JPS58124568A - Plasma spray method - Google Patents

Plasma spray method

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JPS58124568A
JPS58124568A JP57006039A JP603982A JPS58124568A JP S58124568 A JPS58124568 A JP S58124568A JP 57006039 A JP57006039 A JP 57006039A JP 603982 A JP603982 A JP 603982A JP S58124568 A JPS58124568 A JP S58124568A
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plasma arc
spray
plasma
spraying
magnetic field
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Koichi Takeda
紘一 武田
Hideo Takato
高藤 英生
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Abstract

PURPOSE:To contrive to improve the efficiencies of spraying and working and the quality of a spray coating film, in the formation of a coating film layer by a spray method, by using plasma arc reformed by the action of electromagnetic force. CONSTITUTION:By using plasma arc reformed into a configuration widen toward the surface 8 of a workpiece to be spray-coated from the opening of a nozzle, a coating layer having large width is formed by only one spray even when the powder of a spray material is ejected from the nozzle with a substantially large angle. In order to obtain the plasma arc having said configuration, annular coils 14, 15 are arranged approximately symmetrically with respect to the workpiece 9 to be spray-coated, and exciting currents each flowing to the opposite direction are applied to the coils, so that a cusped magnetic field directing outwards is formed in the space of the plasma arc above the workpiece 9 to be spray-coated. Since the charged particles in the plasma arc have the feature difficult to move across the line of magnetic force, coned plasma arc being widened toward the periphery similar to the configuration of the line of magnetic force is formed.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマを用いた溶射被覆あるいは溶射成形を
行うプラズマ溶射法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a plasma spraying method for spray coating or spray forming using plasma.

金属や合金、金属化合物、セラミックス、サーメット等
の材料を1.溶融あるいはそれに近い状態に加熱し、粒
子状で素材面に衝突させて、素材面上に新しい被覆層を
形成させる表面改質法は、溶射被覆法と呼ばれている。
1. Materials such as metals, alloys, metal compounds, ceramics, and cermets. A surface modification method in which a material is heated to a melted or nearly melted state and bombarded with particulates against the material surface to form a new coating layer on the material surface is called a thermal spray coating method.

またあらかじめ所定の形状に加工された型面上に溶射被
覆層を形成させ、その後型素材を除去して、目的とする
形状のものを得る方法は溶射成形法と呼ばれている。こ
れらの溶射被覆法や溶射成形法はまとめて単に溶射と呼
ばれることも多い。溶射により形成される被覆層は、小
量で素材に断熱性や耐熱性をもたせたり。
Further, a method of forming a thermal spray coating layer on a mold surface that has been previously processed into a predetermined shape and then removing the mold material to obtain a desired shape is called a thermal spray molding method. These thermal spray coating methods and thermal spray molding methods are often collectively referred to simply as thermal spraying. The coating layer formed by thermal spraying provides insulation and heat resistance to the material in a small amount.

あるいは低摩擦特性や耐摩耗性、または耐食性その他素
材にはない種々の性質を付与することができるので、広
い分野を必要とされる基本的な工業技術の一つになって
いる。
Furthermore, it is possible to impart various properties not found in other materials, such as low friction characteristics, wear resistance, and corrosion resistance, so it has become one of the basic industrial technologies that is needed in a wide range of fields.

溶射法には、ガス溶射法、アーク溶射法、線爆溶射法、
プラズマ溶射法などがあるが、中でもプラズマ溶射法は
プラズマ発生装置により得られるエネルギーの密度が高
く、難溶融性材料でも溶射できること、作業能率が高い
こと、溶射材が大きい速度で素材面に衝突するため、密
着性その他良質の被覆層が得られることなどの特徴をも
つので近年大きな発展をとげつつある。
Thermal spraying methods include gas spraying, arc spraying, wire blast spraying,
There are plasma spraying methods, among others, the plasma spraying method has a high energy density obtained by the plasma generator, can spray even difficult-to-melt materials, has high work efficiency, and the sprayed material collides with the material surface at a high speed. Therefore, it has been making great progress in recent years because of its characteristics such as adhesion and the ability to obtain a coating layer of good quality.

ところで、プラズマ溶射法の出現により被覆層の性能は
改善されているとはいえ、一般的に従来の溶射法は、溶
射処理速度が小さい、溶射被膜層の空隙率が高い、溶射
被膜と被溶射素材との密着性が悪く、剥離しやすいなど
の問題を有する。
By the way, although the performance of the coating layer has been improved with the advent of plasma spraying, conventional thermal spraying generally has low spray processing speed, high porosity of the sprayed coating layer, and problems with the sprayed coating and the sprayed coating. It has problems such as poor adhesion to the material and easy peeling.

本発明は溶射における溶射効率および作業能率の向上、
溶・射被膜性状の向上を計るためのものである。
The present invention aims to improve thermal spraying efficiency and work efficiency in thermal spraying,
This is to measure the improvement of thermal/sprayed coating properties.

次に図面を参照しながら本発明の方法を詳細に説明する
Next, the method of the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

第1図は従来のプラズマ溶射法の原理を示す。FIG. 1 shows the principle of conventional plasma spraying.

陰極2と冷却水通路4を有する陽極ノズル3とに電源l
を接続し、この間に直流アーク5を発生させ、後方Fl
で示される方向より送給される作動ガスを、アークによ
り熱し、超高温プラズマジェット6としてノズル3より
噴出させる。溶射材料は通常粉末でガスにのせてF2に
示される方向よりノズル中に吹き込まれ、プラズマジェ
ットにより加熱かつ加速されて溶融あるいは半溶融状態
の粉末7となり素材9の表面に衝突し、皮膜8を形成す
る。作動ガスには、アルゴンあるいは窒素が用いられる
のが一般的であるが、水素やヘリウムその池のガスも使
用されることがある。第1図に示す方法では、投入電力
の大部分がノズル内で発生するため、プラズマジェット
の高温領域が狭く。
A power supply l is connected to the cathode 2 and the anode nozzle 3 having the cooling water passage 4.
is connected, a DC arc 5 is generated during this time, and the rear Fl
Working gas fed from the direction shown is heated by an arc and ejected from the nozzle 3 as an ultra-high temperature plasma jet 6. Thermal spray material is usually powdered and blown into the nozzle from the direction indicated by F2, heated and accelerated by the plasma jet, and becomes a molten or semi-molten powder 7 that collides with the surface of the material 9, forming a coating 8. Form. Argon or nitrogen is generally used as the working gas, but hydrogen, helium, or other gases may also be used. In the method shown in FIG. 1, most of the input power is generated within the nozzle, so the high temperature region of the plasma jet is narrow.

溶射粉末材とプラズマジェットとの熱交換が充分に行わ
れないためにエネルギー利用効率は低い。
Energy utilization efficiency is low because heat exchange between the thermal spray powder material and the plasma jet is not sufficient.

第2図はエネルギー効率を高め、更に密着性も改善する
ために現在一部に利用されるようになっているプラズマ
アーク溶射法の原理図である。第1図のプラズマジェッ
ト溶射法がノズル内側にて電力の大部分が消費されるの
に対し第2図のプラズマアーク溶射法では電力の多くの
割合が、プラズマトーチ外にひきだされたプラズマアー
クlOで消費される。このために陰極2と被溶射素材9
との間にも電気回路が形成されている。第2図は陰極2
とノズル3の間、ノズル3と被溶射素材9との間のそれ
ぞれに電源lおよび11が接続されている例を示したが
、ノズル3を浮遊電位にして陰極2と被溶射材9との間
だけに電気回路を作ってもよい。図に示す以外の極性の
組合せも行われている。ノズル外部までプラズマアーク
をひき出すことにより、プラズマガスと溶射材料7との
接触時間が大となり、加熱効率が高まること、被溶射素
材も加熱されるので溶射被膜と素材表面との密着性が向
上することなどの利点があることが認められている・。
FIG. 2 is a diagram showing the principle of plasma arc thermal spraying, which is currently being used in some areas to increase energy efficiency and improve adhesion. In the plasma jet spraying method shown in Figure 1, most of the power is consumed inside the nozzle, whereas in the plasma arc spraying method shown in Figure 2, a large proportion of the power is consumed by the plasma arc drawn outside the plasma torch. Consumed in lO. For this purpose, the cathode 2 and the material to be sprayed 9
An electric circuit is also formed between them. Figure 2 shows cathode 2
An example is shown in which the power supplies 1 and 11 are connected between the cathode 2 and the nozzle 3, and between the nozzle 3 and the material 9 to be sprayed, respectively. You can create an electric circuit just between them. Other polarity combinations than those shown are also available. By drawing out the plasma arc to the outside of the nozzle, the contact time between the plasma gas and the sprayed material 7 is increased, increasing heating efficiency, and the material to be sprayed is also heated, improving the adhesion between the sprayed coating and the material surface. It has been recognized that there are benefits such as:

プラズマジェット溶射法あるいはプラズマアーク溶射法
いずれの場合も、−回の溶射で得られる被膜の幅は15
〜25鱈程度とあ・ま力大きくない。
In the case of either plasma jet spraying or plasma arc spraying, the width of the coating obtained by - times of spraying is 15
It's about 25 cods, which isn't that big.

これが処理面積速度を大きくできない最大の原因となっ
ている。更にプラズマガスに向けて送給される溶射粉体
材料はプラズマジェットあるいはプラズマアーク径より
も大きい領域にひろがるために充分に加熱されない物が
かなり存在する。これが溶射材の歩留りを下げている原
因となっている。
This is the biggest reason why the processing area speed cannot be increased. Additionally, there is a considerable amount of thermal spray powder material that is delivered toward the plasma gas and is not heated sufficiently because it spreads over an area larger than the plasma jet or plasma arc diameter. This is the cause of lowering the yield of thermal spray material.

第3図(a)は本発明の溶射法の原理を示す。本発明で
は電磁気学的力の作用により、ノズル出口から被溶射素
材面に向って末広がりの形状に変形されたプラズマアー
ク10を用いることを特徴とする。このような末広がり
のプラズマアークを用いることにより、溶射材粉末をノ
ズルからかなり大きい角度で噴出させても、プラズマア
ーク部からはずれることなく飛行でき、結果として一回
の溶射て幅の広い被覆層が形成され、溶射材歩留りの向
上と溶射処理速度の大巾な向上が達成される。
FIG. 3(a) shows the principle of the thermal spraying method of the present invention. The present invention is characterized by the use of a plasma arc 10 that is deformed into a shape that diverges from the nozzle exit toward the surface of the material to be thermally sprayed by the action of electromagnetic force. By using such a divergent plasma arc, even if the spray material powder is ejected from the nozzle at a considerably large angle, it can fly without coming off the plasma arc, and as a result, a wide coating layer can be produced with one spray. This results in a significant improvement in the yield of thermal spray material and the speed of thermal spray processing.

プラズマアークを末広がりの形状にするには現在得られ
ている電磁気学的知見から色々な方法が可能であるが、
その−例を第3図(b)に示す。被溶射素材9をはさん
でほぼ対称に円環コイル14.15を配置し、それぞれ
に互に反対方向に向う励磁電流を通じると、素材9面上
で外方向に向う16で示すような磁力線分布のいわゆる
カスプ型磁場がプラズマアーク空間にできる。プラズマ
アーク内の荷電粒子は磁力線を横切って運動しにくい性
質を有するため、プラズマアーク形状は磁力線形状に近
いものとなる。すなわち末広がりのコーンプラズマアー
クが形成される。これはプラズマアークをアーク軸に対
称に2次元的に広げる為の方法例であるが、磁界の作り
方によっては一次元的に偏平に広がった扇形プラズマア
ーク形状も可能であり、そのための方法としては例えば
、荒田、丸尾: Technology Report
sof the 08AKA UniversityV
ol、 22.随1039  (1972) p 13
5〜153に示されるようなカスプ磁場を用いることが
できる。
There are various methods that can be used to make the plasma arc divergent, based on the electromagnetic knowledge currently available.
An example thereof is shown in FIG. 3(b). When circular coils 14 and 15 are arranged almost symmetrically across the material 9 to be thermally sprayed, and excitation currents directed in opposite directions are passed through each coil, lines of magnetic force as shown by 16 pointing outward on the surface of the material 9 are formed. A so-called cusp-shaped distributed magnetic field is created in the plasma arc space. Since the charged particles in the plasma arc have a property of being difficult to move across the lines of magnetic force, the shape of the plasma arc is close to the shape of the lines of magnetic force. In other words, a cone plasma arc that spreads toward the end is formed. This is an example of a method for spreading a plasma arc two-dimensionally symmetrically around the arc axis, but depending on how the magnetic field is created, it is also possible to create a fan-shaped plasma arc that spreads flatly in one dimension. For example, Arata, Maruo: Technology Report
so the 08AKA UniversityV
ol, 22. Zui 1039 (1972) p 13
Cusp magnetic fields such as those shown in Figures 5-153 can be used.

定常的なカスプ磁界により作られる末広がりのプラズマ
アークを用いることの利点は著しいが、かなり強力な磁
界を作用させなければプラズマアークを変形させること
が難しいという問題点を有する。第4図はこの欠点に対
処するために発明された本発明方法を示す図である。こ
の方法ではプラズマアークに交番磁界を作用させること
によりプラズマアークを交番周波数に同期して往復振動
運動をさせ、このプラズマアークを溶射材粉末の加熱熱
源に用いることを特徴とする。第4図においてかりにプ
ラズマアークが被溶射素材9がら溶射トーチ30内陰極
2に向って電流を運んでいるものとし、この電流に紙面
に垂直で紙面背後より手前へ向う磁界を作用させると、
プラズマアークは電流と磁界強度のベクトル積で示され
るカを受けるのでプラズマアークはたとえばl○に示す
ように彎曲した形状になる。磁界が交番磁界であれば半
周期毎にプラズマアークに作用する電磁力の方向は反転
するので結局プラズマアークはたとえば10および10
’に示される間を往復振動運動をすることになる。交番
磁界の周波数をある程度大きくとれは、実質的には10
とl O’を両端とする末広がりの扇形プラズマアーク
が得られることになる。プラズマアークを電磁気学的力
で振動させるための磁界発生については種々の方法が可
能であるが、例えば、−次元的に振動するプラズマアー
クを得るためには、特願昭53−50110”広巾アー
クのための磁界発生法”に記載されている方法を用いる
ことができる。更に二次元的な広がりをもって揺動する
プラズマアークを得るためには、*願昭55−5033
1”プラズマアークの磁気駆動方法”に記載されている
方法を用いることができる。
Although the advantage of using a diverging plasma arc created by a steady cusp magnetic field is significant, it has the problem that it is difficult to deform the plasma arc without the application of a fairly strong magnetic field. FIG. 4 shows a method of the present invention devised to address this drawback. This method is characterized in that an alternating magnetic field is applied to the plasma arc to cause the plasma arc to undergo reciprocating vibrational motion in synchronization with an alternating frequency, and this plasma arc is used as a heat source for heating the thermal spray material powder. In FIG. 4, it is assumed that the plasma arc is carrying a current from the material 9 to be sprayed toward the internal cathode 2 of the spraying torch 30, and when a magnetic field that is perpendicular to the plane of the paper and directed from the back to the front of the paper is applied to this current,
Since the plasma arc is subjected to a force represented by the vector product of current and magnetic field strength, the plasma arc takes on a curved shape as shown, for example, by l○. If the magnetic field is an alternating magnetic field, the direction of the electromagnetic force acting on the plasma arc will reverse every half cycle, so the plasma arc will eventually
It will make a reciprocating oscillating motion between the distances shown in '. If the frequency of the alternating magnetic field is increased to a certain extent, it will actually be 10
A fan-shaped plasma arc that spreads toward the end with both ends at and l O' is obtained. Various methods are possible for generating a magnetic field to make the plasma arc vibrate with electromagnetic force. The method described in ``Magnetic field generation method for magnetic field generation method'' can be used. Furthermore, in order to obtain a plasma arc that oscillates with a two-dimensional spread,
1 "Method for magnetically driving plasma arc" can be used.

電磁気学的力の作用によりプラズマアークを変形する利
点は磁界分布を変えることによりアーク形状を細かくコ
ントロールできることにある。例えばプラズマアークに
交番磁界を作用させ高速で振動させることにより実質的
な広幅のプラズマアークを作る場合でも磁界ベクトルの
方向をかえることにより振動面をかえることができるし
、磁界強度をかえることにより振巾をかえることができ
る。さらに″交番磁界波形を適当に選ぶことにより熱分
布を望む形にすることも可能である。交番磁界に直流分
を重畳することにより片側に偏った非対称形状にするこ
ともできる。いまかりに第5図に示す如く被溶射素材A
BODがあるとし、プラズマ溶射トーチ30に対し相対
的に素材をF5に示す方向に移動させ辺ABから次第に
辺CDに向けて溶射層を作っていくモデルを考える。こ
こで辺AC又はBOに平行な方向をX方向、辺ABまた
はCDに平行な方向をy方向1面ABODに垂直な方向
を2方向として説明を進める。第6図には電磁気学的力
の作用により変形されたプラズマアークのいくつかのモ
ードを示している。振動運動しているけれど高速のため
実質的には広がったプラズマアークとみなせるものは、
定常的に広げられているプラズマアークと特に区別する
ことなしに扱っている。図の(a) (b) (c) 
(d)はx−z平面に投影して見たモードであり(e)
、 (f)、 (ω および(h)は7−2平面に投影
して見たモードである。実際のモードは(a)〜(d)
のいずれか1つと(e)〜(h)のいずれか1つとの組
合せになる。代表的ないくつかの組合せをとりあげ、そ
れぞれの組合せの利点を少し詳しく説明する。(a)と
(e)の組合せは従来より行なわれているプラズマアー
クに何ら変形の加えていない溶射法である。(b)と(
e)の組合せはプラズマアークを溶射進行方向と垂直な
面に一次元的に広げたもので、加熱されずにプラズマア
ークの外に飛びだす溶射粉末の割合を小にし歩留りを上
げると共に、−回の走行で溶射できる幅が大きく作業能
率が高くなる。(C)と(、)の組合せでは、プラズマ
アークのX方向の広がりかたを非対称にし、溶射がすで
に終了している方向へ備らせたものである。この組合せ
の主なねらいは既に形成されている溶射被膜層を再加熱
することである。近年素地と溶射被膜層との結合をより
完全にしかつ無気孔の均−合金被膜を作る目的で、溶射
材料にフラックス剤を含ませ溶射後加熱溶融処理をして
使用する自溶性合金溶射材料がよく用いられるようにな
っている。この場合基本的には溶射完了後、適当な熱源
を用いて再加熱し、被膜層を溶融させるという手順を踏
まね・ばならない。しかし本発明の方法によれば、既に
溶射の済んでいる領域に広がったプラズマアークが再加
熱溶融の熱源となるので、溶射と同時に加熱溶融処理が
進行し1行程の著しい簡略化が可能になる。同様な効果
は(a)と()1)の組合せでも実現できる。
The advantage of deforming the plasma arc by the action of electromagnetic force is that the shape of the arc can be precisely controlled by changing the magnetic field distribution. For example, even when creating a substantially wide plasma arc by applying an alternating magnetic field to the plasma arc and causing it to vibrate at high speed, the plane of vibration can be changed by changing the direction of the magnetic field vector, and by changing the magnetic field strength. You can change the width. Furthermore, by appropriately selecting the alternating magnetic field waveform, it is possible to shape the heat distribution into a desired shape. By superimposing a direct current component on the alternating magnetic field, it is also possible to create an asymmetrical shape that is biased to one side. As shown in the figure, the material to be thermally sprayed A
Assuming that there is a BOD, consider a model in which the material is moved in the direction shown by F5 relative to the plasma spraying torch 30 to create a sprayed layer gradually from side AB to side CD. Here, the description will proceed assuming that the direction parallel to side AC or BO is the X direction, the direction parallel to side AB or CD is the y direction, and the direction perpendicular to ABOD is the second direction. FIG. 6 shows several modes of the plasma arc deformed by the action of electromagnetic forces. Although it is in oscillatory motion, it is so fast that it can essentially be regarded as a spread plasma arc.
It is treated without making any particular distinction from a plasma arc that is constantly expanding. Figures (a) (b) (c)
(d) is the mode projected onto the x-z plane, and (e)
, (f), (ω and (h) are the modes projected onto the 7-2 plane.The actual modes are (a) to (d)
It is a combination of any one of (e) to (h). We will take up some typical combinations and explain in some detail the advantages of each combination. The combination of (a) and (e) is a thermal spraying method in which no modification is made to the conventional plasma arc. (b) and (
Combination e) is one in which the plasma arc is spread one-dimensionally in a plane perpendicular to the direction of thermal spraying progress, which reduces the proportion of the thermal spray powder that flies out of the plasma arc without being heated and increases the yield. The width that can be sprayed while traveling is large, increasing work efficiency. In the combination of (C) and (,), the spread of the plasma arc in the X direction is made asymmetrical, and the plasma arc is provided in the direction where the thermal spraying has already been completed. The main aim of this combination is to reheat already formed sprayed coating layers. In recent years, self-fusing alloy thermal spraying materials have been developed, which are used by impregnating a fluxing agent in the thermal spraying material and heating and melting it after spraying, in order to more completely bond the substrate and thermal spray coating layer and to create a porosity-free homogeneous alloy coating. It has become commonly used. In this case, basically, after thermal spraying is completed, the coating layer must be reheated using an appropriate heat source to melt the coating layer. However, according to the method of the present invention, the plasma arc that spreads over the area that has already been thermally sprayed becomes the heat source for reheating and melting, so the heating and melting process proceeds at the same time as thermal spraying, making it possible to significantly simplify one process. . A similar effect can also be achieved by a combination of (a) and ()1).

次に(a)と(g)の組合せはプラズマアークを溶射進
行方向に広げかつ広げ方を溶射前方に偏らせている。
Next, the combination of (a) and (g) spreads the plasma arc in the spraying progress direction and biases the spread toward the front of the spraying.

このようなプラズマアークの変形により溶射直前に素材
面を加熱しなから溶射を行うことが可能になる。高温に
なった素材面に溶射材が衝突するので、素材と溶射被膜
層との結合力は高まる。
Such a plasma arc deformation makes it possible to perform thermal spraying without heating the material surface immediately before thermal spraying. Since the sprayed material collides with the heated material surface, the bonding force between the material and the sprayed coating layer increases.

以上の数例の説明より明らかなように、変形のし方によ
り溶射材歩留向上、溶射幅拡大による作業能率の向上、
溶射素材の事前加熱や溶射被膜の事後加熱による被膜性
能の向上、事後処理行程の省略等が可能である。上に述
べた以外に多くの組合せが可能であるが、それぞれの組
合せでいかなる効果が期待できるかは上の説明例から容
易に類推できるであろう。
As is clear from the explanation of the several examples above, the yield of thermal sprayed material is improved by the method of deformation, the work efficiency is improved by expanding the thermal spraying width,
It is possible to improve coating performance by pre-heating the thermal spray material and post-heating the thermal spray coating, and to omit post-treatment steps. Many combinations other than those described above are possible, but what kind of effects can be expected from each combination can be easily inferred from the examples described above.

第7図は上に述べた事前加熱、あるいは事後加熱をより
効果的に行なわせるために一方向に彎曲したプラズマア
ークを用いる方法を説明するだめのものである。
FIG. 7 is for explaining a method of using a plasma arc curved in one direction in order to more effectively perform the above-mentioned pre-heating or post-heating.

第5図のモデルに座標系を採用した場合のXZ面に投影
したプラズマアークの3つの典型的な形状を(a)、 
(b)、 (C)に示した。(a)はX2面上では彎曲
していない場合、(b)は既に溶射の完了した方向に彎
曲した場合、(C)は未だ溶射の行なわれていない方向
に彎曲した場合である。一方(a) 、 (e) 、 
(f)はyz面に投影したプラズマアークの3つの臼型
的形状を同様に示したものである。(a)と(d)の投
影図の組合せで示されるプラズマアークは変形のない従
来の溶射法で使用されているものである。(a)、 (
e)の組合せでは、プラズマアークは溶射進行方向の前
方に彎曲しておりこのプラズマアークを用いて溶射を行
うと、溶射材粉末はノズル内およびノズルを出てからあ
る時間プラズマアーク内を飛行しこの間に加熱され溶融
あるいは半溶融状態になりその後、プラズマアーク領域
の外へ出て素材表面に衝突して、゛溶射被膜を形成する
。一方プラズマアークは溶射進行方向にまげられている
ため、プラズマアークに投入されたエネルギーの一部は
溶射素材の事前加熱に効果的に利用される。被溶射素材
の表面層を極く薄く溶融状態にし、そこへ溶射材全衝突
させていくことも可能で、これにより結合力の強い被膜
を得ることができる。(b)と(d)の組合せによるプ
ラズマアークを用いた溶射ではフ゛ラズマアークは既に
溶射の完了した領域(二曲げられているので投入電力の
多くの部分は、溶射被膜の事後加熱、溶融処理に効果的
に利用できる。自溶性合金の溶射、および事後再溶融処
理を同時に行うためのプラズマアークとして極めて有効
(=利用できる。(a)と(、f)の組合せでも同じ事
後加熱が可能なことは明らかである。
Three typical shapes of the plasma arc projected on the XZ plane when the coordinate system is adopted for the model in Figure 5 are (a),
Shown in (b) and (C). (a) is a case where the curve is not curved on the X2 plane, (b) is a curve in the direction where thermal spraying has already been completed, and (C) is a curve in the direction where thermal spraying has not yet been performed. On the other hand, (a), (e),
(f) similarly shows three mortar-like shapes of the plasma arc projected onto the yz plane. The plasma arc shown in the combination of projections (a) and (d) is that used in conventional thermal spraying without deformation. (a), (
In the combination e), the plasma arc is curved forward in the spraying direction, and when spraying is performed using this plasma arc, the spraying material powder flies inside the nozzle and within the plasma arc for a certain period of time after leaving the nozzle. During this time, it is heated and becomes molten or semi-molten, after which it exits the plasma arc region and collides with the surface of the material, forming a thermally sprayed coating. On the other hand, since the plasma arc is bent in the spraying direction, a portion of the energy input to the plasma arc is effectively used for preheating the spraying material. It is also possible to melt the surface layer of the material to be thermally sprayed into a very thin layer and allow all of the thermal spraying material to collide with it, thereby making it possible to obtain a coating with strong bonding strength. In thermal spraying using a plasma arc using a combination of (b) and (d), since the plasma arc is bent over the area where the spraying has already been completed (2), most of the input power is used for post-heating and melting of the sprayed coating. Can be used effectively. Extremely effective (= can be used) as a plasma arc for simultaneous thermal spraying of self-fusing alloys and post-remelting treatment. The same post-heating is possible with the combination of (a) and (, f). is clear.

上に述べた組合せ以外にいろいろな組合せが可能であり
、それぞれがいかなる効果を有するかは今までの説明よ
り容易に類推できる。プラズマアークを一方向に彎曲さ
せるには前述のプラズマアークを振動させるための方法
において、プラズマアークに作用する外部磁界を交番磁
界でなく、定常磁界にするだけでよく、磁界強度を変化
させることにより彎曲度合を制御できる。
Various combinations other than those described above are possible, and the effects of each combination can be easily inferred from the above explanation. In order to bend the plasma arc in one direction, in the method for vibrating the plasma arc described above, it is sufficient to make the external magnetic field acting on the plasma arc a constant magnetic field instead of an alternating magnetic field, and by changing the magnetic field strength. The degree of curvature can be controlled.

次に実施例について説明する。第1表は従来のプラズマ
アーク溶射法と、溶射材利用効率および溶射幅を増大さ
せるために実施した本発明の方法との実施結果を比較で
きるようにまとめたものである。
Next, an example will be described. Table 1 summarizes the results of the conventional plasma arc spraying method and the method of the present invention, which was implemented to increase spray material utilization efficiency and spray width.

lは従来法でありプラズマアーク電流値は350Aで外
部磁界を作用させずに溶射を行っている。
1 is the conventional method, and the plasma arc current value is 350 A, and thermal spraying is performed without applying an external magnetic field.

2は第3図(b)に示すような定常的なカスプ型磁界を
作用させ、末広がりしたコーン状プラズマアークを用い
た場合である。下部でプラズマアークの断面積が大きく
なり、そのためエネルギー密度が低下する。したがって
プラズマアーク電流値を従来法に比較して若干大きく、
設定する必要がある。
2 is a case in which a steady cusp-shaped magnetic field as shown in FIG. 3(b) is applied and a cone-shaped plasma arc expanding toward the end is used. At the bottom, the cross-sectional area of the plasma arc becomes larger, which reduces the energy density. Therefore, the plasma arc current value is slightly larger than that of the conventional method.
Must be set.

本実施例ではプラズマアーク電流を50OAにしたとこ
ろ、良好な溶射被膜が得られた。
In this example, when the plasma arc current was set to 50OA, a good sprayed coating was obtained.

なおりスプ磁界は第3図(b)に示したように2つの円
環に互に反対方向に流れる直流電流を通じて作っている
。′対称軸上で測定した磁界強度はプラズマトーチノズ
ル出口で800ガウス被溶射素材表面で7ガウスであっ
た。表中の(3)はプラズマアークと直交する交番磁界
を作用させ一次元的に振動運動し、実質的には末広がり
扇形プラズマアークとみなせるものを用いた溶射例であ
る。この場合のプラズマアーク電流は4”5−OA、ブ
ラ女マアークと作用する外部磁界強度はプラズマアーク
が存在する空間で120ガウスr、p、m、交番周波数
400Hz  の条件で行っている。いずれの場合も、
使用した溶射粉末はアルミナで粒度250メツシユ以下
qものである。プラズマ溶射トーチ、被溶射素材間距離
は7omで行っている。溶射材利用効率は溶射被膜形成
速度を溶射粉体供給速度で除して%表示したものである
As shown in FIG. 3(b), the orisp magnetic field is created through direct current flowing in two rings in opposite directions. The magnetic field strength measured on the axis of symmetry was 800 Gauss at the exit of the plasma torch nozzle and 7 Gauss at the surface of the material to be sprayed. Item (3) in the table is an example of thermal spraying using an alternating magnetic field orthogonal to the plasma arc to cause one-dimensional oscillating motion, which can be essentially regarded as a fan-shaped plasma arc that spreads toward the end. In this case, the plasma arc current was 4"5-OA, the external magnetic field strength acting on the bra woman arc was 120 Gauss r, p, m in the space where the plasma arc existed, and the alternating frequency was 400 Hz. In case,
The thermal spray powder used was alumina with a particle size of 250 mesh or less. The distance between the plasma spraying torch and the material to be sprayed was 7 om. The thermal spray material utilization efficiency is expressed as a percentage of the thermal spray coating formation rate divided by the thermal spray powder supply rate.

第1表 以上より、本発明の方法では、溶射材料利用効率。Table 1 From the above, in the method of the present invention, the thermal spraying material utilization efficiency can be improved.

溶射被膜形成幅が従来法にくらべてかなり高い値を示す
ことが確認された。
It was confirmed that the thermal spray coating width was considerably higher than that of the conventional method.

第2表は、溶射部の事前加熱を可能にする本発明法の実
施により被膜の密着性が向上することを示す実施例であ
る。(1)は従来法でプラズマアーク電流350Aで溶
射を行った結果である。(2)は、正弦波で振動する交
番磁界に振巾値に等しい直流磁界を重畳し、プラズマア
ークが、トーチ直下より溶射個所の前方の領域にかけて
振動するように磁界を作用させなから溶射を行った例で
ある・振動周波数は400 Hz、磁界強度は180ガ
ウスr、p、m、、プラズマアーク電流は450Aであ
る。
Table 2 is an example showing that the adhesion of the coating is improved by implementing the method of the invention which allows pre-heating of the sprayed area. (1) shows the results of thermal spraying using a conventional method with a plasma arc current of 350A. In (2), a DC magnetic field equal to the amplitude value is superimposed on an alternating magnetic field that oscillates in a sine wave, and thermal spraying is performed without applying a magnetic field so that the plasma arc oscillates from directly below the torch to the area in front of the sprayed area. In this example, the vibration frequency was 400 Hz, the magnetic field strength was 180 Gauss r, p, m, and the plasma arc current was 450 A.

実施例の(3)では、プラズマアークを定常的に溶射前
方に彎曲させて溶射を行った結果である。プラズマアー
クと直交する180ガウスの定常磁界中に45 OA’
のアークを発生させている。
In Example (3), the results were obtained by performing thermal spraying by constantly curving the plasma arc in front of the thermal spraying. 45 OA' in a steady magnetic field of 180 Gauss perpendicular to the plasma arc
The arc is generated.

第2表 いずれの場合もプラズマトーチ、被溶射素材面間の距離
は7011111、被溶射素材は4酷厚鉄板で脱脂、ブ
ラスト処理後粒径140メツシユ以下のニッケル・クロ
ム合金粉(80%Ni−20%cr )を溶射材として
用いた。
In all cases in Table 2, the distance between the plasma torch and the surface of the material to be thermally sprayed is 7011111, and the material to be thermally sprayed is a 4-thick iron plate, degreased and blasted with nickel-chromium alloy powder (80% Ni- 20% cr) was used as the thermal spraying material.

次に示す実施例は溶射事後加熱の可゛能な本発明の方法
を用いて自溶性合金を溶射した場合に関する。プラズマ
トーチと鉄板素材との距離を70鰭に保ち、プラズマア
ーク電流を35OAとしてニッケルベースで17%クロ
ミウム、4%シリコン3.5チボロン、1%カーボン、
4%鉄を含む組成の自溶性合金粉を、第6図(C)、(
e)で示めされる形状の振動プラズマアークにより溶射
を実施した。
The following examples relate to the case where a self-fusing alloy is thermally sprayed using the method of the present invention which allows for post-spray heating. The distance between the plasma torch and the iron plate material was kept at 70 fins, the plasma arc current was set at 35 OA, and the nickel base was 17% chromium, 4% silicon, 3.5 tiboron, 1% carbon,
Self-fusing alloy powder with a composition containing 4% iron is shown in Fig. 6 (C), (
Thermal spraying was carried out using an oscillating plasma arc having the shape shown in e).

この場合、プラズマアークの非対称振動をおこさせるた
めに正弦波振動磁界に更にこの振巾値に等しい直流磁界
を重畳している。磁界強度は180ガウス(r、p、m
、 )  で振動周期は400 H2である。
In this case, a direct current magnetic field equal to the amplitude value is further superimposed on the sinusoidal oscillating magnetic field to cause asymmetric vibration of the plasma arc. The magnetic field strength is 180 Gauss (r, p, m
, ) and the vibration period is 400 H2.

既に溶射完了領域を運動するプラズマアークはこの領域
の被膜層を加熱し溶融状態にする。従来の目溶合金溶射
処理では事後の再溶融処理を独立な行程として実施する
必要があったが1本発明法ではその行程が不必要になっ
た。本発明法による溶射層断面を観察したところ、原料
として含まれるフラックス成分は、金属酸化物を取り込
んで1表面に浮上して凝固しており溶射被嘆は均一、無
気孔の状態で形成されており、従来法に何ら劣るところ
が確認された。
The plasma arc moving in the already sprayed area heats the coating layer in this area and melts it. In the conventional thermal spraying process for melting alloys, it was necessary to carry out the subsequent remelting process as an independent process, but in the method of the present invention, this process is no longer necessary. When we observed the cross section of the sprayed layer made by the method of the present invention, we found that the flux component contained as a raw material incorporated metal oxides, floated to the surface, and solidified, and the sprayed layer was formed in a uniform, pore-free state. It was confirmed that the method was inferior to the conventional method.

以上溶射被覆を例にして説明したが、本発明は磁界で形
状あるいは運動の制御されたプラズマアークを用いるこ
とにより事前加熱あるいは事後加熱の伴う溶射を可能し
、溶射材料の歩留りを向上させ、作業能率を高めること
可能にするものであり、溶射成形においても同様本発明
は極めて有用である。
The above explanation has been given using a thermal spray coating as an example, but the present invention uses a plasma arc whose shape or motion is controlled by a magnetic field to enable thermal spraying with pre-heating or post-heating, improve the yield of thermal sprayed material, and improve workability. This invention makes it possible to increase efficiency, and the present invention is also extremely useful in thermal spray molding.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、従来のプラズマジェットを利用した溶射法の
原理を示し、第2図は従来のプラズマアークを利用した
溶射法の原理を示す説明図である。 第3図(a)は本発明の末広がりのコーン状プラズマア
ークを用いた溶射法の説明図、第3図(b)は末広がリ
コーン状プラズマアークを作るための磁界発生法および
磁力線分布を観念的に説明する図である。第4図は振動
プラズマアークを利用した溶射法の一例を示す原理図、
第5図は平板に溶射しているモデルにおける座標系を示
す説明図、第6図は幅の広がったプラズマアークあるい
は高速振動運動により実質的に幅が広がったとみなせる
プラズマアークの典型的な変形パターンを示めす分類図
、同図(a)から(d)までは溶射進行方向から見たプ
ラズマアーク図であり(e)から(h)までは溶射進行
方向と直交する側方から見たプラズマアーク図。第7図
は一方向に彎曲したプラズマアークの彎曲パターンの分
類図。同[J (a)から(c)までは溶射進行方向か
ら見たプラズマアーク図、(d)から(f) 1では溶
射進行方向と直交する側方より見たプラズマアーク図で
ある。 1.11・・・電源     2・・・陰極3・・・陽
極ノズル    4・・・冷却水路5・・・直流アーク
    6・・・超高温プラズマシフ・・・粉末   
      エツト8・・・皮膜       9・・
・素材10・・・アーク     14.15・・・内
環コイル16・・・磁力線分布 箒3h≧コ“  とごlノ 第3しンi  tb ) 6回 (9)   ’             (A)  
  ′b) 面 q    rcノ
FIG. 1 shows the principle of a conventional thermal spraying method using a plasma jet, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the principle of a conventional thermal spraying method using a plasma arc. Fig. 3(a) is an explanatory diagram of the thermal spraying method using a cone-shaped plasma arc with a diverging end according to the present invention, and Fig. 3(b) is an illustration of the magnetic field generation method and magnetic field line distribution for creating a diverging recone-like plasma arc. FIG. Figure 4 is a principle diagram showing an example of a thermal spraying method using an oscillating plasma arc.
Figure 5 is an explanatory diagram showing the coordinate system in a model of thermal spraying on a flat plate, and Figure 6 is a typical deformation pattern of a plasma arc that can be considered to be a widened plasma arc or a plasma arc whose width has been substantially expanded due to high-speed oscillation motion. Figures (a) to (d) are plasma arc diagrams seen from the spraying direction, and (e) to (h) are plasma arc diagrams seen from the side perpendicular to the spraying direction. figure. Figure 7 is a classification diagram of the curve pattern of a plasma arc curved in one direction. Figures 1 (a) to (c) are plasma arc diagrams viewed from the direction of progress of thermal spraying, and (d) to (f) 1 are plasma arc diagrams viewed from the side perpendicular to the direction of progression of thermal spraying. 1.11...Power source 2...Cathode 3...Anode nozzle 4...Cooling channel 5...DC arc 6...Ultra high temperature plasma shift...Powder
Et 8... Film 9...
・Material 10...Arc 14.15...Inner ring coil 16...Magnetic force line distribution broom 3h≧ko" 3rd Shintb) 6 times (9)' (A)
'b) Surface q rcノ

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)  溶融あるいは溶融に近い状態まで加熱された
材料の粒子を素材面に衝突させることにより素材面上に
新しい被覆層を形成させるに際し、電磁気学的力の作用
により変形されたプラズマアークを使用することを特徴
とするプラズマ溶射法 (2)電磁気学的力の作用により幅を広げたプラズマア
ークを使用することを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載のプラズマ溶射法(3)電磁気学的力の作用により
高速で往復振動するプラズマアークを使用することを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載のプラズマ溶射法 (4) 電磁気学的力の作用により一方向に彎曲した形
状のプラズマアークを使用することを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載のプラズマ溶射法
[Claims] (1) When a new coating layer is formed on the surface of the material by colliding particles of the material that have been heated to a molten or near-molten state with the surface of the material, deformation is caused by the action of electromagnetic force. (2) Plasma spraying method according to claim 1, characterized in that a plasma arc whose width is widened by the action of electromagnetic force is used. Method (3) A plasma spraying method according to claim 1, characterized in that a plasma arc that vibrates back and forth at high speed due to the action of an electromagnetic force (4) A plasma spraying method that uses a plasma arc that reciprocates at high speed due to the action of an electromagnetic force. The plasma spraying method according to claim 1, characterized in that a plasma arc having a curved shape is used.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61119664A (en) * 1984-11-16 1986-06-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Plasma spraying method
JP2018003037A (en) * 2016-06-27 2018-01-11 株式会社増田酸素工業所 Method for forming surface layer of molten metal processing member

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