JP2001131665A

JP2001131665A - Ｎｉ３（Ｓｉ，Ｔｉ）基の高温構造材料及びそれを用いた耐摩耗工具、耐熱用部材又は工具

Info

Publication number: JP2001131665A
Application number: JP32100299A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Takasugi; 隆幸高杉; Osamu Terada; 修寺田
Original assignee: Fuji Die Co Ltd
Current assignee: Fuji Die Co Ltd
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2001-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｎｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物の
高温強度を一段と向上させ、広範な温度域で延性に優れ
るとともに、室温での環境脆化特性も良好で、加工性、
経済性、実用性に富んだ高性能な高温構造材料を提供す
る。【解決手段】４．５〜１０．０重量％のＳｉと、１．
０〜１１．０重量％のＴｉと、１．０〜１５．０重量％
のＮｂと、残部が実質的にＮｉとからなる化学組成、或
いは、さらに、１０〜１００重量ｐｐｍのＢを含有する
化学組成により構成されたものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｎｉ₃Ｎｂ第２相
を含むＮｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）金属間化合物を基とする高
温強度、高温延性ならびに低温での耐環境脆化性に優れ
た高温構造材料及びその応用工具や高温用部材に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、航空機用エンジンや工業用ガ
スタービンエンジン、さらには高温構造材料や高温工具
材料などにおける、“高温で高荷重を負荷する部位”に
は主としてＮｉ固溶体とＮｉ₃Ａｌ（Ｔｉ）を主成分と
する析出相からなるＮｉ基超合金が適用されていた。し
かし、最近では、高温強度、耐酸化性、耐腐食性、耐摩
耗性、軽量性などに、より優れた材料としてＬ１_２型金
属間化合物Ｎｉ₃Ｓｉに遷移金属元素Ｔｉを含有させ
た”Ｎｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）”が注目を浴びている。

【０００３】このＮｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）の高温強度特性
は図２（試料１）に示すように、ＳＵＳ３１６ステンレ
ス鋼やハステロイＸ（商品名）に比べて著しく優れてお
り、高温強度の観点からすれば高温耐熱材料として、非
常に好ましい特性を有しているものであった。

【０００４】しかし、実用耐熱材料ならびに高温工具材
料に求められる重要な基本特性としての高温強度につい
ては、なお一層の向上が要請されている。また、上記Ｎ
ｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）は４００℃以上での温度域で延性の
低下が生じるために、高温構造材料として満足できるも
のではなかった。

【０００５】さらに、上記Ｎｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）は室温
域で大気中に存在する湿気（水分子）から分解生成する
水素原子による、いわゆる“環境脆化’に敏感であり、
実使用を阻害する一つの要因となっていた。このよう
に、これらの合金は信頼性のある材料として重要部材に
使用するにはまだ不十分なものといえる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
本発明は、高温強度に優れたＮｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）系金
属間化合物の高温強度を一段と向上させること、室温か
ら高温までの広範な温度域で延性に優れていること、ま
た、室温での環境脆化を克服すること等の手立てを見い
出し、加工性、経済性、実用性に富んだ高性能な高温構
造材料を提供することに目的を置いたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】Ｌ１_２型金属間化合物で
あるＮｉ_３Ｓｉに遷移金属元素Ｔｉを含有させたＮｉ ₃
（Ｓｉ，Ｔｉ）は、強度、軽量性、耐摩耗性、耐酸化
性、耐硫酸性、室温延性と加工性等に優れた特性を有し
ている。そこで、本発明者等は、これら優れた特性は活
かしつつ、上記した欠点を克服あるいは低減すべく数々
の実験を繰り返しながら様々な角度から研究を重ねた結
果、次に示すような新しい知見を得、本発明を完成させ
るに至った。

【０００８】まず、Ｎｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）基材料にＮｂ
を添加すると、図１に示すように、Ｎｉ₃Ｎｂを基とす
る第２相が分散析出するようになる。本発明の材料で
は、Ｎｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）マトリックス中に固溶してい
るＮｂ溶質原子による固溶強化が図られ、さらに、Ｎｉ
₃Ｎｂの析出あるいは分散することにより、分散強化が
進められ、広範な温度範囲で高強度化が図られるように
なる。また、約４００℃以上の温度域での延性の低下が
改善されるようになる。その上、室温での大気中から浸
透する水素原子による脆化が抑制されることを見い出し
た。これらの化学組成と金属組織を利用すれば高温強
度、耐酸化性、耐腐食性、耐磨耗性、軽量性に優れた高
温構造材料を実現することが可能である。

【０００９】そして、上記Ｎｂを含有するＮｉ₃（Ｓ
ｉ，Ｔｉ）に、適量なＢをさらに添加すると、上記の優
れた特性を維持したままで常温延性と加工性を一段と向
上させると共に、環境脆化がなお一層抑制されるように
なることを見出した。

【００１０】本発明は、上記知見に基づいて完成された
ものであり、４．５〜１０．０重量％のＳｉと、１．０
〜１１．０重量％のＴｉと、１．０〜１５．０重量％の
Ｎｂと、残部が実質的にＮｉとからなる化学組成とする
か、あるいは、更に、１０〜１００重量ｐｐｍのＢを含
有する化学組成とすることにより、非常に優れた高温強
度、高延性、高耐環境脆化性を兼ね備えたＮｉ₃（Ｓ
ｉ，Ｔｉ）基金属間化合物による高温構造材料である。

【００１１】次に、本発明において上述のように化学組
成を限定した理由について説明する。Ｓｉ元素はＬ１_２
型結晶構造相を形成させ、良好な軽量性、高強度、耐酸
化性、耐腐食性を具現させるために重要な元素である。
しかし、Ｓｉ元素含有量が多くなると常温延性と加工性
が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は４．５〜１０．０
重量％が好ましい。Ｓｉ含有量が４．５重量％未満であ
ると、常温延性が低下しすぎることになり、１０．０重
量％を越えると加工性が低下することになる。より好ま
しくは、５．０〜８．０重量％の範囲が実用的に優れた
ものとなる。

【００１２】Ｔｉ元素は、常温延性と加工性、さらには
高温強度を発現させる重要なものであるが、１．０重量
％未満では常温延性と加工性を改善することができなく
なる。一方、Ｔｉ含有量が多くなり過ぎると耐酸化性や
耐腐食性も減じるために、上限を１１．０重量％とし
た。より好ましくは、５．０〜８．０重量％の範囲が実
用的に優れたものとなる。

【００１３】Ｎｂ元素は、Ｎｉ₃Ｎｂを析出させて高強
度化、高温度での延性の改善、耐環境脆化の低減等の作
用をもたらし、さらに、Ｔｉ含有量を減じさせて耐酸化
性と耐腐食性を改善させる重要なものである。このＮｂ
含有量が１．０重量％未満では強化作用元素として働か
なくなり、反対に、１５．０重量％を越えるとＮｉ₃Ｎ
ｂの体積率がＮｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）マトリックス相を上
まわるようになり、Ｎｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）がもつ優れた
諸特性が失われる。従って、下限値と上限値をおのおの
１．０重量％と１５．０重量％とした。

【００１４】そして、本発明に係る高温構造材料へ、さ
らに添加されるＢ元素は、ＴｉならびにＮｂとの共存下
で、結晶粒界に高濃度に偏析し粒界割れを抑制すること
により優れた常温延性と加工性を発揮させるものであ
る。しかし、１０重量ｐｐｍ未満ではその量が不十分で
あり、Ｂの添加効果が発現しないものとなる。また、１
００重量ｐｐｍを越える含有量ではボライド化合物が析
出するため却って延性を損なう作用をする。従って、下
限値と上限値をおのおの１０重量ｐｐｍと１００重量ｐ
ｐｍとしたのである。

【００１５】本発明に係る高温構造材料は、その製造方
法によっては制限されないが、一般には、上記した化学
組成に調整された合金材料を、真空あるいは不活性雰囲
気内で溶解し、鋳造してから均質化熱処理を行うことに
よりＮｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）基の金属間化合物を製造する
ことができる。この熱処理自体は公知の内容であってそ
れに準じて処理すれば良いものである。

【００１６】また、本発明に係る高温構造材料は、冷間
加工ならびに熱間加工が可能であるので、圧延、押し出
し、引き抜き等の加工を所定の温度にて行った後、その
ままの状態で使用するか、必要に応じて熱処理を施し一
層の組織調整を行った後使用することも可能である。さ
らにまた、粉末プロセスによる製造も可能であり、組織
の微細化や一体成形加工により一層の性能と経済性の改
善も図ることが可能である。

【００１７】本発明に係る高温構造材料は、上述したよ
うな優れた諸特性を有する点から、“高温下で高荷重を
負荷する部位”に使用することが非常に好適なものとい
える。即ち、耐熱用部材として好適なものであり、具体
的には、航空機用エンジンや工業用ガスタービンエンジ
ン等に使用することができ、高温中で使用する圧延ロー
ルなどの耐熱用工具に使用することも有効である。さら
には、ダイス、プラグや製缶工具（シーマロール）など
の各種耐摩耗工具などに使用することも可能である。従
来より用いられていた工具鋼や超硬合金などでは、今ひ
とつ満足できなっかった特性、例えば、耐腐食性、耐酸
化性にも優れ、軽量化をも図れる高性能な材料としての
利用が可能なものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明に係る高温構造材料につい
て最良と思われる実施形態を、以下の実施例に基づいて
説明する。

【００１９】実施例１：実施例１では、表１に示す各化
学組成である試料２〜６を用いて評価を行った。また、
比較例として、従来タイプのＮｉ_３（Ｓｉ、Ｔｉ）であ
る試料１と、ＳＵＳ３１６鋼とハステロイＸ（商品名）
を用いた。試料１に関するデータは、Journal of Mater
ials Science<26(1991)1173>に記載されているものを引
用している。

【００２０】

【表１】

【００２１】各試料はアルゴンアーク溶解によって溶解
し、立方体形状に鋳込んだ。得られたボタンインゴット
に、１３２３Ｋで２４時間の均質化熱処理を施してか
ら、圧延と真空焼鈍を繰り返して約１ｍｍ厚さの板材を
得た。その後、ワイヤー放電加工機により、約１×２×
１４ｍｍのゲージ部寸法を有する引張り試片を作製し、
それを１２７３Ｋの真空中で熱処理を施した。第２相を
含む組織と構造の観察は光学顕微鏡、Ｘ線回折、透過電
子顕微鏡さらには電子顕微鏡分析等により行った。引っ
張り試験は、真空中で、常温から約１０７３Ｋの高温ま
で行った。

【００２２】また、大気中での脆化の様相をみるため
に、上記形状の引っ張り試片を用いて、１．２×１０
⁻³／ｓの変形速度条件の下で、大気中と１．３×１０
^−４Ｐａの真空度からなる真空中とで変形試験を行っ
た。

【００２３】図１は実施例１の試料３（Ｓｉ：５．５重
量％、Ｔｉ：４．７重量％、Ｎｂ：６．６重量％、Ｎ
ｉ：８３．２重量％）について、上記加工ならびに熱履
歴をへた金属組織の電子顕微鏡写真である。

【００２４】ＳＥＭ−ＥＰＭＡならびにＸ線回折観察に
より、本金属組織のマトリックスはＬ１_２型Ｎｉ₃（Ｓ
ｉ，Ｔｉ）相であり、析出している第２相はＮｉ_３Ｎｂ
を基とする化合物であることが同定された。また、Ｎｂ
はＮｉ_３（Ｓｉ，Ｔｉ）中に約４．５重量％固溶してい
る知見を得た。Ｎｉ₃Ｎｂ第２相がＮｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）
の性能改善に重要な役割を担っていることが、種々の観
察ならびに考察より導き出された。

【００２５】図２〜４は、Ｂを含まない各試料の降伏強
度、最大引張り強度ならびに伸び値について、温度を関
数としてプロットしたものである。図２及び３を見ると
判るように、Ｎｂを含有する試料では室温から高温まで
の温度範囲で降伏強度ならびに最大引張り強度が上昇し
ていることが確認できた。強度上昇はＮｂ量の増加すな
わちＮｉ₃Ｎｂ基分散化合物の体積率の上昇と共に増大
することも判った。

【００２６】一方、図４で示す伸び値では、Ｎｂの含有
により低温度域では若干低下するものの約４００℃以上
の高温度域での伸び値が著しく改善されることが確認さ
れた。高いＮｂ含有量では低温度域での伸び値を幾分さ
らに減少させる傾向を示すが、室温から高温までの広範
な温度域で見れば１０数％以上もの良好な伸び値が確認
された。

【００２７】図５は、室温での、大気中と真空中とにお
ける伸び値を、Ｂを含まない試料１〜５について比較で
きるように棒グラフで示している。図５より、６．６重
量％以上のＮｂ含有により真空中での伸び値、すなわち
本来の伸び値は若干低下するものの、大気中での伸び値
は反対に大きく上昇することが示され、環境脆化が顕著
に抑制されることが確認された。なお、３．４重量％Ｎ
ｂを含有する試料では大気中での伸び値が改善されない
理由は、この組成ではＮｉ₃Ｎｂ相が析出分散していな
いためであることが種々の実験と考察より判明してい
る。

【００２８】図６〜８は、表１で示した試料３及び試料
６についての降伏強度、最大引張り強度ならびに伸び値
について、温度を関数としてプロットしたものである。
ここでは、比較のために図２〜４で示したＮｉ₃（Ｓ
ｉ，Ｔｉ）である試料１のデータも示している。

【００２９】この図６〜８を見ると判るように、Ｎｂに
加えてＢを含有する試料でも、Ｎｂを単独に含有する試
料とほぼ同じ効果がすなわち強度の著しい改善が図られ
ることが確認された。一方、伸び値は、特に低温度域で
Ｎｂ単独含有試料より高い値を示すことが認められた。

【００３０】図９は室温での、大気中と真空中とにおけ
る伸び値を、試料１、試料３、試料６について示してい
る。これを見ると判るように、ＮｂとＢの同時含有によ
って、ほぼ完全に環境脆化が抑制されていることが確認
された。従って、Ｎｂ単独あるいはＢと同時含有したＮ
ｉ₃（Ｓｉ，Ｔｉ）金属間化合物材料が優れた高温強
度、高温延性、耐環境脆化性を有していることが判っ
た。

【００３１】次に、実施例１で示した本発明に係る高温
構造材料を応用した例について説明する。実施例１で説
明した試料番号２〜６の材料を用い、以下の実施例２〜
８に挙げる工具等を形成し、実用品としての耐用特性を
調べた。

【００３２】実施例２：圧延用ロール（直径１６０ｍｍ
×長さ６０ｍｍ）を作成し、Ｃｕ合金ワイヤーの圧延
（ワイヤー径φ１ｍｍをφ０．５ｍｍに変形）を行っ
た。実施例１の材料により作成した圧延用ロールは、被
加工材の重量が２トンとなった時点で寿命となった。比
較として同形状の圧延用ロールを、従来材料であるＷＣ
−１５重量％Ｃｏ合金で作成したものでは、被加工材の
重量が１トンとなった時点で寿命となり、実施例１の材
料の方が性能的に優れていることを確認できた。

【００３３】実施例３：所定形状の圧粉成型用金型を作
成し、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を圧粉成型した。実施例１の材料
により作成した圧粉成型用金型の場合は、１０万個の成
型体を作成することができた。比較として同形状の圧粉
成型用金型を、従来品であるＷＣ−１５重量％Ｃｏ合金
で作成したものでは、成型体個数が２万個程度で摩耗が
生じ、寿命となった。従って、実施例１での材料のもの
方が優れることを確認できた。

【００３４】実施例４：内燃機関用のバルブシートを作
成し、小型船舶のエンジンに使用した。実施例１の材料
により作成したバブルシートは、耐用寿命が約２年（加
速試験による評価値）であった。一方、比較として同形
状のバブルシートを、従来品である耐熱鋼で作成したも
のでは、耐用寿命が約１年（同上）であり、実施例１で
の材料の方が、耐熱、耐摩耗性が同時に要求されるもの
に適していることが判明した。

【００３５】実施例５：電気メッキ用通電ロールを作成
し、その通電ロールを用いて連続Ｎｉメッキを行った。
実施例１の材料により作成した通電ロールは、耐用寿命
が約２ヶ月であった。一方、比較として同形状の通電ロ
ールを、従来品であるステンレス鋼で作成したもので
は、耐用寿命が約１ヶ月で、実施例１の材料の方が、耐
食、耐摩耗性が同時に要求されるものに適していること
が判明した。

【００３６】実施例６：所定形状の光学素子成形型を作
成し、５００〜６００℃の温度範囲において、ガラスレ
ンズの成形を行った。実施例１の材料により作成した光
学素子成形型は、耐用寿命が２日であった。一方、比較
として同形状の光学素子成形型を、従来品であるＷＣ−
１５重量％Ｎｉ合金で作成したものでは、耐用寿命が１
日であった。これにより、実施例１での材料の方が、耐
酸化性、耐摩耗性が同時に要求されるものに適している
ことが判明した。

【００３７】実施例７：電池の合剤成形用型を作成し、
合剤粉末（二酸化マンガン４０〜６０重量％、黒鉛５〜
２５重量％、塩化アンモニウム１０〜２０重量％、塩化
亜鉛１〜８重量％、水１２〜２０重量％）を圧粉成形し
た。実施例１の材料により作成した合成剤成型用型を用
いた場合は、１０万個の成型が可能であった。一方、比
較として同形状の合剤成形用型を、従来品であるＷＣ−
１５％Ｃｏ合金で作成したものでは、７万個の成形で寿
命となった。よって、実施例１での材料の方が優れてい
ることを確認できた。

【００３８】実施例８：飲料用缶体を加工する場合に用
いられるシーマロールを形成し、飲料用缶体を加工し
た。このシーマロールとは、飲料用缶における円筒開口
端部を加工形成するために用いられるものであり、従来
の材質は、ＴｉＮなどをＣＶＤ蒸着等したステンレス鋼
やＷＣ基の超硬合金などが使用されていたが、耐腐食性
の点であまり好適なものでなく、重量的にも重くなる傾
向は避けられなかった。実施例１の材料により作成した
シーマロールは、耐用寿命が２ヶ月であった。一方、比
較として同形状のシーマロールを、従来品であるＷＣ−
１５％Ｃｏ合金にＴｉＮをコーティングしたものでは、
耐用寿命が１ヶ月であり、実施例１の材料の方が耐食性
に優れていることを確認できた。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明によれば極
めて優れた高温強度と延性ならびに耐環境脆化性に優れ
た実用的な高温構造材料となり、従来よりも非常に優れ
た高温工具材料ならびに高温装置材料を提供することが
可能となる。しかも、かなりの加工性ならびに経済性を
有することから、その適用範囲も広く、産業上極めて有
用な効果がもたらされるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料３（Ｓｉ：５．５重量％、Ｔｉ：４．７重
量％、Ｎｂ：６．６重量％、Ｎｉ：８３．２重量％）の
金属組織を観察した電子顕微鏡組織写真（８００倍）で
ある。

【図２】試料１〜５についての降伏強度の温度変化を表
すグラフである。

【図３】試料１〜５についての最大引っ張り強度の温度
変化を表すグラフである。

【図４】試料１〜５についての伸び率の温度変化を表す
グラフである。

【図５】試料１〜５についての室温おける大気中と真空
中との伸び値を示した棒グラフである。

【図６】試料１、３、６についての降伏強度の温度変化
を表すグラフである。

【図７】試料１、３、６についての最大引っ張り強度の
温度変化を表すグラフである。

【図８】試料１、３、６についての伸び率の温度変化を
表すグラフである。

【図９】試料１、３、６についての室温おける大気中と
真空中との伸び値を示した棒グラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】４．５〜１０．０重量％のＳｉと、１．
０〜１１．０重量％のＴｉと、１．０〜１５．０重量％
のＮｂと、残部が実質的にＮｉとからなるＮｉ₃（Ｓ
ｉ，Ｔｉ）基の高温構造材料。
【請求項２】１０〜１００重量ｐｐｍのＢを含有する
請求項１に記載の高温構造材料。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の高温構
造材料により形成されたことを特徴とする耐摩耗工具。
【請求項４】請求項１または請求項２に記載の高温構
造材料により形成されたことを特徴とする耐熱用部材又
は工具。