JP2021042406A - Plasma spraying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミック製の基材に皮膜を形成するプラズマ溶射装置に関する。 The present invention relates to a plasma spraying device that forms a film on a ceramic substrate.
セラミック基材への皮膜加工には、従来からプラズマ溶射装置が広く使用されている。プラズマ溶射装置は、溶射ノズルへの供給電力を増加させることで、プラズマの発熱量を高めて、皮膜の加工時間を短縮することができる。しかし、回転中のセラミック基材に皮膜を加工する場合、プラズマジェットによる加熱部位が基材の回転に伴って変化するため、熱膨張差によって基材に割れが発生しやすいという課題があった。 Conventionally, a plasma spraying device has been widely used for film processing on a ceramic base material. By increasing the power supplied to the thermal spray nozzle, the plasma spraying device can increase the amount of heat generated by the plasma and shorten the film processing time. However, when processing a film on a rotating ceramic base material, there is a problem that the base material is liable to crack due to the difference in thermal expansion because the heating portion by the plasma jet changes with the rotation of the base material.
熱対策として、特許文献1には、溶射ブース内の溶射材料を含むガスを外部に排出することで、溶射ブース内の温度を低下させる技術が提案されている。また、特許文献2には、プラズマジェットの周囲に冷却ノズルを配置し、冷却ノズルから冷却ガスを加工領域外側の基材に向けて吹き付け、板状の基材を高温から保護する技術が開示されている。 As a measure against heat, Patent Document 1 proposes a technique for lowering the temperature inside the thermal spraying booth by discharging the gas containing the thermal spraying material in the thermal spraying booth to the outside. Further, Patent Document 2 discloses a technique in which a cooling nozzle is arranged around a plasma jet, and a cooling gas is sprayed from the cooling nozzle toward a base material outside the processing region to protect the plate-shaped base material from high temperature. ing.
ところが、特許文献1の熱対策によると、溶射材料を含むガスを溶射ブース外に排出するため、皮膜の膜厚が減少し、所要の膜厚を得るために加工時間が長くかかった。また、特許文献2の熱対策によると、冷却ガスを皮膜加工領域の外側に向けて吹き付けているので、溶射材料の一部が冷却ガスの噴流に誘引されて加工領域の外側に流失し、膜厚が不十分になり、高速加工に適さないという課題があった。 However, according to the heat countermeasure of Patent Document 1, since the gas containing the thermal spraying material is discharged to the outside of the thermal spraying booth, the film thickness of the film is reduced, and it takes a long time to obtain the required film thickness. Further, according to the heat countermeasure of Patent Document 2, since the cooling gas is sprayed toward the outside of the film processing area, a part of the sprayed material is attracted by the jet of the cooling gas and flows out to the outside of the processing area, and the film is formed. There was a problem that the thickness became insufficient and it was not suitable for high-speed machining.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミック基材の割れを抑えて、皮膜を十分な膜厚で短時間に加工可能なプラズマ溶射装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a plasma spraying apparatus capable of processing a film with a sufficient film thickness in a short time by suppressing cracking of a ceramic base material. ..
上記課題を解決するために、本発明のプラズマ溶射装置(10)は、セラミック製の基材(21)を回転可能に保持する治具(22)と、基材の回転中に溶射材料(19)を含むプラズマジェット(20)を基材に向けて噴射し、基材の外面に皮膜(23)を形成する溶射ノズル(14)と、基材の回転中に冷却ガス(26)をプラズマジェットの周囲から基材に向けて噴射する冷却ノズル(24)と、を備える。 In order to solve the above problems, the plasma spraying apparatus (10) of the present invention includes a jig (22) that rotatably holds a ceramic base material (21) and a thermal spray material (19) during the rotation of the base material. A thermal spray nozzle (14) that injects a plasma jet (20) containing () toward the base material to form a film (23) on the outer surface of the base material, and a plasma jet of cooling gas (26) while the base material is rotating. It is provided with a cooling nozzle (24) for spraying from the periphery of the substrate toward the base material.
上記構成によれば、基材の回転中に溶射材料によって皮膜が形成され、同時にその皮膜が冷却ガスにより冷却される。このため、セラミック基材を各部均一な温度で発熱させ、基材の割れを抑えることができる。また、冷却ガスがプラズマジェットの周囲から基材に向けて噴射されるため、冷却ガスの噴流に乗せて溶射材料を基材外面に寄せ集め、皮膜を十分な膜厚で短時間に加工することも可能である。 According to the above configuration, a film is formed by the thermal spray material during the rotation of the base material, and at the same time, the film is cooled by the cooling gas. Therefore, the ceramic base material can be heated at a uniform temperature in each part, and cracking of the base material can be suppressed. In addition, since the cooling gas is injected from the periphery of the plasma jet toward the base material, the sprayed material is gathered on the outer surface of the base material on the jet of the cooling gas, and the film is processed with a sufficient film thickness in a short time. Is also possible.
本発明の好ましい実施形態では、複数の冷却ノズルが溶射ノズルの軸線(141)に関して対称状に配置される。複数の冷却ノズルの軸線(242)は、基材よりも溶射ノズルに近い位置で互いに斜めに交差する。基材は、その外面が円筒面または円錐面を含む。溶射ノズルは、基材との相対位置が可変に設けられる。冷却ノズルは、基材の回転軸線方向に延びるスリット状のガス吹出口(241)を備える。 In a preferred embodiment of the present invention, the plurality of cooling nozzles are arranged symmetrically with respect to the axis (141) of the thermal spray nozzles. The axes (242) of the plurality of cooling nozzles intersect each other diagonally at a position closer to the thermal spray nozzle than the base material. The outer surface of the base material includes a cylindrical surface or a conical surface. The thermal spray nozzle is provided with a variable position relative to the base material. The cooling nozzle includes a slit-shaped gas outlet (241) extending in the direction of the rotation axis of the base material.
(一実施形態)
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1、図2に示すように、この実施形態のプラズマ溶射装置10では、溶射ブース11の内側にフレーム12が設置され、フレーム12にブラケット13を介して溶射ノズル14が上下方向に移動可能に取り付けられている。溶射ノズル14は、ボディ142およびノズルヘッド143を備え、ボディ142に、アルゴン、窒素等の不活性ガスからなるプラズマ作動ガス15を導入するガス入口16と、金属、セラミック等の粉末溶射材料19を導入する材料入口17とが設けられている。
(One Embodiment)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, in the
ノズルヘッド143は、内部でアーク放電によりプラズマを発生させ、プラズマの熱で粉末溶射材料19を溶かし、この溶射材料19を含むプラズマジェット20をセラミック製の基材21に向けて噴射する。基材21は、例えば、排ガス中の酸素量を測定するO2センサであって、治具22によって垂直な軸線213の周りで回転可能に保持されている。図3(a)に示すように、基材21の基部211は治具22に把持され、本体部212の外面が基材21の回転軸線213に沿って延びる緩やかな円錐面または円筒面となっている。そして、図3(b)に示すように、基材21の回転中に、溶射ノズル14が基材21に対する位置を上下に変化させつつ、プラズマジェット20中の溶射材料19を本体部212の外面に吹き付けて皮膜23を積層状に形成する。
The
図1に示すように、治具22はモータ222により駆動され、モータ222が溶射ブース11の底壁111の上に設置されている。同じく底壁111には、左右に2本の冷却ノズル24が支持部材25によって支持されている。図2に示すように、2本の冷却ノズル24は、ノズルヘッド143の近傍で溶射ノズル14の軸線141に関して対称に配置されている。冷却ノズル24の先端には、ガス吹出口241が基材21の回転軸線方向に延びるスリット状に形成され(図1参照)、基材21の回転中に、冷却ガスとしてのエア26をプラズマジェット20の周囲からセラミック基材21に向けて噴射する。
As shown in FIG. 1, the
また、冷却ノズル24は、エア26の噴流に乗せてプラズマジェット20中の溶射材料19を基材21に寄せ集める。この実施形態では、図4(a)に示すように、2本の冷却ノズル24の軸線242が基材21よりも溶射ノズル14に近い位置(交点P)で互いに斜めに交差する。溶射ノズル14の軸線141と冷却ノズル24の軸線242とがなす角度θは、35°〜60°であるのが好ましい。角度θが35°未満になると、エア26がプラズマジェット20の流れを乱し、膜厚を減少させる原因となる。また、角度θが60°を超過すると、基材21に到達するエア量が減少し、冷却効果が低下し、割れの原因となる。
Further, the
図4(b)は、冷却ノズル24の配置と基材21の割れおよび皮膜23の膜厚との関係を評価するための試験条件を示す。この試験では、基材21の中心から交点Pまでの距離A、交点Pから冷却ノズル24のガス吹出口241までの距離B、および角度θを変え、4つの条件「い」〜「に」を設定した。そして、図5(a),(b)に示すように、各条件においてエア量を変え、基材21の割れおよび皮膜23の膜厚を評価した。その結果、エア量が20L/min以上であると、すべての条件で基材21に割れが発生しなかった。条件「い」は、エア量が25L/minで割れを発生せず、膜厚も十分であることから、皮膜23の高速加工に適していると云える。条件「ろ」は、条件「い」と比較して距離Bが短いため、図6に示すように、エア26の噴流によって溶射材料19が遮られ、エア量の多寡に関わりなく膜厚が不足する。
FIG. 4B shows the test conditions for evaluating the relationship between the arrangement of the
以上詳述したように、この実施形態のプラズマ溶射装置10によれば、図3(b)に示すように、基材21の回転に伴って溶射材料19によって皮膜23が形成されると同時に、その皮膜23がエア26によって冷却される。このため、基材21を各部均一な温度で発熱させ、熱膨張差を少なくして、セラミック基材21の割れを抑えることができる。また、エア26がプラズマジェット20の両側から基材21に向けて斜めに噴射されるので、エア26の噴流に乗せて溶射材料19を基材21側に寄せ集め、皮膜23を十分な膜厚で短時間に加工することができる。なお、プラズマ作動ガス15および冷却エア26を含むガス類は、溶射ブース11内に回収されたのち、排気ダクト27(図2参照)を通して外部に排出される。
As described in detail above, according to the
(その他の実施形態)
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するように、発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状や構成を適宜に変更して実施することも可能である。
(1)セラミック基材21として、センサ部品以外の各種部品、製品または物品を用いること。
(2)皮膜23を六角柱、八角柱、それ以上の多角柱の外面に形成すること。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and as illustrated below, it is possible to appropriately change the shape and configuration of each part within a range that does not deviate from the gist of the invention.
(1) As the
(2) The
(3)上記実施形態では、垂直に保持された基材21に向けて溶射ノズル14が横方向からプラズマジェット20を噴射しているが、水平に保持された基材21に向けて溶射ノズル14が上または下からプラズマジェット20を噴射してもよい。
(4)冷却ノズル24は2本に限定されず、溶射ノズル14の周囲に3本、4本またはそれ以上を配置してもよい。
(3) In the above embodiment, the
(4) The number of
(5)複数の冷却ノズル24を溶射ノズル14の軸線141に関して上下対称に配置すること。
(6)溶射ノズル14の軸線141に関して対称形状の1つの幅広の冷却ノズルを使用し、その幅方向両端部から相対的に大量のエアを、幅方向中央部から相対的に少量のエアをセラミック基材21に吹き付けること。
(5) A plurality of cooling
(6) Using one wide cooling nozzle having a symmetrical shape with respect to the
10・・・プラズマ溶射装置、14・・・溶射ノズル、19・・・溶射材料、
20・・・プラズマジェット、21・・・基材、22・・・治具、23・・・皮膜、
24・・・冷却ノズル、26・・・エア。
10 ... Plasma spraying device, 14 ... Thermal spraying nozzle, 19 ... Thermal spraying material,
20 ... Plasma jet, 21 ... Base material, 22 ... Jig, 23 ... Film,
24 ... Cooling nozzle, 26 ... Air.
Claims (6)
前記基材の回転中に、溶射材料(19)を含むプラズマジェット(20)を前記基材に向けて噴射し、前記基材の外面に皮膜(23)を形成する溶射ノズル(14)と、
前記基材の回転中に、冷却ガス(26)を前記プラズマジェットの周囲から前記基材に向けて噴射する冷却ノズル(24)と、
を備えたプラズマ溶射装置(10)。 A jig (22) that rotatably holds the ceramic base material (21) and
During the rotation of the base material, a plasma jet (20) containing the thermal spray material (19) is jetted toward the base material to form a film (23) on the outer surface of the base material, and a thermal spray nozzle (14).
A cooling nozzle (24) that injects a cooling gas (26) from the periphery of the plasma jet toward the base material during rotation of the base material.
A plasma spraying device (10).
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