JPH0539570A - 耐食・耐摩耗性に優れた金属材料およびその製造方法 - Google Patents

耐食・耐摩耗性に優れた金属材料およびその製造方法

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JPH0539570A
JPH0539570A JP5898191A JP5898191A JPH0539570A JP H0539570 A JPH0539570 A JP H0539570A JP 5898191 A JP5898191 A JP 5898191A JP 5898191 A JP5898191 A JP 5898191A JP H0539570 A JPH0539570 A JP H0539570A
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JP
Japan
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alloy
wear resistance
corrosion resistance
resistance
metal material
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JP5898191A
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Kazuo Yamanaka
和夫 山中
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】重量%で、Cr:13〜35%、Ni:40〜87%を含有
し、残部がFeおよび不純物で、不純物中のTiが 0.5%以
下である合金からなり、その表面に厚さ1000Å以上のNi
3Ti(γ′) 主体の金属間化合物析出層を有する耐食・耐
摩耗性に優れた金属材料、および、前記の合金に対し、
予め1017〜1019個/cm2のTiをイオン注入し、次いで酸素
ポテンシャルの低い雰囲気下で 600〜1000℃の温度で2
分〜50時間加熱保持する熱処理を施す前記の金属材料の
製造方法。 【効果】この金属材料は、耐食性と耐摩耗性に優れた表
面層を有し、例えば原子炉の加熱器管や伝熱管に適用し
てフレッティング摩耗の生じやすい部分の耐久性を高め
ることが可能である。この材料は、材料自身の表面層の
みを改善したものであって、耐摩耗層の剥離や密着不良
の懸念が全くない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐食・耐摩耗性に優れ
た表面層を有する金属材料およびその製造方法、詳しく
は、高温高圧水環境下にある伝熱管などのフレッティン
グ摩耗部に用いられるNi基合金製の金属材料の表面に、
耐食性と耐摩耗性に優れた表面層を形成させた金属材料
およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高温高圧水環境下で用いられる加熱器管
や伝熱管、例えば、加圧水型原子炉(PWR)の蒸気発
生器伝熱管においては、管と支持板あるいは振れ止め棒
との間でフレッティング摩耗が生ずることがある。
【0003】図1は加圧水型原子炉(PWR)のU字管
式蒸気発生器伝熱管のU字管部の一部を示す概略図であ
る。同図において、多数配設された伝熱管1の振動振れ
防止のために振れ止め棒2が各管1の間に取り付けられ
ている。この振れ止め棒2と伝熱管1との間の主として
A部においてフレッティング摩耗が生ずることがあり、
伝熱管1が損耗するおそれがある。伝熱管1の材料とし
ては、現在Alloy 600(15%Cr−75%Ni−9%Fe)のよう
なNi基合金が使用されているが、伝熱管としての機能を
もたせるため管肉厚が 1.2mm程度と薄く、フレッティン
グ摩耗により減肉が生じるとプラントの運転に支障をき
たす事態にもなりかねない。
【0004】このため、現在では伝熱管と振動振れ止め
棒との隙間をできるだけなくするように設計面での配慮
がなされているが、完全な解決には至っていない。
【0005】このような問題に対して、例えば特開昭62
−167872号公報に示されるような手段、すなわち、蒸着
ターゲットと金属管の間に電界をかけた状態で蒸着ター
ゲットにレーザービームを照射し、耐摩耗性の優れたT
i、あるいは TiN等のセラミックスをコーティングする
方法の適用も考えられるが、コーティング膜が剥離しや
すいという問題があり、コーティング方法にも難点があ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な高温高圧水環境下で使用される伝熱管等のフレッティ
ング摩耗に対して、セラミックスコーティングなどを行
わずに耐食性と耐摩耗性の優れた表面層を得る方法を提
供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は、Tiをイオン
注入したNi基合金を高真空、あるいは高濃度の不活性ガ
ス雰囲気(但し、窒素を除く)のような低酸素ポテンシ
ャル雰囲気下で、 600〜1100℃の高温で加熱すると、合
金の表面層に微細なNi3Ti(γ′と呼ばれる)の金属間化
合物が析出し、合金表面層の強度 (硬度) が著しく上昇
して耐摩耗性が向上することを見い出した。
【0008】本発明はこの知見に基づいてなされたもの
で、その要旨は、下記の金属材料、およびのその金
属材料の製造方法にある(以下、「%」はすべて重量%
を意味する)。
【0009】 Cr:13〜35%、Ni:40〜87%を含有
し、残部がFeおよび不可避不純物で、不純物中のTiが
0.5%以下である合金からなり、その表面に厚さ1000Å
以上のNi3Ti(γ′) 主体の金属間化合物析出層を有する
ことを特徴とする耐食・耐摩耗性に優れた金属材料。
【0010】 Cr:13〜35%、Ni:40〜87%を含有
し、残部がFeおよび不可避不純物で、不純物中のTiが
0.5%以下である合金に対し、予め1017〜1019個/cm2のT
iをイオン注入する処理を施し、次いで真空度が10-4Tor
r以上の高真空下、あるいは濃度が99.99%を超える、窒
素を除く不活性ガス雰囲気下で、 600〜1000℃の温度で
2分〜50時間加熱保持する熱処理を施すことを特徴とす
る耐食・耐摩耗性に優れた金属材料の製造方法。
【0011】本発明(の発明)の金属材料、および本
発明方法(の発明)の対象となる合金は、13〜35%の
Crを含むNi基合金で、不純物として含有されるTiが 0.5
%以下のものである。その代表的なものを例示すれば、
Alloy 600 、Alloy 690 、ハステロイC−276 (いずれ
も商品名)などである。
【0012】Ni3Ti(γ′) 主体の金属間化合物析出層と
は、Ni3Ti(γ′) の析出量がマトリックスに占める面積
率で50%以上になっている層を意味する。なお、Ni3Ti
の外に、極くわずかながらNi3Al やNi3P等も析出する。
【0013】の発明の金属材料、あるいはの発明で
対象とするNi基合金の形状は、管、棒、板などいずれで
もよい。
【0014】
【作用】以下に、本発明(およびの発明)において
規定した諸条件の限定理由について述べる。
【0015】の発明の金属材料およびの発明で対象
とするNi基合金のCr含有量を13〜35%とした理由は、高
温高圧水の厳しい環境で用いられる原子力用伝熱管材料
は耐食性が大きいことが必要であり、耐食性を支配する
元素であるCr含有量が13%未満では要求される耐食性能
が得られず、一方、35%を超えると熱間加工性が著しく
悪くなり、熱間圧延が困難となるからである。
【0016】Niは Ni3Ti(γ′) を生成させるために必
須の元素であり、40〜87%の範囲で含有されていること
が必要である。Niの含有量が40%未満では耐摩耗性に必
要とされるに充分なγ′が生成しにくい。また、上限の
87%は、Cr含有量の下限 (13%) から決まるNi含有量の
最大限である。
【0017】の発明の金属材料およびの発明で対象
とするNi基合金は、CrとNiを上記の範囲で含有し、残部
がFeおよび不可避不純物からなるNi基合金である。不純
物としては、Tiの上限を抑えることが重要である。
【0018】Tiは合金の脱酸および熱間加工性の向上に
有効であり、不純物として含有されることは勿論、積極
的に添加してもよい。しかし、このようなTiの効果は
0.5%まででほぼ飽和する。後述するように、本発明で
は合金の表面に Ni3Tiの析出層を形成させるのである
が、合金自体が 0.5%を超えるTiを含むと、合金(金属
材料)全体に多量の Ni3Tiが析出分散することになっ
て、延性および靱性が低下し、実用材料としては使用す
ることができないものになってしまう。
【0019】の発明の金属材料の表面に形成されてい
る Ni3Ti(γ′) 主体の金属間化合物析出層の厚さは、
十分な耐摩耗性を確保するために1000Å以上であること
が必要である。厚さの上限は特に設ける必要はないが、
あまり厚いと、前記のTiが多量に含有された場合と同様
にその部分の延性が低下し、実用性に欠けるので、10μ
m 程度を上限とするのが望ましい。
【0020】Tiイオン注入量の下限を1017個/cm2とした
のは、1017個/cm2より少ないと耐摩耗性の確保に必要な
1000Å以上の厚さのγ′主体の金属間化合物析出層を形
成させることができないからである。一方、上限を1019
個/cm2としたのは、1019個/cm2 を超えて注入しても注
入の効果は飽和しており、処理コストが嵩むことになる
からである。
【0021】Tiイオンを注入する処理の望ましい条件
は、注入エネルギー 150〜300keV、電流密度8〜30μA/
cm2 で、特に望ましい条件は注入エネルギー 200keV 、
電流密度10〜15μA/cm2 、注入処理時間 100〜1000min
である。注入エネルギーが低いと所望の深さまでTiイオ
ンを打ち込みにくく、一方、注入エネルギーが高すぎる
と、材料表面にTiイオンが注入される際材料を構成する
NiやCr原子をはじき飛ばし、その結果、表面層に欠陥
(空孔) が多くなるので好ましくない。
【0022】Tiイオン注入処理を施した後、真空度が10
-4Torr以上の高真空下、あるいは濃度が 99.99%を超え
る、窒素を除く不活性ガス雰囲気下で、 600〜1000℃で
2分〜50時間加熱する熱処理を施す。その加熱温度は、
600℃未満ではNiの拡散速度が遅いため、Ni3Ti(γ′)
主体の金属間化合物を生成させるのに極めて長時間を要
し、経済的に好ましくない。また、γ′は、1000℃を超
える温度ではマトリックスに固溶してしまうから前述の
ような析出層が安定に生成しない。
【0023】加熱時間については、2分〜50時間の間で
適宜定めればよい。2分未満ではNiおよびTiの拡散量は
少なく、耐摩耗性に必要とされる1000Å以上の表面厚さ
を確保することができない。一方、長時間加熱してもそ
の効果は飽和すると共に、経済的にも好ましくない。
【0024】加熱時の雰囲気は、真空度が10-4Torr以上
の高真空、あるいは濃度が 99.99%を超える、窒素を除
く不活性ガス雰囲気にすることが必要で、真空度が10-4
Torrよりも低い場合、あるいは濃度が 99.99%以下の不
活性ガス雰囲気の場合、Tiイオンは雰囲気中のO (酸
素) と結合してTi酸化物 (TiO2やTi2O3)となり、所望の
Ni3Ti(γ′) 金属間化合物を生成させることが困難とな
る。
【0025】真空度は高い方が望ましいが、工業的な製
造を考えた場合、10-7Torr程度が上限となる。
【0026】不活性ガスの純度も同様の理由から99.999
%程度が純度の上限となる。なお、不活性ガスとしては
Ar(アルゴン) が安価で最も一般的であるが、 Ne(ネオ
ン)や He(ヘリウム) などでもよい。不活性ガスのうち
窒素を除くのは、注入したTiイオンがNと優先的に結合
してTiN となり、Ni3Ti が析出しなくなるからである。
【0027】
【実施例】表1に示す供試材を真空溶解法により溶製
し、鍛造後、熱間圧延および冷間圧延を行って厚さ3mm
の板材を作製した。次いで水素雰囲気中1100℃で固溶熱
処理を行い、エメリー紙で1200番まで研摩した。
【0028】これらの板材に対し、表2に示す条件でTi
イオン注入処理を行い、次いで真空あるいはアルゴン雰
囲気中で熱処理を施した後、 Ni3Ti主体の析出層の厚さ
の測定、耐摩耗性および高温水中での耐全面腐食性の調
査を行った。
【0029】Ni3Ti主体の析出層の厚さは、IMMA
(イオンマイクロアナライザー)によるNiとTiについて
の表面からの深さ方向の濃度分布、およびX線回折によ
る析出相の同定により求めた。
【0030】耐摩耗性の調査は、バウデン試験機を用
い、試験温度 280℃ (大気中) 、押付荷重5kgf/mm2、摺
動速度1mm/sec(ストローク10mm) 、繰返し数1000回の条
件で行った。
【0031】高温水中の耐全面腐食性は、 280℃の高温
純水中で1000時間の腐食試験を行い、腐食減量を測定し
て評価した。
【0032】延性は、常温引張試験を行い、伸び率を測
定して評価した。
【0033】調査結果を表2に示す。
【0034】試料 No.1〜12は本発明例であるが、摩擦
係数が0.30以下と低く、摩耗深さ0μm で耐摩耗性が極
めて良好である。また、高温水中の耐全面腐食性、およ
び延性にも優れている。
【0035】これに対し、イオン注入量が1017個/cm2
りも少ない試料 No.15、16や、熱処理時の雰囲気が適当
でない (酸素ポテンシャルが高い) 試料 No.17、18や、
熱処理時間が短い試料 No.13、14および No.21、22や、
熱処理温度が高すぎる試料 No.23、24では、耐摩耗性を
維持するために必要なNi3Ti(γ′) 析出層を確保するこ
とができず、耐摩耗性が不良である。また、合金自体の
Ti量が多い試料No. 25、26では、伸びが極端に低く実用
に供し得ない。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2−1】
【0038】
【表2−2】
【0039】
【発明の効果】本発明の金属材料は、耐食性と耐摩耗性
に優れた表面層を有し、例えば原子炉の加熱器管や伝熱
管の一部に適用してフレッティング摩耗の生じやすい部
分の耐久性を高めることが可能である。この金属材料
は、本発明方法を適用して、材料自身の表面層のみを改
善することにより製造することが可能で、そのため、剥
離や密着不良の懸念が全くない。
【図面の簡単な説明】
【図1】加圧水型原子炉(PWR)の蒸気発生器伝熱管
のU字管部の一部を示す図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、Cr:13〜35%、Ni:40〜87%を
    含有し、残部がFeおよび不可避不純物で、不純物中のTi
    が 0.5%以下である合金からなり、その表面に厚さ1000
    Å以上のNi3Ti 主体の金属間化合物析出層を有すること
    を特徴とする耐食・耐摩耗性に優れた金属材料。
  2. 【請求項2】重量%で、Cr:13〜35%、Ni:40〜87%を
    含有し、残部がFeおよび不可避不純物で、不純物中のTi
    が 0.5%以下である合金に対し、予め1017〜1019個/cm2
    のTiをイオン注入する処理を施し、次いで真空度が10-4
    Torr以上の高真空下、あるいは濃度が 99.99%を超え
    る、窒素を除く不活性ガス雰囲気下で、 600〜1000℃の
    温度で2分〜50時間加熱保持する熱処理を施すことを特
    徴とする耐食・耐摩耗性に優れた金属材料の製造方法。
JP5898191A 1991-03-22 1991-03-22 耐食・耐摩耗性に優れた金属材料およびその製造方法 Pending JPH0539570A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113702228A (zh) * 2021-09-01 2021-11-26 嵊州市浙江工业大学创新研究院 高温工况下u型传热管微动磨损实验装置
CN113811107A (zh) * 2020-06-11 2021-12-17 维达力实业(赤壁)有限公司 壳体的制备方法、壳体以及电子产品

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CN113811107B (zh) * 2020-06-11 2023-05-26 维达力科技股份有限公司 壳体的制备方法、壳体以及电子产品
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