JP2001516396A - 溶射方法および溶射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 金属溶射方法は、窒素の存在のもとでチタンワイヤを微粒子状にすることにより窒化チタンから成る被膜の生成を含む。本発明の装置は、筒状スロートを有するノズルを備え、このスロート内の交点に原料ワイヤを導く原料ガイドを含んでいる。電流がこのワイヤを流れ、スロート内にアークを発生し、圧力下にある窒素リッチガスがスロートを介して押出されて、基体を被膜するために使用される溶融粒子のスプレーを発生する。本方法の変形としては、原料ワイヤの一本がバインダ金属から成り、高靭性を有する被膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 溶射方法および溶射装置 （技術分野） 本発明は、基体に硬質被膜を形成する溶射方法、および基体に金属またはサー メット被膜を形成するのに使用できる溶射装置に関する。 （背景技術） アーク金属噴霧は、原料の電極間にアーク放電を起こすことにより行われ、基 体に被膜を形成するために産業利用されている。溶融原料は霧状ガス噴射により 溶融材料の細かい粒子に分割される。これらの溶融粒子は被膜対象基体に向かっ てガス噴射により押出される。粒子の細度は、特に、霧状ガス噴射の速度により 決定される。 本発明の目的は、所望の特性を有する硬質被膜形成に使用可能な溶射方法およ び新しい溶射装置を提供することである。 （発明の開示） 本発明の第１の特徴は、基体に被膜を形成する方法であって、 チタン含有の原材料を用意し、 窒素の存在のもとで原材料を霧状に微粒子化し、 この霧状になった原材料を基体に噴霧してこの基体に窒化チタンを含む 被膜を形成することである。 被膜は、さらに、チタンの酸化物および炭化物を含んでもよい。 原材料は、少なくとも２つの原料要素間にアークを発生させることにより霧状 に微粒子化されることが好ましい。 好ましくは、原料要素の少なくとも一つはチタンワイヤであり、このチタンワ イヤはアークが発生する原料要素間の交点に向けて供給される。 交点はノズルのスロート内に位置するのが好ましく、本方法は加圧下にある窒 素リッチガス（窒素を多量に含んだガス）をノズルのスロートに供給し、 そこからの霧状粒子の排除を促すことを含む。 このガスは、スロート内でチョーク気流を発生するに足る圧力でノズルのスロ ートに供給されることが好ましい。 このガスは、典型的には空気である。 原料要素の少なくとも一つは、ニッケル等のような被膜の窒化チタンのバイン ダとして適切な特性を有するように選択された金属から成るワイヤでもよい。 本発明の第２の特長は、溶射装置であって、 吸気口と排気口とを有するスロートを構成するノズルと、 吸気口を経由してスロート内の交点に向けて原料ワイヤをそれぞれ導く ように配置された少なくとも第１および第２ガイドとを備え、これらのワイヤを 電源に接続することでワイヤ間にスロート内でアークを引き起こし、排気口から 噴出される溶融粒子を生成することである。 スロートは、２本の原料ワイヤの交点を実質的に囲む筒状孔を構成してもよい 。 スロートの直径は、基本的にその長さ方向に一定であることが好ましい。 スロートの長さは、その直径とほぼ等しいことが好ましい。 交点は、スロートの長さに沿ったほぼ中間地点とスロートの外側端部との間に あることが好ましい。 ノズルは、スロートの軸に合わせて配置されたガス流路を構成し、圧力下にあ るガスが原料ワイヤ間の吸気口に供給されて排気口からの溶融粒子の排除を促す ことが好ましい。 ノズルは、スロートより内側に空間を構成してもよく、この空間はスロートの 内径よりも数倍大きい平均内径を有するとともに、スロートの内側端部に向かっ て内側向きにテーパが付けられた内壁を有しているようにしてもよい。 この空間の内壁は、およそ４５度の角度でスロートの内側端部に結合している ことが好ましい。 （図面の簡単な説明） 図１は、本発明に係るスプレーガン前部の分解斜視図である。 図２は、スプレーガンのノズルの縦断面図である。 図３ａと図３ｂとは、それぞれ、先行技術のアークスプレーガンおよび本発明 の装置によって形成された被膜の写真である。 （発明を実施するための最良の形態） 本発明の方法において、高速溶射用スプレーガンは、窒素の存在のもとでチタ ンを含有する原材料を霧状に微粒子化して、被膜される基体に噴霧されることに なる窒化チタンから成る粒子を得るのに使用される。 本発明の装置は、この種のスプレーガンの肝要部分を構成するものであり、適 切なガイドを介して交点方向に供給される２本以上の原料ワイヤを利用している 。適度な高電流がこのワイヤに流され、交点でアーク放電が生じる。エアー噴射 が原材料を霧状に微粒子化して、原材料が基体に噴霧される。 従来のこの種のスプレーガンでは、原料ワイヤがノズルを介して供給されてい るので、原料ワイヤの交点はノズルの端部を越えてしまっている。ノズルで放射 される霧状エアー噴射は、噴流にして基体方向に溶融粒子を導く。 本発明では、原料ワイヤの交点がノズルの外側ではなく、ノズルのスロート内 にある。スロート内でアークを発生させることはノズル内に超音速流れを発生さ せるという効果があり、これは他の方法では達成不可能である。この非常に速い 流速は、溶融原料の粒子の非常に細かい霧化と、粒子が基体方向に放射される時 の非常に速い粒子速度とをもたらす。 図１および図２において、本発明に係る高速スプレーガンはノズル１０を備え 、このノズル１０は吸気口１４と排気口１６とを有する筒状孔の状態のスロート １２を構成している。試作機では、スロートの長さと直径とが８ミリで略等しく 、スロートの直径はその長さとともに一定である。 ノズルの内部は空間１８を構成し、この空間１８はスロート１２の直径よりも 数倍大きい平均内径を有し、かつ全体的に柱胴付円錐形状（frusto-conical；段 付円錐状）になっている。スロート１２の吸気口１４側の空間の端部では、空間 の内壁２０が鋭角に内側に向かってテーパが付けられ、かつおよそ４５度の角度 でスロートの内側端部と結合している。 ノズルの内部には一対の原料ガイド２２、２４が収納されており、この原料ガ イド２２、２４は互いに近づく方向に傾斜するとともに、各々空間１８の内側面 付近に配置されている。 ワイヤ原材料２６（本発明の基本方法ではチタンワイヤ）は、図示しないワイ ヤ供給機構により長手方向にガイド２２、２４を通って供給されているので、ス ロートの長さに沿った略中間地点とスロートの外側端部との間で、２本のワイヤ はノズルのスロート１２の軸上に位置する交点方向に集中する。スロートの寸法 は、２本の原料ワイヤ間に生じるアークが実質的にスロート１２内に位置される ように決められる。 図１において、原料ガイド間の傾斜角度は約３０度であるが、より大きい角度 、およそ６０度、では原料ワイヤ間の有効的な交点の面積がより小さなものとし て得られ、好ましい。 作業において、空気（もしくは窒素リッチガス等）は圧力をうけてスプレーガ ン頭部に押出されるが、圧力と容量はスロート１２内の気流が音速（つまりチョ ークされる）か、またはチョークされるのと非常に近い状態になるように調整さ れている。電流が原料ワイヤに印加されて原料ワイヤ間に電気アークを発生させ るので、ノズルのスロートを介して押出される空気またはガスはアークによって かなり瞬間的に４,０００℃〜５,０００℃の温度に熱せられる。ガスのこの急激 的な加熱はガスを非常な高速に加速し、微細な噴流２８にして排気口１６から空 気と溶融原料粒子を放出する。 この装置の試作機においては、３５Ｖの電圧が定電圧源から原料ワイヤ間に印 加されて、１８０Ａ〜２００Ａの範囲でアーク電流を生じた。原料ワイヤへの供 給率は約３ｍ/秒であった。６００ｋＰａの圧力での圧縮空気の供給が利用され 、およそ４００ｋＰａの空間１８のガス圧力を供給した。スロート１２のチョー ク圧力は、上述した形状と寸法のスロートでおよそ２００ｋＰａであった。 原料ワイヤは、所望の化学的物理的特性を有する被膜を作るのに選択された成 分を有する。例えば、３１６ステンレス鋼の直径１.６ミリのワイヤがステンレ ス鋼の被膜を基体に形成するための原料として使用できる。 噴射の高速度のために、粒子は微細に霧化され、被膜の特性を向上させる。ま た、噴射の高速度のために、噴射が良好に集中され、かつ噴射が生成する析出物 は非常に濃密である。 図３ａおよび図３ｂは、従来のアークスプレーガンと本発明の上述した装置と でそれぞれ形成した被膜の相違を例示している。従来技術の装置で形成された被 膜の外見は比較的粗いが、本発明の装置で形成されたものははるかにきめ細かく 、かつ多孔質でない。 チタンを原材料として使用した場合、アークには、ノズルのスロートを通過す る空気中の窒素（およびその他の元素）をイオン化し、反応を窒素イオンと溶融 チタン金属粒子との間で引き起こす効果があると考えられている。これが、窒素 と反応して窒化チタンを生成するチタン金属の高比率の原因となる。さらに、酸 化チタンおよび炭化チタンの生成が期待できる。スプレーガンで生成されるきめ 細かい霧状態により、微粒子化されたチタン金属の比較的大部分が窒素と反応し 、析出材料において窒化チタンの高い割合となる。 前記方法で形成された被膜では、略２％〜５％の元のチタン金属の含有が確認 されていて、窒化チタンの粒子のためにバインダとして作用するとともに、被膜 を丈夫にし損傷しにくくしている。テストでは、被膜は非常に硬く、ビッカース 硬度で約１１００Ｈｖであった。 前記に関する被膜の典型的な化学量論は、Ｔｉ_1.0Ｎ_0.94Ｏ_0.08であり、少量 の酸素を含む窒化チタン化合物である。 本発明の方法で形成される被膜の靭性を増すためには、極度に堅い窒化チタン の特性を保持する一方で、バインダとしてその特性で選ばれた金属を被膜に含む ことができる。これは、チタン原料ワイヤの一つをニッケル等の任意のバインダ 金属のワイヤと取り替えることにより難なく達成できる。バインダ金属は窒化チ タン析出物とアーク噴霧工程により混合されて、およそ窒化チタン４８％とその 金属を含む残りを含有する合成析出物を生成するが、それは窒化チタンマトリッ クスでバインダとして作用する。２本の原料ワイヤの直径を正確に同じにする必 要がないので、窒化チタンに対する金属バインダの割合を特定の用途の要求に応 じて変更できる。 本発明の方法の特長的利点は、従来技術の方法よりもかなり厚い被膜の形成を 可能にしていることである。０.５ミリ、またはそれ以上の厚さの被膜が可能で ある。窒化チタンが化学的に不活性なので、本発明の方法は、プロペラやタービ ン翼等の腐食または侵食環境下に置かれることになる基体を被膜するのに特に有 用である。また、窒化チタンの化学的不活性および生体適合性のために、本方法 は医療用インプラントを被膜するのに有用であることも予想される。さらに、本 方法で形成した被膜は外見的に良好な金色である。 拡大して見ると、多数の非常に細かい収縮亀裂（０.５μｍ程度）が析出物ま たは被膜の各スプレー粒子内に表れていることがわかった。被膜の腐食防止特性 を増すためには、フェノール樹脂シーラー等のシーラーが噴霧後の被膜に、例え ば塗装によって適用できる。微小の亀裂が広範囲にわたり分布されていて、シー ラーが被膜に効果的に吸収され、密閉するので、窒化チタン被膜上への薄いシー ラント層の適用は、特に効果的である。シーラーは被膜マトリックス内に含まれ ているので、シーラーは被膜内で化学的損傷から保護され、そのため長期間にわ たる効果が確保される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年６月２日（１９９８．６．２） 【補正内容】 （補正された）請求の範囲 １． 基体に被膜を形成する方法であって、少なくとも１本がチタンワイヤで ある少なくとも２本の原料要素（２６）をノズル（１０）のスロート（１２）の 範囲内での交点に向かって供給し、この交点で前記原料要素間にアーク放電を発 生させるとともに、前記ノズルのスロートに窒素リッチガスを供給し、それによ りスロートから微細な霧状の粒子のスプレー（２８）を生成し、基体に霧状粒子 を噴霧し基体上に窒化チタンから成る被膜を形成するステップを含むものにおい て、前記交点がノズル（１０）のスロート（１２）内にあり、ガスがスロート（ １２）内でチョーク気流を発生させるに十分な圧力で供給されて、アークによる 急激な加熱後に、超音速気流がこれにより運ばれる微細な霧状の粒子のスプレー とともにノズルを離れることを特徴とする方法。 ２． クレーム１において、前記窒素リッチガスは空気であり、被膜がさらに チタンの酸化物および炭化物を含むことを特徴とする方法。 ３． クレーム１又は２において、被膜がさらにチタン金属を含むことを特徴 とする方法。 ４． クレーム３において、被膜が２％から５％のチタン金属を含有すること を特徴とする方法。 ５． クレーム１から４のいずれか一つにおいて、少なくとも二つの原料要素 の内一つは、被膜の窒化チタンのバインダとして適切な特性を有するように選択 された金属を含むことを特徴とする方法。 ６． クレーム５において、前記金属がニッケルであることを特徴とする方法 。 ７． クレーム１から６のいずれか一つにおいて、被膜にシーラントの保護層 を塗布するステップを含むことを特徴とする方法。 ８．クレーム７において、シーラントの保護層がフェノール樹脂であることを 特徴とする方法。 ９． クレーム７又はクレーム８において、シーラントは塗布中に被膜の微細 な亀裂に染み込むことを特徴とする方法。 １０． 圧力下にあるガスが吸気口に供給されるように、吸気口（１４）および 排気口（１６）を有するスロート（１２）と、スロートの軸と同一線上に位置す るガス流路（１８）とを構成するノズル（１０）と、原料ワイヤ（２６）を吸気 口からスロート内の交点に向かってそれぞれ導くように配置された少なくとも第 １および第２ガイド（２２、２４）と、原料ワイヤに接続されてワイヤ間のスロ ート内でのアークを引き起こすように配置された電源と、スロートに空気を供給 するように配置された圧縮空気供給原（１８；訳注＝誤記）とを備え、前記圧縮 空気供給原はスロートでチョーク空気流を起こすのに十分な圧力であり、使用時 にはそれによりアークによる急激な加熱後の超音速気流が生成され、この超音速 気流はこれにより運ばれる微細な霧状の粒子のスプレーとともにノズルを離れる ことを特徴とする溶射装置。 １１． クレーム１０において、圧縮空気供給の圧力は略２００ｋＰａのスロー トのチョーク圧力を発生させるのに十分なものであることを特徴とする溶射装置 。 １２． クレーム１０又はクレーム１１において、電源は１８０Ａから２００Ａ の範囲内でアーク電流を発生することを特徴とする溶射装置。 １３． クレーム１０〜１２のいずれか一つにおいて、スロートは２本の原料ワ イヤの交点を実質的に囲む筒状孔を備えることを特徴をする溶射装置。 １４． クレーム１３において、スロートの直径は基本的にその長さ方向に一定 であることを特徴とする溶射装置。 １５． クレーム１３又は１４において、スロートの長さはその直径にほぼ等し いことを特徴とする溶射装置。 １６． クレーム１０から１５のいずれか一つにおいて、交点はスロートの長さ に沿ったほぼ中間地点とスロートの外側端部との間であることを特徴とする溶射 装置。 １７． クレーム１０から１６のいずれか一つにおいて、ノズルはスロートの内 側で空間を構成し、この空間はスロートの内径よりも数倍大きい平均内径を有す るとともに、スロートの内側端部に向かって内側向きにテーパが付けられた内壁 を有することを特徴とする溶射装置。 １８． クレーム１７において、空間の内壁がおよそ４５度の角度でスロートの 内側端部と結合していることを特徴とする溶射装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 基体に被膜を形成する溶射方法であって、 チタン含有の原材料を用意し、 窒素の存在のもとで原材料を微粒子状に霧化し、 霧化された原材料を基体に噴霧してこの基体に窒化チタンを含む被膜 を形成することを特徴とする方法。 ２． クレーム１において、被膜がさらにチタンの酸化物と炭化物とを含むこ とを特徴とする溶射方法。 ３． クレーム１または２において、少なくとも二つの原料要素間でアーク放 電を発生させることにより原材料が微粒子状に霧化されることを特徴とする溶射 方法。 ４． クレーム３において、原料要素の少なくとも一つはチタンワイヤであり 、アークが生じる原料要素間の交点に向けて供給されることを特徴とする溶射方 法。 ５． クレーム４において、交点がノズルのスロート内に位置し、当該方法は 加圧下の窒素リッチガスをノズルのスロートに供給しそこからの霧状粒子の排除 を促すことを含むことを特徴とする溶射方法。 ６． クレーム５において、前記ガスが、スロート内でチョーク気流を発生さ せるのに十分な圧力で、ノズルのスロートに供給されることを特徴とする溶射方 法。 ７． クレーム５又はクレーム６において、前記ガスが空気であることを特徴 とする溶射方法。 ８． クレーム１から７のいずれか一つにおいて、原料要素の少なくとも一つ は、被膜の窒化チタンのバインダとして適切な特性を有するように選択された金 属を含むワイヤであることを特徴とする溶射方法。 ９． クレーム８において、前記金属がニッケルであることを特徴とする溶射 方法。 １０． クレーム１から９のいずれか一つにおいて、被膜に保護層を塗布するス テップを含む溶射方法。 １１． クレーム１０において、保護層がフェノール樹脂を含むことを特徴とす る溶射方法。 １２． 吸気口と排気口とを有するスロートを構成するノズルと、 原料ワイヤを吸気口からスロート内の交点に向けてそれぞれ導くように 配置された少なくとも第１および第２ガイドとを備え、ワイヤの電源への接続が ワイヤ間のスロート内でのアークを引き起こし、排気口から噴出される溶融粒子 を生成することを特徴とする溶射装置。 １３． クレーム１２において、スロートは、２本の原料ワイヤの交点を実質的 に囲む筒状孔を備えることを特徴とする溶射装置。 １４． クレーム１３において、スロートの直径が基本的にその長さ方向に一定 であることを特徴とする溶射装置。 １５． クレーム１３又は１４において、スロートの長さがその直径とほぼ等し いことを特徴とする溶射装置。 １６． クレーム１２から１５のいずれか一つにおいて、交点はスロートの長さ に沿ったほぼ中間地点とスロートの外側端部との間であることを特徴とする溶射 装置。 １７． クレーム１２から１６のいずれか一つにおいて、ノズルは、スロートの 軸と同一線上にあるガス流路を構成し、圧力下にあるガスが原料ワイヤ間の吸気 口に供給されて排気口からの溶融粒子の排除を促すことを特徴とする溶射装置。 １８． クレーム１７において、ノズルはスロートの内側で空間を構成し、この 空間はスロートの内径よりも数倍大きい平均内径を有するとともに、スロートの 内側端部に向かって内側向きにテーパが付けられた内壁を有することを特徴とす る溶射装置。 １９． クレーム１８において、空間の内壁がおよそ４５度の角度でスロートの 内側端部と結合していることを特徴とする溶射装置。