(57)【要約】【課題】  従来埋め立て処分されていた石炭灰を有効に利用することができる構造用素材を提供する。【解決手段】  構造用素材１００は、基材１３と、基材１３の上に形成されたコーティング層１１とを備えた構造用素材において、コーティング層１１が、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分としており、コーティング層１１は、基材１３の上に水プラズマ溶射されることによって形成されている。石炭灰は、酸化珪素とアルミナと酸化鉄とを含んでいる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の上に形成されたコーティング層とを備えた構造用素材において、
前記コーティング層が、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分とすることを特徴とする構造用素材。
【請求項２】
前記コーティング層は、前記基材の上に溶射されることによって形成される請求項１に記載の構造用素材。
【請求項３】
前記コーティング層は、水プラズマ溶射されることによって形成される請求項２に記載の構造用素材。
【請求項４】
前記コーティング層と前記基材との間に形成された少なくとも一層の下盛り層をさらに含む請求項１に記載の構造用素材。
【請求項５】
前記下盛り層は、金属とセラミックスとの少なくとも１つを主成分とする請求項４に記載の構造用素材。
【請求項６】
前記下盛り層は、前記基材の上に溶射されることによって形成される請求項４に記載の構造用素材。
【請求項７】
前記石炭灰は、酸化珪素とアルミナと酸化鉄とを含む請求項１に記載の構造用素材。
【請求項８】
基材と、前記基材の上に形成されたコーティング層とを備えた構造用素材の製造方法において、
石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分とするコーティング層を、前記基板の上に溶射により形成することを特徴とする構造用素材の製造方法。
【請求項９】
前記コーティング層は、前記石炭灰を主成分とする材料を水プラズマ溶射することによって形成される請求項８に記載の構造用素材の製造方法。
【請求項１０】
前記基材の上に、金属とセラミックスとの少なくとも１つを主成分とする材料を溶射することによって少なくとも一層の下盛り層を形成する工程をさらに含み、
前記下盛り層の上に前記コーティング層を形成する、請求項８に記載の構造用素材の製造方法。
【請求項１１】
前記下盛り層を形成する工程の前に、前記基材の表面をブラスト処理する工程をさらに含む、請求項１０に記載の構造用素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の上に形成されたコーティング層を備えた構造用素材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造用素材において、基材の上にコーティング層を形成する技術には、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、ガスフレーム溶射、アーク溶接およびプラズマ溶射等がある。これらの技術は、溶射材料の種類および施工性に応じて選定される。中でもプラズマ溶射には、ガスプラズマ溶射と水プラズマ溶射とがあり、ガスプラズマ溶射が一般的に利用されている。
【０００３】
このガスプラズマ溶射では、溶射ガンの中を通過して作動ガスと混合した溶射材料を溶射フレーム内へ導入するため、溶射材料の粒径範囲が広いと溶射ガンが閉塞するおそれがある。
【０００４】
一方、水プラズマ溶射では、溶射ガンの中を透過させずに溶射フレームの外から溶射材料を導入する。セラミックス系溶融材料に類似する石炭灰は、粒径が細かいものから粗いものまであるので、適応粒径範囲が広い。しかも火災温度が３０，０００℃と溶射法の中では最も高い。このため、高融点材料を溶射するためには水プラズマ溶射が好ましい。
【０００５】
特開２００２−２８５３１５号公報には、火山灰を利用した構造用素材およびその製造方法が開示されている。上記公報では、土および石類の粉末と粘土との混合物を原料とするセラミックスタイルの製造方法である高温焼成において、厳密な仕上がり寸法を保証することができないという問題を解決するために、水プラズマ溶射を用いて仕上がり寸法の精度を十分に保証することができるセラミックスタイル用の構造用素材およびその製造方法が開示されている。
【０００６】
また、アルミナおよびムライトの粉末を溶射材料の原料として溶射するセラミックス溶射コーティング方法が開示されている。そして、火山灰を溶射材料の原料とする火山灰溶射コーティング方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２８５３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、アルミナおよびムライトの粉末を溶射材料の原料とすると、原料を調達するためのコストが高くなるという問題がある。
【０００８】
火山灰を溶射材料の原料とすると、火山灰は採取場所および採取時期によって土砂の混入状態、および降雨の影響による凝集、灰の性状（粉末状、塊状および含水率等）が著しく異なり、溶接材料としての安定性を欠くため、工業材料として使用しにくいという問題がある。
【０００９】
これに対して石炭灰は、産地履歴が同一であれば灰の成分比が安定しているので、石炭灰を溶射したコーティング皮膜の品質を容易に保持することができる。このため、石炭灰は工業材料として使用しやすい。
【００１０】
この石炭灰は、再生資源の利用の促進に関する法律において指定副産物に定められている。このため、電気事業等から発生した石炭灰の約７０重量％がセメント用を主体とする建設資材等に利用されている。
【００１１】
しかしながら、石炭灰の発生量は今後増加すると予想されるため、セメントを主体とする建設資材への利用のみでは、発生した石炭灰を処理することができない。このため、石炭灰の埋め立て処分量が増大して、埋め立て処分地問題がより一層深刻化するおそれがある。
【００１２】
本発明の目的は、従来は埋め立て処分されていた石炭灰を有効に利用することができる構造用素材およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る構造用素材は、基材と、前記基材の上に形成されたコーティング層とを備えた構造用素材において、前記コーティング層が、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る構造用素材の製造方法は、基材と、前記基材の上に形成されたコーティング層とを備えた構造用素材の製造方法において、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分とするコーティング層を前記基板の上に形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、埋め立て処分される石炭灰を有効に利用することができる構造用素材およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本実施の形態に係る構造用素材においては、基材の上に形成されたコーティング層が、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分とする。このため、火山灰を主成分とするコーティング層を備えた構造用素材よりも品質が良好な構造用素材を提供することができる。
【００１７】
この実施の形態では、前記コーティング層は、前記基材の上に溶射されることによって形成されることが好ましい。
【００１８】
前記コーティング層は、水プラズマ溶射されることによって形成されることが好ましい。
【００１９】
前記コーティング層と前記基材との間に形成された少なくとも一層の下盛り層をさらに含むことが好ましい。
【００２０】
前記下盛り層は、金属とセラミックスとの少なくとも１つを主成分とすることが好ましい。
【００２１】
前記下盛り層は、前記基材の上に溶射されることによって形成されることが好ましい。
【００２２】
前記石炭灰は、酸化珪素とアルミナと酸化鉄とを含むことが好ましい。
【００２３】
本実施形態にかかる構造用基材の製造方法は、基材と、前記基材の上に形成されたコーティング層とを備えた構造用素材の製造方法であって、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分とするコーティング層を、前記基板の上に溶射により形成することを特徴とする。
【００２４】
前記コーティング層は、前記石炭灰を主成分とする材料を水プラズマ溶射することによって形成されることが好ましい。
【００２５】
前記基材の上に、金属とセラミックスとの少なくとも１つを主成分とする材料を溶射することによって少なくとも一層の下盛り層を形成する工程をさらに含み、前記下盛り層の上に前記コーティング層を形成することが好ましい。
【００２６】
前記下盛り層を形成する工程の前に、前記基材の表面をブラスト処理する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
図１は、実施の形態に係る構造用素材１００の構成を示す断面図である。構造用素材１００は、基材１３を備えている。基材１３は、金属、セラミックス等によって構成されており、例えば炭素鋼板によって構成することが好ましい。
【００２９】
基材１３の上には、下盛り層１２が５０μｍ以上１００μｍ以下の膜厚に形成されている。下盛り層１２は、基材１３の上に溶射されることによって形成されており、金属とセラミックスとの少なくとも１つを主成分とする。下盛り層１２は、９５重量％Ｎｉ−５重量％Ａｌによって構成することが好ましい。
【００３０】
下盛り層１２の上には、コーティング層１１が約１ｍｍの膜厚に形成されている。コーティング層１１は、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分としており、基材１３の上に水プラズマ溶射されることによって形成されている。コーティング層１１の主成分となる石炭灰は、酸化珪素とアルミナと酸化鉄とを含む。
【００３１】
このように構成された構造用素材１００の製造方法を説明する。まず、基材１３の表面をアルミナによってブラストする。そして、９５重量％Ｎｉ−５重量％Ａｌをアーク溶射機によって基材１３の上に溶射して５０μｍ以上１００μｍ以下の膜厚に下盛り層１２を形成する。次に、水プラズマ溶射機によって石炭灰を膜厚１ｍｍを目標に溶射してコーティング層１１を下盛り層１２の上に形成する。その後、コーティング層１１および下盛り層１２を形成した基材１３を大気中に放置して自然冷却する。
【００３２】
図２は、実施の形態に係る他の構造用素材１００Ａの構成を示す断面図である。図１を参照して前述した構造用素材１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。前述した構造用素材１００と異なる点は、下盛り層１２とコーティング層１１との間に下盛り層２２が形成されている点である。下盛り層２２は、ＺｒＯ2−８重量％Ｙ2Ｏ3によって構成されており、約３００μｍの膜厚に形成されている。
【００３３】
このように構成された構造用素材１００Ａの製造方法を説明する。まず、基材１３の表面をアルミナによってブラストする。そして、９５重量％Ｎｉ−５重量％Ａｌをアーク溶射機によって基材１３の上に溶射して５０μｍ以上１００μｍ以下の膜厚に下盛り層１２を形成する。その後、ＺｒＯ2−８重量％Ｙ2Ｏ3を水プラズマ溶射機によって下盛り層１２の上に溶射して約３００μｍの膜厚に下盛り層２２を形成する。次に、水プラズマ溶射機によって石炭灰を膜厚１ｍｍを目標に溶射して、コーティング層１１を下盛り層２２の上に形成する。その後、コーティング層１１および下盛り層１２、２２を形成した基材１３を大気中に放置して自然冷却する。
【００３４】
図３は、実施の形態に係るさらに他の構造用素材１００Ｂの構成を示す断面図である。図１を参照して前述した構造用素材１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００３５】
構造用素材１００Ｂは、基材３３を備えている。基材３３は、耐火レンガによって構成されている。基材３３の上には、コーティング層１１が約１ｍｍの膜厚に形成されている。コーティング層１１は、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分としており、基材３３の上に水プラズマ溶射されることによって形成されている。コーティング層１１の主成分となる石炭灰は、酸化珪素とアルミナと酸化鉄とを含む。
【００３６】
このように構成された構造用素材１００Ｂの製造方法を説明する。まず、基材３３の表面をブラスト処理することなく、水プラズマ溶射機によって石炭灰を膜厚１ｍｍを目標に溶射して、コーティング層１１を基材３３の上に形成する。その後、コーティング層１１を形成した基材３３を大気中に放置して自然冷却する。
【００３７】
図１〜図３に示す構造用素材１００、１００Ａおよび１００Ｂの製造方法で使用した水プラズマ溶射およびアーク溶射の条件を（表１）に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１に示すように、水プラズマ溶射では、熱源としてプラズマ放電を使用し、作動ガスとして水蒸気を使用する。キャリアガスは空気であり、電圧３００ボルト以上４００ボルト以下、電流３００アンペア以上４００アンペア以下、溶射距離１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下で溶射する。アーク溶射では、熱源としてアーク熱を使用し、作動ガスとして圧縮空気を使用する。キャリアガスは空気であり、電圧２０ボルト以上４０ボルト以下、電流１５０アンペア以上２５０アンペア以下、溶射距離１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下で溶射する。
【００４０】
図１および図２に示す構造用素材１００および１００Ａの溶射皮膜の密着性を評価するために、炭素鋼板を基材として石炭灰を溶射する溶射距離を１８０ｍｍに一定として、石炭灰の平均粒径と下盛り層とが互いに異なる溶射試験片の曲げ試験を実施した。その結果を（表２）に示す。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
ジルコニアを溶射した試験片を比較例とし、下盛り層の材質と石炭灰の平均粒径とを調整した。平均粒径が１５０μｍであり、下盛り層がＮｉ−Ａｌの場合と、平均粒径が５０μｍであり、下盛り層がＮｉ−Ａｌ−Ｚｒの場合とでは、曲げ角度が概ね１０°までは、比較例と同程度の耐久性を有することを確認した。
【００４３】
（表２）において、Ｎｉ−Ａｌは、基材上に９５重量％Ｎｉ−５重量％Ａｌの下盛り層を形成した１層構造の下盛り層（図１の下盛り層１２）を意味する。Ｎｉ−Ａｌ−Ｚｒは、基材上に９５重量％Ｎｉ−５重量％Ａｌの下盛り層を形成し、さらにその上にＺｒＯ2−８重量％Ｙ2Ｏ3の下盛り層を形成した２重構造の下盛り層（図２の下盛り層１２，２２）を意味する。
【００４４】
図４は、実施の形態に係る構造用素材の磨耗量を示すグラフである。図１および図２に示す構造用素材１００および１００Ａの溶接皮膜の耐久性を評価するために、炭素鋼板を基材として、溶射距離を１８０ｍｍとし、石炭灰の平均粒径を一定の１５０μｍとし、基材上に石炭灰を直接溶射した試験片と、基材上にＮｉ−Ａｌの下盛り層を形成した後、石炭灰を溶射した試験片と、基材上にＮｉ−Ａｌ−Ｚｒの下盛り層を形成した後、石炭灰を溶射した試験片と、比較例として基材上にＺｒを溶射した試験片とに対してブラスト磨耗試験を実施した。
【００４５】
石炭灰の溶射皮膜層は、ブラスト磨耗試験の開始後１分程度で剥離しており、基材に石炭灰を直接溶射した曲線Ｃ２によって示される試験片と、基材上にＮｉ−Ａｌの下盛り層を形成した後、石炭灰を溶射した曲線Ｃ１によって示される試験片とは、基材上にセラミックのＺｒを溶射した曲線Ｃ４によって示される試験片と同等の耐磨耗性を有していることがわかった。
【００４６】
基材上にＮｉ−Ａｌ−Ｚｒの下盛り層を形成した後、石炭灰を溶射した曲線Ｃ３によって示される試験片は、下盛り溶射金属の重量が重いため、磨耗量を重量変化で評価していることから、他の溶射条件と比べて重量変化が大きくなったが、石炭灰溶射皮膜の剥離については、他の結果と同等の結果であると考えられる。
【００４７】
図２に示す構造用素材１００Ａの強度を評価するために、ＪＩＳＺ２２４１およびＪＩＳＺ２２０１に準拠して、炭素鋼材を基材として、アーク溶射機によってＮｉ−Ａｌを、水プラズマ溶射機によってＺｒをそれぞれ下盛り溶射した後、石炭灰溶射試験片と炭素鋼板基材試験片との引張試験を実施した。その結果を（表３）に示す。
【００４８】
【表３】
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【００４９】
表３に示すように、炭素鋼板基材試験片に比較して、石炭灰溶射試験片の強度低下の有意な差は認められなかった。
【００５０】
（表４）に本実施の形態に係る溶接前後の石炭灰の成分分析データを示す。
【００５１】
【表４】
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【００５２】
本実施の形態に係る石炭灰の主成分は、酸化珪素、アルミナおよび酸化鉄等であり、概ね５０重量％以上７０重量％以下の珪酸、２０重量％前後のアルミナおよび鉄、アルカリ土類等の酸化物によって構成されている。
【００５３】
本実施の形態に係る石炭灰の粒径は、採取箇所に応じてフライアッシュとクリンカアッシュとで異なる。石炭灰の概ね５０重量％の平均粒径はフライアッシュでは６μｍ以上９μｍ以下であり、クリンカアッシュでは５０μｍ以上７０μｍ以下である。
【００５４】
石炭灰の成分は、通常のムライト溶射材料の成分に近いので、コーティング時の溶射性に特に支障はない。石炭灰には、有害成分として硫黄分（硫酸塩ではなく、硫黄単体および硫化物）およびその他の成分が含まれる。水プラズマ溶射では、火災温度が３０，０００℃にも達するため、これらの有害成分は分解蒸発して除去される。
【００５５】
本実施の形態で使用される水プラズマ溶射は、水安定化プラズマ溶射とも称され、プラズマ安定化ガスとして、水蒸気を使用する。水プラズマ溶射は、通常のＡｒ、Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅガス等を使用するガスプラズマ溶射と比較して、時間当たりの溶射量が約１０倍と溶射能力が高く、それらのガスの替わりに水を使用するため、溶射時の費用を低減することができる。
【００５６】
火山灰を主成分とする火山灰溶射コーティング方法では、火山灰の性状等が不均一であるため、溶射コーティング皮膜の品質の安定性に欠く。しかしながら、石炭灰は性状等が安定しているため、皮膜の品質が安定する。
【００５７】
また、火山灰によって溶射コーティング皮膜を形成すると、火山灰層を基材に形成した後、さらに火山灰層の表面溶融処理が必要であるが、石炭灰溶射層では表面溶融処理の必要がない。このため、溶射作業を効率的に行うことができる。
【００５８】
以上のように本実施の形態によれば、基材１３の上に形成されたコーティング層１１が、石炭を燃焼させることによって生成される石炭灰を主成分とする。このため、火山灰を主成分とするコーティング層を備えた構造用素材よりも品質が良好な構造用素材を提供することができる。
【００５９】
なお、本実施形態にかかる構造用素材は、例えば、ボイラチューブ、ボイラ、高温炉等の耐火レンガ、製紙用ロール、高炉・転炉等の製鉄用高温耐摩耗処理材料、絶縁部品、金型代替品（型枠）等の用途に用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、基材の上に形成されたコーティング層を備えた構造用素材およびその製造方法に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる構造用素材の構成を示す断面図
【図２】本発明の他の実施形態にかかる構造用素材の構成を示す断面図
【図３】本発明のさらに他の実施形態にかかる構造用素材の構成を示す断面図
【図４】実施形態にかかる構造用素材の磨耗量を示すグラフ
【符号の説明】
【００６２】
１１  コーティング層
１２  下盛り層
１３  基材
２２  下盛り層
３３  基材
１００  構造用素材
１００Ａ  構造用素材
１００Ｂ  構造用素材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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