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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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
との関係を示すグラフである。
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。
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