(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材の表面に熱可塑性の樹脂系の被覆材料の溶融膜を形成し、冷却により該溶融膜を固化させて行う被覆方法において、前記溶融膜の形成を、金属部材の表面に前記被覆材料を融結した状態で付着させた仕掛り部材を残熱の少ない状態で用意する第一工程と、該仕掛り部材を誘導加熱して金属部材の表層部を被覆材料の融点以上の温度に急速昇温させて、前記第一工程において付着させた被覆材料を溶融させて膜状にする第二工程とによって行い、溶融膜を形成した金属部材を少ない残熱で得ることを特徴とする金属部材の被覆方法。
【請求項２】
前記第一工程によって用意する仕掛り部材の残熱を、平均温度で100℃以下のレベルとする請求項１に記載の金属部材の被覆方法。
【請求項３】
前記第一工程において前記被覆材料を融結した状態で付着させる手段が溶射法である請求項１又は２に記載の金属部材の被覆方法。
【請求項４】
前記第一工程において、前記被覆材料を融結した状態で付着させる手段が、表層部を被覆材料の融点以上の温度に加熱した金属部材の表面に被覆材料の粉体を接触させて行う粉体融着法である請求項１又は２に記載の金属部材の被覆方法。
【請求項５】
長尺の金属部材を対象として、前記第二工程の操作と、このあと前記冷却を行う操作とを、金属部材の長手方向に沿って一方向に連続的に進めて適用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属部材の被覆方法。
【請求項６】
前記第二工程において、被覆材料を溶融させるための加熱手段として、前記融結付着層の表面に対する赤外線照射加熱を併用する請求項１〜５のいずれかに記載の金属部材の被覆方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製の部材の表面に熱可塑性の樹脂系の被覆材料を、高能率に且つ低コストで被覆施工する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管などの金属部材の防食手段として、ポリエチレン，ポリアミド（ナイロン），フッ素樹脂（テフロン），飽和ポリエステルなどの樹脂をベ−スとする熱可塑性の被覆材料による加熱溶融施工型の被覆が近年主流となってきている。これは環境遮断性に優れた強靭な厚膜被覆を、高能率に且つ溶剤を用いないで施工できるという利点によるところである。
【０００３】
上記加熱溶融施工型の被覆は、金属部材の表面に被覆材料の溶融膜を形成し、これを冷却固化させることによって施工されるものであり、被覆を施工する代表的な手段として粉体融着法と溶射法を挙げることができる。粉体融着法では、金属部材を被覆材料の融点以上の、溶融物が流動しやすくなるが熱分解はしにくい範囲の温度域（以下、「流動化温度域」と略称する）に加熱し、この表面に被覆材料の粉体を接触させることにより該粉体を溶融させて膜状化させ、又、溶射法では、被覆材料を上記流動化温度域より更に高く加熱して溶融させた被覆材料を金属部材の表面に投射して溶融膜を形成させる。
【０００４】
粉体融着法においては、金属部材の表面で被覆材料が膜状に広がる迄の間、流動しやすい溶融状態に保たれていることが必要であるため、その間金属部材の表面の温度が前記流動化温度域を下回らないよう、金属部材を深部迄加熱しておくものであり、又、溶射法においては、溶融した被覆材料が金属材料の表面に叩きつけられて広がる短時間の内に金属部材によって冷やされて流動性を失ってしまわないよう、被覆材料の方を流動化温度域より更に高く、時には分解温度近く迄加熱しておくものである。溶射法では金属材料の方も100℃以内の温度に予熱しておくことが多い。
【０００５】
前記流動化温度域は被覆材料によって異なるが、融点の低い被覆材料でも200℃を上回っており、溶融膜の施された段階での金属部材の温度は200℃弱から300℃強に亘る高いレベルにある。この部材を冷却に供するのであるが、水冷にせよ空冷にせよ、熱伝導性の低い樹脂系の厚膜を介した冷却となるため、多くの時間と手間を要することになる。
【０００６】
又、結晶性の高い被覆材料では、溶融膜の固化後、特定の温度迄の冷却が急速に行われないと結晶化度が大きくなり所期の被覆物性が得られないものがある。
即ち、このような急冷を要する材料を被覆施工する場合には、一度冷却された部分が上記特定の温度以上に再び昇温しないよう、水浸等の手段によって部材全体を一気に冷却するか、又は、冷却操作を一方向に連続的に進めて再昇温部が生じないように冷却する必要がある。
【０００７】
前者の水浸方式は小物に適用しやすく、後者の連続方式は長尺材に適しているが、後者の冷却を行う場合には、溶融膜の形成に続いて冷却を行わなければならないので、溶融膜を形成する操作も冷却と連動させて一方向に連続的に進めて行うことになる。又、特に金属部材が厚肉の場合など、冷却後の復熱を避けるために、冷却区間を長く要するケ−スも生じる。
【０００８】
溶融膜の冷却操作は、上述のように被覆施工の能率あるいは設備規模に大きく関わる問題であるばかりでなく、被覆製品に歪を生じさせるという点でも大きな問題である。歪の発生は冷却負荷が大であるほど顕著に起こる。又、部材が長尺になるほど全体の歪が大となり、影響が重大である。
【０００９】
溶融膜の冷却に関する上述の諸問題が典型的に生じる金属部材として鉄道用のレ−ルを例示できる。レ−ルは標準長さが鋼管の４〜５倍に及び、又、鋼管の数倍に及ぶ厚肉部を含む多様な肉厚が分布した断面を有しているため、冷却操作が能率，歪発生の両面から難題であり、大きなコスト要素となる。
【００１０】
一方、被覆材料の方で冷却が難題となる典型的な材料は、飽和ポリエステルベ−スの被覆材料である。この材料は融点が250℃を上回っており、前記流動化温度域は300℃近くに及ぶ。この材料は、硬度，靭性が高くて損傷しにくく、耐水性，絶縁性も優れており、鉄道用レ−ル等において起こることのある、迷走電流の流出に起因する電食の防止に有力な被覆材料と目されているが、溶融物が固化した後約150℃迄の温度区間を急冷することが物性を確保するための要件となっており、レ−ルへの適用が困難を極めるため、レ−ルにおいては未だ実用に至っていない。
【００１１】
ポリアミド（ナイロン）ベ−ス，ポリエチレンベ−ス等の他の被覆材料についても上記急冷が必要ないしは望ましいとされているものが多々あり、これらについても飽和ポリエステルベ−スの材料に準じた作業面，設備面の対処を要し、コストにも影響していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の諸問題に鑑みてなされたものであって、金属部材に熱可塑性の樹脂系材料を被覆施工するに際して、金属部材の表面に前記溶融膜が形成された段階での部材の残熱を少にする構成によって、このあとの冷却の負荷を低減することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明の基本要旨は、金属部材の表面に、熱可塑性の樹脂系の被覆材料の溶融膜を形成し、冷却により該溶融膜を固化させて行う被覆方法において、前記溶融膜の形成を、金属部材の表面に前記被覆材料を融結した状態で付着させた仕掛り部材を残熱の少ない状態で用意する第一工程と、該仕掛り部材を誘導加熱して金属部材の表層部を被覆材料の融点以上の温度に急速昇温させて、前記第一工程において付着させた被覆材料を溶融させて膜状にする第二工程とによって行い、溶融膜を形成した金属部材を少ない残熱で得ることを特徴とするものである。
【００１４】
即ち、本発明方法にあっては、金属部材の表面に前記溶融膜を形成させる操作を被覆材料をともかく付着させる工程と、これを溶融させて膜状化する工程との２段階で行うことによってこの間の入熱調整を可能にし、これを有利に行って、溶融膜を形成した段階での部材の残熱を少なくして、前述の冷却の問題を解決するものである。
【００１５】
加えて、本発明方法においては、第一工程における被覆材料の付着層を、被覆材料の少なくとも一部が一旦は溶融して、下地に対して、あるいは被覆材料同士が溶融・凝固過程を経て結合した融結状態となるように施しているので、第二工程において金属部材の表層部を急速昇温させたとき、その熱が上記付着層に素早く伝わって、該付着層を滞りなく溶融流動化させうるものである。因に、被覆材料の粉体を静電付着させた付着層について上記急速昇温操作を行ってみたが、0.3mm以上の厚膜に相当する付着層では、付着層の一部しか溶融せず、溶融膜の形成には至らなかった。
【００１６】
本発明方法において、第二工程に供すべき前記仕掛り部材の残熱は、平均温度で100℃以下のレベルに留めることが望ましい。これは、このあとの第二工程における入熱が、金属材料の主として表層部を前記流動化温度域に昇温させる小さい入熱であって、均熱時の昇温代にして100℃前後で済むため、仕掛り部材の残熱を上記レベルに留めておけば、第二工程において被覆材料を溶融膜化させた段階での金属部材の温度を、均熱時にして200℃前後以下に抑えうるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
前記第一工程において金属部材の表面に被覆材料の融結付着層を形成させた仕掛り部材を残熱の少ない状態で得るための好適手段として、溶射法を挙げることができる。この溶射は、金属部材の表面に被覆材料をともかく融結付着させることができればよく、従来の溶射のように金属部材の表面で被覆材料が完全な膜状に広がらなくてもよいので、従来の溶射のように被覆材料を流動化温度域より更に高い温度迄加熱溶融して行わなくてよい溶射機は市販のプラスチック用の溶射機が適用できる。金属部材側の予熱は、本発明方法においても、溶射に用いた燃焼ガスによる結露を防止する観点で50℃前後のレベルに施しておくことが望ましい。50℃前後の金属部材の表面に、流動化温度域を超えない温度に加熱して溶融させた被覆材料を溶射することにより、被覆材料の溶融特性にもよるが、多くの場合、平均温度即ち均熱時の温度にして100℃以下の仕掛り部材が得られる。上記のような条件で溶射が行われれば、更に高い温度で行う従来溶射のような、被覆材料の熱分解の心配もなくて済む。
【００１８】
前記粉体融着法も、本発明方法の第一工程において前記融結付着層を形成させるための好適手段となりうる。即ち、粉体融着法においても、従来行われていたような、被覆材料を膜状に広がる迄の間流動化しやすい溶融状態に保っておくための、金属部材深部迄の加熱を行う必要はないので、誘導加熱法等により主として表層部を被覆材料の流動化温度域前後に急速加熱した金属部材の表面に被覆材料の粉体を接触させて溶融させる操作により、被覆材料が融結付着した仕掛り部材を、少ない残熱で得ることができる。金属部材を被覆材料の粉体中に埋没させ、あるいは粉体の流動層中に浸漬した状態で金属部材を誘導加熱する方式が、表層部への入熱が直ちに被覆材料の溶融に与ることから最も好ましい。融結付着層を厚く形成させたい場合には、粉体あるいは担持気体を被覆材料の融点未満の温度に予熱しておくのがよい。
【００１９】
本発明方法の第一工程における融結付着層の形成を、上述のように入熱条件を調整した溶射法あるいは粉体融着法によって行えば、そのままで残熱の少ない仕掛り部材が得られるので、上記操作に引続いて第二工程の急速加熱操作に移行するリレ−形式の施工が可能となる。上記リレ−形式の施工は、バッチ方式の施工においても、又、長尺材を対象とした一方向に連続的に進める施工においても実施できる。
【００２０】
本発明方法は、上記融結付着層の形成を、入熱条件を不問として行い、このあと放冷するなどして残熱を低減させた仕掛り部材を第二工程に供する形で実施することもできる。この場合は、入熱条件が不問であることから、融結付着層を形成するための好適手段の選択巾が広くなる。たとえば、炉加熱によって深部迄昇温させた金属部材に被覆材料の粉体を接触させて行う粉体融着法、あるいは、金属部材の表面に必要量の被覆材料粉体を泥漿塗布・乾燥法などによって付着させた後、炉加熱などによって被覆材料を溶融させて融結付着層に変成させる方法等も利用できることになる。上記諸法においては、部材の温度が深部迄上昇することがあるが、放冷などの速過ぎない冷却手段によれば歪の発生は避けられる。
【００２１】
上記方式は、足かけの時間は長くなるが、溶融膜を形成した段階での部材の残熱を小にして冷却負荷を低減するという本発明の目的に適うことに変りはないので、生産事情によっては有用である。
【００２２】
本発明方法の第二工程において、金属部材の表層部を急速昇温させるために行う誘導加熱は、第一工程において施された被覆材料の融結付着層の手前側に誘導コイルを配し、これに交流を通電する通常の形式により実施することができる。
小物の場合ないしは被覆施工面積が小さい場合には、対象表面全域をコイルがカバ−するように対象物の表面に沿わせて渦巻状のコイルを、あるいは外周面を囲むソレノイド状のコイルを配設して、全体を一気に加熱することができる。又、対象表面に沿わせた線状のコイルあるいは条材の外周を囲んで配した環状のコイルを一方向に移動させながら通電を行って片端から他端への順次加熱を行うこともできる。レ−ルなどの長尺材には二の順次加熱方式が適する。誘導加熱は元より表層部の集中加熱に適しているが、上記コイルに通電する交流の周波数は、高い方が入熱を表層部に集中させやすく、一方、高過ぎると電力効率が低下し、又、設備コストも大となるので、金属部材の材質，肉厚等に応じて商用〜100KHzの周波数を適宜選定して、１mm前後の表層部に効率よく集中入熱されるようにするのがよい。
【００２３】
上記誘導加熱によって、金属部材の表面に施された被覆材料の融結付着層を溶融して膜状にするのであるが、事情に応じて他の急速加熱手段を併用することもできる。特に、１mm以上の厚さの被覆を施す場合には、誘導加熱による熱が金属部材から上記融結付着層に行き亘るのに若干時間を要するので、遠赤外線ヒ−タなどにより融結付着層をその表面側から加熱する赤外線照射加熱を併用して、融結付着層を溶融流動化させるための所要時間を短縮するのがよい。上記所要時間が短縮されるほど、前記誘導加熱による金属部材への入熱量が小となり、前記溶融膜を形成した段階での金属部材の残熱量を小とすることができて、本発明の目的に適うことになる。
【００２４】
【実施例】
実施例１
下記の鉄道用レ−ルに対して、下記の飽和ポリエステルベ−スの被覆材料による被覆施工を行った。
＜被覆対象＞
ＪＩＳ  50KgNレ−ル（定尺25m）。被覆施工面を、ブラスチングによりＳＩＳ
Ｓa2.5（ニアホワイト）レベル迄除錆しておく。
＜被覆材料＞
テリ−工業(株)製  粉体塗料（商品名「テリ−パウダ−」）。融点265℃，流動化温度域約270〜350℃，被覆物性を確保するために固化後140℃迄の急冷を要する。
＜被覆構成＞
レ−ル頭頂面及び頭側面を除く下方の全外周面を包む形で0.3〜0.6mm厚さの被覆を施す。
【００２５】
熱風で全体を50℃に予熱した上記定尺レ−ルの被覆施工面に、フレ−ム溶射機による手作業で、約350℃に加熱溶融した被覆材料を小面積ずつ逐次溶射して行き、約600g/m2の被覆材料の融結付着層を形成した。上記融結付着層は、粗い外観を呈しており、ピンホ−ルも多数存在したが、この時点でのレ−ルの温度は約70℃であった。
【００２６】
引き続いて、上記第一工程終了材を、搬送ラインで４m/分で長手方向に送りながら、10KHz，約100KWの誘導加熱と、この後方の300mm長さの区間での水噴射冷却とを行って、固化した被覆を得た。この時点でレ−ルの温度は約80℃であった。
被覆は平滑な外観を呈しており、ピンホ−ルも認められず、上記誘導加熱によって十分に溶融された経過がうかがえた。又、被覆の材料物性，接着力共、所期のレベルを満たしていた。
上記被覆施工により、レ−ルには長手方向の反り歪が生じたが、全長で約30mmに留まっており、被覆を損傷させる恐れのある形状矯正処置を要しないレベルにあった。
【００２７】
上記操作において、レ−ルの表面温度は、誘導加熱によって約300℃に上昇した後、上記誘導加熱に際して殆ど入熱されなかったレ−ル深部との均熱化によって、水冷なしでも数秒後には200℃以下迄自己冷却が進むことが判っており、前記水冷操作は、主として固化後の段階において前記自己冷却効果を外部から支援する形で冷却に寄与したものと推定される。
【００２８】
なお、上記第一工程の溶射等の手段を前記搬送ラインに組込んで、第二工程の誘導加熱とこれに続く冷却とを含めて一連の操作で行って被覆を施工することもできる。この場合は、ライン速度が溶射の能力即ち溶射ガン数に支配され、４m/分のライン速度を確保するには10丁以上の溶射ガンが必要となる。第一工程をオフラインで実施するか、インラインで実施するかは、生産量その他の生産事情によって選択すればよい。
【００２９】
実施例２
現地に敷設された外面ポリエチレン被覆鋼管の配管に、管体溶接工事のために未被覆のまま残されていた小区間に対して、現地で同系の被覆材料による補完被覆施工を行った。
＜被覆対象＞
ＪＩＳ  ＳＧＰ400Ａ鋼管の長手方向約500mm区間。実施例１と同様に被覆施工面を除錆しておく。
＜被覆材料＞
三井石油化学工業(株)製の接着性ポリエチレン粉体（商品名「アドマ−」）。
融点125℃，流動化温度約200〜280℃。
＜被覆構成＞
上記未被覆部全面に1.5〜2.0mmの厚さの被覆を施す。なお、管体に工場で施された既製被覆との接続その他の端部間の接続は、補完被覆施工のあと、可搬式押出し装置により溶融した同系の樹脂材料を押出し施工して行った。
【００３０】
先ず、前記粉体ポリエチレンを、その一部を溶融させる入熱スケジュ−ルによりプレス成形して、融結状態の多孔質シ−トを作成した（特公平７−９０２５０号公報に開示された技術による）。
次に、前記被覆対象部に適合するよう裁断した前記多孔質シ−トを、被覆対象部に順次巻きつけて行きながら、下地鋼管と接触しはじめる前線部において、鋼管管体を誘導加熱してその表層部を約250℃に急速昇温させる操作を同期させて進めて、上記シ−トを上記前線部において下地鋼管に融着させる操作を進めて行き、被覆対象部全面に前記被覆材料の融結付着層を形成した。この段階で鋼管管体の温度は120℃前後であり、さほど高くはなかったが、約１時間放冷して約100℃に冷却させた。
【００３１】
このようにして本発明方法の第一工程の適用を終えた被覆対象部に対して、今度は、上記対象部を囲んで配した環状の誘導コイルを管の長手方向に0.5m/分で移動させながら、50KHz，約20KWの誘導加熱を行って鋼管管体表層部を急速昇温させる操作を進めるとともに、上記誘導加熱操作に先行させる形での10KWの遠赤外線ヒ−タによる被覆材料表面への赤外線照射加熱及び上記誘導加熱に続く形での水噴射冷却を連動的に進めて、前記融結付着層を一旦溶融させて膜状にする本発明の第二工程の操作と、これに続く冷却操作を行って、固化した補完被覆を得た。この間、被覆材料が溶融流下する問題は生じなかった。
【００３２】
上記操作において、下地鋼管の表面は極く短時間約250℃に昇温はしたものの管体内での均熱化が早々に進み、上記操作を完了した時点で管表面温度は既に120℃を下回っていた。
なお、前記未被覆部に対するポリエチレン被覆を従来技術の範囲の粉体融着法によって行おうとすれば、管の肉厚が比較的小であることに起因する自然冷却代を見込んで、管体全体を300℃程度迄加熱し、これに粉体を接触させ溶融させて行うことになり、昇温させている時間が長いこともあって、前記既製被覆への熱影響の防止、あるいは、被覆材料の溶融流下の防止等に多大な手数が必要であった。このため、上記方法は通常は採用されず、熱収縮スリ−ブを適用して、該スリ−ブを管体あるいは既製被覆にホットメルト接着させる方法が一般的に採用されていた。上記本発明例２の方法によれば、補完被覆と既製被覆の融合一体化が実現し、苛酷な用途における耐久性が一層高められることになる。
【００３３】
比較例１
定尺レ−ルを搬送ラインで１m/分で長手方向に送りながら、１KHz，約250KWの誘導加熱と、レ−ルの外周面を囲む形で配した３丁の静電塗装ガンによる粉体投射と、この後方の２m長さの区間での水噴射冷却とを順次適用して、従来の静電塗装法による被覆施工を実施し、優れた外観及び性能の被覆を得た。但し、レ−ルには全長で１m以上の反り歪が生じた。
【００３４】
なお、上記方式にて、増産のためにライン速度を倍以上にしようとすると、500KW以上の誘導加熱と、これに見合った冷却ゾ−ンの増強が必要になり、加熱をガス方式に代替するとしても、投資リスクあるいは所要スペ−スといった難題が生じる。
【００３５】
上記本発明例と比較例を対比して見ると、比較例即ち従来方式において如何に無用な入熱を行い、これに起因して大きな冷却負荷が生じているかが理解される。特に、前記急冷を要する被覆材料の施工に際しては、対象物の種類によっては、上記冷却負荷が実質的に施工そのものの可否を分ける問題となっていたが、本発明により解決を見たものである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、上述したように、金属部材の表面に熱可塑性の樹脂系被覆材料の溶融膜を形成し、これを冷却固化させて行う被覆方法において、上記溶融膜の形成された部材を少ない残熱量で得て、このあとの冷却負荷を低減させたものである。
【００３７】
従って、上記冷却負荷の低減により、被覆施工のための設備が簡素になると共に生産能率が向上し、又、エネルギや水の消費が節約できて、設備投資あるいは生産コストを低減させることができる。又、上記改善により、被覆対象あるいは被覆材料・仕様に関しての施工可能範囲が実質的に拡大されることもあり、被覆技術の利用性が一段と高められる。