JP6772735B2 - Ni基耐熱合金部材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
C:0.005〜0.12%、
Si:0.5%未満、
Mn:1.0%未満、
P:0.030%以下、
S:0.010%以下、
N:0.030%以下、
Fe:3.0%未満、
Mo:1.0%未満、
W:1.0%未満、
Cr:23.5〜25.5%、
Co:15.0〜22.0%、
Al:0.5〜2.0%、
Ti:0.5〜2.0%、
Nb:0.5〜2.2%、
B:0.0005〜0.006%、
REM:0〜0.05%、
Zr:0〜0.10%、
Mg:0〜0.020%、
Ca:0〜0.020%、
残部:Niおよび不純物であり、
前記合金部材の長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さが40mm以上であり、
前記外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号が−2.0〜4.0であり、
抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量が下記(i)式を満足し、
常温での機械的特性が下記(ii)式および(iii)式を満足し、
前記中心部における前記長手方向の700℃における10,000時間クリープ破断強度が250MPa以上である、
Ni基耐熱合金部材。
(Al+Ti+Nb)PB/(Al+Ti+Nb)PS≦10.0 ・・・(i)
YSS/YSB≦1.5 ・・・(ii)
TSS/TSB≦1.2 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
(Al+Ti+Nb)PB:中心部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量
(Al+Ti+Nb)PS:外面部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量
YSB:中心部における0.2%耐力
YSS:外面部における0.2%耐力
TSB:中心部における引張強さ
TSS:外面部における引張強さ
Mg:0.0005%〜0.020%、および、
Ca:0.0005%〜0.020%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載のNi基耐熱合金部材。
その後、1070〜1220℃の範囲の熱処理温度T(℃)まで加熱し、1150D/T〜1500D/T(min)保持した後、水冷する熱処理を施す工程とを備える、
Ni基耐熱合金部材の製造方法。
但し、Dは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値(mm)である。
上記(3)に記載のNi基耐熱合金部材の製造方法。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、オーステナイト組織を安定にするとともに粒界に微細な炭化物を形成し、高温でのクリープ強度を向上させる。そのため、C含有量は0.005%以上とする必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になった場合には、炭化物が粗大となり、かつ多量に析出し、粒界の延性を低下させ、靱性およびクリープ強度の低下を招く。したがって、C含有量は0.120%以下とする。C含有量は0.100%以下であるのが好ましく、0.080%以下であるのがより好ましい。
Siは、脱酸剤として使用され、また、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、含有量が過剰になった場合には、溶接性が大幅に低下することに加えてオーステナイト相の安定性が低下して、靱性およびクリープ強度の低下を招く。したがって、Si含有量を0.5%未満とする。さらに後述のとおり溶接性確保の観点からSi含有量はNb含有量との関係で厳密に管理する必要がある。上記効果を得るためには、Si含有量は0.03%以上であるのが好ましい。
Mnは、Siと同様に脱酸剤として使用され、また、オーステナイトの安定化にも寄与する元素である。しかしながら、含有量が過剰になると、脆化を招き、靱性およびクリープ延性の低下をきたす。そのため、Mn含有量を1.0%未満とする。Mn含有量は、0.8%未満であるのが好ましく、0.6%未満であるのがより好ましい。なお、Mn含有量については特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は、脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Mn含有量は0.02%以上であるのが好ましい。
Pは、不純物として合金中に含まれるが、溶接中にHAZの結晶粒界に偏析し、液化割れ感受性を高めるとともに長時間使用後の靱性にも悪影響を及ぼす元素である。そのため、可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、P含有量は0.030%以下とし、0.020%以下であるのが好ましい。
Sは、不純物として合金中に含まれるが、溶接中にHAZの結晶粒界に偏析し、液化割れ感受性を高めるとともに長時間使用後の靱性にも悪影響を及ぼす元素である。そのため、可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、S含有量は0.010%以下とし、0.005%以下であるのが好ましい。
Nは、オーステナイト相を安定にするのに有効な元素であるが、本発明の23.5〜25.5%というCr含有量の範囲では、過剰に含まれると高温での使用中に多量の微細窒化物を粒内に析出させ、クリープ延性または靱性の低下を招く。そのため、N含有量0.030%以下とし、0.020%以下であるのが好ましい。なお、N含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は、製造コストの上昇を招く。そのため、N含有量は0.0005%以上であるのが好ましい。
本発明においてFeは耐食性を低下させ、またシグマ相などの有害相の形成を助長するため極力低くすることが望ましい。ただし、極端に上限を制限することはコスト面から不利になるため、Fe含有量は3.0%未満とし、2.0%未満であるのが好ましく、1.0%未満であるのがより好ましい。
W:1.0%未満
MoおよびWはいずれもマトリックスであるオーステナイト組織に固溶して高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、本発明においてはAl、Ti、Nbを含有させて十分な量の金属間化合物で強化するため敢えて含有させる必要はなく、むしろ組織安定性の観点からは極力下げることが望ましい。ただし、極端に上限を制限することはコスト面から不利になるため、Mo含有量は1.0%未満、W含有量は1.0%未満とする。Mo含有量は0.7%未満、W含有量は0.7%未満であるのが好ましい。
Crは、保護性皮膜を生成し高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。上記効果を得るためには、Cr含有量は、23.5%以上とする。しかしながら、Cr含有量が25.5%を超えると、高温でのオーステナイト相の安定性が低下して、クリープ強度の低下を招く。したがって、Cr含有量は25.5%以下とする。
Coは、Niと同様オ−ステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与するとともに高温耐食性にも寄与する必須元素である。上記効果を得るためには、Co含有量は15.0%以上とする必要がある。しかしながら、Coは極めて高価な元素であるため、22.0%を超える多量の含有は大幅なコスト増を招く。そのため、Co含有量は22.0%以下とする。Co含有量は17.0%以上であるのが好ましく、19.0%以上であるのがより好ましい。また、Co含有量は21.0%以下であるのが好ましい。
Ti:0.5〜2.0%
Nb:0.5〜2.2%
Al、TiおよびNbは、いずれもNiと結合し金属間化合物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度を確保するのに必須の元素であり、本発明において最も重要な元素である。上記効果を十分に得るためにはAl:0.5%以上、Ti:0.5%以上、Nb:0.5%以上を含有させる。しかしながら、その含有量が過剰になると、前記の効果が飽和するとともに、熱間加工性、クリープ延性および長時間加熱後の靱性を低下させる。そのため、Al、Ti、Nb含有量はAl:2.0%以下、Ti:2.0%以下、Nb:2.2%以下とする。Al、TiおよびNbの合計含有量は5.0%以下とするのが好ましい。
Bは、使用中の粒界に偏析して粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ強度を向上させるのに必要な元素である。加えて、粒界に偏析して固着力を向上させ、靱性改善にも寄与する効果を有する。上記の効果を得るためには、B含有量は0.0005%以上とする。しかしながら、B含有量が増加し、特に0.006%を超えると、溶接中の溶接熱サイクルにより、溶融境界近傍の高温HAZにおいて多量に偏析し、HAZの液化割れ感受性を高める。したがって、B含有量は0.006%以下とする。
REMは、SまたはPを固着し、高温延性を向上させる効果を有する。また、表面のCr2O3保護皮膜およびAl2O3保護皮膜の密着性を改善し、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用も有する。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、REM含有量が過剰になり、特に0.05%を超えると、かえって延性または靱性の低下を招く。したがって、REM含有量0.05%以下とし、0.04%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、REM含有量は0.001%以上であるのが好ましく、0.005%以上であるのがより好ましい。
Zrはクリープ破断強度およびクリープ破断延性を向上させるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Zrを過剰に含有させると、熱間加工性および溶接性が劣化する。そのため、Zrは0.10%以下とする。上記効果を得るためには、Zr含有量は0.003%以上であるのが好ましく、0.005%以上であるのがより好ましい。
Mgは、Sとの親和力が強く、熱間加工性を高める作用を有し、また、Sに起因した、HAZの液化割れの発生および靱性低下の双方を軽減する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Mgの過剰な含有は、酸素との結合による清浄性の低下を招き、特に、Mg含有量が0.020%を超えると清浄性の低下が著しくなり、かえって熱間加工性を劣化させてしまう。したがって、Mg含有量は、0.020%以下とし、0.010%以下であるのが好ましく、0.0045%以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を安定して得るためには、Mg含有量は0.0005%以上であるのが好ましく、0.0010%以上であるのがより好ましい。
CaもSとの親和力が強く、熱間加工性を高める作用を有し、また、Sに起因した、HAZの液化割れの発生および靱性低下の双方を軽減する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Caの過剰な含有は、酸素との結合による清浄性の低下を招き、特に、含有量で0.020%を超えると清浄性の低下が著しくなり、かえって熱間加工性を劣化させてしまう。したがって、Ca含有量は、0.020%以下とし、0.010%以下であるのが好ましく、0.0045%以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を安定して得るためには、Ca含有量は0.0005%以上であるのが好ましく、0.0010%以上であるのがより好ましい。
外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号:−2.0〜4.0
外面部におけるオーステナイト結晶粒度が粗すぎると、常温での0.2%耐力および引張強さが低くなり、一方、細かすぎると、高温における高いクリープ破断強度を保持することができなくなる。したがって、外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号は−2.0〜4.0とする。
中心部から外面部までの長さ:40mm以上
上述のように、大型の構造部材では、常温における0.2%耐力および引張強さが低くなることに加えて、部位によってクリープ破断強度のばらつきが生じるという問題もある。しかしながら、本発明に係るNi基耐熱合金部材は、大型の構造部材として十分な常温での0.2%耐力および引張強さ、ならびに、高温でのクリープ破断強度を発現する。すなわち、本発明の効果は、厚肉の合金部材に対して顕著に発揮される。したがって、本発明のNi基耐熱合金部材においては、長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さを40mm以上とする。
(Al+Ti+Nb)PB/(Al+Ti+Nb)PS≦10.0 ・・・(i)
但し、(i)式中の各記号の意味は以下のとおりである。
(Al+Ti+Nb)PB:中心部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量
(Al+Ti+Nb)PS:外面部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量
YSS/YSB≦1.5 ・・・(ii)
TSS/TSB≦1.2 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
YSB:中心部における0.2%耐力
YSS:外面部における0.2%耐力
TSB:中心部における引張強さ
TSS:外面部における引張強さ
本発明のNi基耐熱合金部材は、高温環境下で使用するため、高い高温強度、特に、高いクリープ破断強度が求められる。そのため、本発明の合金部材は、その中心部において、長手方向の700℃における10,000時間クリープ破断強度が250MPa以上である必要がある。
本発明のNi基耐熱合金部材は、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造される。なお、上記の熱間加工工程においては、合金部材の最終形状における長手方向が、素材となる鋼塊または鋳片の長手方向と一致するように処理が施される。熱間加工は、長手方向のみに行ってもよいが、より高い加工度を与えて、より均質な組織とするため、上記長手方向と略垂直な方向に対して、熱間加工を1回以上施してもよい。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。
Claims (4)
- 合金部材の化学組成が、質量%で、
C:0.005〜0.12%、
Si:0.5%未満、
Mn:1.0%未満、
P:0.030%以下、
S:0.010%以下、
N:0.030%以下、
Fe:3.0%未満、
Mo:1.0%未満、
W:1.0%未満、
Cr:23.5〜25.5%、
Co:15.0〜22.0%、
Al:0.5〜2.0%、
Ti:0.5〜2.0%、
Nb:0.5〜2.2%、
B:0.0005〜0.006%、
REM:0〜0.05%、
Zr:0〜0.10%、
Mg:0〜0.020%、
Ca:0〜0.020%、
残部:Niおよび不純物であり、
前記合金部材の長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さが40mm以上であり、
前記外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号が−2.0〜4.0であり、
抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量が下記(i)式を満足し、
常温での機械的特性が下記(ii)式および(iii)式を満足し、
前記中心部における前記長手方向の700℃における10,000時間クリープ破断強度が250MPa以上である、
Ni基耐熱合金部材。
(Al+Ti+Nb)PB/(Al+Ti+Nb)PS≦10.0 ・・・(i)
YSS/YSB≦1.5 ・・・(ii)
TSS/TSB≦1.2 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
(Al+Ti+Nb)PB:中心部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量
(Al+Ti+Nb)PS:外面部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のAl、TiおよびNbの合計含有量
YSB:中心部における0.2%耐力
YSS:外面部における0.2%耐力
TSB:中心部における引張強さ
TSS:外面部における引張強さ - 前記化学組成が、質量%で、
Mg:0.0005%〜0.020%、および、
Ca:0.0005%〜0.020%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載のNi基耐熱合金部材。 - 請求項1または2に記載のNi基耐熱合金部材を製造する方法であって、
請求項1または2に記載の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施す工程と、
その後、1070〜1220℃の範囲の熱処理温度T(℃)まで加熱し、1150D/T〜1500D/T(min)保持した後、水冷する熱処理を施す工程とを備える、
Ni基耐熱合金部材の製造方法。
但し、Dは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値(mm)である。 - 前記熱間加工を施す工程において、前記鋼塊または鋳片の長手方向と略垂直な方向に熱間加工を1回以上施す、
請求項3に記載のNi基耐熱合金部材の製造方法。
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