JP3128233B2 - 耐食性の良好なニッケル基合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、クロム、シリコン、銅を含有し、また必要
に応じてその他の元素を含有する、厳しい腐食環境およ
び高温環境下で好適に使用される特性を有する耐食性の
良好なニッケル基合金に関するものである。

従来技術、および発明が解決しようとする課題 多くの工業設備および工業プロセスには、構成部品の
機械的および／または化学的性質について制約があるた
め、おのずと制限がある。タービンエンジンを例にとる
と、高温条件の下でも構成部品の寿命が長ければ、効率
の良い運転を行なうことができる。また、処理装置の構
成部品が腐食および／または高温環境に対し充分な耐食
性・耐熱性を備えていれば、薬品等の製品処理を能率的
に行なうことができる。

従来のニッケル基合金は、耐食性および機械特性に問
題が多く、工業上の要請を必ずしも全て満たしてきたわ
けではない。このため、これら要請に応じた種々のニッ
ケル基合金を提供することが求められている。こうした
ニッケル基合金は、個々の使用条件に見合うように複数
の特性を適当に組み合わせたものを開発する必要があ
る。個々のニッケル基合金相互の違いは僅かであり、ま
た微妙な違いであることもある。

表１には、特許に関連する従来合金が列挙されてい
る。本明細書および特許請求の範囲に記載された成分組
成は、特に説明のない限り重量パーセント（wt％）で示
されている。これら合金の各々は、概ね、優れた耐食
性、溶接延性、シャルピー衝撃強度または時効硬化特性
を有している。これら合金中には、前述した特性のうち
の２つ以上を有するものであるが、これら特性すべてが
適切に組み合わされた合金はない。表１に示す従来のニ
ッケル基合金のほぼ全てのものが、他の元素とともに、
クロム、銅、モリブデンおよびシリコンを含有してい
る。こうした合金は、高い含有量のクロム、シリコン、
炭素および銅が組合わせ使用されているため、鋳造用に
使用するには制限がある。

炭化物の析出および金属間相の発生を防ぐと共に、溶
体化焼鈍された状態で強酸化的環境にも耐えられる広範
囲の耐食性を持つ合金が必要とされている。しかしなが
ら従来の合金は、ある種の高酸化的環境においては充分
な耐食性を発揮することができない。

本発明の主目的は、焼鈍状態、溶接状態および熱時効
状態で酸化性環境に対して優れた耐食性を示すニッケル
基合金を提供することにある。

本発明の他の目的は、優れた耐食性を示すだけでな
く、時効または熱間機械加工成形時の構造変化により耐
熱安定性および機械的特性の失われることのない合金を
提供することにある。

本発明の別の目的は、析出強化された状態で塩化物環
境における応力腐食割れに対して耐性を持つ合金を提供
することにある。

本発明のその他の目的は、鍛造、鋳造成形を簡単に行
うことができ、また組立て製作が簡単であり、平衡状態
において、均質な固溶体ニッケル基合金を提供すること
にある。

課題を解決するための手段 本発明の目的は、鋳造および／または塑性加工によっ
て成形される、耐食性の良好な、以下のニッケル基合金
を提供することによって達成される。

1.5％以下のアルミニウム、0.06％以下の炭素、３％
以下のニオブ、11〜29％のクロム、20％以下のコバル
ト、１〜３％の銅、19％以下の鉄、２％以下のマンガ
ン、１〜6.5％のモリブデン、0.2％以下の窒素、3.5〜
6.5％のシリコン、２％以下のチタン、2.5％以下のタン
グステン、および残部がニッケルと通常の不純物からな
り、（20−Fe）×（Si−３）の値が５より大きいニッケ
ル基合金（含有量を示す数字は重量％である）。

このニッケル基合金は、以下の好適態様で提供可能で
ある。

0.5％以下のアルミニウム、0.04％以下の炭素、１
％以下のニオブ、16〜23％のクロム、10％以下のコバル
ト、１〜３％の銅、１〜10％の鉄、１％以下のマンガ
ン、１〜５％のモリブデン、0.1％以下の窒素、４〜６
％のシリコン、１％以下のチタン、および１％以下のタ
ングステンを含むニッケル基合金。

0.3％以下のアルミニウム、0.02％以下の炭素、0.3
％以下のニオブ、19〜21％のクロム、５％以下のコバル
ト、1.5〜2.5％の銅、３〜７％の鉄、0.5％以下のマン
ガン、1.5〜３％のモリブデン、0.03％以下の窒素、4.5
〜5.5％のシリコン、0.2％以下のチタン、および0.5％
以下のタングステンを含むニッケル基合金。

2Si/Crの値が0.35〜0.6の範囲にあり、Ni/Feの値が
２よりも大きい、ニッケル基合金。

本発明の合金は、鍛造材料、鋳造材料、粉末材料、溶
接材料として好適に使用されるが、とりわけ鍛造材料に
適している。

本発明合金の組成に関する詳細は、表２に示されてい
る。

実験に用いた全ての合金は、表２に示すように、選択
的に使用される種々の成分、アルミニウム、炭素、ニオ
ブ、コバルト、鉄、窒素、チタンおよびタングステンを
含有している。通例では、これらの成分は意図的に添加
することはなく、含まれていたとしてもその含有量は通
常の不純物程度の量である。

これらの合金は、多くの種類の酸化剤に対して、種々
の濃度および温度における耐性を有する。また、溶接曲
げ試験の結果から明らかなように、優れた溶接延性も有
する。シャルピー衝撃試験の結果から明らかなように、
熱安定性も特に優れている。時効硬化特性も良好であ
る。これら合金は、時効硬化状態で応力腐食割れに対す
る耐性も有する。

実施例 腐食について： クロム、シリコン、モリブデンおよび銅の腐食作用を
測定する一連の試験を行なった。クロムとシリコンを組
み合わせたものは濃硫酸等の強酸化性溶液に耐性があ
り、この優れた作用は既に多くの特許に記載されてい
る。しかしながら、使用されるシリコンの量が極めて重
要な意味を持ち、しかもクロムの量に依存していること
を新たに発見した。表３に示すように、強酸化性環境
（表３の環境Ｂ）下では、シリコンの含有量が多いほど
合金の耐性は高まる。僅かに弱い酸化性環境（環境Ａと
Ｃ）下では、シリコンに関しては腐食率が最大値を記録
し、シリコンが少量（３％まで）の場合には腐食に対し
効果が乏しく、含有量が多ければ効果的である。表３の
環境Ｄのように酸化力のさらに弱い酸では、シリコンに
代わってクロムが効果を発揮する。このように、合金が
様々な環境に対し耐性を持つには、クロムとシリコンの
割合を一定比率範囲内に収める必要がある。こうしたSi
とCrの相対する作用は、相対腐食率と2Si/Cr比率（２価
のものの使用はシリコンの作用を高め原子量を小さくす
るのに効果がある）として第１図に示す。第１図から
は、この比率が0.3〜0.6の範囲にあれば種々の酸化剤す
べてに耐性のあることが明らかである。この比率はCrと
Siについても適用できる。

また、90％H₂SO₄（環境Ｃ）の下では、MoとCuが有効
なことが明らかである。銅はこうした環境に特に効果的
である。しかしながら、銅の含有量が多すぎる（3.5％
を超える）と、耐孔食性および加工性にとって問題が残
る。最良の効果を上げるためには、銅の含有量が最大で
3.0％であり、約２％が好ましい。

溶接延性について： このクラスの合金は良好な溶接性を有する必要があ
る。表４に示す一連の試験が行なわれた。溶接曲げ延性
は、周知の２−Ｔ半径曲げ試験（Radius Bend Test）を
利用して測定した。試験結果から、Feに対するNiの比率
は1.0を超えてなくてはならないことが明らかである。
比率が１に満たない場合は、例えば、種々の組合わせの
酸に対する耐食性のない20種の鋼あるいは二相鋼のよう
な鉄系合金となる。

ステンレス鋼やある種のNi合金に含まれるシリコン
は、溶接割れの問題を引き起こしたり、溶接延性を低下
させることで知られている。しかしながら、本発明の合
金は、ニッケルの含有量がある範囲を超えてさえいれ
ば、こうした問題に対し優れた耐性を備えることができ
る。このことが本発明の重量なポイントである。溶接曲
げ試験の結果を表４に示す。ニッケル含有量の少ない場
合（約12％未満）、またはニッケル含有量が所定値（約
25％）を上回る場合、溶接部は２−Ｔ曲げ試験に合格す
ることが表４から明らかである。（20Cr−12Co−5Si合
金中の）Ni含有量が12％未満では、合金はマイクロ組織
中にフェライトを含み、溶接凝固の初期に少量のフェラ
イトが延性を高める効果のあることがよく知られてい
る。しかしながら、こうした状態は本発明の均質な固溶
体ニッケル基合金には見られない。ステンレス鋼に含ま
れる少量のフェライトは溶接時の割れを効果的に防ぐ
が、熱間成形加工時に遭遇する華氏1600度（871℃）の
高温に晒されると、フェライトが割れを起こす原因とな
ることがある。しかしながら、Niを多く含む合金は前記
温度でも割れることがない。

熱的安定性について： 一連の合金の熱的安定性は、華氏1600度（871℃）に
６分間または30分間にわたり晒した後に衝撃試験を行な
って測定した。試験結果を表５に示す。この試験データ
によれば、本発明のある種の合金（合金５−８）は、小
さな試験片ではあったが、充分な衝撃靭性を示した。本
発明の合金５−９は、６分間または１時間にわたり華氏
1600度（871℃）に晒された。いずれの合金も、（20−F
e）×（Si−３）の値が５未満の合金に比べて良好な衝
撃靭性を示した。なお、鉄は19％未満にする必要があ
る。

時効硬化について： これら合金は、熱処理によって大幅に硬化させること
のできる好ましい性質も有する。シリコンはAl,Tiと似
た働きをするが、これら成分とは大幅に違った働きもす
る。硬化を起こすために必要な時効温度は、シリコン合
金の場合には時効硬化し易いため低くなる。鉄の含有量
は約19％未満に、またシリコンの含有量は３％を超える
必要がある。硬化させるには、（20−Fe）×（Si−３）
値は５より大きくしなければならない。表６が試験デー
タを示している。

実施例および試験結果は本発明の特徴を明らかにして
いる。試験データは、本発明の合金が斬新な組合わせの
エンジニアリング特性を備えていることを示している。
比率および組成の選択範囲は、合金の実用性の見地から
設定されている。本発明の正確なメカニズムは完全に把
握できてはいないが、特定した比率のものが最良の結果
を生むことが明らかにされている。なお、本発明は、必
須成分の特定の組成範囲と共に、上記のような特定の成
分同士の比率も必要としている。

本発明の実験に使用したサンプルは、板や鋳物、溶接
材料、あるいはこれらに類似するものとして制作され、
この制作に伴う障害は何ら発生していない。本発明の合
金は、鋳造品、鍛造品および焼結製品として、あるいは
溶接加工に用いられる物品や溶接物としても製作するこ
ともできる。

実施例を参照しながらこれまで説明してきた本発明の
新規な原理は、当業者であれば如何様にも修正しまた様
々に応用することができる。従って、添付した特許請求
の範囲内であれば、前述した本発明の実施例は如何様に
も変更することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、相対腐食率と2Si/Cr比率との関係を示すグラ
フである。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量パーセントで、1.5％以下のアルミニ
   ウム、0.06％以下の炭素、３％以下のニオブ、11〜29％
   のクロム、20％以下のコバルト、１〜３％の銅、19％以
   下の鉄、２％以下のマンガン、１〜6.5％のモリブデ
   ン、0.2％以下の窒素、3.5〜6.5％のシリコン、２％以
   下のチタン、2.5％以下のタングステン、および残部が
   ニッケルと通常の不純物からなり、（20−Fe）×（Si−
   ３）の値が５より大きく、鋳造および／または塑性加工
   によって成形される、耐食性の良好なニッケル基合金。
2. 【請求項２】0.5％以下のアルミニウム、0.04％以下の
   炭素、１％以下のニオブ、16〜23％のクロム、10％以下
   のコバルト、１〜３％の銅、１〜10％の鉄、１％以下の
   マンガン、１〜５％のモリブデン、0.1％以下の窒素、
   ４〜６％のシリコン、１％以下のチタン、および１％以
   下のタングステンを含む請求項１に記載されたニッケル
   基合金。
3. 【請求項３】0.3％以下のアルミニウム、0.02％以下の
   炭素、0.3％以下のニオブ、19〜21％のクロム、５％以
   下のコバルト、1.5〜2.5％の銅、３〜７％の鉄、0.5％
   以下のマンガン、1.5〜３％のモリブデン、0.03％以下
   の窒素、4.5〜5.5％のシリコン、0.2％以下のチタン、
   および0.5％以下のタングステンを含む請求項１に記載
   されたニッケル基合金。
4. 【請求項４】2Si/Crの値が0.35〜0.6の範囲にあり、Ni/
   Feの値が２よりも大きい請求項１に記載されたニッケル
   基合金。
5. 【請求項５】鍛造用材料である請求項１に記載されたニ
   ッケル基合金。