JPS62192572A

JPS62192572A - 溶射材料の供給方法

Info

Publication number: JPS62192572A
Application number: JP61032559A
Authority: JP
Inventors: Yuji Narita; 成田　雄司; Takao Suzuki; 隆夫鈴木; Atsumori Mizuguchi; 水口　篤盛; Masahiro Kitani; 木谷　征弘
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1986-02-17
Publication date: 1987-08-24
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: JPH08965B2

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】利用産業分野この発明は、各種材料をコーティングするためのプラズ
マ溶射装置に、溶射材料粉末を外部より供給する溶剤材
料の供給方法の改良に係り、溶射量の増大、皮膜付着率
の向上、溶射皮膜の緻密性及び密着性の向上を図った溶
射材料の供給方法に関する。

背景技術溶射は、２０世紀初頭に、低融点金属を溶融吹き付けし
た技術に端を発し、金属の溶射を主体に発達してきた。

近年では、プラズマを熱源として、高温材料の皮膜形成
が行なわれてきた。

プラズマ溶射の特徴として、次の点が上げられる。

■１００００’　ｋ〜２００００’　Ｋの高温のフレー
ムを用いるため、高融点のセラミックスや金属の溶射が
可能である。

■亜音速から超音速の高速度フレームを用いるため、溶
射材料粒子の飛行速度が高速で皮膜の密着強度が高い。

■溶射出力制御が容易かつ正確にできる。

■ガス種類の選択によって雰囲気を設定できるため、溶
剤に適した種々の雰囲気中で皮膜形成が可能でおる。

プラズマ溶射は、かかる特徴を生かし、耐食性。

耐摩耗性、耐熱性等の各種機能を付与できる皮膜を容易
に形成できるため、多方面に利用され、発遠しできた。

プラズマ溶射のプラズマ溶射ガンは、高温になる電極の
水冷保持や外気の巻込み等の影響から、実際に溶射に利
用できる熱量と運動量の変換効率が低いという特徴もあ
る。

従って、プラズマ溶射は、特に供給される粉末の溶剛材
料の性状によって、溶融状態が変化し、被着後の皮膜重
量を供給溶射材料重量で除した付着率、おるいは皮膜中
に生成する気孔の発生量（以下気孔量という）が変動し
易く、また、皮膜の基材への密着強度も安定し難い問題
があった。

このため、従来は、ガス種の選定、溶射材料粉末粒度の
微細化、外気巻込みの軽減などの種々の技術が開発され
、前記付着率や気孔量及び密着強度の改善が図られてき
た。

また、溶射材お１粉末（以下粉体という）の供給方法も
、種々の方法が実施されている。

溶剛材料の供給方法は、プラズマ溶射ガンのトーチ部分
と粉末供給管との位置関係により、内部供給方式と外部
供給方式に大別される。

内部供給方式は、第６図に示す如く、トーチ（１１）の
ノズル（１２）近くに粉体の供給管（１４）が内蔵配置
され、粉体をプラズマフレームの高温域に供給でき材料
の溶融が完全になるため、付着率と皮膜密着強度が向上
するが、溶融粒子がノズル（１２）内面に付着し易くな
るため、供給量が制限される問題がおり、また、１〜−
チ電極の冷却管と共に供給管を内蔵するため、ノズル構
造が複雑になる問題もある。

これに対して、外部供給方式は、第５図に示す如く、ノ
ズル（１２）の噴射口（１３）近傍に供給管（１４）を
配置しているので、粉体の供給量を容易に増大させるこ
とができるが、プラズマフレーム（８）の高温域に材料
粉末が到達できず（第５図の粉体軌跡１０参照）、溶融
が不完全になり易く、付着率が低下するため、供給量に
制約が生じる問題がおる。

また、粉体の搬送ガス量を増やすことも考えられるが、
電力調整とは異なり、粉体様や溶射条件に応じたガス量
の微調整は困雑で、その応答性にも欠け、粉体がプラズ
マフレーム（８）を突き扱け（第５図の粉体軌跡１０ａ
参照）、外気の巻込みの増大からプラズマフレーム（８
）のゆらぎを生じる問題があった。

この外部供給方式で、プラズマフレームの高温域に粉体
を到達させるため、第７図に示す如く、粉体供給管（１
４）をノズル（１２）の噴射口（１３）方向に傾斜させ
る方法があるが、供給管（１４）口を損傷し易い問題が
めった。

発明の目的この発明は、かかる現状に鑑み、各種材料をコーティン
グするためのプラズマ溶射装置に、粉体を外部より供給
する溶射材料の供給方法の改良を目的とし、溶射量の増
大、皮膜付着率の向上、溶射皮膜の緻密性及び密着性の
向上を図った溶剛材料の供給方法を目的としている。

発明の構成と効果この発明は、溶射量の増大、皮膜付着率の向上、溶射皮
膜の緻密性及び密着性の向上を目的に種々検討した結果
、複数の粉体供給管をノズル中心軸に直交する同一平面
上に、中心軸に対して等角度配置することにより、初期
の目的を達成できることを知見したものである。

すなわち、この発明は、プラズマ溶射装置のプラズマフ
レームに、粉体からなる溶射材料を外部に配置した粉体
供給管にてガス搬送供給する溶射材料の供給方法におい
て、プラズマジェットトーチの１つのプラズマフレーム
に対し、２本以上。

５本以下の粉体供給管を、該トーチのプラズマフレーム
中心軸に直交する１平面上で、各供給管軸をプラズマフ
レーム中心軸の１点で交差させ、かつプラズマフレーム
中心軸回りに等角度で配置し、各供給管よりガス搬送し
た粉体をプラズマフレーム中心軸の直交方向に噴射し、
プラズマフレーム中で相互に衝突させることを特徴とす
る溶射材料の供給方法である。

さらに詳述すれば、トーチ（１）の噴射口（３）からで
るプラズマフレーム（８）の中心軸（４）に、直交する
１平面上の粉体供給管の配置は、例えば、２本の粉体供
給管（５）（６）は、第１図と第２図に示す如く、プラ
ズマフレーム（８）の中心軸（４）回りに、等角度の１
８０’　、すなわち、該トーチ（１）のプラズマフレー
ム中心軸（４）の０点で直交する１ｍ上に、供給管軸（
７）を一致させて対向配置し、３本の場合は、第３図に
示す如く、各供給管軸（７）をプラズマフレーム中心軸
（刀の１点（０）で交差させ、かつプラズマフレーム中
心軸（４）回りに等角度の１２０°で配置し、４本、５
本の場合は、同様にそれぞれプラズマフレーム中心軸（
４）回りに等角度、９０”　、　７２°間隔で配置する
ものである。

上記の供給管配置を取り、各供給管よりガス搬送した粉
体をプラズマフレーム中心軸に直交方向に噴射し、プラ
ズマフレームに衝突させることにより、粉体のプラズマ
フレーム内での飛行距離が長く、充分に溶融し、皮膜付
着率の向上が得られ、溶ＯＡ量が増大が可能となり、ざ
らに溶射皮膜の緻密性及び密着性が向上する効果が得ら
れる。

この発明において、供給管は、トーチのプラズマフレー
ム中心軸に直交する１平面上で、各供給管軸をプラズマ
フレーム中心軸の１点で交差させ、かつプラズマフレー
ム中心軸回りに等角度で配置することを特徴とする。従
って、第４図に示す所謂グレデット溶射の際に行なわれ
る供給管配置の如く、２本の供給管（５）（６）を用い
ても、両供給管（５）（６）間隔がプラズマフレーム中
心軸（４）回りに不等角度、すなわち対向配置でないと
、複連の実施例で明らかなように、種々粉体や用途の溶
射における上記のこの発明の効果が得られない。この場
合、ある軸（例えば鉛直！ｌ１ｌｌＩ）に等角度（１８
０”未満）に配置され、粉体の受ける重力の影響を考慮
したもので、この発明の趣旨とは異なる。

また、粉体供給管が５本を越えると、供給管の配置に寸
法上の制約が生じ、また、搬送ガスによる粉体の吐出量
に大きな脈動を生じて好ましくなく、付着率の向上効果
は得られるが、粉体表面のみが溶融するなどの溶融低下
を生じ、皮膜の緻密度の低下や密着性の低下を（Ｃ来し
好ましくない。

発明の好ましい実施態様以下にこの発明による粉体の供給機構における好ましい
条件を説明する。

この発明において、２〜５本の複数の粉体供給管は、各
供給管軸がプラズマフレーム中心軸に直交し、かつ１点
で交差することが必要である。これは、各供給管より、
同一量の搬送ガスにて、同一重量の粉体を供給した際に
、各供給管からの粉体を、プラズマフレームの高温域に
効率よく衝突させるために不可欠な条件であり、また、
供給管軸とプラズマフレーム中心軸の交点は、ノズルに
近い程、高融点材おｌの溶射には有利となる。

ざらに、プラズマフレーム中心軸に直交する１平面上に
配置された供給管は、プラズマフレーム中心軸回りに等
角度で配置されることにより、各供給管からの粉体がプ
ラズマフレームの高温域に効率よく供給され、かつ粉体
が均一に溶融する。

一般に、高速のプラズマフレームに粉体を確実に衝突さ
せるためには、搬送ガスの運動エネルギーを増大させる
必要があるが、逆にプラズマフレームを冷却することに
もなり、搬送ガス量の選定が良好な溶射を行なう上で不
可欠である。

この発明において、供給管１本当りの搬送ガス量は作動
ガスに対して、体積比で７〜１０の量比が好ましい。該
体積比が７未満では、粉体の搬送エネルギーが低下して
送給困難となり易く、１０を越えると粉体相互の衝突は
円滑に進むが、フレーム温度を低下させて溶融状態が悪
化するため好ましくない。また、高融点の酸化物系セラ
ミックス材料などを溶射する場合は、搬送ガス■を多く
し、低融点で化学変化し易い金属などを溶射する場合は
、搬送ガスｍを少なくするなど、粉体種類と所要用途の
溶射条件に応じて、適宜選定する必要がある。

この発明において、異なる供給管からの粉体のプラズマ
フレーム（８）中の衝突（第１図の粉体軌跡１０参照）
は、実際には、プラズマが高速のために、第１図に示す
如く、中心！＋１１１（４）と供給管ｔｌｉｌｌｌ（力
との交点（０）より、基＋Ｊ　（９）側へずれた点（Ｏ
ｏ）で起るが、前記の搬送ガス量を維持することにより
、該（Ｏｏ）点を、プラズマフレームの１００００’　
Ｋ以上の領域内に設定できるため、粉体の高温域での溶
融が可能で良好な溶射ができる。

また、この発明において、複数本の粉体供給管の使用に
伴なうプラズマフレーム温度の低下に対応するには、作
動ガスの混合比、溶射距離の適宜選定により達成できる
。

例えば、作動ガスに、Ａｒ　　Ｎ２　、　Ａｒ　　）＋
２プラズマジエツトを用い、混合ガス量比率を１００１
０〜７０／３０の範囲で作動させる。このように、Ｎ２
またはＨ２の２次ガス添加により、プラズマフレームの
熱量増加を図るとよい。

一般に、溶射距離は、基材に熱歪を与えたり、溶融させ
ない等の熱的影響を考慮して、５０ｍｍ〜２００ｍｍの
範囲に設定している。この発明方法における溶射距離は
、同一の作動条件及び粉末における従来の設定？８！：
Ｅｌ距離λに対して、０．７５　ｒ１〜０．９０７に設
定するのが好ましい。すなわち、上記混合ガス１比を変
換するものの、粉体量と搬送ガス量が増加するので、距
離設定は短くなる。

このように、この発明において、溶射量を増大させるた
めには、熱源のプラズマジェットを高熱化し、溶融した
粉体の保熱のために溶射距離を短縮してプラズマの輻射
熱を利用するなどの諸条件を勘案して、作動条イ１を適
宜選定するとよい。

この発明による粉体の供給方法において、以上の諸条件
を満足するよう適宜選定することにより、粉体量と搬送
ガス量の増加、すなわち除材増加の欠点を補うが、特に
、複数の供給管より均一にかつ確実に供給された粉体は
、プラズマフレーム中心軸上で衝突して受熱、溶融、飛
行するが、この時、衝突後に放射状に飛散しようとする
粉体は、プラズマフレームで基材方向に押し返されるた
め、飛行距離が長くなり受熱時間が長くなるので、全体
の溶融効率が向上し、皮膜付着率が向上する。

また、溶融が十分かつ良好なため、さらに緻密度が向上
し、基材への密着度も向上する。従って、良好な皮膜形
成を維持しながら、粉体の供給量を増し、溶射量を大き
く増大ざぜることができる。

実施例実施±ユシャモット煉瓦（耐火度：５Ｋ−３２、見掛気孔率２５
．０％）の焼成面を溶射基材面とし、＃２０３９０％。

残部Ｔｉｄ２及び５ＬＯ２からなる粉体を、Ａｒ　　Ｎ
２プラズマジェットを用い、第１図に示した２本の供給
管を使用したこの発明による粉体供給方法にて、第１表
に示す条件で溶射し、高さ７．５ｍｍ、長さ１００ｍｍ
のビート状の溶射施工体を作製した。

得られた各施工体の付着重量を測定し、また、ポロシメ
ータにて、施工体の気孔量を測定した。

測定結果は実施条件と共に第１表に示す。

また、比較のため、第５図に示す１本の供給管を用いる
従来の供給方法による溶射（従来例１１）と、第４図に
示す、２本の供給管を近接側間隔角度１２０°に設定し
た従来のブレテッド溶射と同配置の溶射（従来例１２）
を、第１表に示す作動条件で実施し、得られた各施工体
の付着重量を測定し、また、ポロシメータにて、施工体
の気孔量を測定した。測定結果は実施条件と共に第１表
に示す。

なお、付着重量と気孔量は、従来の供給管１本による溶
射の施工体の場合を１００とした指数で表示した。搬送
ガスａ（Ｖ／本）と作動電流は一定とした。

第１表から明らかなように、この発明による粉体の供給
方法で溶射すると、従来方法に比べて付着量が２０％以
上向上し、気孔量も大幅に抑制できた。また、従来の２
本の供給管を用いる溶射では、付着率に若干の向上が見
られるが、溶射施工体は多孔質化して実用に供し得ない
状態であった。

叉凰■２１６０アルミナグリツドにてブラスト処理した普通鋼（
ＳＳ−４１）の表面を溶射基材面とし、ＮＬ　　９Ｃｒ
−６Ａ＃合金粉体を、Ａｒ　　）１２プラズマにて、第
２表に示す条件で溶射し、５０ｍｍＸ　１００ｍｍの基
材面に厚み０．５ｍｍの皮膜を形成した。また、出力電
流を一定とした。

得られた各施工体の付着重量を測定し、また、付着強度
測定し、その後、ポロシメータにて、施工体の気孔量を
測定した。

付着強度は、断面が２ｄのボルト（ＳＳ−４１製）をエ
ポキシ樹脂で皮膜上に固定し、トルクレンチでねじり強
さを測定した時のトルクでもって評価し、気孔量は、付
着強度測定後のボルトを３００’Ｃにて熱処理して樹脂
を焼却して回収された皮膜について測定した。

また、比較のため、供給管を６本用いた粉体供給方法に
よる溶射（比較例１５）と、第５図に示す１本の供給管
を用いる従来の供給方法による溶射（従来例１３．１４
＞を、第２表に示す作動条件で実施し、得られた各施工
体の付着重量を測定し、また、前記付着強度及び施工体
の気孔量を測定した。

なお、何着重量と気孔量は、従来の供給管１本による溶
射の施工体の場合を１００とした指数で表示し、粉体の
送給ｆｆｉ（ｇ／ｍ１ｎ）との関係として第８図と第９
図に示す。

第２表及び第８図と第９図の結果から明らかなように、
この発明による供給方法の溶射は、付着量が著しく増大
しており、また、粉体の供給を２倍にしても従来の気孔
量と同等以下に気孔の発生を抑制でき、さらには、皮膜
の密着性が大きく向上し、きわめて良好な溶射が可能な
ことがわかる。

衷凰叢旦電気炉で予熱した珪石煉瓦を基材とし、Ｓｊ０２８０ｗ
ｔ％−ＮＩ２０３７５ｗｔ％の５ｉｆｔ　　Ａ１２０３
系耐火骨材を、水冷箱に密封したプラズマガンにより熱
間にて、作動用カー窓のＡｒ　　Ｎ２プラズマで第３表
に示す条件で溶射を実施した。

基材形状は、２３０ｍｍＸ　１１４ｍｍＸ　６５ｍｍ寸
法で、幅２０ｍｍＸ深さ１０ｍｍの三角形溝を設けてあ
り、該溝部に肉盛する如く溶射を行なった。

炉冷したのら、得られた各施工体の付着ａ世を測定し、
また、ポロシメータにて、施工体の気孔量を測定した。

測定結果は実施条件と共に第３表に示す。

また、比較のため、第５図に示す１本の供給管を用いる
従来の供給方法による常温時（従来例１６）と熱間時（
従来例１７）の溶射と、２本の供給管を用いる方法によ
る常温時の溶射（比較例１８〉を、第３表に示す作動条
件で実施し、得られた各施工体の付着重量を測定し、ま
た、ポロシメータにて、施工体の気孔量を測定した。測
定結果は実施条件と共に第３表に示す。この結果、付着
率が向上し１、ざらに熱間施工によっても気孔量が軽減
できることを見出した。。

なお、測定した付着重量は、単位時間当りの付着重量と
送給量との重量比である付着率で評価し、気孔量は、従
来の供給管１本による溶射の施工体の場合を１００とし
た指数で表示した。

第３表から明らかなように、この発明による粉体の供給
方法で溶射すると、従来方法に比べて付着率が１０〜１
５％程度向上し、気孔量も約１０％程度抑制でき、性状
のすぐれた皮膜を効率よく溶射形成できることが明らか
でおる。従って、粉体供給量を２倍にして、施工効率を
高めることができる。

以下余白以下余白

【図面の簡単な説明】

第１図は発明による供給方法を示すトーチの縦断正面説
明図である。第２図と第３図はこの発明による供給管配
置を示すトーヂノズル部の説明図でおる。第４図は従来
の供給管配置を示すトーチの側面説明図でおる。第５図
から第７図は、従来の供給方法を示すトーチの縦断正面
説明図である。第８図は粉体の送給量と付着量比との関係を示すグラフ
でおり、第９図は送給量と気孔量比との関係を示すグラ
フでめる。１・・・トーチ、２・・・ノズル、３・・・噴射口、４
・・・プラズマフレーム中心軸、５，６・・・供給管、
７・・・供給管軸、８・・・プラズマフレーム、９・・
・基材、１０．ｔｅａ・・・粉体軌跡。気孔量比付Ｈ量比

Claims

【特許請求の範囲】

プラズマ溶射装置のプラズマフレームに、粉体からなる
溶射材料を外部に配置した粉体供給管にてガス搬送供給
する溶射材料の供給方法において、プラズマジェットト
ーチの１つのプラズマフレームに対し、２本以上、５本
以下の粉体供給管を、該トーチのプラズマフレーム中心
軸に直交する１平面上に、該供給管軸を一致させてプラ
ズマフレーム中心軸回りに等角度で配置し、各供給管よ
りガス搬送した粉体をプラズマフレーム中心軸に直交方
向に噴射し、プラズマフレーム中で相互に衝突させるこ
とを特徴とする溶射材料の供給方法。