JP2010242204A - Impact sintering and coating method and apparatus - Google Patents

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Kazuo Nojima
野島和夫
Masao Nakayama
中山昌男
Shigeru Kono
河野茂
Tetsuya Ishikawa
石川哲也
Yoshihiro Negishi
根岸良寛
Koichi Ishikawa
石川幸一
Masahiro Nakagawa
仲川政宏
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive method for obtaining an excellent coating having functionality satisfying demands by performing impact sintering and coating at or below the temperature at which coated powder is transformed, decomposed, sublimated or evaporated, since a frame temperature becomes 2,200°C to 3,400°C in conventional flame spraying, the powder is easily melted, deformed, decomposed, sublimated and evaporated and thus a deformed coating different from the coated powder or the coating of a different composition is obtained in the case of manufacturing a ceramic coating by impact sintering and coating by using oxide, nitride, carbide, boride ceramics or fluoride powder. <P>SOLUTION: After the combustion chamber of a gun, powder and a combustion gas are turned from a supply nozzle to the shaft of a frame, and the combustion gas and slurry-like fine powder are injected. Oxygen equivalent introduced to the combustion chamber is lowered, the capacity of the combustion gas introduced from a powder supply nozzle is adjusted, and the temperature of fine powder present in the frame is controlled. Also, acceleration is performed by a combustion generation gas, the impact sintering and coating are performed, and the coating having demanded function characteristics and adhesion is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は耐熱性、伝熱性、電気的絶縁性、耐食性などの機能を有するセラミックスなどの皮膜と微粉末を用いた衝撃焼結被覆法及び装置に関するものである。 The present invention relates to an impact-sintering coating method and apparatus using a coating made of ceramics and the like having functions such as heat resistance, heat transfer, electrical insulation and corrosion resistance, and fine powder.

金属・合金、セラミックスは温度が変化することにより変態し特性が変わる。処理温度が高い表面改質プロセスにおいて、常温での材料特性が高温処理によって変態し別の特性に変わる。特に従来の溶射プロセスでは電気式溶射法のプラズマ溶射では4000℃から30000℃、ガス式溶射法2200℃から3400℃でその温度以下で制御して溶射することは困難である。材料が変態しない低温度で精度良く制御して、皮膜構成を変化させて被覆する方法が強く望まれている。また、溶射用粉末10μm以下、特に5μm以下では、通常の粉末供給装置では、間欠的に供給されたり、ブリッジを起こし、通路に詰まったりして、安定して供給ができない。 Metals / alloys and ceramics change their properties due to changes in temperature. In a surface modification process where the treatment temperature is high, the material properties at room temperature are transformed by the high temperature treatment and changed to other properties. In particular, in the conventional thermal spraying process, it is difficult to perform thermal spraying at a temperature below 4000 ° C to 30000 ° C and gas thermal spraying method 2200 ° C to 3400 ° C in plasma spraying by electric spraying. There is a strong demand for a method in which coating is performed by changing the coating composition by controlling accurately at a low temperature at which the material does not transform. In addition, when the thermal spraying powder is 10 μm or less, particularly 5 μm or less, a normal powder supply apparatus cannot be stably supplied because it is intermittently supplied or causes a bridge and clogs the passage.

特開平10―60617号 公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-60617 特開2006-108178号 公報JP 2006-108178 JP 特開2006-104496号 公報JP 2006-104496 JP

被覆プロセスについてはAr+水素、Ar+窒素、He+水素などの作動ガスを用いる従来のプラズマ溶射はフレーム中心温度が5000℃から30000℃にもなる。一方燃料と酸素を用いる従来のフレーム溶射において、酸素/灯油、空気/灯油、酸素/水素、酸素/プロピレン、酸素/プロパン、酸素/エチレン、酸素/アセチレン、酸素/天然ガスのいずれかの混合ガスを用いて燃焼させ熱を発生させる。フレーム溶射温度は2200℃から3400℃になり、連続燃焼反応であるので、それ以下の温度に制御するのは非常に困難である。 For the coating process, conventional plasma spraying using working gases such as Ar + hydrogen, Ar + nitrogen, He + hydrogen has a flame center temperature of 5000 ° C to 30000 ° C. On the other hand, in conventional flame spraying using fuel and oxygen, oxygen / kerosene, air / kerosene, oxygen / hydrogen, oxygen / propylene, oxygen / propane, oxygen / ethylene, oxygen / acetylene, oxygen / natural gas mixed gas To generate heat. The flame spraying temperature is 2200 ° C to 3400 ° C, and is a continuous combustion reaction, so it is very difficult to control the temperature below this.

粉末供給装置についてはセラミックスのような熱伝導性の低い材料を瞬間的に加熱し、溶融する場合は粉末の粒度が細かい方が優れている。また被覆粉末が細かいと皮膜の面粗さは細かく、後の表面の仕上げ工程は省略できる利点がある。しかし粒径0.1μmから10μmの微粉末は凝集し易く、溶媒と混ぜてスラリー状にするため撹拌しても均一には溶けず塊状になり、密度が疎密になり、搬送しても間欠的に流れ、安定した送給は困難であり、均一な皮膜形成が損なわれる。 As for the powder supply device, when a material having low thermal conductivity such as ceramics is instantaneously heated and melted, it is better that the particle size of the powder is fine. Further, when the coating powder is fine, the surface roughness of the film is fine, and there is an advantage that the subsequent surface finishing step can be omitted. However, fine powder with a particle size of 0.1 μm to 10 μm is easy to agglomerate and is mixed with a solvent to form a slurry. Flow and stable feeding are difficult and uniform film formation is impaired.

被覆材料についてはフレーム溶射の2200℃以下で変態する酸化物系セラミックスがあり、そのため皮膜特性が変化し機能を損なう欠点がある。また、プラズマ溶射では5000℃から30000℃になるので溶解し、分解し、蒸発する酸化物系セラミックスがあり、そのため皮膜特性の機能を十分満たすに至らない欠点がある。 As for the coating material, there are oxide ceramics which transform at 2200 ° C. or less of flame spraying, so that there is a drawback that the film characteristics change and the function is impaired. In addition, in plasma spraying, there are oxide ceramics that melt from 5000 ° C. to 30000 ° C., decompose, and evaporate. Therefore, there is a drawback that the function of the film characteristics is not sufficiently satisfied.

同様に窒化物系セラミックスはフレーム溶射の場合は、フレーム温度が2200℃以下で容易に昇華分解し、被覆することは不可能に近い。 Similarly, in the case of flame spraying, nitride ceramics are easily sublimated and decomposed at a flame temperature of 2200 ° C. or less, and it is almost impossible to coat them.

炭化物系セラミックスはフレーム溶射やプラズマ溶射で変態、分解して被覆することは困
難である。
Carbide-based ceramics are difficult to be transformed and decomposed by flame spraying or plasma spraying.

フッ化物はフレーム溶射やプラズマ溶射で容易に昇華や蒸発し、そのため被覆するのは困難である。 Fluoride easily sublimes and evaporates by flame spraying and plasma spraying and is therefore difficult to coat.

例えばプラズマ溶射においてフレーム温度が30000℃の場合、酸化物Al2O3、βSiO2の微粉末を投入した場合、容易に変態し、或いは溶融し、分解してしまい、基材に被覆することは非常に困難である。また、比較的融点の低い昇華分解しやすい窒化物AlN、Si3N4、 BNや結合エネルギーの低い炭化物SiCなどは分解してしまい、被覆するのは非常に困難である。またガス溶射法においてフレーム温度の温度上限が約3400℃なので、AlF3、HfF4、ZrF2などのフッ化物は沸点が低くフレーム溶射におけるフレーム温度で昇華してしまうので被覆するは困難である。 For example, if the flame temperature is 30000 ° C in plasma spraying, and if a fine powder of oxide Al2O3 or βSiO2 is introduced, it will be easily transformed or melted and decomposed, making it very difficult to coat the substrate. is there. In addition, nitrides AlN, Si3N4, BN, and carbide SiC with low binding energy, which have a relatively low melting point and are susceptible to sublimation decomposition, decompose and are very difficult to coat. In addition, since the upper limit of the flame temperature in the gas spraying method is about 3400 ° C., fluorides such as AlF3, HfF4 and ZrF2 have a low boiling point and are sublimated at the flame temperature in flame spraying, so that it is difficult to coat them.

本発明に係わる、衝撃焼結被覆方法は酸素/灯油、空気/灯油、酸素/水素、酸素/プロピレン、酸素/プロパン、酸素/エチレン、酸素/アセチレン、酸素/天然ガスを用いて燃焼室で燃焼させ、フレームを発生させる。CmHn+(m+n/2)O2→mCO2+n/2H2Oの燃焼においてCmHn炭化水素1モルに対して酸素当量の(m+n/2)より少ないモル量にして、CmHnが燃焼しないで残る状態にして、発熱量を下げ、フレーム温度を下げる。(図3参照) 燃焼室で燃焼したガスは、ガン入口で断面が絞られ、そのため燃焼フレームが加速される。(図4参照) またガンの入口からガンの内面に沿って圧縮空気を流し、投入粉末が付着するのを防ぐ。(図5参照) 燃焼室においてガン先端筒をガン先端に取り付け、先端筒の円筒軸に向かって180°対象の位置2箇所、或いは90°の位置に4箇所に粉末供給ノズルをガン軸に対して傾斜をつけて設置する。(図1参照) The impact sintered coating method according to the present invention is burned in a combustion chamber using oxygen / kerosene, air / kerosene, oxygen / hydrogen, oxygen / propylene, oxygen / propane, oxygen / ethylene, oxygen / acetylene, oxygen / natural gas. And generate a frame. In the combustion of CmHn + (m + n / 2) O2 → mCO2 + n / 2H2O, the amount of CmHn is less than (m + n / 2) of oxygen equivalent to 1 mole of CmHn hydrocarbon, and CmHn remains without burning. To reduce the calorific value and the frame temperature. (See Fig. 3) The gas combusted in the combustion chamber is narrowed in cross section at the gun inlet, thus accelerating the combustion flame. (See Fig. 4) Also, compressed air is allowed to flow from the gun inlet along the inner surface of the gun to prevent the charged powder from adhering. (See Fig. 5) At the combustion chamber, attach the gun tip tube to the tip of the gun, and place the powder supply nozzle at two positions 180 ° toward the cylinder axis of the tip tube or at four positions at 90 ° with respect to the gun axis. And install with an inclination. (refer graph1)

粉末供給装置において微粉末は狭い搬送チューブの中でブリッジを造り、安定した供給はできないので、微粉末をスラリー状にして搬送する。セラミックスの微粉末粒径0.1μmから10μmの微粉末を用いてエチルアルコール、メチルアルコールや灯油を溶媒にして超音波発振機で攪拌し均一に混ぜスラリー状にする。そのため塊状にならずスラリーの密度の疎密化はなくなり、均一な皮膜を形成できる。なお、粒径10μm以上の粉末が存在してもスラリー状化可能である。ポンプでチューブに送り、チューブのY字ユニオンからアセチレンガス、メチレン、エチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、或いはプロピレンの1種類か2種類を送付し混合する。これらのガスはY字ユニオンに送る前にガス冷却装置を通して室温に冷却し、保持しておく。スラリー状粉末に冷たいガスを混合することにより、燃焼フレームに噴射する、これらのアセチレンやメチレンなどのガスは酸素欠乏状態にあり燃焼せず、即ち発熱しないので、粉末の温度が下がった状態で加熱されるので、粉末自体の温度上昇を抑え、昇華温度、蒸発温度に上がらない特長がある。 In the powder supply apparatus, the fine powder forms a bridge in a narrow conveyance tube and cannot be stably supplied. Therefore, the fine powder is conveyed in the form of a slurry. A ceramic fine powder with a particle size of 0.1 μm to 10 μm is stirred with an ultrasonic oscillator using ethyl alcohol, methyl alcohol or kerosene as a solvent and mixed uniformly to form a slurry. Therefore, it does not become a lump and the density of the slurry is eliminated, and a uniform film can be formed. Even if powder having a particle size of 10 μm or more is present, it can be made into a slurry. It is sent to the tube with a pump, and one or two kinds of acetylene gas, methylene, ethylene, methane, ethane, butane, propane, or propylene are sent from the Y-shaped union of the tube and mixed. These gases are cooled and kept at room temperature through a gas cooling device before being sent to the Y-shaped union. By mixing a cold gas into the slurry powder, these acetylene and methylene gases injected into the combustion flame are in an oxygen-deficient state and do not burn, that is, do not generate heat. Therefore, the temperature rise of the powder itself is suppressed and the sublimation temperature and evaporation temperature are not increased.

被覆用窒化物セラミックスとしてBN、AlN、Si3N4、NbNは昇温とともに昇華するので昇華温度以下で被覆するのが望ましい。 As nitride ceramics for coating, BN, AlN, Si3N4, and NbN sublimate as the temperature rises, so it is desirable to coat at a sublimation temperature or lower.

被覆用炭化物セラミックスとして、SiCは昇温とともに変態し、更に分解するので変態温度以下で被覆することが望ましい。 As carbide ceramics for coating, SiC transforms with increasing temperature, and further decomposes, so it is desirable to coat at or below the transformation temperature.

ホウ化物セラミックスとして、MoBは昇温とともに分解するので分解温度以下で被覆することが望ましい。 As boride ceramics, MoB decomposes with increasing temperature, so it is desirable to coat at or below the decomposition temperature.

フッ化物として、AlF3、HfF4、ZrF2は昇温とともに昇華するので昇華温度以下で被覆するのが望ましい。また、MgF2、CaF2、BaF2、GaF3、YF3、ZnF2は2500℃以下で蒸発するので蒸発温度以下で被覆することが望ましい。 As fluorides, AlF3, HfF4, and ZrF2 sublimate as the temperature rises, so it is desirable to coat them at or below the sublimation temperature. Further, since MgF2, CaF2, BaF2, GaF3, YF3, and ZnF2 evaporate at 2500 ° C. or lower, it is desirable to coat them at an evaporation temperature or lower.

衝撃焼結被覆条件として燃料に対して酸素が理論酸素量より多いと、燃焼ガスは酸素を含み、上記粉末供給ノズルから搬送されるアセチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、或いはプロピレンやアルコールと反応して発熱する。他方、CmHn燃料に対して酸素量が(m+ n /2)理論酸素量より少ないと、燃えない燃料が含まれ温度を下げる。また上記粉末供給ノズルから搬送されるてくるアセチレン、メチレン、エチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、或いはプロピレンやアルコール類も燃焼しないので、フレームを冷却する。またアルコール類は燃焼しないで気化すると周りから気化熱を奪い、冷却効果を発揮する。
参考:灯油の場合C12H26+37/2O2→12CO2+13H2O ここで37/2モルよりも少ない酸素量にする。
If the amount of oxygen in the fuel is greater than the theoretical oxygen content for the impact sintering coating, the combustion gas contains oxygen and reacts with acetylene, methane, ethane, butane, propane, propylene, or alcohol conveyed from the powder supply nozzle. Fever. On the other hand, if the amount of oxygen is less than the (m + n / 2) theoretical oxygen amount relative to the CmHn fuel, non-combustible fuel is contained and the temperature is lowered. In addition, since the acetylene, methylene, ethylene, methane, ethane, butane, propane, propylene, and alcohols conveyed from the powder supply nozzle do not burn, the frame is cooled. Also, when alcohols are vaporized without burning, they take heat of vaporization from the surroundings and exert a cooling effect.
Reference: In the case of kerosene, C12H26 + 37 / 2O2 → 12CO2 + 13H2O where the oxygen amount is less than 37/2 mol.

他の衝撃焼結被覆条件として灯油或いは炭化水素などの燃焼ガスと酸素の全体量、ガン先端筒における粉末供給ノズルのガンからの距離、スラリーに混合するアセチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、或いはプロピレン供給量、スラリー供給量があり、それらのバランスで加熱粒子温度やフレームの雰囲気温度や加熱粒子の速度を制御し、目標にあった皮膜構成に造り込む。 Other impact sintering coating conditions include the total amount of combustion gas and oxygen such as kerosene or hydrocarbons, the distance from the gun of the powder supply nozzle in the gun tip tube, acetylene, methane, ethane, butane, propane mixed in the slurry, or There are propylene supply amount and slurry supply amount, and the heating particle temperature, the atmosphere temperature of the flame and the heating particle speed are controlled by the balance between them, and it is built into the film configuration that meets the target.

例えば、燃料として灯油/酸素の混合体を使用する場合の衝撃焼結被覆条件は、酸素ガスを圧力0.5 〜1.5MPa、流量400〜1900リットル/分に、灯油圧力0.4〜1.4 MPa、流量0.2〜0.5リットル/分、圧縮空気を圧力0.2 〜1.5MPa、250〜2000リットル/分に、スラリー状粉末供給量.100 〜900グラム/分、C2H2(アセチレン)圧力0.1 〜1.5MPa、20〜600リットル/分にする。ワークまでの距離はガン先端筒先から70mm〜400mmにする。 For example, when using a kerosene / oxygen mixture as fuel, the shock sintering coating conditions are: oxygen gas pressure 0.5 to 1.5 MPa, flow rate 400 to 1900 liters / min, kerosene pressure 0.4 to 1.4 MPa, flow rate 0.2 to 0.5 liters / minute, compressed air pressure 0.2-1.5 MPa, 250-2000 liters / minute, slurry powder feed rate. 100-900 grams / minute, C2H2 (acetylene) pressure 0.1-1.5 MPa, 20-600 liters / minute Make minutes. The distance to the workpiece is 70mm to 400mm from the tip of the gun tip.

燃料としてアセチレン/酸素の混合体を使用する場合の衝撃焼結被覆条件は、酸素ガスを圧力0.15 〜0.3MPa、流量30〜70リットル/分にアセチレン圧力0.10〜0.24MPa、流量 15〜55リットル/分、圧縮空気を圧力0.2 〜1.5MPa、100〜1500リットル/分に、スラリー状粉末供給量. 100〜900グラム/分、C2H2(アセチレン)圧力0.3〜1.5MPa、60〜600リットル/分にする。ワークまでの距離はガン先端筒先から50mm〜300mmにする。 When using an acetylene / oxygen mixture as the fuel, the impact sintering coating conditions are as follows: oxygen gas pressure 0.15-0.3 MPa, flow rate 30-70 liters / minute, acetylene pressure 0.10-0.24 MPa, flow rate 15-55 liters / minute Min, compressed air pressure to 0.2-1.5MPa, 100-1500L / min, slurry powder feed rate. 100-900g / min, C2H2 (acetylene) pressure 0.3-1.5MPa, 60-600L / min . The distance to the workpiece should be 50mm to 300mm from the tip of the gun tip.

衝撃焼結被覆において昇華、分解、蒸発し易い酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、フッ化物において、フレーム温度を下げて、温度を精度良く制御し、衝撃焼結被覆が可能となった。 In the case of oxides, nitrides, carbides, borides, and fluorides that are easily sublimated, decomposed, and evaporated in the impact sintered coating, the flame temperature is lowered and the temperature is controlled with high precision, enabling the impact sintered coating.

簡素な粉末供給システムにより使用溶媒と微粉末を超音波振動により均一なスラリー状にして供給が可能となった。微粉末を用いた衝撃焼結被覆皮膜ができ表面粗さを細かくすることが可能になり、表面仕上げ工程を省略できるようになった。そのためコスト増加を抑えることが可能となった。 With a simple powder supply system, the solvent and fine powder used can be supplied in the form of a uniform slurry by ultrasonic vibration. An impact-sintered coating film using fine powder can be formed, and the surface roughness can be made finer, and the surface finishing step can be omitted. Therefore, it was possible to suppress the increase in cost.

理論的には燃料の炭化水素と酸素の燃焼反応で、CmHn+(m+n/2)O2→mCO2+n/2H2Oとなり、CmHn
1モルに対して(m+ n /2)モルより少ない酸素当量にすると、CmHnが燃焼せずに残る。そのため燃焼エネルギーは下がる。(図3参照) この未燃CmHnガスはガン入口からくる圧縮空気の酸素と反応するがガン内径面に沿って流れるのでCmHnガス触れる面積は少なく、ごく少量の発熱量である。(図5参照)
スラリー状粉末とC2H2やC2H4などの炭化水素からなる固体―液体―気体三相の混合物において、これらの中の炭化水素は酸欠状態の燃焼フレーム中に噴射されるので不完全燃焼で発熱しない。また、被覆粉末を気体で覆っているので、燃焼室からくる燃焼フレームからの伝熱を妨げる。さらに、スラリーの溶媒のアルコールは気化し気化熱を奪い温度を下げる。(図5参照)
衝撃焼結エネルギー:E、粉末粒子質量:m、粉末粒子質量:v、滞留時間:τ、温度:Tp (定圧)、比熱:Cp (定圧)、溶解熱:LpとするとE=∫τ 0 Cp(Tp)dTp+mLp+1/2mv2が成り立つ。即ち、粒子温度、滞留時間、溶解熱、粉末粒子質量が大きくなれば被覆粉末はよく溶けて、密着し易い。ところが本発明法の衝撃焼結法において、昇華温度、蒸発温度、変態温度以下で被覆するためには、フレーム温度を下げ、固体―液体―気体の三相にして燃焼フレームからの伝熱を少なくして粒子温度を下げ、言い換えれば被覆粉末の温度を下げ(Tpを低くし)、溶解せずに(Lp=0にする。)、粒子速度Vを上げて密着性を上げる。(図5参照) 一方、ガンノズルにおけるノズル断面積s、フレームの速度v、燃焼室の断面積S、速度Vとすれば、SV=svとなり v∝S/s=(R2/r2)面積比に比例し速くなる。即ち燃焼室の内径を大きくし、ガンの内径を小さく絞ることにより、フレーム速度を大きくできる。(図4参照)
Theoretically, the combustion reaction of hydrocarbons and oxygen in the fuel results in CmHn + (m + n / 2) O2 → mCO2 + n / 2H2O, and CmHn
If the oxygen equivalent is less than (m + n / 2) moles per mole, CmHn remains unburned. As a result, the combustion energy decreases. (See Fig. 3) This unburned CmHn gas reacts with the oxygen in the compressed air coming from the gun inlet, but flows along the inner surface of the gun, so the area of contact with the CmHn gas is small and the calorific value is very small. (See Figure 5)
In a solid-liquid-gas three-phase mixture consisting of slurry powder and hydrocarbons such as C2H2 and C2H4, the hydrocarbons in these are injected into the oxygen deficient combustion flame, and therefore do not generate heat due to incomplete combustion. Moreover, since the coating powder is covered with gas, heat transfer from the combustion flame coming from the combustion chamber is hindered. Furthermore, the alcohol as the solvent of the slurry is vaporized and loses heat of vaporization to lower the temperature. (See Figure 5)
Impact sintering energy: E, powder particle mass: m, powder particle mass: v, residence time: τ, temperature: Tp (constant pressure), specific heat: Cp (constant pressure), heat of dissolution: Lp, E = τ τ 0 Cp (Tp) dTp + mLp + 1/2 mv 2 holds. That is, as the particle temperature, residence time, heat of dissolution, and powder particle mass increase, the coating powder melts well and tends to adhere. However, in the impact sintering method of the present invention, in order to coat at a temperature below the sublimation temperature, evaporation temperature, and transformation temperature, the flame temperature is lowered to reduce the heat transfer from the combustion flame to a solid-liquid-gas three-phase. Then, the particle temperature is lowered, in other words, the temperature of the coating powder is lowered (Tp is lowered), and it is not dissolved (Lp = 0), and the particle velocity V is increased to increase the adhesion. (See Fig. 5) On the other hand, if the nozzle cross-sectional area s, the frame speed v, the combustion chamber cross-sectional area S, and the speed V of the gun nozzle, SV = sv and v∝S / s = (R 2 / r 2 ) area Proportional to ratio and faster. That is, the flame speed can be increased by increasing the inner diameter of the combustion chamber and reducing the inner diameter of the gun. (See Figure 4)

本発明の衝撃焼結被覆法を実施するための衝撃焼結被覆ガンの模式図Schematic diagram of impact sintered coating gun for implementing the impact sintered coating method of the present invention 本発明の衝撃焼結被覆法を実施するためのスラリー粉末と燃焼ガス供給装置の模式図Schematic diagram of slurry powder and combustion gas supply device for carrying out the impact sintering coating method of the present invention 本発明の衝撃焼結被覆法を実施するための温度調節概念図Conceptual diagram of temperature control for carrying out the impact sintering coating method of the present invention 本発明の衝撃焼結被覆法を実施するための燃焼フレーム加速概念図Schematic diagram of combustion flame acceleration for carrying out the impact sintered coating method of the present invention 本発明の衝撃焼結被覆法を実施するための三相混合粉末供給の概念図Conceptual diagram of supply of three-phase mixed powder for carrying out the impact sintered coating method of the present invention

図1の模式図に示すように衝撃焼結被覆装置は燃焼室1を有し、酸素通路2から酸素ガスを導入し、燃料通路3から灯油、アセチレン、プロピレン、プロパン、エチレン、天然ガスなどの燃焼ガスや液体燃料を導入する。バーナ4で燃料と酸素は混合され、燃焼室に導かれ、点火されると燃焼する。フレームは面積を絞られたガンノズル5を通る。そこでフレームは加速される。ガンノズル5の先端に取り付けられた先端筒6に至る。ガンノズル5にはその内部に圧縮空気通路7を有し、圧縮空気が圧縮空気噴射リング8により先端筒6の内面を層流に流れ、粉末がガン先端筒6内面に凝着しないように構成されている。 As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the impact sintering coating apparatus has a combustion chamber 1, introduces oxygen gas from an oxygen passage 2, and uses kerosene, acetylene, propylene, propane, ethylene, natural gas, etc. from a fuel passage 3. Introduce combustion gas and liquid fuel. Fuel and oxygen are mixed in the burner 4, introduced into the combustion chamber, and burned when ignited. The frame passes through a gun nozzle 5 with a reduced area. The frame is then accelerated. It reaches the tip tube 6 attached to the tip of the gun nozzle 5. The gun nozzle 5 has a compressed air passage 7 therein, and the compressed air flows in a laminar flow on the inner surface of the tip tube 6 by the compressed air injection ring 8 so that the powder does not adhere to the inner surface of the gun tip tube 6. ing.

先端筒6にはスラリー状粉末とアセチレン、メチレン、エチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、或いはプロピレンガスとの固体―液体―気体三相混合物が三相噴射通路9から導入され、粉末供給ノズル10が先端筒6の軸に向かって傾斜して設置されている。その粉末供給ノズル10通じて三相噴射通路9から燃焼ガスフレーム内部に噴射される。 A solid-liquid-gas three-phase mixture of slurry powder and acetylene, methylene, ethylene, methane, ethane, butane, propane, or propylene gas is introduced into the tip tube 6 from a three-phase injection passage 9, and a powder supply nozzle 10. Is inclined toward the axis of the tip tube 6. The powder is supplied from the three-phase injection passage 9 through the powder supply nozzle 10 into the combustion gas flame.

均一なスラリー状微粉末と燃焼ガスの供給装置について図2の模式図で説明する。円筒状のスラリー容器11には超音波発生器12を有する超音波振動子13がスラリー中に挿入される。微粉末の材質、粒径及び溶媒により周波数を変えて最適な条件に設定し、スラリー状微粉末を均一に分散させる。このスラリー状微粉末をスラリーポンプ14に導入しY字ユニオン15に搬送する。ポンプの回転数で流量を調整する。スラリー流量計16で流量を確認する。一方燃焼ガスボンベ17に蓄えられた燃焼ガスはウオータージャケットからなる水冷によるガス冷却装置20を通じて常温に保たれ、燃料ガス調整バルブで調整し、ガス流量計18で確認する。これらの固体―液体―気体三相混合体は三相噴射通路9に導入される。 A uniform slurry-like fine powder and combustion gas supply device will be described with reference to the schematic view of FIG. An ultrasonic vibrator 13 having an ultrasonic generator 12 is inserted into the slurry container 11 in the cylindrical shape. The frequency is changed according to the material, particle size and solvent of the fine powder and the optimum conditions are set, and the slurry fine powder is uniformly dispersed. The slurry fine powder is introduced into the slurry pump 14 and conveyed to the Y-shaped union 15. Adjust the flow rate with the number of rotations of the pump. The flow rate is confirmed with the slurry flow meter 16. On the other hand, the combustion gas stored in the combustion gas cylinder 17 is kept at a normal temperature through a water cooling gas cooling device 20 composed of a water jacket, adjusted with a fuel gas adjustment valve, and confirmed with a gas flow meter 18. These solid-liquid-gas three-phase mixtures are introduced into the three-phase injection passage 9.

燃料に対して理論酸素当量が多いと、燃焼ガスは酸素を含み、先端筒6の内面において、粉末供給ノズル10から導入されるアセチレン、メチレン、エチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、或いはプロピレンガスやスラリー状にするアルコール類と反応しフレーム温度が上がり、微粉末が高温に加熱される。そのため燃料に対して理論酸素当量を少なくし、先端筒9部の内面において、室温に保持したアセチレン、メチレン、エチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、或いはプロピレンガス量を多く流すことにより、微粉末温度が低温に保持され、燃焼室から来る燃焼フレームにより加速され基材に衝突し、皮膜を形成する。
従来型のHVOF溶射法では水冷却により温度調節できるが、燃焼フレームは溶射ガンの筒の内面から燃焼フレームが冷やさるので、燃焼フレームはガスであるので伝熱はしにくく、フレームの中心部分は温度が下がりにくい。一方、スラリー状粉末とガスの混合物をフレーム内に噴射することにより、スラリー状粉末は周りのガス冷却装置により冷却されたアセチレンやメチレンなどで覆われて、冷やされているので、粉末自体の温度が下がり、昇華温度、蒸発温度まで上がるのを抑制される違いがある。
When the theoretical oxygen equivalent is large with respect to the fuel, the combustion gas contains oxygen, and acetylene, methylene, ethylene, methane, ethane, butane, propane, or propylene gas introduced from the powder supply nozzle 10 on the inner surface of the tip tube 6. It reacts with the alcohol in the form of a slurry to raise the flame temperature, and the fine powder is heated to a high temperature. Therefore, by reducing the theoretical oxygen equivalent with respect to the fuel and flowing a large amount of acetylene, methylene, ethylene, methane, ethane, butane, propane, or propylene gas kept at room temperature on the inner surface of the tip tube 9 part, a fine powder The temperature is maintained at a low temperature, accelerated by the combustion flame coming from the combustion chamber, and collides with the base material to form a film.
The temperature of the conventional HVOF spraying method can be adjusted by water cooling, but the combustion flame is cooled from the inner surface of the spray gun cylinder, so the combustion flame is a gas and heat transfer is difficult. The temperature is difficult to decrease. On the other hand, by injecting a mixture of slurry-like powder and gas into the frame, the slurry-like powder is covered with acetylene or methylene cooled by the surrounding gas cooling device and cooled, so the temperature of the powder itself There is a difference that is suppressed from rising to the sublimation temperature and evaporation temperature.

酸化物のαAl2O3は1000℃以上でγAl2O3に変態し、2030℃で溶解する。アナターゼTiO2は700℃から800℃でルチルTiO2に変態する。SiO2は573℃の低温で変態し、1710℃で溶解する。
皮膜の必要特性に応じて、上記変態温度、溶解温度以下に保持して微粉末を被覆する。
The oxide αAl2O3 transforms to γAl2O3 at 1000 ° C or higher and dissolves at 2030 ° C. Anatase TiO2 transforms to rutile TiO2 at 700-800 ° C. SiO2 transforms at a low temperature of 573 ° C and dissolves at 1710 ° C.
Depending on the required properties of the coating, the fine powder is coated with the temperature kept below the transformation temperature and dissolution temperature.

窒化物のAlNは2450℃で昇華分解し、Si3N4は1900℃で昇華する。BNは3000℃で昇華分解
する。NbNは2050℃で分解する。皮膜の必要特性に応じて、上記昇華温度以下に保持して微粉末を被覆する。
The nitride AlN sublimates at 2450 ° C, and Si3N4 sublimes at 1900 ° C. BN sublimes at 3000 ℃. NbN decomposes at 2050 ° C. Depending on the required properties of the film, the fine powder is coated while being kept below the sublimation temperature.

炭化物のαSiCは2100℃で変態し2830℃で分解する。皮膜の必要特性に応じて、上記変態温度以下に保持して微粉末を被覆する。 The carbide αSiC transforms at 2100 ℃ and decomposes at 2830 ℃. Depending on the required properties of the coating, the fine powder is coated while maintaining the transformation temperature or lower.

ホウ化物のMoBは2180℃で蒸発する。皮膜の必要特性に応じて、上記蒸発温度以下に保持して微粉末を被覆する。 The boride MoB evaporates at 2180 ° C. Depending on the required properties of the film, the fine powder is coated while being kept below the evaporation temperature.

フッ化物のAlF3は1291℃で昇華分解し、HfF4は968℃で昇華分解し、ZrF2は600℃で昇華分解する。MgF2は2260℃で蒸発し、CaF2は2500℃で蒸発し、BaF2℃は2260で蒸発し、GaF3は2270℃で蒸発し、YF3は2230℃で蒸発し、ZnF2は1500℃で蒸発する。皮膜の必要特性に応じて、上記昇華温度、蒸発温度以下に保持して微粉末を被覆する。
本発明を実施例で詳しく説明する。
Fluoride AlF3 undergoes sublimation decomposition at 1291 ° C, HfF4 undergoes sublimation decomposition at 968 ° C, and ZrF2 undergoes sublimation decomposition at 600 ° C. MgF2 evaporates at 2260 ° C, CaF2 evaporates at 2500 ° C, BaF2 ° C evaporates at 2260, GaF3 evaporates at 2270 ° C, YF3 evaporates at 2230 ° C, and ZnF2 evaporates at 1500 ° C. Depending on the required properties of the coating, the fine powder is coated while maintaining below the sublimation temperature and evaporation temperature.
The present invention will be described in detail with reference to examples.

50mm×50mm×板厚さ2mmのSUS304の試験片を使用した。皮膜を形成する前に予め洗浄し粗面化処理としてグリットブラスト処理をおこなう。アルミナグリット80メッシュを用いて0.5Mpa程度の圧力で試験片基材に吹き付ける。ブラスト後の表面粗さRa5〜10μmであった。 A SUS304 specimen having a size of 50 mm × 50 mm × plate thickness 2 mm was used. Before forming the film, it is washed in advance and a grit blast treatment is performed as a roughening treatment. Alumina grit 80 mesh is used and sprayed onto the test specimen substrate at a pressure of about 0.5 Mpa. The surface roughness after blasting was Ra5 to 10 μm.

図1に示す衝撃焼結被覆ガンを用いて粉末とアセチレンガスを止めて、燃焼させ、試験片を50℃から150℃に加熱して予熱処理を行った。この処理により湿気、水、水蒸気を除去した。 The powder and acetylene gas were stopped using the impact sintered coating gun shown in FIG. 1 and burned, and the test piece was heated from 50 ° C. to 150 ° C. for pre-heat treatment. This treatment removed moisture, water, and water vapor.

αAl2O3微粉末粒径1μmから3μmを用いてエチルアルコールと混ぜる。αAl2O3嵩容量1に対して、エチルアルコールの容量1.5をスラリー容器11に入れて超音波をかけてスラリー状にする。これらの混合物はスラリー搬送チューブを通じて、スラリーポンプ14により搬送され、Y字ユニオン15を通じて室温に維持したアセチレンと混合させ、三相噴射通路9に導入される。先端筒先6から試験片基材の距離を150mmに保ち、ガンの軸と試験片面を垂直に保持する。即ち、ワークまでの距離は150mmにする。下記にまとめて衝撃焼結被覆条件を示す。
[衝撃焼結被覆施工条件]
Mix with ethyl alcohol using αAl2O3 fine powder particle size 1μm to 3μm. For the αAl2O3 bulk volume 1, a volume 1.5 of ethyl alcohol is put into a slurry container 11 and subjected to ultrasonic waves to form a slurry. These mixtures are conveyed by a slurry pump 14 through a slurry conveying tube, mixed with acetylene maintained at room temperature through a Y-shaped union 15, and introduced into the three-phase injection passage 9. The distance from the tip tube tip 6 to the specimen base is kept at 150 mm, and the gun axis and specimen surface are held vertically. That is, the distance to the workpiece is 150 mm. The impact sintering coating conditions are summarized below.
[Conditions for impact-sintering coating]

燃料灯油:圧力0.8MPa, 流量 0.5 リットル/分
酸素ガス:圧力1.0MPa, 流量 750 リットル/分
圧縮空気:圧力0.5MPa, 流量 600 リットル/分
粉末供給量:αAl2O3 +エチルアルコール:450g/分
アセチレン:圧力0.3MPa, 流量 70 リットル/分
Fuel kerosene: Pressure 0.8MPa, Flow rate 0.5L / min Oxygen gas: Pressure 1.0MPa, Flow rate 750L / min Compressed air: Pressure 0.5MPa, Flow rate 600L / min Powder supply rate: αAl2O3 + Ethyl alcohol: 450g / min Acetylene: Pressure 0.3 MPa, Flow rate 70 liter / min

このようにして得られた試験片基材への衝撃焼結被覆皮膜の厚さは50μmであり、表面粗さはRa1〜2μmであった。この皮膜断面を光学顕微鏡で観察した結果、若干気孔を含んだ焼結層を有する組織である。またこの皮膜をX線回折装置で調べた結果はαAl2O3が検出された。
これは、燃焼室で酸素当量を1より小さくして燃焼温度を下げ、スラリー状粉末のαAl2O3が室温のアセチレンガスを混合することによりγAl2O3に変態する温度1000℃以上に加熱しない状態で被覆されたことが分かった。上記αAl2O3皮膜のイオン伝導度は1000℃においてαAl2O3焼結体の70%の値を示した。
The thickness of the impact-sintered coating film on the test piece substrate thus obtained was 50 μm, and the surface roughness was Ra1 to 2 μm. As a result of observing this film cross section with an optical microscope, it is a structure having a sintered layer containing some pores. As a result of examining this film with an X-ray diffractometer, αAl2O3 was detected.
This was coated in a combustion chamber without lowering the combustion temperature by reducing the oxygen equivalent to less than 1, and heating the slurry powder αAl2O3 to γAl2O3 by mixing with acetylene gas at room temperature and not heating above 1000 ° C. I understood that. The ionic conductivity of the αAl2O3 film was 70% of that of the αAl2O3 sintered body at 1000 ° C.

30mm×100mmの円柱からなるSUS304の試験片を使用した。皮膜を形成する前に予め洗浄し粗面化処理としてグリットブラスト処理をおこなう。アルミナグリット60メッシュを用いて0.5Mpa程度の圧力で試験片基材に吹き付ける。ブラスト後の表面粗さRa10〜15μmであった。 A SUS304 specimen consisting of a 30 mm × 100 mm cylinder was used. Before forming the film, it is washed in advance and a grit blast treatment is performed as a roughening treatment. Alumina grit 60 mesh is used and sprayed onto the specimen substrate at a pressure of about 0.5 Mpa. The surface roughness after blasting was Ra10-15 μm.

図1に示す衝撃焼結被覆ガンを用いて粉末とアセチレンガスを止めて、試験片を50℃から150℃加熱して予熱処理を行った。この処理により湿気、水、水蒸気を除去した。 The powder and acetylene gas were stopped using the impact sintered coating gun shown in FIG. 1, and the test piece was heated from 50 ° C. to 150 ° C. for pre-heat treatment. This treatment removed moisture, water, and water vapor.

Si3N4粉末1μmから2μmを用いてエチルアルコールと混ぜる。Si3N41嵩容量に対して、エチルアルコールの容量2をスラリー容器11に入れて超音波をかけてスラリー状にする。これらの混合物はスラリー搬送チューブを通じて、スラリーポンプ14により搬送され、Y字ユニオン15を通じてアセチレンと混合させ、三相噴射通路9に導入される。先端筒6先から試験片基材の距離を150mmに保ち、ガンの軸と試験片面を垂直に保持する。下記にまとめて衝撃焼結被覆条件を示す。
[衝撃焼結被覆施工条件]
Mix Si3N4 powder with ethyl alcohol using 1µm to 2µm. A volume 2 of ethyl alcohol is put into a slurry container 11 with respect to 1 bulk capacity of Si3N4, and ultrasonic waves are applied to form a slurry. These mixtures are conveyed by the slurry pump 14 through the slurry conveying tube, mixed with acetylene through the Y-shaped union 15, and introduced into the three-phase injection passage 9. The distance from the tip of the tip tube 6 to the specimen base is maintained at 150 mm, and the gun axis and specimen surface are held vertically. The impact sintering coating conditions are summarized below.
[Shock-sintering coating conditions]

燃料灯油:圧力0.9MPa, 流量 0.45リットル/分
酸素ガス:圧力1.0MPa, 流量 600リットル/分
圧縮空気:圧力0.4MPa, 流量 500リットル/分
粉末供給量:Si3N4+エチルアルコール:500g/分
アセチレン:圧力0.4MPa, 流量 60リットル/分
Fuel kerosene: Pressure 0.9MPa, Flow rate 0.45L / min Oxygen gas: Pressure 1.0MPa, Flow rate 600L / min Compressed air: Pressure 0.4MPa, Flow rate 500L / min Powder supply rate: Si3N4 + Ethyl alcohol: 500g / min Acetylene: Pressure 0.4 MPa, flow rate 60 liters / minute

このようにして得られた試験片基材への溶射皮膜の厚さは40 μmであり、表面粗さはRa
3〜4μmであった。この皮膜断面の組織は光学顕微鏡で観察した結果は気孔率15〜25%を含んだ焼結層からなる組織であった。またこの皮膜をX線回折装置で調べた結果はSi3N4が検出された。これは、燃焼室で酸素当量を1より小さくして燃焼温度を下げ、スラリー状粉末のSi3N4が室温のアセチレンガスを混合することにより、Si3N4は昇華温度の1900℃以下に保持され被覆されたことが分かった。上記Si3N4皮膜を用いて、700℃から急速冷却する高温熱衝撃試験を施した。境界面では大きな熱応力が発生する厳しい耐熱衝撃性評価試験条件の繰り返し試験においても良好な結果を得た。また、熱伝導率はSi3N4焼結体の50%の値を示した。
The thickness of the sprayed coating on the specimen substrate thus obtained was 40 μm, and the surface roughness was Ra.
3-4 μm. The cross-sectional structure of the film was observed with an optical microscope. The result was a structure composed of a sintered layer having a porosity of 15 to 25%. As a result of examining this film with an X-ray diffractometer, Si3N4 was detected. This is because when the oxygen equivalent is reduced to less than 1 in the combustion chamber and the combustion temperature is lowered, and the slurry powder Si3N4 is mixed with acetylene gas at room temperature, the Si3N4 is maintained at a sublimation temperature of 1900 ° C or less and coated. I understood. Using the above Si3N4 film, a high temperature thermal shock test was performed by rapid cooling from 700 ° C. Good results were also obtained in repeated tests under severe thermal shock evaluation test conditions where large thermal stresses were generated at the interface. The thermal conductivity was 50% of the Si3N4 sintered body.

20mm×150mm×厚さ5mmのSUS304の試験片を使用した。皮膜を形成する前に予め洗浄し粗面化処理としてグリットブラスト処理をおこなう。アルミナグリット60メッシュを用いて0.5Mpa程度の圧力で試験片基材に吹き付ける。ブラスト後の表面粗さRa10〜15μmであった。 A SUS304 test piece of 20 mm × 150 mm × thickness 5 mm was used. Before forming the film, it is washed in advance and a grit blast treatment is performed as a roughening treatment. Alumina grit 60 mesh is used and sprayed onto the specimen substrate at a pressure of about 0.5 Mpa. The surface roughness after blasting was Ra10-15 μm.

図1に示す衝撃焼結被覆装置を用いて粉末とアセチレンガスを止めて、試験片を50℃から150℃に加熱して予熱処理を行った。この処理により湿気、水、水蒸気を除去した。 The powder and acetylene gas were stopped using the impact sintered coating apparatus shown in FIG. 1, and the test piece was heated from 50 ° C. to 150 ° C. for pre-heat treatment. This treatment removed moisture, water, and water vapor.

αSiC粒径1μmから3μmを用いてメチルアルコールと混ぜる。αSiC嵩容量1に対して、メチルアルコールの容量1.5をスラリー容器11に入れて超音波をかけてスラリー状にする。これらの混合物はスラリー搬送チューブを通じて、スラリーポンプ14により搬送され、Y字ユニオン15を通じてアセチレンと混合させ、三相噴射通路9に導入される。先端筒6先から試験片基材の距離を130 mmに保ち、ガンの軸と試験片面を垂直に保持する。下記にまとめて衝撃焼結被覆条件を示す。 Mix with methyl alcohol using αSiC particle size of 1μm to 3μm. For the αSiC bulk volume 1, a volume 1.5 of methyl alcohol is placed in a slurry container 11 and subjected to ultrasonic waves to form a slurry. These mixtures are conveyed by the slurry pump 14 through the slurry conveying tube, mixed with acetylene through the Y-shaped union 15, and introduced into the three-phase injection passage 9. The distance from the tip of the tip tube 6 to the specimen substrate is maintained at 130 mm, and the gun axis and specimen surface are held vertically. The impact sintering coating conditions are summarized below.

[衝撃焼結被覆施工条件]
燃料灯油:圧力0.7 MPa, 流量 0.35リットル/分
酸素ガス:圧力0.8 MPa, 流量 600リットル/分
圧縮空気:圧力0.4 MPa, 流量 550リットル/分
粉末供給量:αSiC+メチルアルコール:300 g/分
アセチレン:圧力0.3 MPa, 流量 80 リットル/分
[Conditions for impact-sintering coating]
Fuel kerosene: Pressure 0.7 MPa, Flow rate 0.35 liter / min Oxygen gas: Pressure 0.8 MPa, Flow rate 600 liter / min Compressed air: Pressure 0.4 MPa, Flow rate 550 liter / min Powder supply rate: αSiC + Methyl alcohol: 300 g / min Acetylene: Pressure 0.3 MPa, Flow rate 80 l / min

このようにして得られた試験片基材への衝撃焼結被覆皮膜の厚さは60μmであり、表面粗さはRa2〜3μmであった。この皮膜断面の組織は光学顕微鏡で観察した結果は若干気孔を含んだラメラー層を有する組織である。またこの皮膜をX線回折装置で調べた結果αSiCが検出された。これは、燃焼室で酸素当量を1より小さくして燃焼温度を下げ、スラリー状粉末のαSiCが室温のアセチレンガスを混合することにより、αSiCは分解する2100℃以下に保持され被覆されたことが分かった。上記αSiC皮膜のエミッター特性は焼結体αSiCと同等の値を示し良好であった。 The thickness of the impact-sintered coating film on the test piece substrate thus obtained was 60 μm, and the surface roughness was Ra2 to 3 μm. The cross-sectional structure of this film was observed with an optical microscope, and the result was a structure having a lamellar layer containing a few pores. As a result of examining this film with an X-ray diffractometer, αSiC was detected. This is because when the oxygen equivalent is reduced to less than 1 in the combustion chamber and the combustion temperature is lowered, and αSiC in the slurry powder is mixed with acetylene gas at room temperature, αSiC is maintained at 2100 ° C or less and decomposed. I understood. The emitter characteristics of the αSiC film were good, showing the same value as the sintered body αSiC.

φ50mm×厚さ10mmのSUS304の試験片を使用した。皮膜を形成する前に予め洗浄し粗面化処理としてグリットブラスト処理をおこなう。アルミナグリット60メッシュを用いて0.5Mpa程度の圧力で試験片基材に吹き付ける。ブラスト後の表面粗さRa10〜15μmであった。 A specimen of SUS304 having a diameter of 50 mm and a thickness of 10 mm was used. Before forming the film, it is washed in advance and a grit blast treatment is performed as a roughening treatment. Alumina grit 60 mesh is used and sprayed onto the specimen substrate at a pressure of about 0.5 Mpa. The surface roughness after blasting was Ra10-15 μm.

図1に示す衝撃焼結被覆ガンを用いて粉末とアセチレンガスを止めて、試験片を50℃から150℃加熱して予熱処理を行った。この処理により湿気、水、水蒸気を除去した。 The powder and acetylene gas were stopped using the impact sintered coating gun shown in FIG. 1, and the test piece was heated from 50 ° C. to 150 ° C. for pre-heat treatment. This treatment removed moisture, water, and water vapor.

MoB粒径1μmから5μmを用いてメチルアルコールと混ぜる。MoB嵩容量1に対して、メチルアルコールの容量1を容器に入れて超音波をかけてスラリー状にする。これらの混合物はスラリー搬送チューブを通じて、スラリーポンプ14により搬送され、Y字ユニオン15を通じてエチレンと混合させ、三相噴射通路9に導入される。先端筒先6から試験片基材の距離を 120mmに保ち、ガンの軸と試験片面を垂直に保持する。即ち、ワークまでの距離は 120 mmにする。下記にまとめて衝撃焼結被覆条件を示す。 Mix with methyl alcohol using MoB particle size 1μm to 5μm. A volume 1 of methyl alcohol is placed in a container with respect to the bulk volume 1 of MoB, and ultrasonic waves are applied to form a slurry. These mixtures are conveyed by the slurry pump 14 through the slurry conveying tube, mixed with ethylene through the Y-shaped union 15 and introduced into the three-phase injection passage 9. The distance from the tip tube tip 6 to the specimen base is kept at 120 mm, and the gun axis and specimen surface are held vertically. In other words, the distance to the workpiece is 120 mm. The impact sintering coating conditions are summarized below.

[衝撃焼結被覆施工条件]
燃料アセチレンガス:圧力0.1 MPa, 流量 25リットル/分
酸素ガス:圧力0.2 MPa, 流量 40リットル/分
圧縮空気:圧力 0.2 MPa , 流量 100リットル/分
粉末供給量:MoB+メチルアルコール:50 g/分
エチレン:圧力0.35 MPa, 流量 70リットル/分
[Shock-sintering coating conditions]
Fuel acetylene gas: Pressure 0.1 MPa, Flow rate 25 l / min Oxygen gas: Pressure 0.2 MPa, Flow rate 40 l / min Compressed air: Pressure 0.2 MPa, Flow rate 100 l / min Powder supply rate: MoB + Methyl alcohol: 50 g / min Ethylene : Pressure 0.35 MPa, Flow rate 70 l / min

このようにして得られた試験片基材への衝撃焼結被覆皮膜の厚さは110μmであり、表面粗さはRa 4〜5μmであった。この皮膜断面の組織は光学顕微鏡で観察した結果は若干気孔を含んだラメラー層を有する組織である。またこの皮膜をX線回折装置で調べた結果MoBが検出された。これは、燃焼室で酸素当量を1より小さくして燃焼温度を下げ、スラリー状粉末のMoBが室温のエチレンガスを混合することにより、MoBは分解する2180℃以下に保持され被覆されたことが分かった。上記MoB皮膜のディスクに対してSUJ2軸受合金φ6mmボールを用いて、エンジン油5W-30の潤滑液中100℃で、湿式ボールオンディスク試験を実施した。SUJ2軸受合金同士の焼付き試験と比べて3倍の高い耐焼付き荷重を示した。 The thickness of the impact sintered coating film thus obtained on the test piece base material was 110 μm, and the surface roughness was Ra 4 to 5 μm. The cross-sectional structure of this film was observed with an optical microscope, and the result was a structure having a lamellar layer containing a few pores. As a result of examining this film with an X-ray diffractometer, MoB was detected. This is because when the oxygen equivalent is reduced to less than 1 in the combustion chamber to lower the combustion temperature, and the slurry powder of MoB is mixed with ethylene gas at room temperature, the MoB is decomposed and kept at 2180 ° C or less. I understood. A wet ball-on-disk test was conducted at 100 ° C. in a lubricating fluid of engine oil 5W-30 using SUJ2 bearing alloy φ6 mm balls on the MoB coated disk. The seizure load was three times higher than the seizure test between SUJ2 bearing alloys.

50mm×50mm×厚さ10mmのSUS304の試験片を使用した。皮膜を形成する前に予め洗浄し粗面化処理としてグリットブラスト処理をおこなう。アルミナグリット120メッシュを用いて0.5Mpa程度の圧力で試験片基材に吹き付ける。ブラスト後の表面粗さRa5〜10μmであった。 A SUS304 specimen having a size of 50 mm × 50 mm × thickness 10 mm was used. Before forming the film, it is washed in advance and a grit blast treatment is performed as a roughening treatment. Alumina grit 120 mesh is used and sprayed onto the specimen substrate at a pressure of about 0.5 Mpa. The surface roughness after blasting was Ra5 to 10 μm.

図1に示す衝撃焼結被覆ガンを用いて粉末とアセチレンガスを止めて、試験片を50℃から150℃加熱して予熱処理を行った。この処理により湿気、水、水蒸気を除去した。 The powder and acetylene gas were stopped using the impact sintered coating gun shown in FIG. 1, and the test piece was heated from 50 ° C. to 150 ° C. for pre-heat treatment. This treatment removed moisture, water, and water vapor.

YF3粒径1μmから5μmを用いてメチルアルコールと混ぜる。YF3嵩容量1に対して、メチルアルコールの容量1を容器に入れて超音波をかけてスラリー状にする。これらの混合物はスラリー搬送チューブを通じて、スラリーポンプ14により搬送され、Y字ユニオン15を通じてエタンと混合させ、三相噴射通路9に導入される。先端筒先6から試験片基材の距離を 140mmに保ち、ガンの軸と試験片面を垂直に保持する。即ち、ワークまでの距離は 140 mmにする。下記にまとめて衝撃焼結被覆条件を示す。 Mix with methyl alcohol using YF3 particle size 1μm to 5μm. For YF3 bulk volume 1, place volume 1 of methyl alcohol in a container and apply ultrasonic waves to form a slurry. These mixtures are conveyed by the slurry pump 14 through the slurry conveying tube, mixed with ethane through the Y-shaped union 15 and introduced into the three-phase injection passage 9. The distance between the tip tube tip 6 and the test piece base is kept at 140 mm, and the gun axis and the test piece surface are held vertically. In other words, the distance to the workpiece is 140 mm. The impact sintering coating conditions are summarized below.

[衝撃焼結被覆施工条件]
燃料灯油:圧力0.7 MPa, 流量 0.25リットル/分
酸素ガス:圧力0.8 MPa, 流量 200リットル/分
圧縮空気:圧力0.4 MPa, 流量 400リットル/分
粉末供給量:YF3+メチルアルコール:200 g/分
エタン:圧力0.35 MPa, 流量 60リットル/分
[Shock-sintering coating conditions]
Fuel kerosene: Pressure 0.7 MPa, Flow rate 0.25 l / min Oxygen gas: Pressure 0.8 MPa, Flow rate 200 l / min Compressed air: Pressure 0.4 MPa, Flow rate 400 l / min Powder supply rate: YF3 + Methyl alcohol: 200 g / min Ethane: Pressure 0.35 MPa, Flow rate 60 l / min

このようにして得られた試験片基材への衝撃焼結被覆皮膜の厚さは80μmであり、表面粗さはRa 4〜5μmであった。この皮膜断面の組織は光学顕微鏡で観察した結果は若干気孔を含んだラメラー層を有する組織である。またこの皮膜をX線回折装置で調べた結果YF3が検出された。これは、燃焼室で酸素当量を1より小さくして燃焼温度を下げ、スラリー状粉末YF3が室温のエタンガスを混合することにより、YF3は分解する2230℃以下に保持され被覆されたことが分かった。上記YF3皮膜の試験片に対し耐プラズマ性の試験を実施した。RFを用いたArスパッターにより一定時間後の皮膜の重量減で計測した結果は、本発明法のYF3皮膜は従来のアルミナ溶射皮膜に比べて、1/10以下の皮膜損傷率であり、優れた耐プラズマ性を示した。 The thickness of the impact sintered coating film thus obtained on the test piece base material was 80 μm, and the surface roughness was Ra 4 to 5 μm. The cross-sectional structure of this film was observed with an optical microscope, and the result was a structure having a lamellar layer containing a few pores. Moreover, YF3 was detected as a result of examining this film with an X-ray diffractometer. It was found that YF3 was kept below 2230 ° C and was coated by lowering the combustion temperature by making the oxygen equivalent less than 1 in the combustion chamber and mixing the slurry powder YF3 with ethane gas at room temperature. . A plasma resistance test was performed on the test piece of the YF3 film. As a result of measuring the weight loss of the coating after a certain time by Ar sputtering using RF, the YF3 coating of the present method has a coating damage rate of 1/10 or less compared with the conventional alumina sprayed coating, which is excellent It showed plasma resistance.

自動車産業:耐摩耗性、耐焼付性
電子機器産業:電気的絶縁性、耐プラズマ性、放熱性
医療:抗菌性、組織適合性
産業機器:断熱性、耐酸化性、耐食性
化学産業:触媒性
Automotive industry: Abrasion resistance, seizure resistance Electronic equipment industry: Electrical insulation, plasma resistance, heat dissipation Medical: Antibacterial, tissue compatible Industrial equipment: Thermal insulation, oxidation resistance, corrosion resistance Chemical industry: Catalytic

1 燃焼室
2 酸素通路
3 燃料通路
4 バーナ
5 ガンノズル
6 先端筒
7 圧縮空気通路
8 圧縮空気噴射リング
9 三相噴射通路
10 粉末供給ノズル
11 スラリー容器
12 超音波発生器
13 超音波振動子
14 スラリーポンプ
15 Y字ユニオン
16 スラリー流量計
17 燃焼ガスボンベ
18 燃料ガス調整バルブ
19 ガス流量計
20 ガス冷却装置
1 Combustion chamber 2 Oxygen passage 3 Fuel passage 4 Burner 5 Gun nozzle 6 Tip tube 7 Compressed air passage 8 Compressed air injection ring 9 Three-phase injection passage 10 Powder supply nozzle 11 Slurry container 12 Ultrasonic generator 13 Ultrasonic vibrator 14 Slurry pump 15 Y-shaped union 16 Slurry flow meter 17 Combustion gas cylinder 18 Fuel gas adjustment valve 19 Gas flow meter 20 Gas cooling device

Claims (4)

衝撃焼結被覆装置において燃料の炭化水素と酸素の混合ガスを用いてバーナに点火し燃焼室で燃焼させてフレームを発生させ、その際酸素量を燃料に対して完全燃焼の当量以下にしてフレーム温度を下げ、その後方に粉末供給用ノズルを設置し、そのノズルから被覆する微粉末と溶媒を用いて溶かしスラリー状にしたものと燃焼ガスからなる固体―液体―気体三相混合物を粉末供給ノズルから噴射させ、室温に保持された燃焼ガス量を増して、噴射微粉末の温度を下げて、粉末材料の変態温度、昇華温度、蒸発温度以下で加速し、衝撃により瞬時焼結させて被覆することを特徴とする衝撃焼結被覆法。 In a shock-sinter coating device, a flame is generated by igniting a burner using a mixed gas of hydrocarbon and oxygen of fuel and burning in a combustion chamber. Lowering the temperature, installing a powder supply nozzle behind it, dissolving the powder using a fine powder and solvent coated from the nozzle and forming a slurry, and a solid-liquid-gas three-phase mixture consisting of combustion gas powder supply nozzle The temperature of the sprayed fine powder is decreased by increasing the amount of combustion gas held at room temperature, accelerating below the transformation temperature, sublimation temperature and evaporation temperature of the powder material, and instantaneously sintered by impact and coated. A shock-sintering coating method characterized by that. 上記請求項1の燃料の炭化水素と酸素の混合ガスとして、灯油/酸素、プロピレン/酸素、プロパン/酸素、エチレン/酸素、アセチレ/酸素、天然ガス/酸素のいずれか1種類の混合ガスを用いる、あるいは炭化水素と酸素の組み合わせ以外に水素/酸素、灯油/空気の1種類を用いて、燃焼させ、一定容積の燃焼室において炭化水素の燃焼により、ガス体積膨張に伴うことにより、またガンの断面積に対する燃焼室の断面積比を大きくすることによりフレーム速度が増し、被覆粉末を加速して、衝撃により瞬時焼結させて被覆することを特徴とする衝撃焼結被覆法。 As a mixed gas of hydrocarbon and oxygen of the fuel according to claim 1, any one of kerosene / oxygen, propylene / oxygen, propane / oxygen, ethylene / oxygen, acetylene / oxygen, and natural gas / oxygen is used. In addition to the combination of hydrocarbon and oxygen, one type of hydrogen / oxygen, kerosene / air is used for combustion, combustion of hydrocarbons in a constant volume combustion chamber, and accompanying gas volume expansion, and An impact-sintering coating method characterized by increasing the frame speed by increasing the ratio of the cross-sectional area of the combustion chamber to the cross-sectional area, accelerating the coating powder, and instantaneously sintering the coating by impact. 上記請求項1の被覆微粉末をスラリー状にする媒体として、エチルアルコール、メチルアルコール、灯油の1種類を用い、容器に導入し、その容器は超音波発生器に接して、溶媒と粉末が均一に分散することを特徴とする粉末供給方法を用い、これらのスラリー状微粉末が上記請求項2のフレーム中に投入されて、混合する燃焼ガスとしてアセチレン、メチレン、エチレン、プロピレン、ブチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、プロピレンのうち1種あるいは2種を用い、その際ガス冷却装置で冷却し常温に保たれたガスとスラリー粉末の固体―液体―気体三相混合物を上記フレーム中に投入することにより、被覆粉末の温度が下がった状態で加速させ、瞬時焼結させて被覆することを特徴とする衝撃焼結被覆法。 As a medium for making the coated fine powder of claim 1 into a slurry, one kind of ethyl alcohol, methyl alcohol, and kerosene is used and introduced into a container. The container is in contact with an ultrasonic generator so that the solvent and the powder are uniform. These slurry-like fine powders are charged into the flame of claim 2 and mixed as combustion gases such as acetylene, methylene, ethylene, propylene, butylene, methane, One or two of ethane, butane, propane, and propylene is used, and at that time, a solid-liquid-gas three-phase mixture of gas and slurry powder that is cooled by a gas cooling device and kept at room temperature is put into the frame. Thus, the impact-sintering coating method is characterized in that the coating powder is accelerated in a state where the temperature of the coating powder is lowered and is coated by instantaneous sintering. 上記請求項1被覆微粉末として変態をするαAl2O3、アナターゼTiO2、βSiO2、昇華するAlN、 Si3N4、 BN、NbN、αSiC、AlF3、HfF4、ZrF2、2500℃以下で蒸発するMoB、MgF2、CaF2、BaF2、GaF3、YF3、ZnF2を用いて被覆することを特徴とする衝撃焼結被覆法。
ΑAl2O3, anatase TiO2, βSiO2, sublimated AlN, Si3N4, BN, NbN, αSiC, AlF3, HfF4, ZrF2, MoB, MgF2, CaF2, BaF2, which evaporates below 2500 ° C An impact sintering coating method characterized by coating with GaF3, YF3, or ZnF2.
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