JP2006322049A - 粉末溶射方法及び粉末溶射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 清浄な状態の被溶射材に清浄な溶射粉末を積層して密着度に優れた溶射皮膜を形成できる粉末溶射方法及び粉末溶射装置を提供する。
【解決手段】 ほぼ水平方向にプラズマアーク１５を出射する溶射ガン１１と被溶射材となるシリンダブロック１とを、シリンダブロック１のボア２内を下方に吸引減圧しながらプラズマアーク１５がシリンダブロック１のボア２の表面を走査するように相対的に移動させながら、プラズマアーク１５に粉末１８を供給して、シリンダブロック１のボア２の表面に溶射皮膜３を形成するに際し、粉末１８をプラズマアーク１５の下部側に供給すると共に、プラズマアーク１５を出射する雰囲気を減圧吸引する方向を、粉末１８の供給する側と同じ方向とする。プラズマアーク１５及びプラズマアーク１５による熱影響部にヒューム１９が巻き込まれることがなくなりヒューム１９が溶射皮膜３内に混入することが防止できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、鉄等の粉末をプラズマアーク等の溶射熱源により被溶射材に溶射して、被溶射材の表面に溶射皮膜を形成する粉末溶射方法及び粉末溶射装置に関する。

従来の粉末溶射方法として、例えばエンジンのシリンダブロックに設けられたボアの内面にプラズマ溶射によって溶射皮膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示の粉末溶射方法は、図５に要部を示すように、シリンダブロック１０１に設けられたボア１０２の上部開口部から、溶射ガン１０３を回転及びボア軸方向に移動させながら挿入して、溶射ガン１０３の先端部側面に形成された出射孔１０３ａからボア１０２の内面に向けて溶射熱源であるプラズマアーク１０４を出射させ、このプラズマアーク１０４に粉末供給パイプ１０５を介して鉄等の粉末１０６を供給して、この供給された粉末１０６をプラズマアーク１０４によりボア内面に溶射することにより溶射皮膜１０７を形成している。

また、プラズマアーク１０４により溶融された粉末のうち、粒子径が小さくて酸化された煙状のヒューム（酸化鉄）１０８が溶射皮膜１０７に混在して、シリンダブロック１０１に対する溶射皮膜１０７の密着度が低下するのを防止するため、ボア１０２の下部開口部１０２ｂから減圧吸引して、ボア軸周りに旋回しながらボア軸方向に向かう旋回流を発生させることにより、ヒューム１０８を吸引除去するようにしている。

特開２００４−１６９１１９号公報

しかしながら、本発明者による鋭意検討によると、特許文献１に開示のように、ボア内に旋回流を発生させて、ヒューム１０８を吸引除去するようにしても、粉末供給パイプ１０５からの粉末１０６をプラズマアーク１０４の中央部若しくは上部に供給すると、ヒューム１０８を効率良く吸引除去することができず、ヒューム１０８が溶射皮膜１０７に混入したり、未溶射のボア内面に付着したりして、十分な密着度を有する溶射皮膜１０７が形成できない場合があることが判明した。

即ち、プラズマアーク１０４の中央部に粉末１０６を供給すると、プラズマアーク１０４の全体にヒューム１０８が発生し、また、プラズマアーク１０４の上部に粉末１０６を供給すると、プラズマアーク１０４の上部側にヒューム１０８がより多く発生することになる。このため、ボア１０２の下部開口部１０２ｂから減圧吸引して旋回流を発生させると、ヒューム１０８が旋回流に沿ってプラズマアーク１０４及びそれによる熱影響部を横切ることになり、その際にヒューム１０８がプラズマアーク１０４に巻き込まれて溶射皮膜１０７に混入したり、或いは未溶射のボア内面に付着してヒューム層１０９が形成される場合がある。

この結果、清浄な溶射皮膜１０７が形成されず、溶射皮膜１０７のシリンダブロック１０１に対する密着度が低下し、その後のホーニング加工等の仕上げ加工の際に、溶射皮膜１０７がシリンダブロック１０１から剥がれるおそれがある。

なお、このような懸念事項は、単にボア１０２の上部開口部から下部開口部１０２ｂに向かう直線状の空気流を発生させる場合でも、粉末供給パイプ１０５からの粉末１０６をプラズマアーク１０４の中央部若しくは上部に供給すると、同様に生じるものである。また、シリンダブロック１０１のボア内面に溶射皮膜１０７を形成する場合に限らず、種々の被溶射材に溶射皮膜を形成する場合にも同様に生じるものである。

従って、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、清浄な状態の被溶射材に清浄な溶射粉末を積層して密着度に優れた溶射皮膜を形成できると共に、簡単かつ安価に実施できる粉末溶射方法及び粉末溶射装置を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に記載の粉末溶射方法の発明は、ほぼ水平方向に溶射熱源を出射する溶射ガンと被溶射材とを、上記溶射熱源が上記被溶射材の表面を走査して相対的に移動させながら、上記溶射熱源に粉末を供給して上記被溶射材の表面に溶射皮膜を形成する粉末溶射方法において、上記粉末を上記溶射熱源の下部側に供給することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の粉末溶射方法において、上記被溶射材に対して上記溶射ガンを回転させ、上記粉末を上記溶射熱源の下部側で、且つ、溶射熱源を出射する雰囲気を減圧吸引する方向から上記溶射熱源に向けて供給することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１の粉末溶射方法において、上記溶射ガンに対して上記被溶射材を回転させ、上記粉末を上記溶射熱源の下部側でかつ上記溶射熱源の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に供給することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の粉末溶射方法において、上記溶射熱源を出射する雰囲気を、減圧吸引する方向は、上記粉末の供給する側と同じ方向であることを特徴とする。

更に、上記目的を達成する請求項５に記載の粉末溶射装置の発明は、ほぼ水平方向に溶射熱源を出射する出射孔及び上記溶射熱源に粉末を供給する粉末供給パイプを有する溶射ガンと、上記溶射ガン及び被溶射材を上記溶射熱源が上記被溶射材の表面を走査して相対的に移動させる走査手段と、上記溶射熱源を出射する雰囲気を下方に減圧吸引する吸引手段とを有し、上記粉末供給パイプから供給される上記粉末を上記溶射熱源により上記被溶射材に溶射して、該被溶射材の表面に溶射皮膜を形成する粉末溶射装置において、上記粉末供給パイプの上記溶射熱源への粉末供給口を上記出射孔の下部側に位置させて、上記溶射熱源の下部側に上記粉末を供給することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５の粉末溶射装置において、上記走査手段は、上記被溶射材に対して上記溶射ガンを回転及び昇降させ、上記粉末供給口は、上記出射孔の下部側でかつ上記溶射ガンの回転による上記出射孔の移動方向上流側に位置させて、上記溶射熱源の下部側でかつ上記溶射ガンの回転による上記溶射熱源の移動方向上流側に上記粉末を供給することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５の粉末溶射装置において、上記走査手段は、上記溶射ガンに対して上記被溶射材を回転及び昇降させ、上記粉末供給口は、上記出射孔の下部側で、かつ上記出射孔の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に位置させて、上記溶射熱源の下部側で、かつ上記溶射熱源の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に上記粉末を供給することを特徴とする。

請求項１の発明によると、溶射熱源の下部側に粉末を供給するので、供給された粉末中の微紛から発生するヒュームも溶射熱源の下部側により多く発生することになる。従って、溶射熱源やその溶射熱源による熱影響部へのヒュームの巻き込みが低減されるので、ヒュームが溶射皮膜に混入したり、未溶射の被溶射材に付着してヒューム層が形成されるのが防止でき、清浄な状態の被溶射材に清浄な溶射粉末を積層して密着度に優れた溶射皮膜を形成することができる。

請求項２の発明によると、被溶射材に対して溶射ガンを回転させると共に、粉末を溶射熱源の下部側で、且つ、溶射熱源を出射する雰囲気を減圧吸引する方向から溶射熱源に向けて供給するので、発生したヒュームが溶射ガンの回転による溶射熱源の移動によって溶射熱源やその溶射熱源による熱影響部に巻き込まれるのがより確実に低減でき、より密着度に優れた溶射皮膜を形成することができる。

請求項３の発明によると、溶射ガンに対して被溶射材を回転させると共に、粉末を溶射熱源の下部側でかつ溶射熱源の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に供給するので、発生したヒュームが溶射熱源やその溶射熱源による熱影響部に巻き込まれるのがより確実に低減でき、より密着度に優れた溶射皮膜を形成することができる。

請求項４の発明によると、溶射熱源を出射する雰囲気を減圧吸引する方向を、粉末の供給する側と同じ方向とするので、ヒュームが溶射熱源の下部側に発生し、この溶射熱源の下部側に発生したヒュームを、溶射熱源及びその溶射熱源による熱影響部を横切ることなく確実に吸引することができ、更に密着度に優れた溶射皮膜を形成することができる。

請求項５の発明によると、粉末供給パイプの溶射熱源への粉末供給口を、溶射熱源の出射孔の下部側に位置させて、溶射熱源の下部側に粉末を供給する簡単かつ安価な構成で、溶射皮膜形成時に発生するヒュームを溶射熱源やその溶射熱源による熱影響部に巻き込むことなく効率良く吸引除去することができる。従って、ヒュームの溶射皮膜への混入や、被溶射材の未溶射部へのヒュームの付着が防止でき、清浄な状態の被溶射材に清浄な溶射粉末を積層してなる密着度に優れた溶射皮膜を形成することができる。

請求項６の発明によると、被溶射材に対して溶射ガンを回転及び昇降させ、粉末供給口は、出射孔の下部側でかつ溶射ガンの回転による出射孔の移動方向上流側に位置させる簡単かつ安価な構成で、発生したヒュームが溶射ガンの回転による溶射熱源の移動によって溶射熱源やその溶射熱源による熱影響部に巻き込まれることなくより効率良く吸引除去でき、より密着度に優れた溶射皮膜を形成することができる。

請求項７の発明によると、溶射ガンに対して被溶射材を回転及び昇降させ、粉末供給口は、出射孔の下部側で、かつ出射孔の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に位置させる簡単かつ安価な構成で、発生したヒュームが溶射熱源やその溶射熱源による熱影響部に巻き込まれることなくより効率良く吸引除去でき、より密着度に優れた溶射皮膜を形成することができる。

以下、本発明の粉末溶射方法及び粉末溶射装置の実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１乃至図３は本発明の第１実施の形態を示すもので、図１は粉末溶射装置の概略構成を示す図、図２はプラズマアークの出射孔と粉末供給パイプの粉末供給口との位置関係を示す出射孔側から見た溶射ノズルの正面図、図３はその動作を説明するための図である。

図１に示す粉末溶射装置は、被溶射材であるエンジンのシリンダブロック１に設けられた被溶射材表面としてのボア２の内面に、プラズマ溶射によって溶射皮膜３を形成するものであり、溶射ガン１１と、走査手段であるガン保持ロボット１２と、吸引手段である集塵ダクト１３及び集塵機１４とを有している。

溶射ガン１１は、その溶射ガン１１の先端部側面に開口した出射孔１１ａ（図２及び図３参照）を有しており、この出射孔１１ａの内部には、一対の電極が設けられている。一対の電極間には、高電圧の印加によりアークが発生され、これにより溶射ガン１１の内部を通して供給されるアルゴンガス等の不活性ガス（キャリアガス）をプラズマ化して、出射孔１１ａからボア内面に向けてほぼ水平方向に溶射熱源であるプラズマアーク１５を出射する。

また、溶射ガン１１には、粉末供給パイプ１７が保持され、この粉末供給パイプ１７を通してプラズマアーク１５に鉄等の粉末１８（図２及び図３参照）が供給される。

ガン保持ロボット１２は、溶射ガン１１を保持して回転及び下降させ、この回転及び下降する溶射ガン１１の先端部側面に開口する出射孔１１ａから出射されるプラズマアーク１５によりボア２の内面を走査する。

また、集塵機１４は、集塵ダクト１３を介してボア２の内部を下部開口部２ｂ側から減圧吸引し、これによりプラズマアーク１５を出射する雰囲気であるボア２内において上部開口部２ａから下部開口部２ｂに向かう空気流が発生する。

この粉末溶射装置は、シリンダブロック１を固定として、ボア２の上部開口部２ａからガン保持ロボット１２により溶射ガン１１を回転及びボア軸方向に下降させながら、溶射ガン１１の出射孔１１ａからほぼ水平方向にプラズマアーク１５を出射させると共に、このプラズマアーク１５に粉末供給パイプ１７から粉末１８を供給することにより、供給された粉末１８をプラズマアーク１５によりボア２の内面に溶射して溶射皮膜３を形成するようになっている。

また、プラズマ溶射時に発生するヒュームは、集塵機１４による減圧吸引によってボア２の下部開口部２ｂから集塵ダクト１３を介して集塵機１４で集塵するようになっている。

かかる粉末溶射装置において、本実施の形態では、粉末供給パイプ１７のプラズマアーク１５への粉末供給口１７ａ（図２及び図３参照）を、出射孔１１ａの下部側に位置させて、プラズマアーク１５の下部側に粉末１８を供給する。すなわち、粉末１８をプラズマアーク１５の下部側で、且つ、プラズマアーク１５を出射する雰囲気を減圧吸引する方向からプラズマアーク１５に向けて供給する。

好ましくは、出射孔１１ａの下部側で、かつ溶射ガン１１の回転による出射孔１１ａの移動方向上流側、即ち、図２に示すように、出射孔１１ａの直下の位置Ａから、溶射ガン１１の回転による出射孔１１ａの移動方向上流側の位置Ｂまでの９０度の範囲で、適宜の位置Ｃ、例えば中間の位置に設置して、プラズマアーク１５に対してその下部側で、かつ溶射ガン１１の回転による移動方向上流側に粉末１８を供給する。

このように構成した本実施の形態の粉末溶射装置によれば、粉末１８をプラズマアーク１５の下部側で、プラズマアーク１５を出射する雰囲気を減圧吸引する方向からプラズマアーク１５に向けて供給することにより、図３に示すように、プラズマアーク１５の下部側にヒューム１９が多く発生し、そのヒューム１９は直ちに下方に減圧吸引されることになるので、それらのヒューム１９は、集塵機１４による減圧吸引及び溶射ガン１１の回転によるプラズマアーク１５の移動によって、プラズマアーク１５及びそのプラズマアーク１５による熱影響部へ巻き込まれることなく、集塵ダクト１３を介して集塵機１４に集塵されることになる。

従って、粉末供給口１７ａを、上述した適宜の位置Ｃに設置するという簡単かつ安価な構成で、ヒューム１９の溶射皮膜３への混入や、被溶射材表面としてのシリンダブロック１のボア２内面における未溶射部へのヒュームの付着を確実に防止でき、清浄な状態のボア内面に清浄な溶射粉末を積層してなる密着度に優れた溶射皮膜３を形成することができる。

なお、ここで粉末供給口１７ａを設置する上述した適宜の位置Ｃは、プラズマ溶射時に発生するヒューム１９のプラズマアーク１５及びそれによる熱影響部への巻き込みが最小となる位置で、溶射ガン１１の回転数、キャリアガス量、溶射条件、粉末１８の仕様等によって決定する。

（第２実施の形態）
図４は、本発明の第２実施の形態におけるプラズマアークの出射孔と粉末供給パイプの粉末供給口との位置関係を説明する出射孔側から見た溶射ノズルの正面図である。

本実施の形態では、上述した第１実施の形態に対し、溶射ガン１１を固定とし、被溶射材であるシリンダブロック１を図示しない走査手段により回転及び昇降させて、プラズマアーク１５によってボア２の内面を走査する。

ここで、粉末供給パイプ１７のプラズマアーク１５への粉末供給口１７ａは、第１実施の形態と同様に、出射孔１１ａの下部側に位置させることができるが、本実施の形態では、好ましくは、図４に示すように、出射孔１１ａの下部側で、かつ出射孔１１ａの直下を中心とするほぼ＋４５度の位置Ｄとほぼ−４５度の位置Ｅとの９０度の範囲内、より好ましくは出射孔１１ａの直下の位置Ｆに設置して、プラズマアーク１５の下部側に粉末１８を供給する。

このように構成した本実施の形態の粉末溶射装置によれば、粉末１８をプラズマアーク１５の下部側に供給すると共に、プラズマアーク１５を出射する雰囲気を減圧吸引する方向が、粉末１８の供給する側と同じ方向であり、図３に示した第１実施の形態の場合と同様に、プラズマアーク１５の下部側にヒューム１９が多く発生し、そのヒューム１９は直ちに下方に減圧吸引されることになるので、それらのヒューム１９は、集塵機１４による減圧吸引及びシリンダブロック１の回転によって、プラズマアーク１５及びそのプラズマアーク１５による熱影響部へ巻き込まれることなく、集塵ダクト１３を介して集塵機１４に集塵されることになる。

従って、本実施の形態においても、粉末供給口１７ａを、出射孔１１ａの直下の位置Ｆに設置するという簡単かつ安価な構成で、ヒューム１９の溶射皮膜３への混入や、被溶射材表面としてのシリンダブロック１のボア２内面における未溶射部へのヒュームの付着を確実に防止でき、清浄な状態のボア内面に清浄な溶射粉末を積層してなる密着度に優れた溶射皮膜３を形成することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は、上述したプラズマ溶射に限らず、粉末を用いる他の溶射方法、例えばフレーム溶射やレーザ溶射にも適用できると共に、被溶射材についても、シリンダブロックのボアに限らず、種々の形状及び材料からなる被溶射材に溶射皮膜を形成する場合に適用することができる。従って、走査手段も被溶射材の形状に応じて、例えば溶射熱源により平面状の被溶射材を二次元的に走査する等、適宜、変更可能である。また、減圧吸引によって、特許文献１に開示のように溶射雰囲気中に旋回流を発生させることもできる。

本発明の第１実施の形態に係る粉末溶射装置の概略構成を示す図である。 第１実施の形態におけるプラズマアークの出射孔と粉末供給パイプの粉末供給口との位置関係を説明する出射孔側から見た溶射ノズルの正面図である。 第１実施の形態の動作を説明するための図である。 第２実施の形態におけるプラズマアークの出射孔と粉末供給パイプの粉末供給口との位置関係を説明する出射孔側から見た溶射ノズルの正面図である。 従来の粉末溶射方法を説明する図である。

符号の説明

１ シリンダブロック（被溶射部材）
２ ボア
３ 溶射皮膜
１１ 溶射ガン
１１ａ 出射孔
１２ ガン保持ロボット（走査手段）
１３ 集塵ダクト（吸引手段）
１４ 集塵機（吸引手段）
１５ プラズマアーク（溶射熱源）
１７ 粉末供給パイプ
１７ａ 粉末供給口
１８ 粉末
１９ ヒューム

Claims (7)

1. ほぼ水平方向に溶射熱源を出射する溶射ガンと被溶射材とを、上記溶射熱源が上記被溶射材の表面を走査して相対的に移動させながら、上記溶射熱源に粉末を供給して上記被溶射材の表面に溶射皮膜を形成する粉末溶射方法において、
   上記粉末を上記溶射熱源の下部側に供給することを特徴とする粉末溶射方法。
2. 上記被溶射材に対して上記溶射ガンを回転させ、
   上記粉末を上記溶射熱源の下部側で、且つ、溶射熱源を出射する雰囲気を減圧吸引する方向から上記溶射熱源に向けて供給することを特徴とする請求項１に記載の粉末溶射方法。
3. 上記溶射ガンに対して上記被溶射材を回転させ、
   上記粉末を上記溶射熱源の下部側でかつ上記溶射熱源の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に供給することを特徴とする請求項１に記載の粉末溶射方法。
4. 上記溶射熱源を出射する雰囲気を減圧吸引する方向は、上記粉末の供給する側と同じ方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粉末溶射方法。
5. ほぼ水平方向に溶射熱源を出射する出射孔及び上記溶射熱源に粉末を供給する粉末供給パイプを有する溶射ガンと、上記溶射ガン及び被溶射材を上記溶射熱源が上記被溶射材の表面を走査して相対的に移動させる走査手段と、上記溶射熱源を出射する雰囲気を下方に減圧吸引する吸引手段とを有し、上記粉末供給パイプから供給される上記粉末を上記溶射熱源により上記被溶射材に溶射して該被溶射材の表面に溶射皮膜を形成する粉末溶射装置において、
   上記粉末供給パイプの上記溶射熱源への粉末供給口を上記出射孔の下部側に位置させて、上記溶射熱源の下部側に上記粉末を供給することを特徴とする粉末溶射装置。
6. 上記走査手段は、上記被溶射材に対して上記溶射ガンを回転及び昇降させ、
   上記粉末供給口は、上記出射孔の下部側で、かつ上記溶射ガンの回転による上記出射孔の移動方向上流側に位置させて、上記溶射熱源の下部側で、かつ上記溶射ガンの回転による上記溶射熱源の移動方向上流側に上記粉末を供給することを特徴とする請求項５に記載の粉末溶射装置。
7. 上記走査手段は、上記溶射ガンに対して上記被溶射材を回転及び昇降させ、
   上記粉末供給口は、上記出射孔の下部側でかつ上記出射孔の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に位置させて、上記溶射熱源の下部側でかつ上記溶射熱源の直下を中心とするほぼ±４５度の範囲内に上記粉末を供給することを特徴とする請求項５に記載の粉末溶射装置。
   

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