(57)【要約】【課題】  船舶エンジン用の排気弁棒の触火面に溶接して肉盛層を形成するために使用する粉末材料で、ＮＣＦ８０Ａと同等の優れた耐食性を有し、溶接性および硬さが改善されたＮｉ基の肉盛用の粉末合金を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０５０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．０１〜０．５０％、Ｃｒ：２０．０〜３０．０％、Ｍｏ：４．０〜１２．０％、Ｎｂ：０．５〜４．０％、Ｆｅ：０．１〜６．０％を含有し、かつ、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種、合計で０．８％を超え２．０％以下を含有し、残部Ｎｉおよび不可避不純物の粉末合金からなり、６００〜９００℃の条件下での時効処理後の硬さが２８０ＨＶ以上である、耐食性、溶接性および硬さに優れたＮｉ基肉盛用粉末合金。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０５０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．０１〜０．５０％、Ｃｒ：２０．０〜３０．０％、Ｍｏ：４．０〜１２．０％、Ｎｂ：０．５〜４．０％、Ｆｅ：０．１〜６．０％を含有し、かつ、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種、合計で０．８％を超え２．０％以下を含有し、残部Ｎｉおよび不可避不純物の粉末合金からなることを特徴とする耐食性、溶接性および硬さに優れたＮｉ基肉盛用粉末合金。
【請求項２】
粉末合金は、６００〜９００℃の条件下での時効処理後の硬さが２８０ＨＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の耐食性、溶接性および硬さに優れたＮｉ基肉盛用粉末合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶エンジン用弁棒などに使用される、溶接性、耐食性および硬さに優れたＮｉ基肉盛用粉末合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶エンジンの燃焼温度の上昇による排出ガスの低減が急務となっており、船舶エンジン用弁棒の触火面の耐久性の向上が求められている。従来、船舶エンジン用弁棒の材料としては、ＪＩＳに規定するオーステナイト系耐熱鋼のＳＵＨ３１に代表される耐熱鋼が使用されている。しかし、そのようなオーステナイト系耐熱鋼では、なお耐久性が不足している。その代替材としては、高温強度と耐食性に優れる、ＪＩＳに規定する超合金であるＮＣＦ８０ＡのようなＮｉ基合金が挙げられる。しかし、この合金の使用は大きくコストアップしてしまうことがネックとなっている。
【０００３】
そこで、耐久性とコストの双方を考慮すると、上述したＳＵＨ３１などの従来の耐熱鋼を芯材とし、この従来の耐熱鋼からなる芯材の触火面に、ＮＣＦ８０ＡのようなＮｉ基合金の粉末合金を溶接または溶射することが有効と考えられる。しかしながら、ＮＣＦ８０Ａでは、溶接施工性に難点がある上、耐久性向上のためには、さらに高い硬さが必要となる。そこで、希土類元素、特にＬａを添加して、溶接部のミクロ割れを助長させる酸素や硫黄を、酸化物あるいは硫化物として固着させことができる、溶接性に優れたＮｉ基合金が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この希土類元素、特にＬａを添加したＮｉ基合金では、溶接部の耐久性および硬さについては不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２８８５００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述のように、船舶エンジン用の排気弁棒の触火面への溶接または溶射に用いる肉盛用粉末材料として、ＮＣＦ８０Ａと同等の優れた耐食性を有し、溶接性または溶射性、および硬さが改善されたＮｉ基の肉盛用の粉末合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
船舶エンジン用の排気弁棒の触火面の耐久性の向上には、触火面への溶接または溶射に用いる肉盛用粉末材料が十分に高い硬さを有している必要がある。そこで、本発明者らは上記の課題を解決するために、耐食性、溶接性および硬さに優れたＮｉ基粉末合金において種々の検討を行った結果、ＮＣＦ８０Ａよりも溶接性に優れるＮｉ基合金であるＪＩＳに規定するＮＣＦ６２５に、ＡｌおよびＴｉを適量添加し、ＮｂおよびＭｏ量を規制することにより、耐食性を劣化させることなく、優れた硬さを有するＮｉ基肉盛用粉末合金を見出した。
【０００７】
すなわち、上記の課題を解決するための本発明の手段は、Ｃ：０．００１〜０．０５０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．０１〜０．５０％、Ｃｒ：２０．０〜３０．０％、Ｍｏ：４．０〜１２．０％、Ｎｂ：０．５〜４．０％、Ｆｅ：０．１〜６．０％を含有し、かつ、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種、合計で０．８％を超え２．０％以下を含有し、残部Ｎｉおよび不可避不純物の粉末合金からなることを特徴とする耐食性、溶接性および硬さに優れたＮｉ基肉盛用粉末合金である。
【０００８】
本願発明におけるＮｉ基肉盛用合金粉末の化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、以下の％は質量％を意味する。
【０００９】
Ｃ：０．００１〜０．０５０％
Ｃは、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂと結合して炭化物を形成し、高温強度を高めるとともに耐磨耗性をもたらす。こうしたＣの効果を得るためには、合金中に０．００１％以上のＣを存在さなければならない。一方で、Ｃが多量に存在すると、耐食性および耐熱性を劣化させるため上限を０．０５０％とする。
【００１０】
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは、脱酸材として０．０１％以上を添加する必要があり、Ｓｉの下限は０．０１％とする。しかし、Ｓｉが０．５０％を超えて添加されると溶接性が劣化する。そこで、Ｓｉは上限を０．５０％とする。
【００１１】
Ｍｎ：０．０１〜０．５０％
Ｍｎは、脱酸材として０．０１％以上を添加する必要があり、Ｍｎの下限は０．０１％とする。しかし、Ｍｎは０．５０％を超えて増量添加されてもその効果は飽和され、逆に材料内に介在物として酸化物が形成される傾向がある。そこで、Ｍｎは上限を０．５０％とする。
【００１２】
Ｃｒ：２０．０〜３０．０％
Ｃｒは、緻密なＣｒの酸化膜を形成して耐酸化性を向上させる元素であるが、Ｃｒが２０．０％ 未満ではその効果は十分でない。そこでＣｒは下限を２０．０％とする。一方、Ｃｒを３０．０％を超えて添加すると、有害な金属間化合物が生成される。そこで、Ｃｒは上限を３０．０％とする。
【００１３】
Ｍｏ：４．０〜１２．０％
Ｍｏは、耐食性向上元素および固溶強化元素として添加する。Ｍｏが４．０％ 未満では、その効果が十分でないため、下限を４．０％ とする。一方、Ｍｏが１２．０ ％ を超えて添加されと、溶接性が劣化し、固溶量が飽和し、マトリクス中にネット状の金属間化合物が形成されて耐食性が劣化する。そこで、Ｍｏは上限を１２．０％ とする。
【００１４】
Ｎｂ：０．５〜４．０％
Ｎｂは、固溶強化および析出硬化ならびにＣ元素を固定するための元素として添加される。Ｎｂは０．５％ 未満では、その効果が充分でないので、下限を０．５％ とする。一方、Ｎｂは４．０％ を超えて増量添加されるとＭｏと同様に固溶量が飽和し、マトリクス中にネット状の金属間化合物が形成されて耐食性が劣化される。そこで、Ｎｂは上限を４．０％とする。
【００１５】
Ｆｅ：０．１〜６．０％
Ｆｅは、時効析出を促進し、Ｎｉの代替としてコストダウンに寄与する元素として添加される。Ｆｅが０．１％未満では、それらの効果が十分ではないので、Ｆｅは下限を０．１％とする。一方、Ｆｅが６．０％を超えて増量添加されると耐食性および耐酸化性が劣化される。そこで、Ｆｅは上限を６．０％とする。
【００１６】
Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種、合計で０．８％を超え２．０％以下
Ａｌ、Ｔｉは、ともに時効処理によりγ’相すなわちＮｉ（Ａｌ、Ｔｉ）を析出させ、材料に硬化をもたらす。添加量が僅かでは、γ’相の析出が少なく、期待する効果が得られない。そのため、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計の下限を０．８％とする。一方、Ａｌ、Ｔｉの過大な添加はマトリクス中のＮｂの固溶量を減少させて、硬さと耐食性の低下を招く上に、γ’相とマトリックスとの整合性を高めて整合歪が減少する結果、整合歪に起因する硬化が不十分になる。そこで、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計の上限を２．０％とした。
【００１７】
ところで、船舶エンジン用弁棒の触火面の耐久性向上には、触火面への溶接または溶射に用いる肉盛用粉末材料が十分に高い硬さを有している必要がある。ＪＩＳに規定するＮＣＦ６２５はＮＣＦ８０Ａと比べて溶接性は優れ、耐食性は同等であるが、硬さは低い。そこで、本発明はＮＣＦ６２５にＡｌおよびＴｉを適量添加し、６００〜９００℃の条件下で時効処理を施してγ'相を析出させ、ＮＣＦ６２５よりも高硬度な２８０ＨＶ以上の硬さにして耐久性を向上させている。
【発明の効果】
【００１８】
上記の本発明の手段によって、船舶エンジン用排気弁棒の触火面への溶接または溶射に用いる肉盛粉末材料として、ＮＣＦ８０Ａと同等の耐食性を有しながら、溶接性または溶射性、ならびに硬さおよびコストが改善されたＮｉ基粉末合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の粉末合金のＡおよび比較合金の１と２のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】合金マトリックス中の［Ａｌ］および［Ｎｂ］と時効硬さとの関係を示すグラフである。
【図３】合金マトリックス中の［Ｔｉ］および［Ｎｂ］と時効硬さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を実施するための形態について、図面および表を参照して以下に説明する。
【００２１】
本発明の供試材である発明合金のＡ〜Ｆと比較合金の１〜８の化学成分の含有量を示す。なお、含有量の％は質量％で示している。
【００２２】
表１に示す化学成分にて溶製した比較合金８を除く全ての粉末合金を、粉末プラズマ溶接法によって耐熱鋼のＳＵＨ３１へ肉盛溶接した。なお、比較合金８はバルク状態のＮＣＦ８０Ａである。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
ここで、比較合金８を除く全ての粉末合金の溶接性を評価するため、肉盛溶接材を切断し、断面観察を行って溶接性を評価した。割れが確認されなければ溶接性が良いとして表２に○で示し、割れが確認された場合は溶接性が悪いとして表２に×で評価した。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
硬さの評価として、肉盛溶接部から試験片を割出し、発明合金Ａ〜Ｆおよび比較合金１〜７は下記に示す６００〜９００℃で１０〜２０時間保持した後に空冷する時効処理を、比較合金８は１０８０℃で８時間保持し空冷させた固溶化処理と、７００℃で１６時間保持し空冷させた時効処理を施し、ビッカース硬さで硬度測定を行った。発明合金Ａ〜Ｆおよび比較合金１〜７に施した時効処理条件は、発明合金ＡおよびＤならびに比較合金１および２に対しては６００℃で２０時間保持後空冷、発明合金Ｆならびに比較合金６および７に対しては７００℃で１０時間保持後空冷、発明合金ＢおよびＥならびに比較合金４および５に対しては７５０℃で１０時間保持後空冷、発明合金Ｃならびに比較合金３に対しては９００℃で１０時間保持後空冷である。
【００２７】
さらに、耐食性の評価として、同じく、肉盛溶接部から試験片を割出し、上述と同じ熱処理を施し、ＳアタックおよびＶアタックによる耐食性評価試験に供した。これらの評価は腐食減量による定量評価であった。ＳアタックおよびＶアタックによる耐食性評価試験の条件の詳細を示すと、以下の通りである。
【００２８】
先ず、上記のＳアタック試験について説明する。先ず、９０％Ｎａ2ＳＯ4＋１０％ＮａＣｌからなる合成灰の中に、１６ｍｍ×１２ｍｍ×４ｍｍの大きさの試験片を埋め込み、次いで、８００℃で２０時間保持して腐食減量を測定し、同じく結果を上記の表２に示した。
【００２９】
次いで、上記のＶアタック試験について説明する。先ず、８５％Ｖ2Ｏ5＋１５％Ｎａ2ＳＯ4の合成灰の中に、１６ｍｍ×１２ｍｍ×４ｍｍの大きさの試験片を埋め込み、次いで、８００℃で２０時間保持して腐食減量を測定し、結果を同じく上記の表２に示した。
【００３０】
その後、発明合金Ａ、比較合金１および比較合金２はＳＥＭによる組織観察を行い、マトリクスおよびネット状金属間化合物の元素分析を行った。表３に発明合金Ａ、比較合金１および比較合金２のマトリクス、およびネット状金属間化合物の化学成分を、図１にミクロ組織写真を示す。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
表１に示すＮＣＦ８０Ａ同等成分である比較合金７を除いて、いずれの発明合金および比較合金も、表２に示すように溶接性は良好であった。
【００３３】
表１に示すＮＣＦ８０Ａである比較合金８と比べ、添加Ａｌ量およびＴｉ量が比較的多い比較合金１および比較合金２は、表２に示すように、高い硬さが得られている。しかしながら、耐食性に関しては、Ｖアタックにおいては何れもほぼ同等であるが、Ｓアタックにおいては、発明合金およびＮＣＦ６２５と同等成分である比較合金４のみが、比較合金８と同等であった。
【００３４】
図１のミクロ組織写真によると、耐Ｓアタック性が比較合金８と同等であった発明合金Ａは、比較合金１および比較合金２と比べてネット状金属間化合物の存在量が少ないことが分かる。添加Ａｌ量およびＴｉ量が多いほど、多く存在する傾向にある。
【００３５】
表３の結果によると、マトリクス中にはＮｂ、Ｍｏの固溶量が少なく、ネット状金属間化合物はＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂで構成されている。このことから、ネット状金属間化合物はマトリクス中に固溶しきれなかったＮｂ、Ｍｏによって生成したものと考えられる。
【００３６】
また、マトリクス中に固溶していたＭｏは約８％であり、マトリクスのＮｂの固溶度は添加Ｔｉ量および添加Ａｌ量に依存する傾向も見られた。
【００３７】
図２にマトリクス中のＡｌ、Ｎｂと、硬さの関係を示し、図３にマトリクス中のＴｉ、Ｎｂと、硬さの関係を示す。これらの図から、Ａｌ、Ｔｉが増加すると合金の硬さは上昇するが、Ｎｂの固溶量は減少する傾向にあることが分かり、Ａｌ、Ｔｉ量の増加はネット状金属間化合物の生成を促し、耐食性を悪化させるものと見られる。
【００３８】
表２に示すように、発明合金は、Ａ〜Ｆの全ての試験片で良好な溶接性を示し、耐食性はバルクのＮＣＦ８０Ａである比較合金８と同等であり、硬さは２８０ＨＶ以上でＮＣＦ６２５同等の比較合金４よりも５０〜１００ポイント、ＮＣＦ８０Ａ同等の比較合金７よりも３０〜７０ポイント高く、溶接性、耐食性および硬さの三つの特性がいずれも良好である。比較合金４、７、８を除く比較合金は、硬さは比較的高めにあるが、Ｓアタックの腐食量が大きく、耐食性に劣っている。
【図２】
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【図３】
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【図１】
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