JPWO2006120987A1 - 表面改質方法及び装置 - Google Patents

Abstract

母材（４２）の表面に溶射皮膜を形成し、該溶射皮膜の表層近傍を非流動状態に保ちながら該溶射皮膜を高周波誘導加熱することにより、表層近傍より下層側を再溶融させて該溶射皮膜を母材（４２）に密着させる。この方法によれば、傾斜部分を有する複雑な形状の被処理物でも円滑に品質の良い耐摩耗性皮膜を母材の表面に形成して、表面を改質することができる。

Description

本発明は、例えば、回転部材の局部的な耐摩耗表面改質を行うための表面改質方法に関する。

例えば、土砂を多量に含んだ水を扱う水車やポンプ等の水力機械の羽根車では、羽根車の表面が水中の土砂の微粒子により削られ、早期に摩耗してしまう問題がある。このため、従来からこのような環境下で使用される羽根車等の回転部材を耐摩耗材料で被覆することが行われている。その１つの有力な方法として、表面に自溶性合金を各種の溶射方式により溶射して耐摩耗性の溶射皮膜を形成し、次いでこの溶射皮膜を再溶融し、溶射皮膜を緻密化するとともに溶射皮膜と基材との密着性を高めるようにする溶射溶融法が有る。
しかしながら、複雑な形状の部材を溶射溶融法で表面改質する場合、溶射皮膜を再溶融させた時に、特に傾斜部分において溶融金属が流れてしまい、皮膜厚さが不均一になる、あるいは寸法精度が低下するなどの不具合が有った。

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、傾斜部分を有する複雑な形状の被処理物でも円滑に品質の良い皮膜を形成して、表面を改質することができる方法及び装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様によれば、傾斜部分を有する複雑な形状の被処理物でも円滑に品質の良い耐摩耗性皮膜を母材の表面に形成して、表面を改質することができる方法が提供される。この方法は、前記母材の表面に溶射皮膜を形成する工程と、該溶射皮膜の表層近傍を非流動状態に保ちながら該溶射皮膜を高周波誘導加熱することにより、前記表層近傍より下層側を再溶融させて該溶射皮膜を前記母材に密着させる工程とを有する。
溶射皮膜を形成する耐摩耗性素材としては、炭化物粒子を含有する自溶性合金材料或いは溶融固化により炭化物を析出させる自溶性合金材料が好適である。溶射方法としては、アーク溶射やプラズマ溶射のような電気式溶射法、またはフレーム溶射のようなガス式溶射法が適宜に用いられる。高周波誘導加熱は、適当な不活性雰囲気中で行うことが望ましい。なお、溶射皮膜の表層近傍を非流動状態に保ちながら該溶射皮膜を高周波誘導加熱するのは、加工対象である母材の全表面である必要はなく、傾斜面等の必要箇所のみでよい。
前記再溶融工程において、前記表層近傍を、前記溶射皮膜の素材の液相線温度以下の非流動温度に維持してもよい。液相線温度以下の温度であれば、溶射皮膜は固相と液相の混合状態であり、流動化しにくい。実際に液相線温度以下のどの温度が良いかは、表面の傾斜等の条件によって変わるので、実験的に求めるのが好ましい。
前記再溶融工程において、前記溶射皮膜の表面に不活性ガスを吹き付けて強制的に冷却することによって前記溶射皮膜の表層近傍を非流動温度以下に保持してもよい。
前記再溶融工程において、前記溶射皮膜の表面温度を測定しながら該溶射皮膜を高周波誘導加熱してもよい。これにより、溶射皮膜の表面温度から溶射皮膜の表面近傍および母材近傍の温度を推定して、溶射皮膜の流動性と密着化の状況を判断することができる。
前記高周波誘導加熱の際に、ρ：比電気抵抗［Ω・ｃｍ］，μ：比透磁率，ｆ：周波数［Ｈｚ］として、δ［ｍｍ］＝５．０３×１０^４×（ρ・μ^−１・ｆ^−１）^１／２で表される電流浸透深さδ［ｍｍ］が２［ｍｍ］以下となる範囲の周波数で高周波誘導加熱してもよい。
本発明の第２の態様によれば、傾斜部分を有する複雑な形状の被処理物でも円滑に品質の良い耐摩耗性皮膜を母材の表面に形成して、表面を改質することができる表面改質装置が提供される。この表面改質装置は、表面に溶射皮膜を形成した前記母材の該溶射皮膜を高周波誘導加熱する誘導加熱装置と、前記高周波誘導加熱の際に、前記溶射皮膜の表層近傍を冷却して、該表層近傍を非流動状態に保つ表面非流動化手段とを有する。
本発明によれば、溶射皮膜の表層近傍より下方側部分のみを再溶融させるので、溶射皮膜が原形を維持する。したがって、傾斜部分であっても或いは複雑な形状部分であっても、再溶融によって流動し、変形したり厚さが不均一になったりすることが防止される。したがって、寸法精度のよい、高品質の皮膜を、円滑に形成することができる。
本発明の第３の態様によれば、上述した表面改質方法によって耐摩耗性皮膜を形成した回転部材が提供される。本発明に係る回転部材には、寸法精度の高い表面改質皮膜が形成されており、回転部材は良好な耐摩耗性と機械部品としての高い性能を備える。
本発明の第４の態様によれば、上述した回転部材を有する流体機械が提供される。本発明に係る流体機械は、スラリーのような摩耗性流体を処理するのに好適な高品質の流体機械となる。
本発明の上述した目的ならびにその他の目的および効果は、本発明の好ましい実施形態を一例として図示した添付図面と照らし合わせれば、以下に述べる説明から明らかになるであろう。

図１は、この発明の表面改質装置の第１の実施の形態を示す図である。
図２は、この発明の表面改質装置の第２の実施の形態を示す図である。
図３は、図２の表面改質装置による作業状況を示す図である。

以下、図１から図３を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の表面改質方法を実施するための表面改質装置の第１の実施形態を示すもので、表面改質装置は、電源１０と、電源１０に接続された誘導加熱装置本体１２と、誘導電流供給ケーブル１４と、ケース内に構成された出力変成器１６と、出力変成器１６の先端に接続された加熱コイル１８と、出力変成器１６を保持し、姿勢制御しつつ所定の経路に沿って移動させるロボット装置２０とを備えている。誘導電流供給ケーブル１４、出力変成器１６、及び加熱コイル１８は、冷却水循環ユニット２２から継手１５を介して供給される冷却水により水冷されている。誘導加熱装置本体１２及びロボット装置２０は周知のものであるので、詳細な説明を省略する。この表面改質装置は、雰囲気を不活性に制御できる空間内に配置される。
この表面改質装置は、被処理物体の表面に向けてＡｒ等の不活性ガスを吹き付ける冷却ガス噴射装置２４と、被処理物体の表面温度を遠隔的に測定する放射温度計２６とを備えている。冷却ガス噴射装置２４は、調整弁２８を有する不活性ガス源（ガスボンベ）３０と、これにガス供給管３２を介して接続されたシャワーヘッド３４とを有している。シャワーヘッド３４は、例えば、下面に複数の噴射口が形成された筒体状に構成され、噴射口を加熱コイル１８の下側に向けるようにして、出力変成器１６のケースに取付部材３６を介して取り付けられている。放射温度計２６も同様に出力変成器１６のケースに取り付けられ、そのプローブ３８の先端は加熱コイル１８の下側の被処理物体に向けられている。
以下、この実施の形態の表面改質装置を用いて被処理物体である回転部材の表面改質を行う方法を説明する。ここでは、図１に示すようなポンプの羽根車４０の側板４２の表面を硬化処理する方法を例示する。
このポンプは、例えばスラリーのような固形物を含む流体を取り扱うもので、その羽根車４０には所定の耐摩耗性が要求される。そこで、羽根車４０の母材（例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼）の表面に、自溶性合金材料を各種溶射方式により溶射して皮膜を形成する。溶射方法としては、アーク溶射やプラズマ溶射のような電気式溶射法、またはフレーム溶射のようなガス式溶射法が適宜に用いられる。
自溶性合金は、所定の組成の合金に対して、Ｂ，Ｓｉのようなフラックス成分を添加して、融点を低下させた合金であり、用途に応じて種々の組成のものが採用される。この実施の形態では、耐摩耗性を向上させるために、微細な炭化物粒子を含有する自溶性合金材料或いは溶融固化の際に炭化物を析出させるような成分を有する自溶性合金材料を採用している。
溶射のままでは、皮膜自体が多孔質であることと、皮膜と基材とが機械的な投錨（アンカー）効果のみで密着しているに過ぎないため、衝撃が加わると容易に皮膜剥離に至る可能性がある。そこで、溶射皮膜を再度溶融させ、溶射皮膜自体を緻密化するとともに基材との密着力を向上させる。この再溶融処理は、図１に示す表面改質装置を用いて、以下のように行う。
まず、被処理物である羽根車４０を位置決めした後、誘導加熱装置をオフとしたままで、ロボット装置２０に加熱コイル１８の移動の経路を記憶させるティーチングを行う。これは、例えば人間が、ロボット装置２０に保持された加熱コイル１８をガイドしながら被処理面に沿って移動させて行う。加熱コイル１８と被処理面の間の間隔を一定とするために、加熱コイル１８に適当な治具を取り付けて行うとよい。加熱コイル１８と被処理面との間隔は２〜４［ｍｍ］とするのが好ましい。
次に、必要に応じて被処理物を予熱し、冷却水循環ユニット２２を作動させ、誘導加熱装置より加熱コイル１８に所定の周波数及び電力量の電流を流し、ロボット装置２０により、加熱コイル１８をティーチングされた経路に沿って移動させる。この際に、特に被処理物の表面が傾斜している箇所の皮膜を再溶融させる場合には、不活性ガス源３０から不活性ガスをシャワーヘッド３４に供給して噴射口より噴射させ、溶射皮膜の表層近傍の温度をその非流動温度に維持する。表層近傍の温度の制御は、図示する実施の形態のように、放射温度計２６により測温しながら、誘導加熱の電力や加熱コイル１８の移動速度を制御することにより、より正確に行うことができる。
このように、表面の温度をその非流動温度に維持することにより、皮膜の少なくとも表面部分は再溶融しないので、皮膜が斜面を流れて皮膜厚さが不均一になるような事態を回避することができる。したがって、耐摩耗性皮膜を必要な部分に充分に形成することができ、また、充分な寸法精度を維持することができるので、機械加工の手間を省けるとともに、最終的に性能の高いポンプを提供することができる。
なお、表面以外の部分では、皮膜が充分に再溶融して、母材との融合、及び皮膜の緻密化を行うことが望ましい。但し、目的とする耐摩耗性、高密着性を実現するため、溶射方法と溶射材料の組合せごとに条件出しを実施し、非流動温度を設定する必要がある。これにより、例えば、溶射皮膜と基材間に、相互の金属が拡散し合って形成される拡散層が厚み５μｍ以上生成され、溶射層と母材間の密着力が向上し、皮膜剥離が発生しなくなる。
また、好適な周波数で高周波誘導加熱することにより、表皮効果によって溶射皮膜と基材との界面およびその近傍を集中的に加熱することができ、加熱効率が良く、また基材芯部への熱影響も軽減することができる。その値としては、式（１）で表される浸透深さδが２［ｍｍ］以下となる周波数で高周波誘導加熱するのが好ましい。
浸透深さδ［ｍｍ］＝５．０３×１０^４×（ρ・μ^−１・ｆ^−１）^１／２・・・（１）
（ρ：比電気抵抗［Ω・ｃｍ］，μ：比透磁率，ｆ：周波数［Ｈｚ］）
浸透深さδが２［ｍｍ］以下となる周波数は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼では５０［ｋＨｚ］以上、マルテンサイト系ステンレス鋼では０．０５［ｋＨｚ］以上、フェライト系ステンレス鋼では０．０２［ｋＨｚ］以上、析出硬化系ステンレス鋼では０．５［ｋＨｚ］以上である。
図２は、この発明の第２の実施の形態の表面改質装置を示すもので、誘導電流供給ケーブル１４、出力変成器１６、及び加熱コイル１８を含む誘導加熱装置と、ガス供給管３２、シャワーヘッド３４を含む冷却ガス噴射装置２４が、ロボット２０ではなく、バランスアーム５０に取り付けられて、人手により容易に操作することができるようになっている。このバランスアーム５０は、長尺状の枠体であり、誘導電流供給ケーブル１４を保持するとともに、先端側に出力変成器１６、加熱コイル１８、及びシャワーヘッド３４が取り付けられ、後端側にバランス用重り５２が取り付けられている。バランスアーム５０は、その中央部の軸支部５４において上部より垂下する支持部材５６の下端に傾動自在に取り付けられている。
支持部材５６は、ワイヤやチェーン等の長尺部材で、その上端は天井に設置されたレール５８に沿ってスライド可能になっている。支持部材５６には、その中間部分にスプリングバランサ６０が設けられている。これは、例えば支持部材５６を巻き掛けるリールと、このリールを回転方向に付勢してスプリングを有しており、支持部材５６を所定の力で巻き取るように構成されている。従って、支持部材５６は、必要に応じて適宜の長さに調整が可能になっている。冷却ガス噴射装置２４や放射温度計２６の構成は先の実施の形態と同じである。
図３は、この実施の形態の表面改質装置を羽根車４０の表面処理に使用する方法を示している。操作者は、バランスアーム５０を手に持ち、まず、支持部材５６の上端をレール５８に沿ってスライドさせて、羽根車４０の上方の適当な位置に移動させる。次に、スプリングバランサ６０を操作して支持部材５６の高さ位置を調整し、バランスアーム５０を傾動させて加熱コイルの位置や角度を処理部分に合わせて調整し、先の場合と同様に、不活性ガスをシャワーへッド３４より噴射させながら、加熱コイル１８に誘導加熱の電力や表面の皮膜を再溶融させる。この方法では、高価なロボット２０を使用せずに、作業を行うことができる。

以下、この発明の方法を実験的に実施した実施例について説明する。
母材の素材：マルテンサイト系ステンレス鋼（１３Ｃｒ−４Ｎｉ）
母材寸法：２００×２００×ｔ３０（実施例０６と比較例０５は２００×２００×ｔ２０）
溶射材料： Ｎｉ基自溶性合金、炭化物含有Ｎｉ基自溶性合金、Ｃｏ基自溶性合金、およびＷ_２Ｃ粉砕粉含有ワイヤ（３種）の６種を用いた。
溶射方法：フレーム溶射、アーク溶射、及びプラズマ溶射の３種を用いた。
溶射皮膜厚さ：０．１５〜１．０１１ｍｍ
加熱条件
コイル／母材間距離：１．５〜４ｍｍ
誘導加熱出力：１３ｋＷ，２０ｋＷ
誘導加熱周波数：１９ｋＨｚ，８０ｋＨｚ
浸透深さδ：０．０５ｍｍ，０．１ｍｍ
それぞれ、放射温度計にて測温をしながら誘導加熱し、実施例では非流動温度に維持し、比較例では表層も再溶融させた。
表１に、実施条件をまとめて示す。

それぞれ、実施例と比較例について、硬度を測定した。また、いくつかの実施例と比較例について耐スラリー試験を行った。試験条件は、ケイ砂９号を濃度１％で含むスラリーを、角度９０ｄｅｇ、流速４０ｍ／ｓでサンプルに衝突させて、摩耗速度を算出した。表２に、結果をまとめて示す。

これらの結果から、実施例は比較例と遜色の無い性能を示すことが分かる。したがって、この発明の方法により、複雑な形状の被処理物に対しても、均一な厚さの耐摩耗性皮膜を、作業性良く形成することができたことが理解される。
これまで本発明の好ましい実施形態について図示および説明したが、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変更および改変が可能であることは容易に理解できよう。

本発明は、回転部材の局部的な耐摩耗表面改質を行うための表面改質方法に利用可能である。

Claims (8)

1. 母材の表面に耐摩耗性皮膜を形成する表面改質方法であって、
   前記母材の表面に溶射皮膜を形成する工程と、
   該溶射皮膜の表層近傍を非流動状態に保ちながら該溶射皮膜を高周波誘導加熱することにより、前記表層近傍より下層側を再溶融させて該溶射皮膜を前記母材に密着させる工程と、
   を有する、表面改質方法。
2. 前記再溶融工程において、前記表層近傍を、前記溶射皮膜の素材の液相線温度以下の非流動温度に維持する、請求項１に記載の表面改質方法。
3. 前記再溶融工程において、前記溶射皮膜の表面に不活性ガスを吹き付けて強制的に冷却することによって前記溶射皮膜の表層近傍を非流動温度以下に保持する、請求項２に記載の表面改質方法。
4. 前記再溶融工程において、前記溶射皮膜の表面温度を測定しながら該溶射皮膜を高周波誘導加熱する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の表面改質方法。
5. 前記高周波誘導加熱の際に、ρ：比電気抵抗［Ω・ｃｍ］，μ：比透磁率，ｆ：周波数［Ｈｚ］として、δ［ｍｍ］＝５．０３×１０^４×（ρ・μ^−１・ｆ^−１）^１／２で表される電流浸透深さδ［ｍｍ］が２［ｍｍ］以下となる範囲の周波数で高周波誘導加熱する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の表面改質方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の表面改質方法によって耐摩性皮膜を形成した、回転部材。
7. 請求項６に記載の回転部材を有する、流体機械。
8. 母材の表面に耐摩耗性皮膜を形成する表面改質装置であって、
   表面に溶射皮膜を形成した前記母材の該溶射皮膜を高周波誘導加熱する誘導加熱装置と、
   前記高周波誘導加熱の際に、前記溶射皮膜の表層近傍を冷却して、該表層近傍を非流動状態に保つ表面非流動化手段と、
   を有する、表面改質装置。

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