JP2012518082A

JP2012518082A - 耐摩耗性合金

Info

Publication number: JP2012518082A
Application number: JP2011549609A
Authority: JP
Inventors: ゲリーロバートヒース
Original assignee: エムイーシーホールディングゲー・エム・ベー・ハー
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2012-08-09
Also published as: RU2011131534A; PL2224031T3; BRPI1012342A2; BRPI1012342B1; EP2224031B1; ES2418135T3; RU2530196C2; US20110300016A1; WO2010094708A2; WO2010094708A3; EP2224031A1; CA2749983A1; CA2749983C

Abstract

高い耐摩耗性さらには高い耐薬品性を有する部品または被膜の製造に好適な低コストの材料を提供するために、１３〜１６重量パーセントのニッケル（Ｎｉ）、１３．５〜１６．５重量パーセントのクロム（Ｃｒ）、０．５〜３重量パーセントのモリブデン（Ｍｏ）、３．５〜４．５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、３．５〜４重量パーセントのホウ素（Ｂ）、および１．５〜２．１重量パーセントの炭素（Ｃ）、残部の鉄（Ｆｅ）を有する合金を提案する。

Description

本発明は、Ｃ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、およびＭｏを含有する鉄系合金を含む材料に関する。

この材料または合金は、成形品、鋳造品、被膜、部品、被膜付き部品、線材、電極、粉体、および粉体混合物を製造するために使用可能である。

摩耗および腐食に対して優れた耐性を有しかつ低コストである合金材料が産業上必要とされている。

摩耗および腐食を防止するためにニッケル系合金にクロムおよびモリブデンを添加することは、以前から知られていた。そのような合金は、たとえば、米国特許第６，０２７，５８３号明細書（特許文献１）、米国特許第６，１８７，１１５号明細書（特許文献２）、および米国特許第６，３２２，８５７号明細書（特許文献３）に開示されている。

欧州特許出願公開第１７８８１０４Ａ１号明細書（特許文献４）には、強い摩擦および摩耗を生じる用途に適した部品または被膜を製造するための材料が開示されている。この材料は、ＷＣのような硬質粒子が添加されたニッケル系合金を含む。

元素ＮｉおよびＷは、高価であるので、代替物が探索されている。

鉄系自溶性合金は、より低コストの一群の代替材料であり、適度な耐摩耗性を呈する多くの材料が見いだされてきた。

そのような鉄系合金は、独国特許第１９７３３３０６Ｃ１号明細書（特許文献５）から公知である。それには、鉄系熱被覆材料が開示されている。この合金は、混合物、ガスアトマイズ合金、アグロメレート金属粉体、コア入りワイヤー、コア入りストリップ、焼結ストリップ、または鋳造シースロッド電極の形態で添加材料として使用され、また、摩擦を受ける部材の熱被覆に使用される。良好な耐疲労性および耐衝撃性を兼備する低摩擦低摩耗層を摺動部材に適用するための合金の好ましい組成は、次のとおり、すなわち、２０〜２５％のＭｎ、１３〜２０％のＣｒ、０．１〜２％のＮｉ、３〜６％のＷ、０．１〜０．１５％のＣ、１．５〜２．５％のＢ、残部のＦｅである（重量基準）。高い耐摩耗性およびより高い熱負荷容量を有する低摩擦層を適用するための合金の他の好ましい組成は、次のとおり、すなわち、１８〜２５％のＭｎ、１３〜２５％のＣｒ、０．１〜２％のＮｉ、３〜５％のＷ、０．１〜０．１５％のＣ、４〜６％のＢ、残部のＦｅである（重量基準）。

独国特許出願公開第１９９０１１７０Ａ１号明細書（特許文献６）には、炭素、ホウ素、バナジウム、クロム、モリブデン、およびニッケルを高含有率で有する他の鉄合金が開示されている。次の組成、すなわち、２．０〜４．０％のＣ、２．０〜４．５％のＢ、０．５〜３．５％のＳｉ、６．０〜１５．０％のＣｒ、１．５〜７．５％のＭｏ、６．０〜１４．０％のＶ、０〜３．０％のＷ、０〜１．５％のＭｎ、０〜２．０％のＣｕ、２．０〜７．０％のＮｉ、残部のＦｅおよび不純物が提案されている（重量基準）。この合金は、遠心鋳造または熱間等方圧加圧による金属シリンダーの内側硬化肉盛りに使用される。

カナダ特許出願公開第２４１６９５０Ａ１号明細書（特許文献７）には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、およびＮを特定の濃度で含む鉄系合金を含む高温用途の部品および工具を製造するための材料が開示されている。この合金は、少なくとも２３０ＨＢの硬度に冷間成形される。

しかしながら、そのようなＦｅ系合金に伴う２つの問題が残されている。第１に、これらのＦｅ系合金の耐摩耗性は、ＷＣを含むＮｉ系合金よりも依然として劣っている。それらの性質に近づけるために、ベース合金は、Ｗ、Ｎｂなどのような高価な合金元素を使用しなければならないか、または多量のＷＣ粒子を添加しなければならない。これらの合金元素は、価格を上昇させ、また、材料を非常に硬くして（６５ＨＲＣ超）、亀裂生成に関連する加工上および適用上のさらなる問題を引き起こす。第２に、Ｆｅ系材料は、とくに混合腐食環境中では、Ｎｉ系合金のような良好な耐食性を有していない。

米国特許第６，０２７，５８３号米国特許第６，１８７，１１５号米国特許第６，３２２，８５７号欧州特許出願公開第１７８８１０４Ａ１号独国特許第１９７３３３０６Ｃ１号独国特許出願公開第１９９０１１７０Ａ１号カナダ特許出願公開第２４１６９５０Ａ１号

したがって、本発明の目的は、高い耐摩耗性さらには高い耐薬品性を有する部品または被膜の製造に好適なより低コストの代替材料を提供することである。

この目的は、１３〜１６重量パーセントのニッケル（Ｎｉ）、１３．５〜１６．５重量パーセントのクロム（Ｃｒ）、０．５〜３重量パーセントのモリブデン（Ｍｏ）、３．５〜４．５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、３．５〜４重量パーセントのホウ素（Ｂ）、１．５〜２．１重量パーセントの炭素（Ｃ）、および０．２〜０．５重量パーセントの銅（Ｃｕ）、残部の鉄（Ｆｅ）を含む合金からなる材料により達成される。

Ｃ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、およびＭｏを有するそのような鉄系合金は、高い耐摩耗性および驚くほど高い耐薬品性を呈することが判明した。

本材料は、さらなる成分Ｃ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、およびＭｏを有する鉄系合金を含む。本材料は、本純合金および本合金の組成を有する被膜を含む。

本合金は、主成分Ｆｅ以外に主要成分としてＣ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、およびＭｏのみを含有する。一般的には、本合金は、ほぼ共通した不純物である微量または少量の他の元素を含有する。好ましいことではないが、本合金は、その化学的挙動を有意に変化させない濃度で他の元素を含有していてもよい。そのような任意選択の添加剤は、付随元素と称される。

本合金は、金属基材上の被膜の製造、または成形品、鋳造品、被膜、部品、被膜付き部品、線材、電極、もしくは粉体の製造のいずれにも有用である。

一般的には、本合金は、１３〜１６重量パーセント（ｗｔ．−％）のニッケル（Ｎｉ）、１３．５〜１６．５重量パーセントのクロム（Ｃｒ）、０．５〜３重量パーセントのモリブデン（Ｍｏ）、３．５〜４．５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、３．５〜４重量パーセントのホウ素（Ｂ）、および１．５〜２．１重量パーセントの炭素（Ｃ）、残部の鉄（Ｆｅ）および存在しうる不純物よりなる。

不純物は、通常は存在し、一般に不可避である。本合金中の不純物の含有率は、一般的には１重量パーセント未満、好ましくは０．５重量パーセント未満、最も好ましくは０．２重量パーセント未満である。挙げられた重量パーセントはすべて、１００重量パーセントの全組成物の重量を基準にする。数値はすべて、近似値である。

好ましいことではないが他の選択肢として、本合金は、１種以上の付随元素を含有していてもよい。本合金中の付随元素の含有率は、一般的には３重量パーセント未満、好ましくは２重量パーセント未満、最も好ましくは１重量パーセント未満である。本合金中の付随元素の全含有率は、一般的には５重量パーセント未満、好ましくは３重量パーセント未満、最も好ましくは２重量パーセント未満である。

本合金の好ましい組成は、１３〜１４重量パーセントのニッケル（Ｎｉ）、１４〜１６重量パーセントのクロム（Ｃｒ）、１〜３重量パーセントのモリブデン（Ｍｏ）、３．５〜４．５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、３．５〜４重量パーセントのホウ素の（Ｂ）、１．８〜２．１重量パーセントの炭素（Ｃ）、および０．２〜０．５重量パーセントの銅（Ｃｕ）、残部の鉄（Ｆｅ）および存在しうる不純物である。

本合金は、混合腐食条件において、ほとんどのＮｉ系またはＦｅ系の耐摩耗性材料では達成されない並外れた良好な耐食性を有する。本Ｆｅ系合金は、その硬度を増加させるための炭化タングステン（ＷＣ）のような他の硬質粒子の添加物を含有していない点で注目に値する。

一般的には、本合金は、３５ＨＲＣ〜６０ＨＲＣの範囲内、特に５５ＨＲＣ〜６０ＨＲＣの範囲内、典型的には約５８ＨＲＣの硬度を有し、この硬度は、そのような耐摩耗性材料では並外れて低い。それにより本合金は亀裂を生じにくくなるので、加工上および使用上有利になる。

ここで、「ＨＲ」という単位は、いわゆる「ロックウェル硬度」を表す。さまざまな硬度範囲に対していくつかのロックウェルスケールが存在する。最も一般的なのは、軟質金属に適したＢスケール（ＨＲＢ）および硬質金属用のＣスケール（ＨＲＣ）である。ロックウェルに基づく硬度の測定方法は、ＤＩＮＥＮＩＳＯ６５０８−ＡＳＴＭＥ−１８に規定されている。ロックウェル硬度数はビッカース硬度示数に比例しないが、換算表が存在し、それによれば、上記の３５〜６０ＨＲＣの範囲は、３４５〜７８０ＨＶ／１０のビッカース硬度に対応する。

本合金は、一般的には１，０００〜１，１５０℃の範囲内、典型的には約１０８０℃の融点を有する。これは、これらの性質を有するそのような合金では非常に低い融解温度であり、これにより加工コストが低減され、適用上の利点が得られる。

本合金は、成分を溶融するかまたは粉体もしくは配合物をブレンドすることにより従来方式で製造される。

本合金は、任意の形状の製品に鋳造可能である。

本合金は、部品または部品上の被膜の製造に使用され、これらの部品は、一般的には金属基材または金属部品であり、特に鋼製である。金属部品は、たとえば、ローター、スリーブ、ベアリング、ネジ、ブレードなどである。

本材料、特定的には本合金は、好ましくは、たとえば、鋳造、溶接、プラズマトランスファーアーク溶接（ＰＴＡ）、プラズマ粉体肉盛り溶接、またはアーク溶接、鑞付け、フレーム溶射、特に高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、焼結融合、および類似のプロセスに使用される、線材、充填ワイヤー、バンド、紐状造形品、電極、粉体、ペースト、スラリー、または鋳造棒材の製造に使用される。

本発明はまた、腐食および摩耗に高耐性を有する被膜を、熱被覆プロセスにより被加工物上に被覆する工程に本発明の材料を応用するプロセスを含む。このプロセスでは、種々の合金化金属粉体および非合金化金属粉体からなる粉体状の被覆材料が、溶融またはアグロメレートから合金化およびアトマイズ化される。

部品上の、特に金属部品上の本合金の被膜または保護層は、好ましくは、鋳込み、鋳造、浸漬、溶射、スピニングに続く熱融合処理による、またはフレーム溶射のような熱的方法による、好ましくは高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）による、もしくはプラズマトランスファーアーク溶接による、従来の粉体塗布方法により製造される。そのような被覆方法は、たとえば、米国特許第６，１８７，１１５号明細書および米国特許第６，３２２，８５７号明細書（同様に適用可能であり、参照により組み入れられるものとする）に記載されている。

そのような被膜は、本合金を、たとえば粉体、線材、電極、もしくは他の従来の形態で含む材料を用いて、あるいは２種類以上の材料を用いて、熱的プロセスにより、上述のように製造可能である。２種類以上の材料の組成は最終合金と組成が異なり、たとえば、異なる電極もしくは混合粉体のように、個別あるいは混合されている。しかし最終的には本合金の組成の被膜が得られる。

そのような被膜または保護層は、化学工業、医薬品工業、製紙工業、ガラス工業、電力工業、セメント工業、廃棄物リサイクル、パルプ製紙工業、およびプラスチック加工工業において、摩耗および腐食を防止するのに役立つ。被膜付き部品はまた、石油およびガスの探索用途に有利に使用される。

一般的には、被膜は、０．１〜２０ｍｍ、好ましくは１〜１０ｍｍの範囲内の厚さを有する。

好ましい実施形態の詳細な説明
次に、実施形態および詳細に示された図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

合金組成に依存する標準化摩耗試験（ＡＳＴＭＧ６５）での体積損失度に関するグラフ。Ｘ５合金のＮｉ含有率に依存するＨＣｌとの接触時の標準化腐食試験での重量損失度に関するグラフ。Ｘ５合金のＮｉ含有率に依存するＨＮＯ_３との接触時の標準化腐食試験での重量損失度に関するグラフ。

実施例１（サンプルＸ５）
金属元素および配合物を融合して溶融体とし、以下の表１に示される２種の粉体を製造することにより一連の合金を調製する。

粉体Ｂ（Ｆｅ系合金）をさまざまなｗｔ％の粉体Ａ（Ｎｉ系耐摩耗性合金、番号「５３６０６」によっても表される）とブレンドし、次に、１，０８０℃で融合させた。摩耗および腐食の結果に関して粉体Ａの最適％が存在し、これは１０〜４０重量％の間にあり、最良の結果は１５％の粉体Ａを粉体Ｂと混合した場合に得られることが判明した。

これを図１に示した。３つの曲線は、同一の融合混合物から得られた摩耗率データ点であるが、３つの独立した試験系列（異なる時間および場所）でＡＳＴＭＧ６５法を用いて試験したものである。体積損失は、［ｗｔ％］単位の粉体Ａの含有率に依存して［ｍｍ^３］単位でｙ軸上にプロットされている。３つの試験系列のいずれにおいても、特徴的な低い体積損失つまり最良の耐摩耗性は、約１５％の粉体Ａを粉体Ｂと混合した場合に得られた。

以下では、粉体Ｂ合金中の粉体Ａのこの１５％混合物を「Ｘ５」と呼ぶ。「Ｘ５」は、その硬度を増加させるための炭化タングステン（ＷＣ）のような他の硬質粒子の添加物を含有していないＦｅ系合金である。以下の表２は、独国特許出願公開第１９９０１１７０Ａ１号明細書に開示されるＦｅ系合金と比較してＸ５合金の組成を示している。Ｘ５合金のＮｉ含有率がより高く、そのＶ含有率がより低く（すなわちゼロ）、かつ炭素およびクロムのレベルが異なることは明らかである。

両合金では、残部はＦｅである（Ｘ５の場合、残部のＦｅは５７ｗｔ％である）。Ｘ５合金は、１０８０℃の融解温度および５８ＨＲＣの低硬度を有する。

摩耗試験
ＡＳＴＭＧ６５ラバーホイールサンドアブレージョン摩耗試験では、ホイールの２０００回転後に損失１３．６８ｍｍ^３の標準的摩耗値が記録された。この得られた耐摩耗値は、ＣａｓｔｏｌｉｎＥｕｔｅｃｔｉｃにより販売されている「１２１１２」と呼ばれるかなり実績のあるニッケル系耐摩耗性材料に類似した値である。この１２１１２合金は、以下の組成を有するＮｉＣｒＢＳｉ１２４９６合金マトリックスと３５％のＷＣとのブレンドである。

このＮｉ系１２１１２合金（＝合金１２４９６合金と３５％のＷＣとのブレンド）は、少なくとも２０年間にわたり販売されてきたものであり、ＣａｓｔｏｌｉｎＥｕｔｅｃｔｉｃによりＣＰ１１２という品名で販売されている融合粉体プレートの製造に使用されてきた。

合金Ｘ５が、実績のある１２１１２と同一のＧ６５耐摩耗性結果を達成したという事実は、驚くべきことであり突破口となる。なぜなら、１２１１２は、この値を達成するために添加される３５％の高価なＷＣと高価なＮｉ系マトリックスとを有する必要があるからである。合金Ｘ５は、Ｆｅ系製品でありかつＷＣが存在しない。

腐食試験
腐食試験では、セラミックス坩堝中で試験材料を溶融し、かつ２つの露出円形表面を有するスライスにカットすることにより、ほぼ円柱形状の腐食試験片を作製した。重量および表面積の測定結果を記録した。

試験材料は、上述したＦｅ系粉体Ｂ（表１）およびＮｉ粉体Ａ（表１、Ｎｏ．５３６０６）である。それに加えて「１２４９６」および「１２４９７」（合金１２４９６をわずかに化学変形したもの）として知られる標準的Ｎｉ系合金の粉体も試験材料とした。Ｎｉ系粉体を種々の混合比でＦｅ系粉体Ｂ（表１）と混合した。

スライス試験片をＨＣｌ（３３％）、ＨＮ０_３（５５％）、Ｈ_２ＳＯ_４（９６％）、および酢酸（８０％）に暴露し、２４時間後、４８時間後、および１２０時間後、重量損失を測定した。比重量損失（１ｃｍ^２および２４時間あたりのｍｇ単位の重量損失）として耐食性を決定した。

図２のグラフは、ＨＣｌ（３３％）に暴露された異なる組成物に関して３つの試験系列の腐食試験結果を示している。３つの曲線は、以上に説明した腐食試験から得られた重量損失データ点である。重量損失は、試験片作製用混合粉体中の各Ｎｉ系Ａ粉体の分率に応じて［ｍｇ／（ｃｍ^２×ｈ）］単位でｙ軸上にプロットされている。

図３のグラフは、ＨＮＯ_３（５５％）に暴露された異なる合金に関して３つの試験系列の腐食試験結果を示している。３つの曲線は、以上に説明した腐食試験から得られた重量損失データ点である。重量損失は、試験片作製用混合粉体中の各Ｎｉ系Ａ粉体の含有率に応じて［ｍｇ／（ｃｍ^２×ｈ）］単位でｙ軸上にプロットされている。

結果は、以下のとおりである。
・Ｎｉ系合金（粉体Ａ、１２４９６、１２４９７）は、ＨＣｌに対する良好な耐食性を示す。Ｆｅ系のもの（粉体Ｂ）は、ＨＣｌに対する良好な耐食性を示さない。各粉体ブレンド中のＮｉ系粉体の含有率が増加するにつれて、ＨＣｌに対する耐食性は増大する。
・Ｆｅ系合金（粉体Ｂ）は、ＨＮＯ_３に対する良好な耐食性を示す。各粉末ブレンド中のＦｅ系粉体の含有率が増加するにつれて、ＨＮＯ_３に対する耐食性は増大する。
・Ｎｉ系合金およびＦｅ系合金は、酢酸およびＨ_２ＳＯ_４に対する耐性がある。
・Ｎｉ系粉体（粉体Ａ、１２４９６、１２４９７）を粉体Ｂに添加すると、ＨＣｌに対する耐食性は改良されるが、ＨＮＯ_３に対する耐性は低減される。最良のバランスは、図２および３に見られるように５〜１５％のＮｉ系粉体パーセントで達成される。

Ｆｅ系粉体Ｂ組成物中へのＮｉ系粉体の最適合金ブレンドは、ＨＣｌおよびＨＮＯ_３に対しては最良のＮｉ系合金源として粉体Ａを用いて１５％である（Ｎｉ系粉体のｗｔ％単位で）。この１５％／８５％混合物は、本発明のこの好ましい実施形態に係るＸ５の組成物を与える。このＸ５組成物はまた、最少Ｇ６５摩耗の耐性結果を与える。

Claims

１３〜１６重量パーセントのニッケル（Ｎｉ）、１３．５〜１６．５重量パーセントのクロム（Ｃｒ）、０．５〜３重量パーセントのモリブデン（Ｍｏ）、３．５〜４．５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、３．５〜４重量パーセントのホウ素（Ｂ）、および１．５〜２．１重量パーセントの炭素（Ｃ）、残部の鉄（Ｆｅ）を含む合金からなる材料。
前記合金が不純物以外の他の元素を含有しない、請求項１に記載の材料。
前記合金が、１３〜１４重量パーセントのニッケル（Ｎｉ）、１４〜１６重量パーセントのクロム（Ｃｒ）、１〜３重量パーセントのモリブデン（Ｍｏ）、３．５〜４．５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、３．５〜４重量パーセントのホウ素の（Ｂ）、１．８〜２．１重量パーセントの炭素（Ｃ）、および０．２〜０．５重量パーセントの銅（Ｃｕ）、残部の鉄（Ｆｅ）の組成を有する、請求項１または２に記載の材料。
前記合金が６０ＨＲＣ未満の硬度を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の材料。
前記合金が１１５０℃未満の融点を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の材料。
前記合金が粉体もしくは線材であるか、または前記合金が金属基材上の被膜である、請求項１〜５のいずれかに記載の材料。
前記合金が、プリフォーム硬質粒子、特に炭化タングステンを含まない、請求項１〜６のいずれかに記載の材料。
前記合金が１パーセント未満の重量のバナジウムを含有し、最も好ましくは前記合金がバナジウムを含まない、請求項１〜７のいずれかに記載の材料。