(57)【要約】【課題】本発明の目的は、使用初期に多量に生じる酸化スケールの生成を抑制する緻密で保護性の高い酸化皮膜を有し耐スチック性の高い弁棒とその製造法及びそれを用いた蒸気弁を提供することにある。【解決手段】本発明は、表面に酸化皮膜を有するＮｉ基合金からなり、前記酸化皮膜は、該皮膜中の金属元素の総量に占めるＣｒ量が５０質量％以上で、Ｃｒ２Ｏ３を主成分とすること、又、表面に酸化皮膜を有するＮｉ基合金からなり、前記酸化皮膜はＣｒ２Ｏ３を主成分とし、スピネル型酸化物を実質的に有しないことを特徴とする弁棒にある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に酸化皮膜を有するＮｉ基合金からなり、前記酸化皮膜は、該皮膜中の金属元素の総量に占めるＣｒ量が５０質量％以上で、Ｃｒ２Ｏ３を主成分とすることを特徴とする弁棒。
【請求項２】
表面に酸化皮膜を有するＮｉ基合金からなり、前記酸化皮膜はＣｒ２Ｏ３を主成分とし、スピネル型酸化物を実質的に有しないことを特徴とする弁棒。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記酸化皮膜は、Ｃｒ２Ｏ３層と、その表面に形成されたＦｅ酸化層とを有することを特徴とする弁棒。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記Ｎｉ基合金は、質量で、Ｃ０．１％以下、Ｓｉ０．６％以下、Ｍｎ１％以下、Ｎｉ３５〜４５％、Ｃｒ１０〜１５％、Ｍｏ４．５〜７．５％、Ｔｉ１．５〜３．５％、Ａｌ  ０．３５％以下及びＦｅ３３〜４２％を含むことを特徴とする弁棒。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記Ｎｉ基合金は、質量で、Ｃ０．０３〜０．０８％、Ｓｉ０．２〜０．６％、Ｍｎ０．３〜０．８％、Ｎｉ３７〜４２％、Ｃｒ１１〜１４％、Ｍｏ５〜７％、Ｔｉ２〜３％、Ａｌ  ０．１〜０．３５％、Ｂ０．０１〜０．０２％及びＦｅ３５〜４０％を含むことを特徴とする弁棒。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記Ｎｉ基合金は、Ｃｏ１％以下、Ｃｕ０．５％以下、Ｐ０．０３％以下及びＳ０．０３％以下であることを特徴とする弁棒。
【請求項７】
Ｎｉ基合金からなる弁棒を、スピネル型酸化皮膜が実質的に形成されない減圧酸化性雰囲気下で加熱酸化させることを特徴とする弁棒の製造法。
【請求項８】
Ｎｉ基合金からなる弁棒を、１０−４〜１０−２体積％の酸素を有する不活性ガス中、減圧下で加熱酸化させることを特徴とする弁棒の製造法。
【請求項９】
Ｎｉ基合金からなる弁棒を、５×１０−４〜５×１０−３体積％の酸素を有する不活性ガス中、０．０３〜０．３気圧の減圧下で、６００℃〜６５０℃の温度で加熱酸化させることを特徴とする弁棒の製造法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかにおいて、前記加熱酸化させる前に窒化処理による表面硬化処理を施すことを特徴とする弁棒の製造法。
【請求項１１】
請求項１〜５のいずれかに記載の弁棒又は請求項６〜１０のいずれかに記載の弁棒の製造法によって製造された弁棒を有することを特徴とする蒸気弁。
【請求項１２】
弁棒及びその先端に設けられた弁体を有し蒸気の流れを調節する弁体組立品、前記蒸気の出入口と前記弁体組立品の挿入口とを有する弁箱、該弁箱の開口部を覆う上蓋、前記弁体との間隙によって前記蒸気の流れを調節する弁座、前記弁棒の摺動を支える衛帯筐を有する蒸気弁において、前記弁棒が請求項１〜５のいずれかに記載の弁棒又は請求項６〜１０のいずれかに記載の弁棒の製造法によって製造された弁棒からなること特徴とする蒸気弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸気タービンへの蒸気の流入を制御する新規な弁棒とその製造法及びそれを用いた蒸気弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンの主要な蒸気弁は高温高圧下の過酷な条件の下で使用され、さらに高速蒸気流を制御する役目を担っている。高温下において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自ら酸化皮膜を生成する。この酸化皮膜の生成量は母材の組成及び雰囲気条件によって異なり、酸化皮膜厚さが増加すると弁棒間隙が縮小し弁棒スティックを生じる。このため蒸気タービンの定検時に弁棒まわりを分解し、酸化皮膜を落とすための手入れが必要となる。
従来、上記問題を解決する方法として弁棒とガイドブッシュの間隙に酸化皮膜の生成を見込んで弁の動作に支障をきたさない程度に間隙を大きくしたり、耐酸化素材で弁棒及びガイドブッシュを構成したり、コバルト基合金（ステライト）の溶接肉盛を行うことが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
現在、事業用火力発電プラントで採用されている蒸気温度５６６〜６００℃のもとで使用されている主蒸気止め弁、再熱蒸気止め弁などの材料は、ブッシュに関しては内側にコバルト基合金を溶接肉盛した１２％Ｃｒ鋼を、弁棒に関しては、ニッケル（Ｎｉ）３０〜５０％  のＮｉ基合金鋼を窒化処理したものが用いられている。これらの材料は耐酸化を有する素材として知られており、特にコバルト基合金においては他の材料に比べ酸化スケールの生成量は非常に少ない。
しかしこのような材料でも運転条件の高温化や定検周期の延長に伴う長時間使用、そして運転条件である高温高圧水蒸気下で形成される酸化皮膜の不均一性による低い保護性のため、酸化皮膜厚さは増加し弁棒スティックの原因となる。
【０００４】
また、酸化皮膜の生成量は時間径過に伴い飽和していく傾向があるため、弁棒スティックは使用初期において多量に生成される酸化皮膜によって多く発生する。
本発明の目的は、使用初期に多量に生じる酸化スケールの生成を抑制する緻密で保護性の高い酸化皮膜を有し耐スチック性の高い弁棒とその製造法及びそれを用いた蒸気弁を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に酸化皮膜を有するＮｉ基合金からなり、前記酸化皮膜は、該皮膜中の金属元素の総量に占めるＣｒ量が５０質量％以上で、Ｃｒ２Ｏ３を主成分とすること、又、表面に酸化皮膜を有するＮｉ基合金からなり、前記酸化皮膜はＣｒ２Ｏ３を主成分とし、スピネル型酸化物を実質的に有しないことを特徴とする弁棒にある。更に、本発明の酸化皮膜は、Ｃｒ２Ｏ３層と、その表面に形成されたＦｅ酸化層とを有するものである。
【０００６】
即ち、本発明において、金属が高温の酸化条件下で長時間使用できる耐酸化性とは、表面に生成した酸化皮膜が保護性を持ち、新たな酸化を防止するものである。また酸化皮膜がどの程度保護性を有するかは酸化物の種類によるところが大きいが、保護性の高い酸化皮膜として知られているものにα‐Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３などのコランダム型酸化物が挙げられるが、本発明に係るＮｉ基合金を用いた弁棒では初期酸化皮膜の主成分として形成されるＣｒ２Ｏ３の皮膜厚さと均一性が耐酸化性を大きく左右する。このため初期に形成される酸化皮膜が緻密で保護性の高いものとすることにより、新たに生成される酸化皮膜量は抑制され、より高温、又は長期間での使用が可能となる。
【０００７】
前記酸化皮膜は、Ｃｒ２Ｏ３層と、その表面に形成されたＦｅ酸化層とを有すること、前記Ｎｉ基合金は、質量で、Ｃ０．１％以下、Ｓｉ０．６％以下、Ｍｎ１％以下、Ｎｉ３５〜４５％、Ｃｒ１０〜１５％、Ｍｏ４．５〜７．５％、Ｔｉ１．５〜３．５％、Ａｌ  ０．３５％以下及びＦｅ３３〜４２％を含むことが好ましく、より質量で、Ｃ０．１％以下、Ｓｉ０．６％以下、Ｍｎ１％以下、Ｎｉ  ３５〜４５％、Ｃｒ１０〜１５％、Ｍｏ４．５〜７．５％、Ｔｉ１．５〜３．５％、Ｃｏ１％以下、Ａｌ  ０．３５％以下、Ｃｕ０．５％以下、Ｐ０．０３％以下、Ｓ０．０３％以下、Ｂ０．０１〜０．０２％及びＦｅ３３〜４２％を含むこと、更に質量で、Ｃ０．０３〜０．０８％、Ｓｉ０．２〜０．６％、Ｍｎ０．３〜０．８％、Ｎｉ３７〜４２％、Ｃｒ１１〜１４％、Ｍｏ５〜７％、Ｔｉ２〜３％、Ｃｏ１％以下、Ａｌ  ０．１〜０．３５％、Ｃｕ０．５％以下、Ｐ０．０３％以下、Ｓ０．０３％以下、Ｂ０．０１〜０．０２％及びＦｅ３５〜４０％を含むことのいずれかが好ましい。
【０００８】
又、本発明は、Ｎｉ基合金からなる弁棒を、スピネル型酸化皮膜が実質的に形成されない減圧酸化性雰囲気下で加熱酸化させること、又は、Ｎｉ基合金からなる弁棒を、１０−４〜１０−２体積％の酸素を有する不活性ガス中、減圧下で加熱酸化させることを特徴とする弁棒の製造法にあり、好ましくはＮｉ基合金からなる弁棒を、５×１０−４〜５×１０−３体積％の酸素を有する不活性ガス中、０．０３〜０．３気圧の減圧下で、６００℃〜６５０℃の温度で加熱酸化させることを特徴とする弁棒の製造法にある。
【０００９】
前記加熱酸化させる前に窒化処理による表面硬化処理を施すこと、又、弁棒を最終機械加工した後に、前記加熱酸化又は窒化処理を施すことが好ましい。特に、ブッシュの内周面にＣｏ基合金の肉盛層が形成されているが、その肉盛層は極めて硬さの高いＣｒ炭化物が形成されているので、弁棒はその摺動面に窒化処理が施され摺動による摩耗を防止される。しかし、窒化処理された表面では耐酸化性が低下するので、より保護性の高い本発明の酸化処理が必要になる。それによって窒化処理による表面硬化処理が守られる。
【００１０】
本発明は、前述に記載の弁棒又は弁棒の製造法によって製造された弁棒を有することを特徴とする蒸気弁にある。具体的には、弁棒及びその先端に設けられた弁体を有し蒸気の流量を調節する弁体組立品、前記蒸気の出入口と前記弁体組立品の挿入口とを有する弁箱、該弁箱の開口部を覆う上蓋、前記弁体との間隙によって前記蒸気の流量を調節する弁座、前記弁棒との間で摺動する衛帯筐を有する蒸気弁において、前記弁体組立品は前記弁棒、該弁棒の先端に設けられた弁体、弁体キャップを有し、前記弁棒が前述に記載の弁棒又は弁棒の製造法によって製造された弁棒からなること特徴とする蒸気弁にある。
【００１１】
本発明による製造法では、前述の熱処理によって緻密で保護性の高いＣｒ２Ｏ３を主成分とする酸化皮膜が形成される。熱処理の雰囲気としては好ましくは不活性ガス中に約１０−３体積％で酸素を混入させた約０．１気圧の減圧下とし、温度としては６００℃〜６５０℃で行い、保持時間を好ましくは２４時間以上行うものである。
【００１２】
熱処理時の雰囲気は、上述した酸素含有量からの多少のずれは許容されるが、１０−２体積％より多すぎる場合にはＣｒ２Ｏ３より保護性の低いＮｉＣｒ２Ｏ４やＣｏＣｒ２Ｏ４のスピネル型の酸化皮膜が形成され易くなる。
【００１３】
また１０−４体積％より少なすぎる場合には金属表面中の酸素量が低くＣｒ２Ｏ３の酸化皮膜は形成されにくい。そして０．０３〜０．３気圧、より好ましくは０．１気圧の気圧条件は均一な酸化皮膜を形成し得るためのものである。
【００１４】
加熱酸化処理温度は弁棒の曲がりを防ぐためＮｉ基合金の時効温度以下である６００℃〜６５０℃が好ましい。この温度条件は表面に耐粒界損傷性に優れたＣｒ２Ｏ３酸化皮膜を形成することを可能とする。また６００℃以下では効率良くＣｒ２Ｏ３を主成分とした酸化皮膜が形成されない。特に、本発明においては、ベース金属の表面にＣｒ２Ｏ３がほとんどで、他の元素を有する酸化物が数％以下である酸化皮膜とするものである。更に、その表面にはＦｅ酸化物が形成される。
【００１５】
弁棒製品に形成される酸化皮膜は、配管製品のものとは異なり熱膨張率の差による破壊・剥離を生じ難い。よってＣｒ２Ｏ３の酸化皮膜は緻密で保護性の高く、皮膜厚さが設計値の間隙公差内で形成されれば良いため、保持時間については弁棒製造工程の経済性に依存する。
【００１６】
このような熱処理条件によって緻密で保護性の高いＣｒ２Ｏ３を主成分とする酸化皮膜を形成させることにより、プラント運転時の酸化スケール生成量の抑制を可能とし、弁棒ステッィク防止を行うものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の弁体組立品の断面図である。図２は図１の弁体組立品を用いた蒸気弁の断面図である。図２の蒸気弁は弁箱１０の一端部に入口１０ａ、他端部に出口１０ｂを形成し、弁箱１０上部の開口部には上蓋９を取り付け、弁箱１０下部の開口部には図１の弁体組立品を設置するためヨーク１３が取り付けられる。弁箱１０の内部には弁体２を着座可能とするため弁座１２を設置し、又蒸気中の異物を除去するためにストレーナ１１を設置する。本実施例においては、主蒸気温度が５６６〜６３０℃であるより高温に曝される条件下においてその酸化を防止するのに有効である。上蓋９及び弁箱１０には１２％Ｃｒ系鋼、弁座１２には９％Ｃｒ−１％Ｍｏ系鋼が用いられる。
【００１８】
図１の弁体組立品において、弁体２の中央部には軸方向に往復運動を行う弁棒８を挿入し、弁体２の上部に弁体キャップ１を設置する。また弁棒８の上部先端のくびれ部には半割りのカラー３を取り付ける。このカラー３と弁体キャップ１によって弁棒８と弁体２は固定される。また往復運動を案内するために衛帯筐４に弁棒８を挿入し、衛帯筐４はヨーク１３によって弁箱１０に固定される。衛帯筐４の弁棒孔内には弁棒８の中間に設けてある段部８ａと衛帯筐４との接触部にシールリング５を、弁棒８と衛帯筐４との摺動部に分割されたブッシュ６、７を設置している。衛帯筐４、弁体２、弁体キャップ１にはいずれも９％Ｃｒ−１％Ｍｏ系鋼が用いられる。ブッシュ６、７は２段になっており、内周面にＣｏ基合金の溶接による肉盛り層が形成されている。
【００１９】
従って、弁棒８を図示しない駆動手段によって軸方向に往復運動することにより、弁棒８が衛帯筐４内部に設置されたブッシュ６、７内を摺動する。そして弁棒８に固定された弁体２が軸方向に往復運動して弁座１２から離脱ないし着座して弁を開閉することによって、入口１０ａから出口１０ｂへと弁箱１０内を流れる蒸気の流量の調節、流出ないし阻止される。
【００２０】
弁棒８には、重量で、Ｃ０．０５％、Ｓｉ０．３５％、Ｍｎ０．５０％、Ｃｒ１３％、Ｎｉ４０％、Ｍｏ６．０％、Ｔｉ２．５０％、Ａｌ０．２０％及び残部ＦｅからなるＮｉ基合金の鍛造材を用い、１０５０〜１１５０℃で固溶化処理後、６５０〜８５０℃での時効処理を行い、更に、窒化作業により弁棒の表面硬化処理、最終仕上げ加工を行った後、不活性ガス中に約１０−３体積％で酸素を混入させた約０．１気圧の減圧下において、弁棒８の焼鈍温度以下の６５０℃で保持時間２４ｈの加熱酸化の熱処理を行った。これによって弁棒８の表面には緻密で保護性の高いＣｒ２Ｏ３のみの酸化皮膜が形成された。
【００２１】
図３は本発明の弁棒の表面付近の断面を模式的に示したものである。図示のように熱処理によって弁棒の表面には２つの酸化皮膜が形成される。その断面構造を大別すると弁棒である母材１４に近い方からＣｒ２Ｏ３主成分の酸化皮膜１５、Ｆｅ酸化物の酸化皮膜１６からなる。Ｆｅ酸化物は平衡解離圧が高く、Ｃｒ２Ｏ３層を拡散してきたＦｅが酸化されＣｒ２Ｏ３酸化皮膜の最外層にしか生成しない。一方、Ｃｒは酸素との親和力が非常に大きく、Ｃｒ２Ｏ３を主成分とする酸化物が酸化皮膜の最内層に生成し、優れた保護性酸化皮膜になる。このＣｒ２Ｏ３主成分の酸化皮膜１５とＦｅ酸化物の酸化皮膜１６の全厚さを設計値の公差内とする。
【００２２】
このように緻密で保護性及び密着性の高いＣｒ２Ｏ３酸化皮膜を形成することによって、高温高圧条件下で使用される弁棒材に新たに生成される酸化皮膜の形成を抑制し、酸化皮膜厚さの増加による摺動部間隙の閉塞が原因の弁棒スティックを防止することが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、弁棒表面に緻密で保護性及び密着性の高いＣｒ２Ｏ３酸化皮膜を形成することによって、より高温高圧条件下で使用される弁棒材に新たに生成される酸化皮膜の形成を抑制し、酸化皮膜厚さの増加による摺動部間隙の閉塞が原因の弁棒スティックを防止することができる顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気弁弁体組立品の縦断面図である。
【図２】図１の弁体組立品を有する蒸気弁の縦断面図である。
【図３】本発明の弁棒の表面付近の断面模式図である。
【符号の説明】
１…弁体キャップ、２…弁体、３…カラー、４…衛帯筐、５…シールリング、６、７…ブッシュ、８…弁棒、８ａ…弁棒段部、９…上蓋、１０…弁箱、１０ａ…弁箱入口、１０ｂ…弁箱出口、１１…ストレーナ、１２…弁座、１３…ヨーク、１４…母材、１５…Ｃｒ２Ｏ３主成分の酸化皮膜、１６…Ｆｅ酸化物の酸化皮膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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