JP2003510457A

JP2003510457A - 溶射被覆法

Info

Publication number: JP2003510457A
Application number: JP2000600781A
Authority: JP
Inventors: ジョーダン，リチャード，マイケル; ベッツ，ジョナサン; グラント，パトリック; ローチェ，アレン，デニス; ニューベリー，ピアス
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2003-03-18

Abstract

(57)【要約】十分な厚みの金属工具、鋳型、ダイ、ダイ又は他のボディ、あるいは被膜を製造する方法に関する。この方法は、噴霧ガスによって運ばれる溶融金属小滴を含むスプレー（３、４）を基板又は型（５）の目標表面（７）に向けて方向付け、それによって、金属被覆、あるいは鋳型、工具、ダイ、ボディを構成する被膜、あるいは基板又は型（５）の目標表面（７）上の被膜を形成するステップを含み、溶射するステップの１以上の所定の段階において平均寸法が相対的に大きい小滴が溶射され、１以上の段階において平均寸法が相対的に小さい小滴が溶射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、溶射被覆法に関し、より詳細には、冶金学的溶射被覆法に関する。

【０００２】また、本方法は、厚い被膜及び薄い被膜を製造するのに有効であり、あらゆる
種類の基板に、特に複雑な幾何学的形状であるために被覆又は充填することが困
難である構造的な特徴を有する物品に、溶射されたその他の溶射金属被覆を製造
するのに有効である。

【０００３】

【従来の技術】

冶金学的溶射被覆技術を利用して、十分な厚みの工具、鋳型、ダイ又は他のボ
ディを製造することは公知である。このような技術を利用する際には、溶射被覆
材料の固有の多孔性、及びスプレー被覆工程の間に発生する内部応力の観点から
問題が生じていた。これらの問題を取り扱う試みがなされ、例えばWO-A-96/0942
1及びPCT特許出願GB97/00590に公知の技術が記載されている。

【０００４】商業的に重要な溶射法の広範な形態では、スプレーされた小滴を衝突させ、薄
く広げ、付着物上で固体化させる方法が、製造された被膜又は被覆の後の特性に
重大な影響を与える。付着される最初の小滴が、被膜と基板の界面の特性を画定
する。モールド工具用の自立形状を溶射により形成する場合、付着した最初の小
滴が、再現性の正確さ及び工具の摩耗特性を画定する。付着を続ける際、小滴付
着作用が、（孔の体積分率、構造、寸法のような）バルクの微細構造を制御し、
その結果として、被膜又は被覆されたバルクの特性を画定する。付着の全段階に
おいて、小滴の跳ね返り又は跳ねが工程における歩留まりを低下させる。最近の
実験は、小滴の跳ねが相当に発生し、従来考えられていたよりも大量に発生する
という示唆を証明している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】種々の（三次元の）形態の目標表面を有する型又は基板に溶射成形する際のさ
らなる問題は、金属溶射法が「視程」法であるということにより生じ、この方法
では、公知のシャドウ効果及びブリッジ効果が目標表面の構造的特徴の一定の形
態に発生する。

【０００６】目標表面の構造的特徴の内部及び外部のエッジにさらなる問題が発生する。エ
ッジでは、被覆を結果的に低品位の完全さとする低品位の付着が生じる。これは
、角又はエッジにおいて被覆物の剥離又は小片化を生じることがある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

ここに改良された溶射被覆法が発明された。本発明によれば、十分な厚みの金
属工具、鋳型、ダイ、ダイ又は他のボディ、あるいは被膜を製造するための方法
が提供され、この方法は、噴霧ガスによって運ばれる溶融金属小滴を含むスプレ
ーを基板又は型の目標表面に向けて方向付け、それによって、金属被覆、あるい
は鋳型、工具、ダイ、ボディを構成する被膜、あるいは基板又は型の目標表面上
の被膜を形成するステップを含み、溶射するステップの１以上の所定の段階にお
いて平均寸法が相対的に大きい小滴が溶射され、１以上の段階において平均寸法
が相対的に小さい小滴が溶射される。

【０００８】相対的に大きな小滴は、相対的に小さな小滴が溶射される前の段階で溶射され
ることが好ましい。基板又は型が構造的にレリーフの特徴を有する場合、相対的
に大きな小滴の溶射は、構造的なレリーフの特徴の特性及び／又は配置に依存す
ることが望ましい。

【０００９】本発明の好適な実施形態では、深さ／幅のアスペクト比を有する構造的な特徴
を備える目標表面の部分に溶射する場合、例えば、すなわち鋭い角又はそのよう
なものの中に又は上に溶射する場合、相対的に大きな寸法の金属小滴は、シャド
ウ効果、ブリッジ効果を低減させ、また従来技術で問題と見なされ、不完全に画
定されていた、エッジ又は角の細部を完全にするために、少なくとも初めに溶射
される。

【００１０】細部を創出し、シャドウ効果、ブリッジ効果を低減するために、平均の直径が
実質上200μm以上の金属スプレー小滴（好適には平均の直径が実質上350μm以上
）が非常に有益な結果を生み出すことが見出された。溶射被覆の研究及び慣例に
おける趨勢が、溶射被覆技法を利用して被膜及び他の多くの製品を製造する際に
、最後に溶射される小滴及び小滴の相対的に大きな溶射速度が、改良された結果
を生みだすということを示唆する傾向にあるので、この結果は驚くべきことであ
る。より小さな寸法の小滴を使用することによって被覆の孔が最小化されるので
、より小さな寸法の小滴を使用することが好ましい。これは、プラズマ溶射及び
高速度ガス式金属溶射技術のような技術の発展の陰にある前提の１つである。

【００１１】さらに、初めに付着される（被覆を含む）相対的に大きな寸法の小滴の溶射は
、基板又は型のごく近傍の付着された材料の孔を減少させることが見出された。

【００１２】スプレーの噴霧ガスが、特に金属溶射装置で使用されることが通常推奨される
圧力よりも低い範囲の圧力にあることが好ましい。したがって、作動圧力は種々
の装置に対して異なるが、約３×10⁵Pa（３bar）以下であることが好ましい。こ
れは、所望の相対的に大きな小滴を生じ、公知の技術と比較して相対的に低い小
滴速度を生じる。

【００１３】典型的には、アーク溶射が公知の他の溶射被覆法よりもより粗い小滴を製造す
るので、小滴をアーク溶射によって製造することが好ましい。しかしながら、従
来のアーク溶射装置は、本発明のより大きな寸法の小滴を溶射するようには設計
されておらず、本発明の試験の間、アーク溶射ガンの変更及び定期的な掃除が必
要であることが判明した。これは、好ましい寸法で金属の小滴を溶射するステッ
プがそれ自体新規であり、創意に富んでいるということを強く示すものであると
考えられる。

【００１４】本アーク溶射法で使用される電流は、従来のアーク溶射技術で使用される電流
と比較して、相対的に大きいことが好ましい。

【００１５】冶金学的溶射被覆法で形成される比較的厚い被覆ボディの内部応力を制御する
ことは重要である。WO-A-96/09421は、被覆ボディの内部応力を制御するのに利
用することができる冶金学的溶射被覆技術を開示する。しかしながら、基板及び
型の目標表面から細部及びエッジの明確さの再現を改善するのに必要な（またブ
リッジ効果及びシャドウ効果を抑制する）相対的に大きな寸法の小滴は、応力を
制御するには適さないことが見出された。したがって、本発明による方法では、
一定期間、再現される必要のある基板の細部領域に、相対的に大きな小滴が溶射
されるように工程パラメータが変更されることが好ましい。相対的に小さな小滴
が、必要とされるように細部を再現するその一定期間の後、細部を再現する必要
のない他の被覆領域部分に、好適には被覆内の内部応力を制御する条件の下で、
溶射される。

【００１６】したがって、典型的には、本発明の方法は、細部の再現が必要とされる（例え
ば、エッジの明瞭さが再現されなければならない、及び／又はシャドウ効果が回
避されなければならないような）基板又は型の目標表面に相対的に大きな小滴を
先ず溶射するステップと、溶射パラメータをその後に変更し、（好ましくは、型
の細部及びエッジの明瞭さが達成された後できるだけ速やかに）、型又は基板の
目標表面に相対的に小さな小滴を溶射するステップからなる。（応力の制御を好
適に操作中に行う手段としては、例えばWO-A-96/09421に記載されている。）代替的には、本発明の方法は、細部の再現が必要とされる（エッジの明瞭さが
再現されなければならない、及び／又はシャドウ効果が改善されなければならな
いような）基板又は型の目標表面に１つの溶射源から相対的に大きな小滴を溶射
するステップと、第２の溶射源から相対的に小さな金属小滴のさらなるスプレー
を導入する（好ましくは第１のスプレーと同時に発生する）ステップとを含み、
好適には、このさらなるスプレーが被覆内の内部応力を最小化するのに適応して
いる。

【００１７】制御ステップｃ）が、制御手段（好適にはコンピュータ制御手段）により作動
され、予めプログラムされていることが好ましい。

【００１８】必要とされる制御を達成するために、１以上の溶射ガンが、都合良く溶射ガン
とともに、制御手段により、好適にプログラムされている産業用ロボットのよう
なマニピュレータ手段に好適に取り付けられている。代替的には、又は付加的に
は、金属小滴の１以上のスプレーが、走査可能な溶射ガンによって発生され、こ
の場合には、スプレーを走査させる手段が、好適には同一の制御手段によって、
好ましく調整され、制御される。

【００１９】さらに本発明が、例示のみを目的として、添付の図面を参照して、さらに記載
される。

【００２０】

【発明の実施の形態】

図１（ａ）を参照すると、一対のアーク溶射金属小滴スプレー103及び104の下
方で回転する基板101が示されている。アーク溶射金属小滴は、６軸産業用ロボ
ットに取り付けられている２つのアーク溶射ガン（図示しない）から溶射され、
溶射フットプリント102を生じる。このフットプリントは、ガンをともに操作す
るロボットによって基板上を移動し、基板101の目標表面106を再現する被覆105
を生じる。目標表面106の表面の特徴は、一対の平行な側部107a、107b及びそれ
に垂直な表面107cを有するチャネル107をもたらすような構造であることである
。溶射被覆が続けられると、目標表面106の上に積み上げられる溶射被覆105は、
図１（ｂ）に示されるように、被覆105を積み上げるシャドウ効果により、結局
、ボイド108を残してチャネル107の幅を橋渡しする。

【００２１】驚くべきことには、冶金学的溶射被覆技術において、従来使用されているより
も大きな寸法の小滴を初めに溶射することにより、目標表面106の表面の構造的
特徴が変更する場所におけるシャドウ効果及びブリッジ効果が、実質上修正され
ることが見出された。さらに、外部及び内部の被覆されたエッジ（エッジ105a〜
105dのような）は、従来の寸法の小滴が使用される他の場合よりもより優れた完
全性を備えて形成される。ガウス平均が約200μm以上（好ましくは350μm以上）
の分布を示す小滴を有するスプレーが相当に有効な工程をもたらすということが
見出された。より大きな小滴の使用は、次の事柄の一方又は双方が起こるので、
改善された工程が実施され得ると考えられる。

【００２２】（ａ）小滴が増大した運動量を有し、運動量によって駆動される流れにとって
より都合の良い条件で、より長く液体のままである。

【００２３】（ｂ）基板又は被覆と衝突する小滴の「跳ね」が「視程」の問題を小さくする
。

【００２４】図２に示される装置を使用することによって、本発明の改良された方法の実施
が達成される。図２の装置は、６軸産業用ロボット10に取り付けられているアー
ク溶射ガン１、２を含み、このアーク溶射ガンは、型又は基板５に衝突する噴霧
された金属スプレー３、４を発生する。型又は基板５は、回転テーブル６に載置
され、種々の構造的特徴を備える目標表面７を備える。コンピュータ制御装置８
が、ロボット10の操作を制御するのに使用され、またガン１、２によって発生さ
れるそれぞれのスプレー３、４の工程パラメータ（例えば、ガス噴霧圧力、ガン
１、２それぞれのワイヤの送り速さ／電流のような）を制御する。装置は、防塵
アコースティックチャンバ９内に完全に収容され、適切な塵及びヒューム除去シ
ステム（図示しない）に接続されている。

【００２５】実施例溶射ガン１、２双方を使用して、低炭素鋼を（原料供給ワイヤから）溶射した
。特定の型式のアーク溶射ガンを使用し、2.6×10⁵Pa（2.6bar）の圧力で圧縮ガ
スを噴射することによって、初めに溶射される小滴の寸法がおおよそ350μmとな
った。このような状態は、双方の溶射ガンに対して、おおよそ120秒の間維持さ
れた。この時間の長さは、基板の目標表面の全ての内部及び外部のエッジが平均
直径がおおよそ350μmである小滴を有する被覆スプレーによって覆われるのに十
分であった。さらに、双方のアーク溶射ガンに対する溶射パラメータは、噴射ガ
スの圧力を3.5×10⁵Pa（3.5bar）に増大し、同時に、アーク内の溶融金属の生成
速度を減少させるために供給電流を減少するように調節した。このような状態を
利用して、150μm未満の寸法のより微細な小滴を発生して被覆の残りの部分を積
み上げ、WO-A-96/09421にしたがって応力が制御された。

【００２６】その後、被覆は基板５からはずされ、それによって、本発明による被覆は、工
程全体にわたって150μmよりも小さい寸法の小滴を溶射する従来の場合よりも、
改良された完全な状態のエッジを有し、シャドウ欠陥及びブリッジ欠陥がより少
ないことが分かった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）及び１（ｂ）は、公知の溶射被覆法の説明のための断面図を示し、
従来技術で公知であるシャドウ効果及びブリッジ効果の問題を強調している。

【図２】本発明による方法で使用される装置の概要図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年２月６日（２００１．２．６）

【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

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョーダン，リチャード，マイケルイギリス国オックスフォードシアー・オーエックス15・５エヌエックス，フック・ノートン，ブレウェリー・レーン，ザ・ヘイブン (72)発明者ベッツ，ジョナサンイギリス国スワンシー・エスエイ３・３ディーピー，トレボース，クームゲリー・クローズ・13 (72)発明者グラント，パトリックイギリス国オックスフォードシアー，オックスフォード，パーシー・ストリート・37 (72)発明者ローチェ，アレン，デニスアメリカ合衆国ミシガン州48176，セイライン，スレー・ドライブ・3306 (72)発明者ニューベリー，ピアスイギリス国イーストサセックス，ビーエヌ７・２ビーイー，レウェス，ランソーン・キルフェイルＦターム(参考） 4D075 AA01 AA83 DA06 DA23 DB01 DC16 EA15 EB01 4K031 AA03 CB16 CB21 DA03 EA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】十分な厚みの金属工具、鋳型、ダイ又は他のボディ、あるい
は被膜を製造する方法であって、噴霧ガスによって運ばれる溶融金属小滴を含む
スプレーを基板又は型の目標表面に向けて方向付け、それによって金属被覆、あ
るいは鋳型、工具、ダイ、ボディを構成する被膜、あるいは前記基板又は型の目
標表面上の被膜を形成するステップを含むものにおいて、溶射するステップの１以上の所定の段階において平均寸法が相対的に大きい小
滴が溶射され、１以上の他の段階において平均寸法が相対的に小さい小滴が溶射
される方法。
【請求項２】前記平均寸法が相対的に大きい小滴が、前記平均寸法が相対
的に小さい小滴が溶射される段階に先立つ段階で溶射される請求項１記載の方法
。
【請求項３】十分な厚みの金属工具、鋳型、ダイ又は他のボディが、構造
的なレリーフの特徴を含む基板又は型の上に製造され、相対的に大きな小滴と相
対的に小さな小滴の切替が、前記構造的なレリーフの特徴の特性及び／又は配置
に依存する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】前記平均寸法が相対的に大きい小滴が前記構造的なレリーフ
の特徴の表面に溶射され、その後前記平均寸法が相対的に小さい小滴の溶射に切
り換えられる請求項３記載の方法。
【請求項５】前記小滴がアーク溶射によって製造される請求項１記載の方
法。
【請求項６】前記相対的に小さな平均寸法の小滴が溶射される際、溶射パ
ラメータが、付着された金属の内部応力を制御するように適応されている請求項
１記載の方法。
【請求項７】前記溶射パラメータが、付着された金属の相変化又は反応を
もたらすように適応されている請求項６記載の方法。
【請求項８】前記溶射パラメータが、付着された金属のマルテンサイト相
変化をもたらすように適応されている請求項８記載の方法。
【請求項９】前記被覆工程の１つの段階において、平均寸法が相対的に大
きい小滴のみが溶射される請求項１記載の方法。
【請求項１０】さらに、前記基板又は型の目標表面上に１つの溶射源から
相対的に大きな小滴を溶射し、第２の溶射源から相対的に小さな金属小滴をさら
に導くステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項１１】相対的に小さな金属小滴のさらなるスプレーが前記第１の
スプレーと同時に作用する請求項１０記載の方法。
【請求項１２】平均寸法が相対的に大きい小滴の溶射と平均寸法が相対的
に小さい小滴の溶射の変更が、予めプログラムされた制御手段によって操作され
る請求項１記載の方法。