JP3220329B2

JP3220329B2 - 流体機器

Info

Publication number: JP3220329B2
Application number: JP15824794A
Authority: JP
Inventors: 賢一宇佐美; 博高安; 勉小沼; 誠苅田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH081375A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電専用及び揚水発電
用水車等の流体機器に係り、特に部材のキャビテーショ
ン・エロージョン（壊食）による損傷部に、予めその領
域あるいは損傷後の領域に、耐壊食性及び耐溶接割れ性
を有する溶接材料で補修肉盛した含Ｎｉ１３Ｃｒマルテ
ンサイト系ステンレス鋼製流体機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】河川水や海水等の流体中で高速回転及び
高速流水に曝される水車機器にはその局部的領域に振
動、騒音及び効率の低下を起こす原因となるキャビテー
ションを発生する。さらに、その部材表面はキャビテー
ション・エロージョンによる損傷（壊食）を受ける。そ
こで、特に大型機器となる水車ランナ材には、従来材に
比べ、耐壊食性及び強度特性が優れている含Ｎｉ−１３
Ｃｒ鋳鋼の使用が主流となっている。しかしながら、大
型化あるいは高速化等運転条件によって壊食による損傷
を受け、その補修技術が要望されている。

【０００３】一般に、これらの損傷を抑制する耐壊食性
溶接材料としては、ＪＩＳ：Ｚ３２５１やＡＷＳ：Ａ
５．１３に規格化されているＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等を含む
ステライトと呼ばれるＣｏ基合金が知られている。しか
しながら、この溶接材料はＣｏを多量に含むため高価で
あり、かつ、その肉盛層はＣ含有量（０．９０〜３．０
０％）が高く高硬度（ビッカース硬さ；４００〜５５
０）を有するため、特に肉盛領域が広くなると溶接割れ
感受性が高くなるとともに、肉盛層表面の加工性に難が
生ずる。そこで、溶接割れ感受性を考慮し、母材表面に
中間層としてオーステナイト系溶接材料による肉盛層を
設けた場合でも、高温（５５０〜６５０℃）の予熱及び
後熱処理が施されている。

【０００４】従って、実機での狭い個所の補修溶接作業
においては作業者の安全性が阻害される問題も多く、作
業性ならびに経済的にも課題が残る。そこで、上記の理
由等により、現在の水車部材等の補修溶接には耐壊食性
はＣｏ基合金系溶接材料に比べ非常に劣るものの、予熱
温度を低く押さえ、かつ耐溶接割れ性の優れた比較的安
価なＪＩＳ：Ｚ３２５１やＡＷＳ：Ａ５．４に規格化さ
れているＤ（Ｅ）−３０８、Ｄ（Ｅ）−３０９やＤ
（Ｅ）−３０９Ｍｏ等のオーステナイト系溶接材料が多
く使用されている。

【０００５】しかしながら、最近の大型化、高速化等の
流体機器の過酷な使用条件下における現用の補修用溶接
材料ではキャビテーション及び土砂による損傷に対し
て、十分な特性を発揮し得ない課題が多くなり、さら
に、海水等腐食環境下での使用も要望され、耐食性も加
味した耐壊食性・摩耗性材料の適用化が要求されてい
る。以上記述したように、水車等流体機械構成部材のキ
ャビテーション及び土砂による損傷を抑制する補修等表
面処理溶接肉盛材料としては、耐壊食性、耐食性並びに
溶接施工性が優れている特性を兼備するものが望まし
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、加工
硬化性を向上させるとともに、さらに耐食性、組織の安
定化や微細化等を図った耐壊食性、耐摩耗性並びに耐溶
接割れ性の優れたオーステナイト系溶接材料で肉盛層を
形成させた流体機器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、河川水や海水中の流体中で高速回転又は
高速流の液体中でキャビテーションによる壊食を受ける
流体機器において、該機器は重量でＣ：０．０１〜０．
０６％、Ｎｉ：６．０％以下及びＣｒ：１０〜１４％を
含む１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、
該機器部材の表面部分に、重量でＣ：０．１０〜０．３
０％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：１６．
００〜２３．００％、Ｎｉ：１．００〜８．００％、Ｃ
ｏ：２．００〜９．００％で、かつＮｉ＋Ｃｏを６．０
０〜１２．００％を含有し、さらに、Ｍｏ：２．００〜
５．００％、Ｎ：０．０５〜０．２０％の少なくとも１
種を含み、残部が鉄及び不可避的不純物であるオーステ
ナイト鋼の溶接肉盛層を形成させることとしたものであ
る。

【０００８】また、本発明は、河川水や海水中の流体中
で高速回転又は高速流の液体中でキャビテーションによ
る壊食を受ける流体機器において、該機器は重量でＣ：
０．０１〜０．０６％、Ｎｉ：６．０％以下及びＣｒ：
１０〜１４％を含む１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼からなり、該機器部材の表面部分に、重量でＣ：
０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以
下、Ｃｒ：１６．００〜２３．００％、Ｎｉ：１．００
〜８．００％、Ｃｏ：２．００〜９．００％で、かつＮ
ｉ＋Ｃｏを６．００〜１２．００％を含有し、さらに、
Ｍｏ：２．００〜５．００％、Ｎ：０．０５〜０．２０
％の少なくとも１種と、Ｖ：０．１０〜０．５０％を含
み、残部が鉄及び不可避的不純物であるオーステナイト
鋼の溶接肉盛層を形成させることとしたものである。一
方、本発明の溶接肉盛層の形成は、上記肉盛層の組成を
有する棒状及び粉体を用いて溶接法により行うものであ
る。

【０００９】

【作用】次に、本発明で用いる溶接肉盛層を構成する成
分の限定理由について述べる。Ｃはオーステナイトの生
成元素であるが、材料の強度及び硬さを増し耐壊食性の
向上に有効な元素である。しかし、その量が０．１０％
以下の場合は、溶接性は向上するものの、本発明組成範
囲では、オーステナイト相中にマルテンサイト相が生成
し、耐壊食性改善に有効な誘起マルテンサイト相の生成
による硬化領域が局部的となり効果が少ない。一方、
０．３０％を越えると、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ量とのバラン
スもあるが、耐壊食性は向上するものの延性が著しく低
下し、溶接高温割れの発生が著しくなる。このため、耐
壊食性並びに溶接性を考慮すると、好ましくは０．１０
〜０．３０％、特に０．１５〜０．２６％が望ましい。

【００１０】Ｓｉはフェライト生成元素であるが、通常
合金の溶解及び溶接時の脱酸のため１％以下で添加され
る。過度の添加は材料の靱性を低下するため、本発明で
のＳｉ量は通常のオーステナイト系合金に含まれる１％
以下に限定する。Ｍｎは通常、オーステナイト系鋼材の
脱酸・脱硫のために２％以下が添加され、過剰に添加す
ると湯流れ性を悪くし、溶接作業性を低下する。従っ
て、本発明によるＭｎ量は２％以下に限定する。

【００１１】ＮｉとＣｏは本発明の耐壊食性の優れた溶
接材料を提供する重要なポイントとなる元素である。Ｎ
ｉはオーステナイト生成元素であり、Ｃｒと共存するこ
とによりマトリックスをオーステナイト相にして強度、
延性並びに靱性を向上させる。本発明の特徴は、キャビ
テーション破壊時の衝撃圧により、過度に不安定なオー
ステナイト組織を加工誘起マルテンサイトに変化させ、
特に耐壊食性を向上させることにある。従って、Ｎｉの
添加量はＣ及びＣｏの添加量と密接な関連を有するもの
の、耐壊食性にとって重要な意味を有する。そのために
は、Ｎｉ量を低く押さえることが望ましいが、オーステ
ナイト組織を保持するためにはＣｏの添加量を増加させ
る必要があり、その総和（Ｎｉ＋Ｃｏ）は重量で６〜１
２％とするのが良い。最適には８〜１１％が良い。

【００１２】すなわち、Ｎｉの添加は１〜８％までが良
く、残りはＣｏで代用することにより耐壊食性が向上す
る。しかし、ＮｉとＣｏの複合比率において、Ｎｉ量が
多い場合は耐壊食性を考慮するとＣ量を０．１５以下で
は良好な特性が得られない。Ｃｏは比較的弱いオーステ
ナイト生成元素であり、その生成能力はＮｉの１／３で
ある。このため、ＮｉとＣｏの複合比率において、Ｎｉ
量が少ない場合は必然的にＣｏとＣ量を増加させる必要
がある。このＣｏとＣ量の増加が耐壊食性向上に有効に
作用する。しかしながら、Ｃ量は溶接割れの観点から、
０．３０％以下とすべきである。そのためのＣｏ量は２
％以上必要であり、９％以上添加しても耐壊食性を向上
する効果が小さい。特に、Ｎｉは２．０〜６．０％、Ｃ
ｏは５〜８．０％が良い。

【００１３】Ｃｒはフェライト生成元素であるが、河川
水及び海水中における耐食性向上に有効であるととも
に、Ｎｉと共存し少量のフェライトを含むオーステナイ
ト組織を形成する。１６％以下ではオーステナイト相中
にマルテンサイトを生成するとともに、２３％以上では
フェライト量が増加し、延性、耐壊食性及び溶接性を劣
化させる。好ましくは１７〜２１％であるが、流体が海
水等の腐食性が強い場合は耐食性を考慮し１９〜２２％
とすることが望ましい。

【００１４】Ｍｏは耐食性を改善するほか、肉盛層の生
地を強化し耐壊食性の改善に効果がある。本発明での主
のＭｏ添加は、特に腐食性の高い海水等を流水として使
用する機器部材の耐壊食性を付与する場合の補修材料に
含ませることにある。しかし、０．５％以下では効果が
少なく、５％以上添加するとδフェライトを多量に生成
し溶接性に影響を及ぼす。そのため、本発明では耐食性
を考慮し、０．５０〜５．００％に限定した。好ましく
は２．０〜３．０％が望ましい。

【００１５】Ｎはオーステナイト相を安定にするととも
に、強度や耐エロージョン性を向上するのに有効な元素
である。しかし、本発明における添加は主に、ＣｒやＭ
ｏの合計量が２１〜２５％以上となり、溶接性に影響す
るフェライトの生成を抑制するためである。過剰に添加
すると窒化物を形成し、靱性や耐食性に影響を及ぼすた
め０．０５〜０．２０％の範囲に限定した。

【００１６】Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗはともに炭化物形成元
素であるが、０．８％以下の添加は延性を向上させる。
従って、本発明では肉盛材の耐壊食性や溶接性に影響を
及ぼさない程度の少量添加により、肉盛材の延性向上を
図るためである。しかし、各元素とも、顕著な効果を示
すのは０．２％〜０．５％の範囲で、１．０％以上では
延性及び溶接性に影響を及ぼす。そこで、本発明では、
各元素の単独添加量を０．５０％以下と限定した。しか
し、元素の単独添加でも十分その機能を発揮するが、各
元素ともほぼ同じ作用を有するため、複合添加も考慮
し、Ｖ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｗの合計量も０．２０〜０．５０
％の範囲に限定した。

【００１７】残部はＦｅ及び同伴する不純物からなり、
不純物としてＰ、Ｓ、Ａｓ及びＳｂなどがあるが、これ
らの元素は延性、靱性を害する働きをするとともに溶接
性を低下するため極力少ない方が望ましい。さらに、本
発明では、肉盛層の延性を高めるためにＣａ、Ｍｇ、希
土類元素、Ｙ等の酸化剤を加えることができる。それら
の１種又は２種の含有量は０．５％以下とすることが好
ましい。本発明においては、ＣとＮｉ量とは密接な関係
があり、｛７０×Ｃ（重量％）＋Ｎｉ（重量％）｝の式
によって求められる値を１５〜２５とするのが好まし
い。Ｃｏ量が２〜４％では２０〜２５とするのが好まし
い。

【００１８】次に、肉盛層厚さを３〜２０ｍｍの範囲と
するのが好ましい。母材との希釈率は溶接棒による被覆
アーク溶接法やロッドによるＴＩＧ溶接法が約３０〜３
５％、粉体を用いるプラズマアーク溶接法が約５〜７％
である。従って、粉体を用いるプラズマアーク溶接法の
場合は１層盛３ｍｍの肉盛層でもその肉盛材の特性が得
られる。しかし、被覆アークやＴＩＧ溶接法の場合は母
材との希釈率が高いため、１層盛３ｍｍの肉盛層ではそ
の特性を十分満足せず、それ以上の肉盛厚さが必要とな
る。

【００１９】しかしながら、肉盛層が２０ｍｍ以上とな
ると６層盛を超える重ね盛となり、母材や肉盛層への加
熱・冷却の熱履歴を繰り返すことになり、肉盛部の強度
特性等に悪影響を及ぼす因子となる。このようなことよ
り、損傷部の深さにもよるが、肉盛層は１〜６層盛とな
る３〜２０ｍｍに限定した。好ましくは、粉体プラズマ
アーク溶接法は表面仕上加工による切削量を含め３〜８
ｍｍ（１〜３層盛）、被覆アークやＴＩＧ溶接法は６〜
１５ｍｍ（２〜５層盛）である。本発明における流体機
器用部材として、Ｃ０．０１〜０．０６％、Ｓｉ１％以
下、Ｍｎ２％以下、Ｎｉ６％以下、Ｃｒ１０〜１４％、
Ｍｏ０．０５〜０．５％を含有する１３Ｃｒ５Ｎｉ鋳鋼
又は鍛鋼からなるものが好ましい。Ｎｉ量は４〜６％が
好ましい。熱処理は焼ならし焼戻し材のフェライト１０
％以下を含むマルテンサイト組織が好ましい。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。実施例１表１は５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼に肉盛溶接した本発明で用
いる被覆アーク溶着金属と、比較材の化学組成（重量
％）と磁歪振動式試験装置で得られた壊食量及びビッカ
ース硬さを示す。 No.３〜 No.５は本発明で用いる肉盛
材、No．１、２、６、７は参考材で、溶接棒は４φで被
覆剤はライム・チタニア型である。溶着金属の成分のう
ち、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｒの一部は溶接棒芯棒
から添加し、他は被覆剤より添加した。 No.８〜 No.１
０は比較材で、 No.８と No.９が棒径４φの市販溶接材
料Ｄ−３０８とＤ−３０９Ｍｏ、 No.１０が現用の水車
ランナ材として用いられている５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼で
ある。なお、肉盛溶接は予熱及び層間温度を１５０℃、
溶接電流１４０〜１５０Ａ、電圧２３Ｖ、溶着速度約１
kg／ｈで３層盛（肉盛層；約１０ｍｍ）した。なお、壊
食試験及び硬さ試験は肉盛表面層を２ｍｍ切削した面で
行った。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１より、本発明で用いる肉盛材は、従来
より補修溶接材料として用いられている比較材（ No.８
と No.９）に比べ、硬さが高く、かつ、壊食量も少なく
なっている。すなわち、耐壊食性は比較材（ No.８と N
o.９）の約７〜１０倍と向上している。また、表１よ
り、本発明における耐壊食性強化を図るための代表鋼種
（５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼；比較材 No.１０）と比べて
も、約６〜１０倍の耐壊食性を有している。なお、本発
明で用いる肉盛材及び比較材とも、試験前後の肉盛表面
層には溶接割れ等の異常は認められなかった。なお、こ
の傾向はＴＩＧ溶接棒及び粉体による肉盛層も同じ傾向
を示した。表２に、壊食試験前後の表面硬さにより求め
た加工硬化指数（試験後の硬さ／試験前の硬さ）を示
す。本発明で用いる肉盛材は比較材に比べ、大きな加工
硬化指数を有している。

【００２３】

【表２】

【００２４】図１は、本発明による溶接肉盛層が適用さ
れる流体機器、特に、フランシス水車の断面図を示す。
水車の主要部は動翼であるランナから構成され、ランナ
本体はクラウン１、シュラウド２との間に複数の羽根３
が形成され、羽根３に流水を導くランナコーン４を有し
ている。羽根３の外側にはガイドベーン５とステーベー
ン６とが設けられ、ランナにはランナライナ７及びガイ
ドベーン５にはシートライナ８が付設されている。

【００２５】図２は図１に示した羽根３の流水部への施
工断面を示す。この羽根３の母材は、一般に通常の溶解
・鋳造によって得られたマルテンサイトステンレス鋼の
５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼９によって構成されている。この
羽根表面の流水面で損傷を受ける部分に、オーステナイ
ト組織を持ち、特に、重量で、Ｃ：０．１０〜０．３０
％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：１６．０
０〜２３．００％、Ｎｉ：１．００〜８．００％、Ｃ
ｏ：２．００〜９．００％、Ｍｏ：０．５０〜５．００
％及びＮ：０．０５〜０．２０％を含み、残部がＦｅ及
び同伴する不純物からなる溶接肉盛層１０を被覆アーク
溶接により形成させた。

【００２６】なお、本発明の組成を有する肉盛層は被覆
アーク溶接棒による方法のほか、ＴＩＧ溶接法並びに粉
体溶接法等の表面処理技術で形成されても、同じような
優れた特性が得られているため、いろいろな表面処理に
よる形成が可能である。なお、図２は母材表面へ直接肉
盛層を形成させた場合を示したが、条件により母材と肉
盛層の間に中間層を設けても良い。

【００２７】

【発明の効果】本発明は河川水や海水等を流体に使用す
る流体機器において、特に、キャビテーションによる壊
食を受ける含Ｎｉ１３Ｃｒ鋼製部材表面部分を、予めそ
の領域に、あるいは損傷後の領域に、重量％でＣ：０．
１０〜０．３０％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、
Ｃｒ：１６．００〜２３．００％、Ｎｉ：１．００〜
８．００％、Ｃｏ：２．００〜９．００％で、かつＮｉ
＋Ｃｏ：６．００〜１２．００％あるいはさらにＭｏ：
０．５０〜５．００％、Ｎ：０．０５〜０．２０％、
Ｖ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：
０．５０％以下、Ｗ：０．５０％以下の少なくとも１種
を含み、オーステナイト組織とする溶接棒や粉体等の溶
接材料を用いる溶接法によって、特に肉盛層厚さ３〜２
０ｍｍの範囲で形成させれば、部材の損傷性が強化され
る。従って、部材のキャビテーションによる壊食損傷が
軽減され、部品の寿命及び作業効率の向上並びに部品交
換周期等の延長が図れ、コスト低減等にも大いに効果が
発揮されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による溶接肉盛層が適用されるフランシ
ス水車の断面図。

【図２】羽根表面流水部への施工を説明する断面図。

【符号の説明】

１：クラウン、２：シュラウド、３：羽根、４：ランナ
コーン、５：ガイドベーン、６：ステーベーン、７：ラ
ンナライナ、８：シートライナ、９：母材、１０：溶接
肉盛層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者苅田誠茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭57−26150（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−75894（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−58955（ＪＰ，Ａ) 特公昭42−24813（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/30 C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】液体中で高速回転又は高速流の液体中で
キャビテーションによる壊食を受ける流体機器におい
て、該機器は重量でＣ：０．０１〜０．０６％、Ｎｉ：
６．０％以下及びＣｒ：１０〜１４％を含む１３Ｃｒマ
ルテンサイト系ステンレス鋼からなり、該機器部材の表
面部分に、重量で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：
１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：１６．００〜２３．
００％、Ｎｉ：１．００〜８．００％、Ｃｏ：２．００
〜９．００％で、かつＮｉ＋Ｃｏを６．００〜１２．０
０％を含有し、さらに、Ｍｏ：２．００〜５．００％、
Ｎ：０．０５〜０．２０％の少なくとも１種を含み、残
部が鉄及び不可避的不純物であるオーステナイト鋼の溶
接肉盛層を形成させたことを特徴とする流体機器。
【請求項２】液体中で高速回転又は高速流の液体中で
キャビテーションによる壊食を受ける流体機器におい
て、該機器は重量でＣ：０．０１〜０．０６％、Ｎｉ：
６．０％以下及びＣｒ：１０〜１４％を含む１３Ｃｒマ
ルテンサイト系ステンレス鋼からなり、該機器部材の表
面部分に、重量で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：
１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：１６．００〜２３．
００％、Ｎｉ：１．００〜８．００％、Ｃｏ：２．００
〜９．００％で、かつＮｉ＋Ｃｏを６．００〜１２．０
０％を含有し、さらに、Ｍｏ：２．００〜５．００％、
Ｎ：０．０５〜０．２０％の少なくとも１種と、Ｖ：
０．１０〜０．５０％を含み、残部が鉄及び不可避的不
純物であるオーステナイト鋼の溶接肉盛層を形成させた
ことを特徴とする流体機器。