(57)【要約】【課題】従来のセラミックスコーティング処理のようにコストアップを伴わずに耐食性および耐摩耗性を良好とした軽水原子炉用弁を提供する。【解決手段】前記目的は、軽水原子炉用弁の弁箱と弁体のシートに表面硬化肉盛材を施し、少なくともその一方の表面硬化肉盛材の表面にレーザービーム照射を施して、レーザビーム照射された表面肉盛部を溶融し冷却して製作された軽水原子炉用弁を得ることによって達成される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽水原子炉用弁の弁箱と弁体のシートに表面硬化肉盛材を施し、少なくともその一方の表面硬化肉盛材の表面にレーザービーム照射を施して、レーザビーム照射された表面肉盛部を溶融し冷却して製作されたことを特徴とする軽水原子炉用弁。
【請求項２】
請求項１において、軽水原子炉用弁の弁箱と弁体のシートに表面硬化肉盛材を施し、少なくともその一方の表面硬化肉盛材の表面にレーザービーム照射を施して、レーザビーム照射された表面肉盛部を表面から０．５ｍｍ溶融し、５００℃以上／秒で冷却して、前記溶融、冷却された表面肉盛部の組織を３０μｍとした軽水原子炉用弁。
【請求項３】
請求項１または２において、軽水原子炉用弁の弁箱と弁体に施された表面硬化肉盛材はＮｉ基合金またはＦｅ基合金である軽水原子炉用弁。
【請求項４】
請求項１または２において、軽水原子炉用弁の弁箱と弁体に施された表面硬化肉盛材はＣｏ基合金であり、その両Ｃｏ基合金の表面にレーザービーム照射を施して製作された軽水原子炉用弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シート（摺動または接触する部品）を備えた軽水原子炉用弁の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高温高圧流水配管に設置される軽水原子炉用弁の弁箱、弁体のシートおよびガイドには、耐エロージョン・コロージョン性を付与するため肉盛溶接法によってＣｏ基合金の表面肉盛層がそれぞれ肉盛されている。
【０００３】
しかし、冷却材として軽水を用いる原子炉において、弁箱および弁体のシートおよびガイドは、原子炉の高温高圧水に接しているため、Ｃｏ基合金表面肉盛層のＣｏが冷却材中に溶出する。
【０００４】
溶出したＣｏは冷却材と共に原子炉の炉心に入って６０Ｃｏになり、配管、タービン、その他の機器に循環して付着する。
【０００５】
このことが、冷却材として軽水を用いる原子炉プラントの定期点検が行われる際に、弁分解点検作業を行う作業員の被ばく量が下がり難い原因の１つであると考えられる。
【０００６】
その原因を取り除くため、軽水原子炉用弁の弁箱および弁体のシール部に、肉盛溶接材としてＣｏを含まないＮｉ基合金を使用する技術も先に提案されている。
【０００７】
弁箱と弁体とのシートにＮｉ基合金を肉盛溶接して用いる場合には、弁箱と弁体とで硬度が互いに相違するＮｉ基合金を肉盛溶接して用い、耐エロージョン・コロージョン性を改善している。ただし、このＮｉ基合金の組合せに対しても、高差圧下での弁の作動回数が増加すると摩耗して、シートリークにつながる可能性があり、さらに耐摩耗性を向上させることが望まれる（特開平４−２７６０３８号公報参照）。
【０００８】
軽水原子炉用弁の弁箱および弁体のシートに、肉盛溶接材としてＣｏを含まないＮｉ基合金を使用する公知の文献として、特開昭６２−１８３７号公報、特開昭６２−１３０７９２号公報、特開平６−３３１０５２号公報、特開平８−２１０５２５号公報が挙げられる。
【０００９】
機械的、摺動特性を良好に保つために、特開平８−１２０４５０号公報では、弁箱シート部と弁体シート部に付されるセラミック被覆は立方晶窒化硼素とされている。一般に硼素は原子力プラントでは好ましくない材料とされており、鋼材の添加元素として微量に含まれることはあるが、数十％の添加は結晶粒界の劣化が原因で使用されていない。
【００１０】
その理由は、硼素が長時間照射環境にさらされるとＨｅガスに変化し、硼素自体の体積が大きくなり、結晶粒界の結合がもろく硼素の機能が劣るのが主な原因とされている。本公報で開示されているように１００％の硼素を弁シート部として使用すると、上述のように基材と硼素の密着が劣り、剥離するものと思われる。緩衝層の積層法においても同様の剥離が起こることが予想される。立方晶窒化硼素はビッカース硬度５０００と非常に硬くもろく、高温高圧弁の使用温度から急冷による室温までの急激な変化に耐えられない。
【００１１】
特開平８−２１０５２５号公報では、弁体と弁箱の相互摺動面にセラミックスコーティングを施すことが提案されているが、どのようなセラミックが適切であるかが開示されていない。
【００１２】
その一方、特開平６−３３１０５２号公報には、弁体と弁箱の相互摺動面に施すセラミックスコーティングの材料として、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａから成る群から選ばれた金属の炭化物、窒化物、炭窒化物が提案され、その中でもＴｉＮやＣｒＮを採用した具体的な試験結果が掲載されている。
【００１３】
その試験内容は、弁箱と弁体との両摺動部の両方にＴｉＮまたはＣｒＮを、あるいは両摺動部の一方にＴｉＮを、他方にＣｒＮを採用した例、すなわち弁箱と弁体との両摺動部の両方にセラミックスコーティングを施すと水の漏れ測定値がきわめて少なくて良好な結果が得られた、というものである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
軽水原子炉用弁の弁箱および弁体のシートは流体内にあり、時々開閉作動されるため、流体の腐食条件下で、耐食性が要求されるだけでなく、反復摺動および大きな面圧に耐えなければならない。そのためシートにはＮｉ基、Ｆｅ基またはＣｏ基の硬化材が３ｍｍの厚さで肉盛されている。弁体前後の圧力差が大きい場合、特に大口径弁体の作動摺動時に、弁の弁箱シートリングと弁体シートに変形が生じて、軽水原子炉用弁の弁箱および弁体のシート接触部の面圧がが局部的に高くなるので、公知のＮｉ基合金やＦｅ基合金の組合せでは硬度差をつけることが必要であった。このため、公知のＮｉ基合金の組合せでは硬度の低い材料に摩耗が多くなる可能性が残っている。また、実使用条件下で弁シート部は長期間流体内におかれることもあり、その腐食環境下ではこの肉盛材中にある縦状の共晶炭化物（周囲より硬くもろい組織）が腐食環境下で腐食し、その後の摺動で摩耗する傾向があり、その組織を変えて、耐食性、耐摩耗性を向上させることが望まれていた。
【００１５】
また一方、機械的、摺動特性や耐摩耗性および気密性を向上すべく、弁箱と弁体との両摺動部の両方にセラミックスコーティングを施した場合は、セラミックスコーティングをシートリングに施し、その後に、弁箱にそのコーティング済みシートリングを溶接で弁箱に取り付ける必要があり、その溶接熱の影響でシートリングのシート面が変形する。シート面を平らにする必要があるためラッピングすることになる。そのラッピングは研削加工であるから、シートリングのシート面に施したセラミックスコーティングの膜が無くなる可能性があった。また、弁体だけでもシート面をセラミックスコーティングすることは、弁体を真空槽で高温状態でアークをとばしてコーティングする必要があり、コストアップになる可能性があった。
【００１６】
本発明の目的は、従来のセラミックスコーティング処理のようにコストアップを伴わずに耐食性および耐摩耗性を良好とした軽水原子炉用弁を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、軽水原子炉用弁の弁箱と弁体のシートに表面硬化肉盛材を施し、少なくともその一方の表面硬化肉盛材の表面にレーザービーム照射を施して、レーザビーム照射された表面肉盛部を溶融し冷却して製作された軽水原子炉用弁を得ることによって達成される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例においては、弁箱が弁体に接するシート（摺動または接触する部品）のＮｉ（またはＦｅ）基合金の肉盛表面をレーザ照射し、表面から極一部の組織（０．５ｍｍまで）を微細（共晶炭化物の大きさを３０μｍ以下）に改善処理することより、耐食性、耐摩耗性が向上する。以下詳細に説明する。
【００１９】
弁箱、弁体が接するシート２ａ，２ｂ，２ｃには、Ｎｉ基合金またはＦｅ基合金が肉盛され、摺動性をよくしているが、その特性をさらに改善するため、肉盛表面をレーザ照射する。この時のレーザ出力は１０００Ｗとし、焦点ぼかし距離Ｄｆが肉盛表面から５ｍｍ離れた位置として施行速度３０ｍｍ／ｓで照射する。照射前の肉盛の組織は基材部と縦状の共晶炭化物からなるが、レーザ照射後急冷することで肉盛表面を硬くさせると共にその組成（共晶炭化物等）は微細（３０μｍ以下）の粒状または塊状の状態に改善処理され、耐摩耗性を向上させる。すなわち、レーザビーム照射を施さない従来の溶接肉盛状態では、共晶炭化物組織が連続しており、高速流の腐食環境にさらされると共晶炭化物のコロージョンとその後の流体によるエロージョンが発生し、その繰返しで摩耗が進行していたが、レーザビーム照射を施して共晶炭化物を３０μｍ以下に微細にした場合は、表面の共晶炭化物がエロージョンされた後は、肉盛表面は基材部だけになり、それ以上の摩耗を止めることができる。すなわち耐食性、耐摩耗性が向上する。
【００２０】
本発明の実施例を具体的に以下に示す。
【００２１】
弁箱およびシートをレーザービーム処理した軽水原子炉用弁の全体を図１に示す。
【００２２】
軽水原子炉用弁１は、鋳鋼製の弁体２および鋳鋼製の弁箱３を有する。その弁体２および弁箱３の材料である鋳鋼材としては、高温高圧用鋳鋼材または低温高圧用鋳鋼材が用いられる。
【００２３】
弁箱３は、流水配管に接続されて流路の一部を構成する一対の管接続部４を有する弁箱本体５と、その開放された上部を覆う蓋部材６とを主部材として構成されている。弁体２は、弁棒７を介した回転ハンドル８の操作によって上下動され、両管接続部４の流路ｐを開閉する。また、弁体２は、流路ｐに臨む概ね円形の弁体シート２ａ，２ｂを有する。
【００２４】
図２に本発明の実施に使用したレーザ照射方法を示す。
【００２５】
弁体２と弁箱５のシートリングにＮｉ基合金またはＦｅ基合金を肉盛させた後、操作台１０に載せて、レーザ発振器１１からレーザ１３を出して反射板１２で方向転換させ、光レンズ１４で集合させて焦点１５を形成した後、シートの肉盛表面に照射する。レーザが円形のシート面を照射できるよう操作台を移動させる。
【００２６】
この方法の特徴は、
（１）材料にほとんど変形を生じないので後加工がいらない
（２）局部の小さい部分にも適用できる
（３）真空槽や冷却材の大型装置がいらない
等簡便に実施可能である。
【００２７】
本方法の有効性を確認するため、小型のテストピースにＮｉ基（またはＦｅ基）合金を肉盛し、その表面をレーザ照射した。照射条件として移行速度３０ｍｍ／ｓ、焦点ぼかし距離５ｍｍ、急冷速度５００℃以上／秒とした。レーザ照射するときに照射近傍の温度を計測し、照射後の急冷速度が５００℃以上／秒であることを確認した。また、照射後のテストピースの断面硬度測定では、シート表面から０．６ｍｍまでは、硬度が高くＨｖ６００となっており（照射前の従来材硬度４５０ＨＶ）、その組織調査から粒状の共晶炭化物（３０μｍ以下）が確認された。試験に際しては、試験材は小型であるため、実弁体（鋳鋼品）の鋳鋼材とほぼ同等の特性を示す炭素鋼鋼材を弁体と弁箱の基材とみなして試験に使用した。
【００２８】
表１に供試材の化学成分を示す。
【００２９】
【表１】
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肉盛材はステライト、Ｎｉ基合金Ａ、Ｎｉ基合金Ａ（Ｌａｓｅｒ）、Ｆｅ基合金Ｂ、Ｆｅ基合金Ｂ（Ｌａｓｅｒ）とし、基材である炭素鋼Ｓ２５Ｃ、Ｓ４５Ｃに肉盛した。
【００３０】
この供試材を表２の組合せで摺動試験を行った。
【００３１】
【表２】
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表２中での１〜７の数字は試験片の組合せ番号を示す。試験は水中で往復摺動試験を実施し、摺動後の摩耗量を測定した。固定片はφ５ｍｍの円柱試験片とし、可動片は長さ１２０ｍｍの板状で表面に硬化材を肉盛し、レーザ処理をした。
【００３２】
その形状を図３に示す。
【００３３】
また、摺動試験装置を図４に示すが、固定片と可動片を面圧５０ｋｇ／ｃｍ２で接触させ、可動片を周速０．３ｍ／Ｓで総距離４００ｍ摺動させた。
【００３４】
摺動試験結果を表３に示す。
【００３５】
【表３】
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各試験Ｎｏ１〜７毎にその摩耗量をグラフで示した。ステライト同士（従来材）の摺動では、固定片の減量は３ｍｇ、可動片の減量は６ｍｇであった。Ｎｉ基合金同士、Ｆｅ基合金同士での摺動による減量はステライトより少し多めであった。ただし、Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金の一方を本発明であるレーザービーム溶射した供試材を組合せて摺動試験すると、その摩耗量は少なくなった。また、固定片、可動片共に本発明であるレーザービーム溶射した供試材とした場合は、減量は固定片、可動片共に１ｍｇとなり、摩耗量は非常に少なく、その効果が顕著に表れた。
【００３６】
以上のようにして製作された軽水原子炉用弁を、大径の高温高圧配管である給復水配管用の弁として設置することにより、従来のセラミックコーティング処理のようにコストアップを伴わずに耐食性および耐摩耗性を良好とした軽水原子炉用弁を得ることができる。軽水原子炉用弁の耐食性、耐摩耗性が良好であるということは、弁の保守点検作業が減り、弁の分解点検を行う作業員の被ばく量低減にもつながる。
【００３７】
なお、前記実施例においては、軽水原子炉用弁の弁箱と弁体に施された表面硬化肉盛材としてＮｉ基合金またはＦｅ基合金を用いた場合について記載したが、前記Ｎｉ基合金またはＦｅ基合金に代えて、軽水原子炉用弁の弁箱と弁体に、表面硬化肉盛材としてＣｏ基合金を施し、その両Ｃｏ基合金の表面にレーザービーム照射を施しても、Ｃｏ基合金の表面にレーザービーム照射を施さない従来に比べて耐食性および耐摩耗性を良好とした軽水原子炉用弁を得ることができる。すなわち、レーザビーム照射を施さない従来の溶接肉盛状態では、図５の左側に示すように、共晶炭化物組織が連続しており、高速流の腐食環境にさらされると共晶炭化物のコロージョンとその後の流体によるエロージョンが発生し、その繰返しで摩耗が進行していたが、レーザビーム照射を施して共晶炭化物を３０μｍ以下に微細にした場合は、図５の右側に示すように、表面の共晶炭化物がエロージョンされた後は、肉盛表面は基材部だけになり、それ以上の摩耗を止めることができる。すなわち耐食性、耐摩耗性が向上する。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のセラミックスコーティング処理のようにコストアップを伴わずに耐食性および耐摩耗性を良好とした軽水原子炉用弁を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す軽水原子炉用弁の縦断面図である。
【図２】本発明の実施に使用したレーザ照射方法を示す図である。
【図３】本発明の実施に使用した試験片とその寸法を示す図である。
【図４】本発明の実施に使用した摩耗試験装置を示す図である。
【図５】エロージョン・コロージョンの発生原理を示す模式図である。
【符号の説明】
１…軽水原子炉用弁、２…弁体、２ａ，２ｂ…弁箱シート、２ｃ…弁体シート、３…弁箱、３ａ…ガイド、４…管接続部、５…弁箱、６…蓋部材、７…弁棒、８…回転ハンドル、９…シートリング。
【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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