(57)【要約】【課題】高温における機械的特性、被研削性に優れ、比較的安価なＮｉ基合金を提供すること。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｏ：０．１０％未満、Ｃｒ：１６〜２２％、Ｍｏ：４〜１０％、Ｗ：５％以下、Ａｌ：１．２〜２．５％、Ｔｉ：２．４〜４％、Ｂ：０．００１〜０．０５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｆｅ：１％以下であり、残部が実質的にＮｉおよび不可避的不純物よりなるＮｉ基合金とする。Ｍｏ＋１／２Ｗは４〜１０％の範囲内にあると良い。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：１％以下、
Ｍｎ：１％以下、
Ｐ  ：０．０２％以下、
Ｓ  ：０．０１％以下、
Ｃｏ：０．１０％未満、
Ｃｒ：１６〜２２％、
Ｍｏ：４〜１０％、
Ｗ  ：５％以下、
Ａｌ：１．２〜２．５％、
Ｔｉ：２．４〜４％、
Ｂ  ：０．００１〜０．０５％、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％、
Ｆｅ：１％以下であり、
残部が実質的にＮｉおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするＮｉ基合金。
【請求項２】
さらに、Ｍｏ＋１／２Ｗが４〜１０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のＮｉ基合金。
【請求項３】
Ｎｂ：０．１〜３％、および、
Ｔａ：０．１〜３％、
から選択される１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載のＮｉ基合金。
【請求項４】
Ｃａ：０．００１〜０．０３％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０３％、および、
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％、
から選択される１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のＮｉ基合金。
【請求項５】
Ｃｕ：０．０１〜２％をさらに含有することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のＮｉ基合金。
【請求項６】
Ｖ：０．０５〜１％をさらに含有することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のＮｉ基合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｎｉ基合金としては、ＮＣＦ７５１、ＮＣＦ８０Ａなどが広く知られている。この種のＮｉ基合金は、例えば、高温強度などが要求される自動車エンジンの排気バルブ材料などとして用いられている。
【０００３】
他にも、特許文献１には、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．５％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜５．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：０．３〜３．０％、Ｔｉ：１．５〜３．５％、Ａｌ：０．５〜２．５％、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｆｅ：５％以下、残部が実質的にＮｉからなる排気バルブ用Ｎｉ基合金が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、重量％で、Ｃ：０．１６〜０．５４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｏ：２．０〜８．０％、Ｆｅ：１２％以下、Ｃｒ：１７．０〜２３．５％、および、ＭｏとＷの１種または２種を２．０≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦５．５の範囲で含み、さらにＡｌ：１．０〜２．０％、Ｔｉ：２．５〜５．０％（但し、５．０≦１．８Ａｌ＋Ｔｉ−４Ｃ≦６．０）、および、Ｂ：０．００１〜０．０２０％と、Ｚｒ：０．００５〜０．１５％の１種または２種を含み、残部は不純物を除き本質的にＮｉからなる排気バルブ用Ｎｉ基合金が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１１９６４０号公報
【特許文献２】特開平５−５９４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、既存のＮｉ基合金は、以下のような問題があった。
【０００７】
すなわち、従来の自動車用エンジンの排気温度は、８００℃前後が主流であった。
【０００８】
しかしながら、近年、燃費向上や排ガス浄化などのため、理論空燃比に近い空燃比で燃焼を行うエンジンが開発されてきている。この種のエンジンでは、その排気温度が９００℃に達する場合がある。
【０００９】
このような温度では、既存のＮｉ基合金は、引張強さ、疲労強度など、高温における機械的特性が大きく低下してしまう。そのため、既存のＮｉ基合金を用いて排気バルブを形成しても、必要なバルブ特性が得られず、その結果、エンジン性能を十分に高めることができないといった問題があった。
【００１０】
一方、高温特性に優れたＮｉ基合金として、Ｃｏを１２〜１４％程度含有するＷａｓｐａｌｏｙやＵｄｉｍｅｔ５２０などを用いることも考えられる。
【００１１】
ところが、これらのＮｉ基合金は、被研削性が悪いため、研削砥石の寿命が低下したり、製品の表面加工精度が低下したりするなどの問題があった。さらに、Ｃｏ含有率が高いので、材料コストも非常に高くなる。
【００１２】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高温における機械的特性、被研削性に優れ、比較的安価な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】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係るＮｉ基合金は、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｏ：０．１０％未満、Ｃｒ：１６〜２２％、Ｍｏ：４〜１０％、Ｗ：５％以下、Ａｌ：１．２〜２．５％、Ｔｉ：２．４〜４％、Ｂ：０．００１〜０．０５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｆｅ：１％以下であり、残部が実質的にＮｉおよび不可避的不純物よりなることを要旨とする。
【００１４】
この場合、上記Ｎｉ基合金は、Ｍｏ＋１／２Ｗが４〜１０％の範囲内にある良い。
【００１５】
また、上記Ｎｉ基合金は、Ｎｂ：０．１〜３％、および、Ｔａ：０．１〜３％から選択される１種または２種以上をさらに含有していても良い。
【００１６】
また、上記Ｎｉ基合金は、Ｃａ：０．００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．００１〜０．０３％、および、ＲＥＭ：０．００１〜０．１％から選択される１種または２種以上をさらに含有していても良い。
【００１７】
また、上記Ｎｉ基合金は、Ｃｕ：０．０１〜２％をさらに含有していても良い。
【００１８】
また、上記Ｎｉ基合金は、Ｖ：０．０５〜１％をさらに含有していても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るＮｉ基合金は、特定成分の含有率を特定範囲内としている。そのため、本発明に係るＮｉ基合金は、９００℃の高温であっても、引張強さ、疲労強度などの機械的特性に優れる。
【００２０】
また、本発明に係るＮｉ基合金は、とりわけ、Ｃｏ含有率が０．１０未満に制限されている。そのため、ＷａｓｐａｌｏｙやＵｄｉｍｅｔ５２０に比較して、被研削性に優れ、材料コストも安価にすることができる。
【００２１】
したがって、本発明に係るＮｉ基合金を、例えば、エンジンバルブ材料として用いた場合には、エンジン性能を向上させやすい。また、製品の研削加工時に用いる砥石寿命が長くなるとともに、製品の表面加工精度も向上させることができる。
【００２２】
また、本発明に係るＮｉ基合金は、例えば、タービンディスク、ブレードなどにも有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明に係るＮｉ基合金（「本合金」ということがある。）は、特定成分の含有率が下記に規定される範囲内とされており、残部がＮｉおよび不可避的不純物よりなる。特定成分の種類、その含有率を規定した理由は、次の通りである。なお、以下の含有率の単位は、重量％である。
【００２４】
（１）Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａと結合してＭＣ炭化物や、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗと結合してＭ２３Ｃ６、Ｍ６Ｃ炭化物を形成し、結晶粒の粗大化防止や粒界強化などに寄与する有効な元素である。その効果を得るには、Ｃ含有率は、０．０１％以上、好ましくは、０．０３％以上とするのが良い。
【００２５】
一方、Ｃ含有率が高くなると、炭化物の生成量が多くなり、例えば、バルブ形状などに成形し難くなるし、靭延性も低下する傾向が見られる。そのため、Ｃ含有率は、０．１５％以下、好ましくは、０．１０％以下とするのが良い。
【００２６】
（２）Ｓｉ：１％以下
Ｓｉは、主に、溶解精錬時の脱酸剤として作用する元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、Ｓｉは、耐酸化性の向上にも寄与する。
【００２７】
Ｓｉ含有率が高くなると、靭性、加工性などが低下する傾向が見られる。そのため、Ｓｉ含有率は、１％以下とするのが良い。
【００２８】
（３）Ｍｎ：１％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、主に脱酸剤として作用する元素であり、必要に応じて含有させることができる。
【００２９】
Ｍｎ含有率が高くなると、高温における耐酸化性、加工性などが低下する傾向が見られる。そのため、Ｍｎ含有率は、１％以下とするのが良い。
【００３０】
（４）Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、熱間加工性を低下させる元素である。本合金は、Ｎｉを低下させているため、熱間加工できる範囲が比較的狭く、できる限り熱間加工性を確保したい。そのため、Ｐ含有率は、０．０２％以下とするのが良い。
【００３１】
（５）Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様に、熱間加工性を低下させる元素である。そのため、Ｓ含有率は、０．０１％以下とするのが良い。
【００３２】
（６）Ｃｏ：０．１０％未満
Ｃｏは、被研削性を低下させる主要元素である。また、材料コストを上昇させる主要元素でもある。そのため、Ｃｏ含有率は、０．１０％未満とするのが良い。
【００３３】
（７）Ｃｒ：１６〜２２％
Ｃｒは、耐熱性を保つのに必要な元素である。その効果を得るには、Ｃｒ含有率は、１６％以上とするのが良い。
【００３４】
一方、Ｃｒ含有率が高くなると、σ相が析出して靭性が低下するとともに高温強度が低下する傾向が見られる。そのため、Ｃｒ含有率は、２２％以下とするのが良い。
【００３５】
（８）Ｍｏ：４〜１０％
Ｍｏは、主にマトリックスの固溶強化により高温強度を向上させる元素である。９００℃における強度を向上させるためには、Ｍｏ含有率は、４％以上とするのが良い。
【００３６】
一方、Ｍｏ含有率が高くなると、材料コストが上昇するし、また、熱間加工性および耐酸化性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｍｏ含有率は、１０％以下、好ましくは、７％以下とするのが良い。
【００３７】
（９）Ｗ：５％以下
Ｗは、Ｍｏと同様に、主にマトリックスの固溶強化により高温強度を向上させる元素であり、必要に応じて含有させることができる。
【００３８】
Ｗ含有率が高くなると、材料コストが上昇するし、また、熱間加工性および耐酸化性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｗ含有率は、５％以下、好ましくは、３％以下とするのが良い。
【００３９】
本合金において、上記Ｍｏ含有率とＷ含有率は、Ｍｏ＋１／２Ｗが４〜１０％の範囲内、好ましくは、４〜７％の範囲内になるように選択すると良い。高温強度、熱間加工性とのバランスなどに優れるからである。
【００４０】
（１０）Ａｌ：１．２〜２．５％
Ａｌは、Ｎｉと結合して高温強度を向上させるのに有効なγ’相を形成する重要な元素である。Ａｌ含有率が低くなると、γ’相の析出が不十分となり、高温強度を確保し難くなる傾向が見られる。そのため、Ａｌ含有率は、１．２％以上とするのが良い。
【００４１】
一方、Ａｌ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ａｌ含有率は、２．５％以下、好ましくは、２．０％以下とするのが良い。
【００４２】
（１１）Ｔｉ：２．４〜４％
Ｔｉは、Ａｌと同様に、Ｎｉと結合してγ’相を形成する元素である。Ｔｉ含有率が低くなると、γ’相の固溶温度が低下し、十分な高温強度が得られなくなる傾向が見られる。そのため、Ｔｉ含有率は、２．４％以上とするのが良い。
【００４３】
一方、Ｔｉ含有率が高くなると、η相（Ｎｉ３Ｔｉ）が析出しやすくなって高温強度、靭性が劣化したり、熱間加工性が低下したりする傾向が見られる。そのため、Ｔｉ含有率は、４％以下、好ましくは、３．５％以下とするのが良い。
【００４４】
（１２）Ｂ：０．００１〜０．０５％
Ｂは、熱間加工性の改善に寄与する元素である。また、粒界に編析し、粒界強度を高めて強度特性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｂ含有率は、０．００１％以上とするのが良い。
【００４５】
一方、Ｂ含有率が高くなると、母材の融点が下がり、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｂ含有率は、０．０５％以下とするのが良い。
【００４６】
（１３）Ｚｒ：０．０１〜０．５％
Ｚｒは、熱間加工性の改善に寄与する元素である。また、粒界に偏析して粒界自体の強度を高めるとともに、高温加熱時に粒界付近のγ’欠乏相の生成を抑えて強度を高めるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｚｒ含有率は、０．０１％以上とするのが良い。
【００４７】
一方、Ｚｒ含有率が高くなると、靱性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｚｒ含有率は、０．５％以下とするのが良い。
【００４８】
（１４）Ｆｅ：１％以下、
Ｆｅは、高温強度を低下させる元素であり、できる限り低減することが望ましい。そのため、Ｆｅ含有率は、１％以下とするのが良い。
【００４９】
本合金は、上述した構成元素に加えて、さらに、以下の元素から選択される１種または２種以上の元素を任意に含んでいても良い。これら元素の含有率を特定した理由は、以下の通りである。
【００５０】
＜１＞Ｎｂ：０．１〜３％、および、Ｔａ：０．１〜３％から選択される１種または２種以上の元素
Ｎｂは、ＡｌとともにＮｉと結合してγ’相を強化する元素である。その効果を得るには、Ｎｂ含有率は、０．１％以上とするのが良い。
【００５１】
一方、Ｎｂ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｎｂ含有率は、３％以下、好ましくは、２％以下とするのが良い。
【００５２】
Ｔａも、Ｎｂと同様に、ＡｌとともにＮｉと結合してγ’相を強化する元素である。その効果を得るには、Ｔａ含有率は、０．１％以上とするのが良い。
【００５３】
一方、Ｔａ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｔａ含有率は、３％以下、好ましくは、２％以下とするのが良い。
【００５４】
＜２＞Ｃａ：０．００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．００１〜０．０３％、および、ＲＥＭ：０．００１〜０．１％から選択される１種または２種以上の元素
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは、熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｃａ含有率、Ｍｇ含有率およびＲＥＭ含有率は、何れも０．００１％以上とするのが良い。
【００５５】
一方、Ｃａ含有率、Ｍｇ含有率およびＲＥＭ含有率が高くなると、靱性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｃａ含有率は、０．０３％以下とするのが良い。Ｍｇ含有率は、０．０３％以下とするのが良い。ＲＥＭ含有率は、０．１％以下とするのが良い。
【００５６】
＜３＞Ｃｕ：０．０１〜２％
Ｃｕは、耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るには、Ｃｕ含有率は、０．０１％以上とするのが良い。
【００５７】
一方、Ｃｕ含有率が高くなると、熱間加工性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｃｕ含有率は、２％以下とするのが良い。
【００５８】
＜４＞Ｖ：０．０５〜１％
Ｖは、ＭｏやＷと同様に、マトリックスの固溶強化に寄与する元素である。また、ＭＣ炭化物を形成し、炭化物を安定化させる効果もある。その効果を得るには、Ｖ含有率は、０．０５％以上とするのが良い。
【００５９】
一方、Ｖ含有率が高くなると、靱性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｖ含有率は、１％以下とするのが良い。
【００６０】
次に、本合金の製造方法の一例について説明する。
本合金を得るには、上述した化学組成となるように各原料を秤量し、例えば、高周波誘導炉などの溶解炉を用いて、合金インゴットを溶製する。その後、得られた合金インゴットを、必要に応じて、熱間鍛造、熱間圧延するなどすれば、所望の形状にすることができる。
【００６１】
また、得られた合金インゴットに対して、必要に応じて、固溶化処理、時効処理などを行っても良い。
【００６２】
上記固溶化処理としては、具体的には、例えば、９５０〜１１５０℃の温度に加熱した後、急冷する方法などを例示することができる。
【００６３】
また、上記時効処理の温度としては、具体的には、例えば、５００〜１０００℃、好ましくは、６００〜９００℃の温度を例示することができる。
【００６４】
以上説明した本合金の用途は、特に限定されるものではない。本合金の用途としては、具体的には、例えば、エンジンバルブ、タービンディスク、ブレード、耐熱ばね、エンジンシャフト、船用バルブ、ボルトなどを例示することができる。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
初めに、後述する表１に示す化学組成となるように、秤量した各原料を、高周波誘導炉で溶製した後、５０ｋｇにそれぞれ鋳造した。その後、得られた各合金インゴットを１１８０℃にて熱間鍛造、熱間圧延することにより、直径１６ｍｍの丸棒をそれぞれ製造した。
【００６６】
次いで、得られた各丸棒につき、１０５０℃で１時間保持した後、水冷して固溶化処理を行うとともに、７５０℃で４時間保持した後、空冷して時効処理を行い、各試験材とした。
【００６７】
次いで、これら各試験材を用いて、室温と９００℃における引張試験、回転曲げ疲労試験を行った。
【００６８】
なお、室温での引張試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠し、９００℃での引張試験は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５６７に準拠して行った。
【００６９】
また、回転曲げ疲労試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４に準拠し、室温と９００℃において、それぞれ３５００ｒｐｍの回転数で試験を行い、１０７回での疲労強度を算出した。
【００７０】
次いで、時効処理後の各試験材について、研削加工試験を行った。この研削加工試験は、外径２５ｍｍ、研削部分長さ３００ｍｍの試験片を用い、外径６００ｍｍの砥石で砥石周速７００ｍ／分、長手方向の送り速度３０ｍｍ／秒、１パス当たり０．２ｍｍの切り込み量にて、５パス加工する方法で行った。
【００７１】
そして、加工後の砥石磨耗量により被研削性を評価した。すなわち、比較例１に係る試験片による砥石磨耗量を１００とし、各試験片による砥石磨耗量を割合で表し、被研削性を示す指数とした。
【００７２】
表１に実施例、比較例に係るＮｉ基合金の化学組成を、表２に実施例、比較例に係るＮｉ基合金の試験結果を示す。
【００７３】
【表１】
2007254804.tif 000002
【００７４】
【表２】
2007254804.tif 000003
【００７５】
表１および表２によれば、以下のことが分かる。すなわち、比較例１、２に係るＮｉ基合金は、とりわけ、Ｃｏ含有率が極めて高い。そのため、被研削性に劣ることが分かる。また、高価なＣｏを多量に含有していることから、その材料コストも比較的高くなる。
【００７６】
一方、比較例３〜５に係るＮｉ基合金は、Ｃｏ含有率を低減させているが、Ａｌ、Ｔｉといったγ’相形成元素の含有率が低い。さらに、比較例４、５に係るＮｉ基合金は、Ｍｏ、Ｗといった固溶強化元素の含有率が極めて低く、高温強度を低下させるＦｅ含有率が極めて高い。これらの理由により、比較例３〜５に係るＮｉ基合金は、高温における機械的特性に劣ることが分かる。
【００７７】
これらに対し、実施例１〜１５に係るＮｉ基合金は、特定成分の含有率を特定範囲内としている。そのため、実施例１〜１５に係るＮｉ基合金は、９００℃の高温であっても、引張強さ、疲労強度などの機械的特性に優れる。
【００７８】
また、実施例１〜１５に係るＮｉ基合金は、とりわけ、Ｃｏ含有率が０．１０未満に制限されている。そのため、被研削性に優れるとともに、材料コストも安価にすることができる。
【００７９】
したがって、これらＮｉ基合金を、例えば、エンジンバルブ材料として用いた場合には、エンジン性能を向上させやすいと言える。また、製品の研削加工時に用いる砥石寿命が長くなるとともに、製品の表面加工精度も向上させることが可能となる。
【００８０】
以上、本発明に係るＮｉ基合金について説明したが、本発明は、上記実施形態、実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。