JP2024002476A - コーティング材及びコーティング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐食性が向上したニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材及びコーティング方法を提供する。【解決手段】ニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材であって、Cの含有量が0.3~0.5質量%、Alの含有量が3.0~5.0質量%、Siの含有量が0.3~0.6質量%、Crの含有量が25.0~31.0質量%、Mnの含有量が0.2~0.5質量%、Feの含有量が14.0~19.0質量%、Nbの含有量が1.5~2.5質量%、Wの含有量が2.0~3.0質量%である。【選択図】 図1

Description

本発明は、ニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材、及び、これを用いたコーティング方法に関するものである。
例えばボイラー管などの対象物の表面を肉盛によりコーティングする方法として、溶射を用いた方法が知られている。溶射を用いた方法では、成膜速度が速く、単位時間当たりの成膜面積が広いため、低コストでコーティングを行うことができる。また、対象物の表面に形成される膜の厚さを薄くすることができ、膜の厚さを調整することも可能である。しかしながら、溶射により形成される膜の寿命は、一般的に1~2年程度であり、耐久性が低い。
別のコーティング方法として、肉盛溶接を用いた方法も考えられる(例えば、下記特許文献1参照)。肉盛溶接を用いた方法では、耐久性が高い膜を形成することはできるものの、成膜速度が遅く、膜の厚さを薄くすることが困難である。対象物がボイラー管である場合には、コーティングの膜厚が大きくなると、ボイラー管の厚みが増し、熱伝達が悪くなるといった問題もある。
特許第5529434号公報
肉盛用のコーティング材としては、インコネル625(「インコネル」は登録商標)が知られている。この種のニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材は、600℃未満かつ硫化腐食の環境下では使用可能であるが、600℃以上又は塩化物腐食の環境下などでは、腐食しやすいという問題があった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、耐食性が向上したニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材及びコーティング方法を提供することを目的とする。
(1)本発明に係るコーティング材は、ニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材であって、Cの含有量が0.3~0.5質量%、Alの含有量が3.0~5.0質量%、Siの含有量が0.3~0.6質量%、Crの含有量が25.0~31.0質量%、Mnの含有量が0.2~0.5質量%、Feの含有量が14.0~19.0質量%、Nbの含有量が1.5~2.5質量%、Wの含有量が2.0~3.0質量%である。
このような構成によれば、C、Al、Si、Cr、Mn、Fe、Nb及びWを含有するニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材において、耐久性を向上することができる。特に、Crの含有量が25.0~31.0質量%である高クロムのニッケル合金において、肉盛時の作業性を向上しつつ、耐久性を向上することができる。
(2)Alの含有量が3.8~4.6質量%であってもよい。
このような構成によれば、Alの酸化被膜を形成するAlの含有量を最適化し、さらに耐久性を向上することができる。
(3)Nbの含有量が1.9~2.3質量%であってもよい。
このような構成によれば、多量添加すると脆化を生じる一方で高温強度及び耐摩耗性に有効なNbの含有量を最適化し、さらに耐食性を向上することができる。
(4)Feの含有量が16.0~19.0質量%であってもよい。
このような構成によれば、多量添加すると組織安定性を低下させる一方で耐食性、塑性加工性及び靭性に有効なFeの含有量を最適化し、さらに耐食性を向上することができる。
(5)Crの含有量が28.0~31.0質量%であってもよい。
このような構成によれば、Cr酸化物を含む被膜を形成するCrの含有量を最適化し、さらに耐久性を向上することができる。
(6)本発明に係るコーティング方法は、前記コーティング材を用いたコーティング方法であって、ボイラー管の表面に対して、肉盛溶接、溶射又はレーザークラッディングにより前記コーティング材をコーティングする。
このような構成によれば、耐食性が向上したニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材を用いて、ボイラー管の表面をコーティングし、ボイラー管の耐久性を向上することができる。
本発明によれば、耐食性が向上したニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材及びコーティング方法を提供することができる。
体積減少量の測定結果を示す図である。 各合金元素の好ましい含有量を示す図である。
1.耐久性試験
ニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材として、Ni(ニッケル)以外に、C(炭素)、Al(アルミニウム)、Si(ケイ素)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Nb(ニオブ)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Co(コバルト)、V(バナジウム)などを添加し、それらの含有量を変化させた各材料を用いて耐久性試験を行った。
耐久性試験は、JIS(日本産業規格)Z2290をベースにした溶融塩腐食試験(耐食性評価)であり、セラミック製の坩堝内に、25.7質量%のNaClと74.3質量%のNaSOからなる混合塩を溜めて、この混合塩に接触しないように試験片を坩堝内に配置した上で蓋をし、650℃の気化雰囲気において50時間の腐食試験を行った。
試験片としては、10mm×10mmで厚みが3mmの形状とした。各材料からなる試験片は、基材の表面に各材料で肉盛を行うことにより肉盛層を形成し、その肉盛層の一部を切り出すことにより得た。
腐食試験後は、試験片の表面にスケールが付着するため、18.0質量%のNaOHと3.0質量%のKMnOの混合液にて試験片を煮沸した後、10.0質量%のC14(クエン酸水素二アンモニウム)にて煮沸を行うことによりスケールを除去し、その後に試験片の体積減少量を測定した。具体的には、試験前及び脱スケール後のそれぞれの状態における試験片の断面観察により、体積減少量を測定した。同時に、試験前及び脱スケール後のそれぞれの状態における試験片の外観、寸法及び重量変化も観察した。
2.試験結果
試験片の材料として、9種類(実施例1~4及び比較例1~5)の材料を用いて試験を行った結果、図1に示すように、各材料における体積減少量の測定結果が得られた。以下では、図1を用いて体積減少量の測定結果について説明する。
(1)実施例1
実施例1では、Niを40.63質量%、Cを0.46質量%、Alを4.53質量%、Siを0.51質量%、Crを30.26質量%、Mnを0.32質量%、Feを18.36質量%、Nbを2.26質量%、Wを2.67質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は0.00%となり、極めて高い耐食性が確認された。
(2)実施例2
実施例2では、Niを43.32質量%、Cを0.39質量%、Alを3.85質量%、Siを0.44質量%、Crを28.04質量%、Mnを0.27質量%、Feを16.53質量%、Nbを1.92質量%、Wを2.79質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は0.03%となり、極めて高い耐食性が確認された。
(3)実施例3
実施例3では、Niを47.54質量%、Cを0.37質量%、Alを3.62質量%、Siを0.49質量%、Crを27.31質量%、Mnを0.42質量%、Feを16.29質量%、Nbを1.81質量%、Wを2.14質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は0.23%となり、高い耐食性が確認された。
(4)実施例4
実施例4では、Niを46.00質量%、Cを0.33質量%、Alを3.17質量%、Siを0.36質量%、Crを25.81質量%、Mnを0.23質量%、Feを14.69質量%、Nbを1.58質量%、Wを2.91質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は0.43%となり、高い耐食性が確認された。
(5)比較例1
比較例1では、Niを49.21質量%、Cを0.24質量%、Alを2.27質量%、Siを0.26質量%、Crを24.16質量%、Mnを0.16質量%、Feを11.62質量%、Nbを1.13質量%、Wを2.98質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は0.77%となり、0.5%を超える体積減少量が確認された。
(6)比較例2
比較例2では、Niを39.41質量%、Cを0.61質量%、Alを4.39質量%、Siを0.49質量%、Crを29.35質量%、Mnを0.31質量%、Feを17.81質量%、Nbを2.19質量%、Wを5.23質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は0.86%となり、0.5%を超える体積減少量が確認された。
(7)比較例3
比較例3では、Niを38.19質量%、Cを0.77質量%、Alを4.26質量%、Siを0.48質量%、Crを28.44質量%、Mnを0.30質量%、Feを17.26質量%、Nbを2.12質量%、Wを7.79質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は1.03%となり、1.00%を超える体積減少量が確認された。
(8)比較例4
比較例4では、Niを45.07質量%、Cを0.45質量%、Alを3.04質量%、Siを0.35質量%、Crを24.98質量%、Mnを0.22質量%、Feを14.18質量%、Nbを1.51質量%、Wを5.05質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は1.13%となり、1.00%を超える体積減少量が確認された。
(9)比較例5
比較例5では、Niを40.22質量%、Cを0.01質量%、Alを4.47質量%、Siを0.52質量%、Crを30.72質量%、Mnを0.33質量%、Feを18.74質量%、Nbを2.30質量%、Wを2.69質量%で含有する材料を用いた。その結果、体積減少量は1.78%となり、1.00%を超える体積減少量が確認された。
(10)検討結果
上述した合金元素のうち、Ni、C、Al、Si、Cr、Mn、Fe、Nb及びWは、肉盛用のコーティング材に用いる場合、耐食性を向上するうえで重要な元素である一方で、その含有量によっては十分な耐食性を発揮できないという検討結果が得られた。具体的には、各合金元素の含有量は、図2に示すように、Cが0.3~0.5質量%(0.3質量%以上0.5質量%以下)、Alが3.0~5.0質量%(3.0質量%以上5.0質量%以下)、Siが0.3~0.6質量%(0.3質量%以上0.6質量%以下)、Crが25.0~31.0質量%(25.0質量%以上31.0質量%以下)、Mnが0.2~0.5質量%(0.2質量%以上0.5質量%以下)、Feが14.0~19.0質量%(14.0質量%以上19.0質量%以下)、Nbが1.5~2.5質量%(1.5質量%以上2.5質量%以下)、Wが2.0~3.0質量%(2.0質量%以上3.0質量%以下)であれば、体積減少量が0.5%以下という高い耐食性が得られる。
上記のような各合金元素の含有量の範囲は、試験により得られた以下の知見に基づくものである。まず、Cは、高温強度及び耐摩耗性の向上に有効であるが、多量添加するとCr炭化物の粒界析出などを促進させ、脆化及び耐食性の劣化を促進する。そのため、0.3~0.5質量%の含有量であることが好ましく、0.33~0.46質量%の含有量であることがより好ましく、0.39~0.46質量%の含有量であることがさらに好ましい。
Alは、Alの酸化被膜を形成し、耐食性の向上に有効であるが、多量添加すると脆化を促進する。そのため、3.0~5.0質量%の含有量であることが好ましく、3.17~4.53質量%の含有量であることがより好ましく、3.85~4.53質量%の含有量であることがさらに好ましい。
Siは、SiOの酸化被膜を形成し、耐食性の向上に有効であるが、高クロムのニッケル合金において多量添加すると、偏析により溶接性及び組織安定性を低下させる。そのため、0.3~0.6質量%の含有量であることが好ましく、0.36~0.51質量%の含有量であることがより好ましく、0.44~0.51質量%の含有量であることがさらに好ましい。
Crは、Cr酸化物を含む被膜を形成し、耐食性の向上に有効であるが、溶接性などの観点からSiの含有量を抑えた場合には、25.0~31.0質量%の含有量であることが好ましく、25.81~30.26質量%の含有量であることがより好ましく、28.04~30.26質量%の含有量であることがさらに好ましい。
Mnは、塑性加工性などの向上や、不純物として出やすいSの除去に有効であるが、耐食性を低下させるため0.2~0.5質量%の含有量であることが好ましく、0.23~0.42質量%の含有量であることがより好ましく、0.27~0.32質量%の含有量であることがさらに好ましい。
Feは、耐食性、塑性加工性及び靭性の向上に有効であるが、多量添加すると組織安定性を低下させ、耐食性も逆に低下させてしまう。そのため、14.0~19.0質量%の含有量であることが好ましく、14.69~18.36質量%の含有量であることがより好ましく、16.53~18.36質量%の含有量であることがさらに好ましい。
Niは、オーステナイト単層組織を得るためや、Clに対する耐食性を向上するために不可欠である。なお、Niは、他の全ての合金元素を除く含有量となるが、40.0~48.0質量%であることが好ましい。
Nbは、高温強度及び耐摩耗性の向上に有効であるが、多量添加すると脆化を生じる。そのため、1.5~2.5質量%の含有量であることが好ましく、1.58~2.26質量%の含有量であることがより好ましく、1.92~2.26質量%の含有量であることがさらに好ましい。
Wは、耐食性及び強度の向上に有効であるが、多量添加すると機械加工性に悪影響を与える。そのため、2.0~3.0質量%の含有量であることが好ましく、2.14~2.91質量%の含有量であることがより好ましく、2.67~2.79質量%の含有量であることがさらに好ましい。
上記のような各合金元素の含有量とすれば、C、Al、Si、Cr、Mn、Fe、Nb及びWを含有するニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材において、耐久性を向上することができる。特に、Crの含有量が25.0~31.0質量%である高クロムのニッケル合金において、肉盛時の作業性を向上しつつ、耐久性を向上することができる。
ただし、体積減少量が0.1%以下という極めて高い耐食性が確認された実施例1及び実施例2を考慮すると、Alの含有量は3.8~4.6質量%であることが好ましい。この場合、Alの酸化被膜を形成するAlの含有量を最適化し、さらに耐久性を向上することができる。
Nbの含有量は1.9~2.3質量%であることが好ましい。この場合、多量添加すると脆化を生じる一方で高温強度及び耐摩耗性に有効なNbの含有量を最適化し、さらに耐食性を向上することができる。
Feの含有量は16.0~19.0質量%であることが好ましい。この場合、多量添加すると組織安定性を低下させる一方で耐食性、塑性加工性及び靭性に有効なFeの含有量を最適化し、さらに耐食性を向上することができる。
Crの含有量は28.0~31.0質量%であることが好ましい。この場合、Cr酸化物を含む被膜を形成するCrの含有量を最適化し、さらに耐久性を向上することができる。
その他の合金元素であるMo(モリブデン)、Co(コバルト)、V(バナジウム)の含有量は任意であるが、Moは5.0質量%以下で含有されるか、又は、含有されないことが好ましい。Coは、含有されないことが好ましい。Vは、0.1質量%以下で含有されるか、又は、含有されないことが好ましい。
3.コーティング方法
上記のようなコーティング材を用いてボイラー管の表面に対してコーティングを行う場合、肉盛溶接、溶射又はレーザークラッディングによりコーティングすれば、耐食性が向上したニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材を用いて、ボイラー管の表面をコーティングし、ボイラー管の耐久性を向上することができる。肉盛溶接、溶射又はレーザークラッディングの具体的な方法は周知であるため、その説明を省略するが、肉盛層の厚さは、0.1~5.0mmであることが好ましく、0.1~3.0mmであることがさらに好ましい。
コーティングの対象となるボイラー管の外径は、38~60mm程度である。また、ボイラー管は、冷却された状態で使用されるため、650℃以下の環境下で使用可能であればよく、上述の各合金元素の含有量は、その条件を満たしている。ただし、本発明に係るコーティング材は、650℃を超える高温環境下でも耐食性を発揮できるため、そのような高温環境下でも使用可能である。

Claims (6)

  1. ニッケル合金からなる肉盛用のコーティング材であって、
    Cの含有量が0.3~0.5質量%、Alの含有量が3.0~5.0質量%、Siの含有量が0.3~0.6質量%、Crの含有量が25.0~31.0質量%、Mnの含有量が0.2~0.5質量%、Feの含有量が14.0~19.0質量%、Nbの含有量が1.5~2.5質量%、Wの含有量が2.0~3.0質量%である、コーティング材。
  2. Alの含有量が3.8~4.6質量%である、請求項1に記載のコーティング材。
  3. Nbの含有量が1.9~2.3質量%である、請求項1に記載のコーティング材。
  4. Feの含有量が16.0~19.0質量%である、請求項1に記載のコーティング材。
  5. Crの含有量が28.0~31.0質量%である、請求項1に記載のコーティング材。
  6. 請求項1~5のいずれか一項に記載のコーティング材を用いたコーティング方法であって、
    ボイラー管の表面に対して、肉盛溶接、溶射又はレーザークラッディングにより前記コーティング材をコーティングする、コーティング方法。
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