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JP2001153063A - 溶融金属用ポンプ部品 - Google Patents

溶融金属用ポンプ部品

Info

Publication number
JP2001153063A
JP2001153063A JP37613899A JP37613899A JP2001153063A JP 2001153063 A JP2001153063 A JP 2001153063A JP 37613899 A JP37613899 A JP 37613899A JP 37613899 A JP37613899 A JP 37613899A JP 2001153063 A JP2001153063 A JP 2001153063A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
molten metal
resistance
pump
layer
pump part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP37613899A
Other languages
English (en)
Inventor
Kazunori Fukada
一徳 深田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAZDA POMP MANUFACTURING CO Ltd
Kohan Kogyo Co Ltd
Original Assignee
MAZDA POMP MANUFACTURING CO Ltd
Kohan Kogyo Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAZDA POMP MANUFACTURING CO Ltd, Kohan Kogyo Co Ltd filed Critical MAZDA POMP MANUFACTURING CO Ltd
Priority to JP37613899A priority Critical patent/JP2001153063A/ja
Publication of JP2001153063A publication Critical patent/JP2001153063A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
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  • Details Of Reciprocating Pumps (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶融金属用ポンプ部品の表面が、従来よりも
耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐熱疲労性、耐衝撃性、耐溶融
金属による酸化性に優れた長寿命のポンプ部品を提供す
る。 【解決手段】 光輝窒素拡散法を用いてポンプ部品の表
面に鋼母層と密着性に優れた窒素拡散層を形成させ、そ
の表面にAIP法を用いて耐摩耗性に優れた高硬度のC
rN、TiN等のセラミック層を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は溶融金属を圧送する
際に使用されるポンプ部品に関する。より詳細には、光
輝窒素拡散法を用いてポンプ部品の金属表面に窒素拡散
層のみ有する窒化層の表面に、アーク・イオン・プレー
ティング法(以下AIP法と称す)等によりCrN、T
iN等のセラミック層を形成させてなる、耐摩耗性、耐
熱衝撃性、耐熱疲労性、耐衝撃性、耐酸化性に優れたポ
ンプ部品に関する。
【0002】
【従来の技術】溶融金属を圧送する際に使用されるポン
プ部品において、溶融金属と接触する金属表面は度重な
る苛酷な圧送作業のために熱衝撃、熱疲労、摩耗や溶融
金属による酸化などによる損傷の欠陥を生じやすい。従
来のポンプ部品においては、これらの欠陥の発生を防止
するために、ポンプ部品に焼き入れ焼戻し処理や窒素化
合物を有する窒化処理や軟窒化処理が行なわれていた。
しかし、これらの処理はポンプ部品表面の硬度が不十分
であったり、また、窒化処理層を構成する窒素化合物が
剥離しやすいために、ポンプ部品の寿命は極めて短く、
生産性に乏しいものであつた。従って、これらの改善策
が関係業界から求められていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる状況を
鑑みて、窒素拡散層のみ有するポンプ部品表面の最表面
にCrN、TiN等のセラミック層を有し、耐摩耗性、
耐熱衝撃性、耐熱疲労性、耐衝撃性、耐溶融金属による
酸化性に優れた長寿命のポンプ部品を提供することを課
題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、本発明はポンプ部品の金属表面に光輝窒素拡散法
を用いてなる窒素拡散層を形成させ、その表面にAIP
法等によりCrN、TiN等のセラミック層を蒸着させ
る。前記の窒素拡散層が鋼母層と密着性に優れるため耐
熱衝撃性、耐熱疲労性、耐衝撃性を有する。叉、高い硬
度のセラミック層が優れた耐摩耗性及び耐溶融金属によ
る酸化性を有する。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明においては、減圧下で高温
の水素ガス及およびアンモニアガス雰囲気中でグロー放
電させる光輝窒素拡散法(以下、ラジカル窒化法とい
う)を用いてポンプ部品の金属表面を窒化し、従来より
も高い靱性を有し、鋼母層との密着性に優れた窒素拡散
層(以下ラジカル窒化層という)を形成させ、その表面
にAIP法等によりCrN、TiN等の高い硬度のセラ
ミック層を形成させ、これらの特性によって耐摩耗性、
耐熱衝撃性、耐熱疲労、耐衝撃性、および耐溶融金属に
よる酸化性に優れた長寿命のポンプ部品が得られること
が判明した。以下、その一実施例を示し、本発明を詳細
に説明する。
【0006】
【実施例】図1に本発明のポンプ部品の組立正面図を示
す。図1において、軸流ポンプである溶融金属用ポンプ
1の揚液管2の下端にねじ込まれたケーシング3内に配
設されたインペラー4が、モータ12で回転されること
よって、溶融金属は下方から上方へ送られて排出部2a
から排出される。揚液管2はフレームサポート5、フレ
ーム6を介してモータ台7にボルトで固定されている。
インペラー4は軸受9、10で支持されたシャフト8の
下端に螺合されている。シャフト8の上端部は軸継手1
1と図示しないキーによって係合し、軸継手11の他端
はモータ12の軸部12aと図示しないキーによつて係
合している。尚、モータ12はモータ台7にボルトで固
定されている。溶融金属用ポンプ1によって溶融金属が
送られるとき、インペラー翼部4aやケーシング内部3
a、シャフト8、溶液管内部2b等は溶融金属の流れに
よつて熱衝撃、熱疲労、衝撃、摩耗、酸化等によって部
品寿命は著しく短縮される。特に、溶融金属がアルミニ
ウムの場合は酸化現象が激しく、部品寿命は極めて短
く、生産性を阻害するため関係業界から強く改善が求め
られていた。
【0007】上記の種々の欠陥の発生を防止するため
に、従来の鋼製のポンプ部品においては、焼き入れ焼戻
し処理を施したり、ポンプ部品の表面に窒素化合物層を
有する窒化処理や軟窒化処理を施して鋼よりも硬い窒化
層を形成させていたが、靱性が不十分なため短時間で磨
耗したり、窒素化合物層とその直下の窒素拡散層との密
着力が不十分なため窒素化合物層が容易に剥離し、ポン
プ部品としての使用寿命は極めて短いものであった。本
発明は光輝窒素拡散法を用いてポンプ部品表面に従来よ
りも高い靱性、耐熱疲労性、耐熱衝撃性、耐衝撃性等を
有するラジカル窒化層と、その表面にAIP法を用いて
CrN、TiN等の耐摩耗性および耐溶融金属による酸
化性に優れたセラミック層を形成させることにより、長
寿命のポンプ部品を得るものである。
【0008】図2は図1に示したインペラー4の詳細断
面図である。溶融金属と接触するインペラー4の金属表
面には、30〜300μm程度の厚さのラジカル窒化層
4bが形成され、更にその表面に2〜100μm程度の
厚さのCrNのセラミック層4cが形成されている。
尚、図示しないが、他の部品、揚液管2、ケーシング
3、軸8等にも同様な各層が形成される。図3は図2の
A矢視図である。
【0009】本発明の前記の各部品は溶融金属ポンプ部
品であるので、ステンレス鋼、耐熱鋼又はこれらの鋳物
にラジカル窒化処理を施すことが好ましいが、これらの
材料の使用を限定するものではなく、用途に応じて構造
用鋼、肌焼鋼、などを用いてもよく、場合によってはラ
ジカル窒化処理前に焼き入れ焼戻し処理などの熱処理を
施してもよい。
【0010】次に本発明のインペラー4等のポンプ部品
の金属表面にラジカル窒化層を形成させる方法について
説明する。有機溶剤などで脱脂洗浄したポンプ部品を真
空炉内に設けた陰極上に載せ、真空炉内を10−3to
rr程度まで排気した後、5〜99%の水素と1〜95
%のアンモニアからなる混合ガス雰囲気中で400〜5
80℃に加熱し、真空炉内に設けた陽極との間に直流電
圧300〜500Vを印可し、グロー放電によりガスを
イオン化し、ポンプ部品表面に窒素を拡散させる。処理
時間は1〜30時間程度であり、その後窒素雰囲気中ま
たは減圧下で自然放冷する。このようにしてポンプ部品
表面に、ビッカース硬度(荷重:100gf)1000
以上の硬さを有する10〜300μmの厚さの窒素拡散
層が得られる。
【0011】本発明の一例においては、図4に示す加熱
サイクルで加熱し、約1時間かけて480℃まで昇温さ
せた後6時間程度一定温度で保持し、次いで約4時間か
けて室温まで冷却する。真空炉内は図5に示すように1
〜4期の期間に分けてガス組成を変化させる。第1期は
昇温過程であり、排気したのみでガスは供給しない。第
2期は清浄過程であり、水素100%からなるガスを供
給する。第3期は窒素拡散過程であり、80%の水素と
20%のアンモニアからなる混合ガスが供給される。こ
の第3期において真空炉内に設けた陽極と陰極であるポ
ンプ部品の間に410Vの直流を印加し、グロー放電に
よりガスをイオン化し、ポンプ部品の表面に窒素を拡散
させる。第4期は冷却過程であり、窒素100%の雰囲
気中、または減圧下で室温まで自然放冷する。このよう
にして、図6に示すように、ポンプ部品の最表面がビツ
カース硬度(荷重:100gf)1100であり、ポン
プ部品最表面から0.14mmの深さまでの窒化層が得
られる。窒化層の硬度はポンプ部品最表面から0.14
mmの深さまで連続的に減少し、また0.09mmの深
さまで700以上のビッカース硬度(荷重:100g
f)が得られる。このように、従来よりも窒化層が硬く
て厚く、かつ窒化層の硬度が連続的に減少するので鋼母
層との密着性に優れた窒化層が得られる。このため従来
の熱処理をしないステンレス鋼、耐熱鋼又はこれらの鋳
物に較べ、硬度が高く、十分な耐摩耗性を有するととも
に、拡散層であるがために脆さがなく、十分な耐割れ性
と耐熱衝撃性をあわせもつことができる。
【0012】次に前記の拡散層4bの表面に、AIP法
によってCrNのセラミック層4cを蒸着させる方法を
説明する。図7はAIP炉13の説明的概略図を示し、
真空チャンバー14内に設けた回転テーブル15の上面
に、被処理物(ポンプ部品)16を置き、バイアス電源
17によってバイアス電圧を印可する。真空チャンバー
14内の真空度は、排気管22に接続する図示しない真
空ポンプによって8×10−5torr程度に、温度は
ヒーター18によって200〜600℃に保たれてい
る。真空チャンバー14内の側面部には被処理物16に
セラミック層を蒸着させるためのCr板19が配設さ
れ、アーク電源20によって真空チャンバー14との間
でプラズマ放電を生じる。この放電によってCr板19
の表面からCrイオンが飛び出し、被処理物16のバイ
アス電圧で加速され、給気管21から送られたプロセス
ガスである窒素ガスと反応してCrNになって被処理物
16の表面に蒸着して2〜100μm、ビッカース硬度
(荷重:100gf)1600〜2000の耐摩耗性に
優れたセラミック層を形成する。これにより被処理物1
6のポンプ部品寿命は従来の2倍以上になる。尚、処理
時間は50〜90分程度である。前記の説明からわかる
ように蒸着させる金属をチタンにすればTiNのセラミ
ック層が得られ、同様に窒素以外のプロセスガスと異金
属との組合せで種々のセラミック層が得られることは容
易に推察できる。
【0013】
【発明の効果】本発明は光輝窒素拡散法を用いてポンプ
部品の表面に硬度、靱性が高く、鋼母層との密着性に優
れた窒素拡散層を形成させ、更にその表面にAIP法に
よりビッカース硬度(荷重:100gf)1600〜2
000のCrN等のセラミツク層を形成させることによ
って、耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐熱疲労性、耐衝撃性、
耐溶融金属による酸化性に富み、従来熱処理のポンプ部
品に較べ2倍以上にポンプ部品寿命を延長することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のポンプ部品の組立正面図
【図2】 本発明のインペラーの詳細断面図
【図3】 図2のA矢視図
【図4】 本発明のポンプ部品をラジカル窒化する加熱
サイクルの一例を示すダイヤグラム
【図5】 本発明のポンプ部品をラジアル窒化するガス
組成の一例を示すダイヤグラム
【図6】 本発明のポンプ部品の窒化層の硬度と厚さの
関係を示すダイヤグラム
【図7】 AIP炉の説明的概略図
【符号の説明】
1:溶融金属用ポンプ 13:AIP炉 2:揚液管 14:真空チャン
バー 2a:排出部 15:回転テー
ブル 3:ケーシング 16:被処理物
(ポンプ部品) 3a:ケーシング内部 17:バイアス
電源 4:インペラー 18:ヒーター 4a:翼部 19:Cr板 4b:ラジカル窒化層 20:アーク電
源 4c:CrN(セラミック)層 21:給気管 5:フレームサポート 22:排気管 6:フレーム 7:モータ台 8:シャフト 9:軸受 10:軸受 11:継手 12:モータ 12a:軸部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F04D 29/52 F04B 21/00 N Fターム(参考) 3H022 AA01 BA01 BA04 CA55 DA13 DA14 3H034 AA01 CC01 CC03 DD22 DD24 EE11 3H071 AA15 BB03 CC26 EE11 4K044 AA02 AA03 AA04 AB10 BA18 BB03 BC01 BC02 BC11 CA02 CA11 CA12

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶融金属用ポンプ部品において、金属部品
    の表面に光輝窒素拡散法を用いて形成してなる窒素拡散
    層の表面に、AIP法等によりCrN、TiN等のセラ
    ミック層を形成させたことを特徴とするポンプ部品。
JP37613899A 1999-11-29 1999-11-29 溶融金属用ポンプ部品 Pending JP2001153063A (ja)

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