JP3135224B2 - イリジウム基合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、エネルギー開発機
器、宇宙産業用部材、高融点材料溶解用坩堝等の高温機
器に用いる耐熱材料に関し、その具体的な用途としては
発電用ガスタービン、ガスタービンブレード、ジェット
エンジン、温度センサー並びに保護具材、そして半導体
材料、窯業用材料、単結晶等の高融点材料溶解用坩堝、
ガラスレンズの型材、ガラス溶解装置、或いは化学繊維
ノズル等の高温における強度、耐酸化性等が要求される
耐熱材料、更に、燃焼機器構造材等に用いられる耐熱材
料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスタービンブレード等に用いら
れているこの種の耐熱材料としては主にニッケル基合金
であることが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ニッケル基
合金はその融点が略1300℃であるところから、その強度
を発揮し得る温度は実質的に1100℃程度であり、1100℃
が使用限界温度、つまり耐用温度とされている。従っ
て、このニッケル基合金は1100℃以上の高温領域での使
用は不可能となる。

【０００４】又、タンタル、ニオブ、モリブデン、タン
グステン、白金、純イリジウム等は高融点材料として知
られているが、これら一種の元素からなる高融点材料は
真空若しくは不活性ガス雰囲気中で使用する限りでは融
点直下までの高温域で強度を発揮し得るが、大気中や燃
焼ガス等の雰囲気中ではある温度範囲で急速に酸化消耗
してしまうため、前述した各種用途には使用できない場
合もある。ところで、純イリジウムに注目して見ると、
その融点は2454℃と高い高融点材料ではあるが、脆いた
めに展延性に乏しく、例えば 0.5mm程度の薄板に加工す
ることが極めて困難なことから、その用途範囲も限れて
いた。更に、大気中での酸化消耗が激しく、例えば大気
中においては、800 〜1050℃の温度範囲では激しく酸化
し、酸化物（Ｉr Ｏ2 及びＩr Ｏ3 ）として昇華するこ
とから消耗してしまう。しかし、1500℃以上になるとそ
の酸化物は成分に分解されることから、酸化の進行は抑
えられることになる。従って、純イリジウムからなる高
融点材料は大気中や燃焼ガス雰囲気中における800 〜10
50℃の温度範囲で急速に酸化消耗してしまうことから、
実用性に欠ける高融点材料であった。

【０００５】本発明はこの様な従来事情に鑑みてなされ
たもので、その目的とする処は、1100℃以上の高温域で
の耐熱材料として要求される高温強度（耐力）に優れ、
しかも、大気中における800 〜1050℃の温度範囲での耐
酸化性に優れ、更に、材料の薄肉化を可能とする加工性
を向上させる上で要求される展延性が改善されたイリジ
ウム基合金を提供することにある。

【０００６】

【課題を達成するための手段】課題を達成するために本
発明は、耐熱材料であって、純イリジウムをベースと
し、第二元素としてロジウムを0.1〜30wt％の範囲内で
添加し、更に第三元素として白金、ルテニウム、レニウ
ム、クロム、バナジウム、モリブデンこれらいずれか一
種を0.1〜20wt％の固溶範囲（単相領域）内で添加し、
この第三元素と前記第二元素との添加総量を 0.2〜50wt
％の固溶範囲（単相領域）内に抑えたことを要旨とす
る。斯る技術的手段によれば、ロジウムからなる第二元
素を0.1〜30wt％の範囲内、そして白金、ルテニウム、
レニウム、クロムこれらいずれか一種からなる第三元素
を0.1〜20wt％の固溶範囲（単相領域）内での添加によ
りイリジウムの表面に耐酸化性に優れた安定被膜が生成
される。それにより、大気中や燃焼ガス雰囲気中におい
て酸化消耗が最も激しい 800〜1050℃における酸化消耗
を極端に抑える耐酸化性が図られると共に、固溶体硬化
がもたらされてイリジウムの強化が図られる。更には粘
性も改善されて優れた展延性が得られる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の具体例を図面に基
づいて説明する。図１は本発明イリジウム基合金の一例
で、1200℃に加熱した状態で熱間圧延をした場合におけ
る肉眼的に圧延材の側面に割れが認められるまでの加工
度（％）と添加総量（wt％）との関係を示したグラフ、
図２は酸化消耗が最も激しくなる1050℃における酸化消
耗量と暴露時間との関係を示したグラフイリジウムの硬
さに及ぼす第二元素の影響を示したグラフであり、斯る
本発明においては、純イリジウム（Ｉｒ）をベースと
し、第二元素としてロジウム（Ｒｈ）を添加し、更に第
三元素として白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニ
ウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、モ
リブデン（Ｍｏ）これらいずれか一種を固溶範囲（単相
領域）内に添加し、前記第二元素の一部を第三元素で置
換させることで、例えば1050℃の高温における耐酸化性
に優れ、しかも加工性を向上させる上で要求される展延
性が改善された三元系合金を溶製する。

【０００８】そして、本発明においてはベースとなる純
イリジウムに対するロジウムからなる第二元素の添加量
を 0.1〜30wt％の範囲内に、更に白金、ルテニウム、レ
ニウム、クロム、バナジウム、モリブデンこれらいずれ
か一種からなる第三元素の添加量を 0.1〜20wt％の固溶
範囲（単相領域）内に、そして第三元素と第二元素との
総添加量を 0.2〜50wt％の固溶範囲（単相領域）内に夫
々抑えることが必要である。この理由は、第二元素の添
加量が 0.1wt％以下では、耐酸化性、固溶体硬化、粘性
が改善されず、耐熱性、展延性が純イリジウムと変わら
ない、つまり、イリジウムの特性が改善されないからで
ある。一方、30wt％以上になると、展延性が悪くなるか
らである。又、第三元素の添加量が 0.1wt％以下では、
上述したように、耐酸化特性、固溶硬化能、粘性の夫々
の改善効果が小さいからである。一方、20wt％以上にな
ると、第２相（金属間化合物）が析出し易くなり、耐酸
化性並びに展延性が悪くなるからである。そして、第三
元素と第二元素との純イリジウムに対する総添加量が
0.2wt％以下では、固溶硬化能が小さく、耐酸化特性、
展延性も純イリジウムのそれとさほど変わらないからで
ある。一方、50wt％以上になると、第２相（金属間化合
物）が析出し、耐酸化特性並びに展延性も悪くなるから
である。

【０００９】従って、本発明ではベースとなる純イリジ
ウムに対する第二元素のロジウムの添加量を 0.1〜30wt
％の範囲内に、第三元素の白金、ルテニウム、レニウ
ム、クロム、バナジウム、モリブデンこれらいずれか一
種の添加量を 0.1〜20wt％の固溶範囲（単相領域）内
に、そして第三元素と前記第二元素との添加総量を 0.2
〜50wt％の固溶範囲（単相領域）内に抑えることが好ま
しい。

【００１０】実施例１ ベースとなる純イリジウムに、第二元素として15wt％の
ロジウムを、更に第三元素として15wt％の白金を含み、
この第三元素と前記第二元素との添加総量が純イリジウ
ムに対し30wt％になるように秤取したＩｒ−15Ｒｈ−15
Ｐｔ系合金、又、ベースとなる純イリジウムに、第二元
素としてロジウム２wt％、第三元素としてルテニウム３
wt％を夫々添加し、その両元素の添加総量が５wt％にな
るように秤取したＩｒ−２Ｒｈ−３Ｒｕ系合金、又、ベ
ースとなる純イリジウムに、第二元素としてロジウム２
wt％、第三元素としてレニウム３wt％を夫々添加し、そ
の両元素の添加総量が５wt％になるように秤取したＩｒ
−２Ｒｈ−３Ｒｕ系合金これらの三元系合金を準備し、
アルゴンアーク溶解法によりボタン状に溶製した鋳塊を
大気中において熱間又は温間加工、例えば1200乃至1300
℃に加熱した状態で１パス 0.1％の圧下率で熱間圧延を
施し、圧延に伴う圧延材側面に肉眼的に認められる割れ
発生が生じるまでの加工度（％）を求めて展延性を評価
し、その後、板厚が 0.5〜 0.01mm 程度の薄板から箔に
至るまで圧延加工を施しながら、その圧延加工性を調べ
た。その結果を図３に例示する。又、この熱間加工によ
り得られた例えば板厚が 0.5mmの薄板を用いて酸化消耗
が最も激しくなる大気中における1050℃を選び、20時間
までの酸化消耗量を調べ、その結果を図４に例示する。

【００１１】実施例２ 又、ベースとなる純イリジウムに、第二元素としてロジ
ウム10wt％、第三元素としてモリブデン１wt％を夫々添
加し、その両元素の添加総量が純イリジウムに対し11wt
％になるように秤取したＩｒ−10Ｒｈ−１Ｍｏ系合金、
又、ベースとなる純イリジウムに、第二元素としてロジ
ウム２wt％、第三元素としてクロム３wt％を夫々添加
し、その両元素の添加総量が５wt％になるように秤取し
たＩｒ−２Ｒｈ−３Ｃｒ系合金の三元系合金を準備し、
アルゴンアーク溶解法によりボタン状に溶製した鋳塊を
前述した大気中において1200乃至1300℃に加熱した状態
での熱間圧延による展延性と、大気中において酸化が最
も激しくなる1050℃における酸化消耗量においても夫々
調べた。

【００１２】図３から明らかなように、三元系の各合金
の割れ発生までの加工度（％）は純イリジウムよりも改
善され、薄板から箔に至るまでの圧延加工が可能である
ことが分かる。つまり、本実施例で得られた各イリジウ
ム基三元系合金は粘性が改善され、加工性を向上させる
上で要求される展延性に優れていることが明らかになっ
た。又、図４から明らかなように、純イリジウムは酸化
消耗が激しいが、得られた総ての三元系合金は酸化消耗
が抑えられていることが分かる。つまり、酸化に対する
安定被膜が表面に生成され、純イリジウムの耐酸化性が
改善される。従って、本実施例で得られたイリジウム基
三元系合金は大気中において特に酸化消耗が最も激しい
1050℃の温度範囲での酸化の進行が抑えられた優れた耐
酸化性を有することが明らかになった。

【００１３】従って、本発明で得られたＩｒ−15Ｒｈ−
15Ｐｔ系合金、Ｉｒ−10Ｒｈ−１Ｍｏ系合金、Ｉｒ−２
Ｒｈ−３Ｒｕ系合金、Ｉｒ−２Ｒｈ−３Ｒｕ系合金、Ｉ
ｒ−２Ｒｈ−３Ｃｒ系合金、Ｉｒ−２Ｒｈ−３Ｖ系合
金、これら総てのイリジウム基三元系合金は、大気中に
おいて1200乃至1300℃に加熱した状態での加工性を向上
させる上で要求される展延性に優れ、しかも大気中にお
いて純イリジウムの酸化消耗が最も激しくなる1050℃に
おける耐酸化性に優れていることが明らかになった。

【００１４】

【発明の効果】本発明のイリジウム基合金は叙上の如く
構成してなるから、下記の作用効果を奏する。従来から
知られている例えばニッケル基合金は1100℃以上の使用
では、材料そのものを冷却する付帯設備を必要とする。
本発明のイリジウム基合金は1100℃以上の高温域での耐
熱材料として要求される高温における強度（耐力）、耐
酸化性に優れていることから、エネルギー効率の向上、
材料の強化による薄肉化、小型化が期待できる。従っ
て、本発明によれば、エネルギー効率の向上、そして材
料の強化による薄肉化、機器の小型化、寿命の延長が図
られる。しかも、展延性が優れていることから、塑性加
工が容易となり、展伸材としての用途範囲の拡張が期待
でき、有益且つ実用上の効果を大きく期待することがで
きる。更に、従来の耐熱材料では使用できなかった1100
℃以上の温度に耐えることで用途が開けることから、用
途範囲の拡張による経済的効果も大きい等の数々の効果
を期待することができる。

【００１５】又、大気中若しくは燃焼ガス雰囲気中のお
いて酸化消耗が最も激しくなる 800〜1050℃における純
イリジウムの特性が、第二元素のロジウムの添加、そし
て第三元素の白金、ルテニウム、レニウム、クロム、バ
ナジウム、モリブデンこれらいずれか一種の固溶範囲
（単相領域）内の添加によって大きく改善され、1100℃
以上の高温域での耐熱材料として要求される高温におけ
る耐酸化性にも優れ、そして展延性に優れた固溶体硬化
型のイリジウム基三元系合金が得られる。従って、本発
明によれば、 800〜1050℃の高温における耐酸化性に優
れていることから、耐熱材料としての用途範囲の拡張が
期待できる。しかも、耐熱材料としての耐酸化性に加え
て、塑性加工を図る上で要求される展延性においても優
れていることから、材料の薄肉化が期待できる。例えば
板厚が 0.5〜 0.01mm 程度の薄板から箔までの加工が可
能となる。よって、展伸材としての用途範囲の拡張も期
待できることから、その用途範囲の拡張による経済的効
果の期待が大きい等の数々の効果も期待することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明イリジウム基合金の一例で、1200℃に
加熱した状態で熱間圧延をした場合における肉眼的に圧
延材の側面に割れが認められるまでの加工度（％）と添
加総量（wt％）との関係を示したグラフ

【図２】 本発明イリジウム基合金の一例で、酸化消耗
が最も激しくなる1050℃における酸化消耗量と暴露時間
との関係を示したグラフ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−311584（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−88684（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−153053（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−280340（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−19078（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭42−12351（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭43−19751（ＪＰ，Ｂ１) 欧州特許702093（ＥＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 5/04 ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐熱材料であって、 イリジウムをベースとし、第二元素としてロジウムを0.
   1〜30wt％の範囲内で添加し、更に第三元素として白
   金、ルテニウム、レニウム、クロム、バナジウム、モリ
   ブデンこれらいずれか一種を0.1〜20wt％の固溶範囲内
   で添加し、この第三元素と前記第二元素との添加総量が
   0.2〜50wt％の固溶範囲内であることを 特徴とするイリ
   ジウム基合金。