JPS5835586B2 - 耐摩耗性ニツケルベ−ス合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐摩耗性ニッケルベース合金に関するものであ
り、特に最小量のコバルト、タングステン及び鉄を含ん
だニッケルベース合金に関するものである。

コバルトベース合金は固有のすぐれた耐摩耗性を有して
いる。

しかしながら、コバルトの入手が不確実であり且つコバ
ルトは高価であるために、産業界はこの特性を得るため
の別の金属を見つけることを余儀無くされてきた。

高い耐摩耗性を備えるように意図された多くのニッケル
ベース合金が特に開発されてきた。

表１には耐摩耗用途に用いる代表的特許合金並びに市販
合金がまとめて示されている。

尚、表は本明細書の末尾に一括して示されている。

また特にことわらない限り、本明細書及び特許請求の範
囲に示す全ての組成は重量幅であられされている。

ニッケル合金をコバルト合金とくらべた場合、これ迄の
ニッケルベース合金は耐摩耗特性及び機械的特性におけ
る欠点の故に工業界の全てのニーズを満たすものではな
かった。

この理由の故に、多くのニッケルベース合金はこれらの
ニーズを満たすように作られなければならない。

新しいニッケルベース合金間の差異はわずかなものかも
しれない。

というのはこれらのニッケルベース合金は特定の使用条
件下において必要とされるある種の特性の組合せを備え
るように開発されるのが常だからである。

前記コバルト合金は所望の耐摩耗特性を与えるのに有効
量のクローム及びタングステンを含有している。

タングステンの値段が高く、供給量が不足しているため
にタングステンは輸入せねばならず、その結果外国貿易
の状態に悪影響を及ぼすという点で問題は更に複雑とな
ることがわかる。

かくて、本質的にタングステンを含有しないか又は最小
量のタングステンしか含有しない耐摩耗性ニッケルベー
ス合金に対する切迫した必要性が存在している。

従来技術における合金は組成を変化させることによりあ
る種の特定の特性を与えるか又は高めるように作られて
きた。

米国特許第４，１１８，２５４号明細書は耐腐蝕性並び
に耐摩耗性をあわせもつ低融点（１３００〜１３５０℃
）合金を開示している。

米国特許第４，１１３，９２０号明細書は工具を被覆す
るための複合合金を提供すべくマトリックス合金と混合
された金属粉末を開示している。

米国特許４，０７５，９９９号明細書は耐高温性部品に
対するコーティングとして用いられるクローム、炭素及
びモリブデン含有のニッケルベース合金を開示している
。

米国特許第４，１３０，４２０号明細書は特に溶融ガラ
スに対する耐腐蝕性にすぐれたタングステン、コバルト
及びモリブデン含有のニッケルークロームベース合金を
開示している。

米国特許第４，０９３，４５４号明細書はクローム、タ
ングステン及びコバルト含有のニッケルベース合金から
焼結部品を作るためのプロセスを開示している。

表１にかかげた従来技術合金の各々の一般的特徴は硬度
が高いということである。

しかしながら、従来技術合金の全てが良好な高温硬度特
性を有している訳ではない。

これらの合金の多くは殆んど延性を有していないのでそ
れらの用途は高い衝撃応力や引張り応力を生じないよう
な用途に限定されてしまう。

組成が種々異なるために、従来技術の合金は種々の腐蝕
性媒体下における耐腐蝕性の程度が種々変動する。

更に、従来技術合金の耐摩耗性の程度は出会う摩耗のタ
イプかアブレシブ摩耗（ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｅａｒ）
であるか凝着摩耗（ａｄｈｅｓ ｉｖｅ ｗｅａｒ ）
であるかによって変動する。

前述の従来技術の合金は一般的に言って、コバルト、タ
ングステン、モリブデン及び他金属の１つ又はそれ以上
をかなりの量含んでいる。

これらの金属はそれらの戦略的重要性の故に極めて高価
となるか及び／又は供給量が不足している。

前記従来技術合金の各々の一般的特徴は例えば高室温硬
度、高温硬度、耐腐蝕性又は衝撃強度のような顕著な工
学的特性の１つ又は２つを有していることである。

産業用及び商業用物品の摩耗の問題は最近広く知られる
ようになってきた。

我々は種々のタイプの摩耗に耐える合金に対する必要性
に気付いてきた。

最近にいたる迄、硬度のみが摩耗に対する対抗手段であ
ると一般に信じられてきた。

即ち硬い材料は耐摩耗性材料であり、材料が硬い程耐摩
耗性も増大するものと考えられていた。

この考え方は新しく開発された摩耗試験方法によりくつ
がえされた。

即ち例えば凝着摩耗及びアブレシブ摩耗の如く種々のタ
イプの摩耗について試験しなければならないことが判明
した。

更に、幾つかの合金は凝着摩耗には強いがアブレシブ摩
耗には弱いということ、かつ又その逆も真であることが
判明した。

凝着及びアブレシブ摩耗試験については後で説明する。

本発明の主たる目的はすぐれた摩耗特性を有するニッケ
ルーベース合金を提供することである。

本発明の別の主たる目的は任意選択的に最小量のタング
ステンを含有することのできる耐摩耗性ニッケルベース
合金を提供することである。

本発明の更に別の目的は衝撃強度、耐腐蝕性及び高温強
度を含む望ましい工学的特性の組合せを有する耐摩耗性
ニッケルベース合金を提供することである。

これらの目的及び他の目的は表２及び表３に示すような
本発明の合金によって与えられる。

表２は本発明の合金の組成の範囲を開示している。

表３は本発明の例として準備されテストされた合金の組
成をかかげている。

本発明によれば、重量φであられして２５．５から２９
優までのクロームと、４．３から７多までのモリブデン
と、０，７９から１．８４％までのケイ素と、０．７５
から１．２９φまでの炭素と、０．４から０．８２まで
のボロンと、前記モリブデン含有率の７２迄のタングス
テンと、３．２％までの鉄と、１．０％までのマンガン
と、３．０１φ迄の銅と、５多迄ノコバルトと、残部の
ニッケル及び付随的不純物とから成り、こ＼において炭
素対ボロンの比率が４：１と４：３の間にあって、衝撃
強度、耐腐蝕性、高温硬度及び耐アブレシブ摩耗性と耐
凝着摩耗性を含む優れた工学的特性の組合せを有するこ
とを特徴とする耐摩耗性ニッケル基合金が提供される。

尚、本発明合金の各合金成分の組成範囲が上記の如く限
定される理由は以下の通りである。

クロームについては、２５．５％以下では適切な耐腐蝕
性が得られず、又２９％以上になると延性が失われて好
ましくない。

モリブデンは、４．３％以下だとマトリックスに適切な
強度を与えることができぬのみならず分散された化合物
としての適当量のモリブデン炭化物、硼化物等を生成さ
せることができない、一方７φ以上含有させてもそれに
伴うだけの効果が得られずにコスト高となるだけである
。

ケイ素は、０．７９％以下ではマトリックスに適切な強
度を与えることができぬと共に金属ケイ化物及び他の化
合物の量が局限されてしまう、一方１．８４％以上にな
ると当該合金が脆化してしまって好ましくない。

炭素及びボロンは、それら相互の比率を含めて、臨界酌
量に制御されており、夫々の下限値０．７５％及び０．
４φ以下では十分な量の炭化物及び硼化物が得られず、
一方夫々の上限値１．２９φ及び０．８２φ以上では、
ケイ素の場合と同様に、当該合金を脆化してしまって好
ましくない。

こ＼での狙いは炭化物、硼化物、ケイ化物及びそれらの
組合されたもののいずれの一つも過剰に生じない様にす
ることである。

次に、タングステンがモリブデン含有率の７２に限定さ
れるのは、モリブデンの上限値限定理由と同じ理由によ
る。

鉄については、３．２以上含有されると当該合金の強度
が低下してしまう。

マンガンは１．０φ以上含有させても、それ以上の効果
を生じずにコスト高となるだけである。

銅については、３．０φ以上含有されると当該合金の溶
接特性を損って好ましくない。

コバルトの添加は有益であるが、５条以上含有させても
それに伴うコストの上昇に見合うだけの利益は得られな
い。

前述の如く、当該合金成分の残部は、ニッケル並びにこ
の種の合金に不可避的に含有される付随的不純物である
が、これら不純物はリン、イオウ等であってこれらの含
有率は可能な限り低く抑えねばならない。

本発明の合金を種々の有益な形態で得るためには、当該
範囲内で組成を幾分修整してやることが考えられる。

例えば、表２において、合金を鋳造物即ち鋳造溶接棒等
の形態で製造する場合には典型的な範囲「Ａ」が好まし
い。

炭素とホウ素の比は約２：１であるのが好ましい。

典型的な範囲「Ｂ」は当該合金をとりわけコアワイヤと
しても知られているチューブワイヤの形態で製造する時
に好まれる。

この合金は、１）金属粉末として調製され、２）金属（
普通、はとんどの場合ニッケルである）シース内に封入
され、３）充填されたシース（チューブ）は次に所望の
溶接ワイヤサイズにされる。

表３に示す合金１６９５．１６９５−７及び１６９５−
７Ａはチューブワイヤの形態で製造された。

これらの合金は炭素とホウ素の比率とは無関係に幾分似
た硬度を有している。

以下に説明する幾つかの試験方法により得られたデータ
は本発明の合金が極めて価値のある工学的特性の組合せ
を有していることを明白に示している。

これらの特性には高温硬度、耐腐蝕性及び耐衝撃性並び
に耐アブレシブ摩耗性及び耐凝着摩耗性が含まれる。

これらの特性は特にチェーンソー案内部品、流体バルブ
、内燃機関バルブ及び他の部品、ガス及びスチームター
ビン部品等の物品として用いる時に必要とされる特性で
ある。

以下に議論するアブレシブ摩耗試験は「ＡｓＭＥｌ ９
７７ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＪのＷｅａｒ ｏｆ
Ｍａｔｅｒｉａｌｇ （７７頁）なる記事に記載の乾
燥砂摩耗試験ユニットを用いて行なわれた。

簡単に言うならば、この試験においては、試片は乾いた
砂を該試片と回転ゴムホイールの間に供給しながら該回
転ゴムホイールに押圧される。

かくて摩耗特性を決定するために試片表面から失なわれ
た金属の損失量が測定される。

以下に述べる凝着摩耗試験はイリノイ州 Ｄｏｗｎｅｒｓ Ｇｒｏｖｅ所在のＦａｙｖｉｌｌ−Ｌ
ａＶａｌｌｅｙ社によって製造されているモデルＬＦＷ
−１の摩擦及び摩耗試験機を用いて行なわれた。

この試験はＡＳＴＭ仕様書ＡＤ−２７１４６８に記載さ
れている。

この試験方法は元来「Ｄｏｗ ＣｏｒｎｉｎｇＪ摩耗試
験として知られていたものである。

凝着摩耗試験は本質的に非潤滑状態での金属対金属の摩
耗に関係している。

簡単に言えば、この試験においては、試片（ブロック）
は種々の負荷のもとで回転金属ホイール（リング）に押
圧される。

摩耗面から失なわれた金属の量が試験した合金の金属対
金属の摩耗特性の指標である。

表３は本発明の例示合金の組成をそれらの室温硬度とと
もに示したものである。

硬度の値はロックウェル「Ｃ」スケール（Ｒｃ）で与え
られている。

試片は前述の場合を除いて各合金からなる鋳造棒より採
取した。

表４は種々の腐蝕性媒体における腐蝕試験から得られた
データを示している。

各合金はこれらの試験のために銅製チルプレート上に形
成された、鋳造ロンドの多層ガスタングステンアーク（
ＧＴＡ）溶着物として得られた。

腐蝕試験は表に示す温度において試片を種々の媒体内に
２４時間の４倍だけ浸漬することにより行なわれた。

各値は２つの試片の平均値である。

腐蝕速度はミル７年（ｍｐｙ）で与えられている。

これらのデータによれば、本発明の合金１１６は試験し
たニッケルベース合金よりも耐腐蝕性においてすぐれて
おり、合金１１６は又コバルトベース合金／１６６に匹
敵する耐腐蝕性を有していることがわかる。

表５は３つの試験即ち高温硬度試験、アブレシブ摩耗試
験及び衝撃試験から得られたデータを示す。

高温硬度試験は本発明の合金１０８−１と他の耐摩耗性
合金について行なわれた。

試験はＭＡＲ８ＨＡＬＬ Ｍｏｄｅｌ ５８−ＨＤの
真空高温硬度試験炉を用いて行なわれた。

この標準試験方法はＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＦ
ＴＨＥ ＡＳＭ、Ｖｏｌ 。

５０（１９５８年）、８３０頁〜８３７頁に記載されて
いる。

これらの合金は鋳造溶接棒に吸引鋳造され、溶着物は酸
素−アセチレン硬化肉盛プロセスにより作られた。

それぞれの合金は１３６゜のサファイヤ圧子により１５
９０グラムの荷重をかけて真空硬度試験ユニット内にお
いて周知の方法により試験された。

高温硬度のデータは表５に示されており、表５は種々の
温度におけるダイヤモンドピラミッド硬度（ＤＰＨ）数
としての平均的高温硬度の値を示している。

これらのデータは本発明の合金が顕著な高温硬特性を備
えていることを示している。

高温硬度は特にバルブの場合重要な耐摩耗特性をあられ
している。

表５に示したアブレシブ摩耗試験は既述の乾燥砂摩耗試
験ユニットを用いて行なわれた。

これらの値は２０００回転における体積損失（−）とし
て与えられている。

溶着物は酸素アセチレン及びガスタングステンアーク（
ＧＴＡ）により作られた。

これらのデータによると、ニッケルベース合金は一般に
すぐれているが、本発明の合金はコバルトベース合金よ
りもすぐれていることがわかる。

衝撃試験は周知の切欠き無しシャルビ試験法により行な
われた。

試験片はガスタングステンアークプロセスにより作られ
た非希釈合金溶着物であった。

試験値はフード・ボンドであられしたエネルギで示して
いる。

これらのデータによれば、本発明の合金はニッケルベー
ス合金よりもすぐれており、コバルトベース合金に匹敵
することがわかる。

表６は凝着及びアブレシブ摩耗試験及び硬度試験より得
られたデータを示す。

凝着摩耗試験においては荷重は９０ポンド（約４０．５
ｋｇｆ）であった。

アブレシブ摩耗試験においては、試験は２０００回転で
行なわれた。

試験した合金はホウ素及び炭素の含有率を除けば全体と
して類似の組成からなっていた。

合金４９２においてはホウ素が炭素の２倍以上含まれて
いることに注目されたい。

合金４９３においては、ホウ素及び炭素はほぼ等しい比
率で含まれている。

合金４９４においてはホウ素は含まれていない。

合金１０８−２においては、炭素含有率は本発明の鋳造
合金において好ましいように、ホウ素含有率の約２倍で
ある。

これらのデータによれば、Ｃ（炭素）二Ｂ（ホウ素）が
約２：１である合金１０８−２は類似の炭素対ホウ素の
比率を備えていない他の鋳造合金よりもすぐれている。

本発明の典型的範囲ｒＡＪにおける合金の最適実施例は
炭素とホウ素の比率が２：１又ははマこの値である時に
得られる。

実験合金から得られるデータによれば、本発明の利点は
炭素とホウ素の比率が約４：１〜４二３の範囲内にある
時に得られることが示されている。

本発明の合金は鋳造物、鋳造溶接棒、チューブワイヤ、
焼結金属粉末部品及び金属粉末の形態で製造された。

当業界において知られている任意のプロセスにより本発
明の合金を製造しても何らの問題も生じないものと思わ
れる。

チューブワイヤによって作られる溶着物の所望の「溶着
のまま」の組成を得るには特別の注意が必要であること
は良く知られている。

金属チューブ及び金属粉末の組成をバランスさせて溶着
物の所望物の組合わされた組成を得ることは当業界の技
術範囲内に含まれる事柄である。

表３に示す合金１９６は粉末の形態で調製され、次に型
プレスされ、粉末冶金（Ｐ／Ｍ）製品へと焼結された。

しかしながら、粉末冶金製品は又種種のプロセス即ち押
し出し、熱間均衡圧プレス（ＨＩＰ）等によっても製造
可能であることを理解されたい。

合金１９６からなる焼結試験片が高温硬度特性を調べる
ために試験された。

表７は合金１９６に対する高温硬度データを示している
。

データによれば、合金１９６は試験温度において硬度の
有用範囲を保持していることがわかる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重置板であられして、２５．５から２９優までのク
   ロームと、４．３から７俤までのモリブデンと、０．７
   ９から１．８４多までのケイ酸と、０．７５から１．２
   ９％までの炭素と、０．４から０．８２優までのボロン
   と、前記モリブデン含有率の／２迄のタングステンと、
   ３．２％までの鉄と、ｔｏ％までのマンガンと、３．０
   １％迄の銅と、５俤迄のコバルトと、残部のニッケル及
   び付随的不純物とから成り、ここにおいて炭素対ボロン
   の比率が４：１と４：３の間にあって、衝撃強度、耐腐
   蝕性、高温硬度及び耐アブレシブ摩耗性と耐凝着摩耗性
   を含む優れた工学的特性の組合せを有することを特徴と
   する耐摩耗性ニッケル基合金。