JP2013086120A - 肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器 - Google Patents

Abstract

【課題】肉盛溶接時の予熱温度を低くすることができ、好適な硬度となる肉盛溶接体、およびこの肉盛溶接体を利用した海水用機器を提供することを課題とする。
【解決手段】肉盛金属３ａに、当該肉盛金属３ａと略等しい比重で粒径が１０μｍ以下の炭化金属粒子３ｂが均一に分散して含有される肉盛材料３を、レーザクラッド溶接で母材１に肉盛り溶接して形成される肉盛溶接体２とする。そして、母材１に肉盛り溶接された肉盛金属３ａに炭化金属粒子３ｂが均一に分散して含有され、ビッカース硬度が６００以上であることを特徴とする。また、この肉盛溶接体２が肉盛り溶接された母材１で形成される構成部品を使用する海水ポンプとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材の表面に肉盛り溶接された肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器に関する。

中東地域など海水温度の高い地域で使用される海水用機器には、塩分濃度が高濃度（１０〜２０％程度）で高温（８０℃程度）の海水環境中で使用されるものがある。
例えば海水ポンプ（インジェクションポンプ）は、海水に含まれる土砂を海水とともに内部に吸い込むため、海水ポンプの本体を構成する鋼材は、塩分による腐食に対する耐性（耐腐食性）に加えて、海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐性（耐磨耗性）が要求される。そして、鋼材を保護するとともにこれらの耐性を得るために、鋼材の表面に肉盛溶接体（肉盛体）を肉盛り溶接することが広く実施されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２５６６６１５号公報

前記したように海水ポンプには、海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐磨耗性が要求されるため、海水ポンプを構成する鋼材に肉盛り溶接される肉盛溶接体には、従来実績からビッカース硬度（以下、Ｈｖ）６００以上が要求される。
一方で、硬度の高い肉盛溶接体を鋼材に肉盛り溶接する場合、鋼材に対して高温の予熱が必要になる。例えば、海水ポンプを構成する鋼材に二相ステンレス鋼などのステンレス鋼が用いられることがあるが、この場合、Ｈｖ６００程度の肉盛溶接体を肉盛り溶接する肉盛溶接時の予熱でステンレス鋼が脆化して脆くなるという課題がある。

鋼材に肉盛材料を肉盛り溶接する方法として、「溶射法」や「プラズマ粉体肉盛法（ＰＴＡ法）」などが知られている。
溶射法は、Ｈｖ１０００程度の高硬度皮膜を容易に形成できるが、鋼材と皮膜（肉盛体）の結合が機械的結合であるため結合力が弱く、鋼材と皮膜の剥離が発生する可能性がある。また、皮膜内に微小の気孔が多数形成されるため、厳しい腐食環境下での使用が懸念されるという課題がある。

ＰＴＡ法は、鋼材と皮膜（肉盛体）の結合が冶金的結合であるため結合力が強く、鋼材と皮膜に剥離は発生しない。しかしながら高硬度の皮膜を形成するためには高温の予熱が必要となり、鋼材の性質によっては脆化が発生する。したがって、鋼材によっては適用できないという課題がある。

特許文献１には、Ｎｉ−Ｃｒ系合金にＮｂＣ（ニオブカーバイト）が分散含有される肉盛材料をＰＴＡ法で鋼材に肉盛り溶接する技術が開示されているが、第３図に示されるように、ＮｂＣの含有比率が９０％のときにＨｖ５００程度であってＨｖ６００を実現するには至っていない。
また、特許文献１ではＰＴＡ法によって肉盛り溶接しているが、鋼材が溶け出すほどの高温で予熱して肉盛り溶接するため肉盛施工後の肉盛材料に溶け出したＦｅが含有され、好適な強度を得られない。そのため多層肉盛り溶接して鋼材から離れた肉盛部材のＦｅ含有量を低減させることで好適な強度としている。

このように特許文献１に開示される技術は、海水ポンプに必要な硬度（Ｈｖ６００）を実現できない点、ＰＴＡ法による肉盛のため肉盛溶接時の予熱が高温になる点、が、例えば高温の海水を扱う海水ポンプにおいては課題となる。

そこで本発明は、肉盛溶接時の予熱温度を低くすることができ、好適な硬度となる肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、肉盛金属に、当該肉盛金属と略等しい比重で粒径が１０μｍ以下の炭化金属粒子が均一に分布して含有される肉盛材料が、レーザクラッド溶接で母材に肉盛り溶接され、ビッカース硬度が６００以上である肉盛溶接体とする。
また、この肉盛溶接体が肉盛り溶接された鋼材で形成される構成部品を使用した海水用機器とする。

本発明によると、肉盛溶接時の予熱温度を低くすることができ、好適な硬度となる肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器を提供できる。

（ａ）は母材に肉盛溶接体が肉盛り溶接された状態を示す金属顕微鏡写真、（ｂ）は肉盛材料を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は肉盛溶接体に物体が衝突する状態を模式的に示す図である。 肉盛溶接体の電子顕微鏡写真である。 （ａ）は試験装置で肉盛溶接体の磨耗試験をする状態を示す模式図、（ｂ）は肉盛溶接体と母材の磨耗速度とビッカース硬度を示すグラフである。 海水ポンプの要部断面図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る肉盛溶接体２（肉盛体）は、図１の（ｂ）に示す肉盛材料３が母材１（鋼材）に１ｍｍ程度の厚みで、レーザクラッド溶接法で肉盛り溶接されて形成される。
本実施形態において肉盛溶接体２が肉盛り溶接される母材１は、例えば、図５に示す海水ポンプ２００の構成部品を形成する鋼材であり、その素材は、例えば、二相ステンレス鋼などのステンレス鋼である。

図１の（ｂ）に示すように、本実施形態に係る肉盛材料３は、粒度２０〜６０μｍの粉粒体であることが好ましく、その粒子の１粒は、基材となる肉盛金属３ａ（本実施形態では、Ｎｉ−Ｃｒ合金）内に炭化金属粒子３ｂ（本実施形態では、ＮｂＣ粒子）が均一に分散含有されていることが好ましい。
また、肉盛溶接体２でＮｉ−Ｃｒ合金（肉盛金属３ａ）に分散含有されるＮｂＣ粒子（炭化金属粒子３ｂ）の大きさ（粒径）が小さいことが好ましい。
例えば、肉盛材料３の時点でＮｂＣ粒子の粒径が１０μｍ以下であることが好ましい。

肉盛金属３ａであるＮｉ−Ｃｒ合金はＮｂＣと比重がほぼ等しく、Ｎｉ−Ｃｒ合金の粉末とＮｂＣの粉末を適宜混合することによって、ＮｂＣの粉末をＮｉ−Ｃｒ合金の粉末内に均一に分散させることができる。そして、Ｎｉ−Ｃｒ合金の粉末にＮｂＣの粉末が均一に混合された状態のものを焼結させる造粒焼結法等によって、Ｎｉ−Ｃｒ合金に均一にＮｂＣ粒子が分散して含有される粉粒体からなる肉盛材料３を形成できる。

このように形成される、粉粒体の肉盛材料３をレーザクラッド溶接で母材１（図１の（ａ）参照）に肉盛り溶接すると、Ｎｉ−Ｃｒ合金にＮｂＣ粒子が均一に分散して含有される肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）となる。
Ｎｉ−Ｃｒ合金はＨｖ２００程度であるがＮｂＣ粒子はＨｖ２０００程度と硬度が高く、硬度の低いＮｉ−Ｃｒ合金に硬度の高いＮｂＣ粒子が均一に分散含有されることによって、好適な硬度の肉盛溶接体２とすることができる。
例えば、Ｎｉ−Ｃｒ合金に対するＮｂＣ粒子の含有比率（重量比率）を適宜設定することによって、Ｈｖ６００の肉盛溶接体２とすることができる。この含有比率は実験等によって容易に設定できる。以下、ＮｂＣ粒子の含有比率は重量比率とする。

また、Ｎｉ−Ｃｒ合金はＮｂＣ粒子に比べて柔軟な素材であり、ＮｂＣ粒子がＮｉ−Ｃｒ合金を介して結合される状態の肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）は柔軟に形成される。この柔軟性によって肉盛溶接体２における割れの発生が抑制される。

例えば、肉盛溶接体２におけるＮｂＣ粒子が小さいほどＮｂＣ粒子の分散度は大きくなる。このことは、ＮｂＣ粒子が小さいほど硬度の高いＮｂＣ粒子が肉盛溶接体２内で広く均一に分散され、肉盛溶接体２の硬度が均一になることを示す。

Ｎｉ−Ｃｒ合金とＮｂＣは比重がほぼ等しいため、例えば、ＮｂＣ粒子の含有比率が重量比率で５０％の場合、肉盛溶接体２におけるＮｂＣ粒子の体積比率も約５０％となる。
市販される粉末状のＮｂＣは粒度が１００μｍ程度であり、このＮｂＣの粉末が５０％の含有比率で均一に分散して含有される肉盛溶接体２は、模式的に粒径が１００μｍのＮｂＣ粒子（炭化金属粒子３ｂ）がＬ１の間隔でＮｉ−Ｃｒ合金（肉盛金属３ａ）中に分散配置される構造となる（図２の（ａ）参照）。
これに対し、例えばＮｂＣ粒子の粒径が計５０μｍ程度で含有比率が５０％の場合、肉盛溶接体２は、模式的に粒径が５０μｍのＮｂＣ粒子（炭化金属粒子３ｂ）がＬ１より小さいＬ２の間隔でＮｉ−Ｃｒ合金（肉盛金属３ａ）中に分散配置される構造となる（図２の（ｂ）参照）。

肉盛溶接体２に土砂などの物体４が接触したとき、肉盛溶接体２で損傷するのは主に硬度の低いＮｉ−Ｃｒ合金であるため、ＮｂＣ粒子の間隔（Ｌ１）が広い肉盛溶接体２（図２の（ａ）参照）は、ＮｂＣ粒子の間隔（Ｌ２）が狭い肉盛溶接体２（図２の（ｂ）参照）よりも損傷が大きくなる。つまり、硬度が低くなる。
換言すると、Ｎｉ−Ｃｒ合金にＮｂＣ粒子が均一に分散含有される肉盛溶接体２では、ＮｂＣ粒子の粒径を小さくして分散度を大きくしたほうが平均硬度が高くなる。

また、肉盛溶接体２におけるＮｂＣ粒子の含有比率が高くなるほど肉盛溶接体２の硬度は高くなるが、肉盛溶接体２におけるＮｉ−Ｃｒ合金の含有量が少なくなる。つまり、柔軟なＮｉ−Ｃｒ合金の含有量が少なくなって肉盛溶接体２の柔軟性が低くなる。そして、割れの発生しやすい肉盛溶接体２となる。

したがって、肉盛溶接体２におけるＮｂＣ粒子の粒径および含有比率を適宜設定することにより、割れが発生しにくく、かつ、硬度がＨｖ６００以上の肉盛溶接体２とすることができる。

本実施形態においては、実験計測等によってＮｂＣ粒子の粒径とＮｂＣ粒子の含有比率を決定した。そして肉盛材料３におけるＮｂＣ粒子の粒径を１０μｍ以下、ＮｂＣ粒子の含有比率を重量比率で５０％以上とすることで、母材１に肉盛した肉盛溶接体２の硬度がＨｖ６００以上になることが確認できた。
このように肉盛材料３におけるＮｂＣ粒子の粒径を１０μｍ以下にすることによって、レーザクラッド溶接法による肉盛溶接時にＮｂＣ粒子が溶融してＮｂＣ粒子同士が結合しても、肉盛溶接体２におけるＮｂＣ粒子の粒径が９０μｍ以下に抑えられ、好適な硬度の肉盛溶接体２になることが確認できた。

なお、肉盛材料３に含まれるＮｂＣ粒子は、肉盛材料３の製造過程において粒径が１μｍ程度まで細かくなるが、本実施形態においては、レーザクラッド溶接法で結合するＮｂＣ粒子の粒径を９０μｍ以下に抑えるために、肉盛材料３に含まれるＮｂＣ粒子の粒径の上限を１０μｍとする。したがって、本実施形態において、肉盛材料３に含まれるＮｂＣ粒子の粒径は１μｍ以上１０μｍ以下となる。

そして、本実施形態においては、粒径が１０μｍ以下のＮｂＣ粒子が、Ｎｉ−Ｃｒ合金に５０％の含有比率で均一に分散含有する粉粒体の肉盛材料３（図１の（ｂ）参照）を、レーザクラッド溶接法によって母材１に肉盛り溶接して肉盛溶接体２を形成した。さらに、肉盛材料３の粉粒体の粒度を２０〜６０μｍとした。

ＰＴＡ法では肉盛材料３の粒度が６０〜２００μｍ程度必要であり、肉盛材料３の粒度が２０〜６０μｍの場合、ＰＴＡ法では肉盛材料３が溶接装置に付着してしまい、肉盛り溶接することは困難である。

そこで、本実施形態では、粒度が２０〜６０μｍの粉粒体である肉盛材料３（図１の（ｂ）参照）をレーザクラッド溶接法によって母材１（図１の（ａ）参照）に肉盛り溶接した。
レーザクラッド溶接法は１００℃程度の予熱で肉盛り溶接することができ、母材１が二相ステンレス鋼などのステンレス鋼であっても脆化を抑制できる。またレーザクラッド溶接法は、粉粒体である肉盛材料３の粒度を限定することなく肉盛り溶接できるため、粒度が２０〜６０μｍの肉盛材料３であっても肉盛り溶接できる。
さらに、レーザクラッド溶接法で肉盛り溶接された肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）は母材１と冶金的結合するため結合が強力で、肉盛溶接体２が母材１から剥離することがない。

そして、レーザクラッド溶接法で成形された肉盛溶接体２は、図３に示すように、ＮｂＣ粒子（炭化金属粒子３ｂ）がＮｉ−Ｃｒ合金（肉盛金属３ａ）に均一に分散して含有されることが確認された。

このように形成された肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）のビッカース硬度と、図４の（ａ）に示す試験装置１００による磨耗速度の測定結果を図４の（ｂ）に示す。

図４の（ａ）に模式図を示す試験装置１００は、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials）規格Ｇ６５に準拠する磨耗試験を行うための試験装置である。
試験装置１００は、所定の回転速度で回転するラバーホイール１０１と、試験片１０２に肉盛り溶接された肉盛溶接体２と、の接触面に土砂１０３を供給し、試験片１０２（肉盛溶接体２）を所定の荷重でラバーホイール１０１に押し付けたときに、肉盛溶接体２が磨耗する速度（磨耗速度）を測定する。

図４の（ｂ）はＮｂＣ粒子の含有比率が異なる３種類の肉盛溶接体２（試験体Ａ：白丸、試験体Ｂ：白四角、試験体Ｃ：白三角）のビッカース硬度と、磨耗速度の計測結果を示し、さらに、比較例として母材（黒丸）のビッカース硬度と、磨耗速度の計測結果を示したものである。試験体Ａ〜Ｃは下記のようにＮｂＣ粒子の含有比率が異なっている。また、母材は二相ステンレス鋼である。
・試験体Ａ（白丸）：ＮｂＣ粒子の含有比率が３０％
・試験体Ｂ（白四角）：ＮｂＣ粒子の含有比率が５０％
・試験体Ｃ（白三角）：ＮｂＣ粒子の含有比率が７０％
・母材（黒丸）：二相ステンレス鋼

図４の（ｂ）に示すように、ＮｂＣ粒子の含有比率が３０％の試験体Ａ（白丸）は、硬度が約Ｈｖ４５０であり、磨耗速度が約１５０ｍｍ^３／ｈである。つまり、ＮｂＣ粒子の含有比率が３０％の場合、硬度が目標値（Ｈｖ６００）に不足し、磨耗しやすいことがわかる。
また、ＮｂＣ粒子の含有比率が５０％の試験体Ｂ（白四角）は、硬度が約Ｈｖ５８０であり、磨耗速度が約４０ｍｍ^３／ｈである。つまり、ＮｂＣ粒子の含有比率が５０％の場合、硬度が目標値（Ｈｖ６００）に略等しく、試験体Ａに比べて磨耗しにくくなっていることがわかる。
また、ＮｂＣ粒子の含有比率が７０％の試験体Ｃ（白三角）は、硬度が約Ｈｖ７００であり、磨耗速度が約５０ｍｍ^３／ｈである。つまり、ＮｂＣ粒子の含有比率が７０％の場合、硬度が目標値（Ｈｖ６００）より大きく、磨耗速度は試験体Ｂとほぼ等しくなっていることがわかる。

因みに、母材（黒丸）は硬度が約Ｈｖ２３０であり、磨耗速度が約７６０ｍｍ^３／ｈであって磨耗しやすいことがわかる。したがって、ＮｂＣ粒子の含有比率が５０〜７０％の肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）を肉盛り溶接することで硬度がＨｖ６００以上に高まって、磨耗しにくくすることができる。

なお、ＮｂＣ粒子の含有比率が５０％の試験体Ｂはビッカース硬度（計測値）が目標値であるＨｖ６００を下回っているがこれは誤差範囲と考え、本実施形態において、ＮｂＣ粒子の含有比率が５０％の試験体Ｂは、Ｈｖ６００以上を達成できているとする。
また、ＮｂＣ粒子の含有比率が７０％以上になると、前記したように柔軟なＮｉ−Ｃｒ合金の含有量が少なくなって肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）が脆くなり、割れが発生しやすくなるため、ＮｂＣ粒子の含有比率は７０％以下が好適であるとした。

このように、本実施形態に係る肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）は、Ｎｉ−Ｃｒ合金（肉盛金属３ａ（図１の（ｂ）参照））に、ＮｂＣ粒子（炭化金属粒子３ｂ（図１の（ｂ）参照））が均一に分散するように含有され、さらに、ＮｂＣ粒子の含有比率（重量比率）を５０％以上（より好ましくは、５０〜７０％）とした。
さらに、Ｎｉ−Ｃｒ合金に、粒径が１０μｍ以下のＮｂＣ粒子が均一に分散含有される粉粒体の肉盛材料３（図１の（ｂ）参照）をレーザクラッド溶接法によって母材１（図１の（ａ）参照）に肉盛り溶接して肉盛溶接体２を形成した。

この構成によって、Ｈｖ６００以上の肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）で母材１（図１の（ａ）参照）を保護することができ、耐摩耗性に優れた母材１とすることができる。また、レーザクラッド溶接法で肉盛り溶接することによって、予熱温度を低くすること（１００℃程度）ができ、母材１の脆化を抑制できる。
また、Ｎｉ−Ｃｒ合金およびＮｂＣはともに海水による腐食に対して耐性があり、肉盛溶接体２が肉盛り溶接された母材１も海水による腐食に対して耐性を有する。したがって、肉盛溶接体２が肉盛り溶接された母材１は、海水による腐食や海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐性（耐腐食性、耐磨耗性）を備える。

このような肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）が肉盛り溶接される母材１（図１の（ａ）参照）は、海水による腐食や海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐性を備えることから、海水用機器の構成部品を成形する鋼材（例えば、二相ステンレス鋼）として利用すると効果的である。
海水用機器には海水ポンプや海水ろ過装置などがあるが、特に海水ポンプには、インペラなど、海水に含まれる土砂等と激しく接触する構成部品が多いことから、前記したように、海水ポンプの構成部品を成形する鋼材には、従来の実績値としてＨｖ６００以上の硬度が要求される。そこで、肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）が肉盛り溶接される母材１（図１の（ａ）参照）を、海水ポンプを構成する構成部品を成形する鋼材として利用すると効果的である。
海水ポンプ２００の構造は限定するものではないが、例えば、図５に要部を示すような遠心ポンプがある。

海水ポンプ２００（遠心ポンプ）は、ケーシング２０１の内部に、駆動軸２０５に、ハブ２０４を介して取り付けられて回転駆動するインペラ２０２が備わり、図示しない取水口から取り込まれた海水は、回転するインペラ２０２から吐出された後に複数の案内羽根２０３によって整流されるように構成される。
案内羽根２０３は、インペラ２０２から吐出される海水の流路の中心側を形成するリターンステージ２０６と、ケーシング２０１の内壁と、の間に形成され、リターンステージ２０６は駆動軸２０５の軸受部材としても機能する。

このような海水ポンプ２００は、取水口（図示せず）から取り込まれた海水に含まれる土砂等がインペラ２０２に接触する場合がある。また、ケーシング２０１の内壁や案内羽根２０３には、インペラ２０２から吐出する海水に含まれる土砂等が接触する場合がある。
したがって、インペラ２０２、ケーシング２０１、案内羽根２０３、ハブ２０４、リターンステージ２０６などの構成部品は土砂によって磨耗しやすい部位となる。そこで、インペラ２０２、ケーシング２０１、案内羽根２０３、ハブ２０４、リターンステージ２０６等の構成部品を成形するステンレス鋼（二相ステンレス鋼等）を母材として、前記した肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）を肉盛り溶接し、土砂に対する耐性（耐磨耗性）を向上することが効果的である。

また、ハブ２０４と駆動軸２０５の摺動部を母材として、前記した肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）を肉盛り溶接し、摺動による磨耗に対する耐摩耗性を向上することも有効である。もちろん、前記した以外の構成部品を成形するステンレス鋼に肉盛溶接体２を肉盛り溶接してもよいことはいうまでもない。

また、海水ポンプ２００とは別の海水用機器に、肉盛溶接体２（図１の（ａ）参照）を肉盛り溶接した鋼材を利用してもよいし、海水用機器に限定されず、肉盛溶接体２を肉盛り溶接した鋼材を淡水用機器に利用してもよい。
その他、耐腐食性、耐摩耗性が要求される機器に、本実施形態に係る肉盛溶接体２は広く適用できる。

１ 母材
２ 肉盛溶接体
３ 肉盛材料
３ａ 肉盛金属
３ｂ 炭化金属粒子
２００ 海水ポンプ（海水用機器）
２０１ ケーシング（構成部品）
２０２ インペラ（構成部品）
２０３ 案内羽根（構成部品）
２０４ ハブ（構成部品）
２０６ リターンステージ（構成部品）

Claims (7)

1. 肉盛金属に、当該肉盛金属と略等しい比重で粒径が１０μｍ以下の炭化金属粒子が均一に分布して含有される肉盛材料が、レーザクラッド溶接で母材に肉盛り溶接され、ビッカース硬度が６００以上であることを特徴とする肉盛溶接体。
2. 前記炭化金属粒子の含有比率が、重量比率で５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の肉盛溶接体。
3. 前記炭化金属粒子の含有比率が、重量比率で７０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の肉盛溶接体。
4. 前記肉盛金属がＮｉ−Ｃｒ合金で、前記炭化金属粒子がＮｂＣ粒子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の肉盛溶接体。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の肉盛溶接体が肉盛り溶接された前記母材で成形される構成部品が使用されていることを特徴とする海水用機器。
6. 前記母材がステンレス鋼であることを特徴とする請求項５に記載の海水用機器。
7. 前記ステンレス鋼が二相ステンレス鋼であることを特徴とする請求項６に記載の海水用機器。