JPS5914108B2 - 耐摩耗性被覆の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 １５本発明は、金属体表面の耐摩耗性被覆の形成方法に
係り、特に、処理工程が短かく、製品歩留りの高い方法
に関する。

各種の機械、機構などにおいては、その動作の構造上互
いに摺動することが余儀なくされる構成２０部品が数多
く存在するが、それらを構成する金属体表面は、当然高
度の耐摩耗性が要求される。

沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）の制御棒駆動機構もその一例
であり、制御棒を炉心に出し入れする際に、スペーサ、
ロックプラグ、ソケット、ピストンヘ２５ ツド、マグ
ネットハウジング、ストップピストン、ナット、スパツ
トなどの部品が摺動するためすぐれた耐摩耗性を有する
ことが望まれる。そこで、ＢＷＲの制御棒駆動機構部品
の摺動面、例えばスペーサの内面などは、表面の耐摩耗
性を３０高めるべく、しかるべき被覆処理を施すことが
行われている。

従来、かかる方法としては、溶射法又は溶射溶着法を用
いて金属体表面に耐摩耗姓金属被覆を形成することが行
われていた。しかし、溶射法は、被処理表面のサンドブ
ラスト処理、溶３５射による耐摩耗住金属粉末の吹きつ
け、溶着処理などの工程が必要で、処理工程が長い上に
、被覆金属層に空孔が生じ易いために歩留りが低いとい
う欠点があつた。溶射溶着法は、自溶性合金を用いて、
金属粉末の吹きつけ一溶着を１工程で行うため若干工程
が簡単になるが処理に長時間を要するため極めて処理効
率が低く、被覆金属層に空孔が生じ易く歩留りが低い（
高々８０％）という欠点があつた。本発明は、上記の欠
点の解消を企図し、処理工程が短かく、かつ製品歩留り
の高い耐摩耗性被覆の形成方法の提供を目的とする。

本発明の方法を、以下、ＢＷＲの制御棒駆動機構の部品
、特にスペーサを例として説明するが対象はこれらに制
限されるものではなく、鉄鋼、ステンレス鋼などの金属
体の表面に耐摩耗性被覆を形成することができる。

即ち、本発明の耐摩耗性被覆の形成方法は、金属体の表
面を、ニツケルーリン合金、ニツケルーホウ素合金又は
銅からなる層で被覆し、ついでその上に、ニツケル（Ｎ
ｉ）とクロム（Ｃｒ）、又はクロムとコバルト（ＣＯ）
とニツケル（Ｎｉ）を主成分としホウ素（Ｂ）、ケイ素
（ＳＯ、鉄（Ｆｅ）及び炭素（Ｃ）を含有する金属粉末
を付着させた後、真空又は不活性ガス雰囲気中で加熱処
理を施すことを特徴とするものである。

本発明の方法により耐摩耗性被覆層を形成するにあたつ
ては、まず、金属体の表面にニツケルーリン（Ｎｉ−Ｐ
）合金層、ニツク゜ルーホウ素（Ｎｉ一Ｂ）合金層又は
銅（Ｃｕ）層を形成する。

これは耐摩耗性被覆層の接合強度を高めるために行なう
ものである。かかる金属層の形成には、無電解めつき法
を適応するとよい。本発明に使用される金属粉末は、上
記の如く、Ｎｉ７Ｏ〜９０重量？、ＣｒｌＯ〜３０重量
？のＮｉ−Ｃｒ基又はＣＯ４５〜６５重量？、Ｎｉ２Ｏ
〜３０重量７０，．Ｃｒ１５〜２５重量？のＣＯ−Ｎｉ
−Ｃｒ基でＢ，Ｓｌ，Ｆｅ及びＣを必須成分として含む
ものである。

主成分として含まれるＮＩ−Ｃｒ又はＣＯ−Ｎｉ−Ｃｒ
は約８０〜９０重量７０が好ましい。また、Ｂは１〜４
重量？、Ｓｉは３〜５重量？、Ｆｅは４〜５重量７０そ
してＣは０．６〜０．９重量７０含まれることが好まし
い。Ｃｒは被覆層の耐食性、強度を高め、耐摩耗性を向
上せしめる成分であり、１０重量？未満ではその効果が
不十分であり、逆に３０重量？を超えると被覆層には粗
大な初晶が過度に析出して必要とする耐摩耗性が得られ
なくなる。ＢはＣｒ，Ｎｉと反応し、またＳｉはＮｉと
反応して被覆層の強度を高め、耐摩耗性を向上せしめる
成分であるが、それぞれが上記範囲の下限値未満の場合
には充分な効果が得られず、また上限値を超えると靭性
が低下するので好ましくない。Ｆｅは、金属体に拡散し
て被覆層の密着性を高める成分であり、４重量？以上か
らその効果を示すが、しかし５重量％を超えると拡散層
が多くなりすぎて界面の脆化する傾向が増大する。Ｃは
被覆層の高度を高めて被覆層の耐摩耗性を向上せしめる
成分であるが、０．６重量７０未満ではその効果が充分
ではなく、また、０．９重量？を超えると被覆層の靭性
を低下せしめるので好ましくない。金属粉末には、上記
の成分のほかに、銅（Ｃｕ）が含まれてもよく、これら
を添加すると被処理表面と被覆金属層との接合強度が向
上する。また、モリブデン（ＭＯ）、タングステン（Ｗ
）、炭化タングステン（ＷＣ）を添加してもよく、これ
らは耐摩耗件を一層高める効果がある。使用する金属粉
末は上記の各成分金属の粉末を混合したものでもよく、
一部又は全部を合金化したものの粉末でもよい。

なお、金属体がＢＷＲの制御棒１駆動機構のごとく原子
炉の構成部品である場合には、コバルトを含むことは好
ましくないので、ＮＩ−Ｃｒ基の金属粉末を用いること
が望ましい。

その他、特殊な事情がない限り、Ｎｉ−Ｃｒ基でもＣＯ
−Ｎｉ−Ｃｒ基でも使用可能で、十分な耐摩耗件被覆を
形成することができる。金属粉末の粒径は１００〜３２
５メツシユが好ましく、均一な被覆層を得るために粒径
分布の幅は狭℃・方が望ましい。

金属粉末を、金属体の被処理表面に付着するには、粘着
姓の接着剤、例えばピロリン酸ナトリウム、ヘキサメタ
リン酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロースナトリ
ウム塩、デキストリン等を水に溶解して調製した固着接
着剤を用いればよい。

こうした粘着性の接着剤を被処理表面に塗布しておいて
金属粉末を付着させてもよいし、金属粉末をかかる接着
剤を用いてペースト状にし、これを被処理表面に塗布す
る力法でもよい。金属粉末の付着量を調節することによ
り、被覆層の厚さを変えることができ、通常１〜５ミリ
メートル程度の厚さに形成する。加熱処理は、真空中又
は不活性ガス中で行なう必要があり、温度は１０００〜
１１００℃が好ましい。

真空は約１０−４Ｔ０ｒｒ以下が好ましく、不活性ガス
としては、アルゴン、ヘリウム等を使用することができ
る。加熱処理の方法は、多様にあり得る。

通常の電気炉を用いてもよいし、誘導加熱炉を用い局部
的に加熱溶融させる部分を移動して行く帯域溶融法によ
つてもよい。帯域溶融法によれば、特に真空中において
、被覆層組成の均一化、不純成分の浮上、脱ガスなどの
利点を得ることができる。図面に即して、帯域溶融法に
よる加熱処理を更に詳しく説明する。第１図の１は炉内
に設置された被処理体の支持台で矢印２の方向に回転さ
せながら昇降自在である。３は誘導加熱用の高周波コイ
ルで、直径が両端で広く中央部で狭いつづみ状をなして
いる。

今、被処理体としてＢＷＲの制御棒駆動機構のスペーサ
４が支持台１の上に載置され、その内側面には金属粉末
５が付着されている。支持台１の昇降に伴つて、スペー
サ４は高周波コイル３内を昇降する。前記形状のコイル
を用いて高周波電流を流すと、コイルの最小直径部分６
と同じ高さの部位７においてスペーサーは最も高温にな
り、上下に向つて次第に低温となる温度こう配が形成さ
れる。高周波の入力を適当に選べば部位７において付着
された金属を溶融させることができる。そこで、スペー
サー４の下端をコイルの最小直径部６よりも少し高い位
置に置き、そこを出発として支持台を回転させながら次
第に下降させて行く。すると、帯域溶融法の原理で溶融
部分が次第に上昇して行く。この時支持台を回転させる
のは、処理の均一化を図るとともに、溶融した金属を遠
心力によりスペーサ４の内面に押し付け接合の促進を図
るためである。又下降させる速度は３〜１０７ｇ１／―
が好ましい。３顛／緬未満では付着金属の溶融時間が長
くなつて被覆層の厚さが不均一になる恐れがあり、１０
？／珈を超えると逆に溶融時間が短かすぎて不純物成分
の浮上、発散が不十分となる傾向がある。

また、加熱処理中に被処理表面に付着させた金属粉末の
脱落を防止するために、第２図に示すごとき、耐熱性酸
化物例えばアルミナ、マグネシアなどから成る中子８を
スペーサ内側に挿入して金金粉末を保持してもよい。

加熱処理を電気炉内で行う場合においても、前記のスペ
ーサのごとき内筒状被処理体の内面に厚い耐摩耗性被覆
層を形成する場合には、被処理体を回転させて遠心力を
付着させた金属粉末に作用させながら処理を行うと、厚
い被覆層の形成に有利である。

第３図は、加熱処理に用いる電気炉内を概念的に示した
図である。ヒータ１０に囲まれた位置に被処理体を支持
する支持台１１が設けられ、支持台を垂直に支える軸１
２はモータ１３に連結されている。モータ１３の作動に
より支持台１１は軸１２を回転軸として回転する。今、
支持台１１の上にはＢＷＲの制御棒駆動機構のスペーサ
１４（円筒状金属体）が載置され、スペーサ１４の内側
面には金属粉末１５が上述した方法により付着されてい
る。スペーサの上端には溶融した金属粉末の流出を防止
するために例えば上蓋１６を着脱自在に取付けておく。
モータ１３の作動によりスペーサ１４を回転させて金属
粉末１５を遠心力によりスペーサ１４の内側面に押し付
けながら加熱処理を行う。上例のスペーサのごとき円筒
状被処理体を加熱処理する場合、遠心力を作用させなけ
れば、付着させた金属粉末が溶融するにともなつて、重
力の影響が無視し得なくなる。

即ち溶融した金属粉末をたれ流そうとす重力が作用する
ため、被覆層の厚さが不均一になり易い。この傾向は、
金属粉末の付着量が多いほど大きくなるため、結局回転
による遠心力を与えない場合には被覆層の均一な厚さと
して高々１．０ＷＩ程度しか望めず、それ以上の厚さを
必要とする場合には、処理を繰り返すほかない。しかる
に、上述のような装置を用いてスペーサなどを回転させ
ながら加熱処理すると、一回の処理で最高約５７１ｉ１
１．程度の厚さの被覆層の形成が可能である。

望ましい回転速度は、被処理体の大きさ、被覆層の所要
の厚さなどにより異なるが、十分な遠心力が得られるよ
うに大体１０〜５０００ｒｐｍの範囲である。実施例
１ 外径１０６顛Ｘ内径８７７１１！１ｔ長さ１３０？の寸
法のＳＵＳ３Ｏ４ステンレス鋼から成る、ＢＷＲの制御
棒１駆動機構の円筒状のスペーサと同一寸法、材料から
成るスペーサを５０個準備し、それぞれの内面に下記条
件のメツキ浴を用いて、９３℃、６０分間め無電解ニツ
ケルメツキを施し、厚さ約３０μＭＯＮｉ−Ｐ層を形成
した。

次に、Ｎｉ−Ｐ層表面にカルボキシメチルセルロース・
ナトリウム塩から成る接着剤と、Ｎｉ７４重量７０．Ｃ
ｒ１３．５重量？、Ｂ３．Ｏ重量７０．Ｓｉ４．２５重
量？、ＣＯ．６重量？及びＦｅ４．ｌ５重量？から成る
混合金属粉末（１００〜１５０メツシユ）２０９を付着
させた。

これを、電気炉に装入し、１０−５Ｔ０ｒｒの真空中、
１０２５℃、０．５時間の加熱処理を施した。加熱処理
後、スペーサを切断し被覆層の断面を顕微鏡で観察した
ところ被覆層の厚さは平均約２．０？でステンレス鋼と
強固に接合し、また被覆層には空孔が認められず、製品
の歩留りは９５％以上であつた。

なお、上記と同一仕様のスペーサ５０個のそれぞれの内
面に、下記の条件で無電解メツキを施し、厚み２０μｍ
（７）Ｎｉ−Ｂ層を形成した：また、上記と同一仕様の
スペーサ５０個のそれぞれの内面に、下記の条件で無電
解銅メツキを施し、厚み１０１ｔｍの銅層を形成した：
これらにつき、Ｎｉ−Ｐ層を形成したスペーサにたいし
て行なつたと同一の条件で上記混合金属粉末を付着させ
、ついで加熱処理を施した。

得られたスペーサはいずれもＮ１−Ｐ層を形成したスペ
ーサの場合と同様に良好なものであつた。

実施例 ２実施例１と同様にして、内側面にＮｌ−Ｐ層
を設けたスペーサを用い、このスペーサ５０個の内側面
に、同様に金属粉末を３５９付着させた。

次いで、第１図に示した誘導加熱炉を用い、支持台（ア
ルミナ製）１上にのせ１０−５Ｔ０ｒｒの真空中でスペ
ーサを２０ｒｐＩ１の速度で回転させながら５７１ｉＲ
／７ｍの速度で下降させ、金属粉末を下端から上端へと
順次溶融させた。高周波の入力はスペーサの溶融部分温
度が１０２５℃になるように設定した。良好な結果が得
られ、製品の歩留りは９５％以上であつた。かくして得
た被覆金属層について、アムスラ一型摩耗試験機にて耐
摩耗性を以下に示す条件で評価した。比較のために、従
来使用されている溶射法で同一組成の被覆金属層（厚１
〜１．５７１１！ｌ）を評価し、結果を第４図に併せ示
した。図中曲線Ａは実施例１の場合を、曲線Ｂは比較例
を示す。く耐摩耗性比較の試験条件〉 荷重：４ｋ９／０ｆ１１ 速度：２．５ｍ／Ｓｅｃ 相手材：ステライト

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、高周波誘導加熱を用い帯域溶射
法により加熱処理する装置を表す図で、第３図は被処理
体を回転させながら加熱処理する装置を表す図で、第４
図は本発明に係る被覆金属層（曲線Ａ）と従来使用され
ている溶射法による被覆金属層（曲線Ｂ）について耐摩
耗性を比較して示した特件図である。 １・・・・・・支持台、３・・・・・・高周波コイル、
４・・・・・・スペーサ、５・・・・・・金属粉末層、
１０・・・・・・ヒータ、１１・・・・・・支持台、１
３・・・・・・モータ、１４・・・・・・スペーサ、１
５・・・・・・金属粉末層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属体の表面を、ニッケル−リン合金、ニッケル−
   ホウ素合金又は銅からなる層で被覆し、ついでその上に
   、ニッケルとクロム、又はクロムとコバルトとニッケル
   を主成分としホウ素、ケイ素及び炭素を含有する金属粉
   末を付着させた後、真空又は不活性雰囲気中で加熱処理
   を施すことを特徴とする耐摩耗性被覆の形成方法。 ２ 加熱処理が、電気炉内にて行われる特許請求の範囲
   第１項に記載の方法。 ３ 加熱処理が、誘導加熱炉を用いた帯域溶融法による
   特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ４ 金属体の被処理表面が、円筒状金属体の内側面であ
   つて、該金属体を円筒の軸の回りに回転させながら加熱
   処理を施す特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   かに記載の方法。