JP2023029224A - Heat-resistant alloy material and elastic member formed by processing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温で使用される機器の弾性部材に向けたNi-Fe基合金からなる析出強化型の耐熱合金素材及びこれを加工成形した弾性部材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a precipitation-strengthened heat-resistant alloy material made of a Ni--Fe-based alloy and an elastic member formed by processing and molding the same for elastic members of equipment used at high temperatures.
近年、自動車向けターボチャージャでは、排気ガス温度の上昇に伴ってその使用温度も上昇し、ガスケットや皿バネといった構成部材にも更なる高耐熱化が求められている。このような高温環境下で使用される弾性部材には、例えば、析出強化型のNi-Fe基合金であるInconel 718(商品名)合金からなる耐熱合金素材が用いられている。しかしながら、同合金では、800℃以上の高温度域において、強化相であるγ“相やγ’相が機械強度の強化に寄与しないδ相へと変化するため、著しく高温強度が低下して弾性部材としてのバネ特性を維持できなくなってしまう。 In recent years, in turbochargers for automobiles, as the temperature of the exhaust gas rises, so does the operating temperature. For elastic members used in such a high-temperature environment, for example, a heat-resistant alloy material made of Inconel 718 (trade name) alloy, which is a precipitation-strengthened Ni—Fe-based alloy, is used. However, in this alloy, the strengthening phases γ″ phase and γ' phase change to the δ phase, which does not contribute to the enhancement of mechanical strength, in a high temperature range of 800°C or higher. It becomes impossible to maintain the spring characteristic as a member.
また、航空機のタービン部材に用いられるNi-Cr合金であるNimonic263(商品名)は、800℃において優れた高温機械強度を呈するものの、更なる高温度域に暴露されると、強化相であるγ’相が消失し、やはり高温でのバネ特性を期待できない。また、Coを20%近く含有しているため、素材コストの点でも不利である。 In addition, Nimonic 263 (trade name), which is a Ni--Cr alloy used for aircraft turbine components, exhibits excellent high-temperature mechanical strength at 800°C, but when exposed to a higher temperature range, a strengthening phase of γ The ' phase disappears, and spring characteristics at high temperatures cannot be expected. In addition, since it contains nearly 20% Co, it is disadvantageous in terms of material cost.
ここで、特許文献1では、オーステナイト系ステンレス鋼に代わり、自動車エンジンのシリンダーヘッドの金属ガスケットに用いられ得る、Coを含まないNi-Fe基合金からなる耐熱合金素材が開示されている。冷間加工でも容易に成形可能な合金板材を積極的な時効処理を行わない状態で使用に供することで、高温での使用中にオーステナイト基地中にγ’相が析出し、高い高温強度を維持できるとするものである。
Here,
Ni-Fe基合金からなる耐熱合金素材において、従来の800℃よりも高温、例えば、最高900℃まで使用可能な弾性部材が求められる。一方、特許文献1のCoを含まないNi-Fe基合金からなる耐熱合金素材において、ガスケットとしての想定使用温度は、600~800℃とされており、必ずしも850℃以上での使用は想定されていない。
In a heat-resistant alloy material made of Ni—Fe-based alloy, an elastic member that can be used at a temperature higher than the conventional temperature of 800° C., for example, up to 900° C. is required. On the other hand, in the heat-resistant alloy material composed of a Ni--Fe-based alloy that does not contain Co in
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、最高900℃まで使用可能な、高温で使用される機器の弾性部材に向けたNi-Fe基合金からなる析出強化型の耐熱合金素材及びこれを加工成形した弾性部材を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a Ni-Fe-based elastic member for equipment used at high temperatures, which can be used up to 900°C. An object of the present invention is to provide a precipitation-strengthened heat-resistant alloy material made of an alloy and an elastic member formed by processing the same.
本発明による耐熱合金素材は、質量%で、Ni:40~62%、Cr:13~20%、Nb+Ta:0.2~2.0%、Ti:1.5~2.8%、Al:1.0~2.0%(但し、Ti/Al:2.3以下)、W:3.0%以下、Mo:2.0%以下(但し、Mo+(1/2)W:1.0~2.5%)、Cu:0.1~3.0%、B:0.001~0.010%、Zr:0.01~0.05%、C:0.08%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.02%以下、S:0.01%以下、Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成の合金からなり、平均結晶粒径で100μmを超え250μm以下とした圧延焼鈍組織を有する厚さ1.5mm以下の板材であることを特徴とする。 The heat-resistant alloy material according to the present invention contains, in mass %, Ni: 40 to 62%, Cr: 13 to 20%, Nb+Ta: 0.2 to 2.0%, Ti: 1.5 to 2.8%, Al: 1.0 to 2.0% (however, Ti/Al: 2.3 or less), W: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less (however, Mo + (1/2) W: 1.0 ~2.5%), Cu: 0.1 to 3.0%, B: 0.001 to 0.010%, Zr: 0.01 to 0.05%, C: 0.08% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, P: 0.02% or less, S: 0.01% or less, Ca: 0.01% or less, Mg: 0.01% or less, balance Fe and unavoidable It is characterized by being a sheet material having a thickness of 1.5 mm or less and having a roll-annealed structure with an average crystal grain size of more than 100 μm and 250 μm or less.
かかる特徴によれば、加工成形し時効処理をすることで、最高900℃までの高温での使用においても弾性部材としての機械強度を維持できる耐熱合金素材を与え得るのである。 According to such characteristics, by processing and forming and aging, it is possible to provide a heat-resistant alloy material that can maintain mechanical strength as an elastic member even when used at high temperatures up to 900°C.
本発明による1つの実施例としての耐熱合金素材及びこれを加工成形した弾性部材について、図1及び図2を用いて説明する。 A heat-resistant alloy material and an elastic member formed by processing the same as one embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
本実施例による耐熱合金素材は、質量%で、Ni:40~62%、Cr:13~20%、Nb+Ta:0.2~2.0%、Ti:1.5~2.8%、Al:1.0~2.0%(但し、Ti/Al:2.3以下)、W:3.0%以下、Mo:2.0%以下(但し、Mo+(1/2)W:1.0~2.5%)、Cu:0.1~3.0%、B:0.001~0.010%、Zr:0.01~0.05%、C:0.08%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.02%以下、S:0.01%以下、Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下で含み得て、残部を実質的にFeとする成分組成を有するNi-Fe基合金によって得られる。 The heat-resistant alloy material according to this embodiment has, in terms of % by mass, Ni: 40 to 62%, Cr: 13 to 20%, Nb+Ta: 0.2 to 2.0%, Ti: 1.5 to 2.8%, Al : 1.0 to 2.0% (however, Ti/Al: 2.3 or less), W: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less (however, Mo + (1/2) W: 1.0% or less) 0 to 2.5%), Cu: 0.1 to 3.0%, B: 0.001 to 0.010%, Zr: 0.01 to 0.05%, C: 0.08% or less, Si : 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, P: 0.02% or less, S: 0.01% or less, Ca: 0.01% or less, Mg: 0.01% or less , and the balance is substantially Fe.
図1に示すように、かかるFe-Ni基合金は、熱間鍛造などによってスラブやビレットとされ、さらに、熱間圧延によって所望の形状に成形される(熱間圧延:S1)。さらに、所定の圧延比を得られるよう冷間圧延を行って加工歪みを与える(冷間圧延:S2)。続いて、加熱して加工歪みによる応力を一部緩和させるよう焼鈍処理を行う(焼鈍処理:S3)。冷間圧延(S2)においては、圧延を複数回に分けて行ってもよく、各圧延の後には同様に焼鈍処理(S3)が行われる。最終的な焼鈍処理(S3)の後において、100μmを超え250μm以下の平均結晶粒径を有する圧延焼鈍組織を得るとともに、厚さ1.5mm以下の板材とされるよう、各工程の条件が設定される。 As shown in FIG. 1, such an Fe—Ni-based alloy is made into a slab or billet by hot forging or the like, and further formed into a desired shape by hot rolling (hot rolling: S1). Furthermore, cold rolling is performed to give work strain so as to obtain a predetermined rolling ratio (cold rolling: S2). Subsequently, annealing treatment is performed so as to partially relax the stress due to working strain by heating (annealing treatment: S3). In the cold rolling (S2), the rolling may be performed in a plurality of times, and the annealing treatment (S3) is similarly performed after each rolling. The conditions of each step are set so that after the final annealing treatment (S3), a rolled annealed structure having an average grain size of more than 100 μm and 250 μm or less is obtained, and a plate material having a thickness of 1.5 mm or less is obtained. be done.
なお、平均結晶粒径については、使用環境となる800℃以上の温度、例えば900℃程度の温度におけるクリープ強度を高く保つために比較的大きくすることが必要とされる。一方で、過剰に大きくすると延性を低下させて加工性を損なってしまう。そこで、平均結晶粒径は上記した100μmを超え250μm以下の範囲内とする。平均結晶粒径を120~200μmの範囲内とするとさらに好ましい。なお、平均結晶粒径は、JIS G0551:2013に基づき、板幅方向の断面(TD断面)において厚さ方向の中央部で測定する。 It should be noted that the average crystal grain size is required to be relatively large in order to maintain a high creep strength at a temperature of 800° C. or higher, for example, a temperature of about 900° C., which is the operating environment. On the other hand, if it is too large, the ductility will be lowered and the workability will be impaired. Therefore, the average crystal grain size should be within the above-described range of more than 100 μm and 250 μm or less. It is more preferable to set the average crystal grain size within the range of 120 to 200 μm. The average crystal grain size is measured at the central portion in the thickness direction of a cross section (TD cross section) in the sheet width direction based on JIS G0551:2013.
これによって、γ’析出硬化型の耐熱合金素材を得ることができる。このように、本実施例における耐熱合金素材は焼鈍処理(S3)を最終工程として得られている。 As a result, a γ' precipitation hardening heat-resistant alloy material can be obtained. Thus, the heat-resistant alloy material in this embodiment is obtained by the annealing treatment (S3) as the final step.
また、得られた耐熱合金素材を、切断や機械加工などによって所定の形状に加工成形し(加工成形:S4)、時効処理によってγ’相からなる微細析出物を結晶粒内に分散析出させて硬化させる(時効処理:S5)ことで、金属ガスケットや皿バネ、板バネなどの弾性部材を得ることができる。このとき、弾性部材の硬さは、時効処理(S5)によって、Hv300~450の範囲内に調整されることが好ましい。 Further, the obtained heat-resistant alloy material is processed and formed into a predetermined shape by cutting, machining, etc. (processing and forming: S4), and fine precipitates of the γ' phase are dispersed and precipitated in the crystal grains by aging treatment. By hardening (aging treatment: S5), elastic members such as metal gaskets, disk springs, and leaf springs can be obtained. At this time, the hardness of the elastic member is preferably adjusted within the range of Hv 300 to 450 by aging treatment (S5).
これによって、最高900℃まで使用可能な、高温で使用される機器の弾性部材とすることができる。 This can be used as an elastic member for equipment used at high temperatures, which can be used up to 900°C.
なお、上記した成分組成は、さらに、Co:0.05~5.0質量%を含んでもよい。Coの添加によりクリープ強度を向上させ得る。 The component composition described above may further contain Co: 0.05 to 5.0% by mass. Addition of Co can improve the creep strength.
また、上記した成分組成は、V:0.05~1.0質量%、REM:0.005~0.05質量%のいずれか一方、又は双方を含んでもよい。Vの添加によって機械強度を向上させ得て、REMの添加によって粒界の耐酸化性を向上させ得る。なお、REMは希土類元素であり、Sc、Y及びランタノイドを含む計17種類の元素が該当し、これらの元素の総和が上記した範囲内となるよう1種又は2種以上を添加させ得る。 In addition, the component composition described above may contain either one or both of V: 0.05 to 1.0% by mass and REM: 0.005 to 0.05% by mass. The addition of V can improve the mechanical strength, and the addition of REM can improve the oxidation resistance of grain boundaries. REM is a rare earth element, and includes a total of 17 elements including Sc, Y and lanthanoids, and one or more of these elements can be added so that the sum of these elements is within the above range.
また、上記した成分組成は、不可避に含有される不純物として、N:0.020質量%以下、O:0.005質量%以下で含むことを許容し、かかる数値を管理することで冷間加工性を確保することが好ましい。 In addition, the above-described component composition allows N: 0.020% by mass or less and O: 0.005% by mass or less as impurities that are inevitably contained. It is preferable to ensure the
ところで、γ’相による微細析出物は、高温での機械強度を向上させるために重要であり、特に結晶粒内に析出させることでクリープ強度の向上に大きく寄与する。そして、析出するγ’相の体積率は、γ’相の固溶温度におおよそ比例する。そのため、γ’相の固溶温度は940℃以上とされることが好ましい。これによって焼鈍処理(S3)においてγ’相を十分に固溶させ得るとともに、時効処理(S5)によってγ’相を十分に析出させることができる。一方で、γ’相の固溶温度が過剰に高くなると、合金の熱間加工性を低下させてしまう。そのため、γ’相の固溶温度は1010℃以下とされることが好ましい。 By the way, the fine precipitates of the γ' phase are important for improving the mechanical strength at high temperatures, and particularly when they are precipitated inside the crystal grains, they greatly contribute to the improvement of the creep strength. The volume fraction of the precipitated γ' phase is roughly proportional to the solid solution temperature of the γ' phase. Therefore, the solid solution temperature of the γ' phase is preferably 940°C or higher. As a result, the γ' phase can be sufficiently dissolved in the annealing treatment (S3), and the γ' phase can be sufficiently precipitated in the aging treatment (S5). On the other hand, if the solid solution temperature of the γ' phase is excessively high, the hot workability of the alloy is lowered. Therefore, the solid solution temperature of the γ' phase is preferably 1010°C or lower.
なお、γ’相の固溶温度は、γ’相を構成するNi、Al、Ti、Nb、Taのそれぞれの含有量によって調整され得て、熱力学計算によって算出することができる。そこで、熱力学計算によって算出されるγ’相の固溶温度を上記した940~1010℃の範囲内とするようにこれら成分の含有量を調整することも好ましい。なお、熱力学計算としては、例えば熱力学計算ソフトウェアThermo-Calc2020aを用い得る。同ソフトウェアを用い、熱力学データベースとしてTTNi8を使用してγ’相の固溶温度を算出することができる。 Note that the solid solution temperature of the γ' phase can be adjusted by the respective contents of Ni, Al, Ti, Nb, and Ta that constitute the γ' phase, and can be calculated by thermodynamic calculation. Therefore, it is also preferable to adjust the contents of these components so that the solid solution temperature of the γ' phase calculated by thermodynamic calculation is within the above range of 940 to 1010°C. For thermodynamic calculation, thermodynamic calculation software Thermo-Calc2020a, for example, can be used. The same software can be used to calculate the solid solution temperature of the γ' phase using TTNi8 as a thermodynamic database.
上記したようにγ’相からなる微細析出物は高温の機械特性を向上させるために重要であるが、900℃程度の環境において弾性部材が長時間使用される場合、γ’相を板状のη相やδ相へ変態させて、弾性部材としての機械強度を低下させてしまう場合がある。 As described above, the fine precipitates of the γ' phase are important for improving the mechanical properties at high temperatures. In some cases, the mechanical strength as an elastic member is lowered by transforming to η phase or δ phase.
図2に示すように、γ’相の析出物によるγ’粒子1が分散析出しているとき、γ’粒子1の存在しない白色組織2(点線内)を生成する場合がある。白色組織2は、η相又はδ相からなる板状析出物3を内包し、炭窒化物4を内包する場合もある。つまり、γ’粒子1を板状析出物3に変態させるため、その周囲においてγ’粒子1を減少させてしまうと考えられる。このような白色組織2は、γ’粒子1による析出強化を得られない部分となるため、機械強度の低下を招き得る。
As shown in FIG. 2, when the γ'
そこで、900℃程度の使用環境において高温での機械特性を長時間維持するために、このような白色組織の生成量を抑制するような成分組成とすることも好ましい。かかる成分組成を得られているかについては、耐熱合金素材についての加熱試験によって確認できる。加熱試験としては、例えば、耐熱合金素材から試験片を切り出し、900℃の環境下に400時間暴露する。その後、γ’相粒子の存在しない白色組織の断面面積率を測定する。白色組織の断面面積率としては10%以下とすることが好ましく、5%以下とすることがさらに好ましい。 Therefore, in order to maintain the mechanical properties at high temperatures for a long time in a use environment of about 900° C., it is also preferable to have a component composition that suppresses the amount of white tissue generated. Whether or not such a composition is obtained can be confirmed by a heating test on the heat-resistant alloy material. As a heating test, for example, a test piece is cut out from a heat-resistant alloy material and exposed to an environment of 900° C. for 400 hours. After that, the cross-sectional area ratio of the white structure in which no γ' phase particles are present is measured. The cross-sectional area ratio of white tissue is preferably 10% or less, more preferably 5% or less.
[製造試験]
次に、耐熱合金素材を実際に製造して、各種試験を行った結果について説明する。
[Manufacturing test]
Next, the results of actually manufacturing heat-resistant alloy materials and conducting various tests will be described.
まず、図3(a)及び(b)の実施例1~9及び比較例1~4に示す各成分組成の合金を用い、上記と同様に耐熱合金素材を得た。なお、耐熱合金素材は全て厚さ1mmに圧延した。 First, heat-resistant alloy materials were obtained in the same manner as described above, using alloys having respective chemical compositions shown in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 4 in FIGS. 3(a) and 3(b). All heat-resistant alloy materials were rolled to a thickness of 1 mm.
図4に示すように、得られた耐熱合金素材については、結晶粒径、γ’相の固溶温度、白色組織の断面面積率、及び、90°曲げ加工性を調査した。また、得られた耐熱合金素材に対し、800℃×8h保持後空冷の時効処理を行ったものでクリープ強度を調査した。 As shown in FIG. 4, the obtained heat-resistant alloy material was examined for crystal grain size, solid solution temperature of γ′ phase, cross-sectional area ratio of white structure, and 90° bending workability. Further, the obtained heat-resistant alloy material was subjected to an aging treatment of air cooling after holding at 800° C. for 8 hours, and the creep strength was investigated.
結晶粒径は、JIS G0551:2013に基づき、板幅方向の断面(TD断面)において厚さ方向の中央部で測定した平均結晶粒径とした。 Based on JIS G0551:2013, the grain size was the average grain size measured at the central portion in the thickness direction of the cross section (TD cross section) in the plate width direction.
γ’相の固溶温度は、熱力学計算ソフトウェアで算出し得るが、ここでは、Thermo-Calc2020aを用い、熱力学データベースとしてTTNi8を使用して算出した。 The solid solution temperature of the γ' phase can be calculated with thermodynamic calculation software, but here it was calculated using Thermo-Calc2020a and TTNi8 as a thermodynamic database.
白色組織の断面面積率は、得られた耐熱合金素材を900℃に400時間暴露する加熱試験を行った後に光学顕微鏡にて断面組織観察を行って求めた。 The cross-sectional area ratio of the white structure was determined by observing the cross-sectional structure with an optical microscope after conducting a heating test in which the obtained heat-resistant alloy material was exposed to 900° C. for 400 hours.
クリープ強度は、900℃雰囲気中にて50MPaの引張荷重を負荷したクリープ試験を行い、破断までの時間が50時間以上のものを「優」と判定して「〇」を記録し、40時間以上50時間未満のものを「良」と判定して「△」を記録し、40時間未満のものを「不良」と判定して「×」を記録した。 For creep strength, a creep test was performed with a tensile load of 50 MPa in an atmosphere of 900 ° C. If the time until rupture was 50 hours or more, it was judged as "excellent" and "O" was recorded, and 40 hours or more. Those of less than 50 hours were judged to be "good" and recorded "Δ", and those of less than 40 hours were judged to be "poor" and recorded "x".
90°曲げ加工性は、耐熱合金素材を90°に曲げて表面観察を行い、クラックの発生のなかったものを「良」と判定して「〇」を記録し、クラックの発生したものを「不良」と判定して「×」を記録した。 For the 90° bending workability, the heat-resistant alloy material was bent at 90° and the surface was observed. It was judged as "defective" and "x" was recorded.
実施例1~9においては、平均結晶粒径で100μmを超え250μm以下の範囲内とし、γ’相の固溶温度を940~1010℃の範囲内とし、白色組織の断面面積率を10%以下とすることができた。また、クリープ強度については実施例9を「良」とした以外全て「優」としており、90°曲げ加工性は全て「良」であった。 In Examples 1 to 9, the average crystal grain size is in the range of more than 100 μm and 250 μm or less, the solid solution temperature of the γ′ phase is in the range of 940 to 1010° C., and the cross-sectional area ratio of the white structure is 10% or less. I was able to The creep strength was rated as "excellent" except for Example 9, which was rated as "good", and the 90° bending workability was all rated as "good".
図5に示すように、実施例9については、白色組織を若干ながら生成しており、断面面積率は7%であった。他の実施例と比較すると、Ti/Alを2.09と比較的高くしたため、γ’相の安定性が若干低下し、白色組織の生成によってクリープ強度を若干低下させたものと考えられた。 As shown in FIG. 5, in Example 9, a slight white structure was generated, and the cross-sectional area ratio was 7%. Compared to other examples, the relatively high Ti/Al ratio of 2.09 slightly lowered the stability of the γ' phase, and it was thought that the creep strength was slightly lowered due to the formation of the white microstructure.
比較例1については、γ’相の固溶温度が861℃と低かったため、γ’相の析出物を十分維持できなかったものと考えられた。その結果、白色組織の断面面積率が90%以上と高く、クリープ強度は「不良」であった。 In Comparative Example 1, the solid solution temperature of the γ' phase was as low as 861°C, so it was considered that the precipitates of the γ' phase could not be sufficiently maintained. As a result, the cross-sectional area ratio of the white tissue was as high as 90% or more, and the creep strength was "poor".
比較例2及び比較例3は、実施例2と同じ成分組成の合金を用いた上で、冷間圧延(S2)と焼鈍処理(S3)の条件を変えて平均結晶粒径を変えたものである。平均結晶粒径は、実施例2の145μmに対し、比較例2で53μmと小さく、比較例3で303μmと大きくした。その結果、比較例2では、小さい結晶粒径のために、クリープ強度が「不良」であった。一方、比較例3では、大きな結晶粒径のために、クリープ強度が「優」であったが、90°曲げ加工性では「不良」であった。 In Comparative Examples 2 and 3, an alloy having the same chemical composition as in Example 2 was used, and the conditions of cold rolling (S2) and annealing treatment (S3) were changed to change the average grain size. be. The average crystal grain size was as small as 53 μm in Comparative Example 2 and as large as 303 μm in Comparative Example 3, compared to 145 μm in Example 2. As a result, in Comparative Example 2, the creep strength was "bad" due to the small crystal grain size. On the other hand, in Comparative Example 3, the creep strength was "excellent" due to the large crystal grain size, but the 90° bending workability was "poor".
比較例4については、γ’相の固溶温度が842℃と低かったため、比較例1と同様に白色組織の断面面積率を90%以上と高くし、クリープ強度が「不良」となった。 In Comparative Example 4, since the solid solution temperature of the γ' phase was as low as 842°C, the cross-sectional area ratio of the white structure was increased to 90% or more as in Comparative Example 1, and the creep strength was "poor".
ところで、上記した実施例と同等の機械的性質と良好な判定を得られる合金の成分組成の範囲は以下のように定められる。 By the way, the range of the composition of the alloy that can provide the same mechanical properties and good judgment as those of the above-described examples is determined as follows.
Niは、マトリックスをオーステナイトにして耐熱性及び耐食性を向上させ、析出強化相であるγ’相を生成させるとともに、相安定性と機械強度を得て熱間加工性を確保するために必要な元素である。一方で、過剰に含有させるとコストの増加を招く。これらを考慮して、Niは、質量%で、40~62%の範囲内であり、好ましくは40~54%の範囲内、さらに好ましくは45~54%の範囲内である。 Ni is an element necessary to improve heat resistance and corrosion resistance by making the matrix austenite, generate the γ' phase, which is a precipitation strengthening phase, and obtain phase stability and mechanical strength to ensure hot workability. is. On the other hand, an excessive content causes an increase in cost. Taking these into consideration, Ni is in the range of 40 to 62% by mass, preferably 40 to 54%, more preferably 45 to 54%.
Crは、耐熱性を確保するために必要な元素である。一方で、過剰に含有させるとσ相を析出させて靭性を低下させるとともに高温での機械強度を低下させる。これらを考慮して、Crは、質量%で、13~20%の範囲内、好ましくは13~18%の範囲内である。 Cr is an element necessary to ensure heat resistance. On the other hand, if it is contained excessively, it precipitates the σ phase and lowers toughness and mechanical strength at high temperatures. Considering these, Cr is in the range of 13 to 20%, preferably in the range of 13 to 18% by mass.
Tiは、Al、Nb、TaとともにNiと結合して高温での機械強度を向上させるために有効なγ’相を形成させ、γ’相の固溶温度を高く維持するために必要な元素である。一方で過剰に含有させると、加工性を低下させ、また、板状のη相(Ni3(Ti,Nb))を析出させやすくなり、高温での機械強度や靭性を低下させてしまう。これらを考慮して、Tiは、質量%で、1.5~2.8%の範囲内である。 Ti, along with Al, Nb, and Ta, is an element necessary to combine with Ni to form a γ' phase effective for improving mechanical strength at high temperatures and to maintain a high solid solution temperature of the γ' phase. be. On the other hand, if it is contained excessively, workability is lowered, and plate-like η phase (Ni 3 (Ti, Nb)) is likely to be precipitated, thereby lowering mechanical strength and toughness at high temperatures. Considering these, Ti is in the range of 1.5 to 2.8% by mass.
Alは、Niと結合してγ’相を形成させて高温での機械強度を確保するために必要な元素である、一方で過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。これらを考慮して、Alは、質量%で、1.0~2.0%の範囲内である。 Al is an element necessary for bonding with Ni to form a γ' phase and ensuring mechanical strength at high temperatures. Considering these, Al is in the range of 1.0 to 2.0% by mass.
ここで、Ti/Alは、析出硬化のために析出させる微細析出物とされるγ’相の相安定性を支配する。2.3以下でかかる相安定を得るが、2.3を超えると板状のη相の析出を誘引する。よって、Ti/Alは2.3以下とされる。また、好ましくは2.0以下である。 Here, Ti/Al governs the phase stability of the γ' phase, which is fine precipitates precipitated for precipitation hardening. Such phase stability is obtained at 2.3 or less, but if it exceeds 2.3, precipitation of plate-like η phase is induced. Therefore, Ti/Al is set to 2.3 or less. Moreover, it is preferably 2.0 or less.
Nbは、γ’相の形成元素であり、γ’相による硬化を促す効果を有する。一方で過剰に含有させるとη相(Ni3(Ti,Nb))を析出させやすくなり、高温での機械強度を低下させてしまう。また、Taは、同じくγ’相の形成元素であり、γ’相による硬化を促す効果を有する。一方で過剰に含有させるとη相(Ni3(Ti,Ta))を析出させやすくなり、同様に高温での機械強度を低下させてしまう。これらを考慮して、質量%で、Nbは、2.0%以下の範囲内、Taは、2.0%以下の範囲内である。但し、Nb+Taを0.2~2.0%の範囲内とする。 Nb is a γ' phase-forming element and has the effect of promoting hardening by the γ' phase. On the other hand, if it is contained excessively, the η phase (Ni 3 (Ti, Nb)) tends to precipitate, resulting in a decrease in mechanical strength at high temperatures. Ta is also a γ' phase-forming element and has the effect of promoting hardening by the γ' phase. On the other hand, if it is contained excessively, the η phase (Ni 3 (Ti, Ta)) tends to be precipitated, and likewise the mechanical strength at high temperatures is lowered. In consideration of these, in mass %, Nb is in the range of 2.0% or less, and Ta is in the range of 2.0% or less. However, Nb+Ta should be within the range of 0.2 to 2.0%.
W及びMoは、固溶することで母相を強化させて高温での機械強度を向上させるために必要な元素である。一方で、過剰に含有させると、コストの増加や加工性の低下を招く。これらを考慮して、質量%で、Wは3.0%以下、Moは2.0%以下の範囲内であり、さらに、Mo+(1/2)Wは1.0~2.5%の範囲内である。 W and Mo are elements necessary for strengthening the matrix phase and improving the mechanical strength at high temperatures by forming a solid solution. On the other hand, an excessive content causes an increase in cost and a decrease in workability. Considering these, in mass%, W is 3.0% or less, Mo is 2.0% or less, and Mo + (1/2) W is 1.0 to 2.5% Within range.
Cuは、冷間加工性を向上させ、耐酸化性の向上にも有効な元素である。一方で、過剰に含有させると熱間加工性を低下させる。これらを考慮して、Cuは、質量%で、0.1~3.0%の範囲内である。 Cu is an element that improves cold workability and is also effective in improving oxidation resistance. On the other hand, if it is contained excessively, the hot workability is lowered. Considering these, Cu is in the range of 0.1 to 3.0% by mass.
Bは、熱間加工性の向上に寄与するとともにη相の生成を抑制して高温での機械強度及び靭性の低下を防止し、さらに高温クリープ強度を向上させるために有効な元素である。一方で、過剰に含有させると、合金の融点を低下させて熱間加工性を劣化させる。これらを考慮して、Bは、質量%で、0.001~0.010%の範囲内である。 B is an element that contributes to the improvement of hot workability, suppresses the formation of η phase, prevents deterioration of mechanical strength and toughness at high temperature, and further improves high temperature creep strength. On the other hand, an excessive content lowers the melting point of the alloy and degrades the hot workability. Considering these, B is in the range of 0.001 to 0.010% by mass.
Zrは、粒界に偏析して粒界を強化し高温での機械強度を向上させるために有効な元素である。一方で、過剰に含有させると熱間加工性を低下させる。これらを考慮して、Zrは、質量%で、0.01~0.05%の範囲内である。 Zr is an element effective for segregating at grain boundaries to strengthen the grain boundaries and improve mechanical strength at high temperatures. On the other hand, if it is contained excessively, the hot workability is lowered. Considering these, Zr is in the range of 0.01 to 0.05% by mass.
Cは、CrやTi、Nb、Taと結合して炭化物を形成して高温での機械強度の向上に有効な元素であり、任意に添加し得る。一方で、過剰に含有させると、炭化物を過剰に生成して熱間加工性、冷間加工性、靭性、延性を損なう他、結晶粒の成長を抑制し所定の結晶粒径を得ることができなくなってしまう。これらを考慮して、Cは、質量%で、0.08%以下の範囲内である。 C is an element that combines with Cr, Ti, Nb, and Ta to form carbides and is effective in improving mechanical strength at high temperatures, and can be optionally added. On the other hand, if it is contained in excess, carbides are excessively formed, which impairs hot workability, cold workability, toughness, and ductility. It's gone. Considering these, C is within the range of 0.08% or less in mass%.
Siは、主に溶解精錬時における脱酸剤として作用する元素であり、任意に添加し得る。一方で、過剰に含有させると靭性を低下させ、加工性を損なう。これらを考慮して、Siは、質量%で、1.0%以下の範囲内である。 Si is an element that mainly acts as a deoxidizing agent during melting and refining, and can be optionally added. On the other hand, excessive content lowers the toughness and impairs workability. Considering these, Si is within the range of 1.0% or less in mass %.
Mnは、Siと同様に脱酸剤として作用する元素であり、任意に添加し得る。一方で、過剰に含有させると、加工性や高温での耐酸化性を損なう。これらを考慮して、Mnは、質量%で、1.0%以下の範囲内である。 Mn, like Si, is an element that acts as a deoxidizing agent and can be optionally added. On the other hand, an excessive content impairs workability and oxidation resistance at high temperatures. Considering these, Mn is within the range of 1.0% or less in mass %.
Mg及びCaはSを固定し、熱間加工性の改善に寄与する。一方で、過剰に含有させると、それぞれの元素の化合物を生成し、熱間加工性を低下させる原因となる。これらを考慮して、Mg及びCaは、質量%で、それぞれ0.01%以下の範囲内である。なお、これらの元素はいずれか1種類を添加しても、2種共に添加してもよい。 Mg and Ca fix S and contribute to the improvement of hot workability. On the other hand, if it is contained excessively, a compound of each element is formed, which causes deterioration of hot workability. In consideration of these, Mg and Ca are each within the range of 0.01% or less in terms of mass %. One of these elements may be added, or both of them may be added.
P及びSは不可避に含有される不純物であり、熱間加工性を低下させる。そこで、質量%で、Pは0.02%以下、Sは0.01%以下の範囲内である。 P and S are impurities that are inevitably contained and deteriorate hot workability. Therefore, in mass %, P is 0.02% or less and S is 0.01% or less.
Nは、不可避に含有される不純物元素であり、TiやAlと結合して窒化物を形成し、冷間加工性を低下させる。そこで、Nは、質量%で、0.020%以下の範囲内とすることが好ましい。 N is an impurity element that is inevitably contained, and combines with Ti and Al to form nitrides, which lowers cold workability. Therefore, N is preferably in the range of 0.020% or less in mass %.
Oは、不可避に含有される不純物元素であり、AlやCa等と結合して介在物を形成し、冷間加工性を低下させる。そこで、Oは、質量%で、0.005%以下の範囲内とすることが好ましい。 O is an impurity element that is inevitably contained, and combines with Al, Ca, etc. to form inclusions, which lowers the cold workability. Therefore, O is preferably in the range of 0.005% or less in mass %.
Coは、高温でのクリープ強度を向上させるために有効である。一方で、過剰に含有させると、コストの増加を招くだけでなく、γ’相の相安定性を低下させてしまう。これらを考慮して、Coは、質量%で、0.05~5%の範囲内で任意に含有させ得る。 Co is effective for improving creep strength at high temperatures. On the other hand, an excessive content not only leads to an increase in cost, but also lowers the phase stability of the γ' phase. Taking these into consideration, Co can be optionally contained within the range of 0.05 to 5% by mass.
Vは、炭化物を形成して高温での機械強度を向上させるために有効な元素である。一方で過剰に含有させると、耐酸化性を低下させる原因となる。これらを考慮して、Vは、質量%で、0.05~1.0%の範囲内で任意に含有させ得る。 V is an effective element for forming carbides and improving mechanical strength at high temperatures. On the other hand, if it is contained excessively, it causes deterioration of oxidation resistance. Considering these, V can be arbitrarily contained within the range of 0.05 to 1.0% by mass.
希土類元素(REM)は、粒界に偏析して耐酸化性を向上させるために有効な元素である。一方で、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる原因となる。これらを考慮して、REMは、質量%で、0.005~0.05%の範囲内で任意に含有させ得る。 A rare earth element (REM) is an element that segregates at grain boundaries and is effective in improving oxidation resistance. On the other hand, if it is contained excessively, it causes deterioration of hot workability. Taking these into consideration, REM can be arbitrarily contained within the range of 0.005 to 0.05% by mass.
その他の不可避的な不純物元素としては、Te、As、Sn、Sb、Se、Pb、Bi等が挙げられる。これらの元素は過剰に含有されると合金の熱間加工性及び高温強度を著しく低下させる。そのため、これらの元素の含有量は、それぞれの元素について、質量%で、0.0050%以下に制限されることが好ましい。また、不可避的不純物の例として、さらに、0.05質量%未満のCo、0.05質量%未満のV、0.005質量%未満のREMが挙げられる。 Other unavoidable impurity elements include Te, As, Sn, Sb, Se, Pb, Bi and the like. When these elements are excessively contained, the hot workability and high temperature strength of the alloy are remarkably lowered. Therefore, it is preferable that the content of these elements is limited to 0.0050% or less by mass % for each element. Examples of unavoidable impurities further include less than 0.05% by mass of Co, less than 0.05% by mass of V, and less than 0.005% by mass of REM.
以上、本発明の代表的な実施例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。 Although representative embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not necessarily limited thereto, and a person skilled in the art will be able to make modifications without departing from the spirit of the present invention or the scope of the appended claims. , one may find various alternatives and modifications.
1 γ’粒子
2 白色組織
3 板状析出物
4 炭窒化物
1 γ'
Claims (7)
Ni:40~62%、
Cr:13~20%、
Nb+Ta:0.2~2.0%、
Ti:1.5~2.8%、
Al:1.0~2.0%(但し、Ti/Al:2.3以下)、
W:3.0%以下、
Mo:2.0%以下(但し、Mo+(1/2)W:1.0~2.5%)、
Cu:0.1~3.0%、
B:0.001~0.010%、
Zr:0.01~0.05%、
C:0.08%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:1.0%以下、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
Ca:0.01%以下、
Mg:0.01%以下、
残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成の合金からなり、
平均結晶粒径で100μmを超え250μm以下とした圧延焼鈍組織を有する厚さ1.5mm以下の板材であることを特徴とする耐熱合金素材。 in % by mass,
Ni: 40-62%,
Cr: 13-20%,
Nb + Ta: 0.2 to 2.0%,
Ti: 1.5-2.8%,
Al: 1.0 to 2.0% (Ti/Al: 2.3 or less),
W: 3.0% or less,
Mo: 2.0% or less (however, Mo + (1/2) W: 1.0 to 2.5%),
Cu: 0.1 to 3.0%,
B: 0.001 to 0.010%,
Zr: 0.01 to 0.05%,
C: 0.08% or less,
Si: 1.0% or less,
Mn: 1.0% or less,
P: 0.02% or less,
S: 0.01% or less,
Ca: 0.01% or less,
Mg: 0.01% or less,
Made of an alloy with a component composition consisting of the balance Fe and unavoidable impurities,
A heat-resistant alloy material characterized by being a plate material having a thickness of 1.5 mm or less and having a rolling-annealed structure with an average crystal grain size of more than 100 μm and 250 μm or less.
A metal gasket, disk spring, or leaf spring formed by processing and molding the heat-resistant alloy material according to any one of claims 1 to 6, wherein Hv is adjusted to 300 to 450 by aging treatment after processing and molding. An elastic member characterized by:
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