JP3029546B2 - クロム拡散浸透耐熱合金部材とその製法 - Google Patents

クロム拡散浸透耐熱合金部材とその製法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、クロム拡散浸透耐熱合
金部材に係り、特に高温の腐食性雰囲気中で機械的に高
度な負荷を受ける環境下で使用されるクロム拡散浸透層
を有するNi又はCoを基材とする耐熱合金部材に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来から一般に行われている鉄鋼部材に
対するクロム拡散浸透処理方法(以下クロム浸透法)
は、金属クロムを多量に含む浸透剤を炭素鋼製の容器中
に被処理体とともに入れ、不活性ガス又は水素ガス雰囲
気中で高温状態に加熱して、被処理体表面に金属クロム
を析出させるとともに、被処理体内部へ拡散浸透させる
ものである。使用する浸透剤の形態によって、固体法
(粉末法)、気体法、液体法などがある。このうち固体
法は、金属クロム粉末50〜55%、アルミナ45〜5
5%、塩化アンモン0.5〜1.0%(何れも重量%)
から構成される浸透剤を炭素鋼製の容器に被処理体とと
もに入れ、アルゴンガス又は水素ガスを流しつつ、80
0〜1000℃の温度に数時間〜数十時間維持して、ク
ロム浸透層を形成させる方法である。
【0003】一方、気体法によるクロム浸透法は、塩化
クロム、臭化クロムなどのハロゲン化クロムを気体状態
で被処理体と反応させて、クロム浸透層を形成させる方
法である。例えば、塩化クロムガスと水素ガスを高温の
被処理体に接触させると、その表面に金属クロムが析出
し、このクロムが内部へ拡散することによって浸透層が
形成される。また、液体法では、クロムを含む溶融塩中
に被処理体を浸漬して、クロム浸透層を形成する方法で
ある。その他、電気めっき法によってクロムを被処理体
表面に形成させた後、これを加熱して内部へ拡散させ、
クロム浸透層を形成させる方法も知られている。
【0004】以上のようにクロム浸透法には、各種のプ
ロセスが知られているが工業的規模で実施されている方
法は固体法と気体法であり、他の処理方法は生産性が低
く経済性に劣るため、特殊な分野で行われているに過ぎ
ない。上記固体法と気体法における被処理体へのクロム
の析出機構は両方法とも全く同一である。すなわち、固
体法の浸透剤を用いても、これを高温状態にすると、塩
化アンモンなどのハロゲン化合物の作用によって、気体
状のハロゲン化クロムが生成し、これが被処理体と反応
してクロム浸透層を形成するので、浸透剤中の金属クロ
ム粉末の役割りは、ハロゲン化クロムの供給源として存
在しているだけであるので、ハロゲン化クロムを用いる
気体法と機構的には差異がない。
【0005】以上のクロムの析出反応を示すと概略次の
通りである。 CrX2 +Me → Cr+MeX2 (1) CrX2 +H2 → Cr+2HX (2) ここで、XはCl、Br、Fなどのハロゲン元素、Me
は被処理体を構成する金属元素である。また(1)式は
交換反応と呼ばれるもので、Crより蒸気圧の高いハロ
ゲン化合物を形成する金属元素が被処理体を構成する場
合(例えはFe)には、この反応によって容易にCrが
析出する。しかし、被処理体がNi、Co、Moなどの
ような非鉄金属を主成分とする場合には、これらのハロ
ゲン化合物の蒸気圧はCrX2 より低いので、(1)式
ではCrの析出は殆んど起こらない。したがって、非鉄
金属の被処理体に対しては、(2)式の水素還元反応に
よるCrの析出を利用する必要がある。
【0006】このため、ガスタービン、ジェットエンジ
ンのブレード、燃焼器ライナーなどの高温被曝部材など
に適用されるNi基やCo基耐熱合金に対するクロム浸
透法では、もっぱら前記(2)式の反応を利用したプロ
セスが推奨されている(例えば特公昭45−30321
号公報、特公昭42−49627号公報)。このよう
に、固体法、ガス法ともNi基やCo基耐熱合金に対す
るクロム浸透処理は、Crの析出反応を重視し、被処理
体内部への拡散現象とその利用については殆んど関心が
払われていない。特に従来のこの種耐熱合金へのクロム
浸透法が、耐高温酸化性や耐高温腐食性(以下耐高温腐
食性)を目的としていたため、拡散現象より表面に形成
される浸透層のCr濃度に注目する結果、高Cr浸透層
を形成し易いCrの析出条件を探究してきた経緯があ
る。この背景にはNi基やCo基耐熱合金に対するCr
の拡散速度が一般に小さく、気相中に析出したCrが耐
熱合金の表面に付着すれば、必然的に高Cr浸透層が形
成されるという事象がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記した既存のCr浸
透法で得られるNi基やCo基耐熱合金上の高Cr浸透
層は、耐高温腐食性には効果を発揮するものの、硫黄化
合物を含む高温の雰囲気中で、強い引張応力、疲労、機
械的接触などが負荷される環境条件下では、浸透層の最
表層部の高Cr濃度部にき裂が発生し易いうえ、これが
起点となってき裂が成長進展して重大な事故を誘発する
欠点がある。そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解消し、Ni基やCo基耐熱合金上に形成されるCr
浸透層の耐高温腐食性を維持しつつ、機械的諸性質を改
善したクロム拡散浸透耐熱合金部材とその製法を提供す
ることを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、クロム拡散浸透層を有するNi又はC
oを基材とする耐熱合金部材において、該クロム拡散浸
透層が表面クロム濃度25〜75%で、浸透層の厚さ1
0〜40μmであるクロム拡散浸透耐熱合金部材とした
ものである。
【0009】また、本発明では、Ni又はCoを基材と
する耐熱合金をクロム拡散浸透処理するに際し、処理時
のハロゲン化クロムの蒸気圧及び処理温度を制御するこ
とによって、形成されるクロム拡散浸透層が、表面クロ
ム濃度25〜75%、浸透層の厚さ10〜40μmの範
囲となるように調整しながら処理するクロム拡散浸透耐
熱合金部材の製法としたものである。前記の製法におい
て、クロム拡散浸透処理は、固体法又はガス法により行
うのがよい。
【0010】上記のように、本発明では、Ni基又はC
o基耐熱合金のクロム浸透処理において、次に示す処理
手順で、形成されるクロム浸透層のCr濃度及び拡散層
の厚さを前記範囲内とすることにより、耐硫化腐食性と
機械的強度に優れた耐熱合金部材を作る。 Crの析出反応に関与するハロゲン化クロムの分圧
を制御して析出するCr量を調整する。 のハロゲン化クロムの分圧を制御しつつ、処理温
度を変化させ浸透層Cr濃度とCr拡散層の厚さを調整
する。
【0011】本発明の具体的な製法としては、Ni基を
基材とする耐熱合金をクロム拡散浸透処理するに際して
は、塩化クロムの蒸気圧を0.7〜7mmHg、処理温
度を850〜970℃の範囲に制御することによって、
形成されるクロム拡散浸透層が、表面クロム濃度25〜
75%、浸透層の厚さ10〜40μmの範囲となるよう
に調整しながら処理するものである。
【0012】また、Co基を基材とする耐熱合金をクロ
ム拡散浸透処理するに際しては、塩化クロムの蒸気圧を
4〜47mmHg、処理温度が950〜1100℃の範
囲に制御することによって、形成されるクロム拡散浸透
層が、表面クロム濃度25〜75%、浸透層の厚さ10
〜40μmの範囲となるように調整しながら処理するも
のである。また、クロム拡散浸透層を上記のような範囲
内に維持することによって、該処理による成型品の面粗
度及び寸法精度を設計許容値内に維持でき、そのまま製
品として用いることができる。
【0013】
【作用】本発明が適用されるCr浸透法の機構について
説明する。上記したように、固体法及びガス法によるC
r浸透法とも、そのプロセスを分解すると、次のような
順序によって行われている。 (1)処理雰囲気中において、水素還元反応によってハ
ロゲン化CrからCrが遊離析出する。 (2)(1)の反応で析出したCrの微粒子が被処理体
の表面に析出する。 (3)付着したCrの微粒子が被処理体の内部へ拡散浸
透する。 (2)の反応が(3)の反応より速い場合には、被処理
体の表面に形成されるCr浸透層の断面は、図1(A)
に示すように、Cr濃度の高い浸透層が生成する。な
お、図1〜3において、1は被処理体、2はCr濃度の
高い付着層、3は拡散層である。
【0014】一方、(2)の反応が(3)の反応より遅
い場合は図1(B)に示すようにCr濃度の高い付着層
は生成せず、拡散層だけとなる。耐食性のみを目的とし
て、クロム拡散処理したままで使用する場合は、図1
(B)の様な被膜で充分である。一方、Ni基・Co基
耐熱合金においてはクロム拡散浸透処理をした後に安定
化処理、あるいは時効処理等の後熱処理を付与し、母材
の機械的性質を回復させる場合も多い。この様に後熱処
理を付与する場合、これらの熱処理によってクロム拡散
層の一部が酸化されたり、脱クロム現象が生じ、また母
材の内部へ拡散する場合がある。
【0015】一方、Cr濃度の高い付着層は、拡散層と
比較すると緻密である為、腐食性のガス成分が侵入しに
くくなる特徴がある。この為、この様な脱クロム現象が
生ずる場合には、Cr濃度の高い付着層を若干残した方
が有利である。図2(A)、図3(A)は若干のCr濃
度の高い付着層を残した場合のクロム拡散浸透後の断面
を示している。また、図2(B)、図3(B)は後熱処
理を付与した場合の断面を示しており、4は後熱処理後
に拡散した中Cr濃度の付着層である。Cr濃度の高い
付着層の厚さに対して、この様な2種の形態がある。図
3(B)の様な被膜が本発明の目的には最も良好である
が、図2(B)の様に薄い厚さのCr濃度の高い付着層
が残留していても問題はない。但し、図1(A)のよう
な過度のCr濃度の高い付着層は先に述べたごとくき裂
発生の危険性がある。
【0016】本発明は図1(B)、図2(B)あるいは
図3(B)のような構造を有し、その処理層の全厚が1
0〜40μmとなるような皮膜を得ようとするものであ
る。全処理層の厚さが10μmより薄いと耐高温腐食性
の効果が乏しく、40μmより厚い場合には機械的強度
が劣化し、き裂の発生とその伝播(進展)速度が早くな
る欠点がある。このような性状を有するCr浸透層を得
るため、具体的には、次に示すような方法を用いる。す
なわち (1)処理雰囲気中のハロゲン化Crの蒸気分圧を調整
し、雰囲気中に析出するCr量を制御する。 (2)処理雰囲気中のH2 分圧を調整し、析出するCr
量を制御する。 (3)(1)と(2)の条件を維持しながら、処理温度
を変化させることによって、被処理体内部へのCrの拡
散浸透層厚さを調整する。
【0017】ハロゲンとして塩化物のCrCl2 を例に
とると、その蒸気圧(mmHg)と温度との関係は次式
で表わされている。 logP=27.50−5.03logT−13800/T ここに、Pは蒸気圧(mmHg)、Tは絶対温度であ
る。この式から1000℃におけるCrCl2 の蒸気圧
は約11mmHgである。これにH2 ガスを十分供給す
るとすべてのCrCl2 が還元されて、Cr微粒子とな
って被処理体表面に付着し、その一部が内部へ拡散浸透
することとなる。
【0018】従来のCr浸透法では、このようにして被
処理体表面に付着するCr量を多くして、耐食性を向上
させることを目的としているが、本発明では上記のよう
な場合、反応するH2 ガス量を少なくしたり、またCr
Cl2 蒸気圧を低く抑えることによって、雰囲気中に析
出するCr量すなわち被処理体表面に付着するCr量を
調整し、最終的にはCr浸透層の表面濃度25〜75
%、拡散浸透層の厚さ10〜40μmの範囲に制御する
ものである。
【0019】上記Cr浸透層の表面濃度及び拡散浸透層
の厚さに調整するための塩化クロムの蒸気圧及び処理温
度は、Ni基合金では蒸気圧が0.7〜7mmHg、処
理温度が850〜970℃、Co基合金では蒸気圧が4
〜47mmHg、処理温度が950〜1100℃の範囲
であり、これらの範囲内で蒸気圧及び処理温度を制御す
ることによって、本発明のクロム拡散浸透層を得ること
ができる。
【0020】また、このようにして行うクロム拡散浸透
処理は、成型品にそのまま適用しても成型品の面粗度及
び寸法精度を設計許容値内に維持することができる。以
上クロム浸透処理をCrCl2 を用いて行う場合につい
て説明したが、CrBr2 、CrF2 などを用いる場合
にはそれぞれの蒸気圧及び処理温度を調整することによ
って本発明の目的とするCr浸透層表面の濃度と拡散層
厚さを得ることが可能であり、CrCl2 のみに限定さ
れるものではない。
【0021】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。 実施例1 本発明の耐熱合金部材を得るために図4に示すような装
置を用いて実験した。図4において11はNi製の処理
容器、12はハロゲン化Cr蒸気導入管、13はArガ
ス導入管、14はH2 ガス導入管、15はガス排出管で
あり、それぞれの管にはガスの供給あるいは排出調整が
可能なバルブを備えている。また処理容器全体は電気炉
中に置かれ、外部から加熱されるようになっており、1
6は処理容器内の温度計測用の管である。17は被処理
体でアルミナ焼結体の多孔質な板18の上に設置できる
ようになっている。
【0022】この実験装置を用い、次に示す2種類の耐
熱合金を用いてCr浸透処理を行った後、耐熱合金表面
に形成される浸透層のCr濃度と拡散層の厚さをX線マ
イクロアナライザーで測定した。 (1)Ni基耐熱合金(0.04C−15Cr−25T
i−7Fe−残Ni) (2)Co基耐熱合金(0.5C−26Cr−10Ni
−7.5W−2Fe−1Mn−残Co) なお、数字は重量%を示し、試験片寸法は直径15mm
×長80mmの管である。
【0023】これらの試験片を用い、1100℃におけ
るCrCl2 飽和蒸気圧(約47mmHg)雰囲気を構
成させ、これにH2 ガスをCrCl2 +H2 →Cr+2
HCl反応当量の1.5倍流し、10時間処理した。一
方、処理温度は1100℃に維持しながら、CrCl2
の蒸気圧を2mmHg(900℃の蒸気圧に等しい)と
し、H2 ガスを反応当量の1.5倍流し、10時間処理
した。表1は、この結果を示したものである。
【0024】
【表1】 (備考)(1)Cr濃度は重量%を示す。 (2)厚さはμmを示す。
【0025】表1から、CrCl2 蒸気圧の高い雰囲気
で処理されたNi基及びCo基耐熱合金はともに、その
表面に形成されるCr浸透層のCr濃度が非常に高く、
しかもその厚さもNi基で30μm、Co基でも15μ
mに達していた。また、拡散層の厚さはNi基で70μ
m、Co基では30μmであった。(Co基の拡散層厚
さの小さいのは合金中のC量が多く、浸透したCrが炭
化物として析出固定されたためである。)これに対し、
CrCl2 蒸気圧の低い雰囲気中で処理されたNi基及
びCo基耐熱合金では、表層部のCr濃度がNi基で4
0〜45%、Co基で48〜53%と低下した。しかし
拡散層の厚さは10%程度の減少にとどまっているのが
認められた。すなわち、CrCl2 蒸気圧の低い雰囲気
では、試験片表面に付着するCr量が低下する一方、温
度が高いため試験片内部への拡散速度は余り変化しない
ため、表面のCr濃度が低下したものと考えられる。
【0026】実施例2 本実施例では固体法によるCr浸透処理を行った。使用
した試験片材料及びその形状・寸法は実施例1と同じも
のである。図5は本実施例で用いた処理装置の概要を示
す。すなわち11はNi製処理容器、14はH2 ガス供
給管、15はガス排出管、17は試験片、16は温度計
測用挿入管であり、処理容器全体は電気炉中に設置さ
れ、外部から加熱されるようになっている。また、19
はCr浸透剤であり、その組成はCr粉末70%とAl
2 3 29%、塩化アンモン(NH4 Cl)1.0%
(重量%)である。
【0027】固体法では処理時間を10時間一定とし、
処理温度を600〜1100℃まで変化させて処理し、
処理後の試験片表面のCr濃度と拡散層の厚さを測定し
た。この処理温度におけるCrCl2 の蒸気圧は13×
10-4〜47mmHgである。なお、固体法ではCrC
2 の蒸気を外部から供給できないが、浸透剤中に含ま
れているNH4 Clが、338℃以上の温度で、次のよ
うに分解して、HClを発生し、これがCr粉末と反応
してCrCl2 を生成する。 NH4 Cl → NH3 +HCl 2HCl+Cr → CrCl2 +H2
【0028】ここで、生成するCrCl2 の蒸気圧は温
度によって一定値となるので、雰囲気中にH2 ガスが十
分存在すると、H2 ガスによって還元されるCr量も一
定値を示すことが予想される。 CrCl2 +H2 → Cr+2HCl 図6は各温度で処理した試験片表面のCr濃度、図7は
拡散層の厚さを示したものである。この結果から明らか
なように、温度が高くなるほど、浸透層表面のCr濃度
が高く、拡散層厚さが大きくなることが認められる。こ
のようなことから、本発明を固体法で実施する場合に
は、処理温度を変化させることによってCr濃度を制御
することが可能である。
【0029】またこの結果から、本発明が求めるNi基
合金上に形成されるCr濃度25〜75%、拡散層厚さ
10〜40μmが得られる条件は処理温度850〜97
0℃の範囲であることがわかる。一方、Co基合金では
Cr濃度の高い浸透層は得られるものの、合金中に含ま
れるC量が多いため、拡散層厚さは比較的小さくなる特
徴がある。このため本発明が好適とするCr濃度25〜
75%、拡散層厚さ10〜40μmが得られる処理温度
はNi基合金の場合より高く950〜1100℃の範囲
にあることがわかる。また本実施例の結果からわかるよ
うに、実際の拡散浸透処理においては拡散層の厚さを管
理する処理温度を選定すれば、Cr濃度は本発明の好適
範囲に入ることがわかった。
【0030】実施例3 実施例1及び2の方法で、Ni基合金上に各種濃度のC
r浸透層を形成させ、No1〜10としこれを下記条件
で高温硫化腐食試験を行った。 (1)腐食試験ガス 5mol%H2 S (2)温 度 600℃ (3)時 間 100時間 なお、No1とNo6は比較のため無処理のNi基及び
Co基合金試験片であり、No5とNo10は本発明の
範囲外の表面濃度を有するものである。耐食性の評価は
腐食試験前後の重量を測定することによって行った。表
2はこの結果を示したものである。
【0031】
【表2】
【0032】この結果から明らかなようにNi基及びC
o基合金上に形成されるCr浸透層の濃度は35%以上
あれば、拡散層厚さの大小に関係せず80%程度の高濃
度浸透層と同等の耐食性を示すことが確認されて、耐食
性に関する限り、過度の高Cr濃度は必要でないことが
判明した。
【0033】実施例4 次に、クロム拡散浸透処理における成型品の面粗度及び
寸法精度を調べるための試験を行った。試験は、径30
mm、厚さ10mmの円柱状の成型品として、実施例3
で用いたNi基合金で行った。上記成型品を実施例2に
準じてCr拡散浸透処理を行い、実施例3のNo2〜5
の浸透層の性状をもつ成型品を得た。その処理における
成型品の変形量及び面粗度を表3に示す。
【0034】
【表3】 このように、本発明の範囲内(No2〜4)のものは、
処理における変形量及び面粗度ともに小さく、成型品を
そのまま使用できる。本発明の範囲外の表面濃度及び拡
散層厚のNo5のものは変形量及び面粗度ともに大き
い。
【0035】
【発明の効果】以上実施例で詳述したように、本発明の
Cr濃度と拡散層厚さを備えたNi基及びCo基耐熱合
金部材は、高温の腐食性環境において、優れた耐食性を
示すとともに、機械的に高度な負荷がかかる環境におい
ても、き裂の発生が少ないうえ、その進展が緩慢である
などの性能を発揮する。また、本発明の範囲内のCr拡
散浸透処理では、成型品にそのまま適用しても面粗度及
び寸法精度を設計許容値内に維持でき、嵌合部材等の成
型品にそのまま使用できる。このため、ガスタービン、
ジェットエンジンの高温被曝部材をはじめ、高温の腐食
性ガス体を輸送する各種送風機部材の寿命を延長し、稼
動率の向上、プラントの安全、操業コストの低減などに
大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Cr浸透処理したNi基耐熱合金の断面模式図
で、(A)従来例、(B)本発明のものを示す。
【図2】Cr浸透処理したNi基耐熱合金の他の断面模
式図で、(A)従来例、(B)本発明のものを示す。
【図3】Cr浸透処理したNi基耐熱合金のもう一つの
断面模式図で、(A)従来例、(B)本発明のものを示
す。
【図4】実施例1で用いた装置の概略構成図。
【図5】実施例2で用いた装置の概略構成図。
【図6】固体法による処理温度と表面Cr濃度の関係を
示すグラフ。
【図7】固体法による処理温度と拡散層厚さの関係を示
すグラフ。
【符号の説明】
1:被処理体、2:高Cr濃度の付着層、3:拡散層、
4:中Cr濃度の付着層、11:処理容器、12:ハロ
ゲン化クロム蒸気導入管、13:Arガス導入管、1
4:H2 ガス導入管、15:ガス排出管、16:温度計
測用挿入管、17:被処理体、18:アルミナ製多孔質
板、19:クロム浸透剤
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河崎 正道 東京都大田区羽田旭町11番1号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 原田 良夫 兵庫県神戸市東灘区深江北町4丁目13番 4号 トーカロ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−90541(JP,A) 特開 昭49−78643(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 10/00 - 10/60

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クロム拡散浸透層を有するNi又はCo
    を基材とする耐熱合金部材において、該クロム拡散浸透
    層が表面クロム濃度25〜75%で、浸透層の厚さ10
    〜40μmであることを特徴とするクロム拡散浸透耐熱
    合金部材。
  2. 【請求項2】 Ni又はCoを基材とする耐熱合金をク
    ロム拡散浸透処理するに際し、処理時のハロゲン化クロ
    ムの蒸気圧及び処理温度を制御することによって、形成
    されるクロム拡散浸透層が、表面クロム濃度25〜75
    %、浸透層の厚さ10〜40μmの範囲となるように調
    整しながら処理することを特徴とするクロム拡散浸透耐
    熱合金部材の製法。
  3. 【請求項3】 前記クロム拡散浸透処理は、固体法又は
    ガス法により行うことを特徴とする請求項2記載のクロ
    ム拡散浸透耐熱合金部材の製法。
  4. 【請求項4】 Ni基を基材とする耐熱合金をクロム拡
    散浸透処理するに際し、塩化クロムの蒸気圧を0.7〜
    7mmHg、処理温度を850〜970℃の範囲に制御
    することによって、形成されるクロム拡散浸透層が、表
    面クロム濃度25〜75%、浸透層の厚さ10〜40μ
    mの範囲となるように調整しながら処理することを特徴
    とするクロム拡散浸透耐熱合金部材の製法。
  5. 【請求項5】 Co基を基材とする耐熱合金をクロム拡
    散浸透処理するに際し、塩化クロムの蒸気圧を4〜47
    mmHg、処理温度が950〜1100℃の範囲に制御
    することによって、形成されるクロム拡散浸透層が、表
    面クロム濃度25〜75%、浸透層の厚さ10〜40μ
    mの範囲となるように調整しながら処理することを特徴
    とするクロム拡散浸透耐熱合金部材の製法。
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