JP4171066B2

JP4171066B2 - 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

Info

Publication number: JP4171066B2
Application number: JP51554996A
Authority: JP
Inventors: ハワードオッケン; シャーンジェイフィンドラン; マイケルケイフィリップス
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1994-11-03
Filing date: 1995-11-03
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2015-11-03
Also published as: DE69521332D1; AU4165496A; EP0789786B1; CA2204248A1; EP0789786A4; US5702668A; JPH10509478A; WO1996014446A1; EP0789786A1; CA2204248C

Description

【０００１】
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。
【０００２】
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⁶⁰Ｃｏ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⁶⁰Ｃｏ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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）環境に曝露される建設部材の建設方法であって、該建設部材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。
【０００５】
発明の要約
本発明は、炭素１.１０〜１.３５重量％；マンガン４.０重量％以上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；コバルト０.０５０重量％未満；及び残部鉄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、オーステナイト相及び共晶合金炭化物からなる微細組織を有し、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。
【０００６】
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）相及び共晶合金炭化物からなる微細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。
【０００７】
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１.１０〜１.３５重量％；マンガン４.０重量％以上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；コバルト０.０５０重量％未満；及び残部鉄。
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ト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重量％及びニッケル約５重量％を含有した。
【０００８】
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、２４〜２６重量％、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１.２５重量％の量で用いられる。
【０００９】
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重量％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、Ｐ０.０１８重量％未満、Ｓ０.０１重量％未満及びＢ０.００２重量％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。溶接材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。
【００１０】
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。
【００１１】

【００１２】
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。

Claims

鉄基耐摩耗耐ゴーリング表面硬化合金であって、炭素１.１０〜１.３５重量％；マンガン４.０重量％以上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；コバルト０.０５０重量％未満；及び残部鉄からなり、微細組織が、実質的に、オーステナイト相及び共晶合金炭化物からなる合金。
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。
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；コバルト０.０５０重量％未満；及び残部鉄からなり、微細組織が、実質的に、オーステナイト相及び共晶合金炭化物からなる請求項１記載の合金。
摩耗及び腐食環境に曝露される建設部材を含むプラントの建設方法であって、炭素１.１０〜１.３５重重％；マンガン４.０重量％以上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；コバルト０.０５０重量％未満；及び残部鉄からなり、微細組織が、実質的に、オーステナイト相及び共晶合金炭化物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基体上に溶着することによって前記建設部材を形成する工程を含み、かつ該基体の予熱が不要である方法。
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；コバルト０.０５０重量％未満；及び残部鉄からなり、微細組織が、実質的に、オーステナイト相及び共晶合金炭化物からなる請求項４記載の方法。
請求項４記載の方法に従って製造された摩耗及び腐食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建設部材。
該基体が炭素鋼である請求項２記載の合金。
該基体がステンレス鋼である請求項２記載の合金。
該溶接がガスタングステンアーク溶接である請求項２記載の合金。
前記プラントが原子力発電所である請求項４記載の方法。