JP5725630B1 - 熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】 大型構造部材に好適な熱間鍛造性と耐食性にすぐれたＮｉ基合金を提供すること。【解決手段】 質量％で、Ｃｒ：１８超〜２１％未満、Ｍｏ：１８超〜２１％未満、Ｔａ：１．１〜２．５％、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％、Ｎ：０．００１〜０．０４％、Ｍｎ：０．００１〜０．５％、Ｓｉ：０．００１〜０．０５％、Ｆｅ：０．０１〜１％、Ｃｏ：０．０１％以上１％未満、Ａｌ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１％以上０．１％未満、Ｖ：０．００５％以上０．１％未満、Ｎｂ：０．００１％以上０．１％未満、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｚｒ： ０．００１〜０．０５％を含有し、さらに、必要に応じて、Ｃｕ：０．００１％以上０．１％未満及びＷ：０．００１％以上０．１％未満の１種または２種、Ｃａ：０．００１％以上０．０５％未満、Ｈｆ：０．００１％以上０．０５％未満、残りがＮｉおよび不可避不純物から成る熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。【選択図】 なし
Description
この発明は、石油化学や化学工業関係の塔・槽・配管類、公害防止装置、製塩装置、半導体製造装置用、医薬品製造装置など、酸による腐食に対する耐食性が要求される部位で、特に溶接部を低減した大型構造部材を形成するに適した熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金に関する。
従来、耐食性、特に耐硫酸腐食性に優れると共に、熱間加工性が要求される構造部材には、例えば、特許文献1に示されるように、
重量％で、Ｃｒ：１６〜２７％、Ｍｏ：１６〜２６％（ただし、Ｃｒ＋Ｍｏ≦４４％）、Ｔａ：１．１〜３．５％、Ｆｅ：０．０１〜６％、Ｍｎ：０．０００１〜３％、Ｓｉ：０．０００１〜０．３％、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｍｇ：０．０００１〜０．３％を含有し、さらに、必要に応じて、
（ａ）Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１％、Ｃａ：０．００１〜０．０１％のうち少なくとも１種、
（ｂ）Ｎｂ：０．１〜０．５％、Ｗ：０．１〜２％、Ｃｕ：０．１〜２％のうち少なくとも１種、
（ｃ）Ｔｉ：０．０５〜０．８％、Ａｌ：０．０１〜０．８％のうち少なくとも１種、
（ｄ）Ｃｏ：０．１〜５％、Ｖ：０．１〜０．５％のうち少なくとも１種、
（ｅ）Ｈｆ：０．１〜２％
前記（ａ）〜（ｅ）の内の１種または２種以上を含み、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有するＮｉ基合金が用いられていることが知られている。
重量％で、Ｃｒ：１６〜２７％、Ｍｏ：１６〜２６％（ただし、Ｃｒ＋Ｍｏ≦４４％）、Ｔａ：１．１〜３．５％、Ｆｅ：０．０１〜６％、Ｍｎ：０．０００１〜３％、Ｓｉ：０．０００１〜０．３％、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｍｇ：０．０００１〜０．３％を含有し、さらに、必要に応じて、
（ａ）Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１％、Ｃａ：０．００１〜０．０１％のうち少なくとも１種、
（ｂ）Ｎｂ：０．１〜０．５％、Ｗ：０．１〜２％、Ｃｕ：０．１〜２％のうち少なくとも１種、
（ｃ）Ｔｉ：０．０５〜０．８％、Ａｌ：０．０１〜０．８％のうち少なくとも１種、
（ｄ）Ｃｏ：０．１〜５％、Ｖ：０．１〜０．５％のうち少なくとも１種、
（ｅ）Ｈｆ：０．１〜２％
前記（ａ）〜（ｅ）の内の１種または２種以上を含み、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有するＮｉ基合金が用いられていることが知られている。
また、熱間加工性および塩素イオンを含む環境下において耐食性に優れたＮｉ基合金としては、例えば、特許文献２に示されるように、
重量％で、Ｃｒ：１５〜３５％、Ｍｏ：１６〜２４％（ただし、Ｃｒ＋Ｍｏ≦４３％）、Ｔａ：１．１〜８％、Ｍｎ：０．０００１〜３％、Ｓｉ：０．０００１〜０．３％、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．０００１〜０．１％を含有し、残りがＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有するＮｉ基合金が用いられていることが知られている。
重量％で、Ｃｒ：１５〜３５％、Ｍｏ：１６〜２４％（ただし、Ｃｒ＋Ｍｏ≦４３％）、Ｔａ：１．１〜８％、Ｍｎ：０．０００１〜３％、Ｓｉ：０．０００１〜０．３％、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．０００１〜０．１％を含有し、残りがＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有するＮｉ基合金が用いられていることが知られている。
しかし、最近の石油化学プラント、医薬品中間体製造プラントや公害防止装置に用いられる機器に適用される技術が高度化すると同時に、生産量や処理量の増大に伴う装置の大型化が進むに従い、溶接部を出来る限り少なくすることによって、耐食性の劣る箇所を最小限に限定したいという要求が高まる傾向にある。
すなわち、機器に適用するＮｉ基耐食合金部材の大型化を実現すれば、こうした要求に応えられるが、そのためには鋳造されたままの大型のインゴットを均質化熱処理後に熱間鍛造によって成形することとなるために、優れた熱間鍛造性が要求される。
すなわち、機器に適用するＮｉ基耐食合金部材の大型化を実現すれば、こうした要求に応えられるが、そのためには鋳造されたままの大型のインゴットを均質化熱処理後に熱間鍛造によって成形することとなるために、優れた熱間鍛造性が要求される。
例えば、前記特許文献１に記載される従来Ｎｉ基合金は、高温では変形抵抗が小さくなる一方、ある温度を超えると変形能が急激に低下するために、熱間鍛造温度は１１８０℃付近の温度域に設定されている。そして、この温度を超えた条件で熱間鍛造すると、変形抵抗が低下することで鍛造圧力が小さくても変形し易くなるものの、一度の鍛造で変形量を大きくしようとすると変形能が低いために割れてしまう。
一度の鍛造で変形量を大きくしないと、凝固組織を破壊し組織の均質化を図ることに支障となるため、熱間鍛造温度を下げても変形能の高い温度領域を選定せざるを得ないでいる。そのため、大型のインゴットを鍛造しようとすると、鍛造プレス機の能力によって、形状が限定されてしまい、大型化することに制約を受けている。
熱間鍛造時に変形量を大きくすると、加工発熱により温度上昇し、変形能が急減する領域に達する可能性があるので、その温度よりも２０℃程度低い温度を鍛造上限温度として設定するなどの制約も受ける。
当然のことながら、主要な合金元素であるＣｒ， Ｍｏ， Ｔａを低減すれば、熱間鍛造性も向上し、大型化に対応できるが、この方法では耐食性劣化が大きくなるため、意味がない。
一度の鍛造で変形量を大きくしないと、凝固組織を破壊し組織の均質化を図ることに支障となるため、熱間鍛造温度を下げても変形能の高い温度領域を選定せざるを得ないでいる。そのため、大型のインゴットを鍛造しようとすると、鍛造プレス機の能力によって、形状が限定されてしまい、大型化することに制約を受けている。
熱間鍛造時に変形量を大きくすると、加工発熱により温度上昇し、変形能が急減する領域に達する可能性があるので、その温度よりも２０℃程度低い温度を鍛造上限温度として設定するなどの制約も受ける。
当然のことながら、主要な合金元素であるＣｒ， Ｍｏ， Ｔａを低減すれば、熱間鍛造性も向上し、大型化に対応できるが、この方法では耐食性劣化が大きくなるため、意味がない。
耐食性は従来材と比較して同等以上で、かつ、熱間鍛造性向上（変形能が急減する温度を高温側にシフトさせることで、変形抵抗を下げ、かつ変形能を低下させない）による大型部材成形が可能となることが望まれている。
このような状況のもと、前記特許文献１、２に記載される従来Ｎｉ基合金で作製された化学プラントや公害防止装置に用いられる機器部材などは、上記部材の大型化による溶接線低減の要求に対して、十分に満足できるものではなかった。
このような状況のもと、前記特許文献１、２に記載される従来Ｎｉ基合金で作製された化学プラントや公害防止装置に用いられる機器部材などは、上記部材の大型化による溶接線低減の要求に対して、十分に満足できるものではなかった。
そこで、本発明者は、かかる課題を解決し、従来よりも一層優れた熱間鍛造性・耐食性を有するＮｉ基合金を製造すべく研究を行った結果、質量％で、Ｃｒ：１８超〜２１％未満、Ｍｏ：１８超〜２１％未満、Ｔａ：１．１〜２．５％、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％、Ｎ：０．００１〜０．０４％、Ｍｎ：０．００１〜０．５％、Ｓｉ：０．００１〜０．０５、Ｆｅ：０．０１〜１．０％、Ｃｏ：０．０１以上１．０％未満、Ａｌ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１以上０．１％未満、Ｖ：０．００５以上０．１％未満、Ｎｂ：０．００１以上０．１％未満、Ｂ：０．０００１〜０．０１％及びＺｒ：０．００１〜０．０５％を含有せしめ、さらに必要に応じて、（ａ）Ｃｕ：０．００１以上０．１％未満、Ｗ：０．００１以上０．１％未満のうち少なくとも１種、（ｂ）Ｃａ：０．００１以上０．０５％未満、（ｃ）Ｈｆ：０．００１以上０．０５％未満、前記（ａ）〜（ｃ）の内の１種または２種以上を含み、残りがＮｉおよび不可避不純物から成ることを特徴とするＮｉ基合金は、熱間鍛造性及び耐食性の両者ともに優れるという知見を得たのである。
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 質量％で、
Ｃｒ： １８超〜２１％未満、
Ｍｏ： １８超〜２１％未満、
Ｔａ： １．１〜２．５％、
Ｍｇ： ０．００１〜０．０５％、
Ｎ ： ０．００１〜０．０４％、
Ｍｎ： ０．００１〜０．５％、
Ｓｉ： ０．００１〜０．０５％、
Ｆｅ： ０．０１〜１％、
Ｃｏ： ０．０１％以上１％未満、
Ａｌ： ０．０１〜０．５％、
Ｔｉ： ０．０１％以上０．１％未満、
Ｖ ： ０．００５％以上０．１％未満、
Ｎｂ： ０．００１％以上０．１％未満、
Ｂ ： ０．０００１〜０．０１％、
Ｚｒ： ０．００１〜０．０５％を含有し、
残りがＮｉおよび不可避不純物から成ることを特徴とする熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（２） 質量％で、
Ｃｕ： ０．００１％以上０．１％未満及び
Ｗ ： ０．００１％以上０．１％未満の１種または２種、
をさらに含有することを特徴とする前記（１）に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（３） 質量％で、
Ｃａ： ０．００１％以上０．０５％未満、
をさらに含有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（４） 質量％で、
Ｈｆ： ０．００１％以上０．０５％未満、
をさらに含有することを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（５） 前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金により構成されたことを特徴とする大型構造部材。」
を特徴とするものである。
「（１） 質量％で、
Ｃｒ： １８超〜２１％未満、
Ｍｏ： １８超〜２１％未満、
Ｔａ： １．１〜２．５％、
Ｍｇ： ０．００１〜０．０５％、
Ｎ ： ０．００１〜０．０４％、
Ｍｎ： ０．００１〜０．５％、
Ｓｉ： ０．００１〜０．０５％、
Ｆｅ： ０．０１〜１％、
Ｃｏ： ０．０１％以上１％未満、
Ａｌ： ０．０１〜０．５％、
Ｔｉ： ０．０１％以上０．１％未満、
Ｖ ： ０．００５％以上０．１％未満、
Ｎｂ： ０．００１％以上０．１％未満、
Ｂ ： ０．０００１〜０．０１％、
Ｚｒ： ０．００１〜０．０５％を含有し、
残りがＮｉおよび不可避不純物から成ることを特徴とする熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（２） 質量％で、
Ｃｕ： ０．００１％以上０．１％未満及び
Ｗ ： ０．００１％以上０．１％未満の１種または２種、
をさらに含有することを特徴とする前記（１）に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（３） 質量％で、
Ｃａ： ０．００１％以上０．０５％未満、
をさらに含有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（４） 質量％で、
Ｈｆ： ０．００１％以上０．０５％未満、
をさらに含有することを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。
（５） 前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金により構成されたことを特徴とする大型構造部材。」
を特徴とするものである。
次に、この発明のＮｉ基合金の各成分元素の組成範囲限定理由について詳述する。
ＣｒおよびＭｏ：
ＣｒおよびＭｏは、塩酸、硫酸等の酸に対する耐食性を向上させる効果がある。特に石油化学プラントでは、高温であるが比較的濃度の低い酸が扱われることが多い。比較的濃度の低い酸に対しては、Ｍｏを含有するＣｒ型不動態皮膜によって耐食性が発揮されるため、ＣｒとＭｏは組合せとして同時に含有することで効果が発揮される。この場合、Ｃｒは１８質量％（以下、「質量％」を、単に、「％」と記す。）を超えて含有することが必要であるが、２１％以上含有するとＭｏとの組み合わせにおいて、高温領域での変形抵抗が急激に大きくなるため熱間鍛造性低下を招くので、その含有量を１８％超〜２１％未満とした。好ましくは、１８．５％〜２０．５％である。同様に、Ｍｏは１８％を超えて含有することが必要であるが、２１％以上含有するとＣｒとの組み合わせにおいて、高温領域での変形能が急激に低下することにより熱間鍛造性低下を招くので、その含有量を１８％超〜２１％未満とした。好ましくは、１８．５％〜２０．５％である。
ＣｒおよびＭｏは、塩酸、硫酸等の酸に対する耐食性を向上させる効果がある。特に石油化学プラントでは、高温であるが比較的濃度の低い酸が扱われることが多い。比較的濃度の低い酸に対しては、Ｍｏを含有するＣｒ型不動態皮膜によって耐食性が発揮されるため、ＣｒとＭｏは組合せとして同時に含有することで効果が発揮される。この場合、Ｃｒは１８質量％（以下、「質量％」を、単に、「％」と記す。）を超えて含有することが必要であるが、２１％以上含有するとＭｏとの組み合わせにおいて、高温領域での変形抵抗が急激に大きくなるため熱間鍛造性低下を招くので、その含有量を１８％超〜２１％未満とした。好ましくは、１８．５％〜２０．５％である。同様に、Ｍｏは１８％を超えて含有することが必要であるが、２１％以上含有するとＣｒとの組み合わせにおいて、高温領域での変形能が急激に低下することにより熱間鍛造性低下を招くので、その含有量を１８％超〜２１％未満とした。好ましくは、１８．５％〜２０．５％である。
Ｔａ：
Ｔａは、その少量添加により不動態皮膜を格段と強化・改善する効果がある。Ｔａを１．１％以上含有することにより、酸に対する耐食性を著しく改善する効果が発揮されるが、２．５％を超えて含有すると、高温領域での変形能が急激に低下することにより熱間鍛造性低下を招くので、その含有量を１．１〜２．５％とした。好ましくは、１．５％〜２．２％である。
Ｔａは、その少量添加により不動態皮膜を格段と強化・改善する効果がある。Ｔａを１．１％以上含有することにより、酸に対する耐食性を著しく改善する効果が発揮されるが、２．５％を超えて含有すると、高温領域での変形能が急激に低下することにより熱間鍛造性低下を招くので、その含有量を１．１〜２．５％とした。好ましくは、１．５％〜２．２％である。
Ｎ、ＭｎおよびＭｇ：
Ｎ、ＭｎおよびＭｇを共存させることにより、１０００℃以下での熱間鍛造性を劣化させる粗大なμ相（Ｎｉ７Ｍｏ６型）の生成を抑制することができる。すなわち、Ｎ、ＭｎおよびＭｇは母相であるＮｉ−ｆｃｃ相を安定化させ、ＣｒおよびＭｏ， Ｔａの固溶化を促進しμ相を析出しにくくする効果がある。その効果として、１０００℃を下回る温度領域でも変形抵抗の急激な増大や変形能の急激な低下をもたらすことなく、良好な熱間鍛造性を維持できる。
しかし、Ｎの含有量が０．００１％未満では、μ相生成を抑制する効果は無く、したがって１０００℃以下での熱間鍛造工程で過剰なμ相生成を許し、その結果として、熱間鍛造性の劣化がもたらされる、一方、０．０４％を超えて含有すると窒化物を形成し、高温加工性が劣化し部材への加工が困難となるため、その含有量を０．００１％〜０．０４％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０３％である。
同様に、Ｍｎの含有量が０．００１％未満では、μ相生成を抑制する効果は無く、したがって１０００℃以下での熱間鍛造性を劣化することとなり、一方、０．５％を超えて含有すると、μ相生成を抑制する効果が無くなり、耐食性が劣化するため、その含有量を０．００１％〜０．５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．１％である。
同様に、Ｍｇの含有量が０．００１％以下では、μ相生成を抑制する効果は無く、したがって１０００℃以下での熱間鍛造性を劣化することとなる、一方０．０５％を超えて含有すると、μ相生成を抑制する効果が無くなり、耐食性が劣化するため、その含有量を０．００１％〜０．０５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０４％である。
なお、これら３元素の効果はそれぞれ等価ではなく、３元素が同時に所定の範囲で含有されていないと効果がないことを見いだしている。
Ｎ、ＭｎおよびＭｇを共存させることにより、１０００℃以下での熱間鍛造性を劣化させる粗大なμ相（Ｎｉ７Ｍｏ６型）の生成を抑制することができる。すなわち、Ｎ、ＭｎおよびＭｇは母相であるＮｉ−ｆｃｃ相を安定化させ、ＣｒおよびＭｏ， Ｔａの固溶化を促進しμ相を析出しにくくする効果がある。その効果として、１０００℃を下回る温度領域でも変形抵抗の急激な増大や変形能の急激な低下をもたらすことなく、良好な熱間鍛造性を維持できる。
しかし、Ｎの含有量が０．００１％未満では、μ相生成を抑制する効果は無く、したがって１０００℃以下での熱間鍛造工程で過剰なμ相生成を許し、その結果として、熱間鍛造性の劣化がもたらされる、一方、０．０４％を超えて含有すると窒化物を形成し、高温加工性が劣化し部材への加工が困難となるため、その含有量を０．００１％〜０．０４％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０３％である。
同様に、Ｍｎの含有量が０．００１％未満では、μ相生成を抑制する効果は無く、したがって１０００℃以下での熱間鍛造性を劣化することとなり、一方、０．５％を超えて含有すると、μ相生成を抑制する効果が無くなり、耐食性が劣化するため、その含有量を０．００１％〜０．５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．１％である。
同様に、Ｍｇの含有量が０．００１％以下では、μ相生成を抑制する効果は無く、したがって１０００℃以下での熱間鍛造性を劣化することとなる、一方０．０５％を超えて含有すると、μ相生成を抑制する効果が無くなり、耐食性が劣化するため、その含有量を０．００１％〜０．０５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０４％である。
なお、これら３元素の効果はそれぞれ等価ではなく、３元素が同時に所定の範囲で含有されていないと効果がないことを見いだしている。
Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸剤として添加することにより、酸化物を低減し、これにより、熱間鍛造性に関わる高温での変形能を向上させる効果がある。その効果は、Ｓｉを０．００１％以上含有することにより発揮されるが、０．０５％を超えて含有すると、粒界における濃縮をもたらすこととなるため、熱間鍛造性における変形能が急激に低下することとなるため、Ｓｉ含有量を０．００１〜０．０５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０３％である。
Ｓｉは、脱酸剤として添加することにより、酸化物を低減し、これにより、熱間鍛造性に関わる高温での変形能を向上させる効果がある。その効果は、Ｓｉを０．００１％以上含有することにより発揮されるが、０．０５％を超えて含有すると、粒界における濃縮をもたらすこととなるため、熱間鍛造性における変形能が急激に低下することとなるため、Ｓｉ含有量を０．００１〜０．０５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０３％である。
ＦｅおよびＣｏ：
ＦｅおよびＣｏは、１２００℃以上の温度域での靭性を向上させることによって割れを防止する効果がある。Ｆｅを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、１％を超えて含有すると、耐食性を低下させるため、Ｆｅ含有量を０．０１％〜１％とした。好ましくは、０．１％〜１％未満である。
同様に、Ｃｏを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、１％以上含有すると高温領域での変形抵抗を大きくしてしまうため、Ｃｏ含有量を０．０１％以上１％未満とした。好ましくは、０．１％〜１％未満である。
ＦｅおよびＣｏは、１２００℃以上の温度域での靭性を向上させることによって割れを防止する効果がある。Ｆｅを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、１％を超えて含有すると、耐食性を低下させるため、Ｆｅ含有量を０．０１％〜１％とした。好ましくは、０．１％〜１％未満である。
同様に、Ｃｏを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、１％以上含有すると高温領域での変形抵抗を大きくしてしまうため、Ｃｏ含有量を０．０１％以上１％未満とした。好ましくは、０．１％〜１％未満である。
ＡｌおよびＴｉ：
ＡｌおよびＴｉは、熱間鍛造性に関わる高温での変形能を向上させる効果がある。
Ａｌを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、０．５％を超えて含有すると、変形抵抗を大きくしてしまうため、Ａｌ含有量を０．０１％〜０．５％とした。好ましくは、０．１％〜０．４％である。
同様に、Ｔｉを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると、変形抵抗を大きくしてしまうため、Ｔｉ含有量を０．０１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．０３％〜０．０９％未満である。
ＡｌおよびＴｉは、熱間鍛造性に関わる高温での変形能を向上させる効果がある。
Ａｌを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、０．５％を超えて含有すると、変形抵抗を大きくしてしまうため、Ａｌ含有量を０．０１％〜０．５％とした。好ましくは、０．１％〜０．４％である。
同様に、Ｔｉを０．０１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると、変形抵抗を大きくしてしまうため、Ｔｉ含有量を０．０１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．０３％〜０．０９％未満である。
ＶおよびＮｂ：
ＶおよびＮｂは、高温領域において結晶粒の粗大化を抑性する効果がある。これによって、特に１２００℃以上での熱間鍛造性に関わる変形能を著しく向上させる。Ｖを０．００５％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると、逆に変形能低下をもたらすため、Ｖ含有量を０．００５％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．０１％〜０．０９％である。
同様に、Ｎｂを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると耐食性を劣化させるため、Ｎｂ含有量を０．００１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０９％である。
ＶおよびＮｂは、高温領域において結晶粒の粗大化を抑性する効果がある。これによって、特に１２００℃以上での熱間鍛造性に関わる変形能を著しく向上させる。Ｖを０．００５％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると、逆に変形能低下をもたらすため、Ｖ含有量を０．００５％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．０１％〜０．０９％である。
同様に、Ｎｂを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると耐食性を劣化させるため、Ｎｂ含有量を０．００１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０９％である。
ＺｒおよびＢ：
ＺｒおよびＢは、１２００℃以上の温度域での熱間鍛造性における変形能を向上させる効果がある。Ｂを０．０００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．０１％を超えて含有すると、逆に変形能を低下させるため、Ｂ含有量を０．０００１％〜０．０１％とした。好ましくは、０．０００５％〜０．００５％である。
同様に、Ｚｒを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．０５％を超えて含有すると、逆に変形能を低下させるため、Ｚｒ含有量を０．００１％〜０．０５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０３％である。
ＺｒおよびＢは、１２００℃以上の温度域での熱間鍛造性における変形能を向上させる効果がある。Ｂを０．０００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．０１％を超えて含有すると、逆に変形能を低下させるため、Ｂ含有量を０．０００１％〜０．０１％とした。好ましくは、０．０００５％〜０．００５％である。
同様に、Ｚｒを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．０５％を超えて含有すると、逆に変形能を低下させるため、Ｚｒ含有量を０．００１％〜０．０５％とした。好ましくは、０．００５％〜０．０３％である。
ＣｕおよびＷ：
ＣｕおよびＷは、硫酸および塩酸系の腐食環境で耐食性を向上させる効果があるので、必要に応じて添加する。Ｃｕを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると、熱間鍛造性が劣化する傾向にあるため、Ｃｕ含有量を０．００１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０９％である。
同様に、Ｗを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると熱間鍛造性が劣化する傾向にあるため、Ｗ含有量を０．００１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０９％である。
ＣｕおよびＷは、硫酸および塩酸系の腐食環境で耐食性を向上させる効果があるので、必要に応じて添加する。Ｃｕを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると、熱間鍛造性が劣化する傾向にあるため、Ｃｕ含有量を０．００１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０９％である。
同様に、Ｗを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．１％以上含有すると熱間鍛造性が劣化する傾向にあるため、Ｗ含有量を０．００１％以上０．１％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０９％である。
Ｃａ：
Ｃａは、１２００℃以上の温度域での熱間鍛造性における変形能を向上させる効果があるので、必要に応じて添加する。Ｃａを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．０５％以上含有すると、逆に変形能を低下させるため、Ｃａ含有量を０．００１％以上０．０５％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０１％である。
Ｃａは、１２００℃以上の温度域での熱間鍛造性における変形能を向上させる効果があるので、必要に応じて添加する。Ｃａを０．００１％以上含有することで、その効果を示すが、０．０５％以上含有すると、逆に変形能を低下させるため、Ｃａ含有量を０．００１％以上０．０５％未満とした。好ましくは、０．００５％〜０．０１％である。
Ｈｆ：
Ｈｆは、１２００℃以上の温度域での熱間鍛造性における変形抵抗を低減させる効果があるので、必要に応じて添加する。Ｈｆを０．００１％以上含有することで、効果を示すが、０．０５％以上含有すると、変形能を劣化させる傾向にあるため、Ｈｆ含有量を０．００１％以上０．０５％未満とした。好ましくは、０．００２％〜０． ０１％である。
Ｈｆは、１２００℃以上の温度域での熱間鍛造性における変形抵抗を低減させる効果があるので、必要に応じて添加する。Ｈｆを０．００１％以上含有することで、効果を示すが、０．０５％以上含有すると、変形能を劣化させる傾向にあるため、Ｈｆ含有量を０．００１％以上０．０５％未満とした。好ましくは、０．００２％〜０． ０１％である。
不可避不純物：
溶解原料としてＰ，Ｓ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｃの含有は避けられない。Ｐ；０．０１％未満、Ｓ；０．０１％未満、Ｓｎ；０．０１％未満、Ｚｎ；０．０１％未満、Ｐｂ；０．００２％未満、Ｃ；０．０１％未満であれば、合金特性をなんら損なうものではないから、上記した成分元素の上記した範囲内での含有は許容される。
溶解原料としてＰ，Ｓ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｃの含有は避けられない。Ｐ；０．０１％未満、Ｓ；０．０１％未満、Ｓｎ；０．０１％未満、Ｚｎ；０．０１％未満、Ｐｂ；０．００２％未満、Ｃ；０．０１％未満であれば、合金特性をなんら損なうものではないから、上記した成分元素の上記した範囲内での含有は許容される。
上述のように、この発明のＮｉ基合金は、耐食性は従来材と比較して同等以上であり、しかも、熱間鍛造性に優れることから、この発明のＮｉ基合金を用いることによって、大型構造部材の製造、例えば、大径でかつ長尺のシームレスチューブの製造が可能となる。また、このような大型化によって、溶接部を出来る限り少なくすることができるばかりか、耐食性の劣る箇所を最小限に限定することができる。
したがって、この発明のＮｉ基合金によれば、石油化学プラント、医薬品中間体製造プラントや公害防止装置に用いられる機器全体としての耐食性を向上させることができ、また、メンテナンスの頻度を低減させることができるなど、産業上優れた効果を発揮するものである。
したがって、この発明のＮｉ基合金によれば、石油化学プラント、医薬品中間体製造プラントや公害防止装置に用いられる機器全体としての耐食性を向上させることができ、また、メンテナンスの頻度を低減させることができるなど、産業上優れた効果を発揮するものである。
以下に、本発明の実施例について説明する。
通常の高周波溶解炉を用いて、所定の成分組成を有するＮｉ基合金を溶解し、３０ｍｍ×３０ｍｍ×４００ｍｍの棒状インゴットを約３ｋｇ溶製し、このインゴットを１２３０℃で１０時間均質化熱処理を施し、水冷後することによって、表１，表３に示される本発明Ｎｉ基合金１〜４６、表５，７に示される比較Ｎｉ基合金１〜３０、また、表９に示される従来Ｎｉ基合金１〜３を作製した。
なお、表９に示す従来Ｎｉ基合金１および２は、前記特許文献１（特許第２９１０５６５号公報）に開示される合金に相当し、また、従来Ｎｉ基合金３は、前記特許文献２（特開平７−３１６６９７号公報）に開示される合金に相当する。
なお、表９に示す従来Ｎｉ基合金１および２は、前記特許文献１（特許第２９１０５６５号公報）に開示される合金に相当し、また、従来Ｎｉ基合金３は、前記特許文献２（特開平７−３１６６９７号公報）に開示される合金に相当する。
これら棒状インゴットから、機械加工により試験片を作製し、熱間ねじり試験を行い、破断時の最大せん断応力と破断に至るまでのねじり回数を測定した。
図１に熱間ねじり試験装置の外観概略図を示すように、熱間ねじり試験装置は、モーター（１）、ギヤボックス（２）、クラッチ（３）、電気炉（４）、試験片（５）、ロードセル（６）を備え、モーター（１）の回転駆動により、電気炉（４）内に取り付けた試験片（５）にねじりを与え、ロードセル（６）で、試験片(５)に付加されたせん断応力の値を測定する試験装置である。
図２に示すように、試験片（５）のサイズは、平行部直径８ｍｍ、平行部長さ３０ｍｍの平滑丸棒型である。そして、電気炉(４)内に試験片（５）を装着し、電気炉(４)内の試験温度を１２５０℃とし、モーター（１）を回転駆動することにより、ねじり速度１００ｒｐｍの両端拘束ねじり試験を実施した。
試験の結果得られた最大せん断応力（ｋｇ／ｍｍ２）（変形抵抗）とねじり回数（回）（変形能）を表２、４、６、８、１０に示した。
図１に熱間ねじり試験装置の外観概略図を示すように、熱間ねじり試験装置は、モーター（１）、ギヤボックス（２）、クラッチ（３）、電気炉（４）、試験片（５）、ロードセル（６）を備え、モーター（１）の回転駆動により、電気炉（４）内に取り付けた試験片（５）にねじりを与え、ロードセル（６）で、試験片(５)に付加されたせん断応力の値を測定する試験装置である。
図２に示すように、試験片（５）のサイズは、平行部直径８ｍｍ、平行部長さ３０ｍｍの平滑丸棒型である。そして、電気炉(４)内に試験片（５）を装着し、電気炉(４)内の試験温度を１２５０℃とし、モーター（１）を回転駆動することにより、ねじり速度１００ｒｐｍの両端拘束ねじり試験を実施した。
試験の結果得られた最大せん断応力（ｋｇ／ｍｍ２）（変形抵抗）とねじり回数（回）（変形能）を表２、４、６、８、１０に示した。
次に、比較的濃度の低い塩酸と硫酸を用いて腐食試験を実施し耐食性を評価した。
表１、３、５、７、９の角棒より、１００ｍｍ切り出した素材を９００〜１２５０℃の範囲内に保持しながら、熱間鍛造により５ｍｍ厚の板を製造した（１回のプレスで３０ｍｍ→５ｍｍとした）。
５ｍｍ板を１１８０℃に３０分間保持して水冷した後、２５×２５×３ｍｍｔの板片を切り出し、表面を研磨し最終的に耐水エメリー紙＃４００仕上げとして、腐食試験片を作製した。
研磨後の試料をアセトン中超音波振動状態に５分間保持し脱脂した。
前記本発明Ｎｉ基合金１〜４６、比較Ｎｉ基合金１〜２０および従来合金１〜３をそれぞれ、沸騰温度に保持した１％塩酸および１０％硫酸液中で２４時間の浸漬試験を実施し、試験前後の重量減によって算出した腐食速度を表２、４、６、８、１０に示した。
表１、３、５、７、９の角棒より、１００ｍｍ切り出した素材を９００〜１２５０℃の範囲内に保持しながら、熱間鍛造により５ｍｍ厚の板を製造した（１回のプレスで３０ｍｍ→５ｍｍとした）。
５ｍｍ板を１１８０℃に３０分間保持して水冷した後、２５×２５×３ｍｍｔの板片を切り出し、表面を研磨し最終的に耐水エメリー紙＃４００仕上げとして、腐食試験片を作製した。
研磨後の試料をアセトン中超音波振動状態に５分間保持し脱脂した。
前記本発明Ｎｉ基合金１〜４６、比較Ｎｉ基合金１〜２０および従来合金１〜３をそれぞれ、沸騰温度に保持した１％塩酸および１０％硫酸液中で２４時間の浸漬試験を実施し、試験前後の重量減によって算出した腐食速度を表２、４、６、８、１０に示した。
表２、４、６、８、１０に示された結果から、本発明Ｎｉ基合金１〜４６は、従来材料である従来Ｎｉ基合金１〜３に比べ耐食性や１２５０℃での変形抵抗（最大せん断応力）が同レベルであるが、１２５０℃での特に変形能(ねじり回数)が大きく改善されていることが確認できる。
また、この発明から外れた比較Ｎｉ基合金１〜３０は、本発明Ｎｉ合金１〜４６に比べ、耐食性に劣るか、または１２５０℃での変形能(ねじり回数)が小さいか、腐食試験片製造のための１０００℃以下での鍛造工程で割れたなど、熱間鍛造性に劣ることがわかる。
また、この発明から外れた比較Ｎｉ基合金１〜３０は、本発明Ｎｉ合金１〜４６に比べ、耐食性に劣るか、または１２５０℃での変形能(ねじり回数)が小さいか、腐食試験片製造のための１０００℃以下での鍛造工程で割れたなど、熱間鍛造性に劣ることがわかる。
上述のように、この発明のＮｉ基合金は、耐食性を低下させることなく熱間鍛造性を向上させることができることから、大型構造部材の製造が可能となる。そして、大型化することにより、溶接部を出来る限り少なくすることができ、耐食性の劣る箇所を最小限に限定することができるため、石油化学プラント、医薬品中間体製造プラントや公害防止装置に用いられる機器全体としての耐食性を向上させることができ、また、メンテナンスの頻度を低減させるなど、産業上優れた効果を発揮するものである。
また、この発明のＮｉ基合金は、熱間鍛造性に優れることから、大径でかつ長尺のシームレスチューブを容易に作製することができ、新たな分野へ適用される新材料としても期待される。
また、この発明のＮｉ基合金は、熱間鍛造性に優れることから、大径でかつ長尺のシームレスチューブを容易に作製することができ、新たな分野へ適用される新材料としても期待される。
Claims (5)
- 質量％で、
Ｃｒ： １８超〜２１％未満、
Ｍｏ： １８超〜２１％未満、
Ｔａ： １．１〜２．５％、
Ｍｇ： ０．００１〜０．０５％、
Ｎ ： ０．００１〜０．０４％、
Ｍｎ： ０．００１〜０．５％、
Ｓｉ： ０．００１〜０．０５％、
Ｆｅ： ０．０１〜１％、
Ｃｏ： ０．０１％以上１％未満、
Ａｌ： ０．０１〜０．５％、
Ｔｉ： ０．０１％以上０．１％未満、
Ｖ ： ０．００５％以上０．１％未満、
Ｎｂ： ０．００１％以上０．１％未満、
Ｂ ： ０．０００１〜０．０１％、
Ｚｒ： ０．００１〜０．０５％を含有し、
残りがＮｉおよび不可避不純物から成ることを特徴とする熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。 - 質量％で、
Ｃｕ： ０．００１％以上０．１％未満及び
Ｗ ： ０．００１％以上０．１％未満の１種または２種、
をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。 - 質量％で、
Ｃａ： ０．００１％以上０．０５％未満、
をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。 - 質量％で、
Ｈｆ： ０．００１％以上０．０５％未満、
をさらに含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金。 - 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱間鍛造性および耐食性に優れたＮｉ基合金により構成されたことを特徴とする大型構造部材。
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