JP7153502B2 - 窒化物分散型Ni基合金からなる成形体 - Google Patents
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Description
Ni:40.0質量%以上80.0質量%以下
Cr:13.0質量%以上25.0%質量%以下
及び
C:0.001質量%以上0.30質量%以下
を含む。このNi基合金は、
Al:0.10質量%以上5.0質量%以下
Mo:0.10質量%以上12.0%質量%以下
Co:0.10質量%以上20.0%質量%以下
及び
W:0.10質量%以上6.0質量%以下
からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含む。このNi基合金は、Nb、Ti及びZrからなる群から選択された1種又は2種以上の元素を0.1質量%以上8.0質量%以下含む。このNi基合金は、0.010質量%以上0.20質量%以下のNをさらに含む。このNi基合金の残部は、Fe及び不可避的不純物である。この成形体には、窒化物が分散している。
このNi基合金は、
Ni:40.0質量%以上80.0質量%以下
Cr:15.0質量%以上25.0%質量%以下
及び
C:0.001質量%以上0.30質量%以下
を含む。
Niは、成形体の耐食性に寄与する。特にNiは、酸性環境下及び塩素イオン含有環境下における高温での耐食性に寄与する。この観点から、Ni基合金におけるNiの含有率は40.0質量%以上が好ましく、45.0質量%以上がより好ましく、50.0質量%以上が特に好ましい。オーステナイト相の安定性の観点、及びCr等の他元素との相互作用の観点から、Niの含有率は80.0質量%以下が好ましく、75.0質量%以下がより好ましく、70.0質量%以下が特に好ましい。
Crは、成形体が高温で使用されるときの耐酸化性に寄与する。この観点から、Ni基合金におけるCrの含有率は13.0質量%以上が好ましく、15.0質量%以上がより好ましく、16.0質量%以上が特に好ましい。過剰のCrは、δ相を生成させる。δ相は、成形体の高温強度と靭性とを阻害する。δ相抑制の観点から、Crの含有率は25.0質量%以下が好ましく、23.0質量%以下がより好ましく、22.0質量%以下が特に好ましい。
Cは、Nb、Ti等と結合し、MC型炭化物を形成する。Cはさらに、Cr、Mo、W等と結合し、M6C、M7C3及びM23C6のような炭化物を形成する。これらの炭化物は、成形体の高温強さに寄与する。この観点から、Ni基合金におけるCの含有率は0.001%以上が好ましく、0.010質量%以上がより好ましく、0.020質量%以上が特に好ましい。過剰のCは、結晶粒界に連続的な炭化物を析出させる。この炭化物は、成形体の耐食性及び靭性を阻害する。耐食性及び靱性の観点から、Cの含有率は0.30質量%以下が好ましく、0.20質量%以下がより好ましく、0.15質量%以下が特に好ましい。
このNi基合金は、Al、Mo、Co又はWを含む。Al、Mo、Co及びWは、成形体の耐熱性、耐酸化性及び強度(高温強度)に寄与する。Ni基合金が、Al、Mo、Co及びWのいずれかを単独で含有してもよい。Ni基合金が、Al、Mo、Co及びWからなる群から選択された2種以上の元素を含有してもよい。
Alは、γ‘相を生成させる。γ‘相は、成形体のクリープ破断強さ及び耐酸化性に寄与する。これらの観点から、Ni基合金におけるAlの含有率は0.10質量%以上が好ましく、0.20質量%以上がより好ましく、0.25質量%以上が特に好ましい。過剰のAlは、成形体の靱性を阻害する。靱性の観点から、Alの含有率は5.0質量%以下が好ましく、4.0質量%以下がより好ましく、3.5質量%以下が特に好ましい。
Moは、固溶強化に寄与する。この観点から、Ni基合金におけるMoの含有率は0.10質量%以上が好ましく、1.0質量%以上がより好ましく、2.0質量%以上が特に好ましい。過剰のMoは、μ相又はσ相の生成を助長する。μ相及びσ相は、成形体の靱性を損なう。靱性の観点から、Moの含有率は12.0質量%以下が好ましく、10.0質量%以下がより好ましく、8.0質量%以下が特に好ましい。
Coは、γ‘相のNi固溶体に対する溶解度を高める。従ってCoは、成形体の高温延性及び高温強度を高める。これらの観点から、Ni基合金におけるCoの含有率は0.10質量%以上が好ましく、3.0質量%以上がより好ましく、5.0質量%以上が特に好ましい。過剰のCoは、成形体の靱性及び強度を損なう。靱性及び強度の観点から、Coの含有率は20.0質量%以下が好ましく、18.0質量%以下がより好ましく、17.0質量%以下が特に好ましい。
Wは、固溶強化に寄与する。この観点から、Ni基合金におけるWの含有率は0.10質量%以上が好ましく、0.50質量%以上がより好ましく、1.0質量%以上が特に好ましい。過剰のWは、成形体の靱性及び強度を損なう。靱性及び強度の観点から、Wの含有率は6.0質量%以下が好ましく、5.0質量%以下がより好ましく、4.5質量%以下が特に好ましい。
このNi基合金は、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)又はジルコニウム(Zr)を含む。Ni基合金が、Nb、Ti及びZrのいずれかを単独で含有してもよい。Ni基合金が、Nb、Ti及びZrからなる群から選択された2種以上の元素を含有してもよい。Nb、Ti及びZrのそれぞれは、C及びN(後に詳説)と結合して炭窒化物を生成する。この炭窒化物は、成形体の強度に寄与する。この観点から、Ni基合金におけるNb、Ti及びZrの合計含有率は0.1質量%以上が好ましく、1.0質量%以上がより好ましく、1.5質量%以上が特に好ましい。過剰のNb、Ti及びZrは、成形体の靱性及び強度を損なう。靱性及び強度の観点から、Nb、Ti及びZrの合計含有率は8.0質量%以下が好ましく、7.5質量%以下がより好ましく、7.0質量%以下が特に好ましい。
このNi基合金は、Nをさらに含む。NはNb、Ti又はZrと結合し、窒化物(炭窒化物を含む)を形成する。この窒化物は、成形体の強度に寄与する。この観点から、Ni基合金におけるNの含有率は0.010質量%以上が好ましく、0.030質量%以上がより好ましく、0.040質量%以上が特に好ましい。過剰のNは、過剰の窒化物を生成する。過剰な窒化物は、成形体の靱性を阻害する。靱性の観点から、Nの含有率は0.20質量%以下が好ましく、0.15質量%以下がより好ましく、0.10質量%以下が特に好ましい。
Ni基合金の残部は、Fe及び不可避的不純物である。
前述の通り、この成形体には、窒化物が分散している。この窒化物には、炭窒化物が含まれる。この窒化物は、成形体の高温強度に寄与しうる。この窒化物はさらに、成形体の耐クリープ性にも寄与しうる。炭窒化物として、Nb-C-N化合物、Ti-C-N化合物、Zr-C-N化合物、Nb-Ti-C-N化合物、Ti-Zr-C-N化合物、Zr-Nb-C-N化合物及びNb-Ti-Zr-C-N化合物が例示される。炭窒化物以外の窒化物として、Nb-N化合物、Ti-N化合物、Zr-N化合物、Nb-Ti-N化合物、Ti-Zr-N化合物、Zr-Nb-N化合物及びNb-Ti-Zr-N化合物が例示される。
粉末の製造方法には、種々の方法が採用されうる。好ましくは、粉末は、アトマイズによって得られうる。好ましいアトマイズは、ガスアトマイズである。ガスアトマイズでは、底部に細孔を有する容器(石英坩堝)の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス又は窒素ガスの雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。細孔から流出する原料に、アルゴンガス又は窒素ガスが噴射される。原料は急冷されて凝固し、粉末が得られる。
この粉末に、必要に応じ、分級(例えば粒子径が500μm以下の粒子を抽出)がなされる。分級後の粉末が、炭素鋼製のカプセルに充填される。このカプセルの内部が真空脱気され、さらにこのカプセルが封止されてビレットが得られる。このビレットに、HIP成形(熱間等方圧プレス)が施される。HIP成形の、好ましい圧力は50MPa以上300MPa以下であり、好ましい焼結温度は1000℃以上1350℃以下である。HIP成形により、成形体が得られる。
所定の組成を有する原料を、準備した。この原料を、アルゴンガス雰囲気中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が5mmのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、窒素ガスを噴霧し、粉末を得た。この粉末の組成が、下記の表1に示されている。この粉末を炭素鋼製のカプセルに入れ、真空脱気した。このカプセルを封止し、ビレットを得た。このビレットに、HIP成形を施した。HIPの温度は、1200℃であった。HIPにより、φ50の棒状成形体が得られた。この成形体に、熱処理を施した。
原料の組成を変更した他は、実施例1と同様にして、実施例2-8及び比較例13-20の成形体を得た。粉末の組成が、下記の表1及び3に示されている。
溶製により、下記の表2に示される組成の成形体を得た。この成形体に、熱処理を施した。
成形体から、切削にて試験片を製作した。この試験片を、649℃(1200F)の環境下で引張り試験に供し、引っ張り強度と破断伸びとを測定した。この結果が、下記の表1-3に示されている。
EMPAのマッピングを実施し、画像解析により長径の平均Aa及び密度Dnを算出した。この結果が、下記の表1-3に示されている。
Claims (4)
- その材質がNi基合金である粉末が固化されて得られる成形体であって、
上記Ni基合金が、
Ni:40.0質量%以上80.0質量%以下
Cr:13.0質量%以上25.0質量%以下
及び
C:0.001質量%以上0.30質量%以下
を含んでおり、
上記Ni基合金が、
Al:0.10質量%以上5.0質量%以下
Mo:0.10質量%以上12.0質量%以下
Co:0.10質量%以上20.0質量%以下
及び
W:0.10質量%以上6.0質量%以下
からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含み、
上記Ni基合金が、Nb、Ti及びZrからなる群から選択された1種又は2種以上の元素を0.1質量%以上8.0質量%以下含み、
上記Ni基合金が、0.030質量%以上0.20質量%以下のNをさらに含み、
上記Ni基合金の残部は、Fe及び不可避的不純物であり、
窒化物が分散しており、
上記窒化物の長径Aの平均Aaが3.0μm以下である成形体。 - 上記窒化物が、Nb、Ti又はZrの窒化物である請求項1に記載の成形体。
- 上記窒化物が、上記成形体の結晶の、粒界及び粒内に分散している請求項1又は2に記載の成形体。
- その長径Aが3.0μm以上である窒化物の密度Dnが、0.75個/100μm2以下である請求項1から3のいずれかに記載の成形体。
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