(57)【要約】　　　（修正有）【課題】溶射被膜の硬質粒子の面積率と損耗速度との間の関係に基づいて求めた耐スラリーエロージョン性に優れた溶射被膜を提供する。【解決手段】基材１の表面に溶射により接合された、セラミックス及び金属を含む耐スラリーエロージョン溶射被膜２ａないし２ｃにおいて、前記被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在する。ハブと、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た羽根車において、羽根車の表面の少なくとも一部に耐スラリーエロージョン溶射被膜が溶着され、該被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に溶射により接合された、セラミックス及び金属を含む耐スラリーエロージョン溶射被膜において、前記被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在することを特徴とする耐スラリーエロージョン溶射被膜。
【請求項２】
請求項１に記載の耐スラリーエロージョン溶射被膜において、前記面積率が３０％ないし４０％であることを特徴とする溶射被膜。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の耐スラリーエロージョン溶射被膜において、前記セラミックスが、炭化タングステン及び炭化クロムの少なくとも一方を含むことを特徴とする溶射被膜。
【請求項４】
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た羽根車において、
前記羽根車の表面の少なくとも一部に耐スラリーエロージョン溶射被膜が溶射により溶着され、
前記溶射被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在することを特徴とする羽根車。
【請求項５】
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に耐スラリーエロージョン溶射被膜が溶射により溶着され、
前記溶射被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在することを特徴とする流体機械。
【請求項６】
請求項５に記載の流体機械において、前記室を画定するケーシングの表面の少なくとも一部に耐スラリーエロージョン溶射被膜が溶着され、前記溶射被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在することを特徴とする流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐スラリーエロージョン溶射被膜に関し、更に詳細には、スラリーにより損耗を引き起こすスラリーエロージョンが問題となるポンプ、水車等の流体機械の構成部材或いは流体用の配管等の表面処理に適した耐スラリーエロージョン溶射被膜及びそのような溶射被膜を施した流体機械及びその流体機械用の構成部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粒状の土砂を含む水等の液体を扱うポンプ、水車等の流体機械では、流体内で動作するランナーすなわち羽根車等の回転部材或いは流体の流路を形成する構成部材には、流体に接する面の摩損を防止するために耐スラリーエロージョン性に優れた材料を用いる必要がある。しかしながら、このような耐スラリーエロージョンに優れた材料は高価であるだけでなく、単独で使用するには他の機械的強度に欠ける問題があり、通常は、性能、コスト、補修等を考慮し、構成部材を構成する基材の表面に硬質の溶射被膜を所望の厚さに溶着させ、そのような基材を摩損から保護している。そしてこのような硬質の溶射被膜の材料としては、セラミックスと金属の複合材料であるサーメット材料が、従来から用いられる場合が多い。
これまでは、一般的に、硬い材料ほど耐スラリーエロージョン性が優れるため、できるだけ多量にセラミックスの硬質粒子を含有させる方向で材料は開発されてきた。しかし、セラミックス硬質粒子の含有量が多くなると、結合剤である金属部分の含有量が少なくなり、施工性が悪くなって、被膜に割れなどが発生し易くなる。
【０００３】
【本発明が解決すべき課題】
ところで、サーメット材は、材料の種類によってはセラミックス硬質粒子が偏在し、硬さを正確に測定することが困難なため、このような状況でも正確に測定して最適な被膜を形成させることが従来から課題であった。
本発明者は、溶射被膜表面における硬質粒子の面積率に注目し、硬質粒子が種々の異なる面積率になるようにして溶射被膜を形成した多数の試験片を作成し、その試験片について実機ポンプ羽根車の運転条件を模擬した損耗量評価実験を行った結果、溶射被膜の損耗速度と面積率との間に一定の関係があることを見出した。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、上記溶射被膜の硬質粒子の面積率と損耗速度との間の関係に基づいて求めた耐スラリーエロージョン性に優れた溶射被膜を提供することである。
本発明の他の目的は、溶射被膜の硬質粒子の面積率を２５％ないし５０％にすることによって損傷速度を可能な限り小さくした溶射被膜を提供することである。
本発明の別の目的は、前記のような溶射被膜を施した流体機械及びその流体機械に使用する構成部材を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願の発明は、基材表面に溶射により接合された、セラミックス及び金属を含む耐スラリーエロージョン溶射被膜において、前記被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在することに特徴を有する。
上記耐スラリーエロージョン溶射被膜において、前記面積率が３０％ないし４０％であってもよい。また、前記溶射被膜の前記セラミックスが、炭化タングステン及び炭化クロムの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【０００６】
本願の他の発明は、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た羽根車において、
前記羽根車の表面の少なくとも一部に耐スラリーエロージョン溶射被膜が溶射により溶着され、
前記溶射被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在することに特徴を有する。
本願の更に別の発明による流体機械は、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に耐スラリーエロージョン溶射被膜が溶射により溶着され、
前記溶射被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在することに特徴を有する。
上記流体機械において、前記室を画定するケーシングの表面の少なくとも一部に耐スラリーエロージョン溶射被膜が溶着され、前記溶射被膜の表面に、セラミックスの硬質粒子が面積率で２５％ないし５０％存在してもよい。
【０００７】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、図１［Ａ］に示されるような扇形（半径Ｒ＝１８０ｍｍ、厚さＴ＝６ｍｍ）の平板状の試験片用の基板１を多数作成した。一方、（Ａ）高速フレーム溶射用の材料としては７種類の被膜材料を用意して、それぞれの基板１にはその７種類の被膜材料をそれぞれ別個に溶射し、厚さｔが５００μｍの、下記の表１に示されるＡ１ないしＡ７の７種類の組成を有する被膜２ａをそれぞれ形成し、試験片３ａ（図１［Ｂ］）をつくった。また、（Ｂ）フレーム溶射用の材料としては１０種類の被膜材料を用意して、それぞれの基板１にはその１０種類の被膜材料をそれぞれ別個に溶射し、厚さｔが５００μｍの、表１に示されるＢ１ないしＢ１０の１０種類の組成を有する被膜２ｂをそれぞれ形成し、試験片３ｂ（図１［Ｂ］）をつくった。その後、被膜を加熱処理し、被膜の組織の緻密化を図った。更に、（Ｃ）アーク溶射用の材料としては３種類の被膜材料を用意して、それぞれの試料板にはその３種類の被膜材料をそれぞれ別個に溶射し、厚さｔが５００μｍの、表１に示されるＣ１ないしＣ３の３種類の組成を有する被膜２ｃをそれぞれ形成し、試験片３ｃ（図１［Ｂ］）をつくった。なお、表中で同じ組成であっても、炭化物平均粒径、溶射条件等が異なっており、全て特性の異なる被膜である。また、表中のＣｒｍＣｎの表記は、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６、などのクロム炭化物の混合したものを表したものであり、組成は特定できない。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
このようにして被膜が形成された複数（この試験例では２０枚）の試験片を、図２に概略図示する試験装置１０にそれぞれセットして試験を行った。同図において、１１はチャンバ１２を画定する試験槽、１３は試験槽１１内で回転可能に支持されていて、一方の表面（図２では左面）に試験片３ａ、３ｂ、３ｃが着脱可能に取り付けられるようになっている回転体、１４は回転体１３を回転させる電動モータ、１５及び１６は試験槽１１に取り付けられた圧力計及び温度計、１７はスラリータンク、１８はスラリータンク１７内のスラリーを導管１９を介してチャンバ１２内に送るスラリーポンプ、２０は水を導管２１を介して導管１９内に供給するポンプである。更に、２３ａないし２３ｅは導管に接続された開閉弁、２４は排出管２５に接続された開閉弁、２６はスラリータンク１７内を通って伸び水でスラリータンク内を冷却する熱交換管である。上記試験槽及び／又は回転板の試験片取り付け面は、回転ディスク１３が回転しているとき、スラリーが試験片の表面に所望の角度で当たるように作られている。
【００１０】
上記構成の試験装置において、回転ディスク１４の片面（図２で左面）に試験片３ａ、３ｂ、３ｃを取付け、これを試験槽１１内のスラリー中に没した状態でモータ１４により回転させる方法で実施した。試験槽内の圧力が０．１Ｍｐａ、温度が２５〜３０℃となるように調整した。実験条件は実際の河川濁水の状況に基づき、スラリー衝突速度が５５ｍ／ｓとなるように回転ディスクの回転速度を調節し、スラリー中の土砂濃度１ｗｔ．％とした。このような条件の実験を硬質の被膜が形成された上記各試験片につき試験を行い、損耗速度を求めた。その結果をグラフで表せば図３に示されるようになる。
本実験では硬質粒子であるセラミックス粒子の面積率が５〜５０％の範囲で実験を行った。その理由は、面積率が５０％を超えた場合には基材に対する被膜の接着力が低下して被膜に亀裂が多発するため、実用上無意味な範囲だからである。
セラミックス硬質粒子面積率が２５〜５０％の範囲で、スラリーエロージョンによる損傷速度は小さくなり、ほぼ一定になる。従って、硬質粒子の面積率が好ましくは２５％ないし５０％の範囲となるように被膜を形成することによって、ポンプ部材の耐スラリーエロージョン性を向上させることができる。更に好ましくは３０％ないし４０％の範囲となる被膜を形成するとよい。
【００１１】
本発明による被膜で耐スラリーエロージョン化を図る流体機械用の構成部材の一例としてポンプのランナすなわち羽根車３０が図４で断面図で示されている。
図４において、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２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。
【００１２】
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のうち所望する面に、上記溶射法ＡないしＣのうち適当な溶射法を適宜選んで前述の耐スラリーエロージョン溶射被膜を形成する。この場合、溶射を行う面の条件、溶射法の施工条件等を考慮して一つの羽根車に対して溶射する場所により異なる溶射方法を採用することも可能である。
【００１３】
上記のように耐スラリーエロージョン溶射被膜形成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５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。
【００１４】
【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）河川水等に代表される、土砂と水が主成分であるスラリーによるエロージョンに対して、硬質被膜の表面のセラミックス等の硬質粒子の面積率が所望の範囲になるように溶射することで、高い耐スラリーエロージョン性を有する被膜を溶射法により容易に形成できる。
（ロ）セラミック粒子を含む被膜の面積率を２５％以上５０％以下とすることによって、高い耐スラリーエロージョン性を保ちながら、割れの発生しにくい硬質の被膜を溶射法により形成できる。
（ニ）土砂を含む水を扱う流体機械の構成部材の耐スラリーエロージョン特性を向上でき、流体機械の寿命を長くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験片及び試験片用の基板の斜視図である。
【図２】本実施例で使用する試験装置の概略構成図である。
【図３】試験結果を示すグラフ図である。
【図４】本発明の被膜が形成される羽根車の一例を示す断面図である。
【図５】図４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４】
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【図５】
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