| 【発明の名称】 |
ステライトＮｏ．６焼結材及びステライトＮｏ．６複合焼結材 |
| 【発明者】 |
【氏名】出口 武司
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| 【要約】 |
【課題】耐摩耗性の向上、弁座面の耐エロージョン性の向上【解決手段】 ステライトＮｏ．６粉末をメカニカルアロイング（ＭＡ）により混合粉砕し、放電プラズマ焼結機を用いて、加熱温度９５０〜１０５０°Ｃ、加熱時間３〜１０分、成形圧力３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の焼結条件で、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ焼結）を行い、リング状のステライトＮｏ．６焼結材を作製した。そして、このリング状のステライトＮｏ．６焼結材を弁体１に適宜の手段で固着し、ステライトＮｏ．６焼結材によって弁体１の弁座面１ａを構成した。
【解決手段】ステライトＮｏ．６粉末をメカニカルアロイング（ＭＡ）により混合粉砕し、放電プラズマ焼結機を用いて、加熱温度９５０〜１０５０°Ｃ、加熱時間３〜１０分、成形圧力３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の焼結条件で、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ焼結）を行い、リング状のステライトＮｏ．６焼結材を作製した。そして、このリング状のステライトＮｏ．６焼結材を弁体１に適宜の手段で固着し、ステライトＮｏ．６焼結材によって弁体１の弁座面１ａを構成した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ステライトＮｏ．６粉末をメカニカルアロイングにより混合粉砕し、焼結成形したステライトＮｏ．６焼結材。
【請求項２】 上記焼結成形が放電プラズマ焼結によりなされた請求項１記載のステライトＮｏ．６焼結材。
【請求項３】 ステライトＮｏ．６粉末にセラミックス粉末を所定量添加し、メカニカルアロイングにより混合粉砕し、焼結成形したステライトＮｏ．６複合焼結材。
【請求項４】 上記セラミックスがＷＣ又はＣｒ3 Ｃ2 である請求項３記載のステライトＮｏ．６複合焼結材。
【請求項５】 上記セラミックスの添加量が５体積％以上２０体積％以下である請求項３又は４記載のステライトＮｏ．６複合焼結材。
【請求項６】 上記焼結成形が放電プラズマ焼結によりなされた請求項３、４又は５記載のステライトＮｏ．６複合焼結材。
【請求項７】 弁体および弁箱のうち少なくとも一方の弁座面を請求項１又は２記載のステライトＮｏ．６焼結材で構成した弁構造。
【請求項８】 弁体および弁箱のうち少なくとも一方の弁座面を請求項３、４、５又は６記載のステライトＮｏ．６複合焼結材で構成した弁構造。
【請求項９】 ステライトＮｏ．６粉末をメカニカルアロイングにより混合粉砕し、放電プラズマ焼結によって焼結成形するステライトＮｏ．６焼結材の製造方法。
【請求項１０】 ステライトＮｏ．６粉末にセラミックス粉末を所定量添加し、メカニカルアロイングにより混合粉砕し、放電プラズマ焼結によって焼結成形するステライトＮｏ．６複合焼結材の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗に優れたステライトＮｏ．６焼結材及びステライトＮｏ．６複合焼結材に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】ステライトは、コバルトＣｏにクロムＣｒ、タングステンＷを添加したＣｏ基合金で、耐摩耗性に優れているため、例えば火力発電所設備や原子力プラントの配管系における弁の摺動部分の盛金に使用されている。盛金の材料としては、ステライトＮｏ．６の溶接棒（ステライトＮｏ．６粉末にバインダを混合して成形体をつくり、真空焼結処理によって焼結したもの）が使用され、ガス溶接、ＴＩＧ溶接等によって弁座面などの摺動面に盛金して耐摩耗を向上させている。
【０００３】しかしながら、従来のステライトＮｏ．６の溶接肉盛材ではエロージョンによる弁座面の損傷が発生する場合があり、弁座部分からの液漏れの心配があった。
【０００４】そこで、本発明は、従来のステライトＮｏ．６の溶接肉盛材よりもさらに耐摩耗性を高めたステライトＮｏ．６材を開発し、これを弁座面に適用することにより、耐エロージョン性を向上させ、弁座部分からの液漏れの心配を解消しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明はステライトＮｏ．６粉末をメカニカルアロイングにより混合粉砕し、焼結成形したステライトＮｏ．６焼結材を提供する。
【０００６】ここで、「メカニカルアロイニング（以下「ＭＡ」と略記する。）」は、機械的合金法とも呼ばれ、溶解鋳造することなく、固相のまま金属を練り合わせて合金を作る、あるいは第２相を母相中に分散させる技術である。具体的には、空気中あるいは非酸化性雰囲気中で高速回転ボールミル（アトラクター）により強度の塑性加工を粉体そのものに加え、金属粉末と金属粉末（あるいは酸化物粉末）とを練り合わせて有効な混合状態を達成するものである。ＭＡによって粉末粒子がボール間でミクロな変形を受けて薄片化し、また新生表面の生成が進む。この清浄な新生表面は活性で凝着しやすく、薄片化した粒子が互いに凝着し、さらに変形を受けて微細化してゆく。このように、ＭＡによって粉末粒子の凝着と微細化が起こるため、次の段階での焼結成形をより低い温度で、より低い圧力で行うことができ、また焼結体のミクロ組織を緻密で均一なものとすることができる。メカニカルアロイングにより混合粉砕したステライトＮｏ．６粉末を焼結成形するための手段として、放電プラズマ焼結法を採用することができる。
【０００７】ここで、「放電プラズマ焼結（以下「ＳＰＳ」と略記する。）」は、圧粉体粒子間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電により瞬時に発生する高温プラズマ（放電プラズマ）の高エネルギーを熱拡散・電界拡散などへ効果的に応用することで、低温から２０００°Ｃ以上の超高温領域においてこれまでの焼結法に比べ２００〜５００°Ｃほど低い温度域で、昇温・保持時間を含め、概ね５〜２０分程度の短時間で焼結、あるいは焼結接合を可能にする材料合成加工技術である。ＳＰＳ法は、熱効率に優れ、放電点の分散による均熱加熱で均質・高品位の焼結体を容易に得ることができる。また、粒成長の少ない焼結微細組織の制御が容易であるばかりでなく、これまでの焼結法では難しかった、ジルコニア、アルミナなどのセラミックス系複合材料、金属系複合材料の焼結を容易に行うことができる。
【０００８】また、本発明は、ステライトＮｏ．６粉末にセラミックス粉末を所定量添加し、メカニカルアロイングにより混合粉砕し、焼結成形したステライトＮｏ．６複合焼結材を提供する。セラミックスの種類は特に限定されないが、ＷＣ又はＣｒ3 Ｃ2 が好適であり、その添加量は５体積％以上２０体積％以下、好ましくは１０体積％以上２０体積％以下、特に１０体積％が好適であることが実験により確認されている。
【０００９】ステライトＮｏ．６粉末とセラミックス粉末の混合物を焼結成形するための手段として、上述した放電プラズマ焼結法を採用することができる。
【００１０】本発明のステライトＮｏ．６焼結材またはステライトＮｏ．６複合焼結材を用いて、弁体および弁箱のうち少なくとも一方の弁座面を構成することにより、エロージョンによる弁座面の損傷を抑制し、弁座部分からの液漏れの心配を解消することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】ステライトＮｏ．６粉末をメカニカルアロイング（ＭＡ）により混合粉砕し、図３に概念的に示す放電プラズマ焼結機を用いて、加熱温度９５０〜１０５０°Ｃ、加熱時間３〜１０分、成形圧力３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の焼結条件で、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ焼結）を行い、径が異なる２種類のリング状のステライトＮｏ．６焼結材（以下「ＳＰＳ焼結材」という。）を作製した。そして、これらリング状のＳＰＳ焼結材を、それぞれ図１に示す弁体１、図２に示す弁箱２に適宜の手段で固着し、ＳＰＳ焼結材によって弁体１の弁座面１ａ、弁箱２の弁座面２ａを構成した。尚、この実施形態では、図３に示す成形型として、焼結材に余分な部位が生じないよう、ニアネットシェイプ部材のＳＰＳ焼結が可能な黒鉛型を使用している。
【００１３】また、２４時間メカニカルアロイング（ＭＡ）したステライトＮｏ．６粉末にセラミックス粉末を所定量添加し、メカニカルアロイング（ＭＡ）により混合粉砕し、図３に概念的に示す放電プラズマ焼結機を用いて、加熱温度９５０〜１０５０°Ｃ、加熱時間３〜１０分、成形圧力３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ2 の焼結条件で、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ焼結）を行い、径が異なる２種類のリング状のステライトＮｏ．６複合焼結材（以下「ＳＰＳ複合焼結材」という。）を作製した。そして、これらリング状のＳＰＳ複合焼結材を、それぞれ図１に示す弁体１、図２に示す弁箱２に適宜の手段で固着し、ＳＰＳ複合焼結材によって弁体１の弁座面１ａ、弁箱２の弁座面２ａを構成した。
【００１４】
【実施例】［実施例１］ステライトＮｏ．６粉末を２４時間ＭＡし、加熱温度１０５０°Ｃ、加熱時間５ｍｉｎ、成形圧力５００ｋｇｆ／ｃｍ2 の焼結条件でＳＰＳ焼結を行い、ＳＰＳ焼結材を作製した。
［実施例２］２４時間ＭＡしたステライトＮｏ．６粉末にセラミックス粉末を所定量添加し、２４時間ＭＡによりステライト・セラミックス混合粉末を作製した。そして、加熱温度１０５０°Ｃ、加熱時間５ｍｉｎ、成形圧力５００ｋｇｆ／ｃｍ2 の焼結条件でＳＰＳ焼結を行い、ＳＰＳ複合焼結材を作製した。ＳＰＳ複合焼結材は、セラミックスの種類および添加量を変えて種々作製した。使用したセラミックスはＣｒ3 Ｃ2 、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＺｒＯ2 であり、それぞれを単独でステライトＮｏ．６粉末に混合した。
［比較例１］ＭＡを施していないステライトＮｏ．６粉末を用いて、加熱温度１０５０°Ｃ、加熱時間５ｍｉｎ、成形圧力５００ｋｇｆ／ｃｍ2 の焼結条件でＳＰＳ焼結を行い、ＳＰＳ焼結材（ＭＡなし）を作製した。
［比較例２］市販のステライトＮｏ．６溶接棒を用いて、バルブ材（2.25Cr-1Mo鋼）にＴＩＧ溶接による１層肉盛をした肉盛材（ＴＩＧ溶接肉盛材）を作製した。
［評価］
（１）常温ＨＶ硬さの測定実施例１のＳＰＳ焼結材、実施例２のＳＰＳ複合焼結材、比較例２のＴＩＧ溶接肉盛材について常温ＨＶ硬さを測定した。その結果を図５にまとめて示す。
【００１５】実施例１のＳＰＳ焼結材（図５に「ステライト単体」と示している。）のＨＶ硬さは平均５５７であり、比較例２のＴＩＧ溶接肉盛材（ＨＶ硬さの平均４３４）と比較して、高い値を示した。実施例２のＳＰＳ複合焼結材のＨＶ硬さはさらに高い値を示し、Ｃｒ3 Ｃ2 添加材とＷＣ添加材では、添加量の増大に伴ってＨＶ硬さが大きくなった。一方、ＴｉＣ添加材とＴｉＮ添加材では、３０ｖｏｌ％で最大硬さを示した後、４０、５０ｖｏｌ％では逆に硬さが低下した。
【００１６】（２）キャビテーション・エロージョン試験実施例１のＳＰＳ焼結材、実施例２のＳＰＳ複合焼結材、比較例１のＳＰＳ焼結材（ＭＡなし）、比較例２のＴＩＧ溶接肉盛材について、キャビテーション・エロージョン試験を行った。試験は、図４に概念的に示す試験機を用いて、各試験片の体積減量を測定することにより行った。そして、試験片の体積減量で耐キャビテーション・エロージョン性を評価した。
【００１７】試験片の体積減量は、比較例２のＴＩＧ溶接肉盛材が最も大きく、比較例１のＳＰＳ焼結材（ＭＡなし）、実施例１のＳＰＳ焼結材、実施例２のＳＰＳ複合焼結材の順で小さくなった。ただ、実施例２のＳＰＳ複合焼結材のうち、ＴｉＣ添加材、ＴｉＮ添加材、ＺｒＯ2 添加材については、体積減量の顕著な減少効果は認められなかった。
【００１８】実施例２のＣｒ3 Ｃ2 添加材、ＷＣ添加材について、添加量と体積減量との関係を図６および図７に示す。Ｃｒ3 Ｃ2 添加材では１０ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の添加量、ＷＣ添加材では５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の添加量で体積減量の減少傾向が顕著であった。特に、双方とも１０ｖｏｌ％の添加量で体積減量が最も小さく、最適な複合材となっている。
【００１９】図８は、キャビテーション・エロージョン試験の結果をまとめたものである。実施例２のＳＰＳ複合焼結材は、最適複合材としてのＣｒ3 Ｃ2 １０ｖｏｌ％添加材、ＷＣ１０ｖｏｌ％添加材の結果を示した。体積減量はＷＣ１０ｖｏｌ％添加材が最も小さく、Ｃｒ3 Ｃ2 １０ｖｏｌ％添加材と実施例１のＳＰＳ焼結材がほぼ同程度になっている。これら実施例の焼結材と比較して、比較例１のＳＰＳ焼結材（ＭＡなし）および比較例２のＴＩＧ溶接肉盛材は体積減量が大きく、特にＴＩＧ溶接肉盛材ではその傾向が顕著である。
【００２０】下記表１に、常温ＨＶ硬さ、体積減量の測定結果をまとめて示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】以上の試験結果より、実施例１のＳＰＳ焼結材、実施例２のＣｒ3 Ｃ2 添加材、ＷＣ添加材は良好な耐キャビテーション・エロージョン性を有することが理解できる。特に、ＷＣ１０ｖｏｌ％添加材の場合、ＴＩＧ溶接肉盛材に対して、約１／９の体積減量であり、Ｃｒ3 Ｃ2 １０ｖｏｌ％添加材の場合、ＴＩＧ溶接肉盛材に対して、約１／５の体積減量であり、非常に良好な耐キャビテーション・エロージョン性を示す。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のステライトＮｏ．６焼結材、ステライトＮｏ．６複合焼結材は、従来のステライトＮｏ．６溶接肉盛材に比べて、高い耐摩耗性を有し、良好な耐キャビテーション・エロージョン性を示す。したがって、本発明のステライトＮｏ．６焼結材又はステライトＮｏ．６複合焼結材を用いて、弁体および弁箱のうち少なくとも一方の弁座面を構成することにより、エロージョンによる弁座面の損傷を防止し、弁座部分からの液漏れの心配を解消することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１５６９３８
【氏名又は名称】関西電力株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）４月３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】江原 省吾 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２８６７０１ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月１９日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−９１８２９ |
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