機械加工の基礎：溶射

溶射は、金属やセラミックス、サーメットといった様々な材料を、溶融あるいはそれに近い軟化状態まで加熱し、高速のガス流によって霧状にして加速させ、対象物（母材）の表面に吹き付けて、皮膜を形成させる表面改質技術の総称です。

その本質は、あたかも「溶けた材料でスプレー塗装」をするように、母材の表面に、母材とは全く異なる機能を持つ新しい材料の層を積層させることにあります。これにより、母材が本来持たない、耐摩耗性、耐食性、耐熱性、電気絶縁性といった、高度な機能性を表面に付与することができます。

皮膜形成の原理：溶融粒子の積層

溶射による皮膜形成は、熱源、材料供給、溶融・加速、そして衝突・凝固という、一連の物理現象の連続です。

熱源の生成: まず、ガス燃焼炎やプラズマジェットといった、材料を溶融させるための高温の熱源を生成します。
材料の供給と溶融・加速: 粉末あるいはワイヤ状の溶射材料を、この熱源の中心へと供給します。材料は、高温の熱源の中を通過するごく短い時間で、瞬時に溶融または軟化し、同時に、高速のガス流によって、時速数百キロメートルから音速を超えるほどの猛烈なスピードにまで加速されます。
衝突・扁平化・凝固: 高速で飛翔してきた溶融粒子は、母材の表面に激しく衝突します。衝突の瞬間、液滴状の粒子は、あたかも水風船が壁に当たって潰れるように、瞬時に扁平な円盤状に変形します。この扁平化した粒子をスプラットと呼びます。スプラットは、母材の冷たい表面に接触することで、極めて速い速度で冷却・凝固します。
皮膜の形成: この「衝突→扁平化→凝固」というプロセスが、後続の粒子によって、一秒間に何万、何百万回と繰り返されます。一つ一つのスプラットが、前のスプラットの上に次々と叩きつけられるように積層していくことで、最終的に目的の厚さの皮膜が形成されるのです。

このため、溶射皮膜の断面をミクロの視点で見ると、無数の扁平粒子が積み重なった、特有の層状構造をしているのが特徴です。

皮膜の密着メカニズム

溶射皮膜と母材との結合は、主に機械的な投錨効果によって成り立っています。溶射を行う前処理として、母材の表面には、わざとグリットブラストなどによって、微細で複雑な凹凸（粗面）を形成しておきます。溶融したスプラットが、この凹凸の谷間にまで流れ込み、そこで凝固することで、あたかも船の錨が海底に食い込むように、物理的に強固な結合力（アンカー効果）が生まれるのです。

溶射法の主な種類

溶射は、材料を加熱・加速させるための熱源の種類によって、いくつかの方式に大別され、それぞれに特徴と用途があります。

フレーム溶射: アセチレンやプロパンといった可燃性ガスと酸素の燃焼炎を熱源とする、最も古くからある方式です。比較的低温で、粒子の飛翔速度も遅いため、皮膜の緻密性や密着強度は他の方法に劣りますが、設備が簡便で、コストが低いという利点があります。
アーク溶射: 2本の金属ワイヤを電極とし、その先端でアーク放電を発生させて、ワイヤ自身を溶融させる方式です。溶けた金属を圧縮空気で吹き飛ばします。成膜速度が非常に速く、経済性に優れますが、材料は電気を通す金属ワイヤに限られます。
プラズマ溶射: アルゴンなどの不活性ガスを、アーク放電によって超高温のプラズマジェットにしたものを熱源とします。プラズマの中心温度は摂氏1万度を超え、地球上に存在するあらゆる物質を溶融させることができます。このため、セラミックスや高融点金属といった、フレーム溶射では溶かせない、ほとんど全ての材料を溶射することが可能です。高品質な皮膜が得られる、非常に汎用性の高い方法です。
高速フレーム溶射 (HVOF): 灯油や水素といった燃料と酸素を、燃焼室の中で高圧で燃焼させ、その際に発生する超音速のガス流を利用する方式です。この方法の最大の特徴は、熱エネルギーよりも、粒子の運動エネルギーを極限まで高めている点にあります。音速の数倍にも達する速度で母材に叩きつけられた粒子は、その強大な衝撃力によって、極めて緻密で、気孔が少なく、母材との密着性も飛躍的に高い皮膜を形成します。特に、炭化タングステンのような超硬サーメット材料の溶射に用いられ、極めて優れた耐摩耗皮膜を形成できます。

長所と工学的要点

長所

材料の多様性: 金属、セラミックス、サーメット、プラスチックに至るまで、加熱して溶融あるいは軟化できる材料であれば、ほとんど全てのものを皮膜として利用できます。
母材への入熱が少ない: 熱源はあくまで飛翔中の粒子を溶かすために使われ、母材自体は高温に晒されません。母材の温度上昇は摂氏150度以下に抑えられることが多く、熱による変形や、母材の組織変化といった悪影響をほとんど与えません。
厚膜の形成が可能: めっきなどでは困難な、数ミリメートルに及ぶ厚い皮膜を形成することも可能です。

工学的要点

前処理の重要性: 皮膜の密着性は、前処理であるブラスト処理の品質に完全に依存します。母材表面の汚染物を除去し、適切な粗面を形成することが、溶射の成否を分ける最も重要な工程です。
気孔の存在: 溶射皮膜は、その生成原理から、内部に微細な気孔を必ず含んでいます。腐食環境下で使用される場合には、この気孔を封孔剤で埋める封孔処理が必要となる場合があります。