JPH08283894A

JPH08283894A - 耐摺動摩耗材料およびこの材料を用いた摺動部品，封水装置

Info

Publication number: JPH08283894A
Application number: JP7114119A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Seguchi; 立雄瀬口; Taizo Inagaki; 泰造稲垣; Masami Watanabe; 正巳渡▲邉▼
Original assignee: NIKKO YOUZAI KOGYO KK; Toshiba Corp
Current assignee: NIKKO YOUZAI KOGYO KK; Toshiba Corp
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1995-04-17
Publication date: 1996-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】より高いｐｖ値で、且つ土砂が混入しても摺動
特性を長期間安定的に保持することが可能な耐摺動摩耗
材料を提供する。【構成】重量％で５〜２０％のＮｉと、Ｃｒ，Ｆｅ等の
不可避的不純物とを含有するＣｏ基材料に、粒径５０〜
１５０μｍのバナジウムカーバイトの粉体を５〜３５重
量％添加し、その粉体の粒子を分散析出させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ポンプ，発電用水車等
の水力機械における主軸封水装置のシール部等のよう
に、高速で摺動する部位に用いられる耐摺動摩耗材料お
よびこの材料を用いた摺動部品，封水装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ポンプや発電用水車等の水力機械は、図
４に示すように上カバー１で囲まれた圧力室内にランナ
２が配置され、このランナ２に主軸３が直結されてい
る。この主軸３と上カバー１との間には封水装置４が配
置され、この封水装置４により主軸３と上カバー１との
隙間からの圧力水の漏水を防止している。

【０００３】封水装置には種々のものがあり、その一例
としては図４に示すものがある。すなわち、主軸３と上
カバー１との隙間からの漏水を防止するには、主軸３に
取り付けられたフランジ５にアダプタ６により回転側シ
ールリング７を固定する一方、静止側のシールケース８
に取り付けられた静止側シールリング９をスプリング１
０により回転側シールリング７に押圧し、これらを摺動
させることによっている。そして、シールケース８の可
動部にはＯリング１１が設けられ、封止作用を図ってい
る。

【０００４】主軸３に取り付けられたフランジ５は、主
軸３から突出する一体の突起として作られることもある
が、通常は周方向に２個以上の複数に分割されて別途製
作され、ボルトで固定される。また、回転側シールリン
グ７も周方向に２〜８分割で製作され、同様に分割で製
作されたアダプタ６によりボルトで締付け固定される。
静止側シールリング９も２個以上の複数に分割されて製
作され、シールケース８にボルト等の締結部材で固定さ
れる。

【０００５】封水装置４による封水の効果は、回転側シ
ールリング７と静止側シールリング９との間の密着度合
によって決定され、上記のように各構成部品が分割組立
品であることから、各部品の加工および組立においては
高い精度が要求される。

【０００６】水力機械の運転に際しては、回転側シール
リング７に静止側シールリング９を圧力水に抗する圧力
値で押し当てる必要があるとともに、フランジ５が主軸
３とともに回転することから、回転側シールリング７と
静止側シールリング９との間には過酷な摺動作用が働く
ことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】回転側シールリング７
と静止側シールリング９との摺動特性は、一般にｐｖ値
で表され、圧力水の圧力をｐkgf/cm²、回転側シールリ
ング７と静止側シールリング９との間の相対速度をｖm/
sec とし、またシール面中央部の直径をφｍ、回転数を
ｎrpm とすると、上記ｐｖ値は次の式で表される。

【０００８】

【数１】ｐｖ値＝ｐ・ｎπφ／６０（kgf/cm²・m/sec ）水頭１００ｍ、シール面中央部の直径１０００mm、主軸
回転数５００rpm の水力機械では、

【数２】ｐｖ値＝10・500 ・3.14・0.50/60 ＝130.90 （kgf/cm²・m/sec ）程度となる。

【０００９】さらに摺動面には、現実の水力機械におい
ては、主軸３の上下振動による押し当て圧力の変動、主
軸回転中心の振れによる振動等が加わるとともに、圧力
水中には砂粒、土砂の混入があり、摺動条件はより過酷
な状態にある。

【００１０】従来においては、以上のような過酷な摺動
部の構成材料として、表１の組み合せが多く使用されて
いる。

【００１１】

【表１】

【００１２】これらの材料の組み合せにおいては、次の
ような問題点がある。

【００１３】すなわち、表１中のケース１において、カ
ーボン焼結材料は摺動特性が良好であるものの、土砂に
よる摩耗に対して弱く、且つ脆性材料であるため衝撃に
も弱く破損し易いものである。したがって、上記ｐｖ値
程度の摺動特性においても、３〜６年程度で封水特性は
大幅に低下する。特に、土砂含有量が多い河川水の場合
には、短時間で異常摩耗を生じるため、摺動面に清水を
供給して土砂の混入を防止する必要がある。

【００１４】一方、ケース２におけるフェノール樹脂材
料は、破損に強く、摺動特性は上記カーボン焼結材料と
ほぼ同等程度であるが、熱伝導率が悪く摺動面の発熱を
抑えるためにも清水の供給が必要となる。

【００１５】通常の水力機械においては、上記ケース１
および２の組み合せで使用されることが多いが、近年、
電力の逼迫により、土砂の多い状態でも運転することが
多くなるとともに、水力機械の高効率化の傾向から、よ
り水頭が高く、回転数の高い大型機械に移行しつつあ
る。特に、揚水発電所におけるポンプ水車では、その傾
向が顕著となっている。すなわち、ｐｖ値でいうと、上
記の２〜６倍程度となり、従来のカーボンあるいは樹脂
系統の材料では充分耐久性を有する封水効果は得られな
くなりつつある。

【００１６】その対策として、セラミックス材料の応用
が検討され、適用され始めている。前記表１におけるケ
ース３からケース６がその例である。

【００１７】炭化珪素焼結材料やタングステンカーバイ
ト焼結材料等のセラミックス材料は、摺動特性に優れ、
摺動部材として適しているが、表中ケース３およびケー
ス４のように、回転側シールリング７と静止側シールリ
ング９の両方をセラミックス材料で作成した場合、セラ
ミックス材料は脆性材料で脆いため、摺動時の片当りや
急激な振動等による衝撃力で損傷のおそれがある。特
に、コーナー部に損壊を生じ易い。また、摺動特性に優
れる反面、摩耗量が少ないために摺動面全体が均一に当
接せず、結果的に局部面圧の増大によって損傷する可能
性があり、その加工や組立精度をより高くする必要があ
る等の問題があり、実用的ではない。

【００１８】そのため、従来から表１のケース５および
ケース６に示すように、一方をステンレス鋼あるいはス
テンレス鋼にステライトをコーティングしたものが一部
で用いられている。しかし、ｐｖ値がより高く、且つ土
砂の混入の可能性のある過酷な場合には摩耗が激しく、
時には摺動面の面荒れや焼付きを起こす等の問題点があ
った。

【００１９】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
で、より高いｐｖ値で、且つ土砂が混入しても摺動特性
を長期間安定的に保持することが可能な耐摺動摩耗材料
およびこの材料を用いた摺動部品，封水装置を提供する
ことを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めには、金属材料の強靭性とセラミックス材料の耐摩耗
性を兼ね備えた材料が望ましいこととなる。これは金属
マトリクス中にセラミックスの粒子を分散複合化するこ
とにより得られる。すなわち、Ｃｏ基材料に固溶あるい
は金属間化合物の作りづらいバナジウムカーバイトの粉
体を混合することによって得ることができる。ここで、
純Ｃｏ、純バナジウムカーバイトよりも、金属マトリク
ス中により安定的にバナジウムカーバイトの粒子を分散
させるためには、Ｃｒ，Ｆｅ等の不可避的不純物とを含
有するＣｏ基材料にＮｉを添加する必要がある。

【００２１】つまり、請求項１記載の耐摺動摩耗材料
は、重量％で５〜２０％のＮｉと、Ｃｒ，Ｆｅ等の不可
避的不純物とを含有するＣｏ基材料に、粒径５０〜１５
０μｍのバナジウムカーバイトの粉体を５〜３５重量％
添加し、その粉体の粒子を分散析出させたことを特徴と
する。

【００２２】混合の方法は、Ｃｏ基材料にバナジウムカ
ーバイトの粉体を混合し、Ｃｏ金属が溶融する温度に急
加熱、急冷することによって、またはＣｏ金属帯板にバ
ナジウムカーバイトの粉体を包み込んだコードワイヤー
を溶融、冷却することによって得ることができる。

【００２３】また、金属マトリクスの硬さを調整するた
めには、タングステンカーバイト（ＷＣ），クロムカー
バイト（Ｃｒ_xＣ_y）を添加する必要がある。すなわ
ち、請求項２記載の耐摺動摩耗材料は、請求項１記載の
耐摺動摩耗材料において、バナジウムカーバイトの一部
を、３〜２０重量％のタングステンカーバイト，クロム
カーバイトの少なくとも一方の粉体に置き換えたことを
特徴とする。

【００２４】次に、析出バナジウムカーバイト以外の金
属マトリクスをＣｏ基材料とした理由を説明する。Ｃｏ
基材料は、ほとんどの金属とぬれ性（親和性）があり、
金属材料としての延性により、緩衝性を有する。また、
溶接熱により溶融した金属がＣｏ固溶体組織を作り、脆
弱な金属間化合物，炭化物を作りにくい。そして、Ｃｏ
自体の融点がＦｅと遜色がなく、溶接作業が容易であ
る。

【００２５】また、析出バナジウムカーバイトの特徴
は、耐摺動摩耗材料に有効な材料であり、割れ欠陥を助
長する脆弱な金属間化合物を作りにくい。そして、溶融
金属に球状に分散し、摺動相手材に擦過傷等の損傷が発
生するのを抑え、融点が高いため溶融熱によってＣｏ基
材料へ溶融分解せず、分散析出して歩留まる。

【００２６】Ｎｉを添加することによる効果は、Ｃｏ基
材料の靭性を向上させ、特にタングステンカーバイト，
クロムカーバイトを添加した場合には効果的である。ま
た、溶融金属中の析出粒状炭化物、すなわちバナジウム
カーバイトを安定析出させ、その面積％を増加させる。

【００２７】タングステンカーバイト，クロムカーバイ
トを添加することによる効果は、Ｃｏ基固溶体に共晶炭
化物，針状炭化物を析出し、Ｃｏ基金属を強化し、硬度
の調整，耐摩耗性を向上させる。

【００２８】さらに、請求項３記載の摺動部品は、請求
項１または請求項２記載の材料を機械部材の少なくとも
一部に溶着したことを特徴とする。

【００２９】請求項４記載の封水装置は、回転軸に取り
付けられた回転側シールリングと、静止側のシールケー
スに取り付けられた静止側シールリングとを摺動させ
て、回転軸からの封水を行う封水装置において、前記回
転側シールリングおよび静止側シールリングの少なくと
も一方の摺動部に、請求項１または２記載の耐摺動摩耗
材料を被着したことを特徴とする。

【００３０】

【作用】本発明に係る耐摺動摩耗材料においては、コバ
ルト（Ｃｏ）基金属材料の中にバナジウムカーバイト
（ＶＣ）の粒子が球状に分散する。

【００３１】そのために、摺動相手材が炭化珪素焼結材
料のようなセラミックス材料であっても、基本的にはセ
ラミックス材料同士の摺動となり、且つ分散セラミック
スが球状であることから、摺動相手材への擦過傷等との
損傷をより少なく抑えることが可能である。

【００３２】摩耗材料をセラミックスと金属との摺動摩
耗に対し著しく改善することができるとともに、金属マ
トリックスの硬さを調整することによって、材料の機械
加工性をも確保することが可能である。

【００３３】また、本発明の材料はコアードワイヤーの
溶融といった製造方法がとれることから、ＴＩＧ溶接あ
るいは粉体プラズマ溶接（ＰＴＡ溶接）が可能であり、
従来の溶接コーティング方法により目的の部位のみに取
り付けることが可能である。

【００３４】さらに、封水装置においては、静止側シー
ルリングの摺動部に、請求項１または２記載の耐摺動摩
耗材料を被着することで、その効果が得られ、複雑な構
造，高い加工精度，高い組立精度は不要となる。この場
合、回転側シールリングの摺動部に、請求項１または２
記載の耐摺動摩耗材料を被着してもよいが、摺動相手材
に炭化珪素焼結材料を用いた場合には、請求項１または
２記載の耐摺動摩耗材料の方が摩耗するので、交換が容
易な静止側シールリングの摺動部に被着することが好ま
しい。

【００３５】

【実施例】本発明の実施例を図表をもって説明する。

【００３６】表２には本発明に供した耐摺動摩耗材料の
混合割合を示す。

【００３７】ここで、基材料のコバルト（Ｃｏ）合金に
ついては、純Ｃｏあるいはステライトと呼称されている
クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）等の
不可避的不純物をそれぞれ数％含むものでもよく、ニッ
ケル（Ｎｉ）はインコネル等の合金よりも純Ｎｉが好ま
しい。

【００３８】

【表２】

【００３９】添加する炭化物は粉体であり、その粒径が
６３〜１４９μｍのものを使用した。これは、充填され
る粉体の粒度が５０μｍ未満と細か過ぎると、十分な充
填が不可能であり、また逆に１５０μｍを越えて粗いと
粉体自体の融点が高いため、未溶融を起こし、溶融金属
に均一に分散しないで、偏析を生じることによる。

【００４０】なお、これらの粉体は上記Ｃｏ基合金の帯
板に包み、コアードワイヤーとして、ＴＩＧ溶接法によ
り溶融硬化させたものである。

【００４１】得られた材料の主な特性は表３に示す。

【００４２】目的とする炭化物の粒子は図１に示すよう
に、溶接後には球状の形態で分布しており、その量はバ
ナジウムカーバイト（ＶＣ）の量に比例し、材料の断面
面積率でバナジウムカーバイトが３０％のレベルで１０
〜２０％、２０％で約１０％、１０％で４〜５％であっ
た。

【００４３】但し、バナジウムカーバイトの添加におい
て、上限があり、３５％を超えると割れ状欠陥が発生
し、品質の面で問題が発生する。したがって、発明の仮
定で炭化物の添加限界は概ね総量で３５％程度が限度と
評価された。

【００４４】

【表３】

【００４５】なお、クロム炭化物（Ｃｒ_xＣ_y）、タン
グステンカーバイト（ＷＣ）は図２に示すように遊離炭
化物の形成量は少なく、金属組織中に溶け込み、デンド
ライト状態となる傾向がある。

【００４６】硬さについては、炭化物を添加しないもの
で３５０〜４５０Ｈｖであり炭化物添加の場合には概ね
５００〜６００Ｈｖ程度である。これらの中でも、Ｎｉ
を添加したものは値が多少低く、ＷＣ、Ｃｒ_xＣ_yを添
加したものは値が多少高くなる。

【００４７】以上の材料において、摺動摩耗試験を実施
しその性能を調べた。

【００４８】試験方法はＡＳＴＭＧ６５−８０ラバ
ーホイール・ドライサンド・アレーション方法に則り、
図３に示す装置にて比較試験を実施した。

【００４９】この比較試験は、図３に示すように本実施
例による試験片１２を治具１３に取り付け、回転中のラ
バーホイール１４に所定の荷重で押し付け、それらの摺
動部にホッパー１５から砂粒（ＳｉＯ₂等）を流し込
み、規定の回転数を経過後、試験片１１の摩耗減量を測
定する材料評価方法である。

【００５０】なお、この度の試験条件は次の通りであ
る。

【００５１】・試験荷重：８．８kg ・摩耗粉体：珪砂（７５〜３５５μｍ）・砂落下流量：３００ｇ／min ・回転数：１２０rpm ・総回転数：３０００回上記条件におけるｐｖ値は１１．０５である。

【００５２】

【表４】

【００５３】以上１３種類の材料の中で、表中試料Ｎ
ｏ．８は従来のステライト材料であり、耐摩耗特性が優
れている材料として知られているものである。他の１２
種類は炭化物を混合したものである。

【００５４】従来のステライト材料では上記試験条件で
１ｇを超える摩耗が発生するのに対し、炭化物混合材料
では、表中試料Ｎｏ．６の場合を除きその半分程度とな
る。但し、試料Ｎｏ．６の場合でも従来のステライト材
料に対する耐摩耗特性が向上していることが判る。

【００５５】上記１３種類の材料の組合わせにおいて、
摩耗損量が最も少なかったのは、試料Ｎｏ．７のバナジ
ウムカーバイトの添加しない重量％で７％のＷＣ，２０
％のＣｒ_xＣ_yの材料であり、硬さも最大のものであっ
た。但し、この材料には粒状炭化物は少なく、ＷＣ，Ｃ
ｒ_xＣ_yのデンドライト組織になっており、欠陥が発生
し易い。したがって、バナジウムカーバイトと置換え炭
化物は、重量％で２０％以下が適当と考えられる。

【００５６】試料Ｎｏ．１において、バナジウムカーバ
イトが４０重量％の場合には、欠陥の発生が見られたた
め、欠陥の発生のなかった試料Ｎｏ．２のバナジウムカ
ーバイトが３０重量％との比較において、バナジウムカ
ーバイトの最大混合割合は３５重量％が妥当と考えられ
る。

【００５７】逆に、試料Ｎｏ．６において、バナジウム
カーバイトを５重量％添加することにより、従来のステ
ライト材料（試料Ｎｏ．８）の場合より、摩耗損量が向
上していることから、バナジウムカーバイトの混合割合
は、５〜３５重量％の範囲が好ましいと判断される。

【００５８】また、Ｎｉの添加については、試料Ｎｏ．
６に見られるように、５重量％の混合割合により、溶接
金属にバナジウムカーバイトの粒状炭化物の面積％の増
加が確認され、耐摺動摩耗特性が向上する一方、試料Ｎ
ｏ．３ｃに見られるように２５重量％添加したものは試
料Ｎｏ．３〜試料Ｎｏ．３ｂとの比較において、硬さの
低下による耐摺動摩耗特性が低下することから、Ｎｉの
含有割合は５〜２０重量％が適当であると判断される。

【００５９】上記のように構成した耐摺動摩耗材料を摺
動部品に適用するには、機械部材の一部に耐摺動摩耗材
料を溶着または肉盛溶接することで、耐摺動摩耗特性を
局部的に向上させた摺動部品を提供することができる。
この場合、機械部材全体を耐摺動摩耗材料で構成しても
よく、要するに機械部材の少なくとも一部であればよ
い。

【００６０】また、上記のように構成した耐摺動摩耗材
料を図４に示す封水装置に適用するには、回転軸として
の主軸３に取り付けられた回転側シールリング７と、静
止側のシールケース８に取り付けられた静止側シールリ
ング９とを摺動させて、主軸３からの封水を行う封水装
置において、回転側シールリング７および静止側シール
リング９の少なくとも一方の摺動部に上記耐摺動摩耗材
料を被着すればよい。これにより、過酷な条件下での長
期間の封水特性を確保することができる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水力機械の主軸封水装置等の過酷な摺動特性の要求され
る部品の構成材料として、それ自身の耐摺動摺動摩耗の
高いことから、より過酷な条件下での長期間の封水特性
を確保することができるとともに、摺動相手側材料をセ
ラミックスとした場合においても、耐摺動摩耗特性が高
く、土砂の混入においても急激な封水特性の低下には至
らず、且つ摺動相手材の破損に対し金属材料としての緩
衝性を持つ材料として、最適な材料の提供が可能となっ
た。

【００６２】また、本材料は溶接可能材料とのことで、
一部分のみに溶接コーティングすることによって、局部
的に本発明の効果を得ることが可能であり、機械の製
造、組立性能に寄与するところが大きい。

【００６３】さらに、摩耗時における再溶接による補修
も可能であり、従来のセラミックス材料のような使い捨
てがなくなる特徴を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の材料の金属組織を示す走査型電子顕微
鏡写真。

【図２】本発明の材料の金属組織を示す走査型電子顕微
鏡写真。

【図３】本発明の材料評価試験に使用した装置の概略
図。

【図４】本発明の対象としている封水装置を示す断面
図。

【符号の説明】

１上カバー２ランナ３主軸（回転軸）４封水装置５フランジ６アダプタ７回転側シールリング８シールケース９静止側シールリング１０スプリング１１Ｏリング１２試験片１３治具１４ラバーホイール１５ホッパー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡▲邉▼ 正巳大阪府交野市私部南４丁目10番１号ニツコー熔材工業株式会社交野工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で５〜２０％のＮｉと、Ｃｒ，Ｆ
ｅ等の不可避的不純物とを含有するＣｏ基材料に、粒径
５０〜１５０μｍのバナジウムカーバイトの粉体を５〜
３５重量％添加し、その粉体の粒子を分散析出させたこ
とを特徴とする耐摺動摩耗材料。
【請求項２】請求項１記載の耐摺動摩耗材料におい
て、バナジウムカーバイトの一部を、３〜２０重量％の
タングステンカーバイト，クロムカーバイトの少なくと
も一方の粉体に置き換えたことを特徴とする耐摺動摩耗
材料。
【請求項３】請求項１または２記載の耐摺動摩耗材料
を機械部材の少なくとも一部に溶着したことを特徴とす
る摺動部品。
【請求項４】回転軸に取り付けられた回転側シールリ
ングと、静止側のシールケースに取り付けられた静止側
シールリングとを摺動させて、回転軸からの封水を行う
封水装置において、前記回転側シールリングおよび静止
側シールリングの少なくとも一方の摺動部に、請求項１
または２記載の耐摺動摩耗材料を被着したことを特徴と
する封水装置。