JP4546867B2 - 耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体とその製造方法 - Google Patents
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Description
これらの水冷鋼管構造体は、使用中にCl等の成分を含有する高温排ガスによる高温腐食と、溶鋼および副原料として投入される各種鉱石などから吹錬中に発生するダストの衝突により著しいエロージョン摩耗が発生する。
上記の状況に鑑み、定期的に設備を停止して水冷鋼管構造体の高温排ガス接触面の補修が行われており、生産性の低下要因になっていた。
特許文献2では、冷却管などの基材表面に耐熱金属もしくはその合金あるいは炭化物サーメットの下地溶射皮膜を形成し、必要に応じて多孔状無機質皮膜を塗布した上に、クロム酸とリン酸を主成分とするシール剤を塗布し乾燥後、加熱焼成して、ガラス質酸化クロム皮膜を上層に形成してなる複合溶射部材が提案されている。
特許文献3においては、冷却管の壁面にNi基、Co基などの自溶性合金粉末を高圧・高速ガス溶射法にて皮膜を形成し、再溶融させて壁面に溶着させることによる保護皮膜の形成方法が提案されている。
特許文献1および特許文献2に記載されている技術においては、溶射皮膜の形成にはガス溶射、高速ガス溶射、プラズマ溶射などの溶射法が用いられるが、いずれの皮膜も基材である水冷鋼管表面と溶射皮膜との密着機構が機械的な投錨効果によるものであり、基材との密着性が不充分で、使用中に短期間で剥離する問題がある。
また、特許文献3に記載されている技術による皮膜は、排ガスによる高温腐食に対して耐久性が不充分である。また高圧・超高速溶射ガンによる溶射と再溶融処理を組み合わせた方法であるため、コストが高いという問題もある。
(1)質量で、
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなるNi基合金を、質量で10〜90%配合した材料を溶射材料とし、この溶射材料を基材に溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
(2)自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(1)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
(3)自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(1)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金を基材に下層被膜として溶射し、その被覆の表面に、Ni基の前記自溶性合金に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金を質量で10〜90%配合した材料を上層被膜の溶射材料とし、この溶射材料を1層あるいはそれ以上の層になるように溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
(5)自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(4)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
(6)自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(4)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
(7)Ni基の自溶性合金が、質量でさらに、
Fe=5%以下、 Co=1%以下、
Mo=4%以下、 Cu=4%以下
の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(4)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金中に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなるNi基合金を質量で10〜90%が分散して含まれる被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
(9)自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(8)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
(10)自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(8)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金の下層被膜と、前記自溶性合金中に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなるNi基合金を質量で10〜90%が分散して含まれる上層被膜と、を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
(12)上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(11)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
(13)上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記(11)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
(14)Ni基の自溶性合金が、質量%でさらに、
Fe=5%以下、 Co=1%以下、
Mo=4%以下、 Cu=4%以下
の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(8)または(11)に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、以下の記述でNi基合金とは、下記の2種類の組成の合金を示すものとする。
(1)質量で、Cr=20〜23%、Mo=8〜10%、Fe=2〜7%、(Nb+Ta)=1〜4%、残部Niの合金。
(2)質量で、Cr=20〜23%、Mo=8〜10%、Fe=2〜7%、残部Niの合金。
上記合金の具体的な好ましい組成例は、
インコネル(登録商標)625:Bal Ni-9Mo-21.5Cr-2.5Fe-3.7Nb (単位は質量%)
である。
(3)質量で、Cr=14〜17%、Mo=15〜17%、W=3〜5%、Fe=4〜7%、残部Niの合金。
上記合金の具体的な好ましい組成例は、
ハステロイ(登録商標)C276:Bal Ni-16Mo-16Cr-4W-5Fe-0.005C-0.05Si (単位は質量%)
である。
上記Ni基合金は、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食に対して極めて耐食性に優れる。しかし、硬度はHV200程度であり、飛散ダストの衝突によるエロージョン摩耗に対しては十分な耐摩耗性を有していない。
Ni基自溶性合金の組成は、
質量で、Cr=10〜20%、B=2〜4.5%、Si=2〜5%、C=0.4〜1.1%、Fe=5%以下(0%を含む)、Co=1%以下(0%を含む)、Mo=4%以下(0%を含む)、Cu=4%以下(0%を含む)、残部Niの合金である。
SFNi4の具体的な組成は、
Cr=12〜17%、B=2.5〜4.0%、Si=3.5〜5.0%、C=0.4〜0.9%、Fe=5%以下(0%を含む)、Co=1%以下(0%を含む)、Mo=4%以下(0%を含む)、Cu=4%以下(0%を含む)、残部Niである。
しかしながら、本発明に用いるNi基自溶性合金の組成は、上記SFNi4に限定されるものではない。
なお、上記Ni基自溶性合金の組成において、Fe,Co,Mo及びCuは任意添加元素であり、それぞれに「0を含む」と表現した。
ガス溶射では一般に被膜に気孔が多く見られ、溶射ままでは緻密な被膜が得られ難いが、本発明におけるNi基自溶性合金を含有する溶射被膜では、溶射の後に再溶融処理を行うため、被膜内の気孔が消滅し、同時に基材との間に冶金的結合が生じるため、緻密であり基材との密着性の極めて高く高硬度の被膜の形成が可能である。
図2(a)は、本発明により形成された水冷鋼管構造体の被膜の1形態を示す断面図である。基材6の表面に密着したNi基自溶性合金7中にNi基合金8の粒子が分散した構造となっている。
このNi基合金8の粒子は微細であるほど被膜材の均質性が高く、好ましいが、1mm以下であれば充分な性能を発揮することを確認している。通常、上記粒子径は溶射粉末の粒径で決まる。溶射のために好適な粒子径は10μm以上100μm以下の範囲であるが、多くは10μm以上50μm以下の粒径範囲の溶射粉末が使用される。これにより本発明の方法で形成された被膜中のNi基合金8の粒子径は10μm以上1mm未満の範囲となる。
被膜の膜厚は、腐食しろ、および摩耗しろの点では、厚いほど有利であるが、過度に厚い場合には、基材の変形の影響や熱衝撃、内外表面の温度差によって被膜の割れや剥離が発生しやすくなる。以上の理由で膜厚は再溶融後の状態で100μm〜3mmとすることが望ましい。
下層被膜は基材と本発明の被膜との密着性をより向上させる役割を有する。下層被膜は表面に、耐食性を重視した特性の被膜、すなわちNi基自溶性合金にNi基合金を質量で30〜90%配合した成分の被膜を形成する際に、より好ましい。
下層被膜の厚みは薄くて良く、10μm〜1mm程度が好ましい。また表面の被膜の厚みは、下層被膜とあわせて(a)の場合と同様に再溶融後の状態で100μm〜3mmとすることが望ましい。
本発明の被膜の特性を他の被膜と比較して評価した結果を表1、表2を参照して説明する。
本発明の被膜材としては、Ni基自溶性合金SFNi4にNi基合金インコネル(登録商標)625を質量40%配合したものを普通鋼の基材に粉末ガス溶射にて溶射し、再溶融処理を施したものを用いた。比較材としては、Ni自溶性合金はSFNi4の単体をガス溶射し再溶融処理を施したもの、Ni−Cr(50%/50%)のプラズマ溶射品、CrC/NiCrの高速ガス溶射品およびインコネル(登録商標)625の溶接肉盛品を用いた。
溶損比率とは、ボイラー溶鋼管SB410の溶損量を100%とした比率を表す。
試験の結果、本発明の被膜およびインコネル(登録商標)625はボイラー用鋼管単体の1/25〜1/100の良好な耐食性を示した。
摩耗率は、一定時間投射後の試験片の被膜重量減で摩耗重量を求め、試験時間内に投射したスチールグリッドの重量で除して求めた。
試験の結果、本発明の被膜および自溶性合金単体被膜はボイラー用鋼管の摩耗量の1/40〜1/100の良好な耐摩耗性を示した。
以上の評価結果から、本発明の被膜は耐食性及び耐摩耗性の双方において、最も良好な性能を有することが判明した。
なお、本実施例における下部フードは、従来、基材のボイラー鋼管SB410のみの場合は、主として高温腐食によって、6ヶ月で最大約2mmの減肉が発生していた。よって、本発明の被膜によって約10倍の大幅な寿命向上効果が確認された。
2:スカート
3:下部フード
4:上部フード
5:集塵ダクト
6:基材
7:Ni基自溶性合金
8:Ni基合金
9:下層被膜
10:水冷鋼管構造体基材
11:被膜
Claims (14)
- 質量で、
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなるNi基合金を、質量で10〜90%配合した材料を溶射材料とし、この溶射材料を基材に溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項1に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項1に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 質量で、
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金を基材に下層被膜として溶射し、その被覆の表面に、Ni基の前記自溶性合金に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金を質量で10〜90%配合した材料を上層被膜の溶射材料とし、この溶射材料を1層あるいはそれ以上の層になるように溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項4に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項4に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - Ni基の自溶性合金が、質量でさらに、
Fe=5%以下、 Co=1%以下、
Mo=4%以下、 Cu=4%以下
の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または4に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 質量で、
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金中に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなるNi基合金を質量で10〜90%が分散して含まれる被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項8に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項8に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 質量で、
Cr=10〜20%、 B =2〜4.5%、
Si=2〜5%、 C =0.4〜1.1%、
残部NiおよびTiに代表される不可避の不純物からなるNi基の自溶性合金の下層被膜と、前記自溶性合金中に、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、 (Nb+Ta)=1〜4%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなるNi基合金を質量で10〜90%が分散して含まれる上層被膜と、を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=20〜23%、 Mo=8〜10%、
Fe=2〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項11に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ni基合金が、質量で、
Cr=14〜17%、 Mo=15〜17%、
W =3〜5%、 Fe=4〜7%、
残部NiおよびSiやCに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項11に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - Ni基の自溶性合金が、質量でさらに、
Fe=5%以下、 Co=1%以下、
Mo=4%以下、 Cu=4%以下
の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項8または11に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
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