JP3582797B2

JP3582797B2 - 酸化物分散強化型合金の製造方法

Info

Publication number: JP3582797B2
Application number: JP09927094A
Authority: JP
Inventors: 隆成奥田; 優行藤原
Original assignee: Kobe Special Tube Co Ltd
Current assignee: Kobe Special Tube Co Ltd
Priority date: 1994-04-12
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JPH07278696A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は耐熱材料、耐摩耗材料等として用いられる酸化物分散強化型合金の製造方法であって、特に等方的な機械的特性を有し、高いクリープ強度を備えたものの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物分散強化型合金は、一般的に、金属粉末と酸化物粉末とをボールミルを用いて攪拌混合することにより、金属粒子内に酸化物粒子を分散埋入した複合化粒子からなる混合粉末を得、該混合粉末を原料として熱間押出あるいはＨＩＰ（熱間等方圧加圧）等の熱間加工により固化一体化し、構造部材等の素材として使用される。複合化粒子中には酸化物粒子が含まれているため、加工性が悪いと考えられており、通常、熱間固化の温度は、材料の変形抵抗を小さくして容易に所定形状に仕上げることができるように、できるだけ高温に設定される。例えば、特公昭６０−８２９６号に開示された分散強化フェライト型合金の実施例では１９５０゜Ｆ（１０６５゜Ｃ）で熱間押出が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様な高温で熱間押出した場合、酸化物粒子が加工方向に整列し、結晶粒が押出方向に長く伸びた組織になり、その後に熱処理あるいは圧延等の加工を施しても、酸化物粒子の存在により細長い結晶粒組織はほとんど変化することはない。一方、ＨＩＰにより焼結・成形した場合、焼結体は比較的等方的な組織になるが、ＰＰＢと呼ばれる粒界不純物が生成する。かかる粒界不純物があると、材料としての信頼性に欠けるので、ＰＰＢを消すための加工・熱処理が必要になり、結局、圧延や鍛造を施すと結晶粒が長く伸びた組織になる。
【０００４】
加工方向に結晶粒が長く伸びた組織では、加工方向のクリープ強度、伸びは良好であるが、加工方向に垂直な方向のクリープ強度、伸びが著しく低下するというう問題を生じる。タービン動翼のように長手方向のクリープ強度が要求される材料では、機械的特性の異方性の大きい、すなわち結晶粒が長く伸びた組織が好ましいが、ボイラー管等のように内圧クリープ強度が要求される材料では、周方向の機械的特性が低下するので好ましくない。
【０００５】
このように、酸化物分散強化型合金では、酸化物粒子が加工方向に整列し、結晶粒は加工方向に長く伸びた組織となるため、大きな機械的特性の異方性が回避できないと考えられてきた。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、機械的特性の異方性を抑制することができる酸化物分散強化型合金の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の酸化物分散強化型合金の製造方法は、金属粉末と酸化物粉末とを、Ｘ線回析により酸化物が検出されない状態になるまでボールミルにより攪拌混合して合金化粉末を得た後、該合金化粉末を酸化物が析出する温度以下で加工して固化一体化し、その後酸化物を析出させるための熱処理を施す。合金化粉末を固化一体化した後、酸化物が析出する温度以下で塑性加工を施し、その後、酸化物を析出させるための熱処理を、あるいは再結晶温度以上に加熱した後に酸化物析出熱処理を施すとよい。
【０００７】
【作用】
金属粉末と酸化物粉末とをボールミルにより攪拌混合すると、金属粉末粒子及び酸化物粉末粒子の圧壊と凝集とにより金属粒子中に酸化物粒子が微細に分散した複合化粒子となり、更にボールミルによる攪拌混合を継続すると、複合化粒子の圧壊と凝集とが繰り返されて、金属粒子中に酸化物粒子が原子レベルで分散した合金化粉末が得られる。ここに「原子レベルで分散」とは、Ｘ線回折により酸化物が検出されない状態をいう。尚、原子レベルでの分散に要するボールミルの攪拌混合時間は、原料粉末の粒径、使用するミルの出力等により、適宜決定される。また、原料粉末の粒径は金属粉末及び酸化物粉末とも特に限定されないが、通常、圧壊の容易さから、１００メッシュアンダーのものが使用される。
【０００８】
かかる合金化粉末には、酸化物粉末粒子がほとんど存在しないので、加工性に富むため、酸化物が析出しないような比較的低温でも容易に固化一体化加工を行うことができる。
その後、合金化粉末が固化一体化した材料を、酸化物が析出する温度に加熱することにより、微細な酸化物が基地中からランダムに分散析出する。この際、固化一体化の際に生じた結晶の異方性も再結晶により軽減される。
【０００９】
前記合金化粉末が固化一体化した合金には、化合物としての酸化物が存在しないため、加工性に富む。このため、酸化物析出温度以下で鍛造、圧延、抽伸等の種々の塑性加工を施すことにより、製品形状あるいはこれに近似した形状に容易に成形加工することができる。
前記塑性加工後、酸化物析出温度に加熱することにより、酸化物の分散状の析出と再結晶による結晶粒の異方性の軽減を行うことができる。勿論、塑性加工後、再結晶温度以上に加熱することにより、方向性のない等軸再結晶組織を容易に得ることができ、その後、酸化物析出熱処理を施すことにより、析出酸化物粒子がランダムに分布した等軸結晶組織の酸化物分散強化型合金が得られる。尚、塑性加工の加工度、再結晶熱処理条件及び酸化物析出熱処理条件（加熱温度、加熱時間）を調整することにより、結晶粒度及び酸化物の析出粒子サイズを調整することができる。
【００１０】
【実施例】
アルゴンガスアトマイズにより、平均粒径７０μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ｔｉ合金鋼粉末を製作した。該粉末に平均粒径２０ｎｍの酸化イットリウム粉末を種々の割合で添加し、アトライターと呼ばれるボールミルにより両粉末を攪拌混合して種々の合金化粉末を得た。合金化粉末の製造条件は、処理容量１ｋｇ、ボール（材質ＳＵＪ２、φ９ｍｍ）の総重量１５ｋｇ、攪拌棒回転数２８０ｒｐｍ、処理時間４８ｈｒとした。得られた合金化粉末の合金組成を表１に示す。
【００１１】
【表１】

【００１２】
表１の合金５について、合金化粉末を９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃及び１３００℃で熱間押出した。この押出材をＸ線回折し、析出物等の同定を行った。その結果を図１に示す。同図より、９００℃及び１０００℃の押出ではα−Ｆｅのみのピークが観察され、酸化物の析出が認められない。一方、１０００℃を越える温度での押出では酸化イットリウムと酸化チタンの複合酸化物のピークが観察され、酸化物の析出が生じていることが確認された。
【００１３】
次に、表１の合金１〜５を用いて、表２に示した加工熱処理条件Ａ（９００℃で押出し後、５０％の冷間加工を施し、その後１３００℃で１ｈｒの焼鈍を実施）、同条件Ｂ（１０４０℃で押出し後、５０％の冷間加工を施し、その後１１００℃で１ｈｒの焼鈍を実施）、同条件Ｃ（１１００℃で押出し後、５０％の冷間加工を施し、その後１３００℃で１ｈｒの焼鈍を実施）により、酸化物分散強化型合金を製作した。表２中、試料Ｎｏ．１１〜１５、２１〜２５は実施例であり、試料Ｎｏ．３１〜３５は従来例である。
【００１４】
【表２】

【００１５】
これらの試料の内、実施例であるＮｏ．１４と従来例であるＮｏ．３４について、ミクロ組織観察した結果を図２及び図３に示す。実施例では、図２から明らかな通り、方向性のない大きな等軸粒になっている。一方、従来例では、図３から明らかな通り、加工方向（押出、圧延方向）に長く伸びた針状の結晶粒になっていることが分かる。
【００１６】
表２中の各試料より試験片を採取し、加工方向及びその垂直方向における、６５０℃、１０００ｈｒのクリープ破断強さを測定した。その結果を前記表２に併せて示す。同表より、実施例では加工方向のクリープ強さは若干低下するが、加工方向とその垂直方向におけるクリープ強さの差はほとんどなく、垂直方向におけるクリープ強さは極めて高い値を示した。一方、従来例では加工方向クリープ強さに比して垂直方向クリープ強さが約１／２に低下していることが確かめられた。
【００１７】
上記実施例では、Ｆｅ基Ｙ_２Ｏ_３分散強化型合金の製造方法について説明したが、本発明は酸化物粒子としてＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物を分散させたＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ等をベース組成とした分散強化型合金にも適用可能なことは勿論である。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の酸化物分散強化型合金の製造方法によれば、合金化粉末中には酸化物がほとんど存在しないので、加工性に富むため、酸化物が析出しないような比較的低温でも容易に固化一体化加工を行うことができ、その後、酸化物が析出する温度に加熱することにより、微細な酸化物が基地中からランダムに分散析出すると共に固化一体化の際に生じた結晶の異方性も再結晶により軽減される。従って、従来に比して機械的異方性が軽減された分散強化型合金を得ることができる。
【００１９】
また、前記合金化粉末は加工性に富むため、鍛造、圧延、抽伸等の種々の塑性加工を施すことにより、製品形状あるいはこれに近似した形状に容易に成形加工することができ、成形加工性に優れる。
また、前記塑性加工後に、再結晶温度以上に加熱することにより、方向性のない等軸再結晶組織を容易に得ることができ、その後、酸化物析出熱処理を施すことにより、析出酸化物粒子がランダムに分布した等軸結晶組織の酸化物分散強化型合金が得られ、機械的異方性を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】合金化粉末を種々の温度で熱間押出して得られた押出材についてのＸ線回折結果を示すスペクトラムである。
【図２】実施例の酸化物分散強化型合金の金属組織を示す図面代用写真である。
【図３】従来例の酸化物分散強化型合金の金属組織を示す図面代用写真である。

Claims

金属粉末と酸化物粉末とを、Ｘ線回析により酸化物が検出されない状態になるまでボールミルにより攪拌混合して合金化粉末を得た後、該合金化粉末を酸化物が析出する温度以下で加工して固化一体化し、その後酸化物を析出させるための熱処理を施す酸化物分散強化型合金の製造方法。
合金化粉末を固化一体化した後、酸化物が析出する温度以下で塑性加工を施し、その後酸化物を析出させるための熱処理を施す請求項１に記載した酸化物分散強化型合金の製造方法。
合金化粉末を固化一体化した後、酸化物が析出する温度以下で塑性加工を施した後、再結晶温度以上に加熱し、その後酸化物を析出させるための熱処理を施す請求項１に記載した酸化物分散強化型合金の製造方法。