JPH0852389A

JPH0852389A - ガス式溶射装置

Info

Publication number: JPH0852389A
Application number: JP20928294A
Authority: JP
Inventors: Koichi Akimoto; 浩一秋本
Original assignee: KOOKEN TECHNO KK
Current assignee: KOOKEN TECHNO KK
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-27

Abstract

(57)【要約】【目的】超高速流の溶射を行えるガス式溶射装置を提供
すること。【構成】燃料ガスと酸化剤とを用いて燃焼火炎を発生さ
せ、この火炎により材料を溶融させるとともに、圧縮エ
アーを火炎周囲から円環状に噴出させ、微細化された材
料の溶融粒子を素材上に吹きつける。圧縮エアーはその
入口部からスロート部を経て中間室へ流れ、さらに中間
室から円環状の噴出口を介してジェット流として噴出す
る。スロート部の通過面積を入口部および中間室の通過
面積より小さくし、噴出口の通過面積を中間室の通過面
積より小さくする。噴出口とスロート部との通過面積比
を０．７〜３．０とし、噴出口の通過面積を２０〜４０
ｍｍ²とし、入口部に供給される圧縮エアー圧を５．０
ｋｇ／ｃｍ²以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガス式溶射装置、特に超
高速流の溶射が行えるガス式溶射装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ガス式溶射装置は、プロパンまたはアセ
チレンのような燃料ガスと酸素または空気のような酸化
剤とを使用することによって、燃焼火炎を発生させ、金
属ワイヤー，セラミックロッドまたは粉末などからなる
材料を溶融させ、かつそれをアトマイジングさせるため
圧縮エアーのジェット流を火炎周囲から円環状に噴出さ
せ、それにより微細化された材料の溶融粒子を素材上に
付着させ、皮膜を形成するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のガス式溶射装置
の場合、材料の溶融粒子速度は、たとえ圧縮エアー圧を
上昇させてもせいぜい約１００ｍ／ｓｅｃであり、他の
溶射装置、例えばプラズマ溶射装置やパウダー式高速流
ガス溶射装置（ＨＶＯＰプロセス）に比べて非常に低
い。この事は、ガス式溶射装置が出現してから今日ま
で、言わば当然で、解決不可能の事とされていた。速度
が低いことにより、密着力が弱い、気孔率が大きい、粒
子が大きい（皮膜面粗度が粗い）、材料によってはヒュ
ームが発生する等の様々な問題点があるため、ガス式溶
射装置は普及率は大きいものの、その使用範囲は限定さ
れていた。また、皮膜の品質に対しても十分満足された
ものではなかった。

【０００４】そこで、本発明者は、従来構造のガス式溶
射装置のエアー噴出部の構造を種々変更して実験を行っ
たところ、ある設定条件において、従来に比べて格段に
溶融粒子速度が上昇することを発見した。即ち、エアー
噴出部の構造は、圧縮エアーがその入口部からスロート
部を経て中間室へ流れ、さらに中間室から円環状の噴出
口を介してジェット流として噴出するように構成されて
いる。上記スロート部の通過面積は入口部および中間室
の通過面積より小さく、上記噴出口の通過面積は中間室
の通過面積より小さく設定されている。ところが、噴出
口とスロート部との通過面積比をある範囲とし、かつ噴
出口の通過面積をある範囲に設定し、さらに入口部に供
給される圧縮エアー圧をある値以上にした時、従来では
全く発生しなかったダイヤモンドショックと呼ばれる衝
撃波が発生した。この衝撃波は、溶融粒子速度が超音速
となったことを意味する。

【０００５】そこで、本発明の目的は、現在汎用されて
いるガス式溶射装置のエアー噴出部の構造を改良するこ
とにより、超高速流の溶射を行えるようにしたガス式溶
射装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃料ガスと酸化剤とを用いて燃焼火炎を
発生させ、この火炎により材料を溶融させるとともに、
圧縮エアーを火炎周囲から円環状に噴出させて材料の溶
融粒子を微細化し、この材料の溶融粒子を素材上に吹き
つけるガス式溶射装置において、圧縮エアーがその入口
部からスロート部を経て中間室へ流れ、さらに中間室か
ら円環状の噴出口を介してジェット流として噴出するよ
うに構成し、スロート部の通過面積を入口部および中間
室の通過面積より小さくし、かつ噴出口の通過面積を中
間室の通過面積より小さくしたものである。そして、噴
出口とスロート部との通過面積比を０．７〜３．０と
し、噴出口の通過面積を２０〜４０ｍｍ²とし、入口部
に供給される圧縮エアー圧を５．０ｋｇ／ｃｍ²以上と
してある。

【０００７】

【作用】上記の条件でガス溶射を行うと、圧縮エアーを
微小隙間よりなるスロート部で絞り込むことによって、
大気圧との差を臨界圧の状態にし、その流速を音速まで
加速させる。そして、加速されたエアーは中間室で広が
ることにより、一層加速され、さらに噴出口で絞られる
ことにより、超音速まで加速され、ジェット流となって
火炎周囲から円環状に噴出される。このジェット流が、
燃焼火炎を超音速まで加速するものと考えられる。超音
速ジェット流は等エントロピーの条件を満足していない
が故に、非可逆的な不連続状態となり、所謂ダイヤモン
ド・ショックと呼ばれる垂直衝撃波が発生し、亜音速に
減速されていく現象が生じる。特に、比重量の大きな燃
焼ガス、例えばプロパンやプロピレンのような分子量の
大きなガスを選定した場合、密度変化の割合が大きくな
るため、その衝撃波は目視観察することができ、複数個
（例えば５〜７個程度）のダイヤモンド・ショックとし
て肉眼視できる。この時の燃焼火炎ジェット流の速度
は、例えば５００〜６００ｍ／ｓｅｃに達すると考えら
れる。

【０００８】

【実施例】図１，図２は本発明にかかるガス式溶射装置
の溶射ガンを示す。溶射ガン１の構造は従来のものとほ
ぼ同様である。即ち、溶射ガン１の前端部にはガスヘッ
ド２が設けられ、このガスヘッド２の内部に形成された
３本のガス通路３〜５に圧縮エアー、酸素または空気の
ような酸化剤、プロパン，プロピレン，アセチレンのよ
うな燃料ガスが夫々供給される。

【０００９】ガスヘッド２の下部にはバルブハウジング
６が固定され、このハウジング６に上記ガス通路３〜５
を通過するガス流量を調整する３個の流量調整バルブ７
〜９が取り付けられている。圧縮エアーの流量調整バル
ブ７にはハンドル７ｂが取り付けられている。また、こ
れらバルブ７〜９にはギヤよりなるバルブコア７ａ〜９
ａが夫々取り付けられ、これらバルブコアが互いに噛み
合っている。そのため、ハンドル７ｂを操作すると、バ
ルブ７だけでなく他のバルブ８，９も同期回転し、圧縮
エアー、酸化剤および燃料ガスの３者が常に所定の流量
比を保持しながら、流量調整される。なお、バルブハン
ドル７ｂは、全閉位置と点火位置と溶射位置とに切換可
能であり、全閉位置では圧縮エアーと酸化剤と燃料ガス
の全てのガスが閉止され、点火位置では全てのガスの流
量が少量に絞られ、溶射位置では全てのガスの流量が最
大となる。

【００１０】ガスヘッド２の上端部前面の中心部には、
先端部が先細状となったノズル１０ａが固定され、ノズ
ル１０ａの外周を覆うように、外ネジを有する筒体１１
を介してエアキャップボデー１２がガスヘッド２に固定
されている。ノズル１０ａの後部には燃料ガスと酸素と
を混合するガス混合ジェットプラグ１０ｂが位置し、両
部品は内ネジを有する接続筒１３によって連結されてい
る。接続筒１３の前端部にはエアキャップ１４が固定さ
れており、エアキャップ１４はノズル１０ａの外周を取
り囲み、かつノズル１０ａより前方へ突出している。エ
アキャップ１４の外周面には上記エアキャップボデー１
２の先端部内面が密着しており、エアキャップ１４の外
周とエアキャップボデー１２の内周との間には、円環状
の圧縮エアー貯留室（入口部）１５が形成される。上記
ガス通路３を介して送られた圧縮エアーは、エアー噴出
口１６から上記室１５に入る。

【００１１】ノズル１０ａの軸心部には、材料であるワ
イヤーＷ（図４参照）を供給するためのワイヤー供給孔
１７が形成され、この供給孔１７の先端部近傍には、ワ
イヤーＷを軸心位置に保持するためのガイド１８が固定
されている。なお、ワイヤーＷは、図１に示すガイド筒
１９を介して溶射ガン１に供給され、ガイド筒１９の途
中に設けられた送りローラ２０によって所定速度で連続
的に前方へ送られる。

【００１２】ジェットプラグ１０ｂのワイヤー供給孔１
７の周囲には、これと平行に燃料ガスと酸化剤との混合
ガスを供給する複数の孔２１が形成されている。上記ガ
ス通路４，５を介して個別に送られた酸化剤と燃料ガス
は、ジェットプラグ１０ｂの内部で予混合され、上記孔
２１へ送られる。ノズル１０ａとジェットプラグ１０ｂ
との境界部には、上記孔２１を流れた混合ガスの混合性
を高めるための環状の混合室２２が形成されている。混
合室２２で十分に混合されたガスは、ノズル１０ａに形
成された複数のガス吹出口２３から軸心方向に向かって
斜め前方へ吹き出す。

【００１３】圧縮エアー貯留室１５に入った圧縮エアー
は、図３のように、接続筒１３に半径方向に形成された
複数の連通孔２４と環状の通路２５とを介してエアキャ
ップ１４とノズル１０ａとの隙間に供給される。この隙
間は、スロート部２６と中間室２７と噴出口２８とで構
成されている。圧縮エアーは、室１５から連通孔２４、
環状通路２５を介してスロート部２６に供給され、さら
に中間室２７を経て円環状の噴出口２８からジェット流
としてノズル１０ａの軸心方向に向かって円環状に噴出
される。容積の大きな圧縮エアー貯留室１５に比べてス
ロート部２６の通過面積は遙に小さく設定されている。
また、中間室２７の通過面積は、スロート部２６および
噴出口２８の通過面積より大きい。

【００１４】ここで、上記構造のガス式溶射装置の動作
を説明する。まず、バルブハンドル７ｂを全閉位置から
点火位置へ操作すると、ガス通路４，５を介して少量ず
つ供給された酸化剤と燃料ガスは、ジェットプラグ１０
ｂの内部で予混合された後、孔２１およびガス吹出口２
３を通り、ノズル１０ａの軸心部に供給されたワイヤー
Ｗに向かって噴出される。同時に、ガス通路３を介して
少量ずつ供給された圧縮エアーは、圧縮エアー貯留室１
５から連通孔２４、通路２５、スロート部２６、中間室
２７を通り、噴出口２８から上記混合ガスの周囲を取り
囲むように軸心部に向かって斜め方向に噴出される。こ
の状態で、燃料ガスに点火すると、燃焼火炎が発生す
る。次に、バルブハンドル７ｂを点火位置から溶射位置
へ操作すると、図４のように圧縮エアー，酸化剤および
燃料ガスの流量が増大し、燃焼火炎が大きくなる。この
火炎によりワイヤーＷは溶融され、周囲を取り巻く圧縮
エアーによってアトマイジングされる。そのため、微細
化されたワイヤーＷの溶融粒子は図示しない素材上に吹
き付けられ、ガス溶射が行われる。この時、火炎の中
に、複数のダイヤモンド・ショックＤＳが発生する。

【００１５】従来では、噴出口２８から噴出される圧縮
エアーの速度が約１００ｍ／ｓｅｃ程度と低いため、溶
融粒子の素材への密着力が弱い、気孔率が大きい、粒子
が大きい（皮膜面粗度が粗い）などの問題があった。こ
れに対し、本発明では、圧縮エアーの通路を後述するよ
うな寸法に設定することにより、圧縮エアーの速度を超
音速まで加速できた。即ち、圧縮エアーを室１５で一旦
蓄積することにより、圧力上昇させ、この室１５から微
小隙間よりなるスロート部２６で絞り込むことによっ
て、大気圧との差が臨界圧の状態となり、その流速を音
速まで加速する。加速されたエアーは中間室２７で広が
り、さらに狭い噴出口２８を経て超音速まで加速され、
ジェット流となって噴出されると考えられる。

【００１６】次に、スロート部２６のエアー通過面積Ｓ
₁、噴出口２８の出口のエアー通過面積Ｓ₂、噴出口２
８の入口（中間室２７の出口）のエアー通過面積Ｓ₃お
よびスロート部２６の軸方向長さｌを種々変更した場合
のガス溶射の結果を次表に示す。この中で、Ａの場合が
従来装置のものである。なお、ガス通路３に供給される
圧縮エアー圧を５．０ｋｇ／ｃｍ²とし、燃料ガスとし
てはプロパンガスを、酸化剤としてはＯ₂ガスを用い
た。また、ワイヤーとして直径１／８インチのステンレ
スワイヤーを用いた。

【００１７】

【表１】

【００１８】上表の結果の欄において、◎はダイヤモン
ド・ショックが５〜６個発生した非常に良好な場合、○
はダイヤモンド・ショックが３〜４個発生した良好な場
合、△はダイヤモンド・ショックが発生したか否かの判
定が困難な場合、×はダイヤモンド・ショックが全く発
生しない場合である。なお、良好な結果が得られた例に
おいても、圧縮エアー圧を５．０ｋｇ／ｃｍ²未満（例
えば４．５ｋｇ／ｃｍ²）とした場合には、ダイヤモン
ド・ショックが発生しなかった。また、圧縮エアー圧を
６．５ｋｇ／ｃｍ²にまで上昇させた場合も、上記と同
様の結果が得られた。

【００１９】上記結果から分かるように、超音速のジェ
ット流を発生させるには、エアー圧を５．０ｋｇ／ｃｍ
²以上とし、Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃を次の関係に設定する必
要がある。Ｓ₁，Ｓ₂≦Ｓ₃ ・・・(1) ０．７≦Ｓ₂／Ｓ₁≦３．０・・・(2) ２０ｍｍ²≦Ｓ₂≦４０ｍｍ² ・・・(3) 噴出口２８の出口のエアー通過面積Ｓ₂が４０ｍｍ²を
越えると、点火できなかったり、点火しても火炎が収斂
せず、火炎が集中しない結果となる。また、エアー通過
面積Ｓ₂が２０ｍｍ²未満であれば、火炎が集中して
も、先端部の圧力損失が大きく、超音速までの加速性が
得られない。また、Ｓ₂／Ｓ₁が０．７未満であれば、
Ｓ₁部分での十分な絞り効果が得られない。一方、Ｓ₂
／Ｓ₁が３．０を越えると、Ｓ₁部分の通過面積が小さ
すぎ、圧力損失が大きくなる。

【００２０】図５（ａ）は従来装置（No. Ａ）によって
ガス溶射を行った素材断面の顕微鏡写真であり、図５
（ｂ）は本発明装置（No. Ｂ）によってガス溶射を行っ
た素材断面の拡大顕微鏡写真である。何れも、軟鋼より
なる素材（ＳＳ４１）に１３クロム系ステンレスを材料
とするコーティングを行った例である。燃料ガスとして
プロパンガスを用い、各々の圧力を、プロパンガス：
３．４ｋｇ／ｃｍ²，酸素：３．５ｋｇ／ｃｍ²，圧縮
エアー：６．５ｋｇ／ｃｍ²で実施した。また、流量は
プロパンガス：２０リットル／分，酸素：１００リット
ル／分とした。これら写真から明らかなように、本発明
装置によれば素材表面の皮膜の面粗度が従来に比べて格
段に緻密となっていることが分かる。この緻密さはプラ
ズマ溶射装置のそれよりも優れたものとなっている。

【００２１】図６は溶射ガンの第２実施例の構造を示
す。この実施例は、内面に段差のない先細状のテーパ面
１４ａ’を有するエアーキャップ１４’を用いたもので
ある。なお、ノズル１０ａは第１実施例と同一形状のも
のを用いた。図３と同一部分には同一符号を付して説明
を省略する。この実施例の溶射結果は、表１のＭおよび
Ｎで示されており、上記(1) 〜(3)の条件を満足する場
合には、良好な溶射結果が得られた。

【００２２】図７は溶射ガンの第３実施例の構造を示
す。この実施例は、外面に段差のない先細状のテーパ面
１０ｃを有するノズル１０ａ’を用いたものである。な
お、エアーキャップ１４は第１実施例と同一形状のもの
を用いた。図３と同一部分には同一符号を付して説明を
省略する。この実施例の溶射結果を表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２における実験は表１と同一条件で行っ
た。表２から明らかなように、段差のないノズル１０
ａ’を用いた場合も、エアー圧が５．０ｋｇ／ｃｍ²以
上で、(1) 〜(3) の条件を満足する場合には、良好な溶
射結果が得られたことが分かる。

【００２５】図８は溶射ガンの第４実施例の構造を示
す。この実施例は、段差のないノズル１０ａ’と段差の
ないエアーキャップ１４’とを用いたものである。図３
と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。この
実施例の溶射結果は、表２のＭ’およびＮ’で示されて
おり、(1) 〜(3)の条件を満足する場合には、良好な溶
射結果が得られた。

【００２６】本発明のガス式溶射装置は、亜鉛，アルミ
ニウムのような軟質金属ワイヤーから、ステンレス、
銅、モリブデンなどの殆どの金属ワイヤー材料のガス式
溶射に適用できることは勿論、ロッド状のセラミック材
の溶射、粉末の溶射にも適用が可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、スロート部の通過面積を入口部および中間室の
通過面積より小さくし、噴出口の通過面積を中間室の通
過面積より小さくするとともに、噴出口とスロート部と
の通過面積比を０．７〜３．０とし、噴出口の通過面積
を２０〜４０ｍｍ²とし、入口部に供給される圧縮エア
ー圧を５．０ｋｇ／ｃｍ²以上としたので、圧縮エアー
を超音速まで加速でき、このジェット流が燃焼火炎を超
音速まで加速できる。その結果、従来のガス式溶射装置
にはない次のような効果を奏することができる。（イ）皮膜密着力が従来に比べて格段に向上する。（ロ）皮膜気孔率が小さくなる。（ハ）皮膜面粗度が小さくなる。（ニ）発生ヒュームが少ない。（ホ）従来のガス式溶射装置と構成が殆ど変わらないの
で、導入が簡単である。（ヘ）皮膜品質の向上により、適用範囲が広がる。（ト）運転には特別な高圧ガスを必要としない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるガス式溶射装置の溶射ガンの側
面図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】図１の溶射ガンの圧縮エアー通路の拡大断面図
である。

【図４】図１の溶射ガンの溶射動作を示す断面図であ
る。

【図５】（ａ）は従来装置によって溶射された金属組織
の顕微鏡写真であり、（ｂ）は本発明装置によって溶射
された金属組織の顕微鏡写真である。

【図６】本発明の第２実施例における溶射ガンの圧縮エ
アー通路の拡大断面図である。

【図７】本発明の第３実施例における溶射ガンの圧縮エ
アー通路の拡大断面図である。

【図８】本発明の第４実施例における溶射ガンの圧縮エ
アー通路の拡大断面図である。

【符号の説明】

１溶射ガン２ガスヘッド３〜５ガス通路１０ａノズル１０ｂガス混合ジェットプラグ１４エアキャップ１５圧縮エアー貯留室（入口部）２６スロート部２７中間室２８噴出口Ｗワイヤー（材料）

【手続補正書】

【提出日】平成６年１２月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】図５（ａ）は従来装置（No. Ａ）によって
ガス溶射を行った素材の断面図であり、図５（ｂ）は本
発明装置（No. Ｂ）によってガス溶射を行った素材の断
面図である。何れも、軟鋼よりなる素材（ＳＳ４１）に
１３クロム系ステンレスを材料とするコーティングを行
った例である。燃料ガスとしてプロパンガスを用い、各
々の圧力を、プロパンガス：３．４ｋｇ／ｃｍ²，酸
素：３．５ｋｇ／ｃｍ²，圧縮エアー：６．５ｋｇ／ｃ
ｍ²で実施した。また、流量はプロパンガス：２０リッ
トル／分，酸素：１００リットル／分とした。これら断
面図から明らかなように、本発明装置によれば素材表面
の皮膜の面粗度が従来に比べて格段に緻密となっている
ことが分かる。この緻密さはプラズマ溶射装置のそれよ
りも優れたものとなっている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】（ａ）は従来装置によって溶射された金属組織
の断面図であり、（ｂ）は本発明装置によって溶射され
た金属組織の断面図である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスと酸化剤とを用いて燃焼火炎を発
生させ、この火炎により材料を溶融させるとともに、圧
縮エアーを火炎周囲から円環状に噴出させて材料の溶融
粒子を微細化し、この材料の溶融粒子を素材上に吹きつ
けるガス式溶射装置において、圧縮エアーがその入口部からスロート部を経て中間室へ
流れ、さらに中間室から噴出口を介してジェット流とし
て噴出するように構成し、上記スロート部の通過面積を入口部および中間室の通過
面積より小さく、上記噴出口の通過面積を中間室の通過
面積より小さくするとともに、上記噴出口とスロート部との通過面積比を０．７〜３．
０の範囲とし、上記噴出口の通過面積を２０〜４０ｍｍ²とし、上記入口部に供給される圧縮エアー圧を５．０ｋｇ／ｃ
ｍ²以上としたことを特徴とするガス式溶射装置。