JP7228124B2

JP7228124B2 - 熱間加工材の製造方法

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Publication number: JP7228124B2
Application number: JP2018187597A
Authority: JP
Inventors: 拓至大竹; 琢磨岡島; 元嗣大▲崎▼
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2023-02-24
Anticipated expiration: 2038-10-02
Also published as: JP2020056074A

Description

本発明は、Ｎｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法に関し、特に、主として、γ”相を強化相とする（γ”強化型、又はγ’/γ”複合強化型）Ｎｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法に関する。

Ｎｉ_３（Ｔｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔａ）で構成される金属間化合物であるγ’（ガンマプライム）相を母相（γ相）中に析出させたＮｉ基合金が知られている。かかる析出物を４０％以上といった高いモル比率で析出させた高強度鍛造合金が航空機エンジン部材などに用いられている。一方、高温で高い強度を示すこのような合金は熱間加工性に欠けるが、γ’相の固溶温度よりも低い温度で高いひずみ速度の塑性加工を加えることによって動的再結晶を生じさせて、熱間加工性を確保する加工方法が提案されている。

例えば、特許文献１では、γ’相の固溶温度以下で１．０／秒を超える高いひずみ速度の塑性加工を行うＮｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法において、塑性加工前に、インゴットをγ’相の固溶温度以上に加熱してγ’相を一旦固溶させてγ相の単相とし、その後、３００℃／ｈ未満の冷却速度で固溶温度よりも少なくとも３００℃低い温度まで冷却することで、γ’相を析出させ且つ均一に粗大化させた組織を得ておこうとする製造方法を開示している。このγ’相の粗大化の程度が著しいほど、次の塑性加工において大きなひずみ速度による動的再結晶が促進され、塑性加工性の向上効果が顕著となる、と述べている。

ところで、大型の鍛造部材では、高いひずみ速度の塑性加工を与えることが難しく、上記したような動的再結晶を利用した加工方法を利用できない。そこで、析出するγ’相を過時効処理して粗大化させ、熱間加工性を確保する方法が提案されている。

例えば、特許文献２では、インゴットを１１３０～１２００℃の温度範囲で少なくとも２時間保持する均質化熱処理の後、０．０３℃／秒以下の冷却速度でγ’相が析出する温度まで徐々に冷却してγ’相の成長を促し、次いで、９５０～１１６０℃のγ’相固溶温度以下に昇温して２時間以上保持する熱処理を行い、更に、０．０３℃／秒以下の冷却速度で冷却してγ’相を成長させるとしている。このとき得られる一次γ’相の平均粒径は１μｍ以上であり、高い熱間加工性を得られるとしている。

特開２０１７－１７９５９２号公報国際公開第２０１６／１５２９８５号

高温機械強度に優れるＮｉ基合金として、析出させたγ”（ガンマダブルプライム）相の界面整合歪みによる強化を利用したＮｉ基合金、例えば、インコネル７１８（商品名）なども知られている。かかる合金においても、熱間加工性を確保する加工方法が求められており、上記したγ’相を強化相に利用した合金と同様に、γ”相を成長させることで熱間加工性を確保できることが期待される。

ところで、正方晶のγ”相はＮｉ_３Ｎｂの準安定相であって、一定の条件下で、母相であるγ相に対して非整合析出する斜方晶の安定相であるδ相へと変態してしまう。つまり、かかる合金系においては、γ”相とδ相とのバランスを制御することも必要となる。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、少なくともＮｂを含み、主として、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とするＮｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法を提供することにある。

本発明による熱間加工材の製造方法は、少なくともＮｂを含み、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とするＮｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法であって、熱間加工に先だって、インゴットを１０５０℃以上の温度に保持する均質化熱処理の後、５０℃／ｈ以下の冷却速度で８２０℃以下の温度まで冷却する冷却工程を含み、γ”相からなる金属間化合物粒子を析出・成長させることを特徴とする。

かかる発明によれば、γ”相からなる金属間化合物の粒子を析出させ成長させることで熱間加工性を確保して、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とするＮｉ基合金からなる熱間加工材を製造できるのである。

上記した発明において、前記冷却工程は、さらに続けて８５０～９７０℃の温度に加熱してからこの温度で保持する保持熱処理工程を含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、γ”相からなる金属間化合物の粒子を十分に成長させることができて、より確実に熱間加工性を確保し得る。

上記した発明において、前記金属間化合物粒子の平均粒径を０．１μｍ以上とすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、γ”相からなる成長した金属間化合物の粒子により熱間加工性を確保しつつも、高温機械強度に優れるＮｉ基合金を得られるのである。

また、本発明による他の熱間加工材の製造方法は、少なくともＮｂを含み、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とするＮｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法であって、熱間加工に先だって、インゴットを１０５０℃以上の温度に保持する均質化熱処理の後、５０℃／ｈ以下の冷却速度で８５０～９７０℃の温度まで冷却する冷却工程に続けて、この温度で保持してδ相からなる金属間化合物粒子を析出・成長させる保持熱処理工程を含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、安定相であるδ相からなる金属間化合物粒子を析出させ成長させることで熱間加工性を確保して、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とするＮｉ基合金からなる熱間加工材を製造できる。

上記した発明において、前記金属間化合物粒子の平均粒径を１．０μｍ以上とすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、δ相からなる成長した金属間化合物の粒子により熱間加工性を確保しつつも、高温機械強度に優れるＮｉ基合金を得られるのである。

上記した発明において、前記保持熱処理工程の保持時間を１時間以上とすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、金属間化合物からなる粒子を十分に成長させ得て熱間加工性を確保しつつも、高温機械強度に優れるＮｉ基合金を得られるのである。

上記した発明において、前記熱間加工に供される前記インゴットの室温硬さがＨＶ４５０以下であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば容易に熱間加工性を確保しつつも、高温機械強度に優れるＮｉ基合金を得られるのである。

上記した発明において、前記Ｎｉ基合金は、質量％で、Ｎｂを２～１０％含むとともに、Ａｌ及びＴｉをそれぞれ３％以下で含み得る成分組成を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、金属間化合物からなる粒子を十分に成長させ得て熱間加工性を確保しつつも、主としてγ”相による高温機械強度に優れるＮｉ基合金を得られるのである。

本発明による熱間加工材の製造方法の実施例に用いた合金の成分組成の表である。熱間加工材の製造方法の実施例を示す熱処理線図である。熱間加工材の熱履歴と室温硬さ測定結果の一覧表である。実施例１の顕微鏡組織写真である。実施例２及び３の顕微鏡組織写真である。実施例４～６顕微鏡組織写真である。

本発明による１つの実施例としてのＮｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法について、図１及び図２を用いて説明する。

ここで対象とするＮｉ基合金は、少なくともＮｂを含み、主として、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とすることで、部材として要求される高温強度が確保される成分組成を有している。

例えば、図１に示すように、このようなＮｉ基合金の成分組成の１例として、Ｎｂを２～１０質量％の範囲で含むようにしてもよい。また、Ａｌ及びＴｉをそれぞれ３質量％以下で含むようにしてもよい。

このような、主として、γ”相を強化相とする高温強度を要求されるＮｉ基合金では、一般的に熱間加工性に欠けるとされる。そこで、本願発明者らは良好な熱間加工性を確保すべく、熱間加工に先だって、γ”相からなる金属間化合物の粒子を析出させ、成長させておくことに想到した。

具体的には、図２に示すように、インゴットを１０５０℃以上の温度Ｔｅで保持する均質化熱処理工程を経て、５０℃／ｈ以下の冷却速度で８２０℃以下の温度Ｔ２まで冷却する冷却工程を含み、これによって上記したような金属間化合物の粒子を析出させ、且つ、成長させるのである。

ここで、熱履歴Ａ１のように、上記した冷却工程である第１冷却工程において８２０℃以下の温度Ｔ２まで徐冷した後、続けて、そのまま５０℃／ｈ以下の冷却速度で５００℃以下の温度Ｔ１まで徐冷してもよい。これによって、上記したようにγ”相からなる金属間化合物の粒子を析出させ、成長させることができる。なお、γ”相からなる金属間化合物の粒子は結晶粒内に析出核を生成して析出し、成長する傾向にある。これによって、熱間加工性を確保した熱間加工材を得ることができる。かかる熱間加工材であれば、熱間加工性を確保しつつも高温機械強度に優れる部材を得ることができる。

他方、第１冷却工程において８２０℃以下の温度Ｔ２まで徐冷した後、８５０～９７０℃の温度Ｔｒに再度加熱してからこの温度範囲内で保持する保持熱処理工程を含む熱履歴Ａ２のように処理してもよい。この場合、γ”相からなる金属間化合物の粒子の成長を促し、熱履歴Ａ１の場合よりもγ”相からなる金属間化合物の粒子を成長させ易い。また、保持熱処理工程の保持時間を長くすることでδ相からなる金属間化合物も析出させることができる。これによっても同様に熱間加工性を確保した熱間加工材を得ることができる。

本願発明者らは、さらに熱間加工性を確保する方法として、熱間加工に先だって、安定相であるδ相からなる金属間化合物の粒子を析出させ、成長させておくことにも想到した。

具体的には、図２の熱履歴Ｂに示すように、インゴットを１０５０℃以上の温度Ｔｅで保持する均質化熱処理工程を経て、５０℃／ｈ以下の冷却速度で８５０～９７０℃の温度Ｔｒまで冷却する冷却工程を含み、続けてそのまま温度Ｔｒで保持する保持熱処理工程を与える。このような、熱履歴Ｂによればδ相からなる金属間化合物の粒子を析出させ且つ成長させることができる。なお、δ相からなる金属間化合物の粒子は、上記したγ”相からなる金属間化合物の粒子とは異なり、結晶粒界に析出核を生成して析出し、結晶粒内へ向けて成長する傾向にある。

これによっても、熱間加工性を確保した熱間加工材を得ることができるとともに、高温機械強度に優れる部材を得ることができる。なお、保持熱処理工程による保持時間を調整し、δ相からなる金属間化合物の粒子の成長を制御でき、所望の機械特性の部材を得ることが可能である。

以上のような熱履歴Ａ１、Ａ２、Ｂによって得られる熱間加工材は、そのインゴットの室温での硬さ（室温硬さ）をＨＶ４５０以下とすることで、目安として熱間加工性を十分に確保することができて好ましい。また、δ相からなる金属間化合物の粒子の平均粒径を１．０μｍ以上とするように成長させることで、又は、γ”相からなる金属間化合物の粒子の平均粒径を０．１μｍ以上とするように成長させることで、金属間化合物の粒子の成長を十分得て、目安として熱間加工性を十分に確保できて好ましい。これらのような熱間加工材を得るために、例えば、上記した保持熱処理工程における保持時間を１時間以上とすることが考慮でき、δ相又はγ”相からなる金属間化合物の粒子を析出させた後、十分に成長させ得て、より確実に熱間加工性を確保できて好ましいのである。

［機械試験及び組織観察］
上記した製造方法で製造されたＮｉ基合金の熱間加工材について硬さ試験を行うとともに、組織観察を行ったのでこれらの結果を、図１乃至図６を用いて説明する。

図１に示す成分組成のＮｉ基合金を用いて、図３に示す熱履歴となるよう以下のように熱間加工材を製造した。

比較例１については、上記した成分組成のＮｉ基合金によるインゴットを１１８０℃×４ｈで均質化熱処理し、１１２０℃に加熱した後、分塊鍛造し、八角形の６５０×１７００Ｈのビレットを作成し、空冷した。なお、かかる空冷により割れが発生したが、この空冷による冷却速度は５００℃／ｈであった。

実施例１乃至６については、上記したインゴットから１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの試験片を切り出し、上記した熱履歴を与え、それぞれ硬さ試験及び組織観察に供した。熱履歴としては大型部材を想定して冷却速度を調整した。

組織観察においては、試験片の表面を鏡面研磨し、研磨面を１０％シュウ酸水溶液にて電界腐食した上で、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察し、組織写真を撮影した（図４～６参照）。

硬さ試験については、保持熱処理工程の後に、第２冷却工程（５００℃まで２０℃／ｈで徐冷）まで行った後の試料の硬さ測定の他、保持熱処理工程の後（第２冷却工程の前）に水冷して組織凍結した試料についても同様に硬さ測定を行った。また、組織観察については、組織凍結したものと第２冷却工程の後の試料で顕微鏡観察を行った。ここで、実施例１では、保持熱処理工程を与えず、第１冷却工程のみで５００℃以下まで冷却（徐冷）した熱履歴Ａ１（図２参照）を与えているが、「保持後の硬さ」では、９００℃に到達した時点から水冷（急冷）して組織凍結した試料について硬さ測定を行っている。

図３に図４を併せて参照すると、実施例１では、組織凍結した試料に比べて徐冷した試料での硬さが上昇した。このような硬さの差によって、徐冷中に割れが生じやすくなるものの、熱間加工材としての熱間加工性は確保できると考えられる。また、保持熱処理工程後の組織凍結した試料については、析出物をほとんど観察できず、その後の冷却工程においてγ”相による金属間化合物の粒子を析出させ成長させていることが観察された。

図３に図５を併せて参照すると、実施例２及び３は熱履歴Ｂ（図２参照）をそれぞれ与えたものである。最終製品において、強化相として得ようとするγ”相は準安定相であり、９００℃付近での等温保持によってδ相に変化する。δ相による金属間化合物の粒子を粗大成長させると、硬さの上昇にあまり寄与しなくなる。なお、γ”相による金属間化合物の粒子においても同様に粗大成長させると硬さの上昇にあまり寄与しなくなる。実施例２では保持熱処理工程において９００℃で３０ｈ等温保持し、主として硬さの上昇に寄与しないγ”相による金属間化合物の粒子が析出し、硬さを実施例１の４１７ＨＶに比べて４０７ＨＶとやや軟らかくした。１００ｈ等温保持した実施例３ではδ相による金属間化合物の粒子が多く析出しており、硬さを３１７ＨＶに抑えることができた。熱間加工材としての熱間加工性は、実施例２によっても確保できたと考えられるが、実施例３のように保持時間を長くする方がδ相からなる金属間化合物の粒子を成長させやすく、熱間加工性の確保には有利である。

また、図３に図６を併せて参照すると、実施例４～６は熱履歴Ａ２（図２参照）をそれぞれ与えたものである。一旦、８００℃まで冷却することで主としてγ”相からなる金属間化合物の粒子を析出させるとともに、加熱して９００℃にて保持することで、かかる金属間化合物の粒子を成長させることができ、主として粗大なγ”相の金属間化合物の粒子を得られ、硬さの上昇を抑制できる。

保持熱処理工程における保持時間を１０ｈとした実施例４では比較的粗大なγ”相による金属間化合物の粒子を得られて（図６（ａ）参照）、冷却後にさらに粗大なγ”相による金属間化合物の粒子へと成長させて（図６（ｂ）参照）、硬さを３５３ＨＶに抑制することができた。保持時間を３０ｈとした実施例５においても同様であった。保持時間を１００ｈとした実施例６においては、比較的粗大なγ”相による金属間化合物の粒子を析出させ得た（図６（ｅ）参照）ものの、かかる金属間化合物の粒子の成長はあまり大きくはなかった。しかしながら、硬さを３２２ＨＶに抑えることができ、熱間加工材としての熱間加工性を確保することができたと考えられる。

以上のように、熱履歴Ａ１又はＡ２によってγ”相からなる金属間化合物の粒子を析出・成長させ、熱履歴Ｂによってδ相からなる金属間化合物の粒子を析出・成長させるようにし得ることが判る。なお、保持熱処理工程の後の冷却（第２冷却）においても金属間化合物の粒子は成長するので、徐冷とすることが好ましく、例えば５０℃／ｈ以下の冷却速度とし得る。

以上、本発明の代表的な実施例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

Claims

少なくともＮｂを含み、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とするＮｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法であって、
熱間加工に先だって、
インゴットを１０５０℃以上の温度に保持する均質化熱処理の後、５０℃／ｈ以下の冷却速度で８２０℃以下の温度まで冷却する冷却工程を含み、γ”相からなる金属間化合物粒子を析出・成長させ、前記金属間化合物粒子の平均粒径を０．１μｍ以上とすることを特徴とする熱間加工材の製造方法。
前記冷却工程は、さらに続けて８５０～９７０℃の温度に加熱してからこの温度で保持する保持熱処理工程を含むことを特徴とする請求項１記載の熱間加工材の製造方法。
少なくともＮｂを含み、Ｎｉ_３Ｎｂからなるγ”相を強化相とするＮｉ基合金からなる熱間加工材の製造方法であって、
熱間加工に先だって、
インゴットを１０５０℃以上の温度に保持する均質化熱処理の後、５０℃／ｈ以下の冷却速度で８５０～９７０℃ の温度まで冷却する冷却工程に続けて、この温度で保持してδ相からなる金属間化合物粒子を析出・成長させる保持熱処理工程を含み、前記金属間化合物粒子の平均粒径を１．０μｍ以上とすることを特徴とする熱間加工材の製造方法。
前記保持熱処理工程における保持時間を１時間以上とすることを特徴とする請求項２又は３に記載の熱間加工材の製造方法。
前記熱間加工に供される前記インゴットの室温硬さがＨＶ４５０以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の熱間加工材の製造方法。
前記Ｎｉ基合金は、質量％で、Ｎｂを２～１０％含むとともに、Ａｌ及びＴｉをそれぞれ３％以下で含み得る成分組成を有することを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の熱間加工材の製造方法。