JPS6147900B2

JPS6147900B2 -

Info

Publication number: JPS6147900B2
Application number: JP12436583A
Authority: JP
Inventors: Saburo Wakita; Joji Matsumoto
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1983-07-08
Filing date: 1983-07-08
Publication date: 1986-10-21
Also published as: JPS6017048A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、すぐれた高温耐酸化性と高温強度
を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金に関するもので
ある。従来、一般にFe−Ni−Cr系の耐熱合金として
は、ナイモニツク合金やインコネル合金などが知
られ、これらの耐熱合金は、いずれもオーステナ
イトの素地にNi−Al−Tiを主成分とする金属間
化合物、すなわちNi₃（Al、Ti）を微細に析出さ
せて（以下、この析出相をγ′相という）、高温強
度の向上をはかるγ′析出型合金であるが、γ′相
の析出が十分でないために満足する高温強度を示
さないものであり、さらにCrの含有量を増加さ
せると、γ′相の析出が阻害されるようになるこ
とから、Cr含有量が比較的低くおされられてお
り、このため高温耐酸化性にも劣るものであつ
た。そこで、本発明者は、上述のような確点から、
一段とすぐれた高温強度を有し、かつ高温耐酸化
性にもすぐれた耐熱合金を得べく研究を行なつた
結果、重量％で、Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに必要に応じて、 NbおよびTaのうちの１種または２種：0.1〜５
％、ＢおよびZrのうちの１種または２種：0.001〜0.2
％ Co：１〜10％、からなる群のうちの１種または２種以上、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成を有するFe−Ni−Cr系合金に、溶体化処理−
安定化処理−時効処理、あるいは溶体化処理−時
効処理の熱処理を施すと、合金の素地組織が、相
対的にCrに富むがNi濃度の低いフエライト相
（以下、α相という）と、一方相対的にNiに富む
がCr濃度が低く、しかも高Ni濃度によつて十分
なγ′相が微細に析出したオーステナイト相（以
下、γ相といる）との２相混合組織が得られるよ
うになり、この２相混合組織は、合金のCr含有
量を高くした状態で、相対的に低い含有量のNi
で十分な量のγ′相を析出させることを可能とす
るものであり、したがつて、この結果の合金にお
いては、高いCr含有量によつてすぐれた高温耐
酸化性が確保され、一方γ相中への十分なγ′相
の析出によつて、すぐれた高温強度が確保される
という知見を得たのである。この発明は、上記知見にもとづいてなされたも
のであつて、以下に成分組成範囲を上記の通りに
限定した理由を説明する。 (a) ＣＣ成分には、Cr、Mo、およびTiなどの成分
と結合して炭化物を形成し、結晶粒界および粒
内を強化する作用があるが、その含有量が
0.001％未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方、その含有量が0.5％を越えると、
合金の靭性が低下するようになることから、そ
の含有量を0.01〜0.5％と定めた。 (b) Ni Ni成分は、素地の２相混合組織のうちのγ
相中に濃縮して十分な量のγ′相を前記γ相中
に析出させ、もつて合金の常温強度は勿論のこ
と、高温強度を著しく向上させる作用をもつ
が、その含有量が25％未満では、γ相中への
γ′相の析出が不十分で所望の高温強度を確保
することができず、一方40％を越えて含有させ
ると、α相が形成されず、素地がγ相だけとな
り、この結果γ′相の析出を阻止するCrの含有
量を低くおさえる必要があることと合まつて、
十分な高温耐酸化性を確保することが困難にな
ることから、その含有量を25〜40％と定めた。 (c) Cr Cr成分は、素地の２相混合組織のうちのα
相中に濃縮し、このことはCrの高含有量を許
容することと合まつて、合金の高温耐酸化性を
著しく向上させる作用をもつが、その含有量が
25％未満では所望の高温耐酸化性を確保するこ
とができず、一方35％を越えて含有させると、
高温強度および靭性が急激に低下するようにな
ることから、その含有量を25〜35％と定めた。 (d) MoおよびＷこれらの成分は、Crと同様にフエライト形
成元素であるため、Crと共にα相中に濃縮し
て、２相混合組織の形成に寄与する作用をもつ
ほか、素地に固溶して、これを強化する作用を
もつが、その含有量が１％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、一方７％を越えて含有
させると、高温耐酸化性および靭性が著しく劣
化するようになることから、その含有量を１〜
７％と定めた。 (e) Ti Tiには、NiおよびAlと共にγ′相を形成して
合金を析出強化し、もつて常温および高温強度
を向上させる作用があるが、その含有量が１％
未満では所望の析出強化をはかることができ
ず、一方その含有量が４％を越えると、脆いη
相（Ni₃Ti相）が多量に析出するようになつ
て、合金の靭性が低下するようになることか
ら、その含有量を１〜４％と定めた。 (f) Al Al成分には、Tiと同様、γ′相を形成して合
金を析出強化するほか、高温耐酸化性を向上さ
せる作用があるが、その含有量が0.1％未満で
は前記作用に所望の効果が得られず、一方３％
を越えて含有させると、鋳造性および溶接性が
悪化し、かつ靭性も低下するようになることか
ら、その含有量を0.1〜３％と定めた。 (g) NbおよびTa これらの成分には、MC型の炭化物を形成し
て結晶粒界および粒内を強化する作用があるの
で、特により一層の強度が要求される場合に必
要に応じて含有されるが、その含有量が0.1％
未満では前記作用に所望の向上効果が得られ
ず、一方５％を越えて含有させると、靭性が低
下するようになることから、その含有量を0.1
〜５％と定めた。 (h) ＢおよびZr これらの成分には、結晶粒界を強靭化し、も
つて塑性加工時における割れ発生を阻止する作
用があるので、これらの特性が要求される場合
に必要に応じて含有させるが、その含有量が
0.001％未満では前記作用に所望の改善効果が
見られず、一方0.2％を越えて含有させると、
合金に脆化傾向が現われるようになることか
ら、その含有量を0.001〜0.2％と定めた。 (i) Co Co成分には、素地に固溶して高温強度を向
上させるほか、高温耐酸化性も向上させ、さら
に加熱冷却時の割れ発生を防止すると共に、熱
間加工性を向上させる作用があるので、これら
の特性が要求される場合に必要に応じて含有さ
れるが、その含有量が１％未満では前記作用に
所望の改善効果は得られず、一方10％を越えて
含有させても、より一層の改善効果は現われな
いことから、経済性をも考慮して、その含有量
を１〜10％と定めた。なお、この発明の耐熱合金においては、不可避
不純物としてSiおよびMnを含有しても、その含
有量がそれぞれ２％以下であれば、合金特性に何
らの悪影響も及ぼさないので、これらの成分を、
それぞれ２％以下の範囲で、脱酸剤として使用す
ることは有用なことである。また、この発明の耐熱合金においては、２相混
合組織は、 (1) 溶体化処理−安定化処理−時効処理、 (2) 溶体化処理−時効処理、のいずれかの熱処理によつて得られるが、いずれ
の場合も、溶体化処理は、温度：1050〜1250℃に
0.5〜10時間保持後、空冷、油冷、あるいは水冷
の条件で行なうのが好ましい。これは、その温度
が1050℃未満でも、その保持時間が0.5時間未満
でも、γ相とα相の２相混合組織の形成が不十分
であり、一方その温度が1250℃を越えても、また
保持時間が10時間を越えても結晶粒の粗大化が起
るようになるという理由にもとづくものである。安定化処理は、炭化物を安定に析出させて、主
として応力腐食などに対する鋭敏性を除去する必
要がある場合などに必要に応じて施されるもの
で、その条件は、温度：800〜900℃に２〜８時間
保持後、空冷、油冷、あるいは水冷とするのが好
ましい。これは、その温度が800℃未満でも、そ
の保持時間が２時間未満でも炭化物の析出が不十
分で安定化せず、一方温度900℃を越えたり、保
持時間が８時間を越えると、炭化物が成長し、粗
大化するようになるという理由からである。さらに、時効処理は、γ相中に微細な（光学顕
微鏡では識別できない）γ′相を析出させるため
に施されるが、その条件は、温度：650〜780℃に
２〜30時間保持後、望ましくは空冷とするのが好
ましい。この理由は、その温度が650℃未満で
も、その保持時間が２時間未満でもγ′相の析出
が不十分であり、一方その温度が780℃を越えた
り、その保持時間が30時間を越えたりすると、
γ′相が粗大化して析出強化効果が損なわれるよ
うになるからである。つぎに、この発明の耐熱合金を実施例により具
体的に説明する。実施例通常の真空溶解炉を用い、それぞれ第１表に示
される成分組成をもつた本発明耐熱合金１〜43お
よび比較耐熱合金１〜11、さらに従来Fe−Ni−
Cr系耐熱合金として知られるナイモニツク合金
（以下従来耐熱合金１という）およびインコネル
合金（以下従来耐熱合金２という）を溶製し、ロ
ストワツクス精密鋳造法にて、平行部外径：７mm
φ×平行部長さ：50mm×チヤツク部外径：25mmφ
×全長：90mmの寸法をもつた試験片素材に鋳造
し、ついで、その鋳造素材に、温度：1100℃に１
時間保持後、空冷の溶体化処理、温度：840℃に
４時間保持後、空冷の安定化処理、さらに温度：
720℃に16時間保持後、空冷の時効処理

【表】

【表】を施した。なお、比較耐熱合金１〜11は、いずれも構成成
分のうちのうずれかの成分含有量（第１表に※印
を付したもの）がこの発明の範囲から外れた組成
をもつものである。つぎに、上記の熱処理後の鋳造素材のチヤツク
部から試験片を切出し、ミクロ組織の検鏡により
合金素地を観察すると共に、ビツカース硬さ（荷
重：10Kg）を測定した。また、高温強度を評価する目的で、上記の鋳造
素材からクリープラプチヤー試験片を削り出し、
この試験片を用い、雰囲気：大気中、加熱温度：
800℃、付加荷重：15Kg/mm²の条件でクリープラプ
チヤー試験を行ない、破断寿命を測定した。さらに、高温耐酸化性を評価する目的で、上記
のクリープラプチヤー試験後の試験片のチヤツク
部から直径：10mmφ×高さ：10mmの寸法をもつた
試験片を切出し、この試験片を用い、大気中、温
度：1100℃に10時間保持後、脱スケールを１サイ
クルとして、10サイクルを行なう酸化

【表】

【表】試験を行ない、酸化減量を測定した。これらの結
果を第２表に示した。第２表に示される結果から、本発明耐熱合金１
〜43は、いずれん２相混合組織を有し、素地組織
がいずれもγ相のみからなる従来耐熱合金１、２
に比して、一段とすぐれた高温強度（破断寿命）
と高温耐酸化性（酸化減量）を有することが明ら
かである。一方、比較耐熱合金１〜11に見られる
ように、構成成分のうちのいずれかの成分含有量
でもこの発明の範囲から外れると、高温強度およ
び高温耐酸化性のうちの少なくともいずれかの特
性が劣つたものになることが明らかである。上述のように、この発明の耐熱合金は、従来
Fe−Ni−Cr系耐熱合金に比して、著しくすぐれ
た高温強度と高温耐酸化性を有しているので、こ
れらの従来Fe−Ni−Cr系耐熱合金では実用上製
造が不可能であつたデイーゼルエンジンの副燃焼
室や、自動車ターボチヤージヤーのタービンホイ
ルなどの製造に用いることができ、しかもこの場
合きわめて長期に亘つてすぐれた性能を発揮する
など工業上有用な特性を有するのである。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地が、Cr
に富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分
とする金属間化合物が微細に析出したNiに富む
オーステナイト相との２相混合組織を有すること
を特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強
度を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。２Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに、 NbおよびTaのうちの１種または２種：0.1〜
0.5％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地が、Cr
に富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分
とする金属間化合物が微細に析出したNiに富む
オーステナイト相との２相混合組織を有すること
を特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強
度を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。３Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに、ＢおよびZrのうちの１種または２種：0.001〜0.2
％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地が、Cr
に富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分
とする金属間化合物が微細に析出したNiに富む
オーステナイト相との２相混合組織を有すること
を特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強
度を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。４Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに、 C₀：１〜10％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地が、Cr
に富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分
とする金属間化合物が微細に析出したNiに富む
オーステナイト相との２相混合組織を有すること
を特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強
度を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。５Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％。 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに、 NbおよびTaのうちの１種または２種：0.1〜５％
と、ＢおよびZrのうちの１種または２種：0.001〜0.2
％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地が、Cr
に富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分
とする金属間化合物が微細に析出したNiに富む
オーステナイト相との２相混合組織を有すること
を特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強
度を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。６Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに、 NbおよびTaのうちの１種または２種：0.1〜５％
と、 Co：１〜10％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地が、Cr
に富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分
とする金属間化合物が微細に析出したNiに富む
オーステナイト相との２相混合組織を有すること
を特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強
度を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。７Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに、ＢおよびZrのうちの１種または２種：0.001〜0.2
％と、 Co：１〜10％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地が、Cr
に富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分
とする金属間化合物が微細に析出したNiに富む
オーステナイト相との２相混合組織を有すること
を特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強
度を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。８Ｃ：0.01〜0.5％、 Ni：25〜40％、 Cr：25〜35％、 MoおよびＷのうちの１種または２種：１〜７
％、 Ti：１〜４％、 Al：0.1〜３％、を含有し、さらに、 NbおよびTaのうちの１種または２種：0.1〜５％
と、ＢおよびZrのうちの１種または２種：0.001〜0.2
％と、 C₀：１〜10％、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成（以上重量％）を有し、かつ合金素地がCrに
富んだフエライト相と、Ni−Al−Tiを主成分と
する金属間化合物が微細に析出したNiに富むオ
ーステナイト相との２相混合組織を有することを
特徴とするすぐれた高温耐酸化性および高温強度
を有するFe−Ni−Cr系耐熱合金。