JPS6111313B2

JPS6111313B2 -

Info

Publication number: JPS6111313B2
Application number: JP56035237A
Authority: JP
Inventors: Masao Yamamoto; Takashi Ebisutani; Mitsuo Kawai; Hiroshi Pponma
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-03-13
Filing date: 1981-03-13
Publication date: 1986-04-02
Also published as: JPS57152448A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、耐キヤビテーシヨン・エロージヨン
性に優れた水機器及びその製造方法に関する。近年、エネルギーの有効利用の見地から、比較
的短時間で出力調整が可能な水力発電、特に夜間
の余剰電力を有効に利用できる揚水発電プラント
の建設が盛んである。しかも、水力発電プラント
は建設地点の限定、単機容量に対する建設費の低
減、発電効率の向上などの点から、大容量化され
る傾向にあり、揚水発電においては高落差化、高
揚程化が進んでいる。従来水機器として例示される水車ランナ本体な
どには、３〜５％のNiを含むマルテンサイト系
13％Crステンレス鋼鋳鋼が使用されているが、
高揚程化や高落差化により、キヤビテーシヨン・
エロージヨンが加速されており、さらに優れた耐
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キヤビテーシヨン・エロージヨン性を有するもの
が要望されている。水車ランナなどの耐キヤビテーシヨンン・エロ
ージヨン絶を向上させるひとつに、水車ランナな
どの材料にオーステナイト系ステンレス鋼を使用
する方法がある。一般にオーステナイト系ステン
レス鋼の耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性は
マルテンサイト系13％Crステンレス鋼鋳鋼より
も優れているが、このの材料は耐力が低いことか
ら、水車ランナ本体に使用する場合には製造工程
が、極めて複雑になるという問題がある。このた
め、オーステナイト系ステンレス鋼は主として水
車ランナ羽根などのキヤビテーシヨン・エロージ
ヨン損耗の著しい部位に肉盛溶接して使用されて
いる。しかし、高落差化、高揚程化に伴い、肉盛
溶接された水車ランナにおいても、さらに優れた
耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を有するも
のが要望されてきている。このような点に鑑み、本発明は耐キヤビテーシ
ヨン・エロージヨン性に優れた水車ランナ、ガイ
ド・ベーン、ステー・ベーン、船舶用プロペラ、
各種ポンプ部品、高速水流用部品などの水機器及
びその製造方法を提供することを目的とする。本発明は、水車ランナ、ガイド・ベーン、ステ
ー・ベーン、船舶用プロペラ、各種ポンプ部品、
高速水流用部品などの水機器の少なくともキヤビ
テーシヨン・エロージヨン損耗部位の表面層とし
てCr―Ni系ステンレス鋼に所定量のMnを含有せ
しめ、かつ組織中にフエライト相（以後α相と記
す）を形成させることなくイプシロン相（以後ε
相と記す）あるいはオーステナイト相（以後γ相
と記す）を形成させ、耐キヤビテーシヨン・エロ
ージヨン性を向上させたものである。すなわち重
量パーセントで11〜15％のCr，0.5〜10％のNi，
４％を越え15％以下のMnを主体とし、0.2％以下
の炭素、0.02〜0.3％の窒素、0.2〜1.0％のケイ
素、２％以下のMo、残部が実質的に鉄からな
り、かつα相を含むことなくε相あるいはγ相を
主体とする鋼を少なくともキヤビテーシヨン損耗
部位の表面層として設けた水機器であり、また上
記表面層が肉盛溶接の溶着層である水機器であ
る。また水機器の少なくともキヤビテーシヨン・エ
ロージヨン損耗部位に肉盛溶接により、重量％で
0.2％以下の炭素、0.02〜0.3％の窒素、0.2〜1.0
％のケイ素、11〜15％のクロム、0.5〜10％のニ
ツケル、４％を越え15％以下のマンガン、２％以
下のモリブデン、さらに必要に応じ残部が実質的
に鉄からなり、実質的にフエライトを含むことな
く、イプシロン相あるいはオーステナイト相を主
体とする鋼からなる表面層を形成する水機器の製
造方法である。この場合、本願に係る表面層にα
相が混在すると耐キヤビテーシヨン・エロージヨ
ン性が著しく劣化することから、溶着層に実質的
にはα相を含まないことが必要である。また、ＣはMn，Niとともにε相やγ相を形成
させ耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を向上
させる。すなわち、本発明の組成範囲内にあるマルテン
サイト系ステンレス鋼のＣ量を高めると素地組織
中にはε相やγ相が形成され、耐キヤビテーシヨ
ン・エロージヨン性は著しく改善される。さらに
NbやCoを添加すると、耐キヤビテーシヨン・エ
ロージヨン性はさらに改善される。以下、本発明の限定理由を述べる。組織：特許請求の範囲にある組成を有する鋼の
耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性は、ε相あ
るいはγ相を主体とする場合に著しい効果を示
す。この場合、組織中にα相が混在すると、耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン性は著しく劣化す
ることから組織中にはα相を含まない必要があ
る。本発明においては靭性に優れたε相，γ相を主
体とした本体の表面のみが、キヤビテイ崩壊時に
加わる衝撃力によりマルテンサイト相に相変態を
おこすことにより、耐キヤビテーシヨン・エロー
ジヨン特性に優れる効果を奏する。しかし鋼の内
部は相変態を生じないため、材料特性上必要な靭
性は損われず、鋼全体は高い靭性を有している。
いわば外部環境に応じて鋼自体が保護作用を示す
自己補修型の合金と言える。従つて材料に必要な
靭性を有しつつ、耐キヤビテーシヨン・エロージ
ヨン特性に優れるものである。従来のマルテンサイト鋼を用いた場合は、その
靭性の悪さから実用上は焼戻しを行なつている。
しかしながらこの様な焼戻し処理を行なうと耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン特性が低下してし
まう。本発明においては本体は靭性に優れるため
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特にこのような処理を施す必要はない。炭素（Ｃ）：炭素はε相やγ相を形成させ、耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性を向上させる
ために必要な元素であるが、過剰の添加は靭性、
耐食性を害することから上限を0.2％とするが実
用上は0.03〜0.15％とすることが望ましい。窒素（Ｎ）：窒素はε相やγ相を形成させ耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン性を向上させるた
めに0.02％以上の添加が必要であるが、過剰の添
加は靭性を害することから上限を0.3％とする
が、さらに実用上は0.03〜0.2％とすることが望
ましい。ケイ素（Si）：ケイ素は鋼溶製時の湯流れ性を
改善し、また溶接性を改善させる為には0.2％以
上必要であるが、過剰の添加は靭性を害すること
から上限を１％とするが実用上は0.2〜0.8％とす
ることが望ましい。クロム（Cr）：クロムは耐食性を向上させる
ために11％以上の添加が必要であるが、過剰の添
加は溶着層中にα相を生成させ、耐キヤビテーシ
ヨン・エロージヨン性を低下させることから上限
を15％とするが、さらに実用上は12％から15％と
することが望ましい。ニツケル（Ni）：ニツケルはマンガンとあい
まつて鋼の組織をε，γ化し、キヤビテイの衝撃
力により鋼表面を相変態しやすくし、ひいては耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性を良くするた
めに必要であり、耐キヤビテーシヨン・エロージ
ヨン性、靭性を向上させるために、0.5％以上の
添加が必要である。多量に添加しても効果は大き
くなく、かえつて相変態を阻害し耐キヤビテーシ
ヨン・エロージヨン性が低下し、またコスト上昇
になることから上限を10％とするが、さらに実用
上は２％から８％とすることが望ましい。マンガン（Mn）：マンガンはニツケルとあい
まつて鋼の組織をε，γ化し、キヤビテイの衝撃
力により鋼表面を相変態しやすくし、ひいては耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性、靭性を向上
させるために特に重要な元素であるが、４％以下
ではその効果は十分でなく、４％を越える添加が
必要である。しかし過剰の添加はかえつて相変態
を阻外し耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性か
ら低下し、また湯流れ性を悪くすることから上限
を15％とするがさらに実用上は4.5〜10％とする
ことが望ましい。モリブデン（Mo）：モリブデンは耐キヤビテ
ーシヨン・エロージヨン性、耐食性を向上させる
が、過剰の添加は靭性を害することから上限を２
％とするが実用上は0.5〜1.5とすることが望まし
い。ところで、肉盛溶接材に要求される特性のひと
つに、溶接後の熱収縮に起因した残留歪の小さい
ことが挙げられる。母材と溶着層の熱膨脹率が異
なると、溶接後の熱収縮時に、母材と溶着層の界
面に応力を発生し、残留歪となつてもちきたさ
れ、割れや変形の原因となる。この傾向は、母材
にマルテンサイト系ステンレス鋼を使用した場合
に著しく、マルテンサイト変態時に大きな歪を発
生する。この歪を緩和させる方法のひとつに、溶
着層の耐力を低くし、発生した応力を溶着層の塑
性変形により緩和する方法がある。この方法によ
れば溶着層の耐力が低いほど歪を緩和するのに有
効であり、従つて溶接後の割れや変形の防止に有
利である。また、他の方法として、多層の肉盛溶
接により応力を緩和させる事もできる。本発明の水機器に係る鋼は、組織中に、ε相や
γ相を形成させて耐キヤビテーシヨン・エロージ
ヨン性を向上させると同時に、耐力が通常20Kg／
mm以下と、オーステナイト系ステンレス鋼である
SUS304などより低く、割れや変形防止の点でも
優れており肉盛溶接の溶着層として用いる事に特
に適している。以上述べたように、本発明の水機器は耐キヤビ
テーシヨン・エロージヨン性に優れ、また肉盛溶
接による割れや変形も少なく、例えば高落差・高
揚程水力発電用機器としては極めて優れた特性を
有している。本発明の水機器は、少なくともキヤビテーシヨ
ン・エロージヨン損耗部位に該鋼を設けたもの
で、例えば第１図に斜視的に示すポンプ水車ラン
ナでは、その断面図として示す第２図の斜面部に
示すように水車運転時（発電時）の水入口側羽根
表面、あるいはポンプ運転時（揚水時）の水入口
側（水車運転時の水出口側）羽根表面に主に行な
われ、ガイド・ベーン５、ステー・ベーン６で
は、ベーンの角外縁部表面に主に行なわれる。また、水機器への該鋼の肉盛溶接は、被覆アー
ク、TIG，MIG溶接など通常の溶接法により容易
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に行なえる。以下実施例をもつて、本発明の水機器を詳細に
説明する。現用一体物水車ランナ材である13％Cr―3.5％
Ni（比較例２）マルテンサイト系ステンレス鋼
により、水車ランナの羽根モデルを鋳造し、1100
℃、４時間の焼ならし、650℃，３時間の焼戻し
を行なつた後、その表面に第１表に示す10鋼種
（実施例１〜実施例７、比較例１〜３）の材料を
厚さ約５mm、TIG溶接により肉盛溶接した。該肉
盛溶接部よりキヤビテーシヨン・エロージヨン試
験片を採取し、電歪振動法により、周波数6.5K
Hz、振幅100μｍ，25℃の純水中で３時間、キヤ
ビテーシヨン・エロージヨン試験を行ない。次式
によりキヤビテーシヨン・エロージヨン指数
（C.E.I.）を求め耐キヤビテーシヨン・エロージ
ヨン性を評価した。 C.E.I.＝キヤビテーシヨン・エロージヨン減量（ｇ）／試験時間（分）×比重×10⁶ また、溶着層の耐力を知るために、高周波溶解
炉にて上記肉盛溶接材を2.5Kg溶製し、大気中に
て再溶解、鋳造、空冷することにより、溶接時相
当の熱履歴を与えた後、引張試験片を作製した。なお、比較例２は上記13％Cr―3.5％Ni鋳鋼を
650℃で焼戻した後、キヤビテーシヨン・エロー
ジヨン試験片、引張試験片を作製した。また、肉盛溶接後、光学顕微鏡、Ｘ線回折によ
り、各溶着層の主体的相を決定した。

【表】第２表に各種特性およびその主体的相を示して
ある。実施例１〜７の組織はε相あるいはγ相を
主体としており、そのC.E.I.は一体物ランナ材
（比較例２）や従来耐キヤビテーシヨン・エロー
ジヨン性に優れているとされているオーステナイ
ト系ステンレス鋼SUS304（比較例１）より著し
く小さく、本発明に係る水機器は優れ耐キヤビテ
ーシヨン・エロージヨン性を有していることがわ
かる。〓〓〓〓〓

【表】また、本発明鋼の耐力は比較例１のオーステナ
イト系ステンレス鋼であるSUS304より低く、溶
接性はSUS304より優れていた。なお実施例１〜
７の組織中には多少のα′相（マルテンサイト
相）を含むこともあるが、ε相やγ相の存在によ
り優れた耐食性を示す。また実施例１，４，５，
６の組織中にはε相を含むこともある。この様に
本発明においては特許請求の範囲の組成を有する
鋼を肉盛溶接し、かつ溶着層中ε相を含むことな
く、ε相、γ相を主体としていれば優れた耐キヤ
ビテーシヨン・エロージヨン性を示す。以上説明した如く、本発明の水機器は優れた耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性を有すること
から、実用上極めて有用なものと言える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ポンプ水車ランナの斜視図、第２図
は、ポンプ水車ランナの断面図である。１…ランナコーン、２…クラウン、３…ランナ
羽根、４…シユランド、５…ガイド・ベーン、６
…ステー・ベーン。〓〓〓〓〓

Claims

【特許請求の範囲】１少なくともキヤビテーシヨン・エロージヨン
損耗部位の表面層が重量パーセントで0.2％以下
の炭素、0.02〜0.3％の窒素、0.2〜1.0％のケイ
素、11〜15％のクロム、0.5〜10％のニツケル、
４％を越え15％以下のマンガン、２％以下のモリ
ブデン、残部が実質的に鉄から成りかつ実質的に
フエライト相を含むことなく、イプシロン相ある
いはオーステナイト相を主体とする鋼からなる事
を特徴とする水機器。２水機器の少なくともキヤビテーシヨン・エロ
ージヨン損耗部位に肉盛溶接により、重量％で
0.2％以下の炭素、0.02〜0.3％の窒素、0.2〜1.0
％のケイ素、11〜15％のクロム、0.5〜10％のニ
ツケル、４％を越え15％以下のマンガン、２％以
下のモリブデン、残部が実質的に鉄からなり、実
質的にフエライト相を含むことなく、イプシロン
相あるいはオーステナイト相を主体とする鋼から
なる表面層を形成する事を特徴とした水機器の製
造方法。