JPS63137109A - 溶射を利用した複合材料粉末の製造方法 - 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 本発明は溶射を利用した複合材料粉末の製造方法に係る
。

従来の技術 粒子や短繊維の如き強化材にて１（合強化されたマトリ
ックス金属よりなる腹合材料の粉末を製造するｈ′法と
しては、マトリックス金属の溶湯中に強化材を添加しつ
つ溶湯を撹σし、かくして得られる混合溶湯を冷却して
凝固させ、その凝固体を粉末に粉砕する所謂グレイニン
グ法や、混合溶湯を高速回転体より微細な粒子として吹
飛ばし、それを冷却水のシャワーにより冷却して凝固さ
せる所謂水アトマイズ法等が従来より知られている。

発明が解決しようとする問題点 しかしかかる従来の方法に於ては、強化材が高温のマト
リックス金属の溶湯と長時間に亙り接触した状態にあり
、そのため強化材が劣化し易く、特にマトリックス金属
と強化材との組合せによってはそれらの相互反応が生じ
、そのため正常な強化材にて；！合強化されたマトリッ
クスよりなる復金材料粉末を製造することが困難であり
、また強化材と溶融マトリックスとが混合された混合溶
湯を形成しなければならないため、生産性が著しく低い
という問題がある。更に上述の如き従来の方法によって
は、融点の高いセラミック等をマトリックスとする複合
材料粉末を製造することは実際上不可能である。

本発明は、従来の複合材料粉末の製造方法に於ける上述
の如き問題に鑑み、強化材の劣化を生じることなく複合
材料粉末を能率よく製造することができ、またマトリッ
クスがセラミックの如き高融点の材料である複合材料粉
末をも製造することのできる方法を提供することを目的
としている。

問題点を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、マトリックスを連
続的に送給しつつこれを溶融し、その融液をガスにて微
細な液滴として吹飛ばし、前記ガス及び前記液滴をノズ
ル孔に通して噴流を形成し、前記噴流中に連続的に微細
な強化材を供給し、該噴流をその主たる流れ方向を横切
る方向に高速度にて移動する低ｉＨの固体の表面に衝突
させることを含む溶射を利用したｉ！合材料粉末の製造
方法、及びマトリックスを連続的に送給しつつこれを溶
融し、その融液をガスにて微細な液滴として吹飛ばし、
前記ガス及び前記液滴をノズル孔に通して噴流を形成し
、前記噴流中に連続的に微細な強化材を供給し、該噴流
を低温の液体に衝突させることを含む溶射を利用した複
合材料粉末の製造方法によって達成される。

発明の作用及び効果 本発明の方法によれば、ガス及び溶融マトリックスの液
滴よりなる噴流中に微細な強化材が供給され、強化材の
一部が液滴に取込まれて強化材と溶融マトリックスとよ
りなる微粒が形成され、それらの微粒は低温の固体の表
面に衝突せしめられることにより、又は低温の液体中に
導かれることにより急激に冷却されて凝固し、これによ
り強化材にて腹合強化されたマトリックスよりなる粉末
となる。従って従来の方法の如く強化材がマトリックス
と共存した状態にて高温度に長時間加熱されることかな
いので、強化材の劣化は殆ど発生せず、これにより正常
な強化材にて複合強化された複合材料粉末を製造するこ
とができ、また従来の場合の如く強化材と溶融マトリッ
クスとの混合溶湯を形成することは不要であるので、複
合材料粉末を能率よく製造することができる。

更に本発明の方法によれば、従来の方法の如く強化材が
溶融マトリックスと共存した状態に長時間維持されるこ
とはないので、マトリックスがセラミックの如き高融点
の材料である場合にも良好に複合材料粉末を製造するこ
とができる。

尚本発明の後者の方法に於ける低温の液体は容器等に貯
容された水の如き低温の液体又は樋等に連続的に長され
る低温の液体であってよく、更には低温の液体のシャワ
ー等であってもよい。また本発明の方法に於てガス及び
溶融マトリックスの液滴よりなる噴流を形成するための
溶射はガス溶射、−プラズマ溶射、アーク溶射の何れで
あってもよく、強化材はホイスカを含む短繊維、粒子、
又はそれらの組合せの何れであってもよく、更にマトリ
ックスは金属、セラミック、及び樹脂の何れであっても
よい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ 第１図はガス溶射に適用された本発明による複合材料粉
末の製造方法の一つの実施例を示す断面図である。図に
於て、１０は溶射噴流案内ノズルを示しており、該ノズ
ルは軸線１２に沿って延在する先細末広状のノズル孔１
４を有している。ノズル孔１４はその途中にのど部１６
、即ち最小断面部を有しており、それよりも上流側の部
分１４ａ及び下流側の部分１４ｂは軸線に沿って延在し
互いに対向する円錐面により郭定されている。上流側部
分１４ａ及び下流側部分１４ｂはそれぞれ軸線に対しθ
１及びθ２の角度をなしている。

溶射噴流案内ノズル１０の上流側部分１４ａ内には軸線
に沿って延在するマトリックス供給ノズル１８が配置さ
れており、図示の実施例に於ては、ノズル１８はその供
給口１８ａより溶射噴流案内ノズル内へマトリックスを
構成すべき材料よりなる線材２０を軸線に沿って下流側
方向へ連続的に供給するようになっている。また溶射噴
流案内ノズル１０の上流側部分１４ａ内には、軸線に沿
って延在する実質的に円筒状のガス供給ノズル２２が配
置されている。ノズル２２は溶射噴流案内ノズルとマト
リックス供給ノズルとの間にて溶射噴流案内ノズルと同
心に延在しており、ノズル１８と共働して軸線の周りに
環状に延在するガス噴出口２４を郭定しており、またノ
ズル１０と共働してガス噴出口２４と同心に環状に延在
するガス噴出口２６を郭定している。図には示されてい
ないが、ガス噴出口２４はアセチレンの如き可燃性ガス
と酸素との混合ガスを噴出し、ガス噴出口２６は圧縮空
気を噴出するようになっている。

溶射噴流案内ノズル１０には軸線１２に対し互いに直径
方向に対向する位置にて二つの棒材供給ノズル２８及び
３０が圧入により固定されている。

ノズル２８及び３０の軸ｎ　２８　ａ及び３０ａは軸線
１２に対し下流側方向へ０３の角度にて傾斜しており、
これによりこれらのノズルは軸線１２に対し垂直な仮想
平面に対し下流側へ傾斜した方向へ微細な強化材３２ａ
がバインダにて互いに結合された棒材３２を供給するよ
うになっている。またノズル２８及び３０の開口２８ｂ
及び３０ｂの中心はのど部１６よりｄの距離にて下流側
方向へ隔置されている。尚溶射噴流案内ノズル１０、マ
トリックス供給ノズル１８、及びガス供給ノズル２２は
本体３４により互いに一体に保持されている。また強化
材供給ノズル２８及び３０の先端は、図示の実施例に於
てはノズル孔１４の下流側部分１４ｂと整合されている
が、これらのノズルの先端は下流側部分１４ｂより僅か
に（１ａｍ程度以下）突出していてもよい。

溶射噴流案内ノズルの先端１０ａより隔置された位置に
は回転ドラム１２０が配置されている。

回転ドラム１２０は軸線１２より隔置され且該軸線に対
し垂直に延在する軸線１２２の周りに図には示されてい
ない駆動装置により図にて矢印にて示されている如く高
速度にて回転されるようになっている。またドラム１２
０は銅合金にて形成された円筒状の外壁１２４及び内壁
１２６を存しており、それらの間に冷却水通路１２８が
形成されている。この冷却水通路１２８には図には示さ
れていない冷却水供給通路を経て冷却水が循環供給され
るようになっており、これにより外壁１２４の外面が低
温に維持されるようになっている。

上述の如く構成された溶射装置を用いて行われる本発明
の方法の一つの実施例に於ては、冷却水通路１２８内に
冷却水を循環供給しつつ回転ドラム１２０を高速度にて
回転させ、その状態にて溶射ガンのガス噴出口２４及び
２６よりそれぞれ混合ガス及び圧縮空気を連続的に供給
し、混合ガスを点火して燃焼火炎を発生させ、その状態
にてマトリックス供給ノズル及び棒材供給ノズルよりそ
れぞれ所定の供給速度にて線及び棒材を連続的に供給す
る。この場合線材２０は燃焼火炎の熱によって溶融され
、その溶融部２０ａはのど部１６の近傍若しくはその上
流側に形成される。かくして溶融されたマトリックスは
燃焼ガスによって吹飛ばされることにより微細な液ａ３
６となる。

かくして発生された液滴３６を含む溶射噴流３８は燃焼
ガス及び圧縮空気がノズル孔１４の上流側部分１４ａに
従って流れることによる慣性により、溶射噴流案内ノズ
ルの先端１０ａよりも外側の集束点４０に於て集束する
態様にて流れる。また強化材供給ノズル２８及び３０よ
り供給される棒材はかくして集束する態様にて流れる高
温の噴流３８内へ導入され、高温に加熱されることによ
りバインダがその機能を喪失し、強化材が噴流中にて分
散されることにより液滴３６と良好に混合され、その一
部は液滴に取込まれて溶融マトリックスと強化材とより
なる微粒４２が形成される。

かくして生じた液滴、溶融マトリックスと強化材との微
粒、及び強化材は高速度にて回転ドラム１２０の表面に
衝突し、液滴及び微粒は迅速に凝固した後ドラムの表面
よりはね反り、ドラムの下方に強化材にて複合強化され
たマトリックスよりなる准合材料粉末１３０及びマトリ
ックス粉末１３２の混合粉末として収集される。

次に１−述の如＜（１η成された溶射装置を用いて行わ
れた本発明による曵合材料粉末の製造方法の具体例につ
いて説明する。

まず強化材としての炭化ケイ素ホイスカ（平均繊維径０
．２μ、平均繊維長５０μ）とバインダとしてのコロイ
ダルシリカとを混合し、それを圧縮成形し乾燥すること
により、個々の炭化ケイ素ホイスカがシリカにて互いに
結合された構造を有し、ホイスカの見かけの体積率が２
０９６でありバインダ含有量が１０ｖｔ％である直径３
■の２本の棒材を形成した。

次いで角度θ１〜θ３がそれぞれ７＠、７．５０．６０
°であり、距Ｍｄが３　ａｍであり、のど部の直径が７
．２ｍｓである溶射ガンを用意し、また外径３００ｍｍ
、長さ１５０ａｍの回転ドラムを用意し、溶射ガンの先
端と回転ドラムの外面までの軸線１２に沿う距離を１５
０Ｈに設定し、回転ドラムの軸線と軸線１２との間の距
離を５０Ｉｌｌに設定した。

次いで線材として純アルミニウムの線材（直径３ｍ＋ｓ
）を使用し、線材及び棒材の送給速度を共に１　ｃｍ／
　ｓｅｅに設定し、酸素、アセチレン、圧縮空気の流量
をそれぞれ７ｆｆｌ／ａ＋Ｉｎ　、　３Ｊ！／ｗｉｎ　
、　１５０ｆ／ｓｉｎ　　（３，５ｋｇ／ｃシ）に設定
し、回転ドラムの回転速度を１０００ｒｐ−に設定して
溶射を行った。

その結果炭化ケイ素ホイスカにて複合強化された純アル
ミニウムよりなる平均粒径５０μの複合材料粉末を能率
よく製造することができた。また全体としての炭化ケイ
素ホイスカの体積率は約１２％であった。

実施例２ 第２図はプラズマ溶射に適用された本発明による睨合材
料粉末の製造方法の一つの実施例を示す断面図である。

図に於て、５０は溶射ガン本体を示しており、該本体は
軸線５２に沿って延（１：するタングステン製の電極（
陰極）５４を含んでいる。

電極５４はノズル部材５６及びエンドプレート５８によ
り郭定され軸線５２に沿って延在するノズル孔６０内に
部分的に嵌入している。

ノズル孔６０はその一端（上流側端部）にてブレナム６
２と連通しており、図には示されていないプラズマ用ガ
ス供給チューブ、本体５０に固定されたニップル６４、
ブレナム６２を経てノズル孔６０内へプラズマ用ガスが
供給されるようになっている。また本体５０にはノズル
孔６０ののど部及びそれより下流側の末広部にそれぞれ
開口する粉末供給通路６６及び６８が設けられており、
粉末供給チューブ７０及び７２、粉末供給通路６６及び
６８を経てノズル孔内ヘマトリックスの粉末７４が供給
されるようになっている。史に本体５０内に設けられた
冷却水通路７６には冷却水供給チューブ７８及び８０を
経て冷却水が循環供給され、これにより電極、ノズル部
材等が過剰に昇温することが回避されるようになってい
る。

尚周知の如＜、電極５４とノズル部材５６との間は電気
的に絶縁されており、これらの間に所定の電圧が印加さ
れることにより、プラズマ用ガスと共働してプラズマア
ークを発生し、その熱によって粉末供給通路６６及び６
８よりノズル孔６０内へ供給されるマトリックス粉末７
４が溶融され、その液滴８２がプラズマガスによって吹
飛ばされノズル孔より噴出することにより、液滴８２を
含む噴流８４が形成されるようになっている。

本体５０はケーシング８６内に収容されており、該ケー
シングには手により把持するためのハンドル８８が一体
に形成されている。またケーシング８６にはステム９０
により棒材送給装置９２が固定されている。図示の実施
例に於ては、軸線５２の周りに均等に隔置された四つの
棒材送給装置が設けられており、各棒材送給装置はステ
ムの先端に一体に形成され軸線５２に沿って延在する円
筒体９４により担持されており、軸線５２の周りに互い
に９０″隔置された位置にて円筒体９４と一体に形成さ
れた棒材ガイド９６と、該ガイドを経て噴流８４内へ実
施例１の棒材と同様の棒材９８を送給する一対のローラ
１００とを含んでおり、ローラ１００は図には示されて
いない駆動装置によって駆動されるようになっている。

この棒材送給装置９２により噴流８４内へ送給される棒
材は噴流によって高温に加熱され、これによりそのバイ
ンダがバインダとしての機能を喪失することにより、強
化材１０２が噴流中に分散されて液？ｆ１８２と良好に
混合され、その一部が液滴に衝突してこれに取込まれ、
溶融マトリックスと強化材とよりなる微粒１０４が形成
される。これらの液滴、溶融マトリックスと強化材との
微粒、及び強化材は、溶射ガンの下方に配置された容器
１０６に貯容された冷却水１０８に衝突してその内部へ
進入し、これにより急激に冷却され、液滴及び微粒はそ
れぞれマトリックス粉末１１０及び強化材にて複合強化
されたマトリックスよりなる複合材料粉末１１２となり
、これらは容器１０６の底壁上に蓄積する。

尚棒材９８の送給方向は軸線５２に垂直な仮想平面に対
し噴流８４の下流側方向へ５〜６０″程度傾斜されてい
ることが好ましく、また棒材送給装置９２を支持するス
テム９０はその軸線方向長さが可変であり、また棒材９
８の送給方向を調節し得るようになっていることが好ま
しい。

次に上述の如く構成された溶射装置を用いて行われた本
発明による複合材料粉末の製造方法の具体例について説
明する。

まず平均粒径１μの窒化ケイ素粒子をバインダとしての
アクリル樹脂にて結合することにより、粒子の体積率が
１５％である直径２ｍｓの４本の棒材を形成し、またマ
トリックス粉末として丁均拉径６０μの銅粉末（０，４
２ｖｔ％Ｃ，０，９９ｗｔ％Ｃ「、１．８３ｖｔ％Ｎ１
．０．２７ｖｔ％ＭＯ１０，６６ｖｔ％Ｍｎ、残部実質
的にＣｕ）を用意し、容器１０６に１５℃の３００ｉの
水を導入した。

次いでノズル孔６０内へプラズマ用ガスとしてのアルゴ
ンを３０ノ／膳１ｎにて供給しつつ溶射ガン本体に１０
ｋＷ　（２７Ｖ）の電力を供給してプラズマアークを発
生させ、銅粉末及び棒材の送給速度をそれぞれ１３ｇ／
ｌｌｎ及び２　、７　ａｍ／　ｓｅｅに設定し、溶射ガ
ンの先端と容器に貯容された水の液面との間の距離を２
００　ａｍに設定して溶射を行った。

その結果窒化ケイ素粒子の体積率が約１５％であり均一
な組織を存する窒化ケイ素粒子分散鋼合金よりなる平均
粒径２０μの複合材料を能率よく製造することができた
。尚棒材中に存在していたアクリル樹脂の残滓は複合材
料中には残存しておらず、噴流中にて分解又は燃焼によ
り消失したものと考えられる。

以」二に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はガス溶射に適用された本発明による複合材料粉
末の製造方法の一つの実施例を示す断面図、第２図はプ
ラズマ溶射に適用された本発明による複合材料粉末の製
造方法の一つの実施例を示す断面図である。 １０・・・溶射噴流案内ノズル、１４・・・ノズル孔。 １４ａ・・・上流側部分、１４ｂ・・・下流側部分、１
６・・・のど部、１８・・・マトリックス供給ノズル、
２０・・・線材、２２・・・ガス供給ノズル、２４．２
６・・・ガス噴出０．２８．３０・・・棒材供給ノズル
、３２・・・棒材、３４・・・本体、３６・・・溶融マ
トリックスの液滴、３８・・・溶射噴流、４０・・・集
束点、４２・・・溶融マトリックスと強化材とよりなる
微粒、４４・・・彼溶射材、４６・・・腹合材料、５０
・・・溶射ガン本体。 ５４・・・電極、５６・・・ノズル部材、５８・・・エ
ンドプレート、６０・・・ノズル孔、６２・・・ブレナ
ム、６４・・・ニップル、６６．６８・・・粉末供給通
路、７０．７２・・・粉末供給チューブ、７４・・・マ
トリックス粉末、７６・・・冷却水通路、７８．８０・
・・冷却水供給チューブ、８２・・・液滴、８４・・・
噴流、８６・・・ケーシング、８８・・・ハンドル、９
０・・・ステム、９２・・・棒材送給装置、９４・・・
円筒体、９６・・・ガイド、９８・・・棒材、１００・
・・ローラ、１０２・・・強化材、１０４・・・溶融マ
トリックスと強化材とよりなる微粒。 １０６・・・容器、１０８・・・冷却水、１１０・・・
マトリックス粉末、１１２・・・複合材料粉末、１２０
・・・回転ドラム、１２４・・・外ｇＭ、１２６・・・
内筒、１２８・・・冷却水通路、１３０・・・ｌ（金材
料粉末、１３２・・・マトリックス粉末 特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　
理　　　人　　弁理士　　明石　昌毅第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マトリックスを連続的に送給しつつこれを溶融し
   、その融液をガスにて微細な液滴として吹飛ばし、前記
   ガス及び前記液滴をノズル孔に通して噴流を形成し、前
   記噴流中に連続的に微細な強化材を供給し、該噴流をそ
   の主たる流れ方向を横切る方向に高速度にて移動する低
   温の固体の表面に衝突させることを含む溶射を利用した
   複合材料粉末の製造方法。
2. （２）マトリックスを連続的に送給しつつこれを溶融し
   、その融液をガスにて微細な液滴として吹飛ばし、前記
   ガス及び前記液滴をノズル孔に通して噴流を形成し、前
   記噴流中に連続的に微細な強化材を供給し、該噴流を低
   温の液体に衝突させることを含む溶射を利用した複合材
   料粉末の製造方法。