JPS61243143A - Co基超塑性合金およびその製造方法 - Google Patents

Co基超塑性合金およびその製造方法

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JPS61243143A
JPS61243143A JP59232492A JP23249284A JPS61243143A JP S61243143 A JPS61243143 A JP S61243143A JP 59232492 A JP59232492 A JP 59232492A JP 23249284 A JP23249284 A JP 23249284A JP S61243143 A JPS61243143 A JP S61243143A
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土屋 正利
Masateru Suwa
正輝 諏訪
Tetsuo Kuroda
哲郎 黒田
Akira Okayama
岡山 昭
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、新規なCo基超塑性合金びその製造法に関す
る。
〔発明の背景〕
炭化物析出強化型Co基超超合金、ジェットエンジン、
ガスタービン等のデスク又はノズルに用いられ、強度が
高いため鍛造することができず、精密鋳造法によって製
品形状に作製されている。
しかし加工の難しい超合金であっても、結晶粒径を小さ
くすれば超塑性変形を生じて延性が向上することか知ら
れている。特に r/析出強化型超合金では超塑性を示
すのが明らかとなっている。
鋳造超合金は、通常の溶解方法では結晶粒を微細化する
ことができないため、粉末冶金法にょシ製造されている
。超塑性変形に対しては結晶粒径が小さい程優れた性質
を発揮するが、従来の粉末冶金法では、溶湯を急冷する
ことが難しいため、粉末を微細化することができず結果
として、粉末の粒径を10μm以下にすることは困難で
ある。
また、結晶粒径を単に微細化しただけでは、低い温度領
域において十分な超塑性が得られないことは知られてい
る。
Crを多量に含有し、炭化物によって強化したコバルト
基合金では、耐食性が優れ、高温強度にも優れているた
め、高温構造材料として用いられている。このようなコ
バルト基合金に含有するクロームは、耐食性を改善する
元素であって、一方Cはクロームと結合してOrシカ−
イトを生成し、強度に寄与する元素であるが、同時にク
ロームとカーボンは共晶状炭化物を凝固時に生成する。
との共晶状炭化物は、応力集中の拠点となシフ2ツクの
発生の原因となる。更に、この共晶状炭化物は、鋭角的
放射状に分布するため、延性、靭性及び熱疲労等の性質
を極めて低下させる主因となる。従って対超塑性特性に
対して極めて有害な炭化物である。
従来の粉末冶金法でコバルト基超合金の粉末を製造する
際には、その粉末粒径は通常100μm程度でかつ粉末
粒内の結晶粒径は数μmである。
このように製造されたコバルト基超合金の粉末を熱間静
水圧プレス等で固化し所定形状の製品に成形するが、そ
の温度は通常1100C前後であるため、粉末内の結晶
粒径は加工時の再結晶現象によシ結晶成長して結晶粒径
は20μm以上となり、従来のコバルト基合金では、超
塑性現象が生じないという問題を有していた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、低い温度領域においても塑性加工がで
きるコバルト基超塑性合金及びその製造方法を提供する
ことにある。
〔発明の概要〕
第1の本発明は、結晶粒径が10μm以下であルコバル
ト基合金の基地に、粒径が0.5〜10μm以下である
塊状及び粒状の炭化物を析出させていることを特徴とし
ている。
第2の本発明は、時効に処理によって炭化物を形成する
コバルト基合金の溶湯を10”K/秒以上の冷却速度で
凝固させて第2次デンドライトアーム間隔を10μm以
下とし、該コバルト基合金を所定温度で時効処理して、
粒径0.5〜10μmの炭化物を析出させることを特徴
とするコバルト基超塑性合金の製造方法である。
上記の本発明の対象となるコバルト基合金の組成として
は、重量比でC+0.15〜1%、Cr:15〜40t
s及び残部Coからなるものであって、更に成分限定す
れば重量比にてC+0.15〜1チ。
Cr r 15〜40%、W及び又はMO:3〜15L
 B+ 1%以下、 Ni + 0〜20%、 Nb 
: 0〜1.0 %、 Z r + 0〜1.0 ’1
6. T i r O〜1.0チ。
Ti+o〜3%、Az+0〜3%及び残部Coからなる
ものである。特に、コバルト基合金の基地に析出する炭
化物はCrを主として含むCr!、C6からなるもので
あって、基地中のクローム量を15〜40%、カーボン
を0.15〜1%を含有することが望ましい。
以下、本発明の対象となるコバルト基超合金を上記の組
成範囲に限定した理由を述べる。
Cはコバルト基合金の基地を強化する元素であって0.
151以下では高強度が得られず、一方l−を超えると
溶接性及び脆化の点から好ましくない、特に、Cは0.
2〜0.4%の範囲が好ましい。
Crはコバルト基合金の基地の耐食性を向上させる元素
であって15−以下ではその効果が少なく、一方40−
を超えると靭性が劣化するので、クロームの含有量は1
5〜40%の範囲が好ましい。
W及びMoは炭化物の粗大化を防止し、かつ高温クリー
プの強度を向上させるために必要な元素であって、3%
以下ではその効果は少なく、また15%を超えると、W
、Moを特徴とする特許相を生成するので、W、Moは
3〜15%の範囲に限定した。
Bは微量添加することによシ結晶粒界構造を延性構造に
かえ材料の靭性向上に役立つ元素であって、1%以下が
好ましい。特に0.001〜0.1チが望ましい。
Niは材料強度を向上させるのに有効な元素であって高
靭性の観点から20チ以下が好ましい。
Nb、Zr、Tiはカーボンと微細な二次炭化物を形成
し材料強度を向上させる元素であって、1チ以下が好ま
しい。特に0,1〜O,S*がよい。
これ等を単独よシも2種又は3種以上の組み合せたとえ
ばTi+Nb、T i+Nb+Zr、Ti+’ra、T
i+Ta+Zr等の組み合せがある。
Ttは脱酸剤2として必要であシかつニッケルと化合し
て析出強化によ多材料強度を向上させる元素であって、
3チ以下が好ましい。
T1は微細な炭化物を形成するとともにアルミと同様に
Niと結合して材料強度を向上させる元素であって、0
.1〜0.81が好ましい。
Coは本発明のコバルト基超塑性合金の基本成分であっ
て固溶強化のために40−以上が好ましく、特に60チ
以上が好ましい。
第1表は代表的なコバルト基合金の例を示しているもの
で、本発明合金に該当する組成を有するものである。
本発明のコバルト基超塑性合金は、以上のような組成か
らなるもので結晶微粒径が10μm以下であって、かつ
炭化物の粒径が0.5〜10μm以下の塊状及び球状の
炭化物析出物であることが必須の条件である。そして超
塑性現象は溶湯凝固のままでは生ぜず、熱処理等によっ
て炭化物を0.5〜10μmの大きさに調整することが
必要である。
一般に超塑性は結晶粒が10μm以上と大きくなると示
さないが、一方結晶粒の大きさが小さくとも炭化物が0
.5μm以下の小さな場合は超塑性を示さない。一方、
炭化物の大きさは10μm以上に大きくなると超塑性を
示さなくなる。これは炭化物が10μm以上に粗大化す
ると合金内に炭化物の偏析が生じて、ある部分では無炭
化物状態が生ずる。一般に炭化物は合金中に均一に分散
するのがよい。これは合金内に均一に分散することによ
って合金の基地結晶粒の粗大化を防止しているからであ
シ、炭化物が10μm以上になると炭化物が存在しない
部分が生じ、そこでは結晶粒が粗大化して結晶粒は10
μm以上となって超塑性を示さなくなる。以上のことか
ら、コバルト基合金の基地中に析出させる炭化物の粒径
が0.5μm〜10βm以下であることが好ましい。こ
のように超塑性現象は炭化物の大きさと結晶粒径との相
互関係によって生ずるものである。
本発明のコバルト基超塑性合金値コバルト基合金基地の
結晶粒径を10μm以下にし、かつ炭化物の大きさt−
o、 s〜10μmにするところにある。
次に、コバルト基超塑性合金を製造する方法について述
べる。
このコバルト基超塑性合金を製造する方法は、コバルト
基合金の溶湯を急冷凝固させることによシ、有害な共晶
炭化物の生成を本質的に防止し、かつ結晶粒径t−10
μm以下にするとともに、熱処理によシ炭化物を粒形で
0.5〜10μm以下に調整することを特徴としている
。この溶湯から急冷凝固する際の冷却速度は10” K
/Bee以上であって凝固の際の第2デ/ド2イトアー
ム間隔が10μm以内に相当し、これにより超塑性の高
いものが得られる。特に第2プント2イトアーム間隔が
1μm以下であることが好ましい。このコバルト基合金
の溶湯を10 ” K/ sec以上の冷却速度で冷却
凝固させる具体的な方法としては、高速で回転するロー
ル表面に、溶湯を注湯し該ロール表面にl O’ K/
 Sec  以上の速度で急冷凝固させる方法がある。
このように冷却速度をIO’に/see以上で溶湯を凝
固させれば、10μm以下の結晶粒径を得ることができ
る。更に本発明は、急冷凝固によって得られたコバルト
基合金を所定温度で時効し結晶粒径1071m以下の状
態で、0.5〜10μmの炭化物を析出させることにあ
る。なおロールは表面研磨された表面を有し、その表面
に溶湯を注入するものである。更にロールは熱伝導性の
高い金属から形成することが好ましい。炭化物の粒径t
−偶整するための時効温度は600〜1000Cの範囲
が好ましい。これらの温度範囲と時間とによって炭化物
の粒径を0.5〜10μmに調整することができる。こ
の時効処理の際の雰囲気としては不活性雰囲気が好まし
い。このように本発明の方法によって得られたコバルト
基合金は、結晶粒径が10μm以下である合金の基地に
1粒径0.5〜10μm以下の塊状及び粒状の炭化物を
析出させてなることを特徴とするものである。
〔発明の実施例〕
以下本発明の詳細な説明する。
第2表は本発明合金の供試材の化学組成(重量qk)を
示すものである。
第2表 表に示す合金は1500t:’の溶湯を回転するロール
間に直接注湯し、凝固させ薄帯を製造した。
得られた薄体の形状は長さ2000 ws−、@8〜1
0 Wms厚さ70〜xoo#mである。この場合の溶
湯の冷却速度として溶湯から凝固するまでの速度は5X
10’〜5X10’に7秒であった。
第1図は注湯凝固させた11のコバルト基合金の金属組
織を示す透過電子顕微鏡写真図である。
図に示すように、本発明のコバルト基合金の結晶性は約
1μmで6シ10μm以下になっている。
第2図は第1図の高倍の透過電子顕微鏡写真図である。
図から、共晶炭化物は生成しないばか〕でなく炭化物の
生成自体が抑制されている。これは、本発明の実施例が
5X10’〜5XIO’に7秒の冷却速度で凝固された
ためであ夛、このことは同時に後の熱処理によシ炭化物
の粒径を所定の範囲に制御するものとして重要な意味を
もつ部分である。
第3@は従来の冷却速度が遅い状態で溶解、鋳造された
コバルト基合金の顕微鏡組織の写真囚である0図に示す
如く、ゆつ〈)冷却合金した合金には粒界に共晶炭化物
の生成が認められる。この炭化物の生成は、超塑性特性
は本質的に有害なものであシ、また、その大きさは、1
0μmよルはるかに大きく、従来方法では超塑性能を示
す炭化物形状を本質的に満足しないことは明らかである
第4図(A)は、本発明のコバルト基合金をaooc1
h時効した合金の金属組織、(B)は同合金を1000
C1h時効した合金の金属組織顕微鏡写真図である。(
A)では、粒界3重点あたシに黒色の小さなCr1IC
6の析出が見らtLX(B)では1000t:’と高い
m度で時効されたためCr1IC6が大きく成長してい
る。ここで重要なことは、本発明のCo基超塑性合金第
2図で示したように、凝固され+11の状態で炭化物の
生成を抑制し九ため、それ以後の熱処理で炭化物の大き
さを自由に制御できることである。そして、さらK10
0OCでlh時効した第4図(B)においても炭化物径
は約0.2μmとあまシ急激に大きくならずその大きさ
の制御は自由である。それに対して、第3図で示したよ
うな従来技術によるコバルト合金では本発明に示すよう
な炭化物の大きざに対する制御は本質的に無理である。
以上で、本発明の製造法によるコバルト基合金が炭化物
大きさの制御に対して優れると七を明らかにしてきたが
、これは本発明の製造方法における、冷却速度を102
K/81IC以上としたからである。本発明によるコバ
ルト基超塑性合金の第2次デンドライトアーム間隔は約
0.5〜1μmである。その8EM観察像の一例を第5
図に示す。なお、この第2次デンドライトアーム間隔t
−測定することによって一溶湯から凝固するまでの冷却
速度が予測できるが1本発明の場合は、5 X l G
’ 〜5 X I O”K/8eCであった。冷却速度
が早くなると、その結晶粒は細かくなる傾向があるが、
本発明合金も結晶粒が約1μm前後と細かくなっている
本発明のCo基超朧性合金に対して、超塑性現象を生じ
させる場合、この作製時の状態のままでは超塑性現象は
発生しない。発生させるためには、炭化物を合金内に析
出させて、その大きさt O,Sμm以上10μm以下
にすることが必要である。
第6図は本発明のCo基合金の溶湯を急却凝固した合金
についての900C及び950Cでの引張試験結果を示
す線図である。試料は厚さ70μ八幅20wの薄帯を用
いて70−まで伸ばして調べた。超塑性は、変形応力O
と歪速度;との間において成立するα)式において、m
がα3以上のときく発生するといわれている。
m=に#     ・・・−・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・(1)なお、Kは材料定数であシ
、mは歪速度感受性指数である。
図において、傾がmに相当する。このmが0.3以上だ
と超塑性を示す。第6図で、ロールで作製したままのも
の(as rolled)の結果を点線で示すが900
Cで引張試験した場合、mは0.16と小さく、また、
950Cでもmは0.28であプ超塑性を示さない。一
方、その薄帯を100OcX6h(実線)時効処理した
ものは、引張試験をす−る前に予め炭化物を1μm以上
に成長させたものである。950Cでの試験結果はm=
0.37と0.3以上を示し、超塑性を示す。さらに9
00Cのものもm=0.24とナッテas rolle
d材よシ大きくなシ超塑性を示す状態に近づく。このよ
うな超塑性現象発生の違いは、炭化物の大きさに原因し
ていることを発明者は明らかにすることができた。
第7図は、第6図において950Cでの試験後の組織で
ある。(A)は超塑性を示さなかったas rolle
d の組織であるが炭化物は0.1μmと小さい。(B
)は1000CX6hの熱処理を予めしたものであるが
、炭化物はCrtlollの矢印で示したように1μm
以上に大きくなっておシ、mも0.37となって超塑性
を示している。以上の説明で明らかとなったが、炭化物
の大きさが超塑性発生の重要な鍵を握っておシ、本発明
の最も重要な部分を握っている。一般に、超塑性は結晶
粒が10μm以下と小さくないと示さないが、結晶粒の
大きさが小さくても炭化物が0.5μm以下の小さい場
合は第7図で示したように超塑性を示ざない。このよう
な場合は、予め熱処理をして炭化物を0.5〜10μm
の大きさに調整しておくと超塑性を発現するようになる
。なお、結晶粒が小さい粉末等の場合は、ある条件で固
化した場合に炭化物が本発明で示した大きさに成長して
超塑性を示す場合がある。しかし゛ながら、この場合に
おいては固化時に炭化物調整の熱処理を同時にして、炭
化物の大きさを本発明で示した0、5〜10μmの大き
さにしたから超塑性を示すのであって、本質的に本発明
内容に該当する。一方、炭化物の太きさは10μm以上
に大きくすると超塑性を示さなくなる。これは炭化物が
10μm以上に粗大化すると合金内の炭化物の分布に偏
析が生じて、ある部分では無炭化物状態が生じる。一般
に炭化物は合金内に均一に分布するのが都合よい。これ
は合金内に均一に分布することによって合金基地結晶粒
の粗大化を防止しているからであシ、炭化物が10μm
以上になると炭化物不在部が生じ、そこでは結晶粒が粗
大化して結晶粒は10μm以上となってその結果超塑性
を示さなくなる。以上から、炭化物の大きさは0.5μ
m以上10μm以下が良く、合金基地の結晶粒径は10
μm以下が好都合である。さらに、これら炭化物大きさ
と合金基地結晶粒径は相互に関係しており、これらの因
子はさらに合金の製造方法に密接に影響していることが
上記の説明でわかる。以上、本発明の一実施例をロール
法で作製した供試材に基づいて説明してきたが、本発明
の本質は合金基地の結晶粒径を10/Jm以下にし、炭
化物の大きさを0.5〜10μmにする所にあシ、製造
法はこれを満足する限夛、いかなる製造法で作製しても
本発明の本質に該当することは自明である。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、低い温度領域でも超塑
性を示して701以上の伸び率を有し、かつ鍛造加工等
の塑性加工により複雑形状物を作製し得るCo基超塑性
合金提供することができる。
【図面の簡単な説明】
M1図は本発明のコバルト基超塑性合金の蚊属組織を示
す透過電子顕微鏡写真図、第2図は第1図における高倍
の透過電子顕微鏡写真図、第3図は従来のコバルト基合
金の顕微鏡写真図、第4図(A)、(B)は本発明のコ
バルト基合金の600Cxlhおよび1000CXlh
時効ノ金属組織を示す顕微鏡写真図、第5図は本発明の
コバルト−基超塑性合金の8EM観察像の一例を示す走
査電子顕微鏡写真図、第6図はCo基合金の900Cお
よび950Cでの引張試験結果を示す線図、第7図は第
6図(A)、(B)における950Cでの試験後のCo
基合金の金属組織図である@特許出願人 工業技術院長
 等々労連 1μm・ σ、3)、t、vL )143 目 !ρμ威 し−一一一一」 (Aン          (5ン a・3P広 手続補正書彷式) 昭和61年年月lb日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、結晶粒径が10μm以下であるコバルト基合金の基
    地に、粒径が0.5から10μm以下である塊状及び粒
    状の炭化物を析出させてなることを特徴とするCo基超
    塑性合金。 2、特許請求の範囲第1項において、前記コバルト基合
    金は、重量比でCr:15〜40%、C:0.15〜1
    %を含み、40%以上のCoからなることを特徴とする
    Co基超塑性合金。 3、特許請求の範囲第1項において、前記コバルト基合
    金は、重量比でC:0.15〜1%、Cr:15〜40
    %、W及び又はモリブデン:3〜15%、B:1%以下
    、Ni:0〜20%、Nb:0〜1.0%、Zr:0〜
    1.0%、Ta:0〜1.0%、Ti:0〜3%、Al
    :0〜3%、及び残部Coからなることを特徴とするC
    o基超塑性合金。 4、特許請求の範囲第1項〜第3項において、前記コバ
    ルト基合金は溶湯から凝固するまでの冷却速度を10^
    2K/秒以上であることを特徴とするCo基超塑性合金
    。 5、時効処理によって炭化物を形成するCo基合金の溶
    湯を10^2K/秒以上の冷却速度で凝固させて第2次
    デンドラントアーム間隙を10μm以下とし、該Co基
    合金を所定の温度で時効して、粒径0.5〜10μmの
    炭化物を析出させることを特徴とするCo基超塑性合金
    の製造方法。
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