JPH0711376A

JPH0711376A - 耐熱性および加工性に優れたＦｅ−Ｎｉ基合金

Info

Publication number: JPH0711376A
Application number: JP5184493A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Fujita; 康久藤田; Toshio Suganuma; 敏雄菅沼; Kazuaki Nishino; 和彰西野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc; Aichi Steel Corp
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1995-01-13

Abstract

(57)【要約】【目的】極薄板、極薄帯、極細線にも加工が容易な優
れた冷間加工性を有し、耐熱性にも優れたFe−Ni基合金
の提供を目的とする。【構成】重量比にしてC:0.10% 以下、Si:1.5% 以下、
Mo:1.5% 以下、Ni:35 〜45% 、Cr:17.0 〜25.0% 、Mo:
2.0〜4.0%、Ti:1.6〜3.5%、Al:0.7〜1.5%、S:0.015%以
下、P:0.030%以下、O:0.020%以下を含有し、残部Feなら
びに不純物元素からなり、Ti/Al が４以下であることを
特徴とし、必要に応じてNb:0.05 〜1.50%、Ta:0.05
〜1.50% のうち１種ないし２種、B:0.0005〜0.01% 、
Ca:0.0005 〜0.02% 、Mg:0.0005 〜0.02% のうち１種な
いし２種以上の、の中の１種以上を添加することが
できるFe−Ni基合金であり、インコネル751 、インコネ
ルX750と同等以上の耐熱性を有しつつ、極めて優れた冷
間加工性を示すものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車の排気系部品等、
高温環境で使用される部品のうち極薄板、極薄帯、極細
線等に加工が必要な部品に適し、製品形状の制約が極め
て少なく、耐熱性 (高温強度、クリ−プ強度、耐酸化
性) 、加工性 (熱間加工性、冷間加工性) が共に優れた
Fe−Ni基合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車エンジン部品等、高温で使
用される部品に対し、製品性能を向上させる目的から、
より厳しい高温環境での使用が求められつつある。

【０００３】特にその中でも高い温度で使用される部品
として自動車の排気系部品（例えば酸素センサ−用部
品、ガスケットなど) があるが、これらの部品の中には
板厚、線径が0.5mm 以下の極薄板、極薄帯、極細線等へ
の加工や、さらに深絞り等の成形を必要とする部品も多
くあり、 800℃以上の温度で使用できる優れた耐熱性と
目的の部品形状に加工できる優れた加工性（冷間加工
性、熱間加工性）を有する材料の提供が必要となってき
ている。

【０００４】従来、耐熱性および加工性に比較的優れた
オ−ステナイト系合金の代表的なものに、Ni基合金であ
るインコネル X750(70Ni-15Cr-0.7Al-2.5Ti-1Nb) 、インコネル 75
1(70Ni-15Cr-1.2Al-2.3Ti-1Nb)があり、高温環境の使用
に適した材料として使用されている。また、加工性に特
に優れた耐熱合金としては、SUS310S がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記した合金のうち、
インコネルX750、751 は、共にγ^'相〔Ni₃(Al,Ti)〕析
出強化型Ni基耐熱合金であり、850 ℃に於ける高温硬さ
はHv150 以上、850 ℃で7kgf/mm²の応力を負荷した時の
最終破断時間が 420〜430hr であり、優れた耐熱性を有
しているが、最近、従来より厳しい環境での使用が要求
されており、さらに優れた耐熱性を有する合金の開発が
望まれている。

【０００６】また、この合金は、Ni、Crを多量に含む高
合金であるため、高合金の割には20〜25.0% 程度の比較
的優れた常温伸びを示すものの、前記した極薄板、極薄
帯、極細線に容易に加工できるレベルの極めて優れた冷
間加工性までは有しておらず、冷間加工性の問題から製
造できない製品が存在し、製品形状に制約があり、適用
範囲が限定されるという欠点を有していた。

【０００７】また、70% 程度の非常に多くのNiを含有す
るため、極めて高価な合金であり、低コスト化を図るた
めにNi量を低減すると、優れた耐熱性が劣化してしまう
ため、簡単にNi量を低減した鋼を使用することもでき
ず、問題の解決が必要になっていた。一方、SUS310S
は、40% 程度の常温伸びを示し、加工性については優れ
ているが、高温強度が著しく劣り、高強度を必要とする
用途への適用は不可能であった。

【０００８】本発明は、インコネルX750、751 に比べ同
等以上の耐熱性を有し、かつ極薄板、極薄帯、極細線
等、優れた冷間加工性を必要とする形状に容易に加工が
可能な、製品形状の制約が極めて少ないFe−Ni基合金を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、インコネ
ルX750、751 と同等以上の耐熱性を有し、かつ安価な合
金を開発する目的で、Ni,Cr 量が高温特性 (高温引張強
さ、クリ−プ強度) に与える影響について調査した結
果、基本組成としてFe-40Ni-20Cr系合金が適しているこ
とを見出した。また、耐熱性の重要特性である耐酸化性
については、Ni量を40% に固定し、Cr量を変化させて調
査した結果、図１に示されるように、Cr量が増加するほ
ど性能が向上し、インコネルX750、751 と同等以上の耐
酸化性を得るための目安となる850 ℃×100hr 、大気中
連続酸化試験で酸化増量を0.4mg/cm² 以下とするには、
17.0% 以上にすればよいことが確認できた。

【００１０】さらに、もう１つの重要特性であるクリー
プ強度については、Ti/Al 比との関係が大きいことを確
認した。図２は、Ni量を40% 、Cr量を20% に固定し、T
i、Al量を変化させてクリープ破断時間(850℃、負荷応
力7kgf/mm²) を測定した結果を示したものであるが、Ti
/Al を４以下にすることによって、優れたクリープ強度
が得られることがわかる。

【００１１】次に、前記した耐熱性の優れるFe-40Ni-20
Cr系合金の成分範囲のうち、優れた加工性を有する成分
範囲を見出すために、さらに詳しくTi,Al,Mo量について
検討した。その結果、Ti:1.6〜3.5%、Al:0.7〜1.5%、 T
i/Al≦4 、Mo:4.0% 以下の範囲で、高温脆化組織 (σ
相, η相) が形成しにくく熱間加工性が良好であるこ
と、Moを2.0%以上添加することによって、より優れたク
リープ強度が得られることを見出した。

【００１２】さらに、熱間加工性、冷間加工性に有害と
なる不純物S 、P 、O をそれぞれ0.015%以下、0.030%以
下、0.020%以下とし、必要に応じてNb、Taをそれぞれ0.
05〜1.50% 、粒界強化元素であるB 、Ca、Mgをそれぞれ
0.0005〜0.01% 、0.0005〜0.02% 、0.0005〜0.02% 添加
して、耐熱性とともに熱間加工性の一層の向上を図った
結果、優れた耐熱性と熱間加工性を有しつつ、35% 以上
の常温伸びを示す鋼を得ることができ、インコネルX75
0、751 に比べ著しく優れた冷間加工性の得られるFe−N
i基合金を完成することができた。本発明は、以上の知
見をもとに得られたもので、従来合金であるインコネル
X750、751 に比べ同等以上の耐熱性を確保しながら、冷
間加工性を大幅に向上させ、かつ大幅なコスト低減を可
能とするFe−Ni基合金の提供を可能とするものである。

【００１３】以上検討した結果得られた本発明のFe−Ni
基合金は、重量比にしてC:0.10% 以下、Si:1.5% 以下、
Mn:1.5% 以下、Cr:17.0 〜25.0% 、Mo:2.0〜4.0%、Ti:
1.6〜3.5%、Al:0.7〜1.5%、S:0.015%以下、P:0.030%以
下、O:0.020%以下を含有し、残部Feならびに不純物元素
からなり、Ti/Al が４以下であることを特徴とし、第２
発明合金は第１発明合金にNb:0.05 〜1.50% 、Ta:0.05
〜1.50% のうち１種ないし２種を含有させて、結晶粒度
を調整し、クリープ強度をさらに向上させたものであ
り、第３、４発明合金は第１、２発明合金にB:0.0005〜
0.01% 、Ca:0.0005〜0.02% 、Mg:0.0005 〜0.02% のう
ち１種ないし２種以上を含有させて、熱間加工性をさら
に向上させたものである。

【００１４】

【作用】本発明は、Fe-40Ni-20Cr系合金をベースとし、
不純物元素であるS 、P 、O のの規制、Ti、Al、Mo添加
量の適正化によって、インコネルX750、751 と同等以上
の耐酸化性と優れたクリープ強度を確保しつつ、冷間加
工性を著しく向上させることができた。また、必要に応
じて、Nb、Ta、B 、Ca、Mgを添加することによって高温
強度、熱間加工性をさらに向上させることができる。

【００１５】以下に本発明合金の成分限定理由について
説明する。C はオ−ステナイト中に固溶するとともにT
i、Cr、Mo等と結合して炭化物を形成し、高温強度の向
上に寄与する元素であるが、0.10% を越えて含有させる
と、靱性、冷間加工性が劣化するので上限を0.10% とし
た。Siは脱酸のために必要な元素であるとともに、耐熱
性の中の重要特性である耐酸化性を向上させるのに有効
な元素である。しかし、1.5%を越えて含有させると、靱
性、冷間加工性が劣化するので上限を1.5%とした。

【００１６】MnはSiと同様に脱酸効果を有する元素であ
る。しかし、1.5%を越えて含有させると、耐酸化性が劣
化するので上限を1.5%とした。Niは高温強度を保持する
γ^,相[Ni₃(Al,Ti)]を形成させるために必須の元素であ
り、35% 未満ではη相[Ni₃Ti] が析出し易くなり高温強
度が劣化するので、下限を35% とした。しかし、45% を
越えて含有させても強度向上の効果が小さくなり、コス
ト上昇に見合う効果が得られなくなるので、上限を45%
とした。

【００１７】Crは耐酸化性を確保するために不可欠な元
素であり、少なくとも17.0% 以上含有させる必要があ
る。しかし、25.0% を越えて含有させると、使用中にσ
相が析出し易くなり、クリ−プ強度が低下するととも
に、靱性、冷間加工性が劣化するので上限を25.0% とし
た。

【００１８】Moはオ−ステナイト相に固溶することによ
り素地を強化しη相の析出を防止し、クリ−プ強度を向
上させるのに有効な元素であり、少なくとも2.0%以上含
有させる必要がある。しかし、4.0%を越えて含有させる
とσ相が析出し易くなって、逆にクリ−プ強度が劣化す
るとともに、熱間加工性が劣化するので、上限を4.0%と
した。

【００１９】TiはNiおよびAlと結合してγ^,相を形成
し、高温強度の向上に効果のある元素であり、1.6%以上
含有させる必要がある。しかし、3.5%を越えて含有させ
るとη相が析出し易くなって、逆に高温強度が低下する
ので、上限を3.5%とした。AlはTiと同様にγ^,相形成の
ために必要不可欠の元素であり、少なくとも0.7%以上含
有させる必要がある。しかし、1.5%を越えて含有させる
と、靱性、冷間加工性および熱間加工性が劣化するの
で、上限を1.5%とした。

【００２０】S 、P は不純物として粒界に偏析し、クリ
−プ強度および熱間加工性、冷間加工性を劣化させるの
で、含有量の上限を規制する必要があり、上限をS は
0.015% 、P は 0.030% とした。O は酸化物として存在
し熱間加工性を損なうので、上限を0.020%とした。Ti/A
l は、図２に示したように、クリープ強度と深い関係が
あり、優れたクリープ強度を確保するためには４以下と
する必要がある。４以下に規制することによって、前記
効果の他、高温脆化組織 (σ相, η相) が形成されず、
優れた冷間加工性を得ることができる。

【００２１】Nb、Taはオ−ステナイト相に固溶すること
により素地を強化し、炭化物を形成することによりクリ
−プ強度、延性を高め、かつ粒界酸化を防止して耐酸化
性向上に効果のある元素であり、本発明の第１発明合金
の性能をさらに向上させるために必要に応じて添加でき
るものである。前記効果を得るためにはNb、Taのそれぞ
れについて0.05% 以上含有させることが必要である。し
かし、Nb、Taともに1.50% を越えて含有させるとσ相が
生成し易くなり、クリ−プ強度が低下するので、上限を
1.50% とした。

【００２２】B 、Ca、Mgも、Nb、Taと同様に必要に応じ
て添加できるものであり、結晶粒界を強化し、高温強度
を高めるとともに、熱間加工性の向上に効果のある元素
である。前記効果を得るためにはそれぞれ0.0005% 以上
含有させる必要がある。しかし、必要以上に含有させる
と低融点化合物が生成され、かえって熱間加工性を低下
させるので、上限をB は 0.01%、Caは 0.02%、Mgは 0.0
2%とした。

【００２３】

【実施例】次に本発明合金の特徴を従来合金、比較合金
と比べて実施例でもって明らかにする。表１は、供試合
金の化学成分を示すものである。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１において、No.1〜12は本発明合金であ
り、No.1〜No.3は第１発明、No.4〜No.6は第２発明、N
o.7〜No.9は第３発明、No.10 〜No.12 は第４発明に該
当する合金である。また、No.13 〜No.19 は一部の成分
が本発明の条件を満足しない比較合金であり、No.20 〜
22はそれぞれ従来合金であるインコネル751 、インコネ
ルX750、SUS310S である。

【００２６】表２は、表１に示す供試合金を30kg高周波
真空溶解炉を用いて溶製し、鍛伸によって15mmφの丸棒
に成形し、No.1〜21については、1100℃×1hr 空冷によ
り溶体化熱処理、750 ℃×4hr 空冷により時効熱処理を
施し、No.22 については、1100℃×1hr 水冷による溶体
化熱処理を施して作製した試験片を用いて、高温強度、
クリ−プ強度、耐酸化性、熱間加工性、冷間加工性につ
いて調査した結果を示したものである。

【００２７】

【表２】

【００２８】高温強度の評価は、引張試験片を作製し、
真空下で850 ℃の温度に加熱し、引張強さを測定するこ
とにより行った。クリ−プ強度の評価は、平行部 5mmφ
×25mmの試験片を作製し、7kg/mm²の応力下で850 ℃の
温度に長時間保持し、最終破断に至るまでの時間を求め
ることにより行った。

【００２９】耐酸化性は、10mmφ×15mmの試験片を作製
し、磁性るつぼへ入れて、大気中、850 ℃の温度で100h
r 加熱保持した後に、その酸化増量を測定することによ
り評価した。熱間加工性については、10mmφ×110mm の
試験片を作製し、所定温度に保持した状態で高速引張試
験を行って破断させ、絞りを測定し、絞り率80% 以上の
温度範囲（上限と下限の温度差）を調査することにより
評価したものである。冷間加工性の調査は、平行部 8mm
φ×50mmの試験片を作製し、室温で引張試験を行い、破
断までの伸びを測定するという方法で行った。

【００３０】表２から明らかなように、従来合金である
No.20 、21は、850 ℃での高温強度については、38.2〜
39.3kgf/mm² と高く満足し得る値であり、850 ℃での耐
酸化性については、酸化増量が0.29〜0.32mg/cm²と小さ
く優れており、また熱間加工性についても絞り80% 以上
の温度範囲が 130℃と大きく良好である。このように、
No.20 、21は、850 ℃での高温強度、耐酸化性、熱間加
工性について優れた合金である。

【００３１】しかし、No.20 、21は850 ℃でのクリ−プ
強度については、最終破断に至るまでの時間が 420〜 4
30hrと劣り、かつ常温での伸びが20〜21% と小さく、冷
間加工性についても劣るものである。また、もう１つの
従来合金であるNo.22 は、加工性の点では著しく優れて
いるが、高温強度、クリープ強度が著しく劣るものであ
る。

【００３２】また、比較合金のうち、No.13 、14合金
は、それぞれC 、Si含有量が高いため、冷間加工性が劣
るものであり、No.15 合金はMn含有量が高く、No.17 合
金はCr含有量が低いため、耐酸化性が劣るものであり、
No.16 、19合金はそれぞれNi、TiおよびAl含有量が低い
ため、高温強度、クリープ強度が劣るものであり、No.1
8 合金は、Mo含有量が低いため、クリープ強度が劣るも
のである。さらに、No.19 合金は、Ti/Al の値が本発明
の条件を満足しないため、冷間加工性も劣るものであ
る。

【００３３】それに対して、本発明合金であるNo.1〜N
o.12 合金は、Fe-40Ni-20Cr系合金をベースにTi、Al、M
oを適量添加し、不純物であるS 、P 、O の上限値を規
制することによって、耐熱性、熱間加工性、冷間加工性
の全てについて優れた特性を得ることができた。

【００３４】本発明の効果をより明確にするために、本
発明合金と従来合金であるインコネルX750を使用して、
板厚0.20mm、幅100mm の板と、線径0.25mmの線材の製造
テストを行った。板については、板厚5mm まで、線につ
いては線径5.5mm までの加工を熱間圧延にて行い、その
後の加工は冷間で行った。

【００３５】その結果、従来合金であるインコネルX750
は、熱間圧延までは正常に加工できたが、冷間圧延につ
いては１パスの加工率をかなり低くしなければ加工でき
ず、実質的に加工不可能であった。それに対し、本発明
合金については、何らの問題もなく最終寸法まで加工で
きることが確認できた。また、前記板を直径90mmに切断
し、直径25mmのポンチによって深絞り試験を行ったが、
この試験についても何ら問題は発生しなかった。

【００３６】

【発明の効果】上述のように本発明合金は、高温強度、
クリ−プ強度、耐酸化性および熱間加工性については従
来合金であるインコネルX750、751 と同等あるいはそれ
以上であり、かつこれらの合金の欠点である冷間加工性
を大幅に改善したものである。また、インコネルX750、
751 の耐熱性能を劣化させることなくNi量の大幅低減を
可能としたものであり、著しいコストダウンが可能であ
る。

【００３７】従って、本発明は自動車排気系部品用材料
等のように厳しい高温環境化で使用され、かつ極薄板、
極薄帯、極細線等の優れた冷間加工性が要求される形状
に加工が必要な部品に最適な耐熱合金の提供を可能とす
るものであり、産業への貢献度は極めて大きいものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸化増量に及ぼすCr含有量の影響について示し
た図である。

【図２】クリープ強度に及ぼすTi/Al 値の影響について
示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西野和彰愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にしてC:0.10% 以下、Si:1.5% 以
下、Mn:1.5% 以下、Ni:35 〜45% 、Cr:17.0 〜25.0% 、
Mo:2.0〜4.0%、Ti:1.6〜3.5%、Al:0.7〜1.5%、S:0.015%
以下、P:0.030%以下、O:0.020%以下を含有し、残部Feな
らびに不純物元素からなり、Ti/Al が４以下であること
を特徴とする耐熱性および加工性に優れたFe−Ni基合
金。
【請求項２】重量比にしてC:0.10% 以下、Si:1.5% 以
下、Mn:1.5% 以下、Ni:35 〜45% 、Cr:17.0 〜25.0% 、
Mo:2.0〜4.0%、Ti:1.6〜3.5%、Al:0.7〜1.5%、S:0.015%
以下、P:0.030%以下、O:0.020%以下と、Nb:0.05 〜1.50
% 、Ta:0.05〜1.50% のうち１種ないし２種を含有し、
残部Feならびに不純物元素からなり、Ti/Al が４以下で
あることを特徴とする耐熱性および加工性に優れたFe−
Ni基合金。
【請求項３】重量比にしてC:0.10% 以下、Si:1.5% 以
下、Mn:1.5% 以下、Ni:35 〜45% 、Cr:17.0 〜25.0% 、
Mo:2.0〜4.0%、Ti:1.6〜3.5%、Al:0.7〜1.5%、S:0.015%
以下、P:0.030%以下、O:0.020%以下とB:0.0005〜0.01%
、Ca:0.0005〜0.02% 、Mg:0.0005 〜0.02% のうち１種
ないし２種以上を含有し、残部Feならびに不純物元素か
らなり、Ti/Al が４以下であることを特徴とする耐熱性
および加工性に優れたFe−Ni基合金。
【請求項４】重量比にしてC:0.10% 以下、Si:1.5% 以
下、Mn:1.5% 以下、Ni:35 〜45% 、Cr:17.0 〜25.0% 、
Mo:2.0〜4.0%、Ti:1.6〜3.5%、Al:0.7〜1.5%、S:0.015%
以下、P:0.030%以下、O:0.020%以下と、Nb:0.05 〜1.50
% 、Ta:0.05〜1.5% のうち１種ないし２種と、B:0.000
5〜0.01% 、Ca:0.0005 〜0.02% 、Mg:0.0005 〜0.02%
のうち１種ないし２種以上を含有し、残部Feならびに不
純物元素からなり、Ti/Al が４以下であることを特徴と
する耐熱性および加工性に優れたFe−Ni基合金。