JPS62103306A - 羽根車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は集じん機、攪拌機、タービン、水車などの各
種機器に用いられる羽根車に関する。

〔従来の技術〕

羽根車は、その周囲の多数個の羽根の回転により流体を
生じさせたり、また逆に流体の運動エネルギーを回転運
動に変換して動力を得るなどの目的で使用され、たとえ
ば集じん機、攪拌機、タービンなどの各種の機器に用い
られている。この羽根車には、その用途に応じた各種の
ものが知られているが、その−例を挙げれば、タービン
型攪拌機の羽根として、平羽根円板タービン、曲り羽根
円板タービン、やじり羽根円板タービン、軸流タービン
、下部羽根付円板タービン、おおい羽根り−ビンなどが
ある。

この種の羽根車は、その表面が使用目的上書に摩耗を受
けやすいものである。このため、従来では、羽根車を構
成する多数個の金属製羽根の表面にこれよりも耐摩耗性
にすぐれた金属保護層を溶射法により設けたり、あるい
は多数個の羽根自体を耐摩耗性のセラミックスで構成さ
せることにより、この種羽根車の耐久性の向上を図るよ
うにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、金属製羽根の表面に金属保護層を溶射形成し
た羽根車では、その製造上の問題として、溶射作業に熟
練を要し、また溶射時の騒音、高熱によって作業環境の
悪化を伴いやすく、そのうえ溶射後に再度加熱処理する
後処理が通常必要となるなど、金属保護層の形成作業性
や大量生産のための自動化に難があった。しかも、上記
溶射法では、金属保護層の層厚を厚くしたり、また均一
な厚みとすることが難しいうえに、溶射および上記後処
理を含めた加熱条件にばらつきを生じやすいことから、
金属保護層が有するべき耐摩耗性や金属製羽根との接合
強度が充分に得られなかったり、安定した上記特性を得
にくいという問題があった。

また、羽根全体をセラミックスで構成させるようにした
羽根車は、金属製のものに比し非常に高価となりやすく
、またセラミックス自体は耐衝撃性に劣るため、機器へ
の装着時や使用時に破損しやすく、その性能面で信頼性
に著しく欠ける問題があった。

したがって、この発明は、上記従来の如き問題点を持た
ない、特に羽根全体をセラミックスで構成させるのでは
なく、金属製羽根の表面にこれとの接合強度が大きくて
かつ耐摩耗性にすぐれた均一厚みの保護層を形成するよ
うにした羽根車であって、上記保護層の形成作業性にす
ぐれ、その自動化が容易であるような上記羽根車を提供
することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討
した結果、金属製羽根の表面に保護層を形成するための
材料として特定の自溶性合金粉末シー１−を使用し、こ
のシートを金属製羽根の表面に当接して焼結処理するこ
とにより、上記羽根の表面に耐摩耗性の焼結層を形成す
るようにしたときには、前記従来の如き問題点を持たな
い高性能の羽根車が得られるものであることを知り、こ
の発明を完成するに至った。

すなわち、この発明は、多数個の金属製羽根と、この羽
根の表面に当接されたＮｉ基ないしＣＯ基自冷性合金粉
末と有機高分子バインダとを含む自溶性合金粉末シート
を加熱焼結して形成した耐摩耗性の焼結層とを有してな
る羽根車に係るものである。

このように、この発明においては、上記の如き特定の自
溶性合金粉末シートを用いて、これを金属製羽根の表面
に当接させて焼結処理するといった非常に簡単な操作で
上記羽根の表面に所望の保護層、つまり耐摩耗性の焼結
層を形成するようにしたものであり、このような保Ｈの
形成手段においては前記溶射法におけるような熟練を要
するとか作業環境の悪化を伴うといった問題がなく、ま
た上記焼結処理後にあえて後処理を施す必要がないため
、保護層形成のための作業性の大幅な改善を図れ、しか
も上記の当接作業と焼結処理作業とを流れ作業的に行え
るから大量生産にあたっての自動化が容易である。

また、使用する自溶性合金粉末シートは、その厚みが本
来均一であるため、これより形成される焼結層の層厚も
均一となり、しかも上記シートの厚みを厚くすることに
より焼結層の層厚を任意に厚くできるという特徴があり
、そのうえ焼結処理にあたっては、加熱炉などを用いる
ことによって一定の昇温速度でかつ一定の温度下で焼結
できるから、焼結条件にばらつきを生じることな（安定
した焼結処理を行える。したがって、上記手段にて形成
される焼結層は、その本来の特性である耐摩耗性に非常
にすぐれたものとなり、かつ自溶性合金の一部が金属製
羽根の表層部に良好に拡散してい（ことによって上記羽
根表面との接合強度が太き（なり、しかもこれら特性が
安定して得られるから、金属製羽根の保護層として前記
従来の溶射法に比し格段にすくれた効果を発揮できる。

そして、このような焼結層を形成した羽根車は、前記従
来の羽根全体をセラミックスで構成させたものに比し安
価であり、また耐衝撃性の面でもすぐれているから０１
羽根車としての性能上、上記従来のものに比しはるかに
すぐれたものといえる。

〔発明の構成・作用〕

この発明において使用する自溶性合金粉末シートは、Ｎ
ｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉末と有機高分子バインダ
とを含んでなるものであるが、このシートには、必要に
応じて粉末状ないし短繊維状のセラミックスを含ませる
ようにしてもよい。

このようなセラミックスを含ませることにより、焼結層
の耐摩耗性をより良好なものとすることができる。

シート中に上述のセラミックスを含ませる場合には、こ
のセラミックスと自溶性合金粉末と有機高分子バインダ
とが厚み方向に均一に存在する単層構造のシートのほか
、Ｎｉ基ないしＣＯ基自？容性合金粉末と有機高分子バ
インダとを含む第１の組成物層に、Ｎｉ基ないしＣｏ基
自溶性合金粉末と粉末状ないし短繊維状のセラミックス
と有機高分子バインダとを含む第２の組成物層を積層し
てなる積層構造のシートとすることができる。

上記の積層構造のシートにおいては、これをその第１の
組成物層側、つまり粉末状ないし短繊維状のセラミック
スを含まない組成物層側が金属製羽根の表面に当接する
ようにして焼結処理することにより、セラミックスを含
む表面側の焼結層を耐摩耗性によりすぐれたものとでき
る一方、セラミックスを含まない内面側の焼結層を金属
製羽根表面との接合強度の維持に寄与させることができ
る。

このような各種の自溶性合金粉末シートを構成させるＮ
ｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉末は、いずれもその焼結
温度が比較的低く、９００〜１，２００℃程度の温度で
金属製羽根表面に対して良好な濡れ性を示してかつ上記
羽根表面への接合強度の大きい焼結層を形成できる金属
粉末として選ばれたものである。この合金粉末の平均粒
子径としては、１００μｍ以下であるのがよく、粒子径
があまり大きすぎると均一な焼結層の形成に支障をきた
すおそれがあり、好ましくない。

なお、Ｎｉ基自溶性合金粉末とは、金属元素としてＮｉ
、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｉ、Ｆｅを含むもので、各元素の含有量
としては一般にＣｒでＯ〜２！？重■％、Ｂ　Ｔ：０．
５〜５重量％、Ｓｉで０．５〜７重量％、ＦｅでＯ〜７
重量％程度で、残部がＮｉである。また、Ｃｏ基自溶性
合金粉末とは、金属元素としてＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ、
Ｓｉ、Ｆｅを含むもので、各元素の含有量としては一般
にＮｉで０〜４０重量％、Ｃｒで１０〜３０重景％、Ｂ
で０゜５〜５重量％、Ｓｉで０．５〜５重量％、Ｆｅで
０〜７重量％程度で、残部がＣＯである。

また、必要に応じて用いられる粉末状ないし短繊維状の
セラミックスとしては、炭化物型セラミックス、窒化物
型セラミックス、酸化物型セラミックスなどの各種のセ
ラミックスが包含される。

このうち特に好適なものは、炭化物型セラミックスまた
は窒化物型セラミックスである。炭化物型セラミックス
の具体例としては炭化タングステン、炭化チタン、炭化
ケイ素などが、また窒化物型セラミックスの具体例とし
ては窒化チタン、窒化アルミなどが挙げられる。これら
のセラミックスはその一種を用いても二種以上を併用し
てもよい。

このようなセラミックスは、粉末状のセラミックスでは
一般に平均粒子径が７０μｍ以下、通常は５〜５０μｍ
程度であるのがよい。また、短繊維状のセラミックスで
は一般に平均繊維長さが２００μｍ以下１．ｉ！ｉ常は
２０〜１００μｍ程度であるのがよい。

なお、セラミックス短繊維の太さとしては、通常０．１
〜１０μｍ程度である。また、結晶質のセラミックス短
繊維から構成されるウィスカと称されるものは、この発
明で用いる短繊維状のセラミックスとして特に好適であ
る。

上記の粉末状ないし短繊維状のセラミックスを用いる場
合のこのセラミックスの使用量としては、Ｎｉ基ないし
ＣＯ基自溶性合金粉末との合計量中セラミックスが８０
〜１重量％、好適には６０〜５重量％程度となるように
するのがよい。このような使用割合とすることにより、
焼結層の耐摩耗性を向上できるとともに、金属製羽根に
対する接合強度を良好に維持させることができる。

つぎに、自溶性合金粉末シートを構成させるための必須
成分のひとつである有機高分子バインダとしては、シー
ト成形性が良くかつシート状物に良好な柔軟性を付与し
うるちのが好ましく、その中でも特にゴム質ポリマーが
好適である。このゴム質ポリマーとしては、アクリル系
ゴム、クロロブレン系ゴム、シリコン系ゴム、天然ゴム
、エチレン−プロピレン系ゴム、ポリイソブチレン系ゴ
ムなどが挙げられ、これらの中からその一種または二種
以上を混合使用すればよい。

もちろん、上記のゴム質ポリマーとともに、フェノール
系樹脂、キシレン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステ
ル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、アク
リロニトリル−ブタジェン−スチレン共重合体などの各
種の熱硬化性樹脂ないし熱可塑系樹脂からなる他のポリ
マーを使用することも可能である。

なお、これら有機高分子バインダの分子量については、
特に限定されないが、前述のゴム質ポリマーの如き熱可
塑性ポリマーにあっては、一般に１万以上、好適には１
０万〜１００万程度であるのがよい。分子量が低すぎて
は前記自溶性合金粉末またはこれと前記セラミックスと
の混合物の分散結着性に劣り、またあまり高くなりすぎ
るとシート成形のための作業性に運があり、いずれも好
ましくない。

この有機高分子バインダの使用量は、ＮｉｌないしＣｏ
基自溶性合金粉末またはこれと粉末状ないし短繊維状の
セラミックスとの混合物１００重量部に対して、１〜３
０重量部、好適には２〜１０重量部程度となるようにす
るのがよい。

このバインダの使用量が少なすぎるとシート成形が困難
となるかシート状物の機械的強度を保てず、また多くな
りすぎると焼結処理時に炭化消失する運発分の量が多く
なり、焼結層の密度ひいては耐摩耗性などの特性を損な
うおそれがあり、好ましくない。

このような構成成分からなるこの発明の自溶性合金粉末
シートは、以下の如き方法にてつくることができる。た
とえば有機高分子バインダをアセ１−ン、トルエン、メ
チルエチルケトンなどの適宜のを機溶剤に溶解させた溶
液を調製し、これに前記の自溶性合金粉末またはこれと
前記のセラミックスとの混合物を加えて混練し、これを
一般に離型紙を被せた型枠上に流し込み、溶剤を蒸発さ
せたのち、圧延ロールに通すなどしてシート成形する方
法が好ましく採用される。また、溶剤を用いることなく
、必要に応じて加熱下または加熱真空下で有機高分子バ
インダと前記の自溶性合金粉末またはこれとセラミック
スとを混合してプレス。

金型などを用いて加圧成形するようにしてもよい。

また、セラミックスを用いる場合の前記した積層構造の
シートでは、たとえばまず第１および第２の組成物層に
相当するシート状物を前記同様にして作製し、これらを
熱プレスにより積層するか、あるいは前記有機高分子バ
インダと同様のポリマーを含む液状ないしフィルム状の
接着剤を介して積層することにより、作製することがで
きる。また、他の方法として、上記同様の方法にて第１
または第２の組成物層に相当するひとつのシート状物を
作製し、このシート状物上に他方の組成物層用の混練物
を塗布し、この混練物が溶剤を含むものでは溶剤を蒸発
させたのち、加圧成形するという方法を採用してもよい
。

このようにして作製されるこの発明の自溶性合金粉末シ
ートの厚みとしては、０．０５〜１０■層、好適には０
．５〜３龍程度であるのがよい。なお、前記した積層構
造の、シートでは、その全体厚みが上記範囲にあり、か
つ第１の組成物層が０．０２〜４龍、好適には０．１〜
２　ａｍ、第２の組成物層が０゜０３〜３ｍｍ、好適に
は０．５〜５１曹の範囲にあって、特に第２の組成物層
が第１の組成物層の厚みの０゜５倍以上、通常１〜７倍
の厚みを有していることが望ましい。

このような厚みを有してなるこの発明の自溶性合金粉末
シートは、このシートを種々の形状を有する金属製羽根
の表面に巻きつけなどによって当接させる際に望まれる
非常に良好な柔軟性を具備し、また取り扱い上問題のな
い良好な機械的強度をも備えている。

この発明の羽根車は、周囲に多数個の金属製羽根を有す
る集じん機用、攪拌機用、タービン用などの各種機器用
として知られる公知の羽根車を使用し、これを母体とし
てその金属製羽根の表面に前記の自溶性合金粉末シート
を巻きつけなどの手段で当接させ、その後これを加熱焼
結することにより、製造できるものである。

なお、上記の当接に際し、自溶性合金粉末シートとして
前記した積層構造のシートを用いる場合は、その第１の
組成物層側、つまりセラミックスを含まない組成物層側
が金属製羽根の表面に当接するようにする。

また、自溶性合金粉末シートの当接に際し、金属製羽根
の表面と自溶性合金粉末シートとの間にエポキシ樹脂、
熱硬化アクリル樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエス
テル樹脂などの各種の樹脂を主成分とした接着性を有す
る熱硬化性樹脂層を介在させるようにしてもよい。ここ
で、熱硬化性樹脂を用いる理由は、その後の焼結処理工
程において焼結が完了するまでの間上記シートを金属製
羽根表面に対して良好に密着保持させる上で、好都合で
あるからである。

加熱焼結の方法としては、溶射用のヒユージングトーチ
を用いる方法、Ｐｇ加熱による方法、炉加熱による方法
などがある。このうち温度や雰囲気のコントロールが容
易な炉加熱による方法が特に好適である。加熱焼結の条
件としては、自溶性合金粉末やセラミックスの種類に応
じて適宜決定されるが、たとえば炉加熱による方法では
、一般に１０〜ｂ ９００〜１．２００℃の範囲となるように設定し、保持
時間が５〜１８０分となるようにすればよい。

また、この加熱焼結時の雰囲気は、金属製羽根の材質や
合金粉末シートの種類により異なるが、一般には水素ガ
ス雰囲気やアルゴンガス雰囲気、窒素ガス雰囲気などの
不活性ガス雰囲気とするか、あるいは真空雰囲気とする
のがよい。

このような焼結処理にて金属製羽根の表面に形成される
焼結層は、その密度が高（て耐摩耗性にすぐれ、また焼
結処理中に自溶性合金の一部が金属製羽根の表層部に拡
散することによって上記羽根表面との接合強度の非常に
大きいものとなる。

この焼結層の厚みとしては一般に０．０４〜８龍程度で
ある。

Ｃ発明の効果〕 以上のように、この発明においては、ＮｉｌないしＣＯ
基自溶性合金粉末と有機高分子バインダとを含む柔軟性
にすぐれる自溶性合金粉末シートを用いて、これを多数
個の金属製羽根の表面に当接して焼結処理することによ
り、上記羽根表面に耐摩耗性の焼結層からなる保護層を
形成するようにしたものであるから、金属製羽根表面・
＼の保護層の形成作業性の改善を図れ、またその自動化
が容易であり、そのうえ保護層の耐摩耗性や金属製羽根
表面との接合強度などの特性面での大幅な改善を図りう
る、しかも安価で耐衝撃性などにもすぐれる各種機器用
の羽根車を提供することができる。

〔実施例〕

つぎに、この発明の実施例を記載してより具体的に説明
する。なお、以下において、部とあるは重量部を意味す
るものとする。

実施例１ 平均粒子径４０μｍのＮｉ基自溶性合金ＭＳＦＮｉ５（
ＪＩＳ規格）粉末９６部、ブチルゴム３部、フェノール
樹脂１部およびｌ・シェフ１００部からなる組成物を均
一に混合し、これを離型紙を被せた型枠上に流し、トル
エンを蒸発させたのち、ロール圧延することにより、厚
さ１，２１）．密度４゜５ｇ／ｃｏｔの自溶性合金粉末
シートを作製した。

つぎに、タービン型攪拌機用の羽根車（羽根数６本の平
羽根円板タービン；外径２００ｍ）の上記各羽根（鋼鉄
製）の表面に前述の自溶性合金粉末シートをタービン羽
根と同じ形状に打抜き切断して当接させた。しかるのち
、真空雰囲気下２゜℃／分の速度で１．０６０°Ｃまで
昇温加熱し、この温度で１５分間保持したのち徐冷し、
焼結処理を完了した。

この焼結処理により、金属製羽根の表面に厚さが０．９
〜１，０龍、密度が７．６〜７．８ｇ／ｃ♂の外観良好
な耐摩耗性の焼結層が形成された羽根車を得た。上記焼
結層の硬度はＨｖ８５０ｋｇ／−で、金属製羽根との接
合強度は４０ｋｇ／−であった。

実施例２ 平均粒子径４０μｍのＣＯ基自溶性合金ＭＳＦＣｏｌ（
ＪＴＳ規格）粉末９０部、平均繊維長さが１０μｍの炭
化ケイ素短繊維（ＳｉＣウィスカ）５部、ブチルゴム４
部、フェノール樹脂１部およびトルエン１００部からな
る組成物を均一に混合し、これを離型紙を被せた型枠上
に流し、トルエンを蒸発させたのち、ロール圧延するこ
とにより、厚さ１．０龍、密度４．５　ｇ　／ｃｔＡの
自溶性合金粉末シートを作製した。

つぎに、この自溶性合金粉末シートを実施例１と同様に
して打抜き成形し、金属製羽根の表面に厚さ０．０５　
ａｍのエポキシ樹脂系接着性樹脂層を介して当接接着さ
せ、しかるのち水素ガス雰囲気下１５℃／分の速度で１
．０００℃まで昇温加熱し、この温度で２０分間保持し
たのち徐冷し、焼結処理を完了した。

この焼結処理により、金属製羽根の表面に厚さが０．７
５〜（１，８５１ｍ、密度が７．１５〜７．２５ｇ／ｃ
ｄの外観良好な耐摩耗性の焼結層が形成された羽根車を
得た。上記焼結層の硬度はＨｖｌ、０００ｋｇ／−で、
金属製羽根との接合強度は１５ｋｇ／−であった。

実施例３ 平均粒子径４０μｍのＮｉ基自溶性合金ＭＳＦＮｉ５（
ＪＩＳ規格）粉末９６部、クロロプレンゴム４部および
トルエン１００部からなる組成物を均一に混合し、これ
を離型紙を被せた型枠上に流し、トルエンを蒸発させた
のち、ロール圧延することにより′、厚さ０．４　ｍ負
、密度４．５ｇ／ｃ＋ｄの第１の組成物層用のシート状
物を作製した。

また、平均粒子径４０μｍのＮｉ基自溶性合金ＭＳＦＮ
　ｉ　５　（Ｊ　ＩＳ規格）粉末７５部、平均粒子径２
０μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末２０部、クロロ
プレンゴム５部およびトルエン１００部からなる組成物
を均一に混合し、この組成物を用いて前記と同様にして
、厚さＱ、３ｍｍ、密度６゜４　ｇ　／　ｃＡの第２の
組成物層用のシート状物を作製した。

つぎに、上記の第１の組成物層用のシート状物と第２の
組成物層用のシート状物とを、熱プレスにて積層し、自
溶性合金粉末シートとした。このシートを実施例１と同
様に打抜き成形し、金属製羽根の表面に実施例２に示し
たエポキシ樹脂系接着剤にて接着させ、しかるのち真空
雰囲気下２０°Ｃ／分の速度で１．　Ｉ　Ｑ　ＯｏＣま
で昇温加熱し、この温度で２０分間保持したのち徐冷し
、焼結処理を完了した。

この焼結処理により、金属製羽根の表面に厚さが７．５
〜３．　Ｑ　ｕ＋の外観良好な耐摩耗性の焼結層が形成
された羽根車を得た。上記焼結層の硬度はＨｖｌ、２０
０ｋｇ／−で、金属製羽根との接合強度は４０ｋｇ／−
であった。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数個の金属製羽根と、この羽根の表面に当接さ
   れたＮｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉末と有機高分子バ
   インダとを含む自溶性合金粉末シートを加熱焼結して形
   成した耐摩耗性の焼結層とを有してなる羽根車。
2. （２）自溶性合金粉末シートが粉末状ないし短繊維状の
   セラミックスを含む特許請求の範囲第（１）項記載の羽
   根車。
3. （３）自溶性合金粉末シートが、Ｎｉ基ないしＣｏ基自
   溶性合金粉末と有機高分子バインダとを含む第１の組成
   物層に、Ｎｉ基ないしＣｏ基自溶性合金粉末と粉末状な
   いし短繊維状のセラミックスと有機高分子バインダとを
   含む第２の組成物層を積層してなる積層シートからなり
   、この積層シートの上記第１の組成物層側を金属製羽根
   の表面に当接し加熱焼結して耐摩耗性の焼結層を形成し
   た特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の羽
   根車。
4. （４）金属製羽根の表面に接着性を有する熱硬化性樹脂
   層を介在して自溶性合金粉末シートを当接し加熱焼結し
   て耐摩耗性の焼結層を形成した特許請求の範囲第（１）
   〜（３）項のいずれかに記載の羽根車。