JPH0317246A - 炭化チタンを使用した耐固体粒子浸食性の製品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、内部に炭化チタン粒子を分散させて或る耐固
体粒子浸食性、耐腐食性かつ耐酸化性の被膜または物体
に関するものである。

蒸気タービン装置においては、蒸気中に比較的小さな固
体粒子が存在してそれを汚染することがある。かかる固
体粒子は主として磁鉄鉱（Ｆｅ３０４）であると信じら
れてい゛Ｃ，当業者はそれらを「湯あか」と呼ぶことが
ある。これらの粒子は蒸気ボイラの管系およびそれに隣
接する配管に［ｌｌｌ来するものと考えられている。蒸
気タービンの起動特および通常運転時には、これらの粒
子は蒸気の流れにより蒸気タービン装置全体を通して運
ばれる。このような意味から、本明細書中では蒸気が「
汚染」されていると言う。装置中の蒸気流路内に位置す
る部品は固体粒子による浸食を受けるが、それは粒子の
速度、蒸気の圧力と温度、および蒸気流路内における部
品の配置に依存する。一般に、蒸気タービンの内部にお
いて高速で回転するタービン羽根は固体粒子による浸食
を受けるが、同じことはノズル隔壁、仕切板および蒸気
弁内の特定区域についても言える。弁棒および弁体は直
接に蒸気流路内に位置していて、個々の弁開閉操作に際
しては蒸気が音速にも達するため固体粒子浸食による影
響が著しい。かかる固体粒子浸食の問題はそれらの弁部
品の寿命に重大な影響を及ぼす。すなわち、現場で使用
されている弁の中には、固体粒子浸食のため、２〜３年
の運転期間後に交換や再研磨を行わなければならないも
のがあった。

とは言え、蒸気タービン系統中の個々の弁の予想寿命は
その他数多くの運転条件および装置特性に大きく依存す
るから、個々の弁の寿命に関して断定的なことを述べる
のは必ずしも適確でない。

冶金学の分野においては、炭化チタンは極めて硬くかつ
多くの種類の摩耗に耐えるものとして十分に認められて
いる。実際、炭化チタンを鋼母材と共に使川することに
よって工具鋼被膜が形成されてきた。かかる被膜中の鋼
はマルテンサイト組織を有するもので、たとえば金属基
体上に比較的薄い層をプラズマ溶射することによって設
置することができる。エリス（　Ｅ　ＩＩＩｓ）等の米
国特許第３８９６２４４号および同第３８８６６３７号
の明細書中には、かかる炭化チタンの工具鋼被膜が開示
されている。

上記米国特許第３，８８６，６３７に開示された加工方
法によれば、彼膜材料を予備的に合金化して、マルテン
サイト構造を含む鋼母材の全体に分散した主に炭化チタ
ンからなる丸みをおびた粒子が確実に存在するようにす
る。

また、アメリカ合衆国ニュージャージー州ティントンフ
ォールズ市所在のメタラージカル・インダストリーズ社
（Ｍｏｔａｌｌｕｒｇｌｅａｌ　Ｉ　ｎｃｌｕｓｔｒ１
ｅｓ　Ｉｎｃ．　）のティーコート（ＴＩ　Ｃｏａｔ　
）　Ｔ−９　２に関するパンフレット中には、高クロム
合金母材中に炭化チタン粒子を分散させて成りかつプラ
ズマ輸送アーク溶接法によって設置される披膜または溶
接物が開示されている。このティーコートＴ　−９２は
１回のバスで０．３ｃｍ（１／８インチ）の厚さにまで
設置することが可能であって、グリットブラスト作業に
おいて使用されるチルド鋳鉄グリットによる浸食性摩耗
に耐える鋼ライナとして使用することが推奨されている
。メタラージヵル・インダストリ・−ズ社のティーコー
トＴ−９３に関する別のパンフレット中には、この炭化
チタン彼膜または溶接物がプラズマ輸送アーク溶接法に
よって１回のバスで０．　　４　８ｃｍ　（３／　１　
６インチ）の厚さにまで設置されることが規定されてい
る。

多重バス溶接操作によると、前に施こした溶接物の上部
表面に向かって炭化チタンが浮き上がって移動し、これ
により表面に別の溶接物を接着させることが困難になり
、しかも、披膜全体について災化チタンの均一紅分散が
失われる結果となる。

前に施こしてあった溶接物のぬれ性を高める試みとして
、ケイ素及び／又はマンガンを添加することがある。し
かし、これらの添加剤は、オーステナイト型、パーライ
ト型、スフェロイダイト（ｓｐｈｅｒｅｏｌｄｌｔｅ）
型といった好ましくない構造を溶着金属に形成すること
を促進する。

かかる先行技術によって開示された炭化チタン被膜を蒸
気タービン部品（特に弁部品）の耐浸食層として使用す
ることは、かかる先行技術によって開示された披膜厚さ
の制限の点から見て適当でない。他方、炭化チタン被膜
よりも耐固体粒子浸食性に優れていることが実験的に証
明されている別種の被膜（たとえば炭化クロム披膜）も
ある。

しかるに、更に実験を続けたところ、ある柚の炭化チタ
ン被膜または付着層は炭化クロム被膜よりも厚く設置し
得ることが証明された。換言すれば、弁部品上に厚い炭
化チタン層を設置した場合には、耐浸食性のより大きい
炭化クロムの薄い層を設置した場合に比べて部品の寿命
は実質的に長くなるのである。更に、炭化チタン層の耐
摩耗性の程度を左右する要因は硬質の耐摩耗性母材中の
炭化チタンの分散の均一性にあると考えられる。また、
炭化チタンは密度が非常に小さいから、溶融状態の付着
層中において炭化チタンは表面に浮遊する傾向があるこ
とも当業界において認められている。

加えて、炭化チタン同士を結合している母材は炭化チタ
ン粒子に比べて優先的に浸食を受けることも冶金学者に
よって証明されている。これらの点を考慮すればわかる
通り、特定の炭化チタン表面層の耐固体粒子浸食性は、
炭化チタン粒子を金屈基体に付着させるために使用され
る方法および炭化チタン粒子同士並びにこれらを金属基
体に結合する母材の耐摩耗性に依存する。

勿論、披膜中に炭化チタンが一様に分散する程度は設置
方法によって決まる。もし彼膜の炭化チタンを設置過程
で融解させると、粒子の形状が丸みを罹びて、それの密
度の低下により沈積物の上方へ浮き上がりやすくなる。

マル（Ｍａｔ）の米国特許第４１９４９１０号明細書中
には、炭化チタン添加剤を含む焼結粉末金属製品が開示
されている。この特許明ｍ書中に開示されているのは、
１　０　（ｆｆＩＱ）％のＣｒｓ　２．　　９（重ｆｆ
ｉ）％の冷、０．８５（重量）％のＣおよび残部の鉄を
含有する鋼母材によって結合された炭化チタン粒子であ
る。また、プリル（　Ｐ　ｒｉｌｌ）等の米国特：′Ｅ
第３７１５７９２号明細書中には、高クロム合金母材中
に４５（容は）％のＴｉｃを含有する、粉末冶金技術に
よって焼結された耐摩耗性合金が開示されている。ここ
に開示された母材の１種は２０（重量）％のＣｒ，　０
．　　８　（重量）％のＣおよび残部の鉄を含Ｈしてい
る。このような組成を用いた特定の実施例においては、
製造された合金を焼なましすることによってスフエロイ
ダイトを含有する顕微鏡紹織が生成され、次いでそれを
焼入れすることによってマルテンサイト母材が得られて
いる。その他の従来文献中にはまた、焼入れ母材中に分
散させた各種の炭化チタン合金がジェットの燃料ボンブ
や弁座に見られるような浸食に耐えることも述べられて
いる。しかしながら、これらの従来文献中にはＨＩ材の
化学組成や合金の組成が明確に規定されておらず、また
合金の処理法や得られた合金の冶金学的結晶構造も詳述
されていない。

発明の目的 本発明の目的の１つは、蒸気タービン部品川の耐固体粒
子浸食性彼膜を提供することにある。

また、蒸気タービンの蒸気流路内において使用すべき耐
固体粒子浸食性部品を堤供することも本発明の目的の１
つである。

さらに、従来技術を使って得られるものよりも母材合金
中に炭化チタンがより均一に分散してムる耐固体粒子浸
食性披膜をより厚く設置することも本発明の目的の１つ
である。

発明の概要 本発明の実施の一態様に従って述べれば、汚染粒子がも
たらす固体粒子に暴露される表面隣接領域を有しかつそ
の表面隣接領域を少なくとも０．６４ｃｍ（０．２５イ
ンチ）の深さにまで被覆している炭化チタン被膜を含む
耐固体粒子浸食性の製品が提供される。かかる炭化チタ
ン披膜は、高クロム鋳鉄母材中に比較的一様に分散させ
た約３０〜５０（重量）％の炭化チタン粒子を含有して
いる。かかる被膜はまた、オーステナイトまたはマルテ
ンサイトの結晶構造を示さない実質的に均質な粒団（ア
グリゲート；　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　）である。上記の
母材は約１５〜３０（重！）％のクロムおよび約１．５
〜５（重ｍ）％の炭素を含有し、かつ残部は主として鉄
である。上記の被膜はまた、金属組織学的に確認可能な
量の高クロム含量Ｍ７Ｃ３炭化物（Ｍは、７：３の割合
で炭素に結合している鉄とクロムの組を示す）をも包含
している。

本発明の別の実施の態様に従えば、蒸気タービン装置中
を流れる汚染蒸気がもたらす固体粒子浸食に暴露される
表面隣接領域を持った粉末金屈の合体物から成る製品が
提供される。この場合、−ヒ記合体物の表面隣接領域の
組成は炭化チタ〉・彼膜の組成と本質的に同じである。

本発明の要旨は、前記特許請求の範囲中に詳細かつ明確
に指摘されている。とは言え、本発明それ自体並びに上
記以外の目的や利点は添付の図面を参照しながら以下の
説明を読むことによって最も良く理解できよう。

発明の詳しい説明 一般的に言えば、本発明は蒸気タービン部品において見
られるような固体粒子浸食に耐える炭化チタン組成物に
関する。実施の一態様に従えば、かかる蒸気タービン部
品は（ａ）蒸気タービン装置中を流れる汚染蒸気がもた
らす固体粒子浸食に暴露される表面隣接領域を持った金
属基体および（ｂ）その基体の表面隣接領域上に設置さ
れた炭化チタン披膜から成る。なお、本明細書中で使用
される「披膜」および「層」という用語は同義である。

．Ｌ記の肢膜は、高クロム鋳鉄母材中に比較的一様に分
散させた約３０〜５０（重ｆｆｉ）％の炭化チタン粒子
、好ましくは約３５〜４５（重量Ｅ１）％のかとばった
炭化チタン粒子を含有している。

第１図は、炭化チタン被膜が実質的に均質な粒団である
ことを示す顕微鏡写真（ＩＯＯＸ）である。図中には、
様々な粒度および形状のかとばった炭化チタン粒子１０
、１２および１４が示されている。参照番号１６によっ
て示される高クロム鋳鉄母材は、炭化チタン粒子同士を
結合すると同時に、蒸気タービン部品の被覆される金属
基体（図示せず）に粒団を結合している。なお、かかる
炭化チタン彼膜は蒸気タービン部品の表面隣接領域を少
なくとも０．６４ｃ＋ｎ（０．２５インチ）の深さにま
で被覆していることが好ましい。本願発明に従う被覆は
、その製遣に際してかとばった炭化チタン粒子を溶融す
ることがないので、相当に大きな厚みまで形成できる。

第２図は、第１図と同じ炭化チタン組成物の倍率４００
Ｘの顕微鏡写真である。炭化チタン粒子２０および２２
が高クロム鋳鉄母材中に分散している。粒子２０は参照
番号２４によって示される金屈組織学的な汚染物を含む
ものと信じられる。

参以（番号２６は炭化チタン組成中の気孔または空隙を
指すが、かかる炭化チタン領域について粉末金属の合体
が局所的に不完全であることに由来するものである。参
照番号３０は金属組織学的に確認可能な高クロム含ＷＭ
７Ｃ３炭化物を示している。ＭｙＣ３炭化物とは当業名
にとって周知である１群の化合物を指すのであって、詳
しく言えば、Ｃｒｙ　Ｃ３　、Ｃｒ４Ｆｅ３　Ｃ３　、
Ｃｒｓ　Ｆｅｚ　Ｃ３またはＣｒ＋　Ａ６　Ｃ３　　（
式中のＡは未特定の元素である）のごとき炭化物が挙げ
られる。Ｍ７Ｃ３炭化物はまた、式Ｃｒｘ　Ａｙ　０３
　　（ただし、ｘ＋ｙｍ７である）によっても表わされ
る。

フェライト（Ｆｅ）すなわちアルファ鉄は第２図中の参
照番号３２によって示されている。当業界において周知
の通り、高クロム鋳鉄母材は高クロム含ＱＭ７Ｃ３炭化
物３０およびフェライト３２の両方を包含するものと考
えられる。

高クロム鋳鉄母材は約１５〜３０（重量）％のクロムお
よび約１，５〜５（重量）％の炭素を含有し、かつ残部
は主として鉄である。かかる母材はまた、表示量の鵬お
よび表示量のＷ並びに当業者にとって周知であるその他
の痕跡元素を含有することもある。たとえば、肋及びＷ
についてはそれぞれ約２％以下、ＮＬやＣＯのような他
の痕跡元素については約１％以下である。母材は炭化チ
タン粒子に比べて優先的に浸食を受けるから、クロムお
よび炭素の量はかかる組成物にとって重要である。

好ましくは少なくとも０．６４ｃｍ（０．２５インチ）
の深さ（もっと薄い彼膜でもかまわない）の炭化チタン
被膜を得るための万法としては、粉末金属合体技術を使
用することが好ましい。かかる合体技術の１つは、粉末
金属の熱間等圧圧縮として当業界で知られている。第１
および２図に示された炭化チタン組成物は粉末金属合体
技術によって製造されたものである。炭化チタン粒子の
好適な含量範囲は３０〜４０（重量）％である。炭化チ
タン粒子の含量が３０（重量）％未満であると、目的と
する炭化チタン組或物に、耐固体粒子浸食性及び耐酸化
性といった所望の特性が付与されない。しかし、それが
５０（重量）％を越えると、得られる組成物は極めて脆
くなるため、取扱い、機械加工および蒸気タービン部品
としての使用が困難になることが実験的に証明されてい
る。

粉末金屈合体技術の一例としては、１２０４゜Ｃ（２２
００″Ｆ）および１　０　５　５ｋｇ／ｃｊ　（　１　
５ｋｓｌ　）の条件下に於ける熱間等圧圧縮が挙げられ
る。

粉末金属合体技術では粉末を一諸に焼結する。

初期の粉末混合（ブレンド）を注意して行なって母材材
料粉末全体に亘って炭化チタン粉末を均一に分散させ、
かつ合体温度からの冷却速度を適当に制御すると、得ら
れる粒団は実質的に均一でフェライトであり、しかも全
体に亘ってオーステナイトまたはマルテンサイトの結晶
構造を示さないことが確実となる。このことと既知の被
膜および溶着金属（ｖｅｌ．ｄ　ｄｅｐｏｓｉｔ）との
相違点は重要である。すなわち、フェライト母材（特に
微ＩＩＩ　ｔ　Ｍ　ｙＣ３高クロム炭化物の析出物）は
その組成物全体としての耐固体粒子浸食性および耐酸化
性に著しい寄与をすると考えられるからである。炭化チ
タン粉末と母材粉末は粉末金属合体技術によって直接金
属基体上に設けることができるであろうし、あるいは、
出発材料の混合粉末を合体させた後蒸気タービン部品な
どのような所望の形態に機械加工することもできよう。

本発明に従う彼覆の製造方法の１例を以下に述べる。す
でに述べた組成を有する高クロム含有鉄母材はあらかじ
め合金化されており、およそ−１００メッシュ（好まし
くは−１４０メッシュ＋１０ミクロン）の粉末の形態で
入手できる。一方、角張った炭化チタンは通常炭化チタ
ン塊を機械的にくだいてから、ふるいにかけて、約−１
００メッシュ（好ましくは−１４０メッシュ＋１０ミク
ロン）の粉末の形態で入手できる。これらの粉末を機械
的に混合して実質的に均一な粉末混合物を形成する。母
材粉末と炭化チタン粉末は同じサイズである必要はない
。実際、炭化チタン粉末が上記のサイズの範囲内で母材
粉末より大きいと望ましいことがある。こうして混合さ
れた粉末は、保護すべき基体上に熱間等圧圧縮によって
合体させられる。その際の温度（すなわち合体温度）は
、母材合金のオーステナイト化温度より充分高く（すな
わち、およそ１０９３℃（２　０　０　０″Ｆ）以上）
、鉄の融解温度より低く、好ましくはおよそ１１７７℃
（２　１　５　０下）からおよそ１２３２℃（２　２　
５　０”Ｆ）まで、さらに好ましくはおよそ１２０４℃
（２　２　０　０″Ｆ）である。またこれは、約７　０
　０〜１　４　０　０ｋｇ／ｃｊ　［１　０〜２　０ｋ
ｓ　ｉ　　（数千ボンド／平方インチ）］、好ましくは
約１０５５ｋｇ／ｃＪ　（１　５ｋｓ　ｉ）の圧力のア
ルゴンまたはヘリウムなどの不活性雰囲気中で約３〜６
時間、好ましくは約４ＤＩ間の間行なわれる。すなわち
、均一な粉末は加熱と同時に加圧される。充分な塗装密
度と基体への完全な接合が得られる。重要なことは、こ
の合体および接合過程は全体を通じて固体状態で行なわ
れるということである。そうすれば、炭化物の分散は均
一でしかも炭化物粒子の角張った形状はそのまま保持さ
れる。すなわち、混合した粉末の戊分が融解することは
ムく、したがって角張った炭化チタンが融解してその縁
や表面が丸みを帯びて浮遊したりまたは移行したりする
こともない。さらに、母材或分はおよそ１０９３℃（２
０００下）の温度以上では完全にオーステナイト化され
ている。

この合体された被膜が設けられた基体を、母材の鉄が最
終的にフェライト構造をとるような冷却速度以下の速度
でゆっくり室温まで冷却する。この冷却速度は約８℃／
分以下が好ましく、約５℃／分がさらに好ましい。冷却
の間に高クロム鉄母材成分は、クロムと鉄に富んだ母材
または二次炭化物の微細で均一な分散状態を形成する。

これらの母材炭化物は結晶学」二Ｍｙｃ３と考えられる
。

ただし、Ｍは７：３の比で炭素に結合している鉄原子と
クロム原子の合計を表わす。すなわち、（Ｃｒ，　Ｆ＠
）　ｙ　Ｃ３である。母材炭化物の望ましい組成は、高
クロム鉄中のクロム対炭素の比をクロム：炭素の重量分
率で約４：１から約１０：１、好ましくは約８＝１まで
変化させることによって確かめることができる。この限
界の外では作業しないことが聖ましい。なぜならば、ク
ロム対炭素の比がこれより高いかまたは低いと、Ｍ７Ｃ
３炭化物以外の炭化物およびその他のあまり望ましくな
い金属柑が生じることがあるからである。

望ましい母材炭化物の生成と合体温度からの規定された
冷却速度とが相俟ったことの重大な結果は、（ＭｙＣ３
母材炭化物の形成後の）母材合金中に残留する鉄の冶金
学的な相はα鉄（フェライトと同じ。すなわち、休心立
方型粘晶構造）であるということである。したがって、
マルテンサイトおよびオーステナイトの生成は有効に排
除されており、得られる組成物は応力を緩和したりまた
は安定性を高めたりするための焼き戻し処理を必要とし
ない。したがって、本発明の高クロム鉄母材は、ふたつ
の相、すなわち、フェライト鉄とその全体に亘って均一
に分散している比較的小さくて微細なＭ７Ｃ３母材炭化
物とからなる。大きめの角張った炭化チタン粒子は高ク
ロム鉄母材の全体に亘って均一に分散しており、またそ
の母材によって支持されている。

本発明の複合被膜は、高温の汚染されたタービン流路を
シミュレートする実験室での試験において、酸化と固体
粒子浸食に対して優れた抵抗性を示す。フェライト母材
のおかげで、本発明の被膜はフェライト基体との相溶性
が非フェライト母材の場合よりよくなっている。すなわ
ち、被膜と基体との組或安定性および熱膨張適合性が改
良されている。これは、蒸気タービン部品の披覆に特に
有益である。このような部品の多くは主要む金属成分が
フェライトであるのが典型的である。

望ましい耐固体粒子浸食性と耐酸化性をもつ蒸気タービ
ン部品を提供するには、被膜または粉末金属合体技術に
よって合体した物体の全体に亘って角張った炭化チタン
粒子が均一に分散していなければならないと考えられる
。さらに、本発明に従う被膜材料の付加的な層を受領す
るべき既成の層を調製するのに、ケイ素やマンガンなど
のような湿潤剤は必要ない。また、本発明による加工処
理中には、角張った炭化チタンの融解が、すでに述べた
浮遊および濡れの問題を伴って起こらないので、本発明
の被膜で得られる厚みに関しては、いかなる制限も今ま
での所見られてないし、また、見られることはないと思
われる。

上記の場合と実質的に同じ炭化チタン組成物のプラズマ
アーク溶接物を粉末金属合体物と比較する実験を行った
ところ、固体粒子浸食試験に際して顕著な差異は認めら
れなかった。なお、望ましい耐固体粒子浸食性を持った
蒸気タービン部品を得るためには、被膜または粉末金属
合体物中に炭化チタン粒子を一様に分散させなければな
らないものと信じられる。

前記特許請求の範囲は、当業者にとって容易に明らかと
なる変更例および同等物の全てを包括することを意図し
たものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施の一態様に基づく炭化チタン組成
物の金属組織断面の顕＠鏡写真（倍率１００Ｘ）、そし
て第２図は同じ炭化チタン組威物の金属組織断面の顕微
鏡写真（倍率４００Ｘ）である。 図中、１０、１２および１４は炭化チタン粒子、１１３
は高クロム鋳鉄母材、２０および２２は炭化チタン粒子
、２６は気孔または空隙、３０は高クロム含ｍＭｙｃ３
炭化物、モして３２はフェライトを表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１５〜３０（重量）％のＣｒおよび１．５〜５（重
   量）％のＣを含有し、残部が基本的にはＦｅである母材
   合金中に３０〜５０（重量）％の炭化チタン粒子を分散
   させた組成物。 ２、鉄分が実質的にフェライトの形態をとり、前記母材
   合金がＭ＿７Ｃ＿３炭化物（Ｍは、７：３の割合で炭素
   に結合している鉄とクロムの組を示す）を含む特許請求
   の範囲第１項記載の組成物。 ３、前記母材合金に含まれるクロム炭化物が、Ｃｒ＿７
   Ｃ＿３およびＣｒ＿ｘＡ＿ｙＣ＿３（Ａは鉄、コバルト
   、ニッケル、タングステンおよびモリブデンからなる群
   から選択され、ｘ＋ｙ＝７である）からなる群から選択
   される特許請求の範囲第２項記載の組成物。４、炭化チ
   タンがかど張った炭化チタンの形態をとる特許請求の範
   囲第１乃至３項のいずれか記載の組成物。