JPH05339699A

JPH05339699A - プラズマ溶射方法

Info

Publication number: JPH05339699A
Application number: JP4147625A
Authority: JP
Inventors: Akira Fumiya; 明文屋; Kazuya Yakushinji; 和八薬真寺; Shinji Fukami; 慎二深見
Original assignee: Onoda Cement Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1992-06-08
Filing date: 1992-06-08
Publication date: 1993-12-21

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマトーチから噴出するプラズマフレー
ム中に混在する溶射材料の液滴の温度を高温化すると共
にその流速を高速化して緻密な溶射膜を形成する。【構成】複トーチ型プラズマ溶射装置の陰極と陽極間
に発生するアークに二酸化炭素を供給してプラズマフレ
ームを形成し、該プラズマフレームに粉末状の溶射材料
を供給して、そのプラズマフレームと共に流動し、その
間に溶融して高温化すると共に高速化して溶射母材に衝
突させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は一般の機械器具の表面
に、金属又はセラミック等の溶射膜を緻密に形成するた
めのプラズマ溶射方法の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ溶射方法はプラズマトー
チの陰極と陽極との間に直流高電圧を印加して、その間
にアークを形成し、該陰極の周囲からプラズマトーチの
出口に向かって噴出するアルゴン等のプラズマガスで前
記アークを合流して、そこにプラズマフレームを形成
し、該プラズマフレーム中にタングステン等の粉末状溶
射材を供給し、これをプラズマフレームの流れに乗って
移動する間に、プラズマガスの高熱によって溶融して液
滴状態にし、この液滴を前記一般機械器具等の溶射母材
の表面に衝突させて、そこに溶射膜を形成する方法であ
る。

【０００３】この溶射方法はプラズマトーチの電極を保
護することと、入手が容易であること等を考慮して上述
のようなプラズマガスとしてアルゴンガスを用いるが、
このガスの特性上、その質量と熱伝導率が定っているの
で、前述のアルゴンガスによるプラズマフレームにおけ
る流速と質量の相乗積である運動量、及びプラズマフレ
ームにおけるプラズマのもつ高熱を溶射材料に伝導する
際の熱量にはおのずから限度がある。

【０００４】従って、プラズマフレームによって運ばれ
る溶射材料が母材に衝突する際の速度及び液滴の温度も
夫々アルゴンガスの性質によって定まり、母材の表面に
液滴の堆積によって形成される溶射膜の緻密度を一定限
度以上向上することは困難である。

【０００５】プラズマガスとして炭酸ガスを用いると、
それらの性質上プラズマフレームの高速化と高温化を期
待できるが、酸化を早めたりして電極を傷め易いので、
長期間使用することができない。

【０００６】また窒素を用いると、上述の理由で電極を
傷めることは少ないが、そのガスの特性上１気圧におけ
る比重が０．９６７であり、１０００°Ｃにおける熱伝
導率が７．４であるので、前記アルゴンガスのそれらが
夫々１．３８０、５．０であることと比較すると前記溶
射膜の緻密度をアルゴンを用いた場合よりそれ程向上す
ることは無理である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的はプラ
ズマトーチを用いた従来の溶射方法によって得られる母
材表面の溶射膜の内部構造を今までのそれより緻密にす
るための溶射方法を得ることである。

【０００８】他の目的はアークを伸長させることで、高
電圧低電流とし、電極が損耗することを防止して、長期
間の使用に耐えられるようにすることである。

【０００９】また他の目的はプラズマトーチから母材に
向かって噴出するプラズマフレームの運動量を増加して
溶射材料の液滴の流速を高速化することと、プラズマの
もっている熱量を粉末状の溶射材料に高い熱伝導率で伝
導して高温にすることを両立することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の溶射方法は主
プラズマトーチの陰極の周囲からその出口を経て保護ガ
スを噴出し、該陰極と副プラズマトーチの陽極間にアー
クを発生し、該アークにおける陰極側寄りに炭酸ガスと
粉末状の溶射材料を供給することである。

【００１１】

【作用】主プラズマトーチの陰極の周囲から出口に向っ
て噴出する保護ガスによって、その陰極を保護し、該プ
ラズマトーチの陰極と副プラズマトーチの陽極間に高圧
直流電源を接続してその間にアークを発生する。

【００１２】該アークにおける陰極側寄りに比較的比重
の大きな二酸化炭素を供給して、高速で流れるプラズマ
フレームを形成し、そのプラズマフレーム中に粉末状溶
射材料を供給して、高速に流動し、その流動する間にプ
ラズマの熱で粉末状溶射材料を溶解して、無数の液滴状
にする。

【００１３】斯様にして形成された高速の液滴を液射母
材の表面に高速で衝突させて堆積し、そこに緻密な内部
構造の溶射膜の層を形成する。

【００１４】

【実施例】この発明の実施例を図１及び図２によって説
明すると、複合型プラズマトーチの主トーチ１と副トー
チ２の間にヘアピン状アーク１７を形成し、該主トーチ
１にプラズマガスとして二酸化炭素を供給してプラズマ
フレーム２１を形成し、そのプラズマフレーム２１中に
供給された溶射材料２０を液滴化すると共に高速化して
溶射母材に衝突して皮膜２４を形成する溶射方法であ
る。

【００１５】前記複合プラズマ装置の主トーチ１は主陰
極３を放出口４ａを形成せる主外套４と絶縁物２７で主
空間４ｂを隔てて同心的に包囲し、その主外套４に主プ
ラズマガス送入口５を図２に示すように主陰極３の周囲
に対して切線方向に形成し、ここから主空間４ｂに一次
プラズマガス６としてアルゴンガスを供給し、該主外套
４の外側を狭穿口３１ａを形成せる主第二外套３１と絶
縁物２９で主第２空間３１ｂを隔てて同心的に包囲し、
その主第二外套３１に主第二プラズマガス送入口３２を
主外套４の周囲に対して切線方向に形成し、ここから第
二主空間３１ｂ内に二次プラズマガスとして二酸化炭素
ガス３３を供給する。

【００１６】また副トーチ２は副トーチ起動電極９を囲
み、かつ放出口１０ａを有する副第一外套１０が、副ト
ーチ起動電極９と同心をなすように絶縁物２８によって
取り付けられており、更に副プラズマガス１２としてア
ルゴンガスが副ガス送入口１１から送入されるようにな
っている。

【００１７】又、副第二外套３６は絶縁物３０によって
副外套１０と同心をなすように取り付けられており、副
第二プラズマガス送入口３７を通って副二次プラズマガ
ス３８としてアルゴンガスが送入される。

【００１８】主電源７はその負端子が前記主陰極３に接
続されており、正端子にはそれぞれスイッチ手段８、３
４を介して、主外套４及び主第二外套３１に接続されて
いる。

【００１９】副電源１３はその正端子が主電源７の正端
子及び副トーチ２の副外套１０に接続されており、副電
源１３の負端子はスイッチ手段１４を介して副トーチ起
動電極９に接続されている。

【００２０】図１及び２に示した各トーチの起動は次に
示すような順序で行われる。すなわち、スイッチ８を閉
じて主電源７により、主陰極３と主外套４の放出口４ａ
の間に主起動アーク１５をまず形成させ、これによって
一次プラズマガス６としてのアルゴンガスが加熱され
て、主外套４の放出口４ａから放出される導電性のプラ
ズマが主第二外套３１の狭窄口３１ａを通って、主トー
チ１から放出される。

【００２１】この時、スイッチ手段３４を閉じ、次いで
スイッチ手段８を開くと、既に形成されているプラズマ
を介して主起動アーク１５が消去されると同時に主陰極
３の先端から放出されるアークは、主第二外套起動アー
ク３５を形成し、これによって、一次プラズマ６として
供給されるアルゴンガスと、二次プラズマガス３３とし
て供給される二酸化炭素ガスが加熱されて、その二酸化
炭素ガスの特性上密度と、熱伝導率が共に大きいプラズ
マ炎２３となり、これが主トーチ１の外部に放出され
る。

【００２２】次にスイッチ手段１４を閉じて、副電源１
３によって副外套１０と副トーチ起動電極９との間に副
起動アーク１６を形成させると、副プラズマガス１２が
このアークによって加熱され副外套１０の放出口１０ａ
よりの導電性プラズマが形成され、これは更に副第二外
套３６の先端の狭窄口３６ａを通って導電性プラズマが
副トーチ２の外部に放出される。

【００２３】これらのプロセスが終了すると、主トーチ
１と副トーチ２とは、その中心軸が交叉するように設置
されているので、それぞれから放出される導電性のプラ
ズマが導電路を形成し、この段階において、スイッチ３
４及び１４を開くと、主電源７によって主陰極３の先端
から副外套１０の放出口１０ａの外面に向かって定常ヘ
アピンアーク１７が形成され、この時主トーチ１に送入
されるガスの量と、副トーチ２に送入されるガスの量を
各々調整することによって、図１に示された如く、主ト
ーチ１の中心軸とほぼ同心をなすプラズマ炎２３が形成
される。

【００２４】材料送入管１９よりプラズマ炎２３に向か
って送入された皮膜材料２０は、高温で高いエンタルピ
ーを持つプラズマ１８によって直ちに高温に加熱されて
溶融し、溶融皮膜材料の液滴２１に示した如く前述のよ
うに密度と熱伝導率の大きなプラズマ炎２３に同伴され
ながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行す
る。そしてこの間に、該液滴は大きな密度のプラズマガ
スによって高速化され、かつ大なる熱伝導率によって高
温化される。このようにして溶融皮膜材料の液滴２１を
含むプラズマ炎２３は、フレーム外套２６に形成され、
かつ、母材２５の直前に設けられたプラズマ分離手段２
２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に
溶融した高温の皮膜材料の液滴２１は母材に高速で衝突
し、皮膜２４を緻密に形成する。

【００２５】以上図１及び図２に示す複合型プラズマト
ーチを用いる場合のプラズマ溶射方法を説明したが、本
発明はそれに限定されるものでなく、図３及び図４に示
す複合型プラズマトーチを用いて実施することも可能で
ある。

【００２６】図３のものは、主陰極３の中心軸上に同
心、同径の主ガス送入口５を設けた絶縁物２７、放出口
４ａを有する主外套４、主第二ガス送入口３２を設けた
絶縁物２９、そして狭窄口３１ａを有する主第二外套３
１によって主トーチ１が構成されている。

【００２７】この時、図４に示されるように主ガス送入
口５或は主第二ガス送入口３２より主プラズマガス６或
は主第二ガス３３がまずガス環状室４８へ送入され、一
個の旋回流形成孔４９或は等分に配置された複数個の旋
回流形成孔４９を通って、絶縁物２７或は絶縁物２９の
内壁５０を旋回するように矢印５１の如く送入される。

【００２８】次に主トーチ１の中心軸と交叉するように
配置された副トーチ起動電極９は、同心をなすように順
に絶縁物２８、放出口１０ａを有する副第一外套１０、
絶縁物３０そして副第二外套３６によって取り付けられ
ており、更に主トーチ１の絶縁物２７或は絶縁物２９と
同様の図４の旋回流ガス形成手段４７を有する絶縁物２
８に設けられた副ガス送入口１１から副ガス１２が送入
され、絶縁物３０に設けられた副第二ガス送入口３７を
通って副第二ガス３８が送入されるようになっている。

【００２９】ここに、主電源７はその負端子が主陰極３
に接続されており、正端子にはそれぞれスイッチ手段
８、３４を介して、主外套４及び主第二外套３１に接続
されており、これらが全体として主トーチ１を構成して
いる。

【００３０】副電源１３はその正端子が主電源７の正端
子及び副トーチ２の副外套１０に接続されており、副電
源１３の負端子はスイッチ手段１４を介して副トーチ起
動電極９に接続され、これらが全体として副トーチ２を
形成している。

【００３１】図３に示した各トーチの起動は次に示すよ
うな順序で行われる。すなわち、スイッチ８を閉じて主
電源７により、主陰極３と主外套４の放出口４ａの間に
主起動アーク１５をまず形成させ、これによって主プラ
ズマガス６が加熱されて、主外套４の放出口４ａから導
電性のプラズマが主第二外套３１の狭窄口３１ａを通っ
て、主トーチ１から放出される。

【００３２】この時、スイッチ手段３４を閉じ、次いで
スイッチ手段８を開くと、既に形成されている前記プラ
ズマ１８を介して主起動アーク１５が消去されると同時
に主陰極３の先端から放出されるアークは、主第二外套
起動アーク３５を形成し、これによって、主プラズマガ
ス６と主第二ガス３３が加熱されて、プラズマ炎２３が
主トーチ１の外部に放出される。

【００３３】次にスイッチ手段１４を閉じて、副電源１
３によって副外套１０と副トーチ起動電極９との間に副
起動アーク１６を形成させると、副ガス１２がこのアー
クによって加熱され、副外套１０の放出口１０ａよりの
導電性プラズマ１８ａが形成され、これは更に副第二外
套３６の先端の狭窄口３６ａを通って前記導電性プラズ
マ１８ａが副トーチ２の外部に放出される。

【００３４】これらのプロセスが終了すると、主トーチ
１と副トーチ２とは、前述のとおりその中心軸が交叉す
るように設置されているので、それぞれから放出される
導電性のプラズマ１８、１８ａが導電路を形成する。

【００３５】この段階において、スイッチ３４及び１４
を開くと、主電源７によって主陰極３の先端から副外套
１０の放出口１０ａの外面に向かって定常ヘアピンアー
ク１７が形成される。

【００３６】この時主トーチ１に送入されるガスの量
と、副トーチ２に送入されるガスの量を各々調整するこ
とによって、図３に示された如く、主トーチ１の中心軸
とほぼ同心をなすプラズマ炎２３が形成される。

【００３７】この時、図１に示されるように副トーチ２
の副トーチ起動電極９の先端を副第１外套１０の放出口
１０ａの手前に位置させ、陽極点が放出口１０ａの内壁
であったものを、副トーチ起動電極９の先端を副第一外
套１０の放出口１０ａの出口面上近傍に位置することに
より、副起動アーク１６の陽極点を副第一外套１０の放
出口１０ａの出口面上に形成させ、副起動アーク１６を
副トーチ２の出口より図１のものと比較して伸長させ、
容易に定常ヘアピンアーク１７を形成させることができ
る。

【００３８】また、副トーチ２のアーク１８ａの周りに
強い旋回流を形成するようにガスを供給する手段を設け
ることにより、アーク１８ａをトーチ２の軸心位置に維
持するとともに同心に旋回環状ガスシースを形成させ、
副トーチ２の副外套１０の放出口１０ａ及び副第二外套
３６の狭窄口３６ａの内壁に及ぼす熱負荷は均一に軽減
され、アーク１８ａにより、局所的に損傷されることが
なく、保守、点検無しに安定した運転ができる。

【００３９】図３の材料送入管１９よりプラズマ炎２３
に向かって送入された皮膜材料２０は、高温で高いエン
タルピーを持つプラズマ１８によって直ちに高温に加熱
されて溶融し、溶融皮膜材料２１に示した如くプラズマ
炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５
に向かって進行する。

【００４０】この溶融皮膜材料２１を含むプラズマ炎２
３は、母材２５の直前に設けられたプラズマ分離手段２
２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に
溶融した皮膜材料２１は母材２５に衝突し、皮膜２４を
形成する。

【００４１】この時、アーク柱周りに強い旋回流を形成
するようにガスを供給する手段を設けることにより、ア
ーク柱をトーチの軸心位置に維持するとともに同心に旋
回環状ガスシースを形成させた結果、従来のプラズマ炎
２３を形成する複合トーチ型プラズマ溶射装置ではなし
得なかった乱流域で、プラズマ炎２３が高密度に絞ら
れ、伸長した安定な状態で溶射ができ、溶射溶材料はよ
く溶融し、高速度で母材２５に吹き付けられるので、高
品質な皮膜２４が高効率で得られる。

【００４２】図５に示すものは図３及び図４の実施例に
おいて、副トーチ２を主トーチ１の中心軸線上に複数個
等角度間隔をおいて放射状に設けたものであり、同図中
図３及び図４と同一符号で示す部分はその名称及び機能
についても同様である。

【００４３】上記図５に示す複合型プラズマ溶射装置を
用いて、その主第二ガス送入口３３から第二プラズマガ
スとしてＣＯ₂ を送入した場合の２つの実例を以下に示
す。

【００４４】第１例溶射粒子２１の加熱より充分な加速が求められるプラズ
マ溶射法の一例として、ＷＣ−１２％Ｃｏのような大気
下・高温域で材料が熱分解しやすい溶射材料２０につい
て、表１に示すような低エンタルピーの溶射条件で溶射
した。

【００４５】

【表１】

【００４６】また、材料性状として、プラズマ中で熱分
解しやすい一次粒子の微細な造粒粉を用いた。その結
果、プラズマガス３３にＣＯ₂ を用いたものは、従来の
窒素を用いたものに比べて、表２に示すように皮膜２４
の硬度は、大幅に向上し、そして耐摩耗性についても図
６に示すＪＩＳ−Ｈ−８６１５に応じたアプレッシブ摩
耗試験結果から、極めて良好であった。

【００４７】

【表２】

【００４８】このようにＣＯ₂ プラズマ溶射により、高
品質な皮膜特性が得られたのは、溶射粒子２１が充分に
加速されたことによるものである。それは、図７、図８
及び図９のＸ線回折結果から、ガス密度の大きいＣＯ
₂ 、空気、窒素の順に、すなわちガス速度の大きい順に
ＷＣの分解が抑えられていることからもわかる。

【００４９】第２例溶射粒子２１の加速かつ加熱が求められるプラズマ溶射
法の一例として、Ｃｒ₂Ｏ₃ 溶射材料について、表３に
示す溶射条件で溶射した。

【００５０】

【表３】

【００５１】その結果、プラズマガス３３にＣＯ₂ を用
いたものは、従来の酸素、空気や窒素を用いたものに比
べて、第４表に示すように皮膜の硬度は、大幅に向上
し、そして耐摩耗性についても図６に示すＪＩＳ−Ｈ−
８６１５に応じたアブレッシブ摩耗試験結果から、良好
であった。

【００５２】

【表４】

【００５３】このようにＣＯ₂ プラズマ溶射により、高
品質な皮膜特性が得られたのは、ＣＯ₂ が高温域で熱伝
達性が良くサーマルピンチ効果が促進されて、熱集中性
が高まり、溶射粒子２１が充分に加熱かつ加速されたこ
とによるものである。溶射粒子２１が充分に加熱された
ことは、表３の溶射条件でプラズマガス３３にＣＯ₂を
用いたときの溶射効率が、従来の酸素、空気や窒素を用
いたものに比べて、約５０％向上したことからもわか
る。

【００５４】

【発明の効果】この発明は上述のとおりであるので、母
材の表面に形成される溶射膜の内部構造を従来の方法と
比較してそれよりも緻密にすることができる。

【００５５】また、アークを伸長させることで、高電圧
低電流とし、電極の先端部分の損耗することを防止して
表期間の使用に耐えられる。

【００５６】特に主トーチに二酸化炭素ガスを供給する
ことによって、そのガスの特性、即ち、密度と熱伝導率
が共に高いことを利用して、プラズマフレームの運動量
を増加し、溶射材料の液滴の流速を高速化するととも
に、プラズマのもっている高熱量をその高い熱伝導率で
高熱化することを両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ溶射方法の実施例を示す縦断
面図である。

【図２】図１のII−II線部の断面図である。

【図３】他の実施例の縦断面図である。

【図４】図３のIV−IV線部の断面図である。

【図５】更に他の実施例の縦断面図である。

【図６】ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射皮膜のアブレッシブ摩耗
試験結果を示す線図である。

【図７】ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射皮膜のＸ線回折結果を示
す線図である。

【図８】ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射皮膜のＸ線回折結果を示
す他の線図である。

【図９】ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射皮膜のＸ線回折結果を示
す別の線図である。

【図１０】Ｃｒ₂ Ｏ₃ 溶射皮膜のアブレッシブ摩耗試験
結果を示す線図である。

【符号の説明】

１主トーチ２副トーチ３主陰極４主外套４ａ放出口４ｂ主空間５主ガス送入口６主プラズマガス７主電源８スイッチ手段９副トーチ起動電極１０副外套１０ａ放出口１１副ガス送入口１２副プラズマガス１３副電源１４スイッチ手段１５主起動アーク１６副起動アーク１７定常ヘアピンアーク１８プラズマ１９材料送入管２０皮膜材料２１溶融被膜材料の液滴２２プラズマ分離手段２３プラズマ炎２４皮膜２５母材２６フレーム外套２７絶縁物２８絶縁物２９絶縁物３０絶縁物３１主第二外套３２主第二ガス送入口３３主第二ガス３４スイッチ手段３５主第二外套起動アーク３６副第二外套３７副第二ガス送入口３８副第二ガス３９旋回流ガス形成手段４０ガス環状室４１旋回流形成孔４２内壁４３矢印

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ溶射トーチのプラズマガスとし
て二酸化炭素、酸素又は空気を用いることを特徴とする
プラズマ溶射方法。
【請求項２】複合型プラズマ溶射トーチの主トーチの
陰極と副トーチの陽極間にアークを発生し、該主トーチ
にプラズマガスとして二酸化炭素を供給し、該主トーチ
の出口から外方に向かってプラズマ炎を主トーチの中心
軸と同心的に噴出し、そのプラズマ炎に粉末状の溶射材
料を供給して、それをプラズマ炎で溶融して高温化する
と共に高速化して溶射母材に衝突することを特徴とする
プラズマ溶射方法。
【請求項３】複合型プラズマ溶射トーチの主トーチの
陰極と副トーチの陽極間にアークを発生し、該主トーチ
にプラズマガスとして酸素を供給し、該主トーチの出口
から主トーチの中心軸と同心的に旋回しながら外方に向
かってプラズマ炎を噴出し、そのプラズマ炎に粉末状の
溶射材料を供給して、それをプラズマ炎で溶融して高温
化すると共に高速化して溶射母材に衝突することを特徴
とするプラズマ溶射方法。
【請求項４】複合型プラズマ溶射トーチの主トーチの
陰極と副トーチの陽極間にアークを発生し、該主トーチ
にプラズマガスとして空気を供給し、該主トーチの出口
から主トーチの中心軸と同心的に旋回しながら外方に向
かってプラズマ炎を噴出し、そのプラズマ炎に粉末状の
溶射材料を供給して、それをプラズマ炎で溶融して高温
化すると共に高速化して溶射母材に衝突することを特徴
とするプラズマ溶射方法。