JPS63205169A - プラズマ溶射用ト−チ - 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） 本発明はプラズマ溶射用トーチに関するものであり、特
に当該トーチによって噴射される溶融材料によって金属
等の表面処理を行なうようにしたプラズマ溶射用トーチ
に関するものである。

（従来の技術） 金属等の表面処理を行なうための材料を高温プラズマに
よって溶融させて噴出するプラズマ溶射用トーチは、基
本的には水等によって冷却されている陽極と、この陽極
とは別体の陰極間に電圧を印加して、これら両電極間に
供給される作動カスをプラズマガス化するようにすると
ともに、これら陽極あるいは陰極の近傍に溶射材料を送
り出す吐出口を設けて、この溶射材料を前記プラズマガ
スによって加熱溶融しながら噴射させて表面処理を行な
うようにしたものであるが、既に種々のものか提案され
てきている０例えば、実公昭４３−２９７７号公報には
、 「相対向する複個数の電極とガス噴出用ノズル′４を極
を有するものにおいて、励記ノズル電極の通孔に対して
複数個の電極を同心円上に配置し、該電極にこれと同数
の多相交流電源を接続し、かつ、プラズマフレームの中
心部に溶射材ネ１を供給できるようにしたこをと特徴と
するプラズマジェット溶射装置」 か提案されている。この考案に係るプラズマジェット溶
射装置は、その公報中の記載によれば。

複数個の電極を回心円上に配置したことによりアークの
発生か一点に固定することがなくてノズル電極を局部的
に損傷あるいは消耗することが少なく、粉末供給管がノ
ズル電極の通孔と同一軸、ヒに設けられているため溶射
粉末は常にプラズマフレームの中心に供給され、溶射効
率が高いものであるとしている。しかしながら、この考
案に係るプラズマ火炎・ント溶射装置にあっては、第４
図に示すように、回心円上に配置した複数個の電極の中
心部に配置したノズル通孔は冷却されていないため、実
際にはこのノズル通孔もプラズマ火炎ッｌ−によって加
熱され、溶融した溶射粉末が付着し、これが固まりとな
ってプラズマジェットとともに外部に吐出される。換言
すれば、このようなプラズマジェット溶射装置にあって
は、溶射材料とプラズマ火炎が互いに混合された状態で
吐出されるため溶射材料のプラズマ化を生じ、これによ
り初期の溶射被膜とは異質の被膜が形成されることにな
る。また、溶射材料とプラズマ火炎が互いに混合された
状態で吐出されることから、電極あるいはノズル電極に
溶融材料が付着してこれらを汚すだけでなく、材料の溶
着によって大きな溶滴を生ずる。これにより、電極ある
いはノズル電極が異常摩耗するだけでなく、このプラズ
マジェット溶射装置によって表面処理された非加工材の
表面にはこの溶融した溶射粉末の固まりによる凸部が形
成され、均一な処理表面を得ることができないものであ
る。

また、第５Ｌ；Ａに示したようなプラズマ溶射用トーチ
も、特開昭６１−１４９２６５号公報において提案され
ている。このプラズマ溶射用トーチにあっては、両電極
を冷却することによって、上記のような溶融した溶射粉
末の付着を防止しているものではあるが、溶射材料の供
給をプラズマフレームの外側から行なっているため、当
該プラズマフレーム中に溶射材料が良好に入らないもの
である。

さらに、第６図の特開昭５７−４２６１号公報に示され
たプラズマジェット溶射トーチ、あるいは第７図の米国
特許第３１４０３８０号公報に示されたプラズマジェッ
ト溶射トーチも提案されている。第６［７Ｉに示したプ
ラズマジェット溶射トーチにあっては、溶射材料の供給
をプラズマフレームの内側から行なうようにしてはいる
が、溶射材料のノズル通孔か電極をも兼ねているため、
第４図に示した従来技術の場合と同様な問題が生ずるの
であり、ノズル通孔の損傷あるいは消耗の問題かある。

また、米国特許第３１４０３８０号公報に示されたプラ
ズマジェット溶射トーチにあっては、溶射材料のノズル
通孔が冷却されていないため、溶融した溶射粉末の付着
の問題か解決されていないのである。

一般に、溶射被膜は、溶射材料をその気化・分解される
温度以丁の温度で加熱することにより充分溶融させ、こ
れをてきる限り高速（場合によってはブラズ７ジェット
流の速度は数マツハ以ｔになることがある）て飛行させ
て被膜を形成すべき母材上に衝突・付着させ、これを固
化することによって緻密なものとして形成されるもので
ある。

この場合の衝突エネルギーはｍＶ（ｍは溶射材料の質着
、■は溶射材料の速度）に比例するものてあり、溶射材
料の速度によって大きく変化するものである。ところか
、この種のプラズマジェット溶射にあっては、そのプラ
ズマジェットの速度が速くなればなる程、特に数マツ八
以上になればこのプラズマジェットとは別に供給される
溶射材料かこのプラズマジェット流によって反発される
から、溶射材料をこのプラズマジェット流の中心に供給
することが困難になる。これにより、プラズマジェット
流によって反発された溶射材料がプラズマジェットの近
傍をダストとなって流れ、溶射材料が被膜として形成さ
れる歩留り率が２０％以下になることがあるだけでなく
、溶融されずに噴出した溶射材料が母材上に形成された
被膜内にまぎれ込んで、被膜そのものを脆弱なものにし
てしまうのである。

要するに、この種のプラズマ溶射用トーチにあっては、
次のような各条件を満足する必要かあるものである。

■溶射材ネ（は各電極によって形成されたプラズマフレ
ームの内側に供給されるようにしなければならない、溶
射材料は非常に高価なものてあり、これを確実に溶融し
て、できるだけ多く表面処理に使用する必要かあるから
である。

■溶射材料は、溶融した後にあっては、プラズマ溶射用
トーチに部分的に付着してなはらない。

これが固まりとなって噴射されると、均一な表面処理が
行なえないからである。

■プラズマジェットフレームは、均一な筒状を有してい
なければならない、当該プラズマジェットフレーム内に
供給した溶射材料が溶融しないで外部に飛び出せば、溶
射材料の効果的な使用をすることができないからである
。

■各電極の消耗または損傷を極力押えなければならない
、電極の交換やメンテナンスは非常に７間の掛ることだ
からである。

■作動ガスのプラズマ化を均一に行なう必要がある。良
好なプラズマジェットフレームを得るためである。

以上のような各条件を同時に満足するようなプラズマ溶
射用トーチは１本発明の発明者の知るところでは全くな
かったものである。

そごて、本発明の発明者は、上記のような条件を同時に
満足するプラズマ溶射用トーチについて鋭意研究してき
た結果、２個以上の陰極と陽極によって生じる２個以上
のプラズマフレームが、その隣り合うプラズマフレーム
と同極間反発を生じることはなく、逆に積極的に一体化
させることのてきるプラズマフレームを形成できること
を新規に知見し、またこのプラズマフレームの中心部に
冷却体を置くことによって中心部にプラズマ状態部を発
生しないリング状もしくは円筒状の中空部を有したプラ
ズマフレームを発生させることに成功した。このプラズ
マフレームの中心部に溶射材料を供給するようにすれば
、数マツ八以上に加速されているプラズマフレームに反
発されることがなくなり、溶射材料の歩留り率を９５％
程度まで高めることかできたのである。

（発ＩＪ１か解決しようとする問題点）本発明は、以上
のような実状に鑑みてなされたもので、その解決しよう
とする問題点は、上記各条件■〜■を同時に満足するこ
とである。

そして１本発明の■的とするところは１ＭＬ極の消耗を
極力押えることかできるとともに、作動ガスのプラズマ
の均−化及びこのプラズマフレームの中心部に中空部を
積極的に形成し、このプラズマフレームの中空部内に溶
射材料を供給するようにすることにより溶射材料の溶融
を確実に行なわせて、効率の良い表面処理を行なうこと
のできるプラズマ溶射用トーチを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 以上の問題点を解決するために本発明が採ったｆ段は、
実施例に対応する第１図及び第２図を参照して説明する
と。

「水等によって冷却されている陽極（２０）と、この陽
極（２０）とは別体の陰極（３０）間に電圧を印加して
、これら両電極（２０）（３０）間に供給される作動ガ
スをプラズマガス化するようにするとともに、これら陽
極（２０）あるいは陰極（３０）の近傍に溶射材料（５
０）を送り出す吐出口（４０）を設けて、この溶射材料
（４０）をプラズマガスによって加熱溶融しながら噴射
させて表面処理を行なうようにしたプラズマ溶射用トー
チにおいて、陰極（コ０）を吐出口（４０）とは別体に
構成して当該吐出口（４０）の周囲に複数配置するとと
もに、吐出口（４０）を水等によって冷却する構造のも
のとし、かつこの吐出口（４０）を陽極（２０）に形成
した開口部（２３）内に設けて、当該吐出口（４０）が
プラズマガスの発生箇所の後流側に配置したことを特徴
とするプラズマ溶射用トーチ（１００）　Ｊである。

以ドに、本発明に係るプラズマ溶射用トーチ（１００）
の構成を、図面に示した実施例に基づいて詳細に説明す
る。ｔＩＳ１図には本１５ｉ！！明に係るプラズマ溶射
用トーチ（１００）の縦断面図が示してあり。

このプラズマ溶射用トーチ（１（１０）は主として、そ
の本体（ｌＯ）の前端に設けた陽極（２０）と、この陽
極（２０）の開口部（２３）に向けて本体〔ＩＯ〕内に
て位置する複数の陰極（３０）と、これら各陰極（３０
）によって囲まれ陽極（２０）の開口部（２３）に向け
て開１」する吐出ｕ　（４（１）とｆｔ備えている。

本体（１０）の一部には作動ガス供給口（Ｉりが形成し
てあり、この作動ガス供給口（１１）からは図示しない
装置によって、アルゴン、ヘリウム、窒素、木１ｇ等の
作動ガスがプラズマ発生室ＣＨ）内に供給されるように
なっている。なお、この本体（１０）には、後述の各ウ
ォータージャケット（２１）あるいはウォータージャケ
ット（４１）等に冷却水を供給するパイプか接続してあ
り、陽極（２０）及び陰極（３０）（ＹｔＩに電圧を印
加するためのコードか接続しである。

本体（１０）の前端に設けた陽極（２０）は、各陰極（
コ０）間にアークを発生させるもので、その中心部には
ウォータージャケット（２１）が形成してあり。

このウォータージャケット（２１）内に図示しない装置
によって水を供給することによって、当該陽極（２０）
は冷却されるようになっている。また、この陽極（２０
）の、作動ガス供給口（１１）から開口部（２コ）に至
るまでの内壁面（２２）は、図示左側から右下に傾斜す
る傾斜面となっている。さらに、陽極（２０）の前端中
央部には一個の開口部（２３）が形成してあり、この開
【１部（２３）の内壁面も図示左側から右下に傾斜する
傾斜面となっている。

本体（１０）内に複数（本実施例にあっては４本）配こ
した陰Ｊ！ｉ（：１０）は、陽極（２０）及び後述の吐
出口（４０）とは別体のものであり、各陰極（３０）の
中心線が陽極（２０）の開口部（２コ）の外側にて交差
するように設置しである。すなわち、各陰極（３０）は
、本体（ｔＯ）の中心線に対して図示左側から右下に切
創したものとしである。また、この各陰極（３０）は、
その一部に形成したウォータージャケット（３１）内に
水を供給することにより、冷却されるようになっている
。

吐出口（４０）は本体（１０）の中心部に配置したもの
て、その中心部には溶射材料（５０）を陽極（２０）の
開口部（２コ）に向けて供給するための材料通路（４２
）が形成しである。勿論、この吐出口（４０）は上記各
陰極（３０）とは別体のものであり、また材料通路（４
２）の周囲に形成したウォータージャケット（４１）内
に水を供給することにより、当該吐出口（４０）自体を
冷却するようになっている。また、この吐出口（４０）
の先端部は、陽極（２０）に形成した開口部（２３）内
にて開口しており、かつ開口部（２コ）の内壁面とｆ行
になるように形成しである。これにより、吐出ｒ」（４
０）はプラズマガスの発生箇所の後流側に配置されてい
る。

（発明の作用） 本発明が以上のようなｆ段を採ることによって以下のよ
うな作用がある。

まず、プラズマ溶射用トーチ（１００）の各部材が上記
のように構成されることによって、″ｌＪ該プラズマ溶
射用トーチ（１００）のプラズマ発生室（８）にあワて
は、作動ガス供給口（１１）から本体（１０）内に吐出
された作動ガスが何等の障害もなく陽極（２０）の開口
部（２コ）に向けて流れるようになっているとともに、
各陽極（２０）、陰極（コ０）及び吐出口（４０）はそ
れぞれウォータージャケット（２１）、ウォータージャ
ケット（３１〕及びウォータージャケット（４り内の水
によって冷却されている。

このような状態で、各陽極（２０）及び陰極（３０）間
に電圧を印加すれば、これら陽極（２０）及び陰極（３
０）間に電弧（アーク）を発生する。この電弧によって
、プラズマ発生室（Ｒ）内を流れている作動ガスが高温
度に加熱されてプラズマ化するのであろ、この作動ガス
のプラズマ化によって各陰極（３０）の数に応じた複数
のプラズマフレームか生ずるか、各プラズマフレームに
あっては、その隣り合うプラズマフレームとの同極間反
発が生じないものてあり、各プラズマフレームは谷陰極
（３０）から離れれば筒状で一体のプラズマフレームと
なるのである。また、この−・体化したプラズマフレー
ムにあっては、開口！　（２３）から吐出される前に。

冷却されている吐出口（４０）によってその中心部が冷
却されるから、このプラズマフレームの中心部に溶射材
料を吐出させることのできる中空部か形成されており、
溶射材料を吐出口（４０）から吐出させてもプラズマフ
レームと混合することはないのである。

また、このプラズマ化された作動ガスは、陽極（２０）
の開口部（２３）を構成している真壁と吐出口（４０）
の先端部間の隙間を通じて外部に噴出されるのであるが
、この隙間は第２図に示すように円弧として形成しであ
るから、これによってもプラズマ化された作動ガスが円
筒状に噴出するとともに、この隙間は前述の通り関示左
から右下に傾斜する形状となっているから、第３図に示
したように、噴出されるプラズマガスは吐出口（４０）
の前方において集束する。すなわち、当該プラズマ溶射
用トーチ（１００）によって噴出されるプラズマガスは
、吐出口（４０）の前方において中が空洞になった円錐
形状となるのである。

さらに、吐出口（４０）から噴射されるプラズマガスは
、その吐出口（４０）から噴射される前に、共に冷却さ
れている開口部（２３）の内壁と吐出口（４０）の先端
部間を通過するのであるから、両者の冷却によるサーマ
ルピンチによって開口部（２３）と吐出口（４０）とに
よって形成されている隙間の中心部に集束した状態で噴
出される。従って、吐出口（４０）から外部に噴出され
たプラズマガスは、その中が空洞になった円錐形状を強
固に！！持しているのである。

このような状態において、吐出口（４１１）の材料通路
（４２）から溶射材料（５０）を吐出させれば、この溶
射材料（５０）は円錐形状のプラズマガスの空洞内に放
出されるとともに、プラズマガスによって加熱されて溶
融するのである。すなわち、吐出口（４０）から吐出さ
れた溶射材料（５０）は、プラズマガスによって完全に
包まれた状態で噴出され、周囲に位置するプラズマガス
によってその加熱溶融が完全に行なわれるのである。

さらに、このような吐出口（４０）からの溶射材料（５
０）の吐出状態にあっては、当該プラズマ溶射用トーチ
（ｌ［ＩＯ）の前端から噴出しているプラズマガスが、
陽極（２０）と吐出口（４０）とのの冷却によるサーマ
ルピンチによって開口部（２３）と吐出口（４０）とに
よって形成されている隙間の中心部に集束した状態で噴
出しており、またこのプラズマガスは吐出口（４０）の
前方において中か空洞になった円錐形状となっているか
ら、吐出される溶射材料（５０）は吐出口（４０）及び
陽極（２０）の開口ｇｌｌ（２３）の前方に引き出され
ることになる。従って、溶融した溶射材料（５０）ハ、
吐出０　（４０）ヤ陽ｍ（２０）（７）開口部（２３）
Ｃ：付着することはないのである。

また、このプラズマ溶射用トーチ（１００）にあっては
、竜彊（アーク）が発生するのは、各陰極（コ０）と陽
極（２０）間のみであるので、各陰Ｊ４ｉ（：１０）が
第１図に示したような一体的なものであればその消耗・
損傷について殆ど考慮する必要はなく、勿論吐出口（４
０）が消耗することも全くない。

（発明の効果） 以上詳述した通り１本発明に係るプラズマ溶射用トーチ
（１００）あっては、 「陰極（コロ）を、吐出口（４０）とは別体に構成して
当該吐出口（４０）の周囲に複数配置するとともに、 吐出口（４０）を水等によって冷却する構造のものとし
、かつこの吐出口（イ０）を陽極（２０）に＃成した開
口部（２３）内に設けて、当該吐出口（４０）がプラズ
マガスの発生箇所の後流側に配こしたこと」 にその特徴があり、これにより、電極の消耗を極力押え
ることができるとともに１作動ガスのプラズマの均一化
を図って溶射材料の溶融を確実に行なわせて、効率の良
い表面処理を行なうことのできるプラズマ溶射用トーチ
を提供することがてきるのである。

すなわち２本発明に係るプラズマ溶射用トーチ（１００
）にあっては、形成されたプラズマガスは均一な筒状と
なって噴出し、しかもその内側に溶射材料（５０）が確
実に供給されるから、この溶射材料（５０）を確実に溶
融して効率良く使用することができるのである０本発明
の実施例にあっては、溶射材ネ１として酸化クロムを使
用した場合、その溶射被膜の形成における歩留り率を９
５％にすることかてきた。

また、溶融した溶射材料（５０）は、噴出しているプラ
ズマガスによって前方に吹き飛ばされるから、吐出口（
４０）付近に付着することはなく、固まりとなって噴射
されることはないのである。この場合、このプラズマ溶
射用トーチ（１００）にあっては１ｇ！極（２０）、陰
極（３０）及び吐出口（４０）を完全に独立したものと
したから、その損傷・消耗を極力低減することもできる
のである。

さらに、このプラズマ溶射用トーチＢｏｏ）にありては
、そのプラズマ発生室（Ｒ）内における作動ガスの流れ
を吐出口（４０）に向けて自然な状態で形成できるよう
に構成しであるから、作動ガスのプラズマ化を均一に行
なうことができるものでもある。

【図面の簡単な説明】

第１Ｕ：ｊ！ｉは本発明に係るプラズマ溶射用トーチの
縦断面図、第２図は第１図の右側面図、第３図は本発明
に係るプラズマ溶射用トーチによって形成されるプラズ
マジェット流と溶射材料との関係を示す斜視図、第４図
〜第７図のそれぞれは従来のプラズマ溶射用トーチを示
す縦断面図である。 符　　　号　　　の　　　説　　　明 １１１０・・・プラズマ溶射用トーチ、【ト・・本体、
」ｔ・・・作動ガス供給口、２０・・・陽極、２！・・
・ウォータージャケット、２３・・・開［１部、　３０
−・・陰極、　３１・・・ウォータージャケット、４（
１・・・吐出口、４２・・・材料通路、　５（１・・・
溶射材料、Ｒ・・・プラズマ発生室。 以　　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 水等によって冷却されている陽極と、この陽極とは別体
   の陰極間に電圧を印加して、これら両電極間に供給され
   る作動ガスをプラズマガス化するようにするとともに、
   これら陽極あるいは陰極の近傍に溶射材料を送り出す吐
   出口を設けて、この溶射材料を前記プラズマガスによっ
   て加熱溶融しながら噴射させて表面処理を行なうように
   したプラズマ溶射用トーチにおいて、 前記陰極を、前記吐出口とは別体に構成して当該吐出口
   の周囲に複数配置するとともに、 前記吐出口を水等によって冷却する構造のものとし、か
   つこの吐出口を前記陽極に形成した開口部内に設けて、
   当該吐出口が前記プラズマガスの発生箇所の後流側に配
   置したことを特徴とするプラズマ溶射用トーチ。