JPH06170584A - 高Ｃ高Ｓｉ含有溶接金属粉体及びその被覆層を持つ機器部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 水力機械、石炭だきボイラの再熱器、加熱器
又は通風器、油圧機器及びその他機器部材の、土砂水、
油、水滴、蒸気、スラリー、水溶液、キャビテーション
の衝突、衝撃、切削やひっ掻き作用による耐エロージョ
ン性の向上を図るための高Ｃ高Si含有溶接金属粉体を得
る。 【構成】 各種機器部材表面のエロージョン発生領域
に、Feを主成分とし、Crを重量％で16〜25％を含む溶接
材料において、重量％で C：0.9〜2.0％、Si：2.0〜５
％、Mn：10％以下、Cr：16〜25％、Ni：５〜20％を含
み、Ni＋Mnを６〜25％、残部が同伴する不可避不純物か
らなり、かつ C/Si比が0.2〜0.7、好ましくは0.22〜0.6
7である高Ｃ高Si含有溶接金属粉体を、プラズマアーク
溶接により、マトリックス相のビッカース硬さがHv300
〜400を有し、かつSiが富化したマトリックス中にCrを
主とする複合炭化物を網目状に晶出した混合凝固組織を
示す溶接肉盛層を５mm以下に形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高Ｃ高Si含有溶接金属
粉体及びその被覆層を持つ機器部材に関し、特に、土砂
水、油、水滴、蒸気、スラリー等の流体と接する機器部
材の表面が固形物や液体の衝突、衝撃、切削作用による
摩耗並びにキャビテーション損傷、すなわちエロージョ
ン損傷を受けるのを防止する目的から、その部材表面に
肉盛層あるいは被覆層を形成するのに好適であり、かつ
溶接施工性及び靱性を向上させた粉体プラズマ溶接用高
Ｃ高Si含有溶接金属粉体及びその金属粉体による被覆層
を持つ機器部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体、気体、固体及びこれらの混相流の
環境下で使用される機器はこれらの媒体の流動による衝
突、衝撃、切削やひっ掻き作用によってエロージョン損
傷を受ける。その損傷部位は媒体と接する局部的及び全
面にわたる。このようなエロージョン損傷による機器及
び部位はその原因となる環境流体により次のように分類
される。

【０００３】(気体−液体の作用によるエロージョン)こ
の環境では液体の流速が局所的に高くなるとその部分の
静圧がその温度での蒸気圧以下になり蒸気泡や溶解ガス
の気泡を発生し、その気泡が静圧の高い部分で崩壊する
衝撃圧で材料を損傷するキャビテーション・エロージョ
ンが主で、水力タービン、バルブ、ポンプ、船のスクリ
ュウ、ベンチュリー管及び曲がり管等が影響を受ける。

【０００４】(気体−固体の作用によるエロージョン)こ
の環境では気体中に含まれる固体による摩耗損傷が主
で、粉粒体の空気輸送管、各種集塵機、流動層反応装
置、航空機タービンの羽根、砂埃が多い地域の乗り物、
パイプライン並びに構造物等が影響を受ける。 (液体−固体の作用によるエロージョン)この環境では液
体中に含まれる固体による摩耗損傷が主で、水力機械と
しての水車ライナ、バケット、ライナ、ガイドベーン、
ノズル及びニードル、スラリー輸送管及びポンプ、サン
ドポンプ、石炭転換プロセスの各装置等が影響を受け
る。

【０００５】(液ジェット及び液滴の作用によるエロー
ジョン)液体自身や水滴、油滴などが衝突して生ずる材
料の損傷が主で、蒸気タービンの羽根、航空機の翼、石
油燃焼装置、熱交換器伝熱管等が影響を受ける。 これら機器及び部材のエロージョン防止対策としては、
構造の変更及び耐エロージョン性材料の適用による方法
がとられている。特に材料技術について見ると、材料の
硬度向上が最も一般的であり、超硬合金やセラミックス
等が使用されるようになってきた。しかし、このような
高硬度材料自身で機器構造部材を構成させるのは強度的
な問題から、その適用の可能性は小さい。そのため、エ
ロージョンの防止方法としては構造基材に対して超硬合
金やセラミックス等の材料を接合して適用する傾向が一
般的である。超硬合金の場合は基材とのロー付け及びそ
れ自身を基材表面に肉盛溶接する方法がとられる。ま
た、セラミックスは現状では大形一体物としての供給が
難しいため、基材表面への溶射による被覆層の形成、小
片の貼合せ並びに小径鋼管内外への合わせ管として適用
化を図っている。

【０００６】しかしながら、大型構造物への適用を考慮
すると、超硬合金では施工性、加工性及び肉盛溶接によ
る割れ等の問題があり、さらにセラミックスの適用では
施工が難しい。特に問題になるのは回転機器への適用で
あり、このような超硬合金やセラミックス構造体は非常
に困難となる。このような回転体として、特にエロージ
ョン損傷が問題となる機器は水力機器としては水車のラ
ンナやバケット、蒸気タービンのブレード、船のスクリ
ュー、スラリーやサンドポンプのインペラ等がある。

【０００７】特に、水力発電機器用の水車ランナ、ガイ
ドベーン、ステーベーン、バケット、ノズル等の流水接
触部材はキャビテーション・エロージョン損傷並びに河
川水中に含まれる土砂による摩耗損傷を受ける。このキ
ャビテーション損傷に対しては、古くから流水接触部の
母材表面に耐キャビテーション・エロージョン性の優れ
たステンレス鋼系材料を肉盛し、損傷を抑制しようとす
る金属肉盛溶接材料が開発されてきた。これらの溶接材
料の組成の一例は、特開昭57-152447号公報、特開昭57-
156894号公報、特開昭57-199593号公報に開示されてい
る。そこに開示されるキャビテーションによる損傷を抑
制する金属材料は、高強度かつ高硬度 (ビッカース硬
さ：350-450)のものか、衝撃圧力を利用して流水表面層
の加工硬化が期待されるオーステナイト系の肉盛溶接材
料である。

【０００８】しかし、土砂摩耗に関しては、国内はもち
ろん特に土砂を多量に含んでいる中華人民共和国やイン
ド等で使用する水車構成部材の損傷が問題となってい
る。これは水車の構成部材より硬度が高い土砂（主成分
はSiO₂とAl₂O₃）による切削及びひっ掻き作用等により
侵食されるためである。このように損傷機構が異なるこ
とから、前記のようなキャビテーション性材料が耐土砂
摩耗性も良いとは必ずしも限らない。

【０００９】一方、蒸気タービンのエロージョンが特に
問題となるのは高圧第一段ノズル、再熱第一段ノズルと
動翼、主蒸気止め弁である。この侵食はボイラーの過熱
器、再熱器より排出される酸化スケール（Fe₂O₃,Fe
₃O₄）が影響するためである。そこで、これらの損傷を
防止するには硼化処理やCr拡散処理等の表面処理材が良
いとされている。また、低圧最終段動翼は湿り蒸気中の
水滴によりエロージョンを受ける。これらの防止策とし
ては水滴が衝突する動翼背側前縁部の焼入れ硬化処理や
Co基材料の銀ロー付等による貼付や肉盛法がとられてい
る。しかしながら、原子力タービンはCoの低減化が図ら
れており、新しい材料の開発が望まれている。

【００１０】一方、このようなキャビテーや水滴の衝突
によるエロージョン並びに土砂、スケールあるいは粉体
による切削作用的な摩耗を防止する施工法としては各種
の方法がある。しかし、特に回転物への適用は基材との
接合強度が必要であることから、主に溶接肉盛法がとら
れている。この方法には被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接、
粉体プラズマ溶接、エレクトロスラグ溶接等があり、そ
れぞれ特徴をもっている。しかし、最近では粉体プラズ
マ溶接法による複合肉盛溶接材料が研究開発されてい
る。その一つとして、Co基合金とセラミックスとの混合
粉末による技術が特開昭62-134193号公報に示されてい
る。さらに、この粉末を利用したプラズマアーク肉盛溶
接材料による研究が公表されている。

【００１１】従来の金属溶接材料は、例としての水車材
料で述べたように、キャビテーション・エロージョンと
土砂による摩耗とはその損傷機構が異なることにより、
必ずしも同一材料で相方のエロージョンを防止できな
い。すなわち、前者は高速水中で発生したキャビテーが
材料表面で衝突・崩壊するときの衝撃圧による侵食する
ものであり、後者は主として土砂による切削作用により
侵食する現象である。そのため、単に材料の硬さを高め
るのみでは有効ではない。その例としてセラミックスが
ある。セラミックスは硬さが高いため耐土砂摩耗性は優
れているが、耐キャビテーション性はそれ程優れていな
い。すなわち、切削的作用には強いが、衝撃的作用には
弱いことを物語っている。土砂や粉体による摩耗、特に
液体−固体環境による材料の損傷を考慮すると、耐キャ
ビテーション性と耐土砂摩耗性の相方を兼ね備えた材料
が望ましいが、上記の理由から超硬合金やセラミックス
等を構造部材表面に施工しても、その適用性、信頼性の
点で問題がある。従って、相方の特性を有しかつ施工性
が良い材料の開発が重要となっている。

【００１２】本出願人は、従来の金属溶接材料及びその
施工法について鋭意実験研究を行い、被覆アーク溶接棒
を用いた肉盛層等は基材との希釈が大きく、肉盛層の特
性を得るためには厚肉溶接が必要であり、また硬度の高
い材料は溶接棒に製造し難く、溶接割れ感受性が高いこ
と、粉体を利用するプラズマアーク溶接は基材との希釈
が少ないため、薄い肉盛量でもその特性を充分発揮でき
ること、さらに、粉体を利用したプラズマアーク溶接法
はマトリックス中に高硬度の析出物を現出させることに
より、耐キャビテーション性と耐土砂摩耗性の両方を付
与することが可能であることが知見した。

【００１３】本出願人は、上記の知見に基づき、摩耗及
びキャビテーション損傷、すなわちエロージョン損傷に
対する種々の不都合を解決する有効な手段として、Fe、
Niの少なくとも１種を主成分とし、Crを重量％で15〜30
％を含む合金からなる金属基体の表面の溶接肉盛層であ
る被覆材において、該合金のマトリックス中に、クロム
炭化物又はクロムを主体とする複合炭化物が網目状に晶
出した金属組織を有し、ビッカース硬度(Hv)500以下で
ある耐エロージョン性被覆材、及び該被覆材の形成に用
いる金属粉末をすでに提案した（特開平4-94890号公報
参照）。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本出願人は、従来の金
属溶接材料及びその施工法についてさらに改善を重ねる
べく研究を継続し、その過程において溶接施工性及び肉
盛層を持つ耐衝撃性（靱性）について改善すべき余地の
あることを知覚した。従って、本発明の目的は、流体と
接する機器部材の表面を固形物や液体の衝突や切削作用
等による摩耗並びにキャビテーション損傷の双方から保
護するために、その部材表面に肉盛層あるいは被覆層を
形成するのに好適であり、かつ溶接施工性及び靱性を向
上させた粉体プラズマ溶接用高Ｃ高Si含有溶接金属粉体
及びその金属粉体による被覆層を持つ機器部材を得るこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本出願人はさらに実験研
究を継続することにより、基本的に、本出願人が先に提
案している合金粉末（特開平4-94890号公報参照）にお
ける高Ｃ高Si含有領域のものにおいてそのNi量をさらに
高めることにより上記目的は達成されることを知覚し本
発明をなすにいたった。

【００１６】すなわち、本発明は、Feを主成分とし、Cr
を重量％で16〜25％を含む溶接材料において、重量％で
C：0.9〜2.0％、Si：2.0〜５％、Mn：10％以下、Cr：1
6〜25％、Ni：５〜20％を含み、Ni＋Mnを６〜25％、残
部が同伴する不可避不純物からなり、かつ C/Si比が0.2
〜0.7、好ましくは0.22〜0.67である高Ｃ高Si含有溶接
金属粉体を開示する。

【００１７】該記金属粉体は、さらに重量％でMo：３％
以下、Co：10％以下、Ｗ：10％以下、Nb：10％以下、T
i：10％以下、Ｖ：10％以下及びＮ：0.3％以下の少なく
とも１種及び２種以上を含有するものであってよく、さ
らに、ガスアトマイズ法により粒径が10〜200μmの範囲
で製作した円形、角形、丸角形及びこれらの混合物を有
する粉末であってもよい。

【００１８】本発明はさらに、前記の高Ｃ高Si含有溶接
金属粉体をプラズマアーク溶接で機器部材表面に積層
し、少なくとも１層のビッカース硬さ(Hv)が300〜400で
ありかつその肉盛厚さが５mm以下で形成されていること
を特徴とする肉盛層を持つ機器部材を開示する。前記肉
盛層が固体と液体あるいは気体との混相流に接する部材
表面に形成されていること、さらに、前記の高Ｃ高Si含
有溶接金属粉体をプラズマアークによって溶融して機器
部材の被溶接部に供給し、その溶融プールを作りながら
所望の厚さに被服層を形成することは特に好ましい態様
である。

【００１９】上記本発明により形成される肉盛層中には
析出炭化物が存在し、それは本発明による金属粉体を構
成している炭化物形成元素のうち、Siより炭化物の標準
生成自由エネルギーが低い元素による炭化物であり、Si
はマトリックス中に固溶し、Ｃと他の元素との炭化物生
成を促進させ溶接のままでもそのマトリックス中にそれ
ら炭化物を10〜35容量％含むものである。この溶接法は
被溶接領域に溶湯のプールを作りながら所望する厚さの
肉盛溶接層を形成するものである。

【００２０】次に、本発明による高Ｃ高Si含有溶接金属
粉体を構成する主な成分の限定理由について述べる。Ｃ
は、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相
の安定化、材料の強度及び硬さを向上させるためには必
要な元素であるとともに、Cr、Ｗ、Nb、Ti、Mo等の元素
と結合し炭化物を生成する。しかし、Siや炭化物生成元
素の含有量とも関係するが、本発明者らの実験によれ
ば、0.9％以下ではマトリックス相のビッカース硬さがH
v300以上は得がたく、2.0％以上では硬さがHv400以上と
なり溶接性や加工性に影響を及ぼすとともに遊離Ｃの析
出等望ましくない現象が生ずることが分かった。そのた
めＣ量は0.9〜2.0％の範囲とすることが望ましい。

【００２１】Siは、通常脱酸のために１％以下添加され
るフェライト生成元素である。本発明におけるSiは肉盛
層のマトリックス中に固溶させ、溶接のままでもCrを主
とする炭化物の生成を促進するために積極的に加えるも
ので、本発明者らの実験によれば、2.0％以下ではその
効果が発揮できず、4.5％以上では合金系のオーステナ
イト生成元素の含有量にも影響されるが、マトリックス
中にフェライト層を生成して脆化を促進するとともに、
溶接性を低下することが分かった。そのため、Si量は2.
0〜4.5％の範囲とすることが望ましい。

【００２２】Crは、Si及びMoと同様、フェライト生成元
素であるが、オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル
基合金等の水中及び高温環境における耐食性を向上させ
るために含まれなければならない元素であり、Cr炭化物
及びCrを主とする複合的炭化物をマトリックス中に析出
させるのに必要な元素である。そのため、Ｃ、Si及びNi
量とのバランス等にもよるが、本発明者らの実験によれ
ば、その量が16％以下ではマトリックス中の炭化物が網
目状にならず、またその析出量を満足せず耐エローショ
ン性に劣ることが分かった。また25％以上になると網目
状に炭化物が析出しても合金硬さが高くなり延性、靱性
を低下するとともに、衝撃作用が大きいエロージョンす
なわち耐キャビテーション・エロージョン性及び機械加
工性に影響することが分かった。そのため、本発明では
耐エロージョン性及び加工性との関係からCr量を16〜25
％に限定した。特に、18〜22％が好適である。

【００２３】Niは、Mn及びCoと同様、オーステナイト生
成元素であり、延性、靱性を向上させる。そして、Siが
固溶するマトリックスの延性、靱性を付与するための不
可欠な元素であるとともに、本発明者らの実験によれ
ば、Ni成分を高くすることにより靱性をより向上させ得
ることが分かった。しかしながら、Ni量を20％以上とす
るとエロージョン性が低下するとともに、５％以下の場
合にはマトリックス中のSi、Cr及びオーステナイト生成
元素のＣ、Mn、Coとのバランスにもよるが溶接施工性が
低下することも分かった。そのため、本発明ではNi量は
５％〜20％の範囲とした。

【００２４】Ｗ、Nb、Ti及びＶは、炭化物生成傾向が大
きいフェライト生成元素であるが、溶接肉盛層の強度向
上及び結晶粒を微細化する元素である。本発明における
Ｗ、Nb、Ti及びＶはこれらの元素を主とする炭化物を析
出させるのではなく、マトリックス中のCrとの複合炭化
物を析出させる手段として添加するものである。しか
し、これらの総量が10％以上になると炭化物形成に寄与
しない残量がマトリックス中に固溶してフェライト化を
促進するため、オーステナイト生成元素を多く添加し、
そのバランス調整が必要となる。従って、これらの元素
量を10％以下とした。

【００２５】Moは、Si及びCrと同様フェライト生成元素
であるが、基地の強化及び耐食性を付与する元素であ
る。しかしながら、本発明ではSi及びCr量との関連にお
いて、３％以上で添加するとマトリックスをフェライト
化し靱性を低下するため、３％以下とした。Co及びＮ
は、Ｃ及びNiとあいまってオーステナイトを安定させる
が、過剰に添加すると、Coは耐エロージョン性を低下し
たり、Ｎは窒化物を生成し靱性に影響する。そのため、
Ｃ及びNi量との関連から、Coは10％以下、Ｎは0.3％以
下とした。

【００２６】残部はFe及び同伴する不純物からなり、不
純物としてのＰ、Ｓ、As及びSb等があるが、これらの元
素は延性、靱性並びに溶接性を低下させるため、極力少
ない合金粉末とすることが望ましい。さらに、以下の実
施例において詳細に記すように、Ni＋Mnが６〜25％であ
りかつ C/Si比が0.2〜0.7、好ましくは0.22〜0.67であ
ることが所期の目的を達成するのに好ましい条件である
ことも分かった。

【００２７】次に、本発明の高Ｃ高Si含有溶接金属粉体
を用いて機器部材表面に被覆層を形成する方法及び機器
部材について説明する。すなわち、上記の構成比を持つ
高Ｃ高Si含有溶接金属粉体を用い、プラズマ溶接法によ
り機器部材表面に少なくとも１層はビッカース硬さが30
0〜400(Hv)であり肉盛厚さが５mm以下である被覆層を形
成する。この被覆層は固体と液体あるいは気体との混相
流によるエロージョン損傷を抑制する機能を有し、かつ
複雑形状物表面に形成させてもその後の加工も容易で信
頼性の高いシステムを構成することができる。

【００２８】

【作用】本発明による高Ｃ高Si含有溶接金属粉体を用い
て機器表面に肉盛被覆層を形成する工程について説明す
る。図７は、本発明による高Ｃ高Si含有溶接金属粉体を
用いて機器表面に肉盛被覆層を形成するのに用いられる
粉体プラズマ溶接装置の概要断面図である。この装置は
粉体供給装置より高Ｃ高Si含有溶接金属粉体31を挿入し
溶融させその肉盛層32を金属基体33表面に積層するもの
である。すなわち、溶接施工開始時にプラズマガス(Ar)
34を導入してＷ電極（−）35と金属基体 (母材)33との
間に電流を流しプラズマアークを発生させる。次にシー
ルドガス(Ar)37を流し電極35と金属基体 (母材)33との
間に電圧を加えプラズマアーク36を発生させる。次い
で、粉体送給装置から粉体 (高Ｃ高Si含有溶接金属) 31
をキャリアガス(Ar)38によりプラズマアーク36中に供給
し、そのプラズマ熱にて粉体31を金属基体 (母材)33表
面に溶融・溶着し肉盛溶接層32を形成させる。

【００２９】次に、このようにして形成されるこれら高
Ｃ高Si含有溶接金属粉体によるプラズマ溶接肉盛層の組
織について、比較例とともに説明する。３種のFe系合金
粉末、すなわち(a)0.08C-1.0Si-19Cr-9Ni-bal.Fe系合金
粉末、(b)は0.3C-1.0Si-19Cr-9Ni-bal.Fe系合金粉末、
及び(c)0.9C-2.3Si-19Cr-9Ni-bal.Fe系合金粉末を用意
し、図７に示した粉体プラズマ溶接装置によりプラズマ
溶接肉盛層を形成した。なお、３種の金属粉体ともNi量
は本発明の範囲であるが、(a)及び(b)はＣ量及び／又は
Si量において本発明による高Ｃ高Si含有溶接金属粉体と
はその組成を異にしている。

【００３０】各溶接肉盛層を粉体プラズマ溶接のまま顕
微鏡組織写真を取り分析した。Ｃ量及びSi量が共に本発
明とは異なっている(a)はオーステナイト相中にδフェ
ライトが析出した組織がみられ、Ｃ量のみを高めた(b)
ではδフェライトが消失したオーステナイト組織となっ
ていた。本発明による高Ｃ高Si含有溶接金属粉体である
(c)の場合、すなわちＣ及びSi量を共に高めた粉末の溶
接肉盛層の凝固組織はマトリックス中に析出物が網目状
に現出した混合組織となっていた。

【００３１】そこで、(c)において形成されたマトリッ
クスと析出部の成分をエネルギー分散型Ｘ線マイクロア
ナライザにより分析した。第１表にその分析結果を示
す。なお、Ｃは析出物中に多く含有している傾向が認め
られたものの、その量を求めることはできなかった。し
かし、表より、マトリックス中にはSi及びNiが、析出物
中にはSiより炭化物形成傾向が大きい位置にあるCr及び
Feが多く含まれていることが知られる。従って、析出物
はCr炭化物及びCrを主とする複合炭化物で有ることが知
られる。なお、Ｃ量が高くかつCr量を多く含むオーステ
ナイト系材料は固溶化処理後の冷却速度が遅かったり、
500〜800℃の温度範囲に加熱するとオーステナイト粒界
にCr炭化物を析出する。

【００３２】

【表１】

【００３３】しかし、本発明のように溶接のままでも炭
化物を形成するのはＣ量をより多く含むことも考えられ
るが、Siの影響によるところが大きい。すなわち、本発
明のSiは鋳鉄に多く含ませることにより黒鉛化の促進作
用を図る現象に着目し添加したもので、マトリックス中
にSiを固溶させ、このSiより炭化物生成傾向が大きい元
素の炭化物の生成を促進させるという目的が達成された
といえる。このように、溶接のままでもマトリックス中
にSiを富化し、硬さの高い炭化物を析出させた溶接肉盛
組織の肉盛層を機器部材表面に形成させるものである。
この肉盛層の形成により、キャビテーション及び土砂等
によるエロージョン並びにこれらの複合的損傷を抑制す
ることができる。

【００３４】次に、本発明の主要な構成要素である高Ｃ
高Si含有溶接金属粉体によるプラズマ溶接肉盛層が適用
される機器部材について、その例をもって示す。図８に
フランシス形水車の断面図と斜視図を示す。図８(a)が
水車の断面図で、図８(b)がＸ方向から見た時のランナ
の斜視図である。本水車の動翼であるランナ本体はクラ
ウン１、シュラウド２との間に複数の羽根３が設けら
れ、ランナコーン４、ガイドベーン５、ステーベン６、
ランナライナ７及びシートライナ８で構成されており、
ステーベン６を通った土砂を含む流水はガイドベーン５
から羽根３に流れ、その羽根に回転エネルギーを与えて
流出していく。９はバンドを示す。

【００３５】これらの各部材は、一般に通常の溶解・鍛
造によって得られた低合金鋼並びに13Crを含むマルテン
サイト系ステンレス鋳鋼及び鋼板によって構成されてい
る。しかし、従来より、この流水と接触する部材表面に
はオーステナイト系ステンレス鋼の肉盛溶接 (JISD30
8、D309Mo等）を施したキャビテーションによる損傷防
止対策が図られている。しかしながら、これらの材料は
土砂摩耗に関しては必ずしもよい結果を示さないことが
判明した。そこで、高硬度を有する被覆アーク溶接材料
について検討したが、施工性すなわち溶接割れ等に関す
る母材との関連に限界があることが知られた。そこで、
粉体を用い、高硬度肉盛層を得るプラズマ溶接に着目
し、1.5C-3.5Si-19Cr-13Niオーステナイト系ステンレス
鋼の粉体を製造し、プラズマ溶接肉盛層を形成させた。
この層はマトリックス中にSiが濃化され、かつマトリッ
クス中に炭化物を網目状に析出した金属凝固組織を有
し、キャビテーションや土砂摩耗に対するエロージョン
性が優れていることが明らかとなった。その肉盛層の厚
さは１層５mm以下の多層盛りでもよいが、１層形成させ
るだけで充分効果が発揮できる。好ましくは１−３mmの
１層である。これは、プラズマ粉体溶接法が溶接棒等を
用いる被覆アーク溶接法に比べ、母材との希釈が小さい
ことによる。なお、本発明の高Ｃ高Si含有溶接金属粉体
は通常の粉末冶金技術での製造法によって得られるもの
も使用できる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明を実施例で具体的に説明する
が、本発明はこれに限定されない。 〔実施例１〕Ｃ量及びSi量の変化が肉盛層の硬さ及び耐
エロージョン性に及ぼす影響を評価した。

【００３７】第２表は、Ni量及びCr量をほぼ一定としＣ
量及びSi量を変化させた金属粉体の組成を示す。すなわ
ち、Ni量は8.8〜8.9％、Cr量は18.8〜18.9で一定とした
金属粉体において、Si量を3.0％一定とし、Ｃ量を0.1、
0.5、1.0、1.5、2.0、2.5及び3.0％と変えた合金粉体(C
-1〜C-7)と、Ｃ量を1.0％一定とし、Si量を1.0、2.0、
3.0、4.5、6.0及び7.5％と変えた合金粉体(S-1〜S-6)で
ある。

【００３８】

【表２】

【００３９】この粉体を図８に示したプラズマアーク肉
盛溶接装置により、アーク電流220〜250Ａ、アーク電圧
32〜35Ｖ、トーチウィビング幅15mmで回数15〜16サイク
ル／分、Arガス送給量 (Ｌ／分) をプラズマ３、キャリ
ア５、シールド15とした溶接条件で１層 (３mm) 肉盛し
た。溶接後、耐キャビテーション・エロージョン性を評
価する試験片 (22mmφ；損傷面) と耐土砂摩耗性を評価
する試験片 (5mmt×20mm×50mm) を採取し、試験表面を
エメリー紙♯1200で仕上げて試験に供した。

【００４０】図１(a)及び図１(b)に、プラズマ溶接肉盛
層のビッカース硬さとＣ量及びSi量との関係を示す。図
１(a)がSi量一定におけるＣ量との関係(C-1〜C-7)、図
１(b)がＣ量一定におけるSi量との関係(S-1〜S-6)であ
る。図２は上記の資料(C-1〜C-7)、(S-1〜S-6)について
の耐キャビテーション・エロージョン性及び耐土砂摩耗
性と硬さとの関係を示している。なお、本実験における
耐キャビテーション・エロージョン性評価試験は磁歪振
動式キャビテーション試験装置を用い、水道水中で周波
数6.5KHz、振幅120μm、試験温度25℃の条件で２時間試
験した。一方、耐土砂摩耗性評価試験は水中噴流式土砂
摩耗試験装置を用い、噴流速度40m/s、衝突角度45deg、
土砂は平均粒径８μmのAl₂O₃でその含有量は30g/ｌ、試
験時間は４時間の条件で行った。なお、両試験における
損傷量は試験後の減量を密度で除した体積減量 (cm³)
で評価した。図４から知られるように、耐エロージョン
性は硬さを高くするほど向上するが、溶接性並びに加工
性が難しくなる。しかし、硬さがHv300以下では加工性
は容易であるが耐エロージョン性の低下が大きい。従っ
て、本発明における溶接肉盛層であるマトリックス相に
おいても、ビッカース硬さはHv300〜400の範囲とするこ
とが望まれる。

【００４１】図３は第１表及び図１より求めたC/Si比と
硬さとの関係を示すものである。溶接肉盛層であるマト
リックス相において、ビッカース硬さがHv300〜400の範
囲となる場合のC/Si比を示している。上記の実施例であ
るNi量8.8〜8.9％、Cr量18.8〜18.9で一定とした金属粉
体を用いた溶接肉盛層であるマトリックス相においてビ
ッカース硬さ範囲(Hv300〜400)を得るのは、Ｃ量は0.9
〜2.0％、Si量は2.0〜4.5％の添加量であり、そのC/Si
比は0.22〜0.67の範囲で達成されることが分かる。 〔実施例２〕第３表に、耐エロージョン性を比較評価す
るために供した本発明による合金粉体（１〜13）と比較
材としての被覆アーク溶接棒等（14〜19）の化学組成を
示す。本発明による合金粉体は前記のプラズマ溶接条件
で肉盛施工したが、比較材は棒径４mmφ、電流150Ａ、
電圧23Ｖ、入熱16KJ/cm の条件で１層３mmを肉盛した。
なお、本発明材及び比較材の肉盛溶接層の施工に用いた
母材は寸法が 25mmt×100mm×150mmのマルテンサイト系
ステンレス鋼 (含Ni13Cr鋳鋼) 板とした。

【００４２】

【表３】

【００４３】第４表に本発明の合金粉体による溶接肉盛
層と比較材による溶接肉盛層とのC/Si比と硬さ(Hv)を示
す。本発明の合金粉体のC/Si比は0.2〜0.7、マトトリッ
クス硬さはHv300〜400の範囲となっていることが分か
る。

【００４４】

【表４】

【００４５】１〜19の材料について、実施例１に示した
の同じ方法により耐エロージョン性を測定した。その結
果を図４と図５に示す。図４より、本発明合金粉体によ
るプラズマ溶接肉盛層の耐キャビテーション・エロージ
ョン性は一般に耐エロージョン性が優れているといわれ
ている比較材のCo基合金溶接肉盛層と同等であるもの
の、他の比較材よりは優れていることが分かる。

【００４６】一方、図５より、耐土砂摩耗性はすべての
比較材より優れていることが分かる。これらの比較結果
より、本発明合金粉体によるプラズマ溶接肉盛層は実機
に適用することにより、エロージョン損傷に対する機器
部材の寿命向上を図る信頼性の高い材料技術となるとい
える。 〔実施例３〕1.5C-3.5Si-20Cr-10Mn-6Co-1.5Mo系合金材
料においてNi量が衝撃値に与える影響を調べた。その結
果を図６に示す。Ni量が５％以上の場合に衝撃性が大き
く改善された。しかし第４表において比較材19に示すよ
うにNiが20％を超えるものにあっては硬さHvが低下する
ことから、Ni量としては５〜20％が好ましいことが分か
る。 〔実施例４〕図９に示す水車を構成する各機器を製作し
た。図９(a)は、図８(a)に示される水車ランナの水と接
触する作用面側(Ｐ)に関し、羽根３の両入口端(Ａ、Ｂ)
をそれぞれ中心として、羽根入口長さ(Ｌ₁)の1/2〜1/5
を半径とした扇形範囲(10)に肉盛溶接層10を設けたもの
を示している。図10(b)は図８(b)に示される水車ランナ
の反作用面側(Ｒ)に関し、羽根３の両入口端(Ｃ、Ｄ)を
それぞれ中心として、羽根入口長さ(Ｌ₁)の1/2〜1/5を
半径とした扇形範囲(10)に肉盛溶接層10を設け、かつ羽
根３の出口外方端(Ｅ)から幅(Ｗ)50〜150mmで羽根出口
長さＬ₂の1/2〜2/3の範囲の長さ(Ｌ)の範囲で肉盛溶接
層12を設けたものである。これらの肉盛層は実施例１と
実施例２と同じ溶接条件を使用しかつ第３表のNo.7金属
粉体を使用して肉盛溶接した層を作り、次にこの溶接施
工個所を500〜650℃で歪取焼鈍後、機械加工により１〜
３mm厚さとした。羽根３の作用面側入口端(Ａ、Ｂ)を中
心とする扇形部分(10)は土砂を含む流水による摩耗が大
きい範囲であり、羽根３の反作用面側入口端 (Ｃ、Ｄ)
を中心とする扇形部分範囲 (10) と出口外方端 (Ｅ)か
ら延在する肉盛溶接層10に対応する部分との両者はキャ
ビテーションによる損傷を受けやすい領域である。

【００４７】図９(c)及び図９(d)に図８(a)に関するガ
イドベーン５とシートライナ８の模式図を示す。すなわ
ち、これら機器部材への肉盛層は13Crマルテンサイト系
ステンレス鋼表面に、第３表のNo.7金属粉体を実施例１
と実施例２のプラズマ溶接条件によって肉盛溶接層10を
設け、これを500〜650℃で歪取焼鈍後、機械加工により
１〜３mm厚さとした。また、図８(a)に関するカバーラ
イナにも同様に肉盛溶接層を形成させた。次に、これら
の部品を組立て図８(a)及び図８(b)に示す水車を製作し
た。

【００４８】この水車を土砂を含む流水で実際に運転し
たところ、キャビテーションと土砂による損傷に対し優
れた耐エロージョン性を示した。 〔実施例５〕図10(a) に示すペルトン水車を製作した。
溶接肉盛層を設けたのは含有土砂水20の流量を調整する
ニードル17の先端部外周面とノズル18の先端部内周面及
びその噴流水を受けるバケット15の内周面である。図10
(b)と図10(c)にその状況概要を示す。この肉盛溶接層(1
0)は実施例１と実施例２と同じ溶接条件を使用しかつ第
３表のNo.7金属粉体を使用して肉盛溶接した層を作り、
次にこの溶接個所を500〜650℃で歪取焼鈍後、機械加工
により１〜３mm厚さとした。これらのニードル17とノズ
ル18の合せ面空間及びバケット15内面は土砂を含む流水
による摩耗損傷が大きい部分である。

【００４９】この水車を土砂を含む流水で実際に運転し
たところ、優れた耐土砂摩耗性を示した。 〔実施例６〕図11(a)と図11(b)に蒸気タービン動翼の構
造概略図を示す。この低圧タービン最終段の動翼21は水
滴による侵食を受けやすい動翼先端部22にステライト板
を溶接接合するか、その先端部をガス炎等により加熱し
材料硬度を向上するフレームハードニング処理を適用し
ている。タービンの大容量化、超翼化によりますます水
滴によるエロージョンが問題となっている。そこで、図
11(b)に示すように、第３表のNo.7金属粉体を用い、実
施例１と実施例２と同じ溶接条件で肉盛溶接層23を設け
た動翼を製作し組立てた。溶接肉盛後は500〜650℃で歪
取焼鈍し機械加工により１〜３mm厚さとした。

【００５０】この動翼を実際の環境下で運転したところ
優れた耐エロージョン性が得られた。

【００５１】

【発明の効果】本発明による高Ｃ高Si含有溶接金属粉体
をプラズマ溶接法により機器材料の表面に肉盛層するこ
とにより、溶接のままでも、高Siを含むマトリックス相
中に、Cr炭化物又はCrを主とする複合炭化物が網目状に
晶出しかつ施工性及び靱性の高い混合凝固組織を形成さ
せるため、キャビテーション・エロージョン、土砂によ
る摩耗、水滴やスラリーによるエロージョンが抑制で
き、従って、機器が損傷されるのを防止し、運転効率の
低下を軽減でき、かつその寿命向上が図れるため、機器
の信頼性に大きな効果をあげることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ビッカース硬さとSi量とＣ量との関係を示す
グラフ。

【図２】 キャビテーション減量と土砂摩擦減量と硬さ
との関係を示すグラフ。

【図３】 合金粉体のC/Si比と硬さとの関係を示すグラ
フ。

【図４】 本発明金属粉体の肉盛層と比較材とのキャビ
テーション減量を比較するグラフ。

【図５】 本発明金属粉体の肉盛層と比較材との土砂に
よる摩耗量を比較するグラフ。

【図６】 合金粉体のNi量と衝撃値との関係を示すグラ
フ。

【図７】 本発明の肉盛溶接層を設けるときに使用した
プラズマアーク溶接装置の概略図。

【図８】 本発明に関する肉盛溶接層が適用されるフラ
ンシス水車の主要部を示す図。

【図９】 本発明の実施例において、フランシス水車の
羽根に設けた溶接肉盛層形成個所を示す模式図。

【図１０】 本発明に関する肉盛溶接層が適用されるペ
ルトン水車の主要部を示す図。

【図１１】 本発明溶接肉盛層を形成した蒸気タービン
動翼を示す模式図。

【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…バンド、10…肉盛
溶接層、15…バケット、16…ニードルチップ、17…ノズ
ルチップ、19…肉盛溶接層、21…動翼、22…先端部、23
…肉盛溶接層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｘ 38/40 (72)発明者 万代 利彦 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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Feを主成分とし、Crを重量％で16〜25％
   を含む溶接材料において、重量％で C：0.9〜2.0％、S
   i：2.0〜５％、Mn：10％以下、Cr：16〜25％、Ni：５〜
   20％を含み、Ni＋Mnを６〜25％、残部が同伴する不可避
   不純物からなり、かつ C/Si比が0.2〜0.7、好ましくは
   0.22〜0.67である高Ｃ高Si含有溶接金属粉体。
2. 【請求項２】 前記金属粉体は、さらに重量％でMo：３
   ％以下、Co：10％以下、Ｗ：10％以下、Nb：10％以下、
   Ti：10％以下、Ｖ：10％以下及びＮ：0.3％以下の少な
   くとも１種及び２種以上を含有することを特徴とする請
   求項１記載の高Ｃ高Si含有溶接金属粉体。
3. 【請求項３】 前記金属粉体は、ガスアトマイズ法によ
   り粒径が10〜200μmの範囲で製作した円形、角形、丸角
   形及びこれらの混合物を有する粉末であることを特徴と
   する請求項１又は２記載の高Ｃ高Si含有溶接金属粉体。
4. 【請求項４】 請求項３記載の粉末をプラズマアーク溶
   接で機器部材表面に積層し、少なくとも１層はビッカー
   ス硬さが 300〜400(Hv)であり肉盛厚さが５mm以下であ
   ることを特徴とする肉盛層を持つ機器部材。
5. 【請求項５】 前記肉盛層が固体と液体あるいは気体と
   の混相流に接する部材表面に形成されていることを特徴
   とする請求項４記載の肉盛層を持つ機器部材。
6. 【請求項６】 請求項１〜３記載の高Ｃ高Si含有溶接金
   属粉体をプラズマアークによって溶融して機器部材の被
   溶接部に供給し、その溶融プールを作りながら所望の厚
   さに被服層を形成したことを特徴とする機器部材。