JP6476704B2 - ニッケル基鋳造合金及び熱間鍛造金型 - Google Patents
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また、Ti合金の恒温鍛造に用いる金型として、Niをベースとし、Cr、W、Co、Al、Ti等を含むMar−M200と呼ばれるNi基合金が知られている。しかし、Mar−M200は耐酸化性は高いが、高温圧縮強度が不十分であり、金型温度が1000℃を超える鍛造金型には使用できない。
また、本発明は、大気中で1000℃以上に金型を加熱して行う熱間鍛造に使用できる熱間鍛造金型を提供することを目的とする。
<1> Wの含有量が10.30〜11.00質量%、Moの含有量が9.00〜11.00質量%、Alの含有量が5.80〜6.80質量%、Feの含有量が0.02〜1.00質量%、及び、Yの含有量が0.00〜0.02質量%であり、且つ、残部がNi及び不可避的不純物であって、前記不可避的不純物として含まれるOの含有量が30ppm以下であるニッケル基鋳造合金。
<2> Yの含有量が0.01質量%未満である<1>に記載のニッケル基鋳造合金。
<3> Hfの含有量が0.00〜2.00質量%、Mgの含有量が0.000〜0.014質量%、及びZrの含有量が0.00〜0.50質量%である<1>又は<2>に記載のニッケル基鋳造合金。
<4> <1>〜<3>のいずれか1つに記載のニッケル基鋳造合金からなる熱間鍛造金型。
なお、本発明のニッケル基鋳造合金は、熱間鍛造の金型材料に限らず、熱間で圧縮応力が加わる用途に適用することができるが、以下、最適な用途である熱間鍛造の金型材料として用いる場合について主に説明する。
さらに、本発明者らは、鋳造割れの発生を抑制するとともに高温圧縮強度及び耐酸化性に優れたNi基鋳造合金を見出すべく、WとYのほか、他の成分についても鋭意検討を重ねたところ、Ni、W、Mo、Alを必須成分とし、Yを任意成分としてそれぞれ特定の範囲の組成を有するNi基鋳造合金とすることにより、高温圧縮強度及び耐酸化性に優れ、且つ、鋳造割れの発生が抑制されるニッケル基鋳造合金が得られること、また、このニッケル基鋳造合金を切削して金型を製造することで、大気中で1000℃以上に金型を加熱して行う熱間鍛造の金型として好適に使用できることを見出した。
本発明のニッケル基鋳造合金(以下、「Ni基鋳造合金」又は単に「合金」と記す場合がある。)は、Wの含有量が10.30〜11.00質量%、Moの含有量が9.00〜11.00質量%、Alの含有量が5.80〜6.80質量%、及び、Yの含有量が0.00〜0.02質量%であり、且つ、残部がNi及び不可避的不純物で構成されている。
Wは、オーステナイトマトリックスに固溶するとともに、析出強化相であるNi3Alを基本型とするガンマプライム相にも固溶して合金の高温強度を高める。また、Wは、粒界にWとMoの固溶体からなる体心立方晶のα‐(Mo、W)相を晶出し、合金の粒界強度を高め、合金の被削性を高める作用がある。一方、Wは、耐酸化性を低下させる作用も有し、且つ、11.00質量%を超えて添加すると割れが発生し易くなる。高温強度を高め、耐酸化性の低下を抑制し、且つ、割れの発生をより抑制する観点から、本発明のNi基鋳造合金中のWの含有量は10.30〜11.00質量%とし、10.40〜10.70質量%であることが好ましい。
Moは、オーステナイトマトリックスに固溶するとともに、析出強化相であるNi3Alを基本型とするガンマプライム相にも固溶して合金の高温強度を高める。一方、Moは、耐酸化性を低下させる作用を有する。高温強度を高め、且つ、耐酸化性の低下をより抑制する観点から、本発明のNi基鋳造合金中のMoの含有量は9.00〜11.00質量%とし、9.50〜10.50質量%であることが好ましく、9.80〜10.20質量%であることがより好ましい。
Alは、Niと結合してNi3Alからなるガンマプライム相を析出し、合金の高温強度を高め、合金の表面にアルミナの被膜を生成し、合金に耐酸化性を付与する作用がある。一方、Alの含有量が多過ぎると、共晶ガンマプライム相を過度に生成し、合金の高温強度を低める作用もある。耐酸化性及び高温強度を高める観点から、本発明のNi基鋳造合金中のAlの含有量は5.80〜6.80質量%とし、6.00〜6.60質量%であることが好ましく、6.10〜6.40質量%であることがより好ましい。
Yは合金の表面に生成するアルミナ被膜の緻密性及び密着性を改善し、耐酸化性を高める作用があるが、本発明者らの研究によればYは合金の内部の割れ(鋳造割れ)の原因になり、Yの含有量が0.03質量%以上であると鋳造割れが発生し易くなる。Ni基鋳造合金の耐酸化性はAlによっても得られるため、本発明のNi基鋳造合金におけるYの含有量は、割れの発生を抑制する観点から0.02質量%以下とし、0.01質量%未満であることが好ましく、0.00%(検出限界以下)であることがより好ましい。
本発明のNi基鋳造合金は、基本的に、必須成分であるAl、W、Moと任意成分であるY、さらに不可避的不純物を除く残部がNiで構成される。本発明のNi基鋳造合金においてNiはガンマ相を構成する主要元素であるとともに、Al、Mo、Wとともにガンマプライム相を構成する。
高温強度を高め、且つ、耐酸化性の低下をより抑制する観点から、本発明のNi基鋳造合金におけるNiの含有量は67質量%以上であることが好ましく、68〜74質量%であることがより好ましい。
その他の成分としては、例えば、C、Si、Mn、P、S、Cr、Fe、Zr、Hf、Mg、B、O、N等が挙げられるが、これらの元素に限定されるものではない。
本発明のNi基鋳造合金は、その他の成分として、特に、Hf、Fe、Mg、及びZrから選ばれる少なくとも1種をそれぞれ鋳造割れの発生が抑制される範囲で含有することができる。なお、本発明のNi基鋳造合金におけるその他の成分の合計含有量は、2質量%以下が好ましく、1質量%以下がより好ましい。
本発明のNi基鋳造合金は、Hfを0.00〜2.00質量%の範囲で含んでもよい。本発明のNi基鋳造合金にHfが2.00質量%以下の範囲で含まれていても割れの発生を抑制することができる。また、Hfが0.50質量%以下の範囲で含まれていることで、耐酸化性を向上させる効果を期待することができる。
Feは、鋳造する際に原料等から混入し易い。本発明のNi基鋳造合金は、Feを0.00〜1.00質量%の範囲で含んでもよい。本発明のNi基鋳造合金にFeが1.0質量%以下の範囲で含まれていても、割れの発生を抑制することができる。また、Feが1.00質量%以下の範囲で含まれていることでスクラップ使用によるコスト低減効果を期待することができる。
本発明のNi基鋳造合金は、Mgを0.000〜0.014質量%の範囲で含んでもよい。本発明のNi基鋳造合金にMgが0.014質量%以下の範囲で含まれていても割れの発生を抑制することができる。また、Mgが0.014質量%以下の範囲で含まれていることで結晶粒界を強化する効果を期待することができる。
本発明のNi基鋳造合金は、Zrを0.00〜0.50質量%の範囲で含んでもよい。本発明のNi基鋳造合金にZrが0.50質量%以下の範囲で含まれていても割れの発生を抑制することができる。また、Zrが0.50質量%以下の範囲で含まれていることで耐酸化性を向上させる効果を期待することができる。
本発明のNi基鋳造合金は、O(酸素)の含有量が少ないことが好ましい。本発明のNi基鋳造合金に酸素が多く存在すると酸化物(非金属介在物)を形成し、鍛造用の金型とした場合に非金属介在物が起点となって疲労強度を低下させる原因となり得る。そのため、本発明のNi基鋳造合金に含まれる酸素濃度は、30ppm以下であることが好ましく、8ppm以下であることがより好ましい。
本発明のNi基鋳造合金は、鋳造において原料を溶解する際に雰囲気中の酸素濃度を低くすること、溶湯を鋳型に注入する際に雰囲気中の酸素を巻き込まないようにすることなどでNi基鋳造合金中の酸素濃度を低くすることができる。
本発明のニッケル基鋳造合金は、Ni、Mo、W、Al、さらに、必要に応じてY等の任意成分を含む原料を用いて溶解し、鋳造することができる。鋳造方法としては公知の方法を採用することができる。
本発明のNi基鋳造合金は、鋳造したときに内部における割れの発生が抑制されるため、高い歩留りで製造することができる。そして、本発明のNi基鋳造合金は高温圧縮強度及び耐酸化性に優れ、熱間鍛造用の金型材料として好適に用いることができる。
上記のようにして鋳造した本発明のNi基鋳造合金を切削加工等によって成形して所望の形状の金型とすればよい。
本発明のNi鋳造基合金からなる熱間鍛造金型は、例えば、航空機のジェットエンジン部品や、発電機用ガスタービン部品等を大気中で1000℃以上に金型を加熱して熱間鍛造する際に用いる金型として好適に使用することができる。
なお、本発明のNi基鋳造合金は、熱間鍛造用の金型材料に最適であるが、熱間鍛造用金型に限定されず、熱間で圧縮応力が加わる用途に適用可能である。
真空中で誘導溶解により原料を溶解し、金型に鋳造して、表1に示す成分で底面が1辺約80mmの正方形、上面が1辺約90mmの正方形、高さ約130mmの角型形状のインゴットを得た。
真空中で誘導溶解により原料を溶解し、鋳型として500℃に加熱した砂型を用いて鋳造し、直径110〜160mm、長さ515mmの所定成分のインゴットを得た。
大気下で溶解および鋳造したこと以外は実施例1と同様にして所定成分のインゴットを得た。なお、比較例6はMar−M200合金相当成分である。
粉末冶金法で製造された市販のTZM合金を評価した。
実施例1−3及び比較例1−5で得られたインゴットの略中心を通るように長手方向に切断し、浸透探傷法(カラーチェック)により断面における内部割れ(鋳造割れ)の発生を評価した。
なお、比較例2で得たインゴットにおける割れを基準とし、割れが発生しなかった場合はA、割れが発生したが比較例2よりも割れが明らかに少ない場合はB、比較例2と同等レベルで割れが発生した場合はC、比較例2よりも割れが明らかに多かった場合はDとして評価した。
図1〜図3は、比較例2、比較例4、実施例2でそれぞれ得られたインゴットの断面を示している。
O以外の成分の含有量は質量%、Oの含有量の単位はppmであり、Balは残部を意味する。また、表1において「−」は、分析を行わなかったこと意味する。
なお、比較例6、7のインゴットは、実施例のインゴットの高温機械的性質及び耐酸化性を比較評価するために用意したものであり、割れの評価は行わなかった。
実施例2、3及び比較例6、7のインゴットから、直径10mm×長さ12mmの試験片Aと、直径10mm×長さ20mmの試験片Bをそれぞれ切り出した。
試験片Aを用い、1100℃、歪速度10−3/sで10%までの圧縮試験及び1100℃、10kgf/mm2で20時間までの圧縮クリープ試験を行った。なお、クリープ試験は実施例3と比較例6の各試験片Bに対して行った。
結果を下記表2に示す。
さらに、実施例2、3、比較例6の各試験片Bを用い、1100℃×16時間の空冷なる加熱冷却を5回繰り返す耐酸化試験を行って酸化減量を測定した。
実施例2、3の試験片Bの酸化減量は、比較例6の試験片Bの酸化減量に比べほぼ同等レベルであり、大気中の熱間鍛造金型として使用しても問題ないレベルであった。
Claims (4)
- Wの含有量が10.30〜11.00質量%、
Moの含有量が9.00〜11.00質量%、
Alの含有量が5.80〜6.80質量%、
Feの含有量が0.02〜1.00質量%、及び、
Yの含有量が0.00〜0.02質量%であり、且つ、
残部がNi及び不可避的不純物であって、前記不可避的不純物として含まれるOの含有量が30ppm以下であるニッケル基鋳造合金。 - Yの含有量が0.01質量%未満である請求項1に記載のニッケル基鋳造合金。
- Hfの含有量が0.00〜2.00質量%、Mgの含有量が0.000〜0.014質量%、及びZrの含有量が0.00〜0.50質量%である請求項1又は請求項2に記載のニッケル基鋳造合金。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のニッケル基鋳造合金からなる熱間鍛造金型。
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