JP6551767B2 - 積層部材、並びに、これを用いた羽根車、圧縮機及びエンジン - Google Patents

Description

本発明は、積層部材、並びに、これを用いた羽根車、圧縮機及びエンジンに関する。

例えば、特許文献１に示すように、舶用エンジンにおいて、排ガス中のＮＯｘを低減するものとして、低圧排ガス再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムがある。この低圧ＥＧＲシステムは、主機の過給機出口から排気用配管に排出された低圧排ガスの一部再循環ガスとして、過給機入口に戻すものである。これにより、燃焼用ガスの酸素濃度が低下し、燃料と酸素との反応である燃焼の速度が遅れることとなり、燃焼温度が低下することで、ＮＯｘの発生量を減少させることができる。

また、舶用エンジンにはＳ成分の多い燃料を用いるため、排ガス中には、過給機の圧縮機の羽根車の腐食成分となるＳ成分及びＣｌ成分が含まれている。よって、ＥＧＲシステムには、再循環ガス中のＳ成分を洗浄水で除去するスクラバが設けられている。

特許第５９１６７７２号公報 特許第５８８３００１号公報

ただし、Ｓ成分は、再循環ガスをスクラバにて洗浄した場合であっても再循環ガス中に残留することがある。また、洗浄後の再循環ガスに含まれる液滴は、スクラバの下流に配置されるデミスタユニット内において除去されるが、デミスタユニットを通過した再循環ガス中の水分が過給機の圧縮機に達するまでに凝縮する可能性がある。

再循環ガス中に凝縮した液滴は、Ｓ成分及びＣｌ成分が含まれることにより、水素イオン濃度（ｐＨ）が１〜２程度となる。ここで、過給機の圧縮機の羽根車には、軽量かつ高強度なＡｌ合金基材を用いているが、再循環ガス中に含まれる液滴によりＡｌ合金基材が腐食される（コロージョンが発生する）恐れがある。

再循環ガス中に凝縮した液滴は、圧縮機の羽根車に衝突する。これにより、羽根車が塑性変形し、その繰り返しによって減耗する（エロージョンが発生する）恐れがある。

上記の問題点に対する第１の対策として、羽根車のＡｌ合金基材に陽極酸化処理を施す方法が考えられるが、この方法は耐エロージョン性及び耐コロージョン性が十分に得られない可能性がある。

また、上記の問題点に対する第２の対策として、羽根車のＡｌ合金基材表面に、物理蒸着法あるいは化学蒸着法によるセラミック層をコーティングする方法が考えられる。このセラミック層は、耐コロージョン性のある高硬膜となる。しかしながら、この方法では、セラミック層に液滴が衝突した際に、内側のＡｌ合金基材にまで衝撃が伝わり、該Ａｌ合金基材が変形することで、セラミック層に割れが発生し、セラミック層とＡｌ合金基材とが剥離する恐れがある。また、上記液滴が、割れた部分あるいは剥離した部分からＡｌ合金基材に浸透し、Ａｌ合金基材を腐食する恐れがある。さらに、セラミック層に初めから（コーティング成膜の時点で）欠陥が存在し、上記液滴がその欠陥からＡｌ合金基材に浸透して、Ａｌ合金基材を腐食する恐れもある。

さらに、上記の問題点に対する第３の対策として、羽根車のＡｌ合金基材表面に、Ｎｉ‐Ｐ合金等の無電解めっきを施す方法が考えられるが、めっき皮膜中にＳ成分が微量含有されるため、耐コロージョン性が十分に得られない可能性がある。

上記の技術的課題に鑑み、本発明では、耐エロージョン性と耐コロージョン性とを兼備した積層部材、並びに、これを用いた羽根車、圧縮機及びエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る積層部材は、
Ａｌ合金基材と、
前記Ａｌ合金基材の表面に形成された無電解めっき層と、
前記無電解めっき層の表面に形成されたＴｉ層と、
前記Ｔｉ層の表面に形成された、Ｔｉを含有するセラミック層と、
前記セラミック層の表面に形成された高分子電着層とを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る積層部材は、
上記第１の発明に係る積層部材において、
前記無電解めっき層が、前記Ａｌ合金基材よりも硬質であり、かつ、前記Ｔｉ層が、前記セラミック層と前記無電解めっき層との中間的な硬度を有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る羽根車は、
上記第１または第２の発明に係る積層部材により形成される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る圧縮機は、
上記第３の発明に記載の羽根車と、
前記羽根車を内部に収容するコンプレッサケーシングとを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係るエンジンは、
エンジン本体と、
前記エンジン本体の給気側に接続された上記第４の発明に記載の圧縮機、及び、該圧縮機に連結され、前記エンジン本体の排気側に接続されたタービンを有する過給機と、
前記タービンの排気側と前記圧縮機の給気側との間に接続されたＥＧＲシステムとを備える
ことを特徴とする。

本発明に係る積層部材、並びに、これを用いた羽根車、圧縮機及びエンジンによれば、耐エロージョン性と耐コロージョン性とを兼備することができる。

本発明に係るエンジン及び圧縮機を説明する概略図である。 本発明の参考例１に係る積層部材を説明する模式的断面図である。 本発明の参考例２に係る積層部材を説明する模式的断面図である。 本発明の実施例１に係る積層部材を説明する模式的断面図である。 本発明の実施例２に係る積層部材を説明する模式的断面図である。

図１は、本発明に係るエンジン及び圧縮機を説明する概略図である。図１に示すように、本発明に係るエンジン（舶用エンジン１０）は、エンジン本体１１、過給機１２、エアクーラ（冷却器）１３、及び、ＥＧＲシステム１４を備えている。

エンジン本体１１は、例えば、ユニフロー掃排気式のディーゼルエンジンであって、２ストロークディーゼルエンジンであり、シリンダ１１ａ内の掃排気の流れを下方から上方への一方向とし、排気の残留を無くすようにしたものである。エンジン本体１１には、Ｓ成分の多い燃料が用いられる。エンジン本体１１は、掃気トランク１１ｂ内の燃焼用ガスをシリンダ１１ａに供給して、シリンダ１１ａ内で燃料とともに燃焼させ、燃焼によって生じた排ガスをシリンダ１１ａから排気マニホールド１１ｃに排出する。本発明のエンジン本体１１の掃気トランク１１ｂは給気用配管Ｇ１と、排気マニホールド１１ｃは排気用配管Ｇ２と、それぞれ連結されている。

過給機１２は、エンジン本体１１の掃気トランク１１ｂに接続された圧縮機（コンプレッサ２１）と、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｃに接続されたタービン２２とが一体に回転するように回転軸を介して連結されて構成されている。過給機１２は、エンジン本体１１に連結された排気用配管Ｇ２から流れ込む排ガスによりタービン２２が回転し、タービン２２の回転が伝達されてコンプレッサ２１が回転する。コンプレッサ２１が回転することにより燃焼用ガスが圧縮され、圧縮された燃焼用ガスは給気用配管Ｇ１を通じてエンジン本体１１に供給される。

コンプレッサ２１は、コンプレッサケーシング（図示せず）と、羽根車（図示せず）を備えている。コンプレッサケーシングは、コンプレッサにて圧縮される燃焼用ガスを羽根車に導くとともに、圧縮された燃焼用ガスを給気用配管Ｇ１に導く。羽根車は、コンプレッサケーシングの内部に設けられ、回転軸中心に回転自在に構成されている。羽根車はＡｌ合金（例えば、ＪＩＳ Ａ２６１８）を基材とする後述の耐環境部材により形成される。コンプレッサ２１の燃焼用ガスの入口側には、サイレンサ２１ａがさらに接続されている。

サイレンサ２１ａは、図示しない複数のサイレンサエレメントを周方向に備えた筒状の装置である。サイレンサは、コンプレッサ２１の駆動により生じる騒音が、エンジン本体１１が配置される機関室に抜けないように構成されている。さらに、サイレンサ２１ａは、コンプレッサ２１に燃焼用ガスを導くための通路を形成する。ここで、サイレンサ２１ａは、サイレンサエレメント間から機関室の空気を燃焼用空気としてコンプレッサ２１に導く経路を備えるとともに、サイレンサ２１ａの軸方向から再循環ガスをコンプレッサ２１に導く排ガス再循環用配管Ｇ６に接続されている。ＥＧＲ運転時には、排ガス再循環用配管Ｇ６からの再循環ガスと燃焼用空気とが混合されることで、燃焼用ガスが生成される。

タービン２２は、タービン２２を回転させた排ガスを排出する排気用配管Ｇ３が連結されており、この排気用配管Ｇ３は、図示しない排ガス処理装置を介して煙突（ファンネル）に連結されている。

エアクーラ１３は、コンプレッサ２１により圧縮されて高温となった燃焼用ガスと冷却水とを熱交換することで燃焼用ガスを冷却し、燃焼用ガスにおける酸素密度を高めるものである。

ＥＧＲシステム１４は、排ガス再循環用配管Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６、スクラバ２３、デミスタユニット２４、及び、ＥＧＲブロワ２５を備え、タービン２２の排気側とコンプレッサ２１の給気側との間に接続されている。ＥＧＲシステム１４は、エンジン本体１１から排出され、タービン２２を通過した排ガスの一部を再循環ガスとしてエンジン本体１１に再循環させる。再循環ガスは有害物質が除去されたのち、燃焼用空気と混合したのち、コンプレッサ２１により圧縮して、燃焼用ガスとしてエンジン本体１１に再循環するものである。

スクラバ２３は、再循環ガスに対して液体を噴射することで、含有するＳＯｘ（Ｓ成分）や煤塵等微粒子（ＰＭ）といった有害物質を除去するものである。また、スクラバ２３は、有害物質が除去された再循環ガス及び排液を排出する、排ガス再循環用配管Ｇ５に連結されている。

デミスタユニット２４は、有害物質が除去された再循環ガスと排液を分離し、再循環ガス中の液滴を除去ものである。また、デミスタユニット２４は、排液をスクラバ２３に循環する排液循環用配管Ｗ１が設けられている。そして、この排水循環用配管Ｗ１は、排液を一時的に貯留するホールドタンク３１、及び、ポンプ３２が設けられている。

ＥＧＲブロワ２５は、スクラバ２３からの再循環ガスを排ガス再循環用配管Ｇ５からデミスタユニット２４に導くものである。

本発明に係るエンジンは、コンプレッサ２１の羽根車に、耐エロージョン性と耐コロージョン性とを兼備する本発明に係る積層部材を用いられる。

なお、本発明に係るエンジンは舶用エンジンに限定されるものではなく、低圧ＥＧＲシステムを有するエンジン全般に適用可能である。
以下、本発明に係る積層部材について、各実施例及び参考例にて図面を用いて説明する。

［参考例１］
図２は、本参考例に係る積層部材を説明する模式的断面図である。図２に示すように、本参考例に係る積層部材は、Ａｌ合金基材４１、Ａｌ合金基材４１の表面（図中上側。以下同様）に形成された無電解めっき層４２、無電解めっき層４２の表面に形成されたＳｉ層４３、及び、Ｓｉ層４３の表面に形成されたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層４４を備える。

無電解めっき層４２は、具体例として、無電解Ｎｉ‐Ｐめっき若しくは無電解Ｎｉ‐Ｂめっき、又は、ＳｉＣ他の硬質粒子を複合した無電解Ｎｉ‐Ｐめっき若しくは無電解Ｎｉ‐Ｂめっきを用いる。なお、無電解めっきにＳｉＣ他の硬質粒子を複合することにより、硬度が高くなり、より変形しにくくなる。

また、無電解めっき層４２は、Ｓ成分を低減させためっきとする。これは、めっきを形成する工程において、Ｓ成分の低い安定剤及び界面活性剤を用いためっき液を使用することで実現される。

本参考例に係る積層部材は、上記構成とすることで、耐エロージョン性と耐コロージョン性とを兼備することができる。すなわち、Ａｌ合金基材４１の表面に無電解めっき層４２及びＤＬＣ層４４を形成することにより、液滴の衝突による割れの発生を防止することができる。すなわち、硬質であるＤＬＣ層４４を設けることで、耐エロージョン性の及び耐コロージョン性の確保が可能となる。

また、無電解めっき層４２は、Ｓ成分を低減することにより、無電解めっき層４２自体の耐コロージョン性を向上させることができる。無電解めっき層４２は、その材質には限定されるものではなく、Ｎｉ−ＰあるいはＮｉ−Ｂ化合物の非結晶皮膜を適用することができる。

さらに、本参考例に係る積層部材は、ＤＬＣ層４４と無電解めっき層４２との間にＳｉ層４３を設けることで、コーティング成膜時の貫通欠陥（Ａｌ合金基材４１の表面まで到達した欠陥）による腐食を防止することができる。

また、仮に無電解めっき層４２を設けていない場合、ＤＬＣ層４４が耐エロージョン性を備えていたとしても、液滴衝突時に内側（図中下側。以下同様）のＡｌ合金基材４１が変形してしまうことで、ＤＬＣ層４４が変形し、割れの発生の要因となる。そこで、本参考例では、Ａｌ合金基材４１とＤＬＣ層４４との間に、Ａｌ合金基材４１よりも硬質の無電解めっき層４２を設けることで、上層のＤＬＣ層４４の変形を抑制し、割れの発生を防止することができる。すなわち、ＤＬＣ層４４は単層では割れの発生を防止する効果が小さいが、内側に無電解めっき層４２を形成することにより割れの発生を防止することができるのである。

そして、ＤＬＣ層４４と無電解めっき層４２の間にＳｉ層４３を設けることで、無電解めっきとの密着性を確保し（ＤＬＣ層４４と無電解めっき層４２との中間の硬度を有するＳｉ層４３により密着性が向上する）、ＤＬＣ層４４の貫通欠陥を防止することができる。

なお、ＤＬＣ層４４はＳｉ系のガスを用いた化学蒸着法で形成することから、ＤＬＣ層４４と無電解めっき層４２との間に設ける層としては、上述のごとくＳｉ層４３を用いることで、無電解めっき層４２との密着性を高めることができる。この点において、上記特許文献２では、炭素中にＳｉを含有した化合物の中間層であるため、本参考例に比べめっき層との密着性を向上することができない。

この点につき詳述すると、無電解めっき層４２表面にＳｉ層４３を用いる理由は、めっき層４２とＤＬＣ層４４のそれぞれの硬さの中間的な硬さの層を設けることにより、表層に向かって段階的に硬さを増大させ、各層の界面での剥離を防止するためである。この構成は、上記特許文献２のＳｉを含有した炭素化合物層に比較し、均等な硬さの増加が可能となり、液滴衝突時の衝撃力に対する変形に対し対応力が増し、各層間での剥離防止能力が増すこととなる。

［参考例２］
図３は、本参考例に係る積層部材を説明する模式的断面図である。図３に示すように、本参考例に係る積層部材としては、Ａｌ合金基材４１、Ａｌ合金基材４１の表面に形成された無電解めっき層４２、無電解めっき層４２の表面に形成されたＳｉ層４３、Ｓｉ層４３の表面に形成されたＤＬＣ層４４、及び、ＤＬＣ層４４の表面に形成された高分子電着層６１を備える。

すなわち、本参考例に係る積層部材は、参考例１に係る積層部材の最表面部分であるＤＬＣ層４４の表面に、高分子電着層６１が形成されたものである。

高分子電着層６１の具体例として、エポキシ、ポリイミド、フッ素又はポリイミドアミド材を用いる。また、高分子電着層６１の厚さは５μｍ以上とする。これは、厚さ５μｍ未満では欠陥発生の可能性があるためである。より好ましくは１０〜４０μｍである。なお、電着層であるため製造上の上限は略５０μmである。

さらに、ＤＬＣ層４４の表面に、微粒子によるショットブラスト、又は、粘弾性粒子中に硬質セラミック粒子を含有したメデアによるショットを施す。その上に高分子電着層６１を形成することで、高分子電着層６１とＤＬＣ層４４との密着性を向上させることができる。

このようにして設けられた高分子電着層６１は、液滴の衝撃力を緩和させる役割と耐コロージョン性を向上させる役割がある。さらに、コーティング成膜時の貫通欠陥による腐食を、より確実に防止することができる。

［実施例１］
図４は、本実施例に係る積層部材を説明する模式的断面図である。図４に示すように、本実施例に係る積層部材としては、Ａｌ合金基材４１、Ａｌ合金基材４１の表面に形成された無電解めっき層４２、無電解めっき層４２の表面に形成された耐食性金属層５３、及び、耐食性金属層５３の表面に形成されたセラミック層５４を備える。

無電解めっき層４２は、具体例として、無電解Ｎｉ‐Ｐめっき若しくは無電解Ｎｉ‐Ｂめっき、又は、ＳｉＣ他の硬質粒子を複合した無電解Ｎｉ‐Ｐめっき若しくは無電解Ｎｉ‐Ｂめっきを用いる。また、無電解めっき層４２は、Ｓ成分を低減させためっきとする。これは、めっきを形成する工程において、Ｓ成分の低い安定剤及び界面活性剤を用いためっき液を使用することで実現される。これらの点については、参考例１と同様である。

また、セラミック層５４は、具体的にはＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ又はＴｉＡｌＮ等の、窒化物又は炭窒化物とする。そして、耐食性金属層５３の具体例としては、セラミック層５４がＣｒを含む場合にはＣｒを用い、セラミック層５４がＴｉを含む場合にはＴｉを用いるものとする。

本実施例に係る積層部材は、上記構成とすることで、耐エロージョン性と耐コロージョン性とを兼備することができる。すなわち、Ａｌ合金基材４１の表面に無電解めっき層４２及びセラミック層５４を形成することにより、液滴の衝突による割れの発生を防止することができる。すなわち、硬質であるセラミック層５４を設けることで、耐エロージョン性の確保と耐食性確保を向上させることができる。

また、参考例１同様、無電解めっき層４２は、Ｓ成分を低減することにより、無電解めっき層４２自体の耐コロージョン性を向上させることができる。

さらに、本実施例に係る積層部材は、セラミック層５４と無電解めっき層４２の間に耐食性金属層５３を設けることで、コーティング成膜時の貫通欠陥による腐食を防止することができる。

また、仮に無電解めっき層４２を設けていない場合、セラミック層５４が耐エロージョン性を備えていたとしても、液滴衝突時に内側のＡｌ合金基材４１が変形してしまうことで、セラミック層５４が変形し、割れの発生の要因となる。そこで、本実施例では、Ａｌ合金基材４１とセラミック層５４との間に、Ａｌ合金基材４１よりも硬質の無電解めっき層４２を設けることで、上層のセラミック層５４の変形を抑制し、割れの発生を防止することができる。すなわち、セラミック層５４は単層では割れの発生を防止する効果が小さいが、内側に無電解めっき層４２を形成することにより割れの発生を防止することができるのである。

そして、セラミック層５４と無電解めっき層４２との間に耐食性金属層５３を設けることで、無電解めっき層４２との密着性を確保し（セラミック層５４と無電解めっき層４２との中間の硬度を有する耐食性金属層５３により密着性が向上する）、セラミック層５４の貫通欠陥を防止することができる。

なお、セラミック層５４は、物理蒸着法で形成する。例えば、セラミック層５４がＣｒＮの場合には、Ｃｒ板をアーク放電で溶かして蒸着させ、セラミック層５４がＴｉＮの場合には、Ｔｉ板をアーク放電で溶かして蒸着させる。よって、セラミック層５４と無電解めっき層４２との間に設ける耐食性金属層５３としては、セラミック層５４がＣｒを含む場合にはＣｒを用い、セラミック層５４がＴｉを含む場合にはＴｉを用いる。これにより、無電解めっき層４２とセラミック層５４を強固に維持することができる。この点において、上記特許文献２では、炭素中にＳｉを含有した化合物の中間層であるため、主にセラミック層５４との密着性が向上できない。

この点につき詳述すると、無電解めっき層４２表面に、例えば、セラミック層５４がＣｒＮの場合にはＣｒ層、セラミック層５４がＴｉＮの場合にはＴｉ層を設ける理由は、めっき層４２とセラミック層５４のそれぞれの硬さの中間的な硬さの層を設けることにより、表層に向かって段階的に硬さを増大させ、各層の界面での剥離を防止するためである。この構成は、上記特許文献２のＳｉを含有した炭素化合物に比較し、均等な硬さの増加が可能となり、液滴衝突時の衝撃力に対する変形に対し対応力が増し、各層間での剥離防止能力が増すこととなる。

［実施例２］
図５は、本実施例に係る積層部材を説明する模式的断面図である。図５に示すように、本実施例に係る積層部材は、Ａｌ合金基材４１、Ａｌ合金基材４１の表面に形成された無電解めっき層４２、無電解めっき層４２の表面に形成された耐食性金属層５３、耐食性金属層５３の表面に形成されたセラミック層５４、及び、セラミック層５４の表面に形成された高分子電着層６１を備える。

すなわち、本実施例に係る積層部材は、実施例１に係る積層部材の最表面部分であるセラミック層５４の表面に、高分子電着層６１が形成されたものである。

高分子電着層６１の具体例としては、参考例２と同様に、エポキシ、ポリイミド、フッ素又はポリイミドアミド材とする。また、高分子電着層６１の厚さは５μｍ以上とし、より好ましくは１０〜４０μｍとする。

さらに、セラミック層５４の表面に、微粒子によるショットブラスト、又は、粘弾性粒子中に硬質セラミック粒子を含有したメデアによるショットを施す。その上に高分子電着層６１を形成することで、高分子電着層６１とセラミック層５４との密着性を向上させることができる。

このようにして設けられた高分子電着層６１は、液滴の衝撃力を緩和させる役割と耐コロージョン性を向上させる役割がある。さらに、コーティング成膜時の貫通欠陥による腐食を、より確実に防止することができる。

本発明は、積層部材、並びに、これを用いた羽根車、圧縮機及びエンジンとして好適である。

１０ 舶用エンジン
１１ エンジン本体
１２ 過給機
１３ エアクーラ
１４ ＥＧＲシステム
２１ コンプレッサ
２２ タービン
２３ スクラバ
２４ デミスタユニット
２５ ＥＧＲブロワ
３１ ホールドタンク
３２ ポンプ
４１ Ａｌ合金基材
４２ 無電解めっき層
４３ Ｓｉ層
４４ ＤＬＣ層
５３ 耐食性金属層
５４ セラミック層
６１ 高分子電着層

Claims (5)

1. Ａｌ合金基材と、
   前記Ａｌ合金基材の表面に形成された無電解めっき層と、
   前記無電解めっき層の表面に形成されたＴｉ層と、
   前記Ｔｉ層の表面に形成された、Ｔｉを含有するセラミック層と、
   前記セラミック層の表面に形成された高分子電着層とを備える
   ことを特徴とする積層部材。
2. 前記無電解めっき層が、前記Ａｌ合金基材よりも硬質であり、かつ、前記Ｔｉ層が、前記セラミック層と前記無電解めっき層との中間的な硬度を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層部材。
3. 請求項１または２に記載の積層部材により形成される
   ことを特徴とする羽根車。
4. 請求項３に記載の羽根車と、
   前記羽根車を内部に収容するコンプレッサケーシングとを備える
   ことを特徴とする圧縮機。
5. エンジン本体と、
   前記エンジン本体の給気側に接続された請求項４に記載の圧縮機、及び、該圧縮機に連結され、前記エンジン本体の排気側に接続されたタービンを有する過給機と、
   前記タービンの排気側と前記圧縮機の給気側との間に接続されたＥＧＲシステムとを備える
   ことを特徴とするエンジン。

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