(57)【要約】　　　（修正有）【課題】耐キャビテーションエロージョン性及び耐スラリーエロージョン性に優れた溶射層を提供する。【解決手段】セラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料は、炭化物、酸化物、窒化物又はホウ化物から成る群から選ばれる少なくとも一種類のセラミックス粉末１１と、ニッケル基自溶性合金粉末、コバルト基自溶性合金又は鉄基自溶性合金粉末から成る群から選ばれる少なくとも一種類の自溶性合金粉末１２とを混合して凝集し、前記粉末の平均一次粒径よりも大きな平均二次粒径を有する粒状体１０をつくり、前記粒状体の前記平均二次粒径が１５〜２５０μｍとする。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化物、酸化物、窒化物又はホウ化物から成る群から選ばれる少なくとも一種類のセラミックス粉末と、ニッケル基自溶性合金粉末、コバルト基自溶性合金又は鉄基自溶性合金粉末から成る群から選ばれる少なくとも一種類の自溶性合金粉末とを混合して凝集し、前記粉末の平均一次粒径よりも大きな平均二次粒径を有する粒状体をつくり、前記粒状体の前記平均二次粒径が１５〜２５０μｍであることを特徴とするセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料において、前記セラミックス粉末の平均一次粒径をＲ１、前記自溶性合金粉末の平均一次粒径をＲ２とした場合、Ｒ２／Ｒ１が２０以下であることを特徴とするセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料において、前記セラミックス粉末及び前記自溶性合金の平均一次粒径が、それぞれ、１〜６０μｍ及び１〜６０μｍであることを特徴とするセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料において、前記セラミックス粉末が炭化タングステン、炭化クロム、炭化チタンから成る群から選択された少なくとも１種類の炭化物粉末であることを特徴とするセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料。
【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において、
前記羽根車の表面の少なくとも一部が、請求項１ないし４に記載のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料で溶射処理された羽根車。
【請求項６】
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、請求項１ないし４に記載のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料で溶射処理された流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料に関し、詳細には、ポンプ、水車及びタービンなどのターボ機械、特に金属基材の表面に耐キャビテーションエロージョン性及び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、ブレード及び軸受などの耐摩耗性が要求される部材等の金属基材の表面に耐摩耗性コーティング層を施すのに適したセラミックス含有自溶性合金溶射材料、そのような溶射材料で溶射処理された羽根車及びその羽根車を有する流体機械に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ポンプ及び水車などのターボ機械では、流水中への土砂の混入によるスラリーエロージョン、部分負荷運転によるキャビテーションエロージョンの発生などによる材料の損傷が問題となる。特に、羽根車、ケーシングなどでは、キャビテーションエロージョンと同時に、スラリーエロージョンが重畳して発生するため、高靭性と共に優れた耐スラリーエロージョン性及び耐キャビテーションエロージョン性が要求される。羽根車、ケーシングでは、損傷が起こると予測される部位に予め耐摩耗性の溶射被膜を施工することができる。また、一定の稼動後に、スラリーエロージョン、キャビテーションエロージョンで損傷した箇所を溶射による補修施工することで、ポンプ、水車など機器の長寿命化を図ることができる。
【０００３】
溶射法は、数多くの手法が提案され、表面改質技術の重要な位置を占めている。その中でも溶射溶融法は、自溶性合金粉末をフレーム溶射法などので溶射した被膜を溶融状態に加熱して、皮膜中の気孔が減少し、更に溶射粒子間の結合と基材との密着強さという点で、最も有効な溶射法であるため、耐摩耗性が要求される部材に広く適用されている。土砂摩耗が起こる環境で使用される機械部品には、タングステンなどの炭化物粉末と自溶性合金粉末とを混合した溶射粉末による溶射溶融法が一般に適用されている。土砂摩耗が起こる機械では、土砂の粒径が０．１ｍｍ以上である場合、０．１ミリ〜数ミリ程度の炭化タングステン粒子が使用され、所定の目的を達成している。
【０００４】
最近、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦなど）による手法で、数ミクロンの炭化物粒子を分散したニッケル（Ｎｉ）基合金又はコバルト（Ｃｏ）基合金溶射膜が耐摩耗部材に適用されている。高速フレーム溶射膜は、水車又はポンプ用羽根車、ケージングなどに適用され、耐スラリーエロージョン性に優れた特性を発揮することが確認されている。しかし、高速フレーム溶射では、数ミクロンオーダの炭化物粒子とＮｉ基又はＣｏ基合金粉末を造粒した粉末、又は造粒した後焼結して粉砕した粉末を原料として、溶射膜を形成する方法である。この方法では部分溶融であるため、溶射層内に微小な空隙が無数存在し、粒子間の密着力が不足している。そのため、高速フレーム溶射膜はキャビテーションエロージョンに対する特性が弱く、キャビテーションが発生する箇所への適用が難しい。
【０００５】
水車或いはポンプなどは、キャビテーションエロージョンと同時に、スラリーエロージョンが重畳して起こるため、耐スラリーエロージョン性と同時に、耐キャビテーションエロージョン性にも優れた溶射膜の開発が急務となっいる。自溶性合金溶射膜は溶融状態に加熱するフュ−ジング処理により皮膜中の気孔が減少し、更に溶射粒子間の結合と基材との密着強さが向上するので、この自溶性合金を使用した溶射溶融法は、耐スラリーエロージョン性、耐キャビテーションエロージョン性が要求される部材に広く適用されている。
【０００６】
従来の溶射材粉末及びフレーム溶射法による溶射概念図をそれぞれ図１及び図２に示す。土砂摩耗が起こる機械では、土砂の平均粒径が０．１ｍｍ以上であるので、セラミックス粉末として粒径が０．１ミリ〜数ミリ程度の炭化タングステン粒子が使用され、所定の目的を達成している。平均粒径が０．１ｍｍ以下の比較的小さい砂が混入した河川水中では、平均粒径が６０ないし１２５μｍの炭化タングステンを分散した溶射膜が羽根車、ケーシングに適用されている。溶射溶融として用いられる溶射材料には、図１に示されるように、粒径が４５μｍから１２５μｍである炭化タングステン粉末１と粒径が１５μｍから１２５μｍである自溶性合金粉末２とを、単に混合した溶射材末粉３が用いられている。そして、フレーム溶射法では、図２に示されるように、溶射材供給ノズル５から炭化タングステン粉末１と自溶性合金粉末２とからなる溶射材粉末３を供給すると共にその供給ノズルから出る溶射材粉末をガスノズル６からの高温の燃焼ガス７で基材Ｂの表面に吹き付け、自溶性合金の粉末を溶融してその表面に溶射層４として溶着させるとともにセラミックスである炭化タングステン粒子１を溶射層４内に取り込むようにしている。
【０００７】
発明者らは、各種粒径の炭化タングステン粉末と自溶性合金粉末とを混合した溶射粉末を用いて、フレーム溶射したところ、粒径が１００μｍ以下であると、炭化タングステン粒子の飛散が起こることを観察した。特に、粒径が６０μｍ以下であると、炭化タングステン粒子の飛散が顕著になり、極端に溶射効率が低下することが判明した。また、発明者らの実験では、炭化タングステン粉末と自溶性合金粉末とを混合させた溶射粉末を用いて、溶射溶融法で作製した溶射材は、炭化タングステンが均一に分散した溶射層を作製することが困難であり、耐キャビテーションエロージョン性も充分な特性が得られていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、炭化タングステンのようなセラミックスの粉末とニッケル基自溶性合金粉末とをバインダーを介して造粒することで、凝集した平均二次粒径が１５〜１２５μｍである粒状体とすることにより、フレーム溶射時、炭化タングステン粉末の飛散を防止し、溶射効率が向上することを見出した。また、粒状体で構成された粉末を用いることにより、溶射層に炭化タングステンが均一に分散した溶射膜を形成できることを確認し、耐スラリーエロージョン性及び耐キャビテーションエロージョン性に優れた溶射層を形成することができることを見出した。
【０００９】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、各種粒径のセラミックス粉末と自溶性合金粉末とを混合して造粒或いは焼結粉砕することにより粒状体とすることで、溶射処理時における硬質のセラミックス粉末の飛散を少なくした溶射材料を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、上記セラミックス粉末と自溶性合金粉末の粒状体の大きさを最適の大きさにすることにより、溶射処理時における硬質のセラミックス粉末の飛散を少なくした溶射材料を提供することである。
本願が解決しようとする別の課題は、上記のような溶射材料を用いて溶射処理された回転部材、その回転部材を備えた流体機械を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の一つの発明によるセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料は、炭化物、酸化物、窒化物又はホウ化物から成る群から選ばれる少なくとも一種類のセラミックス粉末と、ニッケル基自溶性合金粉末、コバルト基自溶性合金又は鉄基自溶性合金粉末から成る群から選ばれる少なくとも一種類の自溶性合金粉末とを混合して凝集し、前記粉末の平均一次粒径よりも大きな平均二次粒径を有する粒状体をつくり、前記粒状体の前記平均二次粒径が１５〜２５０μｍであることに特徴を有する。
【００１１】
上記セラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料において、前記セラミックス粉末の平均一次粒径をＲ１、前記自溶性合金粉末の平均一次粒径をＲ２とした場合、Ｒ２／Ｒ１が２０以下であってもよい。また、前記セラミックス粉末及び前記自溶性合金の平均一次粒径が、それぞれ、１〜６０μｍ及び１〜６０μｍであっても良い。更に、前記セラミックス粉末が炭化タングステン、炭化クロム、炭化チタンから成る群から選択された少なくとも１種類の炭化物粉末であっても良い。
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が、上記のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料で溶射処理されて構成されている。
本願の別の発明は、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、を備えた流体機械において、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、前記のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料で溶射処理されて構成されている。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態においては、まず、例えば、炭化タングステン（ＷＣ又はＷ２Ｃ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（Ｃｒ２Ｃ３）のような炭化物であるセラミックス粉末１１と、ニッケル基自溶性合金粉末１２とをバインダーを介して公知の造粒方法により造粒することで凝集し、図３［Ａ］に示されるような粒状体１０にし、この粒状体１０によって本実施形態の溶射材料を形成する。ＷＣ、Ｗ２Ｃ等のセラミックスの粉末及びニッケル基自溶性合金粉末の平均一次粒径は、いずれも、好ましくは１μｍないし６０μｍの範囲、最も好ましくは５μｍないし３０μｍの範囲である。その理由は、粒径が１μｍ未満であると溶射時における粒子の酸化が問題になるためである。また、粒径が６０μｍを超えると造粒化が困難になるからである。また、セラミックス粉末の平均一次粒径をＲ１、前記自溶性合金粉末の平均一次粒径をＲ２とした場合、Ｒ２／Ｒ１が好ましくは０．１以上２０以下であり、最も好ましくは０．１以上１０以下である。その理由は、Ｒ２／Ｒ１が２０を超えると、図３［Ｂ］に示されるように、各自溶性合金の粒子１２が微細なセラミック粒子１１で被われるため、溶射した時に溶射皮膜内に空隙ができ易くなるためである。また、０．１以上としたのは、セラミックス粒子が上述のように１μｍないし６０μｍの範囲のものを使用する場合に、自溶性合金の実用可能な粒径がセラミックス粒子の径の１／１０程度までだからである。
【００１３】
セラミックスとしては、上記炭化物に限らず、例えば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、例えば窒化ボロン（ＢＮ）等の窒化物、又は、例えばホウ化チタン（ＴｉＢ）等のホウ化物であっても良い。更に、上記炭化物、酸化物、窒化物及びホウ化物は、単独で使用されても或いはそれらの任意の幾つかの組合せとして使用されても良い。これら酸化物、窒化物又はホウ化物の平均一次粒径は、前述と同じ範囲でもよい。ニッケル基自溶性合金の例としては、例えば、Ｎｉ−Ｂ−Ｓｉ、Ｎｉ−Ｐ等がある。自溶性（融点の低い自己溶融性）合金としては、上記ニッケル基自溶性合金粉末の他に、例えばＣｏ−Ｂ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｐ等のコバルト基自溶性合金、又は、例えばＦｅＳｉ、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｐ等の鉄基自溶性合金でもよい。これらの自溶性合金は単独でも或いはそれらの任意の組合せで使用してもよい。
【００１４】
セラミックスの粉末と自溶性合金の粉末を粒状体にする方法としては、前述の公知の造粒方法の他に、それらの粉末を所望の大きさに固めて焼結し、粉砕する方法でも良い。粒状体の平均粒径すなわち平均二次粒径は好ましくは１５μｍないし２５０μｍの範囲であり、最も好ましくは、４５μｍないし１２５μｍの範囲である。その理由は、二次粒径が１５μｍ未満であると溶射効率が低下するためであり、二次粒径が２５０μｍを超えると通常のフレーム溶射ガンを使用しての溶射が困難となるからである。
【００１５】
［実施例１］
セラミックスの粉末として、平均一次粒径が５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）の粉末を使用し、自溶性合金の一種であるニッケル基合金の粉末として、市販のコルモノイＮｏ．４相当の粉末を使用した。その粉末の平均一次粒径は２０μｍ以下であった。これらの粉末を混合し、公知の造粒方法で平均二次粒径が４５ないし１２５μｍの粒状体から成る溶射材料をつくった。
この実施例１による溶射材料及び従来例の混合粉末タイプの溶射材料を、操作型電子顕微鏡で観察した結果を示すと図４の上段に示される顕微鏡写真図のようになる。また、実施例１による溶射材料を使用して溶射処理を行った場合の溶射層及び前記従来の溶射材料を使用して溶射処理を行った場合の溶射層を上記顕微鏡で観察した結果を示すと図４の下段の顕微鏡写真図のようになる。これらの写真図から明らかなように、従来例の溶射層断面は、比較的大きな空隙が多い組織になっている。一方、本発明の溶射層断面は、空隙が少なく、緻密な溶射層になっている。溶射断面の白い箇所が炭化タングステンで、その周辺が自溶性合金のマトリックス相である。従来例の場合、炭化タングステン粒子の大きさが数十から１００μｍであり、炭化タングステン粒子が不均一に分散している様子が観察される。実施例１による溶射材料では、平均粒径が５μｍの炭化タングステンが均一に分散した溶射層が得られていることが分かる。この実施例１による溶射材料の耐キャビテーションエロージョン性は、基材ＣＡ６ＮＭよりも４倍以上の特性を示した。
【００１６】
［実施例２］
セラミックスの粉末として、平均一次粒径が５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）の粉末を使用し、自溶性合金の一種であるコバルト基合金の粉末として、市販のステライトＮｏ．１相当の粉末を使用した。その粉末の平均一次粒径は２０μｍ以下であった。これらの粉末を混合し、公知の造粒方法で平均二次粒径が４５ないし１２５μｍの粒状体からなる溶射材料をつくった。
この実施例２による溶射材料及び従来例のＣｏ基自溶性合金粉末タイプの溶射材料を、操作型電子顕微鏡で観察した結果を示すと図５の上段に示される顕微鏡写真図のようになる。また、実施例２による溶射材料を使用して溶射処理を行った場合の溶射層及び前記従来の溶射材料を使用して溶射処理を行った場合の溶射層を上記顕微鏡で観察した結果を示すと図５の下段の顕微鏡写真図のようになる。
この顕微鏡写真から明らかなように、従来例の溶射層断面は、比較的大きな空隙が多い組織になっている。一方、実施例２による溶射層断面は、空隙が少なく、緻密な溶射層になっている。溶射断面の白い箇所が炭化タングステンで、その周辺が自溶性合金のマトリックス相である。また、従来例の場合、炭化タングステン粒子の大きさが数十から１００μｍであり、炭化タングステン粒子が不均一に分散している様子が観察される。本発明では、平均粒径が５μｍの炭化タングステンが均一に分散した溶射層が得られていることが分かる。この実施例２の溶射材料の耐キャビテーションエロージョン性も、基材ＣＡ６ＮＭよりも４倍以上の特性を示した。
【００１７】
上記のようにしてつくられたセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料は、フレーム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６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６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。
【００１８】
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、側板３４の外周面４６（領域Ａ１）及び主板３３，側板３４及び翼３５によって限定された流路３６を画定する表面であって羽根車の外周側の所定の範囲内（図６では半径ｒ１の円と半径ｒの円とで囲まれた範囲内）の領域Ａ２に属する表面に、高速フレーム溶射方式で本発明によるセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料を溶射させる。
【００１９】
上記のように高速フレーム溶射方式によりセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料で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７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セラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料を用いて表面処理してもよい。
【００２０】
【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）溶射施工時におけるセラミックスの粉末の飛散を極力抑えることができセラミックスの溶射効率を向上させることが可能である。
（ロ）溶着皮膜中へセラミックスの粒子を効率良く分散して取り込むことが可能になり、耐キャビテーションエロージョン性及び耐スラリーエロージョン性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のセラミックス粉末と自溶性合金粉末の混合粉末からなる溶射材料の拡大説明図である。
【図２】フレーム溶射法の原理を説明する図である。
【図３】セラミックス粉末と自溶性合金粉末とを粒状体とした本発明の溶射材料の拡大説明図である。
【図４】従来の混合型溶射材と本発明の実施例１の溶射材の実験結果を示す断面図である。
【図５】従来の混合型溶射材と本発明の実施例２の溶射材の実験結果を示す断面図である。
【図６】本発明のセラミックス粒子含有自溶性合金溶射材料で高速フレーム溶射方式で溶射処理された羽根車の一例を示す断面図である。
【図７】図６の羽根車を備えるポンプの断面図である。
【符号の説明】
１０　粒状体　　　　　　　　　　　　１１　セラミックス粉末
１２　自溶性合金粉末
３０　羽根車　　　　　　　　　　　　３２　ハブ
３５　翼　　　　　　　　　　　　　　３６　流路
５０　ポンプ（流体機械）　　　　　　５１　ケーシング
【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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【図６】
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【図７】
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