(57)【要約】【課題】軸封部を有する給水ポンプにおいて、前記軸封部における腐食・磨耗・エロージョン等による被覆層の剥離が抑制された給水ポンプを提供する。【解決手段】軸封部を有する給水ポンプにおいて、前記軸封部における回転軸、スロットルブッシュおよびケーシングの少なくとも一つに溶射フレーム速度が１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓ、溶射粉末の粒子速度が５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓである高速フレーム溶射法によって、主としてタングステンカーバイド粉末と、Ｃ　０．０８重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ　０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１０．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜２０．００重量％、Ｍｏ　２．００〜４．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金粉末とからなる混合粉末を溶射する。【選択図】　　　図２
2004019490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸封部を有する給水ポンプにおいて、
前記軸封部における回転軸ならびにこの回転軸に隣接するスロットルブッシュおよびケーシングの少なくとも一つに、溶射フレーム速度が１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓ、溶射粉末の粒子速度が５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓである高速フレーム溶射法によって、主としてタングステンカーバイド粉末と、Ｃ　０．０８重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ　０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１０．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜２０．００重量％、Ｍｏ　２．００〜４．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金粉末とからなる混合粉末を溶射し、被覆層を形成したことを特徴とする給水ポンプ。
【請求項２】
前記混合粉末に含まれる鉄基合金粉末粉末の量が、１５ｗｔ％〜４５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１記載の給水ポンプ。
【請求項３】
前記混合粉末は、前記タングステンカーバイド粉末と鉄基合金粉末とを造粒後、焼結することにより製造された造粒焼結粉末であることを特徴とする請求項１または２記載の給水ポンプ。
【請求項４】
前記造粒焼結粉末の粉末粒度が２０μｍ以上、５５μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の給水ポンプ。
【請求項５】
前記鉄基合金粉末は、ガスアトマイズ法または水アトマイズ法より製造されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の給水ポンプ。
【請求項６】
前記被覆層の厚さが、１５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の給水ポンプ。
【請求項７】
前記高速フレーム溶射法により被覆層を形成した後、その表面を機械加工することにより、前記被覆層の表面粗度を６．５　Ｓ以下としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の給水ポンプ。
【請求項８】
前記回転軸は凹凸部を有するものであって、前記凸部のみに前記被覆層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の給水ポンプ。
【請求項９】
前記回転軸の凸部の被覆層は、前記回転軸の凹部にその幅と同等以下の線材を巻き付けた状態で前記高速フレーム溶射法により形成されたものであることを特徴とする請求項８記載の給水ポンプ。
【請求項１０】
前記回転軸の被覆層は、前記回転軸を回転させながら前記高速フレーム溶射法により形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の給水ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉等に用いられる給水ポンプに関し、特に軸封部における耐食・耐エロージョン性が改善された給水ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
第７図に従来の原子炉給水ポンプ１の構造を示す。構造は頑丈な円筒形のケーシングと円形フランジを持ったカバーの中に回転軸が収められており、主としてケーシング２、カバー３、回転軸４、軸受け５および軸封部６の５つの部分より構成されている。
【０００３】
第８図に従来の代表的な軸封部６の構造を示す。軸封部６には、ケーシング２側にスロットルブッシュ７が設けられており、これと回転軸４との狭い間隙により軸封部６の流れを制御している。また、ポンプ内部の高温水が外部に流出し蒸気となるのを防ぐため、スロットルブッシュ７と回転軸４との間隙に注入口８より冷却水を注水し、高温水の流出を抑制している。
【０００４】
この注水された冷却水は回収口９、１０より全て回収され、再び系統に戻されている。この場合、冷却水が一部ポンプの内部に入り込む場合があることから、冷却水は純水である必要があり、復水が使用されている。
【０００５】
この場合の復水の制御は、注入圧力を抽出水圧力より２〜４ｋｇ／ｃｍ２高く一定とする方式と、復水回収温度を５０〜６０℃に保つ方式とがあり、後者の場合も注入圧力はポンプ内部水と同等以上に昇圧し注入している。この軸封部は高圧の純水に常に曝されており、腐食の問題があることから、Ｃｒメッキ等により皮膜が施されている。
【０００６】
しかし、皮膜のピンホール等から腐食が生じるため、定期点検ごとに再度メッキ処理を施さなければならなかった。また、上記構造に起因して高圧の純水流中に曝されることから、この腐食剥離がより加速される傾向にあった。
【０００７】
このような腐食剥離の改善策として、例えばＣｏ　４５重量％以上、Ｍｏ　２０〜４２重量％、Ｃｒ　１７〜２５重量％、Ｓｉ　１２重量％以下のＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉを粉体プラズマアーク法により肉盛する方法（特開昭６０−２０６５６７号「耐食・耐磨耗性肉盛層の形成方法」）、一方の摺動面に物理蒸着によりＴｉＮ膜を形成し、他方にＤＬＣ膜、ＣｒＮ、ＰＥＥＫまたはＰＴＦＥのコーティングを施す方法（特開平１０−１８４６９２号「水潤滑または水潤滑シール」）、母材にＳｉ、Ｂのうち少なくとも一種を含有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を被覆した後、さらにＷＣあるいはＣｒ３Ｃ２を含有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を被覆する方法（特開２００１−８２４７９「摺動部材とその製造方法」）等が検討されている。しかしながら、これらの方法によっても上記したような腐食剥離を十分に抑制するには到っていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような課題を解決するためになされたものであって、軸封部を有する給水ポンプにおいて、前記軸封部における腐食・磨耗・エロージョン等による被覆層の剥離が抑制された給水ポンプを提供することを目的としている。
【０００９】
また、本発明では原子炉給水ポンプとしての使用も鑑み、被曝低減および機器の劣化抑制への配慮から、使用水質条件下における腐食速度が小さく、かつ材料成分の溶出も少なく、特に放射化しやすいＣｏを含有しない被覆層を形成した給水ポンプを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の給水ポンプは、軸封部を有する給水ポンプにおいて、前記軸封部における回転軸ならびにこの回転軸に隣接するスロットルブッシュおよびケーシングの少なくとも一つに、溶射フレーム速度が１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓ、溶射粉末の粒子速度が５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓである高速フレーム溶射法によって、主としてタングステンカーバイド粉末とＣ　０．０８重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１０．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜２０．００重量％、Ｍｏ　２．００〜４．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金粉末とからなる混合粉末を溶射し、被覆層を形成したことを特徴としている。
【００１１】
混合粉末中に含まれる鉄基合金粉末の量は、１５ｗｔ％〜４５ｗｔ％であることが好ましく、この鉄基合金粉末は、例えばガスアトマイズ法または水アトマイズ法より製造されたものであればより好ましい。また、混合粉末はタングステンカーバイド粉末と鉄基合金粉末とを造粒後に焼結することにより製造された造粒焼結粉末であることが好ましく、その粉末粒度が２０μｍ以上、５５μｍ以下であればより好ましい。
【００１２】
また、軸封部における回転軸、スロットルブッシュまたはケーシングに形成される被覆層の厚さは、１５０μｍ以上であることが好ましい。被覆層は、高速フレーム溶射法により被覆層を形成した後、表面を機械加工することにより、その表面粗度を６．５　Ｓ以下としたものであることが好ましい。
【００１３】
回転軸が凹凸部を有するものである場合、凸部のみに被覆層が形成されていることが好ましい。回転軸の凸部のみに被覆層を形成する方法としては、例えば凹部にその幅と同等以下の線材を巻き付けた状態で高速フレーム溶射法を適用することが挙げられる。また、回転軸へ被覆層を形成する場合、回転軸を回転させながら高速フレーム溶射法による溶射を行うことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の給水ポンプについて、図面を参照して説明する。なお、図中の符号について、従来と同部分を指すものについては同一の符号を用いた。
【００１５】
図１に本発明の給水ポンプの構造を示す。本発明の給水ポンプは、軸封部に耐食性、耐磨耗性を有する被覆層を形成した以外は、従来の給水ポンプと基本的に同構造を有するものである。すなわち、本発明の給水ポンプ１は、頑丈な円筒形のケーシングと円形フランジを持ったカバーの中に回転軸が収められており、主としてケーシング２、カバー３、回転軸４、軸受け５および軸封部６の５つの部分から構成されている。
【００１６】
図２に本発明の給水ポンプの軸封部の構造を示す。軸封部６のケーシング２側にはスロットルブッシュ７が設けられており、これと回転軸４との狭い間隙により軸封部６の流れを制御している。また、ポンプ内部の高温水が外部に流出し蒸気となるのを防ぐため、スロットルブッシュ７と回転軸４との間隙に注入口８より冷却水を注水し、流出を抑制している。この注水された冷却水は回収口９、１０より全て回収され、再び系統に戻す構造となっている。この場合、冷却水が一部ポンプの内部に入り込む場合があることから、冷却水は純水である必要があり、復水を使用している。
【００１７】
本発明の給水ポンプ１では、軸封部６における回転軸４ならびにこの回転軸４に隣接するスロットルブッシュ７およびケーシング２の少なくとも一つに、溶射フレーム速度が１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓ、溶射粉末の粒子速度が５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓである高速フレーム溶射法によって、主としてタングステンカーバイド粉末とＣ　０．０８重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ　０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１０．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜２０．００重量％、Ｍｏ　２．００〜４．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金粉末とからなる混合粉末を溶射し、被覆層を形成したことを特徴としている。
【００１８】
すなわち、図２に示されるように、回転軸４の表面上には回転軸被覆層４ａ、スロットルブッシュ７の表面上にはスロットルブッシュ被覆層７ａ、また図示していないが、ケーシング２の表面上にはケーシング被覆層を形成する。
【００１９】
本発明では、上記高速フレーム溶射法によって、主としてタングステンカーバイド粉末と上記鉄基合金粉末粉末とからなる混合粉末を用いて被覆層を形成することで、給水ポンプの使用環境である高温、高圧、純水中における被覆層からの被覆金属の溶出を抑制し、被曝を低減すると共に、耐かじり性を向上させ、摺動部の隙間を詰めることにより、ポンプの漏れ損失を抑制することができる。
【００２０】
本発明では、特に回転軸の表面上に高速フレーム溶射法により被覆層が形成されていることが好ましい。通常、スロットルブッシュは回転軸よりも磨耗しやすい材料を用いており、容易に交換可能な構造となっているが、回転軸はスロットルブッシュのように容易に交換することは困難であり、回転軸の損傷を抑制する必要性が大きいからである。一方、スロットルブッシュについては、容易に交換可能であることから必ずしも高速フレーム溶射法により被覆層を形成する必要はないが、スロットルブッシュやケーシングについても、損傷を抑制し、交換時期を延ばすために、高速フレーム溶射法により被覆層を形成しておくことが好ましい。
【００２１】
本発明において上記したような高速フレーム溶射法を用いることとしたのは、フレーム速度を速くすることによって、被覆層の気孔率を小さくし、被覆層を緻密にすることができ、これに伴い被覆層と基材との密着力も改善することができるからである。
【００２２】
この高速フレーム溶射法は、酸素と可燃ガスとの燃焼炎を用いて粉末状溶射材料を加熱し、溶融またはそれに近い状態にして素地に吹き付けて被覆層を形成するフレーム溶射法のうち、燃焼室の圧力を高めることによって音速以上の高速フレームを発生させるものである。
【００２３】
フレーム速度があまりに遅いと溶射ガン中に詰まりやすくなり、一方、フレーム速度がある値以上となると溶射粉末の付着量は多くなるが、フレームによるエロージョンにより削られ、実質的に溶射効率が低下してしまうことから、フレーム速度は１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓ、さらには２０００ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。また、このようなフレーム速度の場合、本発明に用いられる溶射粉末の粒子速度は５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓとなる。
【００２４】
高速フレーム溶射法に用いられる主としてタングステンカーバイド粉末と上記鉄基合金粉末粉末とからなる混合粉末において、タングステンカーバイド粉末は被覆層の硬さと耐摩耗性を向上させるために加えられるものであり、鉄基合金粉末粉末は被覆層の耐食性と延性を向上させるために加えられるものである。従って、このような混合粉末を用いて、被覆層を形成することにより、被覆層の耐食性、耐摩耗性および耐衝撃性を両立させることができる。
【００２５】
Ｃ　０．０８重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ　０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１０．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜２０．００重量％、Ｍｏ　２．００〜４．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金粉末は、オーステナイト系の鉄基合金粉末であることが好ましく、例えばＪＩＳ　Ｇ４３０８（１９９１）に規定されるＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１７Ｌ等のオーステナイト系の鉄基合金からなるものが挙げられる。
【００２６】
また、Ｃ　０．０３重量％以下、Ｎｉ　１２．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜１８．００重量％、Ｍｏ　２．００〜３．００重量％であればより好ましく、このようなものとしてはＳＵＳ３１６Ｌからなる鉄基合金粉末が挙げられる。以下簡単のため、上記組成を有する鉄基合金ならびにＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７およびＳＵＳ３１７Ｌ等をまとめて単に鉄基合金と称する。
【００２７】
なお、ＳＵＳ３１６は、Ｃ　０．０８重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１０．００〜１４．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜１８．００重量％、Ｍｏ　２．００〜３．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００２８】
ＳＵＳ３１６Ｌは、Ｃ　０．０３重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ　０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１０．００〜１４．００重量％、Ｃｒ　１６．００〜１８．００重量％、Ｍｏ　２．００〜３．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００２９】
ＳＵＳ３１７は、Ｃ　０．０８重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ　０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１１．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１８．００〜２０．００重量％、Ｍｏ　３．００〜４．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００３０】
ＳＵＳ３１７Ｌは、Ｃ　０．０３重量％以下、Ｓｉ　１．００重量％以下、Ｍｎ　２．００重量％以下、Ｐ　０．０４５重量％以下、Ｓ　０．０３０重量％以下、Ｎｉ　１１．００〜１５．００重量％、Ｃｒ　１８．００〜２０．００重量％、Ｍｏ　３．００〜４．００重量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００３１】
主としてタングステンカーバイド粉末と鉄基合金粉末とからなる混合粉末における、鉄基合金粉末の含有量は１５ｗｔ％〜４５ｗｔ％とすることが好ましい。鉄基合金粉末が１５ｗｔ％未満では、被覆層の硬さは高いものの、被覆層の粒子間結合力が劣り密着力や被覆層の破壊ひずみが低下することがある。４５ｗｔ％を超えると、被覆層の粒子間結合力は向上し被覆層の破壊ひずみは向上するものの、被覆層の硬さが低下することにより溶射粉末の基材への食い込みが低下し、密着力が低くなることがある。
【００３２】
従って、主としてタングステンカーバイド粉末と鉄基合金粉末とからなる混合粉末における鉄基合金粉末の最適混合比を１５ｗｔ％〜４５ｗｔ％とすることにより、さらに被覆層の耐食性、耐摩耗性および耐衝撃性を向上させることができ、給水ポンプ使用時における摺動部の隙間の増加を抑制することができ、給水ポンプの漏れ損失の経年的な増加を抑制し、信頼性を向上させることができる。
【００３３】
高速フレーム溶射法に用いられる上記混合粉末は、タングステンカーバイド粉末と鉄基合金粉末とを造粒後に焼結することにより製造された造粒焼結粉であればより好ましい。このような造粒焼結粉は最適な被覆層（溶射皮膜）が形成できる球状粉末が得られるため、これを用いることにより、密着性が高く、気孔率の少ない被覆層を形成することができ、被覆層の耐食性、耐摩耗性、耐衝撃性を向上させることができる。
【００３４】
図３は、主としてＷＣ粉末１１とこのＷＣ粉末よりも小径に形成されたＳＵＳ３１６Ｌ粉末１２とからなる混合粉末（以下、ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末と呼ぶ）１３の形状を模式化したものである。このＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末は、例えばＷＣ粉末の一次母粒子と、ガスアトマイズまたは水アトマイズにより製造したＳＵＳ３１６Ｌ粉末の一次球状子粒子とを混合して造粒し、ＷＣ粒子とＳＵＳ３１６Ｌ粒子とを均一に分散させることにより、球状の二次粒子としたものである。
【００３５】
また、このようなＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を高温焼結炉中にて加熱焼結を行うことにより、造粒焼結粉末とすることができる。このような造粒焼結粉末とすることにより、溶射時にガンバレルに与える影響が少ない球状粉末とすることができる。また、このような造粒焼結粉末を用いて被覆層を形成することにより、ＷＣ粒子とＳＵＳ３１６Ｌ粒子とを均一に分散させ、被覆層の特性を均一にすることができる。このため被覆層の密着性、緻密化、耐食性および耐摩耗性を向上させることができ、原子力プラント等に用いられる給水ポンプの軸封部において生じる腐食、摩耗およびエロージョン等を効果的に抑制することが可能となる。
【００３６】
この造粒焼結粉の粉末粒度は２０μｍ以上、５５μｍ以下の範囲とすることが好ましい。このような粉末粒度の造粒焼結粉を用いることで、さらに緻密で密着性が高く、気孔率の少ない被覆層を形成することができ、被覆層の耐食性、耐摩耗性および耐衝撃性を向上させることができる。溶射粉末粒度が２０μｍ未満では、溶射粉末が微小なために過度に溶融が進み、ガンバレル内部で溶着してしまうため、溶射粉末が通過できない状態となり溶射が不可能となることがある。一方、溶射粉末粒度が５５μｍを越えると、溶射粉末が溶融せずに硬い固体のまま溶射されることになり、ガンバレル内部を摩耗損傷させるとともに、形成される被覆層の気孔率も高くなり、耐食性、耐摩耗性および耐衝撃性が低下することになる。
【００３７】
回転軸、スロットルブッシュおよびケーシングの表面に形成される被覆層は、１５０μｍ以上の厚さであることが好ましい。被覆層の厚さを１５０μｍ以上とすることにより、基材の腐食を抑制することができると共に、耐食性、耐剥離性に優れた被覆層とすることができ、軸封部における摺動部の隙間の増加を抑制し、ポンプの漏れ損失の経年的な増加も抑制することができ、信頼性を向上させることができる。
【００３８】
被覆層の厚さが１５０μｍ未満では、被覆層中に微小な貫通した気孔、亀裂が存在した場合、腐食液がこれらの欠陥を通って基材に到達しやすくなり、基材と被覆層との界面において局部腐食、いわゆる電位差腐食が生じやすくなる。一方、被覆層の厚さが１５０μｍ以上であれば、被覆層中に微小な気孔や亀裂が存在しても、被覆層が厚いために基材まで貫通した欠陥となりにくく、腐食液がこれらの欠陥を通って基材に到達することができず、被覆層の剥離等を抑制することができる。
【００３９】
また、被覆層は表面粗度が６．５　Ｓ以下に仕上げられていることが好ましい。被覆層の表面粗度の調整は、例えば高速フレーム溶射法により被覆層を形成した後、この被覆層の表面を機械加工することにより調整することができる。表面粗度を６．５　Ｓ以下とすることで、摺動部の隙間の増加を抑制でき、ポンプの漏れ損失の経年的な増加も抑制でき、信頼性を向上させることができる。
【００４０】
本発明においてはタングステンカーバイド粉末と鉄基合金粉末との混合粉末以外に、上記鉄基合金粉末単独あるいは、上記鉄基合金に代えてハステロイ系粉末、トリバロイ系粉末（Ｎｉ基合金）、Ｆｅ、Ｂ、Ｃｒ、Ｗ等の自溶性合金粉末を添加して混合粉末（溶射粉末）としてもよい。このように上記タングステンカーバイド粉末と鉄基合金粉末以外の粉末を添加する場合、混合粉末全体における上記タングステンカーバイド粉末を除く添加粉末の量は１５〜４５重量％とすることがよい。
【００４１】
また、給水ポンプは、高温、高圧水（純水）中で使用されるため、ＣｏやＮｉ、Ｃｒ等の単体では、金属イオンの溶出が問題となる。これら、金属イオンの溶出を抑制するためには、表面を酸化させ、金属イオンの溶出を防ぐことが有効である。従って、表面に酸化物を造りやすい混合粉末を用いることが最適であると考えられる。
【００４２】
次に、高速フレーム溶射法による被覆層の形成方法について説明する。
【００４３】
図４は、本発明の給水ポンプに用いられる回転軸４へ回転軸被覆層４を形成する方法の一例を示した概念図である。
【００４４】
図４に示されるように、溶射装置１４には酸素や灯油を供給して燃焼させるとともに、溶射粉末供給口１５より例えば主としてＷＣ粉末とＳＵＳ３１６Ｌ粉末とからなる混合粉末（溶射粉末）を供給しガンバレル１６より射出し、回転軸４の表面にＷＣ粉末とＳＵＳ３１６Ｌ粉末とからなる混合粉末を吹き付け、回転軸被覆層４ａを形成する。
【００４５】
このような溶射においては、溶射フレーム速度１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓ、溶射粉末の粒子速度５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓである高速フレーム溶射法にて溶射を行う。
【００４６】
このような高速フレーム溶射法に用いられる溶射装置としては、例えばＪＰ５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用いることができる。また、上記したような溶射フレーム速度、溶射粉末の粒子速度を達成するためには、例えば６インチガンバレルを使用し、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍとすることにより達成することができる。
【００４７】
図４に示されるように、回転軸４に溝等の凹凸部、例えばスパイラル状凹凸部１７、非スパイラル状凹凸部１８が形成されている場合には、次のようにして高速フレーム溶射法による溶射を行うことが好ましい。
【００４８】
図５は、回転軸４に凹凸部１７、１８が形成されている場合の被覆層の形成方法の一例を示したものである。図に示されるように、回転軸４のスパイラル状凹凸部１７、非スパイラル状凹凸部１８の各凹部１７ａ、１８ａに、その凹部の幅と同等以下の直径を有するマスキングワイヤー等の線材１９をはめ込むようにして巻き付ける。この状態で高速フレーム溶射法による溶射を行い、その後線材１９を取り外すことにより、線材１９により覆われた回転軸４の凹部１７ａ、１８ａには被覆層が形成されず、回転軸の凸部１７ｂ、１８ｂのみに被覆層４ａが形成される。
【００４９】
線材は、凹部の幅と同等以下の直径を有するものを使用することが好ましい。線材の直径が凹部の幅を超える場合、溶射施工時の熱により線材が膨張し、凹部より脱落し、適切なマスキングができなくなることがある。線材の直径が凹部の幅以下であれば、溶射施工時の熱によりワイヤーが膨張しても、凹部より脱落することなく凸部のみに被覆層を形成することができる。
【００５０】
また、図６に示されるように、回転軸４に回転軸被覆層４ａを形成する場合、回転軸４を回転させながら高速フレーム溶射法による溶射を行うことが好ましい。回転軸被覆層を形成する際、回転軸を回転させて被覆を行うことにより、溶射時の熱を均一に分散させ発熱を低減させることができ、また溶射を行っている部分の反対側の回転軸表面をエアー等の冷却媒体を用いて冷却することもできるため、発熱をより低減させることができる。このようにして発熱を抑制することにより、酸化や強度低下が抑制され、密着性、耐食性、耐摩耗性に優れた回転軸被覆層を形成することができ、給水ポンプの漏れ損失を抑制し、信頼性を向上させることができる。
【００５１】
以上、給水ポンプの回転軸への回転軸被覆層の形成方法について説明したが、このような被覆層の形成方法はスロットルブッシュやケーシングについても可能な範囲で適用することが好ましい。また、本発明の給水ポンプにおいては上記したような軸封部のみならず、ポンプインペラー等の羽根部についても同様な被覆層を形成することが好ましい。
【００５２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００５３】
（実施例１）
ＷＣの一次母粒子と、ガスアトマイズあるいは水アトマイズにより製造したＳＵＳ３１６Ｌ粉末の一次球状子粒子とを混合して造粒し、ＷＣ粒子とＳＵＳ３１６Ｌ粒子とを均一に分散させた球状の二次粒子ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を作製した。その後、高温焼結炉中にて加熱焼結を行い、ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉末とした。
【００５４】
図４に示されるように、給水ポンプの軸封部の回転軸４表面に、溶射フレーム速度１０００ｍ／ｓｅｃ〜３０００ｍ／ｓｅｃ、溶射粉末の粒子速度５００ｍ／ｓｅｃ〜２０００ｍ／ｓｅｃの高速フレーム溶射法により上記ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉末を被覆した。
【００５５】
なお、上記高速フレーム溶射は、溶射装置としてＪＰ−５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用い、６インチガンバレル、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍの施工条件にて被覆した。
【００５６】
上記したような製造方法により得られた造粒焼結粉末は球状の粉末となっており、ガンバレルに損傷を与えず溶射することができ、最適な溶射を行うことができた。また形成された被覆層は、ＷＣ粒子とＳＵＳ３１６Ｌ粒子とが均一に分散され、被覆層の硬さも均一となっており、密着性、緻密化、耐食性および耐摩耗性に優れていることが認められた。これにより、原子力プラント等の給水ポンプの軸封部において生じる腐食、摩耗およびエロージョン等を効果的に抑制できることが認められた。
【００５７】
（実施例２）
表１に、ＷＣ粉末とＳＵＳ３１６Ｌ粉末との最適混合比を決定した実験結果を示す。
【００５８】
【表１】
2004019490.tif 000003
【００５９】
ＷＣ粉末は硬さと耐摩耗性を、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末は耐食性と延性をそれぞれ持たせるためのものであり、ＷＣ粉末およびＳＵＳ３１６Ｌ粉末の混合量によって得られる被覆層の性能は大きく異なる。
【００６０】
そこで本実験では、表１に示すようにＷＣ粉末とＳＵＳ３１６Ｌ粉末との混合比を、ＷＣ粉末４０〜９５ｗｔ％、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末５〜６０ｗｔ％の範囲で変化させ、高温焼結炉中にて加熱焼結を行い、混合比の異なるＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉とした。
【００６１】
このＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉を用いて、高速フレーム溶射法により、１３Ｃｒ鋼基材上に被覆層を形成し、被覆層の密着力、破壊ひずみ、硬さ等の性能を評価して、最適混合比を決定した。
【００６２】
なお、高速フレーム溶射は、溶射装置としてＪＰ−５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用い、ガンバレル６インチ、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍの施工条件で行った。
【００６３】
表１に示されるように、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末が１５ｗｔ％未満では、被覆層の硬さは高いものの、被覆層の粒子間結合力が劣り、被覆層の密着力や破壊ひずみは極めて低い値を示した。また、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末が４５ｗｔ％を超えると、被覆層の粒子間結合力は向上し、皮膜破壊ひずみは向上するものの、被覆層の硬さが低下することにより溶射粉末の基材への食い込みが低下し、密着力が低くなった。
【００６４】
従って、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末が１５〜４５ｗｔ％の範囲ではいずれの被覆層の性能も優れており、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末が１５〜４５ｗｔ％の範囲が最適混合比であることが認められた。
【００６５】
（実施例３）
表２に本発明のＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉末の最適粒度を決定した実験結果を示す。本実験では、ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉末の粉末粒度を変えて、高速フレーム溶射法により１３Ｃｒ鋼基材上に被覆層を形成し、このときガンバレル内部に生じる粉末材料とバレルとの溶着、摩耗について調査、観察し、その状態を判定することにより最適な粉末粒度を決定した。
【００６６】
なお、高速フレーム溶射は、溶射装置としてＪＰ−５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用い、ガンバレル６インチ、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍの施工条件で行った。
【００６７】
【表２】
2004019490.tif 000004
【００６８】
表２から明らかなように、ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉末の粉末粒度が２０μｍ未満では、粉末が微小で溶融しやすいためガンバレル内部に溶着し、ガンバレルが詰まって溶射粉末が通過できなくなり、溶射が不可能となった。一方、ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉末の粉末粒度が５５μｍ以上では、粉末が溶融せず硬くて固体のまま溶射されるためガンバレル内部を摩耗損傷させてしまった。
【００６９】
従って、ガンバレルに影響がなく溶射が可能なＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ造粒焼結粉末の最適な粉末粒度は２０μｍ以上、５５μｍ以下であることが認められた。
【００７０】
（実施例４）
表３に、被覆層の厚さを１５０μｍ以上とすることを決定した腐食試験結果を示す。本実験では、高速フレーム溶射法によりＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を１３Ｃｒ鋼基材上に５０μｍから７５０μｍの範囲で被覆した後、腐食試験を行い基材の腐食を調べた。
【００７１】
なお、高速フレーム溶射は、溶射装置としてＪＰ−５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用い、ガンバレル６インチ、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍの施工条件で行った。
【００７２】
【表３】
2004019490.tif 000005
【００７３】
腐食試験は、ＪＩＳＺ２３７１に規定された塩水噴霧試験方法のキャス試験を１０時間の加速評価試験にて行ったもので、試験後の被覆層と基材との界面の状態をミクロ観察してその効果を判定した。
【００７４】
表３から明らかなように、被覆層が１５０μｍ未満の厚さでは、基材と被覆層との界面に腐食が認められ、耐食性に劣ることが認められた。すなわち、被覆層の厚さが１５０μｍ未満では、被覆層中に微小な貫通孔、亀裂が存在し、腐食液がこれらの欠陥を通って基材に到達し、基材と被覆層との界面にて局部腐食、いわゆる電位差腐食が発生することにより耐食性を低下させる。
【００７５】
一方、被覆層の厚さが１５０μｍ以上の場合、基材と被覆層との界面での腐食は認められず、耐食性が良好であった。すなわち、被覆層の厚さが１５０μｍ以上では、被覆層中に微小な気孔や亀裂が存在しても、被覆層が厚いために基材を貫通する欠陥となっていないため、腐食試験によって腐食液がこれらの欠陥を通って基材に到達することができなかったものである。
【００７６】
従って、被覆層の厚さを１５０μｍ以上とすることにより、基材の腐食を抑制できると共に、耐食性、耐剥離性に優れた被覆層とすることができることが認められた。
【００７７】
（実施例５）
凹凸部を有する回転軸においては、ポンプ流水量の低下を抑制するため、不要な部位への被覆層の形成は避ける必要がある。このため、マスキングによって凹部に被覆層が形成されないような手段を講じる必要がある。そこで本実験では、線材の種類を変えてマスキングを行うことにより、マスキングの効果を調べた。
【００７８】
まず、図５に示されるように、回転軸４の凹部１７ａ、１８ａの幅と同等以下の径を有するテープ状マスキング材またはマスキングワイヤーを回転軸４の凹部１７ａ、１８ａに巻きつけて凹部をマスキングした。この状態で、高速フレーム溶射法によりＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を被覆した。
【００７９】
なお、高速フレーム溶射は、溶射装置としてＪＰ−５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用い、ガンバレル６インチ、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍの施工条件で行った。
【００８０】
この結果、テープ状マスキング材では、溶射フレームや溶射粒子が高速で吹き付けられるため、簡単に剥離してしまいマスキングの用を果たせなかった。また、軸封部の回転軸にはスパイラル状のねじ加工が施されている場合がほとんどであり、連続した溝構造となっているため、テープ状マスキング材によるマスキングは困難であった。これに対して、マスキングワイヤーのような線材を用いた場合、スパイラル状凹凸部からの線材の剥離もなく、極めて有効なマスキングを行うことができた。
【００８１】
（実施例６）
表４は、高速フレーム溶射法により凹凸部を有する回転軸へ被覆層を形成する際、凹部をマスキングする線材の径がマスキングの効果に及ぼす影響を示したものである。
【００８２】
本実験では、回転軸の凹部の幅Ａを１００とし、これに対するマスキングワイヤー径Ｂの比率を種々変化させて、高速フレーム溶射法によりＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を１３Ｃｒ鋼基材（回転軸）上に被覆し、溶射施工性を評価した。
【００８３】
なお、高速フレーム溶射は、溶射装置としてＪＰ−５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用い、ガンバレル６インチ、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍの施工条件で行った。
【００８４】
【表４】
2004019490.tif 000006
【００８５】
その結果、回転軸の凹部の幅Ａよりもマスキングワイヤー径Ｂが大きい場合、すなわちＢ／Ａ×１００が１００％を超えるものについては、溶射施工時の熱によりワイヤーが膨張し、連続した溝形状の凹凸部より脱落し、マスキングができない状態となった。
【００８６】
一方、凹凸の幅Ａと同等以下のマスキングワイヤー径Ｂでは、溶射施工時の熱によりワイヤーが膨張しても、連続した溝形状の凹凸部より脱落することなく軸封凹凸部に被覆層を均一に形成することができた。
【００８７】
従って、回転軸の凸部のみに被覆層を形成する場合、凹部の幅と同等以下の径を有する線材を凹部に巻きつけ、マスキングすることが有効であることが認められた。
【００８８】
（実施例７）
図６に示されるように、給水ポンプの軸封部の回転軸４表面に高速フレーム溶射法によりＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を被覆する際、回転軸４を回転させながら溶射を行った。
【００８９】
なお、高速フレーム溶射は、溶射装置としてＪＰ−５０００（ＴＡＦＡ社製　商品名）を用い、ガンバレル６インチ、酸素流量１９５０　ｓｃｆｈ、灯油燃料流量４．３　ｇｐｈ、燃焼圧力９５　ｐｓｉ、溶射距離３８０　ｍｍの施工条件で行った。
【００９０】
回転軸を回転させながら被覆することにより、溶射時の熱を均一に分散させ、給水ポンプの軸封部の発熱を低減させることができ、回転軸表面にＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ皮膜を均一膜厚に被覆することができた。また、回転軸を回転させながら被覆することで、回転軸の溶射施工部と反対側の部分をエアー等の冷却媒体を用いて冷却する時間を作ることができ、ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌの加熱を抑制し、被覆層の密着性を向上させるとともに、被覆層の酸化、強度低下等を抑制することができた。
【００９１】
（実施例８）
表５は、給水ポンプの軸封部の回転軸表面に、高速フレーム溶射法によりＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を被覆後、機械加工により被覆層表面を仕上げ加工した場合における、ポンプの漏れへの影響の有無を調べた結果を示したものである。
【００９２】
【表５】
2004019490.tif 000007
【００９３】
本実験では、高速フレーム溶射法によりＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を被覆した後、被覆層表面を機械加工にて９．０　Ｓから２．０　Ｓまで表面粗度を変えて、ポンプに生じる漏水の状態を判定した。その結果、表面粗度が６．５　Ｓを超える場合、ポンプの漏水が増加し、ポンプ漏水への影響が大きくなった。
【００９４】
このような漏水はポンプの性能を低下させ、効率を低下させるため極力避ける必要がある。そのため給水ポンプの軸封部表面にＷＣ粉末とＳＵＳ３１６Ｌ粉末とを混合した粉末を被覆後、機械加工により被覆層の表面粗度を６．５　Ｓ以下とすることは、ポンプ漏水への影響を無くし、ポンプの性能を維持するために極めて有効である。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐食性、耐摩耗性および耐キャビテーション性に優れた被覆層を形成することが可能となり、定期点検ごとの軸封部の再コーティングの必要のない給水ポンプを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の給水ポンプの構造を示した概略図
【図２】本発明の給水ポンプの軸封部の構造を示した概略図
【図３】本発明に用いられるＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末を示した模式図
【図４】回転軸に被覆層を形成する方法の一例を示した模式図
【図５】回転軸凹凸部のマスキング方法を示した模式図
【図６】回転軸を回転させながら被覆層を形成する方法の一例を示した模式図
【図７】従来の給水ポンプの構造を示した概略図
【図８】従来の給水ポンプの軸封部の構造を示した概略図
【符号の説明】
１…給水ポンプ、２…ケーシング、３…ケーシングカバー、４…回転軸、４ａ…回転軸被覆層、５…軸受け、６…軸封部、７…スロットルブッシュ、７ａ…スロットルブッシュ被覆層、８…冷却水注入口、９、１０…冷却水回収口、１１…ＷＣ粉末、１２…ＳＵＳ３１６Ｌ粉末、１３…ＷＣ−ＳＵＳ３１６Ｌ混合粉末、１４…溶射装置、１５…溶射粉末供給口、１６…ガンバレル、１７，１８…回転軸凹凸部、１９…線材
【図１】
2004019490.tif 000008
【図２】
2004019490.tif 000009
【図３】
2004019490.tif 000010
【図４】
2004019490.tif 000011
【図５】
2004019490.tif 000012
【図６】
2004019490.tif 000013
【図７】
2004019490.tif 000014
【図８】
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