JP2005307943A

JP2005307943A - 羽根車

Info

Publication number: JP2005307943A
Application number: JP2004129853A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Baba; 啓利馬場; Takayasu Shimizu; 孝晏清水
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】安価で、しかも耐久性が優れる羽根車を提供する。
【解決手段】回転軸が嵌着される軸嵌合穴２２ａを有するボス部材２と、このボス部材２の外周に放射状に等配設される複数枚の羽根３とからなる羽根車１において、前記ボス部材２と羽根３のうち、少なくとも羽根３をマルテンサイトとオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼、またはオーステナイトとフェライトの混合組織からなる２相の高珪素ステンレス鋳鋼のうちの何れか一方の高珪素ステンレス鋳鋼で構成すると共に、これらボス部材２と羽根３を溶接により接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、羽根車の改善に関し、例えば水中ミキサやモータボートに用いられる耐久性に優れた羽根車に関する。

羽根車であるスクリュは、例えば、砂や汚泥等を含む沈砂槽内の汚水を浄化するために、この汚水を攪拌する水中ミキサや、水上スキーのために用いられるモータボート等に使用されている。このような羽根車（ステンレス製薄肉部品）としては、例えば鋳造により一体的に製造するようにしたものが知られている。以下、この従来例に係る羽根車（ステンレス製薄肉部品）の鋳造方法を説明する。図６乃至図１０は、従来例に係る羽根車の製造方法を工程順に示す断面図である。

図６に示すように、シェル鋳型５１を湯口型５１ａと上型５１ｂおよび下型５１ｃに３分割して成形する。ここで、各鋳型５１ａ，５１ｂ，５１ｃの成形は、次のようにして行われる。即ち、所定温度に加熱された金型にバインダーとしてフェノール樹脂等を混ぜた鋳物砂を掛けると、バインダーが溶融して樹脂粘結砂の薄いシェルが金型の表面に形成され、これを金型と共に炉中に入れて焼成する。図７に示すように各鋳型５１ａ，５１ｂ，５１ｃを組み付けて接着すると、シェル鋳型５１の内部に羽根車の形状に合致する空洞Ｓが形成される。

そして、図８に示すように、シェル鋳型５１の空洞Ｓにステンレス材（所定量のＳｉを含有し、溶解温度が１４００℃〜１７００℃）を溶解させた湯５２を湯口から注入する。
図８に示す状態において、湯５２が冷却によって凝固すると、図９に示すようにシェル鋳型５１を除去するが、このシェル鋳型５１は注湯によって熱分解するため、容易に除去することができる。そして、最後に余分な湯口部分５３を切断して除去することにより図１０に示すような一体構成になるステンレス製羽根車５４が得られる。

上記のようなステンレス製薄肉部品の鋳造方法によれば、後述するような効果を得ることができる。即ち、ロストワックス法に比較して工程数が格段に少ないため生産性が向上する。また、溶解温度が低くガス発生量が少ないため、鋳物巣等の鋳造欠陥が発生せず、製品の切削性が高められてバイト等の工具の寿命が延長される。そして、砂が製品の表面に溶け込むことがなく、鋳肌が良好になるため表面加工が不要になる。さらに、湯流れが良いため薄肉化が図られ、軽量化によって慣性が小さく抑えられるため、回転応答性が改善される（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−２９４２１号公報

上記ステンレス製薄肉部品の鋳造方法は優れていると考えられる。しかしながら、金型の形状が複雑で金型のコストが高価であるのに加えて、例えば羽根車が水中ミキサ用である場合には砂や汚泥などを含む汚水中で回転させられるため、特に周速が速い羽根の先端側の部位が激しく磨耗し、羽根車の耐久性が問題になる。また、水上スキーのために用いられるモータボートの羽根車（スクリュ）でも、禁じられてはいるものの羽根車を回転させたまま砂浜に乗り上げるというような運転が行われている関係上、羽根車が激しく磨耗するという問題がある。さらに、この形状では羽根車の回転バランスを調整するための配慮がなされていない。

従って、本発明の目的は、安価で、しかも耐久性に優れると共に、回転バランスの調整が容易な羽根車を提供することである。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、上記課題を解決するために本発明の請求項１に係る羽根車が採用した手段は、回転軸が嵌着される軸嵌合穴を有するボス部材と、このボス部材の外周に放射状に等配設される複数枚の羽根とからなる羽根車において、前記ボス部材と羽根のうち、少なくとも羽根はマルテンサイトとオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼、またはオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる２相の高珪素ステンレス鋳鋼のうちの何れか一方の高珪素ステンレス鋳鋼で構成されると共に、これらボス部材と羽根とが溶接により接合されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る羽根車が採用した手段は、請求項１に記載の羽根車において、前記羽根は、基端側から先端側に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなり、かつ幅方向にあっては回転方向の端縁に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなるように設定されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係る羽根車が採用した手段は、請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の羽根車において、前記ボス部材は、前記羽根が溶接されるカウリング部と、このカウリング部の内側に形成され、前記回転軸が嵌着されるボス部と、前記回転軸と平行であって、かつこれらカウリング部とボス部とを接合する放射状のリブとからなり、これらボス部とリブのうちの何れか一方が回転バランス調整のために活用されるように構成されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る羽根車が採用した手段は、請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の羽根車において、前記３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼はＣ：０．０５ｗｔ％以下、Ｓｉ：３〜５ｗｔ％、Ｍｎ：２ｗｔ％以下、Ｃｒ：８〜１３ｗｔ％、Ｎｉ：５〜１０ｗｔ％、Ｍｏ：２ｗｔ％以下、Ｃｕ：４ｗｔ％以下、Ｎｂ：２ｗｔ％以下、残部不可避的不純物およびＦｅからなる組成であり、前記２相の高珪素ステンレス鋳鋼はＣ：０．０５ｗｔ％以下、Ｓｉ：３〜５ｗｔ％、Ｍｎ：２ｗｔ％以下、Ｃｒ：１７〜２２ｗｔ％、Ｎｉ：７〜１４ｗｔ％、Ｍｏ：２ｗｔ％以下、Ｃｕ：４ｗｔ％以下、残部不可避的不純物およびＦｅからなる組成であることを特徴とするものである。

以上述べたように、本発明の請求項１乃至４に係る羽根車によれば、ボス部材と羽根とは別々の鋳型により鋳造するから、鋳型を製造する金型の構造は単純である。そして、羽根の構造はその枚数にかかわりなく同一形状であり、羽根は一つの金型で製造することができるから、安価に羽車を製造することができる。また、羽根の素材となる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼または２相の高珪素ステンレス鋳鋼はハイシリコン（３〜５ｗｔ％）で溶湯の流動性が優れ、そして形状が複雑、かつ薄肉部品の鋳造を可能にする機能を備えている。さらに、これら高珪素ステンレス鋳鋼はクロム当量が高いものの、３相または２相で、しかも低カーボン（０．０５ｗｔ％以下）であるから溶接性が優れており、たとえ羽根に鋳造欠陥が生じたとしても、鋳造欠陥を容易に溶接補修し得る機能を備えている。従って、本発明の請求項１乃至４に係る羽根車は、薄肉で、鋳造欠陥がなく、品質が優れている。

本発明の請求項２に係る羽根車によれば、羽根車の羽根は、基端側から先端側に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなり、かつ幅方向にあっては回転方向の端縁に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなるように設定されている。従って、この請求項２に係る羽根車を、例えば汚水処理に用いられる水中ミキサの羽根車として使用すると、羽根の先端側や回転方向の端縁が磨耗するのに従来例に係る羽根車の羽根の場合よりも長時間を要するから、従来例に係る羽根車よりも使用寿命が長くなる。

本発明の請求項３に係る羽根車によれば、ボス部またはリブのうちの何れか一方、または両方を機械加工、例えば穿孔したり、切削したりすることにより容易に羽根車のバランス調整を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る羽根車を、羽根車が水中ミキサ用である場合を例として、添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係る羽根車の正面図、図２は本発明の実施の形態に係る羽根車の一部省略、一部断面示側面図、図３は図２のＡ矢視図である。図４は３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼の流動性試験結果説明図、図５はＳＵＳ３０４の流動性試験結果説明図である。

図１に示す符号１は、砂や汚泥等を含む沈砂槽内の汚水を浄化するために、この汚水を攪拌する水中ミキサに用いられる羽根車である。この羽根車１は、図示しない回転軸が嵌着されるボス部材２と、このボス部材２の外周に放射状に等配設される３枚の羽根３とから構成されている。前記ボス部材２と３枚の羽根３のうち、少なくとも羽根３はマルテンサイトとオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼用の１６００〜１６４０℃の溶湯を、図示しない個別の鋳型に注湯して鋳造されたものである。前記羽根３は、図２に示すように、磨耗が激しい先端部分の耐久寿命を延長させるために、基端部から先端側に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなり、かつ幅方向にあっては回転方向の端縁に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなるように設定されている。そして、羽根３が溶体化処理される共に時効硬化処理された後に、溶接治具を用いてボス部材２に仮付けされると共に本溶接されることにより接合されている。

つまり、水中ミキサに用いられる羽根車１は、羽根３をマルテンサイトとオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋼の溶湯を鋳型に注湯して鋳造する鋳造工程と、前記羽根３を溶体化処理すると共に時効硬化処理する熱処理工程と、ボス部材２と羽根３との位置を決める溶接治具を用い、３枚の羽根３を、ボス部材２の外周に仮付けする羽根仮付工程および仮付けされた羽根３をボス部材２の外周に本溶接する羽根溶接工程とを経て製造されている。なお、溶接はＴＩＧ溶接により行われるものである。

前記ボス部材２は、図２，３に示すように、前記羽根３が溶接されるカウリング部２１を備えている。このカウリング部２１の内側には、径中心に前記回転軸が嵌合される軸嵌合穴２２ａが設けられてなるボス部２２が配設されており、前記カウリング部２１とボス部２２とは放射状の８枚のリブ２３で接合されている。これらリブ２３は羽根車１の回転バランスを調整するために活用されるものである、即ち、本発明の形態に係る羽根車１によれば、図３において破線で示すように、リブ２３の肉厚部に回転バランス調整用穴４を穿孔したり、またリブ２３の側面に回転バランス調整用切削部６を設けたりすることにより、容易に羽根車１の回転バランスを調整することができる。この場合、リブ２３の枚数は８枚であるが、特に８枚に限るものではなく、８枚未満であっても９枚以上であっても良い。また、ボス部２２を回転バランス調整のために活用することができる。また、例えば、カウリング部２１の肉厚が厚い場合には、このカウリング部２１を回転バランス調整のために活用することができる。なお、ボス部材２の材質は、羽根３と同様、３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼であっても良いし、他のステンレス鋳鋼であっても良い。

前記羽根車１の羽根３の素材となる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼の組成は、Ｃ：０．０５ｗｔ％以下、Ｓｉ：３〜５ｗｔ％、Ｍｎ：２ｗｔ％以下、Ｃｒ：８〜１３ｗｔ％、Ｎｉ：５〜１０ｗｔ％、Ｍｏ：２ｗｔ％以下、Ｃｕ：４ｗｔ％以下、Ｎｂ：２ｗｔ％以下、残部不可避的不純物およびＦｅである。この高珪素ステンレス鋳鋼は、ハイシリコン（３〜５ｗｔ％）で溶湯の流動性が優れているから、形状が複雑、かつ薄肉の鋳造品の鋳造を可能ならしめる機能を備えている。また、この高珪素ステンレス鋳鋼は、クロム当量は高いものの、３相（結晶粒は微細）であって、しかも低カーボン（０．０５ｗｔ％以下）であるから溶接性に優れており、たとえ鋳造品に鋳造欠陥が生じたとしても、鋳造欠陥を容易に溶接補修し得る機能を備えている。

因みに、溶湯（温度；１６４０℃）の流動性試験結果を、図４、図５に示す。図４は３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼の場合を示し、図５はＳＵＳ３０４（組織：オーステナイト）の場合を示している。これらの図によれば、ＳＵＳ３０４の渦巻き部分１０の長さが１００ｍｍであるのに対して、高珪素ステンレス鋳鋼の渦巻き部分１０の長さは２００ｍｍであるから、この高珪素ステンレス鋳鋼の流動性は極めて優れているということができる。換言すれば、低温で鋳造し得ることを意味し、鋳造時におけるガスの発生量を少なくすることができるから、鋳造欠陥に発生率を少なくすることができる。なお、前記渦巻き部分１０の直径は何れも４ｍｍφである。

３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼からなる羽根３では、９００〜１０５０℃、３０ｍｉｎ保持後に強制空冷するという熱処理、つまり溶体化処理を行った。このような条件下で溶体化処理した羽根３の機械的性質は、引張強度（Ｎ／ｍｍ²）；１０００以上、耐力（Ｎ／ｍｍ²）；５８０以上、伸び（％）；６以上、硬度（ＨＲｃ）；３０±５、シャルピー衝撃値（Ｊ／ｃｍ²）；３０以上である。なお、引張強度についてはＪＩＳＺ２２０１の８号試験片を用い、またシャルピー衝撃値についてはＪＩＳＺ２２０２の５号試験片を用いて求めたものである。因みに、ＳＵＳ３０４の機械的性質は、引張強度（Ｎ／ｍｍ²）；４４０以上、耐力（Ｎ／ｍｍ²）；１８５以上、伸び（％）；３０以上、硬度（ＨＢ）；１８３以上である。

以上述べたように、本発明の形態に係る羽根車１によれば、ボス部材２と羽根３とは別々の金型で製造された鋳型により鋳造されるから、金型の構造は単純であり、しかも羽根３の構造はその枚数にかかわりなく同一形状であり、羽根３は一つの金型で製造することができるから安価である。また、羽根３の素材となる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋼はハイシリコン（３〜５ｗｔ％）であり溶湯の流動性が優れ、そして形状が複雑、かつ薄肉部品の鋳造を可能にする機能を備えている。そして、低カーボン（０．０５ｗｔ％以下）で溶接性が優れており、たとえ羽根３に鋳造欠陥が生じたとしても、鋳造欠陥を容易に溶接補修し得る機能を備えている。従って、本発明の形態に係る羽根車１は、低温でも流動性が優れた溶湯で、かつ低温の溶湯で鋳造されたものであるから、鋳造欠陥がなく、品質が優れている。そして、従来例と同様に、鋳肌が良好であるため羽根３の表面加工は不要である。

また、本発明の形態に係る羽根車１によれば、羽根３は、基端側から先端側に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなり、かつ幅方向にあっては回転方向の端縁に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなるように設定されている。従って、この羽根車１を、例えば水中ミキサの羽根車として使用すると、羽根３の先端側や回転方向の端縁が磨耗するのに従来例に係る羽根車の羽根よりも長時間を要するから、上記従来例に係る羽根車を水中ミキサ用に使用する場合よりも使用寿命が長くなるという寿命延長効果が得られる。勿論、本発明の形態に係る羽根車１は、水中ミキサ用として用いた場合、従来の一般的なステンレス（例えば、ＳＵＳ３１６）製の羽根車の６倍以上の寿命があることを確認している。

また、本発明に係る羽根車１によれば、カウリング部２１またはボス部２２のうちの何れか一方を機械加工、例えば穿孔したり、切削したりすることにより容易に羽根車１のバランス調整を行うことができる。

ところで、以上では、羽根３がマルテンサイトとオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼により鋳造されている場合を例として説明した。しかしながら、これに限らず、オーステナイトとフェライトとの混合組織からなる、後述する組成を有する２相の高珪素ステンレス鋳鋼を用いても同等の機能を備えた羽根車１を製造することができる。

この２相の高珪素ステンレス鋳鋼は、Ｃ：０．０５ｗｔ％以下、Ｓｉ：３〜５ｗｔ％、Ｍｎ：２ｗｔ％以下、Ｃｒ：１７〜２２ｗｔ％、Ｎｉ：７〜１４ｗｔ％、Ｍｏ：２ｗｔ％以下、Ｃｕ：４ｗｔ％以下、残部不可避的不純物およびＦｅからなる組成のものである。
上記組成から良く理解されるように、この高珪素ステンレス鋳鋼は、ハイシリコン（３〜５ｗｔ％）で溶湯の流動性が優れているから、形状が複雑、かつ薄肉の鋳造品の鋳造を可能ならしめる機能を備えている。また、この高珪素ステンレス鋳鋼は、クロム当量は高いものの、２相（結晶粒は微細）であって、しかも低カーボン（０．０５ｗｔ％以下）であるから溶接性に優れており、たとえ鋳造品に鋳造欠陥が生じたとしても、鋳造欠陥を容易に溶接補修し得る機能を備えている。

例えば、９００〜１０５０℃、３０ｍｉｎ保持後に強制空冷するという溶体化処理を行った後の羽根３の機械的性質は、３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼の機械的性質と極めて類似している。具体的には、引張強度（Ｎ／ｍｍ²）；７００以上、耐力（Ｎ／ｍｍ²）；３５０以上、伸び（％）；８以上、硬度（ＨＲｃ）；２０±５、シャルピー衝撃値（Ｊ／ｃｍ²）；６０以上である。

なお、以上では、本発明の形態に係る羽根車１が、水中ミキサ用である場合を例として説明した。しかしながら、これに限らず、モータボート推進用の羽根車（スクリュ）に対しても適用することができる。例えば、水上スキーのために用いられるモータボートのように、スクリュを回転させたまま砂浜に乗り上げるというような操作が行われたとしても、スクリュの磨耗を抑制することができる。従って、本発明の形態に係る羽根車１は水中ミキサ用の用途に限定されるものではない。

ところで、３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼、２相の高珪素ステンレス鋳鋼は何れも海水、酸等に対する耐腐食性が優れている。これらの高珪素ステンレス鋳鋼が耐腐食性に優れていることを明確にするために、ＳＵＳ３０４の耐腐食性と対比して示すと、下記のとおりである。なお、下記の三塩化鉄は結晶水を含有するもので、ＦｅＣｌ₃−６Ｈ₂Ｏの化学式で表されるものである。
（１）３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼の腐食減量（ｇ／ｍ²・ｈ）
海水（ｂｏｉｌｉｎｇ，ｐＨ；７．９）；０．００５
５％硫酸（ｂｏｉｌｉｎｇ）；２０５
５％塩酸（ｂｏｉｌｉｎｇ）；６００
１０％三塩化鉄（４０℃，ｐＨ；１．５）；１２００
（２）２相の高珪素ステンレス鋳鋼の腐食減量（ｇ／ｍ²・ｈ）
海水（ｂｏｉｌｉｎｇ，ｐＨ；７．９）；０
５％硫酸（ｂｏｉｌｉｎｇ）；３．５
５％塩酸（ｂｏｉｌｉｎｇ）；６５
１０％三塩化鉄（４０℃，ｐＨ；１．５）；６００
（３）ＳＵＳ３０４の腐食減量（ｇ／ｍ²・ｈ）
海水（ｂｏｉｌｉｎｇ，ｐＨ；７．９）；０．００５
５％硫酸（ｂｏｉｌｉｎｇ）；２５５
５％塩酸（ｂｏｉｌｉｎｇ）；６７０
１０％三塩化鉄（４０℃，ｐＨ；１．５）；１２２５
３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼、２相の高珪素ステンレス鋳鋼の海水、酸等に対する耐腐食性はこのように優れているので、これら高珪素ステンレス鋳鋼は水中ミキサ用、モータボート用だけでなく、他の船舶用、産業機械（攪拌機）、海水中部品として利用することができる。

本発明の実施の形態に係る羽根車の正面図である。本発明の実施の形態に係る羽根車の一部省略、一部断面示側面図である。図２のＡ矢視図である。３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼の流動性試験結果説明図である。ＳＵＳ３０４の流動性試験結果説明図である。従来例に係る羽根車の製造方法を工程順に示す断面図である。従来例に係る羽根車の製造方法を工程順に示す断面図である。従来例に係る羽根車の製造方法を工程順に示す断面図である。従来例に係る羽根車の製造方法を工程順に示す断面図である。従来例に係る羽根車の製造方法を工程順に示す断面図である。

符号の説明

１…羽根車
２…ボス部材，２１…カウリング部，２２…ボス部，２２ａ…軸嵌合穴，２３…リブ
３…羽根
４…回転バランス調整用穴
５…回転バランス調整用切削部

Claims

回転軸が嵌着される軸嵌合穴を有するボス部材と、このボス部材の外周に放射状に等配設される複数枚の羽根とからなる羽根車において、前記ボス部材と羽根のうち、少なくとも羽根はマルテンサイトとオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼、またはオーステナイトとフェライトとの混合組織からなる２相の高珪素ステンレス鋳鋼のうちの何れか一方の高珪素ステンレス鋳鋼で構成されると共に、これらボス部材と羽根とが溶接により接合されてなることを特徴とする羽根車。
前記羽根は、基端側から先端側に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなり、かつ幅方向にあっては回転方向の端縁に向かうに連れて肉厚が次第に厚くなるように設定されてなることを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
前記ボス部材は、前記羽根が溶接されるカウリング部と、このカウリング部の内側に形成され、前記回転軸が嵌着されるボス部と、前記回転軸と平行であって、かつこれらカウリング部とボス部とを接合する放射状のリブとからなり、これらボス部とリブのうちの何れか一方が回転バランス調整のために活用されるように構成されてなることを特徴とする請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の羽根車。
前記３相の析出硬化型の高珪素ステンレス鋳鋼はＣ：０．０５ｗｔ％以下、Ｓｉ：３〜５ｗｔ％、Ｍｎ：２ｗｔ％以下、Ｃｒ：８〜１３ｗｔ％、Ｎｉ：５〜１０ｗｔ％、Ｍｏ：２ｗｔ％以下、Ｃｕ：４ｗｔ％以下、Ｎｂ：２ｗｔ％以下、残部不可避的不純物およびＦｅからなる組成であり、前記２相の高珪素ステンレス鋳鋼はＣ：０．０５ｗｔ％以下、Ｓｉ：３〜５ｗｔ％、Ｍｎ：２ｗｔ％以下、Ｃｒ：１７〜２２ｗｔ％、Ｎｉ：７〜１４ｗｔ％、Ｍｏ：２ｗｔ％以下、Ｃｕ：４ｗｔ％以下、残部不可避的不純物およびＦｅからなる組成であることを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の羽根車。