JPH04110456A

JPH04110456A - 合金とその製造方法

Info

Publication number: JPH04110456A
Application number: JP22665190A
Authority: JP
Inventors: Norio Shintani; 紀雄新谷; Yoshio Kyono; 京野　純郎; Hideaki Kushima; 秀昭九島; Hideo Tanaka; 秀雄田中
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Research Institute for Metals
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-04-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、合金とその製造方法に関するものである。

さらに詳しくは、この発明は、強度、延性、耐食性など
に優れた表面層特性を有する新しい合金とその製造方法
に関するものである。

（従来の技術とその課題）従来より金属の結晶粒の大きさは、その特性に大きな影
響を及ぼすことが知られており、特に構造用合金等の場
合にはその性能を左右する重要な要素であると考えられ
てきている。このため、たとえば、高温で使用する合金
については、高温強度を高めるために結晶粒を大きくし
、また室温程度で使用する合金については、室温強度と
靭性を高くするため、結晶粒を小さくするよう制御して
きている。

しかしながら、このような制御においては、粗粒にする
と高温強度は大きくなるが、逆に表面層に割れが生じや
すく、また水蒸気酸化などに、］；って腐食が生じゃす
いブヱどの欠点を避けること（家できなかった１、つま
り、粗粒化と細粒化の特徴を両立させ、その相互の欠点
を補うことには成功していなかった。

このような課題を解決するために、細粒と粗粒の特徴を
併わせ持つ合金し利として、粉末冶金法によって外側を
細かい粉末で、内側を粗い粉末で固め、表面層を細粒に
、また内部を粗粒にする円筒状試料の作製が試みられて
もいる。

しかしながら、この方法は極りで？ｌｌ−なものであり
、製造することのできる材料の形状や大きさが限定され
、欠陥も多く、品質も良好で（１ない。

しか０かなりのコストアップが避けられず、また、細粒
と粗粒よの境界の生成によって、この界面での割れが発
生しゃずいという欠点があった。

この発明は、以−ヒの通りの事情に鑑みてなされた０の
であり、従来の合金の欠点を解消し、粗粒と細おＬとの
特徴を併ぜ持ぢ、特殊な装置を必要とぜずに広範囲の合
金のいかなる形状の部材にも適用可能な方法によって製
造することのできる粒構造制御合金とその製造方法を提
供することを目的としている。

（言果題を解決するための手段）この発明は、」１記の課題を解決するものとして、高温
で安定な窒化物を析出する元素を含有する合金であって
、表面紙１＆ｃ層と粒径遷移層とを有することを特徴と
する合金を提供する。。

また、この発明は、この合金を製造するための方法とし
て、高温で安定な窒化物を析出する元素を含有する合金
を、窒化雰囲気において、窒素が侵入して窒化物を析出
し、かつ、相変態あるいは冷間加工による再結晶生成の
温度域で加熱し、微細な再結晶粒と再結晶粒成長を抑止
する窒化物とを析出させて表面層を細粒化ｊ１、さらに
高温溶体化温度まで昇温させ、連続的に結晶粒径が増大
する遷移層を生成させることを特徴とずろ合金の製造方
法をも提供する。。

すなわら、この発明は、再結晶による細波化と、表面層
の窒化物析出とによって安定な表面細粒層をＪ１２成し
、その後、より高温の溶体化温度までの肩、温速度を制
御することにより、内部への窒化物析出と結晶粒成長と
をバランスさせ、表面細粒層から内部粗粒層へと次第に
結晶おＬが大きくなる粒径遷移層を形成することを特徴
としている。

この特徴によって、合金の強度、靭性および耐食を改善
する。

製造方法の重要な工程は、１）前処理、２）窒化雰囲気
中での再結晶化、および、３）溶体化処理から有−ユ）
戊される。

まず、］）前処理としては、Ｖ、Ｔｉ等の適宜な窒化物
析出元素を含有させ、これら元素が十分固溶していない
混合には、溶体化処理を行っておくことが好ましい。次
いで合金表面の錆を落とし、洗浄する、３相変態を利用
して、再紀ｉ晶細粒化させる低合金鋼等の場合には、そ
のまま次の処理に移行してもよい。一方、相変態を利用
できないオーステティ１〜ステンレス鋼等の場合には、
冷間加工を行い、再結晶化を促進する。冷間加工の程度
は、朗結晶開始温度が窒素の侵入と窒化物析出が活発に
生じる温度域に入るよ・うに調整するのが好ましい。

続いて、２）窒化雰囲気中での再結晶化過程でよ、窒素
の表面層への侵入による窒化物析出と再記１品によろ細
粒化を行・う。、窒素を侵入させる窒化雰囲気としては
、扱（ハ易さなどの点から、ガスを用いるのが好ましい
。このよ・うなガスとしては、窒素、窒素と不活性ガス
の混合ガス、あるいはアンモニアなどが例示される。合
金のｆｉＩＫ類や必要とする表面細粒層の深さにより具
体的なガスの種類を選択することができるが、鋼に対し
ては、扱い易さなどの点から窒素ガスを用いるのが好ま
しい１゜この場合の圧力は、高圧とした方が効率的であ
るが、特に表面細粒層を深くしたい場合以外は常圧で十
分である。このような窒化雰囲気中での加熱は、窒素が
侵入して窒化物の析出が活発に生じ、かつ、再紀ｉ晶が
始まる温度で行・う。鋼の場合、再結晶が始まるのは、
８００〜９００℃であるので、微細粒が必要なら、この
付近の温度で加熱する。細粒でよいのであれば、もう少
し高い温度で加熱する。加熱は、一定の粒径の細粒層が
必要な場合は、一定温度に保持し、また、表面から内部
に向かって次第に粒径を増加させる場合には、一定の昇
温速度で加熱する。保持時間及び昇温速度は窒素の侵入
と窒化物析出速度に依存するので、加熱温度が低い場合
には、長時間の保持及び遅い昇温速度を必要とする。

次いで、：３）溶体化処理の過稈は、前段階で、細粒が
ら粗粒への遷移層が十分であるか、１だ、過剰の窒素の
侵入と窒化物析出が不都合かどうかによって対応が異な
ってくる。遷移層が十分に生成されていれば、直接溶体
化温度に加熱することができる。より広い幅の、また粗
粒まで連続した遷移層が必要の場合には、窒化雰囲気で
、前段階から続けて制御された昇溜］速度で溶体化温度
まで加熱する。過剰の窒素や窒化物が不都合を生じる場
合には、前段階終了後あるいは遷移層生成後、窒化雰囲
気から不活性ガス雰囲気あるいは真空に切り替えて溶体
化処理を行う。

（作　用）この発明の合金とその製造」二の特徴である表面層細粒
化法は、窒化雰囲気での再結晶開始温度域での加熱によ
り、１）表面層への窒素侵入、２）表面層での窒化物析
出、３）再結晶による細粒化を生じさせ、その後の溶体
化温度までの加熱によってミ窒化物の粒成長阻止により
維持される表面細粒層、粒成長と内部での窒化物析出に
より粒径が内部程大きくなる遷移層、さらに、溶体化温
度に依存する内部の粗粒層を形成し、これらの層の構成
により、合金性能を改善する。

（実施例）以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明の合金とそ
の製造方法について訝１明する１゜実施例１試料としてＳＵＳ　３２１を使用し、前処理として、３
０％の冷間圧延を行った。表面研磨後窒素雰囲気で石英
管封入を行った。３窒素雰囲気中で以下の熱処理を行っ
た。

■　９００　ｔに加熱後コ００℃／ｂで１２　Ｄ　０℃
まで加熱し、１２００℃で１５分保持後水冷。

■　９５０℃に加熱後同温度で２４時間保持、その後１
．２０　［）℃に加熱し、１５分保持後水冷。

■の処理により表面近傍で粒径５μｍｊｆ；、度の細粒
が得られ、表面から１１月こ入るに従って粒径が連続的
に増加し、内部では２００μｍの粗粒となった。

また、■の処理により、粒径１０μｍ程度の細粒が約５
００Ｊ、ｔｍの幅の表面層に生成した。

この■の処理試料について、６５０℃、］、６ｋｇｆ／
ｍｌ１１２のクリープ試験と８００℃での水蒸気酸化試
験を行った。

表面細粒層をもたない通常の試料の場合は、クリープ試
験後、表面に細かい割れが多数生成していることが確認
された。表面細粒層をもつ」−記試料の場合には、表面
の割れは観察されなかった。

また水蒸気酸化による酸化膜は、第１図に示したよ・う
に、表面細粒層をもつ試料＜Ａ＞の場合、もたない試１
１（Ｂ）に比べて］、／１０程度であった。

実施例２試料として］、　Ｃｒ　−１，Ｍ　ｏ　−０，２５Ｖｔ
ｌａ、］、　ＣｒＩ　Ｍ　ｏ　−ｔ）、　７５　Ｖ鋼お
よびＩ　Ｃｒ−ｌＭｏ−０，７５Ｖ−Ｔｉ鋼を使用し、
表面研磨後窒素雰囲気で石英管封入を行った。窒素雰囲
気中で次の２種類の熱処理を行った。

■　９００℃に加熱後ＢＯ℃／１１で］１５０℃まで加
熱し、３０分保持後水冷、７００℃で２時間の焼戻し処
理。

■　１０００℃に加熱後同温度で６５時間保持し、その
後１１５０℃に加熱し、３０分保持後水冷、さらに７０
０℃で２時間の焼戻し処理 ■の処理により表面近傍で粒径７ノ、ｉｒｎ程度の細粒
が得られ、表面から中に入るに従って粒径が連続的に増
加し、内部では７０〜１５０Ｊ１ｒ１程度の粗粒となっ
た。また、■の処理は］、　Ｃｒ　−Ｉ　Ｍ　。

Ｏ，７５Ｖ−Ｔｉ鋼についてのみ行い、第２図に示した
ように粒径１２μｍ程度の細粒が約１　ｍｍの幅の表面
層に生成していることを確認した。

］、］Ｃｒ−ＩＭｏ−Ｄ７５Ｖおよびｌ、　Ｃ丁−１，
Ｍ　。

Ｄ、　７５Ｖ　−Ｔ　ｉ鋼の表面細ろ′Ｌ化処理試和１
のクリブ試験を５５０℃、３８〜４９ｋｇｆ　／ｍｍ’
の条件で行った。表面細粒化処理試ネ旧こは、クリープ
試験後に：ｌＬ）でも表面割れは観察されなかった１３
−ノ〕、表面細）ｌπＬ化処理を行っていない試料には
多数の表面割れが観察された。

実施例３試料として１Ｃ丁−ＩＭＯ−０．７５Ｖ鋼を使用し、窒
素雰囲気で石英管封入後１０００℃に加熱し、同温度で
４８時間保持後水冷した。試料を取り出し、アルゴンガ
ス雰囲気にして石英管封入後１１５０℃に加熱し、３０
分保持後水冷し、７００℃で２時間の焼戻１−処理を行
った。

表面細粒層が生成されているのを確認した後、５５０℃
、３６　ｋｇ　ｆ　／ｍｍ２で回転曲げ疲れ試験をおこ
なった。第３図に示したように、表面細粒化処理した場
合（Ａ）にはこの発明処理をしない場合（Ｂ）に比べ、
破断までの回転数は５．５Ｘ１０６から３．５Ｘ１０７
へと約６倍増加した。

（発明の効果）この発明により表面結晶粒を細かくし、かつ粒径遷移層
を形成する場合には、室温強度、疲労強度および靭性が
向上し、さらには水蒸気酸化等による耐食性が向」ニす
る。

この発明は、＼７．ＴＩなどの安定な窒化物を析出する
元素を含むｔｌｌ金合金適用可能であり、特に火力発電
機器材料等への応用が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の合金の水蒸気酸化ｌｌ￥Ｊ生成に
ついて例示した膜厚と時間との相関図であり、第２図は
、粒径と表面深さの相関図である。また、第３図は、高温回転曲げ疲れ強度を例示した応力
と回転数の相関図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高温で安定な窒化物を析出する元素を含有する合
金であって、表面細粒層と粒径遷移層とを有することを
特徴とする合金。
（２）高温で安定な窒化物を析出する元素を含有する合
金を、窒化雰囲気において、窒素が侵入して窒化物を析
出し、かつ、相変態あるいは冷間加工による再結晶生成
の温度域で加熱し、微細な再結晶粒と再結晶粒成長を抑
止する窒化物とを析出させて表面層を細粒化し、さらに
高温溶体化温度まで昇温させ、連続的に結晶粒径が増大
する遷移層を生成させることを特徴とする合金の製造方
法。