JP2955506B2

JP2955506B2 - 摺動部材用合金材料及び高温度高圧力用機器

Info

Publication number: JP2955506B2
Application number: JP2008096A
Authority: JP
Inventors: 正敏岡野; 整本田; 辰美渡辺; 利勝那須
Original assignee: Okano Valve Mfg Co Ltd
Current assignee: Okano Valve Mfg Co Ltd
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1999-10-04
Anticipated expiration: 2016-02-06
Also published as: JPH09209066A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、合金材料に関し、
特に、高温度高圧力の条件下で使用される摺動部材用の
合金材料及びその合金材料を使用した機器に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電プラントあるいは火力発電プ
ラントのような高温度高圧力の条件下で使用される、例
えば弁のように摺動部を有する機器では、その摺動部に
高度な耐摩耗性及び耐腐食性が要求されるだけでなく、
焼付きやカジリが発生しないことが要求されている。従
って、そのような摺動部に使用される材料は、通常のす
べり軸受に使用されるケルメット、アルミ合金、銅合金
等の許容面圧力が２．５ｋｇｆ／ｍｍ² 以下の合金材料
では、このような高度の要求を満足することはできず、
許容面圧力が１０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上必要である。

【０００３】このような要求に対して、Ｃｒ：約３０
％、Ｗ：約４％、Ｃ：約１％、Ｃｏ：残部のＣｏ基合金
が一般に使用されてきた。しかし、このＣｏ基合金は、
原子力発電プラントの機器の冷却水系に使用された場
合、高温度高圧力の冷却水の腐食作用あるいは摺動によ
る摩耗により冷却水中に混入したＣｏが、原子炉の中心
部を流動する間に中性子の照射を受けて放射性同位元素
Ｃｏ６０に変化する。従って、冷却水の循環に伴いこの
放射性同位元素Ｃｏ６０が冷却水系の配管及び機器を循
環し、該配管及び機器に付着して冷却水系延いては原子
力発電プラント全体の放射能レベルを高くしている。そ
れゆえ、Ｃｏを成分組成としない合金材料が必要とされ
た。

【０００４】本発明者等は、このような要求に対して、
摺動部材用合金材料としてＣｏを成分組成としない合金
材料を発明し、特願平０６−０９６５００号として出願
した（特開平０７ー３０５１２９号公報参照）。この発
明による合金材料は、互いに摺動する部材の材料が、成
分組成及び機械的性質、特に硬度の異なる１組のＮｉ−
Ｃｒ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｗ系Ｎｉ基合金で構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平０７ー
３０５１２９号公報による摺動部材用合金材料には、つ
ぎのような課題が存在していた。すなわち、この発明に
よる合金材料は、互いに摺動する部材の材料が、発明の
技術による１組のＮｉ基合金の組合わせで実施される場
合にその効果を発揮するものである。すなわち、発明の
技術による一方の合金材料を発明の技術以外の摺動部材
用合金材料と組合わせて実施した場合、充分な耐摩耗性
あるいは耐腐食性が得られず、焼付きあるいはカジリが
発生する場合があることが分かった。

【０００６】本発明は以上のような課題を解決するため
になされたものであり、各種の摺動部材用合金材料と組
合わせても、充分な耐摩耗性あるいは耐腐食性が得ら
れ、焼付きあるいはカジリが発生しないコバルトフリー
の、即ちＣｏを成分組成としない摺動部材用合金材料を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、特開平０
７ー３０５１２９号公報による摺動部材用合金材料の改
善に努力し、この中の第１合金材料の成分組成を種々変
更して研究を重ねた結果、目的を達成する合金材料の成
分組成を得ることができた。すなわち、本発明によるコ
バルトフリーの摺動部材用合金材料は、軟質側摺動部材
として使用されるもので、その成分組成が、Ｃｒ：６．
５〜２０％、Ｗ：１〜４％、Ｓｉ：２〜７％、Ｂ：１％
以下、Ｃ：１％以下、Ｆｅ：４０超〜５０％、Ｎｉ：残
部であることを特徴とするものである。

【０００８】すなわち、本発明では耐腐食性に優れたＮ
ｉを基材とし、さらに耐腐食性を向上させると共に硬度
を保持するためにＣｒ及びＳｉを添加し、摺動性を維持
するためにＷ及びＦｅを添加している。Ｆｅを添加する
ことは、Ｃｒ及びＳｉを添加することにより高くなる合
金の硬度を低下させて相手の摺動部材（硬質合金）との
硬度差を大きくすると共に、摩耗粉を酸化し易くして摺
動性を向上させることにより、相手の摺動部材を損傷し
難くする。

【０００９】以下に、本発明による摺動部材用合金材料
の成分組成割合の選択の根拠について説明する。まず、
Ｃｒ（クロム）は、耐腐食性を向上させるために慣用的
に添加される。しかし、本発明による合金材料は、Ｎｉ
を基材としていることにより本質的に耐腐食性に優れて
おり、多量のＣｒを添加することは必要ない。例えば、
アメリカ材料試験学会（ＡＳＴＭ）によるＴＹＰＥＤ
−３のニレジストは、Ｎｉ：２８〜３２％、Ｓｉ：１．
５〜３％、Ｃｒ：２．５〜３％を含有し、残部は実質的
にＦｅ基の合金であるが、原子力発電プラントの１３３
〜２２１℃の水蒸気中において０．０２５ｍｍ／年以下
の腐食量を示し、ＳＵＳ３０４あるいはＳＵＳ４０３と
ほぼ同等の耐腐食性を示している。従って、本発明の合
金材料においても５％以上のＣｒを添加することによ
り、原子力発電プラント等の機器用合金材料として充分
な耐腐食性を備えることが可能となる。しかし、本発明
の合金材料は、Ｆｅが５０％まで添加されるので、この
場合でも耐腐食性が良好に維持されるように、Ｃｒの成
分組成割合の下限を６．５％とする。また、Ｃｒは、金
属の耐酸化性を向上させて摺動により発生する摩耗粉の
酸化を妨げ、その結果摺動部材の剥離片を発生させ、摺
動部に焼付きあるいはカジリを起こさせる原因となるの
で、そのような不具合の発生を防止するため成分組成割
合の上限を２０％とする。すなわち、Ｃｒの成分組成割
合を６．５〜２０％とする。

【００１０】つぎに、Ｓｉ（シリコン）は、酸類に対す
る耐腐食性を向上させると共に、硬度及び耐摩耗性を維
持するために添加される。しかし、多量に添加されると
合金材料の靭性が低下し、溶接施工性が劣化する。従っ
て、Ｓｉの成分組成割合を２〜７％とする。

【００１１】つぎに、Ｆｅ（鉄）は、硬度を低下させ、
摺動性を向上させると共に、溶接性を向上させるために
添加される。摺動部材が摺動する場合、酸化され易い摩
耗粉が生成されて焼付きあるいはカジリを発生し難くす
る。しかし、多量に添加されると合金材料の耐腐食性が
低下すると共に、硬度が必要以上に低下して許容面圧が
低下する。本発明の合金材料は、酸化した摩耗粉が容易
に生成されるように、Ｆｅの成分組成割合の下限を４０
％とし、弁座等に使用された場合の許容面圧を確保する
ために必要な硬度、ロックウエル硬度１１．ＨＲＣ（ビ
ッカース硬度２００Ｈｖ）以上が得られるように、上限
を５０％とする。

【００１２】つぎに、Ｗ（タングステン）は、硬度を高
くすると共に、摺動性を向上させるために添加される。
摺動部材が摺動する場合、酸化タングステン（ＷＯ₃ ）
が生成されて焼付きあるいはカジリを発生し難くする。
しかし、多量に添加されると炭化タングステン（ＷＣ）
の組成割合が大きくなり、硬度が過度に高くなる。従っ
て、Ｗの成分組成割合を１〜４％とする。

【００１３】つぎに、Ｂ（ホウ素）及びＣ（炭素）は、
それぞれＣｒと化合してホウ化クロム（ＣｒＢ）、炭化
クロム（Ｃｒ₇Ｃ₃）となり、硬度を高くする。しかし、
これらの化合物の組成割合が大きくなると溶接性を低下
させ、摺動する相手の材料にカジリを発生させる傾向が
大きくなる。従って、Ｂ及びＣの成分組成割合をそれぞ
れ１％以下に制限する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面とともに本発明による
摺動部材用合金材料の摺動試験について詳細に説明す
る。図１は本発明による合金材料の試験体を示す平面図
（ａ）及び断面図（ｂ）であり、図２は硬質側試験体を
示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）であり、図３は摺動
試験装置の主要構成部を示す断面図である。

【００１５】図１において、符号１で示されるものは本
発明による合金材料の試験体であり、厚めの略円盤形状
に構成されている。該試験体１は、略円盤形状である炭
素鋼基材の母体１ａの一方の面に薄板環状に合金材料１
ｂが溶接され、他方の面の中心部に厚み方向の貫通しな
いメネジ１ｃが加工され、さらに該メネジ１ｃの中心部
に厚み方向の貫通孔１ｄが加工されている。該合金材料
１ｂの環状の表面すなわち試験面１ｅは約６００メッシ
ュまで研磨されている。なお、母体１ａと合金材料１ｂ
とを一体として合金材料で構成してもよい。

【００１６】図２において、符号２で示されるものは硬
質側試験体であり、厚めの略円盤形状に構成されてい
る。該硬質側試験体２は、略円盤形状である炭素鋼基材
の母体２ａの一方の面に薄板円輪状に硬質の摺動材２ｂ
が溶接され、他方の面の中心部に厚み方向の貫通しない
メネジ２ｃが加工されている。該摺動材２ｂの円輪状の
表面すなわち試験面２ｄは約６００メッシュまで研磨さ
れている。なお、母体２ａと摺動材２ｂとを一体として
硬質の摺動材で構成してもよい。該摺動材２ｂ及び前記
合金材料１ｂの円輪形状は、対面して相互に摺動するよ
うに同一の形状及び寸法に構成されている。

【００１７】図３において、符号３で示されるものは摺
動試験装置であり、該摺動試験装置３は仕切弁の弁座を
模擬して構成されており、実際には、口径１００ｍｍの
仕切弁に相当する大きさである。該摺動試験装置３は、
圧力容器１０及び硬質側試験体往復動装置２０を主要構
成部として構成されている。該圧力容器１０は、上部及
び一方の側部にそれぞれ上蓋１１、横蓋１２で気密状態
に覆われて相互に直交する開口１０ａ、１０ｂを、ま
た、横蓋１２の対面に付加軸用貫通孔１０ｃを形成され
ている。該圧力容器１０には、さらに、ポンプ４１が連
結され、外面を加熱ヒータ４２で覆われている。

【００１８】側部の前記開口１０ｂには、試験体支持リ
ング１３が前記横蓋１２に支持されて挿入されている。
該試験体支持リング１３は略円柱状であり、軸芯に貫通
孔１３ａを形成されている。また、前記圧力容器１０内
側の該試験体支持リング１３の端面には、前記試験体１
がメネジ１ｃを螺合して保持されている。該試験体１の
貫通孔１ｄは、前記試験体支持リング１３の貫通孔１３
ａを介して前記横蓋１２に形成された検出孔１２ａへ連
通している。

【００１９】前記硬質側試験体往復動装置２０は前記上
蓋１１に設けられており、上蓋１１に形成された貫通孔
１１ａに気密状態で貫通して挿入された弁軸２１と、該
弁軸２１の外端部に連結された往復駆動用の油圧ラム２
２とから構成されている。該弁軸２１の内端部には弁体
２３が連結されている。該弁体２３の前記開口１０ｂに
対面する側面には、前記硬質側試験体２がメネジ２ｃを
螺合して保持されている。すなわち、該硬質側試験体２
と前記試験体１とは、摺動材２ｂと合金材料１ｂとが対
面するように配置して保持されている。

【００２０】前記貫通孔１０ｃには、付加軸３１が気密
状態に貫通して挿入されている。該付加軸３１の外部端
は貫通孔１０ｃの外部に設けられた往復駆動用の油圧ラ
ム３２に連結され、内部端は、前記弁体２３の側面すな
わち前記硬質側試験体２が保持されている側面と反対側
の側面に当接可能である。

【００２１】以上のように構成された摺動試験装置３に
より摺動試験を実施する場合について、以下に説明す
る。まず、油圧ラム２２を操作して硬質側試験体２の摺
動材２ｂを試験体１の合金材料１ｂへ対面させる。な
お、摺動材２ｂ及び合金材料１ｂは口径１００ｍｍの仕
切弁に相当する形状及び大きさとされている。つぎに、
油圧ラム３２を操作して付加軸３１を圧力容器１０内へ
押出し、弁体２３を押しつけ、両試験面１ｅ、２ｄを密
着させ、さらに、試験面１ｅ、２ｄ間に約０．０５ｋｇ
ｆ／ｍｍ² の初期面圧を発生させる。つぎに、ポンプ４
１を操作して圧力容器１０内に注水し、充満し、さらに
昇圧する。水圧が約３０ｋｇｆ／ｃｍ² に達すると、面
圧が約７Ｋｇｆ／ｍｍ² となって、試験面１ｅ、２ｄ間
の気密状態が水圧により保持されるようになるので、付
加軸３１を操作して、押しつけを止め、後退させて弁体
２３から離す。水圧をさらに８８ｋｇｆ／ｃｍ² まで昇
圧する。このとき、試験面１ｅ、２ｄ間に２０ｋｇｆ／
ｍｍ² の面圧が発生する。

【００２２】このような状態において、油圧ラム２２を
操作し、試験体１に対し硬質側試験体２を往復摺動させ
る。また、加熱ヒータ４２を操作して圧力容器１０内の
水を加熱する。加熱温度と加熱による水圧の変化を調節
しながら硬質側試験体２を往復摺動することにより、高
温度高圧力の条件下における摺動試験が行われる。試験
結果は、試験中に試験面１ｅ、２ｄ間から漏れ、貫通孔
１ｄ及び貫通孔１３ａを介して検出孔１２ａから漏れる
水の漏洩量と、試験後に測定される摺動面すなわち試験
面１ｅ、２ｄの粗さと、により判定するが、漏洩量は試
験条件により変動し易いので、主として摺動面の粗さに
より判定する。摺動面の粗さは、１μｍＲａ以下を合格
とする。その根拠は、１μｍＲａが摺合せにより容易に
修復可能な限界の粗さであることによる。

【００２３】(実施例)上述の試験体、硬質側試験体及び
摺動試験装置により試験した結果を表１に示す。表１に
おいて、記号ａ：軟質と示されているものが本発明によ
る合金材料である。試験は、合金材料のＦｅの添加量を
変化させた試験体とＮｉ基硬質合金及びＣｏ基硬質合金
の硬質側試験体とを組合わせ、試験面間に２０ｋｇｆ／
ｍｍ²の面圧をかけ、水温が室温及び３００℃の場合に
ついて実施した。また、試験は、試験体と硬質側試験体
との各組合わせについて、１００回摺動させ、全摺動距
離は１．２ｍである。

【００２４】

【表１】尚、本発明の実施対象は、主として沸騰水型原子炉用の
弁の弁座材料に向けられており、このような弁は、当業
者にとって周知のように、先ず室温の水中で摺動させて
実機作動試験を受け、また、上述の沸騰水型原子炉にお
ける最高の設計使用温度圧力状態は３０２℃，８８Ｋｇ
ｆ／ｃｍ² であるため、表１において、摺動条件の流体
の項に表示したような確認試験（３００℃水）を受け
る。

【００２５】表１に示されるように、本発明による合金
材料のＦｅの添加量と硬さとは、ほぼ逆比例の関係にな
り、Ｆｅの成分組成割合が４０％でロックウエル硬度約
３０ＨＲＣ（ビッカース硬度３００Ｈｖ）、Ｆｅの成分
組成割合が５０％でロックウエル硬度約２３ＨＲＣ（ビ
ッカース硬度２５０Ｈｖ）となる。また、本発明による
合金材料と、ロックウエル硬度５０ＨＲＣ以上のＮｉ基
硬質合金及びロックウエル硬度４０ＨＲＣ以上のＣｏ基
硬質合金と、の摺動において、硬度差を１０〜３２ＨＲ
Ｃとすることにより、摺動面の粗さが１μｍＲａ以下に
押さえられ、良好な摺動特性が得られることがわかる。
なお、各試験において焼付きあるいはカジリ現象は発生
しなかった。

【００２６】

【発明の効果】本発明による摺動部材用合金材料は以上
のように構成されていることにより、以下のような効果
を得ることができた。すなわち、Ｃｏを添加しないＮｉ
基合金において、Ｆｅの成分組成割合を４０超〜５０％
とすることにより、Ｎｉ基合金以外の摺動部材用合金材
料と組合わせても、充分な耐摩耗性あるいは耐腐食性が
得られ、焼付きあるいはカジリを発生しない。また、硬
質側の摺動部材用合金材料と本発明による摺動部材用合
金材料との硬度差を１０〜３２ＨＲＣとすることによ
り、充分な耐摩耗性あるいは耐腐食性が得られ、焼付き
あるいはカジリを発生しない。従って、本発明による摺
動部材用合金材料を高温度高圧力の条件下で使用される
機器、例えば弁の摺動部に採用することにより、信頼性
の高い機器を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による合金材料の試験をするための試
験体を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

【図２】本発明による合金材料の試験をするための硬
質側試験体を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）であ
る。

【図３】本発明による合金材料の試験をするための摺
動試験装置の主要構成部を示す断面図である。

【符号の説明】

１…試験体、１ｂ…合金材料、２…硬質側試験体、２ｂ
…摺動材、３…摺動試験装置、１０…圧力容器、１１…
上蓋、１２…横蓋、１３…試験体支持リング、２０…硬
質側試験体往復動装置、２１…弁軸、２２…油圧ラム、
３１…付加軸、３２…油圧ラム、４１…ポンプ、４２…
加熱ヒータ。

フロントページの続き (72)発明者渡辺辰美福岡県北九州市門司区中町１番14号岡野バルブ製造株式会社内 (72)発明者那須利勝福岡県北九州市門司区中町１番14号岡野バルブ製造株式会社内 (56)参考文献特開平７−305129（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】合金材料の成分組成がＣｒ：６．５〜２
０％、Ｗ：１〜４％、Ｓｉ：２〜７％、Ｂ：１％以下、
Ｃ：１％以下、Ｆｅ：４０超〜５０％、Ｎｉ：残部であ
ることを特徴とする、摺動部材の軟質側合金材料として
使用されるコバルトフリーの摺動部材用合金材料。
【請求項２】摺動部材用の硬質側合金材料に対し、硬
度差が１０〜３２ＨＲＣであることを特徴とする請求項
１記載の摺動部材用合金材料。
【請求項３】成分組成がＣｒ：６．５〜２０％、Ｗ：
１〜４％、Ｓｉ：２〜７％、Ｂ：１％以下、Ｃ：１％以
下、Ｆｅ：４０超〜５０％、Ｎｉ：残部であるコバルト
フリーの摺動部材用合金材料が軟質側摺動部材として使
用されていることを特徴とする高温度高圧力用機器。
【請求項４】硬質側摺動部材として使用される合金材
料との硬度差が１０〜３２ＨＲＣであることを特徴とす
る請求項３記載の高温度高圧力用機器。