JP4495054B2

JP4495054B2 - 回転機械の部品及び回転機械

Info

Publication number: JP4495054B2
Application number: JP2005255480A
Authority: JP
Inventors: 豊明安井; 義和山田; 勝保花中; 聰秦; 有三津留崎; 修伊住; 一秀齊藤; 憲一根本; 友喜治鈴木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: DE102006008465A1; US7947381B2; JP2007071031A; US20070054126A1

Description

本発明は、蒸気タービン、圧縮機等の回転機械に関し、さらに詳しくは、微粒子を含む気体がローターや動翼等の回転機械の部品に接触した場合に、微粒子の付着を抑制できる回転機械の部品及び回転機械に関する。

蒸気タービンは、作動流体である蒸気がタービンの動翼に噴射されて駆動される。蒸気タービンが備える動翼やローター等の回転機械の部品は、直接蒸気と接触する。また、化学プラント等で各種の気体を圧縮する圧縮機は、外部から動力を与えられてインペラが回転し、前記気体を圧縮する。このような圧縮機では、インペラやローター等の回転機械の部品が直接気体に接触する。

蒸気タービンの作動流体である蒸気や、圧縮機の圧縮対象気体である各種気体には、これらに含まれる微粒子状のシリカ、酸化鉄、あるいはハイドロカーボン等の微粒子が含まれている。前記動翼やインペラ等は、直接蒸気や各種気体に接触するので、前記微粒子が動翼やインペラ等に付着して、効率が低下するという問題があった。この対策として、フッ素樹脂を含有する有機塗料を最上層に備える３層皮膜を、蒸気タービンの動翼や圧縮機のインペラ等の表面に形成する技術が知られている（例えば非特許文献１）。

PERFORMANCE MAINTENANCE OF CENTRIFUGAL COMPRESSORS THROUGHTHE USE OF COATINGS TO REDUCE HYDROVARBON FOULING BY RONALD CHOW NOVACOR CHEMICALS, BRUCE McMORDIE SERMATECH INTERNATIONAL, RICHARD WIEGAND ELLIOTT COMPANY

しかしながら、非特許文献１に開示された技術では、シリカ、酸化鉄等の微粒子の付着を抑制するという点で不十分であり、改善の余地がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シリカ、酸化鉄その他の微粒子を含む気体を取り扱う回転機械において、気体中に含まれる微粒子の付着を効果的に抑制できる回転機械の部品及び回転機械を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転機械の部品（動翼またはインペラ）は、動翼あるいはインペラである回転機械の部品であって、前記動翼の翼あるいは前記インペラの翼となる部分に疲労強度を向上させるラジカル窒化処理が施されると共に、前記ラジカル窒化処理が施された部分の表面にめっき皮膜が設けられ、前記めっき皮膜は、フッ素樹脂粒子がめっきマトリックスに含有されると共に前記フッ素樹脂粒子の一部が前記めっきマトリックスの表面から露出するフッ素樹脂含有めっき皮膜を含み、且つ、前記フッ素樹脂粒子は、回転機械の回転に伴い前記めっき皮膜と接触する気体に含まれる粒子が前記めっき皮膜に付着することを抑制するために、平面視にて、１０％以上４０％以下の面積の割合で前記めっきマトリックスの表面から露出すると共に、前記めっきマトリックスは、ニッケルまたは任意のニッケルベース金属から成ることを特徴とする。

この回転機械の部品は、蒸気タービンや圧縮機等の回転機械に用いられる、動翼やインペラである。そして、めっきマトリックスに含有されるフッ素樹脂粒子の一部が、前記めっきマトリックスから露出するフッ素樹脂含有めっき皮膜を備える。これによって、シリカや酸化鉄等の微粒子を含む気体が接触しても、フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面から露出したフッ素樹脂粒子によって、前記微粒子の付着が効果的に抑制できる。
さらに、この回転機械の部品では、フッ素樹脂含有めっき皮膜のめっきマトリックスに、Ｎｉ又はＮｉ基の金属を用いる。これにより、耐腐食性を向上させることができる。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記動翼の翼あるいは前記インペラの翼となる部分に疲労強度を向上させるラジカル窒化処理が施されると共に、前記ラジカル窒化処理が施された部分の表面にめっき皮膜が設けられ、前記めっき皮膜は、フッ素樹脂粒子がめっきマトリックスに含有されると共に前記フッ素樹脂粒子の一部が前記めっきマトリックスの表面から露出するフッ素樹脂含有めっき皮膜と、前記フッ素樹脂含有めっき皮膜と前記ラジカル窒化処理が施された部分の表面との間に設けられる、金属の中間めっき皮膜と、を含み、且つ、
前記フッ素樹脂粒子は、回転機械の回転に伴い前記めっき皮膜と接触する気体に含まれる粒子が前記めっき皮膜に付着することを抑制するために、平面視にて、１０％以上４０％以下の面積の割合で前記めっきマトリックスの表面から露出すると共に、前記めっきマトリックスは、ニッケルまたは任意のニッケルベース金属から成ることを特徴とする。

この回転機械の部品は、蒸気タービンや圧縮機等の回転機械に用いられる、動翼やインペラである。そして、めっきマトリックスに含有されるフッ素樹脂粒子の一部が、前記めっきマトリックスから露出するフッ素樹脂含有めっき皮膜を備える。これによって、シリカや酸化鉄等の微粒子を含む気体が接触しても、フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面から露出したフッ素樹脂粒子によって、前記微粒子の付着が効果的に抑制できる。また、この回転機械の部品では、フッ素樹脂含有めっき皮膜は、回転機械の部品の表面に成膜された金属の中間めっき皮膜の表面に成膜される。これによって、フッ素樹脂含有めっき皮膜と回転機械の部品の基材との密着性を向上させて、フッ素樹脂含有めっき皮膜の割れに対する耐性（耐割れ性）を向上させることができる。その結果、フッ素樹脂含有めっき皮膜の脱落を抑制できる。また、フッ素樹脂含有めっき皮膜の割れを起点として、回転機械の部品を構成する基材の疲労強度が低下するが、この回転機械の部品ではフッ素樹脂含有めっき皮膜の耐割れ性が向上するので、回転機械の部品を構成する基材の疲労強度低下も抑制できる。
さらに、この回転機械の部品では、フッ素樹脂含有めっき皮膜のめっきマトリックスに、Ｎｉ又はＮｉ基の金属を用いる。これにより、耐腐食性を向上させることができる。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記回転機械の部品において、前記中間めっき皮膜は、電気めっきにより成膜されることを特徴とする。

この回転機械の部品は、前記回転機械の部品と同様の構成を備えるので、前記回転機械の部品と同様の作用、効果を奏する。さらに、この回転機械の部品では、中間めっき皮膜を電気めっきにより成膜する。これによって、フッ素樹脂含有めっき皮膜の耐割れ性をさらに向上させることができる。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記回転機械の部品において、前記中間めっき皮膜は、Ｎｉであることを特徴とする。

この回転機械の部品は、前記回転機械の部品と同様の構成を備えるので、前記回転機械の部品と同様の作用、効果を奏する。さらに、この回転機械の部品では、中間めっき皮膜をＮｉとする。これによって、フッ素樹脂含有めっき皮膜と回転機械の部品の基材との密着性をさらに向上させて、フッ素樹脂含有めっき皮膜の耐割れ性をさらに向上させることができる。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記回転機械の部品において、前記回転機械の部品の表面には、前記中間めっき皮膜が形成される部分の疲労強度を向上させる表面改質処理が施されることを特徴とする。

この回転機械の部品は、前記回転機械の部品と同様の構成を備えるので、前記回転機械の部品と同様の作用、効果を奏する。さらに、この回転機械の部品では、回転機械の部品の表面に、前記中間めっき層あるいはフッ素樹脂含有めっき皮膜が形成される部分の疲労強度を向上させる表面改質処理が施される。一般に、めっきを施した基材は疲労強度が低下するが、この回転機械の部品は、めっき皮膜を成膜する前に、予め基材の疲労強度を向上させるので、めっき皮膜を成膜することによって疲労強度が低下しても、その影響を最小限に抑えることができる。ここで、表面改質処理には、例えば窒化処理やショットピーニング処理がある。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記回転機械の部品において、前記フッ素樹脂粒子は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリビリニデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）の少なくとも１種類であることを特徴とする。この発明において、フッ素樹脂含有めっき皮膜を構成する前記フッ素樹脂粒子には、これらの材料を用いることができる。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記回転機械の部品において、前記フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリビリニデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）の少なくとも１種類からなるフッ素樹脂皮膜が形成されることを特徴とする。

この回転機械の部品は、前記回転機械の部品と同様の構成を備えるので、前記回転機械の部品と同様の作用、効果を奏する。さらに、この回転機械の部品では、フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面に、フッ素樹脂からなるフッ素樹脂皮膜が形成される。これによって、シリカや酸化鉄等の微粒子の付着を、さらに効果的に抑制できる。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記回転機械の部品において、平面視において、前記フッ素樹脂粒子の露出した部分が、前記フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面を占める面積の割合が１０％以上であることを特徴とする。

この回転機械の部品は、前記回転機械の部品と同様の構成を備えるので、前記回転機械の部品と同様の作用、効果を奏する。さらに、この回転機械の部品では、平面視において、フッ素樹脂含有めっき皮膜の全面積に対して、フッ素樹脂粒子が前記フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面から露出した部分が占める面積の割合が１０％以上とする。これにより、シリカや酸化鉄等の微粒子の付着を、効果的に抑制できる。

次の本発明に係る回転機械の部品は、前記回転機械の部品において、前記フッ素樹脂粒子含有めっき皮膜は、無電解めっきにより成膜されることを特徴とする。

この回転機械の部品は、前記回転機械の部品と同様の構成を備えるので、前記回転機械の部品と同様の作用、効果を奏する。さらに、この回転機械の部品では、フッ素樹脂粒子含有めっき皮膜を、無電解めっきにより成膜する。これによって、回転機械の部品が複雑な３次元形状であっても、均一にフッ素樹脂粒子含有めっき皮膜を形成できる。

次の本発明に係る回転機械は、前記回転機械の部品を、微粒子を含む気体が接触する回転部分に備えることを特徴とする。

この回転機械は、前記回転機械の部品を備えるので、シリカ、酸化鉄その他の微粒子を含む気体を取り扱う回転機械において、気体中に含まれる微粒子の付着を効果的に抑制できる。

説明したように、この発明に係る回転機械の部品及び回転機械は、シリカ、酸化鉄その他の微粒子を含む気体を取り扱う回転機械において、気体中に含まれる微粒子の付着を効果的に抑制できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

この実施例に係るめっき皮膜で被覆した回転機械の回転機械の部品は、フッ素樹脂の粒子をめっきマトリックスに含有させたフッ素樹脂含有めっき皮膜が表面に形成される点に特徴がある。

図１は、この実施例に係るフッ素樹脂粒子含有めっき皮膜で表面を被覆した動翼を備える蒸気タービンのタービン室周辺を示す断面図である。この実施例に係る回転機械である蒸気タービン２０は、蒸気入口弁２１で開閉制御される蒸気供給管２５から供給される蒸気の蒸気圧力を、回転動力に変換するものである。回転動力は、減速機を介して発電機等に使用される。回転動力を取り出すためのローター軸２２には、タービンディスク２６が複数取り付けられる。タービンディスク２６の外周には、複数の動翼２３が一列に取り付けられて動翼列を形成する。動翼２３は、上記蒸気供給管２５から供給される蒸気を受けてローター軸２２を回転させる。

動翼２３間には、複数のノズルベーンを備えるノズル仕切り板２４が配置され、ノズルベーンを蒸気が通過する際に、当該蒸気を整流して動翼２３に効率よく当てる。図１に示すように、蒸気タービン２０が複数の動翼列を備える場合は、ノズルベーンも複数枚設けられる。この場合、各ノズル仕切り板２４が個々に有するノズルベーンの枚数、大きさは異なることが多いが、どれも同様の構成である。

図２は、この実施例に係るフッ素樹脂粒子含有めっき皮膜で表面を被覆した、蒸気タービンの動翼を示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。回転機械である蒸気タービン２０の回転機械の部品である動翼２３は、ベース２３Ｂに翼２３Ｗが取り付けられている。また、ベース２３Ｂの翼２３Ｗとは反対側に、翼固定部２３Ｔが設けられる。翼固定部２３Ｔは、タービンディスク２６の外周部に形成される、翼固定部２３Ｔと同形状の翼取り付け溝にはめ込まれて、タービンディスク２６に取り付けられる。

蒸気タービン２０が備える動翼２３は、高温、高圧の蒸気が動翼２３へ噴射されて、タービンディスク２６とともに回転する。このため、動翼２３には、大きな遠心加速度が作用するとともに、高温にさらされる。したがって、動翼２３は、高強度、かつ耐熱性を有する材料で製造される。この実施例において、動翼２３は、マルテンサイト系のステンレス鋼で製造される。

蒸気タービン２０において、動翼２３の表面２３Ｓやノズルベーンの表面には、蒸気に含まれるＳｉＯ₂や酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）等の微粒子が付着する。また、圧縮機のような回転機械でも、圧縮対象の気体に含まれるハイドロカーボン（ＨＣ）やシリカ等の微粒子等が、気体の接触する部品の表面に付着する。そして、長期間の運転により、前記微粒子が動翼２３の表面２３Ｓやノズルベーンの表面等に体積して、蒸気タービンの熱効率や、圧縮機の圧縮効率を低下させてしまう。

かかる問題を解決するため、この実施例においては、動翼２３の表面２３Ｓに、フッ素樹脂の粒子を含有するめっき皮膜で被覆する。これによって、蒸気中の微粒子が、動翼２３の表面２３Ｓに付着することを抑制する。次に、この実施例に係るめっき皮膜について説明する。

図４は、この実施例に係る動翼の表面を示す模式図である。この図は、この実施例に係る動翼２３の表面２３Ｓを拡大して（図３のＢで囲んだ部分）、これを模式的に表したものである。この実施例に係る動翼２３は、基材（この実施例ではマルテンサイト系ステンレス鋼）１の表面に、めっき皮膜１０が成膜されている。このめっき皮膜１０は、動翼２３の基材１の上に成膜される、フッ素樹脂粒子を含有しない中間めっき皮膜１１と、この中間めっき皮膜１１の上に成膜される、フッ素樹脂粒子１３Ｐがめっきマトリックス１３Ｍで包含されるフッ素樹脂含有めっき皮膜１２とで構成される。フッ素樹脂含有めっき皮膜１２は、図４に示すように、表面にフッ素樹脂粒子１３Ｐの一部が露出している。

この実施例において、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２のめっきマトリックス１３Ｍは、Ｎｉ基の金属であり、例えば、Ｎｉ‐ＰやＮｉ‐Ｂが用いられる。この実施例においては、Ｎｉ‐Ｐが用いられる。また、この実施例においては、フッ素樹脂粒子を含有しない中間めっき皮膜１１を設けることにより、基材１とフッ素樹脂含有めっき皮膜との密着性を向上させる。ここで、フッ素樹脂粒子を含有しない中間めっき皮膜１１は、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２のめっきマトリックス１３Ｍと同様にＮｉ基の金属であり、例えば、Ｎｉ‐ＰやＮｉ‐Ｂが用いられる。また、中間めっき皮膜１１は、Ｎｉめっきとしてもよい。

図５は、この実施例に係るめっき皮膜を生成する手順を示すフローチャートである。まず、被めっき部材である動翼２３の表面に、電解めっきによって中間めっき皮膜１１を成膜する（ステップＳ１０１）。中間めっき皮膜１１は、電気Ｎｉめっき液を用いて、ワット浴等の電気めっきにより作製することが好ましい。これにより、めっき皮膜１０の耐割れ性が向上する。

特に、蒸気タービン２０の動翼２３ような、回転機械の回転機械の部品においては強度が要求されるが、電気めっきを用いて中間めっき皮膜１１をＮｉで成膜すると、めっき皮膜１０の耐割れ性を向上させることができるので好ましい。また、中間めっき皮膜１１は、Ｎｉで成膜した方が、Ｎｉ‐Ｐで成膜するよりも、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２の密着性が向上するので、好ましい。

なお、中間めっき皮膜１１は、Ｎｉ‐Ｐ等の無電解めっき液を用いた無電解めっき（例えば、次に説明する周期律表の第８属金属の自己触媒作用を利用する方法）により作製してもよい。このようにすれば、３次元形状に対しても、均一に中間めっき皮膜１１を形成できる。また、この実施例において、中間めっき皮膜１１の厚さは特に限定されるものではないが、０．５μｍ〜１０μｍ程度が適当である。

次に、中間めっき皮膜１１上にフッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜する。フッ素樹脂含有めっき皮膜１２は、めっき液中にフッ素樹脂粒子１３Ｐを添加し、このめっき液を用いて動翼２３に無電解めっきすることにより作製する。この無電解めっきは、例えば、次に説明する、周期律表の第８属金属（Ｎｉ）の自己触媒作用を利用する方法が用いられる。まず、Ｎｉの中間めっき皮膜１１を成膜した動翼２３の表面を、アルカリ脱脂する（ステップＳ１０２）。次に、動翼２３の表面を酸洗いして（ステップＳ１０３）、その後、電解洗浄する（ステップＳ１０４）。酸洗い、及び電解洗浄は、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜する中間めっき皮膜１１の表面を活性化させるために行われる。

次に、動翼２３の表面に成膜された中間めっき皮膜１１上に、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜する（ステップＳ１０５）。このめっきは、めっき液中の次亜燐酸陰イオンが、周期律表の第８族金属（この実施例では中間めっき皮膜１１であり、Ｎｉ）に対してある特定条件で接触すると、その金属が触媒となって、式（１）のように脱水素分解を起こさせる。なお、このメッキ液中には、フッ素樹脂粒子１３Ｐが添加されている。
［Ｈ₂ＰＯ₂］^-＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ［ＨＰＯ₃］^-＋２Ｈ・・・（１）

式（１）に示す反応によって生成した水素原子は、触媒金属（この実施例では中間めっき皮膜１１）表面に吸着されて、いわゆるCondensed Layerとなって活性化し、これがめっき液中のＮｉ陽イオンに接触すると、式（２）に示す反応によって、Ｎｉを金属に還元して触媒金属（この実施例では中間めっき皮膜１１であり、Ｎｉ）表面に析出させる。
Ｎｉ⁺⁺＋２Ｈ→Ｎｉ^O＋２Ｈ⁺・・・（２）

また触媒金属表面の活性化した水素原子は、めっき液中の次亜燐酸陰イオンと反応して、次亜燐酸陰イオンの含有するＰを還元してＮｉと合金を作る。これによって析出したニッケルが触媒となって、式（１）、式（２）で示した反応と同様なニッケルの還元めっき反応が継続して進行する。すなわちニッケルの自己触媒作用によりめっきが継続進行する。めっき液中のＮｉが上記反応によって析出する過程で、めっき液中に添加されているフッ素樹脂粒子１３Ｐは中間めっき皮膜１１上に付着し、析出したＮｉによって保持される。

この実施例では、周期律表の第８属金属の自己触媒作用を利用する方法によってフッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜するが、電気めっきによってフッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜してもよい。なお、周期律表の第８属金属の自己触媒作用を利用する方法によってフッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜すると、３次元形状に対しても、均一にフッ素樹脂含有めっき皮膜１２を形成できる。また、この実施例において、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２の厚さは特に限定されるものではないが、１μｍ以上５０μｍ以下程度が適当である。

上記手順によって、被めっき部材である動翼２３に、中間めっき皮膜１１及びフッ素樹脂含有めっき皮膜１２を備えるめっき皮膜１０が成膜される。なお、めっき皮膜１０を成膜したら（ステップＳ１０５）、めっき皮膜１０を成膜した動翼２３を、３００℃〜３５０℃に所定時間保持する熱処理を施す（ステップＳ１０６）。この熱処理により、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２中のフッ素樹脂分を軟化・固着させる。これによって、フッ素樹脂粒子１３Ｐの脱落が抑制でき、粒子の付着性抑制効果が長期にわたって維持できる。

このように、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２を蒸気と接する動翼２３の表面２３Ｓに設けることにより、前記表面２３Ｓに付着する、蒸気に含まれるＳｉＯ₂や酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）等の微粒子の量を低減できる。

ここで、平面視において、フッ素樹脂粒子１３Ｐの露出部分が、前記フッ素樹脂含有めっき皮膜１２の所定範囲における表面を占める割合（表面占有率）は、１０％以上とすることが好ましい。表面占有率が１０％よりも小さいと、動翼２３の表面２３Ｓに付着する、蒸気に含まれるＳｉＯ₂や酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）等の微粒子の量が多くなるが、前記範囲であれば、前記微粒子の付着量を効果的に低減できる。前記微粒子の付着量を低減させる観点から、表面占有率は、２０％以上とすることがより好ましい。このように、前記微粒子の付着量を低減させる観点では、表面占有率はできるだけ大きい方がよい。しかし、表面占有率が大きくなりすぎると、めっきマトリックス１３Ｍによるフッ素樹脂粒子１３Ｐの保持能力が低下して、フッ素樹脂粒子１３Ｐが脱落するおそれがある。かかる観点から、表面占有率は４０％以下とすることが好ましい。このようにすれば、フッ素樹脂粒子１３Ｐをフッ素樹脂含有めっき皮膜１２のめっきマトリックス１３Ｍで確実に保持できる。

フッ素樹脂粒子１３Ｐの直径は、めっき液中への分散性、表面占有率考慮を考慮すると、０．１μｍ〜１μｍ程度が好ましい。ここで、フッ素樹脂粒子１３Ｐの直径は、例えば、フッ素樹脂粒子１３Ｐを分級する際に用いるメッシュの粗さにより規定する。すなわち、メッシュが正方形である場合、前記メッシュの１辺の長さがフッ素樹脂粒子１３Ｐの直径に相当する。また、フッ素樹脂粒子１３Ｐの直径は、平均値である。

また、フッ素樹脂粒子１３Ｐは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリビリニデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）のうち少なくとも１種類を含んで構成される。

（変形例１）
図６−１、図６−２は、この実施例の第１変形例に係る動翼の表面を示す模式図である。この変形例は、上記実施例と略同様の構成であるが、めっき皮膜を成膜する動翼の表面に、疲労強度を向上させる表面改質処理を施した点が異なる。他の構成は上記実施例と同様なので、説明を省略する。なお、上記実施例の構成は、適宜この変形例に適用できる。

中間めっき皮膜１１及びフッ素樹脂含有めっき皮膜１２により構成されるめっき皮膜１０を成膜した動翼は、めっき皮膜１０の成膜過程で基材の疲労強度が低下する。図６−１に示すように、蒸気中に含まれる粒子の衝突によりめっき皮膜１０が割れ、めっき皮膜１０にはクラック３が生ずることがある。クラック３が基材１ａまで到達した場合、クラック３の先端部３ｔが接する基材１ａの部分に大きな応力が作用する。この部分が破壊の起点となって、基材１ａの疲労を進行させてしまう。

図６−１、図６−２に示す動翼２３ａ、２３ｂは、基材１ａ、１ｂの疲労強度を向上させるため、基材１ａ、１ｂの表面に中間めっき皮膜１１を形成する前に、基材１ａ（動翼２３ａ）等の表面に、予め疲労強度を向上させる表面改質処理を施す。図６−１に示す動翼２３ａでは、基材１ａの表面に窒化処理を施すことにより、窒化層２を形成する。これによって、基材１ａの疲労強度を予め向上させる。そして、窒化層２の上に、中間めっき皮膜１１、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２の順に成膜して、めっき皮膜１０を形成する。

また、図６−２に示す動翼２３ｂでは、基材１ｂの表面にショットピーニング加工を施す。これによって、基材１ｂの疲労強度を予め向上させる。そして、ショットピーニング加工した基材１ｂの表面に、中間めっき皮膜１１、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２の順に成膜して、めっき皮膜１０を形成する。このように、動翼を構成する基材の表面に中間めっき皮膜１１を形成する前に、基材の表面に、予め疲労強度を向上させる表面改質処理を施すので、めっき皮膜１０に生じたクラックが基材１ａ、１ｂまで到達した場合であっても、基材１ａ、１ｂの疲労進行を抑制できる。また、窒化は基材の耐食性がやや低下するが、ショットピーニングによれば、窒化と比較して、基材１ｂの耐食性低下は少ないという利点もある。

この変形例では、基材の疲労強度を向上させる表面改質処理として、窒化及びショットピーニングを説明したが、基材の疲労強度を向上させる表面改質処理として、例えば浸炭や表面焼入れ等を適用してもよい。なお、窒化やショットピーニングを用いると、基材１ａ、１ｂと、中間めっき皮膜１１やフッ素樹脂含有めっき皮膜１２との密着性を向上できるので好ましい。

（変形例２）
図７は、この実施例の第２変形例に係る動翼の表面を示す模式図である。この変形例は、上記実施例と略同様の構成であるが、フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面に、さらに、日本カニゼン（株）製カニフロン（登録商標）用フッ素粒子分散液に代表されるフッ素樹脂の皮膜を設ける点が異なる。他の構成は上記実施例と同様なので、説明を省略する。なお、上記実施例及びその変形例の構成は、適宜この変形例に適用できる。

この動翼２３ｃが備えるめっき皮膜１０ｃは、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２の上に、さらにフッ素樹脂皮膜１４が形成される。このフッ素樹脂皮膜１４は、直径がサブミクロンオーダーのフッ素樹脂からなる。フッ素樹脂皮膜１４は、直径がサブミクロンオーダーのフッ素樹脂を界面活性剤で分散させた塗工液を、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２に塗布することにより形成される。これにより、めっき皮膜１０ｃにおけるフッ素樹脂の面積占有率をさらに向上させることができるので、蒸気や圧縮対象の気体に含まれるＳｉＯ₂等の微粒子の付着をより効果的に抑制できる。ここで、フッ素樹脂皮膜１４を構成するフッ素樹脂は、前記フッ素樹脂粒子１３Ｐと同じ材料を用いることができる。

（変形例３）
図８は、この実施例の第３変形例に係る動翼の表面を示す模式図である。この変形例は、上記実施例と略同様の構成であるが、基材の上に中間めっき皮膜を介在させずに、直接フッ素樹脂含有めっき皮膜を成膜した点が異なる。他の構成は上記実施例と同様なので、説明を省略する。なお、上記実施例及びその変形例の構成は、適宜この変形例に適用できる。

この動翼２３ｄが備えるめっき皮膜１０ｄは、基材１の表面に、直接フッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜して構成される。このようにしても、めっき皮膜１０ｄの表面に露出するフッ素樹脂粒子１３Ｐによって、蒸気や圧縮対象の気体に含まれるＳｉＯ₂等の微粒子の付着をより効果的に抑制できる。フッ素樹脂含有めっき皮膜１２を、周期律表の第８属金属の自己触媒作用を利用する方法により作製する場合、基材１の表面をアルカリ脱脂し、その後、基材１の表面１Ｓを酸洗い、電解洗浄することによって活性化させる。その後、前記方法によりフッ素樹脂含有めっき皮膜１２を成膜する。なお、フッ素樹脂含有めっき皮膜１２は、ワット浴等の電気めっきによっても成膜することができる。

（評価例）
本発明に係るめっき皮膜を成膜した試験片を作製し、粒子付着を評価した。本発明に係るフッ素樹脂含有めっき皮膜を成膜するにあたり、フッ素樹脂粒子として、ＰＴＦＥ及びＰＦＡを使用し、めっきマトリックスの材料としてＮｉ‐Ｐ、Ｎｉ‐Ｂ、Ｎｉを用いたフッ素樹脂含有めっき皮膜を、基材（ＳＵＳ４１０Ｊ１）上に成膜した試験片を作製した。それぞれのフッ素樹脂含有めっき皮膜は、Ｎｉ‐Ｐの無電解めっき、Ｎｉ‐Ｂの無電解めっき、Ｎｉの電解めっきにより成膜した。さらに、基材の上に、フッ素樹脂を含有しない中間めっき皮膜を成膜して、その表面にフッ素樹脂含有めっき皮膜を成膜した試験片も作製した。いずれの試験片が備えるフッ素樹脂含有めっき皮膜においても、フッ素樹脂粒子表面占有率は１０％以上とした。なお、フッ素樹脂粒子表面占有率は、フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面拡大写真から求めた。

比較例として、フッ素樹脂含有めっき皮膜のフッ素樹脂粒子の表面占有率が７％の試験片を作製した。また、従来例としてフッ素樹脂含有有機塗料を前記ステンレス鋼の基材にコーティングした試験片、及び前記ステンレス鋼の基材のみ（いずれのめっき皮膜なし）の試験片を作製した。本発明に係るフッ素樹脂含有めっき皮膜を成膜した試験片、及び比較例に係る試験片皮膜構成は、表１に示す通りである。

（フッ素樹脂含有めっき皮膜の成膜方法）
フッ素樹脂含有めっき皮膜は、次の手順により基材表面に成膜した。
（１）無電解めっき液中に界面活性剤を使用し、平均粒子径０．３μｍ〜０．５μｍのフッ素樹脂粒子を分散させた。
（２）上記めっき液を９０℃に保持し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの試験片（ＳＵＳ４１０Ｊ１）を浸漬し、フッ素樹脂含有めっき皮膜（カニフロン：登録商標）を成膜した。めっき皮膜の厚さは、フッ素樹脂含有めっき皮膜が１０μｍで、中間めっき皮膜（フッ素樹脂粒子を含有しないめっき皮膜）が２μｍである。
（３）その後、３００〜３５０℃で加熱処理を施した。
（４）電気めっきの場合は、上記めっき液をワット浴とし、同様にフッ素樹脂粒子を分散させ、温度５０℃、電流密度５Ａ／ｄｍ²の条件下でフッ素樹脂含有めっき皮膜を成膜した。上記試作材を供試材として、粒子付着評価試験装置により粒子付着性を評価した。

（粒子付着評価試験方法）
図９は、粒子付着評価試験に用いる試験装置を示す装置構成図である。この試験装置３０は、上記手順によって作製した試験片３６を、ドラム３１に嵌め込んで、粒子付着評価試験に供する。粒子付着評価試験は、ドラム３１を回転させながら、窒素（Ｎ₂）ガスにより搬送されたシリカ（ＳｉＯ₂）の超微粒子を試験片３６の表面に吹き付け、付着させる試験である。窒素ガスは、ノズル３３を通って噴射され、シリカ粒子は、粒子供給装置３２からノズル３３の出口近傍に供給される。ドラム３１の下方には、水タンク３４が設置されている。水タンク３４内の水は、１００℃で沸騰させられており、前記試験片３６に水分が供給される。また、試験片３６はドラム３１の内側に設置したヒーター３５により加熱される。

（試験条件）
ドラム３１の回転数は１０ｒｐｍとし、試験片３６も、ドラム３１と同じ回転数で回転する。シリカ粒子は、日本アエロジル製のフュームドシリカ（グレード５０）を用いた。試験片３６の加熱温度は８０℃とした。また、シリカ粒子の衝突速度は３００ｍ／ｓｅｃ．とし、試験時間は８０時間とした。

（評価方法）
試験前後における試験片３６の質量差から、シリカ粒子の付着量を測定した。それぞれの試験片の表面に付着したシリカ粒子の付着量Ｙ（ｇ）と、試験片の基材（ＳＵＳ４１０Ｊ１）そのものの表面（表面粗さＲｚ＝３．５μｍ）に付着したシリカ粒子の付着量Ｘ（ｇ）との比を、シリカ粒子付着倍率Ｚとして式（３）により算出した。
Ｚ＝Ｙ／Ｘ・・・（３）

上記試験の結果を表１に示す。なお、次の説明におけるＮｏ．は、表１中の試験片Ｎｏ．に対応する。表１に示すように、本発明に係るフッ素樹脂含有めっき皮膜を成膜した試験片（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７）のシリカ粒子付着倍率は、最も大きいもので０．５２である（Ｎｏ．１）。この結果からわかるように、本発明に係るフッ素樹脂含有めっき皮膜は、基材そのもの（Ｎｏ．９）に対して、シリカ粒子付着量がおよそ半分以下である。フッ素樹脂含有有機塗料（Ｎｏ．１０）に対しては、シリカ粒子付着量がおよそ６割以下である。このように、本発明は、従来のものに対して格段に優れた粒子付着量低減効果を奏する。

本発明に係るフッ素樹脂含有めっき皮膜においては、フッ素樹脂粒子表面占有率が１０％（Ｎｏ．１）になると、従来例（フッ素樹脂含有有機塗料、Ｎｏ．１０）に対して、シリカ粒子付着量が６割程度となる。本発明に係るフッ素樹脂含有めっき皮膜において、フッ素樹脂粒子表面占有率が２０％になると、従来例（フッ素樹脂含有有機塗料、Ｎｏ．１０）に対して、シリカ粒子付着量がおよそ５割以下となり（Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７）、その中では大きな違いは見られない。

中間めっき皮膜の有無により、シリカ粒子付着倍率は影響を受けない。また、フッ素樹脂は、ＰＦＡ（Ｎｏ．７）よりも、ＰＴＦＥ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６）の方が、シリカ粒子付着倍率はやや小さくなる。さらに、フッ素樹脂含有めっき皮膜の成膜方法（無電解めっきか電気めっき）の違いによるシリカ粒子付着倍率の違いは、ほとんどない。ただし、電気Ｎｉめっきでの硬度はＨｖで１５０〜３００であるのに対し、無電解Ｎｉ−Ｐめっき（フッ素樹脂含有無電解Ｎｉ−Ｐめっき）での硬度は、Ｈｖで２５０〜３００（非晶質）、めっき後、３００℃〜３５０℃での加熱処理をした場合には、Ｈｖで４５０〜６００（結晶質）である。割れ感受性は硬度に強い相関があり、電気Ｎｉめっきの方が無電解Ｎｉ−Ｐめっきよりも軟らかく、割れにくい。次に、窒化の有無が疲労強度に与える影響について説明する。

図１０は、応力振幅と破断繰り返し数との関係を示す説明図である。試験片の基材の材料はＳＵＳ４１０Ｊ１、試験片は平滑試験片を用い、疲労強度を向上させる表面改質処理として窒化処理をした試験片、及び窒化処理をしない試験片にフッ素樹脂含有めっき皮膜（Ｎｉ−Ｐ）を形成した。窒化はラジカル窒化を用いた。そして、回転曲げ疲労試験により試験片の破断繰り返し数を求めた。繰り返し速度は３６００ｒｐｍ（Revolution Per Minute）、試験温度は室温とした。比較対象として、ＳＵＳ４１０Ｊ１のみの試験片（めっきなし）も試験した。

図１０に示すように、窒化処理をしない試験片にフッ素樹脂含有めっき皮膜（Ｎｉ−Ｐ）を形成した試験片は、１０⁵程度の繰り返し数で試験片が破断している。一方、窒化処理をした試験片にフッ素樹脂含有めっき皮膜（Ｎｉ−Ｐ）を形成した試験片は、１０⁷程度の繰り返し数を経過した後でも試験片の破断はない。このように、基材に疲労強度を向上させる表面改質処理を施すと、めっき皮膜を形成した基材の疲労強度が向上し、単に基材のみの場合よりも大きな応力振幅に耐えられることがわかる。なお、疲労強度を向上させる表面改質処理は、ショットピーニングでも窒化の場合と同様の結果を示す。

以上のように、本発明に係る回転機械の部品及び回転機械は、蒸気タービンや圧縮機等の回転機械が備える回転機械の部品に有用であり、特に、回転機械の部品に付着する、蒸気や圧縮対象の気体に含まれる微粒子の量を低減することに適している。

この実施例に係るフッ素樹脂粒子含有めっき皮膜で表面を被覆した動翼を備える蒸気タービンのタービン室周辺を示す断面図である。この実施例に係るフッ素樹脂粒子含有めっき皮膜で表面を被覆した、蒸気タービンの動翼を示す斜視図である。図２のＡ−Ａ断面図である。この実施例に係る動翼の表面を示す模式図である。この実施例に係るめっき皮膜を生成する手順を示すフローチャートである。この実施例の第１変形例に係る動翼の表面を示す模式図である。この実施例の第１変形例に係る動翼の表面を示す模式図である。この実施例の第２変形例に係る動翼の表面を示す模式図である。この実施例の第３変形例に係る動翼の表面を示す模式図である。粒子付着評価試験に用いる試験装置を示す装置構成図である。応力振幅と破断繰り返し数との関係を示す説明図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ基材
２窒化層
３クラック
１０、１０ｃ、１０ｄめっき皮膜
１１中間めっき皮膜
１２フッ素樹脂含有めっき皮膜
１３Ｐフッ素樹脂粒子
１３Ｍめっきマトリックス
１４フッ素樹脂皮膜
２０蒸気タービン
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ動翼

Claims

動翼あるいはインペラである回転機械の部品であって、
前記動翼の翼あるいは前記インペラの翼となる部分に疲労強度を向上させるラジカル窒化処理が施されると共に、前記ラジカル窒化処理が施された部分の表面にめっき皮膜が設けられ、
前記めっき皮膜は、フッ素樹脂粒子がめっきマトリックスに含有されると共に前記フッ素樹脂粒子の一部が前記めっきマトリックスの表面から露出するフッ素樹脂含有めっき皮膜を含み、且つ、
前記フッ素樹脂粒子は、回転機械の回転に伴い前記めっき皮膜と接触する気体に含まれる粒子が前記めっき皮膜に付着することを抑制するために、平面視にて、１０％以上４０％以下の面積の割合で前記めっきマトリックスの表面から露出すると共に、前記めっきマトリックスは、ニッケルまたは任意のニッケルベース金属から成ることを特徴とする回転機械の部品。
動翼あるいはインペラである回転機械の部品であって、
前記動翼の翼あるいは前記インペラの翼となる部分に疲労強度を向上させるラジカル窒化処理が施されると共に、前記ラジカル窒化処理が施された部分の表面にめっき皮膜が設けられ、
前記めっき皮膜は、フッ素樹脂粒子がめっきマトリックスに含有されると共に前記フッ素樹脂粒子の一部が前記めっきマトリックスの表面から露出するフッ素樹脂含有めっき皮膜と、前記フッ素樹脂含有めっき皮膜と前記ラジカル窒化処理が施された部分の表面との間に設けられる、金属の中間めっき皮膜と、を含み、且つ、
前記フッ素樹脂粒子は、回転機械の回転に伴い前記めっき皮膜と接触する気体に含まれる粒子が前記めっき皮膜に付着することを抑制するために、平面視にて、１０％以上４０％以下の面積の割合で前記めっきマトリックスの表面から露出すると共に、前記めっきマトリックスは、ニッケルまたは任意のニッケルベース金属から成ることを特徴とする回転機械の部品。
前記中間めっき皮膜は、電気めっきにより成膜されることを特徴とする請求項２に記載の回転機械の部品。
前記中間めっき皮膜は、Ｎｉであることを特徴とする請求項２又は３に記載の回転機械の部品。
前記フッ素樹脂粒子は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリビリニデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）の少なくとも１種類であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機械の部品。
前記フッ素樹脂含有めっき皮膜の表面に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリビリニデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）の少なくとも１種類からなるフッ素樹脂皮膜が形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機械の部品。
前記フッ素樹脂粒子含有めっき皮膜は、無電解めっきにより成膜されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転機械の部品。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転機械の部品を、微粒子を含む気体が接触する回転部分に備えることを特徴とする回転機械。