JPH08965B2

JPH08965B2 - 溶射材料の供給方法

Info

Publication number: JPH08965B2
Application number: JP61032559A
Authority: JP
Inventors: 雄司成田; 隆夫鈴木; 篤盛水口; 征弘木谷
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1986-02-17
Publication date: 1996-01-10
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: JPS62192572A

Description

【発明の詳細な説明】利用産業分野この発明は、各種材料をコーティングするためのプラ
ズマ溶射装置に、溶射材料粉末を外部より供給する溶射
材料の供給方法の改良に係り、溶射量の増大、皮膜付着
率の向上、溶射皮膜の緻密性及び密着性の向上を図った
溶射材料の供給方法に関する。

背景技術溶射は、20世紀初頭に、低融点金属を溶融吹き付けし
た技術に端を発し、金属の溶射を主体に発達してきた。
近年では、プラズマを熱源として、高温材料の皮膜形成
が行なわれてきた。

プラズマ溶射の特徴として、次の点が上げられる。

10000゜K〜20000゜Kの高温のフレームを用いるため、
高融点のセラミックスや金属の溶射が可能である。

亜音速から超音速の高速度フレームを用いるため、
溶射材料粒子の飛行速度が高速で皮膜の密着強度が高
い。

溶射出力制御が容易かつ正確にできる。

ガス種類の選択によって雰囲気を設定できるため、
溶射に適した種々の雰囲気中で皮膜形成が可能である。

プラズマ溶射は、かかる特徴を生かし、耐食性，耐摩
耗性，耐熱性等の各種機能を付与できる皮膜を容易に形
成できるため、多方面に利用され、発達してきた。

プラズマ溶射のプラズマ溶射ガンは、高温になる電極
の水冷保持や外気の巻込み等の影響から、実際に溶射に
利用できる熱量と運動量の変換効率が低いという特徴も
ある。

従って、プラズマ溶射は、特に供給される粉末の溶射
材料の性状によって、溶融状態が変化し、被着後の皮膜
重量を供給溶射材料重量で除した付着率、あるいは皮膜
中に生成する気孔の発生量（以下気孔量という）が変動
し易く、また、皮膜の基材への密着強度も安定し難い問
題があった。

このため、従来は、ガス種の選定、溶射材料粉末粒度
の微細化、外気巻込みの軽減などの種々の技術が開発さ
れ、前記付着率や気孔量及び密着強度の改善が図られて
きた。

また、溶射材料粉末（以下粉体という）の供給方法
も、種々の方法が実施されている。

溶射材料の供給方法は、プラズマ溶射ガンのトーチ部
分と粉末供給管との位置関係により、内部供給方式と外
部供給方式に大別される。

内部供給方式は、第６図に示す如く、トーチ（11）の
ノズル（12）近くに粉体の供給管（14）が内蔵配置さ
れ、粉体をプラズマフレームの高温域に供給でき材料の
溶融が完全になるため、付着率と皮膜密着強度が向上す
るが、溶融粒子がノズル（12）内面に付着し易くなるた
め、供給量が制限される問題があり、また、トーチ電極
の冷却管と共に供給管を内蔵するため、ノズル構造が複
雑になる問題もある。

これに対して、外部供給方式は第５図に示す如く、ノ
ズル（12）の噴射口（13）近傍に供給管（14）を配置し
ているので、粉体の供給量を容易に増大させることがで
きるが、プラズマフレーム（８）の高温域に材料粉末が
到達できず（第５図の粉体軌跡10参照）、溶融が不完全
になり易く、付着率が低下するため、供給量に制約が生
じる問題がある。

また、粉体の搬送ガス量を増やすことも考えられる
が、電力調整とは異なり、粉体種や溶射条件に応じたガ
ス量の微調整は困難で、その応答性にも欠け、粉体がプ
ラズマフレーム（８）を突き抜け（第５図の粉体軌跡10
a参照）、外気の巻込みの増大からプラズマフレーム
（８）のゆらぎを生じる問題があった。

この外部供給方式で、プラズマフレームの高温域に粉
体を到達させるため、第７図に示す如く、粉体供給管
（14）をノズル（12）の噴射口（13）方向に傾斜させる
方法があるが、供給管（14）口を損傷し易い問題があっ
た。

発明の目的この発明は、かかる現状に鑑み、各種材料をコーティ
ングするためのプラズマ溶射装置に、粉体を外部より供
給する溶射材料の供給方法の改良を目的とし、溶射量の
増大、皮膜付着率の向上、溶射皮膜の緻密性及び密着性
の向上を図った溶射材料の供給方法を目的としている。

発明の構成と効果この発明は、溶射量の増大、皮膜付着率の向上、溶射
皮膜の緻密性及び密着性の向上を目的に種々検討した結
果、複数の粉体供給管をノズル中心軸に直交する同一平
面上に、中心軸に対して等角度配置することにより、初
期の目的を達成できることを知見したものである。

すなわち、この発明は、プラズマ溶射装置のプラズマ
フレームに、粉体からなる溶射材料を外部に配置した粉
体供給管にてガス搬送供給する溶射材料の供給方法にお
いて、プラズマジェットトーチの１つのプラズマフレー
ムに対し、２本以上,5本以下の粉体供給管を、該トーチ
のプラズマフレーム中心軸に直交する１平面上で、各供
給管軸をプラズマフレーム中心軸の１点で交差させ、か
つプラズマフレーム中心軸回りに等角度で配置し、各供
給管よりガス搬送した粉体をプラズマフレーム中心軸の
直交方向に噴射し、プラズマフレーム中で相互に衝突さ
せることを特徴とする溶射材料の供給方法である。

さらに詳述すれば、トーチ（１）の噴射口（３）から
でるプラズマフレーム（８）の中心軸（４）に、直交す
る１平面上の粉体供給管の配置は、例えば、２本の粉体
供給管（５）（６）は、第１図と第２図に示す如く、プ
ラズマフレーム（８）の中心軸（４）回りに、等角度の
180°、すなわち、該トーチ（１）のプラズマフレーム
中心軸（４）の０点で直交する１軸上に、供給管軸
（７）を一致させて対向配置し、３本の場合は、第３図
に示す如く、各供給管軸（７）をプラズマフレーム中心
軸（７）の１点（０）で交差させ、かつプラズマフレー
ム中心軸（４）回りに等角度の120°で配置し、４本,5
本の場合は、同様にそれぞれプラズマフレーム中心軸
（４）回りに等角度90°,72°間隔で配置するものであ
る。

上記の供給管配置を取り、各供給管よりガス搬送した
粉体をプラズマフレーム中心軸に直交方向に噴射し、プ
ラズマフレームに衝突させることにより、粉体のプラズ
マフレーム内での飛行距離が長く、充分に溶融し、皮膜
付着率の向上が得られ、溶射量が増大可能となり、さら
に溶射皮膜の緻密性及び密着性が向上する効果が得られ
る。

この発明において、供給管は、トーチのプラズマフレ
ーム中心軸に直交する１平面上で、各供給軸をプラズマ
フレーム中心軸の１点で交差させ、かつプラズマフレー
ム中心軸回りに等角度で配置することを特徴とする。従
って、第４図に示す所謂グレデット溶射の際に行なわれ
る供給管配置の如く、２本の供給管（５）（６）を用い
ても、両供給管（５）（６）間隔がプラズマフレーム中
心軸（４）回りに不等角度、すなわち対向配置でない
と、後述の実施例で明らかなように、種々粉体や用途の
溶射における上記のこの発明の効果が得られない。この
場合、ある軸（例えば鉛直軸）に等角度（180°未満）
に配置され、粉体の受ける重力の影響を考慮したもの
で、この発明の趣旨とは異なる。

また、粉体供給管が５本を越えると、供給管の配置に
寸法上の制約が生じ、また、搬送ガスによる粉体の吐出
量に大きな脈動を生じて好ましくなく、付着率の向上効
果は得られるが、粉体表面のみが溶融するなどの溶融低
下を生じ、皮膜の緻密度の低下や密着性の低下を招来し
好ましくない。

発明の好ましい実施態様以下にこの発明による粉体の供給機構における好まし
い条件を説明する。

この発明において、２〜５本の複数の粉体供給管は、
各供給管軸がプラズマフレーム中心軸に直交し、かつ１
点で交差することが必要である。これは、各供給管よ
り、同一量の搬送ガスにて、同一重量の粉体を供給した
際に、各供給管からの粉体を、プラズマフレームの高温
域に効率よく衝突させるために不可欠な条件であり、ま
た、供給管軸とプラズマフレーム中心軸の交点は、ノズ
ルに近い程、高融点材料の溶射には有利となる。

さらに、プラズマフレーム中心軸に直交する１平面上
に配置された供給管は、プラズマフレーム中心軸回りに
等角度で配置されることにより、各供給管からの粉体が
プラズマフレームの高温域に効率よく供給され、かつ粉
体が均一に溶融する。

一般に、高速のプラズマフレームに粉体に確実に衝突
させるためには、搬送ガスの運動エネルギーを増大させ
る必要があるが、逆にプラズマフレームを冷却すること
にもなり、搬送ガス量の選定が良好な溶射を行なう上で
不可欠である。

この発明において、供給管１本当たりの搬送ガス量は
作動ガスに対して、体積比で７〜10の量比が好ましい。
該体積比が７未満では、粉体の搬送エネルギーが低下し
て送給困難となり易く、10を越えると粉体相互の衝突は
円滑に進むが、フレーム温度を低下させて溶融状態が悪
化するため好ましくない。また、高融点の酸化物系セラ
ミックス材料などを溶射する場合は、搬送ガス量を多く
し、低融点で化学変化し易い金属などを溶射する場合
は、搬送ガス量を少なくするなど、粉体種類と所要用途
の溶射条件に応じて、適宜選定する必要がある。

この発明において、異なる供給管からの粉体のプラズ
マフレーム（８）中の衝突（第１図の粉体軌跡10参照）
は、実際には、プラズマが高速のために、第１図に示す
如く、中心軸（４）と供給管軸（７）との交点（０）よ
り、基材（９）側へずれた点（０′）で起るが、前記の
搬送ガス量を維持することにより、該（０′）点を、プ
ラズマフレームの10000゜K以上の領域内に設定できるた
め、粉体の高温域での溶融が可能で良好な溶射ができ
る。

また、この発明において、複数本の粉体供給管の使用
に伴なうプラズマフレーム温度の低下に対応するには、
作動ガスの混合比、溶射距離の適宜選定により達成でき
る。

例えば、作動ガスに、Ar-N₂,Ar-H₂プラズマジェット
を用い、混合ガス量比率を100/0〜70/30の範囲で作動さ
せる。このように、N₂またはH₂の２次ガス添加により、
プラズマフレームの熱量増加を図るとよい。

一般に、溶射距離は、基材に熱歪を与えたり、溶融さ
せない等の熱的影響を考慮して、50mm〜200mmの範囲に
設定している。この発明方法における溶射距離は、同一
の作動条件及び粉末における従来の設定溶射距離ｌに対
して、0.75l〜0.90lに設定するのが好ましい。すなわ
ち、上記混合ガス量比を変換するものの、粉体量と搬送
ガス量が増加するので、距離設定は短くなる。

このように、この発明において、溶射量を増大させる
ためには、熱源のプラズマジェットを高熱化し、溶融し
た粉体の保熱のために溶射距離を短縮してプラズマの幅
射熱を利用するなどの諸条件を勘案して、作動条件を適
宜選定するとよい。

この発明による粉体の供給方法において、以上の諸条
件を満足するよう適宜選定することにより、粉体量と搬
送ガス量の増加、すなわち冷材増加の欠点を補うが、特
に、複数の供給管より均一にかつ確実に供給された粉体
は、プラズマフレーム中心軸上で衝突して受熱，溶融，
飛行するが、この時、衝突後に放射状に発散しようとす
る粉体は、プラズマフレームで基材方向に押し返される
ため、飛行距離が長くなり受熱時間が長くなるので、全
体の溶融効率が向上し、皮膜付着率が向上する。また、
溶融が十分かつ良好なため、さらに緻密度が向上し、基
材への密着度も向上する。従って、良好な皮膜形成を維
持しながら、粉体の供給量を増し、溶射量を大きく増大
させることができる。

実施例実施例１シャモット煉瓦（耐火度;SK-32、見掛気孔率25.0％）
の焼成面を溶射基材面とし、Al₂O₃ 90％，残部TiO₂及び
SiO₂からなる粉体を、Ar-N₂プラズマジェットを用い、
第１図に示した２本の供給管を使用したこの発明による
粉体供給方法にて、第１表に示す条件で溶射し、高さ7.
5mm,長さ100mmのビート状の溶射施工体を作製した。

得られた各施工体の付着重量を測定し、また、ポロシ
メータにて、施工体の気孔量を測定した。測定結果は実
施条件と共に第１表に示す。

また、比較のため、第５図に示す１本の供給管を用い
る従来の供給方法による溶射（従来例11）と、第４図に
示す、２本の供給管を近接側間隔角度120°に設定した
従来のグレテッド溶射と同配置の溶射（従来例12）を、
第１表に示す作動条件で実施し、得られた各施工体の付
着重量を測定し、また、ポロシメータにて、施工体の気
孔量を測定した。測定結果は実施条件と共に第１表に示
す。なお、付着重量と気孔量は、従来の供給管１本によ
る溶射の施工体の場合を100とした指数で表示した。搬
送ガス量（V/本）と作動電流は一定とした。

第１表から明らかなように、この発明による粉体の供
給方法で溶射すると、従来方法に比べて付着量が20％以
上向上し、気孔量も大幅に抑制できた。また、従来の２
本の供給管を用いる溶射では、付着率に若干の向上が見
られるが、溶射施工体は多孔質化して実用に供し得ない
状態であった。

実施例２ ♯60アルミナグリットにてブラスト処理した普通鋼
（SS-41）の表面を溶射基材面とし、Ni-9Cr-6Al合金粉
体を、Ar-H₂プラズマにて、第２表に示す条件で溶射
し、50mm×100mmの基材面に厚み0.5mmの皮膜を形成し
た。また、出力電流を一定とした。

得られた各施工体の付着重量を測定し、また、付着強
度測定し、その後、ポロシメータにて、施工体の気孔量
を測定した。

付着強度は、断面が２cm²のボトル（SS-41製）をエポ
キシ樹脂で皮膜上に固定し、トルクレンチでねじり強さ
を測定した時のトルクでもって評価し、気孔量は、付着
強度測定後のボルトを300℃にて熱処理して樹脂を焼却
して回収された皮膜について測定した。

また、比較のため、供給管を６本用いた粉体供給方法
による溶射（比較例15）と、第５図に示す１本の供給管
を用いる従来の供給方法による溶射（従来例13,14）
を、第２表に示す作動条件で実施し、得られた各施工体
の付着重量を測定し、また、前記付着強度及び施工体の
気孔量を測定した。なお、付着重量と気孔量は、従来の
供給管１本による溶射の施工体の場合を100とした指数
で表示し、粉体の送給量（g/min）との関係として第８
図と第９図に示す。

第２表及び第８図と第９図の結果から明らかなよう
に、この発明による供給方法の溶射は、付着量が著しく
増大しており、また、粉体の供給を２倍にしても従来の
気孔量と同等以下に気孔の発生を抑制でき、さらには、
皮膜の密着性が大きく向上し、きわめて良好な溶射が可
能なことがわかる。

実施例３電気炉で予熱した珪石煉瓦を基材とし、SiO₂80wt％‐
Al₂O₃ 15wt％のSiO₂‐Al₂O₃系耐火骨材を、水冷箱に密
封したプラズマガンにより熱間にて、作動出力一定のAr
-N₂プラズマで第３表に示す条件で溶射を実施した。

基材形状は、230mm×114mm×65mm寸法で、幅20mm×深
さ10mmの三角形溝を設けてあり、該溝部に肉盛する如く
溶射を行なった。

炉冷したのち、得られた各施工体の付着重量を測定
し、また、ポロシメータにて、施工体の気孔量を測定し
た。測定結果は実施条件と共に第３表に示す。

また、比較のため、第５図に示す１本の供給管を用い
る従来の供給方法による常温時（従来例16）と熱間時
（従来例17）の溶射と、２本の供給管を用いる方法によ
る常温時の溶射（比較例18）を、第３表に示す作動条件
で実施し、得られた各施工体の付着重量を測定し、ま
た、ポロシメータにて、施工体の気孔量を測定した。測
定結果は実施条件と共に第３表に示す。この結果、付着
率が向上し、さらに熱間施工によっても気孔量が軽減で
きることを見出した。

なお、測定した付着重量は、単位時間当たりの付着重
量と送給量との重量比である付着率で評価し、気孔量
は、従来の供給管１本による溶射の施工体の場合を100
とした指数で表示した。

第３表から明らかなように、この発明による粉体の供
給方法で溶射すると、従来方法に比べて付着率が10〜15
％程度向上し、気孔量も約10％程度抑制でき、性状のす
ぐれた皮膜を効率よく溶射形成できることが明らかであ
る。従って、粉体供給量を２倍にして、施工効率を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明による供給方法を示すトーチの縦断正面説
明図である。第２図と第３図はこの発明による供給管配
置を示すトーチノズル部の説明図である。第４図は従来
の供給管配置を示すトーチの側面説明図である。第５図
から第７図は、従来の供給方法を示すトーチの縦断正面
説明図である。第８図は粉体の送給量と付着量比との関
係を示すグラフであり、第９図は送給量と気孔量比との
関係を示すグラフである。１……トーチ、１……ノズル、３……噴射口、４……プ
ラズマフレーム中心軸、5,6……供給管、７……供給管
軸、８……プラズマフレーム、９……基材、10,10a……
粉体軌跡。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木谷征弘大阪府大阪市東区北浜５丁目15番地住友金属工業株式会社内 (56)参考文献特開昭55−111874（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ溶射装置のプラズマフレームに、
粉体からなる溶射材料を外部に配置した粉体供給管にて
ガス搬送供給する溶射材料の供給方法において、プラズ
マジェットトーチの１つのプラズマフレームに対し、２
本以上、５本以下の粉体供給管を、該トーチのプラズマ
フレーム中心軸に直交する１平面上で、各供給管の中心
軸がプラズマフレーム中心軸の１点で交差しかつプラズ
マフレーム中心軸回りに等角度となるように配置し、各
供給管よりガス搬送した粉体をプラズマフレーム中心軸
の直交方向に噴射し、プラズマフレーム中で相互に衝突
させることを特徴とする溶射材料の供給方法。