JP2014152359A - 溶融金属塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塗布対象物に、金属材料粒子が固化するのを防止して、溶融状態で吹き付ける溶融金属塗布装置を提供する。
【解決手段】金属材料を溶融させるタンク（５）と、前記タンク（５）で溶融した溶融金属を噴射させるノズル（１０）を具備する、溶融金属の塗布装置であって、ガス流（２４）を噴射する噴射ノズル部（２１）と、噴射ノズル部（２１）から噴射したガス流（２４）によって、前記溶融金属を溶融状態で噴霧化させる噴霧ノズル部（２２）と、噴霧化した前記溶融金属の微粒子を、高温のスクリーンガス流（２５）で包み込んで該微粒子を溶融状態に保ちながら基材（１）に吹付けるようにした、スクリーンガス流（２５）を発生するスクリーンガスノズル部（２３）からなることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属材料（インゴット）を、直接溶融・配合させ、塗布対象物に塗布する溶融金属塗布装置に関する。

例えば、熱交換器のチューブ、フィン、ヘッダタンク等には、アルミニウム合金の心材に、ろう材がクラッドされたクラッド材と呼ばれる多層材料が用いられている。このようなクラッド材の製造方法としては、図１に示すように、ＳｉやＺｎ等の材料を添加した板材２、３を、アルミニウムの心材１に、スラブとして重ね合わせ、圧延ロール８で圧延して貼り付けることによって製造される。この方法は、同一条件でクラッド材を多量に生産するのには適しているが、材料配合比を変更する場合や少量である場合にはコスト高となり、また、海外で現地調達をする場合には、設備投資額が大きくなるという問題があった。

一方、特許文献１には、板状の基材とクラッド層とを固着したクラッドシートの製造装置が開示されている。この装置では、溶融された金属原料を固化させた原料粉末を製造したのち、コールドスプレー装置によって、原料粉末を溶融あるいはガス化させることなく、作動ガスとともに、音速から超音速で固相状態のまま基材に衝突させて、基材に対して原料粉末を圧着させるものである。その後、加熱炉において再度溶融、焼結が行われてクラッドシートが製造される。このような製造方法では、原料粉末の製造や加熱工程などの余分な工程が発生してコスト高になってしまう。

その他、特許文献１に示されるようなコールドスプレー装置以外にも、固相粒子を溶射ジェット流に噴射・溶融させて皮膜を形成する表面処理法は、多く知られているが、固相粒子の生成にコストがかかる上に、固相粒子の粒径分布にむらがあって、小粒粒子は気化して歩留まりを悪化させるとともに、大粒粒子は一部溶融せず残り、不均一な溶射皮膜を生成させたりするものであった。

特開２００９−２７０１６８号公報

本発明は、上記問題に鑑み、金属材料（インゴット）を、直接溶融・配合させ、塗布対象物に、金属材料粒子が固化するのを防止して、溶融状態で吹き付ける溶融金属塗布装置を提供するものである。

上記問題を解決するために、本発明は、インゴットそのものをタンクで直接溶融・配合させるとともに、そのままノズルに搬送して溶融状態で噴射して噴霧化し、かつ、噴霧化した微粒子を、スクリーンガス流で包み込んで溶融状態に保ちながら基材に吹付けることを特徴とするものである。
そして、請求項１の発明は、金属材料を溶融させるタンク（５）と、前記タンク（５）で溶融した溶融金属を噴射させるノズル（１０）を具備する、溶融金属の塗布装置であって、前記ノズル（１０）が、ガス流（２４）を噴射する噴射ノズル部（２１）と、前記タンク（５）で溶融した溶融金属を溶融させたまま搬送して、前記噴射ノズル部（２１）から噴射したガス流（２４）によって、前記溶融金属を溶融状態で噴霧化させる噴霧ノズル部（２２）と、噴霧化した前記溶融金属の微粒子を、高温のスクリーンガス流（２５）で包み込んで該微粒子を溶融状態に保ちながら基材（１）に吹付けるようにした、スクリーンガス流（２５）を発生するスクリーンガスノズル部（２３）からなる溶融金属の塗布装置である。

金属材料を溶融させて、プラズマジェットなどの高温ガスでノズルから溶融状態で噴射後、金属材料の融点以上（例えば＋５０°以上）の高温スクリーンガス流で、塗布対象物まで溶融状態で搬送し、吹き付けることができる。これにより、ノズル噴射即時に、金属材料粒子が固化するのを防止して、塗布対象物まで溶融状態で吹き付けることができ、塗布面を緻密で平坦にすることができる。そのため、材料加工費を低減できるとともに、インゴットと呼ばれる金属の塊を溶融し、そのまま吹き付けので、材料配合比変更に迅速に対応でき、少量生産にも効率よく対応することができる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

クラッド材の製造における従来技術を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の模式的説明図である。 本発明の第１実施形態のノズルの部分断面図である。 本発明の第１実施形態の作動原理を説明する説明図である。 本発明の第１〜３実施形態のスプレーの状態を示す説明図である。 本発明の第４実施形態のノズルによるスプレーパターンを示す説明図である。 本発明の第４実施形態のノズルによるスプレー膜厚分布を示す説明図である。 本発明の第５実施形態のノズルによるスプレーパターンを示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態を、図２〜４を参照して説明する。第１実施形態は、アルミニウム合金の心材１（コイル材）に、ろう材２がクラッドされたクラッド材と呼ばれる多層材料４に、本発明を適用した場合の実施形態であるが、これに限定されることなく、溶融状態で塗布する場合に適用することができる。また、本発明は、溶融した溶融金属を噴射させるノズル１０に、高温高圧のガス流２４によって、アトマイズ法により溶融金属を溶融状態で噴霧化させるものである。この高温高圧のガス流２４として、本実施形態では、高温のプラズマジェットを使用しているが、セラミックスヒータやマイクロ波などで６００°Ｃ以上の高熱に加熱した加熱ガスであっても構わない。

図２の模式図により、まず全体構成について述べる。本実施形態では、熱交換器のチューブ、ヘッダタンク、フィンなどを形成するためのクラッド材の場合を、例示として挙げて説明する。ろう材は、アルミシリカ（Ａｌ−Ｓｉ）系のろう材に、亜鉛（Ｚｎ）を耐食性のために添加したものであるが、これに限定されるものではない。これらの原料となる金属材料は、るつぼとしてのタンク５に、インゴットのまま、微量添加元素とともに投入され配合される。タンク５は、誘導加熱などにより、溶融させる熱量を付与し、内部には攪拌機構６が存在する。

溶融した溶融金属は、溶融状態でノズル１０に搬送することができるように、配管７には、搬送溶融金属がアルミ系の場合には６００°以上に保つ保温機構が設置されている。配管搬送中に固化しないように高周波加熱している。また、配管材材質には融点が溶融金属材料以上であるものを材質を選定し、Ａｌと結合しにくい金属材料もしくは、結合しないセラミックスを単独もしくは複合して使用する必要がある。また、配管搬送中の高周波加熱により溶融金属自体を加熱するのか、配管を加熱するのかも考慮して材質を選定する。インゴットと呼ばれる金属の塊を直接溶融し、そのまま吹き付けので、材料配合比変更に迅速に対応でき、少量生産にも効率よく対応することができる。

次に、ノズルの構造とプラズマ溶射の原理を図３、４により説明する。図４に示すように、プラズマ溶射は、プラズマガンの電極間に数十Ｖの電圧を印加することで、直流アークを発生させ、そこにアルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）などの不活性ガスを流すことで、ガスが電離しプラズマ化させるものである。そのプラズマガスは、急速に熱膨張してプラズマ溶射ガンからプラズマジェットとなって噴出する。このプラズマジェット内に原料粉末を入れ込むと、それが溶融され、基材（ここでは心材としてのコイル材１）に溶融状態で付着し、付着後再度固化して皮膜を形成する。

図３を参照して、ノズル１０の構造を詳説する。ノズル１０は、噴射ノズル部２１、噴霧ノズル部２２、スクリーンガスノズル部２３から構成されている。噴射ノズル部２１においては、タングステン（Ｗ）陰極１１に対して、銅（Ｃｕ）の陽極１２の間で電界がかけられ、その間に０．４ＭＰａ〜１ＭＰａ程度の圧力のＡｒ（Ｎ２、Ｈｅ、Ｈ２などでもよい）を通過させる。陰極１１と陽極１２間にパルス波で電界をかけてもよい。また、高周波やマイクロ波でプラズマを発生させてもよい。そして、陰極１１と陽極１２間を通過したガスはプラズマ化して熱膨張で２００気圧以上の高圧となって、噴射ノズル２１の開口１４から、高温プラズマジェットのガス流２４として噴出する。このガスは、少なくともアトマイズする金属材料の溶融温度以上の高温（融点の５０°以上）である必要がある。好ましくは、６００〜１０００°Ｃ程度の範囲が好ましいが、１０００°Ｃ以上であってもよい。このジェット流の流速は、一例として、１００〜１０００ｍ／ｓに達する。銅陽極１２およびタングステン陰極１１は、内部に冷却水１３を流し、冷却されている。

高温プラズマジェットのガス流２４の中心軸Ｏに対して、タンク５で溶融された溶融金属は、溶融状態で噴霧ノズル部２２の投入口１５に導入される。噴霧ノズル部２２の投入口１５から、ガス流２４に向けて溶融状態で投入される。投入口１５は、好ましくは、中心軸Ｏ周りに複数個設置すると良い。ガス流の噴射方向軸Ｏに対して、噴霧ノズルの開口１４から吹き出す溶融金属の投入方向Ｘと交差する入射角度θは、図３の図示のように測って４５°〜１３５°の範囲内にあることが良好な噴霧化の上で重要である。ノズル１０から噴射した溶融金属粒は、平均粒径１０μｍ以下の微粒子となることが良好皮膜形成上好ましい。噴霧ノズル部２２は、耐熱セラミックスで構成されている。溶融状態で噴霧ノズル部２２の投入口１５に導入される溶融金属は、ベンチュリ効果により吸出してもよいが、加圧して投入口１５からガス流２４に向けて投入してもよい。

周知のプラズマ溶射技術では、投入口１５に固相粒子の粉末材を投入しているが、本実施形態では、溶融状態で噴霧ノズル部２２の投入口１５に導入している。固相粒子の生成にコストがかかる上に、固相粒子の粒径分布にむらがあって、小粒粒子は気化して歩留まりを悪化させるとともに、大粒粒子は一部溶融せず残り、不均一な溶射皮膜を生成させたりするが、本実施形態ではこのようなことがない。

次に、スクリーンガスノズル部２３について述べる。本実施形態は、噴霧ノズル部２２の投入口１５に溶融状態で搬送して液相状態で噴射して噴霧化し、かつ、噴霧化した微粒子を、スクリーンガス流で包み込んで溶融状態に保ちながら基材に吹付けるものである。スクリーンガス流２５を発生するスクリーンガスノズル部２３により、噴霧化した溶融金属の微粒子を、高温のスクリーンガス流２５で包み込んで微粒子を溶融状態に保ちながら、基材（心材としてのコイル材）１に吹付けるようにしている。噴霧化した液相微粒子は、ガス流２４内部に存在する限り液相を保つことができるが、ガス流２４から外れた途端固化してしまうので、高温のスクリーンガス流２５で、ガス流２４から液相微粒子が、はじき飛ばされないように包み込むものである。

スクリーンガス流２５として、スクリーンガスノズル部２３の開口１６から吹き出すガスとしては、Ｎ２などの不活性ガスを酸化抑制ガスとして使用し、溶融金属が溶融状態を保てるように、融点以上（この実施形態の場合には６００°Ｃ以上）に加熱する必要がある。スクリーンガスノズル部２３の開口１６は、噴射ノズル２１の開口１４の形状や、噴霧ノズル部２２の投入口１５の配置位置形状に合わせて、円環状や扁平状に形成されている。

本実施形態によれば、高温のスクリーンガス流２５があるので、噴霧化された金属粒子の固化は防止されるので、液相微粒子は１０μｍ以下の微粒子のまま、基材に液相状態で到達し、基材表面にべったりと密着して、緻密な皮膜を形成することができる。高温のスクリーンガス流２５がないと、どうしても固化した不揃いの粒径固相粒子が混在してしまい付着時に弾き飛ばされたりして密着性を悪化させることとなる。不揃いの粒径固相粒子が混在すると、熱伝導率にむらが生じ好ましくない。

付着した溶融金属は、凝固熱による基材への熱ダメージを軽減させる必要がある。そこで、エアーブロー機構や、図２に示すような、水冷の圧延ロール８を設置して、熱ダメージを緩和させると良い。水冷ローラは、回転軸を二層構造にして流入、流出させて冷却水を循環させる。水冷の圧延ロール８を、基材の溶射位置に近接設置する場合は、飛び散った粒子が、圧延ローラに再付着しないように、エアカーテン９又は板材などで遮断しておく必要がある。

本実施形態の塗布装置においては、基材は、アルミニウムのコイル材１であり、送りローラと巻き取りローラでテンションをかけて、５０〜４００ｍ／分の高速で移送されている。コイル材１の移送速度が、このように高速であるので、ノズル１０は幅方向にスキャンできず、付着に際してはやや中央部が盛り上がってしまい、膜厚の均一性を確保する必要がある。このため、圧延によって膜厚をより均一化させる。水冷の圧延ロール８で圧延すれば、圧延で全幅に亘って所定膜厚に加工できるとともに、凝固熱による基材への熱ダメッジを解消することができる。コイル材１にはテンションがかかっているため、３００°Ｃ以上の高温になると塑性変形を引き起こすことになるので、水冷の圧延ロール８に限定されることなく、その他の冷却手段により溶融金属の溶射直後の冷却は必要である。

（第２実施形態）
第２実施形態は、ガス流２４が、第１実施形態のプラズマジェットの代わりに、その他の高温ガス流発生手段で発生させた実施形態である。この場合、温度が６００℃以上で、高速ガス流が形成できれば、周知の手段でもかまわない。例えば、熱セラミックヒーター等で加熱した高温ガス（Ｎ２、Ａｒ等の）酸化させないガスで加熱することが可能である。この場合、微粒を形成するために、一定以上のガス流速が必要である。ガスの高温加熱のためには配管長を増加させれば良い。融点の低い金属の溶射の場合には、フィラメント加熱であっても可能である。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同様である。

(第３実施形態)
第３実施形態は、図５に示すように、第１、２実施形態において、ガス流２４内に固相粒子を噴出させる流入ノズル２６を追加設置させたものである。その他の構成、作用効果は、第１、２実施形態と同様である。この場合には、固相粒子が、高熱の液相溶融金属の付着に際して、熱ダメージを緩和させる効果が得られる。流入ノズル２６から噴出させる固相粒子は、所定の平均粒子径の範囲に分級した固相粒子粉末を噴射して流入させる必要がある。粒子径を所定の平均粒子径の範囲に分級すれば、付着までに溶融させることができ、また、付着時に固相が残ったとしてもほぼ均一粒径で分布させることができるので、熱伝導性を悪化させることはない。

(第４、５実施形態)
第４実施形態は、図６に示すように、第１、２実施形態において、ガス流２４、クリーンガス流２５を扁平状にして吹き付けパターンを幅方向に広げた実施形態である。このようにするため、噴射ノズル部の開口１４の形状や、クリーンガスノズル部２３の開口１６形状を、基材の幅方向に扁平にしている。ここで扁平とは、楕円形状、長穴形状、スリット穴形状などを含む。第１実施形態では、一般的プラズマ溶射で行うような中心部を狙う焦点化とは異なり、ガス流は平行流になるようにプラズマ溶射を行う。これに加えて、噴射ノズル部の形状やクリーンガスノズル部形状を、基材の幅方向に扁平にして、吹き付けパターンが、幅方向に広がるようになっている。これにより、図７にみられるように膜厚一定が実現される。第５実施形態は、図８に示すように、第１、２実施形態において、ノズル２１が、基材の幅方向に複数個設置されて開口１４からの吹き付けパターンが、幅方向に広がるようになっている。作用効果は、第４実施形態と同様である。

１ 基材、コイル材
５ タンク
１０ ノズル
２１ 噴射ノズル部
２２ 噴霧ノズル部
２３ スクリーンガスノズル部
２４ ガス流
２５ スクリーンガス流

Claims (12)

1. 金属材料を溶融させるタンク（５）と、前記タンク（５）で溶融した溶融金属を噴射させるノズル（１０）を具備する、溶融金属の塗布装置であって、前記ノズル（１０）が、
   ガス流（２４）を噴射する噴射ノズル部（２１）と、
   前記タンク（５）で溶融した溶融金属を溶融させたまま搬送して、前記噴射ノズル部（２１）から噴射したガス流（２４）によって、前記溶融金属を溶融状態で噴霧化させる噴霧ノズル部（２２）と、
   噴霧化した前記溶融金属の微粒子を、高温のスクリーンガス流（２５）で包み込んで該微粒子を溶融状態に保ちながら基材（１）に吹付けるようにした、スクリーンガス流（２５）を発生するスクリーンガスノズル部（２３）からなる溶融金属の塗布装置。
2. 前記ガス流（２４）及び前記スクリーンガス流（２５）の温度は、溶融させる金属材料の融点以上であることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の塗布装置。
3. 前記ガス流は、プラズマガス流又は加熱ガス流であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融金属の塗布装置。
4. 前記噴霧ノズルから吹き出す前記溶融金属の投入位置は、複数個所あることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。
5. 前記ガス流の噴射方向軸（Ｏ）に対して、前記噴霧ノズルから吹き出す前記溶融金属の投入方向（Ｘ）と交差する入射角度(θ)は、４５°〜１３５°の範囲内にあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。
6. 金属材料を溶融させる前記タンク（５）の内部に、撹拌機構（６）を有し、前記金属材料及び微量添加元素を添加することで、組成変更が可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。
7. さらに、前記溶融金属の微粒子が吹き付けられた基材（１）の搬送方向下流に向かって順に、エアカーテン（９）、及び、塗布後の基材を圧延する圧延ローラ（８）を具備することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。
8. 前記圧延ローラの内部には、冷却媒体が循環することを特徴とする請求項７に記載の溶融金属の塗布装置。
9. 前記噴射ノズル部の開口（１４）の形状が、基材の幅方向に扁平であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。
10. 前記ノズルが、基材の幅方向に複数個設置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。
11. 前記ガス流に、所定の平均粒子径の範囲に分級した固相粒子粉末を噴射して流入させたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。
12. 前記基材が、アルミ系金属であり、前記ノズルによって前記基材の表面に形成された表面皮膜が、ろう材であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の溶融金属の塗布装置。

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