JP5052838B2 - 対高温腐食保護手段を含む製品と、該製品を有する往復動ピストン燃焼機関、タービンまたは燃焼ユニットと、高温腐食保護手段としての合金の使用 - Google Patents
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Description
マリク等(表題:Na2SO4およびNaClの存在下での工業的に重要な幾つかのニッケル基合金の熱腐食の挙動(非特許文献1))は、インコネル、インコリー、または、種々のナイモニック合金(Nimonic alloy)等の市販合金の高温腐食の挙動について既に研究した。これらの合金は、全てニッケル基合金であり、Fe,Cr,Al,Co,Mo,C等の追加成分を種々の濃度で含むことができる。
これらと関連したニッケル基合金が、酸化に対する良好な保護手段として特許文献4に記載されている。
このように、程度の差こそあれ、燃焼プロセスに直接接触する製品、構成部材および機械の構成部材は、特に高温腐食の危険に曝されている。このような例としては、燃焼機関におけるピストンのピストン表面、シリンダ壁、シリンダカバー、噴射ノズル、ガス交換弁、さらに、ターボ過給機、特に排気系およびターボ過給機系のタービン部品、および/または、排気供給ダクトまたは排気排出ダクト等の燃焼機関における排気系の構成部材が挙げられる。
別の例としては、焼却プラントの構成部材、例えば、ゴミ焼却プラントにおける燃焼室の構成部材、または、当然ながらランドの燃焼室の構成部材もしくは空気を基調とするタービン、とりわけ、タービン羽根、タービンの燃焼室、燃料噴射系および排気系の壁部が挙げられる。さらに、あらゆる種類の装置の構成部材がそうであるように、熱ガス腐食の脅威に曝されているその他の多数の製品が当業者に周知である。
大型ディーゼルエンジンにおいて観測される高温腐食の実質的な影響は、溶融相に端を発する。この種の溶融相には、特に重油の燃焼時に、例えばX線記録により検出できるバナジルバナジン酸ナトリウム等のバナジン酸塩が含まれることがある。
この現象は、例えば、シュラーガ(表題:大型ディーゼルエンジンにおけるピストン材料損(非特許文献3))により強力に研究されてきた。
この文脈において、一例として先に説明したバナジン酸塩溶融相が抱える問題は、高温腐食の原因となる機構の一例にすぎない。同様に観測され、かつ、ディーゼルエンジンにおいて、だが実際にはディーゼルエンジンだけではないが、例えば、先に挙げたプラントでおよび/または作動状態の先に挙げた構成部材の周知の腐食による損傷に繋がる複数の更なる機構および熱腐食作用が、当業者に周知である。
かくして、本発明の目的は、高温に対して腐食から保護され改良された製品を提供することであり、具体的には、容易に入手可能な僅かな主材料を用いることによって腐食保護手段が得られ、それ故に腐食から保護された製品を特に経済的かつ簡単に製造することができ、作動状態の製品に作用する本質的に全ての熱腐食機構に対して同時に製品が効果的に保護される、上記製品を提供することにある。
従属請求項は、本発明の特に有利な実施形態に関するものである。
本特許出願の枠組み内で、前記不純物については、かかる元素は、CuおよびNiで構成された本発明の合金中に恐らく存在するものと考えられるが、本質的に、高温腐食に対する保護にいかなる影響もないものと理解される。本質的に高温腐食に対する保護にいかなる影響も与えない個々の不純物は、例えば0〜3重量%(特に例えば2重量%未満、とりわけ1重量%未満)のFe、および/または、不純物は、例えば0〜3重量%(特に例えば2重量%未満、とりわけ1重量%未満)のMn、および/または、不純物は、例えば0〜3重量%(特に例えば2重量%未満、とりわけ1重量%未満)のCo、および/または、不純物は、例えば0〜3重量%(例えば2重量%未満、とりわけ1重量%未満)のSi、および/または、不純物は、例えば0〜3重量%(特に例えば2重量%未満、とりわけ1重量%未満)のZn、および/または、不純物は、例えば0〜3重量%(特に例えば2重量%未満、とりわけ1重量%未満)のAl、および/または腐食の保護に関して問題とならない僅かな量のその他の不純物であるかも知れない。
本発明の高温腐食保護手段は、様々な周知の高温腐食機構に関して広範な用途に用いられることが判明したので、最も変動する作動条件下および非常に異なった化学的環境で、数百℃から、例えば200℃〜900℃の高温、更に1200℃超、更には1400℃超の幅広い温度範囲にわたって、CuおよびNiの合金から成る高温腐食保護手段を高温腐食の防止または低減化に有利に用いることができる。このように、高温腐食保護手段は、大型ディーゼルエンジンの部品等の製品の保護に好適であるばかりでなく、むしろ、構成部材すなわち機械の構成部材等の製品が、侵攻性化学境界条件下でも高温腐食からの危険に曝される全ての技術分野において、有利に効果的に利用できる。
この構成において、高温腐食保護手段である合金は、別の場合では、最大で95重量%(特に10〜80重量%、とりわけ70重量%)のCu、を含み、残部が不純物を除きニッケルから成る。
必要に応じて、Cuおよび/またはNiを特定の割合に選択することにより、高温腐食保護手段を本発明製品に対して最適化することができる。
この点に関して、腐食保護層および製品自体の材料損(stock removal)は、それぞれ容易に得られる量であり、各種被膜の保護効果を質・量共に従来のものと比較して非常に良好なものとすることができる。
使用した実験装置は、サンプルを収容する直径70mmの石英結晶管を有する水平管式オーブンから成る。ガス供給部を介してサンプル用空洞部にガスが供給され、実験雰囲気として十分に明確なガス組成が調整可能となるように、ガス供給部は給湿手段を備えている。
実験雰囲気は、基本的に水分含量10容量%の空気(N2−21%O2)を含んでいた。大型ディーゼル燃焼機関の燃料として使用されている重油燃料の燃焼から生じる寄与をシミュレーションするために、次の組成を有する灰分の人工混合物が規定された:質量分率2のNa2CO3、質量分率8のV2O6、質量分率1.5のCaSO4。
表1は、前記実験条件下での580時間の腐食衝撃(corrosion impact)後に、Cu−30Ni被膜(技術的に重要でない不純物を除き、70%の銅および30%のニッケルから成る)およびNi−30Cu被膜(技術的に重要でない不純物を除き、70%のニッケルおよび30%の銅から成る)が、それぞれほんの僅かな材料損を示し、それ故に最高の耐食性を示すことが判明したことを明確に示している。
580時間後の上記Ni−30Cu合金およびCu−30Ni合金はそれぞれ僅か0.055mmおよび0.06mmの材料損を示したが、純クロムまたは純ニッケル被膜、Ni−Cr合金たるNi−50Crの材料損は、同じ実験条件下で少なくとも2倍であり、16CrMo4 4化合物に関しては20倍であった。このように、表に掲載した全ての材料について、実際、大型ディーゼルエンジンにおけるピストン構造体に使用されている材料16CrMo4 4と比較して、有意な耐食性の改善を達成できたことは明らかである。
このように、70重量%のNiおよび30重量%のCuから成る組成は、ピストン表面、注入弁、ガス交換弁、シリンダ壁、または、排ガスターボ過給機の構成部材等の排気系の構成部材の保護など、大型ディーゼルエンジンにおける構成部材の保護に特に有利であることが判明した。
高温腐食保護の合金が70重量%のCuおよび30重量%のNiから成る場合は、高温腐食保護に関して比較的良好な結果を達成し、純粋なNi−Cu合金がNi/Cuの広範な濃度において優れた高温腐食保護手段をもたらすことを示している。
このように、表1に掲載されたものとは別のニッケルに対する銅の比も都合良く用いられ得ることは明らかである。
好ましくは、前記構成において、製品表面の高温腐食保護手段は、表面層として、特に、鑞接、溶接、熱間等静圧プレス、噴射とりわけ溶射、機械的接合、もしくは溶融法によって塗布されるか、または好適なその他のあらゆる方法でもたらされる。
先に説明したように、製品は、必ずしもそうではないが、特に、燃焼機関とりわけ大型の2サイクルディーゼルエンジンの燃焼系における構成部材であり、好ましくは、ピストン、ピストンリング、ガス交換弁、噴射ノズル、燃焼室を形成する構成部材、あるいは、例えば、シリンダおよび/またはシリンダカバー、またはターボ過給機の構成部材とりわけターボ過給機のタービン、または排気供給ダクトまたは排気排出ダクト等の、燃焼室に取り付けられるかまたは組み込まれる構成部材である。
別の場合では、製品は、タービンの構成部材、特にガスタービンの燃焼室もしくはタービン羽根、または、焼却プラント、特にゴミ焼却プラントの構成部材、とりわけ焼却プラントにおける燃焼室もしくは排ガス系の構成部材とすることができる。
本発明は、また、高温腐食に対して製品を保護する原則として公知の合金の使用方法に関する。すなわち、製品の表面に対して、不純物を除きCuおよびNiのみから成る合金を使用する高温腐食の保護が提案される。
この点に関して、高温腐食の保護として、最大で95重量%のNi、特に10〜80重量%のNi、とりわけ70重量%のNiを含み、残部が不純物を除きCuから成る合金の使用、および/または、高温腐食の保護の合金が、最大で95重量%のCu、特に10〜80重量%のCu、とりわけ70重量%のCuを含み、残部が不純物を除きNiから成る合金の使用は、特に有利であることが判明した。
別の使用方法によれば、製品自体を高温腐食保護の合金で形成することができるので、例えば製品の被膜は必ずしも本発明のCu−Ni合金の別個の層が必要でない。というのは、製品自体、それ故にその表面が適当なNi−Cu合金から成るからである。
本発明の高温腐食保護手段は、様々な周知の高温腐食機構に関連して広範な用途に用いられることが判明したので、最も変動する作動条件下および非常に異なった化学的環境で、数百℃から、例えば200℃〜900℃の高温、更に1200℃超、更には1400℃超の幅広い温度範囲にわたって、CuおよびNiの合金から成る高温腐食保護手段を高温腐食の防止または低減に有利に用いることができる。
たとえ、例えば先に示したような特例において、70/30のNi/Cu比が高温腐食の保護手段に関して非常に良好な結果をもたらすとしても、高温腐食に対する保護として、上記以外のCu/Ni比を有利に用いることも特殊な場合には可能である。
本発明の高温腐食保護手段は、大型ディーゼルエンジンの部品等の製品の保護に好適であるばかりでなく、むしろ、構成部材すなわち機械の構成部材等の製品が、侵攻性化学境界条件下でも高温腐食からの危険に曝される全ての技術分野において、有利に効果的に利用することができる。
Claims (15)
- 高温腐食に対する保護手段を含む製品であって、前記製品の表面が、不純物を除きCuおよびNiで形成された合金から成る高温腐食保護手段を有し、前記製品が大型ディーゼルエンジンの燃焼系の構成部材であることを特徴とする製品。
- 前記高温腐食保護手段の合金が、最大で95重量%のNiを含み、残部が不純物を除きCuから成る請求項1に記載された製品。
- 前記高温腐食保護手段の合金が、最大で95重量%のCuを含み、残部が不純物を除きNiから成る請求項1または請求項2に記載された製品。
- 前記高温腐食保護手段が、前記製品の表面に表面層として設けられる請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載された製品。
- 前記製品が、前記高温腐食保護手段の合金から成る請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載された製品。
- 前記製品が、ピストン、ピストンリング、ガス交換弁、噴射ノズル、燃焼室を形成する構成部材、あるいは前記燃焼室に取り付けられるかまたは組み込まれる構成部材である請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載された製品。
- 前記製品が、シリンダおよび/またはシリンダカバーである請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載された製品。
- 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載された製品を有する往復動ピストン燃焼機関。
- 高温腐食に対する製品の保護のための合金の使用であって、前記合金は前記製品の表面に高温腐食保護手段として使用され、前記高温腐食保護手段は不純物を除きCuおよびNiから成り、前記製品が大型ディーゼルエンジンの燃焼系の構成部材であることを特徴とする合金の使用。
- 前記高温腐食保護手段の合金が、最大で95重量%のNiを含み、残部が不純物を除きCuから成る請求項9に記載された合金の使用。
- 前記高温腐食保護手段の合金が、最大で95重量%のCuを含み、残部が不純物を除きNiから成る請求項9または請求項10に記載された合金の使用。
- 前記高温腐食保護手段が、前記製品の表面に表面層として設けられる請求項9から請求項11までのいずれか一項に記載された合金の使用。
- 前記製品が、前記高温腐食保護手段の合金で形成される請求項9から請求項11までのいずれか一項に記載された合金の使用。
- 前記製品が、ピストン、ピストンリング、ガス交換弁、噴射ノズル、燃焼室を形成する構成部材、あるいは前記燃焼室に取り付けられるかまたは組み込まれる構成部材である請求項9から請求項13までのいずれか一項に記載された合金の使用。
- 前記製品が、シリンダおよび/またはシリンダカバーである請求項9から請求項14までのいずれか一項に記載された合金の使用。
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