JP4579317B2 - アモルファス皮膜の形成装置および形成方法 - Google Patents
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Description
a) 図12に示す導管20’のそれぞれの間に隙間があるため、材料粒子が溶融する段階(冷却ガスにて冷却される前の段階)で火炎Fの一部が外気にさらされ、結果として材料粒子が酸化されやすい。
b) 火炎Fの噴射経路の周囲に複数の導管20’が突き出ていて装置が大きいため、現場施工が可能とはいえその取扱いが容易でない。
こうした特徴をもつアモルファス皮膜の形成装置にはつぎのような作用がある。すなわち、
a) 上記のとおり火炎の噴射経路の一部に筒状体を設け、それによって火炎と外気とを隔てることから、溶融する段階で材料粒子が酸化されにくく、したがってアモルファス皮膜中に酸化物の発生することが抑制される。
b) 上記冷却ガスの流路を上記筒状体に沿って筒状体と一体的に形成しているので、火炎の噴射経路の周囲に導管等が広がらず、装置がコンパクトに形成される。それによって装置が取り扱いやすくなり、現場でのアモルファス皮膜の形成が容易になる。
上記のようにすると、材料粒子および火炎を冷却する領域において、冷却が周囲から均一に行われるほか、使用する冷却ガスの種類によっては材料粒子の酸化がとくに確実に防止される。それにより、アモルファス皮膜として耐食性等の優れたとくに高品位のものが形成される。
そのようにすると、二重の筒の内部を流れる冷却ガスの作用によって筒状体自体が適切に冷却されるため、特殊な耐熱金属類を使用しなくとも筒状体が火炎による熱影響で損傷することが避けられる。また、冷却ガスを上記二重の筒の間に流して先端部より噴射するため、筒状体と冷却ガスの流路とがきわめてコンパクトに一体化され、装置が小型化してその取扱いがとくに容易になる。上記のように火炎の全周を囲んで筒状に冷却ガスを流せることにもなる。
先端部の開口断面積を上記のように小さくすると、冷却ガスの噴射速度を高めることができる。噴射速度が高いと、火炎によって経路を大きくは曲げられることなく冷却ガスが進み、火炎を強く効果的に冷却することが可能になる。
反応性の乏しい上記のようなガスを冷却ガスとすると、材料粒子の溶融後にそれを冷却させる領域においても酸素との接触を妨げることができ、アモルファス皮膜中に酸化物の発生することを抑制できる。酸化物の発生が少ない方が、耐食性能等に優れた高品位のアモルファス皮膜が形成される。
溶射ガンの前部に上記のように筒状体を設けると、火炎の噴射開始時に燃料ガスに着火させることが容易でない。筒状体の内部に燃料と空気(酸素)とが適正な混合比率で存在するとは限らないからである。筒状体の基端部またはその付近を上記のように開放できるようにしておくと、燃料を少量ずつ吹き出させるときそれが外気と適度に混合され、容易に着火させられるようになる。開放できる上記端部付近に(上記筒状体もしくは溶射ガンまたは両者の間に)たとえば点火プラグを設けると、着火はさらに容易になる。着火させたのちは、筒状体の基端部を閉鎖し、溶射ガンより別途供給される酸素によって燃料を燃焼させる。
筒状体の長さは、アモルファス皮膜とする金属の融点等に応じて最適値が定められる。融点の高いものは、材料粒子を溶融させるのに多めに時間がかかるため、筒状体を長くしておくのが適している。上記のように、長さの異なるものに取り替えられるように筒状体を設けるなら、アモルファス皮膜とする金属に応じて最適な長さの筒状体を使用することができる。
発明者らのテストによると、筒状体の内部に負圧が発生するとその内部におけるガスや火炎の流れが乱れ、筒状体の内面に材料粒子が付着して装置の連続使用ができなくなる。上記のように筒状体または溶射ガンに外気の取入れ口(または不活性ガスの供給口)を設けると、筒状体の内部の圧力に応じて(または何らかの制御を受けて)適量の空気(または不活性ガス)が流入し、負圧の発生が抑制される。そのため、材料粒子の付着によって装置の連続使用ができなくなるおそれがなくなり、円滑な連続使用が可能になる。
一般的な粉末式フレーム溶射では、十分に火炎を冷却することがないので、母材に達する時点においても火炎の温度は全域的に高い。すなわち、当該時点の火炎の温度は、中心部を含むたとえば直径30mm程度以上の広い領域において材料粒子による金属のガラス化温度を超える。したがって、一般的な粉末式フレーム溶射の場合、母材上の一定箇所に火炎を当てておくと母材の温度が速やかに上昇し、十秒程度未満の間にガラス化温度を超えてしまう。そのため、よほど低融点で非晶質形成能の大きな金属に限るか、または装置(溶射ガン)を母材表面と平行な方向にかなりの速さで相対移動させるか等しないとアモルファス皮膜は形成できない。しかも、移動の速度が高いと、アモルファス皮膜が形成できるとしても膜厚を厚くすることは容易でない。
その点、冷却ガスを用いて、上記のように直径10mmの領域よりも外側では火炎の温度がガラス化温度以下となるようにするなら、高融点で非晶質形成能の小さい(つまり過冷却温度領域がせまい)金属のアモルファス化も可能になる。周囲に広がる低温域の作用により母材の温度上昇が抑制されるため、たとえば上記方向への装置・母材間の相対移動の速度をかなり遅くすることができ(場合によっては相対移動を止めてもよくなり)、現場での施工作業もきわめて容易になる。
このようにすると、高融点で非晶質形成能の小さい金属についてもアモルファス皮膜とすることが容易になる。火炎の噴射を受けることによる母材の温度上昇が十分に抑制されるため、たとえば上記相対移動の速度をかなり遅くすることができ、現場での施工作業もきわめて容易になる。
冷却ガスにより火炎を冷却することと併せて母材をも冷却し、もって母材の温度上昇を抑制するわけである。そうする場合にも、高融点で非晶質形成能の小さい金属についてアモルファス皮膜の形成が容易になる。たとえば、上記相対移動の速度をかなり遅くすることができ、現場での施工作業もきわめて容易になる。
上記のように、火炎の冷却(またはさらに母材の冷却)を行うこととすると、上記相対移動の速度を遅くすることができる。その場合、冷却の強さと相対移動の速度とを適切に設定することにより母材上のいずれの箇所の表面温度も上記材料粒子による金属のガラス化温度を超えないようにすると、当該母材上へのアモルファス皮膜の形成はとくに容易になる。すなわち、火炎とともに噴射され溶融したうえ母材に当たる金属が効果的に冷却されるため、高融点で非晶質形成能の小さい金属についても、容易にアモルファス皮膜とすることができる。母材の温度上昇が低いので、高温における機械的性質等の低い材料を母材とすることが可能になる、という利点もある。
そのようにすると、アモルファス皮膜中への酸化物の発生を抑制することができる。酸化物の発生が少ない方が、耐食性能等に優れた高品位のアモルファス皮膜が形成される。なお、このように還元炎を用いるとともに、前述のように冷却ガスとして窒素または不活性ガスを使用するのがさらに好ましい。
火炎および材料粒子に対する冷却を強めるうえでは、一般的には冷却ガスの速度を上げる方がよい。しかし、発明者らのテストによると、冷却ガスの圧力を高めてその速度を上げすぎると筒状体の内部が負圧になり、当該内部でガス流れが乱れる結果、前記のように装置の連続使用が困難になる。その場合、筒状体の内部に外気を多量に取り入れるようにすると、筒状体内が負圧になることによる課題は解消するが、多めに流入する外気に起因して酸化物の発生が増大しがちになる。そこで、冷却ガスの速度を上記のとおり火炎の速度に近いものにするのが好ましい。そうすれば、筒状体の内部が強い負圧になることが避けられ、また外気が多量に流入する不都合も生じない。
筒状体の基端部またはその付近を開放可能な構造にすると、火炎の噴射開始時における着火操作が容易になる。
筒状体から溶射ガンまでの適所に外気の取入れ口を設けると、筒状体の内部での負圧発生を抑制でき、筒状体内面への材料粒子の付着を防止して装置の連続使用が可能になる。
母材に達する時点での火炎の温度が、外側の広い範囲で金属のガラス化温度以下となるようにするなら、母材の温度上昇が抑制され、高融点で非晶質形成能の小さい金属についてもアモルファス化が容易になる。
とくに、火炎として還元炎を用いると、アモルファス皮膜中への酸化物の発生を抑制することができ、高品位のアモルファス皮膜が形成される。
さらに、冷却ガスの速度を火炎の速度と同等にするなら、装置の連続使用が妨げられないうえ、アモルファス皮膜中の酸化物の発生も抑制される。
そしてホルダー24の後部(図1の左側)の板には、ステンレス製の管26を複数接続し、それを介して基端部側から、冷却ガスである窒素ガスを供給する。冷却ガスGは、管26からホルダー24内に入ったうえ、筒状体20の外筒21と内筒22との間を通って先端部23から噴出するわけである。
上記ホルダー24の後部には円筒形のカバー25を取り付けていて、図1(a)のようにそのカバー25によって溶射ガン10と筒状体20との間をつなぎ、内部空間を閉じている。溶射ガン10と筒状体20とをつないだときには、図示の連結金具(錠)13によって連結状態が保たれるようにする。なお、カバー25は、火炎Fが外気と接触することを防止し、また外気を円滑に導入するための空間を設けるという役目をはたす。
なお、溶射する材料によって金属の融点が異なり、したがって溶融領域(図3参照)の長さも異なることから、筒状体20として長さの異なるものを複数用意しておく。筒状体20の外筒21と内筒22は、前述のとおり基端部のネジによってホルダー24に接続しているので、特定方向に回すことによって容易にホルダー24から取り外し、別のものを取り付けることができる。
1.図5は、溶射ガン(10)の先端に取り付けた外部冷却装置(筒状体20)の円筒ノズル筒先から、溶射対象物(母材M)に至るまでの火炎(F)の温度勾配を示す。図中の0mmは火炎中心部の温度勾配であり、また、5mm及び10mmは火炎中心から外れた位置の温度勾配である。この図でわかる通り、火炎中心部では、1000℃近い温度で溶射対象物に当たっているが、そこから僅かにそれた位置では、火炎温度が急激に300℃から500℃近傍まで低下しており、ドーナツ状の温度勾配で溶射対象物に当たっていることがわかる。
[テスト仕様] 表面:高耐食性材料Fe70Cr10P13C7 300μm
[テスト環境] 化学肥料メーカ製造ライン攪拌機
[要求性能] pH2スラリー中での耐食性、耐摩耗性
[従来品材質] SUS316L
重量減耗率
・従来品SUS316L
11ヶ月経過後 62%
(5ヶ月換算 28%)
・アモルファス溶射品
5ヶ月経過後 2%
従来品であるSUS316L製インペラの重量減耗率は、上記のとおり11ヶ月経過後で62%(5ヶ月換算で28%)であった。一方、アモルファス溶射施工をしたインペラの重量減耗率は、5ヶ月経過後で2%であり、14倍の耐食・耐摩耗性があることが分かる。
[テスト仕様] 下地:NiCr 50μm
表面:高耐食性材料Fe70Cr10P13C7 150μm
[テスト環境] 化学肥料メーカ製造ラインスラリーポンプ
[要求性能] pH2スラリー中での耐食性、耐摩耗性
[従来品材質] チタン、ハステロイ、デュリメット20、SUS316L
本テスト品は、SUS304で軸スリーブを新作し、その表面にアモルファス溶射施工し、表面をダイヤモンド研摩したものであり、これを従来のスラリーポンプにセットして実証テストを行った。図11に示すように、従来のデュリメット製軸スリーブは、パッキンとスラリーによる摩耗及び腐食で2ヶ月経過後に4μmの摩耗痕が見られるが、アモルファス溶射施工の軸スリーブには、2ヶ月経過後も摩耗痕は見られない。これから判断すると、アモルファス溶射軸スリーブは、従来のデュリメット製軸スリーブに比較して耐食・耐摩耗性能が高いことがわかる。
10 溶射ガン
20 筒状体(外部冷却装置)
F 火炎
G 冷却ガス
M 母材(溶射板)
Claims (7)
- 材料粒子を含む火炎を母材に向けて溶射ガンより噴射し、当該材料粒子を火炎によって溶融させたうえ、当該材料粒子および火炎を母材に達する前から冷却ガスにて冷却するアモルファス皮膜の形成装置であって、
溶射ガンによる火炎の噴射経路のうち材料粒子を溶融させる領域に火炎と外気とを隔てる筒状体を有し、その筒状体に沿って筒状体と一体的に上記冷却ガスの流路が形成されていること、
および、上記筒状体の内部における負圧発生を抑制するため、上記筒状体から溶射ガンまでの位置に外気の取入れ口または不活性ガスの供給口が設けられていることを特徴とするアモルファス皮膜の形成装置。 - 材料粒子を含む火炎を母材に向けて溶射ガンより噴射し、当該材料粒子を火炎によって溶融させたうえ、当該材料粒子および火炎を母材に達する前から冷却ガスにて冷却するアモルファス皮膜の形成装置であって、
溶射ガンによる火炎の噴射経路のうち材料粒子を溶融させる領域に火炎と外気とを隔てる筒状体を有し、その筒状体が、二重の筒を同心に有していて先端部が開放された構造を有し、冷却ガスを、上記二重の筒の間に流して先端部より火炎の全周を囲んで筒状に流れるように噴射するものであること、
および、上記筒状体が、二重の筒の間の開口断面積よりも上記先端部の開口断面積を小さくされたものであることを特徴とするアモルファス皮膜の形成装置。 - 上記二重の筒を形成する外管と内管とについて、内管の先端に対し外管の先端が突き出ていることを特徴とする請求項2に記載したアモルファス皮膜の形成装置。
- 上記筒状体が、溶射ガンに接続された側の端部またはその付近を着火のために開放し、かつ閉鎖し得る構造のものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載したアモルファス皮膜の形成装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載したアモルファス皮膜の形成装置を使用して上記材料粒子および火炎を母材の一定箇所に当てるとき、当該箇所の表面温度が、上記材料粒子による金属のガラス化温度以下に10秒以上保たれるように、上記冷却ガスによる冷却を行うことを特徴とするアモルファス皮膜の形成方法。
- 母材上の上記箇所の表面温度が、上記材料粒子による金属のガラス化温度以下に10秒以上保たれるように、上記冷却ガスによる冷却を行うとともに母材を冷却することを特徴とする請求項5に記載したアモルファス皮膜の形成方法。
- 上記冷却を行いながら、母材と上記アモルファス皮膜の形成装置との間に母材表面と平行な方向への相対移動をもたらすことにより、母材におけるいずれの箇所の表面温度も上記材料粒子による金属のガラス化温度を超えないようにすることを特徴とする請求項5または6に記載したアモルファス皮膜の形成方法。
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