JP2015066523A - 流体機械用部材の製造方法、及び、流体機械用部材 - Google Patents

流体機械用部材の製造方法、及び、流体機械用部材 Download PDF

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Abstract

【課題】コストを抑えつつ、流体機械の運転効率を向上することが可能な流体機械用部材の製造方法、及び、流体機械用部材を提供する。【解決手段】流通する流体が表面に接触する流体機械用部材の製造方法であって、基材の表面にガラス系材料を塗布する塗布工程Ｓ４と、塗布工程Ｓ４の後に、ガラス系材料を加熱溶融させながら該ガラス系材料の一部を除去する平滑化工程Ｓ５と、平滑化工程Ｓ５の後に、加熱溶融したガラス系材料を凝固させる凝固工程Ｓ６とを備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、流体が表面に接触する流体機械用部材を製造する流体機械用部材の製造方法、及び、流体機械用部材に関する。
例えば蒸気タービンのブレードや、遠心圧縮機（遠心ポンプ）におけるインペラ等の流体機械用部材には、気体や液体の作動流体が接触するが、接触抵抗が大きくなったり、作動流体中の微小な粒子が部材に付着したりすることで、装置の運転効率が低下してしまうという問題がある。
このような問題を鑑みて、例えば流体機械用部材の基材表面に研磨加工を施すことで部材の表面粗さを低減したり、表面平滑化皮膜によって微小な粒子の部材への付着防止を図ったりしている。特許文献１には、表面平滑化皮膜として、基材の表面に表面粗さの最大高さＲｙが１．０μｍを超えないセラミック層や炭素層を設けたものが記載されている。
特開２００７−１６２６１３号公報
しかしながら、部材の表面粗さを低減のために研磨加工を施すことでコストアップは避けられず、また、部材の製造に要する期間も長くなってしまう。さらに、特許文献１に記載されているような表面平滑化皮膜を形成する場合、皮膜形成の前段階で、基材表面にバフ研磨を施して、表面粗さの最大高さＲｙを０．１〜１．０μｍとして仕上げる必要があるため、同様にコストアップや製造期間が長くなってしまうという問題がある。
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、コストを抑えつつ、流体機械の運転効率を向上することが可能な流体機械用部材の製造方法、及び、流体機械用部材を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る流体機械用部材の製造方法は、流通する流体が表面に接触する流体機械用部材の製造方法であって、前記基材の表面にガラス系材料を塗布する塗布工程と、前記塗布工程の後に、前記ガラス系材料を加熱溶融させながら該ガラス系材料の一部を除去する平滑化工程と、前記平滑化工程の後に、加熱溶融した前記ガラス系材料を凝固させる凝固工程と、を備えることを特徴とする。
このような流体機械用部材の製造方法によれば、基材に対して塗布工程でガラス系材料を塗布した後に、平滑化工程でガラス系材料の一部が除去される。よって、ガラス系材料が塗布された後の基材表面は平滑となる。従って、仮に基材の表面の表面粗さが大きくなっていたとしても、塗布工程を実行する前の基材の表面に対し、研磨等によって表面粗さを低減するような工程が不要としながら、流体機械用部材の表面の平滑化を達成することができる。この結果、流体と流体機械用部材との接触抵抗を低減でき、流体機械用部材への付着物の量を低減できる。
また、前記塗布工程の前に、前記基材の表面に荒加工を施す荒加工工程をさらに備えていてもよい。
このような荒加工工程を施すことで、基材表面の表面粗さをある程度低減し、表面粗さの最大高さＲｙを抑えた状態で塗布工程を実行することになる。基材表面の最大高さＲｙとなる位置が、塗布されるガラス系材料の最低の厚さ寸法となるため、基材表面の表面粗さを低減した状態でガラス系材料を塗布することで、ガラス系材料の厚さ寸法を低減できる。よって、塗布工程に要する時間、及び、ガラス系材料の材料費を低減できるためコストダウンにつながる。
さらに、前記塗布工程の前に、前記基材の表面にニッケルめっき加工処理を施すニッケルめっき工程をさらに備えていてもよい。
このようなニッケルめっき工程によってニッケルめっきの層を基材表面に形成することがで、塗布工程を実行する前に基材表面の酸化を防止することができる。従って、塗布工程で塗布されるガラス系材料の基材への密着性を向上させることができる。
また、前記塗布工程の前に、前記基材の表面に窒化処理を施して該表面を硬化させる窒化工程をさらに備えていてもよい。
このような窒化工程によって基材表面に緻密な窒化物層が形成されるため、塗布工程で塗布されるガラス系材料の基材への密着性を向上させることができる。
さらに、前記平滑化工程では、前記基材を回転させて前記ガラス系材料の一部を除去してもよい。
このように基材を回転させることで、溶融したガラス系材料を遠心力によって飛散させるようにして除去することができ、表面が平滑なガラス系材料の層を容易に得ることができる。
また、本発明に係る流体機械用部材は、表面側に流体が流通する基材と、前記基材の表面に塗布されて、ガラス系材料よりなる該基材の表面の反対側に位置する表面が平滑なガラスコーティング層と、を備えることを特徴とする。
このような流体機械用部材によれば、基材におけるガラス系材料とが接触する面の表面粗さが大きくても、ガラスコーティング層の表面は平滑である。このため、基材の表面の表面粗さが小さくなくともガラスコーティング層によって、流体と流体機械用部材との接触抵抗を低減でき、流体機械用部材への付着物の量を低減できる。
さらに、前記基材と前記ガラスコーティング層との間にニッケルめっき層をさらに備えていてもよい。
このようなニッケルめっき層によって、基材とガラスコーティング層との間での密着性を向上することができる。
さらに、前記基材と前記ガラスコーティング層との間に窒化物層をさらに備えていてもよい。
このような窒化物層によって、基材とガラスコーティング層との間での密着性を向上することができる。
本発明の流体機械用部材の製造方法、及び、流体機械用部材によれば、ガラス系材料を基材に塗布して表面を平滑にすることで、基材のコストを抑えつつ、流体機械の運転効率を向上することが可能である。
本発明の第一実施形態に係る製造方法によって製造される流体機械用部材を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る製造方法の手順を示すフロー図である。 本発明の第一実施形態に係る製造方法によって製造される流体機械用部材を拡大して示す断面図であって、（ａ）は平滑化工程実行前の状態を示し、（ｂ）は平滑化工程実行後の状態を示す。 本発明の第二実施形態に係る製造方法によって製造される流体機械用部材を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る製造方法の手順を示すフロー図である。
〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係る流体機械用部材１（以下、単に部材１とする）の製造方法について説明する。
まず、本実施形態の製造方法で製造される部材１について説明する。部材１は、蒸気タービン、圧縮機、ポンプなどに用いられるものであって、これらの機器における気体や液体の作動流体Ｗが表面に接触する。
図１に示すように、部材１は、鋼材（例えばステンレスや炭素鋼）等の金属材料よりなる基材２と、基材２上に積層されたニッケルめっき層３と、ニッケルめっき層３上に積層されたガラスコーティング層４とを備えている。
基材２は、ニッケルめっき層３が積層された側の表面の表面粗さの最大高さＲｙが２０〜５０μｍとなっている。
ニッケルめっき層３は、例えばＮｉ−Ｂめっきや、Ｎｉ−Ｐめっきの皮膜層である。
ガラスコーティング層４は、ガラス系材料よりなる層である。このガラス系材料は、例えば琺瑯加工で用いられるような一般的なガラス材であってよい。具体的には、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）及びＢ２Ｏ３（酸化ホウ素）を主成分とするガラスのフリットと、Ａｌ２Ｏ３等の補強材と、融点を下げるためのアルカリ系材料（媒熔剤：Ｌｉ２Ｏ（酸化リチウム）、Ｎａ２Ｏ（酸化ナトリウム）、Ｋ２Ｏ（酸化カリウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＣａＯ（酸化カルシウム）、ＢａＯ（酸化バリウム）等）と、発色薬品（必須ではない）と、水とを混合したものである。
次に、図２を参照して、部材１を製造する製造方法の手順について説明する。
部材１の製造方法は、基材２の表面に荒加工を施す荒加工工程Ｓ１と、荒加工した基材２の表面に対して前処理を行う脱脂工程Ｓ２１、水洗工程Ｓ２２、及び酸洗工程Ｓ２３を有する前処理工程Ｓ２と、前処理後の基材２の表面にニッケルめっき加工処理を施すニッケルめっき工程Ｓ３とを備えている。
さらに、部材１の製造方法は、ニッケルめっき加工処理後の基材２の表面にガラス系材料を塗布する塗布工程Ｓ４と、塗布されたガラス系材料の一部を除去する平滑化工程Ｓ５と、塗布されたガラス系材料を凝固させる凝固工程Ｓ６とを備えている。
まず、荒加工工程Ｓ１を実行する。即ち、基材２の表面に対してエンドミル等による切削加工を行い、基材２の表面の表面粗さを低減する。荒加工工程Ｓ１によって基材２の表面は、表面粗さの最大高さＲｙを２０〜５０μｍとされる。
次に、荒加工後の基材２の表面に対して前処理工程Ｓ２として、油分を取り除く脱脂工程Ｓ２１を実行し、その後、水で洗浄する水洗工程Ｓ２２、塩酸や硫酸等の酸液によって洗浄して基材２表面を活性化する酸洗工程Ｓ２３、水洗工程Ｓ２２をこの順に実行する。
その後、ニッケルめっき工程Ｓ３を実行する。即ち、上記のように前処理を行った基材２の表面に対してニッケルめっき層３を形成する。ニッケルめっき工程Ｓ３では、電気めっきや無電解ニッケルめっき等が適用される。
ここで、無電解ニッケルめっきは、被めっき部材の表面をめっき液に浸漬させることで、通電を行うことなくニッケルめっき皮膜を被めっき部材の表面に形成するめっき手法であり、インペラの流路内面等の複雑形状を有する部位へ、均一に皮膜を形成することが可能である。
そして、無電解ニッケルめっきとしては、Ｎｉ−Ｂめっきや、Ｎｉ−Ｐめっき等が例示される。なお、後述する平滑化工程Ｓ５でのガラス系材料の温度に対する耐熱性の観点から、Ｎｉ−Ｂめっきを適用することが好ましい。
次に、塗布工程Ｓ４を実行する。即ち、ニッケルめっき層３が形成された基材２の表面に対してガラス系材料を塗布する。このガラス系材料には、上述したような一般的なガラス材を水溶性スラリー、又は、溶融ガラスとしたものが用いられる。水溶性スラリーの粘度は、１０−２〜１〔Ｐａ・ｓ〕、溶融ガラスの粘度は、１〜１０２〔Ｐａ・ｓ〕となっている。
また、ガラス系材料を塗布する方法としては、水溶性スラリー又は溶融ガラスを貯留した容器内に基材２を浸漬した後に、基材２を引き上げる浸漬コーティング法が用いられる。
または、水溶性スラリー又は溶融ガラスから水分を除き、粉末状態としたものを容器内で加温して溶融させ、容器内のガラス系材料と同等の温度に加温した状態で基材２を浸漬した後に、基材２を引き上げる浸漬コーティング法が用いられる。
または、水溶性スラリーをスプレーによって基材２の表面に噴きつけるスプレーコーティングが用いられる。
その後、平滑化工程Ｓ５を実行する。即ち、ガラス系材料を加熱溶融させながらガラス系材料の一部を除去する。具体的には、ガラス系材料の温度を７５０〜８５０℃とした状態で、ガラス系材料が塗布された基材２を回転させるスピンコートを実行し、遠心力によってガラス系材料の一部を除去して表面が平滑なガラス系材料の層を形成する。スピンコートで基材２を回転させる回転速度は、ガラス系材料の層の膜厚の均一性がある程度保たれる値より大きく、かつ、膜厚が薄くなりすぎないような値より小さくなっていることが好ましい。具体的には、６０〜３００ｒｐｍの回転数で実施され、より好ましくは１００〜２００ｒｐｍの回転数で実施される。
そして、凝固工程Ｓ６を実行する。即ち、溶融したガラス系材料を凝固させてガラスコーティング層４を基材２の表面上に形成する。ガラスコーティング層４の厚さは、荒加工工程Ｓ１実行後の基材２の表面の表面粗さの影響を受けないような値より大きく、かつ、ガラスコーティング層４の密着性を確保できる値より小さくなっていることが好ましい。具体的には、ガラスコーティングの厚さは、０．０５〜１ｍｍであるとよく、０．１〜０．５ｍｍであることがさらに好ましい。
また、ガラスコーティング層４を形成した後、ガラスコーティング層４の表面の表面粗さは、平滑化工程Ｓ５での作業工数が多くなりすぎない値より大きく、かつ、ガラスコーティング層４への流体Ｗの接触抵抗が大きくなりすぎない値よりも小さくなっていることが好ましい。具体的には、表面粗さＲａ＝０．０１〜０．１μｍであるとよく、０．０３〜０．０５μｍであることがさらに好ましい。
このような部材１の製造方法によれば、基材２に対して塗布工程Ｓ４でガラス系材料を塗布した後に、平滑化工程Ｓ５でガラス系材料の一部が除去される。即ち、図３（ａ）に示す状態から、矢印に示すようにガラス系材料が流動しつつ吹き飛ばされ、図３（ｂ）に示す状態となって、ガラスコーティング層４における基材２の表面の反対側に位置する表面は平滑となる。
よって、仮に基材２の表面の表面粗さが大きくなっていたとしても、塗布工程Ｓ４を実行する前の基材２の表面に対して研磨等によって表面粗さを低減するような工程を不要としながら、部材１の表面の平滑化を達成することができる。この結果、流体Ｗと部材１との接触抵抗を低減でき、部材１への付着物の量を低減できる。
また、塗布工程Ｓ４の前に荒加工工程Ｓ１を備えていることで、基材２の表面の表面粗さをある程度低減し、表面粗さの最大高さＲｙを抑えた状態で塗布工程Ｓ４を実行することになる。
ここで、基材２の表面の最大高さＲｙとなる位置が、塗布されるガラス系材料の最低の厚さ寸法となる。このため、表面粗さを低減した状態でガラス系材料を塗布することで、ガラス系材料の厚さ寸法を低減できる。よって、塗布工程Ｓ４に要する時間、及び、ガラス系材料の材料費を低減できるため、コストダウンにつながる。
さらに、荒加工工程Ｓ１の後で、かつ、塗布工程Ｓ４の前に、基材２の表面にニッケルめっき加工処理を施すニッケルめっき工程Ｓ３を備えていることで、ニッケルめっき層３を基材２の表面に形成することができる。よって、塗布工程Ｓ４を実行する前に、基材２の表面の酸化を防止することができ、塗布工程Ｓ４で塗布されるガラス系材料の基材２への密着性を向上させることができる。
また、平滑化工程Ｓ５では、スピンコートを用いてガラス系材料の一部を除去するため、溶融したガラス系材料を遠心力によって飛散させるようにして除去することができ、表面が平滑なガラスコーティング層４を容易に得ることができる。
本実施形態の部材１の製造方法によれば、ガラス系材料を基材２に塗布して表面を平滑にすることで、塗布工程Ｓ４の前の基材２の表面への研磨加工を省略でき、基材２のコストを抑えつつ、部材１を備える流体機械の運転効率を向上することが可能である。
なお、図示はしないが、ニッケルめっき工程Ｓ３と塗布工程Ｓ４との間に、後処理工程をさらに備えて行ってもよい。この後処理工程は、ニッケルめっき層３を基材２の表面に形成した後に、ｐＨ４〜４．５のアルカリ性水溶液によってニッケルめっき層３の表面の洗浄を行う中和処理工程を有している。さらに後処理工程は、中和処理後にニッケルめっき層３の表面を水洗する水洗工程と、その後、表面を乾燥させる乾燥工程とを有している。
〔第二実施形態〕
次に、図４及び図５を参照して、本発明の第二実施形態に係る部材１Ａの製造方法について説明する。
本実施形態の部材１Ａの製造方法では、第一実施形態のニッケルめっき工程Ｓ３に代えて、窒化工程Ｓ３Ａを備えている。
即ち、部材１Ａの製造方法は、荒加工工程Ｓ１と、前処理工程Ｓ２と、前処理後の基材２の表面に窒化処理を施して基材２の表面を硬化させる窒化工程Ｓ３Ａと、窒化工程Ｓ３Ａの後に塗布工程Ｓ４と、平滑化工程Ｓ５と、凝固工程Ｓ６とを備えている。
窒化工程Ｓ３Ａでは、例えば、ガス窒化、イオン窒化、ラジカル窒化等の窒化処理が前処理工程Ｓ２の後に基材２の表面に施されて、ガラスコーティング層４と基材２の表面との間に窒化物層３Ａを形成する。この窒化物層３Ａは、緻密な窒化物よりなる層である。
ここで、ガス窒化とは、アンモニアガスが窒素と水素とに分解される反応によって、窒素を被処理材の表面に拡散させて窒化物（又は固溶体）の層を形成させる窒化法である。
また、イオン窒化とは、窒素と水素とを反応ガスとして炉内に導入し、被処理材の表面にプラズマを生じさせて、イオン化した窒素を被処理材の表面に拡散させ、窒化物（又は固溶体）の層を形成させる窒化法である。
さらに、ラジカル窒化とは、水素とアンモニアの混合ガスを反応ガスとして炉内に導入し、被処理材の表面にプラズマを生じさせて、ラジカル化した窒素を被処理材の表面に拡散させ、窒化物（又は固溶体）の層を形成させる窒化法である。
窒化工程Ｓ３Ａでは、上記の窒化法のいずれを用いてもよいが、窒化処理の際に化合物層が形成されないため、ラジカル窒化がより好適である。
化合物層とは、窒化された被処理材の最表面に存在する１０μｍ以下の層であって、鉄及びクロム等の複合窒化物の層である。この化合物層は脆く割れ易いため、表面が荒れ易く、この化合物層が形成されない場合にはガラスコーティング層４への高い密着性を得ることが可能である。
本実施形態の部材１Ａの製造方法によれば、第一実施形態と同様に、塗布工程Ｓ４の前の基材２の表面への研磨加工を省略でき、基材２のコストを抑えつつ、部材１Ａを備える流体機械の運転効率を向上することが可能である。
さらに、本実施形態の製造方法では、窒化工程Ｓ３Ａが実行されることによって、基材２の表面に緻密な窒化物層３Ａが形成されるため、塗布工程Ｓ４で塗布されるガラス系材料の基材２への密着性を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、荒加工工程Ｓ１は必ずしも実行しなくともよい。
また、前処理工程Ｓ２では、脱脂工程Ｓ２１、酸洗工程Ｓ２３、水洗工程Ｓ２２は、基材２の表面の状況に応じて適宜繰り返して行ってもよいし、一部の工程を省いてもよい。
また、平滑化工程Ｓ５では、スピンコートに代えて空気の圧力によってガラス系材料の一部を吹き飛ばし、除去する手法を用いてもよいし、基材２に振動を付与してガラス系材料の一部を除去する手法を用いてもよい。
１、１Ａ…（流体機械用）部材 ２…基材 ３…ニッケルめっき層 ３Ａ…窒化物層 ４…ガラスコーティング層 Ｓ１…荒加工工程 Ｓ２…前処理工程 Ｓ２１…脱脂工程 Ｓ２２…水洗工程 Ｓ２３…酸洗工程 Ｓ３…ニッケルめっき工程 Ｓ３Ａ…窒化工程 Ｓ４…塗布工程 Ｓ５…平滑化工程 Ｓ６…凝固工程 Ｗ…流体

Claims (8)

  1. 流通する流体が表面に接触する流体機械用部材の製造方法であって、
    前記基材の表面にガラス系材料を塗布する塗布工程と、
    前記塗布工程の後に、前記ガラス系材料を加熱溶融させながら該ガラス系材料の一部を除去する平滑化工程と、
    前記平滑化工程の後に、加熱溶融した前記ガラス系材料を凝固させる凝固工程と、
    を備えることを特徴とする流体機械用部材の製造方法。
  2. 前記塗布工程の前に、前記基材の表面に荒加工を施す荒加工工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の流体機械用部材の製造方法。
  3. 前記塗布工程の前に、前記基材の表面にニッケルめっき加工処理を施すニッケルめっき工程をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械用部材の製造方法。
  4. 前記塗布工程の前に、前記基材の表面に窒化処理を施して該表面を硬化させる窒化工程をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械用部材の製造方法。
  5. 前記平滑化工程では、前記基材を回転させて前記ガラス系材料の一部を除去することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体機械用部材の製造方法。
  6. 表面側に流体が流通する基材と、
    前記基材の表面に塗布されて、ガラス系材料よりなる該基材の表面の反対側に位置する表面が平滑なガラスコーティング層と、
    を備えることを特徴とする流体機械用部材。
  7. 前記基材と前記ガラスコーティング層との間にニッケルめっき層をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の流体機械用部材。
  8. 前記基材と前記ガラスコーティング層との間に窒化物層をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の流体機械用部材。
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