(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．００５≦Ｃ＜０．１０ｍａｓｓ％、
１．０＜Ｓｉ≦３．０ｍａｓｓ％、
０．０５≦Ｍｎ≦１．０ｍａｓｓ％、
２０．０≦Ｃｒ≦３２．０ｍａｓｓ％、
６．０≦Ｆｅ≦１６．０ｍａｓｓ％、
０．００１≦Ｙ≦０．５ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ基合金。
【請求項２】
２０．０≦Ｃｒ≦２４．０ｍａｓｓ％であり、
０．０５≦Ａｌ≦１．８ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項１に記載のＮｉ基合金。
【請求項３】
０．０１≦Ｎｂ≦２．０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項１又は２に記載のＮｉ基合金。
【請求項４】
０．１≦Ｃｕ≦３．０ｍａｓｓ％、及び、
０．００１≦ＲＥＭ≦０．３ｍａｓｓ％、
から選ばれるいずれか１以上をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載のＮｉ基合金。
【請求項５】
０．００１≦Ｂ≦０．０１ｍａｓｓ％、及び、
０．００１≦Ｍｇ≦０．０１ｍａｓｓ％、
から選ばれるいずれか１以上をさらに含む請求項１から４までのいずれかに記載のＮｉ基合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基合金に関し、さらに詳しくは、耐高温酸化性、及び、耐高温窒化性に優れたＮｉ基合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、点火プラグなどのエンジン部品で１０００℃近くの高温に曝される部位で使用される耐熱材料として、ＪＩＳ  ＮＣＦ６００が知られている。この材料は、Ｃｒを多く含むＮｉ基合金であり、耐酸化性に優れている。しかしながら、内燃機関の高出力化及び高効率化のために、エンジン部品がより高温に曝されるようになっている。一方、Ｎｉ基合金を各種エンジン部品等に加工するためには、冷間加工性が優れていることが必要とされる。そのため、この種のエンジン部品に用いられる材料には、さらなる耐酸化性の向上、高温強度の向上、及び、冷間加工性の向上が求められている。
【０００３】
ＪＩＳ  ＮＣＦ６００の耐酸化性をさらに高めた材料として、Ａｌを添加したＪＩＳ  ＮＣＦ６０１も知られている。また、ＮＣＦ６０１を改良した材料も開発されている。
例えば、特許文献１には、質量％でＣ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２〜３２％、Ｆｅ：２０％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．００１〜０．０４％、不純物であるＳは０．０１％以下（但し、Ｍｇ／Ｓ≧１）を含み、残部はＮｉ及び不可避的不純物からなる点火プラグ用電極材料が開示されている。
同文献には、Ｔｉ量を低く抑えることにより耐酸化性を改善できる点、及び、Ｍｇを添加してＳをＭｇとの化合物として除去又は固定することにより熱間加工性が向上する点が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、質量％でＣ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２〜３２％、Ｆｅ：２０％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ａｌ：５．０％以下、ＭｏとＷの一種又は二種をＭｏ＋１／２Ｗで０．５％を超え４．０％未満含み、残部は実質的にＮｉからなる点火プラグ用電極材料が開示されている。
同文献には、適量のＭｏとＷを添加すると、冷間加工性を維持しながら、さらに高温強度を改善できる点が記載されている。
【０００５】
Ｎｉ基合金にＡｌを添加すると、高温下で表層にＡｌ酸化物が形成され、酸化による材料の消耗が抑制される。しかしながら、Ｎｉ基合金にＡｌを添加すると、酸化物層の下部に塊状のＡｌ窒化物が層状に形成される現象が見られる。この窒化物層は、温度が高く、高温保持時間が長いほど、材料内部まで析出し、厚みが薄い材料では、深さ方向全面に析出する。そのため、機械的特性や各種物性など部品として本来材料に必要な特性（例えば、耐疲労性など）が損なわれるという問題がある。
また、Ａｌ添加は、固溶化熱処理後の硬さを上昇させ、冷間加工性を低下させるために、部品の加工が困難になり、コスト上昇を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３６４４６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２９２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、耐高温酸化性及び耐高温窒化性に優れ、しかも、耐疲労性及び延性に優れたＮｉ基合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係るＮｉ基合金は、
０．００５≦Ｃ＜０．１０ｍａｓｓ％、
１．０＜Ｓｉ≦３．０ｍａｓｓ％、
０．０５≦Ｍｎ≦１．０ｍａｓｓ％、
２０．０≦Ｃｒ≦３２．０ｍａｓｓ％、
６．０≦Ｆｅ≦１６．０ｍａｓｓ％、
０．００１≦Ｙ≦０．５ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる。
【発明の効果】
【０００９】
Ｎｉ基合金に対して所定量のＳｉ及びＹを添加すると、耐窒化性を害することなく、耐酸化性が向上する。また、所定量のＳｉ及びＹを含むＮｉ基合金に対してさらにＡｌを添加すると、耐窒化性を害することなく、さらに耐酸化性が向上する。さらに、このようなＮｉ基合金に対してＣｕ、Ｎｂ、ＲＥＭ等を添加すると、耐酸化性がさらに向上する。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  Ｎｉ基合金］
本発明に係るＮｉ基合金は、以下のような元素を含み、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
［１．１．  主構成元素］
（１）  ０．００５≦Ｃ＜０．１０ｍａｓｓ％。
Ｃは、ＣｒやＮｂと結合して炭化物を形成し、固溶化熱処理時の結晶粒粗大化防止及び粒界の強化に寄与する。そのためには、Ｃ含有量は、０．００５ｍａｓｓ％以上とする必要がある。
一方、Ｃ含有量が過剰になると、マトリックス中のＣｒを過剰に消費し、耐酸化性を低下させる。従って、Ｃ含有量は、０．１０ｍａｓｓ％未満である必要がある。
【００１１】
（２）  １．０＜Ｓｉ≦３．０ｍａｓｓ％。
Ｓｉは、脱酸元素として有用である。また、Ｓｉは、耐窒化性を低下させることなく、耐酸化性を向上させるのに有効である。さらに、Ｓｉは、Ａｌと複合で添加しても耐窒化性を低下させることなく、耐酸化性を向上させる作用がある。そのためには、Ｓｉ含有量は、１．０ｍａｓｓ％超とする必要がある。Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは、１．１ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｓｉの過剰添加は、熱間加工性、冷間加工性、及び、靱性を低下させる。従って、Ｓｉ含有量は、３．０ｍａｓｓ％以下とする必要がある。Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは、２．０ｍａｓｓ％以下である。
【００１２】
（３）  ０．０５≦Ｍｎ≦１．０ｍａｓｓ％。
Ｍｎは、脱酸元素として有用である。Ｍｎ含有量は、０．０５ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｍｎ含有量が過剰になると、熱間加工性、冷間加工性、及び、耐酸化性を低下させる。従って、Ｍｎ含有量は、１．０ｍａｓｓ％以下とする必要がある。
【００１３】
（４）  ２０．０≦Ｃｒ≦３２．０ｍａｓｓ％。
Ｃｒは、高温下で材料表面にＣｒ2Ｏ3を形成し、耐酸化性を付与するために必須の元素である。また、Ｃと結びついて炭化物を形成し、固溶化熱処理時の結晶粒粗大化防止や高温強化に役立つ。その効果を得るためには、Ｃｒ含有量は、少なくとも２０．０ｍａｓｓ％以上が必要である。
一方、Ｃｒ含有量が過剰になると、熱間加工性や靱性が低下する。従って、Ｃｒ含有量は、３２．０ｍａｓｓ％以下とする必要がある。Ｃｒ含有量は、さらに好ましくは、３０．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、２５．０ｍａｓｓ％以下である。
【００１４】
（５）  ６．０＜Ｆｅ≦１６．０ｍａｓｓ％。
Ｆｅは、固溶化熱処理後の硬さを低下させる効果、熱間加工性を向上させる効果、及び材料を低コスト化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｆｅ含有量は、６．０ｍａｓｓ％以上とする必要がある。
一方、Ｆｅの過剰添加は、耐酸化性を低下させるだけでなく、脆性相であるσ相が析出しやすくなる。従って、Ｆｅ含有量は、１６．０ｍａｓｓ％以下とする必要がある。
【００１５】
（６）  ０．００１≦Ｙ≦０．５ｍａｓｓ％。
Ｙは、酸化スケール、特にＳｉ酸化物の剥離を抑制し、耐酸化性を向上させる。また、熱間加工性を改善し、粒界を強化する。このような効果を得るためには、Ｙ含有量は、０．００１ｍａｓｓ％以上とする必要がある。
一方、Ｙの過剰添加は、逆に熱間加工性を低下させる。また、溶接が必要な部品に用いる場合、Ｙの過剰添加は、溶接性を害する。従って、Ｙ含有量は、０．５ｍａｓｓ％以下とする必要がある。
【００１６】
［１．２．  副構成元素］
本発明に係るＮｉ基合金は、上述した各種の添加元素に加えて、以下のいずれか１以上の元素をさらに含んでいても良い。
（７）  ０．０５≦Ａｌ≦３．５ｍａｓｓ％。
Ａｌは、１０００℃以上での耐酸化性向上に有効な元素である。但し、Ａｌを添加すると、窒化物を材料内部に形成してしまい、靱性や疲労強度の低下を招く。従って、Ａｌを添加する場合には、Ｓｉ及びＹとの複合添加が必須である。耐酸化性を向上させるためには、Ａｌ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。Ａｌ含有量は、さらに好ましくは、０．１ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ａｌ含有量が過剰になると、加工性が低下する。従って、Ａｌ含有量は、３．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ａｌ含有量は、さらに好ましくは、２．５ｍａｓｓ％以下である。
【００１７】
（８）  ０．１≦Ｎｂ≦２．０ｍａｓｓ％。
Ｎｂは、Ｃと結びついて炭化物を形成し、固溶化熱処理時の結晶粒粗大化防止や高温強化に役立つ。Ｎｂは、Ｃｒよりも優先的に炭化物を生成するため、マトリックス中のＣｒ量を相対的に増加させることができ、２次的に耐酸化性を向上させる。このような効果を得るためには、Ｎｂ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｎｂの過剰添加は、熱間加工性を低下させる。従って、Ｎｂ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１８】
（９）  ０．１≦Ｃｕ≦５．０ｍａｓｓ％。
Ｃｕは、高温下では表層に形成されるＣｒ2Ｏ3層とマトリックスとの境界に濃化し、酸化スケールの耐剥離性を高めて耐酸化性を向上させる。このような効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。Ｃｕ含有量は、さらに好ましくは、０．５ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃｕの過剰添加は、熱間加工性を低下させる。従って、Ｃｕ含有量は、５．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｃｕ含有量は、さらに好ましくは、２．５ｍａｓｓ％以下である。
【００１９】
（１０）  ０．００１≦ＲＥＭ≦０．３ｍａｓｓ％、
ＲＥＭ（Ｃｅ、Ｌａなど）は、Ｃｕと同様に、高温下では表層に形成されるＣｒ2Ｏ3層とマトリックスとの境界に濃化し、酸化スケールの耐剥離性を高めて耐酸化性を向上させる。このような効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は、０．００１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、ＲＥＭの過剰添加は、熱間加工性を低下させる。従って、ＲＥＭ含有量は、０．３ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、ＲＥＭは、単独で添加しても良く、あるいは、Ｃｕと同時に添加しても良い。
【００２０】
（１１）  ０．００１≦Ｂ≦０．０１ｍａｓｓ％。
（１２）  ０．００１≦Ｍｇ≦０．０１ｍａｓｓ％。
Ｂ及びＭｇは、いずれも熱間加工性を改善し、粒界を強化する。このような効果を得るためには、これらの元素の含有量は、それぞれ、上記の下限値以上が好ましい。
一方、Ｂ及び／又はＭｇの過剰添加は、逆に熱間加工性を低下させる。また、溶接が必要な部品に用いる場合、これらの元素の過剰添加は、溶接性を害する。従って、これらの元素の含有量は、それぞれ、上記の上限値以下が好ましい。
【００２１】
［２．  Ｎｉ基合金の作用］
Ｎｉ基合金に対して所定量のＳｉ及びＹを添加すると、耐窒化性を害することなく、耐酸化性が向上する。また、所定量のＳｉ及びＹを含むＮｉ基合金に対してさらにＡｌを添加すると、耐窒化性を害することなく、さらに耐酸化性が向上する。さらに、このようなＮｉ基合金に対してＣｕ、Ｎｂ、ＲＥＭ等を添加すると、耐酸化性がさらに向上する。
Ｓｉ添加によって耐酸化性を保持したまま、耐窒化性が向上する理由の詳細は不明であるが、おそらく、Ｓｉ添加によって表面に窒素の拡散を阻止する保護層が形成されたためと考えられる。
【実施例】
【００２２】
（実施例１〜１８、参考例１９、実施例２０、参考例２１〜２３、実施例２４、参考例２５〜２７、実施例２８、参考例２９〜３０、比較例１〜２０）
［１．  試料の作製］
表１及び表２に示す各成分の合金を真空高周波誘導炉で溶解し、５０ｋｇのインゴットを得た。次にφ１６ｍｍの丸棒に鍛造した後、１１００℃の固溶化熱処理を行った。
［２．  試験方法］
これらの素材から、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を切り出し、大気腐食試験に供した。大気腐食試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２８１に準拠し、１０５０℃で２００時間保持後の大気腐食後増量及び減量を測定した。さらに、１０５０℃×２００時間連続大気腐食後に、断面での窒化物層深さ（窒化物生成先端深さ）を測定した。
なお、本発明において、「大気腐食後増量」とは、大気腐食後、剥離スケールと密着スケールを含めた試験片の単位面積当たりの質量増をいう。また、「大気腐食後減量」とは、大気腐食後、剥離スケールを除いた試験片の単位面積当たりの質量減をいう。
また、「窒化物生成先端深さ（先端深さ）」とは、１０５０℃×２００時間連続大気腐食後の材料表面から、窒化物の生成が認められる材料内部の最深部までの距離をいう。
【００２３】
［３．  試験結果］
表１及び表２に、各試料の組成及び各種試験の結果を示す。なお、比較例１６〜２０は、鍛造割れが生じたため、腐食後増量及び先端深さを測定できなかった。
表１及び表２より、以下のことが分かる。
（１）Ｓｉ又はＹが過剰になると、鍛造割れが生ずる（比較例１６〜２０）。
（２）Ｓｉ又はＹのいずれか一方が不足すると、１０５０℃×２００時間連続大気腐食後の大気腐食後増量が相対的に大きくなる（比較例１〜１５）のに対し、適量のＳｉ及びＹが含まれていると、大気腐食後増量が少なくなる（実施例１〜１８、参考例１９、実施例２０、参考例２１〜２３、実施例２４、参考例２５〜２７、実施例２８、参考例２９〜３０）。
（３）所定量のＳｉ及びＹを含まない材料にＡｌを添加すると、大気腐食試験後に材料内部に窒化物の生成が認められる（比較例６〜８、１１〜１２、１４）のに対し、所定量のＳｉ及びＹを含む材料にＡｌをさらに添加すると、大気腐食試験後も窒化物の生成が認められない（実施例６、１０〜１２、１４、１６〜１８、参考例１９、実施例２０、参考例２１〜２３、実施例２４、参考例２５〜２７、実施例２８、参考例２９〜３０）。
【００２４】
【表１】
0005544221.tif 000002
【００２５】
【表２】
0005544221.tif 000003
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係るＮｉ基合金は、エンジンの点火プラグ用電極、エンジンの排気系、内燃機関部品、１０００℃以上の高温に曝される各種プラント部品などに用いることができる。