JP2004307999A

JP2004307999A - Ｎｉ基超耐熱鋳造合金およびそれを材料とするタービンホイール

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Publication number: JP2004307999A
Application number: JP2004014921A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Takahata; 紀孝高畑; Shigenori Ueda; 茂紀植田; Toshiharu Noda; 俊治野田; Tetsuya Shimizu; 哲也清水
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: CN100355923C; EP1462533A1; JP3753143B2; EP1462533B1; CN1570171A; DE602004000997D1; DE602004000997T2; US20040187973A1

Abstract

【課題】自動車エンジン用のタービンホイールを製造するためのＮｉ基の超耐熱鋳造合金であって、排ガスの高温化に対応して、高温でも高い強度を維持するタービンホイールを、ＨＩＰ処理を必要とすることなく鋳造により得ることを可能にする。
【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０２〜０．５０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ａｌ：２．０〜８．０％、Ｃｏ：１５．０％以下、Ｗ：８．０〜１６．０％、Ｔａ：２．０〜８．０％、Ｔｉ:３．０％以下、Ｚｒ：０．００１〜０．２％およびＢ：０．００５〜０．３００％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる組成の合金。ただし原子％で［％Ａｌ］＋［％Ｔｉ］＋［％Ｔａ］が１２．０〜１５．５％を占め、γ／γ´共晶を面積率で１〜１５％含有し、炭化物の面積率が１〜１０％であって、成分元素の割合により決定されるＭ値が９３〜９８の範囲にあるもの。
【選択図】なし

Description

本発明は、Ｎｉ基の超耐熱鋳造合金と、それを材料として製造した自動車エンジン用のタービンホイールに関する。本発明により、従来のものより高強度のタービンホイールが、大差ない価格で提供される。

自動車エンジン用のタービンホイールは、高温の排ガスに直接さらされる部品であるため、その耐熱性および高温強度に対する要求はきびしい。従来、一般の乗用車のタービンホイール用材料としては、Ｎｉ基の鋳造合金であるＩＮＣＯＮＥＬ７１３Ｃ（以下、「７１３Ｃ」と略記）が用いられてきた。この合金は、長い歴史をもっている（特許文献１）。一方、ラリー車のエンジンのように、とくに過酷な環境下で用いられるものの材料としては、７１３Ｃよりも強度が高いＭａｒ−Ｍ２４７（以下、「ＭＭ−２４７」と略記）が用いられてきた。この合金も、以前から知られている（特許文献２）。

今後、乗用車のエンジンの高出力化に伴う排ガス温度の一層の上昇が予想されるが、７１３Ｃでは高温強度が不十分なため、これ以上の排ガス温度の上昇には対応できない。一方、ＭＭ−２４７は、合金成分として高価なＨｆが使用されており、それが原料費を押し上げている上に、製造に当たって引け巣が生じないようＨＩＰ処理を行なうことが多く、製造コストが高い。

この点を改善する試みが続けられ、Ｈｆ，Ｔａ，Ｃｏなどの高価な合金成分を添加することなく、７１３Ｃ以上のクリープ破断強度を達成したＮｉ基超耐熱合金製のタービンホイールが提案された（特許文献３および特許文献４）。しかしこれらの材料は、Ｎｂを添加した合金組成であり（前者は０．５〜３．５％、後者は６．０〜８．０％）、Ｎｂの偏析が生じやすいという、新しい問題を含んでいる。また、Ｍｏも添加するので（ともに１．０〜５．０％）、耐高温酸化性がよくない。したがって、コストの節約と得られる改善効果とのバランスからみると、低価格なＮｉ基超耐熱合金に関して、十分満足なものが開発されたとはいえない。
特公昭４２−１１９１５特開昭４７−１３２０４特開平１１−１３１１６２特開２０００−１６９９２４

本発明の目的は、自動車エンジン用のタービンホイールを製造するためのＮｉ基の超耐熱鋳造合金であって、排ガスの高温化に対応して、高温でも高い強度を維持し、原料費の面では７１３Ｃよりは若干高価になるが、大差はなく、その一方で、耐熱性および高温強度の面では、ＭＭ−２４７に近い材料を提供すること、およびその材料で製造したタービンホイールを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のＮｉ基超耐熱鋳造合金は、重量％で、Ｃ：０．０２〜０．５０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ａｌ：２．０〜８．０％、Ｃｏ：１５．０％以下、Ｗ：８．０〜１６．０％、Ｔａ：２．０〜８．０％、Ｔｉ:３．０％以下、Ｚｒ：０．００１〜０．２％およびＢ：０．００５〜０．３００％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる合金組成を有し、ただし、原子％で、［％Ａｌ］＋［％Ｔｉ］＋［％Ｔａ］が１２．０〜１５．５％を占め、γ／γ'共晶を面積率で１〜１５％含有し、炭化物の面積率が１〜１０％であって、次式（％は原子％）で表されるＭ値が、９３〜９８の範囲にあることを特徴とする。
Ｍ＝０．７１７[％Ｎｉ]＋１．１４２[％Ｃｒ]＋２．２７１[％Ｔｉ]＋１．９
[％Ａｌ]＋２．１１７[％Ｎｂ]＋１．５５[％Ｍｏ]＋０．７７７[％Ｃｏ]
＋３．０２[％Ｈｆ]＋２．２２４[％Ｔａ]＋１．６５５[％Ｗ]＋２．９４４
[％Ｚｒ]

本発明のＮｉ基超耐熱鋳造合金は、高強度化に有効であるが高価なＨｆを含有しないにも関わらず、そのクリープ強度は、タービンホイール材料として現在最も広く使用されている７１３Ｃより改善されていて、Ｈｆを含有するＭＭ−２４７とほぼ同等である。合金組成からいって、原料費は７１３Ｃより若干高くなるが、ＭＭ−２４７よりは廉価である。本発明の合金は鋳造性が高いから、ＨＩＰ処理などの必要なく、タービンホイール製品へのコストも高くならない。本発明により、今後予想される排ガスの高温化に対応できるタービンホイールを、低価格で提供することができる。

本発明のＮｉ基超耐熱鋳造合金は、上記した基本的な合金成分に加えて、さらに、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下の１種または２種以上を含有することができる。

本発明のＮｉ基超耐熱鋳造合金に含有されることのある主要な不純物は、原料に由来するＦｅ、ＳｉおよびＭｎ、そしてＰおよびＳであり、場合によっては、ＣｕやＭｏも混入する。それらの含有量は、Ｆｅ：５．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｖ：１．０％以下にそれぞれ規制することが好ましい。

以下に、上記の基本的な合金成分が受け持つ作用と、その組成範囲の限定理由とを、［％Ａｌ］＋［％Ｔｉ］＋［％Ｔａ］量の限定理由、γ／γ'共晶の面積率の限定理由、炭化物の面積率の限定理由、および特定のＭ値のもつ意義について説明する。

Ｃ：０．０２〜０．５０％、好ましくは０．０５〜０．３０％、より好ましくは０．０５〜０．２０％
Ｃは、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆのグループに属する元素、またはＮｂ、ＴａおよびＶのグループに属する元素が存在する場合は、それらと結合して炭化物を形成することにより、粒界の強化に寄与する。Ｃ量が０．０２％以下では十分な効果が得られず、０．５％を超えると炭化物が過剰に生成し、耐食性や延性の低下を招く。好ましい含有量は０．０５〜０．３０％でああり、より好ましくは０．０５〜０．２０％である。

Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、主に溶解精練時の脱酸剤として使用する元素であり、脱酸に有効な程度の量が存在することは支障ないが、多量に添加すると延性が悪くなる。そのため、上限値として１．０％を設けた。好ましくは、０．５％以下とする。

Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎも、Ｓｉ同様、脱酸剤として添加される成分であり、脱酸に有効な程度の量が存在することは支障ないが、多量に添加すると、やはり強度および延性の低下を引き起こす。１．０％を上限として定めた。好ましくは、０．５％以下とする。

Ｃｒ：４．０〜１０．０％
Ｃｒは耐食性向上のはたらきをする元素の、主要なものである。母相に固溶することで、強度の向上にも寄与する。添加量が４．０％未満ではこれらの効果が小さく、１０．０％を超すと相安定性が低下し、タービンホイールを高温で長時間使用したときに、強度および延性が低下する。好適な範囲は、６．０〜１０．０％である。

Ａｌ：２．０〜８．０％
Ａｌはγ'相を形成する重要な成分であり、さらに耐高温腐食性の向上にも役立つ。これらの効果は、Ａｌ添加量が２．０％に達しない少量では微弱である。しかし、８．０％を上回る添加は、鋳造時に多量の共晶γ'相の析出を招き、結果としてクリープ強度が低下するだけでなく、鋳造割れの原因にもなる。好ましい添加量の範囲は、４．５〜５．５％である。

Ｃｏ：１５．０％以下
Ｃｏは、γ相を固溶強化するとともに、強度の向上に効果のあるγ'相中にも固溶し、γ'相をも強化する作用がある。また、γ'相の析出量を増加させる。しかし高価な材料であるため、多量に添加することは、コスト的に不利である。１５．０％までの添加量を選ぶことが賢明である。９００℃以上で十分な高温特性を保持するためには、５．０％以上の添加が望ましい。

Ｗ：８．０〜１６．０％
Ｗは、γ相の固溶強化に大きく寄与し、強度の上昇に役立つ。添加量が８．０％未満ではこの効果が小さく、１６．０％を超えて添加すると相安定性が低下し、高温での長時間使用により、α−Ｃｒを析出させ、タービンホイールの強度と延性が低下する。好適な添加量範囲は、１０．０〜１４．０％である。

Ｔａ：２．０〜８．０％
Ｔａは、Ｃと結合して炭化物を形成するだけでなく、γ'相へ固溶して強度を高める。２．０％未満の添加ではその効果が低い。ＴａはＨｆなどとともに高価な材料であるため、コスト面からはなるべく使用量を抑えたい。上限値として、８．０％を設けた。

Ｔｉ：３．０％以下
Ｔｉは、Ｎｉと結合して強度の向上に有効なγ'相を形成する成分であり、Ａｌと置換してγ'相の固溶強化に寄与し、合金の強度をさらに高めるはたらきがある。しかし、３％を超えて添加すると、η相（Ｎｉ₃Ｔｉ）が析出しやすくなって高温強度および延性にとって不利益を与える。好ましい添加量は、２．０％以下である。

Ｚｒ：０．００１〜０．２％
ＺｒはＣと結合して炭化物を形成するだけでなく、粒界に偏析して粒界を強化に役立つという作用もする。０．００１％という少量の添加で効果が認められるが、一方で多量に添加すると延性が低下するため、上限を０．２％とした。０．１％以下に、添加量の最適範囲がある。

Ｂ：０．００５〜０．３００％、好ましくは０．０５０〜０．２００％
Ｂは、η相の生成を抑制して高温強度および延性の低下を防止し、さらに高温クリープ強度を高めるのに有効な成分である。また、Ｃｒ等の元素とホウ化物を形成する。このホウ化物は融点が低いため、ホウ素を添加すると固液共存温度域が広くなり、鋳造性が向上する。これらの効果を得るには、０．００５％以上で適量を添加する必要がある。しかし、過剰に添加すると、強度および靱性の低下を招く。したがって、添加量の上限を０．３００％とした。鋳造性と強度および靱性とのバランスがよりよく得られるのは、０．０５０〜０．２００％の範囲である。

Ｍｇ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下の１種または２種以上
ＭｇおよびＣａは、粒界に偏析して粒界を強化する。ＲＥＭも、同様な作用がある。いずれも多量の添加は強度および延性を低下させるから、得策でない。添加量の上限は、ＭｇとＣａは０．０１％、ＲＥＭは０．１％とした。

不純物規制Ｆｅ：５．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｖ：１．０％以下
製造コストの低下を意図して安価なスクラップを原料とした場合に、不純物として混入する可能性が最も高い元素は、Ｆｅであって、合金の強度、高温および常温の耐食性のいずれにとっても有害である。許容できる上限は５．０％であるが、３．０％以下が望ましい。Ｐは粒界に偏析して強度低下の原因となるので、多量の存在は好ましくないが、ある程度の混入は避けがたい。許容限度は、０．０３％である。Ｓも、Ｐと同様に強度を低下させる元素であり、Ｓ量も０．０３％以下に止めたい。Ｍｏは基地に固溶し、強度の向上に役立つが、多量に存在すると耐高温酸化性を悪くするので、１．０％までの含有量に抑える。Ｃｕもまた強度を低下させる原因となるので、多量の存在は好ましくない。許容限度は１．０％であるが、０．３％以下が好ましい。Ｖは、高温強度の低下という不利益をもたらすから、許容限度の１．０％以下に止める。

［％Ａｌ］＋［％Ｔｉ］＋［％Ｔａ］：１２．０〜１５．５％（原子％）
この要件は、十分な強度と製造性を確保するために、充足する必要がある。下限の１２．０％に満たない場合は十分な強度が得られず、上限の１５．５％を超えると、鋳造割れが発生しやすくなるという不都合がある。

γ／γ'共晶の面積率：１〜１５％
この範囲の下限値１％は、製造性、とくに鋳造性の確保にとって必要である。共晶の面積率が５％に満たない場合は、鋳造の最終段階で空孔を生じることがあり、製品タービンホイールの信頼性が低くなる。一方、１５％を上回ると、共晶の部分が破壊の起点になる可能性が高くなる。

炭化物の面積率：１〜１０％、好ましくは１〜５％
適量の炭化物の生成は、粒界を強化し、１０００℃以上の高温領域における強度を高くするのに役立つ。この効果は、炭化物の面積率が１％以上あるときに得られる。１０％を超えると、かえって失われる。好ましくは、１〜５％の範囲である。

Ｍ値：９３〜９８
前掲の式により定義されるＭ値は、相安定性の指標であり、９３〜９８の範囲にあることが、製品タービンホイールの耐久性を保証する。本発明の合金は自動車用の部材に使用するものであり、したがって、Ｍ値は高いほど耐久性を高める上で有利であり、下限値として９３を選んだ。しかし、Ｍ値が９８を上回ると、長時間使用しているうちにσ相などの有害な相が析出しやすくなり、耐久性を低下させるようになる。

表1（実施例）および表２（比較例）に示す合金組成をもつ耐熱合金を溶製し、それぞれ５０kgのインゴットに鋳造した。比較例のうちNo.Ａは在来の７１３Ｃ合金であり、比較例のNo.ＢはＭＭ−２４７相当品である。これらの合金について、［％Ｔｉ］＋［％Ａｌ］＋［％Ｔａ］をはじめとする諸特性を、表３（実施例）および表４（比較例）に記載した。各インゴットから機械加工により試験片を取得し、１０００℃×１８０ＭＰａの条件でクリープ試験を行なった。クリープ特性を、表３および表４に併せて示す。

実施例No.８および９の合金について、鋳造後の冷却速度を調節することによって、Ｙ／Ｙ’共晶の面積率を、それぞれ３．２％（No.８，９）または１８．５％（No.８Ａ，９Ａ）に変化させた試料をつくり、同じく１０００℃×１８０ＭＰａのクリープ試験を行なった。その結果を、表５に示す。対比に便なように、表５には面積率７．１％の場合のデータを再掲した。

Claims

重量％で、Ｃ：０．０２〜０．５０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ａｌ：２．０〜８．０％、Ｃｏ：１５．０％以下、Ｗ：８．０〜１６．０％、Ｔａ：２．０〜８．０％、Ｔｉ:３．０％以下、Ｚｒ：０．００１〜０．２％およびＢ：０．００５〜０．３００％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる合金組成を有し、ただし、原子％で、［％Ａｌ］＋［％Ｔｉ］＋［％Ｔａ］が１２．０〜１５．５％を占め、γ／γ'共晶を面積率で１〜１５％含有し、炭化物の面積率が１〜１０％であって、次式（％は原子％）で表されるＭ値が９３〜９８の範囲にあることを特徴とするＮｉ基超耐熱鋳造合金。
Ｍ＝０．７１７[％Ｎｉ]＋１．１４２[％Ｃｒ]＋２．２７１[％Ｔｉ]＋１．９
[％Ａｌ]＋２．１１７[％Ｎｂ]＋１．５５[％Ｍｏ]＋０．７７７[％Ｃｏ]
＋３．０２[％Ｈｆ]＋２．２２４[％Ｔａ]＋１．６５５[％Ｗ]＋２．９４
４[％Ｚｒ]
合金がさらに、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下の１種または２種以上を含有する請求項１のＮｉ基超耐熱鋳造合金。
不純物の含有量を、Ｆｅ：５．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｖ：１．０％以下に規制した請求項１または２のＮｉ基超耐熱鋳造合金。
請求項１ないし３のいずれかのＮｉ基超耐熱鋳造合金で製造した自動車エンジン用タービンホイール。