爆発噴霧
溶射法
プラズマ溶射：デトネーション溶射に似た別の溶射技術

デトネーションスプレーは、材料の表面特性を変えるために超音速で保護コーティングを施すために使用される、多くの溶射技術の1つです。これは主に部品の耐久性を向上させるために行われます。1955年にHB Sargent、RM Poorman、H. Lampreyによって初めて発明され、専用に設計されたデトネーションガン（Dガン）を使用して部品に適用されます。強力に結合したデトネーションスプレーコーティングを実現するために、スプレーされる部品は、表面の油、グリース、破片をすべて除去し、表面を粗くして適切に準備する必要があります。このプロセスでは、他のすべての溶射技術と比較して、最高の速度（コーティング材料を推進する約3500 m/sの衝撃波）と最高の温度（約4000 °C）のコーティング材料が関与します。これらの特性により、デトネーション溶射は、低負荷での腐食、摩耗、および付着を防ぐ、低多孔性（1% 未満）および低酸素含有量（0.1 ～ 0.5%）の保護コーティングを施すことができます。

このプロセスにより、耐摩耗コーティングとして有用な、非常に硬く緻密な表面コーティングを施すことができます。このため、デトネーション溶射は、航空機エンジン、プラグゲージおよびリングゲージ、刃先（スカイビングナイフ）、管状ドリル、ローターブレードおよびステーターブレード、ガイドレールなど、摩耗が激しい金属材料の保護コーティングに広く使用されています。デトネーション溶射で部品に噴射される材料は、一般的に金属、合金、サーメットの粉末、およびそれらの酸化物（アルミニウム、銅、鉄など）です。

デトネーション溶射は、安全な環境で正しく実施されなければ危険な工業プロセスです。そのため、この溶射技術を使用する際には、遵守すべき多くの安全上の注意事項があります。

歴史

デトネーションスプレー法は、1955年にHBサージェント、RMプアマン、H・ランプリーによって初めて開発され[1] 、後に特許を取得しました。同年、ユニオンカーバイド社によって「Dガンプロセス」として初めて商業化されました[2] 。 1960年代にはキエフ（ウクライナ）のパトン研究所によってさらに開発が進められ、現在でも米国でデメトンテクノロジーズ社（ウェストバビロン）によって商業的に利用可能な技術となっています[3] 。

Dガン

デトネーションスプレーコーティングは、デトネーションガン（Dガン）を使用して塗布されます。Dガンは、長い水冷式の金属製バレルと、チャンバー内にガスや粉末を導入するための入口バルブで構成されています。[4 ]フィードストックと呼ばれる目的の保護コーティング材料（粒子サイズ5〜60μmの粉末状）の事前選択された量がチャンバー内に導入されます（一般的な粉末流量は16〜40 g /分）。[3]ここで、酸素と燃料（通常はアセチレン）がスパークプラグによって点火され、超音速衝撃波が生成され、溶融および/または部分的に溶融および/または固体のフィードストック（使用する材料の種類による）の混合物がバレルからスプレーされている対象物に噴射されます。[引用が必要]次に、 Dガンを再び発射する前に、短い窒素バーストでバレルを洗浄します。これは重要なステップです。残留ガスの熱によって新しい燃料混合物が燃焼し、制御不能な反応を引き起こす可能性があるためです。また、点火前に燃料と原料の2つの混合物の間に少量の不活性窒素ガスを挿入すると、バックファイアを防ぐのに役立ちます。 [3] Dガンは通常、1～10 Hzの点火速度で動作します。[要出典]デトネーションガンで材料を溶射する際には、さまざまなコーティング粉末の混合物とDガン設定を使用できます。これらはすべて、溶射されたコーティングの最終的な表面特性に影響を与えます。一般的に使用される粉末材料には、アルミナ-チタニア、アルミナ、炭化 タングステン-タングステン-クロム炭化物とニッケル-クロム合金バインダーの混合物、炭化クロム、コバルトバインダーを含む炭化タングステンなどがあります。[5]

冶金学者は、溶射コーティングの品質を決定する際に、表面酸素含有量、マクロ硬度とミクロ硬度、多孔性、接着強度、表面粗さの測定値を考慮します。 [6]

Dガンスプレーにおけるスプレーコーティングの品質を決定する特性値[5] [7] [6]
厚さ（μm） 気孔率 （％） 酸素含有量（％） 硬度（VHN） 接着強度（psi） 表面粗さ（μm）
75～125 0.25 -1 0.1～0.5 1350 1万 3-6

コンポーネント

各種溶射技術における速度と温度
  • スパークプラグ
  • 水冷バレル
  • 窒素入口バルブ
  • 燃料入口バルブ
  • 酸素入口バルブ
  • 粉末原料入口バルブ

[4]

動作サイクルの概要

  1. 燃料と酸素の混合物が燃焼室に噴射されます。
  2. 粉末原料がチャンバー内に導入されます。
  3. 逆火を防ぐために、燃料と酸素の混合物と粉末原料の間に窒素ガスが追加されます。
  4. 混合物に点火し、加熱された粉末をバレルから対象物質に噴射します。
  5. その後、銃身は窒素ガスでパージされ、再び発射できる状態になります。
  6. このプロセスは、所望のコーティング厚さが達成されるまで 1 ～ 10 Hz の速度で繰り返されます。

[3] [8]

表面処理

デトネーションスプレーコーティングは、主に機械的に結合します。つまり、スプレーされる部品の表面は、スプレーコーティングと基材との結合強度を最大限に高めるために適切に準備する必要があります。表面を適切に準備するには、グリース、油、汚れ、その他の汚染物質をすべて除去し、コーティングが密着するのに十分な表面凹凸を与えるように十分に粗くする必要があります。基材表面の洗浄には、一般的に化学処理が最も適しています。その後、スプレー塗布前に表面に触れたり、汚したりしないように注意する必要があります。基材表面を粗くするために使用される3つの方法は、研磨ブラスト、機械加工、ボンドコーティングです。ボンドコーティングを使用する場合を除き、洗浄は表面粗化後にのみ行われます。ボンドコーティングを使用する場合は、このプロセスの前、そして場合によってはボンドコーティング後にも表面を洗浄する必要があります。デトネーションスプレーコーティングの塗布は、基材表面の準備後できるだけ早く行う必要があります。[5]

研磨ブラスト

サンドブラストとも呼ばれる研磨ブラストは、圧縮空気を用いて、清浄で鋭利な粉砕鋼グリットまたは酸化アルミニウムの蒸気を部品の表面に噴射する加工方法です。アルミニウムは比較的安価なため、優れた選択肢となります。噴射されたグリットは基材表面を細かく砕き、均一で粗い表面を作り出し、良好な機械的結合を形成します。噴射前に、基材からブラスト処理で残った破片やグリットを除去する必要があります。[9]

機械加工

# コーティングをスプレーできるアンダーカット。# アンダーカットのないインデント。

非常に強力な機械的結合が必要な場合（例えば、機械加工に使用する部品など）、部品表面にコーティングが結合するための溝を機械加工することがよくあります。蟻継ぎ溝は強力なポジティブ結合を提供しますが、手間とコストがかかります。より安価な方法は、単純な部分的に開いた溝を切ることですが、この方法では最終的な結合強度が劣ります。部品のエッジや角は、部品から剥がれる可能性があるため、コーティング構造の弱点となる可能性があります。これらの部分の結合強度を高めるには、部品の角やエッジを丸くする必要があります。コーティングが部品のエッジまで達する必要がない場合は、（右図に示すように）アンダーカットを使用してコーティングを基板に固定することができます。ただし、アンダーカットは他のシナリオでも使用できます。[10]

コーティングは、塗布後、冷却プロセスによって収縮する傾向があります。そのため、収縮による悪影響を最小限に抑えるための対策が必要です。対策を講じないと、張力による応力がコーティングに加わり、コーティングが弱くなり、場合によっては剥離を引き起こす可能性があります。コーティングが収縮するという事実は、適切に塗布すれば接着強度を高めるために利用できます。部品の外面全体にコーティングを施すと、冷却時にコーティングが部品の周囲で収縮し、一種のグリップ力を生み出し、機械的接着強度を高めます。これは、平らな部品のエッジにスプレー塗布した場合も同様です。コーティングはクランプのように表面をしっかりと掴み、これも接着強度を高めます。内部コーティングは収縮の影響を受け、部品の表面から引き離されます。これに対処するために、部品を加熱することで、冷却による相対的な収縮の影響を軽減することができます。[5]

部品への油の付着を防ぐため、溶射前に部品は乾式（油なし）で加工する必要があります。油の付着が避けられない場合は、デトネーション溶射の前に基板を再度洗浄する必要があります。[5]

ボンドコーティング

表面をブラスト加工および／または機械加工した後、最終的なデトネーションスプレーコーティングの前に、モリブデン、ニッケルクロム合金、またはニッケルアルミナイドの薄い層をスプレーすることで、接着強度を向上させることができます。これはボンドコーティングと呼ばれます。ボンドコーティングは、セラミック複合材のスプレーコーティング材を塗布する際によく使用されます。ボンドコーティングとスプレーコーティングが部品表面に面一に収まるように、部品を少し深く機械加工および／またはブラスト加工する必要がある場合もあります。

スプレー塗装を行わない箇所は、ストップオフ剤（スプレーの接着を防ぐ薬剤）またはテープで覆う必要があります。塗料が冷めた後、薬剤とテープを取り除きます。[5] [11]

デトネーションスプレーコーティング

デトネーション溶射は、非常に高い化学結合強度と硬度を有するコーティングを生成します。コーティングは低気孔率、低酸素含有量、低～中程度の表面粗さを有します。これは、表面コーティング塗布時にデトネーションガンによって生成される極めて高い温度と速度によって実現されます。[6]これらの特性により、デトネーション溶射は他のすべての熱溶射コーティング（ワイヤーアーク、プラズマ、フレーム、HVAF、HVOF、温間、冷間）の標準的な比較対象となっています。[2]

デトネーションガンのコーティングの最終的な特性は多くの要因によって決まります。表面特性は主に、使用される粉末原料の種類と特性（組成と粒子サイズ）によって決まりますが、デトネーションガンの設定によっても影響を受けます。設定には、粉末の流量、発射速度、デトネーションガンからターゲットまでの距離、コーティングを塗布するためのデトネーションガンの移動方法、バレルのサイズ、燃料と酸素の混合ガスの量と組成などが含まれます。[要出典]

デトネーションスプレーは、比較的敏感で繊細な材料に保護コーティングを施すことができます。これは、デトネーションガンコーティングの塗布特性、すなわち非常に高速であること、そして熱源が対象材料から切り離されていることによるものです。これにより、デトネーションスプレーは幅広い用途に適しています。[要出典]

材料の種類

Dガンを用いて、様々な材料をコーティングとして噴霧することができます。[8]原料として使用される材料には、金属、合金、サーメット、およびそれらの酸化物の粉末があります。[7]しかし、主にハイテクコーティングが使用され、これにはセラミックや複合材料が含まれます。コーティング材料の選択にあたっては、噴霧可能な材料の強度、硬度、収縮率、耐食性、耐摩耗性などの特性が考慮されます。[5]

いくつかの例を以下に示します。

  • アルミニウム​​​
  • 銅-アルミニウム
  • Cu-SiC
  • Al–Al 2 O 3
  • Cu–Al 2 O 3
  • Al-SiC
  • アル・ティ
  • TiMo(CN)–36NiCo
  • Fe–A [要出典]

アプリケーション

デトネーションスプレーコーティングの主な機能は、低酸素含有量による腐食、摩耗、低荷重下での接着を防ぐことです。[7]これは、デトネーションスプレーコーティングが以下の用途に適した硬くて耐久性のあるコーティングを生成することを意味します。[5]

デトネーションスプレーは現代の航空機のさまざまな部品に使用されている
  • 一般機械の各種部品：シャフト、シール、ブッシング、ベアリング、シール[8]
  • 航空：
    • ローターブレードとステーターブレード
    • エンジン部品[2]
    • ガイドレール
  • 石油・ガス産業:
    • ESPユニットのブッシングとシーリングリング
    • ゲートバルブ
    • 遮断弁
    • ドリル工具の作業面
  • 宇宙ロケット産業
  • 電子機器およびラジオ業界
  • 機器のエンジニアリング
  • 工具業界
    • チューブラードリル[5]
    • ゴムとプラスチック用のスカイビングナイフ
  • 造船業
  • Dガンメッキプラグゲージとリングゲージ

制限事項

爆発噴霧にはいくつかの制限があります。

  • デトネーション溶射では、冶金結合ではなく機械的に結合したコーティングが生成され、冶金結合の方がはるかに強力な結合タイプとなります。
  • デトネーションスプレーは「視線」プロセスであるため、部品は通常、使用または組み立て前にコーティングする必要があります。これは、効果的なコーティングを施すために、デトネーションガンが表面にアクセスする必要があるためです。
  • コーティングは圧縮に対してはかなり強力ですが、引張に対しては弱いため、展性部品や膨張部品には適用できません。
  • コーティングは、ピンポイントの負荷がかかると疲労する傾向があります。
  • 起爆銃はかなり大きくて大きな音を発する。[12]
  • デトネーションスプレーは、ガンがかなり大きく、大きな騒音を発生させるため、専用に設計された場所で実施する必要があります。そのため、通常は防音室（厚さ45cmのコンクリート壁）に設置されます。
  • このプロセスでは、Dガンが作動している間はオペレーターが室内にいることができないため、かなりの機械化と自動化が行われます。[5]

安全性

デトネーションガンによるスプレー塗装は、他の工業プロセスと同様に、多くの安全上の危険を伴います。作業中の作業者の安全を確保するためには、これらの危険を適切に管理する必要があります。これらの安全対策は主に以下のカテゴリーに分類され、提案されている危険最小化技術は、場合によってはデトネーションスプレー塗装の仕上がりにプラスの効果をもたらします。例えば、スプレー塗装プロセスを自動化することで、非常に均一で安定したスプレー塗装を実現できます。

ノイズ

デトネーションガンの操作は、チャンバー内で毎秒複数の爆発が発生するため、非常に大きな騒音を伴います。デトネーションガンに近接して作業を行うと、聴覚に損傷を与える可能性があります。そのため、デトネーションスプレーは防音室で実施し、作業中は室内に誰も立ち入らないようにしてください。[5]また、デトネーションガンを使用する際は、作業者は耳栓などの耳栓を着用する必要があります。

熱

Dガンは作動中、極めて高温（≈4000 °C）に達します[要出典] 。デトネーションスプレーでは、可燃性・爆発性の燃料（一般的にはアセチレン）を用いて超音速衝撃波を発生させ、粉体塗料を対象部品に噴射します。これは深刻な火傷や爆発の危険をもたらします。繰り返しますが、Dガンの作動中は室内に誰も立ち入るべきではなく、室内はDガンのいかなる故障にも耐えられるよう設​​計する必要があります。また、Dガンおよびスプレー塗装された部品を扱う際には、スプレー後の高温部品による火傷を避けるため、保護手袋を着用する必要があります[13] 。

ほこりと煙

Dガンは粉末原料を極めて小さな粒子に霧化します（粒子総数の80～95%が100 nm未満の大きさです）。そのため、吸入安全のために適切な抽出設備が必要となります。また、作業者が危険な粉塵や煙を吸い込まないように、Dガンを隔離することが推奨されます。[14]作業者が室内に入る場合は、適切な防塵マスクまたは呼吸器を着用する必要があります。デトネーションスプレーの原料として使用される化合物の多くは、摂取または吸入すると人体に有害です。特に、デトネーションガンから発生する空気中の金属は肺に有害です。例えばカドミウムに曝露すると、腎臓や肺に害を及ぼし、嘔吐、意識喪失、さらには生殖能力の低下を引き起こす可能性があります。[15]また、鉛、ニッケル、クロム、カドミウムなどの重金属は、最近の研究で発がん性があることが示されています。金属粉塵の吸入によって引き起こされる深刻な肺疾患には、以下のものがあります。

  • 珪肺症- 原料化合物中に存在するシリカを吸入することで引き起こされる肺疾患。
  • 鉄沈着症（銀研磨肺または溶接工肺）、原料化合物中に存在する鉄を吸入することで引き起こされる肺疾患。[16]
  • アルツハイマー病は高齢者に多くみられる記憶障害ですが、いくつかの研究によって、アルミニウムへの高濃度曝露（その他多くの原因の中でも）が原因であることが示されています。しかし、これらの研究は決定的なものではなく、他の研究では異なる結果が示されています。[17]
  • 金属ヒューム熱- これは、銅、亜鉛、マグネシウム、アルミニウムの合金または酸化物など、特に不快な臭いを持つ特定の金属化合物に曝露された後に、一部の人に発生する可能性があります。金属ヒュームは、金属が加熱された際に副産物として発生し、発熱のような反応を引き起こす可能性があり、医師の診察が必要になる場合があります。[18]

参考文献

  1. ^ 「歴史」.プラズマスプレーコーティング. 2013年10月16日. 2019年5月17日閲覧。
  2. ^ abc Davis, Joseph.R (2004).溶射技術ハンドブック. 米国: ASM Thermal Spray Society. pp.  55– 58. ISBN 0871707950。
  3. ^ abcd Pawlowski, Lech (2008). 『溶射コーティングの科学と工学』イギリス: John Wiley & Sons, Ltd. pp.  82– 84. ISBN 9780471490494。
  4. ^ ab 「デトネーション溶射プロセス」www.gordonengland.co.uk . 2019年4月6日閲覧。
  5. ^ abcdefghijk 「金属溶射の手順：4つのステップ｜冶金学」。Your Article Library . 2017年2月6日. 2019年4月5日閲覧。
  6. ^ abc Balan, KN, Ramesh Bapu, BR (2012). 「Procedia Engineering 38, 様々なコーティング材料に対するデトネーションガンコーティングのプロセスパラメータ最適化」Procedia Engineering . インド: Elsevier: 632– 639. doi : 10.1016/j.proeng.2012.06.078 . ISSN  1877-7058.{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  7. ^ abc 「デトネーションガン（Dガン）とは何か？ - Corrosionpediaによる定義」Corrosionpedia . 2019年4月5日閲覧。
  8. ^ abc 「爆発噴射、Dガン - Plakart」。www.plakart.pro . 2019年4月6日閲覧。
  9. ^ スミル、ヴァーツラフ（2005年）『20世紀の創造：1867～1914年の技術革新とその永続的な影響』オックスフォード大学出版局（米国）211頁。ISBN 978-0-19-516874-7。
  10. ^ デ・ラカレ、LN ロペス;グティエレス、A.ラミキス、A.フェルナンデス、MH。サンチェス、JA (2001)。 「厚膜溶射皮膜の研磨」。溶射技術ジャーナル。10 (2): 249–254。書誌コード:2001JTST...10..249L。土井：10.1361/105996301770349349。S2CID  137140282。
  11. ^ 「ボンドコートとは何か？ - Corrosionpediaによる定義」Corrosionpedia . 2019年6月7日閲覧。
  12. ^ “American Welding Society - Welding Journal”. 2004年11月18日. 2004年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年5月18日閲覧。
  13. ^ ブラント、ジェーン、バルチン、NC (2001). 溶接および関連プロセスにおける健康と安全. ウッドヘッド出版. pp.  190– 205. ISBN 978-1-85573-538-5。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  14. ^ Bemer, D.; Regnier, R.; Subra, I.; Sutter, B.; Lecler, MT; Morele, Y. (2010). 「金属の溶射における炎およびアークガンから放出される超微粒子」. Annals of Occupational Hygiene . 54 (6): 607–14 . doi : 10.1093/annhyg/meq052 . PMID  20685717.
  15. ^ 英国健康安全執行局（HSE）（2010年3月）「カドミウムとあなた：カドミウムを扱う際、あなたは危険にさらされていますか？」 http://www.hse.gov.uk/pubns/indg391.pdf。2019年5月29日閲覧。
  16. ^ 「金属粉塵を吸い込むと健康に害があるか？」肺研究所2017年8月22日. 2019年6月6日閲覧。
  17. ^ 「ATSDR - ToxFAQs™: アルミニウム」www.atsdr.cdc.gov . 2019年6月6日閲覧。
  18. ^ Kaye, P; Young, H; O'Sullivan, I (2002). 「金属ヒューム熱：症例報告と文献レビュー」.救急医療ジャーナル. 19 (3​​): 268–9 . doi :10.1136/emj.19.3.268. PMC 1725877. PMID  11971851 . 
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