(57)【要約】金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末３が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮２で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ１である。複合ワイヤは、このような粉末に、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加し、自溶性化した点に特徴を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記粉末に、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加し、自溶性化したことを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項２】
金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記外皮の材料に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加し、自溶性化したことを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項３】
クレーム１に記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末と、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末とを粒径が１５μｍないし１５０μｍとなるように造粒したことを特徴とするアーク溶射溶耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項４】
クレーム３に記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記一種の材料でできた粉末の粒径が５μｍないし６５μｍあることを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項５】
クレーム１ないし４のいずれかに記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記セラミックスが炭化物及び酸化物のいずれかであることを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項６】
クレーム１ないし４のいずれかに記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記セラミックスがＷＣ又はＷ２Ｃであることを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項７】
クレーム６に記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記ＷＣ又はＷ２Ｃを主成分とする粉末の一次粒子径が５μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項８】
ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車において、
前記羽根車の表面の少なくとも一部が、クレーム１ないし７のいずれかに記載されたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された羽根車。
【請求項９】
ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車と、
前記羽根車を回転可能に収容する室を画定するケーシングと、
を備え、
前記羽根車の表面の少なくとも一部及び／又は前記ケーシングの内面の少なくとも一部が、クレーム１ないし７のいずれかに記載されたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】    本発明は、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤに関し、詳しくは、ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械の部材であって、耐サンドエロージョン性又は耐スラリーエロージョン性などが要求される羽根車、ケーシング、ブレード、軸受及びシールなどの金属部材の表面に耐摩耗性コーティングを施すために使用するのに適したアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ及びその製造方法、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにより溶射処理された羽根車及びその羽根車を備えた流体機械に関するものである。
【背景技術】  ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械では、高速、大容量化のニーズに伴い、粒子混入によるサンドエロージョン及び流水中への土砂の混入によるスラリーエロージョンなどによって金属材料の損傷が問題となる。回転機械に利用される材料には、高靭性と共に優れた耐サンドエロージョン性及び耐スラリーエロージョン性が要求されるため、金属基材に溶射技術が多用されるようになってきた。サンドエロージョンあるいはスラリーエロージョンは部位の特定な位置に部分的に発生するため、予めその損傷が起こると予測される部位にあらかじめ耐摩耗性コーティングを施工することできる。また、一定の稼動後に、サンドエロージョン又はスラリーエロージョン等で損傷した箇所にアーク溶射で補修することで、回転機械の長寿命化を図ることができる。
このようなアーク溶射処理に使用される耐摩耗材の複合ワイヤは、図１で全体が１で示されるように、管状の金属製外皮２の内部にＷＣ又はＷ２Ｃ等からなるセラミックスの粉体３を充填して構成されるワイヤである。かかる複合ワイヤは、一般的に、帯状の金属板を横断面が樋状又はＵ字状になるように湾曲させてできた凹部内にセラミックスの粉体を供給し、これを折り曲げ加工しながら内部にセラミックス粉末を巻き込ませて管状に成形し、更にそれを伸線加工することによって製造されるか、或いは、予め作製された管状体内にセラミックスの粉体を振動させながら充填し、その後伸線加工することによってされている。
かかる耐摩耗材の複合ワイヤを使用したアーク溶射法の概念図を示せば、図２のようになる。同図からわかるように、アーク溶射法は、複合ワイヤ（直径１．５〜３．２ｍｍ）１を２本一対として使用し、先端で斜めに交叉するようにして図示しない送り機構により連続的に供給すると共に、両複合ワイヤ１に所定の電圧を印加し、その先端間でアークを発生させてそれによって複合ワイヤを溶融させ、溶融された金属とセラミックス粒子をノズル５から噴出する空気ジェットで、基材Ｂに吹き付けて金属及びセラミックス粒子の皮膜を形成するように、行われる。このように、一対の複合ワイヤ１間でアーク放電を生じさせることにより複合ワイヤの両先端部を溶融させ、ノズル５からのキャリアガスであるエアにより溶融物を溶射領域に溶着させることで溶射領域に耐摩耗材の皮膜６を形成する。
アーク溶射においては、エアジェットで複合ワイヤの溶滴及び未溶融のセラミックス粒子を吹き飛ばす機構になっているため、セラミックスが炭化タングステンである場合、粒子径が５μｍ以下であると、セラミックス粒子が周辺に飛散してしまうため、炭化タングステン粒子の溶射効率が極端に小さくなって溶射皮膜層内の炭化タングステン粒子の含有率が小さくなり、所望の耐摩耗性被膜が得られない問題がある。アーク溶射における複合ワイヤに充填した硬質粒子（Ｗ２Ｃ）と溶射効率との関係を図３に示す。この図からもわかるように、限られた範囲ではあるが、硬質粒子の粒径が増加すれば溶射効率が増加する。また、従来の複合ワイヤでは、比較的融点の高いＮｉ基合金、Ｃｏ基合金又はＦｅ基合金等の金属をフープすなわち外皮の材料として用いているため、溶射層内の空隙が多くて緻密な溶射層が得られていないため、過酷なスラリーエロージョンが起こるポンプ部材に従来のアーク溶射を適用した場合、要求される耐スラリーエロージョン性が得られない問題がある。
本発明者は、上記のような従来のアーク溶射用複合ワイヤの問題点に鑑み研究を重ねた結果、複合ワイヤを構成している粉末又は外皮に特定の成分を加えることによって複合ワイヤの自溶性化が可能なことを見出し、そのような自溶性化された複合ワイヤを使用して溶射処理することによって、耐スラリーエロージョン性を向上できることを見出した。また、外皮内に充填される粉末を所望の大きさに造粒することによってもアーク溶射時における硬質粒子の飛散を抑制し、溶射効率の向上を図れることを見出した。
発  明  の  概  要
したがって、本発明の目的は、耐スラリーエロージョン性を向上できるアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを提供することである。
本発明の他の目的は、複合ワイヤを構成する粉末にボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加し、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを自溶性化し、それによって複合ワイヤの溶射効率を増大させて耐摩耗性を向上することである。
本発明の別の目的は、複合ワイヤを構成する外皮の材料に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加し、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを自溶性化し、それによって複合ワイヤの溶射効率を増大させて耐摩耗性を向上することである。
本発明の別の目的は、外皮の中に充填される粉末を所望の大きさの粒子に造粒することによって複合ワイヤの溶射効率を増大させて耐摩耗性を向上することである。
本発明の更に別の目的は、上記のようなアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤの製造方法、複合ワイヤを使用して溶射処理された羽根車、及びそのような羽根車を備える流体機械を提供することである。
本発明によれば、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記粉末に、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加し、自溶性化したアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤが提供される。
上記金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末と、前記ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末とを粒径が１５μｍないし１５０μｍとなるように造粒してもよい。
本願の他の発明によれば、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記外皮の材料に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加し、自溶性化したアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤが提供される。
上記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、セラミックスが炭化物及び酸化物のいずれかであってもよく、セラミックスがＷＣ又はＷ２Ｃであってもよい。更に、ＷＣ又はＷ２Ｃを主成分とする粉末の一次粒子径が５μｍ以上、１５０μｍ以下であってもよい。
本願の別の発明によれば、ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車であって、前記羽根車の表面の少なくとも一部が、前記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理されている羽根車が提供される。
本願の更に別の発明によれば、ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車と、前記羽根車を回転可能に収容する室を画定するケーシングと、を備え、た流体機械であって、前記羽根車の表面の少なくとも一部及び／又は前記ケーシングの内面の少なくとも一部が、前記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理されている流体機械が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態によるアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ（以下単に複合ワイヤ）も、図１に示される従来の複合ワイヤ１と同様に、管状の外皮（フープ）と、その外皮内に充填されている粉末とで構成されている。本実施形態においては、外皮の材料及び／又は粉末の材料が改良されている。一つの実施形態による複合ワイヤにおいて、外皮がニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の合金材料でつくられている。外皮内に充填される粉末の材料は、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末に、ボロン（Ｂ）又はボロン化合物、シリコン（Ｓｉ）又はシリコン化合物及びリン（Ｐ）又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加混合してつくられている。外皮は、従来と同様に、前記合金材料製の板材又はストップ材を横断面が樋状又はＵ形状に形成され、その中に混合された粉末を充填した後外皮を管状に成形し、伸線して複合ワイヤにしている。本発明者は、管状の外皮内に充填される金属及び／又はセラミックス（炭化タングステン（ＷＣ、Ｗ２Ｃ））の粉末に上記のような材料を添加することで複合ワイヤを低融点化、すなわち自溶性（自己溶融性）化させることが可能になり、複合ワイヤを低融点化することで、アーク溶射施工時に、セラミックス（例えばＷ２Ｃ）等の硬質材料でできた粒子の飛散を低減させることができることを見出した。したがって、基材に溶射された皮膜層内にはそれだけ多くの耐摩耗性の硬質材料の粉末が含まれていることになる。耐摩耗性皮膜としての有効に機能することになる。複合ワイヤを自溶性化することによりすなわち融点を低くすることによりセラミックス等の硬質材料の粉末の飛散を減少させることができるのは、溶融した金属層にセラミックス等の硬質粒子が捕捉され易くなるためと思われる。
上記の場合において、セラミックスの粉末としてはＷＣ又はＷ２Ｃの炭化物の粉末であっても、或いは酸化アルミニュウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニュウム（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の酸化物の粉末であってもよい。セラミックスとしてＷＣ又はＷ２Ｃを使用する場合、ＷＣ又はＷ２Ｃを主成分とする粉末の一次粒子径は好ましくは５μｍ以上で１５０μｍ以下であり、最も好ましくは５μｍ以上で６５μｍ以下である。また、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等の酸化物の粉末の一次粒子径は好ましくは１μｍ以上で１５０μｍ以下であり、最も好ましくは１μｍ以上で５０μｍ以下である。
更に、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末と、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末とを混合してつくり、それらの粉末を、好ましくは、粒径が５μｍないし１５０μｍ、最も好ましくは、５μｍないし６５μｍとなるように造粒してもよい。造粒は公知の方法で行えばよい。
本発明の他の実施形態において、外皮の材料は、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加してつくられている。外皮はこのような材料を使用して前記実施形態と同様にしてつくられ、その中に充填される粉末は、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできている。
本発明者は、この実施形態のように、管状の外皮の材料の中に上記のようなボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加することでも複合ワイヤを低融点化、すなわち自溶性（自己溶融性）化させることが可能になり、複合ワイヤを低融点化することで、アーク溶射施工時に、セラミックス（例えばＷ２Ｃ）等の硬質材料の飛散を低減させ、溶射効率を向上させることができることを見出した。したがって、基材に溶射された皮膜層内にはそれだけ多くの耐摩耗性の硬質材料の粉末が含まれていることになる。耐摩耗性皮膜として有効に機能することになる。
上記のようにしてつくられた耐摩耗材複合ワイヤは、図２に示される公知のアーク溶射法により基材の表面に溶射され、基材に耐摩耗性の皮膜を形成する。かかる耐摩耗性の皮膜が形成される基材の例としては、ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械の部材、より具体的には、耐サンドエロージョン性又は耐スラリーエロージョン性などが要求される羽根車、ケーシング、ブレード、軸受及びシールなどがあげられる。このような基材に耐摩耗性の皮膜を形成することにより、このような基材の耐摩耗性を向上させ、そのような基材を使用した機械、例えば、ポンプ、水車、コンプレッサー等の寿命を延ばすことが可能になる。
【実施例１】  外皮をＮｉＣｒ合金で前述のようにつくり、充填粉末（外皮内に充填される粉末）として、Ｗ２Ｃから成る硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）に、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、Ｗ２Ｃが５５重量％、ＮｉＢが２０重量％及びＦｅＳｉが２５重量％になるように添加混合して複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例１に掲げる通りである。発明者らは、Ｗ２Ｃ硬質粒子から構成される粉末にＮｉＢ化合物粉末及びＦｅＳｉ化合物粉末を添加して、前記複合ワイヤを自溶性合金化すると、溶射層自体が高硬度化することを見出した。Ｎｉ基合金からなる複合ワイヤにボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）を添加することで溶射層である皮膜内に硬質粒子であるＷ２Ｃ粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
この実施例１の複合ワイヤをアーク溶射法により基材の表面に溶着させた耐摩耗材の皮膜の断面の状態及びビッカース硬度の測定結果を従来の複合ワイヤの皮膜のそれと比較して示すと、図４に示されるようになる。断面を示す電子顕微鏡写真からも明らかなように、従来例の溶射層断面は、比較的大きな空隙（黒くなっている部分）が多く、幾つかの溶着金属が重なり合った多層状の組織になっている。一方、本発明の溶射層断面は、空隙が少なくまた境界層も少なく、緻密な溶射層になっている。ボロン及びシリコンを添加したことで、ビッカース硬度が向上することも分かる。
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【実施例２】  外皮をＮｉＣｒ合金で前述と同様につくり、充填粉末として、ＷＣから成る硬質粒子の粉末（粒径１μｍないし５μｍ）、炭化クロムＣｒＣ（粒径１μｍないし５μｍ）の粉末及びＮｉの粉末（粒径１μｍないし５μｍ）を、重量比で１：２０：７の割合で混合し、その粉末を公知の方法で造粒した。造粒した粒子の粒径は平均６５μｍであった。この造粒粉を使用して前述と同様な方法で複合ワイヤをつくった。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例２に掲げる通りである。
この実施例２の複合ワイヤでは外皮内に充填される充填粉末を造粒して所望の大きさの粒状体としたので、アーク溶射時における硬質粒子の飛散を抑制できて、溶射効率を向上させることが可能である。また、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能になる。
【実施例３】  外皮をＮｉＣｒ合金で前述と同様につくり、充填粉末として、炭化クロムＣｒＣ（粒径１μｍないし５μｍ）の粉末及びＣｏの粉末（粒径１μｍないし５μｍ）を、表１の実施例３に示される組成になるように調整して混合し、その混合粉末を公知の方法で造粒した。造粒した粒子の粒径は平均６５μｍであった。そして、この造粒粉を使用して前述と同様に複合ワイヤをつくった。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例３に掲げる通りである。
この実施例３の複合ワイヤでも前記実施例２と同様に、充填粉末を造粒して所望の大きさの粒状体としたので、アーク溶射時における硬質粒子の飛散を抑制できて、溶射効率を向上させることが可能である。また、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能になる。
【実施例４】  外皮をステンレス（ＳＵＳ３０４）で前述と同様につくり、充填粉末として、ＷＣから成る硬質粒子の粉末（粒径１μｍないし５μｍ）、炭化チタン（ＴｉＣ）の粉末（粒径１μｍないし５μｍ）、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、表１の実施例４に示される組成になるように調整して混合して複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは、実施例１と同様に全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例４に掲げる通りである。
この実施例４の複合ワイヤでもボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）が添加されることで、実施例１の複合ワイヤと同様に、溶射層である被膜内に硬質粒子であるＷＣ粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
【実施例５】  外皮をＮｉＣｒ合金で前述と同様につくり、粉末として、ＷＣから成る硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）、Ｃｏの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）、Ｃｒの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、表１の実施例５に示される組成になるように調整して混合して複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは、実施例１と同様に全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例５に掲げる通りである。
この実施例５の複合ワイヤでも、Ｎｉ基合金から成る複合ワイヤにボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）が添加されることで、実施例１の複合ワイヤと同様に、溶射層である被膜内に硬質粒子であるＷＣ粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
【実施例６】  外皮をＮｉＣｒ合金で前述のようにつくり、粉末として、ＣｒＣから成る粉末の造粒粉（粒径１５μｍないし１２５μｍ）に、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、表１の実施例６に示される組成になるように調整して混合し、その混合した粉末を公知の方法で造粒した。その混合粉末を公知の方法で造粒した。造粒した粒子の粒径は平均６５μｍであった。そして、この造粒粉を使用して前述と同様に複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは、実施例１と同様に全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例６に掲げる通りである。
この実施例６の複合ワイヤでも、Ｎｉ基合金から成る複合ワイヤにボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）が添加されることで、実施例１の複合ワイヤと同様に、溶射層である被膜内にＣｒＣ粒子を効率よく分散させることが可能となり、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になる。しかも、充填粉末が造粒されているため溶射効率を向上させることが可能である。
なお、上記実施例ではセラミックスの粉末にＢ、Ｓｉ等の添加物を添加する方法としてＮｉＢ、ＦｅＳｉ等の粉末を加えて混合する場合に付いて説明したが、湿式メッキの手法で添加することも可能である。例えば、ＷＣ又はＷ２Ｃなどの硬質粒子をＢ及びＳｉを含むメッキ液中で無電解メッキする方法、或いは外皮、フープを連続的にＢ及びＳｉを含むメッキ液中で無電解或いは電解メッキすることも有効な方法である。更に、上記湿式メッキ法の他に、セラミックスの粉末或いは外皮の外面にＢ及び／又はＳｉを蒸着させる物理蒸着法或いは化学気相法も有効である。
【実施例７】  外皮の材料として、表１の実施例７に示される組成になるように調整して混合したものを使用した。このような材料で外皮を前記実施例と同様につくり、中にＷ２Ｃの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を充填して複合ワイヤにした。
この実施例７の複合ワイヤでは外皮の材質自体にＢ及びＳｉを添加することで外皮を低融点化し、それによって複合ワイヤ全体として自溶性化している。したがって、この実施例の複合ワイヤでも実施例１の複合ワイヤと同じ効果を奏することが可能になる。この実施例の場合外皮自体にＢ、Ｓｉ等と混入させてあるため、管状の外皮内に入れる粉末にこれらの材料を入れる必要がなくなり、その分複合ワイヤ単位長さ当たりのＷＣ、Ｗ２Ｃ等のセラミックスの含有量を多くでき、セラミックスの溶射効率を向上させることができる。
【実施例８】  外皮の材料として、表１の実施例８に示される組成になるように調整して混合したものを使用した。このような材料で外皮を前記実施例と同様につくり、中にＷ２Ｃの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を充填して複合ワイヤにした。
この実施例８の複合ワイヤでも実施例７と同様に外皮の材質自体にＢ及びＳｉを添加することで外皮を低融点化し、それによって複合ワイヤ全体として自溶性化しているが、外皮がＣｏ基自溶性合金である点で実施例７とは異なる。この実施例の複合ワイヤでも実施例１の複合ワイヤと同じ効果を奏することが可能になる。この実施例の場合外皮自体にＢ、Ｓｉ等と混入させてあるため、管状の外皮内に入れる粉末にこれらの材料を入れる必要がなくなり、その分複合ワイヤ単位長さ当たりのＷＣ、Ｗ２Ｃ等のセラミックスの含有量を多くでき、セラミックスの溶射効率を向上させることができる。
【実施例９】  外皮をＮｉ基合金で、前述のようにつくり、充填粉末（外皮内に充填される粉末）として、Ｗ２Ｃからなる硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）に、ＢＣ粉末の粉末およびＦｅＳｉの粉末を添加して複合ワイヤを作製した。これにより複合ワイヤは全体として自溶性化（低融点化）させることが可能となる。このようにして作製した複合ワイヤの化学組成は表１の実施例９の通りである。発明者らは、Ｗ２Ｃ硬質粒子から構成される粉末にＢＣ化合物粉末およびＦｅＳｉ化合物粉末を添加して、前記複合ワイヤを自溶性合金化すると、溶射層自体が高硬度化することを見出した。Ｎｉ基合金からなる複合ワイヤにボロンおよびシリコンを添加することで溶射層内に硬質粒子であるＷ２Ｃを効率良く分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなり緻密性が向上し、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能となる。
【実施例１０】  外皮をＣｏ基合金で、前述のようにつくり、充填粉末（外皮内に充填される粉末）として、Ｗ２Ｃからなる硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）に、ＢＣ粉末の粉末およびＦｅＳｉの粉末を添加して複合ワイヤを作製した。これにより複合ワイヤは全体として自溶性化（低融点化）させることが可能となる。このようにして作製した複合ワイヤの化学組成は表１の実施例９の通りである。発明者らは、Ｗ２Ｃ硬質粒子から構成される粉末にＢＣ化合物粉末およびＦｅＳｉ化合物粉末を添加して、前記複合ワイヤを自溶性合金化すると、溶射層自体が高硬度化することを見出した。Ｃｏ基合金からなる複合ワイヤにボロンおよびシリコンを添加することで溶射層内に硬質粒子であるＷ２Ｃを効率良く分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなり緻密性が向上し、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能となる。
［効果確認試験］
発明者らは、基材及び各種アーク溶射材における耐スラリーエロージョン性を調べるため、清水中にＳｉＯ２を主成分とした砂を混入させたスラリーエロージョン試験を実施した。実験条件は、砂の平均粒子径が５μｍ、砂の濃度が１ｋｇ／ｍ２、砂の衝突角度が１５°以下、砂の相対衝突速度が５５ｍ／ｓで行った。基材及び各種アーク溶射材におけるビッカース硬さとスラリーエロージョン損傷速度との関係を図５に示す。ビッカース硬さが増すほど耐スラリーエロージョン性が向上することが分かる。従来のＷ２Ｃ硬質粒子含有Ｎｉ基合金と比較すると、本発明の実施例７のＷ２Ｃ硬質粒子含有Ｎｉ基自溶性合金（外皮自体が自溶性合金になっている場合）は、ビッカース硬さが増し、耐スラリーエロージョン性が向上することが分かる。また、一般に溶射層の硬質粒子径は、河川水中に含まれる砂の粒子径と同等であることが望ましい。一方、アーク溶射においては、空気ジェットで複合ワイヤの溶滴及び未溶融のセラミックス粒子を吹き飛ばす機構になっているので、セラミックス粒子径が１５０μｍ以下であると、セラミックス粒子が周辺に飛散するため、溶射層内のセラミックス粒子の溶射効率が低くなる。また、複合ワイヤに充填する炭化物、例えば、ＷＣ、Ｗ２Ｃなどの硬質粒子径を５μｍ以下とすると、溶射効率が極端に小さくなることは前項で述べた。更に、炭化物などの粒子径を小さくすると、アーク溶射施工時に炭化物粒子自体が高温酸化する。一方、発明者らは、空気ジェットでなく、還元性ガスあるいは窒素あるいは不活性ガスを用いたジェットで複合ワイヤの溶滴及び未溶融のセラミックス粒子を吹き飛ばす機構にすれば、炭化物の粒子径を５μｍ以下でも溶射時に酸化することを防止できるものと考えている。通常の空気ジェットを用いたアーク溶射に用いるＷＣ、Ｗ２Ｃなどの炭化物の粒子径は、５μｍ以上、１５０μｍ以下であることが望ましい。
前記セラミックス粒子径が１５０μｍ以下であると、セラミックス粒子が周辺に飛散するため、溶射層内のセラミックス粒子の溶射効率が低くなり、所望の耐摩耗性被膜が得られないことを既に述べた。本発明の自溶性合金化による手法を用いても、硬質粒子径が数十μｍ程度の場合、溶射効率が低くなるので、金属又は合金或いは自溶性合金となる粉末などので造粒化することで、溶射効率を高めることが可能である。本発明の自溶性合金による低融点化、更に造粒化による２次粒子径を４０μｍ以上とすることが望ましい。但し、酸化物粒子径は、アーク溶射時における酸化物の変置が起こらないので、粒子径を河川水の砂の粒子径に合わせた粒子で施工することが望ましい。
種々のアーク溶射条件で、作製した複合ワイヤについて、荒田式溶射皮膜評価試験によるブラストエロージョン試験を下記の条件で行った。得られた各種アーク溶射材の耐摩耗性を調べた結果を図６に示す。従来の複合ワイヤでは、溶射施工条件によって、耐摩耗性が大きく影響することが分かる。本発明の複合ワイヤでは、溶射施工時におけるエアー圧力の条件を変えても、ほぼ一定の良好な耐摩耗性を示すことが分かる。ポンプなどの羽根車への適用を考えた場合、複雑形状の対象物でもほほ一定の耐摩耗性を示すことは実用上、有効な効果でもある。
荒田式溶射皮膜評価試験によるブラストエロージョン試験条件
噴射剤      ：Ａｌ２Ｏ３（粒度：６０Ｍｅｓｈ）
噴射角度    ：３０°
噴射距離    ：９０ｍｍ
噴射圧力Ｂ  ：３．１ｋｇ／ｃｍ２
噴射ノズル  ：φ５．２ｍｍ
上記のようにしてつくられたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤは、アーク溶射法により基材の表面に溶射され、基材に耐摩耗性の皮膜を形成する。かかる耐摩耗性の皮膜が形成される基材の例としては、ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械の部材、より具体的には、耐サンドエロージョン性又は耐スラリーエロージョン性などが要求される羽根車、ケーシング、ブレード、軸受及びシールなどがあげられる。このような基材に耐摩耗性の皮膜を形成することにより、このような基材の耐摩耗性を向上させ、そのような基材を使用した機械、例えば、ポンプ、水車、コンプレッサー等の寿命を延ばすことが可能になる。
より具体的には、図７に示されるように、羽根車３０は、回転軸を受ける軸穴３１が形成されたハブ３２と、そのハブ３２から半径方向外側に放射上に広がる円板状の主板３３と、主板３３から軸方向（図７において上下方向）に隔てられた環状の側板３４と、主板３３と側板３４との間において円周方向（軸穴の軸線Ｏ−Ｏ回りの円周方向）に等間隔に隔てて配置され所望の曲面に沿って湾曲して側板及び主板と一体的に形成された複数の翼３５とで構成されていて、主板３３、側板３４及び翼３５により流体の流れる流路３６を画定している。流路３６の半径方向内側の部分３７が入口部となり、半径方向外側の部分３８が出口部となる。また、環状の側板３４は、円周方向内側の軸方向に伸びる部分３４ａと、半径方向外側に伸びる部分３４ｂとを有し、軸方向伸長部分３４ａによって羽根車３０の入口３９を画定している。このような羽根車３０を回転させて流体を送り出す場合、例えば、羽根車を土砂を含む水中で回転させると、水中の土砂の粒子が羽根車３０の表面、特に羽根車３０内の流路３６を画定する主板３３の内面４１、側板３４の内面４２及び翼３５の両面、すなわち圧力面４３、負圧面４４に当たってこれを擦り、それらの表面が摩擦により極端に摩耗することになる。
そこで、羽根車３０の上記流路３６を画成する内面４１及び４２、圧力面４３及び負圧面４４、入口３９の内面４５、側板３４の外側面４６及び主板３３の裏面４７のうち所望する面、例えば、流路を画成する内面４１、４２、圧力面４３及び負圧面４４に、上記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理を施し被膜を形成する。
上記のようにアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された本発明の羽根車３０は、水車或いはポンプのような流体機械に使用される。図８において、このような流体機械の一例として立形ポンプ５０が断面で示されている。同図において、ポンプ５０は、本発明による羽根車３０を収容するポンプ室５２を画成するケーシング５１と、軸線を鉛直にして配置されていて下端に羽根車３０が固定された主軸５７と、ケーシングの上方に取り付けられたていて主軸５７をケーシングに関して回転自在に支持する主軸受け５８と、ケーシング５１と主軸５７との間からの流体の漏れを防止するシール装置５９と、を備えている。ケーシング５１は管状の支持台６０の上に公知の方法で固定されている。ケーシング５１は、上側の円盤状の端板５３と、渦巻き状の出口室５５を画成するケーシング本体５４と、管状のカバー５６とを備えている。カバー５６の下端には筒状の吸出し管６１が接続されている。
上記ポンプにおいて、主軸３７を回転させることによってその下端に固定された羽根車３０を回転させると、流体が吸出し管６１内で矢印Ｘで示されるように羽根車の入口３９に吸い込まれ、羽根車３０の流路３６を通って出口３８側から半径方向に押し出され、出口室５５内に流入する。出口室内の流体は、図示しない出口から吐き出される。なお、ケーシングの内面の少なくとも一部をアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理してもよい。
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏することが可能である。
（イ）溶射処理中における硬質粒子の飛散を抑制し、溶射被膜中のそのような粒子の量を増加させて耐摩耗性を向上させることができる。
（ロ）硬質粒子の飛散を抑制することで溶射効率を増大させることができる。
（ハ）溶射層である皮膜内に硬質粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
（ニ）耐スラリーエロージョン性の優れた溶射皮膜を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】  図１は、複合ワイヤの一般的構造を示す拡大横断面図である。
図２は、アーク溶射の原理を説明するアーク溶射方の溶射概念図である。
図３は、アーク溶射における複合ワイヤに充填した硬質粒子と溶射効率との関係を説明する図である。
図４Ａは、本発明の一実施例による複合ワイヤを使用したアーク溶射による皮膜の断面性状及びビッカース硬さと従来の複合ワイヤを使用した場合の断面性状及びビッカース硬さとの比較を示す図である。
図４Ｂは、本発明の他の実施例による複合ワイヤを使用したアーク溶射による皮膜の断面性状を示す図である。
図５は、基材及び各種アーク溶射材におけるビッカース硬さとスラリーエロージョン損傷深さ速度との関係を示す図である。
図６は、アーク溶射条件と耐摩耗性との関係を示す図である。
図７は、本発明のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された羽根車の一例を示す断面図である。
図８は、図７の羽根車を備えるポンプの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年3月19日(2004.3.19)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】特許請求の範囲
【請求項１】金属、セラミックス及びその組合せから成る群のうち少なくともセラミックスを含む材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記セラミックスがＷＣ、Ｗ２Ｃ又はＣｒＣの炭化物或いはＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２又はＴｉＯ２の酸化物であり、前記粉末に、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加し、自溶性化したことを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項２】金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記外皮の材料に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加し、自溶性化したことを特徴とするアーク溶射用耐摩粍材複合ワイヤ。
【請求項３】請求の範囲１に記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、金属、セラミックス及びその組合せから成る群のうち少なくともセラミックスを含む材料でできた粉末と、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末とを粒径が１５μｍないし１５０μｍとなるように造粒したことを特徴とするアーク溶射溶耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項４】請求の範囲３に記載のアーク溶射用耐摩粍材複合ワイヤにおいて、前記一種の材料でできた粉末の粒径が５μｍないし６５μｍあることを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項５】（削除）
【請求項６】（削除）
【請求項７】請求の範囲１ないし４のいずれかに記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記ＷＣ又はＷ２Ｃを主成分とする粉末の一次粒子径が５μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。
【請求項８】ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車において、
前記羽根車の表面の少なくとも一部が、請求の範囲１ないし４及び７のいずれかに記載されたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された羽根車。
【請求項９】ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車と、
前記羽根車を回転可能に収容する室を画定するケーシングと、
を備え、
前記羽根車の表面の少なくとも一部及び／又は前記ケーシングの内面の少なくとも一部が、請求の範囲１ないし４及び７のいずれかに記載されたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された流体機械。




【国際調査報告】
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