JP2001220636A

JP2001220636A - ニッケルアルミナイド系超耐熱合金

Info

Publication number: JP2001220636A
Application number: JP2000030494A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takahashi; 誠高橋; Takeshi Torigoe; 猛鳥越; Masahiro Inui; 正弘乾
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高温構造要素として使用される、Ｎｉ₃Ａｌ系
Ｎｉ基合金について、高温・室温の良好な機械的諸特性
を維持しつつ、構造材料として要求される改良された溶
接性を具備せしめる。【解決手段】このＮｉ基超耐熱合金は、重量％で、Ａｌ
６．０〜９．０％，Ｃｒ２．０〜１５．０％，Ｚｒ０．
５〜３．０％，Ｆｅ３．０％以下、残部は実質的にＮｉ
からなり、Ｎｉ₃Ａｌ系金属間化合物を主相（体積率７
０％以上）とする金属組織を有している。所望により、
上記諸元素と共に、Ｗ０．５〜５％、Ｃ０．１％以下、
Ｎ０．００３〜０．０３％のいずれか１種ないし２種以
上の元素を含有する組成が与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温及び室温域で
の機械強度、耐高温クリープ性等に優れ、かつ構造部材
料として望まれる良好な溶接性等を備えたニッケルアル
ミナイド系超耐熱合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｎｉ_３Ａｌ（トリニッケルアルミナイ
ド）は、Ｎｉ−Ａｌ二元状態図において、Ｎｉ８７wt%
前後（約±４wt%の幅を有する）の領域に現れる面心立
方型結晶構造を有する金属間化合物(融点約1390℃)であ
る。このものは、材料の強さを示す降伏強度が、広い温
度域に亘って温度の上昇と共に増加するという特異な物
性を示す。Ｎｉ基超合金が、高温度域まで高い応力レベ
ルを維持し得るのは、Ｎｉ固溶体中に豊富に分散析出さ
せたＮｉ_３Ａｌのこのような性質に依存している。

【０００３】しかるに、Ｎｉ_３Ａｌ金属間化合物は、低
温だけでなく高温においても極めて脆く、殆ど伸びを示
さず、これがこの種Ｎｉ基超耐熱合金の工業的応用の妨
げとなっている。この合金の物性改良についてこれまで
種々の試みがなされ、例えば、特開昭62-93334号公報に
は、Ni_３Al基材と、原子％で、第IVB族元素（Zr,Hf）0.
2〜1.5％,Al17〜20％,Cr4.5〜8％,B0.05〜0.2％,Fe9〜1
6％,希土類元素（Ce等）0.001〜0.004％,残部Niからな
る、高温強度,延性,熱間加工性等を改善されたＮｉ基合
金、特公昭63-66374号公報には、Ni_３Al系金属間化合物
に、重量%で、Mo0.01〜2.0％，B0.05〜3.0％，Zr0.5〜
4.0％等を添加して常温延性および強度を改善したニッ
ケルアルミナイド系合金が開示されている。

【０００４】また、特開昭63-266036号公報には、原子
％で、Ni75.4〜79％，Al7〜12％，B0.5％以下,C≦0.9
％,Hf0.5〜4％,Fe4.5〜11％,Mo，W，Nb，Zr等≦3％を含
有し、金属組織が主としてNi_３Alからなる、常温延性,
強度を改善されたＮｉ基合金、特開平4-501440号公報に
は、原子％で、Al15〜18.5％,Cr6〜10％,Zr0.05〜0.35
％,B0.08〜0.30％を含有する、高温延性,加工性,強度等
を改良されたニッケルアルミナイド系合金、特許第2599
236号公報には、重量％で、第IVｂ族元素（Hf,Zr）＜1
％,Fe14.5〜17.5％,希土類元素（Ce,Y,La等）≦0.01％,
B0.01〜0.05％,Mo≦4％,残部Ni_３Alからなる高温加工の
可能なニッケルアルミナイド合金が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のニッケルアルミ
ナイド系合金は、１０５０℃を超える高温域においても
卓抜した耐酸化性を示す。しかし、高温強度およびクリ
ープ破断強度は急激に低下する。本発明は、このような
高温使用環境における耐酸化性のみならず、強度および
耐クリープ特性等に優れていると共に、良好な溶接性を
具備し、例えば鋼材加熱炉内に配設されるラジアントチ
ューブ，加熱炉内搬送ロールを構成するドライロール、
石油化学工業分野の反応炉内に設置される反応管等、各
種分野における構造部材料としての工業的応用を可能と
する改良されたニッケルアルミナイド系超耐熱合金を提
供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のニッケルアルミ
ナイド系超耐熱合金は、重量％で、Ａｌ：６．０〜９．
０％，Ｃｒ：２．０〜１５．０％，Ｚｒ：０．５〜３．
０％，Ｆｅ：３．０％以下，残部は実質的にＮｉからな
り、Ｎｉ₃ Ａｌ系金属間化合物を主相とする金属組織を
有している。

【０００７】本発明のニッケルアルミナイド合金は、所
望により、上記諸元素と共に、０．５〜５％のＷ、０．
１％以下のＣ、０．００３〜０．０３％のＮのいずれか
１種ないし２種以上の元素を含有する化学組成が与えら
れる。

【０００８】本発明合金の金属組織の主相であるＮｉ_３
Ａｌ系金属間化合物は、所謂ＬＩ_２型の規則格子を形成
し、ＡｌとＮｉとが面心立方格子の規則的位置に配列し
た構造を有する。

【０００９】本発明合金の金属組織について、「Ｎｉ_３
Ａｌ系金属間化合物を主相とする」とは、Ｎｉ_３Ａｌ系
金属間化合物の単一相からなる組織、またはＮｉ_３Ａｌ
系金属間化合物と母相であるＮｉ固溶体との混合相（こ
れにＮｉ_５Ｚｒ晶出相が混在する場合もある）からなる
組織を有することを意味している。Ｎｉ₃ Ａｌ系金属間
化合物の物性に基づく高温特性を十分に発現させるため
に、その金属組織に占めるＮｉ_３Ａｌ系金属間化合物の
比率は７０体積％以上である。

【００１０】本発明合金の成分限定理由は次のとおりで
ある。元素含有量の表示は、すべて重量基準である。Ａｌ：６．０〜９．０％Ａｌは、Ｎｉと共にＮｉ_３Ａｌ金属間化合物を形成する
ための基本元素である。含有量が６．０％に満たないと
Ｎｉ_３Ａｌ相の生成が不足し、高温強度を得ることがで
きず、他方９．０％を越えると他の元素と関連してクリ
ープ破断寿命を確保し得なくなる。

【００１１】Ｃｒ：２．０〜１５．０％Ｃｒは、室温での引張り強度および耐力値を高める。こ
の効果は２．０％以上の含有により現れる。しかし、過
度に増量すると、室温延性を損なうので１５．０％を越
えてはならない。好ましくは４．０〜８．０％である。

【００１２】Ｚｒ：０．５〜３．０％Ｚｒはデンドライト粒界にＮｉ_５Ｚｒを形成し、高温域
（約１１００℃以上）での強度（引張り強度，０．２％
耐力）を高め、かつ延性の向上に寄与する。また、約１
１００℃を超える高温域におけるクリープ破断寿命の顕
著な改善効果を示す。これらの効果を得るために、０．
５％以上を必要とする。増量により効果を増すが、３．
０％を超えると効果はほぼ飽和するので、これを上限と
する。

【００１３】本発明の合金は所望により以下の元素が含
有される。Ｗ：０．５〜５．０％Ｗは、高温クリープ破断強度を高めるのに有効な元素で
ある。この効果は０．５％以上の添加により得られる。
増量により効果をますが、５．０％を越えて多量添加す
ると、高温引張延性が著しく低下する。好ましくは、
１．０〜４．０％である。

【００１４】Ｎ：０．００３〜０．０３％Ｎは、室温引張延性の向上に寄与する。この効果は０．
００３％以上の添加により現れる。増量に伴って効果を
増すが、０．０３％までの含有量で十分である。また、
合金の溶製操業上、これを超える添加歩留まりを得るこ
とは困難であり、合金の溶製操業上の経済性が損なわれ
る。好ましくは０．００４〜０．０２％である。

【００１５】Ｃ：０．１％以下Ｃは、粒界に析出し粒界を強化して高温での引張延性を
高める。この効果を得るために必要な量は０．１％以下
である。これを超えると、常温域での延性が損なわれ
る。好ましくは、０．０１〜０．０５％である。

【００１６】Ｆｅ：３．０％以下Ｆｅは、本発明において必須の元素ではない。その増量
と共に高温強度が低下する傾向を示すからである。３．
０％を超えるとその悪影響を無視できなくなる。このた
め、３．０%を上限とする。好ましくは１．０％以下で
ある。

【００１７】本発明のニッケルアルミナイド合金は、鋳
造合金として各種構造部材の製造に供される。例えば、
遠心力鋳造を適用し、ラジアントチューブ、加熱炉用ハ
ースロールのスリーブ（ロール胴部材）、石油化学用反
応管等として、これらの用途に要求される機械的諸特性
を充足すると共に、配管構築・部材の組付け等に必要な
溶接性の要求等を満たすことができる。このほか、本発
明合金の粉末を肉盛材料としてクラッド構造の形成に利
用することも可能である。その肉盛施工は、例えばプラ
ズマ・パウダーウエルディング法（ｐｐｗ法）等を適用
して効率よく行うことができる。

【００１８】

【実施例】（１）供試材の製造 (1.1)合金の溶製高周波溶解炉により、アルミナるつぼ（内径145×高さ2
56，ｍｍ）を使用し、アルゴン雰囲気下に合金を溶製す
る。最初にニッケルを加熱溶融し、溶け落ち段階でアル
ミニウムを添加して昇温する。これに所定の合金元素を
添加し、温度調整を行った後、取鍋に出湯した。溶解重
量は16kgである。

【００１９】(1.2)鋳造金型遠心力鋳造（大気雰囲気）により、管状供試材（外
径137×肉厚19×長さ270，ｍｍ）を得た。管状供試材
（鋳造まま）は、外側面から指向性凝固による柱状晶と
内面側の一部粒状晶からなるマクロ組織が観察される。

【００２０】表１に各供試材の化学組成を示す。各供試
材より試験片を調製し各物性を測定した。表２に、ビッ
カース硬度Ｈｖ（荷重 98N）および常温引張り特性、表
３に高温引張り特性（試験温度：1100℃）、クリープ試
験結果（試験温度：1100℃，荷重：30MPa）および溶接
性試験結果をそれぞれ示す。

【００２１】表４中の溶接性試験結果は、供試材から切
出した板状体を試験材とし、板面上にＴＩＧ溶接を施工
するビード・オン・プレート法（溶接電流１２０Ａ）に
より行い、溶接後のクラックの有無（ダイチェック）に
より溶接性を評価したものである。表４「溶接性」欄の
記号は下記の評価を意味している。〇…溶接性良好（クラックなし） ×…クラックの発生顕著

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】表中、比較例No.101〜107は、本発明に類
似する組成を有しているが、いずれかの元素の含有量
（下線付記）が本発明の規定から逸脱し、もしくは他種
の元素を含有している例である。No.108（0.5%C-0.25%S
i-0.4%Mn-30%Cr-48%Ni-13%W-0.%2Al-Fe）は、析出強化
と固溶強化とを利用し、温度約１２００℃の各種加熱炉
用部材として広く実用されている従来の代表的耐熱合金
である。本発明材は、室温および高温域における硬度,
強度,延性、並びに高温クリープ特性に優れていると共
に良好な溶接性を備えている。その溶接性は、代表的な
高Ni-Cr系耐熱合金（No.108）の溶接性と同等である。

【００２６】一方、比較例をみると、本発明に規定する
成分構成を充足していないため、いずれの材料も発明例
の室温・高温における機械的諸特性を具備せず、かつ溶
接性に劣っている。なお、No.108（高Ni-Cr系耐熱合
金）は、溶接性は良好であるものの、高温域域における
強度,クリープ破断寿命等に劣り、本発明合金の物性に
及ばない。

【００２７】

【発明の効果】本発明のニッケルアルミナイド系超耐熱
合金は、室温・高温における良好な機械強度・延性、耐
高温クリープ特性等を有すると共に、改良された溶接性
を具備している。従って、例えば鋼材加熱炉内に配設さ
れるラジアントチューブ，加熱炉内搬送ロール、あるい
は石油化学工業における反応管等の構成材料として適用
することができ、ニッケルアルミナイド系合金の工学的
応用の拡大・多様化を可能にするものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ａｌ：６．０〜９．０％，Ｃｒ：２．０〜１５．０％，Ｚｒ：０．５〜３．０％，Ｆｅ：３．０％以下，残部は実質的にＮｉからなり、Ｎｉ₃ Ａｌ系金属間化合
物を主相とする金属組織を有する高温強度，高温クリー
プ特性，溶接性等にすぐれたニッケルアルミナイド系超
耐熱合金。
【請求項２】重量％で、Ａｌ：６．０〜９．０％，Ｃｒ：２．０〜１５．０％，Ｚｒ：０．５〜３．０％，Ｗ：０．５〜５％、Ｆｅ：３．０％以下，残部は実質的にＮｉからなり、Ｎｉ₃ Ａｌ系金属間化合
物を主相とする金属組織を有する高温強度，高温クリー
プ特性，溶接性等にすぐれたニッケルアルミナイド系超
耐熱合金。
【請求項３】重量％で、Ａｌ：６．０〜９．０％，Ｃｒ：２．０〜１５．０％，Ｚｒ：０．５〜３．０％，Ｃ：０．１％以下及び／又はＮ：０．００３〜０．０
３％、Ｆｅ：３．０％以下，残部は実質的にＮｉからなり、Ｎｉ₃ Ａｌ系金属間化合
物を主相とする金属組織を有する高温強度，高温クリー
プ特性，溶接性等にすぐれたニッケルアルミナイド系超
耐熱合金。
【請求項４】重量％で、Ａｌ：６．０〜９．０％，Ｃｒ：２．０〜１５．０％，Ｚｒ：０．５〜３．０％，Ｗ：０．５〜５％、Ｃ：０．１％以下及び／又はＮ：０．００３〜０．０
３％、Ｆｅ：３．０％以下，残部は実質的にＮｉからなり、Ｎｉ₃ Ａｌ系金属間化合
物を主相とする金属組織を有する高温強度，高温クリー
プ特性，溶接性等にすぐれたニッケルアルミナイド系超
耐熱合金。