JP2004012323A - 複合被膜の損耗速度予測方法及びその方法を利用した被覆方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックスと金属とを含む複合被膜がスラリー中にさらされる場合における前記複合被膜の損耗速度を簡単でしかも精度良く予測できる方法を提供する。
【解決手段】溶射により形成された前記被膜の表面のセラミックス硬質粒子の面積率、スラリー衝突速度及びスラリー中に含まれる固体の濃度の関係に基づいて、被膜の損耗を予測することに特徴を有する。
【効果】この方法によれば、硬質被膜表面に存在するセラミックス硬質粒子面積率を用いるので、硬さを用いるよりも精度よく損耗速度を予測することが可能となり、評価実験を実施せずにすむため、時間とコストの大幅な節約となる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属とを含む複合被膜、特に、耐スラリーエロージョン用硬質被膜がスラリー中にさらされる場合に、その複合被膜が損耗する速度を予測する方法及びそのような方法により予測に基づいて厚さが決められた複合被膜及びその被覆方法、更にはそのような複合被膜が溶射法により溶着された回転部材及びそのような回転部材を備える流体機械に関する。
【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。
【０００３】
【発明が解決すべき課題】
一般的に表面が硬い材料ほど、耐スラリーエロージョン性に優れるため、硬さを向上させる目的でセラミックス硬質粒子を多量に含有した被膜を製造し、その材料を使用して各種溶射法により基材の表面を被覆している。従来は、被覆施工後の被膜に含まれるセラミックス等の硬質粒子の量については特に評価しなかったが、実際は施工時に被膜に含まれているセラミックス等の硬質粒子の一部が飛散及び酸化されることにより、施工後の被膜中に含まれるセラミックス等の硬質粒子が、意図した量より少なくなる場合がある。
被膜の損耗速度を知るには、各材料の評価実験が必要であり、それによって必要な被膜厚さを決定する必要がある。従って、新規材料すべてについて、評価実験を行わなければならないため、多くの時間とコストが必要となる。
【０００４】
一般的にスラリーエロージョンによる材料の損耗量は、材料の硬さと相関があるが、セラミックスと金属の複合材については、材料によってはセラミックス硬質粒子に均一に分散しないため、硬さを正確に測定することが出来ない場合もある。従って、単に材料の硬さを用いただけで損耗速度を予測するのでは、高い予測精度は期待できない。そのため簡易かつ精度よく予測できる方法の提供が期待されている。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、溶射法によって基材に被覆された被膜の損耗速度を簡単でしかも精度良く予測できる方法を提供することである。
本発明の他の目的は、被膜の種類及びスラリーの種類によって決まる定数、セラミックス粒子面積率、スラリー衝突速度、スラリー中に含まれる固体の濃度等を用いた特定の式に基づいて、被膜の損耗速度を簡単で精度良く予測する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、溶射法により基材の表面に被覆されるセラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜の厚さを、前記方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定する被覆方法及び被膜を提供することである。
本発明の更に別の目的は、前記方法を用いて予測した損耗速度に基づき決定された厚さで表面に耐スラリーエロージョン用複合被膜が溶射法により被覆された羽根車及びそのような羽根車を有する流体機械を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の一つの発明は、セラミックスと金属とを含む複合被膜がスラリー中にさらされる場合における前記複合被膜の損耗速度予測方法おいて、溶射により形成された前記被膜の表面のセラミックス硬質粒子の面積率、スラリー衝突速度及びスラリー中に含まれる固体の濃度の関係に基づいて予測するように構成されている。
上記損耗速度予測方法において、前記予測が次式により行われ、
Ｌ＝（Ａ×ｅ^{Ｂ × Ｓ}）×（Ｃ×ｖ）^ｍ×（Ｄ×ｇ）^ｎ
ここにおいて、Ｌは損耗速度、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ｍ、ｎはそれぞれ被膜の種類及びスラリーの種類によって決まる定数、Ｓはセラミックス粒子面積率、ｖはスラリー衝突速度、ｇはスラリー中に含まれる固体の濃度であってもよい。この場合、前記セラミックスが金属炭化物或いは金属酸化物の少なくとも１種類を含み、前記式においてＡ＝４．５７４３、Ｂ＝−０．０４７４であってもよく、或いは、前記複合被膜の表面をデジタル画像処理し、セラミックス粒子面積率を算出してもよい。
【０００７】
本願の他の発明は、セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜を溶射法により基材の表面に被覆する被覆方法であって、前記複合被膜の厚を、前記一つの発明による方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定することに特徴を有する。
本願の別の発明は、溶射法によって基材の表面に溶着されている、セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜であって、前記複合被膜の厚さが、前記一つの発明による方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定されていることに特徴を有する。
【０００８】
本願の更に別の発明は、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において、前記羽根車の表面の少なくとも一部に、セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜が溶射法によって溶着され、前記複合被膜の厚さが、前記一つの発明による方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定されていることに特徴を有する。
本願の更に別の発明は、ハブ及び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、セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜が溶射法によって溶着され、前記複合被膜の厚さが、前記一つの発明による方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定されていることに特徴を有する。
【０００９】
【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＝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＝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＝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Ｃｒ_ｍＣ_ｎの表記は、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_７Ｃ_３、Ｃｒ_２３Ｃ_６、などのクロム炭化物の混合したものを表す。
【００１０】
【表１】

【００１１】
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。
【００１２】
上記構成の試験装置において、回転ディスク１３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。セラミックス硬質粒子面積率は、硬質被膜表面の拡大写真をコンピュータに取り込み、デジタル画像処理を行うことにより求めた。
本実験より以下の関係式が得られた。
Ｌ＝（４．５７４３×ｅ^{−０．０４７４ × Ｓ}）×（Ｃ×ｖ）^ｍ×（Ｄ×ｇ）^ｎ
…（１）式
ここで、Ｌは損耗速度（μｍ／ｈ）であり、Ｃ、Ｄは被膜の種類及びスラリーの種類によって決まる定数で、ここでは、Ｃ＝１／５５で、Ｄ＝１である。Ｓはセラミックス硬質粒子面積率（％）であり、ｖはスラリー衝突速度であり、ｇはスラリー中に含まれる固体の濃度（ｗｔ．％）である。また、ｍ、ｎは材料によって決まる定数であり、一般的にｍ＝２〜３、ｎ＝１．５〜２．５である。
また、実用上のポンプ運転環境では損耗速度０．５μｍ／ｈ（スラリー衝突速度５５ｍ／ｓ、スラリー中に含まれる土砂の濃度１ｗｔ．％）以下が要求されるため、この条件を満たすように（１）式に基づいて、セラミックス硬質粒子面積率４５％の硬質被膜を製作し、上記同様の実験を行ったところ、損耗速度は０．５μｍ／ｈとなり、（１）式によく一致した。
上記のように予測した損耗速度に基づき、基材の表面に溶射法により被覆する被膜で構成される被膜の厚さを決定する。例えば、被膜がスラリーの環境条件下にさらされて摩耗した後、補修により被覆し直す場合、上記の予測した損耗速度及び希望する補修周期（次に補修するまでの期間）に基づいて、被膜の厚さが決定される。
【００１３】
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４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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
【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）一般に材料のスラリーエロージョンにおける損耗速度は、硬さ^２／縦弾性係数とよい相関関係を示すが、硬質被膜の場合、縦弾性係数を測定することは困難なため、従来は硬さを目安としてきた。しかし、セラミックスと金属を複合した硬質被膜の場合、セラミックス硬質粒子が均一に分散しない場合は硬さが正確に測れないため、硬さを用いた損耗速度予測は信頼性が低い。本発明によれば、硬質被膜表面に存在するセラミックス硬質粒子面積率を用いるので、硬さを用いるよりも精度よく損耗速度を予測することが可能となり、試験片などによる評価実験を実施せずにすむため、時間とコストの大幅な節約となる。
（ロ）運転条件に応じて必要な被膜厚さを算出することが可能となるため、材料費の節約にもなる。
（ハ）損耗速度が予測できるので羽根車等の被覆剤の使用寿命を高い精度で予測可能になり、補修時期の決定を容易に決めること可能で流体機械の保守が容易である。
【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。

Claims (8)

1. セラミックスと金属とを含む複合被膜がスラリー中にさらされる場合における前記複合被膜の損耗速度予測方法おいて、溶射により形成された前記被膜の表面のセラミックス硬質粒子の面積率、スラリー衝突速度及びスラリー中に含まれる固体の濃度の関係に基づいて予測することを特徴とする複合被膜の損耗速度予測方法。
2. 請求項１に記載の複合被膜の損耗速度予測方法において、前記予測が次式により行われ、
   Ｌ＝（Ａ×ｅ^{Ｂ × Ｓ}）×（Ｃ×ｖ）^ｍ×（Ｄ×ｇ）^ｎ
   ここにおいて、Ｌは損耗速度、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ｍ、ｎはそれぞれ被膜の種類及びスラリーの種類によって決まる定数、Ｓはセラミックス粒子面積率、ｖはスラリー衝突速度、ｇはスラリー中に含まれる固体の濃度であることを特徴とする複合被膜の損耗速度予測方法。
3. 請求項２に記載の複合被膜の損耗速度予測方法において、前記セラミックスが金属炭化物或いは金属酸化物の少なくとも１種類を含み、前記式においてＡ＝４．５７４３、Ｂ＝−０．０４７４であることを特徴とする被膜の損耗速度予測方法。
4. 請求項２又は３に記載の複合被膜の損耗速度予測方法において、前記複合被膜の表面をデジタル画像処理し、セラミックス粒子面積率を算出することを特徴とする被膜の損耗速度予測方法。
5. セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜を溶射法により基材の表面に被覆する被覆方法であって、前記複合被膜の厚を、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定することを特徴とする複合被膜の被覆方法。
6. 溶射法によって基材の表面に溶着されている、セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜であって、前記複合被膜の厚さが、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定されていることを特徴とする複合被膜。
7. 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、セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜が溶射法によって溶着され、前記複合被膜の厚さが、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定されていることを特徴とする羽根車。
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、セラミックスと金属とを含む耐スラリーエロージョン用複合被膜が溶射法によって溶着され、前記複合被膜の厚さが、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の方法を用いて予測した損耗速度に基づき、決定されていることを特徴とする流体機械。

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