JP2005113251A

JP2005113251A - 銀含有の高延性クロム合金

Info

Publication number: JP2005113251A
Application number: JP2003352506A
Authority: JP
Inventors: Tsukimine Tani; 月峰谷; Koji Harada; 広史原田; Yoshiichi Ro; 芳一呂
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: EP1681361A4; WO2005035812A1; US20070003428A1; JP4061407B2; EP1681361A1

Abstract

【課題】Ｎｉ基合金に実用的に代替し得るものとして、クロム基合金の、高融点、優れた耐食性、耐酸化性、熱伝導性等の特徴を生かしつつ、しかも、室温での延性も良好な、新しいクロム合金を提供する。
【解決手段】その組成において、銀を０．１〜５原子％含有し、残部がクロムと不可避的不純物とからなるクロム合金とする。
【選択図】図２

Description

この出願の発明は、航空機用ジェットエンジンや産業用ガスタービンの動静翼、乗用車用エンジンターボチャージャーの耐熱ホイール等に有用で、高温での強度、耐酸化性に優れているとともに、室温での延性も良好な、新しい高延性クロム合金に関するものである。

近年、地球温暖化抑制のため、炭酸ガスの排出を減らすことが世界的な課題となっている。ガスタービンにおいては熱効率の上昇を図ることでその対策を実施しているが、動静翼の耐用温度により大きく制約を受けているのが実情である。実際、現在動静翼にはニッケル基耐熱合金が用いられているが、融点の制約により耐用温度は１１００℃程度といわれている。

このガスタービンの動静翼材料に用いられているニッケル基耐熱合金においては、γ′（ガンマプライム）相による析出強化により高温強度（クリープ、疲れ等）を発現しているが、この合金の融点は１３５０℃前後であるため、冷却及びコーティング技術を用いても前記のとおりその耐用温度は１１００℃程度に止まっている。このため、従来のニッケル基耐熱合金に代わって、より高温で使用できる耐熱合金が求められている（たとえば非特許文献１−６参照）。

このような状況において、クロム基合金は高融点で、すぐれた耐食性、耐酸化性、良好な熱伝導性を有し、ニッケル基合金よりも低い密度である等々の性質によりニッケル基耐熱合金の代替合金として期待される（非特許文献７参照）。しかしながら、現状においては、高い延性脆性遷移温度や窒素吸収による室温脆化のため、室温での低延性、低靱性、加工性の悪さ等が克服できないである。このため、Ｎｉ基合金に代わり得るものとはなっていない。なお、レニウムをある程度以上添加すると延性を示すことが判明しているが、レニウムは希少金属として極めて高価であり、また、その添加による効果も必ずしも実用的なレベルではない。
Aerosp. Sci. Technol. ３（１９９９）５１３−５２３日本ガスタービン学会誌 vol.２８，No.４, ２０００．７、１４−２０日本金属学会誌第６６巻、第９号（２００２）、８７３−８７６ METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A, Vol.３３Ａ，Dec.２００２，３７４１−３７４６ Scripta Materialia, ４９（２００３）１０４１−１０４６まてりあ(Materia Japan), 第４２巻、第９号（２００３）、６２１−６２５工業材料、２００２年８月号、６１−６４

そこで、この出願の発明は、以上のような背景から、Ｎｉ基合金に実用的に代替し得るものとして、クロム基合金の、高融点、優れた耐食性、耐酸化性、熱伝導性等の特徴を生かしつつ、しかも、室温での延性も良好な、新しいクロム合金を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、その組成において、銀を０．１〜５原子％含有し、残部がクロムと不可避的不純物とからなることを特徴とするクロム合金を提供する。

また、第２には、その組成において、銀を０．１〜５原子％含有するとともに、ケイ素０．０５〜６．０原子％またはアルミニウム０．０５〜１０原子％、もしくはケイ素とアルミニウムをその合計量として０．０５〜１０原子％含有し、残部がクロムと不可避的不純物とからなることを特徴とするクロム合金を提供する。

そして、第３には、上記第１または第２の発明の合金において、その組成に、Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｎｉ，ＰｔおよびＩｒのうちの１種以上が合計量として１０原子％以下で含有されていることを特徴とするクロム合金を提供する。

第４には、第１ないし第３の発明のいずれのクロム合金であって、単結晶凝固法、一方向凝固法、粉末冶金、鋳造および鍛造の１種以上の手段によって製造されていることを特徴とするクロム合金を提供し、第５には、第１ないし第４の発明のいずれのクロム合金を主として構成されていることを特徴とする高温用物品を提供する。

上記のとおりのこの出願の発明によって、従来のＮｉ基合金に実用的に代替し得るものとして、クロム基合金の、高融点、優れた耐食性、耐酸化性、熱伝導性等の特徴を生かしつつ、しかも、室温での延性も良好な、新しいクロム合金が提供される。

また、このクロム合金によって、航空用ジェットエンジンおよび産業用ガスタービンの動静翼、吸入および排出バルブ、ロッカーアーム、連結棒、およびオートバイおよび自動車エンジン用ターボチャージャーの耐熱ホイール等の各種用途のための高温用物品が提供される。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施のための形態について説明する。

まずなによりも強調されることは、この出願の発明のクロム合金では、クロムに銀を添加することで、比較的低密度、高融点、良好な熱伝導性を維持し、室温で十分な延性を有するクロム基耐熱合金を実現していることである。室温での引張延性の向上のためには、クロムに銀を最小の０．１原子％添加することが必要であり、５原子％を越えると融点が急激に低下し、高温強度が減少する。このため、延性と強度のバランスから銀の添加量は０．１〜５原子％の範囲とする。さらには、０．５〜３．５原子％とすることが好ましい。

この出願の発明のクロム合金は、室温から高温（１６００℃）まで単相組織であり、強度は銀の添加による固溶強化により発現している。また、耐酸化性は高温（１３００℃）においてクロム単体より著しくすぐれている。

そして、この出願の発明の銀含有のクロム合金においては、ケイ素、アルミニウムを前記のとおりに含有させることができる。このケイ素、アルミニウムの添加は耐酸化性のさらなる向上のために有効である。ただ、その添加量が多すぎると延性が低下することから、前記のとおりの範囲において添加することが考慮される。

また、さらに、強度向上のためにＭｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈの添加が考慮されてよい
が、添加量が過多であると延性の低下をまねくことになる。一方、延性の向上にはＲｕ、Ｐｔ、Ｎｉの添加も考慮されるが過剰な場合には密度増加や強度低下となる。Ｒｅ、Ｉｒの添加は、強度とともに延性も向上させるのに考慮されるが、過剰な場合には密度を増加させるので好ましくない。

これらの元素の添加には、その総量が前記のとおり１０原子％以下に抑えられるべきである。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

＜実施例１＞
次の表１に示した組成のクロム銀合金(alloy１〜６）の各々を、アーク溶解により鋳造した。

図１は、５原子％の銀を添加したクロム合金(alloy６）を５℃／ｍｉｎの速度で室温から１６００℃まで昇温し、その後室温まで下降させた熱サイクル中の典型的な示差熱分析（ＤＴＡ）のサーモグラフを示したものである。この図１の結果から、室温から１６００℃の温度範囲では単相であることが判明した。

また、図２は、長さ１２×幅５×厚さ１（ｍｍ）の板状試験片を室温で静的に引張った場合の、銀添加クロム合金(alloy１〜６）の引張塑性歪（％）と銀添加量（原子％）との関係を示したものである。

この図２からは、銀を２原子％含有するクロム合金(alloy５)の場合には、室温で約２
４％の伸びを示すことが確認される。同様にして、銀添加量を種々変更した合金については、図２から、銀が２〜３．４原子％のクロム合金では室温で２４％以上の伸びを示し、銀が０．５原子％以上のクロム合金では、室温で１３％以上の伸びを示すことが確認される。実用的な構造用合金としては室温での引張延性（伸び）が２％以上必要であるとされているが、この出願の発明の銀を０．１原子％含有するクロム合金では、この２％の延性にすでに達してもいる。

そして、銀の添加量として好ましい０．５原子％〜３．５原子％の範囲では室温での延性が１０〜２４％の優れた性質を有するこの出願の発明の銀含有クロム合金は、実用合金としてのＮｉ基耐熱合金であるＣＭＳＸ−４、ＣＭＳＸ−１０、さらにはこの出願の発明者らが開発したＣＭＳＸ合金とほぼ同等以上の性能を有するＮｉ基合金ＴＭＳ−７５の室温での延性が最大でも６〜７％であることを考慮すると、十分、かつ顕著な室温での引張延性を有していることがわかる。

図３は、室温から１４００℃の温度範囲での０．２％降伏強度と銀添加量との関係を示している。降伏強度は銀の添加量が多い程固溶強化により増大し、５原子％銀を添加した合金(alloy６)は室温でクロム単体より５０％近く増加していることがわかる。高温にな
ると銀の添加による固溶強化の効果は低下するが、１４００℃においてもクロム単体よりは大きい値を示している。

このように降伏強度（０．２％耐力）が、１０００℃で５０ＭＰａ以上、１２００℃でも２０〜３０ＭＰａ強、さらには１４００℃でも１０ＭＰａ以上であることは、この出願の発明の銀含有クロム合金の重要な特徴の一つである。従来のＮｉ基耐熱合金では１２００℃以上では使用が不可能であるのに対し、この出願の発明の合金は充分に使用可能である。

また、図４および図５は、０．５原子％の銀含有クロム合金(alloy３）並びに２原子％の銀含有クロム合金(alloy５）について、大気中１１００℃、大気中１３００℃における耐酸化性の試験結果を、銀を含有しないクロムの場合と比較して示した図である。この図４および図５に見られるように、銀を２原子％添加した合金(alloy５）は大気中１３００℃において優秀な耐酸化性を示した。
＜実施例２＞
実施例１と同様にして、アーク溶解による鋳造で表２の組成の合金を製造した。

表２の合金のうち、alloy９（Ｃｒ−６Ｓｉ−２Ａｇ）およびalloy11（Ｃｒ−６Ｉｒ−２Ａｇ）がこの出願の発明のクロム合金である。

表３は、表２の合金についての、室温における機械的性質（０．２％降伏強度、引張強度、伸び）の測定結果を示したものである。この出願の発明の合金においては、室温延性が改善され、機械的性質が顕著に向上していることが確認される。

この出願の発明のクロム合金は、室温引張延性を十分に有するクロム基合金としては初めての構造用合金であり、かつ高温における強度、耐酸化性等もすぐれているためガスタービンの翼用材料を中心に耐熱部品として実用化が期待できる。原料の純度、製造法等についても特別な水準を必要としない。ニッケル基耐熱合金の代替合金としては画期的である。

Ｃｒ−５Ａｇ合金についてのＤＴＡサーモグラフである。Ｃｒ−Ａｇ合金の引張塑性歪（％）とＡｇ添加量との関係を示した図である。温度およびＡｇ添加量との関係として、０．２％降伏強度を示した図である。Ｃｒ−Ａｇ合金の、大気中１１００℃における耐酸化性を示した図である。Ｃｒ−Ａｇ合金の、大気中１３００℃における耐酸化性を示した図である。

Claims

その組成において、銀を０．１〜５原子％含有し、残部がクロムと不可避的不純物とからなることを特徴とするクロム合金。
その組成において、銀を０．１〜５原子％含有するとともに、ケイ素０．０５〜６．０原子％またはアルミニウム０．０５〜１０原子％、もしくはケイ素とアルミニウムをその合計量として０．０５〜１０原子％含有し、残部がクロムと不可避的不純物とからなることを特徴とするクロム合金。
請求項１または２の合金において、その組成に、Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｎｉ，ＰｔおよびＩｒのうちの１種以上が合計量として１０原子％以下で含有されていることを特徴とするクロム合金。
請求項１ないし３のいずれのクロム合金であって、単結晶凝固法、一方向凝固法、粉末冶金、鋳造および鍛造の１種以上の手段によって製造されていることを特徴とするクロム合金。
請求項１ないし４のいずれかのクロム合金を主として構成されていることを特徴とする高温用物品。