(57)【要約】【課題】構造物の表面に部材を被着させて前記構造物の、耐摩耗性や耐エロージョン特性等の表面特性を改善させる新規かつ簡易な手法を提供する。【解決手段】構造物の表面に部材を圧接させ、回転させると同時に前記表面を移動させ、前記構造物の前記表面上に前記部材の構成材料からなる肉盛を形成する。【選択図】図１
2010132941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の表面に部材を圧接させ、回転させると同時に前記表面を移動させ、前記構造物の前記表面上に前記部材の構成材料からなる肉盛を形成することを特徴とする、構造物の表面肉盛方法。
【請求項２】
前記構造物及び前記部材は、鉄系金属からなることを特徴とする、請求項１に記載の構造物の表面肉盛方法。
【請求項３】
前記構造物及び前記部材は、ステンレス鋼からなることを特徴とする、請求項２に記載の構造物の表面肉盛方法。
【請求項４】
前記構造物は鉄系金属からなり、前記部材はコバルト基合金及びニッケル基合金の少なくとも一方からなることを特徴とする、請求項１に記載の構造物の表面肉盛方法。
【請求項５】
前記構造物はステンレス鋼であることを特徴とする、請求項４に記載の表面肉盛方法。
【請求項６】
前記構造物は開先加工を施した円筒状構造物であって、前記肉盛は少なくとも前記円筒状構造物の開先部分に対して行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の構造物の表面肉盛方法。
【請求項７】
構造物と、
前記構造物の表面上に、請求項１〜６のいずれか一に記載の方法で形成された肉盛と、
を具えることを特徴とする、構造体。
【請求項８】
請求項７に記載の構造体を含むことを特徴とするエネルギー機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物に対して耐摩耗性や耐エロージョン特性等を付与することが可能な構造物の表面肉盛方法、並びにこの方法を用いて形成した構造体及びエネルギー機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エネルギー機器の構造物や配管において、耐摩耗性や耐エロージョン特性が要求される部位には高硬度材の肉盛溶接（例えば、特許文献１）及び溶射（例えば、特許文献２）などが適用されている。
【０００３】
肉盛溶接は、溶接を行う構造物に対して溶接トーチをウィービングさせながら行う。しかしながら、前記構造物に対して耐摩耗性や耐エロージョン特性を付与させる目的で、溶接材料としてコバルト基合金であるステライトやニッケル基合金であるコルモノイなどを用いると、これらの材料は高硬度材であって熱応力の影響を受けやすく、形成した肉盛内の応力によって密着性等が劣化してしまうことから溶接条件の設定が難しく、歩留まりが悪いという問題点がある。
【０００４】
また、溶射の場合は、構造物の表面に被着させようとする部材を、例えばプラズマ溶射装置内に充填し、前記構造物の前記表面に対して吹き付ける。しかしながら、この方法では、被着させる際に、前記部材が大気中を介して前記構造物の前記表面に到達し、堆積されるようになるため、形成された堆積物中にはポーラス型の欠陥が生じやすく、前記部材の被着による前記構造物の特性改善を十分に行うことができないでいた。
【特許文献１】特開２００８−１０５０３３
【特許文献２】特開２００２−２５６４０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、構造物の表面に部材を被着させて前記構造物の、耐摩耗性や耐エロージョン特性等の表面特性を改善させる新規かつ簡易な手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、構造物の表面に部材を圧接させ、回転させると同時に前記表面を移動させ、前記構造物の前記表面上に前記部材の構成材料からなる肉盛を形成することを特徴とする、構造物の表面肉盛方法に関する。
【０００７】
本発明者らは、構造物の表面特性を改善するための溶接条件の設定が困難な肉盛溶接等に代わる新規な方法を見出すべく鋭意検討を実施した。その結果、近年実用化が進んできた摩擦圧接なる技術に着目した。前記摩擦圧接は、構造物に対して部材を回転させながら接触させ、前記部材の軸方向に圧力を負荷することによって前記部材を前記構造物に対して圧接させ、これによって、前記部材を前記構造物に対して結合させる技術である。
【０００８】
本発明者らは、上記摩擦圧接を応用し、構造物の表面に部材を圧接させ、回転させると同時に前記表面を移動させることによって、前記部材の構成材料からなる肉盛を前記構造物の前記表面上に形成できることを見出した。したがって、前記部材として適当な特性、例えば耐摩耗性や耐エロージョン特性を有するものを選択すれば、前記構造物の前記表面上に上述した肉盛を形成することにより、前記部材の前記表面に対して前記特性を付与できることを見出した。
【０００９】
なお、本発明は、摩擦圧接の技術を利用（応用）しているので、肉盛溶接のように部材の溶融を伴わない低温のプロセスである。したがって、熱応力が小さく、前記部材が硬質部材であっても、得られた肉盛内の内部応力を小さく保持することができ、構造物の表面に対して高い密着力で前記肉盛を形成することができる。
【００１０】
また、本発明の方法によれば、得られる肉盛の組織は微細となる傾向があるので、前記部材の材料組成によらず、靭性、耐食性、耐摩耗性など材料特性の改善を図ることができる。
【００１１】
さらには、本発明の方法によれば、構造物の表面に対する部材の圧接度合押付荷重、回転速度、及び表面移動速度を適宜に制御することによって、前記構造物及び前記部材として適用できる材料の種類を増大させることができる。しかしながら、前記構造物として鉄系金属以外のものを用いた場合には、理由は定かでないが、本発明の方法の適用が困難となり、肉盛を形成できない場合がある。すなわち、本発明の方法は、前記構造物が鉄系金属からなる場合に好適に用いることができる。
【００１２】
前記鉄系金属としては例えばステンレス鋼を挙げることができる。この場合、前記部材も同様にステンレス鋼を用いることが好ましく、その他、コバルト基合金、ニッケル基合金を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上、本発明によれば、構造物の表面に部材を被着させて前記構造物の、耐摩耗性や耐エロージョン特性等の表面特性を改善させる新規かつ簡易な手法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細、その他の特徴及び利点について、実施の形態に基づいて説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における構造物の表面肉盛方法を説明するための図である。
図１に示すように、本態様においては、板状の構造物１１に対してその表面１１Ａに対して肉盛を行う。本態様においては、円筒形状の部材１２を準備し、この部材１２の端面を構造物１１の表面１１Ａに圧接させ、図中矢印で示す方向に回転させると同時に右方向に移動させている。その結果として、構造物１１の表面１１Ａ上に部材１２の構成材料からなる肉盛１３が形成される。
【００１６】
なお、肉盛１３を形成するには、構造物１１及び部材１２を適当な材料から構成する。例えば、構造物１１及び部材１２を鉄系金属から構成する。前記鉄系金属としては例えばステンレス鋼を挙げることができる。または、構造物１１をステンレス鋼等の鉄系金属から構成し、部材１２をその他、コバルト基合金やニッケル基合金から構成する。これらの合金は、特に耐摩耗性に優れているので、後者の場合は、肉盛１３をコバルト合金あるいはニッケル基合金から構成することができ、構造物１１の表面１１Ａに対して高い耐摩耗性を付与することができる。
【００１７】
なお、構造物１１及び部材１２の材料が選定された後は、部材１２の、構造物１１の表面１１Ａに対する圧接度合押付荷重、回転速度、及び表面移動速度によって肉盛１３の形成度合（肉厚等）が決定される。
【００１８】
例えば、構造物１１及び部材１２を鉄系金属、特にステンレス鋼から構成した場合、前記圧接度合押付荷重は、５０００（Ｎ／ｃｍ２）〜１５０００（Ｎ／ｃｍ２）であることが好ましく、回転速度は３００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍであることが好ましく、表面移動速度は０．５ｍｍ／ｓｅｃ〜５ｍｍ／ｓｅｃであることが好ましい。
【００１９】
また、構造物１１を鉄系金属から構成し、部材１２をコバルト基合金、ニッケル基合金から構成した場合も同様である。
【００２０】
本態様では、摩擦圧接の技術を利用（応用）しているので、肉盛溶接のように部材の溶融を伴わない低温のプロセスである。したがって、熱応力が小さく、部材１２が硬質部材であっても、得られた肉盛１３内の内部応力を小さく保持することができ、構造物１１の表面１１Ａに対して高い密着力で肉盛１３を形成することができる。
【００２１】
また、得られる肉盛１３の組織は微細となる傾向があるので、部材１２の材料組成によらず、靭性、耐食性、耐摩耗性など材料特性の改善を図ることができる。
【００２２】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態における構造物の表面肉盛方法を説明するための図である。
図２に示すように、本態様においては、円筒状の構造物２１に対してその円周面２１Ａに対して肉盛を行う。本態様においても、第１の実施形態と同様に、円筒形状の部材２２を準備し、この部材２２の端面を構造物２１の円周面２１Ａに圧接し、図中矢印で示す方向に回転させると同時に円周方向に移動させている。その結果として、構造物２１の円周面２１Ａ上には部材２２の構成材料からなる肉盛２３が形成される。
【００２３】
なお、第１の実施形態同様に、肉盛２３を形成するには、構造物２１及び部材２２を、ステンレス鋼やニッケル基合金等の適当な材料から構成し、肉盛２３の形成度合（肉厚等）を制御するためには、部材２２の、構造物２１の円周面２１Ａに対する圧接度合押付荷重、回転速度、及び表面移動速度を適宜制御する。これらのパラメータは、第１の実施形態と同様の値に設定することができる。
【００２４】
また、その他の特徴及び作用効果についても、上記第１の実施形態と同様である。
【００２５】
（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態における構造物の表面肉盛方法を説明するための図である。
図３に示すように、本態様においては、円筒状の構造物３１に対してその側面３１Ａに対して肉盛を行う。具体的には、構造物３１の側面３１Ａ上において、開先３１Ｂから左方へ軸方向に沿って肉盛を行う。この場合、構造物３１の側面３１Ａ上のみならず、開先３１Ｂにも肉盛３３が形成されるので、開先３１Ｂにも肉盛３３に起因した特性、例えば耐摩耗性や耐エロージョン特性を付与することができる。
【００２６】
なお、第１の実施形態同様に、肉盛３３を形成するには、構造物３１及び部材３２を、ステンレス鋼やニッケル基合金等の適当な材料から構成し、肉盛３３の形成度合（肉厚等）を制御するためには、部材３２の、構造物３１の側面３１Ａに対する圧接度合押付荷重、回転速度、及び表面移動速度を適宜制御する。これらのパラメータは、第１の実施形態と同様の値に設定することができる。
【００２７】
また、その他の特徴及び作用効果についても、上記第１の実施形態と同様である。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
本実施例では、図１に関連した第１の実施形態に基づいて表面肉盛処理を実施した。構造物１１をステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）から構成し、部材１２をコバルト基合金（ステライト＃６）から構成した。また、部材１２の構造物１１の表面１１Ａに対する圧接度合押付荷重は１４３００（Ｎ／ｃｍ２）とし、回転速度は回転数４００（ｒｐｍ）とし、移動速度は１ｍｍ／ｓｅｃとした。また、施工距離は１００ｍｍとした。肉盛１３の厚さは１ｍｍであった。
【００２９】
なお、ＳＵＳ３１６Ｌは、質量％で、Ｃ：０．０３０以下、Ｓｉ：１．００以下、Ｍｎ：２．００以下、Ｎｉ：１２．００〜１５．００、Ｃｒ：１６．００〜１８．００、Ｍｏ：２．００〜３．００、残部Ｆｅのオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００３０】
また、ステライト＃６は、質量％で、Ｃ：１．２８、Ｓｉ：１．１０、Ｍｎ：０．０４、Ｎｉ：２．２５、Ｃｒ：２９．９０、残部Ｃｏからなるコバルト基合金である。
【００３１】
図４は、本実施例で得られた肉盛１３の金属組織写真を硬さとともに示す図であり、図５は、本実施例と同材料を用いた場合の溶接肉盛組織の金属組織写真を硬さとともに示す図である。
【００３２】
図４から明らかなように、本実施例で得た肉盛１３は数μｍ程度の非常に微細な組織を有しており、ビッカース硬さＨｖは５００であることが判明した。一方、図５から明らかなように、従来の溶接肉盛の場合は、組織も粗く、ビッカース硬さＨｖは４００であることが判明した。このことから明らかなように、構造物及び部材（溶接部材）として同じ材料を用いた場合においても、本発明の表面肉盛方法に従って得た肉盛は、金属組織が微細化して耐エロージョン特性に優れ、さらに硬さにも優れていることが分かる。
【００３３】
なお、部材１２として、上述したコバルト基合金に代えてニッケル基合金を用いた場合にも同様の結果が得られた。
【００３４】
また、部材１２として、構造物１１と同じＳＵＳ３１６Ｌを用いた場合においても同様の結果が得られた。この場合は、構造物１１及び部材１２を共材としているので、本発明の表面肉盛方法は、ステンレス鋼が多用されている構造体を含む原子力、火力などのエネルギー機器において有効である。
【００３５】
（実施例２）
本実施例では、図１に関連した第１の実施形態に基づいて表面肉盛処理を実施した。構造物１１をステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）から構成し、部材１２をステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）から構成した。また、部材１２の構造物１１の表面１１Ａに対する圧接度合（押付荷重）は８６００（Ｎ／ｃｍ２）とし、回転速度は回転数４００ｒｐｍとし、移動速度は１ｍｍ／ｓｅｃとした。また、施工距離は１００ｍｍとした。肉盛１３の厚さは１ｍｍであった。
【００３６】
なお、ＳＵＳ４４０Ｃは、質量％で、Ｃ：０．９５〜１．２０、Ｓｉ：１．００以下、Ｍｎ：２．００以下、Ｃｒ：１６．００〜１８．００、残部Ｆｅのマルテンサイト系ステンレス鋼である。
【００３７】
図６は、本実施例で得られた肉盛１３の金属組織写真である。図６から明らかなように、本実施例で得た肉盛１３は、実施例１同様に数μｍ程度の非常に微細な組織を有しており、耐エロージョン特性に優れ、さらに硬さにも優れていることが分かる。  
【００３８】
本実施例においても、構造物１１及び部材１２をステンレス鋼から構成しているので、本発明の表面肉盛方法は、ステンレス鋼が多用されている構造体を含む原子力、火力などのエネルギー機器において有効である。
【００３９】
（実施例３）
本実施例では、図２に関連した第２の実施形態に基づいて表面肉盛処理を実施した。構造物２１をステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなる配管とし、部材２２をステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）から構成した。また、部材２２の構造物２１の円周面２１Ａに対する圧接度合押付荷重は８６００（Ｎ／ｃｍ２）とし、回転速度は回転数４００ｒｐｍとし、移動速度は１ｍｍ／ｓｅｃとした。
【００４０】
図７は、本実施例で表面肉盛処理を施した構造物（配管）２１の外観観察写真である。図７から明らかなように、構造物（配管）２１の略中央部には肉盛２３が形成されていることが分かる。したがって、構造物（配管）２１の肉盛２３の形成箇所においては、高い耐摩耗性及び耐エロージョン特性を付与できることが分かる。
【００４１】
（実施例４）
本実施例では、図３に関連した第３の実施形態に基づいて表面肉盛処理を実施した。構造物３１をステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなる配管とし、部材３２をステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）から構成した。また、部材３２の構造物（配管）３１の側面３１Ａに対する圧接度合押付荷重は８６００（Ｎ／ｃｍ２）とし、回転速度は回転数４００ｒｐｍとし、移動速度は１ｍｍ／ｓｅｃとして、構造物（配管）３１の開先３１Ｂから図３中左方へ、その軸方向に沿って１００ｍｍの距離で表面肉盛処理を実施した。
【００４２】
したがって、特に肉盛３３に関する組織写真は図示しないものの、本実施例においても、構造物（配管）３１の肉盛３３の形成箇所、特に開先３１Ｂにおいては、高い耐摩耗性及び耐エロージョン特性を付与できることが分かる。
【００４３】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施形態における構造物の表面肉盛方法を説明するための図である。
【図２】第２の実施形態における構造物の表面肉盛方法を説明するための図である。
【図３】第３の実施形態における構造物の表面肉盛方法を説明するための図である。
【図４】実施例で得られた肉盛の金属組織写真を硬さとともに示す図である。
【図５】溶接肉盛組織の金属組織写真を硬さとともに示す図である。
【図６】実施例で得られた肉盛の金属組織写真を示す図である。
【図７】実施例で表面肉盛処理を施した構造物（配管）の外観観察写真である。
【符号の説明】
【００４５】
１１，２１，３１  構造物
１２，２２，３２  部材
１３，２３，３３  肉盛り
１２１Ａ  バリア層
【図１】
2010132941.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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