JPS634051A - セラミツクス溶射層の均質硬化方法 - 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】 「産業上の利用分野コ 本発明は、各種工業分野に使用される各種機械の構成部
材並びに部品としての金属表面に、主として耐熱性、耐
磨耗性を付与することを目的として溶射したセラミック
ス溶射層の表面溶融圧着粒をビームエネルギーを用いて
局所的に加熱して再溶融させた後徐冷し、且つ、この処
理を連続または断続的に該溶射層表面の全域に互って行
うことにより、該溶射層に含まれている気孔を除去し、
該溶射層を均質で一様な硬度を有するセラミックス表面
層に改質、改善する方法を提供することを目的とする。

「従来の技術」 従来、各種金属機械構成部材及び部品に対して、主に耐
熱性、耐磨耗性を付与することを目的として各種、各形
状のセラミックスを素材としたロッドスプレー法（ＲＯ
Ｄ　５ＰＲＡＹ）並びにプラズマパウダースプレー法（
ＰＬＡＳｌｉｌＡ　Ｐｏｐ／ＤＥＲＳＰＲ人Ｙ）による
溶射肉盛り（コーティング）が行われてきた。これらの
方法は、成る程度複雑な形状を持った金属部品にも溶射
が可能である割りには、溶射加工装置が比較的簡単であ
り、また板状のセラミックス焼結晶を各種の有機系、無
機系または金属などの接着剤を用いて金属部品の表面に
接着する所謂セラミックスライニング法（現時点ではま
だ研究開発段階のものが多いが）に較べて金属表面との
密着性らよく、また該溶射層の表面Ａを耐磨耗部材とし
て使用するに当たり、これを第１図（ａ）および（ｂ）
に示すごとく、比較的低速で相対運動している部材間に
：／ｊＡ磨材２０（例えば硬い粉体）が入って摩擦する
所謂アブレージヨン（ＡＢＲＡＳＴＯＮ）型の磨耗現象
に対する部材として使用する場合は、相当程度の対磨耗
性を発揮し、例えばポンプ、送風機などのメカニカルシ
ール機構の回転接触面、また、各種回転機のオイルシー
ルのリップ面と接触する回転軸の一部などに使用されて
いる。

「本発明が解決しようとする問題点」 しかし、上記のセラミックス溶射層の表面Ａを耐磨耗部
材として使用するにあたり、これを第２図に示すごとく
、減摩材２２（例えば硬い粉体）が気流などに伴って高
速度で溶射層表面に衝突するところの所謂エロージョン
（ＥＲＯ５ＩＯＮ）型の磨耗現象に対する耐磨耗部材と
して使用した場合は、ケめて短時間のうちに該セラミッ
クス溶射層２を形成する溶射粒２１−−−が第２図　２
３−ｍ−に示すごとく表面から次々に離脱し、殆ど耐磨
耗性を示さない。この現象は、第２図の概念図に示すご
とく該溶射層２に含まれている無数の気孔２゛の存在に
その原因があると考えられる。−般に、金属部材に対し
てセラミックス溶射層を適用する場合は、方法がロッド
スプレー法及びプラズマパウダースプレー法の何れを問
わず、その加工原理がらしてセラミックス溶融圧着粒間
に多数の気孔が発生する。例えば、最も多く施工されて
いるアルミナのプラズマパウダースプレー法による溶射
施工の場合、プラズマジェット出口断面の温度を極めて
高温（例えば５，０００〜１０，０００°Ｃ）に維持し
、且つ、溶融セラミックス粒子を微粒「ヒして金属部材
表面に圧着させるためのガスジェットのスピードを加面
に高速度に保持して溶射加工した場合においてら、溶射
層の気孔率は８〜１８％程度であるといわれている。し
かも該気孔の大きさは通常、数μｍ〜十数μｍと微小で
あるため、結局、該気孔はセラミックス溶射層の全域に
亙って無数に点在していることになる。この点がエロー
ジョン（衝突磨耗）型の磨耗に対する溶射セラミックス
層の最大の欠点となっていることが本願発明者の研究に
より判明した。

即ち、−ｉにセラミックス溶射層は、前記のごとくアブ
レーシブな磨耗＜ｍｍ磨耗）に対しては、該溶射層にお
ける多数の圧層粒が磨耗性粒子や物体に対していわば共
同して（面全体で受けて）減摩作用に抵抗して耐磨耗効
果を発揮することになるが、反面第２図の概念図に示し
た通り、エロージョン（衝突磨耗）型の磨耗現象にあっ
ては、高速度で衝突する減摩材粒子により溶射層を形成
するセラミックス粒子の結合が多数の気孔の存在により
次々と破断され殆ど耐磨耗効果を発揮することがない。

この模様は第２図の概念図並びに次に−示す走査型電子
順微鏡写真（ａ）（１００倍）および（’ｂ）　　＜５
００倍）を観察することにより容易に理解できるところ
である。

従って、セラミックス溶射層は例えば高速度粉砕機、高
速度粉砕機等の部材及び部品、または検体の空気輸送管
などの耐摩耗対策としては殆ど効果がなく、極めて短時
間の使用寿命しか維、持できないばかりでなく、処理す
る粉体中に離脱したセラミックスが多量に混入し、汚染
の原因となるなどの大きな開運があった。

「問題点を解決するための手段」 本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、従来技術
の問題点を解決するため、セラミックス溶射層の表面溶
融圧着付をビームエネルギーを用いた局所的加熱手段に
′より加熱、再溶融させな後徐冷し、且つ、この処理を
連続または断続的に該溶射層の表面全域に互って行うこ
とにより、均質で一様な硬度を有するセラミックス層に
改質、改善し得る方法を提供するもので、その要旨は、
セラミックス溶射層に含まれる無数の気孔をビームエネ
ルギーを用いて除去することにあ°る。

本発明方法で均質硬化処理できる代表的なセラミックス
溶射層としては、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニュウ
ム、川などの機械構成部材並びに部品を母材として、こ
れらの表面に溶射形成されたアルミナ系、ジルコニア系
、酸化クローム系の酸ｆヒ物系セラミックス或いは非酸
化物系セラミックス等のセラミックス層であるが、これ
らに限定されることなく、溶射肉盛り加工の可能なセラ
ミックスの総てに適用することができる。

また、本発明方法で使用するビームエネルギーには、均
質硬化すべきセラミックスの性質に応じてイブ１ヘリウ
ム・アルミニュウｌトガーネット（ＹＡＧ）レーザーや
、炭酸ガス（ＣＯ□）レーザーなどを適用することがで
きる。

「実施例」 本発明方法の実施例について図面を参照しながら詳細に
説明する。

写真（ａ）及び（ｂ）並びに第２図は、母材となるステ
ンレス製機械部品に、アルミナセラミックスをプラズマ
パウダースプレー法により溶射した層であり、第３図お
よび第４図はそれを均質硬１ヒ処理するその実施例を示
す。

第３図内至第５図において、１は母材である金属機械部
品、２はアルミナセラミックス溶射層、２゛は該溶射層
に含まれた多数の気孔、３は適用したレーザービーム、
４はレーザービームの進行方向、５はレーザービームに
よるセラミックス溶射層の局所加熱部、６は均質硬化処
理後の改質セラミックス層、７は均質硬化処理層の表面
、８はレーザー加熱によるセラミックス溶は部、９内至
１２はレーザービームの運行方向例を示す矢印、１３は
加工処理台を夫々示す。

本発明の均質硬化方法を用いて上記構成のセラミックス
溶射層の改質を実施する場合、次の要領て゛行う。

先ず、金属部品（母材）１に溶射形成されたセラミック
ス層２を加工処理台１３にセットする。

次に溶射セラミックス層２の表面のうち、改質処理すべ
き部分若しくは全面に亙ってレーザービーム３を照射す
るが、この際レーザービーム加熱を補助するため、およ
び／′または、改質後のセラミックス層を徐冷するため
に該セラミックス層の一部若しくは全部を別の熱的手段
、例えば電気ヒーターなどによる加熱雰囲気中で改質処
理することが望ましい場合もある。

レーザービーム３の進行速度は、処理すべきセラミック
スの種類や、均質硬化すべきセラミックス層の厚さ及び
レーザービームの照射エネルギー水準等を勘案の上決定
される。

セラミックス溶射層２の一定の深さに達したレーザービ
ーム３のエネルギーにより、溶射層２に含まれた気孔２
′はセラミックス層の局部的再溶解とともに次々と消滅
し、レーザービームの通過後徐冷された均質硬化処理部
は、前記の気孔２′を殆ど含まない均質且つ緻密で硬度
の一定な表面層７を有するセラミックス層６及び７に次
々と改質されていく。

レーザービームの運行方向は、改質すべき加工処理物の
形状並びに加工部位に応じて第５図９内至１２に示すご
とき直進繰り返し型、曲線蛇行型、回転円運動型等が適
当であるが、これはレーザービーム３を移動させても、
またセラミックス溶射Ｍ２側を移動運行させてもよく、
必要に応じて両者の移動運行の単独か、若しくは組合せ
によるロボット化自動加工が可能である。

また、レーザービームの運行は、改質処理すべき溶射セ
ラミックス層２に対して必ずしも連続運行させるだけで
なく、加工処理の目的に応じてレーザービームを断続的
部位にスポット的に照射して局部的、部分的な改質処理
を行うこともできる。

尚、前記のごとく、レーザービーム３により再溶解され
て冷却過程にあるセラミックスの溶融部８及びその近傍
の急激な冷却を防止するため、別の加熱手段、例えば電
気ヒーターなどで加熱しなから鎖部を徐冷することによ
り、改質後のセラミックス層に発生する割れくベアーク
ラック）を未然に防止することができるが、前記のごと
く、溶射セラミックス層２のエロージョン壱粍（衝突摩
耗）に対する耐磨耗性のけ与を目的とする場合は、あく
までも該溶射層中に無数に点在する気孔２′を除去する
ことが改質処理の決め手であり、従って改１．７５理後
のセラミックス層中に若干のヘアークラックが存在して
もアブレーシブな耐磨耗性はもとより、エロージョン磨
耗に対する耐磨耗性を充分に発揮することが多い。

尚、以上の改質処理は、−般に空気（大気）中で処理さ
れるが、必要に応じてこれを窒素ガスなどの不活性ガス
雰囲気中で、また場合によっては真空中で行うこともで
きる。

本発明方法の具体的な実施例を次に示す。

高速度衝撃式微粉砕機の衝撃ピンとして使用する部品で
、大きさが５０ｍｍ　ｘ　５０ｍｍ、厚さ８ｍｍのステ
ンレス鋼（ＳＯＳ−３０４）の表面に、プラズマパウダ
ースプレー法でアルミナを平均１．５ｍｍ　　の厚さで
溶射した溶射層を、均質硬化層に改質する目的で実施し
た。

加熱手段としてのレーザーは、市販の高出力Ｃ０２レー
ザーを使用し、別途、補助的加熱及び徐冷の目的で電気
ヒーターを併用しながらレーザービームを１８５　［ｌ
ｎ／ｗｉｎ　　の速度で運行させ、且つ、この処理をセ
ラミックス溶射層の全面に互って行った（レーザービー
ムの運行は直進繰り返し型で行った）ところ、該溶射層
の深さ平均０．９　ｍｍにわたって均一な改質硬化層が
得られた。該改質後のセラミックス層の断面を走査型電
子顕微鏡写真（ａ）及び（ｂ）に撮り、観察したところ
、該層内に若干のへアークラックが認められたが、この
部品を溶射したままの同形状、同寸法の非改質部品と同
時に、同じ粉砕機の回転磐に夫々３枚づつ装着し、回転
盛の外周速度８５　ｍ／ｓｅｅの高速度で、金属シリコ
ンの粉砕−磨耗テストを行った。因に、高速度衝撃粉砕
における磨耗現象は、典型的なエロージョン型磨耗であ
る。その結果、従来法による溶射のままの部品と、本発
明方法による改質部品の耐磨耗性能を、同じ運転時間に
対する夫々のセラミックス層の減量（重量）割合で比較
したところ （従来品）　　　　（本発明品） ４５　　・　　　　１ の差があり、換言すれば、従来の溶射したままのセラミ
ックス層の耐磨耗性に比較して本発明方法で処理した改
質セラミックス層の耐磨耗性は、４５倍の寿命をもつこ
とが判明した。

「本発明の効果」 すでに詳述したごとく、本願発明にかかるセラミックス
溶射層の均質硬化方法の特徴は、従来法によるセラミッ
クス溶射層に直接ビームエネルギーを付与して加熱し、
該溶射層に含まれる気孔の殆どを除去し、均質で且つ、
セラミックスが本来もっている性質を生かした硬さの硬
いセラミックス層に改質するところにある。従って、本
発明方法を用いた改質後のセラミックス層の性質は、焼
結晶と同等もしくは、それに準する性能を有し、且つ、
従来のセラミックス溶射加工法がそうであるように、本
発明方法による改質処理方法も、相当複雑な形状の部材
、部品に対して処理が可能であり、各種寸法の形状焼結
晶の接着ライニング法に比較して安価であり、しかも機
械的強度の面でも信頼性の高い部品として利用すること
ができる。

このため、本願発明方法による改質セラミックスは、各
種態械の摩擦面の耐磨耗部材として使用できることはも
とより、高速回転する各種形式の扮砕機、攬伴機、混合
機、送風機等の部材、部品の耐磨耗部材として広く使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）はアブレージヨン型の磨耗現象
を示す図、第２図はエロージョン型の磨耗現象を示す図
、第３図内至第５図は、本発明による均貫硬化処理工程
を示す図である。 １−ｍ−母材、　２−ｍ−アルミナセラミックス溶射層
、　２゛−ｍ−気孔、　３−ｍ−レザービーム、　４−
ｍ−レーザービームの進行方向、７一−−均質硬化処理
層の表面、　８−ｍ−レーザー加熱によるセラミックス
溶融部、９．１０．１１．１２−一一レーザービームの
運行方向例、１３−ｍ−加工処理台、　２０−一一減磨
材、２１−−−　−−−セラミックス溶射層を形成する
溶射粒、２２−一一減磨材、２３−ｍ＝溶射層から離脱
した溶射粒。 出願人　株式会社　奈良機械製作所（ほか１名）第１図 蔦２図 −Ｌ＞ 第３図 第４図 手続補、正書く方力 昭和１１１年間７３日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属の表面に溶射したセラミックス溶射層の表面
   部の溶融圧着粒を、ビームエネルギーを用いて局所的に
   加熱、再溶融させた後徐冷し、且つこの処理を連続また
   は断続的に該溶射層表面の全域にわたって行うことによ
   り、該溶射層に含まれた気孔を除去し、該溶射層を均質
   で一様な硬度を有するセラミックス表面層に改質するこ
   とを特徴とするセラミックス溶射層の均質硬化方法。
2. （２）加熱補助手段および／または徐冷手段としてセラ
   ミックス溶射層の一部または全部を加熱雰囲気下で上記
   均質硬化処理工程を行うことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のセラミックス溶射層の均質硬化方法。
3. （３）不活性ガス雰囲気下で、上記均質硬化処理工程を
   行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項に記載のセラミックス溶射層の均質硬化方法。
4. （４）真空中で上記均質硬化処理工程を行うことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載のセラ
   ミックス溶射層の均質硬化方法。