JPH0941117A

JPH0941117A - 水車部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0941117A
Application number: JP7198303A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Usami; 賢一宇佐美; Hiroshi Takayasu; 博高安; Shigeyoshi Nakamura; 重義中村; Kazuo Niikura; 和夫新倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1997-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】砂含有河川水を利用するフランシス水車流水
面部材の土砂摩耗及び腐食による損傷を抑制し、寿命向
上を図る水車部品を製造すること。【構成】土砂含有河川水の流水面となるランナ、ガイ
ドベ−ン、ステ−ベ−ン、ランナライナ等部材表面をピ
−ニング処理し、その凹凸面上に容量％で90％以下のセ
ラミックスを複合したプラスチックス被覆層を超高速フ
レ−ム溶射によって0.5〜5mm積層する。【効果】セラミック及びサ−メット系溶射材より厚肉
施工が可能で、かつ安価である被膜層が得られるため、
経済性、高信頼性水車の製造が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は土砂含有地点で使用され
る水力発電用水車の流水面部材に係り、特に、耐土砂摩
耗性に優れた新規なセラミックス複合プラスチック溶射
被覆層を有する水車部材及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】土砂を含む河川水を利用する水力発電用
水車において、その流水面となるランナ、ガイドべ−
ン、ステ−ベ−ン及びドラフトチュ−ブ等部材はその形
状、流速、水質との相関によってキャビテ−ションによ
る壊食、土砂による摩耗、化学的腐食による損傷を受け
ることが知られている。特に、土砂による摩耗損傷は河
川水中土砂量が多く、高流速になるほど過酷となる。

【０００３】従来の水車材料は主に、回転体のランナ、
バケットが Niを含む13Crマルテンサイト系ステンレス
鋳鋼、ランナライナ、カバ−ライナ、ステ−ベ−ン、ガ
イドベ−ン及びニ−ドルバルブ等の固定部品並びに揺動
部品は炭素鋼、ビッカ−ス硬さがHV200〜300となる熱処
理を施した13Cr鋼やNiを含む13Crマルテンサイト系ステ
ンレス鋼で製作されている。

【０００４】しかし、これらの材料は土砂量の多い河川
水を発電用水とする水車部品材料としては土砂による損
傷が十分とは言えない。すなわち、これらの材料硬さは
河川水中土砂(ビッカ−ス硬さHV約1150のSiO₂を主成分)
の硬さよりかなり低いため、その流水面が土砂の衝突や
切削的作用によって摩耗損傷されやすいためである。

【０００５】なお、キャビテ−ションによる壊食は高速
流水中で発生したキャビティが材料表面に衝突して崩壊
する際、流速35〜120m/sにおいて514〜1745atmと高い衝
撃圧力が発生するため、その崩壊圧力により材料表面が
損傷する現象である。そのため、材料に関して見ると、
高硬度材の溶射層及び樹脂等のコ−ティング層は金属材
料に比べ、キャビティの衝撃圧力による耐壊食性が小さ
く、かつ母材との接着性が低いための剥離等を考慮し、
部材表面には耐壊食性に優れたCo基合金やオ−ステナイ
ト系ステンレス鋼及びセラミックス複合粉体等の溶接材
料による肉盛を施しているのが現状である。これらの材
料は、高硬度を有するもの、又は、キャビティの衝撃圧
力により表面層が加工硬化する肉盛溶接材料が多い。

【０００６】一方、土砂を含む河川水中では、土砂の主
成分である硬質のSiO₂、Al₂O₃による衝突や切削的作用
のために流水面の部材表面が侵食される。従って、一般
的には、流水面部材を土砂に近いかそれ以上の硬度を有
する材料で構成すれば土砂による摩耗損傷は軽減される
と言われている。例えば、これらの高硬度材としては超
硬合金、セラミックスが考えられる。

【０００７】しかしながら、大型構造物への適用を考慮
すると、このような高硬度材料自身で機器部材を構成さ
せるのは強度性、製造性、加工性等の問題から、その適
用性は非常に小さい。特に、問題になるのは回転機器へ
の適用であり、このような超硬合金、セラミックス構造
体は非常に困難となる。そのため、現状における部材の
寿命向上を図る手段はその部材表面に高硬度合金や合金
とセラミックス複合材料による溶接肉盛、高硬度合金や
セラミックス及びこれらの複合材料による溶射並びに樹
脂とセラミックスとの複合物によるコ−ティング等の高
硬度耐摩耗性材料による被膜層を形成する対策が主流を
なしている。

【０００８】なお、これらの耐摩耗性材料は樹脂系のコ
−ティング材が特開昭59-45363〜45366号公報、特開昭5
9-68349号公報、特開昭60-226550号公報、特開昭62-373
79号公報、特開昭62-72922〜72923号公報、特開昭63-22
7439号公報、特開平3-47477号公報等に開示されてい
る。

【０００９】また、水力機器への金属やセラミックス系
材料による溶射は特開昭64-42563号公報、特開平6-8820
1号公報等に開示され、水力機器への溶射技術に関し、
日立評論 VoL.27(1982)に「金属溶射の水力機械への応
用」として公表されている。

【００１０】さらに、溶接肉盛による高硬度合金や合金
とセラミックスとの複合材は特開昭57-152447号公報、
特開昭57-156894号公報、特開昭57-199593号公報、特開
昭62-221630〜221631号公報、特開平2-230968号公報、
特開平4-94890号公報、特開平6-170584号公報等に開示
されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】土砂を含む流水中にお
ける部品の耐土砂摩耗性を向上する手段はその部品を高
硬度材で構成するか、その部品の流水面に高硬度材によ
る被覆層を形成させることにある。理想的な手段として
は材料の硬さを土砂の硬度より高くすることが考えられ
る。

【００１２】しかしながら、上記従来技術では以下のよ
うな問題があった。

【００１３】まず、部品表面に樹脂とセラミックスとの
複合物をコ−ティングする手段においては樹脂中に土砂
の硬度より高いセラミツクスを分散することで耐土砂摩
耗性を向上させるものの、部材との接着強度が低いため
特に高流速部での剥離が問題となる。

【００１４】また、肉盛溶接による手段においては溶接
入熱が大きいため、熱影響による施工部材の変形や強度
変化等が懸念される。また、被覆ア−ク溶接やTiG溶接
は母材との希釈が大きいため、肉盛層を厚くする必要が
ある。また、粉体プラズマ溶接は母材との希釈が小さい
ため、薄肉でもその材料の特性が発揮できる。しかし、
肉盛溶接は母材との関連はあるものの、溶接部の割れ性
を考慮すると、高硬度材の適用が難しい。

【００１５】一方、溶射による手段は溶射材料の種類が
多く、各種金属、セラミツクス、プラスチックス及びこ
れらの複合材をコ−ティングできるとともに、これらの
材料をあらゆる被溶射物(母材)表面に施工できる特徴を
有している。従って、高硬度皮膜を形成する技術として
は溶射法が適している。しかし、水力機械への溶射技術
は公知例でも示したように大気中での溶射法や減圧プラ
ズマ溶射法が主流のようである。しかし、大気中での溶
射法は溶射層の気孔率が高く、かつ被溶射物との接着強
度が低いため、回転体等の高速回転や土砂等の膜表面へ
の衝突及び膜と母材との間における河川水の浸透等によ
って剥離される問題がある。

【００１６】一方、減圧プラズマ溶射は溶射層の気孔率
も低く、接着強度も高いことから、部材表面への高硬度
材の施工には適している技術である。しかしながら、溶
射ト−チヘッドと被溶射物を減圧チャンバ−内にセット
する必要があるため被溶射物の大きさが限定され、特
に、水力機械等大型形状物への工場並びに現地施工性に
問題がある。

【００１７】そこで、被溶射物表面に粒子を約500m/s以
上の速度で溶射するため、従来の溶射技術より、高密
度、高硬度で気孔率が低い皮膜層を形成し、かつ被溶射
物との高密着性を有する超高速フレ−ム溶射法に着目し
た。

【００１８】そこで、この溶射法によるWC-12Co、WC-25
NiCr、Cr₂C₃-20NiCr等高硬度溶射皮膜層の耐壊食性と耐
土砂摩耗性につて検討した。その結果、現用の水車材料
に比べ、耐土砂摩耗性は非常に優れた特性を有するもの
の、耐壊食性に問題が有ることが知られた。

【００１９】また、部材の寿命をより向上させる手段で
ある厚肉層の形成は薄肉層の重ね盛等の施工性、これら
粉末のコストが高いための経済的な問題が残る。従っ
て、これらの材料に比べ、安価で、かつ一度の施工で厚
肉層の形成が可能な材料を探索した。その結果、火力発
電や水力発電等の機器部材の防食、部材との接着性の向
上、かつ、耐衝撃性、表面平滑性等が良好なことから、
火炎溶射やプラズマ溶射等によるプラスチック溶射技術
が各工業分野で広く使用されていることが知られた。な
お、これらのプラスチックによる溶射法や材料は特開昭
60-153968号公報、特開昭60-153969号公報、特開平4-12
2472号公報等に開示されている。

【００２０】また、機器の防食を考慮した技術に関して
は日本鋼管技報 No.135(1991)に「海水取水管防食のた
めのプラスチック溶射」や溶射技術 Vol.13(1993)に
「各産業分野における溶射技術応用の現状と将来(その
3)」等公表されている。

【００２１】そこで、このプラスチック材料による超高
速フレ−ム溶射層について、耐壊食性と耐土砂摩耗性に
ついて検討したところ、耐壊食性は現用の水車材料より
劣るものの、耐土砂摩耗性に関してはセラミックスを複
合化することによって、WC-12Co、WC-25NiCr、Cr₂C₃-20
NiCr等の高硬度溶射皮膜層に近い特性となることが知ら
れた。

【００２２】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、土砂を含む河川水による水力機械部品の土
砂摩耗による損傷を抑制し、部品の寿命向上を図るた
め、部品表面に超高速フレ−ム溶射によるセラミックス
を複合したプラスチック溶射層を形成させた水車部材及
びその製造方法を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、土砂を含む
河川水中で使用される水車部材の土砂摩耗及び腐食によ
る損傷を受ける流水面の一部を、土砂を構成する主組成
物のSiO₂、Al₂O₃のセラミックスを複合したプラスチッ
ク溶射材料で被覆層を形成することにより達成される。

【００２４】水車部材の土砂を含む河川水により損傷を
受ける部分の被覆層は、少なくとも平均粒径30〜150μm
を有するポリエステル、ポリエチレン、ナイロン、エポ
キシ、酢酸ビニル、アクリ−ル、ふつそ樹脂から選定さ
れた少なくとも１つのプラスチック粉体に、平均粒径10
〜100μmを有するAl₂O₃、SiO₂からなる酸化物系のセラ
ミックス粉体の少なくとも１つを容量％で80％以下を複
合した溶射材料を供し、超高速フレ−ム溶射によって0.
5〜5mmの厚さに形成するようにする。

【００２５】なお、プラスチック溶射層の機能に関与す
る複合物として、土砂に含まれる主組成物であるSiO₂、
Al₂O₃の酸化物系セラミックスとした理由は次のことに
よる。すなわち、少なくとも土砂を含む河川水の衝突や
水中で回転する部材における土砂摩耗は土砂の切削的摩
耗(研削摩耗)が主である。従って、最も理想的な方法は
流水面の部材硬さを土砂の硬さ以上にすることである。
そのため、本発明では、プラスチックの耐土砂摩耗性を
向上させるために、土砂を構成する主組成物と同じ高硬
度酸化物系セラミックスを複合し、その溶射層の硬さを
少しでも土砂の硬さに類似させることによる。

【００２６】また、本発明ではセラミックスよりプラス
チックスの平均粒径を大きくした。これはプラスチック
の融点が低いため、溶射時の熱による粒子表面の溶融状
況を考慮したためである。

【００２７】さらに、その溶射層にはセラミックスが容
量％で80％以下が複合されている。これは、流速が遅
く、かつ炭素鋼や低合金鋼からなるドラフトチュ−ブ等
が土砂による摩耗よりは河川水による化学的腐食が主に
なる傾向のある部材には、セラミックスを複合しないか
少量含むプラスチック材料による溶射層を形成させるこ
とにより、その機能は効果的に発揮される。しかし、ラ
ンナ等流速が大きく、かつ土砂摩耗が主となる部分には
セラミックスを複合したプラスチック溶射層を形成させ
る。その損傷度合い（河川水の流速）によってはそのセ
ラミックス複合量を変化させる。しかし、そのセラミッ
ク量が増すとともに耐土砂摩耗性は向上するものの、容
量％で80％以上とすると溶射層表面の平滑性及び接合強
度及び施工性がそこなわれるとともに、プラスチックと
セラミックスとの結合性が低下し、溶射層としての機能
性を発揮できない不安定要素が現出する被膜が形成され
ため注意が必要となる。そのため、容量％で80％以下と
した。

【００２８】さらに母材と溶射層との接合強度を高める
ために溶射前にショトピーニング処理またはワイヤーピ
ーニング処理により母材表面を表面粗さ20μｍ程度にす
ることが好ましい。

【００２９】また、溶射層の厚さはあまり薄いと損傷に
よる寿命向上の期待が小さく、過剰の厚さにすると損傷
による寿命はより向上するものの、層間剥離及び部材の
肉厚を薄くしなければならず強度的な問題等が懸念され
る。そのため、プラスチック溶射層は部材との密着性を
高くする超高速フレ−ム溶射により部材表面に0.5〜5mm
の厚さに形成させるようにしたことである。このような
方法により高品質の皮膜を形成できる。

【００３０】ここで、本発明のセラミックス複合プラス
チック溶射被覆層を形成する超高速フレ−ム溶射法の一
例について説明する。

【００３１】図６に超高速フレ−ム溶射装置の概略構成
を示す。この装置は燃料チャンバ−１２内で燃焼させた
高速ガス流中に粉末の溶射材料１４を供給し、半溶融状
態の粒子を超高速状態で被溶射物(母材)１５に溶射し、
溶射層１６を積層するものである。すなわち、酸素１０
と燃料１１(灯油、アセチレン、プロパン、プロピレン)
の一種を燃料チャンバ−１２内に流入して点火燃焼さ
せ、高温・高圧の高速ガス流とし、そのガス流中に粉体
送給装置１３から溶射材料１４(プラスチック並びにプ
ラスチックとセラミックスからなる粉体)を供給し、ガ
ス温度によって半溶融状態にした粉体を高温あるいは高
温・高圧の高速状態で被溶射物(母材)１５に衝突吹付
け、積層した溶射層１６を形成させる。

【００３２】

【作用】本発明のセラミックス複合プラスチック溶射被
覆層を形成させた水車部材及びその製造方法によれば、
セラミックスあるいはサ−メット系溶射材料に対し安価
な被覆層が得られ、かつ、厚肉の被膜層が形成できるた
め、耐土砂摩耗性が付与され、水車部品の寿命の向上が
図れるとともに水車の効率や保守管理が容易になされ
る。

【００３３】プラスチックスとしてポリエステル、ポリ
エチレン、エポキシ樹脂、ポリエーテルイミド、ナイロ
ン、アクリル樹脂等が用いられる。

【００３４】セラミックス粒子として酸化物、炭化物、
窒化物等が用いられるが、特に酸化物が好ましく、その
内でもＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃がより好ましい。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に従って説明
するが、本発明はこれに限定されない。

【００３６】実施例１本発明におけるセラミックス複合プラスチックス溶射層
の耐エロ−ジョン性評価試験結果を述べる。

【００３７】本発明の代表的プラスチック溶射材料であ
るポリエステル系樹脂粉末に、Al₂0₃とSiO₂を容量%で90
％以下を複合した溶射層の耐エロ−ジョン性を評価し
た。これらの溶射材料は図６に示す高速フレ−ム溶射装
置により、溶射ノズルと被溶射物との距離300mm、ガン
圧8kg/cm²、酸素圧12kg/cm²、燃料圧11kg/cm²、ガン移
動速度50mm/sの溶射条件で、板厚20mmの5Ni-13Cr鋼板上
に１mm積層した。なお、耐エロ−ジョン性評価は耐土砂
摩耗性について6t×25mm×50mmの板状表面に溶射層を形
成させ、その溶射層を試験面とした。

【００３８】耐土砂摩耗性評価試験は水中噴流式土砂摩
耗試験装置を用い、噴流速度40m/s、衝突角度45deg.、
土砂とその濃度は平均粒径8μmのAl₂O₃を30g/lとした条
件で60min間試験した。なお、上記試験における損傷量
は試験後の減量を密度で除した体積減量(cm³)とし、侵
食量として表した。

【００３９】図１は耐土砂摩耗性評価試験結果を示す。
同図より、各溶射層の耐土砂摩耗性は現用水車材料に比
べ優れており、かつ複合セラミックス量が増すほど良く
なる結果を示している。なお、複合セラミックスのAl₂0
₃とSiO₂を比べると、硬さが高いAl₂0₃複合層の耐土砂摩
耗性が優れた結果を有しているが、部品表面へのセラミ
ックス複合プラスチックス溶射層の形成は現用水車材料
の土砂摩耗による損傷軽減に有効な手段であることが判
る。

【００４０】実施例２次に本発明に係る水車部材のフランシス水車への適用に
ついて述べる。

【００４１】図２は本発明に係る水車部材が適用された
フランシス水車の断面図及び斜視図を示す。図２(Ａ)が
断面図、図２(Ｂ)はＸ方向から見たランナの斜視図であ
る。本水車はクラウン１とシュラウド２との間に複数の
羽根３が設けられたランナ、ランナコ−ン４、ガイドベ
−ン５、ステ−ベ−ン６、ランナライナ７、シ−トライ
ナ８、バンド９で構成され、土砂を含む流水は図示しな
いケ−シングからステ−ベ−ン６、ガイドベ−ン５を通
って羽根３に流れ、羽根に回転エネルギ−を与えた後、
図示しない排水路へ流出する。

【００４２】まず、図２に示す13Crマルテンサイト系ス
テンレス鋼製羽根３に適用した。図３に、その状況を示
す。図３に示すように、河川水と接触する作用面側と反
作用面すなわち羽根表面の全面にわたり溶射層１６を形
成した。なお、本実施例におけるこの羽根３の表面は他
の部品に比べ35m/sと流速が速いため摩耗損傷が激し
い。従って、溶射層１６はポリエステル樹脂粉末に対
し、Al₂O₃を容量％で75％複合した材料を供し、実施例
１に示した溶射条件で施工した。溶射層の表面は溶射の
ままで、その厚さは4mmとした。

【００４３】次に、13Crマルテンサイト系ステンレス鋳
鋼製ガイドベ−ン５とランナライナ７及びに18Cr-8Niオ
−ステナイト系ステンレス鋼板製シ−トライナ８に適用
した。なお、ガイドベーン５は流速が約20m/sでAl₂O₃量
を40容量％とし、ステーベーンは流速が10m/sでAl₂O₃量
を20容量％とし、ランナライナはAl₂O₃量を70容量％と
し、これら部品への溶射条件は実施例１と同じとし、溶
射層はポリエステル樹脂粉末に対し、Al₂O₃を前述の含
有量とした溶射材料で形成させ、表面加工後、その厚さ
を2.5〜3mmとした。なお、溶射層の表面加工はこれらの
部品の特性を考慮し、平滑化が要求されるために溶射
後、研削加工を施すものである。

【００４４】次に図４にガイドベ−ン５表面に溶射層を
形成した状態を、図５にシ−トライナ８表面に溶射層を
形成した状態をそれぞれを示す。

【００４５】この図３乃至図５の各水車部品を組み合
せ、図２に示したフランシス水車を製作し、この水車を
土砂を含む河川水中で実際に運転したところ、溶射層の
剥離等の異常は見られず、土砂による摩耗損傷に対し優
れた特性を示した。

【００４６】図７は水車部材の流水面に形成される溶射
層の流速に対するセラミックス含有量の最適な範囲を示
し、同図において曲線Ｐはその上限を、曲線Ｑはその下
限をそれぞれ、示している。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス複合プラスチックス溶射層を高速プラズマ溶射法に
より部品表面に形成した水車部材及びその製造方法によ
ると、河川水中に含まれる土砂による摩耗損傷が軽減で
き、水車部品の交換周期の延長が図れるため機器の寿命
及び信頼性の向上に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Al₂O₃及びSiO₂の複合量と侵食量との関係を示
す図である。

【図２】本発明に係る水車部材が適用されるフランシス
水車の断面図及び斜視図である。

【図３】羽根表面へ溶射層が形成された状態を示す説明
図である。

【図４】ガイドベ−ン表面に溶射層が形成された状態を
示す説明図である。

【図５】シ−トライナ表面に溶射層が形成された状態を
示す説明図である。

【図６】超高速フレーム溶射装置の概略構成図である。

【図７】水車部材の流水面に形成される溶射層の流速に
対するセラミックス含有量の最適な範囲を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１クラウン２シュラウド３羽根４ランナコ−ン５ガイドベ−ン６ステ−ベ−ン７ランナライナ８シ−トライナ９バンド１０酸素１１燃料１２燃料チャンバ− １３粉体送給装置１４溶射材料１５被溶射物(母材) １６溶射層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新倉和夫茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】土砂を含む河川水による損傷をうける流
水面の一部にセラミックスを少なくとも１つ含むプラス
チック複合粉体材料からなる溶射層を形成する水車部材
であって、該水車部材表面に接触する河川水の流速差に
応じてセラミックスの容量を異にした溶射層で前記流水
面の一部を被覆したことを特徴とする水車部材。
【請求項２】前記セラミックスは、土砂の主成分を構
成するSiO₂またはAl₂O₃であることを特徴とする請求項
１に記載の水車部材。
【請求項３】前記セラミックスは、前記プラスチック
に対して容量％で河川水の流速が最も大きいランナ表面
（約30m/s以上）には60〜80％、ガイドベーンやステー
ベーン表面（約15〜30m/s）には40〜60％、より流速が
小さい（約15m/s以下）配管等の内面では20〜40％を含
むことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載
の水車部材。
【請求項４】前記プラスチックはポリエステル、ポリ
エチレン、ナイロン、エポキシ、酢酸ビニル、アクリ−
ル及びふつそ樹脂系から選定した少なくとも１つの粉体
を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
載の水車部材。
【請求項５】前記セラミックスを含むプラスチック複
合材料からなる溶射層は0.5〜5mmの厚さに形成されてい
ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の
水車部材。
【請求項６】前記複合材料は平均粒径が30〜150μmか
らなるプラスチックと、平均粒径が10〜100μmからなる
セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至５の
いずれかに記載の水車部材。
【請求項７】土砂を含む河川水により損傷をうける水
車部材において、少なくともその流水面の一部を20μm
以下の表面粗さとするショットピーニング処理またはワ
イヤピ−ニング処理後、平均粒径30〜150μmからなるプ
ラスチック粉体に平均粒径10〜100μmのセラミックス粉
体を容量％で80％以下を含むプラスチック複合材料を超
高速フレーム溶射法により溶射被覆層を0.5〜5mmの厚さ
に形成し、河川水と接触する部分の流速が大きい程、セ
ラミックス粉体の容量を大きくしたことを特徴とする水
車部材の製造方法。