JPS60149749A - 水機器及びその製造方法 - 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】 本発明は、耐キャビテーション・エロージヨン性に優れ
た水機器及びその製造方法に関する。

近年、エネルギーの有効利用の見地から、比較的短時間
で出力調整が可能な水力発電、特に夜間の余剰電力を有
効に利用できる揚水発電プラントの建設が盛んである。

しかも、水力発電プラントは建設地点の限定、単機容量
に対する建設費の低減、発電効率の向上などの点から、
大容量化される傾向にあり、揚水発電においては歯路差
化、高揚程化が進んでいる。

従来水機器として例示される水車ランナ本体などには、
３〜５％のＮｌを含むマルテンサイト系１３％Ｃｒステ
ンレス鋼鋳鋼が使用されているが、高揚程化や高落差化
により、キャビテーション・エロージョンが加速されて
おり、さらに優れた耐キャビテーション・エロージヨン
性を有するものが要望されている。

水車ランナなどの耐キャビテーション・エロージヨン性
を向上させるひとつに、水車ランナなどの材料にオース
テナイト系ステンレス鋼を使用する方法がある。一般に
オーステナイト系ステンレス鋼の耐キャビテーション・
エロージヨン性はマルテンサイト系１３　％　Ｃｒステ
ンレス鋼鋳ｍよりも優れているが、この材料は耐力が低
いことから、水車ランチ本体に使用する場合には製造工
程が極めて複雑になるという問題がある。このため、オ
ースナイト系ステンレス銅は王として水車ランナ羽根な
どのキャビテーション・エロージョン損耗の著しい部位
に肉盛溶接して使用されている。しかし、高落差化・高
揚程化に伴い、肉盛溶接された水車ランチにおいても、
さらに優れた耐キャビテーション・エロージヨン性を有
するものが要望されてきている。

このような点（二髄み、本発明は耐キャビテーション・
エロージヨン性に優れた水車ランチ、ガイド・ベーン、
ステー・ベーン、船舶用プロペラ、各種ポンプ部品、高
速水流用部品などの水機器及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。

本発明は、水車ランナ、ガイド・ベーン、ステー・ベー
ン、船舶用プロペラ、各種ポンプ部品、高速水流用部品
などの水機器の少なくともキャビテーション・エロージ
ョン損耗部位の表向層としてＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼
に所定量のＭｎを含有せしめ、かつ組織中にフェライト
相（以後α相と記す）を形成させることなくイプシロン
相（以後ε相と記す）あるいはオーステナイト相（以後
γ相と記す）を形成させ、耐キャビテーション・エロー
ジヨン性を向上させたものである。すなわち車量パーセ
ントで１１〜１５　％のＣｒ、　０．５〜１０％のＮｉ
　。

４％を越え１５％以下のＭｎを生体とし、０．２％以下
の炭素、０．０２〜Ｏ，ａＳの窒素、０．２〜１．０％
のケイ素、２％以下のＭｏ　、とさらに０．０１〜ｏ、
ｉ％のＮｂ。

０．５〜５チのＣＯの少なくとも１種と、残部が実質的
に鉄からなり、かつα相を含むことなくε相あるいはγ
相を自む鋼を少なくともキャビテーション・エロージョ
ン損耗部位の表面層として設けた水機器である。

また水機器の少なくともキャビテーション・エロージョ
ン損耗部位に肉盛溶接により、重ｆｔチで０．２％以下
の炭素、０．０２〜０．３％の窒素、０．２〜１．０φ
のケイ素、１１〜１５チのクロム、０．５〜１０％のニ
ッケル、４％を越え１５％以下のマンガン、２チ以下の
モリブデン、とさらに０．Ｏ１〜０．１％のニオブ、０
．５〜５チのコバルトの少なくとも１種と、残部が実質
的に鉄からなり、かつα相を含むことなくε相あるいは
γ相を含む鋼からなる表面層を形成する水機器の製造方
法である。この場合、本願に係る表面層にα相が混在す
ると耐キャビテーション・エロージヨン性が著しく劣化
することから、溶着層に実質的にはα相を含まないこと
が必要である。

また、ＣはＭｎ、Ｎｉとともに８相やγ相を形成させ劇
キャビテーション・エロージヨン性を向上させる。

すなわち、本発明の組成範囲内にあるマルテンサイト系
ステンレス鋼のＣ量を高めると素地組織中には６相やγ
相が形成され、耐キャビテーション・エロージヨン性は
著しく改善される。さらに、Ｎｂ　’ｐ　Ｃｏを添加す
ると、耐キャビテーション・エロージヨン性はさらに改
善される。

ところで、肉盛溶接材に要求される特性のひとつに、溶
接後の熱収縮に起因した残留歪の小さいことが挙げられ
る。母相と溶着層の熱膨張率が異なると、溶接後の熱収
縮時に、母材と溶着層の界面に応力を発生し、残留歪と
なってもちきたされ、割れや変形の原因となる。この傾
向は、母材にマルテンサイト系ステンレス鋼を使用した
場合に著しく、マルテンサイト変態時（二大きな歪を発
生する。この歪を緩和させる方法のひとつに、溶着層の
耐力を低くシ、発生した応力を溶着層の塑性変形仁より
緩和する方法がある。この方法によれば溶着層の耐力が
低いｉｔど歪を緩和するのに有効でおり、従って溶接後
の割れや変形の防止に有利である。また、他の方法とし
て、多層の肉盛溶接により応力を緩和させることもでき
る。

本発明の水機器に係る鋼は、組織中にε相やγ相を形成
させて耐キャビテーション・エロージヨン性を向上させ
ると同時に、耐力が通常２０　Ｋ９／’＋＋ｊ以下と、
オーステナイト系ステンレス鋼である８Ｕ８３０４など
より低く、割れや変形防止の点でも優れており肉盛浴接
の溶着ノーとして用いる事に特にｊＦｌシている。

以上述べたように、本発明の水機器は耐キャビテーショ
ン・エロージヨン性に優れ、また肉盛浴接による割ｔＬ
や変形も少なく１例えば高落差・高揚程水力発電用機器
としては極めて優れた特性を有している。

本発明の水機器は、少なくともキャビテーション・エロ
ージョン損耗部位に該鋼を設けたもので、例えば第１図
に斜視的に示すポンプ水車ランナでは１その断向図とし
て示す第２図の斜視部に示すように水車運転時（発電時
）の水入口側羽根表面、あるいはポンプ運転時（揚水時
）の水入口０１ｉｌ（水車運転時の水出口側）羽根表面
に王に行なわれ、カイト・ベーン（５）　、ステー・ベ
ーン（６）　テハ、ベーンの内外縁部表面に主に行なわ
れる。　”また、水機器への該鋼の肉盛溶接は、被覆ア
ーク、　ＴＩＧ、ＭＩＧ溶接など通常の溶接法により容
易に行なえる。

以下、本発明の水機器に用いられる肉盛溶接材の組成限
定理由を述べる。

炭素（Ｃ）：炭素けＣ相やγ相を形成させ、耐キャビテ
ーション・エロージヨン性を向上させるために必要な元
素であるが、過剰の冷加Ｆｉ靭性、耐食性を害すること
から上限を０．２％とするが実用上は０．０３〜０．１
５％とすることが望ましい。

窒素（Ｎ）：窒素は６相やγ相を形成させ耐キャヒｆ　
−’／　ヨ；／・エロージヨン性を向上させるために０
．０２％以上の添加が必要であるが、過剰の添加は靭性
を害することから上限を０．３％とするが、さらに実用
上は０．０３〜０．２％とすることが望ましい。

ケイ素（Ｓｔ）　：ケイ素は鋼溶製時の湯流れ性を改善
し、また溶接性を改善させる為には０．２％以上必要τ
あるが、過剰の添加は靭性を害することがら上限を１％
とするが実用上ｔ／′ｉｏ、２〜０．８％とすることが
望ましい。

クロム（Ｃｒ）’、ニクロムは耐食性を向上させるため
に１１％以上の添加が必要であるが、過剰の添加は溶着
層中にα相を生成させ、耐キャビテーション・エロージ
ヨン性を低下させることから上限を１５　％とするが、
さらに実用上は１２％から１５チとすることが望ましい
。

ニッケル（Ｎｉ）　：ニッケルは耐キャビテーション・
エロージヨン性、靭性を向上させるために０．５％以上
の姉加が必要であるが、多量に添加しても効果は大きく
なく、コスト上昇になることから上限を１０％とするが
、さらに実用上は２％から８％とすることが望ましい。

マンガン（Ｍｎ）　：マンガンは６相やγ相を形成させ
、耐キャビテーション・エロージヨン性を向上させるた
めに特に重要な元素であるが、４％以下ではその効果は
十分でなく、４％を越える添加が必要である。しかし過
剰の添加は湯流れ性を悪くすることから上限を１５％と
するが、さらに実用上は４，５〜１０％とすることが望
ましい。

モリブデン（Ｍｏ）　：モリブデンは耐キャビテーショ
ン・エロージヨン性、耐食性を向上させるが、過剰の添
加は靭性を害することから上限を２チとするが実用上は
０．５〜１．５チとすることが望まし゛い。

ニオブ（Ｎｂ）　：ニオブけ０．０１％以上の添加によ
り溶着層の結晶粒を微細にし耐キャビテーション・エロ
ージヨン性を向上させるが過剰の添加は溶着層中にα相
を生成させ耐キャビテーション・エロージヨン性を低下
させることから上限を０．１％とするが実用上は０．０
１〜０．０５チとする事が望ましい。

コバルト（Ｃｏ）　：コバル）Ｕｏ、５％以上の添加に
より耐キャビテーション・エロージヨン性を向上させる
が、多量に添加しても効果は大きくなくコスト上昇にな
るため上限を５％とするが実用上０５〜３％とすること
が望ましい。

組線：特許請求の範囲にある組成を有する鋼の耐キャビ
テーション・エロージヨン性は、組織中にε相あるいは
γ相を含む場合に著しい効果を示すことから、該溶着層
の組織中にけε相あるいはγ相を含むことが必要である
。この場合、組織中にα相が混在すると、耐キャビテー
ション・エロージヨン性は著しく劣化することから組織
中にはα相を含まない必要がある。

以下実施例をもって、本発明の水機器を詳細に説明する
。

現用一体物水車ランチ材である１３％Ｃｒ−３，５％Ｎ
ｉ（比較例２）マルテンサイト系ステンレス鋼により、
水車ランチの羽根モデルを鋳造し、１１００°Ｃ１４時
間の焼ならし％　６５０℃、３時１１Ｊ］の焼戻しを行
なった後、その表向に第１表に示す６鋼種（実施例１〜
実施例３、比較例１〜３）の材料を厚さ約５１Ｊ、Ｔ　
Ｉ　Ｇ　ｆ（４接により肉盛溶接した。該肉盛溶接部よ
りキャビテーション・エロージョン試験片を採取し、電
歪振動法により、周波数６．５　ＫＨｚ　、振幅１００
μｍ、２５℃の純水中で３時間、キャビテーション・エ
ロージョン試験を行ない１次式によりキャビテーション
・エロージョン指ｅ　（Ｃ，Ｅ、１．　）　請求め、而
・１キヤビテーシヨン・エロージヨン性を評価また、浴
着層の耐力を知るために、高周波溶解炉にて上記肉盛溶
接材を２．５　Ｋｆ　ｈ’＋製し、大”気中にて再溶解
、鋳造、空冷することにより、浴接時相当の熱履歴を与
えた後、引張試験片を作製した。

なお、比較例２は上記１３％Ｃｒ−３，５％Ｎｌ鋳鋼を
６５０℃で焼戻した後、キャビテーション・エロージョ
ン試験片、引張試験片を作製した。

また、肉盛溶接後、光学顕微Ｍ、Ｘ線回折により、各溶
着層の主体内相を決定した。

第１表 第２表に各ｆｆｉ特性およびその主体内相を示しである
０実ＪＡｌｉ例１〜３の組織中（二はε相あるいはγ相
が含まれており、そのＣ，Ｅ、　１．は一体物ランチ材
（比較例２）や従来耐キャビテーション・エロージヨン
性に優れているとされているオーステナイト系ステンレ
ス鋼ＳＵＳ　３０４　（比較例１）より著しく小さく１
本発明に係る水機器は優れた耐キャビテーション・エロ
ージヨン性を有していることがわかる。

第２表 また、本発明銅の耐力は比較例１のオーステナイト系ス
テンレス鋼であるＳＵＳ　３０４より低く、溶接性は５
ＵＳ３０４より優れていた。なお抜ｈｔＵ例１〜３の組
織中しは多少のα′相（マルテンサイト相）を含むこと
もあるが、ε相やγ相の存在により優れた耐食性を示す
。また実施例１〜３の組織中にはε相を含むこともある
。この様に本発明においては特許請求の範囲の組成７を
有する鋼を肉盛溶接し、かつ溶着層中にα相を含むこと
なく、ε相、γ相を含んでいればよいが、実用上、ε相
、γ相が多い程良れた耐キャビテーション・エロージヨ
ン性を示す。

以上説明した如く、本発明の水機器は優れた耐キャビテ
ーション・エロージヨン性を有することから、実用上極
めて有用なものと言える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ポンプ水車ランチの斜視図、第２図は、ポン
プ水車ランチの断面図である。 １・・・ランナコーン　２・・・クラウン３・・・ラン
ナ羽根　４・・・シュランド５・・・カイト・ベーン　
６・・・ステー・ベーン手　続　補　正　誉（方式） ′８″′６汗２、ヤ３８ 特許庁長官殿 ■、事件の表示 特願昭５９−１５７２４３号 ２、　発明の名称 水機器及びその製造方法 ３、　補正をする者 事件との関係　特許出願人 （３０７）株式会社　東芝 ４、代理人 〒１０５ 東京都港区芝浦−丁目１番１号 昭和６０年１月２９日（発送日） ６、補正の対象 明細書の図面の簡単な説明の欄 ７、補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｍ　少なくともキャビテーション・エロージョン損耗部
   位の表面層が負負パーセントで０２チ以下の炭素、００
   ２〜０３％の窒素、０．２〜１．０チのケイ素、　ＩＩ
   〜１５チのクロム、０．５〜１０％のニッケル。 ４％を越え■５チ以下のマンガ／、２チ以下のモリブデ
   ン、とこれに０．０１〜０．１％のニオブ、０．５〜５
   チのコバルトの少なくとも１種と、残部が実質的に鉄か
   ら成りかつ実質的にフェライト相を含むことなく、イプ
   シロン相あるいはオーステナイト相を含む鋼からなる事
   を特徴とする水機器０（２）　水機器の少なくともキャ
   ビテーション・エロージョン損耗部位に肉盛溶接により
   、重量％で０．２％以下の炭素、０．０２〜０．３％の
   窒素、０．２〜１．０チのケイ素、　１１〜１５％のク
   ロム、０．５〜１０％のニッケル、４％を越え１５％以
   下のマンガン、２％以下のモリフ゛デン、とこれに０．
   ０１〜０．１％のニオブ、０．５〜５チのコバルトの少
   なくとも１櫛と残部が実質的に鉄からなり実質的にフェ
   ライト相を含むことなく、イプシロン相あるいはオース
   テナイト相を含む鋼からなる表面層を形成する事を特徴
   とした水機器の製造方法。