耐热合金材料以及将其加工成形而得的弹性部件的制作方法

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1.本发明涉及用于在高温下使用的机器的弹性部件的由ni-fe基合金构成的析出强化型耐热合金材料、以及将其加工成形而得的弹性部件。

背景技术：

2.近年来，随着废气温度的升高，汽车用涡轮增压器的使用温度也随之升高，对垫片、碟形弹簧这样的构成部件也要求更高的耐热性。作为在这样的高温环境下使用的弹性部件，例如使用了由析出强化型的ni-fe基合金inconel 718(商品名)合金构成的耐热合金材料。但是，对于该合金，在800℃以上的高温区域内，作为强化相的γ”相和γ'相转变为对机械强度的强化没有贡献的δ相，因此高温强度显著降低，无法维持作为弹性部件的弹簧特性。
3.另外，虽然用于飞机的涡轮部件的ni-cr合金nimonic 263(商品名)在800℃时表现出优异的高温机械强度，但是当其暴露于更高的温度区域时，作为强化相的γ'相消失，依然无法期待高温下的弹簧特性。另外，由于含有接近20％的co，因此在材料成本方面是不利的。
4.这里，专利文献1公开了一种由不含co的ni-fe基合金构成的耐热合金材料，其可以代替奥氏体系不锈钢用于汽车发动机的气缸盖的金属垫片。通过将即使在冷加工中也可以容易地成形的合金板材在不进行积极时效处理的状态下使用，在高温使用过程中γ'相析出于奥氏体基体中，从而可以维持高的高温强度。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本专利第6270194号公报

技术实现要素：

8.[发明所要解决的课题]
[0009]
在由ni-fe基合金构成的耐热合金材料中，需要可以在高于以往的800℃的温度、例如直到最高900℃使用的弹性部件。另一方面，在专利文献1的由不含co的ni-fe基合金构成的耐热合金材料中，作为垫片的设想使用温度为600℃～800℃，不一定设想在850℃以上的温度下使用。
[0010]
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供可以在直到最高900℃使用的、由用于在高温下使用的机器的弹性部件的ni-fe基合金构成的析出强化型的耐热合金材料以及将其加工成形而得的弹性部件。
[0011]
[用于解决课题的手段]
[0012]
本发明涉及的耐热合金材料具有以下特征：以质量％计，由以下成分组成的合金组成：ni：40～62％、cr：13～20％、nb+ta：0.2～2.0％、ti：1.5～2.8％、al：1.0～2.0％(其中，ti/al：2.3以下)、w：3.0％以下、mo：2.0％以下(其中，mo+(1/2)w：1.0～2.5％)、cu：0.1
～3.0％、b：0.001～0.010％、zr：0.01～0.05％、c：0.08％以下、si：1.0％以下、mn：1.0％以下、p：0.02％以下、s：0.01％以下、ca：0.01％以下、mg：0.01％以下、余量由fe和不可避免的杂质组成，所述耐热合金材料为具有平均结晶粒径大于100μm且为250μm以下的压延退火组织且厚度为1.5mm以下的板材。
[0013]
根据这些特征，通过加工成形并进行时效处理，可以提供即使在直到最高900℃的高温下使用也能够维持作为弹性部件的机械强度的耐热合金材料。
附图说明
[0014]
[图1]图1为示出本发明涉及的耐热合金材料及弹性部件的制造方法的流程图。
[0015]
[图2]图2为示出不存在γ'粒子的白组织的金属剖面的示意图。
[0016]
[图3]图3(a)和图3(b)为实施例和比较例的成分组成的一览表。
[0017]
[图4]图4为实施例和比较例的试验结果的一览表。
[0018]
[图5]图5为实施例9的加热试验后的剖面组织照片。
[0019]
[符号的说明]
[0020]
1 γ'粒子
[0021]
2 白组织
[0022]
3 板状析出物
[0023]
4 碳氮化物
具体实施方式
[0024]
使用图1和图2，对作为本发明涉及的一个实施例的耐热合金材料和将该耐热合金材料加工成形而得的弹性部件进行说明。
[0025]
本实施例涉及的耐热合金材料通过具有以下成分组成的ni-fe基合金而得到：以质量％计，包含ni：40～62％、cr：13～20％、nb+ta：0.2～2.0％、ti：1.5～2.8％、al：1.0～2.0％(其中，ti/al：2.3以下)、w：3.0％以下、mo：2.0％以下(其中，mo+(1/2)w：1.0～2.5％)、cu：0.1～3.0％、b：0.001～0.010％、zr：0.01～0.05％、c：0.08％以下、si：1.0％以下、mn：1.0％以下、p：0.02％以下、s：0.01％以下、ca：0.01％以下、mg：0.01％以下、余量实质上为fe。
[0026]
如图1所示，通过热锻造等将该fe-ni基合金制成板坯(slab)或铸坯(billet)，进一步通过热压延而成形为所需形状(热压延：s1)。进一步，进行冷压延以获得预定的压延比，从而赋予加工应变(冷压延：s2)。接着，进行退火处理，以通过加热部分地缓和由加工应变引起的应力(退火处理：s3)。在冷压延(s2)中，可以分开进行多次压延，在每次压延后同样地进行退火处理(s3)。设定各工序的条件，以在最终的退火处理(s3)之后得到具有平均结晶粒径大于100μm且为250μm以下的压延退火组织且厚度为1.5mm以下的板材。
[0027]
需要说明的是，为了在800℃以上的温度、例如900℃左右的温度的使用环境下保持高的蠕变强度，需要平均结晶粒径比较大。另一方面，如果过大，则延性降低，从而导致加工性受损。因此，平均结晶粒径设在上述大于100μm且为250μm以下的范围内。平均结晶粒径更优选设在120μm～200μm的范围内。需要说明的是，关于平均结晶粒径，基于jis g0551:2013，在板宽方向的剖面(td剖面)中在厚度方向的中央部进行测定。
[0028]
由此，能够获得γ'析出硬化型的耐热合金材料。这样，本实施例的耐热合金材料以退火处理(s3)作为最终工序而得到。
[0029]
另外，将得到的耐热合金材料通过切断或机械加工等加工成形为预定的形状(加工成形：s4)，并通过时效处理使由γ'相构成的微细析出物分散析出在晶粒内进行硬化(时效处理：s5)，从而可以得到金属垫片、碟形弹簧、板弹簧等弹性部件。此时，弹性部件的硬度优选通过时效处理(s5)调整在hv300～450的范围内。
[0030]
由此，可以制成可用于直到最高900℃的、在高温下使用的机器的弹性部件。
[0031]
需要说明的是，上述成分组成可以进一步包含co：0.05～5.0质量％。通过添加co，可以提高蠕变强度。
[0032]
另外，上述成分组成可以进一步包含v：0.05～1.0质量％、rem：0.005～0.05质量％中的任一者或两者。通过添加v，可以提高机械强度，通过添加rem，可以提高晶界的耐氧化性。需要说明的是，rem是稀土元素，包含sc、y以及镧系元素的共计17种元素是符合条件的，可以以使这些元素的总和在上述范围内的方式添加1种或2种以上。
[0033]
另外，允许上述成分组成包含n：0.020质量％以下、o：0.005质量％以下作为不可避免地含有的杂质，优选通过对这些数值进行管理来确保冷加工性。
[0034]
顺便提及，γ'相的微细析出物对于提高高温下的机械强度是重要的，特别是通过在晶粒内析出，对蠕变强度的提高有很大的贡献。而且，析出的γ'相的体积率与γ'相的固溶温度大致成比例。因此，γ'相的固溶温度优选设为940℃以上。由此，在退火处理(s3)中可以使γ'相充分地固溶，同时通过时效处理(s5)可以使γ'相充分地析出。另一方面，若γ'相的固溶温度过高，则合金的热加工性降低。因此，γ'相的固溶温度优选设为1010℃以下。
[0035]
需要说明的是，γ'相的固溶温度可以根据构成γ'相的ni、al、ti、nb、ta各自的含量来进行调整，并通过热力学计算算出。因此，也优选调整这些成分的含量以使通过热力学计算而算出的γ'相的固溶温度在上述940℃～1010℃的范围内。需要说明的是，作为热力学计算，例如可以使用热力学计算软件thermo-calc2020a。可以使用该软件，并使用ttni8作为热力学数据库来算出γ'相的固溶温度。
[0036]
如上所述，由γ'相构成的微细析出物对于提高高温的机械特性是重要的，但是在900℃左右的环境中长时间使用弹性部件的情况下，γ'相转变为板状的η相或δ相，从而作为弹性部件的机械强度可能会降低。
[0037]
如图2所示，当γ'相的析出物的γ'粒子1分散析出时，有时会生成不存在γ'粒子1的白组织2(虚线内)。白组织2内包由η相或δ相构成的板状析出物3，有时也内包碳氮化物4。即，由于γ'粒子1转变为板状析出物3，因此认为其周围的γ'粒子1减少。这样的白组织2成为不能得到γ'粒子1的析出强化的部分，因此可能导致机械强度的降低。
[0038]
因此，为了在900℃左右的使用环境下长时间维持高温下的机械特性，还优选具有抑制这样的白组织的生成量的成分组成。能否得到这样的成分组成，可以通过耐热合金材料的加热试验来确认。作为加热试验，例如，从耐热合金材料切出试验片，在900℃的环境下暴露400小时。然后，测定其中不存在γ'相粒子的白组织的剖面面积率。白组织的剖面面积率优选设为10％以下、更优选设为5％以下。
[0039]
[实施例]
[0040]
[制造试验]
[0041]
接下来，对实际制造耐热合金材料并进行了各种试验的结果进行说明。
[0042]
首先，使用图3(a)和图3(b)的实施例1～9和比较例1～4所示的各成分组成的合金，以与上述同样的方式得到了耐热合金材料。需要说明的是，将所有耐热合金材料压延成1mm的厚度。
[0043]
如图4所示，对于得到的耐热合金材料，研究了结晶粒径、γ'相的固溶温度、白组织的剖面面积率以及90
°
弯曲加工性。另外，对于得到的耐热合金材料，在800℃保持8小时后进行空冷时效处理，研究了蠕变强度。
[0044]
结晶粒径是基于jis g0551:2013，在板宽方向的剖面(td剖面)中在厚度方向的中央部测定的平均结晶粒径。
[0045]
γ'相的固溶温度可以通过热力学计算软件算出，这里，使用thermo-calc2020a、并使用ttni8作为热力学数据库来算出。
[0046]
在进行将所得的耐热合金材料于900℃暴露400小时的加热试验后，用光学显微镜观察剖面组织，从而求出白组织的剖面面积率。
[0047]
对于蠕变强度，在900℃的气氛中以50mpa的拉伸负荷进行蠕变试验，将到断裂为止的时间为50小时以上的判定为“优”、记录为
“○”
；40小时以上且不足50小时的判定为“良”、记录为
“△”
；不足40小时的判定为“差”，记录为
“×”
。
[0048]
对于90
°
弯曲加工性，将耐热合金材料弯曲至90
°
并进行表面观察，将无裂纹产生的判定为“良”、记录为
“○”
；有裂纹产生的判定为“差”、记录为
“×”
。
[0049]
在实施例1～9中，平均结晶粒径在大于100μm且为250μm以下的范围内，γ'相的固溶温度在940℃～1010℃的范围内，并且白组织的剖面面积率为10％以下。另外，关于蠕变强度，除了实施例9为“良”以外，其他均为“优”，90
°
弯曲加工性均为“良”。
[0050]
如图5所示，关于实施例9，形成了若干白组织，剖面面积率为7％。与其他实施例相比，ti/al相对较高，为2.09，因此认为γ'相的稳定性略有降低，并且由于形成了白组织，蠕变强度略有降低。
[0051]
关于比较例1，由于γ'相的固溶温度低至861℃，因此认为无法充分地维持γ'相的析出物。其结果，白组织的剖面面积率高达90％以上，蠕变强度为“差”。
[0052]
在比较例2和比较例3中，使用与实施例2相同的成分组成的合金，并通过改变冷压延(s2)和退火处理(s3)的条件而改变了平均结晶粒径。相对于实施例2的145μm，平均结晶粒径在比较例2中小至53μm，在比较例3中大至303μm。其结果，在比较例2中，由于结晶粒径小，因此蠕变强度为“差”。另一方面，在比较例3中，由于结晶粒径大，因此蠕变强度为“优”，但是90
°
弯曲加工性为“差”。
[0053]
关于比较例4，由于γ'相的固溶温度低至842℃，因此与比较例1同样地，白组织的剖面面积率高达90％以上，蠕变强度变成“差”。
[0054]
[合金的成分组成]
[0055]
顺便提及，能够获得与上述实施例同等的机械性能和良好判定的合金的成分组成的范围定义如下。
[0056]
ni是用于通过使基体奥氏体化以提高耐热性和耐腐蚀性、生成作为析出强化相的γ'相、并且获得相稳定性和机械强度以确保热加工性所必需的元素。另一方面，如果过量
含有，则会导致成本增加。考虑到这些，以质量％计，ni在40～62％的范围内、优选在40～54％的范围内、更优选在45～54％的范围内。
[0057]
cr是用于确保耐热性所必需的元素。另一方面，如果过量含有，则会使σ相析出，韧性降低并且高温下的机械强度降低。考虑到这些，以质量％计，cr在13～20％的范围内、优选在13～18％的范围内。
[0058]
ti是通过和al、nb、ta一起与ni结合而形成对提高高温下的机械强度有效的γ'相、维持γ'相的高固溶温度所必需的元素。另一方面，如果过量含有，则会使加工性降低，并且容易析出板状的η相(ni3(ti,nb))，使高温下的机械强度和韧性降低。考虑到这些，以质量％计，ti在1.5～2.8％的范围内。
[0059]
al是与ni结合形成γ'相以确保高温下的机械强度所必需的元素，另一方面，如果过量含有，则会使热加工性降低。考虑到这些，以质量％计，al在1.0～2.0％的范围内。
[0060]
这里，ti/al控制γ'相的相稳定性，γ'相是为了析出硬化而析出的微细析出物。2.3以下可以得到这样的相稳定，但是如果超过2.3，则会诱发板状η相的析出。因此，ti/al设为2.3以下。另外，优选为2.0以下。
[0061]
nb是γ'相的形成元素，具有通过γ'相促进硬化的效果。另一方面，如果过量含有，则容易析出η相(ni3(ti,nb))，使高温下的机械强度降低。另外，ta同样是γ'相的形成元素，具有通过γ'相促进硬化的效果。另一方面，如果过量含有，则容易析出η相((ni3(ti,ta))，同样地使高温下的机械强度降低。考虑到这些，以质量％计，优选的是，nb设在2.0％以下的范围内、ta设在2.0％以下的范围内。其中，nb+ta设在0.2～2.0％的范围内。
[0062]
w和mo是通过固溶而强化母相以提高高温下的机械强度所必需的元素。另一方面，如果过量含有，则会导致成本增加和加工性降低。考虑到这些，以质量％计，w在3.0％以下的范围内、mo在2.0％以下的范围内，并且mo+(1/2)w在1.0～2.5％的范围内。
[0063]
cu是对提高冷加工性且对提高耐氧化性也有效的元素。另一方面，如果过量含有，则会使热加工性降低。考虑到这些，以质量％计，cu在0.1～3.0％的范围内。
[0064]
b是有助于提高热加工性且抑制η相的生成、防止高温下的机械强度和韧性的降低、进一步提高高温蠕变强度的有效元素。另一方面，如果过量含有，则会使合金的熔点降低，热加工性劣化。考虑到这些，以质量％计，b在0.001～0.010％的范围内。
[0065]
zr是用于在晶界偏析以强化晶界并提高高温下的机械强度的有效元素。另一方面，如果过量含有，则会使热加工性降低。考虑到这些，以质量％计，zr在0.01～0.05％的范围内。
[0066]
c是通过与cr、ti、nb及ta结合形成碳化物并对提高高温下的机械强度有效的元素，可以任意地添加。另一方面，如果过量含有，则会过量生成碳化物，损害热加工性、冷加工性、韧性、延性，并且抑制晶粒生长而不能获得预定的结晶粒径。考虑到这些，以质量％计，c在0.08％以下的范围内。
[0067]
si是在熔解精炼时主要作为脱氧剂起作用的元素，可以任意地添加。另一方面，如果过量含有，则会使韧性降低，加工性受损。考虑到这些，以质量％计，si在1.0％以下的范围内。
[0068]
mn是与si同样地作为脱氧剂起作用的元素，可以任意地添加。另一方面，如果过量含有，则加工性和高温的耐氧化性受损。考虑到这些，以质量％计，mn在1.0％以下的范围
内。
[0069]
mg和ca固定s，有助于热加工性的改善。另一方面，如果过量含有，则生成各自元素的化合物，导致热加工性降低。考虑到这些，以质量％计，mg和ca各自在0.01％以下的范围内。需要说明的是，可以添加这两种元素中的任意一种，也可以2种同时添加。
[0070]
p和s是不可避免地含有的杂质，使热加工性降低。因此，以质量％计，p在0.02％以下的范围内，s在0.01％以下的范围内。
[0071]
n是不可避免地含有的杂质元素，与ti或al结合形成氮化物，使冷加工性降低。因此，以质量％计，n优选设在0.020％以下的范围内。
[0072]
o是不可避免地含有的杂质元素，与al或ca等结合形成夹杂物，使冷加工性降低。因此，以质量％计，o优选设在0.005％以下的范围内。
[0073]
co对于提高高温下的蠕变强度是有效的。另一方面，如果过量含有，则不仅导致成本增加，而且会使γ'相的相稳定性降低。考虑到这些，以质量％计，可以在0.05～5％的范围内任意地含有co。
[0074]
v是形成碳化物且对提高高温下的机械强度有效的元素。另一方面，如果过量含有，则会导致耐氧化性降低。考虑到这些，以质量％计，可以在0.05～1.0％的范围内任意地含有v。
[0075]
稀土元素(rem)是通过在晶界偏析以提高耐氧化性的有效元素。另一方面，如果过量含有，则会导致热加工性降低。考虑到这些，以质量％计，可以在0.005～0.05％的范围内任意地含有rem。
[0076]
作为其他不可避免的杂质元素，可以列举出te、as、sn、sb、se、pb、bi等。如果这些元素过量含有，则合金的热加工性和高温强度显著降低。因此，这些元素的含量以各元素的质量％计，优选限制在0.0050％以下。另外，作为不可避免的杂质的例子，进一步可以列举出小于0.05质量％的co、小于0.05质量％的v以及小于0.005质量％的rem。
[0077]
尽管以上已经说明了本发明的代表性实施例，但是本发明不一定限于这些，并且本领域技术人员在不脱离本发明的主旨或所附权利要求的范围内可以提出各种代替实施例和变形例。
[0078]
本技术基于2021年8月19日提交的日本专利申请2021-134045和2022年6月13日提交的日本专利申请2022-094859，其内容通过参照并入本文中。

技术特征：

1.一种耐热合金材料，其特征在于，由以下成分组成的合金组成：以质量％计，ni：40～62％、cr：13～20％、nb+ta：0.2～2.0％、ti：1.5～2.8％、al：1.0～2.0％(其中，ti/al：2.3以下)、w：3.0％以下、mo：2.0％以下(其中，mo+(1/2)w：1.0～2.5％)、cu：0.1～3.0％、b：0.001～0.010％、zr：0.01～0.05％、c：0.08％以下、si：1.0％以下、mn：1.0％以下、p：0.02％以下、s：0.01％以下、ca：0.01％以下、mg：0.01％以下、余量由fe和不可避免的杂质组成，所述耐热合金材料为具有平均结晶粒径大于100μm且为250μm以下的压延退火组织且厚度为1.5mm以下的板材。2.根据权利要求1所述的耐热合金材料，其特征在于，所述成分组成进一步包含co：0.05～5.0质量％。3.根据权利要求1或2所述的耐热合金材料，其特征在于，所述成分组成进一步包含v：0.05～1.0质量％、rem：0.005～0.05质量％中的任一者或两者。4.根据权利要求1或2所述的耐热合金材料，其特征在于，包含n：0.020质量％以下、o：0.005质量％以下。5.根据权利要求3所述的耐热合金材料，其特征在于，包含n：0.020质量％以下、o：0.005质量％以下。6.根据权利要求1或2所述的耐热合金材料，其特征在于，通过对所述成分组成进行热力学计算而算出的γ'相的固溶温度在940℃～1010℃的范围内。7.根据权利要求1或2所述的耐热合金材料，其特征在于，在900℃暴露400小时后，不含γ'相粒子的白组织的剖面面积率为10％以下。8.一种弹性部件，其是通过对权利要求1至6中任1项所述的耐热合金材料进行加工成形而得到的，其特征在于，所述弹性部件为金属垫片、碟形弹簧或板弹簧，通过在对所述耐热合金材料进行加工成形后的时效处理，将所述弹性部件的硬度调整为hv300～450。

技术总结

本发明涉及耐热合金材料以及将所述耐热合金材料加工成形而得的弹性部件，所述耐热合金材料的特征在于，由以下成分组成的合金组成：以质量％计，Ni：40～62％、Cr：13～20％、Nb+Ta：0.2～2.0％、Ti：1.5～2.8％、Al：1.0～2.0％(其中，Ti/Al：2.3以下)、W：3.0％以下、Mo：2.0％以下(其中，Mo+(1/2)W：1.0～2.5％)、Cu：0.1～3.0％、B：0.001～0.010％、Zr：0.01～0.05％、余量由Fe和不可避免的杂质组成，所述耐热合金材料为具有平均结晶粒径大于100μm且为250μm以下的压延退火组织且厚度为1.5mm以下的板材。材。材。