JP7252621B2 - 高強度Ｉｒ合金 - Google Patents
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Description
本発明は、高温強度に優れるＩｒ合金に関する。
白金族元素であるＩｒは、融点が高く、酸化による消耗も少ないことから、優れた高温材料として、単結晶育成用るつぼ、耐熱器具、ガスタービンなどの広い分野で用いられている。一方で、Ｉｒの高温での耐酸化性は、ＷやＭｏなどの他の高融点金属に比べて優れるものの十分でなく、１０００℃以上の高温域では揮発性の酸化物を生じて徐々に消耗することが知られている。したがって、これまでの合金開発においては、主にその耐酸化性の改善に主眼が置かれてきた。
特許文献１には、耐熱材料であって、イリジウムをベースとし、第二元素としてロジウムを０．１～３０ｗｔ％の範囲内で添加し、更に第三元素として白金、ルテニウム、レニウム、クロム、バナジウム、モリブデンこれらいずれか一種を０．１～２０ｗｔ％の固溶範囲内で添加し、この第三元素と前記第二元素との添加総量が０．２～５０ｗｔ％の固溶範囲内であることを特徴とするイリジウム基合金が開示されている。大気中１０５０℃における耐酸化性に優れていることが記載されている。
ＩｒＲｈ合金は、高融点であり良好な耐酸化性を示すものの、機械的強度が十分ではない。例えば、るつぼやガスタービンなどに使用する場合、るつぼの内容物の膨張に耐えられなければならず、また、高速回転するタービンの遠心力に耐えられる機械的強度が必要である。よって、これらの分野では常に高い高温強度を有するＩｒ合金が求められている。
そこで、本発明の目的は、高温強度に優れるＩｒ合金を提供することである。
ＩｒＲｈ合金の高温強度を向上させるための研究を鋭意重ねた結果、Ｒｕと少量のＮｂを同時に添加することで、高温強度に優れたＩｒ合金を開発するに至った。また、Ｉｒの一部に代えてＮｉを４ｍａｓｓ％以下含有させてもよい。
本発明は、Ｒｈを５～３５ｍａｓｓ％、Ｒｕを０．１～２５ｍａｓｓ％、Ｎｂを０．１～３ｍａｓｓ％、Ｎｉを０～４ｍａｓｓ％含有し、残部がＩｒであることを特徴とするＩｒ合金である。
本発明によれば、高温強度に優れたＩｒ合金を提供することができる。
本発明は、Ｒｈを５～３５ｍａｓｓ％、Ｒｕを０．１～２５ｍａｓｓ％、Ｎｂを０．１～３ｍａｓｓ％、Ｎｉを０～４ｍａｓｓ％含有し、残部がＩｒであることを特徴とするＩｒ合金である。ここで、Ｎｉを０～４ｍａｓｓ％含むとは、Ｎｉを含まないか、または４ｍａｓｓ％以下含むことを意味する。
本発明のＩｒ合金は、合金を構成する全成分の中、Ｉｒを４０ｍａｓｓ％以上、好ましくは４５ｍａｓｓ％以上、より好ましくは５０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは５５ｍａｓｓ％以上含有する。
ＲｈとＲｕとの含有量の合計は５５ｍａｓｓ％以下が好ましい。ＲｈとＲｕとの含有量の合計は５０ｍａｓｓ％以下がより好ましい。ＲｈとＲｕとの含有量の合計は４５ｍａｓｓ％以下がさらに好ましい。
Ｒｈの含有量が５ｍａｓｓ％を下回る場合には、Ｉｒ合金の耐酸化消耗性が不十分である。一方、Ｒｈの含有量が３５ｍａｓｓ％を超えると、Ｉｒ合金の耐酸化消耗性は良いが、融点及び再結晶温度が低下する。
ＩｒＲｈ合金にＲｕを加えると、耐酸化消耗性が改善されるが、高温強度が不十分であった。
Ｒｕに加えＮｂを上記含有量で添加することで、耐酸化消耗性を確保しつつＲｕとＮｂとの相乗的な固溶硬化を発現させ、高温強度が著しく向上した合金が得られる。Ｎｂの添加は合金の再結晶温度を上昇させ、高温での使用時の結晶成長を抑制する効果も発揮する。これにより加工組織を高温まで維持でき、耐熱材料として好適な高温強度の高い合金となる。
Ｒｕの含有量が０．１ｍａｓｓ％を下回ると、耐酸化消耗性が低下する。また、Ｒｕの含有量が２５ｍａｓｓ％を超えると、塑性変形能が低下し、加工が困難になるだけでなく、耐酸化消耗性も低下する。Ｒｕの含有量は０．５ｍａｓｓ％以上が好ましい。Ｒｕの含有量は１ｍａｓｓ％以上がより好ましい。
Ｎｂの含有量が０．１ｍａｓｓ％を下回るとＲｕとの相乗的な固溶硬化が少なく高温強度が不十分である。一方、Ｎｂの含有量が３ｍａｓｓ％を超えると塑性変形能が低下して加工が困難になるとともに、Ｎｂの酸化が顕著になり耐酸化消耗性が低下する。Ｎｂの含有量は２．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。一方、Ｎｂの含有量は０．２ｍａｓｓ％以上が好ましい。さらに、Ｎｂの含有量は０．３ｍａｓｓ％以上がより好ましい。
合金の強度を向上させる元素として、Ｎｉを４ｍａｓｓ％以下の範囲で添加してもよい。Ｎｉの含有量が４ｍａｓｓ％を超えると、Ｎｉの酸化消耗が顕著となり、耐酸化消耗性が低下する。Ｎｉの含有量は３．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。一方、Ｎｉの含有量は０．１ｍａｓｓ％以上が好ましく、０．３ｍａｓｓ％以上がより好ましい。また、Ｎｉの含有量は０．５ｍａｓｓ％以上がさらに好ましい。
上記の組成範囲の合金とすることで、単相の固溶体合金を得ることができる。そのため、本発明による合金は展延性を有し、圧延加工や伸線加工など、既知の加工法を用いて様々な形状を得ることができる。また、機械加工及び溶接などの加工方法も適用できる。
本発明の実施例について説明する。実施例及び比較例の合金の組成を表１に、試験結果を表２に示す。
まず、各原料粉末（Ｉｒ粉末、Ｒｈ粉末、Ｒｕ粉末、Ｎｂ粉末、Ｎｉ粉末）を所定の割合で混合し、混合粉末を作製した。次いで、得られた混合粉末を、一軸加圧成形機を用いて成形し圧粉体を得た。得られた圧粉体をアーク溶解法により溶解し、インゴットを作製した。
まず、各原料粉末（Ｉｒ粉末、Ｒｈ粉末、Ｒｕ粉末、Ｎｂ粉末、Ｎｉ粉末）を所定の割合で混合し、混合粉末を作製した。次いで、得られた混合粉末を、一軸加圧成形機を用いて成形し圧粉体を得た。得られた圧粉体をアーク溶解法により溶解し、インゴットを作製した。
次いで、作製したインゴットを熱間鍛造し、厚さ４ｍｍの板材とした。この板材を熱間圧延して厚さ１ｍｍの板材とした。高温強度測定の試験片作成に対しては、さらに厚さ０．６ｍｍになるよう熱間圧延した。
加工性は、インゴットから圧延までの上記加工工程にて評価した。厚さ０．６ｍｍの板材が得られたものを○、途中で割れが発生して厚さ０．６ｍｍの板材が得られなかったものを×として表２に示した。
耐酸化消耗性の評価は、厚さ１ｍｍの板材から円柱状に切り出した各試験片を用いて高温酸化試験により行った。高温酸化試験は、電気炉内に試験片をセットし、大気中、１２００℃の条件で２０時間保持した。耐酸化消耗性は、前記高温酸化試験における質量変化と定義した。質量変化ΔＭ（ｍｇ／ｍｍ2）は、試験片の試験前の質量をＭ０（ｍｇ）、試験後の質量をＭ１（ｍｇ）、試験片の試験前の表面積をＳ（ｍｍ2）とし、ΔＭ＝（Ｍ１－Ｍ０）／Ｓの式から求めた。また、試験片の表面積Ｓ（ｍｍ2）は、試験片の寸法から算出した。
１２００℃での耐酸化消耗性の評価は、質量変化ΔＭが－０．０５までの合金は耐酸化消耗性が特に良好（酸化消耗量が少ない）とし、表２に記号Ａで示した。質量変化ΔＭが－０．０５未満、－０．２０以上の合金は耐酸化消耗性が良好とし、表２に記号Ｂで示した。質量変化ΔＭが－０．２０未満の合金は耐酸化消耗性が悪い（酸化消耗量が多い）とし、表２に記号Ｃで示した。
再結晶温度は、試験片をＡｒ雰囲気の電気炉中で９５０℃、１０００℃、１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃にて３０ｍｉｎ処理し、その試験片の断面を研磨し、研磨面をエッチングして金属顕微鏡（倍率２００倍）で組織観察して決定した。一つの試験片について一つの温度で熱処理した。
組織観察の結果、再結晶粒が認められた試験片の熱処理温度をその合金の再結晶温度と定義した。例えば，１０５０℃で再結晶粒が認められず、１１００℃で再結晶粒が認められた場合、再結晶温度を１１００℃とした。再結晶温度の評価は、１１００℃以上の合金を表２に記号Ａ、１０００℃以上１１００℃未満を表２に記号Ｂ、１０００℃未満を表２に記号Ｃで示した。
図１は、実施例７の合金を、１１００℃にて３０ｍｉｎ熱処理した場合の組織写真、図２は、比較例１の合金を、図１と同一の条件で熱処理した場合の組織写真である。図に示すように、比較例１では再結晶化が起きているが、実施例７の合金は加工組織を維持していることが分かる。
高温強度は、添加元素の効果を明確にするため、Ｎｂを添加していないＩｒＲｈＲｕ合金の代表として比較例１を基準とし、以下の手順で評価した。０．６ｍｍ厚みの板材からワイヤ放電加工により平行部が□０．５×０．６、長さ３ｍｍとなるよう試験片を切り出し、温度１２００℃、大気中、クロスヘッドスピード５ｍｍ／ｍｉｎで引張強さを算出した。得られた比較例１の引張強さをＴ０、実施例の引張強さをＴｘ（ｘは実施例の番号）
とし、高温強度比Ｔ（％）を、Ｔ＝Ｔｘ／Ｔ０×１００の式から求め、表２に示した。ここで、高温強度に優れるとは、具体的には、上述する式に従って算出される高温強度比Ｔ（％）が、１３０以上、好ましくは１４０以上であることを意味する。
とし、高温強度比Ｔ（％）を、Ｔ＝Ｔｘ／Ｔ０×１００の式から求め、表２に示した。ここで、高温強度に優れるとは、具体的には、上述する式に従って算出される高温強度比Ｔ（％）が、１３０以上、好ましくは１４０以上であることを意味する。
表２に示す結果から、比較例であるＩｒＲｈＲｕ合金に比べ、ＲｕとＮｂを同時に添加した実施例は、高温強度が顕著に高くなることがわかる。具体的には、Ｒｈ、Ｒｕ濃度が同じである比較例１と実施例６及び実施例７とを比較すると、実施例６及び実施例７の高温強度比Ｔ（％）は、それぞれ１９５と２２１であり、高温強度比が比較例１の１．９５倍及び２．２１倍と大きく向上している。また、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｂ濃度が同じである実施例１と実施例２、実施例６と実施例１０を比較すると、高温強度比Ｔ（％）は、実施例１が１９７に対し実施例２が２３９、実施例６が１９５であるのに対し実施例１０が２２９であり、Ｎｉを添加することでＮｂのみを添加した場合よりも、更に高温強度が向上している。高温強度が向上している一方で、実施例の合金は再結晶温度及び耐酸化性は比較例１に劣らない特性を示している。このように、実施例の合金は耐熱材料として好ましい特性を有することが確認された。
また、実施例の合金は厚さ０．６ｍｍの板材にまで塑性加工ができたことから、比較例１と変わらない加工性を有することが示された。
Claims (1)
- Ｒｈを５～３５ｍａｓｓ％、
Ｒｕを０．１～２５ｍａｓｓ％、
Ｎｂを０．１～３ｍａｓｓ％、
Ｎｉを０～４ｍａｓｓ％含有し、
残部がＩｒである、
ことを特徴とするＩｒ合金。
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