図1は本発明の一実施例であるバーレル型のボイラー給水ポンプの縦断面図である。ただし、本図では煩雑さを避けるため、部品ごとの断面ハッチングを厳密に区別することなく、また軸については断面表示をしていない。
図1に示すボイラー給水ポンプは、吸込口2及び吐出口7を有するケーシング1と、ケーシング1に内装されて回転する軸3と、軸3に嵌入固定され共に回転するインペラ4と、インペラ4の外周に設けられたデイフューザ5と、デイフューザ5の外周に設けられたステージ6と、を含んで構成されている。
上記構成のボイラー給水ポンプでは、ケーシング1の吸込口2より吸込まれた水が、軸3に固定され共に回転するインペラ4によって昇圧され、インペラ4の外周に設けられたデイフューザ5に吐出される。デイフューザ5に吐出された水は、デイフューザ5の外周に設けられたステージ6に流入し、ステージ6によって外向きの流れが内向きに変えられ、次段のインペラ4に導かれる。このようにしてインペラ4による昇圧行程が繰返されて加圧され、吐出口7から吐出される構造である。
図2は、本発明の第1の実施例であるボイラー給水ポンプの軸3の詳細断面を示す。図2において、13%Cr+数%Mo鋼材で製作した軸3は、電気めっき法によって形成された硬質Crめっきの皮膜8で被覆されている。硬質Crめっきの皮膜8には、皮膜8の表面から軸3との界面やその近傍に達する微細亀裂110が多数存在する。本実施例のボイラー給水ポンプ軸では、微細亀裂110内部にはフッ素樹脂111が含浸されている。微細亀裂110にはフッ素樹脂111が充填されているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、酸素が軸3の表面に到達することがなく、硬質Crめっきの皮膜8と軸3との界面で電気腐食が生じることはない。また、硬質Crめっきの皮膜8は硬度がビッカース硬さで800〜1000程度と硬いため、インペラの組立て・分解時の耐噛りつき性が増す。
なお、本実施例では硬質Crめっきの最終膜厚は約0.5mmである。耐食性と耐噛りつき性を考慮すると硬質Crめっきの最終膜厚は約0.1mm以上、好ましくは約0.3mm以上が望ましい。
図3は、図2に示すボイラー給水ポンプの軸の製造手順を示す工程図である。所定熱処理を施した軸材料を切削によって所定形状に加工する(手順31)。このとき、後工程で形成される皮膜の厚みを予め見込んだ形状寸法に加工する。その後、軸3の前処理(洗浄、脱脂)を行なった(手順32)のち、電気めっき法によって硬質Crめっき被覆を行なう(手順33)。本実施例では、この段階での硬質Crめっきの膜厚は0.8〜1mmである。めっき後の研磨によって所定の精度で所定軸径に加工する(手順34)。所定軸径に加工後の硬質Crめっきの最終膜厚は約0.5mmである。
次に、真空含浸法によって硬質Crめっき皮膜(正確にはめっき皮膜の微細亀裂)にフッ素樹脂を含浸する(手順35)。まず、真空容器内に軸3を配置し、真空排気後、溶融状態のフッ素樹脂111を容器内に注入する。次いで大気圧によって樹脂を加圧し、Crめっき皮膜の微細亀裂内部までフッ素樹脂111を浸透させる。この状態を所定時間保持後、大気中に取り出し冷却させる。冷却後、めっき皮膜表面の不要樹脂を取り除き、軸寸法を測定し、最終修正を施し(手順36)組立てに供する。
なお、本実施例では含浸樹脂としてフッ素樹脂111を用いたが、シリコン樹脂でも良くフッ素樹脂に限定するものではない。
また、本実施例では真空含浸法によってフッ素樹脂111を含浸したが、真空含浸法は大物部材への適用は困難である。この場合、溶融状態の樹脂を充たした容器内に浸漬する方法でもよく、真空含浸法に限定するものではない。
図4は、本発明の第2の実施例に係るボイラー給水ポンプの軸3の詳細断面を示す。図4において、13%Cr+数%Mo鋼材で製作した軸3は、電気めっき法によって形成された硬質Crめっきの皮膜8で被覆されている。硬質Crめっきの皮膜8には、皮膜8の表面から軸3との界面やその近傍に達する微細亀裂210が多数存在する。本実施例のボイラー給水ポンプの軸では、微細亀裂210内部はSiOx211で充填されているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、硬質Crめっきの皮膜8と軸3との界面で電気腐食が生じることはない。また、硬質Crめっきの皮膜8は硬度がビッカース硬さで800〜1000程度と硬いため、インペラの組立て・分解時の耐噛りつき性が増す。
なお、本実施例では硬質Crめっきの最終膜厚は約0.5mmである。耐食性と耐噛りつき性を考慮すると硬質Crめっきの最終膜厚は約0.1mm以上、好ましくは約0.3mm以上が望ましい。
図5は、図4に示す実施例のボイラー給水ポンプの軸の製造手順を示す工程図である。所定の熱処理を施した軸材料を切削によって皮膜の厚みを見込んだ形状寸法に加工し(手順51)、その後、洗浄、脱脂などの前処理を行なう(手順52)。前処理ののち、電気めっき法によって硬質Crめっきを行なう(手順53)。本実施例ではこの段階での硬質Crめっきの膜厚は約0.8〜1mmである。めっき後の研磨によって所定の精度で軸径を所定寸法に加工する(手順54)。硬質Crめっきの最終膜厚は約0.5mmである。次に、ケイ酸エチルを溶かし込んだ溶剤中に浸漬する(手順55)。ケイ酸エチルを溶かし込む溶剤としてはアルコール系であればよい。エチルアルコールなどが取扱いが容易である。硬質Crめっきの微細亀裂210への前記ケイ酸エチルを溶かし込んだ溶剤の浸透を促進するために、超音波加振機によって振動を加える。所定時間の浸漬後、軸を大気中で加熱乾燥させる(手順56)。この工程で、微細亀裂210に浸透させた溶剤中の珪素をSiOx化する。本実施例では約200℃で約1時間加熱した。冷却後、再び溶剤中への浸漬、加熱乾燥の工程を行なう。Crを含む皮膜の耐食性を確実にするためには、上記工程をすくなくとも2回以上、望ましくは3回以上繰り返す必要がある。上記工程が終了後、不要溶剤を取り除き、軸寸法を測定し、最終修正を施して(手順57)組立てに供する。
図6は、本発明の第3の実施例のボイラー給水ポンプのインペラ4の外観を示す。図7は図6に示すインペラ4の詳細断面を示す。図7において、13%Cr鋳鋼で製作したインペラ4は、電気めっき法によって形成された硬質Crめっきの皮膜8により被覆されている。硬質Crめっきの皮膜8には、皮膜8の表面からインペラ4との界面やその近傍に達する微細亀裂310が多数存在する。本実施例のボイラー給水ポンプ用インペラ4では、微細亀裂310内部にはフッ素樹脂311が含浸されている。微細亀裂310内部には、フッ素樹脂311が充填されているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、硬質Crめっきの皮膜8とインペラ4との界面で電気腐食が生じることはない。また、硬質Crめっきの皮膜8は硬度がビッカース硬さで800〜1000程度と硬いため、水中に含まれるスケールが衝突した際の付着力が低下する。
なお、本実施例では硬質Crめっきの最終膜厚は約0.3mmである。スケールの衝突付着に対しては硬質Crめっきの膜厚を厚くする必要がない。しかし、薄過ぎると耐食性の低下が大きく、耐食性を考慮すると硬質Crめっきの最終膜厚は約0.1mm以上、好ましくは約0.3mm以上が望ましい。
図8は、図7に示す実施例のボイラー給水ポンプのインペラ4の製造手順の例を示す工程図である。まず、鋳造(手順81)によって製作したインペラに所定熱処理を施し、形状修正の加工を施す(手順82)。その後、前処理(手順83)、電気めっき法によって硬質Crめっきを被覆する(手順84)。本実施例ではこの段階での硬質Crめっきの膜厚は約0.3mmである。次に、研磨によって所定寸法に加工する(手順85)。この際研磨すべき箇所は、電界集中によって電気硬質Crめっきの膜厚が極端に厚くなる部分だけであり、膜厚を薄くする、もしくはめっき条件を最適化すれば、研磨による形状修正は必要ない。次に真空含浸法によってフッ素樹脂311を含浸する(手順86)。まず、真空容器内にインペラを配置し、真空排気後、溶融状態のフッ素樹脂311を容器内に注入する。次いで大気圧によってフッ素樹脂311を加圧し、Cr皮膜の微細亀裂内部までフッ素樹脂311を浸透させる。この状態を所定時間保持後、大気中に取り出し冷却させる。冷却後、不要樹脂を取り除く。最後に軸と嵌合する内径を加工し所定寸法とした後(手順87)、組立てに供する。
なお、本実施例では含浸樹脂としてフッ素樹脂311を用いたが、シリコン樹脂でも良くフッ素樹脂に限定するものではない。
また、本実施例では真空含浸法によってフッ素樹脂311を含浸したが、真空含浸法は大物部材への適用は困難である。この場合、溶融状態の樹脂を充たした容器内に浸漬する方法でもよく、真空含浸法に限定するものではない。
図9は、本発明の第4の実施例のボイラー給水ポンプのインペラ4の詳細断面を示す。図9において、13%Cr鋳鋼で製作したインペラ4は、電気めっき法によって形成された硬質Crめっきの皮膜8で被覆されている。硬質Crめっきの皮膜8には、インペラ4との界面に達する微細亀裂410が多数存在する。本発明のボイラー給水ポンプ用インペラでは、微細亀裂410内部にはSiOx411が含浸されているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、硬質Crめっきの皮膜8とインペラ4との界面で電気腐食が生じることはない。また、硬質Crめっきの皮膜8は硬度がビッカース硬さで800〜1000程度と硬いため、水中に含まれるスケールがインペラ4に衝突した際の付着力が低下する。
なお、本実施例では硬質Crめっきの最終膜厚は約0.3mmである。スケールの衝突付着に対しては硬質Crめっきの膜厚を厚くする必要がない。しかし、薄過ぎると耐食性の低下が大きく、耐食性を考慮すると硬質Crめっきの最終膜厚は約0.1mm以上、好ましくは約0.3mm以上が望ましい。
図10は、図9に示すボイラー給水ポンプのインペラの製造手順を示す工程図である。まず、鋳造によって製作(手順101)したインペラに所定熱処理を施し、形状修正の加工を施す(手順102)。その後、洗浄、脱脂などの前処理(手順103)を行ない、電気めっき法によって硬質Crめっきの皮膜8を形成する(手順104)。本実施例ではこの段階での硬質Crめっきの膜厚は約0.3mmである。次に、研磨によって所定寸法に加工する(手順105)。この際、研磨すべき箇所は、電界集中によって電気硬質Crめっきの膜厚が極端に厚くなる部分だけであり、膜厚を薄くする、もしくはめっき条件を最適化すれば、研磨による形状修正は必要ない。次に、硬質Crめっきの皮膜8で被覆されたインペラ4をケイ酸エチルを含む溶剤中に浸漬する(手順106)。硬質Crめっきの微細亀裂への溶剤の浸透を促進するために、超音波加振機によって振動を加える。所定時間の浸漬後、軸を大気中で加熱乾燥させる(手順107)。本実施例では約200℃で約1時間加熱した。冷却後、再び溶剤中への浸漬、加熱乾燥の工程を行なう。Cr皮膜の耐食性を確実にするためには、上記工程をすくなくとも2回以上、望ましくは3回以上繰り返す必要がある。上記工程が終了後、不要溶剤を取り除く。最後に軸と嵌合する内径を加工し所定寸法とした(手順108)後、組立てに供する。
図11は、本発明の第5の実施例のボイラー給水ポンプの軸の詳細断面を示す。図11において、13%Cr+数%Mo鋼材で製作した軸3は、高速フレーム溶射法によって形成されたWC−NiCr溶射膜9により被覆されている。WC−NiCr溶射膜9には、膜内部に多数のボイド510があり、これらボイド510が連続化し、溶射膜9表面から軸3との界面に達する欠陥となる。本実施例のボイラー給水ポンプ軸では、ボイド510内部にはフッ素樹脂511が含浸されている。ボイド510内部にフッ素樹脂511が充填されているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、WC−NiCr溶射膜9と軸3との界面で電気腐食が生じることはない。また、WC−NiCr溶射膜9は、ビッカース硬さで約1000程度と硬いため、インペラの組立て・分解時の耐噛りつき性が増すだけでなく、水中に混在、浮遊している土や砂による摩耗に対しての耐久性(耐摩耗性)がよい。また、硬質Crめっきは膜厚が厚くなると割れを生じやすいのに対し、WC−NiCr溶射膜は硬質Crめっきに比較して厚膜化が可能であり、したがって耐食性も硬質Crめっきの皮膜に比べて向上する。
本実施例ではWC−NiCr溶射膜9としては、75%WC−25%NiCr組成を用いた。しかし、本発明は75%WC−25%NiCr組成に限定するものではなく、皮膜の目的である耐食性と耐噛りつき性を満足できればよい。従って、耐摩耗性に優れるWCと耐食性を有する金属NiCrとの混合物であればよく、具体的にWC含有率として30〜80%の範囲が使用可能である。
また、溶射膜の硬質材としては、WCだけではなく、Cr3C2の使用も可能である。この場合のバインダも耐食性の点からNiCrが望ましい。耐食性と耐噛りつき性を考慮すればCr3C2含有率として30〜80%の範囲が使用可能である。WC−NiCr溶射膜に代えてCr3C2−NiCr溶射膜とした場合も、WC−NiCr溶射膜の場合と同様、硬さが硬いため、インペラの組立て・分解時の耐噛りつき性、土や砂に対する耐摩耗性がよくなり、厚膜化による耐食性向上の効果がある。
図12は、図11に示す実施例のボイラー給水ポンプの軸の製造手順を示す工程図である。所定熱処理を施した軸材料を切削によって所定形状に加工し(手順121)、その後、サンドブラストによって表面を適度に荒らす前処理を施し(手順122)、次いで高速フレーム溶射法によってWC−NiCr溶射膜を被覆する(手順123)。本実施例ではこの段階でのWC−NiCr溶射膜の膜厚は約0.5mmである。その後、研磨によって所定軸径に加工する(手順124)。WC−NiCr溶射膜の最終膜厚は約0.3mmである。次に、真空含浸法によってフッ素樹脂511を含浸する(手順125)。まず、真空容器内に軸を配置し、真空排気後、溶融状態のフッ素樹脂を容器内に注入する。次いで大気圧によってフッ素樹脂を加圧し、WC−NiCr溶射膜のボイド内部まで樹脂を浸透させる。この状態を所定時間保持後、大気中に取り出し冷却させる。冷却後、不要樹脂を取り除き、軸寸法を測定し、最終修正を施し(手順126)組立てに供する。
なお、本実施例では含浸樹脂としてフッ素樹脂を用いたが、シリコン樹脂でも良くフッ素樹脂に限定するものではない。
また、本実施例では真空含浸法によってフッ素樹脂511をWC−NiCr溶射膜のボイド内部に含浸させたが、真空含浸法は大物部材への適用は困難である。この場合、溶融状態の樹脂を充たした容器内に浸漬する方法でもよく、真空含浸法に限定するものではない。
さらに、本実施例では溶射膜の形成方法として高速フレーム溶射法を用いたが、高速フレーム法に限定するものではなく、爆発溶射、プラズマ溶射法であってもよい。
また、ボイド内部への含浸は樹脂だけに限るものではなく、前記第2、第4の実施例のごとく、SiOxを含浸してもよい。この場合の製造方法は図12における研磨後の樹脂含浸の工程(手順125)が、珪酸エチルを含む溶剤中への浸漬と加熱・乾燥の工程となる。
図13は、本発明の第6の実施例のボイラー給水ポンプの軸の詳細断面を示す。図13において、13%Cr+数%Mo鋼材で製作した軸3は、高速フレーム溶射法によって形成されたWC−NiCr溶射膜9で被覆されている。WC−NiCr溶射膜9には、膜内部に多数のボイド610が存在し、これらボイラ610が連続化し、溶射膜9表面から軸3との界面に達する欠陥となる。本実施例のボイラー給水ポンプの軸3では、ボイド610内部にはSiOx611が含浸されている。SiOxによってボイド610内部にSiOxが充填されているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、WC−NiCr溶射膜9と軸3との界面で電気腐食が生じることはない。また、WC−NiCr溶射膜9は、ビッカース硬さで約1000程度と硬いため、インペラの組立て・分解時の耐噛りつき性が増す。
本実施例ではWC−NiCr溶射膜9としては、75%WC−25%NiCr組成を用いた。しかし、本発明は75%WC−25%NiC組成に限定するものではなく、皮膜の目的である耐食性と耐噛りつき性を満足できればよい。従って、耐摩耗性に優れるWCと耐食性を有する金属NiCrとの混合物であればよく、具体的にWC含有率として30〜80%の範囲が使用可能である。また、溶射膜の硬質材としてはWCだけではなく、Cr3C2の使用も可能である。この場合のバインダも耐食性の点からNiCrが望ましい。耐食性と耐噛りつき性を考慮すればCr3C2含有率として30〜80%の範囲が使用可能である。
図14は、図13に示すボイラー給水ポンプの軸の製造手順を示す工程図である。所定熱処理を施した軸材料を切削によって所定寸法に加工し(手順141)、その後、サンドブラストによって表面を適度に荒らす前処理を施し(手順142)、次いで高速フレーム溶射法によって軸3の表面にWC−NiCr溶射膜9を形成する(手順143)。本実施例では、この段階でのWC−NiCr溶射膜9の膜厚は約0.5mmである。その後、研磨によって所定軸径に加工する(手順144)。WC−NiCr溶射膜9の最終膜厚は約0.3mmである。
次に、ケイ酸エチルを含む溶剤中に、WC−NiCr溶射膜9で被覆された前記軸3を浸漬する(手順145)。WC−NiCr溶射膜9のボイドへのケイ酸エチルを含む溶剤の浸透を促進するために、超音波加振機によって該溶剤に振動を加える。所定時間の浸漬後、軸3を大気中で加熱乾燥させる(手順146)。本実施例では約200℃で約1時間加熱した。冷却後、再び溶剤中への浸漬、加熱乾燥の工程を行なう。WC−NiCr溶射膜9の耐食性を確実にするためには、上記工程をすくなくとも2回以上、望ましくは3回以上繰り返す必要がある。上記工程の終了後、不要溶剤を取り除く。最後に軸と嵌合する内径を加工し所定寸法とした(手順147)後、組立てに供する。
上記第5、第6の実施例は、ポンプの軸3を、WC−NiCr溶射膜9で被覆した場合の例であるが、同様に、ポンプのインペラ4を、WC−NiCr溶射膜9もしくはCr3C2−NiCr溶射膜で被覆し、溶射膜のボイドをフッ素樹脂、シリコン樹脂、あるいはSiOxで充填するようにしても、同様の効果が得られる。 また、上記各実施例は、バーレル形のボイラー給水ポンプに本発明を適用したものであるが、本発明はバーレル形のボイラー給水ポンプ以外のポンプ、例えば図15に示すような縦軸ポンプなどの軸、インペラにも、同様に適用して効果がある。図15は、縦軸ポンプの概略縦断面図で、煩雑さを避けるため、断面部のハッチングを省略してある。図示のポンプは、ケーシング1の吸込み口2から吸い込まれた水が、軸3によって回転されるインペラ4によって引き上げられ、吐出口7から排出される構成となっており、火力プラントの海水冷却用の循環水ポンプや雨水や河川水などを排水する排水機場などで使用される。このようなポンプの取扱いの対象となる水あるいは海水には、微小な砂が混じっている場合が多く、インペラの摩耗が問題となるが、本発明の適用により、インペラの摩耗が抑制され、ポンプの寿命延長に効果がある。
図16は本発明の第7の実施例である、火力発電プラント等に用いられるバーレル型のボイラー給水ポンプの縦断面図である。ただし、本図では煩雑さを避けるため、部品ごとの断面ハッチングを厳密に区別することなく、また軸については断面表示をしていない。図16に示す本発明の実施例であるボイラー給水ポンプは、吸込口2及び吐出口7を備えたケーシング1と、該ケーシング1に内装され軸受11で両端を支持された軸3と、軸3に嵌装、固着されて該軸3とともに回転するインペラ4と、軸3のインペラ4の両側の軸シール部に嵌装、固着されたスリーブ10と、インペラ4の外周に設けられたデイフューザ5と、デイフューザ5の外周のケーシング1内周に設けられたステージ6と、を含んで構成されている。
ケーシング1の吸込口2より吸込まれた水が、軸3に固定され共に回転するインペラ4によって昇圧され、インペラ4の外周に設けたデイフューザ5に吐出される。デイフューザ5に吐出された水は、デイフューザ5の外周に設けたステージ6に流入し、ステージ6によって外向きの流れが内向きに変えられて、次段のインペラ4に導入され、さらに昇圧される。こうして、吸込口2より吸込まれた水は昇圧行程を繰返して加圧され、吐出口7から吐出され構造である。軸3は軸受11によって両端で支持され、その内側にはスリーブ10が装着されて軸封を構成している。
本実施例では、軸3は13%Cr鋼で、インペラ4は13%Cr鋳鋼で製作されている。軸3は高速回転と流体力によって稼働時常に回転曲げを受けるため、表面に亀裂が生じると、それが起点となって軸の疲労破壊を引き起こす可能性がある。なお、本実施例では、軸3,インペラ4の双方がCrを13重量%含む鉄合金としたが、軸3,インペラ4のうちのすくなくとも一方の材料は、Crを11〜15%含む鉄合金とするのが望ましい。また、インペラ4も常に高速流体と接するため、表面に亀裂が生じるとエロージョン(壊食)を発生する可能性が生じる。軸3とインペラ4はボイラー給水ポンプにおいて極めて重要部品であるため、その破断、壊食は避けねばならない。特に火力発電プラント等で連続的に使用されるボイラー給水ポンプの場合、その信頼性向上が最優先されねばならない。前記のごとく、軸3には組立時・分解時の噛り付き防止のため、インペラ4にはディフューザ、もしくはケーシングとの摺動部の摩耗防止のために硬質Crめっきが被覆される。
一方CrめっきはCWT環境下では、腐食を発生する可能性がある。そこで、火力発電プラント等で連続的に使用されるボイラー給水ポンプの場合、軸、インペラにはCrめっきを被覆しないために生じる不都合以上に、被覆しないことによって生じる信頼性向上が優先されるべきと考え、本実施例では表面処理を施していない。すなわち軸3とインペラ4は素材組成とほぼ同等の材料が表面をなしている。
しかしながら、スリーブ10は、摺動部に摩耗が生じるとその本来の機能である軸封を達成することなく漏水の原因となる。従って、スリーブ10は耐摩耗性向上が優先され、硬質Crめっきの被覆が不可欠である。本実施例では、スリーブ10に被覆したCrめっきの耐食性向上のため、下記の構成とした。
図17はスリーブ10の外観を示す。スリーブ10は13%Cr鋼で製作されている。摺動する円筒面には約0.2mm厚みの硬質Crめっきの皮膜8が被覆されている。図18はスリーブ10の円筒面に被覆された硬質Crめっきの皮膜8の組織の概略図である。硬質Crめっきの皮膜8にはマイクロクラック8aと称する微細な亀裂が存在し、場合によっては素材13%Cr鋼との界面に達するマイクロクラック(微細な縦割れ)も存在する。本実施例ではマイクロクラック8aにはCrO2、SiO2を含む酸化物8dが含浸されている。図18のI−I線矢視断面を図19に示す。図19においてスリーブ10の素材10aは13%Cr鋼である。スリーブ10の素材10aの円筒面に被覆された約0.2mm厚みの硬質Crめっきの皮膜8の下層には、約20nm厚みのNiめっき12が被覆されている。なお、Niめっき12はほぼNi100%の組成、硬質Crめっきの皮膜8はほぼCr100%の組成であり、意図的に添加物は加えていない。また、前述のごとくマイクロクラック8aにはCrO2、SiO2を含む酸化物8dが含浸され、表層から下地(素材10a)に至る亀裂は全て封じられており、水分が13%Cr鋼の素材10aと硬質Crめっきの皮膜8の界面に達する事はない。従って、溶存酸素濃度が増加した水を取り扱っても、本実施例のスリーブ10は腐食、及びCrめっきの剥離を生じることはない。この際、酸化物8dは、含浸量によってCrめっき粒界に沿った網目状、もしくは点状に存在する。いずれかの形態であれば、マイクロクラック8aを十分封じており、必要とされる特性を発揮できる。
スリーブ10の製造方法を以下に説明する。先ず、13%Cr鋼で所要の形状を製作する。次いで、アルカリ洗浄、水洗等の前処理を施し、めっき被覆面の表面の清浄化、活性化を行う。次いで軸3と嵌合するスリーブ内径面にめっきが被覆しないようにコーティングし、次いでNiストライクを行い、その後電気めっきによって円筒面にNi皮膜を被覆する。次にめっき面を所定形状に研磨し、次いでCrめっき用の前処理を施す。前処理後、再び電気めっきによって硬質Crめっきを被覆する。その後、内径コーティングを取り去り、内径を基準に円筒面を研磨加工し所定寸法とする。さらに、円筒面を基準に内径面を切削加工し所定形状とする。その後、スリーブを加熱しながら、珪酸、クロム酸を含む溶剤を円筒面に塗布する。溶剤塗布と加熱を繰り返し、Crめっきに存在する微細亀裂に珪酸、クロム酸を含む溶剤を含浸させ、さらに加熱によって溶剤中の珪酸、クロム酸を酸化物化させる。溶剤の塗布、加熱が完了後、所定寸法を測定し、必要であれば研磨加工によって所定寸法とする。Niめっき12、硬質Crめっきの皮膜8を連続的に電気めっきで製作することによって、めっき間の密着力が増し、皮膜の剥離を防ぐことが出来る。Niめっきを無電解めっきで製作すると、軸と嵌合する内面被覆防止のコーティングが難しく、且つ硬質Crめっきとの密着力が低くなるため、高速流水による皮膜剥離が生じやすい。なお、微細亀裂に珪酸、クロム酸を含む溶剤を含浸させるには、それら溶剤を塗布するのではなく、それら溶剤中にスリーブ10を浸漬してもよい。
本実施例では、Niめっき12、硬質Crめっきの皮膜8に各々純Ni、純Crを用いたが、それぞれ必要とする耐食性と耐摩耗性を有すれば、100%のNi、Crである必要はない。各々合金であってよく、各種組成の検討結果によればNiめっきの場合Niを80重量%含む合金皮膜であれば必要とする耐食性は確保できる。Crめっきの場合Crを90重量%含む合金皮膜であれば必要とする耐摩耗性は確保できる。
また、本実施例では、酸化物8dにCrO2、SiO2を含む酸化物を用いた。これは、それぞれが優れた耐食性と安定性を有し、且つ加熱による珪酸、クロム酸からの形成が容易で、また浸透性に優れるためである。従って、その組成に特定の限定はなく、珪酸、クロム酸を含む溶剤から形成できる酸化物であればよい。
図20は、本発明の第8の実施例である給水ポンプのインペラ41の外観を示す。本インペラ41は13%Cr鋳鋼を素材41eとして製作され、13%Cr+数%Mo鋼材で製作された軸31に嵌入、固着されている。図20に示す円周面41fには、約20nm厚みのNiめっき41aが被覆され、その上層に約0.2mm厚みの硬質Crめっき41bが被覆されている。図21はインペラ41の硬質Crめっき41bの表面組織を示す平面図である。硬質Crめっき41bにはマイクロクラック41cが存在し、本実施例では、このマイクロクラック41cのCrめっき粒界に点状に樹脂を含浸してある。図22はインペラ41の硬質Crめっき41b及びNiめっき41aが被覆された部分の縦断面図である。図示のように、硬質Crめっき41bのマイクロクラック41cには、樹脂41dが含浸させてある。本実施例ではフッ素樹脂が含浸されている。硬質Crめっき41bのマイクロクラック41cがフッ素樹脂によって封じられているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、スリーブ10の素材を構成する13%Cr鋳鋼に腐食が生じることはない。
図23は本実施例の給水ポンプの軸31の断面拡大図を示す。本実施例では軸31の素材31eは、先に述べたように、13%Cr+数%Mo鋼材で製作されている。本実施例は、すでに硬質Crめっき31bを被覆してある軸の耐食性を改善した例である。すでに硬質Crめっき31bが被覆してある軸の場合、Ni/Crの2層めっきとするには、Crめっき層を取り去らねばならなず、長尺物である軸ではその作業は容易ではない。しかしながら本発明であればCrめっきを取り去ることなく、軸の耐食性を改善できる。図23は、硬質Crめっき31bのマイクロクラック31cに、CrO2、SiO2を含む酸化物31dが含浸された状態を示してある。酸化物31dによってマイクロクラック31cが封じられているため、溶存酸素濃度の高い水中にあっても、素材31eに腐食が生じることはない。なお、軸31の材料は、Crを11〜15%含む鉄合金とするのが望ましい。
以下、インペラ41の製造方法を説明する。鋳造法によってインペラを形成する。次いでNiめっき、Crめっきを被覆するが、その方法は実施例7のスリーブ10と同様である。次いで、真空含浸法によってフッ素樹脂を含浸する。まず、真空容器内にインペラ41を配置し、真空排気後、溶融状態の樹脂を容器内に注入する。次いで大気圧によって樹脂を加圧し、Cr皮膜の微細亀裂内部まで樹脂を浸透させる。この状態を所定時間保持後、大気中に取り出し冷却させる。冷却後、インペラ41の表面から不要樹脂を取り除き、寸法測定後最終修正を施し組立てに供する。なお、本実施例では含浸樹脂としてフッ素樹脂を用いたが、シリコン樹脂でも良くフッ素樹脂に限定するものではない。
以下、軸31の製造方法を説明する。本例の場合、すでにCrめっきのみが被覆された状態の軸を処理する。軸は長尺物であるため、インペラのような真空含浸法は困難であり、実施例7に示したスリーブ10に処理した珪酸、クロム酸を含む溶剤を円筒面に塗布する方法を用いた。溶剤塗布と加熱を繰り返し、Crめっきに存在する微細亀裂に珪酸、クロム酸を含む溶剤を含浸させ、さらに加熱によって溶剤中の珪酸、クロム酸を酸化物化させる。溶剤の塗布、加熱が完了後、外径寸法を測定し、必要であれば研磨加工によって外径を所定寸法とした。なお、微細亀裂に珪酸、クロム酸を含む溶剤を含浸させるには、それら溶剤を塗布するのではなく、それら溶剤中に軸31を浸漬してもよい。
なお、本実施例では、インペラ41のNiめっきの膜厚は約20nm、硬質Crめっきの膜厚は約0.2mmとした。Niめっきは耐食性を増すために必要な膜厚範囲があり、様々に検討した結果では、最低10nm必要である。但し、30nm以上では、その効果は飽和するため、省労力、省資源のためには10nm〜30nmの範囲とするのが適当である。硬質Crめっきは耐摩耗性の点で必要な膜厚があり、様々に検討した結果では、最低0.1mm必要である。0.5mm以上では、皮膜の残留応力が顕著になるため好ましくない。従って、その適正膜厚範囲は0.1mm〜0.5mmとなる。
図24は本発明の第9の実施例である昇圧ポンプ9の縦断面図である。図示のポンプは、軸93と、軸93に固定され共に回転するインペラ94と、インペラ94及びインペラ94が固定された軸93の部分を内装するケーシング92と、ケーシング92の外側で前記軸93の両端部を支持する軸受97と、を含んで構成され、ケーシング92内に取り込まれた取り扱い流体をインペラ94の吸い込み口94aから吸い込み、回転によって昇圧させて吐き出し口94bから吐き出し、ケーシング92内の流路から排出する機構である。
図25はインペラ94の外観を示す。本実施例ではインペラ94は、13%Cr鋳鋼で製作されている。なお、図中の網目で覆われた環状表面部は、溶射法によってWC-NiCr溶射膜94cを被覆した箇所である。網目で覆われた環状表面部は、ケーシング92と摺動するため、耐摩耗性が求められる。そこで、硬く且つ厚膜化が可能である溶射膜を被覆している。図26は、インペラ94の縦断面図を示す。図26に示すように、WC−NiCr溶射膜94c内部にはボイド94eが存在し、該ボイド94eにはCrO2、SiO2を含む酸化物94fが含浸、充填されている。ボイド94eは酸化物94fによって封じられているため、溶存酸素濃度の高い水中にあってもインペラ94の素材94dに腐食が生じることはない。
以下、本実施例のインペラ94の製造方法を説明する。所定熱処理を施したインペラ94の素材94dを切削によって所要の形状寸法に加工し、その後、サンドブラストによって表面を適度に荒らす。次いで高速フレーム溶射法によってWC-NiCr溶射膜94cを被覆する。本実施例ではこの段階でのWC-NiCr溶射膜94cの膜厚は約0.5mmとした。次に、珪酸、クロム酸を含む溶剤をWC-NiCr溶射膜94cに塗布し、加熱する工程を繰り返す。溶剤塗布と加熱を繰り返し、WC−NiCr溶射膜94cに存在するボイド94eに珪酸、クロム酸を含む溶剤を含浸させ、さらに加熱によって溶剤中の珪酸、クロム酸を酸化物化させる。溶剤の塗布、加熱が完了後、溶射膜形成部の形状寸法を測定し、必要であれば研磨加工によって所定寸法とした。微細亀裂に珪酸、クロム酸を含む溶剤を含浸させるには、それら溶剤を塗布するのではなく、それら溶剤中にインペラ94を浸漬してもよい。
なお、本実施例ではWC−NiCr溶射膜94cとしては、75%WC−25%NiCr組成を用いた。しかし、本発明は75%WC−25%NiCr組成に限定するものではなく、皮膜の目的である耐摩耗性と耐噛りつき性を満足できればよい。従って、耐摩耗性に優れるWCと耐食性を有する金属NiCrとの混合物であればよく、具体的には、WC含有率は少なくとも70%あればよい。また、溶射膜の硬質材としてはWCだけではなく、Cr3C2の使用も可能である。この場合のバインダも耐食性の点からNiCrが望ましい。耐食性と耐噛りつき性を考慮すればCr3C2含有率は少なくとも70%とするのが望ましい。
図27は、本発明の第10の実施例である昇圧ポンプのインペラ94の断面を示す。図27に示すように、本実施例ではWC−NiCr溶射膜94cの下にNi合金皮膜94gが被覆されている。Ni合金皮膜94gは溶射法によってインペラ94の素材94dに被覆され、その組成はNi−10%Pである。本実施例では、WC−NiCr溶射膜94cに存在するボイド94eがCrO2、SiO2を含む酸化物94fによって封じられ、且つNi合金皮膜94gがWC−NiCr溶射膜94cの下層に被覆されているため、優れた耐食性と耐摩耗性が達成される。
以下、その製造方法を説明する。所定熱処理を施したインペラ94の素材94dを切削によって所要の形状寸法に加工し、その後、サンドブラストによって表面を適度に荒らす。、次いで高速フレーム溶射法によってNi−10%Pなる組成のNi合金皮膜94gを素材94dの表面に被覆する。次いで、再びサンドブラストによってNi合金皮膜94g表面を適度に荒らし、高速フレーム溶射法によってWC−NiCr溶射膜をNi合金皮膜94g上に被覆する。以後の珪酸、クロム酸を含む溶剤をWC−NiCr溶射膜94cに塗布し、加熱する工程を繰り返す以降の工程は前記と同様である。微細亀裂に珪酸、クロム酸を含む溶剤を含浸させるには、それら溶剤を塗布するのではなく、それら溶剤中にインペラ94を浸漬してもよい。
図28は本発明のポンプのインペラ、軸、スリーブ等の部材と、従来のCrめっきを施した同様部材との耐食性を比較したものである。耐食性は、溶存酸素濃度が約6ppm、水温約50〜60℃の流水中に10mm×30mmの面積を所定皮膜で被覆したSUS403を浸漬して、その重量変化を測定した結果で表した。酸素濃度を高く設定し、加速を行った腐食試験である。
上記腐食試験の本発明を代表する試験片には、基材としてSUS403を用い、その表面に電気めっきによって約20nm厚みのNiめっきを被覆し、さらにその上に電気めっきで硬質Crめっきを被覆した。その後研磨によって前記硬質Crめっきの膜厚を約0.2mmとし、次いで、珪酸、クロム酸を含む溶剤を研磨済硬質Crめっきに含浸させ、さらに加熱によって溶剤中の珪酸、クロム酸を酸化物化した。従来の硬質Crめっきの試験片は、基材として同じくSUS403を用い、その表面に電気めっきで硬質Crめっきを被覆し、その後研磨によって硬質Crめっきの膜厚を約0.2mmとしたものである。
従来品は、酸化によって初期重量が増加し、その後腐食による重量減少が認められる。それに比較し、本発明の試験片は重量変化がほとんど生じることはなく、極めて優れた耐食性を示す。腐食はめっきと母材との界面で生じるため、重量減少はめっき膜の密着強度の低下とほぼ同様である。すなわち、本発明のポンプのインペラ、軸、スリーブは、優れた耐食性と、強固なめっき膜密着力を長期に保持することが出来る。
以上説明したように、本発明の実施例によれば、耐食性とインペラ組立て時の耐噛りつき性に優れる軸が達成され、かつ、溶存酸素濃度が高い水中でも信頼性高いポンプが提供できる。
また、耐食性とスケールの衝突付着力を抑制するインペラが達成されるため、溶存酸素濃度が高い水中でも信頼性高いボイラー給水ポンプが提供できる。
さらに、軸、インペラの表面の硬度をあげることができるので、取り扱う水に多量の土や砂が混じっている場合の軸、インペラの表面の摩耗を抑制し、寿命を延長する効果がある。
また、溶存酸素濃度の高い取り扱い水中でも、耐食、耐摩耗性に優れた皮膜を軸、インペラ、スリーブを形成できるため、信頼性高いポンプが達成できる。