JP2776103B2

JP2776103B2 - 耐食性と耐摩耗性に優れたＮｉ−Ｗ合金

Info

Publication number: JP2776103B2
Application number: JP3344216A
Authority: JP
Inventors: 康孝岡田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JPH05171340A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、室温から高温に至
る領域において耐食性と共に耐摩耗性を必要とする、例
えば弁、インペラーなどの摺動および駆動部品、石炭火
力発電のボイラー用配管および部品、さらにCoを忌避す
る原子力装置を構成する各種部材ならびに各種肉盛り用
材料などに使用する素材として好適なNi−Ｗ合金に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、前記のような用途を対象とする合
金としては、ステライト（商品名）に代表されるCo基合
金、あるいはアロイ718 、600 、690 および825 （いず
れも商品名）等のNi基合金が使用されている。しかしこ
れらの合金には、次に述べるような問題がある。

【０００３】すなわち、ステライトは成分系によっては
かなり高い素材硬さが得られるので、各種摺動部品の耐
摩耗性を高めるための肉盛用材料等としては使用されて
いるが、Ｗの添加量が少ないためCr炭化物が析出し、有
効Cr量が減小して腐食速度が大きくなるだけでなく、応
力腐食割れが発生しやすいなどの理由のため、耐食性が
不十分であり、前記用途に使用するには問題が多く、さ
らに、原子力装置用材料として使用した場合にはCoを大
量に含有しているため、残留放射能が高くなるのでこの
用途にも不適当である。

【０００４】Ni基合金は一般的に耐食性が優れているこ
とは周知であり、その性能はステライトを遥かに凌ぐ。
しかし、前記アロイ718 はタービン部材として使用され
ているように、微細な金属間化合物の析出効果によって
素材硬さも比較的高く、Ni基合金の中では最も高い強度
を有するとされるが、ステライトと比較すると、Ｃ、Ｎ
の添加量が低く抑えられているために耐摩耗性を向上さ
せる炭・窒化物の量が少なく耐摩耗性は劣る。このよう
に硬さと耐摩耗性とは必ずしも両立しない。アロイ600
、690 および825 も耐食性はかなり良好であるが、素
材硬さが低く、また同様の理由のため耐摩耗性も不十分
であり、したがってその性能はアロイ 718より更に劣
り、これらのNi基合金もまた前記の用途に使用するには
問題がある。

【０００５】このように、従来の技術ではCo基およびNi
基合金についても、耐食性と耐摩耗性を共に兼ね備えた
合金は提供されておらず、またCoを含有せず、これらの
二つの特性を同時に満たすことが要求される原子力装置
用材料として好適な合金も見当たらない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、室温から高
温に至る領域において、ステライトに匹敵する耐摩耗性
とアロイ718 のようなNi基合金と同等以上の耐食性を兼
ね備えた、例えば弁、インペラーなどの摺動および駆動
部品、石炭火力発電のボイラー用管および部品、さらに
Coを忌避する原子力装置を構成する各種部材ならびに各
種肉盛り用材料などに使用する素材として好適な合金を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
Ni−Ｗ合金にある。なお、合金成分含有量に関する％は
全て重量％を意味する。

【０００８】Ｃ：0.2 〜 1.0％、Si： 1.0％以下、Mn：
0.1 〜 2.0％、Al：0.03〜15.0％、Fe：10.0％以下、C
r：10.0〜19.5％、Ｎ：0.3 ％以下、Ｗ：単独またはMo
と複合で15.5〜55.0％（ただし、複合の場合、Mo：20.0
％以下）を含有し、さらにNb：3.0〜15.0％、またはN
b： 3.0〜15.0％およびTi： 3.0〜10.0％を含有し、残
部はNiおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰは
0.030 ％以下、Ｓは0.010％以下であることを特徴とす
る耐食性と耐摩耗性に優れたNi−Ｗ合金。

【０００９】なお、この他にさらにMg、Ca、Ｙ、La、Ce
およびＢを各々0.01％以下で、１種以上含有することが
できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】耐摩耗性をステライトと同等の水
準とするためには、室温における素材硬さを、ステライ
トで得られる中程度の値以上、すなわちロックウェル硬
さ（ＨＲＣ）で40以上とし、かつ室温における靭性は少
なくともステライトを上廻る必要がある。さらに硬い炭
・窒化物を基地に分散させ、しかも摺動などの際にこれ
らの炭・窒化物が容易に剥離しないような強固な基地を
つくることが必須である。

【００１１】さらに、耐食性を、例えばアロイ718 のNi
基合金と同等程度とするためには、Crを添加することが
有効であり、またＷ、Mo、NbおよびTiなどを添加して炭
・窒化物の結晶粒界からの分散をはかることが不可欠で
ある。

【００１２】アロイ718 はNbを 5.5％以下で、さらにTi
を 1.5％以下で含有させることにより高い強度を得てい
る。本発明者らもアロイ718 のNbおよびTiをこれ以上単
に増量するだけでは靭性および熱間加工性が著しく劣化
し、かつ強度の改善にも寄与しないことを知った。しか
し、Cr含有量を従来の合金よりもやや低い適正な範囲に
限定し、比較的多量のＷまたはＷとMoを含有させた上
で、Nbの含有量を増やせば、あるいはNbの含有量および
Tiの含有量を増やせば、強度が改善されることを見い出
した。これに加えてさらにＣおよびＮを適正に含有させ
ると多量の炭・窒化物が生成し、上記の強度改善と相ま
って耐摩耗性が向上することも確認した。

【００１３】耐食性を改善するためには、その劣化の原
因となるCr炭化物の粒界への析出を抑制する必要があ
り、この対策としても前記のようにCrの含有量を適正に
し、かつCrよりもＣとの結合力が強いＷ、Mo、Nbおよび
Tiを高く含有することが有効である。

【００１４】本発明は、以上のような新しい知見に基づ
いてなされたものである。以下、本発明の合金を構成す
る成分の作用効果とその適正含有量について説明する。

【００１５】Ｃ： 0.2％未満でも基地の強度は確保できるが、炭化物の生
成量が十分でないため、摩擦係数が大きくなり耐摩耗性
が劣る。 1.0％を超えると逆に過剰な炭化物が鋳造時に
生成し、凝固割れが発生し易くなり、また靭性も劣化す
る。

【００１６】Ｃの含有量が 0.1％以上では、通常は合金
の融点が低下して、鋳造時に割れ、偏析などの問題が発
生し、また高温延性、室温靭性も劣化するが、Ｗまたは
ＷとMo、NbおよびTiを本発明合金のように高くすると、
凝固前後で炭化物が生成して合金基地中のＣ量が低下す
るため、これらの問題を回避することができる。

【００１７】また本発明合金を肉盛りおよび溶射の材料
として使用しようとすれば、比較的低融点の組成にして
おく必要があり、このような観点からもＣはやや高めが
よい。以上の理由により、Ｃの適正値は 0.2％から 1.0
％までである。

【００１８】Si：合金の脱酸剤として、あるいは鋳造性、耐食性および耐
熱性などを改善する成分として有効であるが、 1.0％を
超えると鋳造時の偏析および非金属介在物生成を助長す
るなどの悪影響が大きくなるため、その上限を 1.0％と
する。

【００１９】Mn：合金の脱酸剤および本発明合金を基本的にγ( オーステ
ナイト) 組織に維持する成分の一つとして有効である
が、 0.1％未満では合金中のＳを固定することができ
ず、そのため熱間加工性が劣化する。 2.0％を超えると
合金の融点が低下するため、再び熱間加工性が劣化す
る。したがってMnの適正な範囲は 0.1％から 2.0％であ
る。

【００２０】Al： 0.03％以上を含有すると合金の脱酸に有効であり、さら
に本発明合金の組成範囲では金属間化合物(Ni3Al) が凝
固時に分散し、また基地中に有効に析出し、室温および
高温強度を改善する。15.0％を超えると合金の融点低下
および脆化相や介在物の析出を招き、延性、靭性等の機
械的性質が劣化する。したがってAlの適正範囲は0.03％
から15.0％である。

【００２１】Fe： Ni基合金と同様に、少量の含有は熱間加工性および肉盛
溶接時の割れ感受性を低下させるのに有効であるが、1
0.0％を超えると脆化相が析出し靭性が劣化する。この
ためFeの含有量を10.0％以下とする。

【００２２】Cr：耐食性を向上させるのに非常に有効であるが、その効果
を期待するためには含有量を10.0％以上とする必要があ
る。しかし、本発明合金のようにNb、TiおよびAlを含有
して基地の強化を達成しようとすると過剰のCrはその妨
げとなり、また脆化相析出の原因となる。これらを回避
するためにはCrの上限を19.5％とする必要がある。した
がってCrの適正範囲は10.0％から19.5％である。

【００２３】Ｎ： 0.3％までは凝固時にも一部合金中に固溶し、残りは主
にNb、Tiと化合して基地の中に比較的粗大な、しかも分
散した窒化物として析出させる効果がある。このような
窒化物が特に室温から高温に至る領域で摩擦係数を小さ
くし、したがって耐摩耗性を著しく改善する。またＮ
は、Mnと相まって、α( フェライト) 相を形成しやすい
Ｗ、MoおよびNbを多く含有する本発明合金において、基
地のγ相を安定にする効果がある。 0.3％を超えると凝
固時の固溶限を超えるため空孔などの欠陥が生じる。し
たがってＮの上限を 0.3％とする。

【００２４】Ｗ：多量に含有させても室温における靭性を劣化させず、基
地の強度を上昇させ、しかもボイラー管のように長時間
使用する場合でも脆化相の析出を抑制する効果がある。
またＣと反応して基地の中に耐摩耗性に優れた炭化物を
形成するが、15.5％未満では所望の強度と耐摩耗性を得
ることはできない。

【００２５】一方、55.0％を超えると結果的にNi含有量
が低下するため、γ相の維持も困難となって脆化相の析
出が助長される。さらに合金の融点が高温となるため通
常の手段による溶製が不可能となるが、Ｗが55.0％まで
はその融点を1650℃以下に抑制することができ、一般的
な電気炉などによる溶製が可能である。したがってＷの
適正な範囲は15.5％から55.0％までである。

【００２６】Mo：Ｗと同様の効果があるから、Ｗの一部に置換して用いる
ことができる。ただし、Ｗよりも合金の融点を低下さ
せ、したがって過剰に含有すると高温延性も低下する。
また長時間の使用中に脆化相の析出を助長し、靭性およ
び耐食性を劣化させるためMoの含有量の上限は20.0％で
ある。

【００２７】Nb： Nbは合金の融点を比較的高温に維持し、金属間化合物(N
i₃Nb) および炭化物・窒化物として基地中に析出・分散
し、高温強度の維持に寄与する。しかし、その含有量が
３.0％未満では前記の効果が得られない。一方、15.0％
を超えると合金の融点低下および脆化相析出を招き、延
性、靭性さらに加工性も劣化する。したがってNbの含有
量を３.0％〜15.0％とした。

【００２８】Ti： Tiは、３.0％以上含有させれば前記Nbのように金属間化
合物(Ni ₃ Ti) 、炭化物・窒化物としてそれぞれ析出・分
散し、高温強度および耐摩耗性の改善に寄与するので、
必要に応じて添加しても良い。しかし、その含有量が1
0.0％を超えると合金の融点低下および脆化相析出を招
き、延性、靭性さらに加工性も劣化する。したがってTi
を添加する場合、その含有量を３.0〜10.0％とした。

【００２９】ＰおよびＳ：合金中の不純物として鋳造時に偏析して割れの原因とな
り、また熱間加工性を劣化させる成分である。したがっ
て室温靭性や高温強度で一段と高い水準を目標とする本
発明合金ではＰを0.030 ％以下( 好ましくは0.01％以
下) 、Ｓを 0.010％以下( 好ましくは0.005 ％以下) と
しなければならない。

【００３０】なお、一般に原料Nb中にはTaが含まれてい
ることが多いが、Taの効果はNbと同等である。したがっ
てNbに付随してTaが含有されてもかまわない。

【００３１】Mg、Ca、Ｙ、La、CeあるいはＢなどの各種
微量元素の含有は合金中の酸素低下およびＳの固定に有
効であり、その結果、室温における靭性および高温延性
を改善するため、各々0.01％以下で１種以上含有すると
本発明合金の性能の向上に有効である。さらに本発明合
金中の酸素量はその性能を維持するために重量％で0.01
％以下とすることが望ましい。

【００３２】本発明合金は、真空溶解を含む通常の溶解
および精錬工程で溶製したのち鋳造し、鋳造のままある
いは鍛造、圧延、押し出しなどの加工工程を経て前記の
製品として製造されるが、鋳塊の偏析あるいは割れを軽
減ないし回避し、また内部清浄度や製品の性能を向上さ
せるためＥＳＲおよびＶＡＲなどの２次溶解工程を実施
することが望ましい。通常のNi基およびCo基合金などと
同様に、1050〜1250℃の間での固溶化熱処理、600 〜 8
00℃の間での時効硬化熱処理は本発明合金の特性の向上
に寄与するが、加工のままでの使用も可能である。

【００３３】

【実施例】表１〜４に示す組成の 150kg合金鋳塊を真空
誘導溶解（ＶＩＭ）、真空鋳込により製造後、φ50〜10
0mm の丸鋼または25mm厚の板材に鍛造加工し、1050〜12
00℃で固溶化処理を行った。これらのうちNb、Tiおよび
Alを多量に含有する合金の一部については、さらに650
〜 750℃で２〜50時間の時効硬化処理を追加した。ま
た、No.8の合金についてはアロイ600 を基盤とする溶射
を行い、評価した。表１および表２のNo.1〜22が本発明
合金であり、表３及び表４の No.23〜38が比較合金であ
る。また表４の No.39〜41が従来材（従来合金）であ
り、 No.39がステライトに、 No.40がアロイ600 に、N
o.41 がアロイ718 に、それぞれ相当している。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】

【表４】

【００３８】これらの合金を用いて、次のような試験を
行い、比較合金および従来合金のステライト、アロイ60
0 およびアロイ718 との比較を実施した。すなわち室温
においてロックウェル硬さ（ＨＲＣ）、シャルピー試験
法による靭性、ヒューイ試験法による腐食減量、また室
温および 300℃において大越式摩耗試験機による耐摩耗
性とバウデン試験機による摩擦係数をそれぞれ測定評価
した。この摩耗試験の相手材は JIS・SUJ2製のディクス
( 外径30mm、厚さ3mm)とし、押付荷重 6Kg、摺動距離10
0m後の圧痕深さを、またバウデン試験の相手材は JIS・
SUJ2製の鋼球とし、摺動速度 4mm/s、押付荷重 3kgで10
mm間の10回往復運動による摩擦係数を、それぞれ測定し
た。さらに、600 ℃における高温硬さをビッカース法で
測定し、これを (ＨＲＣ) に換算した。これらの結果を
表５及び表６に示す。なお、耐食性と摩耗に係わる結果
は、ステライトを 1.0とする相対値で表示している。

【００３９】

【表５】

【００４０】

【表６】

【００４１】表５及び表６から明らかなように、本発明
合金については、室温硬さおよび靭性の最低値がそれぞ
れ40.4、1.2kgf-m/cm ²であり、いずれも良好である。す
なわち、硬さは所望値以上と考えてよく、靭性はアロイ
600 に劣るものの、ステライトを凌ぎアロイ718 と同等
以上のものがほとんどである。耐摩耗性および摩擦係数
はステライトに優るものもあり、Ni基合金より遥かに優
れている。また、耐食性はNi基合金には及ばないが、ス
テライトよりも著しく改善されている。

【００４２】600 ℃における高温硬さは、一部比較合金
よりも劣るものもあるが、平均的には高い値に維持され
ており、また従来合金と比較すると明らかに高く、室温
硬さからの低下も少ない。

【００４３】比較合金には、十分な性能が得られない
か、あるいは強さと耐食性とが両立しないものが多く、
また耐摩耗性に優れていても凝固割れが発生するものも
あり、構造部材として使用するには不適当である。

【００４４】以上のように、本発明合金は従来合金およ
び比較合金に対し、常温から高温に至る範囲において耐
食性と耐摩耗性を兼ね備えた高強度合金である。

【００４５】

【発明の効果】本発明合金は、常温から高温に至る範囲
において、耐食性と耐摩耗性を兼ね備えた高強度合金で
あり、摺動部品、ボイラー用配管、原子力装置用部材お
よび肉盛り用材料などの素材として好適である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.2 〜 1.0％、Si： 1.0％
以下、Mn：0.1 〜 2.0％、Al：0.03〜15.0％、Fe：10.0
％以下、Cr：10.0〜19.5％、Ｎ： 0.3％以下、Ｗ：単独
またはMoと複合で15.5〜55.0％（ただし、複合の場合、
Mo：20.0％以下）を含有し、さらにNb： 3.0〜15.0％、
またはNb： 3.0〜15.0％およびTi： 3.0〜10.0％を含有
し、残部はNiおよび不可避的不純物からなり、不純物中
のＰは 0.030％以下、Ｓは 0.010％以下であることを特
徴とする耐食性と耐摩耗性に優れたNi−Ｗ合金。
【請求項２】請求項１の成分に加えてさらに、Mg、Ca、
Ｙ、La、CeおよびＢを各々0.01％以下で、１種以上含有
する耐食性と耐摩耗性に優れたNi−Ｗ合金。