(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼からなるポンプ部品の母材の表面に、
Cr、Moを含有し、Si、Bのうち少なくとも１種を含有し、残りがNiと不可避不純物からなるNi-Cr-Mo系合金、または、残りがCoと不可避不純物からなるCo-Cr-Mo系合金を被覆した第１の被膜と、
Cr、Mo、Ni、Fe、Si、Cを含有し、残りがCoと不可避不純物とからなるCo基合金からなる硬質材料を被覆した第２の被膜を備えたことを特徴とする、耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材。
【請求項２】
前記第２の被膜は、肉盛溶接法で被覆形成したものであることを特徴とする請求項１記載の耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材。
【請求項３】
前記第１の被膜は、自溶性合金被覆法で被覆形成したものであることを特徴とする請求項１記載の耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材。
【請求項４】
前記第２の被膜は、26％Cr-5.9％Mo-3％Ni-1.5％Fe-1.1％Si-0.25％C-残部CoからなるCo基合金であることを特徴とする請求項１記載の耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材。
【請求項５】
ステンレス鋼からなるポンプ部品の母材の表面に、
第１の被膜として、Cr、Moを含有し、Si、Bのうち少なくとも１種を含有し、残りがNiと不可避不純物からなるNi-Cr-Mo系合金、または、残りがCoと不可避不純物からなるCo-Cr-Mo系合金からなる材料を被覆し、
さらに、第２の被膜として、Cr、Mo、Ni、Fe、Si、Cを含有し、残りがCoと不可避不純物とからなるCo基合金からなる硬質材料を被覆することを特徴とする耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材の製造方法。
【請求項６】
上記第１の被膜および上記第２の被膜を、当該材料の粉末または溶接棒を素材とした肉盛溶接法で被覆形成することを特徴とする請求項５記載の耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材の製造方法。
【請求項７】
上記第１の被膜を、当該材料の粉末または溶接棒を素材とした肉盛溶接法で被覆形成し、上記第２の被膜を当該材料の粉末を溶射、または当該材料の粉末と有機粘結剤との混合物を塗布し、その後に当該材料を加熱溶融させる自溶性合金被覆法で被覆形成することを特徴とする請求項５記載の耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材の製造方法。
【請求項８】
上記第１の被膜および上記第２の被膜を、当該材料の粉末を溶射、または当該材料の粉末と有機粘結剤との混合物を塗布し、その後に当該材料を加熱溶融させる自溶性合金被覆法で被覆形成することを特徴とする請求項５記載の耐食性と耐摩耗性を有する被覆部材の製造方法。
【請求項９】
請求項１から４のいずれかに記載の被覆部材を、羽根車に備えたことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海水や化学物質などの腐食性のある環境下で使用するポンプ等に係わるものであり、特に土砂が混入した海水環境下やキャビテーションが発生する条件で運転されるポンプに適した、耐食性、耐摩耗性に優れた被覆部材を用いた部品とその製造方法、およびその部品を用いたポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
海水や化学物質などの腐食性のある環境下で使用するポンプでは、接液するケーシング、羽根車などの主要構造部品の材料として、耐食性、価格性に優れたステンレス鋼が多くの場合に用いられている。しかし、羽根車のライナーリング、軸受部などの摺動部、および取り扱い液中に土砂やスケールなどの固形物が混入する場合には、羽根車の入口、高周速となる外周部などにステンレス鋼よりも耐摩耗性、耐エロージョン性に優れた材料を用いる必要がある。また、使用環境に鑑みて、この材料はステンレス鋼と同等もしくはそれ以上の耐食性を有する必要がある。
【０００３】
このように、局部的に耐摩耗性、耐キャビテーション性、耐食性などを付与させる目的に対して、耐食性を有する硬質材料の被覆処理が行われており、これまでに多くの実績を有している。代表的な材料としては、Co基合金（例えば商品名ステライト）、Ni基合金（例えば商品名コルモノイ）などがある。
【０００４】
しかし、これらの被覆用硬質材料は、硬度を発揮させるための炭化物を被覆用素材に予め含有する、および／または、被覆施工時に被膜中で炭化物を析出する、などによって硬化する作用を有しており、前記被覆用硬質材料には成分としてＣ元素を含有することが必須である。
【０００５】
ところが、これらの硬質材料を被覆施工する過程において、被膜から下地となる母材へのＣ元素の拡散が避けられず、被覆層に接する母材部は、鋭敏化して耐食性が大きく低下する。そのまま長期間使用した場合には、前記の被覆層に接する母材部から腐食が進行し、被覆層の剥離に至る。
【０００６】
このような腐食損傷を防止するためには、被覆層と母材の境界部を露出させない必要があり、構造的に露出を回避したり、露出部を覆うなどの手段が採られるが、技術的に困難、経済的に不利であるとともに、長期の信頼性に欠ける。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
Co基合金、Ni基合金などの被覆用硬質材料は、硬度を発揮させるためにＣ元素を含有することが必須である。しかし、これらの硬質材料を被覆施工する過程において、被膜から下地となる母材へのＣ元素の拡散が避けられない。この結果、被覆施工終了後の冷却過程において、被覆層に接する母材部は、鋭敏化する。すなわち粒界にCr炭化物を析出し、粒界近傍のCr濃度が低下する。したがって、この部分は母材の耐食性よりも劣ることとなり、そのまま長期間使用した場合には、前記の被覆層に接する母材部から腐食が進行することになる。
【０００８】
図４に従来の技術であるCo基合金、またはNi基合金の硬質材料（例えば、商品名ステライト、コルモノイ）を母材に肉盛被覆した部材の断面模式図を示す。被覆層１に接する母材部２では、粒界にCr炭化物４を析出しており、その表面に鋭敏化層３が形成され、長期間雰囲気に露出した場合には、局部的に腐食を生じ、ついには被膜１が剥離する原因になる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、海水や化学物質などの腐食性のある環境下のうち、特に土砂が混入した海水環境下やキャビテーションが発生する条件で運転されるポンプに適した、耐食性と耐摩耗性の両方に優れた被覆部材を用いた部品とその製造方法、およびその部品を用いたポンプを提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、耐摩耗性、耐キャビテーション性などが要求される部品の被覆部材として、ステンレス鋼からなるポンプ部品の母材の表面に、Cr、Moを含有し、Si、Bのうち少なくとも１種を含有し、残りがNiと不可避不純物からなるNi-Cr-Mo系合金、または、残りがCoと不可避不純物からなるCo-Cr-Mo系合金を被覆した第１の被膜と、Cr、Mo、Ni、Fe、Si、Cを含有し、残りがCoと不可避不純物とからなるCo基合金からなる硬質材料を被覆した第２の被膜を備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
第１の被膜として、Cr、Moを含有し、Si、Bのうち少なくとも１種を含有し、残りがNiと不可避不純物からなり、被覆施工時に母材への浸炭を生じさせないNi-Cr-Mo系合金を用いる。また、第１の被膜として、Cr、Moを含有し、Si、Bのうち少なくとも１種を含有し、残りがCoと不可避不純物からなり、被覆施工時に母材への浸炭を生じさせないCo-Cr-Mo系合金を用いる。第２の被膜として、Cr、Mo、Ni、Fe、Si、Cを含有し、残りがCoと不可避不純物とからなるCo基合金からなる硬質材料を被覆する。
【００１２】
これらの被覆工程において、第１の被膜は母材との境界部および被膜内部に隙間腐食の原因となる微細な空孔が存在しない方法で被覆する必要がある。このような被覆は、粉末材料をプラズマトランスファードアークで粉体肉盛溶接する方法、溶接棒を用いてTIGで肉盛溶接する方法、または、当該材料の粉末を溶射するか、あるいは当該合金の粉末と有機粘結剤との混合物を塗布するなどし、その後に当該材料を加熱溶融させる自溶性合金被覆法などによって達成される。第２の被膜の被覆は、一般の硬質材料の被覆に用いられている方法を適用すればよく、第１の被膜の被覆と同様に、肉盛溶接法や自溶性合金被覆法などによって達成できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１乃至３を参照して説明する。
【００１４】
図１に本発明の被覆部材の模式図を示す。母材２に第１の被膜５として耐隙間腐食性に優れるNi-Cr-Mo系合金またはCo-Cr-Mo系合金を被覆する。Ni-Cr-Mo系合金は、Cr、Moを含有し、Si、Bのうち少なくとも１種を含有し、残りがNiと不可避不純物からなる合金である。Co-Cr-Mo系合金は、Cr、Moを含有し、Si、Bのうち少なくとも１種を含有し、残りがCoと不可避不純物からなる合金である。第２の被膜６として硬質材料を肉盛被覆した層を用い、この層は、Cr、Mo、Ni、Fe、Si、Cを含有し、残りがCoと不可避不純物とからなるCo基合金、またはNi基合金の硬質材料を用いる。第１の被膜５のNi-Cr-Mo系合金またはCo-Cr-Mo系合金には、Ｃ元素は不可避不純物として含有するのみであるから、母材２への被膜６からのＣ元素の拡散は起こらず、第１の被膜に接する母材部分には、従来技術のような粒界におけるCr炭化物の析出は生じない。従って、このまま長期間、海水などの腐食環境に暴露されても、被膜５，６に接する母材２が腐食を発生することは無い。
【００１５】
ここで、第２の被膜６の施工時において、第２の被膜６から第１の被膜５へのＣ元素の拡散は生じるが、第１の被膜５がNi-Cr-Mo系合金またはCo-Cr-Mo系合金であるために、従来技術のような耐食性に劣る鋭敏化部分は生成しない。
さらには、硬質材料の被覆において通常に生じる下地材料による希釈を想定した場合、従来技術のように、硬質材料を直接にステンレス鋼などの鉄系の母材に被覆すると、硬質材料成分へのFeの希釈によって、耐食性は劣化する事になるが、本発明では下地材料の第１の被膜５がNi-Cr-Mo系合金またはCo-Cr-Mo系合金であるので、希釈が生じても耐食性が劣化する事は無い。
【００１６】
また、第２の被膜の硬質材料表面は何らその機能が損なわれる事は無いので、硬質材料の性能どおりの耐摩耗性や耐エロージョン性を有している。ただし、土砂濃度が高い、キャビテーション発生が激しいなど、部材が過酷な環境に晒される場合には、一般に行われているように、複数層の硬質材料の被覆を施しても良い。
【００１７】
（実施例１）
オーステナイト系ステンレス鋼のSUS304を素材とし、外径φ62mm、内径φ51mm、長さ65mmの円筒状部材を作製した。この外周面に、第１の被膜５として、30％Cr（重量％、以下同様）、10％Mo、1％Siを含有し、残りがNiと不可避不純物からなるNi-Cr-Mo系合金粉末をプラズマトランスファードアーク溶接法で1.5mmの厚さに被覆した。次いで機械加工によって、表面層を加工除去し、外径を64.4mmに仕上げた。
【００１８】
第２の被膜６として、Co基合金の硬質材料（商品名：ステライト21、合金組成：26％Cr-5.9％Mo-3％Ni-1.5％Fe-1.1％Si-0.25％C-残部Co）の粉末をプラズマトランスファードアーク溶接法で1.5mmの厚さに被覆した。次いで機械加工によって、表面層を加工除去するとともに内径と長さを仕上げ加工し、外径φ66.4mm、内径φ53mm、長さ63mmの形状を有し、外周部に二層の被膜５，６を有する円筒状部材を作製した。
【００１９】
上記実施例では、下地材料の母材２として、オーステナイト系ステンレス鋼のSUS304を用いたが、海水中で使用できる材料であれば良く、本発明は、その母材の種類を制限するものではない。また、上記実施例では、第１の被膜、および第２の被膜の被覆方法として、プラズマトランスファードアーク溶接法を用いたが、被膜と母材の境界部および被膜内部に、隙間腐食の原因となる空孔を発生しない方法であれば良く、その方法は制限されるものではない。当該材料の粉末を溶射、または当該材料の粉末と有機粘結剤との混合物を塗布し、その後に当該材料を加熱溶融させる自溶性合金被覆法も適用可能である。ただし、被膜の長期信頼性の点から、プラズマトランスファードアーク溶接法、TIG溶接法が望ましい。
【００２０】
また、上記実施例では、第２の被膜として主成分がCo基の合金材料を被覆したが、この主成分材料は海水中で耐食性を有するものであれば良く、Coに制限されるものではない。同等の耐食性機能を有するNiでも良い。
【００２１】
図２に上記円筒状部材を軸受スリーブに用い、SiC軸受と組み合わせて構成した本発明の軸受装置の断面模式図を示す。このポンプ部材は、軸スリーブ１０に本発明のスリーブ８が固定され、その外周面８ａが上記二層の被覆構造となっている。軸受９は、軸受ケーシング１１に固定されている。
【００２２】
（実施例２）
図４は、オーステナイト系ステンレス鋳鋼のSCS16製可動翼の模式図を示す。ここで、可動翼１３の翼先端の負圧部は、運転条件によっては、構造的にキャビテーションエロージョンを発生して損傷される可能性がある。そこで、当該部の一部１４をグラインダで深さ2mm除去した後、第１の被膜として、30％Cr（重量％、以下同様）、10％Mo、1％Siを含有し、残りがNiと不可避不純物からなるNi-Cr-Mo系合金粉末をプラズマトランスファードアーク溶接法で1.5mmの厚さに被覆した。次いで機械加工によって、表面層を加工除去し、第１の被覆層を1mmの厚さに仕上げた。
【００２３】
第２の被膜として、Co基合金の硬質材料（商品名：ステライト21、合金組成： 26％Cr-5.9％Mo-3％Ni-1.5％Fe-1.1％Si-0.25％C-残部Co）の粉末をプラズマトランスファードアーク溶接法で1.5mmの厚さに被覆した。次いで機械加工によって、表面層を加工除去し、第２の被覆層を1mmの厚さに仕上げた。この結果、当該部１４に二層の被膜を形成した可動翼１３を作製した。
【００２４】
上記実施例では、下地材料の母材として、オーステナイト系ステンレス鋳鋼のSCS16を用いたが、海水中で使用できる材料であれば良く、本発明は、その母材の種類を制限するものではない。
【００２５】
また、上記実施例２では、第１の被膜、および第2の被膜の被覆方法として、プラズマトランスファードアーク溶接法を用いたが、被膜と母材の境界部および被膜内部に、隙間腐食の原因となる空孔を発生しない方法であれば良く、その方法は制限されるものではない。当該材料の粉末を溶射、または当該材料の粉末と有機粘結剤との混合物を塗布し、その後に当該材料を加熱溶融させる自溶性合金被覆法も適用可能である。ただし、被膜の長期信頼性の点から、プラズマトランスファードアーク溶接法、TIG溶接法が望ましい。
【００２６】
また、上記実施例では、第２の被膜として主成分がCo基の合金材料を被覆したが、この主成分材料は海水中で耐食性を有するものでであれば良く、Co基の合金材料に制限されるものではない。同等の耐食性機能を有するNi基の合金材料でも良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、土砂混入に対する耐摩耗性および運転条件によって発生するキャビテーションに対する耐エロージョン性と、耐食性の両方に優れたポンプ部品が得られる。その結果、土砂を含む海水を取り扱う大形のポンプ、キャビテーションが発生する条件で運転される海水や化学物質を取り扱う大形のポンプの運転の長期信頼性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による被覆部材の模式図である。
【図２】本発明の軸受装置の模式図である。
【図３】本発明の可動翼の模式図である。
【図４】従来技術による被覆部材の模式図である。
【符号の説明】
１    被膜（被覆層）
２    母材
３    鋭敏化部
４    Cr炭化物
５    第１の被膜
６    第２の被膜
８    スリーブ
９    軸受
１０    軸スリーブ
１１    軸受ケース
１２    スリーブ固定リング
１３    可動翼
１４    二層の被膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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