JP6965181B2 - Cr−Fe−Ni系合金製造物 - Google Patents
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Description
前記製造物は、フェライト相とオーステナイト相とが共存した二相組織を母相組織とし、前記オーステナイト相の中にL12型のNi基金属間化合物相が分散析出した微細組織を有することを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物、を提供するものにある。
(i)前記Ni基金属間化合物相は、Ni3Al相および/またはNi3(Al,Ti)相である。
(ii)前記Cr-Fe-Ni系合金の化学組成は、
44質量%以上75質量%以下のCrと、
10質量%以上33質量%以下のFeと、
10質量%以上40質量%以下のNiと、
0.05質量%以上2質量%以下のMn(マンガン)と、
0.05質量%以上1質量%以下のSi(ケイ素)と、
0.5質量%以上5質量%以下のAl(アルミニウム)と、
0質量%超0.1質量%以下のC(炭素)と、
0質量%超2質量%以下のN(窒素)と、
0質量%超0.2質量%以下のO(酸素)と、
0質量%超0.04質量%以下のP(リン)と、
0質量%超0.01質量%以下のS(硫黄)とを含み、
前記製造物は、その微細組織において前記フェライト相の占有率が60面積%以上であること。
(iii)前記Cr-Fe-Ni系合金は、随意副成分として、0質量%超4質量%以下のTi(チタン)、および0質量%超2質量%以下のCu(銅)の少なくとも一種を更に含む。なお、本発明において、随意副成分とは、含有させてもよいし含有させなくてもよい成分を意味する。
(iv)前記製造物は、鋳造組織を有する鋳造成形体である。
(v)前記製造物は、再結晶組織を有する再結晶成形体である。
(vi)前記製造物は、急冷凝固組織を有する急冷凝固体である。
(vii)前記急冷凝固体は、基材上に前記急冷凝固組織を有するCr-Fe-Ni系合金の被覆層が形成された複合体である。
(viii)前記製造物は、焼結組織を有する粉末冶金成形体である。
(ix)室温ビッカース硬さが650 Hv以上であり、800℃の高温ビッカース硬さが320 Hv以上であり、JIS G 0567に準拠した高温引張試験を行った場合に、700℃の引張強さが650 MPa以上である。
(x)前記製造物は、急冷凝固組織を有する粉体である。
(xi)JIS(日本工業規格)G 0591に準拠した硫酸腐食試験を行った場合に、平均質量減少速度が0.1 g/(m2・h)未満である。
前述したように、本発明に係る合金は、Cr、FeおよびNiを主要成分とするCr-Fe-Ni系合金であり、必須の副成分としてMn、SiおよびAlを含む。随意的な副成分としてTiおよびCuのうちの一種以上を更に含んでもよい。また、不可避的にC、N、O、PおよびSを含む。以下、本発明で用いるCr-Fe-Ni系合金の組成(各成分)について説明する。
Cr:44質量%以上75質量%以下
Cr成分は、本Cr-Fe-Ni系合金の主要成分の1つであり、高耐食性のフェライト相の形成に寄与すると共に、オーステナイト相においても耐食性の向上に寄与する成分である。Cr成分の含有率は、44質量%以上75質量%以下が好ましく、47質量%以上70質量%以下がより好ましく、50質量%以上65質量%以下が更に好ましい。Cr含有率が44質量%未満になると、Cr-Fe-Ni系合金製造物の耐食性および機械的特性(例えば、延性、靱性)が不十分になる。一方、Cr含有率が75質量%超になると、Cr-Fe-Ni系合金製造物の機械的特性が低下する。
Fe成分も、本Cr-Fe-Ni系合金の主要成分の1つであり、良好な機械的特性を確保するための基本成分である。Fe成分の含有率は、10質量%以上33質量%以下が好ましく、12質量%以上28質量%以下がより好ましく、14質量%以上23質量%以下が更に好ましい。Fe含有率が10質量%未満になると、Cr-Fe-Ni系合金製造物の機械的特性が不十分になる。一方、Fe含有率が33質量%超になると、800℃近傍の温度域で脆性のσ相(FeCr相を基本とする金属間化合物相)が生成し易くなり、Cr-Fe-Ni系合金製造物の延性・靱性が著しく低下する(いわゆるσ相脆化)。言い換えると、Feの含有率を10〜33質量%の範囲に制御することにより、Cr-Fe-Ni系合金製造物のσ相脆化を抑制して良好な機械的特性を確保することができる。
Ni成分も、本Cr-Fe-Ni系合金の主要成分の1つであり、オーステナイト相の形成に寄与すると共に、フェライト相においても延性・靱性の向上に寄与する成分である。加えて、Al成分と化合してL12型のNi基金属間化合物相(例えば、Ni3Al相および/またはNi3(Al,Ti)相)を生成し、Cr-Fe-Ni系合金製造物の機械的特性(特に、機械的強度、硬さ)の向上に寄与する成分である。Ni成分の含有率は、10質量%以上40質量%以下が好ましく、15質量%以上35質量%以下がより好ましく、20質量%以上30質量%以下が更に好ましい。Ni含有率が10質量%未満になると、Ni基金属間化合物相の生成・析出が不十分になってCr-Fe-Ni系合金製造物の機械的特性の向上効果が不十分になる。一方、Ni含有率が40質量%超になっても、Cr-Fe-Ni系合金製造物の機械的特性(特に、硬さ)が不十分になる。
Fe成分とNi成分との合計含有率は、30質量%以上54質量%以下が好ましく、32質量%以上52質量%以下がより好ましく、35質量%以上50質量%以下が更に好ましい。該合計含有率が30質量%未満になると、Cr-Fe-Ni系合金製造物の機械的特性が不十分になる。一方、該合計含有率が54質量%超になると、Cr-Fe-Ni系合金製造物の耐食性および機械的特性が不十分になる。
Mn:0.05質量%以上2質量%以下
Mn成分は、本Cr-Fe-Ni系合金の必須副成分の1つであり、硫黄や酸素と化合して該化合物の微細粒子を形成し不純物成分を捕捉・安定化する(いわゆる、脱硫・脱酸素の役割を担う)ことにより、合金製造物の機械的特性の向上および耐炭酸ガス腐食性の向上に寄与する成分である。Mn成分の含有率は、0.05質量%以上2質量%以下が好ましく、0.2質量%以上2質量%以下がより好ましく、1質量%超2質量%以下が更に好ましい。Mn含有率が0.05質量%未満になると、Mn成分による作用効果が十分に得られない。一方、Mn含有率が2質量%超になると、硫化物(例えばMnS)の粗大粒子を形成して合金製造物の耐食性や機械的特性の低下要因になる。
Si成分も、本Cr-Fe-Ni系合金の必須副成分の1つであり、酸素と化合して該化合物の微細粒子を形成し不純物成分を捕捉・安定化する(いわゆる、脱酸素の役割を担う)ことにより、合金製造物の機械的特性の向上に寄与する成分である。Si成分の含有率は、0.05質量%以上1質量%以下が好ましく、0.1質量%以上0.9質量%以下がより好ましく、0.3質量%以上0.8質量%以下が更に好ましい。Si含有率が0.05質量%未満になると、Si成分による作用効果が十分に得られない。一方、Si含有率が1質量%超になると、酸化物(例えばSiO2)の粗大粒子を形成して合金製造物の機械的特性の低下要因になる。
Al成分も、本Cr-Fe-Ni系合金の必須副成分の1つであり、Ni成分と化合してL12型のNi基金属間化合物相(例えばNi3Al相および/またはNi3(Al,Ti)相、γ’(ガンマ プライム)相と称する場合がある)の微細粒子を形成し、Cr-Fe-Ni系合金製造物の機械的特性(特に、高温での機械的強度)の向上に寄与する成分である。Al成分の含有率は、0.5質量%以上5質量%以下が好ましく、1質量%以上4質量%以下がより好ましく、1.5質量%以上3質量%以下が更に好ましい。Al含有率が0.5質量%未満になると、L12型のNi基金属間化合物相の形成が抑制され、合金製造物の機械的特性の向上効果が不十分になる。一方、Al含有率が5質量%超になると、酸化物や窒化物(例えば、Al2O3やAlN)の粗大粒子を形成して合金製造物の機械的特性の低下要因になる。
C成分は、母相中に固溶することによって合金を硬化させる作用効果がある成分である。一方、本Cr-Fe-Ni系合金の構成成分と化合して炭化物(例えば、Cr炭化物)の粗大粒子を形成した場合に、合金製造物の耐食性や機械的特性を低下させる不純物成分でもある。C成分の含有率を0.1質量%以下に制御することで、負の影響を抑制することができる。C含有率は、0.03質量%以下がより好ましい。
N成分は、母相中に固溶したり本Cr-Fe-Ni系合金の構成成分と化合して窒化物(例えば、Cr窒化物やAl窒化物)の微細粒子を形成したりすることによって機械的特性(例えば、硬さ)を向上させる作用効果がある成分である。一方、窒化物の粗大粒子を形成した場合に、合金製造物の機械的特性(例えば、延性、靱性)を低下させる不純物成分でもある。N成分の含有率を2質量%以下に制御することで、負の影響を抑制することができる。
O成分は、本Cr-Fe-Ni系合金の構成成分と化合して酸化物(例えば、Fe酸化物、Si酸化物、Al酸化物)の微細粒子を形成することによって機械的特性(例えば、硬さ)を向上させる作用効果がある成分である。一方、酸化物の粗大粒子を形成した場合に、合金製造物の機械的特性(例えば、延性、靱性)を低下させる不純物成分でもある。O成分の含有率を0.2質量%以下に制御することで、負の影響を抑制することができる。
本Cr-Fe-Ni系合金における不純物としては、PおよびSが挙げられる。以下、これら不純物について説明する。
P成分は、本Cr-Fe-Ni系合金の結晶粒界に偏析し易く、合金製造物の機械的特性や結晶粒界の耐食性を低下させる不純物成分である。P成分の含有率を0.04質量%以下に制御することで、それらの負の影響を抑制することができる。P含有率は、0.03質量%以下がより好ましい。
S成分は、本Cr-Fe-Ni系合金の構成成分と化合して比較的低融点の硫化物(例えば、Fe硫化物、Mn硫化物)を生成し易く、合金製造物の機械的特性や耐孔食性を低下させる不純物成分である。S成分の含有率を0.01質量%以下に制御することで、それらの負の影響を抑制することができる。S含有率は、0.003質量%以下がより好ましい。
本Cr-Fe-Ni系合金における随意副成分としては、TiおよびCuの一種以上がある。随意副成分とは、前述したように、含有させてもよいし含有させなくてもよい成分を意味する。すなわち、随意副成分の含有率は0質量%でもよい。以下、これら随意副成分について説明する。
Ti成分は、本Cr-Fe-Ni系合金の随意副成分の1つであり、NiおよびAl成分と化合してγ’相(L12型のNi基金属間化合物相、例えばNi3(Al,Ti)相)の微細粒子を形成し、合金製造物の機械的特性(特に、機械的強度、硬さ)の向上に寄与する成分である。また、炭素や窒素や酸素と化合して該化合物の微細粒子を形成し不純物成分を捕捉・安定化する(いわゆる、脱炭素・脱窒素・脱酸素の役割を担う)成分でもある。
Cu成分は、本Cr-Fe-Ni系合金の随意副成分の1つであり、合金製造物の耐食性の向上に寄与する成分である。Cu成分を添加する場合、その含有率は、0質量%超2質量%以下が好ましく、0.1質量%以上1.5質量%以下がより好ましく、0.1質量%以上1質量%以下が更に好ましい。Cu含有率が0質量%超0.1質量%未満の場合、Cu成分に基づく作用効果が明確化しづらいだけである(特段の不具合は生じない)。一方、Cu含有率が2質量%超になると、フェライト相中にCu析出物を生成し易くなり、合金製造物の機械的特性(例えば、延性、靭性)が低下する。
本発明に係るCr-Fe-Ni系合金製造物の微細組織(金属組織とも言う)について説明する。
次に、本発明のCr-Fe-Ni系合金製造物の製造方法について説明する。
図2は、本発明に係るCr-Fe-Ni系合金製造物の製造方法の一例であり、鋳造材の製造方法を示す工程図である。図2に示したように、まず、所望の組成(主要成分+必須副成分+必要に応じて随意副成分)となるようにCr-Fe-Ni系合金の原料を混合・溶解して溶湯10を形成する原料混合溶解工程(ステップ1:S1)を行う。原料の混合方法や溶解方法に特段の限定はなく、高耐食性・高強度合金の製造における従前の方法を利用できる。
図3は、本発明に係るCr-Fe-Ni系合金製造物の製造方法の他の一例であり、急冷凝固材の製造方法を示す工程図である。図3では、粉体および肉盛溶接材を作製する工程について示した。また、図面の簡単化のため、原料合金塊形成素工程S1aおよび再溶解素工程S1bの記載を省略したが、当然のことながらそれらの素工程を行ってもよい。
図4は、本発明に係るCr-Fe-Ni系合金製造物の製造方法の他の一例であり、粉末冶金材の製造方法を示す工程図である。図4では、粉末焼結体を作製する工程について示した。また、図面の簡単化のため、原料合金塊形成素工程S1aおよび再溶解素工程S1bの記載を省略したが、当然のことながらそれらの素工程を行ってもよい。
上記のようにして製造したCr-Fe-Ni系合金製造物は、マルテンサイト系ステンレス鋼と同等以上の機械的特性と高い耐食性とを有しながら、Niに比して安価なCrを最大成分とすることから、Ni基合金製造物よりも低コスト化を図ることができる。
(発明合金IA-1〜IA-9および比較合金CA-1〜CA-4を用いた鋳造成形体の用意)
表1に示す名目化学組成となるように、原料を混合し高周波溶解法(溶解温度1500℃以上、減圧Ar雰囲気中)により溶解して溶湯を形成した後(原料混合溶解工程S1)、溶湯を鋳造して鋳造成形体(ここでは機械加工用インゴット)を用意した(鋳造工程S2)。
同様に、表1に示す名目化学組成となるように、高周波溶解法で原料を混合・溶解して溶湯を形成した後に一旦凝固させて原料合金塊を用意した(原料合金塊形成素工程S1a)。次に、該原料合金塊を真空アーク再溶解法(溶解温度1500℃以上)により再溶解して清浄化溶湯を形成し(再溶解素工程S1b)、ガスアトマイズ法により急冷凝固合金粉末を用意した(アトマイズ工程S8)。その後、急冷凝固合金粉末に対して分級工程S9を行って、平均粒径100μmの急冷凝固合金粉末を用意した。
(発明合金製造物IAP-1〜IAP-13および比較合金製造物CAP-1〜CAP-4の作製)
実験1で用意したIA-1〜IA-9およびCA-4の鋳造成形体に対して、750〜900℃の焼鈍熱処理(焼鈍工程S3)を施した。次に、焼鈍した鋳造成形体に対して、所定の形状となるように機械加工を行ってIA-1〜IA-9およびCA-4の機械加工成形体を用意した(機械加工工程S4)。
実験1で用意したIA-10の急冷凝固合金粉末を用いて、粉末プラズマ肉盛溶接法によりオーステナイトステンレス鋼板(SUS304板)上に合金被覆層(厚さ5 mm)を形成して合金被覆複合体を用意した(肉盛溶接工程S10)。用意した合金被覆複合体を二分割し、一方を発明合金製造物IAP-14とした。二分割した合金被覆複合体のもう一方に対して、組織制御熱処理(600℃で1時間保持した後、油冷)を施して(組織制御工程S6)、発明合金製造物IAP-15とした。
実験1で用意したIA-11の急冷凝固合金粉末に対して、750℃の焼鈍熱処理(焼鈍工程S3)を施した。次に、焼鈍した急冷凝固合金粉末を圧粉成形して円柱状の粉末成形体(外径30 mm、高さ10 mm)を用意した(粉末成型工程S11)。次に、粉末成形体に対して焼結熱処理(1200℃で1時間保持した後、空冷)を施して、粉末焼結体を用意した(焼結工程S12)。次に、粉末焼結体に対して組織制御熱処理(900℃で1時間保持した後、油冷)を施して(組織制御工程S6)、発明合金製造物IAP-16とした。
(IAP-1〜IAP-16およびCAP-1〜CAP-4に対する試験・評価)
(1)微細組織評価
各合金製造物から組織観察用の試験片を採取した後、該試験片の表面を鏡面研磨し、シュウ酸水溶液中で電界エッチングを行った。当該研磨表面の微細組織を観察すると共に後方散乱電子回折像(EBSP)解析を行い、フェライト相の占有率(フェライト率、単位:面積%)を測定した。微細組織観察・EBSP解析には、SEM(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、S-4300SE)に結晶方位測定装置(株式会社TSLソリューションズ製)を付加した装置を用いた。
機械的特性評価として、ビッカース硬度計を用いて室温ビッカース硬さ試験(荷重1 kg、荷重付加時間10 s)を行った。室温ビッカース硬さHvは5点測定の平均値として求めた。硬さ試験用の試料は、先の組織観察用試験片を用いた。
耐食性評価として耐硫酸性試験を行った。用意した各合金製造物から耐硫酸性試験用の試験片(幅25 mm、長さ25 mm、厚さ1.5 mm)を採取し、硫酸中の腐食速度により耐食性を評価した。具体的には、JIS G 0591:2012に準拠して、沸騰した5%硫酸中に試験片を6時間浸漬する試験を行った。試験前後の各試験片の質量を測定し、腐食による平均質量減少速度m(単位:g/(m2・h))を測定し、2測定の平均値で求めた。
20…鋳造成形体、30…機械加工成形体、
40…急冷凝固合金粉末、50…肉盛溶接材、51…基材、52…合金被覆層、
60…粉末成形体、70…粉末焼結体。
Claims (8)
- Crを最大含有率成分とするCr-Fe-Ni系合金を用いた製造物であって、
前記Cr-Fe-Ni系合金の化学組成は、主要成分と必須副成分と随意副成分と不純物とからなり、
前記主要成分は、
44質量%以上75質量%以下のCr、
10質量%以上33質量%以下のFe、および
10質量%以上40質量%以下のNiであり、
前記必須副成分は、
0.05質量%以上2質量%以下のMn、
0.05質量%以上1質量%以下のSi、
0.5質量%以上5質量%以下のAl、
0質量%超0.1質量%以下のC、
0質量%超0.1質量%以下のN、および
0質量%超0.2質量%以下のOであり、
前記随意副成分は、
0質量%超4質量%以下のTiおよび0質量%超2質量%以下のCuのうちの一種以上であり、
前記不純物は、
0質量%超0.04質量%以下のP、および
0質量%超0.01質量%以下のSを含み、
前記製造物は、フェライト相とオーステナイト相とが共存した二相組織を母相組織とし、
前記フェライト相の占有率が60面積%以上であり、
前記オーステナイト相の中にL12型のNi 3 Al相および/またはNi 3 (Al,Ti)相が分散析出した微細組織を有し、
室温ビッカース硬さが650 Hv以上であり、800℃の高温ビッカース硬さが320 Hv以上であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。 - 請求項1に記載のCr-Fe-Ni系合金製造物において、
JIS G 0591に準拠した硫酸腐食試験を行った場合に、平均質量減少速度が0.1 g/(m2・h)未満であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。 - 請求項1または請求項2に記載のCr-Fe-Ni系合金製造物において、
前記製造物は、鋳造組織を有する鋳造成形体であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。 - 請求項1または請求項2に記載のCr-Fe-Ni系合金製造物において、
前記製造物は、再結晶組織を有する再結晶成形体であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。 - 請求項1または請求項2に記載のCr-Fe-Ni系合金製造物において、
前記製造物は、焼結組織を有する粉末冶金成形体であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。 - 請求項3から請求項5のいずれか一項に記載のCr-Fe-Ni系合金製造物において、
JIS G 0567に準拠した高温引張試験を行った場合に、700℃の引張強さが650 MPa以上であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。 - 請求項1または請求項2に記載のCr-Fe-Ni系合金製造物において、
前記製造物は、急冷凝固組織を有する急冷凝固体であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。 - 請求項7に記載のCr-Fe-Ni系合金製造物において、
前記急冷凝固体は、基材上に前記急冷凝固組織を有するCr-Fe-Ni系合金の被覆層が形成された複合体の当該被覆層であることを特徴とするCr-Fe-Ni系合金製造物。
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