JP2016069702A - Method for manufacturing nickel-based casting alloy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ニッケル基鋳造合金の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a nickel-base cast alloy.
例えば、航空機のエンジンや、発電用ガスタービン等に用いられる部品は、高温でも高い強度を有する耐熱合金によって製造される。これらの耐熱合金からなる製品を金型を用いて鍛造する場合、鍛造金型は高温でも高い機械的強度が必要である。 For example, parts used in aircraft engines, power generation gas turbines, and the like are manufactured from heat-resistant alloys having high strength even at high temperatures. When forging a product made of these heat-resistant alloys using a mold, the forging mold needs to have high mechanical strength even at a high temperature.
例えば、金型と鍛造素材を共に１０００℃以上の温度に加熱して鍛造するいわゆる恒温鍛造において使用する鍛造金型の材料としては、従来、Ｍｏをベースとし、ＴｉとＺｒを添加したＴＺＭと呼ばれるＭｏ基合金が使用されている。しかし、ＴＺＭは耐酸化性が劣るため、真空又は不活性ガス中で鍛造を行う必要がある。
また、Ｔｉ合金の恒温鍛造に用いる金型として、Ｎｉをベースとし、Ｃｒ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ等を含むＭａｒ−Ｍ２００と呼ばれるＮｉ基合金が知られている。しかし、Ｍａｒ−Ｍ２００は耐酸化性は高いが、高温圧縮強度が不十分であり、金型温度が１０００℃を超える鍛造金型には使用できない。
For example, as a material of a forging die used in so-called constant temperature forging in which both a die and a forging material are heated to a temperature of 1000 ° C. or more, it is conventionally called TZM based on Mo and added with Ti and Zr. Mo-based alloy is used. However, since TZM has poor oxidation resistance, it is necessary to perform forging in a vacuum or an inert gas.
Also, a Ni-based alloy called Mar-M200 based on Ni and containing Cr, W, Co, Al, Ti, and the like is known as a mold used for constant temperature forging of a Ti alloy. However, although Mar-M200 has high oxidation resistance, it has insufficient high-temperature compressive strength and cannot be used for a forging die having a die temperature exceeding 1000 ° C.
一方、高温圧縮強度及び耐酸化性に優れ、１０００℃以上の温度で大気中でも使用できる鍛造金型用合金として、Ｎｉをベースとし、Ｍｏ、Ｗ、及びＡｌを含むＮｉｍｏｗａｌ（登録商標）と呼ばれるＮｉ基合金が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。 On the other hand, as an alloy for forging dies which is excellent in high-temperature compressive strength and oxidation resistance and can be used in the atmosphere at a temperature of 1000 ° C. or higher, Ni is called Ninowal (registered trademark) containing Ni, Mo, W and Al Base alloys have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
Ｎｉｍｏｗａｌ（登録商標）合金は鋳造で製造され、大気中で金型を高温に加熱して行う熱間鍛造金型として使用できる反面、延性が低いため、鋳造する際の凝固時の応力により割れ（鋳造割れ）が発生し易い。そのため、Ｎｉｍｏｗａｌ（登録商標）合金を用いて特に大型の製品を製作することが困難であり、また、製造歩留まりが悪いという問題がある。 The Nimalal (registered trademark) alloy is manufactured by casting and can be used as a hot forging die formed by heating the die to a high temperature in the atmosphere. However, since the ductility is low, it is cracked by the stress during solidification during casting ( (Cast cracking) is likely to occur. Therefore, it is difficult to produce a particularly large product using the Nimalal (registered trademark) alloy, and there is a problem that the manufacturing yield is poor.
そこで、本発明は、大気中で１０００℃以上に金型を加熱して行う熱間鍛造の金型材料として使用できるニッケル基鋳造合金を、鋳造割れの発生を抑制して製造することができるニッケル基合金の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a nickel-base casting alloy that can be used as a die material for hot forging performed by heating a die to 1000 ° C. or higher in the atmosphere while suppressing the occurrence of casting cracks. It aims at providing the manufacturing method of a base alloy.
前記目的を達成するため、以下の発明が提供される。
＜１＞ Ｎｉを主成分とし、Ｍｏ、Ｗ及びＡｌを含む溶湯を砂型又はセラミックス型に流し込んで凝固させることにより、Ｗの含有量が９．５０〜１２．５０質量％、Ｍｏの含有量が９．００〜１２．００質量％、Ａｌの含有量が４．８０〜７．００質量％、Ｙの含有量が０．００〜０．０３質量％、Ｍｇの含有量が０．０００〜０．０１４質量％、Ｚｒの含有量が０．００〜０．５０質量％、Ｈｆの含有量が０．００〜２．００質量％、及びＦｅの含有量が０．００〜３．００質量％であり、且つ、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるニッケル基鋳造合金を得る工程を有するニッケル基鋳造合金の製造方法。
＜２＞ 前記ニッケル基鋳造合金におけるＹの含有量が０．００〜０．０１質量％、Ｍｇの含有量が０．０００〜０．０１０質量％、Ｚｒの含有量が０．００〜０．０５質量％、Ｈｆの含有量が０．００〜０．１０質量％、及びＦｅの含有量が０．００〜１．００質量％である＜１＞に記載のニッケル基鋳造合金の製造方法。
In order to achieve the above object, the following invention is provided.
<1> The content of W is 9.50 to 12.50 mass% and the content of Mo is made by pouring a molten metal containing Ni, the main component, and containing Mo, W, and Al into a sand mold or a ceramic mold. 9.00 to 12.00 mass%, Al content is 4.80 to 7.00 mass%, Y content is 0.00 to 0.03 mass%, Mg content is 0.000 to 0 .014 mass%, Zr content is 0.00 to 0.50 mass%, Hf content is 0.00 to 2.00 mass%, and Fe content is 0.00 to 3.00 mass%. And a method for producing a nickel-base cast alloy comprising a step of obtaining a nickel-base cast alloy with the balance being Ni and inevitable impurities.
<2> The content of Y in the nickel-base cast alloy is 0.00 to 0.01% by mass, the content of Mg is 0.000 to 0.010% by mass, and the content of Zr is 0.00 to 0.00. The method for producing a nickel-base cast alloy according to <1>, wherein the mass is 05 mass%, the Hf content is 0.00 to 0.10 mass%, and the Fe content is 0.00 to 1.00 mass%.
本発明によれば、大気中で１０００℃以上に金型を加熱して行う熱間鍛造の金型材料として使用できるニッケル基鋳造合金を、鋳造割れの発生を抑制して製造することができるニッケル基合金の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a nickel-based casting alloy that can be used as a die material for hot forging performed by heating a die to 1000 ° C. or higher in the atmosphere can be produced while suppressing the occurrence of casting cracks. A method for producing a base alloy can be provided.
以下、本発明のニッケル基鋳造合金の製造方法について詳細に説明する。以下の説明において数値範囲を表す「〜」は下限値及び上限値として記載されている数値を含む範囲を意味する。
なお、本発明により製造されるニッケル基鋳造合金は、熱間鍛造の金型材料に限らず、熱間で圧縮応力が加わる用途に適用することができるが、以下、最適な用途である熱間鍛造金型として用いる場合について主に説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the nickel base cast alloy of the present invention will be described in detail. In the following description, “to” representing a numerical range means a range including numerical values described as a lower limit value and an upper limit value.
The nickel-base cast alloy produced according to the present invention is not limited to hot forging die materials, but can be applied to applications where compressive stress is applied hot. The case where it is used as a forging die will be mainly described.
本発明のニッケル基鋳造合金（以下、「Ｎｉ基鋳造合金」又は単に「合金」と記す場合がある。）の製造方法は、Ｎｉを主成分とし、Ｍｏ、Ｗ及びＡｌを含む溶湯を砂型又はセラミックス型に流し込んで凝固させることにより、Ｗの含有量が９．５０〜１２．５０質量％、Ｍｏの含有量が９．００〜１２．００質量％、Ａｌの含有量が４．８０〜７．００質量％、Ｙの含有量が０．００〜０．０３質量％、Ｍｇの含有量が０．０００〜０．０１４質量％、Ｚｒの含有量が０．００〜０．５０質量％、Ｈｆの含有量が０．００〜２．００質量％、及びＦｅの含有量が０．００〜３．００質量％であり、且つ、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるニッケル基鋳造合金を得る工程を有する。 The method for producing a nickel-base cast alloy of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “Ni-base cast alloy” or simply “alloy”) comprises a sand mold or a molten metal containing Mo, W and Al as a main component. By pouring into a ceramic mold and solidifying, the W content is 9.50 to 12.50 mass%, the Mo content is 9.00 to 12.00 mass%, and the Al content is 4.80 to 7%. 0.000% by mass, Y content is 0.00-0.03% by mass, Mg content is 0.000-0.014% by mass, Zr content is 0.00-0.50% by mass, A nickel-base cast alloy having a Hf content of 0.00 to 2.00% by mass, a Fe content of 0.00 to 3.00% by mass, and the balance being Ni and inevitable impurities is obtained. Process.
本発明者らは、Ｎｉｍｏｗａｌ（登録商標）合金の鋳造割れの発生について検討を重ねた結果、鋳型の材質が鋳造割れの発生に大きく影響しており、金型ではなく、砂型又はセラミックス型を用いれば、鋳造割れの発生を効果的に抑制することができることを見出した。その理由は定かでないが、砂型又はセラミックス型を用いて鋳造を行えば、鋳造凝固時の熱伝導が低いために冷却速度が遅くなり、冷却時の熱応力が軽減されるためと考えられる。
さらに、本発明者らは、Ｎｉｍｏｗａｌ（登録商標）合金の組成も割れに影響し、鋳型を砂型又はセラミックス型とし、割れの発生し難い組成とすることで、高温圧縮強度及び耐酸化性に優れたニッケル基鋳造合金を鋳造割れの発生をより効果的に抑制して製造することができることを見出した。
As a result of repeated investigations on the occurrence of casting cracks in the Nimalal (registered trademark) alloy, the present inventors have greatly influenced the occurrence of casting cracks, and sand molds or ceramic molds are used instead of molds. It has been found that the occurrence of casting cracks can be effectively suppressed. The reason is not clear, but it is considered that if casting is performed using a sand mold or a ceramic mold, the heat conduction during casting solidification is low, the cooling rate becomes slow, and the thermal stress during cooling is reduced.
In addition, the present inventors also have an effect on cracking of the composition of the Nimalal (registered trademark) alloy. The mold is made of a sand mold or a ceramic mold, and is excellent in high-temperature compressive strength and oxidation resistance by making the composition less susceptible to cracking. It has been found that a nickel-base cast alloy can be produced while effectively suppressing the occurrence of casting cracks.
まず、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金の組成について説明する。
本発明では、Ｎｉを主成分とし、Ｍｏ、Ｗ及びＡｌを含む原料を溶解し鋳造することにより、Ｗの含有量が９．５０〜１２．５０質量％、Ｍｏの含有量が９．００〜１２．００質量％、Ａｌの含有量が４．８０〜７．００質量％、Ｙの含有量が０．００〜０．０３質量％、Ｍｇの含有量が０．０００〜０．０１４質量％、Ｚｒの含有量が０．００〜０．５０質量％、Ｈｆの含有量が０．００〜２．００質量％、及びＦｅの含有量が０．００〜３．００質量％であり、且つ、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるＮｉ基鋳造合金を製造する。
好ましくは、前記ニッケル基鋳造合金におけるＹの含有量が０．００〜０．０１質量％、Ｍｇの含有量が０．０００〜０．０１０質量％、Ｚｒの含有量が０．００〜０．０５質量％、Ｈｆの含有量が０．００〜０．１０質量％、及びＦｅの含有量が０．００〜１．００質量％であるニッケル基鋳造合金を製造する。
First, the composition of the Ni-base cast alloy produced according to the present invention will be described.
In the present invention, the content of W is 9.50 to 12.50% by mass and the content of Mo is 9.00 by melting and casting a raw material containing Ni as a main component and containing Mo, W and Al. 12.00 mass%, Al content is 4.80 to 7.00 mass%, Y content is 0.00 to 0.03 mass%, Mg content is 0.000 to 0.014 mass% The Zr content is 0.00 to 0.50 mass%, the Hf content is 0.00 to 2.00 mass%, and the Fe content is 0.00 to 3.00 mass%, and Then, a Ni-based cast alloy is manufactured with the balance being Ni and inevitable impurities.
Preferably, the content of Y in the nickel-base cast alloy is 0.00 to 0.01% by mass, the content of Mg is 0.000 to 0.010% by mass, and the content of Zr is 0.00 to 0.00. A nickel-base cast alloy having a mass of 05 mass%, a Hf content of 0.00 to 0.10 mass%, and a Fe content of 0.00 to 1.00 mass% is manufactured.
＜Ｗ＞
Ｗは、オーステナイトマトリックスに固溶するとともに、析出強化相であるＮｉ３Ａｌを基本型とするガンマプライム相にも固溶して合金の高温強度を高める。また、Ｗは、粒界にＷとＭｏの固溶体からなる体心立方晶のα‐（Ｍｏ、Ｗ）相を晶出し、合金の粒界強度を高め、合金の被削性を高める作用がある。一方、Ｗは、耐酸化性を低下させる作用も有し、また、鋳型として砂型又はセラミックス型を用いても、１２．５０質量％を超えて添加すると割れが発生し易くなる。高温強度を高め、耐酸化性の低下を抑制し、且つ、割れの発生をより抑制する観点から、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金中のＷの含有量は９．５０〜１２．５０質量％とし、１０．００〜１１．５０質量％であることが好ましく、１０．３０〜１０．７０質量％であることがより好ましい。
<W>
W forms a solid solution in the austenite matrix and also forms a solid solution in the gamma prime phase based on Ni 3 Al as a precipitation strengthening phase, thereby increasing the high temperature strength of the alloy. In addition, W crystallizes a body-centered cubic α- (Mo, W) phase consisting of a solid solution of W and Mo at the grain boundary, thereby increasing the grain boundary strength of the alloy and increasing the machinability of the alloy. . On the other hand, W also has an effect of lowering oxidation resistance, and even if a sand mold or a ceramic mold is used as a mold, if it is added in an amount exceeding 12.50% by mass, cracking is likely to occur. The content of W in the Ni-based cast alloy produced according to the present invention is 9.50 to 12.50 mass from the viewpoint of increasing the high-temperature strength, suppressing the decrease in oxidation resistance, and further suppressing the occurrence of cracks. %, Preferably 10.00 to 11.50% by mass, more preferably 10.30 to 10.70% by mass.
＜Ｍｏ＞
Ｍｏは、オーステナイトマトリックスに固溶するとともに、析出強化相であるＮｉ３Ａｌを基本型とするガンマプライム相にも固溶して合金の高温強度を高める。一方、Ｍｏは、耐酸化性を低下させる作用を有する。高温強度を高め、且つ、耐酸化性の低下をより抑制する観点から、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金中のＭｏの含有量は９．００〜１２．００質量％とし、９．５０〜１１．００質量％であることが好ましく、９．８０〜１０．５０質量％であることがより好ましい。
<Mo>
Mo dissolves in the austenite matrix and also dissolves in the gamma prime phase based on Ni 3 Al, which is a precipitation strengthening phase, to increase the high temperature strength of the alloy. On the other hand, Mo has the effect | action which reduces oxidation resistance. From the viewpoint of increasing the high temperature strength and further suppressing the decrease in oxidation resistance, the content of Mo in the Ni-based cast alloy produced according to the present invention is 9.00 to 12.00 mass%, and 9.50 to The content is preferably 11.00% by mass, more preferably 9.80 to 10.50% by mass.
＜Ａｌ＞
Ａｌは、Ｎｉと結合してＮｉ３Ａｌからなるガンマプライム相を析出し、合金の高温強度を高め、合金の表面にアルミナの被膜を生成し、合金に耐酸化性を付与する作用がある。一方、Ａｌの含有量が多過ぎると、共晶ガンマプライム相を過度に生成し、合金の高温強度を低める作用もある。耐酸化性及び高温強度を高める観点から、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金中のＡｌの含有量は４．８０〜７．００質量％とし、５．８０〜６．８０質量％であることが好ましく、６．００〜６．５０質量％であることがより好ましい。
<Al>
Al binds to Ni and precipitates a gamma prime phase composed of Ni 3 Al, thereby increasing the high temperature strength of the alloy, generating an alumina coating on the surface of the alloy, and imparting oxidation resistance to the alloy. On the other hand, when the content of Al is too large, an eutectic gamma prime phase is excessively generated, and the high temperature strength of the alloy is lowered. From the viewpoint of enhancing oxidation resistance and high temperature strength, the content of Al in the Ni-base cast alloy produced according to the present invention is 4.80 to 7.00 mass%, and is 5.80 to 6.80 mass%. Is preferable, and it is more preferable that it is 6.00 to 6.50 mass%.
＜Ｙ＞
Ｙは合金の表面に生成するアルミナ被膜の緻密性及び密着性を改善し、耐酸化性を高める作用があるが、本発明者らの研究によればＹは合金の内部の割れ（鋳造割れ）の原因になり、本発明者らの研究によればＹの含有量が０．０３質量％を超えると、鋳型として砂型又はセラミックス型を用いても鋳造割れが発生し易くなる。Ｎｉ基鋳造合金の耐酸化性はＡｌによっても得られるため、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金におけるＹの含有量は、割れの発生を抑制する観点から０．０３質量％以下とし、０．００〜０．０１質量％であることが好ましく、０．００％（検出限界以下）であることがより好ましい。
<Y>
Y has the effect of improving the denseness and adhesion of the alumina coating formed on the surface of the alloy and enhancing the oxidation resistance, but according to the study by the present inventors, Y is a crack inside the alloy (cast crack). According to the study by the present inventors, when the Y content exceeds 0.03% by mass, casting cracks are likely to occur even if a sand mold or a ceramic mold is used as the mold. Since the oxidation resistance of the Ni-base cast alloy can also be obtained by Al, the content of Y in the Ni-base cast alloy produced according to the present invention is set to 0.03% by mass or less from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks, and It is preferably from 0.00 to 0.01% by mass, more preferably 0.00% (below the detection limit).
＜Ｎｉ＞
本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、基本的に、必須成分であるＡｌ、Ｗ、Ｍｏと任意成分であるＹ、さらに不可避的不純物を除く残部がＮｉで構成される。本発明により製造するＮｉ基鋳造合金においてＮｉはガンマ相を構成する主要元素であるとともに、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗとともにガンマプライム相を構成する。
高温強度を高め、且つ、耐酸化性の低下をより抑制する観点から、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金におけるＮｉの含有量は６７質量％以上であることが好ましく、６８〜７４質量％であることがより好ましい。
<Ni>
The Ni-based cast alloy produced according to the present invention is basically composed of Al, W, Mo, which are essential components, Y, which is an optional component, and Ni, which excludes inevitable impurities. In the Ni-base cast alloy produced according to the present invention, Ni is a main element constituting a gamma phase and constitutes a gamma prime phase together with Al, Mo and W.
From the viewpoint of increasing the high temperature strength and further suppressing the decrease in oxidation resistance, the Ni content in the Ni-based cast alloy produced according to the present invention is preferably 67% by mass or more, and is 68 to 74% by mass. More preferably.
本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｙのほか、不可避的不純物又は任意の微量成分として、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｙ以外の成分（以下、「その他の成分」と記す。）を含むことができる。
その他の成分としては、例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｂ、Ｏ、Ｎ等が挙げられるが、これらの元素に限定されるものではない。
本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、その他の成分として、特に、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、及びＺｒから選ばれる少なくとも１種をそれぞれ鋳造割れの発生が抑制される範囲で含有することができる。なお、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金におけるその他の成分の合計含有量は、２質量％以下が好ましく、１質量％以下がより好ましい。
In addition to Ni, Mo, W, Al, and Y, the Ni-based cast alloy produced according to the present invention includes components other than Ni, Mo, W, Al, and Y as unavoidable impurities or optional trace components (hereinafter, “others”). Ingredients ”) can be included.
Examples of other components include C, Si, Mn, P, S, Cr, Fe, Zr, Hf, Mg, B, O, and N, but are not limited to these elements.
The Ni-based cast alloy produced according to the present invention can contain, as other components, at least one selected from Hf, Fe, Mg, and Zr, in a range in which the occurrence of casting cracks is suppressed. In addition, 2 mass% or less is preferable and, as for the total content of the other component in the Ni base cast alloy manufactured by this invention, 1 mass% or less is more preferable.
＜Ｈｆ＞
本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、Ｈｆを０．００〜２．００質量％の範囲で含んでもよい。本発明により製造するＮｉ基鋳造合金にＨｆが２．００質量％以下の範囲で含まれていても割れの発生を抑制することができる。また、Ｈｆが０．５０質量％以下の範囲で含まれていることで、合金の表面にアルミナの被膜を形成する際に高温での耐酸化性を向上させ、高温強度を向上させる効果を期待することができる。ただし、Ｈｆは過度に添加すると鋳造割れの発生を助長させ、また耐酸化性を却って悪化させる可能性があるので、０．１０質量％以下が好ましい。
<Hf>
The Ni-base cast alloy produced according to the present invention may contain Hf in the range of 0.00 to 2.00% by mass. Even if Hf is contained in the range of 2.00% by mass or less in the Ni-base cast alloy produced according to the present invention, the occurrence of cracks can be suppressed. Moreover, when Hf is contained in the range of 0.50% by mass or less, the effect of improving the high temperature strength and the high temperature strength is expected when forming an alumina film on the surface of the alloy. can do. However, Hf is preferably 0.10% by mass or less because excessive addition of Hf may promote the occurrence of casting cracks and may deteriorate oxidation resistance.
＜Ｆｅ＞
Ｆｅは、鋳造する際に原料等から混入し易い。本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、Ｆｅを０．０〜３．０質量％の範囲で含んでもよい。本発明により製造するＮｉ基鋳造合金にＦｅが３．０質量％以下の範囲で含まれていても、割れの発生を抑制することができる。また、Ｆｅが３．００質量％以下の範囲で含まれていることでスクラップ使用によるコスト低減効果を期待することができる。しかし、Ｆｅは高温強度を低下させるので、１．００質量％以下とすることが好ましい。
<Fe>
Fe is likely to be mixed from raw materials and the like during casting. The Ni-base cast alloy produced according to the present invention may contain Fe in the range of 0.0 to 3.0% by mass. Even if the Ni-based cast alloy produced according to the present invention contains Fe in a range of 3.0% by mass or less, the occurrence of cracks can be suppressed. Moreover, the cost reduction effect by use of a scrap can be anticipated because Fe is contained in the range of 3.00 mass% or less. However, since Fe reduces high temperature strength, it is preferable to set it as 1.00 mass% or less.
＜Ｍｇ＞
本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、Ｍｇを０．０００〜０．０１４質量％の範囲で含んでもよい。本発明により製造するＮｉ基鋳造合金にＭｇが０．０１４質量％以下の範囲で含まれていても割れの発生を抑制することができる。また、Ｍｇが０．０１４質量％以下の範囲で含まれていることで結晶粒界を強化する効果を期待することができる。ただし、Ｍｇは過度に添加すると割れの発生を助長するとともに合金の融点を低下させて強度を低下させる可能性があるので、０．０１０質量％以下であることが好ましい。
<Mg>
The Ni-base cast alloy produced according to the present invention may contain Mg in the range of 0.000 to 0.014% by mass. Even if Mg is contained in the Ni-base cast alloy manufactured according to the present invention in a range of 0.014% by mass or less, generation of cracks can be suppressed. Moreover, the effect which strengthens a crystal grain boundary can be anticipated because Mg is contained in 0.014 mass% or less. However, Mg is preferably added in an amount of 0.010% by mass or less because excessive addition of Mg promotes cracking and lowers the melting point of the alloy to lower the strength.
＜Ｚｒ＞
本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、Ｚｒを０．００〜０．５０質量％の範囲で含んでもよい。本発明により製造するＮｉ基鋳造合金にＺｒが０．５０質量％以下の範囲で含まれていても割れの発生を抑制することができる。また、Ｚｒが０．５０質量％以下の範囲で含まれていることで耐酸化性を向上させる効果を期待することができる。Ｚｒ添加による効果をより確実なものとするには、その上限を０．０５質量％とするのが好ましい。
<Zr>
The Ni-base cast alloy produced according to the present invention may contain Zr in the range of 0.00 to 0.50 mass%. Even if Zr is contained in the Ni-based cast alloy produced according to the present invention in the range of 0.50% by mass or less, generation of cracks can be suppressed. Moreover, the effect which improves oxidation resistance can be anticipated because Zr is contained in 0.50 mass% or less. In order to make the effect of addition of Zr more reliable, the upper limit is preferably 0.05% by mass.
＜Ｏ＞
また、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、Ｏ（酸素）の含有量が少ないことが好ましい。本発明により製造するＮｉ基鋳造合金に酸素が多く存在すると酸化物（非金属介在物）を形成し、鍛造用の金型とした場合に非金属介在物が起点となって疲労強度を低下させる原因となり得る。そのため、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金に含まれる酸素濃度は、３０ｐｐｍ以下であることが好ましく、８ｐｐｍ以下であることがより好ましい。
本発明により製造するＮｉ基鋳造合金は、鋳造において原料を溶解する際に雰囲気中の酸素濃度を低くすること、溶湯を鋳型に注入する際に雰囲気中の酸素を巻き込まないようにすることなどでＮｉ基鋳造合金中の酸素濃度を低くすることができる。
<O>
Moreover, it is preferable that the Ni-base cast alloy produced according to the present invention has a low O (oxygen) content. When a large amount of oxygen is present in the Ni-based cast alloy produced according to the present invention, oxides (non-metallic inclusions) are formed, and when a die for forging is used, the non-metallic inclusions are the starting point to reduce fatigue strength. It can be a cause. Therefore, the oxygen concentration contained in the Ni-base casting alloy produced according to the present invention is preferably 30 ppm or less, and more preferably 8 ppm or less.
The Ni-based casting alloy produced according to the present invention has a lower oxygen concentration in the atmosphere when the raw material is melted in casting, and prevents the oxygen in the atmosphere from being caught when the molten metal is injected into the mold. The oxygen concentration in the Ni-base casting alloy can be lowered.
次に、砂型又はセラミックス型を用いてＮｉ基鋳造合金を鋳造する方法について説明する。
所定の量の原料を合金の融点以上に加熱して溶解する。
Next, a method for casting a Ni-base cast alloy using a sand mold or a ceramic mold will be described.
A predetermined amount of the raw material is heated to the melting point or higher of the alloy and melted.
溶湯を砂型又はセラミックス型に流し込み、徐冷する。
砂型又はセラミックス型の形状、大きさは特に限定されず、製造するＮｉ基鋳造合金の形状に応じて選択すればよい。
砂型は、けい砂を主体として形成され、大きな鋳造合金の製造が可能であり、型作成コストが金型に比べ安価であるという利点もある。
セラミックス型は、例えば ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）を主体として形成され、通常は精密鋳造鋳型として用いられ精密な鋳造合金の製造が可能であるという利点もある。
なお、溶湯を注入した後の冷却速度をより遅くさせる観点から、本発明で用いる鋳型（砂型又はセラミックス型）は予め加熱（例えば、４００℃以上）し、加熱された砂型又はセラミックス型に溶湯を注入することが好ましい。
Pour molten metal into sand mold or ceramic mold and cool slowly.
The shape and size of the sand mold or ceramic mold are not particularly limited, and may be selected according to the shape of the Ni-based cast alloy to be manufactured.
The sand mold is formed mainly of silica sand, and it is possible to produce a large cast alloy, and there is an advantage that the mold production cost is lower than that of the mold.
The ceramic mold is formed mainly of, for example, zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), and silica (SiO 2 ), and is usually used as a precision casting mold, so that it is possible to produce a precision casting alloy. There is also.
From the viewpoint of further slowing down the cooling rate after pouring the molten metal, the mold (sand mold or ceramic mold) used in the present invention is preheated (for example, 400 ° C. or higher), and the molten sand is poured into the heated sand mold or ceramic mold. It is preferable to inject.
鋳造における雰囲気は特に限定されず、大気中、真空中、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気中で行うことができる。なお、本発明により製造するＮｉ基鋳造合金中の酸素の含有量を低く抑える観点から、真空中又は不活性ガス雰囲気中で鋳造することが好ましい。 The atmosphere in the casting is not particularly limited, and can be performed in the atmosphere, vacuum, or an inert gas atmosphere such as Ar. In addition, it is preferable to cast in a vacuum or in an inert gas atmosphere from the viewpoint of keeping the content of oxygen in the Ni-based cast alloy produced according to the present invention low.
鋳型（砂型又はセラミックス型）に注入した溶湯が冷却により凝固した後、合金と鋳型を分離することにより鋳造割れの発生が抑制されたＮｉ基鋳造合金を得ることができる。 After the molten metal poured into the mold (sand mold or ceramic mold) is solidified by cooling, a Ni-based cast alloy in which the occurrence of casting cracks is suppressed can be obtained by separating the alloy and the mold.
本発明のＮｉ基鋳造合金の製造方法によれば、鋳造したときに内部における割れの発生が抑制されるため、Ｎｉ基鋳造合金を高い歩留りで製造することができる。そして、本発明により製造されたＮｉ基鋳造合金は高温圧縮強度及び耐酸化性に優れ、熱間鍛造用の金型材料として好適に用いることができる。上記のようにして鋳造したＮｉ基鋳造合金を切削加工等によって成形して所望の形状の金型とすればよい
本発明により製造されたＮｉ鋳造基合金からなる熱間鍛造金型は、例えば、航空機のジェットエンジン部品や、発電機用ガスタービン部品等を大気中で１０００℃以上に金型を加熱して熱間鍛造する際に用いる金型として好適に使用することができる。
なお、本発明により製造されるＮｉ基鋳造合金は、熱間鍛造用の金型材料に最適であるが、熱間鍛造用金型に限定されず、熱間で圧縮応力が加わる用途に適用可能である。
According to the method for producing a Ni-based cast alloy of the present invention, since the occurrence of cracks in the interior is suppressed when cast, the Ni-based cast alloy can be produced with a high yield. The Ni-base cast alloy produced according to the present invention is excellent in high-temperature compressive strength and oxidation resistance, and can be suitably used as a mold material for hot forging. What is necessary is just to shape | mold the Ni-base cast alloy cast as mentioned above by cutting etc., and to make it a metal mold | die of the desired shape The hot forging metal mold | die consisting of the Ni cast base alloy manufactured by this invention is, for example, Aircraft jet engine parts, gas turbine parts for generators, and the like can be suitably used as molds used for hot forging by heating the molds to 1000 ° C. or higher in the atmosphere.
The Ni-based cast alloy produced according to the present invention is optimal for hot forging mold materials, but is not limited to hot forging molds and can be applied to applications where hot compressive stress is applied. It is.
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
＜比較例１〜４＞
真空中で誘導溶解により原料を溶解し、金型に鋳造して、表１に示す成分で底面が１辺約８０ｍｍの正方形、上面が１辺約９０ｍｍの正方形、高さ約１３０ｍｍの角型形状のインゴットを得た。
＜実施例１＞
真空中で誘導溶解により原料を溶解し鋳型として約４５０℃に加熱したセラミックス型を用いて真空下で鋳造し、表１に示す成分で底面が１辺約８０ｍｍの正方形、上面が１辺約９０ｍｍの正方形、高さ約１３０ｍｍの角型形状のインゴットを得た。
<Comparative Examples 1-4>
The raw material is melted by induction melting in a vacuum, cast into a mold, and the components shown in Table 1 have a square shape with a bottom of about 80 mm on one side, a square with about 90 mm on one side, and a height of about 130 mm. Got the ingot.
<Example 1>
The raw material is melted by induction melting in a vacuum and cast in a vacuum using a ceramic mold heated to about 450 ° C. as a mold. The components shown in Table 1 are squares with a bottom of about 80 mm on one side and a top of about 90 mm on one side. A square ingot having a square shape and a height of about 130 mm was obtained.
＜実施例２＞
真空中で誘導溶解により原料を溶解し鋳型として約５００℃に加熱した砂型を用いて真空下で鋳造し、直径１１０〜１６０ｍｍ、長さ５１５ｍｍの所定成分のインゴットを得た。
<Example 2>
The raw material was melted by induction melting in a vacuum and cast in a vacuum using a sand mold heated to about 500 ° C. as a mold to obtain an ingot of a predetermined component having a diameter of 110 to 160 mm and a length of 515 mm.
＜実施例３＞
真空中で誘導溶解により原料を溶解し鋳型として約４５０℃に加熱したセラミックス型を用いて真空下で鋳造し、直径２００ｍｍ、長さ２５０ｍｍのインゴットを得た。
<Example 3>
The raw material was melted by induction melting in a vacuum and cast under vacuum using a ceramic mold heated to about 450 ° C. as a mold to obtain an ingot having a diameter of 200 mm and a length of 250 mm.
＜実施例４＞
大気中で誘導溶解により原料を溶解し鋳型として約５００℃に加熱した砂型を用いて大気下で鋳造し、短辺５６５ｍｍ、長辺７８５ｍｍ、高さ１１５ｍｍのインゴットを得た。
<Example 4>
The material was melted by induction melting in the atmosphere and cast in the air using a sand mold heated to about 500 ° C. as a mold to obtain an ingot having a short side of 565 mm, a long side of 785 mm, and a height of 115 mm.
＜比較例５＞
大気下で溶解および鋳造したこと以外は実施例１と同様にして所定成分のインゴットを得た。なお、比較例５はＭａｒ−Ｍ２００合金相当成分である。
<Comparative Example 5>
An ingot of a predetermined component was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was melted and cast under the atmosphere. Comparative Example 5 is a component equivalent to Mar-M200 alloy.
＜比較例６＞
粉末冶金法で製造された市販のＴＺＭ合金を評価した。
<Comparative Example 6>
A commercial TZM alloy produced by powder metallurgy was evaluated.
（鋳造割れ）
実施例１−４及び比較例１−４で得られたインゴットの略中心を通るように長手方向に切断し、浸透探傷法（カラーチェック）により断面における内部割れ（鋳造割れ）の発生を評価した。
なお、比較例２で得たインゴットにおける割れを基準とし、割れが発生しなかった場合はＡ、割れが発生したが比較例２よりも割れが明らかに少ない場合はＢ、比較例２と同等レベルで割れが発生した場合はＣ、比較例２よりも割れが明らかに多かった場合はＤとして評価した。
図１〜図３は、比較例２、比較例４、実施例３でそれぞれ得られたインゴットの断面を示している。
(Casting crack)
Cut in the longitudinal direction so as to pass through the approximate center of the ingot obtained in Example 1-4 and Comparative Example 1-4, and evaluated the occurrence of internal cracks (cast cracks) in the cross section by the penetrant flaw detection method (color check). .
In addition, on the basis of the crack in the ingot obtained in Comparative Example 2, A when the crack did not occur, B when crack occurred but the crack was clearly less than Comparative Example 2, B, the level equivalent to Comparative Example 2 In the case where cracks occurred, C was evaluated, and in the case where cracks were clearly more than Comparative Example 2, D was evaluated.
1 to 3 show cross sections of the ingots obtained in Comparative Example 2, Comparative Example 4, and Example 3, respectively.
実施例及び比較例で得られたインゴットの組成及び割れの評価結果を表１に示す。
Ｏ以外の成分の含有量は質量％、Ｏの含有量の単位はｐｐｍであり、Ｂａｌは残部を意味する。また、表１において「−」は、分析を行わなかったこと意味する。
なお、比較例５、６のインゴットは、実施例のインゴットの高温機械的性質及び耐酸化性を比較評価するために用意したものであり、割れの評価は行わなかった。
Table 1 shows the composition and crack evaluation results of the ingots obtained in the examples and comparative examples.
The content of components other than O is mass%, the unit of the content of O is ppm, and Bal means the balance. In Table 1, “-” means that no analysis was performed.
The ingots of Comparative Examples 5 and 6 were prepared for comparative evaluation of the high-temperature mechanical properties and oxidation resistance of the ingots of Examples, and cracks were not evaluated.
表１に示すように、砂型又はセラミックス型を用いて鋳造した実施例１−４のＮｉ基鋳造合金インゴットは、割れが観察されなかった。 As shown in Table 1, no crack was observed in the Ni-based cast alloy ingot of Example 1-4 cast using a sand mold or a ceramic mold.
（高温機械的性質）
実施例２及び比較例５、６のインゴットから、直径１０ｍｍ×長さ１２ｍｍの試験片Ａと、直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの試験片Ｂをそれぞれ切り出した。
試験片Ａを用い、１１００℃、歪速度１０−３／ｓで１０％までの圧縮試験及び１１００℃、１０ｋｇｆ／ｍｍ２で２０時間までの圧縮クリープ試験を行った。なお、クリープ試験は実施例２と比較例５の各試験片Ｂに対して行った。
結果を下記表２に示す。
(High temperature mechanical properties)
A test piece A having a diameter of 10 mm × a length of 12 mm and a test piece B having a diameter of 10 mm × a length of 20 mm were cut out from the ingots of Example 2 and Comparative Examples 5 and 6, respectively.
Using the test piece A, a compression test up to 10% at 1100 ° C. and a strain rate of 10 −3 / s and a compression creep test up to 20 hours at 1100 ° C. and 10 kgf / mm 2 were performed. The creep test was performed on each test piece B of Example 2 and Comparative Example 5.
The results are shown in Table 2 below.
（耐酸化性）
さらに、実施例２、比較例５の各試験片Ｂを用い、１１００℃×１６時間の空冷なる加熱冷却を５回繰り返す耐酸化試験を行って酸化減量を測定した。
実施例２の試験片Ｂの酸化減量は、比較例５の試験片Ｂの酸化減量に比べほぼ同等レベルであり、大気中の熱間鍛造金型として使用しても問題ないレベルであった。
(Oxidation resistance)
Furthermore, using each test piece B of Example 2 and Comparative Example 5, an oxidation resistance test was performed by repeating heating and cooling at 1100 ° C. × 16 hours for 5 times to measure oxidation loss.
The oxidation weight loss of the test piece B of Example 2 was almost the same level as the oxidation weight loss of the test piece B of Comparative Example 5, and was a level that would not cause any problem even when used as a hot forging die in the atmosphere.
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