JPH06264169A

JPH06264169A - 高耐熱および耐食性Ｎｉ−Ｃｒ合金

Info

Publication number: JPH06264169A
Application number: JP5309114A
Authority: JP
Inventors: Ian Christopher Elliott; イアン、クリストファー、エリオット; Wai-Yan Chan; ワイ‐ヤン、チャン; Norman Charles Farr; ノーマン、チャールズ、ファー
Original assignee: Inco Alloys Ltd
Current assignee: Inco Alloys Ltd
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-12-09
Publication date: 1994-09-20
Also published as: KR940014865A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】１２００℃における耐酸化性を改良したＮｉ−
Ｃｒ−Ｆｅ合金。【構成】重量％で、Ｎｉ５５〜６５、Ｃｒ１９〜２５、
Ａｌ１〜４．５、Ｙ０．０４５〜０．３、Ｔｉ０．１５
〜１、Ｃ０．００５〜０．５、Ｓｉ０．１〜１．５、Ｂ
０．０００１〜０．１、Ｎ０．０００１〜０．２、Ｍｎ
１以下、Ｍｇ、ＣａおよびＣｅからの群から選択された
少なくとも１種の元素の合計０．００５、ＭｇおよびＣ
ａの合計０．５未満、Ｃｅ１％未満、Ｚｒ０．５以下、
Ｃｏ１０以下及び残りがＦｅおよび付随不純物よりなる
高耐熱および耐食性Ｎｉ−Ｃｒ合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金
に関するものであって、特に高温（１２００℃）用途に
使用する合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】インコネル合金６０１の様なＮｉ−Ｃｒ
−Ｆｅ合金は、耐熱性および耐腐食性を必要とする一般
的なエンジニヤリング用途に伝統的に使用されている
（インコネルは、インコ社グループの登録商標であ
る）。さらに、インコネル６０１は、熱サイクル疲労に
対する優れた耐性と共に耐高温酸化性を有する。インコ
ネル合金６０１は、熱加工装置、化学処理用途、石油化
学用途、汚染防止用途およびタービンエンジン部品に商
業的に使用されている。

【０００３】インコネル合金６０１は、セラミックタイ
ルの焼成に使用される高温キルン用のローラー合金とし
て広く使用されている。セラミック焼成用の高温キルン
では、ローラーは一般的に１０００℃〜１１６５℃の高
温における酸化条件にさらされが、この様な高温では、
ローラー合金は徐々に酸化されるために次第に劣化する
傾向がある。約１２００℃まで昇温すると、酸化速度お
よびスポーリング速度は許容できない位に増加する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、１２００℃
における耐酸化性を改良したＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金を提
供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量％で、ニ
ッケル５５〜６５％、クロム１９〜２５％、アルミニウ
ム１〜４．５％、イットリウム０．０４５〜０．３％、
チタン０．１５〜１％、炭素０．００５〜０．５％、ケ
イ素０．１〜１．５％、マンガン０〜１％、マグネシウ
ム、カルシウムおよび／またはセリウムの合計が少なく
とも０．００５％、マグネシウムおよび／またはカルシ
ウムの合計が０．５％未満、セリウム１％未満、ホウ素
０．０００１〜０．１％、ジルコニウム０．５％以下、
窒素０．０００１〜０．１％、コバルト１０％以下およ
び残りが鉄および付随不純物からなる耐熱および耐腐食
性合金である。

【０００６】本発明は、耐高温繰り返し酸化性を改良し
たＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金を提供する。クロム、イットリ
ウム、ケイ素およびアルミニウムの組合わせを含むニッ
ケル系合金は、１２００℃における耐酸化性が著しく改
良されることが分かっている。１２００℃の温度は、無
鉛フリットを焼成するためのキルンに特に有用である。

【０００７】合計６種類の試験用Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金
を１０kgインゴットに鋳造した。インゴット７は、市販
の合金原料から鋳造した。供試合金の化学組成を、表１
に重量％で示す。（本明細書における組成は、他に指示
がない限りすべて重量％で示す。）

【０００８】

【表１】

【０００９】インゴット番号１〜６は、試験用合金であ
り、インゴット番号７は市販のインコネル合金６０１の
合金である。これらのインゴットを機械加工し、平滑に
し、１１４０℃で５０．８mm丸棒に鍛造した。丸棒は１
１７５℃で３０分間焼きなましした。鍛造棒から寸法約
１５mmｘ２０mmｘ３mmの板に機械加工して試験片を調製
した。試験片をジグに取り付けるために、板に３mm直径
の孔を開けた。酸化試験片は、すべて炭化ケイ素紙で２
４０グレード仕上げに研磨した。試料の大きさを記録し
た後、すべての試験片を脱脂し、高温空気中で乾燥させ
た。試験片を１２００℃の空気炉中で１６８時間加熱
し、次いで２０分間冷却する繰り返し酸化試験を行っ
た。繰り返し酸化試験の結果を、表２に示す。

【００１０】

【表２】

【００１１】上記の試料番号は、表１のインゴット番号
に対応する。上記の高温実験から、インゴット４の組成
が１２００℃における耐酸化性が最も優れていることが
分かった。スケールの一体性(scale integrity) は、チ
タンの量が減少するにつれて増加することが分かった。
また、合金／スケール界面におけるイットリウム濃度の
高い相がスケールの付着を増加させることが分った。こ
れは合金の酸化機構を変化させ、耐酸化性を改良する効
果があるものと考えられる。イットリウムの高い試料番
号４は、密に付着したスケール層が内部酸化を防止する
効果的なバリヤーを与えることが分かった。さらに、試
料４のアルミニウム含有量が高いことも、酸化物スケー
ルの高温安定性に寄与しているものと考えられる。

【００１２】上記の結果から、表３に示す組成範囲を有
する市販のＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金（合金Ａ）を製造し
た。

【００１３】

【表３】

【００１４】合金Ａの発明により、高温（１２００℃）
の耐酸化性を改良したＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ合金が得
られた。クロム、イットリウム、ケイ素およびアルミニ
ウムの組合わせにより、耐酸化性が著しく改良されるこ
とが分かった。改良Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ合金は、市
販のインコネル合金６０１と比較して高温延性が僅かに
低下しているだけであった。合金Ａの最適な組成範囲を
確認するために、一連の試験合金を製造し、分析した。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基いて説明する。
表４に示す組成を有する最初の系列の試験合金を製造し
た。各１２．５kg鋳造インゴットを機械加工し、平滑に
し、続いて約１１５０℃で１５mm厚のスラブに鍛造し
た。次いで、各スラブを約１１５０℃で段階的に熱間圧
延して４mm厚の高温帯を製造した。各試料を最終的に１
１７７℃で３０分間焼鈍し、室温に空気冷却した。酸化
試験の前に、表１の試料と同様に、試料を炭化ケイ素紙
で２４０グレード仕上げに研磨した。最初の一連の繰り
返し酸化試験において、表４に示す合金を、２０分間の
加熱と空気中１０分間の冷却を繰り返す熱サイクルにか
けた。得られた重量変化を、表５に示す。

【００１６】

【表４】

【００１７】

【表５】

【００１８】表５に示す実施例は、平均して１１００℃
における合金６０１よりやや劣る。しかし、本発明合金
は、１２００℃における繰り返し酸化である程度の改良
が見られる。試験前に少なくとも１１００℃の温度にお
ける初期酸化処理により安定した酸化物が形成されれ
ば、表５の結果は改良されると考えられる。次いで、表
４の合金を高温空気に１週間さらし、続いて２０分間室
温空気冷却した。１週間サイクル試験の結果を、表６に
示す。

【００１９】

【表６】

【００２０】１０５０℃の温度で、本発明の合金は長期
間のサイクル試験で混合効果を示している。しかし、１
１６５℃および１２００℃では、耐酸化性は著しく向上
している。図１および図２はこの改良を示している。本
発明の合金は、最初は合金６０１よりも高率で酸化す
る。この合金よりも有利な点は、最初の高温にさらした
週の後／間に達成された定常的な低酸化率である。最適
な結果を得るには、使用する前に合金を、安定した付着
酸化物が形成されるのに十分な時間、少なくとも１１０
０℃の温度に保持すべきである。酸化浸透も本発明の合
金および合金６０１について試験した。酸化浸透試験の
結果を、表７に示す。

【００２１】

【表７】

【００２２】表７のデータは、本発明の合金の酸化物浸
透に対する良好な耐性を示している。上記の試験から、
本発明の合金の範囲を限定するために、表８に示す範囲
を決定した。

【００２３】

【表８】

【００２４】次に、合金等の機能と組成範囲について説
明する。ニッケルは、５５〜６５％の量で合金に加工
性、組立て性および一般的な耐酸化性を与える。クロム
は、１９〜２５％の量で耐酸化性を与える。耐酸化性は
クロム１９％未満では不十分である。クロムの量が２５
％を超えると、有害なクロム相が生じることがある。最
初の試験で、２０％を超えるクロムの効果は中性で、耐
酸化性の付与には貢献しないことが分かった。

【００２５】アルミニウムは、酸化特性には有益であ
り、アルミニウムの増加は酸化物スケールの付着に寄与
すると考えられる。少なくとも１％、最も好ましくは少
なくとも２．７％のアルミニウムにより、高温耐酸化性
が得られる。有害な高温加工性効果を抑えるために、ア
ルミニウムは４．５％、好ましくは３．５％に制限す
る。イットリウムは、少なくとも０．０４５％、好まし
くは少なくとも０．０５％の量で酸化物を安定化させる
のに役立つ。試験した試料中に、イットリアは光学顕微
鏡で容易に観察できなかった。０．３％を超える過剰の
イットリウムは、加工性および溶接特性に悪影響を与え
ると考えられる。イットリウムは、０．０７％までに制
限するのが最も有利である。

【００２６】チタンは、窒素および炭素と組み合わせる
ための反応性元素として添加する。窒素を固定するには
少なくとも０．１５％のチタンを加える。１％を超える
過剰のチタンは耐酸化性および加工性に悪影響を与え
る。鉄は、ニッケルの安価な代替物質として作用する。
合金の原価を下げるために、少なくとも１０％の鉄が存
在するのが最も有利である。さらに、ニッケルの有利な
特性の低下を抑えるには、鉄は２０または１８％に制限
するのが最も有利である。

【００２７】炭素は、０．００５％、好ましくは０．０
１％の量で十分な粒径調整作用を発揮する。有用な元素
を束縛する過剰の炭化物の形成を制限し、粒界ぜい化を
抑制するために、炭素の上限は０．５％、好ましくは
０．２％に保つ。ケイ素は、溶接性および加工性の問題
を抑えるために、１．５％、好ましくは１％までに制限
する。また、耐酸化性を持たせるために、少なくとも
０．１％、好ましくは０．５％のケイ素を加える。

【００２８】マンガンは、耐酸化性に悪影響を与える不
純物である。マンガンは、好ましくは１％まで、より好
ましくは０．５％までに制限する。可鍛性および脱酸性
を改良するには、合計で少なくとも０．００５％のマグ
ネシウム、カルシウムおよび／またはセリウムを加える
のが最も有利である。溶接性および加工性に対する悪影
響を最小に抑えるには、マグネシウムおよび／またはカ
ルシウムの総量は０．５％までに制限するのが有利であ
り、０．２％までが最も有利である。

【００２９】ホウ素は、０．０００１％、好ましくは
０．００１％の量で可鍛性を改良する。可鍛性および溶
接性に対する悪影響を最小に抑えるには、ホウ素は０．
１％までに制限する。ホウ素は、０．０５％までに制限
するのが有利であり、０．０１％または０．００６％に
制限するのが最も有利である。ジルコニウムは、所望に
より、可鍛性および粒度調整のために添加することがで
きる。ジルコニウムは窒素と反応して窒化物を形成し、
これが高温における粒子成長を防止する。溶接性および
加工性を改良するには、ジルコニウムは好ましくは０．
５％まで、最も好ましくは０．２％までに制限する。

【００３０】窒素は、粒子成長を効果的に抑制するため
に添加する。窒素は一般的に原料の不純物として十分な
量で添加される。少なくとも０．０００１％または０．
００１％の量の窒素が粒子成長に対する耐性を与える。
粒子成長を抑制するには、窒素の量を少なくとも０．０
３％に維持するのが最も有利である。あるいは、変形工
程間に焼鈍工程を追加し、合金中に保存されるエネルギ
ーを制限することにより、粒子成長を抑制することがで
きる。有益な元素の過剰内部酸化をさけるために、窒素
は、０．２％までに制限する。窒素は好ましくは０．１
％まで、最も好ましくは０．０５％までに制限する。

【００３１】セリウムは、所望により、マグネシウムの
代替物質として、またはさらに耐酸化性を与えるため
に、１％までの量で加えることができる。しかし、本発
明のクロム、アルミニウム、ケイ素およびイットリウム
範囲では、耐酸化性にセリウムは必要ない。コバルト
は、１０％までの量で許容される不純物であり、ニッケ
ルの代替物質として作用する。コバルトは５％までに制
限するのが有利であり、１％未満が最も有利である。コ
バルトは、価格が比較的高いので、敢えて加えない方が
好ましい。

【００３２】銅、モリブデン、ニオブ、バナジウムおよ
びタングステンは、合金の外観を改良するために、表８
に示した限度内に維持するのが有利である。商業的に実
用的な水準に抑えるのが最も有利である。鉛、スズ、ア
ンチモン、ビスマス、リン、硫黄および酸素は、すべて
付随的な不純物であり、商業的に実用的なできるだけ低
い水準に抑える。鉛、スズ、アンチモン、ビスマス、リ
ン、硫黄および酸素の総量は、０．１％未満に維持する
のが最も有利である。

【００３３】本発明の合金を試験した結果、十分な機械
的特性を有していることが分かった。最初の溶接試験
は、イットリウム含有量の増加による凝固亀裂の傾向を
示した。しかし、本発明の合金に試験は行わなかった。
本発明の合金は、従来の押出しまたは押出しおよび冷間
加工技術により継ぎ目なし管に容易に加工される。次い
で、これらの管を、約１２００℃の温度で運転するキル
ンに特に有用な短いローラーに切断する。高温で形成さ
れる酸化物は、極めて密着性が高く、従来の合金６０１
よりもセラミックの変色を起こしにくい。付着スケール
は、特に白色セラミックに有用である。

【００３４】法律の規定により、本発明の特別な実施態
様を説明した。無論、当業者には、請求項により示され
る本発明の範囲内で変形および修正が可能であることは
明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】空気雰囲気中１１６５℃における各種合金の質
量変化と時間の関係を示す。

【図２】空気雰囲気中１２００℃における各種合金の質
量変化と時間の関係を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ワイ‐ヤン、チャンイギリス国ヒアーフォード、ハンプトン- ディーン、リンデン、リー、ヘイ、クロフト、２ (72)発明者ノーマン、チャールズ、ファーイギリス国ヒアーフォード、チャートウェル、ロード、５

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に、重量％で、ニッケル５５〜６５％、クロム１９〜２５％、アルミニ
ウム１〜４．５％、イットリウム０．０４５〜０．３
％、チタン０．１５〜１％、炭素０．００５〜０．５
％、ケイ素０．１〜１．５％、マンガン１％以下、マグ
ネシウム、カルシウムおよびセリウムからなる群から選
択された少なくとも１種の元素の合計０．００５％、マ
グネシウムおよびカルシウムの合計０．５％未満、セリ
ウム１％未満、ホウ素０．０００１〜０．１％、ジルコ
ニウム０．５％以下、窒素０．０００１〜０．２％、コ
バルト１０％以下および残りが鉄および付随不純物から
なることを特徴とする耐熱および耐腐食性合金。
【請求項２】重量％で、クロム１９〜２２％、アルミニ
ウム２．５〜４．０％、イットリウム０．０５〜０．１
５％、チタン０．１５〜０．７５％およびケイ素０．５
〜１％であることを特徴とする、請求項１に記載の合
金。
【請求項３】重量％で、炭素０．０１〜０．３％、マグ
ネシウム０．００５〜０．２％、ホウ素０．００１〜
０．０５％および窒素０．００１〜０．１％であること
を特徴とする、請求項１に記載の合金。
【請求項４】鉄が２０％未満であることを特徴とする、
請求項１に記載の合金。
【請求項５】鉄が１０〜１８％であることを特徴とす
る、請求項１に記載の合金。
【請求項６】実質的に、重量％で、ニッケル５７．５〜６２．５％、クロム１９〜２２％、
アルミニウム２．５〜４％、イットリウム０．０５〜
０．１５％、チタン０．１５〜０．７５％、炭素０．０
１〜０．３％、ケイ素０．５〜１％、マンガン１％以
下、マグネシウム、カルシウムおよびセリウムからなる
群から選択された少なくとも１種の元素の合計０．００
５％、マグネシウムおよびカルシウムの合計０．２％未
満、セリウム１％未満、ホウ素０．００１〜０．０５
％、ジルコニウム０．４％以下、コバルト５％以下およ
び残りが鉄および付随不純物からなることを特徴とする
耐熱および耐腐食性合金。
【請求項７】重量％で、クロム１９．５〜２１％、アル
ミニウム２．７〜３．５％、イットリウム０．０５〜
０．０７％およびチタン０．３〜０．７５％であること
を特徴とする、請求項６に記載の合金。
【請求項８】重量％で、炭素０．０５〜０．１５％、マ
グネシウム０．００５〜０．２％、ホウ素０．００１〜
０．０１％および窒素０．００１〜０．０５％であるこ
とを特徴とする、請求項６に記載の合金。
【請求項９】鉄が２０％未満であることを特徴とする、
請求項６に記載の合金。
【請求項１０】鉄が１０〜１８％であることを特徴とす
る、請求項６に記載の合金。
【請求項１１】重量％で、銅０．５％以下、モリブデン
０．５％以下、ニオブ０．３％以下、バナジウム０．１
％以下およびタングステン０．１％以下を含むことを特
徴とする、請求項６に記載の合金。
【請求項１２】実質的に、重量％で、ニッケル５７．５〜６２．５％、クロム１９．５〜２１
％、アルミニウム２．７〜３．５％、イットリウム０．
０５〜０．０７％、チタン０．３〜０．７５％、鉄１０
〜１８％、ケイ素０．５〜１％、マンガン０．５％以
下、マグネシウム、カルシウムおよびセリウムからなる
群から選択された少なくとも１種の元素の合計０．００
５％、マグネシウムおよびカルシウムの合計０．２％未
満、セリウム１％未満、ホウ素０．００１〜０．０１
％、ジルコニウム０〜０．２％、窒素０．００１〜０．
０５％、コバルト１％以下および付随不純物からなるこ
とを特徴とする耐熱および耐腐食性合金。
【請求項１３】銅０．５％以下、モリブデン０．５％以
下、ニオブ０．３％以下、バナジウム０．１％以下、お
よびタングステン０．０１％を含むことを特徴とする、
請求項１２に記載の合金。
【請求項１４】少なくとも合計０．１％の鉛、スズ、ア
ンチモン、ビスマス、リン、硫黄および酸素を含むこと
を特徴とする、請求項１２に記載の合金。
【請求項１５】窒素が少なくとも０．０３％であること
を特徴とする、請求項１２に記載の合金。