［研究報告］

溶射皮膜のブラストエロージョン特性
高橋幾久雄＊、桑嶋孝幸＊

鋳鉄基材にプラスチック３種類、金属及びサーメット５種類、セラミックス３種類を溶射して、荒田式溶射皮膜評価試験機を用いたブラストエロージョン試験で溶射皮膜を評価した。
プラスチックはアクリル皮膜の摩耗減量が少ないのに対して、ポリエステル皮膜は簡単に皮膜が剥離する。金属及びサーメットはSUS316皮膜の摩耗量が少なく、Fe‑Cr‑C合金やNi基合金の摩耗量が多くなっている。セラミックスはTiO皮膜の摩耗量が少ないが、CrO皮膜の摩耗量が多22 3くなっている。ブラストエロージョン試験は皮膜の硬さが低いほど摩耗量が少なくなる傾向を示し、皮膜の変形能や皮膜内粒子間結合度が耐摩耗性に影響することを明らかにした。
キーワード：溶射皮膜、プラスチック、金属、セラミックス、ブラストエロージョン

Blast Erosion Resistance for the Thermal Spraying Coatings
TAKAHASHIIkuoandKUWASHIMA Takayuki
Three kind of plastics, five kind ofmetalsand cermets andthreekind ofceramics are
sprayed on cast iron and the coatings of blast erosion resistance are evaluatedusing Arata
CoatingTester.
In plastics coating tests, a weight loss of acryl coating issmall,but polyester coating peels
easily. In metals and cermet coating test, a weight loss of SUS316 coating is small, but
Fe-Cr-C alloy and Ni base alloy is large. In ceramics coating test, weight loss of TiO2coating issmall,Cr2 O3 coating is large. Inblasterosion test, theweightlossof thecoatings
have a tendency to be small with thedecrease of coating hardness, the charactaristic ofblast erosion resistance is affected by modificate ability and degree of cohesion between
particles of thecoatings.
key words : sprayed coating,plastics, m e t a l s , c e r a m i c s , b l a s t e r o s i o n１緒言

溶射皮膜は溶射材料溶融粒子の積層で形成されるが、を平滑に機械加工し、アセトン洗浄及び#20 のアルミナグリッドでブラスト処理を行い、溶射に供した。

未溶融粒子の存在や成膜の積層機構から多孔質になり易用いたプラスチック溶射材料を表１に示すが、ポリエい。このため、基材と皮膜の密着力が低く、皮膜の粒子ステルとアクリルはセラミックスを混合（重量比）した間結合力と靱性が低下する。特に硬い粒子を衝撃的に受ものも用いた。セラミックスは Al2O 3 に TiO2 を 2%含けた場合は簡単に皮膜が剥離し、溶射の効果を存分に発有したグレイアルミナである。ポリエステルはプラズマ揮できないことになる。

溶射装置で、皮膜厚さ 0.3mm に、アクリルとナイロン

本研究は鋳鉄基材に３種類のプラスチック、５種類のはプロパンを燃料とするガス溶射装置で、皮膜の厚さ金属やサーメット、３種類のセラミックスの溶射皮膜を形成して、ブラストエロージョン試験を行い、溶射皮膜

表１

プラスチック溶射材料の種類の耐摩耗性を比較検討することを目的とした。

ポリエステルポリエステル100%
ポリエステル−20%セラミックス

２２−１

実験方法
基材・溶射材料と溶射アクリル100%
アクリル

供試鋳鉄基材の材質は FC200 で、その形状寸法は厚さ 4mm、幅 75mm、長さ 100mm の板で、溶射する面

＊

金属材料部

アクリル−20%セラミックス
アクリル−40%セラミックス

ナイロン

ナイロン100%

岩手県工業技術センター研究報告第７号（２０００）

0.12
アクリル100%0.4mm を目標にした。

アクリル+20%セラミックス
アクリル+40%セラミックス

フレーム溶射（HVOF：High Velocity Oxy-Fuel）で、溶射皮膜の厚さが 0.3mm になるようパス数を調節した。
セラミックス溶射材料は Al2 O3、 Cr 2O3、 TiO 2 の３種

ナイロン

0.08

摩耗減量と組成を表２示す。溶射はプロピレンを燃料とする高速(g)金属およびサーメット溶射材料は５種類で、その種類0.04類で、その下地溶射（アンダーコート）として、 Ni-Crを用いた。セラミックス溶射材料の組成を表３に示す。

噴射角度：30度

Ni-Cr 溶射は高速フレーム溶射装置で、セラミックス溶射はプラズマ溶射装置で行った。。溶射皮膜の厚さは金00

属で約 0.1mm、セラミックスで約 0.25mm にした。以上の溶射は全てロボットを用いて自動で行った。

溶射材料

組

成

17Cr‑12Ni‑2.5Mo‑1Si‑0.1C‑Fe

Ni基超合金19Cr‑18Fe‑3Mo‑1Co‑1Ti‑Ni

C r3C2 サーメット

20(80Ni‑20Cr)‑Cr3 C2

Ni基合金

20Cr‑10W‑9Mo‑4Cu‑1C‑1B‑1Fe‑Ni

Fe‑Cr‑C合金

64Cr‑7C‑Fe

表３300

400

溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果

アクリル100%
アクリル+20%セラミックス
アクリル+40%セラミックス
ナイロン(wt%)

SUS316200
噴射量 (g)0.12

金属及びサーメット溶射材料の組成

摩耗減量 (g)

表２

図１100

0.080.04

セラミックス溶射材料の組成

溶射材料

組

成

噴射角度：60度(wt%)

Al2 O3Al2 O3 ‑2.5TiO2 ‑2SiO2 ‑1Fe2 O3Cr2 O399Cr2 O3

TiO299TiO 2２−２0

図２0100200
噴射量 (g)300400溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果

試験で噴射角度 30 度の結果を示す。ポリエステル皮膜

溶射皮膜の評価法

溶射皮膜の評価方法は荒田式溶射皮膜評価試験機を用はブラスト材を 70g 噴射する前に簡単に皮膜が削り取いて、表４に示す試験条件でブラストエロージョン試験られ、粒子間結合度がかなり劣っていると考えられる。

を行った。噴射角度は溶射皮膜に対して、30 度、60 度、この原因は供試ポリエステルの示差熱分析 (DTA)及び熱90 度の 3 水準で、1 回の噴射量 70g であるが、摩耗量天秤分析(TG)結果が示すように、融点は約 760 Ｋ、重が多い皮膜は皮膜粒子が剥離して早く基材が露出するの量減少開始温度が約 720 Ｋであることから、溶射中にで、すべての皮膜が同じ回数の試験はできなかった。ま気化したガスが皮膜に巻き込まれたため、皮膜断面のた、プラスチック、金属、セラミックスそれぞれ密度がSEM 像観察で皮膜内気孔が多く認められる１）ことが支異なるために耐摩耗性の絶対比較はできないが、摩耗減持している。

量を精密天秤で重量測定して評価した。

アクリル皮膜にセラミックスを混合すると耐摩耗性が劣るように見えるが、セラミックスの密度がアクリルの表４

ブラストエロージョン試験条件

ブラスト材#30モランダム

密度の数倍の値であることと、基地のアクリル粒子の剥離に伴い、セラミックスも剥離するので重量減少が多く

設 定 圧 力(kPa)490

噴 射 圧 力(kPa)304

図２は噴射角度 60 度の結果であるが、溶射材料の種噴射加速流量(l/min)

340

類による傾向は変わらず、全体の摩耗量は 30 度に比べ噴(g/回)70て少なくなっている。この原因は不明である。ナイロン(度)30、60、90

皮膜はアクリル皮膜に比べて両角度共に摩耗減量が多く

射量

噴 射 角 度なり、このような結果になったと思われる。

なっている。溶射皮膜のヌープ硬さを測定すると、アク実験結果及び考察

リル皮膜は Hk1.5、ナイロン皮膜は Hk8.7 とナイロン

プラスチック溶射皮膜皮膜がかなり高いが、アクリル皮膜はナイロン皮膜に比１３−１

図１はプラスチック溶射皮膜のブラストエロージョン

べて弾性が高く、ブラスト材の衝撃エネルギーを吸収す［研究報告］るためと考えられる。噴射角度 90 度の図示は省略する

め皮膜の変形能が高い、言い換えると硬さの低い皮膜がが、噴射角度 60 度とほぼ同じであった。

塑性変形して、衝撃力を緩和するためと考えている。
図７は溶射皮膜断面の SEM 像から画像解析装置で測３−２定した面積気孔率を示す。SUS316 皮膜の気孔率が少な

金属及びサーメット溶射皮膜

金属及びサーメット溶射皮膜の噴射角度 30 度のブラ

く、Ni 基合金皮膜や Fe-Cr-C 合金皮膜の気孔率が高く、ストエロージョン試験結果を図３に示す。Fe-Cr-C 合金
0.45

皮膜の摩耗量が多く、 Ni 基合金皮膜、Ni 基超合金皮膜、Cr 3C2 -Ni-Cr サーメット皮膜と続いていて、SUS316 皮0.40

膜の摩耗量が少なくなっている。溶射皮膜の断面を研磨して、マイクロビッカース硬さを測定すると図４のよう

SUS316
Ni基超合金C r 3 C 2サ ー メ ッ ト
Ni基合金
Fe‑Cr‑C合金

0.35に、Cr3C2-Ni-Cr サーメット皮膜や Fe-Cr-C 合金皮膜0.30なっている。以前研究したスガ式摩耗試験は硬さの高いほど摩耗量が少なくなっていた２）が、この摩耗試験ではサーメットを除いて硬さと逆比例の関係が認められる。
この試験はブラスト材の衝撃的圧力が作用することから摩耗減量(g)が硬く、SUS316 皮膜や Ni 基超合金皮膜の硬さが低く0.250.200.15

硬さよりも皮膜の変形能や皮膜内の溶射材料粒子間の結合力が影響しているものと考えている。

0.10

同試験の噴射角度 60 度の結果を図５に、噴射角度 90度の結果を図６に示す。噴射角度が大きくなると、
SUS316 皮膜の摩耗量は少なく、Fe-Cr-C 合金皮膜の摩0.050.00

噴射角度：60度

耗量が多くなり、両者の差が大きくなる。これは噴射角0度が大きくなると、皮膜にブラスト材が直角に当たるた

図５0.30100200
噴射量(g)

300400溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果

0.500.20

SUS316
Ni基超合金C r 3 C 2サ ー メ ッ ト
Ni基合金
Fe‑Cr‑C合金

0.45

SUS316
Ni基超合金C r 3C 2サ ー メ ッ ト
Ni基合金
Fe‑Cr‑C合金

0.250.400.35

摩耗減量(g)

摩耗減量(g)

0.30
0.15

0.10

0.25
0.20
0.15
0.100.05
噴射角度：30度

0.05
噴射角度：90度

0.00
0

図３

100

200
噴射量(g)

300

400

溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果

溶射材料

0200

硬さ （ＨMV200g）
400
600
800

0.00
0

図６

Ni超基合金C r 3C 2サ ー メ ッ ト

140

210
噴射量(g)

280

350

溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果

1000

溶射材料

SUS316

70

気01

孔率（％）

2SUS316
Ni基超合金Cr 3C 2サ ー メ ッ ト

Ni基合金

Ni基合金

Fe‑Cr‑C合金

Fe‑Cr‑C合金

図４

図７

金属及びサーメット溶射皮膜の硬さ

金属及びサーメット溶射皮膜の気孔率3岩手県工業技術センター研究報告

第７号（２０００）

ブラストエロージョン試験結果と相関している。

1.0３−３0.8

セラミックス溶射皮膜

Al2 O 3Cr2 O 3
TiO2果を図８から図１０に示す。Cr 2O3 皮膜の摩耗量が多く、TiO 2 皮膜の摩耗量が少なくなっている。噴射角度を変えても溶射材料の順位は変わりなく、噴射角度が大きくなると Cr2O 3 皮膜の摩耗減量が大きくなる傾向を示した。

摩耗減量（ｇ）

セラミックス溶射皮膜のブラストエロージョン試験結0.60.40.2

図１１にセラミックス溶射皮膜のマイクロビッカース硬さ測定結果を示しているが、硬さの高い Cr2O3 皮膜の摩耗量が多くなっているが、硬さよりも皮膜の粒子間

噴射角度：９０度00

図１０25

結合度が耐摩耗性に影響しているものと思われる。

5075
噴射量（ｇ）

100125150

溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果

図１２に溶射皮膜断面の SEM 像から画像解析装置を用いて、面積気孔率を測定した結果を示しているが、Cr 2O3 皮膜の気孔率が高くなっている。また、基材と皮膜の密着力測定時にセラミックス皮膜内で破断していて、これがセラミックス溶射皮膜の強さ、言い換えると皮膜内粒子間結合度を示していると考えられる。この結果
Cr 2O3 皮膜の強さに比べて TiO2 皮膜、Al2O3 皮膜の強さが高くなっている。 ３）ブラストエロージョン試験は気溶射材料

0

硬さ
400200（ＨMV200g）
6008001000

Al 2 O 3
Cr 2O 3
TiO 2
図１１

セラミックス溶射皮膜の硬さ

孔率と皮膜内粒子間結合度が影響していることが明らか
溶射材料 00.4

Al2O3

摩耗減量（ｇ）になった。

4

気孔率
68（％）
101214Cr2O3

Al2O3Cr2O3
TiO20.32TiO2
図１２

セラミックス溶射皮膜の気孔率0.2４0.1

言以下の結論を得た。

噴射角度：３０度
0結

溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果を総括して、0図８100200
噴射量（ｇ）(1) プラスチック溶射皮膜はポリエステル皮膜が簡単に皮膜の剥離が生じるのに対して、アクリル皮膜は弾性300が高いために摩耗減量が少ない。

溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果(2)金属及びサーメット皮膜は Fe-Cr-C 合金皮膜や Ni基合金皮膜の摩耗減量が多く、SUS316 皮膜の摩耗減量は少ない。

0.6(3)セラミックス皮膜は Cr 2O3 皮膜の摩耗減量が多く、Al2 O 3
Cr 2 O3

0.5

TiO2 皮膜の摩耗減量が少ない。

摩耗減量（ｇ）

TiO2(4) プラスチック、金属、セラミックス共に硬さが低く、0.4

気孔率の小さい皮膜ほど摩耗減量が少なくなる。
0.3

文0.2

創製と複合化に関する基礎的研究報告書 , 116, (1997)

0.12)高橋幾久雄, 米倉勇雄, 桑嶋孝幸, 岩手県工業技術セン

噴射角度：６０度
0献1)高橋幾久雄, 米倉勇雄, 桑嶋孝幸, 次世代高機能鋳鉄の0

図９50

100

150
200
噴射量（ｇ）

250

溶射皮膜のブラストエロージョン試験結果

300

ター報告,5,45,(1998)
3)高橋幾久雄, 米倉勇雄, 桑嶋孝幸, 岩手県工業技術セン
ター報告,6,35,(1999)

［研究報告］