JP2575399B2 - 耐熱疲労性に優れたニッケルークロム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、ニッケル−クロム合金に関し、より詳細に
はベローズ、回収熱交換器などの高温応用に好適にさせ
る高められた低サイクルおよび熱疲労性のニッケル−ク
ロム合金に関する。

発明の背景 高温条件下で使用するのに所望の性質の組み合わせを
示す合金を必要とする多種多様な応用がある。そして、
各種の化学組成のニッケル−クロム合金は、このような
要件を満たすように常用されている。これに関連して、
材料が反復応力に付される多数の工業的および／または
商業的応用がある。このことは、低サイクルおよび熱疲
労の性質に注意を集中させる。低サイクル疲労（LCF）
は、加えられた機械的応力の反復の効果によって生ずる
疲労モードとみなすことができる。熱疲労は、加えられ
た反復応力が材料中の温度変化時の示差膨張または収縮
の結果として熱的に誘導される形態の低サイクル疲労と
みなすことができる。

ベローズおよび回収熱交換器は、LCFが重要な役割を
果たす例として記載することができる。高温ベローズ
は、循環または示差温度が存在できる異なる装置、容器
または室間に加熱プロセスガスを通過させるために使用
されている。ベローズは、しばしば、熱収縮および／ま
たは膨張を誘導する振動および循環温度の条件下で容易
な曲げを可能にするために波形構造を有する。ベローズ
用の最適の性能を捜すことは、低サイクルおよび熱疲労
を最大限にするとともに延性および微細構造安定性を最
大限にすることを必要とする。実際上、このよううな特
性を粒度制御（焼鈍処理）および延性の最大化によって
改良しようとするアプローチがあった。しかし、このよ
うなアプローチは、より低い疲労強さを生じさせること
がある。

回収熱交換器に関しては、それらは、発電機および工
業的加熱炉の熱効率を改良しようとする廃熱回収装置で
ある。より詳細には、回収熱交換器は、２種の流体が熱
を流すバリヤーによって分離されている直接型の熱交換
器である。中でも、ニッケル−クロム合金は、廃熱温度
が約1660゜F（約870℃）を超えないと仮定して高い熱伝
導率のため、好ましい普通の建築材料である。この応用
に使用される合金の１つは、米国特許第3,160,500号明
細書に記載され、かつ商業上アロイ（Alloy）625として
属的に既知のNi−Cr−Mo−Cb−Fe合金である。

回収熱交換器の破損の原因のうちには、低サイクルお
よび熱疲労があり、クリープ、高温ガス腐食、および熱
膨張差による過度の応力によるものである以前設計され
た回収熱交換器に関しての早期破損の１原因は、過度の
応力が熱膨張の許容度を必要とするという認識の欠如に
起因していた。より最近、破損は、熱疲労（そしてまた
ガス腐食）に対する不適当な抵抗性を包含していた。実
際のところ、合金中の熱勾配を排除することは、事実上
不可能である。高い熱伝導率は、熱疲労を最小限にする
であろうが、存在する熱勾配を排除しないであろう。熱
疲労抵抗性も、改良された応力破断強さおよび微細構造
安定性を達成することによって高めることができること
が付言できる。

いかなる場合にも、下記で実証するように、ニッケル
−クロム合金、例えば、米国特許第3,160,500号明細書
に記載のものは、ベローズおよび回収熱交換器型の応用
において早期疲労破損を受ける傾向を示す。

発明の概要 炭素、窒素およびケイ素含量は炭素％＋窒素％＋ケイ
素1/10％が約0.04％を超えず、好ましくは約0.035％以
下であるように制御され、かつ相関されるならば、ここ
に記載の合金の低サイクルおよび熱疲労寿命は、顕著に
改良できることが今発見された。更に、合金を真空誘導
溶融によって加工した後、エレクトロスラグ精製するな
らば、低サイクルおよび熱疲労は、更に高められる。

発明の態様 本発明によれば、ここで意図される好ましい合金は、
モリブデン約６〜12％、クロム19〜27％、ニオブ３〜５
％、タングステン８％まで、アルミニウム0.6％まで、
チタン0.6％まで、炭素0.001〜約0.03％、窒素0.001〜
0.035％、ケイ素0.001〜0.3％まで（炭素、窒素および
ケイ素は炭素％＋窒素％＋ケイ素1/10％が約0.035％未
満であるように相関され、それによって低サイクルおよ
び熱疲労性は高められる）、鉄５％まで、および残部本
質上ニッケルを含有する。合金の強さは、主としてマト
リックス剛化によって得られ、このように、析出硬化処
理は必要とされない。しかしながら、より高い応力−破
断強さが所定の応用に必要とされるならば、ニオブ（コ
ロンビウム）は、時効時にNi3Nb型（γ二重プライム）
の沈殿を生成するであろう。これに関連して、アルミニ
ウムおよびチタンの％も、例えば、合計５％に増大でき
る。通常の時効処理が、使用できる〔例えば、1350〜15
50゜F（732〜843℃）〕。

前記のことに加えて、真空誘導溶融（VIM）は、特に
その後にエレクトロスラグ再溶融（ESR）によって精製
した時に改良された疲労性に寄与することが見出され
た。この加工順序は、前記炭素／窒素／ケイ素制御と組
み合わせた時に最適の疲労挙動を与えるより清浄な微細
構造をもたらす。延性も、この加工ルートによって改良
される。

本発明を実施する際に、炭素と窒素とケイ素との間の
適当な相関を保証するために注意を払わなければならな
い。これらの成分は、合金の反応性元素と化合して炭化
物、炭窒化物、ケイ化物などの不溶性沈殿を生成する。
これらは、低サイクルおよび熱疲労の開始を促進すると
信じられる。従って、炭素％＋窒素％＋ケイ素1/10％の
和は、0.03％を超えないことが最も好ましい。

他の成分に関しては、クロムは、20〜24％であること
ができ、クロムが多ければ多いほど、腐食攻撃および酸
化攻撃に対して抵抗する合金の能力が大きい。モリブデ
ンおよびニオブは、マトリックス剛化によって高温での
応力−破断強さを含めて強度を与えるのに役立ち、かつ
またクロムと一緒に耐食性を付与する。しかしながら、
有害容量のσなどの有害相の形成を最小限にすることが
必要である場合には、クロム＋モリブデンは、約35％を
超えるべきではない。モリブデンおよびニオブは、それ
ぞれ５％および２％に下方に拡張できる。

より一般的に言えば、ニッケル30〜75％、鉄50％ま
で、クロム12〜30％、モリブデン10％まで、タングステ
ン８％まで、コバルト15％まで、ニオブ＋タンタル５％
までおよび微量のアルミニウム、チタン、銅、マンガン
を含有する合金は、回収熱交換器操作環境で予想される
程度には高温ガス腐食に対して適当な抵抗性を与えるで
あろう。勿論、炭素／窒素／ケイ素は、前記のように制
御しなければならない。しかしながら、この態様に関し
てさえ、ニッケル含量は50％〜70％であり、鉄は1.5〜2
0％であり、クロムは15〜25％であり、特にモリブデン
およびニオブの少なくとも１つは、それぞれ５〜12％お
よび２〜５％であることが好ましい。

前記合金組成物は、優秀な疲労性に加えて、耐食性、
高強度、および熱伝導率および低膨張率（これらは温度
勾配による熱応力を最小限にする）を有するであろう。

当業者に本発明のより良い理解を与えるために、下記
の情報およびデータを与える。

例Ｉ 前記化学組成を有する合金（合金Ａ）を真空誘導溶融
してインゴットとし、次いでインゴットをエレクトロス
ラグ再溶融炉（ESR）中で電解精製した:8.5％Mo、21.9
％Cr、3.4％Cb、4.5％Fe、0.2％Al、0.2％Ti、0.05％M
n、0.014％Ｃ、0.006％Ｎ、0.06％Si、残部ニッケルお
よび不純物。炭素％＋窒素％＋ケイ素1/10％の和は0.02
6であることが認められるであろう。

ESRインゴットを最初に熱間圧延して４インチ（約102
mm）厚のスラブとし、このスラブをコイル熱間圧延して
厚さ0.3インチ（約7.6mm）とし、次いで冷間圧延して0.
014インチ（0.36mm）厚のシートとした。中間焼鈍を冷
間圧延時に利用した。次いで、0.014インチ（0.36mm）
厚の材料を1900゜F（1038℃）で約26秒間焼鈍し、約43
％冷間圧延して厚さ0.006インチ（0.2mm）とし、次いで
最終焼鈍を1950゜F（1066℃）で約30秒間施した。得ら
れたシート製品を縦方向および横方向の両方において引
張試験し、サイクル疲労破損並びに微細構造安定性につ
いて試験した。結果を表Ｉ、IIおよびIIIに報告する。
疲労寿命を測定する際に、MTS（モデル880）低サイクル
疲労機械を使用した。それは、5,000サイクル／時で作
動する張力−張力装置であり、最小張力は最大セット応
力の10％である。

焼鈍合金Ａの粒度は、ASTM9であった。焼鈍条件は、
ベローズおよび回収熱交換器で使用するのに最適の材料
を与えると思われる。

引張データおよび安定性データは、米国特許第3,160,
500号明細書の合金の対応の性質にひけを取らない。重
要性を有するものは、低サイクル疲労データである。か
けられた応力100,000psiを標準として使用すると、合金
Ａは、破損なしに171,000サイクルであったことが観察
されるであろう。試験は、なお続いている。このこと
は、下記の例IIとの比較するならばより著しくなる。

例II 空気溶融し、アルゴン酸素脱炭精製した後、エレクト
ロスラグ再溶融して、8.5％Mo、21.6％Cr、3.6％Cb、3.
9％Fe、0.2％Al、0.2％Ti、0.2％Mn、0.03％Ｃ、0.029
％Ｎ、0.29％Si、残部ニッケルおよび不純物を含有する
合金（合金Ｂ）を調製した。最終焼鈍を2050゜F（約112
1℃）で15〜30秒間行った以外は、米国特許第3,160,500
号明細書に記載の合金に対応する材料を例Ｉと同様に加
工した。得られたデータを表IV、ＶおよびVIに与える。

例Ｉと例IIとの間の著しい差は、低サイクル疲労性で
ある。合金Ｂの炭素％＋窒素％＋ケイ素1/10％の和は、
0.088であった。空気溶融それ自体は、窒素を実験サイ
ズのヒート（heats）においてさえ、特に商業サイズの
ヒートにおいて溶融物に導入することが付言できる。か
けられた応力100,000psiを標準として使用すると、合金
ＡのLCFは、合金Ｂの200倍よりもかなり大きかったこと
がわかる。この顕著な差／改良は、より長い寿命のベロ
ーズおよび回収熱交換器を提供する。

例III 炭素％＋窒素％＋ケイ素1/10％が0.04％未満であるよ
うに炭素、窒素およびケイ素の量を制御する重要性を更
に実証するために、合金Ｃ、米国特許第3,160,500号明
細書によって包含され、かつ8.2％Mo、22.5％Cr、3.3％
Cb、3.7％Fe、0.3％Al、0.2％Ti、0.09％Mn、0.0288％
Ｃ、0.01％Ｎ、0.14％Si、残部ニッケルおよび不純物を
含有する合金について言及する。真空誘導溶融した後、
エレクトロスラグ再溶融して、この組成物を調製し、次
いで材料を巻いた以外は例Ｉと同様に加工した。引張性
を表VIIに与える。コイル中の「出発」および「終結」
位置の値を記載する。

制御された炭素、窒素およびケイ素の合金Ａは、低サ
イクル疲労の点で炭素％＋窒素％＋ケイ素1/10％の値0.
052（これに対して合金Ａの場合には0.026）を有する合
金Ｃよりも全く優れていることが明らかである。しかし
ながら、VIM＋ESR加工合金Ｃは、空気溶融＋AOD＋ESR加
工合金Ｂ以上の改良を提供した。

前記議論は、ベローズおよび回収熱交換器に集中し
た。しかしながら、本発明は、改良された疲労性のニッ
ケル−クロム含有合金を必要とする他の応用、例えば、
高温バネ、弁、逆スラスト装置組立、燃料ノズル、アフ
ターバーナー部品、噴霧棒、高温ダクト系統などに応用
できると考えられる。

本発明を好ましい態様と共に説明したが、当業者が容
易に理解するであろうように、本発明の精神および範囲
から逸脱せずに修正および変形を施すことができること
が理解されるべきである。このような修正および変形
は、本発明の権限および範囲内であるとみなされる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン、シー、タッセン アメリカ合衆国ウェストバージニア州、 ハンチントン、ロバート、ロード、6352

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、モリブデン６〜12％、クロム19
   〜27％、ニオブ２〜５％、タングスタン８％まで、アル
   ミニウム0.6％まで、チタン0.6％まで、炭素0.03％ま
   で、窒素0.03％まで、ケイ素0.35％まで、ただし、炭素
   ％＋窒素％＋ケイ素％×1/10の和が0.035％未満、鉄５
   ％まで、残部ニッケルおよび不可避的不純物からなるこ
   とを特徴とする、耐熱疲労性に優れたニッケル−クロム
   合金。