JP4631986B1 - Ni基合金製品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.1〜1.5%、Sol.Al:0.0005〜0.04%、Fe:20〜30%、Cr:21.0%以上で25.0%未満、W:6.0%を超えて9.0%まで、Ti:0.05〜0.2%、Nb:0.05〜0.35%、B:0.0005〜0.006%、残部はNiおよび不純物からなり、不純物としてP:0.03%以下、S:0.01%以下、N:0.010%未満、Mo:0.5%未満、Co:0.8%以下であり、下記の(1)式で規定される有効B量(Beff)が0.0050〜0.0300%である組成を有し、かつ700℃におけるひずみ速度が10−6/secの引張試験での破断伸びが20%以上であることを特徴とするNi基合金製品。
Beff (%)= B−(11/14)×N+(11/48)×Ti ・・・(1)
この合金は、Cu、Ta、Zr、Mg、Ca、REM、Pdの1種以上を含有してもよい。この合金製品は特に大型製品として好適である。
【選択図】なし
Description
Beff (%)= B−(11/14)×N+(11/48)×Ti ・・・(1)
但し、上記(1)式中の元素記号は、各元素の含有量(質量%)を示す。
第1群:Cu:5.0%以下およびTa:0.35%以下
第2群:Zr:0.1%以下
第3群:Mg:0.01%以下およびCa:0.05%以下
第4群:REM:0.3%以下およびPd:0.3%以下
まず、本発明製品の素材となるNi基合金(以下、素材合金という)の合金成分についてその作用効果と含有量の限定理由を説明する。なお、含有量についての%は質量%を意味する。
Cは、TiやNbおよびCrの炭化物を生成させ、合金の高温引張強さ、高温クリープ破断強度を確保するために必要である。その含有量は0.03%以上とすることが必要である。一方、Cの含有量が過多であると、未固溶炭化物が生じ、また、Crの炭化物が増えて溶接性が低下する。したがって、上限は0.10%とする。
Siは、合金の脱酸元素として添加され、耐水蒸気酸化性を高めるためにも必要な元素である。下限は水蒸気酸化性の改善と脱酸作用の確保のために0.05%とする。より好ましい下限は0.1%である。一方、多量のSiは、高温でシグマ相生成による加工性劣化をもたらし、金属組織の安定性をも悪くするので、上限は1.0%とする。金属組織の安定性を重視するならば、上限を0.5%とするのが好ましい。より好ましい上限は0.3%である。
Mnは、S(硫黄)とMnS(硫化物)を形成してSを無害化し、素材合金の熱間加工性を改善する。0.1%未満では効果がない。他方、Mnが過剰に添加されると、素材合金が硬く脆くなり、かえって加工性や溶接性を損なうので、上限を1.5%とした。より好ましいMnの含有量は0.7〜1.3%である。
本発明製品の素材合金は、高温加工性を重視する観点から、AlやTiの多量添加によるγ’相の析出強化を利用しないのが特徴のひとつである。Alは脱酸元素として添加されるが、過剰に添加すると組織安定性が悪くなるので、含有量の上限をSol.Alで0.04%としなければならない。また下限は脱酸効果を確実に得るため0.0005%とする。好ましいSol.Alの含有量は0.005%から0.03%未満である。
Ni基合金において、Coを使わないで高い高温強度と高温長時間の安定した金属組織とするためには、Feは20%必要である。また、高温延性や加工性を確保し、NbやTi、Crの安定な炭窒化物を生成させるためにも適量のFeが必要である。一方、Feの含有量が30%を超える場合は、シグマ相などの脆化相が生成し、素材合金の高温強度、靭性および加工性を損なう。したがって、上限を30%とする。
Crは、合金の耐酸化性、耐水蒸気酸化性および耐食性を確保するのに重要な元素である。高温(500〜800℃程度)での使用で18−8系ステンレス鋼の耐食性以上の耐食性を確保するために最低限必要なCr含有量は21.0%である。Crの含有量が多いほど上記耐食性は向上するが、他方では脆いシグマ相を生成して金属組織の安定性が低下し、クリープ強度や溶接性が低下する。したがってCr含有量は25.0%未満に抑えるのがよい。一層好ましいCrの含有量は22.5〜24.5%である。
Wは、本発明製品の素材合金の重要な固溶強化元素であり、粒界すべりクリープが優先する700℃以上の温度では多量に添加しなければ効果がない。効果を得るには6.0%を超える含有量が必要である。本発明製品の素材合金には、Moを積極的には添加しないので、Wが多量添加されても脆化相は生じない。しかし、一方で、過剰なW含有量では合金が硬化し、加工性および溶接性が劣化するので、上限は9.0%とした。より好ましいWの含有量は7.0〜8.5%である。
Tiは、Al同様に、従来はNi基合金に積極的に添加してγ’相や炭窒化物の析出強化を利用していた。しかし、本発明製品の素材合金では、多量のTiは未固溶炭窒化物の増加による高温の加工性劣化をもたらし、溶接割れ感受性が高まる。したがって、Tiの含有量の上限を0.2%とした。一方、微量のTi添加によりN(窒素)を窒化物として固定し、Bの高温強化作用を高めることができる。この効果を得るのに0.05%以上の含有が必要である。Tiのより好ましい含有量は0.10〜0.15%である。
Nbは、その炭化物によるクリープ強度の増大のためには0.05%以上の含有が必要である。一方、高温加工性および溶接性を害さないように上限は0.35%とする。Nbのより好ましい含有量は0.20〜0.30%である。
Bは、Ni基合金には不可欠な合金元素で、高温で粒界クリープを防止する作用がある。その反面、過剰なBは、厚肉部材の製造時の割れ、溶接施工時の割れを誘発する。したがって、Bについてはその適量管理が重要である。
Bの含有量としては、合金の強度および加工性向上のためには0.0005%以上が必要である。一方、Bの含有量が0.006%を超える場合は、溶接性および加工性が著しく損なわれる。より好ましいBの含有量は0.001〜0.005%である。なお、Bの含有量は、上記の範囲内で、かつ、次に述べる「有効B(Beff)」が0.0050〜0.0300%の範囲内になければならない。
有効B(Beff):0.0050〜0.0300%
Beff(%)= B−(11/14)×N+(11/48)×Ti ・・・(1)
Beff(%)= B−(11/14)×{N−(14/48)×Ti} ・・・(2)
Pは、不可避不純物として混入して素材合金の溶接性および加工性を害するので上限は0.03%とする。さらに、0.02%以下に極力低減するのが一層好ましい。
Sも不可避不純物として混入するし、溶接性、加工性を害するので上限は0.01%とする。より好ましくは0.005%以下に極力低減すべきである。
従来、Nは、炭窒化物析出強化と高温の金属組織安定性を確保するために添加するものであるが、本発明製品の素材合金ではTiやBの未固溶炭窒化物が増加すると高温加工中の割れおよびキズや溶接時の割れを誘発するため、極力低減しなければならない。しかし、NはCrとの親和力が高く合金製造時の溶解作業中に不可避的に混入する。本発明の効果を得るためには不純物としての混入を0.010%未満とする。
Moは、700℃以上の使用環境によって素材合金中に脆化相を生じ、また耐食性を劣化させることがあり、また、Wとの複合添加ではWの単独添加に比べあまり効果はないので、Moは添加しない。不純物として許容されるのは0.5%未満である。より好ましいのは0.4%未満、さらに好ましいのは0.3%未満である。
高温用のNi基合金には、Coは主要な合金元素として通常10%以上含有される。これはCoが高温強度や金属組織の安定性に有効であるからであるが、反面、厚肉製品においては、その強度が高くなりすぎて延性を低下させ、高温割れを誘発する。また、Coは、高価な元素であり、戦略資源とされて入手が困難になることもあるから、大型製品に多量に使用することは好ましくない。本発明は、素材合金をCoを含まない安価で加工性に優れたNi基合金とすることを意図しているから、Coは積極的には添加せず、不純物とする。しかし、Coは原料から不可避的に混入しがちであることから、含有量の許容上限を0.8%とする。0.5%未満に抑えるのが一層好ましい。
第1群:Cu:5.0%以下およびTa:0.35%以下
第2群:Zr:0.1%以下
第3群:Mg:0.01%以下およびCa:0.05%以下
第4群:REM:0.3%以下およびPd:0.3%以下
以下、これらの元素の作用効果を説明する。
Cuは、析出強化元素として高温強度に寄与する。しかし、Cuの含有量が5%を超えるとクリープ延性を著しく低下させるので、Cuを添加する場合、含有量の上限は5.0%とする。なお、0.01%未満では上記の効果が小さいので、添加する場合には含有量を0.01%以上とするのが望ましい。より好ましい含有量は1〜4%である。
Taは、Nbと同様に析出強化元素として作用するが、その含有量が0.35%を超えると、著しく高温加工性を損ない、溶接割れ感受性が高まるため、上限を0.35%とした。なお、添加の効果を確実に得るには、0.01%以上含有させるのが望ましい。
Ni基合金ではZrは高温で粒界強化作用がありクリープ強度に寄与する。しかし、その含有量が0.1%を超えると酸化物系介在物が増加し、クリープ強度や熱疲労特性、延性を損なう。0.0005%未満では効果が小さいので、添加する場合は含有量を0.0005%以上とするのが望ましい。特に好ましい含有量は0.001〜0.06%である。
Mgは、極微量で脱酸効果がありかつ有害なSを安定化して加工性をよくする。しかし、Mgの含有量が0.01%を超えると酸化物系介在物が増加するので、上限を0.01%とする。なお、0.0005%未満では効果が小さいので、Mgを添加する場合は、その含有量を0.0005%以上とするのが望ましい。
Caも極微量でSと結合し安定化して加工性を改善する。しかし、0.05%を超える含有量ではかえって延性および加工性を損なう。なお、0.0005%未満では効果が小さいのでCaを添加する場合は、その含有量を0.0005%以上とするのが望ましい。
REMおよびPdは、無害で安定な酸化物や硫化物をつくり耐食性、加工性、クリープ延性、耐熱疲労特性およびクリープ強度を改善する有用な元素である。しかし、それぞれ含有量が0.3%を超えると製造コストが高くなり、また酸化物などの介在物が多くなって加工性、溶接性だけでなく靭性、高温延性および疲労特性を損なう。0.001%未満では効果が小さいので、これらを利用する場合には、それぞれ含有量を0.001%以上とするのが望ましい。なお、REMとは、原子番号57のLaから同71のLuまでの15元素にYおよびScを加えた17元素のことである。
本発明のNi基合金製品は、700℃における10−6/secのひずみ速度での引張試験による破断伸びが20%以上であることを大きな特徴とする。
本発明の効果は、どんな寸法形状の製品においてでも発揮されるが、とりわけ大型製品、すなわち、厚肉の製品においてその効果が発揮される。したがって、本発明のNi基合金製品は、大型製品として用いるのに好適である。大型製品とは、仕上がりの寸法で厚さ30mm以上になる継目なし管、板および鍛造品、または外径30mm以上の棒である。
前記のように、本発明のNi基合金製品は、大型耐熱耐圧部材へ適用するのが好ましい。大型製品の場合、実際に製造する際には、大型であるがゆえに、熱間加工前の素材の寸法が大きい。したがって、加熱時間を長くしなければならず、さらに熱間加工においても大きな加工度がとれない。すなわち、従来の合金製の製品では、加工時の圧下比は3程度と小さいため、結晶粒がオーステナイト結晶粒度番号で0程度まで粗粒化し粒界へのPやSの偏析の影響を受けやすい。さらに、熱間加工や溶接施工後の冷却速度が著しく遅くなって冷却中に脆化相が析出し易いため、製造時の著しい加工割れやキズ、溶接時の拘束による割れ、実機で長時間使用中に延性の低下による割れ、補修溶接時の割れなどの不具合を生じることがある。
2:SM400鋼の板
3:拘束溶接
Claims (5)
- 質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.1〜1.5%、Sol.Al:0.0005〜0.04%、Fe:20〜30%、Cr:21.0%以上で25.0%未満、W:6.0%を超えて9.0%まで、Ti:0.05〜0.2%、Nb:0.05〜0.35%、B:0.0005〜0.006%、残部はNiおよび不純物からなり、不純物としてP:0.03%以下、S:0.01%以下、N:0.010%未満、Mo:0.5%未満、Co:0.8%以下であり、下記の(1)式で規定される有効B量(Beff)が0.0050〜0.0300%である組成を有し、かつ700℃におけるひずみ速度が10−6/secの引張試験での破断伸びが20%以上であることを特徴とするNi基合金製品。
Beff (%)= B−(11/14)×N+(11/48)×Ti ・・・(1)
但し、上記(1)式中の元素記号は、各元素の含有量(質量%)を示す。 - 質量%で、さらに下記の第1群から第4群までの少なくとも一つの群に属する少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項1に記載のNi基合金製品。
第1群:Cu:5.0%以下およびTa:0.35%以下
第2群:Zr:0.1%以下
第3群:Mg:0.01%以下およびCa:0.05%以下
第4群:REM:0.3%以下およびPd:0.3%以下 - 仕上り寸法で厚さ30mm以上になる継目なし管、板もしくは鍛造品、または外径が30mm以上の棒であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のNi基合金製品。
- オーステナイト結晶粒度番号が3.5以下の粗粒組織であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかに記載のNi基合金製品。
- 請求項1または2に記載の化学組成を有するNi基合金からなる素材を、1000℃以上で1分以上加熱保持後、熱間加工し、最終熱処理を行った後、800℃/時間以下の冷却速度で冷却することを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかに記載のNi基合金製品の製造方法。
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