JPH0472908B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、爆発（detonation）手段を用いる炎
メツキ用の装置で使用するための新規な燃料−酸
化剤混合物に関するものである。より詳細には、
本発明は、たとえばアセチレンとプロピレンとの
ような少なくとも２種の燃焼性ガスを含有する燃
料−酸化剤混合物に関するものである。 〔従来の技術〕 爆発ガン（Ｄ−ガン）を用いる爆発
（detonation）による炎メツキは、1/4世紀にわた
り種々の組成物の被覆を作成する工業で使用され
ている。基本的に、爆発ガンは約１インチの小さ
い内径を有する流体冷却されたバレルよりなつて
いる。一般に酸素とアセチレンとの混合物を、粉
砕された被覆材と共にガン中へ供給する。酸素−
アセチレン燃料ガス混合物を点火して爆発波を生
ぜしめ、この爆発波はガンのバレルを移動してこ
こで被覆材を加熱すると共にこの被覆材をガンか
ら被覆すべき物品上へ推進させる。米国特許第
2714563号公報は、炎メツキのための爆発波を用
いる方法及び装置を開示している。この米国特許
第2714563号公報の開示を本明細書の開示の１部
として参考のためここに引用する。 一般に、爆発ガンにおける燃料ガス混合物が点
火されると、爆発波が生じて粉砕被覆材を約2400
フイート／秒まで加速すると共に、その温度をほ
ぼその融点まで加熱する。被覆材が爆発ガンのバ
レルから流出した後、窒素パルスがバレルをパー
ジする。このサイクルを一般に毎秒約４〜８回反
復する。爆発被覆の制御は、主としてアセチレン
に対し酸素の爆発混合物を変化させることにより
得られる。 たとえば、炭化タングステン−コバルト系の被
覆を製造するような或る種の用途の場合、酸素−
アセチレン燃料混合物をたとえば窒素若しくはア
ルゴンのような不活性ガスで希釈することによ
り、改良被覆が得られることを突き止めた。ガス
希釈剤は、爆発反応に関与しないので炎温度を低
下させ又は低下させる傾向を有することが判明し
た。米国特許第2972550号公報は、酸素−アセチ
レン燃料混合物を希釈して多数の被覆用組成物に
より爆発メツキ法を使用することを可能にすると
共に、得られる被覆に基づく新規かつより広く用
いられる用途のための方法を開示している。この
米国特許第2972550号公報の開示を、本明細書に
おける開示の１部として参考のためここに引用す
る。 一般にアセチレンは、その他の全ゆる飽和若し
くは不飽和炭化水素ガスから得られるよりも高い
温度及び圧力をもたらすので、燃焼性の燃料ガス
として用いられている。しかしながら或る種の被
覆用途には、約１：１の酸素対炭素の原子比を有
する酸素−アセチレン混合物の燃焼温度を所望す
るよりもずつと熱い燃焼生成物をもたらす。上記
したように、酸素−アセチレン燃料ガスの高い燃
焼温度を補償するための一般的方法は、燃料ガス
混合物をたとえば窒素若しくはアルゴンのような
不活性ガスにより希釈することである。この希釈
は燃焼温度を低下させるが、同時に燃焼反応のピ
ーク圧力をも低下させる。このピーク圧力の低下
は、バレルから基体上へ推進される被覆材の速度
をも低下させる。酸素−アセチレン燃料混合物に
対する不活性希釈用ガスの増加と共に、燃焼反応
のピーク圧力は燃焼温度よりも急速に低下するこ
とが判明した。 〔発明の目的〕 したがつて本発明の目的は、慣用の酸素−アセ
チレン燃料ガスから得られるよりも低い燃料燃焼
温度を与えうると共に燃焼反応に際し比較的高い
ピーク圧力をも与えうるような、爆発ガンに使用
する新規なガス燃料−酸化剤混合物を提供するこ
とである。 本発明の他の目的は、不活性ガスで希釈された
慣用の酸素−アセチレン燃料ガスから得られると
同じ燃料燃焼温度を与えうると共に燃焼反応にお
けるピーク圧力を犠牲にしないような、爆発ガン
に使用する新規なガス燃料−酸化剤混合物を提供
するにある。 本発明の他の目的は、本発明の新規なガス燃料
−酸化剤混合物を用いた基体の新規な被覆を提供
することにある。 上記及びその他の目的は、以下の説明から一層
明らかとなるであろう。 〔発明の要点〕 本発明は、 (a)酸化剤と、 (b)飽和炭化水素及び不飽和炭化水素よりなる群
から選択される少なくとも２種の燃焼性ガスの燃
料混合物と からなる、爆発ガンに使用するためのガス燃料−
酸化剤混合物に関する。 さらに本発明は爆発ガンを用いる炎メツキ法の
改良に関し、この方法は所望の燃料と酸化剤ガス
とを爆発ガンに導入して爆発性混合物を生成さ
せ、ガン内の爆発性混合物に粉砕被覆材を導入
し、かつ燃料−酸化剤混合物を爆発させて被覆材
を被覆すべき物品上へ衝突させることから、しか
も酸化剤と飽和炭化水素及び不飽和炭化水素より
なる群から選択される少なくとも２種の燃焼性ガ
スの燃料混合物との爆発性燃料−酸化剤混合物を
使用することを特徴とする。爆発ガンは、混合室
とバレル部分とで構成して爆発性燃料−酸化剤混
合物を混合及び着火室に導入すると共に、粉砕被
覆材をバレル中へ導入することができる。燃料−
酸化剤混合物の点火は次いで爆発波を生ぜしめ、
この爆発波はガンのバレルを下方に移動して粉砕
被覆材を加熱すると共に、被覆材を基体上へ推進
する。 本発明で使用する酸化剤は酸素、亜酸化窒素及
びその混合物などよりなる群から選択することが
できる。 本発明に使用する少なくとも２種のガスの燃焼
性燃料混合物はアセチレン（C₂H₂）、プロピレン
（C₃H₆）、メタン（CH₄）、エチレン（C₂H₄）、メ
チルアセチレン（C₃H₄）、プロパン（C₃H₈）、エ
タン（C₂H₆）、ブタジエン（C₄H₆）、ブチレン
（C₄H₈）、ブタン（C₄H₁₀）、シクロプロパン
（C₃H₆）、プロパジエン（C₃H₄）、シクロブタン
（C₄H₈）及び酸化エチレン（C₂H₄O）よりなる群
から選択することができる。好適な燃料混合物
は、たとえばプロピレンのような少なくとも１種
の他の燃焼性ガスと共にアセチレンガスを含む。 上記したように、アセチレンが爆発ガンの操作
に最も良好な燃焼性燃料であると考えられる。何
故なら、これは他の任意の飽和若しくは不飽和炭
化水素から得られるよりも高い温度及び圧力を生
ぜしめるからである。燃焼性ガスの反応生成物の
温度を低下させるには、一般に酸化剤−燃料混合
物を希釈するため窒素又はアルゴンが添加され
る。これは、爆発波の圧力を低下させて達成しう
る粒子速度を制限するという欠点を有した。予想
外に、たとえばプロピレンのような第２の燃焼性
ガスをアセチレンと混合すれば、燃焼性ガスと適
当な酸化剤との反応が、同等な温度の窒素希釈さ
れたアセチレン−酸素混合物の圧力よりも高いピ
ーク圧力を任意の温度で発生することを突き止め
た。所定温度にてアセチレン−酸素−窒素混合物
の代りにアセチレン−第２燃焼性ガス−酸素混合
物を使用すれば、この第２の燃焼性ガスを含有す
るガス混合物は常にアセチレン−酸素−窒素混合
物よりも高いピーク圧力をもたらす。 RP％及びRT％の理論値は、次のように定義
される： RP％＝100（P_D／P_O） RT％＝100（ΔT_D／ΔT_O） P_O及びΔT_Oは、それぞれ次式にしたがつて酸
素とアセチレンとの１：１混合物の爆発後に生ず
る圧力及び温度上昇である： C₂H₂＋O₂＋2CO＋H₂。 P_D及びΔT_Dは、それぞれ窒素で希釈された酸
素−アセチレン混合物又は炭素対酸素の比が１：
１であるようなアセチレン−第２炭化水素ガス−
酸素混合物のいずれかが爆発した後に生ずる圧力
上昇及び温度上昇である。 次式においてＸ若しくはＹのいずれかにつき異
なる数値を用いることにより、異なる温度が達成
される： C₂H₂＋O₂＋XN₂＝2CO＋H₂＋XN₂ （2a） 〔１−Ｙ〕C₂H₂＋yC_AH_B＋ 〔１−ｙ＋Ay／２〕O₂→ 〔２−2y＋Ay〕CO＋ 〔１−ｙ＋BY／２〕H₂ （2b） 窒素で希釈された酸素−アセチレン混合物或い
はアセチレン−第２炭化水素−酸素混合物のいず
れかの爆発に対するRP％対RT％の数値を第１
図に示す。第１図から明らかなように、式２ａに
おけるようにN₂を添加してΔT_D及びしたがつて
RT％の数値を低下させると、ピーク圧力P_D及び
したがつてRP％も低下する。たとえば、充分量
の窒素を添加してΔT_DをΔT_Oの60％まで低下させ
れば、ピーク圧力P_DはP_Oの50％まで低下する。
しかしながら、アセチレン−第２炭化水素−酸素
混合物をΔT_D若しくはRT％の任意の数値につき
使用すれば、P_D及びしたがつてRP％の数値は窒
素希釈されたアセチレン−酸素混合物を用いる場
合よりも大きくなる。たとえば第１図に示したよ
うに、60％に等しいRT％の数値を得るためアセ
チレン−プロピレン−酸素混合物を使用すれば、
RP％の比は80％となり、すなわちこの数値に等
しいRT％の数値を得るべくアセチレン−酸素−
窒素混合物を用いる場合よりよりも1.6倍大きい
数値となる。より高い圧力は粒子速度を増大させ
て、改良された被覆特性を与えると信じられる。 大抵の用途につき本発明のガス燃料−酸化剤混
合物は約0.9〜約2.0、好ましくは約0.95〜約1.6、
特に好ましくは約0.98〜1.4の酸素対炭素の原子
比を有することができる。0.9未満の酸素対炭素
の原子比は一般に遊離炭素及び煤を形成するため
適しておらず、又2.0より高い比は一般に火炎が
過度に酸化性となるため炭化物及び金属被覆を形
成するので適していない。 本発明の好適具体例において、ガス燃料−酸化
剤混合物は35〜80容量％の酸素と２〜50容量％の
アセチレンと２〜60容量％の第２の燃焼性ガス燃
料とからなつている。より好適な本発明の具体例
において、ガス燃料−酸化剤混合物は45〜70容量
％の酸素と７〜45容量％のアセチレンと10〜45容
量％の第２の燃焼性燃料とからなつている。他の
好適な本発明の具体例において、ガス燃料−酸化
剤混合物は50〜65容量％の酸素と12〜26容量％の
アセチレンと18〜30容量％の第２の燃焼性ガス燃
料（たとえばプロピレン）とからなつている。或
る種の用途には、ガス燃料−酸化剤混合物へ不活
性希釈用ガスを添加するのが望ましい。適する不
活性希釈用ガスはアルゴン、ネオン、クリプト
ン、キセノン、ヘリウム及び窒素である。 一般に、爆発ガン用途において従来技術の燃料
−酸化剤混合物と共に使用しうる全ゆる従来の被
覆材を本発明の新規なガス燃料−酸化剤混合物と
共に使用することができる。さらに、従来技術よ
りも低温度及び高圧力で使用する場合、従来技術
の被覆組成物は基本に対し慣用の組成を有する
が、たとえば硬度のような新規かつ予想外の物理
的特性を有する被覆をもたらす。本発明のガス燃
料−酸化剤混合物と共に使用するための適する被
覆組成物の例は炭化タングステン−コバルト、炭
化タングステン−ニツケル、炭化タングステン−
コバルトクロム、炭化タングステン−ニツケルク
ロム、クロム−ニツケル、酸化アルミニウム、炭
化クロム−ニツケルクロム、炭化クロム−コバル
トクロム、タングステン−炭化チタン−ニツケ
ル、コバルト合金、コバルト合金における分散酸
化物、アルミナ−チタニヤ、銅に基づく合金、ク
ロムに基づく合金、酸化クロム、酸化クロム＋酸
化アルミニウム、酸化チタン、チタン＋酸化アル
ミニウム、鉄に基づく合金、鉄に基づく合金に分
散された酸化物、ニツケル、ニツケルに基づく合
金などを包含する。これらの独特な被覆材はたと
えばチタン、鋼材、アルミニウム、ニツケル、コ
バルト、その合金などの材料で作成された基体を
被覆するのに理想的である。 本発明による被覆を施すためのＤ−ガンに使用
する粉末は、好ましくは鋳造法及び粉砕法で作成
された粉末である。この方法においては、粉末の
成分を溶融させかつシエル型インゴツトに鋳造す
る。次いで、このインゴツトを破砕して粉末を
得、これを次いで篩分けして所望の粒子寸法分布
を得る。 しかしながら、たとえば焼結法により作成され
た焼結粉末のような他の形態の粉末、並びに粉末
の混合物も使用することができる。焼結法におい
ては、粉末の成分を焼結ケーキ中に焼結させ、次
いでこのケーキを粉砕して粉末を得、次いでこれ
を篩分けして所望の粒子寸法分布を得る。 〔実施例〕 以下、実施例により本発明をさらに説明する。
これらの実施例において、被覆は第１表に示した
次の粉末組成物を用いて作成した。

【表】

【表】 物

D 焼結及び破砕 10〜12 3.9％〜 2.0最高 0.2
最高 残部 98％通過325 5μm未満10％
4.3

＊ 米国標準メツシユ寸法
例 １ 第２表に示した組成物のガス燃料−酸化剤混合
物をそれぞれ爆発ガンに導入して、第２表に示し
た酸素対炭素の原子比を有する爆発性混合物を生
成させた。試料被覆粉末Ａも爆発ガンに供給し
た。各ガス燃料−酸化剤混合物の流速は毎分13.5
立方フイート（Cfm）としたが、ただし試料２
８，２９及び３０は11.0Cfmとし、かつ各被覆粉
末の供給速度は毎分53.3ｇ（ｇpm）とし、ただ
し試料２９については46.7ｇpmかつ試料３０に
ついては40.0ｇpmとした。各被覆例につきガス
燃料−酸化剤混合物の容量％及び酸素対炭素の原
子比を第２表に示す。被覆試料粉末を、ガス燃料
−酸化剤混合物と同時に爆発ガンに供給した。こ
の爆発ガンを毎秒約８回の割合で発火させ、かつ
爆発ガンにおける被覆粉末を鋼材基体に衝突させ
て、互いに相互固定しかつ重なりあつた微子的リ
ーフの形状の緻密な付着性被覆を形成させた。 被覆層におけるコバルトと炭素との重量％を、
被覆の硬度と共に測定した。第２表に示した殆ん
どの被覆例における硬度は、ロツクウエル表面硬
度として測定しかつビツカース硬度に変換した。
用いたロツクウエル表面硬度法は、ASTM標準
法Ｅ−18にしたがつた。硬度は、硬化した鋼材基
体に付着された被覆自身の平滑かつ扁平な表面に
つき測定する。ロツクウエル硬度数は、次式によ
りビツカース硬度数に変換した： HV.3＝−1774＋37.433HR45N 〔ここでHV.3は0.3Kgｆの荷重で得られるビツ
カース硬度であり、かつHR45Nはダイヤモンド
侵入計と45Kgｆの荷重とを用いてＮ尺度で得られ
るロツクウエル表面硬度である〕。試料２８，２
９及び３０の被覆の硬度は、ビツカース硬度とし
て直接に測定した。用いたビツカース硬度法は、
主としてASTM標準法Ｅ−384にしたがつたが、
ただし方形押込部の両対角線の長さを測定しかつ
平均化するのでなく、この押込部の一方の対角線
のみを測定した。0.3Kgｆの荷重を使用した
（HV.3）。これらのデータを第２表に示す。これ
らの数値は、ガス燃料混合物中に窒素の代りにプ
ロピレンを用いて得られた被覆につき硬度が優秀
であつたことを示している。 侵蝕は、材料を衝突粒子の作用により表面から
除去された摩耗の形態である。一般に粒子は固体
であつてガス流又は液体流で搬送されるが、これ
らの粒子はガス流で搬送される流体とすることも
できる。 侵蝕による摩耗に影響を与えるような多くの因
子が存在する。粒子寸法及び質量並びにその速度
は、これら衝突粒子の運動エネルギーを決定する
ので明らかに重要である。粒子の種類、その硬
度、角度及び形状、並びにその濃度も侵蝕の割合
に影響を及ぼす。さらに、粒子衝突角度も侵蝕の
割合に影響を与える。試験目的で、アルミナ及び
シリカ粉末が広範に使用される。 ASTM G76−83に記載された方法と同様な試
験方法を用いて、実施例に示された被覆の侵蝕摩
耗割合を測定した。主として、毎分約1.2ｇのア
ルミナ研磨材をガス流中でノズルまで移送し、こ
のノズルは種々の粒子衝突角度に設定されかつ一
定の間隔が維持されるようピボツト上に装着し
た。90゜及び30゜の両衝突角度で被覆を試験するの
が標準的慣例である。 試験の際、衝突粒子は試験試料に対し亀裂を形
成する。この亀裂の測定された傷深さを、試料に
衝突させた研磨材の量で割算する。研磨材１ｇ当
りの摩耗の寸法（μm）の結果を、侵蝕摩耗割合
（μm／ｇ）と解釈する。これらのデータをも第２
表に示す。 硬度及び侵蝕摩耗データは、窒素希釈されたア
セチレン−酸素混合物の代りにアセチレン−炭化
水素ガス−酸素混合物を用いれば、同じコバルト
含量にて一層高い硬度を有する被覆を与え（試料
被覆９と試料被覆２２及び２３との比較）或いは
同じ硬度にて一層高いコバルト含量をもたらしう
ることを示している（試料被覆１と試料被覆２２
との比較）。

【表】 ス硬度に変換した。
例 ２ 第３表に示した組成物のガス燃料−酸化剤混合
物をそれぞれ毎分13.5立方フイートの流速で爆発
ガンに導入して、第３表に同様に示した酸素対炭
素の原子比を有する爆発性混合物を生成させた。
被覆粉末は試料Ａとし、かつ燃料−酸化剤混合物
と粉末供給速度とを同様に第３表に示す。例１に
おけると同様に、ビツカース硬度及び侵蝕割合
（μ／ｇ）データを測定しかつこれらのデータも
第３表に示す。データから明らかなように、各種
の炭化水素ガスをアセチレンと組合せて使用する
ことにより、基体を被覆するための本発明による
ガス燃料−酸化剤混合物を与えた。ビツカース硬
度データは、アセチレン−酸素−窒素混合物の代
りにアセチレン−炭化水素ガス−酸素混合物を使
用すれば、同じコバルト含量にて一層高い硬度を
有する被覆（試料被覆５及び１０と第２表の試料
被覆２３との比較）、又は同じ硬度につき一層高
いコバルト含量を有する被覆（試料被覆６，８及
び１１と第２表の試料被覆２２との比較）のいず
れかを生成しうることを示している。

【表】 例 ３ 第４表に示した組成物のガス燃料−酸化剤混合
物をそれぞれ爆発ガンに導入して、同様に第４表
に示した酸素対炭素の原子比を有する爆発性混合
物を生成させた。被覆粉末は試料Ｂとし、かつ燃
料−酸化剤混合物を同様に第４表に示す。ガス流
速は毎分13.5立方フイート（Cfm）とし、供給速
度は第４表に示した通りである。例１におけると
同様に、硬度及び侵蝕割合（μ／ｇ）を測定しか
つこれらのデータも第４表に示す。焼結粉末はガ
ン温度の変化に伴いコバルト含量の大きな変化を
示さないが、アセチレン−酸素−窒素混合物につ
き得られるよりもアセチレン−炭化水素ガス燃料
−酸化剤混合物により同等なコバルト含量を有す
る一層高い硬度の被覆を得ることができる（試料
被覆４と試料被覆１との比較）。

【表】 例 ４ 第５表に示した組成物のガス燃料−酸化剤混合
物をそれぞれ爆発ガンに導入して、同様に第５表
に示した酸素対炭素の原子比を有する爆発性混合
物を生成させた。被覆粉末は試料Ｃとし、かつ燃
料−酸化剤混合物をも第５表に示す。ガス流速は
毎分13.5立方フイート（Cfm）とし、供給速度を
第５表に示す。例１におけると同様に、ビツカー
ス硬度及び侵蝕割合（μ／ｇ）を測定しかつこれ
らのデータを第５表に示す。ビツカース硬度デー
タは、アセチレン−酸素−窒素混合物の代りにア
セチレン−炭化水素ガス−酸素混合物を使用すれ
ば、同じコバルト含量にて一層高い硬度を有する
被覆を生成しうることを示している（試料被覆２
と試料被覆１との比較）。

【表】 例 ５ 第６表に示した組成物のガス燃料−酸化剤混合
物をそれぞれ爆発ガンに導入して、同様に第６表
に示した酸素対炭素の原子比を有する爆発性混合
物を生成させた。被覆粉末は試料Ｄとし、かつ燃
料−酸化剤混合物をも第６表に示す。ガス流速は
毎分13.5立方フイート（cfm）とし、試料被覆１
７，１８及び１９については11.0cfmとし、供給
速度は毎分46.7ｇ（ｇpm）とした。例１におけ
ると同様に、ビツカース硬度及び侵蝕割合（μ／
ｇ）を測定しかつこれらのデータも第６表に示
す。ビツカース硬度データは、アセチレン−酸素
−窒素混合物の代りにアセチレン−炭化水素ガス
−酸素混合物を使用すれば、同じコバルト含量に
て一層高い硬度を有する被覆（試料被覆５と試料
被覆１７との比較）又は同じ硬度につき一層高い
コバルト含量を有する被覆（試料被覆５と試料被
覆１８との比較）のいずれかを生成しうることを
示している。

【表】 以上、好適実施例につき本発明を説明したが、
本発明の範囲を逸脱することなく多くの改変をな
しうることが当業者には了解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は窒素で希釈された酸素−アセチレン混
合物又はアセチレン−第２炭化水素−酸素混合物
のいずれかの爆発に対するRP％対RT％の数値
を示す曲線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a)酸化剤と、(b)アセチレンと、プロピレン、
   メタン、エチレン、メチルアセチレン、プロパ
   ン、ペンタン、ブタジエン、ブチレン、ブタン、
   酸化エチレン、エタン、シクロプロパン、プロパ
   ジエン、シクロブタン及びそれらの混合物よりな
   る群から選択される第二の燃焼性ガスとの燃料混
   合物とからなることを特徴とする、爆発ガンに使
   用するためのガス状燃料−酸化剤混合物。 ２ 酸化剤が酸素、亜酸化窒素及びそれらの混合
   物よりなる群から選択される請求項１記載のガス
   状燃料−酸化剤混合物。 ３ 混合物が約0.9〜約2.0の酸素対炭素の原子比
   を有する請求項２記載のガス状燃料−酸化剤混合
   物。 ４ 混合物が約35〜80容量％の酸化剤と約２〜50
   容量％のアセチレンと約２〜60容量％の第二の燃
   焼性ガスとを含有する請求項１記載のガス状燃料
   −酸化剤混合物。 ５ 混合物が不活性希釈用ガスを含有する請求項
   １記載のガス状燃料−酸化剤混合物。 ６ 所望の燃料と酸化剤ガスとをガン中へ導入し
   て爆発性混合物を生成させ、粉末被覆材をガン内
   の前記爆発性混合物に導入し、そして燃料−酸化
   剤混合物を爆発させて被覆材を被覆すべき物品に
   衝突させる工程からなる爆発ガンによる炎メツキ
   法において、(a)酸化材と、(b)アセチレンと、プロ
   ピレン、メタン、エチレン、メチルアセチレン、
   プロパン、ペンタン、ブタジエン、ブチレン、ブ
   タン、酸化エチレン、エタン、シクロプロパン、
   プロパジエン、シクロブタン及びそれらの混合物
   よりなる群から選択される第二の燃焼性ガスとの
   燃料混合物との爆発性燃料−酸化剤混合物を使用
   することを特徴とする炎メツキ法。 ７ 酸化剤が酸素、亜酸化窒素及びそれらの混合
   物よりなる群から選択される請求項６記載の方
   法。