JP2005179723A - 溶射皮膜の形成方法及び溶射皮膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 円筒体の中心孔内を浮遊する余剰の溶射粉末のみを円筒体外へと排出させ、膜厚にばらつきが無く且つ面粗度の良い溶射皮膜を形成することのできる溶射皮膜の形成方法を提供する。
【解決手段】 本発明の方法は、シリンダボア１の中心孔２に挿入された溶射ガン３を一端側から他端側に移動させながらノズル６先端よりプラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴１３を内面１ａに吹き付けて溶射皮膜１４を形成する。そして、溶射ガン３の前方に二重管構造とした第１排気管７及び第２排気管８を有した排気手段５を設け、この排気手段５でシリンダボア１の中心孔２内を浮遊する余剰溶射粉末４をシリンダボア１外へと排出させるに際して、シリンダボア１の内面１ａ近傍部と中心部とで前記排気手段５による吸引力に差を持たせる。このとき、シリンダボア１の内面１ａ近傍部を吸引する第１排気管７内の吸引力よりも第２排気管８内の吸引力を強くする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、プラズマ溶射により溶射皮膜を円筒体の内面に形成する溶射皮膜の形成方法及び溶射皮膜形成装置に関し、詳細には、円筒体の中心孔内を浮遊する余剰の溶射粉末の排出技術に関する。

例えば、エンジンブロックのシリンダボアにおいては、プラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴をボア内面に吹き付けて溶射皮膜を形成することにより、耐摩耗性を向上させている。

溶射に際しては、溶射ガンの先端から溶射粉末を溶融させた溶滴を円筒体の中心孔の内面に向かって吹き付けるため、その中心孔内に余剰の溶射粉末が浮遊する。この中心孔内を浮遊する溶射粉末は、ボア内面に成膜された溶射皮膜に再付着（二次付着）し、該溶射皮膜の密着強度を低下させたり、面粗度を荒らす要因となる。

そこで、従来は、このシリンダボア内を浮遊する余剰の溶射粉末を、溶射ガンの前方に設けた吸引排気手段によってシリンダボア外へと排気させる技術が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。

特許文献１に記載の方法によれば、シリンダボア内に浮遊する余剰の溶射粉末をシリンダボア外へと排出させることができるため、飛散粒子を効率的に除去でき、耐摩耗性に優れた溶射皮膜を形成することが可能となる。
特開２００２−３０２７５５号公報（第４頁および第５頁、第３図〜第５図）

しかしながら特許文献１に記載の方法では、シリンダボアの中心孔全体を一様に吸引しているため、皮膜として必要な溶滴も吸引し排気してしまうことになる。そのため、本来必要な部分のボア内面に必要とする膜厚が成膜されなかったり、或いは必要以上の膜厚に成膜されてしまう可能性がある。また、溶射皮膜の膜厚にばらつきが生じることから面粗度も悪化する。さらにこの方法では、必要な膜厚を形成させる以上の溶射粉末が必要となり材料費が掛かる。

そこで、本発明は、円筒体の中心孔内を浮遊する余剰の溶射粉末のみを円筒体外へと排出させ、膜厚にばらつきが無く且つ面粗度の良い溶射皮膜を形成することのできる溶射皮膜の形成方法および溶射皮膜形成装置を提供することを目的とする。

本発明の溶射皮膜の形成方法は、円筒体の中心孔に挿入された溶射ガンを一端側から他端側に移動させながらノズル先端よりプラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴を内面に吹き付けて溶射皮膜を形成する。また、本発明では、溶射ガンの前方に二重管構造とした第１排気管及び第２排気管を有した排気手段を設ける。

そして、この排気手段で円筒体の中心孔内を浮遊する余剰の溶射粉末を円筒体外へと排出させるに際して、円筒体の内面近傍部と中心部とで前記排気手段による吸引力に差を持たせる。このとき、円筒体の内面近傍部を吸引する吸引力よりも中心部を吸引する吸引力を強くする。

本発明の溶射皮膜の形成方法によれば、円筒体の内面近傍部と中心部とで吸引する吸引力に差を持たせたので、内面近傍部では皮膜として必要な溶射粉末を確保することができ、また、中心部では二次付着の要因となる余剰の溶射粉末を円筒体外へと効率良く排気させることができる。したがって、本発明の方法によれば、膜厚にばらつきが無く且つ面粗度の良い溶射皮膜を形成することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［溶射皮膜形成装置の概略構成および動作］
先ず、本発明を適用した溶射皮膜の形成方法を説明する前に、この方法で使用した溶射皮膜形成装置について簡単に説明する。

図１は溶射皮膜形成装置の概略的な全体構成図、図２は溶射皮膜形成装置の要部拡大断面図、図３は第１排気管に設けられるメッシュフィルターの平面図である。

溶射皮膜形成装置は、図１に示すように、例えばシリンダブロックにおけるシリンダボア（円筒体）１の中心孔２を一端側から他端側に移動してノズル先端からプラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴を内面１ａに吹き付けて溶射皮膜を形成する溶射ガン３と、この溶射ガン３の前方且つシリンダボア１の一端側に、中心孔２内を浮遊する余剰溶射粉末４をシリンダボア１外へと排出させる排気手段である排気装置５とから構成されている。

溶射ガン１は、プラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴を噴出するノズル６を有している。この溶射ガン１は、アルゴンガス（Ａｒガス）または水素ガス（Ｈ２ガス）を補助ガスとしてノズル６内に供給すると共に、ノズル６を陽極とし、このノズル６内に設けた陰極（図示は省略する）との間に直流電源から直流電流を印加させて直流アーク（プラズマ）を発生させ、その直流アークの前方に溶射粉末を供給させ、当該溶射粉末を溶融させてノズル先端より溶融した溶射粉末を噴出させる。

排気装置５は、二重管構造とされた第１排気管７及び第２排気管８と、第１排気管に接続される第１排気制御部９と、第２排気管８に接続される第２排気制御部１０とからなる。この排気装置５は、皮膜に必要な溶射粉末を確保した上で、シリンダボア１の中心孔２内を浮遊する余剰溶射粉末４をシリンダボア１外へと排出させる機能をする。

第１排気管７は、図１及び図２に示すように、シリンダボア１の中心孔２内径と同じか又は若干大きな内径とされた円筒管として形成されている。そして、この第１排気管７は、シリンダボア１の中心孔開口端面１ｂに対して、シール部材１１を介してその端面７ａを密着させている。また、この第１排気管７は、シリンダボア１の中心孔開口端面１ｂと約１．５ｍｍの隙間をあけて配置されると共に、前記内面１ａから５ｍｍ外側で密着している。

また、この第１排気管７のシリンダボア１と密着する一端側内部には、図３に示す網目状とされたメッシュフィルター１２が設けられている。メッシュフィルター１２は、リング形状とされており、その外周部１２ａを第１排気管７の内壁面７ｂに固定させている。このメッシュフィルター１２は、後述するがエアーをメッシュを通して吸引させることで、この第１排気管７内を流れるエアーの流速を低くさせる。

なお、メッシュフィルター１２には、例えば網目の大きさを０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度とし、外径部と内径部間の寸法Ｗを１０ｍｍとしたものを使用した。

第１排気制御部９は、第１排気管７の後端部に設けられている。この第１排気制御部９は、第１排気管７専用のバキューム装置を備えており、該第１排気管７で必要な吸引力を発生させる。

第２排気管８は、図１及び図２に示すように、第１排気管７の内部に設けられる円筒管として形成されている。また、この第２排気管８は、シリンダボア１の中心孔２のうち中央部と対応する位置に配置され、前記第１排気管７に対して図１中矢印Ｘ方向にスライド自在とされている。そして、この第２排気管８は、後述するように、前記溶射ガン３の移動に伴って追従するようになっている。

第２排気制御部１０は、第２排気管８の後端部に設けられている。この第２排気制御部１０は、第２排気管８専用のバキューム装置を備えており、該第２排気管８で必要な吸引力を発生させる。本実施の形態では、第２排気制御部１０では、第１排気制御部９よりも大きな吸引力を発生させるように動作させ、第１排気管７にて吸引する吸引力よりも第２排気管８にて吸引する吸引力を強くさせる。

［溶射皮膜の形成方法］
次に、本実施の形態の溶射皮膜の形成方法について説明する。図４〜図７は溶射皮膜の形成工程を示す図であり、図４は予備加熱工程図、図５は溶射開始工程図、図６は溶射途中工程図、図７は溶射終了工程図である。

先ず、図４に示すように、シリンダボア１の中心孔２に溶射ガン３を挿入し、ノズル６の先端から火炎のみを噴出させてシリンダボア１の内面１ａを加熱する。このとき溶射ガン３は、シリンダボア１の他端側から第１排気管７及び第２排気管８が取り付けられる一端側に亘って移動させ、当該内面１ａ全体を暖める。予備加熱をすることによって、その後の溶射時において溶射皮膜の密着力を高めることが可能となる。

次に、図５に示すように、溶射ガン３をシリンダボア１の一端側に配置させると共に、ノズル６の先端が第２排気管８の中に位置するようにする。この位置から溶射ガン３のノズル先端よりプラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴１３を噴出させると共にノズル６を回転させる。

これと同時またはその前に、第１排気制御部９及び第２排気制御部１０を動作させてそれぞれ吸引を行う。このとき、第１排気管７内の吸引力よりも第２排気管８内の吸引力の方が高くなるようにする。例えば、第１排気管７内のエアー吸引流速を５ｍ／ｍｉｎ以下とし、第２排気管８内のエアー吸引流速を８ｍ／ｍｉｎ以上とする。

その結果、溶射ガン３のノズル６先端から第２排気管８の内壁面８ａに向かって溶滴１３が噴出される。また、第２排気管８内には、皮膜の形成に不要な余剰溶射粉末４が浮遊する。しかし、この余剰溶射粉末４は、第２排気管８を通して排出される。

そして、図６に示すように、溶射ガン３を次第にシリンダボア１の他端側に移動させることによりシリンダボア１の内面１ａ全体に溶射皮膜１４を形成する。また、この溶射ガン３の移動に伴って、図２に示すように、第２排気管８を追従させる。

溶射ガン３から溶滴１３をシリンダボア１の内面１ａに向かって噴出させると、皮膜形成に必要な溶滴１３以外の余剰溶射粉末４が中心孔２の中央付近に多量に浮遊する。しかしながら、この余剰溶射粉末４は、二重管構造とされた第１排気管７及び第２排気管８のうち第１排気管７よりも高速で吸引される第２排気管８よりシリンダボア１外へと排出される。一方、第２排気管８よりも低速で吸引される第１排気管７には、シリンダボア１の内面１ａにぶつかって跳ね返った当該内面１ａ近傍に浮遊する余剰溶射粉末４が吸引される。

このように、特に中心孔２の中央付近に大量に浮遊した二次付着の要因となる余剰溶射粉末４を積極的に排出することができるので、溶射皮膜１４の膜厚にばらつきが生じず、均一な膜厚とすることができる。また、シリンダボア１の内面１ａ付近に浮遊する余剰溶射粉末４も第１排気管７からシリンダボア１外へと排出できるので、面粗度の良い溶射皮膜１４を形成することができる。また、溶射ガン３の移動に伴って第２排気管８も追従させたので、確実にこの第２排気管８から余剰溶射粉末４を排出させることができる。

そして、図７に示すように、溶射ガン３から噴出される溶滴１３がシリンダボア１の内面１ａ端部まで達したら溶射を終了する。その後、排気装置５をシリンダボア１から取り外して溶射工程を終了する。

本発明の方法においては、第１排気管７の端面７ａをシリンダボア１の中心孔開口端面１ｂに密着させたので、溶射始端に生じる皮膜必要部以外への溶滴１３の付着を防止することができる。

また、本発明の方法によれば、第１排気管７の端面７ａとシリンダボア１の中心孔開口端面１ｂとの間に若干の隙間を設け且つシリンダボア１の内径の外側で第１排気管７を密着させたので、溶射終了後に排気装置５を取り外す際に、シリンダボア１の内面１ａに形成された溶射皮膜１４の膜剥がれを防止できる。

また、本発明の方法によれば、第１排気管７内にメッシュフィルター１２を設けたので、このメッシュフィルター１２が抵抗となってこの第１排気管７内のエアー流速を低くすることができ、第２排気管８内のエアー流速との流速差を容易に保つことができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態を説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、上述の実施の形態では、シリンダボア１の内面１ａに溶射皮膜１４を形成したが、円筒体の内面に溶射皮膜を形成する必要のあるものであれば、本発明を適用することができる。

本実施の形態の溶射皮膜形成装置の概略的な全体構成図である。 溶射皮膜形成装置の要部拡大断面図である。 第１排気管に設けられるメッシュフィルターの平面図である。 溶射皮膜の形成工程を示すもので、予備加熱工程図である。 溶射皮膜の形成工程を示すもので、溶射開始工程図である。 溶射皮膜の形成工程を示すもので、溶射途中工程図である。 溶射皮膜の形成工程を示すもので、溶射終了工程図である。

符号の説明

１…シリンダボア（円筒体）
２…中心孔
３…溶射ガン
４…余剰溶射粉末
５…排気装置
６…ノズル
７…第１排気管
８…第２排気管
９…第１排気制御部
１０…第２排気制御部
１１…シール部材
１２…メッシュフィルター
１３…溶滴
１４…溶射皮膜

Claims (8)

1. 円筒体の中心孔に挿入された溶射ガンを一端側から他端側に移動させながらノズル先端よりプラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴を内面に吹き付けて溶射皮膜を形成する溶射皮膜の形成方法において、
   前記溶射ガンの前方に二重管構造とした第１排気管及び第２排気管を有した排気手段を設け、この排気手段で前記円筒体の中心孔内を浮遊する余剰の溶射粉末を円筒体外へと排出させるに際して、前記円筒体の内面近傍部と中心部とで前記排気手段による吸引力に差を持たせた
   ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
2. 請求項１に記載の溶射皮膜の形成方法であって、
   前記円筒体の内面近傍部を吸引する吸引力よりも中心部を吸引する吸引力を強くした
   ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の溶射皮膜の形成方法であって、
   前記溶射ガンの移動に伴って前記円筒部の中心部を吸引させる排気管を追従させる
   ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
4. 円筒体の中心孔に挿入された溶射ガンを一端側から他端側に移動させながらノズル先端よりプラズマ火炎によって溶射粉末を溶融させた溶滴を内面に吹き付けて溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成装置において、
   前記溶射ガンの前方且つ前記円筒体の一端側に、該円筒体の中心孔内を浮遊する余剰の溶射粉末を円筒体外へと排出させるための排気手段を設け、この排気手段を二重管構造の第１排気管及び第２排気管から構成し、第１排気管と第２排気管より吸引するそれぞれの吸引力に差を持たせた
   ことを特徴とする溶射皮膜形成装置。
5. 請求項４に記載の溶射皮膜形成装置であって、
   前記第１排気管を前記円筒体の内面近傍部と対応する位置に配置すると共に前記第２排気管を前記円筒体の中心部と対応する位置に配置し、該第１排気管にて吸引する吸引力よりも該第２排気管にて吸引する吸引力を強くした
   ことを特徴とする溶射皮膜形成装置。
6. 請求項５に記載の溶射皮膜形成装置であって、
   前記第１排気管の内側に前記第２排気管を設け、その第１排気管の端面を、前記円筒部の中心孔開口端面に密着させた
   ことを特徴とする溶射皮膜形成装置。
7. 請求項６に記載の溶射皮膜形成装置であって、
   前記第１排気管内にメッシュフィルターを設けた
   ことを特徴とする溶射皮膜形成装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載の溶射皮膜形成装置であって、
   前記溶射ガンの移動に伴って前記第１排気管を追従自在とした
   ことを特徴とする溶射皮膜形成装置。