JPS6327418B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、Ni₃Al系合金に係り、成分組成を特
定することにより、高温強度が大きく耐熱性にも
富むほかとくに耐硫化性に優れ、常温延性をもつ
Ni₃Al系合金を提案しようとするものである。 NiおよびAlが面心立方格子の規則的位置に配
列したLl₂型結晶格子を有するNi₃Al、またその
格子のNi又はAlの一部がTi，Si，Cr，Co，Mo，
Ta，Ｗ，Nb，Fe，Zr，Ｖ，Mn，Hf，Mg，Ｙ
ないしはＢなどの元素により置換されたやはり
Ll₂型Ni₃Al系の金属間化合物相は、従来よりガ
スタービン，ジエツトエンジンあるいはミサイル
など使用時に高温に長時間さらされる構造材に多
用された超耐熱性合金それもとくにNi基超合金
における強析出強化相として広く利用されて来
た。 この種のNi基超合金は、第１図にてγ相とし
て示した主としてNi固溶体中に同じく、γ′相と
して示したNi₃Al相が分散し、その高温における
強度は主としてγ′（Ni₃Al）相の量に依存するた
めに、これまでγ相のマトリツクス中に、できる
だけ多量のγ′相を分散させることに努力が注がれ
てきた。 しかし、鍛造材の場合には一般にγ′相の量は30
〜40％が限界であり、また精密鋳造品の場合でも
γ′相の量が60％以上になると著しく脆化するので
実用することはできなかつた。 Ni基超合金の強化相として有用なNi₃Al相を、
もしも単独かあるいはそれに近い量で含むように
して使用することができれば著しく高温強度の高
い合金たり得ると予想されるが、このNi₃Al相は
他の金属間化合物もそうであるように、多結晶状
態では低温のみならず高温においても脆く、ほと
んど伸びを示さない。このことからNi₃Al単独利
用の如き試みはなされていなかつたのである。 発明者らは長年にわたるNi₃Alに関する研究に
よつて、Ni₃Al単結晶にあつては常温においてあ
る程度の延性を示すことを見出し、このことから
多結晶が脆いのは結晶粒界に何らかの脆化せしめ
る要素が存在するためであるという考えのもと
に、Ni₃Alに種々の第３元素を添加することによ
り結晶粒界を強化することを試みた。 その結果Ｂの有効性やNb，Zrまたさらには
Moを含有する場合に極めて高い常温延性を有す
ることを知見した。この知見については、Ｂに関
し特願昭53―130765号、またNb，Zrについて、
特願昭54―17699号、さらにMoないしはMoと
Ｂ，Nb，Zrとの複合について特願昭54―101935
号の各明細書において発明者らの一部がさきに開
示したところである。 しかしその後に研究を更に進めた結果によると
耐硫化性に難点のあることが判つた。 つまりＳが含まれた燃料を用いる環境などで供
用したとき、Ｓによる高温腐食が生じるNi₃Al合
金の欠点を常温延性の阻害なしに克明することが
本発明の目的である。 この発明はＢ：0.03〜3.0wt％と、Nb：0.005〜
4.0wt％、Zr：0.005〜4.0wt％、Mo：0.01〜
2.0wt％のうちから選んだ少なくとも１種並びに、
Ti：0.1〜10.0wt％及び／又はCr：６〜20wt％と
を含有するNi₃Al相から実質的になり、耐硫化性
に優れ、常温延性をもつNi₃Al系合金である。 上記のようにNi₃Al系合金について成分組成を
限定した理由は次のとおりである。 Ｂ：0.03〜3.0wt％ Ｂは常温延性を確実かつ安定に高めるために
0.03wt％以上を必要とし、3.0wt％を超えると却
つて延性が悪化することから規定した。 Nb，Zr：0.005〜4.0wt％ Nbはとくにこの発明の目的とする耐硫化性の
改善にも寄与するがZrとともに0.005wt％以上で
常温延性のＢによる改善効果を助長するが、何れ
も4.0wt％をこえると却つて延性を劣化すること
から規定した。 Mo：0.01〜2.0wt％ Moは結晶粒界における有害物を減少させまた
粒界自体を強める作用が0.01wt％以上で顕著に生
じる一方、2.0wt％をこえると逆に延性を悪化さ
せるようになることから限定した。 Ti：0.1〜10.0wt％ Tiは耐硫化性の付与に有効で、0.1wt％〜
10.0wt％で顕著な改善をもたらす反面10wt％を
こえると延性の阻害が生じるのが限定理由であ
る。 Cr：６〜20wt％ Crもまたとくに6wt％以上にて耐硫化性の著し
い増進効果を生じるが20wt％をこえるような増
量は延性を悪くするからである。 この発明のNi₃Al系合金が実質的にγ′相からな
るものとするために必要である。 ここにTi及び／又はCrが耐硫化性の改善に顕
著な効果を耐酸化性の寄与にあわせ有すること
は、次の実験によつて知見された。 この実験では、99.99％Al，99.9％Ni，99.3％
Nb，99.65％Zr，99.0％Mo，99.75％Cr，99.9％
TiおよびNi―8.7％Ｂ母合金を用い、溶製材中に
生成するNi₃Al相以外の相をできるだけ少量に抑
えてCr，Tiを固溶したNi₃Al系金属間化合物相か
らなるような原料配合としてタンマン管に挿入
し、高周波溶解炉により真空中で溶解後、金型に
鋳込んで表１に示す成分組成のNi₃Al系合金を製
造した。

【表】

【表】 この鋳塊は、1000℃50時間均質化処理を行つた
後これから試料を切り出して耐硫化性の試験を行
つた。 この場合の試料は鋳造材から５mm×５mm×20mm
の試片を切出し表面を500番のエメリー紙で研磨
したものである。 試験条件は、 55％CaSO₄、 30％BaSO₄、 10％Na₂SO₄、 ５％Ｃ の合成灰の中で870℃１時間加熱とし、試料の腐
食増量を求めて耐硫化性を判定した。 その結果は表１にあわせ示すとおりで、Ti，
Crの効果は顕著である。 Tiは0.1％以上なら少量添加でも著しく耐硫化
性を改善するが、添加量があまり多くなると腐食
増量を却つて増加する傾向にあるので10％以下と
し、またCrは、６％以上で耐硫化性を向上する
が、しかし20％を超える場合、異相を生じて高温
強度が加工性とともに低下することとなるので20
％以下とする必要がある。 このようにTi，Crはそれぞれ単独でも有効な
元素であるが、上記限定した成分範囲内で両元素
を複合含有させた場合には、とくに表１のNo.11に
てNb併用の事例のように比較実用Ni基超合金を
凌ぐ優れた耐硫化性を有し、また、Nbを増量し
たNo.６も耐硫化性がとくにすぐれている。ここに
NbはNi₃Al系合金の延性改善のみならず耐硫化
性改善にも効果のあることがわかる。 以上の様にCr，TiそしてNbはNi₃Al相の耐硫
化性を顕著に改善する効果がある。 次に前記の鋳塊から30mm×８mm×1.77mmの短冊
形と厚さ５mm，直径40mmの円板状各試料を切り出
し、それぞれに冷間圧延を行つた結果も表１に示
す。 この加工性の評価のマークは、圧延が、 × 不可能 △ 10％以下でクラツク発生 〇 10〜40％圧延可 ◎ 40〜80％圧延可 〓 80％以上圧延可 であることを示す。 以上のように本発明合金は十分な延性を有し、
冷間に於ける強圧延も一応可能である。 しかしCrを10％以上含有する場合には、他の
試料に比べて加工前の硬さが高く、また10％程度
の加工によつても加工硬化するため、冷間での強
加工はやや困難となるが延性を全く失つているわ
けではなく、高温に於いては加工硬化の度合いも
小さいので熱間加工はもちろん可能である。 鍛造試験のため直径10mm，高さ10mmの試片を前
記の鋳塊から切り出し高さ5.5mmまで据込みをし
たところ割れは全く発生しなかつた。 またこのようにCrを比較的多量に含有させて
も高温強度は劣化しない。第２図に高温強度の比
較のために高温に於ける硬さを表１のNo.１と11に
ついて測定した結果を示す。 Cr，Tiを含有するNo.11の硬さは、900℃以上で
は若干低くなる傾向にあるがそれ以下の温度では
No.１よりかなり高い硬度を有していることが判
る。 以上述べたように、本発明は高温強度が高く、
耐熱性に富むほかとくに耐硫化性に優れ常温延性
をもつことからNi₃Al系合金の使途の拡大に有用
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はNi―A12元系状態図、第２図は温度
と硬さとの関係を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｂ：0.03〜3.0wt％と、 Nb：0.005〜4.0wt％、Zr：0.005〜4.0wt％、
   Mo：0z01〜2.0wt％のうちから選んだ少なくと
   も１種並びに、 Ti：0.1〜10.0wt％及び／又はCr：６〜20wt％
   と を含有するNi₃Al相から実質的になり、耐硫化
   性に優れ、常温延性をもつNi₃Al系合金。