(57)【要約】【課題】所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間を短縮し得る、溶射膜を提供すること。【解決手段】主成分であるアルミナと、グレーアルミナと、低融点セラミックスとを含み、前記低融点セラミックスは、その融点が前記アルミナの融点および前記グレーアルミナの融点未満のセラミックスである、溶射膜。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分であるアルミナと、
グレーアルミナと、
低融点セラミックスとを含み、
前記低融点セラミックスは、その融点が前記アルミナの融点および前記グレーアルミナの融点未満のセラミックスである、
溶射膜。
【請求項２】
前記低融点セラミックスが酸化物セラミックスである、請求項１に記載の溶射膜。
【請求項３】
前記酸化物セラミックスがＳｉＯ２である、請求項２に記載の溶射膜。
【請求項４】
前記ＳｉＯ２を０．５質量％以上５．０質量％以下含有する、請求項３に記載の溶射膜。
【請求項５】
気孔率が０％以上１０％以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の溶射膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶射とは、コーティング材料を加熱により溶融もしくは軟化させた後、微粒子状にして加速し被覆対象物表面に衝突させ、扁平につぶれた粒子を凝固・堆積させる表面被覆技術である。溶射により、被覆対象物表面に膜状のコーティング材料からなる溶射膜が形成される。溶射用材料としてはたとえば金属、サーメット、およびセラミックス等が用いられる。絶縁性向上の用途には、一般的にアルミナが用いられる。
【０００３】
溶射膜は、その形状を調整するために研磨加工が必須となる。ここで、セラミックスは難加工材である。そのため、セラミックスを用いた溶射により得られた溶射膜を研磨加工する場合、研磨加工に長時間を要するという問題がある。また、セラミックスとしてアルミナを用いた場合、得られた溶射膜を研磨加工する際にアルミナ粒子の脱落が生じる傾向がある。そのため、溶射膜が所望の表面粗さ（Ｒａ）を得られないか、もしく所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために長時間の研磨加工を要するという問題がある。
【０００４】
係る問題を解決するため、溶射膜表面のスプラット（溶射粒子）の除去を、溶射膜表面に研磨材が埋め込まれたメディアを用いて噴流加工することにより行う方法が提案されている（特許文献１）。また、溶射粒子および分散剤を含有した溶射用スラリーを用いて溶射成膜することで、気孔率を低減する方法も提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１７４０００号公報
【特許文献２】特開２０１７−０６１７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の方法は、溶射後にメディアによる噴流加工を行う方法である。そのため、研磨加工の短時間化の効果は小さいと考えられる。加えて、溶射膜へのメディアの埋まり込みが発生する懸念がある。
【０００７】
特許文献２に記載の溶射方法は、適切に調製された溶射用スラリーが必要となる。そのため、係るスラリーの調製に時間を要し、溶射膜の生産性が低下する懸念がある。
【０００８】
本発明の目的は、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間を短縮し得る、溶射膜を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下に示す溶射膜を提供する。
【００１０】
［１］  主成分であるアルミナと、グレーアルミナと、低融点セラミックスとを含み、前記低融点セラミックスは、その融点が前記アルミナの融点および前記グレーアルミナの融点未満のセラミックスである、溶射膜。
［２］  前記低融点セラミックスが酸化物セラミックスである、［１］に記載の溶射膜。
［３］  前記酸化物セラミックスがＳｉＯ２である、［２］に記載の溶射膜。
［４］  前記ＳｉＯ２を０．５質量％以上５．０質量％以下含有する、［３］に記載の溶射膜。
［５］  気孔率が０％以上１０％以下である、［１］〜［４］のいずれかの溶射膜。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間を短縮し得る、溶射膜が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施例１に係る溶射膜の研磨加工後のＳＥＭ写真である。
【図２】図２は、比較例１に係る溶射膜の研磨加工後のＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜溶射膜＞
本発明の溶射膜は、主成分であるアルミナと、グレーアルミナと、低融点セラミックスとを含む。本明細書において「主成分」とは、溶射膜において最も含有量の多い成分であり、たとえば溶射膜における含有量が少なくとも５０質量％以上であることを示す。すなわち、溶射膜は少なくとも５０質量％以上のアルミナを含む。本明細書において「グレーアルミナ」とは、アルミナとチタニアとの固溶体を示し、たとえばチタニアを２質量％以上３質量％以下含むものであってもよい。したがって「グレーアルミナ」は、たとえばＡｌ２Ｏ３−２．５％ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３−３％ＴｉＯ２であり得る。本明細書において「低融点セラミックス」とは、その融点がアルミナの融点およびグレーアルミナの融点未満のセラミックスを示す。溶射膜が、アルミナ、グレーアルミナ、および低融点セラミックスを含む場合、溶射膜が所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が短縮されると期待される。なお、本明細書において表面粗さ（Ｒａ）とは、ＪＩＳＢ０６０１：１９９４に規定された算術平均粗さＲａを示す。
【００１４】
本願発明の発明者は、主成分であるアルミナと、グレーアルミナと、低融点セラミックスとを含む溶射膜は、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が短いという知見を得た。溶射膜が低融点セラミックスを含むため、低融点セラミックスの結晶相が溶射膜に形成される。低融点セラミックスの結晶相により、溶射膜の空孔が低減する。溶射膜の空孔が低減することにより溶射膜の加工性が向上するため、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が短縮されるものと考えられる。
【００１５】
溶射膜は、たとえば低融点セラミックスを０．１質量％以上１０質量％以下含んでもよいし、低融点セラミックスを０．５質量％以上５質量％以下含んでもよい。溶射膜が上記の低融点セラミックスを含むことにより低融点セラミックスの結晶相が溶射膜に形成され、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が顕著に短縮された溶射膜が得られるものと期待される。なお、溶射膜中の低融点セラミックスの含有量が０．１質量％未満の場合、溶射膜に形成される低融点セラミックスの結晶相が不十分となり、溶射膜の加工性に改善の余地が生じると考えられる。溶射膜中の低融点セラミックスの含有量が１０質量％を超える場合、溶射膜に形成される低融点セラミックスの結晶相が過剰となり、溶射膜の硬度が低下するおそれがある。これにより、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために溶射膜を研磨加工している際に溶射膜の表面にクラックが生じる可能性がある。
【００１６】
（その他の成分）
溶射膜は、主成分であるアルミナ、グレーアルミナ、および低融点セラミックス以外に、溶射膜に用いることが公知である添加剤をさらに含んでもよい。これらの添加剤は、単独で添加されてもよいし、２種以上が組み合わされて添加されてもよい。添加剤は、本発明の目的を達成するのを阻害しない範囲の量で用いられ得る。
【００１７】
溶射膜は、その気孔率が０％以上１０％以下であることが好ましい。気孔率を求める手法は特に限定されないが、たとえば純水を媒体としたアルキメデス法を用いてもよい。溶射膜の気孔率を１０％以下とすることにより、溶射膜が所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が短縮されるものと期待される。気孔率は、低いことが好ましい。そのため、溶射膜の気孔率は０％以上であることが好ましく、０％であることが特に好ましい。
【００１８】
（低融点セラミックス）
アルミナは大気圧中で約２０７０℃の融点を有し、グレーアルミナは大気圧中で約２０１０℃の融点を有する。低融点セラミックスは、その融点が大気圧中で約２０１０℃未満であれば特に制限されないが、酸化物セラミックスであることが好ましい。すなわち、低融点セラミックスは酸化物セラミックスであってもよい。
【００１９】
所望の表面粗さ（Ｒａ）を有する溶射膜を得るために必要な研磨加工時間を短縮させる観点からは、酸化物セラミックスはＳｉＯ２であることが好ましい。酸化物セラミックスとしてＳｉＯ２を用いた場合、溶射膜にはガラス相が形成される。これにより、溶射膜の空孔が顕著に低減するため、溶射膜の加工性が顕著に向上するものと考えられる。
【００２０】
低融点セラミックスとしてＳｉＯ２を用いる場合、溶射膜はたとえばＳｉＯ２を０．１質量％以上１０質量％以下含んでもよいし、ＳｉＯ２を０．５質量％以上５質量％以下含んでもよい。溶射膜が上記のＳｉＯ２を含むことによりガラス相が溶射膜に形成され、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が極めて顕著に短縮された溶射膜が得られるものと期待される。
【００２１】
＜溶射膜を製造するための原料＞
本発明の溶射膜を製造するための原料（以下、「溶射用原料」とも記される）は、主成分であるアルミナに加え、グレーアルミナおよび低融点セラミックスを含む。溶射用原料は、たとえば粉末状である。溶射用原料は、たとえば粉末状のアルミナ、粉末状のグレーアルミナ、粉末状の低融点セラミックス、および溶媒を湿式混合することにより混合ペーストを調製し、その後混合ペーストを焼成することにより得ることができる。
【００２２】
溶射用原料は、たとえば低融点セラミックスを０．１質量％以上１０質量％以下含んでもよいし、低融点セラミックスを０．５質量％以上５質量％以下含んでもよい。上記の低融点セラミックスを含む溶射用原料を用いることにより、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が顕著に短縮された溶射膜が得られるものと期待される。なお、溶射用原料におけるアルミナ、グレーアルミナ、および低融点セラミックスの含有比率と、係る溶射用原料により製造された溶射膜におけるアルミナ、グレーアルミナ、および低融点セラミックスの含有比率とは、実質的に同等である。
【００２３】
（原料としての低融点セラミックス）
アルミナは大気圧中で約２０７０℃の融点を有し、グレーアルミナは大気圧中で約２０１０℃の融点を有する。低融点セラミックスとしては、その融点がアルミナの融点およびグレーアルミナの融点未満であれば特に制限されないが、酸化物セラミックスであることが好ましい。
【００２４】
酸化物セラミックスは、たとえばチタニア、酸化クロム、およびＳｉＯ２等であってもよい。所望の表面粗さ（Ｒａ）を有する溶射膜を得るために必要な研磨加工時間を短縮させる観点からは、酸化物セラミックスはＳｉＯ２であることが好ましい。酸化物セラミックスがＳｉＯ２である溶射用原料を用いて溶射膜を製造した場合、溶射膜にはガラス相が形成される。これにより、溶射膜の空孔が顕著に低減するため、溶射膜の加工性が顕著に向上するものと考えられる。
【００２５】
＜溶射膜の製造方法＞
本発明の溶射膜は、上述した溶射用原料を溶射用基材（溶射膜で被覆される基材）に溶射することにより製造することができる。溶射としては、特にその方法は特に限定されず、たとえばフレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、レーザ溶射などの公知の溶射方法を用いてもよい。溶射条件についても、特に制限されない。溶射用原料や溶射用基材などに応じ、溶射条件は適宜変更され得る。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
【００２７】
《実施例１》
１．溶射用原料の準備
以下の材料が準備された。
アルミナ：粉末状のアルミナ（ＳＵＲＰＲＥＸ  ＡＷ５０、フジミインコーポレッド株式会社より入手）
グレーアルミナ：粉末状のグレーアルミナ（ＳＵＲＰＲＥＸ  ＡＧ５０、フジミインコーポレッド株式会社より入手）
低融点セラミックス：粉末状のＳｉＯ２（高純度化学製試薬  ＳＩＯ７０７ＰＢ、日東化学工業株式会社より入手）
【００２８】
アルミナ、グレーアルミナ、ＳｉＯ２を所定量樹脂ポッドに入れ、当該ポッドを１０分間振動混合したものを溶射用原料とした。溶射用原料は、アルミナを９３．７質量％、グレーアルミナを６．２質量％、およびＳｉＯ２を０．１質量％含んでいる。
【００２９】
２．溶射膜の製造
溶射用基材として５０×５０×５（ｍｍ）の高炭素鋼が準備された。高炭素鋼は、その表面硬度（ＨＲＣ）が６５であった。高炭素鋼にブラスト処理が施された。ブラスト処理が施された高炭素鋼に対して以下の条件で溶射用原料の溶射を行い、溶射膜を得た。溶射用原料は、熱源であるプラズマにより数千〜数万度に加熱され溶融する。
溶射装置：大気圧プラズマ溶射装置（エリコンメテコより入手）
出力：４０ｋｗ
電流値：７００Ａ
溶射距離：１６０ｍｍ
狙い膜厚：５００μｍ
プラズマガス：アルゴンガス
【００３０】
《実施例２−実施例６、および比較例１》
下記表１に示されるように、溶射用原料中のアルミナ、グレーアルミナ、およびＳｉＯ２の含有量が変更されたことを除いては、実施例１と同様に溶射用原料および溶射膜が製造された。
【００３１】
＜評価＞
１．必要研磨量の測定
ダイヤモンド砥石（＃４００、＃８００、＃８０００）が準備された。高炭素鋼表面に形成された溶射膜がダイヤモンド砥石の＃４００、＃８００、＃８０００の順番で黄さの粗さまで研磨され、表面粗さ（Ｒａ）が０．８μｍＲａとなるまで研磨加工された。研磨加工後の溶射膜の膜厚（μｍ）が測定された。研磨加工前の溶射膜の膜厚から、研磨加工後の溶射膜の膜厚を除くことにより、表面粗さ（Ｒａ）が０．８μｍＲａとなるまでの必要研磨量（μｍ）が算出された。結果は表１に示されている。必要研磨量が少ないほど、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が短縮されていることを示す。
【００３２】
２．研磨加工後の溶射膜の観察
表面粗さ（Ｒａ）が０．８μｍＲａとなるまで研磨加工された各実施例および比較例１に係る溶射膜の表面状態が観察された。具体的には、研磨加工後の各実施例および比較例１に係る溶射膜表面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）にて観察することにより、溶射膜表面に存在する空孔（径５０μｍ以上）の数およびクラック（径５μｍ以上５０μｍ未満）の数が確認された。なお、本明細書において「径」とは、空孔やクラックの輪郭線における最も離れた２点間を直線で結ぶ距離を示す。結果は表１に示されている。なお、表１における空孔およびクラックの評価基準は以下の通りである。また、研磨加工後の実施例１および研磨加工後の比較例１に係る溶射膜表面については、そのＳＥＭ写真が図１（実施例１）および図２（比較例１）に示されている。
【００３３】
（空孔の評価基準）
Ａ：空孔が存在しない（測定視野１ｃｍ２）
Ｂ：空孔の数が、１個以上５個以下である（測定視野１ｃｍ２）
Ｃ：空孔の数が、５個を超えている（測定視野１ｃｍ２）
【００３４】
（クラックの評価基準）
Ａ：クラックが存在しない（測定視野１ｃｍ２）
Ｂ：クラックの数が、１個以上５個以下である（測定視野１ｃｍ２）
Ｃ：クラックの数が、５個を超えている（測定視野１ｃｍ２）
【００３５】
【表１】
2020050903.tif 000003
【００３６】
＜結果＞
表１に示されるように、実施例１〜実施例６に係る溶射膜は、比較例１に係る溶射膜と比べて必要研磨量が少なかった。すなわち、実施例１〜実施例６に係る溶射膜は、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が短縮されていた。各実施例に係る溶射膜はＳｉＯ２を含んでいるため、溶射膜にガラス相が形成されたものと考えられる。該ガラス相により、溶射膜の加工性が向上したものと考えられる。
【００３７】
表１に示されるように、実施例１〜実施例６に係る溶射膜は、研磨加工後においてその表面に空孔およびクラックのいずれも形成されていか、あるいは一方が形成されていたとしても、その数は許容範囲であった。比較例１に係る溶射膜は、研磨加工後においてその表面に空孔およびクラックが多数存在していた。比較例１と実施例１〜実施例６との比較から、溶射膜に含まれるＳｉＯ２の増加に伴い、溶射膜の表面に形成される空孔が低減され、必要研磨量が低減される（すなわち、所望の表面粗さ（Ｒａ）を得るために必要な研磨加工時間が短縮される）と推測される。また、実施例６の結果から、溶射膜に含まれるＳｉＯ２の増加に伴って溶射膜に形成されるガラス相が過剰となり、溶射膜の硬度が若干低下してクラックの数が若干増加する傾向があることが理解できる。
【００３８】
また、図１と図２との比較から、溶射膜１にＳｉＯ２が含まれることにより、空孔２およびクラック３の数が低減され、溶射膜１の表面が滑らかになることが理解できる。
【００３９】
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００４０】
１  溶射膜、２  空孔、３  クラック。
【図１】
2020050903.tif 000004
【図２】
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