JP4615120B2

JP4615120B2 - 均一組織を有するＮｉ基合金およびその製造方法

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Publication number: JP4615120B2
Application number: JP2000370944A
Authority: JP
Inventors: 宜郎川下; 博喜高橋; 昆王
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: JP2002173723A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐応力腐食割れ、及び耐粒界腐食性に優れたNi基合金とその製造方法に関するものであり、特に、原子力発電設備用の構造部材に望ましいNi基合金とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ni基合金は耐食性、及び耐熱性が優れるため、安全への信頼性要求の高まりとともに厳しい環境条件下で多用されている。これらNi基合金のうち、例えばインコネル600は原子炉の炉心材料として使用されている。ところが、原子炉炉心構造体は内部が300℃前後の高温水で満たされるので長時間の寿命と安全性が必要である。そのため構造用材料に対する条件が非常に厳しくて一般に次のような特性が求められる。
（1）高温高圧水下で耐低サイクル疲労性並びに耐食性が大であること。
（2）300℃前後で強度が大であり延性にも富むこと。
（3）均一な結晶粒度組織であること。
（4）材料探傷試験用超音波の透過性が良好な組織であること。
（5）溶接性、及び加工性に優れていること。
【０００３】
超音波探傷試験は、主に割れ、及びポロシティーによる内部欠陥を発見する目的で実施する。組織が不均一であると超音波透過性が低下するのでこれら欠陥の発見が難しくなるし材料の信頼性も低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記Ni基合金は前述の(1)〜(5)の特性に適合させるために使用する。しかし、従来の製造方法では技術的に困難な面が多くて満足できる材料を製造できなかった。
【０００５】
Ni合金厚板は再結晶温度が高いので、圧延中に鋼板表面温度が低下すると表面近傍では加工・再結晶が困難となる。そのため表面付近には粗大化した混粒組織が生じる。また、表面の温度低下に伴って表面の強度は上昇する。そのため、熱間圧延による歪は表面より温度が高い内部の変形に費される。その結果、表面に蓄積される歪が小さくなり次工程の焼鈍熱処理においても混粒組織の改善が難しくなる。
【０００６】
混粒組織が生じた場合は前記Ni基合金に要求される前記諸特性（1）〜（5）に適合できないことが多くなる。そのため、圧延時の圧下率を上げたり板材表面を研削するなどを行なって対応している。しかし素材形状、製造設備、及び経済性の面から製品を大型化するには限度がある。
【０００７】
また、混粒組織を軽減する方法に焼鈍熱処理温度を高くして細粒部を粗大化して均一組織を得る例もある（特公昭55−19308号公報）。しかし、組織全体を粗大化させることは耐食性、強度、及び延性等の多くの材料特性を逆に低下させることになる。
【０００８】
本発明の目的は、前記諸特性に十分適合するNi合金大型熱間圧延材及びその熱間圧延方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の第1の形態は、下記の成分組成（以下％とppmは重量ベースである）及び特性を備えたことを特徴とするNi基合金であり、
(イ) Cr：14〜26％、Fe：3〜50％を含有し、
(ロ) 結晶組織の平均粒度番号が2以上で、最大頻度の粒度番号の粒に較べて粒度番号が2以上異なる粒の占める面積が20％以下である。
【００１０】
発明の第2の形態は、前記成分組成が、C：0.003〜0.045％、Fe：3〜50％、Cr：14〜26％、Nb：4％以下、N：0.005〜0.04％、Al：0.2％以下、Si：1.0％以下、P：0.030％以下、Mn：1.0％以下、S：50ppm以下、O：60ppm以下を含有し、Al、Ti、Nbの内から選んだいずれか1種、又は2種類以上の合計5％以下を含有し、残部がNiと不可避不純物からなり、Ni量は少なくとも20％であることを特徴とするNi基合金である。
【００１１】
本発明の第３の形態は、下記の工程を備えたことを特徴とするＮｉ基合金の製造方法であり、(イ) Ｃｒ：１４〜２６％、Ｆｅ：３〜５０％を含有するＮｉ基合金スラブを用意し、(ロ) 前記Ｎｉ基合金スラブを熱間圧延時の熱間圧延最終段階で、１パスあたりの圧下率が０．５％以上で、かつ４％以下の圧延を２パス以上行い、(ハ) 前記熱間圧延後の板厚が３０ｍｍ以上の熱間圧延板を得て、(ニ) 前記熱間圧延板に９００℃以上の温度で熱処理をする。
【００１２】
発明の第4の形態は、前記Ni基合金スラブは、
C：0．003〜0.045％、Fe：3〜50％、Cr：14〜26％、Nb：4％以下、N：0.005〜0.04％、Al：0.2％以下、Si：1.0％以下、P：0.030％以下、Mn：1.0％以下、S：50ppm以下、O：60ppm以下を含有し、Al、Ti、Nbの内から選んだいずれか1種、又は2種類以上の合計5％以下を含有し、残部がNiと不可避不純物からなり、Ni量は少なくとも20％であることを特徴とするNi基合金熱間圧延板の製造方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず本発明の原理について説明する。厚板の熱間圧延を行う場合には、表面からの熱放散、及び圧延ロールの水冷却により厚板表面温度が低下する。Ni合金のように再結晶温度が高く、材料強度の温度依存性の大きい合金を熱間圧延する場合、表面近傍では温度低下のため再結晶が困難であり、表面の材料強度が強いため主に板厚中央部が変形して表面への歪み蓄積は軽微となる。通常、熱間圧延後に所定の焼鈍熱処理を行なうが、熱処理後も厚板表面には熱間圧延前の粗大な結晶粒が残留して混粒組織が生じることになる。
【００１４】
本発明では熱間圧延最終段階で0.5％以上で、かつ4％以下の圧下率で2パス以上の圧延を行なう。これにより、主として表面に限定して摩擦、箭断応力を負荷して変形歪みを与えることができる。その後、所定の焼鈍熱処理を行うことで表面でも再結晶が促進して混粒組織を改善することができる。得られた合金は均一微細なミクロ組織となるので特定の粗大粒粒界部への応力集中がなく、耐粒界腐食割れ性に優れ、同時に超音波探傷性にも優れている。
【００１５】
本発明では混粒がないことが特徴である。混粒についてはまず超音波探傷試験により確認する。ここで超音波探傷試験はJISZ2344の「金属材料のパルス反射法による超音波探傷試験方法通則」にしたがって実施する。更には、混粒はJISG0551に従って測定した結晶組織の結晶粒度から求める。
【００１６】
被検面は圧延方向、及び圧延方向に垂直な断面とし、板厚方向に表面直下、板圧1／4、板圧1／2（中心部）とする。混粒がある状態については、最大頻度を有する粒度番号の粒から2以上異なった粒が20％を超える面積を占める状態にあるものと定義する。
【００１７】
本発明では、熱間圧延後に熱処理を行うことで混粒のない均一微細なミクロ組織のNi基合金が得られる。ここで均一微細なミクロ組織とは平均結晶粒度番号が2以上であり、混粒がないものである。測定方法は前記の熱間圧延後に求めるJIS法によるものと同じである。したがい、結晶粒度番号が2以上で、最大頻度の粒度番号の粒に較べて粒度番号が2以上異なる粒の占める面積が20％以下であるものを均一微細なミクロ組織と定義する。
【００１８】
ここで、平均粒度番号を2以上とする理由は以下のようである。組織が粗大化すると、単位粒界面積当たりの不純物元素濃度が高くなるので耐食性が劣化する。同時に原子力材に要求される高強度を満足することが困難になるので結晶粒度は2以上とする。また、粒度番号が2以上異なる粒の占める面積を20％以下とする理由は以下のようである。JISで混粒の定義とされているほか、ミクロ組織の異なる領域が存在すると耐食性や機械的性質のばらつきが生じ、腐食や応力集中の原因となるため、粒度番号が2以上異なる面積率は20％以上とする。
【００１９】
熱間圧延最終段階について1パス当りの圧下を0.5％以上で、かつ4％以下とした。4％以上では圧下率が大きく変形が表層部ではなく中心部でおこるためである。0.5％以下では変形が小さすぎて効果を得られないためである。圧延後の板厚の適用範囲を30mm以上とした。30mm以下では板厚が薄いため厚板表層と内部との温度差あるいは強度差が小さくなって混粒組織が生じないからである。
【００２０】
熱処理温度は900℃以上にした。これより低温では再結晶が不十分となり混粒組織が残留するためである。なお、熱処理温度は好ましくは950℃以上であり、更に好ましくは1000℃以上である。
【００２１】
本発明においてNi基合金の成分組成を限定する理由を以下に述べる。Crについては、含有量が14％より少ないと一般耐食性が劣化し、26％より高いと高温強度が高くなり製造性が劣化するので14〜26％の範囲内にする。
【００２２】
Feについては、含有量が50％より多いとNi基合金の特徴である塩化物環境における耐粒界応力腐食割れ性が劣化し、3％以下では靭性が劣化するので3〜50％の範囲にする。
【００２３】
Cは合金の機械的強度の向上に寄与する成分である。含有量が多すぎる場合は耐食性が悪くなるので上限は0.045％とし、好ましくは0.040％以下とする。なお、強度を確保するため0.003％以上が望ましく、より望ましくは0.005％以上である。
【００２４】
Nbは固溶炭素（C）、及び固溶窒素（N）を炭化物、及び窒化物として析出させ耐食性を向上させる効果がある。ただし、含有量が多すぎると過剰に析出した析出物により粒界脆化を生じる場合があるのでその含有量は4％以下とする。
【００２５】
Nは機械的強度、耐食性、及び耐粒界腐食性の向上に有効である。含有量が0.04％を越えるとNの固溶限に近づいてブローホールを生じ易くなるので0.04％以下とする。なお、耐力を確保するため0.005％以上とし、好ましくは0.01％以上とする。
【００２６】
Alは脱酸材として用いられるが、含有量が多すぎると熱間加工性を阻害するため0.2％以下とする。より好ましくは0.1％以下とする。
【００２７】
Siは含有量が1.0％より多いと耐粒界腐食性が劣化するので1．0％以下とする。
【００２８】
Pは含有量が0．030％より多いと耐粒界腐食性、及び溶接性が劣化するので0．030％以下とする。
【００２９】
Mnは含有量が1.0％より多いと耐粒界腐食性が劣化するので1.0％以下とする。
【００３０】
SとOについては含有量が多すぎると熱間加工性を損なう。そのためSについては50ppm以下とし、Oについては60ppm以下とする。より好ましくはS含有量は20ppm以下、O含有量も20ppm以下である。
【００３１】
Al、Ti，NbはそれぞれNi−Cr−Fe合金の高温強度向上に寄与する点で同一作用効果の元素であり必要に応じて含有させることができる。これら元素から選ぶいずれか1種又は2穫以上の合計が5％より多いと耐応力腐食割れ性に有害である。また、熱処理中にこれらの元素を含む金属間化合物が生成しやすくなる。したがい、これらの元素の内から選ぶいずれか1種又は2種以上の合計は5％以下にする。
【００３２】
【実施例】
図１として示す表１の成分組成の合金を電気炉および真空脱酸炉で溶製し、鋳造して得た鋼塊を熱間プレス加工してから、図２として示す表２の条件により熱間圧延して100mm厚又は50mm厚の熱間圧延厚板を得た。得られた厚板について、超音波探傷試験結果、混粒の有無について求めた。更に熱処理（1050℃で90分間焼鈍）後については平均結晶粒度番号、混粒の面積について求め表２に合わせて示した。また、番号１〜４は本発明例であり、番号５〜９は比較例である。
【００３３】
図３に、本発明方法による熱間圧延を実施し、熱処理を行なった厚板の表層と中央部のミクロ組織を示す。比較のため、従来方法による熱間圧延時のミクロ組織、および熱処理後のミクロ組織を同様に示した。(a)は、1250℃で抽出圧延して得た従来の熱間圧延方法による圧延組織である。写真上段は表層部で下段は中央部である。(b)は、(a)の圧延後に1050℃で90分間熱処理して得た従来方法による熱処理後のミクロ組織である。
【００３４】
写真上段は表層面で下段は中央部である。(c)は、(a)と同様の圧延後1mm×5パスの圧延を追加し、その後1050℃で90分間熱処理して得た本発明方法による熱間圧延・熱処理後の組織である。写真上段は表面で下段は中央部である。本発明によれば表面に粗大な混粒が発生せずに厚板中央部と同様な均一なミクロ組織を有する合金が得られることが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた均一組織を有し、材料特性が均一でしかも材料検査の信頼性が高いＮｉ基合金を新規に工程を増やすことなく生産できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】成分組成を整理して表１にまとめた図である。
【図２】加熱、熱間圧延条件を整理して表２にまとめた図である。
【図３】ミクロ組織を表した図である。

Claims

下記の成分組成（以下％とｐｐｍは重量ベースである）及び特性を備えたことを特徴とするＮｉ基合金。
(イ) Ｃ：０．００３〜０．０４５％、Ｃｒ：１４〜２６％、Ｆｅ：３〜５０％、Ｎｂ：４％以下、Ｎ：０．００５〜０．０４％、Ａｌ：０．２％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｓ：５０ｐｐｍ以下、Ｏ：６０ｐｐｍ以下を含有し、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂの内から選んだいずれか１種、又は２種類以上の合計５％以下を含有し、残部がＮｉと不可避不純物からなり、Ｎｉ量は少なくとも２０％であり、(ロ) 結晶組織の平均粒度番号が２以上で、最大頻度の粒度番号の粒に較べて粒度番号が２以上異なる粒の占める面積が２０％以下である。
下記の工程を備えたことを特徴とするＮｉ基合金の製造方法。
(イ) Ｃ：０．００３〜０．０４５％、Ｃｒ：１４〜２６％、Ｆｅ：３〜５０％、Ｎｂ：４％以下、Ｎ：０．００５〜０．０４％、Ａｌ：０．２％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｓ：５０ｐｐｍ以下、Ｏ：６０ｐｐｍ以下を含有し、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂの内から選んだいずれか１種、又は２種類以上の合計５％以下を含有し、残部がＮｉと不可避不純物からなり、Ｎｉ量は少なくとも２０％であるＮｉ基合金スラブを用意し、(ロ) 前記Ｎｉ基合金スラブを熱間圧延時の熱間圧延最終段階で、１パスあたりの圧下率が０．５％以上で、かつ４％以下の圧延を２パス以上行い、(ハ) 前記熱間圧延後の板厚が３０ｍｍ以上の熱間圧延板を得て、(ニ) 前記熱間圧延板に９００℃以上の温度で熱処理をする。