平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

5 プラズマ溶射技術（セラミックス皮膜）の研究
機械部 清 高 稔 勝

1 はじめに技術の進歩により、機械器具及び鋼構造物は、大用いた。ブラストされた基材の表面粗さは、＃20で80〃m、＃120で5J川1の最大高さであった。

型化、高精度、耐久性等の仕様性能の向上が求めら

溶射は、最大出力40飾のプラズマ溶射装置を使用れている。それに伴ってこれら部品及び部材が使用した。各溶射材料についての溶射条件は、表2のとされる環境も大変苛酷なものとなっている。これにおりである。

対処する技術として様々な表面改質法が用いられている。その中の一つに溶射技術がある。溶射は、電表1溶射材料の化学成分及び粒径気又は燃焼のエネルギーを用いて、溶融又は半溶融した溶射材料を高速度で素材面に吹き付けて皮膜層を形成する方法である。溶射材料の多さと膜厚の制御が可能という特徴を有している。さらに適当な溶射材料を単独又は複合して使用することによって、耐摩耗性、耐食性、耐熱性等が得られ、基材に比べて大幅に、機能が向上することが可能となる。
溶射法の巾で容易に超高温が得られるプラズマ溶射は、各種のセラミックコーティングを可能としている。普通プラズマ溶射によりセラミックス皮膜を作る場合は、密着強さの向上及び基材とセラミックスの熱膨張係数の緩和等の冒自勺で金属が下地溶射さ

表2 溶射条件

れているが、この下地溶射条件とセラミックス皮膜の基本的な関係は、まだ明確にされていない。
そこで本研究は、代表的なセラミックスであるブレアルミナとジルコニアについて下地溶射（主に卜地溶射厚さ）が、セラミックス皮膜の熱衝撃性、肘食性、組織等の基礎性質に及ぼす影響について検討
ナ？ −

■■

2 実験方法

溶射材料は、セラミックス材料としてグレイアルミナ（以後アルミナ）とジルコニア、下地溶射材料にNiCr合金、N圭Al複合体を用いた。溶射材料溶射した試験片の一部は、真空熱処理炉で熱処理の化学成分及び平均粒径を表iに示す。某材はを行い、溶射皮膜への影響を調べた。熱処理は、4SS400で、形状はアルミナ溶射で50×40×3．2mm、ジ時間で950℃まで界温し、その温度で川寺間保持し炉

ルコニア溶射で50×30×3、2mmとした。前処理として冷を行った。

′r、骨相爪吏R霜ル廿 下地溶射と基材の表面粗さの関 レノ壬ビニ／「」レノ′】こ11し⊥1J】し一（こhヽ

溶射皮膜の厚さは、アルミナとジルコニアで0．3mm

係を検討する為に、＃20と酎20のアルミナグリッドをを臼標とし、下地溶射U）NimCr合金、N卜Al複合
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体は、その皮膜厚さの影響を調べるために、下地溶

図3及び4は、ジルコニア皮膜についてNi肘Cr射を行わない場合と下地厚さ0．05mm、0．15汀Im目標の合金及びNi−Al複合体の厚さの影響を示したもの

3とおりとした。下地溶射皮膜の厚さは、記号でNiである。Ni−Cr合金下地溶射では、基材表面の輯さ（二r合金、Ni¶Å1複合体それぞれ厚さOmmを0厚に関係なく熱処理することによって耐熱衝撃性は、さ0．05mmをICr、IAL厚さ0．15mmを2Cr、2ALとす良くなっている。一方非熱処理の試料は、F地溶射る。の厚さに応じて耐熱衝撃性が幾分向上している。ま

熟衝撃試験は、JISH8666のセラミック溶射試験

た、図上では示していないが、非熱処理試料もNi方法に準じて、試験片を電気炉に挿入し、試験温度Cr合金皮膜厚さをさらに増すことによって熱処理に達した後、Ⅲ分間保持し取り出し、常温の水中でされた試料と同程度の耐熱衝撃性が得られた。

急冷を行った。試験片に異状（目視での皮膜のき裂、NiAl複合体が下地溶射された場合は、NトCrはく離、浮き上がりの有無の確認）が認められない合金と同様に熱処理の効果が認められる。又非熱処時は、この操作を最高10回まで繰り返した。試験温理の＃2臣アルミナグリッドでブラストされた試料で度は、アルミナで800JC、ジルコニアで900〇Cとした。

は、NiCr合金に比較して耐熱衝撃性が一段と向耐食性試験は、JISH8661の亜鉛溶射製品試験方上しているのが認められる。

法を参考にした。溶射試験片の皮膜以外の部分は、塗装によりマスキングを行い、溶射試験片は2げCの5％食塩水に試験片の長て方向に半分浸セキした。

そして一定時間経過毎に皮膜のフクレ、錆、ハガレ等且）状況を観察した。さらに14（川寺間経過した試験片について、溶液中に溶出した鉄濃度を原子吸光分析装置にて測定した。

3 実験結果及び考察
3．1 熱衝撃性試験

図1及び凶2は、アルミナ皮膜に於いて、NiCr合金とNi−Al複合体各々の下地皮膜厚さが耐熱衝撃性に与える影響について示したものである。

1Cr
ポンドコートの厚さ

図1アルミナ皮膜のボンドコ榊卜厚さと耐熱衝撃性の関係（下地溶射Ni州Cr合金）

Ni−Cr合金の下地溶射、非熱処理の場合、＃20のアルミナグリッドを用いた基材の表面粗さが大きい試料が耐熱衝撃性は良くなっている。しかし、基材の表面粗さが小さい＃120アルミナグリッドを使用した試料でも下地溶射を行うことによって耐熱衝撃性は向上している。ルー方熱処理を行うと基材の表面粗さが大きい方で耐熱衝撃性が落ちているのが認められ、熱処理による効果は認められない。
Niノ＼1複合体をhF地溶射とした場合、＃20アルミナグリッドでブラストされた基材の内熱処理されたものは、Ni仙Al複合体皮膜厚さに応じて耐熱衝撃性が増している。一方＃120アルミナグリッドでブラストされた基材では、熱処理された試料について下地溶射皮膜厚さに応じた耐熱衝撃性の変化は顕著宥
認められない。
肝 46

1AL
ボンドコートの厚さ

図2 アルミナ皮膜のボンド＝巨一卜厚さと耐熱衝撃性の関係（下地溶射NトJ㌧l複合体）

平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

ハリハ‖リ︵ご蒜荒警P∵聖迷 監 羽 沢 應

0︵直︶姦﹇且 掛 湛 感

1AL
1Cr

ポンドコートの厚さ
図3 ジルコニア皮膜のボンドコ開卜厚さと耐熱衝

2AL

ポンドコ椚卜の厚さ
図6 アルミナ皮膜のボンドコ上丹厚さと錆発生開始時間の関係（下地溶射Ni・W【Ai複合体）

撃性の関係（下地溶射Ni−Cr合金）

図7及び8は、アルミナ皮膜に於ける試験開始から140時間経過後の浸セキ液中の鉄濃度を示したものである。
︵回︶慮回教趣意nU

国4 ジルコニア皮膜のポンドコート厚さと耐熱衝︵2dd︶嘲警官笠品忘

1ÅLポンドコートの厚さ

撃性の関係（下地溶射Ni−Al複合体）
1Cr

ボンドコートの厚さ3．2 耐食性試験
図5及び6は、目視観察でアルミナ皮膜に於いて回7 アルミナ皮膜のポンドコート厚さと鉄遷出塁の関係（下地溶射Ni−一Cr合金）

錆発生開始までの時間を示したものである。

5﹁rJ︵2nd︶湖東︹b古事華魂0︵㍍︶誕盟Gト崩悪監朝鮮鑑

1Crボンドコ山トロ）厚さ

1Å富ノポンドコートの厚さ

団5 アルミナ皮膜のボンドニコーl卜厚さと錆発生開団8 アルミナ皮膜のポンドコート厚さと扶溶出墨始時間の関係（下地溶射Ni冊Cr合金）の関係（■F地溶射NiAi複合体）
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Ni¶Cr合金下地溶射では、熱処理により浸セキ液中への鉄の溶出量は増しているが、その溶出量はNi〝〉−Cr合金度按摩さに応じて減少している。また、

巨言祝観察による錆発生までの開始時間は、鉄溶出量と反対にN圭C王ふ合金皮膜厚さの薄い方で長くなっている。

N圭A呈複合体下地溶射では、NiんCr合金と同様に熱処理により耐食性が落ちている。しかし非熟処要撃の皮膜では、1描寺間を経過しても鍔の発生は認められなかった。

アルミナ 熱処理無し

挺盲9及び10は、ジルコニア皮膜に於ける鉄濃度を示したものである。冒硯顧察では、すべての試料で24時間以内に皮膜表面への錆の発生が認められた。

これは、ジルコニア皮膜における基材からの鉄塔出量がアルミナ皮膜に比較して格段高いことから推察される。

腑︵∈蓋︶畔褒︹三幸聾魂

アルミナ 熱処頚有り

iCr

ポンドコートプ〕厚さ

玩撃 ジメ♭ヨニア皮膜のポンドヨ皿卜厚姦藍鋲溶出
義邦関係（下地溶射昂巨Cr合金）
ジルコニア 熱処理無し

壱蒙霊豊警主意養蚕

1AL
ポノ ーごコートソ）厚さ−−、、−量の関係（下地溶射N卜A呈複合体）
48−、ジルコエア

熱処理有り

写真3 溶射皮膜断面組織写真

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NidAl複合体下地溶射がNi−Cr合金下地溶射に比べて耐食性が良いのは、鉄に対してイオン化傾

4 まとめ

グレイアルミナ及びジルコニア皮膜に及ぼす卜地向の大きいアルミニウムが優先的溶出している為と溶射の影響を調べるために基材の表面状態、下地溶思われる。

射材料の種類、熱処理の有無等の条件因子を用いて熱衝撃試験、耐食性試験等の評価試験を行い次の結果を得た。

3．3 組織及び硬さ

写真1は、アルミナ及びジルコニア皮膜についての皮膜断面の走査電r顕微鏡写真である。各写真と熱衝撃試験
0アルミナ皮膜、NiCr合金F地酒射では、＃20ア

も上から基材、下地溶射皮膜、セラミック溶射皮膜

ルミナグリッドでブラストされた基材が、耐熱衝の組織となっている。非熱処理皮膜は、ブラストに撃性が良い

よって塑性変形された組織及び下地溶射と基材間のされた基材も下地溶射によって耐熱衝撃性は増し気孔が認められる。一方熱処理によって基材は、結たが、下地溶射厚さを約け．15mmにすると逆に落ち晶粒界の大きな組織となっている。それは、下地溶射に用いられたオーステナイト牛成元素であるニッ。又＃120アルミナグリッドでブラストた。
〔）アルミナ、NiAl複合体下地溶射では、＃20アル

ケルによって、熱処理行程で十分に結晶粒界が成長ミナグリッドでブラストされた基材に於いて熱処したためと思われる。さらに下地溶射と基材問の気揮と下地溶射皮膜厚さの効果が得られた。

孔がなくなり、一部反応層のようなものも観察され0ジルコニア皮膜、NiCr合金下地溶射では、熱処る。 しかしセラミック皮膜と下地溶射問では、特別理と下地皮膜厚さの効果が認められた。一方非熱な変化は観察されなかった。

処理皮膜は、下地溶射皮膜を厚くして約0．2mm熱処に於いてほ、、∧熟処一撃によって気孔数が増加しているのが認められる。この熱理材と同等の耐熱衝撃性を示七
Cジルコニア皮膜、Ni、Al複合体では、熱処理によ処理によって増加した気孔が、金属〟セラミックスる効果が大きかった。非熱処理皮膜では、表面粗問の熱膨張差による応力及びセラミックス皮膜内部さの粗い＃20アルミナグリッドでブラストされたの応力の綬不【Jに寄与して耐熱衝撃性を増したと考え基材に於いて、下地皮膜厚さの効果が認められた。

られる。しかし、今回の組織観察では、各評価試験耐食性試験との因果関係を根本的に導き出せなかった。溶射装○アノレミナ皮膜、NiCr合金下地溶射では、熱処理、セラミックス材料、下地溶射材料、熱処理の有により耐食性は落ちた。下地溶射厚さの効果は、非熱処理皮膜で幾分認められた。

無が複祥に関係していたためと思われる。

表3は、皮膜断由の基材、F地溶射皮膜、セラミ（：〕アルミナ皮膜、NiAl複合体下地溶射では、熱処ックス皮膜の硬さの平均を示している。セラミック

理により耐食性は落ちた、しかし非熱処理皮膜でス皮膜ではNiAl複合体の方がNi−Ci一合金下地は140時間経過しても錆の発生が認められなかった（つ溶射した特に比較して鞭さが、上がっている。また、熱処理により卜地溶射の硬さが幾分低下している。

〔：ジルコニア皮膜では、下地溶射、熟処理による影響は認められず、すべての試料で訴が発生し′〜こ⊂）おわりに、この実験に使用したプラズマ溶射装置、衰3 溶射皮膜断面の硬さ

寅空熱処理炉、走査電子顕微鏡は甘本臼転車振興会

溶射皮膜の補助余を受けて設置したものである。

アルミナ馴莫j；；㌃三三丁妄盲1

参考文献
1溶射ハンドブック：＝本溶射協会編，新技術開Ni Cr 合 金
NiAト複合体

発センター
819

990ト

649朝7 742 232

669

三44 212252∈223 無222 175 j212

担有 無 有 無 音声 有2 溶射枝柿丁，VOL．9NO．1へノNO．3：慶事配u坂ん 49