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合金のバックグラウンド

ニッケル合金のバックグラウンド

ニッケルは、次の理由から水溶性腐食に耐性のある合金の理想的な基材です:

  1. リーズナブルな価格でニッケルが豊富に供給されている。
  2. 本質的に鉄よりも耐食性がある。
  3. 固体範囲全域において、延性のある面心立方構造(”ガンマ”相として知られ、ステンレス鋼で好まれる”オーステナイト”に類似している)を示す。
  4. 有益な元素、特にクロム、銅、およびモリブデンは、ニッケルに非常に溶けやすい(すなわち、ミクロ組織中に第 2相の析出を引き起こすことなく、これらの元素を大量に添加することができる)。
  5. 延性が高いことから、鍛造(高温および低温)、加工、および溶接に非常に適している。

ニッケルには、各種元素の中から、クロム、銅、モリブデン、および鉄が耐食性を高めるために、あるいはコストを削減する(鉄が添加される場合)ために添加されます。

ニッケル基合金におけるクロムの主な役割は、酸化性の腐食性溶液中でクロムに富む(酸化物または水酸化物)の、(”不動態の”)保護表面被膜の形成を可能にすることです。 このような溶液は、酸素を含む高電位の陰極反応を誘発しますが、還元性の溶液は、水素発生を伴う低電位の陰極反応を誘発します。

他の酸の多くの不純な溶液と同様に、純粋な硝酸溶液は酸化性です。 酸化傾向の強い不純物には、第二鉄イオンや溶存酸素などがあります。 クロム含有量が約13 wt.%を超える場合にのみ”ステンレス”と見なされる鋼と同様に、耐食ニッケル合金も、酸化性溶液中での不動態化を可能にするために閾値のクロム含有量を必要とします。 これは15 wt.%程度であると考えられています。 最も用途の広いニッケル合金のより典型的なクロム含有量は、16〜23 wt.%の範囲です。

ニッケルに相互に溶解する(すなわち、2つの成分のすべての混合物は、他の合金元素がない場合、単一のFCC構造を示す)銅は、海水中のニッケルの耐性を高め、酸、特にフッ化水素酸を還元します。 銅は、一部のクロム含有ニッケル合金に少量使用されていますが、(MONEL®の商標を持つ)いくつかの耐食ニッケル合金の銅含有量は約30 wt.%で、主成分です。

モリブデンはニッケルの特性を高め、還元性の酸、すなわち水素の放出を伴う陰極反応を誘発する酸に対する耐性を高めます。 このような酸には、最も一般的に遭遇する工業用腐食性物質である塩酸と硫黄などがあります。 モリブデンの原子は比較的大きいので、ガンマ固溶体も強化します。 一部の合金では、(同じ元素グループからで、原子サイズがさらに大きい)タングステンがモリブデンの部分的な代替品として使用されています。 特にクロムなどの他の元素の存在下でのモリブデンとタングステンの溶解度は限られています。 ただし、クロム含有ニッケル合金では15〜20 wt.%のモリブデンレベルが可能であり、他の元素をわずかに添加したニッケル合金では30 wt.%のモリブデン含有量が実現可能です。

すでに述べたように、鉄を添加するのは通常、経済的な理由であり、溶融中に安価な投入材料を使用できるようにするため、あるいは耐食ニッケル基合金とオーステナイト鋼および二相(オーステナイト/フェライト)ステンレス鋼との間のコスト/性能のギャップを埋める材料を製造するためです。 鉄を添加する際の問題の1つは、クロムやモリブデンなどのより有益な元素の(ニッケルに富むガンマ固溶体中での)溶解度が低下し、これらの元素の使用が制限されたり、延性および/または耐食性に有害な第二相の存在を生じたりすることです。

鍛造、耐食ニッケル合金に(少量ではありますが)時々添加される他の元素には、次のものがあります:

  1. アルミニウム。溶融中の酸素を制御するため、または(わずかに高いレベルで)ミクロ組織内に微細な”ガンマプライム”粒子の析出を誘発して材料を強化するために添加。 (第二相として)ガンマプライムは耐食性をある程度低下させるが、さまざまなニッケル合金のガンマプライム強化バージョンは商業的に成功している。
  2. マンガン。溶融中の硫黄を制御するために添加。
  3. チタン。安定した炭化物および/または窒化炭素の形態の残留炭素(および/または窒素)を結合するため、または微細で強化されたガンマプラム析出物の形成に関与するために添加。
  4. ニオブ(コロンビウム)。残留炭素を結合することもでき、(わずかに高いレベルで)”ガンマダブルプライム”として知られる代替の微細な強化析出物を生成する。

炭素とシリカは、ほとんどの鍛造、耐食ニッケル基合金では望ましくない残留物であり、これら2つの元素の含有量を最小限に抑えるために、溶融中に高度な技術(アルゴン酸素脱炭、AODなど)が採用されます。 これらはニッケルにあまり溶けないので望ましくなく、熱間加工と(アニールされた材料の)溶接の両方の間に、特に粒界で有害な析出物を生成する可能性があります。

これらの合金の製造と加工における重要なステップは、溶体化処理とそれに続く急冷(クエンチング)です。 これにより、熱間(または温間)加工中に発生した可能性のある不要な(過剰合金化、または炭素やケイ素などの残留物の存在による)第二相析出物の溶解が可能になり、この大部分が単相組織である組織を”固定”します。 準安定性は、一般に、後に続く溶接の熱影響部でのみ問題になり、そこでは、粒界の析出により特定の腐食性媒体の境界が優先的に腐食される可能性があります。 これらの材料の使用目的温度は、著しい拡散を引き起こすのに必要な温度よりも低いため、使用中の組織変化はほとんど問題になりません。

コバルト合金のバックグラウンド

周期表では近接しているにもかかわらず、ニッケルとコバルトの原子構造と特性には本質的な違いがあります。 ニッケルと同様に、コバルトには本質的に耐食性があり、高レベルの有益な元素に含まれます。 ただし、コバルトは2つの原子形態を示します:

  1. 低温六方最密構造 (HCP) 形態。
  2. 高温面心立方構造 (FCC) 形態。

純コバルトの変態温度は417℃です。 ニッケル、鉄、炭素などの合金元素は(限られた溶解範囲内で)FCCを安定化させる元素として知られており、変態温度を低下させます。 一方、クロム、モリブデン、およびタングステンはHCPを安定化させる元素であり、変態温度を上昇させます。

実際には、変態は非常にゆっくりとしており、加熱または冷却によって簡単に実現することはできません。 実際、溶融状態からの凝固後(あるいは、鍛造製品の場合は溶体化処理および急冷後)、(変態温度が高い)コバルトおよびコバルト合金は通常、室温で準安定FCC構造を示します。 しかしながら、HCPへの部分的な変態は、冷間加工(すなわち、室温での塑性変形)によって容易に誘発されます。

機械的応力の作用下でのコバルトおよびコバルト合金の変態は、広い積層欠陥(非常に低い積層欠陥エネルギーを有する材料のFCC形態)の生成およびその後の合体によって進行すると考えられています。 塑性変形したコバルト基合金でも、広範なマイクロ双晶が観察されます。

クロムは、コバルトに対してニッケルと同じ利点をもたらします。すなわち、腐食性流体と高温ガスの両方中において保護フィルム/スケールを形成する鍵になります。 さらに、クロムはコバルトとその合金の構造変化の推進力に影響を及ぼし、それが次にそれらの機械的および摩耗挙動に影響を及ぼします。

コバルト基合金中のニッケル(存在する場合)の主な役割は、FCC形態を安定させることです。 これは耐摩耗性に悪影響を及ぼしますが、多くの利点、特に(ニッケル含有量が十分に高い場合は)鍛造加工を容易にするという利点があります。

モリブデンとタングステンは、どちらもコバルト基合金の強力な固溶強化元素です。 これらの元素は、また、変態温度を高め、(金属同士の滑りやキャビテーションエロージョンなどの)微小疲労成分を伴う摩耗の形態に対する耐性を高めます。 モリブデンは、主に耐水溶液腐食性および耐摩耗性のために設計されたコバルト合金に使用されます。 タングステンは、高温用に設計された鍛造コバルト合金、および主に過酷な環境での耐摩耗性を目的として設計された鋳造(および溶接オーバーレイ)用高炭素合金に使用されます。

比較的高い炭素含有量(すなわち、0.5~3.5 wt.%)の鋳造(およびオーバーレイ溶接)用コバルト合金においては、クロム、モリブデン、およびタングステンもミクロ組織内に炭化物の形成を促進します。 これらの炭化物(クロムリッチのM7C3およびM23C6、およびモリブデン/タングステンリッチのM6C)は、低応力の(二体)摩耗条件下で非常に有益です。

ニッケル基合金と同様に、鉄はコストを削減するために使用することができ、特に、溶融中に投入材に鉄化合物や鉄で汚染されたスクラップを使用できる場合はそうです。しかしながら、鉄を(ニッケルではない)代替のFCC安定材として使用して変態温度を下げ、合金を鍛造処理や加工により適したものにすることもできます。

コバルト中への炭素の溶解度は、ニッケル中へよりも高く、 したがって、耐食性、耐摩耗性の鍛造コバルト基合金中の炭素を最小限に抑える必要は少なくなります。 さらに、炭素は、鍛造耐熱合金(コバルトとニッケルの両方)への重要な微少添加元素であり、主に耐摩耗性のために設計された鋳造およびオーバーレイ溶接用コバルト合金の主要な添加元素です。 耐熱合金におけるその目的は、まばらに分散した炭化物の形成を通じて合金を強化することです。 耐摩耗合金におけるその目的は、ミクロ組織内に高体積比率の炭化物を生成し、耐切削性と耐変形性を高めることです。

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