溶射用語集

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溶射は熱源の種類によって,ガス式溶射,電気式溶射などに分けられ,また,溶射材料の形態によって,溶線式,溶棒式,粉末式などに分けられる.(JIS H 8200 による分類)
 一方,溶射材料に基づいて,金属溶射,亜鉛溶射,アルミニウム溶射,鋼溶射,自溶合金溶射,セラミック溶射,サーメット溶射,プラスチック溶射,などに分類される.また,その目的によって,耐食溶射,防錆溶射,耐摩耗溶射,耐熱溶射,熱遮蔽溶射(TBC: thermal barrier coating),耐高温酸化溶射,耐高温腐食溶射,アブレイダブル溶射(間隙調整溶射,造隙被削溶射),装飾溶射,塗装下地溶射,肉盛溶射,補修溶射,溶射成形,などと呼ばれることもある.最近では,センサー,燃料電池,熱電変換素子などにも溶射の応用分野が広がり,これらは機能性溶射と呼ばれている.



フレーム溶射(flame spraying)
酸素・アセチレン混合ガスの燃焼炎などのようなガス炎を溶射の熱源に利用する溶射方法をフレーム溶射と呼ぶ.
溶射材料の形態により,溶線式フレーム溶射,溶棒式フレーム溶射,粉末式フレーム溶射に分けられる.


溶線式フレーム溶射(wire flame spraying)
線状の溶射材料を連続的に送給しながらガス炎で溶融し,さらに二次的に流す圧縮空気流によって細粒化した溶滴を加速して被覆対象物に衝突堆積させて皮膜とする溶射法.炭素鋼,アルミニウム,亜鉛などの溶射に利用される.
線材にすることができないセラミックなどもセラミック充填プラスチックチューブ(cored wire)にすることによって溶射可能になる.


溶棒式フレーム溶射(rod flame spraying)
溶射材料に棒状の材料を用いる溶射法.
線材に加工することができないセラミックスの溶射などに用いる.


粉末式フレーム溶射(powder flame spraying)
材料を粉末の形で燃焼炎中に送り溶射する.ほとんどすべての金属と合金,セラミックス,サーメットおよびプラスチックの粉末に応用できる.


高速フレーム溶射(high velocity flame spraying)
高圧の酸素と炭化水素系燃料ガスなどの燃焼炎を利用したフレーム溶射法の一種.燃焼室の圧力を高めることにより,連続燃焼炎でありながら爆発溶射炎に匹敵する高速火炎を発生させることができ,溶射粉末が高速度で基材に衝突しち密な膜を形成する.
連続的に皮膜が形成されるので爆発溶射法より皮膜形成速度が大きくできる.
HVOF(high velocity oxy-fuel)法とも呼ばれる.高圧酸素に代えて圧縮空気を用いる方法をHVAF(high velocity air fuel)法と呼び区別することがある.爆発溶射法同様,サーメットなどの耐磨耗皮膜形成に優れた性能を示す.
一般には粉末材料が用いられるが,最近では溶射材料として線材を用いることができる装置も開発されている.


爆発溶射D-gun process, detonation gun process)
アセチレン・酸素混合ガスの爆発によって生じる高温,高速のガス流を利用して,金属やセラミックの粉末を溶融,加速して被覆対象物に吹き付け,皮膜とする溶射法.
米国のユニオン・カーバイト社によって1950年頃開発された.爆発炎は音速を超えるので,溶射粉末は高速度で基材に衝突する.サーメット溶射に優れた性能を示す.大きい爆発音を発し,間欠的に溶射される.


サーメット(cermet)
セラミック(ceramic)と金属(metal)の複合語であり,この両者の複合材料を表す.溶射関係者の間では,WC-Co,TiC-Ni,Cr3C2-NiCr など,文字通りセラミックと金属の複合材料を総称してサーメットと呼んでいる.
サーメットは元々TiC-Ni工具の商品名であり,工具を取り扱う分野あるいは粉末冶金の分野ではWC-Coを「超硬合金(hard metal, cemented carbide)」,TiC-Niを「サーメット」,と区別して呼んでいる.


アーク溶射(arc spraying)
ワイヤアーク溶射とも呼ばれる.2本の金属ワイヤの間にアークを発生させ,アークの熱によってワイヤを溶融し,その溶融速度にあわせてワイヤを送給しながら,圧縮空気などのガス噴射によって溶滴を微細化させ,被覆対象物に向かって吹きつけ皮膜を形成させる溶射法.
アルミニウム,亜鉛,銅,鋼などの金属の溶射に多く用いられる.導電性材料にしか適用できないが,金属チューブにセラミックを充填したセラミック充填金属チューブ(cored wire)を用いることによってサーメットの溶射も可能になる.


プラズマ溶射(plasma spraying)
電極の間に不活性ガスを流して放電すると,電離して高温・高速のプラズマができる.このプラズマを溶射の熱源として用いる溶射法をプラズマ溶射と呼ぶ.
一般には,アルゴンを作動ガスとして,水冷されたノズル状の銅製陽極とタングステン製陰極を用いる.電極の間にアークを発生させると作動ガスがアークによってプラズマ化され,ノズルから高温高速のプラズマジェットとなって噴出する.このプラズマジェットに溶射材料粉末を投入し加熱加速して基材に吹き付ける.燃焼炎を用いるフレーム溶射では溶射フレームの理論的最高温度は高々3000℃程度であるが,プラズマガス温度の上限は理論的には存在せず,通常は5000から10000℃程度の熱プラズマが用いられ,高融点材料の溶射に適している.
通常の大気中で行うプラズマ溶射を下記の減圧プラズマ溶射との対比において大気プラズマ溶射(APS: atmospheric plasma spraying, air plasma spraying)と呼ぶ.


減圧プラズマ溶射(LPS: low pressure plasma spraying)
大気圧よりも低い気圧での溶射を,減圧溶射という.減圧容器内で,雰囲気のガスおよびその圧力を制御しながら溶射する.
プラズマはトーチから減圧雰囲気中に膨張しながら噴出するので流速が高く,また,その長さは長くなる.大気による影響が少なく,溶射材料や被覆対象物の酸化が少ない溶射が可能となり,活性金属の溶射が可能になる. 皮膜と被覆対象物との界面および溶射粒子間の結合強度が高く,ち密で空隙の少ない溶射皮膜ができる.
LPPS(low pressure plasma spraying)あるいはVPS(vacuum plasma spraying)(いずれも装置の商品名)と呼ばれることもある.
減圧雰囲気での溶射は,アーク溶射,線爆溶射などにも採用される場合がある.


加圧プラズマ溶射(high pressure plasma spraying)
減圧プラズマ溶射とは逆に,大気圧より高い加圧容器内でプラズマ溶射を行うもの.
大気中あるいは減圧雰囲気ではプラズマジェットが伸張することによりエネルギー密度が下がり,ジルコニヤのような高融点セラミックを充分に溶融させることができない.一方,加圧雰囲気ではプラズマジェットが短くなるとともに温度も高くなるため,高融点材料の溶射には適している.また,雰囲気圧力の高いことを利用して,たとえば,Tiを窒素雰囲気中,窒素ガスを添加したプラズマで溶射し,溶射中にTiNあるいはTiNを含んだ皮膜を作る,反応性プラズマ溶射法への応用も検討されている.
加圧プラズマ溶射装置は,減圧から加圧までをカバーした雰囲気制御プラズマ溶射装置(CAPS: controlled atomospher plasma spraying system)として登場し,これからのプラズマ溶射法の一つの流れを創るものと考えられる.


水中プラズマ溶射(under water plasma spraying)
水中でプラズマジェットを発生させると,プラズマガスによって周りの水が押しのけられ,被覆対象物と溶射ガンとの間に中空のドームができ,溶射が可能になる.
水中での補修溶射などの他,基材上で溶着粒子が急冷されることを利用した新素材の開発などの用途が考えられるが,溶射ガンあるいは被覆対象物を動かしながら被覆していく通常の溶射方法では溶射前後の基材表面あるいは溶射皮膜表面が水によって汚染される,未溶融粒子,ヒュームなどの巻き込みが多くなる,などの問題点もあり一般には用いられてない.
プラズマジェットに及ぼす雰囲気圧力の効果は,この水中プラズマ溶射の試行の中で検討されてきたものであり,その結果は加圧プラズマ溶射として利用されている.水中プラズマ溶射そのものは,溶射用粉末をはじめとする各種粉末の緻密化,球状化プロセスとして今日に引き継がれている.


水安定化プラズマ溶射(water stabilized plasma spraying, liquid stabilized plasma spraying)
通常のプラズマトーチではアルゴンなどを作動ガスに用いるのに対し,水プラズマトーチでは水を使う.
プラズマ溶射ガンの中に供給した水がアークによって分解して生じる酸素と水素をプラズマ作動ガスとするプラズマ溶射法.プラズマジェット中に多量の酸素を含み,強い酸化性雰囲気となるため,主として酸化物系セラミックの溶射に用いられる.チェコスロバキアで開発された.
作業効率が極めて高く,大口径のセラミックスパイプなどの溶射成形にも用いられている.


RFプラズマ溶射radio frequency induction plasma spraying),
インダクションプラズマ溶射(induction plasma spraying)
セラミックス,石英ガラスなどでできた円筒に巻き付けた導体コイルに高周波電流を通し,電磁誘導で作動ガスをプラズマ化する.そのプラズマ流中に材料粉末を送給して皮膜を形成させる溶射法.
放電空間に電極がないので電極に起因する汚染がない,酸化性・腐食性ガスもプラズマ化できる,溶射材料のプラズマ中での滞留時間が長く完全溶融が期待できる,プラズマの中心軸に粉末が供給できるなど溶射にとって,特に反応性溶射にとって魅力的な特徴を備えている.一方,装置が複雑で取り扱いが容易でない,溶射粒子の基材への衝突速度が通常の溶射法に比べ小さく,緻密な皮膜が得にくいなどの欠点もあり,一般的な用途には用いられていない.
水中プラズマ溶射と同様,各種粉末の緻密化,球状化に用いられている.また最近,原料粉末の代わりに微粉末懸濁液(サスペンション)を直接プラズマ中に投入し,機能性皮膜やその原料粉末を製造する方法(SPS: suspension plasma spraying)が発表されている.


電磁加速プラズマ溶射(electronmagnetic acceleration plasma spraying)
プラズマ加速器,宇宙用推進機として開発されてきた電磁プラズマ加速(MPD: magneto-plasma-dynamic)アークジェット発生装置を溶射に応用したもの.
電磁プラズマ加速アークジェット発生装置は,通常のDCプラズマ溶射装置と同様,円環状の陽極と,その内側の棒状陰極で構成される.この電極間にkAオーダーの大電流を流すと作動ガスが電離・プラズマ化し,放電電流とその自己誘起磁場によって電磁気的に加速される.このため従来,溶射に用いられているプラズマ熱源に比べて高速・高温・高密度の大面積プラズマの生成が可能である.また,高速プラズマ中では化学反応が凍結し,解離原子や電離イオンのような活性種の下流への輸送効率が高くなるので,化学反応性の向上も見込まれ,反応性プラズマ溶射への応用が期待される.
パルス通電によるため成膜速度が小さいなどの欠点もあるが,今後の発展が期待される技術である.


線爆溶射(wire explosion spraying)
溶射材料の金属を線や箔にし,これにコンデンサに蓄えた電荷を瞬間的に放電して大電流を流し,爆発的に溶融・微粒子化した材料を被覆対象物に吹き付けて,皮膜を形成する溶射.
材料の導線はきわめて短時間に加熱され溶融し,溶滴と蒸気は周りを取り囲む被覆対象物に高速度で衝突し,溶射皮膜を形成する.パイプの内面溶射に適しており,エンジンシリンダ内面への適用例がある.


電熱爆発粉体溶射(ELTEPS: electrothermally exploded powder spray)
電気良導性固体物質の粉末を溶射原料として高電圧・大電流放電により加熱と加速を行い被覆対象物に皮膜を形成する溶射法で,主に高融点の非酸化物系セラミックスの皮膜合成を対象としている.
ポリエチレンチューブに溶射原料粉末を充填し,スリット状の溶射用窓をもうけた金属パイプに挿入する.コンデンサーに蓄えた電気エネルギーを大電流として短時間に取り出して粉末をジュール加熱すると粉末が爆発的に噴出し,非常に高速で基材に衝突し,皮膜を形成する.従来の溶射法では皮膜を形成できない非酸化物系セラミックス単体の緻密な皮膜を作ることができる.
この際,溶射条件により溶射材料と基材表面が緻密に混合し合った接合層を形成できる.また,異種混合粉体を用いた化学反応溶射もでき,複合皮膜を合成できる.
今後の発展が期待される技術である.


コールドスプレー(cold spray)
溶射材料の融点または軟化温度より低い温度(300~500℃程度)に加熱した高圧のガスを先細末広(ラバル)ノズルにより超音速流にし,その流れの中に溶射粒子を投入して加速させ,固相状態のまま基材に高速で衝突させて皮膜を形成する技術. ガスにはヘリウム,窒素,空気などが使用され,ヘリウムを使うと高い流速が得られる.
粒子を低速で衝突させても基材に皮膜は形成されず,場合によってはエロージョン磨耗が生じる.粒子の衝突速度が,およそ500m/s以上になると粒子の運動エネルギーにより粒子が塑性変形して皮膜を形成しはじめる. 溶射材料としては,金属(銅,ステンレス,ニッケル,チタンなど)やプラスチックが使われ,さらにはサーメットも成膜することが確認されている.
1980年代にロシア科学アカデミーで開発された溶射法で,最近,アメリカ,ドイツを中心に開発,実用化の研究が行われている.粒子を溶融させないため,従来の溶射法の様々な問題点が克服される可能性があり,注目されている.


レーザ溶射(laser spraying)
炭酸ガスレーザ,YAGレーザなどの高出力(数kW)レーザを溶射の熱源として使用する溶射法.溶射材料として,粉末を用いるもの,線材を用いるものなどが考案されている.
レーザビームをレンズで集光して,その焦点近くに溶射材料の線材を送給する.溶融された液滴を高圧のガスで被覆対象物に吹き付け皮膜を形成する.あるいは,集光したレーザービームを通過するように溶射材料粉末をガスジェットにのせて送給する.
エネルギー源が清浄である,溶射雰囲気ガスの種類と圧力を容易に制御できるので皮膜の設計が容易になる,微少部への溶射が可能になる,などの特徴を持つ.一方,設備装置が高価である,運転経費が高くつく,材料の種類によってレーザの吸収率が異なり,加熱効果が変わるなどの欠点もあり,特殊な用途に限られる.
プラズマ溶射と同時,あるいは前後にレーザを照射し皮膜特性の改善を図るレーザ・プラズマ複合溶射(laser-plasma hybrid spraying)の試みもある.


自溶合金(self fluxing alloy)
Ni基,Ni-Cr基あるいはCo基の合金にBとSiを1 % から数 % 添加したもので,耐磨耗性,耐食性,耐高温酸化性などにすぐれている.溶射後,加熱再溶融処理(フュージング)を施すことによって,緻密で基材との密着力の高い皮膜を作ることができる.
BとSiの添加は合金の融点を下げフュージングを容易にすると同時に,皮膜中の酸化物を除去するフラックス(flux)成分として働く.このため,自溶合金(self fluxing alloy)と呼ばれている.
フュージング後の皮膜に形成されたホウ化物は硬度が高く,耐磨耗性の向上に寄与する.また,溶融処理により皮膜が緻密化するので,耐腐食性も高く防食用途にも用いられる.



参考資料:
日本溶射協会編;「溶射用語事典」,産報出版,(1994).
日本溶射協会編;「溶射技術ハンドブック」,新技術開発センター,(1998).
蓮井 淳;「新版 溶射工学」,産報出版,(1996).
沖 幸男;プラズマ溶射法の最新技術,表面技術,6 (1998),pp. 44 - 51.
榊 和彦;新しい溶射プロセス Cold Spray,溶射技術,20 - 2 (2000), pp. 32 - 41.
田原弘一,柴田哲司,安井利明,加賀谷洋一,吉川孝雄;電磁加速プラズマ溶射法とそのセラミックコーティングへの応用,溶射,35 (1998), pp. 107 - 114.
田村英樹;電熱爆発粉体溶射法と皮膜の性状,溶射,36 (1999), pp. 111 - 121.
白沢秀則,大森 明;プラズマ・レーザ複合溶射装置とその研究概要,溶射技術,17 - 3 (1998), pp. 16 - 19.


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