(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマジェットを噴射するプラズマ噴射部と、
前記プラズマ噴射部から噴射されるプラズマジェットを囲むように配置され、先端が開放された二重円筒部と、
前記二重円筒部の内筒内に不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射部と、
前記二重円筒部の内筒内に溶射材料を供給する材料供給部と、
前記二重円筒部の外筒と内筒の間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
を有するプラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記不活性ガス噴射部は、内筒内のプラズマジェットの流れに沿うように不活性ガスを噴射する、請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
前記不活性ガス噴射部は、内筒内のプラズマジェットの流れ方向において、前記プラズマ噴射部より上流側又は同位置に位置する、請求項１又は２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
前記不活性ガス噴射部の開口面積が２０ｍｍ２以上７０ｍｍ２以下である、請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ溶射によって基材上に金属皮膜等を形成するプラズマ溶射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス相を有する合金は、耐食性や耐摩耗性などの高機能材料として有望である。
【０００３】
アモルファス相を有する合金の製法として、例えば特許文献１及び特許文献２には、溶融した合金を鋳型に流し込み、急冷凝固することでアモルファス相を得る方法（急冷凝固法）が記載されている。しかし、上述した急冷凝固法では作製可能なアモルファス相を有する合金の大きさが限られており、大面積のアモルファス相を有する合金の薄膜（皮膜）を作製することは困難である。
【０００４】
これに対して、アモルファス相を有する合金の薄膜を形成する技術として溶射法が知られている。例えば特許文献３では、フレーム溶射ガンに二重管ノズルを装着して、二重管の間隙から窒素ガスを溶融した材料に吹きかけ、急冷することで、基材へアモルファス相を有する合金の薄膜を形成している（フレーム溶射法）。
【０００５】
しかしながら、フレーム溶射法では主にアセチレンガスやプロピレンなどの燃焼ガスと酸素ガス(助燃ガス)により、フレームを形成しているため、酸化しやすい溶射材料を用いた際、酸化物が生成されやすく、酸化物が核となり、結晶化を促進するため、アモルファス相の形成が阻害される。特許文献３では、アセチレン量を増量し酸素を減量して形成する還元炎を用いているが、不完全燃焼により炭素の微粒子（すす）が発生するため、これが溶射皮膜中に混入し不純物となる問題がある。
【０００６】
一方、プラズマ溶射法は、高温で高速のプラズマジェットに溶射材料を供給して溶融し、かつ、高速で基材に飛行させ、基材へ皮膜を形成する溶射法の一つとして一般的なものである。例えば非特許文献１には、電極間の直流アークでガス（アルゴンガス、窒素ガスなど）を電離させ、ノズルより噴出させた高温の熱プラズマをノズルより高速で外部に噴出させ、この高温・高速の熱プラズマを粉末の加速・加熱に利用したプラズマ溶射法が記載されている。
【０００７】
プラズマ溶射法では、溶射材料が金属等の酸化しやすい場合、プラズマとして電離させるガスにアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを用いることで、フレーム溶射法に比べ、溶射材料の酸化の問題は軽減される。しかし、大気雰囲気でプラズマ溶射を行うと加熱された溶射材料は大気中の酸素ガスと反応し、酸化物を形成するため、依然として溶射材料の酸化の問題はある。溶射材料が酸化すると、元の溶射材料と溶射皮膜の組成が異なることなり、所望の性能が得られないことがある。
【０００８】
そこで、非特許文献１には、主にアルゴンガスを雰囲気ガスとした制御された減圧下で、プラズマ溶射を行うことで、酸化を防止することが記載されているが、減圧雰囲気を作るための専用のチャンバーやそのチャンバーの大きさにより基材の大きさが制限される。しかも、溶射材料がアモルファス相を形成する合金の場合、減圧雰囲気下では溶射材料の冷却速度が遅く、アモルファス相を形成しにくいという問題がある。
【０００９】
加えて、プラズマ溶射法では、その作動温度が数万℃と非常に高く、しかもプラズマジェットが高速の流れであるため、溶射装置への熱影響が大きく、溶射装置、特にプラズマジェットに対面する部位が溶損しやすいという問題もある。上述のフレーム溶射法では、フレーム温度は高々３０００℃程度であり、上述の特許文献３では、二重管の間隙から窒素ガスを流すことで二重管内筒の冷却を行うため、内筒への熱影響は小さく、また、フレーム流速も小さいため、内筒内での乱流は生じず、内筒の溶損はない。これに対し、プラズマ溶射法において特許文献３のような二重管構造を単純に適用したとしても、上述の理由から内筒が溶損する可能性が大いにある。
【００１０】
以上のように、従来のプラズマ溶射法では、溶融した溶射材料が大気に晒され、大気中の酸素により意図せず酸化が起こるため、溶射皮膜の品質低下を引き起こすことがある。また、溶射材料の酸化防止のためプラズマ溶射を減圧雰囲気下で行うと、十分な冷却速度が得られず、基材の大きさも制限される。さらに、従来のプラズマ溶射法では、溶射装置が溶損しやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２７３５４８号公報
【特許文献２】特開２００４−１４９９１４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２２８９５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】「溶射工学便覧」、日本溶射協会、P２３６−２４８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、溶射材料の酸化防止を図りつつ十分な冷却速度を確保でき、しかも装置の溶損も防止できるプラズマ溶射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のプラズマ溶射装置は、プラズマジェットを噴射するプラズマ噴射部と、前記プラズマ噴射部から噴射されるプラズマジェットを囲むように配置され、先端が開放された二重円筒部と、前記二重円筒部の内筒内に不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射部と、前記二重円筒部の内筒内に溶射材料を供給する材料供給部と、前記二重円筒部の外筒と内筒の間に不活性ガスを供給するガス供給部と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のプラズマ溶射装置では、二重円筒部の内筒内に不活性ガスが噴射されるとともに、二重円筒部の先端からもガス供給部から供給された不活性ガスが噴射される。これらの不活性ガスの存在により、溶射材料の酸化防止を図ることができる。また、二重円筒部の内筒内に不活性ガスを噴射することで、十分な冷却速度を確保でき、しかも二重円筒部の内筒の溶損も防止できる。
【００１６】
このように、本発明のプラズマ溶射装置によれば、酸化しやすい溶射材料（アモルファス相を有する合金）であっても、減圧雰囲気にすることなく大気雰囲気において十分な冷却速度をもって溶射を行うことができる。このため、本発明のプラズマ溶射装置は、装置構成が簡単で小型化することができ、操作性も良好であり、大面積基材への溶射皮膜（アモルファス相を有する合金の皮膜）の形成を容易に行うことができる。さらに、溶射皮膜（アモルファス相を有する合金の皮膜）の品質も良好となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のプラズマ溶射装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例と比較例のＮｉ基アモルファス合金溶射皮膜のＸＲＤ測定結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明のプラズマ溶射装置の一実施形態を示す断面図である。同図に示すプラズマ溶射装置は、プラズマ噴射部１と、二重円筒部２と、不活性ガス噴射部３と、ガス供給部４と、材料供給部５とを有する。
【００１９】
プラズマ溶射部１は、プラズマ発生器１Ａの先端に設けており、プラズマ発生器１Ａで発生したプラズマをプラズマジェットとして噴射する。プラズマ発生器１Ａは、内筒体２Ａの基端側に装着されており、作動ガスとしてアルゴンガス、窒素ガスなどを使用してプラズマを発生させる。
【００２０】
二重円筒部２は、内筒体２Ａの先端側と外筒体２Ｂとで構成され、プラズマ噴射部１から噴射されるプラズマジェットを囲むように配置されている。二重円筒部２の先端は開放されており、これにより二重円筒部２の先端にはリング状の連続したスリットが形成されている。
【００２１】
不活性ガス噴射部３は、二重円筒部２の内筒（内筒体２Ａの先端側）内にアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを噴射する。本実施形態では、内筒体２Ａの内周面とプラズマ発生器１Ａの外周面との間の隙間がガス通過路３Ａとなっており、このガス通過路３Ａの先端が不活性ガス噴射部３となっている。すなわち、本実施形態の不活性ガス噴射部３は、リング状の連続したスリットからなり、プラズマジェットの流れ方向においてプラズマ噴射部１より上流側又は同位置に位置する。そして、不活性ガス供給部３Ｂから供給された不活性ガスが、ガス通過路３Ａを通って不活性ガス噴射部３からプラズマジェットの流れに沿うように噴射される。
【００２２】
ガス供給部４は、二重円筒部２の外筒と内筒の間に不活性ガスを供給する。この不活性ガスは、二重円筒部２の外筒と内筒の間の隙間を通って二重円筒部２の先端のリング状のスリットから、溶射材料を含むプラズマジェットを囲むように噴射される。また、材料供給部５は、二重円筒部２の内筒内に溶射材料を供給する。
【００２３】
なお、上述した二重円筒部２及び不活性ガス噴射部３は、プラズマジェット（プラズマ噴射部１）を中心とした同心円状の配置となっている。
【００２４】
以上の構成において、材料供給部５から供給された溶射材料は、二重円筒部２の内筒内でプラズマジェットにより急加熱され一旦溶融状態となるが、二重円筒部２の内筒内には不活性ガス噴射部３から不活性ガスが噴射されているので、この不活性ガスによって溶融した溶射材料は急冷され半溶融状態となり、二重円筒部２の先端部から噴射される。そして、二重円筒部２の先端部から噴射された溶射材料は、二重円筒部２の先端のリング状のスリットから噴射された不活性ガスによって囲まれて大気と遮断された状態で基材に到達する。
【００２５】
このように本発明のプラズマ溶射装置では、プラズマジェットで溶融された溶射材料は、二重円筒部２の内筒内で不活性ガスによって急冷され、引き続き、二重円筒部２の先端のリング状のスリットから噴射された不活性ガスによって囲まれて大気と遮断された状態で基材に到達するので、溶射材料の酸化防止を図ることができる。また、二重円筒部２の内筒内に不活性ガスを噴射して溶射材料を急冷することで十分な冷却速度を確保でき、しかも二重円筒部２の内筒の溶損も防止できる。
【００２６】
さらに、本実施形態において不活性ガス噴射部３は、プラズマジェットの流れ方向においてプラズマ噴射部１より上流側又は同位置に位置するので、不活性ガス噴射部３の溶損も防止できる。
【００２７】
加えて、本実施形態において不活性ガス噴射部３は、プラズマジェットの流れに沿うように不活性ガスを噴射するので、不活性ガスがプラズマジェットの流れを乱すことはなく、むしろ整流効果をもたらす。これにより、プラズマジェットの内筒への熱影響を抑えるとともに、溶射材料をスムーズにプラズマジェットへ投入することができる。
【００２８】
このような整流効果を十分にもたらすには、不活性ガス噴射部３から噴射する不活性ガスの流速は、プラズマジェットと同程度の３００〜６００ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。上記ガス流速を与えるためには不活性ガス噴射部３から噴射する噴射ガスの流量に応じた開口面積が必要であり、算出することができる。すなわち不活性ガス噴出部３の開口面積は２０〜７０ｍｍ２程度（不活性ガス噴射部３から噴射する噴射ガスの流量は、４００〜１２００Ｌ／ｍｉｎ程度）が好ましい。さらに好ましくは開口面積２０〜５０ｍｍ２程度（噴出ガス流量は、５００〜１２００Ｌ／ｍiｎ程度）である。
【００２９】
なお、本実施形態において不活性ガス噴射部３は、リング状の連続したスリットとしたが、リング状に複数の開孔を均等に配列してもよい。この場合も、開口面積は合計で２０〜７０ｍｍ２とすることが好ましい。
【実施例】
【００３０】
図１に示す装置を用いて行った溶射試験を以下の手順により行った。
【００３１】
（１）試験方法
図１に示すプラズマ溶射装置（不活性ガス噴出部３の開口面積：５０ｍｍ２）を用い、ＳＳ４００鋼板上に厚み１００μｍ以上のＳＵＳ３１６溶射皮膜、Ｎｉ基アモルファス合金溶射皮膜を作製した。プラズマ溶射機はエリコンメテコ製９Ｍを使用した。
【００３２】
まず、鋼板に対しアルミナグリッドもしくはスチールグリッドにより表面をブラスト処理した。次に図１に示すプラズマ溶射装置により、ＳＵＳ３１６、Ｎｉ基アモルファス合金を鋼材表面に溶射した。その際の試験条件を表１に示す。本発明としては実施例１、２の条件にて急冷プラズマ溶射を行い、従来技術として比較例１、２、３、４の条件にて溶射した。なお、比較例１、２のプラズマ溶射では、図１に示すプラズマ溶射装置において二重円筒部を設けずにプラズマ溶射機（エリコンメテコ製９Ｍ）のみを用いて溶射した。また、比較例３、４の急冷ガスフレーム溶射では、上記特許文献３（特開２０１０−２２８９５号公報）の装置を使用した。
【００３３】
【表１】
0006715694.tif 000002
【００３４】
（２）試験結果
上記試験によって鋼板表面に形成された溶射皮膜について、以下のような評価を行い、その性質を調査した。
【００３５】
１）ＥＤＳ測定
溶射皮膜の成分分析としてＥＤＳ測定結果を表２に示す。表２より本発明である実施例１、２は酸素含有量が分析検出下限を以下であることに対して、比較例１、２、３、４は酸素の含有、すなわち酸化が確認される。よって実施例１、２は比較材１、２、３、４に比べ酸化が防止されているといえる。
【００３６】
【表２】
0006715694.tif 000003
【００３７】
２）ＸＲＤ測定
溶射における急冷効果の確認としてＮｉ基アモルファス合金溶射皮膜のＸＲＤ測定結果を図２に示す。本発明である実施例２と比較例４はアモルファス相特有のブロードなピークが検出されることに対して比較例２は結晶性を表す鋭いピーク、すなわち結晶化が確認される。よって実施例２は溶融材料が十分に急冷されたことによりアモルファス相を形成したといえる。
【符号の説明】
【００３８】
１  プラズマ噴射部
１Ａ  プラズマ発生器
２  二重円筒部
２Ａ  内筒体
２Ｂ  外筒体
３  不活性ガス噴射部
３Ａ  ガス通過路
３Ｂ  不活性ガス供給部
４  ガス供給部
５  材料供給部
【図１】
0006715694.tif 000004
【図２】
0006715694.tif 000005