JP5787543B2 - 肉盛溶接構造 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ等に適用される耐食性、耐磨耗性に優れた被覆部材および肉盛溶接構造に関する。

従来、一般的なポンプにおいてはケーシングの内部に羽根車等の回転体を内蔵しており、回転体の摺動部では水等の潤滑流体が存在していても固定部材との接触により磨耗が発生する問題がある。

このため、特許文献１では、耐食性及び耐摩耗性を要求される部材に、Ｎｉの外に全体に対する重量％として、Ｃｒを２３〜５０％、Ｖを７〜２０％、Ｃを１．６％以上で（０．２３６Ｖ％＋２）％以下を含み、Ｍｏを最大４０％以下で、（１１−０．１ｘＣｒ％）％又は（１２５−４ｘＣｒ％）％の何れか多い方以上の比率で含有し、更にＣｒ、Ｖ、Ｍｏの合計が９０％以下であるＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ系合金を用いることが記載されている。

また、特許文献２では、土砂が混入した海水環境下やキャビテーションが発生する条件で運転されるポンプに適する耐食性と耐摩耗性に優れた被覆部材を用いた部品に関して、母材の表面に、Ｃ元素を不可避不純物として含有するＮｉ基またはＣｏ基の耐隙間腐食性に優れた合金組成からなる材料を被覆した第１の被膜と、硬度を発揮させるための炭化物と耐食性を発揮させるための金属成分を含有する硬質材料を被覆した第２の被膜を備え、第１の被膜が被覆施工時に生じる第２の被膜から母材へのＣ元素の拡散の障壁となり、母材への浸炭を防止することが記載されている。

特開２００５−１２０４５８号公報 特開２００３−２４７０８４号公報

ところで、ポンプ部品の回転体の摺動部では、カジリや焼付きが発生する問題があり、焼付きは、ポンプ部品の摺動部が相手部材に接触し、摺動部の金属が溶融して相手材に付着することにより生じる。このカジリや焼付きを防止する対策としてポンプ部品の摺動部と相手材との間に硬度差を設けることが一般的に行なわれている。例えば、一方の部材としてＳＵＳ４２０Ｊ２に高周波焼入れしたＨｖ４３０程度のものを使用し、他方の部材としてＳＵＳ３０４等のＨｖ２００程度のものを用いる。

しかしながら、硬度差による対策は万全ではなく、硬度差が小さい金属同士ではカジリや焼付きが発生し易い問題がある。
また、摺動部の磨耗は部品の寿命を短くする要因であり、摺動部の耐磨耗層が磨耗許容代を超えるほどに磨耗すると部品の交換が必要となるので、摺動部の耐磨耗層が厚いほど部品の寿命が長くなる。

しかしながら、溶射やＤＣＬコーティング、窒化、メッキ処理などの硬化処理による方法では、耐磨耗層を厚く形成することは困難であり、例えば溶射では０．３ｍｍ程度が限界である。また、硬化処理として一般的な溶射ではポーラス（微細孔）な耐磨耗層が形成されるので、耐食性が必ずしも十分に確保できない。このため、ポーラスの封孔処理として樹脂等で埋めるが、耐磨耗層が磨耗した場合には封孔処理材が剥がれてしまう問題があった。

また、海水耐食性が高い二相系ステンレスは、溶接作業などで熱を加えると、４７５℃付近で４７５℃脆化、８５０度付近でσ脆化が起きて、耐食性、靭性が著しく低下する。４７５℃脆化はフェライト相内の分離現象であり、σ脆化はＦｅ、Ｃｒ、Ｍｏの金属間化合物であるσ相の析出現象である。

本発明は、上記した課題を解決するものであり、耐食性、耐磨耗性に優れた被覆部材および肉盛溶接構造、さらにはバランスディスクおよびポンプを提供することを目的とする。

本発明の肉盛溶接構造は、二相系ステンレスの母材金属表面に形成する第１の肉盛溶接層と、第１の肉盛溶接層の上に形成する第２の肉盛溶接層を備え、第１の肉盛溶接層はＰＲＥＮ値が４０以上で１００度以下の低温予熱で溶接割れのないＣｏ基合金からなり、第２の肉盛溶接層は、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎ、不可避不純物を含み、重量％単位において、Ｃｒ：２５−３２、Ｗ：１−４、Ｃ：０．４５−０．９、Ｍｏ：４−８で、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎの合計値が５以下でＰＲＥＮ値４０以上さらにＨｖ４００以上のＣｏ基合金からなることを特徴とする。
本発明の肉盛溶接構造において、第１の肉盛溶接層は、Ｈｖ２８０〜４００であることを特徴とする。
本発明の肉盛溶接構造において、多層の肉盛溶接層の層厚さは３ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明の摺動部材は、母材の表面に摺動面を形成する多層の肉盛溶接層を有し、多層の肉盛溶接層が上記の肉盛溶接構造からなることを特徴とする。
本発明のバランスディスクは、ディスク形状をなして軸心廻りに回転する母材と、母材の軸心周囲の摺動面を形成する多層の肉盛溶接層を有し、多層の肉盛溶接層が上記の肉盛溶接構造からなることを特徴とする。

本発明のポンプは、ケーシング内に、回転軸の軸心廻りに回転する羽根車と、回転軸と一体的に回転するバランスディスクと、回転軸の軸心方向でバランスディスクの摺動面に対向し、バランスディスクの摺動面の硬度より低くかつ硬度差がＨｖ９０〜１２０であるケーシング側に装着するバランスシートを備え、バランスディスクが請求項５に記載のバランスディスクからなることを特徴とする。
本発明のポンプにおいて、バランスシートはＨｖ２８０から３１０である二相系ステンレスであることを特徴とする。

以上のように、本発明によると、海水用などの耐食性の高い機械部品を実現できる。例えば耐食性の高い二相系ステンレスを用いた部品において、その摺動部にスーパー二相ステンレスと同等の耐海水腐食性とともに、焼付きを生じない優れた耐摩耗性を有する肉盛溶接構造を実現できる。

本発明の実施の形態における多段ポンプを示す断面図 同多段ポンプのバランスディスクを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図 同多段ポンプのバランスシートを示す断面図

以下、本発明における実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１〜図３に示すように、一重胴輪切型の多段ポンプ１は、ポンプケーシング２に吸込口３と吐出口４とが設けられており、ポンプケーシング２の内部に、回転軸５と一体的に回転する複数の羽根車６ａ〜６ｃが備えられている。ポンプケーシング２は、吸込口３を有する吸込ケーシング７と、吐出口４を有する吐出ケーシング８と、これら吸込ケーシング７と吐出ケーシング８との間に挟み込まれた複数の輪切型の中間ケーシング９ａ，９ｂとに分割されている。

各ケーシング７，８，９ａ，９ｂは、締結手段１１によって、回転軸５の軸心方向Ａに締め付けられて締結されている。締結手段１１は複数の締付ボルト１２とナット１３とを有している。各締付ボルト１２は、両端に位置する吸込ケーシング７と吐出ケーシング８とに、軸心方向Ａから挿通されている。また、各ナット１３は締付ボルト１２の両端部に螺合されており、これにより、吸込ケーシング７と吐出ケーシング８とが締結されている。

回転軸５はポンプケーシング２に挿通されており、軸封部１４においてパッキン等のシール材１５でシールされている。羽根車６ａ〜６ｃは、各中間ケーシング９ａ，９ｂ内と吐出ケーシング８内とに収納されており、回転軸５に外嵌されて、回転軸５と一体に回転する。各羽根車６ａ〜６ｃは流出口１６と流入口１７とを有し、流出口１６が流入口１７よりも回転軸５の径方向の外側に位置している。

吸込ケーシング７内には、水１８（流体の一例）を吸込口３から初段の羽根車６ａの流入口１７へ導く吸込流路１９が形成されている。吸込流路１９は、水１８を羽根車６ａの流入口１７に出来るだけ均一に流入させるように回転軸５の外周を取り囲むように円環状に設けられている。

各中間ケーシング９ａ，９ｂ内には、水１８を各羽根車６ａ，６ｂの流出口１６から次段の各羽根車６ｂ，６ｃの流入口１７へ導く中間流路２０が形成されている。中間流路２０は、各羽根車６ａ，６ｂの流出口１６の外側に形成された円環状のディフューザ２１ａ，２１ｂを有している。

吐出ケーシング８内には、円環状の最終段のディフューザ２１ｃ（圧力回収部の一例）と吐出流路２２とが形成されている。最終段のディフューザ２１ｃは最終段の羽根車６ｃの流出口１６の外側に形成されている。また、吐出流路２２は、最終段のディフューザ２１ｃを通過した水１８を吐出口４に導く流路であり、回転軸５の軸心周りを旋回する方向に渦巻状に形成されている。

吐出ケーシング８と軸封部１４との間に形成する空間１００には、回転軸５と一体的に回転するバランスディスク１０１を配置しており、回転軸５の軸心方向Ａでバランスディスク１０１の摺動面１０２に対向するバランスシート１０３が吐出ケーシング８に取替え可能に装着してある。

バランスシート１０３は硬度がＨｖ３００程度（Ｈｖ：ビッカース硬さ）の二相系ステンレスからなる。しかしながら、バランスシート１０３の焼付き防止のために、樹脂製のものを採用することもあり、二相系ステンレスに限らない。

バランスディスク１０１は、ディスク形状をなして軸心廻りに回転する母材１０４が二相系ステンレス（二相系ステンレスの耐孔食係数ＰＲＥＮ値はＣｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎで表され、ＰＲＥＮ値４０以上のスーパー二相系ステンレスを含む）からなり、母材１０４の軸心周囲に摺動面１０２を形成する多層の肉盛溶接層１０５を有している。

多層の肉盛溶接層１０５の肉盛溶接構造は、母材金属表面に形成する第１の肉盛溶接層１０６と、第１の肉盛溶接層１０６の上に形成する第２の肉盛溶接層１０７を備えている。第１の肉盛溶接層１０６は、層厚さが１ｍｍ程度で、ＰＲＥＮ値（耐孔食係数）が４０以上のＣｏ基合金からなり、例えばＡＷＳ規格ＥＲＣｏＣｒ（ＵＮＳ番号Ｒ３００２１）であり、市販品ではステライト２１（ステライトは登録商標）である。ステライト２１の成分例は以下のものである。重量％単位において、Ｃｒ：２７．５、Ｃ：０．２５、Ｎｉ：２．６、Ｍｏ：５．４、Ｆｅ：２．０、Ｓｉ：１．５、Ｃｏ：Ｂａｌ．このため、第１の肉盛溶接層１０６は二相系ステンレスと同等の耐海水腐食性を維持できる。

なお、第１の肉盛層の材料には、二相系ステンレスとの相性が良い、つまり、耐食性が二相系ステンレスと同等以上のＰＲＥＮ値４０以上（二相ステンレスはＰＲＥＮ値：３６以上、スーパー二相ステンレスはＰＲＥＮ値４０以上）、ビッカース硬さは母材である二相系ステンレス(二相ステンレスはＨｖ２８０以下、スーパー二相ステンレスはＨｖ３１０以下)と摺動面に必要な硬度（Ｈｖ４００以上）との中間的な値であるＨｖ２８０〜４００、さらに１００度以下の低温予熱で溶接割れのない肉盛層が得られるＣｏ基合金が特に適している。なお、本発明に必要な硬度と溶接割れを生じないＣｏ基合金のＣ量は０．４５％以下であり、市販品の中では前述のステライト２１が最も適している。

第２の肉盛溶接層１０７は、層厚さが２ｍｍ以上であり、本発明に係るＰＲＥＮ値が４０以上で、硬度がＨｖ４００以上のＣｏ基合金からなる。この本発明のＣｏ基合金は、耐食性のある被覆部材であって、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎ、不可避不純物を含み、重量％単位において、Ｃｒ：２５−３２、Ｗ：１．０−４、Ｃ：０．４５−０．９、Ｍｏ：４−８、Ｓｉ：０−３、Ｎｉ：０−５、Ｆｅ：０−５、Ｎ：０．０１−３．０、Ｃｏ：Ｂａｌである。ここで、Ｃｒ：２５−３２、Ｗ：１−４、Ｃ：０．４５−０．９、Ｍｏ：４−８が必須のものであり、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎはその合計値が５以下であれば良い。よって、第２の肉盛溶接層１０７のＣｏ基合金は、二相系ステンレスと同等の耐海水腐食性を維持するとともに、優れた耐磨耗性を有している。

なお、二相系ステンレスの一般的な被覆材であるステライト６は硬度Ｈｖ４００以上であるがＰＲＥＮ値４０以下であり、ステライト２１はＰＲＥＮ値４０以上であるが、硬度Ｈｖ４００以下であり、硬度または耐海水腐食性が不足していた。

この構成により、バランスシート１０３の摺動面１１０（硬度がＨｖ３００程度）とバランスディスク１０１の摺動面１０２（硬度がＨｖ４００程度）との間に９０から１２０の硬度差を実現するとともに、バランスディスク１０１の摺動面に、溶射や窒化の手法によらずして３ｍｍ以上の層厚さの硬化層、つまり多層の肉盛溶接層１０５を実現できる。よって、溶射、窒化、メッキ処理などの方法より磨耗許容代が厚くなり、バランスディスク１０１の部品寿命が長くなる。

なお、今回２層構造の肉盛溶接として理由は、以下のものである。
本発明のＣｏ基合金は硬度と耐食性は非常によかった。しかしながら、母材の二相系ステンレスへ肉盛溶接する際には、溶接割れの問題から予熱・パス間温度を１００度以上とする必要が生じた。一方、母材である二相系ステンレスの劣化を小さくするためには、予熱・パス間温度を１００度以下に抑える必要があった。

そこで、予熱が１００度以下で溶接割れのない肉盛層が得られるＰＲＥＮ値４０以上（ビッカース硬さには拘らないので、Ｈｖ４００未満でも良い）のＣｏ基合金を１層目として肉盛溶接を行い、２層目に本発明のＣｏ基合金を肉盛溶接することにした。

このように、事前に１層の肉盛溶接を行うことで、２層目に本発明のＣｏ基合金を肉盛溶接しても母材への入熱が減少するため、母材の劣化を防止できるとともに、１層目の肉盛溶接層への溶け込みによる耐食性および硬度の劣化を生じることなく摺動面に必要な肉盛層を形成することができる。

バランスディスク１０１と吐出ケーシング８との間に形成する狭路空間１０８は、羽根車６ｃの流出口１６と連通路１０９を通して連通している。
以下、上記構成における作用を説明する。図１に示すように、回転軸５の回転により各羽根車６ａ〜６ｃが回転し、吸込口３からポンプケーシング２内に吸い込まれた水１８は、吸込流路１９を通り、初段の羽根車６ａの流入口１７から流入して流出口１６から流出し、初段のディフューザ２１ａを経て中間流路２０を流れた後、次段の羽根車６ｂの流入口１７から流入して流出口１６から流出し、次段のディフューザ２１ｂを経て中間流路２０を流れた後、最終段の羽根車６ｃの流入口１７から流入して流出口１６から流出し、最終段のディフューザ２１ｃを経て、吐出流路２２に流れ込み、吐出流路２２を流れて吐出口４から吐出される。

このように、水１８は、各羽根車６ａ〜６ｃによって順次昇圧された後、吐出口４から吐出される。
この水１８から反作用を受けて羽根車６ａ〜６ｃ、回転軸５およびバランスディスク１０１が軸心方向Ａでバランスシート１０３に向けてスラスト力を受けるので、ポンプの起動初期時には、バランスディスク１０１は自身の摺動面１０２をバランスシート１０３の摺動面１１０に摺接させながら回転する。

中間ケーシング９ｂの内部圧力が所定圧力に高まった状態では、その圧力が連通路１０９を通して狭路空間１０８に作用して水１８から受ける反作用に対抗し、バランスディスク１０１をバランスシート１０３から離間させる方向に作用する。

本実施の形態では、バランスシート１０３の摺動面１１０とバランスディスク１０１の摺動面１０２との間に９０から１２０の硬度差を実現しているので、焼付きやカジリが発生することを防止でき、耐食性の高い二相系ステンレスを用いた部品において、その摺動部にスーパー二相ステンレスと同等の耐海水食性とともに、焼付きを生じない優れた耐摩耗性を実現できる。また、バランスディスク１０１の摺動面に、衝撃に弱い溶射や窒化の手法によらずして３ｍｍ以上の層厚さの割れ難い硬化層、つまり多層の肉盛溶接層１０５を実現できる。ポンプにおける回転軸（主軸）５の軸心方向への移動可能量は３ｍｍ程度であるので、３ｍｍ以上の層厚さの肉盛溶接層１０５を形成することで、バランスディスク１０１の部品寿命が十分に長くなる。

上述の実施の形態は多段ポンプの摺動部品であるバランスディスクについて説明したが、その他のポンプ、例えば両吸込みポンプや立軸斜流ポンプ等における摺動部であるライナーリングや軸スリーブ等に適用することも可能である。

また、上述の実施の形態における２層構造とは肉盛溶接の回数に関わる概念ではない。つまり、第１の肉盛溶接層とは、二相ステンレス系の母材に接するＰＲＥＮ値４０以上のＣｏ基合金と本発明のＣｏ基合金との間の領域を指し、溶接回数は１回であっても複数回であっても良く、組成の異なるＰＲＥＮ値４０以上のＣｏ基合金による肉盛溶接を含んでいても良い。

第２の肉盛溶接層とは、摺動面を構成する最外面をなし、本発明のＣｏ基合金による肉盛溶接を行った領域を指し、溶接回数は１回であっても複数回であっても良く、本発明の組成範囲内であれば材料成分が異なる肉盛溶接を含んでも良い。

また、本発明のＣｏ基合金が、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎ、不可避不純物を含み、重量％単位において、Ｃｒ：２６−２８、Ｗ：２−４、Ｃ：０．６５−０．８５、Ｍｏ：４−６で、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎの合計値が５以下であれば、１層目と２層目の相性がさらに良くなり、より磨耗性の高い摺動面を構成することができる。

１ 多段ポンプ
２ ポンプケーシング
３ 吸込口
４ 吐出口
５ 回転軸
６ａ〜６ｃ 羽根車
７ 吸込ケーシング
８ 吐出ケーシング
９ａ，９ｂ 中間ケーシング
１１ 締結手段
１６ 流出口
１７ 流入口
１８ 水（流体）
１９ 吸込流路
２０ 中間流路
２１ａ〜２１ｃ ディフューザ（圧力回収部）
２２ 吐出流路
１００ 空間
１０１ バランスディスク
１０２、１１０ 摺動面
１０３ バランスシート
１０４ 母材
１０５ 肉盛溶接層
１０６ 第１の肉盛溶接層
１０７ 第２の肉盛溶接層
１０８ 狭路空間
１０９ 連通路

Claims (7)

1. 二相系ステンレスの母材金属表面に形成する第１の肉盛溶接層と、第１の肉盛溶接層の上に形成する第２の肉盛溶接層を備え、第１の肉盛溶接層はＰＲＥＮ値が４０以上で１００度以下の低温予熱で溶接割れのないＣｏ基合金からなり、第２の肉盛溶接層は、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎ、不可避不純物を含み、重量％単位において、Ｃｒ：２５−３２、Ｗ：１−４、Ｃ：０．４５−０．９、Ｍｏ：４−８で、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎの合計値が５以下でＰＲＥＮ値４０以上さらにＨｖ４００以上のＣｏ基合金からなることを特徴とする肉盛溶接構造。
2. 第１の肉盛溶接層は、Ｈｖ２８０〜４００であることを特徴とする請求項１に記載の肉盛溶接構造。
3. 多層の肉盛溶接層の層厚さは３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の肉盛溶接構造。
4. 母材の表面に摺動面を形成する多層の肉盛溶接層を有し、多層の肉盛溶接層が請求項２に記載の肉盛溶接構造からなることを特徴とする摺動部材。
5. ディスク形状をなして軸心廻りに回転する母材と、母材の軸心周囲の摺動面を形成する多層の肉盛溶接層を有し、多層の肉盛溶接層が請求項２に記載の肉盛溶接構造からなることを特徴とするバランスディスク。
6. ケーシング内に、回転軸の軸心廻りに回転する羽根車と、回転軸と一体的に回転するバランスディスクと、回転軸の軸心方向でバランスディスクの摺動面に対向し、バランスディスクの摺動面の硬度より低くかつ硬度差がＨｖ９０〜１２０であるケーシング側に装着するバランスシートを備え、バランスディスクが請求項５に記載のバランスディスクからなることを特徴とするポンプ。
7. バランスシートはＨｖ２８０から３１０である二相系ステンレスであることを特徴とする請求項６に記載のポンプ。

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