JP2005185976A

JP2005185976A - 高速フレーム溶射装置及び高速フレーム溶射方法

Info

Publication number: JP2005185976A
Application number: JP2003431656A
Authority: JP
Inventors: Satoru Osawa; 悟大澤; Takeshi Itsukaichi; 剛五日市
Original assignee: Fujimi Inc
Current assignee: Fujimi Inc
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】セラミックスや高融点金属からなる良質な溶射皮膜を形成することができる高速フレーム溶射装置及び高速フレーム溶射方法を提供する。
【解決手段】本発明の高速フレーム溶射装置は、常温常圧下でともに気体である燃料及び助燃剤を燃焼して燃焼炎を発生し、その発生した燃焼炎を吐出する燃焼室と、前記燃焼室から吐出される燃焼炎に補助燃料を供給する補助燃料供給部とを備え、燃焼炎によって溶射材料を溶射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼炎によって溶射材料を溶射する高速フレーム溶射装置及び高速フレーム溶射方法に関する。

高速フレーム溶射法では、燃焼炎が溶射のための熱源として利用される。高速フレーム溶射法による燃焼炎は他の溶射法による燃焼炎と比べて低温であるので、セラミックスのように融点の高い材料を高速フレーム溶射法で溶射することは難しい（例えば特許文献１及び２参照）。一方、プラズマ溶射法では、プラズマ炎が溶射のための熱源として利用される。プラズマ炎は比較的高温であるので、セラミックスを溶射する用途には多くの場合プラズマ溶射法が利用される（例えば特許文献３参照）。

しかしながら、従来の高速フレーム溶射法でセラミックスや高融点金属を溶射して形成される溶射皮膜は、燃料に起因する黒い斑点を有する傾向にあるために外観に難がある。また、プラズマ溶射機でセラミックスを溶射して形成される溶射皮膜は緻密さに欠けるため、セラミック焼結体と比べて耐摩耗性をはじめとする各種の特性に劣る。
特開平１０−６０６１７号公報特開１１−２２２６６２号公報特開平５−３３９６９９号公報

本発明の目的は、セラミックスや高融点金属からなる良質な溶射皮膜を形成することができる高速フレーム溶射装置及び高速フレーム溶射方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃焼炎によって溶射材料を溶射する高速フレーム溶射装置であって、常温常圧下でともに気体である燃料及び助燃剤を燃焼して前記燃焼炎を発生し、その発生した燃焼炎を吐出する燃焼室と、前記燃焼室から吐出される燃焼炎に補助燃料を供給する補助燃料供給部とを備えた高速フレーム溶射装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、前記補助燃料は常温常圧下で気体である請求項１に記載の高速フレーム溶射装置を提供する。
請求項３に記載の発明は、燃焼炎によって溶射材料を溶射する高速フレーム溶射方法であって、燃焼室において、常温常圧下でともに気体である燃料及び助燃剤を燃焼して前記燃焼炎を発生させる工程と、前記燃焼室から吐出される燃焼炎に補助燃料を供給する工程とを備えた高速フレーム溶射方法を提供する。

請求項４に記載の発明は、前記補助燃料は常温常圧下で気体である請求項３に記載の高速フレーム溶射方法を提供する。

本発明によれば、セラミックスや高融点金属からなる良質な溶射皮膜を形成することができる高速フレーム溶射装置及び高速フレーム溶射方法が提供される。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
図１は本実施形態に係る高速フレーム溶射装置としての高速フレーム溶射機を示している。高速フレーム溶射機は燃焼室１１を備えている。燃焼室１１の後端には第１〜第３連通路１２〜１４が設けられており、燃焼室１１の前端には吐出口１５が設けられている。

第１連通路１２は、図示しない燃料貯留部と燃焼室１１とを連通し、燃料貯留部から燃焼室１１へ燃料を導入する。第２連通路１３は、図示しない助燃剤貯留部と燃焼室１１とを連通し、助燃剤貯留部から燃焼室１１へ助燃剤を導入する。第３連通路１４は、図示しない溶射材料貯留部と燃焼室１１とを連通し、溶射材料貯留部から燃焼室１１へ溶射材料を導入する。

高速フレーム溶射機は、第１連通路１２及び第２連通路１３を通じて燃焼室１１に導入される燃料及び助燃剤を燃焼室１１において燃焼させる。燃料及び助燃剤の燃焼により発生する燃焼炎は、第３連通路１４を通じて導入される溶射材料を加熱して溶融又は軟化し、その溶融又は軟化した溶射材料とともに吐出口１５から吐出される。

吐出口１５の近傍には、一対の補助燃料供給部１６が設けられている。補助燃料供給部１６は、燃焼炎の温度を上昇させるべく、吐出口１５を通じて燃焼室１１から吐出される燃焼炎に補助燃料を供給する。

燃焼室１１の外側には、空気通路１７が設けられている。燃焼室１１の過熱を防止するべく、空気通路１７には図示しない空気貯留部から空気が導入される。単位時間当たりに空気通路１７に導入される空気の量、すなわち空気流量は、好ましくは４２〜５２Ｌ／分である。空気流量が小さすぎると、燃焼室１１の過熱が防止されない。空気流量が大きすぎると、燃焼炎の温度が低下するために良質な溶射皮膜が形成されないことがある。

第１連通路１２を通じて燃焼室１１に導入される燃料は、常温常圧下で気体である。そのような燃料の例としては、プロピレン、プロパン、アセチレン、メタン、水素、及びブタンが挙げられる。単位時間当たりに燃焼室１１に導入される燃料の量、すなわち燃料流量は、好ましくは３３〜４３Ｌ／分である。燃料流量が小さすぎると、燃焼炎の温度及び速度が低下するために良質な溶射皮膜が形成されないことがある。燃料流量が大きすぎると、燃焼炎の速度が増大するために付着効率が低下することがある。燃焼炎の速度の増大によって付着効率が低下する理由は、燃焼炎中の溶射材料が燃焼炎によって十分に加熱されることなく基材と衝突すると、基材に付着しないではね返るためである。

第２連通路１３を通じて燃焼室１１に導入される助燃剤は、常温常圧下で気体である。そのような助燃剤の例としては、酸素が挙げられる。単位時間当たりに燃焼室１１に導入される助燃剤の量、すなわち助燃剤流量は、好ましくは３５〜４５Ｌ／分である。助燃剤流量が小さすぎると、燃焼炎の温度及び速度が低下するために良質な溶射皮膜が形成されないことがある。助燃剤流量が大きすぎると、燃焼炎の速度が増大するために付着効率が低下することがある。

第３連通路１４を通じて燃焼室１１に導入される溶射材料は、特に限定されないが、代表的な例としてはアルミナ、イットリアなどのセラミック粉末である。溶射材料貯留部から燃焼室１１への溶射材料の導入は、吸引式のフィーダーにて行なわれることが好ましい。吸引式のフィーダーの例としては、例えばテクノサーブ社製の粉体供給装置“ＡＭ−３０”が挙げられる。吸引式のフィーダーであれば、流動性の低い微粉末であっても安定供給することが可能である。

補助燃料供給部１６から燃焼炎に供給される補助燃料は、特に限定されないが、常温常圧下で気体であることが望ましい。そのような補助燃料の例としては、アセチレン、プロパン、及びプロピレンが挙げられる。なかでも発熱量が大きいことからアセチレンが好ましい。単位時間当たりに燃焼炎に供給される補助燃料の量、すなわち補助燃料流量は、好ましくは２０〜５０Ｌ／分である。補助燃料流量が小さすぎると、燃焼炎の温度が十分に上昇しないために付着効率が低下する。補助燃料流量が大きすぎると、燃焼炎の温度が過剰に上昇し、その結果、基材に悪影響を与える。

本実施形態に係る高速フレーム溶射機を用いて基材上に溶射皮膜を形成するに際し、吐出口１５と基材との間の距離、すなわち溶射距離は１５０〜２５０ｍｍであることが好ましい。溶射距離が短すぎると、基材に熱影響を与えたり、溶射材料の加熱が不十分となって付着効率が低下したりするおそれがある。溶射距離が長すぎると、燃焼炎によって加熱された溶射材料の温度が基材に衝突する前に低下するために付着効率が低下することがある。

本実施形態は以下の利点を有する。
・本実施形態に係る高速フレーム溶射機では、燃焼室１１から吐出される燃焼炎に補助燃料が供給され、それによって燃焼炎の温度が上昇させられる。そのため、従来の高速フレーム溶射機では溶射することが困難であったセラミックスのような高融点の溶射材料であっても、本実施形態に係る高速フレーム溶射機によれば溶射することが可能である。

・高速フレーム溶射機でセラミック粉末を溶射して形成される溶射皮膜は、従来のプラズマ溶射機でセラミックスを溶射して形成される溶射皮膜と比べて、セラミック焼結体に近い特性を有し、特に、良好な耐摩耗性を有する。高速フレーム溶射機の場合、溶射材料が燃焼炎によって高速度で基材上に衝突して堆積するため、形成される溶射皮膜は緻密であり、緻密であるがゆえに良好な耐摩耗性を有するものと思われる。

・燃焼室１１に導入される燃料及び助燃剤は、どちらも常温常圧下で気体であるため、燃焼室１１において容易に混合する。従って、燃料の一部が燃焼しないまま燃焼室１１に残ることがない。特に燃料が灯油などの液体燃料である場合には、燃焼しないまま燃焼室１１に残った燃料が炭化して溶射皮膜中に含まれることによって、溶射皮膜に黒色の斑点が生じて外観上の欠点となる。

・燃焼室１１から吐出される燃焼炎に供給される補助燃料が常温常圧下で気体である場合には、たとえ補助燃料の一部が未燃焼のまま燃焼炎中に残ったとしても溶射皮膜に斑点が生じるおそれがない。

・吸引式のフィーダーにて溶射材料貯留部から燃焼室１１へ溶射材料を導入した場合には、スクリューフィーダーなどのその他のフィーダーを用いた場合と比べて、溶射材料に含まれるフィーダーに由来する異物の量が低減される。溶射材料に含まれる異物は溶射皮膜に黒色の斑点を生じさせる原因となるため、溶射材料はできるだけ不純物を含まないことが望ましい。

前記実施形態は、次のように変更されてもよい。
・溶射材料は、燃焼室１１へ導入されるのでなく、燃焼室１１から吐出される燃焼炎に供給されてもよい。

・補助燃料供給部１６は、一つ又は三つ以上であってもよい。

次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１〜５及び比較例１〜４では、基材上に厚さ２００μｍの溶射皮膜が形成される。基材の寸法は縦７０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２ｍｍであり、基材の材質は普通鋼（ＳＳ４００）である。

実施例１〜５では、補助燃料供給部を備えた高速フレーム溶射機、すなわちＳｕｌｚｅｒＭｅｔｃｏ社製のダイヤモンドジェットスタンダードタイプに補助燃料供給部を設けてなる溶射装置を使用して溶射皮膜が形成される。この溶射装置の場合、補助燃料は吐出口から１５ｍｍ離れた位置で燃焼炎に供給される。使用される燃料、補助燃料、及び溶射材料は表１に示す通りであり、助燃剤には酸素が使用される。また溶射時の燃料流量は３８Ｌ／分、助燃剤流量は４０Ｌ／分、補助燃料流量は３０Ｌ／分、空気流量は４７Ｌ／分、溶射距離は２００ｍｍ、ガン移動速度（溶射時の溶射装置の移動速度）は７５０ｍｍ／秒、ピッチ幅（溶射時の溶射装置の移動ピッチ）は６．０ｍｍ、溶射材料供給速度は３０ｇ／分である。

比較例１，２では、補助燃料供給部を備えた別の高速フレーム溶射機、すなわちウィティコジャパン社製のθガンに補助燃料供給部を設けてなる溶射装置を使用して溶射皮膜が形成される。使用される燃料、補助燃料、及び溶射材料は表１に示す通りであり、助燃剤には酸素が使用される。また溶射時の燃料流量は０．３２Ｌ／分、助燃剤流量は８９３Ｌ／分、補助燃料流量は３０Ｌ／分、溶射距離は１５０ｍｍ、ガン移動速度は７５０ｍｍ／秒、ピッチ幅は６．０ｍｍ、溶射材料供給速度は３０ｇ／分である。

比較例３，４では、ＰＲＡＸＡＩＲ社製のプラズマ溶射機“ＳＧ−１００”を使用して溶射皮膜が形成される。使用される溶射材料は表１に示す通りである。また溶射時のアルゴンガス圧力は４５ＭＰａ、ヘリウムガス圧力は６９ＭＰａ、電流値は９００Ａ、溶射距離は１００ｍｍ、ガン移動速度は７５０ｍｍ／秒、ピッチ幅は６．０ｍｍ、溶射材料供給速度は３０ｇ／分である。

表１の“黒色斑点”欄には、実施例１〜５及び比較例１〜４で形成された溶射皮膜の外観上の欠点を評価した結果を示す。５００倍の倍率で溶射皮膜を顕微鏡で観察し、直径５０μｍ以上の大きさの黒色斑点の個数をカウントする。外観上の欠点に関する評価は、黒色斑点の個数が０個（◎）、１〜５個（○）、６〜１５個（△）、１５個以上（×）の四段階で下される。

表１の“皮膜形成能”欄には、実施例１〜５及び比較例１〜４における溶射皮膜の形成能力を評価した結果を示す。溶射皮膜の形成能力の評価は、１パス当たりに形成される溶射皮膜の厚さが１０μｍ以上（◎）、７μｍ以上１０μｍ未満（○）、５μｍ以上７μｍ未満（△）、３μｍ以上５μｍ未満（▲）、３μｍ未満（×）の５段階で下される。

表１の“耐摩耗性”欄には、実施例１〜５及び比較例１〜４で形成された溶射皮膜の耐摩耗性を評価した結果を示す。溶射皮膜の耐摩耗性の評価は、基材を摩耗試験に供したときの摩耗体積量に対する、溶射皮膜を摩耗試験に供したときの摩耗体積量が、０．４未満（◎）、０．４以上０．６未満（○）、０．６以上０．８未満（△）、０．８以上１．０未満（▲）、１．０以上（×）の五段階で下される。なお、前記摩耗試験はJIS H8682-1に準拠して行なわれるものであり、スガ摩耗試験機を用いて研磨紙（ＳｉＣ＃２４０）でもって荷重２ｋｇで供試体の表面が摩擦される。

表１の“緻密度”欄には、実施例１〜５及び比較例１〜４で形成された溶射皮膜の緻密度を評価した結果を示す。溶射皮膜の緻密度の評価は、溶射皮膜の断面で測定される気孔率が、３％未満（◎）、３％以上５％未満（○）、５％以上７％未満（△）、７％以上１０％未満（▲）、１０％以上（×）の五段階で下される。なお、気孔率の測定にはエヌサポート社製の画像解析処理装置“ＮＳＦＪ１−Ａ”が使用される。

表１中のＡｌ_２Ｏ_３ ^＊１は、Ｄ５０％が２．５μｍのホワイトアルミナ粉末である。このホワイトアルミナ粉末のＤ９０％からＤ１０％を減じた値をＤ５０％で除した値は１．４である。表１中のＡｌ_２Ｏ_３ ^＊２は、Ｄ５０％が１８μｍのホワイトアルミナ粉末である。このホワイトアルミナ粉末のＤ９０％からＤ１０％を減じた値をＤ５０％で除した値は１．５である。表１中のＹ_２Ｏ_３ ^＊１は、Ｄ５０％が２．５μｍのイットリア粉末である。このイットリア粉末のＤ９０％からＤ１０％を減じた値をＤ５０％で除した値は１．５である。表１中のＹ_２Ｏ_３ ^＊２は、Ｄ５０％が２０μｍのイットリア粉末である。このイットリア粉末のＤ９０％からＤ１０％を減じた値をＤ５０％で除した値は１．４である。なお、いずれのホワイトアルミナ粉末及びイットリア粉末も、粉末中に含まれる異物を取り除くべく、予め酸処理及び磁選処理がなされている。

Ｄ５０％は、粉末に含まれる全粒子の体積を合計した値の５０％に等しくなるまで各粒子の体積を小さい方から順に積算したときに最後に積算される粒子の直径である。Ｄ１０％は、粉末に含まれる全粒子の体積を合計した値の１０％に等しくなるまで各粒子の体積を小さい方から順に積算したときに最後に積算される粒子の直径である。Ｄ９０％は、粉末に含まれる全粒子の体積を合計した値の９０％に等しくなるまで各粒子の体積を小さい方から順に積算したときに最後に積算される粒子の直径である。Ｄ５０％、Ｄ１０％及びＤ９０％は、レーザー回折法（堀場製作所社製ＬＡ−３００）により測定される粒度分布データから求められる。

前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
・前記溶射材料はセラミック粉末である請求項１に記載の高速フレーム溶射装置。
・前記溶射材料はセラミック粉末である請求項３に記載の高速フレーム溶射方法。

本発明の一実施形態に係る高速フレーム溶射装置の概略図。

符号の説明

１１…燃焼室、１６…補助燃料供給部。

Claims

燃焼炎によって溶射材料を溶射する高速フレーム溶射装置であって、
常温常圧下でともに気体である燃料及び助燃剤を燃焼して前記燃焼炎を発生し、その発生した燃焼炎を吐出する燃焼室と、
前記燃焼室から吐出される燃焼炎に補助燃料を供給する補助燃料供給部と
を備えた高速フレーム溶射装置。
前記補助燃料は常温常圧下で気体である請求項１に記載の高速フレーム溶射装置。
燃焼炎によって溶射材料を溶射する高速フレーム溶射方法であって、
燃焼室にて、常温常圧下でともに気体である燃料及び助燃剤を燃焼して前記燃焼炎を発生させる工程と、
前記燃焼室から吐出される燃焼炎に補助燃料を供給する工程と
を備えた高速フレーム溶射方法。
前記補助燃料は常温常圧下で気体である請求項３に記載の高速フレーム溶射方法。