JPH10509478A - 溶接特性の改良されたコバルトを含まない表面硬化合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 新規なコバルトを含まない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金が提供される。その合金は、基体を予熱せずに溶接により基体上に溶着させることができ、コバルトを含まない合金の現場溶着を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】 溶接特性の改良されたコバルトを含まない表面硬化合金 本発明は、溶接特性の改良されたコバルトを含まない表面硬化合金に関し、特 に、基体を予熱せずに溶接により基体に溶着させることができるコバルトを含ま ない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金に関する。発明の背景 表面硬化合金は、様々な産業及び用途において安価な合金に耐摩耗性を与える ために用いられる。コバルトは、最も広範囲に用いられる表面硬化合金の多くの 最良の性能の主要成分である。コバルトのコストが高いこと及びその市場価格が 著しく変動することから、コバルトレベルの低い表面硬化合金を開発することが 望まれた。 原子力発電所の主要装置に用いられる表面硬化合金のコバルト含有量を減らす ことは特に必要である。コバルト基合金が受ける少量の摩耗及び腐食は、最後に はγ放出同位元素⁶⁰Ｃの生成をきたす。その同位元素は、保全職員によって検査 、修理又は交換されなければならない炉心外成分について生成する酸化物に取り 込まれる。活性⁶⁰Ｃは、その作業員が受けるほとんどの放射線被曝の原因である 。 しかしながら、微量を超える量のコバルトを含まないものであるコバルトを含 まない表面硬化合金は、耐摩耗性であるほかに、適切なレベルの硬さ、溶接性及 び耐食性を示さなければならない。米国特許第 4,803,045号には、標準コバルト 基合金に匹敵する凝着（ゴーリング）摩耗に対して耐性のある鉄基合金が記載さ れており、その特許の開示を全て参考として本明細書に引用する。鋳物として及 びガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）及びプラズマタングステンアーク溶 接（ＰＴＡＷ）によって調製された合金における顕著な耐摩耗性が開示されてい る。しかしながら、予熱しないステンレス鋼にＧＴＡＷによってその合金を溶着 させればある成功を得たが、炭素鋼基体にその合金を溶着させる場合に健全な欠 陥のない溶接部を得るためにかなりの予熱を必要とした。典型的には、炭素含有 量の低い組成物については約２００℃までの予熱及び炭素含有量の高い組成物に おいては約４２５℃まで予熱が必要である。 予熱せずにステンレス鋼及び炭素鋼を含む各種基体に溶着させることができる コバルトを含まない表面硬化合金は、進歩がめざましく、かかる合金の溶接性を 予熱せずに溶接されるコバルト基合金に等価にした。予熱せずに溶接する能力は 、また、コバルトを含まない耐摩耗合金の現場溶着を容易にする。 従って、本発明の目的は、基体を予熱せずに溶接により基体に溶着させること ができるコバルトを含まない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金を提供するこ とである。 本発明の他の目的は、摩耗及び腐食（攻撃的）環境に曝露される構成要素の建 設方法であって、該構成要素が基体を予熱せずに溶接によりコバルトを含まない 耐摩耗耐ゴーリング合金で表面硬化される方法を提供することである。 本発明のこれらの及び他の目的は、下記の本発明の詳細な説明及び請求の範囲 から明らかになるであろう。発明の要約 本発明は、実質的に、炭素 約１.１０〜１.３５重量％；マンガン 少なくと も４.０重量％で５.０重量％未満；シリコン ３.１〜３.５重量％；クロム ２ ４.０〜２６.０重量％；ニッケル ３.７〜４.２重量％；モリブデン １.８〜 ２.２重量％；窒素 ０.１４〜０.１８重量％；リン ０.０１８重量％未満；イ オウ ０.０１０重量％未満；ホウ素 ０.００２重量％未満；及び鉄 残りの％ からなるコバルトを含まない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金を提供するも のである。その合金は、実質的に、オーステナイトマトリックス及び共晶炭化合 金からなる微細構造を有し、基体を予熱せずに溶接により基体に溶着させること ができる。発明の詳細な説明 本発明は、基体を予熱する必要がなくステンレス鋼及び炭素鋼を含む基体に溶 接により溶着されるコバルトを含まない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金を 提供するものである。本発明の合金は、耐摩耗性に優れ、特に、耐ゴーリング性 が良好である。ゴーリング摩耗は、２つの金属表面が荷重によって相互に移る場 合に生じる現象であり、部分的凝着が接触面に起こり、それを粗面化し、材料の 移動を生じる。物質の移動は、通常は上面粗さの深さの変化によって測定される ゴーリング摩耗を構成する。ゴーリング摩耗の程度は、相互に接触状態の表面の 特性の関数だけでなく、表面が荷重を受けているので各表面下の特性の関数でも ある。 本発明は、上述したある種の用途におけるコバルトの欠点に基づきコバルトを 使用せずにコバルト系表面硬化合金の表面硬化、耐摩耗及び耐ゴーリング表面を 提供するものである。更に、本発明は、表面硬化合金に必要とされる耐摩耗耐ゴ ーリング性を与えかつ溶接するために基体の予熱を必要としないオーステナイト （鉄系）マトリックス及び共晶炭化合金からなる顕微鏡組織を有するコバルトを 含まない合金を提供するものである。 本発明のコバルトを含まない合金は、次の組成を有する。炭素 約１.１０〜 １.３５％；マンガン 少なくとも４.０％で５.０％未満；シリコン ３.１〜３ .５％；クロム ２４.０〜２６.０％；ニッケル ３.７〜４.２％；モリブデン １.８〜２.２％；窒素 ０.１４〜０.１８％；リン ０.０１８％未満；イオ ウ ０.０１０％未満；ホウ素 ０.００２％未満；コバルト ０.０５０％未満 ；酸素 ２００ ppm未満；及び鉄 残りの％。 鉄は、オーステナイト組織ではニッケルより炭素及び窒素を溶解する。従って 、本発明の合金は鉄系である。しかしながら、純鉄は室温での組織がフェライト であるので、ニッケル及びマンガンのようなオーステナイトフォーマがオーステ ナイト組織を安定化するために加えられる。本明細書に参考として引用された米 国特許第 4,803,045号には、マンガンを存在させると炭素溶解度が増大するので 主要なオーステナイ安定剤であることを望むことが教示されている。５〜１３重 量％のマンガン及び４〜１２重量％のニッケルの有用範囲が開示されており、好 ましい合金組成物はマンガン 約８％及びニッケル 約５％を含有した。 続いての研究により、溶接特性が改良された、特に、予熱の必要がない合金組 成物の精錬範囲の定量が得られた。溶接の容易さについて微量の不純物元素の役 割も確認された。 そこで、既知のコバルトを含まない表面硬化合金と同じ耐摩耗耐ゴーリング性 を有するが基体を予熱せずに溶接可能なマンガン５重量％未満を含むオーステナ イト安定剤を有するコバルトを含まない鉄系表面硬化合金が製造されることを発 見した。生成した合金の４重量％より大きいが５重量％未満、好ましくは約４. ５重量％のマンガン及び３.７〜４.２重量％、好ましくは４.０重量％の量のニ ッケルを含むオーステナイト安定剤を有するコバルトを含まない合金が、基体を 予熱せずに溶接可能であることがわかった。 コバルトを含まない表面硬化合金の既知の組成物に用いられた他の元素の量は 、以前に開示された量で用いられ続けるが、開示された範囲内で更に精練が行わ れた。鉄マトリックスの固溶強化を高めかつ処理中の溶融合金の流動性を高める ために用いられるシリコンは、硬度及び靭性の適切な組合わせのために３.１〜 ３.５重量％、好ましくは３.３重量％の量で用いられる。 モリブデンも、固溶強化を与え、特に、炭素との相互作用固溶強化を与える。 従って、あるモリブデン含有量は、Ｍ₆Ｃのような望ましくない炭化合金を安定 化することができ、固溶体の炭素含有量を減少させる傾向にする。モリブデンの 精錬範囲は、１.８〜２.２重量％、好ましくは約２.０重量％である。 窒素は、固溶強化を高め、特に、ひずみ硬化を高める。しかしながら、窒素含 有量が高すぎると溶接に問題が生じるので、窒素は０.１４〜０.１８重量％、好 ましくは約０.１６重量％の範囲で用いることが好ましい。 クロムは、主として耐食性を与えるために用いられ、約２４〜２６％、好まし くは２５重量％の範囲で用いられる。 所望のマトリックス及び炭化物を得るために、炭素は、１.１０〜１.３５重量 ％、好ましくは約１.２５重量％の量で用いられる。 上述したように、本発明の合金は、米国特許第 4,803,045号に開示された組成 物よりＭｎ含有量が低く、典型的には、ニッケル（Ｎｉ）含有量が低い。それら の元素の量の調整、特に、５％よりも小さい量は、溶接特性の予想外の改善に主 に関与する。 更に、多数の不純物元素は、コバルトを含まない合金の溶接を困難にする重要 な役割を果たしている。トランプエレメント、特に、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ） 及びイオウ（Ｓ）は、健全な溶接部を得るのに逆効果であることがわかった。本 発明の合金は、Ｐ ０.０１８％未満、Ｓ ０.０１％未満及びＢ ０.００２％ 未満を有する。 上述の調整は、基体の予熱を必要とせずステンレス鋼及び炭素鋼の双方に溶接 により溶着される種類の合金を与える。改良された合金は、ニッケル系又は他の 基体に溶着した場合に同様に有利であることが予想される。 本発明の合金は、溶接可能であり、鋳造物及び帯板のような製品の形としても 製造され、所望の耐摩耗性も与える。溶接消耗するものとして用いられる場合に は、慣用のガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、プラズマタングステンア ーク溶接（ＰＴＡＷ）、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）及びシールド金属アー ク溶接（ＳＭＡＷ）を含む各種溶接法によって溶着される。 本発明のコバルトを含まない表面硬化合金は、耐摩耗性に優れ、特に、耐ゴー リング摩耗性が良好である。用いられるゴーリング試験は、改良型ブリネルかた さ試験機を用いて平らな試料に９.５mm（０.３７５インチ）径のピン試料の平ら な表面の荷重を加えることからなる。ピン及びブロックの双方が同じ合金から作 られる。荷重は、垂直な荷重応力１４０、２７５又は４１５MPa(２０、４０又は ６０ksi)に相当する９,８００、１９,６００及び２９,４００N(２,２００、４, ４００又は６,６００lb)で加えられる。次に、ピン試料を交互の方向に１０回手 で回転する。摩耗試験の試料表面は、研削方向に垂直に測定した０.２〜０.４ミ クロン（１８〜１６マイクロインチ）算術平均の表面研削仕上げによって調製さ れる。各ゴーリング試験に伴う損傷の程度は、粗面計により求めた。表面のプロ ファイルは、最初の研削マークに平行及び垂直の両方向のゴーリング試験ブロッ ク上の各摩耗跡として得られた。表面のプロファイルは、ラジアススタイラスを 備えたスキッド基準式ベンディックスマイクロコーダーを用いて描いた。４つの 径方向の痕跡の各々について最も高いピークと最も低い谷の高さ間の差を計算し 、平均した。同じブロックの試験されない表面について研削方向に平行及び垂直 な方向の等価な長さの横方向の高さの差を同様に計算し、平均した。次に、各ゴ ーリング試験の損傷の程度を、ゴーリング摩耗試験面から試験前研削表面を引く ことにより得た。 本発明の合金及び他の合金の試料について行われたゴーリング摩耗試験の結果 を下記の表２に示す。 本発明の合金は、米国特許第 4,803,045号に記載されたものと同様に働いた。 溶接部の健全性は、確立されたＡＳＭＥ§ＩＸ溶接確認手順に準じて行われた色 素浸透試験及び光学顕微鏡により求めた。 要するに、本発明の改良されたコバルトを含まない表面硬化合金は、既知のコ バルトを含まない表面硬化合金の各種元素成分の量を調整すること及びある種の トランプエレメント、特に、リン、イオウ及びホウ素を除去することにより達成 された。その精錬物の予想外の結果は、溶接前にステンレス鋼或いは炭素鋼基体 を予熱する必要のないコバルトを含まない表面硬化合金の組成範囲にある。その 特性は、多くの工業においてコバルトを含まない合金の現場溶着を容易にするに ちがいない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 フィンドラン シャーン ジェイ アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 28075 ハーリスバーグ ウェリントン レーン 8519 (72)発明者 フィリップス マイケル ケイ アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 28105 マシューズ ハッカモア ドライ ヴ 14020

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．コバルトを含まない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金であって、実質的 に、炭素 約１.１０〜１.３５重量％；マンガン 少なくとも４.０重量％で５. ０重量％未満；シリコン ３.１〜３.５重量％；クロム ２４.０〜２６.０重量 ％；ニッケル ３.７〜４.２重量％；モリブデン １.８〜２.２重量％；窒素 ０.１４〜０.１８重量％；リン ０.０１８重量％未満；イオウ ０.０１０重量 ％未満；ホウ素 ０.００２重量％未満；及び鉄 残りの％からなり、微細構造 が、実質的に、オーステナイトマトリックス及び共晶炭化合金からなる合金。 ２．前記合金が溶接により基体上に溶着させることができ、該基体の予熱が不要 である請求項１記載の合金。 ３．実質的に、炭素 １.２５重量％；マンガン ４.５重量％；シリコン ３. ３重量％；クロム ２５.０重量％；ニッケル ４.０重量％；モリブデン ２. ０重量％；窒素 ０.１６重量％；リン ０.０１８重量％未満；イオウ ０.０ １０重量％未満；ホウ素 ０.００２重量％未満；及び鉄 残りの％からなり、 微細構造が、実質的に、オーステナイトマトリックス及び共晶炭化合金からなる 請求項１記載の合金。 ５．攻撃的環境に曝露される要素を含むプラントの改良された建設方法であって 、実質的に、炭素 約１.１０〜１.３５重量％；マンガン 少なくとも４.０重 量％で５.０重量％未満；シリコン ３.１〜３.５重量％；クロム ２４.０〜２ ６.０重量％；ニッケル ３.７〜４.２重量％；モリブデン １.８〜２.２重量 ％；窒素 ０.１４〜０.１８重量％；リン ０.０１８重量％未満；イオウ ０. ０１０重量％未満；ホウ素 ０.００２重量％未満；及び鉄 残りの％からなり 、顕微鏡組織が、実質的に、オーステナイトマトリックス及び共晶炭化合金から なるコバルトを含まない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金から前記要素を形 成する工程を含む方法。 ６．前記合金が溶接により基体上に溶着させることができ、該基体の予熱が不要 である請求項５記載の方法。 ７．実質的に、炭素 １.２５重量％；マンガン ４.５重量％；シリコン ３. ３重量％；クロム ２５.０重量％；ニッケル ４.０重量％；モリブデン ２. ０重量 ％；窒素 ０.１６重量％；リン ０.０１８重量％未満；イオウ ０.０１０重 量％未満；ホウ素 ０.００２重量％未満；及び鉄 残りの％からなり、微細構 造が、実質的に、オーステナイトマトリックス及び共晶炭化合金からなる請求項 ５記載の方法。 ８．請求項５記載の方法に従って製造された攻撃的環境において有用なコバルト を含まない鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化構造要素。 ９．該基体が炭素鋼である請求項１記載の合金。 10．該基体がステンレス鋼である請求項１記載の合金。 11．該溶接がガスタングステンアーク溶接である請求項１記載の合金。 12．前記プラントが原子力発電所である請求項５記載の合金。 13．前記合金が鋳造物である請求項１記載の合金。 14．前記合金が帯状である請求項１記載の合金。