溶射プロセスパラメータ 皮膜内応力レベルをコントロールするために、冷却と一定の表面速度を保持

1パスあたりの厚み（ワーク全体）を制御するには、溶射ガンが被覆対象部品の表面を移動する際（または場合によってはその逆）に採用する表面速度に注意を払う必要があります。特定のプロセスと固定されたスプレーガンパラメータセットに対しては、ステップ高さと表面速度の一般的な開始ガイドラインが存在します。ほとんどの溶射プロセスにおいて、平面形状（ウィーブ／ラダー パターン）および円筒形状（回転）を溶射する際の初期値は、以下の表に示されています。

したがって、円筒形部品の場合、一般的には、部品を回転させつつ、溶射ガンを走査する方法が用いられます（図4参照）。均一な被覆層を形成するため（例：大気プラズマ溶射の場合）、部品が1回転するごとにガンを5mm（LST）ピッチで移動させながら走査します。

パスごとの厚みを制御するためには、部品を表面速度75m/min（VR1）で回転させる必要があります。目標の被覆厚さを達成するには、複数回のパスが要求されます。これらのガイドラインに従わない場合、図5に示されるような結果が生じる可能性があります。このケースでは、、ガンが過度に高い速度で表面を移動した結果（この場合、推奨速度の4倍）、シャフトに「理髪店のポール模様」が生じています。

表面速度は、使用する溶射プロセスによって一定であることが多いですが、特にワークの直径が異なる場合には、それだけでは回転速度の算出には十分ではありません。幸いにも解決策があります！以下の式を利用すれば、部品の直径に依存せず、表面速度とステップ高さを一致させることが可能です。

RPM = VR1 ÷ (π · D)

ここで:

• RPM - 毎分回転数 (n[min-1])
• VR1 = 表面速度 (m/分)
• D = 直径 (m)

VTR = RPM · (LST ÷ 60)

ここで:

• VTR = 移動速度 (mm/秒)
• RPM = 毎分回転数
• LST = ステップ高さ (mm)

例えば、直径0.5mのワークを大気プラズマ溶射する場合、初期表面速度は75m/分、推奨ステップ高は5mmです（図3参照）。制御された堆積プロセスを実現するには、部品を75÷(π·0.5)≅48rpmで回転させ、ガンを表面上で48·(5÷60)=4mm/sの速度で移動させる必要があります。

計算が苦手な方は、これらの結果をグラフにまとめてブースの近くに設置しておくと便利です。これは、必要なプロセス制御レベルに応じて、すぐに計算できる指標となります。

平らなワークを加工する場合、表面速度はガンがワーク部品上を移動する速度で決定する必要があります。ステップの高さと方向転換は、コーティング面から離れた場所で行います。これは通常、図6に示すようなラダーパターンで実現されます。これらのワークをHVOF-GFで溶射する場合、ガイドラインでは、LSTを4mmに設定し、VTRを最低75m/分とすることが推奨されています。

ここで説明した回転パターンとウィーブパターンはどちらも、シンプルな形状の場合の理想的な出発点です。もちろん、最初のパス（制御された操作条件下）が完了したら、最終的な厚さに達するまで、一連のパスでコーティングを積層することができます。 1パスあたりの膜厚を管理することで（ガンのスプレーパラメータと組み合わせて）、コーティング全体の応力を制御し、コーティングの蜜着強度と凝集強度を最適化できます。

ただし、すべてのコーティングには膜厚の制限があることに注意する必要があります。膜厚の制限は、コーティング内部の応力レベルが基材への機械的蜜着強度よりも高くなった場合、つまりコーティングが剥離する時を指します。

膜厚の制限は多くの場合アプリケーションによって異なりますが、一般的に、コーティング材料が脆く、高い応力を受けているほど、膜厚の制限は低くなります。移動操作プログラムと密接に関連しているのは、ガンから部品までのスプレー距離の設定です。これはコーティング特性、ひいては使用するスプレーパラメータに大きな影響を与える可能性があるためです。

適切な溶射プロセスパラメータによる流量調整

では、こうした必要な温度制御をどのように実現するのでしょうか？基本的には、熱エネルギーを付与すると同時に、制御された方法で除去すること、つまり熱流のバランスをとることがすべてです。多くの場合、これには圧縮空気を直接噴射する補助冷却装置が用いられますが、液体二酸化炭素（CO2）、場合によっては液体窒素も使用されます。 

ほとんどのアプリケーションでは、清浄で乾燥した圧縮空気を使用することで適切に冷却されます（準備した表面やコーティングを堆積する際に汚染しないように注意する必要があります）。冷却ジェットは固定式（図9参照）またはガンマウント式（図10参照）のいずれかです。どちらの場合も、供給圧力、冷却ジェットのサイズ、基板までの距離を制御することが重要です。これらのすべての要因が熱除去プロセスに影響を与えるためです。また、冷却流がスプレープルームに衝突しないように注意する必要があります。これは（ほとんどの場合）コーティングに悪影響を与える可能性があります。

 固定式サイフォン冷却ジェットは、溶射対象エリアの近くに設置でき、周囲の空気を「サイフォン」で吸い上げて大量の空気を送り込むことができるため、特に効果的です。

ガンマウント式冷却ジェットは、ガンと共に移動するため、溶射流に隣接する移動領域を効率的に冷却できるという利点があります。もちろん、固定式冷却ノズルほど多くの冷却媒体を供給できるわけではありません。

溶射プロセスによって大量の微粒子が生成される場合、ガンに取り付けられたジェットを、冷却媒体がスプレー距離のすぐ先で交差するように配置することができます（図10参照）。この配置により、冷却によるプルームへの悪影響を防ぎながら、フレームがコーティング面を掃引する際に、フレームの両側にある微粒子が除去されます。これにより、「サンドペーパーのように粗い」コーティングが、赤ちゃんのお尻のように滑らかなコーティングに変化します。

溶射プロセスのエネルギー量が増加するにつれ、コーティングされた部品の温度を制御することが困難になります。HVOF-LFやHVOF-GFなどのプロセスでは、極低温冷却法の使用が必要になることがよくあります。発生する熱量が多いほど、冷却システムの能力もそれに応じて強化する必要があります。

.図11は、ガンに取り付けられたＣＯ₂ジェットを用いてシャフトに溶射するDiamond Jet™ HVOF GFシステムを示しています。この場合、ＣＯ₂は液体の状態で供給されます。ノズルから噴出すると、「固体」の雪に変化します。これが表面に当たると、固体から液体、そして気体へと変化するために必要なエネルギーによって、非常に効率的な除熱が可能になります。

吸収熱と除熱熱のバランスを適切に制御するために、何らかの温度測定装置を使用することが推奨されます。これらの装置は、溶射するジョブの種類に応じて、接触型または非接触型のシステムを使用できます。いずれの場合も、ワークやコーティングに損傷が発生しないように、溶射プロセス中のワークの温度プロファイルを測定および監視することが理にかなっています。

冷却プロセスは、コーティングの特性と溶射の成功に大きな影響を与える可能性があるため、重要なプロセス要因と見なす必要があります。そのため、空気圧、冷却ノズルとワーク間の距離、ノズルサイズなどの変数を注意深く記録し、再現性を確保する必要があります。

溶射プロセスパラメータについて

本稿が、客様のご期待にお応えするコー​​ティングを実現するために考慮すべき重要な溶射プロセスパラメータについて、　背景情報がお役に立てていれば幸いです。溶射プロセスに影響を与えるパラメータは数多くあります。移動操作と温度制御は、慎重に管理する必要がある2つの側面にすぎません。従って、私がお伝えしたいのは、これらのパラメータを適切に値と許容値を適用し、プロセスパラメータとして扱うべきだということです。適切に管理しないと、コーティング品質が予期せぬ形で影響を受け、場合によってはコストの増大につながる可能性があります。

著者からのメッセージ

皆様　本稿では、溶射皮膜の制御された堆積に不可欠な溶射技術の概要を説明したいと思っています。移動操作方法と温度制御技術はコーティング特性に大きな影響を与える可能性があるため、定められた範囲内で設定する必要があります。本稿で、制御の必要性とその実現手法について、背景を踏まえて提供できれば幸いです。

様々な溶射技術の概要と、いくつかのヒントやコツをご紹介することで、皆様にご興味をお持ちいただければ幸いです。以前お伝えした内容と重複しますが、これは多くの人々が豊富な知識と様々な意見を持つ大きなテーマであるため、すべてを網羅できていないことをご容赦ください。

前回と同様に、皆様の議論へのご参加、ご質問、そしてご意見をお寄せいただければ幸いです。また、関連するトピックについて概要の執筆をご希望の場合は、ご遠慮なくお申し付けください。皆様のご意見をお待ちしております。