JP7521194B2 - Ni-based alloy and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、Ni基合金及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、生産効率を低下させることなくフレッケル偏析の生成を抑制することが可能なNi基合金及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a Ni-based alloy and a method for producing the same, and more specifically to a Ni-based alloy that can suppress the formation of freckle segregation without reducing production efficiency, and a method for producing the same.
「Ni基合金(又は、Ni基超合金)」とは、Niを主成分とし、Al、Ti、W、Mo、Ta、Cr等を添加することにより固溶強化及び/又は析出強化させた合金をいう。Ni基合金は、高温強度、耐食性、耐酸化性等に優れていることから、航空機用ジェットエンジンや発電用ガスタービンの動翼や静翼、ターボチャージャー用タービンなどに賞用されている。そのため、このようなNi基合金に関し、従来から種々の提案がなされている。 "Ni-based alloy (or Ni-based superalloy)" refers to an alloy whose main component is Ni and which is solid solution strengthened and/or precipitation strengthened by adding Al, Ti, W, Mo, Ta, Cr, etc. Ni-based alloys are excellent in high-temperature strength, corrosion resistance, oxidation resistance, etc., and are therefore highly valued for use in the moving blades and stationary blades of aircraft jet engines and power-generating gas turbines, turbocharger turbines, etc. For this reason, various proposals have been made regarding such Ni-based alloys.
例えば、特許文献1には、
(A)0.001<C<0.100mass%、11.0≦Cr<19.0mass%、0.5≦Co<22.0mass%、0.5≦Fe<10.0mass%、Si≦0.1mass%、2.0<Mo<5.0mass%、1.0<W<5.0mass%、2.5≦Mo+1/2W<5.5mass%、S≦0.010mass%、0.3≦Nb<2.0mass%、3.0<Al<6.5mass%、及び、0.2≦Ti<2.49mass%を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなり、
(B)元素Mの原子%を[M]とすると、0.2≦[Ti]/[Al]×10<4.0、及び、8.5≦[Al]+[Ti]+[Nb]<13.0を満たす
熱間鍛造用のNi基超合金が開示されている。
同文献には、Ti量を少なくしてAl量を多くすると、熱間鍛造加工性と高温強度特性との両立が可能となる点が記載されている。
For example, Patent Document 1 states:
(A) 0.001<C<0.100mass%, 11.0≦Cr<19.0mass%, 0.5≦Co<22.0mass%, 0.5≦Fe<10.0mass%, Si≦0.1mass%, 2.0<Mo<5.0mass%, 1.0<W<5.0mass%, 2.5≦Mo+1/2W<5.5mass%, S≦0.010mass%, 0.3≦Nb<2.0mass%, 3.0<Al<6.5mass%, and 0.2≦Ti<2.49mass%, with the balance being Ni and unavoidable impurities;
(B) Disclosed is a Ni-base superalloy for hot forging that satisfies 0.2≦[Ti]/[Al]×10<4.0 and 8.5≦[Al]+[Ti]+[Nb]<13.0, where [M] is the atomic percentage of element M.
This document describes that by decreasing the amount of Ti and increasing the amount of Al, it is possible to achieve both good hot forgeability and good high-temperature strength properties.
また、特許文献2には、
(A)0.001<C<0.100mass%、11≦Cr<19mass%、5<Co<25mass%、0.1≦Fe<4.0mass%、2.0<Mo<5.0mass%、1.0<W<5.0mass%、2.0≦Nb<4.0mass%、3.0<Al<5.0mass%、及び、1.0<Ti<3.0mass%を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなり、
(B)元素Mの原子%を[M]とすると、3.5≦([Ti]+[Nb])/[Al]×10<6.5、及び、9.5≦[Al]+[Ti]+[Nb]<13.0を満たす
熱間鍛造用のNi基超合金が開示されている。
同文献には、Al、Ti、及びNbの含有量を最適化すると、γ'相の固溶温度を低下させることができることができ、これによって低温での熱間鍛造が可能となる点が記載されている。
In addition, Patent Document 2 states:
(A) 0.001<C<0.100mass%, 11≦Cr<19mass%, 5<Co<25mass%, 0.1≦Fe<4.0mass%, 2.0<Mo<5.0mass%, 1.0<W<5.0mass%, 2.0≦Nb<4.0mass%, 3.0<Al<5.0mass%, and 1.0<Ti<3.0mass%, with the balance being Ni and unavoidable impurities;
(B) Disclosed is a Ni-base superalloy for hot forging that satisfies 3.5≦([Ti]+[Nb])/[Al]×10<6.5 and 9.5≦[Al]+[Ti]+[Nb]<13.0, where [M] is the atomic percentage of element M.
The document describes that optimizing the contents of Al, Ti, and Nb can lower the solid solution temperature of the γ' phase, thereby enabling hot forging at low temperatures.
また、特許文献3には、
(A)0.001<C<0.100mass%、11≦Cr<19mass%、5<Co<25mass%、0.1≦Fe<4.0mass%、2.0<Mo<5.0mass%、1.0<W<5.0mass%、0.3≦Nb<4.0mass%、3.0<Al<5.0mass%、1.0<Ti<3.4mass%、及び、0.01≦Ta<2.0mass%を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなり、
(B)元素Mの原子%を[M]とすると、3.5≦([Ti]+[Nb])/[Al]×10<6.5、及び、9.5≦[Al]+[Ti]+[Nb]<13.0を満たす
熱間鍛造用のNi基超合金が開示されている。
同文献には、Al、Ti、及びNbの含有量を最適化すると、γ'相の固溶温度を低下させることができることができ、これによって低温での熱間鍛造が可能となる点が記載されている。
In addition, Patent Document 3 states:
(A) 0.001<C<0.100mass%, 11≦Cr<19mass%, 5<Co<25mass%, 0.1≦Fe<4.0mass%, 2.0<Mo<5.0mass%, 1.0<W<5.0mass%, 0.3≦Nb<4.0mass%, 3.0<Al<5.0mass%, 1.0<Ti<3.4mass%, and 0.01≦Ta<2.0mass%, with the balance being Ni and unavoidable impurities;
(B) Disclosed is a Ni-base superalloy for hot forging that satisfies 3.5≦([Ti]+[Nb])/[Al]×10<6.5 and 9.5≦[Al]+[Ti]+[Nb]<13.0, where [M] is the atomic percentage of element M.
The document describes that optimizing the contents of Al, Ti, and Nb can lower the solid solution temperature of the γ' phase, thereby enabling hot forging at low temperatures.
さらに、非特許文献1には、横型一方向凝固試験炉を用いたストリーク状偏析(フレッケル偏析)の再現試験の結果が開示されている。
同文献には、
(a)偏析ストリークは、凝固方向ベクトルと、母液相との比重差を駆動力とした濃化液相の移動方向ベクトルとの和の方向に成長する点、
(b)Ni基超合金は、添加される成分に応じて、偏析ストリークが凝固前面から上方に伸びる浮上型と、凝固前面から下方に伸びる沈降型に分類される点、及び、
(c)ε×R1.1値(ε:冷却速度、R:凝固速度)を偏析生成の臨界値とする方法で、Ni基超合金のストリーク偏析傾向を整理することができる点、
が記載されている。
Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses the results of a reproduction test of streak-like segregation (freckle segregation) using a horizontal unidirectional solidification test furnace.
The same document states:
(a) Segregation streaks grow in the direction of the sum of the solidification direction vector and the movement direction vector of the concentrated liquid phase driven by the specific gravity difference with the mother liquid phase;
(b) Ni-base superalloys are classified into two types, depending on the added components, namely, floating type in which segregation streaks extend upward from the solidification front, and sinking type in which segregation streaks extend downward from the solidification front; and
(c) The streak segregation tendency of Ni-base superalloys can be summarized by the method of using the ε×R 1.1 value (ε: cooling rate, R: solidification rate) as the critical value for segregation formation;
is stated.
Ni基合金は、多量の合金元素を含むため、凝固時に徐冷されるとフレッケルと呼ばれるマクロ偏析が発生しやすい。フレッケル偏析は、材料の機械的特性(例えば、引張強度)を低下させる原因となる。そのため、Ni基合金の製造には、一般に、エレクトロスラグ再溶解(ESR)法や真空アーク再溶解(VAR)法などの偏析の出にくい製造方法が採用されている。しかし、Ni基合金の製造方法としてESR法やVAR法を採用した場合であっても、鋳塊のサイズが大きくなるほど、凝固時にフレッケル偏析が発生しやすくなるという問題がある。 Ni-based alloys contain a large amount of alloying elements, so when they are slowly cooled during solidification, macrosegregation called freckles is likely to occur. Freckle segregation causes a decrease in the mechanical properties (e.g., tensile strength) of the material. For this reason, manufacturing methods that are less likely to cause segregation, such as electroslag remelting (ESR) and vacuum arc remelting (VAR), are generally used to manufacture Ni-based alloys. However, even when the ESR and VAR methods are used to manufacture Ni-based alloys, there is a problem in that the larger the size of the ingot, the more likely freckle segregation is to occur during solidification.
一方、ESR法やVAR法を用いる場合において、消耗電極の溶解速度を遅くすると、溶湯の冷却速度が速くなる。その結果、フレッケル偏析を抑制することができる。しかしながら、この方法では、凝固速度が極端に遅くなり、高い生産効率は得られない。
さらに、フレッケル偏析が生成する臨界値は、合金組成によって異なる。そのため、フレッケル偏析が発生せず、かつ、高い生産効率が得られる製造条件を選定するためには、各合金組成毎に一方向凝固試験を実施し、臨界値を実験により求める必要があった。しかしながら、このような方法は、極めて煩雑である。また、臨界値が明らかになった場合であっても、工業レベルの生産設備において、事実上、臨界値を超える製造条件(フレッケル偏析が発生し難い製造条件)を採用することが困難である場合も多い。
On the other hand, when the ESR method or the VAR method is used, if the melting rate of the consumable electrode is slowed down, the cooling rate of the molten metal is increased, and as a result, freckle segregation can be suppressed. However, this method results in an extremely slow solidification rate, and high production efficiency cannot be obtained.
Furthermore, the critical value at which freckle segregation occurs varies depending on the alloy composition. Therefore, in order to select manufacturing conditions that do not cause freckle segregation and can achieve high production efficiency, it is necessary to perform a unidirectional solidification test for each alloy composition and determine the critical value through experiments. However, such a method is extremely complicated. Even if the critical value is identified, it is often difficult to adopt manufacturing conditions that exceed the critical value (manufacturing conditions that are less likely to cause freckle segregation) in industrial-level production facilities.
本発明が解決しようとする課題は、生産効率を低下させることなくフレッケル偏析の生成を抑制することが可能なNi基合金及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、フレッケル偏析に起因する引張強度の低下の少ないNi基合金及びその製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a Ni-based alloy capable of suppressing the formation of freckle segregation without reducing production efficiency, and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a Ni-based alloy in which the decrease in tensile strength caused by freckle segregation is minimal, and a method for producing the same.
上記課題を解決するために本発明に係るNi基合金は、
0.05≦C≦0.10mass%、
11.0≦Cr≦19.0mass%、
15.0≦Co≦22.0mass%、
0.5≦Fe≦10.0mass%、
2.5≦Mo≦5.0mass%、
2.0≦W≦5.0mass%、
0.3≦Nb≦2.0mass%、
3.0≦Al≦4.0mass%、及び、
0.2≦Ti≦2.49mass%
を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなり、
液相密度差Δρ(=ρ0-ρ0.35)が-0.050超0.015未満であるものからなる。
但し、
ρ0は、前記Ni合金の母液相(固相率:ゼロ)の密度(g/cm3)、
ρ0.35は、前記Ni合金の濃化液相(固相率:0.35)の密度(g/cm3
)。
In order to solve the above problems, the Ni-based alloy according to the present invention comprises:
0.05≦C≦0.10 mass%,
11.0≦Cr≦19.0mass%,
15.0≦Co≦22.0mass%,
0.5≦Fe≦10.0mass%,
2.5≦Mo≦5.0mass%,
2.0≦W≦5.0mass%,
0.3≦Nb≦2.0mass%,
3.0≦Al≦4.0 mass%, and
0.2≦Ti≦2.49mass%
The balance is Ni and unavoidable impurities.
The liquid phase density difference Δρ (=ρ 0 −ρ 0.35 ) is greater than −0.050 and less than 0.015.
however,
ρ 0 is the density (g/cm 3 ) of the mother liquid phase (solid fraction: zero) of the Ni alloy,
ρ 0.35 is the density (g/cm 3 ) of the concentrated liquid phase (solid fraction: 0.35) of the Ni alloy.
本発明に係るNi基合金の製造方法は、以下の構成を備えている。
(1)前記Ni基合金の製造方法は、
Ni基合金の液相密度差Δρ(=ρ0-ρ0.35)と、フレッケル偏析生成の臨界値α(=V×R1.1)との関係を表す予測式を、Δρ≧0である場合(浮上型)とΔρ<0である場合(沈降型)に分けて、それぞれ、予め取得しておく予測式取得工程と、
製造しようとする合金(X)の組成に基づいて、前記合金(X)の液相密度差ΔρXを算出するΔρ算出工程と、
算出された前記ΔρXを前記予測式に代入し、前記合金(X)のフレッケル偏析生成の臨界値αXを算出する臨界値算出工程と、
前記Ni基合金が実際に凝固する時の冷却速度V'と、前記Ni基合金が実際に凝固する時の凝固速度R'の1.1乗の積(=V'×R'
1.1
)が前記αX以上となる条件下において、前記合金(X)を製造する合金製造工程と
を備えている。
但し、
ρ0は、前記Ni合金の母液相(固相率:ゼロ)の密度(g/cm3)、
ρ0.35は、前記Ni合金の濃化液相(固相率:0.35)の密度(g/cm3)、
Vは、前記Ni基合金が凝固する時の冷却速度(℃/min)、
Rは、前記Ni基合金が凝固する時の凝固速度(℃/min)。
(2)前記合金(X)は、
0.05≦C≦0.10mass%、
11.0≦Cr≦19.0mass%、
1.0≦Co≦22.0mass%、
0.5≦Fe≦10.0mass%、
2.5≦Mo≦5.0mass%、
1.0≦W≦5.0mass%、
0.3≦Nb≦2.0mass%、
3.0≦Al≦4.0mass%、及び、
0.2≦Ti≦2.49mass%
を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなる。
(3)前記予測式取得工程は、
Δρ≧0である場合の前記予測式として、次の式(3)を予め取得し、
Δρ<0である場合の前記予測式として、次の式(4)を予め取得しておく
工程を含む。
V×R
1.1
=353.42Δρ+4.11 ・・・(3)
V×R
1.1
=167.64Δρ-0.29 ・・・(4)
The method for producing a Ni-based alloy according to the present invention has the following features.
(1) The method for producing the Ni-based alloy includes the steps of:
a prediction formula acquisition step of acquiring in advance a prediction formula expressing the relationship between the liquid phase density difference Δρ (=ρ 0 -ρ 0.35 ) of the Ni-based alloy and the critical value α (=V×R 1.1 ) for the formation of freckle segregation, for cases where Δρ≧0 (floating type) and cases where Δρ<0 (sinking type);
A Δρ calculation step of calculating a liquid phase density difference Δρ X of the alloy (X) to be produced based on the composition of the alloy (X);
A critical value calculation step of substituting the calculated ΔρX into the prediction formula to calculate a critical value αX for the formation of freckle segregation in the alloy (X);
and an alloy production process for producing the alloy ( X ) under conditions in which the product of the cooling rate V' when the Ni-based alloy actually solidifies and the solidification rate R' when the Ni-based alloy actually solidifies to the power of 1.1 (=V'×R' 1.1 ) is equal to or greater than αX.
however,
ρ 0 is the density (g/cm 3 ) of the mother liquid phase (solid fraction: zero) of the Ni alloy,
ρ 0.35 is the density (g/cm 3 ) of the concentrated liquid phase (solid fraction: 0.35) of the Ni alloy,
V is the cooling rate (°C/min) when the Ni-based alloy solidifies,
R is the solidification rate (° C./min) when the Ni-based alloy solidifies.
(2) The alloy (X) is
0.05≦C≦0.10 mass%,
11.0≦Cr≦19.0mass%,
1.0≦Co≦22.0mass%,
0.5≦Fe≦10.0mass%,
2.5≦Mo≦5.0mass%,
1.0≦W≦5.0mass%,
0.3≦Nb≦2.0mass%,
3.0≦Al≦4.0 mass%, and
0.2≦Ti≦2.49mass%
and the balance being Ni and unavoidable impurities.
(3) The prediction formula acquisition step includes:
As the prediction formula when Δρ≧0, the following formula (3) is obtained in advance:
As the prediction formula when Δρ<0, the following formula (4) is acquired in advance:
The process includes:
V×R 1.1 = 353.42Δρ+4.11 (3)
V×R 1.1 = 167.64Δρ-0.29 (4)
Ni基合金をゆっくりと凝固させると、凝固の進行に伴い溶質が所定の比率で固相と液相に分配される。その結果、凝固中に、母液相とは密度が異なる濃化液相が生成する。フレッケル偏析は、母液相と濃化液相との間の液相密度差Δρを駆動力として成長すると考えられている。一般に、Δρの絶対値が大きくなるほど、フレッケル偏析が大きくなる。 When a Ni-based alloy is slowly solidified, the solute is distributed in a predetermined ratio between the solid and liquid phases as solidification progresses. As a result, a concentrated liquid phase with a density different from that of the mother liquid phase is generated during solidification. Freckle segregation is thought to develop with the liquid phase density difference Δρ between the mother liquid phase and the concentrated liquid phase as the driving force. In general, the larger the absolute value of Δρ, the larger the freckle segregation.
一方、各合金元素は、Δρを大きくする元素、Δρを小さくする元素、及び、Δρにほとんど影響を与えない元素に大別される。そのため、目的とする特性を得るために不可欠な元素の含有量を維持したまま、他の元素の含有量を増減させると、Δρを所定の範囲内に収めることができる。その結果、生産効率及び要求される特性(例えば、高温引張強度)を損なうことなく、フレッケル偏析の生成を抑制することができる。 On the other hand, the alloying elements are broadly classified into those that increase Δρ, those that decrease Δρ, and those that have almost no effect on Δρ. Therefore, by increasing or decreasing the content of the other elements while maintaining the content of the elements essential for obtaining the desired characteristics, Δρ can be kept within a specified range. As a result, the formation of freckle segregation can be suppressed without impairing production efficiency and required characteristics (e.g., high-temperature tensile strength).
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. Ni基合金]
[1.1. 組成]
[1.1.1. 主構成元素]
本発明に係るNi基合金は、液相密度差Δρが所定の範囲内にあるものからなる。液相密度差Δρの詳細については、後述する。本発明に係るNi基合金の組成は、液相密度差Δρが後述する条件を満たす限りにおいて特に限定されない。
本発明に係るNi基合金は、特に、以下のような元素を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなるものが好ましい。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Ni-based alloy]
1.1. Composition
[1.1.1. Main constituent elements]
The Ni-based alloy according to the present invention has a liquid phase density difference Δρ within a predetermined range. The liquid phase density difference Δρ will be described in detail later. The composition of the Ni-based alloy according to the present invention is not particularly limited as long as the liquid phase density difference Δρ satisfies the condition described later.
The Ni-based alloy according to the present invention preferably contains the following elements, with the balance being Ni and unavoidable impurities. The types of the added elements, their component ranges, and the reasons for their limitations are as follows:
(1) 0.05≦C≦0.10mass%:
Cは、Cr、Nb、Ti、W、Mo等と結合し、種々の炭化物を生成する。炭化物のうち固溶温度の高いもの(Nb系及びTi系炭化物)は、ピンニング効果によって高温下での結晶粒の粗大化を抑制し、熱間加工性の改善に寄与する。また、Cr系、Mo系、及びW系の炭化物は、粒界に析出して粒界強化することで、機械特性の改善に寄与する。このような効果を得るためには、C含有量は、0.05mass%以上が好ましい。
(1) 0.05≦C≦0.10mass%:
C combines with Cr, Nb, Ti, W, Mo, etc. to produce various carbides. Carbides with high solid solution temperatures (Nb-based and Ti-based carbides) have a pinning effect that allows them to withstand high temperatures. It suppresses the coarsening of crystal grains and contributes to improving hot workability. In addition, Cr-, Mo-, and W-based carbides precipitate at grain boundaries to strengthen the grain boundaries, improving mechanical properties. In order to obtain such an effect, the C content is preferably 0.05 mass% or more.
一方、C含有量が過剰になると、炭化物量が過剰となる。その結果、炭化物の偏析による組織の不均一化、粒界炭化物の過剰析出による熱間加工性及び機械特性の低下などを招く。従って、C含有量は、0.1mass%以下が好ましい。 On the other hand, if the C content is excessive, the amount of carbides will be excessive. As a result, the structure will become non-uniform due to carbide segregation, and the hot workability and mechanical properties will deteriorate due to excessive precipitation of grain boundary carbides. Therefore, the C content is preferably 0.1 mass% or less.
(2) 11.0≦Cr≦19.0mass%:
Crは、Cr2O3の保護酸化膜を形成し、耐食性及び耐酸化性を向上させるために不可欠な元素である。また、Crは、Cと結合してCr23C6炭化物を生成し、強度特性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Cr含有量は、11.0mass%以上が好ましい。Cr含有量は、好ましくは、12.0mass%以上、さらに好ましくは、12.3mass%以上である。
(2) 11.0≦Cr≦19.0mass%:
Cr is an essential element for forming a protective oxide film of Cr2O3 and improving corrosion resistance and oxidation resistance. In addition, Cr combines with C to form Cr23C6 carbide , In order to obtain such an effect, the Cr content is preferably 11.0 mass% or more. The Cr content is preferably 12.0 mass% or more, and more preferably 12.0 mass% or more. . 3 mass% or more.
一方、Crは、フェライト安定化元素である。そのため、Cr含有量が過剰になると、オーステナイトが不安定化し、脆化相であるσ相やラーベス相の生成が促進される。その結果、熱間加工性、並びに、強度や衝撃値などの機械的特性の低下を招く。従って、Cr含有量は、19.0mass%以下が好ましい。Cr含有量は、好ましくは、17.0mass%以下、さらに好ましくは、16.0mass%以下である。 On the other hand, Cr is a ferrite stabilizing element. Therefore, if the Cr content is excessive, austenite becomes unstable and the formation of embrittled phases such as σ phase and Laves phase is promoted. As a result, hot workability and mechanical properties such as strength and impact value are deteriorated. Therefore, the Cr content is preferably 19.0 mass% or less. The Cr content is preferably 17.0 mass% or less, and more preferably 16.0 mass% or less.
(3) 1.0≦Co≦22.0mass%:
Coは、Ni基合金の母相であるオーステナイト相に固溶して加工性を改善する。また、Coは、γ'相の析出を促進し、引張特性等の高温強度を向上させる。このような効果を得るためには、Co含有量は、1.0mass%以上が好ましい。Co含有量は、好ましくは、15.0mass%以上、さらに好ましくは、19.0mass%以上である。
一方、Coは高価であるため、過剰な添加は高コスト化を招く。従って、Co含有量は、22.0mass%以下が好ましい。
(3) 1.0≦Co≦22.0mass%:
Co dissolves in the austenite phase, which is the parent phase of the Ni-based alloy, to improve the workability. Co also promotes the precipitation of the γ' phase, improving high-temperature strength such as tensile properties. In order to obtain such an effect, the Co content is preferably 1.0 mass% or more, more preferably 15.0 mass% or more, and further preferably 19.0 mass% or more.
On the other hand, since Co is expensive, excessive addition of Co leads to high costs, and therefore the Co content is preferably 22.0 mass% or less.
(4) 0.5≦Fe≦10.0mass%:
Feは、Ni基合金の母相であるオーステナイト相に固溶する。Feは、少量であれば強度特性及び加工性への影響はない。また、Feは、合金製造時の原料に混入することがある成分であり、原料の選択によってはFe含有量が多量となるものの、原料コストの低下に繋がる。このような効果を得るためには、Fe含有量は、0.5mass%以上が好ましい。Fe含有量は、好ましくは、0.95mass%以上、さらに好ましくは、1.0mass%以上である。
一方、Fe含有量が過剰になると、強度が低下する。従って、Fe含有量は、10.0mass%以下が好ましい。Fe含有量は、好ましくは、7.0mass%以下、さらに好ましくは、5.0mass%以下である。
(4) 0.5≦Fe≦10.0mass%:
Fe dissolves in the austenite phase, which is the parent phase of Ni-based alloys. A small amount of Fe does not affect the strength characteristics and workability. In addition, Fe can be mixed into the raw materials during alloy production. Although the Fe content may be high depending on the selection of raw materials, it leads to a reduction in raw material costs. In order to obtain such an effect, the Fe content is preferably 0.5 mass% or more. The Fe content is preferably 0.95 mass% or more, and more preferably 1.0 mass% or more.
On the other hand, if the Fe content is excessive, the strength decreases. Therefore, the Fe content is preferably 10.0 mass% or less. The Fe content is preferably 7.0 mass% or less, and more preferably 5.0 mass% or less. It is 0 mass% or less.
(5) 2.5≦Mo≦5.0mass%:
Moは、固溶強化元素であり、Ni基合金の母相であるオーステナイト相に固溶して合金を強化する。また、Moは、Cと結合して炭化物を生成し、粒界を強化して機械強度の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Mo含有量は、2.5mass%以上が好ましい。Mo含有量は、好ましくは、3.0mass%以上である。
一方、Mo含有量が過剰になると、有害相であるσ相やラーベス相の生成を促進し、熱間加工性及び機械的特性を低下させる。従って、Mo含有量は、5.0mass%以下が好ましい。
(5) 2.5≦Mo≦5.0mass%:
Mo is a solid solution strengthening element that dissolves in the austenite phase, which is the parent phase of Ni-based alloys, to strengthen the alloy. Mo also combines with C to form carbides, strengthening the grain boundaries. In order to obtain such an effect, the Mo content is preferably 2.5 mass% or more, and more preferably 3.0 mass% or more.
On the other hand, if the Mo content is excessive, it promotes the formation of harmful phases such as σ phase and Laves phase, and deteriorates hot workability and mechanical properties. Therefore, the Mo content should be 5.0 mass% or less. preferable.
(6) 1.0≦W≦5.0mass%:
Wは、固溶強化元素であり、Ni基合金の母相であるオーステナイト相に固溶して合金を強化する。また、Wは、Cと結合して炭化物を生成し、粒界を強化して機械強度の向上に寄与する。このような効果を得るためには、W含有量は、1.0mass%以上が好ましい。W含有量は、好ましくは、2.0mass%以上、さらに好ましくは、2.5mass%以上である。
一方、W含有量が過剰になると、有害相であるσ相やラーベス相の生成を促進し、熱間加工性及び機械的特性を低下させる。従って、W含有量は、5.0mass%以下が好ましい。W含有量は、好ましくは、4.5mass%以下、さらに好ましくは、4.0mass%以下である。
(6) 1.0≦W≦5.0mass%:
W is a solution strengthening element that dissolves in the austenite phase, which is the parent phase of Ni-based alloys, to strengthen the alloy. W also combines with C to form carbides, strengthening the grain boundaries. In order to obtain such an effect, the W content is preferably 1.0 mass% or more. The W content is preferably 2.0 mass% or more, and more preferably 3.0 mass% or more. It is 2.5 mass% or more.
On the other hand, if the W content is excessive, it promotes the formation of harmful phases such as σ phase and Laves phase, and deteriorates hot workability and mechanical properties. Therefore, the W content is preferably 5.0 mass% or less. The W content is preferably 4.5 mass% or less, and more preferably 4.0 mass% or less.
(7) 0.3≦Nb≦2.0mass%:
Nbは、Cと結合して比較的固溶温度の高いMC型炭化物を生成させる。そのため、Nbを添加すると、ピンニング効果により固溶化熱処理後の結晶粒の粗大化が抑制され、高温強度特性、及び熱間加工性が改善される。また、Nbは、Tiとともに強化相であるγ'相(Ni3Al)のAlサイトを置換し、Ni3(Al,Ti,Nb)となってγ'相を固溶強化させる。このような効果を得るためには、Nb含有量は、0.3mass%以上が好ましい。Nb含有量は、好ましくは、0.7mass%以上、さらに好ましくは、1.0mass%以上である。
(7) 0.3≦Nb≦2.0mass%:
Nb combines with C to form MC type carbides with a relatively high solution temperature. Therefore, when Nb is added, the pinning effect suppresses the coarsening of crystal grains after solution heat treatment, improving high-temperature strength properties and In addition, Nb, together with Ti, substitutes for the Al sites of the γ' phase (Ni 3 Al), which is a strengthening phase, to form Ni 3 (Al, Ti, Nb), which strengthens the γ' phase. In order to obtain such an effect, the Nb content is preferably 0.3 mass% or more. The Nb content is preferably 0.7 mass% or more, and more preferably 1. It is 0 mass% or more.
一方、Nb含有量が過剰になると、γ'相の固溶温度が上昇し、熱間加工性が低下する。また、脆化相であるラーベス相が生成し、高温強度の低下を招く。従って、Nb含有量は、2.0mass%以下が好ましい。Nb含有量は、好ましくは、1.5mass%以下である。 On the other hand, if the Nb content is excessive, the solution temperature of the γ' phase rises and hot workability decreases. In addition, the Laves phase, which is an embrittlement phase, is generated, resulting in a decrease in high-temperature strength. Therefore, the Nb content is preferably 2.0 mass% or less. The Nb content is preferably 1.5 mass% or less.
(8) 3.0≦Al≦4.0mass%:
Alは、強化相であるγ'相(Ni3Al)の生成元素として働き、高温強度特性の改善に特に重要な元素である。また、Alは、γ'相の固溶温度を上昇させるが、NbやTiに比べて固溶温度上昇への影響は小さい。むしろ、Alは、γ'相の固溶温度の上昇を抑えつつ、時効温度域におけるγ'相の析出量を増加させる作用がある。さらに、Alは、Oと結合してAl2O3からなる保護酸化被膜を形成し、耐食性及び耐酸化性の改善にも有効である。このような効果を得るためには、Al含有量は、3.0mass%以上が好ましい。Al含有量は、好ましくは、3.5mass%以上である。
(8) 3.0≦Al≦4.0mass%:
Al acts as a generator of the γ' phase (Ni 3 Al), which is a strengthening phase, and is an especially important element for improving high-temperature strength properties. In addition, Al increases the solid solution temperature of the γ' phase. However, compared with Nb and Ti, Al has a smaller effect on the rise in the solid solution temperature. On the contrary, Al has the effect of suppressing the rise in the solid solution temperature of the γ' phase while increasing the amount of γ' phase precipitated in the aging temperature range. Furthermore, Al combines with O to form a protective oxide film made of Al2O3 , which is also effective in improving corrosion resistance and oxidation resistance. The amount of Al is preferably 3.0 mass% or more. The Al content is preferably 3.5 mass% or more.
一方、Al含有量が過剰になると、γ'相の固溶温度が上昇する。また、γ'相の析出量が増加し、熱間加工性が低下するおそれがある。従って、Al含有量は、4.0mass%以下が好ましい。 On the other hand, if the Al content is excessive, the solution temperature of the γ' phase will rise. In addition, the amount of γ' phase precipitation will increase, and there is a risk of the hot workability decreasing. Therefore, the Al content is preferably 4.0 mass% or less.
(9) 0.2≦Ti≦2.49mass%:
Tiは、Cと結合して比較的固溶温度の高いMC型炭化物を生成させる。そのため、Tiを添加すると、ピンニング効果により固溶化熱処理後の結晶粒の粗大化が抑制され、高温強度特性、及び熱間加工性が改善される。また、Tiは、Nbとともに強化相であるγ'相(Ni3Al)のAlサイトを置換し、Ni3(Al,Ti,Nb)となってγ'相を固溶強化させる。このような効果を得るためには、Ti含有量は、0.2mass%以上が好ましい。Ti含有量は、好ましくは、0.23mass%以上、さらに好ましくは、0.5mass%以上である。
(9) 0.2≦Ti≦2.49mass%:
Ti combines with C to form MC type carbides, which have a relatively high solution temperature. Therefore, when Ti is added, the pinning effect suppresses the coarsening of crystal grains after solution heat treatment, improving high-temperature strength properties and In addition, Ti, together with Nb, substitutes for the Al sites of the γ' phase (Ni 3 Al), which is a strengthening phase, to form Ni 3 (Al, Ti, Nb), which strengthens the γ' phase. In order to obtain such an effect, the Ti content is preferably 0.2 mass% or more. The Ti content is preferably 0.23 mass% or more, and more preferably 0. It is 5 mass% or more.
一方、Ti含有量が過剰になると、γ'相の固溶温度が上昇し、熱間加工性が低下する。また、脆化相であるラーベス相が生成し、高温強度の低下を招く。従って、Ti含有量は、2.49mass%以下が好ましい。Ti含有量は、好ましくは、2.0mass%以下である。 On the other hand, if the Ti content is excessive, the solution temperature of the γ' phase rises and hot workability decreases. In addition, the Laves phase, which is an embrittlement phase, is generated, resulting in a decrease in high-temperature strength. Therefore, the Ti content is preferably 2.49 mass% or less. The Ti content is preferably 2.0 mass% or less.
[1.1.2. 副構成元素]
Ni基合金は、上述した主構成元素に加えて、以下のような1又は2以上の元素をさらに含んでいても良い。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
[1.1.2. Sub-constituent elements]
In addition to the above-mentioned main constituent elements, the Ni-based alloy may further contain one or more of the following elements. The types of the added elements, their component ranges, and the reasons for their limitations are as follows: That is correct.
(10) 0.09≦Si≦0.15mass%:
Siを添加すると、Si酸化物のスケール層が形成され、耐酸化性が改善される。このような効果を得るためには、Si含有量は、0.09mass%以上が好ましい。
しかしながら、Si含有量が過剰になると、Siが偏析することにより局部的な低融点部を生成し、熱間加工性を低下させる。従って、Si含有量は、0.15mass%以下が好ましい。Si含有量は、好ましくは、0.10mass%以下である。
(10) 0.09≦Si≦0.15mass%:
When Si is added, a scale layer of Si oxide is formed, improving the oxidation resistance. In order to obtain such an effect, the Si content is preferably 0.09 mass% or more.
However, if the Si content is excessive, Si segregates, forming localized low melting points and deteriorating hot workability. Therefore, the Si content is preferably 0.15 mass% or less. The content is preferably 0.10 mass% or less.
(11) 1.0≦Ta≦2.0mass%:
Taは、Cと結合して比較的固溶温度の高いMC型炭化物を生成させる。そのため、Taを添加すると、ピンニング効果により固溶化熱処理後の結晶粒の粗大化が抑制され、高温強度特性、及び熱間加工性が改善される。また、Taは、Nb、Tiとともに強化相であるγ'相(Ni3Al)のAlサイトを置換し、Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)となってγ'相を固溶強化させる。このような効果を得るためには、Ta含有量は、1.0mass%以上が好ましい。
(11) 1.0≦Ta≦2.0mass%:
Ta combines with C to form MC type carbides with a relatively high solution temperature. Therefore, when Ta is added, the pinning effect suppresses the coarsening of crystal grains after solution heat treatment, improving high-temperature strength properties and Ta, together with Nb and Ti, substitutes for the Al site of the γ' phase (Ni 3 Al), which is a strengthening phase, forming Ni 3 (Al, Ti, Nb, Ta). In order to obtain such an effect, the Ta content is preferably 1.0 mass% or more.
一方、Ta含有量が過剰になると、γ'相の固溶温度が上昇し、熱間加工性が低下する。また、脆化相であるラーベス相が生成し、高温強度の低下を招く。従って、Ta含有量は、2.0mass%以下が好ましい。Ta含有量は、好ましくは、1.5mass%以下である。 On the other hand, if the Ta content is excessive, the solution temperature of the γ' phase rises and hot workability decreases. In addition, the Laves phase, which is an embrittlement phase, is generated, resulting in a decrease in high-temperature strength. Therefore, the Ta content is preferably 2.0 mass% or less. The Ta content is preferably 1.5 mass% or less.
(12) 0.001≦B≦0.03mass%:
Bは、結晶粒界に偏析して粒界を強化し、加工性及び機械特性を改善する。このような効果を得るためには、B含有量は、0.001mass%以上が好ましい。B含有量は、好ましくは、0.01mass%以上である。
一方、B含有量が過剰になると、粒界への過剰偏析により延性が失われ、熱間加工性が低下する。従って、B含有量は、0.03mass%以下が好ましい。B含有量は、好ましくは、0.025mass%以下、さらに好ましくは、0.02mass%以下である。
(12) 0.001≦B≦0.03mass%:
B segregates at the grain boundaries to strengthen the grain boundaries and improve the workability and mechanical properties. To obtain such effects, the B content is preferably 0.001 mass% or more. The amount is preferably 0.01 mass % or more.
On the other hand, if the B content is excessive, ductility is lost due to excessive segregation to grain boundaries, and hot workability is deteriorated. Therefore, the B content is preferably 0.03 mass% or less. The content is preferably 0.025 mass% or less, and more preferably 0.02 mass% or less.
(13) 0.04≦Zr≦0.1mass%:
Zrは、結晶粒界に偏析して粒界を強化し、加工性及び機械特性を改善する。このような効果を得るためには、Zr含有量は、0.04mass%以上が好ましい。Zr含有量は、好ましくは、0.045mass%以上である。
一方、Zr含有量が過剰になると、粒界への過剰偏析により延性が失われ、熱間加工性が低下する。従って、Zr含有量は、0.1mass%以下が好ましい。
(13) 0.04≦Zr≦0.1mass%:
Zr segregates at the grain boundaries to strengthen the grain boundaries and improve the workability and mechanical properties. To obtain such effects, the Zr content is preferably 0.04 mass% or more. The amount is preferably 0.045 mass% or more.
On the other hand, if the Zr content is excessive, ductility is lost due to excessive segregation to grain boundaries, and hot workability is deteriorated. Therefore, the Zr content is preferably 0.1 mass% or less.
[1.2. 液相密度差]
[1.2.1. Δρの好適な範囲]
本発明に係るNi基合金は、液相密度差Δρが-0.050超0.015未満であるものからなる。ここで、「液相密度差Δρ」とは、次の式(1)で表される値をいう。
Δρ=ρ0-ρ0.35 …(1)
但し、
ρ0は、前記Ni合金の母液相(固相率:ゼロ)の密度(g/cm3)、
ρ0.35は、前記Ni合金の濃化液相(固相率:0.35)の密度(g/cm3)。
[1.2. Liquid phase density difference]
[1.2.1. Preferred range of Δρ]
The Ni-based alloy according to the present invention has a liquid phase density difference Δρ of more than −0.050 and less than 0.015. Here, the “liquid phase density difference Δρ” is expressed by the following formula (1): The value represented is:
Δρ=ρ 0 −ρ 0.35 …(1)
however,
ρ 0 is the density (g/cm 3 ) of the mother liquid phase (solid fraction: zero) of the Ni alloy,
ρ 0.35 is the density (g/cm 3 ) of the concentrated liquid phase (solid fraction: 0.35) of the Ni alloy.
Ni基合金をゆっくりと凝固させると、鋳壁にデンドライトの核が生成し、デンドライトが鋳型の内部に向かって成長する。この時、溶質が所定の比率で固相と液相に分配される。通常、凝固の進行に伴って固相から溶質が掃き出されるため、液相中の溶質の濃度が上昇する。その結果、凝固中に母液相(固相率:ゼロ)とは密度が異なる濃化液相が生成する場合がある。母液相の密度と濃化液相の密度との差(液相密度差)Δρは、固相率により異なる。本発明において、液相密度差Δρの算出には、固相率が0.35である時の濃化液相の密度ρ0.35を用いる。これは、固相率が0.35の時にΔρが最大となる場合が多いためである。 When a Ni-based alloy is slowly solidified, dendrite nuclei are formed on the casting wall, and the dendrites grow toward the inside of the mold. At this time, the solute is distributed to the solid phase and the liquid phase at a predetermined ratio. Usually, as solidification progresses, the solute is swept out of the solid phase, and the concentration of the solute in the liquid phase increases. As a result, a concentrated liquid phase having a density different from that of the mother liquid phase (solid fraction: zero) may be generated during solidification. The difference between the density of the mother liquid phase and the density of the concentrated liquid phase (liquid phase density difference) Δρ varies depending on the solid fraction. In the present invention, the density ρ 0.35 of the concentrated liquid phase when the solid fraction is 0.35 is used to calculate the liquid phase density difference Δρ. This is because Δρ is often maximum when the solid fraction is 0.35.
フレッケル偏析は、母液相と濃化液相との間の液相密度差Δρを駆動力として成長すると考えられている。そのため、一般に、Δρの絶対値が小さくなるほど、フレッケル偏析が生成しにくくなる。
工業的なサイズ(例えば、直径が150mm~1000mm程度)を持ち、かつ、フレッケル偏析のない鋳塊を、汎用の製造設備で製造するためには、Δρは、-0.050超0.015未満である必要がある。
Freckle segregation is believed to develop with the liquid phase density difference Δρ between the mother liquid phase and the concentrated liquid phase as a driving force. Therefore, in general, the smaller the absolute value of Δρ, the more difficult it is for Freckle segregation to occur.
In order to produce an ingot having an industrial size (for example, a diameter of about 150 mm to 1000 mm) and free from freckle segregation using general-purpose production equipment, Δρ needs to be greater than −0.050 and less than 0.015.
[1.2.2. Δρとフレッケル偏析の臨界値αとの関係]
「フレッケル偏析生成の臨界値α」とは、次の式(2)で表される値をいう。
α=V×R1.1 …(2)
但し、
Vは、前記Ni基合金が凝固する時の冷却速度(℃/nin)、
Rは、前記Ni基合金が凝固する時の凝固速度(mm/min)。
[1.2.2. Relationship between Δρ and the critical value α of Freckle segregation]
The "critical value α for the formation of freckle segregation" refers to a value expressed by the following formula (2).
α=V×R 1.1 …(2)
however,
V is the cooling rate (° C./min) when the Ni-based alloy solidifies,
R is the solidification speed (mm/min) when the Ni-based alloy solidifies.
フレッケル偏析生成の臨界値α(=V×R1.1)とΔρとの間には相関があり、凝固時の冷却条件が臨界値αを下回ると、フレッケル偏析が生成しやすいことが知られている。
そのため、実際の製造条件下における臨界値αが不明である場合であっても、Δρを知ることができれば、フレッケル偏析が生成するか否かをある程度、正確に予測することができる。
また、Δρが上述の範囲にある時にはフレッケル偏析は出にくくなるが、それでもなおフレッケル偏析が発生した時には、冷却条件が臨界値αを下回っていることを表す。このような場合には、Δρの絶対値がさらに小さくなるように、合金元素の含有量を変更するか、あるいは、冷却条件が臨界値αを上回るように(すなわち、より急冷条件となるように)、製造方法及び/又は製造条件を変更すれば良い。
It is known that there is a correlation between the critical value α (=V×R 1.1 ) for the formation of freckle segregation and Δρ, and that when the cooling conditions during solidification are below the critical value α, freckle segregation is likely to form.
Therefore, even if the critical value α under actual manufacturing conditions is unknown, if Δρ can be known, it is possible to predict with some degree of accuracy whether or not freckle segregation will occur.
Furthermore, when Δρ is within the above-mentioned range, freckle segregation is unlikely to occur, but if freckle segregation still occurs, this indicates that the cooling conditions are below the critical value α. In such a case, the contents of the alloying elements should be changed so that the absolute value of Δρ becomes even smaller, or the manufacturing method and/or manufacturing conditions should be changed so that the cooling conditions exceed the critical value α (i.e., the cooling conditions become more rapid).
Δρとαとの関係を表す経験式として、従来から種々の式が提案されている。しかしながら、従来は、合金が浮上型(Δρ≧0)であるか、あるいは、沈降型(Δρ<0)であるかを区別することなく、Δρとαとの関係を論ずるのが一般的であった。 Various empirical formulas have been proposed to express the relationship between Δρ and α. However, in the past, it was common to discuss the relationship between Δρ and α without distinguishing whether the alloy was of the floating type (Δρ≧0) or the sinking type (Δρ<0).
これに対し、Δρとαとの間の相関は、合金が浮上型(Δρ≧0)であるか、あるいは、沈降型(Δρ<0)であるかによって大きく異なる。この点は、本願発明者らによって初めて見出された知見である。そのため、Δρとαとの関係を表す予測式を浮上型(Δρ≧0)である場合と沈降型(Δρ<0)である場合に分けて、それぞれ、予め取得しておくと、フレッケル偏析の有無をある程度正確に予測することができる。 In contrast, the correlation between Δρ and α differs significantly depending on whether the alloy is of the floating type (Δρ≧0) or the sinking type (Δρ<0). This was a finding first discovered by the present inventors. Therefore, if a prediction formula expressing the relationship between Δρ and α is obtained in advance for each of the floating type (Δρ≧0) and sinking type (Δρ<0), it is possible to predict the presence or absence of freckle segregation with a certain degree of accuracy.
Δρとαとの関係(予測式)は、一般に、合金の種類により異なる。しかし、類似の組成及び性質を有すると見なすことができる一群の合金については、1組の予測式を用いてαを推定することができる。
ここで、「類似の組成及び性質を有すると見なすことができる一群の合金」とは、
(a)同一の主構成元素を含んでおり、
(b)同一の結晶構造を備えており、
(c)類似の物理的性質及び化学的性質を備えた合金
をいう。
The relationship (prediction equation) between Δρ and α generally varies with the type of alloy, but for a group of alloys that can be considered to have similar compositions and properties, a set of predictive equations can be used to estimate α.
Here, "a group of alloys that can be considered to have similar compositions and properties" means
(a) contain the same main constituent elements;
(b) have the same crystal structure;
(c) Alloys with similar physical and chemical properties.
例えば、合金が上述した主構成元素を含むNi基合金である場合において、Ni基合金が浮上型(Δρ≧0)である時には、前記予測式として次の式(3)を用いるのが好ましい。一方、Ni基合金が沈降型(Δρ<0)である時には、前記予測式として、次の式(4)を用いるのが好ましい。
V×R1.1=353.42Δρ+4.11 ・・・(3)
V×R1.1=167.64Δρ-0.29 ・・・(4)
なお、「V×R1.1」は、現実にはマイナスの値を取ることはないが、Δρがマイナスの値を取る時には、便宜的にV×R1.1をマイナスの値で表す。
For example, when the alloy is a Ni-based alloy containing the above-mentioned main constituent elements, if the Ni-based alloy is of the floating type (Δρ≧0), it is preferable to use the following formula (3) as the prediction formula. On the other hand, if the Ni-based alloy is of the sinking type (Δρ<0), it is preferable to use the following formula (4) as the prediction formula.
V×R 1.1 = 353.42Δρ+4.11 (3)
V×R 1.1 = 167.64Δρ-0.29 (4)
In reality, "V×R 1.1 " does not take a negative value, but when Δρ takes a negative value, V×R 1.1 is expressed as a negative value for the sake of convenience.
溶質の平衡分配係数は既知であるため、合金組成が決まると、理論計算によりΔρを算出することができる。一方、ある組成を持つ合金の臨界値αは、一方向凝固試験(具体的には、縦型一方向凝固試験が好ましいが、これに限らない)により求めることができる。そのため、
(a)一群の合金の中からΔρが大きく異なる合金組成であって、Δρ≧0であるものとΔρ<0であるものとを、それぞれ、複数個(好ましくは、2個以上)選択し、
(b)選択された合金組成について、それぞれ、凝固試験を行い、
(c)理論計算から求められたΔρと、凝固試験から求められた臨界値α(=V×R1.1)とを、それぞれ、Δρ≧0である場合とΔρ<0である場合に分けて直線回帰する
ことにより、予測式を得ることができる。
Since the equilibrium distribution coefficient of the solute is known, once the alloy composition is determined, Δρ can be calculated by theoretical calculation. On the other hand, the critical value α of an alloy having a certain composition can be obtained by a unidirectional solidification test (specifically, a vertical unidirectional solidification test is preferable, but not limited to this). Therefore,
(a) selecting a plurality of alloy compositions (preferably two or more) from a group of alloys that have significantly different Δρ, with Δρ≧0 and Δρ<0;
(b) performing a solidification test for each of the selected alloy compositions;
(c) A prediction formula can be obtained by performing linear regression on Δρ obtained from theoretical calculations and the critical value α (=V×R 1.1 ) obtained from a coagulation test, separately for the cases where Δρ≧0 and Δρ<0.
[1.2.3. Δρの調整方法]
Ni基合金において、合金元素は、
(a)含有量の増加に伴いΔρが大きくなる元素(以下、「正元素」ともいう)、
(b)含有量の増加に伴いΔρが小さくなる元素(以下、「負元素」ともいう)、及び、
(c)含有量を増減してもΔρにあまり影響がない元素(以下、「中性元素」ともいう)
に大別される。
そのため、目的に応じて各合金元素の含有量を増減させると、Δρを所定の範囲に維持することができる。また、含有量を増減させる合金元素の選択を最適化すると、生産効率及び要求される特性(例えば、高温引張強度)を損なうことなく、フレッケル偏析の生成を抑制することができる。
[1.2.3. Method for adjusting Δρ]
In the Ni-based alloy, the alloying elements are:
(a) An element whose Δρ increases with an increase in its content (hereinafter also referred to as a “positive element”),
(b) elements whose Δρ decreases with increasing content (hereinafter also referred to as “negative elements”), and
(c) Elements whose content does not significantly affect Δρ even if it is increased or decreased (hereinafter, also referred to as “neutral elements”)
They can be broadly divided into:
Therefore, by increasing or decreasing the content of each alloying element depending on the purpose, Δρ can be maintained within a predetermined range, and by optimizing the selection of the alloying elements to be increased or decreased in content, the formation of freckle segregation can be suppressed without compromising production efficiency and required properties (e.g., high temperature tensile strength).
正元素としては、例えば、Alなどがある。
負元素としては、例えば、Mo、Nb、Ti、Zr、C、W(但し、含有量が2.5mass%以上の時)などがある。
中性元素としては、例えば、Cr、Co、Fe、W(但し、含有量が2.5mass%以下の時)などがある。
An example of a positive element is Al.
Examples of negative elements include Mo, Nb, Ti, Zr, C, and W (when the content is 2.5 mass% or more).
The neutral elements include, for example, Cr, Co, Fe, and W (when the content is 2.5 mass % or less).
[1.3. 高温引張強度]
合金元素の含有量を最適化すると、実質的にフレッケル偏析のないNi基合金を得ることができる。また、このようなNi基合金に対して適切な熱処理を施すと、母相中にγ'相が析出した組織を有し、かつ、高い高温引張強度を有するNi基合金が得られる。
具体的には、各合金元素の含有量及び熱処理条件を最適化すると、650℃での引張強度が1200MPa以上となる。
合金元素の含有量をさらに最適化すると、650℃での引張強度が1300MPa以上となる。
[1.3. High temperature tensile strength]
By optimizing the contents of alloying elements, it is possible to obtain a Ni-based alloy that is substantially free of freckle segregation, and by subjecting such a Ni-based alloy to an appropriate heat treatment, it is possible to obtain a Ni-based alloy having a structure in which the γ' phase is precipitated in the matrix and having high high-temperature tensile strength.
Specifically, by optimizing the contents of each alloy element and the heat treatment conditions, the tensile strength at 650° C. becomes 1200 MPa or more.
By further optimizing the contents of the alloying elements, the tensile strength at 650° C. becomes 1300 MPa or more.
[2. Ni基合金の製造方法]
本発明に係るNi基合金の製造方法は、
Ni基合金の液相密度差Δρ(=ρ0-ρ0.35)と、フレッケル偏析生成の臨界値α(=V×R1.1)との関係を表す予測式を、Δρ≧0である場合(浮上型)とΔρ<0である場合(沈降型)に分けて、それぞれ、予め取得しておく予測式取得工程と、
製造しようとする合金(X)の組成に基づいて、前記合金(X)の液相密度差ΔρXを算出するΔρ算出工程と、
算出された前記ΔρXを前記予測式に代入し、前記合金(X)のフレッケル偏析生成の臨界値αXを算出する臨界値算出工程と、
前記αX以上となる条件下において、前記合金(X)を製造する合金製造工程と
を備えている。
但し、
ρ0は、前記Ni合金の母液相(固相率:ゼロ)の密度(g/cm3)、
ρ0.35は、前記Ni合金の濃化液相(固相率:0.35)の密度(g/cm3)、
Vは、前記Ni基合金が凝固する時の冷却速度(℃/min)、
Rは、前記Ni基合金が凝固する時の凝固速度(℃/min)。
[2. Manufacturing method of Ni-based alloy]
The method for producing a Ni-based alloy according to the present invention comprises the steps of:
a prediction formula acquisition step of acquiring in advance a prediction formula expressing the relationship between the liquid phase density difference Δρ (=ρ 0 -ρ 0.35 ) of the Ni-based alloy and the critical value α (=V×R 1.1 ) for the formation of freckle segregation, for cases where Δρ≧0 (floating type) and cases where Δρ<0 (sinking type);
A Δρ calculation step of calculating a liquid phase density difference Δρ X of the alloy (X) to be produced based on the composition of the alloy (X);
A critical value calculation step of substituting the calculated ΔρX into the prediction formula to calculate a critical value αX for the formation of freckle segregation in the alloy (X);
and an alloy production process for producing the alloy (X) under conditions where α is equal to or greater than the alloy ( X ).
however,
ρ 0 is the density (g/cm 3 ) of the mother liquid phase (solid fraction: zero) of the Ni alloy,
ρ 0.35 is the density (g/cm 3 ) of the concentrated liquid phase (solid fraction: 0.35) of the Ni alloy,
V is the cooling rate (°C/min) when the Ni-based alloy solidifies,
R is the solidification rate (° C./min) when the Ni-based alloy solidifies.
合金製造工程は、具体的には、
(a)所定の組成となるように配合された原料を、αX以上となる条件下において溶解・鋳造する溶解鋳造工程と、
(b)得られた鋳塊に対して均質化熱処理を行う均熱化処理工程と、
(c)均質化熱処理後の素材に対して熱間加工を行う熱間加工工程と、
(d)熱間加工後の素材に対して固溶化熱処理を行う固溶化熱処理工程と、
(e)固溶化熱処理後の素材に対して時効処理を行う時効処理工程と
を備えている。
The alloy manufacturing process is specifically as follows:
(a) a melting and casting process in which raw materials mixed to obtain a predetermined composition are melted and cast under conditions in which the temperature is αX or higher;
(b) a soaking treatment step in which the obtained ingot is subjected to a homogenization heat treatment;
(c) a hot working step of hot working the material after the homogenization heat treatment;
(d) a solution heat treatment step in which the material after hot working is subjected to solution heat treatment;
(e) an aging treatment step for performing aging treatment on the material after the solution heat treatment.
[2.1. 予測式取得工程]
まず、Ni基合金の液相密度差Δρ(=ρ0-ρ0.35)と、フレッケル偏析生成の臨界値α(=V×R1.1)との関係を表す予測式を、Δρ≧0である場合(浮上型)とΔρ<0である場合(沈降型)に分けて、それぞれ、予め取得しておく(予測式取得工程)。予測式取得工程の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.1. Prediction formula acquisition process]
First, a prediction formula expressing the relationship between the liquid phase density difference Δρ (=ρ 0 -ρ 0.35 ) of the Ni-based alloy and the critical value α (=V×R 1.1 ) for the formation of freckle segregation is obtained in advance for each of the cases Δρ≧0 (floating type) and Δρ<0 (sinking type) (prediction formula obtaining step). Details of the prediction formula obtaining step are as described above, and therefore will not be described here.
[2.2. Δρ算出工程]
次に、製造しようとする合金(X)の組成に基づいて、前記合金(X)の液相密度差ΔρXを算出する(Δρ算出工程)。Δρ算出工程の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.2. Δρ calculation process]
Next, the liquid phase density difference ΔρX of the alloy (X) is calculated based on the composition of the alloy (X) to be produced (Δρ calculation step). The details of the Δρ calculation step are as described above. Therefore, the description will be omitted.
[2.3. 臨界値算出工程]
次に、算出された前記ΔρXを前記予測式に代入し、前記合金(X)のフレッケル偏析生成の臨界値αXを算出する(臨界値算出工程)。臨界値算出工程の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.3. Critical value calculation process]
Next, the calculated ΔρX is substituted into the prediction formula to calculate the critical value αX for the formation of freckle segregation in the alloy (X) (critical value calculation step). Details of the critical value calculation step are as described above, and therefore will not be described here.
[2.4. 合金製造工程]
次に、前記αX以上となる条件下において、前記合金(X)を製造する(合金製造工程)。
[2.4.1. 溶解・鋳造工程]
まず、所定の組成となるように配合された原料を、αX以上となる条件下で溶解・鋳造する(溶解・鋳造工程)。溶解・鋳造の方法及び条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法及び条件を選択することができる。溶解・鋳造方法としては、例えば、エレクトロスラグ再溶解(ESR)法、真空アーク再溶解(VAR)法などがある。
[2.4. Alloy manufacturing process]
Next, the alloy (X) is produced under conditions where α is equal to or greater than the alloy ( X ) (alloy production step).
[2.4.1. Melting and casting process]
First, the raw materials mixed to obtain a predetermined composition are melted and cast under conditions that give a temperature of αX or higher (melting and casting process). The method and conditions for melting and casting are not particularly limited. The most suitable method and conditions can be selected depending on the purpose. Examples of the melting and casting method include electroslag remelting (ESR) method and vacuum arc remelting (VAR) method.
[2.4.2. 均質化熱処理工程]
次に、得られた鋳塊に対し、均質化熱処理を行う。均質化熱処理は、鋳造時に生じた偏析を除去するために行われる。均質化熱処理の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、均質化熱処理は、温度:1100℃~1220℃、時間:10hr以上の条件で、鋳塊を加熱保持することにより行う。
[2.4.2. Homogenization heat treatment process]
Next, the obtained ingot is subjected to a homogenization heat treatment. The homogenization heat treatment is performed to remove segregation that occurs during casting. The conditions of the homogenization heat treatment are not particularly limited as long as such an effect is achieved. Usually, the homogenization heat treatment is performed by heating and holding the ingot under the conditions of a temperature of 1100°C to 1220°C and a time of 10 hours or more.
[2.4.3. 熱間鍛造工程]
次に、均質化熱処理後の素材を熱間鍛造する。熱間鍛造は、粗大な鋳造組織を破壊し、組織を微細化するために行われる。熱間鍛造の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、熱間鍛造は、1100℃~1160℃の条件で素材を加熱し、鍛造終止温度:1100℃の条件下で鍛造し、その後空冷することにより行う。なお、熱間鍛造は、均質化熱処理を行った後、素材を室温まで冷却することなく、連続して実施しても良い。
[2.4.3. Hot forging process]
Next, the material after the homogenization heat treatment is hot forged. Hot forging is performed to destroy the coarse cast structure and refine the structure. The conditions of hot forging are not particularly limited as long as such effects are achieved. Usually, hot forging is performed by heating the material under conditions of 1100°C to 1160°C, forging under conditions of a forging end temperature of 1100°C, and then air cooling. Note that hot forging may be performed continuously after the homogenization heat treatment without cooling the material to room temperature.
[2.4.4. 固溶化熱処理工程]
次に、熱間鍛造後の素材に対して、固溶化熱処理を行う。固溶化熱処理は、素材をオーステナイト単相にするために行う。固溶化熱処理の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、固溶化熱処理は、温度:1000℃~1160℃×加熱時間:3hr~5hrの条件の下で素材を加熱し、冷却することにより行う。冷却方法としては、例えば、空冷、衝風冷却、油冷、水冷などがある。
[2.4.4. Solution heat treatment process]
Next, the material after hot forging is subjected to solution heat treatment. The solution heat treatment is performed to make the material into an austenite single phase. The conditions of the solution heat treatment are not particularly limited as long as such an effect is achieved. Usually, the solution heat treatment is performed by heating the material under the conditions of temperature: 1000°C to 1160°C x heating time: 3 hours to 5 hours, and then cooling it. Examples of the cooling method include air cooling, air blast cooling, oil cooling, and water cooling.
[2.4.5. 時効処理工程]
次に、固溶化熱処理後の素材に対して、時効処理を行う。時効処理は、母相中にγ'相を析出させるために行う。時効処理の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、時効処理は、素材を700℃~900℃において、10hr~24hr加熱することにより行う。熱処理後、空冷にて冷却を行う。
[2.4.5. Aging treatment process]
Next, the material after the solution heat treatment is subjected to aging treatment. The aging treatment is performed in order to precipitate the γ' phase in the matrix. The conditions of the aging treatment are not particularly limited as long as such an effect is achieved. Generally, the aging treatment is performed by heating the material at 700°C to 900°C for 10 hours to 24 hours. After the heat treatment, the material is cooled by air cooling.
[3. 作用]
Ni基合金をゆっくりと凝固させると、凝固の進行に伴い溶質が所定の比率で固相と液相に分配される。その結果、凝固中に、母液相とは密度が異なる濃化液相が生成する。フレッケル偏析は、母液相と濃化液相との間の液相密度差Δρを駆動力として成長すると考えられている。一般に、Δρが大きくなるほど、フレッケル偏析が大きくなる。
[3. Action]
When a Ni-based alloy is slowly solidified, the solute is distributed between the solid and liquid phases in a predetermined ratio as the solidification proceeds. As a result, a concentrated liquid phase with a density different from that of the mother liquid phase is generated during solidification. Freckle segregation is thought to grow with the liquid phase density difference Δρ between the mother liquid phase and the concentrated liquid phase as the driving force. In general, the larger Δρ, the larger the Freckle segregation.
一方、各合金元素は、Δρを大きくする元素、Δρを小さくする元素、及び、Δρにほとんど影響を与えない元素に大別される。そのため、目的とする特性を得るために不可欠な元素の含有量を維持したまま、他の元素の含有量を増減させると、Δρを所定の範囲内に収めることができる。その結果、生産効率及び要求される特性(例えば、高温引張強度)を損なうことなく、フレッケル偏析の生成を抑制することができる。 On the other hand, the alloying elements are broadly classified into those that increase Δρ, those that decrease Δρ, and those that have almost no effect on Δρ. Therefore, by increasing or decreasing the content of the other elements while maintaining the content of the elements essential for obtaining the desired characteristics, Δρ can be kept within a specified range. As a result, the formation of freckle segregation can be suppressed without impairing production efficiency and required characteristics (e.g., high-temperature tensile strength).
(実施例1~24、比較例1~7)
[1. 試料の作製]
表1に示す化学成分のNi基合金50kgを高周波誘導炉にて溶製した。溶製したインゴットに対し、1100~1220℃で16時間の均質化熱処理を実施した。その後、φ30mmの棒材に熱間鍛造加工した。
次に、熱間鍛造加工した材料に対し、1000~1160℃の固溶化熱処理を施した。さらに、固溶化熱処理後の材料に対し、700~900℃で1段若しくは2段階以上の時効処理を行った。
(Examples 1 to 24, Comparative Examples 1 to 7)
1. Preparation of Samples
50 kg of Ni-based alloy having the chemical composition shown in Table 1 was melted in a high-frequency induction furnace. The melted ingot was subjected to homogenization heat treatment at 1100 to 1220° C. for 16 hours. After that, it was hot forged into a bar having a diameter of 30 mm.
Next, the hot forged material was subjected to a solution heat treatment at 1000 to 1160° C. Furthermore, the material after the solution heat treatment was subjected to one or more stages of aging treatment at 700 to 900° C.
[2. 試験方法]
[2.1. 液相密度差Δρの算出]
熱物性計算ソフト:JMatPro(登録商標)を用いて、母液相の密度ρ0、及び固相率が0.35である時の濃化液相の密度ρ0.35を算出した。さらに、母液相の密度及び濃化液相の密度から、液相密度差Δρを算出した。
2. Test Method
[2.1. Calculation of liquid phase density difference Δρ]
Using thermal property calculation software: JMatPro (registered trademark), the density ρ 0 of the mother liquid phase and the density ρ 0.35 of the concentrated liquid phase when the solid fraction is 0.35 were calculated. Furthermore, the liquid phase density difference Δρ was calculated from the density of the mother liquid phase and the density of the concentrated liquid phase.
[2.2. VR1.1の予測]
算出した液相密度差Δρが浮上型(Δρ≧0)である場合には、上述した式(3)に代入し、VR1.1を求めた。
また、算出した液相密度差Δρが沈降型(Δρ<0)である場合には、上述した式(4)に代入し、VR1.1を求めた。
2.2. Prediction of VR 1.1
When the calculated liquid phase density difference Δρ was of the floating type (Δρ≧0), it was substituted into the above-mentioned formula (3) to obtain VR 1.1 .
When the calculated liquid phase density difference Δρ was of the settling type (Δρ<0), it was substituted into the above-mentioned formula (4) to obtain VR 1.1 .
[2.3. フレッケル欠陥発生有無]
作製された試料を切断し、切断面をマクロ組織観察し、フレッケル欠陥の発生の有無を確認した。
[2.4. 高温引張試験]
上記の鍛造加工した素材を固溶化熱処理後、1段若しくは2段以上の時効処理を実施した。その後、平行部径8mm、標点距離40mmの試料を作製し、JIS G 0567に準拠して、高温引張試験を行った。試験温度は、650℃とした。
[2.3. Presence or absence of freckle defects]
The prepared samples were cut, and the cut surfaces were subjected to macroscopic structural observation to check for the occurrence of freckle defects.
[2.4. High temperature tensile test]
The forged material was subjected to solution heat treatment and then one or more stages of aging treatment. Then, a sample with a parallel part diameter of 8 mm and a gauge length of 40 mm was prepared and subjected to a high-temperature tensile test in accordance with JIS G 0567. The test temperature was 650°C.
[3. 結果]
表1に、結果を示す。また、図1に、液相密度差ΔρとVR1.1との関係を示す。表1、及び、図1より、以下のことが分かる。
3. Results
The results are shown in Table 1. The relationship between the liquid phase density difference Δρ and VR 1.1 is shown in Figure 1. The following can be seen from Table 1 and Figure 1.
(1)液相密度差Δρが-0.050超0.015未満である場合、フレッケル欠陥のない鋳塊が得られた。
(2)鋳造時にフレッケル欠陥が発生した場合、時効処理を行っても、高温引張強度が低い。一方、鋳造時にフレッケル欠陥が発生しなかった場合、時効処理により、高温引張強度は、いずれも1200MPa以上となった。
(1) When the liquid phase density difference Δρ was greater than −0.050 and less than 0.015, an ingot free from freckle defects was obtained.
(2) When freckle defects were generated during casting, the high-temperature tensile strength was low even after aging treatment. On the other hand, when freckle defects were not generated during casting, the high-temperature tensile strength became 1200 MPa or more after aging treatment.
(実施例25)
[1. 試験方法]
実施例1の組成をベース組成とした。ベース組成に含まれる一部の元素の含有量を増減させた試料について、理論計算により液相密度差Δρを算出した。さらに、上述した式(3)及び式(4)を用いて、フレッケル偏析の臨界値α(予測値)を算出した。
(Example 25)
1. Test Method
The composition of Example 1 was used as the base composition. For samples in which the contents of some elements contained in the base composition were increased or decreased, the liquid phase density difference Δρ was calculated by theoretical calculation. Furthermore, the critical value α (predicted value) of Freckle segregation was calculated using the above-mentioned formulas (3) and (4).
[2. 結果]
元素(M)の含有量がベース組成からΔx(mass%)だけずれた時に、Δρがどのように変化するかを見積もった。図2(A)~図2(F)に、それぞれ、液相密度差Δρに及ぼすC、Cr、Co、Fe、Mo、又はWの含有量の差Δxの影響を示す。図3(A)~図3(D)に、それぞれ、液相密度差Δρに及ぼすNb、Ti、Zr、又はAlの含有量の差Δxの影響を示す。図2及び図3より、以下のことが分かる。
2. Results
It was estimated how Δρ would change when the content of element (M) deviated from the base composition by Δx (mass%). Figures 2(A) to 2(F) respectively show the effect of the difference Δx in the content of C, Cr, Co, Fe, Mo, or W on the liquid phase density difference Δρ. Figures 3(A) to 3(D) respectively show the effect of the difference Δx in the content of Nb, Ti, Zr, or Al on the liquid phase density difference Δρ. The following can be seen from Figures 2 and 3.
(1)元素(M)の種類によって、Δρに与えるΔxの影響が大きく異なった。元素(M)は、Δxの増加に伴って、Δρが増加するもの、Δρが減少するもの、及びΔρが増減しないものに大別される。
(2)元素(M)の中でも、Al及びMoは、僅かなΔxの変化によって、Δρが大きく変化することが分かった。
(3)元素(M)の中では、Mo、Nb、Tiは、Δxの増加に伴い、Δρは減少することが分かった。
(4)元素(M)の中では、Cr、Co、Fe、Wは、Δxがマイナスの値からゼロの値への変化に伴うΔρの変化量、及びΔxがゼロの値からプラスの値への変化に伴うΔρの変化量が2段階で異なる増減傾向を示すことが分かった。
(5)元素(M)の中では、Alは、Δxの増加に伴い、Δρが増加することが分かった。
(1) The effect of Δx on Δρ varied greatly depending on the type of element (M). Elements (M) can be broadly classified into those in which Δρ increases with an increase in Δx, those in which Δρ decreases, and those in which Δρ does not increase or decrease.
(2) It was found that, among the elements (M), Al and Mo cause a large change in Δρ with a slight change in Δx.
(3) It was found that, among the elements (M), Mo, Nb, and Ti decrease Δρ with an increase in Δx.
(4) Among the elements (M), it was found that Cr, Co, Fe, and W show two different trends of increase and decrease in the amount of change in Δρ associated with a change in Δx from a negative value to a zero value, and in the amount of change in Δρ associated with a change in Δx from a zero value to a positive value.
(5) Among the elements (M), it was found that Al increases Δρ with an increase in Δx.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本発明に係るNi基合金は、タービンの動翼や静翼、ターボチャージャーなどに用いることができる。 The Ni-based alloy of the present invention can be used for turbine blades, stator blades, turbochargers, etc.
Claims (11)
11.0≦Cr≦19.0mass%、
15.0≦Co≦22.0mass%、
0.5≦Fe≦10.0mass%、
2.5≦Mo≦5.0mass%、
2.0≦W≦5.0mass%、
0.3≦Nb≦2.0mass%、
3.0≦Al≦4.0mass%、及び、
0.2≦Ti≦2.49mass%
を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなり、
液相密度差Δρ(=ρ0-ρ0.35)が-0.050超0.015未満であるNi基合金。
但し、
ρ0は、前記Ni合金の母液相(固相率:ゼロ)の密度(g/cm3)、
ρ0.35は、前記Ni合金の濃化液相(固相率:0.35)の密度(g/cm3)。 0.05≦C≦0.10 mass%,
11.0≦Cr≦19.0mass%,
15.0≦Co≦22.0mass%,
0.5≦Fe≦10.0mass%,
2.5≦Mo≦5.0mass%,
2.0≦W≦5.0mass%,
0.3≦Nb≦2.0mass%,
3.0≦Al≦4.0 mass%, and
0.2≦Ti≦2.49mass%
The balance is Ni and unavoidable impurities.
A Ni-based alloy having a liquid phase density difference Δρ (=ρ 0 −ρ 0.35 ) greater than −0.050 and less than 0.015.
however,
ρ 0 is the density (g/cm 3 ) of the mother liquid phase (solid fraction: zero) of the Ni alloy,
ρ 0.35 is the density (g/cm 3 ) of the concentrated liquid phase (solid fraction: 0.35) of the Ni alloy.
0.001≦B≦0.03mass%、及び、
0.04≦Zr≦0.1mass%
からなる群から選ばれるいずれか1以上の元素をさらに含む請求項1に記載のNi基合金。 0.09≦Si≦0.15 mass%,
0.001≦B≦0.03 mass%, and
0.04≦Zr≦0.1mass%
The Ni-based alloy according to claim 1, further comprising one or more elements selected from the group consisting of:
(1)前記Ni基合金の製造方法は、
Ni基合金の液相密度差Δρ(=ρ0-ρ0.35)と、フレッケル偏析生成の臨界値α(=V×R1.1)との関係を表す予測式を、Δρ≧0である場合(浮上型)とΔρ<0である場合(沈降型)に分けて、それぞれ、予め取得しておく予測式取得工程と、
製造しようとする合金(X)の組成に基づいて、前記合金(X)の液相密度差ΔρXを算出するΔρ算出工程と、
算出された前記ΔρXを前記予測式に代入し、前記合金(X)のフレッケル偏析生成の臨界値αXを算出する臨界値算出工程と、
前記Ni基合金が実際に凝固する時の冷却速度V'と、前記Ni基合金が実際に凝固する時の凝固速度R'の1.1乗の積(=V'×R' 1.1 )が前記αX以上となる条件下において、前記合金(X)を製造する合金製造工程と
を備えている。
但し、
ρ0は、前記Ni合金の母液相(固相率:ゼロ)の密度(g/cm3)、
ρ0.35は、前記Ni合金の濃化液相(固相率:0.35)の密度(g/cm3)、
Vは、前記Ni基合金が凝固する時の冷却速度(℃/min)、
Rは、前記Ni基合金が凝固する時の凝固速度(℃/min)。
(2)前記合金(X)は、
0.05≦C≦0.10mass%、
11.0≦Cr≦19.0mass%、
1.0≦Co≦22.0mass%、
0.5≦Fe≦10.0mass%、
2.5≦Mo≦5.0mass%、
1.0≦W≦5.0mass%、
0.3≦Nb≦2.0mass%、
3.0≦Al≦4.0mass%、及び、
0.2≦Ti≦2.49mass%
を含み、残部がNi及び不可避的不純物からなる。
(3)前記予測式取得工程は、
Δρ≧0である場合の前記予測式として、次の式(3)を予め取得し、
Δρ<0である場合の前記予測式として、次の式(4)を予め取得しておく
工程を含む。
V×R 1.1 =353.42Δρ+4.11 ・・・(3)
V×R 1.1 =167.64Δρ-0.29 ・・・(4) A method for producing a Ni-based alloy having the following configuration.
(1) The method for producing the Ni-based alloy includes the steps of:
a prediction formula acquisition step of acquiring in advance a prediction formula expressing the relationship between the liquid phase density difference Δρ (=ρ 0 -ρ 0.35 ) of the Ni-based alloy and the critical value α (=V×R 1.1 ) for the formation of freckle segregation, for cases where Δρ≧0 (floating type) and cases where Δρ<0 (sinking type);
A Δρ calculation step of calculating a liquid phase density difference Δρ X of the alloy (X) to be produced based on the composition of the alloy (X);
A critical value calculation step of substituting the calculated ΔρX into the prediction formula to calculate a critical value αX for the formation of freckle segregation in the alloy (X);
and an alloy production process for producing the alloy ( X ) under conditions in which the product of the cooling rate V' when the Ni-based alloy actually solidifies and the solidification rate R' when the Ni-based alloy actually solidifies to the power of 1.1 (=V'×R' 1.1 ) is equal to or greater than αX.
however,
ρ 0 is the density (g/cm 3 ) of the mother liquid phase (solid fraction: zero) of the Ni alloy,
ρ 0.35 is the density (g/cm 3 ) of the concentrated liquid phase (solid fraction: 0.35) of the Ni alloy,
V is the cooling rate (°C/min) when the Ni-based alloy solidifies,
R is the solidification rate (° C./min) when the Ni-based alloy solidifies.
(2) The alloy (X) is
0.05≦C≦0.10 mass%,
11.0≦Cr≦19.0mass%,
1.0≦Co≦22.0mass%,
0.5≦Fe≦10.0mass%,
2.5≦Mo≦5.0mass%,
1.0≦W≦5.0mass%,
0.3≦Nb≦2.0mass%,
3.0≦Al≦4.0 mass%, and
0.2≦Ti≦2.49mass%
and the balance being Ni and unavoidable impurities.
(3) The prediction formula acquisition step includes:
As the prediction formula when Δρ≧0, the following formula (3) is obtained in advance:
As the prediction formula when Δρ<0, the following formula (4) is acquired in advance:
The process includes:
V×R 1.1 = 353.42Δρ+4.11 (3)
V×R 1.1 = 167.64Δρ-0.29 (4)
0.09≦Si≦0.15mass%、
0.001≦B≦0.03mass%、及び、
0.04≦Zr≦0.1mass%
からなる群から選ばれるいずれか1以上の元素をさらに含む請求項6又は7に記載のNi基合金の製造方法。 The alloy (X) is
0.09≦Si≦0.15 mass%,
0.001≦B≦0.03 mass%, and
0.04≦Zr≦0.1mass%
The method for producing a Ni-based alloy according to claim 6 or 7, further comprising at least one element selected from the group consisting of:
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP2017145478A (en) | 2016-02-18 | 2017-08-24 | 大同特殊鋼株式会社 | Ni-BASED SUPER ALLOY FOR HOT FORGING |
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JP7187864B2 (en) | 2018-07-23 | 2022-12-13 | 大同特殊鋼株式会社 | Alloy manufacturing method |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
山下 正和 ほか,Ni基超合金におけるフレッケル偏析の生成条件の推定,電気製鋼,2019年,第90巻2号,第107~113頁 |
梶川 耕司 ほか,Ni基合金のフレッケル偏析の生成,鉄と鋼,日本,2009年,Vol.95,P.21-27 |
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