KR20140144140A - 밸브 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 가동 부재에 육성부를 형성할 때의 입열량을 억제함과 함께, 슬라이딩 접촉면에 있어서의 응착 마모의 발생을 억제하여, 내마모성을 향상시켜서 내용년수를 길게 하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 밸브 장치는, 가동 부재로 되는 밸브 봉 혹은 밸브체의 슬라이딩 접촉면에 육성부를 일체로 구비하고, 상기 육성부는, 금속을 주성분으로 하는 성형체에 의해 구성되는 전극과 상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 피처리부 사이에 펄스상의 방전을 발생시켜서 상기 전극의 재료를 상기 피처리부의 표면에 용착시키고 퇴적시켜서 형성된 것이고, 정지 부재로 되는 부시 혹은 슬리브의 슬라이딩 접촉면에 표면층을 일체로 구비하고, 상기 표면층은, 금속 침투법에 의한 표면 경화 열처리에 의하여 제1 피막을 형성해서 이루어지는 것이고, 상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 슬라이딩 접촉면과 상기 부시 혹은 상기 슬리브의 슬라이딩 접촉면이, 밸브의 개폐 동작에 수반하여 슬라이딩 접촉한다.
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Description
본 발명의 실시형태는 밸브 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
화력 발전 플랜트 등의 증기 터빈에는, 증기의 유입을 제어하기 위하여 주증기 스톱 밸브, 증기 가감 밸브, 재열(再熱) 증기 스톱 밸브, 중간 저지 밸브, 터빈 바이패스 밸브 등의 다양한 밸브 장치가 부설되어 있다.
상기 밸브 장치에 있어서는, 가동 부재와 이것에 슬라이딩 접촉하는 정지(靜止) 부재, 예를 들면 밸브 봉과 부시의 재료의 조합으로서, 내마모성을 증가시켜서 내용년수(耐用年數)를 길게 할 목적으로, 예를 들면 부시 재료를 12% 크롬강, 밸브 봉의 재료를 니켈 30∼50% 오스테나이트계 내열 합금으로 하고, 또한 그 부재들의 표면 경화 열처리 방법으로서 질화 처리를 실시하는 것이 널리 알려져 있다. 이러한 것으로서 일본국 공개특허공보 특개평6-101769호 공보(이하, 특허문헌 1이라 함)가 있다.
최근, 화력 발전 플랜트 등의 고효율화가 추진되어, 증기 온도는 593℃, 600℃, 610℃와 같이 상승해 오고 있다. 이후에는, 증기 온도가 700℃ 이상이 될 것으로 생각된다.
한편, 밸브 장치의 가동 부재와 이것에 슬라이딩 접촉하는 정지 부재, 예를 들면 밸브 봉과 부시의 접촉면에 실시되는 질화 처리는, 고온 하에서는, 금속 표면이 활성화 상태로 되어, 분위기 중의 고온 수증기와 반응해서 산화 피막을 생성하기 쉽다. 생성된 산화 피막은, 밸브의 반복 개폐 동작 시마다 박리를 일으키고, 박리편이 밸브 봉의 슬라이딩에 의해 표면의 오목부에 국부적으로 퇴적해서 부시와의 간극을 메워 밸브 봉의 스티킹을 발생시킨다. 또한, 밸브 봉과 부시의 접촉면에 형성되는 질화층은, 그 질화 처리 온도에 따라 약 500℃ 이상에서 분해되어 연화하는 성질을 가지며, 또한 질화층의 두께가 극히 얇으면 질화층이 없어져 마모가 급격히 진전하는 등, 밸브의 동작 부조(不調)의 요인이 된다.
이 질화 처리를 개선할 목적으로, 정지 부재로 되는 부시 등의 슬라이딩 접촉면에 코발트기 경질 합금을 육성(肉盛) 용접으로 형성하는 기술이 채용되게 되어 왔다. 일반적인 코발트기 경질 합금은, 코발트를 주성분으로 하고, 30% 정도의 크롬, 4∼15%의 텅스텐을 함유하는 합금이며, 내마모성이 우수한 재료로서 널리 알려져 있지만, 코발트를 많이 함유하므로 내산화성도 높은 특성을 갖고 있다.
그러나, 이러한 코발트기 경질 합금을, 가동 부재로 되는 밸브 봉의 슬라이딩 접촉면에 육성 용접으로 형성하면, 밸브 봉의 형상이 장척(長尺)의 환봉(丸棒)이므로, 제조 도중에 허용할 수 없는 구부러짐이 발생하기 쉬워진다. 이 구부러짐 발생의 원인은 육성 용접에 의한 입열량(入熱量)이 큰 것에 있다. 또한, 이 경우, 가동 부재로 되는 밸브 봉의 슬라이딩 접촉면에 형성된 금속 재료가, 정지 부재로 되는 부시의 슬라이딩 접촉면에 형성된 금속 재료와 동종으로 이루어지므로, 미끄러짐 운동(슬라이딩) 시에 응착 마모가 발생하기 쉽다. 예를 들면 밸브 봉과 부시의 구조에 있어서는, 밸브의 개폐 시에 밸브 봉에는 증기력이 작용하기 때문에, 밸브 봉이 부시의 내면(슬라이딩면)에 밀어붙여져, 슬라이딩면의 면압(面壓)이 과대하게 상승하면서 슬라이딩하게 되어, 응착 마모가 발생하기 쉬운 상태로 된다.
이러한 점에서, 가동 부재에 육성부를 형성할 때의 입열량을 억제함과 함께, 슬라이딩 접촉면에 있어서의 응착 마모의 발생을 억제하여, 내마모성을 향상시키는 것이 가능한 기술의 제시가 요망된다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 가동 부재에 육성부를 형성할 때의 입열량을 억제함과 함께, 슬라이딩 접촉면에 있어서의 응착 마모의 발생을 억제하여, 내마모성을 향상시켜서 내용년수를 길게 하는 것이 가능한 밸브 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시형태에 따른 밸브 장치는, 가동 부재로 되는 밸브 봉 혹은 밸브체의 슬라이딩 접촉면에 육성부를 일체로 구비하고, 상기 육성부는, 금속을 주성분으로 하는 성형체에 의해 구성되는 전극과 상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 피처리부 사이에 펄스상(狀)의 방전을 발생시켜서 상기 전극의 재료를 상기 피처리부의 표면에 용착시키고 퇴적시켜서 형성된 것이고, 정지 부재로 되는 부시 혹은 슬리브의 슬라이딩 접촉면에 표면층을 일체로 구비하고, 상기 표면층은, 금속 침투법에 의한 표면 경화 열처리에 의하여 제1 피막을 형성해서 이루어지는 것이고, 상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 슬라이딩 접촉면과 상기 부시 혹은 상기 슬리브의 슬라이딩 접촉면이, 밸브의 개폐 동작에 수반하여 슬라이딩 접촉한다.
본 발명에 따르면, 가동 부재에 육성부를 형성할 때의 입열량을 억제함과 함께, 슬라이딩 접촉면에 있어서의 응착 마모의 발생을 억제하여, 내마모성을 향상시켜서 내용년수를 길게 하는 것이 가능해진다.
도 1은 제1 실시형태의 제조 방법에 의해 제조한 부재를 사용한 밸브 장치의 구성예를 나타내는 단면도.
도 2는 피처리부에 육성부를 형성하기 위한 제조 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 3a는 피처리부에 육성부를 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 1).
도 3b는 피처리부에 육성부를 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 2).
도 4a는 피처리부에 표면층을 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 1).
도 4b는 피처리부에 표면층을 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 2).
도 5는 제4 실시형태의 제조 방법에 의해 제조한 부재를 사용한 밸브 장치의 구성예를 나타내는 단면도.
도 2는 피처리부에 육성부를 형성하기 위한 제조 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 3a는 피처리부에 육성부를 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 1).
도 3b는 피처리부에 육성부를 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 2).
도 4a는 피처리부에 표면층을 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 1).
도 4b는 피처리부에 표면층을 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 나타내는 단면도(그 2).
도 5는 제4 실시형태의 제조 방법에 의해 제조한 부재를 사용한 밸브 장치의 구성예를 나타내는 단면도.
이하, 실시형태에 대하여 도면을 참조해서 설명한다.
(제1 실시형태)
최초에 제1 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 제1 실시형태에 있어서의 밸브 장치, 여기에서는 도시하지 않은 고압 터빈의 전단(前段)에 설치되며, 유입하는 증기량을 제어함으로써 고압 터빈의 회전수를 제어하기 위하여 사용되는 증기 가감 밸브를 예로서 나타낸 단면도이다.
증기 가감 밸브는, 증기 밸브 본체(200), 부시(201), 상측 덮개(202), 증기의 출구로서의 밸브 시트(seat)(203), 밸브체(204), 밸브 봉(205), 증기의 입구인 개구(207), 증기의 출구인 개구(208), 밸브 봉(205) 및 밸브체(204)의 삽입구인 개구(209)를 갖는다. 증기 밸브 본체(200)에서는, 개구(209)를 통하여 증기실(210) 내에 삽입된 밸브 봉(205)의 축 방향의 운동에 의해 밸브체(204)로 밸브 시트(203)의 개구(208)를 개폐한다. 상측 덮개(202)는 증기 밸브 본체(200)의 개구(209)의 상부에 고정되어 있으며, 증기 밸브 본체(200)의 상면을 폐색하는 것이다. 상측 덮개(202)의 위쪽에는 유압 구동 기구(206)가 설치되어 있으며, 유압 구동 기구(206)에는 밸브 봉(205)이 아래쪽(연직 방향)을 향해서 연결되어 있다. 이 밸브 봉(205)은 유압 구동 기구(206)에 의해 상하로 왕복 동작하도록 되어 있다. 증기 가감 밸브에서는, 상측 덮개(202)의 관통 구멍이 밸브 봉(205)과의 슬라이딩면으로 되므로, 이 부분에 마찰에 강한 금속을 소재로 하는 원통 형상의 부시(201)가 삽입 장착되어 있으며, 축 방향으로 운동하는 밸브 봉(205)이 횡으로 흔들리지 않도록 부시(201)로 가이드하는 것이다. 밸브체(204)는 밸브 시트(203)에 맞닿아서 밸브 시트(203)의 개구를 개폐하도록 설치되어 있다. 이 밸브체(204)는 밸브 봉(205)의 선단부에 설치되어 있다.
여기에서는, 가동 부재로 되는 밸브 봉(205)을 예로 들어, 그 슬라이딩 접촉면에 내마모성이 우수한 코발트기 경질 합금을 육성하는 방법에 대하여 설명한다. 또, 이 경우의 슬라이딩 접촉면은 밸브 봉(205)의 외면에 있다.
도 2는 피처리부에 육성을 실시하는 방전 가공법을 나타내는 개념도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 방전 가공기에 구비되는 전기 절연성이 있는 액체(L)(또는 기 중)에 있어서, 전극(101)은 직류 전원(103)의 음극과 접속되며, 또한 직류 전원(103)의 양극에 접속된 피처리부(100)와의 사이에 미소 간극을 유지한 상태에서, 직류 전원(103)의 전압을 당해 전극(101)과 당해 피처리부(100) 사이에서 인가 또는 인가를 정지하는 것에 의해 펄스상의 방전을 발생시키고, 그 방전 에너지에 의해 당해 전극(101)의 재료를 당해 피처리부(100)의 표면에 용착시키고 퇴적시킨다. 여기에서, 피처리부(100)란, 도 1에 있어서의 밸브 봉(205) 또는 부시(201)가 슬라이딩하면서 접하는 슬라이딩 접촉면을 의미하고 있으며, 밸브 봉(205)과 부시(201) 중 적어도 한쪽의 슬라이딩 접촉면에 육성부(102)를 일체적으로 구비하고, 육성부(102)는 금속을 주성분으로 하는 성형체에 의해 구성되는 전극과 밸브 봉(205) 또는 부시(201)로 이루어지는 피처리부 사이에 펄스상의 방전을 발생시켜서 전극의 재료를 피처리부의 표면에 용착시키고 퇴적시키는 것에 의하여 육성부(102)를 형성한 것이며, 전극의 재료로서 코발트기 경질 합금을 사용했다. 일반적인 코발트기 경질 합금은, 코발트를 주성분으로 하고, 30% 정도의 크롬, 4∼15%의 텅스텐을 함유하는 합금이며, 내마모성이 우수한 재료로서 널리 알려져 있지만, 코발트를 많이 함유하고 있으므로 내산화성도 높은 특성을 갖고 있다.
이 방전 가공법에서는, 전극의 입자 단위로 모재를 용융해서 육성부를 형성하므로, 피처리부의 모재에의 입열이 적기 때문에, 피처리부를 변형시키지 않고 육성을 행할 수 있다. 또한 전극 성분이 피처리부와 융합하여 접합되어 있으므로, 육성부와 피처리부의 모재의 밀착성이 높아 육성부가 박리되지 않는다. 또한, 이 방전 가공법은 입열이 적으므로, 피처리부의 모재 표층에 열영향부(HAZ : Heat-Affected Zone)를 형성하지 않는다. 일반적인 용접 방법에서는, 모재의 표층 1∼3㎜ 정도가 열영향부로서 형성되며, 모재 본래의 조직과는 다른 결정 입자의 조대화(粗大化), 그에 수반하는 열처리 시의 재열 균열(SR 균열)이나 잔류 응력에 의한 경년(經年)적인 균열이 발생하지만, 본 실시형태의 방전 가공법에 따르면, 입열에 기인하는 모재 표층의 열영향부의 형성을 방지할 수 있어, 결함이 적은 고품질인 제품을 제조할 수 있다.
다음으로, 도 3a, 도 3b를 참조해서 피처리부(100)에 육성부(102)를 형성하는 구체적인 제조 방법의 일례를 설명한다.
도 3a는 피처리부(소재)에 도 2에 나타내는 방전 가공기를 사용해서 육성부(102)를 형성한 상태를 나타내고 있다. 방전 가공법에 의해 형성되는 육성부(102)는, 전극(101) 재료의 입자가 피처리부(100)의 표면으로부터 확산 침투한 확산 침투층(102a)과, 이 확산층에 전극(101) 재료의 입자가 용착해서 퇴적한 퇴적층(102b)을 포함하고 있다.
확산 침투층(102a)은, 피처리부(100)에 코발트기 경질 합금을 방전 가공에 의해 육성한 것이기 때문에, 조성비가 두께 방향으로 경사적(傾斜的)으로 변화하는 경사 조성의 용융부가 생성되어 있다. 여기에서는, 적정한 방전 조건을 선택하는 것에 의해, 모재에의 입열량을 제한하기 위해 용융부로 되는 확산 침투층(102a)의 두께는, 20㎛ 이하이며 최소 1㎛ 이상, 바람직하게는 5㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 용융부를 갖는 경사 조성은, 경사 기능 재료로 되어 피처리부(100)의 모재와 접하는 경계 근방의 선팽창 계수는 대략 동등해지며, 선팽창 계수의 차가 거의 생기지 않기 때문에, 육성부(102)의 잔류 응력을 해소할 수 있다. 그 결과, 피처리부(100)의 표면에 실시한 육성부(102)의 균열의 발생을 방지할 수 있다. 퇴적층(102b)은, 방전 가공을 채용한 것에 기인하는 퇴적층(102b)의 두께에 제한은 없지만, 코발트기 경질 합금이 갖는 내마모성이나 내산화성을 유효하게 발휘시키기 위해서도 그 두께는 50㎛∼300㎛ 정도가 바람직하다.
여기에서, 전극(101)은, 금속을 주성분으로 하는 분말을 프레스에 의해 압축 혹은 가열 처리해서 성형한 성형체에 의해 구성되는 성형 전극이지만, 그 외 공지의 제조 방법에 의하여 성형해도 지장 없다.
전극(101)의 재료로서는, 내열충격성과 내산화성을 가지며, 피처리부의 모재보다도 경도가 높은 코발트기 경질 합금 혹은 니켈기 경질 합금이 적합하지만, 이들 이외에도, 높은 온도에 있어서 우수한 내산화성을 나타내는 예를 들면 질화크롬(CrN), 질화티타늄알루미늄(TiAlN), 질화티타늄텅스텐(Ti-w)N, 탄화티타늄몰리브덴(Ti-Mo)C, 질화크롬규소(CrSiN) 및 질화티타늄규소(TiSiN) 등의 파인 세라믹스재를 들 수 있다.
이들 파인 세라믹스의 분말, 또는 당해 분말과 전술한 경질 합금을 혼합한 분말로 성형되는 전극(101)도 생각할 수 있지만, 이후의 증기 조건의 상승에 수반하여 한층 더 새로운 재료가 개발되어도, 본 실시형태의 방전 가공에 의한 제조 방법에 따르면, 육성부는 경사 기능 재료로 이루어질 수 있기 때문에, 적용 가능한 것은 물론이다.
여기에서, 밸브 봉(205)의 재료는 예를 들면 크롬-몰리브덴강, 크롬-몰리브덴-바나듐강, 크롬-몰리브덴-텅스텐-바나듐강, 9% 크롬강, 12% 크롬강, 니켈기나 코발트기의 고온 내열 합금 등이 선정되지만, 이러한 기존의 재료로 한정되지 않으며, 이후의 증기 조건의 상승에 수반하여 한층 더 새로운 재료가 개발되어도, 본 실시형태에 따른 제조 방법이 적용 가능한 것은 물론이다.
도 3b는, 육성한 후의 육성부(102)에 있어서, 육성부(102)의 표면에 전극의 입자가 퇴적해서 생긴 비뚤어진 요철을 기계 가공, 예를 들면 연삭반이나 연마반 등에 의해 소정의 형상이나 치수 및 기하 공차를 갖도록, 표면 거칠기(최대 높이 거칠기) Rz가 12.5보다 미세하게 다듬질된 상태를 나타내고 있다.
다음으로, 밸브의 개폐 동작에 수반하여 밸브 봉(205)과 슬라이딩 접촉하는 정지 부재인 부시(201)를 예로 들어, 그 슬라이딩 접촉면에 크로마이징 처리를 실시하는 모습을 설명한다. 또, 이 경우의 슬라이딩 접촉면은 부시(201)의 내면에 있어, 크로마이징 처리를 실시하는 면은 부시(201)의 내면에 있다.
여기에서, 크로마이징 처리 등과 같은 금속의 확산 현상을 이용해서, 표면으로부터 다른 금속을 확산 침투시켜서 합금층을 만드는 금속 침투법은, 금속 피처리물에 대하여 크롬 등의 금속을 함유하는 분말을 혼합해서 비산화성 분위기 중에서 가열하여, 금속 피처리물의 원자간에 크롬 등의 원자를 침투시켜, 표면을 합금층(예를 들면 철과 크롬의 합금)으로 한다.
이 경우, 침투하는 금속은 피처리물과 직접 접촉하는 것에 의하여 피처리물 표면에 이행하는 것과, 침투 촉진제로서 소량 가해지는 할로겐화물에 의하여 기상으로 할로겐화 금속이 생성되고, 그것이 피처리물 표면에 석출 정착한 후에 침투하는 것이 있다.
어느 쪽이든, 소재의 금속과 확산 침투한 크롬이 합금으로서 일체화되어 있으므로, 도금법과 같이 박리되는 것은 아니며, 또한 화학 증착법(CVD)과 같이 특수한 처리 장치의 필요성도 없다. 게다가 기본적으로는 모재 금속 재료의 물리적 특성을 특별히 변화시키지 않아 표면층을 균일하게 처리할 수 있다는 특징을 갖는다.
도 4a, 도 4b를 참조해서 구체적인 제조 방법의 일례를 설명한다.
우선 피처리면으로 되는 부시(201)의 내면을 세정하기 위해 호닝 작업을 행한 후, 도 4a에 나타내는 바와 같이 부시(201)를 반응 용기(307) 내의 침탄제(浸炭劑)(308)에 매몰시켜, 약 1000∼1200℃에서 일정 시간 열처리하고, 노냉(爐冷), 공냉을 행한다. 그 후, 침탄 처리면의 세정, 보호를 위한 처리를 행하여 침탄 처리가 완료된다. 침탄제(308)에는 목탄 분말에 탄산바륨을 혼합한 것을 사용한다. 이 처리에 의해 약 100∼200㎛의 침탄층을 형성할 수 있다.
다음으로 크로마이징 처리를 행한다. 침탄층을 형성한 부시(201)에 다시 호닝 작업을 행한 후, 도 4b에 나타내는 바와 같이 크롬, 산화알루미늄, 염화암모늄의 분말제로 이루어지는 분말팩제(309) 중에 매몰시키고, 약 1050∼1250℃에서 일정 시간 열처리를 행한다. 이때의 가열 분위기는 아르곤 가스 분위기로 한다. 그 후, 부시(201) 내면의 세정, 보호를 위한 처리를 행하여, 크로마이징 처리가 완료된다. 이 처리에 의해 약 20∼30㎛의 크롬카바이드층(CrC)을 형성할 수 있다. 크로마이징 처리 후, 조질(調質) 처리로서 진공 분위기 하에서 약 1000∼1200℃에서 담금질, 약 600∼800℃에서 템퍼링 처리를 행한다.
마지막으로 호닝 작업을 행하고, 소정의 치수 및 기하 공차를 갖도록, 표면 거칠기(최대 높이 거칠기) Rz가 12.5보다 미세하게 다듬질하여, 일련의 크로마이징 처리 공정이 종료된다.
이상으로부터, 부시(201)에 크로마이징 처리를 실시한 결과, 슬라이딩 접촉면으로 되는 부시(201)의 내면에는, 제1 피막으로 되는 크롬카바이드층(CrC)이 형성된다. 크롬카바이드층(CrC)은, 코발트기 경질 합금과 마찬가지로 내산화, 내마모성이 우수한 피막이며, 예를 들면 부시(201)의 재료가 12Cr강인 경우, 상온 경도 1550HV, 고온(600℃) 경도 1100HV로 고온에서도 고경도를 유지하고 있기 때문에, 슬라이딩 접촉면에 실시했을 경우, 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, 내산화 특성에 있어서도 산화 증량은 매우 작기 때문에, 슬라이딩 접촉면의 내산화 특성을 향상시킬 수 있어, 고온 증기 조건 하에 있어서 산화 스케일의 생성을 방지할 수 있다. 또, 크로마이징 처리를 실시한 표면은 매우 단단하여 가공성이 나빠지므로 슬라이딩 접촉면에만 처리한다. 또한 크로마이징 처리를 실시하지 않은 부위에 대해서는 침탄 방지제를 도포하여, 슬라이딩 접촉면 이외에서의 반응이 일어나지 않도록 고려할 필요가 있다.
여기에서, 부시(201)의 재료는 12% 크롬강 이외에 예를 들면 크롬-몰리브덴강, 크롬-몰리브덴-바나듐강, 크롬-몰리브덴-텅스텐-바나듐강, 9% 크롬강, 니켈기나 코발트기의 고온 내열 합금 등이 선정되지만, 이러한 기존의 재료로 한정되지 않으며, 강종(鋼種)으로서의 페라이트계 혹은 마르텐사이트계 혹은 오스테나이트계 중 어느 하나로 이루어지는 내열 합금강을 적용하는 것이 가능하다. 또한, 이후의 증기 조건의 상승에 수반하여 한층 더 새로운 재료가 개발되어도, 본 실시형태에 따른 제조 방법이 적용 가능한 것은 물론이다.
또, 각 열처리 공정에서의 처리 시간은 형상이나 재질마다 다르며, 일련의 크로마이징 처리에 의한 피막의 두께는 처리 시간 및 처리 온도에 의존한다.
이 제1 실시형태에 따르면, 가동 부재에 대해서는, 피처리부(100)에 예를 들면 코발트기 경질 합금을 방전 가공에 의해 육성하고, 그때에 적정한 방전 조건을 선택하는 것에 의해, 모재에의 입열량을 제한할 수 있고, 또한, 용융부를 갖는 경사 조성을 경사 기능 재료로 할 수 있어, 피처리부(100)의 모재와 접하는 경계 근방의 선팽창 계수를 대략 동등하게 할 수 있기 때문에, 선팽창 계수의 차가 거의 생기지 않아, 육성부(102)의 잔류 응력을 해소할 수 있어, 피처리부(100)의 표면에 실시한 육성부(102)의 균열의 발생을 방지할 수 있다.
한편, 정지 부재에 대해서는, 예를 들면 크로마이징 처리를 실시하는 것에 의해, 슬라이딩 접촉면에는, 제1 피막으로 되는 크롬카바이드층이 형성되기 때문에, 코발트기 경질 합금과 마찬가지로, 내산화, 내마모성이 우수한 피막으로 되어, 고온에서도 고경도를 유지하는 것이 가능해져, 내마모성을 향상시킬 수 있고, 내산화 특성에 있어서도 산화 증량은 매우 작기 때문에, 슬라이딩 접촉면의 내산화 특성을 향상시킬 수 있어, 고온 증기 조건 하에 있어서 산화 스케일의 생성을 방지할 수 있다.
또한, 가동 부재와 정지 부재에서는 각각 다른 종류의 금속 재료로 피막이 형성되어 있으며, 또한 가동 부재에는 상대 부재와 응착하기 어려운 재료를 사용하여 응착하기 어려운 피막이 형성되어 있고, 정지 부재에도 상대 부재와 응착하기 어려운 재료를 사용하여 응착하기 어려운 피막이 형성되어 있기 때문에, 이들의 조합으로부터 응착 마모의 발생을 억제할 수 있어, 내마모성을 향상시켜서 내용년수를 길게 할 수 있다.
즉, 종래에 있어서는, 가동 부재로 되는 밸브 봉의 슬라이딩 접촉면에 형성된 금속 재료가, 정지 부재로 되는 부시의 슬라이딩 접촉면에 형성된 금속 재료와 동종이면, 미끄러짐 운동(슬라이딩) 시에 응착 마모가 발생하기 쉬워, 예를 들면 밸브 봉과 부시의 구조에 있어서는, 밸브의 개폐 시에 밸브 봉에는 증기력이 작용하기 때문에, 밸브 봉이 부시의 내면(슬라이딩면)에 밀어붙여져, 슬라이딩면의 면압이 과대하게 상승하면서 슬라이딩하게 되어, 응착 마모가 발생하기 쉬운 상태로 되어 있었지만, 본 실시형태에 따르면, 정지 부재 및 정지 부재의 슬라이딩 접촉면에 대하여 각각 이종(異種)의 금속 재료를 사용하고 있고, 또한 전술한 특정의 재료를 사용해서 특정의 가공을 실시하고 있기 때문에, 응착 마모의 발생을 억제할 수 있어, 내마모성을 향상시켜서 내용년수를 길게 할 수 있다.
(제2 실시형태)
제2 실시형태에 대하여 설명한다. 여기에서는, 제1 실시형태와 공통되는 부분의 설명을 생략하고, 다른 부분을 중심으로 설명한다.
제2 실시형태는, 밸브의 개폐 동작에 수반하여 밸브 봉(205)과 슬라이딩 접촉하는 정지 부재인 부시(201)의 슬라이딩 접촉면에 티타나이징 처리를 실시해서 제1 피막을 형성한 것이다. 또, 이 경우의 슬라이딩 접촉면은 부시(201)의 내면에 있다.
크로마이징 처리 이외에 마모되기 쉬운 환경 하에서도 바람직하게 사용하기 위한 표면 경화 열처리법으로서, 제1 실시형태와 같은 금속 침투법을 사용하여, 티타늄을 확산시키는 티타나이징 처리가 있다. 즉, 내마모성 향상을 위하여 표면에 티타늄을 침투시켜서 티타늄카바이드층(TiC)을 형성하는 것이 있다. 티타늄은 비중이 작고 경량이며, 기계적 강도, 내부식성이 우수하므로, 이러한 표면 경화 열처리로서는 바람직한 소재라 할 수 있다.
이러한 티타늄카바이드층(TiC)을 형성하는 기술은, 티타늄 분말을 주제(主劑)로 하여, 알루미나 분말, 염화암모늄 분말 등의 처리제 중에, 부시(201)를 매몰시키고, 수소 가스 등의 환원성 가스 분위기 하에서 가열 처리하는 것에 의해 형성하는 기술이며, 제1 실시형태의 크로마이징의 크롬을 티타늄으로 치환한 것이다.
티타늄카바이드층(TiC)은, 매우 고경질이라는 특성을 갖고 있어, 크롬카바이드층(CrC)과 마찬가지로 내산화, 내마모성이 우수한 산화막이다.
이 제2 실시형태에 따르면, 제1 실시형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 제1 피막을 형성하는 표면 경화 열처리법으로서, 크로마이징 처리나 티타나이징 처리 이외의 금속 침투법이나, 이후의 기술 혁신에 의해 금속의 확산 현상을 이용한 새로운 확산 침투 기술이 개발되어도, 본 실시형태에 따른 제조 방법과 마찬가지로 적용 가능한 것은 물론이다.
(제3 실시형태)
제3 실시형태에 대하여 설명한다. 여기에서는, 제1 실시형태와 공통되는 부분의 설명을 생략하고, 다른 부분을 중심으로 설명한다.
제3 실시형태는, 밸브의 개폐 동작에 수반하여 밸브 봉(205)과 슬라이딩 접촉하는 정지 부재인 부시(201)의 재료를, 고온의 증기 조건 하에 있어서도 높은 내열성을 갖고, 산화 스케일이 부착하기 어려운 니켈기 내열 합금 및 코발트기 내열 합금을 사용하여, 부시(201)의 슬라이딩 접촉면에 크로마이징 처리를 실시한 것이다. 또, 이 경우의 슬라이딩 접촉면은 부시(201)의 내면에 있다. 일반적으로 크롬 함유량이 높은 합금재도 높은 내산화 특성을 갖고 있는 것이 널리 알려져 있다.
제1 실시형태에 따른 제조 방법과는 다른, 제3 실시형태에 따른 제조 방법의 일례를 설명한다.
니켈기 내열 합금 혹은 코발트기 내열 합금의 부시(201)의 슬라이딩면을, 크롬, 산화알루미늄, 염화암모늄의 분말제로 이루어지는 분말팩제 중에 매몰시키고, 약 1050∼1250℃에서 일정 시간 열처리를 행하여, 크롬 부화층(富化層)(크롬 리치층)을 형성한다.
그 후, 부시(201)의 슬라이딩면을 1000∼1100℃ 근방의 대기 중에서 가열하여 열처리를 실시해서 표면층에 금속 침투법에 의한 제1 피막을 형성함과 함께, 제1 피막의 바로 아래에 내부 산화에 의해 생성된 Cr2O3(산화크롬) 입자를 미세하게 분산시킨다.
그 후, 절삭, 연마 등에 의해 제1 피막을 제거하여 표면을 노출시켜, 제2 피막으로 되는 Cr2O3(산화크롬)에 의한 산화막을 부시(201)의 슬라이딩면에 얻을 수 있다.
Cr2O3(산화크롬)은, 증기 터빈 설비의 운전 중에 새로운(산화막 다음의) 산화물의 생성이 억제되어, 보다 고온, 또는 장기간에서의 사용이 가능해지며, 또한 Cr2O3(산화크롬)은 윤활성을 갖기 때문에, 슬라이딩성을 향상시킬 수 있다. 또한, Cr2O3(산화크롬)은 부동태(不動態)이며, 열에 안정하기 때문에, Cr2O3(산화크롬)의 산화막이 고온 하에서 파괴, 부식되지 않는다.
또, 분말팩제의 재료를 변경하는 것에 의해 더 유효한 제2 피막이 이후 개발되어도, 본 실시형태에 따른 제조 방법과 마찬가지로 적용 가능한 것은 물론이다.
여기에서 니켈기 내열 합금으로서는, 니켈-크롬 합금이나 니켈-크롬-철 합금, 니켈-크롬-몰리브덴 합금 등의 니켈을 주된 성분으로 한 철 합금이 사용되며, 예를 들면 인코넬(inconel alloy)을 들 수 있지만, 이러한 기존의 재료로 한정되지 않으며, 이후의 증기 조건의 상승에 수반하여 한층 더 새로운 재료가 개발되어도, 본 실시형태에 따른 제조 방법이 적용 가능한 것은 물론이다.
(제4 실시형태)
제4 실시형태에 대하여 설명한다. 여기에서는, 제1 실시형태와 공통되는 부분의 설명을 생략하고, 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 5는, 도 1에 나타내는 제1 실시형태인 증기 가감 밸브의 그 외의 구조를 나타내며, 특히 밸브체 주변부의 부분 단면도이다. 또, 제4 실시형태에 따른 밸브 장치의 기본 부분은, 도 1에 나타내는 제1 실시형태와 마찬가지이기 때문에, 같은 기능을 갖는 부품에는 같은 부호를 사용하고 있으며, 그 설명을 생략한다. 따라서 이하에서는, 제1 실시형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 5의 증기 가감 밸브는, 밸브 봉(205)과 밸브 봉(205)에 연동하는 밸브체(412)를 축 방향으로 작동시켜, 밸브의 개방도를 변화시킴으로써 증기 유량의 조정 기능을 갖는다. 일련의 동작 중에서, 밸브 봉(205)은 상측 덮개(410) 내부에 설치된 부시(201)를, 밸브체(412)는 슬리브(411)를 각각 가이드로 해서 작동한다.
슬리브(411)는 도시하지 않은 증기 밸브 본체(200)의 내부에서 상측 덮개(410)에 고정되어 있다. 밸브체(412)는 도시하지 않은 밸브 시트(203)에 맞닿도록 설치되며, 밸브 봉(205)의 선단부에 조립되어 있다.
도 1에 나타내는 제1 실시형태에서는, 밸브 개폐에 수반하여 동작하는 가동 부재로서의 밸브 봉(205)과 이 밸브 봉(205)에 슬라이딩 접촉하는 정지 부재로서의 부시(201)를 포함하는 밸브 장치였지만, 제4 실시형태에서는, 가동 부재로서 밸브체(412), 정지 부재로서 슬리브(411)를 적용한 것이다. 즉, 밸브체(412)의 외면과 슬리브(411)의 내면에 의하여 슬라이딩 접촉면을 구성하고 있다.
밸브체(412)와 슬리브(411)로 구성되는 슬라이딩부에는, 제1 실시형태 내지 제3 실시형태에 의거하여, 가동 부재로 되는 밸브체의 슬라이딩 접촉면에 육성부를 일체로 구비하고, 정지 부재로 되는 슬리브의 슬라이딩 접촉면에 표면층을 일체로 구비하며, 이 표면층은 제1 피막 및 제2 피막이 형성되어 있다.
이 제4 실시형태에 따르면, 제1∼제3 실시형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
이상 상세히 기술한 바와 같이, 각 실시형태에 따르면, 가동 부재에 육성부를 형성할 때의 입열량을 억제함과 함께, 슬라이딩 접촉면에 있어서의 응착 마모의 발생을 억제하여, 내마모성을 향상시켜서 내용년수를 길게 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이 실시형태들은, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위을 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 신규인 실시형태들은, 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않은 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
100 : 피처리부
101 : 전극
102 : 육성부
102a : 확산 침투층
102b : 퇴적층
103 : 직류 전원
200 : 증기 밸브 본체
201 : 부시
202 : 상측 덮개
203 : 밸브 시트
204 : 밸브체
205 : 밸브 봉
206 : 유압 구동 기구
307 : 반응 용기
308 : 침탄제
309 : 분말팩제
410 : 상측 덮개
411 : 슬리브
412 : 밸브체
101 : 전극
102 : 육성부
102a : 확산 침투층
102b : 퇴적층
103 : 직류 전원
200 : 증기 밸브 본체
201 : 부시
202 : 상측 덮개
203 : 밸브 시트
204 : 밸브체
205 : 밸브 봉
206 : 유압 구동 기구
307 : 반응 용기
308 : 침탄제
309 : 분말팩제
410 : 상측 덮개
411 : 슬리브
412 : 밸브체
Claims (6)
- 가동 부재로 되는 밸브 봉 혹은 밸브체의 슬라이딩 접촉면에 육성부(肉盛部)를 일체로 구비하고,
상기 육성부는, 금속을 주성분으로 하는 성형체에 의해 구성되는 전극과 상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 피처리부 사이에 펄스상(狀)의 방전을 발생시켜서 상기 전극의 재료를 상기 피처리부의 표면에 용착시키고 퇴적시켜서 형성된 것이고,
정지 부재로 되는 부시 혹은 슬리브의 슬라이딩 접촉면에 표면층을 일체로 구비하고,
상기 표면층은, 금속 침투법에 의한 표면 경화 열처리에 의하여 제1 피막을 형성해서 이루어지는 것이고,
상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 슬라이딩 접촉면과 상기 부시 혹은 상기 슬리브의 슬라이딩 접촉면이, 밸브의 개폐 동작에 수반하여 슬라이딩 접촉하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치. - 가동 부재로 되는 밸브 봉 혹은 밸브체의 슬라이딩 접촉면에 육성부를 일체로 구비하고,
상기 육성부는, 금속을 주성분으로 하는 성형체에 의해 구성되는 전극과 상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 피처리부 사이에 펄스상의 방전을 발생시켜서 상기 전극의 재료를 상기 피처리부의 표면에 용착시키고 퇴적시켜서 형성된 것이고,
정지 부재로 되는 부시 혹은 슬리브의 슬라이딩 접촉면에 표면층을 일체로 구비하고,
상기 표면층은, 금속 침투법에 의한 표면 경화 열처리에 의하여 제1 피막을 형성한 후, 제1 피막을 제거하는 것에 의해 표면을 노출시켜서 제2 피막을 형성해서 이루어지는 것이고,
상기 밸브 봉 혹은 상기 밸브체의 슬라이딩 접촉면과 상기 부시 혹은 상기 슬리브의 슬라이딩 접촉면이, 밸브의 개폐 동작에 수반하여 슬라이딩 접촉하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
정지 부재로 되는 상기 부시 혹은 상기 슬리브의 상기 표면층의 제1 피막은,
적어도 크로마이징 처리에 의한 크롬카바이드층(CrC), 및 티타나이징 처리에 의한 티타늄카바이드층(TiC) 중 어느 하나를 포함하는 금속 침투법에 의한 표면 경화 열처리에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 밸브 장치. - 제2항에 있어서,
정지 부재로 되는 상기 부시 및 상기 슬리브의 상기 표면층의 제2 피막은,
적어도 Cr2O3(산화크롬)을 함유하여 형성된 것을 특징으로 하는 밸브 장치. - 밸브의 개폐에 수반하여 가동 부재와 정지 부재의 슬라이딩 접촉면이 슬라이딩 접촉하는 밸브 장치의 제조 방법으로서,
전기 절연성이 있는 액(液) 중 또는 기(氣) 중에서, 금속을 주성분으로 하는 성형체에 의해 구성되는 전극과 상기 가동 부재의 피처리부 사이에 펄스상의 방전을 발생시켜서 상기 전극의 재료를 상기 피처리부의 표면에 용착시키고 퇴적시키는 것에 의하여, 상기 가동 부재의 슬라이딩 접촉면에 육성부를 형성하고,
침탄제 중에 매몰시켜 일정 시간 열처리하고, 다음으로 크롬 혹은 티타늄을 함유하는 분말제 중에 매몰시켜 일정 시간 열처리하고, 그 후 조질(調質) 열처리, 템퍼링 열처리를 실시하는 금속 침투법에 의한 표면 경화 열처리에 의하여, 상기 정지 부재의 슬라이딩 접촉면에 내산화 특성과 경도를 갖는 제1 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치의 제조 방법. - 밸브의 개폐에 수반하여 가동 부재와 정지 부재의 슬라이딩 접촉면이 슬라이딩 접촉하는 밸브 장치의 제조 방법으로서,
전기 절연성이 있는 액 중 또는 기 중에서, 금속을 주성분으로 하는 성형체에 의해 구성되는 전극과 상기 가동 부재의 피처리부 사이에 펄스상의 방전을 발생시켜서 상기 전극의 재료를 상기 피처리부의 표면에 용착시키고 퇴적시키는 것에 의하여, 상기 가동 부재의 슬라이딩 접촉면에 육성부를 형성하고,
크롬 혹은 티타늄을 함유하는 분말제 중에 매몰시켜 일정 시간 열처리하고, 그 후 다시 열처리를 실시해서 금속 침투법에 의한 제1 피막을 형성한 후, 제1 피막을 절삭 혹은 연마에 의해 제거하여 표면을 노출시켜서 제2 피막을 상기 정지 부재의 슬라이딩 접촉면에 형성하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치의 제조 방법.
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