技術資料＞高硬度高耐食 Ni 基合金 DSA760 の材料特性

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技術資料
Technical Data

高硬度高耐食 Ni 基合金 DSA760 の材料特性
植田茂紀＊

Material Properties of High Hardness and High Corrosion ResistantNi-Based Alloy“DSA760”
Shigeki Ueta
Synopsis
Although high hardness and high corrosion resistant materials are represented by martensitic stainless steels generally, thecorrosion resistance of the martensitic stainless steels is inferior to that of austenite ones. Therefore it had been understood so
far that there are few metallic alloys with both high hardness as the martensitic stainless steels and excellent corrosion resistantas the austenitic ones. On the contrary, our developed "DSA760" with Ni-38Cr-3.8Al (mass %) breaks down the conventionalcommon sense, and it has the following outstanding properties.
- Hardness can reach to the vicinity of 60 HRC by aging heat treatment- Over approximately 500 HV can be maintained at elevated temperatures up to 973 K- Excellent corrosion resistance to not only wet condition but also some acids- High durability to hot corrosive atmosphere. - Availability to machining and cold working under solution treatment condition- Non magnetic
This paper introduces these material properties of DSA760. In addition, influences of solution treatment temperatures 1373 Kand 1473 K on the properties are also mentioned. That is, for the case of taking priority of hardness and strength after aging,solution treatment at 1473 K can give it superior properties to that at 1373 K due to much precipitation of lamellar alpha-Crphase. However, the balance of the ductility and strength after aging with solution treatment at 1373 K is better than that at 1473
K owing to fine grain size.
By taking advantage of these characteristics, DSA760 is expected to use for various applications widely such as special bearings,abrasive parts, fasteners, wire products for medicals, and so on.

2012 年 6 月 19 日受付＊大同特殊鋼（株）研究開発本部 (Daido Corporate Research ＆ Development Center, Daido Steel Co., Ltd.)

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電気製鋼 第 83 巻 1 号 2012 年

1．緒言

まず，固溶化熱処理状態の冷間加工性評価として，直径 6 mm，長さ 9 mm の試験片を用いて，徐加圧の冷間圧縮試験を行った．続いて，時効温度を変化させた時効

一般に 60 HRC 近い高硬度が得られる高耐食材料の代

熱処理材について，JIS に準拠した硬さ試験（Z2245），

表として，マルテンサイト系ステンレス鋼があげられる

引 張 試 験（Z2241），10 R ノ ッ チ シ ャ ル ピ ー 衝 撃 試 験が，耐食性のポテンシャルはオーステナイト系より劣（Z2242）を行った．また，1423K 材に 848 K の時効熱る．最近，窒素を積極的に活用した高窒素マルテンサイ処理したサンプルを用いて，1173 K までの高温硬さ1）ト系ステンレスが開発されているが ，塩化物環境に対を測定した．さらに，耐食性を評価するため，同じくしては非常に優れた耐食性を示すものの，酸に対する耐1423K 材に 848 K の時効熱処理したサンプルを用い，室食性は十分とはいえない．また，変態点があるため高温温の 5 ％硫酸，1 ％塩酸溶液中へ 21.6 ks の浸漬試験をでは軟化してしまうことや，強磁性であるため非磁性を実施し，加えて 1073 K で 72 ks のサルファアタックお要求される用途には適用できないなどの制約もある．な

よびバナジウムアタックの高温腐食試験（塗布法）をお，耐食性に優れた高硬度材料として時効硬化型チタン実施した．なお，各試験はそれぞれ JIS G0578 および合金もあるが，硬さが 60 HRC 近く得られるものはない．

Z2292 の手法を参考に行った．

その中で，我々が開発した DSA760 は，高硬度かつ高3．実験結果

耐食，さらには非磁性という，従来にない材料である．
この材料は，Ni-38Cr-3.8Al（mass%）を基本組成とし，γ’相（Ni3Al）とα Cr 相が複合的に析出することで非3． 1

ミクロ組織常に高硬度が得られる ．この析出は粒界からのセル状Fig. 1 に固溶化熱処理後および 848 K の時効熱処理後に成長する，すなわち不連続析出反応であり，セル境界のミクロ組織を示す．既報 2） と同様に，1373K 材の方における Cr の粒界拡散に支配されることが分かっていが，粒状のα Cr 相が多く残留しており，結晶粒も小さ

2）

る

3）4）

．このように特異な析出現象により高硬度が得ら

い．時効熱処理後もこの粒状α Cr は変化なく，結晶粒れる一方，高温ではγ単相組織になるため，熱間加工に内に黒色にエッチングされる析出相が認められる．このより展伸材として供することが可能であり，かつ固溶化

析出相は，ラメラー状のα Cr と微細γ’相粒を含んだ熱処理状態では冷間加工も可能である．また，高 Cr でγ母相から成り，硬さ上昇に寄与することはすでに確認あることから，様々な腐食環境に対して耐食性を有してされている 2）．

いる．さらに DSA760 は変態点がないため，比較的高温まで高硬度が持続可能であること，耐酸化性や耐高温腐

3． 2

固溶化熱処理材の冷間加工性食性にも優れることから，耐熱材料としての適用も期待Fig. 2 に固溶化熱処理材の冷間圧縮における応力 - ひされる．本技術資料では，DSA760 の優れた特長についずみ線図を示す．図中に固溶化熱処理状態での硬さもて，種々の特性を紹介する．

示しているが，1423K 材の方が硬さとともに変形応力も2．供試材および試験方法低い．比較のために載せた SUS304 と比べると，1423K材でも DSA760 の方が変形応力は若干高い．しかし，1373K 材含め，いずれも真ひずみ 1.2（圧縮率 70 % 相

DSA760 の基本成分は Ni-38Cr-3.8Al（mass%）からな当）でも割れは発生しておらず，DSA760 は難加工であり，その他に熱間加工性を向上させるために微量の Bるものの，冷間による塑性加工は可能レベルである．まおよび Mg を添加している．真空溶解後，鍛造および圧た，切削加工も十分可能である．ただし，固溶化熱処理

延にて製造した素材を用い，粒状α Cr が完全固溶しな温度は高くする方が加工性に点では望ましい．

い温度である 1373 K もしくは 1423 K で 3.6 ks 後水冷の固溶化熱処理を施し（以下 1373K 材，1423K 材），さら3． 3

時効硬化に一部は 823 K から 1123 K の間の温度で 86.4 ks の時効

各固溶化熱処理材の時効硬化に及ぼす時効温度の影響

熱処理し，評価に供した．それぞれのミクロ組織は，10を Fig. 3 に示す．時効硬さは 848 K で約 60 HRC 近くの% シュウ酸溶液中で電解エッチングし，光学顕微鏡でピークに達し，それ以上の温度では徐々に低下する．ま観察した．

た，固溶化熱処理後の硬さは 1423K 材の方が 94.9 HRB

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Fig. 1. M icrostructures after solution treatment (ST)at 1323 K or at 1473 K for 3.6 ks and aging
treatment (AG) at 848 K for 86.4ks.

Fig. 3. A ge hardening behaviors of solution treatedsamples at 1323 K and 1473 K.

材は数％ながらも延性があるためであり，ピーク硬さ近傍では 2200 MPa を超える高強度が得られる．また，同時効温度で比較しても 1373 K の方が伸びおよび絞りともに高い．さらに，Fig. 5 に引張強度と伸びの相関を示すが，1373K 材の方が同じ強度でも高い延性が得られ，強度 - 延性バランスに優れる．言い換えると，硬さおよび強度を重視する場合には 1473 K の固溶化熱処理の方が有利であるが，延性を重視する場合には 1323 K の方
Fig. 2. C ompressive stress-strain curves at room
temperature.

が有利である．引張特性同様に，Fig. 6 に 10R ノッチのシャルピー衝撃値に及ぼす時効温度の影響を示す．引張延性同様，同時効温度において 1373K 材の方が衝撃値が高いことが確認される．このように 1373K 材の方が靭延性に優れていることは，結晶粒がより微細であること低いにも関わらず，各時効温度における硬さは 1423K材の方が高い．これは，1373K 材では固溶化熱処理時の粒状α Cr が多いため，時効で析出するラメラー状α Crが相対的に減少するためである 2）．

3． 4

時効熱処理材の室温機械的性質とに起因すると考えられる．

3． 5

高温硬さ

Fig. 7 に 1173 K ま で の 高 温 硬 さ の 測 定 結 果 を 示
す．比較のために，Ni 基超耐熱合金として知られるWaspaloy および Udimet®520（Special Metals 社登録商標）

室温における引張特性に及ぼす時効温度の影響をのデータも合わせて示す．DSA760 は 973 K まで従来のFig. 4 に示す．引張強度および 0.2 % 耐力とも時効硬さ超耐熱合金よりも高い約 500 HV 以上の高硬度を有してと同じような挙動となるが，1423K 材は 848 K 前後のいる．このため，高温耐摩耗性が必要な部材に適用されピーク硬さ近傍では延性がほぼゼロのため早期破断が生ることが期待される．しかし，973 K を超えると，急激じ，むしろ 1373K 材よりも強度が低い．これは 1373Kに硬さが低下するため，注意が必要となる．

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電気製鋼 第 83 巻 1 号 2012 年

Fig. 6. S olution and aging treatment temperaturedependence of 10R-notch Charpy impact values

Fig. 4. S olution and aging treatment temperaturedependence of tensile properties.
a) strengh, b) ductility

Fig. 7. H ardness at elevated temperatures of aged
samples at 848 K for 86.4 ks.

Fig. 5. R elationship between tensile strength andelongation.

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3． 673

耐酸性

5 ％硫酸，1 ％塩酸中への室温浸漬試験結果を Fig. 8に示す．SUS304 および Inconel®X750（Special Metals 社登録商標）のデータも比較として示す．比較材が腐食減量を生じているのに対し，DSA760 はほとんど腐食減量が生じず，非常に優れた耐食性を有している．これはαCr 相が析出しているものの，依然母相中には耐食性に有効な Cr が 20 ％以上固溶している 3）4）ためと考えられ
る．

3． 7

耐高温腐食性Fig. 9 に 1073 K で行ったサルファおよびバナジウムアタック試験結果を示す．比較材として，舶用バルブで多用される Nimonic®80A（Special Metals 社登録商標）

Fig. 9. Corrosive weight loss by sulfur and vanadium
salt coating tests for 72 ks at 1073 K.

を用いている．DSA760 は，サルファ塩およびバナジウ
ム塩とも Nimonic80A よりも腐食減量が少なく，耐高温腐食性に優れている．このことから，エンジンやプラントなど様々な厳しい高温腐食環境下で用いる部品に適用

4．まとめすれば，部品の長寿命化を図ることができると考えられる．

開発した Ni 基合金 DSA760 は，冷間加工可能で，かつ時効により 60 HRC 近い硬度が得られ，酸に対しても優れた耐食性を有する特長ある合金である．また Ni 基であることから，非磁性である．このため，腐食環境下での特殊ベアリングや耐摩耗部材，ボルトなどの締結部材，医療用部材などへの適用が期待される．また高温硬さが高く，耐高温腐食性にも優れているため，高温部材としても広く適用可能である．
ただし，硬さと機械的性質は固溶化熱処理温度の影響を受けるため，使用条件に合わせて処理温度を選定する必要がある．すなわち，硬さおよび強度を重視する場合には 1473 K の固溶化熱処理の方が有利であるが，延性を重視する場合には 1323 K の方が有利である．
（文献）1）G. Steven, A. E. Nehrenberg : Trans. ASM., 57（1964），751.
Fig. 8. Corrosive weight loss by immersion tests to 5%
H2SO4 and 1% HCl solutions for 21.6 hrs at room
temperature.

2）
高畑紀孝，植田茂紀，清水哲也：電気製鋼，75（2004），2，97
3）植田茂紀，清水哲也，H.K.D.H.Bhadeshia：電気製鋼，77（2006），2，133
4）S. Ueta S, M. Kajihara：50（2010）ISIJ International, 11,1676