JPH1161361A

JPH1161361A - 耐熱耐摩耗材料

Info

Publication number: JPH1161361A
Application number: JP21843397A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Takagi; 節雄高木; Masatomo Kamata; 政智鎌田; Hiroshi Notomi; 啓納富; Toshimitsu Tetsui; 利光鉄井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 1999-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】高温耐摩耗性が要求される部位の構成材料と
して使用するのに適した耐熱耐摩耗材料に関する。【解決手段】重量比で、Ｃ：２〜６．５％、Ｃｒ：２
５〜６０％、Ｎｂ：０．１〜１０％及び残部が不可避的
不純物及びＦｅからなる合金で、Ｆｅ−Ｃｒ系金属基地
相に平均粒径：１０μｍ以下のＣｒ炭化物が分散されて
いることを特徴とする耐熱耐摩耗材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラントをは
じめとする高温耐摩耗性が要求される部位の構成材料と
して使用するのに適した耐熱耐摩耗材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭焚き火力発電プラントでは、配管プ
ロテクタや粉体輸送管をはじめとして、耐熱性と耐摩耗
性を同時に要求される部位が多い。これらの部位には、
低合金鋼やＳＵＳ３１０等が用いられているが、使用環
境によっては摩耗が著しく、定期点検毎の交換を余儀な
くされるものもある。また、原子力発電プラントにおい
て、バルブシートをはじめとする耐摩耗性、摺動性が要
求される部位にステライト系の合金が使用されている
が、使用中に、その主成分であるＣｏが放射性を帯びて
しまうため、人体や環境に及ぼす悪影響が問題となって
いる。そこで、Ｃｏを含まず、かつステライト合金並の
特性を有する合金が熱望されている。このほか、内燃機
関や航空宇宙機器業等でも、装置の高性能化の要求に伴
い、使用環境がより苛酷になる傾向にあり、従来からの
耐摩耗材料、耐熱材料ではこれに対応することが難しく
なってきている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、耐
熱性と耐摩耗性を兼ね備えた新しい合金を提供すること
で、装置の高性能化、部品交換頻度の低減あるいは原子
力発電プラントにおけるＣｏ含有合金の代替をすすめる
ものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、Ｆｅ−Ｃ
ｒ−Ｃ−Ｎｂの合金系について成分の厳選を行い、優れ
た高温硬さと熱衝撃性を有する新しい耐熱耐摩耗材料を
発明した。すなわち、本発明は下記の（１）〜（３）の
構成を有する。（１）重量比で、Ｃ：２〜６．５％、Ｃｒ：２５〜６０
％、Ｎｂ：０．１〜１０％及び残部が不可避的不純物及
びＦｅからなる合金で、Ｆｅ−Ｃｒ系金属基地相に平均
粒径：１０μｍ以下のＣｒ炭化物が分散されていること
を特徴とする耐熱耐摩耗材料（以下、これを第１発明材
という）。（２）上記（１）の合金成分において、Ｆｅの一部を重
量比で：Ｖ：０．１〜５％、Ｍｏ：０．１〜５％及び
Ｗ：０．１〜６％のいずれか１種以上の元素で置換した
合金で、Ｆｅ−Ｃｒ系金属基地相中に平均粒径：１０μ
ｍ以下のＣｒ炭化物が分散されていることを特徴とする
耐熱耐摩耗材料（以下、これを第２発明材という）。（３）上記（１）及び（２）の合金成分において、Ｃの
一部を重量比で、Ｎ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０５〜
１．５％のいずれか１種以上の元素で置換した合金で、
Ｆｅ−Ｃｒ系金属基地相中に平均粒径：１０μｍ以下の
Ｃｒ炭化物が分散されていることを特徴とする耐熱耐摩
耗材料（以下、これを第３発明材という）。

【０００５】

【発明の実施の形態】先ず、本発明の第１発明材におけ
る成分限定理由について説明する。以下の説明中、パー
セントは重量％を意味する。

【０００６】Ｃ：Ｃは炭化物を形成し合金の硬さを確保
する。また、一部は金属基地相にも固溶し基地の強化に
寄与する。Ｃの量によって合金中の炭化物の量を制御す
ることが可能であるため、使用条件に応じてその量を変
化させる必要がある。その量が２％未満では炭化物の量
が少なく十分な硬さ得られず、また６．５％を越えると
合金の大部分が炭化物となって熱衝撃性が低下したり、
脆すぎて製品形状への加工が困難になるといった問題が
生じる。従ってＣの適性範囲としては、２％以上６．５
％以下とする。特に高温硬さを重視する場合、望ましい
成分範囲は３．５％以上６％以下、より望ましい成分範
囲は４．５％以上５．５％以下である。

【０００７】Ｃｒ：ＣｒはＣと結合してＣｒ系炭化物を
形成し合金の硬さを確保する。特にＣｒ系の炭化物は耐
酸化性に優れるため、本発明合金の主要炭化物としてこ
れを選定している。また、一部は金属基地相にも固溶し
基地の耐酸化性や高温強度も向上させる。炭化物として
多量のＣｒが消費された場合、基地への固溶量が減って
基地の耐酸化性や高温強度が低下するので、Ｃｒの添加
量はＣ量やＮｂ量とバランスを取る必要がある。一般に
Ｃｒ量が２５％未満の場合、基地金属中に固溶するＣｒ
量が低下して十分な耐酸化性が得られないため、添加の
下限値を２５％とする。また、６０％を越える添加は金
属基地の脆化、熱衝撃性の低下を招くため、添加の上限
値を６０％とする。特に高温硬さを重視する場合、望ま
しい成分範囲は４０％以上５５％以下、より望ましい成
分範囲は４７％以上５３％以下である。

【０００８】Ｎｂ：ＮｂはＣと結合してＮｂ炭化物を形
成し合金の硬さを高める。発明合金の主要炭化物はＣｒ
系炭化物であるが、Ｎｂ炭化物はこれより高温安定性が
高いため、合金製造時の高温加熱の際や長時間使用時に
Ｃｒ系炭化物が凝集・粗大化するのを抑制して、熱衝撃
性の向上に寄与する。添加量が０．１％未満では実質的
な効果がなく、また１０％を越えるとＮｂ炭化物自体が
粗大化して熱衝撃性に悪影響を及ぼすため、添加の範囲
を０．１％以上１０％以下とする。材料特性と経済性を
考慮して、望ましい添加量は１％以上５％以下、より望
ましい添加量は１．５％以上３％以下である。

【０００９】次に、本発明の第２発明材における成分限
定理由を述べるが、第１発明材の説明と重複するところ
は省略し、ここでは新たに限定したＶ，Ｍｏ，Ｗの限定
理由のみの説明を行う。

【００１０】Ｖ：ＶはＣと結合してＶ炭化物を形成し合
金の硬さを高める。発明合金の主要炭化物はＣｒ系炭化
物であるが、Ｖ炭化物はこれとは別に微細分散するた
め、より一層高温硬さを高める効果がある。添加量が
０．１％未満では実質的な効果がなく、また５％を越え
るとＶ炭化物自体が粗大化して熱衝撃性に悪影響を及ぼ
すため、添加の範囲を０．１％以上５％以下とする。材
料特性と経済性を考慮して、望ましい添加量は１％以上
３％以下である。

【００１１】Ｍｏ：ＭｏはＣと結合してＭｏ炭化物を形
成し合金の硬さを高める。発明合金の主要炭化物はＣｒ
系炭化物であるが、Ｍｏ炭化物はこれとは別に微細分散
するため、より一層高温硬さを高める効果がある。ま
た、一部は金属基地相やＣｒ系炭化物にも固溶し、合金
の高温熱安定性も向上させる。添加量が０．１％未満で
は実質的な効果がなく、また５％を越えるとＭｏ炭化物
自体が粗大化して熱衝撃性に悪影響を及ぼすため、添加
の範囲を０．１％以上５％以下とする。材料特性と経済
性を考慮して、望ましい添加量は１％以上３％以下であ
る。

【００１２】Ｗ：ＷはＣと結合してＷ炭化物を形成し合
金の硬さを高める。発明合金の主要炭化物はＣｒ系炭化
物であるが、Ｗ炭化物はこれとは別に微細分散するた
め、より一層高温硬さを高める効果がある。また、一部
は金属基地相やＣｒ系炭化物にも固溶し、合金の高温熱
安定性も向上させる。添加量が０．１％未満では実質的
な効果がなく、また６％を越えるとＷ炭化物自体が粗大
化して熱衝撃性に悪影響を及ぼすとともに耐酸化性も低
下するため、添加の範囲を０．１％以上６％以下とす
る。材料特性と経済性を考慮して、望ましい添加量は２
％以上４％以下である。

【００１３】さらに、本発明の第３発明材における成分
限定理由を述べるが、第１発明材及び第２発明材の説明
と重複するところは省略し、ここでは新たに限定した
Ｎ，Ｂの限定理由のみの説明を行う。

【００１４】Ｎ：Ｎは炭窒化物を形成し合金の硬さを確
保する。炭化物に比べて炭窒化物は構造が複雑なため、
一般に硬さが高く熱安定性も良好である。また、一部は
金属基地相にも固溶し基地の強化に寄与する。その量が
０．０５％未満では炭化物の量が少なく十分な硬さ得ら
れず、また１％を越えると基地金属を脆くするため適性
範囲としては、０．０５％以上１％以下とする。

【００１５】Ｂ：Ｂはほう化物を形成し合金の硬さを確
保する。発明合金の主要炭化物はＣｒ系炭化物である
が、ほう化物はこれとは別に微細分散し、炭化物に比べ
てほう化物は硬いため、より一層高温硬さを高める効果
がある。添加量が０．０５％未満では実質的な効果がな
く、また１．５％を越えると熱衝撃性の低下を招いてし
まうため適性範囲としては、０．０５％以上１．５％以
下とする。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の耐熱耐摩耗材料の具体的な実
施例をあげ、本発明の効果を明らかにする。

【００１７】（実施例１）以下、第１発明材に関する具
体的な実験例について説明する。表１には試験に供した
材料の化学成分をまとめて示す。第１発明材の製造に関
しては、とくにその手法を限定するものではないが、構
成元素の素粉末、あるいは構成元素の合金粉末を出発材
料とて、メカニカルアロイング法を用いて、これらを強
混合した粉末に製造したのち、これをホットプレスやＨ
ＩＰ、熱間押出し等を用いて加熱、固化成形してバルク
材とするとともに、炭化物を析出させて耐熱耐摩耗性の
高い組織を得る手法が最も一般的である。試験合金の作
製手順を以下に示す。まず、工業用のＦｅ粉、Ｃｒ粉、
Ｎｂ粉および黒鉛粉を所定量秤量後、振動型ボールミル
装置を用いて１５０時間のミリングを施した。ミリング
にあたっては、粉砕用媒体に鋼球を用い、鋼球と粉末の
重量比が１０：１となるようにした。得られた粉末はホ
ットプレスにより１０００℃にて加圧し、緻密な成形体
とした。

【００１８】上記の手順にて作製した試験合金につい
て、室温、５００℃、９００℃のビッカース硬さ測定を
行った。また、熱衝撃性を簡易的に評価するため、２０
×２０×２０ｍｍの立方体試験片を１０００℃に設定し
た炉中に投入加熱後、１時間保持したのち炉外に引き出
して室温まで強制空冷したのち、割れの有無を観察し
た。各試験合金ごとに４個の試験片を準備し、割れの発
生率で熱衝撃性の評価とした。このほか、Ｃｒ炭化物の
平均粒径を測定した。表２に試験結果を示す。本発明合
金は９００℃においても６００ＨＶ以上の高い硬さを示
し、かつ、急速加熱急速冷却によっても割れが発生しな
い良好な特性を有していることが明らかである。

【００１９】次に、合金番号２の成分を用いて、Ｃｒ炭
化物の大きさを変化させた場合の特性を調査した。な
お、Ｃｒ炭化物の大きさは、メカニカルアロイング時間
やホットプレス時の加熱温度を変化させることで調整し
た。結果を表３に示す。Ｃｒ炭化物の粗大化とともに硬
さが低下する傾向にあり、Ｃｒ炭化物平均粒径が１９．
３μｍのものでは９００℃の硬さが６００ＨＶを下回っ
ている。とくに問題となるのは、Ｃｒ炭化物平均粒径が
１０μｍを越えると、急速加熱急速冷却によって割れが
生じるようになり、熱衝撃特性が低下する点にある。熱
衝撃特性を確保するためには、Ｃｒ炭化物平均粒径を１
０μｍ以下に制御する必要があることがわかる。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】上述のように、本発明の第１発明材は優れ
た耐熱耐摩耗性、熱衝撃性を兼ね備えており、これを用
いることで、火力発電プラントを中心とする装置の高性
能化、部品交換頻度の低減、あるいは電子力発電プラン
トにおけるＣｏ含有合金の代替をすすめることが可能で
ある。

【００２４】（実施例２）以下、第２発明材に関する具
体的な実験例について説明する。表４には試験に供した
材料の化学成分をまとめて示す。この表に比較材として
示す合金番号４は実施例１の発明材料であり、表１の材
料番号のものと同じものである。本実施例における第２
発明材は合金番号４をベースにＶ，Ｍｏ，Ｗの添加を行
ったものである。本試験においても実施例１と同じよう
に試験材を準備して各試験に供した。すなわち、まず、
工業用のＦｅ粉、Ｃｒ粉、Ｎｂ粉、黒鉛粉およびＶ粉、
Ｍｏ粉、Ｗ粉を所定量秤量後、振動型ボールミル装置を
用いて１５０時間のミリングを施した。ミリングにあた
っては、粉砕用媒体に鋼球を用い、鋼球と粉末の重量比
が１０：１となるようにした。得られた粉末はホットプ
レスにより１０００℃にて加圧し、緻密な成形体とし
た。

【００２５】上記の手順にて作製した試験合金につい
て、室温、５００℃、９００℃のビッカース硬さ測定を
行った。また、熱衝撃性を簡易的に評価するため、２０
×２０×２０ｍｍの立方体試験片を１０００℃に設定し
た炉中に投入加熱後、１時間保持したのち炉外に引き出
して室温まで強制空冷したのち、割れの有無を観察し
た。各試験合金ごとに４個の試験片を準備し、割れの発
生率で熱衝撃性の評価とした。このほか、Ｃｒ炭化物の
平均粒径を測定した。この試験結果を表５に示す。第２
発明材は比較材である第１発明材に比べていずれも硬さ
が向上しており、かつ、急速加熱急速冷却によっても割
れが発生しない良好な特性を有していることが明らかで
ある。

【００２６】次に、合金番号１５の成分を用いて、Ｃｒ
炭化物の大きさを変化させた場合の特性を調査した。な
お、Ｃｒ炭化物の大きさは、メカニカルアロイング時間
やホットプレス時の加熱温度を変化させることで調整し
た。結果を表６に示す。Ｃｒ炭化物の粗大化とともに硬
さが低下する傾向にある。ただ、ここで特に問題となる
のは、Ｃｒ炭化物平均粒径が１０μｍを越えると、急速
加熱急速冷却によって割れが生じるようになる点であ
る。熱衝撃特性を確保するためには、Ｃｒ炭化物平均粒
径を１０μｍ以下に制御する必要があることがよくわか
る。

【００２７】

【表４】

【００２８】

【表５】

【００２９】

【表６】

【００３０】上述のように、本発明の第２発明材は、優
れた耐熱耐摩耗性と熱衝撃性を兼ね備えており、これを
用いることで、火力発電プラントを中心とする装置の高
性能化、部品交換頻度の低減、あるいは原子力発電プラ
ントにおけるＣｏ含有合金の代替をすすめることが可能
である。

【００３１】（実施例３）以下に第３発明材に関する具
体的な実験例について説明する。表７には試験に供した
材料の化学成分をまとめて示す。この表に比較材として
示す合金番号４は実施例１の第１発明材、合金番号１
３，１４は実施例２の第２発明材であり、表１および表
４の材料番号のものと同じである。本実施例における第
３発明材１６，１７は合金番号４をベースにＮ，Ｂの添
加を行ったもの、第３発明材１８，１９は合金番号１３
をベースにＮ，Ｂの添加を行ったもの、第３発明材２Ｃ
は合金番号１４をベースにＢの添加を行ったものであ
る。本試験においても実施例１，２と同じように試験材
を準備して各試験に供した。すなわち、まず、工業用の
Ｆｅ粉、Ｃｒ粉、Ｎｂ粉、黒鉛粉、Ｖ粉、Ｍｏ粉、Ｗ
粉、Ｆｅ−Ｎ粉、Ｆｅ−Ｂ粉を所定量秤量後、振動型ボ
ールミル装置を用いて１５０時間のミリングを施した。
ミリングにあたっては、粉砕用媒体に鋼球を用い、鋼球
と粉末の重量比が１０：１となるようにした。得られた
粉末はホットプレスにより１０００℃にて加圧し、緻密
な成形体とした。

【００３２】上記の手順にて作製した試験合金につい
て、室温、５００℃、９００℃のビッカース硬さ測定を
行った。また、熱衝撃性を簡易的に評価するため、２０
×２０×２０ｍｍの立方体試験片を１０００℃に設定し
た炉中に投入加熱後、１時間保持したのち炉外に引き出
して室温まで強制空冷したのち、割れの有無を観察し
た。各試験合金ごとに４個の試験片を準備し、割れの発
生率で熱衝撃性の評価とした。このほか、Ｃｒ炭化物の
平均粒径を測定した。この試験結果を表８に示す。第３
発明材は比較材である第１及び第２発明材に比べていず
れも硬さが向上しており、かつ、急速加熱急速冷却によ
っても割れが発生しない良好な特性を有していることが
明らかである。

【００３３】次に、合金番号１９の成分を用いて、Ｃｒ
炭化物の大きさを変化させた場合の特性を調査した。な
お、Ｃｒ炭化物の大きさは、メカニカルアロイング時間
やホットプレス時の加熱温度を変化させることで調整し
た。結果を表９に示す。Ｃｒ炭化物の粗大化とともに硬
さが低下する傾向にある。ただ、ここで特に問題となる
のは、Ｃｒ炭化物平均粒径が１０μｍを越えると、急速
加熱急速冷却によって割れが生じるようになる点であ
る。熱衝撃特性を確保するためには、Ｃｒ炭化物平均粒
径を１０μｍ以下に制御する必要があることがわかる。

【００３４】

【表７】

【００３５】

【表８】

【００３６】

【表９】

【００３７】上述のように、本発明の第３発明材は、優
れた耐熱耐摩耗性、熱衝撃性を兼ね備えており、これを
用いることで、火力発電プラントを中心とする装置の高
性能化、部品交換頻度の低減、あるいは原子力発電プラ
ントにおけるＣｏ含有合金の代替をすすめることが可能
である。

【００３８】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の耐熱耐
摩耗材料は優れた耐熱耐摩耗性、熱衝撃性を兼ね備えて
おり、これを用いることで、火力発電プラントを中品と
する装置の高性能化、部品交換頻度の低減、あるいは原
子力発電プラントにおけるＣｏ含有合金の代替をすすめ
ることが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鉄井利光長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、Ｃ：２〜６．５％、Ｃｒ：２
５〜６０％、Ｎｂ：０．１〜１０％及び残部が不可避的
不純物及びＦｅからなる合金で、Ｆｅ−Ｃｒ系金属基地
相に平均粒径：１０μｍ以下のＣｒ炭化物が分散されて
いることを特徴とする耐熱耐摩耗材料。
【請求項２】請求項１の合金成分において、Ｆｅの一
部を重量比で：Ｖ：０．１〜５％、Ｍｏ：０．１〜５％
及びＷ：０．１〜６％のいずれか１種以上の元素で置換
した合金で、Ｆｅ−Ｃｒ系金属基地相中に平均粒径：１
０μｍ以下のＣｒ炭化物が分散されていることを特徴と
する耐熱耐摩耗材料。
【請求項３】請求項１及び２の合金成分において、Ｃ
の一部を重量比で、Ｎ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０５
〜１．５％のいずれか１種以上の元素で置換した合金
で、Ｆｅ−Ｃｒ系金属基地相中に平均粒径：１０μｍ以
下のＣｒ炭化物が分散されていることを特徴とする耐熱
耐摩耗材料。