JPH0512420B2

JPH0512420B2 -

Info

Publication number: JPH0512420B2
Application number: JP62221631A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Matsumura; Masuo Morita; Takashi Kubota; Kentaro Akaha; Hisashi Hiraishi; Minoru Hineno
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Kubota Corp
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Kubota Corp
Priority date: 1987-09-03
Filing date: 1987-09-03
Publication date: 1993-02-18
Also published as: JPS6465276A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、水車部品やポンプ部品等の材料とし
て有用な耐キヤビテーシヨン性および耐土砂摩耗
用性にすぐれた金属−セラミツク複合材料に関す
る。〔従来の技術〕揚水発電所における落水により運転する水車や
揚水を目的とするポンプ、あるいは水車とポンプ
を兼ねたポンプ水車等は、長期の使用により、キ
ヤビテーシヨン壊食や土砂摩耗浸食をうける。キヤビテーシヨン壊食は、水の流れの中の速度
変化に伴う圧力変化によつて生じる。すなわち、
流体の局部的な圧力がその流体温度における蒸気
圧以下に低下するとキヤビテイ（気泡）が生じ、
次に圧力が蒸気圧まで上昇するとキヤビテイの崩
壊が始まり、キヤビテイ崩壊の際に衝撃波が生じ
る。この圧力変化の繰返しにより部材が破壊され
るのがキヤビテーシヨン壊食である。他方、土砂
摩耗浸食は、水中に土砂が混入している場合に、
その土砂が水と共に部材表面に衝突・接触し、そ
の繰返しにより部材に摩耗が生じることをいう。上記キヤビテーシヨン壊食と土砂摩耗浸食とが
特に問題となる水車部品について、フランシス水
車を例に挙げて説明する。第１図はフランシス水
車の軸心を通る要部断面を示している。１はケー
シング、３は羽根、５はランナであり、圧力水は
ケーシング１からゲイドペン２を介してランナの
羽根３の入口側４から羽根３に流入し、水車ラン
ナ５に水動力を加えて仕事を伝達したのち、羽根
３の出口側６から流出する。この水動力の仕事に
より水車ランナ５が回転する。第２図は、壊食発
生部を説明するためのランナ５近傍断面説明図で
あり、第２図のＰ矢視図およびＱ矢視図をそれぞ
れ第３図および第４図に示す。図中、７は羽根３
の入口側６において圧力水が直接当る正圧面、８
は羽根３の正圧面と反対側の負圧面である。キヤ
ビテーシヨン壊食が生じ易い個所は前記のように
流水速度の変化による圧力変化が生起する個所で
あり、図中斜線で示したＡ領域、すなわちランナ
の羽根３の負圧面８側におけるランナバンド１０
の付根部である。また、水車部品の土砂摩耗浸食
が生じ易い個所は、前記キヤビテーシヨン壊食が
生じ易い領域とほぼ同じである。水車ランナは、キヤビテーシヨン壊食や土砂摩
耗浸食をうけると初期の効率を維持できなくな
り、その寿命は壊食・浸食によつて大きく左右さ
れるので、水車ランナは、できるだけ壊食・浸食
に対する抵抗性にすぐれたものであることを要す
る。水車ランナの壊食に最も大きな関係をもつの
は、その材質および羽根の形状であることが知ら
れているが、羽根の形状は、当初の設計効率との
関係もあるので、壊食防止の観点だけから一方的
に形状変更を加えることはできない。このため、
壊食防止は材質の面から検討されるのが一般であ
り、従来より耐キヤビテーシヨン壊食性と耐土砂
摩耗浸食性の点から、13Cr−3.8Ni系鋳鋼
（A6NM）に代表されるステンレス鋳鋼が広く使
用されている。〔発明が解決しようとする問題点〕ステンレス鋳鋼品は、水車部品やポンプ部品等
の材料として、他材料に比しすぐれているけれど
も、その耐キヤビテーシヨン壊食性、耐土砂摩耗
浸食性は必ずしも十分ではなく、水車ランナで
は、数年の使用により水車効率が著しく低下して
しまうものも少くない。本発明は上記に鑑み、水車部品やポンプ部品等
の耐キヤビテーシヨン壊食性および耐土砂摩耗浸
食性を改善するための新規材料を提供しようとす
るものである。〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明の耐キヤビテーシヨン・耐土砂摩耗用材
料は、金属基地と、該金属基地中に分散相として
混在するセラミツク粒子とからなる複合組織を有
する、金属−セラミツク複合材料であつて、前記金属基地は、Co：50〜65％，Cr：10〜40
％，Ｗ：５〜15％，Fe：4.5％以下、および不可
避不純物からなるコバルト基合金であり、前記セラミツク粒子は、炭化物系セラミツク粒
子であつて、複合組織に占める割合は５〜30重量
％であることを特徴としている。水車部品等に生じるキヤビテーシヨン壊食は、
前述のようにキヤビテイが崩壊する際の衝撃圧の
繰返しによる衝撃疲労の１種であるから、部品材
料の強度・靱性および加工硬化能の向上により、
その耐キヤビテーシヨン性の強化が可能となる。
また、同種の材料では、硬度の高いもの程、耐キ
ヤビテーシヨン性能にすぐれる傾向にある。本発
明は、基材金属の材質の選択、およびセラミツク
粒子との複合組織化によつて、キヤビテーシヨン
壊食に対する抵抗性を強化し、併せて土砂摩耗浸
食に対する抵抗性を向上させている。すなわち、
本発明の複合材料における基地金属であるコバル
ト基合金は、それ自身、他の金属材料に比し、耐
キヤビテーシヨン性能の点で良好な強度・靱性お
よび加工硬化能を備えている金属材料であり、他
方セラミツク粒子もまた強度が高く、極めて硬質
の粒子であるので、基地金属中に分散して、基地
の強度および硬度を大きく高め、かつその粒子の
分散強化機構により転位の移動を効果的に阻止
し、結果として従来の金属材料では得られない卓
抜した耐キヤビテーシヨン壊食性を実現する。ま
た、基地中のセラミツク粒子の分散効果によつて
高硬度が与えられる結果、土砂摩耗浸食に対して
も従来の金属材料では得られないすぐれた抵抗性
が確保されるのである。基地金属に分散相として混在するセラミツク粒
子は、前記のように高強度・高靱性かつ高硬度で
ある程、好ましく、また基地金属との濡れ性がよ
く、その界面において強固に接合していることが
必要である。かかる観点から、炭化物系セラミツ
ク、就中炭化クロム（Cr₃C₂）、炭化珪素（SiC）、
炭化タングステン（WC）等が好ましく用いられ
る。その粒径は特に限定されないけれども、複合
組織に均一性、および転位阻止効果等の点から、
0.1〜10μmの範囲が適当である。複合組織におけるセラミツク粒子の混在量（重
量％）〔セラミツク粒子／（基地金属＋セラミツ
ク粒子）×100〕は、５〜60重量％とする。このセ
ラミツク粒子の混在量は、耐キヤビテーシヨン壊
食性および耐土砂摩耗浸食性との総合評価にもと
づいて決定されたものであり、５重量％を下限値
とするのは、それより少いと、耐キヤビテーシヨ
ン壊食性および耐土砂摩耗浸食性を十分に確保し
難いからであり、他方60重量％を上限とするの
は、それを越えると、複合材料の靱性の劣化によ
り、却つて耐キヤビテーシヨン壊食性の低下をみ
るからである。本発明の複合材料の基地を構成するコバルト基
合金の成分限定理由を示せば次のとおりである。 Co：50〜65％ Coは基地金属の基本成分である。Coは強度お
よび耐食性の確保に欠かせぬ元素であり、オース
テナイト地の安定化にも強力な作用を有する。ま
た、耐キヤビテーシヨン壊食性の向上に奏効す
る。これらの特性を確保するために、少なくとも
50％以上であることを要する。 Cr：10〜40％ Crは耐食性、殊に耐粒界腐食性の向上に大き
な効果を示し、耐応力腐食割れ性の改善に奏効す
る。また、組織の安定化、強度向上効果を有す
る。ただし、Crは強力なフエライト生成元素で
あるので、オーステナイト地確保のためには、オ
ーステナイト生成元素（Co、Mn等）との量的な
バランスを考慮すべきであり、また多量の添加は
靱性の急激な低下を招く。これらの点から、10〜
40％とする。Ｗ：５〜15％Ｗは強度向上に著効を示し、土砂摩耗に対する
抵抗性の強化と耐キヤビテーシヨン壊食性の強化
に奏効する。このためには少なくとも５％の添加
を必要とするが、多量に添加すると靱性の劣化を
引起すので15％を上限とする。 Fe：4.5％以下 Feは、コバルト合金に不可避的に付随する通
常の不純分である。その量が4.5％をこえると、
耐食性が著しく損なわれるので、4.5％を上限と
する。基地金属は上記Co，Cr，Ｗ，Feを必須元素と
し、所望により、Coの一部が0.5〜５％のAl、0.5
〜２％のNb、0.5〜２％のTi、0.5〜２％のCu等
の１種もしくは２種以上の元素を以て置換された
ものであつてもよい。なお、基地金属は、Ｃ，Si，Mn，Ｐ，Ｓ等の
混在が許容される。例えば、Ｃは1.5％以下、Si
は1.5％以下、Mnは1.5％以下、Ｐは0.3％以下、
Ｓは0.3％以下混入しても本発明の趣旨が損なわ
れることはない。本発明の複合材料は、鋳造法、焼結法、または
溶接法等により水車部品、ポンプ部品等に適用す
ることができる。鋳造法によれば、基地金属の溶
湯にセラミツク粉末を添加混合し、均一な固液混
合物として目的とする部品を鋳造することがで
き、また焼結法によれば、基地金属の粉末とセラ
ミツク粉末の均一な粉末混合物を焼結材料とし、
加圧成形および焼結工程を経て目的とする部材を
得ることができる。また、溶接法による場合は、
基地金属の粉末とセラミツク粉末との粉末混合物
を溶接材料とし、例えばタングステン不活性ガス
アーク溶接（TIG溶接）やプラズマ粉体溶接
（PAT溶接）法により、部材表面に複合組織に有
する肉盛層を形成することができる。特に、溶接
法による場合は、部材の表面全体に対してはむろ
んのこと、その一部にのみ選択的に肉盛層を形成
することができるので、水車部品等にあつては、
第２図〜第４図に示したように、耐キヤビテーシ
ヨン壊食や土砂摩耗浸食の生じ易い部分（Ａ領
域）だけを肉盛層で被覆することとすれば、設計
上および価格上、最も効率よく部材の保護と耐久
性の向上を図ることができる。溶接法により形成
される肉盛層は、溶接入熱により部材表面に十分
に融着し接合強度が高いので、剥離の問題もな
く、長期に亘つて保護層として機能する。なお、
溶接法等を適用する場合の原料粉末混合物は、ハ
ンドリング性や得られる複合組織の均一性等の点
から、適当な粒径に造粒された造粒粉（好ましく
は、φ100〜200μm）として使用するとよい。〔実施例〕金属と炭化物系セラミツク粒子とからなる粉末
混合物、または金属単体粉末を溶接肉盛材とし、
TIG溶接法により、13Cr−3.8Ni系鋳鋼板材
（10^W×200^L×50^t，mm）の板面に層厚３〜４mmの
肉盛層を形成した。これらの供試材から試片を切
り出し、キヤビテーシヨン壊食試験、および土砂
摩耗試験を行つた。第１表に、供試材と、それぞ
れの試験結果を示す。表中、No.１〜12は発明例、
No.11〜14は比較例である。比較例No.１〜14のう
ち、No.11は、セラミツク粒子を含まない例、No.12
は適量のセラミツク粒子を含んでいるが、基地金
属が本発明の規定の成分組成からはずれている
例、No.13はセラミツク粒子量が本発明の上限規定
値からはずれている例、No.14は、従来の水車ラン
ナ材料として汎用されている13Cr−3.8Ni鋳鋼
（A6NM）の鋳造材である。表中、「総合評価」
の欄における「◎」は、効果顕著、「○」は効果
有、「△」は効果小、「×」は効果なし、を表わし
ている。〔Ｉ〕キヤビテーシヨン壊食試験振動式壊食試験法により、下記条件で試片の壊
食減量（mg／15Hr）を測定する。周波数：19.0KHz、環境：水中（22±１℃）、
最大変位振幅：30μm、時間：15Hr 〔〕土砂摩耗試験第１図参照。容器（内径：φ220）(a)の側面に
試片（TP）を固定し、容器内の土砂混入酸水溶
液（PH４、土砂66重量％）(b)を翼(c)の高速回転
（1700rpm）により攪拌して高速流を形成し、50
時間後の試片の摩耗減量を測定する。表中、「土
砂摩耗食比」は、従来の水車ランナ材である
13Cr−3.8Ni鋳鋼の摩耗減量を１とする試験片の
摩耗減量比をあらわしている。第１表に示したように、発明例は、従来材であ
るNo.14（13Cr−3.8Ni鋳鋼）に比し、キヤビテー
シヨン壊食量は著しく少く、また土砂摩耗量も大
幅に減少し、耐キヤビテーシヨン性および耐土砂
摩耗性のいずれにもすぐれている。なお、他の比
較例No.11〜13については、耐キヤビテーシヨン壊
食性および耐土砂摩耗性の両特性の総合的評価に
おいていずれも発明例の材質に及ばない。

〔発明の効果〕

本発明の複合材料は、耐キヤビテーシヨン壊食
性および耐土砂摩耗浸食性にすぐれているので、
例えば水車部品やポンプ部品に適用することによ
り、これらの部品のキヤビテーシヨン壊食や土砂
摩耗浸食を効果的に抑制し、長期に亘る安定した
使用を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は水車の要部断面図、第２図は水車の壊
食発生部説明図、第３図は第２図のＰ矢視図、第
４図は第２図のＱ矢視図、第５図は土砂摩耗試験
要領説明図である。１……ケーシング、２……ガイド弁、３……羽
根、５……水車ランナ。

Claims

【特許請求の範囲】

１金属基地と、該金属基地中に分散相として混
在するセラミツク粒子とからなる複合組織を有
し、前記金属基地は、Co：50〜65％，Cr：10〜
40％，Ｗ：５〜15％，Fe：4.5％以下、および不
可避不純物からなるコバルト基合金であり、前記
セラミツク粒子は、炭化物系セラミツク粒子であ
つて、複合組織に占める割合は５〜60重量％であ
ることを特徴とする耐キヤビテーシヨン・耐土砂
摩耗用複合材料。