説明

肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器

【課題】肉盛溶接時の予熱温度を低くすることができ、好適な硬度となる肉盛溶接体、およびこの肉盛溶接体を利用した海水用機器を提供することを課題とする。
【解決手段】肉盛金属3aに、当該肉盛金属3aと略等しい比重で粒径が10μm以下の炭化金属粒子3bが均一に分散して含有される肉盛材料3を、レーザクラッド溶接で母材1に肉盛り溶接して形成される肉盛溶接体2とする。そして、母材1に肉盛り溶接された肉盛金属3aに炭化金属粒子3bが均一に分散して含有され、ビッカース硬度が600以上であることを特徴とする。また、この肉盛溶接体2が肉盛り溶接された母材1で形成される構成部品を使用する海水ポンプとする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋼材の表面に肉盛り溶接された肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器に関する。
【背景技術】
【0002】
中東地域など海水温度の高い地域で使用される海水用機器には、塩分濃度が高濃度(10〜20%程度)で高温(80℃程度)の海水環境中で使用されるものがある。
例えば海水ポンプ(インジェクションポンプ)は、海水に含まれる土砂を海水とともに内部に吸い込むため、海水ポンプの本体を構成する鋼材は、塩分による腐食に対する耐性(耐腐食性)に加えて、海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐性(耐磨耗性)が要求される。そして、鋼材を保護するとともにこれらの耐性を得るために、鋼材の表面に肉盛溶接体(肉盛体)を肉盛り溶接することが広く実施されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第2566615号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前記したように海水ポンプには、海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐磨耗性が要求されるため、海水ポンプを構成する鋼材に肉盛り溶接される肉盛溶接体には、従来実績からビッカース硬度(以下、Hv)600以上が要求される。
一方で、硬度の高い肉盛溶接体を鋼材に肉盛り溶接する場合、鋼材に対して高温の予熱が必要になる。例えば、海水ポンプを構成する鋼材に二相ステンレス鋼などのステンレス鋼が用いられることがあるが、この場合、Hv600程度の肉盛溶接体を肉盛り溶接する肉盛溶接時の予熱でステンレス鋼が脆化して脆くなるという課題がある。
【0005】
鋼材に肉盛材料を肉盛り溶接する方法として、「溶射法」や「プラズマ粉体肉盛法(PTA法)」などが知られている。
溶射法は、Hv1000程度の高硬度皮膜を容易に形成できるが、鋼材と皮膜(肉盛体)の結合が機械的結合であるため結合力が弱く、鋼材と皮膜の剥離が発生する可能性がある。また、皮膜内に微小の気孔が多数形成されるため、厳しい腐食環境下での使用が懸念されるという課題がある。
【0006】
PTA法は、鋼材と皮膜(肉盛体)の結合が冶金的結合であるため結合力が強く、鋼材と皮膜に剥離は発生しない。しかしながら高硬度の皮膜を形成するためには高温の予熱が必要となり、鋼材の性質によっては脆化が発生する。したがって、鋼材によっては適用できないという課題がある。
【0007】
特許文献1には、Ni−Cr系合金にNbC(ニオブカーバイト)が分散含有される肉盛材料をPTA法で鋼材に肉盛り溶接する技術が開示されているが、第3図に示されるように、NbCの含有比率が90%のときにHv500程度であってHv600を実現するには至っていない。
また、特許文献1ではPTA法によって肉盛り溶接しているが、鋼材が溶け出すほどの高温で予熱して肉盛り溶接するため肉盛施工後の肉盛材料に溶け出したFeが含有され、好適な強度を得られない。そのため多層肉盛り溶接して鋼材から離れた肉盛部材のFe含有量を低減させることで好適な強度としている。
【0008】
このように特許文献1に開示される技術は、海水ポンプに必要な硬度(Hv600)を実現できない点、PTA法による肉盛のため肉盛溶接時の予熱が高温になる点、が、例えば高温の海水を扱う海水ポンプにおいては課題となる。
【0009】
そこで本発明は、肉盛溶接時の予熱温度を低くすることができ、好適な硬度となる肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記課題を解決するため、本発明は、肉盛金属に、当該肉盛金属と略等しい比重で粒径が10μm以下の炭化金属粒子が均一に分布して含有される肉盛材料が、レーザクラッド溶接で母材に肉盛り溶接され、ビッカース硬度が600以上である肉盛溶接体とする。
また、この肉盛溶接体が肉盛り溶接された鋼材で形成される構成部品を使用した海水用機器とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によると、肉盛溶接時の予熱温度を低くすることができ、好適な硬度となる肉盛溶接体、および肉盛溶接体を利用した海水用機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】(a)は母材に肉盛溶接体が肉盛り溶接された状態を示す金属顕微鏡写真、(b)は肉盛材料を示す図である。
【図2】(a)、(b)は肉盛溶接体に物体が衝突する状態を模式的に示す図である。
【図3】肉盛溶接体の電子顕微鏡写真である。
【図4】(a)は試験装置で肉盛溶接体の磨耗試験をする状態を示す模式図、(b)は肉盛溶接体と母材の磨耗速度とビッカース硬度を示すグラフである。
【図5】海水ポンプの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
図1の(a)に示すように、本実施形態に係る肉盛溶接体2(肉盛体)は、図1の(b)に示す肉盛材料3が母材1(鋼材)に1mm程度の厚みで、レーザクラッド溶接法で肉盛り溶接されて形成される。
本実施形態において肉盛溶接体2が肉盛り溶接される母材1は、例えば、図5に示す海水ポンプ200の構成部品を形成する鋼材であり、その素材は、例えば、二相ステンレス鋼などのステンレス鋼である。
【0014】
図1の(b)に示すように、本実施形態に係る肉盛材料3は、粒度20〜60μmの粉粒体であることが好ましく、その粒子の1粒は、基材となる肉盛金属3a(本実施形態では、Ni−Cr合金)内に炭化金属粒子3b(本実施形態では、NbC粒子)が均一に分散含有されていることが好ましい。
また、肉盛溶接体2でNi−Cr合金(肉盛金属3a)に分散含有されるNbC粒子(炭化金属粒子3b)の大きさ(粒径)が小さいことが好ましい。
例えば、肉盛材料3の時点でNbC粒子の粒径が10μm以下であることが好ましい。
【0015】
肉盛金属3aであるNi−Cr合金はNbCと比重がほぼ等しく、Ni−Cr合金の粉末とNbCの粉末を適宜混合することによって、NbCの粉末をNi−Cr合金の粉末内に均一に分散させることができる。そして、Ni−Cr合金の粉末にNbCの粉末が均一に混合された状態のものを焼結させる造粒焼結法等によって、Ni−Cr合金に均一にNbC粒子が分散して含有される粉粒体からなる肉盛材料3を形成できる。
【0016】
このように形成される、粉粒体の肉盛材料3をレーザクラッド溶接で母材1(図1の(a)参照)に肉盛り溶接すると、Ni−Cr合金にNbC粒子が均一に分散して含有される肉盛溶接体2(図1の(a)参照)となる。
Ni−Cr合金はHv200程度であるがNbC粒子はHv2000程度と硬度が高く、硬度の低いNi−Cr合金に硬度の高いNbC粒子が均一に分散含有されることによって、好適な硬度の肉盛溶接体2とすることができる。
例えば、Ni−Cr合金に対するNbC粒子の含有比率(重量比率)を適宜設定することによって、Hv600の肉盛溶接体2とすることができる。この含有比率は実験等によって容易に設定できる。以下、NbC粒子の含有比率は重量比率とする。
【0017】
また、Ni−Cr合金はNbC粒子に比べて柔軟な素材であり、NbC粒子がNi−Cr合金を介して結合される状態の肉盛溶接体2(図1の(a)参照)は柔軟に形成される。この柔軟性によって肉盛溶接体2における割れの発生が抑制される。
【0018】
例えば、肉盛溶接体2におけるNbC粒子が小さいほどNbC粒子の分散度は大きくなる。このことは、NbC粒子が小さいほど硬度の高いNbC粒子が肉盛溶接体2内で広く均一に分散され、肉盛溶接体2の硬度が均一になることを示す。
【0019】
Ni−Cr合金とNbCは比重がほぼ等しいため、例えば、NbC粒子の含有比率が重量比率で50%の場合、肉盛溶接体2におけるNbC粒子の体積比率も約50%となる。
市販される粉末状のNbCは粒度が100μm程度であり、このNbCの粉末が50%の含有比率で均一に分散して含有される肉盛溶接体2は、模式的に粒径が100μmのNbC粒子(炭化金属粒子3b)がL1の間隔でNi−Cr合金(肉盛金属3a)中に分散配置される構造となる(図2の(a)参照)。
これに対し、例えばNbC粒子の粒径が計50μm程度で含有比率が50%の場合、肉盛溶接体2は、模式的に粒径が50μmのNbC粒子(炭化金属粒子3b)がL1より小さいL2の間隔でNi−Cr合金(肉盛金属3a)中に分散配置される構造となる(図2の(b)参照)。
【0020】
肉盛溶接体2に土砂などの物体4が接触したとき、肉盛溶接体2で損傷するのは主に硬度の低いNi−Cr合金であるため、NbC粒子の間隔(L1)が広い肉盛溶接体2(図2の(a)参照)は、NbC粒子の間隔(L2)が狭い肉盛溶接体2(図2の(b)参照)よりも損傷が大きくなる。つまり、硬度が低くなる。
換言すると、Ni−Cr合金にNbC粒子が均一に分散含有される肉盛溶接体2では、NbC粒子の粒径を小さくして分散度を大きくしたほうが平均硬度が高くなる。
【0021】
また、肉盛溶接体2におけるNbC粒子の含有比率が高くなるほど肉盛溶接体2の硬度は高くなるが、肉盛溶接体2におけるNi−Cr合金の含有量が少なくなる。つまり、柔軟なNi−Cr合金の含有量が少なくなって肉盛溶接体2の柔軟性が低くなる。そして、割れの発生しやすい肉盛溶接体2となる。
【0022】
したがって、肉盛溶接体2におけるNbC粒子の粒径および含有比率を適宜設定することにより、割れが発生しにくく、かつ、硬度がHv600以上の肉盛溶接体2とすることができる。
【0023】
本実施形態においては、実験計測等によってNbC粒子の粒径とNbC粒子の含有比率を決定した。そして肉盛材料3におけるNbC粒子の粒径を10μm以下、NbC粒子の含有比率を重量比率で50%以上とすることで、母材1に肉盛した肉盛溶接体2の硬度がHv600以上になることが確認できた。
このように肉盛材料3におけるNbC粒子の粒径を10μm以下にすることによって、レーザクラッド溶接法による肉盛溶接時にNbC粒子が溶融してNbC粒子同士が結合しても、肉盛溶接体2におけるNbC粒子の粒径が90μm以下に抑えられ、好適な硬度の肉盛溶接体2になることが確認できた。
【0024】
なお、肉盛材料3に含まれるNbC粒子は、肉盛材料3の製造過程において粒径が1μm程度まで細かくなるが、本実施形態においては、レーザクラッド溶接法で結合するNbC粒子の粒径を90μm以下に抑えるために、肉盛材料3に含まれるNbC粒子の粒径の上限を10μmとする。したがって、本実施形態において、肉盛材料3に含まれるNbC粒子の粒径は1μm以上10μm以下となる。
【0025】
そして、本実施形態においては、粒径が10μm以下のNbC粒子が、Ni−Cr合金に50%の含有比率で均一に分散含有する粉粒体の肉盛材料3(図1の(b)参照)を、レーザクラッド溶接法によって母材1に肉盛り溶接して肉盛溶接体2を形成した。さらに、肉盛材料3の粉粒体の粒度を20〜60μmとした。
【0026】
PTA法では肉盛材料3の粒度が60〜200μm程度必要であり、肉盛材料3の粒度が20〜60μmの場合、PTA法では肉盛材料3が溶接装置に付着してしまい、肉盛り溶接することは困難である。
【0027】
そこで、本実施形態では、粒度が20〜60μmの粉粒体である肉盛材料3(図1の(b)参照)をレーザクラッド溶接法によって母材1(図1の(a)参照)に肉盛り溶接した。
レーザクラッド溶接法は100℃程度の予熱で肉盛り溶接することができ、母材1が二相ステンレス鋼などのステンレス鋼であっても脆化を抑制できる。またレーザクラッド溶接法は、粉粒体である肉盛材料3の粒度を限定することなく肉盛り溶接できるため、粒度が20〜60μmの肉盛材料3であっても肉盛り溶接できる。
さらに、レーザクラッド溶接法で肉盛り溶接された肉盛溶接体2(図1の(a)参照)は母材1と冶金的結合するため結合が強力で、肉盛溶接体2が母材1から剥離することがない。
【0028】
そして、レーザクラッド溶接法で成形された肉盛溶接体2は、図3に示すように、NbC粒子(炭化金属粒子3b)がNi−Cr合金(肉盛金属3a)に均一に分散して含有されることが確認された。
【0029】
このように形成された肉盛溶接体2(図1の(a)参照)のビッカース硬度と、図4の(a)に示す試験装置100による磨耗速度の測定結果を図4の(b)に示す。
【0030】
図4の(a)に模式図を示す試験装置100は、ASTM(American Society for Testing and Materials)規格G65に準拠する磨耗試験を行うための試験装置である。
試験装置100は、所定の回転速度で回転するラバーホイール101と、試験片102に肉盛り溶接された肉盛溶接体2と、の接触面に土砂103を供給し、試験片102(肉盛溶接体2)を所定の荷重でラバーホイール101に押し付けたときに、肉盛溶接体2が磨耗する速度(磨耗速度)を測定する。
【0031】
図4の(b)はNbC粒子の含有比率が異なる3種類の肉盛溶接体2(試験体A:白丸、試験体B:白四角、試験体C:白三角)のビッカース硬度と、磨耗速度の計測結果を示し、さらに、比較例として母材(黒丸)のビッカース硬度と、磨耗速度の計測結果を示したものである。試験体A〜Cは下記のようにNbC粒子の含有比率が異なっている。また、母材は二相ステンレス鋼である。
・試験体A(白丸):NbC粒子の含有比率が30%
・試験体B(白四角):NbC粒子の含有比率が50%
・試験体C(白三角):NbC粒子の含有比率が70%
・母材(黒丸):二相ステンレス鋼
【0032】
図4の(b)に示すように、NbC粒子の含有比率が30%の試験体A(白丸)は、硬度が約Hv450であり、磨耗速度が約150mm/hである。つまり、NbC粒子の含有比率が30%の場合、硬度が目標値(Hv600)に不足し、磨耗しやすいことがわかる。
また、NbC粒子の含有比率が50%の試験体B(白四角)は、硬度が約Hv580であり、磨耗速度が約40mm/hである。つまり、NbC粒子の含有比率が50%の場合、硬度が目標値(Hv600)に略等しく、試験体Aに比べて磨耗しにくくなっていることがわかる。
また、NbC粒子の含有比率が70%の試験体C(白三角)は、硬度が約Hv700であり、磨耗速度が約50mm/hである。つまり、NbC粒子の含有比率が70%の場合、硬度が目標値(Hv600)より大きく、磨耗速度は試験体Bとほぼ等しくなっていることがわかる。
【0033】
因みに、母材(黒丸)は硬度が約Hv230であり、磨耗速度が約760mm/hであって磨耗しやすいことがわかる。したがって、NbC粒子の含有比率が50〜70%の肉盛溶接体2(図1の(a)参照)を肉盛り溶接することで硬度がHv600以上に高まって、磨耗しにくくすることができる。
【0034】
なお、NbC粒子の含有比率が50%の試験体Bはビッカース硬度(計測値)が目標値であるHv600を下回っているがこれは誤差範囲と考え、本実施形態において、NbC粒子の含有比率が50%の試験体Bは、Hv600以上を達成できているとする。
また、NbC粒子の含有比率が70%以上になると、前記したように柔軟なNi−Cr合金の含有量が少なくなって肉盛溶接体2(図1の(a)参照)が脆くなり、割れが発生しやすくなるため、NbC粒子の含有比率は70%以下が好適であるとした。
【0035】
このように、本実施形態に係る肉盛溶接体2(図1の(a)参照)は、Ni−Cr合金(肉盛金属3a(図1の(b)参照))に、NbC粒子(炭化金属粒子3b(図1の(b)参照))が均一に分散するように含有され、さらに、NbC粒子の含有比率(重量比率)を50%以上(より好ましくは、50〜70%)とした。
さらに、Ni−Cr合金に、粒径が10μm以下のNbC粒子が均一に分散含有される粉粒体の肉盛材料3(図1の(b)参照)をレーザクラッド溶接法によって母材1(図1の(a)参照)に肉盛り溶接して肉盛溶接体2を形成した。
【0036】
この構成によって、Hv600以上の肉盛溶接体2(図1の(a)参照)で母材1(図1の(a)参照)を保護することができ、耐摩耗性に優れた母材1とすることができる。また、レーザクラッド溶接法で肉盛り溶接することによって、予熱温度を低くすること(100℃程度)ができ、母材1の脆化を抑制できる。
また、Ni−Cr合金およびNbCはともに海水による腐食に対して耐性があり、肉盛溶接体2が肉盛り溶接された母材1も海水による腐食に対して耐性を有する。したがって、肉盛溶接体2が肉盛り溶接された母材1は、海水による腐食や海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐性(耐腐食性、耐磨耗性)を備える。
【0037】
このような肉盛溶接体2(図1の(a)参照)が肉盛り溶接される母材1(図1の(a)参照)は、海水による腐食や海水に含まれる土砂による磨耗に対する耐性を備えることから、海水用機器の構成部品を成形する鋼材(例えば、二相ステンレス鋼)として利用すると効果的である。
海水用機器には海水ポンプや海水ろ過装置などがあるが、特に海水ポンプには、インペラなど、海水に含まれる土砂等と激しく接触する構成部品が多いことから、前記したように、海水ポンプの構成部品を成形する鋼材には、従来の実績値としてHv600以上の硬度が要求される。そこで、肉盛溶接体2(図1の(a)参照)が肉盛り溶接される母材1(図1の(a)参照)を、海水ポンプを構成する構成部品を成形する鋼材として利用すると効果的である。
海水ポンプ200の構造は限定するものではないが、例えば、図5に要部を示すような遠心ポンプがある。
【0038】
海水ポンプ200(遠心ポンプ)は、ケーシング201の内部に、駆動軸205に、ハブ204を介して取り付けられて回転駆動するインペラ202が備わり、図示しない取水口から取り込まれた海水は、回転するインペラ202から吐出された後に複数の案内羽根203によって整流されるように構成される。
案内羽根203は、インペラ202から吐出される海水の流路の中心側を形成するリターンステージ206と、ケーシング201の内壁と、の間に形成され、リターンステージ206は駆動軸205の軸受部材としても機能する。
【0039】
このような海水ポンプ200は、取水口(図示せず)から取り込まれた海水に含まれる土砂等がインペラ202に接触する場合がある。また、ケーシング201の内壁や案内羽根203には、インペラ202から吐出する海水に含まれる土砂等が接触する場合がある。
したがって、インペラ202、ケーシング201、案内羽根203、ハブ204、リターンステージ206などの構成部品は土砂によって磨耗しやすい部位となる。そこで、インペラ202、ケーシング201、案内羽根203、ハブ204、リターンステージ206等の構成部品を成形するステンレス鋼(二相ステンレス鋼等)を母材として、前記した肉盛溶接体2(図1の(a)参照)を肉盛り溶接し、土砂に対する耐性(耐磨耗性)を向上することが効果的である。
【0040】
また、ハブ204と駆動軸205の摺動部を母材として、前記した肉盛溶接体2(図1の(a)参照)を肉盛り溶接し、摺動による磨耗に対する耐摩耗性を向上することも有効である。もちろん、前記した以外の構成部品を成形するステンレス鋼に肉盛溶接体2を肉盛り溶接してもよいことはいうまでもない。
【0041】
また、海水ポンプ200とは別の海水用機器に、肉盛溶接体2(図1の(a)参照)を肉盛り溶接した鋼材を利用してもよいし、海水用機器に限定されず、肉盛溶接体2を肉盛り溶接した鋼材を淡水用機器に利用してもよい。
その他、耐腐食性、耐摩耗性が要求される機器に、本実施形態に係る肉盛溶接体2は広く適用できる。
【符号の説明】
【0042】
1 母材
2 肉盛溶接体
3 肉盛材料
3a 肉盛金属
3b 炭化金属粒子
200 海水ポンプ(海水用機器)
201 ケーシング(構成部品)
202 インペラ(構成部品)
203 案内羽根(構成部品)
204 ハブ(構成部品)
206 リターンステージ(構成部品)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
肉盛金属に、当該肉盛金属と略等しい比重で粒径が10μm以下の炭化金属粒子が均一に分布して含有される肉盛材料が、レーザクラッド溶接で母材に肉盛り溶接され、ビッカース硬度が600以上であることを特徴とする肉盛溶接体。
【請求項2】
前記炭化金属粒子の含有比率が、重量比率で50%以上であることを特徴とする請求項1に記載の肉盛溶接体。
【請求項3】
前記炭化金属粒子の含有比率が、重量比率で70%以下であることを特徴とする請求項2に記載の肉盛溶接体。
【請求項4】
前記肉盛金属がNi−Cr合金で、前記炭化金属粒子がNbC粒子であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の肉盛溶接体。
【請求項5】
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の肉盛溶接体が肉盛り溶接された前記母材で成形される構成部品が使用されていることを特徴とする海水用機器。
【請求項6】
前記母材がステンレス鋼であることを特徴とする請求項5に記載の海水用機器。
【請求項7】
前記ステンレス鋼が二相ステンレス鋼であることを特徴とする請求項6に記載の海水用機器。

【図2】
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【図4】
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【図5】
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【図1】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−86120(P2013−86120A)
【公開日】平成25年5月13日(2013.5.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−228116(P2011−228116)
【出願日】平成23年10月17日(2011.10.17)
【出願人】(000005452)株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Fターム(参考)】