JPH11254181A

JPH11254181A - 材料の被覆方法

Info

Publication number: JPH11254181A
Application number: JP10366770A
Authority: JP
Inventors: Michael Dr Dvorak; ドゥボラク・ミカエル
Original assignee: Castolin SA
Current assignee: ECG Immobilier SA
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 1999-09-21
Also published as: EP0927594B1; DE59809564D1; EP0927594A1; US6099915A

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ粉末肉盛り溶接の手段を用いて、高
硬度な被覆を行なうための方法を提供する。【解決手段】交流または交流を重畳した直流を用いて
粉末肉盛り溶接用プラズマア−クを発生させ、粉末状の
添加物で、プラズマ粉末肉盛り溶接を行うことにより、
酸化されやすい物質を被覆する方法において、組成が、
重量％で、Fe：約10以下、 Cr：約 5以下、 B：約 4
以下、 C：約 1.5以下である添加物が配合度におい
て、４０容積％よりも多く配合されている、銅−ニッケ
ル合金を粉末状の添加溶接材料として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ粉末肉盛
り溶接により材料を被覆する方法に関し、特許出願No.1
96 26 941 と同様のものである。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】ニッケ
ル、コバルトおよび／または銅を主成分とする粉末状の
材料で、鉄を主成分とする材料を被覆する被覆方法は産
業で長く実施されている。しかし、アルミニウム、チタ
ン、またはそれらの合金のように、酸化されやすい材料
に適用すると、表面にできる酸化物のためにしばしば被
覆が妨げられ、実施が全くできないこともある。

【０００３】この被覆方法を保護ガスの下で行おうとす
る試みは失敗に終わった。この被覆方法は、唯一真空下
で可能となるが、極めて高価で複雑であり、大規模に実
施されることはなかった。

【０００４】主要な特許出願 No.196 26 941.5では、酸
化されやすい材料‐ことに軽金属や合金‐を簡単で安価
に被覆することを目的としており、交流または交流を重
畳した直流によってプラズマ移行形アーク（ＰＴＡと称
する）を発生させて粉末肉盛り溶接を行い、粉末状の添
加物でアルミニウム合金を被覆する方法を提案してい
る。この方法では、空気中の酸素あるいは保護ガス中の
残留酸素によって母材または粉末添加物の表面に形成さ
れた酸化膜が、破壊され、粉々になる。したがって、前
述のように酸化されやすい母材であっても、その上に被
覆したり、酸化されやすいもので母材を被覆したりする
ことが可能になり、品質の良い溶着部が得られる。この
方法では、１０〜１００Ｈｚの周波数範囲の交流が好ま
しい。エネルギーキャリヤとして直流を用いる場合に
は、交流と同じ溶接特性を得るために、約１０〜１００
０Ｈｚの周波数の交流、または約１〜２００ｋＨｚの周
波数範囲の交流を直流と組み合わせることが必要であ
る。

【０００５】また、前述の特許出願は、添加溶接材料が
母材と高度に混合されるような試みを提案し、さらに、
残留酸素によって形成されるスラグ又は酸化物が、ガス
流によって引き裂かれ、溶融浴の縁に付着されるように
前記発生ガスの流速を選択することを提案している。

【０００６】また前述の特許出願のプラズマトーチで
は、バーナノズルのガスダクトが先細りの断面を有する
噴射口の上流に配設されており、棒状陰極の先端が球形
となるように丸められており、この球形の陰極端で重畳
された交流によってプラズマ変換が起こり、プラズマア
ークの発生基点を形成することが記載されている。その
他に、この主要な出願の内容とその開示では、陰極の特
定形状について言及しており、球状の陰極端がプラズマ
アークの基点となるように形成されることが示されてい
る。

【０００７】この明細書の冒頭で述べたような種類のア
ーク移行形のプラズマトーチは、丸棒電極を備えてお
り、その丸棒電極は、噴出口の上流に形成された空間の
上流に配置され、自由端の外周がベベル状に傾斜したも
のである。このような丸棒電極を備えたプラズマトーチ
が、EP-A-O 452 494によって公知であることは認める。
しかし、この文献には、そのような構造に関する記述は
ない。

【０００８】前述した出願のプラズマトーチでは、陰極
の周囲に設けられた陽極の端面によって画定される平面
に、陰極の膨らみが達するか、または、その平面より
も、３〜４ｍｍくらい僅かに外方へ突出するように設計
することができる。

【０００９】また、陰極の球形部分が、陽極の端面に対
して僅かに−これもせいぜい４ｍｍくらい−内方に位置
するように、陰極をトーチノズルのガスダクト内に後退
させ、しかも、その陰極の球形部分と、ダクトからその
先端の噴出口に向けて先細りとなっている傾斜環状部分
との間に隙間が設けられていることも好ましい。この傾
斜環状部分は、ガスダクトの円筒部に続いており、ガス
は、傾斜環状部分と陰極の球形部分との間を通る。

【００１０】交流又は交流を重畳してなる直流が供給さ
れる陰極には、水冷装置を設けることが好ましい。陰極
は、例えば、水冷された支持体に、アークの基点として
形成される陰極部を、交換可能に取り付けた形とするこ
とができる。陰極部は、高融点、低熱伝導率を有する材
料で形成され、前記支持体は、好ましくは、銅又は銅合
金で形成される。

【００１１】前述の要因を考慮して、発明者は、プラズ
マ粉末肉盛り溶接（ＰＴＡ）の手段を用いて、高硬度な
被覆を行なうための方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的は、独立請求項
の教示によって果たされ、他方、従属請求項は有利な実
施形態を定める。本発明の方法は、、交流または交流を
重畳した直流でプラズマアークを発生させてプラズマ粉
末肉盛り溶接を行うものであり、粉末状の添加材料とし
て（重量％）、Fe（＜約１０）、Cr（＜約５）、B （＜
約４）、Si（＜約４）、C （約１．５）の添加物が、混
合度にして４０容積％より多く混合されている銅−ニッ
ケル合金を用いており、高硬度の被覆が形成される。ま
た、粉末状の添加材料として、総量で１０重量％未満の
Mo，Mn，Co，Ti，Ta，Zr，Mgと、総量で２重量％未満の
P ，N が添加されている銅−ニッケル合金を用いても同
様に、高硬度の被覆が形成される。さらに、本発明で
は、酸化されやすい材料として、Al（３０〜７０重量
％）、Cu（４２〜２１重量％）、Ni（１８〜９重量
％）、Fe（６〜２重量％）、Cr（４〜０．５重量％）、
Si（１．８〜０．５重量％）、B （２重量％未満）、そ
の他（１０重量％未満）の添加物を含む金属母材を容易
に被覆することができる。また、銅とニッケルの比が、
７０：３０であり、または、酸化物、炭化物などの硬質
材料が配合されていることも好ましい。以上の方法によ
り形成される被膜層は、非常に硬質であり、良好な耐磨
耗性層となる。

【００１３】つまり、本発明の方法は、交流および／ま
たはパルス電流を使用して、前述の特異な化学組成を有
する添加溶接材料との組合せによる協働作用が得られる
ように改良されたものである。

【００１４】前記添加物の化学組成は、被覆されるＡｌ
合金の母材と、２００〜８００の範囲にある所望のビッ
カース硬度とに応じて決定しなければならない。また、
耐摩耗性を増すために酸化物、炭化物あるいは他の硬質
材料（窒化物、ケイ化物）を混入することも可能であ
る。

【００１５】本発明の金属母材の化学組成は、下記のと
おりである。この組成は、前記硬質材料を混入しない
で、結果として高硬度の被覆が得られるものである。 Al 30〜70， Cu 42〜21， Ni 18〜9， Fe 6〜
2， Cr 4〜0.5， Si 1.8〜0.5， B ＜2，その
他＜10重量％

【００１６】上記方法によって形成された耐摩耗性層
も、本発明に含まれる。

【００１７】さらに、本発明の利点、特徴および詳細
は、後述する実施形態の記述から明らかであるが、図を
参照することによってさらに明らかになるであろう。図
は、トーチノズルのヘッドの長手方向の断面を示してお
り、粉末状の酸化されやすい添加物を容易に溶接、すな
わち被覆する。以下、図に基づいて説明する。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１、２は、それぞれ、三次元形
状を有するプラズマアークの基点を有するピン陰極を示
している。

【００１９】トーチノズル１０のノズル本体１２に取り
付けられているのは、陽極１６の周りに延在する保護ガ
スキャップ１４である。図１のトーチノズル１０の中心
軸Ａに沿って伸びているのが棒状陰極２０で、これは陽
極１６内の軸方向に延びるガスダクト１８に挿通されて
いる。つまり、ガスダクト１８が陰極２０を取り囲んで
いる。ガスダクト１８には、図示しない外部のガス供給
通路からプラズマ生成用のガスが供給される。陰極２０
の終端の整形部分３４は、保護ガスキャップ１４内に設
けたガス通路１５に近接した平面Ｅの付近に位置してい
る。平面Ｅは、ガスダクト１８の開口２２、つまり、図
２における陽極１６の端面１７により画定されている。
整形部分３４は、前述の平面Ｅから約３mmの間隔ａをあ
けて、ガスダクト１８の円筒形状の噴出口１９に対向し
て配設され、ガスダクト１８の高さｈを有する円筒状部
分３６内に位置しており、傾斜環状部３８と間隔をあけ
て位置している。ガスダクト１８は、その円筒状部分３
６よりも外方において、先細りのテーパ状になった遷移
部を形成しており、この遷移部を介して、円筒状部分３
６よりも小径の円筒状噴射口１９につながっている。

【００２０】陰極２０に組み付けられているのが接触部
材２６で、この接触部材２６は、円筒状クランプ装置２
４内に設けられて、このクランプ装置２４とともに絶縁
部材２８内に納められている。絶縁部材２８は、ノズル
本体１２内に配設されている。ノズル本体１２内におい
て、ノズル本体１２の軸心に平行に設けられている複数
の水冷ダクト３０は、前述の絶縁部材２８とは離れて配
置されている。

【００２１】図２に示すトーチノズル１０において、陰
極３２は、短ピン型陰極からなる陰極部３３を含んでお
り、この陰極部３３は、終端の丸められた整形部分３４
ａを含めて、高融点、低熱伝導度の材料で形成されてい
る。短ピン型陰極３３は、銅製の支持体４０に軸方向に
螺入されて支持されている。支持体４０は、水冷機構４
２に連結されている。

【００２２】図示されない実施形態では、部分３４は、
端面１７、つまり平面Ｅより、４ｍｍ、好ましくは３ｍ
ｍ外方に突き出ている。

【００２３】プラズマ粉末肉盛り溶接作業中に電流を流
すと、部分３４、３４ａが、プラズマアークの基点とな
って、プラズマアークが発生する。ピン陰極２０、３
２、３２ａは、例えば、タングステンまたはタングステ
ン合金から形成されており、１０〜１００Ｈｚの周波数
範囲の交流によって作動する。

【００２４】前述した陰極２０または交換可能な陰極部
３３には、タングステンまたはタングステン合金の他
に、トリウムを合金成分とする材料を採用することもで
きる。さらに、溶浸の目的には銅を有する材料を、含浸
材としてはタングステンあるいはタングステン合金を有
する材料を採用してもよい。また、電気抵抗の低い高融
点窒化物、炭化物、ホウ化物あるいはケイ化物、例えば
炭化チタン、あるいは焼結炭化チタン合金によっても造
ることが可能である。さらに、タングステン、炭化チタ
ン、窒化チタン、窒化ハフニウム、および／または炭化
クロムで被覆された銅、または同様に被覆された銅合金
を含んでいてもよい。

【００２５】陰極２０または陰極部３３を被覆する操作
は、溶射またはＣＶＤ被覆法（化学蒸着）あるいはＰＶ
Ｄ被覆法（プラズマ蒸着）によって行うと好ましい。記
載のプラズマト−チまたはその陰極２０、３２は、 - アルミニウムまたはアルミニウム合金、 - チタンまたはチタン合金、 - マグネシウムまたはマグネシウム合金を被覆または溶
接するのに用いられることが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の材料の被覆方法に用いられるプラズマ
トーチの一例の縦断面図である。

【図２】プラズマトーチの他の例の縦断面図である。

【符号の説明】

１０…トーチノズル、１２…ノズル本体、１４…保護ガ
スキャップ、１５…通路、１６…陽極、１７…陽極の端
面（平面Ｅ）、１８…ガスダクト、１９…噴出口、２０
…棒状陰極、２２…出口、２４…クランプ装置、２８…
絶縁材、３０…水冷ダクト、３２…陰極、３３…短ピン
型陰極部、３４、３４ａ…棒状陰極の先端部分、３６…
筒状部分、３８…傾斜環状部分、４０…支持体、４２…
水冷装置、Ａ…トーチノズルの中心軸

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 21/12 Ｃ２２Ｃ 21/12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流または交流を重畳した直流を用いて
粉末肉盛り溶接用のプラズマアークを発生させ、粉末状
の添加溶接材料でプラズマ粉末肉盛り溶接を行い、酸化
されやすい材料に被覆する方法であって、前記粉末状の添加溶接材料として、重量％で、 Fe 約１０％未満 Cr 約５％未満 B 約４％未満 Si 約４％未満 C 約１．５％の添加物が、混合度にして４０容積％より多く混合され
ている銅−ニッケル合金を用いたことを特徴とする材料
の被覆方法。
【請求項２】交流または交流を重畳した直流を用いて
粉末肉盛り溶接用のプラズマアークを発生させ、粉末状
の添加材料でプラズマ粉末肉盛り溶接を行い、酸化され
やすい材料に被覆する方法であって、前記粉末状の添加溶接材料として、総量で１０重量％未
満のMo，Mn，Co，Ti，Ta，Zr，Mgと、総量で２重量％未
満のP ，N とが添加されている銅−ニッケル合金を用い
たことを特徴とする材料の被覆方法。
【請求項３】請求項１または２において、被覆が施さ
れる金属母材が、重量％で、 Al ３０ないし７０ Cu ４２ないし２１ Ni １８ないし９ Fe ６ないし２ Cr ４ないし０．５ Si １．８ないし０．５ B ２未満その他１０未満の添加物を含むことを特徴とする材料の被覆方法。
【請求項４】請求項１から３のいずれかにおいて、銅
とニッケルの比が、７０：３０であることを特徴とする
材料の被覆方法。
【請求項５】請求項１から４のいずれかにおいて、酸
化物、炭化物などの硬質材料が配合されていることを特
徴とする材料の被覆方法。
【請求項６】請求項１から５のいずれかに記載の方法
によって形成される耐磨耗性層。