HVOF噴霧法によるMDN 420鋼上のCoMoCrSi＋Cr₃C₂複合被覆の高温腐食および周期酸化挙動

過酷な熱環境から金属を守る

現代のエンジン、発電所、産業用ボイラーは非常に高温かつ腐食性の高い環境で稼働するため、金属部品は時間とともに文字どおり摩耗・劣化していきます。これらの部品を交換するのは費用がかかりリスクも伴います。本研究は、一般的な高強度鋼に噴霧された特殊な保護コーティングを検討し、強熱と塩類の堆積にさらされた際に部品の錆、ひび割れ、崩壊を防ぐことを目的としています。

金属が崩れる理由

多くのタービン、ボイラー、化学プラントでは、金属部品が高温と腐食性化学物質の両方にさらされます。空気中の酸素は徐々に酸化物層を形成し、一方で溶融塩（例えば、ナトリウムやバナジウムを含む燃料不純物由来）はこれらの酸化物を攻撃してさらに速い侵食経路を作り出します。裸の鋼がこのような条件にさらされると、厚くはがれやすい酸化スケールが成長して重量が増え、その後スケールの剥離で材料が失われます。成長と剥離のこのサイクルにより、時間とともに重要部品は薄化・ひび割れ・破損に至ります。

鋼に施す頑丈な新しい“ジャケット”

研究者らは、過酷な用途で用いられるマルテンサイト系ステンレス鋼であるMDN 420鋼に着目し、コバルト・モリブデン・クロム・シリコンからなる複合マトリクスに硬質クロムカーバイド粒子を強化材として含む複合被覆で覆いました。高速度酸素燃料（HVOF）噴射銃を用いてこの粉末を超音速で鋼板に吹き付け、約0.2 mmの密な層を形成しました。噴霧プロセスを慎重に制御することで、低孔隙率かつ摩耗に耐える表面粗さを持つ被覆が得られました。顕微鏡観察では、硬質粒子が均一に分散した緻密な構造であり、ひびや孔は小さく、硬度試験では被覆面が基材鋼より3倍以上硬いことが示されました。

被覆が熱と塩にどう対抗するか

被覆の性能を評価するために、被覆および未被覆の鋼試料を繰り返し700°Cまで加熱・冷却し、空気中（酸化試験）または溶融ナトリウム硫酸塩とバナジウム酸化物の混合物中（高温腐食試験）で比較しました。空気中では、被覆は表面に薄く連続したクロム酸化物とシリカの層の成長を促進しました。これらの層は緻密な膜のように内向きの酸素拡散を遅らせ、スプレー溶滴間の微小な隙間を封じました。その結果、被覆試料は裸鋼に比べて重量増加がはるかに小さく、酸化物の蓄積が大幅に抑えられ、50サイクルにわたって酸化速度は低く安定していました。

塩浴では何が起きるか

溶融塩試験ははるかに攻撃的で、ナトリウムやバナジウム化合物が溶けて高温の金属表面を濡らすボイラーやタービンの条件を模していました。ここでも被覆は裸鋼より優れた性能を示し、重量増加や腐食速度は劇的に低くなりました。しかし詳細な分析では、塩は単に表面に留まるだけではありませんでした。塩は被覆内のモリブデンおよびクロムの酸化物と反応して複雑な塩－酸化物化合物を生成しました。ナトリウムモリブデートやナトリウムバナデートといった新しい相が多孔質で壊れやすいスケールを作り、揮発性のモリブデン酸化物が蒸発して亀裂やピットが形成され、保護膜が局所的に剥がれて新しい箇所がさらなる攻撃にさらされました。

強さと長寿命のバランス

総じて、この被覆は裸のMDN 420鋼と比較して酸化および高温腐食の両方の速度を大幅に低減しました――測定された速度定数は数倍低くなっています。コバルト基の頑丈なマトリクス、硬質カーバイド粒子、自己形成する保護酸化物の組合せにより、被覆鋼は高温と腐食性塩に対してより長く耐えることができます。しかし同時に本研究は保護の限界も示しています。塩による反応や揮発性酸化物が多孔質や弱いスケールを生じさせる箇所では、損傷が徐々に蓄積します。非専門家向けの要点としては、適切に設計された被覆は高温部品に対して耐火性・耐薬品性の“鎧”のように働き、故障までの稼働時間を大幅に延ばせるが、最も過酷な塩含有環境に対しては孔を封止したり組成を調整したりといった改良がさらに必要だ、ということです。

引用: S, S., Prasad, C.D., Kumaraswamy, G.N. et al. Hot corrosion and cyclic oxidation behavior of CoMoCrSi + Cr₃C₂ composite coatings on MDN 420 steel by HVOF spray process. Sci Rep 16, 10677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45658-z

キーワード: 高温耐コーティング, 高温腐食, 耐酸化性, 熱噴霧, ステンレス鋼の保護