JP2003164946A - ニッケル基超合金のインゴットを製造する方法 - Google Patents

ニッケル基超合金のインゴットを製造する方法

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JP2003164946A
JP2003164946A JP2001364971A JP2001364971A JP2003164946A JP 2003164946 A JP2003164946 A JP 2003164946A JP 2001364971 A JP2001364971 A JP 2001364971A JP 2001364971 A JP2001364971 A JP 2001364971A JP 2003164946 A JP2003164946 A JP 2003164946A
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manufacturing
ingot
nickel
inconel
molten metal
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Kazuho Suzuki
寿穂 鈴木
Hirotaka Morita
浩貴 守田
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Daido Steel Co Ltd
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ニッケル基超合金のインゴットを製造するに
当り、代表的な鋼種に関して、それぞれ適切な製造条件
を与える関係式を利用して、いわゆる「フレッケル欠
陥」のないインゴットを製造する方法を提供すること。 【解決手段】 式 Ra=1/Vsinθ<Rc を満た
す条件が保たれるように溶湯のプールの形状を制御し
て、溶湯を凝固させる。Ra:しきい値指数、V:固液
共存温度における、所定の固相率(fs=0.3が適
当)にある界面の冷却速度(K/秒)、θ:所定の固相
率(fs=0.3)にある界面の凝固フロント角
(度)、Rc:鋼種ごとに実験的に定められる限界指数
で、代表的なニッケル基超合金に関しては、カッコ内の
値に設定する。インコネル718(25) インコネル
706(50) インカロイ901(200) ワスパ
ロイ(100)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ニッケル基超合金
のインゴットであって、偏析による欠陥のないものを製
造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】「ニッケル基超合金」と呼ばれる一群の
耐熱Ni合金があり、それらの代表的な名称と合金組成
(重量%)は、つぎのとおりである。 鋼 種 Ni Co Cr Mo Ti Nb Fe インコネル718 50〜55 − 17〜21 2.8〜3.3 − − 残 インコネル706 40〜44 − 15〜17 − ≦3 ≦4 残 インカロイ901 48〜54 − 11〜14 5〜6.5 0〜5 0〜2 残 ワスパロイ 残 10〜15 17〜22 3〜6 0〜4 − 0〜2
【0003】この種の超合金は、タービンやジェットエ
ンジンの部品を製造する材料として使用されることが多
く、きわめて信頼性の高い、つまり欠陥のないインゴッ
トを製造する必要がある。精錬−鋳造の方法としては、
VAR(真空アーク再溶解)やESR(エレクトロスラ
グ再溶解)がしばしば採用される。よく知られているよ
うに、これらの方法によるときは、凝固した柱状の金属
塊の上部に溶融した金属のプールが存在し、プールの底
部で凝固して行く一方で、プールの上から溶融金属が補
充される形で、インゴットの形成が進行する。
【0004】このとき、1)部分凝固時間が長い、2)
溶湯プールの凝固界面の傾斜が急である、という条件で
凝固が進むと、「フレッケル欠陥」と呼ばれる、偏析に
起因する欠陥が生じる。フレッケル欠陥は、後工程での
熱処理によって除去することが困難であり、そのまま加
工工程に回すと、製品の欠陥のあった部分が機械的に弱
点となる。これは、高い信頼性という要求に反し、致命
的な問題を招く。
【0005】フレッケル欠陥が生じる原因は、図1に概
念的に示す機構によると解される。すなわち、固液界面
において凝固が進むとき、溶質の再分配が行なわれて、
デンドライト樹間に、特定の成分が濃化して、液相の平
均比重よりも比重が小さく、または大きくなった、濃化
金属の液塊が発生する。比重が小さくなった濃化金属の
液塊は上昇し、比重が大きくなった濃化金属の液塊は固
液界面を下降して行くため、偏析が生じるという現象で
ある。上記した二つの条件は、このような偏析を助長す
る。
【0006】このような現象を防ぐ手段として、これま
で取られて来たのは、溶湯プールの深さを浅くするこ
と、つまり上記2)の条件がなるべく生じないようにす
る努力である。溶湯プールの深さは、溶解速度や鋳型の
サイズによってコントロールしているが、実際には、そ
れぞれの場合に即して、経験的な手法で操業条件を決定
している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ニッ
ケル基超合金のインゴットを製造するに当り、従来の経
験的な手法を脱して、代表的な鋼種に関して、それぞれ
適切な製造条件を与える関係式を確立して、フレッケル
欠陥のないインゴットを製造する方法を提供することに
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の、偏析による欠陥のないインゴットの製造方法
は、ニッケル基超合金のインゴットを製造する方法にお
いて、溶湯のプールの形状を制御して、下式を満たす条
件を保って溶湯を凝固させることを特徴とする。 Ra=1/Vsinθ<Rc ここで、Ra:しきい値指数 V: 固液共存温度における、所定の固相率(fs)に
ある界面の冷却速度(K/秒) θ: 所定の固相率(fs)にある界面の凝固フロント
角(度) Rc:鋼種ごとに実験的に定められる限界指数
【0009】
【発明の実施形態】本発明の基本にある考えは、溶湯プ
ールの形状を、凝固挙動をあらわす指数でコントロール
することである。具体的には、固液共存温度における所
定の固相率(fs)にある界面の冷却速度V(K/秒)
と、所定の固相率(fs)にある界面の凝固フロント角
θ(度)とを因子として、Vsinθの逆数をもって、し
きい値指数Raとし、これが鋼種ごとに実験的に定めら
れる限界指数Rcより小さくなるように、数値計算によ
り鋼塊の伝熱解析を行なって、実際の操業条件を決定す
るという手法である。
【0010】凝固フロント角θは、図2に示す角度、つ
まり固液界面の水平面に対する傾斜角度を意味する。前
記した偏析が生じる機構から理解されるように、この角
度が小さいこと、つまり傾斜がゆるやかであることが、
フレッケル欠陥の発生を避ける上で重要である。「所定
の固相率」としては、fs=0.3を採用し、Vおよび
θを選択した場合に、予測されるRaの値が、フレッケ
ル欠陥発生の有無と合致することがわかった。
【0011】Rcの値は、前記した代表的なニッケル基
超合金に関して、下記のように設定するとよいことが、
経験的にわかっている。鋼 種 Rc インコネル718 25 インコネル706 50 インカロイ901 200 ワスパロイ 100 これらの値は、小型の一方向凝固インゴットを試験的に
鋳造して、凝固の進行に伴うインゴット各部の温度の変
化(熱伝対の測温値)、マクロ腐食により観察できる組
織、デンドライト・サイズなどのデータをもとに決定さ
れた。
【0012】
【実施例1】VAR装置で下記の合金組成(重量%)を
有するニッケル基超合金を精錬し、 インコネル718 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Co 0.041 0.22 0.1 0.01 0.004 <0.01 52.48 19.15 3.153 0.01 T-Al Ti Nb Zr Fe 0.53 0.99 5.63 <0.01 16.9 直径18インチ、長さ1.6mで重量2トンのインゴッ
トに鋳造した。インゴットのボトムすなわち鋳造を開始
した部分から上方に向かってさまざまな距離の点におけ
る、インゴット中心、表面および中間点の3カ所で、フ
レッケル欠陥の有無を調べて、数値計算により求めたR
aの値との関係をグラフにした。そのグラフは図3に示
すとおりであって、太い丸で囲んだ点が、フレッケル欠
陥の発見された位置である。上記のしきい値Rc=25
は、このデータに基づいて決定された。
【0013】
【実施例2】VAR装置で下記の合金組成(重量%)を
有するニッケル基超合金を精錬し、鋳造する場合の伝熱
計算を行なった。溶解速度は210kg/hr。 インコネル718 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo 0.038 0.13 0.13 0.014 0.0012 0.06 53.74 18.56 3.10 Co T-Al Ti Nb Zr O N Fe B 0.04 0.58 1.00 5.15 <0.01 0.0012 0.013 17.34 0.0035 当初、26インチのインゴットの鋳造を企てて伝熱計算
をしたところ、Raの値が大きくなり、欠陥の生じるお
それが大きくなったので、20インチの場合について伝
熱計算をやり直した。両者の場合の中間点におけるRa
の値を数値計算して得た、図3に対応するグラフを、図
4に示す。26インチ材にくらべ、20インチ材は、R
a値がかなり低く抑えられ、欠陥の発生する危険が低い
ことがこのグラフからわかる。
【0014】
【実施例3〜5】図5に示す構造の、一方向凝固を行な
う実験装置を組み立てた。下記3種のニッケル基超合金
の溶湯を、直方体形状をしたアルミナ製の鋳型に注入
し、一方向から(図の右方から左方へ向かって)冷却し
て凝固させ、その凝固挙動に基づいて、各合金のRaを
評価した。インゴットは、厚さ55mm×長さ175mm×
高さ200mm、重量13kgである。
【0015】 インコネル706 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Co T-Al 0.005 0.05 0.03 0.003 0.002 <0.01 42.05 16.09 <0.01 <0.01 0.18 Ti Nb B Zr O N Fe 1.73 3.14 0.004 0.028 0.004 0.0073 残
【0016】 インカロイ901 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Co 0.03 <0.01 <0.01 0.001 0.0014 0.02 50.73 12.44 5.84 <0.01 T-Al Ti Nb B Zr Ta O N 0.64 3.78 0.47 0.0015 0.03 <0.01 0.0043 0.0066
【0017】 ワスパロイ C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Co 0.059 <0.01 <0.01 0.001 0.001 0.02 59.06 19.49 4.127 13.21 T-Al Ti B Zr Fe O N 1.31 2.89 0.0054 0.05 0.12 0.0023 0.014
【0018】凝固挙動に基づくRaの決定は、つぎの式
に従うべきことが、経験的に知られた。 Ra=60.13[%Nb]+25[%Ti]+17[%M
o]−80[%Al]
【0019】
【発明の効果】本発明の方法に従って、ニッケル基超合
金のインゴット製造の条件を設定すれば、フレッケル欠
陥の発生を未然に防止して、健全なインゴットを製造す
る方法を容易に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ニッケル基超合金のインゴットにおいて、フ
レッケル欠陥が生じる機構を説明するための概念的な
図。
【図2】 固液界面の状況を模式的に示した図。
【図3】 実施例1のデータであって、インゴットのボ
トムから上方の各点の、インゴット中心、表面および中
間点の3カ所におけるフレッケル欠陥の有無と、数値計
算により求めたRaの値との関係を示すグラフ。
【図4】 実施例2のデータであって、インゴットの直
径26インチおよび20インチの場合について、ボトム
からの距離に応じた中間点におけるRaの値を数値計算
によって得た、図3に対応するグラフ。
【図5】 実施例3において使用した、一方向凝固を行
なう実験装置の縦断面図。
【符号の説明】
1 ルツボ(アルミナ製) 2 冷却ブロック(アルミナ製) 3 ヒーター(SiC製) 4 熱電対 5 凝固中のニッケル基超合金
───────────────────────────────────────────────────── 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) B22D 27/04 B22D 27/04 E // C22C 19/05 C22C 19/05 C

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ニッケル基超合金のインゴットを製造す
    る方法において、溶湯のプールの形状を制御して、下式
    を満たす条件を保って溶湯を凝固させることを特徴とす
    る、偏析による欠陥のないインゴットの製造方法。 Ra=1/Vsinθ<Rc ここで、Ra:しきい値指数 V: 固液共存温度における、所定の固相率(fs)に
    ある界面の冷却速度(K/秒) θ: 所定の固相率(fs)にある界面の凝固フロント
    角(度) Rc:鋼種ごとに実験的に定められる指数
  2. 【請求項2】 所定の固相率としてfs=0.3を採用
    し、Vおよびθを選択して実施する請求項1の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 Rcを下記のように設定して実施する請
    求項1の製造方法。鋼 種 Rc インコネル718 25 インコネル706 50 インカロイ901 200 ワスパロイ 100
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5109068B2 (ja) * 2006-04-25 2012-12-26 株式会社エビス 一方向凝固方法及び装置
JP2014043620A (ja) * 2012-08-28 2014-03-13 Nippon Steel & Sumitomo Metal Ni基超合金の鋳塊の製造方法
JP2014043597A (ja) * 2012-08-24 2014-03-13 Japan Steel Works Ltd:The 耐水素脆化特性に優れたNi基合金および耐水素脆化特性に優れたNi基合金材の製造方法

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