JPH05171340A

JPH05171340A - 耐食性と耐摩耗性に優れたＮｉ−Ｗ合金

Info

Publication number: JPH05171340A
Application number: JP34421691A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Okada; 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: 1993-07-09
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JP2776103B2

Abstract

(57)【要約】【構成】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：1
0.0〜19.5％、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％およびTi： 3.0
〜10.0％のうち１種または２種を含有し、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 ％、
Ｓは0.010 ％以下であるNi−Ｗ合金。さらに、各々0.01
％以下のMg、Ca、Ｙ、La、Ce、およびＢを１種以上含有
することができる。【効果】常温から高温に至る領域において、優れた耐食
性と耐摩耗性を兼ね備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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遙かに凌ぐ。
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％およびTi：
3.0〜10.0％のうち１種または２種を含有し、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】

【作用】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、かつ室温における靱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靱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、前記のようにNb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、
また靱性も劣化する。

【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、室温靱性も劣化するが、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、靱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、10.0％を超えると脆化相が析出し靱性が
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靱性
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、靱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およびTi：Nbは合金の融点を比較的高温
に維持し、金属間化合物(Ni₃Nb) 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。Tiもまた前記Nbのように金属間化合物(Ni₃Ti) 、炭
化物・窒化物としてもそれぞれ析出・分散し、高温強度
および耐摩耗性の改善に寄与する。しかし、いずれも
３.0％未満ではその効果はない。Nbが15.0％を、Tiが1
0.0％をそれぞれ超えると合金の融点低下および脆化相
析出を招き、延性、靱性さらに加工性も劣化する。した
がってNbは３.0％から15.0％、Tiは３.0％から10.0％が
適正範囲である。

【００２８】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。したがって室温靱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。

【００２９】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。

【００３０】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、室温における靱性および高温延性
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。

【００３１】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。

【００３２】

【実施例】表１(1) 〜表１(3) 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、φ50〜100mm の丸鋼または25mm厚の板材に鍛造加工
し、1050〜1200℃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とNo.13 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(1) およ
び表１(2) のNo.1〜35が本発明合金であり、表１(3) の
No.36〜51が比較合金である。また表１(3) の No.52〜
54が従来合金であり、 No.52がステライトに、 No.53が
アロイ600 に、No.54 がアロイ718 に、それぞれ相当し
ている。

【００３３】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
法による靱性、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2(1)〜表2(3)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。

【００３４】表2(1)〜表2(3)から明らかなように、本発
明合金については、室温硬さおよび靱性の最低値がそれ
ぞれ39.6、1.2kgf-m/cm²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、靱性はアロ
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基合金より遙かに
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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】

【表１（１）】

【００３９】

【表１（２）】

【００４０】

【表１（３）】

【００４１】

【表２（１）】

【００４２】

【表２（２）】

【００４３】

【表２（３）】

【００４４】

【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。

【００４５】

Claims

【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％お
よびTi： 3.0〜10.0％のうち１種または２種を含有し、
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。