JPS5993866A - 耐摩耗性部材 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、耐摩耗性部材、特に、回転翼等のような耐摩
耗性部材に関するものである。

〔従来技術〕

細流送風器では、第１図に示すように、送風器本体１に
放射状に回転翼２が配設されているが、これらの回転翼
２は第２図にその平面図、第３図に第２図の１−１部分
の矢視断面図で示すように構成されている。これらの図
で、３は翼根部、４は翼本体、５は流体の流入側となる
前線端部、６は流体の流出側となる後縁端部を示してい
る。このような回転翼、特に高速回転体翼は、一般に加
工性、胸造性に優れた鉄ベース、あるいはアルミニウム
ベースの軟質合金で製造されるが、このような材料から
なる高速回転体翼は、流体中の微粒子の衝突によって、
翼表面部が摩耗損傷を受け、送風器自体の性能、特性を
低下させる。すなわち、回転翼２が回転する際には、流
体中の微粒子は翼の前縁端部５に衝突し、翼面でスライ
ドし後縁端部６から抜は出すが、軟質合金で製造されて
いる回転翼においては、流体中の微粒子の衝突によって
翼の前縁端部、後縁端部あるいは翼面が摩耗により損傷
する。このような摩耗損傷による送風器自体の性能、特
性の低下を防止するために、従来は前縁端部に硬質金属
を接合あるいは肉盛りし、かつ翼面全体に硬質金属ある
いは化合物をコーティングした回転翼が用いられている
。この際の接合あるいは肉盛り金属合金にはＣＯ基ある
いはＮ１基の合金中にＷＣ等の炭化物を分散させたもの
が用いられている。

また１、　Ａ　Ｚ２０３　　あるいはＴｉ０ｚを含む粒
径３０μｍ以下の微粒子が高速度で衝突する場合には、
軟質あるいは硬質の合金の何れにおいても微粒子の衝突
によって摩耗を受ける。このような摩耗を防止する有効
な手段として、靭性に富んだ金属母地中に母地と強固に
密着した硬質材料、例えば、炭化物、酸化物、蟹化物等
を均一に分散させる方法がある。このような硬質材料を
分散させた複合材料のコーティングは、硬質材料の分散
の程度を調節することによって、微粒子の衝突による摩
耗を防止することが可能であると考えられている。

そして、従来回転翼に実施されている複合材料被膜とし
て、Ｎｉ基あるいはＣｏ基合金中にＷＣを分散させたも
のがある。このような被膜は溶射等の方法でそれぞれの
混合あるいは複合粉末をコーティングした後、母地合金
を加熱処理し、溶融した母地中にＷＣを均一に分散させ
、その後母地合金ｋｉｔ固させることによって、ＷＣの
均一分散をはかったものである。第４図をその一例を示
す被膜断面の金属顕微鏡写真（倍率４００倍）で、母地
中にＷＣ粒子が分散しているが、とのＷＣ粒子は球状あ
るいはそれに類似の形状を有し、これらのＷＣ粒子は母
地中に単に埋め込まれたものでＷＣ粒子相互間のからみ
合いはない。すなわち、微粒子の衝突する被膜表面は、
硬質なＷＣと軟質な母地とからなっている。このような
被膜は、母地中のＷＣ粒子が硬質であるので、高速で衝
突する粒子に対する耐摩耗性は大きく耐久性がある。

しかし、衝突粒子の大きさが、分散している硬質粒子（
ＷＣ粒子）の平均粒子間距離よりも小さくなると、軟質
な母地部分が選択的に摩耗し、硬質粒子が母地から浮き
上がり、ついには母地から脱落する。それ故、衝突する
微粒子の大きさが３０μｍ以下の場合には、微粒子の大
きさ以下の平均粒子間距離に硬質粒子が分散するように
、母地中にＷＣ粒子を多数分散させなければならない。

しかし、このような状態の被膜はＷＣ粒子と母地との密
着力が低下し、さらにＷＣ粒子相互間のからみ合いもな
いため、微粒子の衝突によってＷＣ粒子の脱落が生じる
。このように、従来の複合被膜では微粒子の衝突による
摩耗損傷を防止することは困難であった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、微粒
子の衝突による摩耗の防止可能な耐摩耗件部材の提供を
可能とすることを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は母材の表面の少なくとも一部に、金属又は該金
属を主成分とする合金よりなり靭性を有する母地内に、
前記金属を主成分とし相互に繋絡しかつ前記母材表面に
平行で層状に形成された硬質の化合物が分散一体化した
緻密な被膜を有することを第１の特徴とし、母材の表面
の少なくとも一部に、金属又は該金属を主成分とする合
金よりなり靭性を有する第１の層と、該第１の層と同一
組成の母地内に該第１の層の主成分を主成分とし、相互
に繋絡しかつ前記母材表面に平行で層状に形成された硬
質の化合物が分散一体化した緻密な第２の層とからなる
被膜を有することを第２の特徴とするものである。

本発明者等は、硬質材料として炭化物、窒化物、酸化物
について、またこれらの硬質材料に対する種々の辺地材
料の組み合わせについて、さらに組み合わせた場合の硬
質材料の分布状態について検討した。この結果、母地材
料を構成する主成分金属と同じ金属を主成分とする化合
物を硬質材料とし、この硬質材料を母地中に分散させた
被膜が、母地と硬質材料との密着力を強固にする上で有
効であることが明らかとなった。また、母地中に分散し
た硬質材料である化合物の分布状態は、それらの化合物
粒子相互間に何らの相互作用がない状態に比べ、化合物
粒子相が母地中で相互にからみ合った（繋絡した）状態
で分布している被膜が、微粒子の衝突による摩耗におけ
る硬質材料の脱落を防止するうえで有効であることが明
らかとなった。

このような被膜としては、例えば、母地材料としては炭
化物又は窒化物を形成し易い金属であるＴＩ又はＴ　Ｉ
を主成分とする合金を用い、硬質材料としてはＴ４窒化
物又はＬＬＮＩ炭化物のような化合物の組み合わせが効
果的で、これらの窒化物又は炭化物はその硬さがＩ−Ｉ
Ｖ１５００以上で、粒子の衝突による摩耗を防止するの
に十分の硬さを有している。

また、これらの化合物は単に粒子状態で分散したもので
はなく、ＴＩ又はＴ４を主成分とする合金成分の一部が
Ｔ１窒化物又はＴｉ炭化物となり、これらの化合物相が
、ＴＩ又はＴｉを主成分とする合金からなる母地中で相
互にからみ合った状態で複合被膜となっておシ、さらに
硬質材料である化合物相は被膜表面に平行で層状に分布
している状態になっているので、微粒子の衝突による摩
耗においても、硬質材料が母地から脱落し難い構造にな
っている。そして化合物相の大きさあるいは被膜全体中
にしめる割合も重要になる。

すなわち、硬質材料である化合物相の結合相となる母地
に関しては、従来のＢ、Ｓｉ等を含むＮ１基あるいはＣ
ｏ基の合金では靭性が低く摩耗によって母地が劣化し硬
質材料粒子の脱落の一原因となっていたのに対して、Ｔ
１あるいはＴ１を主成分とする合金からなる母地は靭性
に富んだものであり、脱落防止の点で有効である。また
ＴＩあるいはＴＩを主成分とする合金はＴｌ窒化物、′
Ｊ″１炭化物と同様に耐食性に優れており、その結果複
合被膜自体は耐食性に優れたものになる。

そして、前述の如く、ＴＩあるいはＴＩを主成分とする
合金は、Ｔｉが炭化物あるいは窒化物を形成し易い元素
であり、さらにＴｉあるいはＴＩを主成分とする合金は
靭性に富んでいるため、母地材料として適している。ま
た、化合物としてＴ１炭化物、Ｔｉ窒化物が有効である
のは、これらの化合物が酸化物に比べ靭性に優れている
点である。なお、一般的にはＩＶａ族、ｖａ族元素につ
いてもＴ１とほぼ同様の結果が得られる。

次に、上述のような被膜をコーティングした本発明の耐
摩耗性部材の製造方法を、１■ａ族、■ａ族元累の中で
Ｔｉを例として説明する。

Ｔｉ窒化物あるいはＴｉ炭化物等の化合物を含むＴＩあ
るいはＴＩを主成分とする合金の複合被膜は、例えば、
プラズマを用いた溶射法により製造される。プラズマの
溶射には、Ｎ２あるいはＣＨ４を含むプラズマを用い、
これらの溶射材中のＴＩの一部をＮ２あるいはＣＩ−１
，４等と反応せしめＴ１窒化物あるいはＴ１炭化物とす
る。また、プラズマジェット中又はその周辺の雰囲気の
酸素を制限する必要があり、酸素分圧は１０””ａｔｍ
以下にするのが望ましい。また、との酸素分圧以下に制
側ｊしたＮ２又はＣＨ４を含む雰囲気とする。

これは酸素分圧がこの範囲より大きい場合には、ＴＩと
Ｎ又はＣとの反応の他にＴ１とＯとの反応を生じＴｉ酸
化物が形成される。このようなＴｉ酸化物によって硬さ
の高い化合物を含む被膜が形成されるが、被膜の緻密さ
を損ない、被膜中に穿孔等の欠陥を生じ、その結果、微
粒子の衝突による摩耗によって化合物の脱落を生じ易く
なる。

溶射Ａ２料である粉末の粒径の大きさもＴｌとＮ又はＣ
との反応を行う上で重要である。すなわち、プラズマ溶
射ではプラズマの速度が速いだめ、プラズマ中で加熱溶
融された粒子のプラズマ中でのざ１テ留時間は数十μｓ
ｅｃと非富に短いので、粉末粒径が太きすぎると、Ｔ１
粒子とＮ又はＣとの反応を十分行うことが困難となり、
被膜中でＴ１窒化物又はＴｌ炭化物のしめる割合が少な
くなる。そして、耐摩耗性に優れた部材の被膜として必
要な化合物の割合である１０体積％を得る上で、粉末粒
径（ｉ７１００μｍ以下にすることが望ましい。なお、
溶射材料であるＴｉ又はＴ１を主成分とする合金中の不
純物については制限はない。またＴｉの代りにＴｉＨ粉
末を用いても同様の被膜が得られる。

次に、本発明の耐摩耗性部材の被膜において重要な因子
となる被膜中のＴｉ化合物の分布状態、その割合及びそ
の大きさ等について説明する。前述のような方法で形成
された被膜においては、Ｔｉ化合物は溶射材の粉末粒子
の一部分がＮあるいｒｆｉＣ−と反応して形成されるの
で、母地となるＴｌとＴ　＋化合物相の境界の界面の整
合性は良好である。また、Ｔｉ化合物の分布状態は、溶
射されるＴ１粒子の一部からＴｉ化合物が形成されるの
で、被ｊ摸中のＴｉ化合物相は溶射特有の積層状態の粒
子の構造と対応したものになる。すなわち、Ｔ１化合物
相は被膜の表面に平行な方向に分布したものになる。ま
た、積層状態の粒子がお互いにからみ合った構造となる
のに対応し、Ｔｉ化合物相もお互いにからみ合った構造
になる。このような構造を有する被膜であるため微粒子
の衝突による摩耗に対して優れたものになる。

なお、Ｔ１窒化物又はＴｌ炭化物とＴｉとの混合材料を
溶射した場合には、前述の被膜と類似の被膜となシうる
が、被膜中のＴｉ化合物とＴｉとの密着力は低下する傾
向がある。

さらに、被膜中においてＴｉ化合物相のしめる割合は被
膜を得る上で重要である。Ｔ１化合物相の割合は被膜の
断面組織の観察、又はＸ線回折法による同定の結果から
求めることができる。被膜中のＴ１化合物のしめる割合
は１０体積％以上９０体積％以下の範囲内であることが
望ましい。

１０体積％より少ない場合は被膜中の硬質材料となるＴ
ｉ化合物の割合が少なく、十分な耐摩耗性が得られず、
一方、９０体積％より多い場合は被膜中の切地であるＴ
ｉ相が少なく、硬質材料であるＴ１化合物を結合する母
地が少ないため、粒子の（Ｍｉｊ　雰による摩耗によっ
てＴｌ化合物相の脱落が生じ易くな９、やはり十分な耐
摩耗性が得られなくなる。このようなＴｉ化合物相の割
合を変化させ、その量を制御する要因には、Ｎ２又はＣ
Ｈ４の分圧、粉末粒子の大きさ等がある。

次にＴｉ化合物の大きさも本発明の耐摩耗性部材の被膜
で重要となる。被膜の表面に平行な方向に分布している
Ｔｉ化合物相の厚さは薄い方が十分な耐摩耗性を得る上
で望ましいが、１μｍ以下の薄いＴｉ化合物相が大部分
をしめる場合は、そのような薄い硬質材料は十分な耐摩
耗性を得る上で好ましくはない。一方、２００μｍ以上
の場合には、靭性が低いＴｉ化合物相が大きすぎるので
、耐摩耗性が低下する傾向がある。

また、Ｔｉ化合物相の長さも、厚さと同様に小さい方が
望ましく、十分な耐摩耗性を得るには１〜２００μｍ程
度であることが望ましい。

第５図及び第６図はそれぞれ本発明耐摩耗性部材の一実
施例の表面部分の断面組織の金属顕微鏡写真（倍率４０
０倍）及び走査電子顕微鏡写真（倍率２０００倍）で、
７は母材表面、８はＴ１とＴＩ窒化物とからなる被膜、
９は被膜８の母地となるＴ１相、ｌＯは被膜８中の硬質
材料であるＴ１窒化物相である。Ｔｉ窒化物相１０は被
膜８の表面に平行な方向、すなわち、被膜のノ早さ方向
に直交する方向に分布しており、これらＴ１窒化物相と
ＴＩ相との境界には何ら接合界面の欠陥は認められず、
かつ、Ｔｉ窒化物相は相互にからみ合った構造になって
いる。また、このようなＴＩとＴＩ化合物からなる複合
被膜の厚さは十分な面］摩粍性を得る上では０．０１〜
１．０陥の範囲内にあることが望ましく、０．０１＋ｕ
＋より小さい場合には、耐摩耗性が低下する傾向があり
、１．０ｍｍより大きい場合には耐摩耗性に著しく向上
がなく、被膜形成時間の増大、被膜中に生じる形成時の
残留応力の増大等の問題を生じる。母材を構成する材料
は鉄鋼材料、非鉄鋼材料の何れであってもよい。

粒子の衝撃摩耗によって硬質材料が脱落し難くなるのは
、同じ体積を有する硬質材料粒子においても、球状より
も偏平な形状のものの方が表面積が大きくなり、その分
たけ母地との密着面積が増加し硬苅材木１と切地との密
着力は向上し、さらに衝撃する粒子の運動方向と直交す
る方向に母地材料がからみ合って分布した層状の硬質材
料になると、球状の粒子が分布した状態の被膜と異なり
、粒子の衝撃のエネルギーの大部分を硬質材料が受ける
ので、粒子の衝撃方向に直交する方向、すなわち、被膜
の表面に平行な方向に層状に分散している硬質材料は、
硬質材料の結合相である母地材料の粒子の衝撃による摩
耗損傷を生じ難くなるためである。すなわち、粒子の衝
撃によるエネルギーを優先的に吸収するように硬質材料
が分散した状態になっている。

〔発明の実施例〕

以下、実施例について説明する。

実施例１ 鉄鋼材料（ＳＵＳ３０４）で製造した１２φ×３０端の
円柱状試験片の表面部分に耐摩耗性の被膜を形成した。

被膜を形成するに先だち、前処理として試験片を脱脂し
、その後、その表面にアルミナ製のグリッド責粒径０．
１〜０．２　ｍｍ　）を用いてプラスチングを施し表面
を粗面化した。しかる後、Ｔ１粉末（粒径１０〜４４μ
ｒｒ＋、純度９９．９％）ｋ　Ｎ　２　カスで形成され
たプラズマジェット（出力３０ｋＷ）中に投入し溶射を
行った。溶射はプラズマ周辺の酸素分圧を制＠ｊするた
め、母材である試験片、プラズマ溶射ガス、粉末供給フ
ィーダー等を密閉したチェンバー内に設置して行なわれ
るので、溶射を行なうに先立ち、予めチェンバー内を１
０″′１〜１０″’２Ｔｏｔ−ｒに排気し、しかる後、
Ｎ２ガスを導入しチェンバー中の圧力を２００　Ｔｏｒ
ｒに保って溶射を開始した。溶射中はチェンバーに接続
した排気装置の排気量を調節し、チェンバー内の圧力を
２００　Ｔｏｒｒに保持した。溶射距離は１５０ｍ＋ｎ
で、溶射中の母材温度は５００Ｃ以下になるようにした
。このようにして試験片の表面に約０．３順厚さの被膜
が形成された。形成された被膜の断面組絨は第５図、及
び第６図の金属顕微鏡写真及び定量電子顕微鏡写真と同
様に　ｒｐ　ＨとＴＩ蟹化物で構成されたものであった
。

次に、以上のような条件で溶射を行ない、表面に約０．
３　ｍｍ厚さの被膜の形成された試験片を１０％の土砂
（粒径０．５−１．５μｍ）を含む水浴液中で、周速度
７　ｍ　／　ｍｉｎで回転させ、土砂摩耗試験を行ない
、従来法で処理した試−片と比較した。比較には、５ｊ
ｒｓａｏ４材、溶接肉盛で形成したステライト及びＳＵ
Ｓ　３０４材の表面にＮ１基合金（５％Ｃｒ　−１，５
％５ｉ−１，５％Ｂ−残ＮＩ）の母地中に１２％のＷＣ
を分散した複合被膜を０．３酬の厚さ被覆しだ試験片を
用いた。第７図はその結果を示すもので、図の横軸には
試験時間（”）、縦軸にはそれぞれの試験時間後の重量
の減少量（Ｏｎ３）を試験前重量を基準として示しであ
る。そして、Ａはこの実施例の場合、Ｂは１２％ＷＣを
含むＮ１基合金の複合被膜を被覆しだもの、Ｃはステラ
イト材、Ｄは５ＵＳ４材の場合を示している。

実施例の試験片は、従来の表面処理を施しだ試験片、５
ＵＳ３０４、ステライト材に比べ、土砂摩耗による重量
減少は少なく、耐摩耗性に優れていることを示している
。

また、上述と同様の試験片を用い、粒径４４μｍ以下の
アルミナ粉末中で周速度１５　＋ｎ　／　ｍｉｎで回転
させ、微粉末の衝突による摩耗試験を行った。

その試験結果も第７図の場合とほぼ同様の結果が得られ
た。

実施例２ 鉄鋼材料（ＳＣ材）で製造された第１図に示すような形
状の回転翼の表面部分に、実施例１と同様にして耐摩耗
性被膜を形成した。この場合にも実施例１と同様に、試
験片の表面に約０．３　ｍｍ厚さの被膜が形成され、形
成された被膜の断面組線は第５図及び第６図の金属顕微
鏡写真及び走査電子顕微鏡写真と同様に、ＴＩとＴＩ窒
化物で構成されたものであった。

次に、１ｌＪＩＩ流送風機のモデル試験において、本発
明によって形成された回転翼と、Ｎｌ基合金（５％Ｃｒ
−１，５％５ｉ−１，５％Ｂ−残Ｎｉ）母地中に１２％
のＷＣを分散させた複合被膜を被覆した回転翼との比較
試験を行なった。その結果、本発明によって形成された
回転翼ばＮｌ基合金とＡｖＣとの複合被膜を被覆した従
来の回転翼に比べ、その寿命は約３倍以上とすることが
できだ。そして、高速回転体板の微粒子新突による衝突
摩耗を防止し、かつ耐食性を向上させることが可能とな
った。

実施例３ 実施例１及び２においては、鉄鋼材料よりなる母材上に
直接耐摩耗性被膜を形成した例を示したが、この実施例
では母材と耐摩耗性被膜との間に耐摩耗性被膜の母地と
同一の金属よシなる中間層を設けた。

すなわち、実施例１及び２と同様に、脱脂処理、プラス
チング処理を行なった後、ＴＩ粉末をＡｒとＮ２の混合
ガスで形成されたプラズマジェット中に投入し溶射を行
ない、鉄鋼材料表面に最大０．１ｍのＴ１中間層を形成
した。次に、実施例１及びの２場合と全く同様にしてＴ
１粉末をＮ２ガスで形成されたプラズマジェット中に投
入し溶射を行なって、耐摩耗性の被膜を形成した。この
ようにして形成された耐摩耗性部材は１１ｉＩＭ粍性被
膜の母地と同一組成のＴ１層が被膜と母材との間に存在
しているため、被膜と母相との接合は強固となる。そし
て、その他の効果は実施例１及び２と同様である。

以上の如く、実施例の耐摩耗性部材は粒子の衝撃による
Ｍ粍損傷が生じ難く、土砂が流入した水中で高速回転す
る、あるいは、土砂が流入した水が高速度で衝突するよ
うな水車等の部材、あるいは、微粉末粒子が流入した気
体中で高速回転する、あるいは、そのような気体が高速
で衝突するような送風機等の部材として優れた特性を示
すものである。

〔発明の効果〕

本発明け、微粒子の衝突による摩耗の防止可能な而・］
摩耗性部材の提供を可能とするもので、産業上の効果の
犬なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、細流送風器の要部の平面図、第２図は第１図
の要部の回転翼の平面図、第３図は第２図の１−１部分
の矢親断面図、第４図は従来の耐摩耗性部材の被膜断面
の光学顕微鏡写真、第５図は本発明の面］摩耗性部材の
一実施例の被−膜断面の光学顕微鏡写真、第６図は同じ
く走査電子顕微鏡写真、第７図は同じく、本発明の耐摩
耗性部材の効果を従来例との比較において示した特性線
図である。 ７・・・母材表面、８・・・（ＴｉとＴ１窒化物とから
なる）被膜、９・・・（被膜８の母地となる）ＴＩ相、
１０・・・（被膜８中の硬質材料である）ＴＩ窒化物茅
　１　目 ２ 茅３月 茅４　目 ｙ４ρθ 草、５′　図　　゛ ×４りθ ＄　ｔ　目 ＄７　図 Ｊｆｒ　　薊　　　（／１．）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、母材の表面の少なくとも一部に、金属又は該金属を
   主成分とする合金よシなり靭性を有する母地内に、前記
   金属を主成分とし相互に繁絡しかつ前記母材表面に平行
   で層状に形成された硬質の化合物が分散一体化した緻密
   な被膜を有することを特徴とする耐摩耗性部材。 ２、前記金属がＪａ又はＶａ族元素である特許請求の範
   囲第１項記載の耐摩耗性部材。 ３、前記金属がチタンで、前記化合物がチタン炭化物又
   はチタン窒化物である特許請求の範囲第１項記載のＵ摩
   耗性部材。 ４、前記チタン炭化物又はチタン窒化物が前記チタン又
   はチタンを主成分とする合金中に１０体積％以上、９０
   体績％以下存在する特許請求の範囲第３項記載の耐摩耗
   性部材。 ５、前記部材が、流体の流入側となる前縁端部と、流体
   の流出側となる後縁端部とを有し、断面湾曲形状の軟質
   合金よりなる回転翼である特許請求の範囲第１項から第
   ４項までの何れか一項記載の耐摩耗性部材。 ６、母材の表面の少なくとも一部に１金属又は該金属を
   主成分とする合金よりなり靭性を有する第１の層と、該
   第１の層と同一組成の母地内に該第１の層の主成分を主
   成分とし、相互に繋結しかつ前記母材表面に平行で層状
   に形成された硬質の化合物が分散一体化した緻密な第２
   の層とからなる被膜を有することを特徴とする耐摩耗性
   部材。 ７　前記金属が、■ａ又はＶａ族元素である特許請求の
   範囲第６項記載の耐摩耗性部材。 ８、前記金属がチタンで１、前記化合物がチタン炭化物
   又はチタン窒化物である特許請求の範囲第６項記載の耐
   摩耗性部材。 ９、　前記チタン炭化物又はチタン窒化物が前記チタン
   又はチタンを主成分とする合金中に１０体積％以上、９
   ０体積％以下存在する特許請求の範囲第８項記載の耐摩
   耗性部材。 １０、前記部材が、流体の流入側となる前縁端部と、流
   体の流出側となる後縁端部とを有し、断面湾曲形状の軟
   質合金よりなる回転翼である特許請求の範囲第６項から
   第９項までの何れか一項記載の耐摩耗性部材。