专利名称：被覆膜的材料选择方法及被覆膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及耐腐蚀被覆膜及其材料的选择方法，详细地说涉及具有耐料浆腐蚀性及耐气蚀浸蚀(cavitation erosion)性两者的耐腐蚀被覆膜材料的选择方法，以及通过该选择方法选择的被覆膜，另外还涉及采用该被覆膜被覆的叶轮及具有该叶轮的流体机械。
背景技术：
处理含粒状土砂的水等液体的泵、水轮机等流体机械，对于在流体内工作的转子即叶轮等旋转构件或形成流体流路的构成构件来说，为了防止接触流体的表面摩损，必须采用耐料浆腐蚀性优良的材料。然而，这种耐料浆腐蚀性优良的材料不仅昂贵，而且在单独使用时，存在机械强度差的问题，通常从性能、成本、维修等方面考虑，在构成构件的基材表面，把硬质的喷镀被覆膜熔敷至所希望的厚度，保护该基材免于摩损。然而，作为这种硬质的喷镀被覆膜的材料，此前，多数采用陶瓷和金属的复合材料即金属陶瓷材料。
另一方面，在水中旋转的流体机械的旋转构件，例如叶轮，通过旋转产生的空蚀也必须加以考虑，对被覆该旋转构件表面的被覆膜，要求是具有耐气蚀浸蚀的材料。
因此，以往在选择用于此目的的硬质被覆膜材料时，难以对耐料浆腐蚀性及耐气蚀浸蚀性按照明确的选择标准进行选择，而是根据以往的经验选择材料。
由于一般是材料越硬，耐料浆腐蚀性越好，所以在此之前，通过含有尽量多的陶瓷硬粒，在提高硬度的方向开发材料。然而，当陶瓷硬粒的含量多时，由于作为粘合剂用的金属部分含量变少，施工性变差，易发生破裂等。还有，硬质被覆膜因材料种类的不同，陶瓷硬粒分布不匀，往往难以正确地测定硬度。
另外，关于对耐料浆腐蚀性产生影响的材料的影响因子以及对耐气蚀浸蚀性产生影响的材料的影响因子，其相互的关系既不明确，也未找到材料选择试验以外的方法。
发明内容
本发明的目的是探明对耐料浆腐蚀性产生影响的材料的影响因子以及对耐气蚀浸蚀性产生影响的材料的影响因子，提供耐腐蚀性被覆膜的合理的材料选择方法。
本发明的又一目的是提供一种采用被覆膜表面的陶瓷粒子面积比或维氏硬度对耐料浆腐蚀性，采用被覆膜表面的每单位面积的空孔总周长或空孔面积比对耐气蚀浸蚀性进行评价的被覆膜材料选择方法。
本发明的又一目的是提供一种采用通过上述选择方法选择的材料构成的喷镀法用被覆膜。
本发明的另一目的是提供一种采用上述被覆膜被覆的叶轮及具有这种叶轮的液体机械。
根据本发明，提供一种被覆膜材料的选择方法，该法是采用喷镀法被覆基材表面的含陶瓷和金属的被覆膜材料的选择方法，其特征在于，对于仅对耐料浆腐蚀性产生影响的材料因子，和仅对耐气蚀浸蚀性产生影响的材料因子分别进行独立评价而加以选择。
在上述说明的被覆膜材料的选择方法的一个实施方案中，可以对耐料浆腐蚀性采用被覆膜表面的陶瓷粒子面积比，对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长进行评价。另外，在上述说明的被覆膜材料的选择方法的另一实施方案中，可以对耐料浆腐蚀性采用被覆膜表面的维氏硬度，可以对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长进行评价。
在上述说明的被覆膜材料的选择方法的另一实施方案中，可以对耐料浆腐蚀性采用被覆膜表面的陶瓷粒子面积比，对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的空孔面积比进行评价。另外，在上述说明的被覆膜材料的选择方法另一实施方案中，对耐料浆腐蚀性采用维氏硬度，对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的空孔面积比进行评价。
根据本发明，提供一种被覆膜，该被覆膜是由含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种的陶瓷粒子和金属构成的被覆膜，其特征在于，被覆膜表面的陶瓷粒子面积比为25～50％，并且被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长在60000μm/mm2以下。
根据本发明，提供一种被覆膜，该被覆膜是由含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种陶瓷粒子和金属构成的被覆膜，其特征在于，被覆膜表面的维氏硬度在900kg/mm2以上，并且被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长在60000μm/mm2以下。
根据本发明，提供一种被覆膜，该被覆膜是由含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种的陶瓷粒子和金属构成的被覆膜，其特征在于，被覆膜表面的陶瓷粒子面积比为25～50％，并且被覆膜表面的空孔面积比在3％以下。
根据本发明，提供一种被覆膜，该被覆膜是由含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种陶瓷粒子和金属构成的被覆膜，其特征在于，被覆膜表面的维氏硬度在900kg/mm2以上，并且被覆膜表面的空孔面积比在3％以下。
根据本发明，提供一种叶轮，该叶轮具有插孔，和在该插孔周围，在圆周方向隔开安装的多块叶片，其特征在于，在该叶轮表面的至少一部分上通过喷镀法被覆上述被覆膜。
根据本发明，提供一种流体机械，该流体机械是包括具有插孔，和在该插孔周围，在圆周方向隔开安装的多块叶片的叶轮；和盛放可旋转的上述叶轮的室加以划定的箱体的流体机械，其特征在于，在该叶轮表面的至少一部分上通过喷镀法被覆上述被覆膜。
图1是料浆腐蚀性试验用试验片及试验片用基板的斜视图。
图2是本实施例使用的耐料浆腐蚀性评价的试验装置的概要构成图。
图3是试验结果图。
图4是试验结果图。
图5是空蚀试验用试验片及试验片用基板的斜视图。
图6是本实施例使用的耐气蚀浸蚀性评价的试验装置的概要构成图。
图7是图6所示装置的旋转体的一部分平面图。
图8是试验结果图。
图9是试验结果图。
图10是形成了本发明被覆膜的叶轮之一例的截面图。
图11是具有图10所示叶轮的泵的截面图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施方式加以说明。
首先，对耐料浆腐蚀性产生影响的影响因子的评价加以说明。把示于图1[A]的扇形(半径R＝180mm，厚度T＝6mm)平板状试验片用基板1制作多块。另外，(A)准备7种被覆膜材料，作为高速构架喷镀用材料，分别在基板1上喷镀该7种被覆膜材料，各自形成厚度t＝500μm、具有下表1的A1～A7的7种组成的被覆膜2a，制成试验片3a(图1[B])。另外，(B)准备10种被覆膜材料，作为构架喷镀用材料，分别在基板1上喷镀该10种被覆膜，分别形成厚度t＝500μm、具有下表1的B1～B10的10种组成的被覆膜2b，制成试验片3b(图1[B])。然后，加热处理该被覆膜，谋求被覆膜组织的致密化。另外，(C)准备5种被覆膜材料，作为电孤喷镀用材料，分别在基板1上喷镀该5种被覆膜材料，各自形成厚度t＝500μm、具有下表1的C1～C5的5种组成的被覆膜2c，制成试验片3c(图1[B])。还有，表中被覆膜即使组成相同，但炭化物平均粒径、喷镀条件等各异，生成全部特性不同的被覆膜。另外，表中的CrmCn表示Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6等铬的碳化物的混合物。
表1
把这样制成的形成了被覆膜的多块试验片(该试验例中为22块)，分别安装在图2示出概要图的试验装置10上进行试验。在该图中，11表示划定室腔12的试验槽；13表示在试验槽11内可旋转地加以支承的，一个表面(图2的左面)安装的能装卸的试验片3a、3b、3c的旋转体；14表示使旋转体13旋转的电动马达；15及16表示安装在试验槽11上的压力计及温度计；17表示料浆槽；18表示把料浆槽17中的料浆，借助导管19送至室腔12内的料浆泵；20表示借助导管21把水供给导管19内的泵。另外，23a～23e表示连接导管的开闭阀；24表示连接导管25的开闭阀；26表示伸至料浆槽17内，用水冷却料浆槽的热交换管。上述试验槽及/或旋转板的试验片安装面，在旋转圆盘13旋转时，以所希望的角度使料浆对着试验片表面。
在上述构成的试验装置中，在旋转圆盘14的一个面上(图2中的左面)安装试验片3a、3b、3c，将其以沉没在试验槽11内料浆中的状态，采用马达14加以旋转的方法来实施。试验槽内的压力调整至0.1MPa、温度调整至25～30℃。实验条件，当为实际的河流浊水时，调节旋转圆盘的旋转速度使料浆碰撞速度达到55m/s，料浆中的土砂浓度达到0.1重量％。在这种条件下对形成了硬质被覆膜的上述各试验片进行试验，求出损耗速度。该结果如用图表示，则于图3及图4所示。图3表示构成被覆膜的陶瓷硬粒子的面积比和损耗速度的关系，图4表示被覆膜的硬质被覆膜的硬度和损耗速度的关系。
在本实验中，作为硬质粒子的陶瓷粒子的面积比在5～50％的范围内进行实验。其理由是，当面积比大于50％时，被覆膜对基材的粘合力下降，被覆膜发生龟裂多，是实用上无意义的范围。
如图3所示，当对陶瓷硬质粒子面积比观察时，其值在25～50％的范围内，因料浆腐蚀引起的损伤速度变小，几乎达到一定值。因此，通过形成被覆膜使陶瓷硬质粒子面积比达到25％～50％的范围，可以提高泵构件的耐料浆腐蚀性。在30％～40％的范围形成被覆膜是更优选的。
另外，如图4所示，当观察构成被覆膜的硬质被覆膜表面的维氏硬度(测定荷重500g)时，如其值小于900kg/mm2，维氏硬度加大，损耗速度减少，当其值略大于900kg/mm2时，损耗速度达到近似一定。因此可知，陶瓷硬质粒子面积比和硬质被覆膜硬度分别仅对耐料浆腐蚀性产生影响。
其次，对耐气蚀浸蚀性的影响因子的评价加以说明。耐气蚀浸蚀性试验是按照《エロ一ジヨン·コロ一ジヨンと利用技术，发行者(株)IPC》记载的旋转圆板法进行。但是，圆板、试验片等尺寸不同。
关于空蚀性，把示于图5[A]的圆形(直径D＝25mm，厚度T＝6mm)的平板状试验片用基板1’制作多块，使用上述图1的试验片和同类被覆膜材料，进行同样的喷镀，制成图5[B]所示的具有同样被覆膜厚度的试验片3a’、3b’及3c’。然后，把这些试验片安装在图6及图7所示的试验装置10’上。在该图中，11’表示划定室腔12’的试验槽；13’表示在试验槽11’内可旋转地加以支承的，一个表面(图6的左面)安装的能装卸的试验片3a、3b、3c的旋转体；14’表示使旋转体13’旋转的电动马达；17’表示水槽；18’表示把水槽17’中的水，借助导管19’送至试验槽11’内的泵；20’表示从试验槽把水供给水槽17’的返回导管17’。在旋转体13’上，从旋转体旋转方向看，在比安装试验片的位置的上游侧，以所希望的大小(本实施方案中为15mm)形成圆形孔15’(非贯穿孔)。该孔15’在旋转体旋转时，在旋转体表面形成气蚀。
在旋转圆盘13’的一个面上安装上述试验片，在将其没入水中的状态下采用马达14’使其旋转，因旋转体的旋转所产生的气蚀，向着试验片侧流动来进行试验。试验槽内的水压为0.1MPa、水温调至15℃。
如用图表示通过上述试验得到的结果，则于图8及图9所示。图8表示每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长和损耗速度的关系，图9表示空孔面积比和损耗速度的关系。每单位面积的空孔面积比及总周长，把硬质被覆膜表面的放大的相片输入计算机，进行数字图像处理求出。还有，在把硬质被覆膜表面的放大的相片输入计算机前，沿平坦面研磨表面，容易理解空孔部分(凹部)，对硬质被覆膜表面的每单位面积，测定该凹部的面积及凹部的周围长度，求出空孔的面积。
如图8所示可知，随着硬质被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长增加，被覆膜的损耗速度增加。在本发明中，通过把被覆膜的损耗速度选择在0.5mm3/h以内，则总周长达到60000μm/mm2以下。另外，如图9所示可知，当硬质被覆膜表面的空孔面积比增加时，被覆膜的损耗速度与其相应增加。在本发明中，与空孔的总周长的情况相同，当损耗速度选择在0.5mm3/h以内时，空孔面积比达到3％以下。因此，每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长和空孔面积比，分别仅对耐气蚀浸蚀性产生影响。还有，当损耗速度的上限小于0.5mm3/h(例如，0.2mm3/h)时，则空孔面积比变小(例如，2％)。
根据本发明，用被覆膜谋求耐料浆腐蚀牲及耐气蚀浸蚀性的流体机械的构成构件之一例的泵的转子，即叶轮30如图10的截面图所示。
在图10中，叶轮30的结构是接受旋转轴的轴穴31形成的插孔32，和从该插孔32沿半径方向外侧放射变宽的圆板状主板33，和从主板33在轴向(图2中的上下方向)隔开的环状侧板34，和在主板33和侧板34之间，在圆周方向(轴穴的轴线○-○四周的圆周方向)等间隔隔开加以配置，沿所希望的曲面加以弯曲，侧板和主板形成整体的多块叶片35；由主板33、侧板34及叶片35划定液体流通的流路36。流路36的半径方向内侧的部分37成为入口部，而半径方向外侧的部分38成为出口部。另外，环状侧板34具有延伸至圆周方向内侧轴向的部分34a和延伸至圆周方向外侧的部分34b，通过轴向伸长部分34a，划定叶轮30的入口39。使这种叶轮30旋转、送出液体时，例如，当叶轮在含土砂的水中旋转时，水中土砂粒子摩擦叶轮30的表面，特别是划定叶轮30内的流路36的主板33的内面41、侧板34的内面42及叶片35的两面，即对压力面43、负压面44产生摩擦，这些表面通过摩擦产生极严重的摩耗。
在这里，在划定叶轮30的上述流路36的内面41及42、压力面43及负压面44、入口39的内面45、侧板34的外侧面46及主板33的背面47中的所希望的面上，适当选择上述喷镀法A～C中的合适的喷镀法，形成上述耐淤浆腐蚀喷镀被覆膜。此时，考虑进行喷镀的条件、喷镀的施工条件等，也可根据对一个叶轮进行喷镀的场所，采用不同的喷镀方法。
形成了上述耐淤浆腐蚀喷镀被覆膜的本发明的叶轮30，可在水轮机或泵等液体机械上使用。在图11中，示出作为这种流体机械之一例的立体泵50的截面。在该图中，泵50具有划定盛放本发明的叶轮30的泵室52的箱体51，和在与轴线垂直配置的下端固定叶轮30的主轴57，和安装在箱体上方，涉及主轴57，使箱体旋转自如的加以支撑的主轴轴承58，和防止流体从箱体51和主轴57之间的泄漏的密封装置59。箱体51用公知的方法固定在管状支撑台60上。箱体51具有上侧的圆盘状端板53，和划定渦卷状出口室55的箱体本体54，和管状的罩56。在罩56下端连接筒状的吸出管61。
在上述泵中，当通过使主轴37旋转，使固定在其下端的叶轮30旋转时，流体在吸出管61内沿箭头X方向吸至叶轮的入口39，通过叶轮30的流路36从出口38的一侧挤至半径方向，流入出口室55内。出口室内的流体从未图示的出口排出。
发明的效果是根据本发明，可以呈现下列效果(1)探明仅对耐淤浆腐蚀性或仅耐气蚀浸蚀性产生影响的材料因子，发现各种因子实质上无从属关系，不必采用具有各种硬质被覆膜的试验片进行评价试验，可以大幅度降低被覆膜材料的选择时间及成本。
(2)针对以河流水等为代表的，以土砂和水作为主成分的淤浆引起的腐蚀，把硬质被覆膜表面的硬质粒子面积比或维氏硬度调至所希望的范围内，并且把被覆膜表面的每单位面积的空孔的总周长或空孔面积比调至所希望的范围内，由此可以容易地采用喷镀法形成具有高耐淤浆腐蚀性及耐气蚀浸蚀性的被覆膜。
(3)提高处理含土砂的水的流体机械构成构件的耐淤浆腐蚀性及耐气蚀浸蚀性，可以延长流体机械的使用寿命。
权利要求
1.被覆膜材料选择方法，是在采用喷镀法被覆基材表面的含陶瓷和金属的被覆膜材料选择方法中，其特征在于，对于仅对耐淤浆腐蚀性产生影响的材料因子和仅对耐气蚀浸蚀性产生影响的材料因子，分别独立地加以评价、选择。
2.权利要求1中所述的被覆膜材料选择方法，其中，对耐淤浆腐蚀性采用被覆膜表面的陶瓷粒子面积比，对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的空孔面积比进行评价。
3.权利要求1中所述的被覆膜材料选择方法，其中，对耐淤浆腐蚀性采用被覆膜表面的维氏硬度，对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的空孔面积比进行评价。
4.权利要求1中所述的被覆膜材料选择方法，其中，对耐淤浆腐蚀性采用被覆膜表面的陶瓷粒子面积比，对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长进行评价。
5.权利要求1中所述的被覆膜材料选择方法，其中，对耐淤浆腐蚀性采用被覆膜表面的维氏硬度，对耐气蚀浸蚀性采用被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长进行评价。
6.喷镀用被覆膜，是在含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种的陶瓷粒子和金属构成的被覆膜中，其特征在于，金属表面的陶瓷粒子面积比为25～50％，并且被覆膜表面的空孔面积比在3％以下。
7.喷镀用被覆膜，是在含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种的陶瓷粒子和金属构成的被覆膜中，其特征在于，金属表面的维氏硬度在900kg/mm2以上，并且被覆膜表面的空孔面积比在3％以下。
8.被覆膜，是在含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种的陶瓷粒子和金属构成的被覆膜中，其特征在于，金属表面的陶瓷粒子面积比为25～50％，并且被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长为60000μm/mm2以下。
9.被覆膜，是在含有金属碳化物及金属氧化物的至少一种的陶瓷粒子和金属构成的被覆膜中，其特征在于，金属表面的维氏硬度为900kg/mm2以上，并且，被覆膜表面的每单位面积的空孔(平均直径1μm以上)的总周长为60000μm/mm2以下。
10.叶轮，是具有插孔和在该插孔周围，在圆周方向隔开安装的多块叶片的叶轮，其特征在于，该叶轮表面的至少一部分通过喷镀法被覆上述权利要求1～9中任何一项所述的被覆膜。
11.液体机械，该液体机械包括具有插孔，和在该插孔周围，在圆周方向隔开来安装的多块叶片的叶轮和划定盛放上述能旋转的叶轮的腔室的箱体；其特征在于，该叶轮表面的至少一部分上通过喷镀法被覆上上述权利要求6～9任何一项所述的被覆膜。
全文摘要
本发明涉及采用喷镀法被覆基材表面的含有陶瓷和金属的被覆膜材料选择方法。采用该材料选择方法，可以分别独立地仅对耐淤浆腐蚀性产生影响的材料因子和仅对耐气蚀浸蚀性产生影响的材料因子，加以评价、选择。按照本发明的选择方法，不必进行各硬质被覆膜的评价试验，可以大幅度节约被覆膜材料的选择时间及成本。
文档编号F04D29/02GK1668774SQ0381714
公开日2005年9月14日 申请日期2003年6月6日 优先权日2002年6月7日
发明者杉山宪一, 川村聪, 宫坂松甫, 中浜修平, 长坂浩志 申请人:株式会社荏原制作所