JP5025369B2 - 表面肉盛方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面肉盛方法に関し、特に高硬度かつ高耐食性の肉盛材料を摩擦攪拌により肉盛する表面肉盛方法に関する。

一般に、原子炉内構造物において、配管や、ポンプ、制御棒を駆動する駆動部品等の摺動部品は、耐磨耗性や耐食性が要求されることから、ステライトやコルモノイなどの駆動部品本体材料よりも高硬度かつ高耐食性の材料を溶接で肉盛して使用している。しかし、高硬度材料の肉盛溶接は溶接性が悪いこと、溶接特有の溶接熱影響部が形成されること、そして、いわゆる希釈領域が形成されることなどの問題がある。これらの問題を解決するためには、低温プロセスである肉盛技術が必要となる。
一方、近年、英国ＴＷＩ（The Welding Institute）社が開発した低入熱プロセスである、２枚の金属板を接合する摩擦攪拌接合技術が、アルミニウムを中心に実用化されている。しかし、摩擦攪拌接合技術は、２枚の金属板（被接合材）を摩擦により塑性流動化させ、接合するものであり、金属基材上に金属材料を表面に肉盛するいわゆる表面改質方法ではない。

金属材の表面改質方法としては、金属表面に高融点及び高硬度のロッドを回転させて押圧し、金属材の表面部を塑性変形自在となる温度まで加熱すると共に攪拌し、その後冷却することにより表面部の組織を微細化し、空隙を減らすことにより機械的性質を向上させる方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法は、金属材自体の表面の改質であり、他の部材の肉盛層を金属材の表面に形成される肉盛ではない。

また、異なる２種類の金属部材のうち一方の金属部材の側から界面近傍まで回転部材を挿入し回転の摩擦熱により異なる２種類の金属部材を接合するクラッド材の製造方法が挙げられる（例えば特許文献２参照）。しかし、この方法は、一方の金属部材を他方の金属部材上の接合すべき場所に配置する必要があり、また、回転部材を一方の金属部材から界面近傍の位置まで挿入することが必要であるので、その調整が容易ではない。
特開２００１−３２０５８号公報 特開２００５−２０５５４９号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたものであって、接合性が改善され、溶接熱影響部の形成及び希釈領域の形成が抑制された、高硬度かつ高耐食性の肉盛材料を金属基材上に肉盛する表面肉盛方法を提供する。

上記目的を解決するため、本発明の一実施態様による表面肉盛方法は、原子炉内構造物に用いられる金属基材の表面に、肉盛材料を肉盛する表面肉盛方法において、高硬度かつ高耐食性の肉盛材料を摩擦攪拌により前記金属基材の表面に肉盛することを特徴とする。

本発明によれば、接合性が改善され、溶接熱影響部の形成及び希釈領域の形成が抑制された、高硬度かつ高耐食性の肉盛材料を金属基材上に肉盛する表面肉盛方法を提供できる。

以下に、本発明を実施するための形態について説明する。まず、本発明の第１の実施形態に係る金属基材（母材）上への表面肉盛方法について図面を参酌して説明する。図１は、この実施形態に係る金属基材上への表面肉盛方法を模式的に示す図である。図１は、金属基材１、この金属基材１よりも高硬度かつ高耐食性の金属（肉盛）材料（以下、「高硬度高耐食性金属材料」と称する。）２、金属（摩擦）肉盛層３を示す。なお、表面肉盛方法を行なう表面肉盛装置は、高硬度高耐食性金属材料２を保持し、回転させ、押圧し、さらには移動させる回転治具（図示せず）、金属基材１を保持するテーブル（図示せず）を備える。表面肉盛装置は、金属基材１を移動させる移動装置（図示せず）を備えてもよい。表面肉盛装置が備える回転治具により高硬度高耐食性金属材料２を所定の回転数で回転させ、金属基材１に所定の圧力で押圧し、金属基材１上を移動させることにより金属基材１上に高硬度高耐食性金属材料２の金属肉盛層３を形成する。なお、高硬度高耐食性金属材料２の代わりに金属基材１を移動させてもよい。以下に、金属基材１、高硬度高耐食性金属材料２及び金属肉盛層３について説明し、その後、表面肉盛方法の条件などについてさらに詳述する。

金属基材１は、金属基材１が適用される用途に応じて適宜選択できる。原子炉内構造物、特に、配管や、ポンプ、制御棒を駆動する駆動部品等の摺動部品は、耐磨耗性や耐食性（例えば、耐応力腐食割れ）が要求されることから、オーステナイト系合金、例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどが使用できる。これらのうち、金属基材１の耐食性の観点から熱影響を受けにくい材料の方が好ましいので、例えばＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌなど低炭素含有鋼で耐熱性が良好なものが好ましい。

高硬度高耐食性金属材料２とは、金属基材１よりも高硬度かつ高耐食性の材料のことをいい、好ましくは、形成される金属肉盛層３のＪＩＳＺ２２４４に基づくビッカース硬度で、ＨＶ４００以上の硬度を形成できる高硬度（かつ高耐食性の）材料をいう。高耐食性については、好ましくは、原子炉内構造物として良好に使用できる耐食性を有する材料であり、例えば、クロム含有量が１３〜２５質量％のステンレス鋼、クロム含有量が５０％質量％以上のコバルト基合金、又はニッケル含有量が５０％質量％以上のニッケル基合金などが好ましい。高硬度高耐食性金属材料２としては、高硬度かつ高耐食性のステンレス鋼、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼のうち硬い材料、例えばＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４２９Ｊ１など、ニッケル基合金、例えばコルモロイなど、コバルト基合金、例えばステライトなどが挙げられる。これらのうち、高硬度高耐食性のステンレス鋼（例えばマルテンサイト系ステンレス鋼）は、高硬度かつ高耐食性の金属肉盛層３を低コストで形成できるため好ましい。また、ニッケル基合金は、より高耐食性の金属肉盛層３を形成できるため好ましい。コバルト基合金は、より高硬度の金属肉盛層３を形成できるため好ましい。

なお、後述のように、金属基材１と高硬度高耐食性金属材料（肉盛材）２との間には、熱容量差又は熱伝導度差が必要になる。すなわち、少なくとも高硬度高耐食性材料（肉盛材）２の熱容量が金属基材１の熱容量よりも大きいか、又は、高硬度高耐食性材料（肉盛材）２の熱伝導度が金属基材１の熱伝導度よりも大きい必要がある。好ましくは高硬度高耐食性材料（肉盛材）２の熱容量及び熱伝導度が金属基材１の熱容量及び熱伝導度よりも大きい必要がある。高硬度高耐食性金属材料２の形状及び大きさは、前記の回転治具（図示せず）により、保持、回転、押圧できる形状及び大きさであればいずれの形状及び大きさであってもよいが、通常円柱形状であり、大きさは直径が２０〜２５ｍｍ程度である。
なお、前記の回転治具は、高硬度高耐食性材料２を保持し、回転させ、摩擦圧力下で、金属基材１上に高硬度高耐食性材料２の金属肉盛層３を形成できるものであればいずれのものも使用でき、好ましくは金属基材１上の所定の方向に、高硬度高耐食性材料２を移動可能なものが使用できる。

金属肉盛層３は、後述のように金属基材１を溶融することなく、金属基材１上に形成されるので、高硬度高耐食性金属材料（肉盛材）２の組成を変化させることなく肉盛されたものである。金属肉盛層３は、後述の摩擦肉盛条件にもよるが、１回の肉盛処理で通常１〜２ｍｍの肉盛層が形成される。金属肉盛層３は、肉盛用として使用する高硬度高耐食性材料２の種類に応じて、所望の高硬度及び高耐食性を得ることができる。例えば、硬度としては、ＪＩＳＺ２２４４に基づくビッカース硬さで、ＨＶ４００以上の硬さを得ることができる。耐食性に関しては、高硬度高耐食性金属材料２の組成を変更させることなく金属肉盛層３を形成できるので良好な耐食性が得られる。また、後述のように、金属肉盛層３は金属基材１上に低入熱プロセスである摩擦攪拌による圧着によって形成されるので、金属基材１と金属肉盛層３との接合界面には、析出物、例えば金属間化合物などが形成されないので、また、低入熱プロセスである摩擦攪拌による圧着により形成されるため（溶接により形成される）熱影響部や希釈領域が形成されないので、良好な耐食性を有する。

次に、表面肉盛方法についてさらに説明する。まず、回転治具によって肉盛材である高硬度高耐食性材料２を所定の回転数（回転速度）まで回転させる。高硬度高耐食性材料２が所定の回転速度に到達した後、高硬度高耐食性材料２を金属基材１に対して軸方向に所定の圧力（加圧荷重）をかけて金属基材１に接触させる。高硬度高耐食性材料２の回転速度及び圧力は、使用する高硬度高耐食性材料２及び金属基材１の種類などに応じて適宜決めることができるが、４００〜６００ｒｐｍの回転数、及び２２０００Ｎ以上の加圧荷重が好ましい。
次に、高硬度高耐食性材料（肉盛材）２が十分に加熱した時点（例えば１０００℃）で、回転治具を移動させ、回転している高硬度高耐食性材料（肉盛材）２と金属基材１との界面に発生する定常的な摩擦熱によって高硬度高耐食性材料２を塑性的に圧着させ、金属肉盛層３を形成させる。ここで移動速度は適宜決められ、例えば０．５〜２．０ｍｍ／秒と決められる。ここで、回転する高硬度高耐食性材料（肉盛材）２を金属基材１に加圧、接触させると回転接触面の両方の金属が摩擦熱により軟化し、開始直後の両者の界面における最高温度は等しい状態であるが、いわゆる回転面移動現象により、次第に肉盛材の方が温度が高くなり、最高到達温度域は摩擦界面より肉盛材側に移動し、回転面が肉盛材２側に移動する。その結果、高硬度高耐食性材料（肉盛材）２が金属基材１に塑性的に圧着され、金属基材１を溶融させることなく、金属肉盛層３が形成される。このような一回の肉盛処理により、通常１〜２ｍｍ程度の金属肉盛層３が形成される。

次に、金属基材１上に高硬度高耐食性材料２の金属肉盛層３を肉盛（形成）させる方法の具体例について説明する。まず、金属基材（母材）１としてＳＵＳ３１６Ｌの板を使用し、高硬度高耐食性材料２として高硬度（高耐食性）ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃ（直径（Φ）２２ｍｍ）を回転冶具に設置して、送り速度１ｍｍ／秒で、摩擦肉盛（処理）を行った。なお、この摩擦肉盛（処理）を行ったときの、回転冶具の回転速度と加圧荷重の関係を図２に示す。図２は、摩擦肉盛試験における回転数と荷重との関係を示す図である。良好な肉盛条件を得るには、適切な施工条件（回転速度と加圧荷重）範囲を選定する必要がある。図２からわかるように、（加圧）荷重が２２０００（Ｎ）以上で、回転数が４００〜６００ｒｐｍの回転数が好ましい。また、（加圧）荷重が増えると適切な施工条件となる好ましい回転数の幅が広くなる傾向となる。なお、金属基材１の溶融の防止等のため、（加圧）荷重の上限としては、３００００（Ｎ）程度が好ましい。このような摩擦肉盛により得られた金属肉盛層１２が形成された材料のビッカース硬さは、ＨＶ４００以上の硬さであった。

次に、実際に摩擦肉盛により金属基材上に金属肉盛層を形成させた断面観察例（図）を示す。図３は、摩擦肉盛試験後の断面観察例を示す顕微鏡写真である。図３の摩擦肉盛（処理）の条件は、金属基材１１はＳＵＳ３１６Ｌ、回転治具に設置された高硬度高耐食性材料１２は直径（Φ）２２ｍｍのＳＵＳ４４０Ｃ、加圧荷重は２２５００Ｎ、回転数は４００ｒｐｍ、送り速度は１ｍｍ／秒の施工条件である。図３からわかるように、金属基材１１と金属肉盛層１２との接合界面は密着しており、金属間化合物等の析出物等は観察されなかった。また、溶接肉盛の場合に形成される希釈領域（範囲）および顕著な熱影響部は観察されなかった。よって、摩擦肉盛方法は、従来の溶接肉盛に比べ優れていることが確認できた。なお、得られた金属肉盛層１２が形成された材料のビッカース硬さは、ＨＶ４００以上の硬さであった。
従って、原子炉内構造物や配管に使用されているステンレス鋼に比べ高硬度かつ高耐食性を有する材料を肉盛させることができ、原子炉内構造物、特に、配管や、ポンプ、制御棒を駆動する駆動部品等の摺動部品として原子力プラントなどに適用することが可能である。

なお、上記の例では、高硬度高耐食性材料２としてマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）を使用する場合について説明したが、肉盛溶接材料として実績のあるニッケル基合金及びコバルト基合金を使用する場合ついても同様に、原子炉内構造物や配管に使用されているステンレス鋼に比べ高硬度かつ高耐食性を有する材料を肉盛させることができ、原子炉内構造物、特に、配管や、ポンプ、制御棒を駆動する駆動部品等の摺動部品として原子力プラントなどに適用することが可能である。

以上のように、本実施の形態によれば、金属基材上に高硬度高耐食材料を摩擦肉盛することにより、原子炉内構造物、特に配管やポンプ、制御棒を駆動する駆動部品等の摺動部品に使用されているステンレス鋼に比べ高硬度かつ高耐食性を有する材料を肉盛させることができ、肉盛された金属部材は、特に、摺動部品として原子力プラントなどに適用することが可能である。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態で説明した事項の重複説明は省略する。この実施形態では、配管などの中空の部材の肉盛方法について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る表面肉盛方法を模式的に説明する図である。図４は、配管２１、高硬度高耐食性部材２２、金属肉盛層２３及び中子２４を示す。なお、表面肉盛方法を行なう表面肉盛装置は、高硬度高耐食性金属材料２を保持し回転させ、押圧し、移動する回転治具（図示せず）及び中子２４を備えて構成される。

次に、この実施形態に係る表面肉盛方法について説明する。上述のように、摩擦攪拌による摩擦肉盛処理は、大きな荷重を負荷し、高硬度高耐食性金属材料に塑性流動層を形成させる技術であることから、施工時には大きな反力が発生する。
従って、中空部を有する管状部材である配管２１などに摩擦肉盛する場合、負荷される大きな荷重により配管２１が変形する可能性が考えられる。そこで、この実施形態では、中空部を有する管状部材である配管２１などの摩擦肉盛の変形を抑止する方法として、高硬度高耐食性金属材料２２を配管２１に押圧する前に、配管２１の内面に配管２１の変形を抑制可能な肉盛補助用充填部材、すなわち中子２４を挿入する。

配管２１の内面に中子２４を挿入した後に、高硬度高耐食性部材２２を回転させ、配管２１の外面に押圧し、所定の温度に達した後に、高硬度高耐食性部材２２を移動させて、金属肉盛層２３を形成させる。その後、中子２４を、配管２１から引き抜く。その結果、配管２１の変形を抑制して、配管２１上に高硬度高耐食性部材２２の金属肉盛層２３を摩擦肉盛することができる。

なお、中空部を有する管状部材として配管２１を用いて説明したが、中空部を有する管状部材であれば、配管２１に限らず、中空部を有する管状部材の他の中空部を有する部材（例えば、中空部を有する断面が長方体状の部材）であっても、この中空部の変形を抑制可能な肉盛補助用充填部材を使用できれば、この実施形態に係る表面肉盛方法を適用できる。

なお、中空部の変形を抑制可能な肉盛補助用充填部材、すなわち中子２４の寸法は、摩擦肉盛の施工後に引き抜く必要があるので、その点を考慮して設計する必要がある。例えば、配管２１中への挿入及び引き抜きが可能な、配管２１の内径よりもわずかに小さい直径とする。

この実施形態によれば、配管などの中空部を有する管状部材の内部に中子を挿入した後に、管状部材上に高硬度高耐食金属材料を摩擦肉盛するので、管状部材の変形を抑制することができる。

また、上記の第１及び第２の実施形態に係る表面肉盛方法は、高硬度高耐食性金属材料を摩擦攪拌により金属基材１上に肉盛するものであり、従来の溶接肉盛の技術のように、プラズマアークなどを必要としない。すなわち、これらの実施形態に係る表面肉盛方法は、水中でも行うことができるものである。よって、これらの表面肉盛方法を、原子炉内水中で、原子炉内構造物、例えば、配管や、制御棒を駆動する駆動部品等の摺動部品の補修修理などにも使用することができる。

この場合、原子炉内構造物の補修を原子炉内の水（例えば高温水）を排出しなくても金属基材上に高硬度高耐食性金属材料の摩擦肉盛を行うことができるので、原子炉内構造物の補修を容易に（短期間及び低コストで）行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る表面肉盛方法を模式的に示す図である。 摩擦肉盛試験における回転数と荷重の関係を示す図である。 摩擦肉盛試験後の断面観察例を示す顕微鏡写真である。 本発明の第２の実施形態に係る表面肉盛方法を模式的に示す図である。

符号の説明

１，１１…金属基材、２，２２…高硬度高耐食性金属材料、３，１２，２３…金属肉盛層、２１…配管、２４…中子

Claims (2)

1. 原子炉内構造物に用いられる金属基材であって中空部を有する管状部材の表面に、肉盛材料を肉盛する表面肉盛方法において、
   前記管状部材の中空部に、前記管状部材の変形を抑制可能な肉盛補助用充填部材を挿入して、ステンレス鋼、ニッケル基合金、コバルト基合金から選択された一部材である高硬度かつ高耐食性の肉盛材料を摩擦攪拌により前記管状部材の表面に肉盛することを特徴とする表面肉盛方法。
2. 原子炉内水中において、前記金属基材の表面に前記肉盛材料を摩擦攪拌により肉盛して、前記金属基材を水中で補修することを特徴とする請求項１記載の表面肉盛方法。