CN101489711A - 阀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阀装置，其可提高等离子粉体堆焊有钴基合金的阀装置的可靠性。该阀装置具备轴承，该轴承具有与阀棒(1)滑动的滑动面，在轴承的与阀棒(1)滑动的滑动面上形成有由耐热钴基合金构成的等离子粉体堆焊而成的焊接层(12)，该焊接层(12)具备：形成于轴承表面的、稀释率为5～25％的第一焊接层(12a)；形成于第一焊接层(12a)上的、稀释率为第一焊接层(12a)的稀释率的50％以下的第二焊接层(12b)。所谓稀释率是表示焊接金属向母材的溶入量的参数，是将所焊接的金属的全部量设定为A、将溶入母材的焊接金属的量设定为B时，用B/A×100(％)求出的值。

Description

阀装置
技术领域
本发明涉及阀装置，尤其是涉及能够防止蒸汽阀的阀棒与支承该阀棒的轴承之间卡死的阀装置。
背景技术
汽轮机的主要的蒸汽阀是在高温高压下的苛刻的条件下使用，并且担负控制高速蒸汽流的任务。在高温下，金属表面处于活性化状态，和该气体环境中的高温水蒸气反应生成氧化被膜。该生成的氧化被膜其和母材的附着强度因母材的组成和周围环境条件不同而不同，阀反复进行开闭动作时引起剥离，由于阀棒的滑动其局部性地堆积在表面的凹部而埋入阀棒和轴承的间隙，有时会产生阀棒的卡死。因此，在定期检查汽轮机时，需要用于将阀棒周围拆开而使氧化被膜掉落的修理，另外，由于将堆积物产生量预先估算在内而较大地选定阀棒与轴承的间隙，会引起阀棒周围泄漏的蒸汽量增多、成套设备整体的热效率降低等问题。
目前，作为解决上述问题点的方法，是在阀棒的外表面设置通过氮化形成的表面硬化层，但由于氮化层具有在约500℃以上发生分解、软化的性质，且氮化层的厚度极薄，因此存在当氮化层失去时磨损加剧的缺点。
如上所述，阀棒和轴承在生成氧化被膜的情况下也必须保证不妨碍阀的动作左右的间隙。另外，这些阀棒和轴承由低合金钢(Cr-Mo-V钢)、12Cr类不锈钢、奥氏体不锈钢等构成，且为了防止磨损、卡死等而通过氮化进行表面硬化处理。为防止卡死而设置的阀棒与轴承的间隙要将余量估算在内进行较大地设定，所以，阀棒因蒸汽流而振动，轴承端部磨损成喇叭口状，还存在使阀棒的振动增大的危险。
针对以上的问题，专利文献1提出用钴基合金进行堆焊的阀装置。该阀装置以堆焊层为主的至少两层用以重量计：Ni：9～11％、Cr：19～21％、W：14～16％、C：0.05～0.15％、少量Fe及杂质、剩余部分为Co构成的钴基合金(司太立合金No.25)形成；此外，其上的层用以重量计：Ni：3～6％、Cr：26～32％、C：0.9～1.4％、W：3～6％、少量Fe及杂质、剩余部分为Co构成的钴基合金(司太立合金No.6)或者以重量计：Ni：4％以下、Cr：25～29％、C：0.2～0.3％、Mo：5～6％、少量Fe及杂质、剩余部分为Co(司太立合金No.21)构成的钴基合金形成。另外，司太立合金是Deloro Stellite(デロロステライト)社的注册商标。
专利文献1对采用TIG焊接进行堆焊的情况进行了例示，而专利文献2提出在与轴承接触的阀棒的外表面形成等离子粉体堆焊而成的钴基合金焊接层的方案。
另外，专利文献3提出向构成蒸汽阀的驱动部的阀棒的轴承接触面连续地供给钴基硬质合金粉末，同时对该粉末照射激光束使其依次融化而形成硬化镀层的方案，还提出在构成蒸汽阀的驱动部的阀棒的轴承接触面熔射或涂布钴基硬质合金粉末形成硬质合金层，其后向该硬质合金层照射激光束使其再融化而形成硬化镀层的方案。
在专利文献1和专利文献2中都是公开了通过使用钴基合金、典型使用司太立合金而降低氧化被膜的产生的方案。
专利文献1：日本特开昭59-169696号公报
专利文献2：日本特开昭60-17206号公报
专利文献3：日本特开平6-174126号公报
专利文献2提出的等离子粉体堆焊，焊接材料向母材的溶入深度小，可以将稀释率减小到不足5％，因此具有能够有效地得到焊接材料的标准化学组成的堆焊层的优点。另外，专利文献3提出的激光束焊接，由于使冷却用辅助气体在光束周边流动，具有堆焊材料被气体吹散、焊接效率低的问题。因而，等离子粉体堆焊钴基合金对作为本发明的对象的阀装置是有效的。
然而，本发明人等进行了各种对钴基合金进行等离子粉体堆焊的实验，其中，经过长时间在高温高压的苛刻条件下放置的情况下，确认由钴基合金构成的等离子粉体堆焊层剥离或在焊接层上发生脆性的裂纹。
另外也确认以下内容，即、对阀棒进行堆焊发生短路或紧急负荷阻断时，有时阀棒受到大的冲击，容易引起阀棒的焊接部脆性破坏。
发明内容
本发明是基于这样的技术课题而开发的，目的在于提高等离子粉体堆焊有钴基合金的阀装置的可靠性。
本发明人等在这样的目的下，对由钴基合金构成的等离子粉体堆焊层剥离、或焊接层发生脆性裂纹的原因进行了研究，直到发现影响钴基合金向母材的稀释率的因素。如上所述，等离子粉体堆焊的特征在于可以将稀释率减小至低于5％，而且，在稀释率低至不足5％时的情况下容易发生剥离。另一方面，稀释率变高时，焊接层发生脆性裂纹的趋势高。于是，本发明提出使稀释率达到特定的范围而形成由钴基合金构成的等离子粉体堆焊层的方案。
另外，就需要更加重视安全的汽轮机的发电系统等的阀装置而言，从安全方面考虑，提出在轴承侧堆焊钴基合金的方案。
也就是说，本发明的阀装置具备轴承，该轴承具有与阀棒滑动的滑动面，其特征在于，在轴承与阀棒滑动的滑动面上形成有由耐热钴基合金构成的等离子粉体堆焊焊接层，该焊接层具备：形成于轴承表面的、稀释率为5～25％的第一焊接层、和形成于第一焊接层上的、稀释率为第一焊接层的稀释率的50％以下的第二焊接层。
第一焊接层的稀释率优选10～25％。
在此，本发明中所说的稀释率是表示焊接金属向母材的溶入量的参数，是将所焊接的金属的全部量设定为A、将溶入母材的焊接金属的量设定为B时，用B/A×100(％)求出的值。
如以上说明，根据本发明的阀装置，通过使稀释率达到特定的范围而形成由钴基合金构成的等离子粉体堆焊层，即使是经过长时间在高温高压的苛刻条件下放置的情况下，也可以防止由钴基合金构成的等离子粉体堆焊层剥离，从而提高等离子粉体堆焊有钴基合金的阀装置的可靠性。
另外，根据具备阀棒及支承该阀棒的轴承的本发明的阀装置，由于摩擦系数较低的钴基合金彼此之间可滑动，除上述的效果以外，还可以用更低的扭矩进行阀的开闭。因而，根据本发明，可以得到使用于阀开闭的驱动器小型化的效果。
附图说明
图1是表示本实施方式中的阀棒及轴承的剖面图；
图2是表示阀棒表面的焊接层的结构的示意图。
符号说明
1 阀棒、11 母材、12 焊接层、12a 第一焊接层、12b 第二焊接层、2 轴承、21 母材、22 焊接层
具体实施方式
下面，基于附图所示的实施方式对本发明进行详细说明。
图1是表示本实施方式中的阀棒1与轴承2嵌合在一起的状态的示意图。
大致圆柱状的阀棒1具备母材11和形成于母材11的外表面的焊接层12.。另外，大致中空圆筒状的轴承2也具备母材21和形成于母材21的内周面的焊接层22。阀棒1的焊接层12和轴承2的焊接层22成为滑动面。
阀棒1的母材11和轴承2的母材21可以由低合金钢(Cr-Mo-V钢)、12Cr类不锈钢、奥氏体类不锈钢等构成。
阀棒1的焊接层12及轴承2的焊接层22为等离子粉体堆焊钴基合金而得到的焊接层。作为钴基合金可以使用司太立合金。如表1所示司太立合金有若干种类。本发明可以使用其中任一种。另外，作为Co基合金，也可以使用钴基耐磨合金(トリバロイ)(Deloro Stellite社的注册商标)。如表1所示，钴基耐磨合金也有若干种类，本发明可以使用其中任一种。任何合金在含有相当量的Cr方面是共通的。另外，表1所代表的成分用重量％表示。
[表1]
 
名称 Cr C MO Si W Ni Co Fe 其它
司太立合金1 30 2.5 12 Bal.
司太立合金6 28 1.1 4 Bal.
司太立合金12 29-31 1.4-1.8 8 Bal.
司太立合金20 33 2.45 1 17.5 Bal. <2.5
司太立合金21 27 0.25 6 2 Bal.
司太立合金22 28 0.3 12 1.5 Bal.
司太立合金25 20 0.1 15 10 Bal. <3.0
司太立合金31 25.5 0.5 7.5 10.5 Bal.
司太立合金190 26 3.25 1 0.85 14.5 3 Bal. 3
司太立合金250 28 0.1 Bal. 20
司太立合金306 24 0.5 1 3 5 Bal. <7.0 Nb5.0
 
司太立合金694 28 1 1 19 Bal. <2.5
司太立合金706 29 1.2 5 <2.0 <3.0 Bal. <3.0
司太立合金712 29 1.85 9 0.5 <3.0 Bal. <3.0
司太立合金F 25 1.7 12 22 Bal.
钴基耐磨合金T-400        8.5 <0.08 28.5 2.6 Bal. Ni+Fe<3.0
钴基耐磨合金T-400        14 <0.08 27 2.4 Bal.
钴基耐磨合金T-800        18 <0.08 28 3.4 Bal.
钴基耐磨合金T-900        18 <0.08 23 2.7 16 Bal.
阀棒1的焊接层12及轴承2的焊接层22通过等离子粉体堆焊形成。等离子粉体堆焊是向等离子焊接火焰与焊接母材之间发生的等离子弧中供给粉体状的焊接金属、使其溶解而进行焊接的方法。如前所述，等离子粉体堆焊具有可得到稀释率低的堆焊层的特征，但在本发明中不利用其低稀释率这种特征，而是设置稀释率比通常高的焊接层。
如图2所示，阀棒1的焊接层12由和母材11相接的第一焊接层12a、形成于第一焊接层12a上的第二焊接层12b构成。即，通过对母材11进行等离子粉体堆焊形成第一焊接层12a。形成第一焊接层12a并对其表面进行研削(粗研磨)、研磨(细研磨)加工之后，在第一焊接层12a上进行等离子粉体堆焊，由此形成第二焊接层12b。形成第二焊接层12b后，对其表面进行研削、研磨加工，得到焊接层12。第一焊接层12a和第二焊接层12b通常用同一焊接金属构成。
本实施方式的阀棒1其第一焊接层12a的稀释率为5～25％。
第一焊接层12a的稀释率不足5％时，在阀棒1的使用环境下，焊接层12在母材11和第一焊接层12a的界面可能容易剥离。可以理解为这是因为稀释率低时，融合不良等焊接缺陷进入第一焊接层12a与母材11之间，贴合强度降低。在实际的焊接工序中，考虑到稀释率的部分变动，优选将稀释率的下限设定为10％来进行管理。
另一方面，第一焊接层12a的稀释率超过25％时，在阀棒1的使用环境下，第一焊接层12a上容易产生裂纹。优选稀释率为15～25％，更优选稀释率为17～23％。稀释率高时发生裂纹的理由如下：稀释率增高时，母材11中的Fe成分大量溶入第一焊接层12a内。这些Fe和上述的Co基合金所含的Cr成分相结合，从而成为σ相容易析出的状态。在此，所谓σ相是指Fe和Cr的金属间化合物，其非常硬并且具有脆的特性。融入了大量Fe成分的第一焊接层12a长时间保持在高温，由此σ相容易自第一焊接层12a析出而在第一焊接层12a上形成裂纹。另外，在等离子粉体堆焊后第一焊接层12a冷却到常温的过程中，第一焊接层12a上产生拉伸的残余应力。该残余应力具有伴随稀释率的增加而增大的趋势。另一方面，通过阀棒1的工作在第一焊接层12a上施加外力。该外力和残余应力的和超过第一焊接层12a的断裂强度时则产生裂纹。
其次，第二焊接层12b通过与第一焊接层12a同样的焊接金属构成。因而，相对的于第一焊接层12a而言，第二焊接层12b可以得到高的贴合强度。由于能够得到这样高的贴合强度，第二焊接层12b容许比较低的稀释率，只要达到第一焊接层12a的50％以下的稀释率即可。作为更具体的稀释率，可以低于5％，进一步低于3％。另外，第二焊接层12b的稀释率以第一焊接层12a为母材而求出。
第一焊接层12a(第二焊接层12b)的稀释率可以根据等离子粉体堆焊的条件进行调节。例如，将上述的司太立硬质合金、钴基耐磨合金作为焊接金属的情况下，通过设定为以下的条件可以使第一焊接层12a的稀释率达到5～25％。
母材11的预热温度：250～350℃
焊接速度：70～80mm/min
辅助气体：Ar气(温度：20℃)
气体流量：等离子气体：2～31/min；保护气体：10～151/min
火焰和焊接部的距离：5～10mm
火焰温度：90～120℃
焊接金属粒度分布：60～180μm
在上述焊接条件下，具有减缓焊接速度的特征。这是因为在5～25％这样的等离子粉体堆焊中，可得到高的稀释率。即，通过减缓焊接速度可延长焊接金属处于液相状态的时间，从而提高稀释率。通过延长处于液相状态的时间，还有能够减少焊接面的波状起伏，从而得到表面平滑的第一焊接层12a的优点。
第二焊接层12b的稀释率比第一焊接层12a低。因而，与使用和第一焊接层12a相同的装置形成第一焊接层12a的情况相比，只要堆焊层的厚度相同，则只要使焊接速度在70～100mm/min的范围迅速进行焊接即可。其他焊接条件只要和第一焊接层12a同样即可。
第一焊接层12a、第二焊接层12b的厚度可以根据使用环境适当地设定，但分别优选1.5～2.0mm。在要得到一层为3～4mm后的焊接层12的情况下，为了减轻其后进行的研削、研磨加工的负担，在抑制焊缝的波动高度而进行均匀厚度的堆焊时，需要由熟练工进行焊接。然而，在第一焊接层12a、第二焊接层12b的厚度为1.5～2.0mm这样比较薄的情况下，通过用机器人进行焊接也可以得到表面平滑的焊接面。此外，由于第一焊接层12a的焊接金属和第二焊接层12b的焊接金属相同，各自的厚度都可以薄到1.5～2.0mm左右，所以，可以减少焊接中气体的卷入，从而能够降低成为研削中异物滞留的原因的空孔的发生。
以上对阀棒1的焊接层12进行了说明，对于轴承2的焊接层22，也设置具有同样方式的第一焊接层、第二焊接层。
钴基合金由于其干摩擦系数小且不产生鳞屑(スケ—ル)，所以摩擦系数稳定。尤其是钴基合金彼此之间的干摩擦系数为0.56时，高于钴基合金和Fe的摩擦系数0.41，由于都没有鳞屑产生及高温气体的存在，实质上摩擦系数比干燥时低且稳定。因而，通过在阀棒1与轴承2的滑动面上配设钴基合金，就可以以更低的扭矩进行阀的开闭。因而，根据本发明，还可得到能够使得用于阀开闭的驱动器小型化的效果。
实施例
准备1.2％Cr-0.3％Mo钢(JIS SCM3)。按照以下的要领对板状的该钢材(母材)进行等离子粉体堆焊。另外，如图2所示，等离子粉体堆焊设定为两层并且改变稀释率。稀释率通过如图2所示改变焊接速度来进行调节。另外，图2中，所谓第一焊接层是形成有母材表面的焊接层，所谓第二焊接层是形成于第一焊接层表面的焊接层。形成第一焊接层之后，通过对其表面进行研削、研磨加工达到图2所示的厚度。其后，形成第二焊接层之后，通过对其表面进行研削、研磨加工达到图2所示的厚度。
钢材的预热温度：300℃
焊接速度：60～80mm/min
辅助气体：Ar气(温度：20℃)
气体流量：等离子气体：2.51/min；保护气体：121/min
火焰和焊接部的距离：6mm
火焰温度：90～120℃
焊接金属材质：55％Co-30％Cr-15％W(重量％)
焊接金属粒度分布：120μm(平均粒径)
使用按照以上要领制作的试料进行焊接层的剥离、裂纹的评价。
剥离的评价通过超声波探伤检查来进行。另外，裂纹的评价通过荧光浸透探伤检查来进行。
将其结果示于表2中，在第一焊接层的稀释率不足5％的情况下，可观察到第一焊接层从母材上剥离。但是，在第二焊接层的稀释率不足5％的情况下，没有发现第二焊接层从第一焊接层剥离的事例。
当第一焊接层的稀释率超过25％时，在第一焊接层上可观察到裂纹。同样地，当第二焊接层的稀释率超过25％时，在第二焊接层上可观察到裂纹。
根据以上的结果，与母材相接的等离子粉体堆焊形成的第一焊接层的稀释率优选设定为5～25％的范围。另外，为了发挥构成第二焊接层的钴基合金本来的特性，在第一焊接层上形成的第二焊接层的稀释率设定为5％以下，优选设定为3％以下。
[表2]
Figure A200780026067D00101
Figure A200780026067D00111

Claims (2)

1、一种阀装置，具备轴承，该轴承具有与阀棒滑动的滑动面，其特征在于，
所述轴承在与所述阀棒滑动的滑动面上形成有由耐热钴基合金构成的等离子粉体堆焊焊接层，
该焊接层具备：
第一焊接层，其形成于所述轴承表面，稀释率为5～25％；
第二焊接层，其形成于所述第一焊接层上，稀释率为所述第一焊接层的稀释率的50％以下。
2、如权利要求1所述的阀装置，其特征在于，所述第一焊接层的稀释率为10～25％。
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