JPH0892704A

JPH0892704A - 高靭性１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼及び用途

Info

Publication number: JPH0892704A
Application number: JP16850995A
Authority: JP
Inventors: Masao Kawakami; 正夫川上; Fumio Sakamoto; 史緒坂本; Tsugio Fushimi; 次男伏見; Tsugio Yoshikawa; 次雄吉川; Kenichi Usami; 賢一宇佐美; Hiroshi Takayasu; 博高安; Tsutomu Konuma; 勉小沼; Makoto Karita; 誠苅田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1996-04-09

Abstract

(57)【要約】【構成】Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ１.０％以下，
Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０〜１４％，Ｎｉ４〜７％，
Ｍｏ０.２〜２.０％を含有し、(Ｃｒ／Ｎｉ）比が２.０
〜３.０又は(Ｃ／Ｍｏ）０.０１５〜０.１，１０００Ｃ
＋Ｃｒ＋３５Ｍｏの値が３０〜６０であるステンレス鋼
と、その表面に形成したＣ０.１〜０.３％，Ｓｉ１％以
下，Ｍｎ２％以下，Ｃｒ１６〜２３％，Ｎｉ１〜８％，
Ｃｏ２〜９％，Ｍｏ０.５〜５％，Ｎ０.０５〜０.２０
％，Ｖ０.５％以下，Ｔｉ０.５％以下，Ｎｂ０.５％以
下，Ｗ０.５％以下の少なくとも１種を含むオーステナ
イト鋼よりなる溶接肉盛層よりなり、４００ｍ以上の高
落差揚水発電プラント用ランナとして好適である。【効果】本発明の１３Ｃｒ５ｎｉ系ステンレス鋼は高強
度で高靭性を有し、耐壊食性に優れた流体機器が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は新規な１３Ｃｒ５Ｎｉス
テンレス鋼及びこの材料を用いた発電専用，揚水発電用
水車等に組み込まれる水車ランナ，案内羽根、及びポン
プ用インペラなどの流体機器並びに部材のキャビテーシ
ョンエロージョンを受ける部分に予め耐壊食性及び耐溶
接割れ性を有する溶接材料で補修肉盛した含Ｎｉ−１３
Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼製流体機器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】特公昭42−16870 号に示すように、１３
Ｃｒ５Ｎｉ鋼はマルテンサイト組織の中に約３０％のオ
ーステナイトを残留させた鋼であるため、マルテンサイ
ト鋼としての高強度にオーステナイト鋼の高靭性を兼ね
備えた鋼である。Ｎｉを含まない１３Ｃｒ鋼よりは、大
幅に溶接性が優れているが、焼きなましを施工しない溶
接のままでは、熱影響部が硬化し、母材よりも延性及び
靭性が低下するのは避けられなかった。

【０００３】また流体機器では、流量を増加して効率を
上げるため、機器本体の断面積が制約され、より高強度
かつ高靭性の材料が要求されてきた。靭性の優れたステ
ンレス鋼として、特開昭60−63357 号公報，特開昭60−
174859号などが知られている。

【０００４】河川水や海水等の流体中で高速回転及び高
速流水に曝される水車機器にはその局部的領域に振動，
騒音及び効率の低下を起こす原因となるキャビテーショ
ンを発生する。さらに、その部材表面はキャビテーショ
ン・エロージョンによる損傷（壊食）を受ける。そこ
で、特に大型機器となる水車ランナ材には、従来材に比
べ、耐壊食性及び強度特性が優れている含Ｎｉ−１３Ｃ
ｒ鋳鋼の使用が主流となっている。しかしながら、大型
化あるいは高速化等運転条件によって壊食による損傷を
受け、その補修技術が要望されている。

【０００５】一般に、これらの損傷を抑制する耐壊食性
溶接材料としては、ＪＩＳ：Z3251やＡＷＳ：Ａ５.１３
に規格化されているＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏ等を含むステラ
イトと呼ばれるＣｏ基合金が知られている。しかしなが
ら、この溶接材料はＣｏを多量に含むため高価であり、
かつ、その肉盛層はＣ含有量（０.９０〜３.００％）が
高く高硬度（ビッカース硬さ；４００〜５５０）を有す
るため、特に肉盛領域が広くなると溶接割れ感受性が高
くなるとともに、肉盛層表面の加工性に難が生ずる。そ
こで、溶接割れ感受性を考慮し、母材表面に中間層とし
てオーステナイト系溶接材料による肉盛層を設けた場合
でも、高温（５５０〜６５０℃）の予熱及び後熱処理が
施されている。

【０００６】従って、実機での狭い個所の補修溶接作業
においては作業者の安全性が阻害される問題も多く、作
業性ならびに経済的にも課題が残る。

【０００７】そこで、上記の理由等により、現在の水車
部材等の補修溶接には耐壊食性はＣｏ基合金系溶接材料
に比べ非常に劣るものの、予熱温度を低く抑え、かつ耐
溶接割れ性の優れた比較的安価なＪＩＳ：Ｚ３２５１や
ＡＷＳ：Ａ５.４に規格化されているＤ（Ｅ）−３０
８，Ｄ（Ｅ）−３０９やＤ（Ｅ）−３０９Ｍｏ等のオー
ステナイト系溶接材料が多く使用されている。

【０００８】肉盛溶接材料として、特公昭42−24813 号
公報，特開昭58−37162 号公報及び特公昭62−54863 号
公報が知られている。

【０００９】しかしながら、最近の大型化，高速化等の
流体機器の過酷な使用条件下における現用の補修用溶接
材料ではキャビテーション及び土砂による損傷に対し
て、十分な特性を発揮し得ない課題が多くなり、さら
に、海水等腐食環境下での使用も要望され、耐食性も加
味した耐壊食性・摩耗性材料の適用化が要求されてい
る。以上記述したように、水車等流体機械構成部材のキ
ャビテーション及び土砂による損傷を抑制する補修等表
面処理溶接肉盛材料としては、耐壊食性，耐食性並びに
溶接施工性が優れている特性を兼備するものが望まし
い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のいずれの公知例
においても高強度を示すものの高落差水力発電機の高応
力素材としては十分に高い靭性と高い耐溶接割れ性を有
するまでには至っていない。

【００１１】本発明の目的は、高強度高靭性を有する１
３Ｃｒ５Ｎｉ系マルテンサイトステンレス鋼及びそれを
用いた流体機器並びに超高落差ポンプ水車発電プラント
を提供するにある。

【００１２】更に、本発明の目的は、加工硬化性を向上
させるとともに、さらに耐食性，組織の安定化や微細化
等を図った耐壊食性，耐摩耗性並びに耐溶接割れ性の優
れたオーステナイト系溶接材料で肉盛層を形成させた流
体機器並びに超高落差ポンプ水車発電プラントを提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量で、Ｃ
０.００８〜０.０３％，Ｓｉ０.０５〜０.６％，Ｍｎ
０.１〜２.０％，Ｃｒ１０.０〜１４.０％，Ｎｉ４.０
〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含有し、（Ｃｒ
／Ｎｉ）比が２.０〜３.０又は（Ｃ／Ｍｏ）比が０.０
１５〜０.１又はＭｏ量が次式(1）〜(2）によって求め
られる値の範囲内、又は(3）式によって求められる値が
１.１以下、好ましくは０.７０以下、又は(4）式によっ
て求められる値が２８〜１０４、好ましくは３０〜６０
であることを特徴とする１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼
にある。

【００１４】(1）：０.５４−４×Ｃ（重量％） (2）：０.３２−４×Ｃ（重量％） (3）：２０×Ｃ（重量％）＋Ｓｉ（重量％） (4）：１０００×Ｃ（重量％）＋Ｃｒ（重量％）＋３０
×Ｍｏ（重量％）更に、本発明では室温での耐力が５００Ｎ／mm²以上又
は引張強さが６５０Ｎ／mm²以上，好ましくは７５０Ｎ
／mm²以上，伸び率１６％以上，好ましくは２５％以
上，絞り率４５％以上，好ましくは６０％以上；０℃で
の２mmＵノッチ衝撃値が１００Ｊ以上，好ましくは１４
０Ｊ以上及び破壊靭性が６０００Ｎ／mm³/²以上である
全焼戻マルテンサイト組織を有することを特徴とするス
テンレス鋳鋼にある。

【００１５】本発明におけるステンレス鋼は鋳鋼，鍛
造，圧延材のいずれでもよく、特に、鋳鋼品に好適であ
る。これらの鋳鋼品は、水車用ランナ，ガイドベーン等
に有効で、特に５００ｍ以上，好ましくは６００ｍ以上
の超高落差を有する揚水ポンプ水車発電プラントに有効
である。

【００１６】本発明は、重量で、Ｃ０.００８〜０.０３
％，Ｓｉ０.０５〜０.６％，Ｍｎ０.１〜２.０％，Ｃｒ
１０.０〜１４.０％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.
２〜２.０％を含有するステンレス鋼の溶湯を大気中溶
解後、該溶湯を真空取鍋精錬炉に注湯し、該精錬炉にて
所望時間減圧にて保持し前記溶湯の沸騰現象が鎮静化し
た後、炉底部より予めセットされた鋳型内に注湯するこ
とを特徴とする１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼部材の製
造方法にある。特に、水車用ランナの如き超大型鋳鋼品
においては少なくとも４個所の鋳込口より注湯するのが
好ましく、鋳型の下側より溶湯が供給され順次鋳型の上
部に満たされるようにする。鋳込口は製品の下部と真中
辺の中間点で注湯できるようにする。

【００１７】本発明は、高落差の導水管を通って運ばれ
る流水によって回転するランナを有する水車と前記ラン
ナの回転によって回る回転電機とを備えたポンプ水車発
電プラントにおいて、前記落差が４００ｍ以上、好まし
くは５００ｍ以上及び前記ランナの直径が５ｍ以上であ
ることを特徴とする超高落差ポンプ水車発電プラントに
ある。

【００１８】本発明は、耐力が６００Ｎ／mm²以上又は
引張強さが６５０Ｎ／mm²以上，伸び率２０％以上，絞
り率が５０％以上，０℃２mmＵノッチ衝撃値が１００Ｊ
以上及び破壊靭性が６０００Ｎ／mm³/²以上である全焼
戻マルテンサイト組織を有するステンレス鋼にある。特
に、引張強さが７５０Ｎ／mm²以上，２mmＵノッチ衝撃
値が１５０Ｊ以上とするものが好ましい。

【００１９】前記落差が４００〜６００ｍに対しては、
前記ランナが室温での耐力が500Ｎ／mm²以上又は引張強
さが６５０Ｎ／mm²以上，伸び率１６％以上，好ましく
は２０％以上及び絞り率４５％以上；０℃での２mmＵノ
ッチ衝撃値１００Ｊ以上，破壊靭性５８００Ｎ／mm³/²
以上である１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼が好ましい。

【００２０】更に、前記落差が６００ｍを越え８００ｍ
以下に対しては、前記ランナが室温での耐力が５３０Ｎ
／mm²以上，引張強さが７００Ｎ／mm²以上，伸び率２０
％以上及び絞り率５０％以上；０℃での２mmＵノッチ衝
撃値１００Ｊ以上及び破壊靭性６６００Ｎ／mm³/²以上
である１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼を用いることが好
ましい。

【００２１】また、前記落差が８００ｍを越えるものに
対しては、前記ランナが室温での耐力が５６０Ｎ／mm²
以上又は引張強さが７５０Ｎ／mm²以上，伸び率２０％
以上及び絞り率５０％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃
値１００Ｊ以上，好ましくは１７０Ｊ以上及び破壊靭性
６０００，好ましくは７４００Ｎ／mm³/²以上である１
３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼が好ましい。

【００２２】本発明における発電プラントはランナをポ
ンプとして用いる揚水発電にもなる。

【００２３】更に、本発明は、河川水や海水中の流体中
で高速回転又は高速流の液体中でキャビテーションによ
る壊食を受ける流体機器において、該機器は重量でＣ：
0.01〜０.０６％，Ｎｉ：６.０％以下及びＣｒ：１０〜
１４％を含む１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼か
らなり、該機器部材の表面部分に、重量でＣ：0.10〜
０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｃｒ：
１６.００〜２３.００％,Ｎｉ：１.００〜８.００％，
Ｃｏ：２.００〜９.００％で、かつＮｉ＋Ｃｏを６.０
０〜１２.００％を含有し、前記Ｎｉ量を〔１０−４０
×Ｃ（重量％）〕より求められる値以上とするオーステ
ナイト鋼の溶接肉盛層を形成させるものである。

【００２４】また、耐食性も要求される場合には、前記
の溶接肉盛層に、さらにＭｏ：0.50〜５.００％，Ｎ：
０.０５〜０.２０％の少なくとも１種、特にＭｏを含む
のがよい。

【００２５】さらに、溶接金属の延性向上や組織微細化
を図るために、前記の溶接肉盛層が、Ｖ：０.５０％以
下，Ｔｉ：０.５０％以下，Ｎｂ：０.５０％以下，Ｗ：
0.50％以下の少なくとも１種を含み、その合計量が０.
１０〜０.５０％を含むのがよい。

【００２６】一方、本発明の溶接肉盛層の形成は、棒
状，粉体を用いて形成することができる。

【００２７】本発明は、液体中で高速回転又は高速流の
液体中でキャビテーションによる壊食を受ける流体機器
において、該機器は重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，
Ｓｉ１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜
１４.０％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０
％を含有する高靭性１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼から
なり、該機器部材の表面部分に、重量で、Ｃ：０.１０
〜０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｃ
ｒ：１６.００〜２３.００％，Ｎｉ：１.００〜8.00
％，Ｃｏ：２.００〜９.００％で、かつＮｉ＋Ｃｏを
６.００〜１２.００％を含有するオーステナイト鋼の溶
接肉盛層を形成させたことを特徴とする流体機器にあ
る。

【００２８】本発明は、高落差の導水管を通って運ばれ
る流水によって回転するランナを有する水車と前記ラン
ナの回転によって回る回転電機とを備えたポンプ水車発
電プラントにおいて、前記落差が４００ｍ以上及び前記
ランナの直径が５ｍ以上であり、前記ランナは、重量
で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ１.０％以下，Ｍｎ
２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.０％，Ｎｉ４.０〜
７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含有するステンレス
鋳鋼よりなり、前記ランナの壊食を受ける部材の表面部
分に、重量で、Ｃ：０.１０〜０.３０％，Ｓｉ：１％以
下，Ｍｎ：２％以下，Ｃｒ：１６.００〜２３.００％，
Ｎｉ：１.００〜８.００％，Ｃｏ：2.00〜９.００％
で、かつＮｉ＋Ｃｏを６.００〜１２.００％を含有する
オーステナイト鋼の溶接肉盛層が形成されていることを
特徴とする超高落差ポンプ水車発電プラントにある。

【００２９】

【作用】

(1）本発明における母材の組成に対する限定理由は次の
通りである。

【００３０】炭素を０.０３％以下に低くすることによ
りクロムの消耗がなく、耐食性を低下しない。また粒界
が清浄となるため、延性，衝撃特性，破壊靭性，疲労強
度が向上する。

【００３１】高合金鋼で炭素を低減するためには、真空
取鍋精錬が必要である。真空取鍋精錬により、容易に炭
素を０.０３％以下に低くできる。鋳型またはインゴッ
トへ鋳込むまで溶湯に接する取鍋のライニングなどは低
炭素材料を使用する必要がある。酸化精錬後の合金添加
も低炭素材料でなければならない。できるだけ大気にさ
らさないようにするため、鋳鋼品の製造においては、溶
湯を取鍋精錬炉より鋳込み用取鍋に移し替えず、取鍋精
錬炉より鋳型に直接鋳込む方がよい。このためには鋳込
に必要な取鍋の数だけ、精錬前から溶湯を分割し、個別
に取鍋精錬し、そのまま鋳込むことが必要である。

【００３２】Ｃは、熱処理時の焼入れ性を高めるととも
に、マルテンサイト化による強じん性を高めるのに必要
な元素で、合金中に０.００８〜０.０３％含まれる。0.
008％未満では上記効果が乏しく、０.０３％を越える
と靭性が低下し、補修等の溶接性が改善されない。特
に、０.０１０〜０.０２０％が好ましい。

【００３３】Ｓｉは、溶接時のブローホール欠陥の低減
のために添加されるもので、１.０％を越えて添加する
とδフェライトの生成原因となり、靭性を害する。０.
０５％未満では溶接時十分な脱酸が行われないためブロ
ーホール欠陥が低減されない。特に、０.２５〜０.６０
％が好ましい。

【００３４】Ｍｎは、本発明において特に重要であり、
Ｓｉとともに脱酸剤として作用するのみならず、Ｓと結
合してＭｎＳとなり溶鋼中に含まれるＳの安定化を図る
ことができ、よってＳの偏析を防止する。さらに、後述
するＮｉと同様に熱処理後のマルテンサイトの強度とじ
ん性を向上させるものであり、０.１％未満では上記効
果が乏しく、２％を越えると残留オーステナイト量の増
加を招き、強度を低下させる。特に０.２５％以上、よ
り０.５〜０.８％が好ましい。

【００３５】Ｎｉは、オーステナイトをマルテンサイト
中に安定して存在させるのに必要なものである。また焼
入性を向上させ、熱処理後の強度および靭性を高めるの
に必要であるとともに、溶接性をも高める。添加量が
４.０％未満では上記効果が乏しく、７％を越えると高
温割れが発生しやすくなり、しかも残留オーステナイト
の増加により強度が低下してしまう。特に、４.８〜５.
８％が好ましい。

【００３６】Ｃｒは、耐食性を向上させるとともにマル
テンサイト基地を得るために必要な成分であり、１０〜
１４％添加される。１０％未満では耐食性が劣り、１４
％を越えると基地中に多量のδフェライトが生成し、靭
性が低下する。特に、１１％以上、より１２〜１４％が
好ましい。

【００３７】Ｍｏは、耐食性およびマルテンサイトの強
度を向上させ、熱処理時の脆化を防止するのに有効な成
分である。海水などの腐食環境では２％以下含有され
る。厚肉鋳鋼品の脆化防止のためには２.０％以下含有
される。添加量が０.２％以下では上記効果が若干低下
するので、０.２％以上とすべきであり、また２.０％を
越えると靭性の低下を招く恐れがあるので、２.０％以
下とする。特に０.３５〜０.６％が好ましいが、より
０.４〜０.５％が好ましい。

【００３８】Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｅの強力な脱酸剤を加える
ことが好ましい。これらはいずれも同様の作用を有する
もので、強力な脱酸剤としての効果を有するとともに脱
酸剤としても作用する。特に脱酸剤としての効果を期待
するもので、これらの成分のうち１種類を単独で添加す
ることもできるし、２種類以上を複合して添加すること
もできる。この場合の合計添加計は０.００５〜０.０３
％が好ましい。Ｐは０.０２５％以下，Ｓは０.０１５％
以下が好ましい。

【００３９】更に、本発明材はＮｂ，Ｖ，Ｗ，Ｔｉ，Ｈ
ｆ，Ｚｒの強力な炭化物形成元素を１種又は２種以上を
合計で０.２％以下含有させることができる。下限は0.
02％とするのが好ましい。

【００４０】本発明の１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼は
鍛鋼，鋳鋼，圧延材のいずれでも使用することができる
が、特に鋳鋼において効果が発揮されるものである。

【００４１】本発明における特定の合金組成として、
(4）式によって求められる強化指数を２８〜１０４，好
ましくは３０〜６０とすることが好ましく、特に２８〜
６０，好ましくは３５〜５０とするのが好ましい。より
４０〜４５とするのが好ましい。

【００４２】(4）式：１０００×Ｃ（重量％）＋Ｃｒ
（重量％）＋３０×Ｍｏ（重量％）このような値とすることにより、低Ｃとしたときの強度
と靭性とがともに高いものが得られる。

【００４３】更に本発明は（Ｃｒ／Ｎｉ）比が２.０〜
３.０又は（Ｃ／Ｍｏ）の含有量（重量）の比を０.０１
５〜０.１とするのが好ましい。このような含有量とす
ることにより高強度で靭性の高いものが得られる。特
に、０.０２５〜０.０４５とするのが好ましい。

【００４４】また、本発明はＭｏ量が(1）式と(2）式と
によって求められる値の範囲内の含有量（重量％）とす
ることにより高強度で高靭性が得られる。

【００４５】(1）式：０.５５−４×Ｃ（重量％） (2）式：０.３２−４×Ｃ（重量％）また、本発明は(3）式によって求められる値と１.１以
下，好ましくは０.７０以下，より好ましくは０.２５〜
１.１、特に０.４５〜１.０，より０.３〜０.６とする
ことにより高強度高靭性の１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス
鋼が得られる。

【００４６】 (3）式：２０×Ｃ（重量％）＋Ｓｉ（重量％）本発明は、４００ｍ以上の超高落差の揚水発電用ポンプ
ランナに特に有効であるが、ペルトン水車，立軸又は横
軸フランシス水車，斜流ポンプ水車，カプラン水車にも
適用可能である。これらのランナ，ガイドベーン等にお
いて有効である。これらのランナとして特に直径で５ｍ
以上において有用である。

【００４７】本発明におけるステンレス鋼を用いた流体
機器用部材のキャビテーション・エロージョンを受ける
部分の表面にその母材よりも耐壊食性の高い材料からな
る肉盛溶接層を形成することができ、それによって機器
の寿命を向上させることができる。その肉盛溶接層とし
て前述の組成の鋼を用いることができ、最も好ましいも
のである。

【００４８】(2）次に、本発明で用いる溶接肉盛層を構
成する成分の限定理由について述べる。

【００４９】Ｃはオーステナイトの生成元素であるが、
材料の強度及び硬さを増し耐壊食性の向上に有効な元素
である。しかし、その量が０.１０％以下の場合は、溶
接性は向上するものの、本発明組成範囲では、オーステ
ナイト相中にマルテンサイト相が生成し、耐壊食性改善
に有効な誘起マルテンサイト相の生成による硬化領域が
局部的となり効果が少ない。一方、０.３０％を越える
と、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ量とのバランスもあるが、耐壊食
性は向上するものの延性が著しく低下し、溶接高温割れ
の発生が著しくなる。このため、耐壊食性並びに溶接性
を考慮すると、好ましくは０.１０〜０.３０％、特に
０.１５〜０.２６％が望ましい。

【００５０】Ｓｉはフェライト生成元素であるが、通常
合金の溶解及び溶接時の脱酸のため１％以下で添加され
る。過度の添加は材料の靱性を低下するため、本発明で
のＳｉ量は通常のオーステナイト系合金に含まれる１％
以下に限定する。特に、０.２〜０.６％が好ましい。

【００５１】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、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。従って、本
発明によるＭｎ量は２％以下に限定する。特に、０.３
〜１.５％が好ましい。

【００５２】ＮｉとＣｏは本発明の耐壊食性の優れた溶
接材料を提供する重要なポイントとなる元素である。Ｎ
ｉはオーステナイト生成元素であり、Ｃｒと共存するこ
とによりマトリックスをオーステナイト相にして強度，
延性並びに靱性を向上させる。本発明の特徴は、キャビ
テーション破壊時の衝撃圧により、過度に不安定なオー
ステナイト組織を加工誘起マルテンサイトに変化させ、
特に耐壊食性を向上させることにある。従って、Ｎｉの
添加量はＣ及びＣｏの添加量と密接な関連を有するもの
の、耐壊食性にとって重要な意味を有する。そのために
は、Ｎｉ量を低く押さえることが望ましいが、オーステ
ナイト組織を保持するためにはＣｏの添加量を増加させ
る必要があり、その総和（Ｎｉ＋Ｃｏ）は重量で６〜１
２％とするのが良い。最適には８〜１１％が良い。

【００５３】すなわち、Ｎｉの添加は１〜８％までが良
く、残りはＣｏで代用することにより耐壊食性が向上す
る。しかし、ＮｉとＣｏの複合比率において、Ｎｉ量が
多い場合は耐壊食性を考慮するとＣ量を０.１５以下で
は良好な特性が得られない。Ｃｏは比較的弱いオーステ
ナイト生成元素であり、その生成能力はＮｉの１／３で
ある。このため、ＮｉとＣｏの複合比率において、Ｎｉ
量が少ない場合は必然的にＣｏとＣ量を増加させる必要
がある。このＣｏとＣ量の増加が耐壊食性向上に有効に
作用する。しかしながら、Ｃ量は溶接割れの観点から、
０.３０％以下とすべきである。そのためのＣｏ量は２
％以上必要であり、９％以上添加しても耐壊食性を向上
する効果が小さい。特に、Ｎｉは２.０〜６.０％，Ｃｏ
は５〜８.０％が良い。

【００５４】Ｃｒはフェライト生成元素であるが、河川
水及び海水中における耐食性向上に有効であるととも
に、Ｎｉと共存し少量のフェライトを含むオーステナイ
ト組織を形成する。１６％以下ではオーステナイト相中
にマルテンサイトを生成するとともに、２３％以上では
フェライト量が増加し、延性，耐壊食性及び溶接性を劣
化させる。好ましくは１７〜２１％であるが、流体が海
水等の腐食性が強い場合は耐食性を考慮し１９〜２２％
とすることが望ましい。

【００５５】Ｍｏは耐食性を改善するほか、肉盛層の生
地を強化し耐壊食性の改善に効果がある。本発明での主
のＭｏ添加は、特に腐食性の高い海水等を流水として使
用する機器部材の耐壊食性を付与する場合の補修材料に
含ませることにある。しかし、０.５％以下では効果が
少なく、５％以上添加するとδフェライトを多量に生成
し溶接性に影響を及ぼす。そのため、本発明では耐食性
を考慮し、０.５０〜５.００％に限定した。好ましく
は２.０〜３.０％が望ましい。

【００５６】Ｎはオーステナイト相を安定にするととも
に、強度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、本発明における添加は主に、ＣｒやＭ
ｏの合計量が２１〜２５％以上となり、溶接性に影響す
るフェライトの生成を抑制するためである。過剰に添加
すると窒化物を形成し、靱性や耐食性に影響を及ぼすた
め０.０５〜０.２０％の範囲に限定した。

【００５７】Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｗはともに炭化物形成元
素であるが、０.８％以下の添加は延性を向上させる。
従って、本発明では肉盛材の耐壊食性や溶接性に影響を
及ぼさない程度の少量添加により、肉盛材の延性向上を
図るためである。

【００５８】しかし、各元素とも、顕著な効果を示すの
は０.２％〜０.５％の範囲で、1.0％以上では延性及び
溶接性に影響を及ぼす。そこで、本発明では、各元素の
単独添加量を０.５０％以下と限定した。しかし、元素
の単独添加でも十分その機能を発揮するが、各元素とも
ほぼ同じ作用を有するため、複合添加も考慮し、Ｖ＋Ｔ
ｉ＋Ｎｂ＋Ｗの合計量も０.２０〜０.５０％の範囲に限
定した。

【００５９】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，靱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。

【００６０】さらに、本発明では、肉盛層の延性を高め
るためにＣａ，Ｍｇ，希土類元素，Ｙ等の酸化剤を加え
ることができる。それらの１種又は２種の含有量は０.
５％以下とすることが好ましい。

【００６１】本発明においては、ＣとＮｉ量とは密接な
関係があり、Ｎｉ量をＣ量に添って加える必要があり、
Ｎｉを〔１０−４０×Ｃ（重量％）〕の式によって求め
られる値以上に含有させるものであり特に、｛７０×Ｃ
（重量％）＋Ｎｉ(重量％)｝の式によって求められる値
を１５〜２５とするのが好ましい。Ｃｏ量が２〜４％で
は２０〜２５とするのが好ましい。また、Ｎｉ量の上限
を前述の式によって求められる値に４を加えた値にする
のが好ましい。

【００６２】更に、ＮｉはＣｒと密接な関係があり、次
の式によって求められる値以上とし、上限としてこの値
に３.５を加えたものとするのが好ましい。

【００６３】Ｃｒ＝２０.５−０.５５Ｎｉ（重量％）また、ＣはＣｒとも密接な関係があり、次式によって求
めらる値以上とし、上限をこの値に０.１１を加えた値
とするのが好ましい。

【００６４】Ｃ＝０.０２８２Ｃｒ（重量％）−０.３６４次に、肉盛層厚さを３〜２０mmの範囲とするのが好まし
い。

【００６５】母材との希釈率は溶接棒による被覆アーク
溶接法やロッドによるＴＩＧ溶接法が約３０〜３５％、
粉体を用いるプラズマアーク溶接法が約５〜７％であ
る。従って、粉体を用いるプラズマアーク溶接法の場合
は１層盛３mmの肉盛層でもその肉盛材の特性が得られ
る。しかし、被覆アークやＴＩＧ溶接法の場合は母材と
の希釈率が高いため、１層盛３mmの肉盛層ではその特性
を十分満足せず、それ以上の肉盛厚さが必要となる。

【００６６】しかしながら、肉盛層が２０mm以上となる
と６層盛を超える重ね盛となり、母材や肉盛層への加熱
・冷却の熱履歴を繰り返すことになり、肉盛部の強度特
性等に悪影響を及ぼす因子となる。このようなことよ
り、損傷部の深さにもよるが、肉盛層は１〜６層盛とな
る３〜２０mmに限定した。好ましくは、粉体プラズマア
ーク溶接法は表面仕上加工による切削量を含め３〜８mm
（１〜３層盛）、被覆アークやＴＩＧ溶接法は６〜１５
mm（２〜５層盛）である。

【００６７】本発明における流体機器用部材として、Ｃ
０.０１〜０.０６％，Ｓｉ１％以下，Ｍｎ２％以下，Ｎ
ｉ６％以下，Ｃｒ１０〜１４％，Ｍｏ０.０５〜０.５％
を含有する１３Ｃｒ５Ｎｉ鋳鋼又は鍛鋼からなるものが
好ましい。Ｎｉ量は４〜６％が好ましい。熱処理は焼な
らし焼戻し材のフェライト１０％以下を含むマルテンサ
イト組織が好ましい。

【００６８】

【実施例】

実施例１表１は従来の１３Ｃｒ５Ｎｉ鋼と本発明の低炭素である
供試材の化学成分（重量％）を示すものである。従来の
１３Ｃｒ５Ｎｉ鋼及び本発明の低炭素材の供試材とも真
空取鍋精錬を実施し、その溶湯を直接鋳型に鋳湯したも
のである。得られた鋳物を熱処理として、９８０℃×１
８ｈの焼ならし、６００℃×１８ｈの焼戻しを行った。
破壊靭性は試験片に初期亀裂を入れ、荷重と亀裂進展長
さより求めた。溶接性は拘束割れが発生しやすいリーハ
イ型拘束試験片を用いて溶接し、断面の割れ長さを測定
した。水中疲労強度は水道水中での回転曲げ疲労試験よ
り求めた。

【００６９】

【表１】

【００７０】従来材と本発明の低炭素材の金属組織を観
察した結果、従来材では粒界に黒い線状のクロム炭化物
の析出が認められたが、本発明の低炭素材では認められ
ず、焼戻マルテンサイト組成であった。

【００７１】図１は溶接のままの硬さ分布を示す線図で
ある。従来材ではＨＢ（ブリネル硬さ）で最高375,300
以上の熱影響部の範囲が６.３mm と硬化している。また
母材との境界近くの溶着金属においても、溶接材料と母
材の炭素の稀釈のため硬化している。一方本発明の低炭
素材では最高硬さが３３３と低く、ＨＢ３００以上の範
囲も２.２mm と狭いので、溶接継手性能への影響は少な
い。

【００７２】図２は拘束割れ試験の結果を示す線図であ
る。従来材では予熱温度が１０℃での溶接で断面の１１
％の長さの割れが発生しているが、本発明の低炭素材で
は０℃での溶接でも割れは発生しなかった。

【００７３】図３は水中疲労試験の結果を示す線図であ
る。従来材に比較して、本発明の低炭素材は約３０Ｎ／
mm²高い疲労限を示す。本発明材は１０⁸回のくり返し応
力に対する疲労強度が２９１Ｎ／mm²と高い値である。

【００７４】図４及び図５は炭素量と機械的性質との関
係を示す線図である。実験室で大気溶解したものであ
り、真空取鍋精錬した材料よりは延性及び靭性の絶対値
が低い。図４に示すように引張強さは炭素量が０.０３
％以下でその含有量が低くなるに従って低下するが、
耐力には大きな変化はない。硬さは炭素量の減少ととも
に低下する。図５に示すように伸び及び吸収エネルギー
は炭素量が０.０３％以下より向上する。絞りは大きな
変化はない。従って炭素量を０.０３％以下にすること
により、耐力を損なわずに、靭性を向上することができ
る。また靭性とある程度の引張強さが必要な場合は炭素
量の下限を０.０１％とするとよい。

【００７５】表２は真空取鍋精錬を実施した従来材と本
発明材の各種特性を示すものである。本実施例によれば
以下の特性が得られる。

【００７６】(1）衝撃特性は約４０％、破壊靭性は約６
０％増加するため、信頼性を損なわず、機器を薄肉化
し、効率向上を可能とした。万一応力集中部に割れが発
生した場合でも、破壊靭性値が良好なため、割れの進展
は止まり、修理不可能な状態までの脆性破壊は避けられ
る。

【００７７】(2）流体機器では長年の使用により、キャ
ビテーションが発生し、溶接補修が必要となるが、溶接
性を改善できたため、機器の寿命を半永久的とした。

【００７８】(3）ステンレス鋼ではクロム炭化物が析出
しやすく、耐食性を低下させるが、炭素を０.０３％以
下に低くすることにより炭化物の生成，粒界への析出が
防止できる。

【００７９】本発明鋼は、（Ｃｒ／Ｎｉ）比が２.７
１，(Ｃ／Ｍｏ）比が０.０３，(２０Ｃ＋Ｓｉ）にて求
められる値が０,５１，(１０００Ｃ＋Ｃｒ＋３５Ｍｏ）
にて求められる値が４１.８６である。

【００８０】

【表２】

【００８１】図６は前述の合金組成を有するものを真空
取鍋精錬法によって製造したポンプ水車用のランナの断
面図である。本ランナはベーン１，クラウン２及びシュ
ラウドリング３によって構成される。直径は約５.５ｍ
，総重量約５０ｔである。鋳造，砂落し後、前述した
熱処理を行った。焼ならし後衝風冷却し、焼戻を行い、
焼戻しマルテンサイト組織とした。磁粉，浸透及び超音
波探傷によって検査し、その結果欠陥があった場合は除
去し、共金の被覆アーク溶接棒等によって溶接補修を行
う。本発明における溶接補修は低Ｃ材であるため予熱な
しで行うことができた。溶接補修後、焼なましを行っ
た。と同様の熱処理を施し、全焼戻マルテンサイト組織
とした。焼ならしは強制空冷によって行った。鋳込みは
シュラウドリング部４ケ所に堰，湯道を設け行った。

【００８２】本実施例におけるランナのベーン１の入口
幅はランナ直径に対し０.１１であり、この幅はランナ
直径に対し０.０９５〜０.１２とするのが好ましい。更
に、ベーン１の出口幅は入口幅の２.１倍で、１.８５
〜２.３倍とするのが好ましい。尚ベーン１の出口幅は
直線の長さで表わしたものである。

【００８３】ベーン１の長さはランナ１の直径に対して
ベーンの上部で０.３７倍で、0.3〜０.４倍とするのが
好ましく、ベーンの下部で０.２１倍で１.８〜２.３倍
とするのが好ましい。

【００８４】本実施例における真空取鍋精錬は以下の手
順によって行った。

【００８５】図７は本実施例で用いた真空取鍋精錬装置
の断面図である。

【００８６】取鍋２１は、底部に不活性ガスの吹込み口
２０及びスライデングノズルである溶湯注出口３３ａ，
３３ｂを有している。不活性ガス吹込み口は取鍋の側壁
に設けてもよいが、溶湯の撹拌効果を高めるにはやはり
取鍋の底部に設けた方がよい。

【００８７】２５は不活性ガスを供給する配管である。

【００８８】取鍋蓋２２は取鍋２１の側面でシール機構
（図示なし）によって気密が保たれるとともに、真空排
気手段に接続される配管２３が取りつけられている。さ
らに黒鉛製非消耗電極２４を通す孔が設けられている。

【００８９】取鍋内に大気が混入するのを防ぐために、
黒鉛製電極の上部に金属からなる補助電極６を接続す
る。補助電極の材料としては銅が用いられる。補助電極
は数百度の温度に加熱されるのに水冷構造にする。符号
２７は、補助電極を冷却する水の給水管を示し、３５は
排水管である。８は溶湯、９はスラグである。

【００９０】取鍋蓋上に突出した黒鉛製非消耗電極の周
囲を覆うシール機構は、補助電極２６と取鍋蓋２２との
間に設けられる。シール機構は、補助電極に固定された
上部筒３０と取鍋蓋に固定された下部筒３１を有する。
上部筒３０は非消耗電極の昇降に伴って移動するように
構成されている。黒鉛電極は多孔質であるので、全体を
金属で覆うことにより全く大気にはさらされず、装置全
体を高い気密性に保つことができる。

【００９１】上部筒３０は下部筒３１の外筒に接して摺
動する部分には、そこから大気が混入したりしないよう
にするためにパッキンを設けてある。

【００９２】先ず、大気溶解によって目標成分に近い溶
湯を溶解し、本実施例に示す取鍋にて精錬を行った。

【００９３】精錬用取鍋に移したときの溶湯の温度は約
１７５０℃である。溶湯中に過剰酸素を含ませるため
に、ランスパイプを用いて約２Ｎｍ³／ｔの酸素ガスを
吹き込んだ。次に真空排気を開始し、溶湯の沸騰を約１
５〜２０分続ける。この間真空度は１mmＨｇに達する。
溶湯が鎮静化した後も真空排気を続け、１mmＨｇ以下に
１０分間保持した。この時点で溶湯の炭素量は０.００
５％、酸素量は１５４ppm、窒素量は１０３ppm まで低
下した。この後、フラックスとしてＣａＯ，ＣａＦ，還
元剤としてＡｌ，ＦｅＳｉを添加した。この後、アーク
加熱により温度調整、及び合金添加により化学成分の調
整を行った。

【００９４】精錬終了後の溶湯の成分組成は表１に示す
通りである。

【００９５】以上の手順で精錬を行った溶湯を取鍋に入
れたままランナ鋳型の上部にクレーンで吊ってセット
し、溶湯注出口３３ａ，３３ｂより同時に鋳型内に注湯
した。本実施例では真空取鍋精錬装置を２台用いて各々
２個所の溶湯注出口よりシュラウドリング３の上部と下
部外周に互いに直径延長線上より鋳型に注湯した。鋳型
は砂型である。

【００９６】図８は本実施例で製造したランナ１２を用
いた４００〜１０００ｍ級高落差ポンプ水車発電機の全
体図である。ランナ１２は主軸８によって吊られてお
り、上部軸受４及び主軸受９によって支えられている。
ランナ１２の回転によって発電機５が回転され、発電さ
れる。発電機は回転子６及び固定子７によって構成され
る。ランナ１２への水はスパイラルケーシングにより導
入され、高落差により高流速で流れる水はランナ１２に
入り、回転させる。夜間の電力を使って水をくみ上げる
場合は、発電機５はポンプの動力として使用される。ラ
ンナ１２から出た水は排水ダクト１８を通して貯水池に
送られる。

【００９７】図９は図８における水車ランナ部分の詳細
部分断面図である。図に示すようにランナ１２に効率的
に水を送るにはガイドベーン１３が設けられる。ガイド
ベーン１３は本願実施例ではランナ材に用いた材料と同
じものが用いることができ、前述と同様に取鍋精錬によ
ってシャフト１９と一体に製造される。熱処理はランナ
と同じ熱処理が施され、全焼戻マルテンサイト組織とす
る。ガイドベーン１３はガイドベーンレバー１４，ガイ
ドベーンリンク１８及びガイドリング１６を通して駆動
される。ケーシング１１は鋼板を用いて溶接によって体
に組立てられる。ブッシュ１５には無給油軸受材を用い
ることができる。ガイドベーンレバー１４は鋳鋼が用い
られる。

【００９８】実施例２表３はNo.１０の５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼母材に肉盛溶接
した本発明で用いる被覆アーク溶着金属と、比較材の化
学組成（重量％）と磁歪振動式試験装置で得られた壊食
量及びビッカース硬さを示す。No.１〜No.７は本発明で
用いる肉盛材で、溶接棒は４φで被覆剤はライム・チタ
ニア型である。溶着金属の成分のうち、Ｃ，Ｓｉ，Ｍ
ｎ，Ｎｉ及びＣｒの一部は溶接棒芯棒から添加し、他は
被覆剤より添加した。No.８〜No.１０は比較材で、No.
８とNo.９が棒径４φの市販溶接材料Ｄ−３０８とＤ−
３０９Ｍｏ、No.１０が現用の水車ランナ材として用い
られている５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼である。なお、肉盛溶
接は予熱及び層間温度を１５０℃、溶接電流１４０〜１
５０Ａ，電圧２３Ｖ，溶着速度約１kg／ｈで３層盛（肉
盛層；約１０mm）した。なお、壊食試験及び硬さ試験は
肉盛表面層を２mm切削した面で行った。

【００９９】

【表３】

【０１００】表３より、本発明で用いる肉盛材は、従来
より補修溶接材料として用いられている比較材（No.８
とNo.９）に比べ、硬さが高く、かつ、壊食量も少なく
なっている。すなわち、耐壊食性は比較材（No.８とNo.
９）の約７〜１０倍と向上している。また、表１より、
本発明における耐壊食性強化を図るための代表鋼種(５
Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼；比較材No.１０）と比べても、約
６〜１０倍の耐壊食性を有している。

【０１０１】表４は本発明鋼の組成に関する各種式によ
って求められる数値を示すものである。

【０１０２】

【表４】

【０１０３】なお、本発明で用いる肉盛材及び比較材と
も、試験前後の肉盛表面層には溶接割れ等の異常は認め
られなかった。なお、この傾向はＴＩＧ溶接棒及び粉体
による肉盛層も同じ傾向を示した。

【０１０４】表５に、壊食試験前後の表面硬さにより求
めた加工硬化指数（試験後の硬さ／試験前の硬さ）を示
す。本発明で用いる肉盛材は比較材に比べ、大きな加工
硬化指数を有している。

【０１０５】

【表５】

【０１０６】図１０は、本発明による溶接肉盛層が適用
される流体機器、特に、フランシス水車の断面図を示
す。水車の主要部は動翼であるランナから構成され、ラ
ンナ本体はクラウン２，シュラウドリング３との間に複
数のベーン１が形成され、ベーン１に流水を導くランナ
コーン１０４を有している。ベーン１の外側にはガイド
ベーン１３とステーベーン１０６とが設けられ、ランナ
にはランナライナ１０７及びガイドベーン１３にはシー
トライナ１０８が付設されている。

【０１０７】図１１は図１０に示したベーン１の流水部
への施工断面を示す。このベーン１は溶解・鋳造によっ
て得られた表３に示すNo.１０のマルテンサイトステン
レス鋼の５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋳鋼９によって構成されてい
る。この羽根表面の流水面で損傷を受ける部分に、オー
ステナイト組織を持ち、特に、重量で、Ｃ：０.１０〜
０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｃｒ：
１６.００〜２３.００％，Ｎｉ：１.００〜８.００％，
Ｃｏ：２.００〜９.００％，Ｍｏ：０.５０〜５.００％
及びＮ：０.０５〜０.２０％を含み、残部がＦｅ及び
同伴する不純物からなる溶接肉盛層１０を被覆アーク溶
接により形成させるものであるが、特にNo.４の組成に
ついて前述と同様の厚さで、流水の反作用面側に肉盛溶
接層を形成させた。

【０１０８】なお、本発明の組成を有する肉盛層は被覆
アーク溶接棒による方法のほか、ＴＩＧ溶接法並びに粉
体溶接法等の表面処理技術で形成されても、同じような
優れた特性が得られているため、いろいろな表面処理に
よる形成が可能である。なお、図１１は母材表面へ直接
肉盛層を形成させた場合を示したが、条件により母材と
肉盛層の間に中間層を設けても良い。

【０１０９】実施例３図１２は本発明による合金粉体を用いてベーン１の出口
側反作用面に肉盛層を形成させた施工位置と断面の概要
図及び図１３に図１２のＡ−Ａ断面図を示す。このベー
ン１の母材１０９は、実施例１による溶解・鋳造によっ
て得られる残留オーステナイト相を含む表１に示す低Ｃ
材のマルテンサイト系ステンレス鋼の５Ｎｉ−１３Ｃｒ
鋳鋼によって構成されている。この羽根の流水面である
出口側反作用面に図１３に示した領域(約６００mm×６
５０mmの面積）に、表３のNo.３に示した合金組成鋼を
アトマイズ法によって粒径１００〜１５０μｍの範囲に
製作した粉体、すなわち、重量で、Ｃ：０.２９％，Ｓ
ｉ：０.３１％，Ｍｎ：1.25％，Ｎｉ：２.２５％，Ｃ
ｒ：２２.４４％，Ｃｏ：６.１２％及びＭｏ：０.５１
％を含み、残部がＦｅ及び同伴する不純物から成る粉体
による溶接肉盛層１０をプラズマ溶接により１層（３m
m）の肉盛層を形成した。溶接後、肉盛層表面を約１mm
切削除去する平滑仕上げ加工を行った。なお、本溶接は
母材の予熱温度を常温（５０℃以下）とし、溶接後は５
７０〜５９０で後熱処理を施した。

【０１１０】この水車を実際に運転したところ、本発明
による肉盛層は優れた耐キャビテーション・エロージョ
ン（耐壊食性）を有し、従来材に比べ、その補修期間等
の延長が図れ、経済的にも効果的であることが知られ
た。

【０１１１】ここで、本発明の粉体プラズマ肉盛溶接法
による羽根への溶接肉盛層の形成工程について説明す
る。

【０１１２】図１４は本発明による合金粉体を供し、羽
根流水面に肉盛溶接層を形成するのに用いた粉体プラズ
マ溶接装置の概要断面図を示す。この装置は粉体供給装
置より合金粉体１１１を挿入し、溶融させその肉盛層１
００を母材１０９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）１１２を流
し、電極１１３と母材１０９との間に電流を流し、パイ
ロットアークを発生させる。次いで、シールドガス（Ａ
ｒ）１１６を流し、電極１１３と母材１０９との間に電
圧を付加してプラズマアーク１１４を発生させ、そのア
ーク中にキャリアガス１１５により粉体供給装置からの
合金粉体１１１供給し、そのプラズマ熱にて合金粉体１
１１を母材９表面に溶融・溶着し肉盛層１００を形成し
た。なお、羽根出口側反作用面への溶接条件はアーク電
流；２２０〜２４０Ａ，アーク電圧；３０〜３５Ｖ，ト
ーチウィビング幅；１５mm（回数１５〜１６サイクル／
min)，Ａｒガス送給量（ｌ／min ）；，プラズマが３，
キャリアが５，シールが１５とした。

【０１１３】本実施例においても実施例１と同様の優れ
た母材特性を有するとともに、優れた耐壊食特性が得ら
れることは明らかである。

【０１１４】

【発明の効果】本発明によれば、４００ｍ以上、好まし
くは５００ｍ以上の超高落差を有する揚水発電に好適
で、ランナ，ガイドベーンに高強度高靭性で、予熱なし
で溶接できる等高い品質の製品を提供できる優れた効果
が得られる。

【０１１５】本発明は河川水や海水等を流体に使用する
機器において、特にキャビテーションによる壊食を受け
る含Ｎｉ１３Ｃｒ鋼製部材表面部分を、予めその領域
に、あるいは損傷後の領域に、重量％でＣ：０.１０〜
０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｃｒ：
１６.００〜２３.００％，Ｎｉ：１.００〜８.００％，
Ｃｏ：２.００〜９.００％で、かつＮｉ＋Ｃｏ：６.０
０〜１２.００％あるいはさらにＭｏ：０.５０〜５.０
０％，Ｎ：０.０５〜０.２０％，Ｖ：０.５０％以下，
Ｔｉ：０.５０％以下，Ｎｂ：０.５０％以下，Ｗ：０.
５０％以下の少なくとも１種を含み、オーステナイト
組織とする溶接棒や粉体等の溶接材料を用いる溶接法に
よって、特に肉盛層厚さ３〜２０mmの範囲で形成させれ
ば、部材の損傷性が強化される。従って、部材のキャビ
テーションによる壊食損傷が軽減され、部品の寿命及び
作業効率の向上並びに部品交換周期等の延長が図れ、コ
スト低減等にも大いに効果が発揮されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】硬さと溶接位置との関係を示す線図。

【図２】溶接割れ率を予熱温度との関係を示す線図。

【図３】応力振幅と破断繰返し数との関係を示す線図。

【図４】引張強さ，耐力，硬さとＣ量との関係を示す線
図。

【図５】絞り，伸び，吸収エネルギーとＣ量との関係を
示す線図。

【図６】ポンプ水車用ランナの断面図。

【図７】真空取鍋精錬装置の断面図。

【図８】ポンプ水車発電プラントの構成図。

【図９】ポンプ水車発電におけるランナ部の断面詳細
図。

【図１０】本発明による溶接肉盛層が適用されるフラン
シス水車の断面図。

【図１１】羽根表面流水部への施工を説明する断面図。

【図１２】本発明による溶接肉盛層が設けられた水車ラ
ンナの平面図。

【図１３】図１２のＡ−Ａ断面図。

【図１４】プラズマ溶接による肉盛層形成のための溶接
トーチ断面図。

【符号の説明】

１…ベーン、２…クラウン、３…シュラウドリング、４
…上部軸受、５…発電機、６…回転子、７…固定子、８
…主軸、９…主軸受、１０…主軸封水装置、１１…ケー
シング、１２…ランナ、１３…ガイドベーン、１００…
溶接肉盛層、１０４…ランナコーン、１０６…ステーベ
ーン、１０７…ランナライナ、１０８…シートライナ、
１０９…母材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉川次雄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 (72)発明者宇佐美賢一茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者高安博茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小沼勉茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者苅田誠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

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.０
％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含有
し、（Ｃｒ／Ｎｉ）比が２.０〜３.０又は（Ｃ／Ｍｏ）
比が０.０１５〜０.１であることを特徴とする高靭性１
３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼。
【請求項２】重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.０
％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜０.５％を含有
し、Ｍｏは（１）式によって求められる値以下及び
（２）式によって求められる値以上であることを特徴と
する高靭性１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼。 (1）０.５４−４×Ｃ（重量％） (2）０.３２−４×Ｃ（重量％）
【請求項３】重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.０
％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含有
し、次式によって求められる値が１.１以下であること
を特徴とする高靭性13Cr5Ni系ステンレス鋼。〔２０×Ｃ（重量％）＋Ｓｉ（重量％）〕
【請求項４】重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.０
％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含有
し、次式によって求められる値が２８〜１０４であるこ
とを特徴とする高靭性13Cr5Ni系ステンレス鋼。１０００×Ｃ（重量％）＋Ｃｒ（重量％）＋３５×Ｍｏ
（重量％）
【請求項５】室温での耐力が６００Ｎ／mm²以上又は引
張強さが６５０Ｎ／mm²以上，伸び率２０％以上，絞り
率５０％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃値が１００Ｊ
以上及び破壊靭性が６０００ＭＰａ／mm³/²以上である
全焼戻マルテンサイト組織を有することを特徴とするス
テンレス鋳鋼。
【請求項６】請求項１に記載のステンレス鋼よりなる鋳
鋼品，鍛造品又は圧延材のいずれかである高靭性１３Ｃ
ｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼。
【請求項７】請求項１に記載のステンレス鋼よりなる鋳
物によって構成される水車用ランナ。
【請求項８】請求項７に記載の鋳物よりなり、ベーン
と、その上部に設けられたクラウンと、前記ベーンの下
部に設けられたシュラウドリングとを備えたことを特徴
とするポンプ水車用ランナ。
【請求項９】重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.０
％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含有
するステンレス鋼の溶湯を大気中溶解後、該溶湯を真空
取鍋精錬炉に注湯し、該精錬炉にて所望時間減圧にて保
持し前記溶湯の沸騰現象が鎮静化した後、炉底部より予
めセットされた鋳型内に注湯することを特徴とする１３
Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼部材の製造方法。
【請求項１０】前記鋳型内の製品が水車用鋳鋼品であ
り、鋳型の複数個所より前記溶湯を注湯する請求項９に
記載の水車用鋳鋼品の製造法。
【請求項１１】前記鋳鋼品は水車用ランナである請求項
１０記載の製造法。
【請求項１２】高落差の導水管を通って運ばれる流水に
よって回転するランナを有する水車と前記ランナの回転
によって回る回転電機とを備えたポンプ水車発電プラン
トにおいて、前記落差が４００ｍ以上及び前記ランナの
直径が５ｍ以上であることを特徴とする超高落差ポンプ
水車発電プラント。
【請求項１３】前記落差が４００〜６００ｍで、前記ラ
ンナが室温での耐力５００Ｎ／mm²以上又は引張強さが
６５０Ｎ／mm²以上，伸び率１６％以上及び絞り率４５
％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃値１００Ｊ以上，破
壊靭性６０００Ｎ／mm³/²以上である請求項１２に記載
の超高落差ポンプ水車発電プラント。
【請求項１４】前記落差が６００ｍを越え８００ｍ以下
で、前記ランナが室温での耐力530Ｎ／mm²以上又は引
張強さが７００Ｎ／mm²以上，伸び率１６％以上及び絞
り率５０％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃値１００Ｊ
以上及び破壊靭性６０００Ｎ／mm³/²以上である請求項
１２に記載の超高落差ポンプ水車発電プラント。
【請求項１５】前記落差が８００ｍを越え、１０００ｍ
以下で、前記ランナの室温での耐力５６０Ｎ／mm²以上
又は引張強さが７５０Ｎ／mm²以上，伸び率２０％以上
及び絞り率５０％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃値１
００Ｊ以上及び破壊靭性6000ＭＰａ／mm³/²以上である
請求項１２に記載の超高落差ポンプ水車発電プラント。
【請求項１６】前記水車は前記ランナによって前記導水
管を通して水を汲み上げるポンプであり、前記回転電機
による回転によって前記ランナを回転する請求項１０に
記載の超高落差揚水発電プラント。
【請求項１７】液体中で高速回転又は高速流の液体中で
キャビテーションによる壊食を受ける流体機器におい
て、該機器は重量でＣ：０.００８〜０.０６％，Ｎｉ：
７.０％以下及びＣｒ：１０〜１４％を含む１３Ｃｒマ
ルテンサイト系ステンレス鋼からなり、該機器部材の表
面部分に、重量で、Ｃ：０.１０〜０.３０％，Ｓｉ：１
％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｃｒ：１６.００〜２３.００
％，Ｎｉ：１.００〜8.00％，Ｃｏ：２.００〜９.００
％で、かつＮｉ＋Ｃｏを６.００〜１２.００％を含有
し、前記Ｎｉ量を〔１０−４０×Ｃ（重量％）〕より求
められる値以上とするオーステナイト鋼の溶接肉盛層を
形成させたことを特徴とする流体機器。
【請求項１８】前記溶接肉盛層は、Ｍｏ：０.５０〜５.
００％，Ｎ：０.０５〜０.２０％の少なくとも１種を含
むことを特徴とする請求項１記載の流体機器。
【請求項１９】前記溶接肉盛層は、Ｖ：０.５０％以
下，Ｔｉ：０.５０％以下，Ｎｂ：0.50％以下，Ｗ：
０.５０％以下の少なくとも１種を含み、その合計量が
０.１０〜０.５０％であることを特徴とする請求項１
記載の流体機器。
【請求項２０】前記溶接肉盛層は、粉体及び棒状の材料
を用いる溶接法により形成されていることを特徴とする
請求項１記載の流体機器。
【請求項２１】液体中で高速回転又は高速流の液体中で
キャビテーションによる壊食を受ける流体機器におい
て、該機器は重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.
０％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含
有し、（Ｃｒ／Ｎｉ）比が２.０〜３.０又は（Ｃ／Ｍ
ｏ）比が０.０１５〜０.１である高靭性１３Ｃｒ５Ｎｉ
系ステンレス鋼からなり、該機器部材の表面部分に、重
量で、Ｃ：０.１０〜０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍ
ｎ：２％以下，Ｃｒ：１６.００〜２３.００％，Ｎｉ：
１.００〜８.００％，Ｃｏ：２.００〜９.００％で、か
つＮｉ＋Ｃｏを６.００〜１２.００％含有するオーステ
ナイト鋼の溶接肉盛層を形成させたことを特徴とする流
体機器。
【請求項２２】液体中で高速回転又は高速流の液体中で
キャビテーションによる壊食を受ける流体機器におい
て、該機器は重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.
０％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜０.５％を含
有し、Ｍｏは式：０.５４−４×Ｃ(重量％）によって求
められる値以下及び式：０.３２−４×Ｃ(重量％）によ
って求められる値以上である高靭性１３Ｃｒ５Ｎｉ系ス
テンレス鋼からなり、該機器部材の表面部分に、重量
で、Ｃ：０.１０〜０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：
２％以下，Ｃｒ：１６．００〜２３．００％，Ｎｉ：
１.００〜８.００％，Ｃｏ：２.００〜９.００％で、か
つＮｉ＋Ｃｏを６.００〜１２.００％を含有するオース
テナイト鋼の溶接肉盛層を形成させたことを特徴とする
流体機器。
【請求項２３】液体中で高速回転又は高速流の液体中で
キャビテーションによる壊食を受ける流体機器におい
て、該機器は重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.
０％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含
有し、〔２０×Ｃ（重量％）＋Ｓｉ（重量％）〕によっ
て求められる値が１.１以下である高靭性１３Ｃｒ５Ｎ
ｉ系ステンレス鋼からなり、該機器部材の表面部分に、
重量で、Ｃ：０.１０〜０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍ
ｎ：２％以下，Ｃｒ：１６.００〜２３.００％，Ｎｉ：
１.００〜８.００％，Ｃｏ：２.００〜９.００％で、か
つＮｉ＋Ｃｏを６.００〜１２.００％を含有するオース
テナイト鋼の溶接肉盛層を形成させたことを特徴とする
流体機器。
【請求項２４】液体中で高速回転又は高速流の液体中で
キャビテーションによる壊食を受ける流体機器におい
て、該機器は重量で、Ｃ０.００８〜０.０３％，Ｓｉ
１.０％以下，Ｍｎ２.０％以下，Ｃｒ１０.０〜１４.
０％，Ｎｉ４.０〜７.０％及びＭｏ０.２〜２.０％を含
有し、式：〔１０００×Ｃ(重量％)＋Ｃｒ(重量％)＋３
５×Ｍｏ（重量％）〕によって求められる値が２８〜１
０４である高靭性13Cr5Ni 系ステンレス鋼からなり、該
機器部材の表面部分に、重量で、Ｃ：０.１０〜0.30
％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｃｒ：１６.０
０〜２３.００％，Ｎｉ：１.００〜８.００％，Ｃｏ：
２.００〜９.００％で、かつＮｉ＋Ｃｏを６.００〜１
２.００％を含有するオーステナイト鋼の溶接肉盛層を
形成させたことを特徴とする流体機器。
【請求項２５】高落差の導水管を通って運ばれる流水に
よって回転するランナを有する水車と前記ランナの回転
によって回る回転電機とを備えたポンプ水車発電プラン
トにおいて、前記落差が４００ｍ以上及び前記ランナの
直径が５ｍ以上であり、前記ランナは、重量で、Ｃ０.
００８〜０.０３％，Ｓｉ１.０％以下，Ｍｎ２.０％以
下，Ｃｒ１０.０〜１４.０％，Ｎｉ４.０〜７.０％及び
Ｍｏ０.２〜２.０％を含有するステンレス鋳鋼よりな
り、前記ランナの壊食を受ける部材の表面部分に、重量
で、Ｃ：０.１０〜０.３０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：
２％以下，Ｃｒ：１６.００〜２３.００％，Ｎｉ：１.
００〜８.００％，Ｃｏ：２.００〜９.００％で、かつ
Ｎｉ＋Ｃｏを６.００〜１２.００％を含有するオーステ
ナイト鋼の溶接肉盛層が形成されていることを特徴とす
る超高落差ポンプ水車発電プラント。
【請求項２６】前記落差が４００〜６００ｍで、前記ラ
ンナが室温での耐力５００Ｎ／mm²以上又は引張強さが
６５０Ｎ／mm²以上，伸び率１６％以上及び絞り率４５
％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃値１００Ｊ以上，破
壊靭性６０００Ｎ／mm³/²以上である請求項２５に記載
の超高落差ポンプ水車発電プラント。
【請求項２７】前記落差が６００ｍを越え８００ｍ以下
で、前記ランナが室温での耐力530Ｎ／mm²以上又は引
張強さが７００Ｎ／mm²以上，伸び率１６％以上及び絞
り率５０％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃値１００Ｊ
以上及び破壊靭性６０００Ｎ／mm³/²以上である請求項
２５に記載の超高落差ポンプ水車発電プラント。
【請求項２８】前記落差が８００ｍを越え、１０００ｍ
以下で、前記ランナの室温での耐力５６０Ｎ／mm²以上
又は引張強さが７５０Ｎ／mm²以上，伸び率２０％以上
及び絞り率５０％以上；０℃での２mmＵノッチ衝撃値１
００Ｊ以上及び破壊靭性6000ＭＰａ／mm³/²以上である
請求項２５に記載の超高落差ポンプ水車発電プラント。
【請求項２９】前記水車は前記ランナによって前記導水
管を通して水を汲み上げるポンプであり、前記回転電機
による回転によって前記ランナを回転する請求項２５に
記載の超高落差揚水発電プラント。