JP3480698B2 - 高温における強度−延性バランスに優れるＣｒ基合金 - Google Patents
高温における強度−延性バランスに優れるＣｒ基合金Info
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- C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
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- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温（1000℃以
上、とりわけ1050℃以上の超高温域）で優れた強度−延
性バランスを有するCr基合金に関するものである。
上、とりわけ1050℃以上の超高温域）で優れた強度−延
性バランスを有するCr基合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近の産業・工業の分野における技術進
歩、また環境問題に対する関心の高まりなどから、高
温、特に1000℃以上の高温域において、高強度でしかも
高延性を具えた金属材料の出現が強く要請されるように
なってきた。ところで、従来から用いられてきた高温材
料は、主としてNi基、Cr基、Co基の合金であった。例え
ば、特公昭64-7145号公報には、Cr：20〜35wt％、Si：1
〜8wt％、Ｃ：1.7〜3.5wt％を含み、Ｍ7Ｃ3型の炭化物
を形成させたNi基合金が、また特開昭55-154542号公報
には、Ni：20〜47wt％、Co：6〜35wt％、Cr：18〜36wt
％、Ｃ：0.6〜2.5wt％、Si：0.5〜2.5wt％を含むNi−Co
−Cr系合金がそれぞれ提案されている。しかしながら、
これらの合金はいずれも実用的には500℃程度の温度ま
でしか使用できなかった。また、これらNiやCoを多量に
含む合金は材料の価格自体が非常に高価になり、さらに
熱膨張係数が大きいといった多くの問題も抱えていた。
歩、また環境問題に対する関心の高まりなどから、高
温、特に1000℃以上の高温域において、高強度でしかも
高延性を具えた金属材料の出現が強く要請されるように
なってきた。ところで、従来から用いられてきた高温材
料は、主としてNi基、Cr基、Co基の合金であった。例え
ば、特公昭64-7145号公報には、Cr：20〜35wt％、Si：1
〜8wt％、Ｃ：1.7〜3.5wt％を含み、Ｍ7Ｃ3型の炭化物
を形成させたNi基合金が、また特開昭55-154542号公報
には、Ni：20〜47wt％、Co：6〜35wt％、Cr：18〜36wt
％、Ｃ：0.6〜2.5wt％、Si：0.5〜2.5wt％を含むNi−Co
−Cr系合金がそれぞれ提案されている。しかしながら、
これらの合金はいずれも実用的には500℃程度の温度ま
でしか使用できなかった。また、これらNiやCoを多量に
含む合金は材料の価格自体が非常に高価になり、さらに
熱膨張係数が大きいといった多くの問題も抱えていた。
【０００３】Ni基やCo基の合金より安価で、熱膨張係数
の小さい高温材料としては、Cr系の合金が有望である。
例えば、特開平11−80902 号公報には、Ｃ：0.5 〜1.5
wt％、Si：1.0 〜4.0 wt％、Mn：0.5 〜2.0 wt％、Cr：
35〜60wt％を含有する、高温でのエロージョン・コロー
ジョン性を高めた高Cr合金が提案されている。しかし、
この高Cr合金も、高温域とくに1000℃以上では、十分な
強度を得ることは難しい。このようなCr系合金の強度を
さらに高めるには、Cr量の一層の増加が必要である。と
ころが、従来の技術でCr量を60mass％以上にすると、延
性がほとんどなくなってしまうために、溶製後の加工が
不可能になるという問題があった。このため、60mass％
以上のCr基合金は実用化されるまでには至っていなかっ
た。
の小さい高温材料としては、Cr系の合金が有望である。
例えば、特開平11−80902 号公報には、Ｃ：0.5 〜1.5
wt％、Si：1.0 〜4.0 wt％、Mn：0.5 〜2.0 wt％、Cr：
35〜60wt％を含有する、高温でのエロージョン・コロー
ジョン性を高めた高Cr合金が提案されている。しかし、
この高Cr合金も、高温域とくに1000℃以上では、十分な
強度を得ることは難しい。このようなCr系合金の強度を
さらに高めるには、Cr量の一層の増加が必要である。と
ころが、従来の技術でCr量を60mass％以上にすると、延
性がほとんどなくなってしまうために、溶製後の加工が
不可能になるという問題があった。このため、60mass％
以上のCr基合金は実用化されるまでには至っていなかっ
た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、超高
温環境での使用に耐えうる材料への要請が益々高まりつ
つある状況にもかかわらず、高温で十分な強度を有し、
加工性（延性）を具えた実用的な材料がこれまでには存
在しなかった。そこで、本発明の目的は、従来技術が抱
えている上記問題を解消することにあり、1000℃以上の
高温、とりわけ1050℃以上の高温において、従来合金で
は達成しえなかった優れた強度−延性バランスを具えた
Cr基合金を提供することにある。
温環境での使用に耐えうる材料への要請が益々高まりつ
つある状況にもかかわらず、高温で十分な強度を有し、
加工性（延性）を具えた実用的な材料がこれまでには存
在しなかった。そこで、本発明の目的は、従来技術が抱
えている上記問題を解消することにあり、1000℃以上の
高温、とりわけ1050℃以上の高温において、従来合金で
は達成しえなかった優れた強度−延性バランスを具えた
Cr基合金を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】発明者らは、経済性や熱
膨張係数の上から有利なCr基合金を対象にして、上記課
題の解決に向けて鋭意研究した。その結果、60mass％以
上のCrを含有するCr基合金であっても、合金中のＣ＋
Ｎ、Ｓ、Ｏの含有量および酸化物量を限界量以下に制御
すれば、延性を付与することができ、高温強度と延性と
を両立させうることを見いだし、本発明を完成するにい
たった。
膨張係数の上から有利なCr基合金を対象にして、上記課
題の解決に向けて鋭意研究した。その結果、60mass％以
上のCrを含有するCr基合金であっても、合金中のＣ＋
Ｎ、Ｓ、Ｏの含有量および酸化物量を限界量以下に制御
すれば、延性を付与することができ、高温強度と延性と
を両立させうることを見いだし、本発明を完成するにい
たった。
【０００６】このようにして完成した本発明は、Cr：60
mass％以上、Ｃ＋Ｎ：20mass ppm以下、Ｓ：20mass ppm
以下、Ｏ：100mass ppm以下、かつ酸化物としてのＯ：5
0mass ppm以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純
物からなり、1050℃以上における強度−延性バランス
が、ＲＡ×ＴＳ≧10000（％・MPa）であることを特徴と
する高温における強度−延性バランスに優れるCr基合金
である。また、この発明は、Cr：65mass％以上、Ｃ＋
Ｎ：20mass ppm以下、Ｓ：20massppm以下、Ｏ：100mass
ppm以下、かつ酸化物としてのＯ：50mass ppm以下を含
有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、1050℃
以上における強度−延性バランスが、ＲＡ×ＴＳ≧1000
0（％・MPa）であることを特徴とする高温における強度
−延性バランスに優れるCr基合金である。
mass％以上、Ｃ＋Ｎ：20mass ppm以下、Ｓ：20mass ppm
以下、Ｏ：100mass ppm以下、かつ酸化物としてのＯ：5
0mass ppm以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純
物からなり、1050℃以上における強度−延性バランス
が、ＲＡ×ＴＳ≧10000（％・MPa）であることを特徴と
する高温における強度−延性バランスに優れるCr基合金
である。また、この発明は、Cr：65mass％以上、Ｃ＋
Ｎ：20mass ppm以下、Ｓ：20massppm以下、Ｏ：100mass
ppm以下、かつ酸化物としてのＯ：50mass ppm以下を含
有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、1050℃
以上における強度−延性バランスが、ＲＡ×ＴＳ≧1000
0（％・MPa）であることを特徴とする高温における強度
−延性バランスに優れるCr基合金である。
【０００７】
【発明の実施の形態】まず、本発明を想到する契機とな
った実験について説明する。原料の純度および溶解条件
を変化させることにより、65mass％Crを含有するCr基合
金を種々溶製し、熱間鍛造により25mmの棒状試片とし
た。ここで、加工性が劣り棒状への加工が困難な合金に
ついては、熱間鍛造→手入れ→再加熱→熱間鍛造を繰り
返して加工した。これら棒状試片を1250℃に加熱後水冷
し、直径6.5 mm、長さ120 mmの丸棒試験片を切り出し
た。この丸棒試験片を用いて、直接通電方式の高温引張
り試験機（グリーブル試験機）により、1100℃における
強度（引張強さ）と延性（断面積の減少率）を測定し
た。
った実験について説明する。原料の純度および溶解条件
を変化させることにより、65mass％Crを含有するCr基合
金を種々溶製し、熱間鍛造により25mmの棒状試片とし
た。ここで、加工性が劣り棒状への加工が困難な合金に
ついては、熱間鍛造→手入れ→再加熱→熱間鍛造を繰り
返して加工した。これら棒状試片を1250℃に加熱後水冷
し、直径6.5 mm、長さ120 mmの丸棒試験片を切り出し
た。この丸棒試験片を用いて、直接通電方式の高温引張
り試験機（グリーブル試験機）により、1100℃における
強度（引張強さ）と延性（断面積の減少率）を測定し
た。
【０００８】図１に、高温での強度−延性バランス（断
面積の減少率ＲＡと引張強さＴＳとの積）におよぼすＣ
＋Ｎ量の影響を示す。図１から、高温域における強度−
延性バランスの良好域であるといえるＲＡ×ＴＳ≧1000
0 （％・ＭＰａ）とするためには、単にＣ＋Ｎ量を低減
するだけでなく、Ｓ量およびＯ量をも制御することが必
要であることがわかった。本発明はかかる知見をベース
にして完成したものである。
面積の減少率ＲＡと引張強さＴＳとの積）におよぼすＣ
＋Ｎ量の影響を示す。図１から、高温域における強度−
延性バランスの良好域であるといえるＲＡ×ＴＳ≧1000
0 （％・ＭＰａ）とするためには、単にＣ＋Ｎ量を低減
するだけでなく、Ｓ量およびＯ量をも制御することが必
要であることがわかった。本発明はかかる知見をベース
にして完成したものである。
【０００９】次に、本発明の成分を上記範囲に限定した
理由について説明する。 ・Cr：60mass％以上 Crは、高温域における強度を確保するために必要な元素
であり、その量が60mass％未満では、1050℃以上での強
度確保が困難となるので、60mass％以上含有させること
が必要である。なお、十分な特性を発揮させるには65ma
ss％以上含有させることが好ましい。また、Cr量の上限
はとくに定める必要はないが、溶製上の理由から99.99m
ass％が限界である。
理由について説明する。 ・Cr：60mass％以上 Crは、高温域における強度を確保するために必要な元素
であり、その量が60mass％未満では、1050℃以上での強
度確保が困難となるので、60mass％以上含有させること
が必要である。なお、十分な特性を発揮させるには65ma
ss％以上含有させることが好ましい。また、Cr量の上限
はとくに定める必要はないが、溶製上の理由から99.99m
ass％が限界である。
【００１０】・Ｃ＋Ｎ：20 mass ppm 以下
ＣおよびＮは、1000℃以下でCr炭・窒化物を形成して、
Cr基合金の脆化および耐食性の低下を招く。また、この
ＣおよびＮは、1000℃以上の高温域では固溶状態で存在
し延性を低下させる。これらの特性低下を招かないため
には、Ｃ＋Ｎとして20mass ppm以下とする必要がある。
なお、延性の低下をより少なくするためにはＣ＋Ｎを10
mass ppm以下にすることが好ましい。また、下限値は特
に規定しないが、工業的には、溶製時間を考慮して、0.
1mass ppm までとするのが望ましい。
Cr基合金の脆化および耐食性の低下を招く。また、この
ＣおよびＮは、1000℃以上の高温域では固溶状態で存在
し延性を低下させる。これらの特性低下を招かないため
には、Ｃ＋Ｎとして20mass ppm以下とする必要がある。
なお、延性の低下をより少なくするためにはＣ＋Ｎを10
mass ppm以下にすることが好ましい。また、下限値は特
に規定しないが、工業的には、溶製時間を考慮して、0.
1mass ppm までとするのが望ましい。
【００１１】・Ｓ：20 mass ppm 以下
Ｓは、Cr基合金中にわずかに含まれる、Ti、Cu、Mnなど
の微量金属元素と硫化物を形成して存在するか、固溶状
態で粒界に偏析して存在し、いずれの場合とも延性の低
下を招く。このような延性の低下は、Ｓ量が20 mass pp
m を超えると著しくなるので、その上限を20 mass ppm
とする。なお、延性低下をより少なくするためには、Ｓ
量を10 mass ppm 以下に抑制するのが望ましい。また、
Ｓの下限量については特に定めないが、溶製コストを考
えると0.1 mass ppmまでとするのが望ましい。
の微量金属元素と硫化物を形成して存在するか、固溶状
態で粒界に偏析して存在し、いずれの場合とも延性の低
下を招く。このような延性の低下は、Ｓ量が20 mass pp
m を超えると著しくなるので、その上限を20 mass ppm
とする。なお、延性低下をより少なくするためには、Ｓ
量を10 mass ppm 以下に抑制するのが望ましい。また、
Ｓの下限量については特に定めないが、溶製コストを考
えると0.1 mass ppmまでとするのが望ましい。
【００１２】・Ｏ（全Ｏ）：100 mass ppm以下、かつ酸
化物としてのＯ：50 mass ppm 以下 Ｏは、Cr基合金中にわずかに含まれる、Al、Siなどの微
量金属元素と酸化物を形成し、延性の低下を招く。この
ような悪影響を避けるには、Ｏ量（全Ｏ量）を100 mass
ppm以下、かつ酸化物として存在するＯ量を50 mass pp
m 以下に制限する必要がある。なお、より高い延性を維
持するためには、Ｏ量を50 mass ppm 以下、かつ酸化物
としてのＯ量を30 mass ppm 以下とするのが好ましい。
Ｏ量および酸化物としてのＯ量の下限は定めないが、溶
製コストを考えて、それぞれ5 mass ppm、3 mass ppmと
するのが好ましい。
化物としてのＯ：50 mass ppm 以下 Ｏは、Cr基合金中にわずかに含まれる、Al、Siなどの微
量金属元素と酸化物を形成し、延性の低下を招く。この
ような悪影響を避けるには、Ｏ量（全Ｏ量）を100 mass
ppm以下、かつ酸化物として存在するＯ量を50 mass pp
m 以下に制限する必要がある。なお、より高い延性を維
持するためには、Ｏ量を50 mass ppm 以下、かつ酸化物
としてのＯ量を30 mass ppm 以下とするのが好ましい。
Ｏ量および酸化物としてのＯ量の下限は定めないが、溶
製コストを考えて、それぞれ5 mass ppm、3 mass ppmと
するのが好ましい。
【００１３】以上述べた成分元素以外は、Feおよび不可
避的不純物とする。なお、残余の元素をFeとしたのは、
Cr−Fe合金が延性とコストの点からもっとも有利である
からである。本発明合金は、1050℃以上の高温域におい
て優れた強度と延性を有しているが、かかる合金は、と
くに高純度の原料を用いることと、溶解条件について留
意する以外は常法にしたがって製造することができる。
これらのうち、例えば、原料は99.9mass％以上のクロム
を使用すること、溶解条件はルツボからの不純物の混入
が少ないスカル溶解法を用い真空度を10-5Torr以上とす
ることなどが望ましい。
避的不純物とする。なお、残余の元素をFeとしたのは、
Cr−Fe合金が延性とコストの点からもっとも有利である
からである。本発明合金は、1050℃以上の高温域におい
て優れた強度と延性を有しているが、かかる合金は、と
くに高純度の原料を用いることと、溶解条件について留
意する以外は常法にしたがって製造することができる。
これらのうち、例えば、原料は99.9mass％以上のクロム
を使用すること、溶解条件はルツボからの不純物の混入
が少ないスカル溶解法を用い真空度を10-5Torr以上とす
ることなどが望ましい。
【００１４】
【実施例】表１に示す成分からなる各種Cr基合金を溶製
した。溶製には高純度クロム（純度99.95 mass％）、超
高純度電解鉄（純度99.998mass％）を使用し、水冷銅る
つぼを用いスカル溶解法を採用した。このインゴットを
950〜1200℃で熱間鍛造（加工性が劣る合金について
は、もっとも延性のある温度域で、熱間鍛造→手入れ→
再加熱→熱間鍛造を繰り返して鍛造）して25mmの棒状試
片とした。これら棒状試片を1250℃に加熱後水冷してか
ら、直径6.5 mm、長さ120 mmの丸棒試験片を切り出し
た。この試験片を用いて、直接通電方式の高温引張り試
験機（グリーブル試験機）により高温での延性（断面積
の減少率）を測定した。比較のために、同様の試験を商
用の耐熱材料である54Ni−18Cr−３Mo合金（インコネル
７１８）についても実施した。
した。溶製には高純度クロム（純度99.95 mass％）、超
高純度電解鉄（純度99.998mass％）を使用し、水冷銅る
つぼを用いスカル溶解法を採用した。このインゴットを
950〜1200℃で熱間鍛造（加工性が劣る合金について
は、もっとも延性のある温度域で、熱間鍛造→手入れ→
再加熱→熱間鍛造を繰り返して鍛造）して25mmの棒状試
片とした。これら棒状試片を1250℃に加熱後水冷してか
ら、直径6.5 mm、長さ120 mmの丸棒試験片を切り出し
た。この試験片を用いて、直接通電方式の高温引張り試
験機（グリーブル試験機）により高温での延性（断面積
の減少率）を測定した。比較のために、同様の試験を商
用の耐熱材料である54Ni−18Cr−３Mo合金（インコネル
７１８）についても実施した。
【００１５】
【表１】
【００１６】得られた高温引張り試験の測定結果を表２
に示す。Cr量が60mass％未満の合金ＡおよびＢは高温で
の強度が低下している。また、従来から耐熱材料として
用いられている54Ni−18Cr−3Mo合金は、1000℃を超え
ると急激に延性が低下し、1200℃でのＲＡは０％とな
る。これに対して、発明合金は1050℃以上の高温でいず
れも強度−延性バランスを表すＲＡ×ＴＳ≧10000（％
・MPa）を示し、きわめて優れた強度−延性バランスを
有していることが分かる。
に示す。Cr量が60mass％未満の合金ＡおよびＢは高温で
の強度が低下している。また、従来から耐熱材料として
用いられている54Ni−18Cr−3Mo合金は、1000℃を超え
ると急激に延性が低下し、1200℃でのＲＡは０％とな
る。これに対して、発明合金は1050℃以上の高温でいず
れも強度−延性バランスを表すＲＡ×ＴＳ≧10000（％
・MPa）を示し、きわめて優れた強度−延性バランスを
有していることが分かる。
【００１７】
【表２】
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
1000℃以上、とりわけ1050℃以上の高温域における強度
−延性バランスに優れたCr基合金を提供することが可能
になる。従って、本発明は、高温材料が必要とされる各
種の産業分野で貢献するとともに地球環境の改善にも寄
与するところ大である。
1000℃以上、とりわけ1050℃以上の高温域における強度
−延性バランスに優れたCr基合金を提供することが可能
になる。従って、本発明は、高温材料が必要とされる各
種の産業分野で貢献するとともに地球環境の改善にも寄
与するところ大である。
【図１】1100℃における強度−延性バランスとＣ＋Ｎ量
との関係を示すグラフである。
との関係を示すグラフである。
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平７−278718（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−162545（ＪＰ，Ａ)
特開 昭48−102023（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−225899（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−49604（ＪＰ，Ａ)
大工研ニュース ＶＯＬ．43 ＮＯ.
３（４月 1999）安彦兼次「超高純度金
属を研究する」５．高Ｃｒ−Ｆｅ合金の
超高純度化
Claims (2)
- 【請求項１】Cr：60mass％以上、 Ｃ＋Ｎ：20mass ppm以下、 Ｓ：20mass ppm以下、 Ｏ：100mass ppm以下、かつ 酸化物としてのＯ：50mass ppm以下を含有し、残部はFe
および不可避的不純物からなり、 1050℃以上における強度−延性バランスが、ＲＡ×ＴＳ
≧10000（％・MPa）であることを特徴とする高温におけ
る強度−延性バランスに優れるCr基合金。 - 【請求項２】Cr：65mass％以上、 Ｃ＋Ｎ：20mass ppm以下、 Ｓ：20mass ppm以下、 Ｏ：100mass ppm以下、かつ 酸化物としてのＯ：50mass ppm以下を含有し、残部はFe
および不可避的不純物からなり、 1050℃以上における強度−延性バランスが、ＲＡ×ＴＳ
≧10000（％・MPa）であることを特徴とする高温におけ
る強度−延性バランスに優れるCr基合金。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14832699A JP3480698B2 (ja) | 1999-05-27 | 1999-05-27 | 高温における強度−延性バランスに優れるＣｒ基合金 |
| US09/926,600 US7037467B1 (en) | 1999-05-27 | 2000-05-26 | Cr-based alloy excellent in balance between strength and ductility at high temperature |
| CA002375354A CA2375354C (en) | 1999-05-27 | 2000-05-26 | Cr-based alloy having an excellent strength-ductility balance at high temperature |
| PCT/JP2000/003399 WO2000073523A1 (fr) | 1999-05-27 | 2000-05-26 | Alliage a base de chrome dote d'un excellent equilibre resistance-ductilite a haute temperature |
| EP00929875A EP1205568B1 (en) | 1999-05-27 | 2000-05-26 | Cr-BASE ALLOY EXCELLENT IN BALANCE BETWEEN STRENGTH AND DUCTILITY AT HIGH TEMPERATURE |
| DE60016420T DE60016420T2 (de) | 1999-05-27 | 2000-05-26 | Auf chrom basierende legierung mit ausgezeichnetem gleichgewicht zwischen festigkeit und duktilität bei hohen temperaturen |
| US11/211,641 US8685315B2 (en) | 1999-05-27 | 2005-08-26 | Cr-based alloy having an excellent strength-ductility balance at high temperature |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14832699A JP3480698B2 (ja) | 1999-05-27 | 1999-05-27 | 高温における強度−延性バランスに優れるＣｒ基合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000336449A JP2000336449A (ja) | 2000-12-05 |
| JP3480698B2 true JP3480698B2 (ja) | 2003-12-22 |
Family
ID=15450286
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14832699A Expired - Fee Related JP3480698B2 (ja) | 1999-05-27 | 1999-05-27 | 高温における強度−延性バランスに優れるＣｒ基合金 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US7037467B1 (ja) |
| EP (1) | EP1205568B1 (ja) |
| JP (1) | JP3480698B2 (ja) |
| CA (1) | CA2375354C (ja) |
| DE (1) | DE60016420T2 (ja) |
| WO (1) | WO2000073523A1 (ja) |
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| 大工研ニュース ＶＯＬ．４３ ＮＯ．３（４月 １９９９）安彦兼次「超高純度金属を研究する」５．高Ｃｒ−Ｆｅ合金の超高純度化 |
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