JP6172653B2 - 高温延性に優れたニッケル系合金、鋳造材、熱間塑性加工材および熱間塑性加工材の製造方法 - Google Patents
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Description
また、Ni、Si、Ti及びBからなるニッケル系金属間化合物の箔の製造方法が報告されている(特許文献1)。特許文献1ではニッケル系金属間化合物の箔が室温から600℃の温度範囲で優れた強度特性を有することが開示されている。
さらに、特許文献2ではNi、Si、Ti、Bに加え、Mo、Co、Alを添加することにより室温から700℃の温度範囲で強度特性ならびに高温延性が改善されることが開示されている。これらのニッケル系金属間化合物は高温で使用する構造材料などの用途が期待されている。
第7の本発明の熱間塑性加工材の製造方法は、前記第6の本発明において、前記ニッケル系合金がfcc(面心立方格子構造)相の面積率が25%以上であることを特徴とする。
Si:7.5〜12.5原子%
Siの含有量は、7.5〜12.5原子%の範囲内であり、好適には、10.0〜12.0原子%の範囲が示される。
Ti:3.5〜11.5原子%
Tiの含有量は、3.5〜11.5原子%であり、好適には、4.5〜6.5原子%の範囲が示される。
Mo:3.5〜11.5原子%
Moの含有量は3.5〜11.5原子%である。MoはL12相中に分布するNi固溶体相(fcc相)に分配され、fcc相の面積率を増加させ、高温延性を向上させる。しかしながら、Moが3.5原子%より少ないと高温延性に乏しく、過剰な含有は粗大な晶出物を多数生成し、材料の機械的特性を劣化させる可能性があるため、上限を11.5原子%とする。なお、高温延性をより優れたものとするため、Moの下限は3.5原子%とするのが望ましく、さらにはMoの下限を4.0原子%とするのが一層望ましい。また、上記と同様の理由で上限を6.0原子%とするのが望ましい。
Ni:残部
Niの含有量は、残部である。
また、上記成分には、不可避不純物を含有するものであってもよい。
上記成分によって100原子%の組成が構成される。
上記ニッケル系合金組成では、fcc(面心立方格子構造)相の面積率が大きくなると、所定の値を境にして高温延性が劇的に増加する。特に歪み速度が大きい場合にその作用が顕著になる。800℃以上の温度でfcc相の面積率が一段と増加し、高温延性が著しく優れたものとなる。このためのfcc面積率としては25%以上が望ましく、さらには、30%以上が一層望ましい。なお、fcc面積率は、Moの含有量が3.5%以上の範囲でMoの増加に伴って顕著に増加することが本発明者により確認されている。
上記ニッケル系合金を用いた鋳造材では、鋳塊を均質化熱処理したのみでも室温強度、高温強度に優れるため鋳造構造材などとして使用することができる。また、ニッケル系合金は優れた高温延性を有することにより鋳造時の冷却に際し割れなどが生じにくく、形状設計や鋳造方法などの制約が少ないという特徴を有する。
上記ニッケル系合金を用いた熱間塑性加工材では、ニッケル系合金が有する優れた高温延性によって熱間塑性加工を容易に行うことができ、熱間加工方法や形状の制約が少なく、得られた部材も良好な組織状態を有している。
熱間塑性加工では、例えば、800℃以上で、10−4s−1以上の歪み速度においても良好に加工を行うことができる。一方で、上記歪み速度よりも小さい歪み速度で熱間加工を行う場合には、Mo含有量を3.5原子%以上としても高温延性の改善効果が顕著に表れるものではない。すなわち、本願発明における高温延性改善の効果は、上記温度および上記歪み速度において顕著に顕在化するということができる。
1.合金組成
7.5〜12.5原子%のSi、3.5〜11.5原子%のTi、3.5〜11.5原子%のMoを含有し、残部がNiと不可避不純物によりなる100原子%の組成に、さらに前記したSi、Ti、Mo、Niおよび前記不可避不純物の総質量100%に対して25〜500質量ppmのBを含有するNi系合金を常法により溶製する。この際には、fcc面積率が25%以上となるように成分設定を行うのが望ましい。また、fcc面積率は、Mo含有量の増量に伴って増加する。
上記組成を有するニッケル系合金は鋳塊を均質化熱処理したのみでも室温強度、高温強度に優れるため鋳造構造材に使用することができる。以下、各工程について説明する。
まず、上記したように上記組成の鋳塊を作製する。例えば、上記組成のニッケル系合金組成となるように、Ni、Si、Ti、MoおよびBを秤量し、これらを溶解炉で溶解する。その溶湯を鋳造することにより鋳塊材料を得ることができる。溶解手法は特に限定されないが、例えばアーク溶解炉、誘導溶解炉、一方向凝固炉などを用いることができる。
2−1により得られた鋳塊材料に対して均質化熱処理を行う。均質化熱処理を施すことにより、鋳塊のミクロ偏析を軽減し、より均質な素材が得られる。均質化熱処理はたとえば上記鋳塊材料に対して24〜100時間、900℃〜1050℃の熱処理を行うことができる。なお、本発明としては均質化処理が必須となるものではなく、所望により行うことができる。
上記組成を有するニッケル系合金は、速い変形速度での高温延性に優れるため、鍛造等の手法により構造材を製造することができる。以下、各工程について説明する。
まず、上記組成の鋳塊からなる鋳塊材料を作製する。例えば、上記組成のニッケル系合金となるように、Ni、Si、Ti、MoおよびBを秤量し、これらを溶解炉で溶解する。その溶湯を鋳造することにより鋳塊材料を得ることができる。溶解手法は特に限定されないが、例えばアーク溶解炉、誘導溶解炉、一方向凝固炉、エレクトロスラグ溶解炉などを用いることができる。
3−1により得られた鋳塊材料に対して均質化熱処理を行う。均質化熱処理を施すことにより、鋳塊のミクロ偏析を軽減し、より均質な素材が得られる。均質化熱処理はたとえばこの鋳塊材料を24〜100時間、900℃〜1050℃の熱処理を行うことができる。
なお、本発明としては均質化処理が必須となるものではなく、所望により行うことができる。
次に例えば上記鋳塊材料を800℃〜1100℃に加熱した後に熱間鍛造を施すことにより部材を製造することができる。加工に際しては、例えば、10−4s−1以上の変形速度で加工を行うことができ、その際の高温延性によって良好な加工を行うことができる。
なお、本発明は熱間加工の方法が特に限定されるものではなく、熱間圧延、押し出しなどの加工方法を採用することもできる。
また、熱間加工後にはたとえば900℃〜1100℃、1〜100時間の焼鈍熱処理を施すことができる。該焼鈍の採用により熱間加工時に導入されたひずみを解放し、均質な結晶粒組織を得ることができる。ただし、本発明としては上記焼鈍工程を必須とするものではない。
表1の成分組成(その他不可避不純物を含む)に、該成分組成100質量%に対しBが100質量ppm含まれるように、原料を配合し、アーク溶解炉で溶解して200gのニッケル系合金を作製した。
この合金に対し、1050℃で100時間保持した後に炉冷する均質化熱処理を実施して供試材を得た。その後、直径6mm、高さ9mmの円柱形状の試験片を切り出し、圧縮試験により室温、1000℃、ひずみ速度1×10−2s−1の条件における機械的特性を評価した。
なお、圧縮試験は、高周波加熱コイルを用いて試験温度まで任意の速度で昇温し、試験温度で3分保持した後に一定のひずみ速度で等温圧縮することにより行った。実施例1、2および比較例5の圧縮試験結果(最高圧縮強度)を図1に示した。また1000℃で圧縮試験した後の実施例3、比較例5、6の縦断面組織写真の例を図2に示した。
その後各供試体に対して引張試験片(平行部直径φ6mm、評点距離30mm)を採取し、室温、600℃から1000℃で引張試験を行った。引張試験でのひずみ速度は1×10−3s−1で示される。引張試験結果を図4に示した。なお、Hastelloy X(登録商標)、SUS304及びSUS430のデータは文献値(Metals Handbook 10th Edition,ASM International, Materials Park, OH, 1990)を用いた。
このニッケル系合金に対して1050℃で100時間の均質化熱処理後に熱間鍛造を実施した。1050℃、ひずみ速度10−2s−1において圧下率30%で圧下した後に1000℃1時間の焼鈍を施した。
焼鈍材から直径6mm、高さ9mmの円柱形状の試験片を切り出し、圧縮試験によりひずみ速度1×10−2s−1、室温、700℃、800℃、900℃、1000℃、1050℃の条件化における機械的特性を評価した。なお、圧縮試験は、高周波加熱コイルを用いて試験温度まで任意の速度で昇温し、試験温度で3分保持した後に一定のひずみ速度で等温圧縮することにより行った。
図7には実施例1の鋳造品と鍛造品の試験結果を示す。室温では鍛造品の強度が高かった。一方、700℃、800℃では鍛造品と鋳造品で同等の強度特性を有しているが、それ以上の温度では鍛造品の強度が低く、熱間塑性加工を施すことにより室温強度や高温での加工性がさらに向上されることが分かった。
Claims (7)
- 7.5〜12.5原子%のSi、3.5〜11.5原子%のTi、4.0〜11.5原子%のMoを含有し、残部がNiと不可避不純物によりなる100原子%の組成に、さらに前記したSi、Ti、Mo、Niおよび前記不可避不純物の総質量100%に対して25〜500質量ppmのBを含有することを特徴とする高温延性に優れたニッケル系合金。
- fcc(面心立方格子構造)相の面積率が25%以上であることを特徴とする請求項1記載の高温延性に優れたニッケル系合金。
- 800℃〜1100℃で、10−4s−1以上の変形速度の加工に供されることを特徴とする請求項1または2に記載の高温延性に優れたニッケル系合金。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のニッケル系合金を構成材料とする熱間塑性加工材。
- 請求項1または2に記載のニッケル系合金を構成材料とする鋳造材。
- 7.5〜12.5原子%のSi、3.5〜11.5原子%のTi、3.5〜11.5原子%のMoを含有し、残部がNiと不可避不純物によりなる100原子%の組成に、さらに前記したSi、Ti、Mo、Niおよび前記不可避不純物の総質量100%に対して25〜500質量ppmのBを含有するニッケル系合金を800〜1100℃に加熱し、10−4s−1以上の変形速度で加工し、その後、900〜1100℃、1〜100時間の焼鈍処理を行うことを特徴とする熱間塑性加工材の製造方法。
- 前記ニッケル系合金がfcc(面心立方格子構造)相の面積率が25%以上であることを特徴とする請求項6記載の熱間塑性加工材の製造方法。
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