DE10051907B4

DE10051907B4 - Verfahren und Gerät zum thermischen Spritzen

Info

Publication number: DE10051907B4
Application number: DE10051907A
Authority: DE
Inventors: Noritaka Toyota Miyamoto; Kouta Toyota Kodama; Ikuo Toyota Marumoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP2001115248A; US6913207B2; CH694221A5; US6808755B2; US20050077380A1; JP3918379B2; US20030185995A1; DE10051907A1

Abstract

Verfahren zum thermischen Spritzen zum Erzeugen einer thermisch gespritzten Schicht auf einer zu beschichtenden Oberfläche mit den folgenden Schritten:
Erwärmen des zu spritzenden Materials durch Induktionsheizen auf der Basis von Wechselstrom mit hoher Frequenz,
Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials durch einen Gasstrom mit einer hohen Geschwindigkeit, wobei der Gasstrom mindestens von einem Gas gebildet ist, das aus der Gruppe Helium, Stickstoff, Luft, Sauerstoff und Wasserstoff ausgewählt ist,
Aufbringen von Energie auf den Gasstrom, um die Geschwindigkeit des Gasstroms weiter zu erhöhen, so dass die Fluggeschwindigkeit des zu spritzenden Materials bis zum Auftreffen auf der zu beschichtenden Oberfläche zunimmt,
wobei die durch Induktionsheizen aufgebrachte Energiemenge und die auf den Gasstrom aufgebrachte Energiemenge unabhängig und einzeln gesteuert werden, um die Partikeltemperatur und die Gasgeschwindigkeit unabhängig voneinander zu steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum thermischen Spritzen zum Erhöhen der Haftkraft einer thermisch gespritzten Schicht sowie auf ein Gerät dafür.

Für eine industrielle Anwendung des thermischen Spritzens wird ein Material in Pulverform auf hohe Temperaturen erwärmt, wobei das erwärmte Material auf eine Oberfläche eines Gegenstandes gespritzt und aufgehäuft wird. Die thermisch gespritzte Schicht erhöht in vorteilhafter Weise die Verschleißfestigkeit und die Korresionsfestigkeit des Gegenstandes. Außerdem offenbaren die ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen 63-66 900 und 5-5 893 ein Verfahren zum thermischen Spritzen, das folgendes anwendet: eine Energiequelle für fliegendes Material, und eine andere Energiequelle für ein Erwärmen des Materials durch einen Laserstrahl, wobei diese Energiequelle von der erstgenannten Energiequelle unabhängig ist. Gemäß diesen Verfahren fliegt das Material zu dem Gegenstand und das fliegende Material wird durch den Laserstrahl erwärmt, der parallel zu der Oberfläche des Gegenstandes läuft.

Bei dem obigen herkömmlichen Verfahren zum thermischen Spritzen nimmt die Fluggeschwindigkeit des erwärmten Materials ab, wenn es sich dem Gegenstand nähert. Daher ist die Haftkraft der gespritzten Schicht nicht wesentlich verbessert, auch wenn andere Spritzbedingungen verbessert sind.

Ferner wird gemäß DE 197 56 594 A1 ein Gas zur Geschwindigkeitserhöhung des Pulvers erhitzt und sowohl die Geschwindigkeitserhöhung als auch das Aufheizen des Pulvers werden durch das Gas ausgeführt. In diesem Fall sind das Erwärmen und die Geschwindigkeitserhöhung nicht voneinander trennbar, sondern das Erwärmen und die Geschwindigkeitserhöhung werden durch dieselbe Energiequelle erreicht.

Schließlich wird gemäß DE 198 12 441 A1 das Pulver vorgewärmt bevor es einer Spritzpistole zugeführt wird, die Plasma verwendet. In konkreter Ausführung wird das Pulver durch Verwendung eines Lichtbogens vorgeheizt, und anschließend wird die Geschwindigkeitserhöhung sowie die entgültige Erhitzung des Pulvers durch das Plasma bewirkt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum thermischen Spritzen sowie ein Gerät zu dessen Durchführung vorzuschlagen, mit dem eine gute Anpassung der Parameter Spritzmaterialtemperatur und Spritzmaterialgeschwindigkeit an die jeweilige Spritzaufgabe erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie hinsichtlich des Geräts mit einem Gerät gemäß Anspruch 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Erhitzung des Materials zum Spritzen durch eine separate Energiequelle, die im Wege der Induktion selektiv das zu spritzende Material erwärmen kann ohne großen Einfluss auf die Gastemperatur und die damit verbundene Spritzmaterialgeschwindigkeit zu nehmen. Die Beschleunigung des Spritzmaterials erfolgt durch einen Hochgeschwindigkeitsgasstrom, der durch eine zweite Energiequelle mit Energie beaufschlagt ist.

Mit der vorliegenden Erfindung sind insbesondere die nachfolgenden Vorteile erreichbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, bis das erwärmte Material die Oberfläche des Gegenstandes erreicht, Energie zu dem erwärmten Material oder dem Erwärmungsmaterial durch die Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung in einer derartigen Weise hinzugefügt, dass die Fluggeschwindigkeit des erwärmten Materials zunimmt. Demgemäß trifft das Material für das thermische Spritzen auf dem Gegenstand mit einer hohen Geschwindigkeit auf. Somit ist die Verschleißfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht verbessert.

Außerdem ist bei einem bevorzugten Modus der Erfindung die Fluggeschwindigkeit des Materials im Vergleich zu derjenigen an der Erwärmungsposition höher. Anders ausgedrückt ist bei einem bevorzugten Modus die Fluggeschwindigkeit des Materials an der Erwärmungsposition d.h. die Fluggeschwindigkeit vor der Beschleunigung niedriger als die Fluggeschwindigkeit des Materials nach der Beschleunigung. Dieser Modus kann die Zeitspanne zum Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen verlängern, wodurch die Fähigkeit zum Erwärmen des Materials auf hohe Temperaturen verbessert wird.

Vorzugsweise hat eine Induktionsheizeinrichtung eine leitfähige Spule mit einem Leitvermögen und einer Achse und einer Vielzahl Windungen, die im Wesentlichen koaxial in Bezug auf die Achse angeordnet sind. Außerdem ist das Durchtrittsbildungselement entlang der Achse der leitfähigen Spule angeordnet. Das Induktionserwärmen ist beim Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen in einer kurzen Zeitspanne und beim Steuern der Erwärmungstemperatur vorteilhaft.

Des weiteren wird beim Zuführen von Elektrizität zu der leitfähigen Spule ein Anhaften des Materials für das thermische Spritzen an der Innenfläche des Durchtritts des Durchtrittsbildungselements unterdrückt. Der Grund dafür ist folgender:
Die leitfähige Spule erzeugt eine magnetische Kraft entlang der Mittelachsenlinie des Durchtritts, d.h. der entlang der Mittelachsenlinie der leitfähigen Spule. Somit strömt das Pulvermaterial für das thermische Spritzen, das eine Permeabilität hat, mit Leichtigkeit entlang einem in radialer Richtung des Durchtritts mittigen Abschnitt.

Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung wird das Hinzufügen der Energie zum Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials nach dem Erwärmen des Materials ausgeführt. Das heißt, dass nach dem Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen die Fluggeschwindigkeit des Materials erhöht wird. Das Erwärmen vor dem Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials kann die Zeitspanne verlängern, die zum Erwärmen des Materials zur Verfügung steht.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Fluggeschwindigkeit des Materials während des Erwärmens des Materials erhöht werden.

Das Material für das thermische Spritzen kann in der Form von Partikeln vorliegen, wenn es zu dem Gegenstand fliegt. Die fliegenden Partikel können eine feste Form, eine Schmelzform oder eine teilweise geschmolzene Form annehmen. Der Zustand des Materials vor dem thermischen Spritzen kann ein Pulver, ein Draht oder ein Stab sein. Wenn die Form des Materials pulverartig ist, wird der durchschnittliche Durchmesser des Teilchens des Materials fallweise bestimmt. Der obere Grenzwert des durchschnittlichen Durchmessers des Teilchens kann beispielsweise 100 μm, 200 μm, 300 μm oder 500 μm betragen. Der untere Grenzwert des durchschnittlichen Durchmessers des Teilchens ist beispielsweise 1 μm, 10 μm oder 40 μm. Daher kann der durchschnittliche Durchmesser des Teilchens des Materials in einem Bereich von 1-500 μm, in einem Bereich von 10-300 μm oder in einem Bereich von 40-200 μm liegen. Der durchschnittliche Durchmesser des Teilchens ist nicht darauf beschränkt.

Das Material für das thermische Spritzen ist vorzugsweise Metall und insbesondere ein Metallpulver. Wenn das Material für das thermische Spritzen ein Metall ist, ist es leitfähig. Außerdem haben viele Metalle eine gute magnetische Permeabilität. Das Metall kann in einem normalen Temperaturbereich einen Ferromagnetismus oder einen Paramagnetismus aufweisen. Genauer gesagt kann das Metall, das das Material für das thermische Spritzen darstellt, eisenhaltig sein, wie beispielsweise Gusseisen, kohlenstoffhaltiger Stahl, rostfreier Stahl oder Legierungsstahl. Außerdem kann das Metall, das das Material für dasthermische Spritzen darstellt, auch nicht eisenhaltig sein, wobei es zumindest ein Material sein kann, das aus der Gruppe gewählt wird, die Aluminium, Aluminiumlegierung, Kupfer, Kupferlegierung, Nickel, Nickellegierung, Titan oder Titanlegierung umfasst. Außerdem kann das Material für das thermische Spritzen Keramik oder Cermet sein, bei dem Keramik mit Metall vermischt ist. Die keramischen Materialien können ein Oxid, ein Nitrit, ein Karbid oder ein Borid sein. Die keramischen Materialien können ein Material sein, das aus der Gruppe gewählt worden ist, die aus Aluminiumoxid, Silizium, Magnesium, Siliziumkarbid, Siliziumnitrit, Boridtitan und dergleichen besteht. Selbst wenn das Material für das thermische Spritzen aus einem keramischen Material ausgebildet ist, wird, bis das Material den Gegenstand erreicht, die Energie dem Material in einer derartigen Weise erteilt, dass die Fluggeschwindigkeit des Materials höher wird, die Aufprallgeschwindigkeit des Materials höher wird und das Material auf dem Gegenstand mit einer hohen Geschwindigkeit auftrifft. Daher ist die Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht in vorteilhafterweise verbessert.

Wenn das Material für das thermische Spritzen aus einem keramischen Material gebildet ist, wird das Induktionserwärmen bei dem Material, das kein Metall ist, nicht erzielt. Keramische Materialien haben im Wesentlichen keine Leitfähigkeit. In dem Fall jedoch, bei dem der Durchtritt, den das Material für das thermische Spritzen passiert, aus einer Kohlenstoffröhre ausgebildet ist, kann die Kohlenstoffröhre durch Induktionserwärmen erwärmt werden, und das Material für das thermische Spritzen, das sich in der Kohlenstoffröhre befindet, wird durch die Abstrahlungswärme von der Kohlenstoffröhre erwärmt.

Erfindungsgemäß wird das Erwärmen des Materials durch eine erste Energiequelle ausgeführt und das Hinzufügen von Energie zum Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials wird durch eine zweite Energiequelle ausgeführt.

Dabei wird das Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen unter Verwendung der ersten Energiequelle ausgeführt und das Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen wird unter Verwendung der zweiten Energiequelle ausgeführt, die sich von der ersten Energiequelle unterscheidet. Dies ermöglicht, dass die erste Energiequelle und die zweite Energiequelle unabhängig und einzeln gesteuert werden. Somit können das Erwärmen des Materials und das Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials unabhängig und einzeln gesteuert werden. Daher wird ein einstellbarer Bereich der Temperatur und der Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen vergrößert. Demgemäß gibt es z.B. einen Modus, bei dem die Temperatur des Materials hoch ist und die Fluggeschwindigkeit des Materials hoch ist, einen anderen Modus, bei dem die Temperatur des Materials gering ist und die Fluggeschwindigkeit des Materials hoch ist, oder einen wiederum anderen Modus, bei dem die Temperatur des Materials hoch ist und die Fluggeschwindigkeit des Materials gering ist.

Die Induktionsheizeinrichtung kann den Grad des Erwärmens des Materials, d.h. eine niedrige Temperatur, eine mittlere Temperatur oder eine hohe Temperatur, durch ein Einstellen der Frequenzen des Wechselstroms, des Stromwertes, der elektrischen Energie und dergleichen steuern. Die Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung kann eine Einrichtung sein, die einen Schwellgasdruck nutzt, der durch ein sich ausdehnendes Gas erhalten wird oder durch ein Verdampfen von Flüssigkeit innerhalb einer kurzen Zeitspanne wie beispielsweise durch ein Verdampfen von Flüssigkeit mit einem Laserstrahl erhalten wird.

Die vorliegende Erfindung ist nachstehend in Bezug auf ihre konkreten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gezeigt und beschrieben.
1 bezieht sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel und zeigt in schematischer Weise einen Aufbau, bei dem Material durch ein Gerät zum thermischen Spritzen gespritzt wird.
2 bezieht sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel und zeigt in schematischer Weise einen Innenaufbau einer Pistole, die einen Teil des Gerät zum thermischen Spritzen bildet.
3 bezieht sich auf das erste Ausführungsbeispiel und zeigt eine graphische Darstellung, die die Wahlmöglichkeit zwischen der Temperatur der Materialpartikel und der Fluggeschwindigkeit der Materialpartikel wiedergibt.
4 bezieht sich auf ein Vergleichsbeispiel und zeigt eine graphische Darstellung, die die Wahlmöglichkeit zwischen der Temperatur der Materialpartikel und der Fluggeschwindigkeit der Materialpartikel wiedergibt.
5(A) bezieht sich auf das Vergleichsbeispiel und zeigt eine Photographie, die eine Sedimentationsform der Partikel wiedergibt, die eine thermisch gespritzte Schicht bilden.
5(B) bezieht sich auf das Vergleichsbeispiel und zeigt eine vergrößerte Photographie, die eine Sedimentationsform von Partikeln wiedergibt, die eine thermisch gespritzte Schicht bilden.
6 zeigt in schematischer Weise ein Durchtrittbildungselement, das das Material für das thermische Spritzen mittels Induktionserwärmen erwärmt und die Temperatur des Partikelmaterials für das thermische Spritzen misst.
7 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Frequenz eines Wechselstromes, der zu einer leitfähigen Spule geführt wird, die eine Induktionserwärmungsspule bildet, und der Temperatur des Partikelmaterials wiedergibt.
8 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Frequenz eines Wechselstroms, der zu einer leitfähigen Spule geführt wird, die eine Induktionserwärmungsspule bildet, und der Temperatur des Partikelmaterials wiedergibt.
9 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen dem Gasdruck und der Gasgeschwindigkeit wiedergibt.
10 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Gastemperatur und der Gasgeschwindigkeit wiedergibt.
11 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen den Arten und der Geschwindigkeit des Gases wiedergibt.
12 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Partikelgeschwindigkeit und der Partikeltemperatur bei der jeweiligen Form des thermischen Spritzens wiedergibt.
13 zeigt eine grafische Darstellung, die die Porösität der thermisch gespritzten Schicht bei der jeweiligen Form des thermischen Spritzens wiedergibt.
14 zeigt eine grafische Darstellung, die die Haftfestigkeit der durch die jeweilige Form des thermischen Spritzens erzeugten thermisch gespritzte Schicht wiedergibt.
15 zeigt eine grafische Darstellung, die die Härte der durch die jeweilige Form des thermischen Spritzens hergestellten thermisch gespritzten Schicht wiedergibt.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen 1 bis 5 erläutert. Zunächst wird ein Gerät zum thermischen Spritzen des vorliegenden Ausführungsbeispiels erläutert. Wie dies in 1 gezeigt ist, hat das Gerät zum thermischen Spritzen ein Durchtrittsbildungselement 1, eine Erwärmungseinrichtung 5 (eine erste Energiequelle) und eine Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 (eine zweite Energiequelle). Das Durchtrittsbildungselement 1 bildet einen Durchtritt, durch den das für das thermische Spritzen vorgesehene Material in einer Pulverform tritt. Die Erwärmungseinrichtung 5 erwärmt das Material in dem Durchtritt des Durchtrittsbildungselementes 1 für das thermische Spritzen. Die Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 erhöht eine Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen im Vergleich zu der Fluggeschwindigkeit bei einer Erwärmungsposition 30k auf der Grundlage der Erwärmungseinrichtung 5.
Das Durchtrittsbildungselement 1 des Geräts zum thermischen Spritzen umfasst eine Pistole 2, die als ein erstes Durchtrittsbildungselement zum Ausbilden eines ersten Durchtritts 20 und als ein zweites Durchtrittsbildungselement 3 mit einer röhrenartigen Form zum Ausbilden eines zweiten Durchtrittes 30 für ein Zuführen des Materials für das thermische Spritzen dient. Die Pistole 2 weist folgendes auf: einen Pistolenkörper 22 mit einem Hochdruckraum 23, der mit dem ersten Durchtritt 20 in Verbindung steht, und eine Düse 25, die an dem Kopf des Pistolenkörpers 22 angeordnet ist und ein Düsenloch 24 hat, das mit dem Hochdruckraum 23 in Verbindung steht. Die Düse 25 ist als eine "Lavaldüse" ausgebildet, die für ein Überschallgasströmungsgerät wie beispielsweise ein Düsentriebwerk verwendet wird. Wie dies in 2 gezeigt ist, sind der Hochdruckraum 23 und der erste Durchtritt 20 koaxial um den zweiten Durchtritt 20 angeordnet. Der erste Durchtritt 20 der Pistole 2 umgibt einen Ausgang 31 des zweiten Durchtritts 30.
Wie in 1 gezeigt ist, verbindet das zweite Durchtrittsbildungselement 3 eine Pulverzuführeinrichtung 8 mit der Pistole 2. Die Pulverzuführeinrichtung 8 enthält einen Behälter 81 mit einem Pulverraum 80, Material 82 in Pulverform für das thermische Spritzen, das in dem Behälter 81 aufbewahrt ist, und einen Druckabschnitt 83 für ein Erhöhen eines Innendruckes des Pulverraumes 80. Das Material 82 für das thermische Spritzen ist aus einem eisenhaltigen Pulver mit einer Leitfähigkeit und einer magnetischen Permeabilität gebildet und soll durch ein Induktionserwärmen erwärmt werden. Dieses eisenhaltige Pulver ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung.
Wenn Druck eines Gases, wie beispielsweise Luft, durch den Druckabschnitt 83 auf den Pulverraum 80 des Behälters 81 aufgebracht wird, fliegt das Material 82 in dem Behälter 81 durch den zweiten Durchtritt 30 des zweiten Durchtrittsbildungselements 3 zu der Pistole 2, wird aus dem an dem oberen Ende des zweiten Durchtritts 30 ausgebildeten Ausgang 31 ausgestoßen und wird zusätzlich mittels des ersten Durchtritts 20 und der Düse 25 der Pistole 2 nach vorn geblasen. Die Erwärmungseinrichtung 5 erwärmt das Material für das thermische Spritzen unter Verwendung von Elektrizität. Die Erwärmungseinrichtung 5 ist an einer Erwärmungsposition 30k angeordnet, die sich an dem Ausgang 31 des zweiten Durchtritts 30 befindet. Die Erwärmungseinrichtung 5 enthält eine leitfähige Spule 51 und eine Zuführeinrichtung 52. Die leitfähige Spule 51 wirkt als eine Induktionserwärmungsspule, die durch eine Einspanneinrichtung 2a an der Erwärmungsposition 30k innerhalb der Pistole 2 angeordnet ist. Die Zuführeinrichtung 52 liefert einen Strom wie beispielsweise einen Wechselstrom mit einer hohen Frequenz zu der leitfähigen Spule 51 mittels einer Zuführleitung 52f. Die Zuführeinrichtung 52 wird durch einen Hochfrequenzoszillator zum Erzeugen eines Wechselstroms mit einer hohen Frequenz gebildet. Die leitfähige Spule 51 wirkt als eine Induktionserwärmungsspule, die die Induktionserwärmungseinrichtung ist. Die leitfähige Spule 51 hat eine Spu lenform und ist aus einer Vielzahl in Reihe geschalteter Schleifen 51a gebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, ist die leitfähige Spule 51 außerhalb des zweiten Durchtritts 30 und im Wesentlichen koaxial in Bezug auf den zweiten Durchtritt 30 angeordnet. Das heißt, die leitfähige Spule 51 umgibt den Ausgang 31 des zweiten Durchtrittsbildungselements 3, das den zweiten Durchtritt 30 bildet. Daher soll das Zuführen des Stromes zu der leitfähigen Spule 51 eine magnetische Kraft entlang der Mittelachsenlinie des zweiten Durchtrittes 30, das heißt entlang der Mittelachsenlinie der leitfähigen Spule 51, erzeugen.
Die Teile, die von der leitfähigen Spule 51 in dem zweiten Durchtrittbildungselement 3 umgeben sind, können aus einer nicht elektrisch leitfähigen Substanz wie beispielsweise einer Substanz auf der Basis von Silizium oder aus einer elektrisch leitfähigen Substanz wie beispielsweise einer Substanz auf der Basis von Kohlenstoff ausgebildet sein. Die nicht elektrisch leitfähige Substanz wie beispielsweise die Substanz auf der Basis von Silizium wird nicht wesentlich induktionserwärmt. Die elektrisch leitfähige Substanz wie beispielsweise eine Substanz auf der Basis von Kohlenstoff wird induktionserwärmt, nimmt eine hohe Temperatur von beispielsweise über 1500 °C und über 2000 °C an, kann Strahlungswärme zu dem Pulvermaterial für das thermische Spritzen übertragen, das durch den zweiten Durchtritt 30 tritt, und kann das Material für das thermische Spritzen durch die Strahlungswärme auf hohe Temperaturen erwärmen.
Der Innendurchmesser des zweiten Durchtrittes 30 wird unter Berücksichtigung von derartigen Faktoren bestimmt, wie beispielsweise das Durchtrittsvermögen und das Erwärmen des Pulvermaterials für das thermische Spritzen. Der Innendurchmesser des zweiten Durchtrittes 30 kann beispielsweise in einem Bereich von 0,5 bis 20 mm, in einem Bereich von 1 bis 10 mm und in einem Bereich von 1 bis 5 mm liegen. Der Innendurchmesser ist nicht auf diese Bereiche beschränkt.
Die Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 wird unter Verwendung einer zweiten Energiequelle gebildet, die von der ersten Energiequelle unabhängig ist. Wie in 1 gezeigt ist, hat die Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 folgendes: einen Gasspeicherabschnitt 70, der von einer ein Hochdruckgas enthaltenden Gasflasche gebildet ist; einen Kompressor 71, der mit dem Gasspeicherabschnitt 70 mittels eines mittleren Durchtrittes 70a verbunden ist; und einen Druckverstärker 72, der mit dem Kompressor 71 mittels eines mittleren Durchtritts 71a verbunden ist. Der Druckverstärker 72 hat eine Erwärmungseinheit 73 wie beispielsweise elektrische Erwärmungseinrichtungen zum Erwärmen des von dem Kompressor 71 gelieferten Gases.
Das in dem Gasspeicherabschnitt 70 enthaltene Gas wird kontinuierlich zu dem Kompressor 71 geliefert. Das Gas wird durch den Kompressor 71 komprimiert. Danach wird das Gas zu dem Druckverstärker 72 geliefert und wird in der Erwärmungseinheit 73 des Druckverstärkers 72 kontinuierlich auf eine hohe Temperatur erwärmt. Daher dehnt sich das Gas aus und der Schwelldruck des Gases wird zu einem hohen Druck. Genauer gesagt wird der Druck des Gases verstärkt. Das mit einem hohen Druck beaufschlagte Gas wird kontinuierlich zu dem Hochdruckraum 23 der Pistole 2 durch den mittleren Durchtritt 72 zugeführt, wird zu einem Hochgeschwindigkeitsgasstrom und wird fortlaufend aus der Düse 25 mittels des ersten Durchtritts 20 der Pistole 2 nach vorn geblasen.
Die Art des in dem Gasspeicherabschnitt 70 enthaltenen Gases, das heißt die Art des Hochgeschwindigkeitsgasstromes zum Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen ist ein Gas, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Inertgas, wie beispielsweise Heliumgas, Stickstoffgas, Luft, Sauerstoffgas, Wasserstoffgas und dergleichen besteht. Bei einem bevorzugten Modus wird ein Gas ausgewählt, dessen Moleku largewicht gering ist, wie beispielsweise das Heliumgas, wobei dies im Hinblick auf ein Erzielen des Hochgeschwindigkeitsgasstromes geschieht, der unter Verwendung des Schwellgasdruckes auf der Basis der Gasausdehnung erzeugt wird. Andererseits ist Luft im Hinblick auf die Kosten zu bevorzugen.
Es ist erwünscht, dass die Oberfläche 90 des Gegenstandes 9 für das thermische Spritzen eine Aufrauungsbehandlung erfahren hat. Die Aufrauungsbehandlung kann ein Bestrahlen sein, wie beispielsweise eine Schussbestrahlungsbehandlung, eine Gitterbestrahlungsbehandlung und dergleichen. Das Material des Gegenstandes 9 kann von Fall zu Fall ausgewählt werden, wobei es im Allgemeinen Metall ist. Das Metall des Gegenstandes 9 kann zumindest entweder eine nicht eisenhaltige Legierung oder eine eisenhaltige Legierung sein. Die nicht eisenhaltige Legierung kann Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer, eine Kupferlegierung, Titan, eine Titanlegierung und dergleichen sein. Die eisenhaltige Legierung kann Gusseisen, Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl, Legierungsstahl und dergleichen sein. Der Gegenstand 9 kann Gleitteile, Kolben, Zylinderblöcke, Zylinderköpfe und dergleichen umfassen, wobei die Anwendung keineswegs darauf beschränkt ist.
Nachstehend ist unter Bezugnahme auf 1 das thermische Spritzen erläutert. Der Gegenstand 9 wird vor der Düse 25 der Pistole 2 angeordnet. Die Düse 25 der Pistole 2 ist dem Gegenstand 9 in einem feststehenden Abstand zugewandt. Die Zuführeinrichtung 52 führt einen Strom zu der leitfähigen Spule 51 zu. Der Strom ist ein Wechselstrom mit einer hohen Frequenz. Die Frequenz wird in Abhängigkeit von den Materialarten für das thermische Spritzen, den Materialarten des Gegenstandes 9, den Kosten für die Zuführeinrichtung 52 und dergleichen bestimmt. Beispielsweise kann für die Frequenz des zu der leitfähigen Spule 51 geführten Wechselstroms der obere Grenzwert 5000 kHz, 20 MHz oder 100 MHz sein und der untere Grenzwert ist beispielswei se 5 kHz, 20 kHz und 100 kHz oder 200 kHz. Die Frequenz ist nicht auf diese Angaben beschränkt.
Bei dem thermischen Spritzen wird der Druck eines Gases, wie beispielsweise Luft, durch den Druckabschnitt 83 auf den Pulverraum 80 des Behälters 81 aufgebracht. Das Pulvermaterial für das thermische Spritzen in dem Behälter 81 wird zu dem zweiten Durchtritt 30 des zweiten Durchtrittsbildungselementes 3 zugeführt. Zudem strömt das Pulvermaterial für das thermische Spritzen zu dem Ausgang 31 des zweiten Durchtritts 30 des zweiten Durchtrittsbildungselementes 3 und wird durch den ersten Durchtritt 20 der Pistole 2 und aus der Düse 25 nach vorn geblasen. Das Pulvermaterial für das thermische Spritzen wird innerhalb einer kurzen Zeitspanne durch die leitfähige Spule 51 auf eine hohe Temperatur induktionserwärmt, wenn es in der Nähe des Ausgangs 31 des zweiten Durchtritts 30, d.h. an der Erwärmungsposition 30k vorbeikommt.
Die Temperatur des Materials für das thermische Spritzen wird in Abhängigkeit von den Frequenzen des Wechselstroms der leitfähigen Spule 51 bestimmt, wie beispielsweise über 500 °C, über 800 °C, über 1000 °C, über 1500 °C, über 1700 °C, über 2000 °C oder über 2400 °C, wie dies aus den 7 und 8 hervorgeht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das in dem Gasspeicherabschnitt 70 gespeicherte Gas kontinuierlich durch den Kompressor 71 zugeführt, durch den Kompressor 71 komprimiert und in der Erwärmungseinheit 73 des Druckverstärkers 72 auf eine hohe Temperatur erwärmt. Als ein Ergebnis wird der Druck des Gases verstärkt und das Gas wird fortlaufend zu dem Hochdruckraum 23 der Pistole 2 zugeführt und dadurch wird es aus der Düse 25 als ein Hochgeschwindigkeitsgasstrom nach vorn geblasen. Daher wird, nachdem das Material auf die hohe Temperatur durch die leitfähige Spule 51 an der Erwärmungsposition 30k erwärmt worden ist, dieses aus dem Ausgang 31 des zweiten Durchtritts 30 als Hochgeschwindigkeitsgasstrom ausgestoßen. Der Hochgeschwindig keitsgasstrom zwingt das Material für das thermische Spritzen zu einer Beschleunigung der Fluggeschwindigkeit. Der Hochgeschwindigkeitsgasstrom strömt von dem Hochdruckraum 23 zu der Düse 25. Genauer gesagt wird die Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen an der Düse 25 mehr erhöht als an der Erwärmungsposition 30k, an der die Erwärmung durch die leitfähige Spule 51 geschieht. Das heißt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Energie dem Material für das thermische Spritzen in einer derartigen Weise zugeführt, dass die Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen in der Pistole 2 erhöht wird, bis das Material den Gegenstand 9 erreicht hat.
Das Material, dessen Fluggeschwindigkeit erhöht worden ist, trifft auf der Oberfläche 90 des Gegenstandes 9 mit einer hohen Geschwindigkeit auf. Als ein Ergebnis wird das Material für das thermische Spritzen auf der Oberfläche 90 des Gegenstandes 9 aufgehäuft, um eine thermisch gespritzte Schicht 92 auszubilden. Die Fluggeschwindigkeit des Materials wird in Abhängigkeit von der Art des Materials für das thermische Spritzen und der Art des Druckverstärkers 72 auf beispielsweise über 400 m/s, über 500 m/s, über 600 m/s, über 700 m/s, über 800 m/s oder über 900 m/s bis unterhalb 3000 km/s bestimmt. Die Fluggeschwindigkeit bei dem Fall mit der Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 kann 1 bis 70fach oder 5 bis 70fach so groß wie bei dem Fall sein, bei dem keine Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 vorhanden ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drängt oder zwingt die Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 das Material für das thermische Spritzen in einer derartigen Weise, dass die Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen zunimmt, bis das Material den Gegenstand 9 erreicht hat. Daher trifft das Material für das thermische Spritzen auf der Oberfläche 90 des Gegenstandes 9 mit einer hohen Geschwindigkeit auf. Somit wird die Haftfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht 92 erhöht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt die Fluggeschwindigkeit des beschleunigten Materials im Vergleich zu seiner Fluggeschwindigkeit an der Erwärmungsposition 30k zu. Anders ausgedrückt ist die Fluggeschwindigkeit des Materials an der Position 30k vor der Beschleunigung geringer als die Fluggeschwindigkeit des Materials nach der Beschleunigung. Daher kann das vorliegende Ausführungsbeispiel die Zeitspanne zum Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen auf eine Temperatur im Solltemperaturbereich verlängern, wodurch das Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen sichergestellt ist.
5(A) zeigt eine Fotografie von einer Probe der an dem Gegenstand 9 ausgebildetenthermisch gespritzten Schicht. 5(B) zeigt eine vergrößerte Fotografie. Aus den 5(A) und 5(B) ist zu entnehmen, dass die auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigten Partikel des Materials derart auf der Oberfläche des Gegenstandes aufschlagen, dass sich die Partikel des Materials innerhalb der Oberfläche des Gegenstandes befinden. Daher wird die Haftkraft oder Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht verbessert. Der Grund ist die Erhöhung der Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen.
Das Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen wird durch die leitfähige Spule 51 ausgeführt, die als die Induktionserwärmungseinrichtung d.h. als die erste Energiequelle wirkt. Das Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials wird durch die Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7, d.h. die zweite Energiequelle ausgeführt, die von der ersten Energiequelle verschieden ist. Daher ermöglicht das vorliegende Ausführungsbeispiel, dass die leitfähige Spule 51 für das Erwärmen des Materials unabhängig von der Geschwindigkeitserhöhungseinrichtung 7 für das Beschleunigen des Materials gesteuert wird. Somit ermöglicht das vorliegende Ausführungsbeispiel, dass das Beschleunigen des Materials unabhängig von dem Erwärmen des Materials steuerbar ist. Dadurch kann der Bereich zum Einstellen der Temperatur und der Geschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen im Vergleich zu dem herkömmlichen thermischen Spritzen vergrößert werden.
3 zeigt ein Steuerungsmodell. Wie in 3 gezeigt ist, ermöglicht das vorliegende Ausführungsbeispiel, dass die Temperatur des Materials für das thermische Spritzen zwischen einer niedrigen Temperatur "T1" und hohen Temperatur "T2" eingestellt wird. Außerdem ermöglicht das vorliegende Ausführungsbeispiel, dass die Geschwindigkeit des Materials zwischen einer niedrigen Geschwindigkeit "v1" und einer hohen Geschwindigkeit "v2" eingestellt wird. Daher ist das vorliegende Ausführungsbeispiel beim Vergrößern des einstellbaren Bereichs der Temperatur und der Geschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen und zum Erhalten einer thermisch gespritzten Schicht mit den erwünschten Eigenschaften vorteilhaft.
Ferner zeigt "M1" von 4 einen einstellbaren Bereich der Temperatur und der Geschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen bei einem herkömmlichen Plasmaspritzverfahren. "M2" von 4 zeigt einen einstellbaren Bereich der Temperatur und der Geschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen bei einem herkömmlichen HVOF-thermischen-Spritzen (HVOF = Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff-thermisches-Spritzen). Bei dem herkömmlichen Plasmaspritzverfahren werden das Erwärmen und das Fliegen des Materials für das thermische Spritzen durch eine gemeinsame Energiequelle der Plasmaflamme ausgeführt. Bei dem herkömmlichen HVOF-Verfahren werden das Erwärmen und das Fliegen des Materials für das thermische Spritzen durch eine gemeinsame Energiequelle einer Gasverbrennung ausgeführt und die Partikelfluggeschwindigkeit des HVOF-Verfahrens ist höher als diejenige des Plasmaspritzverfahrens.
Bei dem herkömmlichen Plasmaspritzverfahren, das durch "M1" in 4 gezeigt ist, wird die Temperatur des Materials für das thermische Spritzen verringert, wenn die Fluggeschwindigkeit des Materials für dasthermische Spritzen erhöht wird. Außerdem wird die Temperatur des Materials für das thermische Spritzen erhöht, wenn die Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen verringert wird. Bei dem herkömmlichen HVOF-Spritzverfahren, das durch "M2" in 4 gezeigt ist, wird die Temperatur des Materials für das thermische Spritzen verringert, wenn die Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen erhöht wird. Außerdem wird die Temperatur des Materials für das thermische Spritzen erhöht, wenn die Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen verringert wird. Das Plasmaspritzverfahren und das HVOF-Verfahren gemäß dem Stand der Technik haben einen Grenzwert zum Vergrößern des einstellbaren Bereiches der Temperatur und der Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erwärmt die leitfähige Spule 51 das eisenhaltige pulverförmige Material für das thermische Spritzen, das durch den zweiten Durchtritt 30 des zweiten Durchtrittsbildungselements tritt. Durch das Induktionserwärmen kann, wenn die Frequenz des Wechselstroms der leitfähigen Spule 51 eingestellt worden ist, die Erwärmungstemperatur des Materials für das thermische Spritzen mit Leichtigkeit innerhalb eines beträchtlichen Bereiches eingestellt werden, wie dies in den 8 und 9 gezeigt ist. Das heißt, das vorliegende Ausführungsbeispiel kann mit Leichtigkeit die Erwärmungstemperatur des Materials für das thermische Spritzen innerhalb eines beträchtlichen Bereichs so einstellen, dass die Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht verbessert ist. Somit ist das Induktionserwärmen in Hinblick auf das Verbessern von Eigenschaften, wie beispielsweise der Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht von Vorteil.
Ein Anhaften des Materials für das thermische Spritzen an der Innenfläche des zweiten Durchtritts 30 des zweiten Durchtrittsbildungselements 3 wird unterdrückt, wenn der Strom zu der leitfähigen Spule 51 zugeführt wird. Diese Tatsache wird auf der Grundlage eines Versuchs durch die Erfinder der vorliegenden An meldung bestätigt. Der Grund ist nachstehend beschrieben. Die leitfähige Spule 51 erzeugt eine magnetische Kraft entlang der Mittelachsenlinie des zweiten Durchtritts 30, d.h. entlang der Mittelachsenlinie der leitfähigen Spule 51. Somit strömt das Pulvermaterial für das thermische Spritzen mit Leichtigkeit entlang des radialen Mittelabschnitts des zweiten Durchtritts 30.
Nachstehend sind von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführte Versuche erläutert.
6 zeigt das Pulverdurchtrittsgerät gemäß Beispiel 1. Bei Beispiel 1 wurde eine Siliziumröhre 95 vertikal und koaxial in Bezug auf den mittleren Bereich einer leitfähigen Spule 51 angeordnet und die leitfähige Spule 51 wurde vertikal angeordnet, um als eine Induktionserwärmungsspule zu wirken. Die Siliziumröhre 95 bildet ein Durchtrittsbildungselement. In diesem Zustand fiel das Metallpulver aufgrund des Eigengewichtes aus einem Trichter 96, der an der oberen Seite der leitfähigen Spule 91 angeordnet war, und die Temperatur des metallischen Pulvers, d.h. des Materials für das thermische Spritzen, das von einem unteren Ende der Siliziumröhre 95 abgegeben wurde, wurde unter Verwendung einer Messvorrichtung 97 durch die Erfinder gemessen. Mit der Messvorrichtung 97 wurde die Temperatur und die Fluggeschwindigkeit der Partikel gemessen.
In Beispiel 1 änderten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung die Frequenz des Wechselstroms der leitfähigen Spule 51 innerhalb eines Bereiches von 10 kHz – 10000 kHz (10 MHz). Das metallische Pulver war eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Leitvermögen und einer magnetischen Permeabilität mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 Masse-% (1 Gew.-%) und mit einer Partikelgröße von 50-90 μm.
7 zeigt das Versuchsergebnis. Wie in 7 gezeigt ist, nimmt mit der Zunahme der Frequenz des Wechselstroms, der zu der leitfähigen Spule 51 zugeführt wird, die Partikeltemperatur des von dem unteren Ende der Siliziumröhre 95 ausgegebenen Pulvers auf eine hohe Temperatur zu. Genauer gesagt betrug die Pulverpartikeltemperatur ungefähr 300 °C, wenn die Frequenz 100 kHz betrug. Die Pulverpartikeltemperatur betrug ungefähr 1000 °C, wenn die Frequenz 400 kHz betrug. Die Pulverpartikeltemperatur überschritt 2000 °C, wenn die Frequenz 10000 kHz betrug. Es sollte verständlich sein, dass die Frequenz des Wechselstroms der leitfähigen Spule 51 vorzugsweise oberhalb 400 kHz oder 1000 kHz zum Erhöhen der Partikeltemperatur auf der Grundlage des Ergebnisses von 7 liegt.
In Beispiel 1 haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung bestätigt, dass im Unterschied zu dem Fall, bei dem kein Strom zu der leitfähigen Spule 51 geliefert wird, das metallische Pulver in dem Fall entlang der Mittelachse der Siliziumröhre 95 strömt, in dem Strom zu der leitfähigen Spule 51 geliefert wird. Wenn ein Gleichstrom zu der leitfähigen Spule 51 geliefert wird, wird ein ähnlicher Umstand erzielt.
Bei einem Beispiel 2 wurde eine Kohlenstoffröhre anstelle der Siliziumröhre 95 in 6 verwendet, wobei die Erfinder der vorliegenden Anmeldung die Temperatur des von dem unteren Ende der Kohlenstoffröhre abgegebenen Pulvers unter Verwendung einer Messvorrichtung 97 gemessen haben. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung änderten die Frequenz des Wechselstroms innerhalb eines Bereiches von 10 kHz bis 10000 kHz (10 MHz). Die leitfähige Spule 51 wurde vertikal angeordnet und hatte eine Mittelachsenlinie, die senkrecht positioniert war. Das Metallpulver von Beispiel 2 war das gleiche wie bei Beispiel 1.
8 zeigt das Versuchsergebnis. Wie in 8 gezeigt ist, stieg die Partikeltemperatur des Pulvers mit der Zunahme der Frequenz des zu der leitfähigen Spule 51 gelieferten Wechselstroms an. Genauer gesagt betrug die Pulverpartikeltemperatur ungefähr 400 °C, wenn die Frequenz 100 kHz betrug. Die Pulverpartikeltemperatur betrug ungefähr 1500-1600 °C, wenn die Fre quenz 400 kHz betrug. Die Pulverpartikeltemperatur betrug ungefähr 2000 °C, wenn die Frequenz 2000 kHz betrug. Die Pulverpartikeltemperatur überschritt 3000 °C, wenn die Frequenz 3000 kHz überschritt. Ruf der Grundlage von 8 sollte verständlich sein, dass die Frequenz vorzugsweise oberhalb 400 kHz oder 1000 kHz zum Anheben der Pulverpartikeltemperatur liegt.
Bei Beispiel 2 wurde die Kohlenstoffröhre für ein Liefern des metallischen Pulvers in dem mittleren Bereich der leitfähigen Spule 51 angeordnet. Somit wurde die Kohlenstoffröhre auf eine hohe Temperatur auf einen rotglühenden Zustand oder einen weißglühenden Zustand induktionserwärmt. Das heißt, in Abhängigkeit von der Frequenz und der elektrischen Energie betrug die Temperatur der Kohlenstoffröhre an sich über 1000 K, 1500 K, 2000 K oder 2500 K. Daher wurde das metallische Pulver nicht nur durch das Induktionserwärmen erwärmt, da die leitfähige Spule 51 außerdem durch die Strahlungswärme aufgrund der erwärmten Kohlenstoffröhre erwärmt wurde, um so die Effizienz für das Erwärmen zu erhöhen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung suchten eine Beziehung zwischen dem Gasdruck vor der "Lavaldüse" und der Geschwindigkeit des aus der "Lavaldüse" geblasenen Gases auf der Grundlage der Berechnung. 9 zeigt dieses Ergebnis. In 9 zeigt die Kennlinie "SHe" das Ergebnis bei einer Verwendung von Heliumgas und die Kennlinie "SLuft" zeigt das Ergebnis bei der Verwendung von Luft. Wie durch die Kennlinie "SLuft" von 9 gezeigt ist, betrug die Gasgeschwindigkeit ungefähr 500 m/s, wenn Luft verwendet wurde, wobei die Gasgeschwindigkeit ungefähr 500 m/s betrug, wenn der Gasdruck 1 MPa betrug. Die Gasgeschwindigkeit betrug ungefähr 600 m/s, wenn der Gasdruck 3 MPa betrug. Jedoch betrug, wie durch die Kennlinie "SHe" von 9 gezeigt ist, bei der Verwendung von Heliumgas der Gasdruck 0,5 MPa und die Gasgeschwindigkeit war eine beträchtlich hohe Geschwindigkeit, die 1000 m/s überschritt. Des weiteren überschritt, wie durch die Kennlinie "SHe" von 9 gezeigt ist, die Gasge schwindigkeit 1300 m/s, wenn der Gasdruck 1 MPa betrug, und die Gasgeschwindigkeit überschritt 1400 m/s, wenn der Gasdruck 2 MPa betrug. Daraus geht hervor, dass Heliumgas wirkungsvoller als Luft zum Erhöhen der Gasgeschwindigkeit ist.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung suchten eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Temperatur des aus der "Lavaldüse" geblasenen Gases auf der Grundlage der Berechnung. 10 zeigt dieses Ergebnis. In 10 zeigt die Kennlinie "PHe" das Ergebnis bei der Verwendung von Heliumgas und die Kennlinie "PLuft" zeigt das Ergebnis bei der Verwendung von Luft. Die Geschwindigkeit des aus der Düse geblasenen Gases nimmt allmählich zu, wenn die Gastemperatur hoch ist, wie in den Kennlinien "PLuft" und "PHe" von 10 gezeigt ist. Daher geht daraus hervor, dass eine hohe Temperatur des Gases wirkungsvoll für ein Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials für das thermische Spritzen ist.
Wie in der Kennlinie "PLuft" von 10 gezeigt ist, betrug bei der Verwendung von Luft bei einer Gastemperatur von 400-800 K die Gasgeschwindigkeit 600 m/s-900 m/s. Jedoch wurde bei der Verwendung von Heliumgas mit einem geringen Molekulargewicht, wie durch die Kennlinie "PHe" von 10 gezeigt ist, bei einer Gastemperatur von 400 K die Geschwindigkeit hoch und überschritt 1500 m/s. Wie durch die Kennlinie "PHe" von 10 gezeigt ist, wurde bei einer Gastemperatur von 600 K die Gasgeschwindigkeit hoch und überschritt 2000 m/s. Wenn die Gastemperatur 800 K betrug, wurde die Gasgeschwindigkeit hoch und überschritt 2100 m/s. Außerdem zeigt die Kennlinie "PHVOF" von 10 die Gasgeschwindigkeit des herkömmlichen HVOF-Verfahrens. Wie aus dem Vergleich zwischen den Kennlinien "PHe" und "PHVOF" in 10 hervorgeht, war bei der Verwendung von Heliumgas bei einer Gastemperatur oberhalb 400 K die Gasgeschwindigkeit höher als bei dem herkömmlichen HVOF-Verfahren.
Des weiteren wählten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung jeweils ein Gas aus der Gruppe, die aus Wasserstoffgas (H₂), Heliumgas (He), Stickstoffgas (N₂), Luft, Sauerstoffgas (O₂), Argongas (Ar) besteht und suchten die Gasgeschwindigkeit bei einer Temperatur von 300 K, mit der aus der Düse der Pistole 2 geblasen wird, auf der Grundlage der Berechnung. 11 zeigt diese Ergebnisse. Wie in 11 gezeigt ist, war die Gasgeschwindigkeit hoch, wenn das Molekulargewicht des Gases gering war. Es ist offensichtlich, dass Heliumgas mit einem geringen Molekulargewicht beim Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Pulvermaterials für das thermische Spritzen wirkungsvoll ist.
Nachstehend ist ein drittes Beispiel beschrieben.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten ein thermisches Spritzen auf der Grundlage der in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen aus. In diesem Fall hatte der Gegenstand eine polierte Oberfläche und wurde auf 100 °C vorgewärmt.
Tabelle 1
12 zeigt die Versuchsbedingungen der Tabelle 1. Wie in 12 gezeigt ist, betrug bei einer Versuchsbedingung ➀ die Partikeltemperatur ungefähr 2800 K und die Partikelgeschwindigkeit betrug ungefähr 240 m/s. Bei einer Versuchsbedingung ➁ betrug die Partikeltemperatur ungefähr 2000 K und die Partikelgeschwindigkeit betrug ungefähr 400 m/s. Bei einer Versuchsbedingung ➂ betrug die Partikeltemperatur ungefähr 1800 K und die Partikelgeschwindigkeit betrug ungefähr 200 m/s. Bei einer Versuchsbedingung ➃ betrug die Partikeltemperatur ungefähr 3400 K und die Partikelgeschwindigkeit betrug ungefähr 160 m/s. Die Versuchsbedingungen ➀-➃ entsprechen Vergleichsbeispielen. Die Geschwindigkeit der Versuchsbedingungen ➄ und ➅ war eine hohe Geschwindigkeit, die dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht. Bei der Versuchsbedingung ➄ betrug die Partikeltemperatur 3600 K, was eine hohe Temperatur ist, und die Partikelgeschwindigkeit betrug 620 m/s. Bei einer Versuchsbedingung ➅ des vorliegenden Ausführungsbeispiels betrug die Partikeltemperatur unter 1000 K und die Partikelgeschwindigkeit war hoch und betrug 780 m/s. Die Partikeltemperatur und die Partikelgeschwindigkeit wurden durch die Messvorrichtung 97, das heißt eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur und der Geschwindigkeit von thermisch gespritzten Partikeln, erzielt.
Außerdem haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung die Porosität durch ein Bildverarbeiten mit einem Lasermikroskop und die Adhäsionsfestigkeit der ausgebildeten thermisch gespritzten Schicht auf der Grundlage der Tabelle 1 und 12 gemessen. In diesem Fall war der Gegenstand 9 aus einer Aluminiumlegierung (JIS-AC2C) hergestellt und das Material für das thermische Spritzen war aus einem Eisen-Kohlenstoff-Legierungspulver (Kohlenstoff: 1 Masse-%) gebildet, das durch Gaszerstäuben hergestellt wurde und eine Dicke von 0,2 mm hatte.
Beim Messen der Adhäsionsfestigkeit verwendeten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung Versuchsproben, die durch die thermisch gespritzte Schicht bedeckt waren, brachten eine externe Kraft auf die thermisch gespritzte Schicht durch eine Stanze entlang einer Verbindungsstelle zwischen der thermisch gespritzten Schicht und dem Gegenstand 9 auf und erhielten die Adhäsionsfestigkeit auf der Grundlage der externen Kraft, bei der die thermisch gespritzte Schicht abplatzt oder abblättert. 13 zeigt das Versuchsergebnis der Porosität. 14 zeigt das Versuchsergebnis der Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht.
Wie in 13 gezeigt ist, zeigten die Versuchsbedingungen ➀, ➂ und ➃ der Vergleichsbeispiele eine hohe Porosität von über 8 %. Die Versuchsbedingung ➂ zeigte eine hohe Porosität von über 20 %, wobei angenommen wurde, dass die Partikelgeschwindigkeit gering und die Partikeltemperatur niedrig war. Die Versuchsbedingungen ➄ und ➅ des vorliegenden Ausführungsbeispiels zeigten eine geringe Porosität von 2 % oder weniger, wobei angenommen wurde, dass die thermisch gespritzte Schicht einen feinen Aufbau hatte, da die Geschwindigkeit beim thermischen Spritzen hoch war.
Außerdem war, wie in 14 gezeigt ist, bei den Versuchsbedingungen ➀, ➁, ➂ und ➃ der Vergleichsbeispiele die Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht nicht ausreichend. Bei der Versuchsbedingung ➂ war die Adhäsionsfestigkeit gering und betrug ungefähr 34 MPa, wobei angenommen wurde, dass die Partikelgeschwindigkeit gering war und die Partikeltemperatur niedrig war. Für die Versuchsbedingungen ➄ und ➅ des vorliegenden Ausführungsbeispiels war die Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht hoch und überschritt 100 MPa. Es wird angenommen, dass die Partikelgeschwindigkeit hoch war.
Im Vergleich zwischen den Versuchsbedingungen ➄ und ➅ des vorliegenden Ausführungsbeispiels zeigte die Versuchsbedingung eine ausgezeichnete Adhäsionsfestigkeit, die in der Nähe derjenigen der Versuchsbedingung ➄ war, obwohl die Partikeltemperatur gering war und ungefähr 800 K betrug. Aus diesem Umstand wird entnommen, dass die Erhöhung der Fluggeschwindigkeit des Pulvermaterials für das thermische Spritzen beim Erhöhen der Adhäsionsfestigkeit der thermisch gespritzten Schicht wirkungsvoll ist.
Nachstehend ist ein weiteres Beispiel beschrieben.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung untersuchten die Härte der ausgebildeten Schicht auf der Grundlage der Bedingungen von Tabelle 1 und 12 unter Verwendung eines Vickerhärteversuchs (Last: 0,098 N (10 gf)). In diesem Fall war das Material für das thermische Spritzen ein Eisen-Kohlenstoff-Legierungspulver (Kohlenstoff: 1 Masse-%), das durch Wasserzerstäubung hergestellt wurde. Das Material hatte vor dem thermischen Spritzen einen aus einer bainitischen Struktur bestehenden Aufbau und seine Härte betrug ungefähr Hv600. 15 zeigt das Ergebnis der Härte der thermisch gespritzten Schicht. In dem Fall der bei der Versuchsbedingung ➅ des vorliegenden Ausführungsbeispiels hergestellten thermisch gespritzten Schicht überschritt die Härte der thermisch gespritzten Schicht Hv500. Der Grund, weshalb die Härte Hv500 überschritt, wird im Folgenden dargelegt. Im Falle der bei der Versuchsbedingung ➅ hergestellten thermisch gespritzten Schicht wurde trotz einer hohen Partikelgeschwindigkeit von über 700 m/s, da die Partikeltemperatur niedrig und bei ungefähr 800 K war, das Pulver nicht geschmolzen, und konnte mit Leichtigkeit seinen Aufbau und seine Eigenschaften vor dem thermischen Spritzen halten.
Die nachfolgenden Werte können aus der vorstehend dargelegten Beschreibung entnommen werden und sind wie folgt zusammengestellt.
Vorzugsweise beträgt die Fluggeschwindigkeit des Materials für das Thermosprühen über 600 m/s, über 700 m/s und über 800 m/s.
Vorzugsweise beträgt die Adhäsionsfestigkeit (die Scheradhäsionsfestigkeit) der Thermosprühlage über 90 MPa, über 100 MPa, über 110 MPa oder über 120 MPa.
Vorzugsweise beträgt die Partikeltemperatur des Materials für das Thermosprühen über 2000 K und die Partikelgeschwindigkeit des Materials für das Thermosprühen beträgt über 600 m/s, über 700 m/s und über 800 m/s.
Vorzugsweise beträgt die Partikeltemperatur des Materials für das Thermosprühen über 3000 K und die Partikelgeschwindigkeit des Materials für das Thermosprühen beträgt über 600 m/s, über 700 m/s oder über 800 m/s.
Vorzugsweise beträgt die Partikeltemperatur des Materials für das Thermosprühen unter 1500 K oder unter 1000 K und die Partikelgeschwindigkeit des Materials für das Thermosprühen beträgt über 600 m/s, über 700 m/s oder über 800 m/s.

Claims

Verfahren zum thermischen Spritzen zum Erzeugen einer thermisch gespritzten Schicht auf einer zu beschichtenden Oberfläche mit den folgenden Schritten: Erwärmen des zu spritzenden Materials durch Induktionsheizen auf der Basis von Wechselstrom mit hoher Frequenz, Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials durch einen Gasstrom mit einer hohen Geschwindigkeit, wobei der Gasstrom mindestens von einem Gas gebildet ist, das aus der Gruppe Helium, Stickstoff, Luft, Sauerstoff und Wasserstoff ausgewählt ist, Aufbringen von Energie auf den Gasstrom, um die Geschwindigkeit des Gasstroms weiter zu erhöhen, so dass die Fluggeschwindigkeit des zu spritzenden Materials bis zum Auftreffen auf der zu beschichtenden Oberfläche zunimmt, wobei die durch Induktionsheizen aufgebrachte Energiemenge und die auf den Gasstrom aufgebrachte Energiemenge unabhängig und einzeln gesteuert werden, um die Partikeltemperatur und die Gasgeschwindigkeit unabhängig voneinander zu steuern.
Verfahren zum thermischen Spritzen gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbringen der Energie auf den Gasstrom zum Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials nach dem Erwärmen des Materials für das thermische Spritzen ausgeführt wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbringen der Energie auf den Gasstrom zum Erhöhen der Fluggeschwindigkeit des Materials während des Erwärmens des Materials für das thermische Spritzen ausgeführt wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbringen von Energie auf den Gasstrom durch Anwendung eines Schwellgasdrucks erfolgt, der durch ein Ausdehnen des Gases oder durch ein Verdampfen einer Flüssigkeit bewirkt wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen gemäß Anspruch 4, wobei die Flüssigkeit eine Flüssigkeit mit der Fähigkeit des Absorbierens eines Laserstrahls ist, die mit einem Laserstrahl bestrahlt wird und zum Erzeugen eines Schwellgasdruckes durch den Laserstrahl verdampft wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbringen von Energie auf den Gasstrom durch Verdichten des Gases in einem Kompressor und anschließende Druckerhöhung in einem Druckverstärker erfolgt, wonach das Hochdruckgas entspannt und beschleunigt wird.
Gerät zum thermischen Spritzen, mit einem Durchlassbildungselement (3) zum Ausbilden eines Durchlasses (30), der mit einer Materialzuführeinrichtung (80) für das zu spritzende Material verbunden ist und durch den das Material durchtritt; einer am Durchlassbildungselement (3) angeordneten Induktionsheizeinrichtung (51), um das Material für das thermische Spritzen durch Induktionsheizen auf der Basis von Wechselstrom mit hoher Frequenz zu erwärmen, einem das Durchlassbildungselement (3) umgebenden Pistolenkörper (20), der einen Hochdruckraum (23) und eine Düse (25) hat, einer Gasversorgungsleitung (72a) zur Zufuhr eines Gasstroms in den Hochdruckraum (23), wobei vor oder im Hochdruckraum (23) eine Einrichtung (7; 23w) zum Aufbringen von Energie auf den Gasstrom vorgesehen ist.
Gerät gemäß Anspruch 7, wobei die Induktionsheizeinrichtung folgendes aufweist: eine leitfähige Spule (51) mit einer Achse und einer Vielzahl Windungen, die im Wesentlichen koaxial in Bezug auf die Achse angeordnet sind, wobei die Spule (51) das Durchlassbildungselement (3) mindestens abschnittsweise umgebend angeordnet ist und die Achse der Spule (51) entlang einer Längsachse des Durchlassbildungselements (3) angeordnet ist.
Gerät gemäß Anspruch 7, wobei die Einrichtung zum Aufbringen von Energie auf den Gasstrom ein Lasergerät (5B) für ein Ausgeben eines Laserstrahls, eine Zuführeinrichtung (58) für eine Verdampfungsflüssigkeit (57) und einen Bestrahlungsabschnitt (23W) des Hochdruckraums (23) des Pistolenkörpers (20) umfasst, wobei der Druck des Gases im Hochdruckraum (23) durch Verdampfen der Flüssigkeit (57) am Bestrahlungsabschnitt (23W) erhöht wird.
Gerät gemäß Anspruch 7, wobei die Einrichtung zum Aufbringen von Energie auf den Gasstrom einen Gasspeicherabschnitt (70), einen Kompressor (71), der mit dem Gasspeicherabschnitt (70) verbunden ist, um das von dem Gasspeicherabschnitt (70) zugeführte Gas zu komprimieren und einen mit dem Kompressor (71) verbundenen Druckverstärker (72) aufweist, der mit einer Heizeinrichtung (73) zur Erhöhung der Gastemperatur versehen ist, um den Druck des von dem Kompressor komprimierten Gases zu verstärken.