JP6848483B2 - Ni耐熱合金部材 - Google Patents
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Description
C:0.01〜0.15%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.03%以下、
S:0.0015〜0.0100%、
O:0.01%以下、
Ni:40.0〜60.0%、
Cr:15.0〜28.0%、
Co:18.0〜25.0%、
Mo:0.1〜10.0%、
Ti:0.05〜3.0%、
Nb:0.2〜3.0%、
Al:0.2〜3.0%、
B:0.0001〜0.01%、
W:0〜10.0%、
Ca:0〜0.0100%、
Mg:0〜0.0500%、
REM:0〜0.100%、
Cu:0〜1.0%、
V:0〜0.5%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式を満足する、Ni基耐熱合金部材。
0.4(3REM+2Ca+Mg)2+0.0015≦S≦0.03(3REM+2Ca+Mg)+0.0050・・・(i)
但し、式中の各元素記号は、各合金部材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
Ca:0.0001〜0.0100%、
Mg:0.0001〜0.0500%、および
REM:0.0001〜0.100%、
から選択される1種以上を含有する、(1)に記載のNi基耐熱合金部材。
Cu:0.01〜1.0%、および
V:0.01〜0.5%、
から選択される1種以上を含有する、(1)または(2)に記載のNi基耐熱合金部材。
各元素の限定理由は下記の通りである。なお、以下の説明において各元素の含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、オーステナイトを安定にするとともに粒界に微細な炭化物を形成し、高温でのクリープ破断強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、C含有量は0.01%以上とする必要がある。しかしながら、Cが過剰に含有された場合には、炭化物が粗大となり、かつ多量に析出するので、粒界の延性が低下し、さらに、靱性およびクリープ破断強度の低下も生じる。したがって、C含有量は0.01〜0.15%とする。C含有量は0.03%以上であるのが好ましく、0.04%以上であるのがより好ましく、0.05%以上であるのがさらに好ましい。また、C含有量は0.12%以下であるのが好ましく、0.10%以下であるのがより好ましい。
Siは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、Siが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、靱性およびクリープ破断強度の低下を招く。そのため、Si含有量は1.0%以下とする。Si含有量は0.8%以下であるのが好ましく、0.6%以下であるのがより好ましい。
Mnは、Siと同様、脱酸作用を有するだけでなく、オーステナイトの安定化にも寄与する元素である。しかしながら、Mn含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靱性およびクリープ延性の低下も生じる。そのため、Mn含有量は2.0%以下とする。Mn含有量は1.8%以下であるのが好ましく、1.5%以下であるのがより好ましい。
Pは、不純物として合金中に含有され、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性を著しく低下させ、さらに、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、P含有量は0.03%以下とする。P含有量は、0.025%以下であるのが好ましく、0.02%以下であるのが好ましい。
Sは、結晶粒内に存在することによって、クリープ破断特性を向上させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、S含有量を0.0015%以上とする必要がある。しかしながら、Sが多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性が著しく低下し、さらに、長時間使用後のクリープ延性も低下する。したがって、S含有量は0.0015〜0.0100%とする。S含有量は0.0018%以上であるのが好ましく、0.0020%以上であるのがより好ましい。また、S含有量は0.0095%以下であるのが好ましく、0.0090%以下であるのがより好ましい。
O(酸素)は、不純物として合金中に含有され、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、さらに靱性および延性の劣化を招く。このため、O含有量は0.01%以下とする。O含有量は0.008%以下であるのが好ましく、0.005%以下であるのがより好ましい。
Niは、オーステナイトを得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保するために必須の元素である。さらにNiはAlまたはTiと結合して微細な金属間化合物相(γ´相)を形成し、クリープ破断強度を高める作用を有する。
Crは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須となる元素である。本発明のNi含有量の範囲で、上記の効果を得るためには、Cr含有量は15.0%以上とする必要がある。しかしながら、Cr含有量が28.0%を超えると、高温でのオーステナイトの安定性が劣化してクリープ破断強度の低下を招く。したがって、Cr含有量を15.0〜28.0%とする。Cr含有量は15.5%以上であるのが好ましく、16.0%以上であるのがより好ましい。また、Cr含有量は27.5%以下であるのが好ましく、27.0%以下であるのがより好ましい。
Coは、Niと同様オーステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ破断強度の向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、Co含有量は18.0%以上とする必要がある。しかしながら、Coは極めて高価な元素であるため、Coの過剰の含有は大幅なコストの増加を招く。そのため、Co含有量は18.0〜25.0%とする。Co含有量は18.5%以上であるのが好ましい。また、Co含有量は24.5%以下であるのが好ましく、24.0%以下であるのがより好ましい。
Moは、母相に固溶してクリープ破断強度を向上させ、かつ線膨張係数を低下させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、Mo含有量は0.1%以上とする必要がある。しかしながら、Mo含有量が10.0%を超えると、熱間加工性および組織安定性が低下する。そのため、Mo含有量は0.1〜10.0%とする。Mo含有量は0.2%以上であるのが好ましく、1.0%以上であるのがより好ましく、2.0%以上であるのがさらに好ましい。また、Mo含有量は9.5%以下であるのが好ましく、9.0%以下であるのがより好ましい。
Tiは、Niと結合して微細な金属間化合物(γ´相)として粒内に析出し、高温でのクリープ破断強度および引張強さの向上に寄与する。その効果を得るためにはTi含有量は、0.05%以上とする必要がある。しかしながら、Ti含有量が過剰になると金属間化合物相が多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ti含有量は0.05〜3.0%とする。Ti含有量は0.07%以上であるのが好ましく、0.1%以上であるのがより好ましい。また、Ti含有量は2.8%以下であるのが好ましく、2.5%以下であるのがより好ましい。
Nbは、Tiと同様、Niと結合して微細な金属間化合物として粒内に析出し、高温でのクリープ破断強度および引張強さの向上に寄与する。また、Nbは、CまたはNと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ破断強度向上に寄与する。その効果を得るためには、Nb含有量は0.2%以上とする必要がある。しかしながら、Nb含有量が過剰になると炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Nb含有量は0.2〜3.0%とする。Nb含有量は0.3%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、Nb含有量は2.8%以下であるのが好ましく、2.5%以下であるのがより好ましい。
Alは、Tiと同様、Niと結合して微細な金属間化合物(γ´相)として粒内に析出し、高温でのクリープ破断強度および引張強さの向上に寄与する。また、Alは、脱酸作用を有する元素である。その効果を得るためには、Al含有量は0.2%以上とする必要がある。しかしながら、Al含有量が過剰になると金属間化合物相が多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招くとともに、合金の清浄性が著しく劣化して、熱間加工性および延性が低下する。そのため、Al含有量は0.2〜3.0%とする。Al含有量は0.3%以上であるのが好ましく、0.4%以上であるのがより好ましい。また、Al含有量は2.8%以下であるのが好ましく、2.5%以下であるのがより好ましい。
Bは、粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ破断強度を向上させるとともに、粒界に偏析して粒界を強化するのに有効な元素である。この効果を得るためには、B含有量を0.0001%以上とする必要がある。しかしながら、B含有量が過剰になると、溶接性が劣化することに加えて、熱間加工性が劣化する。したがって、B含有量は0.0001〜0.01%とする。B含有量は0.0005%以上であるのが好ましく、0.001%以上であるのがより好ましい。また、B含有量は0.008%以下であるのが好ましく、0.006%以下であるのがより好ましい。
Wは、母相に固溶して高温でのクリープ破断強度の向上に大きく寄与する元素である。しかしながら、Wを過剰に含有させても効果は飽和し、かえってクリープ破断強度を低下させる。さらに、Wは高価な元素であるため、過剰に含有させるとコストの増大を招く。そのため、W含有量は0〜10.0%とする。W含有量は1.0%超であるのが好ましく、2.0%以上であるのがより好ましい。また、W含有量は9.5%以下であるのが好ましく、9.0%以下であるのがより好ましい。
Caは、Sと化合物を形成してマトリックス中のS量を低減し、熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ca含有量が過剰になると、クリープ破断強度向上に寄与する合金中のS量が低下するとともに、Oと結合して、清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性を劣化させる。したがって、Ca含有量は0.0100%以下とする。Ca含有量は0.0080%以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ca含有量は0.0001%以上とするのが好ましく、0.0002%以上とするのがより好ましく、0.0003%以上とするのがさらに好ましい。
Mgは、Caと同様にSと化合物を形成してマトリックス中のS量を低減し、熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Mg含有量が過剰になると、クリープ破断強度向上に寄与する合金中のS量が低下するとともに、Oと結合して、清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性を劣化させる。したがって、Mg含有量は0.0500%以下とする。Mg含有量は0.0450%以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Mg含有量を0.0001%以上とするのが好ましく、0.0002%以上とするのがより好ましく、0.0003%以上とするのがさらに好ましい。
REMは、Caと同様にSと化合物を形成してマトリックス中のS量を低減し、熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、REM含有量が過剰になると、クリープ破断強度向上に寄与する合金中のS量が低下するとともに、Oと結合して、清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性を劣化させる。したがって、REM含有量は0.100%以下とする。REM含有量は0.080%以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、REM含有量を0.0001%以上とするのが好ましく、0.0002%以上とするのがより好ましく、0.0003%以上とするのがさらに好ましい。
Cuは、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。すなわち、Cuは、NiおよびCoと同様オ−ステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ破断強度の向上に寄与する。そのため、Cuを含有させてもよい。しかしながら、Cuが過剰に含有された場合には熱間加工性の低下を招く。したがって、Cu含有量は1.0%以下とする。Cu含有量は0.8%以下であるのが好ましい。一方、上記の効果を得たい場合は、Cu含有量を0.01%以上とするのが好ましい。
Vは、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。すなわち、Vは、CまたはNと結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。そのため、Vを含有させてもよい。しかしながら、Vが過剰に含有された場合、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。したがって、V含有量は0.5%以下とする。V含有量は0.4%以下であるのが好ましい。一方、上記の効果を得たい場合は、V含有量を0.01%以上とするのが好ましい。
但し、式中の各元素記号は、合金部材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
上述のように、本発明において、当該Ni基耐熱合金部材の熱間加工性および長時間クリープ破断強度の両方を得るためには、S含有量を適切に制御する必要がある。
本発明のNi基耐熱合金部材の製造方法については特に制限はないが、例えば、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造することができる。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。
Claims (2)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.01〜0.15%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.03%以下、
S:0.0015〜0.0100%、
O:0.01%以下、
Ni:40.0〜60.0%、
Cr:15.0〜28.0%、
Co:18.0〜25.0%、
Mo:0.1〜10.0%、
Ti:0.05〜3.0%、
Nb:0.2〜3.0%、
Al:0.2〜3.0%、
B:0.0001〜0.01%、
W:0〜10.0%、
Cu:0〜1.0%、
V:0〜0.5%、を含有し、
Ca:0.0001〜0.0100%、
Mg:0.0001〜0.0500%、および
REM:0.0001〜0.100%、
から選択される1種以上を含有し、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式を満足する、Ni基耐熱合金部材。
0.4(3REM+2Ca+Mg)2+0.0015≦S≦0.03(3REM+2Ca+Mg)+0.0050・・・(i)
但し、式中の各元素記号は、各合金部材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。 - 前記化学組成が、質量%で、
Cu:0.01〜1.0%、および/または、
V:0.01〜0.5%、
から選択される1種以上を含有する、請求項1に記載のNi基耐熱合金部材。
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