JP2015142891A - Plasma spray device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はプラズマ溶射装置に関するものである。 The present invention relates to a plasma spraying apparatus.
精緻な耐摩耗性の皮膜をワークの表面に形成する方法として、高温で高速のプラズマジェットに材料粉末（溶射材料）を供給し、ワークに高速で照射させて皮膜を形成する、プラズマ溶射法が一般に適用されている。 As a method for forming a precise wear-resistant coating on the surface of a workpiece, a plasma spraying method is used in which material powder (spraying material) is supplied to a high-speed plasma jet at high temperature and the coating is formed by irradiating the workpiece at high speed. Generally applied.
たとえば、特許文献１には、材料粉末の飛行速度をより加速させることによって、空隙の少ないより精緻な皮膜を形成できるように、材料粉末の飛行速度をより一層加速させる加速ノズル付きのプラズマ溶射装置が開示されている。
For example,
ところで、従来のプラズマ溶射装置においては、噴射されるプラズマジェットに対して材料粉末を横方向から供給するため（たとえばプラズマジェットの噴射方向に対して直交する方向から供給）、供給された材料粉末がプラズマジェットで弾かれたり、あるいは材料粉末がプラズマジェットを突き抜けてしまう場合が往々にしてあり、材料歩留りの悪化に繋がるといった課題があった。 By the way, in the conventional plasma spraying apparatus, since the material powder is supplied from the lateral direction to the plasma jet to be injected (for example, supplied from the direction orthogonal to the injection direction of the plasma jet), the supplied material powder is In many cases, the material is repelled by the plasma jet or the material powder penetrates the plasma jet, which leads to a deterioration of the material yield.
また、従来のプラズマ溶射装置においては、溶射皮膜の酸化を抑制するために、プラズマジェットを噴射するプラズマガンとワークの間の空間にプラズマジェットを包囲する物理的なシールドを設けておき、シールド内を不活性ガス雰囲気とした上で溶射を実行する方法が一般的である。この方法では、プラズマ溶射を長時間実行した際にシールドの内周面に不純物が付着してしまい、この不純物が溶射皮膜中に取り込まれる、いわゆるスピッティングが生じて溶射皮膜の品質が低下するといった課題もある。 In addition, in the conventional plasma spraying apparatus, in order to suppress the oxidation of the sprayed coating, a physical shield surrounding the plasma jet is provided in the space between the plasma gun for injecting the plasma jet and the workpiece, A general method is to perform spraying in an inert gas atmosphere. In this method, when plasma spraying is performed for a long time, impurities adhere to the inner peripheral surface of the shield, and these impurities are taken into the sprayed coating, so-called spitting occurs, and the quality of the sprayed coating decreases. There are also challenges.
なお、特許文献１で開示されるプラズマ溶射装置においても、プラズマガンの前方位置にあって加速ノズルを備えた筒状の本体部が上記シールドの役割を担うものであり、筒状の本体部の内周面に付着した不純物が溶射皮膜の品質低下の要因になるといった課題を内在している。
In the plasma spraying device disclosed in
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、従来のプラズマ溶射装置が具備するシールドを廃しながら、高品質な溶射皮膜を形成することのできるプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a plasma spraying apparatus that can form a high-quality sprayed coating while eliminating the shield of the conventional plasma spraying apparatus. .
前記目的を達成すべく、本発明によるプラズマ溶射装置は、ワークに対してプラズマジェットを噴射するプラズマガンと、前記プラズマガンよりもプラズマジェット噴射方向の前方位置に配設され、材料粉末を収容するとともにプラズマジェットに材料粉末を供給する粉末供給部と、プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方の位置に配設され、スリットを備え、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かって該スリットから噴射するガス供給部と、を備え、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向の前方空間には構成部材を備えていないものである。 In order to achieve the above object, a plasma spraying apparatus according to the present invention is provided with a plasma gun for injecting a plasma jet to a workpiece, and disposed at a position in front of the plasma gun in the direction of plasma jet injection and containing material powder. And a powder supply unit for supplying material powder to the plasma jet, a position outside the outer diameter of the plasma gun, and a position behind the powder supply unit with respect to the plasma jet injection direction. A gas supply unit that injects gas from the slit toward the plasma jet at an angle inclined with respect to the plasma jet injection direction, and a constituent member is provided in the front space in the plasma jet injection direction from the powder supply unit. It does not have.
本発明のプラズマ溶射装置は、プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方の位置において、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かってスリットから噴射するガス供給部を備え、さらに従来の装置が具備するシールドを廃した構成としたことに特徴を有する装置である。 The plasma spraying apparatus of the present invention has an angle inclined with respect to the plasma jet injection direction at a position outside the outer diameter of the plasma gun and at a position behind the powder supply unit with respect to the plasma jet injection direction. The apparatus is characterized in that a gas supply unit for injecting gas from the slit toward the plasma jet is provided, and the shield of the conventional apparatus is eliminated.
プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かって噴射することにより、噴射したガスはプラズマジェットに引き寄せられ、この引き寄せられたガスがプラズマジェットで跳ね返された材料粉末に対してプラズマジェットに向かう向心力を付与する。この向心力によって跳ね返された材料粉末は再びプラズマジェットに戻されることになる。このことにより、従来の装置に比して材料歩留りを格段に向上させることができる。 By injecting the gas toward the plasma jet at an angle inclined with respect to the plasma jet injection direction, the injected gas is attracted to the plasma jet, and the attracted gas is repelled against the material powder rebounded by the plasma jet. Provides centripetal force toward the plasma jet. The material powder rebounded by this centripetal force is returned to the plasma jet again. Thereby, the material yield can be remarkably improved as compared with the conventional apparatus.
また、プラズマジェットに対して材料粉末を供給する材料供給部よりもプラズマジェット噴射方向に物理的なシールドが存在していないことから、シールドに不純物が付着して溶射皮膜中に取り込まれ、溶射皮膜の品質が低下するといった課題も生じ得ない。そのため、プラズマ溶射を長時間実行した場合でも高品質の溶射皮膜を安定的に形成することができる。 In addition, since there is no physical shield in the direction of plasma jet injection than the material supply unit that supplies material powder to the plasma jet, impurities adhere to the shield and are taken into the sprayed coating. The problem that the quality of the product deteriorates cannot occur. Therefore, even when plasma spraying is performed for a long time, a high quality sprayed coating can be stably formed.
ここで、ガス供給部から供給されるガスは、溶射皮膜の酸化抑制の観点より、ArガスやN2ガス等の不活性ガスの適用が好ましいものの、溶射皮膜に要求される品質によっては、酸素やアセチレン等を適用することもできる。 Here, the gas supplied from the gas supply unit is preferably an inert gas such as Ar gas or N 2 gas from the viewpoint of suppressing oxidation of the thermal spray coating, but depending on the quality required for the thermal spray coating, Or acetylene can also be applied.
また、プラズマジェットに供給される材料粉末としては、金属材料やセラミックス、サーメット、ポリマー材料などが適用でき、単一の溶射材料を供給してもよいし、異なる溶射材料を混合して供給してもよいし、異なる溶射材料を経時的に変化させながら供給してもよい。 In addition, as the material powder supplied to the plasma jet, metal material, ceramics, cermet, polymer material, etc. can be applied, and a single thermal spray material may be supplied, or different thermal spray materials may be mixed and supplied. Alternatively, different thermal spray materials may be supplied while changing over time.
また、ガス供給部に形成されたスリットの線形は、円環状のほかにも、楕円形状、矩形状など、多様な形状が適用できる。 In addition to the annular shape, various shapes such as an elliptical shape and a rectangular shape can be applied to the alignment of the slit formed in the gas supply unit.
ここで、ガスが噴射される角度は、プラズマジェット噴射方向に直交する方向から測った角度をθとした際に、θが57度〜70度の範囲にあるのが好ましい。 Here, the angle at which the gas is injected is preferably in the range of 57 degrees to 70 degrees, where θ is an angle measured from a direction orthogonal to the plasma jet injection direction.
これは本発明者等による構造解析の結果に基づくものであり、θが57度〜70度の範囲にある場合に、プラズマジェットに供給された材料粉末に対するガスによる高いシールド効果が期待できることが実証されている。 This is based on the results of structural analysis by the present inventors, and it has been demonstrated that when θ is in the range of 57 ° to 70 °, a high shielding effect by gas can be expected for the material powder supplied to the plasma jet. Has been.
また、スリットのスリット幅に関し、0.5〜2.5mmの範囲に調整されているのが好ましい。 The slit width of the slit is preferably adjusted in the range of 0.5 to 2.5 mm.
これも本発明者等による構造解析の結果に基づくものであり、スリット幅が0.5〜2.5mmの範囲に調整されている場合に、プラズマジェットに供給された材料粉末に対するガスによる高いシールド効果が期待できることが実証されている。 This is also based on the results of structural analysis by the present inventors, and when the slit width is adjusted to a range of 0.5 to 2.5 mm, a high shielding effect by gas against the material powder supplied to the plasma jet is expected. It has been proven that it can.
さらに、ガスの供給量が60リットル/分以上に調整されているのが好ましい。 Furthermore, the gas supply rate is preferably adjusted to 60 liters / minute or more.
これも本発明者等による構造解析の結果に基づくものであり、ガスの供給量が60リットル/分以上に調整されている場合に、プラズマジェットに供給された材料粉末に対するガスによる高いシールド効果が期待できることが実証されている。 This is also based on the results of structural analysis by the present inventors, and when the gas supply rate is adjusted to 60 liters / minute or more, a high shielding effect by the gas against the material powder supplied to the plasma jet is obtained. It has been demonstrated that it can be expected.
以上の説明から理解できるように、本発明のプラズマ溶射装置によれば、プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向と反対側の位置において、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かってスリットから噴射するガス供給部を備え、さらに従来の装置が具備するシールドを廃した構成としたことにより、使用する粉末材料の材料歩留りを向上させることができ、プラズマ溶射を長時間実行した場合でも高品質の溶射皮膜を安定的に形成することができる。 As can be understood from the above description, according to the plasma spraying apparatus of the present invention, the plasma is at a position outside the outer diameter of the plasma gun and at a position opposite to the plasma jet injection direction from the powder supply unit. The material of the powder material to be used is provided with a gas supply unit for injecting gas from the slit toward the plasma jet at an angle inclined with respect to the jet injection direction, and further eliminating the shield provided in the conventional apparatus. Yield can be improved, and a high quality sprayed coating can be stably formed even when plasma spraying is performed for a long time.
以下、図面を参照して本発明のプラズマ溶射装置の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the plasma spraying apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
（プラズマ溶射装置の実施の形態）
図１は本発明のプラズマ溶射装置の側面図であって、溶射皮膜を形成している状況をともに示した図であり、図２は図１のII−II矢視図である。
(Embodiment of plasma spraying apparatus)
FIG. 1 is a side view of the plasma spraying apparatus of the present invention, showing both the situation where a sprayed coating is formed, and FIG. 2 is a view taken along the line II-II in FIG.
図１で示すように、プラズマ溶射装置１０は、ワークＷに対してプラズマジェットＰＪを噴射するプラズマガン１と、プラズマガン１よりもプラズマジェット噴射方向（Ｘ方向）の位置に配設され、材料粉末ＰＷを収容するとともにプラズマジェットＰＪに材料粉末ＰＷを供給する粉末供給部２と、プラズマガン１の外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部２よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方位置に配設されたガス供給部３とから大略構成されている。
As shown in FIG. 1, a
粉末供給部２に供給された（Ｙ方向）材料粉末ＰＷは、プラズマガン１から噴射されるプラズマジェットＰＪの噴射方向に対してたとえば直交する方向で、供給ノズル２ａよりプラズマジェットＰＪに提供される。
The material powder PW supplied to the powder supply unit 2 (Y direction) is provided to the plasma jet PJ from the
また、ガス供給部３はスリット３ａを備え、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度θでガスＧをプラズマジェットＰＪに向かってスリット３ａから噴射する。
Further, the
ここで、角度θは、プラズマジェット噴射方向に直交する方向から測った角度である。 Here, the angle θ is an angle measured from a direction orthogonal to the plasma jet injection direction.
ガス供給部３からプラズマジェットＰＪに向かって噴射されるガスＧは、形成される溶射皮膜ＳＣの酸化抑制の観点からArガスやN2ガス等の不活性ガスが好ましい。
The gas G injected from the
さらに、プラズマ溶射装置１０は、粉末供給部２とワークＷの間の空間ＳＰにおいて、従来の溶射装置が具備するシールド等の構成部材を一切備えていない。なお、大気プラズマ溶射装置の場合には、シールド等の構成部材を備えていない構成のものも存在し得るもが、図示するプラズマ溶射装置１０のように、粉末供給部２の後方位置からプラズマジェットＰＪに向かって傾斜した方向にガスを提供する構成の装置は、従来の溶射装置にはない新規なものである。
Further, the
プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスＧをプラズマジェットＰＪに向かって噴射することにより、噴射したガスＧはプラズマジェットＰＪに引き寄せられ、この引き寄せられたガスＧがプラズマジェットで跳ね返された材料粉末ＰＷに対してプラズマジェットＰＪに向かう向心力を付与する。この向心力によって跳ね返された材料粉末ＰＷは再びプラズマジェットＰＪに戻されることになる。このことにより、従来の装置に比して材料歩留りを格段に向上させることができる。 By injecting the gas G toward the plasma jet PJ at an angle inclined with respect to the plasma jet injection direction, the injected gas G is attracted to the plasma jet PJ, and the attracted gas G is rebounded by the plasma jet. A centripetal force toward the plasma jet PJ is applied to the material powder PW. The material powder PW rebounded by this centripetal force is returned to the plasma jet PJ again. Thereby, the material yield can be remarkably improved as compared with the conventional apparatus.
また、プラズマジェットＰＪに対して材料粉末ＰＷを供給する材料供給部２よりもプラズマジェット噴射方向に物理的なシールドが存在していないことから、シールドに不純物が付着して溶射皮膜中に取り込まれ、溶射皮膜の品質が低下するといった課題も生じ得ない。したがって、プラズマ溶射を長時間実行した場合でも高品質の溶射皮膜ＳＣを安定的に形成することができる。
Further, since there is no physical shield in the direction of plasma jet injection than the
[構造解析とその結果]
本発明者等は、遺伝的アルゴリズム解析に基づき、ガス供給部のスリット幅、ガス供給部からのガスの噴射角度、およびガス供給部からのガスの供給量の最適範囲を特定する解析をおこなった。
[Structural analysis and results]
Based on the genetic algorithm analysis, the present inventors conducted an analysis to identify the optimum range of the slit width of the gas supply unit, the gas injection angle from the gas supply unit, and the gas supply amount from the gas supply unit. .
ここで、図３は解析モデルと解析結果を説明した図である。同図で示すように、コンピュータ上でガス供給点と粉末供給点の位置を入力し、スリット幅t、ガスの噴射角度θのほか、ガス供給量を種々変化させた。 Here, FIG. 3 is a diagram illustrating an analysis model and an analysis result. As shown in the figure, the positions of the gas supply point and the powder supply point were input on the computer, and the gas supply amount was variously changed in addition to the slit width t and the gas injection angle θ.
また、図中、「収束距離」とは、10,000℃を超える高温のプラズマジェットの長さに相当し、本解析では30mmとしている。これは、収束距離よりも長い範囲ではプラズマジェットの温度が急激に低下し、材料粉末を十分に溶融させることができないことより、この収束距離30mmの範囲において、提供されたガスによる遮蔽効果によって酸素（空気）の流入が遮断され、酸素濃度が低くなることで高品質の溶射皮膜を形成できることによるものである。したがって、図中、第１拡散物質のモル分率がゼロに近いほど酸素濃度が低いことを意味している。 In the figure, the “convergence distance” corresponds to the length of a high-temperature plasma jet exceeding 10,000 ° C., which is 30 mm in this analysis. This is because, in the range longer than the convergence distance, the temperature of the plasma jet rapidly decreases, and the material powder cannot be sufficiently melted. This is because the inflow of (air) is blocked and the oxygen concentration is lowered, so that a high-quality sprayed coating can be formed. Accordingly, in the figure, the closer the molar fraction of the first diffusing material is to zero, the lower the oxygen concentration.
また、この収束距離30mmの範囲において、高品質の溶射皮膜を形成するための酸素濃度は0.5%以下とした。 Further, in the range of the convergence distance of 30 mm, the oxygen concentration for forming a high quality sprayed coating was set to 0.5% or less.
（解析条件）
解析条件は、目的変数を収束距離（供給したガスの流速ベクトルの変曲点）、および粉末供給点（z、r = 5mm、8mm）の空気濃度とし、説明変数をスリット幅(mm)、ガス供給角度(度)、ガス供給量(リットル/分)とした。さらに、プラズマジェットの噴射孔の径をφ6mm、プラズマジェットの流速を中心点（z、r = 0mm、0mm）で100m/秒とし、収束距離と空気濃度の多目的最適化処理を実行した。
(Analysis conditions)
The analysis conditions are: the objective variable is the convergence distance (the inflection point of the flow velocity vector of the supplied gas) and the air concentration at the powder supply point (z, r = 5 mm, 8 mm), and the explanatory variables are the slit width (mm) and the gas A supply angle (degree) and a gas supply amount (liter / minute) were used. Furthermore, the diameter of the injection hole of the plasma jet was φ6mm, the flow velocity of the plasma jet was 100m / sec at the center point (z, r = 0mm, 0mm), and the multi-objective optimization process for the convergence distance and air concentration was executed.
（解析結果）
図４はガス供給部のスリット幅を変化させた際の解析結果を示した図であって、図４ａはスリット幅1mmのケース、図４ｂはスリット幅3mmのケース、図４ｃはスリット幅5mmのケースの結果を示した図である。また、図５はガス供給部からのガスの噴射角度を変化させた際の解析結果を示した図であって、図５ａは角度60度のケース、図５ｂは角度90度のケース、図５ｃは角度120度のケースの結果を示した図である。さらに図６は、ガス供給部からのガスの供給量を変化させた際の解析結果を示した図である。
(Analysis result)
4A and 4B are diagrams showing analysis results when the slit width of the gas supply unit is changed. FIG. 4a shows a case with a slit width of 1 mm, FIG. 4b shows a case with a slit width of 3 mm, and FIG. 4c shows a case with a slit width of 5 mm. It is the figure which showed the result of the case. FIG. 5 is a view showing an analysis result when the gas injection angle from the gas supply unit is changed. FIG. 5a is a case of an angle of 60 degrees, FIG. 5b is a case of an angle of 90 degrees, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing the results of a case with an angle of 120 degrees. Further, FIG. 6 is a diagram showing an analysis result when the gas supply amount from the gas supply unit is changed.
図４で示すスリット幅を変化させた際の解析では、ガスの供給角度を60度、ガスの供給量を60リットル/分とした。 In the analysis when the slit width shown in FIG. 4 was changed, the gas supply angle was 60 degrees and the gas supply amount was 60 liters / minute.
同図より、スリット幅が1mm、3mmでは収束距離の間の酸素濃度が低い一方で、スリット幅が5mmでは収束距離の間の酸素濃度が若干高くなることが分かった。 The figure shows that the oxygen concentration during the convergence distance is low when the slit width is 1 mm and 3 mm, while the oxygen concentration during the convergence distance is slightly higher when the slit width is 5 mm.
一方、図５で示すガス供給部からのガスの噴射角度を変化させた際の解析では、スリット幅を3mm、ガスの供給量を60リットル/分とした。 On the other hand, in the analysis when the gas injection angle from the gas supply unit shown in FIG. 5 was changed, the slit width was 3 mm and the gas supply amount was 60 liters / minute.
同図より、噴射角度が60度では収束距離の間の酸素濃度が低い一方で、噴射角度が90度では収束距離の間の酸素濃度が若干高くなり、噴射角度が120度では収束距離の間の酸素濃度が非常に高くなることが分かった。 From the figure, the oxygen concentration during the convergence distance is low when the injection angle is 60 degrees, while the oxygen concentration during the convergence distance is slightly high when the injection angle is 90 degrees, and between the convergence distances when the injection angle is 120 degrees. It has been found that the oxygen concentration of is very high.
さらに、図６で示すガス供給部からのガスの供給量を変化させた際の解析では、スリット幅を3mmとし、ガスの供給角度を60度、90度、120度の各ケースについて解析をおこなった。 Furthermore, in the analysis when the gas supply amount from the gas supply unit shown in FIG. 6 is changed, the slit width is set to 3 mm, and the gas supply angle is analyzed for each case of 60 degrees, 90 degrees, and 120 degrees. It was.
同図より、角度60度では、ガスの供給量が40リットル/分の場合に収束距離の間の酸素濃度が若干高くなり、60リットル/分、80リットル/分の場合に収束距離の間の酸素濃度が低いことが分かった。 From the figure, at an angle of 60 degrees, the oxygen concentration during the convergence distance increases slightly when the gas supply rate is 40 liters / minute, and between the convergence distance when the gas supply amount is 60 liters / minute and 80 liters / minute. It was found that the oxygen concentration was low.
次に、遺伝的アルゴリズム解析による最適解を特定する結果を図７〜９を参照して説明する。 Next, the result of specifying the optimum solution by genetic algorithm analysis will be described with reference to FIGS.
遺伝的アルゴリズム解析の結果、図７で示すように、5826個の解群が得られた。そして、パレート解を示す曲線と、収束距離30mmの直線、空気濃度0.5%の直線で囲まれた範囲にある解群は、設定された目的変数（収束距離30mm以下、空気濃度0.5%以下）を満たす３種の説明変数（スリット幅、ガス供給角度、ガス供給量）の範囲にある解群である。 As a result of the genetic algorithm analysis, as shown in FIG. 7, 5826 solution groups were obtained. And the solution group in the range surrounded by the curve indicating the Pareto solution, the straight line with the convergence distance of 30mm, and the straight line with the air concentration of 0.5% is the target variable (convergence distance of 30mm or less, air concentration of 0.5% or less). It is a solution group in the range of three explanatory variables (slit width, gas supply angle, gas supply amount) to be satisfied.
これら３種の数値範囲を特定するべく、まず、図８で示すように5826個の全ての解群同士を繋ぐチャートを作成する。 In order to specify these three types of numerical ranges, first, as shown in FIG. 8, a chart connecting all 5826 solution groups is created.
次に、空気濃度0.5%以下、収束距離30mm以下の範囲に絞り込みをかけ、その際に特定されるスリット幅(mm)、ガス供給角度(度)、ガス供給量(リットル/分)の各最適範囲を求めた。
Next, narrowing down the range of air concentration 0.5% or less and
同図より、角度θの最適範囲は57度〜70度の範囲、スリット幅の最適範囲は0.5〜2.5mmの範囲、ガス供給量の最適範囲は60リットル/分以上であると特定された。 From the figure, it was determined that the optimum range of the angle θ was 57 to 70 degrees, the optimum slit width was 0.5 to 2.5 mm, and the optimum gas supply amount was 60 liters / minute or more.
[効果確認実験とその結果]
本発明者等はさらに、溶射皮膜の酸化抑制効果、材料歩留り向上効果、および溶射皮膜中の不純物低減効果を確認する実験をおこなった。
[Effect confirmation experiment and its result]
The inventors further conducted an experiment to confirm the effect of suppressing the oxidation of the thermal spray coating, the effect of improving the material yield, and the effect of reducing impurities in the thermal spray coating.
（溶射皮膜の酸化抑制効果を確認する実験とその結果）
＜実験条件＞
使用した溶射ガンはSulzer metco F4であり、使用した溶射装置は、以下の３種の装置とした。すなわち、ガス供給部を備えて物理的シールドを具備しない本発明の装置（実施例）と、物理的シールドを備えた従来装置（比較例1）と、ガス供給部も物理的シールドも具備しない装置（比較例2）である。そして、供給ガスはArガス（純度99.999％）でガス供給量は80 リットル/分とし、 溶射条件は電流値450A、プラズマガス はArガス（30リットル/分）にH2ガス（8リットル/分）を加えた混合ガス、溶射距離 150 mmとした。ここで、ArガスにH2ガスを混合させる理由はプラズマ温度を調整するためである。また、材料粉末にはNi-50Cr37.5mass% ベントナイト（粒度分布+125-32μm）を使用し、基材には 20×20×2 mmの寸法の SUS304材（表面をショットブラストでRa 1.5μm以上としたもの）を使用し、形成する溶射皮膜の膜厚は酸化抑制効果を確認できる膜厚として500μm以上とした。
(Experiment to confirm oxidation suppression effect of sprayed coating and its result)
<Experimental conditions>
The spray gun used was Sulzer metco F4, and the following three types of spray equipment were used. That is, the apparatus of the present invention (Example) provided with a gas supply part and not provided with a physical shield, the conventional apparatus provided with a physical shield (Comparative Example 1), and the apparatus provided with neither a gas supply part nor a physical shield (Comparative Example 2). The supply gas is Ar gas (purity 99.999%), the gas supply rate is 80 liters / minute, the spraying conditions are current value 450A, the plasma gas is Ar gas (30 liters / minute) and H 2 gas (8 liters / minute) ) And a spraying distance of 150 mm. Here, the reason why H 2 gas is mixed with Ar gas is to adjust the plasma temperature. In addition, Ni-50Cr37.5mass% bentonite (particle size distribution + 125-32μm) is used for the material powder, and the base material is SUS304 (20 × 20 × 2 mm in size) (Ra is 1.5μm or more by shot blasting) The film thickness of the sprayed coating to be formed was set to 500 μm or more as a film thickness for confirming the oxidation inhibiting effect.
酸化抑制効果に関しては、膜の断面組織をレーザー顕微鏡にて定量化した結果から酸化度を定義した。すなわち、顕微鏡写真図において、白色層：Ni-50Crであり、灰色層：Cr-O （Ni-50Crが酸化して出来たもの）であり、黒色層：ベントナイトである。各層の色の違いからレーザー顕微鏡にて3値化を行い、各層の面積率を測定した。ここで、酸化度は以下の式で算定した。
酸化度（%）＝ (Cr-O面積率 / Ni-50Cr面積率）× 100
Regarding the oxidation inhibition effect, the degree of oxidation was defined from the result of quantifying the cross-sectional structure of the film with a laser microscope. That is, in the micrograph, the white layer is Ni-50Cr, the gray layer is Cr-O (made by oxidation of Ni-50Cr), and the black layer is bentonite. From the difference in color of each layer, ternarization was performed with a laser microscope, and the area ratio of each layer was measured. Here, the oxidation degree was calculated by the following formula.
Oxidation degree (%) = (Cr-O area ratio / Ni-50Cr area ratio) x 100
＜実験結果＞
実験結果のうち、顕微鏡写真図を図１０に示す。詳細には、図１０ａは実施例、図１０ｂは比較例1、図１０ｃは比較例2の断面組織写真図である。
<Experimental result>
Among the experimental results, a micrograph is shown in FIG. More specifically, FIG. 10 a is an example, FIG. 10 b is a cross-sectional structure photograph of Comparative Example 1, and FIG.
各写真図より、比較例2に比して実施例、比較例1の酸化抑制効果が高いことが確認できる。 From each photograph, it can be confirmed that the effect of inhibiting oxidation in Examples and Comparative Examples 1 is higher than that in Comparative Example 2.
そして、酸化度の算定結果は、実施例が17.5%、比較例1が18.2%、比較例2が32.8%であった。この実験結果より、実施例の酸化度は物理的シールドのある比較例1よりも低くなることが実証されている。 The calculation results of the degree of oxidation were 17.5% in Example, 18.2% in Comparative Example 1, and 32.8% in Comparative Example 2. From this experimental result, it is proved that the oxidation degree of the example is lower than that of Comparative Example 1 having a physical shield.
（材料歩留り向上効果を確認する実験とその結果）
＜実験条件＞
使用した溶射ガンはSulzer metco F4であり、使用した溶射装置は、以下の２種の装置とした。すなわち、ガス供給部を備えて物理的シールドを具備しない本発明の装置（実施例）と、ガス供給部も物理的シールドも具備しない装置（比較例2）である。そして、供給ガスはArガス（純度99.999％）でガス供給量は80 リットル/分とし、 溶射条件は電流値450A、プラズマガス はArガス（30リットル/分）にH2ガス（8リットル/分）を加えた混合ガス、溶射距離 150 mmとした。また、材料粉末にはNi-50Cr37.5mass% ベントナイト（粒度分布+125-32μm）を使用し、基材には 100×100×2 mmの寸法の SUS304材（表面をショットブラストでRa 1.5μm以上としたもの）を使用し、粉末供給量を23g/分とした。
(Experiment to confirm the material yield improvement effect and its result)
<Experimental conditions>
The spray gun used was Sulzer metco F4, and the following two types of spray equipment were used. That is, the apparatus of the present invention (Example) provided with a gas supply part and not provided with a physical shield, and the apparatus (Comparative Example 2) provided with neither a gas supply part nor a physical shield. The supply gas is Ar gas (purity 99.999%), the gas supply rate is 80 liters / minute, the spraying conditions are current value 450A, the plasma gas is Ar gas (30 liters / minute) and H 2 gas (8 liters / minute) ) And a spraying distance of 150 mm. In addition, Ni-50Cr37.5mass% bentonite (particle size distribution + 125-32μm) is used for the material powder, and the base material is SUS304 with a size of 100 × 100 × 2mm (surface is shot blast with Ra 1.5μm or more) The powder feed rate was 23 g / min.
材料歩留りに関しては、基材上に1分間溶射し、以下の算定式にて材料歩留りを定義した。
材料歩留り=粉末供給量（23g）/膜重量（溶射前後の重量変化より算出）×100
Regarding material yield, thermal spraying was performed on the substrate for 1 minute, and the material yield was defined by the following calculation formula.
Material yield = powder supply (23g) / film weight (calculated from weight change before and after spraying) x 100
＜実験結果＞
実験の結果、実施例の材料歩留りは82.3%、比較例2の材料歩留りは56.4%であり、比較例2に対して実施例は50%程度も材料歩留りが向上することが実証されている。
<Experimental result>
As a result of the experiment, the material yield of the example is 82.3%, the material yield of the comparative example 2 is 56.4%, and it is proved that the material yield is improved by about 50% compared to the comparative example 2.
（溶射皮膜中の不純物低減効果を確認する実験とその結果）
＜実験条件＞
使用した溶射ガンはSulzer metco F4であり、使用した溶射装置は、以下の２種の装置とした。すなわち、ガス供給部を備えて物理的シールドを具備しない本発明の装置（実施例）と、物理的シールドを備えた従来装置（比較例1）である。そして、供給ガスはArガス（純度99.999％）でガス供給量は80 リットル/分とし、 溶射条件は電流値450A、プラズマガス はArガス（30リットル/分）にH2ガス（8リットル/分）を加えた混合ガス、溶射距離 150 mmとした。また、材料粉末にはNi-50Cr37.5mass% ベントナイト（粒度分布+125-32μm）を使用し、基材には 80×80×5 mmの寸法の SUS304材（表面をショットブラストでRa 1.5μm以上としたもの）を使用し、粉末供給量を23g/分とした。
(Experiment to confirm the effect of reducing impurities in sprayed coating and its results)
<Experimental conditions>
The spray gun used was Sulzer metco F4, and the following two types of spray equipment were used. That is, the apparatus of the present invention (Example) provided with a gas supply unit and not provided with a physical shield, and the conventional apparatus (Comparative Example 1) provided with a physical shield. The supply gas is Ar gas (purity 99.999%), the gas supply rate is 80 liters / minute, the spraying conditions are current value 450A, the plasma gas is Ar gas (30 liters / minute) and H 2 gas (8 liters / minute) ) And a spraying distance of 150 mm. In addition, Ni-50Cr37.5mass% bentonite (particle size distribution + 125-32μm) is used for the material powder, and the base material is SUS304 with a size of 80 × 80 × 5 mm (the surface is shot blast with Ra 1.5μm or more) The powder feed rate was 23 g / min.
溶射タイミングは、15分の連続運転後に成膜を実施した。 Thermal spraying was performed after 15 minutes of continuous operation.
不純物の定義は、膜表面に現れる200μｍ以上（粉末の最大径から通常では考えられない大きさ）の凸部を不純物とし、不純物の測定方法は膜表面の目視検査によりカウントした。 The definition of the impurity was a convex part of 200 μm or more appearing on the film surface (a size that is not normally considered from the maximum diameter of the powder) as an impurity, and the impurity measurement method was counted by visual inspection of the film surface.
＜実験結果＞
実験の結果、実施例では不純物は無かったのに対して、比較例1では17箇所の不純物が確認された。この実験結果より、本発明の溶射装置を適用した場合に、長時間運転時の膜に含まれる不純物低減効果が期待できることが実証されている。
<Experimental result>
As a result of the experiment, there were no impurities in the example, whereas in Comparative Example 1, 17 impurities were confirmed. From this experimental result, it has been proved that when the thermal spraying apparatus of the present invention is applied, an effect of reducing impurities contained in the film during long-time operation can be expected.
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
１…プラズマガン、２…粉末供給部、２ａ…供給ノズル（供給点）、３…ガス供給部、３ａ…スリット、１０…プラズマ溶射装置、ＰＪ…プラズマジェット、Ｇ…ガス、ＳＰ…空間（粉末供給部とワークの間の空間）、Ｗ…ワーク、ＳＣ…溶射皮膜、ＰＷ…材料粉末
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記プラズマガンよりもプラズマジェット噴射方向の前方位置に配設され、材料粉末を収容するとともにプラズマジェットに材料粉末を供給する粉末供給部と、
プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方に配設され、スリットを備え、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かって該スリットから噴射するガス供給部と、を備え、
粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向の前方空間には構成部材を備えていないプラズマ溶射装置。 A plasma gun that injects a plasma jet against the workpiece;
A powder supply unit disposed at a position in front of the plasma gun in the direction of jetting the plasma jet, containing the material powder and supplying the material powder to the plasma jet;
The gas is plasma at an angle outside of the outer diameter of the plasma gun and behind the powder supply unit with respect to the direction of plasma jet injection, provided with a slit, and inclined with respect to the direction of plasma jet injection. A gas supply unit that injects from the slit toward the jet,
A plasma spraying apparatus that does not include a constituent member in a space ahead of the powder supply unit in the direction of plasma jet injection.
Priority Applications (1)
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| JP2014017216A JP2015142891A (en) | 2014-01-31 | 2014-01-31 | Plasma spray device |
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|---|---|---|---|---|
| JPS63277747A (en) * | 1987-04-15 | 1988-11-15 | ジェイムス エイ ブロウニング | Plasma spraying method and plasma arc torch |
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2014
- 2014-01-31 JP JP2014017216A patent/JP2015142891A/en active Pending
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