JP2002097537A - Co−Ni基耐熱合金およびその製造方法 - Google Patents
Co−Ni基耐熱合金およびその製造方法Info
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Abstract
耐熱合金より高強度であるとともに、高温で長時間使用
しても強度の低下が小さい耐熱合金およびその製造方法
を提供すること。 【解決手段】 重量%で、C:0.05%以下、Si:
0.5%以下、Mn:1.0%以下、Ni:25〜45
%、Cr:13〜18未満%、MoとWの1種または2
種でMo+1/2 W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0
%、Nb:0.1〜5.0%およびFe:0.1〜5.
0%を含有し、残部がCoおよび不可避的不純物からな
ることを特徴とするCo−Ni基耐熱合金。
Description
合金およびその製造方法、詳細にはエンジン排気系、ガ
スタービン周辺などの高温に曝される部位で使用される
ばね、ボルトなどに使用されるCo−Ni基耐熱合金お
よびその製造方法に関する。
辺などの高温にさらされる部位で使用される耐熱部品
は、インコネル X−750(Ni:73.0%、C
r:15.0%、Al:0.8%、Ti:2.5%、F
e:6.8%、Mn:0.70%、Si:0.25%、
C:0.04、Nb+Ta:0.9%)、インコネル
718(Ni:53.0%、Cr:18.6%、Mo:
3.1%、Al:0.4%、Ti:0.9%、Fe:1
8.5%、Mn:0.20%、Si:0.18%、C:
0.04、Nb+Ta:5.0%)などのNi基超耐熱
合金を用いて製造されていた。
3(Al,Ti,Nb) およびγ′′(Ni3Nb) を析出させることに
よって強化するものである。しかし、600℃以上の高
温で長時間使用すると、過時効によりγ′およびγ′′
が粗大化して強度が低下するという欠点があった。ま
た、ばね、ボルトなどの常に応力がかかっている部品で
は応力緩和が大きく、本来の部品に要求される性能が保
持できなくなってしまうという問題があった。
超耐熱合金より高強度であるとともに、高温で長時間使
用しても強度の低下が小さい耐熱合金およびその製造方
法を提供することを課題とするものである。
め、本発明者らは、Ni基超耐熱合金より高強度であ
り、高温で長時間使用しても強度の低下が小さい耐熱合
金について種々調査、研究をしていたところ、耐熱合金
としてCo−Ni−Cr系合金があること、このCo−
Ni−Cr系合金は、積層欠陥エネルギーが非常に低い
ため冷間または温間加工を施すことにより、Mo,F
e,Nbなどの溶質元素が拡張転位の積層欠陥に偏析し
て転位運動を妨げるため、高い加工硬化能が発現するこ
と、冷間または温間加工に続いて加工ひずみを残留させ
たまま時効するとなお一層強化することができるとの知
見を得た。
して特開平10─140279号公報に記載されている
合金などがあるが、高温強度がまだ十分でないので、こ
の合金のMo,Fe,Nbなどの溶質元素を増量して強
化を図るとσ相が析出してしまい加工性および靱性が低
下してしまうこと、その対策としてCrを750℃以下
の耐熱環境で使用するのに必要な最低限レベルにすれ
ば、Mo,Fe,Nbなどの溶質元素を増量してもσ相
の析出を抑制することができること、Wを添加すること
で、さらに高強度化が可能であることなどの知見を得
た。本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたも
のである。
においては、C:0.05%以下、Si:0.5%以
下、Mn:1.0%以下、Ni:25〜45%、Cr:
13〜18未満%、MoとWの1種または2種でMo+
1/2 W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、Nb:
0.1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を含有
し、残部がCoおよび不可避的不純物からなるものとす
ることである。
おいては、C:0.05%以下、Si:0.5%以下、
Mn:1.0%以下、Ni:25〜45%、Cr:13
〜18未満%、MoとWの1種または2種でMo+1/2
W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、Nb:0.
1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を含有し、
更にREM(Y,Ce、ミッシュメタルなどの希土類元
素の1種または2種以上):0.007〜0.10%を
含有し、必要に応じてB:0.001〜0.010%、
Mg:0.0007〜0.010%およびZr:0.0
01〜0.20%のうちの1種または2種以上を含有
し、残部がCoおよび不可避的不純物からなるものとす
ることである。
いては、C:0.05%以下、Si:0.5%以下、M
n:1.0%以下、Ni:25〜45%、Cr:13〜
18未満%、MoとWの1種または2種でMo+1/2
W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、Nb:0.
1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を含有し、
更にB:0.001〜0.010%、Mg:0.000
7〜0.010%およびZr:0.001〜0.20%
のうちの1種または2種以上を含有し、残部がCoおよ
び不可避的不純物からなるものとすることである。
造方法においては、C:0.05%以下、Si:0.5
%以下、Mn:1.0%以下、Ni:25〜45%、C
r:13〜18未満%、MoとWの1種または2種でM
o+1/2 W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、N
b:0.1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を
含有し、さらに必要に応じてREM:0.007〜0.
10%を含有し、また必要に応じてB:0.001〜
0.010%、Mg:0.0007〜0.010%およ
びZr:0.001〜0.20%のうちの1種または2
種以上を含有し、残部がCoおよび不可避的不純物から
なる合金を1000〜1200℃で固溶化熱処理を施し
た後または上記温度での熱間加工を施した後、加工率4
0%以上の冷間または温間加工を施し、その後500〜
800℃で0.1〜50時間の時効熱処理を施すことこ
とである。
合金およびその製造方法において成分組成を上記のよう
に限定した理由を説明する。 C:0.05%以下 Cは、NbやTiと結合して炭化物を形成し、固溶化熱
処理時の結晶粒の粗大化を防止するとともに、粒界の強
化に寄与するので、そのために含有する元素である。そ
れらの効果を得るためには、好ましくは0.005%以
上含有させる必要があるが、0.05%、好ましくは
0.03%より多く含有させると靱性および耐食性を低
下させるともに、転位を固着させる元素、例えばMoと
炭化物を形成するので、結果として転位の固着効果を阻
害することになるので、その含有量を0.05%以下と
する。好ましい範囲は0.005〜0.03%である。
させる元素であるが、0.5%、好ましくは0.3%を
超えて含有させると靱性を低下させるので、その含有量
を0.5%以下とする。好ましい含有量は0.3%以下
である。
ギーを低下させて加工硬化能を向上させるので、それら
のために含有させる元素である。それらの効果を得るに
は、0.1%、好ましくは0.25%以上含有させる必
要があるが、1.0%、好ましくは0.7%を超えて含
有させると、耐食性を低下させるので、その含有範囲を
0.1〜1.0%する。好ましい範囲は0.25〜0.
7%である。
せる元素であり、合金の耐熱性および耐食性を向上させ
るので、それらのために含有させる元素である。それら
の効果を得るには25%、好ましくは27%以上含有さ
せる必要があるが、45%、好ましくは33%を超える
と加工硬化能を低下させるので、その含有範囲を25〜
45%とする。好ましい範囲は27〜33%である。
のために含有させる元素である。それらの効果を得るに
は13%、好ましくは14.5%以上含有させる必要が
あるが、18%以上、好ましくは17%を超えるとσ相
を析出しやすくなるので、その含有範囲を13〜18未
満%とする。好ましい範囲は14.5〜17%である。
し、加工硬化能を向上させるので、そのために含有させ
る元素である。その効果を得るためには7%、好ましく
は9%以上含有させる必要があるが、20%、好ましく
は16%を超えるとσ相が析出するので、その含有範囲
を7〜20%とする。好ましい範囲は9〜16%であ
る。
元素である。その効果を得るためには0.1%、好まし
くは0.5%以上含有させる必要があるが、3.0%、
好ましくは1.8%を超えるとη相(Ni3 Ti)を析
出して加工性および靱性を低下させるので、その含有範
囲を0.1〜3.0%とする。好ましい範囲は0.5〜
1.8%である。
の結晶粒の粗大化を防止するとともに、粒界の強化に寄
与し、またマトリックスに固溶してこれを強化させ、加
工硬化能を向上させるので、それらのために含有させる
元素である。それらの効果を得るには0.1%、好まし
くは0.5%以上含有させる必要があるが、5.0%、
好ましくは3.5%を超えるとδ相(Ni3 Nb)を析
出して加工性および靱性を低下させるので、その含有範
囲を0.1〜5.0%とする。好ましい範囲は0.5〜
3.5%である。
そのために含有させる元素である。その効果を得るため
には0.1%、好ましくは0.5%以上含有させる必要
があるが、5.0%、好ましくは3.3%を超えると耐
酸化性を低下させるので、その含有範囲を0.1〜5.
0%とする。好ましい範囲は0.5〜3.3%である。
なお、MoとNbとFeを複合して用いれば、MoとN
b、MoとFeの複合で用いるよりマトリックスの固溶
強化と加工硬化を著しく増大させ、室温および高温にお
いて得られる引張最大強度を著しく高め、また高温にお
ける引張強度の極大が現れる温度を高温に移行させる効
果も大きい。
は2種以上であるREMは、熱間加工性および耐酸化性
を向上させるので、それらのために含有させる元素であ
る。それらの効果を得るには、0.007%、好ましく
は0.01%以上必要であるが、0.10%、好ましく
は0.04%を超えると逆に熱間加工性および耐酸化性
を低下させるので、その含有範囲を0.007〜0.1
0%とする。好ましい範囲は0.01〜0.04%であ
る。
0.0007〜0.010%、Zr:0.001〜0.
20% B,MgおよびZrは、熱間加工性を向上させるととも
に、粒界を強化するので、それらのために含有させる元
素である。それらの効果を得るには、Bを0.001
%、好ましくは0.002%、Mgを0.0007%、
好ましくは0.001%、Zrを0.001%、好まし
くは0.01%を含有させる必要があるが、Bを0.0
10%、好ましくは0.004%、Mgを0.010
%、好ましくは0.003%、Zrを0.20%、好ま
しくは0.03%を超えて含有させると逆に熱間加工性
および耐酸化性を低下させるので、その含有範囲を上記
のとおりとする。好ましい範囲はBが0.002〜0.
004%、Mgが0.001〜0.003%、Zrが
0.01〜0.03%である。
により面心立方格子、すなわちオーステナイトとなり、
高い加工硬化能を示す。
造方法ならびに熱処理および加工条件を上記のとおりに
限定した理由を説明する。本発明のCo−Ni基耐熱合
金の製造方法は、上記成分組成のCo−Ni基耐熱合金
を冷間または温間加工で導入した拡張転位間の積層欠陥
にMoなどの溶質原子を偏析させて転位運動を妨げるこ
とで転位の回復を抑制することによって強化させるもの
である。そのため、本発明のCo−Ni基耐熱合金材の
製造方法においては、上記Co−Ni基耐熱合金を10
00〜1200℃で固溶化熱処理を施して組織を均質に
し、もしくは1000℃以上の温度での熱間加工により
結晶粒の微細化を図った後、加工率40%以上の冷間ま
たは温間加工を施して大量の転位を導入し加工硬化させ
る。また温間加工は固溶化熱処理または熱間加工後の冷
却過程で行うことも可能である。その後500〜800
℃で0.1〜50時間の時効熱処理をし、Mo、Feな
どの溶質原子を拡張した転位の半転位間に形成された積
層欠陥に偏析させて転位運動を妨げることで応力緩和、
すなわち転位の回復を抑制する。
いて、固溶化熱処理または熱間加工を1000〜120
0℃で行うのは、1000℃より低いと十分均質になら
ないばかりでなく、硬度も低くならず、加工が難しい。
さらに転位の固着効果に寄与するMoなどの化合物の析
出、それに起因する時効硬化性を低減させるおそれがあ
る。また1200℃を超えると結晶粒が粗大化して靱性
および強度が低下するからである。
加工をした後加工率40%以上の冷間または温間加工を
施しているのは、表3および図1に示すように40%よ
り低いとMo,Feなどの溶質元素が拡張転位の積層欠
陥に偏析して転位運動を妨げることによる高い加工硬化
能が発現しないし、またクリープ伸びが大きくなるから
である。また、加工率40%以上の冷間または温間加工
を施した後500〜800℃で0.1〜50時間の時効
熱処理を施しているのは、表4および図2に示すように
500℃より低く、また0.1時間より短いと十分強度
が上昇せず、また800℃を超え、また50時間を超え
ると転位が回復して硬度および強度が低下し、クリープ
伸びが大きくなるからである。
の一例は、真空高周波誘導炉などを用いて通常の方法で
溶製し、通常の鋳造方法で鋳造してインゴットを製造す
る。その後熱間加工をし、1000〜1200℃で固溶
化熱処理を施した後、加工率40%以上の冷間または温
間加工を施し、その後500〜800℃で0.1〜50
時間の時効熱処理を施すことである。また、本発明のC
o−Ni基耐熱合金の用途は、エンジンの排気マニホー
ルドなどの排気系部品、ガスタービン周辺機器、炉室
材、耐熱ばね、耐熱ボルトなどのインコネルX750ま
たはインコネルX718を用いていた用途およびこれら
以上の高温度で用いる用途である。
金を真空高周波誘導炉を用いて通常の方法で溶製し、通
常の鋳造方法で鋳造して30kgのインゴットを得た。
これらのインゴットを熱間鍛造によりφ35mmの丸棒
にした。その後比較例4を除く他のものを1100℃で
固溶化熱処理をし、加工率85%の冷間加工を施してφ
13.6mmの丸棒とし、その後720℃×4時間の時
効処理を行った。また比較例4は、1050℃の固溶化
熱処理後加工率30%、725℃×16hの時効処理を
行った。これらの素材から平行部φ8mmの引張試験片
を切り出し、室温で引張試験をして引張強度を測定し
た。また平行部φ6mmで評点間距離30mmのクリー
プ試験片を切り出し、700℃で330MPaの応力を
付加して1000時間後の伸びを測定するクリープ試験
を行った。これらの結果を表2に示す。
1100℃で固溶化熱処理をし、加工率35%、45
%、60%の冷間加工を施した(比較例5、本発明例1
2、13)後、720℃×4時間の時効処理を行った。こ
れらの素材から上記実施例1と同様の引張試験片および
クリープ試験片を切り出し、実施例1と同様な条件で引
張試験およびクリープ試験をして引張強度およびクリー
プを測定した。その結果を下記表3および図1に示す。
1100℃で固溶化熱処理をし、加工率85%の冷間加
工を施した後、下記表4に示す条件の時効処理を行った
(比較例6、7、本発明例14、15)。これらの素材から
上記実施例1と同様の引張試験片およびクリープ試験片
を切り出し、実施例1と同様な条件で引張試験およびク
リープ試験をして引張強度およびクリープを測定した。
その結果を下記表4および図2に示す。
は、室温引張強度が219〜283kgf/mm2 であ
り、またクリープ伸びが0.7〜1.1%であった。こ
れに対して、Cr含有量が本発明より多い比較例1は、
室温引張強度が本発明例の93%以下の203kgf/
mm2 であり、またクリープ伸びが本発明例の1.4倍
以上であった。さらに、Cr含有量が本発明より多く、
Moが比較例1より多い比較例2は、冷間加工で割れが
発生し、室温引張強度およびクリープ伸びを測定するこ
とができなかった。
が含有量が本発明より少ない比較例3は、室温引張強度
が本発明例の78%以下の171kgf/mm2 であ
り、またクリープ伸びが本発明例の1.7倍以上であっ
た。また、インコネルX750の比較例4は、室温引張
強度が本発明例の68%以下の148gf/mm2 であ
り、またクリープ伸びが本発明例の2倍以上であった。
より低い冷間加工率が35%の比較例5は、室温引張強
度が本発明例12、13、6より低く、162kgf/mm
2 であり、またクリープ伸びが本発明例12、13、6より
も大きく3.8%であった。これらの結果から冷間また
は温間加工の加工率は40%以上にする必要があること
が分かった。
効処理温度より低い時効処理温度が450℃の比較例6
は、室温引張強度が本発明例よりも低く、183kgf
/mm2 であり、またクリープ伸びが本発明例より大き
く2.1%であった。また本発明の時効処理温度より高
い温度で処理した比較例7は、室温引張強度が本発明例
よりも低く134kgf/mm2 であり、またクリープ
伸びが本発明例よりも大きく4.8%であった。これら
の結果から時効処理温度は、500〜800℃の範囲で
する必要があることが分かった。
から用いられていたNi基超耐熱合金より室温における
強度が高いとともに、高温で長時間使用しても強度の低
下が小さいという優れた効果を奏する。また本発明の製
造方法は、上記Ni基超耐熱合金より室温における強度
が高いとともに、高温で長時間使用しても強度の低下が
小さいCo−Ni基耐熱合金材を製造することができる
という優れた効果を奏する。
室温引張強度およびクリープ伸びとの関係を示すグラフ
である。
度と室温引張強度およびクリープ伸びとの関係を示すグ
ラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】 重量%で(以下同じ)、C:0.05%
以下、Si:0.5%以下、Mn:1.0%以下、N
i:25〜45%、Cr:13〜18未満%、MoとW
の1種または2種でMo+1/2 W:7〜20%、Ti:
0.1〜3.0%、Nb:0.1〜5.0%およびF
e:0.1〜5.0%を含有し、残部がCoおよび不可
避的不純物からなることを特徴とするCo−Ni基耐熱
合金。 - 【請求項2】 C:0.05%以下、Si:0.5%以
下、Mn:1.0%以下、Ni:25〜45%、Cr:
13〜18未満%、MoとWの1種または2種でMo+
1/2 W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、Nb:
0.1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を含有
し、更にREM:0.007〜0.10%を含有し、残
部がCoおよび不可避的不純物からなることを特徴とす
るCo−Ni基耐熱合金。 - 【請求項3】 C:0.05%以下、Si:0.5%以
下、Mn:1.0%以下、Ni:25〜45%、Cr:
13〜18未満%、MoとWの1種または2種でMo+
1/2 W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、Nb:
0.1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を含有
し、更にB:0.001〜0.010%、Mg:0.0
007〜0.010%およびZr:0.001〜0.2
0%のうちの1種または2種以上を含有し、残部がCo
および不可避的不純物からなることを特徴とするCo−
Ni基耐熱合金。 - 【請求項4】 C:0.05%以下、Si:0.5%以
下、Mn:1.0%以下、Ni:25〜45%、Cr:
13〜18未満%、MoとWの1種または2種でMo+
1/2 W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、Nb:
0.1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を含有
し、更にREM:0.007〜0.10%を含有し、ま
たB:0.001〜0.010%、Mg:0.0007
〜0.010%およびZr:0.001〜0.20%の
うちの1種または2種以上を含有し、残部がCoおよび
不可避的不純物からなることを特徴とするCo−Ni基
耐熱合金。 - 【請求項5】 C:0.05%以下、Si:0.5%以
下、Mn:1.0%以下、Ni:25〜45%、Cr:
13〜18未満%、MoとWの1種または2種でMo+
1/2 W:7〜20%、Ti:0.1〜3.0%、Nb:
0.1〜5.0%およびFe:0.1〜5.0%を含有
し、更に必要に応じてREM:0.007〜0.10%
を含有し、また必要に応じてB:0.001〜0.01
0%、Mg:0.0007〜0.010%およびZr:
0.001〜0.20%のうちの1種または2種以上を
含有し、残部がCoおよび不可避的不純物からなる合金
を1000〜1200℃で固溶化熱処理を施した後また
は上記温度での熱間加工を施した後、加工率40%以上
の冷間または温間加工を施し、その後500〜800℃
で0.1〜50時間の時効熱処理を施すことを特徴とす
るCo−Ni基耐熱合金の製造方法。
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