(57)【要約】【課題】  インコネル（登録商標）７１３Ｃと同等の組成を有し、金属粉末射出成形用に噴霧法にて微粉末とすることができる組成を有する耐熱合金を提供する。【解決手段】  Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｍｎ：０〜０．２５質量％、Ｓ：０〜０．０１５質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｃｒ：１２．０〜１４．０質量％、Ｍｏ：３．８０〜５．２０質量％、Ｔｉ：０質量％、Ａｌ：５．５０〜６．５０質量％、Ｎｂ：２．５８〜４．７４質量％、Ｆｅ：０〜２．５質量％、Ｚｒ：０．０５〜０．１５質量％、Ｂ：０〜０．０１５質量％、Ｃｏ：０〜１．００質量％を含み、残部をＮｉおよび不可避不純物とする。この組成は、インコネル７１３ＣのＴｉをＮｂにて置き換えたものに相当し、Ｔｉを含んでいないことから、噴霧法による微粉末製造工程において、注湯閉塞を生じることがない。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｍｎ：０〜０．２５質量％、Ｓ：０〜０．０１５質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｃｒ：１２．０〜１４．０質量％、Ｍｏ：３．８０〜５．２０質量％、Ｔｉ：０〜０．１質量％、Ａｌ：５．５０〜６．５０質量％、Ｎｂ：２．５８〜４．７４質量％、Ｆｅ：０〜２．５質量％、Ｂ：０〜０．０１５質量％、Ｃｏ：０〜１．００質量％を含み、残部がＮｉおよび不可避不純物であることを特徴とする金属粉末射出成形用耐熱合金
【請求項２】
Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｍｎ：０〜０．２５質量％、Ｓ：０〜０．０１５質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｃｒ：１２．０〜１４．０質量％、Ｍｏ：３．８０〜５．２０質量％、Ｔｉ：１．００〜２．４４質量％、Ａｌ：５．５０〜６．５０質量％、Ｆｅ：０〜２．５質量％、Ｂ：０〜０．０１５質量％、Ｃｏ：０〜１．００質量％を含み、
前記Ｔｉ濃度をαとしたとき、Ｎｂの濃度（質量％）が、（１．４３−α）×９２．９１／４７．８８〜（２．４４−α）×９２．９１／４７．８８であり、
残部がＮｉおよび不可避不純物であることを特徴とする金属粉末射出成形用耐熱合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末射出成形用耐熱合金に関し、特に、インコネル（登録商標）７１３Ｃと同等の組成を有する金属粉末射出成形用耐熱合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐熱部品は、精密鋳造または鍛造により製造されることが多いが、金属粉末射出成形（Metal injection moulding、以下、ＭＩＭという）が、近年、適用範囲を広げている。
【０００３】
このＭＩＭは、金属微粉末をバインダ樹脂と混ぜた混合物を、金型内に射出して成形する方法であり、金属が微粉末とされていることから、充填率が高く、成型品の表面を滑らかにすることができ、また、三次元の複雑な形状をニアネットシェイプで製造できるという特徴を有する。そのため、例えばターボチャージャーベーンがＭＩＭにより製造される。
【０００４】
また、上記金属微粉末は、溶融合金をノズルから噴霧して微粉末とする、噴霧法を用いて製造されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在、ＭＩＭに用いることができる耐熱合金粉末としては、ＳＵＳ系（３１０等）、ハステロイ（登録商標）系、ナイモニック（登録商標）系が知られているが、いずれも強度が不十分であった。
【０００６】
そこで、ＭＩＭ用の耐熱合金粉末として、鋳造用原料としてはナイモニック９０よりも高強度であることが知られているインコネル７１３Ｃを用いることが考えられる。なお、インコネル７１３Ｃは、以下の組成を有する合金である（単位は質量％）。
Ｃ：０．０８〜０．２０、Ｍｎ：０．２５ｍａｘ、Ｓ：０．０１５ｍａｘ、Ｓｉ：０．５０ｍａｘ、Ｃｒ：１２．０〜１４．０、Ｍｏ：３．８０〜５．２０、Ｔｉ：０．５０〜１．００、Ａｌ：５．５０〜６．５０、Ｆｅ：２．５ｍａｘ、Ｎｂ：１．８０〜２．８０、Ｚｒ：０．０５〜０．１５、Ｂ：０．００５〜０．０１５、Ｃｏ：１．００ｍａｘ、Ｎｉ：残部
【０００７】
しかし、インコネル７１３Ｃは、噴霧法による微粉末製造過程でノズルが閉塞してしまう、すなわち、注湯閉塞を生じてしまうので、ＭＩＭ用の微粉末を製造することができなかった。
【０００８】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、インコネル７１３Ｃと同等の組成を有し、ＭＩＭ用に噴霧法にて微粉末とすることができる組成を有する耐熱合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記インコネル７１３Ｃが噴霧法による微粉末製造工程において注湯閉塞を起こすのは、それに含まれるＴｉ含量の範囲に問題があることを突き止めた。すなわち、Ｔｉ濃度が０．１質量％よりも大きく、１質量％以下の範囲である場合に、注湯閉塞を起こしてしまうことを突き止めた。
【００１０】
そこで、本発明は、Ｔｉ含量を上記範囲外としつつ、Ｔｉ原子と、Ｔｉ原子と同様に固溶強化の目的で添加されるＮｂ原子の合計原子数がインコネル７１３Ｃと同程度となるように、Ｎｂの濃度を調整したものである。
【００１１】
すなわち、前記目的を達成するための第１発明は、Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｍｎ：０〜０．２５質量％、Ｓ：０〜０．０１５質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｃｒ：１２．０〜１４．０質量％、Ｍｏ：３．８０〜５．２０質量％、Ｔｉ：０〜０．１質量％、Ａｌ：５．５０〜６．５０質量％、Ｎｂ：２．５８〜４．７４質量％、Ｆｅ：０〜２．５質量％、Ｂ：０〜０．０１５質量％、Ｃｏ：０〜１．００質量％を含み、残部がＮｉおよび不可避不純物であることを特徴とする金属粉末射出成形用耐熱合金である。
【００１２】
また、前記目的を達成するための第２発明は、Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｍｎ：０〜０．２５質量％、Ｓ：０〜０．０１５質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｃｒ：１２．０〜１４．０質量％、Ｍｏ：３．８０〜５．２０質量％、Ｔｉ：１．００〜２．４４質量％、Ａｌ：５．５０〜６．５０質量％、Ｆｅ：０〜２．５質量％、Ｂ：０〜０．０１５質量％、Ｃｏ：０〜１．００質量％を含み、前記Ｔｉ濃度をαとしたとき、Ｎｂの濃度（質量％）が、（１．４３−α）×９２．９１／４７．８８〜（２．４４−α）×９２．９１／４７．８８であり、残部がＮｉおよび不可避不純物であることを特徴とする金属粉末射出成形用耐熱合金である。
【発明の効果】
【００１３】
第１発明よれば、Ｔｉ濃度が０〜０．１質量％あるので、注湯閉塞を生じることなく噴霧法にてＭＩＭ用粉末が製造できる。
【００１４】
第２発明によれば、Ｔｉ濃度が１．００質量％よりも多いので、注湯閉塞を生じることなく噴霧法にてＭＩＭ用粉末が製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の合金の組成は、前述のインコネル７１３Ｃを基本としており、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、およびＺｒの割合がインコネル７１３Ｃと異なっている。その異なっているものについて、以下に詳述する。
【００１６】
Ｓｉは、溶融合金の酸化防止のために添加するものであり、０．２ｗｔ％より少ないと、酸化防止効果が不十分となって、前述の注湯閉塞が生じてしまう。一方、添加量が多くなりすぎると、硬さが増加するため割れが発生しやすくなる。また、融点が低下するため、耐熱温度も低下するので、１．０ｗｔ％よりも少なくする必要がある。
【００１７】
Ｂは、インコネル７１３Ｃでは、鋳造工程において結晶粒が大きくならないように添加されているが、ＭＩＭでは、合金が微粉末とされているため、必ずしも添加する必要はない。ただし、Ｂの添加には粒界強化という目的もあるため、インコネル７１３Ｃと同量添加されてもよい。すなわち、本発明におけるＢの濃度範囲は、０〜０．０１５ｗｔ％である。
【００１８】
Ｚｒは、噴霧法によって噴霧冷却される際に酸化物を生成して、その酸化物がノズルに詰まり易いので、本発明では、添加していない。
【００１９】
次に、ＴｉおよびＮｂの割合について説明する。前述のように、インコネル７１３Ｃには、Ｔｉが０．５０〜１．００ｗｔ％添加され、Ｎｂが１．８０〜２．８０ｗｔ％添加されている。ここで、Ｎｂ原子（原子量９２．９１）を全てＴｉ原子（原子量４７．８８）に置き換えた場合を考えると、式１、２から、Ｎｂ＝１．８０ｗｔ％はＴｉ＝０．９３ｗｔ％に相当し、Ｎｂ＝２．８０ｗｔ％はＴｉ＝１．４４ｗｔ％に相当する。
（式１）  １．８０×（４７．８８／９２．９１）＝０．９３
（式２）  ２．８０×（４７．８８／９２．９１）＝１．４４
【００２０】
従って、Ｎｂ原子を全てＴｉ原子に置き換えた場合、Ｔｉ濃度範囲の下限は、０．５０＋０．９３＝１．４３ｗｔ％となり、Ｔｉ濃度範囲の上限は、１．０＋１．４４＝２．４４ｗｔ％となる。また、このときのＮｂ濃度は、Ｔｉ添加量によって定まる。すなわち、添加されているＮｂ原子を全てＴｉ原子に置き換えた場合、Ｔｉ濃度範囲は１．４３〜２．４４ｗｔ％となる必要があるから、Ｔｉ添加量をα（ｗｔ％）とすると、Ｔｉ：１．４３−α〜２．４４−α（ｗｔ％）に相当するＮｂ原子が添加される必要がある。従って、Ｎｂ濃度範囲の下限および上限は、それぞれ、式３、４で示される。
（式３）  （１．４３−α）×９２．９１／４７．８８
（式４）  （２．４４−α）×９２．９１／４７．８８
【００２１】
そして、Ｔｉ濃度を減少させて０〜０．１ｗｔ％とする場合、Ｎｂ濃度を求めるには、上記式３、４に、それぞれα＝０．１、α＝０を代入すればよいことから、Ｎｂ濃度は、２．５８〜４．７４（ｗｔ％）となる。
【００２２】
次に、Ｔｉ濃度を増加させて１．０ｗｔ％より大きくする場合を考える。この場合のＴｉ濃度範囲の上限は、Ｎｂ原子を全てＴｉ原子に置き換えた場合であるので、前述のように、２．４４ｗｔ％となる。そして、Ｔｉ濃度を増加させて１．０ｗｔ％より大きくしたときのＮｂ濃度範囲は、前述の式３、４により示される（ただし、この場合のαは１より大きく、また、αが１．４３以上であり、式３の値がマイナスとなる場合には、Ｎｂ濃度は０である）。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明の実施例を比較例とともに示す。まず、本発明の組成範囲であれば、噴霧法による微粉末の製造が可能であることを示す実験について説明する。
【００２４】
表１は、実施例、比較例の噴霧法による金属微粉末製造試験の結果を示している。噴霧法の条件を以下に示す。
＜噴霧法の条件＞
・噴霧圧力：７５０ｋｇｆ／ｃｍ２（７３５０Ｎ／ｃｍ２）
・噴霧水量：５４０Ｌ／ｍｉｎ
・注湯ノズル径：φ５ｍｍ
・出湯温度：１７３０℃
【００２５】
【表１】
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【００２６】
実施例１は、Ｔｉ濃度を０それよりも少し大きい値とし、Ｎｂ濃度は、そのＴｉ濃度を前記式３に代入することによって求められる最低値としたものであり、この組成では、噴霧法による微粉末の製造が可能であった。実施例２は、Ｔｉ濃度は実施例１と同じであるが、Ｎｂ濃度は、そのＴｉ濃度を前記式４に代入することによって求められる最大値としたものである。この組成でも、噴霧法による微粉末の製造が可能であった。また、実施例８は、Ｎｂ濃度が実施例１と２の中間的な値であり、他の組成は実施例１、２と同じである。この組成でも、噴霧法による微粉末の製造が可能であった。従って、実施例１、２、８から、Ｔｉ濃度が極めて低い場合には、Ｎｂ濃度が前記式３および式４によって定まる範囲の全てにおいて、噴霧法による微粉末製造が可能であることが分かる。
【００２７】
比較例２は、Ｔｉ濃度を実施例１のものよりも少し高くし、Ｎｂ濃度は、実施例１と同様に、そのＴｉ濃度を前記式３に代入することによって求められる最低値とした実験であるが、比較例２の場合には、注湯閉塞が生じてしまい噴霧法によって微粉末を製造することができなかった。また、比較例３は、Ｔｉ濃度を実施例２のものよりも少し高くし、Ｎｂ濃度は、実施例２と同様に、そのＴｉ濃度を前記式４に代入することによって求められる最大値とした実験であるが、比較例３の場合にも、注湯閉塞が生じてしまい噴霧法によって微粉末を製造することができなかった。従って、比較例２と実施例１との比較、および比較例３と実施例２との比較から、Ｔｉ＋Ｎｂの原子数が等しくても、Ｔｉ濃度が０．１ｗｔ％よりも高い場合には、噴霧法による微粉末製造ができないことが分かる。
【００２８】
比較例４は、Ｔｉ濃度が、第１発明の上限値と第２発明の下限値との間の中間的な値であり、この組成では、注湯閉塞が生じてしまい、微粉末の製造ができなかった。
【００２９】
実施例３は、Ｔｉ濃度を１よりも少し大きい値とし、Ｎｂ濃度は、そのＴｉ濃度を前記式３に代入することによって求められる最低値としたものであり、この組成でも、噴霧法による微粉末の製造が可能であった。また、実施例４は、Ｔｉ濃度は実施例３と同じであるが、Ｎｂ濃度を、そのＴｉ濃度を前記式４に代入することによって求められる最大値としたものである。この組成でも、噴霧法による微粉末の製造が可能であった。これらのことから、Ｔｉ濃度が１ｗｔ％よりも大きければ、Ｎｂ濃度が前記式３および式４によって定まる範囲の全てにおいて、噴霧法による微粉末製造が可能であることが分かる。
【００３０】
比較例５、６は、それぞれ、実施例３、４とＴｉ濃度が僅かに異なり、それに伴って、Ｎｂ濃度も僅かに異なっていること以外は、実施例３、４と同じ組成である。すなわち、比較例５は、Ｔｉ濃度を１よりも少し小さい値とし、Ｎｂ濃度は、実施例３と同様に、前記式３から求められる最低値としたものであり、比較例６は、Ｔｉ濃度は比較例５と同じであるが、Ｎｂ濃度を、実施例４と同様に、前記式４から求められる最大値としたものである。しかしながら、これら比較例５および６は、いずれも、噴霧法によって微粉末を製造することができなかった。このことから、Ｔｉ濃度が１ｗｔ％以下の場合には、Ｎｂ濃度が前記式３および式４によって定まる範囲内においてどのような濃度としても、噴霧法による微粉末製造ができないことが分かる（ただし、Ｔｉ濃度が０．１ｗｔ％以下の極微量である場合は噴霧法が可能であることは前述の通りである）。
【００３１】
比較例１は、実施例１とＳｉの添加量が異なるのみであるが、噴霧法による微粉末の製造はできなかった。また、実施例９は、実施例１と同様に、Ｔｉは極微量であり、Ｓｉ濃度が実施例１よりもさらに低下させられた組成である。この実施例９は、噴霧法が可能であった。これらのことから、Ｓｉは、０．２ｗｔ％は必要であることが分かる。
【００３２】
比較例７は、Ｔｉ濃度およびＮｂ濃度は実施例３と同じであるが、Ｓｉの添加量が０．２ｗｔ％よりも少なくなっており、この組成では、噴霧法による微粉末製造はできなかった。また、実施例１０は、Ｔｉ濃度は実施例３および比較例７とほぼ同じであるが、Ｓｉの添加量が、それらの間とされている。この実施例１０は噴霧法が可能であった。これらのことから、Ｔｉ濃度が１．０ｗｔ％よりも大きい場合にも、Ｓｉが０．２ｗｔ％以上必要であることが分かる。
【００３３】
実施例５、７は、それぞれ、実施例１、３におけるＢの濃度をインコネル７１３Ｃにおいて規定されている上限値付近の値としたものに相当する。また、実施例６は、Ｎｂ原子のほとんど全部をＴｉ原子に置き換え、且つ、Ｂの濃度をインコネル７１３Ｃにおいて規定されている上限値付近の値としたものである。実施例５〜７は、いずれも、噴霧法による微粉末の製造が可能であったことから、Ｂの添加割合は、インコネル７１３Ｃにおいて規定されている範囲であれば、本発明において規定するＴｉ、Ｎｂの濃度範囲の全てにおいて注湯閉塞に影響を及ぼさないことが分かる。
【００３４】
次に、上記実施例において得られた微粉末を用いてＭＩＭにより製造した焼結品の特性を測定した結果を、従来からＭＩＭにより高強度の焼結品が得られることが知られているナイモニック９０（比較例８）の焼結品特性とともに表２に示す。なお、焼結品の製造方法は以下の通りである。
＜焼結品の製造方法＞
ポリプロピレン（５５ｗｔ％）、パラフィンワックス（３０ｗｔ％）、カルナバワックス（１３．５ｗｔ％）、フタル酸ジオクチル（１．５ｗｔ％）からなるバインダーの添加量を６０ｖｏｌ％とし、１６０℃にて３０分混練し、混練後、５０ｔ射出成形機により成形を行った。脱脂（バインダー樹脂の除去）は、ヘキサン気流中溶媒脱脂（６７℃×２４ｈｒ）の後、加熱脱脂（４４０℃×１ｈｒ、Ａｒ大気圧フロー）により行った。脱脂に続く焼結は、Ａｒ雰囲気中にて１２５０〜１２８０℃で行い、焼結密度がほぼ一定になるように温度を調整した。このようにして丸棒（φ１３×６０）の焼結品を製造した。
【００３５】
【表２】
2005350710.tif 000003
【００３６】
また、表２において、引張強度は、上記丸棒からＪＩＳ  Ｚ  ２２０１に規定されている棒状試験片４号を切り出し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に規定されている方法に従って測定した。なお、試験片の形状および寸法を図１に示す。また、高温強度は、上記引張強度の測定を、高温（８５０℃、１０００℃）にて行ったものである。また、酸化増量は、上記丸棒からφ１３×１０Ｌを切り出したものを試験片とし、この試験片をアルミナ坩堝に入れて蓋をし、大気炉にて表２に示す温度および時間だけ熱処理する実験を行い、熱処理前後の重量増加を測定し、式５から求めたものである。なお、試験片表面積は、試験片の径および高さから算出した。
（式５）  酸化増量(mg/cm2)＝重量増加分(mg)／試験片表面積(cm2)
【００３７】
表２から、実施例１〜８の焼結品特性は、比較例８と比較して同等以上の特性を有していることが分かる。特に、実施例１〜８の焼結品は、高温における強度および耐酸化性が比較例８よりも優れている。
【００３８】
以上、説明したように、インコネル７１３Ｃの組成を基本とし、Ｔｉ濃度が０〜０．１質量％、または、１．００〜２．４４ｗｔ％となるようにしつつ、Ｎｂ添加量を調整することによって、Ｔｉ＋Ｎｂの原子数をインコネル７１３Ｃと同等とすれば、噴霧法による微粉末製造が可能となり、且つ、その微粉末を用いてＭＩＭにより製造した焼結品は、従来から知られているナイモニック９０を用いてＭＩＭにより製造した焼結品と比べて遜色ない特性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】引張試験において用いた試験片の形状を示す図である。
【図１】
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