JPS627257B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は耐摩耗ニツケル基合金にかかわり、詳
しくは、基体の金属物品を表面硬化するに特に適
する耐摩耗合金にかかわる。 金属物品の表面硬化は、物品にすぐれた耐摩耗
性を与えるために多年にわたり行なわれてきた。
表面硬化に使用される合金は一般に、最適の耐摩
耗性のためにクロムおよびタングステンを含むコ
バルト基であつた。ヘイネスステライト（コバル
ト社の登録商標）合金No.６はこの技術によく知ら
れている。コバルトとタングステンは、耐摩耗性
に必要な特別の熱間硬度その他の特性を与えるよ
うに見える。タングステンとコバルトは米国経済
のきわめて重要な戦略物質である。このゆえに、
われわれがこれら金属をあらゆる効果的方法で節
約することは絶対必要である。 第１表は、本発明の部類の代表的先行技術の合
金を示す。ここのすべての組成は、重量百分率、
Ｗ／Ｏで示されている。 米国特許第3068096号は、ニツケル基耐摩耗合
金で作られた鋳物を開示している。その特許の合
金は、第１表に示すようにその本質的特徴として
タングステンの著しい含量を必要としている。そ
の特許に述べられた合金ＡとＢは、さらに高いタ
ングステン含量を必要としている。 第１表に示すDS−合金Ｆと合金Ｅもこの技術
に知られている。これら合金は表面硬化に使用す
るために鋳造された棒として利用できる。これら
合金はまた、タングステンとコバルトのかなりな
含量を必要とし、そしてモリブデンを含まない。 この部類の合金の市場は、70年以上前にエルウ
ツド ヘイネスによつてヘイネス ステライト合
金No.６が発明されて以来非常に活発であつた。現
在利用できる多くの合金があるが、新しい合金は
常に熱心に捜し求められている。多年のあいだこ
の技術には、価格と戦略的元素の含量が低く、容
易に生産され、そしてすぐれた工学的特性、特に
耐摩耗性を与える合金に対する緊急な要求があつ
た。この要求は減らずに続く。

【表】 本発明の一つのおもな目的は、コバルトとタン
グステンの著しい含量に効果的に取つて代わり、
そして周知のコバルト合金に比べてすぐれた摩耗
特性を有する、ニツケル基合金を得ることであ
る。 本発明のもう一つのおもな目的は、周知のコバ
ルト合金に比べて本質的に同様の硬度と工学的特
性を有するニツケル基合金を得ることである。 他の利点と目的は、本明細書と特許請求の範囲
で容易に明らかになるであろう。 これらおよび他の利点と目的は、第２表に明示
する本発明の合金によつて得られおよび達成され
る。 コバルトは、合金の熱間硬度特性を高めるため
に第２表に示す範囲内で本発明の合金に存在す
る。下限に近いコバルト含量が好ましく、そして
この金属を節約するために推奨される。15％より
以上の含量は、高い価格を正当化するだけの利点
を与えるとは思われない。 タングステンは本発明の合金に必要でない。そ
れはこの部類の合金に普通の不純物としてのみ不
定に存在する。あるスクラツプ材料を使用できる
ようにするために、タングステンは4.5％以下、
そして好ましくは４％より以上でなく、典型的に
約2.5％存在してもよい。ある合金にはタングス
テンとモリブデンの両方が必要であり、米国特許
第3068096号に開示された商業的に知られる合金
208はその一例である。本発明の合金には、タン
グステンとモリブデンの両方が著しい含量で存在
する必要がない。 鉄は、合金の中で高価で戦略的な元素の含量を
最低にして有用な工学的特性の最善の組合せを得
るために、第２表に示す範囲内で本発明の合金に
存在しなければならない。鉄の低い含量は価格を
高くする一方、鉄の高い含量は合金の耐摩耗性を
減らす傾向がある。それゆえ、鉄の含量のこの推
奨させる範囲は、本発明の重要な一つの特徴であ
る。

【表】

【表】 ン

【表】 炭素は、本発明の合金の中の重要な元素のよう
に見える。炭素は、合金を最もよくするために常
に２％より以上、好ましくは2.3％より以上、そ
して典型的に2.7％存在しなければならない。炭
素は3.5％以下、そして好ましくは約2.7％存在す
る。炭素は、工学的特性の最適の組合せをつくる
ために絶対必要である。ここに必要とする水準の
炭素は、合金の中に必要な金属炭化物をつくるに
足りる量であるように見える。炭素は合金の中に
炭化物をつくるためにモリブデン、鉄、クロム、
コバルト、ケイ素その他の金属と結合する。 モリブデンは表示の範囲内で本発明の合金の中
に存在しなければならない。この場合、タングス
テンはモリブデンと互換できない。モリブデンは
炭化モリブデンをつくり、そして金属基質の固溶
体硬化に寄与するために合金中にある。モリブデ
ン含有量が16％を越えても利点が得られず且つほ
とんどの用途に関し硬度が大きくなりすぎる欠点
があり更に合金の価格が上昇するので、16％を越
えた量は不適である。 クロム含有量は、20％より少ないと充分な耐腐
食性が得られずまた35％を越えると合金が脆化
し、熱間圧延あるいは冷間圧延時に問題を生じる
ので、クロムは20〜35％に限定した。 シリコンは鋳造時の流動性を得るために合金中
に添加され、1.5％を越えると合金が脆化する。
シリコン含有量の好適範囲は0.3〜1.5％である。 マンガンは付随不純物であり、１％以下の量で
あれば許容できる。 したがつて、本発明は必然的にここに述べた元
素の特定の結合と含量を有するように見える。本
発明の合金の中の元素はすべて、種々な結合と含
量で先行技術の合金の中にあつた。正確な機構は
完全には理解されないが、第２表に開示した特定
の組成はある予期されない方式で合金金属の組織
と工学的特性の最適の組合せをつくるものと思わ
れる。 金属の耐摩耗性の問題は、一般に硬度に関係す
る。しかし、この概念は必ずしも常に正しくな
い。本発明の実験用合金は硬度、研削摩耗、凝着
摩耗、その他の工学的特性について試験された。 硬度試験は、周知のロツクウエル試験機を使用
して行なわれた。硬度は室温硬度試験で、別に述
べないかぎりロツクウエル「Ｃ」スケールで得ら
れた。 ここに述べる研削摩耗試験は、10017ニユーヨ
ーク州ニユーヨーク東47番街345、アメリカ機械
学会の「1977年アメリカ機械学会会報」77ページ
「材料の摩耗」に述べられているように、乾燥砂
試験装置を使用して行なわれた。簡単に述べると
この試験では、試料は回転するゴムのホイールに
押しつけられる一方、乾燥砂は試料とホイールの
間に送給される。試料の表面からの金属の減量
は、摩耗特性を判定するために測定される。基準
試験では、滑り距離は1416メートル（4720フイー
ト）であつた。 ここに述べる凝着摩耗試験は、イリノイ州ダウ
ナーズグローブ、フエイビル−ラバレー社によつ
て製作されたモデルLFW−１の摩擦と摩耗試験
機で行なわれた。試験方法はアメリカ材料試験協
会仕様書No.Ｄ−2714−68に記載されている。この
試験方法はもと「ダウコーニング」摩耗試験とし
て知られていた。凝着試験は本質的に金属対金属
の摩耗に関する。簡単に述べるとこの試験では、
試料（ブロツク）は種々な荷重の下に回転する金
属ホイール（リング）に押しつけられる。摩耗表
面からの金属の減量は、試験される合金の金属対
金属の摩耗特性を示す。 本発明の合金は、耐摩耗性を与える物品として
使用するために鋳物の形に作られる。本発明の合
金は、焼結物品に加工するため、特定の表面硬化
法に使用するため、および他の金属粉末処理のた
めに、金属粉末の形をとつてもよい。本発明の合
金は、鋳造または鍜練された溶接および表面硬化
棒、電極などの形をとるに特に適する。 本発明の一連の実験用合金は、第３表に開示す
るように作られた。合金は溶融され、そして特別
の問題もなく鋳造された。これら合金は容易に鋳
造できるので、なんら複雑な処理を要しない。第
３表の実験用合金（合金４と８を除く）は、真空
中で誘導溶融されて空気中で鋳造された。合金４
と８は、誘導溶融されて、鋳造の溶液棒をつくる
ためにガラス管（鋳型）の中で吸引鋳造された。
市販のヘイネスステライト合金No.６の試料も吸引
鋳造された。ヘイネスステライト合金No.６の組成
は本質的に第１表に示すようであつた。

【表】 ステライ
ト 合 金
No.6
第４表は、第３表に示す本発明の合金４および
ヘイネスステライト合金６の硬度と研削摩耗の試
験データを示す。両合金は表面硬化棒に吸引鋳造
された。表面硬化溶着金属は、酸素−アセチレン
およびTIG法によつて作られ、そして表示のよう
に試験された。データは、本発明の合金がヘイネ
スステライト合金６にまさることを示す。

【表】 第５表は、本発明の合金４およびヘイネスステ
ライト合金No.６の酸素−アセチレン溶着金属のも
う一つの試験から得られたデータを示す。吸引鋳
造された棒は溶着され、そして表示のように試験
された。凝着摩耗試験のリングは、ロツクウエル
Ｃ−16の硬度を有するはだ焼きされたSAE4620
鋼で作られた。これらの試験データもまた、本発
明の合金が金属対金属の摩耗特性について表面硬
化の技術を改良することを示す。 本発明の合金１と２および合金208は、この技
術に周知の試験方法によつて酸化に対する抵抗を
試験された。酸化試験は982℃（1880〓）で100時
間行なわれた。空気の流れは、乾燥空気を使用し
て毎時0.196立方メートル（７立方フイート）の
割合で送られた。第６表の酸化のデータは、合金
１と２が市販の合金208に比べて酸化の侵透度が
小さく、そして金属の減量も少ないことを示す。
酸化率は、合金が摩耗状態と高温度の下に使用さ
れるとき重要である。

【表】 熱間硬度試験は、本発明の合金８およびヘイネ
スステライト合金No.６について行なわれた。それ
ら合金は溶接棒に吸引鋳造され、そして溶着金属
は酸素−アセチレン表面硬化法によつて作られ
た。両合金は、136度のサフアイア圧子で1590グ
ラムの荷重を使用して真空硬度試験装置の中で周
知の方法によつて試験された。熱間硬度のデータ
は、ダイヤモンドピラミツド硬度（DPH）数で
平均熱間硬度数値を表わす第７表に示されてい
る。第７表に示す室温の数値は、136度のダイヤ
モンド圧子で1590グラムの荷重を使用してケント
ロン微小硬度試験装置の中で試験することによつ
て得られた。 これらのデータは、本発明の合金が傑出した熱
間硬度特性を有することを示す。熱間硬度は一つ
の重要な耐摩耗特性である。本発明の多くの実施
例が可能であり、そして前記実施例に多くの変更
を加えることができるであろうから、ここに述べ
たすべてのことは説明的であつて制限的でないと
解釈すべきものと理解されたい。

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 耐摩耗合金にして、重量百分率で、炭素２な
   いし3.5、コバルト７ないし15、クロム20ないし
   35、鉄20ないし30、モリブデン５ないし16、タン
   グステン4.5以下、モリブデン＋タングステン5.5
   ないし16、ケイ素1.5以下、マンガン１以下、お
   よび残りニツケルと不定不純物から本質的に成る
   ことを特徴とする耐摩耗合金。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の合金において、
   炭素2.3ないし３、コバルト7.5ないし15、クロム
   25ないし30、鉄20ないし27、モリブデン＋タング
   ステン８ないし16、タングステン４以下、および
   ケイ素0.3ないし1.5であることを特徴とする耐摩
   耗合金。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の合金において、
   前記合金は重量百分率で、炭素約2.7、コバルト
   約10.5、クロム約27、鉄約23、モリブデン＋タン
   グステン約10、タングステン約2.5以下、ケイ素
   約0.7、マンガン約0.4、および残りニツケルと不
   定不純物から本質的に成ることを特徴とする耐摩
   耗合金。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の合金において、
   表面硬化溶着金属をつくる物品の形をとることを
   特徴とする耐摩耗合金。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の合金において、
   鋳物の形をとることを特徴とする耐摩耗合金。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の合金において、
   表面硬化に使用するために鋳造された溶接棒の形
   をとることを特徴とする耐摩耗合金。