专利名称：含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，详细地讲，涉及适合于在泵、水轮机、及汽轮机等涡轮机械，特别在金属基材的表面上要求耐气体侵蚀性及耐泥浆侵蚀性等的叶轮、套管、叶片及轴承等要求耐磨损性部件等金属基材的表面上实施耐磨损性涂层的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料、用这样的喷镀材料喷镀处理的叶轮及具有叶轮的流体机械。
背景技术：
在泵及水轮机等涡轮机械中，由砂土混入流水中引起的泥浆侵蚀和部分负荷运转引起的气体侵蚀等引起了材料损伤的问题。特别在叶轮、套管等中，由于与气体侵蚀的同时重复产生泥浆侵蚀，所以要求高韧性的同时，要求优良的耐泥浆侵蚀性及耐气体侵蚀性。在叶轮、套管上，在预测会引起损伤的部分上，可以预先施加耐磨损性的喷镀被膜。在工作一定时间后，通过用喷镀修补因气体侵蚀及泥浆侵蚀而损伤的地方，可以延长泵、水轮机等机器的寿命。
喷镀法，已提出了多种方案，占据了表面改性技术的重要位置。其中的喷镀熔融法，把用火焰喷镀法等喷镀了自熔性合金粉末的被膜加热到熔融状态，减少了被膜中的气孔，在喷镀粒子之间的结合和与基材的紧密结合强度上是最有效的喷镀法，所以被广泛地应用于要求耐磨损性的部件上。在易引起砂土磨损的环境中使用的机械零件上，一般使用混合钨等碳化物粉末和自熔性合金粉末的喷镀粉末的喷镀熔融法。在易引起砂土磨损的机械上，在砂土的粒径为0.1mm以上的情况，使用0.1毫米～数毫米左右的碳化钨粒子，就能达到预定的目的。
最近，用高速火焰喷镀(HVOF、HVF等)的方法，把分散成数微米的碳化物粒子的镍(Ni)基合金或钴(CO)基合金喷镀膜用在耐磨损部件上。高速火焰喷镀膜，用于水轮机或泵用叶轮、套管等部件上，在耐泥浆侵蚀性上发挥优良的特性已被确认。但是，高速火焰喷镀，是把将数微米的碳化物粒子和Ni基或CO基合金粉末制成粒子的粉末或者造粒后进行烧结并粉碎的粉末作为原料来形成喷镀膜的方法。由于该方法是部分熔融，所以在喷镀层内存在无数微小的空隙，粒子间的紧密结合力不足。为此，高速火焰喷镀膜的耐气体侵蚀特性较弱，难以用于气蚀产生的地方。
水轮机或泵等，由于在气体侵蚀的同时会重叠引起泥浆侵蚀，所以在耐泥浆侵蚀性和耐气体侵蚀性上都优良的喷镀膜的开发也就成为当务之急。由于自熔性合金喷镀膜通过加热到熔融状态的融化处理减少了保护膜中的气孔，进一步提高了喷镀粒子之间的结合和与基材的紧密结合强度，所以使用该自熔性合金的喷镀熔融法被广泛地用于要求耐泥浆侵蚀性和耐气体侵蚀性的部件上。
图1及2分别表示现有的喷镀材料粉末及火焰喷镀法的喷镀概念图。在易引起砂土磨损的机械中，由于砂土的平均粒径是0.1mm以上，所以作为陶瓷粉末使用粒径为0.1毫米～数毫米的碳化钨粒子，达到了规定的目的。在平均粒径为0.1mm以下的比较小的砂混合的河水中，分散了平均粒径为60至125μm的碳化钨的喷镀膜，适用于叶轮、套管中。用于喷镀熔融的喷镀材料，如图1所示，使用只混合了粒径从45μm到125μm的碳化钨粉末1和粒径从15μm到125μm的自熔性合金粉末2的喷镀材料粉末3。而且，在火焰喷镀法中，如图2所示，从喷镀材料供给喷嘴5供给由碳化钨粉末1和自熔性合金粉末2构成的喷镀材料粉末3，同时从气体喷嘴6出来的高温的燃烧气体7把从供给喷嘴5出来的喷镀材料粉末吹附在基材B的表面上，熔融自熔性合金的粉末后作为喷镀层4熔敷在其表面上，同时使陶瓷的碳化钨粒子1进入喷镀层4内。
发明人观察到当使用混合了各种粒径的碳化钨粉末和自熔性合金粉末的喷镀材料粉末进行火焰喷镀时，当粒径是100μm以下时，会引起碳化钨粒子的飞散。特别明确当粒径是60μm以下时，碳化钨粒子的飞散变得显著，喷镀效率非常低。另外，在发明人等的实验中，使用混合了碳化钨粉末和自熔性合金的喷镀粉末，用喷镀熔融法制作的喷镀材料，制作均匀地分散了碳化钨的喷镀层是困难的，不能得到充分的耐气体侵蚀性的特性。
本发明人等，为了解决上述课题，多次精心研究的结果发现，通过借助粘合剂把碳化钨那样的陶瓷粉末和镍基自熔性合金粉末造粒，由于做成凝聚的平均二次粒径是15～125μm的粒状体，所以在火焰喷镀时，防止了碳化钨粉末的飞散，提高了喷镀效率。另外，还发现，通过使用由粒状体构成的粉末，确认可以在喷镀层上形成碳化钨均匀分散的喷镀膜，可以形成在耐泥浆侵蚀性及耐气体侵蚀性上优良的喷镀层。
发明内容
本发明的目的在于，通过混合各种粒径的陶瓷粉末和自熔性合金粉末造粒或者通过烧结粉碎做成粒状体，提供在喷镀处理时减少硬质的陶瓷粉末的飞散的喷镀材料。
本发明的另一个目的在于，通过把上述陶瓷粒末和自熔性合金粉末的粒状体的大小做成最佳的大小，提供在喷镀处理时减少硬质的陶瓷粉末的飞散的喷镀材料。
本发明的再一个目的在于，提供使用上述的喷镀材料进行喷镀处理的旋转部件、备有其旋转部件的流体机械。
根据本申请，提供含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，混合并凝聚从由碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物组成的组中选择的至少一种陶瓷粉末和从由镍基自熔性合金粉末、钴基自熔性合金或铁基自熔性合金粉末组成的组中选择的至少一种自熔性合金粉末，制作具有比前述粉末的平均一次粒径大的平均二次粒径的粒状体，前述粒状体的前述平均二次粒径是15～250μm。
在上述含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料的一个实施方式中，在前述陶瓷粉末的平均一次粒径为R1，前述自熔性合金粉末的平均一次粒径为R2的情况，R2/R1可以是20以下。
另外，在上述含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料的另一个实施方式中，前述陶瓷粉末及前述自熔性合金的平均一次粒径可以分别是1～60μm及1～60μm。
还有，在上述含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料的另一个实施方式中，前述陶瓷粉末是从由碳化钨、碳化铬、碳化钛组成的组中选择的至少一种碳化物粉末。
根据本发明，提供一种叶轮，备有轮毂和在前述轮毂的周围在圆周方向上隔离地安装的多个翼，前述叶轮的表面的至少一部分，用所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料进行喷镀处理。
根据本发明，提供一种流体机械，备有备有轮毂和在前述轮毂的周围在周围方向上隔离地安装多个翼的叶轮；划定能旋转地收容前述叶轮的室的壳体，前述叶轮的表面的至少一部分及/或前述壳体的内面的至少一部分，用所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料进行喷镀处理。
图1是现有的陶瓷粉末和自熔性合金粉末的混合粉末构成的喷镀材料的放大说明图。
图2是说明火焰喷镀法的原理的火焰喷镀法的喷镀概念图。
图3是把陶瓷粉末和自熔性合金粉末制成粒状体的本发明的喷镀材料的放大说明图。
图4是并列地表示现有的混合型喷镀粉末和本发明的实施例1的喷镀粉末以及喷镀断面的扫描型电子显微镜图像的图。
图5是并列地表示现有的混合型喷镀粉末和本发明的实施例2的喷镀粉末以及喷镀断面的扫描型电子显微镜图像的图。
图6是表示用本发明的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料以高速火焰喷镀方式喷镀处理的叶轮的一个例子的断面图。
图7是备有图6的叶轮的泵的断面图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施方式进行说明在本实施方式中，首先，通过把作为例如碳化钨(WC或者W2C)、碳化钛(TiC)、碳化铬(Cr2C3)的碳化物的陶瓷粉末11和镍基自熔性合金粉末12借助粘合剂由公知的造粒方法进行造粒而凝聚，做成图3[A]所示的粒状体10，由该粒状体10形成本实施方式的喷镀材料。WC、W2C等陶瓷的粉末及镍基自熔性合金粉末的平均一次粒径，无论哪一种，优选是1μm至60μm的范围，更优选是5μm至30μm的范围。其理由是因为粒径不足1μm时，喷镀时的粒子的氧化成为问题。而当粒径超过60μm时，是因为造粒化变得困难。在陶瓷粉末的平均一次粒径为R1，前述自熔性合金粉末的平均一次粒径为R2的情况，R2/R1优选是0.1以上20以下，更优选是0.1以上10以下。其理由是，由于当R2/R1超过20时，如图3[B]所示，各个自熔性合金的粒子12被细微的陶瓷粒子11包围，喷镀时在喷镀保护膜内容易形成空隙。而制成0.1以上是因为，如上述那样在1μm至60μm的范围内使用陶瓷粒子的情况，自熔性合金的可实用的粒径是在陶瓷粒子的直径的1/10左右。
作为陶瓷，不局限于上述碳化物，也可以是氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)等氧化物，例如氮化硼等氮化物，或者例如硼化钛(TiB)等硼化物。上述碳化物、氧化物、氮化物及硼化物既可以单独使用也可以任意组合他们的几个来使用。这些氧化物、氮化物或者硼化物的平均一次粒径，可以是与前述相同的范围。以镍基自熔性合金为例，有例如Ni-B-Si、Ni-P等。作为自熔性(熔点低的自己熔融性)合金，除了上述镍基自熔性合金粉末之外，也可以是例如，Co-B-Si、Co-P等钴基自熔性合金，或者，例如FeSi、Fe-B-Si、Fe-P等铁基自熔性合金。这些自熔性合金，可以单独使用，也可以使用它们的任意组合。
把陶瓷的粉末和自熔性合金的粉末制成粒状体的方法，除了前述的公知的造粒方法之外，也可以是把它们的粉末固化成所希望的大小后烧结再粉碎的方法。粒状体的平均粒径即平均二次粒径，优选是15μm至250μm的范围，更优选是45μm至125μm的范围。其理由是，当二次粒径不足15μm时，喷镀效率下降，当二次粒径超过250μm时，使用通常的火焰喷镀气体的喷镀变得困难。
作为陶瓷的粉末，使用平均一次粒径为5μm的碳化钨(WC)的粉末，作为自熔性合金的一种的镍基合金的粉末，使用市售的相当コルモノイNo.4的粉末。其粉末的平均一次粒径是20μm以下。混合这些粉末，用公知的造粒方法，制作由平均二次粒径为45至125μm的粒状体构成的喷镀材料。
当表示用扫描型电子显微镜观察该实施例1的喷镀材料及现有例的混合粉末类型的喷镀材料时，成为图4的上段所示的显微镜照相图。当表示用上述显微镜观察使用实施例1的喷镀材料进行喷镀处理的情况的喷镀层及使用前述现有的喷镀材料进行喷镀处理的情况的喷镀层结果时，成为图4的下段的显微镜照相图。如这些照相图所表明的那样，现有例的喷镀层断面，成为比较大的空隙多的组织。而本发明的喷镀层断面，成为空隙少而致密的喷镀层。喷镀断面的白的地方是碳化钨，其周边是自熔性合金的母相。在现有例的情况，已被观察到了碳化钨粒子的大小是从数十到100μm，碳化钨粒子不均匀地分散的样子。在实施例1的喷镀材料中，得到了平均粒径为5μm的碳化钨均匀地分散的喷镀层。该实施例1的喷镀材料的耐气蚀性，显示出比基材CA6NM的4倍以上的特性。
作为陶瓷的粉末，使用平均粒径为5μm的碳化钨(WC)的粒末，作为自熔性合金的一种的钴基合金的粒末，使用市售的相当コルモノイNo.1的粉末。其粉末的平均一次粒径是20μm以下。混合这些粉末，用公知的造粒方法制作由平均二次粒径为45至125μm的粒众体构成的喷镀材料。
当表示用扫描型电子显微镜观察该实施例2的喷镀材料及现有例的Co基自熔性合金粉末类型的喷镀材料的结果时，成为图5的上段所示的显微镜照相图。当表示用上述显微镜观察使用实施例2的喷镀材料进行喷镀处理时的喷镀层及使用前述现有的喷镀材料进行喷镀处理时喷镀层的结果时，成为图5的下段的显微镜照相图。如该显微镜照片所表明的那样，现有例的喷镀层断面成为比较大的空隙多的组织。而实施例2的喷镀层断面成为空隙少而致密的喷镀层。喷镀断面的白的地方是碳化钨，其周边是自熔性合金的母相。在现有例的情况，被观察到了碳化钨粒子的大小是从数十到100μm，碳化钨粒子不均匀地分散的样子。在本发明中，得到了平均粒径为5μm的碳化钨均匀地分散的喷镀层。该实施例2的喷镀材料的耐气蚀性显示出比基材CA6NM的4倍以上的特性。
上述那样制作的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，由火焰喷镀法喷镀在基材表面上，在基材上形成耐磨损性的保护膜。作为形成这样的耐磨损性的保护膜的基材的例子，可以举出泵、水轮机、压缩机等旋转机械的部件，更具体地讲，可以举出要求耐砂侵蚀性或者耐泥浆侵蚀性等的叶轮、套管、叶片、轴承及密封件等。通过在这样的基材上形成耐磨损性的保护膜，使这样的基材的耐磨损性提高，可以延长使用这样的基材的机械，例如，泵、水轮机、压缩机等的寿命。
更具体地讲，如图6所示，叶轮30由形成承受旋转轴的轴孔31的轮毂32、从其轮毂32向半径方向外侧放射状扩大的圆板状的主板33、在轴向(图6中的上下方向)上与主板33隔离的环状的侧板34、在主板33和侧板34之间在圆周方向(绕轴孔的轴线0-0旋转的圆周方向)上隔离成等间隔配置且沿所希望的曲面弯曲并与侧板及主板一体形成的多个翼板35构成，由主板33、侧板34及翼板35划定流体流动的流路36。流路36的半径方向内侧的部分37成为入口部，半径方向外侧部分38成为出口部。环状的侧板34具有向圆周方向内侧的轴向延伸的部分34a和向半径方向外侧延伸的部分34b，由轴向延伸部分34a划定叶轮30的入口39。在使这样的叶轮30旋转来输出流体的情况，例如，当使叶轮在含有砂土的水中旋转时，水中的砂土的粒子与叶轮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43及翼板35的两面、即压力面43、负压面44碰撞并磨损它们，它们的表面因摩擦而磨损得很厉害。
因此，在形成叶轮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之中所希望的面上，例如，属于作为划定由侧板34的外周面46(区域A1)及主板33、侧板34及翼板35限定的流路36的表面的叶轮的外周侧的规定的范围内(在图6中，用半径r1的圆和半径r的圆围起来的范围内)的区域A2的表面上，用高速火焰喷镀方式喷镀本发明的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料。
由上述那样的高速火焰喷镀方式用含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料进行表面处理的叶轮30，可以用于水轮机或泵那样的流体机械上。在图7中，作为这样的流体机械的一个例子，用剖面表示了立形泵50。在同图中，泵50备有形成收容本发明的叶轮30的泵室52的壳体51、垂直地配置轴线并在上端固定叶轮30的主轴57、安装在壳体的上方并旋转自由地把主轴57支承在壳体上的主轴承58、防止流体从壳体51和主轴57之间泄漏的密封装置59。壳体51用公知的方法固定在管状的支承台60上。壳体51备有上侧的圆盘状的端板53、形成旋涡状的出口室55的壳体本体54、管状的罩子56。在罩子56的下端连接筒状的吸出管61。
在上述泵中，当通过使主轴37旋转而使固定在其下端的叶轮30旋转时，流体在吸出管61内如用箭头X表示的那样被吸入叶轮的入口39内，通过叶轮30的流路36从出口38侧向半径方向压出，流入出口室55内。出口室内的流体从未图示的出口输出。另外，可以用含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料表面处理壳体的内面的至少一部分。
产业上的利用可能性根据本发明，可以收到下述的效果。
(1)可以极大地抑制喷镀施工时陶瓷粒未的飞散，可以提高陶瓷的喷镀效率。
(2)可以使陶粒子高效率地分散后进入熔敷被膜中，可以提高耐气体侵蚀性及耐泥浆侵蚀性。
权利要求
1.含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，混合并凝聚从由碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物组成的组中选择的至少一种陶瓷粉末和从由镍基自熔性合金粉末、钴基自熔性合金或铁基自熔性合金粉末组成的组中选择的至少一种自熔性合金粉末，制作具有比所述粉末的平均一次粒径大的平均二次粒径的粒状体，所述粒状体的所述平均二次粒径是15～250μm。
2.如权利要求1所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，在所述陶瓷粉末的平均一次粒径为R1，所述自熔性合金粉末的平均一次粒径为R2的情况，R2/R1是20以下。
3.如权利要求2所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，所述R2/R1是0.1以上10以下。
4.如权利要求1至3的任一项所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，所述陶瓷粉末及所述自熔性合金的平均一次粒径分别是1～60μm及1～60μm。
5.如权利要求4所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，所述陶瓷粉末及所述自熔性合金的平均一次粒径分别是5～30μm及5～30μm。
6.如权利要求1至5的任一项所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，所述陶瓷粉末是从由碳化钨、碳化铬、碳化钛组成的组中选择的至少一种碳化物粉末。
7.如权利要求6所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，所述陶瓷粉末是碳化钨粉末，所述自熔性合金是镍基合金。
8.如权利要求6所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，所述陶瓷粉末是碳化钨粉末，所述自熔性合金是钴基合金。
9.叶轮，备有轮毂和在所述轮毂的周围在圆周方向上隔离地安装的多个翼，其特征在于，所述叶轮的表面的至少一部分，用权利要求1至8的任一项所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料进行喷镀处理。
10.流体机械，备有备有轮毂和在所述轮毂的周围在圆周方向上隔离地安装多个翼的叶轮；以及划定能旋转地收容所述叶轮的室的壳体，其特征在于，所述叶轮的表面的至少一部分及/或所述壳体的内面的至少一部分，用权利要求1至8的任一项所述的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料进行喷镀处理。
全文摘要
本发明的含陶瓷粒子自熔性合金喷镀材料，其特征在于，混合并凝聚从由碳化物、氧化物、氮化物或硼化物组成的组中选择的至少一种陶瓷粉末11和从由镍基自熔性合金、钴基自熔性合金或铁基自熔性合金粉末组成的组中选择的至少一种自熔性合金粉末12，制作具有比前述粉末的平均一次粒径大的平均二次粒径的粒状体10，前述粒状体的前述平均二次粒径为15～250μm。
文档编号C23C4/06GK1671878SQ0381836
公开日2005年9月21日 申请日期2003年6月25日 优先权日2002年6月25日
发明者中浜修平, 长坂浩志, 杉山宪一 申请人:株式会社荏原制作所