JP2008093635A - コールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】操業中のノズルへの原料粉末の付着やこの付着に起因するノズルの閉塞を大幅に減少し、ノズルの長寿命化を達成することができるコールドスプレー用ノズル及び該ノズルを用いたコールドスプレー装置を提供すること。
【解決手段】先細で円錐状の圧縮部と該圧縮部に連通する先広がりで円錐状の膨張部とを含み、原料粉末をその融点又は軟化点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨張部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用ノズルであって、少なくと該膨張部がガラスによって成形されていることを特徴とするコールドスプレー用ノズルを採用する。
【選択図】図１
【解決手段】先細で円錐状の圧縮部と該圧縮部に連通する先広がりで円錐状の膨張部とを含み、原料粉末をその融点又は軟化点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨張部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用ノズルであって、少なくと該膨張部がガラスによって成形されていることを特徴とするコールドスプレー用ノズルを採用する。
【選択図】図１
Description
本発明は、操業中のノズルへの原料粉末の付着やこれに起因するノズルの閉塞を大幅に減少させたコールドスプレー用ノズル及び該ノズルを用いたコールドスプレー装置に関する。
従来より、例えば製鉄プロセスの鋳型やロール、自動車ホイール、ガスタービン構成部品等の各種の金属部材には、耐摩耗性や耐食性を向上させて金属部材の長寿命化を図るべく、ニッケル、銅、アルミニウム、クロム又はこれらの合金等の皮膜を形成する技術が知られている。
この皮膜を形成する一つの方法として、金属メッキが用いられている。しかし、金属メッキは、大面積に施工できない、クラックが発生し易いといった問題が生じる。
他の方法として、溶射により皮膜を形成する方法が挙げられる。この溶射としては、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、フレーム溶射、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）及び大気プラズマ溶射等が含まれる。しかし、これら溶射で皮膜を形成した場合には、溶射中に酸化するため緻密な皮膜の形成が困難であり、導電率及び熱伝導率が低く、また付着率が低く、不経済である等の問題がある。
これらに代わる新たな皮膜を形成する技術として、固相状態のまま原料粉末の皮膜を形成する「コールドスプレー」が注目されている。このコールドスプレーは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴出させ、固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するものである。つまり、金属、合金、金属間化合物、セラミックス等の原料粉末を超音速で基材表面に固相状態で衝突させて皮膜を形成するものである。
さらに、このコールドスプレー技術を詳細に説明すると、窒素ガス、ヘリウムガス、空気等が貯蔵されている圧縮ガスボンベからのガス供給手段は、作動ガスラインと搬送ガスラインとに分岐される。高圧の作動ガスは、ヒーターにより原料粉末の融点又は軟化点以下の温度に加熱された後、コールドスプレーガンのチャンバー内に供給される。他方、高圧の搬送ガスは、原料粉末供給手段に導入され、原料粉末を上記チャンバー内に搬送する。搬送ガスにより搬送された原料粉末は、作動ガスによりノズルの円錐状の圧縮部を経て超音速流となり、円錐状の膨張部の先端に位置するノズル出口より噴出し、基材表面に固相状態で衝突し、皮膜を形成する。
このコールドスプレーによる皮膜は、従来より提案されている上述した溶射による皮膜に比べて、緻密、高密度で、導電性、熱伝導率が高く、酸化や熱変質も少なく、密着性が良好であることが知られている。
このコールドスプレーの大きな問題は、原料粉末のノズルへの付着やこれに起因するノズルの閉塞である。ノズルとしては、通常、ステンレス鋼、工具鋼、超硬合金等を用いて製造されるが、ニッケル、銅、アルミニウム、ステンレス鋼又はこれらの合金を原料としてコールドスプレーにより皮膜を形成する場合には、ノズルの各部、特に膨張部に原料粉末が付着し、さらにはノズルが閉塞する。これは、操業時に、原料粉末とノズル内面との間で摩擦が生じ、ノズル内面の温度が上昇し、原料粉末がノズル内面に凝着することに起因する。このことがシステムの故障の原因となり、またこのことにより頻繁なノズル交換作業が必要となる。このようなノズルに対する原料粉末の付着やこれに起因するノズルの閉塞は、操業後、場合によっては数分間で生じ、コールドスプレー技術の実用化において大きな障害となっていた。
特許文献１（特開２００４−２９８８６３号公報）には、ノズルの少なくとも膨張部（拡大部）をポリベンゾイミダゾールからなるコールドスプレー技術用ノズルを開示し、このノズルにより金属粉末によるノズルへの付着やノズルの詰まりを減らすことができるとされている。
また、特許文献２（特開２００５−９５８８６号公報）には、ノズル入口部に続く円錐状の先細部と、先細部にのど部を介して続く短尺の円錐状の末広部と、末広部に続く筒状の平行部からなり、平行部に脱着機構及び／又は粉末投入口を設けたコールドスプレー用ノズルが開示されている（請求項１）。特許文献２では、上記のノズル設計を特定することによって、安価な規格品のパイプ材を使用できるとともに、平行部の交換が容易となり、仮に０．５ｍ２以上の大面積施工において粉末が堆積しても簡単に円筒部のみを交換することができ、のど部、末広部等でのノズル詰まりが生じた際にノズルのメンテナンスが容易となるとされている。
特許文献１のように、ノズル材料としてポリベンゾイミダゾールを用いた場合には、原料粉末によるノズルへの付着やノズルの詰まりを一定限度は減らすことができるが、実用的なレベルでは未だその効果は充分ではない。また、ポリベンゾイミダゾールは樹脂であるため、溶射粒子の衝突により容易に摩耗するためノズル寿命が短いのみならず、その上、耐熱性が低いため５００℃以上の高温では使用できない。
また、特許文献２は、ノズル部材の交換を容易にすること等を目的とするもので、本質的にノズルに対する原料粉末の付着やこれに起因する閉塞を減少させることを意図するものではない。
このように、ノズルへの原料粉末の付着やこれに起因するノズルの閉塞というコールドスプレー技術における実用上の大きな課題は、未だ解決されていない。
従って、本発明の目的は、操業中のノズルへの原料粉末の付着やこの付着に起因するノズルの閉塞を大幅に減少し、ノズルの長寿命化を達成することができるコールドスプレー用ノズル及び該ノズルを用いたコールドスプレー装置を提供することにある。
本発明者らは、検討の結果、ノズル材料の一部又は全部をガラス、特に耐摩耗性ガラスを用いることによって、上記目的が達成し得ることを知見し、本発明に到達した。
本件発明に係るコールドスプレー用ノズルは、先細で円錐状の圧縮部と該圧縮部に連通する先広がりで円錐状の膨張部とを含み、原料粉末をその融点又は軟化点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨張部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用ノズルであって、少なくとも前記ノズルの該膨張部が、ガラス材で構成されていることを特徴とするものである。
そして、本件発明に係るコールドスプレー用ノズルは、その全体がガラス材で構成されていることが好ましい。
また、本件発明に係るコールドスプレー用ノズルは、その全体がガラス材を用いた一体成形品であることが好ましい。
更に、本件発明に係るコールドスプレー用ノズルを構成するガラス材は、ケイ酸ガラス又はケイ酸アルカリガラスを用いることが好ましい。
本件発明に係るコールドスプレー装置は、原料粉末を供給する原料粉末供給手段と、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給手段と、該原料粉末をその融点又は軟化点以下の該作動ガスを用いて超音速流として噴出させるコールドスプレー用ノズルを備えたコールドスプレーガンとを含むコールドスプレー装置であって、該コールドスプレー用ノズルに請求項１〜４のいずれかに記載のコールドスプレー用ノズルを用いたことを特徴とする。
本発明に係るコールドスプレー用ノズル及び該ノズルを用いたコールドスプレー装置は、操業時の原料粉末のノズルへの付着及びこれに起因するノズルの閉塞を大幅に減少でき、ノズルの長寿命化が達成できるので、ノズルの頻繁な交換が不要となる。また、ノズルをガラスで成形しているので、安価で、かつガラスをノズル材料とするため加工性に優れる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ詳述する。図１は、本発明に係るコールドスプレー用ノズルの一実施形態を示す概略断面図である。
図１において、コールドスプレー用ノズル１は、端部にノズル入口１ａを有する先細で円錐状の圧縮部１ｂとこれに連通し、端部にノズル出口１ｄを有する先広がりで円錐状の膨張部１ｃとからなる。本発明に係るコールドスプレー用ノズルは、少なくとも上記した圧縮部１ｂと膨張部１ｃを有していればよく、その他の形状は任意である。例えば圧縮部１ｂと膨張部１ｃとの間に狭小なのど部を設けたり、膨張部１ｃのノズル出口側に筒状の平行部を設けてもよい。なお、図１において、矢線は原料粉末の流れを示す。
本発明では、少なくとも上記膨張部１ｃがガラス材によって成形される。膨張部１ｃは、最も原料粉末が付着し易く、これに起因するノズルの閉塞が最も生じ易いので、この部分をガラス材で成形することによって原料粉末の付着及びこれに起因するノズルの閉塞を大幅に減少することができる。
本発明では、上述のように、少なくとも上記膨張部１ｃがガラス材によって成形され、上記圧縮部１ｂ等の他の部分は従来より用いられているノズル材料であるステンレス鋼等で成形してもよいが、好ましくは他の部分も含めた全体がガラス材によって構成されていることが望ましい。全体がガラス材によって構成されることにより、膨張部１ｃのみならず圧縮部１ｂ等においても、原料粉末の付着及びこれに起因するノズルの閉塞を大幅に減少することができる。また、ノズル１の全体がガラス材により一体成形されることが経済性及び内周壁に凹凸を形成しないという観点から望ましい。
ガラス材で構成する膨張部１ｃ等の製造方法は、特に限定されないが、金型を用いた熱プレス成形等が一般的である。
成形されるガラス材料は、特に限定されず、ケイ酸ガラス、ケイ酸アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、カリ石灰ガラス、鉛ガラス、バリウムガラス、ホウケイ酸ガラス等が例示されるが、耐摩耗性ガラス、具体的にはケイ酸ガラス又はケイ酸アルカリガラスが好ましく用いられる。
図２は、本発明に係るコールドスプレー装置の概略図である。この図２において、ガス供給手段は、圧縮ガスボンベ２、作動ガスライン３及び搬送ガスライン４で形成されている。作動ガスライン３及び搬送ガスライン４には、それぞれ圧力調整器５ａ、５ｂ、流量調節弁６ａ、６ｂ、流量計７ａ、７ｂ及び圧力ゲージ８ａ、８ｂが備えられ、圧縮ガスボンベ２からの作動ガス及び搬送ガスの圧力及び流量を調整している。
作動ガスライン３には、電力源９により加熱されるヒーター１０が配置され、作動ガスは、原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱された後、コールドスプレーガン１１中のチャンバー１２内に導入される。チャンバー１２には、圧力計１３と温度計１４が設置され、圧力及び温度を制御している。
一方、原料粉末供給手段は、原料粉末供給装置１５、これに付設される計量器１６及び原料粉末供給ライン１７により構成される。
圧縮ガスボンベ２からの搬送ガスは、搬送ガスライン４を通り、原料粉末供給装置１５に導入され、計量器１６により計量された所定量の原料粉末を原料粉末供給ライン１７を経て、チャンバー１２内に搬送する。
ここで用いられる原料粉末としては、金属、合金、金属間化合物等が挙げられるが、具体的にはニッケル、鉄、銀、クロム又はこれらの合金の粉末が例示される。
搬送ガスによりチャンバー１２内に搬送された原料粉末は、上記作動ガスを用いて超音速流としてノズル１先端より噴出され、固相状態（一定の液層は含む場合がある。従って、セミソリッドの状態を含む。）のままで、基材１８に衝突させて皮膜を形成する。
ここに用いられるノズル１は、上述したように、先細で円錐状の圧縮部１ｂと該圧縮部１ｂに連通する先広がりで円錐状の膨張部１ｃとを含み、少なくと該膨張部１ｃがガラスによって成形されている。
このため、上述したように、コールドスプレー操業時の原料粉末のノズルへの付着及びこれに起因するノズルの閉塞を大幅に減少できる。
以下、実施例等に基づき本発明を具体的に説明する。
図１に示されるコールドスプレー用ノズルを、ケイ酸ガラス（石英ガラス）を用いて一体成形して得た。このコールドスプレー用ノズルを、図２に示した構成のコールドスプレー装置で用いて、コールドスプレー操作を行った。
操業条件及び使用装置は、下記の通りである。
原料粉末：ＳＵＳ−３１６Ｌ
作動ガス及び圧縮ガス：Ｎ２
作動ガス加熱温度：５００℃
ノズル概要 スロート径：φ２ｍｍ
出口径 ：φ６ｍｍ
長 さ ：２００ｍｍ
チャンバーガス圧力：３ＭＰａ
原料粉末：ＳＵＳ−３１６Ｌ
作動ガス及び圧縮ガス：Ｎ２
作動ガス加熱温度：５００℃
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チャンバーガス圧力：３ＭＰａ
この結果、１時間操業後においても、コールドスプレー用ノズルの内壁部への原料粉末の付着やノズルの閉塞は生じなかった。
図１に示されるノズルを、従来より用いられているステンレス鋼を用いて一体成形して得た。このノズルを、図２に示されるコールドスプレー装置で用いて、コールドスプレー操作を行った。このときの操業条件及び使用装置は、実施例１と同様である。
この結果、５分後にノズルの膨張部の内壁面に原料粉末の付着が始まり、６分後には、ノズルが閉塞してしまった。
本発明に係るコールドスプレー用ノズル及び該ノズルを用いたコールドスプレー装置により、コールドスプレー操業時の原料粉末のノズルへの付着及びこれに起因するノズルの閉塞を大幅に減少でき、ノズルの長寿命化が達成できる。このため、ノズルの頻繁な交換が不要となる。また、ノズルがガラスで成形されているので安価であり、かつノズル材料がガラスであるため加工性に優れる。従って、本発明は、コールドスプレー技術の実用化にとって極めて有用である。
１：コールドスプレー用ノズル
１ａ：ノズル入口
１ｂ：圧縮部
１ｃ：膨張部
１ｄ：ノズル出口
２：圧縮ガスボンベ
３：作動ガスライン
４：搬送ガスライン
５ａ、５ｂ：圧力調整器
６ａ、６ｂ：流量調節弁
７ａ、７ｂ：流量計
８ａ、８ｂ：圧力ゲージ
９：電力源
１０：ヒーター
１１：コールドスプレーガン
１２：チャンバー
１３： 圧力計
１４：温度計
１５：原料粉末供給装置
１６：計量器
１７：原料粉末供給ライン
１８：基材
矢線：原料粉末の流れ
１ａ：ノズル入口
１ｂ：圧縮部
１ｃ：膨張部
１ｄ：ノズル出口
２：圧縮ガスボンベ
３：作動ガスライン
４：搬送ガスライン
５ａ、５ｂ：圧力調整器
６ａ、６ｂ：流量調節弁
７ａ、７ｂ：流量計
８ａ、８ｂ：圧力ゲージ
９：電力源
１０：ヒーター
１１：コールドスプレーガン
１２：チャンバー
１３： 圧力計
１４：温度計
１５：原料粉末供給装置
１６：計量器
１７：原料粉末供給ライン
１８：基材
矢線：原料粉末の流れ
Claims (5)
- 先細で円錐状の圧縮部と該圧縮部に連通する先広がりで円錐状の膨張部とを含み、原料粉末をその融点又は軟化点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨張部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用ノズルであって、
少なくとも前記ノズルの該膨張部が、ガラス材で構成されていることを特徴とするコールドスプレー用ノズル。 - 前記ノズルは、その全体がガラス材で構成されている請求項１記載のコールドスプレー用ノズル。
- 前記ノズルは、その全体がガラス材を用いた一体成形品である請求項２記載のコールドスプレー用ノズル。
- 前記ガラス材は、ケイ酸ガラス又はケイ酸アルカリガラスである請求項１、２又は３記載のコールドスプレー用ノズル。
- 原料粉末を供給する原料粉末供給手段と、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給手段と、該原料粉末をその融点又は軟化点以下の該作動ガスを用いて超音速流として噴出させるコールドスプレー用ノズルを備えたコールドスプレーガンとを含むコールドスプレー装置であって、
該コールドスプレー用ノズルに請求項１〜４のいずれかに記載のコールドスプレー用ノズルを用いたことを特徴とするコールドスプレー装置。
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| WO2019202720A1 (ja) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 株式会社特殊金属エクセル | コールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置 |
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