JPS61190061A - 金属のセラミツク溶射方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、素地金属へ素地金属と同質の金属から素地
金属と雰囲気ガスとの化合物たるセラミックへ連続的に
組成変化する溶射被膜層を形成する金属のセラミック溶
射方法に関する。

〈従来の技術〉 一般に金属を表面硬化するため、素地金属へ他の硬質金
属とか、無機、非金属物質等のいわゆるセラミック材を
被覆加工する手段として、基本的には溶融めっき、蒸着
、化学メッキ、電着、吹き付け、溶接、合わせ仮性など
がある。

その中で、宇宙開発や原子カニ業、化学工業乃至電子工
学分野等の新材料の要望に対し、金属に欠けている耐摩
耗性、耐熱性等を向上させる新しい被覆技術として最近
注目されてきているものにプラズマ溶射によるセラミッ
クコーティング法がある。

このセラミックコーティング法において、従来は例えば
Ｔ＋をベースにした例ではＴ＋　Ｎセラミック系粉末を
用いる溶射及びＮ２ガス雰囲気を用いてＴ＋　Ｎを生成
する溶射を行なっており、断熱性の向上や耐摩耗性の向
上を図っていた。（文献例アルドピア誌１９８３．９） 〈発明が解決しようとする問題点〉 上記従来のプラズマ溶射による方法では、溶射層の靭性
、耐剥離性等が不十分で、又、厚く溶射した場合熱応力
により容易にき裂が生じた。

この理由としては、セラミックと金属が溶射層最下部を
境界に直接接触するため、金属及びセラミックの熱膨張
係数の差異により熱応力が生じ。

その結果、靭性で劣るセラミック側にクラックが生ずる
ためと認められる。

尚、上述のプラズマ溶射法のほかにプラズマ蒸着法もあ
るが、この蒸着法では生成する皮膜が薄く（数ミクロン
）、又、コストも高い。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は上記にかんがみてなされたものであって、そ
の要点は、溶射時に、母体となる素地金属と同質の金属
又は熱膨張係数が素地金属にほぼ同一で雰囲気ガスと反
応しうる金属と、雰囲気ガスを利用して、セラミック（
素地金属と雰囲気ガスとの化合物）と素地金属より構成
される剥離し難いセラミックー金属複合溶射皮膜を生成
させるもので、最初は不活性ガス雰囲気で、途中は不活
性ガスと反応性ガスとの混合ガス雰囲気で、最後は反応
性ガス雰囲気で、それぞれ素地金属と同質の金属又は熱
膨張係数が素地金属にほぼ同一で雰囲気ガスと反応しう
る金属を素地金属へプラズマ溶射することにより、最下
位が素地金属と同質の金属層、中間位が素地金属と同質
の金属および素地金属と雰囲気ガスとの化合物の混合層
、最上位が素地金属と雰囲気ガスとの化合物層からなる
溶射被膜層を形成する方法である。

〈実施例〉 この発明を実施する装置例として素地金属をチタンとし
た窒化チタン溶射装置を示す第１図により説明すると、
１は同装置、２は溶射処理槽、３は溶射処理槽２の上部
中央へ装設したプラズマ電子銃で、溶射機としての純チ
タン粉末を内蔵している。４は溶射処理槽ｚ内の下部中
央へ装設したターンテーブルで蔵置固定した素地金属板
Ｍ（陽極）への通電手段（図示しない）を備えている。

５は溶射処理槽２の側壁上部に形成した開口部へ連結し
た排気管路で図示しない真空排気源へ接続されている。

６は溶射処理槽２の側壁下部に形成した開口部を気密的
に閉じるドアで素地金属板Ｍを出入れする。７はプラズ
マ電子銃３の側壁へ連結した不活性ガス管路で１図示し
ない流量制御手段によって所定流量の不活性ガスをプラ
ズマ電子銃３へ送り、イオン化した不活性ガスで溶射処
理槽２内を所定分圧の不活性ガス雰囲気にする。また８
はプラズマ電子銃３の側壁へ連結した反応性ガス管路で
１図示しない流量制御手段によって所定流量の反応性ガ
スをプラズマ電子銃３へ送り、イオン化した反応性ガス
で溶射処理槽２内を所定分圧の反応性ガス雰囲気にする
。即ち、不活性ガスを溶射の開始時からその進捗につれ
て第２図に示すように不活性ガス（アルゴンガス）から
反応ガス（窒素ガス）へ徐々に置換して行くものである
。ＭＳは素地金属板Ｍ表面上に形成した純チタン層ない
し窒化チタン層からなる溶射被膜層である。

この場合、溶射処理槽２内を０．１〜ｌＸｌ０−４Ｔａ
ｒｒ程度の高真空とした後、不活性ガス管路７から適量
の不活性ガス（たとえばアルゴンガス）をプラズマ電子
銃３へ送り、イオン化した高温アルゴンガスで素地金属
板Ｍの表面をクリーニングするとともに、溶射処理槽２
内を５〜１００ＸＩＯ−４Ｔｏｒｒ程度のアルゴンガス
雰囲気にした後、低電圧高電流のプラズマ電子ビームに
よる純チタン溶射を開始した。その後第２図に示すよう
に溶射進行率が１５％を越えると反応性ガス管路８から
適量の反応性ガス（たとえば窒素ガス）をプラズマ電子
銃３へ送り、イオン化した高温窒素ガスの分圧を高める
と同時にアルゴンガスの供給を徐々に減らし、溶射進行
率が８０％を越える段階では窒素ガス雰囲気に置換した
。この時生成するＴＩＮの割合はその時点での雰囲気中
の反応性ガス（窒素ガス）の割合に比例するため、溶射
層では表面に近づく程ＴＩＮの比率が増大する。その結
果、第３図に示すように最下位（素地金属Ｍと接触する
側）が純チタン層、中間位が純チタンと窒化チタンとの
混合層、最上位はほぼ１００％の窒化チタン層と連続的
に組成変化する溶射被膜層ＭＳが得られた。

つぎにこの発明処理材と比較材（窒素ガス雰囲気中でチ
タン溶射したもの）の硬さ分布を第４図に、サイクル加
熱による密着力の変化を第５図に示す、これら両図によ
れば本発明ではＴ＋　Ｎの比率の上昇につれてかたさが
ゆるやかに変化し表面付近で最高かたさを示す、又、密
着力も比較材より向上していることがわかった。

また、他の実施例としてチタン溶射開始時はアルゴンガ
ス雰囲気にして素地金属板の表面にチタン溶射被膜層を
生成させ、つぎに炭化水素ガスの供給量を増すと同時に
アルゴンガスの供給量を減らして、最終時には炭化水素
ガス雰囲気に置換したところ、最下位がチタン層、中間
位がチタンと炭化チタンとの混合層、最上層が炭化チタ
ン層と組成変化する炭化チタン溶射被膜層が得られた。

尚、セラミックとしては上述の窒化物、炭化物の例のほ
かにホウ化物、ケイ化物、硫化物その他があげられる。

〈発明の効果〉 以上説明したとおり、この発明は素地金属表面にセラミ
ック溶射被膜層を形成するにあたり、あらかじめ不活性
ガス（たとえばアルゴンガス）雰囲気中でプラズマ電子
ビーム加熱により純素地金属粒子（例：チタン）を溶射
し、つぎに不活性ガスを徐々に反応性ガス（例：窒素ガ
ス）と置換して、最下位が素地金属と同質の金属層（例
：チタン層）、中間位が素地金属と同質の金属（例：チ
タン）と素地金属と雰囲気ガスとの化合物（例：窒化チ
タン）との混合層、最上位が素地金属と雰囲気ガスとの
化合物（例：窒化チタン）層と組成変化する溶射被膜層
を形成するため、従来法に比べて密着力が高く、靭性、
耐剥離性が強化されるほか、安価になるという効果を奏
する。

ここでチタンφ窒化チタンの例で言えば、素地金属（チ
タン）との密着力は１ｏｏｏ℃における加熱後急冷却を
くり返す熱シヨツクテストでは従来法の５倍以上の耐久
性を有し、又、溶射最下位はチタン層であるため素地金
属のチタンと同材質で結合的作用をするためクラクツが
生じ難く、更に溶射層内で金属チタンより窒化チタンへ
の移行が表面の最上位に行くに従ってＴ＋　Ｎの比率が
漸増して行くため、熱負荷時に、金属チタンと窒化チタ
ンの熱膨張係数の差異による剥離も減少する。

更に雰囲気ガス中の成分を用いてセラミック化するため
低コストとなる。

【図面の簡単な説明】

図は素地金属をチタンとしたこの発明の実施例を示し、
第１図は窒化チタン溶射装置の断面図、第２図は雰囲気
ガス中のアルゴンガス／窒素ガス混入率と溶射進行率と
の関係を示す曲線図、第３図は窒化チタン／純チタン比
と溶射層厚との関係を示す曲線図、第４図はマイクロビ
ッカース硬さと溶射層厚との関係を示す曲線図、第５図
は密着力とサイクル加熱回数との関係を示す曲線図であ
る。 Ｍ・・・素地金属１ＭＳ・・・溶射被膜層。 第　１　図 窒化子タンゴ容身↑装置 Ｍ　県４包金属服 ＭＳ湿財ネ皮膜層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 素地金属へセラミック溶射被膜層を形成するにあたり、
   最初は不活性ガス雰囲気で、途中は不活性ガスと反応性
   ガスとの混合ガス雰囲気で、最後は反応性ガス雰囲気で
   、それぞれ素地金属と同質の金属又は素地金属と熱膨張
   係数がほぼ同一で雰囲気ガスと反応しうる金属を前記素
   地金属へプラズマ溶射することにより、最下位が素地金
   属と同質の金属層、中間位が素地金属と同質の金属と素
   地金属と雰囲気ガスとの化合物との混合層、最上位が素
   地金属と雰囲気ガスとの化合物層と、順次組成変化する
   溶射被膜層を形成することを特徴とする金属のセラミッ
   ク溶射方法。