(57)【要約】【課題】高温耐食性に優れ、高温強度の低下を抑制できる肉盛溶接用ニッケル系合金及び排気弁棒を提供すること。【解決手段】本発明の課題は、Ｎｉ、Ｃｒを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％含んでなることを特徴とする肉盛溶接用ニッケル系合金、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ及びＴｉを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％、Ｃｏを５〜８重量％、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含んでなることを特徴とする肉盛溶接用ニッケル系合金及び排気弁棒。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ、Ｃｒを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％含んでなることを特徴とする肉盛溶接用ニッケル系合金。
【請求項２】
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ及びＴｉを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％、Ｃｏを５〜８重量％、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含んでなることを特徴とする肉盛溶接用ニッケル系合金。
【請求項３】
Ｃｏを５〜８重量％、Ｃｒを３１．５〜３３．５重量％、Ｍｏを２．９〜３．５重量％、Ｆｅを０．６重量％以下、Ｃを０．０９重量％以下、Ｗを１．０重量％以下、Ｍｎを０．５重量％以下、Ｓｉを０．５重量％以下、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含有し、残部Ｎｉ及び不可避不純物を含んでなることを特徴とする請求項１又は２記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
【請求項４】
ＡｌとＴｉの含有量が、Ａｌ＋Ｔｉ≦７重量％であることを特徴とする請求項２又は３記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
【請求項５】
Ｎｂを実質的に含まないことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
【請求項６】
７００〜８００℃での時効処理後の硬さが、Ｈｖ５４０以上であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の肉盛溶接用ニッケル系合金が肉盛溶接されてなることを特徴とする排気弁棒。
【請求項８】
肉盛溶接がレーザ溶接であることを特徴とする請求項７記載の排気弁棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肉盛溶接用ニッケル系合金に関し、より詳しくは、高温耐食性に優れ、高温強度の低下を抑制できる肉盛溶接用ニッケル系合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼル機関等を構成する排気弁棒における肉盛溶接には、肉盛溶接用合金として、インコネル７１８（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、以下同じ）、ナイモニック８０Ａ（Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、以下同じ）などが用いられてきた。
【０００３】
しかし、近年、燃焼室の温度が上昇傾向にあり、高温耐食性が求められるようになったため、インコネル７１８では、十分な高温耐食性が得られず改善の余地があった。一方、ナイモニック８０Ａは、インコネル７１８よりも高温耐食性に優れるものの、コスト高になってしまう問題があった。
そこで、従来の肉盛溶接用合金の代替となる合金の開発が望まれていた。
【０００４】
特許文献１は、高温耐食性に優れるＮｉ基合金を開示している。特許文献１のＮｉ基合金は、耐食性、溶接性、硬さに優れるとし、６００〜９００℃の条件での時効処理後の硬さは、Ｈｖ２８０程度であると記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１１１２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のＮｉ基合金は、ナイモニック８０Ａに対して、同等の耐食性を有しながらも、コストが改善されているが、硬さがＨｖ２８０程度にとどまる。このため、特許文献１は、表面硬さがＨｖ５４０以上要求される船用エンジン用排気弁棒のシート面に適用することはできない。
【０００７】
また、特許文献１の肉盛溶接用合金は、６５０℃以上の高温下では高温強度等の機械的特徴が低下すると思われ、高温下での使用には適さない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、高温耐食性に優れ、高温強度の低下を抑制できる肉盛溶接用ニッケル系合金を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
（請求項１）
Ｎｉ、Ｃｒを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％含んでなることを特徴とする肉盛溶接用ニッケル系合金。
（請求項２）
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ及びＴｉを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％、Ｃｏを５〜８重量％、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含んでなることを特徴とする肉盛溶接用ニッケル系合金。
（請求項３）
Ｃｏを５〜８重量％、Ｃｒを３１．５〜３３．５重量％、Ｍｏを２．９〜３．５重量％、Ｆｅを０．６重量％以下、Ｃを０．０９重量％以下、Ｗを１．０重量％以下、Ｍｎを０．５重量％以下、Ｓｉを０．５重量％以下、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含有し、残部Ｎｉ及び不可避不純物を含んでなることを特徴とする請求項１又は２記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
（請求項４）
ＡｌとＴｉの含有量が、Ａｌ＋Ｔｉ≦７重量％であることを特徴とする請求項２又は３記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
（請求項５）
Ｎｂを実質的に含まないことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
（請求項６）
７００〜８００℃での時効処理後の硬さが、Ｈｖ５４０以上であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の肉盛溶接用ニッケル系合金。
（請求項７）
請求項１〜６の何れかに記載の肉盛溶接用ニッケル系合金が肉盛溶接されてなることを特徴とする排気弁棒。
（請求項８）
肉盛溶接がレーザ溶接であることを特徴とする請求項７記載の排気弁棒。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高温耐食性に優れ、高温強度の低下を抑制できる肉盛溶接用ニッケル系合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金により肉盛溶接される排気弁棒の使用態様を概念的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金により肉盛溶接される排気弁棒の使用態様を概念的に示す図である。
【００１５】
図１に示すように、１は排気弁棒である。排気弁棒１は、図１に示すように、略円柱状の軸部２と、この軸部２の先端部に連設される略円盤状の弁体部３とにより構成されている。
【００１６】
排気弁棒１は、例えばディーゼル機関等を構成する排気弁棒であって、母材として一般的に使用される耐熱鋼（ＳＵＨ１、３、４、ＳＵＨ３１、ナイモニック８０Ａ、８１（Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標））を含む耐熱鋼）により形成することができる。
【００１７】
排気弁棒１は、本発明に係る肉盛溶接用ニッケル系合金によって、肉盛溶接された肉盛部を有する。
【００１８】
肉盛部を設ける部位は、高温耐食性を要する部位であれば格別限定されない。
【００１９】
高温耐食性を要する部位としては、例えば、弁体部３の触火面３ｂを例示することができる。触火面３ｂは、弁体部３の軸部２の反対側の面（図１中の下面）であり、燃焼室５に臨む面である。ディーゼル機関等における燃焼室５の温度は、昨今上昇傾向にあり、７００℃以上となることもある。このような高温下に常に曝される触火面３ｂには、高温耐食性が要求されている。
【００２０】
また、肉盛部は、高温耐食性に加えて高温強度を要する部位に設けることができる。
【００２１】
高温耐食性と高温強度を要する部位としては、例えば、弁体部３のシート面３ａを例示することができる。シート面３ａは、弁体部３の軸部２側の面（図１中の上面）に、ディーゼル機関等においてシリンダブロックの排気口４周囲の弁座６に当接するように形成されている。弁座６にシート面３ａが当接することにより、この排気弁棒１の弁体部３が、排気口４を閉蓋する。そして、弁座６からシート面３ａが燃焼室５側に離間することにより、排気口４が開蓋される。このように、シート面３ａは、燃焼室内の高温環境に曝され、排気口４周囲の弁座６への当接を繰り返すため、高温耐食性と高温強度が要求される。
【００２２】
肉盛部は、肉盛溶接用ニッケル系合金からなる。肉盛溶接用ニッケル系合金は、Ｎｉ、Ｃｒを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％含んでなり、好ましくは、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ及びＴｉを少なくとも含み、Ｃｒを３０〜５０重量％、Ｃｏを５〜８重量％、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含んでなり、さらに好ましくは、Ｃｏを５〜８重量％、Ｃｒを３１．５〜３３．５重量％、Ｍｏを２．９〜３．５重量％、Ｆｅを０．６重量％以下、Ｃを０．０９重量％以下、Ｗを１．０重量％以下、Ｍｎを０．５重量％以下、Ｓｉを０．５重量％以下、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含有し、残部Ｎｉ及び不可避不純物を含んでなる。
【００２３】
従来の肉盛溶接用ニッケル系合金は、Ｃｒを１５〜３０重量％含むものが一般的であった。本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金は、Ｃｒを３０〜５０重量％を含み、従来の合金に比べて多量のＣｒを含有することによって、従来のニッケル系合金よりも優れた高温耐食性を示す。
【００２４】
肉盛溶接用ニッケル系合金に含有されるＡｌ及びＴｉの含有量が、Ａｌ＋Ｔｉ≦７重量％であることも好ましいことである。本発明のニッケル系合金は、肉盛溶接用であるため、高度な施工性を有する必要があり、Ａｌ＋Ｔｉ≦７重量％であれば、溶接時に高度な施工性を得ることができるからである。
【００２５】
本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金は、Ａｌと同程度のＴｉを含有している、Ｔｉは、γ′相析出に寄与するだけでなく、Ｃと金属間化合物ＴｉＣを生成する。
【００２６】
肉盛溶接用ニッケル系合金が、Ｎｂを実質的に含まないことは好ましいことである。本発明において、Ｎｂを実質的に含まないとは、肉盛溶接用ニッケル系合金１００重量部において、Ｎｂを全く含まないか、含む場合は、上限が０．５重量部以下とすることを意味する。
【００２７】
従来のニッケル系合金は、Ｎｂを０．５〜５．５重量％程度含んでおり、例えば、インコネル７１８では４．７５〜５．５重量％、インコネル６２５では３．１５〜４．１５重量％、特許文献１では０．５〜４．０重量％程度含む。
【００２８】
ところが、Ｎｂを含むと、析出強化相としてγ″相が生成され、該γ″相は６５０℃以上でδ相に変化し始めるのであるが、該δ相は強度が低いことから、ニッケル系合金の高温強度を低下させることがわかった。
【００２９】
昨今のディーゼル機関では、燃焼室内の温度が７００℃付近まで上昇するものも増加しており、このような環境で従来の排気弁棒を用いると、上述したようにγ″相が生成され、その後γ″相がδ相に変化するため高温強度が低下してしまう。
【００３０】
本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金は、Ｎｂを実質的に含まないことにより、δ相の析出を防止し、高温強度低下を抑制することができる。また、本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金は、高温クリープ特性を有する。
【００３１】
次に、肉盛部を設ける実施形態について説明する。
【００３２】
肉盛部は、上述した肉盛溶接用ニッケル系合金を肉盛溶接して形成されるが、その形成手段は格別限定されず、例えば、レーザ溶接やアーク溶接等の手段を適宜選択することができる。
【００３３】
次いで、肉盛溶接された肉盛部は、時効処理に供される。
【００３４】
時効処理における時効時間は、製品に適した時間とすることができる。
【００３５】
また、時効処理の温度条件は、７００〜８００℃の間で製品に適切な温度とすることができる。
【００３６】
本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金を肉盛溶接してなる肉盛部は、７００〜８００℃の温度で時効処理された時に、硬さＨｖ５４０以上となる。
【００３７】
従来の特許文献１記載のＮｉ基合金は、耐食性、溶接性、硬さに優れるとしながらも、６００〜９００℃の条件での時効処理後の硬さは、Ｈｖ２８０程度に留まる。従来のＮｉ基合金は、時効処理のみでＨｖ５４０以上の硬さを得られないため、Ｈｖ５４０以上の硬さを得るためには、時効処理後にプレス加工等といった更なる加工工程を設ける必要があった。
【００３８】
本発明の肉盛溶接用ニッケル系合金を肉盛溶接してなる肉盛部は、プレス加工等の更なる加工工程を設けることなく、時効処理のみでＨｖ５４０以上という高度な硬さを得ることができる。これにより、船用エンジン用の排気弁棒のシート面など使用時の硬さがＨｖ５４０以上要求されるような部位に設けられる肉盛部として用いることができる。
【００３９】
肉盛部は、単層であってもよいし、２層以上の多層であってもよい。このとき、各層を形成する手段については、全ての層を同一の手段で形成してもよいし、各層ごとに異なる手段で形成してもよい。
【実施例】
【００４０】
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。
【００４１】
第１．高温耐食性試験
（実施例１）
１．肉盛溶接用ニッケル系合金の作製
Ｃｏを５〜８重量％、Ｃｒを３１．５〜３３．５重量％、Ｍｏを２．９〜３．５重量％、Ｆｅを０．６重量％以下、Ｃを０．０９重量％以下、Ｗを１．０重量％以下、Ｍｎを０．５重量％以下、Ｓｉを０．５重量％以下、Ａｌを１．５〜２．６重量％、Ｔｉを１．５〜２．７重量％含有し、残部Ｎｉ及び不可避不純物を含んでなる肉盛溶接用ニッケル系合金を作製した。
作製した合金を、７００〜８００℃での1段階時効処理に供した。時効処理後の硬さは、Ｈｖ５６０であった。
【００４２】
２．試験片の作製
上記１．で得られた肉盛溶接用ニッケル系合金を用い、縦１５ｍｍ、横１５ｍｍ、高さ３ｍｍとなるように試験片を作製した。試験片は２つ作製した。
作製された各試験片について、市販の重量計を用いて初期重量（ｇ）を測定した。また、各試験片について、寸法（ｍｍ）を測定し、表面積（ｃｍ２）を求めた。それぞれの結果は表１に示す。
【００４３】
３．高温耐食性試験
３−１．Ｓアタック試験及びＶアタック試験
上記２．で得られた試験片の１つを、試験１としてＳアタック試験に供した。また、上記２．で得られた試験片の他の１つを、試験２としてＶアタック試験に供した。試験１及び試験２のそれぞれの試験条件は、以下に示す通りとした。
【００４４】
試験１：Ｓアタック試験
＜試験条件＞
・塗布灰：９０重量％のＮａ２ＳＯ４及び１０重量％のＮａＣｌ
・塗布量：４０ｍｇ／ｃｍ２
・試験温度：８００℃
・試験時間：４０時間
・試験雰囲気：大気
【００４５】
試験２．Ｖアタック試験
＜試験条件＞
・塗布灰：８０重量％のＶ２Ｏ５及び２０重量％のＮａ２ＳＯ４
・塗布量：４０ｍｇ／ｃｍ２
・試験温度：８００℃
・試験時間：４０時間
・試験雰囲気：大気
【００４６】
３−２．スケール除去処理
次いで、試験１に供された試験片を、それぞれ、以下（１）〜（４）の工程でスケール除去した。また、試験２に供された試験片についても同様にしてスケール除去した。
【００４７】
＜スケール除去工程＞
（１）１８重量％のＮａＯＨ、３重量％のＫＭｎＯ４を混合した水溶液を沸騰させ、該水溶液中に試験片を浸漬させた。浸漬時間が１０分間に達したら、試験片を取り出した。
（２）１０重量％のクエン酸ナトリウム溶液を沸騰させ、該溶液中に試験片を浸漬させた。浸漬時間が１０分間に達したら、試験片を取り出した。
（３）試験片をブラシを用いてブラッシング水洗した。
（４）スケールが完全に除去されるまで、上記（１）〜（３）の工程を繰り返し行った。
【００４８】
４．評価
上記３．の高温耐食性試験後の試験片について、（１）表面外観観察評価、（２）重量測定評価を行った。それぞれの結果は、表１に示す。
また、上記３−２．でスケール除去された試験２後の試験片についても、同様にして、（１）外観観察評価、（２）重量測定評価を行った。それぞれの結果は、表２に示す。
【００４９】
（１）外観観察評価
表面の目視外観観察を行い、以下の評価基準で評価した。
＜評価基準＞
Ａ：損傷が確認されたのは、表面の２０％未満だった。
Ｂ：損傷が確認されたのは、表面の２０％以上７０％未満であった。
Ｃ：損傷が確認されたのは、表面の７０％以上であった。
【００５０】
（２）重量測定評価
市販の重量計を用いて、試験片の試験後重量（ｇ）を測定した。
下記計算式を用いて、腐食減量（ｍｇ／ｃｍ２）を求めた。
【００５１】
腐食減量（ｍｇ／ｃｍ２）＝（試験片の初期重量（ｇ）−試験片の試験後重量（ｇ））×１０００÷試験片の表面積（ｃｍ２）
【００５２】
（実施例２）
実施例１において、１段階時効処理を省略した以外は、実施例１と同様にして試験片を得、該試験片を実施例１と同様にして高温耐食性試験に供して、その結果を実施例１と同様に評価した。結果は表１及び表２に示す。
【００５３】
（比較例１）
実施例１において、肉盛溶接用ニッケル系合金を、Ｎｉｍｏｎｉｃ８０Ａ（Ｃｏを２重量％以下、Ｃｒを１８〜２１重量％、Ｆｅを３．０重量％以下、Ｃを０．１重量％以下、Ｍｎを１．０重量％以下、Ｓｉを１．０重量％以下、Ａｌを１．０〜１．８重量％、Ｔｉを１．８〜２．７重量％含有し、残部Ｎｉ及び不可避不純物を含む）に代えた以外は、実施例１と同様にして試験片を得、該試験片を実施例１と同様にして高温耐食性試験に供して、その結果を実施例１と同様に評価した。結果は表１及び表２に示す。
【００５４】
（比較例２）
実施例１において、肉盛溶接用ニッケル系合金を、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８（Ｃｏを１．０重量％以下、Ｃｒを１７〜２１重量％、Ｍｏを２．８〜３．３重量％、Ｃを０．０８重量％以下、Ｍｎを０．３５重量％以下、Ｓｉを０．３５重量％以下、Ａｌを０．２〜０．８重量％、Ｔｉを０．６５〜１．１５重量％、残部Ｎｉ及び不可避不純物）に代えた以外は、実施例１と同様にして試験片を得、該試験片を実施例１と同様にして高温耐食性試験に供して、その結果を実施例１と同様に評価した。結果は表１及び表２に示す。
【００５５】
（比較例３）
比較例２において、１段階時効処理を省略した以外は、比較例２と同様にして試験片を得、該試験片を実施例１と同様にして高温耐食性試験に供して、その結果を実施例１と同様に評価した。結果は表１及び表２に示す。
【００５６】
【表１】
2018149545.tif 000002
【００５７】
【表２】
2018149545.tif 000003
【００５８】
＜評価＞
表１及び表２より、比較例１では、腐食減量が大きく、外観観察により表面損傷が激しいことが確認された。特に、試験１（Ｓアタック試験）後の腐食減量は、１５１．１ｍｇ／ｃｍ２と非常に大きく耐食性に劣る結果が示された（表１）。
比較例２、３では、試験１における腐食減量が２２〜２６ｍｇ／ｃｍ２程度であり（表１）、試験２における腐食減量が１３〜１５ｍｇ／ｃｍ２程度であった（表２）。
これに対して、実施例１、２の試験片は、いずれの試験においても腐食減量が１１ｍｇ／ｃｍ２以下であり、他の比較例よりも小さな値であった。
また、外観観察おいても、目立った表面損傷は確認されなかった。
【００５９】
第２．高温保持試験
図１に示したものと同様の構成を備える排気弁棒１を用いて、ディーゼル機関を運転した。運転は、以下の条件で行った。
【００６０】
＜条件＞
燃焼室温度：５５０℃
運転時間：１５００時間
【００６１】
＜評価＞
高温が継続した環境において、肉盛部の強度が低下することなく、高温強度を維持していることを確認した。
【符号の説明】
【００６２】
１  排気弁棒
２  軸部
３  弁体部
３ａ  シート面
３ｂ  触火面
４  排気口
５  燃焼室
６  弁座
【図１】
2018149545.tif 000004