溶射

溶射：表面処理技術の進化

はじめに

溶射は、加熱によって溶融またはそれに近い状態にした微粒子を基材表面に高速で吹き付けることで、様々な機能を付与する皮膜を形成する表面処理技術です。金属、セラミックス、プラスチックなど、幅広い材料の適用が可能であり、橋梁や鉄塔などの大型構造物から精密機器部品まで、多様な用途で使用されています。

溶射のプロセス

溶射プロセスは、まず、溶射材と呼ばれる材料を加熱、溶融します。熱源としては、フレーム、プラズマ、電気アークなど様々な方法が用いられます。溶融した溶射材は、ガス流によって微粒子化され、高速で基材表面に吹き付けられます。これらの微粒子は基材表面で冷却、凝固し、互いに結合して連続的な皮膜を形成します。

溶射において重要なのは、基材と溶射皮膜間の密着性です。そのため、基材表面は事前にサンドブラスト処理などで粗面化され、機械的な噛み合わせを高める工夫がなされます。場合によっては、基材を予め加熱することで、溶射粒子の凝固時間を確保し、より強固な密着性を確保します。

溶射の種類と特徴

溶射には、熱源や溶射材の種類によって様々な方法が存在します。代表的なものとして以下が挙げられます。

フレーム溶射: 燃焼炎を用いる方法で、比較的安価で簡便なため、広く使用されています。溶線式、粉末式、溶棒式などがあります。高速フレーム溶射（HVOF）は、超音速の噴流を用いることで高品質な皮膜を形成できます。
電気式溶射: アーク放電やプラズマアークを用いる方法です。高エネルギー密度のため、溶融点の高い材料にも適用可能です。アーク溶射、プラズマ溶射（減圧プラズマ式、大気プラズマ式、水プラズマ式）などがあります。
爆発溶射: 爆薬の爆発エネルギーを用いる方法です。厚い皮膜の形成に適しています。
コールドスプレー: 材料を溶融させずに、超音速のガス流で固体状態のまま吹き付ける方法です。熱による材料の劣化が少なく、高品質な皮膜を形成できます。近年注目を集めている技術です。

溶射の用途

溶射は、様々な用途で活用されています。

防食: 金属基材の腐食防止に効果があります。亜鉛溶射、アルミニウム溶射、アルミマグネシウム合金溶射などが広く用いられます。
耐熱: 高温環境下での材料の保護に効果があります。耐熱合金やセラミックスを用いた溶射が用いられます。
耐摩耗: 摩耗しやすい部品の寿命延長に効果があります。サーメットやセラミックスを用いた溶射が用いられます。
機能付与: 電気絶縁、潤滑性向上など、様々な機能を付与することが可能です。

溶射の歴史

溶射技術は、1909年にスイスの発明家マックス・ウルリッヒ・ショープ博士によって発明されました。日本には1919年に導入され、建築物や美術品などの保護、さらには軍事用途にも使用されてきました。近年では、プラズマや超音速噴流技術の進歩により、より高品質で多様な用途に対応できる溶射技術が開発されています。2021年には、日本溶射工業会の働きかけにより、4月28日が「溶射の日」として制定されました。

まとめ

溶射は、その高い汎用性と多様な機能から、現代社会において重要な表面処理技術となっています。今後も、材料科学や流体力学の進歩と融合し、より高度な溶射技術の開発が期待されています。

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