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この投稿は、2018年8月30日18時10分にB0SSによって最終的に編集されました。鉱山用油圧支柱は、現在、炭鉱の地下で広く使用されている支持部品です。国内の大規模および中規模な炭鉱企業では、採掘面での油圧支柱の使用率は50％を超えています。しかし、坑内の厳しい環境により、油圧支柱の表面に腐食や摩耗が深刻に発生し、それが原因で油圧支柱が機能しなくなるのです。現在、油圧支柱の表面防食は、表面にクロムメッキを施す方法によって行われている。クロムメッキ層は耐摩耗性が低いため、その寿命はわずか1.0～1.5年であり、剥離やはがれが発生しやすく、液圧支柱の使用に支障をきたします。また、クロムメッキ工程は環境汚染を特に深刻化させます。したがって、油圧支柱の表面強化技術に関する研究は、ますます注目されている。油圧支柱の表面強化には、通常、冷間溶接、複合電気メッキ、および電気スプレー塗装が用いられる。近年、我が国のプラズマ粉末溶射技術は大きな進歩を遂げている。プラズマ粉末溶射技術とは、基材の特性を向上させるための表面処理技術であり、合金粉末をさまざまな充填方法で基材表面に塗布し、プラズマビームの作用によってその塗布された粉末を急速に加熱・溶解させ、速やかに凝固させることで、耐食性、耐摩耗性、耐熱性などの特性を持つ冶金学的な表面コーティングを基材と形成するものである。1. プラズマ粉末溶射の原理：プラズマ粉末溶射は、プラズマアークを熱源として利用し、プラズマアークが生み出す高温によって合金粉末と基材表面を急速に加熱し、それらを一緒に溶融・混合・拡散・凝固させる。プラズマビームが離れると自己冷却が起こり、高性能な合金層が形成される。これにより部品表面の強化や硬化が実現される溶射技術である。プラズマアークはアーク温度が高く、熱伝達率が大きく、安定性に優れ、溶融深さも制御しやすいため、関連する溶射パラメータを調整することで、溶射層の厚さや幅、硬度を一定範囲内で自由に調整することができる。プラズマ粉末溶射後、母材と溶射材の間に融合界面が形成され、結合強度が高い；溶着層の組織は密で、耐食性および耐摩耗性に優れている；基材と溶着材の希釈が減少し、材料特性の変化が小さい；粉末を溶着材として使用することで、合金設計の選択性が高まり、特に難溶性材料の溶着がスムーズに行えるようになり、部品の耐摩耗性、耐高温性、耐食性が向上する。2. プラズマ粉末溶射の利点：熱スプレー、化学メッキ、プラズマスプレー、気相析出などの従来の表面改質技術と比較して、プラズマ粉末溶射技術には以下のような特長がある：2.1 適用可能な材料体系が広く、特に低融点金属の表面に高融点合金を溶射し、密着性の高い冶金結合層を得るのに適している；2.2 熱影響部が小さく、ワークの変形が起きにくく、溶着の完成率が高い；2.3 プラズマ溶射合金コーティングは、表面性能が安定しており、成分や厚さを制御可能で、工程も柔軟であるため、自動化生産が容易に実現できる；2.4 成形されたワークの表面の局所領域に溶着処理を施すことができる；2.5 表面強化層は組織が密で硬度が高く、品質が良く、表面は滑らかである。また、高い靭性、強度、耐摩耗性、耐食性を有している；2.6 プラズマ溶射技術はグリーンリマニュファクチャリングの範疇に属し、加工過程で汚染がなく、労働環境も良好である；2.7 プラズマ溶射はスピードが速く、希釈率が低い。プラズマ溶射の希釈率は5％～10％、あるいはそれ以下に抑えることができる。3柱体表面の溶射修復工程 3.1 加工装置として、DML-V03BDプラズマ粉体溶射一式装置を用いて油圧支柱の表面を修復する。この装置は主にプラズマ発生器、溶着銃、粉末供給制御装置、加工工作機械などで構成されており、操作が簡単で生産効率を大幅に向上させます。3.2 前期準備としては、作業状況を把握し支柱の故障原因を明らかにし、ワークの材質や修理部位の寸法・形状、修理に用いる工程や性能要件などを理解する。油圧による支柱の故障形態には多くの種類があり、主に粒子による摩耗、腐食摩耗、疲労摩耗といった各種の摩耗が原因です。この基礎の上で、修理案を決定する。これには、修理前のワーク表面処理（脱脂、防錆）、合金材料の選定、溶着電流、送粉速度、支柱の回転速度、イオンガス流量などが含まれる。今回の試験では、プラズマ溶射材料としてニッケル系自己溶解性合金粉末を使用し、その材質はNI45である。このシリーズの粉末は、局部的な耐摩耗性、耐腐食性、および耐疲労性が求められる部品に適しており、気孔や介在物、クラックがなく、組織が密で高硬度を持つニッケル系コーティングを形成します。このコーティングは基材と冶金結合しています。3.3 修理プロセスにおいて、プラズマ溶接装置はイオンガスおよび保護ガスとして高純度のアルゴンガスを使用する。長時間の稼働を確保するため、装置には冷水機が備えられており、プラズマ発生器が切り替わる際に発生する熱を除去し、溶接銃の安定した動作を維持するために、冷却水には一般的に蒸留水が用いられる。修理作業中は、溶着層の厚さ、平坦性、重なり率など、溶着状況を常に観察する。DML-V03BD溶着溶接装置は、溶着溶接中にいつでも電流や送粉速度を調整することで、溶着層の厚さや溶着効果を制御できます。溶着溶接の工程パラメータは以下の通り：溶接電流（A）：120～130；イオンガス流量（NL/min）：1.5-1.8 保護ガス流量（NL/min）：5-10；溶接速度（m/min）：0.9-1.1：3.4 溶接後処理：スパッタ溶着が終了したら、スパッタ溶着層の外観品質を検査し、ひび割れや気孔などの欠陥がないかを確認する。また、携帯型硬さ計を用いてスパッタ溶着層の硬さを初期検査し、ワークの寸法精度および位置精度も測定する。要件を満たした後、旋削や研削などの処理を行い、部品の最終的な寸法と精度を実現する。3.5 堆溶接の効果について検証した結果、プラズマ堆溶接技術を用いて鉱山用油圧支柱に堆溶接した合金強化層の表面硬度はHRC40に達し、鉱山用油圧支柱の耐食性、耐摩耗性、およびその他の機械的性能が大幅に向上した。4 結論 試験および顧客からのフィードバックにより、プラズマ粉末溶射技術は液圧支柱の修理業界において大きな成果を上げていることが確認された。プラズマ粉末溶射は大気中で行われる汚染のない処理であり、操作も簡単なため、溶射後の品質が大幅に向上します。これにより油圧支柱の交換頻度を減らすことができ、生産効率を確保しつつ多額のコストを節約できます。これは、省資源型社会の実現にとって非常に意義深いことです。