(57)【要約】【課題】　溶射成形によって複合製品を製造する。【解決手段】　本発明の方法は、第１製品12を供給する工程を有する。第１製品12は、溶射成形製品である。第２製品14が第１製品12に隣接して配置される。金属粒子18が、第１と第２の製品12，14上に溶射され、第１製品12と第２製品14との間を延び、それらを結合する金属堆積物を形成する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　溶射成形複合製品の製造方法であって、
　(a) 溶射成形製品である第１製品を供給する工程、
　(b) 該第１製品に隣接させて第２製品を配置する工程、
　(c) 上記両製品に金属粒子を溶射する工程、及び
　(d) 該溶射金属粒子が、上記第１製品と上記第２製品との間を延びてそれらを結合する金属堆積物を形成する工程、を有する方法。
【請求項２】
　上記工程(b)において、上記第２製品を上記第１製品と隣接して配置するときに、上記第１製品と上記第２製品との間に隙を形成する、請求項１の方法。
【請求項３】
　上記工程(c)において、上記金属粒子を上記隙内に溶射し、
　上記工程(d)において、上記金属堆積物の少なくとも一部を上記隙内に形成する、請求項２の方法。
【請求項４】
　上記第１及び第２製品のそれぞれが、互いに第１距離だけ離間した上面と、対向する端面であって、上記第１距離より短い第２距離だけ互いに離間した端面と、を持つ、請求項３の方法。
【請求項５】
　上記端面のそれぞれが、互いに接触する部分を持ち、上記第１及び第２製品のそれぞれが、上記端面とその端面と対応する上記上面との間を延びて該端面を対応する該上面に結合する中間面を持つ、請求項４の方法。
【請求項６】
　上記中間面のそれぞれが、対応する上記上面に対して5°〜60°の角度で延びる、請求項５の方法。
【請求項７】
　上記第１及び第２製品に近接して補強部材を設け、
　上記工程(c)において金属粒子を溶射するために金属溶射装置を設け、
　上記第１及び第２製品を上記金属溶射装置と上記補強部材との間に配置する、請求項１の方法。
【請求項８】
　上記金属堆積物が、上記補強部材と上記第１及び第２製品の少なくとも一つとの間を延びて上記補強部材を上記第１及び第２製品の少なくとも一つに結合する、請求項７の方法。
【請求項９】
　マスキング装置を、上記第１及び第２製品の上面のそれぞれの端部に隣接して配置する、請求項４の方法。
【請求項１０】
　上記マスキング装置の少なくとも一つが、上記上面の端部から離れて延びる切抜き部を持つ、請求項９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、溶射成形（スプレーフォーミング）により製品を互いに接合する、製品の溶射接合方法に関し、より具体的には、一つ又は複数の溶射成形製品を互いに溶射接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　比較的小型の溶射成形型や金型のような溶射成形製品を製作することは、良く知られている（特許文献１乃至３を参照）。通常の溶射成形過程において、鋼などの金属材料が、セラミック製であるのが一般的な型内に溶射され、所望の物品を成形するように冷却される。これら物品は、約１ｍｍ四方から約１ｍ四方の範囲の大きさを持つのが一般的である。
【０００３】
　空間及び処理に関する各種制約、主に溶射成形温度を一定レベルに維持することの困難性故に、１ｍ四方よりも大きな溶射成形物品を製作することは、あまり実用的ではなかった。そのようであるので、その形状又は大きさ故に、通常の溶射成形過程により成形されることの出来ない各種の鋼製品が存在する。例えば、自動車のボンネットのような大型部品用のワンピースの成形用シェル及びプレス成形用金型については、現状の溶射成形技術の限界のために、通常の溶射成形技術を用いた成形が成功していない。
【０００４】
　加えて、ある種の金属の溶射成形製品を別の種類の金属の第２製品に接合することが望ましい場合がある。例えば、ねじ、その他の締結棒を溶射成形製品に固定することが望ましい場合がある。一つの例は、溶射成形面に取り付けられる背面支持構造体を必要とする積層金型又は一側面金型についてのものである。現在、異材料製品間の結合は、溶接などの通常の金属接合技術では得ることが出来ない。
【特許文献１】米国特許第６２７６４３１号明細書
【特許文献２】米国特許第５９６７２１８号明細書
【特許文献３】米国特許第５６５８５０６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　従って、上述の形状、大きさ及び／又は成分を持つ物品を、通常の溶射成形過程を経て製造する方法を提供することが望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　少なくとも一つの実施形態において、本発明は、少なくとも二つの物品を一緒に溶射成形する方法の形態をとる。本発明は、第１溶射成形製品を供給する工程及び、該第１製品に隣接して第２製品を配置する工程、を有する。この方法は更に、金属粒子を上記製品上に溶射する工程、及び、上記第１製品を上記第２製品へ接合する金属堆積物を上記噴霧された金属粒子が形成するのを可能とする工程、を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
　本発明の実施形態の詳細が以下に開示されている。しかしながら、開示の実施形態は、各種の形態で実施され得る本発明の単なる例に過ぎないことが理解されるはずである。図面は、必ずしも尺度が統一されておらず、特定の部分の詳細を示すために、拡大又は縮小されている可能性がある。それで、ここに開示の構造及び機能的な詳細は、限定的に解釈されるべきではなく、単に、請求項の記載の基礎として、及び／又は、本発明を様々な形態で用いるように当業者に教示するための基礎として、解釈されるべきである。
【０００８】
　（第１実施形態）
　図１乃至４に概略的に示されるように、本発明は、溶射成形し、そして第１溶射成形製品12を第２溶射成形製品14へ接合して、複合溶射成形製品10を形成する方法に関する。本発明の方法は、概略的には4つの基本工程を有する。すなわち、第１溶射成形製品12を供給する工程(a)、第１溶射成形製品12に隣接して第２物品14を配置する工程(b)、金属粒子18を製品12及び14に溶射する工程(c)、及び、第１と第２の製品の間を延びてそれらを結合する金属堆積物20を溶射金属粒子が形成するのを可能とする工程(d)、を有する。この方法は、溶射成形金属堆積物20により互いに接合された第１製品12及び第２製品14を有する複合製品10を形成する。
【０００９】
　第１製品12は、溶射成形製品である。第２製品14は、適切な製作方法に従えば、いかなる種類の金属材料で作られても良いが、溶射成形製品であるのが好ましい。「溶射成形される」というのは、好ましくは金属粒子である粒子を溶射成形パターンに沿って溶射することにより製品が成形されるということを意味する。第１製品12、そして望ましい場合には第２製品14を成形するのに、いかなる適切な溶射成形技術をも用いることが出来る。適切な溶射成形技術の例としては、特許文献１乃至３に開示のものがある。
【００１０】
　図２に概略的に示されるように、第１製品12と第２製品14を有する前処理された組立体8が、設けられる。製品12及び14は、テーブル6のような支持台上で、互いに近接して配置される。テーブル6は、噴霧がそれを貫通するのを可能とし、噴霧からの背圧を避けるために、空洞4を持つ。テーブル6の代わりに、互いに離れた二つのテーブルを用いることも出来る。図面のいくつかに示されるように、第１製品12と第２製品14との間に明確な隙16が存在するように、第１の製品12と第２の製品14とを離すことも出来る。存在する場合には、隙16は、いかなる大きさとすることも出来るが、0.001〜5 mmであるのが好ましく、0.1〜4 mmであるのがより好ましい、ということを記すべきである。製品12と14とは、一つ又は複数の位置で接触することも出来る。
【００１１】
　図面に概略的に示されるように、粒子18を第１及び第２の製品12，14そして存在するならば隙16へ溶射するために、一つ又は複数の溶射ガン34が、用いられるのが好ましい。溶射ガン34に用いられる溶射材料は、製品12及び14の材料に応じて決められる場合が多い。多くの場合において、製品12及び14は、溶射成形製品であり、比較的大型の金型シェル又はダイを形成するために接合される。これらの場合において、製品12及び14の両方が、炭素鋼のような金属で溶射成形されるのが好ましく、それで、堆積物20を形成するのに用いられる溶射材料は、炭素鋼であるのが好ましい。亜鉛、アルミニウムそして合金など他の材料を鋼の代わりに用いることが出来ることも、容易に理解されるはずである。
【００１２】
　適切な溶射成形ガンであればいかなるものを用いることが出来る。適切な溶射成形ガンの一例としては、ワイヤ状又は粉末状金属がそこに供給される酸素アセチレン・フレーム型サーマル溶射ガンがある。製品12及び14と隙16へ金属粒子を溶射するために、サーマル溶射ガンの代わりに、コールド溶射ガンを用いることが出来る。
【００１３】
　シングル又はダブル・ワイヤ・アーク型の溶射ガンを用いることも出来る。ダブル・ワイヤ・アーク溶射ガンにおいて、電気アークは、2本の消耗ワイヤー電極の間の領域に生成される。電極が溶けるにつれて、電極をアーク領域に連続的に供給することにより、アークが維持される。電極先端における金属は、通常低温である圧縮気体のブラスト（blast）により、霧化される。霧化された金属は、気体ジェットにより、前処理された組立体8に向けて、推進される。
【００１４】
　シングル・ワイヤー・アーク装置の場合、単一のワイヤーが、トーチの中心軸上に導かれるか、又は、トーチ内で生成されるプラズマ流内に鋭角に供給される。シングル・ワイヤーは、アーク室に供給される消耗電極として機能する。プラズマ・トーチの陰極と、陽極としてのシングル・ワイヤーとの間に、アークが生成され、それにより、ワイヤーの先端を融解する。陰極と同軸のアーク室にはガスが供給され、そこで、電気アークにより膨張させられてノズルを通過する高温加熱されたガス流（電極先端からの金属滴を搬送する）を起こす。液滴が更に霧化され加速されるように、融解金属の噴霧を遮蔽若しくは取囲むために、更に高温のガス流を用いることも出来る。
【００１５】
　ワイヤー・アーク・トーチ型ガンとして、遷移アーク・プラズマ（transferred-arc plasma）を用いることも出来る。それは、陰極とそれを取囲むノズルとの間で初期アークに衝突する。そのようなアークから生成されるプラズマは二次陽極（ガン・ノズルの外側）へ移送され、、シングル又はダブル・ワイヤーの形態で供給されるワイヤ先端の融解を起こす。
【００１６】
　溶射材料の往復経路が堆積物20を堆積するように、溶射が継続される。堆積物20は、図３に最も良く示されるように、製品12と14との間に隙16が存在するならば、その隙16を本質的に満たし、第１と第２の製品12，14とを互いに結合することになる。溶射後に、堆積物20が、製品12及び14の上面部分24の上まで少なくとも延びるのが好ましい。
【００１７】
　（第２実施形態）
　図５に示されるように、実施形態の一つにおいて、製品12と14の上にマスキング装置30，30が設けられ、溶射中に製品12及び14の上面部分24に過剰なオーバースプレーが蓄積するのを防止する。マスキング装置30は多くの形態をとり得るものの、金属又は、セラミックスや耐熱性テープなど耐熱性材料から作られるのが好ましく、そして、図５に示されるような構成とされるのが好ましい。好ましくは、マスキング装置30は、L字状であり、そして、製品12及び14の上面24から本質的に垂直に延びる第１脚部分32及び、第１脚部分32から上面24と本質的に同一面上を延びる第２脚部分36を持つ。マスキング装置30はそれぞれ、隙42を規定するように対向する端面38を持つ。ガン34と製品12及び14との間には、隙42が存在し、それは、溶射の必要な特定の領域（つまり、製品12と14を結合するために堆積物20で満たされるべき領域）へ粒子18を向けるように配置され、それにより、不必要なオーバースプレーを無くす。マスキング装置30は、クランプ及び／又は、ねじや接着剤などの他の形式の固定手段により、製品12及び14へ固定されるのが好ましい。
【００１８】
　溶射中は、製品12及び14の過熱と反りを回避するための目標温度を維持するように、製品12及び14の温度を監視するのが好ましい。目標温度は、用いられる材料に応じて変わることになるが、典型的には20〜400℃である。溶射作業から受ける熱のために、堆積した材料は、その中の内部応力の形成を防止するのに充分な温度に留まる。
【００１９】
　溶射工程後に、必要な場合には、堆積したバルク材20と製品12及び14は、好ましくは空気により、室温まで冷却される。溶射後に、もし用いられているならばマスキング装置30が取り除かれ、この時点では製品12及び14の隣接する上面24の上に延びている堆積物20（図３）が図４に示されるように、適切な研削装置40を用いて、製品12及び14の隣接する上面と面一になるように研削される。研削後、完成した複合製品10が金型、型部品などの装置として使用可能なように、堆積物20の上面が滑らかにされるのが好ましい。望まれる最終製品によっては、複合製品10は、上述のものと同様の態様でそこに接合された他の製品を持つことも出来る。例えば、大きなプレス成形金型を形成するのに、複数の製品を接合することも出来る。本発明の方法により、多様な用途の複合製品を製作することが出来る、ということが容易に理解されるはずである。
【００２０】
　（第３実施形態）
　実施形態の一つにおいて、図６に概略的に示されるように、製品12と14は互いに接触する端面52と54をそれぞれ持つことも出来る。端面52と54は、同一平面上にあり、そして、上面24が延びる面に垂直な面上を延びることが好ましい。第１製品12は、製品12の上面24と端面52との間を延びる中間面56を持つ。第２製品14は、製品14の上面24と端面54との間を延びる中間面58を持つ。中間面56及び58は、上面24に対して一定角度で延びるのが好ましい。中間面56及び58は、上面24に対して、好ましくは約5〜60°、より好ましくは約10〜25°、そして最も好ましくは10〜15°の角度でもって、延びるのが好ましい。
【００２１】
　面56及び58は、研磨加工によるのが好ましいが、成形によるものとすることも出来る。例えば、製品が溶射成形されるときに、面56及び58を成形することが出来、その場合、製品12及び14の端面52及び54が互いに接触するときに三角形断面を持つ隙59が製品12と14との間に形成されるように、面56及び58は構成される。隙59は、溶射成形処理の特性に応じて溶射粒子18を受けるのに最適な形状の受部を設ける。この構成は、表面積の増大をもたらし、噴霧の接着性を向上させ、それにより接合部を強固にする。製品のそれぞれが概略同じ厚さだとすると、隙59の幅、つまり、上面24の隣接する端部の間の距離は、製品12と14の厚い方の厚さ（つまり垂直高さ）の約1.5倍から3倍となるのが通常であり、より好ましくは2倍である。
【００２２】
　（第４実施形態）
　実施形態の一つにおいて、図７に概略的に示されるように、複合製品10は、バック・プレート60又は他の補強部材を含むものとすることが出来る。それらは、第１と第２の製品12，14の下側であって、堆積物20の下方に設けられるのが好ましい。バック・プレート60は、第１の製品12と第２の製品14との一方又は両方と同じ材質とすることも出来るし、別の材質とすることも出来る。適切な材料の例として、限定するものではないが、鋼及び工具鋼がある。堆積物20の形成工程中又はその後のいずれかにおいて、バック・プレート60又は補強材を製品12及び14へ固定することが出来る。
【００２３】
　補強材固定の一例が図８に概略的に示されている。バック・プレート60は、図８に最も良く示されるように、溶射工程に先立って製品12及び14の下方で隙16の真下に置かれ、その溶射工程の間中そこに配置される。製品12及び14の下方隣接面26は、バック・プレート60の一部に乗っている。製品12と14の配列状態、つまり、面一関係を保つために、支持部材64が製品12と14の下方に配置されるのが好ましい。溶射工程及び必要な場合の研削又は仕上げ工程が実行された後で、堆積物20は、製品12と14との間を延びてそれらとバック・プレート60とを互いに接合する。
【００２４】
　複合製品10とバック・プレート60との間の結合を補強するために、製品10の上下を裏返してプレート60が堆積物20の上に位置するようにし、そのバック・プレート60と製品12及び14との間を延びてそれらを結合するように更に堆積物68が溶射することが出来る。図８に示された方法を用いることなしに、図９に示された方法を用いることにより、堆積物20が形成された後で、バック・プレート60を複合製品10に固定することが出来る、ということが容易に理解されるはずである。
【００２５】
　（第５実施形態）
　図１０の平面図に概略的に示されるように、実施形態の一つにおいて、製品12及び14は、それらの間の結合強度を向上する形状を持つ縁70を持つことも出来る。例えば、図10に示されるように、縁70は、正弦曲線状で、接合された製品の配列（アライメント）を良好にし、強度を高める相補関係とされる。縁70は、接合部を補強し、製品を位置決めするために、丸溝（チャンファー）や他の形式の溝、又は蟻継を持つことも出来る。縁70は、研磨されるのが好ましいが、そうでなければ、製品12及び14を成形／溶射するときに成形される。
【００２６】
　（第６実施形態）
　図１１及び１２は、第１溶射成形製品12と第２非溶射成形製品80を有する複合製品10aを形成するために本発明の手法を用いる一例を示す。図11及び12に示されるのが成形済みの留め具であるものの、第２製品は、リバーブ（rebarb）、ボルト、ピン、ウェルド・ナットなど、いかなる形式の製品とすることが出来る。これらは棒材の機械加工、鋳造その他、いかなる手法によっても製作することが出来る。図１１に示されるように、溶射の前に、第２製品80を第１製品12上に直接配置することが出来るが、第１製品からある程度の距離を離しても良い。第２製品80は、第１製品12上へ、接着することが出来、それ以外に、仮付溶接、クランプ、ロウ付けなどにより保持することが出来る。粒子18が、製品12と80との間を延びそれらを結合する一つ又は複数の堆積物82を形成するために、製品12と80との間の交差部、又はそれがある場合にはそれらの間の隙に、溶射される。
【００２７】
　別の実施形態において、第２製品80は、溶射が開始された後に、第１製品12上に置くことも出来、その第２製品80は、上述の方法と同様に、及び／又は、先に第１製品12上に溶射された材料の硬化により、所定位置に保持され得る。
【００２８】
　また、別の実施形態においては、第２製品80は、第１製品12から一定距離離すことも出来る。
【００２９】
　図１１及び１２に示された実施形態により製作された複合製品10aには、多くの用途があることが容易に理解されるはずである。限定するものではない例の一つは、積層金型である。
【００３０】
　堆積物20の製品への接着性を向上することにより、溶射接合部の品質全体を高めるために、溶射に先立ち、製品を適切な接着促進剤で被覆したり、製品の表面を粗くするためのグリット・ブラスト（grit blast）などの準備をしたりすることが出来る。
【００３１】
　発明を実施するための最良の形態について詳細に述べてきたが、本発明が属する分野の当業者であれば、添付の請求項に規定される発明を実施するための様々な代替構成及び形態を想到するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明の第３実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明の第４実施形態を示す概略図である。
【図８】本発明の第４実施形態を示す概略図である。
【図９】本発明の第４実施形態を示す概略図である。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す概略図である。
【図１１】本発明の第６実施形態を示す概略図である。
【図１２】本発明の第６実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０，１０ａ　溶射成形複合製品
１２　第１製品
１４　第２製品
１８　溶射金属粒子
２０　金属堆積物
３０　マスキング装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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