(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマガス供給手段を有する主トーチと副トーチからなり、該主トーチの陽極部に材料吐出孔を設け、該材料吐出孔からプラズマ中心軸上に粉末溶射材料を送入する複合トーチ型プラズマ溶射装置において、
前記陽極部に、溶射粒子の付着を防止するためのガス噴出孔を設けたことを特徴とする複合トーチ型プラズマ溶射装置
【請求項２】
前記ガス噴出孔は、プラズマアークの陽極点及び材料吐出孔とは、それぞれ干渉することのない位置に配設されていることを特徴とする請求項１記載の複合トーチ型プラズマ溶射装置
【請求項３】
前記ガス噴出孔は、材料吐出孔を中心に放射線上に、１個、又は、複数個設けられていることを特徴とする請求項１記載の複合トーチ型プラズマ溶射装置
【請求項４】
前記ガス噴出孔は、材料吐出孔を中心に放射線上から、オフセットした位置に等分割に設けることを特徴とする請求項１、又は、２記載の複合トーチ型プラズマ溶射装置  
【請求項５】
前記ガス噴出孔から吐き出すガスは、プラズマガスであることを特徴とする請求項１、２、３、又は、４記載の複合トーチ型プラズマ溶射装置
【請求項６】
前記主陽極が、その中心部を貫通する材料送入管と、その外側に設けられた冷却通路と、その冷却通路の外側に位置し、前記材料送入管の材料吐出孔から突出する先端縁と、を備えていることを特徴とする請求項１、２、３、４、又は、５記載の複合トーチ型プラズマ溶射装置
【請求項７】
前記主陽極の先端面が、内側に突な円錐台状に形成され、その先端縁が前記主陽極の陽極点となることを特徴とする請求項６記載の複合トーチ型プラズマ溶射装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、当初、気体中に流れる大電流、それによって発生する１万度前後の高温度のプラズマアークを利用して、金属やセラミックス等の物質を溶融して、対象物に吹き付け、その表面に強固な皮膜を形成する、いわゆる複合トーチ型プラズマ溶射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本件発明者は、主トーチと副トーチを有する複合トーチ型プラズマ発生装置では、主トーチの主陰極は熱電子を発生させるために高温にする必要があるのに対し、該熱電子を受ける副トーチの副陰極は冷却され低温に維持される点に注目し、該主トーチの陰極と陽極の配置を逆に構成した複合トーチ型プラズマ発生装置を、先に、開発している（例えば、特許文献１、参照）。
【０００３】
この複合トーチ型プラズマ発生装置は、主陽極を有する主トーチと副陰極を有する副トーチとを備えている。前記主陽極は、その中心部を貫通する粉末材料供給管と、その外側に設けられた冷却通路と、該冷却通路の外側に位置し、該材料供給管の先端から突出する先端縁と、を備えている。この主陽極の先端面は、略椀状、即ち、内側に突な円錐台状に形成され、その先端縁が前記主陽極の陽極点となっている。
【０００４】
この装置では、該副トーチの副陰極から該主トーチの主陽極に至るヘアピンアークを発生させ、この状態で前記両トーチのガス送入口からプラズマガスを供給してプラズマを発生させる。その後、処理対象材料を主トーチの前記粉末材料供給管から前記プラズマ及びプラズマアークの中心軸上に沿って放出する。
【０００５】
そうすると、処理対象材料は、プラズマアークの中心軸上に沿って溶融されながら進行するので、熱プラズマのエネルギーを充分享受することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平２００２−２３１４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来例の複合トーチ型プラズマ発生装置を、複合トーチ型プラズマ溶射装置として用いると、次のような問題が発生する。  
即ち、相互干渉しないプラズマアークの陽極点と粉末材料供給孔（粉末材料供給管の先端開口部）を有する陽極部の先端において、粉末材料の多くはプラズマアークに送入され、溶融粒子となって、溶射皮膜を形成するが、その他は、該プラズマアークに送入されることなく、主トーチの内外に溶融粒子及び未溶融粒子となって存在する。
【０００８】
ここで、問題となるのは、プラズマアークに送入できなかった溶射粒子が主トーチ内部の壁面に付着し、運転に支障をきたすことである。特に問題となる部位は、陽極部の先端面、即ち、内側に突な円錐台状の先端内面、であり、この先端面に溶融粒子が付着すると、陽極点及び粉末材料供給孔、並びにその近傍が損傷してしまう。そして、該粉末溶射材料の供給量が多くなればなる程、損傷度が増し、最後には粉末材料送入孔が閉塞したり、或いは水冷手段を有する陽極部のシール部が焼損したりして、溶射が出来なくなる。
【０００９】
ここで、その支障をきたす時間は、粉末材料の性状、供給量などにもよるが、例えば、２０分以内であり、この間は、安定して溶射作業ができない。
【００１０】
この発明は、上記事情に鑑み、安定して溶射作業ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、プラズマガス供給手段を有する主トーチと副トーチからなり、該主トーチの陽極部に材料吐出孔を設け、該材料吐出孔からプラズマ中心軸上に粉末溶射材料を送入する複合トーチ型プラズマ溶射装置において、前記陽極部に、溶射粒子の付着を防止するためのガス噴出孔を設けたことを特徴とする。
【００１２】
この発明のガス噴出孔は、プラズマアークの陽極点及び材料吐出孔とは、それぞれ干渉することのない位置に配設されていることを特徴とする。この発明のガス噴出孔は、材料吐出孔を中心に放射線上に、１個、又は、複数個設けられていることを特徴とする。この発明のガス噴出孔は、材料吐出孔を中心に放射線上から、オフセットした位置に等分割に設けることを特徴とする。
【００１３】
この発明のガス噴出孔から吐き出すガスは、プラズマガスであることを特徴とする。この発明の主陽極が、その中心部を貫通する材料送入管と、その外側に設けられた冷却通路と、その冷却通路の外側に位置し、前記材料送入管の先端から突出する先端縁と、を備えていることを特徴とする。この発明の主陽極の先端面が、内側に突な円錐台状に形成され、その先端縁が前記主陽極の陽極点となることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明は、陽極部に、溶射粒子の付着を防止するためのガス噴出孔を設けたので、陽極部に粉末溶射材料の溶融粒子や未溶融粒子が付着するのを防止することができる。そのため、陽極部、特に、陽極点及び材料吐出孔、を清浄に維持することができるので、安定して溶射作業を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本件発明者は、溶射の安定した運転ができない大きな要因と考えられるのは、未溶融あるいは溶融した溶射粒子が主トーチ内部の壁面に付着することであるから、強制的にガスで吹き飛ばす装置を設ける必要がある、と考えた。しかし、前記装置を新たに設けることは、構造上及びコスト上、困難なのである。
【００１６】
そこで、主トーチの陽極部に、該陽極部の先端縁にある陽極点と材料吐出孔に干渉しない近傍に、溶射粒子の付着を防止するためのガス噴出孔を設け、その孔に既設のプラズマガスを通すことで、溶射粒子を吹き飛ばし、陽極点と材料吐出孔の正常な状態を維持することができるようにした。
【００１７】
更に述べると、この発明に用いるプラズマ溶射装置は、陰極及び陽極を有する主トーチと副トーチの少なくとも２個以上のトーチで構成される複トーチ型プラズマであり、大きな特徴として１万℃前後の高温のプラズマアークをトーチの外部に引き出し、そのアーク柱へ直接、溶射粉末材料を送入することができることにある。
【００１８】
ここで、プラズマアーク柱への溶射粉末材料の送入法であるが、熱効率から、溶射粉末材料はプラズマアーク軸心と同軸に送入することが最適であるが、実際問題として、プラズマアークの軸心は、極度に高温高速であることより、粉末溶射材料は軸芯には送入されず、その近傍に送入されている。また、一部はプラズマアークにはじかれたりして送入されず、送入できても未溶融粒子となるものより、そうした溶射粒子の一部は主トーチの外へ吐き出されることなく、主トーチ内部の壁面に付着する。    
【００１９】
ここで特に問題なのは、陽極点及び材料吐出孔への付着及びその近傍への付着であり、結果的にプラズマアーク、そして溶射を不安定なものとし、ついには粉末材料が閉塞したりして、溶射ができなくなる。そこで、陽極部先端にある陽極点と材料吐出孔に干渉しない位置にガス噴出孔を設け、その孔に既設のプラズマガスを通すことで、陽極点と材料吐出孔の近傍の溶射粒子を吹き飛ばす作用で、陽極点と材料吐出孔の形状を維持することができる。そのため、安定したプラズマアークを形成し、安定した溶射が可能となった。
【００２０】
ここで、ガス噴出孔による溶射粒子の吹き飛ばし作用で効果的なのは、溶融した溶射粒子を吹飛ばすことである。すなわち、溶射粒子は融点が２，０００℃を超えるセラミックスなどの高融点材料であるのに対して、陽極部の材質は一般的に熱伝達の良好な銅が用いられている。しかし、銅は溶射粒子よりも融点が低いためプラズマにより溶融した溶射粒子が陽極部に付着すると、付着した壁面を更に溶射粒子が溶融し、陽極点と材料吐出孔を有する陽極部の形状を損なってきたので、その吹き飛ばし作用は効果が大きい。
【実施例】
【００２１】
この発明の第１実施例を図１、図２により説明する。
複合トーチ型プラズマ溶射装置の概略：
図１に示したのは、粉末溶射材料をプラズマ中心軸に同軸に送入できることを特徴とした代表的な複合トーチ型プラズマ溶射装置である。
図１において、粉末溶射材料２０を不活性な搬送ガス６とともにプラズマ１８中に供給する材料送入管１９を有する主陽極３は、放出口を有する主外套４と、旋回流形成手段を有する主プラズマガス送入口５を有する絶縁物２７によって、同心に保持されている。
【００２２】
主電源７の正端子は、主陽極３に接続され、主電源７の負端子は、主外套４にスイッチ手段８を介して接続されており、これらが全体とし主トーチ１を構成している。
【００２３】
次に、主トーチ１の中心軸と交叉するように配置された副トーチ起動電極１０があり、この副トーチ起動電極１０を囲んで、かつ先端に放出口を有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様の絶縁物２８によって同心に保持されている。
【００２４】
副電源１４は、その正端子がスイッチ手段１５を介して、副外套１１に接続され、副電源１４の負端子は副起動電極１０と主電源７の負端子の両方に接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【００２５】
図１において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陽極３と主外套４との間で印加すると、主陽極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。
【００２６】
次に、スイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間で印加し、かつ、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入すると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。
【００２７】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸との先端で交叉する。前記プラズマ１８は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段８及びスイッチ手段１５を開くと、副トーチ起動電極１０の先端から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００２８】
この場合、主トーチ１の構造と供給される主プラズマガス６及び副トーチ２の構造と副トーチ２に供給される副ガス１３の量とを適切に選定すると、図１に示された如く、主トーチ１とほぼ同軸をなすプラズマアーク２３を発生させることができる。
【００２９】
このようにして発生させたプラズマ１８は、その始点と終点とがそれぞれ副トーチ起動電極１０と主陽極３の陽極点２９に確実に保持され、かつ、それらの先端は不活性ガスで保護されているので、主トーチ１に流す主プラズマガス６の量を、極めて広い範囲にわたって小流量から大流量の任意の量に設定することが可能となる。
【００３０】
材料送入管１９は、主陽極３の中心部を貫通して設けられており、又、該材料送入管１９の外側には、冷却液、例えば、冷却水Ｗが通る冷却通路３３が設けられている。この冷却通路３３の外周部先端には、陽極部Ｋの先端縁２９が位置しているが、この先端縁２９は前記材料送入管１９の材料吐出孔３０から突出している。
【００３１】
この主陽極３の先端面３ａは、内側に突な円錐台状に形成され、その先端縁２９は、陽極点となっている。この先端面３ａには、溶射粒子の付着を防止するためのガス噴出孔３１が設けられている。このガス噴出孔３１は、プラズマアーク１８の陽極点及び材料吐出孔３０とはそれぞれ干渉することのない位置に配設されている。このガス噴出孔３１の数や配設位置は、必要に応じて適宜選択され、例えば、配設個数として、１個又は複数が採用される。
【００３２】
材料送入管１９より送入された粉末溶射材料２０は、陽極部の陽極点の位置を、材料送入管１９の材料吐出孔３０の位置より該陽極部の先端部に近くなるように設けることにより、溶射材料２０とプラズマ１８の陽極点２９とが干渉することなくプラズマ１８中心軸と同軸の方向に高温のプラズマアーク２３へ確実に供給される。
【００３３】
この時、溶射材料２０が導電性であると、該溶射材料２０自体を介してプラズマ１８の陽極点が不安定な状態となり得るので、該溶射材料２０としては、絶縁性に富むセラミックス等が最適であるが、材料送入管１９を耐熱性かつ絶縁性に富むセラミックス等の材質にすることより、金属等の導電性の材料でも対応できる。
【００３４】
この材料送入管１９から供給される溶射材料２０は、いかなる高融点の溶射材料２０であっても１万℃前後の高温のプラズマ１８で直ちに加熱されて溶融し、溶融粒子２１は、図１に示すように、プラズマアーク２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００３５】
この溶融粒子２１を含むプラズマアーク２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によってプラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００３６】
材料送入管１９から供給される粉末溶射材料２０は、プラズマ１８の中心軸上に送入される。該溶射材料２０をこのように送入すると、該溶射材料２０をプラズマ１８及びプラズマアーク２３に交叉するように送入する場合に比べ、低出力でも溶射材料２０を十分に溶融でき、高品質な溶射皮膜２４が高効率で得られる。
【００３７】
尚、主外套４、副外套１０及び主陽極３、副起動電極１０は、通常、何れも２重構造となっており、その内部を水等の循環によって冷却されているが、その詳細については、説明を省略する。
【００３８】
溶射材料付着防止対策：
粉末溶射材料２０は、プラズマアーク２３の軸心と同軸に送入することが最適であるが、実際問題として、プラズマアーク２３の軸心は、極度に高温高速であることより、溶射材料２０は該軸心には送入されず、その近傍に送入されている。また、その一部はプラズマアーク２３にはじかれたりして送入されず、送入できても未溶融粒子となるものより、そうした溶射粒子２０の一部は主トーチ３の外へ吐き出されることなく、該主トーチ３の内部の壁面に付着しようとする。    
【００３９】
この時、陽極部Ｋのガス噴出孔３１からは、主プラズマガス送入口５から送入される主プラズマガス６の一部が分流し噴出しているので、前記先端面３ａに付着しようとする溶射材料２０は、このガス６により吹き飛ばされ、該先端面３ａに付着することができない。そのため、陽極点２９と材料吐出孔３０が損傷することがないため、それらの形状を正常に維持することができるので、安定したプラズマアークを形成し、安定した溶射を行うことができる。
【００４０】
この発明の第２実施例を図３、図４により説明するが、図１、図２と同一図面符号は、その名称も機能も同一である。
この実施例と第１実施例との相違点は、次の通りである。
（１）陽極部３の先端部が、円錐台状に形成され、その円錐台状の先端部にガス噴出孔３１が設けられていること。
（２）ガス噴出孔３１が周方向に等間隔をおいて６個設けられ、各ガス噴出孔３１は材料吐出孔３０を中心に放射線上に位置していること。即ち、図３に示すように、ガス噴出孔３１の軸心が、正面図上、材料吐出孔３０の中心を通る直線（放射線）Ｌ上に位置していること。
【００４１】
この発明の第３実施例を図５、図６により説明するが、図３、図４と同一図面符号は、その名称も機能も同一である。
この実施例と第２実施例との相違点は、ガス噴出孔３１の位置である。この実施例では、ガス噴出孔３１から吐出されるプラズマガス６の進行軸芯と材料吐出孔３０からの粉末溶射材料２０の進行軸芯とが交叉しないように、ガス噴出孔３１を材料吐出孔３０に対して間隔Ａだけオフセットして設けられている。
【００４２】
即ち、図５に示すように、ガス噴出孔３１の軸心が、正面図上、材料吐出孔３０の中心を通る直線（放射線）Ｌから間隔Ａを介して平行に配設されている。このようにオフセットすると、より近傍に付着しやすい溶射粒子を吹き飛ばす手段としては効果的である。
【００４３】
この発明の実験例について説明する。
具体的な溶射例として、
溶射出力      ：１８０A×１００ｖ＝１８ｋW
プラズマガス  ：Ar  ―――  ７１／min
副ガス        ：Ar  ―――  ２１／min
キャリアガス  ：Ar  ―――  ４１／min
溶射距離      ：１００ｍｍ
の溶射条件で、被溶射物に洗浄し、ブラストした鋼板（５０×５０×５）を用い、溶射材料として汎用の酸化クロムをキャリアガスとともに供給量３０ｇ／ｍｉｎで溶射した。
【００４４】
その結果、従来例のガス噴出孔の無い場合では、安定した溶射時間は１０分前後であったのに対して、本発明のガス噴出孔３１を有する場合では、同じ溶射条件で、通常の連続安定溶射時間である数時間は問題なく安定に溶射ができ、実用的な溶射が可能となった。
【００４５】
また、ここで、汎用的な単トーチによる溶射に比べてみると、
まず、代表的な溶射条件として、
溶射出力      ：６００Ａ×６０ｖ＝３６ｋＷ
プラズマガス  ：Ar  ―――  ５０１／min
キャリアガス  ：Ar  ―――  ４１／min
溶射距離      ：１００ｍｍ
の溶射条件で、同じ被溶射物、同じ溶射材料を同じ供給量で溶射した。
【００４６】
その結果、溶射出力が半分にもかかわらず、溶射効率は数十％も向上し、溶射皮膜特性についても全て良好な結果となった。特に溶射皮膜の硬度は、マイクロビッカース硬度で１０００を超え、良好な耐摩耗特性を示した。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す拡大正面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す拡大正面図である。
【図６】図５のVI−VI線断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
1    主トーチ
2    副トーチ
3    主陽極
6    プラズマガス
13    副ガス
18    プラズマ
19    材料送入管
20    溶射材料
21    溶融粒子
23    プラズマフレーム
29    陽極点
30    材料吐出孔
31    ガス噴出孔
Ｋ    陽極部
【図１】
0004804854.tif 000002
【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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