技術レポート

溶射皮膜密着性に関するブラスト面評価法

プラズマ技研工業(株) ○深沼博隆、謝 瑞鵬、大野直行
(株)アラッドシステム 藤原義成 物質・材料研究機構 黒田聖治

1. 緒言

溶射皮膜の密着力は何に起因するのかさまざま議論の在るところであり、定説は未だ定まっていないがブラスト面がその密着力に大きな影響を与えている事は広く認められている1)。しかし、ブラスト面の何がどのくらい密着力に作用しているのかという事に関してはほとんど解っていない。またブラスト面を密着力との関係においてどのように特徴づけたらよいのか、あるいはどのような指標を求めたらよいのか未解明のままである。溶射皮膜の密着に関するブラスト面の評価は溶射の工業的および学術的側面からも非常に重要な問題でありながら研究が広く行われてこなかった分野である。これまで、天田等はブラスト面をフラクタル次元として捉え密着力との関係を求めようとしている2-4)同様にSiegmann等はフラクタル次元と密着力の関係を報告している5-7)。丸山等は粗面の谷から山へのスロープの角度が密着力に影響を与えると報告している8)。しかし、それらの研究は溶射皮膜に対するブラスト面の密着機構に関して物理的なメカニズムの明快な説明には至ってはいない。そこで、溶射被膜の密着機構を明らかにするため、溶射皮膜の密着力は皮膜と基材間の機械的摩擦力に起因するとする仮説に基づいてブラスト面について一つのパラメーターを求めた。そのパラメーターと溶射被膜の密着力の実験値と比較した結果非常に強い相関が得られた。したがって、被膜・基材間の摩擦力が溶射被膜の密着機構に大きく作用しているものと思われる。

2. ブラスト面のパラメーター化

図-1に示すような仮想的なブラスト面の上に溶射された被膜の密着力ついて考えてみる。基材面に圧力Pが働いているものとし摩擦係数をμとすれば、皮膜を基材面に垂直に引き離そうとするとき皮膜と基材の間の垂直面に単位面積当たりƒ =μPの摩擦力がその抵抗力として働く。基材単位面積に垂直面の面積がSだけ在るとすれば、被膜を基材から剥離させるために最低F=ƒS=μPSだけの力が要ることになる。このような考えを一般のブラスト面に適用すれば、ブラスト面の表面を微視的な面素dsに分解してその面素の垂直成分を取ってブラスト面全体にわたって積算すればよい。総積算面積を基材単位面積当たりに換算したものをRbsとすれば、被膜を剥離させるための最小の力、すなわち皮膜の密着強度はF=μPRbs=kRbsと表せる。ブラスト面を一つのパラメーターRbsによって指標化する事が出来る。Rbsを求めるにはブラスト面の3次元データを求める方法として、コンフォーカル顕微鏡を用いた。レーザーテック社製TD-100Dを用いて測定した一例を図-2に示す。コンフォーカル顕微鏡で測定した3Dデータから面素を決めその垂直成分を計算するためのコンピュータプログラムを作成し密着面粗さRbsを求めた。

3. 実験方法

ブラスト処理には吸引式のブラスト装置を用いた。ブラスト材にアランダムの#100を使用した。ノズル径はφ9mmとし、ノズル速度を1m/sec、ピッチを10mm、ブラスト角度を直角とした。試験片をブラスト条件一件当たり11本としそのうち1本をブラスト面粗さ測定用に供し残り10本を密着強度測定試験片とし溶射をおこなった。溶射材料はホワイトアルミナ、粒度10~44μmを用い溶射した後引っ張り試験を行った。

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4. 結果および考察

図-3にブラストパス数と密着強度の関係を示す。密着強度は20パスまでは急激に密着強度が上昇し、その後40パスまで緩やかに上昇しその後緩やかに下降している。密着粗度Rbsとブラストパス数の関係を図-4に示す。密着粗度Rbsはブラストパス数と共に上昇しそのカーブは図-3に示す密着強度とブラストパス数の関係によく似た傾向を示している。図-5に密着強度とRbsの関係を示す。図-5から解るように密着強度と密着粗さRbsとの間に強い相関が認められる。

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5. 結言

新たに導入された密着面祖度Rbsは溶射皮膜の密着強度と強い相関を示すことが解った。また実験データはその強い相関関係から密着力は皮膜・基材間の摩擦力に基づいているという仮説が正しい可能性を示している。

6. 謝辞

コンフォーカル顕微鏡によるブラスト面測定にあたってレーザーテック(株)大出氏に測定原理および測定法についてさまざま教示をいただきました。また、実際の測定にあたり高瀬氏および諏訪氏に多大な協力をいただきました。ここに謝辞を述べさせていただきます。

7. 参考文献

1. Matejka D.and Benko B.:Plasma Spraying of Metallic and Ceramic Materials.Published by John Wiley and Sons Ltd.1989,pp.91/95.
2. Amada S.,Yamada H.,Yematsu S.and Saotome Y.:Modeling and Measurement of Adhesive Strength of Thermal Sprayed Coatings,Thermal Spray:International Advances in Coatings Technology,1992,915/920.
3. Amada S.,Hirose T.and Tomoyasu K.:Introduction of Fractal Dimension to Evaluation of Adhesive Strength,Thermal Spraying:Current Status and Future Trends,1995,pp.885/890.
4. 天田重庚、町田勝、三田浩史:平成13年度春季全国公演大会講演論文集 P.5-6
5. Siegmann S.D.and Brown C.A.:Scale-Sensitive Fractal Analysis for Understanding the Influence of Substrate Roughness in Thermal Spraying,Thermal Spray:A United Forum for Scientific and Technological Advances,1997,pp.665/670.
6. Siegmann S.D.and Brown C.A.:Investigation of Substrate Roughness in Thermal Spraying by A Scale-Sensitive 3-D Fractal analysis Method,Thermal Spray:Meeting the Challenges of the 21st Century,1998,pp.931/836.
7. Siegmann S.D. and Brown C.A.:Surface texture correlations with tensile adhesive strength of thermal sprayed coatings using area-scale fractal analysis,1999 United Thermal Spray Conference proceedings,pp.355/360.
8. 円山徹、小林 武:平成13年度春季全国公演大会講演論文集 P.1-2