粉末で被覆する

摘要

物質の表面に存在する原子は，内部に存在する原子と比較し，隣接する原子との結合の数が少ないために周囲からの拘束が小さく，エネルギー的には不安定な状態にある.特に金属の場合，表面は電子が離脱しやすい（仕事関数が低い）ためにプラスに帯電し，マイナス電荷の酸素イオンと結合することで表面に酸化層を形成する.しかし，たとえ酸化しやすい金属であっても，こうしてできる酸化層の厚みはせいぜい数原子層でしかないため，基材の金属を守るほどの耐食性や耐摩耗性等の機能は持ち合わせてはいない.そこで，金属にこれらの機能を付与するために，表面コーティングが広く用いられている.コーティングには，メッキのような皮膜処理，陽極酸化のような電気化学処理，クロメート処理のような化成処理をはじめ，目的と用途に応じてさまざまな方法が確立されているが，本稿では，粉末素材を原料とした溶射(Thermal spraying)を取り上げる.溶射は，図1のように基材表面に原料（金属,セラミックス，サーメット等）素材を溶融あるいは半溶融の状態で，高速で基材表面に溶滴として積層させることで被膜を形成する技術を称し，金属原料の場合は，粉末あるいは線材を使用する.素材を溶融あるいは半溶融状態にするために熱エネルギーを付与するが,高速で基材に衝突させるために，素材は高い運動エネルギーを持って基材に向かって飛行する.溶解凝固法では平衡反応が組織形成に深く関与するが，溶射は短時間で液相，あるいは液相を含有する固相との二相からなる素材を固相として積層させることから，基材や積層方法の条件選択は広範で，金属基板へのコーティング技術としての汎用性は大きい.一方で，溶滴は高速で基材表面に衝突することからメッキやPVDのようなコーティングと比べると被膜の緻密性に劣り，溶射条件にょっては内部に亀裂や空隙などの欠陥を含有する.溶射では，原料の形状が粉末や線材に関わらず，溶融あるいは半溶融を通した液滴粒子の生成を伴うことから，高温反応を考えなくてはならない.本稿では，焼結とは異なる粉末固化成形技術として，粉末を原料とする溶射を紹介する.