JP5159359B2

JP5159359B2 - 異種材料複合部材の製造方法

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Publication number: JP5159359B2
Application number: JP2008036224A
Authority: JP
Inventors: 章子須山; 義康伊藤; 俊明布施
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP2009191345A

Description

本発明は、金属または非金属を材料とする基材の表面に基材の材料と異なる金属または非金属を主成分とする皮膜が形成された異種材料複合部材の製造方法に関する。

従来、基材を金属でコーティングするプロセスとして溶射法、物理蒸着法（ＰＶＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、めっき法などが用いられている。

溶射法は、コーティングする材料をプラズマ、アーク、フレームなどの熱源で溶融状態に加熱して基材の表面に吹き付けて層をつくり皮膜を形成するプロセスである。電気・電子機器の電極形成、原動機の耐食・耐酸化・耐摩耗コーティング、鉄骨・橋梁などの耐食コーティングなどに幅広く使われる。

物理蒸着法は、コーティングする材料を真空中で種々の方法で加熱蒸発させて基材の表面に凝固させて層をつくり皮膜を形成するプロセスであり、真空蒸着法、スパッタ蒸着法、モレキュラービーム蒸着法などがある。光学機器の反射鏡面、工具、半導体実装基板、装飾品など、機能性コーティングとして幅広く使われる。

化学蒸着法は、高温における化合物の分解または化合のガス反応により基材の表面に皮膜成分を析出させ、あるいは基材との反応により皮膜を形成するプロセスである。アルミナイシング処理に代表される耐食コーティングや、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、レーザＣＶＤによる太陽電池、工具、半導体実装基板などに幅広く使われる。

めっき法は、電解液中における電気化学的反応により基材の表面に皮膜を形成するプロセスである。古くからの技術であるが、機械部品の耐食、耐摩耗コーティングに幅広く使われる。

近年、エアロゾルディポジッション法、ショットコーティング法、コールドスプレー法、ウォームスプレー法等、粉末を基材へ高速に吹き付けて皮膜を形成するプロセス技術の研究開発が進められている。

なお、特許文献１には、プラスチックスを材料とする基材の表面に金属材料または金属材料を主成分とする皮膜が形成されたプラスチックス複合材料を製造する方法が開示されている。
特開２００５−３０５７６５号公報

従来、コーティングの対象となる基材の種類に応じて溶射法、物理蒸着法、化学蒸着法、めっき法などからコーティングプロセスが選定されて使われている。しかしながら、あらゆる種類の基材に皮膜の形成が可能で、膜質、皮膜の密着性、成膜速度、プロセスの簡便性、環境低負荷などの要求特性を全て満足するプロセスは確立されていないのが現状である。そのため、高品位な皮膜が得られる新プロセスの開発と生産性の向上に関する開発とは継続的に研究されている。

近年、エアロゾルディポジッション法、ショットコーティング法、コールドスプレー法、ウォームスプレー法等の粉末を基材へ高速に吹き付けて皮膜を形成するプロセス技術の研究開発が進められているが、実用化には到っていない。主な課題は、金属または非金属を材料とする基材（以下、単に「基材」という。）の表面に基材の材料と異なる金属または非金属を主成分とする粉末（以下、「皮膜用粉末」という。）を金属ノズル（炭素鋼ノズル、超硬ノズル）から高速に吹き付けると比較的短時間でノズル口が閉塞する現象（以下、「ノズル口閉塞現象」という。）が発生してコーティングが継続できなくなることである。そのため、工業プロセスへの実用化が困難な状況となっている。

本発明はこれらの課題を解決するために、基材の少なくとも表面に緻密で密着力に優れた基材の材料と異なる金属または非金属を主成分とする皮膜が形成された異種材料複合部材を製造する簡便で低コストかつ環境に優しい異種材料複合部材の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため本発明では、金属または非金属を材料とする基材の表面に、前記基材の材料と異なる金属または非金属を主成分とする粉末を、窒化ケイ素または炭化ケイ素を主成分とするセラミックスから製造されたノズルの口径が１ｍｍ以上、４ｍｍ未満のセラミックスノズルまたは窒化ケイ素または炭化ケイ素をフィラーの主成分としたプラスチックで製造されたノズルの口径が１ｍｍ以上、４ｍｍ未満のプラスチックノズルから室温、大気中で吹き付けて、前記基材の表面に前記粉末から成る皮膜を形成することを特徴とする異種材料複合部材の製造方法を提供する。

本発明によれば、基材の少なくとも表面に緻密で密着力に優れた基材の材料と異なる金属または非金属を主成分とする皮膜が形成された異種材料複合部材を製造する簡便で低コストかつ環境に優しい異種材料複合部材の製造方法を提供することができる。

本発明に係る異種材料複合部材の製造方法の実施形態について説明する。

なお、基材の少なくとも表面に基材の材料と異なる皮膜用粉末を基材の厚みと同等以下の厚みの層状に構成した異種材料複合部材の層についても皮膜という。

本発明者らは異種材料複合部材の製造方法に関して革新的なコーティング技術であるショットコーティングを開発した。ショットコーティングは、大気中において常温・常圧で金属または非金属を材料とする基材の表面に皮膜用粉末を吹き付けることにより皮膜を形成する処理プロセスである。このプロセスによれば、緻密で密着力に優れた皮膜が異種材料複合部材に得ることができる。また、このプロセスは極めて簡便で低コストかつ環境に優しいプロセスである。

本実施形態では、セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けて金属皮膜を形成させる。セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルを使用することで比較的長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生せず、安定した皮膜を形成できる。また、ノズル口が塞がらないだけでなくノズル口の摩耗も低減できる。

ショットコーティングではノズルから皮膜用粉末を吹き付ける際に炭素鋼、超硬だけでなく金属材料を使用した金属ノズルの一般の傾向として、ノズル口が閉塞しやすく、かつ摩耗しやすい現象が見られる。これは、皮膜用粉末と金属ノズルとの間に起こる現象として、凝着やケミカル反応によることが推察される。

これに対して、セラミックスノズルは、金属ノズルに比べて比較的長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。セラミックスノズルの中でも、特に窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスを主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルを使用すると長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しないことを知見した。特に、炭化ケイ素を主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルを使用すると長時間にわたりノズル口閉塞現象をさらに改善できることが分かった。

また、窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスを主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルでは、ノズル口の口径が例えば１ｍｍ以上、４ｍｍ未満のときに皮膜用粉末を基材へ吹き付けることが可能であり、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性が向上し、コーティング歩留りの最も優れた条件でコーティングか可能であり、かつノズル口の閉塞と摩耗が長時間にわたり発生しないことを見出した。

セラミックスノズルと同様に高熱伝導性プラスチックは、金属ノズルに比べて比較的長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。高熱伝導性プラスチックノズルの中でも、特に窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスをフィラーの主成分としたプラスチックで製造された高熱伝導性プラスチックノズルを使用すると長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しないことを知見した。特に、炭化ケイ素をフィラーの主成分としたプラスチックで製造された高熱伝導性プラスチックノズルを使用すると長時間にわたりノズル口閉塞現象をさらに改善できることが分かった。

また、窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスをフィラーの主成分としたプラスチックで製造された高熱伝導性プラスチックノズルでは、ノズル口の口径が１ｍｍ以上、４ｍｍ未満のときに皮膜用粉末を基材へ吹き付けることが可能であり、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性が向上し、コーティングの歩留りの最も優れた条件で、ノズル口の閉塞と摩耗が長時間にわたり発生しないことを見出した。

基材の表面に吹き付ける皮膜用粉末には平均粒径が５〜５０μｍの範囲であるアルミニウム、銅、銀、金、錫、亜鉛、マグネシウム、シリコン、チタン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウム、白金、あるいはそれらを主体とする合金、すなわち金属材料または非金属材料を選択することが好ましい。

さらに、皮膜用粉末を吹き付ける基材にはアルミニウム、銅、銀、金、錫、亜鉛、マグネシウム、シリコン、チタン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウム、白金、タングステン、モリブデン、ニオブ、クロム、ジルコニウム、バナジウム、あるいはそれらを主体とする合金、すなわち金属材料または非金属材料を選択することが好ましい。また、この金属材料または非金属材料を表面に有する傾斜金属材料についても選択することができる。

セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けて基材の表面に基材の材料とは異なる材料の皮膜を形成した異種材料複合部材では、形成する皮膜の厚みは基材の厚み以下に薄くする。さらに基材の厚みが１５ｍｍ以上の際は、皮膜の膜厚が１５ｍｍを超えない異種材料複合部材とする。

これは、皮膜の厚みが基材の厚みを超えると、皮膜用粉末の吹き付け速度を小さくしたり、皮膜用粉末の供給量を減らしたりなどしてマイルドにコーティングをしても皮膜が剥がれてしまう傾向が見られるためである。望ましくは、皮膜の厚みは基材の厚みの２／３以下とすることが好ましい。さらに、基材が十分厚い場合でも皮膜の厚みは１５ｍｍを超えないように皮膜を形成した異種材料複合部材を条件として材料設計をすることが好ましい。これも、皮膜の膜厚が１５ｍｍを超えると、どのような材料の基材と皮膜用粉末の組み合わせによるショットコーティング法により形成した異種材料複合部材おいても皮膜が剥がれる可能性が顕著に高くなり、異種材料複合部材の歩留りが半分以下に低減するためである。望ましくは皮膜の膜厚が１０ｍｍまでの異種複合部材は、どのような材料の基材と皮膜用粉末の組み合わせにおいても歩留り良く製造できる。

セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けるために、大気圧より大きく約１０ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力の空気または窒素を搬送ガスとする条件でショットコーティングによる皮膜の形成をすることが好ましい。

搬送ガスの圧力が約１０ｋｇ／ｃｍ^２を超える条件では、セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けることの優位性が明確でなくなる傾向が見られる。約１０ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力の空気または窒素を搬送ガスとする条件では、セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルを使用すると金属ノズルに比べて皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性が向上し、コーティング歩留りの最も優れた条件でコーティングか可能であり、かつノズル口の閉塞と摩耗が長時間にわたり発生しないことが分かった。

皮膜の厚膜化にあたり基材と皮膜の密着性を高めるため結合力に優れた中間層を形成することが好ましい。中間層を形成することにより基材と皮膜の界面の密着強度が上がるだけでなく、緻密な皮膜が形成できることが分かった。

ノズル、皮膜用粉末、皮膜用粉末の搬送ガス（空気または窒素）のうち少なくとも一つを加熱して施工することが好ましい。特に、セラミックスノズルの場合、ノズル自体の加熱はもちろん、皮膜用粉末、皮膜用粉末の搬送ガス（空気または窒素）の加熱により緻密な皮膜が製造性良く形成できることを見出した。

本発明は、自動車、家庭電化製品、日用品、電気・電子部品、防護壁、照明器具、航空機内装材、医療器具、電線被覆、コンデンサ、モーター用品、センサー、化学プラント、玩具、照明器具、包装用フィルム等の機能性部品の導電層形成や防滋コーティング、シールコーティングに適用できる。

本発明に係る異種材料複合部材の製造方法の実施例について比較例を参照して比較しつつ具体的に説明する。

［実施例１］
本発明に係る異種材料複合部材の製造方法の第１実施例について説明する。

実施例ａは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの炭素鋼板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、アルミナセラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により炭素鋼板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｂは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、アルミナ粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

これとは別に、従来から使用されている金属ノズルを使用する条件で比較例を説明する。

比較例ａは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの炭素鋼板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭素鋼を材料とする金属ノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により炭素鋼板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

比較例ｂは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、超硬合金を材料とする金属ノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ａ、ｂおよび比較例ａ、ｂで得られた皮膜の膜質（気孔率）、同一ノズルでのコーティング連続時間、コーティングにおける粉末の歩留りの評価結果を表１に示す。

なお、表中の各特性は、それぞれ次のようにして測定したものである（以下、同じ。）。

皮膜の膜質（気孔率）：水銀圧入法とアルキメデス法での密度測定により測定・評価した。気孔率５％以上は×、気孔率３％以上、５％未満は△、気孔率１％以上、３％未満は○、気孔率１％未満は◎とした。

コーティング連続時間：比較例１の炭素鋼を材料とする金属ノズル１本が閉塞するまで連続してコーティングできる時間を１とした際の比率とした。

コーティング歩留り：吹き付けた皮膜用粉末の全体量とコーティングされた皮膜の重量とを測定して比率を計算により求めた。

表１から、実施例ａのセラミックスノズルと実施例ｂの高熱伝導性プラスチックノズルとは、比較例ａの金属ノズル（炭素鋼）と比較例ｂの金属ノズル（超硬金属）と比べて、得られた皮膜の膜質、コーティング連続時間、コーティング歩留りの各観点から優れた特性を示すことがわかる。

一方、比較例ａ（金属ノズル（炭素鋼））では、実施例ａ（セラミックスノズル）や実施例ｂ（高熱伝導性プラスチックノズル）と比べて成膜速度は同等であり、皮膜の厚みは厚膜のものまで形成可能であるが、皮膜中には気孔が残り、コーティング連続時間が短く、比較的短時間でノズル口が閉塞し、コーティングの歩留りが低くなる。また比較例ｂ（（金属ノズル（超硬金属））では、比較例ａ（金属ノズル（炭素鋼））より皮膜中の気孔率、コーティング連続時間に若干良い傾向が見られるが、実施例ａ（セラミックスノズル）や実施例ｂ（高熱伝導性プラスチックノズル）と比べて皮膜中の気孔率が高く、コーティング連続時間が短く、コーティング歩留りが低い。

すなわち、基材に皮膜用粉末をショットコーティング法によりコーティングする際に、セラミックスノズルは金属ノズルに比べて約２．５〜３倍の比較的長時間までノズル口閉塞現象が発生しない。そのため、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性にすぐれ、コーティングの膜質にも良い影響をおよぼし、コーティングの歩留りが大きく改善される。

また、セラミックスノズルと同様に高熱伝導性プラスチックは金属ノズルに比べて約２〜２．５倍と比較的長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。そのため、セラミックスノズルと同様に、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性にすぐれ、コーティングの膜質にも良い影響をおよぼし、コーティングの歩留りに大きく改善される。

［実施例２］
本発明に係る異種材料複合部材の製造方法の第２実施例について説明する。

実施例ａは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの炭素鋼板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、アルミナセラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により炭素鋼板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ｂは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、アルミナ粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ｃは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの炭素鋼板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により炭素鋼板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ｄは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ｅは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの炭素鋼板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により炭素鋼板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ｆは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆで得られた皮膜の膜質（気孔率）、同一ノズルでのコーティング連続時間、コーティングにおける粉末の歩留りの評価結果を表２に示す。

表１および表２から、セラミックスノズルは、金属ノズルに比べて、比較的長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。セラミックスノズルの中でも、特に窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスを主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルでは、かなり長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。特に、炭化ケイ素を主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルでは、コーティング連続時間が飛躍的に改善する。そのため、さらに、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性にすぐれ、コーティングの膜質にも良い影響を及ぼし、コーティングの歩留りが大きく改善される。

またセラミックスノズルと同様に高熱伝導性プラスチックノズルは金属ノズルに比べて比較的長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。高熱伝導性プラスチックノズルの中でも、特に窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスをフィラーの主成分としたプラスチックで製造された高熱伝導性プラスチックノズルを使用すると長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。特に、炭化ケイ素をフィラーの主成分としたプラスチックで製造された高熱伝導性プラスチックノズルでは、コーティング連続時間が飛躍的に改善できる。そのため、セラミックスノズルと同様に、さらに、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性にすぐれ、コーティングの膜質にも良い影響を及ぼし、コーティングの歩留りが大きく改善される。

なお、実施例ａ、ｃ、ｄの他に石英などのシリコン系セラミックスおよび窒化ケイ素や炭化ケイ素を主成分としたセラミックス複合材料を主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルも同様にコーティング連続時間について優れたが飛躍的に改善する。そのため、さらに、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性にすぐれた傾向を示すことを確認した。そのため、コーティングの膜質にも良い影響を及ぼし、コーティングの歩留りが大きく改善される。

また、実施例ｂ、ｅ、ｆの他に石英などのシリコン系セラミックスおよび、窒化ケイ素、炭化ケイ素をフィラーの主成分としたプラスチックで製造された高熱伝導性プラスチックノズルも同様にコーティング連続時間について優れたが飛躍的に改善する。そのため、さらに、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性にすぐれた傾向を示すことを確認した。そのため、コーティングの膜質にも良い影響をおよぼし、コーティングの歩留りが大きく改善される。

［実施例３］
本発明に係る異種材料複合部材の製造方法の第３実施例について説明する。

実施例ｇは、基材にφ１００ｍｍ・厚み２０ｍｍの炭素鋼板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径３０〜５０μｍの錫粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、アルミナセラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により炭素鋼板の表面に錫皮膜を膜厚約１５ｍｍでコーティングした。

実施例ｈは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍの錫板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径３０〜５０μｍの亜鉛粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、アルミナ粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により錫板の表面に亜鉛皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｉは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのアルミニウム板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径３０〜５０μｍのマグネシウム合金粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法によりアルミニウム板の表面にマグネシウム合金皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｊは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのマグネシウム合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍの銅粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法によりマグネシウム合金板の表面に銅皮膜を膜厚約２ｍｍでコーティングした。

実施例ｋは、基材にφ１００ｍｍ・厚み２ｍｍのシリコン板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径５〜２０μｍの銀粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法によりシリコン板の表面に銀皮膜を膜厚約１ｍｍでコーティングした。

実施例ｌは、基材にφ１００ｍｍ・厚み２ｍｍのパラジウム板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径５〜２０μｍの金粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法によりパラジウム板の表面に金皮膜を膜厚約０．５ｍｍでコーティングした。

実施例ｍは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのチタン合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのシリコン粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法によりチタン合金板の表面にシリコン皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｎは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１ｍｍの白金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのチタン粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法により白金板の表面にチタン皮膜を膜厚約１ｍｍでコーティングした。

実施例ｏは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのバナジウム合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのニッケル粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法によりバナジウム合金板の表面にニッケル皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｐは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのモリブデン板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのステンレス鋼粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法によりモリブデン板の表面にステンレス鋼皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｑは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍの亜鉛板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍの炭素鋼粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法により亜鉛板の表面に炭素鋼皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｒは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのコバルト合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍの純鉄粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法によりコバルト合金板の表面に純鉄皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｓは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのニッケル基合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのコバルト粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法によりニッケル基合金板の表面にコバルト皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｔは、基材にφ５０ｍｍ・厚み２ｍｍのチタン合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径５〜２０μｍのパラジウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法によりチタン合金板の表面にパラジウム皮膜を膜厚約０．５ｍｍでコーティングした。

実施例ｕは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのステンレス鋼板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径５〜２０μｍの白金粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法によりステンレス鋼板の表面に白金皮膜を膜厚約０．５ｍｍでコーティングした。

実施例ｖは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのジルコニウム板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍの銅粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法によりジルコニウム板の表面に銅皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｗは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのニオブ合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍの銅粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、窒化ケイ素粒子分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法によりニオブ合金板の表面に銅皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｘは、基材にφ１００ｍｍ・厚み５ｍｍのクロム合金板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍの銅粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに空気を使用し、搬送ガスの圧力は７〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素分散タイプのプラスチックを材料とする高熱伝導性プラスチックノズルを使用する条件で、ショットコーティング法によりクロム合金板の表面に銅皮膜を膜厚約５ｍｍでコーティングした。

実施例ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔ、ｕ、ｖ、ｗ、ｘで得られた皮膜の膜質（気孔率）、同一ノズルでのコーティング連続時間、コーティングにおける粉末の歩留りの評価結果を表３に示す。

表１、表２および表３から、基材の表面に吹き付ける皮膜用粉末には、平均粒径が５〜５０μｍの範囲であるアルミニウム、銅、銀、金、錫、亜鉛、マグネシウム、シリコン、チタン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウム、白金、あるいはこれらを主体とする合金を選択する。また同時に、皮膜用粉末を吹き付ける基材には、アルミニウム、銅、銀、金、錫、亜鉛、マグネシウム、シリコン、チタン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウム、白金、タングステン、モリブデン、ニオブ、クロム、ジルコニウム、バナジウム、あるいはこれらを主体とする合金を選択する。これらの皮膜用粉末と基材とを組み合わせてショットコーティング法により基材の表面に皮膜用粉末を吹き付けて皮膜を形成すると気孔率が少なく緻密な皮膜が安定して得られる。また、この金属材料または非金属材料を少なくとも表面に有する傾斜金属材料についても選択することができる。

セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けて基材の表面に基材の材料とは異なる材料の皮膜を形成した異種材料複合部材では、形成する皮膜の厚みは基材の厚み以下に薄くすること、さらに基材の厚みが１５ｍｍ以上あっても、皮膜の厚みは１５ｍｍを超えない異種材料複合部材とすることが良いことが明らかになった。

これは、皮膜の厚みが基材の厚みを超えると、皮膜用粉末の吹き付け速度を小さくしたり、皮膜用粉末の供給量を減らしたりなどしてマイルドにコーティングをしても皮膜が剥がれてしまう傾向がある。望ましくは、皮膜の厚みは基材の厚みの２／３以下とすることが良い。さらに、基材が十分厚い場合でも皮膜の厚みは１５ｍｍを超えないように皮膜を形成した異種材料複合部材を条件として材料設計をすることが好ましい。これも、皮膜の膜厚が１５ｍｍを超えると、どのような材料の基材と皮膜用粉末の組み合わせによるショットコーティング法により形成した異種材料複合部材おいても皮膜が剥がれる可能性が顕著に高くなり、異種材料複合部材の歩留りが半分以下に低減する傾向がある。望ましくは皮膜の膜厚が１０ｍｍまでの異種複合部材は、どのような材料の基材と皮膜用粉末の組み合わせにおいても歩留り良く製造できることが明らかになった。

このとき、皮膜の厚膜化にあたり、基材と金属皮膜層の密着性を高めるため、結合力に優れた中間層を形成すると、１０ｍｍ以上の皮膜も安定して形成できることも確認されている。

セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けるために、１０ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力の空気または窒素を搬送ガスとする条件でショットコーティングによる皮膜の形成をすることができた。

また、セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルのノズル口の口径が１ｍｍ以上、４ｍｍ未満であるノズルを使用した場合、ノズル口の口径が１ｍｍ未満または４ｍｍを超えるノズルよりも皮膜用粉末を基材へ吹き付けることが可能であり、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性が向上し、コーティング歩留りの最も優れた条件でコーティングか可能であることが確認されている。

［実施例４］
本発明に係る異種材料複合部材の製造方法の第４実施例について説明する。

実施例ｙは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、ノズル口の口径は１〜３ｍｍとし、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ｚは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径１〜５μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、ノズル口の口径は１〜３ｍｍとし、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ａａは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径５５〜７５μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、ノズル口の口径は１〜３ｍｍとし、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ａｂは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は１１〜１４ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、ノズル口の口径は１〜３ｍｍとし、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ａｃは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、ノズル口の口径は４ｍｍとし、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ａｄは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、ノズル口の口径は０．５ｍｍとし、皮膜用粉末と搬送ガスとノズルとのうち少なくとも一つを加熱する条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ａｅは、基材にφ５０ｍｍ・厚み１０ｍｍの銅板を使用し、皮膜用粉末に平均粒径２０〜４０μｍのアルミニウム粉末を使用し、室温・大気中の環境で、搬送ガスに窒素を使用し、搬送ガスの圧力は５〜８ｋｇ／ｃｍ^２とし、炭化ケイ素セラミックスを材料とするセラミックスノズルを使用し、ノズル口の口径は１〜３ｍｍとする条件で、ショットコーティング法により銅板の表面にアルミニウム皮膜を膜厚約５〜１０ｍｍでコーティングした。

実施例ｄ、ｙ、ｚ、ａａ、ａｂ、ａｃ、ａｄで得られた皮膜の膜質（気孔率）、同一ノズルでのコーティング連続時間、コーティングにおける粉末の歩留りの評価結果を表４に示す。

表１、表２、表３および表４から、セラミックスノズルは、金属ノズルに比べて、長時間までノズル口閉塞現象が発生しない。セラミックスノズルの中でも、特に窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスを主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルを使用すると、長時間にわたりノズル口閉塞現象が発生しない。特に、炭化ケイ素を主成分とした材料で製作されたセラミックスノズルを使用すると、飛躍的に改善できることが明らかになった。

また、窒化ケイ素や炭化ケイ素などのシリコン系セラミックスを主成分とするセラミックスで製作されたセラミックスノズルでは、ノズル口の口径が１ｍｍ以上、４ｍｍ未満のときに皮膜用粉末を基材へ吹き付けることが可能であり、皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性が向上し、コーティング歩留りの最も優れた条件でコーティングか可能であり、かつノズル口の閉塞と摩耗が長時間にわたり発生しないことが明らかになった。

また、基材表面に吹き付ける皮膜用粉末として平均粒径が５μｍから５０μｍの範囲であることが、より好ましいことが明らかになった。皮膜用粉末の平均粒径が５μｍより小さいと、皮膜用粉末の吹き付け速度が加速されにくいとともに、皮膜用粉末どうしが干渉し、皮膜用粉末の吹き付け速度が低減し、コーティング歩留りが低減した。他方、５０μｍより大きいと、基材のエロージョンが観察され、ノズル口の摩耗が観察される傾向にあり、同様にコーティング歩留りが低減する傾向が見られた。

セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けるために、１０ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力の空気または窒素を搬送ガスとする条件でショットコーティングによる皮膜の形成をすることが好ましい。

搬送ガスの圧力が１０ｋｇ／ｃｍ^２を超える条件では、セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルから皮膜用粉末を基材へ吹き付けることの優位性が明確でなくなる傾向が見られる。１０ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力の空気または窒素を搬送ガスとする条件では、セラミックスノズルまたは高熱伝導性プラスチックノズルを使用すると金属ノズルに比べて皮膜用粉末の吹き付け速度の安定性が向上し、コーティング歩留りの最も優れた条件でコーティングか可能であり、かつノズル口の閉塞と摩耗が長時間にわたり発生しないことが明らかになった。

ノズル、皮膜用粉末、皮膜用粉末の搬送ガス（空気または窒素）のうち少なくとも一つを加熱して施工することが好ましい。特に、セラミックスノズルの場合、ノズル自体の加熱はもちろん、皮膜用粉末、皮膜用粉末の搬送ガス（空気または窒素）の加熱により緻密な皮膜が製造性良く形成できることが明らかになった。

Claims

金属または非金属を材料とする基材の表面に、前記基材の材料と異なる金属または非金属を主成分とする粉末を、窒化ケイ素または炭化ケイ素を主成分とするセラミックスから製造されたノズルの口径が１ｍｍ以上、４ｍｍ未満のセラミックスノズルまたは窒化ケイ素または炭化ケイ素をフィラーの主成分としたプラスチックで製造されたノズルの口径が１ｍｍ以上、４ｍｍ未満のプラスチックノズルから室温、大気中で吹き付けて、前記基材の表面に前記粉末から成る皮膜を形成することを特徴とする異種材料複合部材の製造方法。
前記基材の表面に前記粉末を前記セラミックスノズルまたは前記プラスチックノズルから吹き付ける際に、
前記粉末の吹き付けは、空気または窒素を搬送ガスに使用し、
前記搬送ガスの圧力は、大気圧より大きく１０ｋｇ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載の異種材料複合部材の製造方法。
前記基材の表面に前記粉末を前記セラミックスノズルまたは前記プラスチックノズルから吹き付ける際に、
前記セラミックスノズルまたは前記プラスチックノズル、前記粉末、前記粉末の搬送ガスのうちから選択した少なくとも１つを加熱することを特徴とする請求項１に記載の異種材料複合部材の製造方法。
前記粉末は、
平均粒径が５μｍから５０μｍの範囲であり、
材料がアルミニウム、銅、銀、金、錫、亜鉛、マグネシウム、シリコン、チタン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウム、白金およびこれらを主体とする合金のうちから選択した少なくとも１つの材料であることを特徴とする請求項１に記載の異種材料複合部材の製造方法。
前記基材は、
材料がアルミニウム、銅、銀、金、錫、亜鉛、マグネシウム、シリコン、チタン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウム、白金、タングステン、モリブデン、ニオブ、クロム、ジルコニウム、バナジウムおよびこれらを主体とする合金のうちから選択した少なくとも１つの材料であることを特徴とする請求項１に記載の異種材料複合部材の製造方法。
前記基材の表面に前記粉末を前記セラミックスノズルまたは前記プラスチックノズルから吹き付ける際に、
前記基材の表面に前記基材の材料または前記皮膜の材料と結合力に優れた中間層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の異種材料複合部材の製造方法。
前記皮膜は、
厚みが前記基材の厚み以下に薄く、
最大の厚みが１５ｍｍを超えないことを特徴とする請求項１に記載の異種材料複合部材の製造方法。