(57)【要約】  【課題】  母材である二相系ステンレスに肉盛層形成時の劣化を抑えることができる摺動部材を提供する。  【解決手段】  二相系ステンレスの母材でそれぞれ構成され、互いの摺動面に肉盛層３３，３４が形成された摺動部材３１，３２であって、前記肉盛層３３，３４は、少なくとも一方が多層構造で構成され、表層３３ａがＣｏ又はＮｉを主成分とし、Ｃｒ，Ｍｏ、Ｃを含む合金で構成され、前記母材の表面に位置する下層３３ｂがＮｉ又はＣｏを主成分とし、Ｃｒ，Ｍｏを含み、前記表層よりもＣの含有比率が小さく、前記母材よりも炭素固溶度が大きい合金で構成されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二相系ステンレスの母材でそれぞれ構成され、互いの摺動面に肉盛層が形成された摺動部材であって、
前記肉盛層は、少なくとも一方が多層構造で構成され、表層がＣｏ又はＮｉを主成分とし、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを含む合金で構成され、前記母材の表面に位置する下層がＮｉ又はＣｏを主成分とし、Ｃｒ，Ｍｏを含み、前記表層よりもＣの含有比率が小さく、前記母材よりも炭素固溶度が大きい合金で構成されていることを特徴とする、摺動部材。
【請求項２】
前記表層及び下層は、隙間腐食発生指針の評価値が二相系ステンレスの母材よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
少なくとも一方の前記肉盛層の表層のブリネル硬度が、ＨＢ４００以下である場合は、他方の肉盛層の表層は、ＨＢ５０以上の硬度差を持つように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記表層はＣｏを主成分とする合金であり、前記下層はＮｉを主成分とする合金であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の摺動部材。
【請求項５】
前記下層及び表層は、粉体プラズマアーク溶接により形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の摺動部材。
【請求項６】
前記下層及び表層は、レーザークラッディングにより形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の摺動部材。
【請求項７】
前記下層及び表層は、溶射により形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の摺動部材。
【請求項８】
前記下層及び表層は、紛体プラズマ溶射、レーザークラッディングおよび溶射の組み合わせにより形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦巻きポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどの各種ポンプや各種バルブに用いられる摺動部材に関し、摺動面でのかじりの発生を抑える肉盛層を備えた摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプやバルブのシール部分は、金属同士の合わせ面を形成しており、動作時において当該合わせ面が摺動する。この摺動に伴う合わせ面のかじり防止のために、合わせ面の耐摩耗性を向上させる工夫がなされている。例えば、ポンプケーシングとインペラを備えた遠心式ポンプにおいては、ポンプケーシングとインペラ入口のシール部に、クリアランスを広げて構成したり、合わせ面の表面に高硬度の肉盛層を設け、さらに、摺動面の両部材間を異なる合金を用いることで硬度差を持たせるなどの方法がとられている。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開２０１２−１６６２３７号公報）には、２層の肉盛溶接層を二相系ステンレスの母材に設けた摺動部材を用いたポンプが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１６６２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、シール部のクリアランスを広げると、ポンプの効率が悪くなるという問題を有していた。また、近年海水耐食性が高い高耐食性材料として需要が増加している二相系ステンレスは、母材硬度が低く、肉盛層の形成時に熱処理により耐食性が劣化するという問題を有していた。
【０００６】
具体的には、二相系ステンレス母材は熱処理により硬度は上昇するが耐食性は劣化し、肉盛層の硬化成分である炭化物を形成する炭素が母材の二相系ステンレスに拡散する。これにより金属間化合物が形成され、耐食性が劣化した母材の肉盛層境界から腐食を生じるため、肉盛層が剥離するという問題があった。また、中間に干渉層を入れた場合にも耐食性の低い硬質の上層が下層に優先して溶解するという問題があった。
【０００７】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、母材である二相系ステンレスに肉盛層形成時の劣化を抑えることができる摺動部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の摺動部材を提供する。
【０００９】
本発明の第１態様によれば、二相系ステンレスの母材でそれぞれ構成され、互いの摺動面に肉盛層が形成された摺動部材であって、
前記肉盛層は、少なくとも一方が多層構造で構成され、表層がＣｏ又はＮｉを主成分とし、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを含む合金で構成され、前記母材の表面に位置する下層がＮｉ又はＣｏを主成分とし、Ｃｒ，Ｍｏを含み、前記表層よりもＣの含有比率が小さく、前記母材よりも炭素固溶度が大きい合金で構成されていることを特徴とする、摺動部材を提供する。
【００１０】
本発明の第２態様によれば、前記表層及び下層は、隙間腐食発生指針の評価値が二相系ステンレスの母材よりも高いことを特徴とする、第１態様の摺動部材を提供する。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、少なくとも一方の前記肉盛層の表層のブリネル硬度が、ＨＢ４００以下である場合は、他方の肉盛層の表層は、ＨＢ５０以上の硬度差を持つように構成されていることを特徴とする、第１又は第２態様の摺動部材を提供する。
【００１２】
本発明の第４態様によれば、前記表層はＣｏを主成分とする合金であり、前記下層はＮｉを主成分とする合金であることを特徴とする、第１から第３態様のいずれか１つの摺動部材を提供する。
【００１３】
本発明の５態様によれば、前記下層及び表層は、粉体プラズマアーク溶接により形成されていることを特徴とする、第１から第４態様のいずれか１つの摺動部材を提供する。
【００１４】
本発明の第６態様によれば、前記下層及び表層は、レーザークラッディングにより形成されていることを特徴とする、第１から第４態様のいずれか１つの摺動部材を提供する。
【００１５】
本発明の第７態様によれば、前記下層及び表層は、溶射により形成されていることを特徴とする、第１から第４態様のいずれか１つの摺動部材を提供する。
【００１６】
本発明の第８態様によれば、前記下層及び表層は、溶射、粉体プラズマアーク溶接およびレーザークラッディングの組み合わせにより形成されていることを特徴とする、第１から第４態様のいずれか１つの摺動部材を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、摺動面に設けられた肉盛層を二層構造とし、表層に炭素、Ｃｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ又はＣｏ合金を肉盛りすることで、析出した炭化物で摺動面にかじりが発生することはなく、マイルドな摩耗が生じる。このため、良好な摺動特性を維持することができる。また、下層にＣの含有比率が小さく母材よりも炭素固溶度が大きいＮｉ又はＣｏを主成分とする合金を用いることにより、上層からの炭素の干渉層として働き、母材への溶接時の浸炭を防止することができる。
【００１８】
表層に靱性のあるＣｏあるいはＮｉ合金を用い、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗに炭化物を分散させることで高硬度を達成する。硬度および靱性を備えたＮｉあるいはＣｏの固溶体とすると、低い予熱・後熱温度で溶接肉盛りを実施することができる。予熱・後熱温度を低減することで母材の温度上昇を抑え、溶接肉盛りによる母材の劣化を防止することができる。
【００１９】
二相系ステンレス鋼は、加熱により時間経過とともに金属間化合物の析出が増し炭素量が増加すると促進し、溶接時の短時間加熱でも耐食性が劣化する。上層から硬化成分である炭素が拡散するため、二相系ステンレスより炭素固溶度が高いＮｉあるいはＣｏ合金で構成する炭素を低減した下層を設けることで表層からの炭素が二相系ステンレスに拡散することを防ぐことができる。ＮｉあるいはＣｏ合金は、靱性が高いので低い予熱・後熱温度で母材の温度上昇を抑え溶接肉盛りによる母材の劣化を防止することができる。
【００２０】
ＮｉあるいはＣｏ合金の隙間腐食発生指針に基づき肉盛層の評価値を二相系ステンレスよりも大きくすることで、高機能部分である肉盛層の優先的な腐食を回避することができる。
【００２１】
粉体プラズマアーク溶接、レーザークラッディングの希釈率は、各々１５％，１０％であり、他の溶接方法に比べて低いため、表層、下層、母材各々の溶接時の希釈を押さえることができ、各層の特性を保つことができる。また、表層については、下層との希釈で硬度低下を生じることがなく、下層については、表層との希釈による炭素量を抑えることができる。また、母材については、下層との希釈を押さえることで耐食性が劣化しないという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の摺動部材を用いた実施形態にかかるポンプの一例である両吸込渦巻ポンプの構成例を示す正断面図である。
【図２】本発明の摺動部材を用いた実施形態にかかるポンプの一例である両吸込渦巻ポンプの構成例を示す側面図である。
【図３】図１の両吸込渦巻ポンプのシール部の部分拡大図である。
【図４】インペラリングの構成を示す断面図である。
【図５】ケーシングリングの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の摺動部材を用いた実施形態に係るポンプについて、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１は、本発明の摺動部材を用いた実施形態にかかるポンプの一例である両吸込渦巻ポンプの構成例を示す図である。図１は正断面図であり、図２のＩ−Ｉ線における断面図に相当する。また、図２は側面図である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、ポンプ１は、海水用ポンプであり、ポンプケーシング１０内でインペラ１３が回転する構成である。ポンプケーシング１０は、図１に示すように、吸込ケーシング部１１の断面方向の中央部に吐出ケーシング部１２が配置され、図２に示すように、吸込ケーシング部１１の吸込み口１１ａと吐出ケーシング部１２の吐出口１２ａが互いに反対向きになっている。
【００２６】
ポンプケーシング１０の中央部には、主軸１４が固定されたインペラ１３が配置されている。主軸１４は、その両端部が軸受１５で回転自在に支持され、主軸１４の一端に図示しない電動機などの駆動装置が連結されている。また、主軸１４がポンプケーシング１０を貫通する箇所には、軸封部１６が設けられており、ポンプケーシング１０内の液体を密閉する。
【００２７】
インペラ１３は、中央部分が外径側に突出したインペラ吐出口１３ｂとなっており、側方にインペラ入口１３ａが設けられた環状の部材である。インペラ１３は回転することで内部に設けられた羽根で、吸込ケーシング１１内の流体をインペラ入口１３ａから取り込むと供に、回転による遠心力で流体をインペラ吐出口１３ｂを通して吐出ケーシング部１２に吐出する。
【００２８】
ポンプケーシング１０とインペラ入口１３ａの外周の間にはシール部１７が配置されている。シール部１７は、後述するように、インペラ１３のインペラ入口１３ａ外周にインペラリング３１と、ポンプケーシング１０のインペラリング３１に対向する位置にケーシングリング３２とを備えており、これらの部材が、本発明の摺動部材に相当する。インペラリング３１とケーシングリング３２については、詳細は後述する。
【００２９】
上記構成の両吸込渦巻きポンプにおいて、図示しない駆動装置により主軸１４と共にインペラ１３を回転すると、インペラ１３の回転により、吸込ケーシング部１１の吸込み口１１ａから流体が吸い込まれる。流体は吸込ケーシング部１１内を矢印９１のように流れ、インペラ入口１３ａからインペラ１３内に流れ込み、矢印９２に示すように、インペラ吐出口１３ｂから吐出される。吐出ケーシング部１２内を矢印９２に示すように流れる。流体は、吐出ケーシング部１２内を流れ、吸込み口１１ａとは反対側に配置された吸込みケーシング部１２の吐出口１２ａから吐出される。
【００３０】
図３は、シール部１７の構成を示す図である。シール部１７には、本発明の摺動部材としてのインペラリング３１とケーシングリング３２が設けられている。
【００３１】
インペラリング３１とケーシングリング３２はそれぞれ海水に対する高耐食性の二相系ステンレス鋼材が用いられている。ケーシングリング３２の母材である二相系ステンレス鋼は、臨界隙間腐食発生開始係数で耐食性の指標が与えられている。
【００３２】
図３に示すように、インペラリング３１とケーシングリング３２は、それぞれ、互いの対向面に肉盛部３３，３４を備えている。
【００３３】
インペラリング３１とケーシングリング３２にそれぞれ設けられた肉盛部３３，３４は、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを含む高耐食Ｎｉ合金又はＣｏ合金からなり、粉体プラズマアーク溶接法あるいは、レーザークラッディング法により、インペラリング３１及びケーシングリング３２の対向する面に設けられる。
【００３４】
インペラリング３１に設けられた肉盛層３３は、図４に示すように、表層３３ａと下層３３ｂの２層構造になっており、本実施形態では、下層３３ｂは厚さ１ｍｍ、表層３３ａは厚さ１．５ｍｍ、総厚さは２．５ｍｍとなっている。
【００３５】
肉盛部３３の表層３３ａを構成する金属は、高耐食Ｃｏ合金が用いられており、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを含んでいる。表層３３ａに用いられるＣｏ合金は、耐食性の観点より、６％塩化第二鉄中での臨界隙間腐食発生試験で隙間腐食試験の開始係数（ＣＲＴ）で評価できる。下層、表層とも隙間腐食発生指針の評価値が二相系ステンレスよりも高いものを用いることが好ましい。これにより、高機能部分である肉盛層の優先的な腐食を回避することができる。また、表層３３ａの硬度は、ブリネル硬度ＨＢ４００前後であり、特に、ＨＢ４００以上であることが好ましい。
【００３６】
表層３３ａを構成する金属としては、例えば、ステライト合金、トリバロイ合金、炭化物を含んだインコネル合金などが利用でき、例えば、表１に示す成分の合金を好適に用いることができる。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
肉盛部３３の下層３３ｂを構成する金属は、表層３３ａと較べて軟質のＮｉ合金が用いられており、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを含んでいる。下層３３ｂには、Ｃの含有率が、表層３３ａを構成する高耐食Ｃｏ合金よりも少ないものが用いられている。また、下層３３ｂを構成するＮｉ合金は、炭素固溶度を母材である二相系ステンレス鋼よりも大きくするために、低炭素のものを使用している。また、下層３３ｂの硬度は、表層３３ａよりも小さく、母材よりもやや小さい程度であって、ブリネル硬度ＨＢ２００−３００前後であることが好ましい。
【００３９】
下層３３ｂには、構成する金属としては、インコネル合金、ハステロイ合金などを用いることができ、例えば、表２に示す成分の合金を好適に用いることができる。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
上層３３ａ及び下層３３ｂを母材であるインペラリング３１に設けるには、上記のように、レーザークラッディング法及びプラズマアーク溶接法を用いることが好ましい。
【００４２】
レーザークラッディング法及びプラズマアーク溶接法各々の希釈率は、最大１０％と１５％であるため、母材と下層３３ｂの希釈による有害な母材への浸炭及び下層３３ｂと表層３３ａの希釈による表層３３ａの硬度低下は生じない。これにより、二相系ステンレス鋼の劣化及び表層の硬度低下を防止することができる。
【００４３】
ケーシングリング３２に設けられた肉盛層３４は、図５に示すように、表層３４ａと下層３４ｂの２層構造とすることが好ましい。本実施形態では、総厚さは３．５ｍｍであり、下層３４ｂは厚さ１．５ｍｍ、表層３４ａは厚さ２．０ｍｍとなっている。なお、本実施形態では、この肉盛層３４の厚さは、インペラリング３１の肉盛層３３よりも厚く構成されているが、インペラリング３１の肉盛層３３よりも薄く構成してもよく、ポンプの構成により交換がしやすい部材の肉盛層に軟質のものを用い交換作業を容易にすることが好ましい。
【００４４】
肉盛部３４の表層３４ａを構成する金属は、インペラリング３１の肉盛部３３の表層３３ａに用いられるものと同様に、高耐食Ｃｏ合金が用いられており、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを含んでいる。表層３４ａに用いられるＣｏ合金は、耐食性の観点より、６％塩化第二鉄中での臨界隙間腐食発生試験で隙間腐食試験の開始係数で評価できる。下層表層とも二相系ステンレスの開始係数値よりもよりも大きい評価値を有するものを用いることが好ましい。また、表層３３ａの硬度は、ブリネル硬度ＨＢ４００前後であることが好ましい。
【００４５】
肉盛部３４の下層３４ｂを構成する金属は、インペラリング３１の肉盛部３３の下層３３ｂに用いられるものと同様に、表層３４ａと較べて軟質のＮｉ合金が用いられており、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを含んでいる。下層３４ｂには、Ｃの含有率が、表層３３ａを構成する高耐食Ｃｏ合金よりも少ないものが用いられている。また、下層３４ｂを構成するＮｉ合金は、炭素固溶度を大きくするために炭素含有量が少なくなっている。
【００４６】
下層３４ｂ及び表層３４ａを母材であるインペラリング３１に設けるには、上記のように、レーザークラッディング法及びプラズマアーク溶接法を用いることが好ましい。また、他の方法としては、溶射のほか、紛体プラズマ溶射、レーザークラッディング及び溶射を組み合わせて行うこともできる。
【００４７】
レーザークラッディング法及びプラズマアーク溶接法各々の希釈率は、最大１０％と１５％であるため、母材と下層３４ｂの希釈による有害な母材への浸炭及び下層３４ｂと表層３３ａの希釈による表層３４ａの硬度低下は生じない。これにより、二相系ステンレス鋼の劣化及び表層の硬度低下を防止することができる。
【００４８】
また、インペラリング３１の肉盛部３３の表層３３ａのブリネル硬度がＨＢ４００以下である場合は、ケーシングリング３２の肉盛部３４は、表層３３ａよりもＨＢ５０程度の硬度差を持たせること、すなわち、ＨＢ３５０以下とすることが好ましい。ＨＢ３５０以下の肉盛部３４とするために、表層３４ａを構成する金属では硬すぎる場合は、下層３４ｂのＮｉ合金のみの１層構造の肉盛部３４としてもよい。
【００４９】
上記のようにシール部１７は、ケーシングリング３２及びインペラリング３１のそれぞれの面に肉盛部３３、３４を備えた構成であるので、シール部１７にかじりが発生することなく、良好なシール特性を維持できる。また、軟質のＣＲ、Ｍｏを含む高耐食ＮｉあるいはＣｏ合金中間層をプラズマアーク溶接あるいはレーザークラッディングで肉盛りするので、割れが発生することなく、大型の部品にも用いることができ、また、表層３３ａ，３４ａに高硬度の合金を用いることができる。
【００５０】
また、プラズマアーク溶接あるいはレーザークラッディングを用いた場合は、高耐食Ｎｉ合金の肉盛りは、低入熱の溶接法で形成するので、溶接肉盛後の熱処理を必要としない。すなわち、耐食性を維持するために要求される二相系ステンレスの許容加熱温度である３５０度を超える予熱・後熱は必要がない。
【００５１】
以上説明したように、インペラリング３１とケーシングリング３２の対向面に設けられた肉盛層を二層構造とし、Ｃｒ，Ｍｏを含む上層に炭素を含有させることで炭化物を析出させた高耐食Ｎｉ又はＣｏ合金を肉盛りすることで、摺動面にかじりが発生することはなく、マイルドな摩耗が生じ良好な摺動特性を維持することができる。また、下層にＣの含有比率が小さく母材よりも炭素固溶度が大きいＮｉ又はＣｏを主成分とする合金を用いることにより、上層からの炭素の干渉層として働き、母材への溶接時の浸炭を防止することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、摺動部材は、金属部材が摺動する摺動面を有する二相系ステンレスを母材とする部材であれば、海水用ポンプ以外の各種ポンプや各種バルブにも適用することができる。
【００５３】
また、上記実施形態は、表層にＣｏ合金、下層にＮｉ合金を用いているが、これに限定されるものではなく、Ｃｏ及びＮｉを主成分とする合金を用いることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  遠心ポンプ
１０  ポンプケーシング
１１  吸込ケーシング部
１２  吐出ケーシング部
１３  インペラ
１４  主軸
１５  軸受
１６  軸封部
１７  シール部
２０  吸込ベル
２１  吸出ボウル
２２  吐出管
２３  ポンプ羽根車
２４  主軸
３１  インペラリング
３２  ケーシングリング
３３，３４  肉盛部
３３ａ，３４ａ  表層
３３ｂ，３４ｂ  下層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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