JP2585540B2 - 溶射方法 - Google Patents

溶射方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスエネルギを熱源とする溶射方法に関し、
さらに詳しくは溶射皮膜中の気孔や酸化物を低減するの
に好適な溶射方法に関する。
〔従来の技術〕
一般に溶射法は、金属材料の表面に耐摩耗性、耐熱
性、耐食性を与えるための金属、合金あるいはセラミッ
クスの被膜形成方法として広く知られている。溶射法
は、被膜の材料になる溶射材を加熱する熱源の種類によ
ってガス方式と電気式に大別される。
ガス方式はガスエネルギを熱源とするもので、このう
ち超高速の粒子を作り出し溶射を行う方法として酸素一
アセチレン(又はプロパン)の燃焼力を利用して皮膜を
作成する方法がある。この代表的な方法として、爆発溶
射方法及び超高速強化ガス炎溶射方法がある。
爆発溶射方法は一定量の酸素、アセチレン及び溶射粉
末を燃焼室に導入し、スパークプラグで点火、爆発さ
せ、この爆発によるエネルギによって溶射材からつくら
れる溶射粉末を被溶射物に衝突させ溶射皮膜を形成させ
る方法である。この時のガス温度は3,000〜4,000℃、ガ
ス流速は音速の10倍を超え、衝撃波が形成される。本方
法における溶射粉末の粒子速度は音速の2倍以上(約70
0m/s)となる。
超高速強化ガス炎溶射は水素、プロパン等の燃料ガス
と酸素を燃焼させガスジェットを発生させ、このガスジ
ェット中に溶射粉末を送給し、溶射皮膜を形成させる方
法である。この時のガスジェットの温度は約2.800℃、
速度は音速の約4倍で、溶射粉末の粒子速度は爆発溶射
とほぼ同程度である。
上記したガスエネルギを熱源とする溶射方法の特長は
溶射粉末の粒子速度が他の溶射方法(例えばプラズマ溶
射)より速いため、溶射皮膜と被溶射物の密着強度が非
常に高くなることである。
一方、溶射粉末としては現在、Al2O3,ZrO2Al2O3/TiO2
等の酸化物系セラミックス、WC/Co,Cr3C2/NiCr,TiC/Co
等のサーメット(セラミックスとメタルの複合物)及び
Mo,NiCr,NiAl等のメタル系などの各種の粉末があり、使
用目的に応じて種々のものが単独で又は混合物として使
用されている。これらの溶射粉末は溶射材を粉砕分級し
たり、微粒子を造粒するなどの手段を用いて、一定の粒
子径の範囲に調整して使用されているが、通常は数10μ
mから100μm程度の粒径分布を有している。この粒径
分布の例を以下に示す。
〔発明が解決しようとする問題点〕 溶射皮膜に要求される性能としては、被溶射物との密
着強度が優れていること、皮膜中に気孔や酸化物が少な
いこと、皮膜中に割れが存在しないこと、被溶射物と皮
膜の境界ではく離が生じないことが挙げられる。これら
の性能に対して不十分な溶射皮膜を実機に応用した場合
は、耐食性・耐摩耗性の向上といった所期の目的を達成
することができない。
上記した皮膜性能を十分満足させるためには、溶射粉
末の性状(融点、熱伝導率、粒子径等)に応じて、ガス
温度の制御を行なう必要がある。しかしながら、爆発溶
射のようなガスエネルギを熱源とする溶射方法において
は酸素とアセチレンの流量、混合比を制御することによ
って、3,000〜4,000℃の範囲でガス温度を変化させるこ
とは可能であるが、3,000℃以下にするのは困難であ
る。したがって巾広い粒径分布を有する溶射粉末を使用
して溶射皮膜を作成した場合には、ある粒子は完全溶融
の状態で、ある粒子は末溶融のままで、被溶射物に衝突
するようになる。この場合の問題点としては、完全に溶
融した粒子が被溶射物表面に衝突し再凝固する際に皮膜
中に過大な残留応力が発生し、皮膜中に割れが発生した
り、皮膜と被溶射物界面ではく離が生じることが挙げら
れる。更に完全に溶融した粒子は飛行時に大気中の酸素
を巻き込み、結果として皮膜中に酸化物が多数存在する
ようになる。一方、未溶融粒子が皮膜中に存在すると、
末溶融粒子と未溶融粒子の間に空隙(気孔)ができる。
また未溶融粒子間の結合は機械的なものであるため、そ
の結合力は非常に弱いものとなる。更にはなはだしい場
合、未溶融粒子は被溶射物表面に衝突後飛散し、皮膜の
組成が変化する恐れもある。
本発明の目的は、爆発溶射のように爆発エネルギを熱
源とする溶射装置で、上述したような欠陥のない溶射皮
膜を形成する溶射方法を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の溶射方法は、溶射粉末の溶融率を溶射粉末の
材料となる溶射材の種類に応じて調整することにより、
形成される溶射被膜の気孔率、酸化率及び割れ・はく離
率が共に低い値域に入るようにするものである(第1図
〜第3図参照)。
上のような調整は、爆発溶射方法においては溶射粉末
の粒径分布範囲を調整することにより、おこなう。
このような調整された溶射粉末は、多くの場合に半溶
融の状態で被溶射物に衝突して、被膜を形成することに
なる。
〔作用〕
半溶融の状態で被溶射物に衝突した粒子は、被溶射物
に強固に付着するため被溶射物との界面ではく離が生じ
ることがなくなるとともに、皮膜中で、粒子と粒子は溶
融・凝固した表面積を介して強固に結合しあうので、粒
子間に気孔等の欠陥が発生することがなくなる。このよ
うに本発明の溶射方法が優れていることは第1図〜第3
図に示される。
〔実施例〕
溶射粉末の溶融プロセスは加熱炎からの飛行粒子に対
する熱移動を解析することによって求めることができ
る。すなわち、熱容量(C)なる粒子を単位時間当り
(dt)内に温度(θ)から(θ+dθ)に上昇させるの
に要する熱量(Q)は次式で与えられる(高温学会誌Vo
l10.sep1984.p211)。
Q=C・dθ=A・Ho(θg−θ)dt ……(1) ここでC:粒子の熱容量(cal/deg)、dθ:微小温度
(℃)、A:粒子の表面積(cm2)、Ho:熱伝達係数(cal/
cm2・sec・deg)、θg:ガス流体温度、dt:加熱時間に相
当する微小時間(sec)、θ:粒子の表面温度(℃)で
ある。
この式に所期条件t≦0、θ=0を与え積分すると次
式(2)が求められる。
(2)式においてθが粒子の融点θm以上となれば、
粒子は半溶融状態となる。
すなわち(3)式を満足する粒子は半溶融状態にな
る。(3)式において、θg、tは溶射装置に関係する
因子で爆発溶射の場合θg=3,000〜4,000℃でtは粒子
速度と粉末供給位置と被溶射物表面の間の距離から計算
するとt≒1.4×10-3secとなる。一方、θm、C及びA
は粒子の特性に関する因子である。またHoは雰囲気にお
けるヌッセルト数及びレイノルズ数から求まる常数で粒
子の粒径及びガス温度によって変化し、定性的には粒径
が小さい程、ガス温度が高い程Hoは大きくなる。
すなわち、ある溶射材を溶融させるためには、溶射装
置の熱量(ガス温度)及び材料の粒径、溶融温度、比熱
が重要な因子となり、各溶射材について上記因子を考慮
して溶射条件を選定する必要がある。更に溶射粉末を完
全溶融状態(球の中心温度>θm)にさせないために
は、上記因子の他に溶射材の熱伝導も考慮する必要があ
る。しかしながら、前述したように爆発溶射方法の場合
は、熱量θgを3,000℃以下にすることが出来ないの
で、すべて溶射粉末を半溶融状態にするためには溶射粉
末側の因子で制御する必要がある。すなわち、溶射材の
融点、熱伝導率に応じて溶射粉末の粒径分布を決定する
必要がある。以下実施例に基づき、具体的に説明する。
(実施例1) 種々の粒径分布を有する75%Cr3C2/25%NiCrのサーメ
ット系溶射材を爆発溶射にて軟鋼の表面に約200μmの
厚さで溶射を行い、皮膜断面において、気孔率、酸化率
及び割れ・はく離量を測定した。溶射条件としてはO2
量を35/min、C2H2流量を30/min、爆発サイクルを5
回/secとして実施したものである。第1図に結果を示
す。この図は溶射粉末の溶融率に対する気孔率、酸化率
及び割れ・はく離量の変化を調べたものである。図から
明らかなように、皮膜中の気孔率は溶融率が60%以下に
なると急激に増加する。一方、皮膜中の酸化率及び割れ
・はく離率は溶融率が70%以上になると急増する。すな
わち、健全な皮膜を得るためには溶融率を60〜70%の範
囲にする必要がある。この範囲は溶射粉末がすべて半溶
融の状態に相当し、この範囲以外では皮膜中に未溶融粒
子が存在したり、完全に溶融した粒子で皮膜が形成され
る部分ができ、その結果気孔が多くなったり、割れ・は
く離が発生したりする。
前述したように、溶射粉末の溶融率は、溶射粉末の粒
径、融点、熱伝導率で決定され、本実施例の75%Cr3C2/
25%NiCrの場合では粒径分布の範囲を20μm程度、最小
粒径を10μm以上、最大粒径を60μm以下の範囲とする
ことによって達成される。本実施例以外で、このような
粒子分布で健全な皮膜を得ることのできる溶射粉末とし
ては、粉末特性(融点、熱伝導率)が類似しているWC/C
o系やFiC/Co系のような低融点物質と高融点物質で構成
される複合粉末が挙げられる。
(実施例2) 高融点の酸化物系セラミックスであるCr2O3溶射粉末
を爆発溶射で溶射した場合について検討した結果を第2
図に示す。溶射条件としてはO2流量を75/min、C2H2
30/min、爆発サイクル5回/秒として実施した。この
場合、健全な溶射皮膜を得るためには溶融率を70%以上
にする必要がある。そのためには溶射粉末の粒径を10μ
m以下とする必要がある。これは、Cr2O3の融点が2,400
℃でガス温度に近いことと、熱伝導率が低いことが原因
となって溶射粉末のすべてを半溶融状態にするためには
粒径を10μm以下と非常に小さくする必要があるが、完
全溶融する最小粒径は1μm以下であり、実用上は特に
粒径の下限値を限定する必要はないためである。
本実施例と同じ方法で溶射する必要があるものとし
て、Cr2O3以外にAl2O3、ZrO2/Y2O3等の高融点酸化物系
セラミックスや、Mo,W等の高融点メタル材料が挙げられ
る。
(実施例3) メタル系溶射粉末である80%Ni20%Cr溶射粉末を爆発
溶射で溶射した場合について検討した結果を第3図に示
す。溶射条件はO2流量30/min、C2H2流量25/min、爆
発サイクル5回/秒として実施した。この場合、健全な
溶射皮膜を得るための溶融率は50〜60%とする必要があ
る。そのためには溶射粉末の粒径を50〜60μmとする必
要がある。これはNi−Crの溶融が1,400℃と低いこと
と、熱伝導率が高いことに起因している。
本実施例と同じ方法で溶射する必要のあるもとしては
Ni−Cr合金の他に、Ni−Al,Ni−Cr−Al等の比較的融点
の低いメタル系材料が挙げられる。
(他の実施例) 以上述べた実施例はいずれも本発明を爆発溶射に適用
した例であるが、超高速強化ガス炎溶射方法も爆発エネ
ルギを熱源として利用しており、ガス温度及び粒子速度
は爆発溶射とほぼ同じであるので、本発明方法を適用す
ることによって健全な溶射皮膜を得ることができる。
〔発明の効果〕
上述のように、本発明による溶射方法によれば、爆発
溶射等のガスエネルギを熱源とする溶射方法において、
溶射皮膜中の気孔、酸化物量をきわめて低くおさえるこ
とができ、更に溶射皮膜の割れ・はく離を防止すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図から第3図はそれぞれ、75%Cr3C2/25%NiCr、C2
O3及び80%Ni20%Crの溶射粉末を爆発溶射方法で溶射し
て形成した溶射皮膜の断面の気孔率、酸化率及び割れ・
はく離率と溶融率の関係を示した図である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガスの爆発エネルギーを利用し、粉末溶射
    材を溶射する溶射方法において、前記粉末溶射材を半溶
    融にして溶射することを特徴とする溶射方法。
  2. 【請求項2】前記粉末溶射材が75%Cr2C3−25%NiCr、W
    C−Co系またはTiCの粉末、あるいはこれらの複合粉末で
    あるサーメット系溶射材の場合は、その粒径範囲を10〜
    60μmとし、溶融率範囲が60〜70%となるように溶射す
    ることを特徴とする請求項1記載の溶射方法。
  3. 【請求項3】前記粉末溶射材がCr2O3、Al2O3、ZrO2−Y2
    O3またはAl2O3−TiO2の粉末である酸化物セラミック系
    溶射材の場合は、その粒径範囲を1.0μmを超え、かつ1
    0μm以下とし、溶融率範囲が70%以上の半溶融になる
    ように溶射することを特徴とする請求項1記載の溶射方
    法。
  4. 【請求項4】前記粉末溶射材がMoまたはWの粉末である
    高融点メタル系溶射材の場合は、その粒径範囲を1.0μ
    mを超え、かつ10μm以下とし、溶融率範囲が70%以上
    の半溶融になるように溶射することを特徴とする請求項
    1記載の溶射方法。
  5. 【請求項5】前記粉末溶射材が80%Ni−20%Crを含むNi
    −Cr合金、Ni−Al合金またはNi−Cr−Al合金の粉末であ
    る低融点メタル系溶射材の場合は、その粒径範囲を50〜
    70μmとし、溶融率範囲が50〜60%となるように溶射す
    ることを特徴とする請求項1記載の溶射方法。
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