JP4449645B2 - プラズマ溶射装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ溶射装置、すなわち、陽極と陰極間に発生させたアークによって作動ガスをプラズマ化し、このプラズマ化された作動ガスによって溶射材料を溶融してから加速噴射して被処理物に吹き付け、これによって表面処理の一種である「溶射」を行うためのプラズマ溶射装置に関するものである。

「溶射」を利用して表面処理を行う技術は、溶射材料として金属やセラミックスが使用できて、非常に高品質の表面処理を行うことができるため、今までに種々な方法や装置が開発されてきている。本発明の発明者も、特許文献１及び特許文献２等において種々提案を行ってきている。
特開昭６０−１２９１５６号公報 特公平４−５５７４８号公報 実公昭４３−２９７７号公報 特開昭６１−１４９２６５号公報 特開昭５７−４２６１号公報 米国特許第３１４０３８０号公報

特許文献１の発明は、「ノズル電極内部への溶射材料の付着、堆積等を防止してノズル電極の寿命を延ばすことができるのは勿論のこと、粉状の溶射材料を使用する場合には、その材料をプラズマ火炎の外周部で反射飛散したり火炎内を突き抜け飛散したり、未溶解粒子が飛行したりすることなく、そのプラズマ火炎の中心部に確実に送り込むことができて、溶射歩留りを大幅に向上させることができ、又、線上あるいは棒状の溶射材料を使用する場合には、プラズマ火炎の流れを乱すことなくその材料を火炎の中心に供給でき、均一な溶融及び粉細化を行うことができて、飛行速度の加速を行うことができ、延いては、粉状、線状、棒状等のいずれの溶射材料を使用しても、プラズマ火炎のエネルギーを有効に利用して高密度の溶射皮膜を作ることができるという新規なプラズマ溶射装置を提供すること」を目的としてなされたもので、図９〜図１１に示すように、「複数のプラズマ火炎流がほぼ一点に集中するように複数個のプラズマ火炎口を配列するとともに、それらの中心部にはプラズマ火炎流のほぼ中心部に溶射材料を供給するための供給口を配設した」ものである。

以上のように構成することによって、特許文献１の発明は、上記の目的を達成できたのであるが、図１０にも示したように、４つもの噴射口と、これに対応する分の陰極を内部に組み込まなければならないため、プラズマ溶射装置としては複雑すぎて、メンテナンス作業も非常に手間と時間が掛る物となっていた。

それだけでなく、この特許文献１のプラズマ溶射装置では、４つの噴射口の軸心と、中心の溶射材料供給口の軸心とを常に完全に一致させておかなければならず、ズレたときには、図１２にも示すように、溶射材料の完全な溶融とその加速噴射が行えなかったのである。

一般に、プラズマ溶射装置においては、両極間に発生するアークによって、特に陽極側に損傷が発生するのであるが、この陽極側には、図１０に示したように、噴射口が形成してあって、その噴射方向が陽極の損傷に伴って変化するものである。そうなると、図１２にも示したように、各噴射口からのプラズマ化された作動ガスの噴射方向がズレ始め、図１２中の交点０からズレることになる。

この交点０は、溶射材料供給口から噴射される溶射材料と、各噴射口からのプラズマ化された作動ガスとが衝突し合う点であり、この交点０から作動ガスの流れ方向がズレると、溶射材料は充分な加熱と加速がなされないことになって、図１２中の点線で示したように、飛散するだけとなってしまうものも発生することになるのである。つまり、十分加熱されずに溶融されない溶射材料は、周囲に飛散するだけで表面処理の材料として使用されることがなく、無駄に消費されるということになる。

また、特許文献２に記載されたプラズマ溶射装置は、特許文献３〜特許文献６に記載された技術を改良する目的でなされて、図１３に示すように、「水等によつて冷却されている陽極と、この陽極とは別体の陽極間に電圧を印加して、これら両電極間に供給される作動ガスをプラズマガス化するようにするとともに、これら陽極あるいは陰極の近傍に溶射材料を送り出す吐出口を設けて、この溶射材料を前記プラズマガスによつて加熱溶融しながら噴射させて表面処理を行なうようにしたプラズマ溶射用トーチにおいて、前期陰極を、前期吐出口とは別体に構成して当該吐出口の周囲に複数配置するとともに、前期吐出口を水等によつて冷却する構造のものとし、かつこの吐出口を前期陽極に形成した開口部内に設けて、当該吐出口が前期プラズマガスの発生箇所の後流側に配置したこと」を特徴とするものである。

この特許文献２のプラズマ溶射装置も、４つの陰極を有しているだけでなく、プラズマ化された作動ガスを噴射させるための「リング状の噴射口」を有しているものであるため、上記特許文献１に記載された発明と同様に、組立てや製造、そしてメンテナンスに手間の掛るものとなっている。

すなわち、この特許文献２に記載されているプラズマ溶射装置では、図１３中の符号「２１」、「３１」及び「４１」で示される「３系統」の冷却小通路を形成しなければならず、非常に複雑化して故障の生じ易いものとなっていたのである。

また、この種の溶射装置を使用して行う表面処理である溶射について考察してみると、近年では、より硬質で均一な溶射表面を形成する要求が高まってきている。つまり、溶射によって表面を形成することになる溶射材料についてみてみると、近年では、金属だけでなく、アルミナ等の酸化金属、あるいは金属の炭化物等の各種セラミックスや、これらの混合品が必要とされてきている。

これらのセラミックス等を含む近年の溶射材料は、高価なものとなっているため、溶射材料として使用する場合の「歩留まり」を高くしなければならない。何故なら、溶射材料が、鉄や鉛のような一般的な金属でよいときには、歩留まりを気にするよりも、出来上がった表面の品質向上を図ればよかったのであるが、高価な溶射材料になってくると、表面の品質向上は勿論、歩留まりも良好にしなければならないからである。

つまり、この種の溶射装置によって溶射を行うに当たって、鉄のような安くて入手し易い溶射材料の場合、歩留まりは３０％程度でもよかったのであるが、上述したような高価な溶射材料を使用しなければならなくなってくると、その歩留まりは、少なくとも６０％以上、できれば９５％程度まで高めたいのである。

そこで、本発明者は、この種のプラズマ溶射装置について改良を加えるべく種々検討を重ねてきた結果、プラズマ化された作動ガスの噴射口が４つも必要だったのは、溶射材料を完全に包み込みながら加熱したいためであったことに気付き、本発明を完成したのである。

すなわち、本発明の目的とするところは、プラズマ化された作動ガスの噴射口の数を減らすことができて構造を簡素化でき、しかも仮に作動ガスの噴射方向がズレたとしても、完全に溶融された溶射材料を含むプラズマフレームを作り出すことができて、溶射材料の効率的な使用ができるプラズマ溶射装置を提供することである。

以上の課題を解決するために、まず、請求項１に係る発明の採った手段は、後述する最良状態の説明中において使用する符号を付して説明すると、
「作動ガス１６が供給される作動ガス通路１４と、この作動ガス通路１４に連通した噴射通路１２を有するノズル陽極１１と、この内側に作動ガス通路１４を介して配置した陰極１３とを備えて、これらの陰極１３及びノズル陽極１１間に発生させたアーク１８によって、作動ガス１６をプラズマ化して噴射通路１２から噴射されるプラズマフレームＦとし、このプラズマフレームＦに溶射材料１７を供給することにより、その溶融及び加速を行うようにしたプラズマ溶射装置１００であって、
噴射通路１２を、溶射材料１７の１つの供給口１５の両側に開口される２本のものとし、これら２本の噴射通路１２を、その軸心方向がノズル陽極１１の外側にて交差するようにするとともに、これら２本の噴射通路１２の各内方に２本の陰極１３を配置し、
かつ、各噴射通路１２の開口中心線１２ａが互いに平行で開口面積が同じ長穴としたことを特徴とするプラズマ溶射装置１００」
である。

すなわち、このプラズマ溶射装置１００は、その基本的部分については特許文献１及び２のそれと同様であるが、プラズマトーチ１０内の陰極１３、及びこれに対向して形成してあるノズル陽極１１側の噴射通路１２を２個にしたことと、各噴射通路１２を、図３、図６の（ｂ）２及び図８に示すように、長穴となった噴射口を有したものに形成したことの２点が異なるものである。

噴射通路１２及び陰極１３が２個で十分となっているのは、各噴射通路１２の開口形状を図４に示したような長穴にしたことによるのであるが、その理由を述べると、次の通りである。

各噴射通路１２の開口形状が長穴であると、ここから噴射される、プラズマ化されて高温になった作動ガス１６、つまり、アーク１８による加熱によって炎となって噴出しているプラズマフレームＦの断面形状（噴射方向に対して直交する方向の形状）が、図８に示したように、噴射通路１２の長穴形状に応じた「舌」状になっていて、噴射通路１２の中心線１２ａ方向に幅広いものとなっている。そして、各噴射通路１２の開口から噴出するプラズマフレームＦは、各噴射通路１２の開口形状を最大としながら、各噴射通路１２から離れるにつれて少しずつ細くなっていくのである。

また、各噴射通路１２から噴射されたプラズマフレームＦは、各噴射通路１２が１つの溶射材料供給口１５の両側に配置してあり、かつ２本の噴射通路１２が、その軸心方向をノズル陽極１１の外側にて交差するようにしてあるため、図８に示す交線１６ａにて互いに接触し合う。これとともに、溶射材料供給口１５から噴射されている溶射材料１７が、両プラズマフレームＦの交線１６ａに向けて噴射されているから、この溶射材料１７は、２本のプラズマフレームＦの間に噴射されることになり、これらのプラズマフレームＦによって完全に包み込まれることになる。

このため、両プラズマフレームＦの間に入った溶射材料１７は、両プラズマフレームＦ間は勿論、これらの交線１６ａより先においても加熱されて完全に溶融され、十分に加速されるのである。これにより、溶射材料１７の歩留まりが十分向上しているのであるが、後述する最良形態の場合、溶射材料１７の歩留まりは、８０％以上であった。

ここで、このプラズマ溶射装置１００が長期間使用されることによって、ノズル陽極１１の、アーク１８が到達する部分に小さな傷ができて、噴射通路１２からのプラズマフレームＦの噴射角度にズレが発生したとしても、各噴射通路１２は長穴として開口しているものであるから、図８に示した交点Ｏは、常に各噴射通路１２からのプラズマフレームＦによって包み込まれた位置にある。

何故なら、長穴として形成した各噴射通路１２から噴射されるプラズマフレームＦは、図８の図示上下方向に長いものとなっていて、図８中に実線で示した交線１６ａも図示上下方向に長くなっているため、溶射材料供給口１５からの溶射材料１７の噴射方向が、この長い交線１６ａと交点Ｏで交わり易くなっているからである。

換言すれば、このプラズマ溶射装置１００によれば、１つの溶射材料供給口１５を囲むように、２つの噴射通路１２をノズル陽極１１に形成したのであるから、ノズル陽極１１の長期間使用によって各噴射通路１２からのプラズマフレームＦの噴射方向にズレが生じたとしても、各噴射通路１２の長穴であることがこれを吸収するのであり、溶射材料１７の溶融と加速噴射とが常に安定して行われるのである。

また、噴射通路１２が２つだけであれば、これに向うべき陰極１３も２つだけで十分となり、特許文献１等のもののように、多くの陰極１３を使用しなくても済むから、プラズマ溶射装置１００全体としてコンパクト化が達成されて、組立てやメンテナンスが非常に簡単になっているのである。

そして、上記課題を解決するために、請求項２に係る発明の採った手段は、上記請求項１に係るプラズマ溶射装置１００について、
「ノズル陽極１１と各陰極１３間に印加される電圧及び電流が、３０〜５０ボルト及び７００〜９００アンペアである場合に、長穴である各噴射通路１２の開口中心線１２ａ方向に対する長さを７〜９ｍｍとし、開口中心線１２ａに直交する方向の幅を３〜５ｍｍとしたこと」
である。

すなわち、この種のプラズマ溶射装置１００であって、図１に示すようなハンドタイプの大きさのものについて、各噴射通路１２の大きさを最適にしたものである。この種のハンドタイプのプラズマ溶射装置１００は、ノズル陽極１１と陰極１３間に印加される電圧が３０〜５０ボルトであって、電流が７００〜９００アンペアであり、噴射通路は直径７ｍｍであることが多いものである。そこで、２つの噴射通路１２の長穴の開口面積の合計が、従来一般に採用されている直径７ｍｍのものに対応させるために、上述したような範囲の長穴となる噴射通路１２としたのである。

以上説明した通り、本発明においては、
「作動ガス１６が供給される作動ガス通路１４と、この作動ガス通路１４に連通した噴射通路１２を有するノズル陽極１１と、この内側に作動ガス通路１４を介して配置した陰極１３とを備えて、これらの陰極１３及びノズル陽極１１間に発生させたアーク１８によって、作動ガス１６をプラズマ化して噴射通路１２から噴射されるプラズマフレームＦとし、このプラズマフレームＦに溶射材料１７を供給することにより、その溶融及び加速を行うようにしたプラズマ溶射装置１００であって、
噴射通路１２を、溶射材料１７の１つの供給口１５の両側に開口される２本のものとし、これら２本の噴射通路１２を、その軸心方向がノズル陽極１１の外側にて交差するようにするとともに、これら２本の噴射通路１２の各内方に２本の陰極１３を配置し、
かつ、各噴射通路１２の開口中心線１２ａが互いに平行で開口面積が同じ長穴としたこと」
にその構成上の主たる特徴があり、これにより、耐久性が優れて、効果的な溶射が行えるプラズマ溶射装置１００を提供することができるのである。

すなわち、本発明によれば、プラズマ化された作動ガスの噴射口の数を減らすことができて構造を簡素化でき、しかも仮に作動ガスの噴射方向がズレたとしても、完全に溶融された溶射材料を含むプラズマフレームを作り出すことができて、溶射材料の効率的な使用ができるプラズマ溶射装置を提供することができるのである。

（産業上の利用可能性）
本発明に係るプラズマ溶射装置１００は、以上説明した通り、２本の陰極１３・１３を溶射材料供給口１５の両側に配置するとともに、これらの陰極１３・１３に対向するノズル陽極１１に２つの噴射通路１２・１２を形成し、かつ各噴射通路１２の開口中心線１２ａが互いに平行で開口面積が同じ長穴としたことに、その構造上の特徴があるため、
（１）２つの陰極１３だけで十分であり、構造が簡単である
（２）ノズル陽極１１側の噴射通路１２も２つで十分であり、そのための空間を十分確保できる
（３）各噴射通路１２からのプラズマフレームＦは、その中心がズレたとしても、各噴射通路１２を長穴に形成したことによってそのズレが十分吸収されるため、結果的に、当該プラズマトーチ１０は耐久性の優れたものとなっている。

（４）噴射通路１２を長穴とするだけであるから加工が容易である
（５）溶射材料１７の溶融と加速噴射とを十分行うことができるため、溶射材料１７の無駄な消耗を極力少なくすることができる
（６）溶射材料１７は、交点Ｏにて、２本のプラズマフレームＦの交線１６ａ上を確実に通るのであるから、供給された溶射材料１７は十分溶融して加速噴射され、美しい仕上りの溶射が行える
といった優れた効果を有するものであり、例えば航空機のジェットエンジン、自動車のブーレキシューやロッカーアーム、船舶エンジンのピストンクラウン、トラクターの回転刃、そして鋼材等に対して、耐熱性を付与する表面処理が行えて、各種産業において、多大な利用可能性が望めるものである。

次に、以上のように構成した本発明を、図面に示した最良の形態であるプラズマ溶射装置１００について説明すると、図１には、本最良形態に係るプラズマ溶射装置１００の概略構成が示してある。このプラズマ溶射装置１００は、溶射すべき金属表面等に向けてプラズマフレームＦを噴射するプラズマトーチ１０を有しているものであり、このプラズマトーチ１０は、これに一体化したハンドル２０を手に持って操作するものであって、図１〜図３示したトーチカバー１０ａによって覆うようにしてある。

また、このプラズマトーチ１０に対しては、図１に概略的に示したように、作動ガス１６や溶射材料１７、そして冷却水を供給するための供給装置４０が、作動ガス供給管３３、溶射材料供給管３３、そして給水管３１を介して接続してある。

このプラズマトーチ１０は、内部に発生するアーク１８によって加熱されることになるのものであり、その使用中は冷却しなければならないものである。そこで、供給装置４０からの冷却水を吸水管３１を通して、図５〜図７に示したように、当該プラズマトーチ１０内に形成したウォータージャケット１９内に供給し、この冷却水によってノズル陽極１１や各陰極１３の周囲を冷却するようにしてあるのである。そして、各部の冷却を行った冷却水は、図２及び図６に示した排水管３２を通して、外部に排出されるようにしてある。

また、プラズマトーチ１０に対して接続した、作動ガス１６及び溶射材料１７を供給するための作動ガス供給管３３及び溶射材料供給管３４、そして前述した給水管３１及び排水管３２のプラズマトーチ１０に対する接続は、図１〜図３に示したように行っているのであるが、特に図４に示したように、プラズマトーチ１０の底面に対してなされるようになっている。なお、図４に示した２本の排水管３２は、図１及び図２に示したように、プラズマトーチ１０に取り付けられる排水管カバー１０ｂによって覆われる。

プラズマトーチ１０は、図５〜図７に示したように、直流電流のプラス側が接続されるノズル陽極１１と、このノズル陽極１１に対して作動ガス通路１４を介して対向する陰極１３を有しているもので、この陰極１３には直流電流のマイナス側が接続されるものである。

ノズル陽極１１の正面側（図５では図示左側）には、図４及び図５に示したように、作動ガス通路１４からの作動ガス１６を噴射するための２つの噴射通路１２が形成してあり、これら各噴射通路１２には上述した陰極１３がそれぞれ対向している。また、このノズル陽極１１の正面側であって、上述した２つの噴射通路１２の間には、図６の（ｂ）に示したように、１つの溶射材料供給口１５が形成してあり、この溶射材料供給口１５に対しては、当該ノズル陽極１１内に形成した溶射材料供給通路１５ａを通して、前述した溶射材料供給管３４からの溶射材料１７が供給されるものである。

各噴射通路１２は、図３に示したように、長穴として形成したものであり、その長軸方向の中心線１２ａ（図３中の一点鎖線参照）は、互いに平行で、かつ、溶射材料供給口１５の中心から等距離となるようにしてある。本最良形態においては、各噴射通路１２について、ノズル陽極１１と各陰極１３間に印加される電圧及び電流が、３０〜５０ボルト及び７００〜９００アンペアである場合に、長穴である各噴射通路１２の開口中心線１２ａ方向に対する長さを７〜９ｍｍとし、開口中心線１２ａに直交する方向の幅を３〜５ｍｍとしてある。

各陰極１３は、これとノズル陽極１１との間に電圧が印加されたとき、図５にも示すようなアーク１８をノズル陽極１１側に飛ばすものであり、このアーク１８をノズル陽極１１に対して均等に発生させるために、先端を尖らせてある。なお、各陰極１３をノズル陽極１１に対して絶縁するために、各陰極１３は、図５にも示したように、ノズル陽極１１の背面に一体化した非導電性の取付部材１３ａ内に組付けてあり、この取付部材１３ａには、図１に示したように、上述したハンドル２０が取付けてある。

作動ガス通路１４は、プラズマトーチ１０の外部から作動ガス供給管３３を介して供給されてきた作動ガス１６を各陰極１３の周囲に供給するものであり、陰極１３とノズル陽極１１との間に発生したアーク１８が飛ぶ球状空間をも有したものである、そして、この作動ガス通路１４は、アーク１８によってプラズマ化された作動ガス１６を、ノズル陽極１１に形成してある前述の２つの噴射通路１２から噴射できるように形作られている。

この作動ガス通路１４の開口である２つの噴射通路１２の間には、図３及び図６の（ｂ）にも示したように、１個の溶射材料供給口１５が開口させてある。この溶射材料供給口１５には、図１等に示した溶射材料供給管３４を通して供給装置４０から送られてきた溶射材料１７を、プラズマ化された作動ガス１６による高温のプラズマフレームＦ中に噴射するものである。なお、溶射材料供給管３４には作動ガス１６をも供給する供給装置４０が接続されるのであり、この供給装置４０によって、作動ガス１６の供給とアーク１８の発生とに連動して、図３に示した溶射材料供給口１５から溶射材料１７の噴射を行うのである。

作動ガス１６としては、この種のプラズマ溶射装置１００において通常使用されるものが採用されるのであるが、例えばアルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、あるいは水素ガス等の単体、もしくはこれらの混合ガスが採用される。また、溶射材料１７としては、溶射用の金属やセラミックス等種々なものが採用される。

ところで、ノズル陽極１１は、上述したように、各陰極１３との間にアーク１８を発射させて、その作動ガス通路１４内を通る作動ガス１６のプラズマ化、つまり加熱を行ってプラズマフレームＦを形成するものであるから、冷却しなければならない。そこで、本最良形態のプラズマトーチ１０においては、その内部に、ノズル陽極１１の周囲や各陰極１３の近傍を通る一方向性をもったウォータージャケット１９を形成しておいて、このウォータージャケット１９の出入口のそれぞれに、図１〜図３に示した排水管３２及び給水管３１を接続するようにしている。つまり、このプラズマ溶射装置１００の作動中において、冷却水の供給装置４０から給水管３１を通してプラズマトーチ１０内に送られてきた冷却水は、ノズル陽極１１内やその周囲、あるいは各陰極１３の近傍を回って排水管３２から外部に排出されるのである。

本発明に係るプラズマ溶射装置の概略側面図である。 同プラズマ溶射装置を構成しているプラズマトーチのハンドルや排水管カバーを外したときの拡大側面図である。 同プラズマトーチの正面図である。 同プラズマトーチの底面図である。 図２中の１ー１線に沿ってみた拡大横断面図である。 同プラズマトーチを示すもので、（ａ）は図５中の２ー２線に沿ってみた縦断面図、（ｂ）は正面図である。 同プラズマトーチの、図５中の２ー３線に沿ってみた縦断面図である。 プラズマフレームの噴射の様子を概略的に示す斜視図である。 従来のプラズマトーチを示すもので、粉体材料を使用するものの断面図である。 図９に示したプラズマトーチの正面図である。 従来のプラズマトーチを示すもので、線材を使用するものの断面図である。 図９に示した従来のプラズマトーチを使用したときのプラズマフレームのズレ状態を概略的に示した断面図である。 従来の別のプラズマトーチを示す断面図である。

符号の説明

１００ プラズマ溶射装置
１０ プラズマトーチ
１０ａ トーチカバー
１０ｂ 排水管カバー
１１ ノズル陽極
１２ 噴射通路
１２ａ 中心線
１３ 陰極
１４ 作動ガス通路
１５ 溶射材料供給口
１５ａ 溶射材料供給通路
１６ 作動ガス
１６ａ 交線
１７ 溶射材料
１８ アーク
２０ ハンドル
３１ 給水管
３２ 排水管
３３ 作動ガス供給管
３４ 溶射材料供給管
４０ 供給装置
Ｆ プラズマフレーム
Ｏ 交点Ｏ

Claims (2)

1. 作動ガス１６が供給される作動ガス通路１４と、この作動ガス通路１４に連通した噴射通路１２を有するノズル陽極１１と、この内側に作動ガス通路１４を介して配置した陰極１３とを備えて、これらの陰極１３及びノズル陽極１１間に発生させたアーク１８によって、作動ガス１６をプラズマ化して噴射通路１２から噴射されるプラズマフレームＦとし、このプラズマフレームＦに溶射材料１７を供給することにより、その溶融及び加速を行うようにしたプラズマ溶射装置１００であって、
   噴射通路１２を、溶射材料１７の１つの供給口１５の両側に開口される２本のものとし、これら２本の噴射通路１２を、その軸心方向がノズル陽極１１の外側にて交差するようにするとともに、これら２本の噴射通路１２の各内方に２本の陰極１３を配置し、
   かつ、各噴射通路１２の開口中心線１２ａが互いに平行で開口面積が同じ長穴としたことを特徴とするプラズマ溶射装置１００。
2. ノズル陽極１１と各陰極１３間に印加される電圧及び電流が、３０〜５０ボルト及び７００〜９００アンペアである場合に、長穴である各噴射通路１２の開口中心線１２ａ方向に対する長さを７〜９ｍｍとし、開口中心線１２ａに直交する方向の幅を３〜５ｍｍとしたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射装置１００。

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