JP3978512B2

JP3978512B2 - 溶射温度可変型の高速溶射装置

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Publication number: JP3978512B2
Application number: JP2003209398A
Authority: JP
Inventors: 龍宏尾崎; 英昭永吉; 博昭古田
Original assignee: Fujico Co Ltd
Current assignee: Fujico Co Ltd
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP2005068457A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物に対し、この対象物とは異なる材質の溶射原料を高速度の火炎で吹き付けて溶射皮膜を形成する溶射温度可変型の高速溶射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特許文献１のように、高速火炎溶射装置を利用して、対象物に金属や金属酸化物などの溶射原料を噴出させ、この対象物に溶射皮膜を形成することが行われている。
ここで、高融点の溶射原料に使用可能な火炎溶射装置としては、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、溶射材料の加熱用燃料として灯油及び純酸素を使用するＨＶＯＦ（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙＯｘｙｇｅｎＦｕｅｌ）方式の高速溶射装置（以下、単にＨＶＯＦとも言う）、また低融点の溶射原料に使用可能な火炎溶射装置としては、図１５に示すように、純酸素の代わりに空気（酸素２１％、窒素７９％）を使用するＨＶＡＦ（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙＡｉｒＦｕｅｌ）方式の高速溶射装置（以下、単にＨＶＡＦとも言う）が、それぞれ提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１３８０８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した各方式の火炎溶射装置には、以下の問題がある。
ＨＶＡＦ方式での燃焼熱量は、ＨＶＯＦ方式の約３０％となるため、溶射原料の特性によってはその軟化が不十分になり、形成した溶射皮膜に十分な表面処理性状が得られない問題が発生する恐れがある。また、ＨＶＡＦ方式は、ＨＶＯＦ方式に比べ、純酸素に対する空気量が２倍以上と多いため、ＨＶＯＦ方式の方が溶射原料の噴射速度が小さく、ＨＶＡＦ方式では適切な溶射皮膜を形成できない問題がある。
そして、現段階でのＨＶＯＦ方式では、火炎の燃焼温度が２０００℃近くまで上昇するため、低融点の溶射原料に対しては加熱温度が高過ぎる。このため、溶射原料に、例えば、酸化が生じたり、熱分解が生じたり、組成が変化したり、また揮発する恐れ等の問題が生じる。
これに対して、ＨＶＡＦ方式は燃焼温度が１７００℃以下であるため、ＷＣ系（タングステンカーバイト系）の高融点の溶射原料に対しては、軟化のための加熱温度が不十分である。
【０００５】
ここで、加熱温度については、ＨＶＯＦ方式で使用する純酸素量に対する灯油量を減少させることで、低下させることも考えられる。しかし、この場合、例えば、火炎溶射装置の燃焼圧力及び溶射原料の溶射速度が低下するため、安定した溶射作業を実施できなかったり、また対象物に形成した溶射皮膜に酸化の傾向が顕著に現れ、形成した溶射皮膜の品質が悪くなるという問題があった。
このように、各方式の火炎溶射装置では、その使用にあっては一長一短があり、使用する溶射原料の特性に応じて各方式の火炎溶射装置を選択しなければならず、作業性が悪かった。また、各方式の火炎溶射装置を所持しなければ、高融点又は低融点の溶射原料の溶射を適切に行うことができず、設備コストがかかり経済的でなかった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶射原料の特性に応じた溶射条件に対応でき、良好な品質の溶射皮膜を形成可能な溶射温度可変型の高速溶射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置は、酸素ガス及び燃料によって形成された高速の火炎と共に、溶射原料を対象物に対して噴出して溶射皮膜を形成する噴出手段を備えた高速溶射装置において、
前記噴出手段の上流側には、所定の混合比率に調整された前記酸素ガス及び空気を予め混合して混合ガスを製造する混合手段が設けられ、
前記酸素ガス量に対する前記燃料量又は前記燃料量に対する前記酸素ガス量を増減させて、前記火炎の温度を変える。
ここで、溶射原料としては、例えば、サーメット材料（ＷＣ−１２Ｃｏ、Ｃｒ₃ Ｃ₂ ）、セラミック等の高融点のもの、また自溶性合金、純金属（Ｆｅ、Ａｌなど）、ＴｉＯ₂ 、ＮａＣｏ₂ Ｏ₄ 、ＺｎＯ、プラスチック等の低融点のものを使用できる。
このように、混合手段によって酸素ガスと空気とを予め混合し、この混合ガスを噴出手段へ供給するので、例えば、酸素ガス量に対する燃料量を減少させて、火炎の温度を低温に調整した場合に、噴出手段の燃焼圧力及び溶射原料の溶射速度の低下を抑制し、また対象物に形成した溶射皮膜の酸化を抑制できる。
また、混合手段によって酸素ガス及び空気を略均一な状態に混合した混合ガスを噴出手段へ供給して火炎を形成するので、混合の不均一に起因する火炎の揺らぎ等の発生を抑制、更には防止できる。
【０００７】
前記目的に沿う第２の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置は、第１の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記燃料を供給する燃料用配管を備えた前記噴出手段には、更に、前記混合ガスを該噴出手段に供給する混合ガス用配管と、前記溶射原料を前記噴出手段に供給する溶射原料用配管とがそれぞれ個別に接続され、形成された前記火炎中に前記溶射原料を投入する。
このように、溶射原料は、形成された火炎中に投入されるので、溶射条件による溶射原料自体の溶融状況の変化を小さくでき、噴出される溶射原料の溶射速度を超音速に維持しながら、融点の異なる材料の種類に応じた温度制御を行うことが可能となる。また、例えば、噴出手段へ混合ガスと共に溶射原料が投入された場合のように、溶融した溶射原料がその投入口へ付着する問題を防止できる。
【０００８】
前記目的に沿う第３の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置は、第１及び第２の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記酸素ガス量と前記燃料量を一定とし、前記混合ガス中の前記空気の量を、目的とする前記火炎の温度に応じて０以上１００体積％以下に設定する。
このように、混合ガス中の空気量を、目的とする火炎の温度に応じて設定するので、例えば、燃料量を減少させて火炎の温度を低温に調整した場合に、噴出手段の燃焼圧力及び溶射原料の溶射速度の低下を抑制し、また対象物に形成した溶射皮膜の酸化を更に抑制できる。
なお、混合ガス中の空気量を増加させた場合においても、安定して溶射を行うためには、混合ガス中の空気量を７５体積％以下、更には５０体積％以下にすることが好ましい。
【０００９】
前記目的に沿う第４の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置は、第１〜第３の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記混合手段には、高圧に調整した前記酸素ガスを前記混合手段へ供給する酸素ガス用供給管と、高圧に調整した前記空気を前記混合手段へ供給する空気用供給管とがそれぞれ個別に接続され、前記酸素ガス及び前記空気のいずれか一方の流入によって他方のガスの流入を容易にする。
このように、混合手段に流入する酸素ガス及び空気のいずれか一方の流入によって、混合手段への他方のガスの流入を容易にするので、例えば新たな装置を設けることなく容易に各ガスの配合ができ、設備コストの低減を図ることができる。
【００１０】
前記目的に沿う第５の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置は、第４の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記混合手段は下流側に、更にスタティックミキサを有する。
このように、混合手段は下流側にスタティックミキサを有するので、酸素ガスと空気との混合を、容易に略均一にすることができる。
【００１１】
前記目的に沿う第６の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置は、第４及び第５の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記空気用供給管の上流側端部には、前記空気を高圧にして前記混合手段へ供給する空気圧縮手段が設けられ、該空気圧縮手段の上流側には、該空気圧縮手段から前記混合手段へ供給される前記空気の圧力変動を抑制するため、外部の空気を前記空気圧縮手段に安定供給可能な貯蔵タンクが設けられている。
このように、空気圧縮手段の上流側には、外部の空気を空気圧縮手段へ安定供給可能な貯蔵タンクが設けられているので、空気圧縮手段から混合手段へ供給される高圧の空気の圧力変動を抑制し、混合手段へ高圧となった空気の安定供給を行うことができる。
【００１２】
前記目的に沿う第７の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置は、第６の発明に係る溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記空気用供給管には、前記空気中の不純物を除去する濾過手段が設けられている。
このように、空気用供給管には、濾過手段が設けられているので、例え空気中に不純物である粉塵等が混入した場合においても、清浄化された高圧の空気を混合手段に供給できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る溶射温度可変型の高速溶射装置の説明図、図２は同高速溶射装置の噴出手段の説明図、図３は同高速溶射装置の混合手段の説明図、図４は各測定位置における火炎の測定温度と灯油量との関係を示す説明図、図５は各測定位置における火炎の測定温度と酸素ガス量との関係を示す説明図、図６は灯油と酸素ガスとの混合比率を変化させた場合の燃焼温度の説明図、図７は混合ガス中の空気量と火炎の測定温度との関係を示す説明図、図８は各測定位置における火炎の測定温度を示す説明図、図９（Ａ）〜（Ｃ）、図１０（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ溶射した溶射皮膜のＸ線解析結果の説明図、図１１は酸素ガスと空気との混合比率の変化によって形成される溶射皮膜の厚みの変化を示す説明図、図１２は同溶射皮膜の硬度の変化を示す説明図、図１３は酸素ガスと空気との混合比率の変化によるフレーム特性の説明図である。
【００１４】
図１〜図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る溶射温度可変型の高速溶射装置（以下、単に高速溶射装置ともいう）１０は、酸素ガス１１及び燃料１２によって形成された高速の火炎（フレーム）１３と共に、溶射粉末（溶射原料の一例）１４を対象物１５（例えば、鉄、鉄合金などの金属等）に対して噴出して溶射皮膜を形成する噴出手段（溶射ガンバレル）１６を備えた装置であり、噴出手段１６の上流側には、所定の混合比率に調整された酸素ガス１１及び空気１７を予め混合して混合ガス１８を製造する混合手段１９が設けられ、酸素ガス１１量に対する燃料１２量又は燃料１２量に対する酸素ガス１１量を増減させて、火炎１３の温度を可変可能に調整している。以下、詳しく説明する。
【００１５】
図１、図２に示すように、噴出手段１６は、外形が円筒状で、その周囲を冷却水２０が流れる２重構造となったケーシング２１を備えており、このケーシング２１の基部には燃焼室２２が設けられ、この燃焼室２２には、燃焼室２２に連通し、その径が基部よりも小くなった火炎形成部２３が設けられている。この燃焼室２２の基端部には、燃焼室２２内部に混合ガス１８を噴出する複数の混合ガス用供給口２４、及び図示しない燃料調整用手段（例えば、バルブ）を介して供給される燃料１２を噴出する複数の燃料用供給口２５が設けられ、燃焼室２２内で混合ガス１８と燃料１２とを拡散し混合することが可能となっている。この複数の混合ガス用供給口２４には、混合ガス用配管２６が接続され、また燃料用供給口２５には、燃料用配管（図示しない）がそれぞれ接続されている。また、ケーシング２１の基端部には、点火プラグ２７が設けられている。
【００１６】
これにより、混合ガス用配管２６を介して混合ガス用供給口２４から燃焼室２２内部に供給された混合ガス１８と、燃料用配管を介して燃料用供給口２５から燃焼室２２内部に供給された燃料１２とが、燃焼室２２内部で拡散され混合された後、点火プラグ２７によって着火され、火炎形成部２３の先側開口部２８へ向かって火炎１３が形成される。
【００１７】
なお、混合ガス１８中の空気１７の量は、酸素ガス１１量に対する燃料１２量に応じて、０以上１００体積％以下に設定される。ここで、高融点の溶射粉末である例えば、サーメット材料（ＷＣ−１２Ｃｏ、Ｃｒ₃ Ｃ₂ ）、セラミック等を溶射に使用する場合は、酸素ガス１１量に対する燃料１２量を増加させ、混合ガス１８中の空気１７の量を低減させて（０体積％、又は０体積％に近づけて）、火炎１３の温度を高温にする。一方、低融点の溶射粉末である例えば、自溶性合金、純金属（Ｆｅ、Ａｌなど）、ＴｉＯ₂ 、ＮａＣｏ₂ Ｏ₄ 、ＺｎＯ、プラスチック等を溶射に使用する場合は、酸素ガス１１量に対する燃料１２量を減少させ、混合ガス１８中の空気１７の量を増加させて（１００体積％に近づけて）、火炎１３の温度を低温にすると共に、噴出手段１６の燃焼圧力及び溶射粉末１４の溶射速度の低下を抑制し、また対象物１５に形成した溶射皮膜の酸化を抑制する。なお、溶射粉末１４の粒径は、例えば数百μｍ以下、更には数十μｍ以下のものである。
また、燃料１２としては、液体燃料又は気体燃料を使用することができ、例えば、灯油、ディーゼル油などの石油化学製品のような芳香族化合物、ブタン、エチルエーテルなどのような脂肪族化合物等を使用できる。
【００１８】
ケーシング２１の火炎形成部２３の基側周辺部には、溶射粉末１４を噴出手段１６に供給する複数の溶射粉末用配管（溶射原料用配管の一例）２９が設けられ、ケーシング２１内で形成された火炎１３中に、溶射粉末１４が投入可能になっている。
このように、溶射粉末用配管２９と混合ガス用配管２６とが、噴出手段１６に対してそれぞれ個別に接続されているので、例えば、溶射粉末１４を、形成された火炎１３中に投入でき、噴出される溶射粉末１４の溶射速度を超音速に維持しながら、融点の異なる溶射粉末１４の種類に応じた温度制御を行うことが可能となる。
【００１９】
図１、図３に示すように、混合手段１９には、酸素ガス１１が流入する管状となった酸素ガス用流入部３０と、この酸素ガス用流入部３０の側方から連通し、空気１７が流入する管状となった空気用流入部３１とを有する流入部３１ａが上流側に設けられ、この流入部３１ａに連通し、酸素ガス１１及び空気１７を混合するスタティックミキサ３２が下流側に設けられている。なお、混合手段１９はスタティックミキサ３２を削除することもできる。
この酸素ガス用流入部３０の上流側端部には、高圧（例えば、１５〜２０ｋｇ／ｃｍ² ）に調整した酸素ガス１１を混合手段１９へ供給する酸素ガス用供給管３３が、また空気用流入部３１の上流側端部には、高圧（例えば、１５〜２０ｋｇ／ｃｍ² ）に調整した空気１７を混合手段１９へ供給する空気用供給管３４が、それぞれ個別に接続され、その各接続部分には酸素ガス１１及び空気１７の供給量を調整可能なバルブ３５、３６がそれぞれ設けられている。なお、空気用供給管３４には、混合手段１９への空気１７の流入量を測定する流量計３７が設けられている。
また、スタティックミキサ３２の下流側端部には、混合ガス用供給管３８が接続され、その接続部分にも、混合ガス１８の供給量を調整可能なバルブ３９が設けられている。
【００２０】
このスタティックミキサ３２の内部には、長方形の板を鋭角に折り曲げたエレメントを、長手方向に渡って交互に直交した状態で複数連接させた撹拌部（図示しない）が、スタティックミキサ３２の軸心を中心として回転自在に配置され、空気用流入部３１から流入する空気と、酸素ガス用流入部３０から流入する酸素ガスとを連続的に、分割、反転、転換して実質的に均一に混合した後、混合ガス用供給管３８へ搬送できる。なお、撹拌部としては、長方形の板を１８０度ねじった形状のエレメントを、長手方向に渡って交互に直交した状態で連結したものを使用することもできる。
これにより、混合手段１９に流入する酸素ガス１１及び空気１７のいずれか一方の流入によって、例えば各ガスの圧力差により他方のガスの流入を容易かつスムーズにできる。
【００２１】
空気用供給管３４の上流側端部には、空気１７を高圧にして混合手段１９へ供給するコンプレッサー（空気圧縮手段の一例）４０が設けられている。
このコンプレッサー４０としては、高圧にした空気１７の流量を一定に保ち、その流量に脈動が生じないように連続運転できる小容量のブースター・コンプレッサーを使用でき、その仕様が、例えば、回転速度：７９０ｒｐｍ、吸入圧力：０．４〜０．７ＭＰａ、吸出空気量：５３０±２７Ｌ／ｍｉｎ、吸い込み圧力：０．８３〜０．９３ＭＰａ、作動圧力：２．２５〜２．４５ＭＰａ、吹き出し圧力：最小１．５５ＭＰａ、最大３．４３ＭＰａとなったものである。
【００２２】
このコンプレッサー４０の上流側には、コンプレッサー４０から混合手段１９へ供給する空気１７の圧力変動を抑制するため、外部の空気１７を混合手段１９に安定供給可能なレシーバータンク（貯蔵タンクの一例）４１が設けられている。また、酸素ガス用供給管３３の上流側端部には、高圧となった酸素ガス１１を貯留した複数の酸素ボンベ（図示しない）を備える酸素カードル（酸素貯留タンク）４２が設けられている。
なお、空気用供給管３４には、空気１７を洗浄して乾燥し、空気中の不純物を除去するミクロンフィルター（濾過手段の一例）４３が設けられている。
これにより、溶射に使用する溶射粉末１４の種類に応じて、噴出手段１６に供給する混合ガス１８量、酸素ガス１１量、及び燃料１２量を制御部４４によって制御し、噴出手段１６へ供給して、溶射作業を実施する。
以上のように、１台の高速溶射装置１０を使用して、火炎１３の温度を高温から低温の範囲に調整できるので、高融点の溶射原料を溶射できると共に、低融点の溶射原料も溶射できる。このため、従来、低融点の溶射原料を溶射する場合に生じていた溶射原料の熱分解、組成の変化、揮発等を抑制、更には防止して溶射作業を実施できる。
【００２３】
【実施例】
本実施の形態に係る溶射温度可変型の高速溶射装置１０を使用し、試験を行った結果について説明する。
まず、フレーム温度制御の確証にあたり、フレーム温度の測定位置を、溶射ガンバレル先端よりフレーム中心線上、２８０ｍｍ、３００ｍｍ、３５０ｍｍ、４５０ｍｍの各位置に決定し、各条件におけるフレーム温度の測定を行った。なお、溶射粉末の投入及び空気の混合は行わず、各条件に設定した後、溶射を５〜６分保ち、熱電対（例えば、１０００℃程度まではＳＵＳ材、それ以外ではタングステン／レニウム（Ｗ−Ｗ・Ｒｅ）の熱電対）を用い、火炎に接触させ、平衡時の温度を測定した。
【００２４】
酸素ガス量を１５２０ｓｃｆｈ（４２．８６４ｍ³ ／ｈ）に設定し、燃料である灯油量を、完全燃焼（５．５ガロン／ｈ）、灯油量過剰（６．５ガロン／ｈ）、酸素ガス量過剰（３．５ガロン／ｈ）となるように調整した場合、図４に示すように、灯油量の減少に伴って、溶射ガンバレル先端より２８０ｍｍの位置では４５０℃程度、４５０ｍｍの位置では３５０℃程度、火炎の温度が低下することを確認できた。
また、灯油量を５．０（ガロン／ｈ）に設定し、酸素ガス量を、完全燃焼よりも過剰となる領域で、１９００ｓｃｆｈ（５３．５８ｍ³ ／ｈ）、１７００ｓｃｆｈ（４７．９４ｍ³ ／ｈ）、１５００ｓｃｆｈ（４２．３ｍ³ ／ｈ）へと減少させた場合、図５に示すように、酸素ガス量の減少に伴って、溶射ガンバレル先端より２８０ｍｍの位置では６５℃程度、４５０ｍｍの位置では３５℃程度、火炎の温度が上昇することを確認できた。
上記したように、完全燃焼時（酸素過剰係数：α＝１．０）を境にして、完全燃焼の場合よりも灯油量が過剰（α＜１．０）となった場合に温度が上昇すること、また完全燃焼の場合よりも酸素ガス量が過剰（α＞１．０）となった場合に温度が低下することは、図６の理論計算からも確認できる。
【００２５】
そして、混合ガス量を１９００ｓｃｆｈ（５３．５８ｍ³ ／ｈ）、灯油量を５．０（ガロン／ｈ）に設定し、溶射ガンバレル先端より３００ｍｍの位置で、混合ガスに空気が混合されていない（０体積％に設定した）場合、及び混合ガスに空気が混合された（２０体積％、３０体積％、４０体積％、５０体積％、７５体積％に設定した）場合のフレーム温度の測定を行った結果について、図７に示す。図７に示すように、混合ガス中の空気量が５０体積％までは、測定温度が僅かに上昇する傾向が得られ、更に空気量を７５体積％にすることで急激に上昇する結果が得られた。
【００２６】
また、混合ガス量を１９００ｓｃｆｈ（５３．５８ｍ³ ／ｈ）、灯油量を３．５（ガロン／ｈ）に設定し、混合ガスに空気が混合されていない（０体積％に設定した）場合、及び混合ガスに空気が混合された（２０体積％、３０体積％、４０体積％、５０体積％、７５体積％に設定した）場合のフレーム温度を、溶射ガンバレル先端より１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、及び３００ｍｍの各位置でそれぞれ測定した結果について、図８に示す。また、このときの各種測定結果を表１に示す。なお、表１中の温度差は、各測定位置において、混合ガスに空気を混合した場合のフレーム温度から空気が混合されていない場合のフレーム温度を差し引き、この求めた各温度から全測定位置の平均を求めたものである。ここで、フレーム温度の測定は、超音速流となったフレームの中に熱電対を配置して行っているため、熱電対の表面に摩擦熱が生じている。従って、実際のフレーム温度は、測定値よりも僅かに低くなっている。
【００２７】
【表１】

【００２８】
図８及び表１から判るように、混合ガスに混合する空気の混合比率を増加させることで、フレームの測定温度が上昇する傾向が確認された。このときのフレームの色は、混合ガスへの空気の混合比率の増加に伴って、青、白、黄色、オレンジという順に変化し、またフレーム長さの伸びも３９０ｍｍから４５０ｍｍへと伸びた。このとき、混合ガスへ混合する空気の混合比率を増加させても、燃焼圧力を８６〜８７ｐｓｉに維持できた。また、フレームの安定性については、空気の混合率を７５体積％とした場合に悪く（△）はなるが、使用しても問題無い程度であった。
以上のことから、酸素ガス量と灯油量との混合比率を変えることで、火炎の温度を容易に調整でき、しかも酸素ガスに空気を混合した場合においても、安定した溶射作業を実施できることを確認できた。
【００２９】
続いて、対象物である一般鋼（ＳＳ材）に、溶射粉末であるＮｉ基（ニッケル基）自溶性合金を溶射し、形成された溶射皮膜をＸ線解析した結果について説明する。
図９（Ａ）及び図１０（Ａ）は、酸素ガスのみ（空気の量０体積％）を用いた溶射皮膜のＸ線解析結果であり、安定した溶射条件で溶射を実施できたものであるが、図９（Ｂ）に示すように、空気の配合比率を２０体積％に設定した場合、また図９（Ｃ）に示すように、空気の配合比率を３０体積％に設定した場合のいずれにおいても、そのピークは酸素ガスのみを用いて溶射を行った場合のピークと略同様の結果が得られた。
また、図１０（Ｂ）に示すように、空気の配合比率を４０体積％に設定した場合、また図１０（Ｃ）に示すように、空気の配合比率を５０体積％に設定した場合のいずれにおいても、やはりそのピークは、酸素ガスのみを用いて溶射を行った場合のピークと略同様の結果が得られた。
従って、酸素ガスに空気を混合した場合においても、形成された溶射皮膜に、窒化物等の酸化物が形成されることなく、かつ被覆組織に相違なく、安定した溶射を行うことができたことを確認できた。
【００３０】
次に、酸素ガスと空気との混合比率の変化によって形成される溶射皮膜の厚みについて説明する。
図１１に示すように、空気の混合率の増加に伴って、溶射皮膜の平均膜厚（μｍ）は２９０μｍから１８０μｍへ、歩留り（％：使用した溶射原料量に対する成膜量）は５７％から３０．８９％へ、溶射１回（１ｐａｓｓ）当たりの膜厚は５０μｍから３０μｍへ、いずれも低下するが、品質特性に優れた溶射皮膜を形成できることを確認できた。
【００３１】
また、酸素ガスと空気との混合比率の変化によって形成される溶射皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ）について説明する。
図１２に示すように、空気の混合率の変化に関係なく、形成された溶射皮膜に略同等の硬度（Ｈｖ７７２．７〜Ｈｖ８０１．６）が得られたことが分かる。
このとき、酸素ガスと空気との混合比率の変化によるフレーム特性、即ち図１３に示すように、ビードパターン（ｍｍ）、燃焼圧力（ｐｓｉ）、及びフレーム長さ（ｍｍ）は、ビードパターンが１１〜１６（ｍｍ）、燃焼圧力が９４〜９５（ｐｓｉ）、フレーム長さが３１０〜４００（ｍｍ）となり、空気の混合率の増加に伴ってフレーム長さが長くなること以外、空気の混合率の変化による顕著な変化は認められなかった。
【００３２】
以上のことから、本発明の一実施の形態に係る溶射温度可変型の高速溶射装置を使用することで、使用燃料量と酸素ガス量の調整によって、高融点から低融点までの各溶射原料の溶射に対応可能で、高圧酸素ガスと高圧空気の混合によって、使用酸素ガス量を低減して省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００３３】
以上、本発明を、一実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の溶射温度可変型の高速溶射装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１〜７記載の溶射温度可変型の高速溶射装置においては、例えば、燃料量を減少させて、火炎の温度を低温に調整した場合に、噴出手段の燃焼圧力及び溶射原料の溶射速度の低下を抑制できるので、従来のように、使用する溶射原料の特性に応じて各方式の火炎溶射装置を選択することなく、１台の高速溶射装置であらゆる特性の溶射原料に応じた溶射を行うことができ、作業性が良好で、しかも設備コストを低減でき経済的である。これにより、溶射原料の組成に応じた適正な燃焼温度域で溶射作業を実施できるので、省エネルギー化を図ることができる。
また、対象物に形成した溶射皮膜の酸化を抑制でき、空気の混合の不均一に起因する火炎の揺らぎ等の発生を抑制、更には防止できるので、対象物に良好な品質の溶射皮膜を形成できる。
【００３５】
特に、請求項２記載の溶射温度可変型の高速溶射装置においては、噴出される溶射原料の溶射速度を超音速に維持しながら、融点の異なる材料の種類に応じた温度制御を行うことができるので、溶射原料の組成に応じた溶射を、更に最適な条件で実施できる。
また、例えば、低温度での溶射を行うことで、溶融した溶射原料がその投入口へ付着し、更に付着した溶射原料が対象物へ飛散するという問題を防止できるので、溶射の際の作業条件の変化を防止し、作業を安定して行うことができる。
【００３６】
請求項３記載の溶射温度可変型の高速溶射装置においては、噴出手段の燃焼圧力及び溶射原料の溶射速度の低下を抑制し、また対象物に形成した溶射皮膜の酸化を抑制できるので、対象物に更に良好な品質の溶射皮膜を形成できる。
請求項４記載の溶射温度可変型の高速溶射装置においては、例えば新たな装置を設けることなく、容易に酸素ガスへ空気を配合できるので、設備コストの低減を図ることができ、経済的である。
請求項５記載の溶射温度可変型の高速溶射装置においては、混合手段の下流側にスタティックミキサを設けるので、酸素ガスと空気との混合を、容易に略均一にすることができ、溶射を安定に行うことができる。
【００３７】
請求項６記載の溶射温度可変型の高速溶射装置においては、混合手段へ高圧となった空気の安定供給を行うことができるので、酸素ガスの供給量に起因する火炎の揺らぎ等の発生を抑制、更には防止でき、対象物に対して品質特性に優れた溶射皮膜を形成できる。
請求項７記載の溶射温度可変型の高速溶射装置においては、濾過手段が設けられているので、例え空気中に不純物である粉塵等が混入した場合においても、清浄化された高圧の空気を混合手段に供給でき、安定した溶射作業を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る溶射温度可変型の高速溶射装置の説明図である。
【図２】同高速溶射装置の噴出手段の説明図である。
【図３】同高速溶射装置の混合手段の説明図である。
【図４】各測定位置における火炎の測定温度と灯油量との関係を示す説明図である。
【図５】各測定位置における火炎の測定温度と酸素ガス量との関係を示す説明図である。
【図６】灯油と酸素ガスとの混合比率を変化させた場合の燃焼温度の説明図である。
【図７】混合ガス中の空気量と火炎の測定温度との関係を示す説明図である。
【図８】各測定位置における火炎の測定温度を示す説明図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ溶射した溶射皮膜のＸ線解析結果の説明図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ溶射した溶射皮膜のＸ線解析結果の説明図である。
【図１１】酸素ガスと空気との混合比率の変化によって形成される溶射皮膜の厚みの変化を示す説明図である。
【図１２】同溶射皮膜の硬度の変化を示す説明図である。
【図１３】酸素ガスと空気との混合比率の変化によるフレーム特性の説明図である。
【図１４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来例に係る火炎溶射装置の説明図である。
【図１５】従来例に係る火炎溶射装置の説明図である。
【符号の説明】
１０：溶射温度可変型の高速溶射装置、１１：酸素ガス、１２：燃料、１３：火炎、１４：溶射粉末（溶射原料）、１５：対象物、１６：噴出手段、１７：空気、１８：混合ガス、１９：混合手段、２０：冷却水、２１：ケーシング、２２：燃焼室、２３：火炎形成部、２４：混合ガス用供給口、２５：燃料用供給口、２６：混合ガス用配管、２７：点火プラグ、２８：先側開口部、２９：溶射粉末用配管（溶射原料用配管）、３０：酸素ガス用流入部、３１：空気用流入部、３１ａ：流入部、３２：スタティックミキサ、３３：酸素ガス用供給管、３４：空気用供給管、３５、３６：バルブ、３７：流量計、３８：混合ガス用供給管、３９：バルブ、４０：コンプレッサー（空気圧縮手段）、４１：レシーバータンク（貯蔵タンク）、４２：酸素カードル、４３：ミクロンフィルター（濾過手段）、４４：制御部

Claims

酸素ガス及び燃料によって形成された高速の火炎と共に、溶射原料を対象物に対して噴出して溶射皮膜を形成する噴出手段を備えた高速溶射装置において、
前記噴出手段の上流側には、所定の混合比率に調整された前記酸素ガス及び空気を予め混合して混合ガスを製造する混合手段が設けられ、
前記酸素ガス量に対する前記燃料量又は前記燃料量に対する前記酸素ガス量を増減させて、前記火炎の温度を変えることを特徴とする溶射温度可変型の高速溶射装置。
請求項１記載の溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記燃料を供給する燃料用配管を備えた前記噴出手段には、更に、前記混合ガスを該噴出手段に供給する混合ガス用配管と、前記溶射原料を前記噴出手段に供給する溶射原料用配管とがそれぞれ個別に接続され、形成された前記火炎中に前記溶射原料を投入することを特徴とする溶射温度可変型の高速溶射装置。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記酸素ガス量と前記燃料量を一定とし、前記混合ガス中の前記空気の量を、目的とする前記火炎の温度に応じて０以上１００体積％以下に設定することを特徴とする溶射温度可変型の高速溶射装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記混合手段には、高圧に調整した前記酸素ガスを前記混合手段へ供給する酸素ガス用供給管と、高圧に調整した前記空気を前記混合手段へ供給する空気用供給管とがそれぞれ個別に接続され、前記酸素ガス及び前記空気のいずれか一方の流入によって他方のガスの流入を容易にすることを特徴とする溶射温度可変型の高速溶射装置。
請求項４記載の溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記混合手段は下流側に、更にスタティックミキサを有することを特徴とする溶射温度可変型の高速溶射装置。
請求項４及び５のいずれか１項に記載の溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記空気用供給管の上流側端部には、前記空気を高圧にして前記混合手段へ供給する空気圧縮手段が設けられ、該空気圧縮手段の上流側には、該空気圧縮手段から前記混合手段へ供給される前記空気の圧力変動を抑制するため、外部の空気を前記空気圧縮手段に安定供給可能な貯蔵タンクが設けられていることを特徴とする溶射温度可変型の高速溶射装置。
請求項６記載の溶射温度可変型の高速溶射装置において、前記空気用供給管には、前記空気中の不純物を除去する濾過手段が設けられていることを特徴とする溶射温度可変型の高速溶射装置。