JPH06182626A

JPH06182626A - 高耐食性表面処理方法

Info

Publication number: JPH06182626A
Application number: JP33694492A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Urashiro; 慶一浦城; Yasuhisa Aono; 泰久青野; Masakiyo Izumitani; 雅清泉谷; Akira Fukai; 昌深井; Hideya Anzai; 英哉安斎; Yasushi Fukuzawa; 康福沢; Naotake Mori; 尚武毛利
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1992-12-17
Publication date: 1994-07-05

Abstract

(57)【要約】【目的】耐食性、耐応力腐食割れ性向上のために、放電
加工法を用いて、耐食性の良好な元素、あるいはこれら
の元素を含有する合金又は導電性セラミックスを電極と
し、改質部材表面の前処理としての表面状態調整処理と
高耐食性を有する放電加工合金層の形成を同時に行なう
ことのできる高耐食性表面処理方法を提供すること。【構成】炭素鋼，低合金鋼，オーステナイト系ステンレ
ス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼等の鉄（Ｆｅ）
基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、又はコバルト（Ｃ
ｏ）基合金からなる被処理対象部材２の表面を、少なく
とも一つの高耐食性元素を有する電極１を用い、油３中
あるいは水３中にて、放電加工処理し、前記部材の初期
表面の除去とこの表面に耐食性に優れた放電加工合金層
７を形成すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽水炉内構造物あるい
は中性子照射を受ける構造物の表面に高耐食性合金層を
形成させる耐食性，耐応力腐食割れ性向上のための表面
改質処理技術に係り、特に軽水炉プラントの長寿命化に
寄与する高耐食性表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、環境により腐食損傷を受ける材料
表面の防食対策技術として、古くは塗料及び電気化学的
手法としてのメッキ法などが活用され、また近年、真空
雰囲気で行なう蒸着，化学蒸着，物理蒸着及びイオン注
入が適用されつつある。これら方法は主として材料表面
に単に耐食性金属皮膜を形成することにあり、材料との
密着性、耐食性を改善する膜を形成するという意味では
十分とは言えない。一方、材料表面を放電加工によって
表面処理する方法が提案されている。例えば、（Ｉ）特
開昭６２−２４９１６号や（ＩＩ）特開平２−８３１１
９号等がある。また、材料表面を溶融して、材料の組成
と整合あるいは材料の表面部のみを高耐食化合金とする
ＴＩＧアークあるいはレーザ光を熱源としたＴＩＧアー
ク法あるいはレーザ法などの技術が適用されつつある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】腐食環境下にある、あ
るいはこの環境にさらされる恐れのある材料表面及び耐
食性の低下した材料表面の高耐食化にはいくつかの課題
がある。第１に処理表面の洗浄化の問題、第２に高耐食
性を表面に付与するための最適な方法の有無の問題が挙
げられる。処理表面の洗浄化は目的が耐食化とは異なる
手法、例えば機械加工，化学的，電気化学的手法を用い
て行なわれている。しかしながら、耐食性の低下した表
面あるいは腐食生成物に覆われている対象部位、例えば
軽水炉実機の炉内構造物の表面処理においては、放射線
環境下での作業という厳しい条件であるので、高耐食化
表面処理の前処理としての表面洗浄化と表面改質技術が
同時にできる手法が望まれている。また、通常の表面改
質においても表面形状に無関係でかつ除染されていない
表面を表面状態調整加工と高耐食化表面改質加工が同時
にできる技術は、産業上に対する役割が大きい。この課
題を満足させる技術として放電加工による表面処理方法
がある。放電加工に対する入熱は小さく、表面合金化過
程は電極と被表面改質加工物との間の微小放電により電
極及び被表面改質加工物を溶融気化し、また加工液の気
化に伴いその凝固物が被表面改質加工物表面に溶融され
ることにより進むことになる。多数回の重複放電により
表面は合金化されるが、１回の放電表面積及び入熱は小
さい、しかも、非加工域への影響が小さいので、材料の
表面処理方法としては優れている。

【０００４】この放電加工による高耐食化表面改質方法
として、従来技術の欄の（Ｉ）及び（ＩＩ）が提案され
ているが、（Ｉ）に開示された方法は、放電加工によっ
てシリコン（Ｓｉ）等のアモルファス層又は微細結晶質
層を被表面改質加工物表面に形成しようというもので、
電極として導電性の銅表面にＳｉ等の層を配設しなけれ
ばならない問題がある。また、（ＩＩ）に開示された方
法は、放電加工液中に耐酸化性表面改質に寄与するＳｉ
粉末を混入させ放電加工することによって、被表面改質
加工物表面にシリコン（Ｓｉ）のアモルファス層又は微
細結晶質層を形成しようというものであり、放電加工液
に特殊な処理を施さなければならない問題がある。ま
た、ＴＩＧアーク法あるいはレーザ法の技術を単独で適
用しようとすると、これらの表面溶融法は高入熱で加熱
した場合、表面処理部位周辺で材料の物性を変えてしま
う短所があった。

【０００５】従って、本発明の目的は、軽水炉内構造物
あるいは中性子照射を受ける構造物の表面の耐食性、耐
応力腐食割れ性向上のために、放電加工法を用いて、耐
食性の良好な元素、あるいはこれらの元素を含有する合
金又は導電性セラミックスを電極とし、改質部材表面の
前処理としての表面状態調整処理と高耐食性を有する放
電加工合金層を形成する高耐食性表面処理方法を提供す
ることにある。

【０００６】また、本発明の別の目的は、軽水炉内構造
物あるいは中性子照射を受ける構造物の表面を放電加工
法を用いて形成した放電加工合金層をさらにＴＩＧアー
ク法あるいはレーザ法等の技術を適用して、耐食性に優
れる再溶融表面合金層を形成することのできる高耐食性
表面処理方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による表面改質処理法として次のような方法
を用いる。即ち、炭素鋼，低合金鋼，オーステナイト系
ステンレス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼等の鉄
（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、又はコバル
ト（Ｃｏ）基合金からなる軽水炉内構造物あるいは中性
子照射を受ける構造物の表面を、少なくとも一つの高耐
食性元素を有する電極を用い、油中あるいは水中にて、
放電加工処理し、前記部材の初期表面の除去とこの表面
に耐食性に優れた放電加工合金層を形成することを特徴
とする。

【０００８】また、炭素鋼，低合金鋼，オーステナイト
系ステンレス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼等の
鉄（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、又はコバ
ルト（Ｃｏ）基合金からなる軽水炉内構造物あるいは中
性子照射を受ける構造物の表面を、導電性セラミックス
電極を用いて、油中あるいは水中にて、放電加工処理
し、初期表面を除去すると同時に表面に被処理対象部材
の構成成分元素と電極成分元素とからなるアモルファス
層又は微細結晶質層、あるいはセラミックス粒子が分散
した層からなる放電加工合金層を形成することを特徴と
する。

【０００９】これら表面改質処理法において、放電加工
処理によって放電加工合金層を形成した後、レーザ光，
電子ビーム，又はＴＩＧアーク等のエネルギーを照射し
て、放電加工合金層と被処理対象部材である軽水炉内構
造物あるいは中性子照射を受ける構造物の一部を再溶融
させた後、急冷凝固させて再溶融表面合金層を形成する
ことを特徴とする。

【００１０】

【作用】この発明においては、電極と材料である被加工
金属の間で放電加工処理され、被加工金属表面に放電加
工合金層を形成する。表面合金化過程は電極と被加工金
属との間の微小放電により電極及び被加工金属表面を溶
融気化し、また加工液の気化に伴いその凝固物が被加工
金属表面に溶融し合金化されることにより進むことにな
る。多数回の重複放電により表面は合金化されるが、１
回の放電表面積及び放電加工に対する入熱は小さい、し
かも、非加工域への影響が小さいので、材料の表面処理
方法としては優れている。

【００１１】この発明にあっては、電極と被加工金属と
の組合せが重要である。電極として高耐食性元素を有す
るものを用いると、被加工金属表面に高耐食性の放電加
工合金層を形成する。また、電極として導電性セラミッ
クスを用いると、被加工金属表面に金属の構成成分元素
と電極成分元素とからなるアモルファス層又は微細結晶
質層、あるいはセラミックス粒子が分散した層からなる
放電加工合金層を形成する。放電加工合金層の厚さは５
〜２０μｍが好ましい。

【００１２】このようにして形成された放電加工合金層
をレーザ光，電子ビーム，又はＴＩＧアーク等のエネル
ギーを照射して、放電加工合金層と被加工金属の一部を
再溶融させた後、急冷凝固させて再溶融表面合金層を形
成するので、表面処理部位周辺で材料の物性を大きく変
えることなく耐食性、耐応力腐食割れ性を向上させるこ
とができる。

【００１３】本発明は、炭素鋼，低合金鋼，フェライト
系ステンレス鋼若しくはオーステナイト系ステンレス鋼
等の鉄（Ｆｅ）基合金，ニッケル（Ｎｉ）基合金又はコ
バルト（Ｃｏ）基合金の部材及びこれら合金部材から成
る軽水炉内溶接構造物の熱影響部及び溶融凝固部を含む
溶接部、あるいは中性子照射を受ける部分を有する炉内
構造物の表面を、高耐食性元素であるクロム（Ｃｒ），
ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），ニオブ（Ｎｂ）及
びタンタル（Ｔａ）の内いずれか一つあるいは二つ以上
の成分からなる、あるいはそれらを含んだ合金を電極と
して用い、油あるいは水の加工液中で放電加工処理し、
初期表面を除去すると同時に高耐食性を有する放電加工
合金層を形成せしめることによって、この部分の耐食
性、耐応力腐食割れ性を向上させるものである。

【００１４】本発明による部材の表面改質形成方法の原
理を図１を用いて説明する。図１は本発明による高耐食
性表面処理方法の放電加工処理の模式図である。油ある
いは水である加工液３の入った加工槽４の中に、被処理
対象材料である被加工金属２と電極１が入っている。被
加工金属２は、炭素鋼，低合金鋼，オーステナイト系ス
テンレス鋼，あるいはフェライト系ステンレス鋼等のＦ
ｅ基合金、Ｎｉ基合金、又はＣｏ基合金からなる部材で
あり、溶接部または溶接熱影響などを受けた部分であ
る。電極１はＣｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎｂ及びＴａの
内いずれか一つあるいは二つ以上の成分からなる、ある
いはそれらを含んだ合金を用いる。この電極１にパルス
電流を流して放電５させることにより電極１の一部及び
被加工金属２の表面部が溶融・気化されて初期表面が除
去され、また加工液３の気化に伴いその溶融合金粒６が
被加工金属２の表面に冷却凝固して放電加工合金層７が
形成される。放電加工合金層７は高耐食性の合金元素を
含み、かつ急冷凝固による均一な層であるので酸化皮膜
は極めて安定であり、耐食性あるいは耐応力腐食割れ性
の向上が達成せられる。

【００１５】本発明が適用される被加工金属材料として
は、一般炭素鋼，低合金鋼，オーステナイト系ステンレ
ス鋼の場合、重量でＣｒを１２〜２０％及びＮｉを８〜
３０％含むもの，フェライト系ステンレス鋼の場合、重
量でＣｒを１２〜１８％及びＮｉを２％未満含むもの，
あるいはＮｉ基合金の場合、重量でＣｒを１５〜２３
％，Ｆｅを２.５〜３７％及びＭｏを０〜１６％含むも
の等がある。

【００１６】電極材料として、高耐食性のステンレス
鋼，Ｎｉ基合金成分であるＮｉ，Ｃｒ元素あるいはそれ
らを組成とする合金が高耐食性の放電加工合金層７形成
には好ましい。特に、Ｎｉ，Ｃｒ元素あるいはそれらを
含む合金を用いると、炭素鋼，低合金鋼表面の高耐食化
に対しては、表面のＮｉ，Ｃｒの高濃度化のために、及
びフェライト系ステンレス鋼のＮｉ含有高耐食化のため
にも好適である。

【００１７】Ｔｉ，Ｎｂ又はＴａを電極材料あるいは合
金電極の成分として用いることの意義は、加工液中すな
わち油中の炭素や窒素また水中の酸素が単体として急冷
凝固して放電加工合金層へ混入して材質劣化を引き起こ
すことを防止し、Ｔｉ，Ｎｂ又はＴａの化合物として放
電加工合金層へ固着化させることにある。炭素，酸素あ
るいは窒素の十分な固着化のためには、炭素鋼，低合金
鋼，ステンレス鋼等のＦｅ基合金，Ｎｉ基合金又はＣｏ
基合金の全ての部材に対して、その表面にＴｉ，Ｎｂ又
はＴａの濃度が２％程度までの含有量の放電加工合金層
７を設けるようにするのが好ましい。

【００１８】本発明によって得られる耐食性，耐応力腐
食割れ性を向上した被加工金属の改質表面は、放電加工
処理によって形成された放電加工合金層７であって、電
極として使用されるＣｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｎｂ及びＴａの
いずれか一つあるいは二つ以上の合金の組成と加工液組
成を含有する合金組織である。この放電加工合金層７の
厚さは、放電加工電流に依存するが、より平坦な面状態
を与え、加工部周辺の母材（被加工金属２）表面に過度
の熱影響を与えないためには、炭素鋼，低合金鋼，ステ
ンレス鋼，Ｎｉ基合金の全てに対して５〜５００μｍの
範囲にあることが好ましい。

【００１９】放電加工処理後、急冷凝固により得られる
放電加工合金層７中のＣｒ，Ｎｉ濃度は、表面改質に伴
う耐食性，耐応力腐食割れ性向上のためには、母材（被
加工金属２）の濃度程度、また、母材組成との連結を維
持するためには過度の濃度上昇は避けるのが好ましい。
特にＣｒの濃度においては高濃度化によるσ相形成のた
め靭性低下を生じるため、これを防止するためにも上限
が必要である。従って、放電加工合金層７中のＣｒ，Ｎ
ｉ量はオーステナイト系ステンレス鋼に対しては母材に
おけるそれぞれの濃度の０．８５〜１．３倍好ましくは
１.１〜１.３倍、フェライト系ステンレス鋼に対しては
Ｃｒが母材のＣｒ濃度の０．８３〜１．５倍好ましくは
１．０〜１.３倍、Ｎｉ添加に関してはＮｉ量がＳＵＳ
３０４成分となる８％程度またはそれ以上が好ましい。
Ｎｉ基合金に対してはＣｒ量が母材のＣｒ濃度の０．８
３〜１．５倍好ましくは１.１〜１.５倍となるのがよ
い。炭素鋼又は低合金鋼では表面層である放電加工合金
層７をＳＵＳ３０４又は３１６オーステナイト系ステン
レス鋼組成にするために、放電加工合金層７中の重量で
Ｃｒ濃度が１７〜１９％及びＮｉ濃度が１３％以下、あ
るいはＣｒ濃度が９〜１２％のものが好ましい。

【００２０】さらにＣｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎｂ及び
Ｔａなどの元素からなる放電加工合金層７は耐食性の極
めて良好なアモルファス層も得られる。また微細結晶質
である場合にも急冷凝固による準安定で均一な層となり
耐食性は良好である。

【００２１】これまでは、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎ
ｂ及びＴａの内のいずれか一つあるいは二つ以上の成分
からなる、あるいはそれらを含んだ合金を電極として用
いる例で説明してきたが、電極材料として、硼化チタン
（ＴｉＢ₂），窒化チタン（ＴｉＮ）含有サイアロン（S
ialon）又は炭化珪素（ＳｉＣ）等の導電性を有するセ
ラミックス電極を用いることもできる。この導電性セラ
ミックス電極を用い、油あるいは水の加工液中で放電加
工し、初期表面を除去すると同時に被処理材料である被
加工金属の表面に金属の成分元素と電極成分元素とから
なるアモルファス層又は微細結晶層、あるいはセラミッ
クス粒子を分散した層を形成せしめることができる。
放電加工による表面処理では、加工液中で放電させて被
加工金属表面近傍と電極の一部を溶融させ、被加工金属
表面にその成分元素と電極成分元素とからなる急冷凝固
された放電加工合金層７を形成させる処理である。鋼，
ステンレス，インコネル等を被加工金属とし、電極材料
として上記のものを用いて、油あるいは水からなる加工
液中で放電した場合、初期表面を除去すると同時にＦ
ｅ，Ｃｒ，Ｎｉ及びＣ等からなる被加工金属成分と原子
拡散を抑制するＢ，Ｓｉ及びＣ等の電極成分からなる急
冷凝固された放電加工合金層７が表面に形成される。成
分範囲及び放電エネルギーの制御により冷却速度が増加
する場合にはアモルファス層が形成される。上記合金
層が酸化皮膜が安定なアモルファス組織である場合、表
面処理部の耐食性は著しく向上する。また、上記合金層
がアモルファス化されない場合でも、腐食環境下におい
て形成される酸化皮膜が安定な微細結晶質の急冷組織か
らなる表面処理部の耐食性は非処理材と較べて大きく向
上する。また、合金層が十分な機械的強度も合わせて有
する場合には耐応力腐食割れ性も向上する。さらに、
上記合金層が充分な硬度を有するアモルファス組織であ
る場合、あるいはアモルファス化されない場合でも、充
分な硬度を有する微細結晶質の急冷組織、あるいはセラ
ミックス粒子が分散する急冷組織となる表面処理部の耐
摩耗性は非処理材と較べて著しく向上する。

【００２２】このように放電加工処理によって形成した
放電加工合金層７と被加工金属２との密着性が不十分で
ある場合、あるいは放電加工合金層７の表面に割れ等の
欠陥がある場合、放電加工合金層７を形成した後にレー
ザ光，電子ビーム，又はＴＩＧアーク等のエネルギー９
を照射して放電加工合金層７及び被加工金属２の一部を
再溶融して欠陥を消失し、かつ被加工金属２と密着した
再溶融表面合金層１０を形成することができる。この層
は自己冷却による急冷凝固層であるので、密着性に優
れ、かつ上記のアモルファス層、あるいは均一な微細結
晶質層を再び形成することができる。よって、この再溶
融表面合金層１０を形成した部分の耐食性，耐応力腐食
割れ性を向上させることができる。

【００２３】本発明は軽水炉炉内構造物である中性子束
計測ハウジング，シュラウド，シュラウドサポート，上
部格子板，炉芯支持板表面及び溶接部において耐食性，
耐応力腐食割れ性の劣化した部分に、油あるいは水の加
工液中で放電加工して、酸化皮膜の付着している初期表
面を除去すると同時に高耐食性を有する放電加工合金層
７、又は再溶融表面合金層１０を形成せしめることによ
って、この部分の耐食性，耐応力腐食割れ性を向上さ
せ、軽水炉プラントを長寿命化させるものである。ま
た、沸騰水型軽水炉プラントの稼働温度は約２８８℃で
あるので、上記のアモルファス層の結晶化あるいは微細
結晶質急冷組織の時効変化の際などに耐食性，耐摩耗性
に影響を及ぼすほどの組織変化は生じず、軽水炉炉内構
造物の特性は大きく向上し、軽水炉プラントの経年的な
耐食性、対応力腐食割れ性の劣化の防止に大きな効果が
ある。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）図１は放電加工処理による高耐食性を有す
る放電加工合金化層７を形成する装置の断面図である。
油からなる加工液３の中に電極１と被加工金属２との間
に放電加工処理をするものである。本実施例では、被加
工金属２としてＳＵＳ３０４ステンレス鋼を用い、電極
１としてＣｒ電極を用いて放電加工した結果、約５μｍ
厚さの均一な放電加工合金層７を形成し、極めて良好な
耐食性が得られている。また同様に、被加工金属２とし
てＳＵＳ３０４ステンレス鋼を用い、電極１としてＴｉ
電極を用いて放電加工した時に形成される放電加工合金
層７についても厚さが約５μｍであり、Ｃｒ電極の場合
と同様に極めて良好な耐食性が得られている。これらの
放電加工条件は電極極性，電流，パルス時間，休止時
間，加工時間をパラメータとし、表１のように設定した
ものである。

【００２５】

【表１】

【００２６】（実施例２）図２は放電加工処理により形
成した放電加工合金層７を含む表面部をレーザ光，電子
ビーム，又はＴＩＧアーク等のエネルギー９を照射して
放電加工層７及び被加工金属２の一部を再溶融し、自己
冷却による急冷凝固によって再溶融表面合金層１０を形
成させる場合の模式図である。放電加工合金層７と被加
工金属２との密着性が不十分である場合、あるいは放電
加工合金層７の表面に割れ等の欠陥がある場合に、加工
トーチ８よりレーザ光，電子ビーム，又はＴＩＧアーク
等のエネルギー９を照射して放電加工合金層７及び被加
工金属２の一部を再溶融して欠陥を消失し、かつ被加工
金属２と密着した再溶融表面合金層１０を形成すること
ができる。この層は自己冷却による急冷凝固層であるの
で放電加工合金層７と同様の良好な耐食性，耐応力腐食
割れ性を有する。

【００２７】（実施例３）図３は本発明の応用例とし
て、軽水炉の中性子計測ハウジングのような管状構造物
の内面における耐食性あるいは耐応力腐食割れ性の向上
を目的として実機への放電加工処理をする場合の模式図
である。管状構造物である被加工金属２が圧力容器など
の他の構造物１４と溶接された際に、溶接部１５の熱影
響によって炉水等の腐食環境に接する管内面が鋭敏化し
た場合、被加工金属２の応力腐食割れ特性が劣化する。
そのような部位表面に対して、実施例１で示したような
放電加工処理によって、放電加工合金層７を形成するこ
とができる。垂直駆動系ロッド１３の先端に保持された
回転駆動系部材１２に取付けられた放電加工セル１１を
垂直と回転方向への駆動によって移動させて、放電加工
合金層７がこの劣化した部位表面に形成されるように放
電加工を繰り返えす。放電加工セル１１には実施例１で
示した電極１が配設されており、この電極１と管内面で
ある被加工金属２の隙間を適切に維持しながら炉水を加
工液３として放電加工する。これによって、管内面の劣
化した領域の表面を実施例１で示した耐食性あるいは耐
応力腐食割れ性の良好な放電加工合金層７に改質する。

【００２８】（実施例４）図４は本発明の応用例とし
て、軽水炉内のシュラウドのような非管状構造物の耐食
性あるいは耐応力腐食割れ性の向上を目的として実機へ
の放電加工処理をする場合の模式図である。非管状構造
物である被加工金属２の溶接部１５の熱影響によって炉
水等の腐食環境に接する構造物が鋭敏化した場合、その
部分の応力腐食割れ特性が劣化する。そのような部位表
面に対して、実施例１に示したような放電加工処理によ
って、放電加工合金層７を形成することができる。ロボ
ットアーム１６の先端に取り付けた放電加工セル１１を
ロボットアーム１６によって移動させて、放電加工合金
層７がこの劣化した部位表面に形成されるように放電加
工を繰り返えす。放電加工セル１１には実施例１で示し
た電極１が配設されており、この電極１と被加工金属２
の隙間を適切に維持しながら炉水を加工液３として放電
加工する。これによって、構造物の劣化した領域の表面
を実施例１で示した耐食性あるいは耐応力腐食割れ性の
良好な放電加工合金層７に改質する。

【００２９】なお、実施例３又は４において、放電加工
層７と被加工金属２との密着性が不十分である場合、あ
るいは放電加工合金層７の表面に割れ等の欠陥がある場
合には、実施例２に示すようにレーザ光，電子ビーム，
又はＴＩＧアーク等のエネルギー９を照射して放電加工
合金層７及び被加工金属２の一部を再溶融して欠陥を消
失し、かつ被加工金属２と密着した再溶融表面合金層１
０を形成することができる。この層は自己冷却による急
冷凝固層であるので放電加工合金層７と同様の良好な耐
食性，耐応力腐食割れ性を有する。

【００３０】（実施例５）実施例１と同様に被加工金属
２とＴｉＢ₂，ＴｉＮ含有サイアロン(Sialon),あるいは
ＳiＣ等の導電性セラミックス電極１を、電極1と被加工
金属２の間の距離が適正になるように設置し、表２の条
件で放電加工する。電極1の一部が放電５のエネルギー
によって溶融し、溶融合金粒６となって、同じく放電５
のエネルギーによって溶融した被加工金属２の表面部に
混入し、放電を止めた後、被加工金属２の表面部に金属
成分元素と電極成分元素とからなる放電加工合金層７を
形成する。

【００３１】

【表２】

【００３２】上記放電加工合金層７の酸化皮膜が安定な
アモルファス組織である場合、表面処理部の耐酸性，耐
食性は著しく向上し、合金層７が十分な機械的強度も併
せて有する場合には耐応力腐食割れ性も向上する。ま
た、上記合金層７がアモルファス化されない場合でも、
酸化皮膜が安定な微細結晶質の急冷組織から構成されて
いるか、あるいはセラミックス粒子が分散する急冷組織
から構成されておれば、表面処理部の耐酸性，耐食性は
非処理材と較べて大きく向上し、合金層７が十分な機械
的強度も合わせて有する場合には耐応力腐食割れ性も向
上する。サイアロン(Sialon)電極を用いた放電加工に
よって形成された放電加工合金層７の腐食試験後の断面
のＳＥＭ写真の結果、被加工金属２の表面に約５μｍ厚
さの均一な放電加工合金層７が形成されており、王水に
３０分間浸漬させた後でも腐食損傷をいささかも受けて
いないことがわかった。またＴｉＢ₂電極を用いた放電
加工によって形成された放電加工合金層７の腐食試験後
の断面のＳＥＭ写真の結果でも、被加工金属２の表面に
同様の厚さの均一な放電加工合金層７が形成されてお
り、王水に３０分間浸漬させた後でも腐食損傷をいささ
かも受けてないことがわかった。

【００３３】（実施例６）図２に示すものと同様に、放
電加工合金層７と被加工金属２との密着性が不十分であ
る場合、あるいは放電加工合金層７の表面に割れ等の欠
陥がある場合には、被加工金属２の表面にセラミックス
電極を用いて放電加工処理により形成した放電加工合金
層７を加工トーチ８よりレーザ光，電子ビーム，又はＴ
ＩＧアーク等のエネルギー９を照射して放電加工合金層
７及び被加工金属２の一部を再溶融して欠陥を消失し、
自己冷却による急冷凝固した再溶融表面合金層１０を形
成することができる。この層１０は自己冷却による急冷
凝固層であるので上記のアモルファス層、あるいは均一
な微細結晶質層を再び形成させることができる。

【００３４】（実施例７）図３に示す本発明の応用例と
して、導電性セラミックス電極を用いて放電加工合金層
７を形成するものである。軽水炉の中性子束計測ハウジ
ングのような管状構造物の内面における耐食性あるいは
耐応力腐食割れ性の向上を目的とする。管状構造物であ
る被加工金属２が圧力容器などの他の構造物１４と溶接
された際に、溶接部１５の熱影響によって炉水等の腐食
環境に接する管内面が鋭敏化した場合、部材の応力腐食
割れ特性が劣化する。その様な部位表面に対して、放電
加工によって、実施例５で示したような、アモルファス
組織、微細結晶質、あるいはセラミックス粒子が分散す
る急冷組織からなる放電加工合金層７を形成することが
できる。放電加工セル１１を垂直と回転方向に駆動させ
て、放電加工合金層７が劣化した部位表面に形成される
ように放電加工を繰り返えす。このようにして、管内面
の劣化した領域の表面を実施例５で示した耐食性あるい
は耐応力腐清割れ性の良好なアルモファス組織、微細結
晶質組織、あるいはセラミックス粒子が分散する急冷組
織からなる放電加工合金層７に改質する。

【００３５】プラントの経年劣化によって耐摩耗性の劣
化した構造物の表面に対しても上記と同様の加工によっ
て耐摩耗性の良好なアルモファス組織、微細結晶質組
織、あるいはセラミックス粒子が分散する急冷組織から
なる放電加工合金層７を形成することができる。

【００３６】沸騰水型軽水炉プラントの稼働温度は約２
８８℃であるので、上記のアモルファス層の結晶化ある
いは微細結晶質の急冷組織の時効変化などの際に耐食
性，耐応力腐食割れ性及び耐摩耗性に影響を及ぼすほど
の組織変化は生じない。よって、炉内構造物の上記特性
は大きく向上し、軽水炉プラントの経年劣化の防止に大
きな効果がある。

【００３７】（実施例８）図４に示す本発明の応用例と
して、実施例５に示す方法よって、軽水炉のシュラウ
ド，シュラウドサポート，上部格子板，及び炉芯支持板
のような非管状構造物の表面における耐食性あるいは耐
応力腐食割れ性の向上を目的とする例を示す。非管状構
造物である被加工金属２の溶接部１５の熱影響によって
炉水等の腐食環境に接する構造物が鋭敏化した場合、あ
るいは中性子照射の影響によって構造物の応力腐食割れ
特性が劣化した場合には、そのような部位表面に対し
て、実施例５で示したような放電加工によって、アモル
ファス組織、微細結晶質組織、あるいはセラミックス粒
子が分散する急冷組織からなる放電加工合金層７を形成
することができる。ロボットアーム１６の先端に取り付
けた放電加工セル１１をロボットアーム１６によって移
動させて、放電加工合金層７がこの部位表面に形成され
るように放電加工を繰り返す。このようにして、構造物
の劣化した領域の表面を実施例５で示した耐食性あるい
は耐応力腐食割れ性の良好なアモルファス組織、微細結
晶質組織、あるいはセラミックス粒子が分散する急冷組
織からなる放電加工合金層７に改質する。

【００３８】また、プラントの経年劣化によって耐摩耗
性の劣化した構造物の表面に対しても上記と同様の加工
によって耐摩耗性の良好なアモルファス組織、微細結晶
質組織、あるいはセラミックス粒子が分散する急冷組織
からなる放電加工合金層７を形成することができる。

【００３９】なお、実施例７又は８において、放電加工
合金層７と被加工金属２との密着性が不十分である場
合、あるいは放電加工合金層７の表面に割れ等の欠陥が
ある場合には、実施例６に示すようにして再溶融表面合
金層１０を形成してもよい。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば金属材料表面に耐食性，
耐摩耗性等の極めて優れた合金層を付与することができ
るので、このような特性を要求される材料や部品の性質
向上に大きな効果がある。また、軽水炉炉内構造物に対
する合金層形成化によって表面改質が可能であり、炉内
構造物の耐食性，耐応力腐食割れ性、及び耐摩耗性を向
上させることができるので、軽水炉の事故防止あるいは
長寿命化に大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による耐食性表面処理方法を実施する装
置の模式図を示す。

【図２】本発明による耐食性表面処理方法により形成し
た放電加工合金層を再溶融し、自己冷却による急冷凝固
した再溶融表面合金層を形成する模式図を示す。

【図３】本発明の応用例として、軽水炉の中性子束計測
ハウジングのような管状構造物の内面における耐食性あ
るいは耐応力腐食割れ性の向上を目的として実機へ放電
加工処理をする場合の模式図を示す。

【図４】本発明の応用例として、軽水炉のシュラウドの
ような非管状構造物の表面における耐食性あるいは耐応
力腐食割れ性の向上を目的として実機へ放電加工処理を
する場合の模式図を示す。

【符号の説明】

１電極２被加工金属３加工液４加工槽５放電６溶融合金粒７放電加工合金層８加工トーチ９エネルギービーム１０再溶融表面合金層１１放電加工セル１２回転駆動系部材１３垂直駆動系ロッド１４軽水炉圧力容器などの構造物１５溶接部１６ロボットアーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者泉谷雅清茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者深井昌茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者安斎英哉茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者福沢康新潟県長岡市深沢1769番地の１ (72)発明者毛利尚武愛知県名古屋市天白区八事石坂661番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素鋼，低合金鋼，オーステナイト系ス
テンレス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼等の鉄
（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、又はコバル
ト（Ｃｏ）基合金からなる部材の軽水炉内構造物あるい
は中性子照射を受ける前記部材からなる構造物の表面
を、高耐食性元素を有する電極を用い、油中あるいは水
中にて、放電加工処理し、前記部材の初期表面の除去と
この表面に耐食性に優れた放電加工合金層を形成するこ
とを特徴とする高耐食性表面処理方法。
【請求項２】請求項１において、前記軽水炉炉内構造
物として中性子束計測ハウジング，シュラウド，シュラ
ウドサポート，上部格子板，炉芯支持板表面等の溶接
部、熱影響部、あるいは中性子照射を受ける部分である
ことを特徴とする高耐食性表面処理方法。
【請求項３】請求項１又は２において、高耐食性元素
を有する電極として、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎ
ｉ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）及
びタンタル（Ｔａ）の内いずれか一つあるいは二つ以上
の成分からなる金属、あるいはそれらを含んだ合金を用
い、放電加工合金層として、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，
Ｎｂ及びＴａの内いずれか一つあるいは二つ以上の成分
を含有する合金層を形成することを特徴とする高耐食性
表面処理方法。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかにおいて、放
電加工合金層の厚さとして、被処理対象部材の表面に５
〜５００μｍの範囲の合金層を形成することを特徴とす
る高耐食性表面処理方法。
【請求項５】請求項３において、前記部材がオーステ
ナイト系ステンレス鋼の場合、その表面に重量でＣｒ，
Ｎｉ濃度が母材のそれぞれの濃度の０.８５〜１.３倍の
範囲であり、かつ、加工液中の炭素，酸素及び窒素原子
をＴｉ，ＮｂあるいはＴａで固定したそれらの化合物及
び２％以下の固溶Ｔｉ，ＮｂあるいはＴａを含有し、厚
さが５〜５００μｍの範囲の放電加工合金層を形成する
ことを特徴とする高耐食性表面処理方法。
【請求項６】請求項３において、前記部材が重量でＣ
ｒを１２〜１８％及びＮｉを２％以下含むフェライト系
ステンレス鋼の場合、その表面に重量でＣｒ濃度が母材
の濃度の０.８３〜１.３倍の範囲、あるいはそのＣｒ濃
度に加えてＮｉ濃度が８％以上の範囲であり、かつ、加
工液中の炭素，酸素及び窒素原子をＴｉ，Ｎｂあるいは
Ｔａで固定したそれらの化合物及び２％以下の固溶Ｔ
ｉ，ＮｂあるいはＴａを含有し、厚さが５〜５００μｍ
の範囲であり、フェライト相あるいはＮｉ含有のγ相の
いずれかの放電加工合金層を形成することを特徴とする
高耐食性表面処理方法。
【請求項７】請求項３において、前記部材が重量でＣ
ｒを１５〜２３％，Ｆｅを２．５〜３７％，及びＭｏを
１６％以下含むＮｉ基合金の場合、その表面に重量でＣ
ｒ，Ｎｉ濃度が母材のそれぞれの濃度の０.８３〜１.５
倍の範囲であり、かつ、加工液中の炭素，酸素及び窒素
原子をＴｉ，ＮｂあるいはＴａで固定したそれらの化合
物及び２％以下の固溶Ｔｉ，ＮｂあるいはＴａを含有
し、厚さが５〜５００μｍの範囲であり、γ単相あるい
はγとγ´の混相のいずれかの放電加工合金層を形成す
ることを特徴とする高耐食性表面処理方法。
【請求項８】請求項３において、前記部材が炭素鋼又
は低合金鋼の場合、その表面に重量でＣｒ濃度が９％〜
１２％、あるいはＣｒ濃度が１７％〜１９％及びＮｉ濃
度が１３％以下の範囲であり、かつ、加工液中の炭素，
酸素及び窒素原子をＴｉ，ＮｂあるいはＴａで固定した
それらの化合物及び２％以下の固溶Ｔｉ，Ｎｂあるいは
Ｔａを含有し、厚さが５〜５００μｍの範囲の放電加工
合金層を形成することを特徴とする高耐食性表面処理方
法。
【請求項９】炭素鋼，低合金鋼，オーステナイト系ス
テンレス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼等の鉄
（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、又はコバル
ト（Ｃｏ）基合金からなる部材の軽水炉内構造物あるい
は中性子照射を受ける前記部材からなる構造物の表面
を、導電性セラミックス電極を用いて、油中あるいは水
中にて、放電加工処理し、初期表面を除去すると同時に
表面に前記部材の構成成分元素と電極成分元素とからな
るアモルファス層又は微細結晶質層、あるいはセラミッ
クス粒子が分散した層からなる放電加工合金層を形成す
ることを特徴とする高耐食性表面処理方法。
【請求項１０】請求項９において、前記部材が軽水炉
炉内構造物である中性子束計測ハウジング，シュラウ
ド，シュラウドサポート，上部格子板，炉芯支持板表面
等の溶接部、熱影響部、あるいは中性子照射を受ける部
分であることを特徴とする高耐食性表面処理方法。
【請求項１１】請求項９又は１０において、導電性セ
ラミックス電極として、硼化チタン（ＴｉＢ₂）、窒化
チタン（ＴｉＮ）含有のサイアロン（Sialon）あるいは
炭化珪素（ＳiＣ）を用いることを特徴とする高耐食性
表面処理方法。
【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれかにおい
て、放電加工処理によって放電加工合金層を形成した
後、レーザ光，電子ビーム，又はＴＩＧアーク等のエネ
ルギーを照射して、放電加工合金層と被処理対象部材で
ある被加工金属の一部を再溶融させた後、急冷凝固させ
て再溶融表面合金層を形成することを特徴とする高耐食
性表面処理方法。