膜を形成する；こ
とを特徴とする。

【００１５】本発明において、材料供給部から供給され
る溶射材料は、溶融・運搬部において発生されるプラズ
マ炎等により溶融され、放射状に運搬され、筒状基材の
表面に付着されて溶融被膜を形成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】＜筒状基材＞筒状基材は円筒部材
で、両端又は一端が開口し、横断面円形状の内周面を持
つことが望ましい。筒状基材はアルミニウム、アルミニ
ウム合金又はステンレス等から成ることができる。筒状
基材は内径が７０ｍｍ以上であることが望ましく、この
条件が満たされれば外径や長さは特に制約されない。 ＜材料供給部＞材料供給部が供給する溶融材料として
は、アルミニウム、モリブデン等の金属粉末、ニッケル
−クロム等の合金粉末、アルミナ、ジルコニア等のセラ
ミックス粉末等があげられる。溶射材料の粒径は３０μ
ｍから５０μｍの範囲で選択することができる。

【００１７】材料供給部は、溶射装置の中心から少し半
径方向外方に離れた部分に溶融材料を供給することがで
きる。材料供給部は、該半径方向外方に離れた部分に近
接して配置された通路を有しても良いが、中心部に位置
する中心通路及び中心通路から放射状に伸びる放射通路
を有することが望ましい。ガスは通常溶融装置の中心部
に供給されるので、材料の供給部分とガスの供給部分と
が一体化されてコンパクトになるからである。

【００１８】尚、上記放射通路は、円周方向に隔設され
た複数本の通路から成っても良いし、円板形状、円筒形
状等の空間から成っても良い。また、放射通路は、中心
通路から半径方向に伸びる扁平な円板状の第１通路と該
第１通路と直角を成して軸方向に伸びる円筒状の第２通
路から成っても良いし、中心通路から円錐状に伸びる円
錐状の通路から成っても良い。前者の場合、溶射材料を
第１通路内において積極的に移動させるためには該第１
通路を形成する部材を回転させて遠心力を利用すること
が望ましい。後者の場合は、円錐通路を形成する部材を
回転させることは不要である。 ＜溶融・運搬部＞溶融・運搬部は、燃焼炎又はプラズマ
炎を放射状に噴射することにより溶射材料を溶融させて
溶射粒子にするとともに放射方向に運搬するものであ
る。より詳しくは、溶融・運搬部は溶射装置の中心部に
おいて燃焼炎又はプラズマ炎を発生させ、放射状に噴射
する。そして、燃焼炎又はプラズマ炎の熱エネルギが溶
融材料を溶融粒子にかえ、運動エネルギが溶融粒子を放
射方向に運搬する。

【００１９】燃焼炎はアセチレンやプロパン等の燃料と
酸素との結合により発生される。プラズマ炎は不活性ガ
スに高電圧を印加しアーク放電することにより発生され
る。アルゴンガス、水素ガス又はヘリウムガス等の不活
性ガスからプラズマ炎を発生させる場合、円柱状の陰極
に多数の小孔を放射状に形成し、該陰極の両端側に一対
の円板状の陽極を配置することが望ましい。不活性ガス
は陰極の多数の小孔から陽極と陰極とにより区画される
環状空間に吐出し、アーク放電によりプラズマ炎となっ
て放射状に噴射される。

【００２０】溶射被膜とは、溶射材料を溶射粒子として
噴射、形成した膜状の積層体を言う。溶射被膜の厚さは
１００μｍから４００μｍ（上限は特に制約はない）の
範囲で選択することができる。溶射装置と筒状基材の内
面との間隔は、溶射材料が内面に到達して溶射被膜が形
成できれば特に制約はないが、２０ｍｍから５０ｍｍの
範囲で選択することができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を基にして
説明する。

【００２２】第１実施例を図１、図２、図３及び図４を
参照しつつ説明する。図１及び図２に示すように、溶射
ガン５０は材料供給部１０と、溶融・運搬部２５とから
成る。

【００２３】材料供給部１０は、アルミニウム粉末を供
給する４本のアルミニウム供給管１１と、共に有底円筒
形状で同軸的に配置された第１ケース１３及び第２ケー
ス１７とを含む。

【００２４】第１ケース１３は大径円筒部１４と、その
一端を塞ぐ円板状底部１５から成る。円板状底部１５に
はその中心部に一本の不活性ガス供給管４０が取り付け
られ、後述する溶融・運搬部２５に向かって伸びてい
る。不活性ガス供給管４０の周囲に４本のアルミニウム
供給管１１が円板状底部１５と直交する方向に取り付け
られている。

【００２５】第２ケース１７は小径円筒部１８と、その
一端を塞ぐ円板状底部１９とから成り、第１ケース１３
の内側にこれと同軸的に配置されている。第１ケース１
３と第２ケース１７との間には、扁平な円形の第１通路
２１と、これに連がる円筒状の第２通路２２とが形成さ
れ、上記４本のアルミニウム供給管１１が第１通路２１
の中心部の周辺に開口している。

【００２６】その結果、４本のアルミニウム供給管１１
と、これと直交する方向に伸びる第１通路２１と、これ
と直交しかつ各アルミニウム供給管１１と平行な第２通
路２２から成るアルミニウム粉末の供給通路が形成され
る。アルミニウム供給管１１から供給されるアルミニウ
ム粉末は、矢印Ｘで示すように第１通路２１から第２通
路２２内に流入し、その下端の出口から環状となって下
方に吐出される。

【００２７】一方、溶融・運搬部２５は、本体２６と、
上方陽極２８ａ，下方陽極２８ｂ及び陰極３５と、上記
不活性ガス供給管４０とを含む。本体２６は扁平な円柱
形状を持ち、その中心部に貫通孔２７が形成されその外
周面が第２ケース１７の内周面に嵌合されている。ま
た、本体２６には断熱材や冷却水通路（不図示）が形成
されている。

【００２８】本体２６の下面には一対（上方及び下方）
の陽極２８ａ及び２８ｂが陰極３５及び絶縁体３２ａ及
び３２ｂを介して取り付けられている。即ち、上方陽極
２８ａ及び下方陽極２８ｂは共に同じ円板形状を持ち、
その中心部に円形の取付け孔３１ａ及び３１ｂが形成さ
れている。各取付け孔３１ａ及び３１ｂに絶縁材３２ａ
及び３２ｂが充填され、双方の絶縁材３２ａ及び３２ｂ
間に円柱状の陰極３５がその軸線が上方陽極２８ａ及び
下方陽極２８ｂの軸線と一致するように取り付けられて
いる。

【００２９】陰極３５には高さ方向に伸びる１本の主通
路３６と、これから半径方向外向きに分岐した多数本の
副通路３７が形成されている。主通路３６の上端に貫通
孔２７に挿入された不活性ガス供給管４０の下端が挿入
されている。副通路３７は陰極３５の円周方向において
複数本形成される（図４参照）とともに、高さ方向にお
いて複数本形成されている（図１参照）。副通路３７
は、陰極３５の外周面と、上方陽極２８ａの下面と、下
方陽極２８ｂの上面とにより形成される環状空間２９に
おいて半径方向外向きに開口している。

【００３０】上方陽極２８ａ及び下方陽極２８ｂと陰極
３５との間には所定の電圧が印加され、両電極間でアー
ク放電している。不活性ガス供給管４０から供給される
不活性ガスを上方陽極２８ａ及び下方陽極２８ｂと陰極
３５との間に通過させると高温のプラズマ状態になり、
環状のプラズマ炎Ｆが発生するようになっている。

【００３１】尚、アルミニウム供給管１１と第１ケース
１３との間、及び本体２６の外周部と第２ケース１７の
内周部との間にはそれぞれ軸受部材（不図示）が介在さ
れている。第１ケース１３及び第２ケース１７は駆動装
置（不図示）により本体２６等に対して回転駆動され
る。材料供給部１０と溶融・運搬部２５とから成る溶射
装置５０は、駆動機構（不図示）により上下方向に移動
（昇降）されるようになっている（図３参照）。

【００３２】次に、本実施例における溶射方法について
説明する。

【００３３】各アルミニウム供給管１１にアルミニウム
粉末を供給しつつ、第１ケース１３及び第２ケース１７
を一体的に回転させる。すると、アルミニウム粉末は第
１ケース１３及び第２ケース１７の回転に基づく遠心力
により第１通路２１を半径方向外向きに流通し、第２通
路２２内に流入する。そして、第２通路２２の出口から
環状に環状空間２９の全領域にむらなく吐出される。

【００３４】一方、不活性ガス供給管４０を通して陰極
３５の主通路３６に導入される不活性ガスは副通路３７
を半径方向外向きに流れて開口から吐出される。その
際、不活性ガスは上方陽極２８ａ及び下方陽極２８ｂと
陰極３５との間に発生するアーク放電により高温のプラ
ズマ炎Ｆとなり、環状空間２９から放射状に噴射する。

【００３５】その結果、図３及び図４に示すように、第
２通路２２の出口から環状に吐出されるアルミニウム粉
末は、プラズマ炎Ｆの熱エネルギにより溶融されて溶融
粒子になるとともに、運動エネルギにより放射状にかつ
高さ方向に所定の噴射角度で噴射される。これにより、
円筒部材４５の内周面４６に環状で所定高さの溶射被膜
４７が形成される。

【００３６】上記噴射と並行して、溶射ガン５０を円筒
部材４５の軸方向（高さ方向）に移動させる。これによ
り、放射状に噴射される溶射粒子により、円筒部材４５
の内周面４６の異なる高さ部分に溶射被膜４７が形成さ
れる。溶射ガンを軸方向に連続的して移動させることに
より、内周面４６の全面に亘って溶射被膜４７が形成さ
れる。

【００３７】本実施例によれば以下の効果が得られる。

【００３８】第１に、円筒部材４５の内周面４６に溶射
される溶射粒子がヒュームを巻き込まず、溶射被膜４７
の内周面４６への付着力が大きい。これは、上記従来例
と異なり、溶射ガン５０と円筒部材４５との間で相対回
転がないからである。従って、加工後に円筒部材に曲げ
力やせん断力が加わった場合でも、溶射被膜４７の内周
面４６からの剥離が防止される。

【００３９】第２に、粉末供給部１０の第１通路２１及
び第２通路２２の形成が容易である。第１通路２１及び
第２通路２２は、有底円筒形状の第１ケース１３と第２
ケース１７とを互いに嵌合させるのみで形成されてい
る。ここで、第１通路２１は半径方向に伸びるが、アル
ミニウム粉末は第１ケース１３及び第２ケース１７の回
転に基づく遠心力により第１通路２１内を遠心方向に移
動する。従って、第２通路から吐出されるアルミニウム
粉末にむらが生ずることが防止される。

【００４０】第３に、溶融、運搬部２５において、回転
しない不活性ガス供給管４０から供給される不活性ガス
は、陰極３５に形成された多数本の副通路３７から放射
状に噴射され、アークにより環状のプラズマ炎Ｆを形成
する。第２通路２２から吐出され熱エネルギにより溶融
された溶射粒子は、全円周方向に亘って放射状に、しか
も所定量づつ運搬されて円筒部材４５の内周面４６に付
着する。従って、円筒部材の内周面４６に形成される溶
射被膜４７の厚さは円周方向及び軸方向において均一に
なる。

【００４１】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の溶射方
法では、非回転状態で軸方向に移動する溶射装置から放
射状に噴射されるはプラズマ炎等により、非回転状態に
セットされた筒状基材の表面に溶射粒子を付着させて溶
融被膜を形成する。

【００４２】本発明の溶射方法によれば、筒状基材と溶
射装置とが相対回転しないため、溶射時に溶射粒子がヒ
ュームを巻き込むことがなく、溶射被膜の筒状基材の表
面への付着力が強くなる。加えて、筒状基材と溶射装置
との間で相対回転はないが、溶射装置が放射状に溶射粒
子を噴射するので、筒状基材の表面にむらがなく、均一
な厚さの溶射被膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶射方法の一実施例において使用する
溶射ガンの正面断面図である。

【図２】図１における２−２断面図である。

【図３】上記実施例における溶射方法を示す正面図であ
る。

【図４】上記実施例における溶射方法を示す平面図であ
る。

【図５】従来の溶射方法の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１０：材料供給部 １１：アルミニ
ウム供給管 １３：第１ケース １７：第２ケー
ス ２１：第１通路 ２２：第２通路 ２５：溶融・運搬部 ２６：本体 ２８ａ：上方陽極 ２８ｂ：下方陽
極 ２９：環状空間 ３５：陰極 ３６：主通路 ３７：副通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D075 AA35 AA85 BB29Y BB34Y BB49Y BB83Y CA02 CA33 DA15 DA19 DB04 DB07 EA02 EA15 EB01 EB05 EC10 4K031 AA01 AB02 AB07 CB18 CB22 CB33 CB37 CB42 CB43 DA01 DA03 DA04 EA01 EA05 EA07 EA09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状基材の内面に溶射材料の溶射被膜を
   形成する溶射方法であって、 筒状基材を非回転状態にセットし、 溶射材料を供給する材料供給部と、燃焼炎又はプラズマ
   炎を放射状に噴射することにより溶射材料を溶融させて
   溶射粒子にするとともに放射方向に運搬する溶融・運搬
   部とを持つ溶射装置を、非回転状態のまま前記筒状基材
   内において軸線方向に移動させ、溶射粒子により前記筒
   状基材の内面に溶射被膜を形成する、ことを特徴とする
   溶射方法。
2. 【請求項２】 前記材料供給部は、前記溶融装置の中心
   から半径方向に離れた部分に溶射材料を環状に供給する
   請求項１記載の溶射方法。
3. 【請求項３】 前記材料供給部は、半径方向外向きに伸
   びる円板状の通路を持ち、前記溶融装置の軸線周りに回
   転する請求項１記載の溶射方法。
4. 【請求項４】 前記溶融・運搬部は、前記溶融装置の
   中心を伸びるガス供給パイプと、該ガス供給パイプが連
   結され複数のガス噴出孔を持つ円柱状の陰極と、該陰極
   の周りに環状空間を形成するように該陰極に近接して配
   置された陽極とを含む請求項１記載の溶射方法。