JP2002088455A

JP2002088455A - 耐高温硫化腐食性に優れたＮｉ基合金の製造方法

Info

Publication number: JP2002088455A
Application number: JP2000278277A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Nonomura; 敏明野々村; Takehiro Ono; 丈博大野; Toshihiro Uehara; 利弘上原; Hiroshi Yakuwa; 浩八鍬; Matsusuke Miyasaka; 松甫宮坂; Shuhei Nakahama; 修平中浜; Shigeru Sawada; 茂澤田
Original assignee: Ebara Corp; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Ebara Corp; Proterial Ltd
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2002-03-27
Anticipated expiration: 2020-09-13
Also published as: EP1191118A1; DE60100884D1; EP1191118B1; US6562157B2; JP4382269B2; DE60100884T2; US20020053376A1

Abstract

(57)【要約】【課題】特開平9-227975号に開示されている耐高温硫
化腐食性Ni基合金やワスパロイ(United Technologies社
の商標) などの耐食性高温装置部材に用いられるNi基合
金を、高温強度特性は従来と同等に維持しながら、耐高
温硫化腐食性を向上させることのできる製造方法、特に
鍛造および熱処理方法を提供する。【解決手段】質量％で、C ：0.005 〜0.1 ％、Cr：18
〜21％、Co：12〜15％、Mo：3.5 〜5.0 ％、Ti：3.25％
以下、Al：1.2 〜4.0 ％を含有し、残部は実質的にNiか
らなるNi基合金の製造方法であって、仕上熱間加工を炭
化物固溶温度以下で行った後、炭化物固溶温度以下で且
つ再結晶温度以下での固溶化処理後、炭化物固溶温度以
下で且つ再結晶温度以下での安定化処理および時効処理
を行う耐高温硫化腐食性に優れたNi基合金の製造方法で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温における腐食
環境下、特にH₂S やSO₂などを含む硫化腐食環境下で使
用される装置、例えば石油精製装置の流動層接触分解装
置から出る排ガスのエネルギーを回収利用するエキスパ
ンダータービンなどに用いられる耐高温硫化腐食特性に
優れる耐熱合金の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エキスパンダータービンのロータ
など高温で用いられる部材には、高温での強度および耐
食性が優れるNi基耐熱合金が用いられ、その代表例とし
てはワスパロイ(United Technologies社の商標) として
知られている合金が使用されている。

【０００３】これらの高温で使用される部材のNi基耐熱
合金は、γ' 相と呼ばれる金属間化合物の析出強化によ
り高温での強度を得ている。γ' 相はNi₃(Al,Ti)を基本
組成とするため、これらの合金には通常Al、Tiが添加さ
れている。

【０００４】一方、タービンあるいはボイラなどの燃焼
ガス雰囲気に曝される高温機器においては、硫酸塩、V
、Clなどを含む溶融塩が関与するいわゆる「ホットコ
ロージョン」と呼ばれる高温腐食が知られている。また
溶融塩の関与しないガスと金属の直接反応による硫化腐
食が、Ni基合金に関して約700 ℃以上で起こることが報
告されており、これは低融点のNi-Ni₃S ₂共晶の生成が
一つの原因と言われている。

【０００５】ところで、石油精製プラントでの省エネル
ギー化を図るために、流動層接触分解装置から出る排ガ
スのエネルギーを回収するシステムが開発されている。
このような装置のガスエキスパンダータービン翼に、代
表的なNi基超耐熱合金であるワスパロイを用いたとこ
ろ、従来問題とされた温度より低い温度域での使用にも
かかわらず、動翼の付け根部分に硫化腐食が発生した。

【０００６】この現象を詳細に観察した結果、腐食は結
晶粒界に沿って進行していたが、腐食箇所に溶融塩は存
在しておらず、金属とガスの直接反応によって生じたこ
とが明らかになった。Ni-Ni₃S ₂共晶融点以下の温度域
における溶融塩の存在しない硫化ガス環境中におけるこ
のような粒界硫化腐食は殆ど観察された例がなかった。

【０００７】この問題を解決するため、特開平9-227975
号の発明者等により、Ni-Ni₃S₂共晶融点以下の温度域の
硫化ガス環境中におけるワスパロイの硫化挙動に及ぼす
合金元素の影響が詳細に検討され、粒界を含めた合金内
部の硫化層には、合金中に含まれるTi、Al、Moが濃縮し
ていること、さらに合金のTiとAlの含有量が、合金の耐
高温硫化腐食性に大きな影響を与えることが解明され
た。

【０００８】その結果として、特開平9-227975号に開示
されている、Coを12〜15％、Crを18〜21％、Moを3.5 〜
5 ％、C を0.02〜0.1 ％、Tiを2.75％以下、Alを1.6 ％
以上含み、残部は不純物を除き本質的にNiからなる耐高
温硫化腐食性Ni基合金が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平9-227975号
に開示されている合金は、Ni基耐熱合金の耐高温硫化腐
食性を改善した合金として、従来から知られているワス
パロイの添加元素のうち、特にAlとTiの比率を詳細に検
討した結果、Ti含有量を少なくし、Al含有量を多くする
ことによって、耐高温硫化腐食性を飛躍的に改善できる
ものとして注目を集めている。

【００１０】しかしながら、このように、耐高温硫化腐
食性の改善された特開平9-227975号に開示されている合
金であっても、その製造方法が異なると、耐硫化腐食
性、特に、合金結晶粒界における耐食性、すなわち耐粒
界硫化腐食性が変化することが、本発明者等の検討によ
って明らかとなった。この知見は、従来知られているワ
スパロイにも当てはまる。

【００１１】これら、Ni基耐熱合金の熱処理条件は、主
に強度特性および熱間加工性に着眼して決められている
ことが多く、必ずしも耐高温硫化腐食性に最適とは限ら
ない。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記特開平9-22
7975号に開示されている耐高温硫化腐食性Ni基合金やワ
スパロイなどの耐食性高温装置部材に用いられるNi基合
金を、高温強度特性は従来と同等に維持しながら、耐高
温硫化腐食性を向上させる製造方法、特に仕上熱間加工
および熱処理方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、種々の熱
処理を施した特開平9-227975号に開示されている耐高温
硫化腐食性Ni基合金およびワスパロイの粒界硫化腐食特
性を検討した結果、粒界が腐食されるのは粒界にCrを主
体とする炭化物が析出するために、粒界近傍からCrが拡
散し粒界に沿ってCr欠乏層が形成されるためであること
を見出した。従って、粒界へのCr欠乏層の形成を抑えれ
ば粒界の硫化腐食を抑えることができるものと判断し、
本発明に到達した。

【００１４】即ち本発明は、質量％で、C ：0.005 〜0.
1 ％、Cr：18〜21％、Co：12〜15％、Mo：3.5 〜5.0
％、Ti：3.25％以下、Al：1.2 〜4.0 ％を含有し、残部
は実質的にNiからなるNi基合金の製造方法であって、仕
上熱間加工を炭化物固溶温度以下で行った後、炭化物固
溶温度以下で且つ再結晶温度以下での固溶化処理後、安
定化処理および時効処理を行う耐高温硫化腐食性に優れ
たNi基合金の製造方法である。

【００１５】好ましくは、安定化処理は860 ℃以上920
℃以下で１時間〜16時間、時効処理は680 ℃以上760 ℃
以下で4 〜48時間の条件で行い、更に好ましくは、620
℃以上〜時効処理温度マイナス20℃の温度で8 時間以上
の二次時効処理を行う耐高温硫化腐食性に優れたNi基合
金の製造方法である。

【００１６】また、上述のNi基合金の好ましい合金組成
は、質量％で、Ti：2.75％以下、Al：1.6 〜4.0 ％を含
み、更に好ましくは質量％で、B ：0.01％以下、Zr：0.
1 ％以下の何れか一種以上を含む耐高温硫化腐食性に優
れたNi基合金の製造方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明は、上述の通り、特開平9-
227975号に開示されている耐高温硫化腐食性Ni基合金お
よびワスパロイの粒界硫化腐食特性を検討した結果、粒
界が腐食されるのは粒界にCrを主体とする炭化物が析出
するために、粒界近傍からCrが拡散し粒界に沿ってCr欠
乏層が形成されることに起因したものであることを見出
し、粒界へのCr欠乏層の形成を抑えれば粒界の硫化腐食
を抑えることができるものと判断したものである。

【００１８】本発明の要点の第一は、特定の組成を有す
るNi基合金において、その仕上熱間加工温度を炭化物固
溶温度以下とすることである。なお、本発明で言う炭化
物とは、Cr炭化物を指す。

【００１９】これにより仕上熱間加工時には炭化物が存
在した鍛造組織を得ることができる。炭化物固溶温度以
下での仕上熱間加工では、すでに存在する未固溶のCr炭
化物が一部固溶すると同時に、仕上熱間加工中に新たに
Cr炭化物が粒界に析出する。従ってその周辺には当初Cr
欠乏層が形成されるが、仕上熱間加工中の高温保持によ
りCrの拡散が進むために仕上熱間加工中に存在するCr炭
化物近傍のCr欠乏層は回復する。なお、仕上熱間加工終
了後の冷却が遅い場合には粒界にCr炭化物が若干析出
し、Cr欠乏層が形成される可能性があるが、これは仕上
熱間加工後の固溶化処理中のCrの拡散により回復可能で
ある。

【００２０】さらに炭化物固溶温度以下の比較的低温の
仕上熱間加工では仕上熱間加工による歪みが残存し、こ
れにより続く固溶化処理および安定化処理中のCrの拡散
が促進されCr欠乏層の回復に有利に働く。

【００２１】なお、熱間加工のうち、例えば熱間加工を
鍛造とした場合、鍛造は大きく分けて鋼塊( インゴッ
ト) から鋼片( ビレット、ブルーム等の中間形状) にす
る分解工程と、鋼片から更に最終形状に近い仕上鍛造に
分けることができ、本発明は、このように、最終形状に
近づけるような仕上熱間加工について規定するものであ
る。なお、本発明で言う熱間加工には、鍛造、圧延、引
抜き、押出し等種々の熱間加工を含むものであるが、本
発明で規定する合金組成では、例えば比較的大型のディ
スク等に適用される場合が多く、その場合、熱間加工さ
れる材料自体も大型となること、また、本発明で規定す
る比較的低温での仕上熱間加工では、変形抵抗が高くな
ることから、低温での仕上熱間加工時の温度を低温に保
ち易い、鍛造に最も適している。

【００２２】次に、上述の仕上熱間加工したNi基合金に
固溶化処理を行うが、本発明の第二の要点はこの固溶化
処理温度を炭化物固溶温度以下で且つ再結晶温度以下と
して固溶化処理を行うことである。この処理の目的は、
γ' 生成元素のTiやAlを固溶させる目的の他、最大の目
的は仕上熱間加工で得られたCr炭化物を残したまま(Cr
炭化物を完全に固溶させないまま) 再結晶による新しい
結晶粒界の形成を防ぐことであり、これによってこの固
溶化処理後に行う安定化処理及び時効処理での新規なCr
炭化物の析出を最小限度に抑制することができる。

【００２３】すなわち、後述するように続く安定化処理
および時効処理においては結晶粒界へのCr炭化物の析出
が避けられないが、固溶化処理中にCr炭化物が固溶する
とそれが安定化処理および時効処理中に再び析出しCr欠
乏層を形成する。一方、仕上熱間加工で得られたCr炭化
物が残存すると、安定化処理あるいは時効処理中の粒界
へのCr炭化物析出の量が少なくなり、ひいてはCr欠乏層
が少なくなる。

【００２４】さらに、固溶化処理温度が炭化物固溶温度
以下であっても基地のオーステナイト結晶粒が再結晶を
して粒界が新規に形成されてしまうと、この粒界は炭化
物析出のない粒界となるために、この固溶化処理後に安
定化処理及び時効処理を行なうと、この粒界に多量の新
規Cr炭化物が析出し、その結果、大量のCr欠乏層が形成
されてしまい、この新規に形成されたCr欠乏層は相当長
時間の安定化処理及び時効処理を行わないと十分な回復
が望めないために、結果として製品は硫化腐食性の乏し
いものとなる。そこで、固溶化処理を再結晶温度以下と
して固溶化処理時に新たなオーステナイト結晶粒界を生
じさせないものである。

【００２５】加えて前述の低温での仕上熱間加工と再結
晶温度以下での固溶化処理による歪みの残存が、安定化
処理中のCrの拡散を促進しCr欠乏層の回復に有利に働
く。

【００２６】次に、本発明では上述の固溶化処理後に、
安定化処理及び時効処理を行う。安定化処理及び時効処
理の主たる目的は、合金の強度向上を目的とするが、本
発明で好ましい範囲として規定する安定化処理及び時効
処理の条件内で処理を行えば、強度向上に加えて、耐食
性の向上も兼備することが可能である。つまり、安定化
処理を従来行われていた条件( 例えば843 ℃×4h、空
冷) よりもCr炭化物が析出し，かつCrの拡散が十分起こ
り得る高い温度と時間に設定することで、安定化処理中
に新規のCr炭化物を十分に析出させ、それと同時にCrの
拡散が可能であるためにCr炭化物の析出によるCr欠乏層
にCrが拡散していきCr欠乏層を回復させることができ
る。このようにして安定化処理中に再度Cr欠乏層の回復
が図られるとともに、この段階でよりCr炭化物を多く析
出させておくことで、続く時効( 硬化) 処理中における
新たなCr炭化物の析出とそれによるCr欠乏層の生成を最
小限に抑えることができる。

【００２７】しかしながら、上記の安定化処理を施した
としても続く時効( 硬化) 処理条件が適切でないと新た
なCr炭化物の析出とそれに伴うCr欠乏層の形成が起こ
り、合金の耐硫化腐食性を劣化させてしまう。そこで、
時効硬化処理条件は従来条件(例えば760 ℃×16h 、空
冷) よりも低く設定することにより、Cr炭化物の析出を
抑えることが可能である。

【００２８】なお、安定化処理、時効( 硬化) 処理条件
は合金の強度特性に大きく影響するが、本発明の熱処理
条件は強度特性も十分得られることを前提にして設定し
ている。すなわち、従来の熱処理条件が強度面を重視し
て選定されたのに対し、上述の熱処理条件は合金の耐食
性を重視し、かつ強度も十分確保できる条件として詳細
な検討の結果得られたものである。

【００２９】この安定化処理及び時効処理について、更
に詳しく説明する。

【００３０】合金結晶粒界へのCr炭化物析出によるCr欠
乏層の形成は、後述する実施例で述べるように760 ℃よ
り高く、860 ℃未満の温度域で著しく助長されること
が、本発明者らの検討で明らかとなった。従って、この
温度域よりも高温で安定化処理を施すことによってCr炭
化物をできるだけ多く粒界析出させるとともにCr欠乏層
を形成させず、この温度域より低温で時効( 硬化) 処理
を施すことによって、合金結晶粒界へのCr炭化物析出を
抑制しさらに耐高温硫化腐食性を向上させることができ
る。

【００３１】一方で、安定化処理および時効( 硬化) 処
理は、合金の高温強度に寄与するγ' 相の析出および成
長を促進する役割を果たす。しかし、安定化処理温度が
920℃より高いとγ' 相の粗大化が著しく、高温強度が
低下する。また、860 ℃以上920 ℃以下であっても、1
時間未満ではγ' 相の析出および成長が不十分であり、
16時間より長いとγ' 相の粗大化が生じ高温強度が低下
する。従って、安定化処理条件は、860 ℃以上920 ℃以
下で１時間〜16時間に規定した。

【００３２】時効( 硬化) 処理条件は、680 ℃より低い
温度域ではγ' 相の析出および成長が不十分であり高温
強度が不足する。また、680 ℃以上760 ℃以下の温度域
であっても、4 時間より短いとγ' 相の析出および成長
が不十分であり、48時間より長いと合金結晶粒界への炭
化物析出が助長される。従って、時効( 硬化) 処理条件
は、680 ℃以上760 ℃以下で4 〜48時間に規定した。

【００３３】また本発明では、時効( 硬化) 処理温度マ
イナス20℃以下〜620 ℃以上の温度で8 時間以上の二次
時効処理を行うことがより好ましい。つまり、二次時効
( 硬化) 処理は、時効( 硬化) 処理温度より低い温度域
で処理するものである。この二次時効( 硬化) 処理によ
って、Cr炭化物を粒界に析出させずに微細なγ' 相によ
る析出強化をより促進させることができ、耐硫化性を損
なうことなく強度をより高めることが可能である。

【００３４】この二次時効( 硬化) 処理の温度が620 ℃
より低いとγ' 相の析出はほとんど起こらず強度増加の
効果は見られず、二次時効( 硬化) 処理の温度が時効(
硬化) 処理温度マイナス20℃を超えると、時効( 硬化)
処理時に析出したγ' 相が粗大化し、微細γ' 相析出の
強化の効果に寄与しないため、二次時効( 硬化) 処理の
上限温度は時効( 硬化) 処理温度マイナス20℃とした。
また、この二次時効(硬化) 処理の処理時間が短いと、
析出強化に寄与する微細γ' 相の析出の効果が少なくな
るため、二次時効( 硬化) 処理の処理時間は８時間以上
とした。

【００３５】以上、詳述したように、本発明の製造方法
を用いれば、耐高温硫化腐食性を向上させ、且つ高温で
の優れた強度を付与することができるが、その特性を十
分に発揮するためには、合金自体の耐高温硫化腐食性を
向上させるのに必要な合金組成の最適化も同時に図るこ
とも重要である。

【００３６】以下に、本発明に用いるのに適した合金組
成について述べる。なお、本明細書では特に断りのない
限り質量％を用いる。

【００３７】C は、TiとTiC を形成し、Cr、MoとはM₆C
、M₇C₃及びM₂₃C₆タイプの炭化物を形成し、これらの
炭化物は結晶粒度の粗大化を抑える。更に、M₆C やM₂₃C
₆は粒界に適量析出させることで粒界を強化するため
に、本発明では必須の元素である。しかし、C が0.005
％以上含まれないと上記の効果が得られず、0.1 ％を超
えると析出強化に必要なTi量が減少するだけでなく、安
定化処理時に粒界へ析出するCr炭化物が多くなりすぎて
粒界が弱くなり、また粒界へのCr炭化物析出及びCr欠乏
層の回復に長時間を要する。従ってC は0.005 〜0.1 ％
に限定した。

【００３８】Crは、大気、酸化性の酸、高温酸化など酸
化作用が同時に働く腐蝕環境において安定緻密な酸化被
膜を形成し、耐酸化性を向上させる。また、C と結びつ
いてCr₇C₃及びCr₂₃C₆等の炭化物を析出させ、高温強度
を高める効果を有する。しかし、Crが18％未満では上記
効果のうち、特に耐酸化性が不十分であり、21％を超え
て含有すれば、σ相などの有害な金属間化合物の生成を
助長する。従ってCrは18〜21％に限定した。

【００３９】Coは、Ni基合金において主としてそれ自体
が固溶体としてマトリックス( 基地) の強化作用を奏す
るが、さらに、γ' 相のNi基マトリックスに対する固溶
量を減少させ、γ' の析出量を増加させることにより強
化作用の効果を奏する。しかし、Coが12％未満では上記
効果が不十分であり、15％を超えるとσ相などの有害な
金属間化合物を生成して、クリープ強度を低下させる。
従って、Coは12〜15％に限定した。

【００４０】Moは、主にγ相およびγ' 相に固溶して高
温強度を高める。また、塩酸等に対する耐食性を改善す
る。しかし、Moが3.5 ％未満では上記効果が不十分であ
り、5.0 ％を超えると、マトリックスの組織を不安定化
させる。従って、Moは3.5 ％〜5.0 ％に限定した。

【００４１】Ti及びAlは、主にNi₃(Al,Ti)となってγ'
相を形成し、析出強化を与える重要な元素である。しか
し、Ti量が多いほど合金内部の硫化腐蝕を助長するの
で、Tiの上限を3.25％とした。硫化腐蝕の助長を抑制で
きるより好ましいTiの上限は2.75％である。一方、Ti含
有量が少な過ぎると、必要な高温強度を維持するのが困
難となることから0.5 ％以上を含有すると良い。

【００４２】Tiを上述の範囲で含有させた場合、十分な
量のγ' 相を形成して高温強度を保持するためにはAl量
を1.2 ％以上添加することが必要である。Al量の増加は
高温強度のみでなく耐硫化性向上にも有効である。しか
し、Alの過剰添加は高温での伸び、絞りの低下や熱間加
工性の低下を招くため、Alの上限は4.0 ％とする。高温
強度、耐硫化性、高温延性、熱間加工性のバランスから
は、Al量の下限は1.6％とすることが望ましい。このよ
うにTiとAlの含有量を制御することで高温強度と耐高温
硫化腐食性の向上が図られる。

【００４３】また、本発明では必須の添加元素ではない
が、粒界強度を大きくし、粒界破壊を抑制できる元素と
して、B を0.01％以下、Zrを0.1 ％以下の何れか若しく
は両方を含有することができる。しかしながら、B およ
びZrは、それぞれ0.01％および0.1 ％を超えて添加する
と、粒界の融点を下げて溶融損傷を起こしやすくなるた
め、それぞれ0.01％以下および0.1 ％以下に限定する。

【００４４】更に、本発明では、上述のように仕上熱間
加工温度を若干低めにする必要があるため、熱間加工性
を向上させる元素として、Mgを最大で0.02% 添加しても
良い。しかし、0.02% を超えて添加すると、融点の低い
Mgの金属間化合物が粒界に形成され易く、熱間加工性を
阻害するので上限は0.02% とすると良い。同様の効果を
持つ元素としてCaを同じく0.02% 以下添加することもで
きる。

【００４５】なお以下の元素は示される範囲内で本発明
合金に含まれても良い。P ≦0.04% 、S ≦0.01% 、Cu≦
0.30% 、V ≦0.5%、Y ≦0.3%、希土類元素≦0.02% 、W
≦0.5%、Nb≦0.5%、Ta≦0.5%

【００４６】

【実施例】以下に実施例として本発明を更に詳しく説明
する。

【００４７】不活性雰囲気の誘導加熱炉で溶製し、不活
性雰囲気で鋳造した後、熱間加工として、60×130 ×10
00mmの角柱状に鍛造したものおよびガスエキスパンダタ
ービンのディスクを模擬したφ500mm あるいはφ1400mm
の円盤状に鍛造したものを供試材として用いた。その化
学組成を表１に示す。合金A は、特開平9-227975号に開
示される合金であり、合金B は、ワスパロイとして従来
知られている合金である。

【００４８】

【表１】

【００４９】これらの合金A 、B に表２に示す鍛造と熱
処理を施した上で、強度特性および耐高温硫化腐食特性
評価をした。表２で「合金」欄に示してあるのは表１の
合金に対応する。「鍛造条件」欄に記号L で示されてい
るのは、鋼塊を分塊し、鍛造を繰返して1010℃で仕上鍛
造( 仕上熱間加工) したものであり、一方記号H で示さ
れているのは鋼塊を分塊し、鍛造を繰返して1080℃で仕
上鍛造( 仕上熱間加工) したものである。

【００５０】

【表２】

【００５１】鍛造温度と炭化物固溶温度との関係を確認
した。確認のために、鍛造後の試料( 鍛造条件L)から、
20mmのブロックを切り出し、そのブロックを1010℃ある
いは1080℃の温度で4 時間加熱後、空冷したブロックを
走査型電子顕微鏡にてミクロ組織を調べた。ここで小さ
な試料を用いたのは冷却速度を早くして、冷却途中に新
たなCr炭化物の析出を避けるためである。電子顕微鏡で
ミクロ組織を調べた結果を図１に示す。1010℃加熱後で
は粒界に炭化物が存在している（図１（ａ））が、1080
℃加熱では殆ど固溶している（図１（ｂ））ことが分か
る。従ってこの場合、鍛造条件L が炭化物の固溶温度以
下における鍛造という条件に相当する。

【００５２】次に固溶化処理温度と再結晶温度との関係
を調べた。仕上鍛造後の試料( 鍛造条件L)を1010℃ある
いは1040℃の温度で4 時間加熱した後に上と同様にミク
ロ組織を調べ、その結果を図２に示す。加熱温度が1010
℃では再結晶は殆ど起こっていない（図２（ａ））が、
1040℃ではほぼ再結晶が起こっている（図２（ｂ））の
で、再結晶温度は1010℃を超えて1040℃未満の温度領域
にあることを確認した。

【００５３】そして、次に、仕上鍛造をした合金Ａ，Ｂ
の供試材から各種試験片を採取できる大きさのブロック
を切り出し、表２に示す種々の熱処理を施してから各種
試験片を作製しそれぞれの強度特性と耐高温硫化腐食特
性の評価をした。

【００５４】強度特性は、室温および538 ℃における引
張特性と、温度732 ℃，応力517MPaにおけるクリープ破
断特性で評価した。耐高温硫化腐食特性は、試験片を60
0 ℃におけるN₂-3%H₂-0.1%H₂S 混合ガス雰囲気中で588M
Paの引張応力を負荷しながら96時間暴露し、破断の有無
および断面観察により発生した粒界硫化腐食の深さで評
価した。表３にそれぞれの試験片の強度特性ならびに耐
高温硫化腐食特性を示す。

【００５５】

【表３】

【００５６】表３の結果から、機械的特性に関しては、
従来合金( ワスパロイ) の値がNo.4及びNo.21 のレベル
であり、本発明の処理をしたものの機械的性質はそれと
比較してほぼ同等であり十分な強度が得られている。ま
た、本発明の鍛造、熱処理（条件No.1〜9 ）を施した合
金Ａ，Ｂは硫化腐食環境下での最大侵食深さが何れも30
μｍ以下と非常に小さい。これに対し、比較例の鍛造、
熱処理（条件No.20 、21）を施した合金Ａ，Ｂは応力負
荷下で、合金内部に200 μm 以上の深い粒界侵食を発生
しているか、或いは96時間の暴露試験に耐えられず破断
してしまっている。

【００５７】この破断した合金の断面を観察すると、図
３に示す通り、激しい粒界硫化腐食を伴っており、合金
の破断が、粒界硫化腐食に起因していることが伺える。

【００５８】これは前述のように鍛造加熱温度は低いも
のの固溶化処理温度が高いために炭化物の固溶と再結晶
が進み、再結晶により新たに形成された結晶粒界に続く
安定化処理ならびに時効処理により炭化物が析出しその
周囲にCrの欠乏層が形成されるために耐硫化性が劣化し
たと考えられる。また比較例No.22 、23は固溶化処理温
度は低いものの鍛造加熱温度が高かったために耐高温硫
化腐食性が十分でなかった。

【００５９】更に本発明の中で、安定化処理を860 ℃以
上920 ℃以下、かつ時効処理を680℃以上760 ℃以下で
行なったNo.5〜9 の耐高温硫化腐食性は最大粒界侵食深
さが10μｍ以下であり、No.1〜４よりも一段と耐高温硫
化腐食特性が向上している。

【００６０】この理由は次のストライカ試験による粒界
腐食マップから理解することができる。このストライカ
試験は粒界炭化物の析出に起因するCr欠乏層生成の度合
い(粒界腐食感受性) を評価するものであり、上述した
ように、ここで問題とする高温硫化腐食は、粒界へのCr
炭化物析出による粒界近傍のCr欠乏層生成に起因するた
め、ストライカ試験により評価されたCr欠乏層の度合い
は、高温硫化腐食性に比例すると考えられる。このこと
はストライカ試験および高温硫化腐食試験の結果を比較
することにより確認した。

【００６１】表4 に、ストライカ試験に供試した試験片
の熱処理条件を示す。なお、試験片は、合金A の鍛造条
件L の供試材を用いた。また、図４には、それらのスト
ライカ試験の腐食重量減を温度と時間に対して図示し、
Cr欠乏層の生成領域を表した粒界腐食領域マップを示
す。

【００６２】

【表４】

【００６３】図４から、従来なされている843 ℃×4h空
冷の安定化処理および760 ℃×16h空冷の時効処理は、
最も粒界腐食感受性が高くなる熱処理条件の一つであ
り、耐高温硫化腐食性に関しては最適な条件とは言えな
いことが判る。一方、より高温域での安定化および低温
域での時効処理を施すと、粒界腐食感受性は低く、耐高
温硫化腐食性が向上することが判る。以上のように、固
溶化処理後の安定化処理を従来の条件よりも高温で施
し、かつ時効処理を従来の条件よりも低温で施すことに
よって、耐高温硫化腐食性を大きく向上させることがで
きると考えられ、本発明のNo.5〜9 の結果と一致してい
る。

【００６４】以上の結果から、本発明の鍛造および熱処
理をＮｉ基耐熱合金に施すことにより、従来と同程度の
高温強度特性を維持しながら耐高温硫化腐食性を著しく
改善することが可能である。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は従来の強
度のみを意識した製造方法と比較して、十分な高温強度
特性を維持しつつ、より耐高温硫化腐食性、特に耐粒界
腐食性を改善したNi基合金を提供するものであり、これ
により、高温の硫化腐食性環境において信頼性の高い装
置部材を提供することができる。

【００６６】今後、環境への負荷低減や省エネルギー化
に伴った化石燃料の質の低下、およびエネルギー装置の
高効率化などにより、タービンやボイラなどの高温機器
の使用環境は厳しくなる傾向にある。従って、本件のよ
うな装置部材の耐食性向上に関する発明は、今後重要な
意味を持つものと言える。

【図面の簡単な説明】

【図１】各温度に加熱後の結晶粒界の電子顕微鏡写真で
ある。

【図２】各温度に加熱後の顕微鏡写真である。

【図３】応力負荷条件下で硫化腐食させた後の破断面の
電子顕微鏡写真である。

【図４】ストライカ試験による温度- 時間- 粒界腐食感
受性曲線である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年６月１２日（２００１．６．１
２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】なお、熱間加工のうち、例えば熱間加工を
鍛造とした場合、鍛造は大きく分けて鋼塊( インゴッ
ト) から鋼片( ビレット、ブルーム等の中間形状) にす
る分塊工程と、鋼片から更に最終形状に近い仕上鍛造に
分けることができ、本発明は、このように、最終形状に
近づけるような仕上熱間加工について規定するものであ
る。なお、本発明で言う熱間加工には、鍛造、圧延、引
抜き、押出し等種々の熱間加工を含むものであるが、本
発明で規定する合金組成では、例えば比較的大型のディ
スク等に適用される場合が多く、その場合、熱間加工さ
れる材料自体も大型となること、また、本発明で規定す
る比較的低温での仕上熱間加工では、変形抵抗が高くな
ることから、低温での仕上熱間加工時の温度を低温に保
ち易い、鍛造に最も適している。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８２Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８２６８３６８３６９１６９１Ｂ６９１Ｃ６９４６９４Ｂ (72)発明者大野丈博島根県安来市安来町2107番地２日立金属株式会社安来工場内 (72)発明者上原利弘島根県安来市安来町2107番地２日立金属株式会社冶金研究所内 (72)発明者八鍬浩神奈川県藤沢市本藤沢四丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者宮坂松甫神奈川県藤沢市本藤沢四丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者中浜修平東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者澤田茂東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 3G002 EA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、C ：0.005 〜0.1 ％、Cr：18
〜21％、Co：12〜15％、Mo：3.5 〜5.0 ％、Ti：3.25％
以下、Al：1.2 〜4.0 ％を含有し、残部は実質的にNiか
らなるNi基合金の製造方法であって、仕上熱間加工を炭
化物固溶温度以下で行った後、炭化物固溶温度以下で且
つ再結晶温度以下での固溶化処理後、安定化処理および
時効処理を行うことを特徴とする耐高温硫化腐食性に優
れたNi基合金の製造方法。
【請求項２】安定化処理は860 ℃以上920 ℃以下で１
時間〜16時間、時効処理は680 ℃以上760 ℃以下で4 〜
48時間の条件で行うことを特徴とする請求項１に記載の
耐高温硫化腐食性に優れたNi基合金の製造方法。
【請求項３】 620 ℃以上〜前記時効処理温度マイナス
20℃の温度で8 時間以上の二次時効処理を行うことを特
徴とする請求項1 または２に記載の耐高温硫化腐食性に
優れたNi基合金の製造方法。
【請求項４】質量％で、Ti：2.75％以下、Al：1.6 〜
4.0 ％を含むことを特徴とする請求項1 乃至３の何れか
に記載の耐高温硫化腐食性に優れたNi基合金の製造方
法。
【請求項５】質量％で、B ：0.01％以下、Zr：0.1 ％
以下の何れか一種以上を含むことを特徴とする請求項1
乃至４の何れかに記載の耐高温硫化腐食性に優れたNi基
合金の製造方法。