JP2022115041A - 高硬度耐熱合金及びその使用 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度耐熱合金及びその使用を提供する。【解決手段】本発明は、主にその組成が１０～４０ａｔ％のＣｏ、３０～５６ａｔ％のＣｒ、１０～４０ａｔ％のＮｉ、６～１３ａｔ％のＣ、０～８ａｔ％のＭｏ、及び０～８ａｔ％のＷを含む高硬度耐熱合金が開示される。高硬度耐熱合金の組成には、例えば、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｕ及びＦｅのような少なくとも１種の添加元素を添加することもできる。実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、セ氏９００度での硬度を依然としてＨＶ１００より大きくすることができることが示された。このため、実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、熱間加工工具金属、高温応用部品（例えば、タービン羽根）、または高温応用器具（例えば、航空宇宙エンジン）の製作への応用に高いポテンシャルを持つことが証明された。【選択図】図２

Description

本発明は、合金材料の関連技術分野に係り、特に、低コバルト含有量の高硬度耐熱合金に関するものである。

超合金（ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ）は、極めて優れた高温機械強度を有するので、極めて経済的価値のある高温応用材料である。超合金は６５０℃以上の高温で長期使用できる特性を持つ必要があるほか、異なる高温応用材料は、耐腐食、耐高温クリープ、高熱疲労強度、耐摩耗、耐高温酸化などの性質を同時に持ち併せている。このため、現在の高温応用材料は、既に各産業において広汎に応用されている。その応用範囲を下記の表（１）に示す。

超合金は、主に鉄基超合金と、ニッケル基超合金と、コバルト基超合金とに分けられる。その内、コバルト基超合金の組成は、コバルト、クロミウム及びタングステン（あるいはモリブデン）などの主要元素と、炭素、ニオブ、タンタル、チタニウム、ランタンなどの添加元素とを含み、かつコバルト基超合金は、セ氏９００度での硬度が約ＨＶ１００であり、良好な熱硬度性質を持つ。また、コバルト基超合金は、成分組成の相違に基づいて、硬化肉盛溶接に用いられる溶接ワイヤ、熱スプレーやスプレー溶接に用いられる粉末、鋳鍛材、または粉末冶金材として作製されてもよい。

現在、コバルト基超合金の設計と製造を熟知している材料エンジニアであれば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）及び／または炭素（Ｃ）の含有量を調整することで、異なる応用要求を満たすように、コバルト基超合金の性質を調整制御することができることが理解できる。例を挙げて言えば、高タングステン高炭素含有量のコバルト基超合金は、比較的高い硬度を有する一方、低炭素高モリブデン含有量のコバルト基超合金は、比較的優良な耐腐食性能を持つ。

コバルト基超合金は、性質を調節制御可能である利点を有するものの、従来公知のコバルト基超合金には、実務応用上、依然として以下の欠陥があった。
（１）コバルト金属が高価であるため、コバルト基超合金の価格を値下げ可能な幅を得ることが困難である。
（２）リチウムイオン電池の大量生産と使用に応じてコバルト金属の使用量が急増しており、コバルト金属の在庫量に問題があるため、将来のコバルト基超合金の調達に不確実性がある。

上記の説明から分かるように、従来公知のコバルト基超合金は、実務応用上、依然として諸多の欠陥を有する。以上に鑑みて、本願の発明者は、極力研究発明した結果、遂に一種の高硬度耐熱合金を研究開発して完成させた。

本発明の主要な目的は、高硬度耐熱合金を提供することである。本発明の組成は、１０～４０ａｔ％のＣｏ、３０～５６ａｔ％のＣｒ、１０～４０ａｔ％のＮｉ、６～１３ａｔ％のＣ、０～８ａｔ％のＭｏ、及び０～８ａｔ％のＷを含む。さらに、かかる高硬度耐熱合金の組成には、例えば、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｕ及びＦｅのような少なくとも１種の添加元素を添加することもできる。
実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、セ氏９００度での硬度を依然としてＨＶ１００より大きくすることができることが示された。このため、本発明の高硬度耐熱合金は、熱間加工工具金属、高温応用部品（例えば、タービン羽根）、または高温応用器具（例えば、航空宇宙エンジン）の製作への応用に高いポテンシャルを持つことが証明された。

上記目的を達成するため、本発明が提供するかかる高硬度耐熱合金の第１実施例は、セ氏９００度での硬度がＨＶ１００より大きく、かつその組成はＣｏ_ｗＣｒ_ｘＮｉ_ｙＣ_ｚＭｏ_ｍＷ_ｎで表され、その内、ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ及びｎは、いずれも原子百分率の数値であり、かつｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ及びｎは、１０≦ｗ≦４０、３０≦ｘ≦５６、１０≦ｙ≦４０、６≦ｚ≦１３、ｍ≦８、及びｎ≦８で表される各不等式を満足する。

また、本発明が同時に提供するかかる高硬度耐熱合金の第２実施例は、セ氏９００度での硬度がＨＶ１００より大きく、かつその組成はＣｏ_ｗＣｒ_ｘＮｉ_ｙＣ_ｚＭｏ_ｍＷ_ｎＭ_ｓで表され、その内、Ｍは、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｕ及びＦｅからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素であり、その内、ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ、ｎ及びｓは、いずれも原子百分率の数値であり、かつｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ、ｎ及びｓは、１０≦ｗ≦４０、３０≦ｘ≦５６、１０≦ｙ≦４０、６≦ｚ≦１３、ｍ≦８、ｎ≦８、及びｓ≦１０で表される各不等式を満足する。

実行可能な実施例において、かかる高硬度耐熱合金は、真空アーク融解法、電熱糸加熱法、誘導加熱法、急速凝固法、機械的合金法及び粉末冶金法からなる群から選択される１種の処理方法を利用して作製される。

実行可能な実施例において、かかる高硬度耐熱合金の形態は、粉末、線材、溶接棒、フラックス入り溶接ワイヤ、及びバルク材のうちのいずれか１つである。

実行可能な実施例において、かかる高硬度耐熱合金は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、熱焼結、三次元積層造形、機械加工、及び化学加工からなる群から選択される１種の処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工される。

実行可能な実施例において、かかる高硬度耐熱合金は、鋳造状態の合金、または均質化熱処理を経た均質化状態の合金である。

本発明は、一種の高硬度耐熱合金の用途を同時に提供し、それは熱間加工工具金属、高温応用部品、または高温応用器具の製造に用いられる。

ＳＫＤ６１炭素鋼から作製される熱間押出成形用金型の写真を示す図である。 本発明にかかる高硬度耐熱合金から作製される熱間押出成形用金型の写真を示す図である。

本発明にかかる高硬度耐熱合金及びその用途をより明瞭に記述するために、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を以下に詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１において、本発明の高硬度耐熱合金は、セ氏９００度での硬度がＨＶ１００より大きく、かつその組成はＣｏ_ｗＣｒ_ｘＮｉ_ｙＣ_ｚＭｏ_ｍＷ_ｎで表される。本発明の設計によれば、ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ及びｎは、いずれも原子百分率の数値であり、かつｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ及びｎは、１０≦ｗ≦４０、３０≦ｘ≦５６、１０≦ｙ≦４０、６≦ｚ≦１３、ｍ≦８、及びｎ≦８で表される各不等式を満足する。例を挙げて言えば、かかる高硬度耐熱合金は、４０ａｔ％のコバルト（Ｃｏ）、３０ａｔ％のクロミウム（Ｃｒ）、１８ａｔ％のニッケル（Ｎｉ）、６ａｔ％の炭素（Ｃ）、３ａｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、及び３ａｔ％のタングステン（Ｗ）を含む。この状態では、かかる高硬度耐熱合金の組成は、Ｃｏ_４０Ｃｒ_３０Ｎｉ_１８Ｃ_６Ｍｏ_３Ｗ_３で表され、即ち、ｗ＝４０、ｘ＝３０、ｙ＝１８、ｚ＝６、ｍ＝３、かつｎ＝３である。

（実施例２）
実施例２において、本発明のかかる高硬度耐熱合金は、セ氏９００度での硬度がＨＶ１００より大きく、かつその組成はＣｏ_ｗＣｒ_ｘＮｉ_ｙＣ_ｚＭｏ_ｍＷ_ｎＭ_ｓで表され、その内、Ｍは、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｕ及びＦｅからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素である。
本発明の設計によれば、ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ、ｎ及びｓは、いずれも原子百分率の数値であり、かつｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ、ｎ及びｓは、１０≦ｗ≦４０、３０≦ｘ≦５６、１０≦ｙ≦４０、６≦ｚ≦１３、ｍ≦８、ｎ≦８、及びｓ≦１０で表される各不等式を満足する。例を挙げて言えば、かかる高硬度耐熱合金は、４０ａｔ％のコバルト（Ｃｏ）、３０ａｔ％のクロミウム（Ｃｒ）、１５ａｔ％のニッケル（Ｎｉ）、６ａｔ％の炭素（Ｃ）、３ａｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、３ａｔ％のタングステン（Ｗ）、及び３ａｔ％のニオブ（Ｎｂ）を含む。この状態では、かかる高硬度耐熱合金の組成は、Ｃｏ_４０Ｃｒ_３０Ｎｉ_１５Ｃ_６Ｍｏ_３Ｗ_３Ｎｂ_３で表され、即ち、ｗ＝４０、ｘ＝３０、ｙ＝１５、ｚ＝６、ｍ＝３、ｎ＝３、かつｓ＝３である。

換言すれば、本発明の高硬度耐熱合金は、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉの主要元素と、複数種の添加元素とを含む。また、かかるコバルト金属含有量は、従来公知のコバルト基超合金のコバルト金属含有量より顕著に少ない。その内、主要元素であるＣｏ、Ｃｒ、Ｎｉは、かかる高硬度耐熱合金のマトリックス相（あるいは主要相と称する）を構成し、かつ該マトリックス相の結晶構造は、面心立方構造（ｆａｃｅ ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ，ＦＣＣ）である。
より詳細に説明すると、本発明の高硬度耐熱合金の完成品または半完成品の形態は、粉末、線材、溶接棒、フラックス入り溶接ワイヤまたはバルク材であってもよい。このため、合金材料の設計と製造を熟知しているエンジニアであれば、そのエンジニアリング経験に基づいて、かかる高硬度耐熱合金の完成品または半完成品に加工を施すことができ、それを熱間加工工具金属、高温応用部品または高温応用器具として加工製造することができる。例を挙げて言えば、かかる熱間加工工具金属は、熱間押出成形用金型であってもよく、かかる高温応用部品は、タービン羽根であってもよく、かつかかる高温応用器具は、航空宇宙エンジンであってもよい。換言すれば、本発明の低コバルト含有量の高硬度耐熱合金は、比較的に低いコストで比較的に容易に取得可能な合金の組成により従来公知のコバルト基超合金を代替することができることから、航空宇宙産業、エネルギー産業及び化学工業などの分野に応用することができる。

補足説明すると、前述の加工方式は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、熱焼結、三次元積層造形、機械加工、あるいは化学加工であってもよい。このほか、本発明の高硬度耐熱合金は、一処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工されることもでき、該処理方法は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、熱焼結、三次元積層造形、機械加工、あるいは化学加工であってもよい。

本発明の高硬度耐熱合金を的確に実施することが可能であることを実証するために、以下、多数組の実験資料に沿って実証を行った。

（実験例１）
実験例１において、真空アーク融解炉を利用して本発明の高硬度耐熱合金の多数個のサンプルを製造すると共に、次に、各個のサンプルに対して均質化処理、硬度測定及び微細構造観察を行った。かかる多数個のサンプルの組成及びその関連実験データを下記の表（２）にまとめて示す。

上記の表（２）から、１０種のサンプルは、本発明の高硬度耐熱合金の実施例１、及び実施例２の成分組成を含有することが発見できる。このため、実験例１の関連実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、鋳造状態の合金、または均質化熱処理を経た均質化状態の合金であってもよく、かつそれが確かにセ氏９００度の環境下で依然としてＨＶ２５０より大きい硬度性質に維持されることが示された。このほか、実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、室温時に硬度がＨＶ４００より大きいことも示された。

（実験例２）
実験例２において、真空アーク融解炉を同様に利用して本発明の高硬度耐熱合金の多数個のサンプルを製造すると共に、次に、各個のサンプルに対して均質化処理、硬度測定及び微細構造観察を行った。かかる多数個のサンプルの組成及びその関連実験データを下記の表（３）、表（４）にまとめて示す。

上記の表（３）、表（４）に示される２０種のサンプルの関連実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、確かにセ氏９００度の環境下で依然としてＨＶ２５０より大きい硬度性質に維持されることが示された。このほか、実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、室温時に硬度がＨＶ５００より大きいことも示された。一方、元素Ｐｂを添加するため、サンプル＃９とサンプル＃２０には、優秀な潤滑性及び低摩擦係数を呈現することが観察された。また、元素Ａｌを添加するため、サンプル＃１５とサンプル＃２２には、同時に高抗酸化性能を呈現する。

補足説明すると、本発明の高硬度耐熱合金は、高含有量のクロミウム（Ｃｒ）及びニッケル（Ｎｉ）を含有するので、耐腐食性能が従来公知のコバルト基超合金よりも優れており、このことから、従来公知のコバルト基超合金を代替できることにより、航空宇宙産業、エネルギー産業及び化学工業などの分野に応用できる。

（実験例３）
市販のリニアスライドレールは、材質が炭素鋼または合金鋼であり、かつ通常、熱間押出成形用金型を備えている熱間押出成形設備を利用して製造する。該熱間押出成形用金型は、材質が通常、ＳＫＤ６１炭素鋼である。このため、実験例３において、本発明の高硬度耐熱合金は、リニアスライドレールを製造する熱間押出成形用金型の作製に用いられると共に、ＳＫＤ６１炭素鋼から作製される熱間押出成形用金型、及び本発明の高硬度耐熱合金から作製される熱間押出成形用金型を使用してそれぞれ１本のリニアスライドレールを製作する。

図１は、ＳＫＤ６１炭素鋼から作製される熱間押出成形用金型の写真を示す図であり、かつ図２は、本発明の高硬度耐熱合金から作製される熱間押出成形用金型の写真を示す図である。図１の写真（ａ）と写真（ｂ）とを比較した場合、ＳＫＤ６１炭素鋼の熱間押出成形用金型が用いられてリニアスライドレールの押出成形工程を完了した後、その型穴の周囲に明確な変形及びダメージが現出することが発見できる。
注意に値することは、図２の写真（ａ）と写真（ｂ）のように、本発明の高硬度耐熱合金から作製される熱間押出成形用金型が用いられてリニアスライドレールの押出成形工程を完了した後、その型穴の完全性は変わらないままでいることが発見できる点である。このため、図１と図２の実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、従来公知のＳＫＤ６１炭素鋼を代替できることにより、熱間加工工具金属の製作に応用されることが実証された。

以上のように、本発明に開示された高硬度耐熱合金の全ての実施例及びその実験データを既に十分かつ明瞭に説明してきた。上記の説明から分かるように、本発明は、以下の特徴及び利点を有する。

（１）本発明は、主にその組成が１０～４０ａｔ％のＣｏ、３０～５６ａｔ％のＣｒ、１０～４０ａｔ％のＮｉ、６～１３ａｔ％のＣ、０～８ａｔ％のＭｏ、及び０～８ａｔ％のＷを含む高硬度耐熱合金である。さらに、かかる高硬度耐熱合金の組成には、例えば、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｕ及びＦｅのような少なくとも１種の添加元素を添加することもできる。実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、セ氏９００度での硬度を依然としてＨＶ１００より大きくすることができることが示された。このため、実験データから、本発明の高硬度耐熱合金は、熱間加工工具金属、高温応用部品（例えば、タービン羽根）、または高温応用器具（例えば、航空宇宙エンジン）の製作への応用に高いポテンシャルを持つことが証明された。

強調すべき点は、上述で開示されたものは、単なる好適な実施例であり、一部の変更または修飾は、本願の技術思想をもとにして本願の特許権の範疇を逸脱しない限り、当該技術に習熟している者であれば、容易に推察できる点である。

Claims (12)

1. セ氏９００度での硬度がＨＶ１００より大きく、かつその組成がＣｏ_ｗＣｒ_ｘＮｉ_ｙＣ_ｚＭｏ_ｍＷ_ｎで表される高硬度耐熱合金であって、
   ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ及びｎは、いずれも原子百分率の数値であり、
   ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ及びｎは、１０≦ｗ≦４０、３０≦ｘ≦５６、１０≦ｙ≦４０、６≦ｚ≦１３、ｍ≦８、及びｎ≦８で表される各不等式を満足することを特徴とする、
   高硬度耐熱合金。
2. 前記高硬度耐熱合金は、真空アーク融解法、電熱糸加熱法、誘導加熱法、急速凝固法、機械的合金法及び粉末冶金法からなる群から選択される１種の処理方法を利用して作製されることを特徴とする、請求項１に記載の高硬度耐熱合金。
3. 前記高硬度耐熱合金の形態は、粉末、線材、溶接棒、フラックス入り溶接ワイヤ、及びバルク材のうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１に記載の高硬度耐熱合金。
4. 前記高硬度耐熱合金は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、熱焼結、三次元積層造形、機械加工、及び化学加工からなる群から選択される１種の処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工されることを特徴とする、請求項１に記載の高硬度耐熱合金。
5. 前記高硬度耐熱合金は、鋳造状態の合金、または均質化熱処理を経た均質化状態の合金であることを特徴とする、請求項１に記載の高硬度耐熱合金。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の高硬度耐熱合金の使用であって、
   前記高硬度耐熱合金は、熱間加工工具金属、高温応用部品、または高温応用器具の製造に用いられることを特徴とする、
   高硬度耐熱合金の使用。
7. セ氏９００度での硬度がＨＶ１００より大きく、かつその組成がＣｏ_ｗＣｒ_ｘＮｉ_ｙＣ_ｚＭｏ_ｍＷ_ｎＭ_ｓで表される高硬度耐熱合金であって、
   Ｍは、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｕ及びＦｅからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素であり、
   ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ、ｎ及びｓは、いずれも原子百分率の数値であり、
   ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ、ｎ及びｓは、１０≦ｗ≦４０、３０≦ｘ≦５６、１０≦ｙ≦４０、６≦ｚ≦１３、ｍ≦８、ｎ≦８、及びｓ≦１０で表される各不等式を満足することを特徴とする、
   高硬度耐熱合金。
8. 前記高硬度耐熱合金は、真空アーク融解法、電熱糸加熱法、誘導加熱法、急速凝固法、機械的合金法及び粉末冶金法からなる群から選択される１種の処理方法を利用して作製されることを特徴とする、請求項７に記載の高硬度耐熱合金。
9. 前記高硬度耐熱合金の形態は、粉末、線材、溶接棒、フラックス入り溶接ワイヤ、及びバルク材のうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項７に記載の高硬度耐熱合金。
10. 前記高硬度耐熱合金は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、熱焼結、三次元積層造形、機械加工、及び化学加工からなる群から選択される１種の処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工されることを特徴とする、請求項７に記載の高硬度耐熱合金。
11. 前記高硬度耐熱合金は、鋳造状態の合金、または均質化熱処理を経た均質化状態の合金であることを特徴とする、請求項７に記載の高硬度耐熱合金。
12. 請求項７～１１のいずれか１項に記載の高硬度耐熱合金の使用であって、
    前記高硬度耐熱合金は、熱間加工工具金属、高温応用部品、または高温応用器具の製造に用いられることを特徴とする、
    高硬度耐熱合金の使用。

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