JPH04333557A - タングステンカーバイドの溶射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧延ロ−ラの表面、
スラリ用の水車ライナ表面硬化などに広く適用されてい
るタングステンカ−バイドの溶射方法及び溶射皮膜に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】タングステンカ−バイド（ＷＣ−Ｃｏ）
の溶射皮膜は粒子間結合力が良好で硬度もきわめて高い
ので、耐摩耗性、耐衝撃性に優れている。そのため、タ
ングステンカ−バイド（ＷＣ−Ｃｏ）の溶射皮膜は耐摩
耗性を目的として使用される。この目的を達成するため
に次の点に留意した溶射が求められている。（１）結合
材であるコバルト（Ｃｏ）が、溶融状態で母材表面に吹
き付けられること。（２）耐摩耗性を示すＷＣのＷ２　
ＣやＷへの分解が抑制されていること。（３）緻密な溶
射皮膜を形成するためにタングステンカ−バイドが高速
で母材表面に吹き付けられること。

【０００３】これらの点を満たすために従来は超音速フ
レ−ム溶射法が主にタングステンカ−バイドの溶射に用
いられている。この超音速フレ−ム溶射法は爆発燃焼を
用いて溶射粒子を短時間で加速して高速度に達しめるこ
とを特徴とする方法であり、ＷＣの分解も抑制され耐摩
耗性のある溶射皮膜が得られる。しかし、溶射ト−チの
噴出口にタングステンカ−バイドが付着するので、連続
運転時間が短く、また、溶射材料の母材への付着率、つ
まり溶射効率が低い。その上、爆発燃焼を利用するので
騒音が著しく高い。例えば、１４０〜１６０ｄＢ　であ
る。そこで、このような問題を解決するため、新しいプ
ラズマ溶射法が求められている。

【０００４】従来のプラズマ溶射法では、プラズマフレ
−ムの温度が高く、かつ、溶射距離、即ち溶射材料のプ
ラズマフレ−ムへの送給点から母材迄までの距離、が長
く、かつ、エンタルピが高いので、ＷＣがＷ２　ＣやＷ
に分解しやすく超高速フレ−ム溶射法と比較してタング
ステンカ−バイドの溶射皮膜の耐摩耗性が劣っている。

【０００５】この発明は、従来のプラズマ溶射法による
タングステンカ−バイドの溶射皮膜が有する課題である
耐摩耗性を損なうＷＣの分解を防止し、かつ、従来の高
速フレ−ム溶射法が有する課題である短い連続運転時間
を長くすることの可能なタングステンカ−バイドのプラ
ズマ溶射法とその溶射法により得られるタングステンカ
−バイドの溶射皮膜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】この発明は、プラズマガ
スをアークにより加熱して得られるプラズマフレーム中
に、粉粒状のタングステンカーバイドを送給して溶融し
、その溶融滴を母材に吹き付け母材表面に溶射皮膜を形
成するタングステンカーバイドのプラズマ溶射方法にお
いて、前記アークが主トーチと副トーチ間に形成され、
該アークの周りにプラズマガスの旋回流が形成されると
ともに前記プラズマフレームを０．５　〜１．８Ｘ１０
４Ｋｊ／Ｋｇの低エンタルピにしたことを特徴とするタ
ングステンカーバイドの溶射方法、であり、また、プラ
ズマガスをアークにより加熱して得られるプラズマフレ
ーム中に、粉粒状のタングステンカーバイドを送給して
溶融し、その溶融滴を母材に吹き付け母材表面に溶射皮
膜を形成するタングステンカーバイドのプラズマ溶射方
法において、前記アークが主トーチと副トーチ間に形成
され、該アークの周りにプラズマガスの旋回流が形成さ
れると共に前記プラズマフレームを０．５　〜１．８Ｘ
１０４　Ｋｊ／Ｋｇ　の低エンタルピにし、又、前記プ
ラズマフレームにおける母材の直前でプラズマが分離さ
れることを特徴とするタングステンカーバイドの溶射方
法、である。

【０００７】更に、主トーチと副トーチ間に形成される
アークの周りに、プラズマガスの旋回流を形成し、該ア
ークにより加熱して得られる０．５　〜１．８Ｘ１０４
　Ｋｊ／Ｋｇ　の低エンタルピのプラズマフレーム中に
、粉粒状のタングステンカーバイドを送給して溶融し、
その溶融滴を母材に吹き付けることにより形成されるこ
とを特徴とするタングステンカーバイドの溶射皮膜、で
あり、また、主トーチと副トーチ間に形成される形成さ
れるアークの周りに、プラズマガスの旋回流を形成し、
該アークにより加熱して得られる０．５　〜１．８　Ｘ
１０４　Ｋｊ／Ｋｇの低エンタルピのプラズマフレーム
中に、粉粒状のタングステンカーバイドを送給して溶融
し、該プラズマフレームにおける母材の直前でプラズマ
を分離した後、その溶融滴を母材に吹き付けることによ
り形成されることを特徴とするタングステンカーバイド
の溶射皮膜、である。

【０００８】

【作　　用】主ト−チと副ト−チ間に形成されるア−ク
の周りに、プラズマガスの旋回流を形成するので、所謂
ピンチ効果によりア−クを集束し、プラズマフレ−ムが
層流状態になくとも絞られて伸長し、高速のプラズマフ
レ−ムとなる。そのため、長時間連続運転が可能となる
とともに高速の状態で、かつ、Ｃｏが溶融状態にあるタ
ングステンカ−バイドを母材に衝突させ緻密な溶射皮膜
を得ることができる。また、プラズマフレ−ムが０．５
〜１．８Ｘ１０４Ｋｊ／ｋｇの低エンタルピなので、Ｗ
Ｃの熱分解を抑制することが出来るため、高品質のタン
グステンカ−バイドの溶射皮膜を得ることが出来る。

【０００９】

【実施例】この発明の実施例を添付図面により説明する
。図１に示す複合トーチ型プラズマ溶射装置Ｐにおいて
、主陰極５３の軸上に同心、同径の主ガス送入口５５を
設けた絶縁物７７、放出口を有する主外套５４、主プラ
ズマガス送入口８２を設けた絶縁物７９、そして狭窄口
を有する主第二外套８１によって主トーチ５１が構成さ
れている。図２に示されるよう主ガス送入口５５或は主
プラズマガス送入口８２より保護ガス５６或は主プラズ
マガス８３が、まずガス環状室９８へ送入され、一個の
旋回流形成孔９９或は等分に配置された複数個の旋回流
形成孔９９を通って、絶縁物７７或は絶縁物７９の内壁
を旋回するように矢印１０１の如く送入される。

【００１０】次に、主トーチ５１の中心軸と交叉するよ
うに配置された副トーチ起動電極５９は、同心をなすよ
うに順に絶縁物７８、放出口を有する副第一外套６０、
絶縁物８０、そして副第二外套８６によって取り付けら
れており、更に主トーチ５１の絶縁物７７或は絶縁物７
９と同様の旋回流ガス形成手段９７を有する絶縁物７８
に設けられた副ガス送入口６１から副ガス６２が送入さ
れ、絶縁物８０に設けられた副第二ガス送入口８７を通
って副第二ガス８８が送入されるようになっている。こ
こに、主電源５７はその負端子が主陰極５３に接続され
ており、正端子にはそれぞれスイッチ手段５８、８４を
介して、主外套５４及び主第二外套８１に接続されてお
り、これらが全体として主トーチ５１を構成している。 副電源６３はその正端子が主電源５７の正端子及び副ト
ーチ５２の副第１外套６０に接続されており、副電源６
３の負端子はスイッチ手段６４を介して副トーチ起動電
極５９に接続され、これらが全体として副トーチ５２を
形成している。この副トーチ５２は一対設けられている
。

【００１１】図１に示した各トーチの起動は次に示すよ
うな順序で行われる。即ち、スイッチ５８を閉じて主電
源５７により、主陰極５３と主外套５４の放出口の間に
主起動アーク６５をまず形成させ、これによって保護ガ
ス５６が加熱されて、主外套５４の先端から導電性のプ
ラズマが放出される。この時、スイッチ手段８４を閉じ
、次いでスイッチ手段５８を開くと、主起動アーク６５
が消去されると同時に主陰極５３の先端から放出される
アークは、主第二外套起動アーク８５を形成し、これに
よって、保護ガス５６と主プラズマガス８３が加熱され
て、導電性のプラズマ１００が主トーチ５１の外部に放
出される。次にスイッチ手段６４を閉じて、副電源６３
によって副第１外套６０と副トーチ起動電極５９との間
に副起動アーク６６を形成させると、副ガス６２がこの
アークによって加熱され、狭窄口を通って導電性プラズ
マ６８が副トーチ５２の外部に放出される。

【００１２】これらのプロセスが終了すると、主トーチ
５１と副トーチ５２とは、その中心軸が交叉するように
設置されているので、それぞれから放出される導電性の
プラズマ１００、６８が導電路を形成し、この段階にお
いて、スイッチ８４及び６４を開くと、主電源５７によ
って主陰極５３の先端から副外套６０の狭窄口外面に向
かって定常ヘアピンアーク６７が形成され、この時主ト
ーチ５１に送入されるガスの量と、副トーチ５２に送入
されるガスの量を各々調整することによって、図１に示
された如く、主トーチ５１の中心軸とほぼ同心をなすプ
ラズマフレーム７３が形成される。このプラズマフレ−
ム７３は高速であるが、Ｃｏは溶融するがＷＣが分解し
ない程度のエンタルピ、いわゆる低エンタルピに設定さ
れている。この具体的なエンタルピの値は、０．５〜１
．８Ｘ１０４Ｋｊ／ｋｇの範囲であるがこのエンタルピ
の計算は、

【数１】 により求められる。このようなプラズマフレ−ム７３を
形成するには、トーチ５１、５２の溶射出力を増加させ
、出力の増加割合以上にプラズマガス量を増加させるこ
とが有効である。。この時、トーチ５１、５２のアーク
柱周りに強い旋回流を形成するようにガスが供給されて
いるので、アーク柱をトーチの軸心位置に維持するとと
もに同心に旋回環状ガスシースを形成させ、正及び副ト
ーチ５１、５２の正及び副外套５４、６０と正及び副第
二外套８１、８６の狭窄口の内壁に及ぼす熱負荷は均一
に軽減され、アーク電流を増すことができる。その結果
いわゆるピンチ効果が促され、よりアークが集束され高
出力で高温高速の溶射が可能となる。

【００１３】図１の材料送入管６９よりプラズマフレー
ム７３に向かって送入された粉粒状のタングステンカ−
バイド７０は、プラズマフレーム７３によって直ちに高
温に加熱されて溶融して溶融滴７１となり、プラズマフ
レーム７３に同伴されながら、あまり広がらないで母材
７５に向かって進行する。この溶融滴７１を含むプラズ
マフレーム７３は、母材７５の直前に設けられたプラズ
マ分解手段７２によって、プラズマのみが分離される。

【００１４】このプラズマ分離手段として、例えば、母
材の直前におけるプラズマフレーム７３に向けて水と空
気とを供給するアトマイザの二流体ノズル９０が用いら
れる。このアトマイザ９０による水の噴霧を行うと、プ
ラズマフレーム７３は切断されて円錐状に形成される。 この円錐状のプラズマフレーム７３は溶融滴７１の冷却
を最小限にするトンネル状のジャケットとして作用し、
母材７５と溶射皮膜７４に対する余分な熱負荷をアトマ
イザによって噴霧された水の気化熱で除去し、その熱負
荷による悪影響を防止できる。又、この際の水の爆発的
な膨張に伴って、そのガスがプラズマガスに沿って急速
に噴射され、溶融滴７１を加速し、その結果緻密な溶射
膜を形成する。

【００１５】このようにして、プラズマから分離された
溶融滴７１は、その直後に母材７５に衝突し、溶射皮膜
７４を形成する。この時、アーク柱周りに強い旋回流を
形成するようにガスを供給する手段を設けることにより
、アーク柱をトーチの軸心位置に維持するとともに同心
に旋回環状ガスシースが形成され、従来の層流プラズマ
フレームを形成するプラズマ溶射装置ではなし得なかっ
た乱流域で、プラズマフレーム７３が高密度に絞られ、
伸長した安定な状態で溶射ができ、タングステンカ−バ
イドはよく溶融し、高速度で母材７５に吹き付けられる
ので、高品質なタングステンカ−バイドの溶射皮膜７４
が高効率で得られる。又、本実地例は溶射距離が短くな
るので、高速の状態で、かつ、Ｃｏが溶融状態にあるタ
ングステンカ−バイドを母材に衝突させることにより、
緻密な溶射皮膜が得られるとともにタングステンカ−バ
イドが高温のプラズマフレ−ム中に滞在する時間が短く
なりＷＣの分解が抑制される。更に、プラズマフレ−ム
のエンタルピが低いのでＷＣの熱分解が抑制される。

【００１６】この発明の実施例は上記に限定されるもの
ではなく、例えば、プラズマ溶射装置として複合トーチ
型プラズマ溶射装置の代わりに、高速で、低エンタルピ
のプラズマフレ−ムが得られるならば、他のプラズマ溶
射装置を用いてもよいことは勿論である。なお、本実地
例では、溶射材料として、タングステンカ−バイドのみ
について説明したが、本発明は、高速で、低エンタルピ
のプラズマフレ−ムを必要とする他の溶射材料にも利用
できることは勿論である。また、粉粒状のタングステン
カーバイドをプラズマフレーム中に送給する時には、ガ
スが用いられるが、このガスの代わりに流体、例えば、
水を用いても良い。

【００１７】次に、本発明の実験例について説明する。 実験例１ （Ａ）サンプル作製条件 タングステンカ−バイド（ＷＣ−Ｃｏ）の皮膜の作製条
件を

【表１】 に示す。プラズマ溶射装置として前記実施例の複合トー
チ型プラズマ溶射装置を用いた。円筒基材は付着強度試
験に使用し、その他の試験は平板基材上に溶射したサン
プルを用いた。 （Ｂ）Ｘ線回折測定結果 在来型大気圧プラズマ溶射皮膜Ａ、高速ガスフレーム溶
射皮膜ＢのＸ線回折測定結果の一例と本発明による溶射
皮膜ＣのＸ線回折測定結果を図３に示す。この図におい
て、○（白丸印）はＷＣ、●（黒丸印）はＷ２　Ｃ、△
（三角印）はＣｏ３　Ｃ、縦軸はＩｎｔｅｎｓｉｔｙ（
強度）、横軸は２θ（ｄｅｇ．）をそれぞれ示す。高速
ガスフレーム溶射は在来のプラズマ溶射に比べエンタル
ピが低く熱源温度が低いため、ＷＣの分解が起こりにく
いと考えられており、この例でも明らかに在来型プラズ
マ溶射Ａに比べ炭化物の構造が良く残っている。しかし
、本発明による溶射皮膜Ｃでは分解生成物のピ−クは更
に小さく、炭化物の構造が極めて良く残されているのが
わかる。

【００１８】（Ｃ）摩耗減量（耐摩耗性）測定結果ＷＣ
−Ｃｏ皮膜の摩耗試験結果を図４に示す。この図におい
て、縦軸は摩耗減量（ｍｇ）、横軸は往復摩擦回数（Ｄ
Ｓ）、○（白丸印）は本発明、●（黒丸印）は高速ガス
フレ−ム溶射、をそれぞれ示す。本発明はガス速度の増
大による滞留時間の短縮による効果が大きいと思われ、
摩耗減量が少なく、高速ガスフレ−ム溶射による皮膜の
耐摩耗性を上回っている。 （Ｄ）ピッカース硬度試験結果 硬度測定値は、ばらつき範囲１１８７〜１４５３、平均
値Ｈｖ＝１２８４となった。この数値はプラズマ溶射よ
り良好な皮膜が得られるとされている高速ガスフレ−ム
溶射や爆発溶射で得られる皮膜の値（ＨＶ＝１２００〜
１３００）と比較しても遜色のない物といえる。 （Ｆ）付着強度試験結果 付着強度の測定を行ったところ、すべてのサンプルで接
着剤面から剥離が発生した。この結果、溶射皮膜の付着
強度は接着剤強度７００Ｋｇｆ／ｃｍ２　を越え実用上
充分であると考えられる。 実験例２ プラズマ溶射装置として前記実施例の複合トーチ型プラ
ズマ溶射装置を用いた。

【表２】 に示す溶射条件によりタングステンカ−バイドの溶射皮
膜を作製した。その結果、この溶射皮膜ではＷＣは殆ど
分解し、溶射皮膜の耐摩耗性は３７０ｍｇ／３２００Ｄ
Ｓとなり、不満足なものであった。即ち、高エンタルピ
のプラズマフレ−ムは所望の溶射皮膜を得られないこと
が明かとなった。

【００１９】

【発明の効果】この発明は以上の様に構成したので、次
のような顕著な効果を奏する。（１）従来例に比し溶射
距離を短くできるので、高速の状態で、かつ、Ｃｏが溶
融状態にあるタングステンカ−バイドを母材に衝突させ
ることができる。又、タングステンカ−バイドが高温の
プラズマフレ−ム中に滞在する時間が短縮されので、Ｗ
Ｃの分解が抑制される。更に、従来例に比べ連続運転時
間を長くすることが出来る。因に、前記実地例ではメン
テナンスなしで１００時間以上の連続運転をすることが
できた。（２）プラズマフレームのエンタルピが低いの
でＷＣの熱分解を抑制できる。以上の結果、緻密で耐摩
耗性に優れたタングステンカーバイドの溶射皮膜を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

【図３】溶射皮膜のＸ線回折を示す図である。

【図４】溶射皮膜の摩耗試験結果を示す図である。

【符号の説明】

５１　　主トーチ ５２　　副トーチ ５６　　保護ガス ６２ａ　　副ガス ６２ｂ　　副ガス ６８　　プラズマ ７０　　クロミヤ ７１　　溶融滴 ７２　　プラズマ分離手段 ７４　　溶射皮膜 ７５　　母材 ８３　　主プラズマガス ８８ａ　　副第２ガス ８８ｂ　　副第２ガス ９７ａ　　旋回流ガス形成手段 ９７ｂ　　旋回流ガス形成手段 ９９　　旋回流形成孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマガスをアークにより加熱して得ら
   れるプラズマフレーム中に、粉粒状のタングステンカー
   バイドを送給して溶融し、その溶融滴を母材に吹き付け
   母材表面に溶射皮膜を形成するタングステンカーバイド
   のプラズマ溶射方法において、前記アークが主トーチと
   副トーチ間に形成され、該アークの周りにプラズマガス
   の旋回流が形成されるとともに前記プラズマフレームを
   ０．５　〜１．８Ｘ１０４Ｋｊ／Ｋｇの低エンタルピに
   したことを特徴とするタングステンカーバイドの溶射方
   法
2. 【請求項２】プラズマガスをアークにより加熱して得
   られるプラズマフレーム中に、粉粒状のタングステンカ
   ーバイドを送給して溶融し、その溶融滴を母材に吹き付
   け母材表面に溶射皮膜を形成するタングステンカーバイ
   ドのプラズマ溶射方法において、前記アークが主トーチ
   と副トーチ間に形成され、該アークの周りにプラズマガ
   スの旋回流が形成されると共に前記プラズマフレームを
   ０．５　〜１．８Ｘ１０４Ｋｊ／Ｋｇ　の低エンタルピ
   にし、又、前記プラズマフレームにおける母材の直前で
   プラズマが分離されることを特徴とするタングステンカ
   ーバイドの溶射方法
3. 【請求項３】プラズマが、プラズマ
   フレームに向かうアトマイザからの噴霧により分離され
   ることを特徴とする請求項２記載のタングステンカーバ
   イドの溶射方法
4. 【請求項４】主トーチと副トーチ間に形
   成されるアークの周りに、プラズマガスの旋回流を形成
   し、該アークにより加熱して得られる０．５　〜１．８
   　Ｘ１０４Ｋｊ／Ｋｇ　の低エンタルピのプラズマフレ
   ーム中に、粉粒状のタングステンカーバイドを送給して
   溶融し、その溶融滴を母材に吹き付けることにより形成
   されることを特徴とするタングステンカーバイドの溶射
   皮膜
5. 【請求項５】主トーチと副トーチ間に形成される形成さ
   れるアークの周りに、プラズマガスの旋回流を形成し、
   該アークにより加熱して得られる０．５　〜１．８　Ｘ
   １０４Ｋｊ／Ｋｇの低エンタルピのプラズマフレーム中
   に、粉粒状のタングステンカーバイドを送給して溶融し
   、該プラズマフレームにおける母材の直前でプラズマを
   分離した後、その溶融滴を母材に吹き付けることにより
   形成されることを特徴とするタングステンカーバイドの
   溶射皮膜