JP2982507B2

JP2982507B2 - 管状部材内面への溶射方法

Info

Publication number: JP2982507B2
Application number: JP4223244A
Authority: JP
Inventors: 健二下田; 政宏仲川; 和彦森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-08-23
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1999-11-22
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JPH06287740A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、管状部材の内面に金属
を溶射する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、シリンダブロックのボア内面に
異種金属を溶射することは従来より知られている（特開
昭53−42148 号公報等参照）。溶射はアーク、プラズ
マ、ガス等の熱源のフレームにより溶融した溶射粒子を
高速（ 100〜300 ｍ／秒）で被溶射物表面に衝突させ、
そのまゝ凝固付着させる技術であるが、前記溶射粒子の
被溶射物表面への衝突に際して多くのはね返りが生じ
る。このはね返りの程度は、温度、粒径等の溶射粒子の
状態を始め、その飛行速度と分布位置、あるいは雰囲気
によって左右される。特に内面溶射においては、口径の
制約により溶射距離を充分大きくとれないことがあり
（一般的に100 mm以上必要）、この場合は、熱源のフレ
ーム中における粒子の停滞時間が短くなり、粒子の溶融
が不充分となってはね返る粒子の量も多くなる。

【０００３】ところで、内面溶射の場合、上記はね返っ
た粒子は、そのまゝ被溶射物の内部に拡散してその内面
に付着し、表面粗さ、密着強度等、溶射品質を悪化させ
る原因となる。そこで、従来は被溶射物である管状部材
の内部に圧縮空気を吹き込み、空気流に乗せてはね返り
粒子を系外へ排出するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
縮空気を吹き込む対策によれば、実際上、空気流によっ
て除去されるはね返り粒子は微細なものに限定され、そ
の大部分が溶射皮膜中に残ってしまって溶射品質はそれ
ほど改善されないという問題があった。なお、圧縮空気
の圧力および流速を高めることにより粒子径の大きなは
ね返り粒子も除去することが可能となるが、この場合
は、溶射粒子の酸化が促進されるため、該粒子の濡れ性
が低下してはね返り粒子が益々増大し、その上、溶射品
質もさらに悪化することとなって、根本的な解決には至
らない。

【０００５】本発明は、上記従来の問題を解決すること
を課題としてなされたもので、その目的とするところ
は、はね返り粒子を効率的に捕捉し、もって溶射品質の
改善に大きく寄与する管状部材内面への溶射方法を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、管状部材に、その内面形状に合ったスリ
ーブを挿入し、該スリーブの一端を溶射点付近に臨ませ
た状態を維持して、該スリーブを溶射ガンの移動方向へ
これと同期して移動させるように構成したことを特徴と
する。

【０００７】本発明は、上記スリーブとして、管状部材
の内面との間にわずかの隙を形成する大きさのもの、ま
たは外周面に被削性に優れた材料からなるコーティング
層を設けたものを用いることができる。そして、前者の
スリーブを用いた場合は、これを前記隙を維持するよう
に管状部材に挿入するようにし、一方、後者のスリーブ
を用いた場合は、これを管状部材の内面に密接するよう
に該管状部材に挿入するようにする。

【０００８】スリーブとして、管状部材の内面との間に
わずかの隙を形成する大きさのものを用いる場合は、該
隙はできるだけ小さいことが望ましいが、寸法、形状的
な精度を考慮すると、0.2 〜1.0 mm程度とするのが妥当
である。またこの場合は、該隙を一定に維持する都合
上、スリーブとして管状部材とあまり熱膨張係数の違わ
ない材料を選択するのが望ましい。また、スリーブとし
て、外周にコーティング層を設けたものを用いる場合
は、該コーティング層の材料としては、Ａl −Ｓi−ポ
リエステル、Ａl −グラファイト、Ｎi −グラファイ
ト、Ａl ブロンズ−ポリエステル等を選択することがで
きる。

【０００９】本発明において、スリーブの形態は任意で
あり、剛体構造としても、あるいはテレスコピック式ま
たはじゃ腹式に伸縮自在な構造としても良いものであ
る。またこのスリーブを溶射ガンと同期させる方法も任
意であり、例えばスリーブと溶射ガンとを機械的に連結
する方法、スリーブと溶射ガンとを各独立の駆動手段に
支持させて電気的な同期をとる方法等を採用することが
できる。さらに、本発明の方法を実行する溶射装置の型
式や加熱方式も任意であり、例えば型式としては汎用の
エクステンションガンを備えたものまたはこのエクステ
ンションガンを回転させるようにしたものを、加熱方式
としてはアーク、プラズマジェットまたはガス（HVOF）
をそれぞれ採用することができる。

【００１０】

【作用】上記のように構成した管状部材内面への溶射方
法においては、管状部材内面からはね返った粒子は、そ
の大部分がスリーブ内に拡散して該スリーブの内面に付
着し、しかもこのスリーブは溶射ガンと同期して移動す
るので、全溶射領域ではね返り粒子を捕捉できるように
なる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面にもとづい
て説明する。

【００１２】実施例１図１に示すように、内燃機関用のシリンダライナ１を対
象として、このシリンダライナー１を回転支持手段（図
示略）に横置きに支持し、一方、前記シリンダライナ１
に対して進退動するマニプレータ２に支持させたプラズ
マ溶射装置３から、シリンダライナ１の一端に向けて溶
射ガン（エクステンションガン）４を延ばし、さらに、
別途用意したスリーブ５を前記溶射ガン４と反対側から
シリンダライナ１に挿入し、このスリーブ５を連結部材
６を介して前記マニプレータ４に連結している。連結部
材６はシリンダライナ１の軸と平行に配置したスライド
ガイド７を摺動自在に挿通しており、これによりスリー
ブ５とマニプレータ４とはシリンダライナ１の軸方向へ
同期して移動するようになっている。またスリーブ５
は、シリンダライナ１の内径よりわずか小さい外径を有
し、シリンダライナ１に同心に挿入されてシリンダライ
ナ１の内周面との間にわずかの隙を形成している。さら
にスリーブ５とマニプレータ２とは、溶射ガン４から発
射された溶射粒子８のシリンダライナ１の内面への衝突
点すなわち溶射点の付近にスリーブ５の一端が位置する
ように相対位置が決められている。なお、溶射ガン４の
ノズル向き（溶射方向）は、シリンダライナ１の軸線に
対してほヾ９０度に設定されている。

【００１３】上記の態様のもと、予めスリーブ５の一端
がシリンダライナ１の開口端付近に位置するように該ス
リーブ５を位置決めし、先ずシリンダライナ１を所定の
回転速度で回転させ、続いて、マニプレータ２を所定の
速度で前進させると共に、溶射装置３を作動して溶射ガ
ン４から溶射粒子８を発射する。すると、溶射粒子８
は、先ずシリンダライナ１の開口端付近の内面に衝突
し、この溶射点はシリンダライナ１の回転とマニプレー
タ２の移動に応じて、シリンダライナ１の円周方向と軸
方向とへ次第に移行し、シリンダライナ１の内面には溶
射皮膜が順次形成される。ところで、この溶射中、溶射
粒子の一部はシリンダライナ１の内面からはね返るが、
溶射点の近傍にスリーブ５の一端が常時臨んでいるの
で、このはね返った粒子のほとんどはスリーブ５内に拡
散し、該スリーブ５の内面に付着するようになる。

【００１４】具体的には、シリンダライナ１として鋳鉄
製で内径80mm（肉厚２mm）のものを、スリーブ５として
鋼製で外径79.6mm（肉厚1.5mm ）のものを、溶射材とし
て高炭素ステンレス鋼粉末（平均粒径70μm ）をそれぞ
れ用い、また溶射条件として、Ａr ガス：40リットル／
分，Ｈ₂ ガス：７リットル／分，電流：450 Ａ，電圧：
60Ｖ，粉末供給量：50ｇ／min ，溶射ガン移動速度：50
0 mm／min ，シリンダライナ回転速度：500 rpm の各条
件を選択して、上記した要領で溶射を行い、シリンダラ
イナ１の内面に厚さ0.2 mmの溶射皮膜を形成し、これを
品質試験に供した。品質試験は、溶射始端側と終端側に
おける溶射皮膜について、その顕微鏡組織を観察すると
共に、皮膜中に占める酸化物量、皮膜の表面粗さおよび
皮膜の密着強さを測定し、併せて溶射材の歩留りを求め
る内容とした。試験結果は後に詳述する。

【００１５】実施例２図２に示すように、スリーブ５をブラケット９を介して
直接溶射ガン４に支持させ、上記実施例１と同様の条件
でシリンダライナ１の内面に溶射を行い、これを実施例
１と同様の品質試験に供した。本実施例においては、上
記した連結部材６やスライドガイド７が不要になるの
で、装置構成が簡単となるばかりか、被溶射物（シリン
ダライナ１）の周りにスペース余裕がない場合にも有効
に対処できる利点がある。

【００１６】実施例３スリーブ５として、外径78mm（肉厚1.5mm ）のものを用
いる以外は実施例２と同一の態様でかつ同一条件を採用
し、実施例１と同様に溶射を行い、これを実施例１と同
様の品質試験に供した。

【００１７】実施例４図３および図４に示すように、内燃機関用のシリンダブ
ロック10を対象として、このシリンダブロック10を回転
テーブル11に縦置きに支持し、溶射ガン４を上方からシ
リンダブロック10のボア10ａ内に挿入可能とし、一方、
スリーブとしては、テレスコピック式に伸縮可能なフレ
キシブルスリーブ12を用い、これを実施例２と同様にブ
ラケット９を介して溶射ガン４に連結する。溶射に際し
ては、シリンダブロック10のスカート部10ｂ内にスリー
ブ12の下端を受ける横桟13を配置し（図４）、回転テー
ブル11を所定の速度で回転させながら溶射ガン４を所定
の速度で下降させる。すると、溶射ガン４の下降に応じ
てスリーブ12が次第に縮小し、したがってシリンダブロ
ック10のボア10ａの内面の前面に対して有効に溶射皮膜
を形成することができる。すなわち、スリーブ12の移動
に制限を受けるような場合でも、有効に内面溶射を実行
できるようになる。しかして、本実施例においても、上
記実施例１と同様の溶射条件でシリンダブロック10のボ
ア10ａの内面に溶射を行い、これを実施例１と同様の品
質試験に供した。

【００１８】実施例５図５に示すように、シリンダブロック10のボア10ａに挿
入するスリーブとして、剛体部16とじゃ腹式の伸縮部17
とから成るフレキシブルスリーブ15を用い、その剛体部
16をブラケット９を介して溶射ガン４に連結すると共
に、その伸縮部17をシリンダブロック10内の横桟13に着
座させ、他は実施例４と同様の態様でシリンダブロック
10のボア10ａの内面に溶射を行い、これを実施例１と同
様の品質試験に供した。

【００１９】実施例６図６に示すように、溶射ガンとしてノズルの口向き（溶
射角度）を被溶射物であるシリンダライナ１の軸線に対
して４５度に傾斜させたもの４´を用いると共に、スリ
ーブとしてスリーブ本体21の外周面にコーティング層22
を設けた複合スリーブ20を用い、スリーブ20は、実施例
２と同様にブラケット９を介して溶射ガン４´に支持さ
せ、かつシリンダライナ１の内面に密接するように該シ
リンダライナに挿入するようにした。また、溶射ガン４
´に対向する側のスリーブ20の開口を段付きの蓋体23に
より閉じ、かつスリーブ20の溶射点付近に臨む前側下面
と後端部付近の下面とにスリット24、25を設け、さら
に、スリーブ20の後端に集塵機等の吸引手段に結ぶダク
ト26を接続した。すなわち、スリーブ20内には前記吸引
手段の作動により、各スリット24、25からダクト26内に
向かう空気の流れが形成されるようになっている。

【００２０】本実施例において溶射角度を４５度とした
溶射ガン４´を用いたのは、溶射距離を延ばして溶射粒
子の溶融を促進することを意図してのことである。すな
わち、口径の小さい被溶射物（シリンダライナ１）を対
象とした場合は、溶射距離に制限を受けるため、熱源の
フレーム中における溶射粒子の停滞時間が短くなり、粒
子の溶融が不充分となってそのはね返りが多くなる。し
たがって、本実施例のように溶射角度４５度とした場合
は、これを軸線と直角（９０度）に設定した場合（実施
例１〜５）に比べて溶射距離を延ばすことができ、その
分、溶射粒子の溶融が促進されて歩留りが向上すること
になる。ただし、このようにノズルの口向きを傾斜させ
た場合は、溶射粒子を含むフレームに被溶射物の軸線方
向の速度（ベクトル）が存在するため、図７に示すよう
に、溶射粒子を含むフレームが被溶射物の内面に沿って
流れ、スリーブと被溶射物との間の隙に粒子が侵入し易
くなる。そこで、本実施例では、スリーブ本体21の外周
面にコーティング層22を設けた複合スリーブ20を用い、
その隙を埋めて溶射粒子の侵入を防止するようにしたの
である。しかして、前記コーティング層22は、こゝでは
溶射によって形成し、その溶射材としては被削性に優れ
た材料、例えばＡl −Ｓi −ポリエステル、Ａl −グラ
ファイト、Ｎi −グラファイト、Ａl ブロンズ−ポリエ
ステル等を選択している。

【００２１】このように構成した本実施例６において
は、先ずシリンダライナ１を所定の回転速度で回転させ
ると共に、吸引手段を作動させてシリンダライナ１内を
吸気し、続いて溶射ガン４´から溶射粒子８を発射する
と、溶射粒子８は、シリンダライナ１の軸線に対して４
５度方向に流れてシリンダライナ１の内面に衝突する。
この時、シリンダライナ１の内面に沿って溶射粒子８が
流れようとするが、シリンダライナ１とスリーブ本体21
との間にはコーティング層22が介在しているので、溶射
粒子８は、スリーブ20の一方のスリット24からスリーブ
20内に入り、その多くはダクト26を通じて吸引手段へと
吸引される。一方、シリンダライナ１の回転とスリーブ
20の軸線方向への移動によりコーティング層22の表面が
部分的に研削され、研削くずが発生するが、この研削く
ずも前記スリット24からスリーブ20内に入り、吸引手段
へと排出される。したがって、溶射皮膜25中にコーティ
ング層22の素材としての溶射材（コーティング材）が該
溶射皮膜25中に巻込まれることはなくなる。また、溶射
方向を４５度としたので、溶射粒子の溶融が促進され、
歩留りが向上する。近年開発の高速燃焼方式（HVOF）で
は、溶射粒子の飛行速度が非常に速く（プラズマ溶射の
３〜４倍： 400〜1000ｍ／ｓ）、溶射粒子のはね返りに
よる歩留まりの低下が問題になっているが、このような
場合に特に有効となる。

【００２２】具体的には、シリンダライナ１として鋳鉄
製で内径80mm（肉厚２mm）のものを、スリーブ本体21と
して鋼製で外径78mm（肉厚1.5mm ）のものを、コーティ
ング層22の溶射材としてＮi −グラファイトを、溶射ガ
ン４´からの溶射材として高炭素ステンレス鋼粉末（平
均粒径70μm ）をそれぞれ用い、実施例１と同一の溶射
条件を選択して、上記した要領で溶射を行い、シリンダ
ライナ１の内面に厚さ0.2 mmの溶射皮膜を形成し、これ
を実施例１と同様の品質試験に供した。なお、図８はコ
ーティング層22の顕微鏡組織を示したもので、図中、白
色部分はＮi 相を、黒色部分はグラファイト相をそれぞ
れ表している。

【００２３】実施例７ダクト26を通じての吸気を省略した以外は、実施例６と
同一の態様でかつ同一の条件で溶射を行い、これを実施
例１と同様の品質試験に供した。

【００２４】実施例８実施例６の構成からコーティング層22を省略すると共
に、ダクト26を通じての吸気を省略し、実施例６と同一
の条件で溶射を行い、これを実施例１と同様の品質試験
に供した。

【００２５】比較例１実施例１と同様にシリンダシリンダライナ１を対象に、
スリーブ５を用いることなく、シリンダライナ１内に外
部から圧縮空気（4.5 kg／cm² ）を吹き込む従来の方法
により、実施例１と同様の溶射条件で溶射を行い、これ
を実施例１と同様の品質試験に供した。

【００２６】比較例２実施例３と同様にシリンダブロック10を対象に、スリー
ブ12を用いることなくシリンダブロック10内に外部から
圧縮空気（4.5 kg／cm² ）を吹き込み、実施例１と同様
の溶射条件で溶射を行い、これを実施例１と同様の品質
試験に供した。

【００２７】試験結果下表は、上記実施例１〜８および比較例１，２について
の品質試験結果を示したものである。同表に示す結果よ
り、溶射始端側の溶射品質は本実施例１〜８と比較例
１，２との間にほとんど差がないものの、溶射終端側で
は両者の間に大きな差が認められる。すなわち、溶射終
端側では、比較例１，２における溶射皮膜に占める酸化
物量すなわち酸化物面積率が著しく増大するばかりか、
表面粗さ、密着強度も大きく低下している。かゝる品質
の差は、溶射に伴うはね返り粒子の存在によりもたらさ
れたもので、本各実施例の場合は、はね返り粒子がスリ
ーブ５、12、15または20に捕捉される結果、溶射始端側
と終端側で溶射品質にほとんど差がなくなり、一方、比
較例１による場合は、このはね返り粒子が溶射終端側に
向かうにしたがってシリンダライナ１の内面に多く堆積
し、結果として前記したように溶射終端側で溶射品質が
著しく悪化したのである。

【００２８】このことは、図９〜図１１に示す組織の顕
微鏡観察結果からも明らかである。すなわち、図９およ
び図１０は、実施例１で形成した溶射皮膜の溶射始端側
（図９）と溶射終端側（図１０）における表層部の組織
を、図１１は比較例１の溶射終端側における表層部の組
織を示したもので、実施例１の場合は溶射始端側、終端
側ともにはね返り粒子（酸化物層）の存在はほとんど認
められないのに対し、比較例１の場合は、溶射終端側で
大きな酸化物層Ｃが認められている。また、はね返り粒
子を確認するため、比較例１において途中で溶射を中止
し、シリンダライナ１の他端側の溶射を実施してない部
分を顕微鏡で観察した結果、図１２に示すように酸化さ
れたはね返り粒子の積層Ｃ´が認められた。なお、図９
〜図１１中、Ａは溶射皮膜層を、Ｂは基地をそれぞれ表
している。

【００２９】

【表】

【００３０】また、上表における比較例１と比較例２と
の比較より、比較例２における溶射終端側の品質が比較
例１におけるそれに比して一層悪化しているが、これ
は、シリンダブロック10の場合、一端が閉鎖されている
ため圧縮空気の流通が不充分となり、はね返り粒子が巻
き込まる機会が増したためであると推量される。

【００３１】また、上表における実施例１〜５と実施例
６〜８との比較より、溶射角度を４５度と小さく設定
（実施例６〜８）した方が、溶射角度を９０度に設定
（実施例１〜５）した場合よりも溶射材料の歩留りが増
大している。これは、溶射角度を４５度に設定すること
により溶射距離が延び、溶射粒子の溶融が促進されたこ
とによるものである。

【００３２】また、上表における実施例１〜３および８
と実施例６，７との比較より、表面にコーティング層22
を設けた複合スリーブ20を用いた実施例６，７の方が、
コーティング層を設けない実施例１〜３および８よりも
酸化物の面積率が低下しかつ表面粗さが向上している。
これは、コーティング層22の存在によりはね返り粒子の
捕捉がより確実になったことによるものである。

【００３３】また、上表における実施例６と実施例７と
の比較より、吸引手段によりスリーブ内を吸気する実施
例６の方が吸気を省略した実施例７よりも密着強度が増
大している。これは、スリーブ内を吸気することによ
り、コーティング層22の研削くずが系外に排出され、結
果として溶射皮膜25（図６）中へのコーティング材の巻
込みが抑制されたためである。

【００３４】さらに、上表における実施例２と実施例３
との比較より、シリンダライナ１とスリーブ５との間の
隙を1.0 mmに設定した実施例３の方が該隙を0.2 mmに設
定した実施例２より溶射品質が低下しており、当然のこ
ととして該隙はできるだけ小さく設定するのが望ましい
ことが分かる。

【００３５】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
かゝる管状部材内面への溶射方法によれば、溶射ガンと
同期して移動するスリーブ内にはね返り粒子を捕捉し
て、管状部材内面へのはね返り粒子の付着を抑制できる
ので、溶射品質に優れた溶射皮膜を形成できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例で用いる溶射装置の構造を
模式的に示す断面図である。

【図２】本発明の第２実施例で用いる溶射装置の構造を
模式的に示す断面図である。

【図３】本発明の第４実施例で用いる溶射装置の構造を
模式的に示す断面図である。

【図４】図３の一部を拡大して示す断面図である。

【図５】本発明の第５実施例で用いる溶射装置の構造を
模式的に示す断面図である。

【図６】本発明の第６実施例で用いる溶射装置の構造を
模式的に示す断面図である。

【図７】第６実施例における溶射粒子の流れを示す模式
図である。

【図８】第６実施例におけるコーティング層の組織を示
す顕微鏡写真である。

【図９】第１実施例により形成した溶射皮膜の組織を示
す顕微鏡写真である。

【図１０】第１実施例により形成した溶射皮膜の組織を
示す顕微鏡写真である。

【図１１】従来の方法により形成した溶射皮膜の組織を
示す顕微鏡写真である。

【図１２】従来の方法によるはね返り粒子の組織を示す
顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１シリンダライナ（管状部材）４溶射ガン４´溶射ガン５スリーブ 10 シリンダブロック（管状部材） 12 テレスコピック式スリーブ 15 じゃ腹式スリーブ 20 複合スリーブ 22 コーティング層 24 スリット

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】管状部材に、その内面形状に合ったスリ
ーブを挿入し、該スリーブの一端を溶射点付近に臨ませ
た状態を維持して、該スリーブを溶射ガンの移動方向へ
これと同期して移動させることを特徴とする管状部材内
面への溶射方法。
【請求項２】スリーブとして、管状部材の内面との間
にわずかの隙を形成する大きさのものを用い、これを前
記隙を維持するように管状部材に挿入することを特徴と
する請求項１に記載の管状部材内面への溶射方法。
【請求項３】スリーブとして、外周面に被削性に優れ
た材料からなるコーティング層を設けたものを用い、こ
れを管状部材の内面に密接するように該管状部材に挿入
することを特徴とする請求項１に記載の管状部材内面へ
の溶射方法。