JPH0713291B2

JPH0713291B2 - 金属材料の耐摩耗処理方法

Info

Publication number: JPH0713291B2
Application number: JP60049880A
Authority: JP
Inventors: 祐治福田
Original assignee: バブコツク日立株式会社
Priority date: 1985-03-13
Filing date: 1985-03-13
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS61210171A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は金属材料の耐摩耗処理方法に係り、特に金属材
料の表面に溶射層を形成して耐摩耗性を向上させる処理
方法の改良に関する。

〔発明の背景〕

石炭又は重油と石炭との混合物を燃料として利用するボ
イラでは、石炭中の灰分がフライアッシュとなってボイ
ラ内を燃焼ガスの流れに従って飛散する際に、ボイラ伝
熱管の管群に衝突し、管外面を摩耗・減肉させる現象、
すなわちアッシュエロージョンが生じることが知られて
いる。このアッシュエロージョンは第４図に示すよう
に、主に一次過熱器（一次過熱器上段バンク８、一次過
熱器中断バンク９および一次過熱器下段バンク10）や節
炭器11のボイラ壁面付近の燃焼ガス流が集中したり、あ
るいは燃焼ガスが偏流しガス流速が高くなる部位（特に
第４図中、符号17で示す位置）で問題となっている。

アッシュエロージョンによる減肉の速度は、使用石炭の
性状（フライアッシュの形状、密度等）、メタル温度、
伝熱管の材質（通常は炭素鋼又は低合金鋼）及びガス流
速等によって異なるが、甚だしい場合、年間の減肉量が
数mmに達する例もあり、ボイラ運転上重要な問題となっ
ている。

このようなアッシュエロージョンによる伝熱管の減肉を
防止する一つの方法は、伝熱管の外側に耐摩耗性に優れ
た材料からなるプロテクタを設置することである。この
方法の問題点としては、プロテクタと伝熱管との間に空
隙が生じ、伝熱管の熱吸収を著しく低下させる恐れが有
るということ等であり、更に伝熱管が広範囲に渡ってア
ッシュエロージョンを起こす場合にこの方法を適用する
には技術的にも経済的にも問題がある。

またアッシュエロージョンによる伝熱管の減肉を防止す
る別の方法として、外層を耐摩耗性の優れた金属材料と
し、内層を通常の伝熱管材料とした２重管の使用が考え
られている。しかし、２重管は非常に高価であり、多量
に使用する場合は全体に占める材料費が著しく高くなる
という問題がある。

更にこのようなプロテクタ方式や２重管方式では高灰分
の低品位石炭を使用するボイラやガス流速が非常に速い
箇所においてはある程度の減肉速度の軽減はできるが、
恒久的対策とはなり得ない。

更にアッシュエロージョンによる伝熱管の減肉を防止す
る他の方法として、金属材料の表面にクロムやアルミニ
ウム等の金属を拡散浸透させて合金層を作る方法又は金
属材料の表層部を浸炭処理した後、クロム、バナジウム
等の金属を拡散させ、金属材料の表面に炭化物層を作る
方法がある。

前者の場合は処理層の硬さは最高で400H_ｖ程度であり、
処理層の厚さも最高で100μｍ程度であることから、摩
耗が激しい部位ではあまり耐摩耗性の向上は期待できな
い。一方、後者の場合、処理層の硬さは1000H_ｖ以上あ
り耐摩耗性は非常に優れているが、処理が複雑であるた
め多量に使用する場合は材料費が著しく高くなる。更
に、後者の方法は被処理材に浸炭処理を行うため、被処
理材が脆化する危険性があり、高強度を必要とするボイ
ラ伝熱管にこの方法を適用することは困難である。

上記した方法に比べ、比較的安価で確実にアッシュエロ
ージョンを防止する方法としては伝熱管の外面に耐摩耗
性の優れた材料を溶射する方法がある。

溶射材料を大別すると、（１）金属系（例えば、Fe-Cr
系、Ni-Cr系等）（２）サーメット系（炭化物と金属の
混合溶射で生成される、クロム炭化物系、タングステン
炭化物系など）（３）純セラミックス系（アルミナ、ジ
ルコニア等）に分けられる。耐摩耗性に影響を及ぼす溶
射層の特性としては溶射層の硬さ、緻密さ（気孔率）及
び粒子間の結合力が重要である。

上記した溶射材料のうち、純セラミックス系は溶射材料
そのものの硬さは非常に高いが、通常の溶射では気孔が
多数生成し、また溶射層の粒子間結合力が弱いという欠
点がある。また、金属系の場合は溶射層の気孔率、粒子
間結合力は良好であるが、硬ささが低いという欠点を有
している。一方、サーメット系の場合は、硬さは３種類
の中で最も高いが炭化物と金属の結合力が金属系のもの
に比べて弱いという欠点を有している。

これらの溶射材料を実機に適用した場合、比較的ガス流
速の低い部位では優れた耐摩耗性を示す。しかし、ガス
流速が速くアッシュの衝突力が強い部位においては、純
セラミックス系及びサーメット系は粒子間の結合力が弱
く、一方金属系の場合は硬さが低いためにいずれも短時
間で摩耗が進行し所期の目的を達成できないという問題
がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消し、
金属材料表面に形成される溶射層の耐摩耗性を向上させ
た金属材料の耐摩耗処理方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明はアッシュエロージョン対策として、溶射層を採
用する場合、溶射層の硬さ向上、粒子間の結合力向上及
び気孔率の減少という課題を克服することを探究した結
果、到達されたものであって、溶射層を前記金属材料表
面側の溶射層から外側の溶射層になるにつれて気孔率を
大きくした多層構造とし、該溶射層に無機炭素又は炭素
を含む無機化合物若しくは有機物を含むと共にクロム、
タングステン又はボロンの少なくとも１種を含む液を塗
布又は含浸させた後、次いで不活性雰囲気中で熱処理を
行い、溶射層中の気孔内にクロム、タングステン又はボ
ロンの炭化物を形成させることによって溶射層を緻密化
したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明になる表面処理を実施した状態を示す模
式図、第２図（Ａ）、（Ｂ）は第１図の最終溶射層３に
おける本発明方法を段階的に示す拡大説明図である。

粗面加工を施した被処理金属１の表面に内層溶射層２と
最終溶射層３が設けられている。溶射後無機炭素又は炭
素を骨格とする有機物を含むコーティング液を塗布又は
含浸させて、最終溶射層３の気孔内に介在させ、その後
不活性雰囲気中において、900〜1200℃で数時間程度加
熱し、第２図（Ｂ）に示すように最終溶射層３の溶射材
４内に形成される気孔５中に炭化物６（例えばクロム炭
化物）を形成させ緻密な溶射層としている。

溶射方法としては、２回に分けて溶射を行っており、内
層溶射層２と気孔率は５％以下で、最終溶射層３の気孔
率は10〜30％としている。内層溶射層２の気孔率を５％
以下としたのは、被処理金属と内層溶射層２との結合力
を強くするとともに内層溶射層２の熱伝導性の低下を防
止するためである。気孔率を５％とするのは、プラズマ
溶射であれば非常に容易であり、施工上特に問題はな
い。一方、最終溶射層３の気孔率を10〜30％としたの
は、気孔率が小さい場合、コーティング液を最終溶射層
３の内部まで十分に浸透させるのが困難で、気孔の封孔
処理が不十分となるためである。

すなわち、溶射層における各気孔が連続的に結びつき始
める状態、したがってコーティング液が気孔内に浸透す
るに必要な程度の気孔が存在する状態がほぼ気孔率10％
に相当する。また溶射層における各粒子が点接触になり
始める状態がほぼ気孔率30％に相当する。

通常の溶射法で気孔率を制御するには、溶着量を制御す
ればよい。実際には溶射の溶着速度が非常に速いために
精度よく気孔率をコントロールすることは困難である
が、10〜30％の範囲では気孔率の制御は容易である。な
お、溶射層の厚さは耐はく離性、熱伝導性及び経済性を
考慮すると、内層溶射層２、最終溶射層３とともに100
〜200μｍとし全体の溶射層で300μｍ前後とするのが良
いが、本発明では特に限定しない。また、本実施例では
２回に分けて溶射を行っているが、必要に応じて多層溶
射としてもよい。また多層の溶射層とした場合、被処理
金属側の溶射層から外側の溶射層となるにつれて気孔率
を大きくなるように調整することが望ましい。

溶射材料としては、後述する封孔処理によって気孔内に
形成する炭化物とのぬれ性が良く強固に結びつく金属系
又はサーメット系が好適である。金属系の溶射材料とし
てはクロム、タングステン、ボロン等の炭化物形成元素
を含む合金粉末が適している。一方、サーメット系の溶
射材料としては、クロム、タングステン、ボロン等の炭
化物と上記金属系溶射材料の混合物が適している。

次に溶射後に行う封孔処理について説明する。封孔処理
として、カーボンなどの無機炭素又は炭化物のような炭
素を含む物質の微粉末を水又はエチルアルコール等の有
機溶剤に混合、懸濁させたコロイド液、あるいは炭素を
骨格とする液状有機化合物（例えばオイル等）や炭素を
骨格とする有機化合物のエマルジョン、サスペンジョン
等を溶射層の表面に塗布又は含浸させた後、不活性雰囲
気中で熱処理する方法が採用される。

この封孔処理は最終溶射層３の気孔５中に含浸させた炭
素又は熱処理によって生成した炭素と溶射層中の炭化物
形成元素との間で生じる炭化物生成反応を利用し、気孔
５内を炭化物で充填するとともに、この気孔５内の炭化
物を介して溶射層中の粒子間の結合を強固なものとし、
溶射層の耐摩耗性を向上させるものである。

この場合、熱処理温度が高いほど炭化物の生成反応は短
時間で進行するが、経済性の観点からは低いほうが有利
である。また、熱処理時にNH₄Cl等の反応促進剤をコー
ティング液中に添加することによって900〜1200℃の比
較的低い温度で加熱することによって熱処理を行うこと
ができる。熱処理の加熱温度と加熱時間は、熱力学的に
決定されうるものであるから、本発明において特に限定
されるものではない。

熱処理時の雰囲気は、アルゴン、窒素等の不活性雰囲気
とすることが必要である。熱処理を大気中で行うと、コ
ーティング液の熱処理に伴い炭化物とともに酸化物も生
成するため、溶射層中の粒子間結合力が不十分となる。

コーティング液中の炭素、又は熱処理によって生成する
炭素は、熱処理を継続することによって溶射層中のクロ
ム、タングステン又はボロン等の炭化物形成元素との炭
化物生成反応により炭化物を生成するが、コーティング
液中にクロム、タングステン、ボロン等の炭化物形成金
属を添加することによって気孔中に生成する炭化物の量
を多くして気孔の封孔効果をより高めることができる。
この場合、溶射層の表面に塗布又は含浸させるコーティ
ング液中にその溶射層中に含まれる炭化物形成元素と同
じ炭化物形成金属を添加することによって、溶射層の粒
子間結合力の向上をより有効なものとすることができ
る。

次に、以上の本発明の処理を施した被膜と、比較のため
にNi-Cr合金粉末溶射、クロム炭化物−（Ni-Cr）のサー
メット系溶射及び炭素鋼の４種類の試験片について耐摩
耗性を調べた。なお、摩耗試験は約100μｍ前後の粒度
を有するSiO₂を20m/secの噴射空気中に添加し、試験片
に２時間吹き付けて行った。その結果を第３図に示す
が、本発明の処理を施したものは他の溶射材の約10倍の
耐摩耗性を有している。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、従来の溶射層に比べ、溶
射層が緻密で、表層部の硬さは非常に高くなっており、
格段に優れた耐摩耗性を有する処理層が得ることができ
る。さらに本発明方法は被処理金属に脆化等の悪影響を
及ぼすことなく良好な処理層を形成することができ、本
発明方法を実機に適用すれば、金属材料の寿命を著しく
延長することができ、その工業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる実施例を示す模式図、第２図
（Ａ）、（Ｂ）は第１図の外側溶射層における本発明に
なる実施例を処理段階的に示す模式図、第３図は本発明
なる実施例及び比較材の摩耗試験結果を示すグラフ、第
４図はアッシュエロージエンの発生箇所を示すためのボ
イラの概略要部図である。１……被処理金属、２……内層溶射層、３……最終（外
層）溶射層、４……溶射材、５……気孔、６……炭化
物、７……再熱器、８……１次過熱器上段バンク、９…
…１次過熱器中段バンク、10……１次過熱器下段バン
ク、11……節炭器、12……ケージ前壁、13……ケージ後
壁、14……１次過熱器入口管寄せ、15……節炭器出口管
寄せ、16……節炭器入口管寄せ、17……エロージョン発
生位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化物とクロム、タングステン又はボロン
の少なくとも１種を含む合金とからなるサーメット系粉
末又はクロム、タングステン又はボロンの少なくとも１
種を含む合金粉末からなる溶射材により金属材料表面に
溶射層を形成し、金属材料の耐摩耗性を向上させるもの
において、該溶射層を前記金属材料表面側の溶射層から
外側の溶射層になるにつれて気孔率を大きくした多層構
造とし、該溶射層に無機炭素又は炭素を含む無機化合物
若しくは有機物を含むと共にクロム、タングステン又は
ボロンの少なくとも１種を含む液を塗布又は含浸させた
後、不活性ガス雰囲気中で熱処理して前記溶射層の気孔
内にクロム、タングステン又はボロンの炭化物を形成さ
せることを特徴とする金属材料の耐摩耗処理方法。
【請求項２】上記多層構造からなる溶射層の最終溶射層
の気孔率を10〜30％とすることを特徴とする特許請求の
範囲第１項の金属材料の耐摩耗処理方法。
【請求項３】溶射層に塗布又は含浸される液に溶射層に
含まれるクロム、タングステン又はボロンの金属と同種
の金属の微粉末を添加したことを特徴とする特許請求の
範囲第１項の金属材料の耐摩耗処理方法。