JP3947051B2 - ボール弁用弁体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はメタルタッチ型のボール弁に係り、具体的にはシートリングとの摺動性を改善したボール弁用弁体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボール弁は、弁体の開弁時に、管路と同じ断面形状の流路が確保されるため、流れがストレートで圧力損失が少なく、固形物の管路輸送時にも障害にはならないなどの利点があり、流体のみならず、粉体等の固形物の輸送管路にも用いられている。
【０００３】
図９（ａ）（ｂ）は、このメタルタッチ型ボール弁の一例（２方弁）を示したもので、弁箱１の両端に流体の出入り口となる開口部２、２に通じた弁室３内にボール形の弁体４が収納され、前記両側の開口部２、２から弁室３にかけて、シートリング５、５がそれぞれ収納され、このシートリング５、５の内端面が、弁体４に摺接するようになっている。
【０００４】
各シートリング５、５は、前記開口部２、２に螺合した押えリング６により、押圧ばね７を介して、ボール状の弁体４に押圧されている。
【０００５】
弁箱１の弁室３の上方の開口部８は、ボンネット９により閉塞され、弁体４に一体に設けた弁軸１０が、水密性を保持して、ボンネット９を貫通して上方に延び、その先端に、弁体４の操作レバー１１に嵌合する角柱部１０ａが設けられている。弁体４の底面中心には小軸１２が突設され、弁室３の底面に設けた軸受孔１３に挿入されている。
【０００６】
前記弁体４には、その両側にシートリング５、５の内端面５ａの内径に合致する口径の弁孔１４が設けられている。そして、シートリング５、５の内端面５ａ、５ａが、この弁孔１４の両端の擦り合わせ部４ａに押圧された状態で開弁状態となり、前記操作レバー１１により、弁軸１０を介して弁体４を９０°回転させて、シートリング５、５の各内端面５ａが、弁体４の閉塞面の擦り合わせ部４ｂに押圧されて閉弁状態となる。
【０００７】
前記弁体４およびシートリング５は、耐食性や耐熱性の面から、いずれもステンレス鋼で形成されており、弁体４の開閉に伴って、弁体４とシートリング５とは摺動するため、ステンレス鋼どうしでは齧りを生じ、また、粉体輸送時には侵食が生じる。このため、耐摩耗性、耐食性等の向上を目的として、また、摺動する互いの部材に硬度差を付けて齧りを防止するために、弁体４には、硬質クロムメッキまたは自溶性合金の溶射などの表面硬化処理が施され、シートリング５の内端面５ａには、ステライトなどの硬質合金の肉盛による表面硬化処理が行われていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、弁体４の開閉に伴い、弁体４とシートリング５の内端面５ａとは摺動するために、弁体４およびシートリング５に前記の表面硬化処理を施しても、弁体４の開閉回数（作動回数）が増加するにつれて、弁体４とシートリング５との摺動性が低下してきて、弁体４の開閉に要する弁体開閉トルクが上昇し、弁体４とシートリング５とがともに金属で形成されたメタルタッチ型のボール弁であるため、局所的に金属接触を起こして弁体４とシートリング５とがきしみ、弁体４の回転が途中で止まってしまう場合がある。
【０００９】
このため、摺動抵抗を低下させるために、弁体４とシートリング５との摺動面に潤滑油を塗布しても、管路を流れる流体が、吸湿性や脱脂性の高い流体の場合、または熱風のように摺動面をドライにさせるような流体である場合には、潤滑効果が消失してしまう。また、油分や不純物の混入が許容されない流体、または粉体を管路輸送する場合には潤滑油を使用できないため、上記のような摺動性の低下を改善できないという問題があり、ボール弁の寿命の低下を来していた。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、弁体とシートリングとの摺動性を改善し、潤滑剤を付与しなくても、長期にわたって弁体トルクが安定する、寿命の長いメタルタッチ型のボール弁用の弁体を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１２】
即ち、弁箱内の弁室に収納されるボール形の弁体であって、該弁体に設けた弁孔が流路の出入り口に嵌合されたシートリングと合致して開弁状態となり、その状態から所要角度回転して閉弁状態又は流路切替え状態となるにボール弁用弁体において、前記弁体の表面に硬質合金の溶射処理による溶射皮膜を形成し、その溶射皮膜にフッ素樹脂のコーティング層を形成し、このコーティング層の一部を前記溶射皮膜のポーラス部に浸入付着せしめた構成としたのである。
【００１３】
このように構成すれば、弁体表面に形成された多孔質の金属溶射皮膜の表層のポーラス部（即ち、溶射皮膜の表面に存在する多孔質部）の無数の孔内部に、摩擦係数が小さく、摺動性に優れたフッ素樹脂が浸入付着してコーティング層が形成されるため、弁体の作動時に自己潤滑性が発揮される。また、そのコーティング層の一部は金属溶射皮膜のポーラス部に侵入付着しているため剥離し難く、長期にわたりコーティング層が維持される。このため、無潤滑下で作動回数が増加しても弁体トルクが安定し、長期にわたり組み立て時の初期状態を維持する。
【００１４】
前記ボール形の弁体の表面に溶射される硬質合金として自溶性合金を用いることが望ましい。ボール形の弁体に溶射する硬質合金として、ニッケル基やコバルト基の合金にホウ素や珪素を添加した自溶性合金を用いると、溶射後の加熱処理により、微細で、高融点の化合物が均一に分布した組織の、高硬度で耐摩耗性に優れ、ステンレス鋼などの弁体素地への溶着が良好なものとなる。その他の硬質合金としてＨＣｒ（硬質クロムメッキ）を用いることができる。
【００１５】
また、シートリングの内端面に設けるステライトなどの肉盛用合金との硬度差も存在するために、前述の齧りの発生も防止することができる。
【００１６】
なお、前記弁体の表面への溶射処理後に、その溶射皮膜にブラスト処理を施し、その後フッ素樹脂のコーティングを行うことが望ましい。
【００１７】
このように、溶射皮膜にサンドブラストなどのブラスト処理を行うと、溶射皮膜表層のポーラス部の凹凸が増幅されるため、フッ素樹脂が浸入して付着しやすくなり、また、フッ素樹脂がこの表面の凹凸部にかみ合うように付着するので、コーティング層の密着性が向上する。
【００１８】
また、前記シートリングが密着される弁体の一部に前記フッ素樹脂のコーティング層を剥離し溶射皮膜が露出した擦り合わせ部を形成し、該擦り合わせ部において前記溶射皮膜のポーラス部に前記フッ素樹脂の一部を残存せしめた構成を採用することができる。
【００１９】
上記の擦り合わせは、弁体とシートリングとの密着性を向上させるために行われるが、その擦り合わせによってフッ素樹脂のコーティング層が剥離されても、フッ素樹脂の一部が溶射皮膜のポーラス部に残存しているため、自己潤滑性が発揮される。
【００２０】
また、前記擦り合わせ部以外の部分に形成された前記フッ素樹脂のコーティング層が、弁体の回転時に前記シートリングとの摺接部となり、該摺接部がフッ素樹脂の供給源となる構成をとることもできる。この構成によると、弁体が回転する際に摺接部のフッ素樹脂が摩耗され、その摩耗粉が摺動面に供給されるため、長期にわたり良好な自己潤滑性が発揮される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図７に基づいて説明する。
【００２２】
図１および図２に示すボール形の弁体４およびシートリング５は、いずれもステンレス鋼で形成されており、弁体４の表面には、ニッケル基などの自溶性合金が溶射されて、５００μｍ程度の厚さの溶射皮膜１５（図２参照）が形成されている。この溶射皮膜１５上に、３０μｍ程度の４フッ化エチレンなどのフッ素樹脂のコーティング層１６が形成されている。前記シートリング５の内端面５ａには、厚さ１．５ｍｍ程度のステライトの溶接肉盛層１７が付与されている。
【００２３】
前記弁体４に設けた弁孔１４の両端部外周縁の擦り合わせ部４ａと、シートリング５、５の内端面とが合致して開弁状態となり、この開弁状態から、操作レバー１１（図９（ａ）参照）により弁軸１０を約９０°回転させて、シートリング５の内端面５ａが弁体４の閉塞面の擦り合わせ部４ｂに合致すると閉弁状態となる。
【００２４】
図３（ａ）から（ｆ）は、前記ボール形の弁体４に、前記自溶性合金の溶射皮膜１５と、この溶射皮膜１５上に、前記フッ素樹脂のコーティング層１６を形成する工程を示したものである。まず、ボール形の弁体４の素地表面にニッケル基などの自溶性合金がノズル２１から噴出されて、溶射皮膜１５が成膜され（工程（ａ））、弁体４の寸法精度を確保するために、まず、溶射皮膜１５の表面を切削工具２２により球面切削し（工程（ｂ））、次いで、研削工具２３により、球面研削を行い（工程（ｃ））、その後に、フッ素樹脂を付着させやすくするために、砂粒２５を吹付けるサンドブラスト処理を行って、溶射皮膜１５の表層のポーラス部の凹凸の程度を増す（工程ｄ）。この凹凸が増幅された溶射皮膜１５の表面に、例えば、フッ素樹脂のエナメル液を一様にスプレー塗りした後焼成する（工程（ｅ））。この過程で、フッ素樹脂は、溶射皮膜１５の表面に開口した孔１５ａの内部に浸入付着し、この孔１５ａに浸入付着したフッ素樹脂が一種のアンカーのようになって、コーティング層１６が形成される。そして、開弁状態でのシール性を向上させるため、弁体４の弁孔１４の両端の外周縁とシートリング５の内端面とが擦り合わせが行われ（工程（ｆ））、前述の擦り合わせ部４ａ（図１参照）が形成される。また、同様に閉弁状態でのシール性を向上させるため弁孔１４の開口端から９０°離れた位置においても行われ、前述の擦り合わせ部４ｂが形成される。各擦り合わせ部４ａ、４ｂにおいてはフッ素樹脂のコーティング層１６が剥がれて、溶射皮膜が露出しその表面の孔１５ａにフッ素樹脂の一部が浸入付着した状態となる。
【００２５】
なお、弁体４は、前記の擦り合わせ部４ａと４ｂの間で両側のシートリング５，５と摺接しながら回転する。その回転の際に摺接する部分で擦り合わせ部４ａ、４ｂ以外の部分を摺接面４ｃと称する。
【００２６】
上記の擦り合わせ部４ａ、４ｂと摺接部４ｃの組織の状態を知るために、これらの部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したので、擦り合わせ部４ａの部分のＳＥＭ写真を図４（ａ）に示し、摺接部分４ｃの部分のＳＥＭ写真を図４（ｂ）に示す。
【００２７】
図４（ａ）において、×印で示したａ点は溶射皮膜１５の孔１５ａの部分であり、その孔１５ａの内部が黒く見えているのが浸入付着したフッ素樹脂である。また、×印で示したｂ点は、擦り合せにより露出した溶射皮膜１５部分である。図４（ｂ）において×印とその近傍に黒い部分が広く現れている。この黒い部分はフッ素樹脂である。
【００２８】
図５（ａ）から（ｃ）は、前記のａ点、ｂ点及びｃ点の部分の成分をエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による分析結果である。ａ点とｃ点においてはフッ素（Ｆ）のピークが認められるが、ｂ点においては認められない。この分析結果から、擦り合わせ部４ａ、４ｂにおいては、露出した溶射皮膜１５が露出しており、その溶射皮膜１５のポーラス部の多数の複雑な形状の孔１５ａにフッ素樹脂が浸入付着していること、また、摺接部４ｃにおいては面的に拡がったフッ素樹脂のコーティング層１６が存在することが確認された。
【００２９】
図６（ａ）は、前記弁体４の擦り合わせ部４ａにシートリング５の内端面５ａが合致した開弁状態を示したものである。擦り合わせ部４ａにおいては、フッ素樹脂のコーティング層１６が剥離されて自溶性合金の溶射皮膜１５が露出しているが、その露出部分のポーラス部の孔１５ａにフッ素樹脂１６ａが浸入付着しており、その面にシートリング５の内端面５ａの溶接肉盛層１７が接触している状況を示す。孔１５ａ内のフッ素樹脂１６ａは、コーティングの際に浸入してコーティング層１６のアンカーをなしていた部分が残留したものと認められるが、使用が進んだ状態では、フッ素樹脂の摩耗粉が後から浸入して付着する場合もあるが、いすれも弁体４の回転の潤滑作用に寄与する。
【００３０】
図６（ｂ）は、弁体４が回転した場合のシートリング５との摺接範囲を一点鎖線で示している。この摺接範囲には、前記擦り合わせ部４ａ、４ｂとこれら以外の摺接部４ｃが含まれる。この摺接部４ｃは擦り合わせは行われないので、コーティング層１６はそのまま残留しているが、弁体４の回転に伴い次第に摩耗し、その摩耗粉が潤滑作用をなす。また、その一部が、擦り合わせ部４ａ、４ｂの孔１５ａに浸入付着する。
【００３１】
このように、摺接部４ｃは、そのコーティング層１６がフッ素樹脂の供給源となり、長期にわたり潤滑作用を発揮する一つの要因となっている。
【００３２】
図８はトルク特性の比較実験結果である。同図は横軸に開閉往復１回を単位とする作動回数、縦軸に弁トルクを示す。（１）のグラフは前記実施形態のものであり「自溶性合金の溶射十フッ素樹脂コーティング」として示す。また、（２）は「自溶性合金の溶射」のみの場合、（３）は「硬質クロムメッキ処理」した場合を示す。（２）（３）は従来例である。
【００３３】
上記の比較実験結果から明らかなように、従来の場合は作動回数が１００００回到達前に弁トルクが急上昇するのに対し、前記実施形態の場合は５００００回に達しても弁トルクが初期状態から殆ど上昇せず、安定した状態が保たれる。
【００３４】
上述の実施形態において、シートリング５の内端面５ａに耐摩耗性に優れたステライトの肉盛層１７を設けており、このステライト肉盛層１７と、弁体４のフッ素樹脂をコーティングした溶射皮膜１５との間に硬度差が存在し、この硬度差は、前述の齧りを防止して、弁体４とシートリング５との摺動性の改善に寄与する。具体的な硬度の一例は次の通りである。自溶性合金溶射皮膜：Ｈｖ６５０、硬質クロムメッキ：Ｈｖ７５０、ステライト溶射肉盛：Ｈｖ４５０である。
【００３５】
なお、以上の実施形態は２方弁について述べたが、３方弁、４方弁の場合でも同様のことが言える。図７（ａ）（ｂ）は４方弁の場合を示す。この場合は、前述のような閉弁状態は存在せず、波線で示すように、弁体４が９０°回転することにより流路の切替えが行われる。擦り合わせ部４ａは２ケ所の弁孔１４，１４の各端部に形成される。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ボール弁の弁体に付与した高硬度で耐摩耗性に優れた硬質合金の溶射皮膜の上に、摺動性に優れたフッ素樹脂をコーティングしたので、このフッ素樹脂が溶射皮膜の表面のポーラス部に浸入付着して、自己潤滑作用を発揮する。これにより、弁体開閉トルクが初期状態から殆ど上昇せず、安定した状態が保たれ、弁体とシートリングとの摺動性が著しく改善される。
【００３７】
また、シートリングの内端面に設けたステライトなどの耐摩耗性に優れた溶接肉盛層と、フッ素樹脂をコーティングした弁体の溶射皮膜との間に存在する硬度差も、齧りを防止して摺動性を改善するのに寄与する。
【００３８】
これらによって、無潤滑下で、作動回数が増加しても弁体の開閉が円滑に行われ、ボール弁寿命も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の弁体の斜視図
【図２】同上の弁体を使用したボール弁の縦断正面図
【図３】（ａ）〜（ｆ）同上の弁体の製造工程の説明図
【図４】（ａ）（ｂ）同上の弁体のＳＥＭ写真
【図５】（ａ）〜（ｃ）同上の弁体の成分元素分析結果
【図６】（ａ）同上の弁体とシートリングとの摺接状態を示す拡大断面図
（ｂ）同上の弁体の正面図
【図７】（ａ）４方弁の横断平面図
（ｂ）（ａ）図の一部拡大図
【図８】弁トルクの比較実験結果のグラフ
【図９】（ａ）従来のボール弁の断面図
（ｂ）同上の弁体の斜視図
【符号の説明】
１ 弁箱
２ 開口部
３ 弁室
４ 弁体
４ａ 擦り合わせ部
４ｂ 擦り合わせ部
４ｃ 摺接部
５ シートリング
５ａ 内端面
６ 押えリング
７ 押圧ばね
８ 開口部
９ ボンネット
１０ 弁軸
１０ａ 角柱部
１１ 操作レバー
１２ 小軸
１３ 軸受孔
１４ 弁孔
１５ 溶射皮膜
１５ａ 孔
１６ コーティング層
１７ 溶接肉盛層
【発明の属する技術分野】
この発明はメタルタッチ型のボール弁に係り、具体的にはシートリングとの摺動性を改善したボール弁用弁体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボール弁は、弁体の開弁時に、管路と同じ断面形状の流路が確保されるため、流れがストレートで圧力損失が少なく、固形物の管路輸送時にも障害にはならないなどの利点があり、流体のみならず、粉体等の固形物の輸送管路にも用いられている。
【０００３】
図９（ａ）（ｂ）は、このメタルタッチ型ボール弁の一例（２方弁）を示したもので、弁箱１の両端に流体の出入り口となる開口部２、２に通じた弁室３内にボール形の弁体４が収納され、前記両側の開口部２、２から弁室３にかけて、シートリング５、５がそれぞれ収納され、このシートリング５、５の内端面が、弁体４に摺接するようになっている。
【０００４】
各シートリング５、５は、前記開口部２、２に螺合した押えリング６により、押圧ばね７を介して、ボール状の弁体４に押圧されている。
【０００５】
弁箱１の弁室３の上方の開口部８は、ボンネット９により閉塞され、弁体４に一体に設けた弁軸１０が、水密性を保持して、ボンネット９を貫通して上方に延び、その先端に、弁体４の操作レバー１１に嵌合する角柱部１０ａが設けられている。弁体４の底面中心には小軸１２が突設され、弁室３の底面に設けた軸受孔１３に挿入されている。
【０００６】
前記弁体４には、その両側にシートリング５、５の内端面５ａの内径に合致する口径の弁孔１４が設けられている。そして、シートリング５、５の内端面５ａ、５ａが、この弁孔１４の両端の擦り合わせ部４ａに押圧された状態で開弁状態となり、前記操作レバー１１により、弁軸１０を介して弁体４を９０°回転させて、シートリング５、５の各内端面５ａが、弁体４の閉塞面の擦り合わせ部４ｂに押圧されて閉弁状態となる。
【０００７】
前記弁体４およびシートリング５は、耐食性や耐熱性の面から、いずれもステンレス鋼で形成されており、弁体４の開閉に伴って、弁体４とシートリング５とは摺動するため、ステンレス鋼どうしでは齧りを生じ、また、粉体輸送時には侵食が生じる。このため、耐摩耗性、耐食性等の向上を目的として、また、摺動する互いの部材に硬度差を付けて齧りを防止するために、弁体４には、硬質クロムメッキまたは自溶性合金の溶射などの表面硬化処理が施され、シートリング５の内端面５ａには、ステライトなどの硬質合金の肉盛による表面硬化処理が行われていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、弁体４の開閉に伴い、弁体４とシートリング５の内端面５ａとは摺動するために、弁体４およびシートリング５に前記の表面硬化処理を施しても、弁体４の開閉回数（作動回数）が増加するにつれて、弁体４とシートリング５との摺動性が低下してきて、弁体４の開閉に要する弁体開閉トルクが上昇し、弁体４とシートリング５とがともに金属で形成されたメタルタッチ型のボール弁であるため、局所的に金属接触を起こして弁体４とシートリング５とがきしみ、弁体４の回転が途中で止まってしまう場合がある。
【０００９】
このため、摺動抵抗を低下させるために、弁体４とシートリング５との摺動面に潤滑油を塗布しても、管路を流れる流体が、吸湿性や脱脂性の高い流体の場合、または熱風のように摺動面をドライにさせるような流体である場合には、潤滑効果が消失してしまう。また、油分や不純物の混入が許容されない流体、または粉体を管路輸送する場合には潤滑油を使用できないため、上記のような摺動性の低下を改善できないという問題があり、ボール弁の寿命の低下を来していた。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、弁体とシートリングとの摺動性を改善し、潤滑剤を付与しなくても、長期にわたって弁体トルクが安定する、寿命の長いメタルタッチ型のボール弁用の弁体を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１２】
即ち、弁箱内の弁室に収納されるボール形の弁体であって、該弁体に設けた弁孔が流路の出入り口に嵌合されたシートリングと合致して開弁状態となり、その状態から所要角度回転して閉弁状態又は流路切替え状態となるにボール弁用弁体において、前記弁体の表面に硬質合金の溶射処理による溶射皮膜を形成し、その溶射皮膜にフッ素樹脂のコーティング層を形成し、このコーティング層の一部を前記溶射皮膜のポーラス部に浸入付着せしめた構成としたのである。
【００１３】
このように構成すれば、弁体表面に形成された多孔質の金属溶射皮膜の表層のポーラス部（即ち、溶射皮膜の表面に存在する多孔質部）の無数の孔内部に、摩擦係数が小さく、摺動性に優れたフッ素樹脂が浸入付着してコーティング層が形成されるため、弁体の作動時に自己潤滑性が発揮される。また、そのコーティング層の一部は金属溶射皮膜のポーラス部に侵入付着しているため剥離し難く、長期にわたりコーティング層が維持される。このため、無潤滑下で作動回数が増加しても弁体トルクが安定し、長期にわたり組み立て時の初期状態を維持する。
【００１４】
前記ボール形の弁体の表面に溶射される硬質合金として自溶性合金を用いることが望ましい。ボール形の弁体に溶射する硬質合金として、ニッケル基やコバルト基の合金にホウ素や珪素を添加した自溶性合金を用いると、溶射後の加熱処理により、微細で、高融点の化合物が均一に分布した組織の、高硬度で耐摩耗性に優れ、ステンレス鋼などの弁体素地への溶着が良好なものとなる。その他の硬質合金としてＨＣｒ（硬質クロムメッキ）を用いることができる。
【００１５】
また、シートリングの内端面に設けるステライトなどの肉盛用合金との硬度差も存在するために、前述の齧りの発生も防止することができる。
【００１６】
なお、前記弁体の表面への溶射処理後に、その溶射皮膜にブラスト処理を施し、その後フッ素樹脂のコーティングを行うことが望ましい。
【００１７】
このように、溶射皮膜にサンドブラストなどのブラスト処理を行うと、溶射皮膜表層のポーラス部の凹凸が増幅されるため、フッ素樹脂が浸入して付着しやすくなり、また、フッ素樹脂がこの表面の凹凸部にかみ合うように付着するので、コーティング層の密着性が向上する。
【００１８】
また、前記シートリングが密着される弁体の一部に前記フッ素樹脂のコーティング層を剥離し溶射皮膜が露出した擦り合わせ部を形成し、該擦り合わせ部において前記溶射皮膜のポーラス部に前記フッ素樹脂の一部を残存せしめた構成を採用することができる。
【００１９】
上記の擦り合わせは、弁体とシートリングとの密着性を向上させるために行われるが、その擦り合わせによってフッ素樹脂のコーティング層が剥離されても、フッ素樹脂の一部が溶射皮膜のポーラス部に残存しているため、自己潤滑性が発揮される。
【００２０】
また、前記擦り合わせ部以外の部分に形成された前記フッ素樹脂のコーティング層が、弁体の回転時に前記シートリングとの摺接部となり、該摺接部がフッ素樹脂の供給源となる構成をとることもできる。この構成によると、弁体が回転する際に摺接部のフッ素樹脂が摩耗され、その摩耗粉が摺動面に供給されるため、長期にわたり良好な自己潤滑性が発揮される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図７に基づいて説明する。
【００２２】
図１および図２に示すボール形の弁体４およびシートリング５は、いずれもステンレス鋼で形成されており、弁体４の表面には、ニッケル基などの自溶性合金が溶射されて、５００μｍ程度の厚さの溶射皮膜１５（図２参照）が形成されている。この溶射皮膜１５上に、３０μｍ程度の４フッ化エチレンなどのフッ素樹脂のコーティング層１６が形成されている。前記シートリング５の内端面５ａには、厚さ１．５ｍｍ程度のステライトの溶接肉盛層１７が付与されている。
【００２３】
前記弁体４に設けた弁孔１４の両端部外周縁の擦り合わせ部４ａと、シートリング５、５の内端面とが合致して開弁状態となり、この開弁状態から、操作レバー１１（図９（ａ）参照）により弁軸１０を約９０°回転させて、シートリング５の内端面５ａが弁体４の閉塞面の擦り合わせ部４ｂに合致すると閉弁状態となる。
【００２４】
図３（ａ）から（ｆ）は、前記ボール形の弁体４に、前記自溶性合金の溶射皮膜１５と、この溶射皮膜１５上に、前記フッ素樹脂のコーティング層１６を形成する工程を示したものである。まず、ボール形の弁体４の素地表面にニッケル基などの自溶性合金がノズル２１から噴出されて、溶射皮膜１５が成膜され（工程（ａ））、弁体４の寸法精度を確保するために、まず、溶射皮膜１５の表面を切削工具２２により球面切削し（工程（ｂ））、次いで、研削工具２３により、球面研削を行い（工程（ｃ））、その後に、フッ素樹脂を付着させやすくするために、砂粒２５を吹付けるサンドブラスト処理を行って、溶射皮膜１５の表層のポーラス部の凹凸の程度を増す（工程ｄ）。この凹凸が増幅された溶射皮膜１５の表面に、例えば、フッ素樹脂のエナメル液を一様にスプレー塗りした後焼成する（工程（ｅ））。この過程で、フッ素樹脂は、溶射皮膜１５の表面に開口した孔１５ａの内部に浸入付着し、この孔１５ａに浸入付着したフッ素樹脂が一種のアンカーのようになって、コーティング層１６が形成される。そして、開弁状態でのシール性を向上させるため、弁体４の弁孔１４の両端の外周縁とシートリング５の内端面とが擦り合わせが行われ（工程（ｆ））、前述の擦り合わせ部４ａ（図１参照）が形成される。また、同様に閉弁状態でのシール性を向上させるため弁孔１４の開口端から９０°離れた位置においても行われ、前述の擦り合わせ部４ｂが形成される。各擦り合わせ部４ａ、４ｂにおいてはフッ素樹脂のコーティング層１６が剥がれて、溶射皮膜が露出しその表面の孔１５ａにフッ素樹脂の一部が浸入付着した状態となる。
【００２５】
なお、弁体４は、前記の擦り合わせ部４ａと４ｂの間で両側のシートリング５，５と摺接しながら回転する。その回転の際に摺接する部分で擦り合わせ部４ａ、４ｂ以外の部分を摺接面４ｃと称する。
【００２６】
上記の擦り合わせ部４ａ、４ｂと摺接部４ｃの組織の状態を知るために、これらの部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したので、擦り合わせ部４ａの部分のＳＥＭ写真を図４（ａ）に示し、摺接部分４ｃの部分のＳＥＭ写真を図４（ｂ）に示す。
【００２７】
図４（ａ）において、×印で示したａ点は溶射皮膜１５の孔１５ａの部分であり、その孔１５ａの内部が黒く見えているのが浸入付着したフッ素樹脂である。また、×印で示したｂ点は、擦り合せにより露出した溶射皮膜１５部分である。図４（ｂ）において×印とその近傍に黒い部分が広く現れている。この黒い部分はフッ素樹脂である。
【００２８】
図５（ａ）から（ｃ）は、前記のａ点、ｂ点及びｃ点の部分の成分をエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による分析結果である。ａ点とｃ点においてはフッ素（Ｆ）のピークが認められるが、ｂ点においては認められない。この分析結果から、擦り合わせ部４ａ、４ｂにおいては、露出した溶射皮膜１５が露出しており、その溶射皮膜１５のポーラス部の多数の複雑な形状の孔１５ａにフッ素樹脂が浸入付着していること、また、摺接部４ｃにおいては面的に拡がったフッ素樹脂のコーティング層１６が存在することが確認された。
【００２９】
図６（ａ）は、前記弁体４の擦り合わせ部４ａにシートリング５の内端面５ａが合致した開弁状態を示したものである。擦り合わせ部４ａにおいては、フッ素樹脂のコーティング層１６が剥離されて自溶性合金の溶射皮膜１５が露出しているが、その露出部分のポーラス部の孔１５ａにフッ素樹脂１６ａが浸入付着しており、その面にシートリング５の内端面５ａの溶接肉盛層１７が接触している状況を示す。孔１５ａ内のフッ素樹脂１６ａは、コーティングの際に浸入してコーティング層１６のアンカーをなしていた部分が残留したものと認められるが、使用が進んだ状態では、フッ素樹脂の摩耗粉が後から浸入して付着する場合もあるが、いすれも弁体４の回転の潤滑作用に寄与する。
【００３０】
図６（ｂ）は、弁体４が回転した場合のシートリング５との摺接範囲を一点鎖線で示している。この摺接範囲には、前記擦り合わせ部４ａ、４ｂとこれら以外の摺接部４ｃが含まれる。この摺接部４ｃは擦り合わせは行われないので、コーティング層１６はそのまま残留しているが、弁体４の回転に伴い次第に摩耗し、その摩耗粉が潤滑作用をなす。また、その一部が、擦り合わせ部４ａ、４ｂの孔１５ａに浸入付着する。
【００３１】
このように、摺接部４ｃは、そのコーティング層１６がフッ素樹脂の供給源となり、長期にわたり潤滑作用を発揮する一つの要因となっている。
【００３２】
図８はトルク特性の比較実験結果である。同図は横軸に開閉往復１回を単位とする作動回数、縦軸に弁トルクを示す。（１）のグラフは前記実施形態のものであり「自溶性合金の溶射十フッ素樹脂コーティング」として示す。また、（２）は「自溶性合金の溶射」のみの場合、（３）は「硬質クロムメッキ処理」した場合を示す。（２）（３）は従来例である。
【００３３】
上記の比較実験結果から明らかなように、従来の場合は作動回数が１００００回到達前に弁トルクが急上昇するのに対し、前記実施形態の場合は５００００回に達しても弁トルクが初期状態から殆ど上昇せず、安定した状態が保たれる。
【００３４】
上述の実施形態において、シートリング５の内端面５ａに耐摩耗性に優れたステライトの肉盛層１７を設けており、このステライト肉盛層１７と、弁体４のフッ素樹脂をコーティングした溶射皮膜１５との間に硬度差が存在し、この硬度差は、前述の齧りを防止して、弁体４とシートリング５との摺動性の改善に寄与する。具体的な硬度の一例は次の通りである。自溶性合金溶射皮膜：Ｈｖ６５０、硬質クロムメッキ：Ｈｖ７５０、ステライト溶射肉盛：Ｈｖ４５０である。
【００３５】
なお、以上の実施形態は２方弁について述べたが、３方弁、４方弁の場合でも同様のことが言える。図７（ａ）（ｂ）は４方弁の場合を示す。この場合は、前述のような閉弁状態は存在せず、波線で示すように、弁体４が９０°回転することにより流路の切替えが行われる。擦り合わせ部４ａは２ケ所の弁孔１４，１４の各端部に形成される。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ボール弁の弁体に付与した高硬度で耐摩耗性に優れた硬質合金の溶射皮膜の上に、摺動性に優れたフッ素樹脂をコーティングしたので、このフッ素樹脂が溶射皮膜の表面のポーラス部に浸入付着して、自己潤滑作用を発揮する。これにより、弁体開閉トルクが初期状態から殆ど上昇せず、安定した状態が保たれ、弁体とシートリングとの摺動性が著しく改善される。
【００３７】
また、シートリングの内端面に設けたステライトなどの耐摩耗性に優れた溶接肉盛層と、フッ素樹脂をコーティングした弁体の溶射皮膜との間に存在する硬度差も、齧りを防止して摺動性を改善するのに寄与する。
【００３８】
これらによって、無潤滑下で、作動回数が増加しても弁体の開閉が円滑に行われ、ボール弁寿命も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の弁体の斜視図
【図２】同上の弁体を使用したボール弁の縦断正面図
【図３】（ａ）〜（ｆ）同上の弁体の製造工程の説明図
【図４】（ａ）（ｂ）同上の弁体のＳＥＭ写真
【図５】（ａ）〜（ｃ）同上の弁体の成分元素分析結果
【図６】（ａ）同上の弁体とシートリングとの摺接状態を示す拡大断面図
（ｂ）同上の弁体の正面図
【図７】（ａ）４方弁の横断平面図
（ｂ）（ａ）図の一部拡大図
【図８】弁トルクの比較実験結果のグラフ
【図９】（ａ）従来のボール弁の断面図
（ｂ）同上の弁体の斜視図
【符号の説明】
１ 弁箱
２ 開口部
３ 弁室
４ 弁体
４ａ 擦り合わせ部
４ｂ 擦り合わせ部
４ｃ 摺接部
５ シートリング
５ａ 内端面
６ 押えリング
７ 押圧ばね
８ 開口部
９ ボンネット
１０ 弁軸
１０ａ 角柱部
１１ 操作レバー
１２ 小軸
１３ 軸受孔
１４ 弁孔
１５ 溶射皮膜
１５ａ 孔
１６ コーティング層
１７ 溶接肉盛層
Claims (4)
- 弁箱内の弁室に収納されるボール形の弁体であって、該弁体に設けた弁孔が流路の出入り口に嵌合されたシートリングと合致して開弁状態となり、その状態から所要角度回転して閉弁状態となるボール弁用弁体において、前記弁体の表面に硬質合金の溶射処理による溶射皮膜を形成し、球面研削によって寸法精度の出た前記溶射皮膜にフッ素樹脂のコーティング層を形成し、このコーティング層の一部を前記溶射皮膜のポーラス部に浸入付着せしめ、前記弁体の開弁状態においてシートリングが密着される弁体の弁孔端部外周縁と、閉弁状態において前記シートリングが密着される前記弁体の一部とに、擦り合わせを施すことにより前記フッ素樹脂のコーティング層が剥離され溶射皮膜が露出した擦り合わせ部を形成し、該擦り合わせ部における前記溶射皮膜のポーラス部に前記フッ素樹脂の一部を残存せしめ、前記弁体が前記シートリングと摺接しながら回転する範囲内における前記擦り合わせ部以外の部分に形成された前記フッ素樹脂のコーティング層が、前記弁体の回転時にシートリングとの摺接部となり、該摺接部がシートリングとの摺接によって発生する前記フッ素樹脂の摩耗粉を前記擦り合わせ部に供給する供給源となることを特徴とするボール弁用弁体。
- 弁箱内の弁室に収納されるボール形の３方弁又は４方弁を構成する弁体であって、該弁体に設けた弁孔が流路の出入り口に嵌合されたシートリングと合致して開弁状態となり、その状態から所要角度回転して流路切替え状態となるボール弁用弁体において、前記弁体の表面に硬質合金の溶射処理による溶射皮膜を形成し、球面研削によって寸法精度の出た前記溶射皮膜にフッ素樹脂のコーティング層を形成し、このコーティング層の一部を前記溶射皮膜のポーラス部に浸入付着せしめ、前記弁体の開弁状態及び流路切替え状態においてシートリングが密着される弁体の弁孔端部外周縁に、擦り合わせを施すことにより前記フッ素樹脂のコーティング層が剥離され溶射皮膜が露出した擦り合わせ部を形成し、該擦り合わせ部における前記溶射皮膜のポーラス部に前記フッ素樹脂の一部を残存せしめ、前記弁体が前記シートリングと摺接しながら回転する範囲内における前記擦り合わせ部以外の部分に形成された前記フッ素樹脂のコーティング層が、前記弁体の回転時にシートリングとの摺接部となり、該摺接部がシートリングとの摺接によって発生する前記フッ素樹脂の摩耗粉を前記擦り合わせ部に供給する供給源となることを特徴とするボール弁用弁体。
- 前記硬質合金が自溶性合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載のボール弁用弁体。
- 前記弁体の表面に形成された溶射皮膜に、ブラスト処理を施してからフッ素樹脂コーティングを行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のボール弁用弁体。
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