11. 溶射

11. 溶射(thermal spraying)

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1. 概要

溶射とは、金属やセラミックス、プラスチックスなどの溶射材と呼ばれる材料を加熱して、液滴や微粒子状にして、被施工物(基材)に吹き付け、皮膜を形成させる表面処理法の一種です。

熱源には燃焼炎やプラズマなどが用いられます。溶射材は熱源により液滴化されて、高速ガス流などによって処理対象である基材表面に吹き付けられます(図11.1)。液滴や微粒子状になった溶射材は溶射粒子と呼ばれます。 溶射粒子が基材表面で凝固し密着することにより皮膜が形成されます。

   図11.1 溶射皮膜形成のモデル

溶射粒子が保持している熱量は小さいため、基材への入熱は小さくて熱的影響は比較的少ないですが、基材と溶射粒子の密着強度は、溶接などと比べて弱いため、通常はアンダーカットやサンドブラストなどの前処理により、基材表面を荒すことにより、基材と凝固した溶射材との機械的な噛み合わせを十分に確保することで、溶射材の密着強度を大きくしています。溶射粒子が凝固するまでに基材上に広がり、凹部に入り込む時間的余裕を与えるために、基材を事前に加熱することも行なわれます。

塗装などと同様にマスキングにより対象物の特定の部分のみに施工できます。また、皮膜にある空隙を塞ぐための後処理として、自溶合金を溶射した後にヒュージングしたり、潤滑剤や樹脂材で封孔処理を行うことがあります。

 

2. 溶射の歴史

溶射法は、スイス・チューリッヒのM.U.ショープ(M.U.Schoop)によって、発明されました。1900年にショープ氏は鉛と亜鉛金属の保護コーティングの溶射実験に成功しました。1909年にはワイヤーを溶融して基盤に付着させるために酸素による燃料の燃焼熱を利用する特許を取得しました(溶融式溶射法)。また、1911年には熱源として電気アークを熱源とするアーク溶射法の特許を取得しました。初期のアプリケーションは腐食防止を目的とした金属溶射でした。

1933年には、アメリカでメテコ社が発足し、腐食防止や機械部品補修を目的とするワイヤー溶射装置の開発・販売を開始しています。

1952年に、アメリカで爆発溶射法が開発されました。この溶射法は、基材への密着性が良く気孔率が低い良質の皮膜を形成することができました。近年は、高圧の燃焼ガスと加圧酸素を用いて、連続的に超音速流を発生させる高速フレーム溶射法が開発されており、撤密な皮膜が高い成膜速度で形成できるようになりました。

1957年にUnion Carbide社、1960年にはPlasmadyne社が、溶射用プラズマガンを開発しました。これにより、溶射量の増大および高融点材料の使用という二つの要求を同時に満足できるプラズマ溶射法が開発され、溶射の応用分野が著しく拡大しました。

1973年にはE.Muehlbergerによって、低真空中で雰囲気を制御して行う減圧プラズマ溶射法が開発されました。この方法は皮膜の清浄度、緻密度、密着度が著しく向上し、航空機エンジンの部品のような、極めて高い信頼性が要求される対象に対しても、溶射法が広く採用されるようになりました。

 

日本にこの技術が導入されたのは、1919年江澤謙二郎によります。当初は、美術工芸品や建築装飾品などに適用されました。その後、防食用に亜鉛や亜鉛・すずの溶射が行われるようになりました。

第二次世界大戦のときには、一部で生産設備への耐熱・耐食、自動車、戦車などの部品への肉盛、その他補修のために溶射が適用されました。戦後になると、溶射の主な用途は、各種容器類、土木建築物などへの、防錆、防食のための溶射でした。

昭和30年代に入ると、それまでに実用化されていたフレーム溶射、アーク溶射に加えて、プラズマ溶射、爆発溶射などの新しい技術が導入されました。

1960年代後半高度成長期には、各種機械、装置の部品、部材などの表面改質の高度化要求に対応するために、溶射法と装置の開発と高性能化、各種溶射材料の改良と開発、さらに溶射施工法の進歩や管理技術の改善により、皮膜の種類が増え、かつその品質が著しく向上しました。現在では、防錆・防食の用途だけではなく、耐摩耗性や耐熱性をはじめとした各種機能の付与を目的として溶射の適用分野が急速に広がり、重要な加工技術として現在に至っています。

 

3.溶射の特徴

(1)ほとんどすべての金属及び、セラミック、樹脂を、溶射・コーティングすることができます。

(2)加工される被加工物(基材)の表面温度は通常100℃以上にならないので、金属だけではなく、陶磁器や木材、ガラスなどほとんどの素材にコーティングすることが可能です。また基材の温度が上昇しないので熱ひずみを生じません。

(3)現場加工が容易です。そのため、大型工作物や複雑形状のものでも施工できます。

(4)溶射皮膜厚さが自由のコントロールできます。例えば、30μm~10mm以上の範囲で可能です。

(5)施工時間が短い。例えば、肉盛加工の場合めっきは生成速度が遅く施工に長時間必要とするし、溶接の場合はひずみを生じてしまうなどの短所がありますが、溶射はいずれの短所もカバーすることができます。

(7)皮膜の基材への密着は、ほとんどが機械的な噛付きによって密着しているため、めっきや肉盛溶接と比較して剥離強度が小さく、剥がれやすいです。

 

4. 溶射方法の種類

現在一般に実用されている溶射法は、溶射材料を加熱する熱源の種類のより、ガス式溶射法と電気式溶射法に大別されます。さらに、加熱形態や、溶射材料、処理物の種類や形態によって細分化されます(図11.2)。

  図11.2 溶射方法の種類

以下に、加熱形式により分類される個々の溶射法について概観します。

4.1 ガス式溶射
4.1.1 フレーム溶射

通常、フレーム溶射といわれる方法は、酸素と可燃性ガス(通常はアセチレン)の燃焼炎のエネルギーを用いるものです。溶射材料の形態により溶線式及び、溶棒式、粉末式に分類されます。燃焼炎は安定的な熱源ですが、最高温度は3300~3400K程度で、ほとんどの実用金属の溶射が可能ですが、一般に生成皮膜は機構が多く存在します。また、セラミックの溶射では材料に融点の関係から適用される種類が限定されます。

(1)溶線式(記号;WF)(図11.3)

溶線式は、各種金属、合金の線材を溶射材料とするものです。燃焼炎中に溶射材料の線材を供給して、その溶融粒子を空気ジェットで基材に吹き付けて、皮膜を形成します。

  図11.3 溶線式フレーム溶射

 

(2)溶棒式(記号;RF)(図11.4)

溶棒式は、原理的には溶線式と全く同じです。低融点のセラミックス(酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化クロムなどの酸化物セラミックス)を焼結した棒を、溶射材料にする方式です。
完全に溶融された材料だけが溶射されるため、溶射⽪膜は未溶融粒⼦を含みません。そのため粒⼦間の結合⼒が⾼ く、⽐較的靭性に富んだ⽪膜が得られます。

  図11.4 溶棒式フレーム溶射

 

(3)粉末式(記号;PF)(図11.5)

粉末式は、大気圧下での燃焼炎を用いて、線材にできない合金や、低融点のセラミックスあるいはプラスチックの粉末を燃焼炎中に供給して溶射します。
この方式で、用いられる自溶合金(JIS H8303)は、Ni基及びCo基で、2~5%程度のSiとBとを含有させています。溶射後は、ヒュージングを行い、気孔のない基材表面に完全に融着した皮膜を生成します。この自溶合金には、さらに耐摩耗性を高めるためにWC粉末を混入したグレードもあります。

  図11.5 粉末式フレーム溶射

 

4.1.2 高速フレーム溶射(記号;HVF)(図11.6)

近年急速に発達したもので、HVOF溶射とも言います。溶射ガン内で、酸素と燃料の混合ガスを燃焼室で高圧下で燃焼を開始させ、超音速の燃焼炎をバレル出口から噴出させます。溶射材料は粉末で、バレル入口の中心に供給されます。
高速フレーム溶射の特徴は、粉末粒子が高速度で基材に衝突するので、ち密で密着性の高い皮膜が得られることです。

  図11.6 高速フレーム溶射

 

4.1.3 爆発溶射(記号;DF)

水冷却の溶射ガンの燃焼部に、酸素と燃料ガス(アセチレン)を厳密に定量して送り込み、さらに溶射材料粉末を送り込んで、粉末が浮遊している間に点火、爆発させます。爆発により発生した熱と圧力波によって、加熱・加速した粉末を数百~1000m/sの速度で基材に衝突させて、皮膜を形成します。この爆発燃焼のサイクルを、1秒間に数回繰り返して行います。
爆発溶射法は、密度が高く基材への密着性に優れた皮膜が得られます。

 

4.2 電気式溶射
4.2.1 アーク溶射(記号;ES)(図11.7)

アーク溶射は、溶射材料の導電性の線材が、溶射ガンの2本のノズルを通して供給され、溶射材料の先端の間にアークを発生させて、それにより生じた溶融材を空気ジェットで微粒子にして、基材に吹き付けて、皮膜を形成させる方法です。

アーク溶射の特徴は、アークが極めて高効率な加熱源であるので、単位時間当たりの溶射量(溶射速度)が非常に高く、皮膜の密着性に優れていることです。主として、亜鉛やアルミニウムによる防食溶射に用いられます。

  図11.7 アーク溶射

 

4.2.2 線爆溶射(記号;WES)(図11.8)

充電したコンデンサーから、導電性の溶接材料の線材に、高電圧を瞬時に印加して爆発的な溶融を行わせ、発生した高速度に飛散する溶融粒子を基材に衝突させて、皮膜を形成させる方法です。溶融粒子を捕獲するために円筒内面が有利なため、パイプの内面コーティングに用いられます。

  図11.8 線爆溶射

 

4.2.3 プラズマ溶射(記号;PS)(図11.9)

プラズマ溶射は最も高い熱エネルギーを利用する方法です。溶射ガンはタングステン製の陰極と陽極の水冷ノズルとの間にきわめて電流密度の高い直流アークを生成させて、かつアルゴンなどの不活性ガスをノズルからプラズマ放電で得られる超高速、超高温(1万℃以上)のプラズマジェットとして噴出させて、その中に供給する溶射材粉末加熱・加速して、基材に衝突させて皮膜を形成する方法です。
この方法では、材料が粉末であれば、金属や、セラミックス、サーメット、プラスチックなどほとんどの材料の良好な皮膜を作成することができます。

  図11.9 プラズマ溶射

 

(1)ガスプラズマ溶射(記号;APS)
通常は大気雰囲気中で溶射されることが多く、ガスプラズマ溶射、もしくは大気プラズマ溶射と呼ばれます。

(2)減圧ガスプラズマ溶射(記号;LPS)
通常2.7~27.7Pa程度の雰囲気(成分は作動ガスと同一)の減圧下で溶射をする方法です。減圧下では、プラズマのフレームが伸び、」かつ高速になるとともに、雰囲気が不活性になるため基材の高温予熱が可能になります。また、溶射粒子の化学的・金属的変化も少なくなるので、密着性が格段に高い、かつ気孔が極めて少ない高性能の皮膜を得ることができます。
ただし、減圧容器や排気ポンプが必要なので、溶射装置としては複雑で高価になります。

(3)水プラズマ溶射(記号;WPS)
水プラズマ溶射は、プラズマ溶射ガンにプラズマガスの代わりに水を供給して、アークによって水が熱分解して生じる酸素イオンと水素イオンを作動ガスとするプラズマ溶射法で、水安定化プラズマ溶射ともいいます。

 

5. 溶射の施工工程

溶射は工場での溶射、もしくは現場施工のどちらも行われます。何れの場合も図11.10に示す手順によります。溶射の各工程について、摺動部が摩耗したポンプ軸を例にして概要を示します。

  図11.10 溶射施工工程の例

 

(1)素材
分解可能なものについては単一部品に分解します。

(2)アンダーカット
溶射肉盛部を、必要な皮膜厚みになるように機械加工します。仕上がり形状がねじ状になるように切削して、頂部をつぶして溶融金属が引っ掛かりやすいように加工します。

(3)マスキング
溶射すべき部分以外はビニールテープや薄い金属(ブリキ板など)で覆いをして、不必要な溶着金属が付着するのを防止します。ビニールテープや厚手の紙でも燃えることはありません。次工程のブラストクリーニングのカバーにもなります。

(4)ブラストクリーニング
溶射前のクリーニングと溶射金属の密着をよくするために、スチールグリッドによりショットブラストを実施します。ブラストした表面は鋭く荒れて、溶射材の密着効果(アンカリング)を高めます。

(5)予熱
母材温度を150℃くらいに予熱します。表面脱脂もねています。下地処理が必要な場合はモリブデンなどをコーティングして密着性をよくします。

(6)溶射
溶射時は、表面温度が150℃以上にならないように、均一に溶射肉盛します。

(7)フュージング
自溶性粉末溶射材の場合、溶射後にアセチレンバーナーにより1000~1100℃で溶射皮膜を再溶融させ、母材金属と強固に結合させます。冷却は粉末の中などで徐冷します。

(8)封孔処理
溶射部は多くの気孔が存在します。用途によっては、この空孔部を潤滑油の保持などに積極的に利用する場合もありますが、一方、気孔を塞ぐ必要があります(シーリング)。封孔剤(シーラー)の種類と用途とを表11.11に示します。

  図11.11 封孔剤の種類と用途

(8)仕上げ加工
溶射層の硬さや要求仕様に応じて、バイト仕上げや、研磨仕上げ、超仕上げを行います。溶射したままの皮膜の表面は粗面ですので、原則機械加工が必要です。従って溶射層の厚みは仕上げ代を加える必要があります。仕上げ代は溶射方法や溶射材によって変わりますが、0.1~0.3mm位が普通です。

金属系の溶射皮膜の切削は、ハイスまたは超硬バイトで可能で、1回の切込み量を0.1mm/rev以下にする必要があります。セラミックス溶射皮膜の場合は、研削加工を施します。仕上精度にもよりますが、研削砥石は、ダイヤモンドや、GC、SiCで、粒度は#100~#400メッシュが用いられます。研削加工は砥石の種類、周速で切れ味が変化します。小口径の砥石で高速回転させるよりも、大口径砥石で適正周速で研削するほうが、切れ味がよく仕上面も良好になります。研削砥石の切味が悪いと、溶射粒子の結合は機械的であるため脱落して、要求される仕上面が得られません。

 

6. 溶射技術の応用

溶射は、他の表面改質方法と比較すると、多くの長所があります。ここでは、筆者が流体機器メーカに在籍していた時に経験したり、調べたりした事例が多いですが、最近の事例についても述べたいと思います、

(1)耐摩耗部品や作業工具
メカニカルシールの摺動面にセラミックや超硬の溶射材を使用します。

(2)タンクや橋梁、鋼構造物
橋梁などには、亜鉛を溶射することが多く、プラント回りや海岸側の塩分雰囲気ではアルミニウム溶射または亜鉛-アルミニウム溶射が施工されます。現在でも、重要な用途になります。

(3)モータや減速機のハウジング、ベアリング部等の摩耗部の再生

(4)熱交換機などの腐食摩耗の防止
熱交換機の管板の防食耐摩耗やカバー内面の防食に、亜鉛またはアルミニウムが溶射されます。

(5)ポンプ部品の摩耗部の再生、摺動部の硬さ改善
カップリング嵌合部や、グランドパッキン用スリーブなどの摩耗部を補修するために溶射を使用します。

(6)自動車用エンジン
アルミニウム合金化した自動車エンジンのバルブリフタへの炭素鋼の溶射、シリンダ内部への鋳鉄系材料の溶射などが適用されます。

(7)ガスタービン
ガスタービン部品の断熱を目的として、NiCrAlY合金やCoCrAlY合金などをアンダーコートとして、セラミックス皮膜としてZrO2・MgOなどを溶射します。

(8)センサ
自動車用酸素センサへのジルコニア皮膜

(9)燃料電池
燃料電池用の固体電解質のためのジルコニア皮膜

(10)インプラント
多孔質で表面積が大きい特性を利用した、医用インプラント(人工歯根、金属義肢など)へのハイドロキシアバタイト皮膜

(11)光触媒
環境浄化のためのNOxなどの分解を行う光触媒作用を持つチタニアの皮膜

 

7. JIS規格

溶射関係のJIS規格を示します。

JIS H8200:溶射用語
JIS H8250:溶射の記号による表⽰⽅法
JIS H8260:溶射⽤粉末材料
JIS H8300:亜鉛,アルミニウム及びそれらの合⾦溶射
JIS H8302:⾁盛溶射(鋼)
JIS H8303:⾃溶合⾦溶射
JIS H8304:セラミック溶射
JIS H8306:サーメット溶射
JIS H8401:溶射⽪膜の厚さ試験⽅法
JIS H8402:溶射⽪膜の引張密着強さ試験⽅法
JIS H8403:溶射効率測定⽅法

 

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参考文献

溶射工学便覧  (一社)日本溶射学会
三興防蝕株式会社様HP
大阪富士金属工業株式会社様HP
機械保全作業活用ハンドブック  技術評論社

 

 

引用図表

図11.1 溶射皮膜形成のモデル  大阪富士金属工業(株)様カタログ改
図11.2 溶射方法の分類   ORIGINAL
図11.3 溶線式フレーム溶射   三興防蝕株式会社様HP
図11.4 溶棒式フレーム溶射   三興防蝕株式会社様HP
図11.5 粉末式フレーム溶射   三興防蝕株式会社様HP
図11.6 高速フレーム溶射    三興防蝕株式会社様HP
図11.7 アーク溶射       三興防蝕株式会社様HP
図11.8 線爆溶射        三興防蝕株式会社様HP
図11.9 プラズマ溶射      三興防蝕株式会社様HP
図11.10 溶射施工工程の例   機械保全作業活用ハンドブック改
図11.11 封孔剤の種類と用途  機械保全作業活用ハンドブック

 

ORG:2018/8/1
REV:2018/8/23

 

 

補足

管理人は、大学院を卒業後に勤めた会社でプラント関係の機器を設計する際に、潤滑や耐摩耗等の目的で、溶射を部品(特に回転・摺動部品)に適用していました。当時の管理人の経験値が少なかったのかもしれませんが、もっぱら第一メテコ(現エリコンメテコ)の商品名で製作指示をしておりました。

今回改めて、溶射について見直してみると、管理人がプロセス機器の設計者当時にもあったかもしれませんが、いろいろな会社があることに驚きました。また、管理人の過去の知識の基づいているだけでは、現在の溶射技術についてまとめるに、時間不足(力不足かも)ということがわかりました。

今後、もう少し情報(各社HP、paper など)を整理して、本コンテンツについてはリライトしたいと考えています。