JPS62109943A - 炭素を含有するホウ素添加アルミニウム化三ニツケルとその製法 - 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】 発明の背景 本発明は、実質的な強度および延性を有するアルミニウ
ム化三ニッケル材料に関するものである。

更に詳しく言えば本発明は、アルミニウム化三ニッケル
を基材としかつ構造用途にとって望ましい組合せの性質
を該基材に付与するような置換元素を含有する組成物に
関する。

多結晶質アルミニウム化三ニッケル鋳造品は、室温下に
おいて非常に脆く、強度が低く、かつ延性が小さいとい
う性質を示すことが知られている。

アルミニウム化三ニッケル単結晶は、特定の結晶方位に
関し、顕著な延性をはじめとする好ましい組合せの性質
を室温下において示す。しかるに、従来公知の方法によ
って製造された多結晶質材料は単結晶材料が持つ望まし
い性質を示さない。かかる多結晶質材料は、高温構造材
料として有望であるにもかかわらず、室温下における性
質が劣るためにこの分野で広範に使用されるには至って
いない。

アルミニウム化三ニッケルは１０００°Ｆを越える温度
下で良好な物理的性質を示すことが知られており、その
ためにたとえばジェットエンジンの高い動作温度下では
それの構成部品として使用し得るものと考えられる。し
かしながら、アルミニウム化三ニッケルが室温以下で好
ましい性質を示さなければ、この材料から製造された部
品はエンジンの起動前やエンジンの高温動作前において
その部品が遭遇するような低温下で応力に暴露されると
破壊してしまうことがある。

アルミニウム化三ニッケルを基材とする合金は、耐熱合
金または超合金として知られる合金群の中に含まれる。

これらの合金は極めて高い温度下に応力および衝撃応力
を含む比較的大きい応力に暴露されるのであり、また耐
酸化性が要求されることも多い。

超合金の分野において探究されてきたのは、たとえばジ
ェットエンジン部品としての使用時に見られるような高
温下で望ましい応力抵抗性を示すばかってなく、貯蔵時
、装着時および起動操作時にエンジンが遭遇するような
低温下でも実用的で有用な望ましい組合せの性質を示す
合金組成物なのである。たとえば、エンジン起動に先立
って飛行場や滑走路上で待機している間にジェットエン
ジンは氷点下の厳しい低温に暴露される場合のあること
が良く知られている。

かかる広い温度範囲にわたって有用であり、がつ広い温
度範囲にわたる正規の動作に際して製品が受けることの
ある応力に耐え得るようなアルミニウム化三ニッケル基
合金および類似の超合金を製造するために多大の努力が
払われてきた。

たとえは、本願の場合と同じ譲受人に譲渡された米国特
許第４４７８７９１号明細書中には、アルミニウム化三
ニッケル基合金の脆性を克服することによってこの材料
に室温下で顕著な延性を付与する方法が記載されている
。

また、本願の場合と同じ発明者等によって１９８４年９
月４日に提出された同時係属中の米国特許明細書６４７
３２６．６４７３２７．６４７３２８．６’４６８７７
および６４６８７９号明細書中には、米国特許第４４７
８７９１号の組成物および方法を更に改良するための方
法が記載されている。なお、これらの米国特許出願明細
書および米国特許明細書は引用によって本明細書中に併
合されるものとする。

このたび、アルミニウム化三ニッケルに対して炭素が有
益な効果をもたらすことが見出された。

ＮｉＢ＾１に対する炭素の効果は、アール・ダブリュー
・ガードおよびジエイ・エッチ・ウェストプルツク（Ｒ
，Ｗ、　Ｇｕａｒｄ　＆　Ｊ、）１．胃ｅｓｔｂｒｏｏ
ｋ）によって既に研究されているしトランザクションズ
・オン・メタラージカル・ソサエティ・Ａ　Ｉ　Ｍ　Ｅ
　（Ｔｒａｎｓ。

Ｍｅｔ、　Ｓｏｃ、　ＡＩＭＥ）　、第２１５巻（１９
５９年）、８０７〜８１４頁」。それによれば、Ｏｌｏ
、２および２．０（原子）％の炭素を含有するＮｉ３Ａ
　ｌに関して室温下で〜２００　　ｋｇ／ｍｍ２の硬さ
が測定され、従ってＮｉ３Ａｌの機械的挙動に対し炭素
はほとんど効果を及ぼさないことが示された。また、エ
ル・ジェイ・ヒュッターおよびエッチ・エッチ・シュタ
ーデルマイヤー（Ｌ、Ｊ、　Ｈｕｅｔｔｅｒ　＆　Ｈ，
Ｉｌ、　Ｓｔａｄｅｉｍａｉｅｒ＞によれば、Ｎ１ＢＡ
ｌに対する炭素の溶解度は５．８（原子）％であること
が測定されている［アクタ・メタラージ力（Ａｃｔａ　
Ｍｅｔ、）　、第６巻（１９５８年）、３６７〜３７０
頁］。ケイ・エッチ・ハンおよびダブリュー・ケイ・チ
ュー（Ｋ、Ｈ，Ｈａｎ＆　Ｗ、に、　Ｃｈｏｏ）によれ
ば、この溶解度は急速凝固によって約７．８（原子）％
にまで増加した［スフリプタ　メタラージ力（Ｓｃｒｉ
ｐｔａ　Ｍｅｔ、）、第１７巻く１９８３年）、２１〜
２８４頁］。なお、上記の２つの論文は機械的挙動を扱
っていない。

最近に至り、エイ・イノウニ、ワイ・コジマ、ティー・
ミネムラおよびティー・マツモトによってＦｅ−Ｎ１−
ＡＩ−Ｃ系の鉄基合金が研究されたしメタラージカル・
トランザクションズＡ　（Ｍｅｊ、　Ｔｒａｎｓ。

＾）、第１２Ａ巻（１９８１年）、１２４５〜１２５３
頁］。彼らによれば、７〜５５（重量）％のＮｉ、８〜
９（重量）％の＾１．０８〜２．４（重量）％のＣおよ
び残部のＦｅから成る組成範囲内にあるこの鉄基合金中
には、急速凝固によって非平衡のＬｌ□相を生成し得る
ことが見出された。引張試験によれば、このような非平
衡相は延性を示すことが判明した。また、降伏強さは炭
素含量と共に増加した。すなわち、Ｆｅ−２ＯＮ＋−８
ＡＩ母体中の炭素含量が１．２り重量）％の時ににおけ
る降伏強さは約９００　ＭＰａであるのに対し、２．４
（重量）％ではでは約１７００ＭＰａにまで増加した。

しかしながら、かかる材料に５００℃の温度で１時間の
焼もどしを施したところ、相分解のために脆化が起こっ
た。脆化後の材料に関するその他の性質は報告されてい
ない。かかる鉄基合金は、長い期間の内には平衡状態に
戻って脆性を示すようになる傾向があるから、構造用途
のためには有用でない。また、かかる材料を高温下で使
用すれば脆性状態への復帰は促進されることになる。

発明の概要 本発明の目的の１つは、室温下および高温下で構造部品
として使用するための製品の製造方法を提供することに
ある。

また、室温下および高温下で高度の応力に耐え得ると共
に順著な延性を示し得るような製品を提供することも本
発明の目的の１つである。

その他の目的に関しては、一部は以下の説明を読めば自
ら明らかとなろうし、また一部は以下の説明中において
指摘されるであろう。

本発明の目的を達成するためには、本発明に従って一般
的に述べれば、アルミニウム化三ニッケルを基材としか
つ比較的少量のホウ素および炭素を含有しかつＬｌ２形
の結晶構造が調製される。

次に、この溶融物が急速に凝固させられる。

上記の溶融物は金属間化合物相の原子並びにホウ素およ
び炭素の原子のみから成るのが理想的であるが、時には
１種以上の他種原子が偶発不純物として溶融物中に不可
避的に存在しても差支えないことが認められている。

ユニで言う「アルミニウム化三ニッケル基組成物」とは
、各種のアルミニウム化ニッケル組成物中に通例見出さ
れるような不純物を含有するアルミニウム化三ニッケル
を意味する。それはまた、本発明の実施によって達成さ
れる特異な組合せの好ましい性質を損なうことのないそ
の他の成分元素および（または）置換元素を含有してい
てもよい。

発明の詳細な説明 以下の説明中においては、特に記載のない限り、組成は
原子パーセントを単位として表わされている。

Ｎｉ３Ａｌ超合金系またはアルミニウム化三ニッケル基
超合金について言えば、成分金属はニッケルおよびアル
ミニウムである。かかる系中においては、これらの金属
はアルミニウム１原子当りエンケル３原子という化学量
論的な原子比で存在している。

本発明のアルミニウム化三ニッケル基組成物はまた、前
記に引用された同時係属中の米国特許出願明細書中に記
載のごときある種の置換金属を含有していてもよい。な
お、それらの金属の存在はアルミニウム化三ニッケル基
組成物中′＼の炭素の混入によって達成される好ましい
組合せの性質を損なうことはない。

アルミニウム化三ニッケルはニッケルーアルミニウム二
元合金系中に見出され、また従来のγ／γ゛ニッケル基
超合金中のγ′相として知られている。

単結晶のアルミニウム化三ニッケルは、硬さが大きいと
共に、安定でありかつ高温下で耐酸化性および耐食性を
示すことから、構造材料として有望なものと見なされて
いる。

それぞれ６６０℃および１４５３°Ｃの融点を有するア
ルミニウムおよびニッケルから生成されるアルミニウム
化ニッケルは、７５（原子）％のＮｊ含量下で３５８９
人の格子定数ａＱを持ったＣｕ３Ａｌ形Ｕ本明細書中に
おいて使用されるシュトウルクトクールベリヒト（Ｓｔ
ｒｕｋｔｕｒｂｅｒｉｃｈｔ）命名法によればＬｌ□形
］の面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を示し、そして約１３
８５〜１３９５°Ｃの温度範囲内で融解する。このよう
なアルミニウム化三ニッケルは、しばしばＮｉ３Ａｌ　
と表わされるが、１つの金属間化合物相であって独立し
た化合物ではない。

なぜなら、それは温度に応じ一定の組成範囲にわたって
存在するのであって、たとえば６００℃では約７２．５
〜７７（原子）％［８５，１〜８７．８（重量）％］の
Ｎｉ含量範囲にわたって存在するからである。

多結晶質のアルミニウム化三ニッケルは極めて脆いので
あって、この材料を有用な製品に加工しようとしたり、
あるいはかかる製品を使用に供したりする際に加わる応
力の下では破砕が起こってしまうのである。

米国特許第４４７８７９１号明細書中に記載のごとく、
急速に冷却して凝固させるべき上記の合金系中にホウ素
を含有させれば、得られる急速凝固合金に対して望まし
い延性を付与し得ることが既に判明している。

かかる先行発明の合金組成物、そしてまた本発明の組成
物は、本明細書中および米国特許第４４７８７９１号明
細書中に記載のごとく、第３成分としてホウ素を含有し
ていなければならない。第３成分としてのホウ素の好適
な添加量範囲は０．２５〜１７５（原子）％である。

先行する米国特許第４４７８７９１号明ＭＪ書中の記載
によれば、最適のホウ素添加量は約１（原子）９６て゛
あって、その場合には急速凝固製品において室温下で約
１００ｋｓｉの降伏強さを達成し得ろことか見出された
。なお、かかる製品の破断点ひすみは室温下で約１０％
であった。

生成される組成物は、Ｌｌ２形の結晶構造を示す特定の
金属間化合物相を有していなければならない、かかる組
成物はまた５少なくとも約り０３℃／秒の冷却速度で溶
＠物を冷却し、それにより主用か規則状態または不規則
状態のＬｌ２形結晶Ｗ４造を示すような固体を生成させ
る方法に従って製造されたものでなければならない。か
かる違且成１勿を生成させるための溶融物は、（それぞ
れの置換体を含めて）第１成分および第２成分を約３：
１の原子比で含有していなければならない。

本発明の実施に際しては、Ｌｌ２形の結晶構造を示す金
属間化合物相が生成されることが重要である。本発明の
組成物中においては、それは急速凝固の結果として実現
される。かかるＬｌ２形の結晶構造はまた、製造すべき
製品中においても保存されることが重要である。

ここで言う［急速凝固ｊとは、１０３℃／秒を越える速
度で溶融物を急速に冷却し、それにより主相が規則状態
または不規則状態のＬＩ２Ｉ２高結晶構造すような固体
を得る操作を意味する。詳しく述べれば、急速に凝固さ
せた固体は主として所定の金属間化合物相と同じ結晶構
造（すなわち、Ｌｌ□形の結晶構造）を示すが、その他
の相（たとえばホウ化物相）が存在することもあり得る
。また、冷却速度が大きいため、急速に凝固させた固体
の結晶構造は不規則状態を成すこと、つまり規則状態の
固溶体に見られるごとく原子が結晶格子上における特定
の周期的位置を占めるのではなくて結晶格子上のランダ
ムな位置を占めることらあり得る。

下記の実施例を参照すれば、本発明およびそれかもたら
す利点は一層明確に理解されよう。

実施例１〜４ 下記第１表に示された組成を有する４種の鋳塊を調製し
て粉砕した。各試料に関し、約６０ｇの粒子をチルブロ
ック溶融紡糸装置のアルミナ製るつぼ内に装入した。い
ずれの場合にも、るつぼの終端は平底の出口部分を成し
ていて、そこには０゜２５インチ（６，３５市）×２５
ミル（０，６３５關）の溝穴が設けられていた。他方、
チルブロックは直径１０インチ（２５，４ｃｍ　）の側
面および厚さ１゜５インチ（３，８ｃｍ　）のリムを有
するＨ−１２工具りに車輪を回転させた場合にリム面が
流延面（または冷却面）として使用し得るように直立状
態で配置されていた。るつぼを直立状態に配置し、そし
て流延面から約１．２〜１．６ミル（３０〜４０μ）以
内にまで近づけた。その際には、溝穴の０．２５１Ｌ角 インチの長さ方向が車輪の回転方向に対して蝕になるよ
うにした。

各試料の鋳造に際しては、車輪を１２００ｒｐｍの速度
で回転させながら溶融物を約１３５０〜１４５０℃に加
熱し、そして約１．５ｐｓｉのアルゴン圧力下で押出し
た。矩形断面の流れを成して流出した溶融物は回転する
流延面に接触し、それによって厚さ約４０〜７０μかつ
幅約０．２５インチの長いリボンが形成された。

このように、４種の溶融物を調製し、次いでそれらを上
記のごとき装置においてリボンとして鋳造することによ
り、４種のリボン状試験片が製造された。

これら４種の溶融物の組成は下記第１表中に示されてい
る。各溶融物は相異なる炭素含量を有していた。

次に、各溶融物から製造されたリボンに関し、通常の曲
げ延性試験法による延性試験を行った。

この試験は、試験片を１８０゛まで折曲げることから成
るものである。１８０°まで折曲げても破壊が起こらな
いようなリボンには１．０の評点が与えられる。他方、
１８０°まで折曲げない内に破壊が起こるようなリボン
には１．０未満の評点が与えられる。この値が小さいこ
とは、破壊が起こった時の折曲げ角度が小さいことを示
している。

４種の試料に関する試験結果を下記第１表中に示す。こ
のような曲げ延性試験によって得られた値が小さいこと
から明らかな通り、炭素のみの添加はこれらの試料の延
性を向上させなかった。

１　　　　４　　　　　ｘ＝ＯＯ，０１４２１９ｘ＝０
．５　　　０．０１０ ３　　　２０　　　　　ｘ＝１．ｏ　　　　Ｏ，０１１
４、２１ｘ　＝　２．０　　　０．００６実施例５〜９ 実施例１〜４に記載されたごとくにして更に５種の試料
からリボンを製造した。これら５種の試料の組成および
特性を下記第２表中に示す。

策−一λ−−人 ５　　　　１９１　　　ｘ＝０　　　　　１．０　　　
　２７．０　　　　９０６　　　　３２５　　　ｘ＝０
．２５　　１．０　　　　１０．５　　　１０８７　　
　　３１６　　　ｘ＝０．５　　　１．０　　　　２０
．６　　　１１４８　　　　３２７　　　ｘ＝１．０　
　　１．０　　　　１１．４　　　１４１９　　　　３
１７　　　ｘ＝１．５　　　１．０　　　　　３．８　
　　１６８第２表に示されたデータから明らかな通り、
０゜５（原子）％のホウ素を含有する試料はいずれも十
分な延性を示した。すなわち、それらは１８０゜まで折
曲げることができ、従って１．０の曲げ延性値を有して
いる。なお・・、かかる曲げ延性試験によって１．０を
越える延性値を求めることはできないから、５種の試料
の延性を曲げ延性試験のみによって区別することはでき
ない。しかしながら、延性はパーセント単位の引張ひず
みとしても表わされるのであって、第２表かられかる通
り、試験した試料の引張ひすみは３．８％の最小値を有
していた。やはり第２表から明らかな通り、延性は炭素
の含量に応じて変化するのであって、０．５（原子）％
の炭素を含有する実施例７の試料に関して測定σ された２０．β％の引張ひすみ値において最大の延性が
達成された。ここで得られた結果は、本願の場合と同じ
譲受人に譲渡された米国特許第４４７８７９１号明細書
中に記載された実験データと合致している。

特に興味深いのは、試料の組成範囲内における炭素含量
の変化に伴う降伏強さの変化である。第２表中には、炭
素を含有しない実施例５の試料並びに（第２表の見出し
の式中に使用されているＸの値で表わして）０．２５．
０．５．１．０および１．５の炭素含量をそれぞれ有す
る実施例６．７．８および９の試料に関する延性および
降伏強さデータが示されている。降伏強さは実施例５．
６．７．８および９の順序で増加している。第２表に示
されたデータかられかる通り、降伏強さの変化を炭素含
量の変化と関係づけてみると、炭素含量の１（原子）％
の増加に伴って降伏強さは約５０ｋｓｉだけ増加するの
である。本発明の組成物の特定の用途にとって最適な降
伏強さおよび引張ひずみの値は、第２１表に示されたデ
ータから求めることができる。炭素含量の増加に伴って
降伏強さが大幅に増加する一方、引張ひすみは炭素含量
の増加に伴って減少する。なお、ｘ＝１．５を越える炭
素含量においては、引張ひすみで表わされる延性が小さ
くなり過ぎるため、かかる組成物は多くの用途にとって
不適格となる。

最大の延性が所望される場合には、２０．６％の引張ひ
ずみを示す試料について１１４ｋｓｉの降伏強さを得る
ことができる。

降伏強さは一層大きいことが所望されるが引張ひすみは
もっと小さくてもよい場合には、１または１．５（原子
）％の程度の炭素含量を使用すればよい。かかる組成物
においては、一層大きい降伏強さと、小さいが有用なレ
ベルの引張ひずみとの組合せが得られることになる。

ホウ素含量は、上記実施例中に示された値のみに限定さ
れるわけではない。急速に凝固させたアルミニウム化三
ニッケル基組成物に延性を付与し得るものであれば、そ
の他のホウ素含量を使用することもできる。本発明の実
施に際して有用であるホウ素含量範囲は、本願の場合と
同じ譲受人に譲渡された米国特許第４４７８７９１号明
細書中に記載の範囲と同じである。すなわち、０．０１
〜２．５（原子）％が有用なホウ素含量範囲である。

また、好適なホウ素含量範囲は０．１〜１．５（原子）
％である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）式 （Ｎｉ＿１＿．＿０＿−＿ｘＡｌ＿ｘ）＿９＿９＿．＿
   ５＿−＿ｚＢ＿０＿．＿５Ｃ＿ｚ（式中、ｘは０．２３
   〜０．２４５の範囲内にあり、またｚは０．１〜２．５
   の範囲内にある）で表わされる原子パーセント単位の組
   成を有する溶融物を調製し、（ｂ）前記溶融物を急速に
   凝固させ、次いで（ｃ）凝固後の生成物を回収する諸工
   程から成ることを特徴とする、優れた強度および延性を
   有するアルミニウム化三ニッケル基組成物の製造方法。 ２、ｚが０．２５〜２．０の範囲内にある特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ３、前記溶融物が少なくとも１０００℃／秒の冷却速度
   で凝固させられる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４、前記生成物が加熱および圧縮によって合体させられ
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５、式 （Ｎ＿１＿．＿０＿−＿ｘＡｌ＿ｘ）＿９＿９＿．＿５
   ＿−＿ｚＢ＿０＿．＿５Ｃ＿ｚ（式中、ｘは０．２３〜
   ０．２４５の範囲内にあり、またｚは０．１〜２．５の
   範囲内にある）で表わされる原子パーセント単位の組成
   を有しかつＬｌ＿２形の結晶構造を示すことを特徴とす
   る、急速に凝固させて成るアルミニウム化三ニッケル基
   組成物。 ６、ｚが０．２５〜２．０の範囲内にある特許請求の範
   囲第４項記載の組成物。 ７、ｚが０．５〜１．０の範囲内にある特許請求の範囲
   第４項記載の組成物。 ８、式 （Ｎｉ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘ）＿１＿０＿０＿−＿ｘ＿
   −＿ｚＢ＿ｙＣ＿ｚ（式中、ｘは０．２３〜０．２４５
   の範囲内にあり、ｙは０．１〜２．０の範囲内にあり、
   またｚは０．１〜２．０の範囲内にある）で表わされる
   原子パーセント単位の組成を有しかつＬｌ＿２形の結晶
   構造を示すことを特徴とする、急速に凝固させて成るア
   ルミニウム化三ニッケル基組成物。 ９、ｙが約０．２５〜１．０の範囲内にあり、またｚが
   ０．１〜１．５の範囲内にある特許請求の範囲第７項記
   載の組成物。