JPS6115135B2

JPS6115135B2 -

Info

Publication number: JPS6115135B2
Application number: JP52155041A
Authority: JP
Inventors: Josefu Boosuchi Uiriamu
Original assignee: Special Metals Corp
Current assignee: Special Metals Corp
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1986-04-22
Also published as: FR2375330B1; BR7708180A; IL53233A; IL53233A0; IT1090745B; SE7713610L; FR2375330A1; DE2752529C2; DE2752529A1; JPS5379722A; CH636378A5; GB1565606A; SE443999B; CA1082494A; US4093476A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はガンマプライム相強化型ニツケル基合
金に関する。より詳しくは、高温耐食性、強度、
クリープ抵抗、相安定性および応力破壊寿命の好
ましい組合せを有するニツケル基合金に関する。米国特許第3667938号には、本質的に、重量
で、クロム12.0〜20.0％、チタン５〜７％、アル
ミニウム1.3〜3.0％、コバルト13.0〜19.0％、モ
リブデン2.0〜3.5％、タングステン0.5〜2.5％、
ボロン0.005〜0.03％、炭素0.05〜0.15％、残部本
質的にニツケルから成る合金が開示されている。
この合金は良好な高温耐食性、強度、クリープ低
抗、相安定性を有し、そして、最も重要なこと
は、応力破壊寿命がすぐれていることであるが、
その高温衝撃強度は高温で長時間使用すると望ま
しくない速度で劣下してしまう。 1976年６月９日付米国特許出願第691161号は前
記特許に係る合金の特性と同様な特性を有する合
金に関するものであるが、その高温衝撃強度は改
善されている。これは炭素含量を前記特許におい
て最少値が0.05％とあるのを最大値0.045％とい
うように低下させることによつて達成されたもの
である。しかしながら、このように炭素含量を低
下させると得られる合金の応力破壊寿命および高
温延性がある程度劣下してしまうという問題が生
じた。かくして、本発明によれば、前記米国特許出願
に開示された合金の基本的特性を有するとともに
さらに改善された高温延性および応力破壊寿命を
もつた合金が提供される。かかる特性の改善は注
意深く制御されたボロンの添加によつて達成され
るのである。つまり、前述のような合金とは異な
り、本発明に係る合金は0.031〜0.048％のボロン
を含有するのである。本発明合金にある程度近い他の合金としては米
国特許第2975051号および第3385698号、ならびに
再発行特許第28671号に開示されたものがある。
それらと本発明との間には多くの相違点がある
が、いずれにしてもそれらは本発明におけるよう
なボロン添加の重要性について何ら示唆すること
がない。同様に前記米国特許第3667938号に対応
する外国での特許にもボロン添加については開示
されていない。該米国特許とは多少の相違を有す
る外国でのそれらの特許については前述の米国特
許出願において詳述しているので、本明細書では
その内容をここに援用する。したがつて、本発明の目的はガンマプライム相
強化型ニツケル基合金を提供することである。本発明のこれまで述べたまたその他の目的は、
応力破壊寿命がボロン含量および炭素含量に応じ
て変わるかを示す添付図面を参照した以下の説明
から最も良く理解されよう。本発明に係る合金は良好な高温耐食性、強度、
クリープ抵抗性、相安定性および応力破壊寿命に
よつて特徴づけられるガンマプライム相強化型ニ
ツケル基合金である。本発明に係る合金は本質的
に、重量で、クロム12.0〜20％、チタン4.0超〜
7.0％、アルミニウム1.2〜3.5％、コバルト12.0〜
20.0％、モリブデン2.0〜4.0％未満、タングステ
ン0.5〜2.5％、ボロン0.031〜0.048％、炭素0.005
〜0.045％、残部本質的にニツケルから成り、あ
るいは、本発明に係る合金は本質的に、重量で、
クロム12.0〜20.0％、チタン4.0％を超え〜7.0
％、アルミニウム1.2〜3.5％、コバルト12.0〜
20.0％、モリブデン2.0〜4.0％未満、タングステ
ン0.5〜2.5％、ボロン0.031〜0.048％、炭素0.005
〜0.15％を含み、マンガン0.75％以下、ケイ素0.5
％以下、ハフニウム1.5％以下、ジルコニウム0.1
％以下、鉄1.0％以下（好ましくは0.5％以下）、
該合金中に存在するガンマプライム相のソルバス
（Solvus）温度………ガンマプライム相の溶解温
度………以下に初期溶融点を低下させない希土類
元素0.2％以下、マグネシウム、カルシウム、ス
トロンチウムおよびバリウムから成る群から選ん
だ元素0.1％以下、レニウムおよびルテニウムか
ら成る群から選んだ元素6.0％以下のうち少なく
とも１種を含み、残部本質的にニツケルから成
る。希土類元素の例としてはセリウムおよびラン
タンが挙げられる。本発明に係る上記合金は有害
な針状のシグマ相およびミユー相を実質上含まな
い。それは主として鍛造品として使用されるが鋳
造品または焼結品としても使用できる。そのほか、上記合金にあつてはチタン対アルミ
ニウムの比は1.75：１〜3.5：１とし、球状ガン
マプライム相の生成を促がす。一般的組成がM₃
（Al、Ti）であると考えられているガンマプライ
ム相は合金の強度を高める。ガンマプライム相は
多くの形態をとり得るが、球状のガンマプライム
相が好ましい。ここに、ガンマプライム相組成の
“Ｍ”の部分は主としてニツケルから成り、例え
ば少量のクロムおよびモリブデンをほぼ95ニツケ
ル−３クロム−２モリブデンの割合で含むと考え
られている。それぞれ最少1.2％および4.0％を超
えるというアルミニウムおよびチタンは適正な強
度を確保するために必要である。同様の理由か
ら、チタンおよびアルミニウムの総計は少なくと
も6.0％なければならない。しかし、アルミニウ
ムとチタンとの総計が9.0％を超えると加工性を
害するので、その上限は9.0％である。本発明合金にあつて特に重要な元素であるボロ
ンは0.031〜0.048％の量で存在しなければならな
い。応力破壊寿命はボロン含量が0.031％未満で
はかなり急速に低下してしまう。一方、0.048％
を超えると、初期溶融点の低下がみられ、そのた
め応力破壊寿命および他の特性が低下する。さら
に、過剰のボロンは大形インゴツトの場合は複合
共晶部分の正規領域にボロンに富む領域を生じさ
せることがあり、そのため、インゴツトを冷却す
るときにそのような領域が割れの原因となること
がある。したがつて、応力破壊寿命に対するボロ
ンの効果は、添付図面にも示すように、最も著し
い。図中の曲線群はある程度の応力破壊寿命が期
待できる領域を表わす。例えば、炭素0.03重量％
およびボロン0.040重量％を含む合金は982℃／
1125Kg/cm²（1800〓／16ksi）の応力破壊寿命が少
なくとも120時間となる。好適ボロン含量は0.032
〜0.045％である。前述の米国特許出願第691161号に開示されてい
るように、該出願に係る合金では炭素含量は最大
0.045％、好ましくは0.04％以下に維持するのが
好ましいが、それより炭素含量が高いと衝撃強度
が低下することが分かつたからであつた。最少お
よび最大の好適炭素含量はそれぞれ0.005％およ
び0.045％である。少量であつても一定量の炭素
は加工温度範囲における高温延性を改善するため
にまた約816℃（1500〓）以上の温度における望
ましいクリープ抵抗性を与えるために必要であ
る。本発明合金のＢ、Ｃ、TiおよびAl以外の合金
成分範囲を前述のように限定した理由は次の通り
である。クロムは合金の耐食性を確保するために12.0な
いし20％添加されるが、12.0％よりも少ないと所
望の効果が得られず20.0％を超えると強度及び相
安定性に影響を与えるので上限を20.0％とした。コバルトは合金の強度及びその熱間加工におけ
る作業性の点から12.0ないし20.0％添加される
が、12.0％よりも少ないと所望の効果が得られず
20％を超えると合金の耐食性を損うようになるの
で上限を20％とした。モリブデンは合金を強度を増すために2.0ない
し４％未満の範囲で添加されるが、2.0％より少
ないと所望の効果が得られず4.0％以上過剰に添
加すると望ましい丈夫な酸化物の形成を妨げる傾
向があり、耐食性が低下するようになることから
上記の範囲に限定した。タングステンは0.5ないし2.5％添加されるが、
タングステンはモリブデンと同じく固溶体強化剤
であり、0.5％より少ないと所望の効果が得られ
ず2.5％を超えて添加されるとモリブデンの場合
と同様な影響があるので上限を2.5％とした。し
かしタングステンを添加すると合金に一層均質な
特性が与えられるという利点がある。またタング
ステンは合金の樹枝状晶の内部に偏析する傾向が
あり、これに対してモリブデンの方は合金の樹枝
状晶の樹枝間隙部に偏析する傾向がある。応力破壊寿命と衝撃強度の組合せを得るため
に、本発明に係る合金は添付図面のABCD領域内
の炭素およびボロン含量を有するのが好ましい。
領域ABCDは0.02〜0.04％の炭素含量および0.032
〜0.045％のボロン含量で区画される。この領域
内の合金は、871℃（1600〓）に35000時間さらし
た後の899℃（1650〓）衝撃強度が少なくとも約
0.83Kg・ｍ（６フイート・ポンド）、および982
℃／1125Kg/cm²（1800〓／16ksi）応力破壊寿命が
少なくとも120時間であることが期待できる。上記合金にさらにすぐれた応力破壊特性を与え
るためには少量のジルコニウムおよび／または希
土類金属を加えてもよい。希土類の添加は一般に
0.012〜0.024％である。ジルコニウムの添加は一
般に0.015〜0.05％である。好ましいジルコニウ
ム含量は0.02〜0.035％である。0.1％を越えるジ
ルコニウムの添加は望ましくない。過剰量のジル
コニウムが望ましくない相の偏析をもたらし、そ
のためインゴツトの割れおよび／または高温加工
性の低下をもたらすからである。本発明の合金の諸特性をさらに改善するため
に、上記ジルコニウムおよび／または希土類金属
の外に、前述のマンガン0.75％以下、ケイ素0.5
％以下、ハフニウム1.5％以下、鉄1.0％以下、マ
グネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよび
バリウムから成る群から選んだ元素0.1％以下、
レニウムおよびルテニウムから成る群から選んだ
元素6.0％以下の少なくとも１種を添加すること
ができる。これらの元素の添加量を上記の如く限
定した理由は次の通りである。マンガンは0.75％まで存在してもよいがこれを
超えると合金の強度および耐食性に有害な影響を
与える。ケイ素は0.5％まで存在してよいがこれ
を超えると合金の強度および延性に有害な影響を
与える。1.5％までのハフニウムは炭化物の安定
および強度を増加するために添加されるがこれを
超えると相が不安定となる。鉄は1.0％まで存在してよいがこれを超えると
逆に合金の高温における機械的特性を低下させる
傾向がある。マグネシウム、カルシウム、ストロ
ンチウムおよびバリウムからなる群の元素は0.1
％を超えると逆に高温時の機械的特性に対して有
害な影響を与える。また、レニウムおよびルテニ
ウムから成る群から選んだ元素が6.0％までは高
温機械的特性を改善するが、これ以上添加すると
相安定性を低下せしめるので上限を6.0％とし
た。以下の実施例は本発明のいくつかの側面につい
ての例示をなすものである。実施例８種のニツケル基合金（合金Ａ〜Ｈ）を次の通
り熱処理した。 1168℃（2135〓）− ４時間−空冷 1079℃（1975〓）− ４時間−空冷 843℃（1550〓）− 24時間−空冷 760℃（1400〓）− 16時間−空冷次いで、これらを982℃（1800〓）の温度およ
び1125Kg/cm²（16ksi）の応力下で応力破壊寿命を
試験した。これらの合金の目標成分組成は次の通
りであつた。

【表】炭素およびボロンの各含量は以下の表に示
す。

【表】応力破壊寿命試験の結果を次の表に示す。表合金応力破壊寿命（時間）
Ａ 77.2 Ｂ 105.5 Ｃ 119.3 Ｄ 124.7 Ｅ 92.9 Ｆ 88.0 Ｇ 122.3 Ｈ 107.9 ボロン含量の0.031〜0.048％の臨界的意義は表
および表から明らかである。上記範囲内のボ
ロン含量を有する各合金は100時間以上の応力破
壊寿命を示した。一方、この範囲より高いあるい
は低いボロン含量の合金は応力破壊寿命が100時
間以下であつた。比較してみると、例えば、ボロ
ン0.016％、炭素0.007％の合金Ａは応力破壊寿命
がわずか77.2時間であつたのに対し、ボロン
0.034％、炭素0.014％の合金Ｂは応力破壊寿命が
105.5時間であつた。さらに、ボロン0.048％、炭
素0.020％の合金Ｄは応力破壊寿命が124.7時間で
あつたのに対し、ボロン0.062％、炭素0.020％で
ある合金Ｅはわずか92.9時間の応力破壊寿命を示
したにすぎない。本発明の範囲内の合金は982
℃／1125Kg/cm²（1800〓／16ksi）の応力破壊寿命
が少なくとも100時間である。実施例さらに２種のニツケル基合金（合金B′および
H′）を前述の合金Ａ〜Ｈと同様に熱処理した。
これらの合金は前記合金ＢおよびＨと同じ目標成
分組成で溶解したが、合金B′およびH′ではジル
コニウムをさらに添加した。合金Ｂ、B′、Ｈおよ
びH′における炭素、ボロンおよびジルコニウム
の各含量は表に示す通りであつた。

【表】合金B′およびH′を合金ＢおよびＨと同様に応
力破壊寿命について試験した。試験結果を合金Ｂ
およびＨの結果（表の繰り返えし）と共に表
に示す。表合金応力破壊寿命（時間）
Ｂ 105.5 B′ 115.8 Ｈ 107.9 H′ 125.0 表からは本発明の範囲内の合金の応力破壊特
性をジルコニウムの添加によつて改善し得ること
が明らかである。0.03％のジルコニウムの添加に
よつてそれぞれ合金ＢおよびＨの応力破壊寿命が
105.5および107.9時間から115.8および125.0時間
に増大した。このように、特別の具体化例にあつ
ては、本発明合金はジルコニウム0.015〜0.05
％、好ましくは0.02〜0.035％を含有する。以上、本発明を特定の具体化例によつて説明し
てきたが、当業者にとつてはこの他に多くの変更
および応用がなし得ることが理解されよう。した
がつて、また、本発明はそのような特定の具体化
例にのみ制限されるものではない。

【図面の簡単な説明】

添付図面はボロン含量および炭素含量に対し、
応力破壊寿命を表わすグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１本質的に重量％で、クロム12.0〜20.0％、チ
タン4.0超〜7.0％、アルミニウム1.2〜3.5％、コ
バルト12.0〜20.0％、モリブデン2.0〜4.0％未
満、タングステン0.5〜2.5％、ボロン0.031〜
0.048％、炭素0.005〜0.045％、残部本質的にニツ
ケルから成り；前記チタンおよびアルミニウムの
総計が6.0〜9.0％、該チタンおよびアルミニウム
が1.75：１〜3.5：１のチタン対アルミニウムの
比で存在し；有害な針状のシグマ相およびミユー
相を実質上含まず；かつガンマプライム相が実質
上球状のガンマプライム相であり、この合金は高
温耐食性、強度、クリープ抵抗、相安定性および
応力破壊寿命の非常に好ましい組合せを有し、こ
れらの好ましい組合せ特性はある程度0.031ない
し0.048％という前記ボロン含量にもとずいてい
ることを特徴とする、ガンマプライム相強化型ニ
ツケル基合金。２ボロン0.032〜0.045％を含有する、特許請求
の範囲第１項に記載のガンマプライム相強化型ニ
ツケル基合金。３炭素0.01〜0.04％を含有する、特許請求の範
囲第１項に記載のガンマプライム相強化型ニツケ
ル基合金。４ボロン0.032〜0.045％および炭素0.02〜0.04
％を含有し、871℃（1600〓）で35000時間さらし
た後に少なくとも0.83Kg・ｍ（６フイート・ボン
ド）の899℃（1650〓）衝撃強度および982℃／
1125Kg/cm²（1800〓／16ksi）応力下での少なくと
も120時間の破壊寿命を有する、特許請求の範囲
第１項に記載のガンマプライム相強化型ニツケル
基合金。５本質的に重量％で、クロム12.0〜20.0％、チ
タン4.0超〜7.0％、アルミニウム1.2〜3.5％、コ
バルト12.0〜20.0％、モリブデン2.0〜4.0％未
満、タングステン0.5〜2.5％、ボロン0.031〜
0.048％、炭素0.005〜0.045％、さらにマンガン
0.75％以下、ケイ素0.5％以下、ハフニウム1.5以
下、ジルコニウム0.1％以下、鉄1.0％以下、合金
中に存在するガンマプライム相の溶解温度以下に
初期溶融温度を低下させない希土類元素0.2％以
下、マグネシウム、カリシウム、ストロンチウム
およびバリウムから成る群から選んだ元素0.1％
以下、レニウムおよびルテニウムから成る群から
選んだ元素6.0％以下、のうち少なくとも１種、
残部本質的にニツケルから成り、前記チタンおよ
びアルミニウムの総計が6.0〜9.0％、該チタンお
よびアルミニウムが1.75：１〜3.5：１の比で存
在し、針状のシグマ相およびミユー相を実質上含
まず、かつガンマプライム相が実質上球状のガン
マプライム相であり、この合金は高温耐食性、強
度、クリープ抵抗、相安定性および応力破壊寿命
の非常に好ましい組合せを有し、これらの好まし
い組合せ特性はある程度0.031ないし0.048％とい
う前記ボロン含量にもとずいていることを特徴と
する、ガンマプライム相強化型ニツケル基合金。６ボロン0.032〜0.045％を含有する、特許請求
の範囲第５項に記載のガンマプライム相強化型ニ
ツケル基合金。７炭素0.01〜0.04％を含有する、特許請求の範
囲第５項に記載のガンマプライム相強化型ニツケ
ル基合金。８ジルコニウム0.015〜0.05％を含有する特許
請求の範囲第５項に記載のガンマプライム相強化
型ニツケル基合金。９ジルコニウム0.02〜0.035％を含有する特許
請求の範囲第８項に記載のガンマプライム相強化
型ニツケル基合金。１０ボロン0.032〜0.045％および炭素0.02〜
0.04％を含有し、871℃（1600〓）で35000時間さ
らした後に少なくとも0.83Kg・ｍ（６フイート・
ポンド）の899℃（1650〓）衝撃強度および982
℃／1125Kg/cm²（1800〓／16ksi）応力下での少な
くとも120時間の波壊寿命を有する、特許請求の
範囲第５項に記載のガンマプライム相強化型ニツ
ケル基合金。１１ジルコニウム0.015〜0.05％を含有する特
許請求の範囲第１０項に記載のガンマプライム相
強化型ニツケル基合金。１２ジルコニウム0.02〜0.035％を含有する特
許請求の範囲第１１項に記載のガンマプライム相
強化型ニツケル基合金。