JP2006322025A - 耐熱鋳造合金およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】重量%で、C:0.05〜0.25%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:20〜24%、Mo:8〜10%、REM(希土類金属):0.01〜1.0%を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、熱処理として、700〜1000℃で応力除去熱処理が施されたことを特徴とする耐熱鋳造合金であり、製造性および高温での長時間の特性安定性に優れている。
【選択図】なし
Description
(M2)C:0.05〜0.15%、Si:0.5〜1.0%、Mn:0.1〜0.5%、Cr:20〜24%、Mo:8〜10%、REM(希土類金属):0.01〜1.0%を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる耐熱鋳造合金。
(M3)上記した(M1)または(M2)の組成成分に加えて、Co:10〜15%を含有してなる耐熱鋳造合金。
(M4)上記した(M1)〜(M3)のいずれかの合金の組成成分に加えて、B:0.001〜0.006%を含有してなる耐熱鋳造合金。
(M5)上記した(M1)〜(M4)のいずれかの合金の組成成分に加えて、Nb:1〜3%を含有してなる耐熱鋳造合金。
Cは、炭化物の構成元素として有用な元素であり、特にNi基の鋳造合金においては、溶湯の流動性を確保する上でも効果を発揮する。本発明に係る耐熱鋳造合金においては、使用前における応力除去熱処理による炭化物の析出は極力抑制し、700℃近傍での長期にわたる使用の間、炭化物を微細に析出させて強度特性を維持する。しかし、0.25%を超えると、鋳造時に形成される粗大な未固溶炭化物や共晶炭化物の生成量が急激に増加し、使用中に析出する微細炭化物の析出量を低減する。また、0.05%未満の添加量では、溶湯の流動性が悪く、複雑形状の大型鋳造品を製作することが困難になる。そのため、Cの含有率を0.05〜0.25%とした。また、より好適なCの含有率は、0.05〜0.15%である。
Siは、脱酸剤として有用であり、溶湯の流動性を確保する効果も発揮する。また、耐水蒸気酸化性を向上させる。しかし、その含有量が多い場合は、靭性の低下及び脆化を促進するため、この観点からは、その含有量を可能な限り抑制することが望ましい。また、その含有率が1.0%を超えると、上記した特性が著しく低下し、0.1%未満では、溶湯の流動性が悪く、複雑形状の大型鋳造品を製作することが困難になる。そのため、Siの含有率を0.1〜1.0%とした。また、より好適なSiの含有率は、Cの含有率が0.05〜0.15%の場合には0.5〜1.0%であり、Cの含有率の上限を0.25%とする場合には、0.1〜0.5%である。
Mnは、脱硫剤として有用な元素であり少なくとも0.1%は必要だが、1.0%を超えて添加すると非金属介在物の生成量が増加する。そのため、Mnの含有率を0.1〜1.0%とした。また、より好適なMnの含有率は、0.1〜0.5%である。
Crは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに、析出強化に寄与する微細なCr炭化物の構成元素としても有用である。しかし、その含有率が20%未満では、700℃近傍での高温水蒸気環境下における耐食性が十分でなく、24%を超えると、鋳造時の共晶炭化物の生成量が著しくなり、十分な強度特性を発揮できなくなる。そのため、Crの含有率を20〜24%とした。
Moは、母相の固溶強化に寄与して高温強度を高めるとともに、高温での熱膨張量を低減する効果を有するが、本発明に係る耐熱鋳造合金においては、その含有率が8%未満ではこれらの効果が認められない。一方、10%を超えると、高温加熱により脆化相が経時的に析出し、また、合金の比重も増加して偏析傾向が高まる。そのため、Moの含有率を8〜10%とした。
Coは、母相の固溶強化に寄与して高温強度とともに、高温での長時間使用後の析出物の安定性を高める。本発明に係る耐熱鋳造合金では、その含有率が10%以上で、これらの効果が発揮される。一方、15%を超えると、加工性や経済性を著しく損なう。そのため、Coの含有率を10〜15%とした。また、本発明に係る耐熱鋳造合金におけるCoの添加の要否は、耐熱鋳造合金の適用部品ごとに判断される。添加不要の場合は、不可避的不純物元素の一つと見なされ、その残存含有率を1%以下に抑制し、可能な限りその残存含有率を0%に近づけることが望ましい。
Bは、析出物の高温安定性を高めるとともに、結晶粒界の強化に寄与する。これらの効果は、0.001%以上の添加で認められるが、0.006%を超えると偏析を助長させるとともに、大気中のN(窒素)と結合して粗大化合物を生成する。そのため、Bの含有率を0.001〜0.006%とした。本発明に係る耐熱鋳造合金におけるBの添加の要否は、耐熱鋳造合金の適用部品ごとに判断される。
Nbは、高温での加熱によりNi3Nbを基本構造とするγ”相を形成し、これが析出強化作用を有して優れた高温特性を発揮するための一因となる。一方で、γ”相やこの安定相であるδ相は、耐熱鋳造合金の靭性や延性を低下させる要因ともなり、経年的な脆化を促進する。その含有率が1%未満では、γ”相の析出量が十分確保できないため所望の強度が発揮できず、3%を超えると、γ”相の析出量が過大となり経年的な脆化が著しくなる。これらのことから、700℃程度の温度において、高温強度を発揮させ、かつ、経年的な脆化を抑制するため、Nbの含有率を1〜3%とした。また、より好適なNbの含有率は、1.5〜2.5%である。本発明に係る耐熱鋳造合金におけるNbの添加の要否は、耐熱鋳造合金の適用部品ごとに判断される。
AlおよびTiは、Ni基の耐熱鋳造合金における主強化相であるγ’相の構成元素として通常は不可欠な元素である。しかし、大気溶解や大気鋳造が不可避となる大型鋳造部品の製造においては、溶解時の含有量制御や鋳造品中の均一な濃度分布を得ることが難しく、また、溶湯の流動性の低下や非金属介在物の多量発生による機械的性質の低下を生じさせる。さらに、Nbを添加する耐熱鋳造合金においては、AlやTiの添加は、γ”相の析出と脆化を促進させる。したがって、本発明に係る耐熱鋳造合金においては、AlおよびTiの意図的な添加は行わない。また、不可避的不純物として、耐熱鋳造合金中にAlあるいはTiが混入した場合でも、最終的な残存含有率は、0.05%以下に抑制し、可能な限りこれらの残存含有率を0%に近づけることが望ましい。
通常、鉄鋼材料を溶解する溶解炉を流用して製作される本発明に係る耐熱鋳造合金においては、炉壁からのFeの混入は避けられず、機械的性質に影響を及ぼさない上限として5%とした。また、Cu、P、Sについては、原料等から混入する場合が過半である。そこで、Feの残存含有率を5%以下、Cuの残存含有率を0.5%以下、Pの残存含有率を0.015%以下、Sの残存含有率を0.015%以下に抑制し、可能な限りこれらの残存含有率を0%に近づけることが望ましい。
本発明に係る耐熱鋳造合金は、大気溶解および大気鋳造で製作されるため、AlやTiなどの活性元素を脱酸剤として用いることは困難である。また、非金属介在物の生成量を抑制する観点からMnの添加量に制限を設けているため、脱硫効果が最大限に発揮されない場合もある。また、脱酸あるいは脱硫が不足して、比重が大きい酸化物や硫化物が生成すると、溶湯からの分離が困難なため、それらの生成物が鋳塊中に残存して耐熱鋳造合金の清浄度を低下させる。本発明に係る耐熱鋳造合金においては、微量のREMを添加することで、脱酸および脱硫の効果を発揮し、清浄度を高めるとともに、Sの含有量を低減させた結果、耐熱鋳造合金の溶接性を改善する効果も併せ持つ。本発明に係る耐熱鋳造合金に適したREMは、Ce(セリウム)、La(ランタン)、Nd(ネオジム)、Pr(プラセオジム)の4種の希土類元素を少なくとも含有して構成されることが好ましい。これらの総含有率が0.01%未満の場合は、脱酸効果および脱硫効果がともに認められず、一方、1.0%以上添加すると、鋳塊中におけるこれらの残存量が増加し、機械的性質を低下させる。そのため、REMの総含有率を0.01〜1.0%とした。
次に、上記した耐熱鋳造合金の製造方法について説明する。
第1の実施例では、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋳造合金が優れた経年劣化特性を有することを説明する。
第2の実施例では、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋳造合金が、優れた鋳造性を有することを説明する。
Claims (9)
- 重量%で、C:0.05〜0.25%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:20〜24%、Mo:8〜10%、REM(希土類金属):0.01〜1.0%を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、熱処理として、700〜1000℃で応力除去熱処理が施されたことを特徴とする耐熱鋳造合金。
- 重量%で、C:0.05〜0.15%、Si:0.5〜1.0%、Mn:0.1〜0.5%、Cr:20〜24%、Mo:8〜10%、REM(希土類金属):0.01〜1.0%を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、熱処理として、700〜1000℃で応力除去熱処理が施されたことを特徴とする耐熱鋳造合金。
- 重量%で、Co:10〜15%をさらに含有することを特徴とする請求項1または2記載の耐熱鋳造合金。
- 前記不可避的不純物のうち、重量%で、Fe:5%以下、Cu:0.5%以下、P:0.015%以下、S:0.015%以下に抑制されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の耐熱鋳造合金。
- 前記不可避的不純物のうち、重量%で、Fe:5%以下、Cu:0.5%以下、Co:1%以下、P:0.015%以下、S:0.015%以下に抑制されたことを特徴とする請求項1または2記載の耐熱鋳造合金。
- 前記不可避的不純物のうち、重量%で、Al:0.05%以下、Ti:0.05%以下に抑制されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の耐熱鋳造合金。
- 重量%で、B:0.001〜0.006%を含有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の耐熱鋳造合金。
- 重量%で、Nb:1〜3%を含有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の耐熱鋳造合金。
- 請求項1乃至8のいずれか1項記載の組成成分を有する耐熱鋳造合金を製造する方法であって、
前記耐熱鋳造合金を構成する組成成分を大気溶解する溶解工程と、
大気中において、前記溶解された合金を所定の鋳型に流し込み、冷却して所定の形状に形成する鋳造工程と、
前記所定の形状に形成された形成物を700〜1000℃に加熱し、応力除去を行う応力除去工程と
を具備することを特徴とする耐熱鋳造合金の製造方法。
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