JP4510618B2 - Wear resistant composite wire for arc spraying - Google Patents

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Description

【技術分野】
本発明は、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤに関し、詳しくは、ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械の部材であって、耐サンドエロージョン性又は耐スラリーエロージョン性などが要求される羽根車、ケーシング、ブレード、軸受及びシールなどの金属部材の表面に耐摩耗性コーティングを施すために使用するのに適したアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ及びその製造方法、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにより溶射処理された羽根車及びその羽根車を備えた流体機械に関するものである。
【背景技術】
ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械では、高速、大容量化のニーズに伴い、粒子混入によるサンドエロージョン及び流水中への土砂の混入によるスラリーエロージョンなどによって金属材料の損傷が問題となる。回転機械に利用される材料には、高靭性と共に優れた耐サンドエロージョン性及び耐スラリーエロージョン性が要求されるため、金属基材に溶射技術が多用されるようになってきた。サンドエロージョンあるいはスラリーエロージョンは部位の特定な位置に部分的に発生するため、予めその損傷が起こると予測される部位にあらかじめ耐摩耗性コーティングを施工することできる。また、一定の稼動後に、サンドエロージョン又はスラリーエロージョン等で損傷した箇所にアーク溶射で補修することで、回転機械の長寿命化を図ることができる。
このようなアーク溶射処理に使用される耐摩耗材の複合ワイヤは、図１で全体が１で示されるように、管状の金属製外皮２の内部にＷＣ又はＷ２Ｃ等からなるセラミックスの粉体３を充填して構成されるワイヤである。かかる複合ワイヤは、一般的に、帯状の金属板を横断面が樋状又はＵ字状になるように湾曲させてできた凹部内にセラミックスの粉体を供給し、これを折り曲げ加工しながら内部にセラミックス粉末を巻き込ませて管状に成形し、更にそれを伸線加工することによって製造されるか、或いは、予め作製された管状体内にセラミックスの粉体を振動させながら充填し、その後伸線加工することによってされている。
かかる耐摩耗材の複合ワイヤを使用したアーク溶射法の概念図を示せば、図２のようになる。同図からわかるように、アーク溶射法は、複合ワイヤ（直径１．５〜３．２ｍｍ）１を２本一対として使用し、先端で斜めに交叉するようにして図示しない送り機構により連続的に供給すると共に、両複合ワイヤ１に所定の電圧を印加し、その先端間でアークを発生させてそれによって複合ワイヤを溶融させ、溶融された金属とセラミックス粒子をノズル５から噴出する空気ジェットで、基材Ｂに吹き付けて金属及びセラミックス粒子の皮膜を形成するように、行われる。このように、一対の複合ワイヤ１間でアーク放電を生じさせることにより複合ワイヤの両先端部を溶融させ、ノズル５からのキャリアガスであるエアにより溶融物を溶射領域に溶着させることで溶射領域に耐摩耗材の皮膜６を形成する。
アーク溶射においては、エアジェットで複合ワイヤの溶滴及び未溶融のセラミックス粒子を吹き飛ばす機構になっているため、セラミックスが炭化タングステンである場合、粒子径が５μｍ以下であると、セラミックス粒子が周辺に飛散してしまうため、炭化タングステン粒子の溶射効率が極端に小さくなって溶射皮膜層内の炭化タングステン粒子の含有率が小さくなり、所望の耐摩耗性被膜が得られない問題がある。アーク溶射における複合ワイヤに充填した硬質粒子（Ｗ２Ｃ）と溶射効率との関係を図３に示す。この図からもわかるように、限られた範囲ではあるが、硬質粒子の粒径が増加すれば溶射効率が増加する。また、従来の複合ワイヤでは、比較的融点の高いＮｉ基合金、Ｃｏ基合金又はＦｅ基合金等の金属をフープすなわち外皮の材料として用いているため、溶射層内の空隙が多くて緻密な溶射層が得られていないため、過酷なスラリーエロージョンが起こるポンプ部材に従来のアーク溶射を適用した場合、要求される耐スラリーエロージョン性が得られない問題がある。
本発明者は、上記のような従来のアーク溶射用複合ワイヤの問題点に鑑み研究を重ねた結果、複合ワイヤを構成している粉末又は外皮に特定の成分を加えることによって複合ワイヤの自溶性化が可能なことを見出し、そのような自溶性化された複合ワイヤを使用して溶射処理することによって、耐スラリーエロージョン性を向上できることを見出した。また、外皮内に充填される粉末を所望の大きさに造粒することによってもアーク溶射時における硬質粒子の飛散を抑制し、溶射効率の向上を図れることを見出した。
発 明 の 概 要
したがって、本発明の目的は、耐スラリーエロージョン性を向上できるアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを提供することである。
本発明の他の目的は、複合ワイヤを構成する粉末にボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加し、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを自溶性化し、それによって複合ワイヤの溶射効率を増大させて耐摩耗性を向上することである。
本発明の別の目的は、複合ワイヤを構成する外皮の材料に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加し、アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを自溶性化し、それによって複合ワイヤの溶射効率を増大させて耐摩耗性を向上することである。
本発明の別の目的は、外皮の中に充填される粉末を所望の大きさの粒子に造粒することによって複合ワイヤの溶射効率を増大させて耐摩耗性を向上することである。
本発明の更に別の目的は、上記のようなアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤの製造方法、複合ワイヤを使用して溶射処理された羽根車、及びそのような羽根車を備える流体機械を提供することである。
本発明によれば、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記粉末に、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加し、自溶性化したアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤが提供される。
上記金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末と、前記ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末とを粒径が１５μｍないし１５０μｍとなるように造粒してもよい。
本願の他の発明によれば、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、前記外皮の材料に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加し、自溶性化したアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤが提供される。
上記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、セラミックスが炭化物及び酸化物のいずれかであってもよく、セラミックスがＷＣ又はＷ２Ｃであってもよい。更に、ＷＣ又はＷ２Ｃを主成分とする粉末の一次粒子径が５μｍ以上、１５０μｍ以下であってもよい。
本願の別の発明によれば、ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車であって、前記羽根車の表面の少なくとも一部が、前記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理されている羽根車が提供される。
本願の更に別の発明によれば、ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車と、前記羽根車を回転可能に収容する室を画定するケーシングと、を備え、た流体機械であって、前記羽根車の表面の少なくとも一部及び／又は前記ケーシングの内面の少なくとも一部が、前記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理されている流体機械が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態によるアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ（以下単に複合ワイヤ）も、図１に示される従来の複合ワイヤ１と同様に、管状の外皮（フープ）と、その外皮内に充填されている粉末とで構成されている。本実施形態においては、外皮の材料及び／又は粉末の材料が改良されている。一つの実施形態による複合ワイヤにおいて、外皮がニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の合金材料でつくられている。外皮内に充填される粉末の材料は、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末に、ボロン（Ｂ）又はボロン化合物、シリコン（Ｓｉ）又はシリコン化合物及びリン（Ｐ）又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末を添加混合してつくられている。外皮は、従来と同様に、前記合金材料製の板材又はストップ材を横断面が樋状又はＵ形状に形成され、その中に混合された粉末を充填した後外皮を管状に成形し、伸線して複合ワイヤにしている。本発明者は、管状の外皮内に充填される金属及び／又はセラミックス（炭化タングステン（ＷＣ、Ｗ２Ｃ））の粉末に上記のような材料を添加することで複合ワイヤを低融点化、すなわち自溶性（自己溶融性）化させることが可能になり、複合ワイヤを低融点化することで、アーク溶射施工時に、セラミックス（例えばＷ２Ｃ）等の硬質材料でできた粒子の飛散を低減させることができることを見出した。したがって、基材に溶射された皮膜層内にはそれだけ多くの耐摩耗性の硬質材料の粉末が含まれていることになる。耐摩耗性皮膜としての有効に機能することになる。複合ワイヤを自溶性化することによりすなわち融点を低くすることによりセラミックス等の硬質材料の粉末の飛散を減少させることができるのは、溶融した金属層にセラミックス等の硬質粒子が捕捉され易くなるためと思われる。
上記の場合において、セラミックスの粉末としてはＷＣ又はＷ２Ｃの炭化物の粉末であっても、或いは酸化アルミニュウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニュウム（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の酸化物の粉末であってもよい。セラミックスとしてＷＣ又はＷ２Ｃを使用する場合、ＷＣ又はＷ２Ｃを主成分とする粉末の一次粒子径は好ましくは５μｍ以上で１５０μｍ以下であり、最も好ましくは５μｍ以上で６５μｍ以下である。また、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等の酸化物の粉末の一次粒子径は好ましくは１μｍ以上で１５０μｍ以下であり、最も好ましくは１μｍ以上で５０μｍ以下である。
更に、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末と、ボロン又はボロン化合物、シリコン又はシリコン化合物及びリン又はリン化合物から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末とを混合してつくり、それらの粉末を、好ましくは、粒径が５μｍないし１５０μｍ、最も好ましくは、５μｍないし６５μｍとなるように造粒してもよい。造粒は公知の方法で行えばよい。
本発明の他の実施形態において、外皮の材料は、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種に、ボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加してつくられている。外皮はこのような材料を使用して前記実施形態と同様にしてつくられ、その中に充填される粉末は、金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできている。
本発明者は、この実施形態のように、管状の外皮の材料の中に上記のようなボロン、シリコン及びリンから成る群から選択される少なくとも一種の元素を添加することでも複合ワイヤを低融点化、すなわち自溶性（自己溶融性）化させることが可能になり、複合ワイヤを低融点化することで、アーク溶射施工時に、セラミックス（例えばＷ２Ｃ）等の硬質材料の飛散を低減させ、溶射効率を向上させることができることを見出した。したがって、基材に溶射された皮膜層内にはそれだけ多くの耐摩耗性の硬質材料の粉末が含まれていることになる。耐摩耗性皮膜として有効に機能することになる。
上記のようにしてつくられた耐摩耗材複合ワイヤは、図２に示される公知のアーク溶射法により基材の表面に溶射され、基材に耐摩耗性の皮膜を形成する。かかる耐摩耗性の皮膜が形成される基材の例としては、ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械の部材、より具体的には、耐サンドエロージョン性又は耐スラリーエロージョン性などが要求される羽根車、ケーシング、ブレード、軸受及びシールなどがあげられる。このような基材に耐摩耗性の皮膜を形成することにより、このような基材の耐摩耗性を向上させ、そのような基材を使用した機械、例えば、ポンプ、水車、コンプレッサー等の寿命を延ばすことが可能になる。
【実施例１】
外皮をＮｉＣｒ合金で前述のようにつくり、充填粉末（外皮内に充填される粉末）として、Ｗ２Ｃから成る硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）に、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、Ｗ２Ｃが５５重量％、ＮｉＢが２０重量％及びＦｅＳｉが２５重量％になるように添加混合して複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例１に掲げる通りである。発明者らは、Ｗ２Ｃ硬質粒子から構成される粉末にＮｉＢ化合物粉末及びＦｅＳｉ化合物粉末を添加して、前記複合ワイヤを自溶性合金化すると、溶射層自体が高硬度化することを見出した。Ｎｉ基合金からなる複合ワイヤにボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）を添加することで溶射層である皮膜内に硬質粒子であるＷ２Ｃ粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
この実施例１の複合ワイヤをアーク溶射法により基材の表面に溶着させた耐摩耗材の皮膜の断面の状態及びビッカース硬度の測定結果を従来の複合ワイヤの皮膜のそれと比較して示すと、図４に示されるようになる。断面を示す電子顕微鏡写真からも明らかなように、従来例の溶射層断面は、比較的大きな空隙（黒くなっている部分）が多く、幾つかの溶着金属が重なり合った多層状の組織になっている。一方、本発明の溶射層断面は、空隙が少なくまた境界層も少なく、緻密な溶射層になっている。ボロン及びシリコンを添加したことで、ビッカース硬度が向上することも分かる。
【表１】

Figure 0004510618
【参考例１】
外皮をＮｉＣｒ合金で前述と同様につくり、充填粉末として、ＷＣから成る硬質粒子の粉末（粒径１μｍないし５μｍ）、炭化クロムＣｒＣ（粒径１μｍないし５μｍ）の粉末及びＮｉの粉末（粒径１μｍないし５μｍ）を、重量比で１：２０：７の割合で混合し、その粉末を公知の方法で造粒した。造粒した粒子の粒径は平均６５μｍであった。この造粒粉を使用して前述と同様な方法で複合ワイヤをつくった。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の参考例１に掲げる通りである。
この参考例１の複合ワイヤでは外皮内に充填される充填粉末を造粒して所望の大きさの粒状体としたので、アーク溶射時における硬質粒子の飛散を抑制できて、溶射効率を向上させることが可能である。また、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能になる。
【参考例２】
外皮をＮｉＣｒ合金で前述と同様につくり、充填粉末として、炭化クロムＣｒＣ（粒径１μｍないし５μｍ）の粉末及びＣｏの粉末（粒径１μｍないし５μｍ）を、表１の参考例２に示される組成になるように調整して混合し、その混合粉末を公知の方法で造粒した。造粒した粒子の粒径は平均６５μｍであった。そして、この造粒粉を使用して前述と同様に複合ワイヤをつくった。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の参考例２に掲げる通りである。
この参考例２の複合ワイヤでも前記参考例１と同様に、充填粉末を造粒して所望の大きさの粒状体としたので、アーク溶射時における硬質粒子の飛散を抑制できて、溶射効率を向上させることが可能である。また、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能になる。
【実施例４】
外皮をステンレス（ＳＵＳ３０４）で前述と同様につくり、充填粉末として、ＷＣから成る硬質粒子の粉末（粒径１μｍないし５μｍ）、炭化チタン（ＴｉＣ）の粉末（粒径１μｍないし５μｍ）、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、表１の実施例４に示される組成になるように調整して混合して複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは、実施例１と同様に全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例４に掲げる通りである。
この実施例４の複合ワイヤでもボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）が添加されることで、実施例１の複合ワイヤと同様に、溶射層である被膜内に硬質粒子であるＷＣ粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
【実施例５】
外皮をＮｉＣｒ合金で前述と同様につくり、粉末として、ＷＣから成る硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）、Ｃｏの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）、Ｃｒの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、表１の実施例５に示される組成になるように調整して混合して複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは、実施例１と同様に全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例５に掲げる通りである。
この実施例５の複合ワイヤでも、Ｎｉ基合金から成る複合ワイヤにボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）が添加されることで、実施例１の複合ワイヤと同様に、溶射層である被膜内に硬質粒子であるＷＣ粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
【実施例６】
外皮をＮｉＣｒ合金で前述のようにつくり、粉末として、ＣｒＣから成る粉末の造粒粉（粒径１５μｍないし１２５μｍ）に、ＮｉＢ合金の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）及びＦｅＳｉの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を、表１の実施例６に示される組成になるように調整して混合し、その混合した粉末を公知の方法で造粒した。その混合粉末を公知の方法で造粒した。造粒した粒子の粒径は平均６５μｍであった。そして、この造粒粉を使用して前述と同様に複合ワイヤをつくった。これにより複合ワイヤは、実施例１と同様に全体的として自溶性化（低融点化）させることが可能になる。このようにしてつくられた複合ワイヤの化学組成は表１の実施例６に掲げる通りである。
この実施例６の複合ワイヤでも、Ｎｉ基合金から成る複合ワイヤにボロン（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）が添加されることで、実施例１の複合ワイヤと同様に、溶射層である被膜内にＣｒＣ粒子を効率よく分散させることが可能となり、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になる。しかも、充填粉末が造粒されているため溶射効率を向上させることが可能である。
なお、上記実施例ではセラミックスの粉末にＢ、Ｓｉ等の添加物を添加する方法としてＮｉＢ、ＦｅＳｉ等の粉末を加えて混合する場合に付いて説明したが、湿式メッキの手法で添加することも可能である。例えば、ＷＣ又はＷ２Ｃなどの硬質粒子をＢ及びＳｉを含むメッキ液中で無電解メッキする方法、或いは外皮、フープを連続的にＢ及びＳｉを含むメッキ液中で無電解或いは電解メッキすることも有効な方法である。更に、上記湿式メッキ法の他に、セラミックスの粉末或いは外皮の外面にＢ及び／又はＳｉを蒸着させる物理蒸着法或いは化学気相法も有効である。
【実施例７】
外皮の材料として、表１の実施例７に示される組成になるように調整して混合したものを使用した。このような材料で外皮を前記実施例と同様につくり、中にＷ２Ｃの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を充填して複合ワイヤにした。
この実施例７の複合ワイヤでは外皮の材質自体にＢ及びＳｉを添加することで外皮を低融点化し、それによって複合ワイヤ全体として自溶性化している。したがって、この実施例の複合ワイヤでも実施例１の複合ワイヤと同じ効果を奏することが可能になる。この実施例の場合外皮自体にＢ、Ｓｉ等と混入させてあるため、管状の外皮内に入れる粉末にこれらの材料を入れる必要がなくなり、その分複合ワイヤ単位長さ当たりのＷＣ、Ｗ２Ｃ等のセラミックスの含有量を多くでき、セラミックスの溶射効率を向上させることができる。
【実施例８】
外皮の材料として、表１の実施例８に示される組成になるように調整して混合したものを使用した。このような材料で外皮を前記実施例と同様につくり、中にＷ２Ｃの粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）を充填して複合ワイヤにした。
この実施例８の複合ワイヤでも実施例７と同様に外皮の材質自体にＢ及びＳｉを添加することで外皮を低融点化し、それによって複合ワイヤ全体として自溶性化しているが、外皮がＣｏ基自溶性合金である点で実施例７とは異なる。この実施例の複合ワイヤでも実施例１の複合ワイヤと同じ効果を奏することが可能になる。この実施例の場合外皮自体にＢ、Ｓｉ等と混入させてあるため、管状の外皮内に入れる粉末にこれらの材料を入れる必要がなくなり、その分複合ワイヤ単位長さ当たりのＷＣ、Ｗ２Ｃ等のセラミックスの含有量を多くでき、セラミックスの溶射効率を向上させることができる。
【実施例９】
外皮をＮｉ基合金で、前述のようにつくり、充填粉末（外皮内に充填される粉末）として、Ｗ２Ｃからなる硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）に、ＢＣ粉末の粉末およびＦｅＳｉの粉末を添加して複合ワイヤを作製した。これにより複合ワイヤは全体として自溶性化（低融点化）させることが可能となる。このようにして作製した複合ワイヤの化学組成は表１の実施例９の通りである。発明者らは、Ｗ２Ｃ硬質粒子から構成される粉末にＢＣ化合物粉末およびＦｅＳｉ化合物粉末を添加して、前記複合ワイヤを自溶性合金化すると、溶射層自体が高硬度化することを見出した。Ｎｉ基合金からなる複合ワイヤにボロンおよびシリコンを添加することで溶射層内に硬質粒子であるＷ２Ｃを効率良く分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなり緻密性が向上し、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能となる。
【実施例１０】
外皮をＣｏ基合金で、前述のようにつくり、充填粉末（外皮内に充填される粉末）として、Ｗ２Ｃからなる硬質粒子の粉末（粒径４４μｍないし６５μｍ）に、ＢＣ粉末の粉末およびＦｅＳｉの粉末を添加して複合ワイヤを作製した。これにより複合ワイヤは全体として自溶性化（低融点化）させることが可能となる。このようにして作製した複合ワイヤの化学組成は表１の実施例９の通りである。発明者らは、Ｗ２Ｃ硬質粒子から構成される粉末にＢＣ化合物粉末およびＦｅＳｉ化合物粉末を添加して、前記複合ワイヤを自溶性合金化すると、溶射層自体が高硬度化することを見出した。Ｃｏ基合金からなる複合ワイヤにボロンおよびシリコンを添加することで溶射層内に硬質粒子であるＷ２Ｃを効率良く分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなり緻密性が向上し、耐摩耗性に優れた被膜を形成することが可能となる。
［効果確認試験］
発明者らは、基材及び各種アーク溶射材における耐スラリーエロージョン性を調べるため、清水中にＳｉＯ２を主成分とした砂を混入させたスラリーエロージョン試験を実施した。実験条件は、砂の平均粒子径が５μｍ、砂の濃度が１ｋｇ／ｍ２、砂の衝突角度が１５°以下、砂の相対衝突速度が５５ｍ／ｓで行った。基材及び各種アーク溶射材におけるビッカース硬さとスラリーエロージョン損傷速度との関係を図５に示す。ビッカース硬さが増すほど耐スラリーエロージョン性が向上することが分かる。従来のＷ２Ｃ硬質粒子含有Ｎｉ基合金と比較すると、本発明の実施例７のＷ２Ｃ硬質粒子含有Ｎｉ基自溶性合金（外皮自体が自溶性合金になっている場合）は、ビッカース硬さが増し、耐スラリーエロージョン性が向上することが分かる。また、一般に溶射層の硬質粒子径は、河川水中に含まれる砂の粒子径と同等であることが望ましい。一方、アーク溶射においては、空気ジェットで複合ワイヤの溶滴及び未溶融のセラミックス粒子を吹き飛ばす機構になっているので、セラミックス粒子径が１５０μｍ以下であると、セラミックス粒子が周辺に飛散するため、溶射層内のセラミックス粒子の溶射効率が低くなる。また、複合ワイヤに充填する炭化物、例えば、ＷＣ、Ｗ２Ｃなどの硬質粒子径を５μｍ以下とすると、溶射効率が極端に小さくなることは前項で述べた。更に、炭化物などの粒子径を小さくすると、アーク溶射施工時に炭化物粒子自体が高温酸化する。一方、発明者らは、空気ジェットでなく、還元性ガスあるいは窒素あるいは不活性ガスを用いたジェットで複合ワイヤの溶滴及び未溶融のセラミックス粒子を吹き飛ばす機構にすれば、炭化物の粒子径を５μｍ以下でも溶射時に酸化することを防止できるものと考えている。通常の空気ジェットを用いたアーク溶射に用いるＷＣ、Ｗ２Ｃなどの炭化物の粒子径は、５μｍ以上、１５０μｍ以下であることが望ましい。
前記セラミックス粒子径が１５０μｍ以下であると、セラミックス粒子が周辺に飛散するため、溶射層内のセラミックス粒子の溶射効率が低くなり、所望の耐摩耗性被膜が得られないことを既に述べた。本発明の自溶性合金化による手法を用いても、硬質粒子径が数十μｍ程度の場合、溶射効率が低くなるので、金属又は合金或いは自溶性合金となる粉末などので造粒化することで、溶射効率を高めることが可能である。本発明の自溶性合金による低融点化、更に造粒化による２次粒子径を４０μｍ以上とすることが望ましい。但し、酸化物粒子径は、アーク溶射時における酸化物の変置が起こらないので、粒子径を河川水の砂の粒子径に合わせた粒子で施工することが望ましい。
種々のアーク溶射条件で、作製した複合ワイヤについて、荒田式溶射皮膜評価試験によるブラストエロージョン試験を下記の条件で行った。得られた各種アーク溶射材の耐摩耗性を調べた結果を図６に示す。従来の複合ワイヤでは、溶射施工条件によって、耐摩耗性が大きく影響することが分かる。本発明の複合ワイヤでは、溶射施工時におけるエアー圧力の条件を変えても、ほぼ一定の良好な耐摩耗性を示すことが分かる。ポンプなどの羽根車への適用を考えた場合、複雑形状の対象物でもほほ一定の耐摩耗性を示すことは実用上、有効な効果でもある。
荒田式溶射皮膜評価試験によるブラストエロージョン試験条件
噴射剤 ：Ａｌ２Ｏ３（粒度：６０Ｍｅｓｈ）
噴射角度 ：３０°
噴射距離 ：９０ｍｍ
噴射圧力Ｂ ：３．１ｋｇ／ｃｍ２
噴射ノズル ：φ５．２ｍｍ
上記のようにしてつくられたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤは、アーク溶射法により基材の表面に溶射され、基材に耐摩耗性の皮膜を形成する。かかる耐摩耗性の皮膜が形成される基材の例としては、ポンプ、水車、コンプレッサーなどの回転機械の部材、より具体的には、耐サンドエロージョン性又は耐スラリーエロージョン性などが要求される羽根車、ケーシング、ブレード、軸受及びシールなどがあげられる。このような基材に耐摩耗性の皮膜を形成することにより、このような基材の耐摩耗性を向上させ、そのような基材を使用した機械、例えば、ポンプ、水車、コンプレッサー等の寿命を延ばすことが可能になる。
より具体的には、図７に示されるように、羽根車３０は、回転軸を受ける軸穴３１が形成されたハブ３２と、そのハブ３２から半径方向外側に放射上に広がる円板状の主板３３と、主板３３から軸方向（図７において上下方向）に隔てられた環状の側板３４と、主板３３と側板３４との間において円周方向（軸穴の軸線Ｏ−Ｏ回りの円周方向）に等間隔に隔てて配置され所望の曲面に沿って湾曲して側板及び主板と一体的に形成された複数の翼３５とで構成されていて、主板３３、側板３４及び翼３５により流体の流れる流路３６を画定している。流路３６の半径方向内側の部分３７が入口部となり、半径方向外側の部分３８が出口部となる。また、環状の側板３４は、円周方向内側の軸方向に伸びる部分３４ａと、半径方向外側に伸びる部分３４ｂとを有し、軸方向伸長部分３４ａによって羽根車３０の入口３９を画定している。このような羽根車３０を回転させて流体を送り出す場合、例えば、羽根車を土砂を含む水中で回転させると、水中の土砂の粒子が羽根車３０の表面、特に羽根車３０内の流路３６を画定する主板３３の内面４１、側板３４の内面４２及び翼３５の両面、すなわち圧力面４３、負圧面４４に当たってこれを擦り、それらの表面が摩擦により極端に摩耗することになる。
そこで、羽根車３０の上記流路３６を画成する内面４１及び４２、圧力面４３及び負圧面４４、入口３９の内面４５、側板３４の外側面４６及び主板３３の裏面４７のうち所望する面、例えば、流路を画成する内面４１、４２、圧力面４３及び負圧面４４に、上記アーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理を施し被膜を形成する。
上記のようにアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された本発明の羽根車３０は、水車或いはポンプのような流体機械に使用される。図８において、このような流体機械の一例として立形ポンプ５０が断面で示されている。同図において、ポンプ５０は、本発明による羽根車３０を収容するポンプ室５２を画成するケーシング５１と、軸線を鉛直にして配置されていて下端に羽根車３０が固定された主軸５７と、ケーシングの上方に取り付けられたていて主軸５７をケーシングに関して回転自在に支持する主軸受け５８と、ケーシング５１と主軸５７との間からの流体の漏れを防止するシール装置５９と、を備えている。ケーシング５１は管状の支持台６０の上に公知の方法で固定されている。ケーシング５１は、上側の円盤状の端板５３と、渦巻き状の出口室５５を画成するケーシング本体５４と、管状のカバー５６とを備えている。カバー５６の下端には筒状の吸出し管６１が接続されている。
上記ポンプにおいて、主軸３７を回転させることによってその下端に固定された羽根車３０を回転させると、流体が吸出し管６１内で矢印Ｘで示されるように羽根車の入口３９に吸い込まれ、羽根車３０の流路３６を通って出口３８側から半径方向に押し出され、出口室５５内に流入する。出口室内の流体は、図示しない出口から吐き出される。なお、ケーシングの内面の少なくとも一部をアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理してもよい。
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏することが可能である。
（イ）溶射処理中における硬質粒子の飛散を抑制し、溶射被膜中のそのような粒子の量を増加させて耐摩耗性を向上させることができる。
（ロ）硬質粒子の飛散を抑制することで溶射効率を増大させることができる。
（ハ）溶射層である皮膜内に硬質粒子を効率よく分散させることが可能となり、合金のマトリックス相自体が高硬度化するため、被膜内の気孔率が小さくなって緻密性が向上し、高品質で、耐摩耗性等に優れた被膜を形成することが可能になるのである。
（ニ）耐スラリーエロージョン性の優れた溶射皮膜を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、複合ワイヤの一般的構造を示す拡大横断面図である。
図２は、アーク溶射の原理を説明するアーク溶射方の溶射概念図である。
図３は、アーク溶射における複合ワイヤに充填した硬質粒子と溶射効率との関係を説明する図である。
図４Ａは、本発明の一実施例による複合ワイヤを使用したアーク溶射による皮膜の断面性状及びビッカース硬さと従来の複合ワイヤを使用した場合の断面性状及びビッカース硬さとの比較を示す図である。
図４Ｂは、本発明の他の実施例による複合ワイヤを使用したアーク溶射による皮膜の断面性状を示す図である。
図５は、基材及び各種アーク溶射材におけるビッカース硬さとスラリーエロージョン損傷深さ速度との関係を示す図である。
図６は、アーク溶射条件と耐摩耗性との関係を示す図である。
図７は、本発明のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された羽根車の一例を示す断面図である。
図８は、図７の羽根車を備えるポンプの断面図である。【Technical field】
  The present invention relates to a wear resistant composite wire for arc spraying, and in particular, is a member of a rotary machine such as a pump, a water wheel, or a compressor, and is required to have sand erosion resistance or slurry erosion resistance, a casing, Abrasion-resistant composite wire for arc spraying suitable for use in applying a wear-resistant coating to the surface of metal members such as blades, bearings and seals, and a method for producing the same, and a thermal spraying treatment using the wear-resistant composite wire for arc spraying The present invention relates to an impeller and a fluid machine including the impeller.
[Background]
  In rotating machines such as pumps, water turbines, and compressors, along with the need for high speed and large capacity, damage to metal materials becomes a problem due to sand erosion due to particle contamination and slurry erosion due to contamination of earth and sand into flowing water. Since materials used for rotating machines are required to have high toughness and excellent sand erosion resistance and slurry erosion resistance, thermal spraying techniques have been frequently used for metal substrates. Since sand erosion or slurry erosion partially occurs at a specific position of the part, a wear-resistant coating can be applied in advance to a part where the damage is predicted to occur. In addition, after a certain period of operation, the life of the rotating machine can be extended by repairing the damaged part by sand erosion or slurry erosion by arc spraying.
  The wear resistant composite wire used in such arc spraying treatment is formed with a WC or W inside the tubular metal shell 2 as indicated by 1 as a whole in FIG.2It is a wire configured by filling ceramic powder 3 made of C or the like. Such a composite wire generally supplies ceramic powder into a concave portion formed by bending a band-shaped metal plate so that the cross section has a bowl shape or a U-shape, and is bent while being bent. It is manufactured by winding ceramic powder into a tube and forming it into a tubular shape, and then drawing it, or filling a tubular body prepared in advance while vibrating the ceramic powder, and then drawing it. Has been by.
  A conceptual diagram of the arc spraying method using such a wear resistant composite wire is shown in FIG. As can be seen from the figure, the arc spraying method uses two composite wires (diameters of 1.5 to 3.2 mm) 1 as a pair, and crosses them diagonally at the tip, and continuously by a feed mechanism (not shown). In addition to supplying a predetermined voltage to both the composite wires 1, an arc is generated between the tips thereof, thereby melting the composite wire, and an air jet that ejects molten metal and ceramic particles from the nozzle 5, This is performed by spraying the base material B to form a film of metal and ceramic particles. Thus, both ends of the composite wire are melted by causing an arc discharge between the pair of composite wires 1, and the melt is welded to the sprayed region by the air that is the carrier gas from the nozzle 5. A film 6 of wear-resistant material is formed on the surface.
  In arc spraying, the mechanism is a mechanism that blows off droplets of composite wires and unmelted ceramic particles with an air jet. Therefore, when the ceramic is tungsten carbide, if the particle diameter is 5 μm or less, the ceramic particles Since the particles are scattered, the thermal spraying efficiency of the tungsten carbide particles becomes extremely small, and the content of the tungsten carbide particles in the sprayed coating layer becomes small, so that there is a problem that a desired wear resistant coating cannot be obtained. Hard particles filled in composite wire in arc spraying (W2The relationship between C) and thermal spray efficiency is shown in FIG. As can be seen from this figure, the thermal spraying efficiency increases as the particle size of the hard particles increases, although within a limited range. Further, in the conventional composite wire, a metal having a relatively high melting point such as a Ni-base alloy, a Co-base alloy, or an Fe-base alloy is used as a hoop, that is, a material for the outer skin. Since a layer is not obtained, when conventional arc spraying is applied to a pump member in which severe slurry erosion occurs, there is a problem that the required slurry erosion resistance cannot be obtained.
  As a result of repeated studies in view of the problems of the conventional wire for arc spraying as described above, the present inventor has found that the self-fluxing property of the composite wire by adding a specific component to the powder or outer skin constituting the composite wire. It was found that the slurry erosion resistance can be improved by thermal spraying using such a self-fusible composite wire. Further, it has been found that the dispersion of hard particles during arc spraying can be suppressed and the spraying efficiency can be improved by granulating the powder filled in the outer shell to a desired size.
  Overview of invention
  Accordingly, an object of the present invention is to provide a wear resistant composite wire for arc spraying which can improve slurry erosion resistance.
  Another object of the present invention is to add a powder made of at least one material selected from the group consisting of boron or boron compound, silicon or silicon compound and phosphorus or phosphorus compound to the powder constituting the composite wire, and arc spraying. It is intended to improve the wear resistance by making the composite wear resistant composite wire self-fusible, thereby increasing the spraying efficiency of the composite wire.
  Another object of the present invention is to add at least one element selected from the group consisting of boron, silicon, and phosphorus to the material of the outer skin constituting the composite wire, to make the wear resistant composite wire for arc spraying self-fusible, Thereby, the thermal spraying efficiency of the composite wire is increased and the wear resistance is improved.
  Another object of the present invention is to increase the thermal spraying efficiency of the composite wire and improve the wear resistance by granulating the powder filled in the outer skin into particles of a desired size.
  Still another object of the present invention is to provide a method for producing a wear-resistant composite wire for arc spraying as described above, an impeller that is sprayed using the composite wire, and a fluid machine including such an impeller. That is.
  According to the invention, the powder made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof is at least one selected from the group consisting of nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys. In a wear resistant composite wire for arc spraying covered with a skin made of a material, the powder is made of at least one material selected from the group consisting of boron or boron compounds, silicon or silicon compounds and phosphorus or phosphorus compounds. A wear-resistant composite wire for arc spraying that is self-fusible by adding powder is provided.
  A powder made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof, and at least one material selected from the group consisting of boron or boron compounds, silicon or silicon compounds and phosphorus or phosphorus compounds. You may granulate the powder made from this so that a particle size may be set to 15 micrometers-150 micrometers.
  According to another invention of the present application, the powder made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof is selected from the group consisting of nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys. In a wear resistant composite wire for arc spraying covered with a skin made of at least one material, at least one element selected from the group consisting of boron, silicon and phosphorus is added to the material of the skin to make it self-soluble. A wear resistant composite wire for arc spraying is provided.
  In the wear resistant composite wire for arc spraying, the ceramic may be either carbide or oxide, and the ceramic may be WC or W.2C may be sufficient. In addition, WC or W2The primary particle diameter of the powder containing C as a main component may be 5 μm or more and 150 μm or less.
  According to another invention of the present application, an impeller comprising a hub and a plurality of blades attached to the circumference of the hub in a circumferential direction, wherein at least a part of the surface of the impeller includes: There is provided an impeller that is surface-treated with the wear-resistant composite wire for arc spraying.
  According to yet another invention of the present application, an impeller comprising a hub and a plurality of blades attached circumferentially around the hub, and a chamber for rotatably accommodating the impeller are defined. And at least a part of the surface of the impeller and / or at least a part of the inner surface of the casing are subjected to a surface treatment using the wear-resistant composite wire for arc spraying. A fluid machine is provided.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
  As with the conventional composite wire 1 shown in FIG. 1, the arc-sprayed wear resistant composite wire for arc spraying according to the present embodiment also has a tubular outer shell (hoop) and powder filled in the outer sheath. It consists of and. In this embodiment, the skin material and / or powder material is improved. In a composite wire according to one embodiment, the skin is made of at least one alloy material selected from the group consisting of nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys. The powder material filled in the outer skin is made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof, boron (B) or boron compound, silicon (Si) or silicon compound and It is made by adding and mixing powder made of at least one material selected from the group consisting of phosphorus (P) or phosphorus compounds. As in the conventional case, the outer shell is formed of a plate or stop material made of the above-mentioned alloy material in the shape of a bowl or U, and after filling the powder mixed therein, the outer shell is formed into a tubular shape and drawn. And it is a composite wire. The present inventor has proposed that metal and / or ceramics (tungsten carbide (WC, W2It is possible to lower the melting point of the composite wire by adding the above materials to the powder of C)), that is, to make it self-fusible (self-melting). During thermal spraying, ceramics (eg W2It has been found that scattering of particles made of a hard material such as C) can be reduced. Therefore, the coating layer sprayed onto the base material contains a lot of hard-wearing hard material powder. It functions effectively as a wear-resistant film. By making the composite wire self-soluble, that is, by lowering the melting point, the scattering of powder of hard materials such as ceramics can be reduced because hard particles such as ceramics are easily trapped in the molten metal layer. I think that the.
  In the above case, the ceramic powder is WC or W2C carbide powder or aluminum oxide (Al2O3), Zirconium oxide (ZrO)2), Titanium oxide (TiO2Or the like. WC or W as ceramic2When using C, WC or W2The primary particle diameter of the powder containing C as a main component is preferably 5 μm or more and 150 μm or less, and most preferably 5 μm or more and 65 μm or less. Al2O3, ZrO2TiO2The primary particle diameter of the oxide powder such as is preferably 1 μm or more and 150 μm or less, and most preferably 1 μm or more and 50 μm or less.
  And a powder made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof, and at least one material selected from the group consisting of boron or boron compounds, silicon or silicon compounds and phosphorus or phosphorus compounds. These powders may be mixed to form a powder, and the powder may be granulated so that the particle diameter is preferably 5 μm to 150 μm, and most preferably 5 μm to 65 μm. Granulation may be performed by a known method.
  In another embodiment of the present invention, the material of the outer skin is at least one selected from the group consisting of nickel-base alloy, cobalt-base alloy and iron-base alloy, and at least one selected from the group consisting of boron, silicon and phosphorus. It is made by adding these elements. The outer skin is made in the same manner as the previous embodiment using such a material, and the powder filled therein is made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics, and combinations thereof. .
  As in this embodiment, the inventor can also add a composite wire having a low melting point by adding at least one element selected from the group consisting of boron, silicon, and phosphorus to the tubular outer shell material. In other words, ceramics (for example, W) can be made at the time of arc spraying by lowering the melting point of the composite wire.2It has been found that the scattering of hard materials such as C) can be reduced and the thermal spraying efficiency can be improved. Therefore, the coating layer sprayed onto the base material contains a lot of hard-wearing hard material powder. It functions effectively as a wear-resistant film.
  The wear-resistant material composite wire produced as described above is sprayed on the surface of the base material by a known arc spraying method shown in FIG. 2 to form a wear-resistant film on the base material. Examples of the substrate on which such an abrasion-resistant film is formed include rotary machine members such as pumps, water wheels, and compressors, more specifically blades that require sand erosion resistance or slurry erosion resistance. Examples include cars, casings, blades, bearings and seals. By forming a wear-resistant film on such a substrate, the wear resistance of such a substrate is improved, and the life of machines using such a substrate, for example, pumps, water turbines, compressors, etc. Can be extended.
[Example 1]
  The outer skin is made of NiCr alloy as described above, and W is used as a filling powder (powder filled in the outer skin).2The hard particle powder composed of C (particle size: 44 μm to 65 μm), NiB alloy powder (particle size: 44 μm to 65 μm) and FeSi powder (particle size: 44 μm to 65 μm)2A composite wire was prepared by adding and mixing so that C was 55 wt%, NiB was 20 wt%, and FeSi was 25 wt%. As a result, the composite wire can be made self-soluble (lower melting point) as a whole. The chemical composition of the composite wire thus prepared is as shown in Example 1 in Table 1. The inventors have2It has been found that when NiB compound powder and FeSi compound powder are added to powder composed of C hard particles and the composite wire is made into a self-fluxing alloy, the sprayed layer itself becomes hard. By adding boron (B) and silicon (Si) to a composite wire made of a Ni-based alloy, W, which is a hard particle, in the coating that is the sprayed layer2It becomes possible to disperse C particles efficiently, and the matrix phase of the alloy itself is hardened, so the porosity in the coating is reduced, the denseness is improved, the quality is high, and the wear resistance is excellent. A film can be formed.
  The cross-sectional state of the wear-resistant material film obtained by welding the composite wire of Example 1 to the surface of the substrate by the arc spraying method and the measurement results of the Vickers hardness are shown in comparison with that of the conventional composite wire film. As shown in FIG. As is clear from the electron micrograph showing the cross section, the cross section of the sprayed layer in the conventional example has many relatively large voids (black areas), and has a multilayered structure in which several deposited metals overlap. Yes. On the other hand, the cross section of the sprayed layer of the present invention is a dense sprayed layer with few voids and few boundary layers. It can also be seen that the addition of boron and silicon improves the Vickers hardness.
[Table 1]
Figure 0004510618
[Reference example 1]
  The outer skin is made of NiCr alloy in the same manner as described above, and as the filling powder, hard particle powder (particle size: 1 μm to 5 μm) made of WC, chromium carbide CrC (particle size: 1 μm to 5 μm) powder and Ni powder (particle size: 1 μm) To 5 μm) at a weight ratio of 1: 20: 7, and the powder was granulated by a known method. The granulated particles had an average particle size of 65 μm. Using this granulated powder, a composite wire was produced in the same manner as described above. The chemical composition of the composite wire thus prepared is shown in Table 1.Reference example 1As listed in
  thisReference example 1With this composite wire, the filling powder filled in the outer skin is granulated into a granule of the desired size, so that the scattering of hard particles during arc spraying can be suppressed and the spraying efficiency can be improved. is there. In addition, the porosity in the coating is reduced, the denseness is improved, and it is possible to form a coating with high quality and excellent wear resistance.
[Reference example 2]
  The outer skin was made of NiCr alloy in the same manner as described above, and chromium carbide CrC (particle size 1 μm to 5 μm) powder and Co powder (particle size 1 μm to 5 μm) were used as filling powders.Reference example 2The mixture was adjusted so as to have the composition shown in Fig. 1, and the mixed powder was granulated by a known method. The granulated particles had an average particle size of 65 μm. Then, using this granulated powder, a composite wire was made in the same manner as described above. The chemical composition of the composite wire thus prepared is shown in Table 1.Reference example 2As listed in
  thisReference example 2The composite wire ofReference example 1In the same manner as the above, since the filled powder is granulated into a granule having a desired size, it is possible to suppress scattering of hard particles during arc spraying and to improve spraying efficiency. In addition, the porosity in the coating is reduced, the denseness is improved, and it is possible to form a coating with high quality and excellent wear resistance.
[Example 4]
  The outer skin is made of stainless steel (SUS304) in the same manner as described above. As the filling powder, hard particle powder (particle size: 1 μm to 5 μm) made of WC, titanium carbide (TiC) powder (particle size: 1 μm to 5 μm), NiB alloy Powder (particle size: 44 μm to 65 μm) and FeSi powder (particle size: 44 μm to 65 μm) were adjusted to have the composition shown in Example 4 in Table 1 and mixed to prepare a composite wire. As a result, the composite wire can be made self-soluble (lower melting point) as a whole in the same manner as in Example 1. The chemical composition of the composite wire thus prepared is as shown in Example 4 in Table 1.
  In the composite wire of Example 4, boron (B) and silicon (Si) are also added, so that the WC particles, which are hard particles, are efficiently contained in the coating that is the sprayed layer, similarly to the composite wire of Example 1. It becomes possible to disperse, and the matrix phase of the alloy itself becomes harder, so the porosity in the coating is reduced, the denseness is improved, and a coating with high quality and excellent wear resistance is formed. Is possible.
[Example 5]
  The outer skin is made of NiCr alloy in the same manner as described above. As powder, hard particles of WC (particle size 44 μm to 65 μm), Co powder (particle size 44 μm to 65 μm), Cr powder (particle size 44 μm to 65 μm) NiB alloy powder (particle size: 44 μm to 65 μm) and FeSi powder (particle size: 44 μm to 65 μm) were adjusted to the composition shown in Example 5 in Table 1 and mixed to form a composite wire. . As a result, the composite wire can be made self-soluble (lower melting point) as a whole in the same manner as in Example 1. The chemical composition of the composite wire thus prepared is as shown in Example 5 in Table 1.
  Also in the composite wire of Example 5, boron (B) and silicon (Si) are added to the composite wire made of a Ni-based alloy, and in the same manner as the composite wire of Example 1, the coating is a sprayed layer. WC particles, which are hard particles, can be efficiently dispersed, and the matrix phase of the alloy itself is hardened, so the porosity in the coating is reduced, the denseness is improved, high quality, and wear resistance It is possible to form a film excellent in the above.
[Example 6]
  The outer skin is made of NiCr alloy as described above, and the powder is made of CrC powder (particle size 15 μm to 125 μm), NiB alloy powder (particle size 44 μm to 65 μm) and FeSi powder (particle size 44 μm). To 65 μm) was adjusted and mixed so as to have the composition shown in Example 6 of Table 1, and the mixed powder was granulated by a known method. The mixed powder was granulated by a known method. The granulated particles had an average particle size of 65 μm. Then, using this granulated powder, a composite wire was made in the same manner as described above. As a result, the composite wire can be made self-soluble (lower melting point) as a whole in the same manner as in Example 1. The chemical composition of the composite wire thus prepared is as shown in Example 6 in Table 1.
  Also in the composite wire of Example 6, boron (B) and silicon (Si) are added to the composite wire made of a Ni-based alloy, and in the same manner as the composite wire of Example 1, the coating is a sprayed layer. It becomes possible to disperse CrC particles efficiently, and it becomes possible to form a film excellent in wear resistance and the like. Moreover, since the filling powder is granulated, it is possible to improve the thermal spraying efficiency.
  In the above embodiment, the case of adding and mixing powders such as NiB and FeSi as a method of adding additives such as B and Si to the ceramic powder has been described. However, it may be added by a wet plating method. Is possible. For example, WC or W2Method of electroless plating hard particles such as C in plating solution containing B and Si, or plating containing B and Si continuously on outer skin and hoopliquidAmong them, electroless or electrolytic plating is also an effective method. In addition to the wet plating method, a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method in which B and / or Si is vapor-deposited on the ceramic powder or the outer surface of the outer skin is also effective.
[Example 7]
  As a material for the outer skin, a material prepared by mixing so as to have the composition shown in Example 7 in Table 1 was used. The outer skin is made of such material in the same manner as in the previous embodiment, and W2C powder (particle size 44 μm to 65 μm) was filled into a composite wire.
  In the composite wire of this Example 7, the outer skin is made to have a low melting point by adding B and Si to the material of the skin itself, thereby making the entire composite wire self-soluble. Therefore, the composite wire of this embodiment can achieve the same effect as the composite wire of Embodiment 1. In this embodiment, since the outer skin itself is mixed with B, Si, etc., it is not necessary to put these materials in the powder to be put in the tubular outer skin, and accordingly, WC, W per unit length of the composite wire.2The content of ceramics such as C can be increased, and the thermal spraying efficiency of the ceramics can be improved.
[Example 8]
  As the material for the skin, a material prepared by mixing so as to have the composition shown in Example 8 in Table 1 was used. The outer skin is made of such material in the same manner as in the previous embodiment, and W2C powder (particle size 44 μm to 65 μm) was filled into a composite wire.
  Even in the composite wire of Example 8, as in Example 7, the skin is made to have a low melting point by adding B and Si to the material of the skin itself, thereby making the entire composite wire self-soluble. It differs from Example 7 in that it is a self-fluxing alloy. The composite wire of this embodiment can achieve the same effect as the composite wire of Embodiment 1. In this embodiment, since the outer skin itself is mixed with B, Si, etc., it is not necessary to put these materials in the powder to be put in the tubular outer skin, and accordingly, WC, W per unit length of the composite wire.2The content of ceramics such as C can be increased, and the thermal spraying efficiency of the ceramics can be improved.
[Example 9]
  The outer skin is made of a Ni-based alloy as described above, and W is used as a filling powder (powder filled in the outer skin).2A composite wire was prepared by adding BC powder and FeSi powder to C hard particle powder (particle size 44 μm to 65 μm). As a result, the composite wire can be made self-soluble (lower melting point) as a whole. The chemical composition of the composite wire thus prepared is as shown in Example 9 in Table 1. The inventors have2It has been found that when a BC compound powder and an FeSi compound powder are added to a powder composed of C hard particles and the composite wire is made into a self-fluxing alloy, the sprayed layer itself becomes hard. By adding boron and silicon to a composite wire made of a Ni-based alloy, W is a hard particle in the sprayed layer.2C can be efficiently dispersed, and the matrix phase of the alloy itself becomes harder, so the porosity in the coating is reduced, the denseness is improved, and a coating with excellent wear resistance can be formed. It becomes.
[Example 10]
  The outer skin is made of a Co-based alloy as described above, and W is used as a filling powder (powder filled in the outer skin).2A composite wire was prepared by adding BC powder and FeSi powder to C hard particle powder (particle size 44 μm to 65 μm). As a result, the composite wire can be made self-soluble (lower melting point) as a whole. The chemical composition of the composite wire thus prepared is as shown in Example 9 in Table 1. The inventors have2It has been found that when a BC compound powder and an FeSi compound powder are added to a powder composed of C hard particles and the composite wire is made into a self-fluxing alloy, the sprayed layer itself becomes hard. By adding boron and silicon to a composite wire made of a Co-based alloy, W is a hard particle in the sprayed layer.2C can be efficiently dispersed, and the matrix phase of the alloy itself becomes harder, so the porosity in the coating is reduced, the denseness is improved, and a coating with excellent wear resistance can be formed. It becomes.
[Effectiveness confirmation test]
  In order to investigate the slurry erosion resistance of the base material and various arc sprayed materials, the inventors have incorporated SiO into clean water.2A slurry erosion test was conducted in which sand containing as a main component was mixed. The experimental conditions are that the average particle size of sand is 5 μm and the concentration of sand is 1 kg / m2The sand collision angle was 15 ° or less, and the sand relative collision speed was 55 m / s. FIG. 5 shows the relationship between the Vickers hardness and the slurry erosion damage rate in the base material and various arc sprayed materials. It can be seen that as the Vickers hardness increases, the slurry erosion resistance improves. Conventional W2Compared with the C hard particle-containing Ni-based alloy, the W of Example 7 of the present invention2It can be seen that the C-hard particle-containing Ni-based self-fluxing alloy (when the outer shell itself is a self-fluxing alloy) has increased Vickers hardness and improved slurry erosion resistance. In general, it is desirable that the hard particle diameter of the sprayed layer is equal to the particle diameter of sand contained in river water. On the other hand, in the arc spraying, since the composite wire droplets and the unmelted ceramic particles are blown off by an air jet, if the ceramic particle diameter is 150 μm or less, the ceramic particles are scattered to the periphery. The thermal spraying efficiency of the ceramic particles in the layer is lowered. Also, carbides filling the composite wire, such as WC, W2As described in the previous section, when the hard particle diameter of C or the like is 5 μm or less, the spraying efficiency becomes extremely small. Furthermore, if the particle diameter of carbide or the like is reduced, the carbide particles themselves are oxidized at a high temperature during arc spraying. On the other hand, the inventors set the particle diameter of the carbide to 5 μm by using a mechanism that blows the droplets of the composite wire and the unmelted ceramic particles with a jet using a reducing gas or nitrogen or an inert gas instead of an air jet. It is believed that the following can prevent oxidation during thermal spraying. WC, W used for arc spraying using ordinary air jet2The particle diameter of carbides such as C is preferably 5 μm or more and 150 μm or less.
  It has already been described that when the ceramic particle diameter is 150 μm or less, the ceramic particles are scattered to the periphery, so that the thermal spraying efficiency of the ceramic particles in the sprayed layer is lowered and a desired wear-resistant coating cannot be obtained. Even when the method of self-fluxing alloying of the present invention is used, if the hard particle diameter is about several tens of μm, the thermal spraying efficiency becomes low, so by granulating with a powder that becomes a metal or alloy or self-fluxing alloy It is possible to increase the thermal spraying efficiency. It is desirable to lower the melting point by the self-fluxing alloy of the present invention and to make the secondary particle diameter by granulation 40 μm or more. However, since the oxide particle size does not cause oxide displacement at the time of arc spraying, it is desirable that the particle size be constructed with particles that match the particle size of river water sand.
  A blast erosion test using an Arata-type thermal spray coating evaluation test was performed under the following conditions for the composite wires produced under various arc spraying conditions. The results of examining the wear resistance of the obtained various arc spray materials are shown in FIG. It can be seen that the wear resistance of the conventional composite wire is greatly affected by the thermal spraying conditions. It can be seen that the composite wire of the present invention exhibits a substantially constant good wear resistance even when the air pressure conditions during the thermal spraying are changed. When considering application to an impeller such as a pump, it is practically effective to exhibit almost constant wear resistance even for an object having a complicated shape.
Blast erosion test conditions by Arata spray coating evaluation test
  Propellant: Al2O3(Granularity: 60 Mesh)
  Injection angle: 30 °
  Injection distance: 90mm
  Injection pressure B: 3.1 kg / cm2
  Injection nozzle: φ5.2mm
  The arc sprayed wear resistant composite wire produced as described above is sprayed onto the surface of the substrate by an arc spraying method to form a wear resistant coating on the substrate. Examples of the substrate on which such an abrasion-resistant film is formed include rotary machine members such as pumps, water wheels, and compressors, more specifically blades that require sand erosion resistance or slurry erosion resistance. Examples include cars, casings, blades, bearings and seals. By forming a wear-resistant film on such a substrate, the wear resistance of such a substrate is improved, and the life of machines using such a substrate, for example, pumps, water turbines, compressors, etc. Can be extended.
  More specifically, as shown in FIG. 7, the impeller 30 includes a hub 32 in which a shaft hole 31 that receives a rotation shaft is formed, and a disk-like shape that radiates radially outward from the hub 32. The circumferential direction (circumference around the axis OO of the shaft hole) between the main plate 33, the annular side plate 34 separated from the main plate 33 in the axial direction (vertical direction in FIG. 7), and the main plate 33 and the side plate 34 And a plurality of blades 35 which are arranged at equal intervals in the direction) and are curved along a desired curved surface and are formed integrally with the side plate and the main plate. A flow path 36 is defined. A radially inner portion 37 of the flow path 36 serves as an inlet portion, and a radially outer portion 38 serves as an outlet portion. The annular side plate 34 has a portion 34a extending in the axial direction on the inner side in the circumferential direction and a portion 34b extending outward in the radial direction, and an inlet 39 of the impeller 30 is defined by the axially extending portion 34a. . When the impeller 30 is rotated and the fluid is sent out, for example, when the impeller is rotated in water containing earth and sand, particles of the earth and sand in the water, the flow path 36 in the impeller 30, particularly the impeller 30. The inner surface 41 of the main plate 33, the inner surface 42 of the side plate 34, and both surfaces of the blades 35, that is, the pressure surface 43 and the negative pressure surface 44 are rubbed against each other, and these surfaces are extremely worn by friction.
  Therefore, a desired surface among the inner surfaces 41 and 42, the pressure surface 43 and the negative pressure surface 44, the inner surface 45 of the inlet 39, the outer surface 46 of the side plate 34, and the rear surface 47 of the main plate 33 that define the flow path 36 of the impeller 30. For example, the inner surfaces 41 and 42, the pressure surface 43, and the negative pressure surface 44 that define the flow path are subjected to surface treatment using the wear-resistant composite wire for arc spraying to form a coating film.
  The impeller 30 of the present invention that has been surface-treated using the wear resistant composite wire for arc spraying as described above is used in a fluid machine such as a water turbine or a pump. In FIG. 8, a vertical pump 50 is shown in cross section as an example of such a fluid machine. In the figure, a pump 50 includes a casing 51 that defines a pump chamber 52 that houses the impeller 30 according to the present invention, a main shaft 57 that is arranged with the axis line vertical and the impeller 30 is fixed to the lower end, A main bearing 58 attached above the casing and rotatably supporting the main shaft 57 with respect to the casing, and a seal device 59 for preventing leakage of fluid from between the casing 51 and the main shaft 57 are provided. The casing 51 is fixed on the tubular support base 60 by a known method. The casing 51 includes an upper disk-shaped end plate 53, a casing body 54 that defines a spiral outlet chamber 55, and a tubular cover 56. A cylindrical suction pipe 61 is connected to the lower end of the cover 56.
  In the pump, when the impeller 30 fixed to the lower end of the main shaft 37 is rotated, the fluid is sucked into the inlet 39 of the impeller as indicated by the arrow X in the suction pipe 61, and the impeller It is pushed out from the outlet 38 side through the 30 flow paths 36 in the radial direction and flows into the outlet chamber 55. The fluid in the outlet chamber is discharged from an outlet (not shown). In addition, you may surface-treat at least one part of the inner surface of a casing using the abrasion resistant composite wire for arc spraying.
【The invention's effect】
  According to the present invention, the following effects can be obtained.
(A) It is possible to suppress the scattering of hard particles during the thermal spraying process and increase the amount of such particles in the thermal spray coating to improve the wear resistance.
(B) Thermal spraying efficiency can be increased by suppressing the scattering of hard particles.
(C) It becomes possible to disperse hard particles efficiently in the coating that is the sprayed layer, and the matrix phase of the alloy itself is hardened, so the porosity in the coating is reduced and the compactness is improved. It is possible to form a coating film with excellent quality and wear resistance.
(D) It is possible to form a sprayed coating having excellent slurry erosion resistance.
[Brief description of the drawings]
  FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing a general structure of a composite wire.
  FIG. 2 is a conceptual diagram of arc spraying for explaining the principle of arc spraying.
  FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the hard particles filled in the composite wire and the spraying efficiency in arc spraying.
  FIG. 4A is a diagram showing a comparison between a cross-sectional property and Vickers hardness of a coating formed by arc spraying using a composite wire according to an embodiment of the present invention, and a cross-sectional property and Vickers hardness when a conventional composite wire is used.
  FIG. 4B is a diagram illustrating a cross-sectional property of a coating by arc spraying using a composite wire according to another embodiment of the present invention.
  FIG. 5 is a diagram showing the relationship between Vickers hardness and slurry erosion damage depth rate in the base material and various arc sprayed materials.
  FIG. 6 is a diagram showing the relationship between arc spraying conditions and wear resistance.
  FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of an impeller surface-treated using the wear-resistant composite wire for arc spraying according to the present invention.
  FIG. 8 is a cross-sectional view of a pump including the impeller of FIG.

Claims (7)

金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、
前記粉末に、ボロン及びシリコンの元素を含む粉末を添加し、自溶性化し、
前記複合ワイヤにおけるボロンの組成比は、１．０〜２．０９％であり、シリコンの組成比は、１．０〜３．１％である、
ことを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。A powder made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof is a skin made of at least one material selected from the group consisting of nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys. In the wear-resistant composite wire for arc spraying,
Adding powder containing boron and silicon elements to the powder, making it self-soluble ,
The composition ratio of boron in the composite wire is 1.0 to 2.09%, and the composition ratio of silicon is 1.0 to 3.1% .
A wear resistant composite wire for arc spraying. 金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、
前記粉末は、少なくともセラミックスを含み、
前記粉末に、ボロン及びシリコンの元素を含む粉末を添加し、自溶性化したことを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。A powder made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof is a skin made of at least one material selected from the group consisting of nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys. In the wear-resistant composite wire for arc spraying,
The powder includes at least ceramics,
A wear resistant composite wire for arc spraying, which is made self-fusible by adding a powder containing boron and silicon elements to the powder. ボロン及びシリコンの元素を含む前記粉末は、ボロン化合物及びシリコン化合物の粉末であることを特徴とする請求項１または２に記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。The wear resistant composite wire for arc spraying according to claim 1 or 2 , wherein the powder containing boron and silicon elements is powder of boron compound and silicon compound. 金属、セラミックス及びその組合せから成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた粉末が、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金から成る群から選択される少なくとも一種の材料でできた外皮で被われたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤにおいて、
前記外皮の材料に、ボロン及びシリコンの元素を添加し、自溶性化したことを特徴とするアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。A powder made of at least one material selected from the group consisting of metals, ceramics and combinations thereof is a skin made of at least one material selected from the group consisting of nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys. In the wear-resistant composite wire for arc spraying,
A wear resistant composite wire for arc spraying, wherein boron and silicon elements are added to the material of the outer shell to make it self-soluble. 前記外皮の材料に、ボロン化合物及びシリコン化合物の粉末を混合することにより、ボロン及びシリコンの元素を添加することを特徴とする請求項４に記載のアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤ。5. The wear resistant composite wire for arc spraying according to claim 4 , wherein boron and silicon elements are added to the material of the outer skin by mixing boron compound and silicon compound powders. ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車において、
前記羽根車の表面の少なくとも一部が、請求項１ないし５のいずれかに記載されたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された羽根車。In an impeller comprising a hub and a plurality of wings circumferentially spaced around the hub,
An impeller wherein at least a part of the surface of the impeller is surface-treated using the wear-resistant composite wire for arc spraying according to any one of claims 1 to 5 . ハブと、前記ハブの周りに円周方向に隔てて取り付けられた複数の翼とを備えた羽根車と、
前記羽根車を回転可能に収容する室を画定するケーシングと、
を備え、
前記羽根車の表面の少なくとも一部及び／又は前記ケーシングの内面の少なくとも一部が、請求項１ないし５のいずれかに記載されたアーク溶射用耐摩耗材複合ワイヤを用いて表面処理された流体機械。An impeller comprising a hub and a plurality of wings circumferentially spaced around the hub;
A casing defining a chamber for rotatably housing the impeller;
With
A fluid machine in which at least a part of a surface of the impeller and / or at least a part of an inner surface of the casing is surface-treated using the wear-resistant composite wire for arc spraying according to any one of claims 1 to 5. .
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