JPH0280188A

JPH0280188A - タービン等の制御部品の製造方法

Info

Publication number: JPH0280188A
Application number: JP63230504A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Makino; 吉延牧野; Keizo Honda; 啓三本多; Kenji Tomota; 友田　憲次
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-14
Filing date: 1988-09-14
Publication date: 1990-03-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、例えばタービンの制御弁棒や弁座、更にはバ
ルブの弁棒やプランジャ等、マルテンサイト系ステンレ
ス鋼を基材としたタービン等の制御部品の製造方法に関
する。

（従来の技術）高温高強度を必要とする、例えばタービンの制御弁棒や
弁座等の制御部品は、重量％で、Ｃ：０．１５〜１．２
０％、Ｃｒ：１１，００〜１８．００％、ＭＯ：　ｏ、
７５％以上、Ｖ二０．３０％以下、Ｗ：０，１５％以下
の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を基材と
なし、更に耐摩耗性等を向上させるために、その摺動面
に窒化処理または耐摩耗性金属の金属肉盛を行って構成
することが一般に行われている。

従来の上記窒化処理または耐摩耗性金属の金属肉盛は、
一般に第７図乃至第９図に示す方法によって行われてい
た。

即ち、第６図はガス窒化法を示すもので、密閉された容
器１内に上記マルテンサイト系ステンレス鋼からなる基
材Ｗを配置して、容器１内のガスをＮＨ３３と置換する
。そして、ヒータ２により容器１内を所定の温度、例え
ば５００〜５５０℃に４０時間程度保持して、この基材
Ｗの表面に窒化層４を形成した後、室温まで冷却するこ
とにより、制御部品を構成するようにしたものである。

第８図はティグ（Ｔ　Ｉ　Ｇ）溶接による金属肉盛法を
示すもので、基材Ｗの表面の肉盛溶接すべき部分に、テ
ィグ用トーチ５からアークを発生させ、このアークの中
に溶加棒６を挿入し、これを溶融させて金属肉盛層７を
形成して、制御部品を構成するようにしたものである。

ここに、この肉盛層７は、耐高温酸化性を考慮して、Ｃ
ｏ基のステライト系材料で形成される場合が多い。

第９図はプラズマ粉体肉盛法（以下、ＰＴＡという）を
示すもので、電極８と水冷されているチップ９及びノズ
ル１０とからなるトーチ１１を用い、電極８とチップ９
との間に、この電極８がプラス、チップ９がマイナスと
なるパイロット電源ＰＳ１を挿入し、これによって発生
するアークを、例えはＡｒやＨｅ等のプラズマガスを用
いてプラズマアークにする。次に、電極８と基材Ｗとの
間に、電極８がプラス、基材Ｗがマイナスとなる主電源
ＰＳ２を介して溶接電流を流し、水冷されているチップ
９によりプラズマ熱源を安定させる一方、粉末材料を、
Ａ　ｒ　、　　ＣＯ２、Ｈｅ等のキャリアガスとともに
チップ９とノズル１０との間からプラズマガス中に投入
溶融させて、シールドガスの下で基材Ｗの上に肉盛層７
を形成して、制御部品を構成するようにしたものである
。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記従来例において、高温酸化環境下に
おけるマルテンサイト系スレンレス鋼を基材とした制御
部品にガス窒化処理が施されている場合、窒化層に酸化
スケールが発生して定期的なメンテナンスが必要となる
ばかりでなく、窒化処理時に基材がある程度軟化してし
まうといった問題点があった。

また、ティグ溶接やＰＴＡによる金属肉盛法では、予熱
なしてこれを実施すると、マルテンサイト系ステンレス
鋼の基材（母材）は、熱が影響する部分で硬化して、例
えばビッカース硬さＨｖが６００以上（Ｈｖ≧６００）
となって、割れが発生してしまうことがある。例えば、
マルテンサイト系ステンレス鋼（Ｃ：０．２〜０．２３
％）を母材として、この表面にＰＴＡでスレライト＃６
を肉盛した場合の硬さ分布を第９図に示す。この図より
、ビッカース硬さＨＶが６００を越える界面近傍で割れ
が発生していることが解る。

この割れを防止するため、基材を約４００〜５００℃に
予熱して肉盛溶接を行うことも一般に行われているが、
この場合、この予熱のために基材が軟化してしてしまい
、本来の高温強度を維持することができない。

更に、ティグ溶接やＰＴＡによる肉盛法では、母材の希
釈が大きく、第９図に示すように、ステライト系材料体
の硬さ、即ちビッカース硬さＨｖ４００〜４５０も得ら
れずに、耐摩耗性の点でも満足できないといった問題点
があった。

本発明は上記に鑑み、マルテンサイト系ステンレス鋼か
らなる基材への入熱を抑えて割れを防止するとともに、
予熱なしでも良好な硬化肉盛層を形成できるようにした
ものを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明にかかるタービン等の
制御部品の製造方法は、重量％で、Ｃ：０．１５〜１．
２０％、Ｃｒ：１１．００〜１８．００％、Ｍｏ：０．
７５％以上、■二０．３０％以下、Ｗ：０，１５％以下
の組成のマルテンサイト系ステンレス鋼からなる基材の
表面に、熱源としてレーザ光を使用するとともに、肉盛
材料として粉末を用いて、レーザ肉盛溶接するようにし
たものである。

（作　用）上記のように構成した本発明によれば、マルテンサイト
系ステンレス鋼を基材とした制御部品の表面には、エネ
ルギ密度の高いレーザ光により、溶接部に供給された肉
盛用粉末と基材とが溶融されて肉盛層が生成されるので
、基材への入熱を抑制して、焼入れ硬化能の大きい基材
に割れが発生してしまうことを防止し、高品質の肉盛層
を得ることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図及び第２図において、肉盛溶接すべき制御部品の
基材（母材）Ｗは、重量％で、Ｃ：０．１５〜１．２０
％、Ｃｒ：１１．ＯＯ〜１８．００％、Ｍｏ：０．７５
％以上、■＝０．３０％以下、Ｗ：０，１５％以下の組
成で、焼入れ一焼戻しされた高温高強度を有するマルテ
ンサイト系ステンレス鋼製である。

この基材Ｗは、その一端を回転自在な加工テーブル１２
に保持されているとともに、この上方には、大出力のＣ
Ｏ２レーザ発振器１３とこの発振器１３から発振された
レーザ光１４を集光させ焦点をずらして母材Ｗの溶接部
に照射させる集光レンズ１５とを備えたレーザ装置と１
６と、例えばＣＯ基合金であるステライト＃６等の肉盛
用の粉末１７を溶接部に供給するための供給装置１８７
とが並列して備えられている。

そして、第２図に詳細に示すように、レーザ発振器１３
から発振されたレーザ光１４を、集光レンズ１５を介し
て焦点を上方に距ＭＬだけずらしたを状態で基材Ｗの溶
接部に照射し、同時にこの照射によって形成される溶融
プール内またはその前方に供給装置１８から肉盛用粉末
１７を供給する。

この時の溶接条件としては、例えばレーザ発振器１３の
レーザ出力は６〜ｌ０ＫＷ、集光レンズ１５の焦点距離
は２５４または３８１ｉ＋ｍ、母材Ｗ上のビーム径は１
０〜３５＋ａｍ、加工速度は２００〜１５００　ｍ＋＊
／ｗｉｎ　、粉末１７の供給速度は２０〜７０ｇ／ｌ１
ｉｎであり、予熱は加えられてていない。

ここに、加工速度が２００　ｍｕｓ／　ｌｌ１ｎ以下で
は、基材Ｗへの熱拡散が大きくなって割れが生じてしま
う。逆に１５００＋ｍ／ｍｌｎ以上では、投与エネルギ
が小さく、肉盛層が剥離してしまう。

また、レーザ出力は、ｌｏＫＷ以上出力するし一ザ発振
器を使用すれば、上記の範囲をを越えても肉盛層を生成
することができる。

以上の肉盛溶接条件において、割れのない良好な耐摩耗
性を保持する肉盛層７が形成される。

第３図に、上記条件によって形成された肉盛層７の深さ
方向の硬さ分布を示す。第１０図と比較することにより
、母材の硬化が十分に小さく、ステライト＃６の肉盛層
の希釈に伴う硬さの低下も著しく小さいことが解る。こ
れは、レーザ光１４による肉盛層７及びマルテンサイト
系ステンレス鋼である母材への投与エネルギがＰＴＡに
比べ十分に小さく制御できるからである。

従って、基材Ｗの硬化及び割れを防止して、この温度強
度が低下してしまうことを防止するとともに、少ない投
与エネルギで肉盛層７を形成することができるので、熱
変形を極度に抑えることができる。

なお、第４図に示すように、基材Ｗに取付けた温度セン
サ等の検出器１９により基材Ｗの温度を検出し、比較演
算器２０を介して適正なレーザ出力となるよう制御装置
２１によりレーザ発振器１３に指令を出すよう構成して
も良い。

また、肉盛材料を粉末１７として供給する代わりにワイ
ヤとして供給することも考えられるが、この場合、肉盛
用ワイヤは粉末１７に比べてレーザ光１４の吸収率が一
般に悪く、その結果大量のレーザエネルギを必要とする
ばかりでなく、肉盛効率も低いので、制御部品への肉盛
溶接には適さない。

更に、上記では、マルテンサイト系ステンレス鋼である
基材Ｗへの予熱なしにレーザ肉盛溶接を実施しているが
、例えば１００〜２００℃程度の低温予熱を与えても、
良好な肉盛層７を得ることができる。この場合、基材Ｗ
の熱影響部の冷却速度は遅くなるため、この熱影響部の
硬化が抑制される効果を奏する。しかも、１００〜２０
０℃程度の低温予熱は、電気ヒータやガスバーナ程度で
容易に実現することができる。

また、例えば分散強化材としてＮ　ｂ　Ｃ＋　　Ｚ　ｒ
　ＣｒＷＣ等の炭化物、またはＴｉＮ、ＺｒＮ等の窒化
物、バインダとしてインコネルステライト等の高合金を
混合させたセラミックス複合粉末を肉盛用材料として用
いても、割れのない良好な肉盛層を得ることができ、こ
れにより上記金属肉盛層以上の耐摩耗性を向上させるこ
とができる。

第５図は、上記集光レンズ１５の代わりに、凸面鏡２２
と凹面鏡２３とかなるカセグレンミラー２４を、第６図
は、同じくセグメントミラー２５を夫々使用したもので
ある。これによっても、健全な肉盛層７を得ることがで
きる。

なお、集光レンズ１５では、一般にその材料は、Ｚｎ５
ｅやＫＣＩＩに限定され、使用寿命は数ケ月程度である
が、これに対して、金属製のミラーであれば、再研磨に
より半永久的に使用することができる。

〔発明の効果〕

本発明は上記のような構成であるので、マルテンサイト
系ステンレス鋼を基材とした制御部品の表面に、エネル
ギ密度の高いレーザ光により、溶接部に供給された肉盛
用粉末と基材とを溶融させて肉盛層を形成することがで
き、これによって基材の硬化及び割れを極力防止するこ
とができる。

しかも、この溶接によって酸化スケールが形成されてし
まうことはないので、メンテナンスフリーが可能となっ
て寿命の増大を図ることができるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略正面図、第２図は第
１図の要部拡大図、第３図は本発明よって生成された肉
盛層の硬さ分布を示す図、第４図はレーザ出力を制御す
るためのブロック図、第５図及び第６図は夫々異なる他
の集光手段を示し、第５図は正面図、第６図は斜視図、
第７図乃至第９図は夫々異なる従来例を示し、第７図は
断面図、第８図は正面図、第９図は縦断正面図、第１０
図は従来例における第４図相当図である。７・・・肉盛層、１３・・・レーザ発振器、１４・・・
サーブ光、１５・・・集光レンズ、１６・・・レーザ装
置、１７・・・粉末、１８・・・供給装置、Ｗ・・・基
材（母材）。第　１　図；ＳＳ方力向　３　図第　４　図第　２　図漫図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

　重量％で、Ｃ：０．１５〜１．２０％、Ｃｒ：１１．
００〜１８．００％、Ｍｏ：０．７５％以上、Ｖ：０．
３０％以下、Ｗ：０．１５％以下の組成のマルテンサイ
ト系ステンレス鋼からなる基材の表面に、熱源としてレ
ーザ光を使用するとともに、肉盛材料として粉末を用い
て、レーザ肉盛溶接することを特徴とするタービン等の
制御部品の製造方法。