JP2012040539A - 溶射コーティングのための二重ノズルキャップ - Google Patents

Abstract

【課題】熱溶射方式と運動溶射方式を同時に適用可能にした二重ノズルキャップを提供すること。
【解決手段】
ノズルの中央に形成され、前記溶射ガンの先端が挿入されるガン挿入孔と、前記ノズルの一面に、高圧の気体を供給する気体連結具が連結される連結孔と、を含み、内、外側ノズル間の空間に、前記連結孔を通じて流入した高圧の気体を均一に分布させる気体収集部と、前記気体収集部に収容された高圧の気体を加圧、加速させるネック部と、前記ネック部で加圧、加速した気体が、前記溶射ガンの噴射体と一緒に噴射される気体噴射口と、を有する、溶射ガンの先端に装着されるノズルキャップが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶射コーティングのための二重ノズルキャップに関し、特に、溶射ガンの火炎噴射口の周辺に取り付けられて、別途に注入される補助気体を溶射火炎と一緒に噴射させることによって、溶射火炎の速度、温度、純度を調節することができる装置に関する。

周知の如く、溶射（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙ）には、コーティング材である線形材料又は金属粉体（Ｍｅｔａｌ Ｐｏｗｄｅｒ）を高温で溶かした後、噴射してコーティングする熱噴霧コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙ Ｃｏａｔｉｎｇ）方式と、コーティング用粉体を、コーティングしようとする母材の表面に高圧、高速で噴射し、衝突時に発生する衝撃エネルギーによって粉体を溶融させてコーティングする運動噴霧コーティング（Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｓｐｒａｙ Ｃｏａｔｉｎｇ）方式とがある。

特に、熱噴霧コーティング方式は、コーティング材料を加熱する熱源の種類によって、ガス式と電気式とに分類される。ガス式溶射には、火炎溶射、爆発溶射、超高速溶射（ＨＶＯＦ：Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙｇｅｎ Ｆｕｅｌ Ｓｐｒａｙｉｎｇ）があり、電気式溶射には、アーク溶射、プラズマ溶射、線幅溶射、レーザ溶射があるが、最近では、小型化及び高熱発生が可能な点から、Ｗ、Ｍｏのような高融点のコーティング材料を使用できるプラズマ溶射に対する技術開発が活発に行われている。その代表例には、大韓民国公開特許公報第１０−２００８−００８２２８３号（発明の名称：プラズマ溶射コーティング方法；以下、引用発明という。）がある。

このような溶射の工程は、一般に、母材への溶着性を確保するために、コーティングしようとする母材の表面に衝撃を加えて表面を粗化させる前処理過程、コーティング材である線形材料又は金属粉体を溶融させて噴射して、母材の表面にコーティング層を形成する過程、及び溶射後にコーティング層のコーティング特性を向上させる仕上げ処理過程からなる。この溶射工程において、通常の結晶金属からなる母材とする場合は、前処理過程又は溶射過程で衝撃や熱によって結晶と結晶間に微細な亀裂ができたり、微細な金属の結晶が落ちて凹凸などができたりし、このような亀裂や凹凸の部位に、溶融して噴射されたコーティング材を充填することでコーティングをする。

引用発明では、プラズマ溶射コーティングを行う過程で、母材が衝突して跳ね返った散乱粒子が再吸着されず、コーティング密度を向上させうるように、基板の一面が重力の方向と実質的に平行となるようにして基板を提供する段階と、陰極及び陽極に印加される電圧差によって発生し、溶融されたセラミック粉末が混合されたプラズマ炎を、重力方向と垂直にして当該基板の一面に噴射する段階と、をさらに含む。

大韓民国公開特許公報第１０−２００８−００８２２８３号

しかしながら、従来の結晶金属に比べて強度及び反発力が大幅に高い新素材である非晶質金属が開発されてきているが、このような非晶質金属は、コーティング材にセラミック粉末を混合したり、噴射方向を様々にさせた引用発明のような従来の溶射方式を適用したりすると酸化してしまい、非晶質度が急に低下するという問題点があった。

本発明の目的は、このような問題点を解決するために熱噴霧コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙ Ｃｏａｔｉｎｇ）方式の溶射ガンに運動噴霧コーティング（Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｓｐｒａｙ Ｃｏａｔｉｎｇ）方式を付加することによって、噴射の方向性及び噴射速度を向上させることができる二重ノズルキャップを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、溶射ガンの先端に装着されるノズルキャップであって、ノズルの中央に形成され、前記溶射ガンの先端が挿入されるガン挿入孔と、前記ノズルの一面に、高圧の補助気体を供給する連結孔が形成され、前記ガン挿入孔と隔離した前記ノズルの内部に前記連結孔を通じて注入された高圧の補助気体を、ノズルの内部に均一に分布させる気体収集部と、前記気体収集部に収容された高圧の補助気体を昇圧及び加速させて噴射の方向性を持たせるネック部と、前記ネック部で昇圧及び加速した補助気体を、前記溶射ガンの噴射体と一緒に噴射させるようにノズルの先端にリング状の空間として形成された気体噴射口と、を含む二重ノズルキャップが提供される。

以上説明したように本発明によれば、二重ノズルキャップの気体収集部、ネック部を通じて噴射の方向性が均一になり、持続的に加圧、昇圧されて気体噴射口を通じて超高速で噴射される超高速の補助気体が、溶射ガンから噴射される噴射体を包囲しながら一緒に噴射されるので、噴射される噴射体を超高速で加速させると同時に、噴射方向を一定に収束して維持させることができ、その結果、噴射体と酸素との結合を抑制し、噴射圧及び噴射速度を増加させ、噴射温度を減少させて、強度及び反発力の高い非晶質金属の溶射を可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係る溶射コーティングのための二重ノズルキャップの具体的な構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る溶射コーティングのための二重ノズルキャップの内部構造を具体的に示す断面斜視図である。 本発明の一実施形態に係る溶射コーティングのための二重ノズルキャップの断面図である。 本発明の一実施形態に係る溶射コーティングのための二重ノズルキャップを溶射ガンと結合した使用例を示す断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本実施形態に係る溶射のための二重ノズルキャップの具体的な実施例の全体的な構成を、図１〜図３に示す。

同図に示すように、溶射ガン１０の先端に装着されるノズルキャップは、中央に溶射ガン１０の先端が挿入されるガン挿入孔４１が形成された内側ノズル４０と、内側ノズル４０の外周を取り囲みながら、内側ノズル４０の一側と同心に結合する外側ノズル５０と、内、外側ノズル４０、５０の間に注入される補助気体２１を加速させる環形の空間と、を含んで構成されることができる。

ここで、溶射ガン１０は、熱溶射ガン、プラズマ溶射ガン、フレームガン（Ｆｌａｍｅ ｇｕｎ）、アーク溶射ガン等を含め、公知の溶射ガンのいずれを適用してもよい。また、このような溶射ガン１０の先端と本実施形態に係る二重ノズルキャップとを結合するために、中間に連結ノズルを設けることができる。

以下、各構成要素別にさらに詳しく説明する。

上記の内側ノズル４０及び外側ノズル５０のいずれかの一面に、高圧の補助気体２１を供給する気体供給管のような連結具２０が連結される連結孔４２を形成することができる。連結孔４２は、図２及び図３に示すように、連結具２０から注入される高圧の補助気体２１の注入力がそのままネック部７０に加えられてさらに昇圧されるように、ガン挿入孔４１と並んで形成することもでき、逆に、ノズルの内部に注入された高圧の補助気体２１が瞬間的に均一に分布するように、ガン挿入孔４１と垂直に形成することもでき、必要に応じて２個又は複数の連結孔４２を形成することもできる。

なお、本実施形態に係る二重ノズルキャップは、図３に示すように、内側ノズル４０と外側ノズル５０との間に、連結孔４２を通じて注入された高圧の補助気体２１をノズル内部に均一に分布させる気体収集部６０と、気体収集部６０に収容された高圧の気体２１を加圧／昇圧及び加速させるネック部７０と、ネック部７０で加圧／昇圧及び加速された補助気体２１が、溶射ガン１０の噴射体の乱噴射を防止しながら、一定の噴射方向性を持って噴射されるように、内側ノズル４０と外側ノズル５０の先端間の周りに環形断面の空間として形成された気体噴射口８０と、が順次に形成されるように内側ノズル４０と外側ノズル５０とが結合してなるものである。

また、内側ノズル４０及び外側ノズル５０は別に構成せずに、一体のノズルとしながら、ノズルの内部に、ガン挿入孔４１、連結孔４２、気体収集部６０、ネック部７０、気体噴射口８０を形成させることも可能である。

ここで、ネック部７０は、図３に示すように、気体収集部６０中の補助気体２１の圧力を高めるように、気体収集部６０の一側で急に狭まる第１ネック部７１と、第１ネック部７１で昇圧して流入した補助気体２１の乱噴射を防止し、噴射の方向性を一定に維持するように、第１ネック部７１から気体噴射口８０に向かって次第に狭まってから再び次第に広がる第２ネック部７２と、で構成される。したがって、連結孔４２を通じてノズルの内部に高圧で注入された補助気体２１が気体収集部６０に充満されると、補助気体２１は、気体収集部６０の一側に形成されたネック部７０に進行し、急に狭まっている第１ネック部７１によって、高圧の補助気体２１はジェットエンジンを通過するようにさらに昇圧しつつ加速して、超高速で進行することとなる。

続いて、第１ネック部７１から気体噴射口８０に向かって次第に狭まってから再び次第に広がる第２ネック部７２において、次第に狭まる区間では補助気体２１が引き続き加圧／昇圧及び加速がされ、以降、次第に広がる区間では、乱噴射される補助気体２１を噴射方向に収束しつつ噴射の方向性を一定に維持させ、よって、今まで加圧／昇圧及び加速され且つ噴射の方向性が整った超高速／超高圧の補助気体２１が、気体噴射口８０から噴射されることとなる。

また、このような第２ネック部７２の先端に形成された気体噴射口８０は、図２に示すように、外径の狭い内側ノズル４０の先端の全周囲にリング状の空間として形成されているため、図４に示すように、気体噴射口８０から噴射される超高速／超高圧の補助気体２１は、溶射コーティングのために溶射ガン１０から噴射される噴射体を包囲しながら噴射されて、この噴射体と空気中の酸素との結合を抑制することができ、また、一定の方向性を有しながら噴射体の噴射速度よりも格段に高い速度で噴射されるので、乱噴射される噴射体を噴射方向に収束するとともに噴射体を超高速で加速させる。その結果、酸化により非晶質度が急激に低下する非晶質金属の酸化を抑制し、非晶質度の高い高品質の溶射コーティング層を得ることができる。

図４には、金属粉体３０、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレンなどのような燃料ガス３１、及び酸素が供給され、燃焼熱により粉体３０を溶融させて噴射する熱溶射ガンの先端に、本実施形態に係るコーン状の二重ノズルを装着した例を示す。しかし、本実施形態は、これに限定されず、プラズマ溶射ガンのような他の溶射方式のガンにも適用することができる。

ここで、粉体３０は、金属に限定されず、溶射コーティングのためのコーティング材を代表するもので、深刻な劣化（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）無しで溶融されうる熱可塑性ポリマー物質（ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）とすればいい。

このようなサーモポリマー（ｔｈｅｒｍｏｐｏｌｙｍｅｒｓ）は、ポリエチレン（低密度及び高密度）、ポリプロピレン（低密度及び高密度）、ポリウレタン（低密度及び高密度）、ナイロン（例えば、ナイロン６、ナイロン１１）、ナイロンコポリマー、ＥＶＡ、ＥＥＡ、ＡＢＳ、ＰＶＣ、ＰＥＥＫ、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ＠）、及びその他フルオロカーボンポリマー、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、アクリル（ａｃｒｙｌｉｃｓ）、ポリエーテル、ポリエステル、エポキシレジン（ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎｓ）、シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ）及びそれらの化学的又は物理的組み合わせ（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ）を含む。

それ以外に、亜鉛、アルミニウム、亜鉛−アルミニウム合金、鉄金属合金（ｆｅｒｒｏｕｓ ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙｓ）、銅及び銅合金などのクラッド粉末（ｃｌａｄ ｐｏｗｄｅｒ）、セラミック、炭素、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、又は、電磁気遮蔽材、電気伝導材、蛍光又は燐光材、反射材（ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、電波吸収材（ｒａｄａｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、又は紫外線遮断材（ＵＶ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒｓ）、坑菌材（ａｎｔｉ−ｍｉｃｒｏｂｉａｌｓ）などのような機能性成分（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）も含まれる。

また、コーティング材が塗布される母材は、多孔性又は非多孔性金属（例えば、スチール、アルミニウム）、木材、コルク、ガラス、セラミック、固形又は発泡ポリマー物質、紙含有材料などとすることができる。

さらに、本実施形態に係る二重ノズルキャップは、橋梁、交通機関、ビル、道路標識、又は船着場や波止場のような海洋環境における様々な建造物への溶射コーティングにも適用することができる。すなわち、本実施形態に係る二重ノズルキャップを既存の熱溶射ガンに取り付けると、温度調節が可能であり、酸素との接触を遮断できるので、既存の熱溶射や速度溶射では困難であった上記の材料を用いることができ、被写体の選択も多様化することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０：溶射ガン ２０：気体連結具
２１：補助気体 ３０：粉体
３１：燃料ガス ４０：内側ノズル
４１：ガン挿入孔 ４２：連結孔
５０：外側ノズル ５１：ねじ山
６０：気体収集部 ７０：ネック部
７１：第１ネック部 ７２：第２ネック部
８０：気体噴射口

Claims (6)

1. 溶射ガンの先端に装着されるノズルキャップであって、
   中央に前記溶射ガンの先端が挿入されるガン挿入孔が形成された内側ノズルと、
   前記内側ノズルの外周を取り囲みながら、前記内側ノズルの一側と結合する外側ノズルと、
   前記内側ノズルと前記外側ノズルの間に注入される補助気体を加速させる環形の空間と、
   を含む
   ことを特徴とする、溶射コーティングのための二重ノズルキャップ。
2. 前記内側ノズル又は前記外側ノズルの一面に、高圧の気体を供給する気体連結孔が形成される
   ことを特徴とする、請求項１に記載の溶射コーティングのための二重ノズルキャップ。
3. 結合した前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間には、
   前記気体連結孔を通じて注入された高圧の気体を均一に分布させる環形の気体収集部と、
   前記気体収集部に収容された高圧の気体を昇圧及び加速させ、噴射の方向性を持たせるネック部と、
   前記ネック部で昇圧及び加速した気体が、前記溶射ガンの噴射体と一緒に噴射されるように、前記内側ノズルの先端の外周に形成された気体噴射口と、
   が順次に形成されている
   ことを特徴とする、請求項２に記載の溶射コーティングのための二重ノズルキャップ。
4. 溶射ガンの先端に装着されるノズルキャップであって、
   前記ノズルキャップに形成されたノズルは、内側及び外側の二重のノズルであり、前記ノズルの中央には、前記溶射ガンの先端が挿入されるガン挿入孔が形成され、前記ノズルの一面には、高圧の気体が供給されるための気体連結孔が形成され、
   前記内側及び外側の二重ノズル間の空間に、前記気体連結孔を通じて注入された高圧の気体をノズルの内部に均一に分布させる気体収集部と、前記気体収集部に収容された高圧の気体を昇圧及び加速させ、噴射の方向性を持たせるネック部と、前記ネック部で昇圧及び加速した気体が前記溶射ガンの噴射体と一緒に噴射されるように、ノズルの先端の内側及び外側の二重ノズル間に環形の空間として形成された気体噴射口と、が形成される
   ことを特徴とする、溶射コーティングのための二重ノズルキャップ。
5. 前記気体連結孔は、ガン挿入孔と並んで形成される
   ことを特徴とする、請求項３又は４に記載の溶射コーティングのための二重ノズルキャップ。
6. 前記ネック部は、
   前記気体収集部内の気体圧力を高めるように、前記気体収集部の一側で急激に狭まる第１ネック部と、
   前記第１ネック部で昇圧して流入した気体の乱噴射を防止し、噴射の方向性が一定に維持されるように、前記第１ネック部から気体噴射口に向かって次第に狭まってから再び次第に広がる第２ネック部と、
   を有する
   ことを特徴とする、請求項３又は４に記載の溶射コーティングのための二重ノズルキャップ。

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