JPH0138848B2

JPH0138848B2 -

Info

Publication number: JPH0138848B2
Application number: JP56131205A
Authority: JP
Inventors: Susumu Isobe; Kenkichi Matsunaga
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1981-08-21
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1989-08-16
Also published as: JPS5834129A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

本発明は高温特性、とくに引張強度および耐疲
労性のすぐれた耐熱金属材料の製造方法に関す
る。

【従来の技術】

たとえばガスタービンのブレードを植えるデイ
スクや、ジエツトエンジンの耐熱性を要する部品
を製造する材料として、ニツケル基合金が使用さ
れている。しかし、それらの高合金材料はきわめ
て高価であつて、製造コストを押し上げる。そこ
で、もつと廉価な、つまり、より低合金であつて
同等の性能をもつ材料を得たいという要求が強か
つた。本発明者らの一人は、さきに内燃機関の排気バ
ルブ用材料について研究し、下記の組成の合金
が、Ｃ： 0.01〜0.20％ Si： 2.0 ％以下 Mn： 2.0 ％以下 Ni：25 〜50％ Cr：13 〜23％ Ti： 1.5 〜3.5％ Al： 0.1 〜1.5％残余が実質的にFe ニツケル基合金（たとえばInconel751）に劣ら
ない特性を示すことを見出して、すでに開示した
（特開昭56−20148）。さらに研究を進め、今回、上記組成の合金にお
いてTi／Alの比を2.0以上にえらび、析出した金
属間化合物中のη相の比率（η相＋γ相＝100％、
体積比）を少くとも30％にすることにより高温特
性を改善できること、またこの耐熱合金に特定の
条件の熱処理および加工を施すことにより、組成
が微細で高温特性の向上した耐熱金属材料が得ら
れることを見出した。

【発明が解決しようとする課題】

従つて本発明の目的は、上記の知見を利用し
て、低合金であるが従来のニツケル基合金に劣ら
ない特性をもつた耐熱金属材料の製造方法を提供
することにある。

【課題を解決するための手段】

本発明の耐熱金属材料は、Ｃ：0.01〜0.20％、
Si：2.0％以下、Mn：2.0％以下、Ni：25〜50％、
Cr：13〜23％、Ti：1.5〜3.5％、Al：0.1〜1.5％
を含有し、ただしTi／Al：2.0以上であつて、残
余が実質的にFeからなる組成の合金を、700〜
975℃の温度で予備熱処理したのち975℃以下の温
度で熱間加工し、さらに975℃以下の温度で固溶
化および時効処理を施すことにより、析出した金
属間化合物中のη相の比率（η相＋γ相＝100％、
体積比）を30％以上にすることを特徴とする。上記の基本組成に加えて、本発明の耐熱金属材
料の製造方法では、Mo：3.0％以下、Ｗ：3.0％
以下、（Nb＋Ta）：5.0％以下、Ｖ：1.0％以下、
Hf：3.0％以下、Zr：0.5％以下およびＢ：0.05％
以下からえらんだ１種または２種以上を含有する
組成の合金を使用することができ、それにより一
層すぐれた高温特性を発揮する。

【作用】

本発明の耐熱金属材料において高いTi／Al比
を選択したのは、η相（Ni₃Ti）を多量に析出さ
せることを意図したものである。析出硬化型の
Ni基合金においては、微細な金属間化合物を生
成させて熱疲労性を向上させることが、すでに試
みられた（特開昭46−6003）。しかしその対象は、
Incone1718、Incoloy901あるいはWaspaloyのよ
うな高合金に限られており、一般にNi50％以下
のFe基合金においては、η相を析出させること
は有害と考えられていた。本発明は、従来の通念を破つて、η相を積極的
に利用しようとの企ての下に、上記のTi／Al比
をえらび、これに上記の熱処理−加工条件を組み
合わせることにより成功に至つたものである。前記の合金組成について説明すれば、次のとお
りである。Ｃ：0.01〜0.20％ＣはCrおよびTiと結合して炭化物を形成し、
高温強度を高めるために必要である。ただし、多
量にあると靭延性を損なうので、上記の範囲をえ
らぶ。 Si：2.0％以下脱酸剤として添加されるが、靭延性の観点から
少ない方がよく、2.0％以下に限定した。 Mn：2.0％以下 Siと同様に脱散剤として使用するが、多量にな
ると高温における材料の耐酸化性を低下させるか
ら、上記限度内にすべきである。 Ni：25〜50％オーステナイト組織の安定化と、後に言及する
γ′相Ni₃（Al，Ti）を成形するのに必要である。
25％の下限は、高温で使用中にσ相のような脆化
相が生成するのを避けるために設けた。一方、必
要以上の添加をしても高温性能の向上は期待でき
ないし、低価格の材料を提供するという目的にも
反するので、50％の上限を置いた。 Cr：13〜23％耐食性および耐酸化性の確保のために加える。
多すぎるとσ相の成形を招き、靭延性が低下する
から、上記範囲内にする。 Ti：1.5〜3.5％前記のように、η相（Ni₃Ti）を析出させるた
めと、高温強度の向上に有効なγ′相を形成させる
ために必要であり、含有量は上記の範囲が適切で
ある。 Al：0.1〜1.5％ Tiと同様に、γ′相の形成に必要である。過大な
存在はη相の析出を減らすうえ熱間加工性にとつ
て好ましくないので、上記の限界を設けた。 Ti／Al：2.0以上前述のとおり、η相の析出のために必要であ
る。TiとAl以外の成分については本発明の範囲
内で代表的な組成の種々の合金に対して、900゜×
24時間の熱処理を行なつたときの、金属間化合物
の析出物のうちη相の占める割合が、Ti／Al比
によつてどのように変化するかをしらべたとこ
ろ、第１図の結果を得た。後記する機構によりη
相が結晶粒の粗大化を防止する効果を得るには、
η相の比率が30％以上であることが必要である。
この条件をみたすためには、Ti／Al比を2.0以上
にすべきことが、このグラフからわかる。この比
を３〜４またはそれ以上にすれば、η相の比率が
いつそう高くなり、高温特性改善の効果が確実に
なる。前掲の、所望により添加することのできる諸元
素の主な作用と組成範囲の限定理由は、つぎのと
おりである。 Mo：3.0％以下、Ｗ：3.0％以下ともに、粒子内に固溶し強化する。多量に過ぎ
ると高温強度にマイナスとなる。（Nb＋Ta）：5.0％以下、Ｖ：1.0％以下、Zr：
0.5％以下、Hf：3.0％以下これらの元素は、炭化物を形成して粒界を強化
する。なお、（Nb＋Ta）およびHfには、Moお
よびＷと同じく、固溶強化のはたらきもある。ま
た金属間化合物を形成して析出強度に寄与する。
しかし、過大な量存在すると耐酸化性を損なう。Ｂ：0.05％以下粒界に偏折して、粒界を強化する。多量の添加
は、熱間加工性を低下させる。次に熱処理および加工条件について述べれば、
前記した組成の合金に対して、まず700〜975℃の
温度で行なう予備熱処理は、もちろんη相
（Ni₃Ti）を析出させるためである。本発明の範
囲の代表的な組成の合金について、η相の析出曲
線をえがいた結果は第２図に示すとおりであつ
て、このグラフから、上記温度範囲内、好ましく
は800〜950℃に処理すべきことがわかる。 975℃以下の温度における熱間加工により、予
備熱処理により析出したη相が破壊され、組織中
に均一かつ微細に分散する。続く975℃以下の温度における固溶化および時
効処理により、微細（グレインサイズNo.８より細
粒）で粗大粒を含まない、良好な組織が得られ
る。それは、上記の均一かつ微細に分散したη相
が、結晶粒界の移動を防げる効果である。上記のようにして得られた本発明の耐熱金属材
料が、すぐれた高温特性、ことに引張強度と疲労
強度とを有することを、以下の実施例により示
す。

【実施例】

第１表に示す化学組成（残余はFe）の合金を
高周波真空誘導炉で溶製して、50Kgインゴツトに
鋳造した。ソーキングののち1150〜950℃の温度
域で鍛伸して、径90mmのビレツトにした。このビ
レツトを長さ90mmに切断し、鍛造材料をつくつ
た。素材を、次の条件で加工した。（プロセスＸ）本発明 900℃×24時間の予備熱処理（η相析出）→加
熱温度950℃で1/2ｕの据込み鍛造→930℃×５時
間（再結晶）、水冷→750℃×20時間（γ−プライ
ム相析出−時効処理）、空冷。（プロセスＹ）従来技術予備熱処理なし→加熱温度1150℃で1/2ｕの据
込み鍛造→1000℃×１時間、水冷→750℃×20時
間、空冷。得られた試片について下記の試験をした。 (1) ミクロ組織本発明に従う合金組成を有する供試材Ｂに対し
て、プロセスＸの加工を行なつたものとプロセス
Ｙの加工を行なつたものとのミクロ組織を、第３
図（本発明）および第４図（比較例）に示す（倍
率は、ともに500倍）。本発明によれば、従来技術
による比較例に比べて、きわめて微細な組織が得
られる。 (2) 引張特性本発明の材料と、比較例の材料とについて行な
つた600℃における高温引張試験の結果を、第２
表に示す。表にみるとおり、本発明の材料の0.2
％耐力および引張強さは比較例の材料にくらべて
格段に高く、高価なニツケル基合金にくらべて遜
色ない。また、伸びおよび絞り値で示される高温
延性も、強度の向上にもかかわらず、比較例と同
等のレベルにある。 (3) 疲労特性同じく600℃において行なつた高温疲労試験の
結果を、第２表にあわせ掲げる。ここでも、本発
明による効果が明らかによみとれる。

【表】

【発明の効果】

本発明に従つて選択された組成をもつ合金を材
料とし、これを特定の条件で加工することによ
り、析出する金属間化合物中のη相の割合の高い
製品を得ることができる。この製品は、実施例の
データが示すように、ミクロ組織が微細であつ
て、高温引張特性、高温疲労耐性などの高温特性
がすぐれている。このようにして本発明は、低合
金組成ながら、従来使用されてきたNi基耐熱合
金などに匹適する耐熱性をもつた機械部品を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に関連する組成の合金を熱処
理したときに、析出する金属間化合物の中でη相
（Ni₃Ti）が占める割合が合金中のTi／Al比によ
りどのように変化するか、を示すグラフである。
第２図は、本発明の代表的な組成の合金のη相析
出曲線であつて、熱処理温度および保持時間との
関連において、η相の析出する程度を示すグラフ
である。第３図および第４図は、本発明に従う組
成の合金のミクロ組織を示す顕微鏡写真であつ
て、第３図は本発明に従う熱処理−加工を施した
もの、第４図は従来技術による熱処理−加工を施
したものを、それぞれあらわす（倍率はともに
500倍）。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.01〜0.20％、Si：2.0％以下、Mn：2.0
％以下、Ni：25〜50％、Cr：13〜23％、Ti：1.5
〜3.5％およびAl：0.1〜1.5％を含有し、ただし
Ti／Al：2.0以上であつて、残余が実質的にFeか
らなる組成の合金を、700〜975℃の温度で予備熱
処理したのち975℃以下の温度で熱間加工し、さ
らに975℃以下の温度で固溶化および時効処理を
施すことにより、析出した金属間化合物中のη相
の比率（η相＋γ相＝100％、体積比）を30％以
上にすることを特徴とする高温特性のすぐれた耐
熱金属材料の製造方法。２Ｃ：0.01〜0.20％、Si：2.0％以下、Mn：2.0
％以下、Ni：25〜50％、Cr：13〜23％、Ti：1.5
〜3.5％およびAl：0.1〜1.5％を含有し、ただし
Ti／Al：2.0以上であつて、さらにMo：3.0％以
下、Ｗ：3.0％以下、（Nb＋Ta）：5.0％以下、
Ｖ：1.0％以下、Hf：3.0％以下、Zr：0.5％以下
およびＢ：0.05％以下からえらんだ１種または２
種以上を含有し、残余が実質的にFeからなる組
成の合金を、700〜975℃の温度で予備熱処理した
のち975℃以下の温度で熱間加工し、さらに975℃
以下の温度で固溶化および時効処理を施すことに
より、析出した金属間化合物中のη相の比率（η
相＋γ相＝100％、体積比）を30％以上にするこ
とを特徴とする高温特性のすぐれた耐熱金属材料
の製造方法。