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JP3371423B2 - 耐熱合金線 - Google Patents

耐熱合金線

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JP3371423B2
JP3371423B2 JP2000596188A JP2000596188A JP3371423B2 JP 3371423 B2 JP3371423 B2 JP 3371423B2 JP 2000596188 A JP2000596188 A JP 2000596188A JP 2000596188 A JP2000596188 A JP 2000596188A JP 3371423 B2 JP3371423 B2 JP 3371423B2
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JP
Japan
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alloy wire
heat
phase
resistant alloy
high temperature
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JP2000596188A
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English (en)
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寛 泉田
望 河部
断 松本
憲人 山尾
照幸 村井
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、エンジン部品，原子力発電用部品，タービ
ン部品等の耐熱性が要求される部品，主にばねの素材と
して使用されるγ相（オーステナイト）金属組織を有す
るNi基もしくはNi−Co基耐熱合金線に関するものであ
る。
背景技術 自動車エンジンの排気系に用いられるばね部品素材と
して、常温から３５０℃の使用温度域では従来耐熱鋼と
して使用されてきたSUS304, SUS316, SUS631I1などのオ
ーステナイト系ステンレスが用いられている。また、400
℃を越える温度域に使用される部品素材としてNi基耐熱
合金であるInconelＸ750, Incone1718（商標）などが用
いられている。
近年、環境問題対策として自動車の排ガス規制への要
求の高まりから、エンジンおよび触媒の高効率化のため
に排気系温度が上昇する傾向にある。このため使用温度
域が600℃程度であったばね部品においても650℃近くま
で上昇し、Ni基耐熱合金であるInconelＸ750, Incone17
18などを用いても、耐熱特性、特に耐熱ばねに必要な高
温耐へたり性において不十分となる場合がある。
この場合、より高温において使用可能な合金として、
Waspaloy, Udimet700（商標）などのNi-Co基耐熱合金が
考えられるが、必ずしも高温耐へたり性において優れる
性質が得られるとは限らない。
上記のNi基合金およびNi−Co基合金は、いずれもγ’
相（Ni3Al を基本形とする析出相）を母相であるγ相
（オーステナイト相）に析出強化させた析出強化型合金
であり、耐熱特性を向上させるためには、母相および
γ’相の組織制御が必要である。
特公昭48−7173号公報では、600℃以上での耐熱強度
を得るためにMo, W, Al, Ti, Nb, Ta, V といった添加
元素の添加量および、その比率を限定している。また、
特公昭54−6968号公報では高温強度，耐腐食性および耐
脆性を得るために、Mo, Wの含有量やTi, Alの含有量お
よび添加比率などを限定している。
但し、これらの発明では、主として析出相の制御を行
うことのみで耐熱特性(主に高温強度）の向上を図って
おり、耐熱ばねに必要な６００℃以上の高温での耐へた
り性の向上を図ったものはない。耐熱ばね用合金線は溶
解鋳造後、圧延，鍛造，溶体化熱処理，伸線，ばね加
工，時効熱処理を行うものであって、その際に行われる
母相γ相の集合組織の形成、結晶粒径の変化も製品の耐
熱特性に大きく影響を及ぼす。
従って、本発明の主目的は、Ni基もしくはNi−Co基で
ある耐熱合金の基地であるγ相の粒径制御とγ’相[Ni3
(Al, Ti, Nb, Ta)］の析出制御を行うことによって、
高温域（600℃以上700℃以下）においてもばね材に最適
な高温耐へたり性に優れる耐熱合金線を提供することに
ある。
発明の開示 本発明の耐熱合金線は、重量％でC：0.01〜0.40, C
r：5.0〜25.0, Al：0.2〜8.0を含有し、かつMo：1.0〜1
8.0, W：0.5〜15.0, Nb：0.5〜5.0, Ta：1.0〜10.0, T
i：0.1〜5.0およびB：0.001〜0.05から選択された少な
くとも１種を含有し、さらにFe：3.0〜20.0およびCo：
1.0〜30.0から選択された少なくとも１種を含有し、残
部が主にNiおよび不可避不純物からなる耐熱合金線であ
って、引張強さが1400N/mm2以上1800N/mm2未満であり、
横断面の平均結晶粒径が5μｍ以上50μｍ未満であり、
縦断面の結晶粒のアスペクト比（長径／短径比）が1.2
〜10であることを特徴とする。
本発明の合金線は、主にばね用材料として用いられる
ため、線引き加工後にばね加工（コイリング）を行う必
要がある。このとき加工に必要な引張強さと加工時の断
線の危険性を考慮し、引張強さで 1400N/mm2以上 1800
N/mm2未満であることが必要である。
また、縦断面の結晶粒のアスペクト比が1.2未満や10を
超えては高温における十分な耐へたり性を得ることがで
きない。
さらに耐熱特性を向上させるためには、ばね加工前の
合金線横断面の平均結晶粒径は10μｍ以上が望ましい。
結晶粒界で滑りが発生するので、結晶粒界を減少させる
ためである。断面平均結晶粒径が50μｍ以上となると、
ばね加工に必要な室温での引張強さが得られないため50
μｍ未満とした。ここにおいて、横断面平均結晶粒径
は、前記したγ相に相当する。
上記結晶粒径制御には、溶体化処理温度を高温化させ
ることが効果的であり、具体的には 1100℃以上 1200℃
未満で溶体化処理を行うことで短時間で容易に規定の結
晶粒径を得ることができる。また、1000℃以上1100℃未
満で溶体化処理を行う場合も、線引き加工後の断面減少
率を5％〜60％，好ましくは10％〜20％にすることで高
温耐へたり性に優れる合金線を得ることができる。
本発明の合金線はγ’析出強化型耐熱合金線であり、
上記結晶粒径制御を施した本発明の合金線にばね加工を
行った後、600℃以上900℃未満で、１時間以上24時間未
満、適切な時効処理を選択し、実施することで必要な高
い耐熱特性が得られる。γ’相はＸ線回折により検出す
ることが出来る。
以下に本発明における構成元素の選定および成分範囲
を限定する理由を述べる。
Cは合金中のCrなどと結合し炭化物を形成することで
高温強度を高める。このとき多量に含有するとき靭性お
よび耐食性の低下が起こる。そこで有効な含有量として
C：0.01〜0.40wt％とした。
Crは耐熱特性，耐酸化性を得るために有効な元素であ
る。そこで本発明合金線の他元素成分からNi当量，Cr当
量を算出し、γ相（オーステナイト）の相安定性を考慮
した上で、必要な耐熱特性を得るために 5.0wt％以上、
靭性劣化を考慮し25.0wt％以下とした。
Alはγ’相［Ni3 (Al, Ti, Nb, Ta）］の主要な構成
元素であるが、酸化物を形成しやすく溶解精錬時の脱酸
剤としても使用される。但し、過度の添加は熱間加工性
の劣化を生じやすい。そこで0.2〜8.0wt％とした。
Mo, W はγ相（オーステナイト）中に固溶し、高温引
張強さ，耐へたり性の向上に大きく寄与する。しかし、
その一方でクリープ破断強さや延性を低下させるσ相な
どのTCP相が形成しやすくなる。そこで耐へたり性向上
に最低限必要な添加量と加工性の劣化を考慮してMo：1.
0〜18.0wt％，W：0.5〜15.0wt％とした。
本発明合金線は耐熱特性の向上を目的とし、γ’すな
わち[Ni3 (Al, Ti, Nb, Ta）］の析出強化を行う。以下
に、その構成元素の成分範囲を限定する理由を述べる。
Tiはγ’相[Ni3 (Al, Ti, Nb, Ta）］を構成する主要
な構成元素であるが、多量に添加するとη相[Ni3Ti：hc
p 構造］を粒界に過剰に析出し、耐熱特性を得るために
必要なγ’相［Ni3 (Al, Ti, Nb, Ta）］の析出を熱処
理のみで制御することが不可能となる。有効な析出量を
得るために0.1〜5.0wt％とする必要がある。
Nbは過剰に添加するとFe2Nb（ラーバス）相を析出す
る。このとき強度劣化が見込まれるため0.5〜5.0wt％と
した。
TaもNb同様フェライト生成元素であるため、多量に添
加するとγ相の安定性を失う。過剰な粒界析出を防ぐた
めに1.0〜10.0wt％とした。
B については強析出強化を行う上で、熱間加工性が低
下することを防止し、且つ靭性の向上を目的としてB：
0.001〜0.05wt％とした。
Co, FeはNiと固溶体を作る性質があり、γ相に濃縮し
て存在する。Feは合金の製造コストを下げる元素として
重宝であるが、γ’相の析出量の低減効果やNb, Moとの
ラーバス相の形成の恐れがある。そこでFe：3.0〜20.0w
t％とした。またCoは積層欠陥エネルギーを下げ、固溶
体強化作用があり、粒界γ’相の固溶限温度を上げ、合
金の耐熱温度を上昇させる効果や粒内γ’の析出量増加
や粒内γ’粒成長抑制効果などがある。そこで有効な含
有量としてCo：1.0〜30.0％とした。
図面の簡単な説明 図１は、耐へたり性試験の説明図であり、符号１は試
料である。
発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施の形態を説明する。表１に示す化
学成分の鋼材を 150kg真空溶解炉で溶解鋳造し、鍛造後
熱間圧延で直径9.5mmの線材を作製した。その後、溶体
化処理と線引き加工を繰り返し５．２ｍｍで最終の溶体
化処理し、最終的に断面減少率40％の線引き加工を行っ
て線径4mmの試験片を作製した。表１に各試験片の横断面
平均結晶粒径，縦断面結晶粒アスペクト比を示す。
各試験片の横断面の結晶粒径は、圧延条件，溶体化条
件，線引き加工条件によって変化するが、主に溶体化処
理時の温度によって制御を行った。具体的には比較的高
温である溶体化温度1100℃以上で熱処理することによっ
て、金属組織の再結晶の際、結晶粒の粗大化を促進させ
ることが容易であることを利用し、実施例1〜6、比較例3
〜8の粒径を得た。より粒径の大きいものは、溶体化温度
を高く（例えば1250℃）設定して作製した。縦断面での
結晶粒アスペクト比は、線引き加工条件が一定のため、
主に圧延による断面減少率（80〜99.9％）を適切なもの
に設定することによって得た。また、時効条件について
は、いずれの試料も750℃×8時間とした。
（試験例１） 上記各耐熱合金線の高温耐へたり性を評価した。用い
たコイルばねは、線径４，０ｍｍ、平均コイル径２２．
０ｍｍ、有効巻き数４．５巻き、バネ自由長さ５０．０
ｍｍであった。試験方法は、図１に示すように、試料１
をコイルばね形状とした後、圧縮荷重を負荷し（負荷せ
ん断応力は600MPa）、試験温度650℃において24hrs. 保
持する。そして、以下に示す方法により残留せん断ひず
みを算出した。この残留せん断ひずみが小さいものほど
高温耐へたり性が優れるばね材料である。表２に試験後
の残留せん断ひずみ量（％）を示す。
残留せん断歪み（％）は、８／π×（Ｐ１−Ｐ２）×Ｄ
／（Ｇ×ｄ3）×１００ の計算式で求められる。Ｐ
１、Ｐ２はそれぞれ室温で測定される。
但し、線径：ｄ（ｍｍ） 平均コイル径：Ｄ（ｍ
ｍ）） Ｐ１（Ｎ）：応力６００ＭＰａに相当する荷重（６５０
℃の試験前にＰ１をかけたときのコイルバネの変異をａ
（ｍｍ） Ｐ２（Ｎ）：６５０℃の試験後に変異ａ（ｍｍ）まで押
さえたときの荷重 Ｇ ：横弾性定数 実施例1〜6はいずれも残留せん断歪が小さく、高温耐
へたり性に優れることがわかる。特に、合金線横断面の
平均結晶粒径が10μｍ以上50μｍ未満の実施例7〜10は
格別残留せん断歪が小さく、平均結晶粒径を大きくする
ことでより高い高温耐へたり性が得られることがわか
る。
これに対し、横断面の平均結晶粒径が小さい比較例1,
2や、縦断面結晶粒アスペクト比が小さすぎる比較例3,
4、同比が大きすぎる比較例5, 6は残留せん断歪が大き
く高温耐へたり性が劣る。また、成分においてMo、 W、 N
b、 Ta、 TiおよびBの何れも含まない比較例7,8は残留せ
ん断歪が大きい上、引張り強さも低い。
（試験例２） 次に、実施例1, 2と同じ成分を持つ合金線について、
圧延条件，溶体化条件，線引き加工時の断面減少率を変
化させ、高温耐へたり性への影響度を調査した。各条件
と調査結果を表３に示す。表３中の実施例11, 12, 13は
実施例１と同じ成分、実施例14, 15, 16は実施例２と同
じ成分である。
表３の残留せん断ひずみ量（％）から発明材はいずれ
も高い高温耐へたり性を有している。圧延温度または溶
体化温度の高温化，断面減少率の低減は、それぞれ結晶
粒制御（粗大化）の重要な影響因子であることから、設
備的な制限がある場合、これらを的確に設定すること
で、本発明の高い高温耐へたり性を持つ合金線を作製す
ることが可能である。具体的には高温でのγ相（オース
テナイト）の相安定性が低い場合、すなわち圧延温度や
溶体化温度を1100℃以上の高い温度に設定できないよう
な場合に、線引き加工での断面減少率を 5〜60％、好ま
しくは10〜20％に低減させることで、同様の高い高温耐
へたり性を得ることが可能である。
産業上の利用可能性 以上のように、本発明の耐熱合金線はNi基もしくはNi
−Co基である耐熱合金の基地であるγ相の粒径制御と
γ’相［Ni3 (Al, Ti, Nb, Ta）］の析出制御を行うこ
とによって、高温域（600℃以上700℃以下）においても
ばね材に必要な高温耐へたり性に優れたものを提供する
ことが可能である。更に、時効条件や溶体化条件，線引
き加工時の断面減少率を限定することで、それ以上の高
温耐へたり性を得ることも可能である。本発明の耐熱合
金線は600℃〜700℃での高温耐へたり性が優れることか
ら、自動車排気系に用いられるフレキシブルジョイント
部品であるボールジョイント，ブレード，三元触媒に用
いられるニットメッシュ，排気マフラーの容量切替リタ
ーンバルブ用ばねなど、比較的使用温度域の高い部品に
用いられる熱ばね材として適したものであり、工業的価
値の高いものである。
フロントページの続き (72)発明者 山尾 憲人 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 村井 照幸 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平４−131344（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−42560（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 19/05

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 重量％でC：0.01〜0.40, Cr：5.0〜25.
    0, Al：0.2〜8.0を含有し、 かつMo：1.0〜18.0, W：0.5〜15.0, Nb：0.5〜5.0, T
    a：1.0〜10.0, Ti：0.1〜5.0およびB：0.001〜0.05から
    選択された少なくとも１種を含有し、 さらにFe：3.0〜20.0およびCo：1.0〜30.0から選択され
    た少なくとも１種を含有し、 残部がNiおよび不可避不純物からなる耐熱合金線であっ
    て、 引張強さが1400N/mm２以上1800N/mm２未満であり、 横断面の平均結晶粒径が5μｍ以上50μｍ未満であり、 縦断面の結晶粒のアスペクト比（長径／短径比）が1.2
    〜10であることを特徴とする耐熱合金線。
  2. 【請求項２】 合金線横断面の平均結晶粒径が10μｍ以
    上50μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の耐
    熱合金線。
  3. 【請求項３】 用途がばね用であることを特徴とする請
    求項１記載の耐熱合金線。
JP2000596188A 1999-01-28 2000-01-24 耐熱合金線 Expired - Lifetime JP3371423B2 (ja)

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JP2074399 1999-01-28
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