JP4972972B2

JP4972972B2 - Ｎｉ基合金

Info

Publication number: JP4972972B2
Application number: JP2006079447A
Authority: JP
Inventors: 征児倉田; 茂紀植田; 哲也清水
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: EP1837411A1; US20070221298A1; EP1837411B1; JP2007254804A

Description

本発明は、Ｎｉ基合金に関するものである。

従来、Ｎｉ基合金としては、ＮＣＦ７５１、ＮＣＦ８０Ａなどが広く知られている。この種のＮｉ基合金は、例えば、高温強度などが要求される自動車エンジンの排気バルブ材料などとして用いられている。

他にも、特許文献１には、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．５％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜５．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：０．３〜３．０％、Ｔｉ：１．５〜３．５％、Ａｌ：０．５〜２．５％、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｆｅ：５％以下、残部が実質的にＮｉからなる排気バルブ用Ｎｉ基合金が開示されている。

また、特許文献２には、重量％で、Ｃ：０．１６〜０．５４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｏ：２．０〜８．０％、Ｆｅ：１２％以下、Ｃｒ：１７．０〜２３．５％、および、ＭｏとＷの１種または２種を２．０≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦５．５の範囲で含み、さらにＡｌ：１．０〜２．０％、Ｔｉ：２．５〜５．０％（但し、５．０≦１．８Ａｌ＋Ｔｉ−４Ｃ≦６．０）、および、Ｂ：０．００１〜０．０２０％と、Ｚｒ：０．００５〜０．１５％の１種または２種を含み、残部は不純物を除き本質的にＮｉからなる排気バルブ用Ｎｉ基合金が開示されている。

特開昭６１−１１９６４０号公報特開平５−５９４７２号公報

しかしながら、既存のＮｉ基合金は、以下のような問題があった。

すなわち、従来の自動車用エンジンの排気温度は、８００℃前後が主流であった。

しかしながら、近年、燃費向上や排ガス浄化などのため、理論空燃比に近い空燃比で燃焼を行うエンジンが開発されてきている。この種のエンジンでは、その排気温度が９００℃に達する場合がある。

このような温度では、既存のＮｉ基合金は、引張強さ、疲労強度など、高温における機械的特性が大きく低下してしまう。そのため、既存のＮｉ基合金を用いて排気バルブを形成しても、必要なバルブ特性が得られず、その結果、エンジン性能を十分に高めることができないといった問題があった。

一方、高温特性に優れたＮｉ基合金として、Ｃｏを１２〜１４％程度含有するＷａｓｐａｌｏｙやＵｄｉｍｅｔ５２０などを用いることも考えられる。

ところが、これらのＮｉ基合金は、被研削性が悪いため、研削砥石の寿命が低下したり、製品の表面加工精度が低下したりするなどの問題があった。さらに、Ｃｏ含有率が高いので、材料コストも非常に高くなる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、高温における機械的特性、被研削性に優れ、比較的安価なＮｉ基合金を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るＮｉ基合金は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｏ：０．１０％未満、Ｃｒ：１６〜２２％、Ｍｏ：４〜１０％、Ｗ：５％以下、Ａｌ：１．２〜２．５％、Ｔｉ：２．４〜４％、Ｂ：０．００１〜０．０５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｆｅ：１％以下であり、残部がＮｉおよび不可避的不純物よりなることを要旨とする。

この場合、上記Ｎｉ基合金は、Ｍｏ＋１／２Ｗが４〜１０％の範囲内にある良い。

また、上記Ｎｉ基合金は、Ｎｂ：０．１〜３％、および、Ｔａ：０．１〜３％から選択される１種または２種以上をさらに含有していても良い。

また、上記Ｎｉ基合金は、Ｃａ：０．００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．００１〜０．０３％、および、ＲＥＭ：０．００１〜０．１％から選択される１種または２種以上をさらに含有していても良い。

また、上記Ｎｉ基合金は、Ｃｕ：０．０１〜２％をさらに含有していても良い。

また、上記Ｎｉ基合金は、Ｖ：０．０５〜１％をさらに含有していても良い。

本発明に係るＮｉ基合金は、特定成分の含有率を特定範囲内としている。そのため、本発明に係るＮｉ基合金は、９００℃の高温であっても、引張強さ、疲労強度などの機械的特性に優れる。

また、本発明に係るＮｉ基合金は、とりわけ、Ｃｏ含有率が０．１０未満に制限されている。そのため、ＷａｓｐａｌｏｙやＵｄｉｍｅｔ５２０に比較して、被研削性に優れ、材料コストも安価にすることができる。

したがって、本発明に係るＮｉ基合金を、例えば、エンジンバルブ材料として用いた場合には、エンジン性能を向上させやすい。また、製品の研削加工時に用いる砥石寿命が長くなるとともに、製品の表面加工精度も向上させることができる。

また、本発明に係るＮｉ基合金は、例えば、タービンディスク、ブレードなどにも有用である。

以下に、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明に係るＮｉ基合金（「本合金」ということがある。）は、特定成分の含有率が下記に規定される範囲内とされており、残部がＮｉおよび不可避的不純物よりなる。特定成分の種類、その含有率を規定した理由は、次の通りである。なお、以下の含有率の単位は、質量％である。

（１）Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａと結合してＭＣ炭化物や、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗと結合してＭ_２３Ｃ_６、Ｍ_６Ｃ炭化物を形成し、結晶粒の粗大化防止や粒界強化などに寄与する有効な元素である。その効果を得るには、Ｃ含有率は、０．０１％以上、好ましくは、０．０３％以上とするのが良い。

一方、Ｃ含有率が高くなると、炭化物の生成量が多くなり、例えば、バルブ形状などに成形し難くなるし、靭延性も低下する傾向が見られる。そのため、Ｃ含有率は、０．１５％以下、好ましくは、０．１０％以下とするのが良い。

（２）Ｓｉ：１％以下
Ｓｉは、主に、溶解精錬時の脱酸剤として作用する元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、Ｓｉは、耐酸化性の向上にも寄与する。

Ｓｉ含有率が高くなると、靭性、加工性などが低下する傾向が見られる。そのため、Ｓｉ含有率は、１％以下とするのが良い。

（３）Ｍｎ：１％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、主に脱酸剤として作用する元素であり、必要に応じて含有させることができる。

Ｍｎ含有率が高くなると、高温における耐酸化性、加工性などが低下する傾向が見られる。そのため、Ｍｎ含有率は、１％以下とするのが良い。

（４）Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、熱間加工性を低下させる元素である。本合金は、Ｎｉを低下させているため、熱間加工できる範囲が比較的狭く、できる限り熱間加工性を確保したい。そのため、Ｐ含有率は、０．０２％以下とするのが良い。

（５）Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様に、熱間加工性を低下させる元素である。そのため、Ｓ含有率は、０．０１％以下とするのが良い。

（６）Ｃｏ：０．１０％未満
Ｃｏは、被研削性を低下させる主要元素である。また、材料コストを上昇させる主要元素でもある。そのため、Ｃｏ含有率は、０．１０％未満とするのが良い。

（７）Ｃｒ：１６〜２２％
Ｃｒは、耐熱性を保つのに必要な元素である。その効果を得るには、Ｃｒ含有率は、１６％以上とするのが良い。

一方、Ｃｒ含有率が高くなると、σ相が析出して靭性が低下するとともに高温強度が低下する傾向が見られる。そのため、Ｃｒ含有率は、２２％以下とするのが良い。

（８）Ｍｏ：４〜１０％
Ｍｏは、主にマトリックスの固溶強化により高温強度を向上させる元素である。９００℃における強度を向上させるためには、Ｍｏ含有率は、４％以上とするのが良い。

一方、Ｍｏ含有率が高くなると、材料コストが上昇するし、また、熱間加工性および耐酸化性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｍｏ含有率は、１０％以下、好ましくは、７％以下とするのが良い。

（９）Ｗ：５％以下
Ｗは、Ｍｏと同様に、主にマトリックスの固溶強化により高温強度を向上させる元素であり、必要に応じて含有させることができる。

Ｗ含有率が高くなると、材料コストが上昇するし、また、熱間加工性および耐酸化性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｗ含有率は、５％以下、好ましくは、３％以下とするのが良い。

本合金において、上記Ｍｏ含有率とＷ含有率は、Ｍｏ＋１／２Ｗが４〜１０％の範囲内、好ましくは、４〜７％の範囲内になるように選択すると良い。高温強度、熱間加工性とのバランスなどに優れるからである。

（１０）Ａｌ：１．２〜２．５％
Ａｌは、Ｎｉと結合して高温強度を向上させるのに有効なγ’相を形成する重要な元素である。Ａｌ含有率が低くなると、γ’相の析出が不十分となり、高温強度を確保し難くなる傾向が見られる。そのため、Ａｌ含有率は、１．２％以上とするのが良い。

一方、Ａｌ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ａｌ含有率は、２．５％以下、好ましくは、２．０％以下とするのが良い。

（１１）Ｔｉ：２．４〜４％
Ｔｉは、Ａｌと同様に、Ｎｉと結合してγ’相を形成する元素である。Ｔｉ含有率が低くなると、γ’相の固溶温度が低下し、十分な高温強度が得られなくなる傾向が見られる。そのため、Ｔｉ含有率は、２．４％以上とするのが良い。

一方、Ｔｉ含有率が高くなると、η相（Ｎｉ_３Ｔｉ）が析出しやすくなって高温強度、靭性が劣化したり、熱間加工性が低下したりする傾向が見られる。そのため、Ｔｉ含有率は、４％以下、好ましくは、３．５％以下とするのが良い。

（１２）Ｂ：０．００１〜０．０５％
Ｂは、熱間加工性の改善に寄与する元素である。また、粒界に編析し、粒界強度を高めて強度特性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｂ含有率は、０．００１％以上とするのが良い。

一方、Ｂ含有率が高くなると、母材の融点が下がり、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｂ含有率は、０．０５％以下とするのが良い。

（１３）Ｚｒ：０．０１〜０．５％
Ｚｒは、熱間加工性の改善に寄与する元素である。また、粒界に偏析して粒界自体の強度を高めるとともに、高温加熱時に粒界付近のγ’欠乏相の生成を抑えて強度を高めるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｚｒ含有率は、０．０１％以上とするのが良い。

一方、Ｚｒ含有率が高くなると、靱性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｚｒ含有率は、０．５％以下とするのが良い。

（１４）Ｆｅ：１％以下、
Ｆｅは、高温強度を低下させる元素であり、できる限り低減することが望ましい。そのため、Ｆｅ含有率は、１％以下とするのが良い。

本合金は、上述した構成元素に加えて、さらに、以下の元素から選択される１種または２種以上の元素を任意に含んでいても良い。これら元素の含有率を特定した理由は、以下の通りである。

＜１＞Ｎｂ：０．１〜３％、および、Ｔａ：０．１〜３％から選択される１種または２種以上の元素
Ｎｂは、ＡｌとともにＮｉと結合してγ’相を強化する元素である。その効果を得るには、Ｎｂ含有率は、０．１％以上とするのが良い。

一方、Ｎｂ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｎｂ含有率は、３％以下、好ましくは、２％以下とするのが良い。

Ｔａも、Ｎｂと同様に、ＡｌとともにＮｉと結合してγ’相を強化する元素である。その効果を得るには、Ｔａ含有率は、０．１％以上とするのが良い。

一方、Ｔａ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｔａ含有率は、３％以下、好ましくは、２％以下とするのが良い。

＜２＞Ｃａ：０．００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．００１〜０．０３％、および、ＲＥＭ：０．００１〜０．１％から選択される１種または２種以上の元素
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは、熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｃａ含有率、Ｍｇ含有率およびＲＥＭ含有率は、何れも０．００１％以上とするのが良い。

一方、Ｃａ含有率、Ｍｇ含有率およびＲＥＭ含有率が高くなると、靱性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｃａ含有率は、０．０３％以下とするのが良い。Ｍｇ含有率は、０．０３％以下とするのが良い。ＲＥＭ含有率は、０．１％以下とするのが良い。

＜３＞Ｃｕ：０．０１〜２％
Ｃｕは、耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｃｕ含有率は、０．０１％以上とするのが良い。

一方、Ｃｕ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｃｕ含有率は、２％以下とするのが良い。

＜４＞Ｖ：０．０５〜１％
Ｖは、ＭｏやＷと同様に、マトリックスの固溶強化に寄与する元素である。また、ＭＣ炭化物を形成し、炭化物を安定化させる効果もある。その効果を得るには、Ｖ含有率は、０．０５％以上とするのが良い。

一方、Ｖ含有率が高くなると、靱性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｖ含有率は、１％以下とするのが良い。

次に、本合金の製造方法の一例について説明する。
本合金を得るには、上述した化学組成となるように各原料を秤量し、例えば、高周波誘導炉などの溶解炉を用いて、合金インゴットを溶製する。その後、得られた合金インゴットを、必要に応じて、熱間鍛造、熱間圧延するなどすれば、所望の形状にすることができる。

また、得られた合金インゴットに対して、必要に応じて、固溶化処理、時効処理などを行っても良い。

上記固溶化処理としては、具体的には、例えば、９５０〜１１５０℃の温度に加熱した後、急冷する方法などを例示することができる。

また、上記時効処理の温度としては、具体的には、例えば、５００〜１０００℃、好ましくは、６００〜９００℃の温度を例示することができる。

以上説明した本合金の用途は、特に限定されるものではない。本合金の用途としては、具体的には、例えば、エンジンバルブ、タービンディスク、ブレード、耐熱ばね、エンジンシャフト、船用バルブ、ボルトなどを例示することができる。

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
初めに、後述する表１に示す化学組成となるように、秤量した各原料を、高周波誘導炉で溶製した後、５０ｋｇにそれぞれ鋳造した。その後、得られた各合金インゴットを１１８０℃にて熱間鍛造、熱間圧延することにより、直径１６ｍｍの丸棒をそれぞれ製造した。

次いで、得られた各丸棒につき、１０５０℃で１時間保持した後、水冷して固溶化処理を行うとともに、７５０℃で４時間保持した後、空冷して時効処理を行い、各試験材とした。

次いで、これら各試験材を用いて、室温と９００℃における引張試験、回転曲げ疲労試験を行った。

なお、室温での引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１に準拠し、９００℃での引張試験は、ＪＩＳＧ０５６７に準拠して行った。

また、回転曲げ疲労試験は、ＪＩＳＺ２２７４に準拠し、室温と９００℃において、それぞれ３５００ｒｐｍの回転数で試験を行い、１０^７回での疲労強度を算出した。

次いで、時効処理後の各試験材について、研削加工試験を行った。この研削加工試験は、外径２５ｍｍ、研削部分長さ３００ｍｍの試験片を用い、外径６００ｍｍの砥石で砥石周速７００ｍ／分、長手方向の送り速度３０ｍｍ／秒、１パス当たり０．２ｍｍの切り込み量にて、５パス加工する方法で行った。

そして、加工後の砥石磨耗量により被研削性を評価した。すなわち、比較例１に係る試験片による砥石磨耗量を１００とし、各試験片による砥石磨耗量を割合で表し、被研削性を示す指数とした。

表１に実施例、比較例に係るＮｉ基合金の化学組成を、表２に実施例、比較例に係るＮｉ基合金の試験結果を示す。

表１および表２によれば、以下のことが分かる。すなわち、比較例１、２に係るＮｉ基合金は、とりわけ、Ｃｏ含有率が極めて高い。そのため、被研削性に劣ることが分かる。また、高価なＣｏを多量に含有していることから、その材料コストも比較的高くなる。

一方、比較例３〜５に係るＮｉ基合金は、Ｃｏ含有率を低減させているが、Ａｌ、Ｔｉといったγ’相形成元素の含有率が低い。さらに、比較例４、５に係るＮｉ基合金は、Ｍｏ、Ｗといった固溶強化元素の含有率が極めて低く、高温強度を低下させるＦｅ含有率が極めて高い。これらの理由により、比較例３〜５に係るＮｉ基合金は、高温における機械的特性に劣ることが分かる。

これらに対し、実施例１〜１５に係るＮｉ基合金は、特定成分の含有率を特定範囲内としている。そのため、実施例１〜１５に係るＮｉ基合金は、９００℃の高温であっても、引張強さ、疲労強度などの機械的特性に優れる。

また、実施例１〜１５に係るＮｉ基合金は、とりわけ、Ｃｏ含有率が０．１０未満に制限されている。そのため、被研削性に優れるとともに、材料コストも安価にすることができる。

したがって、これらＮｉ基合金を、例えば、エンジンバルブ材料として用いた場合には、エンジン性能を向上させやすいと言える。また、製品の研削加工時に用いる砥石寿命が長くなるとともに、製品の表面加工精度も向上させることが可能となる。

以上、本発明に係るＮｉ基合金について説明したが、本発明は、上記実施形態、実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：１％以下、
Ｍｎ：１％以下、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｏ：０．１０％未満、
Ｃｒ：１６〜２２％、
Ｍｏ：４〜１０％、
Ｗ：５％以下、
Ａｌ：１．２〜２．５％、
Ｔｉ：２．４〜４％、
Ｂ：０．００１〜０．０５％、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％、
Ｆｅ：１％以下であり、
残部がＮｉおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするＮｉ基合金。
さらに、Ｍｏ＋１／２Ｗが４〜１０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のＮｉ基合金。
Ｎｂ：０．１〜３％、および、
Ｔａ：０．１〜３％、
から選択される１種または２種以上をさらに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基合金。
Ｃａ：０．００１〜０．０３％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０３％、および、
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％、
から選択される１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のＮｉ基合金。
Ｃｕ：０．０１〜２％をさらに含有することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のＮｉ基合金。
Ｖ：０．０５〜１％をさらに含有することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のＮｉ基合金。