JP2025025186A - 耐摩耗性部材及び耐摩耗性部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｏ溶出に起因した作業員の被ばく量を従来に比べて低減することが可能な耐摩耗性部材及び耐摩耗性部材の製造方法を提供する。
【解決手段】耐摩耗性部材２０Ａは、炭素鋼からなる基材２１と、基材２１の表面側に形成されたＣｒ基合金材料からなる被覆部２３と、を備え、被覆部２３は、被覆部２３の形成前の合金粉末１０に対する被覆部２３中の基材２１の主たる成分の増加分を求めたときの被覆部２３と基材２１との成分比から決定される被覆部２３への基材２１の混入率で決定される希釈率が、基材２１側から被覆部２３の表面にかけて、９５％以下の範囲で勾配を有しており、被覆部２３の最表面は、希釈率が２０％以下である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属基材上に耐摩耗性に優れた合金材料の被覆層を形成した耐摩耗性部材及び耐摩耗性部材の製造方法に関するものである。

耐摩耗性、耐食性および粉末肉盛溶接性に優れた高靱性ハードフェーシング材の一例として、特許文献１には、Ｎｉ３０．０～４８．０重量％、Ｗ１．５～１５．０重量％または／およびＭｏ１．０～６．５重量％でＷおよびＭｏの合計は最大１５．０重量％以下であり、必要に応じて、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、ＮｂおよびＴｉの１種または２種以上を添加し、粉末肉盛溶接に用いる粉末の場合、必要によりＡｌ、Ｙ、ミッシュメタル、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの一種または二種以上を０．０１～０．１２重量％、さらに、必要により酸素を０．０１～０．１重量％添加し、残部が４０重量％以上のＣｒから成る、ことが記載されている。

特開平５－２７１８４１号公報

弁は流体の流れる向きや量を制御する重要な役割を持っているとともに、その総使用量も多いことから、メンテナンス周期に強く影響を及ぼす。そのため、弁の耐摩耗性は当該部材の寿命に関わる重要な特性の一つである。

例えば、弁体・弁座等の弁を構成するバルブ部材の耐摩耗性を向上させる最も単純な方法は、当該部材全体を耐摩耗性に優れた材料から形成することである。ただし、そのような単純な方法は、例えば、機械的強度、靭性、コスト等の当該部材に求められる他の性状の観点から、最適解であるとは限らない。

一方、機械的強度や靭性やコストの面で優れる従前の材料を基材として用い、弁体面・弁座面に耐摩耗性に優れた材料の被覆層を形成することによってバルブ部材とする方法がある（例えば特許文献１参照）。このような被覆層の材料として、例えば、ステライト（登録商標）やＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）などのＣｏ基合金材料が従来から広く利用されている。

しかし、これらのＣｏ基合金では、点検時に放射化されたＣｏ溶出に伴い作業員が被ばくするリスクがある。

例えば、Ｃｏ基合金は原子力発電所に使用されるバルブ部材や制御棒駆動機構の部材など、摺動部の長寿命化を担う表面硬化合金である。しかし、一方で、摺動や腐食によって溶出したＣｏは炉心で放射性同位体Ｃｏ６０に変化し、Ｃｏ６０が蒸気配管などでβ崩壊した場合にγ線を放出する。このＣｏ６０によるβ壊が原子力発電所における主たる被ばく源となっていることから、Ｃｏフリー合金の開発が望まれている。

更には、原子力発電所に使用するバルブ部材には、耐摩耗性に優れたＣｏ合金の盛金が従来から使用されている。しかしながら、上述のように、点検時に放射化されたＣｏ溶出に伴い作業員が被ばくするリスクがあること、また肉盛溶接は投入する粉末と基材を同時に溶融して溶接するものであり、基材による粉末成分の希釈が生じるため、耐食性が低下するだけでなく、弁座はメンテナンスにおいて、肉盛表面を平滑化するラップ加工によって肉盛部を削る必要があり、希釈率が増大する、との課題があった。

本発明は、Ｃｏ溶出に起因した作業員の被ばく量を従来に比べて低減することが可能な耐摩耗性部材及び耐摩耗性部材の製造方法を提供する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、炭素鋼からなる基材と、前記基材の表面側に形成されたＣｒ基合金材料からなる被覆層と、を備える耐摩耗性部材であって、前記被覆層は、前記被覆層の形成前の素材に対する前記被覆層中の前記基材の主たる成分の増加分を求めたときの前記被覆層と前記基材との成分比から決定される前記被覆層への前記基材の混入率で決定される希釈率が、前記基材側から前記被覆層の表面にかけて、９５％以下の範囲で勾配を有しており、前記被覆層の最表面は、前記希釈率が２０％以下である。

本発明によれば、Ｃｏ溶出に起因した作業員の被ばく量を従来に比べて低減することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明に係る耐摩耗性部材の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の耐摩耗性部材の一例の仕切弁の模式図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の耐摩耗性部材の他の一例の玉形弁の模式図である。 図４の部分拡大図である。 本発明の耐摩耗性部材の更に他の一例の逆止弁の模式図である。 図６の部分拡大図である。 作製した試験体の外観写真である。 実施例における試験体の断面の外観写真である。 実施例における試験体の希釈率の一例を示す図である。 実施例における試験体の希釈率の一例を示す図である。 実施例における試験体の希釈率の一例を示す図である。 実施例における試験体の硬度の一例を示す図である。 実施例における試験体の硬度の一例を示す図である。 実施例における試験体の硬度の一例を示す図である。 実施例における試験体の希釈率と硬度との関係の一例を示す図である。 実施例における試験体の希釈率と硬度の関係の一例を示す図である。 実施例における試験体の希釈率と硬度の関係の一例を示す図である。 腐食試験後の外観写真である。

以下、本発明の耐摩耗性部材及び耐摩耗性部材の製造方法の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、同義の状態・工程については、同じ符号を付して重複する説明を省略する。また、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。更に、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

本明細書中において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。本発明において段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本発明に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。

本明細書において、「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。

本発明者等は、Ｃｒ基合金において、化学組成、耐食性、およびビッカース硬さの関係について調査検討し、本発明を完成させた。

［耐摩耗性部材とその製造方法］
図１は、本発明に係る耐摩耗性部材の製造方法の一例を示す工程図である。

図１に示したように、まず、合金粉末１０を用いて所望の組成の炭素鋼からなる基材２１の表面上に肉盛溶接工程（ステップＳ１）により、溶融凝固したＣｒ基合金製の肉盛部２２を形成する。

なお、基材２１は、炭素鋼ベースの様々な組成のものを使用可能であり、特に限定はない。

また、本発明においては、肉盛溶接工程Ｓ１は、金属粉末を用いた溶射を含むものとする。

肉盛溶接法に特段の限定はなく、従前の方法（例えば、被覆アーク溶接法、ＣＯ２溶接法、ＭＡＧ（ｍｅｔａｌ ａｃｔｉｖｅ ｇａｓ）溶接法、ＭＩＧ（ｍｅｔａｌ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ）溶接法、ＴＩＧ（ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ）溶接法、サブマージアーク溶接法、ＰＴＡ（ｐｌａｓｍａ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ａｒｃ）溶接法）を適宜利用できる。

耐摩耗性部材２０，２０Ａは、好適には摺動部材またはバルブ部材であるが、これら摺動部材またはバルブ部材における肉盛溶接では、肉盛高さは３ｍｍ以上であることが好ましい。特に摺動部では摩耗により減肉し、さらにメンテナンスにおいて傷取りのため再加工することから、５ｍｍ以上が好ましく、６ｍｍ以上がさらに好ましい。

得られた耐摩耗性部材２０はそのまま各種機器を構成する部材として利用してもよいが、他の部材への接続など考慮して、寸法、形状を整形する整形工程（ステップＳ２）をさらに実施し、被覆部２３を有する耐摩耗性部材２０Ａに加工することができる。

肉盛部２２を整形して被覆部２３へと加工する手段としては例えばフライス盤などによる切削加工や砥石による研磨などがある。

ここで、Ｃｒ基合金からなる肉盛部２２或いは肉盛部２２を加工した被覆部２３は、基材２１の成分の溶融、拡散によってその合金組成が合金粉末１０から希釈されることになる。

この希釈は肉盛部２２或いは被覆部２３の耐食性や硬さを低下させることから、耐摩耗性部材２０における肉盛部２２の形成前の合金粉末１０に対する肉盛部２２中の基材２１の主たる成分の増加分を求めたときの肉盛部２２と基材２１との成分比から決定される肉盛部２２への基材２１の混入率で決定される希釈率が、基材２１側から肉盛部２２の表面にかけて、９５％以下の範囲で勾配を有しており、肉盛部２２の最表面は、希釈率が２０％以下とする、或いは、耐摩耗性部材２０Ａにおける被覆部２３の形成前の合金粉末１０に対する被覆部２３中の基材２１の主たる成分の増加分を求めたときの被覆部２３と基材２１との成分比から決定される被覆部２３への基材２１の混入率で決定される希釈率が、基材２１側から被覆部２３の表面にかけて、９５％以下の範囲で勾配を有しており、被覆部２３の最表面は、希釈率が２０％以下とする。

ここで、本発明における希釈率は、「肉盛前の溶接材に対する肉盛部部分での基材の主たる成分の増加分を算出し、肉盛部と基材との成分比から、肉盛部への基材の混入率」とする。

上述のような希釈率の範囲とするためには、ステップＳ１の肉盛溶接工程におい用いる合金粉末１０の合金組成の成分比の調整が主となる。この場合、その組成に合わせて肉盛溶接における入熱量、溶接速度等の溶接条件を適宜決定することができる。但し、合金粉末１０の組成の調整に限定されず、様々な調整を行うことができる。

さらに高耐食性、および高硬度特性が必要となる場合は、肉盛部２２或いは被覆部２３の最表面の希釈率は１６％以下が好ましく、６％以下が更に好ましく、２％以下が最も好ましい。

また、肉盛部２２或いは被覆部２３は、希釈率が１６％以下の領域を最表面から２ｍｍ以上有していることが望ましい。このように肉盛部２２或いは被覆部２３では、最表面から２ｍｍ以上の領域で希釈率が１６％以下とすることで、研削代など、実際の運用上の条件を鑑みて有用な肉盛部２２或いは被覆部２３が確実に形成された状態を維持できる。

一方で、基材２１付近の肉盛部２２或いは被覆部２３は、耐摩耗性部材２０，２０Ａを弁とした場合、特に多層肉盛プロセスでは基材２１側の肉盛部２２或いは被覆部２３ほど希釈率が高くなる。しかしながら、基材２１側の肉盛部２２或いは被覆部２３は弁として直接摺動に関わることがないため、２０％超の希釈率であっても良く、希釈率は０より大きく、９５％以下の範囲で勾配を有していているものとする。

ここで、肉盛部２２或いは被覆部２３は、２層以上の肉盛部から構成されるものとし、また、最も基材２１側の肉盛部を除く２層目以上で構成される肉盛部２２或いは被覆部２３の希釈率は２０％以下であることが望ましい。

［肉盛部２２或いは被覆部２３の好適な化学組成］
本発明の耐摩耗性部材２０，２０Ａでは、表面にＣｒを主たる成分とするＣｒ基合金からなる肉盛部２２或いは被覆部２３が形成されたものである。このＣｒ基合金は、質量％で、
４０．０％超６５．０％以下のＣｒと、
０％以上３０．０％以下のＦｅと、
０．５％以上２．５％以下のＣと、
０％以上２．０％未満のＭｎと、
０．１％以上１．２５％以下のＴｉと、
０％超２０％以下のＮｂと、を含み、
残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＣｒ基合金であることが望まれる。

本発明におけるＣｒ基合金は、Ｎｂ系炭化物を形成することにより、高い耐食性と耐摩耗性とを兼ね備え、かつ低コストのＣｒ基合金である。

以下、肉盛部２２或いは被覆部２３を構成するＣｒ基合金の好適な化学組成（各成分）について説明する。それぞれの元素の含有量は特に規定する以外は質量％である。なお、本発明に係るＣｒ基合金は、開示した成分の合計含有量が９９質量％超であることが好ましく、例えば、合金の製造工程において混入する不純物など、開示した成分以外の成分の含有量は合計で１質量％未満が好ましい。

Ｃｒ：４０質量％超６５質量％以下
Ｃｒ成分は、本発明のＣｒ基合金弁の最大含有率成分であり、Ｃｏよりも安価であることから従来のＣｏ基合金よりも材料コストを低減できる利点がある。また、Ｃｒを最大含有率成分とすることで、Ｃｒ基合金弁の表面に不動態の酸化被膜が形成し易くなって耐食性が向上する作用効果もある。
Ｃｒ含有率は、４０質量％超が好ましく、４５質量％以上がより好ましく、５０質量％以上が更に好ましい。Ｃｒ含有率を４０質量％超とすることにより、コスト低減を図ると共に、耐食性向上の作用効果を十分に発揮させることができる。一方、Ｃｒ含有率を６５質量％以下とすることで、合金の融点が高くなり過ぎてＣｒ基合金弁の製造性が悪化する（製造コストが増大する）ことを避けることができるため、Ｃｒ含有量は６５質量％以下が好ましい。

Ｎｉ：１５質量％以上４０質量％以下
Ｎｉ成分は、本発明のＣｒ基合金弁の母相（フェライト相、またはフェライト相とオーステナイト相との混相）を構成する主要成分の１つであり、母相の延性・靱性の向上に寄与する成分である。
Ｎｉ含有率は、上述したＣｒ含有率よりも低くかつ後述するＦｅ含有率よりも高いことが好ましい。具体的にはＮｉ含有率は、１５質量％以上が好ましく、２０質量％以上がより好ましく、２５質量％以上が更に好ましい。Ｎｉ含有率を１５質量％以上とすることで、Ｃｒ基合金弁の延性・靱性を十分に確保できる。一方、Ｎｉ含有率を４０質量％以下とすることで、Ｃｒ基合金弁の耐摩耗性を高く保てることから、Ｎｉ含有率は４０質量％以下が好ましい。

Ｆｅ：０質量％超３０質量％以下
Ｆｅ成分も、本発明のＣｒ基合金弁の母相を構成する主要成分の１つであり、靭性や硬さの確保に寄与する成分である。
Ｆｅ含有率は、３０質量％以下が好ましく、２０質量％以下がより好ましく、１７質量％以下が更に好ましい。Ｆｅ含有率を３０質量％以下とすることで、脆性の金属間化合物であるσ相（ＦｅＣｒ相を基本とする金属間化合物相）が生成されることを抑制し、Ｃｒ基合金弁の延性・靱性が著しく低下する（いわゆるσ相脆化）ことを避けることができる。一方、Ｃｒ基合金弁の中にＦｅ成分を全く含まないものとしない（Ｆｅ含有率が０質量％）ことにより、Ｃｒ基合金弁の耐摩耗性を保てることから、Ｃｒ基合金弁の中のＦｅ含有率は１０質量％以上がより好ましい。

Ｎｂ：５質量％以上１６質量％以下
Ｎｂ成分は、後述するＣ成分と化合してＮｂ炭化物相（例えばＮｂＣ相）を生成・析出し、Ｃｒ基合金弁の硬化・耐摩耗性向上に寄与する重要な成分である。また、母相中に固溶したＮｂ成分は、靭性の向上に寄与する作用効果もある。
Ｎｂ含有率は、５質量％以上が好ましく、６質量％以上がより好ましい。Ｎｂ含有率を５質量％以上とすることで、Ｃｒ基合金弁の硬化・耐摩耗性向上を図る。一方、Ｎｂ含有率は、１６質量％以下が好ましく、１２質量％以下がより好ましい。Ｎｂ含有率を１６質量％以下とすることで、Ｃｒ基合金弁の延性・靱性を十分にする。
また、Ｎｂ含有率は、後述するＣ含有率との質量比Ｃ／Ｎｂが０．１１以上０．１６以下であることが好ましく、０．１２以上０．１４以下がより好ましい。質量比Ｃ／Ｎｂを０．１１以上とすることで、Ｎｂ炭化物相の生成量が不足することを避け、Ｃｒ基合金弁の硬化・耐摩耗性向上の作用効果が不十分になることを避けることができる。質量比Ｃ／Ｎｂを０．１６以下とすることで、過剰のＣ成分がＣｒ炭化物相（例えばＣｒ_７Ｃ_３相、Ｃｒ_２３Ｃ_６相）を生成・析出させることを防ぎ、Ｃｒ基合金弁の耐食性の向上を担保することができる。

Ｃ：０．６質量％以上２．５質量％以下
Ｃ成分は、上述したＮｂ成分と化合してＮｂ炭化物相を生成・析出し、Ｃｒ基合金弁の硬化・耐摩耗性向上に寄与する重要な成分である。また、Ｃ成分は、母相中に固溶してもＣｒ基合金弁の硬化に寄与する作用効果もある。
Ｃ含有率は、０．６質量％以上が好ましく、０．７質量％以上がより好ましい。Ｃ含有率を０．６質量％以上とすることで、Ｃｒ基合金弁の硬化・耐摩耗性向上を保つ。一方、Ｃ含有率は、２．５質量％以下が好ましく、２質量％以下がより好ましく、１．５質量％以下が更に好ましい。Ｃ含有率を２．５質量％以下とすることで、Ｃｒ炭化物相を過剰に生成・析出させて、Ｃｒ基合金弁の耐食性を確保することができる。
また、上述したように、Ｃ含有率は、Ｎｂ含有率との質量比Ｃ／Ｎｂが０．１１以上０．１６以下であることが好ましく、０．１２以上０．１４以下がより好ましい。

Ｔｉ：０．１質量％以上０．９質量％以下
Ｔｉ成分は、Ｃｒ基合金弁の内部の酸素と化合して微細なＴｉ酸化物粒子を形成し、正の作用効果に寄与しない余剰分の酸素を捕捉・安定化する役割（いわゆる、脱酸素の役割）を担う成分である。加えて、分散形成したＴｉ酸化物粒子は、Ｎｂ炭化物相の生成の起点（種）として機能し、Ｎｂ炭化物相の微細分散析出に貢献する作用効果がある。なお、本発明は、Ｔｉ成分の一部が炭化物（例えばＴｉＣや（Ｎｂ、Ｔｉ）Ｃ）を形成する可能性があることを否定するものではない。
Ｔｉ含有率は、０．１質量％以上が好ましく、０．２質量％以上がより好ましい。Ｔｉ含有率を０．１質量％以上とすることで、Ｔｉ酸化物粒子の生成量が不足することを避けて、Ｎｂ炭化物相の微細分散析出が不十分になる（大きい塊状のＮｂ炭化物相粒子が析出し易くなる）ことを避け、その結果、Ｃｒ基合金弁の硬化・耐摩耗性向上を十分に担保する。一方、Ｔｉ含有率は、０．９質量％以下が好ましく、０．７質量％以下がより好ましく、０．５質量％以下が更に好ましい。Ｔｉ含有率を０．９質量％以下とすることで、Ｔｉ酸化物粒子が粗大化し易くなることを抑制し、Ｎｂ炭化物相と共にＣｒ基合金弁の凝固表面に偏在し易くなることを抑制して、Ｃｒ基合金弁の耐食性や耐摩耗性の向上を確実に図ることができる。
また、Ｔｉ含有率は、前述したＮｂ含有率との質量比Ｔｉ／Ｎｂが０．００６２以上０．０６３以下であることが好ましく、０．０１以上０．０５以下がより好ましい。質量比Ｔｉ／Ｎｂを０．００６２以上とすることで、塊状のＮｂ炭化物相粒子が粗大化し易くなることを抑制する。質量比Ｔｉ／Ｎｂを０．０６３以下とすることで、Ｔｉ酸化物粒子が粗大化し易くなることを抑制し、Ｎｂ炭化物相と共にＣｒ基合金弁の凝固表面に偏在し易くなることを抑制することができる。

Ｍｎ：２質量％以下
Ｍｎ成分は、Ｃｒ基合金弁の任意成分であり、硫黄や酸素と化合して該化合物の微細粒子を形成し、正の作用効果に寄与しない余剰分の硫黄や酸素を捕捉・安定化する役割（いわゆる、脱硫・脱酸素の役割）を担う成分である。硫黄や酸素を捕捉・安定化することにより、Ｃｒ基合金弁の腐食性や延性・靭性の向上に寄与する。
Ｍｎは必須成分ではないが（含有率０質量％でもよいが）、Ｍｎ含有の作用効果を確実に発揮させるには、Ｍｎ含有率は０．０５質量％以上が好ましい。一方、Ｍｎ含有率は、２質量％以下が好ましく、１質量％以下がより好ましく、０．５質量％以下が更に好ましい。Ｍｎ含有率を２質量％以下とすることで、硫化物（例えばＭｎＳ）の粗大粒子を形成してＣｒ基合金弁の耐食性や延性・靭性の低下要因になることを避けることができる。

不純物：合計１質量％以下
本発明のＣｒ基合金弁における代表的な不純物としては、Ｎ、Ｏ、Ｐ、ＳおよびＴａが挙げられる。次に、これら不純物について簡単に説明する。なお、Ｃｏについては、不可避的不純物として含まれる水準とし、意図的な添加等は行わないものとする。

Ｎ：０．０４質量％以下
Ｎ成分は、Ｃｒ基合金材料の構成成分と化合して窒化物相（例えば、Ｃｒ窒化物相）の粗大粒子を形成した場合に、Ｃｒ基合金弁の機械的特性（例えば、延性、靱性）を低下させる不純物成分である。一方、Ｎ含有率を０．０４質量％以下に制御することで、母相中に固溶したり窒化物相の微細粒子を形成したりすることが可能になり、機械的特性（例えば、硬さ）を向上させる作用効果もある。

Ｏ：０．０２質量％以下
Ｏ成分は、Ｃｒ基合金材料の構成成分と化合して酸化物相（例えば、Ｆｅ酸化物）の粗大粒子を形成した場合に、Ｃｒ基合金弁の機械的特性（例えば、延性、靱性）を低下させる不純物成分である。一方、Ｏ含有率を０．０２質量％以下に制御することで、酸化物相の微細粒子を形成することが可能になり、機械的特性（例えば、硬さ）を向上させる作用効果もある。

Ｐ：０．０４質量％以下
Ｐ成分は、Ｃｒ基合金弁の結晶粒界に偏析し易く、機械的特性（例えば、延性、靱性）や結晶粒界の耐食性を低下させる不純物成分である。Ｐ含有率を０．０４質量％以下に制御することで、それらの負の影響を抑制することができる。

Ｓ：０．００５質量％以下
Ｓ成分は、Ｃｒ基合金材料の構成成分と化合して比較的低融点の硫化物（例えば、Ｆｅ硫化物）を生成し易く、Ｃｒ基合金弁の機械的特性や耐食性を低下させる不純物成分である。Ｓ含有率を０．００５質量％以下に制御することで、それらの負の影響を抑制することができる。

Ｔａ：０．２質量％以下
Ｔａ成分は、ニオブ鉱（例えば、パイロクロア）に含まれる成分の一種であり、Ｎｂ原料に混入し易い不純物成分である。Ｔａ含有率が０．２質量％以下であれば、特段の悪影響はない。言い換えると、Ｔａ成分は、積極的に含有させる成分ではないが、０．２質量％以下の含有は許容される成分である。

追加的任意成分
前述したように、本発明のＣｒ基合金弁は、追加的任意成分として、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌの一種以上を更に含んでもよい。次に、これら追加的任意成分について簡単に説明する。

Ｃｕ：０．１質量％以上５質量％以下
Ｃｕ成分は、Ｃｒ基合金弁における追加的任意成分の１つであり、耐食性の向上に寄与する成分である。Ｃｕを含有する場合、その含有率は０．１質量％以上５質量％以下が好ましい。Ｃｕ含有率を０．１質量％以上とすることで、Ｃｕに基づく作用効果が明確化させることができる。一方、Ｃｕ含有率を５質量％以下とすることで、Ｃｕ析出物が生成し易くなることを避け、Ｃｒ基合金弁の延性・靭性の低下要因になることを避けることができる。

Ｓｉ：０．１質量％以上１質量％以下
Ｓｉ成分も、Ｃｒ基合金弁における追加的任意成分の１つであり、脱酸素の役割を担う成分である。Ｓｉを含有する場合、その含有率は、０．１質量％以上１質量％以下が好ましい。Ｓｉ含有率を０．１質量％以上とすることで、Ｓｉに基づく作用効果を明確化することができる。一方、Ｓｉ含有率を１質量％以下とすることで、酸化物（例えばＳｉＯ_２）の粗大粒子の形成を抑制し、Ｃｒ基合金弁の延性・靭性の低下要因になることを避けることができる。

Ｓｎ：０．０２質量％以上０．３質量％以下
Ｓｎ成分も、Ｃｒ基合金弁における追加的任意成分の１つであり、被覆層表面の不動態皮膜強化の役割を担い、耐食性（例えば、塩化物イオンや酸性の腐食環境に対する耐性）の向上に寄与する成分である。Ｓｎを含有する場合、その含有率は、０．０２質量％以上０．３質量％以下が好ましい。Ｓｎ含有率を０．０２質量％以上とすることで、Ｓｎに基づく作用効果を明確化することができる。一方、Ｓｎ含有率を０．３質量％以下とすることで、Ｓｎ成分の粒界偏析が生じることを抑制し、Ｃｒ基合金弁の延性・靱性の低下要因になることを避けることができる。

Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５質量％以下
Ａｌ成分も、Ｃｒ基合金弁における追加的任意成分の１つであり、ＭｎやＳｉと組み合わせることで脱酸素作用の向上に寄与する成分である。Ａｌを含有する場合、その含有率は、０．００５質量％以上０．０５質量％以下が好ましい。Ａｌ含有率が０．００５質量％以上とすることで、Ａｌによる作用効果を明確化することができる。一方、Ａｌ含有率を０．０５質量％以下とすることで、酸化物や窒化物（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３やＡｌＮ）の粗大粒子を形成することを抑制し、Ｃｒ基合金弁の延性・靱性の低下要因になることを避けることができる。

以上、説明した合金は合金粉末１０に成形し、肉盛溶接するのが好適である。溶融した本発明の合金を不活性ガスの高速気流中に導入して粉砕するガスアトマイズによって粉体化し、ＰＴＡ（Ｐｌａｓｍａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｒｃ）肉盛溶接装置により施工してもよい。ＰＴＡ肉盛溶接装置では通常、溶接トーチ先端の施工部までの管路を流動させて粉末を搬送するため、粉末がスムーズに移動する必要がある。これに対して、ガスアトマイズで得られる粉末は球状であり、流動性が良好となるので好ましい。また、粉体化した本発明の合金を粉末冶金法によって棒状の粉末冶金成形体に焼結したものを溶接棒として使用することもできる。

［耐摩耗性部材２０，２０Ａの活用方法の例］
上記のようにして製造した耐摩耗性部材２０，２０Ａは、耐食性と耐摩耗性を両立することができる。その結果、本発明の耐摩耗性部材２０，２０Ａは、厳しい腐食環境および摩耗環境下において用いられる種々の部材として好適に利用できる。当該適用部材としては、ＢＷＲ（Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）プラントにおける玉形弁、仕切弁など、ＰＷＲ（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ）プラントにおける玉形弁、仕切弁などが挙げられる。前述の部材のうち、特に仕切弁への適用が好ましい。

図２及び図３は、本発明の耐摩耗性部材の一例であり、仕切弁３０の模式図である。仕切弁３０においては、弁体３２及び弁座部３１のうち、それぞれの相対する接触部に肉盛施工によりＣｒ基合金からなる被覆層３５が形成されている。

図４及び図５は、本発明の耐摩耗性部材の他の一例であり、玉形弁４０の模式図である。玉形弁４０においては、弁体４２及び弁座部４１のうち、それぞれの相対する接触部に肉盛施工によりＣｒ基合金からなる被覆層４５が形成されている。

図６及び図７は、本発明の耐摩耗性部材の更に他の一例であり、逆止弁５０の模式図である。逆止弁５０においては、弁体５２及び弁座部５１のうち、それぞれの相対する接触部に肉盛施工によりＣｒ基合金からなる被覆層５５が形成されている。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実験１］
（実施例１～３の試験体の作製）
肉盛溶接のため、表１（ＰＴＡ肉盛溶接に用いたガスアトマイズ粉の合金組成を示す表である。）の合金組成を有するガスアトマイズ粉を用意した。

ＰＴＡ肉盛溶接にはＦｒｏｎｉｕｓ社製ＭａｇｉｃＷａｖｅ ４０００ ＭＶを用いた。ＰＴＡ溶接ノズル部はロボットによって保持し、粉末の供給量はパウダーホッパーのフィーダ回転数で制御した。また、基材は弁座等で使用される炭素鋼ＳＧＶ４１０とし、肉盛溶接は電流値を設定した一定値とする定電流条件で行った。この時、粉末の重量当たりの入熱量は１０～３０ｋＪ／ｇの範囲で制御し、試験体１～試験体３の３個を作製した。

図８は作製した試験体３の外観写真である。試験体は基材と、基材中央に肉盛溶接した肉盛部からなり、肉盛溶接は重なるように多層肉盛りを実施した。

（試験体の特性評価方法）
（１）希釈率測定
希釈率の測定には、走査型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分析装置ＳＥＭ－ＥＤＸ（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、Ｓ－４３００ＳＥ）を用いた。肉盛溶接では肉盛部に基材が溶け込むことで希釈される。本発明における希釈率は、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析値から基材の主たる成分である鉄の増加分を算出し、肉盛材と基材の成分比から、肉盛部への基材の混入率を算出し、希釈率とした。この時、基材の鉄含有率は１００％として計算した。

図９は本発明における試験体３の断面の外観写真である。この肉盛断面部を表面から深さ方向に１ｍｍ間隔でＥＤＸにより分析した。

図１０乃至図１２はそれぞれ試験体１～３の分析結果である。いずれの試験体でも、表面からの距離が０ｍｍ、すなわち肉盛表面付近では希釈率が少なく、基材側になるに従って希釈率が増大する一般的な傾向が確認できる。試験体１～３は肉盛条件が異なるため、それぞれ希釈率が異なる。

（２）硬さ評価
弁では開閉の際に、弁体と弁座との接触面に大きな荷重を加えながら摺動する。このため摺動面には高硬度特性を有する方が好ましい。弁の肉盛部においては、ビッカース硬さ４００ＨＶ以上が良く、５００ＨＶ以上が好ましく、６００ＨＶ以上がさらに好ましい。

そこで、前述の希釈率と硬さの関係を調査するため、ビッカース硬さ試験を実施した。試験はＪＩＳ Ｚ ２２４４のビッカース硬さ試験の測定に従い室温にて実施した。試験力は１ｋｇｆとし、１０秒間保持した。図７では本発明における試験体３の断面の外観写真である。この肉盛材断面を鏡面研磨し、表面から深さ方向に１ｍｍ間隔で硬さを測定した。図１３乃至図１５はそれぞれ試験体１～３の分析結果である。これら図１３乃至図１５に示すように、最表面が最も硬いこと、また表面付近では硬さが高いことが判った。また、基材２１側に近づくほど硬さが低下することが確認できた。

希釈率と硬さとの関係を比較するため、図１６乃至図１８に試験体１～３の希釈率と硬さとの関係を示した。これら図１６乃至図１８に示すように、傾向として、希釈率が低いほど硬さが大きく、希釈率の増加に伴って硬さが低下したことが判った。

特に、希釈率２０％以下ではビッカース硬さ４００ＨＶ以上の良好な硬度特性が得られた。希釈率１３％以下でビッカース硬さ５００ＨＶ以上、希釈率６％以下で６００ＨＶ以上の高硬度特性を得た。以上の結果から、Ｃｒ基合金弁の希釈率は２０％以下が良く、１３％以下が好ましく、６％以下がさらに好ましい。一方で、弁の摺動特性は実際に摺動する肉盛表面部の硬さが重要であることから、肉盛部表層以外の希釈率は２０％超でも良く、図１０乃至図１８の結果から、肉盛部２２或いは被覆部２３は、肉盛部２２或いは被覆部２３の形成前の合金粉末１０に対する肉盛部２２或いは被覆部２３中の基材２１の主たる成分の増加分を求めたときの肉盛部２２或いは被覆部２３と基材２１との成分比から決定される肉盛部２２或いは被覆部２３への基材２１の混入率で決定される希釈率が、基材２１側から肉盛部２２或いは被覆部２３の表面にかけて、９５％以下であり、勾配を有している必要があることが判る。

［実験２］
（実施例４～７の試験体の作製）
実験１と同様に、表１の合金組成を有するガスアトマイズ粉を用いて、ＰＴＡ肉盛溶接を実施した。基材は炭素鋼ＳＧＶ４１０とし、肉盛溶接は電流値を設定した一定値とする定電流条件で行った。この時、粉末の重量当たりの入熱量は１０～３０ｋＪ／ｇの範囲で制御し、試験体４～試験体７の４個を作製した。試験体４～７は、単層の肉盛溶接とした。肉盛溶接後、後述の腐食試験のため長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍの試験体を加工した。

（１）希釈率測定
実験１と同様に希釈率の測定には、走査型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分析装置ＳＥＭ－ＥＤＸ（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、Ｓ－４３００ＳＥ）を用いた。実験２における希釈率は、試験体４～７から加工した腐食試験体の表面４か所をＥＤＸ分析し、４か所の平均値から基材の主たる成分である鉄の増加分を算出し、肉盛材と基材の成分比から、肉盛部への基材の混入率を算出し、希釈率とした。この時、基材の鉄含有率は１００％として計算した。

その結果、試験体４～７の希釈率はそれぞれ６．８％、１６．７％、２８．５％、４０．２％であった。

（３）腐食試験
耐食性を評価するため、高温高圧水中腐食試験を実施した。試験には高温高圧水中腐食試験には東伸工業株式会社製オートクレーブを用いた。試験体は肉盛部を長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍに加工したものを用いた。試験条件は２８８℃、圧力８．３ＭＰａとし、１５００時間の浸漬試験を行った。

図１９は腐食試験後の外観写真である。この図１９に示すように、試験体４および５は腐食試験後も金属光沢を有しており、良好な耐食性を示した。一方で、試験体６および７は試験体表面を覆うように腐食生成物が生じた。試験体１および２は希釈率１６．７％以下であり、試験体６および７は希釈率２８．５％以上であったことから、希釈率１６．７％以下とすることで良好な耐食性が得られると考えられる。

［弁に適した肉盛部の希釈率］
実験１および実験２から希釈率が低いほど硬さ、および耐食性に優れることを確認した。希釈率と特性の関係を整理するため、希釈率と硬さ、および耐食性の関係を表２に示した。

硬さは６００ＨＶ以上を優秀、６００ＨＶ未満５００ＨＶ以上を良、５００ＨＶ未満４００ＨＶ以上を可、４００ＨＶ未満、或いは４００ＨＶ以上であることを確認できなかった希釈率を不可とした。耐食性は、腐食試験後に金属光沢を有していた場合に良、腐食生成物に覆われていた場合に可とした。

Ｃｒ基合金弁に特に高い硬さを持たせたい場合は希釈率２０％以下がよく、１３％以下が好ましく、６％以下がさらに好ましい。またＣｒ基合金弁を腐食環境で用いる場合は希釈率１６％以下が好ましい。

一方で、ＰＴＡ肉盛溶接による肉盛部の基材による希釈は不可避であることから、弁の最表面以外は希釈率が大きくても問題無く、希釈率４０％を超えても良い。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本実施例の基材２１と、その基材２１の表面側に形成されたＣｒ基合金材料からなる肉盛部２２と、を備える耐摩耗性部材２０、或いは、基材２１と、その基材２１の表面側に形成されたＣｒ基合金材料からなる被覆部２３と、を備える耐摩耗性部材２０Ａでは、肉盛部２２或いは被覆部２３は、肉盛部２２或いは被覆部２３の形成前の合金粉末１０に対する肉盛部２２或いは被覆部２３中の基材２１の主たる成分の増加分を求めたときの肉盛部２２或いは被覆部２３と基材２１との成分比から決定される肉盛部２２或いは被覆部２３への基材２１の混入率で決定される希釈率が、基材２１側から肉盛部２２或いは被覆部２３の表面にかけて、９５％以下の範囲で勾配を有しており、肉盛部２２或いは被覆部２３の最表面は、希釈率が２０％以下である。

よって、耐食性と硬度の優れた耐摩耗性部材２０，２０Ａとできることから、Ｃｏ溶出を従来に比べて低減し、長寿命化及びメンテナンス時間の低減を達成し、作業員の被ばく低減を実現することができる。また、Ｃｒ基合金を使用する事で従来材よりも低コスト化を提供することが可能となる。

また、肉盛部２２或いは被覆部２３は、２層以上の肉盛部から構成され、最も基材２１側の肉盛部を除く肉盛部２２或いは被覆部２３の希釈率が２０％以下であるため、最表面側に硬度及び耐食性の高い層を確実に形成することができる。

更に、最表面の希釈率が、１６％以下であることで、耐食性に非常に優れた肉盛部２２或いは被覆部２３とすることができる。

また、肉盛部２２或いは被覆部２３は、希釈率が１６％以下の領域を最表面から２ｍｍ以上有していることにより、耐摩耗性部材２０，２０Ａの使用に伴う摩耗などが生じたとしても十分な耐食性、硬度の高い層を最表面側に長期間にわたって保つことができ、より長寿命化を図ることができる。

＜その他＞
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

１０…合金粉末（素材）
２０，２０Ａ…耐摩耗性部材
２１…基材
２２…肉盛部（被覆層）
２３…被覆部（被覆層）
３０…仕切弁
３１，４１，５１…弁座部
３２，４２，５２…弁体
３５，４５，５５…被覆層
４０…玉形弁
５０…逆止弁

Claims (6)

1. 炭素鋼からなる基材と、
   前記基材の表面側に形成されたＣｒ基合金材料からなる被覆層と、を備える耐摩耗性部材であって、
   前記被覆層は、前記被覆層の形成前の素材に対する前記被覆層中の前記基材の主たる成分の増加分を求めたときの前記被覆層と前記基材との成分比から決定される前記被覆層への前記基材の混入率で決定される希釈率が、前記基材側から前記被覆層の表面にかけて、９５％以下の範囲で勾配を有しており、
   前記被覆層の最表面は、前記希釈率が２０％以下である
   耐摩耗性部材。
2. 請求項１に記載の耐摩耗性部材において、
   前記被覆層は、２層以上の肉盛部から構成され、
   最も前記基材側の前記肉盛部を除く前記被覆層の前記希釈率が２０％以下である
   耐摩耗性部材。
3. 請求項１に記載の耐摩耗性部材において、
   前記最表面の前記希釈率が、１６％以下である
   耐摩耗性部材。
4. 請求項３に記載の耐摩耗性部材において、
   前記被覆層は、前記希釈率が１６％以下の領域を前記最表面から２ｍｍ以上有している
   耐摩耗性部材。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の耐摩耗性部材において、
   前記耐摩耗性部材が、摺動部材またはバルブ部材である
   耐摩耗性部材。
6. 炭素鋼からなる基材と、
   前記基材の表面側に形成されたＣｒ基合金材料からなる被覆層と、を備える耐摩耗性部材の製造方法であって、
   前記被覆層を、
   前記被覆層の形成前の素材に対する前記被覆層中の前記基材の主たる成分の増加分を求めたときの前記被覆層と前記基材との成分比から決定される前記被覆層への前記基材の混入率で決定される希釈率を、前記基材側から前記被覆層の表面にかけて９５％以下の範囲で勾配を有しており、
   前記被覆層の最表面の前記希釈率が２０％以下
   となるように形成する
   耐摩耗性部材の製造方法。

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