JP5554192B2 - Ｃｏ基硬化肉盛材料及び肉盛方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｃｏ基硬化肉盛材料及び肉盛方法に関するものである。

蒸気タービンにおいて、弁座シート部などの被摩耗部材は、耐摩耗の目的でステライトを用いて肉盛施工されている。ステライトは、コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）やタングステン（Ｗ）を含む耐熱合金である。特許文献１に、高温燃焼雰囲気において優れた高温特性を示すＣｏ基耐熱合金の発明が記載されている。

特開昭６０−１７０４３号公報（特許請求の範囲（１））

蒸気タービンの１つとして、超臨界圧タービンがある。超臨界圧タービンでは、蒸気温度が６００℃程度に達するため、超臨界圧タービンの運転中、肉盛施工した肉盛層が、６００℃程度の高温環境に長時間曝されることになる。長時間、高温環境に曝された肉盛層は脆くなり、割れが発生する。割れがひどい場合は、蒸気漏れを発生させ、蒸気タービンの性能を著しく低下させるという問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、長時間、６００℃程度の高温環境に曝されても割れが発生しない肉盛層を形成できるＣｏ基硬化肉盛材料及び肉盛方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、Ｃｒ：１８質量％〜２２質量％、Ｆｅ：９質量％〜２８質量％、Ｃ：０．７質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、Ｗ：３質量％〜６質量％を含み、残部がＣｏ及び不可避的な不純物からなるＣｏ基硬化肉盛材料を提供する。

ステライトを用いて肉盛した肉盛層は、肉盛した直後の硬さが３００〜４００ＨＶである。この肉盛層が６００℃以上の高温に長時間曝されると、肉盛層の成分であるＣｏとＣｒとが合金化してσ相が析出する。σ相が析出すると、肉盛層の硬さが上昇するため、肉盛層が脆くなる。本発明者らの検討によれば、ステライトを用いて肉盛した肉盛層を、６００℃程度の高温環境に、１０，０００時間曝した場合、肉盛層の硬さが５５０ＨＶ〜６５０ＨＶまで上昇した。

上記発明によれば、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒを含む肉盛層に、上記割合で鉄（Ｆｅ）を含有させることで、σ相の析出を低減させることができる。それによって、６００℃程度で長時間運転した場合であっても、肉盛層の硬さを５００ＨＶ以下に抑えることが可能となる。Ｆｅの含有率が９質量％未満であると、長時間運転中にＣｏ−Ｃｒのσ相が析出し、肉盛層が硬くなるため、肉盛層が割れやすくなる。一方、Ｆｅの含有率が２８質量％を超えると、肉盛層の硬さが低すぎてしまうとともに、比較的短時間でＦｅ−Ｃｒのσ相が析出し、急激に肉盛層が硬くなるため、肉盛層が割れやすくなる。

また、本発明は、Ｃｒ：１８質量％〜２２質量％、Ｆｅ：９質量％〜１５質量％、Ｃ：０．７質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、Ｗ：３質量％〜６質量％を含み、残部がＣｏ及び不可避的な不純物からなるＣｏ基硬化肉盛材料を提供する。

母材上に肉盛層を形成させると、肉盛層内に母材の成分が入りこみ、肉盛層が希釈される。母材がＦｅを主成分とする場合、肉盛後、肉盛層内へＦｅが入り込むことになる。Ｆｅの含有率が２８質量％を超えると、上述の理由から、肉盛層が割れやすくなる。
上記発明によれば、母材がＦｅを主成分とする場合であっても、Ｆｅの含有率が所望の範囲内（２８質量％以下）となる肉盛層を形成することができる。それによって、長時間、高温に曝された後も割れにくい肉盛層を安定して形成することができる。

また、本発明は、鉄を主成分とする部材上に、鉄の含有量が所定値以下の肉盛材料を用いて肉盛してバタリング層を形成した後、該バタリング層の上に、Ｃｒ：１８質量％〜２２質量％、Ｆｅ：９質量％〜２８質量％、Ｃ：０．７質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、Ｗ：３質量％〜６質量％を含み、残部がＣｏ及び不可避的な不純物からなるＣｏ基硬化肉盛材料を用いて肉盛する肉盛方法を提供する。

上記発明によれば、Ｆｅを主成分とする部材（母材）と肉盛層との間に、バタリング層を形成させることで、肉盛層における、母材からのＦｅの溶け込みを防止することができる。バタリング層は、Ｆｅの含有量が所定値以下の肉盛材料を使用して肉盛されるため、バタリング層のＦｅが肉盛層へ溶け込んだ後も、肉盛層のＦｅの含有量が許容範囲内となる。

本発明によれば、長時間、６００℃程度の高温環境に曝された後も割れにくい肉盛層を形成できるＣｏ基硬化肉盛材料となる。また、本発明に係る肉盛方法によれば、肉盛層と母材との間に、バタリング層を形成させることで、長時間、６００℃程度の高温環境に曝されても割れにくい肉盛層を形成することができる。それによって、肉盛を施した部材（母材）の寿命を延長させることができる。

母材／バタリング層／肉盛層の層構成を示す図である。

以下に、本発明に係るＣｏ基硬化肉盛材料及びそれを用いた肉盛方法の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るＣｏ基硬化肉盛材料は、Ｃｒ：１８質量％〜２２質量％、Ｆｅ：９質量％〜２８質量％、Ｃ：０．７質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、ＷまたはＭｏ：３質量％〜６質量％を含み、残部がＣｏ及び不可避的な不純物からなる。

Ｃｒ：Ｃｒは、その一部が素地に固溶し、高温耐食性及び高温耐酸化性を向上させると共に、残りの部分が炭化物を形成して硬さを向上させ、それによって高温耐摩耗性を向上させる作用がある。Ｃｒの含有量が少なすぎると、上記作用に所望の効果が得られない。一方、Ｃｒの含有量が多すぎると、ＣｏやＦｅとσ相を形成してしまう。そのため、Ｃｒの含有量は、１８質量％〜２２質量％とされる。

Ｆｅ：Ｆｅは、Ｃｏ−Ｃｒのσ相の析出を抑制する作用を有する。Ｆｅの含有量が９質量％未満の場合は、６００℃程度の高温に長時間曝されることで、Ｃｏ−Ｃｒのσ相が析出する。一方、Ｆｅの含有量が２８質量％を超えると、肉盛層の硬さが低くなりすぎてしまうと共に、比較的短時間でＦｅ−Ｃｒのσ相が析出する。肉盛層にσ相が析出すると、肉盛層は硬くなり、結果として割れやすくなる。そのため、Ｆｅの含有量は、９質量％〜２８質量％とされる。

鋼種などのＦｅを主成分とする材料からなる母材に肉盛する場合、母材に含まれるＦｅが、肉盛層に溶け込み、肉盛層のＦｅ含有率を高めてしまう。母材成分の溶け込みによる肉盛層の希釈は、母材に含まれる成分量や肉盛条件などによって異なるが、蒸気タービンの弁座シート部などに一般的に使用される鋼種（例えば、９Ｃｒ鋼）に肉盛層を形成させた場合、希釈率は多くても２０％〜３０％程度と想定される。従って、Ｆｅの含有量は、９質量％〜１５質量％以下とされることが好ましい。そのようにすることで、母材成分による希釈があった場合でも、肉盛層の硬さが低くなりすぎてしまうことを防止するとともに、Ｆｅ−Ｃｒのσ相の析出を抑制することが可能となる。

なお、Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ、ＷまたはＭｏについては、ステライト系合金、詳細には、ステライトＮｏ．６の組成を適用した。ステライトＮｏ．６は、Ｃｒ：２６．０質量％〜３２．０質量％、Ｆｅ：３．０質量％以下、Ｃ：０．９質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｎｉ：３．０質量％以下、ＷまたはＭｏ：３．０質量％〜６．０質量％を含み、残部がＣｏ及びその他の不可避的な不純物からなる。

Ｃ：Ｃは、肉盛層に炭化物を形成し、硬さ及び高温強度を向上させるという作用がある。Ｃの含有量が少なすぎると、上記作用に所望の効果が得られない。一方、Ｃの含有量が多すぎると肉盛層が脆化する。そのため、Ｃの含有量は０．７質量％〜１．４質量％とされる。

Ｓｉ：Ｓｉは、Ｃｒと共に高温耐食性及び高温耐酸化性を向上させる作用がある。また、Ｓｉは、脱酸作用、及び、高温強度を向上させる作用がある。Ｓｉの含有量が多すぎると、Ｃｒとの関連において靭性及び溶接性が低下する。そのため、Ｓｉの含有量は、２質量％以下とされる。

Ｎｉ：Ｎｉは、靭性や耐熱性を向上させる作用がある。Ｎｉの含有量が多すぎると、硬さが確保できなくなるなど、肉盛層に悪影響を及ぼす場合がある。また、母材との希釈も考慮してＮｉの含有量は、３質量％以下とされる。

ＷまたはＭｏ：ＷまたはＭｏは、素地に固溶して、これを強化し、且つ、炭化物を形成して高温強度及び高温耐摩耗性を向上させる作用がある。ＷまたはＭｏの含有量が少なすぎると、上記作用に所望の効果が得られない。一方、ＷまたはＭｏの含有量が多すぎると、耐割れ性が低下する。そのため、ＷまたはＭｏの含有量は、３質量％〜６質量％とされる。

上記組成のＣｏ基硬化肉盛材料は、粉末やワイヤなどとされる。Ｃｏ基硬化肉盛材料が粉末である場合、アトマイズ法により造粒されることが好ましい。

上記組成のＣｏ基硬化肉盛材料は、６００℃を超える高温にて使用される合金への肉盛に適用される。

本実施形態では、上記組成のＣｏ基硬化肉盛材料を、粉体プラズマ溶接により肉盛する。粉体プラズマ溶接は、タングステン電極と被加工物の間に安定したプラズマアークを発生させて溶接可能なエネルギーを確保し、同時に不活性ガスにより供給された粉末をプラズマアーク中へ混入させ、アーク移送中にこの粉末が溶融され被加工物上に肉盛溶接を行う方法である。

肉盛条件は、被加工物（母材）の材質や、母材が適用される部材などによって適宜設定される。母材として９Ｃｒ鋼を用いた場合、Ｃｏ基硬化肉盛材料を、電流：１６０〜１８０Ａ、電圧：２２〜２８Ｖ、溶接速度７５ｍｍ／ｍｉｎ、粉体供給量：２０ｇ／ｍｉｎ、プラズマ発生ガス：Ａｒ（３Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス：Ａｒ（２０Ｌ／ｍｉｎ）、予熱：３００℃の条件で肉盛すると良い。肉盛層は、１層または複数層形成して良い。肉盛層を複数層形成する場合、組成のことなる材料を用いて肉盛しても良い。例えば、１層目のＦｅ含有量を９質量％〜１５質量％、２層目以降のＦｅ含有量を９質量％〜２８質量％としても良い。

肉盛層は、図１に示すように、母材１上にバタリング層２を形成した後に、該バタリング層２上に形成されても良い。

バタリング層２は、Ｆｅ含有量が所定値以下とされる肉盛材料を用いて形成される。所定値は、バタリング層２からのＦｅの溶け込みにより希釈された肉盛層のＦｅ含有量が２８質量％を超えない程度のＦｅ含有量とされる。所定値は、肉盛層３に使用されるＣｏ基硬化肉盛材料のＦｅの含有量や、肉盛条件などに応じて適宜設定される。また、バタリング層２は、希釈により肉盛層３のＣｒ及びＣｏの含有量を大きく変動させない肉盛材料で形成されることが好ましい。バタリング層は、例えば、インコネル系合金を用いて形成することができる。

バタリング層の肉盛材料としてインコネル６２５（２１質量％Ｃｒ−９質量％Ｍｏ−Ｎｉ系）を用いた場合、電流：１７０〜１９０Ａ、電圧：２２〜２８Ｖ、溶接速度７５ｍｍ／ｍｉｎ、粉体供給量：２０ｇ／ｍｉｎ、プラズマ発生ガス：Ａｒ（３Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス：Ａｒ（２０Ｌ／ｍｉｎ）、予熱：３００℃の条件で、１層の肉盛層を肉盛すると良い。

バタリング層を設けることで、鋼種などのＦｅを主成分とする材料からなる母材に肉盛する場合に、母材から肉盛層へのＦｅの溶け込みを防止する効果がある。

表１に示す材料Ａ〜Ｈ及びステライトＮｏ．６の粉末を用いて、蒸気タービンの主蒸気弁の弁座シート部材（９Ｃｒ鋼）上に肉盛層を２層形成させた。２層は同じ材料を用いて肉盛した。肉盛は、上記実施形態に従って粉体プラズマ溶接法により行った。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９の弁座シート部材を備えた蒸気タービン実機を６００℃、蒸気条件２４．５ＭＰａで１０，０００時間運転させ、Ｘ線回折、浸透探傷検査（ＰＴ）、ビッカース硬さ計測、及び摩擦量計測を行った。ビッカース硬さ計測は、ランダムに１０点を計測した。上記結果を表２に示す。

Ｘ線回折の結果、Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９は、６００℃でσ相が析出していた。一方、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は、６００℃でσ相が析出していなかった。

浸透探傷検査（ＰＴ）の結果、Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９は、６００℃運転で割れが生じていた。一方、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は、６００℃運転で割れは生じなかった。また、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は、目視でも割れていないことを確認した。

ビッカース硬さ計測の結果、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は、ステライトＮｏ．６で肉盛したＮｏ．９よりも１０，０００時間後の最高硬さが低くなった。Ｎｏ．７及びＮｏ．８は、Ｎｏ．９と同等の硬さとなった。
摩擦量計測の結果、Ｎｏ．９とＮｏ．１〜Ｎｏ．６との摩擦量に大きな差はなかった。このことから、上記Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の硬さの低下は、性能上問題にならないと考えられる。

上記結果によれば、肉盛層にＦｅをある程度含ませることで、６００℃程度の高温においても、σ相の析出を低減させ、長時間運転後の肉盛層の硬さ上昇を５００ＨＶ以下に抑えることができる。

１ 母材
２ バタリング層
３ 肉盛層

Claims (3)

1. Ｃｒ：１８質量％〜２２質量％、Ｆｅ：９質量％〜２８質量％、Ｃ：０．７質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、Ｗ：３質量％〜６質量％を含み、残部がＣｏ及び不可避的な不純物からなるＣｏ基硬化肉盛材料。
2. Ｃｒ：１８質量％〜２２質量％、Ｆｅ：９質量％〜１５質量％、Ｃ：０．７質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、Ｗ：３質量％〜６質量％を含み、残部がＣｏ及び不可避的な不純物からなるＣｏ基硬化肉盛材料。
3. 鉄を主成分とする部材上に、鉄の含有量が所定値以下の肉盛材料を用いて肉盛してバタリング層を形成した後、
   該バタリング層の上に、Ｃｒ：１８質量％〜２２質量％、Ｆｅ：９質量％〜２８質量％、Ｃ：０．７質量％〜１．４質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、Ｗ：３質量％〜６質量％を含み、残部がＣｏ及び不可避的な不純物からなるＣｏ基硬化肉盛材料を用いて肉盛する肉盛方法。

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