(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉと、Ｃと、からなり、
Ｍｏの組成比は６０原子％以上かつ７５原子％以下であり、Ｓｉの組成比は１．７原子％以上かつ６．７原子％以下であり、Ｂの組成比は３．３原子％以上かつ１３．３原子％以下であり、Ｔｉの組成比は５．０原子％以上かつ１５．０原子％以下であり、Ｃの組成比は、５．０原子％以上かつ１０．０原子％以下であり、鋳造されたことを特徴とする合金。
【請求項２】
Ｔｉの組成比は１０原子％以上であることを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項３】
Ｍｏ固溶体相、Ｍｏ２Ｃ、Ｍｏ５ＳｉＢ２およびＴｉＣの共相であることを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項４】
Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉと、Ｃと、からなり、Ｍｏの組成比は６０原子％以上かつ７５原子％以下であり、Ｓｉの組成比は１．７原子％以上かつ６．７原子％以下であり、Ｂの組成比は３．３原子％以上かつ１３．３原子％以下であり、Ｔｉの組成比は５．０原子％以上かつ１５．０原子％以下であり、Ｃの組成比は、５．０原子％以上かつ１０．０原子％以下である合金を鋳造法を用い製造することを特徴とする合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は合金およびその製造方法に関し、例えばＭｏ、ＳｉおよびＢを含む合金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧タービン等に用いられる合金は、軽量かつ高強度であり耐熱性に優れることが求められる。このような合金としてモリブデン（Ｍｏ）を含むモリブデン合金がある。例えば、Ｍｏ、Ｓｉ（シリコン）およびＢ（ホウ素）を含む合金（例えば特許文献１および２）やハフニウム（Ｈｆ）を含むＭＨＣ合金が知られている。【０００３】
ＭｏとＭｏ５ＳｉＢ２との共晶反応温度は、２０６０℃から２１００℃程度であることが知られている（非特許文献１および２）。一方、ＭｏとＴｉＣ（炭化チタン）とは共晶反応することが知られている。ＭｏとＴｉＣとの共晶温度は約２１７５℃であることが知られている（非特許文献３）。また、ＭｏとＺｒＣ（炭化ジルコニウム）とは共晶反応することが知られている。ＭｏとＺｒＣとの共晶温度は約２５００℃であることが知られている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１５８３３号公報
【特許文献２】特開２００８−１１４２５８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Intermetallics, 13 (2005), 121-128
【非特許文献２】Structural Intermetallics, TMS, Warrendale, PA, 1997, 831-839
【非特許文献３】Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams, vol. 6, ASM International, Metals Park, OH, 1995, 7082-7096
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
モリブデン合金は融点が高いため、粉末焼結体を押出加工等して成型される。このため、複雑な形状を成型するためには、切削加工等を行なうことになり、製造コストが高くなる。逆に、粉末焼結のままで成形体とした場合には、強度の低下等の問題が発生する。一方、モリブデン合金を溶解し鋳造するためには、高額な設備を用いることになる。そこで、鋳造法により簡単に製造可能とするため、軽量かつ高強度であり耐熱性に優れ、かつ比較的低温において溶解可能な合金が求められている。【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、軽量かつ高強度であり耐熱性に優れ、かつ比較的低温において溶解可能な合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉと、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素と、ＣおよびＮの少なくとも１つの元素と、を主成分とすることを特徴とする合金である。本発明によれば、軽量かつ高強度であり耐熱性に優れ、かつ比較的低温において溶解可能な合金を提供することができる。【０００９】
上記構成において、鋳造された構成とすることができる。【００１０】
上記構成において、前記Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素はＴｉであり、前記ＣおよびＮの少なくとも１つの元素はＣである構成とすることができる。【００１１】
上記構成において、Ｍｏ固溶体相、Ｍｏ２Ｃ、Ｍｏ５ＳｉＢ２およびＴｉＣの共相である構成とすることができる。【００１２】
上記構成において、Ｍｏの組成比は５２原子％以上かつ８０原子％以下であり、Ｓｉの組成比は１．５原子％以上かつ２５原子％以下であり、Ｂの組成比は３原子％以上かつ２５原子％以下であり、Ｔｉの組成比は０．１原子％以上かつ１５原子％以下であり、Ｃの組成比は、０．１原子％以上かつ１５原子％以下である構成とすることができる。【００１３】
上記構成において、Ｍｏの組成比は６０原子％以上かつ７５原子％以下であり、Ｓｉの組成比は１．７原子％以上かつ６．７原子％以下であり、Ｂの組成比は３．３原子％以上かつ１３．３原子％以下であり、Ｔｉの組成比は５．０原子％以上かつ１５．０原子％以下であり、Ｃの組成比は、５．０原子％以上かつ１５．０原子％以下である構成とすることができる。【００１４】
上記構成において、Ｔｉの組成比は１０原子％以上であり、かつＣの組成比は１０原子％以下である構成とすることができる。【００１５】
上記構成において、前記Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素はＺｒであり、前記ＣおよびＮの少なくとも１つの元素はＣである構成とすることができる。【００１６】
上記構成において、Ｍｏ固溶体相、Ｍｏ２Ｃ、Ｍｏ５ＳｉＢ２およびＺｒＣの共相である構成とすることができる。【００１７】
本発明は、Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉと、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素と、ＣおよびＮの少なくとも１つの元素と、を主成分とする合金を鋳造法を用い製造することを特徴とする合金の製造方法である。本発明によれば、軽量かつ高強度であり耐熱性に優れ、かつ比較的低温において溶解可能な合金を提供することができる。【００１８】
上記構成において、前記Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素はＴｉであり、前記ＣおよびＮの少なくとも１つの元素はＣである構成とすることができる。【００１９】
上記構成において、前記Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素はＺｒであり、前記ＣおよびＮの少なくとも１つの元素はＣである構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、軽量かつ高強度であり耐熱性に優れ、かつ比較的低温において溶解可能な合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、実施例および比較例における合金の製造方法を示す図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ試料Ａ１およびＡ２の微細組織の観察写真である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ試料Ａ３およびＡ４の微細組織の観察写真である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ試料Ｂ１およびＢ２の微細組織の観察写真である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ試料Ｂ３およびＢ４の微細組織の観察写真である。
【図６】図６は、試料Ａ１〜Ａ４の１４００℃における応力−歪み曲線の測定結果を示す図である。
【図７】図７は、試料Ｂ１〜Ｂ４の１４００℃における応力−歪み曲線の測定結果を示す図である。
【図８】図８は、試料Ａ３およびＢ３の温度に対するピーク応力の測定結果を示す図である。
【図９】図９は、試料Ａ３およびＢ３の温度に対するヤング率の測定結果を示す図である。
【図１０】図１０は、試料Ａ１〜Ａ４およびＢ１〜Ｂ４の密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明者らは、Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（シルコニウム）およびＨｆ（ハフニウム）の少なくとも１つの元素と、Ｃ（炭素）およびＮ（窒素）の少なくとも１つの元素と、を主成分とすることにより、軽量かつ高強度であり耐熱性に優れ、かつ比較的低温において溶解可能な合金を製造可能であることを見出した。以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００２３】
Ｍｏ、Ｓｉ、Ｂ、ＴｉおよびＣを主成分とする試料を作製した。比較例として、Ｍｏ、ＳｉおよびＢを主成分とする試料を作製した。図１は、実施例および比較例における合金の製造方法を示す図である。図１を参照し、各材料を秤量する（ステップＳ１０）。材料としては、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｂ、ＴｉＣおよびＴｉを用いた。アーク溶解法を用い秤量した材料を溶解させる（ステップＳ１２）。溶解した材料により合金を鋳造する（ステップＳ１４）。【００２４】
表１は、作製した試料の各元素の重量％（ｗｔ％）および原子％（ａｔ％）を示す表である。
【表１】
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【００２５】
Ｎｏ．２、５、９および１４の試料が、それぞれ試料Ａ１からＡ４に対応し、Ｎｏ．４、８、１３および１６の試料が、それぞれ試料Ｂ１からＢ４に対応する。Ｎｏ．１からＮｏ．２８において、Ｓｉ：Ｂ＝１：２（原子比）である。Ｎｏ．１からＮｏ．１６において、Ｔｉ：Ｃ＝１：１（原子比）である。Ｎｏ．１７からＮｏ．２８において、Ｔｉ：Ｃ＝ｘ（１＜ｘ≦２）：１（原子比）である。【００２６】
表２は、各試料の密度および、１８００℃、１９００℃および２０００℃における溶解を調査した結果を示す表である。
【表２】
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【００２７】
表３は、比較例として作製した試料の各元素の重量％（ｗｔ％）、原子％（ａｔ％）および１８００℃、１９００℃、２０００℃および２１００℃における溶解を調査した結果を示す表である。
【表３】
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【００２８】
表２および表３において、「−」は調査していないことを示す。「溶解」の項において、「○」は全て溶解したことを示す。「△」は部分的に溶解したことを示す。「×」は溶解しないことを示す。【００２９】
表１および表２のように、測定した全ての実施例の試料において、密度は９．０１ｇ／ｃｍ３以下である。試料Ｎｏ．５以降の試料は、全て２０００℃において溶解した。Ｍｏの組成比が６０原子％以上かつ７５原子％以下において、融点が低下することがわかる。また、密度が小さいことがわかる。溶解する試料は、ＳｉおよびＢの組成比が高く、ＴｉおよびＣの組成比が小さい傾向にある。Ｓｉの組成比は、１．７原子％以上が好ましく、３．３原子％以上がより好ましく、５．０原子％以上がさらに好ましい。Ｓｉの組成比は、６．７原子％以下が好ましい。Ｂの組成比は、３．３原子％以上が好ましく、６．７原子％以上がより好ましく、１０原子％以上がさらに好ましい。Ｂの組成比は、１３．３原子％以下が好ましい。Ｔｉの組成比は、１５．０原子％以下が好ましく、１３．３原子％以下がより好ましく、１２．５原子％以下がさらに好ましい。Ｔｉの組成比は、５．０原子％以上が好ましい。Ｃの組成比は、１５．０原子％以下が好ましく、１３．３原子％以下がより好ましく、１２．５原子％以下がさらに好ましい。Ｃの組成比は、５．０原子％以上が好ましい。【００３０】
Ｎｏ．１７からＮｏ．２８においては、Ｔｉの組成比をＣの組成比より大きくする。例えば、１＜Ｔｉの組成比／Ｃの組成比≦２である。これにより、密度が８．６ｇ／ｃｍ３以下となり、かつ２０００℃において溶解できる。例えば、Ｃの組成比を１０原子％以下とし、かつＴｉの組成比を１０原子％以上とすることが好ましい。【００３１】
図２（ａ）から図３（ｂ）は、それぞれ試料Ａ１〜Ａ４の微細組織の観察写真である。微細組織はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察した。ＭｏｓｓはＭｏの固溶体相、Ｔ２は、Ｍｏ５ＳｉＢ２の相、Ｍｏ２ＣはＭｏ２Ｃの相、ＴｉＣはＴｉＣの相を示している。図２（ａ）から図３（ｂ）のように、試料Ａ１〜Ａ４は、Ｍｏ固溶体相、Ｍｏ２Ｃ、Ｍｏ５ＳｉＢ２およびＴｉＣの共相であることがわかる。【００３２】
図４（ａ）から図５（ｂ）は、それぞれ試料Ｂ１〜Ｂ４の微細組織の観察写真である。図２（ａ）から図３（ｂ）と同様に、微細組織をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察した。図４（ａ）から図５（ｂ）のように、試料Ｂ１〜Ｂ４は、試料Ａ１〜Ｂ４と同様に、Ｍｏ固溶体相、Ｍｏ２Ｃ、Ｍｏ５ＳｉＢ２およびＴｉＣの共相であることがわかる。【００３３】
図６は、試料Ａ１〜Ａ４の１４００℃における応力−歪み曲線の測定結果を示す図である。比較のためＭＨＣ合金の応力−歪み曲線を示す。図６を参照し、いずれの試料もＭＨＣ合金に比べ降伏強度が２倍以上となった。特に、ＴｉＣの組成比が小さく、ＳｉＢ２の組成比が高い試料は降伏強度が高くなる。このように、試料Ａ１〜Ａ４は、高温において高強度であることがわかる。【００３４】
図７は、試料Ｂ１〜Ｂ４の１４００℃における応力−歪み曲線の測定結果を示す図である。比較のためＭＨＣ合金の応力−歪み曲線を示す。図７を参照し、いずれの試料もＭＨＣ合金に比べ降伏強度が大きくなった。特に、ＴｉＣの組成比が小さく、ＳｉＢ２の組成比が高い試料は降伏強度が高くなる。このように、試料Ｂ１〜Ｂ４は、試料Ａ１〜Ａ４と同様に、高温において高強度であることがわかる。【００３５】
図８は、試料Ａ３およびＢ３の温度に対するピーク応力の測定結果を示す図である。ピーク応力σは、応力−歪み曲線における応力σのピーク値を示している。比較のため、ＭＨＣ（モリブデン・ハフニウムカーバイド）合金、ＴＺＭ（チタン・ジルコニウム・モリブデン）合金、Ｍｏ０．６−Ｓｉ７．９−Ｂのピーク応力を示す。白丸がＢ３、白四角がＡ３、黒丸がＭＨＣ合金、および黒四角がＴＺＭ合金の測定点である。斜め白四角がＭｏ−６．１Ｓｉ−７．９Ｂの文献に記載された値である。曲線は近似曲線である。【００３６】
試料Ｂ３は、Ｍｏ−６．１Ｓｉ−７．９Ｂ、耐熱合金として知られているＭＨＣ合金およびＴＺＭ合金と比較し、いずれの温度においてもピーク応力が大きい。１０００℃において、ピーク応力は１８００ＭＰａとＭＨＣ合金、ＴＺＭ合金、Ｍｏ−６．１Ｓｉ−７．９Ｂ合金に比べ非常に大きい。また、１６００℃において、約４００ＭＰａのピーク応力を有する。試料Ａ３は、１４００℃において試料Ｂ３と同程度のピーク応力を有する。試料Ａ３は、他の温度においても試料Ｂ３と同程度のピーク応力を有すると考えられる。また、他の試料においても試料Ｂ３と同様に高温でのピーク応力が大きいと考えられる。このように、Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉと、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素と、ＣおよびＮの少なくとも１つの元素と、を主成分とする合金は、１０００℃以上の高温において高強度性に優れている。【００３７】
図９は、試料Ａ３およびＢ３の温度に対するヤング率の測定結果を示す図である。比較のためＷ（タングステン）、Ｍｏ、Ｍｏ−２Ｓｉ合金およびＭｏ−３Ｓｉ合金のヤング率を示す。図９を参照し、いずれの試料もＭｏおよびＭｏ−Ｓｉ合金に比べ室温から１０００℃までにおいてヤング率が大きい。このように、試料Ａ３およびＢ３は、高温において剛性が高いことがわかる。【００３８】
図１０は、試料Ａ１〜Ａ４およびＢ１〜Ｂ４の密度を示す図である。比較のため純Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｅｎｅ´Ｎ５合金、ＴＭＳ−１３８合金、Ｍｏ５ＳｉＢ２および純Ｍｏの密度を示す。図６を参照し、試料Ａ１〜Ａ４およびＢ１〜Ｂ４の密度は８．７ｇ／ｃｍ３から９．０１ｇ／ｃｍ３である。試料Ａ１〜Ａ４およびＢ１〜Ｂ４は、純Ｍｏより密度が小さく、Ｎｉ合金であるＲｅｎｅ´Ｎ５合金およびＴＭＳ−１３８合金並びにＭｏ５ＳｉＢ２と同程度の密度である。【００３９】
純Ｎｉ、ＲｅｎｅＮ５合金およびＴＭＳ−１３８合金は、密度が小さく軽量であるが融点が１４００℃程度であり、１５００℃程度で用いられる高耐熱合金として用いることができない。Ｍｏ５ＳｉＢ２は軽量であり高耐熱であるが、融点が２２００℃程度であり、鋳造法による製造が難しい。【００４０】
実施例に係る合金は、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｂ、ＴｉおよびＣを主成分とする。これにより、表３に示すように、２０００℃程度で溶解可能であり、鋳造法を用い合金を製造が可能である。図６から図９に示すように、１０００℃以上の高温において高強度かつ高剛性である。さらに、図１０に示すように、軽量である。【００４１】
Ｍｏの組成比は５２原子％以上かつ８０原子％以下であり、Ｓｉの組成比は１．５原子％以上かつ２５原子％以下であり、Ｂの組成比は３原子％以上かつ２５原子％以下であり、Ｔｉの組成比は０．１原子％以上かつ１５原子％以下であり、Ｃの組成比は、０．１原子％以上かつ１５原子％以下であることが好ましい。これにより、低温での溶解が可能となる。【００４２】
Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ三元系の融点の知見から、低融点化のため、Ｍｏの組成比は８０原子％以下が好ましい。高強度化のため、Ｍｏの組成比は５２原子％以上が好ましい。Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ三元系をベースとするため、Ｓｉの組成比は１．５原子％以上かつ２５原子％以下であり、Ｂの組成比は３原子％以上かつ２５原子％以下であることが好ましい。ＴｉおよびＣは、低融点化のため、０．１原子％以上が好ましい。【００４３】
図２（ａ）から図５（ｂ）に示すように、これらの合金は、Ｍｏ固溶体相、Ｍｏ２Ｃ、Ｍｏ５ＳｉＢ２およびＴｉＣの共相であることにより、融点が低く、高強度かつ軽量化を実現できる。【００４４】
表３のように、Ｍｏ、ＳｉおよびＢを主成分とする比較例においては、溶解温度を２１００℃以下とするため、Ｍｏの組成比が６５原子％以上であり、かつＢの組成比が２０原子％以下であることが好ましい。また、Ｍｏの組成比は、７５原子％以下が好ましい。Ｂの組成比は１０原子％以上が好ましい。溶解温度を２０００℃以下とするため、Ｍｏの組成比が６７原子％以上であり、かつＢの組成比が１５原子％以下であることが好ましい。Ｍｏの組成比は、７３原子％以下が好ましい。Ｂの組成比は１０原子％以上が好ましい。しかしながら、比較例においては、密度が９．１ｇ／ｃｍ３以上となってしまう。よって、合金の軽量化が難しい。Ｍｏの組成比を６２．５原子％、Ｂの組成比を２５原子％およびＳｉの組成比を１２．５原子％とすると、合金の密度を約８．８ｇ／ｃｍ３とすることができる。しかしながら、溶解温度が高くなる。実施例では、密度をほぼ９．０ｇ／ｃｍ３以下とすることができ、かつ溶解温度を低くすることができる。よって、比較的低温において溶解可能であり、かつ合金の軽量化が容易である。【００４５】
ＺｒおよびＨｆは、周期律表においてＴｉと同じ周期であり、性質がＴｉと似ている。例えば、ＣまたはＮとの親和力が大きい。よって、Ｔｉの代わりにＺｒおよびＨｆを用いることができる。軽量化のためには、Ｔｉが好ましい。また、合金化した際にＮはＣと同様な挙動を示すため、Ｃの代わりにＮを用いることもできる。よって、合金は、Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉと、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素と、ＣおよびＮの少なくとも１つの元素と、を主成分とすればよい。【００４６】
例えば、Ｍｏ：Ｓｉ：Ｂ：Ｔｉ：Ｃ：Ｚｒ＝５２：８：１０：１０：１０（原子比）の試料を作製した。この試料の密度は約８．１ｇ／ｃｍ３であり、２０００℃において溶解した。【００４７】
合金は、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｂ、ＺｒおよびＣを主成分とすることができる。また、合金は、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｔｉ、ＺｒおよびＣを主成分とすることができる。この場合、合金は、Ｍｏ固溶体相、Ｍｏ２Ｃ、Ｍｏ５ＳｉＢ２およびＺｒＣの共相であることにより、融点が低く、高強度かつ軽量化を実現できる。【００４８】
図１のステップＳ１０における材料としては、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｂ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉおよびＺｒ等を適宜用いることができる。ステップＳ１２における材料の溶解方法としては、アーク溶解法以外にもプラズマ溶解法等を用いることができる。【００４９】
Ｍｏと、Ｓｉと、Ｂと、Ｔｉと、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つの元素と、ＣおよびＮの少なくとも１つの元素と、を主成分とする合金は、２０００℃程度の温度で溶解するため、安価な設備を用い製造することができる。また、複雑な形状の製品および／または大型な製品を簡単に製造することができる。また、１０００℃以上の温度において強度を高くでき、軽量化が可能である。このため、この合金は、耐熱合金として、ジェットエンジンやガスタービンの高圧タービンブレードに適用可能となる。また、ＷＣ（炭化タングステン）に代わり各種加工ツールや特殊金型にも応用することができる。さらに、高温高圧容器に使用することもできる。【００５０】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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