(57)【要約】【課題】微粉末を溶射粉末に用いるときであっても噴射ノズルの外面に微粉末が付着、堆積することを防止する。【解決手段】溶射粉末を溶融するための熱源が噴射される噴出口１２を外面１３に有する噴射ノズル１０と、噴出口１２から噴射される該熱源に対して噴射ノズル１０の外面１３に沿って溶射粉末を搬送ガスにより供給するインジェクタ２０とを備えている。噴射ノズル１０は、インジェクタ２０から流出して外面１３に沿って流れる搬送ガスの流れを乱すことが可能な乱流発生用凹部３０を噴出口１２近傍の外面１３に有している。乱流発生用凹部３０は、インジェクタ２０の供給口２１から流出する搬送ガスの流出方向に対して交差する方向に延びる複数の第１溝状凹部３１と、上記流出方向及び第１溝状凹部３１が延びる方向の双方に対して交差する方向に延びる複数の第２溝状凹部３２とから構成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射粉末を溶融するための熱源が噴射される噴出口を外面に有する噴射ノズルと、該噴出口から噴射される該熱源に対して該噴射ノズルの該外面に沿って溶射粉末を搬送ガスにより供給するインジェクタとを備えた溶射装置において、
前記噴射ノズルは、前記インジェクタから流出して前記外面に沿って流れる前記搬送ガスの流れを乱すことが可能な乱流発生用凹部を前記噴出口近傍の該外面に有していることを特徴とする溶射装置。
【請求項２】
前記乱流発生用凹部は、前記搬送ガスの前記インジェクタからの流出方向に対して交差する方向に延びる複数の溝状凹部よりなることを特徴とする請求項１記載の溶射装置。
【請求項３】
前記乱流発生用凹部は複数の穴状凹部よりなることを特徴とする請求項１記載の溶射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶射装置に関する。本発明の溶射装置は、例えば、溶射粉末を溶融するための熱源としてプラズマジェットを用いたプラズマ溶射装置に好適に適用することができる。また、本発明の溶射装置は、例えば、中空部をもつ筒状部材の内周面に溶射皮膜を形成する際に好適に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
車両、航空機や各種機械部品等について、耐摩耗性、耐食性や耐熱性等の性質を向上させる目的で、溶射が利用されている。溶射は、金属や金属化合物等よりなる溶射粉末を燃焼炎や電気エネルギーにより加熱・溶融して溶射粒子とし、これを母材表面に吹き付けて皮膜を作る方法である。この溶射には、溶射粉末を溶融するための熱源によりプラズマ溶射、アーク溶射、フレーム溶射や爆発溶射等がある。
【０００３】
上記熱源としてプラズマジェットを用いるプラズマ溶射では、噴射ノズルと、インジェクタとを備えたプラズマ溶射装置が使われる。噴射ノズルは、プラズマジェットを噴射するプラズマジェット噴出口を外面に有している。インジェクタは噴射ノズルの外面に沿って配設される。このインジェクタは、プラズマジェット噴出口から噴射されたプラズマジェットに対して、溶射粉末を搬送ガスにより供給する供給口を有している。
【０００４】
かかるプラズマ溶射装置では、インジェクタの供給口から流出した溶射粉末及び搬送ガスは、噴射ノズルの外面に沿って流れ、プラズマジェット噴出口から母材表面（被溶射面）に向かって噴射されたプラズマジェットに対して、横（プラズマジェットの噴射方向に対して略直角方向）から供給される。これにより、プラズマジェットの熱で溶射粉末が溶融して溶射粒子とされ、この溶射粒子が母材表面に付着、堆積して、溶射皮膜が形成される。
【０００５】
ところで、中空部をもつ筒状部材、例えばシリンダ等の中空円筒管の内周面にプラズマ溶射により溶射皮膜を形成する溶射方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この溶射方法では、駆動装置に連結された固定用チャックに中空円筒管を固定するとともに、この中空円筒管内に溶射距離を一定に保持した状態でプラズマ溶射装置を挿入し、該駆動装置により中空円筒管を円周方向に回転させながら、回転する中空円筒管の内周面に向けてプラズマジェットで溶融した溶射粒子を噴射することにより、該内周面に溶射皮膜を形成する。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１７２１２１号公報（第５頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような溶射方法では、中空円筒管の狭い空間内でプラズマ溶射するところ、円筒管の内径により溶射距離が制限されるため、円筒管の内径によっては溶射距離を十分に確保することができない場合がある。溶射距離が短いと、プラズマジェット中に供給された溶射粉末がプラズマジェット中に滞留する時間も短くなるため、プラズマジェットによる溶射粉末の加熱時間も短くなる。このため、プラズマジェットの熱による溶射粉末の溶融が不十分となって、未溶融粒子が母材表面に付着して溶射皮膜が不均質となったり、あるいは溶射粉末に無駄を生じてしまったりする場合がある。
【０００９】
そこで、加熱時間が短くても十分に溶融しうる溶射粉末として、粒度の小さい（例えば−４５μｍ、すなわち４５μｍ以下の粒径をもつ）微粉末を採用する解決手段が考えられる。ところが、微粉末には、静電気力やファンデルワールス力により壁面等に付着し易いという特性がある。また、前述のとおりインジェクタは噴射ノズルの外面に沿って配設され、このインジェクタから流出した溶射粉末及び搬送ガスは該外面に沿って流れるため、この搬送ガスの流れは層流になっている。このため、微粉末が噴射ノズルの外面に引き寄せられ易い。したがって、図５に示されるように、噴射ノズル８０の外面８１に微粉末が付着、堆積し易く、場合によっては微粉末の堆積物（スピッティング）８２によりインジェクタ８３の供給口８４が塞がれてしまうという問題がある。
【００１０】
かかる問題を解決するための手法として、例えば１０μｍ程度よりも粒径の小さい微粉側を気流分級等を用いてカットした微粉末を溶射粉末に用いることが考えられるが、この手法では分級工程を要する分だけ溶射粉末の製造工程が煩雑となり、コストアップに繋がる。
【００１１】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、中空部をもつ筒状部材の内周面に溶射皮膜を形成する場合など、微粉末を溶射粉末に用いるときであっても噴射ノズルの外面に微粉末が付着、堆積することを効果的に防止しうる溶射装置を提供することを解決すべき技術課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の溶射装置は、溶射粉末を溶融するための熱源が噴射される噴出口を外面に有する噴射ノズルと、該噴出口から噴射される該熱源に対して該噴射ノズルの該外面に沿って溶射粉末を搬送ガスにより供給するインジェクタとを備えた溶射装置において、前記噴射ノズルは、前記インジェクタから流出して前記外面に沿って流れる前記搬送ガスの流れを乱すことが可能な乱流発生用凹部を前記噴出口近傍の該外面に有していることを特徴とするものである。
【００１３】
この溶射装置では、噴射ノズルの噴出口近傍の外面に乱流発生用凹部が設けられていることから、インジェクタから流出して噴射ノズルの外面に沿って流れる搬送ガスの流れが該乱流発生用凹部により乱され、乱流が発生する。このため、溶射粉末として微粉末を用いた場合であっても、静電気力やファンデルワールス力等により噴射ノズルの外面に微粉末が付着することを搬送ガスの乱流で阻止することができる。したがって、微粉末が噴射ノズルの外面に付着、堆積することを効果的に防止することができる。
【００１４】
よって、本発明の溶射装置によれば、中空部をもつ筒状部材、例えばシリンダ、パイプやチューブの内周面に溶射皮膜を形成する場合など、微粉末を溶射粉末に用いるときであっても、微粉末の堆積物（スピッティング）によりインジェクタの供給口が塞がれてしまうという弊害を防止することが可能となる。
【００１５】
また、上記スピッティングによる弊害を防止することができるため、例えば−１０μｍの微粉側をカットした微粉末を溶射粉末に用いる必要がなくなり、分級工程によるコストアップを防ぐことができる。
【００１６】
ここに、前記乱流発生用凹部の態様としては、インジェクタから流出して噴射ノズルの外面に沿って流れる前記搬送ガスの流れを乱して乱流を発生させることができるものであれば特に限定されないが、好適には以下のものを採用することができる。
【００１７】
すなわち、好適な態様において、前記乱流発生用凹部は、前記搬送ガスの前記インジェクタからの流出方向に対して交差する方向に延びる複数の溝状凹部よりなる。このような溝状凹部が噴射ノズルの外面に形成されていれば、インジェクタから流出した搬送ガスが溝状凹部の内壁面に当たって反射等することにより、噴射ノズルの外面から離れる方向等へ搬送ガスの流れ方向が変化するので、搬送ガスの流れが三次元的に乱れた乱流が発生する。この溝状凹部の幅、深さ及びピッチ（隣接する溝状凹部の間隔）や、その加工方法は特に限定されず、適宜設定、選定可能である。例えば、ローレット加工により、幅：０．１〜０．５ｍｍ程度、深さ：０．１〜０．５ｍｍ程度、ピッチ：１〜２ｍｍ程度の溝状凹部を加工することができる。また、より効果的に乱流を発生させる観点より、前記乱流発生用凹部は、前記搬送ガスの流れ方向に対して交差する方向に延びる複数の第１溝状凹部と、該搬送ガスの流れ方向に対して交差し、かつ、該第１溝状凹部が延びる方向に対しても交差する方向に延びる複数の第２溝状凹部とから構成することが好ましい。こうすることで、溝状凹部の内壁面との当接により搬送ガスの流れが変化する方向を、第１溝状凹部と第２溝状凹部とで異ならせることができるため、より効果的に乱流を発生されることが可能となる。
【００１８】
また、好適な態様において、前記乱流発生用凹部は複数の穴状凹部よりなる。このように噴射ノズルの外面に複数の穴状凹部が散在して形成されていれば、インジェクタから流出した搬送ガスが穴状凹部の内壁面に当たって反射等することにより、噴射ノズルの外面から離れる方向等へ搬送ガスの流れ方向が変化するので、搬送ガスの流れが三次元的に乱れた乱流が発生する。この穴状凹部の幅（内径）、深さ及びピッチ（隣接する穴状凹部の間隔）や、その加工方法は特に限定されず、適宜設定、選定可能である。例えば、先端に丸みをもつ工具を噴射ノズルの外面に所定荷重で押し付けて加工することにより、幅（内径）：０．５〜２ｍｍ程度、深さ：０．０５〜０．３ｍｍ程度、ピッチ：１〜４ｍｍ程度の穴状凹部を加工することができる。
【００１９】
なお、噴射ノズルの外面に所定の凸部を設けた場合も、凹部を設けた場合と同様に乱流を発生させることができる。しかし、凸部を設けた場合は、噴射ノズルの外面から突出している該凸部の側面に溶射粉末が衝突して付着し易く、かえって上記スピッティングによる弊害を助長する結果となる。この点、前記乱流発生用凹部によれば、噴射ノズルの外面から凹んでいる該乱流発生用凹部の側面には溶射粉末が付着し難く、上記スピッティングによる弊害を効果的に防止することができる。
【００２０】
また、前記溶射粉末及びこの溶射粉末を溶融するための熱源の種類としては、特に限定されない。例えば、溶射粉末として、鉄系粉末、アルミニウム系粉末、銅系粉末、コバルト系粉末、クロム系粉末やニッケル系粉末等の金属粉末の他に、アルミナやジルコニア等のセラミックス粉末、ポリエチレン等のプラスチックス粉末を用いることができ、また、溶射粉末を溶融するための熱源の種類として、プラズマジェットや燃焼ガスを用いることができる。なお、用いる溶射粉末としては、平均粒径が２０〜５０μｍ程度のものを用いることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の溶射装置の実施形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２２】
（実施形態１）
本実施形態は、本発明をプラズマ溶射装置に適用して、中空部をもつ筒状部材としてのシリンダの内周面に溶射皮膜を形成するものである。
【００２３】
このプラズマ溶射装置は、図２に示されるように、噴射ノズル１０と、インジェクタ２０とを備えている。噴射ノズル１０は、プラズマジェット１１が噴射される噴出口１２を外面１３に有している。この噴射ノズル１０の外面１３には、後述するように乱流発生用凹部３０が設けられている。
【００２４】
上記噴射ノズル１０は、陽極部材１と、陰極部材２と、両部材１、２間に介装されて両部材１、２間を電気的に絶縁する絶縁部材３とを備えている。なお、陽極部材１及び絶縁部材３には貫通孔４が設けられており、この貫通孔４の開口が上記噴出口１２を構成する。この貫通孔４内には、上記プラズマジェット１１を形成するための作動ガス（Ａｒガス及び水素ガス）が図示しないガス供給手段から供給されるようになっている。また、陽極部材１及び陰極部材２は銅よりなり、電源５に接続されている。そして、陰極部材２には、タングステン製の円錐状陰極部６が貫通孔４内に同軸的に配置されるように固定されている。
【００２５】
一方、上記インジェクタ２０は、先端に供給口２１を有し、この供給口２１が上記噴出口１２の中心を向き（インジェクタ２０の軸線上に噴出口１２の中心が位置し）、かつ、該噴出口１２から所定距離離れたところに位置するように、噴射ノズル１０の外面１３に沿って配設されている。このインジェクタ２０は、溶射粉末２２及び搬送ガスの粉末供給手段（図示せず）に接続されている。そして、噴出口１２から噴射される上記プラズマジェット１１に対して、インジェクタ２０の供給口２１から溶射粉末２２が搬送ガスにより供給されるようになっている。
【００２６】
ここに、本実施形態に係るプラズマ溶射装置では、図１に示されるように、上記噴射ノズル１０の外面１３で上記噴出口１２の近傍に乱流発生用凹部３０が設けられている。この乱流発生用凹部３０は、インジェクタ２０の供給口２１から流出する搬送ガスの流出方向（インジェクタ２０の軸線方向Ｌ。以下、同様）に対する角度θ（図１に示すように軸線方向Ｌに対する時計回りの角度θ）が所定の角度（θが約１０〜５０度。本実施形態ではθが約４５度）で交差する方向に延びる複数の第１溝状凹部３１と、搬送ガスの上記流出方向に対して所定の角度（θが約３１０〜３５０度。本実施形態では約３１５度）で交差し、かつ、該第１溝状凹部３１が延びる方向に対しても交差する方向に延びる複数の第２溝状凹部３２とから構成されている。これらの第１及び第２溝状凹部３１及び３２は、ローレット加工により加工されたもので、幅が０．５ｍｍ、深さが０．２５ｍｍ、ピッチが１．５ｍｍとされている。なお、インジェクタ２０の供給口２１と噴出口１２との間における噴射ノズル１０の外面１３に上記乱流発生用凹部３０を設けておけば、後述するスピッティングの発生を抑える効果を奏し得るが、本実施形態ではそれよりも広範囲、すなわち噴出口１２の周囲全体及びインジェクタ２０の先端部付近までの広範囲に乱流発生用凹部３０を設けている。
【００２７】
かかる構成を有する本実施形態に係るプラズマ溶射装置では、電源５の作動により陽極部材１及び陰極部材２に電圧を印加すると、両部材１、２間でプラズマアークが発生する。このとき、ガス供給手段から貫通孔４内に作動ガス（Ａｒガス、水素ガス）を供給することにより、高温高圧のプラズマガスよりなるプラズマジェット１１を形成し、このプラズマジェット１１を噴出口１２から噴出させる。そして、粉末供給手段を作動させれば、インジェクタ２０の供給口２１からインジェクタ２０の軸線方向に溶射粉末２２及び搬送ガス（Ａｒガス）が流出して、噴出口１２から噴射されたプラズマジェット１１に対して、横（プラズマジェット１１の噴射方向に対して略直角方向）から供給される。これにより、プラズマジェット１１の熱で溶射粉末２２が溶融して溶射粒子とされ、この溶射粒子が母材表面に付着、堆積して、溶射皮膜が形成される。
【００２８】
このとき、本実施形態のプラズマ溶射装置では、噴射ノズル１０の噴出口１２近傍の外面１３に、第１及び第２溝状凹部３１及び３２よりなる乱流発生用凹部３０が設けられている。このため、インジェクタ２０の供給口２１からインジェクタ２０の軸線方向に流出した搬送ガスが第１及び第２溝状凹部３１及び３２の内壁面に当たって反射等することにより、噴射ノズル１０の外面１３から離れる方向やインジェクタ２０の軸線方向に対して傾いた方向等へ搬送ガスの流れ方向が変化して、搬送ガスの流れが三次元的に乱れた乱流が発生する。したがって、このため、溶射粉末２２として微粉末を用いた場合であっても、静電気力やファンデルワールス力等により噴射ノズル１０の外面１３に微粉末が付着することを搬送ガスの乱流で阻止することができる。よって、微粉末が噴射ノズル１０の外面１３に付着、堆積することを効果的に防止することが可能となる。
【００２９】
そして、上記プラズマ溶射装置を用いて、以下に示すように、シリンダ（内径：８０ｍｍ）の内周面に溶射皮膜を形成した。
【００３０】
まず、高圧水アトマイズ法により作成した鉄系粉末から、電磁振動式篩分機により、−４５μｍ、すなわち４５μｍ以下の溶射粉末を準備した。この溶射粉末について、レーザ回折散乱法により測定した粒度分布を図３に示す。なお、図３から明らかなように、この溶射粉末中には異形状の粉末も含まれているため、４５μｍを超える粉末も含まれている。また、この溶射粉末の平均粒径は２８μｍである。
【００３１】
そして、図示しない駆動装置に連結された固定用チャック（図示せず）にシリンダを固定するとともに、このシリンダ内に溶射距離を一定に保持した状態で前記プラズマ溶射装置を挿入し、該駆動装置によりシリンダを所定の回転数（２００ｒｐｍ）で回転させながら、回転するシリンダの内周面に向けてプラズマジェット１１を噴射することにより、内周面に溶射皮膜を形成した。なお、このときの条件は以下のとおりである。
【００３２】
Ａｒガス流量：４０Ｌ／ｍｉｎ
水素ガス流量：４Ｌ／ｍｉｎ
電流        ：３４０Ａ
溶射距離    ：４０ｍｍ
その結果、正常にプラズマ溶射することができた。
【００３３】
このように、例えば１０μｍ程度よりも粒径の小さい微粉側を気流分級等を用いてカットすることなく、４５μｍ以下の溶射粉末をそのまま用いてプラズマ溶射した場合であっても、微粉末の堆積物（スピッティング）によりインジェクタ２０の供給口２１が塞がれてしまうようなことはなかった。
【００３４】
（比較例）
この比較例に係るプラズマ溶射装置は、前記噴射ノズル１０の外面１３に乱流発生用凹部３０を設けないこと以外は、前記実施形態１に係るプラズマ溶射装置と同様の構成である。
【００３５】
そして、前記実施形態１と同様に、４５μｍ以下の溶射粉末を用いてプラズマ溶射を行った。
【００３６】
その結果、スピッティングが発生し、インジェクタ２０の供給口２１がスピッティングにより塞がれてしまい、途中で溶射が不可能になった。
【００３７】
（実施形態２）
本実施形態に係るプラズマ溶射装置は、図４に示されるように、前記乱流発生用凹部３０が複数の穴状凹部３３よりなる。この穴状凹部３３は、インジェクタ２０の先端部付近から噴出口１２の周囲全体に及ぶ広範囲の外面１３にほぼ均一に散在している。なお、この穴状凹部３３は、先端にＲ１ｍｍの丸みをもつ工具（図示せず）を噴射ノズル１０の外面１３に所定荷重で押し付けて加工したもので、幅（内径）が１ｍｍ、深さが０．１４ｍｍ、ピッチが１．５ｍｍとされている。
【００３８】
それ以外の構成は前記実施形態１と同様である。
【００３９】
したがって、本実施形態に係るプラズマ溶射装置では、噴射ノズル１０の外面１３に複数の穴状凹部３３が散在して形成されているので、インジェクタ２０の供給口２１からインジェクタ２０の軸線方向に流出した搬送ガスが穴状凹部３３の内壁面に当たって反射等することにより、噴射ノズル１０の外面１３から離れる方向やインジェクタ２０の軸線方向に対して傾いた方向等へ搬送ガスの流れ方向が変化して、搬送ガスの流れが三次元的に乱れた乱流が発生する。このため、溶射粉末２２として微粉末を用いた場合であっても、静電気力やファンデルワールス力等により噴射ノズル１０の外面１３に微粉末が付着することを搬送ガスの乱流で阻止することができる。したがって、微粉末が噴射ノズル１０の外面１３に付着、堆積することを効果的に防止することが可能となる。
【００４０】
そして、前記実施形態１と同様に、４５μｍ以下の溶射粉末を用いてプラズマ溶射を行った。
【００４１】
その結果、前記実施形態１と同様、微粉末の堆積物（スピッティング）によりインジェクタ２０の供給口２１が塞がれてしまうようなことはなく、正常にプラズマ溶射することができた。
【００４２】
（その他の実施形態）
前記乱流発生用凹部３０の態様としては、前記実施形態１及び２に係るものに限定されない。例えば、インジェクタ２０の軸線に対して略直角方向に延びる複数の溝状凹部により乱流発生用凹部３０を構成してもよい。
【００４３】
また、前述の実施形態では、溶射粉末を溶融するための熱源としてプラズマジェットを利用するプラズマ溶射装置に本発明を適用したが、これに限定されるものではなく、例えば、該熱源としてアセチレン等の燃焼ガスを用いるガス溶射装置に本発明を適用してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の溶射装置では、噴射ノズルの外面に設けられた乱流発生用凹部により、インジェクタから流出する搬送ガスの流れを乱して乱流を発生させることができるので、溶射粉末として微粉末を用いた場合であっても、噴射ノズルの外面に微粉末が付着することを搬送ガスの乱流で阻止することができ、微粉末が噴射ノズルの外面に付着、堆積することを効果的に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ溶射装置を部分的に示した正面図である。
【図２】上記プラズマ溶射装置の部分断面図である。
【図３】レーザ回折散乱法により測定した溶射粉末の粒度分布を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るプラズマ溶射装置を部分的に示した正面図である。
【図５】従来のプラズマ溶射装置でスピッティングが発生した状態を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
１０…噴射ノズル                  １１…プラズマジェット（熱源）
１２…噴出口                      １３…外面
２０…インジェクタ                ２１…供給口
３０…乱流発生用凹部              ３１…第１溝状凹部
３２…第２溝状凹部                ３３…穴状凹部
【図１】
2005015862.tif 000003
【図２】
2005015862.tif 000004
【図３】
2005015862.tif 000005
【図４】
2005015862.tif 000006
【図５】
2005015862.tif 000007