溶射とは

一例として、図1には、数千時間にわたる実使用の結果、完全に摩耗したペルトンタービンノズルニードルが示されています。この耐用年数が許容できないと判断された場合には、部品全体をより耐摩耗性の高い材料で製造するか、摩耗が生じる部分を保護する必要があります。コストの観点から、一般的には後者の方法が選択される傾向にあります。そのため、表面コーティングの活用が検討されることになります。 

このような場合、部品全体にコーティングを施すことも可能ですが、よりコスト効率の高い方法として、摩耗が懸念される部分のみにコーティングを施す選択肢もあります。
表面コーティングに使用できる技術は非常に多岐にわたり、使用可能なコーティング材料の種類もほぼ無限に存在します。一般的に、コーティング材料の選択肢、膜厚の調整、得られる特性の幅広さという点において、最も柔軟性の高いプロセスは溶射であると言えます。

溶射とは

溶射とは「溶融（または加熱）した材料を表面に吹き付けるコーティング技術であり、「原料」（コーティング前駆体）は、電気的手段（プラズマまたはアーク）または化学的手段（燃焼炎）によって加熱される」と定義されています。しかし、 Wikipedia のこの定義は、溶射プロセスを十分に説明していません。

図2は、溶射の原理を示した図です。 コーティング原料（粉末、ワイヤー、棒状）は、熱源によって加熱または軟化されます。その結果、生成物はプロセスガスによって基材上に供給され、そこで急速に凝固して皮膜が形成されるのです。そのため、溶射皮膜を形成するには、ある種の核となる要素が必要となります：

• コーティング材料
• 材料供給システム
• コーティング材をワークピースに噴射するスプレーガンなどの装置
• 処理媒体とユーティリティを精密に制御するための制御システム

使用するスプレープロセスによっては、さまざまな補助システムも必要になります。これには、AC電力をDC電力に変換する電源装置、冷却用の熱交換器、被覆物上のスプレーガンの動きを制御する操作装置などが含まれます。

基材

溶射を行う際には、使用する装置だけでなく、溶射される材料や基材（下地）についても十分に配慮する必要があります。適切な基材とは、表面を粗くするブラスト処理に耐えられるものであり、一般的には表面硬度が約55HRC以下であることが求められます。これを超える硬度の基材を使用する場合には、特殊な加工技術が必要となります。
コーティングが基材に蜜着する仕組みは主に機械的な結合によるものであるため、コーティングを施す表面の洗浄や前処理は非常に重要です。

溶射のプロセスでは、軟化または溶融した粒子が高速で基材の表面に衝突します。その衝突によって粒子は変形し、表面に広がることでコーティングが形成されます。

高温の粒子からは熱が低温の基材へと伝わり、粒子が収縮して固化することで、粗面化された基材と結合します。したがって、コーティングの蜜着は、機械的な「引っ掛かり」に基づいています。このプロセスは、図2および図3に模式的に示されています。
なお、コーティング粒子と基材との間に生じる金属的な結合（拡散による結合）はごくわずかであり、蜜着メカニズムを議論する際には無視できる程度です。

コーティング材

原則として、溶融しても分解しない材料であれば、溶射皮膜材料として使用できます。表2には、最も頻繁に使用される材料の種類と、それに関連する特性、用途例を示します。特定の用途に適したコーティング材を選択するには、使用環境とコーティング材の特性の両方について特別な知識が必要になります。

物理的特性とは別に、（粉体の場合）粒子形状、粒度分布、製造工程（凝集、焼結、複合化など）もコーティング性能に影響します。ほとんどの溶射材料は合金やブレンドとして利用できるため、組み合わせの選択肢はほぼ無限にあり、長年の経験と幅広いノウハウがあって初めて適切な選択が可能になります。
    

Table 2

長年にわたる溶射

どの溶射プロセスを選択する場合でも、図4に示されているように、基本的な動作原理は共通しています。材料（通常は、使用するプロセスに応じて粉末またはワイヤー）が熱源に供給され、軟化または溶融した後、熱源およびプロセスガスによって加速され、表面に衝突して「広がりながら凝固」し、コーティングが形成されます。したがって、重要なプロセス変数は粒子の温度と速度であり、これらの要素は、所望のコーティング特性を得るために材料を適切に堆積させる能力に大きく影響します。

溶射プロセスは、長年にわたり、さまざまな課題を持つ多様な用途のニーズに応えるべく進化してきました。幸いなことに、こうした要求に対応できる補完的なプロセスが市場には幅広く提供されています。これらのプロセスは、それぞれのエネルギー源に基づいて分類することが可能です。 thermal spraying processesをご参照ください。

溶射技術は今後もさらに進化を続けていくと考えられます。材料、装置、そしてプロセス制御の各分野において、エリコンメテコは、常に挑戦を続けるお客様のニーズにお応えするため、最先端の技術開発に取り組んでまいります。