(57)【要約】      （修正有）【課題】高温環境での耐酸化性を発揮する弁装置および弁装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、弁開閉に伴って動作する可動部材としての弁棒とこの弁棒に摺接する静止部材としてのブッシュとを含む弁装置であって、弁棒とブッシュの少なくとも一方の摺接面に肉盛部を一体に備え、肉盛部は、第１の金属を主成分とする成形体により構成される電極と弁棒又はブッシュの被処理部１００との間にパルス状の放電を発生させて電極の材料を被処理部１００の表面に溶着させ堆積させることによって形成した第１皮膜１０２と、第２の金属を主成分とする原料粉末をプラズマ溶射ガンを用いてプラズマ溶射することにより、第１皮膜１０２の表面に形成した第２皮膜とを含む肉盛部１５７を有する弁装置が提供される。【選択図】図７
2014238142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁開閉に伴って動作する可動部材としての弁棒と、この弁棒に摺接する静止部材としてのブッシュとを含む弁装置であって、
前記弁棒と前記ブッシュの少なくとも一方の摺接面に肉盛部を一体に備え、
前記肉盛部は、
第１の金属を主成分とする成形体により構成される電極と前記弁棒又は前記ブッシュの被処理部との間にパルス状の放電を発生させて前記電極の材料を前記被処理部の表面に溶着させて堆積させることによって形成した第１皮膜と、
第２の金属を主成分とする原料粉末を、プラズマ溶射ガンを用いプラズマ溶射することにより、前記第１皮膜の表面に形成した第２皮膜とを含む肉盛部を有する
ことを特徴とする弁装置。
【請求項２】
弁開閉に伴って動作する可動部材としての弁体と、この弁体に摺接する静止部材としてのスリーブとを含む弁装置であって、
前記弁体と前記スリーブの少なくとも一方の摺接面に肉盛部を一体に備え、
前記肉盛部は、
第１の金属を主成分とする成形体により構成される電極と前記弁体又は前記スリーブの被処理部との間にパルス状の放電を発生させて前記電極の材料を前記被処理部の表面に溶着させて堆積させることによって形成した第１皮膜と、
第２の金属を主成分とする原料粉末を、プラズマ溶射ガンを用いプラズマ溶射することにより、前記第１皮膜の表面に形成した第２皮膜とを含む肉盛部を有する
ことを特徴とする弁装置。
【請求項３】
前記肉盛部の第１皮膜は、
前記第１の金属としての電極の材料の粒子が前記被処理部の表面から拡散浸透した拡散浸透層と、
前記拡散浸透層に前記電極の材料の粒子が溶着して堆積した堆積層とを含み、
前記堆積層の気孔率を４０％以上とする
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の弁装置。
【請求項４】
前記肉盛部の第２皮膜は、
前記第１の金属としての電極の材料の粒子より小さく、好ましくは粒子径が１０μｍ以下の原料粉末を用いて前記第１皮膜の表面を仕上げ加工した上からプラズマ溶射によって形成した
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の弁装置。
【請求項５】
前記肉盛部の第１皮膜と第２皮膜とは、
前記第１皮膜の堆積層の表面に開口した空孔の内部に前記プラズマ溶射により前記第２の金属の溶融粒子を充満させて堆積させることによって形成され、
前記第１皮膜と前記第２皮膜とは、
前記第１皮膜の堆積層の内部で機械的に絡み合って結合している
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の弁装置。
【請求項６】
前記肉盛部の第１皮膜は、
前記第１の金属がコバルト基硬質合金、ニッケル基硬質合金、セラミックス材の少なくとも何れかを含む材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の弁装置。
【請求項７】
前記第２の金属の材料が、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、ケイ素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）及び鉄（Ｆｅ）から選ばれる１種以上であって、
前記肉盛部の第２皮膜は、
前記第２の金属をプラズマ溶射処理中にプラズマ火炎によって酸化させることによって、前記第２の金属に由来する、少なくとも酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）を含む酸化膜が形成されてなる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の弁装置。
【請求項８】
前記肉盛部の第２皮膜は、
プラズマ溶射処理中の作動ガスに添加混合させる補助ガスの供給量を、プラズマ火炎による前記第２の金属の材料自体の酸化を防止できる量に増加させるとともに、
前記第２の金属の材料が、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、クロムカーバイト（Ｃｒ３Ｃ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、チタンカーバイト（ＴｉＣ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、コバルト基硬質合金およびニッケル基硬質合金から選ばれる材料であって、
前記第２の金属の材料自体を前記第２皮膜として形成した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の弁装置。
【請求項９】
前記肉盛部の第１皮膜と第２皮膜において、
前記第２皮膜が除去されて前記第１皮膜の表面が露出された状態で、この露出した第１皮膜の表面の多孔質な空孔部分に前記第２皮膜を残存させた状態で、この残存した前記第２皮膜は、前記第２の金属の材料を含む酸化膜が形成されてなり、
前記第１皮膜と前記第２皮膜が同一摺接面上に分布している
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の弁装置。
【請求項１０】
弁開閉に伴って動作する可動部材とこの可動部材に摺接する静止部材とを含む弁装置の製造方法であって、
電気絶縁性のある液中又は気中において、
第１の金属の材料を主成分とする成形体により構成される電極と前記可動部材又は前記静止部材の被処理部との間にパルス状の放電を発生させて前記電極の材料を前記被処理部の表面に溶着させて堆積させることによって形成した第１皮膜と、
第２の金属の材料を主成分とする原料粉末をプラズマ溶射することにより前記被処理部の前記第１皮膜の表面に形成した第２皮膜とを含む肉盛部を前記可動部材又は前記静止部材の少なくとも一方の摺接面に形成する
ことを特徴とする弁装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、弁装置および弁装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント等の蒸気タービンには、蒸気の流入を制御するために、主蒸気止め弁，蒸気加減弁，再熱蒸気止め弁，中間阻止弁，タービンバイパス弁等の種々の弁装置が付設されている。
【０００３】
上記弁装置においては、可動部材とこれに摺接する静止部材、例えば弁棒とブッシュとの材料の組み合わせとして、耐摩耗性を増加させて耐用年数を長くする目的で、例えばブッシュ材料を１２％クロム鋼、弁棒の材料をニッケル３０〜５０％オーステナイト系耐熱合金とし、かつそれら部材の表面処理方法として窒化処理を施すことが広く知られている。
【０００４】
また、弁座と弁体の当接するシート部には、高温高圧の過熱蒸気の流入や流出による熱衝撃やエロージョン、コロージョン等の摩耗による損傷を防ぐため、耐熱衝撃性と耐酸化性を有し、弁母材よりも硬度の高いコバルト基硬質合金を肉盛溶接することが知られている。
【０００５】
しかし、窒化処理では耐酸化性が得られないため、弁装置が高温蒸気により酸化すると、運転時間の経過とともに生成された酸化スケールによって、可動部材とこれに摺接する静止部材とからなる摺動部材間の間隙が減少してしまう。その結果、発電プラント等の定期検査ごとに酸化スケールを除去しなければ摺動部材が固着してしまうと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１０１７６９号公報
【特許文献２】特開２００８−２７５０３５号公報
【特許文献３】特開２００５−２７２８５５号公報
【特許文献４】特開２００７−２７０７０１号公報
【特許文献５】特開２００７−３０７５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、火力発電プラント等の高効率化が押し進められ、蒸気温度は、５９３℃、６００℃、６１０℃というように上昇してきている。今後は、蒸気温度が７００℃以上となることが考えられる。
【０００８】
一方で、弁棒とブッシュの接触面に施される窒化処理は、高温の下では、金属表面が活性化状態となり、雰囲気中の高温水蒸気と反応して酸化皮膜を生成しやすい。生成した酸化皮膜は、弁の繰返し開閉動作の度に剥離を起こし、剥離片が弁棒の摺動により表面の凹部に局部的に堆積してブッシュとの間隙を埋め、弁棒のスティックを発生させる。また、弁棒とブッシュの接触面に形成される窒化層は、その窒化処理温度に因り約５００℃以上で分解し、軟化する性質を持ち、弁装置の摺動部材の耐酸化性が十分でない。
【０００９】
発明が解決しようとする課題は、高温環境での耐酸化性を発揮する弁装置および弁装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態によれば、弁開閉に伴って動作する可動部材としての弁棒とこの弁棒に摺接する静止部材とのブッシュとを含む弁装置であって、弁棒とブッシュの少なくとも一方の摺接面に肉盛部を一体に備え、肉盛部は、第１の金属を主成分とする成形体により構成される電極と弁棒又はブッシュの被処理部との間にパルス状の放電を発生させて電極の材料を被処理部の表面に溶着させ堆積させることによって形成した第１皮膜と、第２の金属を主成分とする原料粉末をプラズマ溶射ガンを用いてプラズマ溶射することにより、第１皮膜の表面に形成した第２皮膜とを含む肉盛部を有する弁装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高温環境での耐酸化性を発揮する弁装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態における弁装置の構成の一例を示す断面図。
【図２】第１の実施形態による第１皮膜の肉盛方法の原理を示す概念図。
【図３】第１の実施形態による第２皮膜の肉盛を施すプラズマ溶射法の原理を示す概念図。
【図４】第１の実施形態における第１皮膜および第２被膜の形成のための手順の一例を示すフローチャート。
【図５】第１の実施形態における被処理部に肉盛部を形成した状態を示す図。
【図６】第１の実施形態における第１皮膜を肉盛した後の肉盛部において、第２皮膜の肉盛部の下地処理を施した状態を示す図。
【図７】第１の実施形態における第１皮膜を肉盛した後の肉盛部の表面に第２皮膜の肉盛部を形成した状態を示す図。
【図８】第１の実施形態における第２皮膜を肉盛した後の被処理部において、肉盛部の表面に仕上げ加工を施した状態を示す図。
【図９】第３の実施形態における第１皮膜および第２被膜の形成のための手順の一例を示すフローチャート。
【図１０】第３の実施形態において、第２皮膜に機械加工を施した状態を示す図。
【図１１】第４の実施形態における弁装置の構成の一例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して第１の実施形態について説明する。  
図１は、第１の実施形態における弁装置の構成の一例を示した断面図である。ここでは、図示しない高圧タービンの前段に設置され、流入する蒸気量を制御することで高圧タービンの回転数を制御するために使用される蒸気加減弁を例として挙げる。  
第１の実施形態における蒸気加減弁は、例えば火力発電プラントに設置される蒸気タービン用の蒸気加減弁である。この蒸気加減弁は、蒸気弁本体２００、ブッシュ２０１、上蓋２０２、蒸気出口に設けられた弁座２０３、弁体２０４、弁棒２０５、開口２０７、開口２０８、開口２０９を有する。開口２０７は蒸気の入口である。開口２０８は蒸気の出口である。開口２０９は、弁棒２０５及び弁体２０４の挿入口である。
【００１４】
蒸気弁本体２００では、開口２０９を通じて蒸気室２１０内に挿入された弁棒２０５の軸方向の動きにより、弁体２０４にて弁座２０３の開口２０８を開閉する。  
上蓋２０２は、蒸気弁本体２００の開口２０９の上部に固定されており、蒸気弁本体２００の上面を閉塞するものである。上蓋２０２の上方には油圧駆動機構２０６が設置される。油圧駆動機構２０６には弁棒２０５が下方（鉛直方向）に向けて連結される。
【００１５】
この弁棒２０５は、油圧駆動機構２０６により上下に往復動作する。蒸気加減弁では、上蓋２０２の貫穴口が弁棒２０５との摺動面となる。このことから、この部分に摩擦に強い金属を素材とする円筒状のブッシュ２０１が挿着されており、軸方向に動く弁棒２０５が横ぶれしないようにブッシュ２０１に弁棒２０５の外周面を摺接させてガイドする。  
弁体２０４は、円筒型をなし、弁座２０３に当接して弁座２０３の開口を開閉するように設けられる。この弁体２０４の中心部は、弁棒２０５の先端部に連結されて設けられる。
【００１６】
ブッシュ２０１の内周面と弁棒２０５の外周面から構成される摺動部において、高温蒸気の酸化条件下で長時間使用することのできる耐酸化性を発揮するには、初期段階において部材表面に形成した酸化膜が保護性を有し、その後の新たな酸化物の生成を防止することが必要である。
【００１７】
酸化膜が保護性を発揮するには、膜をなす酸化物の種類に応じて異なるが、当該膜が緻密であることが必要である。このような緻密な酸化膜は、大気中の余剰な酸素を透過させないようにすることができる。また、このような酸化膜は、摺動部材をなす金属による酸化物の生成を抑制することができる。また、酸化膜（皮膜）は、金属成分が酸化膜を通じて溶出し酸化スケールを生成することも抑制できような特性を有することが好ましい。
【００１８】
このような好ましい皮膜（肉盛部）を形成する手段としては、皮膜（肉盛部）となる原料を高温にして蒸発させて被処理部の母材表面に吸着させる蒸着法や、皮膜（肉盛部）となる原料を溶融して被処理部の母材表面に投射する溶射法等がある。しかし、これらの製造方法から得られる皮膜（肉盛部）は、原料の粒子を被処理部の母材表面に付着させて形成したものである。よって、このような皮膜（肉盛部）は、母材との密着性が劣り、弁装置に適用した場合に短時間で剥離してしまう欠点がある。
【００１９】
そこで、第１の実施形態では、従来の窒化処理を行う代わりに、最初に第１皮膜として、耐摩耗性に優れたコバルト基硬質合金のステライト（登録商標）を摺接面に肉盛りする。
【００２０】
図２は、第１の実施形態における、第１皮膜の肉盛を施す放電加工法の原理を示す概念図である。  
図２に示すように、放電加工機（大部分を図示省略）における電気絶縁性のある液体Ｌ又は気中において、電極１０１は、直流電源１０３の陰極と接続される。
【００２１】
また、第１の実施形態では、直流電源１０３の陽極に接続された被処理部１００との間に微小間隙を保持した状態で、直流電源１０３の電圧を当該電極１０１と当該被処理部１００との間で印加する又は印加を停止する。これによりパルス状の放電を発生させる。そして、その放電エネルギーにより、電極１０１の材料を被処理部１００の表面に溶着させて堆積させる。
【００２２】
ここで、被処理部１００とは、図１における弁棒２０５又はブッシュ２０１の一方が他方との間で摺動しながら接する摺接面を意味する。第１の実施形態では、この被処理部１００としての、弁棒２０５とブッシュ２０１の少なくとも一方の摺接面に第１皮膜の肉盛部１０２を一体に備える。
【００２３】
第１の実施形態では、金属を主成分とする成形体により構成される電極と弁棒２０５又はブッシュ２０１とからなる被処理部１００との間にパルス状の放電を発生させる。そして、電極の材料を被処理部１００の表面に溶着させ堆積させることによって第１皮膜（肉盛部）１０２を形成する。
【００２４】
なお、図２に示した液体Ｌの役割は、パルス状の放電による電極１０１の加工くずを飛散させ、再び当該電極１０１に溶着するのを防ぐためであるが、放電時間が長くなると電極１０１の先端部分は殆どが気泡で覆われるため、最初から気体中で放電しても得られる効果は変わらない。
【００２５】
電極の材料は、コバルト基硬質合金のステライトを用いることができる。ステライトは、コバルトを主成分とし、３０％程度のクロム，４〜１５％のタングステンを含有する合金で、耐摩耗性に優れた材料として広く知られている。ステライトは、コバルトを多く含んでいるので高い耐酸化性を有する。
【００２６】
放電加工法では、電極の粒子単位で母材を溶融して肉盛部を形成する。このことから、被処理部１００の母材への入熱が少ない。このため、被処理部１００を殆ど変形させずに肉盛りを行うことができる。  
更に、放電加工法では、電極成分が被処理部と溶け合って接合している。よって、皮膜（肉盛部）と被処理部の母材との密着性が高く、皮膜（肉盛部）が剥離することがない。
【００２７】
しかし、このように形成された皮膜（肉盛部）は高硬度であるとともに、皮膜（肉盛部）の表面には電極の粒子が堆積する。このため、歪な凹凸や電極の粒子間に空孔が開口した多孔質組織となる。このことから、これらの皮膜（肉盛部）を設けた摺動部材は、摺動時に相手側部材を攻撃し、相手側部材を摩耗させたり、齧り（かじり）を生じたりする。このため、放電加工法の皮膜（肉盛部）を摺動部材の摺接面としてそのまま使用することはできない。
【００２８】
このため、第１の実施形態では、第１皮膜の上に第２皮膜を新たに形成して、摺動部材の摺接面として使用する。  
第２皮膜は、高温・高速のプラズマジェットを熱源としたプラズマ溶射法を用いて形成される。この第２皮膜を形成する手順は、溶融粒子をプラズマジェットで加速し、前述した多孔質組織をした第１皮膜（肉盛部）の表面から、開口した空孔に叩きつけるようにして充満させ堆積させる。そして、放電加工で堆積した電極の粒子と、プラズマ溶射の溶融粒子とを機械的に結合させるようにして、第２皮膜となる肉盛りを行う。
【００２９】
図３は、第２皮膜の肉盛を施すプラズマ溶射法の原理を示す概念図である。  
図３に示すように、粉末送給式プラズマ溶射ガン１５０は、ノズル１５２を有している。このノズル１５２は、プラズマ火炎によって溶融させる溶射粉末１５１を噴出する。  
この溶射ガン１５０は、アルゴンガス（Ａｒガス）または水素ガス（Ｈ２ガス）を補助ガスとして、アルゴンガス（Ａｒガス）またはヘリウムガス（Ｈｅガス）を作動ガスとして、作動ガスに補助ガスを添加混合した供給ガス１５９をノズル１５２内に供給する。
【００３０】
作動ガスに補助ガスを添加混合することで、発生熱量及びプラズマジェットの速度を増大させることができる。具体的には、作動ガスに補助ガスを添加することにより解離電圧が高くなり、アーク電圧の上昇が生じ、同一電流に於いて発生熱量が多くなりプラズマジェット流速が速くなる。
【００３１】
溶射ガン１５０は、ノズル１５２を陽極とし、このノズル１５２内に設けた陰極１５３との間に直流電源１５４から直流電流を印加させて直流アーク１５５を発生させ、作動ガスがアークによってプラズマ化されて、補助ガスによって１２,０００〜１８,０００℃程度のプラズマ火炎１５６を生成する。
【００３２】
そして、溶射ガン１５０は、直流アーク１５５の前方に溶射粉末１５１を供給させ、当該溶射粉末１５１を瞬間溶融させる。溶射ガン１５０は、溶融した溶射粉末１５１をノズル１５２の先端より高速度で噴出させる。  
プラズマ火炎１５６によって溶融状態の溶射粉末１５１が被処理部１００の表面に吹き付けられ（衝突して）ると、第２皮膜の肉盛部１５７が形成（結合）される。
【００３３】
ノズル１５２の先端部近傍には、当該先端部を冷却するための冷却水導入孔１５８が形成されている。この冷却水導入孔１５８に冷却水を導入させることで、プラズマ火炎１５６によりノズル先端部が加熱されるのを防止する。
【００３４】
ここで、特に、プラズマ溶射法では、溶射粒子の保つ熱量が少ないことから、被処理部の温度上昇は１００〜１５０℃程度に留まり、入熱による母材への熱影響を抑えることができる。このため、被処理部を殆ど変形させず歪みも殆どなしに第２皮膜（肉盛部）を形成することができる。
【００３５】
プラズマ溶射法の皮膜（肉盛部）となる溶射材料にクロム（Ｃｒ）を用いると、溶射処理中にプラズマ火炎１５６により溶射材料の粒子が高温となって、皮膜を強制的に酸化させることができる。このため、クロム（Ｃｒ）に由来する緻密で保護性の高い酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）の酸化膜となる。これにより弁装置の運転中に新たな（酸化膜の次の）酸化物の生成が抑制される。この結果、第２皮膜の肉盛部１５７の表面には前述の好ましい酸化膜が形成される。
【００３６】
次に、被処理部１００に一体に備えた肉盛部１０２を形成する具体的な製造方法の一例を説明する。  
図４は、第１の実施形態における第１皮膜および第２被膜の形成のための手順の一例を示すフローチャートである。  
まず、最初に、被処理部の表面に第１皮膜の肉盛部１０２を形成する（ステップＳ１）。次に、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２における、ステップＳ２としての、第２皮膜の肉盛部１５７の下地処理を行う（ステップＳ２）。  
次に、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２の表面において、第２皮膜の肉盛部１５７を形成する（ステップＳ３）。  
次に、第２皮膜を肉盛した後の被処理部１００において、ステップＳ４としての皮膜（肉盛部）１５７の表面を仕上げ加工する。  
次に、各手順の詳細について説明する。  
まず、ステップＳ１としての、被処理部の表面に第１皮膜の肉盛部１０２を形成する工程について説明する。  
図５は、被処理部（素材）１００に図２に示す放電加工機を用いて肉盛部１０２を形成した状態を示している。  
放電加工法により形成される肉盛部１０２は、電極１０１の材料の粒子が被処理部１００の表面から拡散浸透した拡散浸透層１０２ａと、この拡散浸透層１０２ａに対して電極１０１の材料の粒子が溶着して堆積した堆積層１０２ｂとを含む。
【００３７】
拡散浸透層１０２ａは、被処理部１００にコバルト基硬質合金を放電加工により肉盛りしたものである。このため、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する傾斜組成を有する溶融部が生成される。
【００３８】
ここでは、肉盛部１０２を形成する際に適正な放電条件を選択することにより、母材への入熱量を制限して母材の強度を低下させないようにすべく、溶融部となる拡散浸透層１０２ａの厚さを例えば２０μｍ以下として、最小で１μｍ以上、望ましくは５μｍ以上とすることが好ましい。これにより、母材の変形を抑えつつ、肉盛部１０２の密着強度を高めることができる。
【００３９】
溶融部を有する肉盛部１０２は、傾斜組成を有する傾斜機能材料となり、被処理部１００の母材と接する境界近傍の線膨張係数は略等しくなり、線膨張係数の差がほとんど生じない。このため、肉盛部１０２の残留応力を解消することができる。この結果、被処理部１００の表面に施した肉盛部１０２の亀裂の発生を防止することができる。
【００４０】
放電加工を採用したことに起因する堆積層１０２ｂの厚さに制限はない。しかし、コバルト基硬質合金の持つ耐摩耗性や耐酸化性を有効に発揮させ、更にこの後の製造工程の第２皮膜を機械的に絡ませて結合するためにも、堆積層１０２ｂの厚みは５０μｍ〜３００μｍ程度が望ましい。
【００４１】
ここで、電極１０１は、金属を主成分とする粉末をプレスにより圧縮もしくは加熱処理して成形した成形体により構成される成形電極である。しかし、その他公知の製造方法によって成形しても差し支えない。更に、電極１０１の原料粉末の粒径は１０μｍ程度の微粉であれば良い。
【００４２】
また、電極１０１の材料としては、耐熱衝撃性と耐酸化性を有し、被処理部１００の母材よりも硬度の高いコバルト基硬質合金もしくはニッケル基硬質合金が適する。これら以外にも、電極１０１の材料としては、酸化開始温度が例えば８００℃以上と高く、高温度において優れた耐酸化性を示すファインセラミックス材が挙げられる。このファインセラミックス材は、例えば窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンタングステン（Ｔｉ−Ｗ）Ｎ、炭化チタンモリブデン（Ｔｉ−Ｍｏ）Ｃ、窒化クロムケイ素（ＣｒＳｉＮ）および窒化チタンケイ素（ＴｉＳｉＮ）等である。
【００４３】
また、これらファインセラミックスの粉末、または当該粉末と前述の硬質合金とを混合した粉末から成形される電極１０１も考えられる。また、今後の更なる蒸気条件の上昇に伴い新たな材料が開発されても、本実施形態の放電加工による製造方法によれば、肉盛部は傾斜機能材料となり得るため、適用可能なことは言うまでもない。
【００４４】
次に、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２における、ステップＳ２としての、第２皮膜の肉盛部１５７の下地処理について説明する。  
図６は、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２において、第２皮膜の肉盛部１５７の下地処理を施した状態を示している。この下地処理は、第２皮膜の厚みを正確に制御するための処理である。この処理では、皮膜（肉盛部）の表面に電極の粒子が堆積して生じた歪な凹凸を機械加工する。
【００４５】
この機械加工とは、例えば研削盤や研磨盤等により所定の形状や寸法および幾何公差を有するように、表面粗さ（最大高さ粗さ）Ｒｚが１２．５より細かくなるように仕上げるものである。
【００４６】
なお、第２皮膜の密着力を向上させるために、溶射前の前処理又は下地処理として、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２に対し、所定の形状や寸法および幾何公差が変化しない程度にブラスト処理や化学腐食を施してもよい。
【００４７】
次に、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２の表面における、ステップＳ３としての、第２皮膜の肉盛部１５７を形成する処理について説明する。  
図７は、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２の表面に、図３に示すプラズマ溶射法により、溶射材料としてクロム（Ｃｒ）を用いて第２皮膜の肉盛部１５７を形成した状態を示している。
【００４８】
この肉盛部１５７は、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）の酸化膜となっている。この酸化膜は、溶射処理中にプラズマ火炎１５６により強制的に酸化させられ、緻密で保護性の高い膜である。
【００４９】
被処理部１００の温度上昇に影響を与えないためにも、溶射作業による肉盛部１５７の厚みのバラツキ（偏り）があってはならない。しかし、この後の製造工程において表面の仕上げ加工が予定されていることから、肉盛部１５７の厚みは１００μｍ程度が望ましい。
【００５０】
プラズマ溶射の原料粉末の粒子径は、放電加工に用いた電極材料の粒子径より小さく、その粒径が１０μｍ以下、好ましくは粒径０．０５〜１μｍの微粉であることが好ましい。この粒子径の値を上記のようにすると、プラズマ火炎中での原料粉末を容易に溶融することができる。また、プラズマ溶射の溶融粒子を放電加工により形成された第１皮膜と機械的に絡み合うように結合させることができる。これにより、皮膜同士の結合力を更に強固にすることができる。
【００５１】
また、皮膜同士の結合力を更に強固にする目的で、プラズマ溶射前に第１皮膜の肉盛部１０２を１００〜１５０℃程度に予熱しておいて、溶融粒子と被処理部１００との間に温度差を生じないようにしてもよい。
【００５２】
プラズマ溶射法の溶射材料は、前述したクロム（Ｃｒ）以外にも、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、ケイ素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）及び鉄（Ｆｅ）から選ばれる１種以上の金属を含む。この溶射材料は、溶射処理中にプラズマ火炎１５６により溶射材料の粒子が高温となって強制的に酸化される。
【００５３】
このため、それぞれの材料に由来する例えば酸化モリブデン（ＭｏＯ３）等の酸化膜が形成され、弁装置の運転中に新たな酸化物、つまり酸化膜の次の酸化物の生成が抑制される。なお、溶射処理中の酸化を促すために、供給ガス１５９の補助ガスに窒素等の他のガスを用いてもよい。
【００５４】
更に、図７に示した第２被膜の肉盛部の形成において、図３に示すように、ノズル１５２に供給する供給ガス１５９の補助ガスの供給量を制御し、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを多く供給した中でプラズマ溶射を行うことができる。すると、たとえプラズマ火炎１５６が高温であっても溶射材料自体の酸化や変質が極めて少ないので、溶射材料に酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）そのものを使用できる。よって、緻密で保護性の高い酸化膜を形成することが可能である。  
なお、供給ガス１５９の補助ガスを多く供給すると、酸化膜内に形成される微小な空孔を少なくすることができるため、より緻密な酸化膜を形成することが出来る。
【００５５】
このような不活性ガス中でプラズマ溶射を行う溶射材料として、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）以外に、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、クロムカーバイト（Ｃｒ３Ｃ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、チタンカーバイト（ＴｉＣ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、コバルト基硬質合金やニッケル基硬質合金等が挙げられる。これらを使用して第２皮膜の肉盛部１５７を形成しても得られる効果は同じである。また、溶射材料の種類を変化させて、プラズマ溶射による第２皮膜の肉盛部１５７を２層以上の多重構造としても良い。
【００５６】
なお、プラズマ溶射法の溶射材料として、今後の技術革新により新たな材料が開発されても、得られる皮膜の特性や効果が同じであれば、この開発された材料を適用可能なことは言うまでもない。
【００５７】
また、緻密な皮膜を形成するために減圧条件下でプラズマ溶射することや、またプラズマ以外のアーク溶射やフレーム溶射等の溶射法を適用する等、新たな溶射法が今後開発されても、この溶射法が、溶射粒子の保つ熱量が少なく、被処理部の温度上昇が低く入熱による母材への熱影響を抑えることができ、結果的に得られる効果が同じであれば、適用可能なことは言うまでもない。
【００５８】
次に、第２皮膜を肉盛した後の被処理部１００において、ステップＳ４としての皮膜（肉盛部）１５７の表面を仕上げ加工する処理について説明する。  
図８は、第２皮膜を肉盛した後の被処理部１００において、皮膜（肉盛部）１５７の表面に生じた歪な凹凸を仕上げ加工、たとえば研削盤や研磨盤等により所定の形状、寸法を有するように仕上げた状態を示している。
【００５９】
ここで、皮膜（肉盛部）１５７の仕上げ加工面は酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）であり、摺動部材の表面（摺動面）となる。このことから表面粗さは細かいことが望ましい。具体的な表面粗さ（最大高さ粗さ）Ｒｚは、６．３より細かいことが好ましい。
【００６０】
この仕上げ加工後に残存する第２皮膜１５７が剥離することがなく、第２皮膜１５７の耐酸化特性を十分に発揮させるために、この残存する第２皮膜１５７の厚さは、５０μｍ以下とすること好ましい。
【００６１】
従って、この第２皮膜１５７を設けた摺動部材は、表面粗さが細かく平滑な面にて構成される。よって、摺動部材の摺動時に摺接面が相手側部材を攻撃したり摩耗させたり、齧り（かじり）を生じさせたりすることはない。
【００６２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。  
前述したように図５では、被処理部（素材）に放電加工機を用いて肉盛部１０２を形成した状態を示している。  
この肉盛部１０２を形成するための放電加工法は、電極と被処理部との間にパルス状の放電を発生させて、その放電エネルギーにより電極の材料を被処理部の表面に溶着させて堆積させる方法である。
【００６３】
このことから、この肉盛部１０２を形成するために要する加工時間は、おのずと長時間となる。生産性の観点からは、肉盛部１０２を形成するために要する加工時間の短縮が望まれる。
【００６４】
このような放電加工法における加工に要する時間すなわち肉盛速度（積層速度）は、試験の結果、肉盛部の金属組織の緻密さ（粗密度）と密接な関係があることが判明している。
【００６５】
この組織の緻密さ（粗密度）は、主に放電加工機にて設定される放電電流、放電電圧の印加時間（パルス状の放電が発生している時間）、印加の停止時間（放電が休止する時間）等に由来している。また、放電電流値が大きく、印加時間が長く、印加停止時間が短い条件の場合に、肉盛部の金属組織の緻密さは増す（緻密になる）。
【００６６】
例えば見方を変えて、放電加工機にて放電電流、印加時間、印加停止時間を一定に設定し、処理する部品の送り速度を肉盛速度（積層速度）とみなして加工を実施する。この加工の実施において、部品の送り速度が速い場合と遅い場合では、肉盛部の組織の緻密さ（粗密度）に差が生じる。  
すなわち、送り速度が速い場合には肉盛部の組織の粗密度は粗となり、送り速度が遅い場合には肉盛部の組織の粗密度は密となることを意味する。
【００６７】
次に部品の送り速度すなわち肉盛速度（積層速度）に３倍の速度差が存在するように複数の条件を設定した試験にて、それぞれの条件での肉盛部１０２の堆積層１０２ｂの気孔率を測定して、肉盛部の組織の緻密さ（粗密度）を求めた結果について説明する。
【００６８】
その結果、送り速度が速い場合における堆積層１０２ｂの平均的な気孔率は４５〜５５％となる。送り速度が遅い場合の堆積層１０２ｂの平均的な気孔率は３１〜３５％となる。このように送り速度が速い場合と遅い場合とでは、堆積層１０２ｂの平均的な気孔率について明らかに１．５倍以上の差が認められた。
【００６９】
この気孔率とは、多孔質組織となっている肉盛部の堆積層を金属顕微鏡にて拡大視して金属組織を観察し、単位面積当たりの空孔の面積率を測定したものである。堆積層１０２ｂの気孔率が大きいと表面全体の面積に対する空孔の面積が占める割合が大きくなるので、組織の緻密さ（粗密度）は粗となる。逆に、堆積層１０２ｂの気孔率が小さいと表面全体の面積に対する空孔の面積が占める割合が小さいため、組織の緻密さ（粗密度）は密となる。
【００７０】
本実施形態の目的は、高温環境においても耐酸化性を発揮することのできる弁装置、弁装置の製造方法を提供することであって、この目的を達成するための基本的な技術として、耐酸化性を発揮する皮膜が摺動面から剥離しないことが求められる。
【００７１】
すなわち、耐酸化性を発揮する皮膜（第１の実施形態における第２皮膜）と母材（第１の実施形態における第１皮膜）との密着性が強固であることが必要条件である。密着性が強固であるためには、母材と皮膜とが機械的に絡み合って結合することが好ましい。このためには、母材側の組織の気孔率はある程度大きいことが好ましい。
【００７２】
第２の実施形態は、放電加工法による母材への肉盛速度（積層速度）を速くすることで、気孔率の大きな多孔質組織を得ることが出来る。この第２の実施形態における気孔率は、前述した試験の結果から４０％以上が好ましい。
【００７３】
このように、第２の実施形態においては、第１皮膜の金属組織は、より気孔率の大きな多孔質組織であることが好ましい。このため、電極の材料は、すでに第１の実施形態にて述べた種類以外でも、耐熱性や耐酸化性および高温強度を有し、気孔率の大きな多孔質組織を形成できるものであれば何でも良い。  
なお、第２の実施形態は肉盛速度（積層速度）を速くすることで、加工時間が短縮できるので、生産性が向上するメリットも合わせて得られる。
【００７４】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について説明する。  
図９は、第３の実施形態における第１皮膜および第２被膜の形成のための手順の一例を示すフローチャートである。  
まず、第１の実施形態で説明したステップＳ１からＳ４としての、第１皮膜の肉盛部の形成、第２皮膜の肉盛部１５７の下地処理、第２皮膜の肉盛部１５７の形成、肉盛部の表面を仕上げ加工がなされる。  
そして、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２の表面まで第２皮膜を除去し、仕上げ加工を施す（ステップＳ３１）。
【００７５】
次に、ステップＳ３１の詳細について説明する。  
図１０は、図８に示した状態から、第２皮膜（肉盛部）１５７を更に機械加工、たとえば研削盤や研磨盤等により、第１皮膜を肉盛した後の肉盛部１０２の表面まで第２皮膜を除去し、仕上げ加工を施した状態を示している。
【００７６】
ここで、第２皮膜を除去した後の仕上げ加工面は、摺動部材の表面（摺動面）となることから表面粗さが細かいことが望ましい。具体的な表面粗さ（最大高さ粗さ）Ｒｚは、６．３より細かいことが好ましい。
【００７７】
この肉盛部１０２の状態は、露出した第１皮膜の表面の多孔質な空孔部分に第２皮膜を残存させ、この残存させた第２皮膜に金属材料の酸化膜が形成され、これら第１皮膜と第２皮膜とが同一摺接面上に分布して現れたものである。
【００７８】
従って、これらの肉盛部１０２の表面には、図５に示すような放電加工に見られた独特な多孔質組織が皆無となる。これらの皮膜（肉盛部）は摺動時に相手側部材を攻撃したり、摩耗させたり、齧り（かじり）を生じさせたりすることがない。よってこれらの肉盛部１０２の表面を摺動部材の摺接面として使用することが出来る。  
さらに、その表面性状は、第１皮膜による耐摩耗性と第２皮膜による耐酸化性とが相乗的に効果を発揮する利点が生ずる。
【００７９】
（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について説明する。  
図１１は、第４の実施形態における蒸気加減弁の、特に弁体周辺部の構造を示す部分断面図である。なお、第４の実施形態における弁装置の基本部分は、図１に示す第１の実施形態における蒸気加減弁と同様である。このため、同じ機能を有する部品の詳細な説明を省略する。従って以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。  
図１１に示すように、第４の実施形態における蒸気加減弁は、弁棒２０５と、この弁棒２０５に連動する弁体３１２とを軸方向に作動させて、弁の開度を変化させることで蒸気流量の調整機能を有する。一連の動作の中で、弁棒２０５は上蓋３１０内部に設置されたブッシュ２０１をガイドとして作動させる。同様に、弁体３１２はスリーブ３１１をガイドとして作動させる。
【００８０】
スリーブ３１１は、蒸気弁本体の内部（図示せず）にて上蓋３１０に固定されている。弁体３１２は、図示しない弁座に当接するように設けられ、弁棒２０５の先端部に組み立てられている。
【００８１】
図１に示す第１の実施形態では、弁装置は、弁開閉に伴って動作する可動部材としての弁棒２０５と、この弁棒２０５に摺接する静止部材としてのブッシュ２０１とを含む。
【００８２】
これに対し、第４の実施形態では、弁装置は、可動部材として弁体３１２を適用し、静止部材としてスリーブ３１１を適用している。すなわち、弁体３１２の外面とスリーブ３１１の内面とによって摺接面を構成している。
【００８３】
弁体３１２とスリーブ３１１とから構成される摺動部において、高温蒸気の酸化条件下で長時間使用できる耐酸化性を十分に発揮させるには、第１の実施形態でも説明したように、初期段階において部材表面に形成した酸化膜が保護性を有し、その後の新たな酸化物の生成を防止することが必要である。酸化膜保護性を十分に発揮させるには、膜をなす酸化物の種類に応じて異なるが、当該膜が緻密であることが必要である。
【００８４】
第１の実施形態でも説明した様に、このような緻密な酸化膜は、大気中の余剰な酸素を透過させないようにすることができる。また、このような酸化膜は、摺動部材をなす金属による酸化物の生成を抑制することができる。また、酸化膜（皮膜）は、金属成分が酸化膜を通じて溶出して酸化スケールを生成することも抑制できるような特性を有することが好ましい。このため、第１の実施形態から第３の実施形態にて説明した方法で酸化膜が形成される。
【００８５】
以上のように、各実施形態における弁装置は、放電加工法とプラズマ溶射法とを組み合わせて形成した皮膜を適用して、ボイラから送られる高温蒸気と接する摺動部材のブッシュ（またはスリーブ）と弁棒（または弁体）の少なくとも一方の摺接面に好ましい酸化膜を形成することができる。
【００８６】
このため、当該酸化膜（皮膜）は、弁装置の運転中に新たな酸化物（酸化膜の次の酸化物）の生成を抑制できるので、酸化スケールの生成により摺動部の間隙が減少してしまうことがない。このため、摺動性が低下することもなく、より高温、又は長期間で弁装置を使用することが可能となる。
【００８７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８８】
１００…被処理部、１０１…電極、１０２…第１皮膜の肉盛部、１０２ａ…拡散浸透層、１０２ｂ…堆積層、１０３…直流電源、１５０…粉末送給式プラズマ溶射ガン、１５１…溶射粉末、１５２…ノズル、１５３…陰極、１５４…直流電源、１５５…直流アーク、１５６…プラズマ火炎、１５７…第２被膜の肉盛部、１５８…冷却水導入孔、１５９…供給ガス、２００…蒸気弁本体、２０１…ブッシュ、２０２，３１０…上蓋、２０３…弁座、２０４，３１２…弁体、２０５…弁棒、２０６…油圧駆動機構、３１１…スリーブ。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
2014238142.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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