JPH04325603A - ニードルチップの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は水車の流量調節用ニード
ルチップを製造する方法に係り、特に土砂の混合量が多
い河川等に設置される水車に好適なニードルチップの製
造方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】図６に水車の一例として、ペルトン水車
の構成を示している。この水車は、水ａを取入れる曲管
状の導入管１と、導入された水を高速噴流として噴出す
るニードル弁状のノズル部２と、このノズル部２からの
噴流を受けてハウジング３内で回転駆動される動力発生
用のバケット４等とを備えた構成とされている。

【０００４】ノズル部２は、導入管１の先端部をなすニ
ードルヘッド５内の中心部に、円錘形のニードルチップ
６を配置した構成とされている。そして、このニードル
チップ６をニードルステム７を介してサーボモータ８で
軸方向に進退制御し、このニードルチップ６の位置によ
ってノズル部２の絞り量を定めることにより、流量調節
を行い、バケット４への噴流制御すなわち出力制御を行
うようになっている。

【０００５】ところで、国内外の地域、時期あるいは天
候等によって、作動用の河川水に土砂が多く含まれる場
合がある。このような土砂を含む水、すなわち土砂噴流
が水車内に導入されると、ニードルチップ６の表面が土
砂噴流との接触によって損傷を受ける。

【０００６】例えば健全なニードルチップ６は、図７に
示すように、表面が滑らかで先端部が尖鋭な円錘形状で
あるが、高速の土砂噴流ｂがニードルチップ６の表面に
接触したような場合には、図８に示すように、ニードル
チップ６の特に先端外周面が摩耗変形し、これにより水
車効率の低下、機器の信頼性低下等をもたらす。

【０００７】土砂の多い場合には、このような変形が１
ケ月、または１週間程度の短期間で発生する。ニードル
チップが損傷すると、水車機器の効率低下を招くだけで
なく、補修のために長期間の運転停止を強いられ、著し
い稼動率低下をきたす。また、周期的に設備のメンテナ
ンスが繰返されると、多くのコストもかかる。

【０００８】そこで従来、ニードルチップの耐食・耐摩
耗性向上を図るため、種々の対策が考えられている。例
えば公知文献（松縄朗、レーザによる表面改質、レーザ
研究第１６巻第８号、４６６〜４７５、１９８８）では
、レーザによりニードルチップの表面材料を焼入硬化す
ることで表面改質を行い、これにより損傷防止を図る技
術が提案されている。

【０００９】また、公知文献（山田他、金属溶射の水力
機械への応用、日立評論、ＶＯＬ．６４、Ｎｏ２、４５
〜５０、１９８２）では、溶射によってニードルチップ
の材料表面を改質し、耐食・耐摩耗性の向上を図る技術
が提案されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが上述した従来
の表面改質技術では種々の問題がある。

【００１１】レーザによりニードルチップ表面の材料を
焼入硬化する前者の方法では、焼入深さを深くすること
が困難であり、材料によっては靱性低下により亀裂発生
等の問題を生じる。また、大型部品や広範囲な部位への
レーザ照射は難しく、加工範囲に限界がある。

【００１２】また、溶射によってニードルチップ表面の
材料を改質する後者の方法では、溶射被膜の気孔率が高
く、運転時に水が気孔を通って内部に侵入し、腐食が進
行して、基体部と改質被膜との界面の密着強度が低下し
、被膜剥離が生じる虞れがある。さらに、溶射被膜の粒
子間結合力は比較的弱く、その被膜が高流速の土砂噴流
との衝突によって損傷を受け易い。例えば溶射施工によ
る膜厚は、アーク溶接で数ｍｍ、プラズマ溶射で数百μ
ｍであり、比較的短時間で損傷が基材に達する。

【００１３】このように、従来の対策では高流速の土砂
噴流に対して必ずしも十分な効果が得られず、耐食・耐
摩耗対策に苦慮しているのが実状である。

【００１４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、靱性低下や気孔の発生、あるいは加工範囲の制
限等の問題がなく、高硬度で肉厚の大きい被膜が基体部
に対して強接合状態で形成でき、それにより土砂噴流に
対する耐食・耐摩耗性が大幅に向上できるニードルチッ
プの製造方法を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の目的を達
成するために、水車のノズル部内に配置される流量調節
用の円錘形ニードルチップを製造する方法において、予
めニードルチップの基体部となる円錘形の基体部構成材
を前記ニードルチップ最終製品の外径寸法よりも小さい
外形寸法で製作しておき、この基体部構成材をニードル
チップ成形用の成形型内に中子として配置し、これら成
形型と中子との間に形成されるキャビティ内に、高耐食
・耐摩耗性の金属粉末を充填した後、その成形型内を減
圧および脱気して熱間静水圧プレス加工を行い、これに
より前記基体部構成材の表面に前記金属粉末からなる高
耐食・耐摩耗性の被膜を形成することを特徴とする。

【００１６】

【作用】上記の方法によると、熱間静水圧プレス加工に
よって基体部の表面に高耐食・耐摩耗性被膜を形成する
ので、ニードルチップの表面に膜厚が大きく、かつ接合
強度の高い被膜が、靱性を低下させたり気孔率を高める
ことなく、広範囲に亘って形成できる。

【００１７】したがって、本発明の方法によって製造さ
れるニードルチップは、従来方法によるものに比較して
耐食・耐摩耗性が大幅に向上し、高流速の土砂噴流に対
して損傷を受け難く、長時間の耐用寿命を有するものと
なる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１９】図１〜図４は本発明の一実施例を示してい
る。

【００２０】本実施例では、図１に示すように、予めニ
ードルチップの基体部となる円錘形の基体部構成材１１
をニードルチップ最終製品の外径寸法よりも小さい外形
寸法で製作しておき、この基体部構成材をニードルチッ
プ成形用の成形型１１内に中子１２として配置し、これ
ら成形型１１と中子１２との間に形成されるキャビティ
１３内に、高耐食・耐摩耗性の金属粉末１４を充填した
後、その成形型内を減圧および脱気して熱間静水圧プレ
ス加工を行う。

【００２１】製造工程は図２に示すように、大別して、
キャン加工工程ａ、原料粉末準備工程ｂ、粉末充填工程
ｃ、フタ溶接工程ｄ、ベーキング工程ｅ、真空封入工程
ｆ、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）工程ｇおよび機械加工
工程ｈからなる。

【００２２】キャン加工工程ａでは、図１に示すように
、予め機械加工により、成形型１１を部分円錘形の筒状
容器として製作するとともに、中子１２を円錘形に製作
しておき、これら成形型１１と中子１２とを溶接部１５
によって接合する。

【００２３】原料粉末準備工程ｂでは、高耐食・耐摩耗
性の金属粉末１４を準備する。この金属粉末１４は、Ｈ
ＩＰ処理後の冷却過程において中子１２との界面剥離を
防止するため、中子１２として用いる金属材料と線膨脹
係数が一致する組合わせとなる材料を準備する。

【００２４】粉末充填工程ｃでは、成形型１１と中子１
２との間に形成されるキャビティ１３内に金属粉末１４
を充填し、フタ溶接工程ｄでは、金属粉末充填後に図示
しない蓋体を成形型１１の頂部に溶接固着して金属粉末
１４の封入を行う。

【００２５】ベーキング工程ｅでは、成形型１１、中子
１２および原料粉末１４等に存在するガス成分や水分の
除去を行い、この後、加熱脱気による真空封入工程ｆを
行う。

【００２６】ＨＩＰ工程ｇでは、図示しないＨＩＰ装置
にて加熱および静水圧プレスを行い、金属粉末１４の溶
融により中子１２の表面に最適条件下で高耐食・耐摩耗
性被膜の接合コーティングを行なわせ、その後冷却する
。

【００２７】最終段の機械加工工程ｈでは、成形型１１
の切断除去および成形された高耐食・耐摩耗性被膜の研
削等を行い、図３に示すように、中子１１としての基体
の表面に、所定厚さの高耐食・耐摩耗性被膜１６が形成
されたニードルチップ６を形成する。なお、同工程で、
ニードルチップ６の基部側に、ニードルステム７との接
合用ねじ部１７を取着し、製品形状寸法に仕上げる。

【００２８】以上の実施例の製造方法によれば、熱間静
水圧プレス加工によって基体部である中子１２の表面に
、高耐食・耐摩耗性被膜を形成するので、ニードルチッ
プ６の表面に膜厚が大きく、かつ接合強度の高い被膜１
６が、靱性を低下させたり気孔率を高めることなく、広
範囲に亘って形成できる。したがって、製造されるニー
ドルチップ６は、従来方法によるものに比較して耐食・
耐摩耗性が大幅に向上し、高流速の土砂噴流に対して損
傷を受け難く、長時間の耐用寿命を有するものとなる。 なお、本実施例で製造されるニードルチップ６は、破壊
靱性値が高いため、台風などの洪水時において大径の土
砂が衝突しても、損傷を最少限に抑制することができる
。また、本実施例で得られるニードルチップ６によれば
、耐土砂摩耗特性だけでなく、キャビテーション特性も
良好である。

【００２９】本実施例において、コーティングされる被
膜１６の原料である金属材料１４としては、高流速土砂
摩耗特性に優れたステライト（登録商標）系合金やトリ
バロイ系の合金等のＣｏ基合金、あるいはデロロ系合金
やナイステル系合金等のＮｉ基合金、さらにデルクロム
系合金等のＦｅ基合金、またＷＣ−１２Ｃｒ等のＷＣ系
合金等の硬度の高い粉末合金等が好適である。

【００３０】特にステライト系のＣｏ合金は、従来ニー
ドルチップ材料として使用されているＳＵＳ系材料の２
倍以上の耐土砂摩耗特性を示す材料として、かつＨＩＰ
コーティングにより靱性を低下させずに硬度を向上でき
る材料として最も優れた材料である。

【００３１】図４は、本実施例で使用される材料および
セラミックス材料について、高流速での土砂摩耗特性の
実験結果を、従来使用されたステンレス鋳鋼品等ととも
に示したものである。同図において、横軸には、高速土
砂噴流が材料に衝突する時の角度、すなわち入射角を表
し、縦軸には、従来使用される材料であるステンレス鋳
鋼品の入射角３０°での体積損傷率を１００％とした場
合の体積損傷比を表している。

【００３２】従来使用された材料であるステンレス鋳鋼
品およびステンレス鋼圧延材の土砂耐摩耗特性は、セラ
ミックスや超硬合金焼結材より劣っている。また、体積
損傷比は高速土砂噴流の入射角によって異なり、入射角
が低角度になるにしたがって、（９０°より３０°へ）
体積損傷比が最大となり、土砂摩耗特性が悪いことが分
かる。すなわち、低角度で高速土砂噴流が従来使用のニ
ードルチップに衝突した場合、そのニードルチップにお
いては、土砂摩耗による損傷が激しい。

【００３３】一方、Ｃｏ基合金ＨＩＰ処理材は、入射角
度によって体積損傷比が僅かに異なり、低角度にて増加
する傾向があるが、それでも従来使用材料の１／２の体
積比である。

【００３４】また、セラミックスや超硬合金は体積損傷
比が低く、耐土砂摩耗性に優れ、高速土砂噴流の入射角
によっても変化がなく、角度異存性がない。すなわち、
Ｃｏ基合金ＨＩＰ処理材、セラミックス、超硬合金焼結
材等をニードルチップに用いれば、土砂摩耗による損傷
は、１／２以下に低減できる。

【００３５】しかし、セラミックスは、金属材料である
中子との接合が難しい点や加工性が悪い等の問題があり
、適用に当たっては種々の検討が必要である。

【００３６】図５は本発明の他の実施例を示している。

【００３７】本実施例では、中子１２を金属部１２ａと
セラミックス部１２ｂとで製作し、これらを互いに接着
剤１８で接合する。セラミックスは金属材料である中子
１２との冶金的結合が困難なため、機械的な接合を高強
度の接着剤１８にて行ったものである。

【００３８】本実施例によれば、セラミックス部１２ｂ
をニードルチップ６の先端に用いることにより、土砂摩
耗損傷をさらに低下することができる。ニードルチップ
６の高流速土砂摩耗は、低角度での粒子衝突損傷が主で
あるため、低角度の粒子衝突に対し、高抵抗性を有する
。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、熱間静
水圧プレス加工によって基体部の表面に高耐食・耐摩耗
性被膜を形成するので、ニードルチップの表面に膜厚が
大きく、かつ接合強度の高い被膜が、靱性を低下させた
り気孔率を高めることなく、広範囲に亘って形成でき、
したがって、製造されるニードルチップは、従来方法に
よるものに比較して耐食・耐摩耗性が大幅に向上し、高
流速の土砂噴流に対して損傷を受け難く、長時間の耐用
寿命を有する等の優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例で使用される構成を示す図。

【図２】前記実施例の方法を示す工程図。

【図３】前記実施例の方法で製造されるニードルチップ
を示す図。

【図４】前記実施例による作用を従来例との比較で示す
特性図。

【図５】本発明の他の実施例によって製造されるニード
ルチップを示す図。

【図６】ペルトン水車の構成を示す図。

【図７】正常なニードルチップの形状を示す図。

【図８】異常状態となったニードルチップの形状を示す
図。

【符号の説明】

２　　ノズル部 ６　　ニードルチップ １１　　成形型 １２　　中子（基体部構成材） １３　　キャビティ １４　　金属粉末 １６　　被膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　水車のノズル部内に配置される流量調
   節用の円錘形ニードルチップを製造する方法において、
   予めニードルチップの基体部となる円錘形の基体部構成
   材を前記ニードルチップ最終製品の外径寸法よりも小さ
   い外形寸法で製作しておき、この基体部構成材をニード
   ルチップ成形用の成形型内に中子として配置し、これら
   成形型と中子との間に形成されるキャビティ内に、高耐
   食・耐摩耗性の金属粉末を充填した後、その成形型内を
   減圧および脱気して熱間静水圧プレス加工を行い、これ
   により前記基体部構成材の表面に前記金属粉末からなる
   高耐食・耐摩耗性の被膜を形成することを特徴とするニ
   ードルチップの製造方法。