JP4174496B2 - Method for forming abrasion-resistant thermal spray coating and thermal spray machine - Google Patents
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Description
本発明は、高速フレーム溶射機による耐摩耗性溶射皮膜の形成方法及びそれに用いる溶射粉末供給装置に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a wear-resistant thermal spray coating by a high-speed flame sprayer and a thermal spray powder supply apparatus used therefor.
従来から粉末溶射材を用いた耐摩耗性皮膜の形成はプラズマ溶射方法により行われており、その中でも金属中にセラミクスの硬質粒子を分散させた所謂サーメット皮膜が耐摩耗性に優れること、比較的容易に形成できること、皮膜形成速度が速く生産性に優れることから、摺動部材には多く用いられてきた。 Conventionally, the formation of an abrasion-resistant film using a powder spray material has been performed by a plasma spraying method. Among them, a so-called cermet film in which ceramic hard particles are dispersed in a metal is excellent in abrasion resistance, relatively Since it can be easily formed and the film formation speed is high and the productivity is excellent, it has been used in many sliding members.
特許文献１、特開昭６３−１９０１５４号はプラズマ溶射によりMo、Ni自溶合金及びCo自溶合金の１種又は２種、IV属、V属、VI族元素の硬質炭化物の１種又は２種以上からなる耐摩耗性溶射層を開示するものであり、溶射皮膜形成方法としてはプラズマ溶射法が用いられている。使用ガスは実施例では、アルゴン110ft3/hr、水素10ft3/hrの混合ガスである。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-190154 discloses one or two hard carbides of Mo, Ni self-fluxing alloy and Co self-fluxing alloy, Group IV, Group V and Group VI elements by plasma spraying. A wear-resistant sprayed layer composed of at least seeds is disclosed, and a plasma spraying method is used as a method for forming a sprayed coating. In the embodiment, the gas used is a mixed gas of argon 110 ft 3 / hr and hydrogen 10 ft 3 / hr.
特許文献２、特開昭５７−７６３６３号はMo系、Fe−Cr系等の耐摩耗性を有する材料を溶射等により摺動面に接着したピストンリングを開示する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-76363 discloses a piston ring in which a wear-resistant material such as Mo-based or Fe-Cr-based is bonded to a sliding surface by thermal spraying or the like.
特許文献３、特開平５−３３９６９９号公報は、プラズマトーチから噴出されるフレーム中に混在する溶射材料の液滴の温度を高温化するとともに、その流速を高速化するために、複トーチ型プラズマ溶射装置の陰極と陽極の間に発生するアークに二酸化炭素を供給してプラズマフレームを形成することを提案している。使用ガスは1次ガス、2次ガスともに一定流量となっている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-339699 discloses a double torch type plasma in order to increase the temperature of droplets of thermal spray material mixed in a frame ejected from a plasma torch and increase the flow velocity thereof. It has been proposed to form a plasma flame by supplying carbon dioxide to an arc generated between a cathode and an anode of a thermal spray apparatus. The gas used is a constant flow rate for both primary gas and secondary gas.
特許文献４、特開平８−５３７４７号公報は、減圧プラズマ溶射法に関するものであり、アークガス、補助ガス、キャリアガスともに一定圧力とし、粉送りホッパーの送り回転数を0.3又は0.9rpmの一定としている（表１、２参照）。 Patent Document 4 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-53747 relate to a low-pressure plasma spraying method, in which arc gas, auxiliary gas, and carrier gas are set to a constant pressure, and the feed rotation speed of the powder feed hopper is set to a constant value of 0.3 or 0.9 rpm. (See Tables 1 and 2).
これらプラズマ溶射法で形成された皮膜はプラズマフレーム温度が高温であり溶射材粒子は十分に溶融した後堆積するので溶射層組織は所謂ラメラ状組織を形成する。そのため、溶射膜厚さと垂直な方向の溶射粒子同士の繋がり（以後、「粒子間結合力」と記述）は良好であるが、溶射粒子の飛行速度が遅いため溶射膜厚さ方向の溶射層間の繋がり（以後、「層間結合力」と記述）や溶射皮膜の母材との密着性（以後、「境界密着性」と記述）が弱いという問題があった。そのため、ピストンリングのような摺動部材の摺動面に用いた場合に、しばしば、皮膜剥離の原因となってきた。尚、溶射粒子の飛行速度が低いため、被溶射面への溶射粒子の突入速度は低く、従って、溶射膜の空孔度も高く、粒子間結合力は高いものの、皮膜の硬さは低い傾向であった。 The coating formed by the plasma spraying method has a high plasma flame temperature, and the spray particles are deposited after being sufficiently melted, so that the sprayed layer structure forms a so-called lamellar structure. Therefore, the connection between the sprayed particles in the direction perpendicular to the sprayed film thickness (hereinafter referred to as “interparticle bonding force”) is good, but the spraying speed of the sprayed particles is slow, so the sprayed film between the sprayed layers in the thickness direction. There is a problem that the connection (hereinafter referred to as “interlayer bonding force”) and the adhesion of the thermal spray coating to the base material (hereinafter referred to as “boundary adhesion”) are weak. For this reason, when used on a sliding surface of a sliding member such as a piston ring, it has often caused peeling of the film. In addition, since the flight speed of the sprayed particles is low, the spraying speed of the sprayed particles to the sprayed surface is low. Therefore, the porosity of the sprayed film is high and the interparticle bonding force is high, but the hardness of the coating tends to be low. Met.
特許文献５、特開平３−１７２６８１号は上記プラズマ溶射膜の欠点を改善するものであり、１５０torr以下に減圧した雰囲気中でＮｉ−Ｃｒ合金２０〜４０重量％、Ｃｒ３Ｃ２６０〜８０重量％からなる溶射材を所謂減圧プラズマ溶射した溶射皮膜を有するピストンリングを開示する。この発明によれば減圧下ではプラズマジェット中のガスフレーム速度が高速になるので、大気中のプラズマ溶射に比べ溶射粒子も高速になり、被溶射面の母材に高速で衝突するので、溶射層の空孔体積率が５％以下と緻密になり、溶射粒子自体や下地母材表面の酸化も押さえられるので、境界密着性が上がり溶射皮膜の剥離が起きにくくなるとしている。 Patent Document 5 and Japanese Patent Laid-Open No. 3-172681 improve the drawbacks of the above-mentioned plasma sprayed film. In an atmosphere reduced to 150 torr or less, Ni—Cr alloy is 20 to 40 wt%, Cr 3 C 2 is 60 to 80 wt. A piston ring having a thermal spray coating obtained by so-called low-pressure plasma spraying of a thermal spray material consisting of% is disclosed. According to the present invention, the gas flame speed in the plasma jet becomes high under reduced pressure, so that the sprayed particles also become faster than the plasma spray in the atmosphere, and collide with the base material of the sprayed surface at a high speed. It is said that the pore volume ratio of the particles becomes as dense as 5% or less, and the sprayed particles themselves and the surface of the base material are prevented from being oxidized.
前掲特許文献４の特開平８−５３７４７号は、減圧プラズマ溶射及びレーザ照射を併用したレーザプラズマハイブリッド溶射を用いることで皮膜中の炭化物系硬質粒子量を増大させること及びTiのアンダーコート層を形成することにより耐摩耗性に優れ且つ境界密着性に優れた耐摩耗性皮膜の形成が可能であることを開示する。
しかしながら、これらの減圧溶射法では装置が大がかりになり且つ生産性が悪いことから、このような皮膜を有する製品が高コストになることは否めず、摺動部材ではあまり使われていない。そのためこれに代わる溶射方法が検討されてきた。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-53747 of the above-mentioned Patent Document 4 uses a laser plasma hybrid spray that uses a combination of low-pressure plasma spraying and laser irradiation to increase the amount of carbide-based hard particles in the coating and to form a Ti undercoat layer. By doing so, it is disclosed that it is possible to form a wear-resistant film having excellent wear resistance and excellent boundary adhesion.
However, these vacuum spraying methods require a large apparatus and poor productivity, so it cannot be denied that a product having such a coating is costly and is not often used for sliding members. Therefore, alternative thermal spraying methods have been studied.
特許文献６、特開平１１−３３５８０５号は高速フレーム溶射法により炭化物および硼化物のセラミクス混合物とＮｉ、Ｃｒ及びＣｏのうちの１種以上の金属成分とからなるサーメット溶射皮膜を被覆した摺動部材が耐摩耗性に優れることを開示する。高速フレーム溶射の条件としては、熱源温度が2000℃、フレーム速度が1500〜1800m/secが挙げられている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-335805 discloses a sliding member coated with a cermet sprayed coating comprising a ceramic and boride ceramic mixture and one or more metal components of Ni, Cr and Co by a high-speed flame spraying method. Discloses excellent wear resistance. As conditions for high-speed flame spraying, the heat source temperature is 2000 ° C., and the flame speed is 1500 to 1800 m / sec.
特許文献７、特開２００４−３０７９７５号は、硬質粒子ＡとＮｉ−Ｃｒ合金又はＮｉとＮｉ−Ｃｒ合金からなる基地中に５μm以下の炭化クロムが析出した複合粉末Ｂとを混合して高速フレーム溶射した摺動部材が相手材を摩耗させず、自己摩耗に優れていることを開示する。高速フレーム溶射の条件としては、フレーム速度が1200m/sec以上、好ましくは2000m/sec以上が挙げられている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-307975 discloses a high-speed frame obtained by mixing hard particles A and Ni—Cr alloy or composite powder B in which chromium carbide of 5 μm or less is precipitated in a base made of Ni and Ni—Cr alloy. It is disclosed that the sprayed sliding member does not wear the counterpart material and is excellent in self-wear. As a condition for high-speed flame spraying, a flame speed is 1200 m / sec or more, preferably 2000 m / sec or more.
高速フレーム溶射はフレーム温度が約２０００℃と低いことから、溶射粒子の加熱・昇温が十分ではなく、特許文献６の発明では炭化物の酸化が抑止され、特許文献７の発明では複合粒子Ｂの再溶融が抑止されるので炭化クロム粒子の粗大化が防止される効果があるとしている。また、共に溶射粒子速度が高いことから、境界密着性に優れた溶射皮膜が得られるとしている。 In high-speed flame spraying, since the flame temperature is as low as about 2000 ° C., heating / heating of the spray particles is not sufficient. In the invention of Patent Document 6, oxidation of carbides is suppressed. Since remelting is suppressed, it is said that there is an effect of preventing the coarsening of the chromium carbide particles. In addition, since both spray particles have a high velocity, a sprayed coating excellent in boundary adhesion is obtained.
粉末式フレーム溶射機として図４に示す溶射機が市販されている。図中、１１は溶射ガン、１２は溶射材料粉末供給ガス入口、１３は溶射材料粉末入口、１４は酸素・燃料ガス入口、１５は冷却用空気入口、１６はフレームである。 As a powder flame sprayer, a sprayer shown in FIG. 4 is commercially available. In the figure, 11 is a spray gun, 12 is a spray material powder supply gas inlet, 13 is a spray material powder inlet, 14 is an oxygen / fuel gas inlet, 15 is a cooling air inlet, and 16 is a frame.
非特許文献１、まてりあ,Vol.40(2001),No.4, p327に記載されているCold Gas Dynamic Spray Method はフレームで粒子を溶融させることなく、高速粒子の衝突エネルギーのみで皮膜を形成する方法であり、上記した高速フレーム溶射よりもフレーム速度は比較にならないほど高い。 The Cold Gas Dynamic Spray Method described in Non-Patent Document 1, Materia, Vol. 40 (2001), No. 4, p327 does not melt the particles in the frame, but only the collision energy of high-speed particles. This is a method of forming, and the frame speed is higher than the high-speed flame spraying described above.
上記Cold Gas Dynamic Spray Method以外の従来技術をまとめると、プラズマ溶射及び高速フレーム溶射法において、溶射粉末の供給量について直接触れているのは特許文献４のみである。ここでは、ホッパーを一定速度で作動させながら一定量の粉末を溶射ガンに供給している。特許文献６ではフレーム速度範囲について触れているが、この範囲内でフレーム速度を変化させたとしても、溶射粉末供給量が一定であるならば、基板に衝突する溶融粉末の速度が速くはなるが、基板への衝突量が多くなることはない。 Summarizing conventional technologies other than the above-mentioned Cold Gas Dynamic Spray Method, only Patent Document 4 directly touches the supply amount of the sprayed powder in the plasma spraying and the high-speed flame spraying method. Here, a certain amount of powder is supplied to the spray gun while operating the hopper at a constant speed. Patent Document 6 touches on the frame speed range, but even if the frame speed is changed within this range, if the sprayed powder supply amount is constant, the speed of the molten powder that collides with the substrate is increased. The amount of collision with the substrate does not increase.
溶射プロセスを学術の面から解説した、非特許文献２、前掲まてりあ、第323頁によると、溶射の分野では単一粒子の溶射中の挙動に関する研究がほとんど行なわれない状態で、接合強度の研究及び溶射プロセス全体の整合性などの研究に研究が移ってきたとの批評がなされている。本発明は、後述のように前段落で述べた観点からフレーム解析を行ない、上述の粒子挙動について若干の解明を行なったものである。
本発明者が高速フレーム溶射皮膜の摺動部材への適用について鋭意研究した結果次のような知見を得た。
即ち、高速フレーム溶射は溶射粒子がプラズマ溶射に比べ高速で飛行し母材表面に到達する。そのため、プラズマ溶射よりは、母材との境界密着性に優れると共に層間結合力も良好であり、空孔率も低い。しかしながら、溶射原料に金属基地に炭化物が分散析出したような硬質粒子分散型複合材やメカニカルアロイングにより硬質粒子を金属地に分散させたような複合材を用いた場合には、
（１）溶射粒子の昇温が十分でなく、且つ、溶射粒子の耐熱強度が高いので、被溶射面に衝突した際の溶射粒子の変形は少ない。
（２）溶射粉末が硬質粒子を分散した複合材であり、硬質であると同時に、溶射皮膜も緻密になることから溶射皮膜自体の硬度も高い。
その結果、摺動部材に用いる溶射皮膜の性能は次の問題があることが判明した：（イ）境界密着性が十分でない；（ロ）皮膜は緻密で硬質であり耐摩耗性は向上するが、粒子間結合力が弱い；（ハ）そのため、摺動の摩擦力によって溶射皮膜表面にはクラックが入りやすい。
As a result of intensive studies on the application of the high-speed flame sprayed coating to the sliding member, the present inventors have obtained the following knowledge.
That is, in the high-speed flame spraying, the sprayed particles fly faster than the plasma spraying and reach the base material surface. Therefore, it is superior to plasma spraying in boundary adhesion with the base material, has a good interlayer bonding force, and a low porosity. However, when using a hard particle dispersion type composite material in which carbide is dispersed and deposited on a metal base or a composite material in which hard particles are dispersed in a metal ground by mechanical alloying as a thermal spray raw material,
(1) Since the temperature of the spray particles is not sufficient, and the heat resistant strength of the spray particles is high, deformation of the spray particles when colliding with the surface to be sprayed is small.
(2) The thermal spray powder is a composite material in which hard particles are dispersed, and at the same time it is hard, the thermal spray coating is also dense, so the thermal spray coating itself has a high hardness.
As a result, it was found that the performance of the thermal spray coating used for the sliding member had the following problems: (b) Insufficient boundary adhesion; (b) Although the coating was dense and hard, the wear resistance was improved. (C) Therefore, cracks are likely to occur on the surface of the sprayed coating due to the frictional force of sliding.
このように、高速フレーム溶射皮膜はプラズマ溶射皮膜に比べ、密着性に優れると共に緻密な皮膜が得られることから、耐摩耗性皮膜形成技術としてピストンリング等の摺動部材に使われるようになってきたが、より過酷な摺動状況で使用されるようになると、溶射皮膜の剥離や溶射摺動面にクラックが発生し易いという問題があった。特に、摺動性能に優れるアトマイズにより製造した或いはメカニカルアロイングにより製造した硬質粒子分散型複合材を用いた場合では、硬質粒子の融点が高いため、又、耐熱強度が高いため、溶射粒子の被溶射面での変形が少なく、溶射皮膜の剥離や溶射摺動面にクラックが発生し易いことがいっそう顕著になる。こうしたことから、より過酷な摺動面に使用してもクラックの発生しないサーメット溶射皮膜の溶射技術が求められている。 As described above, the high-speed flame sprayed coating is superior in adhesion to the plasma sprayed coating and provides a dense coating, so that it is used as a wear-resistant coating forming technology for sliding members such as piston rings. However, when used in more severe sliding situations, there is a problem that the thermal spray coating is peeled off and cracks are likely to occur on the thermal spray sliding surface. In particular, in the case of using a hard particle-dispersed composite material manufactured by atomizing or mechanical alloying having excellent sliding performance, the melting point of the hard particles is high and the heat resistance strength is high. It becomes even more prominent that there is little deformation on the sprayed surface and cracks are likely to occur on the sprayed coating and on the sliding surface. For these reasons, there is a need for a thermal spraying technique for a cermet sprayed coating that does not generate cracks even when used on more severe sliding surfaces.
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、密着性及び耐摩耗性に優れ、且つ、クラックの入りにくいサーメット溶射皮膜の形成を可能とする高速フレーム溶射方法を提供すことである。また本発明はこの溶射方法に使用される溶射粉末供給装置提供することにある。本発明において、サーメット材料の溶射粉末は、メカニカルアロイング材料、硬質粒子分散型複合粒子や金属粒子とセラミクス粒子のブレンド粉末などである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the object thereof is high-speed flame spraying that enables the formation of a cermet sprayed coating that is excellent in adhesion and wear resistance and is less likely to crack. Is to provide a method. Another object of the present invention is to provide a thermal spray powder supply device used in this thermal spraying method. In the present invention, the thermal spray powder of the cermet material is a mechanical alloying material, hard particle dispersed composite particles, a blend powder of metal particles and ceramic particles, or the like.
上記目的を達成するために、本願第一発明は、摺動部材の少なくとも一摺動面に対向して、高速フレーム溶射ガンノズルを相対的にかつ反復移動させることにより、耐摩耗性サーメット材料を多層に成膜して溶射皮膜を形成する方法であって、前記耐摩耗性サーメット材料の粉末の供給量を連続的もしくは段階的に増加させながら溶射を行うことを特徴とする耐摩耗性溶射皮膜の形成方法を提供する。 In order to achieve the above object, the first invention of the present application is to apply a multi-layer wear-resistant cermet material by relatively and repeatedly moving a high-speed flame spray gun nozzle facing at least one sliding surface of a sliding member. A method for forming a thermal spray coating by forming a film on the wear resistant cermet material , wherein the thermal spraying is performed while increasing the supply amount of the powder of the wear resistant cermet material continuously or stepwise. A forming method is provided.
本願第二の発明は、第一発明の製造装置に関するものであり、溶射ガンへ供給する溶射粉末供給量を溶射経過時間信号に基づき、増加させる機構を有することを特徴とする溶射粉末供給装置である。 2nd invention of this application is related with the manufacturing apparatus of 1st invention, It has a mechanism which increases the spraying powder supply amount supplied to a spray gun based on a spraying elapsed time signal, It is a spraying powder supply device characterized by things is there.
本願第三、第四の発明は、Ｎｉ又はＣｏ合金基地中に炭化物粒子が分散した複合材粒子を主な構成粒子とする粉末、又は、Ｎｉ、Ｃｏ又はＣｒの一種以上の金属又は／及びその合金とセラミクス粒子からなるサーメット粉末を溶射することを特徴とする。
−発明の実施の形態―
The third and fourth inventions of the present application are a powder mainly comprising composite particles in which carbide particles are dispersed in a Ni or Co alloy matrix, or one or more metals of Ni, Co or Cr and / or the same It is characterized by spraying a cermet powder composed of an alloy and ceramic particles.
-Embodiment of the Invention-
高速フレーム溶射法は、高圧の燃料ガス（プロパン、プロピレン、水素、ケロシン等）と酸素又は空気からなるガス炎を熱源とする溶射法で、燃焼室の圧力を高めることにより，連続燃焼的に爆発溶射炎に匹敵する高速火炎を発生させる方法である。 The high-speed flame spraying method is a thermal spraying method that uses a gas flame consisting of high-pressure fuel gas (propane, propylene, hydrogen, kerosene, etc.) and oxygen or air as a heat source. This is a method of generating a high-speed flame comparable to a thermal spray flame.
高速フレーム溶射としては、燃焼助燃ガスとして酸素を用いる方式（HVOF法）と酸素に代えて圧縮空気を用いる方式（HVAF法）がある。いずれも、キャリアーガスで高速フレームに運ばれた溶射粉末がフレームにより加熱され、溶融或いは反溶融状態で、400m/s以上の高速度で基材に衝突する。従って、溶射皮膜の緻密さ、硬さ、母材との境界密着性、溶射層間結合力、粒子結合力等は溶射粒子の温度及び飛行速度に大きく影響される。即ち、溶射粉末の組成、密度，粒径等が同じであるならば，溶射条件といわれる、燃焼ガスの燃焼圧（溶射ガンへの酸素圧力・流量、燃料ガス圧力・流量で制御される），溶射ガンノズル形状、被溶射物−溶射ガンノズル間距離（以後、溶射距離）によって変化させることができ、溶射皮膜の使用目的に合った皮膜組成の選定が行われ、前記溶射条件が決定され溶射されている。例えば、非特許文献３、まてりあ,Vol.40(2001),No.4, p348頁左欄では、半溶融微粉を超音速で吹きつけるHVOF法により発電機ボイラーの皮膜を形成することが述べられている。 High-speed flame spraying includes a method using oxygen as a combustion auxiliary gas (HVOF method) and a method using compressed air instead of oxygen (HVAF method). In both cases, the thermal spray powder carried by the carrier gas to the high-speed flame is heated by the flame and collides with the substrate at a high speed of 400 m / s or higher in a molten or anti-molten state. Therefore, the denseness, hardness, boundary adhesion with the base material, thermal spray interlayer bonding force, particle bonding force, and the like are greatly influenced by the temperature and flight speed of the thermal spray particles. That is, if the composition, density, particle size, etc. of the thermal spray powder are the same, the combustion pressure of the combustion gas (controlled by the oxygen pressure / flow rate to the spray gun, the fuel gas pressure / flow rate), called spraying conditions, It can be changed according to the shape of the spray gun nozzle, the distance between the object to be sprayed and the spray gun nozzle (hereinafter referred to as spray distance). Yes. For example, in Non-Patent Document 3, Materia, Vol. 40 (2001), No. 4, p. 348, left column, a generator boiler film can be formed by the HVOF method of spraying semi-molten fine powder at supersonic speed. It is stated.
本第一発明が、特徴とするところは、耐摩耗性高速フレーム溶射皮膜の形成方法であって、被溶射面に突入する溶射粒子の温度及び飛行速度を溶射皮膜形成中に段階的に或いは連続的に人為的に変化させるところにある。以下、この特徴を本発明者達が行なった実験を参照として説明する。 The first aspect of the present invention is characterized by a method for forming a wear-resistant high-speed flame sprayed coating, wherein the temperature and the flight speed of the sprayed particles entering the surface to be sprayed are changed stepwise or continuously during the formation of the sprayed coating. Is artificially changing. Hereinafter, this feature will be described with reference to experiments conducted by the present inventors.
本発明者達はＮｉ及び／又はＮｉ−Ｃｒ合金基地中に炭化クロム粒子が分散した複合材粒子を主成分とする耐摩耗性皮膜の溶射条件を決定するために、溶射条件である粉末供給量と燃焼ガスの燃焼圧が溶射粒子温度及び溶射粒子速度に与える影響について、フレーム診断装置（例えばオゼール社製Spray Watch）により調査した結果を表１に示す。
In order to determine the thermal spraying conditions of the wear-resistant coating composed mainly of composite particles in which chromium carbide particles are dispersed in a Ni and / or Ni-Cr alloy matrix, the present inventors supply the amount of powder that is the thermal spraying condition. Table 1 shows the results of investigations on the influence of the combustion pressure of the combustion gas and the spray particle temperature and spray particle velocity using a flame diagnostic apparatus (for example, Spray Watch manufactured by Ozeel).
表１から、
（１）溶射皮膜を決定づける粒子速度と粒子温度に対して、燃焼ガス条件は殆ど影響せず、最も大きく影響するのは単位時間あたりの粉末供給量である。
（２）単位時間あたりの粉末供給量を減らすと粒子速度は増加するが粒子温度は低下する。
（３）単位時間あたりの粉末供給量を増やすと粒子速度は低下するが粒子温度は増加する。
等の知見が得られる。
From Table 1,
(1) The combustion gas condition has little influence on the particle velocity and particle temperature that determine the sprayed coating, and the largest influence is the amount of powder supplied per unit time.
(2) When the amount of powder supplied per unit time is reduced, the particle speed increases but the particle temperature decreases.
(3) Increasing the amount of powder supplied per unit time decreases the particle speed but increases the particle temperature.
Such knowledge is obtained.
上記知見（１）〜（３）をまとめると、粉末供給量が少ないと、溶射粒子速度が上がること、粉末供給量が多いと、溶射粒子速度が遅くなり、溶射フレーム内の滞留時間が長くなるので溶射粒子温度が高くなるということであるので、一つの摺動部材へ同一組成の粉末を繰返し、多層に溶射する皮膜形成において、これらの現象を利用すると新規プロセスが実現される。これに対して従来から行なわれている方法の幾つかを説明すると、傾斜組成コーティングは組成に傾斜をもたせる多層溶射法であるが、本発明は粉末の供給量を変化させる溶射法である。さらに、生産性の観点から粉末供給量を増減することは従来から行なわれていたが、一つの摺動部材については粉末供給量は一定である。 Summarizing the above findings (1) to (3), if the powder supply amount is small, the spray particle speed increases, and if the powder supply amount is large, the spray particle speed decreases and the residence time in the spray frame becomes long. As a result, the temperature of the spray particles becomes high. Therefore, a new process is realized by utilizing these phenomena in the formation of a coating in which powders of the same composition are repeatedly applied to one sliding member and sprayed in multiple layers. On the other hand, some conventional methods are described. The gradient composition coating is a multilayer spraying method in which the composition has a gradient, but the present invention is a thermal spraying method in which the amount of powder supplied is changed. Further, increasing and decreasing the powder supply amount from the viewpoint of productivity has been conventionally performed, but the powder supply amount is constant for one sliding member.
前記知見（２）を利用して、溶射開始時は、単位時間当たりの粉末供給量を減らし溶射粒子の速度を高くすると、基板に衝突する粒子速度が高くなるので、境界密着性や層間強度が向上する。また、前記知見（３）を利用して、摺動部分のコーティング時には溶射粒子速度を落とし溶射粒子の温度を高くすると、粒子間結合力を高め、摺動によってクラックが発生することを防ぐことができる。
表１に示された約100m/sの粒子速度差及び約70℃の温度差は、燃焼ガス流量及び溶射距離を変化させることによっても実現できるが、粉末粒径一定条件で燃焼ガス流量により燃焼圧力を変化させることは、現在入手できる溶射ガンの一型式の範囲では難しく、溶射ガン並びにその操作治具などを一新しなければならない。また、溶射距離によっては、フレームが被溶射材に届き、被溶射物の昇温が激しくなり熱変形を起こしかねないこと、溶射距離を途中で変更することは装置上或いは溶射材の歩留まりから得策ではない。
By using the knowledge (2), at spraying start, increasing the speed of the spray particles reduce the powder supply amount per unit time, the particle velocity impinging on the substrate is increased, the boundary adhesion and interlayer strength improves. In addition, using the above knowledge (3) , when coating the sliding part, the spraying particle speed is decreased and the temperature of the spraying particle is increased, thereby increasing the interparticle bonding force and preventing the occurrence of cracks due to sliding. it can.
The particle velocity difference of about 100m / s and the temperature difference of about 70 ° C shown in Table 1 can be realized by changing the combustion gas flow rate and spraying distance, but the combustion is performed by the combustion gas flow rate under the condition of constant powder particle size. Changing the pressure is difficult within the range of one type of spray gun currently available, and the spray gun and its operating jig must be renewed. Depending on the spraying distance, the frame may reach the material to be sprayed, and the temperature of the material to be sprayed may increase and heat deformation may occur.It is advisable to change the spraying distance in the middle of the equipment or the yield of the sprayed material. is not.
さらに、本発明に係る溶射機は、図５に実施態様を示すように、スクリューにより粉末をガンに供給するスクリュー内蔵ホッパー、振動式篩により粉末をタンクから切り出し、これを一旦コーンホッパーなどの溶射粉末供給装置２０を備えている。この粉末供給量を例えばスクリューの回転速度から検出する粉末供給量検出手段２１を付設する。さらに、スクリューの回転速度をモーターにより調節するか、あるいは篩の振動数を粉末供給量調節装置により調節可能とする。溶射粉末供給装置は流動床タイプでもよい。また、溶射開始はリング回転検出器２２により、制御装置２３にスタート信号に与えることにより検出し、これにより溶射ガンのすべての機能が連動して自動的に進行する。また、リング回転検出器２２はピストンリングの回転回数、速度なども検出する。制御装置２３は粉末供給制御機能と機械的動作制御機能を有している。先ず、前者について述べると、内蔵のタイマーにより溶射累積時間を算出して信号を発生し、予め定められた粉末供給予定量により、モーターの回転速度を制御するか、あるいは、振動数を制御する。後者の機能に関しては溶射ガンの往復回数、溶射距離、溶射角度、空気冷却の開始時間等を制御する。
上述の溶射ガンにおいて完全自動操作を行う場合は、溶射機ホッパーの切りだしスクリューを、一定の増加速度で回転し、溶射終了後スクリューを停止するように回転速度が制御されたモーターと連結してもよい。また、一部自動操作を行う場合は、リング回転検出器２２が所定溶射回数を検出した後、制御装置２３から停止信号を発生させ、溶射ガンの全ての機能を停止し、次に粉末供給量を手動で切り替え、その後同様の操作を行う。
上記以外の構成は図４に示された従来のガス溶射ガンと同じであり、これは溶射ガス流量などの制御機構を付設している。
Further, as shown in the embodiment in FIG. 5, the thermal spraying machine according to the present invention is a hopper with a built-in screw that supplies powder to a gun with a screw, and the powder is cut out from a tank with a vibrating sieve, and this is once sprayed with a cone hopper or the like. A powder supply device 20 is provided. For example, powder supply amount detection means 21 for detecting the powder supply amount from the rotational speed of the screw is provided. Furthermore, the rotational speed of the screw is adjusted by a motor, or the vibration frequency of the sieve can be adjusted by a powder supply amount adjusting device. The sprayed powder supply device may be a fluidized bed type. Further, the start of thermal spraying is detected by giving a start signal to the control device 23 by the ring rotation detector 22, whereby all the functions of the thermal spray gun are automatically advanced in conjunction with each other. The ring rotation detector 22 also detects the number of rotations and speed of the piston ring. The control device 23 has a powder supply control function and a mechanical operation control function. First, to describe the former, a built-in timer calculates a thermal spray accumulated time to generate a signal, and controls the rotational speed of the motor or the frequency according to a predetermined powder supply scheduled amount. For the latter function, the number of reciprocations of the spray gun, spray distance, spray angle, start time of air cooling, and the like are controlled.
When fully automatic operation is performed in the above-mentioned spray gun, the cutting screw of the sprayer hopper is rotated at a constant increase speed and connected to a motor whose rotation speed is controlled so that the screw is stopped after the spraying is completed. Also good. In the case of partial automatic operation, after the ring rotation detector 22 detects a predetermined number of times of spraying, a stop signal is generated from the control device 23 to stop all the functions of the spray gun, and then the powder supply amount Switch manually, and then perform the same operation.
The configuration other than the above is the same as that of the conventional gas spray gun shown in FIG. 4, and this is provided with a control mechanism such as a spray gas flow rate.
以下、摺動部材としては内燃機関に用いられるピストンリングを例にし、その外周摺動面に耐摩耗性溶射皮膜を形成する溶射方法について具体的に説明する。 Hereinafter, as a sliding member, a piston ring used in an internal combustion engine is taken as an example, and a thermal spraying method for forming an abrasion-resistant thermal spray coating on the outer peripheral sliding surface will be specifically described.
本発明の摺動部材は内燃機関に用いられるピストンリングであり、図１に例示するものである。ピストンリング本体１の材質としては鋳鉄或いは鋼を用いることができる。溶射皮膜を被覆するピストンリング外周面２には略逆台形状の溝が全周にわたって掘られ、該溝の中に溶射皮膜３が形成されている。
溶射皮膜外周表面は溶射後砥石研磨、ラッピング研磨により、１０点平均粗さで０．８μm以下に仕上げられている。ピストンリング上下方向両端にはピストンリング母材が露出している所謂インレイド溶射リングである、
溶射皮膜３としては、Ｎｉ又はＣｏ合金基地中に炭化物粒子が分散した複合材粒子を主な構成粒子とし、場合によっては、他の金属粒子、セラミクス材等を混合させたもの、或いは、Ｎｉ、Ｃｏ又はＣｒの一種以上の金属又は／及びその合金とセラミクス材からなるサーメット皮膜を用いることができる。溶射皮膜３の硬度はHv５００〜１０００で、空孔率５％以下、溶射膜厚さは０．０５〜０．４ｍｍである。
The sliding member of the present invention is a piston ring used in an internal combustion engine, and is exemplified in FIG. As a material of the piston ring body 1, cast iron or steel can be used. A substantially inverted trapezoidal groove is dug all around the outer peripheral surface 2 of the piston ring that covers the sprayed coating, and a sprayed coating 3 is formed in the groove.
The outer peripheral surface of the thermal spray coating is finished to an average roughness of 10 μm or less by grinding with a grinding stone or lapping after spraying. Piston ring is a so-called inlaid sprayed ring in which the piston ring base material is exposed at both ends in the vertical direction.
The thermal spray coating 3 is mainly composed of composite particles in which carbide particles are dispersed in a Ni or Co alloy matrix, and in some cases, other metal particles, ceramic materials, or the like, or Ni, A cermet film made of one or more metals of Co or Cr or / and alloys thereof and a ceramic material can be used. The thermal spray coating 3 has a hardness of Hv 500 to 1000, a porosity of 5% or less, and a thermal spray film thickness of 0.05 to 0.4 mm.
続いて、溶射皮膜の形成方法を説明する。
１）ピストンリング前処理
外周面２に略逆台形状の溝が全周にわたって掘られているピストンリング数十本外周面をそろえて筒状に束ね、両端を中央に通したシャフトで固定する。中央に通したシャフトはブラストや溶射時にピストンリングを回転させる際の中心軸となる。このとき、ピストンリングの合い口は閉じられている。次に、ブラスト装置により外周面にブラストを掛け、表面を１０点平均粗さ１５〜２０μm程度に粗にした後溶射を行う。尚、被溶射材が軟質材の場合にはブラスト工程を省略することもできる。
Then, the formation method of a sprayed coating is demonstrated.
1) Piston ring pretreatment The outer circumferential surface 2 has a substantially inverted trapezoidal groove that is dug over the entire circumference, aligns dozens of outer circumferential surfaces of the piston rings, bundles them in a cylindrical shape, and fixes them with shafts passing through both ends in the center. The shaft passing through the center serves as the central axis for rotating the piston ring during blasting or thermal spraying. At this time, the joint of the piston ring is closed. Next, the outer peripheral surface is blasted by a blasting device, the surface is roughened to an average roughness of 10 points of 15 to 20 μm, and then thermal spraying is performed. When the sprayed material is a soft material, the blasting process can be omitted.
２）予熱
まず、溶射に先立って予熱を行う。前記ブラスト掛けの終わったピストンリング集合体を溶射装置にセットし、ピストンリング集合体は外周周速が約１００ｍ／ｓとなるように回転させる。その後、表面から約２５０ｍｍ離れた位置を、ピストンリング集合体の軸心に沿って、一方の端から他端に向かって溶射ガンを約８ｍｍ／ｓの移動速度で動かす。このとき溶射フレームを発生させておき、フレームの熱によりピストンリング外周表面を加熱する。溶射ガンは他端で反転し以後この動作を繰り返す。溶射ガンの往復回数は前もってピストンリングの表面温度を測定することにより決定される。ブラスト同様にこの予熱も境界密着性等に問題がなければ省略することができる。
2) Preheating First, preheating is performed prior to thermal spraying. The piston ring assembly after blasting is set in a thermal spraying device, and the piston ring assembly is rotated so that the outer peripheral speed is about 100 m / s. Thereafter, the spray gun is moved at a moving speed of about 8 mm / s from one end to the other end along the axis of the piston ring assembly at a position about 250 mm away from the surface. At this time, a thermal spray frame is generated, and the outer peripheral surface of the piston ring is heated by the heat of the frame. The spray gun is reversed at the other end and the operation is repeated thereafter. The number of reciprocations of the spray gun is determined in advance by measuring the surface temperature of the piston ring. Similar to blasting, this preheating can be omitted if there is no problem in boundary adhesion or the like.
３）皮膜コーティング
予熱後直ちに溶射を行なう。溶射は燃焼ガスとしてプロピレンガス、燃焼助燃ガスとして酸素を用いるHVOF式の高速フレーム溶射を行うことができる。燃焼ガスとして水素、プロパン又はケロシン等を用い、燃焼助燃ガスとして空気を用いるHVAF法を用いることもできる。
粉末供給量が可変である溶射ガンが所定の回数往復され、ピストンリング表面温度が約１００℃程度になったところで、溶射装置付帯の粉末供給装置で粉末供給を開始し溶射皮膜のコーティングを開始する。本溶射方法では粉末供給開始時の粉末供給量を少なく設定しておき、コーティングの途中から粉末供給量を連続的に或いは段階的に増やすことにより、溶射皮膜膜質を母材境界部近傍と外周摺動部に溶射条件の違いを持たせる。粉末供給量の範囲は現在の溶射ガンでは３〜80g/分の範囲が一般的である。この範囲よりも粉末供給量が少ないと安定した粉末供給が困難であり、一方粉末供給量が多いとフレームが広がり材料歩留まりが低くなる。好ましい粉末供給量は45〜50g/分である。この粉末供給量範囲内において、母材境界近傍部は母材との境界密着性や層間密着性が向上する溶射条件でコーティングを行い、途中からは、摺動の摩擦力による剪断力に耐えられるように、粒子間結合力が向上する溶射条件とする。
3) Coating coating Thermal spraying is performed immediately after preheating. Thermal spraying can be performed by HVOF high-speed flame spraying using propylene gas as the combustion gas and oxygen as the combustion auxiliary gas. The HVAF method using hydrogen, propane, kerosene or the like as the combustion gas and air as the combustion auxiliary gas can also be used.
When the spray gun with variable powder supply amount is reciprocated a predetermined number of times and the piston ring surface temperature reaches about 100 ° C., powder supply is started with the powder supply device attached to the thermal spray device and coating of the spray coating is started. . In this thermal spraying method, the powder supply amount at the start of powder supply is set low, and the powder supply amount is increased continuously or stepwise from the middle of coating, so that the thermal spray coating film quality is changed between the vicinity of the base material boundary and the outer periphery. Give the moving parts different spraying conditions. The range of the powder supply amount is generally in the range of 3 to 80 g / min in the current spray gun. If the amount of powder supply is less than this range, stable powder supply is difficult. On the other hand, if the amount of powder supply is large, the frame spreads and the material yield decreases. A preferred powder feed rate is 45-50 g / min. Within this powder supply range, the vicinity of the base material boundary is coated under a thermal spraying condition that improves the boundary adhesion with the base material and interlayer adhesion, and can withstand shearing force due to sliding frictional force from the middle. Thus, it is set as the thermal spraying condition which improves the bond strength between particles.
実際に粉末供給量を決定するに当っては、まず、溶射層外周部コーティング時の粉末供給量を粒子間結合力が十分となる量を溶射皮膜の引っ張り試験等にて決定し、溶射開始時の粉末供給量は該粉末供給量の１０〜５０％として溶射皮膜の境界密着性を上げるとよい。尚、当然であるが必要とされる境界密着性や粒子間結合力は摺動部材や使われる環境により異なるので、粉末供給量を具体的に画一的に決めることはできない。
粉末供給量を増加させるタイミングは母材との境界部に均一に溶射層が形成された時期が最良である。密着性評価で確認できれば良いが、そのような正確な判断ができない場合には、初期の粉末供給量で所定時間或いは回数の溶射コーティングを行った後表面の溶射膜の付着の状況を走査電子顕微鏡等にて確認することができる。
When actually determining the amount of powder to be supplied, first determine the amount of powder to be supplied during coating of the outer periphery of the sprayed layer by using a tensile test of the sprayed coating, etc. The powder supply amount is preferably 10 to 50% of the powder supply amount to improve the boundary adhesion of the thermal spray coating. Needless to say, the necessary boundary adhesion and interparticle bonding force vary depending on the sliding member and the environment in which it is used, and therefore the powder supply amount cannot be specifically determined uniformly.
The timing for increasing the powder supply amount is best when the sprayed layer is uniformly formed at the boundary with the base material. It is sufficient if it can be confirmed by adhesion evaluation. However, if such an accurate determination cannot be made, after the thermal spray coating is performed for a predetermined time or the number of times with the initial powder supply amount, the state of adhesion of the thermal spray film on the surface is scanned with a scanning electron microscope. Etc. can be confirmed.
以下、実施例に基づき詳述する。
実施例１
球状黒鉛鋳鉄からなり外径φ１４０ｍｍ、厚さ４ｍｍ、幅５．５ｍｍで、外周摺動面には溝底幅２ｍｍ、開口部幅３ｍｍ、深さ０．３ｍｍの溝が掘られている内燃機関用１ｓｔピストンリング約６０本を両側面からクランプして、長さ２４０ｍｍの筒状にした。
これを、ブラスト装置にセットしピストンリング外周面をブラスト処理し、表面を１０点平均粗さ２５μmＲｚにした。ブラスト条件は下記の通りである。
空気圧 ：０．５ＭＰａ
ブラスト材：カーボランダム＃３０
回数 ：２往復
Hereinafter, it explains in full detail based on an Example.
Example 1
For internal combustion engine made of spheroidal graphite cast iron with outer diameter φ140mm, thickness 4mm, width 5.5mm, and outer periphery sliding surface with groove bottom width 2mm, opening width 3mm, depth 0.3mm About 60 first piston rings were clamped from both side surfaces to form a cylindrical shape having a length of 240 mm.
This was set in a blasting device, and the outer peripheral surface of the piston ring was blasted to give a 10-point average roughness of 25 μm Rz. The blasting conditions are as follows.
Air pressure: 0.5 MPa
Blasting material: Carborundum # 30
Number of times: 2 round trips
上記ピストンリングをブラスト装置から取り出し、外周面に付着した研磨粉及びブラスト材をエアーブローにより取り除いた後に溶射装置にセットし、外周周速が１００ｍｍ／ｓになるように２２８ｒｐｍで回転させた。次に、スルザーメテコ社高速フレーム溶射装置ＤＪ１１００の溶射コントロールボックスにて溶射ガンから高速フレームを発生させた。その燃焼条件は下記のとおりである。尚、溶射ガンはピストンリング外周から約２５０ｍｍのところをピストンリングの軸心に沿って、速度約８ｍｍ／ｓで往復移動するようにされている。 The piston ring was taken out from the blasting device, the abrasive powder and blasting material adhering to the outer peripheral surface were removed by air blow, set in a thermal spraying device, and rotated at 228 rpm so that the outer peripheral peripheral speed was 100 mm / s. Next, a high-speed flame was generated from the spray gun in the spray control box of Sulzer Metco's high-speed flame spray apparatus DJ1100. The combustion conditions are as follows. The thermal spray gun is configured to reciprocate at a speed of about 8 mm / s along the axis of the piston ring about 250 mm from the outer periphery of the piston ring.
固定した溶射条件
酸素圧力 ：０．９８ＭＰａ
プロピレン圧力：０．６３ＭＰａ
使用粉末 ：スルザーメテコ社 ＳＭ５２４１
Fixed spraying conditions
Oxygen pressure: 0.98 MPa
Propylene pressure: 0.63 MPa
Powder used: Sulzer Metco SM5241
溶射ガンを１往復させピストンリング表面温度が約１００℃となったことを確認した後、粉末供給装置を稼働させ、予めセットしておいた５〜２０ｇ／分の粉末供給量でコーティングを開始した。溶射ガンが１〜４往復したところで、粉末供給量を４０〜７５ｇ／分に上げ、その後０．３ｍｍ以上の膜厚を得られるよう、往復回数を設定しコーティングを行った。
この実施例では溶射装置は１台使用し、１〜４往復した時点で粉末供給装置の供給量を設定値を変化させ粉末供給量を増加させたが、溶射装置を２台使用して、予め粉末供給量をセットしておき、前段を１機の溶射ガンで行ない、その後直ちに別の１機の溶射ガンで後段の溶射を行なっても良い。
After confirming that the surface temperature of the piston ring reached about 100 ° C. by reciprocating the spray gun, the powder supply device was operated and coating was started at a preset powder supply rate of 5 to 20 g / min. . When the spray gun reciprocated 1 to 4 times, the powder supply amount was increased to 40 to 75 g / min, and then coating was performed by setting the number of reciprocations so that a film thickness of 0.3 mm or more was obtained.
In this embodiment, one spraying device is used, and when the reciprocating operation is performed 1-4 times, the supply amount of the powder supply device is changed to increase the powder supply amount. However, two spraying devices are used in advance. It is also possible to set the powder supply amount, perform the first stage with one spray gun, and then immediately perform the second stage spray with another one spray gun.
溶射終了後、ピストンリングの外周溶射面を研磨しピストンリング上下端部の母材を露出させ溶射ピストンリングを解体した後、それぞれのピストンリングについて境界密着性、粒子間強度を次の方法で測定した。
初期の粉末供給量、往復回数を変化させたもの
（１）初期の粉末供給量、往復回数を一定とし、途中から増やした量が異なるもの
（２）従来方法の初期から最後まで粉末供給量を変えないもの
の３種類のピストンリングを作成した。溶射条件一覧を表２に記載する。尚、粉末供給量を変化させない従来のものを比較例として記載する。
After the thermal spraying is finished, the outer periphery sprayed surface of the piston ring is polished to expose the base material at the upper and lower ends of the piston ring, and the thermal spray piston ring is disassembled. Then, the boundary adhesion and interparticle strength of each piston ring are measured by the following methods. did.
The initial powder supply amount and the number of reciprocations are changed. (1) The initial powder supply amount and the number of reciprocations are constant, and the amount increased from the middle is different. (2) The powder supply amount is changed from the initial to the end of the conventional method. Three types of piston rings were created that were not changed. Table 2 shows a list of thermal spraying conditions. In addition, the conventional thing which does not change the amount of powder supply is described as a comparative example.
次に、表２のピストンリングを図２記載の密着性評価方法を用い皮膜の境界密着性を評価した。又、図３記載の測定方法により粒子間結合力を評価した。
１）境界密着性
ピストンリング（１）の合い口部を左右方向に広く治具10の一方10b（固定側）には各種センサ７を取りつけ、可動側10aの一端にはトルクセンサ８を取りつけ、ピストンリングをねじり角度（θ）でねじることにより、溶射皮膜と母材境界面に剥離応力を発生させるツイスト試験により測定した。
２）粒子間結合力
ピストンリング合い口部９０°の方向からピストンリングに荷重を加え、合い口部反対側の皮膜内クラック発生をAEセンサー18で把握し、クラック発生したときの荷重をもって粒子間結合力とした。その結果を表３に示す。
Next, the boundary adhesion of the film was evaluated using the adhesion evaluation method described in FIG. Further, the bonding force between particles was evaluated by the measuring method shown in FIG.
1) Boundary adhesion The joint part of the piston ring (1) is widened in the left-right direction. Various sensors 7 are attached to one side 10b (fixed side) of the jig 10, and a torque sensor 8 is attached to one end of the movable side 10a. The measurement was performed by a twist test in which a peeling stress was generated at the interface between the thermal spray coating and the base material by twisting the piston ring at a twist angle (θ).
2) Interparticle bonding force Load is applied to the piston ring from the direction of the piston ring mating part 90 °, and the AE sensor 18 detects the occurrence of cracks in the coating on the opposite side of the mating part. The binding force was used. The results are shown in Table 3.
上記結果から下記のことが言える。
１. 初期から粉末供給量４０ｇ／分と多い比較例６と初期の粉末供給量を５〜２０ｇ／分と少なくした実施例１〜６及び比較例7のツイスト試験剥離角度を比較すると、実施例１〜６及び比較例7のツイスト皮膜剥離角度は大きく、皮膜の境界密着性が優れていることが解る。すなわち、初期の粉末供給量を少なく設定することにより、溶射粒子の速度が上がり溶射皮膜の密着性が向上したと判断できる。
２. 初期の粉末供給量を１０ｇ／分と少なくし最後まで変化させない比較例７と初期の粉末供給量を同じ１０ｇ／分とし、途中から増やし後期の粉末供給量を４０〜７５ｇ／分と多くした実施例１〜５とを比較すると、後期に粉末供給量を多くした実施例１〜５のクラック発生荷重が高くなっている。これは、粉末の供給量が多くなったことにより、個々の溶射粒子の速度が下がり、燃焼フレーム内に滞留するする時間が長くなり、充分に昇温し、溶融が促進されたか或いは粒子強度が下がったために、溶射の衝突エネルギーにより粒子変形が進み又は粒界での結合が進んだために溶射粒子間結合力が向上した結果、クラック発生荷重が上がったと言える。
３. 尚、実施例１と２の結果からは、初期の粉末供給量を少なくした場合は、往復回数が少ないと密着性の向上は少ないこともわかる。又、実施例４のように、後期の粉末供給量を大きくしすぎると、気孔率が大きくなり硬さも下がるため、耐摩耗性が劣る可能性がある。
The following can be said from the above results.
1. Comparison of twist test peeling angles of Comparative Example 6 with a large amount of powder supply of 40 g / min from the beginning, and Examples 1 to 6 and Comparative Example 7 with a small initial powder supply amount of 5 to 20 g / min. It can be seen that the twist film peeling angles of 1 to 6 and Comparative Example 7 are large, and the boundary adhesion of the film is excellent. That is, by setting the initial powder supply amount small, it can be determined that the speed of the spray particles is increased and the adhesion of the spray coating is improved.
2. The initial powder supply amount is reduced to 10 g / min and is not changed to the end, and the initial powder supply amount is the same 10 g / min. In comparison with Examples 1 to 5, the crack generation load of Examples 1 to 5 in which the powder supply amount was increased in the latter period is high. This is because when the amount of powder supplied is increased, the velocity of each sprayed particle is decreased, the time for staying in the combustion flame is increased, the temperature is sufficiently increased, and melting is promoted or the particle strength is increased. It can be said that the crack generation load increased as a result of the improvement in the bonding force between the thermal sprayed particles because the particle deformation progressed due to the collision energy of thermal spraying or the bonding at the grain boundary advanced.
3. From the results of Examples 1 and 2, it can be seen that, when the initial powder supply amount is reduced, the improvement in adhesion is small when the number of reciprocations is small. Further, as in Example 4, if the powder supply amount in the latter period is too large, the porosity increases and the hardness decreases, so that the wear resistance may be inferior.
以上のことから、初期の粉末供給量を少なくして溶射を開始し、ある程度の溶射膜厚さ確保した後に、適当な粉末供給量に増やすような溶射方法をとることで、実施例１〜５に示すように、皮膜密着性に優れ、且つ、耐クラック性に優れた、耐摩耗性高速フレーム溶射膜を形成できることが解る。 From the above, the first powder supply amount is decreased and thermal spraying is started, and after securing a certain amount of sprayed film thickness, the thermal spraying method is used to increase to an appropriate powder supply amount. As shown in FIG. 5, it can be seen that an abrasion-resistant high-speed flame sprayed film having excellent coating adhesion and excellent crack resistance can be formed.
実施例２
溶射材を７５W％Cr3C2−２５W%Ni-Crでなるスルザーメテコ社Diamalloy3004に代えて、実施例１と同様な実験を行った。粉末供給条件と形成された皮膜の結果を表４に記載する。
Example 2
An experiment similar to that in Example 1 was performed in place of Sulzer Metco Diamalloy 3004 made of 75 W% Cr 3 C 2 -25 W% Ni-Cr. The powder supply conditions and the results of the coating formed are listed in Table 4.
上記、表３のピストンリングを実施例１同様に境界密着性・層間結合力及び粒子間結合力を評価した。その結果を表５に記載する。 The piston rings shown in Table 3 were evaluated for boundary adhesion, interlaminar bonding force and interparticle bonding force in the same manner as in Example 1. The results are listed in Table 5.
上記結果から下記のことが言える。
１. 初期から粉末供給量４０ｇ／分と多い比較例６と初期の粉末供給量を５〜２０ｇ／分と少なくした実施例１〜６及び比較例7のツイスト試験剥離角度を比較すると、実施例１〜６及び比較例7のツイスト皮膜剥離角度は大きく、皮膜の境界密着性が優れていることが解る。すなわち、初期の粉末供給量を少なく設定することにより、溶射粒子の速度が上がり溶射皮膜の密着性が向上したと判断できる。
２. 初期の粉末供給量を１０ｇ／分と少なくし最後まで変化させない比較例７と初期の粉末供給量を同じ１０ｇ／分とし、途中から増やし後期の粉末供給量を４０〜７５ｇ／分と多くした実施例１〜５とを比較すると、クラック発生荷重には粉末供給量の影響は少ない。これは、実施例１に用いた溶射材が複合材であるのに対し、実施例２の溶射材が金属粒子とセラミクス粒子のブレンド粉末であるため、粉末供給量を増やし粒子速度を下げて金属粒子の昇温を高くしても、元々金属粒子は耐熱強度が低いので、フレーム内の昇温だけで被溶射面では粒子変形が充分に行われ、粒子間結合力が高くなるので、粉末供給量を落とし粒子の温度を上げて、粒子間結合力を強くするという本発明の効果がはっきりしなかったと思われる。
３. 粉末供給量は成膜速度に大きく影響する。即ち、粉末供給量が多いほど高速に成膜出来る。
The following can be said from the above results.
1. Comparison of twist test peeling angles of Comparative Example 6 with a large amount of powder supply of 40 g / min from the beginning, and Examples 1 to 6 and Comparative Example 7 with a small initial powder supply amount of 5 to 20 g / min. It can be seen that the twist film peeling angles of 1 to 6 and Comparative Example 7 are large, and the boundary adhesion of the film is excellent. That is, by setting the initial powder supply amount small, it can be determined that the speed of the spray particles is increased and the adhesion of the spray coating is improved.
2. The initial powder supply amount is reduced to 10 g / min and is not changed to the end, and the initial powder supply amount is the same 10 g / min. In comparison with Examples 1 to 5 described above, the influence of the powder supply amount is small on the crack generation load. This is because the thermal spray material used in Example 1 is a composite material, whereas the thermal spray material of Example 2 is a blended powder of metal particles and ceramic particles. Even if the temperature of the particles is increased, the heat resistance strength of the metal particles is originally low, so that the particles are sufficiently deformed on the sprayed surface only by increasing the temperature in the frame, and the bonding force between the particles is increased. It seems that the effect of the present invention, in which the amount is decreased and the temperature of the particles is increased to increase the bonding force between the particles, is not clear.
3. The amount of powder supply greatly affects the deposition rate. That is, the larger the powder supply amount, the faster the film can be formed.
以上のことから、溶射材にサーメットのブレンド材を用いる場合でも、初期の粉末供給量を少なくして溶射を開始し、ある程度の溶射膜厚さ確保した後に、適当な粉末供給量に増やすような溶射方法をとることで、耐クラック性に優れた溶射皮膜を密着性高く高速で形成できることが解る。 From the above, even when a cermet blend material is used for the thermal spray material, the initial powder supply amount is decreased and thermal spraying is started, and after ensuring a certain amount of sprayed film thickness, it is increased to an appropriate powder supply amount. It can be seen that a thermal spray coating excellent in crack resistance can be formed at high speed with high adhesion by using the thermal spraying method.
摺動部材の摺動面に高速フレーム溶射法にて耐摩耗性溶射皮膜を形成する際に、粉末供給量の少ない状態である程度の厚さの溶射層を形成したのち、粉末供給量を増やすという本発明の溶射法をとることで、溶射皮膜の密着性と耐クラック性を向上させることが出来る。また、粉末供給量を少ない状態で溶射するのは、被溶射面が一様に溶射粒子で覆われるまでで良く、その後は、溶射供給量を増やすことが出るので、溶射皮膜形成の生産性が極端に悪くなることもない。尚、本発明の効果が顕著に得られる炭化物晶出型複合材の粉末を用いた高速フレーム溶射膜について実例で示したが、原理的にはどのような溶射材にでも応用できるものであることから、本発明のその工業的利用価値は高い。 When a wear-resistant thermal spray coating is formed on the sliding surface of a sliding member by high-speed flame spraying, after a sprayed layer of a certain thickness is formed with a small amount of powder supplied, the amount of powder supplied is increased. By adopting the thermal spraying method of the present invention, the adhesion and crack resistance of the thermal spray coating can be improved. In addition, spraying with a small amount of powder supply is sufficient until the surface to be sprayed is uniformly covered with spray particles, and then the spray supply amount can be increased. It won't be extremely bad. It should be noted that the high-speed flame sprayed film using the powder of the carbide crystallization type composite material, in which the effect of the present invention is remarkably obtained, has been shown as an example, but in principle, it can be applied to any sprayed material. Therefore, the industrial utility value of the present invention is high.
１ リング本体
２ 外周面
３ 溶射皮膜
1 Ring body 2 Outer peripheral surface 3 Thermal spray coating
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