ニッケル基材料
ニッケル基材料は、ニッケルを豊富に含むマトリックスを持つ多成分合金です。主な合金元素はクロムとモリブデンであり、多くの場合、鉄、タングステン、ニオブが少量添加されています。この組み合わせにより、材料は攻撃的なプロセス媒体に対して非常に高い耐食性を発揮します。そのような材料の一つが、アロイ 59 です。これは、低炭素のニッケル・クロム・モリブデン材料です。その典型的な質量比は、ニッケル 59～63%、クロム 22～24%、モリブデン 15～16.5% で、鉄および炭素の含有量は非常に低くなっています。HC22 材料も Ni-Cr-Mo 合金グループに属します。この材料は、モリブデンの含有量がやや少なく、その代わりにタングステンが追加で含まれています。一方、ニッケルの含有量は 55% 以上、鉄の含有量は低くなっています。
ニッケル基材料は、塩化物を含む媒体に対して非常に高い耐性を示し、酸化性および還元性の酸にも幅広い耐性があります。炭素含有量が低いため、粒界での炭化物の形成が抑制され、熱負荷後の粒界腐食の発生傾向が低減されます。類似のニッケル基合金としては、アロイ 625、アロイ 686、アロイ C-276 があり、アロイ 625 にはさらにニオブが含まれています。これにより、析出硬化が可能になり、高温での耐時効性および耐クリープ性が向上します。合金 C-276 は、非常に高いモリブデン含有量と、多くの場合タングステンも含有しています。これにより、強力な還元性および汚染された媒体での耐性がさらに向上します。
ニッケル基合金は、高い機械的特性を有しています。溶体化処理状態での降伏強度は、通常 300 から 500 N/mm2 の間です。高温でも強度の大部分は維持されるため、オーステナイト系ステンレス鋼とは明らかに異なります。
これらの材料は、溶接技術的に難しいものです。母材と溶加材の化学組成は、慎重に調整する必要があります。溶加材は、合金損失を補い、溶接部の耐食性を確保するために、しばしばわずかに過合金化されます。重要なのは、低熱入力、限られた層間温度、および制御された多層溶接です。
フェライト系ステンレス鋼は、独自の材料グループを形成しています。そのマトリックスはフェライト系で、ニッケル含有量は少ないか、まったく含まれていませんが、クロム含有量は通常 12～30% です。オーステナイト系鋼と比較すると、熱膨張率が低く、熱伝導率が高くなっています。そのため、温度変化に対する寸法安定性が高くなっています。しかし、腐食技術的には、フェライト系ステンレス鋼の性能は限られています。塩化物を含む媒体では、孔食や隙間腐食が比較的早く発生しますが、応力腐食割れはそれほど頻繁には発生しません。現代のフェライト系ステンレス鋼は、炭素と窒素の含有量が非常に少ないです。炭化物や窒化物の析出を制御するために、チタンやニオブで安定化されている場合が多くあります。
1.4509 や 1.4521 などのフェライト系材料は、中程度の腐食環境や高温環境における経済的な代替材料として考えられています。溶接技術的には、フェライト系ステンレス鋼は、熱影響部において結晶粒の成長や脆化が生じる可能性があるため、扱いが難しいです。そのため、熱の投入を制御し、適切な溶接手順、および必要に応じて熱処理を行う必要があります。 化学的耐性と機械的安定性の優れた組み合わせから、高腐食性の化学媒体には、ニッケル基材料の使用が好まれます。
熱膨張係数αは温度に依存し、「オーステナイト系」および「フェライト系」では、具体的な品質にも大きく依存します。以下の値は、20～100 °C の温度範囲における、10−6 ケルビンあたりの実用的な比較値です。
- オーステナイト系ステンレス鋼（例：316L / 1.4404）：約 16.0
- フェライト系ステンレス鋼（例：1.4509 / 441）：約 10.0～11.0
- 合金 59（UNS N06059 / 2.4605）：約 11.9