(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１％以下，Ｓｉ：２．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下，Ｃｒ：３０〜４５％およびＡｌ：３．１〜５％を含有し、残部が不可避的不純物およびＮｉからなる合金組成を有し、γ’相およびα相の複合析出により強化されているＮｉ基高強度耐熱合金からなる機械構造用部材。
【請求項２】
請求項１に規定した合金成分に加えて、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆの１種または２種以上（２種以上の場合は合計で）：３．０％以下を含有する合金組成を有し、γ’相およびα相の複合析出により強化されているＮｉ基高強度耐熱合金からなる機械構造用部材。
【請求項３】
請求項１または２に規定した合金成分に加えて、Ｎｂ，ＴａおよびＶの１種または２種以上を（２種以上の場合は合計で）：３．０％以下を含有する合金組成を有し、γ’相およびα相の複合析出により強化されているＮｉ基高強度耐熱合金からなる機械構造用部材。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに規定した合金成分に加えて、Ｃｏ：１０％以下、Ｍｏ：１０％以下および（または）Ｗ：１０％以下を、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１０％であるように含有する合金組成を有し、γ’相およびα相の複合析出により強化されているＮｉ基高強度耐熱合金からなる機械構造用部材。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに規定した合金成分に加えて、Ｃｕ：５％以下、Ｂ：０．０１５％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下の１種または２種以上を含有する合金組成を有し、γ’相およびα相の複合析出により強化されているＮｉ基高強度耐熱合金からなる機械構造用部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｉ基の高強度耐熱合金の改良に関する。本発明により、高強度とともに高温安定性および耐高温腐食性を要求されるエンジン排気系やガスタービン周辺の耐熱部品、高硬度と高耐食性を要求される軸受けなどの部品、高強度で非磁性を要求されるシャフトやボルトなどの部品の材料として好適なＮｉ基耐熱合金と、それを使用した種々の機械構造用部材が提供される。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば上記したエンジン排気系やガスタービン周辺の部品のように、高温にさらされる部分で使用され、高強度と耐高温腐食性とを長時間維持できることが必要な部品の材料としては、γ’相すなわちＮｉ3（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ）やγ”相すなわちＮｉ3Ｎｂの析出強化合金であるＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０や、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７１８などのＮｉ基超合金が採用されてきた。しかしながら、この種のＮｉ基合金の室温硬さは高々ＨＲＣ４０程度であり、引張り強度もせいぜい１５００ＭＰａ止まりである。
【０００３】
高硬度と高耐食性を要求される軸受けなどの部品には、ＪＩＳのＳＵＳ４４０Ｃなど、ＨＲＣ５８を超えるマルテンサイト系のステンレス鋼が用いられているが、この鋼の耐食性は低いため腐食性環境には向かず、また当然に非磁性ではないことから、非磁性を要求される用途には使えない。
【０００４】
高強度で非磁性を要求されるシャフトやボルトなどの材料には、特開昭６２−２０８５５に開示された加工硬化型オーステナイト系ステンレス鋼が使用されていて、引張り強度は強加工材で１８００ＭＰａのレベルに達するが、高温になると加工硬化が回復してしまい、強度が低下する。
【０００５】
このようなわけで、室温で２０００ＭＰａを超える高強度および高温安定性、高硬度、高耐食性および非磁性の要求のすべてを満たす合金は、まだ実現していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した諸特性すなわち室温で２０００ＭＰａを超える高強度および高温安定性、高硬度、高耐食性および非磁性のすべてを兼ね備えている上に、加工性も良好で、汎用性の高い合金材料を提供し、それによって種々の機械構造用部材の製造を可能にすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成することができる本発明のＮｉ基高強度合金は、基本的な合金組成として、重量％で、Ｃ：０．１％以下，Ｓｉ：２．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下，Ｃｒ：３０〜４５％およびＡｌ：３．１〜５％を含有し、残部が不可避的不純物およびＮｉからなる合金組成を有し、γ’相およびα相の複合析出により強化されているＮｉ基高強度合金である。
【０００８】
Ｎｉ基超合金の析出強化には、前述のようにγ´相が利用されているが、これに加えてＣｒを主体とするα相を複合析出させることにより、高強度および高温安定性、高硬度、高耐食性および非磁性の兼備が可能になった。この合金は熱間加工が可能であり、また固溶化熱処理をすればＨＲＢ９５以下に軟化するため、冷間加工性にもすぐれており、製造性がよく汎用性が高い材料である。
【０００９】
【発明の実施形態】
本発明のＮｉ基高強度合金は、上記の基本的な合金成分に加えて、下記のグループに属する任意添加元素のひとつまたはふたつ以上を含有することができる。
Ｉ）Ｔｉ，ＺrおよびＨｆの１種または２種以上（２種以上の場合は合計で）：３．０％以下、
II）Ｎｂ，ＴａおよびＶの１種または２種以上（２種以上の場合は合計で）：  ３．０％以下、
III）Ｃｏ：１０％以下、Ｍｏ：１０％以下および（または）Ｗ：１０％以下を、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１０％以下、ならびに
IV）Ｃｕ：５％以下、Ｂ：０．０１５％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．１％以下、Ｃａ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下の１種または２種以上。
【００１０】
以下に、本発明のＮｉ基高強度合金の基本的な態様を構成する各合金成分の作用と、組成範囲の限定理由を説明する。
【００１１】
Ｃ：０．１％以下、好ましくは０．０８％以下
Ｃは溶製時に脱酸剤として作用するほか、Ｔｉ，ＺrおよびＨｆのグループに属する元素、またはＮｂ，ＴａおよびＶのグループに属する元素が存在する場合は、それらと炭化物を形成して、固溶化熱処理時の結晶粒粗大化を防止するとともに、粒界の強化に寄与する。０．１％を超える添加は、強度および靭性を低下させる。好ましい含有量の上限界は０．０８％である。
【００１２】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは脱酸剤として必要であるが、多量の添加は、強度および靭性の低下を招く。その限界は２．０％である。１．０％以下が好ましい。
【００１３】
Ｍｎ：２．０％以下
ＭｎもＳｉと同様、脱酸剤として有用であるが、過大な添加はやはり強度および靭性の低下を招く。上限として、２．０％を設定した。これも、１．０％以下が好ましい。
【００１４】
Ｃｒ：３０〜４５％
Ｃｒはα相を形成する主要な元素であり、α相がγ’相と複合析出することで高強度と高硬度が得られるという点で、重要な元素である。もちろん、耐食性にも寄与する。これらの効果は、３０％に満たない量では十分に得られず、一方で４５％を超える添加は、加工性の低下を招く。より好適な範囲は、３２〜４２％である。
【００１５】
Ａｌ：１．５〜５．０％
Ａｌはγ’相を形成する重要な元素であり、さらに耐高温腐食性の向上にも役立つ。この効果は１．５％に達しない添加では得られず、３．１％以上で顕著になる。また添加量が５．０％を超えると、加工性が悪くなる。好ましい範囲は、３．１〜４．５％である。
【００１６】
本発明のＮｉ基高強度合金の変更態様において任意に添加する各グループの合金成分の作用と、組成範囲の限定理由はつぎのとおりである。
【００１７】
Ｔｉ，ＺrおよびＨｆの1種または２種以上（２種以上の場合は合計で）：３．０％以下
これらの元素は、γ’相を形成するＡｌと置換することによりγ’相の固溶強化に寄与し、合金の強度をさらに高める働きがあるから、Ａｌと複合して添加するとよい。ただし、Ａｌとの合計量が７％を超えると、加工性を悪くする。３種の元素のうちで、強度の向上に最も効果的なものはＴｉであり、その添加量の最適な範囲は２％以下である。ＺrおよびＨｆには、結晶粒界に偏析して粒界を強化する効果もある。ＺrおよびＨｆの添加量は、０．１％以下のところに最適範囲がある。
【００１８】
Ｎｂ，ＴａおよびＶの1種または２種以上を（２種以上の場合は合計で）：３．０％以下
Ｎｂ，ＴａおよびＶも、Ｔｉ，ＺrおよびＨｆと同様な機構で、すなわちγ’相を形成するＡｌと置換することによりγ’相の固溶強化に寄与し、合金の強度をさらに高める作用がある。しかし、３％を超える添加は、加工性を悪くする。これら３種の元素のうちで、添加効果が最も高いものはＮｂおよびＴａであり、その添加量の最適な範囲は２％以下である。Ｖの最適な添加量は、０．５％以下である。
【００１９】
Ｃｏ：１０％以下、Ｍｏ：１０％以下および（または）Ｗ：１０％以下を、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１０％以下
Ｃｏは、固溶強化により合金の強度を高める。γ’相の析出量を増大させる存在でもある。しかしＣｏは高価な材料であるから、多量の添加は得策といえず、現実的な上限は、１０％である。
ＭｏおよびＷもまた、固溶強化により合金の強度を高める。Ｍｏには、耐食性を向上させる働きもある。Ｍｏ＋０．５Ｗが１０％を超えると、加工性や耐高温腐食性を損なう。ＭｏもＷも高価な材料であるから、多量の添加は合金のコストを高めて不利である。
【００２０】
Ｃｕ：５％以下、Ｂ：０．０１５％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下の１種または２種以上
Ｃｕは冷間加工性を改善する。さらに、耐硫酸腐食性を顕著に向上させる高価もある。多量の添加は熱間加工性にとって好ましくないから、５％以内の添加に止めるべきである。
Ｂ，ＭｇおよびＣａは、いずれも熱間加工性を改善する。Ｂは、これに加えて結晶粒界に偏析して粒界を強化し、クリープ強度を高めるのにも役立つ。ＭｇおよびＣａは、溶解時に脱酸および脱硫を意図して添加することもある。いずれも過大な添加は、かえって熱間加工性を低下させる。そこで添加量の限界として、Ｂについては０．０１５％、ＭｇおよびＣａについては０．０１％を設けた。ＲＥＭは、高温で使用する部品の耐酸化性を高める。この効果は、主として、密着したスケールの剥離を抑制するという機構を通じて得られる。しかし、熱間加工性にとっては好ましくない存在であるから、０．１％以下の添加に止める。
【００２１】
不純物として混入してくる物質のうち、もっとも可能性が高いのは、Ｆｅである。Ｆｅは合金の強度、高温および常温の耐食性を低くする傾向があるので、原料を吟味するなどして、なるべく混入量を低く抑える。許容できる限界は５％であるが、できれば３％以下に止めたい。
【００２２】
【実施例】
表１（実施例）および表２（比較例）に示す合金組成をもつＮｉ基合金を各５０kg、真空誘導炉で溶製し、インゴットに鋳造した。
【００２３】
【表１】
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【００２５】
【表２】
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【００２６】
各インゴットを１２００〜９５０℃の範囲の温度で鍛造、圧延して、直径１８mmの丸棒にした。ただし、比較例No.６および７は、直径３０mmの丸棒にした。つづいて、それぞれの丸棒を、表３の条件で熱処理または熱処理＋塑性加工を施した。
【００２７】
表３
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【００２８】
実施例No.２の合金について、Ｘ線回折分析を行なった。得られたチャートを図１に示す。このチャートには、γ相のピークに加えてγ’相およびα相のピークが認められ、複合析出による強化が行なわれていることを裏付けている。
【００２９】
各合金のサンプルに対し、室温および７００℃における引張試験、硬さの測定、室温における透磁率の測定、塩水噴霧による耐食性評価および９００℃における連続酸化試験を行なった。試験条件はそれぞれ下記のとおりである。
［室温引張試験］
試験片の平行部径８mm、評点間距離３０mm  JIS Z2201に準拠
［高温引張試験］
試験片の平行部径８mm、評点間距離４０mm  JIS Z0567に準拠
［硬  さ］
ビッカース硬度計使用、測定荷重５kgf
［透磁率］
試験片のサイズ５×５×５mm、振動試料型磁力計  外部磁界１００Oe
［塩水噴霧］
試験片は幅１５mm×長さ２５mm×厚さ２mm、表面を#320のサンドペーパーで研摩し、JIS Z2371に準拠して100時間塩水噴霧した後、発錆の有無で評価
［高温連続酸化］
試験片は幅１５mm×長さ２５mm×厚さ２mm、表面を#320のサンドペーパーで研摩し、JIS Z2281に準拠して900℃で100時間保持後、酸化増量で評価
試験結果は、表４および表５に示すとおりである。
【００３０】
表４  試験結果
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【００３１】
表  ５  試験結果（参考例および比較例）
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【００３２】
【発明の効果】
本発明のＮｉ基高強度合金は、γ´相およびα相の複合析出による強化を利用して、室温で２０００ＭＰａを超える高強度を確保するとともに、それが高温でも安定して維持され、温度の上昇にともなう強度の低下が少ない。硬さも、室温でＨＶ６００を十分に上回る高硬度であり、高温でもあまり低下しない。常温および高温の耐食性もすぐれており、とくに高温の酸化性雰囲気によく耐える。その上、この合金は非磁性である。
【００３３】
したがって本発明のＮｉ基高強度合金を材料として、上記の特性の一部または全部を備えていることを要求される種々の機械構造用部材、代表的には前記したエンジン排気系やガスタービン周辺の部品、軸受、シャフトやボルトなどを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例No.２の合金についてＸ線回折分析を行なって得たチャート。
【図１】
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