JP2955506B2 - 摺動部材用合金材料及び高温度高圧力用機器 - Google Patents
摺動部材用合金材料及び高温度高圧力用機器Info
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Description
特に、高温度高圧力の条件下で使用される摺動部材用の
合金材料及びその合金材料を使用した機器に関するもの
である。
ラントのような高温度高圧力の条件下で使用される、例
えば弁のように摺動部を有する機器では、その摺動部に
高度な耐摩耗性及び耐腐食性が要求されるだけでなく、
焼付きやカジリが発生しないことが要求されている。従
って、そのような摺動部に使用される材料は、通常のす
べり軸受に使用されるケルメット、アルミ合金、銅合金
等の許容面圧力が2.5kgf/mm2 以下の合金材料
では、このような高度の要求を満足することはできず、
許容面圧力が10kgf/mm2 以上必要である。
%、W:約4%、C:約1%、Co:残部のCo基合金
が一般に使用されてきた。しかし、このCo基合金は、
原子力発電プラントの機器の冷却水系に使用された場
合、高温度高圧力の冷却水の腐食作用あるいは摺動によ
る摩耗により冷却水中に混入したCoが、原子炉の中心
部を流動する間に中性子の照射を受けて放射性同位元素
Co60に変化する。従って、冷却水の循環に伴いこの
放射性同位元素Co60が冷却水系の配管及び機器を循
環し、該配管及び機器に付着して冷却水系延いては原子
力発電プラント全体の放射能レベルを高くしている。そ
れゆえ、Coを成分組成としない合金材料が必要とされ
た。
摺動部材用合金材料としてCoを成分組成としない合金
材料を発明し、特願平06−096500号として出願
した(特開平07ー305129号公報参照)。この発
明による合金材料は、互いに摺動する部材の材料が、成
分組成及び機械的性質、特に硬度の異なる1組のNi−
Cr−Si−Fe−W系Ni基合金で構成されている。
305129号公報による摺動部材用合金材料には、つ
ぎのような課題が存在していた。すなわち、この発明に
よる合金材料は、互いに摺動する部材の材料が、発明の
技術による1組のNi基合金の組合わせで実施される場
合にその効果を発揮するものである。すなわち、発明の
技術による一方の合金材料を発明の技術以外の摺動部材
用合金材料と組合わせて実施した場合、充分な耐摩耗性
あるいは耐腐食性が得られず、焼付きあるいはカジリが
発生する場合があることが分かった。
になされたものであり、各種の摺動部材用合金材料と組
合わせても、充分な耐摩耗性あるいは耐腐食性が得ら
れ、焼付きあるいはカジリが発生しないコバルトフリー
の、即ちCoを成分組成としない摺動部材用合金材料を
提供することを目的とする。
7ー305129号公報による摺動部材用合金材料の改
善に努力し、この中の第1合金材料の成分組成を種々変
更して研究を重ねた結果、目的を達成する合金材料の成
分組成を得ることができた。すなわち、本発明によるコ
バルトフリーの摺動部材用合金材料は、軟質側摺動部材
として使用されるもので、その成分組成が、Cr:6.
5〜20%、W:1〜4%、Si:2〜7%、B:1%
以下、C:1%以下、Fe:40超〜50%、Ni:残
部であることを特徴とするものである。
iを基材とし、さらに耐腐食性を向上させると共に硬度
を保持するためにCr及びSiを添加し、摺動性を維持
するためにW及びFeを添加している。Feを添加する
ことは、Cr及びSiを添加することにより高くなる合
金の硬度を低下させて相手の摺動部材(硬質合金)との
硬度差を大きくすると共に、摩耗粉を酸化し易くして摺
動性を向上させることにより、相手の摺動部材を損傷し
難くする。
の成分組成割合の選択の根拠について説明する。まず、
Cr(クロム)は、耐腐食性を向上させるために慣用的
に添加される。しかし、本発明による合金材料は、Ni
を基材としていることにより本質的に耐腐食性に優れて
おり、多量のCrを添加することは必要ない。例えば、
アメリカ材料試験学会(ASTM)によるTYPE D
−3のニレジストは、Ni:28〜32%、Si:1.
5〜3%、Cr:2.5〜3%を含有し、残部は実質的
にFe基の合金であるが、原子力発電プラントの133
〜221℃の水蒸気中において0.025mm/年以下
の腐食量を示し、SUS304あるいはSUS403と
ほぼ同等の耐腐食性を示している。従って、本発明の合
金材料においても5%以上のCrを添加することによ
り、原子力発電プラント等の機器用合金材料として充分
な耐腐食性を備えることが可能となる。しかし、本発明
の合金材料は、Feが50%まで添加されるので、この
場合でも耐腐食性が良好に維持されるように、Crの成
分組成割合の下限を6.5%とする。また、Crは、金
属の耐酸化性を向上させて摺動により発生する摩耗粉の
酸化を妨げ、その結果摺動部材の剥離片を発生させ、摺
動部に焼付きあるいはカジリを起こさせる原因となるの
で、そのような不具合の発生を防止するため成分組成割
合の上限を20%とする。すなわち、Crの成分組成割
合を6.5〜20%とする。
る耐腐食性を向上させると共に、硬度及び耐摩耗性を維
持するために添加される。しかし、多量に添加されると
合金材料の靭性が低下し、溶接施工性が劣化する。従っ
て、Siの成分組成割合を2〜7%とする。
摺動性を向上させると共に、溶接性を向上させるために
添加される。摺動部材が摺動する場合、酸化され易い摩
耗粉が生成されて焼付きあるいはカジリを発生し難くす
る。しかし、多量に添加されると合金材料の耐腐食性が
低下すると共に、硬度が必要以上に低下して許容面圧が
低下する。本発明の合金材料は、酸化した摩耗粉が容易
に生成されるように、Feの成分組成割合の下限を40
%とし、弁座等に使用された場合の許容面圧を確保する
ために必要な硬度、ロックウエル硬度11.HRC(ビ
ッカース硬度200Hv)以上が得られるように、上限
を50%とする。
くすると共に、摺動性を向上させるために添加される。
摺動部材が摺動する場合、酸化タングステン(WO3 )
が生成されて焼付きあるいはカジリを発生し難くする。
しかし、多量に添加されると炭化タングステン(WC)
の組成割合が大きくなり、硬度が過度に高くなる。従っ
て、Wの成分組成割合を1〜4%とする。
それぞれCrと化合してホウ化クロム(CrB)、炭化
クロム(Cr7C3)となり、硬度を高くする。しかし、
これらの化合物の組成割合が大きくなると溶接性を低下
させ、摺動する相手の材料にカジリを発生させる傾向が
大きくなる。従って、B及びCの成分組成割合をそれぞ
れ1%以下に制限する。
摺動部材用合金材料の摺動試験について詳細に説明す
る。図1は本発明による合金材料の試験体を示す平面図
(a)及び断面図(b)であり、図2は硬質側試験体を
示す平面図(a)及び断面図(b)であり、図3は摺動
試験装置の主要構成部を示す断面図である。
発明による合金材料の試験体であり、厚めの略円盤形状
に構成されている。該試験体1は、略円盤形状である炭
素鋼基材の母体1aの一方の面に薄板環状に合金材料1
bが溶接され、他方の面の中心部に厚み方向の貫通しな
いメネジ1cが加工され、さらに該メネジ1cの中心部
に厚み方向の貫通孔1dが加工されている。該合金材料
1bの環状の表面すなわち試験面1eは約600メッシ
ュまで研磨されている。なお、母体1aと合金材料1b
とを一体として合金材料で構成してもよい。
質側試験体であり、厚めの略円盤形状に構成されてい
る。該硬質側試験体2は、略円盤形状である炭素鋼基材
の母体2aの一方の面に薄板円輪状に硬質の摺動材2b
が溶接され、他方の面の中心部に厚み方向の貫通しない
メネジ2cが加工されている。該摺動材2bの円輪状の
表面すなわち試験面2dは約600メッシュまで研磨さ
れている。なお、母体2aと摺動材2bとを一体として
硬質の摺動材で構成してもよい。該摺動材2b及び前記
合金材料1bの円輪形状は、対面して相互に摺動するよ
うに同一の形状及び寸法に構成されている。
動試験装置であり、該摺動試験装置3は仕切弁の弁座を
模擬して構成されており、実際には、口径100mmの
仕切弁に相当する大きさである。該摺動試験装置3は、
圧力容器10及び硬質側試験体往復動装置20を主要構
成部として構成されている。該圧力容器10は、上部及
び一方の側部にそれぞれ上蓋11、横蓋12で気密状態
に覆われて相互に直交する開口10a、10bを、ま
た、横蓋12の対面に付加軸用貫通孔10cを形成され
ている。該圧力容器10には、さらに、ポンプ41が連
結され、外面を加熱ヒータ42で覆われている。
ング13が前記横蓋12に支持されて挿入されている。
該試験体支持リング13は略円柱状であり、軸芯に貫通
孔13aを形成されている。また、前記圧力容器10内
側の該試験体支持リング13の端面には、前記試験体1
がメネジ1cを螺合して保持されている。該試験体1の
貫通孔1dは、前記試験体支持リング13の貫通孔13
aを介して前記横蓋12に形成された検出孔12aへ連
通している。
蓋11に設けられており、上蓋11に形成された貫通孔
11aに気密状態で貫通して挿入された弁軸21と、該
弁軸21の外端部に連結された往復駆動用の油圧ラム2
2とから構成されている。該弁軸21の内端部には弁体
23が連結されている。該弁体23の前記開口10bに
対面する側面には、前記硬質側試験体2がメネジ2cを
螺合して保持されている。すなわち、該硬質側試験体2
と前記試験体1とは、摺動材2bと合金材料1bとが対
面するように配置して保持されている。
状態に貫通して挿入されている。該付加軸31の外部端
は貫通孔10cの外部に設けられた往復駆動用の油圧ラ
ム32に連結され、内部端は、前記弁体23の側面すな
わち前記硬質側試験体2が保持されている側面と反対側
の側面に当接可能である。
より摺動試験を実施する場合について、以下に説明す
る。まず、油圧ラム22を操作して硬質側試験体2の摺
動材2bを試験体1の合金材料1bへ対面させる。な
お、摺動材2b及び合金材料1bは口径100mmの仕
切弁に相当する形状及び大きさとされている。つぎに、
油圧ラム32を操作して付加軸31を圧力容器10内へ
押出し、弁体23を押しつけ、両試験面1e、2dを密
着させ、さらに、試験面1e、2d間に約0.05kg
f/mm2 の初期面圧を発生させる。つぎに、ポンプ4
1を操作して圧力容器10内に注水し、充満し、さらに
昇圧する。水圧が約30kgf/cm2 に達すると、面
圧が約7Kgf/mm2 となって、試験面1e、2d間
の気密状態が水圧により保持されるようになるので、付
加軸31を操作して、押しつけを止め、後退させて弁体
23から離す。水圧をさらに88kgf/cm2 まで昇
圧する。このとき、試験面1e、2d間に20kgf/
mm2 の面圧が発生する。
操作し、試験体1に対し硬質側試験体2を往復摺動させ
る。また、加熱ヒータ42を操作して圧力容器10内の
水を加熱する。加熱温度と加熱による水圧の変化を調節
しながら硬質側試験体2を往復摺動することにより、高
温度高圧力の条件下における摺動試験が行われる。試験
結果は、試験中に試験面1e、2d間から漏れ、貫通孔
1d及び貫通孔13aを介して検出孔12aから漏れる
水の漏洩量と、試験後に測定される摺動面すなわち試験
面1e、2dの粗さと、により判定するが、漏洩量は試
験条件により変動し易いので、主として摺動面の粗さに
より判定する。摺動面の粗さは、1μmRa以下を合格
とする。その根拠は、1μmRaが摺合せにより容易に
修復可能な限界の粗さであることによる。
摺動試験装置により試験した結果を表1に示す。表1に
おいて、記号a:軟質と示されているものが本発明によ
る合金材料である。試験は、合金材料のFeの添加量を
変化させた試験体とNi基硬質合金及びCo基硬質合金
の硬質側試験体とを組合わせ、試験面間に20kgf/
mm2の面圧をかけ、水温が室温及び300℃の場合に
ついて実施した。また、試験は、試験体と硬質側試験体
との各組合わせについて、100回摺動させ、全摺動距
離は1.2mである。
弁の弁座材料に向けられており、このような弁は、当業
者にとって周知のように、先ず室温の水中で摺動させて
実機作動試験を受け、また、上述の沸騰水型原子炉にお
ける最高の設計使用温度圧力状態は302℃,88Kg
f/cm2 であるため、表1において、摺動条件の流体
の項に表示したような確認試験(300℃水)を受け
る。
材料のFeの添加量と硬さとは、ほぼ逆比例の関係にな
り、Feの成分組成割合が40%でロックウエル硬度約
30HRC(ビッカース硬度300Hv)、Feの成分
組成割合が50%でロックウエル硬度約23HRC(ビ
ッカース硬度250Hv)となる。また、本発明による
合金材料と、ロックウエル硬度50HRC以上のNi基
硬質合金及びロックウエル硬度40HRC以上のCo基
硬質合金と、の摺動において、硬度差を10〜32HR
Cとすることにより、摺動面の粗さが1μmRa以下に
押さえられ、良好な摺動特性が得られることがわかる。
なお、各試験において焼付きあるいはカジリ現象は発生
しなかった。
のように構成されていることにより、以下のような効果
を得ることができた。すなわち、Coを添加しないNi
基合金において、Feの成分組成割合を40超〜50%
とすることにより、Ni基合金以外の摺動部材用合金材
料と組合わせても、充分な耐摩耗性あるいは耐腐食性が
得られ、焼付きあるいはカジリを発生しない。また、硬
質側の摺動部材用合金材料と本発明による摺動部材用合
金材料との硬度差を10〜32HRCとすることによ
り、充分な耐摩耗性あるいは耐腐食性が得られ、焼付き
あるいはカジリを発生しない。従って、本発明による摺
動部材用合金材料を高温度高圧力の条件下で使用される
機器、例えば弁の摺動部に採用することにより、信頼性
の高い機器を提供することが可能になる。
験体を示す平面図(a)及び断面図(b)である。
質側試験体を示す平面図(a)及び断面図(b)であ
る。
動試験装置の主要構成部を示す断面図である。
…摺動材、3…摺動試験装置、10…圧力容器、11…
上蓋、12…横蓋、13…試験体支持リング、20…硬
質側試験体往復動装置、21…弁軸、22…油圧ラム、
31…付加軸、32…油圧ラム、41…ポンプ、42…
加熱ヒータ。
Claims (4)
- 【請求項1】 合金材料の成分組成がCr:6.5〜2
0%、W:1〜4%、Si:2〜7%、B:1%以下、
C:1%以下、Fe:40超〜50%、Ni:残部であ
ることを特徴とする、摺動部材の軟質側合金材料として
使用されるコバルトフリーの摺動部材用合金材料。 - 【請求項2】 摺動部材用の硬質側合金材料に対し、硬
度差が10〜32HRCであることを特徴とする請求項
1記載の摺動部材用合金材料。 - 【請求項3】 成分組成がCr:6.5〜20%、W:
1〜4%、Si:2〜7%、B:1%以下、C:1%以
下、Fe:40超〜50%、Ni:残部であるコバルト
フリーの摺動部材用合金材料が軟質側摺動部材として使
用されていることを特徴とする高温度高圧力用機器。 - 【請求項4】 硬質側摺動部材として使用される合金材
料との硬度差が10〜32HRCであることを特徴とす
る請求項3記載の高温度高圧力用機器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008096A JP2955506B2 (ja) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | 摺動部材用合金材料及び高温度高圧力用機器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008096A JP2955506B2 (ja) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | 摺動部材用合金材料及び高温度高圧力用機器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09209066A JPH09209066A (ja) | 1997-08-12 |
JP2955506B2 true JP2955506B2 (ja) | 1999-10-04 |
Family
ID=12017129
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008096A Expired - Lifetime JP2955506B2 (ja) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | 摺動部材用合金材料及び高温度高圧力用機器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2955506B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106566950B (zh) * | 2016-08-12 | 2018-01-16 | 沈阳有色金属研究所有限公司 | 一种具有高强度高弹性高耐腐蚀性的镍铍合金及其制造方法 |
-
1996
- 1996-02-06 JP JP2008096A patent/JP2955506B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH09209066A (ja) | 1997-08-12 |
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