JP2010007852A

JP2010007852A - 軟質合金層形成装置および軟質合金層形成方法

Info

Publication number: JP2010007852A
Application number: JP2009099021A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishiwatari; 裕石渡; Kazuo Aoyama; 和夫青山; Nobuaki Endo; 伸昭遠藤; Seiki Tanaka; 清貴田中; Hitoshi Katayama; 仁片山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-01-14
Also published as: US20090308848A1; AU2009202078A1; TW201012586A; KR20090123803A

Abstract

【課題】密着強度および熱疲労強度に優れた、ロータ等の回転子と摺接する軟質合金層を形成することができ、製造コストを削減することができる軟質合金層形成装置および軟質合金層形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】軟質合金層形成装置１０は、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として回転可能に台金４０を支持する台金支持部２０と、台金４０の内周の回転軸の方向に移動可能であり、かつ台金４０の内周面４１と所定の距離をおいて固定され、台金４０との間にアーク３１を発生させるアーク発生部３０とを備える。台金４０を回転させ、アーク発生部３０と台金４０の内周面４１との間を一定に維持しながら、アーク発生部３０によって発生したアーク３１によって軟質合金部材５０を溶融して、台金４０の内周面４１に軟質合金層１５を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機および蒸気タービン等の発電機器において、ロータ等の回転子を支持し、この回転子と摺接する軸受や、ロータと接して潤滑油や蒸気をシールするシール部材に係り、特にロータと摺接する軟質合金層を形成する軟質合金層形成装置および軟質合金層形成方法に関する。

発電機や蒸気タービン等は重量が大きく、かつ高速で回転するため、通常そのロータは高負荷・高回転用のジャーナル軸受により支持されている。図２１は、一般的なジャーナル軸受３００の断面構造を模式的に示した図である。図２１に示すように、ジャーナル軸受３００は、周方向に上下２分割された構造用鋼製の台金３０１、３０２と、この台金３０１、３０２の摺動面側に、軸受メタル（またはホワイトメタル）と呼ばれる一般的にはＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の軸受用合金を遠心鋳造法によりライニングした軸受メタル層３０３、３０４とを備えている。これらの台金３０１、３０２は、ボルト３０５により締結されている。軸受メタル層３０３、３０４を構成する軸受メタルは、適度に柔らかく耐摩耗性にも優れているため、発電機器に限らず船舶等にも広く使用されている。

また、ボイラ、蒸気タービン、発電機等を組合せて構成される火力発電プラントは、従来ベース電力として運用されていたため長期間に亘り定常状態で運転されていたが、近年では原子力発電プラントがベース電力となり、火力発電プラントは負荷調整用に使用される機会が増えている。その結果、火力発電プラントでは、毎日のように起動・停止が繰返される運用法に変わり、軸受メタル層３０３、３０４も起動・停止に伴う熱応力を繰返し受けるようになる。これによって、軸受メタル層３０３、３０４が熱疲労により損傷に至る事象も発生している。

一般に軸受メタルをライニングして形成される軸受メタル層は、遠心鋳造法により形成される。図２２Ａ〜図２２Ｅは、遠心鋳造法により軸受メタル層を形成する工程を説明するための図である。まず、ジャーナル軸受を構成する中空の円筒状の構造用鋼製の台金３１０の内周面に、軸受メタル層の密着力を高めるためにＮｉ、Ｓｎ等のメッキ層３１１を設ける（図２２Ａ参照）。

この状態で電気炉やガスバーナを備えた加熱装置３１２によって予熱することによりメッキ層３１１を台金３１０側に拡散させて台金３１０と一体化させる（図２２Ｂ参照）。

続いて、溶融状態の軸受メタル３１３を台金３１０の内部に鋳湯し（図２２Ｃ参照）、台金３１０を高速で回転させ、溶融状態の軸受メタル３１３を台金３１０の内側面に押付け、ブローホール等の欠陥を押し潰す（図２２Ｄ参照）。なお、この際、メッキ層３１１は、溶融状態の軸受メタル３１３と一体化して消滅する。

溶融状態の軸受メタル３１３の鋳湯終了後、冷却水３１４を台金３１０の外周面に噴霧して台金３１０を急冷し、溶融状態の軸受メタル３１３を凝固させ、軸受メタル層を形成する（図２２Ｅ参照）。

続いて、内外周面を機械加工により仕上げ、その後上下方向に２分割に切断して、図２１に示したようなジャーナル軸受が得られる。

上記したジャーナル軸受において、熱膨張係数は、台金３１０に比べて軸受メタル３１３の方が著しく大きく、鋳湯後の冷却時における軸受メタル３１３の凝固収縮と熱膨張差により、軸受メタル３１３が台金３１０から部分的に剥離することが多くみられた。このような剥離を生じた部分では、稼動時において、軸受メタル３１３で発生した熱が台金３１０を介して熱伝導により外部に放出され難くなるため、温度が上昇して大きな熱応力が発生し、前述した熱疲労破壊の原因となる。さらに、遠心鋳造後に冷却水３１４を噴霧して台金３１０を冷却しても、台金３１０の熱容量が大きいので軸受メタル３１３の温度を急速に下げることができず（冷却速度は１℃/秒程度）、軸受メタル３１３の組織を微細化するにも限界があった。

上記した遠心鋳造法では、最終的に得られる軸受メタル層の厚さ（６〜１０ｍｍ）の２〜３倍の厚さに軸受メタル３１３を鋳造し、機械加工により最終的に得られる軸受メタル層の厚さまで切削加工する。そのため、冷却速度が速く、微細な組織が形成される軸受メタル層の内周側を機械加工により除去してしまうので、軸受メタル層には、組織が粗大な軸受メタル３１３が残る。これによって、軸受メタル層における機械的強度は低下するので、前述した熱疲労破壊が起こり易くなる。

従来、軸受メタル層の剥離防止や高強度化を図る方法として、台金の内周面に金属製の網状細線を固定し、その後軸受メタルを遠心鋳造して、軸受メタル層を網状細線と複合化する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、遠心鋳造により製造した軸受メタル層の表面にレーザを照射し、再溶融後に急冷凝固させることにより組織の微細化を図る技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平８−１３５６６０号公報特開平９−１０９１８号公報

しかしながら、上記した従来の、台金の内周面に網状細線を設ける技術では、熱疲労破壊の起点となる軸受メタル層の摺動面近傍には網目状細線の設置が困難なため、軸受メタルの熱疲労破壊を防止する効果は期待できない。さらに、網目状細線を配置し固定する工程が必要であるため製造コストが上昇するといった問題も生じる。

また、上記した従来の、軸受メタル層の表面にレーザを照射し、再溶融後に急冷凝固させる技術では、台金と軸受メタル層との密着強度の改善は期待できない。さらに、この技術においては、レーザ照射工程と照射後の機械加工工程を備えねばならず、製造コストが上昇するといった問題も生じる。

また、遠心鋳造法により製造される軸受メタルの特性は、鋳造条件や鋳造後の冷却条件に大きく左右されるので引張強度、熱疲労強度、密着強度等のバラツキが大きく、ジャーナル軸受の信頼性に欠けるという問題がある。

そこで、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、密着強度および熱疲労強度に優れた、ロータ等の回転子と摺接する軟質合金層を形成することができ、製造コストを削減することができる軟質合金層形成装置および軟質合金層形成方法を提供することを目的とする。

本発明では、溶接肉盛法を採用して軸受メタル等の軟質合金層を形成する。まず、この溶接肉盛法を採用するに到った経緯を説明する。

溶接肉盛法は、例えば、平面構造を有するスラスト軸受の軸受メタルの製造方法として適用されている。図２３Ａ〜図２３Ｄは、平面構造を有するスラスト軸受の軸受メタルの製造方法として適用されている従来の溶接肉盛法の工程を説明するための、溶接部の断面を示す図である。

溶接肉盛法は、図２３Ａに示すように台金３２０と溶接トーチ３２１との間にアーク３２２を発生させ、そのアーク３２２中に軸受メタルワイヤ３２３を挿入し、この軸受メタルワイヤ３２３を溶融させながら台金３２０の表面に軸受メタル層３２４を肉盛する。また、この溶接肉盛法では、溶接トーチ３２１または台金３２０を水平方向に移動させながら溶接肉盛を繰返すことにより台金３２０の表面を軸受メタル層３２４でライニングする。また、一層で肉盛ができる軸受メタル層３２４の厚さは２〜３ｍｍ程度であるので、図２３Ｂに示すように、上記したライニング工程を繰返し、軸受メタル層３２４を積層してライニングすることで所定の厚さの軸受メタル層を製造することができる（図２３Ｃ参照）。そして、図２３Ｄに示すように、表面を機械加工により仕上げてスラスト軸受が完成する。この従来の溶接肉盛法では、遠心鋳造法に比べて軸受メタルの凝固速度を大きくでき、引張強度、熱疲労強度に優れた軸受メタル層３２４を製造することができる。また、適切な溶接肉盛条件を選定することで、台金３２０と軸受メタル層３２４の界面には界面反応層が形成され高い密着強度を得ることもできる。したがって、従来の遠心鋳造法のようなメッキ処理も不要になり低コスト化を図ることも可能となる。さらに、溶接トーチ３２１または台金３２０を水平方向に一定速度で移動させることにより自動的に台金３２０の表面に所定厚さの軸受メタル層３２４を形成することができるので、従来の遠心鋳造法に比べて製造時間を１／１０以下に削減することも可能である。

そこで発明者らは、従来の溶接肉盛法、すなわち、溶接トーチまたは台金を水平方向に移動させながら、ジャーナル軸受の台金の曲面に軸受メタル層をライニングする実験を行った。その結果、遠心鋳造法に比べて高い引張強度、密着強度を示したが、同様な溶接肉盛法で製造したスラスト軸受に比べて軸受メタル層の密着強度のバラツキが大きいことが判明した。

さらに発明者らは、溶接肉盛条件を変えて、溶接トーチまたは台金を水平方向に移動させながら、ジャーナル軸受の台金の曲面に軸受メタル層をライニングして試作を行うとともに、密着強度の評価や台金と軸受メタルとの界面組織を詳細に調べた。図２４Ａ〜図２４Ｃは、台金３３０と軸受メタル層３３１との界面組織を調べた結果に基づいて、台金３３０と軸受メタル層３３１との界面部の断面を模式的に示した図である。

台金３３０と軸受メタル層３３１との界面組織を調べた結果、溶接肉盛時の溶接電流が低過ぎる場合、台金３３０と軸受メタル層３３１との界面には界面反応層が観察されず密着強度は小さかった（図２４Ａ参照）。一方、溶接電流が高過ぎる場合、台金３３０と軸受メタル層３３１との界面に厚い界面反応層３３２が形成され、この場合も、密着強度は小さかった（図２４Ｂ参照）。また、適正な溶接電流で溶着した場合、部分的に薄い界面反応層３３２が一様に形成され、高い密度強度を示した（図２４Ｃ参照）。また、スラスト軸受のような平面では上述した界面反応層の厚さは薄くかつ均一であり、ジャーナル軸受のような円弧面では溶接トーチと台金との距離が微妙に変化するため、台金３３０と軸受メタル層３３１との界面における界面反応層３３２の厚さが不均一になることがわかった。また、この界面反応層３３２の不均一さと密着強度の間にはよい相関があることもわかった。

図２５は、台金３３０と軸受メタル層３３１との界面組織を走査型電子顕微鏡により観察した結果に基づいて、台金３３０と軸受メタル層３３１との界面の断面を模式的に示した図である。台金３３０と軸受メタル層３３１との界面組織を走査型電子顕微鏡により観察および分析した結果、界面反応層３３２は、主としてＦｅ、Ｓｎ、Ｓｂからなる金属間化合物相であることが判明した。さらに、この界面反応層３３２の軸受メタル層３３１の側には薄いＣｕを主成分とする偏析層３３３が観察された。すなわち、台金３３０と軸受メタル層３３１の界面には台金３３０の成分の鉄と軸受メタル層３３１の成分のＳｎ、Ｓｂが界面反応層３３２を形成し、この反応により軸受メタル層３３１は、高い密着強度を示すことが明らかとなった。一方、軸受メタル層３３１の合金成分であるＣｕは、Ｆｅと合金や金属間化合物相を形成しないため、界面反応層３３２と軸受メタル層３３１との間に偏析し、軸受メタル層３３１の密着強度を低下させることも明らかとなった。

したがって、軸受メタル層が高い密着強度を安定して得るためには、前述の界面反応層を適正な厚さに制御することが重要であるが、ジャーナル軸受のような円弧面への溶接肉盛ではスラスト軸受のような平面と異なり、溶接距離（溶接トーチと台金との距離）を一定に保つことが困難である。発明者らは、そのため、台金と軸受メタル層との界面に形成される界面反応層の厚さが不均一になると考えた。そこで、発明者らは、ジャーナル軸受のような円弧面への溶接肉盛においては、台金と軸受メタル層との界面に形成される界面反応層の厚さを適正な範囲にコントロールすることにより高い密着強度を安定して得ることができるものと考え、本発明を創作するに至った。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、円弧面からなる台金の内周面に、ロータと摺接する軟質合金からなる軟質合金層を溶接肉盛法により形成する軟質合金層形成装置であって、前記台金の内周の中心軸を回転軸として回転可能に前記台金を支持する台金支持部と、前記回転軸の軸方向に移動可能であり、かつ前記台金の内周面と所定の距離をおいて固定され、前記台金との間にアークを発生させるアーク発生部とを具備し、前記台金支持部により前記台金を回転させ、前記アーク発生部と前記台金の内周面との間の所定の距離を一定に維持しながら、前記アーク発生部によって発生したアークによって軟質合金からなる軟質合金部材を溶融して、前記台金の内周面に軟質合金層を形成することを特徴とする軟質合金層形成装置が提供される。

また、本発明の一態様によれば、円弧面からなる台金の内周面に、ロータと摺接する軟質合金からなる軟質合金層を溶接肉盛法により形成する軟質合金層形成方法であって、前記台金の内周の中心軸を回転軸として回転可能に前記台金を支持する台金支持工程と、前記台金を回転させ、前記回転軸の軸方向に移動可能なアーク発生部と前記台金の内周面との間の所定の距離を一定に維持しながら、前記アーク発生部と前記台金との間に発生したアークによって軟質合金からなる軟質合金部材を溶融して、前記台金の内周面に軟質合金層を形成する軟質合金層形成工程とを具備することを特徴とする軟質合金層形成方法が提供される。

本発明の軟質合金層形成装置および軟質合金層形成方法によれば、密着強度および熱疲労強度に優れた、ロータ等の回転子と摺接する軟質合金層を形成することができ、製造コストを削減することができる。

本発明の第１の実施の形態の軟質合金層形成装置を模式的に示した図である。本発明の第１の実施の形態の、他の構成の台金支持部を備える軟質合金層形成装置を模式的に示した図である。本発明の第１の実施の形態の、他の構成の台金支持部を備える軟質合金層形成装置を模式的に示した図である。本発明の第１の実施の形態の軟質合金層形成装置を用いて軟質合金層が形成されている台金の断面を示す図である。台金と軟質合金層との界面の断面を模式的に示す図である。本発明の第２の実施の形態の軟質合金層形成装置を模式的に示した図である。引張試験に用いられた試験片の断面を示す図である。密着強度試験に用いられた試験片の断面を示す図である。引張試験の結果を示す図である。密着強度試験の結果を示す図である。アーク発生部を移動させながら軟質合金層を形成する従来の溶接肉盛法を説明するための、軟質合金層が形成されている台金の断面を示す図である。実施例２における軟質合金層と台金との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。比較例１における軟質合金層と台金との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。引張試験および密着強度試験の結果を示す図である。軟質合金層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。軟質合金層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。軟質合金層の温度変化の平均値の時間的変化を示す図である。軟質合金層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。冷却ガス噴出手段や台金冷却手段の冷却手段を備えない実施例２における軟質合金層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。実施例２における軟質合金層の温度変化の平均値の時間的変化を示す図である。引張試験および密着強度試験の結果を示す図である。一般的なジャーナル軸受の断面構造を模式的に示した図である。遠心鋳造法により軸受メタル層を形成する工程を説明するための図である。遠心鋳造法により軸受メタル層を形成する工程を説明するための図である。遠心鋳造法により軸受メタル層を形成する工程を説明するための図である。遠心鋳造法により軸受メタル層を形成する工程を説明するための図である。遠心鋳造法により軸受メタル層を形成する工程を説明するための図である。平面構造を有するスラスト軸受の軸受メタルの製造方法として適用されている従来の溶接肉盛法の工程を説明するための、溶接部の断面を示す図である。平面構造を有するスラスト軸受の軸受メタルの製造方法として適用されている従来の溶接肉盛法の工程を説明するための、溶接部の断面を示す図である。平面構造を有するスラスト軸受の軸受メタルの製造方法として適用されている従来の溶接肉盛法の工程を説明するための、溶接部の断面を示す図である。平面構造を有するスラスト軸受の軸受メタルの製造方法として適用されている従来の溶接肉盛法の工程を説明するための、溶接部の断面を示す図である。台金と軸受メタル層との界面組織を調べた結果に基づいて、台金と軸受メタル層との界面部の断面を模式的に示した図である。台金と軸受メタル層との界面組織を調べた結果に基づいて、台金と軸受メタル層との界面部の断面を模式的に示した図である。台金と軸受メタル層との界面組織を調べた結果に基づいて、台金と軸受メタル層との界面部の断面を模式的に示した図である。台金と軸受メタル層との界面組織を走査型電子顕微鏡により観察した結果に基づいて、台金と軸受メタル層との界面の断面を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の軟質合金層形成装置１０を模式的に示した図である。図２Ａおよび図２Ｂは、他の構成の台金支持部２０を備える軟質合金層形成装置１０を模式的に示した図である。図３は、本発明の第１の実施の形態の軟質合金層形成装置１０を用いて軟質合金層１５が形成されている台金の断面を示す図である。図４は、台金４０と軟質合金層１５との界面の断面を模式的に示す図である。

軟質合金層形成装置１０は、円弧面からなる台金４０の内周面４１に、例えば、タービンロータなどの回転子と摺接する軟質合金からなる軟質合金層１５を溶接肉盛法により形成する装置である。図１に示すように、軟質合金層形成装置１０は、台金支持部２０およびアーク発生部３０を備えている。

台金支持部２０は、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として回転可能に台金４０を支持するものである。なお、図１では、回転ローラ２１で下方から台金４０を支持した一例を示している。この場合には、台金４０が中空の円柱で構成され、台金４０の外周における中心軸と台金４０の内周における中心軸とが一致するように構成されている。これによって、回転ローラ２１を所定方向に回転させることで、台金４０を、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として回転させることができる。

なお、台金支持部２０の構成はこの構成に限られるものではなく、例えば、図２Ａに示すように、４つの支持アーム２２で台金４０の外周面を挟持し、支持アーム２２を台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として回転させる構成としてもよい。すなわち、台金支持部２０の構成は、特に限定されるものではなく、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として台金４０を回転できる構成であればよい。

また、台金４０は、円筒を２分割、さらには３分割以上に分割した形状を有していてもよい。これらの場合であっても、台金４０は、台金支持部２０によって、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として回転される。例えば、図２Ｂに示すように、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として回転可能な回転円板２３に、円筒を２分割した形状の台金４０を、例えばフランジ部４０ｃを介してボルト２４などで固定してもよい。この場合、軟質合金層１５の形成は、円筒を２分割した形状の台金４０の一方の側端部４０ａから開始し他方の側端部４０ｂまで行う。また、形成された軟質合金層１５において、回転軸方向の幅がさらに必要な場合には、アーク発生部３０を回転軸方向に、形成された軟質合金層１５の幅に相当する距離移動して、再び、軟質合金層１５を台金４０の一方の側端部４０ａから他方の側端部４０ｂまで形成する。ここで、再度、軟質合金層１５を形成する際、台金４０の一方の側端縁４０ａから開始するのは、台金４０の一方の側端部４０ａの温度が低下しているからである。

アーク発生部３０は、台金４０との間にアーク３１を発生させ、このアーク３１によって台金４０とアーク発生部３０との間に挿入された、軟質合金からなる軟質合金部材５０を溶融して、台金４０の内周面４１に軟質合金層１５を形成する。アーク発生部３０は、例えば、溶接トーチなどで構成される。アーク発生部３０は、台金４０の内周の中心軸方向、すなわち回転軸方向に移動可能に設けられ、かつ図３に示すように台金４０の内周面４１と所定の離間距離Ｌを有して固定されている。すなわち、アーク発生部３０と台金４０の内周面４１との離間距離Ｌは、アーク発生部３０が回転軸方向に移動しても、台金支持部２０によって台金４０が回転されても、常に一定の離間距離Ｌに維持される。

なお、図３に示すように、アーク発生部３０の先端部は、台金４０の内周面４１の最下面と上記した離間距離Ｌを有して、鉛直下方に向けて設置されることが好ましい。すなわち、溶融した軟質合金の流下を防止し、均一な厚さの軟質合金層１５を形成するために、台金４０の内周面４１うち、最下面（重力方向に最下面）となる部分において溶接が行われることが好ましい。なお、離間距離Ｌは、溶接電流や台金４０の構成材料等によって適宜最適な距離に設定することができる。

ここで、台金４０の内周面４１に第１層の軟質合金層１５を形成する際における溶接電流よりも、この第１層に積層して形成する第２層以降の軟質合金層１５を形成する際における溶接電流を小さく設定することが好ましい。軟質合金層１５は、台金４０を台金支持部２０によって回転させ、アーク発生部３０を台金４０の内周の中心軸４２である回転軸方向に、所定の振幅および周波数でウィービングさせながら第１層を形成し、さらに同様にして、第１層上に第２層、さらには第３層を積層して形成することで所定の厚さに形成される。すなわち、軟質合金層１５は、複数層の溶接肉盛層で構成される。

ここで、上記したように、第１層を形成する際の溶接電流を第２層以降を形成する際の溶接電流よりも大きくすることで、第１層と台金４０との密着強度を高めることができる。一方、第２層以降は第１層に比べて小さな溶接電流でも肉盛が可能であり、また第２層以降の溶接電流を小さくすることで台金４０と軟質合金層１５との界面の温度上昇を抑えることができる。これによって、図４に示すような、台金４０と軟質合金層１５との界面に形成される界面反応層１６の成長を抑制するとともに、軟質合金層１５の組織の粗大化を防止することができる。

軟質合金部材５０は、ホワイトメタルと呼ばれる軸受用合金で構成され、一般的には、ＣｕおよびＳｂを含有するＳｎを主成分とするＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金で構成される。軟質合金部材５０として、具体的には上記したＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金で構成される溶接ワイヤなどが挙げられる。また、前述したように、発明者らの実験において、軟質合金部材５０を構成する合金成分であるＣｕは、台金４０との密着強度の向上にはほとんど影響せず、界面反応層１６と軟質合金層１５との界面に偏析し密着強度を低下させることがわかっている。

そのため、台金４０の内周面４１に軟質合金層１５を形成する際におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金のＣｕの含有率を、この内周面４１に形成された第１層の軟質合金層１５に積層して形成する第２層以降の軟質合金層１５を形成する際におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金のＣｕの含有率よりも小さくすることが好ましい。具体的には、台金４０の内周面に軟質合金層１５を形成する際におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金のＣｕの含有率は、１〜５重量％であることが好ましく、３〜５重量％であることがさらに好ましい。ここで、台金４０の内周面に軟質合金層１５を形成する際におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金のＣｕの含有率を上記範囲にすることが好ましいのは、Ｃｕの含有率が１重量％よりも小さい場合には、軟質合金層１５の機械的強度等が低下し、５重量％を超える場合には、界面反応層１６と軟質合金層１５との界面におけるＣｕの偏析が顕著になり密着強度を低下させるからである。また、台金４０の内周面に軟質合金層１５を形成する際におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金のＣｕの含有率を上記範囲にすることで、台金４０と軟質合金層１５との界面に、図４に示すような、部分的に薄い界面反応層１６が一様に形成され、密着強度、引張強度および熱疲労強度に優れた軟質合金層１５を形成することができる。

一方、第２層以降の軟質合金層１５を形成する際におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金としては、例えば、Ｓｂを８〜１０重量％、Ｃｕを５〜６％を含有するＳｎを主成分とする合金を使用することが好ましい。第２層以降の軟質合金層１５を形成する際におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系の合金として、具体的には、ホワイトメタル２種（ＷＪ２）等が用いられる。

次に、本発明の第１の実施の形態の軟質合金層形成装置１０における軟質合金層１５の形成方法について、図１および図３を参照して説明する。

台金支持部２０に台金４０を設置し、所定の回転速度で台金４０を回転させる。続いて、アーク発生部３０を台金４０の内周の中心軸４２である回転軸方向に、所定の振幅（例えば５〜１０ｍｍ）および周波数（１〜５Ｈｚ）でウィービングさせ、アーク発生部３０と台金４０との間に所定の電圧を印加し、アーク３１を発生させる。なお、アーク発生部３０の振幅、周波数等は、台金４０の回転速度、溶接速度等の溶接条件に基づいて適宜設定される。また、アーク発生部３０と台金４０の内周面４１との間の離間距離Ｌは常に一定に維持されている。

続いて、アーク３１中に軟質合金部材５０の先端を所定の速度で挿入して軟質合金部材５０を溶融し、台金４０の内周面に軟質合金層１５を形成する。この際、台金４０が１回転することで台金４０の内周面４１に、アーク発生部３０の振幅に対応する回転軸方向の幅を有する軟質合金層１５が形成される。軟質合金層１５において、回転軸方向の幅がさらに必要な場合には、アーク発生部３０を回転軸方向にアーク発生部３０の振幅に相当する距離移動して、同様の方法で、さらに軟質合金層１５を形成する。

続いて、台金４０の内周面に形成された軟質合金層１５の第１層上に、同様の方法で、第２層、さらには第３層と軟質合金層１５を複数回層積し、所定の厚さの軟質合金層１５を形成する。なお、前述したように、第２層以降の軟質合金層１５を形成する際には、第１層を形成する際における溶接電流よりも小さな溶接電流にしてもよい。また、第２層以降の軟質合金層１５を形成する際には、第１層を形成する際における軟質合金部材５０のＣｕの含有率よりも高いＣｕの含有率を有する軟質合金部材５０を用いてもよい。上記した方法で、所定の厚さの軟質合金層１５を形成した後、機械加工によって軟質合金層１５の表面を仕上げて最終的な厚さにする。

上記したようにして、台金４０の内周面４１に軟質合金層１５が形成される。ここで、上記した方法によって軟質合金層１５が形成された台金４０において、図４に示すように、台金４０と軟質合金層１５との界面には、部分的に薄い界面反応層１６が一様に形成される。この界面反応層１６の厚さｔは、平均で５〜２０μｍであることが好ましい。この範囲の厚さｔが好ましいのは、この範囲よりも厚くても薄くても密着強度が低下するからである。また、界面反応層１６の厚さｔを平均で５μｍ以上にすることで、界面反応層１６が全く形成されない領域が発生するのを防止することができるので、台金４０と軟質合金層１５との界面に一様に界面反応層１６を形成することができる。また、界面反応層１６の厚さｔを平均で２０μｍ以下にすることで、軟質合金層１５と界面反応層１６との界面におけるＣｕの連続した偏析を抑制することができる。これによって、台金４０の内周面４１に界面反応層１６を高い密着強度で形成することができる。

なお、上記したように形成された軟質合金層１５において、例えば、軟質合金層１５の一部が劣化等した場合には、その劣化等した部分を機械加工により切削して除去し、その除去した部分に上記した方法で軟質合金層１５を新たに形成することができる。すなわち、軟質合金層１５を部分的に補修することができる。

ここで、本発明の第１実施の形態の軟質合金層形成装置１０によって形成れた軟質合金層１５を備える台金４０は、例えば、潤滑油を介してタービンロータを支持するジャーナル軸受や、水素冷却発電機等のシールリング機構等として利用することができる。なお、本発明の第１実施の形態の軟質合金層形成装置１０は、これらの部位に軟質合金層を形成する用途のみならず、タービンロータなどの回転子と摺接する部位に軟質合金層を形成する際に広く利用可能である。また、例えば、パッド型軸受のように、台金の下半分の内周面に分割された摺動面を形成する場合においても、本発明の第１実施の形態の軟質合金層形成装置１０を利用することができる。

上記したように、本発明の第１の実施の形態の軟質合金層形成装置１０によれば、台金支持部２０により、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として台金４０を回転させ、アーク発生部３０と台金４０の内周面４１との間の離間距離Ｌを常に一定に維持して軟質合金層１５を形成することができる。これによって、溶接距離などの溶接条件が同じ状態で軟質合金層１５を形成することができるので、例えば、台金４０と軟質合金層１５との界面に形成される界面反応層１６の厚さを均一にかつ適正範囲にすることができる。そのため、台金４０の内周面に亘って高い密着強度を有する軟質合金層１５を形成することができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態の軟質合金層形成装置１０を模式的に示した図である。本発明の第２の実施の形態の軟質合金層形成装置１０は、本発明の第１の実施の形態の軟質合金層形成装置１０に、軟質合金層１５に冷却ガスを噴出する冷却ガス噴出手段６０および台金４０の外周面を冷却する台金冷却手段７０を備えた構成である。なお、第１の実施の形態の軟質合金層形成装置１０と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

図５に示すように、軟質合金層形成装置１０は、台金支持部２０、アーク発生部３０、冷却ガス噴出手段６０および台金冷却手段７０を備えている。

冷却ガス噴出手段６０は、軟質合金層１５に冷却ガス６１をノズルなどの噴出口から噴出するもので、噴出口が台金４０の外周面から所定の距離をおいて設けられている。この冷却ガス噴出手段６０も、アーク発生部３０と同様に、台金４０が回転された場合においても、台金４０の内周面との間の離間距離が常に一定となるように設置されることが好ましい。これによって、形成された軟質合金層１５を均一に冷却することができる。冷却ガス噴出手段６０から噴出される冷却ガス６１は、ＮｅやＡｒなどの不活性ガスや空気などが使用される。この中でも、軟質合金層１５の酸化等を防止するために、冷却ガス６１として、例えばＮｅやＡｒなどの不活性ガスを用いることがより好ましい。

台金冷却手段７０は、台金４０の外周面を冷却するものであり、例えば、図５に示すように、台金４０の外周面の下半分と接触するように設置された水冷ジャケット７１などで構成される。なお、台金冷却手段７０の構成はこれに限られるものではなく、例えば、台金４０の外周面のすべてと接触するように水冷ジャケットを設けてもよい。なお、水冷ジャケットには、冷却水を供給する供給口７１ａおよび冷却水を排出する排出口７１ｂが設けられている。また、台金冷却手段７０は、例えば、台金４０の外周面に水などの冷却水を噴出するノズルなどで構成してもよい。すなわち、台金冷却手段７０の構成は、特に限定されるものではなく、台金４０の外周面を冷却する構成ならばよい。なお、溶接された直後の軟質合金層１５を効率よく冷却するために、台金冷却手段７０は、台金４０を介してアーク発生部３０と対向する位置に、台金４０の外周面と所定の離間距離をおいて設置されることが好ましい。

次に、本発明の第２の実施の形態の軟質合金層形成装置１０における軟質合金層１５の形成方法について、図５を参照して説明する。

台金支持部２０に台金４０を設置し、所定の回転速度で台金４０を回転させる。続いて、冷却ガス噴出手段６０から軟質合金層１５が形成される台金４０の内周面４１に向けて冷却ガス６１を噴出する。また、台金冷却手段７０に冷却水を供給し、台金４０の外周面を冷却する。

続いて、アーク発生部３０を台金４０の内周の中心軸４２である回転軸方向に、所定の振幅（例えば５〜１０ｍｍ）および周波数（１〜５Ｈｚ）でウィービングさせ、アーク発生部３０と台金４０との間に所定の電圧を印加し、アーク３１を発生させる。なお、アーク発生部３０の振幅、周波数等は、台金４０の回転速度、溶接速度等の溶接条件に基づいて適宜設定される。また、アーク発生部３０と台金４０の内周面４１との間の離間距離Ｌは常に一定に維持されている。

上記したように、冷却ガス噴出手段６０および台金冷却手段７０によって、形成された軟質合金層１５を急冷することで、軟質合金層１５を構成する組織を微細化することができる。これによって、引張強度、熱疲労強度を向上できるとともに、界面反応層１６の成長や軟質合金層１５の組織の成長も抑制することができる。また、台金４０の内周面４１に軟質合金層１５を高い密着強度を有して形成することができる。さらに、軟質合金層１５は、急速に冷却され固まるので、例えば台金４０の回転速度を速めた場合においても、形成された軟質合金層１５が下方に流れ落ちることがない。

ここで、軟質合金層１５の冷却平均速度は、１０〜５０℃／秒程度であることが好ましく、この範囲内でも冷却平均速度は速い方が好ましい。この冷却平均速度の範囲が好ましいのは、この範囲よりも冷却平均速度が遅い場合には、軟質合金層１５を構成する組織を最適に微細化することが困難となり、また、界面反応層１６の成長を招くからである。この範囲よりも冷却平均速度を速くすることは、軟質合金層１５が十分広がらず下地層とのなじみが悪い状態で凝固するためブローホール等の欠陥が発生しやすくなるからである。なお、この冷却平均速度とは、軟質合金層１５の最高温度（アークで溶融する温度、例えば、ホワイトメタル２種（ＷＪ２）の場合には４５０℃）から軟質合金層１５を構成する材料の凝固開始温度以下で、軟質合金層１５の組織成長が顕著でなくなる温度（例えば、ホワイトメタル２種（ＷＪ２）の場合には３００℃）に低下するまでの速度を意味する。

なお、上記した第２の実施の形態の軟質合金層形成装置１０では、冷却ガス噴出手段６０および台金冷却手段７０を設けた一例を示したが、上記した冷却平均速度で軟質合金層１５を冷却できる場合には、少なくともどちらか一方の手段を備えていればよい。

上記したように、本発明の第２の実施の形態の軟質合金層形成装置１０によれば、台金支持部２０により、台金４０の内周の中心軸４２を回転軸として台金４０を回転させ、アーク発生部３０と台金４０の内周面４１との間の離間距離Ｌを常に一定に維持して軟質合金層１５を形成することができる。これによって、溶接距離などの溶接条件が同じ状態で軟質合金層１５を形成することができるので、例えば、台金４０と軟質合金層１５との界面に形成される界面反応層１６の厚さを均一にかつ適正範囲にすることができる。そのため、台金４０の内周面４１に亘って高い密着強度を有する軟質合金層１５を形成することができる。

さらに、本発明の第２の実施の形態の軟質合金層形成装置１０によれば、冷却ガス噴出手段６０および台金冷却手段７０を備え、形成された軟質合金層１５を急冷することで、軟質合金層１５を構成する組織を微細化することができる。これによって、引張強度、熱疲労強度を向上することができるとともに、界面反応層１６の成長や軟質合金層１５の組織の成長も抑制することができる。これによっても、台金４０の内周面４１に亘って高い密着強度を有する軟質合金層１５を形成することができる。

次に、本発明に係る軟質合金層形成装置１０によって形成された軟質合金層１５が密着強度や引張強度に優れていることを実施例および比較例に基づいて説明する。

（実施例１）
実施例１では、ジャーナル軸受を部分的に模擬した、構造用鋼製の内径３８１ｍｍ、外径４８１ｍｍ、中心角８５°の台金４０を準備した。なお、軟質合金層の形成方法は、第１の実施の形態で示した方法と同じであるので、図１を参照して説明する。

この台金４０を台金支持部２０に設置し、回転軸方向に一端から他端まで肉盛が終了した時点で台金を回転させた。続いて、アーク発生部３０を台金４０の内周の中心軸４２である回転軸方向に、振幅７ｍｍおよび周波数３Ｈｚでウィービングさせ、アーク発生部３０と台金４０との間に所定の電圧を印加し、アーク３１を発生させた。なお、この際の溶接電流は、１９０Ａであった。また、アーク発生部３０と台金４０の内周面との間の離間距離Ｌを７ｍｍに一定に維持した。

続いて、アーク３１中に軟質合金部材５０を４０〜５０ｃｍ／ｍｉｎの速度で挿入して軟質合金部材を溶融し、台金４０の内周面４１に、アーク発生部３０の振幅に対応する回転軸方向の幅を有する軟質合金層１５を形成した。ここで、軟質合金部材５０として、ホワイトメタル２種（ＷＪ２）を使用した。

続いて、アーク発生部３０を回転軸方向にアーク発生部３０の振幅に相当する距離移動して、同様の方法で、さらに軟質合金層１５を形成した。

続いて、台金４０の内周面４１に形成された第１層の軟質合金層１５上に、同様の方法で、第２層、第３層、第４層と軟質合金層１５を複数回層積し、１２ｍｍの厚さの軟質合金層１５を形成した。

上記したように軟質合金層１５が作製された台金４０から試験片を採取し、引張試験および密着強度試験を行った。図６は、引張試験に用いられた試験片１００の断面を示す図である。図７は、密着強度試験に用いられた試験片１１０の断面を示す図である。

図６に示す引張試験に用いられた試験片１００は、形成された軟質合金層１５から回転軸方向に円柱状の部材を採取し、加工したものである。試験片１００において、平行部１１１の直径を６ｍｍ、長さＭを３０ｍｍとした。この試験片１００を７個作製し、これらの試験片１００を用いて、ＪＩＳＺ２２４１に準じて常温にて引張試験を行った。各試験片１００における測定結果から平均値と標準偏差を算出した。

図７に示す密着強度試験に用いられた試験片１１０は、軟質合金層１５および台金４０の双方を含む円柱状の部材を採取し、加工したものである。試験片１１０は、軟質合金層１５からなる部分の外径Ｄａを３８ｍｍ、内径Ｄｂを２４ｍｍ、台金４０からなる部分の外径Ｄｃを２８．８２ｍｍ、内径Ｄｄを１２．１ｍｍとする段付きのリング状の試験片とした。この試験片１１０を７個作製し、これらの試験片１１０を用いて、ＩＳＯ４３８６／２−１９８２に準じて常温にて密着強度試験を行った。各試験片１１０における測定結果から平均値と標準偏差を算出した。また、軟質合金層１５と台金４０との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して界面反応層１６の厚さを測定し、その平均値を求めた。

引張試験および密着強度試験の結果を図８、図９に示す。また、界面反応層１６の厚さは、平均で１２μｍであった。

（実施例２）
実施例２では、実施例１における第２層以降の軟質合金層１５を形成する際の溶接電流を実施例１で軟質合金層１５を形成する際の溶接電流よりも５％低い値（溶接電流１８０Ａ）とした以外は、実施例１における軟質合金層１５の形成方法と同じである。また、実施例１における軟質合金層１５と同様に、台金４０の内周面４１に形成された軟質合金層１５は、４層からなり、１２ｍｍの厚さを有していた。

上記したように軟質合金層１５が作製された台金４０から試験片を採取し、引張試験および密着強度試験を行った。なお、試験片の形状等は、実施例１におけるものと同じとした。また、引張試験および密着強度試験における測定方法および測定条件等は、実施例１におけるものと同じとした。また、軟質合金層１５と台金４０との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して界面反応層１６の厚さを測定し、その平均値を求めた。

引張試験および密着強度試験の結果を図８、図９に示す。また、界面反応層１６の厚さは、平均で８μｍであった。

（比較例１）
比較例１では、スラスト軸受の表面に軟質合金層を形成する従来の溶接肉盛法と同様に、台金を回転させずに、アーク発生部をウィービングさせるとともに、所定の方向に移動させて軟質合金層を形成した。図１０は、アーク発生部３０を移動させながら軟質合金層１５を形成する従来の溶接肉盛法を説明するための、軟質合金層１５が形成されている台金４０の断面を示す図である。

比較例１では、実施例１と同様に、ジャーナル軸受を部分的に模擬した、構造用鋼製の内径３８１ｍｍ、外径４８１ｍｍ、中心角８５°の台金４０を準備した。

アーク発生部３０を台金４０の一方の側端部４０ａ上に位置させ、アーク発生部３０と台金４０との間に所定の電圧を印加し、アーク３１を発生させた。

続いて、アーク発生部３０を台金４０の内周の中心軸方向に、振幅７ｍｍおよび周波数３Ｈｚでウィービングさせ、アーク３１中に軟質合金部材５０を４０〜５０ｃｍ／ｍｉｎの速度で挿入しながら、台金４０の一方の側端部４０ａから台金４０の他方の側端部４０ｂに向かって水平に移動した。そして、軟質合金部材を溶融し、台金４０の内周面に、アーク発生部３０の振幅に対応する回転軸方向の幅を有する軟質合金層１５を形成した。ここで、軟質合金部材５０として、ホワイトメタル２種（ＷＪ２）を使用した。

続いて、アーク発生部３０を台金４０の内周の中心軸方向にアーク発生部３０の振幅に相当する距離移動して、同様の方法で、さらに軟質合金層１５を形成した。

続いて、台金４０の内周面に形成された第１層の軟質合金層１５上に、同様の方法で、第２層、第３層、第４層と軟質合金層１５を複数回層積し、１２ｍｍの厚さの軟質合金層１５を形成した。

引張試験および密着強度試験の結果を図８、図９に示す。また、界面反応層１６の厚さは、平均で７５μｍであった。

（比較例２）
比較例２では、遠心鋳造法により軟質合金層を形成した。ここでは、図２２Ａ〜図２２Ｅを参照して説明する。

比較例２では、ジャーナル軸受を模擬した、構造用鋼製の内径３８１ｍｍ、外径４８１ｍｍの台金３１０を準備した。

まず、図２２Ａに示すように、台金３１０の内周面に、Ｎｉからなるメッキ層３１１を形成した。

図２２Ｂに示すように、この状態で電気炉を用いた加熱装置３１２を用いて予熱することによりメッキ層３１１を台金３１０側に拡散させて台金３１０と一体化させた。

続いて、溶融状態のホワイトメタル２種（ＷＪ２）からなる軟質合金である軸受メタル３１３を台金３１０の内部に鋳湯し（図２２Ｃ参照）、台金３１０を回転速度２００ｒｐｍで回転させた（図２２Ｄ参照）。なお、この際、メッキ層３１１は、溶融状態の軟質合金と一体化して消滅した。

溶融状態の軟質合金の鋳湯終了後、冷却水３１４を台金３１０の外周面に噴霧して台金３１０を急冷し、溶融状態の軸受メタル３１３を凝固させ、軟質合金層を形成した（図２２Ｅ参照）。

上記したように軟質合金層が作製された台金３１０から試験片を採取し、引張試験および密着強度試験を行った。なお、試験片の形状等は、実施例１におけるものと同じとした。また、引張試験および密着強度試験における測定方法および測定条件等は、実施例１におけるものと同じとした。また、軟質合金層（軸受メタル３１３）と台金３１０との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して界面反応層の厚さを測定し、その平均値を求めた。

引張試験および密着強度試験の結果を図８、図９に示す。また、界面反応層は観察されなかった。

（実施例１〜実施例２および比較例１〜比較例２のまとめ）
図８および図９に示すように、実施例１〜実施例２および比較例１における溶接肉盛法で形成された軟質合金層は、比較例２における遠心鋳造法で形成された軟質合金層に比べて、引張強度および密着強度がともに高く、さらに標準偏差は小さかった。これらのことから、溶接肉盛法を採用した場合の方が、遠心鋳造法を採用した場合に比べて、引張強度および密着強度に優れ、これらの強度のバラツキも少ない軟質合金層が得られることがわかった。また、溶接肉盛法を採用した中でも、実施例１および実施例２のように、台金を回転させることで溶接距離を一定に維持して形成された軟質合金層は、比較例１のように、溶接距離が一定に維持されずに形成された軟質合金層に比べて、引張強度および密着強度がともに高く、さらに標準偏差は小さかった。その傾向は、特に、密着強度およびその標準偏差において顕著であった。

ここで、図１１は、実施例２における軟質合金層１５と台金４０との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。図１２は、比較例１における軟質合金層１５と台金４０との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。実施例２における軟質合金層１５と台金４０との界面に形成された界面反応層１６の厚さ（平均８μｍ）は、比較例１における軟質合金層１５と台金４０との界面に形成された界面反応層１６の厚さ（平均７５μｍ）に比べて十分に薄いことがわかった。

以上のことから、溶接距離を一定に維持することでアークを安定させ、台金と軟質合金層の界面に生成する界面反応層の厚さを適切に制御することにより、引張強度と密着強度が向上され、さらに強度のバラツキを抑えることができることが明らかとなった。

（実施例３）
実施例３では、実施例２で使用した軟質合金層形成装置１０に、図５に示すように、冷却ガス噴出手段６０および台金冷却手段７０を設けた軟質合金層形成装置１０を用いて軟質合金層１５を形成した。他の条件は、実施例２における軟質合金層１５の形成方法と同じである。

ここで、冷却ガス噴出手段６０の冷却ガス６１として、ＡｒガスボンベからＡｒガスを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴出させた。また、台金冷却手段７０として、台金４０を介してアーク発生部３０に対向する位置に設けられたノズルを用い、このノズルから台金４０の外周面に１０℃の水を噴霧した。なお、この際の軟質合金層１５の冷却平均速度は、４４．１℃／秒程度であった。また、実施例１における軟質合金層１５と同様に、台金４０の内周面４１に形成された軟質合金層１５は、４層からなり、１２ｍｍの厚さを有していた。

上記したように軟質合金層１５が作製された台金４０から試験片を採取し、引張試験および密着強度試験を行った。なお、試験片の形状等は、実施例１におけるものと同じとした。また、引張試験および密着強度試験における測定方法および測定条件等は、実施例１におけるものと同じとした。また、軟質合金層１５と台金４０との界面における断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して界面反応層１６の厚さを測定し、その平均値を求めた。また、軟質合金層１５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。

引張試験および密着強度試験の結果を図１３に示す。また、界面反応層１６の厚さは、平均で５μｍであった。図１４は、軟質合金層１５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。

（実施例４）
実施例４では、実施例３で使用した軟質合金層形成装置１０のうち台金冷却手段７０を除去し、冷却ガス噴出手段６０のみを備えた軟質合金層形成装置１０を用いて軟質合金層１５を形成した。他の条件は、実施例３における軟質合金層１５の形成方法と同じである。

ここで、冷却ガス噴出手段６０の冷却ガス６１として、ＡｒガスボンベからＡｒガスを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴出させた。なお、この際の軟質合金層１５の冷却平均速度は、３９．４℃／秒程度であった。また、実施例１における軟質合金層１５と同様に、台金４０の内周面４１に形成された軟質合金層１５は、４層からなり、１２ｍｍの厚さを有していた。

引張試験および密着強度試験の結果を図１３に示す。また、界面反応層１６の厚さは、平均で６μｍであった。図１５は、軟質合金層１５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。

（実施例５）
実施例５では、実施例３で使用した軟質合金層形成装置１０のうち冷却ガス噴出手段６０を除去し、台金冷却手段７０のみを備えた軟質合金層形成装置１０を用いて軟質合金層１５を形成した。他の条件は、実施例３における軟質合金層１５の形成方法と同じである。

ここで、台金冷却手段７０として、図５に示すような、台金４０の外周面の下半分と接触するように設置された水冷ジャケット７１を用いた。水冷ジャケットには、１０℃の冷却水を供給した。ここで、図１６には、軟質合金層１５の温度変化の平均値の時間的変化を示している。この際の軟質合金層１５の冷却平均速度は、３１．７℃／秒程度であった。この冷却平均速度は、軟質合金層１５の最高温度（４５０℃）から軟質合金層１５を構成する材料の凝固開始温度（３００℃）以下に低下するまでの速度である。また、実施例１における軟質合金層１５と同様に、台金４０の内周面４１に形成された軟質合金層１５は、４層からなり、１２ｍｍの厚さを有していた。

引張試験および密着強度試験の結果を図１３に示す。また、界面反応層１６の厚さは、平均で８μｍであった。図１７は、軟質合金層１５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。

（実施例２〜実施例５のまとめ）
図１３には、実施例３〜実施例５における引張試験および密着強度試験の結果に加えて、冷却ガス噴出手段６０や台金冷却手段７０の冷却手段を備えない実施例２における引張試験および密着強度試験の結果も示した。

図１３に示すように、同じ溶接肉盛条件であっても、台金４０や軟質合金層１５を強制的に冷却した実施例３〜実施例５における軟質合金層１５は、台金４０や軟質合金層１５を強制的に冷却しなかった実施例２における軟質合金層１５に比べて、引張強度および密着強度ともに向上することがわかった。また、その効果は、実施例３、実施例４、実施例５の順に高く、強制冷却の度合い、すなわち軟質合金層１５の冷却平均速度が速いほど高かった。なお、実施例３、実施例４、実施例５の中で冷却平均速度が一番遅い実施例５における冷却平均速度は、３１．７℃／秒程度であった。

これは外部から軟質合金層１５を強制的に冷却することにより、溶融状態の軟質合金層１５が急速に凝固して結晶粒や析出層が微細化され、さらに台金４０と軟質合金層１５との界面に形成される界面反応層１６およびＣｕ偏析層の成長が抑制されたためと考えられる。ここで、図１４、図１５および図１７に示した軟質合金層１５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真を比較しても、強制冷却の度合い、すなわち軟質合金層１５の冷却平均速度が速い実施例３、実施例４、実施例５の順に、結晶粒や析出層が微細化されていることが明らかである。また、図１８は、冷却ガス噴出手段６０や台金冷却手段７０の冷却手段を備えない実施例２における軟質合金層１５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した際の写真である。図１８に示すように、冷却ガス噴出手段６０や台金冷却手段７０の冷却手段を備えない実施例２における軟質合金層１５では、冷却ガス噴出手段６０や台金冷却手段７０の冷却手段を備えた実施例３〜実施例５における軟質合金層１５よりも、結晶粒や析出層が大きいことが明らかである。ここで、図１９には、実施例２における軟質合金層１５の温度変化の平均値の時間的変化を示している。この際の軟質合金層１５の冷却平均速度は、１１．４℃／秒程度であった。この冷却平均速度は、軟質合金層１５の最高温度（４５０℃）から軟質合金層１５を構成する材料の凝固開始温度（３００℃）に低下するまでの速度である。

（界面反応層１６）
台金４０と軟質合金層１５との界面に形成されるＦｅ、Ｓｎ、Ｓｂを主成分とする界面反応層１６は、薄すぎると密着強度が低下し、一方、厚過ぎると界面反応層１６と軟質合金層１５との界面にＣｕ偏析層が形成され密着強度は低下する。したがって、界面反応層１６は、所定の厚さで、台金４０と軟質合金層１５との界面に一様に形成されることが好ましい。

上記した実施例１〜実施例５における界面反応層１６の測定結果から、界面反応層１６の平均厚さが５μｍ以上の場合には、界面反応層１６が台金４０と軟質合金層１５との界面にほぼ一様に形成されていることがわかった。一方、上記したＣｕ偏析層は、界面反応層１６の平均厚さが２０μｍを超えると顕著になる傾向がある。したがって、界面反応層１６の平均厚さが５〜２０μｍになるように溶接肉盛条件を選定することにより、密着強度に優れた軟質合金層１５を形成することが可能となる。

（界面反応層１６におけるＣｕ含有量）
ここでは、軟質合金部材５０におけるＣｕの含有率を変えて、実施例２における界面反応層１６の形成方法と同じ方法で界面反応層１６を形成し、引張強度および密着強度を測定した。ここで、軟質合金部材５０として、ホワイトメタル２種（ＷＪ２）をベース材料として使用し、Ｃｕの含有率を変化させた。

Ｃｕの含有率が異なる各軟質合金層１５が作製された台金４０から試験片を採取し、引張試験および密着強度試験を行った。なお、試験片の形状等は、実施例１におけるものと同じとした。また、引張試験および密着強度試験における測定方法および測定条件等は、実施例１におけるものと同じとした。引張試験および密着強度試験の結果を図２０に示す。

図２０に示すように、本試験の範囲内において、軟質合金層１５の引張強度は、Ｃｕ含有率の減少に伴い徐々に低下する傾向を示し、一方、密着強度は上昇する傾向を示すことがわかった。これはＣｕ含有率の減少により軟質合金層１５中のＣｕを主成分とする析出相の体積率が減少するため引張強度は低下し、台金４０と軟質合金層１５との界面に形成される界面反応層１６の生成に伴うＣｕ偏析層の生成が抑制されるため密着強度は向上すると考えられる。

図２０に示すように、Ｃｕ含有率が１〜５重量％の場合には、軟質合金層１５として十分な引張強度および密着強度を有している。また、この結果から、密着強度に直接影響を及ぼす第１層の軟質合金層１５におけるＣｕの含有率は１〜５重量％とすることが好ましい。また、引張強度の向上を図るため、第２層以降は、第１層よりもＣｕの含有率を高くすることが好ましい。ここで、第２層を溶接肉盛した際に第１層の一部が再溶融し、第２層のＣｕ量が低下する可能性があるため、第１層のＣｕの含有率を３〜５重量％とすることがさらに好ましい。

以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０…軟質合金層形成装置、１５…軟質合金層、１６…界面反応層、２０…台金支持部、３０…アーク発生部、３１…アーク、４０…台金、４１…内周面、４２…中心軸、５０…軟質合金部材、Ｌ…離間距離。

Claims

円弧面からなる台金の内周面に、ロータと摺接する軟質合金からなる軟質合金層を溶接肉盛法により形成する軟質合金層形成装置であって、
前記台金の内周の中心軸を回転軸として回転可能に前記台金を支持する台金支持部と、
前記回転軸の軸方向に移動可能であり、かつ前記台金の内周面と所定の距離をおいて固定され、前記台金との間にアークを発生させるアーク発生部と
を具備し、
前記台金支持部により前記台金を回転させ、前記アーク発生部と前記台金の内周面との間の所定の距離を一定に維持しながら、前記アーク発生部によって発生したアークによって軟質合金からなる軟質合金部材を溶融して、前記台金の内周面に軟質合金層を形成することを特徴とする軟質合金層形成装置。
前記軟質合金層に冷却ガスを噴出する冷却ガス噴出手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の軟質合金層形成装置。
前記台金の外周面を冷却する台金冷却手段をさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載の軟質合金層形成装置。
円弧面からなる台金の内周面に、ロータと摺接する軟質合金からなる軟質合金層を溶接肉盛法により形成する軟質合金層形成方法であって、
前記台金の内周の中心軸を回転軸として回転可能に前記台金を支持する台金支持工程と、
前記台金を回転させ、前記回転軸の軸方向に移動可能なアーク発生部と前記台金の内周面との間の所定の距離を一定に維持しながら、前記アーク発生部と前記台金との間に発生したアークによって軟質合金からなる軟質合金部材を溶融して、前記台金の内周面に軟質合金層を形成する軟質合金層形成工程と
を具備することを特徴とする軟質合金層形成方法。
前記軟質合金層形成工程において、前記台金の内周面に第１の軟質合金層を形成する際の溶接電流よりも、前記第１の軟質合金層上に形成される第２の軟質合金層以降の軟質合金層を形成する際の溶接電流が小さいことを特徴とする請求項４記載の軟質合金層形成方法。
前記軟質合金部材が、ＣｕおよびＳｂを含有するＳｎを主成分とする合金で構成され、前記台金の内周面に第１の軟質合金層を形成する際におけるＣｕの含有率が、前記第１の軟質合金層上に形成される第２の軟質合金層以降の軟質合金層を形成する際におけるＣｕの含有率よりも小さいことを特徴とする請求項４または５記載の軟質合金層形成方法。
前記第１の軟質合金層を形成する際におけるＣｕの含有率が１〜５重量％であることを特徴とする請求項６記載の軟質合金層形成方法。
軟質合金層形成工程において、前記軟質合金層に冷却気体を噴出することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項記載の軟質合金層形成方法。
軟質合金層形成工程において、前記台金の外周面を冷却することを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項記載の軟質合金層形成方法。
前記台金と前記軟質合金層との界面に形成される界面反応層の平均厚さが５〜２０μｍであることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項記載の軟質合金層形成方法。