JP2007301635A - Ｎｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｎｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーを提供する。
【解決手段】Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、必要に応じてＮｂ：０．１〜１．０％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、並び素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。
【選択図】なし
【解決手段】Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、必要に応じてＮｂ：０．１〜１．０％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、並び素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。
【選択図】なし
Description
この発明は、Ｎｉ基耐熱合金製機械部品、特にＡｌおよびＴｉを含有する析出強化型Ｎｉ基耐熱合金製機械部品を溶接により作製したり、修復したりするために使用するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーに関するものであり、特にガスタービンの各種機械部品を溶接により効率よく作製したり修復するために使用するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーに関するものである。
一般に、ガスタービンを構成する各種機械部品はＮｉ基耐熱合金で作製することは知られており、これら各種機械部品を構成するＮｉ基耐熱合金としては、例えば、質量％で（以下、％は質量％を示す）、
１９．５％Ｃｒ−１３．５％Ｃｏ−４．３％Ｍｏ−１．４％Ａｌ−３％Ｔｉ−０．６％Ｃ−０．０５％Ｚｒ−０．００６％Ｂ−残部ＮｉからなるＮｉ基耐熱合金、
１９％Ｃｒ−１１％Ｃｏ−９．８％Ｍｏ−１．５％Ａｌ−３．２％Ｔｉ−０．０９％Ｃ−０．００７％Ｂ−残部ＮｉからなるＮｉ基耐熱合金、
１９％Ｃｒ−１２％Ｃｏ−６％Ｍｏ−１％Ｗ−２％Ａｌ−３％Ｔｉ−０．０３％Ｃ−０．００７％Ｂ−残部ＮｉからなるＮｉ基耐熱合金、
１６％Ｃｒ−８．５％Ｃｏ−１．８％Ｍｏ−２．６％Ｗ−１．８％Ｔａ−０．９％Ｎｂ−３．５％Ａｌ−３．５％Ｔｉ−０．１１％Ｃ−０．０５％Ｚｒ−０．０１％Ｂ−残部ＮｉからなるＮｉ基耐熱合金、などが知られている。
１９．５％Ｃｒ−１３．５％Ｃｏ−４．３％Ｍｏ−１．４％Ａｌ−３％Ｔｉ−０．６％Ｃ−０．０５％Ｚｒ−０．００６％Ｂ−残部ＮｉからなるＮｉ基耐熱合金、
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これらＮｉ基耐熱合金からなるガスタービンの各種機械部品は溶接により作製されるが、これらＮｉ基耐熱合金を溶接するためのワイヤーの一例として、Ｃｒ：１８〜２２％、Ｃｏ：１０％以下、Ａｌ：０．２〜０．７％、Ｔａ，ＭｏおよびＷの内の１種または２種：１５〜２８％、Ｃ：０．０９％以下、Ｚｒ：０．０６％以下、Ｂ：０．０１５％以下、Ｍｎ：０．４〜１．２％、Ｓｉ：０.２〜０.４５％、残部Ｎｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーが提供されている。このＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーは室温で（すなわち、修復する部品を予め加熱することなく）ＴＩＧまたはＭＩＧ溶接することができ、その溶接部分は優れた延性、良好な耐酸化性、および必要な高温引張強さとクリープ耐性を有するとされている（特許文献１参照）。
特開２００１−１５８９２９号公報
近年、溶接による各種機械部品の製造スピードを上げることにより製造コストの削減を計り、さらに溶接による修復作業の迅速化が求められている。また、同時に使用環境の高温化に伴い溶接部についても高温強度の向上が求められている。そこで、一層高出力で溶接を行うことにより溶接スピードを上げ、それによって溶接作業を迅速に効率よく行おうとしているが、溶接スピードを上げると、溶接部に主に湯回り不良による溶接金属割れが発生しやすく、特に高温強度が得られる溶接棒ほど溶接金属割れが顕著となることから溶接によるＮｉ基耐熱合金製各種機械部品の製造および溶接による修復作業の迅速化が妨げられていた。
そこで、本発明者等はかかる課題を解決すべく研究を行った結果、
（イ）Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：０．１〜１．０％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成を有し、さらにγ相素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーは、従来のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーに比べてＮｉ基耐熱合金製各種機械部品を高速溶接しても溶接部に主に湯回り不良による溶接金属割れが発生しにくい、
（ロ）前記前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：１．０％以下を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：６５％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有することが好ましい、
（ハ）前記Ｍ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物は、いずれも平均粒径：０．３〜４．０μｍを有し、素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物の合計が０．５〜１６．０面積％の割合で均一分散していることが一層好ましい、
（ニ）前記（イ）〜（ハ）記載の条件を満たす溶接用ワイヤーは、溶接金属割れを伴わないで高速溶接が可能であり、溶接部の高温引張強度および高温延性に優れ、ＭＩＧ溶接にも適用できる、などの研究結果が得られたのである。
（イ）Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：０．１〜１．０％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成を有し、さらにγ相素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーは、従来のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーに比べてＮｉ基耐熱合金製各種機械部品を高速溶接しても溶接部に主に湯回り不良による溶接金属割れが発生しにくい、
（ロ）前記前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：１．０％以下を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：６５％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有することが好ましい、
（ハ）前記Ｍ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物は、いずれも平均粒径：０．３〜４．０μｍを有し、素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物の合計が０．５〜１６．０面積％の割合で均一分散していることが一層好ましい、
（ニ）前記（イ）〜（ハ）記載の条件を満たす溶接用ワイヤーは、溶接金属割れを伴わないで高速溶接が可能であり、溶接部の高温引張強度および高温延性に優れ、ＭＩＧ溶接にも適用できる、などの研究結果が得られたのである。
この発明は、かかる研究結果に基づいて成されたものであって、
（１）Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、並びγ相素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（２）Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｎｂ：０．１〜１．０％、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、並びγ相中にγ´相が均一分散している素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（３）前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有する前記（１）記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（４）前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％、Ｎｂ：１．０％以下を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ｎｂ：６５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有する（２）記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（５）前記Ｍ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物は、いずれも平均粒径：０．３〜４．０μｍを有し、素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物の合計が０．５〜１６．０面積％の割合で均一分散している前記（１）、（２）、（３）または（４）記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、に特徴を有するものである。
（１）Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、並びγ相素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（２）Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｎｂ：０．１〜１．０％、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、並びγ相中にγ´相が均一分散している素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（３）前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有する前記（１）記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（４）前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％、Ｎｂ：１．０％以下を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ｎｂ：６５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有する（２）記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、
（５）前記Ｍ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物は、いずれも平均粒径：０．３〜４．０μｍを有し、素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物の合計が０．５〜１６．０面積％の割合で均一分散している前記（１）、（２）、（３）または（４）記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー、に特徴を有するものである。
この発明の前記成分組成および素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有するＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーは、Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：０．１〜１．０％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成を有するＮｉ基耐熱合金を溶解して得られたインゴットに熱間鍛造、熱間圧延などの熱間加工を繰り返し施す工程において、γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２０℃〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２００℃の間の温度に加熱したのち、加熱温度〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）−１５０℃に至る温度域で所望の製品領域に加工率：１５％以上の加工を少なくとも２回以上行い、その後、必要に応じて冷間加工を行った後、γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２０℃〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２００℃の間に加熱したのち冷却する溶体化処理を行うことにより得られる。
次に、この発明のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーの成分組成および組織を上記の通りに限定した理由を説明する。
［Ｉ］成分組成
（ａ）Ｃｒ
Ｃｒ成分には、良好な保護被膜を形成して合金の高温耐酸化性および高温耐硫化性などの高温耐食性を向上させ、さらにＣとＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物を形成し、湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が１４．０％未満では十分な高温耐酸化性および高温耐食性を確保することができず、一方その含有量が２１．５％を越えると、σ相やμ相などの有害相を析出し、むしろ高温耐酸化性および高温耐食性の低下をきすとともに脆化を招き、溶接性が低下するので好ましくない。したがって、この発明のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーに含まれるＣｒ量を１４．０〜２１．５％と定めた。Ｃｒの含有量の一層好ましい範囲は１５．５〜２０．０％である。
（ａ）Ｃｒ
Ｃｒ成分には、良好な保護被膜を形成して合金の高温耐酸化性および高温耐硫化性などの高温耐食性を向上させ、さらにＣとＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物を形成し、湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が１４．０％未満では十分な高温耐酸化性および高温耐食性を確保することができず、一方その含有量が２１．５％を越えると、σ相やμ相などの有害相を析出し、むしろ高温耐酸化性および高温耐食性の低下をきすとともに脆化を招き、溶接性が低下するので好ましくない。したがって、この発明のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーに含まれるＣｒ量を１４．０〜２１．５％と定めた。Ｃｒの含有量の一層好ましい範囲は１５．５〜２０．０％である。
(b) Ｃｏ
Ｃｏ成分は、主に素地（γ相）に固溶してクリープ特性を向上させ、ＭＣ型炭化物を形成し、湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が６．５％未満では十分なクリープ特性を付与することができないので好ましくなく、一方、１４．５％を越えて含有すると、熱間加工性および冷間加工性を低下させると共に、燃焼器などの使用中における高温延性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｃｏの含有量を６．５〜１４．５％と定めた。Ｃｏの含有量の一層好ましい範囲は７．５〜１３．５％である。
Ｃｏ成分は、主に素地（γ相）に固溶してクリープ特性を向上させ、ＭＣ型炭化物を形成し、湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が６．５％未満では十分なクリープ特性を付与することができないので好ましくなく、一方、１４．５％を越えて含有すると、熱間加工性および冷間加工性を低下させると共に、燃焼器などの使用中における高温延性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｃｏの含有量を６．５〜１４．５％と定めた。Ｃｏの含有量の一層好ましい範囲は７．５〜１３．５％である。
（ｃ）Ｍｏ
Ｍｏ成分には、素地（γ相）に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させる作用を有し、その作用は特にＷとの共存において複合効果を発揮し、さらにＣとＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が６．５％未満では十分な高温延性およびクリープ疲労特性を付与することができず、一方その含有量が１０．０％を越えて含有すると、熱間加工性および冷間加工性が低下するとともにμ相などの有害相が析出して脆化を招き、溶接性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｍｏの含有量を６．５〜１０．０％と定めた。Ｍｏの含有量の一層好ましい範囲は７．０〜９．５％である。
Ｍｏ成分には、素地（γ相）に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させる作用を有し、その作用は特にＷとの共存において複合効果を発揮し、さらにＣとＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が６．５％未満では十分な高温延性およびクリープ疲労特性を付与することができず、一方その含有量が１０．０％を越えて含有すると、熱間加工性および冷間加工性が低下するとともにμ相などの有害相が析出して脆化を招き、溶接性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｍｏの含有量を６．５〜１０．０％と定めた。Ｍｏの含有量の一層好ましい範囲は７．０〜９．５％である。
(d) Ｗ
Ｗ成分には、素地（γ相）およびγ´相に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させる作用のほか、Ｍｏと共存下で素地への固溶強化による複合強化を発揮し、さらにＣとＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が１．５％未満では十分な高温延性およびクリープ疲労特性を付与することができず、一方その含有量が３．５％を越えると熱間加工性および冷間加工性が低下すると共に溶接性も低下するので好ましくない。したがって、Ｗの含有量を１．５〜３．５％と定めた。Ｗの含有量の一層好ましい範囲は２．０〜３．０％である。
Ｗ成分には、素地（γ相）およびγ´相に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させる作用のほか、Ｍｏと共存下で素地への固溶強化による複合強化を発揮し、さらにＣとＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が１．５％未満では十分な高温延性およびクリープ疲労特性を付与することができず、一方その含有量が３．５％を越えると熱間加工性および冷間加工性が低下すると共に溶接性も低下するので好ましくない。したがって、Ｗの含有量を１．５〜３．５％と定めた。Ｗの含有量の一層好ましい範囲は２．０〜３．０％である。
(e) Ａｌ
Ａｌ成分は、時効処理を経ることで主要析出強化相であるγ′相（Ｎｉ３Ａｌ）を構成して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させる作用があるが、その含有量が１．２％未満ではγ′相の析出割合が不十分なために所望の高温強度を確保することができず、一方、その含有量が２．４％を越えると熱間加工性および冷間加工性が低下すると共に、γ′相の構成量が過剰となり、延性が低下するとともに溶接性が低下するので好ましくない。したがって、Ａｌの含有量を１．２〜２．４％と定めた。Ａｌの含有量の一層好ましい範囲は１．４〜２．２％である。
Ａｌ成分は、時効処理を経ることで主要析出強化相であるγ′相（Ｎｉ３Ａｌ）を構成して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させる作用があるが、その含有量が１．２％未満ではγ′相の析出割合が不十分なために所望の高温強度を確保することができず、一方、その含有量が２．４％を越えると熱間加工性および冷間加工性が低下すると共に、γ′相の構成量が過剰となり、延性が低下するとともに溶接性が低下するので好ましくない。したがって、Ａｌの含有量を１．２〜２．４％と定めた。Ａｌの含有量の一層好ましい範囲は１．４〜２．２％である。
(f) Ｔｉ
Ｔｉ成分は、主としてγ′相に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させ、さらにＣとＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が１．１％未満ではγ′相の析出割合が不十分なために所望の高温強度を確保することができず、一方その含有量が２．１％を越えると熱間加工性および冷間加工性が低下するので好ましくない。したがってＴｉの含有量を１．１〜２．１％と定めた。Ｔｉの含有量の一層好ましい範囲は１．３〜１．９％である。
Ｔｉ成分は、主としてγ′相に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させ、さらにＣとＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用があるが、その含有量が１．１％未満ではγ′相の析出割合が不十分なために所望の高温強度を確保することができず、一方その含有量が２．１％を越えると熱間加工性および冷間加工性が低下するので好ましくない。したがってＴｉの含有量を１．１〜２．１％と定めた。Ｔｉの含有量の一層好ましい範囲は１．３〜１．９％である。
（ｇ）Ｂ
Ｂ成分は、ＣｒやＭｏ等とＭ３Ｂ２型硼化物を形成して湯流れ性を向上させる作用を有するが、その含有量が０．０００１％未満では硼化物の構成量が不十分で十分な湯流れ性が得られず、一方、０．０２０％を越えて含有すると、硼化物の構成量が過剰となりすぎて熱間加工性、冷間加工性、溶接性などが低下するので好ましくない。したがって、Ｂの含有量を０．０００１〜０．０２０％と定めた。Ｂの含有量の一層好ましい範囲は０．０００２〜０．０１０％である。
Ｂ成分は、ＣｒやＭｏ等とＭ３Ｂ２型硼化物を形成して湯流れ性を向上させる作用を有するが、その含有量が０．０００１％未満では硼化物の構成量が不十分で十分な湯流れ性が得られず、一方、０．０２０％を越えて含有すると、硼化物の構成量が過剰となりすぎて熱間加工性、冷間加工性、溶接性などが低下するので好ましくない。したがって、Ｂの含有量を０．０００１〜０．０２０％と定めた。Ｂの含有量の一層好ましい範囲は０．０００２〜０．０１０％である。
（ｈ）Ｃ
Ｃ成分は、ＴｉやＭｏ等とＭ６Ｃ型炭化物やＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させることにより溶接スピードを向上させる作用を有するが、その含有量が０．０３％未満ではＭ６Ｃ型炭化物やＭＣ型炭化物の構成量が不十分なために十分な湯流れ性が得られず、一方、０．１５％を越えて含有すると、炭化物の構成量が過剰となりすぎて熱間加工性、冷間加工性および溶接性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃの含有量を０．０３〜０．１５％と定めた。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜０．１２％である。
Ｃ成分は、ＴｉやＭｏ等とＭ６Ｃ型炭化物やＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させることにより溶接スピードを向上させる作用を有するが、その含有量が０．０３％未満ではＭ６Ｃ型炭化物やＭＣ型炭化物の構成量が不十分なために十分な湯流れ性が得られず、一方、０．１５％を越えて含有すると、炭化物の構成量が過剰となりすぎて熱間加工性、冷間加工性および溶接性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃの含有量を０．０３〜０．１５％と定めた。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜０．１２％である。
（ｉ）Ｆｅ
Ｆｅ成分は、安価で経済的であると共に熱間加工性を向上させる作用があるので必要に応じて添加するが、その含有量が７％を越えると、溶接性及び高温強度が劣化するので好ましくない。したがって、Ｆｅの含有量を７％以下（０％を含む）（一層好ましくは、４％以下）と定めた。
Ｆｅ成分は、安価で経済的であると共に熱間加工性を向上させる作用があるので必要に応じて添加するが、その含有量が７％を越えると、溶接性及び高温強度が劣化するので好ましくない。したがって、Ｆｅの含有量を７％以下（０％を含む）（一層好ましくは、４％以下）と定めた。
（ｊ）ＳおよびＰ
ＳおよびＰはいずれも高速溶接すると粒界に偏析して溶接金属割れを招き、特にＣと共存下でその傾向が顕著になることから、これらの含有量は可能な限り低いことが好ましいが、その上限はＳは０．００４％まで許容でき、Ｐは０．０１０％まで許容できるので、ＳおよびＰの含有量をＳ≦０．００４％、Ｐ≦０．０１０％（一層好ましくは、Ｓ≦０．００２％、Ｐ≦０．００８％）に定めた。
ＳおよびＰはいずれも高速溶接すると粒界に偏析して溶接金属割れを招き、特にＣと共存下でその傾向が顕著になることから、これらの含有量は可能な限り低いことが好ましいが、その上限はＳは０．００４％まで許容でき、Ｐは０．０１０％まで許容できるので、ＳおよびＰの含有量をＳ≦０．００４％、Ｐ≦０．０１０％（一層好ましくは、Ｓ≦０．００２％、Ｐ≦０．００８％）に定めた。
（ｋ）Ｎｂ
Ｎｂ成分は、素地（γ相）およびγ′相に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させ、高温強度をもたらし、さらにＣとＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用を有するので必要に応じて添加するが、その含有量が０．１％未満では不十分なクリープ疲労特性を付与することができず、一方その含有量が１．０％を越えると熱間加工性、冷間加工性および溶接性が低下するので好ましくない。したがってＮｂの含有量を０．１〜１．０％と定めた。Ｎｂの含有量の一層好ましい範囲は０．２〜０．８％である。
Ｎｂ成分は、素地（γ相）およびγ′相に固溶して高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させ、高温強度をもたらし、さらにＣとＭＣ型炭化物を形成して湯流れ性を向上させる作用を有するので必要に応じて添加するが、その含有量が０．１％未満では不十分なクリープ疲労特性を付与することができず、一方その含有量が１．０％を越えると熱間加工性、冷間加工性および溶接性が低下するので好ましくない。したがってＮｂの含有量を０．１〜１．０％と定めた。Ｎｂの含有量の一層好ましい範囲は０．２〜０．８％である。
［II］炭化物
Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：０．１〜１．０％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成を有するＮｉ基耐熱合金を溶解して得られたインゴットに熱間鍛造、熱間圧延などの熱間加工を繰り返し施す工程において、γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２０℃〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２００℃の間の温度に加熱したのち、加熱温度〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）−１５０℃に至る温度域で所望の製品領域に加工率：１５％以上の加工を少なくとも２回以上行い、その後、必要に応じて冷間加工を行った後、γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２０℃〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２００℃の間に加熱したのち冷却する溶体化処理を行うと、素地中に平均粒径：０．３〜４．０μｍを有するＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ炭化物が面積％で０．５〜１６．０％形成され、Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭの成分組成はＮｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：１．０％以下を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：６５％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有するようになる。
Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：０．１〜１．０％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成を有するＮｉ基耐熱合金を溶解して得られたインゴットに熱間鍛造、熱間圧延などの熱間加工を繰り返し施す工程において、γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２０℃〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２００℃の間の温度に加熱したのち、加熱温度〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）−１５０℃に至る温度域で所望の製品領域に加工率：１５％以上の加工を少なくとも２回以上行い、その後、必要に応じて冷間加工を行った後、γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２０℃〜γ´ソルバス（ｓｏｌｖｕｓ）＋２００℃の間に加熱したのち冷却する溶体化処理を行うと、素地中に平均粒径：０．３〜４．０μｍを有するＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ炭化物が面積％で０．５〜１６．０％形成され、Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭの成分組成はＮｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：１．０％以下を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、さらに必要に応じてＮｂ：６５％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有するようになる。
このようにして形成されたＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ炭化物はいずれも湯流れ性を向上させる作用を有するので、この発明のＮｉ基耐熱合金製ワイヤーの素地中にいかなる割合で均一分散していてもよいが、これら炭化物が平均粒径：０．３μｍ未満、面積率で０．５％未満分散していていると湯流れ性効果を十分に発揮できないことがあり、一方、それら炭化物の平均粒径：４．０μｍを越え、面積率：１６．０％を越えて分散すると、溶接部で合金元素の偏析が起こり易くなり、強度特性の低下を招きやすくなるので、この発明のＮｉ基耐熱合金素地中に均一分散するＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ炭化物は平均粒径：０．３〜４．０μｍを有し、素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物の合計が０．５〜１６．０面積％の割合で均一分散していることが一層好ましい。
上述のように、この発明の溶接用ワイヤーは、ガスタービエンジンなどの各種機械部品を効率よく溶接できるので、一層の低コスト化を図ることができる。
つぎに、この発明のＮｉ基耐熱合金製ワイヤーを実施例により具体的に説明する。
通常の高周波真空溶解炉を用い、それぞれ表１〜３に示される成分組成をもったＮｉ基合金溶湯を溶製し鋳造して直径：１００ｍｍ、高さ：１５０ｍｍのインゴットを作製し、このインゴットを熱間鍛造して直径：２０ｍｍの寸法を有する丸棒を作製した。
この丸棒を冷間引抜加工して直径：２．４ｍｍの表１〜３に示される成分組成を有し、表４〜６に示される平均粒径を有するＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ炭化物が表４〜６に示される面積率で素地中に均一分散した組織を有する本発明ワイヤー１〜２８および比較ワイヤー１〜１８を作製した。さらに前記特許文献１記載のＣｒ：２０．７５％、Ｃｏ：６％、Ａｌ：０．４２％、Ｔａ：０．０７％、Ｗ：１８．５５％、Ｃ：０．０６％、Ｚｒ：０．０２％、Ｂ：０．０１％、Ｍｎ：０．６７％、Ｓｉ：０.３８％、残部Ｎｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有する従来ワイヤーを用意した。
通常の高周波真空溶解炉を用い、それぞれ表１〜３に示される成分組成をもったＮｉ基合金溶湯を溶製し鋳造して直径：１００ｍｍ、高さ：１５０ｍｍのインゴットを作製し、このインゴットを熱間鍛造して直径：２０ｍｍの寸法を有する丸棒を作製した。
この丸棒を冷間引抜加工して直径：２．４ｍｍの表１〜３に示される成分組成を有し、表４〜６に示される平均粒径を有するＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ炭化物が表４〜６に示される面積率で素地中に均一分散した組織を有する本発明ワイヤー１〜２８および比較ワイヤー１〜１８を作製した。さらに前記特許文献１記載のＣｒ：２０．７５％、Ｃｏ：６％、Ａｌ：０．４２％、Ｔａ：０．０７％、Ｗ：１８．５５％、Ｃ：０．０６％、Ｚｒ：０．０２％、Ｂ：０．０１％、Ｍｎ：０．６７％、Ｓｉ：０.３８％、残部Ｎｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有する従来ワイヤーを用意した。
さらに、溶接対象として１９．５％Ｃｒ−１３．５％Ｃｏ−４．３％Ｍｏ−１．４％Ａｌ−３％Ｔｉ−０．０６％Ｃ−０．０５％Ｚｒ−０．００７％Ｂ−残部Ｎｉからなる組成を有し、板厚：８ｍｍのＮｉ基耐熱合金板を用意し、このＮｉ基耐熱合金板に６０°の開先加工を施した素材板を２枚用意した。これら２枚の素材板をＹ字型開先が形成されるようにかつ１ｍｍの最小の板間隔が形成されるように厚さ：１５ｍｍの拘束台の上に載せて突き合わせ拘束した。この突き合わせ拘束された素材板の開先を、
電流密度：１２０Ａ、溶接速度：５ｃｍ／ｍｉｎ．、
電流密度：１２０Ａ、溶接速度：１０ｃｍ／ｍｉｎ．、
電流密度：１２０Ａ、溶接速度：１５ｃｍ／ｍｉｎ．、
の条件で０．７５ｍのビード長さが形成されるようにＴＩＧ溶接し、溶接金属割れの有無を浸透探傷法により観察し、溶接金属割れがない場合を○、溶接金属割れが１つでも見つかった時は×としてその結果を表４〜６に示した。
さらに、溶接金属割れのない溶接後素材に８５０℃／２４ｈ／Ａ．Ｃ．＋７６０℃／１６ｈ／Ａ．Ｃ．の時効処理を施し、溶接部が平行部中央となる引張試験片を作製し、これら引張試験片を用いて温度：８００℃の高温に保持して高温引張試験を行い、その結果を表４〜６に示すことにより溶接部の高温引張強度を評価した。
電流密度：１２０Ａ、溶接速度：５ｃｍ／ｍｉｎ．、
電流密度：１２０Ａ、溶接速度：１０ｃｍ／ｍｉｎ．、
電流密度：１２０Ａ、溶接速度：１５ｃｍ／ｍｉｎ．、
の条件で０．７５ｍのビード長さが形成されるようにＴＩＧ溶接し、溶接金属割れの有無を浸透探傷法により観察し、溶接金属割れがない場合を○、溶接金属割れが１つでも見つかった時は×としてその結果を表４〜６に示した。
さらに、溶接金属割れのない溶接後素材に８５０℃／２４ｈ／Ａ．Ｃ．＋７６０℃／１６ｈ／Ａ．Ｃ．の時効処理を施し、溶接部が平行部中央となる引張試験片を作製し、これら引張試験片を用いて温度：８００℃の高温に保持して高温引張試験を行い、その結果を表４〜６に示すことにより溶接部の高温引張強度を評価した。
表１〜６に示される結果から、本発明ワイヤー１〜２８は、比較ワイヤー１〜１８および従来ワイヤーに比べて高速溶接しても溶接金属割れが無く、さらに溶接部の高温強度に優れていることが分かる。
Claims (6)
- 質量％で（以下、％は質量％を示す）、Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、
並びγ相素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有することを特徴とするＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。 - Ｃｒ：１４．０〜２１．５％、Ｃｏ：６．５〜１４．５％、Ｍｏ：６．５〜１０．０％、Ｗ：１．５〜３．５％、Ａｌ：１．２〜２．４％、Ｔｉ：１．１〜２．１％、Ｆｅ：７．０％以下、Ｎｂ：０．１〜１．０％、Ｂ：０．０００１〜０．０２０％、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＳおよびＰの含有量をそれぞれＳ：０．００４％以下、Ｐ：０．０１０％以下になるように規定した成分組成、
並びγ相素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物が均一分散している組織を有することを特徴とするＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。 - 前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする請求項１記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。 - 前記Ｍ６Ｃ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：１２．０〜４５．０％、Ｃｒ：９．０〜２２．０％、Ｃｏ：０．５〜１３．５％、Ｗ：２．０〜２４．０％、Ａｌ：５．０％以下、Ｔｉ：０．５〜６．０％、Ｎｂ：１．０％以下を含有し、残部がＭｏおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記ＭＣ型炭化物におけるＭは、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｃｏ：１２．０％以下、Ｍｏ：５７．０％以下、Ｗ：１５％以下、Ｎｂ：６５％以下、Ａｌ：６．０％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする請求項２記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。 - 記Ｍ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物は、いずれも平均粒径：０．３〜４．０μｍを有し、素地中にＭ６Ｃ型炭化物およびＭＣ型炭化物の合計が１．５〜１６．０面積％の割合で均一分散していることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。
- 前記Ｎｉ基耐熱合金溶接用ワイヤーは、ＴＩＧ溶接またはＭＩＧ溶接用のワイヤーであることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のＮｉ基耐熱合金溶接用ワイヤー。
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