JP2017508075A - 耐摩耗性、耐クリープ性、耐腐食性、及び加工性が良好な、硬化性ニッケル・クロム・鉄・チタン・アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
Description
a)NiFe25Cr20NbTi、ただし、C0.05〜0.10%、Si最大1.0%、Mn最大1.0%、P最大0.030%、S最大0.015%、Cr18.00〜21.00%、Fe23.00〜28.00%、Al0.30〜1.00%、Ti1.00〜2.00%、Nb+Ta1.00〜2.00%、B最大0.008%、及び残分はNi
b)NiCr20TiAl、ただしC0.05〜0.10%、Si最大1.0%、Mn最大1.0%、P最大0.020%、S最大0.015%、Cr18.00〜21.00%、Fe最大3%、Al1.00〜1.80%、Ti1.80〜2.70%、Cu最大0.2%、Co最大2.0%、B最大0.008%、及び残分はNi。
0.45≦Al/(Al+Ti+Zr+Hf+V+Nb+Ta)≦0.75。
・NiCr20TiAlよりも良好な耐摩耗性、
・NiCr20TiAlに近い良好な耐熱性/耐クリープ性、
・NiCr20TiAlのような良好な耐腐食性、
・NiCr20TiAlに似た良好な加工性。
Cr+Fe+Co≧25% (1)
が満たされなければならず、かつ
fh≧0 (2a)
ただし、fh=6.49+3.88Ti+1.36Al−0.301Fe+(0.759−0.0209Co)Co−0.428Cr−28.2C (2)
が満たされなければならず、これによって高温下での充分な強度がもたらされ、ここでTi、Al、Fe、Co、Cr、及びCは、該当する元素の質量%濃度であり、fhは%で記載されている。
・18%超〜26%
・18%超〜25%
・19〜24%
・19〜22%。
・1.5〜3.0%
・1.8〜3.0%
・2.0〜3.0%
・2.2〜3.0%
・2.2〜2.8%。
・0.9〜2.0%
・1.0〜2.0%
・1.2〜2.0%。
・3.0%超〜35%
・6.0〜35%
・7.0〜35%
・8.0〜35%
・8.0〜20%
・8.0〜15%
・11%超〜15%。
・0.01〜0.10%
・0.02〜0.10%
・0.04〜0.10%
・0.04〜0.08%。
・0.001〜0.05%
・0.001〜0.04%
・0.001〜0.03%
・0.001〜0.02%
・0.001〜0.01%。
・0.001〜0.030%
・0.001〜0.020%。
・硫黄最大0.010%。
・最大0.010%
・最大0.008%
・最大0.004%。
・最大0.50%
・最大0.20%
・最大0.10%。
・最大0.60%
・最大0.20%
・最大0.10%。
・最大0.04%
・最大0.03%
・最大0.02%
・最大0.01%。
・最大0.04%
・最大0.03%
・最大0.02%
・最大0.01%。
・最大0.20%
・最大0.10%
・最大0.05%。
・Mo 最大1.0%
・W 最大1.0%
・Mo 0.50%以下
・W 0.50%以下
・Mo 0.10%以下
・W 0.10%以下
・Mo 0.05%以下
・W 0.05%以下。
・Cu 0.10%以下
・Cu 0.05%以下
・Cu 0.015%以下。
・0.0%超〜12.0%
・0.0%超〜10.0%
・0.0%超〜8.0%
・0.0%超〜7.0%
・0.0%超〜5.0%
・0.0%超〜2.0%。
・0.01〜0.20%
・0.01〜0.15%
・0.01〜0.10%未満。
・0.0005〜0.006%
・0.0005〜0.004%。
・40%超
・45%超
・50%超
・55%超。
Cr+Fe+Co≧25% (1)
ここでCr、Fe、及びCoは、該当する元素の質量%濃度である。
Cr+Fe+Co≧26% (1a)
Cr+Fe+Co≧27% (1b)
Cr+Fe+Co≧28% (1c)
Cr+Fe+Co≧29% (1d)。
fh≧0 (2a)
ただし、fh=6.49+3.88Ti+1.36Al−0.301Fe+(0.759−0.0209Co)Co−0.428Cr−28.2C (2)
ここで、Ti、Al、Fe、Co、Cr、及びCは、該当する元素の質量%濃度であり、fhは%で記載されている。
fh≧1% (2b)
fh≧3% (2c)
fh≧4% (2d)
fh≧5% (2e)
fh≧6% (2f)。
fver≦7 (3a)
ただし、fver=32.77+0.5932Cr+0.3642Mo+0.513W+(0.3123−0.0076Fe)Fe+(0.3351−0.003745Co−0.0109Fe)Co+40.67Ti×Al+33.28Al2−13.6TiAl2−22.99Ti−92.7Al+2.94Nb (3)
ここでCr、Mo、W、Fe、Co、Ti、Al、及びNbは該当する元素の質量%濃度であり、fverは%で記載されている。好ましい範囲は、以下のように調整できる:
fver≦5% (3b)
fver≦3% (3c)
fver≦0% (3d)。
・0.01〜0.20%
・0.01〜0.15%
・0.01〜0.10%
・0.01〜0.08%
・0.01〜0.045%未満。
・0.001〜0.20%
・0.001〜0.15%
・0.001〜0.10%
・0.001〜0.08%
・0.001〜0.04%
・0.01〜0.04%。
・0.001〜0.20%
・0.001〜0.15%
・0.001〜0.10%
・0.001〜0.08%
・0.001〜0.04%
・0.01〜0.04%。
・0.001〜0.20%
・0.001〜0.15%
・0.001〜0.10%
・0.001〜0.08%
・0.001〜0.04%
・0.01〜0.04%。
・0.001〜0.20%
・0.001〜0.15%
・0.001〜0.10%
・0.001〜0.08%
・0.001〜0.04%
・0.01〜0.04%。
・0.001〜0.60%
・0.001〜0.40%
・0.001〜0.20%
・0.001〜0.15%
・0.001〜0.10%
・0.001〜0.08%
・0.001〜0.04%
・0.01〜0.04%。
・Pb 最大0.002%
・Zn 最大0.002%
・Sn 最大0.002%。
耐摩耗性を測定するために、振動式の乾式滑り摩耗試験を、ピンオンディスク式試験スタンド(Optimol SRV IV Tribometer)で行った。鏡のように磨かれた半球状のピンの半径は、5mmであった。このピンは、試験すべき材料から作製した。このディスクは、共晶炭化物網目構造の内部に二次炭化物を有する焼き戻されたマルテンサイトマトリックスを有する鋳鉄から成り、組成は以下の通りである:C≒1.5%、Cr≒6%、S≒0.1%、Mn≒1%、Mo≒9%、Si≒1.5%、V≒3%、残分はFe。この試験は、20Nの負荷のもと、1mmの滑り距離、振動数20Hz、空気中の水分約45%で様々な温度において行った。
本発明による合金は、課題の設定に従って、以下の特性を有するのが望ましい:
・NiCr20TiAlよりも良好な耐摩耗性、
・NiCr20TiAlに近い良好な耐熱性/耐クリープ性、
・NiCr20TiAlと少なくとも同等の良好な耐腐食性、
・NiCr20TiAlに似た良好な加工性。
新規の材料は、参照用合金のNiCr20TiAlよりも良好な耐摩耗性を有するのが望ましい。この材料に加えて、比較のために、Stellite 6も試験した。Stellite 6は、耐摩耗性が高いコバルト基鋳造合金であり、炭化タングステンから成る網目構造を有し、Cr約28%、Si1%、Fe2%、W6%、C1.2%、残分はCoから成るものであるが、その炭化物含分が高いことによって直接所望の形状へと鋳造しなければならない。Stellite 6は、炭化タングステンの網目構造に基づき硬度が438 HV30と非常に高く、このことが、摩耗にとって非常に有利である。本発明による合金「E」は、Stellite 6の損失体積にできるだけ近いのが望ましい。この目的は特に、600〜800℃での高温摩耗を減少させることであり、これは、例えば排気バルブとしての適用に関連する温度範囲である。このため特に、本発明による合金「E」について以下の基準が当てはまるのが望ましい。
表3は、500℃〜800℃の温度で硬化させた状態のNiCr20TiAlについて0.2%耐力の分布帯域(Streuband)の下端を示し、表2は、引張強度の分布帯域の下端を示す。
600℃:耐力Rp0.2≧650MPa (5a)
800℃:耐力Rp0.2≧390MPa (5b)。
fh≧0 (2a)
ただし、fh=6.49+3.88Ti+1.36Al−0.301Fe+(0.759−0.0209Co)Co−0.428Cr−28.2C (2)
ここでTi、Al、Fe、Co、Cr、及びCは、該当する元素の質量%濃度であり、fhは%で記載されている。
本発明による合金は、NiCr20TiAlに似た、空気中の耐腐食性を有するのが望ましい。
ニッケル・クロム・鉄・チタン・アルミニウム合金の場合、500〜900℃の範囲における耐熱性及び/又は耐クリープ性は、アルミニウム、チタン、及び/又はニオブの添加に基づいており、これらはγ’相及び/又はγ’’相の析出につながる。これらの合金の熱間成形を、これらの相の析出領域で行う場合、亀裂が形成される危険性がある。つまり熱間成形は好ましくは、この相のソルバス温度Tsγ’(及び/又はTsγ’’)を上回り行うべきである。よって、熱間成形のために充分な温度範囲が利用可能であるためには、ソルバス温度Tsγ’(及び/又はTsγ’’)が1020℃未満であるべきである。
fver≦7 (3a)
ただし、fver=32.77+0.5932Cr+0.3642Mo+0.513W+(0.3123−0.0076Fe)Fe+(0.3351−0.003745Co−0.0109Fe)Co+40.67Ti×Al+33.28Al2−13.6TiAl2−22.99Ti−92.7Al+2.94Nb (3)
ここでCr、Mo、W、Fe、Co、Ti、Al、及びNbは、該当する元素の質量%濃度であり、fverは%で記載されている。
製造:
表5a及び5bには、実験室レベルで溶融した装入物の分析が、比較のために引き合いに出された従来技術により大規模工業的に溶融した幾つかの装入物(NiCr20TiAl)とともに、示されている。従来技術による装入物は、Tで表され、本発明によるものはEで表される。実験室レベルで溶融した装入物は、Lで示され、大規模工業的に溶融した装入物はGで表される。装入物250212はNiCr20TiAlであるが、実験室用装入物として溶融させたものを参照として用いる。
・滑り摩耗試験による耐摩耗性
・熱引張試験による耐熱性/耐クリープ性
・酸化試験による耐腐食性
・相算出による加工性。
耐摩耗試験は、25℃、300℃、600℃、及び800℃で、従来技術による合金を用いて、また様々な実験室溶融物で実施した。たいていの試験は、複数回繰り返した。それから平均値、及び標準偏差を求めた。
表8には、耐力Rp0.2、及び引張強度Rmが、室温(RT)、600℃、及び800℃について、記入されている。さらに、測定した粒度、及びfhの値が記入されている。さらに最後の行には、不等式(5a)及び(5b)からの最小値が記入されている。
表9は、800℃で、空気中で96時間のサイクル6回、つまり合計576時間後の酸化試験後の比質量変化を示す。表9に記載されているのは、576時間後に剥離した酸化物の比全体質量変化、比正味質量変化、及び比質量変化である。従来技術のNiCr20TiAlによる合金の例示的な装入物、装入物321426、及び250212は、比全体質量変化が9.69及び/又は10.84g/m2であり、比正味質量変化が、7.81及び/又は10.54g/m2であった。装入物321426は、僅かな剥離を示した。本発明による装入物250325(Fe6.5%)、250206(Fe11%)、及び250327(Fe29%)は、比全体質量変化が9.26〜10.92g/m2であり、比正味質量変化が9.05〜10.61g/m2であり、NiCr20TiAl参照用合金の範囲にあり、求められるように、これらの合金よりも悪くはない。よって3%超〜40%というFe含分は、耐酸化性に対して不利には作用しない。Co含有装入物250209(Co9.8%)、及び250329(Co30%)は、比全体質量変化が、10.05及び/又は9.91g/m2であり、比正味質量変化が、9.81及び/又は9.71g/m2であり、これらは同様に、NiCr20TiAlの参照用合金の範囲にあり、求められるように、これらの合金よりも悪くはない。比全体質量変化が9.32g/cm2であり、比正味質量変化が8.98g/m2である装入物250330(Co29%、Fe10%)はちょうど同じように挙動する。よって最大30%というCo含分は、耐酸化性に対して不利には作用しない。Cr含分が30%に高められた装入物250326は、比全体質量変化が6.74g/m2であり、比正味質量変化が6.84g/m2であり、これはNiCr20TiAlの参照用合金の範囲を下回っていた。30%というCr含分により、耐酸化性が改善された。
図13は、JMatProにより算出した、従来技術によるNiCr20TiAl装入物の状態図を示す。959℃のソルバス温度Tsγ’を下回ると、γ’相が例えば600℃では26%の割合で形成される。その場合、状態図は、558℃未満で、最大64%の割合を有するNi2M(M=Cr)の形成を示す。しかしながらこの相は、この材料を用いる場合、実際に生じる使用温度と時間との組み合わせによっては観察されないため、考慮する必要はない。さらに、図13はまた、様々な炭化物及び窒化物の存在領域を示すが、これらがこの濃度で熱間成形を妨げることはない。熱間成形は、ソルバス温度Tsγ’を超えてのみ行うことができ、1310℃の固相線温度を充分に下回る温度範囲が、熱間成形のために利用されるため、1020℃以下であるべきである。
Cr+Fe+Co≧25% (1)
ここでCr、Fe、及びCoは、該当する元素の質量%濃度である。
fh≧0 (2a)
ただし、fh=6.49+3.88Ti+1.36Al−0.301Fe+(0.759−0.0209Co)Co−0.428Cr−28.2C (2)
ここでTi、Al、Fe、Co、Cr、及びCは、該当する元素の質量%濃度であり、fhは%で記載されている。fhについての限界値は、上記本文に詳細に説明された。
fver≦7 (3a)
ただし、fver=32.77+0.5932Cr+0.3642Mo+0.513W+(0.3123−0.0076Fe)Fe+(0.3351−0.003745Co−0.0109Fe)Co+40.67Ti×Al+33.28Al2−13.6TiAl2−22.99Ti−92.7Al+2.94Nb (3)
ここでCr、Mo、W、Fe、Co、Ti、Al、及びNbは、該当する元素の質量%濃度であり、fverは%で記載されている。fhについての限界値は、上記本文に詳細に説明された。
Claims (22)
- 耐摩耗性が非常に良好であり、同時に良好な耐クリープ性、良好な高温腐食耐性、及び良好な加工性を有するニッケル・クロム・鉄・チタン・アルミニウムの硬化性鍛錬用合金であって、前記硬化性鍛錬用合金は質量%で、クロム18%超〜31%、チタン1.0〜3.0%、アルミニウム0.6〜2.0%、鉄3.0%超〜40%、炭素0.005〜0.10%、窒素0.0005〜0.050%、リン0.0005〜0.030%、硫黄最大0.010%、酸素最大0.020%、ケイ素最大0.70%、マンガン最大2.0%、マグネシウム最大0.05%、カルシウム最大0.05%、モリブデン最大2.0%、タングステン最大2.0%、ニオブ最大0.5%、銅最大0.5%、バナジウム最大0.5%、必要に応じてCo0〜15%、必要に応じてZr0〜0.20%、必要に応じてホウ素0.0001〜0.008%を含有し、残分はニッケル、及び方法に起因する通常の不純物であり、
ここでニッケル含分は35%超であり、ここで良好な耐摩耗性を得るためには、以下の関係式:
Cr+Fe+Co≧25% (1)
が満たされなければならず、かつ
fh≧0 (2a)
ただし、fh=6.49+3.88Ti+1.36Al−0.301Fe+(0.759−0.0209Co)Co−0.428Cr−28.2C (2)
が満たされなければならず、これによって高温下での充分な強度がもたらされ、ここでTi、Al、Fe、Co、Cr、及びCは、該当する元素の質量%濃度であり、fhは%で記載されている、前記硬化性鍛錬用合金。 - クロム含分が18%超〜26%である、請求項1に記載の合金。
- チタン含分が1.5〜3.0%である、請求項1又は2に記載の合金。
- アルミニウム含分が0.9〜2.0%である、請求項1から3までのいずれか1項に記載の合金。
- 鉄含分が3.0%超〜35%である、請求項1から4までのいずれか1項に記載の合金。
- 鉄含分が6.0〜35%である、請求項1から5までのいずれか1項に記載の合金。
- 鉄含分が7.0〜35%である、請求項1から6までのいずれか1項に記載の合金。
- 炭素含分が0.01〜0.10%である、請求項1から7までのいずれか1項に記載の合金。
- ニオブ含分が最大0.20%である、請求項1から8までのいずれか1項に記載の合金。
- 必要に応じて、コバルト含分を0%超〜12.0%含有する、請求項1から9までのいずれか1項に記載の合金。
- ホウ素含分が0.0005〜0.006%である、請求項1から10までのいずれか1項に記載の合金。
- ニッケル含分が40%超である、請求項1から11までのいずれか1項に記載の合金。
- ニッケル含分が45%超である、請求項1から12までのいずれか1項に記載の合金。
- ニッケル含分が50%超である、請求項1から13までのいずれか1項に記載の合金。
- 請求項1から14までのいずれか1項に記載の合金であって、
Cr+Fe+Co≧26% (1a)
を満たし、ここでCr、Fe、及びCoは、該当する元素の質量%濃度である、前記合金。 - 請求項1から15までのいずれか1項に記載の合金であって、
fh≧1 (2b)
を満たし、
ただし、fh=6.49+3.88Ti+1.36Al−0.301Fe+(0.759−0.0209Co)Co−0.428Cr−28.2C (2)
であり、ここでCr、Fe、Co、及びCは、該当する元素の質量%濃度であり、fhは%で記載されている、前記合金。 - 請求項1から16までのいずれか1項に記載の合金であって、
選択的に、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ti、Al、及びNbの間に以下の関係式が満たされ、これによって充分な加工性がもたらされる:
fver≦7 (3a)
ただし、fver=32.77+0.5932Cr+0.3642Mo+0.513W+(0.3123−0.0076Fe)Fe+(0.3351−0.003745Co−0.0109Fe)Co+40.67Ti×Al+33.28Al2−13.6TiAl2−22.99Ti−92.7Al+2.94Nb (3)
ここでCr、Mo、W、Fe、Co、Ti、Al、及びNbは該当する元素の質量%濃度であり、fverは%で記載されている、前記合金。 - 請求項1から17までのいずれか1項に記載の合金であって、
任意でさらに以下の元素:
Y 0〜0.20%、及び/又は
La 0〜0.20%、及び/又は
Ce 0〜0.20%、及び/又は
セリウムミッシュメタル 0〜0.20%、及び/又は
Hf 0〜0.20%、及び/又は
Ta 0〜0.60%
が合金中に含有されていてよい、前記合金。 - 請求項1から18までのいずれか1項に記載の合金であって、
不純物は、Pb最大0.002%、Zn最大0.002%、Sn最大0.002%という含分に調整されている、前記合金。 - 請求項1から19までのいずれか1項に記載の合金の使用であって、帯状物、板状物、線状物、棒状物、長手溶接管、及びシームレス管としての、前記使用。
- 請求項1から20までのいずれか1項に記載の合金の使用であって、バルブのため、特に燃焼機関の排気バルブとしての、前記使用。
- 請求項1から20までのいずれか1項に記載の合金の使用であって、ガスタービンの部材としての、固定ボルトとしての、バネにおける、ターボチャージャーにおける、前記使用。
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