JP3556492B2 - Ｎｉ基自溶性合金皮膜の補修装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ伝熱管用炭素鋼、合金鋼の鋼管（ＳＴＢ、ＳＴＢＡ）等よりなる母材上に形成したＮｉ基自溶性合金皮膜を補修する場合に、既存のＮｉ基自溶性合金皮膜を予熱した後、該皮膜上にＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜を積層するＮｉ基自溶性合金皮膜の補修装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｉ基自溶性合金は、ボイラ伝熱管用炭素鋼、合金鋼の鋼管（ＳＴＢ、ＳＴＢＡ）等の耐熱、耐摩耗性を必要とする表面に、しばしば高温耐摩耗性材料よりなる自溶性合金の溶射施工が行われている。しかし、高温で、かつ摩耗性の雰囲気で用いられるＮｉ基自溶性合金皮膜も長時間使用すると摩耗を受け、徐々に減肉される。このため、母材にＮｉ基自溶性合金を溶射施工して形成した耐熱、耐摩耗性皮膜の補修方法として、まず、減肉し損傷したＮｉ基自溶性合金皮膜をブラスト処理、あるいはグラインダー処理等で、母材が露出する程度にまでＮｉ基自溶性合金皮膜を除去し、下地処理、および金属を溶かして微粒となしたものを吹き付けて皮膜を形成するガス粉末式溶射法等の火炎溶射法により、Ｎｉ基自溶性合金皮膜を形成した後、さらに上記溶射皮膜の溶融処理を行うことにより、Ｎｉ基自溶性合金皮膜の補修を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｎｉ基自溶性合金被膜は、常温でビッカース硬度Ｈｖが７００〜９００と高く、非常に硬いため、この皮膜を母材が露出するところまで減肉し除去するには、多大の労力と時間を要していた。これに加えて、高温耐摩耗性材料として用いられるＮｉ基自溶性合金の皮膜設計は、皮膜の膜厚には限界があるため、高温耐摩耗性については、母材の厚さと皮膜の厚さを合計することにより算出していた。この皮膜設計を考慮すると、上記皮膜を減肉する場合において母材に深い傷や大きな凹凸を与えると、母材と皮膜との合計厚さで計算された高温耐摩耗性の寿命を著しく縮めることになるという問題があった。
また、上記皮膜上にブラスト処理（下地処理）を施し、ガス粉末式溶射法によりＮｉ基自溶性合金皮膜を形成した後、溶融処理を行う方法や、直接、ガス粉末式溶射法でＮｉ基自溶性合金を形成し、その後、溶融処理を施す方法も考えられた。しかし、減肉するＮｉ基自溶性合金皮膜のＨｖが７００〜９００と極めて硬いため、上記Ｎｉ基自溶性合金の溶射方法では、溶射施工中における皮膜層の剥離が生じ、溶射施工の効率が著しく低下するという問題があった。
また、Ｎｉ基自溶性合金のガス粉末式溶射後に、皮膜の溶融処理を行っても、旧皮膜層と新皮膜層との密着性の低下により、高温耐摩耗性皮膜として使用する場合には、熱サイクルにより生じる熱衝撃によって剥離が生じることがあって、Ｎｉ基自溶性合金皮膜の溶射による補修施工には種々の問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解消するものであって、母材の表面に形成したＮｉ基自溶性合金皮膜を補修する場合において、ガス粉末式溶射等の火炎溶射法により溶射施工中におけるＮｉ基自溶性合金被膜の剥離を確実に防止し、旧皮膜層と新皮膜層との密着性の良いＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜を効率良く、かつ安価に形成する補修装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、鋼管の表面にＮｉ基自溶性合金を溶射施工して形成した既存の耐熱、耐摩耗性皮膜を補修する装置において、上記既存の耐熱、耐摩耗性皮膜上にＮｉ基自溶性合金の溶射用粉末を溶射する溶射装置と、該溶射装置に取り付けられた非接触型温度計と、該非接触型温度計で検出した既存の耐熱、耐摩耗性皮膜の加熱温度および溶射した耐熱、耐摩耗性皮膜の温度を制御する制御装置を備えたことを特徴とするＮｉ基自溶性合金皮膜の補修装置とするものである。
また、請求項２に記載のように、請求項１において、上記温度の制御装置は、上記加熱温度が６００℃〜１０００℃の温度範囲外となった時、もしくは溶射直後の皮膜の温度が融点以上となった時に、溶射用粉末の送給を停止する制御装置としたＮｉ基自溶性合金皮膜の補修装置とするものである。
また、本発明は、補修する既存の皮膜の加熱温度は、該既存の皮膜の硬さがビッカース硬度Ｈｖで６００以下となる温度（図１からほぼ５００℃以上）に加熱するＮｉ基自溶性合金皮膜の補修処理とするものである。
本発明は、請求項１ないし請求項２に記載のように、Ｎｉ基自溶性合金皮膜の補修施工を実施する装置であって、補修する既存のＮｉ基自溶性合金皮膜の加熱温度範囲を調整する非接触型の温度検出制御手段と、上記既存のＮｉ基自溶性合金皮膜の加熱温度が６００℃〜１０００℃の範囲外となった時、またはＮｉ基自溶性合金の溶射粉末の溶射直後の温度が、該Ｎｉ基自溶性合金の融点以上となった時に、上記Ｎｉ基自溶性合金の溶射粉末の供給を停止する制御装置を備えたＮｉ基自溶性合金皮膜の補修装置とするものである。
また、本発明は、鋼管等の母材上に形成されているＮｉ基自溶性合金皮膜に加熱処理（５００〜１０００℃の温度範囲もしくはＨｖで６００以下となる温度）を施し、この予熱した皮膜の上に、ガス粉末式溶射法等の火炎溶射法によりＮｉ基自溶性合金を溶射して皮膜層を形成すると同時に、この皮膜層に溶融処理を施すことにより、従来技術における問題点である溶射施工中、あるいは高温耐摩耗性雰囲気中の熱サイクル（熱衝撃）による剥離現象を確実に防止することができる効果がある。
また、本発明は、鋼管等の母材上の既存のＮｉ基自溶性合金皮膜を所定の温度範囲に加熱する装置は、例えばガスバーナで加熱を行い、次に、上記加熱処理を施した既存のＮｉ基自溶性合金皮膜上に、例えば、ガス粉末式溶射法等の火炎溶射法により、Ｎｉ基自溶性合金皮膜を約１ｍｍ程度の合計膜厚に積層した溶射皮膜を形成する。この時の温度管理は、ガス粉末式溶射法等の火炎溶射装置に非接触型の温度計を設置して温度を検出し、設定の温度領域外となった時、もしくは溶射直後が融点以上になった場合には、温度センサが感知して、溶射粉末供給用のバルブを閉に作動させ、溶射用のＮｉ基自溶性合金の供給を自動的に停止できる手段を備えているので、溶射施工を自動的に管理することができ、また母材が複雑な形状をしている場合においても、溶射施工を自動的に管理できる効果がある。
本発明のＮｉ基自溶性合金皮膜の補修処理において、Ｎｉ基溶射合金は多層構造に積層するものであって、その積層数はμｍ単位の合計膜厚で管理するため、Ｎｉ基溶射合金皮膜の積層数については特に限定するものではなく、ＪＩＳＨ８３０３−１９９４において規定されている、４.品質、４.１外観、４.２皮膜断面の組織、４.３溶射材料の化学成分および配合比、４.４皮膜厚さ、４.５皮膜の引張強さ、４.６皮膜硬さ、４.７密着性の規定に基づくものである。
Ｎｉ基自溶性合金の溶射皮膜の硬度（Ｈｖ）と温度との関係を図１に示す。図において、Ｎｉ基自溶性合金は約５００℃でＨｖはほぼ６００以下となり、８００℃では Ｈｖはほぼ１００以下であり、室温ではＨｖは約８００以上を示す。本発明者らによる知見によれば、Ｎｉ基自溶性合金は、常温における溶射では皮膜硬度が高いため溶射粒子はうまく積層されないが、図１および表１に示すように、約５００〜１０００℃付近ではうまく積層されるものと考えられる。さらに、より好ましい加熱温度範囲は６００〜１０００℃付近である。
また、上限の温度が融点を超えると溶射皮膜の積層は不可能となるため、溶射直後の温度はＮｉ基自溶性合金の融点以下となることが必要である。
表１に、既存の溶射皮膜の加熱温度と施工中の剥離の有無、および皮膜積層後の耐熱衝撃性を示す。
【０００６】
【表１】

【０００７】
本発明のＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜および溶射材料は、ＪＩＳ Ｈ ８３０３−１９９４において規定されているとおり、溶射材料の化学成分および配合比（５．３項）の概要は、次の表２、表３に示されるとおりであり、ＳＦＮｉ１〜５、ＳＦＣｏ１〜２、ＳＦＷＣ１〜４に示される組成範囲のものが好ましく用いられる。
【０００８】
【表２】

【０００９】
【表３】

【００１０】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図２は本実施の形態１におけるガス粉末式溶射法によるＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修方法を示す模式図である。
母材として、径４５ｍｍ×長さ５００ｍｍのボイラチューブ（ＳＴＢ３４０）３の全面に、Ｎｉ基自溶性合金からなる既存のＮｉ基自溶性合金皮膜１が
約０．５ｍｍの膜厚に形成されている試験片を用い、該既存のＮｉ基自溶性合金皮膜１を加熱せずに常温の場合と、約２００℃、約４００℃、約６００℃、約８００℃および約１０００℃にそれぞれ加熱した場合について、該既存のＮｉ基自溶性合金皮膜１の上に、補修後のＮｉ基自溶性合金皮膜２を、ガス粉末式溶射法によりＮｉ基自溶性合金を約１ｍｍ（合計膜厚約１．５ｍｍ）積層し補修した。なお、積層膜厚は任意に決められるものであり、μｍ単位で、１０００〜５０００μｍ（１〜５ｍｍ）以上の範囲においても可能である。
既存のＮｉ基自溶性合金皮膜の加熱温度と、溶射施工中の剥離の有無および補修後のＮｉ基自溶性合金皮膜の耐熱衝撃性を、表１に示す。なお、表中の溶射施工中の剥離の項の○印は「剥離無し」、△印は「少し剥離有り」、×印は「剥離有り」を示し、耐熱衝撃性の項の○印は耐熱衝撃性が「良好」、×印は「不可」を示す。表１から明らかなように、既存のＮｉ基自溶性合金皮膜の加熱温度を、約５００〜１０００℃とすると、溶射施工中の剥離は全く無く、かつ耐熱衝撃性も良好であった。耐熱衝撃性は、表１に示すそれぞれの加熱温度に設定した炉内で約２０分間加熱保持し、その後、炉から取り出し空冷（自然放冷）して皮膜の破損（剥離）状況から良否を判断した。
なお、試料Ｎｏ．４、５、６の加熱温度が６００〜１０００℃で溶射したＮｉ基自溶性合金皮膜の断面組織を、顕微鏡断面組織試験（ＪＩＳ Ｈ８６６５の６．溶射材料の分析試験による）により調査した結果、未溶融組織、ピンホール、気孔、割れ、その他、使用上の有害な欠陥は見当らず、品質の良好な積層構造が得られた。
【００１１】
〈実施の形態２〉
図３に、本実施の形態２におけるガス粉末式溶射法によるＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修方法を示す。本実施の形態２においては、溶射装置４に非接触型の温度計９を取付け、さらに溶射装置４の進行方向に対して、５００℃〜１０００℃の加熱温度範囲外となった場合、あるいは溶射直後の温度が融点以上となった場合に、溶射用の自溶性合金粉末の供給を自動的に停止できる手段を備えるものである。これにより、既存のＮｉ基自溶性合金皮膜の加熱温度の調整、溶射する自溶性合金皮膜の温度の調整、および自溶性合金皮膜の溶融処理温度の調整等、Ｎｉ基自溶性合金皮膜の溶射施工を自動的に制御し管理できることが判った。なお、Ｎｉ基自溶性合金皮膜の顕微鏡組織は、実施の形態１と同様の品質の良好な積層構造が得られた。
【００１２】
〈実施の形態３〉
図４に、本実施の形態３におけるガス粉末式溶射法によるＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修方法を示す。溶射装置４の進行方向の手前に非接触型温度計９を取付け、既存のＮｉ基自溶性合金皮膜の加熱温度の調整、および溶射する自溶性合金皮膜の温度の調整等を行う方法である。本実施の形態は、作業者が手動で、容易に加熱温度や溶射施工を管理できるようにしたものであって、複雑な形状をした母材に対するＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修に好適に用いられる。なお、Ｎｉ基自溶性合金皮膜の顕微鏡組織は、実施の形態１と同様の品質の良好な積層構造が得られた。
以上の実施の形態では、火炎溶射法の中のガス粉末式溶射法について述べたが、ガス溶線式あるいは電気溶線式の火炎溶射法であっても、同様の効果が得られることを確認している。
【００１３】
【発明の効果】
本発明のＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修方法によれぱ、既存の皮膜を除去する必要がなく、既存の皮膜を約５００〜１０００℃の温度範囲に加熱するだけで、Ｎｉ基自溶性合金皮膜を溶射施工することができ、溶射施工時における剥離や、高温耐摩耗性の雰囲気での熱サイクルによる耐熱衝撃性が良好であって、 Ｎｉ基自溶性合金の溶射皮膜の剥離を防ぐことが可能となり、そのうえＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修を安価に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｉ基自溶性合金溶射皮膜の硬度と温度の関係を示すグラフ。
【図２】本発明の実施の形態１で例示したガス粉末式溶射法によるＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修方法を示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態２で例示したガス粉末式溶射法によるＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修方法を示す模式図。
【図４】本発明の実施の形態３で例示したガス粉末式溶射法によるＮｉ基自溶性合金の溶射皮膜の補修方法を示す模式図。
【符号の説明】
１…既存のＮｉ基自溶性合金皮膜
２…補修後のＮｉ基自溶性合金皮膜
３…ボイラチューブ（ＳＴＢ３４０）
４…溶射装置
５…粉末供給ホース
６…燃焼ガス供給ホース
７…エアー供給ホース
８…溶射制御装置
９…非接触型温度計
１０…ノズル
１１…溶射装置の進行方向

Claims (2)

1. 鋼管の表面にＮｉ基自溶性合金を溶射施工して形成した既存の耐熱、耐摩耗性皮膜を補修する装置において、上記既存の耐熱、耐摩耗性皮膜上にＮｉ基自溶性合金の溶射用粉末を溶射する溶射装置と、該溶射装置に取り付けられた非接触型温度計と、該非接触型温度計で検出した既存の耐熱、耐摩耗性皮膜の加熱温度および溶射した耐熱、耐摩耗性皮膜の温度を制御する制御装置を備えたことを特徴とするＮｉ基自溶性合金皮膜の補修装置。
2. 請求項１において、上記温度の制御装置は、上記加熱温度が６００℃〜１０００℃の温度範囲外となった時、もしくは溶射直後の皮膜の温度が融点以上となった時に、溶射用粉末の送給を停止する制御装置としたことを特徴とするＮｉ基自溶性合金皮膜の補修装置。

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