溶射部材の製造方法
【課題】基材に溶射皮膜が形成された溶射部材の製造に際し、密着性に優れた溶射皮膜を形成することができる溶射部材の製造方法を提供する。
【解決手段】基材に溶射皮膜が形成された溶射部材の製造に際し、主粉末２１の表面に硬質材料からなるラミネート層２４を形成した第１の溶射粉末２５と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末２７とを同時に溶射し、前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることにより、前記第１の溶射粉末の前記第２の溶射粉末との付着部において前記主粉末を露出させ、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末と前記基材側とを結合させる、及び／又は、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末どうしを結合させるようにする。
【解決手段】基材に溶射皮膜が形成された溶射部材の製造に際し、主粉末２１の表面に硬質材料からなるラミネート層２４を形成した第１の溶射粉末２５と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末２７とを同時に溶射し、前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることにより、前記第１の溶射粉末の前記第２の溶射粉末との付着部において前記主粉末を露出させ、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末と前記基材側とを結合させる、及び／又は、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末どうしを結合させるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車などの内燃機関のエンジン性能を維持するために、内燃機関を構成する機械部品の摺動部には耐摩耗性を確保することが求められている。耐摩耗性を確保するための方法として、粉末状又は棒状に形成された溶射材料を、プラズマなどの電気エネルギーや燃焼エネルギーなどを用いて溶融又はそれに近い状態にして高速に加速し、機械部品の摺動面に吹き付けて溶射皮膜を形成する溶射法が知られている。
【０００３】
溶射法として、プラズマ溶射やフレーム溶射などの溶射法が知られており、例えばプラズマ溶射や高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）などの溶射法では、一般に粉末状に形成された溶射材料（溶射粉末）が用いられている。溶射粉末を用いるものとして、機械部品の摺動面に溶射皮膜を形成するものではないが、例えば特許文献１には、中性子吸収材に関し、金属製の基材の表面に、アルミニウムやニッケルなどの金属粉末と炭化ホウ素などのホウ素化合物粉末とを溶射方法によりコーティングし、該基材の表面に対し実質的に全面にわたって密着した金属−ホウ素複合層を設けることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７７６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材において、耐摩耗性などの溶射部材の特性を向上させるために、溶射粉末として、主粉末の表面を硬質材料で被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した溶射粉末を用いることが知られている。
【０００６】
このように、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した溶射粉末を用いる場合、耐摩耗性などの溶射部材の特性を向上させることができるものの、このラミネート層によって溶射皮膜の密着性が低下し、溶射皮膜に過大な負荷が加わると、溶射皮膜が剥離したり脱落したりする場合がある。
【０００７】
図８は、主粉末の表面にラミネート層が形成された溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。主粉末１０１の表面にラミネート層１０２が形成された溶射粉末１００を、例えばプラズマ溶射法などによって溶射して溶射皮膜を形成する場合、図８に示すように、溶射粉末１００は、溶射過程において、主粉末１０１の表面にラミネート層１０２が形成された状態のまま飛行する。
【０００８】
図９は、前記溶射粉末を用いて溶射皮膜を形成した溶射部材の断面を模式的に示す図であり、図９に示す基材には、基材と溶射皮膜との密着性を向上させるためのアンダーコート層が設けられている。図９に示すように、基材１１０に溶射粉末１００を溶射し、基材１１０に溶射皮膜１１５が形成された溶射部材１２０を製造する場合、基材１１０にアンダーコート層１１１が設けられている場合、アンダーコート層１１１を介して基材１１０に溶射皮膜１１５が形成されることとなる。
【０００９】
溶射部材１２０では、アンダーコート層１１１を用いて基材１１０と溶射皮膜１１５との密着性の向上が図られているものの、溶射粉末１００は、主粉末１０１の表面にラミネート層１０２が形成されているので、アンダーコート層１１１との界面ではラミネート層１０２によって溶射皮膜１１５の密着性が低下することとなる。特に、基材１１０にアンダーコート層１１１が設けられていない場合には、このような傾向がより顕著になり得る。また、溶射皮膜１１５中においても、ラミネート層１０２を介して溶射粉末１００どうしが結合することとなるので、基材１１０側から脱落しやすい溶射皮膜１１５が形成されることとなる。
【００１０】
したがって、主粉末１０１の表面に硬質材料からなるラミネート層１０２を形成した溶射粉末１００を、基材１１０に溶射して溶射皮膜１１５を形成する場合、ラミネート層１０２によって溶射皮膜１１５の密着性が低下し得るので、溶射皮膜の密着性を向上させることが望まれる。
【００１１】
そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層が形成された溶射粉末を用い、基材の表面に溶射皮膜が形成された溶射部材を製造するに際し、密着性に優れた溶射皮膜を形成することができるようにする、ことを基本的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このため、本願の請求項１に係る溶射部材の製造方法は、基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材の製造方法であって、主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることにより、前記第１の溶射粉末の前記第２の溶射粉末との付着部において前記主粉末を露出させ、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末と前記基材側とを結合させる、及び／又は、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末どうしを結合させるようにしたことを特徴としたものである。
【００１３】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記第１の溶射粉末及び前記第２の溶射粉末の飛行中に、前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることを特徴としたものである。
【００１４】
更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記硬質材料が、セラミック系材料であり、前記第２の溶射粉末が、酸化物系の低融点ガラス材料からなることを特徴としたものである。
【００１５】
また更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一に係る発明において、前記第１の溶射粉末の粒径が、前記第２の溶射粉末の粒径よりも大きいことを特徴としたものである。
【００１６】
また更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一に係る発明において、前記主粉末は、前記基材又は前記基材上に形成されるアンダーコート層に含有される元素と同一の元素を含有してなることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願の請求項１に係る溶射部材の製造方法によれば、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、第１の溶射粉末の第２の溶射粉末との付着部において主粉末を露出させるので、第１の溶射粉末の主粉末を比較的簡単に露出させることができ、第１の溶射粉末と基材側との結合、及び／又は、第１の溶射粉末どうしの結合を強固にし、密着性に優れた溶射皮膜を形成することができる。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、第１の溶射粉末及び第２の溶射粉末の飛行中に、第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、飛行中に第１の溶射粉末の主粉末を露出させるので、前記効果をより確実に奏することができる。
【００１９】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、硬質材料が、セラミック系材料であり、第２の溶射粉末が、酸化物系の低融点ガラス材料からなることにより、前記効果を有効に実現し得る硬質材料及び第２の溶射粉末を提供することができる。
【００２０】
また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、第１の溶射粉末の粒径が、第２の溶射粉末の粒径よりも大きいことにより、溶射皮膜において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末間に充填させることができ、前記効果をより有効に奏することができる。
【００２１】
また更に、本願の請求項５に係る発明によれば、主粉末は、基材又はアンダーコート層に含有される元素と同一の元素を含有してなることにより、第１の溶射粉末と基材又はアンダーコート層との結合をより強固にすることができ、前記効果を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
本実施形態では、主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射して溶射皮膜を形成し、溶射部材を製造した。
【００２３】
（１）溶射粉末の製造
図１は、本実施形態において第１の溶射粉末の製造に用いた造粒装置の概略構成図である。本実施形態では、図１に示す造粒装置１０を用いて第１の溶射粉末を製造した。造粒装置１０は、高速気流中衝撃法によって造粒する造粒装置であって、円筒状に形成される衝突リング１１と、衝突リング１１の前部（図１において左側）を覆う前部カバー１２と、衝突リング１１の後部（図１において右側）を覆う後部カバー１３と、衝突リング１１と前部カバー１２と後部カバー１３とによって形成される衝撃室１４内において衝突リング１１の中心軸に対して回転可能に設けられる円盤状のロータ１５と、該ロータ１５の外周部に放射状に配置されるブレード１６と、その一端が衝突リング１１の一部を貫通して衝撃室１４に開口し、その他端が前部カバー１２の中心部から衝撃室１４内に開口して閉回路を形成する循環回路１７と、を備え、この循環回路１７には、図示しない原料投入部と接続される原料供給バルブ１８が設けられている。
【００２４】
造粒装置１０は、図示しない駆動手段によってロータ１５を回転して衝撃室１４及び循環回路１７において循環気流を発生させ、それに伴って、原料供給バルブ１８を通じて循環回路１７に投入される原料が衝撃室１４及び循環回路１７を循環し、その際に、ブレード１６や衝突リング１１内壁に衝突して、原料に衝撃力などの機械的エネルギーを繰り返し付与して造粒する。この造粒装置１０に、主粉末の表面に主粉末より硬い硬質材料からなる副粉末を付着させた原料を投入し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層が形成された粉末（第１の溶射粉末）を造粒した。
【００２５】
本実施形態では、第１の溶射粉末用の主粉末としてクロムカーバイド−ニッケルクロム合金（Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金）粉末を用い、第１の溶射粉末用の副粉末として窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を用い、通常の撹拌混合装置を用いて、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金粉末の表面にＳｉ３Ｎ４粉末を付着させ、造粒装置１０に投入する原料を調製した。
【００２６】
第１の溶射粉末用の主粉末及び副粉末として用いた材料を以下に示す。なお、後述する第２の溶射粉末として用いた材料も合わせて以下に示す。
ａ）第１の溶射粉末用の主粉末
・材質 ：Ｃｒ３Ｃ２−２５ＮｉＣｒ
・品番 ：ＷＯＫＡ−７３０２（スルザーメテコ社製）
ｂ）第１の溶射粉末用の副粉末
・材質 ：Ｓｉ３Ｎ４
・品番 ：ＳＮ−Ｅ１０（宇部興産社製）
ｃ）第２の溶射粉末
・材質 ：ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯ
・品番 ：ＡＳＦ１２９１（旭硝子社製）
【００２７】
図２は、造粒装置における第１の溶射粉末の形成過程を模式的に示す図であり、図２の（ａ）は、主粉末の表面に副粉末が付着した状態を模式的に示す図、図２の（ｂ）は、主粉末の表面にラミネート層が形成された状態を模式的に示す図である。造粒装置１０では、図２（ａ）に示すように、主粉末２１の表面に副粉末２２を付着させた原料が投入され、衝撃力などの機械的エネルギーを付与して、図２（ｂ）に示すように、主粉末２１の表面にラミネート層２４を形成した粉末（第１の溶射粉末）２５を製造する。
【００２８】
第１の溶射粉末の製造に用いた造粒装置及び造粒条件等を以下に示す。
・造粒装置 ：ＮＨＳ−３型（奈良機械製作所製）
・粉末投入量：６００ｇ／バッチ
（Ｃｒ３Ｃ２−２５ＮｉＣｒ（５７０ｇ）、Ｓｉ３Ｎ４（３０ｇ））
・摺速 ：８０ｍ／ｓ
・造粒時間 ：１０ｍｉｎ
【００２９】
本実施形態では、以上のような条件によって、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料であるＳｉ３Ｎ４を被覆し、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層を形成して第１の溶射粉末を製造した。
【００３０】
図３は、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなる副粉末が付着した前記主粉末の電子顕微鏡写真であり、図４は、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層が形成された前記主粉末の電子顕微鏡写真である。
【００３１】
通常の撹拌混合装置を用いてＣｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末とＳｉ３Ｎ４からなる副粉末とを撹拌混合すると、図３に示すように、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなる副粉末が点在した状態で付着した原料が調製される。そして、この原料を造粒装置１０によって造粒すると、図４に示すように、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面に、図４において灰色部で示されるＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層が形成される。
【００３２】
なお、第１の溶射粉末を製造するために用いる主粉末と副粉末の大きさは、これに限定されるものではないが、造粒装置１０において詰まりを防止するために、主粉末は３２５メッシュ以下で粒径４５μｍ以下のものを用い、副粉末については粒径１μｍ程度のものを用いた。
【００３３】
また、本実施形態では、溶射粉末として、前述した第１の溶射粉末２５に加え、第１の溶射粉末２５のラミネート層２４を形成する材料に対して濡れ性がよく、第１の溶射粉末２５のラミネート層２４の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末を用いる。第２の溶射粉末として、各種セラミックの焼結温度を低下させるために用いられる酸化物系の低融点ガラス材料からなる粉末を用いることができ、具体的には、ケイ酸（ＳｉＯ２）を主成分とし、軟化点を下げるホウ酸（Ｂ２Ｏ３）と、金属との濡れ性を向上させる酸化鉛（ＰｂＯ）とを含むＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯからなる粉末を用いた。なお、第２の溶射粉末の大きさは、第１の溶射粉末より小さいことが好ましく、第２の溶射粉末は、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末との総質量に対する第２の溶射粉末の質量の割合が５〜２０質量％であることが好ましい。
【００３４】
（２）溶射部材の製造
図５は、本実施形態に係る溶射部材の製造に用いた溶射装置の構成を模式的に示す断面説明図である。図５に示す溶射装置３０を用いて、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とを同時に、アルミニウム合金などからなる基材に溶射し、溶射部材を製造した。なお、基材には、前処理としてショットブラストを施し、密着性を阻害する錆びや汚れを落として表面を活性化させ、洗浄及び乾燥後に、ニッケルを含有するアンダーコート層を被覆した。
【００３５】
溶射装置３０は、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを基材に向けて噴射するためにプラズマアークを用いるプラズマ溶射装置であり、陰極を備えた第１の溶射トーチ４０と、陽極を備えた第２の溶射トーチ５０及び第３の溶射トーチ６０と、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを供給するための溶射粉末供給ノズル７０とを備えている。
【００３６】
第１の溶射トーチ４０は、ノズル４１と、該ノズル４１内に配設される電極棒４２とを備え、この電極棒４２は、図示しない直流電源に接続され陰極とされている。また、ノズル４１には、アルゴンガス供給源（不図示）からアルゴンガスを供給するためのガス供給通路４３と、ガス供給通路４３よりもノズル先端側に設けられ、空気供給源（不図示）から空気を供給するための空気供給通路４４と、空気供給通路４４よりもノズル先端側に設けられ、ガス供給通路４３と空気供給通路４４と連通してアルゴンガスと空気とを混合する混合通路４５とが設けられ、アルゴンガスと空気との混合ガスがノズル先端部に設けられた開口部４６から噴出されるようになっている。
【００３７】
第２の溶射トーチ５０は、第１の溶射トーチ４０よりも溶射すべき基材側に配置され、ノズル５１と、該ノズル５１内に配設される電極棒５２とを備え、この電極棒５２は、図示しない直流電源に接続され陽極とされている。また、ノズル５１には、アルゴンガス供給源（不図示）からアルゴンガスを供給するためのガス供給通路５３を備え、アルゴンガスがノズル先端部に設けられた開口部５６から噴出されるようになっている。
【００３８】
第３の溶射トーチ６０は、第１の溶射トーチ４０よりも溶射すべき基材側に配置されるとともに第２の溶射トーチ５０に対向して配置され、ノズル６１と、該ノズル６１内に配設される電極棒６２とを備え、この電極棒６２は、図示しない直流電源に接続され陽極とされている。また、ノズル６１には、アルゴンガス供給源（不図示）からアルゴンガスを供給するためのガス供給通路６３を備え、アルゴンガスがノズル先端部に設けられた開口部６６から噴出されるようになっている。
【００３９】
溶射粉末供給ノズル７０は、第１の溶射トーチ４０の外周側を覆うように設けられ、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを供給するための溶射粉末供給通路７１を備えた二重管構造で構成されている。溶射粉末供給ノズル７０は、陰極を備えた第１の溶射トーチ４０と陽極を備えた第２の溶射トート５０との間、及び、陰極を備えた第１の溶射トーチ４０と陽極を備えた第３の溶射トーチ６０との間で発生するプラズマアーク７１によるプラズマジェット流７２に、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを供給することができるようになっている。
【００４０】
このようにして構成される溶射装置３０では、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とが、第１、第２及び第３のトーチ４０、５０、６０によって形成されたプラズマジェット流７２中に材料供給通路７１を通じて供給されることにより、基材に向けて第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを同時に溶射することができるようになっている。
【００４１】
なお、プラズマジェット流７２への第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末との供給は、溶射装置３０のように第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末と混合した状態で溶射粉末供給ノズル７０に供給して同時に溶射するものに限定されるものでなく、第１の溶射粉末を供給する第１の溶射粉末供給ノズルと第２の溶射粉末を供給する第２の溶射粉末供給ノズルを用いて２つのノズルから第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とをプラズマジェット流に供給し、同時に溶射するようにしてもよい。
【００４２】
また、溶射装置３０には、溶射装置３０の作動を制御する制御ユニット（不図示）が設けられ、該制御ユニットによって各溶射条件を設定することができるようになっている。 溶射に用いた具体的な装置及び溶射条件等を以下に示す。
・溶射装置 ：ＡＰＳ７１００（ツインアノード）（エアロプラズマ社製）
・電流 ：２５０Ａ
・電圧 ：３６０Ｖ
・出力 ：９０ｋＷ
・粉末供給量：３０ｇ／ｍｉｎ
・溶射距離 ：１００ｍｍ
【００４３】
本実施形態では、以上のような条件によって、主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、基材に溶射皮膜を形成して溶射部材を製造した。
【００４４】
図６は、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とを同時に溶射すると、図６に示すように、溶射過程において、具体的には飛行中において、プラズマジェット流７２によって第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とが加熱された状態で第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とが互いに衝突し、第２の溶射粉末２７の一部は、第１の溶射粉末２５に付着する。
【００４５】
第１の溶射粉末２５の第２の溶射粉末２７との付着部では、第２の溶射粉末２７を形成するＳｉ３Ｎ４と第１の溶射粉末２５のラミネート層２４を形成するＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯとが反応し、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯが、より低融点を有する材料に変質し、第１の溶射粉末２５のラミネート層２４の融点が低下することとなる。第１の溶射粉末２５は、飛行中プラズマジェット流７２によって加熱され、第１の溶射粉末２５の主粉末２４が部分的に露出させられた状態で飛行する。
【００４６】
図７は、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とからなる溶射皮膜が形成された溶射部材の断面を模式的に示す図であり、図７では、基材にアンダーコート層が設けられている。基材８０に第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とを同時に溶射し、基材８０に溶射皮膜８５が形成された溶射部材９０を製造する場合、図７に示すように、基材８０にアンダーコート層８１が設けられている場合、アンダーコート層８１を介して基材８０に溶射皮膜８５が形成される。
【００４７】
溶射皮膜８５では、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とがラミネート層２４を介して基材８０側、具体的にはアンダーコート層８１と結合することとなるが、本実施形態では、溶射過程において第１の溶射粉末２５の主粉末２１を部分的に露出させるので、この露出部２５ａを介して、第１の溶射粉末２５の主粉末２１とアンダーコート層８１とが部分的に結合する。
【００４８】
これにより、第１の溶射粉末２５の主粉末２１とアンダーコート層８１とが冶金的に反応することができ、溶射皮膜８５の密着性を向上させることができる。また、溶射皮膜８５中においても、主粉末２１の露出した露出部２５ａを介して第１の溶射粉末２５どうしを結合させることができ、溶射皮膜８５の密着性をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、溶射粉末として、第１の溶射粉末２５に加えて第２の溶射粉末２７を用いているので、図７に示すように、第２の溶射粉末２７を、第１の溶射粉末２５間や第１の溶射粉末２５と基材８０側、具体的にはアンダーコート層８１との間に充填することができ、溶射皮膜８５の密着性をさらに向上させることができる。
【００５０】
基材にアンダーコート層が設けられていない場合においても、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、第１の溶射粉末２５の主粉末２１を露出させ、この露出部を介して第１の溶射粉末と基材とを結合させる、及び／又は、主粉末の露出した露出部を介して第１の溶射粉末どうしを結合させることで、溶射皮膜の密着性を向上させることができる。
【００５１】
なお、第１の溶射粉末２５の主粉末２１は、基材８０に含有される元素と同一の元素を含有していることが好ましく、基材８０にアンダーコート層８１が設けられる場合には、基材８０上に設けられたアンダーコート層８１に含有される元素と同一の元素を含有していることが好ましい。これにより、第１の溶射粉末と基材又はアンダーコート層との結合をより強固にすることができ、前記効果を確実に得ることができる。
【００５２】
このように、本実施形態に係る溶射部材の製造方法によれば、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、ラミネート層に付着してラミネート層を低融点化させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、第１の溶射粉末の第２の溶射粉末との付着部においてラミネート層を溶融させて主粉末を露出させるので、第１の溶射粉末の主粉末を比較的簡単に露出させることができ、第１の溶射粉末と基材との結合、及び／又は、第１の溶射粉末どうしの結合を強固にし、密着性に優れた溶射皮膜を形成することができる。
【００５３】
本実施形態では、第１の溶射粉末について、主粉末の材料として、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金を用いているが、ＷＣ、ＴｉＣＮｉなどのその他のサーメット材料を用いることができ、また、副粉末の材料として、Ｓｉ３Ｎ４を用いているが、ＺｒＯ２、ＺｒＳｉＯ４、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣなどのその他のセラミック系材料を用いることができる。
【００５４】
また、第２の溶射粉末の材料として、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２を用いているが、第１の溶射粉末を製造するための副粉末の材料としてＳｉ３Ｎ４が用いられる場合には、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯなどを用いることができる。
【００５５】
以上のように、本発明は、例示された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いて、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、基材に溶射粉末を溶射して基材に溶射皮膜が形成された溶射部材の製造に関するものであり、例えばエンジンのシリンダボアやピストンリングなどの摺動部材の表面処理として好適に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態において第１の溶射粉末の製造に用いた造粒装置の概略構成図である。
【図２】造粒装置における第１の溶射粉末の形成過程を模式的に示す図である。
【図３】Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなる副粉末が付着した前記主粉末の電子顕微鏡写真である。
【図４】Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層が形成された前記主粉末の電子顕微鏡写真である。
【図５】本実施形態に係る溶射部材の製造に用いた溶射装置の構成を模式的に示す断面説明図である。
【図６】第１の溶射粉末と第２の溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。
【図７】第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とからなる溶射皮膜が形成された溶射部材の断面を模式的に示す図である。
【図８】主粉末の表面にラミネート層が形成された溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。
【図９】前記溶射粉末を用いて溶射皮膜を形成した溶射部材の断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
２１、１０１ 主粉末
２４、１０２ ラミネート層
２５、１００ 第１の溶射粉末
２５ａ 露出部
２７ 第２の溶射粉末
８０、１１０ 基材
８１、１１１ アンダーコート層
８５、１１５ 溶射皮膜
９０、１２０ 溶射部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車などの内燃機関のエンジン性能を維持するために、内燃機関を構成する機械部品の摺動部には耐摩耗性を確保することが求められている。耐摩耗性を確保するための方法として、粉末状又は棒状に形成された溶射材料を、プラズマなどの電気エネルギーや燃焼エネルギーなどを用いて溶融又はそれに近い状態にして高速に加速し、機械部品の摺動面に吹き付けて溶射皮膜を形成する溶射法が知られている。
【０００３】
溶射法として、プラズマ溶射やフレーム溶射などの溶射法が知られており、例えばプラズマ溶射や高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）などの溶射法では、一般に粉末状に形成された溶射材料（溶射粉末）が用いられている。溶射粉末を用いるものとして、機械部品の摺動面に溶射皮膜を形成するものではないが、例えば特許文献１には、中性子吸収材に関し、金属製の基材の表面に、アルミニウムやニッケルなどの金属粉末と炭化ホウ素などのホウ素化合物粉末とを溶射方法によりコーティングし、該基材の表面に対し実質的に全面にわたって密着した金属−ホウ素複合層を設けることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７７６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材において、耐摩耗性などの溶射部材の特性を向上させるために、溶射粉末として、主粉末の表面を硬質材料で被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した溶射粉末を用いることが知られている。
【０００６】
このように、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した溶射粉末を用いる場合、耐摩耗性などの溶射部材の特性を向上させることができるものの、このラミネート層によって溶射皮膜の密着性が低下し、溶射皮膜に過大な負荷が加わると、溶射皮膜が剥離したり脱落したりする場合がある。
【０００７】
図８は、主粉末の表面にラミネート層が形成された溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。主粉末１０１の表面にラミネート層１０２が形成された溶射粉末１００を、例えばプラズマ溶射法などによって溶射して溶射皮膜を形成する場合、図８に示すように、溶射粉末１００は、溶射過程において、主粉末１０１の表面にラミネート層１０２が形成された状態のまま飛行する。
【０００８】
図９は、前記溶射粉末を用いて溶射皮膜を形成した溶射部材の断面を模式的に示す図であり、図９に示す基材には、基材と溶射皮膜との密着性を向上させるためのアンダーコート層が設けられている。図９に示すように、基材１１０に溶射粉末１００を溶射し、基材１１０に溶射皮膜１１５が形成された溶射部材１２０を製造する場合、基材１１０にアンダーコート層１１１が設けられている場合、アンダーコート層１１１を介して基材１１０に溶射皮膜１１５が形成されることとなる。
【０００９】
溶射部材１２０では、アンダーコート層１１１を用いて基材１１０と溶射皮膜１１５との密着性の向上が図られているものの、溶射粉末１００は、主粉末１０１の表面にラミネート層１０２が形成されているので、アンダーコート層１１１との界面ではラミネート層１０２によって溶射皮膜１１５の密着性が低下することとなる。特に、基材１１０にアンダーコート層１１１が設けられていない場合には、このような傾向がより顕著になり得る。また、溶射皮膜１１５中においても、ラミネート層１０２を介して溶射粉末１００どうしが結合することとなるので、基材１１０側から脱落しやすい溶射皮膜１１５が形成されることとなる。
【００１０】
したがって、主粉末１０１の表面に硬質材料からなるラミネート層１０２を形成した溶射粉末１００を、基材１１０に溶射して溶射皮膜１１５を形成する場合、ラミネート層１０２によって溶射皮膜１１５の密着性が低下し得るので、溶射皮膜の密着性を向上させることが望まれる。
【００１１】
そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層が形成された溶射粉末を用い、基材の表面に溶射皮膜が形成された溶射部材を製造するに際し、密着性に優れた溶射皮膜を形成することができるようにする、ことを基本的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このため、本願の請求項１に係る溶射部材の製造方法は、基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材の製造方法であって、主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることにより、前記第１の溶射粉末の前記第２の溶射粉末との付着部において前記主粉末を露出させ、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末と前記基材側とを結合させる、及び／又は、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末どうしを結合させるようにしたことを特徴としたものである。
【００１３】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記第１の溶射粉末及び前記第２の溶射粉末の飛行中に、前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることを特徴としたものである。
【００１４】
更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記硬質材料が、セラミック系材料であり、前記第２の溶射粉末が、酸化物系の低融点ガラス材料からなることを特徴としたものである。
【００１５】
また更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一に係る発明において、前記第１の溶射粉末の粒径が、前記第２の溶射粉末の粒径よりも大きいことを特徴としたものである。
【００１６】
また更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一に係る発明において、前記主粉末は、前記基材又は前記基材上に形成されるアンダーコート層に含有される元素と同一の元素を含有してなることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願の請求項１に係る溶射部材の製造方法によれば、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、第１の溶射粉末の第２の溶射粉末との付着部において主粉末を露出させるので、第１の溶射粉末の主粉末を比較的簡単に露出させることができ、第１の溶射粉末と基材側との結合、及び／又は、第１の溶射粉末どうしの結合を強固にし、密着性に優れた溶射皮膜を形成することができる。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、第１の溶射粉末及び第２の溶射粉末の飛行中に、第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、飛行中に第１の溶射粉末の主粉末を露出させるので、前記効果をより確実に奏することができる。
【００１９】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、硬質材料が、セラミック系材料であり、第２の溶射粉末が、酸化物系の低融点ガラス材料からなることにより、前記効果を有効に実現し得る硬質材料及び第２の溶射粉末を提供することができる。
【００２０】
また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、第１の溶射粉末の粒径が、第２の溶射粉末の粒径よりも大きいことにより、溶射皮膜において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末間に充填させることができ、前記効果をより有効に奏することができる。
【００２１】
また更に、本願の請求項５に係る発明によれば、主粉末は、基材又はアンダーコート層に含有される元素と同一の元素を含有してなることにより、第１の溶射粉末と基材又はアンダーコート層との結合をより強固にすることができ、前記効果を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
本実施形態では、主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射して溶射皮膜を形成し、溶射部材を製造した。
【００２３】
（１）溶射粉末の製造
図１は、本実施形態において第１の溶射粉末の製造に用いた造粒装置の概略構成図である。本実施形態では、図１に示す造粒装置１０を用いて第１の溶射粉末を製造した。造粒装置１０は、高速気流中衝撃法によって造粒する造粒装置であって、円筒状に形成される衝突リング１１と、衝突リング１１の前部（図１において左側）を覆う前部カバー１２と、衝突リング１１の後部（図１において右側）を覆う後部カバー１３と、衝突リング１１と前部カバー１２と後部カバー１３とによって形成される衝撃室１４内において衝突リング１１の中心軸に対して回転可能に設けられる円盤状のロータ１５と、該ロータ１５の外周部に放射状に配置されるブレード１６と、その一端が衝突リング１１の一部を貫通して衝撃室１４に開口し、その他端が前部カバー１２の中心部から衝撃室１４内に開口して閉回路を形成する循環回路１７と、を備え、この循環回路１７には、図示しない原料投入部と接続される原料供給バルブ１８が設けられている。
【００２４】
造粒装置１０は、図示しない駆動手段によってロータ１５を回転して衝撃室１４及び循環回路１７において循環気流を発生させ、それに伴って、原料供給バルブ１８を通じて循環回路１７に投入される原料が衝撃室１４及び循環回路１７を循環し、その際に、ブレード１６や衝突リング１１内壁に衝突して、原料に衝撃力などの機械的エネルギーを繰り返し付与して造粒する。この造粒装置１０に、主粉末の表面に主粉末より硬い硬質材料からなる副粉末を付着させた原料を投入し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層が形成された粉末（第１の溶射粉末）を造粒した。
【００２５】
本実施形態では、第１の溶射粉末用の主粉末としてクロムカーバイド−ニッケルクロム合金（Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金）粉末を用い、第１の溶射粉末用の副粉末として窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を用い、通常の撹拌混合装置を用いて、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金粉末の表面にＳｉ３Ｎ４粉末を付着させ、造粒装置１０に投入する原料を調製した。
【００２６】
第１の溶射粉末用の主粉末及び副粉末として用いた材料を以下に示す。なお、後述する第２の溶射粉末として用いた材料も合わせて以下に示す。
ａ）第１の溶射粉末用の主粉末
・材質 ：Ｃｒ３Ｃ２−２５ＮｉＣｒ
・品番 ：ＷＯＫＡ−７３０２（スルザーメテコ社製）
ｂ）第１の溶射粉末用の副粉末
・材質 ：Ｓｉ３Ｎ４
・品番 ：ＳＮ−Ｅ１０（宇部興産社製）
ｃ）第２の溶射粉末
・材質 ：ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯ
・品番 ：ＡＳＦ１２９１（旭硝子社製）
【００２７】
図２は、造粒装置における第１の溶射粉末の形成過程を模式的に示す図であり、図２の（ａ）は、主粉末の表面に副粉末が付着した状態を模式的に示す図、図２の（ｂ）は、主粉末の表面にラミネート層が形成された状態を模式的に示す図である。造粒装置１０では、図２（ａ）に示すように、主粉末２１の表面に副粉末２２を付着させた原料が投入され、衝撃力などの機械的エネルギーを付与して、図２（ｂ）に示すように、主粉末２１の表面にラミネート層２４を形成した粉末（第１の溶射粉末）２５を製造する。
【００２８】
第１の溶射粉末の製造に用いた造粒装置及び造粒条件等を以下に示す。
・造粒装置 ：ＮＨＳ−３型（奈良機械製作所製）
・粉末投入量：６００ｇ／バッチ
（Ｃｒ３Ｃ２−２５ＮｉＣｒ（５７０ｇ）、Ｓｉ３Ｎ４（３０ｇ））
・摺速 ：８０ｍ／ｓ
・造粒時間 ：１０ｍｉｎ
【００２９】
本実施形態では、以上のような条件によって、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料であるＳｉ３Ｎ４を被覆し、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層を形成して第１の溶射粉末を製造した。
【００３０】
図３は、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなる副粉末が付着した前記主粉末の電子顕微鏡写真であり、図４は、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層が形成された前記主粉末の電子顕微鏡写真である。
【００３１】
通常の撹拌混合装置を用いてＣｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末とＳｉ３Ｎ４からなる副粉末とを撹拌混合すると、図３に示すように、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなる副粉末が点在した状態で付着した原料が調製される。そして、この原料を造粒装置１０によって造粒すると、図４に示すように、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面に、図４において灰色部で示されるＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層が形成される。
【００３２】
なお、第１の溶射粉末を製造するために用いる主粉末と副粉末の大きさは、これに限定されるものではないが、造粒装置１０において詰まりを防止するために、主粉末は３２５メッシュ以下で粒径４５μｍ以下のものを用い、副粉末については粒径１μｍ程度のものを用いた。
【００３３】
また、本実施形態では、溶射粉末として、前述した第１の溶射粉末２５に加え、第１の溶射粉末２５のラミネート層２４を形成する材料に対して濡れ性がよく、第１の溶射粉末２５のラミネート層２４の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末を用いる。第２の溶射粉末として、各種セラミックの焼結温度を低下させるために用いられる酸化物系の低融点ガラス材料からなる粉末を用いることができ、具体的には、ケイ酸（ＳｉＯ２）を主成分とし、軟化点を下げるホウ酸（Ｂ２Ｏ３）と、金属との濡れ性を向上させる酸化鉛（ＰｂＯ）とを含むＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯからなる粉末を用いた。なお、第２の溶射粉末の大きさは、第１の溶射粉末より小さいことが好ましく、第２の溶射粉末は、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末との総質量に対する第２の溶射粉末の質量の割合が５〜２０質量％であることが好ましい。
【００３４】
（２）溶射部材の製造
図５は、本実施形態に係る溶射部材の製造に用いた溶射装置の構成を模式的に示す断面説明図である。図５に示す溶射装置３０を用いて、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とを同時に、アルミニウム合金などからなる基材に溶射し、溶射部材を製造した。なお、基材には、前処理としてショットブラストを施し、密着性を阻害する錆びや汚れを落として表面を活性化させ、洗浄及び乾燥後に、ニッケルを含有するアンダーコート層を被覆した。
【００３５】
溶射装置３０は、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを基材に向けて噴射するためにプラズマアークを用いるプラズマ溶射装置であり、陰極を備えた第１の溶射トーチ４０と、陽極を備えた第２の溶射トーチ５０及び第３の溶射トーチ６０と、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを供給するための溶射粉末供給ノズル７０とを備えている。
【００３６】
第１の溶射トーチ４０は、ノズル４１と、該ノズル４１内に配設される電極棒４２とを備え、この電極棒４２は、図示しない直流電源に接続され陰極とされている。また、ノズル４１には、アルゴンガス供給源（不図示）からアルゴンガスを供給するためのガス供給通路４３と、ガス供給通路４３よりもノズル先端側に設けられ、空気供給源（不図示）から空気を供給するための空気供給通路４４と、空気供給通路４４よりもノズル先端側に設けられ、ガス供給通路４３と空気供給通路４４と連通してアルゴンガスと空気とを混合する混合通路４５とが設けられ、アルゴンガスと空気との混合ガスがノズル先端部に設けられた開口部４６から噴出されるようになっている。
【００３７】
第２の溶射トーチ５０は、第１の溶射トーチ４０よりも溶射すべき基材側に配置され、ノズル５１と、該ノズル５１内に配設される電極棒５２とを備え、この電極棒５２は、図示しない直流電源に接続され陽極とされている。また、ノズル５１には、アルゴンガス供給源（不図示）からアルゴンガスを供給するためのガス供給通路５３を備え、アルゴンガスがノズル先端部に設けられた開口部５６から噴出されるようになっている。
【００３８】
第３の溶射トーチ６０は、第１の溶射トーチ４０よりも溶射すべき基材側に配置されるとともに第２の溶射トーチ５０に対向して配置され、ノズル６１と、該ノズル６１内に配設される電極棒６２とを備え、この電極棒６２は、図示しない直流電源に接続され陽極とされている。また、ノズル６１には、アルゴンガス供給源（不図示）からアルゴンガスを供給するためのガス供給通路６３を備え、アルゴンガスがノズル先端部に設けられた開口部６６から噴出されるようになっている。
【００３９】
溶射粉末供給ノズル７０は、第１の溶射トーチ４０の外周側を覆うように設けられ、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを供給するための溶射粉末供給通路７１を備えた二重管構造で構成されている。溶射粉末供給ノズル７０は、陰極を備えた第１の溶射トーチ４０と陽極を備えた第２の溶射トート５０との間、及び、陰極を備えた第１の溶射トーチ４０と陽極を備えた第３の溶射トーチ６０との間で発生するプラズマアーク７１によるプラズマジェット流７２に、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを供給することができるようになっている。
【００４０】
このようにして構成される溶射装置３０では、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とが、第１、第２及び第３のトーチ４０、５０、６０によって形成されたプラズマジェット流７２中に材料供給通路７１を通じて供給されることにより、基材に向けて第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末とを同時に溶射することができるようになっている。
【００４１】
なお、プラズマジェット流７２への第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末との供給は、溶射装置３０のように第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末と混合した状態で溶射粉末供給ノズル７０に供給して同時に溶射するものに限定されるものでなく、第１の溶射粉末を供給する第１の溶射粉末供給ノズルと第２の溶射粉末を供給する第２の溶射粉末供給ノズルを用いて２つのノズルから第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とをプラズマジェット流に供給し、同時に溶射するようにしてもよい。
【００４２】
また、溶射装置３０には、溶射装置３０の作動を制御する制御ユニット（不図示）が設けられ、該制御ユニットによって各溶射条件を設定することができるようになっている。 溶射に用いた具体的な装置及び溶射条件等を以下に示す。
・溶射装置 ：ＡＰＳ７１００（ツインアノード）（エアロプラズマ社製）
・電流 ：２５０Ａ
・電圧 ：３６０Ｖ
・出力 ：９０ｋＷ
・粉末供給量：３０ｇ／ｍｉｎ
・溶射距離 ：１００ｍｍ
【００４３】
本実施形態では、以上のような条件によって、主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、基材に溶射皮膜を形成して溶射部材を製造した。
【００４４】
図６は、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とを同時に溶射すると、図６に示すように、溶射過程において、具体的には飛行中において、プラズマジェット流７２によって第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とが加熱された状態で第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とが互いに衝突し、第２の溶射粉末２７の一部は、第１の溶射粉末２５に付着する。
【００４５】
第１の溶射粉末２５の第２の溶射粉末２７との付着部では、第２の溶射粉末２７を形成するＳｉ３Ｎ４と第１の溶射粉末２５のラミネート層２４を形成するＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯとが反応し、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯが、より低融点を有する材料に変質し、第１の溶射粉末２５のラミネート層２４の融点が低下することとなる。第１の溶射粉末２５は、飛行中プラズマジェット流７２によって加熱され、第１の溶射粉末２５の主粉末２４が部分的に露出させられた状態で飛行する。
【００４６】
図７は、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とからなる溶射皮膜が形成された溶射部材の断面を模式的に示す図であり、図７では、基材にアンダーコート層が設けられている。基材８０に第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とを同時に溶射し、基材８０に溶射皮膜８５が形成された溶射部材９０を製造する場合、図７に示すように、基材８０にアンダーコート層８１が設けられている場合、アンダーコート層８１を介して基材８０に溶射皮膜８５が形成される。
【００４７】
溶射皮膜８５では、第１の溶射粉末２５と第２の溶射粉末２７とがラミネート層２４を介して基材８０側、具体的にはアンダーコート層８１と結合することとなるが、本実施形態では、溶射過程において第１の溶射粉末２５の主粉末２１を部分的に露出させるので、この露出部２５ａを介して、第１の溶射粉末２５の主粉末２１とアンダーコート層８１とが部分的に結合する。
【００４８】
これにより、第１の溶射粉末２５の主粉末２１とアンダーコート層８１とが冶金的に反応することができ、溶射皮膜８５の密着性を向上させることができる。また、溶射皮膜８５中においても、主粉末２１の露出した露出部２５ａを介して第１の溶射粉末２５どうしを結合させることができ、溶射皮膜８５の密着性をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、溶射粉末として、第１の溶射粉末２５に加えて第２の溶射粉末２７を用いているので、図７に示すように、第２の溶射粉末２７を、第１の溶射粉末２５間や第１の溶射粉末２５と基材８０側、具体的にはアンダーコート層８１との間に充填することができ、溶射皮膜８５の密着性をさらに向上させることができる。
【００５０】
基材にアンダーコート層が設けられていない場合においても、第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、第１の溶射粉末２５の主粉末２１を露出させ、この露出部を介して第１の溶射粉末と基材とを結合させる、及び／又は、主粉末の露出した露出部を介して第１の溶射粉末どうしを結合させることで、溶射皮膜の密着性を向上させることができる。
【００５１】
なお、第１の溶射粉末２５の主粉末２１は、基材８０に含有される元素と同一の元素を含有していることが好ましく、基材８０にアンダーコート層８１が設けられる場合には、基材８０上に設けられたアンダーコート層８１に含有される元素と同一の元素を含有していることが好ましい。これにより、第１の溶射粉末と基材又はアンダーコート層との結合をより強固にすることができ、前記効果を確実に得ることができる。
【００５２】
このように、本実施形態に係る溶射部材の製造方法によれば、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、ラミネート層に付着してラミネート層を低融点化させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において第２の溶射粉末を第１の溶射粉末に付着させることにより、第１の溶射粉末の第２の溶射粉末との付着部においてラミネート層を溶融させて主粉末を露出させるので、第１の溶射粉末の主粉末を比較的簡単に露出させることができ、第１の溶射粉末と基材との結合、及び／又は、第１の溶射粉末どうしの結合を強固にし、密着性に優れた溶射皮膜を形成することができる。
【００５３】
本実施形態では、第１の溶射粉末について、主粉末の材料として、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金を用いているが、ＷＣ、ＴｉＣＮｉなどのその他のサーメット材料を用いることができ、また、副粉末の材料として、Ｓｉ３Ｎ４を用いているが、ＺｒＯ２、ＺｒＳｉＯ４、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣなどのその他のセラミック系材料を用いることができる。
【００５４】
また、第２の溶射粉末の材料として、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２を用いているが、第１の溶射粉末を製造するための副粉末の材料としてＳｉ３Ｎ４が用いられる場合には、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯなどを用いることができる。
【００５５】
以上のように、本発明は、例示された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いて、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、基材に溶射粉末を溶射して基材に溶射皮膜が形成された溶射部材の製造に関するものであり、例えばエンジンのシリンダボアやピストンリングなどの摺動部材の表面処理として好適に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態において第１の溶射粉末の製造に用いた造粒装置の概略構成図である。
【図２】造粒装置における第１の溶射粉末の形成過程を模式的に示す図である。
【図３】Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなる副粉末が付着した前記主粉末の電子顕微鏡写真である。
【図４】Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ合金からなる主粉末の表面にＳｉ３Ｎ４からなるラミネート層が形成された前記主粉末の電子顕微鏡写真である。
【図５】本実施形態に係る溶射部材の製造に用いた溶射装置の構成を模式的に示す断面説明図である。
【図６】第１の溶射粉末と第２の溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。
【図７】第１の溶射粉末と第２の溶射粉末とからなる溶射皮膜が形成された溶射部材の断面を模式的に示す図である。
【図８】主粉末の表面にラミネート層が形成された溶射粉末の飛行中の状態を模式的に示す図である。
【図９】前記溶射粉末を用いて溶射皮膜を形成した溶射部材の断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
２１、１０１ 主粉末
２４、１０２ ラミネート層
２５、１００ 第１の溶射粉末
２５ａ 露出部
２７ 第２の溶射粉末
８０、１１０ 基材
８１、１１１ アンダーコート層
８５、１１５ 溶射皮膜
９０、１２０ 溶射部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材の製造方法であって、
主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることにより、前記第１の溶射粉末の前記第２の溶射粉末との付着部において前記主粉末を露出させ、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末と前記基材側とを結合させる、及び／又は、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末どうしを結合させるようにしたことを特徴とする溶射部材の製造方法。
【請求項２】
前記第１の溶射粉末及び前記第２の溶射粉末の飛行中に、前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることを特徴とする請求項１に記載の溶射部材の製造方法。
【請求項３】
前記硬質材料が、セラミック系材料であり、前記第２の溶射粉末が、酸化物系の低融点ガラス材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶射部材の製造方法。
【請求項４】
前記第１の溶射粉末の粒径が、前記第２の溶射粉末の粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の溶射部材の製造方法。
【請求項５】
前記主粉末は、前記基材又は前記基材上に形成されるアンダーコート層に含有される元素と同一の元素を含有してなることを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の溶射部材の製造方法。
【請求項１】
基材に溶射皮膜が形成されてなる溶射部材の製造方法であって、
主粉末の表面に該主粉末よりも硬質な硬質材料を被覆し、主粉末の表面に硬質材料からなるラミネート層を形成した第１の溶射粉末と、前記ラミネート層の融点を低下させる材料からなる第２の溶射粉末とを同時に溶射し、溶射過程において前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることにより、前記第１の溶射粉末の前記第２の溶射粉末との付着部において前記主粉末を露出させ、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末と前記基材側とを結合させる、及び／又は、前記主粉末の露出した露出部を介して前記第１の溶射粉末どうしを結合させるようにしたことを特徴とする溶射部材の製造方法。
【請求項２】
前記第１の溶射粉末及び前記第２の溶射粉末の飛行中に、前記第２の溶射粉末を前記第１の溶射粉末に付着させることを特徴とする請求項１に記載の溶射部材の製造方法。
【請求項３】
前記硬質材料が、セラミック系材料であり、前記第２の溶射粉末が、酸化物系の低融点ガラス材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶射部材の製造方法。
【請求項４】
前記第１の溶射粉末の粒径が、前記第２の溶射粉末の粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の溶射部材の製造方法。
【請求項５】
前記主粉末は、前記基材又は前記基材上に形成されるアンダーコート層に含有される元素と同一の元素を含有してなることを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の溶射部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図８】
【図３】
【図４】
【図７】
【図９】
【図２】
【図５】
【図６】
【図８】
【図３】
【図４】
【図７】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２４２８７３（Ｐ２００９−２４２８７３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９０９５２（Ｐ２００８−９０９５２）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]