JPS61284558A - 耐水素割れ性にすぐれたＮｉ基合金の製造法 - Google Patents

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） こめ発明は、耐水素割れ（水素脆化）性にすぐれたＮｉ
基合金の製造法に関する。

（従来の技術） 近年、エネルギー源の多様化に伴い硫化水素（ＩｈＳ）
含有量が高く、しかもＣＺ−イオンやＣＯ。

ガスを含むガス田や油田の開発、石炭の液化やガス化、
地下熱の回収などの開発が盛んになってきたが、かかる
腐食性環境で使用される油井管、ラインパイプあるいは
貯蔵タンク用の材料には、従来のように一般的な耐食性
とともにすぐれた耐水素割れ性が要求されるようになっ
た。そのため最近はかかる用途における耐水素割れ性を
示す材料としてＮｉｓ　Ｃｒｓ　Ｆｅを主成分とする高
合金が使用されるようになってきている。しかし前記の
ような苛酷な環境下においては、Ｎｉ基合金といえども
、一旦高濃度の水素を内部に吸蔵すると、水素による脆
化、特に粒界破壊をともなう粒界水素脆化をまぬがれな
い。

この粒界水素脆化は合金中のＮｉ１ｌが増加する程顕著
であり、水素の粒界偏析や、粒界での水素化物形成によ
って、粒界の強度が低下することに起因することが知ら
れている。しかし、現状ではＮｉ量の制限や、表面塗覆
やあるいは一般的耐食性向上による水素侵入の防止法以
外に、材料そのものの有効な水素割れ防止方法は見い出
されていない。

（発明が解決しようとする問題点） この発明は、このような現状を鑑み、Ｎｉ基合金固有の
耐食性、強度を維持しつつ、特に耐水素割れ性において
、従来の合金をはるかに凌ぐＮｉ基合金の製造法を提供
することを目的にするものである。

一般に、Ｎｉ基合金の多くは炭素が固溶するような温度
に加熱したのち、水冷する溶体化処理を経て使用される
が、この場合、合金に含有される炭素は一部に未固溶炭
化物、として残存するものもあるものの大部分は合金中
に固溶し、粒界にもほとんど炭化物の析出していない清
浄な合金＆１１織となっている。このような状態では使
用中に合金に侵入してきた水素が容易に粒界に偏析し水
素割れを生じ易い、また３００〜６００℃の高温で長時
間加熱されると固溶していた炭化物が時効によって粒界
に析出し、この析出炭化物と母相の界面に外部から侵入
してきた水素が偏析し、水素による粒界脆化の感受性を
高める。

（問題点を解決するための手段） 従来、オーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金にお
いて、上述のような時効による炭化物の析出と耐水素割
れ性の劣化に重点が置かれ研究されてきた。

しかし、従来の研究では時効による炭素の粒界偏析の効
果が看過されていたことに着目し、発明者等は種々のＮ
ｉ基合金において炭素量と時効時間が水素割れ性に与え
る影響を検討した結果、適正な時間範囲で炭化物の粒界
析出を避けながら、むしろ炭素を粒界に偏析させること
がＮｉ基合金の耐水素割れ性を著しく向上させることを
見い出した。

すなわち、第１図に示すように、ｃ：ｏ、ｏ１ｏ％を含
む５０％Ｎｉ−２０％Ｃｒ系のＮｉ基合金において、１
０００℃からの水冷による溶体化処理ののち、４００℃
で熱処理し、時間による水素割れ性を実験したところ、
５分以下では炭素原子の粒界偏析が不充分で水素割れを
生じ、また１０００分以上になると粒界での炭化物の析
出が始まり再び水素割れ感受性が高くなり、その間の時
間で炭素の粒界偏析による水素割れ抑制の領域があるこ
とがわかった。同じＮｉ基合金でも炭素量が０．０５０
％と高くなったものでは、この水素割れを抑制する熱処
理時間は０．０１０％Ｃ合金の場合よりもより短時間側
に移行した。このように種々のＮｉ基合金において、熱
処理温度と熱処理時間による水素割れ感受性を種々検討
した結果、合金の炭素Ｉ：Ｃ（重量％）、熱処理温度：
Ｔ（絶対温度）すると下記に示す熱処理時間：　ｔの範
囲で熱処理すればすぐれた耐水素割れ性を発揮すること
を見い出してこの発明を完成した。

ここに、この発明は、 重量％で、 ｃ　：ｏ、ａｏＩ〜０．０５％、　　！Ｊｉ：４０〜８
５％、Ｃｒ：１５〜３０％、　　　　Ｓｉ：１％以下、
Ｍｎ：５％以下、　　　　　Ｐ　：０．０１％以下、Ｆ
ｅ：残部 を含有し、更に必要に応じて、 Ａｌ　：５　％以下、Ｃｏ　：　２０％以下、Ｍｏ　：
　２０％以下、Ｎｂ：５％以下、讐：１０％以下、Ｔｉ
：５％以下のうちの一種または２種以上 を添加したＮｉ基合金において９００℃以上の温度から
５０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で少なくとも３００℃以
下にまで冷却する溶体化処理を施し、次いで３００〜７
００℃の範囲の温度に、前記Ｎｉ基合金のｃｌ（重量％
）と加熱温度Ｔ（絶対温度）で決まる、なる時間ｔ　（
分）範囲で加熱したのち、水冷、放冷または炉冷等の冷
却を施す時効熱処理を行うことを特徴とする耐水素割れ
性にすぐれたＮｉ基合金の製造法を要旨とするものであ
る。

発明者等はこの発明による炭素析出の効果を炭素原子の
粒界偏析による粒界の強化と、位置競合機構による相対
的な水素の粒界偏析の低下に起因すると考えている。つ
まり、炭素が析出すると金属間の結合力が増大するので
、粒界が強化され、一方、先に炭素が析出しているため
、水素が侵入しても粒界には析出できないため、粒界の
脆化が防止されるのである。いずれにしろこの効果は炭
素の粒界への拡散に関連することから、合金の炭素量と
熱処理温度、熱処理時間に大きく依存するのである。

（作用） 添付図面に示すように、合金のｃｌが著しく低い場合に
は長時間熱処理しても炭素原子の粒界偏析は期待できな
い。またＣ量が高くなりすぎると、溶体化処理における
冷却の過程で炭化物の粒界析出を生じ易くなることや、
時効処理の時間が短くなりすぎて、炭化物の粒界析出を
避けた炭素原子の粒界偏析のみの制御が困難になること
から、この発明にあってＣ含有量を０．００１％から０
．０５％とした。

Ｎｉ量については、４０％より低い範囲では水素による
粒界脆化が大きな問題とならないことや耐食性の見地か
らＣｒの１５％以上の含存が必要であることから、Ｎｉ
量の上限は８５％とした。

Ｃｒは耐食性の見地から添加するもので１５％以上の添
加が必要であるが、３０％を超えると熱間加工のである
が１％を超える添加は溶接性を著しく劣化させる。

Ｍｎについては、合金の固溶強化のために添加するが、
５９Ａ超の添加は溶接性を低下させる。

Ａ１は高温強度の向上のため必要により添加するが、５
％を超えると熱間加工性を著しく劣化させる。同様にＣ
ｏ、　Ｍｏ、　Ｎｂ、　Ｗ　、Ｔｉも耐食性と高温強度
の向上のために必要に応じ添加するが、その量が多くな
ると熱間加工性を著しく低下させるので、その上限をそ
れぞれ２０％、２０％、５％、１０％および５％とした
。

これらのＡ　Ｉ　、Ｃｏ、　Ｍｏ、　Ｎｂ、−およびＴ
ｉは所望により少なくとも一種添加される。

炭素の固溶限は炭素量によって大きく異なるので溶体化
処理温度が高い方が望ましく、その限りにおいて９００
℃以上で特に制限はない。しかし、余り高くなり祭ぎる
と結晶粒の粗大化によって、Ｊ機械的性質の劣化をまね
くので、好適例としてはその上限を１１００℃とし、そ
の下限を９００℃とした。

さらに、溶体化処理後の冷却の過程で粒界への炭化物析
出を防ぐためには５０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で少な
くも３００℃以下にまで、通常は室温にまで冷却する必
要がある。しかし、室温にまで冷却しないうちに再び加
熱するかして、そのまま時効処理を行ってもよい。

それにつづく時効処理について、その温度の下限を３０
０℃としたのは、これ以下の温度で炭素の粒界偏析を得
るには著しく長時間の熱処理が必要となることや、また
その上限を７００℃としたのは、これ以上の温度では著
しく短時間で粒界への炭化物析出が生じ、熱処理による
炭素のみの析出の制御が困難になることによる。

なお、加熱時効後の冷却は水冷、放冷または炉冷によっ
て行うことができ、十分な時効処理が行なわれていれば
、特に制限はない。

次に実施例によってさらにこの発明を説明する。

実施例 下記第１表に示す２０種の合金を熔製し、１０ｍｍ厚　
・の仮に熱間圧延し、これに第２表にまとめて示す溶体
化一時効処理を加えて供試材とした。なお、溶体化処理
の保持時間は３０分であった。溶体化処理後は室温にま
で一旦冷却してから次の時効処理を行った。また時効処
理後は空冷した。これより、引張試験片を採取し、１規
定の硫酸水溶液に０．０２ｍｏｌ／ｊ！のチオ尿素を加
えた電解液で該引張試験片を陰極、白金板を陽極として
電流密度１０Ａ　−ｍ−”で２４時間陰極電解した。こ
の陰極電解により水素を咳引張試験片に侵入・添加した
後、歪速度１×１０−’Ｓ−’で引張破断させ、その断
面収縮率（ＲＡＭ）と水素を添加しないで引張破断させ
た場合の断面収縮率（ＲＡｏ　）から次式で水素脆化感
受性を評価した。結果を第２表に併せて示す。

水素脆化感受性指数＝ ここで、第２表にはこの水素脆化感受性指数が１５％未
満のものを○として示した。水素跪性惑受性指数が１５
％未満のものについては、水素による割れがほとんど観
察されず、観察されるところでも粒界割れとはならずに
粒内のいわゆる凝へき開破面となり、この発明による時
効処理の効果が現われていると判断した。

第　　１　　表 第　　２　　表 Ｃリ　　＊　：　発明の範囲外

【図面の簡単な説明】

添付図面は、時効熱処理温度と時間とに対して水素割れ
フリー領域を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量％で、 Ｃ：０．００１〜０．０５％、Ｎｉ：４０〜８５％、Ｃ
   ｒ：１５〜３０％、Ｓｉ：１％以下、 Ｍｎ：５％以下、Ｐ：０．０１％以下、 Ｆｅ：残部 を含有し、更に必要に応じて、 Ａｌ：５％以下、Ｃｏ：２０％以下、Ｍｏ：２０％以下
   、Ｎｂ：５％以下、Ｗ：１０％以下、Ｔｉ：５％以下の
   うちの一種または２種以上 を添加したＮｉ基合金において９００〜１１００℃の温
   度から５０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で少なくとも３０
   ０℃以下にまで冷却する溶体化処理を施し、次いで３０
   ０〜７００℃の範囲の温度に加熱し、冷却する時効処理
   をＣ量（重量％）を基準とし、加熱温度Ｔ（絶対温度）
   として時間ｔ（分）が ［（７．４×１０＾−＾７）／Ｃ］＾２ｅｘｐ（１７０
   ００）／Ｔ＜ｔ＜［（７．４×１０＾−＾４）／Ｃ］＾
   ２ｅｘｐ（１７０００）／Ｔとなる時間だけ行うことを
   特徴とする、耐水素割れ性にすぐれたＮｉ基合金の製造
   法。