JP2023144384A - Ｎｉ基自溶合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐摩耗性、フュージング性及び耐食性に優れた皮膜６が得られうる、Ｎｉ基自溶合金の提供。【解決手段】金属製品２は、主部４及び皮膜６を有している。皮膜６の材質は、Ｎｉ基自溶合金である。このＮｉ基自溶合金は、Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、Ｍｏ：４．０質量％以下、Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、Ｆｅ：５．０質量％以下、及びＢ：２．０質量％以上４．０質量％以下を含有する。残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物である。【選択図】図１
Description
本明細書は、自溶性を有する合金を開示する。詳細には、本明細書は、ベース金属がＮｉである自溶合金を開示する。
金属製品の主部の表面に皮膜が形成される方法として、溶射法、肉盛溶接法、遠心鋳造法等が知られている。この皮膜には、Ｎｉ基自溶合金が適している。典型的なＮｉ基自溶合金が、「ＪＩＳ Ｈ８３０３ ２０１０」に規定されている。このＮｉ基自溶合金は、皮膜の耐食性及び耐摩耗性に寄与する。
この皮膜には通常、フュージング処理がなされる。フュージング処理では、皮膜が加熱され、皮膜に液相が出現する。この液相は、冷却によって凝固する。フュージング処理は、皮膜の緻密性を高めうる。特開２０１５－１４３３７２公報には、フュージング性に優れたＮｉ基自溶合金が開示されている。このＮｉ基自溶合金は、適正な量のＳｉ及びＢを含有する。この合金は、ＢやＳｉなどのフラックス成分を含み、かつＳｉ／Ｂ：１．２～１．７を満たすようにＳｉとＢのバランスを最適化することで、Ｎｉ固溶体の固液幅が広がり、溶射時の再溶融処理時の湯流れ性を抑えられ良好なフュージング性が得られることを見出している。
近年、過酷な腐食環境の用途において、皮膜を有する金属製品が使用されている。例えば、硫化雰囲気や、フッ酸が存在する環境下にて、この金属製品が使用されている。皮膜の耐食性の改善が、望まれている。特開２０１５－１４３３７２公報において、耐食性に関して述べられている部分は少ない。この公報では、Ｃｒ、Ｆｅ及びＯが耐食性に与える影響について少し述べられているが、ＣｕについてはＮｉマトリックス中に固溶して溶射皮膜全体の強度を高め、複炭化物や複硼化物の形成を促し組成を安定させる元素との記述だけであり、耐食性については一切述べられていない。
本出願人の意図するところは、耐摩耗性、フュージング性及び耐食性に優れた皮膜が得られうる、Ｎｉ基自溶合金の提供にある。
本実施形態に係るＮｉ基自溶合金は、
Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物である。好ましくは、Ｃｒ及びＣｕの合計含有率は、２１．０質量％を超える。
Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物である。好ましくは、Ｃｒ及びＣｕの合計含有率は、２１．０質量％を超える。
他の観点による開示は、その材質がＮｉ基自溶合金である粉末である。このＮｉ基自溶合金は、
Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物である。好ましくは、Ｃｒ及びＣｕの合計含有率は、２１．０質量％を超える。
Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物である。好ましくは、Ｃｒ及びＣｕの合計含有率は、２１．０質量％を超える。
このＮｉ基自溶合金は、フュージング性に優れる。このＮｉ基自溶合金から、高硬度な皮膜が得られうる。この皮膜は、耐摩耗性に優れる。この皮膜はさらに、耐食性にも優れる。
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態が説明される。
図１に示された金属製品２は、主部４と皮膜６とを有している。皮膜６は、主部４の表面を覆っている。皮膜６が、主部４の表面の全体を覆ってもよく、一部を覆ってもよい。主部４の典型的な材質は、金属材料である。種々の金属材料が、主部４に適している。皮膜６は、後に詳説される溶射法によって得られうる。皮膜６が、肉盛溶接法、遠心鋳造法等によって得られてもよい。これらの方法では、粉末が用いられる。後に詳説されるフュージング処理を経て、皮膜６が得られてもよい。
この粉末は、多数の粒子の集合である。これらの粒子の材質は、Ｎｉ基自溶合金である。このＮｉ基自溶合金は、
Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物である。
Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物である。
塩酸及び硫酸のような強い非酸化性酸の環境下において、Ｍｏが耐食性を示すことが、知られている。硝酸のような強い酸化性酸の環境下において、Ｃｒが優れた耐食性を示すことが、知られている。従来のＮｉ基自溶合金は、Ｃｒ及びＭｏを含有する。従来のＮｉ基自溶合金から得られた皮膜において、Ｃｒ及びＭｏは、耐食性に寄与する。従来のＮｉ自溶性合金は、硬さ５０～６０ＨＲＣ、凝固が完了する擬三元共晶晶出(Ｎｉ＋Ｎｉ３Ｂ＋Ｎｉ３Ｓｉ)温度はおよそ９７０～９８０℃、高融点硼化物であるＣｒＢ晶出温度はおよそ１３００～１４５０℃であることが知られている。また、耐食性については、塩酸、硫酸、弗酸、苛性ソーダなどの各種腐食環境に対して優れた耐食性を示し、塩酸や硫酸のような強い非酸化性酸には、Ｍｏが耐食性に優れ、硝酸のような強い酸化性酸には、Ｃｒが優れた耐食性を示すことが知られている。また、他にもベースとなる金属がＦｅ基よりもＮｉ基の方が酸化性酸や非酸化性酸の両方で耐食性に優れることがよく知られている。
従来のＮｉ基自溶合金における、さらなる耐食性の観点からのＣｒ及びＭｏの増量は、複炭化物及び複ホウ化物の過剰の生成を招く。この生成は、Ｃｒ欠乏相及びＭｏ欠乏相を顕在させる。これら欠乏相は、腐食の進行を促す。Ｃｒ及びＭｏの過剰の添加は、かえって皮膜の耐食性を阻害しうる。
過剰のＭｏはγＮｉ中に固溶する。この固溶は、γＮｉ中のＳｉ及びＢの濃度を低下させ、合金の液相線温度を上昇させる。この合金の液相線温度と固相線温度との差は、大きい。この合金は、フュージング性に劣る。
本発明者は、Ｎｉ基自溶合金において、Ｃｕの含有率に着目した。その役割は特開２０１５－１４３３７２公報にも記載されているように、溶射皮膜全体の強度を高め、複炭化物や複硼化物の形成を促し、組成を安定させるためである。そのため、ＳＦＮｉ４や特許事例の添加量としては、たかだか４％にとどまっている。新たに開発したＮｉ自溶性合金組成において、４％を超えるＣｕを添加した場合においても、ＳＦＮｉ４の基礎特性を維持したままで、特に懸念される硬さ特性（５０～６０ＨＲＣ）を損なわない上、耐食性に寄与することを見出した。Ｃｕが耐食性に寄与するので、このＮｉ基自溶合金が多量のＣｒ及びＭｏを含有する必要は、ない。従ってこのＮｉ基自溶合金は、フュージング性に優れる。このＮｉ基自溶合金から、耐食性に優れた皮膜６が得られうる。
図２は、図１の皮膜６の顕微鏡写真である。この皮膜６におけるＣｕの含有率は、５．０質量％である。この皮膜６は、マトリックス８と、このマトリックス８に分散する複数の複ホウ化物１０とを有している。それぞれの複ホウ化物１０は、Ｂ、Ｃｒ及びＭｏを含んでいる。
図３には、他の皮膜６が示されている。この皮膜６におけるＣｕの含有率は、１２．０質量％である。この皮膜６は、マトリックス８と、このマトリックス８に分散する複数の複ホウ化物１０とを有している。図２との対比から明らかなように、図３の皮膜６では、複ホウ化物１０の量が多い。図３に示されたそれぞれの複ホウ化物１０のサイズは、大きい。
一般的なＣｕ合金の硬度は、小さい。汎用のＣｕ合金である黄銅、青銅及びコルソン合金の硬さは、それぞれ、８０～１５０ＨＢＷ、５０～１００ＨＢＷ、５０～１００ＨＢＷ及び２４７ＨＢＷと低く、Ｃｕの添加量を増加させると硬さが低下することも容易に想定できる。また、一般的なＣｕ合金は、耐摩耗性に劣る。本発明者は、Ｎｉ基自溶合金においてＣｕがγＮｉ中に固溶すること、そして、この固溶により本来的にはγＮｉ中に固溶されているＣｒ及びＭｏがＣｕと置換されることを、見出した。十分なＣｕが添加されることにより、十分な量のＣｒ及びＭｏが置換され、十分なサイズの複ホウ化物が十分に析出する。この複ホウ化物は、皮膜６の耐摩耗性に寄与しうる。つまり、本発明では、Ｃｕ添加は耐食性への効果が顕著であったが、複炭化物や複硼化物は耐摩耗性に効果的であることは一般に知られていることからも、複硼化物の形成量とサイズを調整可能な本発明材は、耐摩耗性においても有効である。また、硬さやフュージング性は維持したままで、複硼化物の形成量とサイズを調整可能であることも初めて見出した。このような、Ｎｉ基自溶合金におけるＣｕの役割は、本発明者が初めて見出したものである。また、上述の通り、耐食性をあげるためにＣｒ及びＭｏに着目する特許や文献は存在しても、４％を超えるＣｕを添加したＮｉ自溶性合金や特許は未だかつて存在しない。
以下、このＮｉ基自溶合金の組成が詳説される。
［炭素（Ｃ）］
ＣはＣｒと結合し，クロム炭化物（Ｃｒ７Ｃ３系炭化物）を形成する。Ｎｉ基自溶合金がＭｏを含む場合、Ｃは、クロム炭化物にＭｏが固溶した複炭化物も、形成しうる。クロム炭化物及び複炭化物は、硬質である。十分なＣを含むＮｉ基自溶合金から、硬度が大きくかつ耐摩耗性に優れた皮膜６が得られうる。耐摩耗性の観点から、Ｃの含有率は０．４０質量％以上が好ましく、０．５０質量％以上がより好ましく、０．６０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは、過剰の複炭化物の生成を招く。過剰の複炭化物を含む皮膜６は、靱性に劣る。さらに、過剰の複炭化物の生成は、Ｃｒ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。靱性及び耐食性の観点から、Ｃの含有率は１．００質量％以下が好ましく、０．９５質量％以下がより好ましく、０．９０質量％以下が特に好ましい。
ＣはＣｒと結合し，クロム炭化物（Ｃｒ７Ｃ３系炭化物）を形成する。Ｎｉ基自溶合金がＭｏを含む場合、Ｃは、クロム炭化物にＭｏが固溶した複炭化物も、形成しうる。クロム炭化物及び複炭化物は、硬質である。十分なＣを含むＮｉ基自溶合金から、硬度が大きくかつ耐摩耗性に優れた皮膜６が得られうる。耐摩耗性の観点から、Ｃの含有率は０．４０質量％以上が好ましく、０．５０質量％以上がより好ましく、０．６０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは、過剰の複炭化物の生成を招く。過剰の複炭化物を含む皮膜６は、靱性に劣る。さらに、過剰の複炭化物の生成は、Ｃｒ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。靱性及び耐食性の観点から、Ｃの含有率は１．００質量％以下が好ましく、０．９５質量％以下がより好ましく、０．９０質量％以下が特に好ましい。
［ケイ素（Ｓｉ）］
Ｓｉは、フュージング処理における自溶性に寄与しうる。Ｓｉは、フュージング処理において、金属酸化物を還元しうる。さらにＳｉは、マトリックス中で、擬三元共晶組織であるＮｉ３Ｓｉとして存在し、皮膜６の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｓｉの含有率は３．０質量％以上が好ましく、３．１質量％以上がより好ましく、３．３質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、皮膜６の靱性を阻害する。この観点から、Ｓｉの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．８質量％以下がより好ましく、４．６質量％以下が特に好ましい。
Ｓｉは、フュージング処理における自溶性に寄与しうる。Ｓｉは、フュージング処理において、金属酸化物を還元しうる。さらにＳｉは、マトリックス中で、擬三元共晶組織であるＮｉ３Ｓｉとして存在し、皮膜６の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｓｉの含有率は３．０質量％以上が好ましく、３．１質量％以上がより好ましく、３．３質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、皮膜６の靱性を阻害する。この観点から、Ｓｉの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．８質量％以下がより好ましく、４．６質量％以下が特に好ましい。
［クロム（Ｃｒ）］
ＣｒはＣと結合し、クロム炭化物（Ｃｒ７Ｃ３系炭化物）を形成する。Ｃｒは、Ｂと結合し、クロムホウ化物（ＣｒＢ）を形成する。Ｎｉ基自溶合金がＭｏを含む場合、Ｃｒは、クロム炭化物にＭｏが固溶した複炭化物、及びクロムホウ化物にＭｏが固溶した複ホウ化物も、形成しうる。この炭化物、ホウ化物、複炭化物及び複ホウ化物は、硬質である。十分なＣｒ含むＮｉ基自溶合金から、硬度が大きくかつ耐摩耗性に優れた皮膜６が得られうる。さらにＣｒは、マトリックスに固溶して、皮膜６の耐食性に寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は１０．０質量％以上が好ましく、１２．０質量％以上がより好ましく、１４．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは、過剰の複炭化物又は複ホウ化物の生成を招く。過剰の複炭化物又は複ホウ化物を含む皮膜６は、靱性に劣る。さらに、過剰の複炭化物及び複ホウ化物の生成は、Ｃｒ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。靱性及び耐食性の観点から、Ｃｒの含有率は２０．０質量％以下が好ましく、１９．５質量％以下がより好ましく、１９．０質量％以下が特に好ましい。
ＣｒはＣと結合し、クロム炭化物（Ｃｒ７Ｃ３系炭化物）を形成する。Ｃｒは、Ｂと結合し、クロムホウ化物（ＣｒＢ）を形成する。Ｎｉ基自溶合金がＭｏを含む場合、Ｃｒは、クロム炭化物にＭｏが固溶した複炭化物、及びクロムホウ化物にＭｏが固溶した複ホウ化物も、形成しうる。この炭化物、ホウ化物、複炭化物及び複ホウ化物は、硬質である。十分なＣｒ含むＮｉ基自溶合金から、硬度が大きくかつ耐摩耗性に優れた皮膜６が得られうる。さらにＣｒは、マトリックスに固溶して、皮膜６の耐食性に寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は１０．０質量％以上が好ましく、１２．０質量％以上がより好ましく、１４．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは、過剰の複炭化物又は複ホウ化物の生成を招く。過剰の複炭化物又は複ホウ化物を含む皮膜６は、靱性に劣る。さらに、過剰の複炭化物及び複ホウ化物の生成は、Ｃｒ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。靱性及び耐食性の観点から、Ｃｒの含有率は２０．０質量％以下が好ましく、１９．５質量％以下がより好ましく、１９．０質量％以下が特に好ましい。
［モリブデン（Ｍｏ）］
Ｍｏは、Ｃと結合して複炭化物を形成する。Ｍｏはさらに、Ｂと結合して複ホウ化物を形成する。複炭化物及び複ホウ化物は、皮膜６の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。耐摩耗性の観点から、Ｍｏの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．５質量％以上がより好ましく、０．９質量％以上が特に好ましい。かかるＭｏの役割は、Ｃｒの役割に近い。本実施形態に係るＮｉ基自溶合金はＣｒを十分に含有するので、このＮｉ基自溶合金がＭｏを含まない組成を有してよい。換言すれば、Ｍｏの含有率が実質的にゼロ（検出限界未満）であってよい。過剰のＭｏは、過剰の複ホウ化物の生成を招く。過剰の複ホウ化物を含む皮膜６は、靱性に劣る。さらに、過剰の複ホウ化物の生成は、Ｍｏ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。さらに、粉末の製造がアトマイズでなされる場合、過剰のＭｏは、粗大なホウ化物に起因するノズルの閉塞を招来する。靱性、耐食性及び取り扱い容易性の観点から、Ｍｏの含有率は４．０質量％以下が好ましく、３．８質量％以下がより好ましく、３．５質量％以下が特に好ましい。
Ｍｏは、Ｃと結合して複炭化物を形成する。Ｍｏはさらに、Ｂと結合して複ホウ化物を形成する。複炭化物及び複ホウ化物は、皮膜６の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。耐摩耗性の観点から、Ｍｏの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．５質量％以上がより好ましく、０．９質量％以上が特に好ましい。かかるＭｏの役割は、Ｃｒの役割に近い。本実施形態に係るＮｉ基自溶合金はＣｒを十分に含有するので、このＮｉ基自溶合金がＭｏを含まない組成を有してよい。換言すれば、Ｍｏの含有率が実質的にゼロ（検出限界未満）であってよい。過剰のＭｏは、過剰の複ホウ化物の生成を招く。過剰の複ホウ化物を含む皮膜６は、靱性に劣る。さらに、過剰の複ホウ化物の生成は、Ｍｏ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。さらに、粉末の製造がアトマイズでなされる場合、過剰のＭｏは、粗大なホウ化物に起因するノズルの閉塞を招来する。靱性、耐食性及び取り扱い容易性の観点から、Ｍｏの含有率は４．０質量％以下が好ましく、３．８質量％以下がより好ましく、３．５質量％以下が特に好ましい。
［銅（Ｃｕ）］
本実施形態においてＣｕは、極めて重要な元素である。Ｃｕは、γＮｉ中に固溶する。Ｃｕは、皮膜６の耐摩耗性に寄与しうる。Ｃｕは、もしＮｉ基自溶合金がＣｕを含有しない場合にγＮｉ中に固溶するであろうＣｒ及びＭｏと置換して、γＮｉ中に固溶する。従ってＣｕは、γＮｉ中のＢ及びＳｉに大きな影響を与えない。このＮｉ基自溶合金では、適度な液相線温度（例えば１０００℃から１１００℃）が達成されうる。このＮｉ基自溶合金は、フュージング性に優れる。Ｃｕと置換されたＣｒ及びＭｏは、複炭化物及び複硼化物を形成する。この複炭化物及び複硼化物は、皮膜６の耐摩耗性に寄与する。複炭化物及び複硼化物は皮膜６の高硬度にも寄与しうる。このＮｉ基自溶合金から、元来軟質であるＣｕを含むにもかかわらず適切な硬度（例えば５０から６０ＨＲＣ）を有する皮膜６が、得られうる。Ｃｒ及びＭｏとの置換の観点から、Ｃｕの含有率は４．０質量％を超えることが好ましく、４．５質量％以上がより好ましく、４．８質量％以上が特に好ましい。硬度及び耐摩耗性の観点から、Ｃｕの含有率は１２．０質量％以下が好ましく、１１．５質量％以下がより好ましく、１０．０質量％以下が特に好ましい。
本実施形態においてＣｕは、極めて重要な元素である。Ｃｕは、γＮｉ中に固溶する。Ｃｕは、皮膜６の耐摩耗性に寄与しうる。Ｃｕは、もしＮｉ基自溶合金がＣｕを含有しない場合にγＮｉ中に固溶するであろうＣｒ及びＭｏと置換して、γＮｉ中に固溶する。従ってＣｕは、γＮｉ中のＢ及びＳｉに大きな影響を与えない。このＮｉ基自溶合金では、適度な液相線温度（例えば１０００℃から１１００℃）が達成されうる。このＮｉ基自溶合金は、フュージング性に優れる。Ｃｕと置換されたＣｒ及びＭｏは、複炭化物及び複硼化物を形成する。この複炭化物及び複硼化物は、皮膜６の耐摩耗性に寄与する。複炭化物及び複硼化物は皮膜６の高硬度にも寄与しうる。このＮｉ基自溶合金から、元来軟質であるＣｕを含むにもかかわらず適切な硬度（例えば５０から６０ＨＲＣ）を有する皮膜６が、得られうる。Ｃｒ及びＭｏとの置換の観点から、Ｃｕの含有率は４．０質量％を超えることが好ましく、４．５質量％以上がより好ましく、４．８質量％以上が特に好ましい。硬度及び耐摩耗性の観点から、Ｃｕの含有率は１２．０質量％以下が好ましく、１１．５質量％以下がより好ましく、１０．０質量％以下が特に好ましい。
［鉄（Ｆｅ）］
Ｆｅは、Ｎｉマトリックス中に固溶し、皮膜６の強度に寄与する。Ｆｅがマトリックスに固溶した皮膜６は、耐食性にも優れる。Ｆｅの固溶により、ＦｅがＦｅ化合物として存在しないため、Ｆｅ析出物が起点であるクラックに起因する、破損が生じにくい。これらの観点から、Ｆｅの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．２質量％以上が特に好ましい。本実施形態において、Ｆｅは必須の元素ではない。従って、Ｆｅの含有率が実質的にゼロ（検出限界未満）であってよい。皮膜６の硬度、耐食性及び耐摩耗性の観点から、Ｆｅの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
Ｆｅは、Ｎｉマトリックス中に固溶し、皮膜６の強度に寄与する。Ｆｅがマトリックスに固溶した皮膜６は、耐食性にも優れる。Ｆｅの固溶により、ＦｅがＦｅ化合物として存在しないため、Ｆｅ析出物が起点であるクラックに起因する、破損が生じにくい。これらの観点から、Ｆｅの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．２質量％以上が特に好ましい。本実施形態において、Ｆｅは必須の元素ではない。従って、Ｆｅの含有率が実質的にゼロ（検出限界未満）であってよい。皮膜６の硬度、耐食性及び耐摩耗性の観点から、Ｆｅの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
［ホウ素（Ｂ）］
Ｂを含むＮｉ基自溶合金では、低い固相線温度及び低い液相線温度が達成されうる。従ってＢは、フュージング処理における自溶性に寄与しうる。Ｂは、フュージング処理において、金属酸化物を還元しうる。Ｂは、Ｍｏと結合して複ホウ化物を形成する。この複ホウ化物は、皮膜６の硬度及び耐摩耗性に寄与する。さらにＢは、マトリックス中で、擬三元共晶組織であるＮｉ３Ｂとして存在し、マトリックスの硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｂの含有率は２．０質量％以上が好ましく、２．３質量％以上がより好ましく、２．４質量％以上が特に好ましい。Ｂの含有率が過剰であると、過剰の複ホウ化物が生成される。過剰の複ホウ化物は、皮膜６の靱性を阻害する。粉末の製造がアトマイズでなされる場合、過剰のＢは、粗大なホウ化物に起因するノズルの閉塞を招来する。さらに、過剰の複ホウ化物の生成は、Ｃｒ欠乏相及びＭｏ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。皮膜６の靱性、生産性及び耐食性の観点から、Ｂの含有率は４．０質量％以下が好ましく、３．９質量％以下がより好ましく、３．７質量％以下が特に好ましい。
Ｂを含むＮｉ基自溶合金では、低い固相線温度及び低い液相線温度が達成されうる。従ってＢは、フュージング処理における自溶性に寄与しうる。Ｂは、フュージング処理において、金属酸化物を還元しうる。Ｂは、Ｍｏと結合して複ホウ化物を形成する。この複ホウ化物は、皮膜６の硬度及び耐摩耗性に寄与する。さらにＢは、マトリックス中で、擬三元共晶組織であるＮｉ３Ｂとして存在し、マトリックスの硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｂの含有率は２．０質量％以上が好ましく、２．３質量％以上がより好ましく、２．４質量％以上が特に好ましい。Ｂの含有率が過剰であると、過剰の複ホウ化物が生成される。過剰の複ホウ化物は、皮膜６の靱性を阻害する。粉末の製造がアトマイズでなされる場合、過剰のＢは、粗大なホウ化物に起因するノズルの閉塞を招来する。さらに、過剰の複ホウ化物の生成は、Ｃｒ欠乏相及びＭｏ欠乏相の生成を招き、皮膜６の耐食性を損なう。皮膜６の靱性、生産性及び耐食性の観点から、Ｂの含有率は４．０質量％以下が好ましく、３．９質量％以下がより好ましく、３．７質量％以下が特に好ましい。
［ニッケル（Ｎｉ）］
この合金の基材は、Ｎｉである。Ｎｉは、合金の低融点に寄与しうる。Ｎｉはさらに、皮膜６の耐食性及び靱性に寄与しうる。これらの観点から、Ｎｉの含有率は５０質量％以上が好ましく、５５質量％以上が特に好ましい。
この合金の基材は、Ｎｉである。Ｎｉは、合金の低融点に寄与しうる。Ｎｉはさらに、皮膜６の耐食性及び靱性に寄与しうる。これらの観点から、Ｎｉの含有率は５０質量％以上が好ましく、５５質量％以上が特に好ましい。
［Ｃｒ＋Ｃｕ］
Ｃｒ及びＣｕの合計含有率は、好ましくは、２１．０質量％を超える。このＮｉ基自溶合金から、対硫化性及び対フッ酸性に優れた皮膜が得られうる。この観点から、この合計含有率は２１．１質量％以上がより好ましく、２１．２質量％以上が特に好ましい。この合計含有率は、３２．０質量％以下が好ましい。
Ｃｒ及びＣｕの合計含有率は、好ましくは、２１．０質量％を超える。このＮｉ基自溶合金から、対硫化性及び対フッ酸性に優れた皮膜が得られうる。この観点から、この合計含有率は２１．１質量％以上がより好ましく、２１．２質量％以上が特に好ましい。この合計含有率は、３２．０質量％以下が好ましい。
［粉末の製造］
粉末は、好ましくは、アトマイズ法によって得られる。ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心アトマイズ法等が、採用される。好ましいアトマイズは、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。アトマイズによって得られた粉末に、メカニカルミリング等が施されてもよい。
粉末は、好ましくは、アトマイズ法によって得られる。ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心アトマイズ法等が、採用される。好ましいアトマイズは、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。アトマイズによって得られた粉末に、メカニカルミリング等が施されてもよい。
［皮膜の形成］
皮膜６は、種々の方法によって形成されうる。皮膜６に適した方法として、肉盛溶接法、遠心鋳造法溶射法及び溶射法が挙げられる。フュージング処理を経て、皮膜６が形成されてもよい。
皮膜６は、種々の方法によって形成されうる。皮膜６に適した方法として、肉盛溶接法、遠心鋳造法溶射法及び溶射法が挙げられる。フュージング処理を経て、皮膜６が形成されてもよい。
以下、実施例に係るＮｉ基自溶合金の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本明細書で開示された範囲が限定的に解釈されるべきではない。
［実施例１］
表１に示された組成を有する原料を、耐火物製坩堝に投入した。この原料を、アルゴンガス中にて誘導溶解し、溶湯を得た。この溶湯を坩堝のノズルから出し、これに高圧窒素ガスを噴霧して、粉末を得た。この粉末を篩によって分級し、粒子径を４５μｍ以上１２５μｍ以下に調整して、実施例１の粉末を得た。
表１に示された組成を有する原料を、耐火物製坩堝に投入した。この原料を、アルゴンガス中にて誘導溶解し、溶湯を得た。この溶湯を坩堝のノズルから出し、これに高圧窒素ガスを噴霧して、粉末を得た。この粉末を篩によって分級し、粒子径を４５μｍ以上１２５μｍ以下に調整して、実施例１の粉末を得た。
［実施例２－１５及び比較例１－２、４－７及び９－１２］
組成を下記の表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、実施例２－１９並びに比較例１－７及び１０－１２の金属製品を得た。
組成を下記の表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、実施例２－１９並びに比較例１－７及び１０－１２の金属製品を得た。
［比較例３及び８］
組成を下記の表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、アトマイズを試みた。溶湯がノズルを閉塞させたため、アトマイズを中止した。
組成を下記の表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、アトマイズを試みた。溶湯がノズルを閉塞させたため、アトマイズを中止した。
各実施例及び各比較例の合金は、表１に示された元素以外に、Ｎｉ及び不可避的不純物を含有している。
［晶出温度及び凝固完了温度の測定］
原料を耐火物製坩堝に投入し、真空中で誘導加熱した。原料の溶け始めを確認した後、雰囲気をＡｒガスに置換した。誘導加熱を続け、原料の溶融の完了を確認した。さらに誘導加熱を続け、１６００℃に達した時点で加熱を止めた。この原料を炉冷し、インゴットを得た。炉冷中の、時間に対する温度変化を観察して、高融点硼化物の晶出温度と、凝固完了温度とを測定した。晶出温度及び凝固完了温度において、温度変化曲線はプラトーを示す。最も低温のプラトーの温度は、凝固完了温度である。測定結果が、下記の表２に示されている。
原料を耐火物製坩堝に投入し、真空中で誘導加熱した。原料の溶け始めを確認した後、雰囲気をＡｒガスに置換した。誘導加熱を続け、原料の溶融の完了を確認した。さらに誘導加熱を続け、１６００℃に達した時点で加熱を止めた。この原料を炉冷し、インゴットを得た。炉冷中の、時間に対する温度変化を観察して、高融点硼化物の晶出温度と、凝固完了温度とを測定した。晶出温度及び凝固完了温度において、温度変化曲線はプラトーを示す。最も低温のプラトーの温度は、凝固完了温度である。測定結果が、下記の表２に示されている。
［硬さ］
前述の温度の測定で得られたインゴットから、サイズが１５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍであるブロック状試験片を切り出した。この試験片の表面を研磨した後、ロックウェル硬さを測定した。５回の測定の平均値が、下記の表２に示されている。
前述の温度の測定で得られたインゴットから、サイズが１５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍであるブロック状試験片を切り出した。この試験片の表面を研磨した後、ロックウェル硬さを測定した。５回の測定の平均値が、下記の表２に示されている。
［耐フッ酸性］
前述の温度の測定で得られたインゴットから、サイズが１０ｍｍ×１４ｍｍ×４ｍｍである板状試験片を切り出した。この試験片を、下記の条件の耐食試験に供した。
腐食液：１０％フッ酸水溶液
温度：４０℃
時間：１０時間
この試験の後の腐食度が、下記の表２に、指数として示されている。
前述の温度の測定で得られたインゴットから、サイズが１０ｍｍ×１４ｍｍ×４ｍｍである板状試験片を切り出した。この試験片を、下記の条件の耐食試験に供した。
腐食液：１０％フッ酸水溶液
温度：４０℃
時間：１０時間
この試験の後の腐食度が、下記の表２に、指数として示されている。
［耐硫化性］
前述の温度の測定で得られたインゴットから、サイズが１０ｍｍ×１４ｍｍ×４ｍｍである板状試験片を切り出した。この試験片を、硫化水素ガス腐食試験に供した。この試験の後の腐食度が、下記の表２に、指数として示されている。
前述の温度の測定で得られたインゴットから、サイズが１０ｍｍ×１４ｍｍ×４ｍｍである板状試験片を切り出した。この試験片を、硫化水素ガス腐食試験に供した。この試験の後の腐食度が、下記の表２に、指数として示されている。
表１及び２に示される通り、各実施例に係るＮｉ基自溶合金は、対称性に優れている。このＮｉ基自溶合金の凝固完了温度は、「ＪＩＳ Ｈ８３０３ ２０１０」に規定されている合金のそれと比べ、遜色ない。このＮｉ基自溶合金のホウ化物晶出温度は、「ＪＩＳ Ｈ８３０３ ２０１０」に規定されている合金のそれと比べ、遜色ない。このＮｉ基自溶合金から得られる皮膜の硬度は、「ＪＩＳ Ｈ８３０３ ２０１０」に規定されている合金のそれと比べ、遜色ない。これらの評価結果から、このＮｉ基自溶合金の優位性は明らかである。
以上説明されたＮｉ基自溶合金は、機械部品等に適している。この合金は特に、航空機、自動車、製造装置等の皮膜に適している。
２・・・製品
４・・・主部
６・・・皮膜
８・・・マトリックス
１０・・・複ホウ化物
４・・・主部
６・・・皮膜
８・・・マトリックス
１０・・・複ホウ化物
Claims (4)
- Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有しており、
残部がＮｉ及び不可避的不純物である、Ｎｉ基自溶合金。 - Ｃｒ及びＣｕの合計含有率が２１．０質量％を超える、請求項１に記載のＮｉ基自溶合金。
- その材質がＮｉ基自溶合金であり、
上記Ｎｉ基自溶合金が、
Ｃ：０．４０質量％以上１．００質量％以下、
Ｓｉ：３．０質量％以上５．０％質量％以下、
Ｃｒ：１０．０質量％以上２０．０％質量％以下、
Ｍｏ：４．０質量％以下、
Ｃｕ：４．０質量％を超えて１２．０質量％以下、
Ｆｅ：５．０質量％以下、
及び
Ｂ：２．０質量％以上４．０質量％以下
を含有しており、
残部がＮｉ及び不可避的不純物である、粉末。 - Ｃｒ及びＣｕの合計含有率が２１．０質量％を超える、請求項３に記載の粉末。
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