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JP6213185B2 - ニッケル基合金 - Google Patents

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JP6213185B2 JP2013242703A JP2013242703A JP6213185B2 JP 6213185 B2 JP6213185 B2 JP 6213185B2 JP 2013242703 A JP2013242703 A JP 2013242703A JP 2013242703 A JP2013242703 A JP 2013242703A JP 6213185 B2 JP6213185 B2 JP 6213185B2
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Description

本発明はニッケル基合金に関する。
ガスタービン、ジェットエンジン、ターボチャージャー等、耐熱性等が求められる部材は、従来、ニッケル基合金が利用されている。
このようなニッケル基合金として、例えば特許文献1に記載のニッケル基合金が挙げられる。特許文献1にはコバルト、クロム、アルミ、チタン、炭素等を含む合金組成物が記載されており、さらに具体的態様として、約9.5重量%のコバルト、約2重量%チタン、約4重量%のモリブデンを含み、加えてクロム、アルミニウム、炭素等を含み、残部としてニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金(実施例1)、および、約3重量%のチタン、約4.2重量%のモリブデンを含み、加えてコバルト、クロム、アルミニウム、炭素等を含むニッケル基合金(実施例2)が記載されている。
特開2007−191791号公報
このようなニッケル基合金は強度が高く、かつ軽量であることが望まれるが、強度の向上とともに密度が高くなる傾向があり、これらを両立させることは困難であった。例えば上記の特許文献1に記載のニッケル基合金も強度の向上および密度の低下の両立はなされていない。
本発明は上記のような課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、密度が低く、かつ、強度が高い、軽量化されたニッケル基合金を提供することを目的とする。
本発明者は鋭意検討し、上記課題を解決する方法を見出して本発明を完成させた。
本発明は次の(1)〜(4)である。
(1)Coを14〜19質量%、Crを10〜15質量%、Cを0.05〜0.2質量%、Moを0〜3質量%、Tiを3.1〜4.5質量%含有し、残部がNiおよび不可避的不純物であり、Al含有率(質量%)に対するTi含有率(質量%)の比(Ti/Al)が0.85以下である、ニッケル基合金。
(2)Vを0〜2質量%含有する、上記(1)に記載のニッケル基合金。
(3)Alを5.0〜6.7質量%含有する、上記(1)または(2)に記載のニッケル基合金。
(4)1185℃〜1235℃で1〜4h程度保持を行い、空冷またはガスファン冷却を行う溶体化処理と、その後、800℃〜1150℃で3〜25時間保持し、空冷またはガスファン冷却を行う時効処理とを施して得られる、Niの母相(γ相)中にNi3Al型またはNi3Ti型の析出相(γ´相)が分散析出して強化されている、上記(1)〜(3)のいずれかに記載のニッケル基合金。
本発明によれば、密度が低く、かつ、強度が高い、軽量化されたニッケル基合金を提供することができる。
実施例および比較例における各試験片の密度および耐力の関係を示すグラフである。
本発明について説明する。
本発明は、Coを14〜19質量%、Crを10〜15質量%、Cを0.05〜0.2質量%、Moを0〜3質量%、Tiを3.1〜4.5質量%含有し、残部がNiおよび不可避的不純物であり、Al含有率(質量%)に対するTi含有率(質量%)の比(Ti/Al)が0.85以下である、ニッケル基合金である。
このようなニッケル基合金を、以下では「本発明の合金」ともいう。
本発明の合金における各成分について説明する。
本発明の合金における各成分の含有率はICP−AES法によって測定して得られる値を意味するものとするが、C含有率およびS含有率は高周波燃焼−赤外線吸収法によって測定して得られる値を意味するものとし、Si含有率は二酸化ケイ素重量法によって測定して得られる値を意味するものとし、O含有率は赤外線吸収法によって測定して得られる値を意味するものとし、N含有率は熱伝導度法によって測定して得られる値を意味するものとする。
Coについて説明する。
本発明の合金はCoを14〜19質量%含有する。Co含有率は14.5質量%以上であることが好ましく、15.0質量%以上であることがより好ましい。また、Co含有率は18.5質量%以下であることが好ましく、18.0質量%以下であることがより好ましい。Co含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Crについて説明する。
本発明の合金は、従来のニッケル基合金と比較してCr含有率が高い。具体的には、本発明の合金はCrを10〜15質量%含有する。Cr含有率は11質量%以上であることが好ましく、12質量%以上であることがより好ましく、12.5質量%以上であることより好ましく、13質量%以上であることがさらに好ましい。また、Cr含有率は14.5質量%以下であることが好ましく、14質量%以下であることがより好ましい。Cr含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Moについて説明する。
本発明の合金は、従来のニッケル基合金と比較してMo含有率が低い。具体的には、本発明の合金はMoを0〜3質量%含有する。すなわち、本発明の合金はMoを含まない場合もある。本発明の合金においてMo含有率は0.5質量%以上であることが好ましく、1質量%以上であることがより好ましい。Mo含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Wについて説明する。
本発明の合金はWを含んでもよい。本発明の合金は、W含有率が3質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることがさらに好ましい。W含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。Wが高すぎると密度が高くなる傾向がある。
Tiについて説明する。
本発明の合金は、従来のニッケル基合金と比較してTi含有率が高い。具体的には、本発明の合金はTiを3.1〜4.5質量%含有する。本発明の合金においてTi含有率は3.3質量%以上であることが好ましく、3.5質量%以上であることがより好ましい。また、Ti含有率は4.3質量%以下であることが好ましく、4.0質量%以下であることがより好ましい。Ti含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Alについて説明する。
本発明の合金はAlを必須成分として含む。本発明の合金はAlを5.0〜6.7質量%含有することが好ましい。本発明の合金においてAl含有率は5.5質量%以上であることが好ましく、6質量%以上であることがより好ましい。また、Al含有率は6.6質量%以下であることが好ましく、6.5質量%以下であることがより好ましい。Al含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
TiとAlとの比について説明する。
本発明の合金において、Al含有率(質量%)に対するTi含有率(質量%)の比(Ti/Al)は0.85以下である。この比は、0.8以下であることが好ましく、0.75以下であることがより好ましく、0.68以下であることがさらに好ましい。また、この比は、0.45以上であることが好ましく、0.5以上であることがより好ましく、0.56以上であることがさらに好ましい。Al含有率(質量%)に対するTi含有率(質量%)の比(Ti/Al)がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Taについて説明する。
本発明の合金はTaを含んでもよい。本発明の合金は、Ta含有率が3質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることがさらに好ましい。Ta含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Nbについて説明する。
本発明の合金はNbを含んでもよい。本発明の合金は、Nb含有率が3質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることがさらに好ましい。Nb含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Vについて説明する。
本発明の合金においてVは必須成分ではないが、本発明の合金はVを含むことが好ましい。本発明の合金においてV含有率は0.4質量%以上であることが好ましく、0.6質量%以上であることがより好ましく、0.8質量%以上であることがさらに好ましい。また、V含有率は3質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましく、1.5質量%以下であることがさらに好ましい。V含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Zrについて説明する。
本発明の合金においてZrは必須成分ではないが、本発明の合金はZrを含むことが好ましい。本発明の合金においてZr含有率は0.01質量%以上であることが好ましく、0.02質量%以上であることがより好ましく、0.03質量%以上であることがさらに好ましい。また、Zr含有率は0.1質量%以下であることが好ましく、0.07質量%以下であることがより好ましく、0.05質量%以下であることがさらに好ましい。Zr含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Cについて説明する。
本発明の合金はCを0.05〜0.2質量%含有する。C含有率は0.06質量%以上であることが好ましく、0.07質量%以上であることがより好ましい。また、C含有率は0.18質量%以下であることが好ましく、0.16質量%以下であることがより好ましい。C含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
Bについて説明する。
本発明の合金においてBは必須成分ではないが、本発明の合金はBを含むことが好ましい。本発明の合金においてB含有率は0.005質量%以上であることが好ましく、0.01質量%以上であることがより好ましい。また、B含有率は0.03質量%以下であることが好ましく、0.02質量%以下であることがより好ましい。B含有率がこのような範囲であると、密度がより低く、かつ、強度がより高くなる傾向があるからである。
本発明の合金は、上記のような成分を含み、残部がNiおよび不可避的不純物である。
本発明の合金においてNi含有率は55質量%以上であることが好ましく、56質量%以上であることがより好ましく、57質量%以上であることがさらに好ましい。また、本発明の合金においてNi含有率は63質量%以下であることが好ましく、62質量%以下であることがより好ましく、61質量%以下であることがより好ましく、60.5質量%以下であることがさらに好ましい。
本発明の合金において不可避的不純物とは、原料や製造過程において混入し得る成分であって、意図的に添加していない成分を意味する。具体的に、不可避的不純物として、Fe、Si、Mn、P、S、N、Oが挙げられる。不可避的不純物の含有率は低いことが好ましく、具体的には0.020質量%以下であることが好ましく、0.010質量%以下であることがより好ましい。
本発明の合金は、上記のような組成であって、Niの母相(γ相)中にNi3Al型またはNi3Ti型の析出相(γ´相)が分散析出して強化された合金である。次に説明するように、Niをベースとし、AlおよびTiを添加し、加えてCr、W、Taなどの高融点金属を添加した上で、所定の温度で溶体化処理を行い、さらに時効処理を行って得ることができる。具体的には、1185℃〜1235℃で1〜4h程度保持を行い、空冷またはガスファン冷却を行う溶体化処理と、その後、800℃〜1150℃で3〜25時間保持し、空冷またはガスファン冷却を行う時効処理とを施して得られるものであることが好ましい。
本発明の合金の製造方法について説明する。
本発明の合金の製造方法は特に限定されず、鍛造によって得ることもできるが、原料を溶解した後、鋳造して得ることが好ましい。鋳造して得た本発明の合金は割れ難い傾向があり好ましい。
本発明の合金を鋳造して得る方法を具体例を挙げて説明する。
初めに、不純物の少ない原料を真空誘導炉で溶解し、鋳造してインゴットを得る。
次に、得られたインゴットを溶体化処理および時効処理を行う。時効処理は2段階であることが好ましい。
例えばこのような方法によって、本発明の合金を得ることができる。
このような本発明の合金は密度が低く、かつ、強度が高い。具体的には、耐力が700MPa以上(好ましくは750MPa以上)であって、かつ、密度が7.88g/cm3以下であるニッケル基合金とすることができる。また、好ましい態様の場合であれば、耐力が750MPa以上であって、かつ、密度が7.75g/cm3以下(好ましくは7.73g/cm3以下)であるニッケル基合金とすることができる。ここで耐力および密度は、後述する実施例において説明する方法によって得られる値を意味するものとする。
したがって、従来のニッケル基合金と同程度の強度として場合に、より軽量化された部材を得ることができる。また、同程度の重量の部材であって、より強度が高いものを得ることもできる。
第1表に示す実施例1~12および比較例1、2の各成分組成となるように合金原料の配合割合を調整した後、真空溶解炉を用いてインゴットを作成した。なお、比較例1はインコネル(登録商標)100(スペシャルメタルズ社(旧インコ社)製)と同様の組成であり、比較例2はインコネル(登録商標)713C(スペシャルメタルズ社(旧インコ社)製)と同様の組成である。
次に、このインゴットを用いて真空溶解炉にて溶解および鋳型への鋳造を行い、鋳造素材を作成した。
次に、得られた鋳造素材に対して溶体化処理および時効処理を行って試験片を得た。ここで溶体化処理は1185℃〜1235℃で1〜4h程度保持を行い、空冷またはガスファン冷却を行った。また、時効処理は2段階の時効処理に分けられ、1次時効処理は1000℃〜1150℃で3〜5h保持し、空冷またはガスファン冷却を行った。2次時効処理は800℃〜950℃で10〜25時間保持し、空冷またはガスファン冷却を行った。
次に得られた試験片について、密度および耐力を測定した。
密度の測定方法は次の通りである。
JIS Z 8807に示された「液中ひょう量法による密度および比重の測定方法」に準拠して密度測定を実施した。測定の際に標準物質には純水を用いた。
耐力の測定方法は次の通りである。
試験片をASTM E8規格に準拠した形状の引張試験片形状に機械加工を施した後、ASTM E8規格に準拠した試験方法にて引張試験を実施し耐力を測定した。この時測定した耐力は0.2%耐力である。
密度および耐力の測定結果を第1表および図1に示す。
第1表および図1から明らかなように、本発明の範囲内である実施例1〜12の試験片は密度が低く、かつ、耐力が高い。

Claims (1)

  1. Coを14〜19質量%、Crを10〜15質量%、Cを0.05〜0.2質量%、Moを0.5〜3質量%、Tiを3.1〜4.5質量%含有し、Vを0.4〜3質量%、Zrを0.01〜0.1質量%、Bを0.005〜0.03質量%、Alを5.0〜6.7質量%含有し、残部がNiおよび不可避的不純物であり、Al含有率(質量%)に対するTi含有率(質量%)の比(Ti/Al)が0.45〜0.68である、ニッケル基合金。
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