JP2703552B2 - コバルトを含まない鉄基表面硬化合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特に耐摩損性摩耗と謂われる属性が評価され
るとき、耐摩耗性である新規にしてコバルトを含まない
鉄基の表面硬化合金（hardfacing alloy）に関する。新
規な本表面硬化合金は（１）摩損（galling）に対する
顕著な抵抗性が要求され；（２）コバルトの放射性⁶⁰Co
への変換に関係があり；かつ（３）非磁性合金が使用さ
れなければならないような用途に特に有用である。

（発明の背景） 表面硬化合金は種々の工業用の廉価な合金に耐摩耗性
を付与するのに使用される。コバルトは広く用いられる
表面硬化合金の最良の性能を発揮する基幹元素であるが
高価であり、かつ市価が相当に変動するために、コバル
トのレベルを低減することによって表面硬化合金を発達
させる必要がある。特に要求されるものには、原子力プ
ラントの主系統に使用される表面硬化合金のコバルト含
有量を低減することがある。コバルト基合金が経験する
少量の摩耗及び腐食は、最終的にγ−線放出同位元素⁶⁰
Coの形成となる。この同位元素は保守要員によって点
検、修理又は代替しなければならない炉外部品で形成さ
れる酸化物に混合（incorporate）される。活性化せる
⁶⁰Coは作業員にとって放射線被爆の大きな原因となる。

しかしながら、コバルトを含まないか、又は少し含有
する表面硬化合金は、耐摩耗性であるほかに、適当なレ
ベルの硬度、溶接性と耐腐食性とを示さなければならな
い。それ故に、種々の用途において、適当な改良せる耐
摩耗性、耐摩損性、硬度及び機械的性質を有するコバル
トを含有しない表面硬化合金を利用することが望まし
い。

従って、新規にして耐摩耗性、耐摩損性のコバルト不
含表面硬化合金を提供するのが本発明の目的である。

摩耗性及び腐食性（侵食性）環境にさらされる構成部
品を建造する方法を提供するのがもう一つの目的であ
り、それによって前記部品は耐摩耗性、耐摩損性、コバ
ルト不含合金で硬化される。

本発明のその他の目的は以下説明する実施の態様及び
特許請求の範囲における記載より明らかになるであろ
う。

（発明の概要） 本発明は侵食性環境にさらされる構成部品の如き用途
に対する新規な、コバルトを含有しない合金を提供し、
これらの合金は耐摩耗性、耐摩損性（anti−galling）
を特徴とするもので、実質的に重量で、0.85〜1.4％の
炭素;5.0〜13.0％のマンガン;1.5〜5.5％のけい素;18.0
〜27.0％のクロム;4.0〜12.0％のニッケル;6.0％までの
モリブデン;0.1〜0.3％の窒素;0〜1.0％のバナジウム;0
〜1.0％のニオブ;0〜1.0％のチタン;0〜1.0％のタンタ
ル及び残部鉄より成るものである。合金はオーステナイ
トマトリックスと共晶合金炭化物との顕微鏡組織を有す
ることを特徴としている。

（好ましい態様の説明） 本発明はすぐれた耐摩耗性と特に良好な耐摩損性とを
有する新規な合金を提供するものである。耐摩損性摩耗
（galling wear）は２つの金属表面を負荷の下で互に滑
走させる時に生ずる現象で、それにより接触面で部分的
粘着が起ってそれらを粗面化し、物質の移動（transfer
of material）になる。物質の移動は摩損性摩耗を構成
し、通常表面の荒さの深さでの変化によって測定され
る。摩損性摩耗の程度は互に接触する表面の特性のみな
らず、表面は負荷下にあるので夫々の内層面（subsurfa
ce）の特性の作用である。

ステライトNo.6のような普通のコバルト基表面硬化合
金は２つの層：炭化物とコバルト基マトリックスとより
成る。コバルト基マトリックスは固溶体における間に比
較的高い含有量の炭素を溶解する（時には侵入型固溶体
硬化と謂う）ので、マトリックスの硬度及び変形に対す
る抵抗性は比較的高い。コバルト基マトリックスは典型
的には適当な共晶炭化物と結合される。

しかしながら、本発明はコバルト基表面硬化合金の硬
い耐摩耗性及び耐摩損性表面を提供するために前述のあ
る用途におけるコバルトの不利のためにコバルトを使用
しないで発達せしめており、オーステナイト（鉄基）マ
トリックスと共晶合金炭化物とより成り、表面硬化合金
に必要な耐摩耗及び摩損性を提供する顕微鏡組織を有す
るコバルトを含有しない合金を提供するものである。

本発明によればコバルトを含有しない合金は、通常下
記のような組成を有する： 0.85〜1.4重量％ 炭 素 5.0〜13.0 ％ マンガン 1.5〜 5.5 ％ けい素 18.0〜27.0 ％ クロム 4.0〜12.0 ％ ニッケル 6.0 ％まで モリブデン 0.1〜 0.3 ％ 窒 素 0 〜 1.0 ％ バナジウム 0 〜 1.0 ％ ニオブ 0 〜 1.0 ％ チタン 0 〜 1.0 ％ タンタル 残 部 鉄 鉄はオーステナイト組織においてニッケルより多くの
炭素と窒素とを溶解する。それ故に、本発明の合金は鉄
−ベースである。しかしながら、純粋な鉄は室温ではフ
エライト組織であるので、ニッケル、マンガンのような
オーステナイト形成元素はオーステナイト組織を安定化
するために添加される。しかしながら、マンガンの存在
はまた炭素溶解度を増加するので、主なオーステナイト
安定剤であることが望ましく、従って５〜13重量％の
量、好ましくは５〜12重量％、最も好ましくは約８％で
ある量で使用される。マンガンの量はオーステナイト形
成元素の残りがニッケルを含有しなければならないので
５％より低い必要はなく、あまり多いと逆に耐摩損性に
悪影響を与える。しかし、約13％より高い量のマンガン
は合金の強靭性と溶接性とを減じ始めるので、ニッケル
は４〜12重量％、好ましくは４〜９％、最も好ましくは
約５重量％で使用される。

けい素は鉄マトリックスの固溶体硬化（solid soluti
on strengthening）を増加し、かつ処理中、溶融合金の
流動性を増加するために1.5〜5.5重量％の量で使用され
る。しかし、けい素は合金の凝固中に溶融相において分
配する傾向があるので、最後の高けい素含有量に凝固す
る溶融合金の部分に偏析して高い硬度を付与するが、強
靭性を劣化する。それ故、けい素は約5.5重量％以下で
使用され、好ましくは1.5〜5.0％の範囲、最も好ましく
は約３重量％で使用される。

モリブデンはまた固溶体硬化、特に炭素との相互作用
の固溶体硬化を与える。それ故に、若干のモリブデンは
常に存在されるべきであるがあまり高いモリブデンの含
有量はM₆Cの如き望ましくない合金炭化物を安定化し、
固溶体の炭素含有量を低減する傾向がある。それ故、モ
リブデンは約６重量％まで使用され、好ましくは約３重
量％まで、最も好ましくは約２重量％で使用される。

窒素は固溶体硬化を増加し、特に歪み硬化を増加する
が高すぎる窒素の含有量は溶接に問題を生ずるので、窒
素は0.1〜0.3重量％、好ましくは約0.2重量％で使用さ
れるのが好ましい。

クロムは主として耐食性を付与するのに使用され、約
18〜27％の範囲で使用される。

所望のマトリックス及び炭化物を提供するために、炭
素は0.85〜1.4重量％の量で使用される。一例では、
Ｖ、Nb、Ta、Tiのような微量合金添加元素が一次炭化物
の形態学を改良するのに添加され、それによって機械的
性質を改良する。しかしながら、これらの強炭化物形成
元素の過剰量は固溶体の炭素含有量を減ずるので、その
添加はこれら元素の各々につき１％以下に制限される。

特に上記した元素以外の合金の残部は鉄であるが、勿
論処理中に不可避的不純物の痕跡量の存在は実現され
る。しかしながら、これらの少量の不可避的不純物は本
発明合金の所望の性質を実質的に変化又は害さないこと
が期待される。

本発明による合金はその顕微鏡組織がその選択された
合金組成によって提供されるものであるので、鋳造状態
で形成される。凝固殻（solidification cell）の大き
さは液体状態からの冷却速度により変るけれども、必須
成分は鋳造合金と溶接合金との間に実質的差異はない。
通常、本発明による典型的組成においては少くとも２つ
の形式の炭化物が観察される。

本発明による合金は特に約200℃に予熱することを伴
う通常のガス−タングステン−アーク方法（GTA）及び
プラズマ−移動−アーク方法（PTA）によって溶接でき
るものである。炭素含有量が所望の範囲の高い方の末端
に対して有している合金では約425℃への予熱が亀裂の
ない肉盛溶接金属を得るには好ましい。酵素−アセチレ
ン又はシールドメタルアーク方法のような他の方法もま
た溶接のために使用される。

本発明による合金は構成部材が摩耗性及び腐食（侵
食）性環境にさらされるプラント又は製造設備において
表面硬化要素として使用できる。例えば、合金は合金鋼
の底板（baseplate）に溶接する被層（overlay）をおく
ことによって使用できる。

添付図面において第1A図に、1.11％Ｃ、8.46％Mn、3.
11％Si、4.06％Ni、14.9％Cr、1.64％Mo及び0.23％Ｎの
組成を有する鋳造せる直径16mmのバー500倍率の顕微鏡
写真を示す。同写真は合金を50％硝酸で電解的に、かつ
ムラカミ（Murakami）溶液でエッチングして得たもので
ある。第1A図よりわかるように、オーステナイトマトリ
ックスが若干の共晶合金炭化物の部分とともに示され
る。

第1B図に、304SSオーステナイト鋼板上にプラスマ−
移動−アークによって肉盛溶接した500倍率の顕微鏡写
真を示す。肉盛溶接金属は1.34％Ｃ、9.37％Mn、3.23％
Si、5.97％Ni、20.86％Cr、2.10％Mo、0.2％Ｎより成る
もので、図面よりわかるように、組織は第１図に示した
もの、即ち数種の共晶炭化物部分を含有するオーステナ
イトマトリックスと定性的に実質上異ならない。

本発明によるコバルトを含有しない表面硬化合金はす
ぐれた耐摩耗性、特に良好な耐摩損性摩耗性を有するも
のである。

本発明を説明し、諒解せしめるために以下に実施例を
示して説明するが、本発明はこれによって制限されるも
のではない。

次の実施例において報告したデータを得るために使用
される摩損試験（galling test）は修正ブリネル硬度計
を使用し、扁平試片に対し直径9.5mm（0.375インチ）の
ピン試片の扁平面を負荷することにより成るものであ
る。ピンとブロックとはともに同じ合金で作製され、荷
重は140,275,415MPa（20,40,60ksi）の通常の適用応力
に該当する9,800,19,600,29,400N（2,200,4,400,6,600l
b）で適用される。ピン試片は次いで人力の交互の方向
に10回、120まで回転される。摩耗試験片の表面は研磨
方向に対して直角に測定して算術平均0.2〜0.4ミクロン
（18〜16ミクロインチ）の表面研磨仕上げで調製され
た。各摩損試験に伴う損傷の程度は表面プロフィロメー
タによって測定された。表面形状は各摩耗傷跡に対し、
もとの研磨マークに平行及び直角の両方の方向での摩損
試験ブロックで得られた。表面形状は丸味をもった針を
有するスキッド−リフアレンスド ベンディックス マ
イクロコーダー（Skid−referenced Bendix Microcorde
r）を使用して生成された。４個の放射状の跡の各々に
おける最高のピークと最低の谷の高さの間の差が計算さ
れ、平均化された。同じブロックの試験されない表面で
の研磨方向に対する平行及び直角の方向で、等しい長さ
の横断距離に対する高さの差が同様に計算され、平均化
された。各摩損試験に対する損傷の程度は次いで予備試
験研磨表面の平均差を摩損性摩耗試験表面のそれから差
し引くことによって得られた。摩損試験は別に記載され
ない限り、３つの試験荷重の各々で反復して行なわれ
た。

実施例 １ 本発明により製造された合金の鋳造状態で試験された
性質を第１表に示す。これらの合金は、第１表の最後に
示した慣用のコバルト−含有表面硬化合金、ステライト
No.6 と比較して、満足すべき硬度、拡張力及び耐摩損
性を示している。

実施例 ２ 第２表はAISI 304オーステナイト鋼の38mm（厚さ）
の鋼板上に肉盛したガス−タングステン−アーク（GT
A）又はプラズマ−移動−アーク（PTA）溶接の本発明に
よる表面硬化合金の11個の実施例について示している。
各GTA溶接金属は100×150mmサイズの板上に50×100mmの
面積で作製され、各PTA溶接金属は280×150mm板の全表
面に作製された。表に示した予熱スケジュールを使用し
て、亀裂のない盛肉層が生成された。PTA肉盛溶接層に
対する所定の耐摩損性はすぐれており、コバルト含有の
表面硬化合金、ステライトNo.6 及びステライトNo.156
に対するデータは第２表の最後に記入されている。

実施例 ３ 市販の鉄−及びニッケル基表面硬化合金の耐摩損性摩
耗性を前述の方法を使用して比較の目的で試験した。こ
れらの試験結果を第３表に示す。これらの合金は第１表
及び第２表に示したものより概して低い耐摩損性摩耗性
を示している。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明合金で製造された鋳造バーの金属組織を
示す顕微鏡写真（500倍率）であり、第1B図はオーステ
ナイト鋼板上に製造された本発明による肉盛溶接部の金
属組織を示す顕微鏡写真（500倍率）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ツグヤス ワダ アメリカ合衆国 ミシガン州 48104 アン アーバー コロニー ロード 2716 (72)発明者 ハワード オッケン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロ アルト セント マイケ ル コート 3343

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実質的に重量で、0.85〜1.4％の炭素;5.0
   〜13.0％のマンガン;1.5〜5.5％のけい素;18.0〜27.0％
   のクロム;4.0〜12.0％のニッケル;6.0％までのモリブデ
   ン;0.1〜0.3％の窒素;0〜1.0％のバナジウム;0〜0.1％
   のニオブ;0〜0.1％のチタン;0〜1.0％のタンタル及び残
   部鉄より成り；かつ実質的にオーステナイトマトリック
   スと共晶合金炭化物とより成る顕微鏡組織を有するコバ
   ルトを含有しない耐摩耗性及び耐摩損性表面硬化合金。
2. 【請求項２】マンガンは5.0〜12.0重量％；けい素は1.5
   〜5.0重量％；ニッケルは4.0〜9.0％；モリブデンは3.0
   ％までの量で存在する請求項（１）記載の合金。
3. 【請求項３】侵食性環境にさらされる構造要素を包含す
   るプラントを建造する方法において、実質的に重量で、
   0.85〜1.4％の炭素;5.0〜13.0％のマンガン;1.5〜5.5％
   のけい素;18.0〜27.0％のクロム;4.0〜12.0％のニッケ
   ル;6％までのモリブデン;0.1〜0.3％の窒素;0〜1.0％の
   バナジウム;0〜1.0％のニオブ;0〜1.0％のチタン;0〜1.
   0％のタンタル及び残部鉄より成り；而も実質的にオー
   ステナイトマトリックスと共晶合金炭化物とより成る顕
   微鏡組織を有する耐摩耗性、耐摩損性のコバルトの含有
   しない合金より上記構造要素を形成する工程を包含する
   前記方法。
4. 【請求項４】実質的に重量で、0.85〜1.4％の炭素;5.0
   〜13％のマンガン;1.5〜5.5％のけい素;18.0〜27.0％の
   クロム;4.0〜12.0％のニッケル;6％までのモリブデン;
   0.1〜0.3％の窒素;0〜0.1％のニオブ;0〜1.0％のバナジ
   ウム;0〜0.1％のチタン;0〜0.1％のタンタル及び残部鉄
   より成り；而も実質的にオーステナイトマトリックスと
   共晶合金炭化物とより成る顕微鏡組織を有する合金で形
   成される侵食性環境において使用される耐摩耗性、耐摩
   損性のコバルトを含有しない構造要素。
5. 【請求項５】実質的に重量で、 炭素 1.03％ マンガン 7.97 けい素 3.11 ニッケル 4.02 クロム 24.71 モリブデン 1.99 窒素 0.26 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
6. 【請求項６】実質的に重量で、 炭素 1.04％ マンガン 11.91 けい素 3.13 ニッケル 2.99 クロム 24.62 モリブデン 1.99 窒素 0.1 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
7. 【請求項７】実質的に重量で、 炭素 1.1％ マンガン 8.0 けい素 3.0 ニッケル 5.5 クロム 24.0 モリブデン 1.5 窒素 0.2 バナジウム 0.5 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
8. 【請求項８】実質的に重量で、 炭素 1.1％ マンガン 8.0 けい素 3.0 ニッケル 5.5 クロム 24.0 モリブデン 1.5 窒素 0.2 ニオブ 0.5 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
9. 【請求項９】鋳造状態における請求項（４）、（５）、
   （６）、（７）又は（８）記載の合金。
10. 【請求項１０】実質的に重量で、 炭素 1.33％ マンガン 9.16 けい素 3.18 ニッケル 4.00 クロム 24.74 モリブデン 2.15 窒素 0.22 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
11. 【請求項１１】実質的に重量で、 炭素 1.33％ マンガン 12.60 けい素 3.13 ニッケル 3.27 クロム 24.67 モリブデン 2.15 窒素 0.22 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
12. 【請求項１２】実質的に重量で、 炭素 1.34％ マンガン 9.37 けい素 3.23 ニッケル 5.97 クロム 20.86 モリブデン 2.10 窒素 0.22 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
13. 【請求項１３】実質的に重量で、 炭素 1.34％ マンガン 9.56 けい素 3.38 ニッケル 3.94 クロム 19.06 モリブデン 1.06 窒素 0.23 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
14. 【請求項１４】プラズマ−移動−アーク溶接の状態にお
    ける請求項（４）、（10）、（11）、（12）又は（13）
    記載の合金。
15. 【請求項１５】実質的に重量で、 炭素 1.14％ マンガン 7.75 けい素 2.97 ニッケル 5.85 クロム 19.09 モリブデン 1.94 窒素 0.19 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
16. 【請求項１６】実質的に重量で、 炭素 1.11％ マンガン 8.46 けい素 3.11 ニッケル 4.06 クロム 14.97 モリブデン 1.64 窒素 0.23 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
17. 【請求項１７】実質的に重量で、 炭素 1.10％ マンガン 7.40 けい素 2.82 ニッケル 8.36 クロム 21.28 モリブデン 1.86 窒素 0.18 鉄 残 部 より成る請求項（２）記載の合金。
18. 【請求項１８】ガス−タングステン−アーク溶接の状態
    における請求項（４）、（15）、（16）又は（17）記載
    の合金。