JPH05320856A - プラズマ溶射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高性能の皮膜を簡単に作製する。 【構成】 プラズマジェットＪをガス炎Ｂでシールドし
て、プラズマジェットＪの高温部を広げる。ガス炎Ｂを
途中で整流翼９により外方へ偏向させて、母材５にガス
炎Ｂが当たるのを防ぐ。溶射母材５の予熱および冷却を
不要にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマジェットを熱
源として、部材表面に皮膜を形成するプラズマ溶接方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】製鉄設備等の部材表面に耐熱性・耐磨耗
性を付与することを目的として、その表面に皮膜を作製
することが行われている。その皮膜作製手段として溶射
法があり、溶射法の中でも、プラズマ溶射法は熱源に熱
プラズマを用いるので、セラミックス等の高融点材料を
使用できる利点を有する。その原理は、プラズマジェッ
ト中に溶射粉末を送給し、プラズマの熱で溶射粉末を溶
融すると共に、プラズマの圧力で粉末を加速して、ノズ
ルより母材に向けて噴射するというものである。加速・
加熱された粒子は母材表面に堆積し、皮膜を形成する。

【０００３】プラズマ溶射で解決しなければならない問
題は少なくないが、なかでも、プラズマジェットのシー
ルドは重要である。このシールドについて、本発明者ら
は、プラズマジェットの周囲をガス炎で包囲する方法を
先に提案した（特開平２−２１７４５７号公報）。この
方法によると、プラズマジェットをシールドすることに
より、大気の巻き込みを防止でき、巻き込みによるプラ
ズマジェットの速度の温度の減衰を抑制できる。シール
ドガスに焼燃炎を用いることによりこの効果をより期待
することができ、プラズマジェットの高速部・高温部が
拡大し、溶射粉末の加速・加熱状態が改善されて皮膜特
性を向上させる利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、この方
法を開発して以来、様々な皮膜形成に使用してきたが、
その過程で、以下に述べるような改良すべき点のあるこ
とも分かった。

【０００５】１つは、母材が過熱状態となることであ
る。これは、シールドに用いているガス炎がプラズマジ
ェットと比較して温度場の減衰が少なく、母材に熱を与
えるために生じる。このため、良好な溶射皮膜を得るに
はなんらかの母材冷却が必要である。２つ目は、初期母
材温度が１５℃程度より低いと、母材と皮膜の界面に水
分を多く含み、皮膜作製後の経時劣化が生じる。これ
は、ガス炎の燃焼により生じる水蒸気が母材表面におい
て結露し、溶射粒子の堆積によりその水分が閉じ込めら
れるために起り、皮膜作製後、時を経るとともに酸化が
進行し、皮膜特性の劣化を引き起こす。このため、溶射
開始前の母材予熱が必要である。

【０００６】このように、プラズマジェットをガス炎で
シールドするプラズマ溶射法においては、母材予熱を行
った後、皮膜作製を開始し、母材が過熱状態とならぬよ
う冷却を行いながら溶射を行うことが、良好な皮膜を得
るために必要であり、作業性が良くない。また、予熱・
冷却に付随して温度管理を行う必要があり、作業性を一
層低下させる。

【０００７】本発明の目的は、ガス炎によるプラズマシ
ールドの利点を損なうことなく、母材の予熱・冷却を不
要にして作業性の改善を図るプラズマ溶射方法を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため、溶射母材をガス炎からシールドする方
法について検討した。その結果、ガス炎の火口に近い炎
上流部で、そのガス炎によりプラズマジェットを包囲し
ておけば、炎下流部では、そのガス炎を外方へ拡散させ
ても、プラズマジェットの高温部を拡大させる効果が殆
ど減少しないこと、また、プラズマジェットに対するシ
ールド性の低下も殆ど見られないことがわかった。

【０００９】本発明は上記知見に基づきなされたもの
で、溶射粒子を含むプラズマジェットの周囲にそのジェ
ットに沿ってガス炎を噴出すると共に、ガス炎の噴出経
路途中に設けた整流翼により、ガス炎を途中から外方へ
偏向させることを特徴とするプラズマ溶射方法を要旨と
する。

【００１０】

【作用】図１は本発明の一実施態様を模式的に示す立面
図である。

【００１１】プラズマトーチ１の内部にプラズマガスＧ
が供給され、トーチ内の電極２とトーチ先端のノズル３
との間に生じるアークにより、このプラズマガスＧがプ
ラズマ化されて、ノズル３の出口から下方へプラズマジ
ェットＪが噴出される。プラズマジェットＪには、粉末
供給管４を通じて溶射粉末Ｐが供給される。溶射粉末Ｐ
はプラズマジェットＪにより加速・加熱され、下方の溶
射母材５に吹き付けられて、その表面に皮膜６を形成す
る。

【００１２】プラズマトーチ１の先端には、環状のガス
バーナ７が、同心状に取り付けられている。ガスバーナ
７は、ノズル３の周囲に周方向に等間隔で並んだ複数の
火口８を有する。そして、ガスバーナ７に燃料Ｆが供給
され、プラズマジェットＪの周囲をシールドするべく、
各火口８から下方へガス炎Ｂが噴出される。

【００１３】ガスバーナ７の下方には、筒状の整流翼９
がプラズマトーチ１に対し同心状に設けられている。整
流翼９は、下方へ向かって外方へ広がるテーパー筒体で
あり、その内側をプラズマジェットＪおよび加速・加熱
された粉末が通過し、外周面にガス炎Ｂが衝突するよう
になっている。ガスバーナ７と整流翼９との間には、充
分な間隙が確保されている。

【００１４】ガスバーナ７の各火口８から噴出されたガ
ス炎Ｂは、プラズマトーチ１のノズル３から噴出された
プラズマジェットＪの上流部周囲をシールドし、その高
温部を拡大する。その後、整流翼９の外周面に衝突して
外方へ偏向される。これにより、母材５にガス炎Ｂが振
り掛かるのが避けられる。

【００１５】整流翼９の構造は、ガス炎Ｂが溶射母材５
に当たるのを防止できればよく、特にその構造を限定す
るものではないが、次のような条件は満足させる必要が
ある。プラズマジェットＪおよびガス炎Ｂの熱により損
傷しないこと。このためには、整流翼９を冷却するのが
良い。整流翼９が溶射粉末Ｐの飛行経路を妨げないこ
と。プラズマトーチ１と共に移動するので、可能な限り
軽量であること。

【００１６】整流翼９の設置位置については、ガス炎Ｂ
が溶射母材５に当たるのを防止できること、溶射粉末Ｐ
の飛行経路を妨げないことに加えて、プラズマトーチ１
のノズル３に近づけすぎないことが必要である。整流翼
９をプラズマトーチ１に近づけすぎると、プラズマジェ
ットＪにガス炎Ｂが充分に重畳せず、プラズマジェット
Ｊの高温部を拡大する効果が減少する。

【００１７】このような条件を考慮した整流翼９の望ま
しい寸法および設置位置は、次のとおりである。なお、
整流翼９は図１に示したテーパー筒体と仮定する。

【００１８】ガスバーナ７における火口８の配列円直径
Ｄは２５〜４０ｍｍが望ましい。Ｄが小さすぎればシー
ルド効果はなく、一体の熱源となり、大きすぎればガス
炎の影響がプラズマに影響を与えなくなる。整流翼９の
入口径ｄは、火口８の配列円直径Ｄよりも小さくし、ま
た、上記条件を満たすため、２０〜３５ｍｍが望まし
い。中心軸に対する傾斜角θは３０〜４５°が望まし
い。これは粉末の飛行経路の広がり角よりも大きくする
ためである。これより角度を大きくしすぎると整流翼９
通過後のガス炎の流れがスムーズとならず、ひいてはガ
ス炎Ｂの流れにも悪影響を及ぼすのである。プラズマト
ーチ１のノズル出口から整流翼９までの距離Ｌは２０〜
４０ｍｍが望ましい。整流翼９をノズル出口に近づけす
ぎると耐熱性に問題があり、遠ざけすぎると、溶射トー
チ１と母材５の距離は１００〜１４０ｍｍ程度で一定な
ので、設置スペースの確保が困難となる。整流翼９の高
さｈは５０〜８０ｍｍが望ましい。低すぎると整流効果
が不充分となり、高すぎると設置スペースの点で困難が
生じる。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。

【００２０】使用した整流翼を図２に示す。整流翼９
は、テーパー筒体であり、支持部を兼ねる冷却水管１０
により内部に冷却水を流通させた。整流翼９の材質およ
び寸法を表１に示す。設置位置は、プラズマトーチ１の
ノズル３の中心軸上とし、ノズル３の出口からの距離を
４０ｍｍとした。プラズマ溶射の基本条件および評価法
を表２に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】図３は整流翼を用いないガス炎シールド溶
射による皮膜作製結果で、皮膜作製から５時間後と７２
時間後の接合強度試験結果を、初期母材温度との関係で
示している。初期母材温度が１５℃以下であると皮膜強
度の経時劣化がみられる。このことは、１５℃以下の温
度の母材を用いる場合、母材の予熱が必要なことを示し
ている。冬季等の低温時には問題となる。

【００２４】図４は整流翼を６いないガス炎シールド溶
射による皮膜作製結果で、母材冷却の加減により皮膜作
製終了時の母材温度を制御したものである。初期母材温
度は２０℃とした。皮膜作製終了時に母材温度が２００
℃となるようにすれば皮膜強度は最大となる。よって試
験片が小さく過熱状態となる場合は、母材冷却が必要と
なる。本検討の条件における皮膜製作終了後の母材温度
は、冷却なしで４５０℃になり、母材過熱の状態となっ
ていた。

【００２５】図５は本発明を７む種々の溶射条件で作製
した皮膜の、皮膜作製から５時間後と７２時間後の接合
強度試験結果を示したものである。詳細な条件を表３に
示す。Ａ，Ｂの皮膜はガス炎も整流翼も使用しない通常
のプラズマ溶射で作製された皮膜、Ｃ〜Ｆは整流翼を使
用しないガス炎シールド溶射で作製された皮膜、Ｇ，Ｈ
は本発明の整流翼を使用したガス炎シールド溶射で作製
された皮膜である。

【００２６】ガス炎シールド溶射により作製された皮膜
は、５時間後における接合強度試験においては、通常の
プラズマ溶射により作製されたものよりも皮膜の接合強
度が一様に高い。ただし、母材初期温度が低く母材皮膜
の界面に水分を含むＣ，Ｄの皮膜は経時劣化がある。接
合強度を高いまま保ち続けているのは、整流翼を用いて
作製した皮膜Ｇ，Ｈの他には、母材初期温度が２０℃の
場合のＥ，Ｆの皮膜しかない。しかし、Ｅ，Ｆの皮膜
も、溶射中に母材冷却を行っても整流翼を用いて作製し
た皮膜には及ばない。また、整流翼を用いた溶射法で
は、初期母材温度が５℃でもガス炎が母材にふりかかる
のを防いでいるため、母材と皮膜の界面に結露は生じ
ず、皮膜特性に経時劣化はみられず、良好な皮膜作製が
行える。また、皮膜作製終了時に皮膜表面温度がほぼ２
００℃となっており、高強度の皮膜作製可能な条件とな
っている。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のプラズマ溶射方法は、プラズマジェットをガス炎でシ
ールドすることにより、溶射粉末の溶融に有効な高温部
を拡大し、緻密な溶射皮膜の形成を可能にする。しか
も、ここで問題となる皮膜の過熱および母材温度が低い
場合の溶射面での結露を、母材の冷却・予熱なしに防
ぎ、また、ガス炎によるシールドの溶射に悪影響を与え
ない。従って、高性能の皮膜を容易に作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様を模式的に示す立面図であ
る。

【図２】本発明の実施例に使用した整流翼の立面図およ
び底面図である。

【図３】ガス炎シールド溶射において整流翼を使用しな
い場合の初期母材温度と接合強度との関係を示す図表で
ある。

【図４】ガス炎シールド溶射において整流翼を使用しな
い場合の溶射終了時の皮膜表面温度と接合強度との関係
を示す図表である。

【図５】本発明を含む種々の溶射条件で皮膜を作製した
場合の、皮膜作製から５時間後および７２時間後の皮膜
接合強度を示す図表である。

【符号の説明】

１ プラズマトーチ ３ ノズル ５ 溶射母材 ６ 皮膜 ７ ガスバーナ ８ 火口 ９ 整流翼 Ｊ プラズマジェット Ｂ ガス炎

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶射粒子を含むプラズマジェットの周囲
   にそのジェットに沿ってガス炎を噴出すると共に、ガス
   炎の噴出経路途中に設けた整流翼により、ガス炎を途中
   から外方へ偏向させることを特徴とするプラズマ溶射方
   法。