技術解説
溶射技術とそのプラント設備への適用＜プラントライフサイクルエンジニアリングシリーズ＞
Thermal spraying and its application for the plant installations< Plant Life-cycle Engineering Series >光一*（九州工業大学 大学院 生命体工学研究科）

中野Kouich Nakano (Technology Planning & Development Department, Technology & Engineering Division)
溶射技術は，耐摩耗性，耐熱性，耐食性，電気絶縁性，光学的特性など様々なニーズに合った機能を選択でき，さらに表面のみの改質でバルク材を使用するよりもはるかに経済的な施工法であり，プラント設備の長寿命化や使用条件の苛酷化等への要求から急速に脚光を浴びるようになってきている．本稿では，プラントエンジニアとして知っておくべき溶射技術の概要を述べるとともに，ガスフレーム式粉末溶射装置を用いた検討事例について紹介する．
The thermal sprayed surface has a multifunctional capability like as abrasion resistance, heat resistance, corrosion resistance, electric
insulation, and optical characteristic etc. that we can select for our needs. Additionally, the thermal spraying is more economic execution
method that uses only surface not bulk for property modification. Thermal spraying appears before the footlights rapidly for therequirements of making plant installations life longer and of satisfying severe service conditions. In this paper, the outline of the thermal
spraying, that we should know as plant engineers, are described at first. And then, the investigation examples using thermal sprayingequipment of gas-flame-powder type are introduced.

溶射の原理 1) は，1906 年にスイスのワーターマン氏が考1. はじめに案したといわれており，その後，1909 年にスイスの材料の表面処理技術には，各種メッキや塗装に代表されDr.M.U.Schoop 氏がアトマイザー法による溶射装置を開発

る表面被覆法や，浸炭・窒化処理，紫外線処理，レーザにし，特許を取得している．我が国では，1919 年に江澤謙二よる表面焼き入れ等などの表面改質法，加工硬化を利用し郎氏が Dr.M.U.Schoop 氏から特許の使用権を輸入し，実用た表面加工法をはじめ様々な方法が考案・実用化されてきに供したのが国内では最初であると言われている．1921 年ている．溶射法は，燃焼又は電気エネルギーを用いて溶射に江澤氏は電気式メタリコン装置「電熔型金属噴射機」を材料を溶融又は半溶融状態にした粒子を母材に吹き付けて開発し，「電気溶融法による噴射鍍金法」として特許（特皮膜を形成する方法であり，溶融成膜法に分類されている．

許 No.131674 号）を取得している．

また，溶射は，耐摩耗性，耐熱性，耐食性，電気絶縁性，1922 年以降，アメリカでは防錆溶射よりも耐摩耗肉盛溶

光学的特性など構造材料に付加的に要求される様々なニー射が盛んに行われたのに対して，ヨーロッパの各国では防ズに合った溶射材料を選択でき，しかも表面のみの成膜で錆溶射が盛んに行われた．

バルク材を使用するよりもはるかに経済的な施工法である．

我が国では，1957 年に日本溶射協会「（現）一般社団法

さらに，溶射技術はプラント設備の新規建設時のみではな

人溶射学会」が創立され，現在，溶射技術の発展におけるく，既設プラント設備のメンテナンス技術としても長寿命中心的な役割を担っている．

化や使用条件の苛酷化等への要求から急速に脚光を浴び，多用されるようになってきている．
本稿では，プラントエンジニアとして知っておくべき溶射技術の概要を述べるとともに，ガスフレーム式粉末溶射装置を用いた検討事例について紹介する．

2.2 溶射の適用分野
溶射は様々な産業分野に適用されてきており，溶射皮膜には，耐食性，耐酸化性，耐高温腐食性，耐摩耗性，耐フレッティング性，耐焼付性，滑り性，グリッピング性，耐異物付着性，耐熱性，耐熱衝撃性，絶縁性，耐プラズマ・エロ―ジョン性，離型性など様々な特性や機能 2)が要求される．ここでは，溶射皮膜に要求される耐食性，耐摩耗性，

2. 溶射の概要

耐熱性の 3 特性に着目し，溶射の耐食性・耐摩耗性・耐熱
2.1 溶射の歴史性改善適用事例を表 1 に示す．
*

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現:技術本部 企画開発部 Technology Planning & Development Department, Technology & Engineering Division23表 1 溶射の耐食性・耐摩耗性・耐熱性改善適用事例

図1 溶射法の分類

図2 標準的なガスフレーム溶射の施工フローために行う．ブラスト処理は，サンドブラストやスチールショットブラストが適用される．予熱はフレーム溶射の場合には約90℃で実施されるが，高温プラズマ溶射の場合には，約350～400℃で行われる．アンダーコート（下地盛り溶射）に続いて，トップコート（上盛り溶射）が施工される．最終2.3 溶射法の分類

段階で，研磨・研削および封口処理等が実施される．封口処

材料の表面を被覆（コーティング）する技術には，塗装

理は溶射皮膜の開口気孔に封口剤を浸透させて気孔を充填法，メッキ法，溶射法，化学的蒸着法（CVD : Chemical Vapor

し，溶射皮膜の化学的・物理的性質を改善するために実施さDeposition），物理的蒸着法（PVD : Physical Vapor Deposition）

れる．などがあり，溶射法は，エネルギー源や溶射材料の形態により，図 1 に示すように分類されている．

2.6 溶射皮膜の生成機構と接合強度
燃焼ガスや圧縮空気等によりトーチ先端から放出される

2.4 溶射材料

溶融あるいは半溶融状態にある溶射粒子は，母材に吹き付

溶射材料の形態としては，線材，棒材，粉末に大別され，けられる間，気体分子からファンデルワールス力を受ける

溶射材料の材質としては，アルミナ，ジルコニア，チタニア，が，溶射粒子同士の衝突により溶融粒子が接触あるいは合ガラス等のセラミック系，亜鉛，アルミニウム，ステンレス，体すると，充分に冷却するまでの間，溶融粒子間で拡散が起チタン，ニッケル合金等の金属系，ポリエチレン，ナイロンこる．溶融した球形の溶射粒子が母材表面に到着し，円錐状等の高分子材料系に分類される．に凝固してスプラットを形成して，堆積する過程は，

2.5 溶射施工の施工フロー
溶射施工の工程は，溶射法の種類や母材や溶射材料の種類等によって異なってくる．ここでは，比較的低温で施工される標準的なガスフレーム溶射の施工フローを図2に示す．
母材の表面清浄化は，油脂類を含む不純物の除去を目的に実施される．溶射施工で実施されるアンダーカット処理は，溶射皮膜の剥離強度を高めるために表面を局所的に凸凹（0.5～1.0mm）にする処理であり，溶接用語で用いられる溶接止端部の表面欠陥とは異なる．
マスキングは，ブラスト処理を行わない部分を遮蔽する

H.Hermann3)らによって検討されている．
高温プラズマ溶射の場合には，予熱温度も350～400℃と高いため，溶射後にフュージング処理（溶融処理）を行うと，母材と溶射粒子間に合金化や金属間化合物の生成も認められている．一方，溶射前のブラスティング処理により下地となる母材表面は粗く凸凹に仕上げられており，ここに溶射粒子が埋め込まれていく事になり，アンカー効果（投錨効果）により，溶射皮膜のせん断強度は高くなる．
2.7 各種溶射製品の試験方法
日本産業規格（JIS）に従った各種溶射製品の試験項目を表2に示す．また，各種溶射製品の試験項目の試験方法は，表3に従った方法により実施される．

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表2 各種溶射製品の試験項目

表4 溶射に関する主な日本産業規格である．
(2) 日本溶射工業会
日本溶射工業会は1958年に発足して現在に至っており，(*1)JISH8300へ統合 (*2)1994年7月廃止 (*3)JISH8300へ統合(*4)JISH8302へ統合 (*5)JISH8303へ統合 (*6)JISH8304へ統合

表3 各種溶射製品の試験項目の試験方法

産業機器の高性能化や省エネ環境保全に貢献することをス
ローガンとして掲げ，溶射技術の利用をあらゆる産業界に普及拡大させることを目的としている．溶射JISと国際規格（ISO）との整合化に伴い，全会員が溶射JISに規定された品質保証が行えるよう，設備の充実，品質管理システムの整備，従業員の教育並びに技術水準の向上にも勤めている．5)(3) 福岡県職業能力開発協会
溶射技能士試験の実施機関で，過去に出題された技能検定の問題等を確認できる．6)
3.3 溶射に関連する資格(1) 溶射技能士
溶射技能士とは，国家資格である技能検定制度の一種で，都道府県知事（問題作成等は中央職業能力開発協会，試験の実施等は都道府県職業能力開発協会）が実施する，溶射に関する学科及び実技試験に合格した者をいう．なお職業能力

3. 溶射に関連する法規/規格・団体・資格
3.1 溶射に関連する法規/規格
溶射に関す主な日本産業規格としては，表4に示すような規格があげられる．
3.2 溶射に関連する各種団体
溶射に関連する団体としては，以下に示すような学術団

開発促進法により，溶射技能士資格を持っていないものが溶射技能士と称することは禁じられている．7)
溶射技能士の資格は，①防食溶射作業，および②肉盛溶射作業の2種目が設定されている．
(2) 溶射管理士
溶射管理士の資格は，一般社団法人日本溶射学会の認定資格で，①防食溶射管理士，②セラミック溶射管理士，③金属体，工業会，資格認定団体等があげられる．

溶射管理士，④サーメット溶射管理士の4種類の資格が設定(1) 一般社団法人日本溶射学会（(旧)日本溶射協会）

されている．さらに，上記4種目のすべての管理士を取得し日本溶射学会は溶射に関する理論ならびに工業の発展をた者は上級溶射管理士の資格が認定される．また，基礎科目図ることを目的に1957年に「日本溶射協会」として設立さを受講し，認定試験に合格した者は準溶射管理士に認定されれ，その後，2010年7月に一般社団法人となり，同年12月にる．日本溶射学会が講習会および認定試験を実施している．

は「日本溶射学会」と名称を変更している．学術論文誌の発行，全国講演大会の開催，各支部における研究会活動，さらに溶射管理士認定活動や日本工業標準（JIS）制定に対する協力活動など溶射分野におけるさまざまな活動を通して，

4. 溶射装置及び溶射関連材料販売企業・溶射施工企業
4.1 溶射装置及び溶射関連材料販売企業

溶射の学術および技術の発展と大学・研究所など学術分野

日本溶射工業会に所属する国内の溶射装置及び溶射関連と溶射関連産業界，さらに海外との技術的・人的交流の促進

材料販売企業としては，一例として，表5に示すような企業を進めている．4)日本溶射学会は日本学術会議登録学術団体があげられる．

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表5 国内の溶射装置及び溶射関連材料販売企業
5. 溶射施工検討事例
種々のプラント設備において，特殊な耐摩耗性，耐熱性，耐食性，電気絶縁性，光学的特性などが要求される部位には，それぞれの要求特性に応じた溶射施工が施工され，プラント設備の高性能化や長寿命化に役立てられている．高性能化を志向する溶射施工は新規のプラント建設時に適用される場合が多いが，長寿命化を志向する場合には，既設のプラント設備においてもプラント設備の定期検査等の休止時期を利用して適用されている．また，溶射装置の中には，大型の高温プラズマ溶射装置などで工場内での施工に限られる場合もある一方，可搬式のガスフレーム式粉末溶射装置は，軽量で現地での施工に適したものもある．そこで，今回，既表6 海外の溶射装置及び溶射関連材料販売企業

設プラント設備への耐食性等の付与を主目的として，ガスフレーム式粉末溶射装置を用いた溶射条件の検討を目的として，溶射施工試験を行ったので以下に紹介する．
5.1 溶射施工試験方法(1) 溶射装置
溶射施工試験に使用した溶射装置は，アセチレン―酸素を燃焼ガスとして用い，圧縮エアーのジェット効果を利用した高速ガス溶射装置で，ユテクジャパン株式会社製のTeroDyn System 2000を用いた．図3にTeroDyn System 2000のトーチ部を示す．

表 7 西日本地域における溶射施工企業(a)トーチ先端部分解後外観

海外の溶射装置及び溶射関連材料販売企業としては，表6に示すような企業があげられる．
4.2 溶射施工企業
日本溶射工業会に所属する西日本地域における溶射施工企業としては，一例として，表7に示すような企業があげられる．

26(b) 溶射粉末容器設置後
図3 TeroDyn System 2000のトーチ部

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(7) 溶射皮膜の密着性試験方法(2) 溶射材料
溶射施工試験に使用した溶射材料は，ユテクジャパン株

アルミ溶射皮膜の密着性試験は JISH8663 の 8（JISH8300

式会社製の溶射粉末29220（AL-Powder）および29230（Zn-に統合）に，亜鉛溶射皮膜の密着性試験は JISH8661 の 7Powder）で，溶射粉末の粒度は，いずれも120μm以下とした．

（JISH8300 に統合）にそれぞれ規定されているケイ線試験

溶射材料の化学組成は，表8に示す通りである．

法に従って実施した．ケイ線試験法は，図 4 に示す針状引(3) 母材の材質及び寸法

カキ具（先端 30 度鋭角の鋼）で 2 本の平行線傷を素地に達母材の材質は，JISG3101一般構造用圧延鋼材のSS400とし，板材の寸法は幅100mm，長さ100mm，厚さ6mmとした．ア
ルミ系および亜鉛系等の溶射材料毎に各6枚の試験材を準備した．
(4) 母材の下地処理
母材の下地処理は，溶射前に，スチールショットブラスト（粒度：#14～20，ブラスト圧力：7kgf/cm2）を実施し，溶射材料の粒度分布を考慮して，目標とする最大粗さをRmax (≒Ry) = 50μmとした．
(5) 溶射施工試験条件
ボンドコート，セラミック，アルミニウム，亜鉛，セルフボンドといった溶射材料メーカが製造・販売している溶射材料毎に適正溶射速度を検討するために，まず，溶射皮膜の外観試験による予備試験を実施した． 続いて，耐食性の付与を主目的として，アルミ系および亜鉛系の溶射施工試験を，溶射面が地面に垂直となるように固定して実施した．予熱温度は50℃～100℃とし，溶射後，溶射皮膜の付着量，JISH8401に従ってマイクロメータを用いて測定した平均膜厚をもとに，平均見かけ密度，気孔率等の検討を行った．ア
ルミ系および亜鉛系の溶射試験条件は表9に示す通りとした．
(6) 表面粗さ測定方法
溶射前の母材の下地処理としてスチールショットブラス
トを実施したブラスト面，アルミニウムおよび亜鉛溶射を実施したそれぞれの溶射施工面の表面粗さを小坂研究所製（SE-3C型）の表面粗さ計を用いて測定した．表面粗さは，中心線平均粗さRaおよび最大粗さRmax(≒Ry)で評価した．
表8 溶射材料の化学組成するまで入れ，この平行線の間の皮膜の剥離状態を観察した．ただし，平行線間隔は膜厚の 10 倍とした．
5.2 溶射試験結果および考察(1) 各溶射材料の適正溶射速度
溶射材料が異なれば，密度，融点，比熱，熱容量，熱伝導率などの物理的性質が異なるため，当然，重力や風等の影響を受け，溶射面に垂直なノズルを平行に移動させても均一な溶射皮膜が得られるとは限らない．従って，実施工前に，適正溶射速度の確認を行っておく必要がある．
予備的な外観試験により，母材との溶射距離を 100mm として，溶射トーチを縦方向（上下方向）および横方向（左右方向）に移動させた場合の適正溶射速度を各溶射材料に検討した．各溶射材料における適正溶射速度の目安を表 10 に示
す．
(2) アルミ系および亜鉛系溶射皮膜の溶射試験結果
スチールショットブラストを行った下地処理材の外観を
図 5 に示す．下地処理材の表面は，最大粗さが Rmax (≒Ry)= 40～50μm の均一な凹凸を示した．この下地処理材を用いたアルミニウムおよび亜鉛溶射皮膜の外観を図 6 に示す．外
観上は，ふくれ，割れ，き裂，焼け，ピンホール，気泡，溶滓やスパッタの付着，変色等の有害な欠陥は見当たらず，良好な溶射表面を示した．
各6枚の試験材を用いたアルミ系および亜鉛系の溶射試験
結果を表 11 および表 12 に示す．データのばらつきは，溶射条件や作業者の技量，溶射材料の物性（密度差）等複数の要因に依存すると考えられる．
アルミニウム溶射皮膜の膜厚と見かけ密度の関係を図 7 に，亜鉛溶射皮膜の膜厚と見かけ密度の関係を図 8 にそれぞれ示す．いずれの皮膜の見かけ密度も，

図 4 針状引カキ具
表9 アルミ系および亜鉛系の溶射試験条件
表 10 各溶射材料における適正溶射速度の目安

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内部気孔の存在により，それぞれの元素の真密度より低い値(3) 溶射皮膜の表面粗さ測定結果を示しているが，今回の溶射施工試験条件の範囲において，アルミニウムおよび亜鉛溶射施工面およびブラスト面のアルミニウム溶射の場合，膜厚約 220 μm のとき，最大見か表面粗さ測定結果を表 13 に示す．また，表面粗さ測定チャ

け密度 2.45 g/cm3 を示した．また，亜鉛溶射の場合，膜厚約ートを図 9 に示す．母材のブラスト面の表面粗さに対して，130 μm のとき，最大見かけ密度 6.42 g/cm3 を示した．

アルミニウムおよび亜鉛溶射施工面の表面粗さは，中心線平均粗さ Ra および最大粗さ Rmax ともに約 2 倍の値を示した．また，亜鉛溶射施工面の表面粗さはアルミニウム溶射施工面の表面粗さよりも低い値を示した．これは，亜鉛の融点（420℃）や比熱（0.389 [kJ/(kg・K)]）は，アルミニウムの融点（660℃）や比熱（0.905 [kJ/(kg・K)]）と比べると低い値を示しており，熱による変形能が相対的に大きくなるためと考えられる．

図 5 下地処理材の外観(4) 溶射皮膜の密着性試験結果
溶射皮膜の密着性試験に用いた針状引カキ具外観を図 10に示す．また，図 11 に密着性試験後の試験片外観を示す．
アルミニウム溶射皮膜の膜厚は 220μm で，ケイ線間隔は2.2mm とし，亜鉛溶射皮膜の膜厚は 150μm で，ケイ線間隔は 1.5mm とした．いずれの場合においても，ケイ線間における皮膜の剥離は認められず，良好な密着性を示した．

(a) Al 溶射皮膜(b) Zn 溶射皮膜

図 6 アルミニウムおよび亜鉛溶射皮膜の外観
表 11 アルミ系溶射試験結果

図7 アルミニウム溶射皮膜の膜厚と見かけ密度の関係

表 12 亜鉛系溶射試験結果

図8 亜鉛溶射皮膜の膜厚と見かけ密度の関係

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表 13 アルミニウムおよび亜鉛溶射施工面およびブラスト面の表面粗さ測定結果

5.3 溶射施工試験のまとめ
ガスフレーム式粉末溶射装置を用いて実施した溶射施工試験により，各溶射材料における適正溶射速度の目安や，アルミ系および亜鉛系溶射皮膜の膜厚と見かけ密度の関係，アルミニウムおよび亜鉛溶射施工面およびブラスト面の表面粗さ等に関する検討を行い，種々の知見を得た．また，溶射皮膜の密着性試験により，溶射皮膜の剥離はなく，充分な密着性を確認した．実施工においては，事前に施工条件を充分に確認しておくことが肝要であり，品質保証の観点からは，有資格者である溶射技能士による施工，有資格者である溶射管理士による管理や検査が必要と考える．

6. おわりに
溶射技術は，耐摩耗性，耐熱性，耐食性，電気絶縁性，光学的特性など様々なニーズに合った機能を表面のみの改質で利用でき，しかもバルク材を使用するよりもはるかに経済的な施工法であり，プラント設備の長寿命化や使用条件の苛酷化等への要求から急速に脚光を浴びるようになってきている．そして，今後のプラント業界においては，プラントライフサイクルエンジニアリングを発展させていくために，溶射施工を正しく評価できる有資格プラントエンジニ
図 9 表面粗さ測定チャート

アの育成はますます必要になってくると考えられる．
本稿では，プラントエンジニアとして知っておくと役に立つ溶射技術の概要を述べるとともに，プラント設備の補修に際し，何らかの参考となるようガスフレーム式粉末溶射装置を用いた検討事例について紹介した．読者の参考になれば幸いである．

参考文献

図10 針状引カキ具外観

1)

例えば，溶射の原理，溶射工学便覧，pp.3-8，(2010)2)

例えば，溶射皮膜の機能を利用した応用例，溶射工学
便覧，pp.827-832，(2010)

3)

Thermal Spraying，H. Hermann，Science，Nov. pp.84-91，(1988)

4)

例えば，http:// www.jtss.or.jp/,1st, Dec., 20205)

例えば，http://www.jtsa.jp/, 1st, Dec., 2020

6)

例えば，https://www.fukuoka-noukai.or.jp/, 1st, Dec.,
2020

7)

例えば，https://www.mhlw.go.jp/stf/seisakunitsuite/bunya/
koyou_roudou/jinzaikaihatsu/ability_skill/ginoukentei/inde

図11 密着性試験後の試験片外観

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