JPH0457737B2

JPH0457737B2 -

Info

Publication number: JPH0457737B2
Application number: JP63173645A
Authority: JP
Inventors: Efu Rosuman Maikuru; Emu Tawanshii Hani
Original assignee: Haynes International Inc
Current assignee: Haynes International Inc
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1992-09-14
Also published as: FR2625752B1; JPH01180933A; CA1308276C; GB2214519A; GB8812835D0; DE3823140A1; GB2214519B; FR2625752A1; DE3823140C2; US4818486A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は低熱膨脹係数を備えたニツケル基合金
に関するものであり、より具体的にはニツケル生
地内の主要元素としてきつちり比率化されたモリ
ブデン及びクロームを含んだ合金に関するもので
ある。（背景及び従来技術）ガスタービンエンジンにおいては、性能の程度
はひとえにその構成部品、例えばシール、鋳物、
シールシユラウド支持体リング、シヤフト及びそ
の類いの物理的及び機械的特性に依存する。これ
らの部品はエンジンの効果的な性能を保証するた
めには極めて高度の熱膨脹及び強度特性をもたね
ばならない。熱的安定性及び時効特性は効率的作
動のため等しく重要な特性である。既知の合金又は超合金ニツケル基合金は基本と
なつた「80−20」ニツケル−クローム合金の副産
物であつた。前記基本「80−20」ニツケル−クロ
ーム合金にタングステン及びモリブデンのような
１つ又はそれ以上の修整元素を添加して、合金の
ある種の特性を改良する多くの開発が行なわれ
た。かくして、従来技術には約15〜25％のクロー
ムと、約12％の修整元素、特にモリブデンを含ん
だニツケル基合金がたくさん存在する。種々のエンジン部品を製造するのに用いる従来
技術合金の３つが表１に記載されている。これら
の合金の成分は類似に見える。各合金は特定の特
性において他をしのいでいるので、一見マイナに
見える成分上の差異は明白である。その故に、好
ましい組合せの種々の特性を提供する合金に対す
るさしせまつたニーズが認められる。広範囲の特性を備えた合金は以下のような他の
過酷な用途にも適しているのであろう。(1)ロケツ
トエンジン・スラスト・チヤンバ及び燃料マニホ
ールド、(2)高強度フアスナ、(3)高温度ばね及び(4)
異種材溶接及びガスタービン及び石油、石炭電カ
プラントの修理。（発明の目的）本発明の主要な目的は価値のある組合せの望ま
しい物理的及び機械的特性を備えた合金を提供す
ることである。本発明の別の目的は過酷な使用状態で用いるの
に適し、低熱膨脹係数、熱安定性及び耐酸化性を
必要とする用途に特に適した合金を提供すること
である。本発明の更に別の目的は最大の特性を得るため
容易に製造出来、容易に時効硬化され得る合金を
提供することである。本発明の上記目的を達成す
る、低い熱膨張係数を備えたニツケル基合金は、
基本的に、重量％であらわして、５〜12のクローム、 10〜30のモリブデン、 22〜40のモリブデン＋タングステン、最大１のアルミニウムと、最大1.2のシリコン
と、最大0.1の希土類金属とから成る群から選択
された少なくとも一種、 0.3迄の炭素と、0.015迄のホウ素と、最大２の
マンガンとから成る群から選択された少なくとも
一種、最大５の鉄、及び残余のニツケル並びに不可避不純物とからな
り、 Mo＋Ｗ対Crの比率が、好ましい組合せの特性
を提供するために２：１〜７：１の間にあり、ク
ローム＋モリブデンの含有量が、最適の秩序特性
を得るために31％を越えていることを特徴とす
る。

【表】（実施例）前述した本発明の目的及び他の目的並びに利点
は表２に記載した合金によつて与えられている。前記合金（本合金）は独特の長距離秩序特性を
備えている。同合金は24時間の時効時間の後にお
いてもすぐれた秩序特性を備えている。本合金は長期間時効の後には高い衝撃強度を持
つ、低熱膨脹特性を備えている。本合金は切欠き破壊試験において切欠き敏感で
はない。本合金は長期間熱損傷すなわち酸化に抵抗する
ために被膜を必要としない。本合金のすぐれた工学的特性は組成、特に（モ
リブデン＋タングステン）とクロームの限界比率
を細密にコントロールすることによつて与えられ
る。表２に示すように、Mo＋Ｗ：Crの比率は
２：１〜７：１の間、又は好ましくは２：１〜
６：１の間になければならない。Mo＋Ｗ：Crの
比率がこの数値範囲外にあると、高温での合金の
使用後に望ましくない脆化相が発生し合金の特性
を損う。このことは80Ni−20Crの概念とは逆行
するものである。本発明においてはニツケル−モ
リブデンの生地にわずかにクロームが添加されて
いる。

【表】本発明合金の成分組成範囲の限定理由は以下の
とうりクロムは、アルミニウムの含有量が小さい
場合において良好な耐酸化性を得るため且つニツ
ケル基地を強化するために必要な成分であり、５
％より少ないとこの効果が得られず、12％より多
いと合金の延性が低下する。モリブデンは、高温強度を増加させ且つ時効後
の長距離秩序特性を得ために必要な成分であり、
10％より少ないとこの高価だ得られず、30％より
多いと脆いNi₃Mo相の増加により合金の延性及
び熱間加工性を著しく低下させる。当業界では周知のように、モリブデン及びタン
グステンは多くの合金系において互換性がある。
本発明の合金においては、これらの元素は互換可
能である。モリブデンのコストが低く、タングス
テンの重量が大きく金属加工性が悪い故にモリブ
デンが好まれる。かくして、最適の経済的及び技
術的利点を得るためには、10％を下まわらない量
だけのモリブデンを本発明の合金に含有させるこ
とが出来る。当業界において周知のように、大略
Mo＝１／２Ｗで記載されるようにこれらの元素の原子重量に差があるための成分調節をしなければ
ならない。例えば、25％相当量のモリブデンを得
るためには、10％のモリブデンと30％のタングス
テンを含むことが必要である。互換可能なるため
本発明の合金においてはモリブデン＋タングステ
ンの量は22〜40％に達することが出来る。モリブ
デン＋タングステンの量が40％を越えると、合金
の熱間加工性が減少すると共に合金の製造コスト
並びに合金の比重が増大するのでモリブデン＋タ
ングステンの量は40％以下とする。ニツケルは本合金の主要成分であり、安定なオ
ーステイナイトを作り勤性を向上させ、且つクロ
ムとの共存状態で耐酸化性を向上させる。アルミニウム、ボロン、炭素、鉄、マンガン、
シリコン及び希土類元素は任意添加成分であり、
これらの任意添加成分は合金の低熱膨張係数ある
いは他の特性を害することなく上記表２に示され
た上限値まで存在可能であり、これらの任意添加
成分の有用性は当分野においてよく知られてい
る。例えばアルミニウムとシリンコと希土類元素
は高温での合金の酸化抵抗性を増大させ、ボロン
と炭素とマンガンはニツケル基地を強化させる。
鉄は、合金を製造する際に、電解工程により得ら
れる金属クロムの代りにより安価なフエロクロム
を使用することで合金中に含有される成分であ
り、このフエロクロムの使用は合金の製造コスト
を低下させる利点がある。当業界で周知のある種の利点を得るために本発
明の合金には約0.015％に至る少量ではあるが効
果的な痕跡含有量のホウ素を含有させることが出
来る。当業界で知られているある種の利点を得るた
め、付随的不純物又は必然的添加物として本発明
の合金には他の元素を存在させることが出来る。
そのような利点は酸化段階、コスト低減、延性又
は流動性の改善及びその類いにある。そのような
元素をあげれば次の通りである。アルミニウム、
鉄、マンガン、シリコン及び希土類金属、例え
ば、セリウム、ランタン、イツトリウム等であ
り、これは表２に示す含有量迄存在することが出
来る。表２の成分には残余としてニツケル＋不純物が
含まれる。このクラスのニツケル合金の製造にお
いては、最終製品において多くの源からの不純物
が見出される。これらのいわゆる「不純物」は必
ずしも常に有害ではなく、例えばコバルト及びア
ルミニウムのようにあるものは実際に有用である
か、又は無害である。前記「不純物」のあるものはある種の処理段階
から生ずる残留元素として存在するか又はチヤー
ジ材料内に偶発的に存在することが出来る。これ
らは例えばカルシウム、マグネシウム、バナジウ
ム、ジルコニウム及びその類いである。実際の技術においては、これらの合金の溶融及
び処理の業界において知られていることである
が、ある種の不純物元素は最大値及び／又は最小
値を持つ限界内に保持され、一様な製品を得てい
る。硫黄、リン及び亜鉛は一般的に言つて低レベ
ルに維持されなければならない。かくして、本発明の合金はこれら及び他の不純
物をこのクラムの合金において通常関係し、市販
の仕様書において記載された制限値内において含
むことが出来る。（本発明の実験的試験及び例）本発明を記述するための実験的ヒート真空誘導
溶解炉内の45Kg（100ポンド）のヒートとしてて
作られた。前記ヒートは２本の69.85mm（２3/4イ
ンチ）直径の電極へと鋳造された。前記電極は次
に101.6mm（４インチ）の直径のインゴツトへと
エレクトロスラグ再溶融された。前記インゴツト
は約44.45mm（１3/4インチ）厚×101.6mm（４イ
ンチ）幅のスラブへと鍛造された。次にスラブは
12.7mm厚×165.1mm幅×長さの板へと熱間圧延さ
れた。前記板は焼鈍され、時効され所望の強度が
達成された。板は適当な物理的及び機械的特性デ
ータを決定するために横断方向に沿つてサンプリ
ングされた。前記実験合金の溶融及び加工の容易さは本発明
の製品を製造するのに当業界既知の他のプロセス
を使用可能であることを示唆している。表３は種々の成分から得られたデータを示して
いる。これらの合金は表３に示すようにモリブデ
ン及びクロームの変動以外は一般的に表２に示さ
れる範囲内にあつた。これらのデータは成分の範囲のみならず、モリ
ブデンとクロームの間の比率をもきちんとコント
ロールする必要性について示している。表３は前記実験合金の微細組織分析を示してい
る。649℃で単に24時間時効した後に秩序相が観
察された。当業界で良く知られているように、
A₂Bクラスの合金の硬度を得るための時効時間は
一般的に1000時間を十分超えるものである。表３のデータは合計で31％より少ないモリブデ
ン＋クロームを含んだ合金（合金Ｘ−Ｘ）はMo
＋Crの比率が２〜約４の範囲内にあつても所望
の時効特性を備えていないということをはつきり
と示している。

【表】

【表】＊本発明の合金
前記データは更に合計32％のMo＋Crを含み、
Mo：Crの比率が5.4である合金１は所望のA₂B秩
序相を備えていることを示している。しかしなが
ら、他の有害な相が長期間時効の間に形成されて
いる。かくして、この合金はロケツト及びその類
いのような短時間作業においては有用なものとな
り得る。合金２，３，４，５及び６は本発明の範囲内の
合金であり、モリブデン及びクロームの合計含有
量及び比率はそれぞれ31％並びに２〜４の間を超
えている。合金７は前述の合金１についての議論と類似の
理由によつて、用途によつては本発明の広い範囲
内に入つている。表３に示されたデータはモリブデン＋タングス
テンとクロームの間のバランスをきちんとコント
ロールする必要性を明らかに強調している。モリ
ブデン＋タングステンとクロームの合計量又は比
率が前記比率の限度に近いか又はある時には、前
記所望の工学的特性はかろうじて得られる。大部分の場合、本発明の合金に関する種類の超
合金は極めてきつちりとした平均的熱膨脹係数を
必要とする。第１図は当業界で知られた種々の合
金並びに本発明の合金の熱膨脹係数を比較したも
のである。本発明の合金、合金２は現在当業界で用いられ
ている合金とほぼ匹敵するように見える。より高
温での使用の場合、合金８及び１０は一般的に言
つて酸化保護のためのコーテイングが必要であ
り、合金２は本質的な耐酸化性能を備えており、
コーテイングの必要性は無い。最適なモリブデンの含有量を決定するための別
のテストとして、一連の試験が行なわれた。モリ
ブデン含有量は８％のクロームを含む基本的にニ
ツケルの生地内に約21％から約29％の範囲で実験
的に変化させられた。熱膨脹のデータを合金(1)について、室温（25.6
℃）から538℃迄及び(2)について、室温（25.6℃）
から649℃迄調べられた。第２図に報告されたデ
ータは約22〜30％の範囲のモリブデン含有量につ
いて比較的予測のつく係数を示しており、最適値
は約24〜26％のモリブデン含有率であることがわ
かる。本発明の合金は649℃においてたつた24時間の
後それらの秩序相（及び硬度）を得ている。この
ことは当業界における価値のある改良事項であ
る。このクラスの他の合金（すなわち登録商品名
ハステロイ合金Ｓ）は538〜593℃において500〜
1000時間熱処理しなければならない。なおハステ
ロイはヘインズインタナシヨナル社の登録商標名
である。本発明の合金は低熱膨脹合金として用いられて
いるハステロイ合金Ｂとともに熱的安定性が試験
された。合金Ｂは公称値として約28％のモリブデ
ンと不純物として１％より少ないクロームを含ん
でおり、約1938年以来塩酸に対する耐触性がある
ことで知られている。これらの合金はＶ字切欠き
のテストバーの形態においてシヤルピ衝撃試験機
で試験された。試験結果は表４に与えられてい
る。本発明の合金は1000時間及び4000時間の後に
おいて高度の衝撃強度安定性を保持していること
が明らかである。

【表】本発明の合金の強度が当業界で知られているあ
る種の低熱膨脹合金と比較された。米国特許第
4118223号に記載された合金Ｓは公称値として約
16％のクローム、15％のモリブデン、0.5％のシ
リコン、0.8％のマンガン及び0.04％のランタン
を含んでいる。前記合金は熱的に安定な合金とし
て当業界では知られている。室温の引張り特性の
結果が表５に示されている。データは本発明の合
金が現在当業界で用いられている他の合金と同等
かそれ以上の性能を有していることをはつきり示
している。合金１０は良好な引張強度特性を備え
てはいるが、当該合金の延性（伸び）は低い。実験合金の酸化特性を調べるために一連のテス
トが行なわれた。テストに用いた合金としては従
来合金から選択したもの及び本発明の合金である
合金２が含まれている。これらの合金は空中で合
計1008時間816℃にさらされた。グループは24
時間毎の繰返しで試験を行ない、グループは
168時間毎の繰返しで試験を行なつた。表６に示
すように、金属損失量及び最大金属影響量のテス
ト結果は合金２が酸化露出によつて実質的に損傷
を受けないということを明らかに示している。合
金Ｘ，Ｎ及びＳはごくわずかに損傷を受けた。合
金Ｂはわずかに多く損傷を受けた。明らかに、合
金１０が最も多く損傷を受けた。この理由の故に
合金１０は酸化状態で用いられる時には被覆され
なければならない。本発明の合金の製造は比較的に言つてトラブル
が無かつたので、本合金は殆んどの周知のプロセ
スによつて製造され得るということが予期され
る。更には、前記合金の鋳造及び加工特性は鋳造
品、ワイヤ、圧延製品、粉末、溶接及び表面硬化
製品及びその類いを含む多様な市販品形態におい
て製造することが可能である。

【表】

【表】最大金属影響量＝金属損
失量＋最大内部浸蝕量
当業界に精通する者にとつては本明細書で特定
の実施例と関連して述べられた本発明の新規な原
理は同発明の種々の他の修正例及び適用例の裏付
けとなるであろうことは自明であろう。従つて特
許請求の範囲を解釈するに当つては同範囲は本発
明の説明された特定の実施例に限定されるもので
はないことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は種々の合金に対する熱膨脹係数をグラ
フで示した図、第２図はニツケル基合金における
モリブデンの影響をグラフで示した図である。

【特許請求の範囲】

１ Si：８〜12wt％，Cu：1.5〜3.0wt％， Mn：0.1〜1.5wt％，Mg：0.2〜1.5wt％， Sb：0.05〜1.0wt％、を含有すると共にTi：0.2wt％以下またはTi：
0.2wt％以下とＢ：0.02wt％以下を含有し、残部
がAlおよび不可避不純物からなる溶湯を半連続
鋳造してから塑性加工し、次いで溶体化処理し、
焼入れし、人工時効処理することを特徴とする強
度に優れた耐摩耗性アルミニウム合金材の製造
法。２ Si：８〜12wt％，Cu：1.5〜3.0wt％， Mn：0.1〜1.5wt％，Mg：0.2〜1.5wt％， Sb：0.05〜1.0wt％、を含有すると共にTi：0.2wt％以下またはTi：
0.2wt％以下とＢ：0.02wt％以下を含有し、しか
も、Fe：0.3〜1.5wt％を含有し、残部がAlおよ
び不可避不純物からなる溶湯を半連続鋳造してか
ら塑性加工し、次いで溶体化処理し、焼入れし、
人工時効処理することを特徴とする強度に優れた