ニッケル基超硬合金のパラメータ

1.化学組成が基本特性を決定する。ニッケル基のWC合金では、ニッケルが基本元素として働き、通常、組成の60%～85%を構成する。カスタマイズされた航空宇宙用合金部品の中には、ニッケル含有量が75%に達し、優れた靭性と耐食性を付与するものもある。炭化タングステン (WC)は重要な強化相で、一般に15% ～40%で存在する。鉱山機械用合金部品の摩耗プレートでは、30%のWC含有量が表面硬度を著しく高める。ニッケルとWCの他に、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）などの元素がしばしば添加される。例えば、高温環境下で使用される合金切削工具には5%～15% Crが含まれ、表面の酸化を効果的に防止します。モリブデンは高温強度を向上させる。航空エンジン部品では、モリブデンの添加により、合金は800℃でも良好な強度を維持できる。

2.硬度指標の著しい変化。ニッケル基WC合金の硬度は、加工技術や用途によって大きく異なる。粉末冶金で調製され、焼結された合金は、HRC 60 - 70の硬度レベルを達成することができる。自動車部品工場では、この方法で製造された金型は、大きな摩耗なしに何万回もの金属スタンピングサイクルに耐える。肉盛溶接（ハードフェーシング）は、一般的にHV800～1200程度の硬度の合金層を生成します。ポートクレーンのグラブのリップエッジに肉盛溶接でニッケルベースのWC合金を適用すると、耐摩耗性が大幅に向上します。以前は6ヶ月ごとに交換が必要だったグラブは、ハードフェーシング後、最長2年間使用できるようになりました。

3.比較的安定した密度値。ニッケル基WC合金の密度は、通常10～12g/cm³です。この密度は、合金部品を鋳造する際に非常に重要です。例えば、大型合金ベアリングシートを製造する鋳物工場では、密度に影響する合金組成の変動により、鋳造部品の重量に大きな偏差が生じました。通常、ニッケル含有量が高くWC含有量が低いと密度は低くなり、WC含有量が高いと密度は高くなります。精密機器用合金部品では、重量が設計仕様に適合するよう厳密な密度管理が不可欠です。

4.卓越した高温性能ニッケル基WC合金は、高温環境において卓越した性能を発揮する。その典型的な使用温度範囲は600℃～1000℃である。火力発電所のボイラーパイプ溶接補修では、ニッケル基WC合金溶接棒を使用することで、パイプは850℃の高温蒸気の精練作用下でも良好な耐摩耗性と強度を維持することができる。900℃でも、合金の引張強さは500MPaを超えることができます。例えば、ニッケル基WC合金でコーティングされた製鉄所の再加熱炉ローラーテーブルの表面は、950℃の鋼ビレットの圧延圧力下で摩耗が最小限に抑えられ、ローラーの交換頻度が大幅に減少しました。

5.優れた耐摩耗性合金の耐久性は WC の内容と密接に関連しています。鉱石粉砕の間の摩擦が激しい鉱山のボールミルはさみ金のためにニッケル基づかせていた WC の合金を使用して、35% WC の内容のはさみ金は標準的な鋼鉄はさみ金より 5 倍長く持続します。セメント生産ラインでは、セメントを輸送するパイプのエルボにニッケル基WC合金の摩耗板を使用すると、標準の板が数ヶ月で摩耗するのに対し、1年以上経っても摩耗がほとんど見られない。レーザー再溶解のような表面処理は、耐摩耗性をさらに高めることができる。ある機械工場では、表面をレーザー再溶解した後、30%合金金型の摩耗寿命を延ばした。

6.耐食性が異なるニッケル基WC合金は、腐食媒体によって異なる耐食性を示す。希硫酸水溶液中では、Mo含有量の高い合金の方が優れた耐食性を示す。一部の化学プラントでは、このような合金を反応容器の撹拌翼に使用しており、希硫酸中で2年間使用しても表面腐食はわずかである。海水環境では、CrとMoを含む合金は塩化物イオン腐食に効果的に抵抗する。洋上石油プラットフォーム機器のニッケル基WC合金製部品は、長期間の海水浸漬や洗掘にもかかわらず良好な性能を維持し、腐食による故障を防止している。

7.熱膨張熱膨張係数の影響ニッケル基WC合金の熱膨張係数(TEC)は、通常(8 - 12)×10-⁶/℃です。このパラメータは、高温機器の組み立てに不可欠です。例えば、航空エンジンのタービンブレードをディスクハブに組み付ける場合、材料のTECは一致していなければなりません。著しい不一致は、エンジンの始動／停止温度サイクル中に高い熱応力を発生させ、ブレードの緩みや破損を引き起こす可能性があります。高温パイプ用の伸縮継手の設計でも、自由な熱移動を確保し応力による損傷を防ぐために、合金のTECを考慮する必要があります。

8.溶接には課題がある。ニッケルを主成分とするWC合金の溶接には、特殊な工程が必要である。WC合金は硬度が高く融点が高いため、溶接では割れや気孔が生じやすい。部品修理の際に誤った溶接方法を用いると、溶接部に大きな亀裂が入り、部品が不合格になる可能性がある。適切な溶接には、特殊な電極と、制御された溶接電流および速度が必要である。熱応力割れを防ぐには、溶接前に部品を 200℃～300℃に予熱し、溶接後に徐冷することが不可欠である。

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