JPS6350448A - 分散強化合金 - 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】 発明の分野 本発明は、分散強化（ＤＳ）合金に関し、より詳細には
１３００℃（約２４００’Ｆ）程度の高温で格別の耐酸
化性を示し、それによって進歩した航空機ガスタービン
エンジン部品の製造において有用であり、かつ工業的応
用を必要とする際に有用である酸化物分散強化（ＯＤＳ
　）鉄基合金に関する。

発明の背景 米国特許第３，９９２，１６１号明細書には、ＯＤＳ鉄
−クロム合金は高温での高強度と相俟って非常に良好な
耐酸化性を有すると記載されている。そこに記載の結果
は、より通常の溶融／インゴット加工法によって製造さ
れる鉄−クロム合金以上の所定の改良を反映する。より
詳細には、ＯＤＳ合金は、今周知の機械的合金化法、大
体２０年前に開発され、かつ米国特許第３，５９１゜３
６２号明細書、第３，８３７，９３０号明細書などの米
国特許に記載のテクノロジーによって製造できることが
開示された。

米国特許第３，９９２，１６１号明細書に記載の合金の
長所にも拘らず、このような材料は、成る航空宇宙およ
び工業環境において不適格であることが見出された。説
明として、米国特許第３゜９９２．１６１号明細書に記
載のＯＤＳ材料（商業上クロム約２０％、アルミニウム
４．５％含有）は、例えば１２００℃まで良好な耐食性
および耐酸化性を示すが、早期造かん攻撃（環境からの
腐食性デポジットおよび／または環境自体との化学反応
による低融点相／化合物の生成）および／または短い時
間間隔で高温での露出時に促進攻撃を受ける傾向がある
（破損は破局型である）。これに関連して、促進酸化は
、酸化による合金の迅速な質量変化とみなすことができ
る。すべての酸化物を捕集し秤量するならば、質量変化
は、事実上常時劇的に正である。このような攻撃によっ
て起こる破壊を受ける際に、合金表面は、こわれやすい
酸化鉄および鉄−クロムスピネル構造に転化する。

例えば、進歩したデザインの航空機ガスタービンエンジ
ン中のバーナーカンは、現在、増々高い操作温度、即ち
約１２５０℃（２３０８丁）以上、例えば１３００℃（
２３７２丁）で使用しようとする。同様に、煙塵、フラ
イアッシュ、溶融ガラスなどの腐食物との緊密接触を伴
う工業的応用は、より耐酸化性および／または耐食性の
材料を必要とする。

前記のことは別として、このような応用に必要とされる
ことは、応力−破断および引張特性を含めて操作温度で
の高強度に加えて、シート、ストリップなどの平圧延製
品（製品形態は管類、リング、小さなかんおよび他の形
状物に成形できる）に成形できる十分な加工性を提供す
る材料である。

加工性なしでは、ＯＤＳ材料の実用性は、著しく減少さ
れる。

米国特許第３，９９２，１６１号明細書は別として、コ
ルニロフの研究、Ｓ、Ｃ、ケースおよびに、　Ｒ，パン
・ホーンによる「鉄鋼中のアルミニウム」、ジョン・ウ
ィリー・エンド・サンズ（１９５３）も参照できる。コ
ルニロフは、鋳造Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ’１合金および鍛錬Ｆ
ｅ−Ｃｒ−Ａ１合金の両方における焼滅りに対するアル
ミニウム１０％までおよびクロム６５％までの効果を研
究した。アルミニウムは、スケーリング抵抗性には有益
であるが、見たところでは１１００〜１４００℃では２
５％量を超えるクロムによって与えられる利益はほとん
どない。コルニコフの研究は、ＯＤＳ製品の加工性また
はシートの製造を包含していなかった。

Ｒ，アレンおよびＲ，バーキンス（１９７３年５月、ナ
ーバルｅエア・システムズφコマンドの契約書において
）は、アルミニウム量５．７〜６．０％においてクロム
１６〜２５％を有するＯＤＳ鉄−クロム−アルミニウム
ーイツトリウム合金ｖｓ通常の鍛錬および鋳造２５％Ｃ
ｒ／４％Ａ１および１５％Ｃｒ／４％Ａ１合金を研究し
た。

このような合金は押出すことができたが、加工性および
例えば重要なシート製品形態の製造の点て何も与えられ
ないことが指摘された。

発明の概要 クロムおよびアルミニウムおよび耐火ディスパーソイド
の特殊な相関百分率を有する成るＯＤＳ鉄基組成物は、
合金をガスタービンエンジンの加熱部、例えばバーナー
カンにおいて、そして腐食物、例えば溶融ガラス、煙塵
、フライアッシュなどに遭遇する工業的応用において使
用できるような顕著な程度の耐酸化性／耐食性を与える
ことが今見出された。

一般的に言って、本発明は、クロム約２２．５〜３０％
およびアルミニウム約５〜８％を含有する粉末冶金的に
製造された分散強化鉄−クロム−アルミニウム合金の提
供を意図する。平圧延製品、例えばシートが所期用途に
必要とされ、有意な加工度が必要である場合には、アル
ミニウム含量は６．２５％を超えるべきではなく、アル
ミニウムは約５％〜６．２５％であるべきである。この
点については、有利には、クロムは、２３〜２７％であ
るべきであり、アルミニウムは５〜６％であるべきであ
る。また、合金は、チタン５％まで、ジルコニウム、ハ
フニウム、タンタルおよびバナジウムの各々２％まで、
モリブデンおよびタングステンの各々６％まで、ケイ素
およびニオブの各々０．５％まで、カルシウム、イツト
リウムおよび希土類金属の各々０．０５％まで、ホウ素
０．２％まで（残部は本質上鉄）、および強度を高める
ために融点少なくとも約１５１０℃（２７５０丁）を有
し、かつ酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物および他の
耐火金属からなる群から選ばれる少量であるが有効な量
、例えば０．２容量％の少なくとも１種の微粉砕ディス
パーソイドを含有できる。これに関連して、酸化物は約
１０容量％まで存在でき、一方、炭化物は約２容量％を
超えるべきではない。窒化物およびホウ化物は、５容量
％を超えるには及ばない。

本発明を実施する際に、クロムは、機械的性質に悪影響
を及ぼす有害量のび相などの位相幾何学的に最密（ＴＣ
Ｐ　）相の形成を最小限にするために３０％を超えるべ
きではない。コスト上、約２７％を超えるクロム％に由
来する有意な利益はない。

余り苛酷ではない操作パラメーターが意図される場合に
は、クロムの％は、２０％にまで及ぶことができるが、
危機に陥って、耐酸化性は、所定のアルミニウムにおい
て減少するであろう。

アルミニウムは、耐酸化性および耐食性のために約５％
〜８％であるべきであるが、前記のように、好ましくは
、シート、ストリップなどの加工の点での最適値を捜す
時には６％を超えるべきではない。ニッケル、コバルト
などの元素は、必要ではなく、特定の利点を与えない。

０．１％よりも高い％が許容できるが、炭素は、０．１
％を超えるには及ばない。本発明者等の研究は、ケイ素
またはホウ素が特に有益であるとは示さなかった。

シート製品形態を高温で熱処理する時には、ホウ素は、
ひずみの原因となる（または−因）であると考えられる
。ホウ素は、好ましくは０，１％を超えるべきではない
。チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウ
ム、ジルコニウム、バナジウムなどの成分は、１％を超
えるには及ばない。例えば、１％量のタンタルは、加工
性の損失を生じた。タンタルは、本発明の合金を剛化す
る傾向があり、場合によって延性−脆性変態温度を余り
に高く上げる。０，２〜０，７５％の範囲のチタンが、
好ましい。

他のディスパーソイド強化粉末冶金法が使用できるが、
本発明の合金は、最も好ましくは米国特許第３，９９２
，１６１号明細書に記載のような機械的合金化によって
製造する。

実施例 当業者に本発明のより良い理解を与えるために、下記の
情報およびデータを提示する。

一連の合金組成物は、下記の通り調製した。原料粉末、
即ち元素（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、ＡＳ）、マスターアロ
イ（例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−ＡＩ−Ｔｉ）およびイツトリ
ウム担持酸化物（Ｙ２Ｏ２）を使用した。その後、粉末
をブレンドして表Ｉに与えられる化学組成を生じた。衝
撃／粉砕媒体として鋼球を使用して、粉末ブレンドを高
エネルギーボールミル中でアルゴン雰囲気下において球
対粉末比約２０＝１で約２４時間機械的に合金比した（
ＨＡ）。ＭＡ粉末を篩分けして粗粒子（約６００μより
も大きい）を除去し、軟鋼製カンに入れ、シールし、押
出によって熱間圧粉した。押出品をカンから出し、次い
で熱間圧延し、冷間圧延して１．２５ｍｍ　（０，０５
インチ）厚のシートとし、その後、シートを最終焼鈍に
付した。この最終焼鈍は、典型的には再結晶を達成する
ために１時間１３１５℃（２４００丁）であった。

合金　　　ＣＳｉ　　　　　Ｍｎ　　　　　ＡＩ　　　
　　Ｃｒ　　　　　’Ａ　　　　Ｏ，０１８０，１００
，１３４，３６１８，０４０Ｂ　　　　Ｏ，０２００，
１４０，１４４Ｊ８　　　　２０．０７　　　０ＣＯ，
０２３０，０ｇ　　　　　０．１０　　　　４．２７　
　　　１９．５０　　　０Ｄ　　　　Ｏ，０１９０，０
９０，１３４，４１２３，５００Ｅ　　　　　ｎｄ　　
　　　　ｎｄ　　　　　　ｎｄ　　　　　４．３　　　
　２４．０Ｆ　　　　　ｎｄ　　　　　　ｎｄ　　　　
　　ｒｅｄ　　　　　４．５　　　　２５．０　　　　
　（Ｇ　　　　　ｎｄ　　　　　　ｎｄ　　　　　　ｎ
ｄ　　　　　４．５　　　　３０．０　　　　　（ＨＯ
，０２１０，１６０，１６８，５８２４，７３［Ｉ　　
　　Ｏ，０３００，０２５，５０２０，９３＋〔羽　ｎ
ｄ　＝ＵＩ定せず　　　Ｂａ１−残部鉄　　　☆−公　
称（重量％） ｉ 、２７　　　０．０１１　　　０．００６　　　０．０
５２　　　０．２１　　　　Ｂａｔ、　　　　０．２７
１．３Ｂ　　　　０．００７　　　０．００１　　　０
．０４０　　　０．１８　　　　Ｂａｔ、　　　　０．
３Ｂ１．３６　　　０．００Ｂ　　　　０．００４　　
　０．０２Ｂ　　　　０．２０　　　　腿１．　　　０
．５☆１．３４　　　０．００７　　　０．００７　　
　０．０３８　　　０．１９　　　　Ｂａｔ、　　　　
０Ｊ４ｎｄ　　　　　ｎｄ　　　　　ｎｄ　　　　　Ｏ
，０２３０，２８Ｂａ１．　　　０．５☆１．５　　　
　　ｎｄ　　　　　ｎｄ　　　　　０．０５１　　　　
＋１．４２　　　　Ｂａ１．　　　　０．５☆１．５　
　　　　ｎｄ　　　　　ｎｄ　　　　　Ｏ，０２９０，
４２Ｂａｌ　、　　　　０．５☆）、４２　　　０．０
１０　　　０．００５　　　０．０７５　　　０．２１
　　　　Ｂａ１．　　　０．４２〕、４７　　　　−　
　　　−　　　　０．１００　　　０Ｊ２　　　　Ｂａ
１．　　　　０．６６標準サイズの試験片を製造された
シートから切断し、次いで促進参加試験に使用するため
に約６００グリツドに粉砕した。循環酸化試験を使用し
た。これは、試料を１２００℃、１２５０℃および１３
００℃の温度で空気＋５％Ｈ２０中において２４時間サ
イクルでさらし、次いで室温に冷却し、秤量することか
らなっていた。結果を表■および■に報告する。

表■ Ａ　　　３２１６★　１１５２　　　１６８Ｂ　　　４
７０４　　１８３８★★　３４８Ｃ４８００ｎ、ｄ、　
　　　ｎ、ｄ。

Ｄ　　　４２２４　　１９９２　　　１６８Ｅ　　　３
３８４　　１６５６　　　５２８Ｆ　　　３３８４　　
１３２０　　　１４８Ｇ　　　４４９８　　１６５６　
　４８０Ｈ８２０８３２１６６００ Ｉ　　　４６５６　　３６２４　　　５７６★２つの結
果の平均；★★５つの結果の平均；ｎ。

ｄ、−測定せず 下記の表■に促進酸化開始から完了までの時間を報告す
る。

表■ 組成変動、　　　１３００℃での促進酸重量％Ｃｒ／　
　　化開始から完了まで合金　　　ＡＩ　　　　　　　
の時間★Ｂ、Ｃ２０／４．３　　　２日未満 Ｄ　　　　２３．５／４．４　５日 Ｈ２４，７／６．５　１０日 Ｈ２４，７／６．５　１２００°Ｃで２１日★完了を試
験片の表面積の１００％にわたっての攻撃と定義 表■および■中のデータの吟味は、クロム二を１６％か
ら２０％に増大することが一定のアルミニウム量におい
て耐酸化性の若干の改良を生じたことを反映する（合金
Ａｖｓ合金ＢおよびＣ）。

結果は、１３００℃での試験温度で全く貧弱であった。

しかしながら、クロム量を２３．５％に上げることは（
合金Ｄ）、特に１３００℃の試験条件下で有意な改良を
示さなかった。

合金ＢおよびＣは、米国特許第３．９９２．　１６１号
明細書の典型的組成（即ち、２０％Ｃｒ／４．５％ＡＩ
）を代表する。１３００℃においては、促進酸化の開始
から完了点までは、はんの２日に及んだ。表■参照。ク
ロム含量を２４％に増大することは、促進酸化速度を半
分に減速しく表■の合金Ｄ）、アルミニウム量を４．５
％から６．５％に増大することは、再度攻撃速度を顕著
に減速した（表■の合金Ｈ）。攻撃速度の有意な減速は
６効寿命をのばして補修操作を可能にし、破局的破損の
結果を回避するので、この挙動パターンは、実際的重要
性を有する。

第１図〜第３図は、異なるクロム量は別として、０．０
２％Ｃ，４，５％Ａ１．０．３％Ｔｉ１０．５％Ｙ　２
０　Ｂ、付随的不純物を含有する米国特許第３，９９２
．１６’１号明細書に記載の典型的商業的合金（鉄が本
質上残部）のクロム量を増大することによって起こるこ
とをよりグラフ的に図示する。１２００℃、１２５０℃
および１３００℃の各試験温度において、破砕速度（質
量変化）は、より高率のクロムに関して大きかった。本
発明によれば、アルミニウム含量も、好ましくは比例し
て、破砕速度を減速し、かつ合金組成のより良い一体性
を保証するために増大すべきである。このことは、第４
図および第５図によって反映される。これらの図中、Ｃ
ｒｆｉｔ２５％においては、破砕速度は、米国特許第３
，９９２，１６１号明細書に記載の合金よりも追加の２
％のアルミニウムの共存によって顕著に減速される。

本発明の合金の更に他の実際的利点は、従来技術の材料
と比較して薄いゲージにおいて改良された高温耐酸化性
および耐食性を与えるらしいことである。シート厚、例
えば１．２５ｍｍ（０，０５インチ）は、商業上製造し
たままの米国特許第３．９９２，１６１号明細書に記載
の２０Ｃｒ／４．５Ａ１合金の場合に典型的である。こ
のようなゲージ部においては、比較して言えば表面（酸
化物）保護に有効なバルク濃度のアルミニウムおよびク
ロム原子の欠如のため初期に促進酸化攻撃を受ける傾向
がある。換言すれば、このような包進攻撃は、孔食（例
えば、シートを貫通するであろう孔食）を生ずることが
ある。本発明の合金は、より高濃度の保存アルミニウム
および／またはクロム原子を提供する。

加工性に関しては、第６図は、曲げ性（加工性を評価す
るのに使用する基準）に対する組み合わせ効果に関して
クロムとアルミニウムとの一般的ト目関を図示する。こ
れに関連して、厚さ約０．０５インチ（１ｔ）　、幅１
／２インチ（約１２．７ｍｍ）および長さ約２〜４イン
チ（約５１〜１０２ｍ１１）のシート試験片を厚さ約０
．１インチ（２ｔ）の棒上に曲げた。試験を縦方向およ
び横方向の両方において行った。黒い影をつけた部分は
、若干の亀裂が試験から明らかであることを示す。わか
るように、米国特許第３．　９９２．　１６１号明細書
に記載の２０Ｃｒ／４．５ＡＩの標準合金は、全く加工
性である。しかし、３０Ｃｒ／４．５ＡＩｆｆｉにおい
ては、亀裂が生じた。若干の亀裂は、大体クロム１９％
およびアルミニウム５．２％の合金の場合に横方向で認
められた。アルミニウム６．６％およびクロム約２５％
を含有する合金は、横方向で過度に亀裂した。曲げ角度
は、所望の１０５°に対して５０°未満であった。

加工性の目的で、前記のように、アルミニウム含量は、
有利には６％を超えるべきではなく、より好ましくは５
．７５％よりも多くはない。

平圧延製品は別にして、ここで意図される合金は、熱間
加工しかつ／または機械加工された棒および他のミル製
品状形態、例えば鍛造品および管類で使用できる。例え
ば、火炎ガイドまたはガラス押出ダイ用の棒からの部品
を機械加工することが、コスト上有効であることがある
。

本発明を好ましい態様とともに記載したが、当業者が容
易に理解するであろうように、本発明の精神および範囲
から逸脱せずに修正および変形を施すことができること
を理解すべきである。このような修正および変形は、本
発明の権限および範囲内であるとみなされる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は、各々、破砕速度の変化を表わすグラ
フ、第６図はクロムとアルミニウムとの相関関係におけ
る加工性（曲げ性）を表わすグラフである。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ＦＩＧ　　　！ １５　　　　　　５８１ｅｅ　　　　　　１５１３　　
　　　２６ｅｌＦＩＧ　　　２ ＦＩＧ　　　５ ＦＩＧ　　　句 ＦＩＧ　　　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、良好な加工性および１３００℃程度の高温での耐酸
   化性によって特徴づけられるシート、ストリップなどの
   平圧延製品〔該製品はクロム約２３〜３０％、アルミニ
   ウム約５〜６．２５％、酸化物、炭化物、窒化物、およ
   びホウ化物からなる群から選ばれる強度を高めるための
   少量であるが有効な量の少なくとも１種の耐火金属ディ
   スパーソイドからなる合金（残部は本質上鉄）から形成
   される〕の形態の粉末冶金鉄−クロム−アルミニウム分
   散強化合金製品。 ２、チタン０．２〜０．７５％を含有する、特許請求の
   範囲第１項に記載の合金製品。 ３、アルミニウムが、６％を超えない、特許請求の範囲
   第２項に記載の合金製品。 ４、耐火金属ディスパーソイドが、１０容量％までの量
   の酸化物、２容量％までの量の炭化物、５容量％までの
   量の窒化物、および５容量％までの量のホウ化物の１以
   上である、特許請求の範囲第１項に記載の合金製品。 ５、クロムが、２３〜２７％である、特許請求の範囲第
   ２項に記載の合金製品。 ６、新製品として、良好な加工性および １３００℃程度の高温での耐酸化性によって特徴づけら
   れるシート、ストリップなどの平圧延製品〔該製品はク
   ロム約２３〜３０％、アルミニウム約５〜６．２５％、
   酸化物、炭化物、窒化物、およびホウ化物からなる群か
   ら選ばれる強度を高めるための少量であるが有効な量の
   少なくとも１種の耐火金属ディスパーソイドからなる合
   金（残部は本質上鉄）から形成される〕の形態の粉末冶
   金鉄−クロム−アルミニウム分散強化合金から形成され
   る航空機ガスタービンエンジンの高温部における金属部
   品。 ７、バーナーカンの形態である、特許請求の範囲第６項
   に記載の部品。 ８、粉末が、機械的合金化によって製造されてなる、特
   許請求の範囲第１項に記載の合金製品。 ９、１３００℃程度の高温での高い耐酸化性によって特
   徴づけられ、かつクロム２０〜３０％、アルミニウム５
   ％〜８％、酸化物、炭化物、窒化物、およびホウ化物か
   らなる群から選ばれる強度を高めるための少量であるが
   有効な量の耐火金属ディスパーソイド、チタン５％まで
   、ジルコニウム、ハフニウム、タンタルおよびバナジウ
   ムの各々２％まで、モリブデンおよびタングステンの各
   々６％まで、ケイ素０．５％まで、ニオブ０．５％まで
   、カルシウム、イットリウムおよび希土類金属の各々０
   ．０５％まで、ホウ素０．２％まで（残部は本質上鉄）
   からなることを特徴とする粉末冶金鉄−クロム−アルミ
   ニウム分散強化合金。 １０、クロム少なくとも２２．５％を含有する、特許請
   求の範囲第９項に記載の合金。 １１、チタン０．２５〜０．７５％を含有する、特許請
   求の範囲第９項に記載の合金。 １２、粉末が、機械的合金化によって製造されてなる、
   特許請求の範囲第９項に記載の合金。