JP4088223B2 - 合金の凝固割れ感受性の予測方法および凝固割れ感受性の改善された合金の製造方法 - Google Patents
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[式中、kは固液分配係数、CSは固相における溶質の濃度、CLは液相における溶質の濃度を示す]
この固液分配係数を用いて残留融液の化学組成を予測する代表的な式として、下記式(2)で示されるシャイルの式がある。
[式中、CLは液相(残留融液)おける溶質の濃度、C0は初期融液の溶質の濃度、gは固相率、kは固液分配係数を示す]
上記式(2)は、固液分配係数kと固相率gの値のみ用いて残留融液中の溶質濃度を求める式であり、急速凝固の様に拡散が無視できる場合に適用可能と考えられる。しかし上記式では、固体および残留融液に含まれる合金元素の拡散が考慮されていないので、殊に、大容量のインゴットを製造するときの様に冷却速度が非常に遅い場合には適用できない。該拡散を考慮して残留融液の化学組成を予測する方法として、例えば非特許文献1には、固相内の拡散を計算するための下記式(3)および質量の保存から求まる式(4)を用いることが提案されている。
篠崎賢二、他2名,「Ni基耐熱超合金溶接金属の凝固割れ感受性の予測」,大阪大学接合科学研究所研究集会,2000年11月9日
[2] 残留融液の化学組成から決定される固液分配係数(ki)をもとに、冷却過程で生成する固相(i)の成分組成(Cs i)と該固相(i)に隣接した液相(i+1)の成分組成(CL i+1)を算出する工程、
[3] 上記[2]の工程で得られた液相(i+1)の成分組成から、液相(i+1)の凝固温度(Ts i+1)を算出する工程、
[4] 想定合金温度が上記凝固温度(Ts i+1)を下回った時点で、新たに生成する固相(i+1)および液相(i+2)について、上記[2]〜[3]の計算を行う工程。
熱力学ソフト等を用いて、液体の初期組成から液相線温度等を求める。
上記図1(b)において、正六角形の内部からi番目の区分まで凝固が完了しており、(i+1)番目以降の部分が残留融液となる。この残留融液の化学組成から、熱力学的ソフト等を用いて固液分配係数(ki)を求め、(i+1)番目の領域が凝固する際の、固相と隣接する液体の化学組成を求める。
上記液相の成分組成(CL i+1)から凝固温度を求めて把握する。尚、本発明で対象とする合金は多成分系であるため、該当成分組成と熱力学データの蓄積された予測計算機を用いて、上記分配係数や凝固温度を算出すればよい。
本発明の予測方法では、予め冷却速度を上記計算機に入力し、該冷却速度で凝固シミュレーションを行う。よって、想定合金温度が、上記凝固温度(Ts i+1)を下回った時点で、(i+1)番目のセルが完全に凝固したものとみなし、新たに生成する固相(i+1)と液相(i+2)について、上記[2],[3]と同様に計算を進める。
[a]残留融液の化学組成から決定される固液分配係数(ki)をもとに、
冷却過程で生成する固相(i)の成分組成(Cs i)と該固相(i)に隣接した
液相(i+1)の成分組成(CL i+1)を算出する。
凝固温度(Ts i+1)を算出する。
する固相(i+1)および液相(i+2)について、上記[a]〜[b]の計算を行う
工程を繰り返す。
(I)対象とする合金の成分組成を計算機に入力して、合金の液相線温度を求める。
冷却過程で生成する固相(i)の成分組成(Cs i)と該固相(i)に隣接した
液相(i+1)の成分組成(CL i+1)を算出する。
を決定する。
を算出する。
未凝固であるとして上記[b]の固体内拡散について再計算する。
該液相(i+1)の凝固が完了したものとみなして、新たに生成する固相(i+1)
および液相(i+2)について、上記[a]〜[c]の計算を行う工程を繰り返す。
本発明の予測方法は、製造された合金の凝固割れ感受性を予測する他、ミクロ偏析による凝固割れを確実に防ぐことの可能な合金の製造方法に適用することができる。この様に上記予測方法で得られた結果をもとに、成分組成を設計すれば、適切な製造条件下において、上記ミクロ偏析による凝固割れの発生しにくい凝固割れ感受性の改善された合金を製造することができる。
まず、表1に示す成分組成の合金試料を用いて化学成分分析、熱分析およびバレストレイン試験(溶接金属の高温割れ感受性を評価する試験)を行い、試料の化学成分組成、液相線温度および最終凝固温度を測定した。その結果を表2に示す。
(i)固液分配係数として一定値を用いた場合(比較例)
凝固モデルとして、前記図1に示す通り、デンドライトセル状晶の断面を六角形で近似し、分割したメッシュが前記図1(b)に示す方向へ順に液体から固体へ変化(凝固)するモデルを採用して、前記図4に示すフローチャートの通り予測を行った。尚、前記メッシュ分割数(n)は60とした。
前記図4に示すフローチャートに沿って最終凝固温度を求め、前記(i)と同様に化学成分組成から求めた液相線温度と該最終凝固温度との差としてBTRを求めた。これらの結果を表2に併記する。
前記図5に示すフローチャートに沿って最終凝固温度を求め、前記(i)と同様に上記化学成分組成に基づいて求めた合金の液相線温度から、該最終凝固温度を差し引いてBTRを求めた。その結果を表2に併記する。尚、この場合も、前記図5に示す通り、変化する残留融液の成分組成に応じて固液分配係数を逐次求めている。固体内拡散は、上記式(3)および式(4)に基づき計算プログラムを作成して計算した。
{式(5)中、[C]、[Si]、[Mn]、[P]、[S]、[Cr]、[Mo]、[Nb]および[Fe]は、それぞれの含有元素の質量%を示す}
Claims (5)
- 溶融合金の冷却凝固過程において、凝固観察領域を複数(n区分)に区切り、1区分ずつ凝固が進行することを想定しながら合金の凝固割れ感受性を予測する方法であって、下記ステップ[1]〜[4]を繰り返して、最終区分における液相の成分組成(CL n)を特定することを特徴とする金属の凝固割れ感受性の予測方法。
[1] 液体組成から、液相線温度と固液分配係数を算出する工程、
[2] 残留融液の化学組成から決定される固液分配係数(ki)をもとに、冷却過程で生成する固相(i)の成分組成(Cs i)と該固相(i)に隣接した液相(i+1)の成分組成(CL i+1)を算出する工程、
[3] 上記[2]の工程で得られた液相(i+1)の成分組成から、液相(i+1)の凝固温度(Ts i+1)を算出する工程、
[4] 想定合金温度が上記凝固温度(Ts i+1)を下回った時点で、新たに生成する固相(i+1)および液相(i+2)について、上記[2]〜[3]の計算を行う工程。 - 前記凝固観察領域を40〜100に区切る請求項1に記載の合金の凝固割れ感受性の予測方法。
- 前記最終区分における液相の成分組成(CL n)に基づき、最終凝固温度(Ts n)を予測する請求項1または2に記載の合金の凝固割れ感受性の予測方法。
- 前記最終凝固温度(Ts n)と予め求めておいた合金の液相線温度との差から、凝固脆性温度領域を求める請求項3に記載の合金の凝固割れ感受性の予測方法。
- 前記請求項4に記載の方法によって求められる凝固脆性温度領域を基にして、該凝固脆性温度領域がより小さくなる様に合金成分を調整することを特徴とする凝固割れ感受性の改善された合金の製造方法。
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