JPH04358056A

JPH04358056A - 金属溶射方法

Info

Publication number: JPH04358056A
Application number: JP3131558A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Nagata; 永田　伴喜; Tetsuya Suganuma; 菅沼　徹哉; Yukio Okochi; 大河内　幸男
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-06-04
Filing date: 1991-06-04
Publication date: 1992-12-11

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】本発明は金属溶射方法に関し，詳
しくは反応性プラズマ溶射により、基材の表面に反応生
成物を含む溶射皮膜もしくは溶射成形体を形成する方法
に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】基材上に表面処理として金属の皮膜をつ
くる、もしくは基材上にディスク、ビレット等の形状を
持った成形体を形成するため、金属溶射が用いられるこ
とがある。ここでいう金属とは、純金属および合金の総
称である。これはエネルギ源により金属を溶解して溶湯
とし、その溶湯を噴霧させて基材上に付着させ、冷却・
凝固させることにより、溶射皮膜もしくは溶射成形体を
形成する方法である。金属溶射の一つであるプラズマ溶
射を、図６を用いて説明する。これはプラズマ電源２８
により陰極１９と陽極２０の間にアーク２１を発生させ
、後方から供給される作動ガス２２を熱して超高温のプ
ラズマガス２３とする。そして、作動ガスのプラズマ化
による急激な体積膨張によってノズルから激しく噴出さ
せる。それをプラズマジェット２４と呼んでいる。プラ
ズマガス２３中に溶射される金属の粉末２５を供給して
溶融・飛散させ、基材２６上に付着させて溶射膜２７を
形成する方法である。

【０００３】作動ガスは励起されプラズマ状態となって
いるので、反応性に富んだ活性な状態である。この状態
を利用した方法として特開昭５８−２７９７１号公報に
示すような反応性プラズマ溶射がある。これは、プラズ
マガスと溶融した溶射材料が飛散する間に反応し、その
結果生じた反応生成物を含んだ溶射皮膜もしくは溶射成
形体を得る方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】反応性プラズマ溶射は
、溶射材料を粉末の形でプラズマガス中へ供給するのが
普通である。粉末で供給されると、プラズマガスからの
粉末表面への熱伝導により昇温し、溶解温度に達すると
溶融するが、昇温のための時間すなわち溶融時間が必要
である。そのためプラズマ中に供給されてから基板に付
着するまでの限られた滞在時間（一般に０．１ｍｓｅｃ
といわれる。）の間で、溶湯状態でプラズマガスと反応
することができる時間（反応時間）が短くなる。そのた
め十分反応しないうちに基材上に付着する。

【０００５】また、プラズマジェット周辺部は、雰囲気
への熱伝達・熱伝導により温度が低くなっているため、
プラズマジェット周辺部に供給された粉末は、溶融する
のに時間がかかり、さらに甚だしい場合には未溶融のま
ま飛散し、反応生成物が少ない状態で基材上に付着する
。そのため、プラズマジェット中心部の高温の部分によ
り形成された溶射皮膜・成形体と、周辺部の低温の部分
により形成されたものとでは、反応生成物の含まれ方が
異なり均一ではない。

【０００６】これらの理由から、従来の反応性プラズマ
溶射では、反応生成物を十分含んだ均一な溶射皮膜・成
形体が得難く、強度が十分でなかった。そこで本発明は
、溶射される金属の溶融工程をプラズマガスとの反応工
程と分離することにより、前記問題点を解決することを
課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題は、金属の溶射
により、基材の表面に溶射皮膜もしくは溶射成形体を形
成する金属溶射方法において、溶射される金属の内の少
なくとも一種の元素に対して反応性を有する少なくとも
一種の成分を含む気体を加熱してプラズマガス化すると
ともに、前記金属を溶融状態にする工程と、該溶融状態
にある金属を前記プラズマガス中に供給する工程と、前
記プラズマガスと前記金属を反応させる工程と、該反応
によって生ずる反応生成物を含有した前記金属を、基材
の表面に付着させる工程と、を有することを特徴とする
金属溶射方法によって達成される。

【０００８】プラズマ溶射の雰囲気は、大気中で行って
もよいが、皮膜の酸化が問題となる場合には不活性ガス
雰囲気中で行うのが好ましい。さらに、雰囲気ガスの巻
き込みによる気孔の生成が問題となる場合には、減圧プ
ラズマ溶射で行うことがさらに望ましい。これは、排気
システムに接続された真空チャンバ内で減圧した雰囲気
でプラズマ溶射を行う方法であり、前述の皮膜の酸化・
雰囲気ガスの巻き込みという問題が共に避けられる。

【０００９】

【作用】以上説明したように、本発明は溶射される金属
の溶融工程をプラズマガスとの反応工程と分離すること
により、溶射される金属はプラズマガス中に供給される
以前に既に溶融している。そのため、供給後直ちにプラ
ズマガスとの反応を始める。すなわち、従来技術とは異
なり、プラズマガスは金属と反応する役割のみを持ち、
金属を溶融させる役割は持たない。また、温度の低いプ
ラズマジェット周辺部に供給されても、既に溶融してい
るので未溶融粒子とはならず反応が起こる。これらの反
応によって生じた反応生成物が、基材の表面に付着した
金属中に含まれるので、微細な反応生成物を含んだ溶射
皮膜もしくは溶射成形体が形成される。

【００１０】

【実施例】本発明を、具体的実施例を用いてさらに詳細
に説明する。

【００１１】まず、本発明に用いられるプラズマ溶射装
置の一実施例について、その概要を図１に基づき説明す
る。本装置の主要構成は、溶射される金属材料の溶解装
置８と、溶湯６を噴霧するプラズマジェット７の発生用
の溶射ガン１、そして溶射された材料を付着させ成形す
るための基板２、および成形中の溶射成形体１０の温度
を調整するための温度コントローラ１２と、基板上に成
形される溶射成形体１０の形状・大きさに自由度を持た
せるために基板を駆動させる駆動装置３、および溶射成
形中の周囲の雰囲気を保つためのチャンバ４と雰囲気制
御装置５から構成されるものである。

【００１２】次にこの装置を用いて本発明を実施した具
体例について説明する。

【００１３】（実施例１）まず、溶解装置８において所
望の溶湯成分となるように成分調整をして、Ａｌ−Ｔｉ
合金（Ｔｉ１５ｗｔ％）の溶湯を得た。溶解が終了する
頃に形成したい成形体の形状に適した基板２を所望の位
置に取りつけて、駆動装置３、温度コントローラ１２と
接続した。本実施例では平板状の成形体を得るため、平
板状の基板とした。駆動装置３は、成形体を得るために
必要な動きを図示しない制御装置によりプログラム制御
できるようになっている。

【００１４】温度コントローラ１２は冷却水１６によっ
て基板２の温度をコントロールしており、また、ワーク
冷却ユニット１１と連動して成形体１０にガスを吹きつ
け、成形体１０を冷却している。図２に基板・溶射成形
体とＸ，Ｙ，Ｚ方向の関係を示したが、本実施例におい
ては、成形体として平板を得るためにＸ，Ｙ方向および
Ｚ方向への駆動を行い、Ｘ方向移動速度４ｍ／ｍｉｎ、
Ｙ方向移動ピッチ４ｍｍ、Ｘ，Ｙ方向移動距離２００ｍ
ｍ、Ｚ方向移動速度０．２ｍｍ／ｍｉｎ、Ｚ方向移動距
離５ｍｍ、溶射時間２．５ｍｉｎとした。

【００１５】次に、チャンバ４内を減圧不活性雰囲気と
するために、図示しない排気ポンプにより雰囲気制御装
置５を通して１×１０−３ｋＰａまで排気した後に窒素
ガスで置換し、６．６７ｋＰａになるように雰囲気制御
装置５を使ってコントロールした。

【００１６】この状態で溶射ガン１に窒素およびアルゴ
ンガスからなる混合ガスを作動ガスとして、窒素（Ｎ２
　）ガス１５リットル／ｍｉｎ、アルゴン（Ａｒ）ガス
３リットル／ｍｉｎの割合で混合して供給し、電源を作
動させて溶射ガン内部の図示しない電極間にアークを発
生させてプラズマジェット７を形成した。溶射ガン１は
溶射ガン用冷却水１８で冷却されている。

【００１７】温度コントローラ１２の電源を入れ、ワー
ク冷却ユニット１１とともに基板温度を２０±５℃の範
囲に保った。この状態でプラズマジェット７の中心に向
けて金属溶湯６を供給した。その方法は、ストッパ１４
を開けて溶湯６をＡｒガス１４で加圧（３ｋｇ／ｃｍ２
　）することで開口部がφ３ｍｍのノズル部１３より供
給される。そして、プラズマジェット７で噴霧されて微
小な液滴となり、プラズマジェット７内をプラズマガス
と反応しながら飛行して行き、基板２上に衝突して瞬時
に冷却・凝固を完了した。

【００１８】これを繰り返すことにより、窒化物が微細
に分散した急冷凝固の高密度アルミ基溶射成形体が容易
に得られた。窒化物が形成されるのは、以下の理由によ
る。すなわち、化１（化学反応式１）で示すように、プ
ラズマガス中ではＮ２　の一部が励起状態となっている
。Ａｒ等は不活性であって、金属溶湯との間に何らの反応
も生じないが、励起されたＮ２　は活性であって反応性
に富んでいるため、金属溶湯と反応し窒化物を形成する
。このとき窒化物の生成自由エネルギの小さいＴｉの窒化
物のほうがＡｌの窒化物よりも安定であることから、Ｔ
ｉの窒化物が優先して生成される。

【００１９】

【化１】

【００２０】（実施例２）炭化物が析出した溶射成形体
を得るために、プラズマガスとしてメタン（ＣＨ４　）
ガスとＡｒガスからなる混合ガスをＣＨ４　ガス１リッ
トル／ｍｉｎ，Ａｒガス１５リットル／ｍｉｎの割合で
供給し、その他の条件は実施例１と同様として溶射成形
体を作成した。この方法によれば、炭化物（ＴｉＣ）が
微細に析出した急冷凝固の高密度溶射成形体となる。そ
の金属組織写真（倍率５０００倍）を図３に示すが、微
細な粒子が分散した組織となっている。炭化物の生成は
、化２（化学反応式２）の反応が進行したことによるも
のであり、ＣＨ４　がプラズマガス中で分解し、炭化物
の生成自由エネルギの小さいＴｉと反応し炭化物を形成
したと考えられる。

【００２１】

【化２】

【００２２】本実施例のように、プラズマガスに可燃性
ガスである炭化水素のガスを用いると発熱量が大きく、
プラズマ発生装置の電極の消耗が激しいので混入量が制
限される。本発明者の実験によれば、プラズマガス中へ
のＣＨ４　の混入量は、体積比で１０％以下であること
が望ましい。

【００２３】実施例１および実施例２で得られた溶射成
形体の特性を表１に示す。比較例として、平均粒径３０
μｍの金属Ｔｉ粉末をプラズマガス中へ供給し、それ以
外は実施例１と同様の条件で溶射を行って成形した溶射
成形体の特性も合わせて示す。比較例では一部未溶融粒
子が存在するため空孔ができ、理論密度比の向上には限
界があるが、実施例１、２とも比較例より高い理論密度
比が得られた。また、実施例１および実施例２とも、反
応生成物が微細であり、さらに、比較例の方法では反応
が十分起こらないため大きくすることができなかった体
積含有率も大幅に高くなり、機械的強度も高い。また、
Ｔｉ粉末表面は酸化膜に覆われているため、比較例の成
形体中のＯ２　濃度が高いが、実施例１、２では清浄な
溶湯を噴霧するためＯ２　濃度が低い。また、実施例１
および実施例２の反応生成物のＥＰＭＡによる線分析結
果を、それぞれ図４、図５に示す。これらの結果から、
実施例１の反応生成物がＴｉＮであること、また実施例
２の反応生成物がＴｉＣであることを確認できた。

【００２４】

【表１】

【００２５】プラズマガスは高速であるため、溶湯が微
小な液滴となって飛散する。この液滴はプラズマジェッ
ト中を飛行し、基板上に衝突して成形体を形成していく
が、飛行速度は１００〜３００ｍ／ｓｅｃと速い。その
ため、基板に対する衝突エネルギが大きく、高密度な成
形体の形成に有利である。さらに減圧雰囲気としている
ことで、一般に欠陥の原因となりやすいガスの巻き込み
が無いことも、高密度成形体を得るのに有利である。

【００２６】プラズマガスは高温であるため、噴霧され
た微小液滴は飛行中も冷却されることがない。そのため
飛行中においても微小液滴内部で攪拌が起こり、反応し
た生成物は成長する前に直ちに粒子内部に取り込まれる
ので、反応生成物は微細なままであり、均一に分布する
。その結果溶射成形体中に反応生成物が微細に分散した
状態となり、機械的強度が高くなる。

【００２７】また、形成された溶射成形体をそのまま徐
冷すると結晶粒が成長するが、図１に示したような、基
板２の内部に供給した冷却水１６による冷却と、ワーク
冷却ユニット１１による冷風（Ａｒ）の吹きつけで冷却
することにより結晶粒が微細な状態で凝固し、機械的強
度の優れた溶射成形体が形成される。

【００２８】本実施例では、微小液滴となって噴霧され
るため、一粒子あたりの熱容量が小さく、また比表面積
が大きいので急冷しやすい。さらに、高速で基板に衝突
するので、衝突時に粒子の変形が容易で偏平形状になり
やすく、熱拡散が容易に行われるので、急冷に対する効
果が大きい。

【００２９】本実施例の溶射装置では、成形体表面の温
度を赤外線温度計を用いて測温し、温度コントローラと
ワーク冷却ユニットを連動させることで溶射成形体の冷
却速度を総合的にコントロールすることができる。その
ため、冷却速度の異なる成形体を容易に作成でき、要求
特性にあった機械的性質を有する成形体を形成すること
ができる。

【００３０】また、減圧無酸化雰囲気としているため、
酸化物の生成は起こらず、清浄な成形体を得ることが可
能である。噴霧された微小液滴は、粉末の形で供給され
る場合と異なり、表面の酸化皮膜の影響がないので、反
応を阻害する物質がなく反応が十分進行する。

【００３１】本実施例の装置を用いると、プラズマジェ
ット中に溶射される金属と同時にセラミックの粉末や繊
維等を同時に供給すれば、複合材料の溶射成形体を得る
ことも可能でありる。さらに、供給量を変化させること
で、複合される割合が順次変化した傾斜機能材料とする
ことも可能である。

【００３２】本実施例は溶射成形体の形成の場合につい
て説明したが、薄膜の作成もできるため、表面処理とし
ての溶射皮膜の生成にも利用できることは、当業者にと
って明らかであろう。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上で詳細に説明したように
、溶射される金属がプラズマ中に供給される前に溶融し
ているので、従来のようにプラズマ中で溶融する必要が
なく、供給後直ちに反応を始めることができる。そのた
め、反応時間が長いので、十分反応することができる。また、温度の低いプラズマジェット周辺部に供給されて
も、温度の高い部分に供給された場合と同様に、既に溶
融しているので反応が直ちに起こる。また、これらの反
応によって生じた反応生成物がプラズマジェットによっ
て飛散させられ、基材の表面に付着した金属中に含まれ
るので、微細な反応生成物を含んだ機械的強度に優れた
溶射皮膜もしくは溶射成形体が容易に形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する金属溶射装置の構成の一例を
示す概略図である。

【図２】実施例１の基板・溶射成形体とＸ，Ｙ，Ｚ方向
との関係を示す説明図である。

【図３】実施例２で得られた溶射成形体の金属組織写真
（倍率５０００倍）である。

【図４】実施例１で得られた溶射成形体の反応生成物を
、ＥＰＭＡにより線分析した結果を示すグラフである。

【図５】実施例２で得られた溶射成形体の反応生成物を
、ＥＰＭＡにより線分析した結果を示すグラフである。

【図６】従来のプラズマ溶射方法を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・・溶射ガン２・・・基板４・・・チャンバ６・・・金属溶湯７・・・プラズマジェット１０・・溶射成形体１２・・温度コントローラ１３・・ノズル１４・・ストッパ１５・・反応生成物１７・・作動ガス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　金属の溶射により、基材の表面に溶射
皮膜もしくは溶射成形体を形成する金属溶射方法におい
て、溶射される金属の内の少なくとも一種の元素に対し
て反応性を有する少なくとも一種の成分を含む気体を加
熱してプラズマガス化するとともに、前記金属を溶融状
態にする工程と、該溶融状態にある金属を前記プラズマ
ガス中に供給する工程と、前記プラズマガスと前記金属
を反応させる工程と、該反応によって生ずる反応生成物
を含有した前記金属を、基材の表面に付着させる工程と
、を有することを特徴とする金属溶射方法。