TWI417143B - 冷噴霧器用噴嘴及冷噴霧器裝置 - Google Patents

Description

冷噴霧器用噴嘴及冷噴霧器裝置

本發明係有關為了大幅減少操作中起因於原料粉末對冷噴霧器用噴嘴之附著而發生之冷噴霧器用噴嘴阻塞之冷噴霧器用噴嘴，以及使用該噴嘴之冷噴霧器裝置者。

已往，在製鐵製程中的鑄型或軋製、汽車車輪、燃汽輪機構成機件等的各種金屬構件上，為使其耐磨性或耐蝕性提升，以期其金屬構件的長壽命化，有所謂於金屬構件上形成鎳、銅、鋁、鉻或其合金等皮膜的技術為衆所週知。

形成其皮膜之一方法中，有使用金屬電鍍者。惟因該金屬電鍍法無法施工於大面積且有容易發生裂痕的問題。

至於其他方法，有以熔射方式形成皮膜的方法。作為該熔射，包含所謂的減壓電漿熔射(LPPS)、火焰熔射、高速火焰熔射(HVOF)以及大氣電漿熔射等。然而，以熔射方式形成皮膜時，有因熔射中的氧化作用，在形成緻密皮膜有其困難度，且導電率及導熱率較低，亦因附著率低而有不經濟的問題。

作為代替該方法的皮膜形成新技術，有一種就此以固相狀態之原料粉末形成皮膜的「冷噴霧器」備受業界注目。此種冷噴霧器係使低於原料粉末的熔點或軟化點的作用氣體成為超音速噴流，由該作用氣體中的輸送氣體，將被搬送的原料粉末予以投入，再由噴嘴前端噴出，故得以其固相狀態就此衝撞基材而形成皮膜。也就是説，係將金屬、合金、金屬間化合物、陶瓷等原料粉末以超音速噴流熔射於基材表面，使其以固相狀態衝撞而形成為皮膜者。

進而詳細說明冷噴霧器技術如下：自儲存有氮氣、氦氣、空氣等之壓縮氣體筒之氣體供給機構，係分岐為作用氣體及輸送氣體二管路。其中，係將高壓的作用氣體，以加熱器予以加熱至原料粉末之熔點以下的温度後，供給至冷噴霧器噴槍之腔 體內。另一方面，高壓的輸送氣體導入至原料粉末供給機構，將原料粉末搬送至上述噴槍腔體內。藉由輸送氣體搬送的原料粉末，藉由作用氣體經過噴嘴之圓錐狀壓縮部成為超音速噴流，由位於圓錐狀壓縮部前端的噴嘴出口噴出，且於基材表面以固相狀態相互衝撞形成皮膜。

而由冷噴霧器形成的皮膜，與以往提案的上述熔射所成皮膜相比，已知其為緻密、高密度、而導電性及導熱率亦高、氧化或熱變質亦少、且其密著性優異。

此種冷噴霧器最大的問題，為原料粉末附著於噴嘴或起因於該粉末附著引起的阻塞。通常的噴嘴係使用不銹鋼、工具鋼、超硬合金等製造，但藉由以鎳、銅、鋁、不銹鋼或該等之合金作為原料之冷噴霧器形成皮膜之情形時，在噴嘴各部、尤係於擴張部容易附著原料粉末，進而導致噴嘴阻塞。此乃起因於操作時，原料粉末與噴嘴內面之間發生摩擦，致使噴嘴內面的温度上升，而使原料粉末凝著在噴嘴內面而引起者。因而，其成為系統故障的原因，亦導致必須時常更換噴嘴的操作。此種起因於原料粉末附著於噴嘴或因其所引起的噴嘴阻塞，有時發生在開始操作後的數分鐘，因而，於冷噴霧器技術的實用化上造成極大障礙。

在專利文獻1(日本專利申請特開2004-298863號公報)中揭示一種至少在噴嘴的擴張部(擴大部)使用聚苯并咪唑所構成之冷噴霧器技術用噴嘴，且宣稱可藉由該噴嘴得以減少金屬粉末附著在該噴嘴上或造成噴嘴阻塞。

又，於專利文獻2(日本專利申請特開2005-95886號公報)中揭示一種冷噴霧器用噴嘴，係由連接於噴嘴入口的圓錐狀前端細尖部、介由喉部連接至前端細尖部之短圓錐狀末端擴張部、及連接於末端擴張部之筒狀平行部所構成，且在平行部設置裝卸機構及/或粉末投入口者(申請專利範圍第1項)。於專利文獻2中，由特定上述噴嘴的設計，即可使用廉價規格 品之管材，同時亦得以使平行部的更換變容易，假定於0.5 m² 以上之大面積施工中，即使粉末堆積亦得以簡單地僅更換其圓筒部分，於喉部、末端擴張部等的噴嘴阻塞發生時，亦可使噴嘴的維護變得容易。

又如專利文獻1，使用聚苯并咪唑作為噴嘴材料之情況下，得以將原料粉末對噴嘴的附著或噴嘴阻塞減低至一定限度。然而，因聚苯并咪唑係一種樹脂，故藉由熔射粒子的衝撞較容易耗損，因此，不僅其噴嘴壽命短，進而因耐熱性低故無法使用於500℃以上的高溫。

又，專利文獻2，由於係以噴嘴構件的交換變容易為目的，故並無意圖減低本質上原料粉末對噴嘴的附著或減少該起因所引起的阻塞。

因而如上述，在原料粉末附著於噴嘴或起因於原料粉末附著引起的噴嘴阻塞之冷噴霧器技術實用上尚有極大的問題未能解決。

因此，本發明之目的在於提供一種能大幅減少操作中原料粉末附著於冷噴霧器用噴嘴或起因於該粉末附著而發生的冷噴霧器用噴嘴阻塞，以達成噴嘴的長壽命化之冷噴霧器用噴嘴及使用該噴嘴之冷噴霧器裝置。

本發明人等經由刻意檢討結果，思及以下之本發明可作為用以達成上述課題之手段。

亦即，本發明有關之冷噴霧器用噴嘴，其特徵係包含前端細尖之圓錐狀壓縮部及連通於該壓縮部之前端寬廣之圓錐狀擴張部，使用溫度為原料粉末之熔點以下的作用氣體，使原料粉末由該壓縮部之噴嘴入口流入，而作為超音速噴流自該擴張部前端的噴嘴出口噴出者，其中該擴張部之至少內周壁面係以氮化矽陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化矽陶瓷之任一種陶瓷材料所形成者。

又，本發明有關的冷噴霧器用噴嘴，較好其擴張部及壓縮部全體係由氮化矽陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化矽陶瓷之任一種陶瓷材料所形成。

又，本發明有關的冷噴霧器用噴嘴，較好該冷噴霧器用噴嘴之擴張部及壓縮部係一體成形者。

又因此，本發明有關一種冷噴霧器用噴嘴裝置，其特徵為包含下列機構：供給原料粉末的原料供給機構；供給作用氣體與輸送氣體之氣體供給機構；以及，具備以溫度為原料粉末熔點以下的作用氣體，將原料粉末作為超音速噴流予以噴出之噴嘴之冷噴霧器噴槍，其中於上述噴嘴中使用上述之任一冷噴霧器用噴嘴。

[發明的效果]

本發明有關的冷噴霧器用噴嘴及使用該冷噴霧器用噴嘴之冷噴霧器裝置，得以大幅減少操作中原料粉末附著於冷噴霧器用噴嘴之內壁部或起因於該粉末附著引起的阻塞，而達成冷噴霧器噴嘴之長壽命化，因此，無需頻繁的更換冷噴霧器噴嘴。同時，本發明有關之冷噴霧器用噴嘴之內周壁面基本上為陶瓷材料，因此可進行酸洗處理。因此，假定若原料粉末附著於該冷噴霧器用噴嘴之內周壁面，亦具有可藉浸漬於酸溶液中而可容易地去除附著原料之優點。

以下，茲就實施本發明之最佳形態予以詳細説明。其中，圖1係有關本發明冷噴霧器用噴嘴之一實施形態剖面圖。

該圖1中，冷噴霧器用噴嘴1，係由於端部具有噴嘴入口1a之前端細尖之圓錐狀壓縮部1b、及與其連通且端部具有噴嘴出口1d之前端擴張之圓錐狀擴張部1c所成。本發明有關之冷噴霧器用噴嘴只要至少具有上述壓縮部1b及擴張部1c即可，而可為任意之其他形狀。例如，可在上述壓縮部1b與上述擴張部1c間設置狹小喉部、亦可在上述擴張部1c的噴嘴出 口側設置筒狀平行部等。又，於圖1中，箭頭表示原料粉末的流向。

在本發明中，至少上述擴張部1c之至少其內周壁面係以氮化矽陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化矽陶瓷之任一者陶瓷材料(以下僅簡稱為「氮化矽陶瓷等」)所成形。其中，所謂至少內周壁面係包含意指擴張部之外周部使用金屬、耐熱樹脂等材質，僅其內周壁部係由氮化矽陶瓷等作為內襯之狀態。若如此於外周部以金屬、耐熱樹脂等所構成，則內壁部之陶瓷層不易引起誤撞擊、缺損等之損傷，操作性變優異。

因該擴張部1c內周壁面最容易附著原料粉末，極容易發生起因於粉末附著引起的冷噴霧器用噴嘴阻塞，若該部分以氮化矽陶瓷等成形，即可大幅減少原料粉末的附著及起因於該原料粉末附著引起的冷噴霧器噴嘴阻塞。

又，如上述，於本發明中，至少上述擴張部1c之內周壁面有必要以氮化矽陶瓷等成形，但上述壓縮部1b等之其他部分亦可由以往所使用之作為冷噴霧器用噴嘴材料的不銹鋼等成形。惟較好，亦包含其他部分的全體之至少內周壁面亦由氮化矽陶瓷等所成形亦較好。若全體之內周壁面存在有氮化矽陶瓷等，不僅於擴張部1c亦且於壓縮部1b，亦可大幅減少原料粉末之附著以及因該原料粉末附著所引起之冷噴霧器用噴嘴之阻塞。

因此，該擴張部全體較好以氮化矽陶瓷等所構成。若為單一材料，其加工較容易。再者，冷噴霧器用噴嘴1之全體以氮化矽陶瓷等製作成一體成形，由經濟性之觀點觀之為較佳。

以氮化矽陶瓷等的單一材料製造擴張部1c等之方法，並無特別限制，較好選擇使用模具加壓成形、靜水壓成形、射出成形、粉漿澆鑄(Slipping Cast)、押出成形等之成形法、反應燒結、常壓燒結、加壓燒結、再燒結等之燒結法中之任一者，直接形成擴張部之形狀。因為於陶瓷材料之情況下，燒結後之物 理加工有困難之故。

此處，所謂氮化矽陶瓷為以氮化矽(Si₃ N₄ )作為主成分之陶瓷，其中包含為氮化矽固溶體之賽隆(SIALON)。此氮化矽陶瓷之耐熱性及韌性等之機械性質的平衡性優異，為信賴性高的結構用工程陶瓷，藉由共價鍵而為強固且安定之結晶。因此，如上述具有耐熱性優異、且高硬度以及良好的耐磨耗性。結晶構造在低溫相的α型為三方晶系、在高溫相的β型為六方晶系。通常的氮化矽在1400~1600℃會進行相轉移。氮化矽之化學性安定即使單純在高溫加熱亦不會進行燒結。實際上，係微量添加為燒結助劑之氧化鎂、氧化鋁、氧化銦等製造粒界相，獲得緻密燒結體。氮化矽陶瓷雖然在1800℃以上會分解，但熱膨脹係數則低如3~3.5 x10-6K-1左右，熱傳導性比較高故而放熱特性優異，耐賤鍍特性亦優異，可適用於冷噴霧器用之噴嘴。

至於氧化鋯陶瓷為氧化鋯(二氧化鋯，ZrO₂ )粉的粒子均一分散於基質中之可實現強韌化、高強度化之陶瓷複合材料。例如構成基質之母層可使用氧化鋁(Al₂ O₃ )、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si₃ N₄ )等。因此，構成分散粒子之氧化鋯較好使用安定化氧化鋯與部分安定化氧化鋯之任一者。使用此等，伴隨著冷噴霧器用噴嘴之升降溫引起的膨脹收縮所產生之噴嘴直徑變動小，原料粉末之噴霧量變動亦變小。氧化鋯為鋯的氧化物，在常態下為白色固體，其熔點高如2700℃，因此適合作為耐熱性陶瓷材料。然而，一般的氧化鋯，在室溫下為單斜晶系，隨著溫度上升而相轉移成正方晶及立方晶之結晶結構，引起約4%的體積收縮。相對於此，於氧化鋯中，使為安定化劑之氧化鈣、氧化鎂、氧化銦等稀土類氧化物固溶，於結構中形成氧空恐，故而在室溫之高溫相(正方晶、立方晶)成為安定或準安定，而可抑制因升降溫引起的膨脹收縮產生的破壞。亦即，成為破壞原因之龜裂的傳播，由於自正方晶相轉變為單斜晶受到 抑制，故而龜裂開端的應力集中被緩和，而為顯示出應力引起之相變化強化機構。此稱為安定化氧化鋯(立方晶的單層狀態被安定化者)或部分安定化氧化鋯(以包含正方晶以及立方晶的狀態被安定化者)。做為冷噴霧器用噴嘴的製造原料來看的情況下，安定化氧化鋯遭受400℃~700℃左右的連續加熱，呎吋變化小，耐濺鍍特性優異而較好。另一方面，做為冷噴霧器用噴嘴的製造原料來看的情況下，部分安定化氧化鋯可對陶瓷本身賦予高韌性，耐濺鍍特性優異。因此，由操作性的觀點觀之，作為製造冷噴霧器用噴嘴的氧化鋯陶瓷原料較好。

碳化矽陶瓷為碳化矽粉經燒結之狀態的非氧化物系陶瓷。然而，碳化矽陶瓷是利用Si+C=SiC的反應之反應燒結法、無加壓燒結、熱壓、化學氣相蒸鍍法等予以製造。構成炭化矽之Si與C，由於其各在週期表上同樣屬於第IV族元素，因此共價鍵性強，但由於電荷陰性度不同故亦具有離子鍵結性，因此為熱安定性優異之化合物。碳化矽之結構為以正三角形所構成之正四面體(即為三角錐體)，其由四個頂點為Si原子或C原子因此於中心位置配置有C原子或Si原子之基本正四面體所構成者。

圖2係有關本發明之冷噴霧器裝置概略圖。在圖2中，氣體供給機構係由以壓縮氣體高壓筒2、作用氣體用管線3及輸送氣體用管線4等形成。其中，於作用氣體用管線3及輸送氣體用管線4上分別具備有：壓力調整器5a、5b、流量調整閥6a、6b、流量計7a、7b以及壓力錶8a、8b等，予以調整來自上述壓縮氣體高壓筒2的作用氣體及輸送氣體的壓力與流量。

於作用氣體用管線3中，配置藉由電源9加熱之加熱器10，將作用氣體加熱至原料粉末之熔點以下之温度後，導入冷噴霧器噴槍11的噴槍腔室12內。於上述噴槍腔室12設置壓力計13及温度計14，用於控制壓力與温度。

另一方面，原料供給機構係由原料粉末供給機構15以及 附設其上的計量器16及原料粉末供給管路17所構成。

來自上述壓縮氣體高壓筒2的輸送氣體，通過上述輸送氣體用管線4，被導入原料粉末供給裝置15，將藉由上述計量器16計量後的特定量原料粉末，經由上述原料粉末供給管路17搬送至上述噴槍腔室12內。

此處使用的原料粉末舉例有：金屬、合金、金屬間化合物等，但具體舉例如鎳、鐵、銀、鉻或其合金之粉末等。

由輸送氣體搬送至上述噴槍腔室12內的上述原料粉末，使用上述作用氣體作為超音速噴流，由冷噴霧器用之噴嘴1前端噴出，而以固相狀態或固液共存狀態衝撞基材18而形成皮膜。

此處使用的冷噴霧器用噴嘴1，係如上述，包含前端細尖之圓錐狀壓縮部1b及與該壓縮部1b連通且前端部寬廣之圓錐狀擴張部1c，且至少該擴張部1c之內壁面係以氮化矽等形成者。

為此，如上述，冷噴霧器操作時原料粉末對於冷噴霧器用噴嘴之附著以及起因於該原料粉末附著引起的冷噴霧器用噴嘴的阻塞得以大幅地減少。

茲以實施例予以具體說明如下：

[實施例1]

本實施例1係使用氮化矽陶瓷以一體成型品獲得圖1所示的冷噴霧器用噴嘴。使用該冷噴霧器用噴嘴，藉圖2所示之冷噴霧器裝置進行冷噴霧器操作。冷噴霧器之操作條件以及使用裝置如下表1所列：

其結果，操作30分鐘後，未發生冷噴霧器用噴嘴內壁部之原料粉末附著，也未發生冷噴霧器用噴嘴阻塞。結果，以與比較例比對之方式表示於表2。

[比較例]

圖1所示的冷噴霧器用噴嘴以使用習用氧化鋯陶瓷、碳化矽陶瓷、不銹鋼予以一體成型。該噴嘴利用圖2所示的冷噴霧器裝置進行冷噴霧操作。操作條件以及使用裝置與實施例1相同。

其結果，操作4~5分鐘後，採用不銹鋼之冷噴霧器用噴嘴原料粉末開始附著於噴嘴之擴張部，5~6分鐘後噴嘴阻塞。

實施例與比較例之比較：由上述表2可明顯看出，由噴嘴 之磨耗觀點來看，實施例與比較例並無差異。由於作用氣體溫度高如500℃~600℃，故原料粉末接近固液混合狀態(半固體)，衝撞之原料粒子對於冷噴霧器用噴嘴之內壁部的衝擊變小。因此，認為冷噴霧器用噴嘴的構成材料差異變得不明顯顯現。

結果，自噴嘴阻塞狀況來看，相較於採用不銹鋼作為冷噴霧器用噴嘴之比較例，明顯地，實施例較優異。作用氣體溫度高，原料粉末大致接近固液混合狀態，衝撞之原料粒子對冷噴霧器用噴嘴內壁部之附著變顯著。比較例之使用不銹鋼形成之冷噴霧器用噴嘴之情況下，其附著現象顯著，於3~4分鐘阻塞，無法操作冷噴霧器。相反地，實施例所示之氮化矽陶瓷材料所形成之冷噴霧器用噴嘴之情況下，難以引起原料粒子對於其內壁面之附著現象，於30分鐘連續操作冷噴霧器，完全未發生噴嘴阻塞。

[產業上的利用可能性]

依據本發明之冷噴霧器用噴嘴以及使用該冷噴霧器用噴嘴的冷噴霧器裝置，可使冷噴霧器操作時之原料粉末對噴嘴的附著以及起因於原料粉末附著引起的噴嘴阻塞得以大幅減少，能達成噴嘴長壽命化。因而，不需要頻繁的更換噴嘴。因此，本發明對冷噴霧器技術的實用化極為有用。

又，本發明之冷噴霧器用噴嘴的內周壁面基本上為陶瓷材質，因此可藉由酸洗處理。因此，假定即使原料粉末附著於冷噴霧器用噴嘴之內壁面，可藉浸漬於酸溶液中，而容易地去除內周壁面上附著的原料，重複使用的便利性亦高。

1‧‧‧冷噴霧器用噴嘴

1a‧‧‧噴嘴入口

1b‧‧‧圓錐狀壓縮部

1c‧‧‧圓錐狀擴張部

1d‧‧‧噴嘴出口

2‧‧‧壓縮氣體高壓筒

3‧‧‧動作氣體用管線

4‧‧‧輸送氣體用管線

5a‧‧‧壓力調整器

5b‧‧‧壓力調整器

6a‧‧‧流量調整閥

6b‧‧‧流量調整閥

7a‧‧‧流量計

7b‧‧‧流量計

8a‧‧‧壓力錶

8b‧‧‧壓力錶

9‧‧‧電源

10‧‧‧加熱器

11‧‧‧冷噴霧器噴槍

12‧‧‧噴槍腔室

13‧‧‧壓力錶

14‧‧‧温度計

15‧‧‧原料粉末供給裝置

16‧‧‧計量器

17‧‧‧原料粉末供給管路

18‧‧‧基材

圖1係表示有關本發明冷噴霧器用噴嘴之一實施形態的概略剖面圖。

圖2係有關本發明冷噴霧器裝置之概略圖。又，圖式中所示之箭頭係表示原料粉末之流向。

1‧‧‧冷噴霧器用噴嘴

1a‧‧‧噴嘴入口

1b‧‧‧圓錐狀壓縮部

1c‧‧‧圓錐狀擴張部

1d‧‧‧噴嘴出口

Claims (4)

1. 一種冷噴霧器用噴嘴，其特徵為包含前端細尖之圓錐狀壓縮部及與該壓縮部連通之前端寬廣之圓錐狀擴張部，利用其溫度為原料粉末之熔點以下的作用氣體，使原料粉末由該壓縮部之噴嘴入口流入，而由該擴張部前端的噴嘴出口，作為超音速噴流予以噴出者，其中該擴張部之至少內周壁面係由氮化矽陶瓷材料所形成者。
2. 如申請專利範圍第1項之冷噴霧器用噴嘴，其中該擴張部及壓縮部全體係以氮化矽陶瓷材料所形成者。
3. 如申請專利範圍第2項之冷噴霧器用噴嘴，其中上述冷噴霧器用噴嘴之擴張部及壓縮部係一體成形者。
4. 一種冷噴霧器裝置，其特徵為包含：供給原料粉末的原料供給機構；供給作用氣體與輸送氣體之氣體供給機構；以及具備有利用其溫度為原料粉末之熔點以下的作用氣體，將原料粉末作為超音速噴流予以噴出之噴嘴的冷噴霧器噴槍，其中於該噴嘴係使用如申請專利範圍第1項之冷噴霧器用噴嘴。