(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量割合で、ニッケル30.00 〜55.00 ％、クロム17.00 〜21.00 ％、モリブデン2.80〜3.30％、ニオブとタンタルとの合計量4.75〜5.50％、チタン0.65〜1.15％、アルミニウム0.40〜0.80％を含み、さらにセリウムを主体とする希土類元素を、0.1 ％以上で0.4 ％未満含有し、残部鉄及び不可避不純物から成る組成であることを特徴とするＮｉ基鋳造耐熱合金。
【請求項２】
さらにコバルト1.00％以下、タンタル0.10％以下、ボロン0.006 ％以下、銅0.030 ％以下、炭素0.08％以下、マンガン0.35％以下、シリコン0.35％以下、リン0.015 ％以下、硫黄0.015 ％以下を含有する請求項１のＮｉ基鋳造耐熱合金。
【請求項３】
上記セリウムを主体とする希土類元素は、ミッシュメタルとして添加されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のＮｉ基鋳造耐熱合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鋳造用のＮｉ基耐熱合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
Ｎｉ基耐熱合金は、優れた耐酸化性及び耐食性を有するため、宇宙機用をはじめとする多くの分野で実用化されている。そしてその用途が広がるにつれて、鋳造用のＮｉ基耐熱合金（例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金）の溶接による加工が注目されてきている。しかしながら、実際にＮｉ基耐熱合金に対してＴＩＧアーク溶接や、レーザ及び電子ビーム溶接を適用した場合、溶接金属部及び溶接熱影響部に溶接割れが発生するという問題が生じている。図２には、Ｎｉ基耐熱合金を溶接したときにビード表面部に発生する溶接割れを模式的に示している。図に示すように、上記溶接割れは、特に溶接熱影響部２に多く存在している。これは、溶接時に急熱急冷されることによって溶接部によく見られる高温割れで、溶融境界線に対して垂直方向の結晶粒界に沿って伝播している。このようなことから従来、鋳造用のＮｉ基耐熱合金を溶接によって加工するのは困難であると考えられていた。
【０００３】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、Ｎｉ基耐熱合金において結晶粒の微細化を図り、これにより溶接部の割れ感受性を改善したＮｉ基鋳造耐熱合金を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１のＮｉ基鋳造耐熱合金は、重量割合で、ニッケル30.00 〜55.00 ％、クロム17.00 〜21.00 ％、モリブデン2.80〜3.30％、ニオブとタンタルとの合計量4.75〜5.50％、チタン0.65〜1.15％、アルミニウム0.40〜0.80％を含み、さらにセリウムを主体とする希土類元素を、0.1 ％以上で0.4 ％未満含有し、残部鉄及び不可避不純物から成る組成であることを特徴としている。
【０００５】
また請求項２のＮｉ基鋳造耐熱合金は、さらにコバルト1.00％以下、タンタル0.10％以下、ボロン0.006 ％以下、銅0.030 ％以下、炭素0.08％以下、マンガン0.35％以下、シリコン0.35％以下、リン0.015 ％以下、硫黄0.015 ％以下を含有することを特徴としている。
【０００６】
さらに請求項３のＮｉ基鋳造耐熱合金は、上記セリウムを主体とする希土類元素は、ミッシュメタルとして添加されていることを特徴としている。
【０００７】
上記請求項１〜請求項３のＮｉ基鋳造耐熱合金によれば、Ｎｉ基耐熱合金にセリウムを主体とする希土類元素を重量割合で０．１％以上で０．４％未満だけ添加することによって、鋳造時に結晶粒が微細化され、これによって溶接部、特に溶接熱影響部２の割れ感受性を改善することができる。
【０００８】
上記結晶粒の微細化によって溶接熱影響部２の割れ感受性が改善される原因を明確にするため、溶接熱影響部２に発生する割れの破面解析を行った。この結果、上記溶接割れは結晶粒界に薄い液膜が存在することによる液化割れであると推察される。これは、結晶粒界表面上に存在するＬａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒに、融点が比較的低い硫黄等の不純物が数多く含まれているため、溶接を行うと、上記溶接熱影響部２の結晶粒界部分も溶融され、液化してしまうためであると考えられる。
【０００９】
従って、結晶粒の微細化によって上記溶接熱影響部２の割れ感受性が改善されるのは、次のような理由によるものと推察される。まず第１には、単位体積あたりの粒界面積が増加したことによって、単位粒界表面に存在するＬａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒが減少し、これに起因してＬａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒの粒界占有率が減少したことによる。また第２には、上記で述べたＬａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒ内部の硫黄等の融点降下元素が減少することにより粒界液化開始温度が上昇したことによる。そしてこれら両者が原因となって粒界液化率が減少したためであると推察される。
【００１０】
【実施例】
次にこの発明のＮｉ基耐熱合金の具体的な実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１１】
本実施例では、Ｎｉ基耐熱合金の溶接部の割れ感受性を評価するために、拘束緩和式Ｕ型高温割れ試験を行った。図１に本実施例で用いた拘束緩和式Ｕ型高温割れ試験治具１の全体の模式図を示す。この試験治具１を用いることにより、試験片４に一定の初期荷重を与えることができ、溶接中に一定の変位が負荷され割れを発生させることができる。ここで使用した試験片４には、セリウム（以下、Ｃｅと称する）を添加していないＩｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金（比較例）と、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金に０．１〜０．７重量％のＣｅを添加したもの（実施例、及び比較例）を使用した。また上記それぞれの鋳造合金は、真空高周波溶解炉を用い、アルゴン雰囲気中で溶製した。そして直径２２ｍｍ、高さ２２０ｍｍの金型を用いて鋳造した。なおここで用いたＩｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金の化学組成は表１の通りである。またＣｅとしては、工業的に得られる純Ｃｅ（Ｃｅ９０％以上）を使用した。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
まず上記金型鋳造によって作製したそれぞれの鋳造合金の中央部を切り取って、縦１００ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの試験片４とした。上記試験片４はエミリー紙で研磨し、アセトンにより十分脱脂した。次に図１に示すように、たわみ量を調節した上記試験治具１の一対の拘束梁５、５に、上記試験片４を載せてボルト６・６で固定することにより試験片４に引張荷重を加えた。このとき試験片４に加えられた初期ひずみは３ｍｍである。そしてこの状態で、上記試験片４の長手方向中央部をＴＩＧアーク溶接によって溶融溶接を行った。このときの溶接電流は９０Ａ、アーク電圧は１２Ｖ、溶接速度は０．１５ｍ／ｍｉｎである。
【００１４】
上記拘束緩和式Ｕ型高温割れ試験によって、上記各々の試験片４の溶接熱影響部２及び溶接金属部３に発生した溶接割れの総数及び長さより割れ感受性の評価を行った。その結果を図３及び図４にそれぞれ示す。まず図３（ａ）〜（ｂ）のグラフには、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金に添加するＣｅの量を０．１〜０．７重量％まで変化させていったときに、溶接熱影響部２に見られた割れの発生個数（図３（ａ）参照）、総割れ長さ（図３（ｂ）参照）、割れの長さ平均（図３（ｃ）参照）、最大割れ長さ（図３（ｄ）参照）の変化をそれぞれ、無添加の場合と共に示した。グラフより、０．１重量％、０．２重量％、０．３重量％のＣｅ添加材では、Ｃｅを添加しなかった部材に比べて割れ発生個数、総割れ長さ及び最大割れ長さともに減少しており、割れ感受性が改善されていることが明らかである。一方、０．４重量％以上のＣｅ添加材は割れ発生個数、総割れ長さ及び最大割れ長さともに増加していることが明らかである。
【００１５】
また図４（ａ）〜（ｂ）のグラフには、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金に添加するＣｅの量を０．１〜０．７重量％まで変化させていったときに、溶接金属部３に見られたの割れの発生個数（図４（ａ）参照）、総割れ長さ（図４（ｂ）参照）、割れの長さ平均（図４（ｃ）参照）、最大割れ長さ（図４（ｄ）参照）の変化をそれぞれ、無添加の場合と共に示した。グラフより、０．４重量％以下のＣｅ添加材では溶接金属部３に割れは見られなかったが、０．５重量％〜０．７重量％のＣｅ添加材では、溶接金属部３に割れが発生することが明らかである。
【００１６】
上記の結果より、適度の量のＣｅ添加により割れ感受性は改善されるが、過剰なＣｅ添加は割れ感受性を高めてしまうことが明らかとなった。これよりＣｅの添加量を０．１重量％以上で０．４重量％未満にすることによって、割れ感受性の低いＩｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金が得られることが明らかとなった。
【００１７】
ところで、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金にＣｅを添加することによる結晶粒の大きさの変化を明らかにするために、Ｃｅの量を０．１〜０．７重量％まで変化させたときの平均結晶粒径（長径＋短径／２）と、その結晶粒の長径と短径の差を明らかにするアスペクト比（長径／短径）を調査した。その結果を、無添加の場合と共に図５のグラフに示す。グラフにおいて横軸には添加したＣｅの重量割合（重量％）を、縦軸には結晶粒の大きさ（ｍｍ）及びアスペクト比を示す。グラフよりＣｅの添加量が増加するにしたがって、平均結晶粒径及びアスペクト比は共に小さくなっていることが明らかである。これより、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金にＣｅを添加することにより結晶粒が等軸晶に近い形状になると共に、結晶粒の微細化を図ることができることが明らかとなった。
【００１８】
以上の結果より、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金にＣｅを０．１重量％以上〜０．４重量％未満添加することによって結晶粒は微細化され、これによって溶接部、特に溶接熱影響部２の割れ感受性を改善することができることが明らかとなった。また溶接熱影響部２に発生する割れの破面解析を行った結果、上記溶接割れは結晶粒界表面上のＬａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒ内部に、融点降下元素である硫黄が存在することによって起こる液化割れであると推察された。これより、結晶粒の微細化によって上記溶接熱影響部２の割れ感受性が改善されたのは、▲１▼単位体積あたりの粒界面積が増加したことによって、単位粒界表面に存在するＬａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒが減少し、これに起因してＬａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒの粒界占有率が減少したこと、▲２▼Ｌａｖｅｓ  ｃｌｕｓｔｅｒ内部の融点降下元素である硫黄が減少することにより粒界液化開始温度が上昇したことの２つの理由によるものであり、これらの両方が原因となって粒界液化率が減少したためであると推察される。
【００１９】
上記においてＩｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金と称しているのは、表２に示すような組成を有する合金のことである（ＡＭＳ５３８３）。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
上記において、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）はそれぞれ不純物としてその上限を定めたものであり、またコバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、ボロン（Ｂ）、銅（Ｃｕ）は、含有するのが好ましい元素として例示しているのであり、これらはいずれも必須の元素ではない。すなわち、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）はいずれも必須の元素であり、これらの成分範囲を満たす必要があるが、これらの成分範囲を満たせば上記各元素の有無、及びその含有量は特に大きな問題とはならないということであり、この発明にはこのような変更例も含まれている。
【００２２】
以上にこの発明のＮｉ基耐熱合金の実施形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限られるものではなく、種々変更して実施することが可能である。すなわち上記実施の形態では、ＴＩＧアーク溶接を用いてＩｎｃｏｎｅｌ７１８鋳造合金の割れ感受性の評価を行ったが、レーザビーム溶接または電子ビーム溶接においても、Ｃｅを添加することによって溶接部、特に溶接熱影響部２の割れ感受性を改善することが可能であることを確認している。また上記実施例では、添加すべき希土類元素として、工業的に得られる純Ｃｅを用いているが、この代わりにセリウムを主体としランタンを含むミッシュメタル（Ｃｅ４５％以上、Ｌａ３０％、他Ｎｄ、Ｐｒ）を用いてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜請求項３のＮｉ基鋳造耐熱合金によれば、Ｎｉ基耐熱合金にセリウムを主体とする希土類元素を重量割合で０．１％以上〜０．４％未満添加することによって結晶粒が微細化され、これによって溶接部、特に溶接熱影響部の割れ感受性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の拘束緩和式Ｕ型高温割れ試験治具を示す模式図である。
【図２】ビード表面部に発生した溶接割れを示す模式図である。
【図３】Ｃｅの添加量の変化による溶接熱影響部の割れ感受性を評価した結果を示すグラフで、（ａ）は割れの発生個数、（ｂ）は総割れ長さ、（ｃ）は割れの長さ平均、（ｄ）は最大割れ長さをそれぞれ示す。
【図４】Ｃｅの添加量の変化による溶接金属部の割れ感受性を評価した結果を示すグラフで、（ａ）は割れ発生個数、（ｂ）は総割れ長さ、（ｃ）は平均割れ長さ、（ｄ）は最大割れ長さをそれぞれ示す。
【図５】Ｃｅの添加量の変化による結晶粒径及びアスペクト比の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１  拘束緩和式Ｕ型高温割れ試験治具
２  溶接熱影響部
３  溶接金属部
４  試験片
５  拘束梁
６  ボルト
【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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