JPWO2010038826A1 - Ni基耐熱合金 - Google Patents
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Abstract
Description
0.015≦Nd+13.4×B≦0.13・・・(1)
Sn+Pb≦0.025・・・(2)
Sb+Zn+As≦0.010・・・(3)
なお、各式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
Mo+0.5×W≦18・・・(4)
なお、式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
〈1〉Nb:1.0%以下、V:1.5%以下、Zr:0.2%以下およびHf:1%以下
〈2〉Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Y:0.5%以下、La:0.5%以下およびCe:0.5%以下
〈3〉Ta:8%以下およびRe:8%以下
Cは、炭化物を形成して高温環境下で使用される際に必要となる引張強さおよびクリープ強度を確保するために有効な元素であり、本発明においては適宜含有させる。しかしながら、Cの含有量が0.1%を超えると、溶体化状態における未固溶炭化物量が増加して、高温強度の向上に寄与しなくなるだけでなく、靱性などの機械的性質および溶接性を劣化させる。したがって、Cの含有量は0.1%以下とした。好ましくは0.08%以下である。
Siは、脱酸元素として添加されるが、その含有量が多くなって、特に、1%を超えると、溶接性および熱間加工性が低下する。さらに、σ相等の金属間化合物相の生成を促進するので、高温における組織の安定性が劣化して靱性および延性の低下を招く。よって、Siの含有量は1%以下とした。好ましくは0.8%以下、さらに好ましくは0.5%以下である。他の元素で脱酸作用が十分確保されている場合、特にSiの含有量について下限を設ける必要はない。
Mnは、Siと同様に脱酸作用を有するとともに、合金中に不可避的に含有されるSを硫化物として固着して熱間加工性を改善する作用を有する。しかしながら、Mnの含有量が多くなると、スピネル型酸化皮膜の形成を促進し、高温での耐酸化性を劣化させる。このため、Mnの含有量を1%以下とする。好ましくは0.8%以下、さらに好ましくは0.5%以下である。
Crは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性などの耐食性改善に優れた作用を発揮する重要な元素である。しかしながら、その含有量が15%未満ではこれら所望の効果が得られない。一方、本発明においてはAlおよびTiを含有させて金属間化合物であるγ’相の析出強化を活用しているが、Crの含有量が28%以上では、特許文献4〜6にあるようにα−Cr相が析出し、過剰の析出物による長時間使用後の延性や靭性の低下を招く懸念がある。さらには熱間加工性も劣化する。よって、Crの含有量は15%以上28%未満とした。なお、Cr含有量の好ましい下限は18%である。また、Cr含有量は27%以下であることが好ましく、26%以下であればさらに好ましい。
Feは、Ni基合金の熱間加工性を改善する作用を有するため、本発明においては適宜含有させる。しかしながら、Feの含有量が15%を超えると、耐酸化性や組織安定性が劣化する。したがって、Feの含有量は15%以下とした。耐酸化性を重視する場合のFeの含有量は10%以下とすることが好ましい。
Wは、本発明を特徴づける重要な元素の一つである。すなわち、Wは、マトリックスに固溶し、固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与する元素である。Wは、γ’相中に固溶し、高温長時間クリープ中のγ’相の成長・粗大化を抑制して、安定な長時間クリープ破断強度を発現させる作用も有する。さらに、Wは、同じMo当量であっても、Moと比較して、
〔1〕ゼロ延性温度が高く、特に、1150℃程度以上のいわゆる「高温側」における良好な熱間加工性の確保が可能になる。
〔2〕γ’相中により多く固溶して、長時間使用中のγ’相の粗大化を抑制し、高温長時間側での安定した高いクリープ破断強度の確保が可能になる。
という特徴を有する。
Alは、Ni基合金において、金属間化合物であるγ’相、具体的には、Ni3Alとして析出し、クリープ破断強度を著しく向上させる重要な元素である。この効果を得るためには、0.5%を超える量のAlを含有させる必要がある。しかしながら、Alの含有量が2%を超えると熱間加工性が低下し、熱間鍛造、熱間製管などの加工が難しくなる。したがって、Alの含有量を0.5%を超えて2%以下とした。
Tiは、Ni基合金において、Alとともに金属間化合物であるγ’相、具体的には、Ni3(Al、Ti)を形成し、クリープ破断強度を著しく向上させる重要な元素である。この効果を得るためには、0.5%を超える量のTiを含有させる必要がある。しかしながら、Tiの含有量が多くなって2%を超えると熱間加工性が低下し、熱間鍛造、熱間製管などの加工が難しくなる。したがって、Tiの含有量を0.5%を超えて2%以下とした。
Ndは、後述のBとともに本発明を特徴付ける重要な元素である。すなわち、Ndは、酸化皮膜の密着性向上効果および熱間加工性の改善効果を有する元素であるが、Bと複合含有させたうえで、後述の(1)式を満たすようにすれば、本発明のNi基耐熱合金のクリープ破断強度と破断延性および1000℃程度以下のいわゆる「低温側」における熱間加工性を飛躍的に向上させる効果を有する。上記の効果を発揮させるには、0.001%以上のNd含有量が必要である。一方、Ndの含有量が過剰になり、特に、0.1%を超えると、却って熱間加工性が劣化する。したがって、Ndの含有量は0.001〜0.1%とした。
Bは、先に述べたNdとともに本発明を特徴付ける重要な元素である。すなわち、Bは、粒界強化作用を有する元素であるが、Ndと複合含有させたうえで、後述の(1)式を満たすようにすれば、本発明のNi基耐熱合金のクリープ破断強度と破断延性および1000℃程度以下のいわゆる「低温側」における熱間加工性を飛躍的に向上させる効果を有する。上記の効果を発揮させるには、0.0005%以上のB含有量が必要である。一方、Bの含有量が過剰になり、特に、0.01%を超えると、溶接性が劣化することに加えて、熱間加工性も却って劣化する。したがって、Bの含有量は0.0005〜0.01%とした。
本発明のNi基耐熱合金は、NdおよびBの含有量がそれぞれ、上述した範囲にあって、かつ、
0.015≦Nd+13.4×B≦0.13・・・(1)
の式を満足する必要がある。
Pは、不純物として合金中に不可避的に混入し、溶接性および熱間加工性を著しく低下させる。特に、Pの含有量が0.03%を超えると、溶接性および熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Pの含有量を0.03%以下とした。なお、Pの含有量は極力低くすることがよく、好ましくは0.02%以下、さらに好ましくは0.015%以下である。
Sは、Pと同様に不純物として合金中に不可避的に混入し、溶接性および熱間加工性を著しく低下させる。特に、Sの含有量が0.01%を超えると、溶接性および熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Sの含有量を0.01%以下とした。
Pb:0.010%以下
Sb:0.005%以下
Zn:0.005%以下
As:0.005%以下
Sn、Pb、Sb、ZnおよびAsは、いずれも、溶解工程で混入する不純物元素であり、温度が700℃以上かつ1万時間以上という高温長時間加熱後の延性および靱性の著しい低下を引き起こす。したがって、長期経年材の曲げ加工、溶接性等良好な加工性を確保するために、先ず、これらの元素の含有量をそれぞれ、Sn:0.020%以下、Pb:0.010%以下、Sb:0.005%以下、Zn:0.005%以下およびAs:0.005%以下に制限する必要がある。
〔Sb+Zn+As〕の式で表される値:0.010以下
本発明のNi基耐熱合金は、Sn、Pb、Sb、ZnおよびAsの含有量がそれぞれ、上述した範囲にあって、かつ、
Sn+Pb≦0.025・・・(2)
Sb+Zn+As≦0.010・・・(3)
の2つの式を満足する必要がある。
MoおよびCoはいずれも、固溶強化作用を有する。このため、より大きな固溶強化効果を確保したい場合には、積極的に添加し、以下の範囲で含有させてもよい。
Moは、固溶強化作用を有する。Moには、1000℃程度以下のいわゆる「低温側」における組織安定性を高める作用もある。このため、一層の固溶強化を図る場合や、「低温側」における組織安定性を重視する場合には、Moを含有してもよい。しかしながら、Moの含有量が多くなって、15%を超えると熱間加工性が著しく低下する。したがって、添加する場合のMoの含有量を15%以下とした。なお、添加する場合のMoの含有量は12%以下とすることが好ましく、11%以下とすればより好ましい。
Moを添加・含有させる場合、本発明のNi基耐熱合金は、Moの含有量が上述した範囲にあって、かつ、
Mo+0.5×W≦18・・・(4)
の式を満足する必要がある。
Coは、固溶強化作用を有し、マトリックスに固溶してクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、こうした効果を得るためにCoを含有してもよい。しかしながら、Coの含有量が多くなって、20%を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、添加する場合のCoの含有量を20%以下とした。なお、Coの含有量は15%以下とすることが好ましく、13%以下であればなお一層好ましい。
〈1〉のグループの元素であるNb、V、ZrおよびHfは、いずれもクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、より大きなクリープ破断強度を得たい場合には積極的に添加し、以下の範囲で含有させてもよい。
Nbは、AlおよびTiとともにγ’相を形成してクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、この効果を得るためにNbを含有してもよい。しかしながら、Nbの含有量が1.0%を超えると、熱間加工性および靱性が低下する。したがって、添加する場合のNbの含有量を1.0%以下とした。なお、Nbの含有量は0.9%以下とすることが好ましい。
Vは、炭窒化物を形成してクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、この効果を得るためにVを含有してもよい。しかしながら、Vの含有量が1.5%を超えると、高温腐食の発生と脆化相の析出に起因して、延性および靱性が劣化する。したがって、添加する場合のVの含有量を1.5%以下とした。なお、Vの含有量は1%以下とすることが好ましい。
Zrは、粒界強化元素であり、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。Zrにはクリープ破断延性を高める作用もある。このため、こうした効果を得るためにZrを含有してもよい。しかしながら、Zrの含有量が0.2%を超えると、熱間加工性が低下する。よって、添加する場合のZrの含有量を0.2%以下とした。なお、Zrの含有量は0.1%以下とすることが好ましく、0.05%以下とすれば一層好ましい。
Hfは、主として粒界強化に寄与してクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、この効果を得るためにHfを含有してもよい。しかしながら、Hfの含有量が1%を超えると、加工性および溶接性が損なわれる。したがって、添加する場合のHfの含有量を1%以下とした。なお、Hf含有量の上限は0.8%とすることが望ましく、0.5%とすればさらに望ましい。
〈2〉のグループの元素であるMg、Ca、Y、LaおよびCeは、いずれもSを硫化物として固定して熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、より良好な熱間加工性を得たい場合には積極的に添加し、以下の範囲で含有させてもよい。
Mgは、熱間加工性を阻害するSを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにMgを含有してもよい。しかしながら、Mgの含有量が0.05%を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、添加する場合のMgの含有量を0.05%以下とした。なお、Mg含有量の上限は0.02%とすることが望ましく、0.01%とすればさらに望ましい。
Caは、熱間加工性を阻害するSを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにCaを含有してもよい。しかしながら、Caの含有量が0.05%を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、添加する場合のCaの含有量を0.05%以下とした。なお、Ca含有量の上限は0.02%とすることが好ましく、0.01%とすればさらに好ましい。
Yは、Sを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。また、Yには、合金表面のCr2O3保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用、さらには、粒界強化に寄与して、クリープ破断強度およびクリープ破断延性を向上させる作用もある。このため、こうした効果を得るためにYを含有してもよい。しかしながら、Yの含有量が0.5%を超えると、酸化物などの介在物が多くなり加工性および溶接性が損なわれる。したがって、添加する場合のYの含有量を0.5%以下とした。なお、Y含有量の上限は0.3%とすることが望ましく、0.15%とすればさらに望ましい。
Laは、Sを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。また、Laには、合金表面のCr2O3保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用、さらには、粒界強化に寄与して、クリープ破断強度およびクリープ破断延性を向上させる作用もある。このため、こうした効果を得るためにLaを含有してもよい。しかしながら、Laの含有量が0.5%を超えると、酸化物などの介在物が多くなり加工性および溶接性が損なわれる。したがって、添加する場合のLaの含有量を0.5%以下とした。なお、La含有量の上限は0.3%とすることが好ましく、0.15%とすればさらに好ましい。
Ceも、Sを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。また、Ceには、合金表面のCr2O3保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用、さらには、粒界強化に寄与して、クリープ破断強度およびクリープ破断延性を向上させる作用もある。このため、こうした効果を得るためにCeを含有してもよい。しかしながら、Ceの含有量が0.5%を超えると、酸化物などの介在物が多くなり加工性および溶接性が損なわれる。したがって、添加する場合のCeの含有量を0.5%以下とした。なお、Ce含有量の上限は0.3%とすることが望ましく、0.15%とすればさらに望ましい。
Taは、炭窒化物を形成するとともに固溶強化元素としてクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、この効果を得るためにTaを含有してもよい。しかしながら、Taの含有量が8%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、添加する場合のTaの含有量を8%以下とした。なお、Ta含有量の上限は7%とすることが望ましく、6%とすればさらに望ましい。
Reは、固溶強化元素としてクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、この効果を得るためにReを含有してもよい。しかしながら、Reの含有量が8%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、添加する場合のReの含有量を8%以下とした。なお、Re含有量の上限は7%とすることが好ましく、6%とすればさらに好ましい。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.1%以下、Si:1%以下、Mn:1%以下、Cr:15%以上28%未満、Fe:15%以下、W:5%を超えて20%以下、Al:0.5%を超えて2%以下、Ti:0.5%を超えて2%以下、Nd:0.001〜0.1%、B:0.0005〜0.01%を含み、残部がNiおよび不純物からなり、不純物中のP、S、Sn、Pb、Sb、ZnおよびAsがそれぞれ、P:0.03%以下、S:0.01%以下、Sn:0.020%以下、Pb:0.010%以下、Sb:0.005%以下、Zn:0.005%以下、As:0.005%以下で、さらに、下記の(1)〜(3)式を満足することを特徴とするNi基耐熱合金。
0.015≦Nd+13.4×B≦0.13・・・(1)
Sn+Pb≦0.025・・・(2)
Sb+Zn+As≦0.010・・・(3)
なお、各式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。 - 質量%で、さらに、15%以下で下記の(4)式を満足するMoおよび20%以下のCoうちの1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のNi基耐熱合金。
Mo+0.5×W≦18・・・(4)
なお、式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。 - 質量%で、さらに、下記の〈1〉〜〈3〉のグループから選択される1以上のグループに属する1種以上の元素を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のNi基耐熱合金。
〈1〉Nb:1.0%以下、V:1.5%以下、Zr:0.2%以下およびHf:1%以下
〈2〉Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Y:0.5%以下、La:0.5%以下およびCe:0.5%以下
〈3〉Ta:8%以下およびRe:8%以下
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