JP3812773B2 - Ｎｉ基超耐熱鋳造合金およびＮｉ基超耐熱合金製タービンホイール - Google Patents
Ｎｉ基超耐熱鋳造合金およびＮｉ基超耐熱合金製タービンホイール Download PDFInfo
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮｉ基超耐熱鋳造合金、および自動車用のターボチャージャーを構成する部品であるタービンホイール等に適した高強度Ｎｉ基超耐熱合金製タービンホイールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボチャージャーは排出ガスのエネルギーを利用してエンジンの出力性能を向上させるための自動車部品であり、これを搭載することにより未搭載の場合に比べ中速域から高速域にかけて圧倒的な高加速度を得ることができる。タービンホイールはターボチャージャーを構成する部品の一つであるが、ターボチャージャーに送られた排出ガスのエネルギーにより１０万rpm以上の高速回転をして、その回転軸と同軸上に結合されたコンプレッサーを駆動させる働きをするものである。
【０００３】
タービンホイールは約１０００℃にもなる排出ガスに晒されながら高速回転をするため、その材料には優れた耐熱性を有していることが必要不可欠であり、代表的なものとしてはＡｌｌｏｙ７１３Ｃ、Ｍａｒ−Ｍ２４７などのＮｉ基超耐熱合金が知られている。Ａｌｌｏｙ７１３Ｃはタービンホイール材料の中では比較的安価で、汎用として広く使用されており、またＭａｒ−Ｍ２４７はコスト的にはＡｌｌｏｙ７１３Ｃの数倍もの高価な材料ではあるが、特にクリープ破断強度に優れているためラリー用などの特殊な車両に使用されている。また近年では軽量化による効率向上を目的としたＴｉ−Ａｌ金属間化合物なども注目されている。
【０００４】
また近年では希薄な混合気を効率良く燃焼させることで燃費の向上を図ることを目的としたエンジンのリーンバーン（希薄燃焼）化が進められており、リーンバーンエンジンは最近では一般車にも搭載されるようになり、今後更に普及していく傾向にある。しかしリーンバーン化することにより、排気温度は通常のエンジンよりも更に上昇し、タービンホイールは更に過酷な環境で使用されることになる。
【０００５】
高温での諸特性を改善したＮｉ基超耐熱合金鋳物の開発例として、特公昭５７−１５６５４号では従来合金に希土類元素のうちのＣｅ、ＬａおよびＮｄからなる群の１種または２種以上を０．００１〜０．０３０重量％含有させることによって、航空機用ジェットエンジンや発電用ガスタービン鋳物の高温延性の向上を図ることができる旨を開示している。また、特公昭５１−１０５７４号では耐衝撃性および延性に優れたガスタービン用タービン翼用Ｎｉ基合金を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｌｌｏｙ７１３Ｃ製のタービンホイールは、通常の一般車用エンジンに搭載するには十分なクリープ破断強度を有している。しかし、前述したリーンバーンエンジンは排気温度が通常のエンジンより更に上昇するため、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃではその過酷な環境に耐えることができなくなる。そこでＡｌｌｏｙ７１３Ｃを上回るクリープ破断強度を有する材料が必要とされており、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃを上回るクリープ破断強度を有するＮｉ基超耐熱鋳造合金としてはＭａｒ−Ｍ２４７等が知られている。また、高温特性を改善した事例としては先に述べた特公昭５７−１５６５４号、および特公昭５１−１０５７４号に開示された合金が知られている。
【０００７】
しかしこれらの合金は希土類元素やＣｏ、Ｔａ、Ｈｆ等の高価な合金元素を含有しており、材料コストはＡｌｌｏｙ７１３Ｃの数倍にもなる。さらにＭａｒ−Ｍ２４７は鋳造後の凝固収縮によって鋳物内部に引け巣が発生し易いので、ＨＩＰ処理等を施して引け巣を消去する必要があるため、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃと比較すると非常に高価である。このためこれらの合金では生産コスト等が上昇してしまい、一般車用リーンバーンエンジンには不向きである。このことから、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃ以上のクリープ破断強度を有する安価な耐熱性合金材料の開発が強く望まれており、本発明ではこれらの条件を満足するＮｉ基超耐熱鋳造合金および該Ｎｉ基超耐熱鋳造合金からなるタービンホイールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者はかかる問題点を解決するため、Ｍａｒ−Ｍ２４７に代表されるクリープ破断強度に特に優れた合金からＣｏ、Ｔａ、Ｈｆなどの高価な元素を取り除き、材料単価を低減させることを考えた。しかし、Ｃｏ、Ｔａにはクリープ破断強度を向上させる効果が大きいので、これを単に除去しただけではクリープ破断強度が大きく低下する恐れがある。実際、特開平６−５７３５９号ではクリープ破断強度を向上させるための手段の一つとしてＣｏを８．５〜１０．５重量％、Ｔａを３．０〜５．５重量％添加しなければならないことを開示している。
【０００９】
本発明者は鋭意研究の結果、これら高価な元素を添加しなくても、Ｗ、ＭｏおよびＴｉ、Ｎｂ等の元素の添加量を調整することで、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃを上回る優れたクリープ破断強度を有するＮｉ基超耐熱合金を開発して、本発明を完成するに至った。その基本的な考え方は以下の通りである。
【００１０】
まず、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃ等の合金はＮｉ3Ａｌを基本とする金属間化合物γ'相の析出によって強化される。γ'相中にはＡｌ以外にＴｉ、Ｎｂ、あるいはＷ，Ｍｏ等が固溶することで更に強度が向上するが、過度に添加すると異相が析出し却って強度を低下させる。またγ'相は高温で長時間加熱中に粗大化してゆくが、その挙動は母相（γ相）と析出強化相（γ'相）の格子定数の差に影響される。
以上のことを考慮して本発明者は、γ'相への固溶量およびγ相、γ'相の格子定数の差を調整することによりＣｏ、Ｔａ、Ｈｆ等の高価な合金元素を含まない合金でＡｌｌｏｙ７１３Ｃを上回るクリープ破断強度を得ることができた。
【００１１】
具体的には、ある合金元素Ｘのγ'相中の濃度（mol％）をγ'（Ｘ）、元素Ｘが単独で単純γ'相（Ｎｉ3Ａｌ）へ固溶した場合の固溶限（mol％）をＬ（Ｘ）としたとき、数式（１）で定義される固溶率ＳＩ（Ｘ）において、ＳＩ（Ｃｒ）、ＳＩ（Ｗ）、ＳＩ（Ｍｏ）、ＳＩ（Ｎｂ）、ＳＩ（Ｔｉ）、ＳＩ（Ｔａ）の合計（以下、この合計を固溶指数と称する）が、Ｍａｒ−Ｍ２４７のような高強度材は１．２〜１．３５であることが判明したので、Ｃｏ、Ｔａ、Ｈｆ等を含まないＮｉ基超耐熱合金において、固溶指数がこの範囲になるように合金成分を調節することによってクリープ破断強度を向上させることができることを見出して本発明に到達した。
ＳＩ（Ｘ）＝γ'（Ｘ）／Ｌ（Ｘ）・・・・・（１）
但し、Ｌ（Ｃｒ）＝１０、Ｌ（Ｗ）＝５、Ｌ（Ｍｏ）＝５、Ｌ（Ｎｂ）＝８、Ｌ（Ｔｉ）＝１５、Ｌ（Ｔａ）＝８である。
【００１２】
更に、数式（２）で定義される合金の格子定数ミスマッチ率ＬＭ（％）の絶対値が小さいほどγ'相とγ相の整合性が高まり、γ'相の粗大化が防げるため、高温強度が向上する傾向にあることは一般的に知られている。また、高温でＮｉ基超耐熱合金に応力が発生すると、γ'相が波状に変形したラフト組織が生じ、この組織が細長い波状であるほどクリープ破断強度を高めるには有効であるが、ＬＭ（％）が若干マイナス側の場合には、細長く良好なラフト組織が得られ易いことも知られている。本発明者はＣｏ、Ｔａ、Ｈｆ等を含まず、且つ固溶指数が１．２〜１．３５を満足するＮｉ基超耐熱合金において、ＬＭ（％）が−０．２〜０．１２の範囲になるように合金成分を調整することによって、目標であるＡｌｌｏｙ７１３Ｃ以上のクリープ破断強度が得られることを発見した。
【００１３】
ＬＭ（％）＝（Ａ（γ'）−Ａ（γ））／（（Ａ（γ'）＋Ａ（γ））／２） ・・・・・（２）
但し、Ａ（γ'）、Ａ（γ）はそれぞれγ'相およびγ相の格子定数を表しており、ある合金元素Ｘのγ'相中の濃度をγ'（Ｘ）（mol％）、γ相中の濃度をγ（Ｘ）（mol％）としたとき、数式（３）および数式（４）より算出したものを示す。
Ａ（γ'）＝３．５２０８＋０．００１２γ'（Ｃｒ）＋０．００１８５γ'（Ａｌ）＋０．００４１２γ'（Ｗ）＋０．００４３５γ'（Ｍｏ）＋０．００６４５γ'（Ｎｂ）＋０．００３４γ'（Ｔｉ） ・・・・・（３）
Ａ（γ）＝３．５２４＋０．００１２γ（Ｃｒ）＋０．００１８５γ（Ａｌ）＋０．００４１２γ（Ｗ）＋０．００４３５γ（Ｍｏ）＋０．００６４５γ（Ｎｂ）＋０．００３４γ（Ｔｉ） ・・・・・（４）
【００１４】
上記のように固溶指数、γ相、γ'相の格子定数ミスマッチ率を計算するにはγ相、γ'相の組成を知ることが必要である。これは計算あるいはγ相、γ'相の分析により得ることができ、本発明者は計算による方法を用いた。しかしながらその計算式は複雑であるので、ここで示すことは困難であり、また分析による方法も若干の誤差がつきまとうことは避けられない。そのため、ここでは固溶指数の制限、および格子定数ミスマッチ率の制限を本合金において具体的な成分組成での限定に置き換えた。
【００１５】
すなわち、固溶指数が１．２〜１．３５で且つＬＭ（％）が−０．２〜０．１２である条件を具現化するための好適なＮｉ基超耐熱合金の化学組成は、重量比でＣｒ：７．０〜９．５％、Ａｌ：２．５〜５．５％、Ｗ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％（ただし、Ｗ＋２Ｍｏは１４〜１９の範囲）、Ｎｂ：０．５〜３．５％、Ｃ：０．０２〜０．２％、Ｂ：０．０３％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、かつ２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）は０．２０〜０．５５、（Ｗ＋２Ｍｏ）／Ｎｂは１〜１０を満足し、残部はＮｉおよび不可避不純物からなる成分であるか、または必要であれば重量比でＴｉを３．０％以下を含有させることができ、この場合重量比で計算したＷ＋２Ｍｏが１４〜１９、かつ２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）は０．２０〜０．５５、かつ（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）は１〜１０を満足する合金も上記の条件を具現化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に上記の条件を具現化するための本発明のＮｉ基超耐熱合金の各元素の限定理由を述べる。
Ｃｒは、高温加熱中に合金の表面に密着性の高い酸化皮膜を形成し、耐酸化性を高める。タービンホイール用としての耐酸化性を保証するために重量比で最低７．０％は必要であるが、９．５％を越えると組織が不安定となり、硬くて脆いσ相などの有害相を生成し、クリープ破断強度と常温延性の低下を招くので、Ｃｒ量は重量比で７．０〜９．５％の範囲とする。
【００１７】
γ'相はＮｉ3Ａｌを主体とする金属間化合物であり、それ自身の高温強度が大きく、金属間化合物の中では延性が大きいため、多くの超耐熱合金の強化に用いられているが、Ａｌは安定なγ'相を析出させて所望のクリープ破断強度を得るために不可欠な元素であり、重量比で最低２．５％を必要とする。ただし５．５％を超えてあまり多量に添加しすぎると、粗大な共晶γ'相を生じて逆にクリープ破断強度が低下するためＡｌ量は重量比で２．５〜５．５％の範囲とする。
【００１８】
Ｗはγ相およびγ'相に固溶して両相を強化し、クリープ破断強度を著しく高める効果を持つ元素であり、この効果を得るために重量比で最低８％は必要である。しかしながら１３％を越えて含有するとσ相などの有害相の析出を生じるために、常温延性の低下を招き、また、耐酸化性、酸化皮膜の密着性の低下を招くので、Ｗ量は重量比で８．０〜１３．０％の範囲とする。
【００１９】
Ｍｏは一部γ'相にも固溶するが、主としてγ相に固溶して高温強度を上昇させる作用がある。このためＭｏは重量比で最低１％必要であるが、過度の添加はσ相などの有害相の析出を生じて、常温延性の低下を招くため、上限は５％とする。ここでＷとＭｏは同族元素であり類似の作用を有するので、合金の強度ならびに組織安定性を高めるためには、原子量を加味した両元素の合計量、すなわち重量比で計算したＷ＋２Ｍｏの値を制限する必要がある。Ｗ＋２Ｍｏが１４より少ないとクリープ破断強度が十分得られず、また１９より多いとσ相等の有害相の析出を生じる。従ってＷ＋２Ｍｏの値は１４〜１９、好ましくは１５〜１８に制限する必要がある。
【００２０】
Ｎｂはγ'相に固溶し、γ'相を固溶強化して高温強度向上に役立つ。そのためにはＮｂは重量比で０．５％以上の添加を必要とするが、３．５％を越えると組織を不安定化させ、合金の延性および靭性が低下する。よってＮｂ量は重量比で０．５〜３．５％とする。
【００２１】
ＴｉはＮｂと同様γ'相に固溶し、γ'相を固溶強化してクリープ破断強度の向上に役立つので必要に応じて添加する。しかしながら３．０％を越える過度の添加はγ'相を不安定化して、高温長時間使用後の強度の低下を招き、また延性をも阻害するので、Ｔｉを添加する場合は重量比で３．０％以下とする。
【００２２】
合金の格子定数ミスマッチ率（ＬＭ％）は主にＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ等の元素により影響を受けるので、これらの元素のバランスを調整する必要がある。先ず、主としてγ相に固溶する元素であるＷ、Ｍｏと、主としてγ'相に固溶する元素であるＴｉ、Ｎｂの割合を原子量を加味した値として（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）で表わすと、この値が１以下ではＬＭ％が大きすぎ、１０以上ではＬＭ％が小さすぎるため、Ｔｉを添加する場合は（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）の値を１〜１０に制限し、Ｔｉ無添加の場合は（Ｗ＋２Ｍｏ）／Ｎｂの値を１〜１０に制限する必要がある。
【００２３】
次にＷとＭｏは主としてγ相に固溶し類似の作用を有するが、γ相、γ'相に固溶する割合が異なっている。そのため格子定数ミスマッチ率を更に厳密に制限するためには２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値も制限する必要がある。この値が０．２０より小さいと格子定数ミスマッチ率が大きくなりすぎ、０．５５より大きいと格子定数ミスマッチ率が小さくなりすぎる。従って２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値を０．２０〜０．５５に制限する必要がある。
【００２４】
Ｃは炭化物を形成し、特に結晶粒界、樹枝状晶境界に析出して粒界や樹枝状晶境界を強化し、高温強度の向上に寄与するため重量比で０．０２％以上必要であるが、０．２％を越えて添加すると延性を阻害する恐れがあるため、Ｃ量は重量比で０．０２〜０．２％の範囲とする。
【００２５】
Ｂ、Ｚｒは共に結晶粒界強化作用により基地を強化し、高温強度の向上に寄与するが、Ｂの場合重量比で０．０３％、Ｚｒの場合０．１％を越えて添加すると延性を阻害する恐れがあるため、Ｂ量は重量比で０．０３％以下、Ｚｒ量は０．１％以下の範囲とする。Ｓｉ，Ｍｎは共に脱酸剤として添加されるが、Ｓｉを１．０％を超えて添加すると延性の低下を招き、Ｍｎは１．０％を超えて添加すると高温強度の低下を招くので、共に重量比で１．０％以下とする。なお、以下の元素は不純物として下記の範囲内（重量比）で本発明合金に含まれてもよい。
Ｐ≦０．０４％、Ｓ≦０．０３％、Ｃｕ≦０．３０％、Ｖ≦０．３％、Ｔａ≦０．５％、Ｍｇ≦０．０２％、Ｃａ≦０．０２％、Ｃｏ≦２％、Ｆｅ≦３％、Ｈｆ≦０．２％
【００２６】
【実施例】
表１に示したＮｏ．１からＮｏ．８は本発明合金、Ｎｏ．９からＮｏ．１１は比較合金、Ｎｏ．１２は従来合金のＡｌｌｏｙ７１３Ｃであり、これらの合金についてクリープラプチャー試験を実施し、その特性を比較した。
【００２７】
【表１】
【００２８】
先ずＮｏ．１〜Ｎｏ．１２について各合金を真空炉内で溶解し、同炉内に設置したロストワックス用セラミック鋳型に鋳造して、φ１２mm×８２mmの棒材を作製した。次に鋳造ままの棒材を平行部がφ５．０mmおよびφ６．４mmのクリープラプチャー試験用試験片に機械加工した後、φ５．０mmの試験片は８２０℃雰囲気中で負荷応力５００MPa、φ６．４mmの試験片は１０００℃雰囲気中で負荷応力１８０MPaの２条件でクリープラプチャー試験を行ない、破断寿命、伸び、絞りについて測定した。
【００２９】
【表２】
【００３０】
表２に示すように、本発明合金および比較合金は破断寿命において従来合金を大きく上回っている。特に本発明合金は試験温度８２０℃、負荷応力５００MPaの条件では従来合金の３〜４倍、試験温度１０００℃、負荷応力１８０MPaでは３〜５倍とその差は顕著である。比較合金Ｎｏ．９はＭｏが無添加で、Ｗ＋２Ｍｏおよび２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値が本発明合金の範囲を満たさないため前述したＬＭ％の値が大きく、クリープ破断強度が小さい。比較合金Ｎｏ．１０は逆にＭｏ添加量が多すぎ、σ相等の有害相析出の危険性があると共に（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）の値が大きすぎるため、ＬＭ％が小さくなりすぎクリープ破断強度が小さい。比較合金Ｎｏ．１１はＷが低くＭｏが多いため、２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値が大きく、ＬＭ％が小さくなりすぎてクリープ破断強度が小さい。
【００３１】
次に、実際に重要なのは従来よりどれだけ高温の環境で使用することができるかということである。つまり同等の応力下において同等の破断寿命を得る場合の各合金の温度（耐用温度）が従来合金に対してどれだけ向上しているかということが重要となる。各合金の耐用温度を確認するため、先ず主な合金（Ｎｏ．１、２、３、９、１０、１２）についてクリープ破断応力とラーソンミラー指数の関係を表す図１のグラフを作成した。ラーソンミラー指数Ｐは温度Ｔ（℃）と破断時間ｔ（hr）の要素を含んでいる指数であり、数式（５）で求められる。
Ｐ＝1.8(Ｔ＋273)(20＋logｔ) ・・・・・（５）
【００３２】
次に従来合金の８２０℃および１０００℃における１００hr破断応力を読み取る。具体的には数式（５）から８２０℃、１００hrおよび１０００℃、１００hrを示すラーソンミラー指数を計算し、図１からこれらのラーソンミラー指数における従来合金のクリープ破断応力（図１中に“８２０℃−１００ｈｒ”および“１０００℃−１００ｈｒ”で示した直線と従来合金を示す線との交点における応力である４００MPaおよび１１０MPa）を読み取る。そして、これらの応力下での各合金のラーソンミラー指数を読み取り、数式（５）より逆算してそれぞれ１００hr破断温度を算出した。その結果および各合金の従来合金に対する耐用温度差を表３に示した。
【００３３】
【表３】
【００３４】
表３から本発明合金および比較合金の耐用温度は、共に従来合金よりも向上しており、特に本発明合金は３０℃以上の向上が認められた。この結果から本発明合金で成形した自動車用タービンホイールは従来エンジン以上の高温域での使用が可能であることがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明合金は、Ｃｏ、Ｔａ、Ｈｆなど高価な合金元素を含まないため、材料単価は従来のＡｌｌｏｙ７１３Ｃ並みの安価であるが、固溶指数およびＬＭ％を調整することによってそのクリープ破断特性をＡｌｌｏｙ７１３Ｃ以上に向上させることができた。またそのため従来合金に比べ耐用温度が向上するので、自動車用タービンホイールに使用することによって、これまでＭａｒ-Ｍ２４７など高価な材料でしか使用されていなかったリーンバーンエンジンへの搭載が可能となり、従来よりも低コストでリーンバーンエンジン搭載車が生産できる。また、通常のエンジンに搭載することによって、タービンホイールの寿命を従来より大きく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｉ基超耐熱鋳造合金に係るラーソンミラー指数とクリープ破断応力との関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明はＮｉ基超耐熱鋳造合金、および自動車用のターボチャージャーを構成する部品であるタービンホイール等に適した高強度Ｎｉ基超耐熱合金製タービンホイールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボチャージャーは排出ガスのエネルギーを利用してエンジンの出力性能を向上させるための自動車部品であり、これを搭載することにより未搭載の場合に比べ中速域から高速域にかけて圧倒的な高加速度を得ることができる。タービンホイールはターボチャージャーを構成する部品の一つであるが、ターボチャージャーに送られた排出ガスのエネルギーにより１０万rpm以上の高速回転をして、その回転軸と同軸上に結合されたコンプレッサーを駆動させる働きをするものである。
【０００３】
タービンホイールは約１０００℃にもなる排出ガスに晒されながら高速回転をするため、その材料には優れた耐熱性を有していることが必要不可欠であり、代表的なものとしてはＡｌｌｏｙ７１３Ｃ、Ｍａｒ−Ｍ２４７などのＮｉ基超耐熱合金が知られている。Ａｌｌｏｙ７１３Ｃはタービンホイール材料の中では比較的安価で、汎用として広く使用されており、またＭａｒ−Ｍ２４７はコスト的にはＡｌｌｏｙ７１３Ｃの数倍もの高価な材料ではあるが、特にクリープ破断強度に優れているためラリー用などの特殊な車両に使用されている。また近年では軽量化による効率向上を目的としたＴｉ−Ａｌ金属間化合物なども注目されている。
【０００４】
また近年では希薄な混合気を効率良く燃焼させることで燃費の向上を図ることを目的としたエンジンのリーンバーン（希薄燃焼）化が進められており、リーンバーンエンジンは最近では一般車にも搭載されるようになり、今後更に普及していく傾向にある。しかしリーンバーン化することにより、排気温度は通常のエンジンよりも更に上昇し、タービンホイールは更に過酷な環境で使用されることになる。
【０００５】
高温での諸特性を改善したＮｉ基超耐熱合金鋳物の開発例として、特公昭５７−１５６５４号では従来合金に希土類元素のうちのＣｅ、ＬａおよびＮｄからなる群の１種または２種以上を０．００１〜０．０３０重量％含有させることによって、航空機用ジェットエンジンや発電用ガスタービン鋳物の高温延性の向上を図ることができる旨を開示している。また、特公昭５１−１０５７４号では耐衝撃性および延性に優れたガスタービン用タービン翼用Ｎｉ基合金を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｌｌｏｙ７１３Ｃ製のタービンホイールは、通常の一般車用エンジンに搭載するには十分なクリープ破断強度を有している。しかし、前述したリーンバーンエンジンは排気温度が通常のエンジンより更に上昇するため、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃではその過酷な環境に耐えることができなくなる。そこでＡｌｌｏｙ７１３Ｃを上回るクリープ破断強度を有する材料が必要とされており、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃを上回るクリープ破断強度を有するＮｉ基超耐熱鋳造合金としてはＭａｒ−Ｍ２４７等が知られている。また、高温特性を改善した事例としては先に述べた特公昭５７−１５６５４号、および特公昭５１−１０５７４号に開示された合金が知られている。
【０００７】
しかしこれらの合金は希土類元素やＣｏ、Ｔａ、Ｈｆ等の高価な合金元素を含有しており、材料コストはＡｌｌｏｙ７１３Ｃの数倍にもなる。さらにＭａｒ−Ｍ２４７は鋳造後の凝固収縮によって鋳物内部に引け巣が発生し易いので、ＨＩＰ処理等を施して引け巣を消去する必要があるため、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃと比較すると非常に高価である。このためこれらの合金では生産コスト等が上昇してしまい、一般車用リーンバーンエンジンには不向きである。このことから、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃ以上のクリープ破断強度を有する安価な耐熱性合金材料の開発が強く望まれており、本発明ではこれらの条件を満足するＮｉ基超耐熱鋳造合金および該Ｎｉ基超耐熱鋳造合金からなるタービンホイールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者はかかる問題点を解決するため、Ｍａｒ−Ｍ２４７に代表されるクリープ破断強度に特に優れた合金からＣｏ、Ｔａ、Ｈｆなどの高価な元素を取り除き、材料単価を低減させることを考えた。しかし、Ｃｏ、Ｔａにはクリープ破断強度を向上させる効果が大きいので、これを単に除去しただけではクリープ破断強度が大きく低下する恐れがある。実際、特開平６−５７３５９号ではクリープ破断強度を向上させるための手段の一つとしてＣｏを８．５〜１０．５重量％、Ｔａを３．０〜５．５重量％添加しなければならないことを開示している。
【０００９】
本発明者は鋭意研究の結果、これら高価な元素を添加しなくても、Ｗ、ＭｏおよびＴｉ、Ｎｂ等の元素の添加量を調整することで、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃを上回る優れたクリープ破断強度を有するＮｉ基超耐熱合金を開発して、本発明を完成するに至った。その基本的な考え方は以下の通りである。
【００１０】
まず、Ａｌｌｏｙ７１３Ｃ等の合金はＮｉ3Ａｌを基本とする金属間化合物γ'相の析出によって強化される。γ'相中にはＡｌ以外にＴｉ、Ｎｂ、あるいはＷ，Ｍｏ等が固溶することで更に強度が向上するが、過度に添加すると異相が析出し却って強度を低下させる。またγ'相は高温で長時間加熱中に粗大化してゆくが、その挙動は母相（γ相）と析出強化相（γ'相）の格子定数の差に影響される。
以上のことを考慮して本発明者は、γ'相への固溶量およびγ相、γ'相の格子定数の差を調整することによりＣｏ、Ｔａ、Ｈｆ等の高価な合金元素を含まない合金でＡｌｌｏｙ７１３Ｃを上回るクリープ破断強度を得ることができた。
【００１１】
具体的には、ある合金元素Ｘのγ'相中の濃度（mol％）をγ'（Ｘ）、元素Ｘが単独で単純γ'相（Ｎｉ3Ａｌ）へ固溶した場合の固溶限（mol％）をＬ（Ｘ）としたとき、数式（１）で定義される固溶率ＳＩ（Ｘ）において、ＳＩ（Ｃｒ）、ＳＩ（Ｗ）、ＳＩ（Ｍｏ）、ＳＩ（Ｎｂ）、ＳＩ（Ｔｉ）、ＳＩ（Ｔａ）の合計（以下、この合計を固溶指数と称する）が、Ｍａｒ−Ｍ２４７のような高強度材は１．２〜１．３５であることが判明したので、Ｃｏ、Ｔａ、Ｈｆ等を含まないＮｉ基超耐熱合金において、固溶指数がこの範囲になるように合金成分を調節することによってクリープ破断強度を向上させることができることを見出して本発明に到達した。
ＳＩ（Ｘ）＝γ'（Ｘ）／Ｌ（Ｘ）・・・・・（１）
但し、Ｌ（Ｃｒ）＝１０、Ｌ（Ｗ）＝５、Ｌ（Ｍｏ）＝５、Ｌ（Ｎｂ）＝８、Ｌ（Ｔｉ）＝１５、Ｌ（Ｔａ）＝８である。
【００１２】
更に、数式（２）で定義される合金の格子定数ミスマッチ率ＬＭ（％）の絶対値が小さいほどγ'相とγ相の整合性が高まり、γ'相の粗大化が防げるため、高温強度が向上する傾向にあることは一般的に知られている。また、高温でＮｉ基超耐熱合金に応力が発生すると、γ'相が波状に変形したラフト組織が生じ、この組織が細長い波状であるほどクリープ破断強度を高めるには有効であるが、ＬＭ（％）が若干マイナス側の場合には、細長く良好なラフト組織が得られ易いことも知られている。本発明者はＣｏ、Ｔａ、Ｈｆ等を含まず、且つ固溶指数が１．２〜１．３５を満足するＮｉ基超耐熱合金において、ＬＭ（％）が−０．２〜０．１２の範囲になるように合金成分を調整することによって、目標であるＡｌｌｏｙ７１３Ｃ以上のクリープ破断強度が得られることを発見した。
【００１３】
ＬＭ（％）＝（Ａ（γ'）−Ａ（γ））／（（Ａ（γ'）＋Ａ（γ））／２） ・・・・・（２）
但し、Ａ（γ'）、Ａ（γ）はそれぞれγ'相およびγ相の格子定数を表しており、ある合金元素Ｘのγ'相中の濃度をγ'（Ｘ）（mol％）、γ相中の濃度をγ（Ｘ）（mol％）としたとき、数式（３）および数式（４）より算出したものを示す。
Ａ（γ'）＝３．５２０８＋０．００１２γ'（Ｃｒ）＋０．００１８５γ'（Ａｌ）＋０．００４１２γ'（Ｗ）＋０．００４３５γ'（Ｍｏ）＋０．００６４５γ'（Ｎｂ）＋０．００３４γ'（Ｔｉ） ・・・・・（３）
Ａ（γ）＝３．５２４＋０．００１２γ（Ｃｒ）＋０．００１８５γ（Ａｌ）＋０．００４１２γ（Ｗ）＋０．００４３５γ（Ｍｏ）＋０．００６４５γ（Ｎｂ）＋０．００３４γ（Ｔｉ） ・・・・・（４）
【００１４】
上記のように固溶指数、γ相、γ'相の格子定数ミスマッチ率を計算するにはγ相、γ'相の組成を知ることが必要である。これは計算あるいはγ相、γ'相の分析により得ることができ、本発明者は計算による方法を用いた。しかしながらその計算式は複雑であるので、ここで示すことは困難であり、また分析による方法も若干の誤差がつきまとうことは避けられない。そのため、ここでは固溶指数の制限、および格子定数ミスマッチ率の制限を本合金において具体的な成分組成での限定に置き換えた。
【００１５】
すなわち、固溶指数が１．２〜１．３５で且つＬＭ（％）が−０．２〜０．１２である条件を具現化するための好適なＮｉ基超耐熱合金の化学組成は、重量比でＣｒ：７．０〜９．５％、Ａｌ：２．５〜５．５％、Ｗ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％（ただし、Ｗ＋２Ｍｏは１４〜１９の範囲）、Ｎｂ：０．５〜３．５％、Ｃ：０．０２〜０．２％、Ｂ：０．０３％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、かつ２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）は０．２０〜０．５５、（Ｗ＋２Ｍｏ）／Ｎｂは１〜１０を満足し、残部はＮｉおよび不可避不純物からなる成分であるか、または必要であれば重量比でＴｉを３．０％以下を含有させることができ、この場合重量比で計算したＷ＋２Ｍｏが１４〜１９、かつ２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）は０．２０〜０．５５、かつ（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）は１〜１０を満足する合金も上記の条件を具現化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に上記の条件を具現化するための本発明のＮｉ基超耐熱合金の各元素の限定理由を述べる。
Ｃｒは、高温加熱中に合金の表面に密着性の高い酸化皮膜を形成し、耐酸化性を高める。タービンホイール用としての耐酸化性を保証するために重量比で最低７．０％は必要であるが、９．５％を越えると組織が不安定となり、硬くて脆いσ相などの有害相を生成し、クリープ破断強度と常温延性の低下を招くので、Ｃｒ量は重量比で７．０〜９．５％の範囲とする。
【００１７】
γ'相はＮｉ3Ａｌを主体とする金属間化合物であり、それ自身の高温強度が大きく、金属間化合物の中では延性が大きいため、多くの超耐熱合金の強化に用いられているが、Ａｌは安定なγ'相を析出させて所望のクリープ破断強度を得るために不可欠な元素であり、重量比で最低２．５％を必要とする。ただし５．５％を超えてあまり多量に添加しすぎると、粗大な共晶γ'相を生じて逆にクリープ破断強度が低下するためＡｌ量は重量比で２．５〜５．５％の範囲とする。
【００１８】
Ｗはγ相およびγ'相に固溶して両相を強化し、クリープ破断強度を著しく高める効果を持つ元素であり、この効果を得るために重量比で最低８％は必要である。しかしながら１３％を越えて含有するとσ相などの有害相の析出を生じるために、常温延性の低下を招き、また、耐酸化性、酸化皮膜の密着性の低下を招くので、Ｗ量は重量比で８．０〜１３．０％の範囲とする。
【００１９】
Ｍｏは一部γ'相にも固溶するが、主としてγ相に固溶して高温強度を上昇させる作用がある。このためＭｏは重量比で最低１％必要であるが、過度の添加はσ相などの有害相の析出を生じて、常温延性の低下を招くため、上限は５％とする。ここでＷとＭｏは同族元素であり類似の作用を有するので、合金の強度ならびに組織安定性を高めるためには、原子量を加味した両元素の合計量、すなわち重量比で計算したＷ＋２Ｍｏの値を制限する必要がある。Ｗ＋２Ｍｏが１４より少ないとクリープ破断強度が十分得られず、また１９より多いとσ相等の有害相の析出を生じる。従ってＷ＋２Ｍｏの値は１４〜１９、好ましくは１５〜１８に制限する必要がある。
【００２０】
Ｎｂはγ'相に固溶し、γ'相を固溶強化して高温強度向上に役立つ。そのためにはＮｂは重量比で０．５％以上の添加を必要とするが、３．５％を越えると組織を不安定化させ、合金の延性および靭性が低下する。よってＮｂ量は重量比で０．５〜３．５％とする。
【００２１】
ＴｉはＮｂと同様γ'相に固溶し、γ'相を固溶強化してクリープ破断強度の向上に役立つので必要に応じて添加する。しかしながら３．０％を越える過度の添加はγ'相を不安定化して、高温長時間使用後の強度の低下を招き、また延性をも阻害するので、Ｔｉを添加する場合は重量比で３．０％以下とする。
【００２２】
合金の格子定数ミスマッチ率（ＬＭ％）は主にＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ等の元素により影響を受けるので、これらの元素のバランスを調整する必要がある。先ず、主としてγ相に固溶する元素であるＷ、Ｍｏと、主としてγ'相に固溶する元素であるＴｉ、Ｎｂの割合を原子量を加味した値として（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）で表わすと、この値が１以下ではＬＭ％が大きすぎ、１０以上ではＬＭ％が小さすぎるため、Ｔｉを添加する場合は（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）の値を１〜１０に制限し、Ｔｉ無添加の場合は（Ｗ＋２Ｍｏ）／Ｎｂの値を１〜１０に制限する必要がある。
【００２３】
次にＷとＭｏは主としてγ相に固溶し類似の作用を有するが、γ相、γ'相に固溶する割合が異なっている。そのため格子定数ミスマッチ率を更に厳密に制限するためには２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値も制限する必要がある。この値が０．２０より小さいと格子定数ミスマッチ率が大きくなりすぎ、０．５５より大きいと格子定数ミスマッチ率が小さくなりすぎる。従って２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値を０．２０〜０．５５に制限する必要がある。
【００２４】
Ｃは炭化物を形成し、特に結晶粒界、樹枝状晶境界に析出して粒界や樹枝状晶境界を強化し、高温強度の向上に寄与するため重量比で０．０２％以上必要であるが、０．２％を越えて添加すると延性を阻害する恐れがあるため、Ｃ量は重量比で０．０２〜０．２％の範囲とする。
【００２５】
Ｂ、Ｚｒは共に結晶粒界強化作用により基地を強化し、高温強度の向上に寄与するが、Ｂの場合重量比で０．０３％、Ｚｒの場合０．１％を越えて添加すると延性を阻害する恐れがあるため、Ｂ量は重量比で０．０３％以下、Ｚｒ量は０．１％以下の範囲とする。Ｓｉ，Ｍｎは共に脱酸剤として添加されるが、Ｓｉを１．０％を超えて添加すると延性の低下を招き、Ｍｎは１．０％を超えて添加すると高温強度の低下を招くので、共に重量比で１．０％以下とする。なお、以下の元素は不純物として下記の範囲内（重量比）で本発明合金に含まれてもよい。
Ｐ≦０．０４％、Ｓ≦０．０３％、Ｃｕ≦０．３０％、Ｖ≦０．３％、Ｔａ≦０．５％、Ｍｇ≦０．０２％、Ｃａ≦０．０２％、Ｃｏ≦２％、Ｆｅ≦３％、Ｈｆ≦０．２％
【００２６】
【実施例】
表１に示したＮｏ．１からＮｏ．８は本発明合金、Ｎｏ．９からＮｏ．１１は比較合金、Ｎｏ．１２は従来合金のＡｌｌｏｙ７１３Ｃであり、これらの合金についてクリープラプチャー試験を実施し、その特性を比較した。
【００２７】
【表１】
先ずＮｏ．１〜Ｎｏ．１２について各合金を真空炉内で溶解し、同炉内に設置したロストワックス用セラミック鋳型に鋳造して、φ１２mm×８２mmの棒材を作製した。次に鋳造ままの棒材を平行部がφ５．０mmおよびφ６．４mmのクリープラプチャー試験用試験片に機械加工した後、φ５．０mmの試験片は８２０℃雰囲気中で負荷応力５００MPa、φ６．４mmの試験片は１０００℃雰囲気中で負荷応力１８０MPaの２条件でクリープラプチャー試験を行ない、破断寿命、伸び、絞りについて測定した。
【００２９】
【表２】
表２に示すように、本発明合金および比較合金は破断寿命において従来合金を大きく上回っている。特に本発明合金は試験温度８２０℃、負荷応力５００MPaの条件では従来合金の３〜４倍、試験温度１０００℃、負荷応力１８０MPaでは３〜５倍とその差は顕著である。比較合金Ｎｏ．９はＭｏが無添加で、Ｗ＋２Ｍｏおよび２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値が本発明合金の範囲を満たさないため前述したＬＭ％の値が大きく、クリープ破断強度が小さい。比較合金Ｎｏ．１０は逆にＭｏ添加量が多すぎ、σ相等の有害相析出の危険性があると共に（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）の値が大きすぎるため、ＬＭ％が小さくなりすぎクリープ破断強度が小さい。比較合金Ｎｏ．１１はＷが低くＭｏが多いため、２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）の値が大きく、ＬＭ％が小さくなりすぎてクリープ破断強度が小さい。
【００３１】
次に、実際に重要なのは従来よりどれだけ高温の環境で使用することができるかということである。つまり同等の応力下において同等の破断寿命を得る場合の各合金の温度（耐用温度）が従来合金に対してどれだけ向上しているかということが重要となる。各合金の耐用温度を確認するため、先ず主な合金（Ｎｏ．１、２、３、９、１０、１２）についてクリープ破断応力とラーソンミラー指数の関係を表す図１のグラフを作成した。ラーソンミラー指数Ｐは温度Ｔ（℃）と破断時間ｔ（hr）の要素を含んでいる指数であり、数式（５）で求められる。
Ｐ＝1.8(Ｔ＋273)(20＋logｔ) ・・・・・（５）
【００３２】
次に従来合金の８２０℃および１０００℃における１００hr破断応力を読み取る。具体的には数式（５）から８２０℃、１００hrおよび１０００℃、１００hrを示すラーソンミラー指数を計算し、図１からこれらのラーソンミラー指数における従来合金のクリープ破断応力（図１中に“８２０℃−１００ｈｒ”および“１０００℃−１００ｈｒ”で示した直線と従来合金を示す線との交点における応力である４００MPaおよび１１０MPa）を読み取る。そして、これらの応力下での各合金のラーソンミラー指数を読み取り、数式（５）より逆算してそれぞれ１００hr破断温度を算出した。その結果および各合金の従来合金に対する耐用温度差を表３に示した。
【００３３】
【表３】
表３から本発明合金および比較合金の耐用温度は、共に従来合金よりも向上しており、特に本発明合金は３０℃以上の向上が認められた。この結果から本発明合金で成形した自動車用タービンホイールは従来エンジン以上の高温域での使用が可能であることがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明合金は、Ｃｏ、Ｔａ、Ｈｆなど高価な合金元素を含まないため、材料単価は従来のＡｌｌｏｙ７１３Ｃ並みの安価であるが、固溶指数およびＬＭ％を調整することによってそのクリープ破断特性をＡｌｌｏｙ７１３Ｃ以上に向上させることができた。またそのため従来合金に比べ耐用温度が向上するので、自動車用タービンホイールに使用することによって、これまでＭａｒ-Ｍ２４７など高価な材料でしか使用されていなかったリーンバーンエンジンへの搭載が可能となり、従来よりも低コストでリーンバーンエンジン搭載車が生産できる。また、通常のエンジンに搭載することによって、タービンホイールの寿命を従来より大きく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｉ基超耐熱鋳造合金に係るラーソンミラー指数とクリープ破断応力との関係を示すグラフである。
Claims (3)
- 重量比でＣｒ：７．０〜９．５％、Ａｌ：２．５〜５．５％、Ｗ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％（ただし、Ｗ＋２Ｍｏは１４〜１９の範囲）、Ｎｂ：０．５〜３．５％、Ｃ：０．０２〜０．２％、Ｂ：０．０３％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、かつ２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）は０．２０〜０．５５、かつ（Ｗ＋２Ｍｏ）／Ｎｂは１〜１０を満足し、残部Ｎｉおよび不可避不純物からなることを特徴とするＮｉ基超耐熱鋳造合金。
- 重量比でＣｒ：７．０〜９．５％、Ａｌ：２．５〜５．５％、Ｗ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％（ただし、Ｗ＋２Ｍｏは１４〜１９の範囲）、Ｎｂ：０．５〜３．５％、Ｔｉ：３．０％以下、Ｃ：０．０２〜０．２％、Ｂ：０．０３％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、かつ２Ｍｏ／（Ｗ＋２Ｍｏ）は０．２０〜０．５５、かつ（Ｗ＋２Ｍｏ）／（Ｎｂ＋２Ｔｉ）は１〜１０を満足し、残部Ｎｉおよび不可避不純物からなることを特徴とするＮｉ基超耐熱鋳造合金。
- 主要部分が請求項１、または請求項２のいずれかに示す合金からなることを特徴とするＮｉ基超耐熱合金製タービンホイール。
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