JP2010261056A

JP2010261056A - 船舶用プロペラ

Info

Publication number: JP2010261056A
Application number: JP2009110251A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Tani; 和美谷; Yoshio Nanba; 吉雄難波; Takeshi Takahata; 剛高畠; Susumu Uematsu; 進植松; Yasutaka Kawanami; 康剛川並; Shinobu Sugasawa; 忍菅澤; Masaru Yoshioka; 勝吉岡; Yasuaki Ishihara; 泰明石原; Takahiro Mishima; 孝洋三嶋
Original assignee: Tocalo Co Ltd; National Maritime Research Institute; Nakashima Propeller Co Ltd
Current assignee: Tocalo Co Ltd; National Maritime Research Institute; Nakashima Propeller Co Ltd
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: JP5441488B2

Abstract

【課題】耐キャビテーション・エロージョン性と海洋生物に対する防汚性の両特性を兼ね備え、それと共に海洋生物に対する防汚対策のためのコストが抑えられた船舶用プロペラを提供する。
【解決手段】船体を推進させる推進力を発生させるためのプロペラ本体３（４）の外表面５に、Ｎｉ：３重量％以下、Ｃｒ：２５〜３５重量％、Ｗ：４〜２０重量％、Ｆｅ：３重量％以下、Ｃ：４重量％以下を含有し、残部：Ｃｏ及び不可避的不純物よりなるＣｏ基合金の組成を有する溶射皮膜６を成膜する。
【選択図】図１

Description

本発明は、船体に推進力を発生させる船舶用プロペラに関し、特に、保護皮膜の形成により耐キャビテーション・エロージョン性及び海洋生物に対する防汚性が付与された船舶用プロペラに関する。

船舶用の推進装置に使用される船舶用プロペラには、近年の船舶の大型化、高速化に伴いキャビテーションによるエロージョン（壊食）が発生する場合がある。船体の技術開発等により船舶の推進効率を向上させることが行われているが、船舶用プロペラのキャビテーション・エロージョンの影響で、船舶の推進効率を十分なレベルに引き上げられないことが問題となっている。この問題を解決すべく、船舶用プロペラの構造を改良して当該船舶用プロペラに耐キャビテーション・エロージョン性を付与することが検討されているが、このような改良は極限にまで達しているのが現状である。

そこで、船舶用プロペラに耐キャビテーション・エロージョン性を付与する他の方法として、船舶用プロペラの表面に、耐キャビテーション・エロージョン性に優れた保護皮膜を形成することが考えられる。この場合に適用可能な技術として、例えば特許文献１及び特許文献２が挙げられる。特許文献１では、液体等の環境下で使用される各種機器の部材表面に、高Ｃ高Ｓｉ含有溶接金属粉体をプラズマ溶接法で肉盛層を形成することで、当該部材表面の耐キャビテーション・エロージョン性を向上させている。また、特許文献２では、水車ランナ又はインペラを備える水力機械において、流水による衝撃を受ける部位に、オーステナイト系ステンレス鋼を肉盛溶接して当該部位に耐キャビテーション・エロージョン性を付与している。

その一方で、船舶の長期間にわたる運行により、船舶用プロペラに貝やフジツボ等の海洋生物が付着し、これが成長して大型化すると、船舶の速度及び燃料効率に悪影響を及ぼす。その対策として、例えば特許文献３では、プロペラを導電性金属で形成すると共にその表面に多孔性のクロム基層を電着形成し、さらにこのクロム基層の表面をフッ素樹脂で覆うことで、船舶用プロペラへ貝等の海洋生物を付着しにくくすることが開示されている。さらに、特許文献４では、海水接触構造物の防汚方法として、海水接触構造物の表面を耐食性金属で被覆して陰極とし、これに対向して配置した陽極との間に直流電流を流すことで当該表面にエレクトロコーティング層を形成させ、海洋生物が付着した後に、電極間に逆電流を流し、エレクトロコーティング層を溶解除去することで貝等の海洋生物を除去することが開示されている。

特開平６−１７０５８４号公報特開２００１−１０７８３３号公報特開平８−２０７８９０号公報特開２００２−３１７２８２号公報

上記特許文献１及び特許文献２においては、耐キャビテーション・エロージョン性に関する点のみであり、上記特許文献３、特許文献４においては、それぞれ船舶用プロペラへ海洋生物を付着しにくくすること、海水接触構造物の防汚方法に関する点のみである。つまり、これらの特許文献に記載された保護皮膜のいずれも、耐キャビテーション・エロージョン性と海洋生物に対する防汚性の両特性を兼ね備えた船舶用プロペラとすることはできない。特に、特許文献３の船舶用プロペラでは、表面のフッ素樹脂がキャビテーションにより剥がれてしまうことが予想されるため海洋生物に対する防汚性さえも十分ではない。さらに、特許文献３では金属層だけでなく、樹脂層をも形成することを要し、特許文献４では海洋生物が付着した後に電極間に逆電流を流す作業が必要となることから、特許文献３及び特許文献４に開示された技術では、海洋生物に対する防汚対策のためのコストが嵩んでしまうという問題もある。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、耐キャビテーション・エロージョン性と海洋生物に対する防汚性の両特性を兼ね備え、それと共に海洋生物に対する防汚対策のためのコストが抑えられた船舶用プロペラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、次の技術的手段を講じた。
即ち、本発明の船舶用プロペラは、船体を推進させる推進力を発生させるためのプロペラ本体の外表面に保護皮膜が形成された船舶用プロペラであり、前記保護皮膜は、Ｎｉ：３重量％以下、Ｃｒ：２５〜３５重量％、Ｗ：４〜２０重量％、Ｆｅ：３重量％以下、Ｃ：４重量％以下を含有し、残部：Ｃｏ及び不可避的不純物よりなる組成を有するＣｏ基合金で形成されていることを特徴とするものである。

上記本発明の船舶用プロペラとすれば、プロペラ本体の外表面に、Ｎｉ：３重量％以下、Ｃｒ：２５〜３５重量％、Ｗ：４〜２０重量％、Ｆｅ：３重量％以下、Ｃ：４重量％以下を含有し、残部：Ｃｏ及び不可避的不純物よりなる組成を有する保護皮膜が形成されていることにより、これらの組成の特徴から耐キャビテーション・エロージョン性及び海洋生物に対する防汚性の両特性を、船舶用プロペラへ付与することができる。さらに、樹脂層が不要とされ、海洋生物が付着した後に電極間に逆電流を流して皮膜を除去するという作業が不要であるため、海洋生物に対する防汚対策のためのコストを抑えることができる。

上記保護皮膜をプロペラ本体の外表面に形成する方法として、多様な方法を採用することができる。例えば溶射方法によるものが挙げられ、この溶射方法の中でも、前記保護皮膜を、高速フレーム溶射法又は減圧プラズマ溶射法により形成することが好ましい。これらの溶射方法を採用することにより、上記組成を有する保護皮膜の耐キャビテーション・エロージョン性と海洋生物に対する防汚性をより効果的に発現させることができる。

プロペラ本体の外表面に形成される保護皮膜の厚みは、船舶用プロペラが使用される船舶やその船舶が運航される環境等に応じて適宜変更されるものであるが、当該保護皮膜の厚みは０．１〜１．０ｍｍであることが好ましい。この厚みの保護皮膜とすることで、優れた耐キャビテーション・エロージョン性を発現させると共に製造コストを抑えることができる

前記保護皮膜の表面の硬さが、ビッカース硬度で２００以上であることが好ましい。この硬さの保護皮膜とすることで、耐キャビテーション・エロージョン性と海洋生物に対する防汚性をさらに向上させることができる。

上記の通り、本発明によれば、プロペラ本体の外表面にＣｏ基合金よりなる保護皮膜を形成することにより、耐キャビテーション・エロージョン性と海洋生物に対する防汚性の両特性を兼ね備えたものとすることができる。さらに、樹脂層が不要とされ、海洋生物とともに皮膜を除去するという作業が不要であるため、海洋生物に対する防汚対策のためのコストを抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る船舶用プロペラの斜視図と、プロペラ本体の表層の断面拡大図である。超音波振動式キャビテーション壊食試験装置の概略図である。耐キャビテーション・エロージョン性試験の試験結果を表す棒グラフである。防汚性試験の試験結果を表す棒グラフである。海中へ浸漬後の試験片（皮膜有り）の表面写真である。試験片（皮膜有り）の断面像（図５のＡ線断面像）である。試験片（皮膜有り）の断面像（図５のＢ線断面像）である。海中へ浸漬後の試験片（皮膜無し）の断面分析像である。試験片（皮膜無し）に付着したフジツボを除去した後の表面写真である。

本発明者が鋭意検討した結果、船舶用プロペラのプロペラ本体の外表面の保護皮膜を、Ｃｏ基合金で形成された溶射皮膜とすることで、耐キャビテーション・エロージョン性だけでなく、海洋生物に対する防汚性をも備えたものとできることを見いだし、本発明を完成するに至った。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る船舶用プロペラ１の斜視図と、その表層２の断面拡大図である。この船舶用プロペラ１は、図示しない船体の推進装置に連結されるシャフト３と、このシャフト３の外周３ａから半径方向へ延びる翼部４とで主に構成されている。同図の表層２の断面拡大図に示すように、この船舶用プロペラ１のシャフト３（プロペラ本体）と翼部４（プロペラ本体）の外表面５には、保護皮膜６が形成されている。

上記保護皮膜６は、プロペラ本体３、４の外表面５に、Ｎｉ：３重量％、Ｃｒ：３０重量％、Ｗ：４．５重量％、Ｆｅ：３重量％、Ｃ：１．１重量％を含有し、残部：Ｃｏ及び不可避的不純物よりなる組成を有するＣｏ基合金の粉体が溶射されて形成された溶射皮膜である。従って、この溶射皮膜６は、当該組成を有するＣｏ基合金よりなるものである。当該溶射皮膜６の組成としては、Ｎｉ：３重量％以下、Ｃｒ：２５〜３５重量％、Ｗ：４〜２０重量％、Ｆｅ：３重量％以下、Ｃ：４重量％以下を含有し、残部：Ｃｏ及び不可避的不純物よりなるものとするのが好適である。このような組成を採用することで、溶射皮膜６が海洋生物に浸食されにくく、かつ当該溶射皮膜６と海洋生物との密着性が低減され、海洋生物に対する防汚性を向上させることができ、更に耐キャビテーション・エロージョン性を向上させることができる。

上記各成分に関して上記範囲とした理由は次のとおりである。Ｎｉについては、３重量％を超えると耐キャビテーション・エロージョン性を十分に向上させることができない。Ｃｒについては、２５重量％未満であると耐腐食性が低下し、３５重量％を超えると皮膜が脆くなる。Ｗについては、４重量％未満であると必要な硬度が得られず、２０重量％を超えると皮膜が脆くなる。Ｆｅについては、３重量％を超えると錆が発生し易くなる。Ｃについては、４重量％を超えると皮膜が脆くなる。

また、保護皮膜６を形成する方法として、本実施形態のように溶射法を採用することで耐キャビテーション・エロージョン性を格段に向上させることができる。上記溶射法としては、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法、フレーム溶射法等の各種の方法が挙げられるが、特に高速フレーム溶射法、或いは減圧プラズマ溶射法が好ましい。高速フレーム溶射法を採用することで、溶射皮膜６とプロペラ本体３、４の外表面５との密着性が高まることと、溶射皮膜６の緻密な組織構造が得られることで、高耐久性を有しかつ強固な溶射皮膜６とすることができる。また、減圧プラズマ溶射法を採用することで、溶射皮膜６を構成する金属粒子間の結合力を強くすることと、溶射皮膜６の緻密な組織構造が得られることで、高耐久性を有しかつ強固な保護皮膜６とすることができる。

溶射皮膜６の厚みは、０．１〜１．０ｍｍであることが好ましい。その理由は、０．１ｍｍ未満であると、耐キャビテーション・エロージョン性が十分でなく、また１．０ｍｍを超えると、成膜に長時間を要することで製造コストが嵩み、１．０ｍｍを超える厚みに対する特性（耐キャビテーション・エロージョン性、海洋生物に対する防汚性）の格段の向上が認められないからである。

また、溶射皮膜６の表面６ａの硬さは、ビッカース硬度で２００以上であることが好ましい。表面６ａの硬さをビッカース硬度で２００以上とすれば、次のような効果を奏する溶射皮膜６とすることができる。第１の効果として、海洋生物が当該表面６ａから内部へ浸食しにくくなることから、海洋生物と溶射皮膜６との密着性が小さくなる。海洋生物と溶射皮膜６との密着性が小さくなるので、海洋生物が、見かけ上、溶射皮膜６の表面６ａへ付着していても、船舶用プロペラ１の回転時における水流等により当該表面６ａから海洋生物を簡単に脱離させることができる。これにより、優れた防汚性を発揮させることができる。第２の効果として、プロペラ本体３、４にキャビテーションが発生しても、溶射皮膜６の表面６ａの硬さが影響し、プロペラ本体３、４の外表面５にエロージョンを引き起こすことを防止できる。これにより、優れた耐キャビテーション・エロージョン性を発揮させることができる。

さらに、従来技術で必要とされていた樹脂層が本実施形態では不要とされ、また、海洋生物が付着した後に電極間に逆電流を流して皮膜を除去するという作業が不要であるため、海洋生物に対する防汚対策のためのコストを抑えることができる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

溶射皮膜を形成した試験片を作製し、耐キャビテーション・エロージョン性試験及び海洋生物に対する防汚性試験を実施した。
（耐キャビテーション・エロージョン性試験）
船舶用プロペラの素材として多く用いられているニッケル・アルミニウム青銅鋳物（ＣＡＣ７０３）を基材として下記の試験片を作製し、図２に示す超音波振動式キャビテーション壊食試験装置１０にこの試験片を取り付けて耐キャビテーション・エロージョン性試験を行った。なお超音波振動式キャビテーション壊食試験装置は、ＡＳＴＭＧ−３２規格に準拠したものを自社で製作した。この超音波振動式キャビテーション壊食試験装置１０は、超音波の周波数で振動を発生させ、試験片を上下に振動させるための超音波振動子１１と、この超音波振動子１１の下部に設けられ、試験片１２が下端に取り付けられるホーン部１３と、ホーン部１３を冷却するための冷却水槽１４とを備えている。冷却水槽１４の中に設けられた図示しない試験液槽には、試験液１５が溜められており、この試験液１５に試験片１２を浸漬した状態で、当該試験片１２を超音波振動子１１により振動させ、同試験片１２の表面にキャビテーションを発生させる。

超音波振動式キャビテーション壊食試験装置１０における試験条件は、超音波発振出力の最大値：１．２ｋＷ、振動周波数：１９．５ｋＨｚ、振動振幅：５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、試験液温度：２５±０．５℃、試験時間：６時間とし、耐キャビテーション・エロージョン性は、エロージョン速度（単位時間あたりに減少する試験片重量）で評価した。

［実施例］
（実施例１）減圧プラズマ溶射法（ＶＰＳ）により０．５ｍｍのＣｏ基合金皮膜を基材へ成膜した。Ｃｏ基合金の組成は上記実施形態の組成とした。
（実施例２）高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）により０．５ｍｍのＣｏ基合金皮膜を基材へ成膜した。Ｃｏ基合金の組成は上記実施形態の組成とした。
（実施例３）大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）により０．５ｍｍのＣｏ基合金皮膜を基材へ成膜した。Ｃｏ基合金の組成は上記実施形態の組成とした。
［比較例］
（比較例１）基材へ皮膜を成膜しないものとした。
（比較例２）大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）により０．５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）皮膜を基材へ成膜した。
（比較例３）高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）により０．５ｍｍのＣｒＣ（クロムカーバイド）皮膜を基材へ成膜した。
（比較例４）高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）により０．５ｍｍのＷＣ（タングステンカーバイド）皮膜を基材へ成膜した。

試験結果の棒グラフを図３に示す。なお、各実施例、各比較例の数値は次のとおりである。
実施例１：０．０１ｍｇ／ｍｉｎ、実施例２：０．１０ｍｇ／ｍｉｎ、実施例３：０．２７ｍｇ／ｍｉｎ、比較例１：０．１４ｍｇ／ｍｉｎ、比較例２：０．５３ｍｇ／ｍｉｎ、比較例３：０．２６ｍｇ／ｍｉｎ、比較例４：０．２２ｍｇ／ｍｉｎ。
以上の試験結果から、実施例１及び実施例２は比較例１（基材）を含め比較例２、比較例３、比較例４よりも耐キャビテーション・エロージョン性に優れていることが認められる。このことから、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法でＣｏ基合金皮膜を成膜することで、船舶用プロペラに、優れた耐キャビテーション・エロージョン性が付与されていることがわかる。

（海洋生物に対する防汚性試験）
上記のニッケル・アルミニウム青銅鋳物（ＣＡＣ７０３）を基材として下記の試験片を作製し、海中へ２ヶ月間、浸漬して海洋生物に対する防汚性試験を行った。海洋生物に対する防汚性は、フジツボ（海洋生物）の付着数量で評価した。

［実施例］
（実施例１）高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）により０．５ｍｍのＣｏ基合金皮膜を基材へ成膜した。Ｃｏ基合金の組成は上記実施形態の組成とした。
［比較例］
（比較例１）大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）により０．５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）皮膜を基材へ成膜した。
（比較例２）高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）により０．５ｍｍのＣｒＣ（クロムカーバイド）皮膜を基材へ成膜した。
（比較例３）高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）により０．５ｍｍのＷＣ（タングステンカーバイド）皮膜を基材へ成膜した。

試験結果の棒グラフを図４に示す。棒グラフにおいて、フジツボの大きさの範囲群（ａ群・５ｍｍ以上〜８ｍｍ未満、ｂ群・８ｍｍ以上〜１１ｍｍ未満、ｃ群・１１ｍｍ以上）に分けて表した。なお、各実施例、各比較例の数値は次のとおりである。
実施例１：ａ群・８個、ｂ群・０個、ｃ群・０個、比較例１：ａ群・１８個、ｂ群・１４個、ｃ群・２個、比較例２：ａ群・１５個、ｂ群・６個、ｃ群・１個、比較例３：ａ群・１１個、ｂ群・２個、ｃ群・０個。
以上の試験結果から、実施例１は比較例１、比較例２、及び比較例３よりも海洋生物に対する防汚性に優れていることが認められる。また、実施例１では、ｂ群及びｃ群の個数が０個となっており、特に大型のフジツボの付着が防止されている。これは、試験片へ付着したフジツボが成長せず、早期に脱落していることによるものであると考えられる。このことから、高速フレーム溶射法でＣｏ基合金皮膜を成膜することで、船舶用プロペラへの大型のフジツボの付着が防止され、海洋生物の付着による船舶の速度及び燃料効率への影響が低減されていることがわかる。

本発明者はさらに、基材へ成膜されたＣｏ基合金皮膜へのフジツボの浸食状態を観察するため、同皮膜とフジツボとの界面部分における断面観察、その比較として成膜されていない基材とフジツボとの界面部分における断面観察を行った。試験片（皮膜有り）は、高速フレーム溶射法により０．５ｍｍのＣｏ基合金皮膜（Ｃｏ基合金の組成は上記実施形態の組成）が成膜された基材（ＣＡＣ７０３）を、海中へ浸漬して作製した。試験片（皮膜無し）は、基材を海中へ浸漬して作製した。なお、フジツボの浸食状態を観察することを目的とするため、海中への浸漬期間は、試験片（皮膜有り）へ付着したフジツボが大型に成長するまでの期間とした。断面観察は、走査型電子顕微鏡を用いて行った。試験片（皮膜無し）に関しては、フジツボの浸食度合いをより明確に判断するため、上記界面部分における成分分析を行った。

図５に、大型のフジツボ３０が付着した試験片Ｓ（皮膜有り）の表面写真を示す。図５のＡ線は、フジツボ３０が付着していない部分における断面観察箇所であり、図５のＢ線は、フジツボ３０が付着している部分における断面観察箇所である。図６は、図５のＡ線断面像であり、試験片Ｓの表層部分を示している。図７は、図５のＢ線断面像であり、試験片Ｓにフジツボ３０が付着している部分における、皮膜２１とフジツボ３０との界面Ｋ１部分を示している。図８は、試験片（皮膜無し）にフジツボ３０が付着している部分における、基材４０とフジツボ３０との界面Ｋ２部分での断面分析像を示している。

図７の断面像からわかるように、皮膜２１とフジツボ３０との界面Ｋ１が直線状となっており、同断面像には表れていない基材２０（図６の写真参照）はもとより、皮膜２１の損傷はなく、当該基材２０及び皮膜２１へのフジツボ３０の浸食は認められない。一方、図８の断面分析像からわかるように、基材４０とフジツボ３０との界面Ｋ２が崩れており、基材４０中へフジツボ３０を構成する成分３０ｓが浸入し、それと共にフジツボ３０中へ基材４０を構成する成分４０ｓが取り込まれている。

また、図５の試験片Ｓ（皮膜有り）に付着したフジツボ３０を高圧水で除去したところ、皮膜を壊すことはなかった。これに対し、試験片（皮膜無し）に付着したフジツボを高圧水で除去したところ、図９に示すように当該試験片の基材４０に損傷痕４０１が残った。

皮膜無しの試験片の場合、フジツボは、見かけ上、基材に単に付いた状態ではなく、基材に密着した固着状態となっていることが認められる。これらのことから、高速フレーム溶射法によりＣｏ基合金皮膜を成膜することで、船舶用プロペラからの海洋生物の剥離による当該船舶用プロペラの損傷を低減できることがわかる。

なお、上記で開示した実施形態、各実施例は例示であり、制限的なものではない。上記の実施形態では、プロペラ本体の全体へ成膜している例を示したが、船舶の大きさや翼部の形状により、プロペラ本体の局所的な部位へ成膜してもよい。また、キャビテーションの発生しやすい部位、海洋生物が付着しやすい部位に応じて成膜する厚みを変更してもよい。この場合、成膜するコストを抑えることができる。なお、本発明の範囲は、上記した実施形態や実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内の全ての変更が含まれる。

本発明は、船体に推進力を発生させる船舶用プロペラに適用される。

１船舶用プロペラ
２表層
３シャフト
４翼部
５外表面
６保護皮膜
１０超音波振動式キャビテーション壊食試験装置
２０基材
２１溶射皮膜
３０フジツボ（海洋生物）

Claims

船体を推進させる推進力を発生させるためのプロペラ本体の外表面に保護皮膜が形成された船舶用プロペラにおいて、
前記保護皮膜は、Ｎｉ：３重量％以下、Ｃｒ：２５〜３５重量％、Ｗ：４〜２０重量％、Ｆｅ：３重量％以下、Ｃ：４重量％以下を含有し、残部：Ｃｏ及び不可避的不純物よりなる組成を有するＣｏ基合金で形成されていることを特徴とする船舶用プロペラ。
前記保護皮膜は、高速フレーム溶射法又は減圧プラズマ溶射法により形成したものである請求項１に記載の船舶用プロペラ。
前記保護皮膜の厚みが、０．１〜１．０ｍｍである請求項１又は２に記載の船舶用プロペラ。
前記保護皮膜の表面の硬さが、ビッカース硬度で２００以上である請求項１〜３のいずれかに記載の船舶用プロペラ。