JP4184593B2 - 厚膜溶射皮膜の施工方法及び厚膜溶射皮膜とその皮膜を施したファンまたはブロワー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速フレーム溶射法によるサーメット材料の溶射施工方法に係り、安定した溶射皮膜を厚膜に施工するための前処理方法を特定したものであり、またその方法により施工した溶射皮膜とその皮膜を施したファンまたはブロワーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素鋼やステンレス鋼等の母材表面に耐摩耗性や耐腐食性を付与する表面被覆方法の代表的なものとして、硬質クロームメッキのほか各種の溶接肉盛法、プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法などがあげられる。特に耐摩耗性に重点を置いた用途の場合には、材質的に耐摩耗性に優れたセラミックスやサーメットの溶射が他の方法に比べ経済的であるとされ、多方面で適用されている。これら耐摩耗を目的としたセラミックスやサーメットの溶射の適用にあたっては、溶射材料の特性に合わせた溶射方法が選定され、融点の高いセラミックスの場合にはプラズマ溶射が、主に溶射粉末の投錨効果により被覆するサーメットの場合には形成される火炎が音速を越える様な高速フレーム溶射が主流となっている。特に近年、ＷＣ−ＣｏやＷＣ−ＮｉＣｒに代表されるサーメットの高速フレーム溶射が皮膜自体の緻密さや皮膜と母材または下盛との密着性が良好なことから多用されるようになった。
高速フレーム溶射に見るような溶射方法を各種の機械部品に実際に適用するにあたっては、外力や熱膨張による部品全体の変形などによって溶射皮膜の剥離が起きるため、従来より、より密着性のある溶射皮膜が要求されてきた。このような課題に対し、特開平１０−６８０５８号公報にあるような溶射材料自体の熱膨張量を調整して基材に対する溶射皮膜の密着性を上げる方法や、特開平９−１６５６６６号公報にあるような被溶射体を振動させ密着性を向上させる溶射方法など多数の開示がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の課題に加え、溶射皮膜の耐摩耗性能を長期間持続させるために、より厚膜の施工が望まれているが、これまで、厚膜溶射を施した場合には密着性が低下し、外力や熱膨張による部品全体の変形に対し、剥離しやすくなるという問題があり、厚膜溶射施工の実現は困難を極めていた。
さらに、硬い粉塵を含有するガスを処理するファン、ブロワーの翼板や主板は、この課題に直面する代表的な機械部品であり、そのメンテナンス負荷、修繕費用について改善が強く望まれていた。
本発明は、従来、困難とされてきた機械部品への厚膜溶射施工においても、十分な皮膜の密着性を有し、安定した厚膜溶射皮膜を得ることができる溶射施工方法及び溶射皮膜とそれを施したファンまたはブロワーを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような課題に対し、本発明の要旨とするところは、
（１）溶射皮膜の強度がσ_ａ［ＭＰａ］で皮膜内の残留応力がσ_１［ＭＰａ］となるサーメット材料を高速フレーム溶射により施工する方法において、溶射を施す面の残留応力σ_０［ＭＰａ］をσ_０−σ_１≦σ_ａとなるように調整した後、前記サーメット材料を溶射することを特徴とする厚膜溶射皮膜の施工方法。
（２）スチールグリッドにより溶射を施す面の残留応力を調整することを特徴とする前記（１）記載の厚膜溶射皮膜の施工方法。
（３）サーメット材料がＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＮｉＣｒ，Ｃｒ_３Ｃ_２−ＮｉＣｒ，ＣｏＣｒＡｌＹ，硼化物−ＷＣ−Ｃｏのいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の厚膜溶射皮膜の施工方法。
（４）前記溶射皮膜の厚さが０．１〜１００ｍｍであることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の厚膜溶射皮膜の施工方法。
（５）前記（１）〜（４）のいずれかの方法により施工されたことを特徴とする厚膜溶射皮膜。
（６）前記（５）記載の溶射皮膜を表面の一部または全部に施しことを特徴とするファンまたはブロワー。
【０００５】
【発明の実施の形態】
高速フレーム溶射によるＷＣ−ＣｏやＷＣ−ＮｉＣｒに代表される耐摩耗用サーメット材料の溶射では、その溶射皮膜の内部に残留する応力は圧縮であり、また膜厚を厚くすることによってその値は圧縮側に大きくなることが知られている。一方、高速フレーム溶射を施す面となる母材や下盛金属も残留応力を有しており、特に、溶接肉盛やワイヤーメタライジング法（ワイヤー材料にアークを発生させワイヤー自体を溶かしながら溶射する）による溶射では残留応力は引張りとなる。
ここで、引張りの残留応力を有する母材や下盛材の表面に高速フレーム溶射でサーメット材の溶射皮膜を施工することを考え、溶射皮膜の残留応力をσ_１［ＭＰａ］（圧縮ではマイナス、引張りではプラス）とし、溶射を施す面の残留応力をσ_０［ＭＰａ］（圧縮ではマイナス、引張りではプラス）とする。また、このときの溶射皮膜の強度をσ_ａとする。
【０００６】
溶射の膜厚ｔを大きく、即ち厚膜にしていくとσ_１はマイナス側に大きな値を示す（すなわち、σ_１はｔの関数として表せる）ようになり、σ_０とσ_１の差が大きくなる。この差は、溶射皮膜を基準に考えると、溶射皮膜と溶射を施す面の境界に働く引張り力となるが、この値が溶射皮膜の強度σ_ａ［ＭＰａ］を越えたとき、溶射皮膜にクラックが生じる。すなわち、σ_０−σ_１＞σ_ａのときクラックが生じる。
このクラックは溶射皮膜の表面には至らない場合が多く、通常、内部クラックとして溶射皮膜内部に多数分布するようになる。このような内部クラックがある状態で外力や熱膨張による変形が溶射皮膜を施した機械部品に加わると溶射皮膜は容易に破壊され、ついには剥離に至る。この、溶射施工時から存在する内部クラックが、厚膜に施工した際に溶射皮膜の密着性が悪化する原因であることを本発明者らは見出した。
そして、厚膜施工する際に、この内部クラックが発生しなければ、耐剥離性は維持されるはずであると考えた。
内部クラックの抑制には、前述の溶射皮膜と溶射を施す面の残留応力との差を皮膜強度σ_ａよりも小さくしておけば良い。すなわち、クラックの発生しない条件がσ_０−σ_１≦σ_ａであることを本発明者らは見出した。
この条件を満たす方法として以下の２つがある。
１つは、溶射皮膜の圧縮残留応力を引張り側に変化させる方法で、もう１つは溶射を施す面である母材または下盛の引張り残留応力を圧縮側に変化させる方法である。前者は溶射皮膜の厚さの関数となるため、ある厚さ以下に膜厚を規定することを意味している。後者は、溶射を施す面に圧縮残留応力を付加させることであり、各種の機械的な方法、熱処理方法、表面処理方法にて調整が可能である。
【０００７】
本発明では、この溶射を施す面の残留応力を圧縮側に調整し、内部クラックが発生しないで施工できる許容膜厚を増加させることに特徴を有する。
本発明の溶射皮膜は母材に直接施工してもいいし、母材との接着性を高めるあるいは耐食性を高めるなどの理由から母材に下盛金属を施工し、その上に溶射皮膜を施工してもいい。
母材の材質は、高速ガス溶射皮膜を形成し保持するに十分な強度、弾性を有する材料であれば特に制約はないが、一般に工業的用途において入手が容易な鋼（炭素鋼やステレス鋼）、銅や鉛、亜鉛、アルミニウムの非鉄金属またはこれらの合金等が好ましい。同様に下盛の材質も高速ガス溶射皮膜を形成し保持するに十分な強度、弾性を有する材料であれば特に制約はないが、一般に工業的に用いられる鋼（炭素鋼やステンレス鋼）、銅や鉛、亜鉛、アルミニウムの非鉄金属またはこれらの合金等が好ましい。また、下盛金属の施工方法は、工業的にその応用技術が確立している前述のワイヤメタライジング法を代表とする各種溶射方法、溶接肉盛、粉体プラズマ溶接肉盛等を用いることが好ましい。
【０００８】
尚、溶射皮膜及び溶射を施す面の残留応力の測定は、トレパン法、薄層除去法などに代表される応力解除法やＸ線による格子間距離の変化を測定する方法によるものである。
溶射皮膜の強度は３点曲げ試験または引張り試験により測定した値の小さい方の値と定義する。
溶射を施す面の残留応力を調整する方法は、熱処理による方法なども考えられるが、溶射を施す面に酸化膜などを生成し溶射皮膜との密着性を阻害するため、高温を必要としない機械的な方法が望ましい。機械的な方法で残留応力を調整する方法は、部品表面へ硬質物にて衝撃を与える（流体による硬質物の噴射、硬質物によるハンマリングなど）、切削加工を施すなど各種の手法があるが、圧縮残留応力を均等に付与出来ることやその施工性の面からグリッドなどの物体の衝突による方法が望ましい。用いるグリッドには、アルミナグリッドなど各種材料によるグリッドが考えられるが、圧縮残留応力を付加しやすいスチール製が望ましい。また、グリッドのサイズや形状については特に規定は無いが、施工性の面からφ０．１〜２ｍｍで球形が望ましい。
【０００９】
厚膜溶射する溶射皮膜の材料は、投錨効果により皮膜を密着、形成する高速ガス溶射用材料ならば特に制約はないが、特に、耐摩耗用途を考えた場合、サーメット材料が好ましく、ＷＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＮｉＣｒ系，Ｃｒ_３Ｃ_２−ＮｉＣｒ系，ＣｏＣｒＡｌＹ系，硼化物−ＷＣ−Ｃｏ系等を用いることが好ましい。
溶射皮膜の厚みは、特に制約はないが、通常の溶射施工で圧縮残留応力が顕著となりクラックが発生しやすくなる０．１ｍｍ以上とすることが好ましく、一方、溶射の施工効率の面から、もはやコーティングによる方法よりもバルクを製作する方が工業的に高効率になると思われる１００ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００１０】
【実施例１】
次に、本発明を実施例により説明する。
母材（ＳＳ材）の上にステンレス系の下盛材をワイヤメタライジング法により残留応力が１２７ＭＰａ（引張り）なる厚さ２ｍｍの溶射を施した。この面にスチールグリッドφ１ｍｍを供給量５Ｋｇ／ｍｉｎ、風圧０．５ＭＰａで衝突させ、−２９４ＭＰａ（圧縮）の残留応力を付与した。よってスチールグリッドを衝突させた後の下盛金属の残留応力は
１２７＋（−２９４）＝−１６７ＭＰａ（＝σ_０：圧縮）となる。
この下盛金属の上に高速フレーム溶射によるＷＣ−Ｃｏ溶射皮膜を残留応力が−３９２ＭＰａ（＝σ_１）、強度３９２ＭＰａ（＝σ_ａ）となる厚さ０．６ｍｍの施工を行った。この場合、
σ_０―σ_１＝−１６７―（―３９２）＝２２５ＭＰａとなる。
これはＷＣ−Ｃｏ溶射皮膜の強度３９２ＭＰａ（＝σ_ａ）以下であるため、溶射皮膜内部のクラックは発生しなかった（図１−ａ参照）。
ここでスチールグリッドを用いない場合は、σ_０＝１２７ＭＰａ，
σ_０―σ_１＝１２７−（−３９２）＝５１９ＭＰａ＞σ_ａ（＝３９２ＭＰａ）となり、内部クラックが発生した（図１−ｂ参照）。
【００１１】
【実施例２】
次に、実施例１に示した、本発明による厚膜溶射方法の機械部品への適用事例として、本発明による溶射皮膜を摩耗部位に適用したファンを図２に示す。ここで、本発明による溶射皮膜は、ファン本体１の主板２の表裏面において、中央部側の部分と翼板３の外側面に施している。図中４は側板である。
このようなファンでは、従来の溶射施工では僅か０．３ｍｍが限界だった耐摩耗の有効層を２倍の０．６ｍｍにすることができ、溶射皮膜内部にクラックも発生せず、ファンの寿命を従来の１．５年から３年以上に延長することを可能にした。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の厚膜溶射皮膜施工方法を導入することによって、前述のファンに限らず、従来、不可能、または困難とされてきた、安定かつ厚膜な耐摩耗溶射皮膜を実現することにより、機械部品の寿命を延長させ、修繕コストを低減させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明による施工方法を適用した溶射皮膜の拡大断面説明図、（ｂ）従来法による溶射皮膜の拡大断面説明図
【図２】本発明による溶射皮膜を摩耗部位に適用したファンの例の斜視図
【符号の説明】
１ ファン本体
２ 主板
３ 翼板
４ 側板

Claims (6)

1. 溶射皮膜の強度がσ_ａ［ＭＰａ］で皮膜内の残留応力がσ_１［ＭＰａ］となるサーメット材料を高速フレーム溶射により施工する方法において、溶射を施す面の残留応力σ_０［ＭＰａ］をσ_０−σ_１≦σ_ａとなるように調整した後、前記サーメット材料を溶射することを特徴とする厚膜溶射皮膜の施工方法。
2. スチールグリッドにより溶射を施す面の残留応力を調整することを特徴とする請求項１記載の厚膜溶射皮膜の施工方法。
3. サーメット材料がＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＮｉＣｒ，Ｃｒ_３Ｃ_２−ＮｉＣｒ，ＣｏＣｒＡｌＹ，硼化物−ＷＣ−Ｃｏのいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の厚膜溶射皮膜の施工方法。
4. 前記溶射皮膜の厚さが０．１〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の厚膜溶射皮膜の施工方法。
5. 請求項１〜４のいずれかの方法により施工されたことを特徴とする厚膜溶射皮膜。
6. 請求項５記載の溶射皮膜を表面の一部または全部に施したことを特徴とするファンまたはブロワー。

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