JPS6320441A

JPS6320441A - 溶射方法

Info

Publication number: JPS6320441A
Application number: JP61165927A
Authority: JP
Inventors: Yuji Fukuda; 祐治福田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1988-01-28
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JP2585540B2

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〕本発明はガスエネルギを熱源とする溶射方法に関し、さ
らに詳しくは溶射皮膜中の気孔や酸化物を低減するのに
好適な溶射方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に溶射法は、金属材料の表面に耐摩耗性、耐熱性、
耐食性を与えるための金属、合金あるいはセラミックス
の被膜形成方法として広く知られている。溶射法は、被
膜の材料になる溶射材を加熱する熱源の種類によってガ
ス方式と電気式に大別される。

ガス方式はガスエネルギを熱源とするもので。

このうち超高速の粒子を作り出し溶射を行う方法として
Ｆｍ５−アセチレン（又はプロパン）の燃焼力を利用し
て皮膜を作成する方法がある。この代表的な方法として
、爆発溶射方法及び超高速強化ガス炎溶射方法がある。

爆発溶射方法は一定量の酸素、アセチレン及び溶射粉末
を燃焼室に導入し、スパークプラグで点火、爆発させ、
この爆発によるエネルギによって溶射材からつくられる
溶射粉末を被溶射物に衝突させ溶射皮膜を形成させる方
法である。この時のガス温度は３，０００〜４，０００
℃、ガス流速は音速の１０倍を超え、衝撃波が形成され
る。本方法における溶射粉末の粒子速度は音速の２倍以
上（約７００＋／ｓ）となる。

超高速強化ガス炎溶射は水素、プロパン等の燃料ガスと
酸素を燃焼させガスジェットを発生させ、このガスジェ
ット中に溶射粉末を送給し、溶射皮膜を形成させる方法
である。この時のガスジェットの温度は約２，８００℃
、速度は音速の約４倍で、溶射粉末の粒子速度は爆発溶
射とほぼ同程度である。

上記したガスエネルギを熱源とする溶射方法の特長は溶
射粉末の粒子速度が他の溶射方法（例えばプラズマ溶射
）より速いため、溶射皮膜と被溶射物の密着強度が非常
に高くなることである。

一方、溶射粉末としては現在、Ａｌ１２０３゜Ｚ　ｒ　
Ｏｚ　Ａ　Ｑ　２０３／　Ｔ　ｘ　Ｏｚ等の酸化物系セ
ラミックス、ＷＣ／Ｃｏ、Ｃｒ：ｔＣ，／ＮｉＣｒ、’
ｒｉｃ／Ｇｏ等のサーメット（セラミックスとメタルの
複合物）及びＭｏ、ＮｉＣｒ、Ｎ１ＡＱ等のメタル系な
どの各種の粉末があり、使用目的に応じて種々のものが
単独で又は混合物として使用されている。これらの溶射
粉末は溶射材を粉砕分級したり、微粒子を造粒するなど
の手段を用いて、一定の粒子径の範囲に調整して使用さ
れているが、通常は数１０μｍから１００μｍ程度の粒
径分布を有している。この粒径分布の例を以下に示す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

溶射皮膜に要求される性能としては、被溶射物との密着
強度が優れていること、皮膜中に気孔や酸化物が少ない
こと、皮膜中に割れが存在しないこと、被溶射物と皮膜
の境界ではく離が生じないことが挙げられる。これらの
性能に対して不十分な溶射皮膜を実機に応用した場合は
、耐食性・耐摩耗性の向上といった所期の目的を達成す
ることができない。

上記した皮膜性能を十分満足させるためには、溶射粉末
の性状（融点、熱伝導率、粒子径等）に応じて、ガス温
度の制御を行なう必要がある。しかしながら、爆発溶射
のようなガスエネルギを熱源とする溶射方法においては
酸素とアセチレンの流量、混合比を制御することによっ
て、３．０００〜４．０００℃の範囲でガス温度を変化
させることは可能であるが、３，０００℃以下にするの
は困難である。したがって巾広い粒径分布を有する溶射
粉末を使用して溶射皮膜を作成した場合には、ある粒子
は完全溶融の状態で、ある粒子は未溶融のままで、被溶
射物に衝突するようになる。この場合の問題点としては
、完全に溶融した粒子が被溶射物表面に衝突し再凝固す
る際に皮膜中に過大な残留応力が発生し、皮膜中に割れ
が発生したり、皮膜と被溶射物界面ではく離が生じるこ
とが挙げられる。更に完全に溶融した粒子は飛行時に大
気中の酸素を巻き込み、結果として皮膜中に酸化物が多
数存在するようになる。一方、未溶融粒子が皮膜中に存
在すると、未溶融粒子と未溶融粒子の間に空隙（気孔）
ができる。また未溶融粒子間の結合は機械的なものであ
るため、その結合力は非常に弱いものとなる。更にはな
はだしい場合、未溶融粒子は被溶射物表面に衝突後飛散
し、皮膜の組成が変化する恐れもある。

本発明の目的は、爆発溶射のように爆発エネルギを熱源
とする溶射装置で、上述したような欠陥のない溶射皮膜
を形成する溶射方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕本発明の溶射方法は、溶射粉末の溶融率を溶射粉末の材
料となる溶射材の種類に応じて調整することにより、形
成される溶射被膜の気孔率、酸化率及び割れ・はく層重
が共に低い値域に入るようにするものである（第１図〜
第３図参照）。

上のような調整は、爆発溶射方法においては溶射粉末の
粒径分布範囲を調整することにより、おこなう。

このような調整された溶射粉末は、多くの場合に半溶融
の状態で被溶射物に衝突して、被膜を形成することにな
る。

〔作用〕

半溶融の状態で被溶射物に衝突した粒子は、被溶射物に
強固に付着するため被溶射物との界面ではく離が生じる
ことがなくなるとともに、皮膜中で、粒子と粒子は溶融
・凝固した表面層を介して強固に結合しあうので、粒子
間に気孔等の欠陥が発生することがなくなる。このよう
に本発明の溶射方法が優れていることは第１図〜第３図
に示される。

［実施例〕溶射粉末の溶融プロセスは加熱炭からの飛行粒子に対す
る熱移動を解析することによって求めることができる。

すなわち、熱溶量（Ｃ）なる粒子を単位時間当り（ｄｔ
）内に温度（θ）が上昇する（　０　＋ｄθ）のに要す
る熱量（Ｑ）は次式で与えられる（高温学会誌Ｖｏｌｌ
　Ｏ，５ｅｐｌ　９８４．ｐ　２１１）。

ｃ）＝ｃ−ｄＯ＝Ａ−Ｈｏ（Ｏｇ−θ）ｄｔ・・・・・
・（１）ここでＣ：粒子の熱容量（ｃａ　Ｑ　／ｄｅｇ
）、ｄθ：微小温度（”Ｃ）、Ａ：粒子の表面積（ａＪ
）　、ＨＯ：熱伝達係数（ｃａ　Ｑ　／　ａＪ−ｓｅｃ
−ｄｅｌ＜）、θ匹；ガス流体温度、ｄｔ：加熱時間に
相当する微小時間（ｓｅｅ）、θ：粒子の表面温度（℃
）である。

この式に初期条件ｔ≦０、θ＝０を与え積分すると次式
（２）が求められる。

（２）式においてθが粒子の融点０ｍ以上となれば、粒
子は半溶融状態となる。

すなわち（３）式を満足する粒子は半溶融状態になる。

（３）式において、θｇ、　ｔは溶射装置に関係する因
子で爆発溶射の場合θｇ＝３，０００〜４．０００℃で
しは粒子速度と粉末供給位置と被溶射物表面の間の距離
から計算するとｔ＃１．４Ｘ　１０−’ｓｅｅとなる。

一方、θｍ、ｃ及びＡは粒子の特性に関する因子である
。またＨＯは雰囲気におけるヌッセルト数及びレイノル
ズ数から求まる常数で粒子の粒径及びガス温度によって
変化し、定性的には粒径が小さい程、ガス温度が高い程
ＨＯは大きくなる。

すなわち、ある溶射材を溶融させるためには、溶射装置
の熱量（ガス温度）及び材料の粒径、溶融温度、比熱が
重要な因子となり、各溶射材について上記因子を考慮し
て溶射条件を選定する必要がある。更に溶射粉末を完全
溶融状態（球の中心温度〉０ｍ）にさせないためには、
上記因子の他に溶射材の熱伝導も考慮する必要がある。

しかしながら、前述したように爆発溶射方法の場合は、
熱量θｇを３．０００℃以下にすることが出来ないので
、すべて溶射粉末を半溶融状態にするためには溶射粉末
側の因子で制御する必要がある。すなわち、溶射材の融
点、熱伝導率に応じて溶射粉末の粒径分布′を決定する
必要がある。以下実施例に基づき、具体的に説明する。

（実施例１）種々の粒径分布を有する７５％Ｃｒ、Ｃ，／２５％Ｎ　
ｉ　Ｃｒのサーメット系溶射材を爆発溶射にて軟鋼の表
面に約２００μｍの厚さで溶射を行い、皮膜断面におい
て、気孔率、酸化率及び割れ・はく前置を測定した。溶
射条件としてはｏ２流量を３５　Ｑ　／ｗｉｎ、　Ｃ，
Ｈ，流量を３０　Ｑ　／ｗｉｎ、爆発サイクルを５回／
ｓｅｃとして実施したものである。

第１図に結果を示す、この図は溶射粉末の溶融率に対す
る気孔率、酸化率及び割れ・はく装置の変化を調べたも
のである０図から明らかなように、皮膜中の気孔率は溶
融率が６０％以下になると急激に増加する。一方、皮膜
中の酸化率及び割れ・はく層重は溶融率が７０％以上に
なると急増する。

すなわち、健全な皮膜を得るためには溶融率を６０〜７
０％の範囲にする必要がある。この範囲は溶射粉末がす
べて半溶融の状態に相当し、この範囲以外では皮膜中に
未溶融粒子が存在したり、完全に溶融した粒子で皮膜が
形成される部分ができ、その結果気孔が多くなったり、
割れ・はく離が発生したりする。

前述したように、溶射粉末の溶融率は、溶射粉末の粒径
、融点、熱伝導率で決定され、本実施例の７５％Ｃｒ５
Ｃｓ／２５％ＮｉＣｒの場合では粒径分布の範囲を２０
μｍ程度、最小粒径を１０μｍ以上、最大粒径を６０μ
ｍ以下の範囲とすることによって達成される０本実施例
以外で、このような粒子分布で健全な皮膜を得ることの
できる溶射粉末としては、粉末特性（融点、熱伝導率）
が類似しているＷ　Ｃ／　Ｃｏ系やＦｉＣ／Ｃｏ系のよ
うな低融点物質と高融点物質で構成される複合粉末が挙
げられる。

（実施例２）高融点の酸化物系セラミックスであるＣｒ、Ｏ。

溶射粉末を爆発溶射で溶射した場合について検討した結
果を第２図に示す、溶射条件としては０゜流量を７５　
ｍ　／＋ａｉｎ％Ｃ，Ｈ，を３０　Ｑ　／ｓｉｎ、爆発
サイクル５回／秒として実施した。この場合、健全な溶
射皮膜を得るためには溶融率を７０％以上にする必要が
ある。そのためには溶射粉末の粒径を１０μｍ以下とす
る必要がある。これは、Ｃｒ、０３の融点が２，４００
℃でガス温度に近いことと、熱伝導率が低いことが原因
となって溶射粉末のすべてを半溶融状態にするためには
粒径を１０μｍ以下と非常に小さくする必要があるが、
完全溶融する最小粒径は１μｍ以下であり、実用上は特
に粒径の下限値を限定する必要はないためである。

本実施例と同じ方法で溶射する必要があるものとしては
、Ｏｒ、Ｏｎ以外にＡＱｍｏｍ、ＺｒＯｓ／Ｙ２Ｏ３等
の高融点酸化物系セラミックスや、Ｍ　ｏ　。

Ｗ等の高融点メタル材料が挙げられる。

メタル系溶射粉末である８０％Ｎｉ　２０％Ｃｒ溶射粉
末を爆発溶射で溶射した場合について検討した結果を第
３図に示す、溶射条件は０．流量３０　Ｑ　／ｗｉｎ　
　Ｃ，Ｈ，流量２５　Ｑ　／ｗｉｎ、爆発サイクル５回
／秒として実施した。この場合、健全な溶射皮膜を得る
ための溶融率は５０〜６０％とする必要がある。そのた
めには溶射粉末の粒径を５０〜６０μｍとする必要があ
る。これはＮｉ−Ｃｒの溶融が１，４００℃と低いこと
と、熱伝導率が高いことに起因している。

本実施例と同じ方法で溶射する必要のあるもとしてはＮ
　ｉ　−Ｃｒ合金の他に、Ｎ１−ＡＱ、Ｎ１−Ｃｒ−Ａ
Ω等の比較的融点の低いメタル系材料が挙げられる。

（他の実施例）以上述べた実施例はいずれも本発明を爆発溶射に適用し
た例であるが、超高速強化ガス炎溶射方法も爆発エネル
ギを熱源として利用しており、ガス温度及び粒子速度は
爆発溶射とほぼ同じであるので、本発明方法を適用する
ことによって健全な溶射皮膜を得ることができる。

〔発明の効果〕

上述のように、本発明による溶射方法によれば、爆発溶
射等のガスエネルギを熱源とする溶射方法において、溶
射皮膜中の気孔、酸化物量をきわめて低くおさえること
ができ、更に溶射皮膜の割れ・はく離を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図はそれぞれ、７５％Ｃｒ、Ｃ□／２５
％Ｎ　ｉ　Ｃｒ、　Ｃ，Ｏ，及び８０％Ｎｉ２Ｏ％Ｃｒ
の溶射粉末を爆発溶射方法で溶射して形成した溶射皮膜
の断面の気孔率、酸化率及び割れ・はく層重と溶融率の
関係を示した図である。第１図１翔？し）第２図若顔チ（％）第３図２Ｍｆ＜ｈ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ガスエネルギを熱源とする溶射方法において、形
成される溶射皮膜の気孔率、酸化率及び割れ・はく離率
が共に低い値域に入るように、溶射粉末の溶融率範囲を
調整して溶射することを特徴とする溶射方法。
（２）特許請求の範囲第１項において、溶射方法が爆発
溶射方法であり、溶射粉末の溶融率範囲の調整が溶射粉
末の粒径分布範囲を調整することによりおこなわれる溶
射方法。
（３）特許請求の範囲第２項において、溶射粉末が７５
％Ｃｒ＿３Ｃ＿２２５％ＮｉＣｒのサーメット系溶射材
から成り溶融率範囲が６０％以上７０％以下であり粒径
分布範囲が１０μｍ以上６０μｍ以上である溶射方法。
（４）特許請求の範囲第２項において、溶射粉末がＣｒ
＿２Ｏ＿３の酸化系セラミック溶射材から成り溶融率範
囲が７０％以上１００％以下であり粒径分布範囲が１μ
ｍ以上１０μｍ以下である溶射方法。
（５）特許請求の範囲第２項において、溶射粉末が８０
％Ｎｉ２０％Ｃｒのメタル系溶射材であり、溶融率範囲
が５０％以上６０％以下であり粒径分布範囲が５０μｍ
以上７０μｍである溶射方法。