JPH07243539A

JPH07243539A - ニードルバルブ

Info

Publication number: JPH07243539A
Application number: JP6032322A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Bandai; 利彦万代; Kenichi Usami; 賢一宇佐美; Koji Oka; 浩二岡; Koji Ashizawa; 康二芦沢
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 1995-09-19
Anticipated expiration: 2015-10-16
Also published as: JP3099104B2

Abstract

(57)【要約】【目的】土砂摩耗損傷を低減可能とする。【構成】 Feを主成分とするフェライト＋パーライト系
又はマルテンサイト系組織の基材で形成したニードル４
及びノズル３を備え、ニードル４及びノズル３の流体１
５と接する合わせ面１４に耐摩耗性被覆層を施したニー
ドルバルブであって、オーステナイト系合金と炭化物系
セラミックスである炭化珪素ＳｉＣの添加量が３〜６Ｗ
ｔ％の混合粉末により複合溶接肉盛被覆層３２を少なく
とも合わせ面１４に施し、複合溶接肉盛被覆層３２と基
材との間に複合溶接肉盛被覆層３２及び基材より熱膨張
係数の大きいオーステナイト系合金粉末による緩衝中間
肉盛層を設けた。【効果】従来材料に比べ約２倍の耐土砂摩耗性能を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ペルトン水車に係り、
特に土砂を含有する河川水によるエロージョン損傷を防
止するため、ニードルとノズルの流体と接する合わせ面
の基材表面に緩衝中間肉盛層を設け、さらに加工可能な
硬度範囲に調整したオーステナイト系合金と炭化珪素と
の混合粉末による複合溶接肉盛被覆層を形成したニード
ルバルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のニードルバルブ等の土砂を含む河
川水を利用する機器部材においては、表面がキャビテ−
ションや土砂によるエロージョン損傷を受ける。例え
ば、ペルトン水車用ニードルバルブは、ニードルとノズ
ルの組合せで構成されるが、ランナの外周に取り付けて
あるバケットに水動力を伝えるための流量を調整する作
用を有する。このニードルバルブはニードルとノズルと
もに炭素鋼製となっていたが、現在は耐エロージョン性
並びに耐腐食性等を考慮して、ビッカース硬さHv200〜3
00の範囲に調整熱処理したマルテンサイト系ステンレス
鋼の13Cr鋼製が主流となっている。このように、ニード
ルバルブは材料の変更等によって寿命延長が図られてい
る。しかしながら、ぺルトン水車は、土砂を多量に含む
河川水及び高落差化による高流速化の環境下で使用され
る傾向にあり、特に、ニードルとノズルの合わせ面はま
すます土砂による摩耗損傷が激しくなることが考えられ
る。また、河川水の水質が酸性を呈する環境での使用も
考慮されることから、さらに耐食性も要求される可能性
が高くなっている。

【０００３】なお、土砂による摩耗損傷を防止し、機器
の寿命延長を図る材料技術としては、その部材に高硬度
材の適用が一般的である。また、機器部材表面に耐摩耗
性被覆層を形成する表面処理法がある。この方法には、
溶射法や溶接法がある。しかし、溶射法は基材との接合
強度に難点があり、主に、被覆アーク溶接、TIG溶接、
粉体プラズマ溶接及びエレクトロスラグ溶接等による肉
盛法がとられている。これらの溶接法はそれぞれ特徴を
有しているが、最近、基材との希釈が小さく、かつ高硬
度材の肉盛施工が可能とされている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基合金と炭化物系セラミックスとの混合粉
末により基材表面に肉盛層を形成させる技術が特開昭62
-134193号公報に示され、さらに、粉体プラズマアーク
肉盛溶接材料に関する研究が開示されている。

【０００４】しかしながら、水車機器部材のエロージョ
ン損傷を抑制する方法を見ると、キャビテーション損傷
に対しては、古くからその部材表面に被覆アーク溶接等
により、部材より耐キャビテーション・エロージョン性
を有する高強度かつ高硬度(ビッカ−ス硬さHv:350〜45
0)ステンレス鋼か、流水の衝撃圧力を利用した加工硬化
性の高いオーステナイト系溶接材料が肉盛されている。
その溶接材料は特開昭57-152447号公報、特開昭57-1568
94号公報及び特開昭57-199593号公報等に開示されてい
る。しかしながら、水車機器部材の土砂による摩耗を防
止する材料及び方法等は見当らず明確な対策がなされて
いない。この理由は水車機器部材の土砂摩耗損傷は、非
常に硬度が高い土砂(主成分はSiO₂とAｌ₂O₃)による切削
及びひっ掻き作用等による侵食であって、キャビテーシ
ョン現象による損傷機構とは異なるためである。

【０００５】従って、現在、ペルトン水車用ニードルバ
ルブの構成材として多く使用されているマルテンサイト
系ステンレス鋼より、さらに優れた耐土砂摩耗性材料の
選定・開発並びに表面処理による損傷防止技術に対する
要望が強くなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のニードルバルブ
にあっては、構成する材料に通常の溶解・鍛造によって
得られたビッカース硬さHv300以下の炭素鋼、低合金鋼
並びに13Crを含むマルテンサイト系ステンレス鋼等が使
用されている。しかし、これらの材料は土砂摩耗損傷に
対しては必ずしもよい結果を示さない。従って、河川水
中の土砂濃度が高い水力発電所では修理及び取替え周期
が短くなり、その損傷防止対策が必要となる。なお、材
料の耐土砂摩耗性は材料の硬さが高いほど優れているた
め、ニードルバルブの構成部材を従来材より高硬度の材
料に変更するだけで、より耐摩耗性を改善したニードル
バルブを製作できる。

【０００７】そこで、従来材をビッカース硬度Hv400〜5
00に高硬度化してその適用性並びに高硬度材の超硬合金
やセラミックスによって製作することを検討した。その
結果、これらの高硬度材は耐摩耗性を向上するものの、
形状的に製造及び加工性に難点があるため効果的な方法
ではなく、例え製作できてもニードルバルブとしての機
能性、信頼性の点で問題があることが判明した。特に、
セラミックスは硬さが非常に高く、土砂等の切削的作用
による耐摩耗に優れているが、衝撃的作用には弱いた
め、ニードルバルブ等の繰返し開閉により衝撃力が加わ
る合わせ面に対しては信頼性に欠ける。

【０００８】このような諸問題を考慮し、ニードル及び
ノズル基材を、現用材のマルテンサイト系ステンレス鋼
や炭素鋼で形成し、基材より耐土砂摩耗性を有する材料
を溶接で被覆する表面処理について、まず、高硬度を有
する被覆アーク溶接材料による表面肉盛溶接施工法につ
き検討した。その結果、被覆アーク溶接棒を用いた溶接
法は基材の希釈が大きく、肉盛層の特性を得るためには
厚肉溶接が必要であること、硬度の高い材料は溶接棒に
製造し難く、基材との関連にもよるが施工性すなち溶接
割れ感受性が高くなること等が判明した。

【０００９】一方、粉体を利用するプラズマアーク溶接
は基材の希釈が少なく、かつ高硬度材料の肉盛施工が可
能であるため、薄い肉盛量で効果が発揮できる。従っ
て、本発明における基材表面への被覆層の形成は粉体を
用いたプラズマアーク溶接法が適していることが判明し
た。

【００１０】さらに、溶接材料について検討した結果、
Cr量を重量％で16％以上含むオーステナイト系合金と炭
化珪素(SiC)との混合粉末による肉盛層は、SiCの複合量
を増すほど現用材より土砂摩耗性を向上するが、SiC量
を6％以上複合すると、その肉盛層の硬さがビッカース
硬度でHv550以上となり、加工性及び溶接施工性に問題
が残ることが明らかとなった。また、オーステナイト合
金粉末にCr₃C₂を重量％で15％複合した肉盛層は、耐土
砂摩耗性は現用材より優れているものの、同じ複合量で
あるSiC複合材と比較すると硬さが低く、土砂摩耗性も
劣ることが判明した。しかし、これらの材料を炭素鋼や
13Cr鋼の基材に直接溶接すると基材と溶接肉盛合金との
熱膨張率差により、冷却時に肉盛層に割れが生じ、有効
的な方法ではないことが知られた。この割れ発生の問題
は基材と溶接肉盛合金より熱膨張係数の大きいオーステ
ナイト系合金の肉盛層を中間に設けることにより解決で
き、さらに、バルブ基材をオーステナイト系合金にする
と直接施工でも問題なく製作できることが明らかとなっ
た。

【００１１】本発明の目的は、少なくともニードルチッ
プとノズルチップとの合わせ面に粉体を利用するプラズ
マ溶接法による肉盛被覆層を形成させ、耐土砂摩耗性及
び耐食性を付与したニードルバルブを提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係るニードルバルブは、Feを主成分とする
フェライト＋パーライト系又はマルテンサイト系組織の
基材で形成したニードル及びノズルを備え、ニードル及
びノズルの流体と接する合わせ面に耐摩耗性被覆層を施
したニードルバルブにおいて、耐摩耗性被覆層を、オー
ステナイト系合金と炭化物系セラミックスである炭化珪
素との複合粉末による複合溶接肉盛被覆層で形成して少
なくとも合わせ面に施工し、複合溶接肉盛被覆層と基材
との間に複合溶接肉盛被覆層及び基材より熱膨張係数の
大きいオーステナイト系合金粉末による緩衝中間肉盛層
を溶接した構成とする。

【００１３】そしてニードルとノズルの基材は、それぞ
れビッカ−ス硬さがHv300以下の炭素鋼及び低合金鋼並
びに少なくとも重量％でCr：10〜13％、Ni：0.1〜6％を
含むステンレス鋼である構成でもよい。

【００１４】また複合溶接肉盛被覆層は、重量％でC：
0.15％以下、Si：1％以下、Mn：10％以下、Cr：16〜20
％、Ni：2〜15％を含み、又はこれにMo：3％以下、Co：
10％以下及びN：0.3％のうちの少なくとも１種を含有す
るオーステナイト系合金に炭化珪素：3〜6％を混合した
複合粉末で溶接され、かつビッカ−ス硬さがHv350〜500
である構成でもよい。

【００１５】さらに緩衝中間肉盛層は、重量％でC：0.1
5％以下、Si：1％以下、Mn：2％以下、Cr：18〜20％、N
i：8〜13％、Mo：3％以下を含むオーステナイト系合金
粉体により溶接されている構成でもよい。

【００１６】そして複合溶接肉盛被覆層及び緩衝中間肉
盛層は、粒径10〜200μmの粉体によりそれぞれ厚さ5mm
以下の肉盛層でプラズマ溶接法により溶接されている構
成でもよい。

【００１７】またニードルとノズルとを備え、ニードル
及びノズルの間に流体と接する合わせ面を有するニード
ルバルブにおいて、少なくともニードルとノズル先端部
の基材を、重量％でC：0.15％以下、Cr：16〜20％、N
i：7〜15％を含むオーステナイト系ステンレス鋼で形成
し、少なくとも合わせ面に、それぞれ重量％でC：０．
１５％以下、Ｓｉ：1％以下、Mn：10％以下、Cr：16〜2
0％、Ni：2〜15％を含み、又はこれにMo：3％以下、C
o：8％以下及びN：0.3％の少なくとも１種及び２種以上
を含有するオーステナイト系合金と炭化物系セラミック
スである炭化珪素：3〜6％を混合した複合粉末によりビ
ッカ−ス硬さがHv350〜500の複合溶接肉盛被覆層を粉体
プラズマ溶接により溶接した構成でもよい。

【００１８】ペルトン水車においては、前記いずれか一
つのニードルバルブを備えた構成とする。

【００１９】

【作用】本発明の主要な構成要素であるオーステナイト
系合金とSiCとの複合粉末による複合溶接肉盛被覆層が
適用されるペルトン水車のニードルバルブを例として説
明する図１に、ペルトン水車の組立て平面図及び断面図を示
す。図１が組立平面図で、図２が組立断面図である。ペ
ルトン水車のランナ本体はランナの外周に取付けられた
バケット１と、分岐管を有するケーシング２及びその出
口に設けられたノズル３で構成されており、ケーシング
２を通った土砂を含む流水はノズル３で加速されて高速
のジェット流となり、その内部に備えたニードル４との
間より渦の噴流水として回転しているバケット１に当て
て水動力を伝え、その後は下部の放水路に流出してい
く。このノズル３とニードル４とからなるニードルバル
ブは、バケット１に供給する水量を調整するものであ
り、特に、ノズルチップ３aとニードルチップ４aとの合
わせ面は高圧の自然放流に近い高速流水状態となるた
め、最も土砂による摩耗が発生しやすい個所となる。

【００２０】ここで、粉体プラズマアーク溶接方法を説
明する。図３に、市販の粉体プラズマ溶接装置の断面図
を示す。ニードルバルブの基材表面に複合溶接肉盛被覆
層を形成させる場合の溶接は、粉体供給装置よりオース
テナイト系合金と炭化珪素の複合粉末３１(緩衝中間肉
盛層を設ける場合の溶接は、施工する組成範囲のオース
テナイト系合金粉末のみ)を送給して溶融させ、その複
合溶接肉盛被覆層３２をノズルチップ３a及びニードル
チップ４a等の基材３３表面に積層するものである。す
なわち、溶接開始時にプラズマガス(Ar)３４を導入し、
電極（−Ｗ電極）３５と基材(母材)３３との間に電流を
流しパイロットアーク３６を発生させる。次に、シ−ル
ドガス(Ar)３７を流し、電極３５と基材３３との間に電
圧を加えプラズマアーク３８を発生させる。そして、粉
体送給装置から複合粉末３１をキャリアガス(Ar)により
プラズマアーク３８中に供給し、そのプラズマ熱で複合
粉末３１を基材３３表面に溶融・溶着し複合溶接肉盛被
覆層３２を形成させる。

【００２１】次に、本発明のニードルバルブ基材表面に
設ける複合溶接肉盛被覆層及び緩衝中間肉盛層を形成す
る成分の限定について説明する。［複合溶接肉盛被覆層を形成させるための粉末］「オーステナイト系合金粉末」Ｃはオーステナイト生成
元素であり、オーステナイトの安定化、材料の強度及び
硬さを向上させるために必要な元素であり、CrやMo等の
元素と結合し炭化物を生成する。しかし、本発明に用い
るオーステナイト系合金粉末のC含有量は、肉盛層の硬
さ及び炭化物の形成に炭化珪素に含まれるCが寄与する
ため通常のオーステナイト系合金に規定されている量で
よい。すなわち、重量％で0.15％以下の範囲が好適であ
る。

【００２２】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。肉盛層中のSiは炭化珪
素との複合により増加し、主にマトリックス中に固溶す
るが、オーステナイト系合金粉末のSi量は通常のオース
テナイト系合金に規定されている1％以下でよい。

【００２３】Ｍｎは通常、オーステナイト系鋼材の脱酸
・脱硫のために2％以下が添加される。しかし、この元
素の添加量を増すとNi及びCo等と同じように、オーステ
ナイト相を安定させるとともに加工硬化性並びに切削抵
抗性を増す効果を示し、耐キャビテーション性や耐土砂
摩耗性を付与する。しかし、過剰に添加すると湯流れ性
を悪くし、溶接作業性を低下する。そのため、本発明に
よる範囲はNi等との成分バランスを考慮し、上限を10％
とした。

【００２４】Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、Mn
及びCo等とあいまってオーステナイト相を安定させ延性
並びに靭性を向上させる。そのため、溶接肉盛層に延性
・靭性を付与するためには不可欠の元素である。しか
し、多量の添加は、特にマトリックスの耐土砂摩耗性を
低下するためMn及びCo量を考慮し、2〜15％の範囲とし
た。好ましくは8〜13％である。

【００２５】Ｃｒは河川水中における耐食性向上に有効
であるとともに、肉盛合金のマトリックス相中に溶接の
ままでもCrを主とする炭化物を晶出し、耐土砂摩耗性を
向上させる。しかし、炭化珪素3〜6％を複合し、硬さHv
350〜500を得るには16〜22％の範囲が好敵である。より
好ましいのは16〜20％である。

【００２６】Ｍｏは耐食性を改善する他、肉盛層の基地
を強化し耐土砂摩耗性向上に有効な元素である。しか
し、5％以上添加するとδフェライトを多量に生成した
合金粉末を使用することになり、溶接層に偏析相を形成
しやすくなる。本発明では耐食性を考慮し、3％以下に
限定した。

【００２７】ＣｏはMn及びNiとともに肉盛合金のオース
テナイト相を適度に安定させ、耐エロージョン性を向上
する元素である。しかしながら、他の元素との関連にお
いて、肉盛層の延性及び靭性を考慮し、10％以下に限定
した。

【００２８】Ｎはオーステナイト相を安定にするととも
に、強度向上や耐エロージョン性を向上するのに有効な
元素である。しかし、過剰に添加すると窒化物を形成
し、靭性や耐食性に影響を及ぼすためＮは0.3％以下に
することが好敵である。より好ましいのは0.05〜0.20％
である。

【００２９】残部はＦｅ及び同伴する不純物からなり、
不純物としてＰ、Ｓ、Ａｓ及びＳｂなどがあるが、これ
らの元素は延性、靭性を害する働きをするとともに溶接
性を低下するため極力少ない方が望ましい。

【００３０】「炭化珪素：ＳｉＣ粉末」本発明は部材表
面上に、金属炭化物系セラミックスとステンレス鋼との
混合粉末により肉盛層を形成することにある。このた
め、各種の金属炭化物系セラミックスを供し、合金粉末
との複合肉盛層について検討した。その結果、SiC複合
肉盛層は、他のセラミックス複合肉盛層に比べ、複合Si
C量が少量でも同等以上の耐損傷性及び硬さを有するこ
とが知られた。このため、本発明では複合する金属炭化
物系セラミックスとしてSiCに限定する。この肉盛層の
組織はSiC粒子は存在せず、溶接時に融解し、Siはマト
リックス中に固溶し、Cは合金中の炭化物形成元素と結
合して、Crを主とする複合炭化物を形成する。しかし、
SiC複合量が3％以下では硬さが低く、かつ損傷性の改善
効果も小さい。また、10％以上では損傷性の改善効果が
より大きくなるが、硬さがHv500以上となり、加工性及
び溶接性が問題となる。そこで、SiC複合量は加工性及
び溶接性を考慮し3〜6％の範囲が好適である。さらに、
耐エロージョン性を加味すると、4.5〜5.5％が望まし
い。

【００３１】［緩衝中間肉盛層の溶接材料］緩衝中間肉
盛層はSiC複合溶接肉盛被覆層に割れを生じさせないた
めに母材表面に設けるものである。そのため、母材やSi
C複合溶接肉盛被覆層より熱膨張係数が大きく、かつ延
性、靭性の高い材料であれば十分な効果が発揮できる。
そのため、本発明における緩衝中間肉盛層は通常、各分
野で広く使用されており、溶接性が容易で割れにくい溶
接材料でよく、かつ、その緩衝中間肉盛層の形成は溶接
棒による被覆アーク及びTIG溶接法等でも十分効果を発
揮できる。しかし、母材との希釈及び溶接効率等を考慮
し、SiC複合溶接肉盛被覆層を形成する溶接法と同じと
するため、本発明における緩衝中間肉盛層の溶接材料は
重量％でC：0.15％以下、Si：1％以下、Mn：2％以下、C
r：18〜20％、Ni：8〜13％、Mo：3％以下を含むオース
テナイト系合金粉末に限定した。なお複合溶接肉盛被覆
層及び緩衝中間肉盛層は、粒径10〜200μmの粉体を用
い、それぞれ厚さ5mm以下の肉盛層に溶接するものとす
る。

【００３２】

【実施例】本発明の実施例１を図５及び図６を参照しな
がら説明する。図５及び図６に示すように、Feを主成分
とするフェライト＋パーライト系又はマルテンサイト系
組織の基材で形成したニードル４及びノズル３を備え、
ニードル４及びノズル３の流体１５と接する合わせ面１
４に耐摩耗性被覆層を施したニードルバルブであって、
耐摩耗性被覆層を、オーステナイト系合金と炭化物系セ
ラミックスである炭化珪素との混合粉末による複合溶接
肉盛被覆層３２で形成して少なくとも合わせ面１４に施
工し、複合溶接肉盛被覆層３２とニードルチップ４ａ及
びノズルチップ３ａ等の基材との間に複合溶接肉盛被覆
層３２及び基材より熱膨張係数の大きいオーステナイト
系合金粉末による緩衝中間肉盛層３０を溶接した構成と
する。

【００３３】図７に、オーステナイト系粉末(重量％、
C：0.15％以下、Si：1％以下、Mn：10％以下、Cr：16〜
20％、Ni：2〜15％を含み、又はこれにMo：3％以下、C
o：10％以下及びN：0.3％）に炭化珪素(SiC)の含有量を
種々変化させた時の土砂摩耗侵食量を、図８に、ビッカ
ース硬さHvの変化を示す。SiC添加量を増加させると硬
さが増加し、土砂摩耗侵食量が減少することが判る。し
かしながら耐土砂摩耗侵食量は、SiC添加量5〜6Wt％を
境界として著しく耐土砂摩耗特性の割合が低下しSiC添
加量を増加させても効果は少ないことが判る。SiC添加
量0Wt％では、オーステナイト系合金材で土砂摩耗侵食
量が図９に示すオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304)
とほぼ同等であり耐土砂摩耗特性の向上に寄与しない。

【００３４】硬さは、SiC添加量5〜6Wt％でビッカース
硬さ約Hv400前後であり、通常の切削機械及び切削バイ
トで機械加工が可能である。SiC添加量5〜6Wt％以上に
なると特殊工具等が必要となる。溶接施工性（溶接割
れ）は、SiC添加量が増加するとオーステナイト系合金
粉末とSiC粉末との比重の差により溶接スラグが溶接機
ト−チに付着し溶接割れが発生する。以上によりニード
ルバルブに施工するオーステナイト系合金粉末へ添加す
るSiC量を3〜6Wt％とする。

【００３５】（実施例２）複合溶接肉盛被覆層の溶接施
工性(溶接割れ)を評価するため、オーステナイト系ステ
ンレス鋼(SUS304)及びマルテンサイト系ステンレス鋼(S
US403)への複合溶接材のSiC添加量を種々変化させ、母
材との溶接施工結果(溶接割れ性)を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】なお侵食量は、土砂水を試料表面に噴流衝
突させる噴流式土砂摩耗試験装置(噴流速度:40m/s、試
験時間:4時間、土砂粒径:8μｍ、土砂濃度:3Wt％条件)
で行った評価である。また溶接施工性は、SUS403平板及
びSUS304平板に粉体プラズマアーク溶接方法により施工
し、溶接のまま(AS WELD )で観察し割れ発生状況を評価
した。表１よりSiC添加量は溶接施工性及び土砂摩耗侵
食量を考察すると3〜6Wt％の範囲が有効であることが知
られる。

【００３８】（実施例３）母材をSUS304とし母材表面に
オーステナイト系(23Cr−12Ni)の中間層（緩衝中間肉盛
層）を設け、この中間層表面に複合溶接材のSiC添加量
を種々変化させた溶接材で複合溶接肉盛被覆層を設けた
場合の溶接施工結果(溶接割れ性)を表２に示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】表１と比較するとSiC添加量が5Wt％までは
溶接割れが発生しないことが明らかである。溶接割れ
は、被溶接材と溶接材との線膨張係数の相違により、肉
盛溶接部が常温まで冷却していく過程で溶接材の引張強
さより大きい引張側の残留応力が発生し溶接割れが発生
するものである。表３にSiC添加量の変化に対する線膨
張係数と各種材料の線膨張係数との比較を示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】表３よりSUS304は中間層が不要であり、SU
S403は線膨張係数が低いため中間層が必要であることが
判る。

【００４３】（実施例４）水力発電所のペルトン水車の
流量調整用ニードルバルブに、実施例３の緩衝中間肉盛
層を設け複合溶接肉盛被覆層を施工する実施例を説明す
る。図５及び図６にペルトン水車のニードルバルブ形状
を示す。中空円錐形状のノズル３及びそのノズルチップ
３ａと円錐形状のニードル４及びそのニードルチップ４
ａにより構成される。ノズルチップ３ａは固定され、ニ
ードル４及びニードルチップ４ａが水平方向に運動する
ことにより、ノズルチップ３ａとニードルチップ４ａと
の間にできる空間１６の大小により水量を調整し水車出
力を調整する構造である。

【００４４】ノズルチップ３ａとニードルチップ４ａと
の合わせ面１４が、流水１５の中に含まれる土砂により
損傷されるのを防止するため、その表面に複合溶接肉盛
被覆層３２を施工する実施例であり、ノズルチップ３ａ
及びニードルチップ４ａの母材材質はマルテンサイト系
ステンレス鋼SUS403を使用し、その母材表面にオーステ
ナイト系合金粉末溶接材を用い、粉体プラズマアーク溶
接機によって緩衝中間肉盛層３０を溶接する。

【００４５】図１０に示すように、中間層施工時の施工
温度は母材を20〜500℃間で予熱し、母材施工面とプズ
マアーク溶接機のトーチは直角に下向き溶接となるよう
に、治工具等で母材を保持しながら回転させ肉盛溶接を
行う、肉盛施工の厚みは線膨張係数を母材より大きくす
る目的のため1〜2層（１層の厚さは1mm〜2mm）で充分で
ある。溶接後の冷却は除冷で問題なく(溶接割れは発生
しない)、図１０に示すSiC添加量が3〜6Wt％の複合溶接
材の施工手順に基づき複合溶接を行う。溶接方法は中間
層施工と同じく下向き溶接で母材を保持し、回転しなが
ら粉体プラズマアーク溶接機により施工する。

【００４６】溶接完了後、冷却前に200〜600℃で後熱処
理を行う。これは溶接時に発生した残留応力を緩和する
目的で行う。試験結果ではこの処理により最大値の1/2
〜1/3まで残留応力を低減できる。冷却は残留応力の緩
和のため10〜30℃/時間の冷却速度で冷却する。

【００４７】本実施例ではノズルチップ及びニードルチ
ップの母材材質をSUS403として説明したが、これは従来
材料としてSUS403を使用しているためで炭素鋼及び鋳鋼
でも同じ方法で施工可能である。

【００４８】（実施例５）実施例４では、ニードルバル
ブ母材の線膨張係数が複合溶接材より低い材料へ施工す
る場合について説明したが、逆の場合としてニードルバ
ルブ母材の線膨張係数が複合溶接材より高い材料へ施工
する実施例を説明する。完成品の最終形状は図５と全く
同じであるが、複合溶接肉盛材料の冷却時の割れ防止と
して設けた中間層が不要となる。複合溶接肉盛材料の施
工方法は実施例４の図１０に示すSiC添加量が3〜6Wt％
の複合溶接材の施工手順と全く同じである。

【００４９】本発明によれば、（１）水力発電設備のペルトン水車用のニードルバルブ
は高流速河川水を扱うため、発錆防止を目的としてステ
ンレス鋼を使用してが、高流速のため塗料が剥離し発錆
する。複合溶接肉盛被覆層はオーステナイト系組織に炭
化珪素が分散した組織となるため、ステンレス鋼と同等
の耐腐食性を有し、PH6.9の水道水及びPH6.7の食塩水等
の弱酸性水への1000時間浸漬試験結果ではSUS304,SUS40
3より若干優れている結果が得られた。

【００５０】（２）ノズル及びニードルより構成される
ニードルバルブの流水面上に、3〜6Wt％添加のSiC複合
溶接肉盛被覆層を設けることにより、従来材(マルテン
サイト系ステンレス鋼SUS403)に比べSiC複合溶接肉盛被
覆層は硬さで1.8〜2.2倍に硬くすることができ、耐土砂
摩耗性能も1.5〜2.2倍の性能を得ることができる。この
ことより主機(水車、発電機)のオーバーホールが10〜12
年の周期に対し、土砂摩耗により従来材のニードルバル
ブのみが著しく損傷し2〜4年ごとに交換が必要で、主機
のオーバーホールが12年に対し、ニードルバルブのみ3
年で交換となるため、3回の交換が必要となるものが、
本発明を採用することにより、2倍の耐土砂摩耗性能を
有するためニードルバルブは6年目で交換となり、従来
材では3回の交換に対しSiC複合溶接肉盛被覆層は1回の
みの交換となり2回の交換が不要となり、ニードルバルブ分解、交換、組立て工事費用×2回
(作業員5名×10日×2回)、ニードルバルブ2回分の製作費用、ニードルバルブ交換時は主機を約10日間停止する必要
があり、この間に発電できた電力等の経済効果、等の効果を得ることができる。

【００５１】（３）複合溶接肉盛被覆層を施工する母材
の線膨張係数を把握することにより、適宜材料の選択が
可能であってオーステナイト系SUS304母材では直接施工
が可能、またマルテンサイト系SUS403母材、炭素鋼(SS4
00)及び鋳鋼(SC410)の場合はオーステナイト系中間層を
設けることにより施工可能となる。複合溶接肉盛被覆層
は1〜2層の施工であり、ニードルバルブが大口径で母材
のステンレス鋼の材料入手が困難な場合でも炭素鋼もし
くは鋳鋼で対応が可能であり、母材選択の自由度が向上
する効果がある。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、オーステナイト系ステ
ンレス鋼の母材に複合溶接肉盛被覆層を施工することに
より、弱酸性水に対しステンレス鋼と同等以上の耐腐食
性と耐土砂摩耗性とが得られるため、主機の保守開放期
間が減少して経済効果を得ることができるとともに、炭
素鋼等の母材には緩衝中間肉盛層を設け、その表面に複
合溶接肉盛被覆層の施工が可能となるため母材が限定さ
れず、母材選択の自由度が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】水力発電縦軸ペルトン水車の平面図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】粉体プラズマアーク溶接機の溶接要領を説明す
る図である。

【図４】複合肉盛溶接被覆層のSiC添加量に変化による
線膨張係数と各種材料の線膨張係数との比較を示すグラ
フである。

【図５】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図６】図５の要部を示す図である。

【図７】SiC添加量に対する侵食量の変化を示すグラフ
である。

【図８】SiC添加量に対する硬さの変化を示すグラフで
ある。

【図９】複合肉盛溶接被覆層と従来材との耐損傷性を比
較するグラフである。

【図１０】複合肉盛溶接被覆層の溶接施工手順を示す図
である。

【符号の説明】

１バケット３ノズル３ａノズルチップ４ニードル４ａニードルチップ１４合わせ面３２複合溶接肉盛被覆層３０緩衝中間肉盛層

フロントページの続き (72)発明者岡浩二東京都千代田区内幸町１丁目１番３号東京電力株式会社内 (72)発明者芦沢康二東京都千代田区内幸町１丁目１番３号東京電力株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 Feを主成分とするフェライト＋パーライ
ト系又はマルテンサイト系組織の基材で形成したニード
ル及びノズルを備え、該ニードル及び該ノズルの流体と
接する合わせ面に耐摩耗性被覆層を施したニードルバル
ブにおいて、前記耐摩耗性被覆層を、オーステナイト系
合金と炭化物系セラミックスである炭化珪素との複合粉
末による複合溶接肉盛被覆層で形成して少なくとも前記
合わせ面に施工し、前記複合溶接肉盛被覆層と前記基材
との間に該複合溶接肉盛被覆層及び該基材より熱膨張係
数の大きいオーステナイト系合金粉末による緩衝中間肉
盛層を溶接したことを特徴とするニードルバルブ。
【請求項２】ニードルとノズルの基材は、それぞれビ
ッカ−ス硬さがHv300以下の炭素鋼及び低合金鋼並びに
少なくとも重量％でCr：10〜13％、Ni：0.1〜6％を含む
ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載のニ
ードルバルブ。
【請求項３】複合溶接肉盛被覆層は、重量％でC：0.1
5％以下、Si：1％以下、Mn：10％以下、Cr：16〜20％、
Ni：2〜15％を含み、又はこれにMo：3％以下、Co：10％
以下及びN：0.3％のうちの少なくとも１種を含有するオ
ーステナイト系合金に炭化珪素：3〜6％を混合した複合
粉末で溶接され、かつビッカ−ス硬さがHv350〜500であ
ることを特徴とする請求項１又は２記載のニードルバル
ブ。
【請求項４】緩衝中間肉盛層は、重量％でC：0.15％
以下、Si：1％以下、Mn：2％以下、Cr：18〜20％、Ni：
8〜13％、Mo：3％以下を含むオーステナイト系合金粉体
により溶接されていることを特徴とする請求項１、２又
は３記載のニードルバルブ。
【請求項５】複合溶接肉盛被覆層及び緩衝中間肉盛層
は、粒径10〜200μmの粉体によりそれぞれ厚さ5mm以下
の肉盛層でプラズマ溶接法により溶接されていることを
特徴とする請求項１、３又は４記載のニードルバルブ。
【請求項６】ニードルとノズルとを備え、該ニードル
及び該ノズルの間に流体と接する合わせ面を有するニー
ドルバルブにおいて、少なくとも前記ニードルとノズル
先端部の基材を、重量％でC：0.15％以下、Cr：16〜20
％、Ni：7〜15％を含むオーステナイト系ステンレス鋼
で形成し、少なくとも前記合わせ面に、それぞれ重量％
でC：0.15％以下、Si：1％以下、Mn：10％以下、Cr：16
〜20％、Ni：2〜15％を含み、又はこれにMo：3％以下、
Co：8％以下及びN：0.3％の少なくとも１種及び２種以
上を含有するオーステナイト系合金と炭化物系セラミッ
クスである炭化珪素：3〜6％を混合した複合粉末により
ビッカ−ス硬さがHv350〜500の複合溶接肉盛被覆層を粉
体プラズマ溶接により溶接したことを特徴とするニード
ルバルブ。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項記載のニー
ドルバルブを備えたことを特徴とするペルトン水車。