JPH04361A - 原子力プラント機器肉盛り用粉末 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、原子力プラントに使用される弁ならびに弁
座などの摺動部に、その耐摩耗性と耐食性の向上を目的
として硬化肉盛層を形成するのに用いる粉末材料に関す
る。

（従来の技術） 摺動部に使用される機械部品の中には、耐摩耗性と耐食
性を同時に要求されるものが多々ある。

原子力プラント、例えば軽水炉の配管に用いられる弁や
弁座等もその一つであり、これらにおいては耐摩耗性と
ともに、耐食性（特に耐応力腐食割れ性）に優れている
ことが必須である。このような部品は、その全体を耐摩
耗性および耐食性に優れた材料で構成するよりも、溶射
や肉盛り溶接などの方法で摺動部に耐摩耗性、耐食性に
優れた被覆層（肉盛りＮ）を形成させるのが材料コスト
の低減の上でも好ましい。また、肉盛り技術は摩耗ある
いは腐食した部品の補修にも採用できる。

従来、耐食・耐摩耗合金としてはＣｏ−Ｃｒ−Ｗ系の合
金が知られており、軽水炉部品などにの肉盛り材料とし
ても、例えばステライト６（商品名）と称するＣｒ：約
２８％、Ｃ：約１％、Ｆｅ：約３％、Ｗ；約４％と残部
Ｃｏからなる合金が用いられている。（本明細書におい
て、合金成分に関する％はすべて重量％を意味する。） ところが、上記ステライト合金はＣｏを多量に含有する
ため、軽水炉の配管系の弁や弁座の肉盛りに使用すると
、炉の定期検査の際、誘導放射能による汚染が問題とな
る。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、耐摩耗性および耐食性に優れた硬化肉
盛り層を形成するための粉末材料であって、軽水炉の配
管の弁などに適用しても誘導放射能による汚染の問題の
ない材料を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の要旨は、下記の（１）および（２）にある。

（１）重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：　
０．１５％以下、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｃｒ；２０〜３
０％、Ｍｏ：　１０％以下、Ｔｉ：　３．５％以下、Ｎ
ｂ：　３．５〜７％、Ｆｅ：　１５％以下、Ａｌ：　　
２％以下、Ｎ：０．３％以下、残部はＮｉと不可避的不
純物から成り、不純物としてのＣＯが０．０２％以下で
ある肉盛り用合金粉末。

（２）上記（１）に記載した合金粉末に金属元素の窒化
物、炭化物および酸化物の１種以上の粉末を７０重量％
以下混合した肉盛り用複合粉末。

上記（１）の合金粉末は、前記組成の溶湯をガスアトマ
イズして得られる実質的に球形の粉末であるのが望まし
い。特に、窒素ガスを噴霧媒とするアトマイズ法によれ
ば、合金粉末中に微細な窒化物を分散生成させることが
できる。

上記（２）において、窒化物とは、例えば、ＴｉＮ。

５ｉＪｎ、ＮｂＮ、、ＣＢＮ、　ＴａＮであり、炭化物
とは例えば、ＴｉＣ，ＳｉＣ，ＷＣ，ＺｒＣ，ＭＯＺＣ
であり、また酸化物とは、例えば、Ａ　ｌ　ｇｏｚ、Ｔ
ｉ（ｈ、ＺｒＯ２である。

これらの粉末は、粒径１〜２０μ鋼のものであるのが望
ましい。

これらの硬質粒子を添加した粉末材料を使用する場合、
溶射などの方法によって形成した肉盛り層の中で、硬質
の粒子が均一に分散していることが耐摩耗性の向上のた
めには必須である。しかし、粉末材料の製造の際に、基
地を構成する合金粉末と硬質粒子とを単に混合するのみ
では、この複合粉末を溶射あるいは溶接して金属被覆相
を形成する時に硬質粒子が凝集・浮上する現象が発生し
て目標とする微細な分散が達成できないことがある。

これを避けるためには、機械的合金化の手法を用いて粒
子毎の基地組成内に硬質相が分散した構造とするのがよ
い。

本発明の主要な特徴は、前記の誘導放射能の問題を無く
するために、Ｃｏの含有量を誘導放射能が実質的に悪影
響を及ぼさないレベルまで低減したこと、そして、Ｃｏ
を実質的に含有しなくとも耐食、耐摩耗性に優れた肉盛
り硬化層を形成できるように粉末材料の組成を選定した
こと、にある。

従来のＣｏを含まない材料は、その化学成分含有量の不
適正ならびに硬質分散相の不足に起因して肉盛り材料と
して使用しても、肉盛り部分の耐食性、耐摩耗性が劣る
。この点を改善するため、本発明の粉末材料においては
、前記のように組成が特定されている。

（作用） 以下、本発明の肉盛り用合金粉末の各成分の作用と、含
有量の限定理由を説明する。

Ｃ：　ＣはＣｒと結合してＭ。Ｃ６なるＣｒ炭化物を結
晶粒界に形成して結晶粒の粒界結合力を強化する働きを
する。またＣはＴｉおよびＮｂと結合してＴｉＣおよび
ＮｂＣを生成して分散した硬質相を形成し耐摩耗性を増
加させる。このような効果によって、肉盛り層に所定の
耐摩耗性を与えるには、０．０５％以上が必要である。

しかし、Ｃが０．１５％を超えると、ＮｂやＴｉがＮｉ
と結合して生成するＴ′相（ＮｉｓＴｉ）やγ“相（Ｎ
ｉＪｂ）を減少させるため、肉盛り層の強度、硬度が低
下してしまうだけでなく応力腐食割れを起こして肉盛層
が破壊、脱落しやすい。したがってＣ含有量は０．０５
〜０．１５％とした。

Ｓｉ：Ｓｉ　は合金中の不純物としての酸素を取り除く
作用をもつが、反面０．１５％を超えると粒界部におけ
るＭ２３Ｃ６の半連続状析出を圀害し、耐応力腐食割れ
性を低下させる。従って、Ｓｉの含有量は０．１５％以
下とすべきである。

Ｍｎ：Ｍｎは粒界部におけるＭ。Ｃ４の半連続状析出を
促進する元素であり、０．１％以上含有させる必要があ
るが、含有量が１％を趙えると延性を損なう脆化相の析
出を助長する。従って、Ｍｎの適正含有量は０．１〜１
％である。

Ｃｒ：　Ｃｒは、Ｍ！ＩＣ＆型炭化物型彫化物て、前記
のように耐摩耗性向上に寄与するだけでなく、肉盛り層
の耐応力腐食割れ性を高めるにも重要な元素である。こ
れらの効果を確かにするために２０％以上含有する必要
がある。しかし、３０％を趙えて含有すると、溶射ある
いはＰＴＡ溶接等の肉盛り法によって金属被覆相を形成
した場合脆化相が生成して機械的特性が極端に劣化する
。したがってＣｒの適正含有量は２０〜３０％である。

Ｍｏ：Ｍｏは耐孔食性、耐隙間腐食性を向上させるが、
その含有量が１０％を超えるとＭ。Ｃ４の粒界析出を抑
制して耐応力腐食割れを劣化させる。従って、Ｍｏは１
０％までの範囲で含有させるのがよい。

Ｔｉ：　ＴｉはＮｉと結合して前記のγ′相を析出し強
度を高くする。３．５％を越えて含有すると延性が劣化
しη相が析出して耐応力腐食割れ性が低下する。したが
ってＴｉ含有量は３．５％以下とした。

Ｎｂ：　ＮｂはＮｉと結合して前記のＴ“相あるいはδ
相を析出し強度を高くする。また、ＮｂはＣと結合して
ＮｂＣの形態で結晶粒内に析出し粒界に炭化物が過剰に
析出するのを抑制して耐応力腐食割れ性を高める作用が
ある。これらの作用効果を確実にするためには３．５％
以上含有する必要がある。しかし、７％を趙えて含有す
ると耐応力腐食割れ性が低下する。したがってＮｂ含有
量は３．５〜７％が適正範囲である。

Ｎ：ＮはＴｉＮ、ＮｂＮとして肉盛り層中に硬質粒子を
分散させ耐摩耗性を向上させる。しかし、Ｎが０．３％
を超えると前記γ′相やγ′相の生成量を減少させ、こ
れらによる硬化が小さくなり、基地の硬度が低下すると
ともに靭性も劣化する。本発明ではＮを積極的に添加す
るのであるが、上記の理由でその含有量の上限は０．３
％とする。

Ｆｅ：Ｆｅは塑性加工時の組織の安定性を高める元素で
あるが、含有量が１５％を超えると延性を害する。従っ
て、Ｆｅの含有量は１５％までにとどめる。

八２：　＾２はＮｉと結合してＮ１ＪＮなるγ′相を析
出させ強度を高める。しかし、２％を超えると耐応力腐
食割れ性が低下する。

Ｃｏ　：　Ｃｏは本発明の肉盛り合金粉末では、できる
だけ少ない方がよい不純物である。その許容上限を０，
０２％としたのは、誘導放射能による被爆を実際上問題
のないレベル以下に抑えるためである。

本発明の肉盛り粉末材料の一つは、上記の成分の外、残
部はＮｉおよび不可避の不純物からなる。

このような材料を用いて肉盛りを行えば、基地にＴｉＮ
、ＮｂＮ、ＴｉＣ，ＮｂＣ等の硬質粒子が分散した肉盛
り層が形成され、この層は耐食性とともに耐摩耗性に優
れたものとなる。

しかし、さらに弁、弁座の摺動部の耐摩耗性を向上させ
るためには、上記の合金粉末に窒化物、炭化物、酸化物
の硬質粒子を予め混合し、これらの硬質粒子を金属組織
中に分散させておくのがよい、このような硬質粒子の適
正添加量は７０％以下である。７０％を超えると溶射が
困難になる。

前述のとおり、窒化物などの硬質粒子は、機械的合金化
法によるのが望ましい、即ち、ボールミル、バイブロボ
ット、アトライタ　（商品名）等を使用して合金粉末と
ＮｂＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ，ＮｂＣの粉末とを粉砕しつつ
所定割合で均一に混合して複合化させ、溶射あるいはＰ
ＴＡｆｉＩ接するときの分離が発生しないようにするの
である。

上記のようにして製造された本発明の粉末材料は、プラ
ズマ溶射、ＰＴＡ　（Ｐｌａｓｍａ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｅｄＡｒｃ）ｉ接肉盛などによって部品の所定箇所に肉
盛りされて耐摩耗性および耐食性に優れた硬化層を形成
する。

以下、実施例によって本発明の効果を具体的に説明する
。

（実施例） ■　耐摩耗性評価試験 軽水炉環境下での弁・弁座の摺動摩耗性を評価するため
、第１表に示す環境ならびに試験条件下で、第１図に示
すバウデン式摩耗試験法によってＪＩＳ　Ｓ［ＩＪ２製
の鋼球を相手材として摩擦係数を測定した。

■　応力腐食割れ試験 軽水炉環境下での耐応力腐食割れ性を評価するため、加
圧水型軽水炉−次系水を模擬した第２表に示す環境下で
、第２図に示すＵベンド試験片を浸漬し、高応力を負荷
した各供試材の応力腐食割れ試験を実施し、割れの有無
を調査した。

■　供試材 試験に用いた供試材の粉末製造条件と性状を第３表に、
化学組成を第４−１表から第４−４表までにそれぞれ示
す、なお不純物としてＰ、Ｓがそれぞれ最大０．０１％
程度、Ｃｕが最大０．０７％程度含有されている。

■　金属被覆層の形成方法 第５表に示す組成のＪＩＳ　ＳＵＳ　３０４ステンレス
鋼を母材として、プラズマ溶射およびＰＴＡ溶接により
金属被覆層を形成させた。その条件を第６表および第７
表にそれぞれ示す。

（以下、余白） 第１表 摩擦係数の測定方法・条件 第５表 母材の組成 （重量％、Ｆｅ　：　ｂａｌ、） 第２表 耐食性能試験の条件 第６表 プラズマ溶射による金属被覆層形成の条件第３表 粉末製造条件と粉末性状 第７表 し・。

ＰＴＡ溶接による金属被覆層形成の条件（以下、余白） ■　試験結果 結果は第３図〜第１０図に示すとおりである。

第３図には、合金粉末のＣ含有量の相違による摩擦係数
のデータを示す０本発明のＣ含有量範囲においては比較
例（合金１，２）より格段に低い摩擦係数を示し、耐摩
耗性の良好なことがわかる。

第４図は、第４−１表の合金３の粉末に、平均粒径５μ
園のＮｂＮを添加量を変えてボールミルで混合しＮｂＮ
含有量と摩擦係数との関係を調べた結果である。図示の
ように、ＮｂＮ粒子の添加・複合化によって摩擦係数は
更に低減し、摺動摩耗の抑制に効果の大きいことが分か
る。

第５図には添加したＮｂＮ粒子（添加量２０重量％）の
粒度と摩擦係数との関係を示す、硬質粒子として最小径
が１μ謁以上好ましくは５μ顧以上のものを用いた場合
には、第４図に摩擦係数測定結果を示した５μ−より小
さい粒子を含む硬質粒子添加の場合に比べて、摩擦係数
は更に低減し摺動摩耗の抑制により大きな効果のあるこ
とがわかる。

第６図にはＮｂＮ以外の硬質粒子添加の例とじてＴｉｃ
を複合した場合のＴｉＣ含有量と摩擦係数との関係を示
す、用いたＴｉＣ粒子は予め風力分級法にかけて５μ−
以下の微粒子を除去した。Ｔｉｃの添加、複合化によっ
ても摩擦係数は更に低減し、摺動摩耗の抑制に効果の大
きいことがわかる。さらにＮｂＮ、ＴｉＣ以外にも、金
属元素の窒素化合物粉末あるいは金属元素の炭化物粉末
あるいは金属元素の酸化物粉末の一般に硬度がビッカー
ス硬さで１５００以上の粒子を混合して分散させても、
摩擦係数が低減して摺動摩耗の抑制に効果があった。

第７図は、第４−１表の本発明の合金３の粉末にＮｂＮ
粉末（２１重量％）をボールミルを用いて混合した場合
の混合時間と前記ボールミル混合した粉末をＰＴＡ法に
よって溶接肉盛りした部分の摩擦係数を第１表に示す条
件で測定した結果を示すものである。

第７図から、溶接肉盛り部の摩擦係数低減による摺動摩
耗低減には、本発明合金と硬質粒子を混合して複合粉末
を製造するとき機械的合金化法によって均一に混合する
ことが効果のあることが分かる。

第８図は、第４−２表の供試材の応力腐食割れ試験結果
である。ＣおよびＮｂの含有量が本発明で定める範囲を
はずれた場合に、割れが発生している。

第９図は、第４−３表の供試材の応力腐食割れ試験結果
である。ここではＣおよびＣｒの含有量が本発明で定め
る範囲をはずれた場合に、割れが発生することがわかる
。

第１０図は、第４−４表の供試材の応力腐食割れ試験結
果である。この図からはＣおよびＴｉの含有量が本発明
で定める範囲をはずれた場合に、応力腐食割れが発生す
ることがわかる。

（発明の効果） 本発明の肉盛り材料を使用すれば、耐摩耗性と耐食性が
ともに優れたＮｉ基合金の被覆層を得ることができる。

この肉盛り材料は、あらゆる機械部品の製造および補修
に使用できるが、Ｃｏを実質的に含まず誘導放射能の心
配がないので、軽水炉あるいは新型転換炉等の原子力プ
ラントの炉内配管に使用される弁ならびに弁座などの摺
動部に肉盛りして、その耐摩耗性、耐食性を向上させる
のに好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、摩擦係数の測定方法の概略を示す説明図、 第２図は、腐食試験の試験片の説明図、第３図は、合金
粉末のＣ含有量とその粉末を使用した肉盛り層の摩擦係
数との関係を示す図、第４図は、粉末材料のＮｂＮ含有
量とその粉末を使用した肉盛り層の摩擦係数との関係を
示す図、第５図は、合金粉末に添加したＮｂＮ粒子の粒
度とその粉末を使用した肉盛り層の摩擦係数との関係を
示す図、 第６図は、粉末材料のＴｉＣ含有量とその粉末を使用し
た肉盛り層の摩擦係数との関係を示す図、第７図は、本
発明の合金粉にＮｂＮ１末をボールミルを用いて混合す
る場合の混合時間とその粉末を使用した肉盛り層の摩擦
係数との関係を示す図、である。 第８図、第９図および第１０図は、応力腐食割れ試験の
結果を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０
   ．１５％以下、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｃｒ：２０〜３０
   ％、Ｍｏ：１０％以下、Ｔｉ：３．５％以下、Ｎｂ：３
   ．５〜７％、Ｆｅ：１５％以下、Ａｌ：２％以下、Ｎ：
   ０．３％以下、残部はＮｉと不可避的不純物から成り、
   不純物としてのＣｏが０．０２％以下である原子力プラ
   ント機器肉盛り用合金粉末。
2. （２）請求項（１）に記載した合金粉末に金属元素の窒
   化物、炭化物および酸化物の１種以上の粉末を７０重量
   ％以下混合した原子力プラント機器肉盛り用複合粉末。