(57)【要約】【課題】熱伝導率の大きい金属に対しても、界面との密着性が損なわれることなくミリメートルオーダの皮膜を平坦で滑らかに形成することにある。【解決手段】金属粉末を被加工物の表面に高速噴射させて皮膜を形成するコーティング方法において、基材に遷移速度以上の飛行速度で金属粉末を噴射させて第１のコーティング層を形成し、この第１のコーティング層の表面に遷移速度未満の飛行速度で金属粉末を噴射させて第２のコーティング層を形成する。【選択図】図１
2006334563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を被加工物の表面に高速噴射させて皮膜を形成するコーティング方法において、
基材に遷移速度以上の飛行速度で金属粉末を噴射させて第１のコーティング層を形成し、
この第１のコーティング層の表面に遷移速度未満の飛行速度で金属粉末を噴射させて第２のコーティング層を形成すること
を特徴とするコーティング方法。
【請求項２】
前記基材の表面に前記第１のコーティング層を形成するに先立ち、前記基材の表面に遷移速度未満の飛行速度で金属粉末を噴射させて初層コーティング層を形成したことを特徴とする請求項１記載のコーティング方法。
【請求項３】
高速噴射される金属粉末は、遷移速度未満の飛行速度で噴射させる金属粉末の粒径分布が遷移速度以上の速度で噴射させる金属粉末の粒径分布よりも広くなる粒径の異なる金属粉末が用いられることを特徴とする請求項１記載のコーティング方法。
【請求項４】
遷移速度未満の飛行速度で噴射させる金属粉末は、前記被加工物の基材に付着せずに回収された金属粉末を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つの項に記載されたコーティング方法。
【請求項５】
高速噴射した飛行中の金属粉末を加熱した後、前記被加工物の基材に衝突させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つの項に記載のコーティング方法。
【請求項６】
高速噴射した飛行中の金属粉末の加熱は、レーザと反射鏡により行われることを特徴とする請求項５記載のコーティング方法。
【請求項７】
金属粉末を被加工物の表面に高速噴射させて皮膜を形成するコーティング装置において、遷移速度未満の飛行速度で金属粉末を噴射するための第１のノズルと、遷移速度以上の速度で金属粉末を噴射するための第２のノズルと、前記第１のノズルに遷移速度未満の飛行速度で使用される金属粉末を供給する第１の粉末供給装置と、前記第２のノズルに遷移速度未満の飛行速度で使用される金属粉末を供給する第２の粉末供給装置とを備えたことを特徴とするコーティング装置。
【請求項８】
前記被加工物の基材に付着しない金属粉末を回収し、該金属粉末を前記第１の粉末供給装置に戻す回収手段を設けたことを特徴とする請求項７記載のコーティング装置。
【請求項９】
前記第１のノズル及び前記第２のノズルより高速噴射した金属粉末の飛行経路にレーザ光を照射して金属粉末を加熱するレーザ発信部と反射鏡とを備えたことを特徴とする請求項７又は請求項８記載のコーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末を被加工物の表面に高速噴射させて皮膜を形成するコーティング方法及びコーティング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属粉末を被加工物の表面に噴射させて皮膜を形成する方法として、既知のブラスト加工装置などの噴射装置により、噴射速度８０ｍ／ｓ以上、または噴射圧力３ｋｇｆ／ｃｍ2以上で、金、銀、銅、錫、はんだ、亜鉛、アルミニウムなどの金属粉末を噴射して、陶磁器、ガラス、セラミックス器、金属食器、配線用基板など各種の被加工物の表面に金属皮膜を形成する方法がある（例えば、特許文献1）。
【０００３】
また、他の金属皮膜形成方法としては、上記よりもかなり高速（噴射速度５００ｍ／ｓ以上）で金属粉末を基材に衝突させて金属皮膜を形成する技術も知られている（例えば、非特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−２８０１６５号公報
【非特許文献１】「新しい溶射プロセスＣｏｌｄ  Ｓｐｒａｙ」、溶射技術  Ｖｏｌ．２０−Ｎｏ．２，Ｐ３２−４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献の金属皮膜形成方法においては、噴射速度８０ｍ／ｓｅｃ以上、または噴射圧力３ｋｇｆ／ｃｍ2以上としているが、通常のブラスト加工装置などを用いているので、噴射圧力、噴射速度は、それぞれ少なくとも３ｋｇｆ／ｃｍ2、８０ｍ／ｓｅｃ程度であり、これより極端に高い圧力、早い速度が得られる訳ではない。
【０００５】
また、噴射ガンにもブラストガンを用いているため、噴射された金属粉末の運動エネルギーは、通常のブラストと同程度のものである。
【０００６】
このような条件では、被加工物としては熱伝導率が小さく金属粉末の衝突時の発熱を有効に利用できる陶磁器、ガラス、セラミックス器には、皮膜を形成できるが、熱伝導率が大きく、熱が逃げ易い金属には皮膜を形成しにくく、たとえ皮膜を形成できた場合でも厚膜の形成は困難であり、上記特許文献には皮膜厚さは数μｍ程度と記載されている。
【０００７】
また、これよりも高速の非特許文献記載のコールドスプレイでは、金属基材に金属をコーティングすることが可能であるが、基材との密着にはメカニカルな効果が少なからず介在しており、コーティングが界面で平面的に剥離したり、コーティング表面が溶射のように荒れた面になったりし易い。また、ノズル狭隘部に金属粉末が堆積し、ノズル閉塞が起きたりする問題が発生し易い。
【０００８】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、熱伝導率の小さい陶磁器、ガラス、セラミックスなどはもとより、熱伝導率の大きい金属に対しても、界面との密着性が損なわれることなくミリメートルオーダの皮膜を平坦で滑らかに形成することができるコーティング方法とコーティング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の目的を達成するため、以下のような方法及び手段により被加工物をコーティングするものである。
【００１０】
本発明は、金属粉末を被加工物の表面に高速噴射させて皮膜を形成するコーティング方法において、基材に遷移速度以上の飛行速度で金属粉末を噴射させて第１のコーティング層を形成し、この第１のコーティング層の表面に遷移速度未満の飛行速度で金属粉末を噴射させて第２のコーティング層を形成する。
【００１１】
本発明は、遷移速度未満の飛行速度で金属粉末を噴射するための第１のノズルと、遷移速度以上の速度で金属粉末を噴射するための第２のノズルと、前記第１のノズルに遷移速度未満の飛行速度で使用される金属粉末を供給する第１の粉末供給装置と、前記第２のノズルに遷移速度未満の飛行速度で使用される金属粉末を供給する第２の粉末供給装置とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱伝導率の大きい金属に対しても、界面との密着性が損なわれることなくミリメートルオーダの皮膜を平坦で滑らかに形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は基材の表面に形成されるコーティング層の構成を示す断面図である。
【００１５】
図１において、図示しないノズルより窒素ガスの圧力により金属粉末を被加工物に高速噴射させて皮膜を形成するコーティング方法により、例えば厚さ５ｍｍからなるステンレス鋼製の基材１の表面上に形成された純アルミニウムのコーティング層は、初層コーティング層２、中間コーティング層３、表面コーティング層４からなる。
【００１６】
初層コーティング層２は、粉末飛行速度の遷移速度未満で約１０μｍの厚さに形成されている。この初層コーティング層２を形成した後、金属粉末を搬送するための窒素ガスの圧力を増加し、金属粉末の飛行速度を遷移速度以上にして、３ｍｍの厚さの中間コーティング層３が形成される。
【００１７】
最後に窒素ガスの圧力を初層コーティング層２の形成時と同様の値に戻し、遷移速度未満で約０．５ｍｍの厚さの表面コーティング層４が形成され、ステンレス鋼状への純アルミニウムのコーティングを終了する。
【００１８】
ところで、金属粉末を被加工物に高速噴射させて皮膜を形成するコーティング方法においては、高速噴射させた金属粉末の飛行速度に遷移速度域が存在することが知られている。すなわち、この遷移速度未満の飛行速度では、金属粉末の基材へのコーティング効率が低く、また遷移速度以上の飛行速度では、コーティング効率が急激に増加するものであり、金属粉末の材質や粒径、温度などによって異なるが、およそ数百ｍ／ｓ程度である。
【００１９】
遷移速度以上では効率は良いが、コーティング表面は溶射のようにざらざらして荒れた状態となる。また、基材との密着は機械的な要因が大きくなる傾向があり、基材との密着度が低いと基材からコーティング層が平面的に剥離する場合がある。
【００２０】
これと比較して遷移速度未満ではコーティング効率、すなわち飛行中の金属粉末量に対する基材への付着量の割合は低下するが、金属光沢のある平坦で粗さの小さいコーティング表面が得られる。また、基材との密着は熱的な要因が大きくなる傾向があり、基材からコーティング層が平面的に剥離することが少なくなる。
【００２１】
このため、遷移速度未満で形成した初層コーティング層２は、ステンレス鋼の基材１に剥離しにくい状態で形成される。また、この初層コーティング層２上の中間コーティング層３は、遷移速度以上で形成しているので、コーティング効率が良く、しかも膜厚にできる。
【００２２】
最後の表面コーティング層４は、遷移速度未満で形成しているので、金属光沢があり、平坦で粗さが小さくなる。
【００２３】
このような３層コーティング層とすることで、基材との密着性が良く、コーティング効率が良く、表面状態の良いコーティング層が得られる。
【００２４】
ここで、上記遷移速度未満の飛行速度でコーティングする場合に使用される金属粉末と遷移速度以上の飛行速度でコーティングする場合に使用される金属粉末の粒径分布について図２により説明する。
【００２５】
図２は、金属粉末の粒径を横軸、単位体積あたりの金属粉末の分布量を縦軸として、第１の金属粉末５と第２の金属粉末６の粒径分布を示すものである。
【００２６】
図２（ａ）において、第１の金属粉末５は、遷移速度未満の飛行速度でコーティングする場合に使用されるものであり、粒径が約４０μｍのものとその周辺の粒径の粉末を含んでいる。
【００２７】
これに対し、第２の金属粉末６は、遷移速度以上の飛行速度でコーティングする場合に使用されるものであり、粒径が約４０μｍの金属粉末を主にしてその周辺の粒径のものが若干含まれている。
【００２８】
遷移速度未満の飛行速度でのコーティング効率は、例えば１０％程度であるので、図２（ｂ）のようにコーティング前における第１の金属粉末５の粒径分布は、コーティングにより基材に衝突して飛散すると第１の金属粉末５ａのような粒径分布となる。また、コーティング前における第２の金属粉末６の粒径分布は、例えばコーティング効率９０％となる遷移速度以上の飛行速度でコーティングすると、コーティング後においては第２の金属粉末６ａの粒径分布となる。
【００２９】
図３は本発明によるコーティング方法の実施に使用されるコーティング装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【００３０】
図３において、１７は回収容器で、この回収容器１７内にはコーティングされる基材１３が配置され、その上方に噴射口を真下に向けて第１のノズル１１及び第２のノズル１５が配置され、図示しない支持機構を介して回収容器１７に支持されている。
【００３１】
一方、９は第１の粉末容器で、この第１の粉末容器９内には図２（ａ）の粒径分布を有する第１の金属粉末５が収容されている。この第１の金属粉末５は粉末供給装置１０ａをより窒素ガスの圧力により第１のノズル１１に搬送され、この第１のノズル１１より第１の飛行粒子１２として基材１３にコーティングされる。
【００３２】
また、１４は第２の粉末容器で、この第２の粉末容器１４内には図２（ａ）の粒径分布を有する第２の金属粉末６が収容されている。この第２の金属粉末６は粉末供給装置１０ｂより窒素ガスの圧力により第２のノズル１５に搬送され、この第２のノズル１５より第２の飛行粒子１６として基材１３にコーティングされる。
【００３３】
第１のノズル１１及び第２のノズル１５より噴射された第１の金属粉末５及び第２の金属粉末６で、基材１３のコーティングに供されなかった粉末は回収容器１７内から回収器１８に回収され、第１の粉末容器９内に戻される。
【００３４】
このような構成のコーティング装置において、まず基材１３上に初層コーティング層２を形成するには、第１の粉末容器９に収容されている第１の金属粉末を粉末供給装置１０ａに導入し、この粉末供給装置１０ａより供給される第１の金属粉末を窒素ガスの圧力により第１のノズル１１を通して遷移速度未満の飛行速度で基材１３に向けて噴射させ、基材１３の表面をコーティングする。
【００３５】
次に中間コーティング層３を形成するには、第２の粉末容器１４に収容されている第２の金属粉末を粉末供給装置１０ｂに導入し、この粉末供給装置１０ｂより供給される第２の金属粉末を窒素ガスの圧力により第２のノズル１５を通して遷移速度以上の飛行速度で基材１３に向けて噴射させ、初層コーティング層２の上面をコーティングする。
【００３６】
そして、表面コーティング層４を形成するには、第１の粉末容器９に収容されている第１の金属粉末を再度粉末供給装置１０ａに導入し、この再度粉末供給装置１０ａより供給される第１の金属粉末を第１のノズル１１を通して遷移速度未満の飛行速度で噴射させ、中間コーティング層３の上面をコーティングする。
【００３７】
従って、これらを連続して行うことにより、異なる金属粉末を用いた３層のコーティングが可能となる。
【００３８】
また、コーティングされなかった金属粉末は、前述した図２に示す粒径分布からも明らかなようにコーティング後の基材１３に付着しない第１の金属粉末５ａの粒径分布、及びコーティング後の基材１３に付着しない第２の金属粉末６ａの粒径分布となっており、これらを混合するとほぼ第１の金属粉末５の粒径分布に近くなるため、これを第１の粉末容器９内に導入して再利用することが可能となる。
【００３９】
このように本実施形態によれば、初層コーティング層２を第１の金属粉末５を用いて遷移速度未満の飛行速度でコーティングして形成するようにしたので、基材１と初層コーティング層２との密着性を向上させることができる。
【００４０】
また、中間コーティング層３を第２の金属粉末６を用いて遷移速度以上の飛行速度でコーティングして形成するようにしたので、コーティング効率を向上させることができる。
【００４１】
さらに、表面コーティング層４を第１の金属粉末５を用いて遷移速度未満の飛行速度でコーティングして形成するようにしたので、表面が金属光沢で粗さが小さい滑らかなコーティングが得られる。
【００４２】
一方、コーティングされなかった金属粉末は回収され、同様な粒径分布の金属粉末に混合されて再利用されるので、材料の節約と廃棄物の低減が可能となる。
【００４３】
ところで、ステンレス鋼のように比較的硬く、溶融温度の高い材質の金属粉末をコーティングする場合は、数百℃の粉末予熱が一般的に行われている。この予熱を行うとノズル内部に金属粉末の付着が生じ易くなり、一旦金属粉末の付着が発生すると、ここに金属粉末が堆積し易くなり、急速にノズル内径が狭まって行き、ノズル閉塞状態となる。ノズルが閉塞すると金属粉末の通過速度が低下し、基材１３への衝突速度が低下するので、コーティングが良好に行われなくなる。
【００４４】
図４はかかる不具合を防止するための第２の実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は加熱手段として用いられるミラーとレーザ装置の平面図である。
【００４５】
第２の実施形態では、図４（ａ），（ｂ）に示すように図３の第１のノズル１１より高速噴射した金属粉末の飛行経路に対応させてレーザ発信部と反射鏡とを備えた加熱手段を設け、金属粉末の飛行粒子１２を加熱するようにしたものである。なお、図４では第１のノズル１１に対応させて設けられた加熱手段を示しているが、第２のノズル１５側にも上記と同様の加熱手段が設けられている。
【００４６】
この加熱手段は、内面が鏡面仕上げの純銅製の円筒状ミラー２１と、このミラー２１の周面の一部に設けられたスリットを通してミラー内部にレーザ光２３を照射するＣＯ2レーザ装置２２及びミラー内部の全周を反射してスリットに戻るビーム２５を吸収するビームダンプ２６から構成されている。
【００４７】
このような加熱手段を備えたコーティング装置において、ノズル１１（１５）から高速噴射された金属粉末の飛行粒子１２（１６）が、ミラー内部２４を通過すると、ＣＯ2レーザ装置２２からスリット部を介して照射されたレーザがミラー内部２４の鏡面を反射しながら全内周を通り、最後にミラーのスリット部からビーム２５として出力し、ビームダンプ２６に吸収される。この過程で金属粉末の飛行粒子１２（１６）はミラー内部２４を飛行中にレーザビームにより加熱された後、基材１３に衝突してコーティングされる。
【００４８】
このように本実施形態では、金属粉末の予熱を極力低く抑え、ノズル内通過時の粉末温度を上昇させず、ノズルから噴出後、基材到達までの間に金属粉末の飛行粒子の温度を上昇させているので、通常は予熱が必要な金属粉末を予熱せずにノズルを通過させることができる。
【００４９】
したがって、ステンレス鋼のように比較的硬く、溶融温度の高い材質の金属粉末をコーティングする場合でも、ノズルが金属粉末により閉塞されることがなく、良好にコーティングすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明によるコーティング方法を説明するための第１の実施形態を示すコーティング層の断面図。
【図２】同実施形態において、コーティング粉末の粒径分布を示す図。
【図３】本発明のコーティング方法の実施に用いられるコーティング装置を示す構成図。
【図４】本発明の加熱手段を備えたコーティング装置の実施形態を示す構成図。
【符号の説明】
【００５１】
１，１３…基材、２…初層コーティング層、３…中間コーティング層、４…表面コーティング層、５…第１の金属粉末、６…第２の金属粉末、７…コーティング後の第１の金属粉末、８…コーティング後の第２の金属粉末、９…第１の粉末容器、１０ａ，１０ｂ…粉末供給装置、１１…第１のノズル、１２…第１の飛行粒子、１４…第２の粉末容器、１５…第２のノズル、１６…第２の飛行粒子、１７…回収容器、１８…回収器、１９…ノズル２０…飛行粒子、２１…ミラー、２２…レーザ装置、２３…レーザ、２４…ミラー内部、２５…ビーム、２６…ビームダクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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