专利名称：Co基合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于汽轮机部件、飞机用发动机部件、化学工厂部件、汽车发动机部件、高温炉部件等的高温环境中要求高强度的各种部件，特别是适于锻造的Co基合金。
背景技术：
高温环境下使用的超合金中已知Ni基合金、Co基合金、Fe基合金等。Ni基合金是以Ll2结构的Y '相(Ni3(Al、Ti))析出强化的合金，显示伴随着温度上升，强度也变强的逆温度依赖性。还有，耐热性、耐腐蚀性、耐氧化性、耐蠕变性等的高温特性也优异。为此，Ni基合金用于在高温环境下要求高强度的各种用途。然而，Ni基合金存在被切削性、热加工性差的问题。另一方面，特别是在需要耐腐蚀性、延展性的高温用途中，与Ni基合金相比，则使用Co基合金。然而，由于迄今对Co基合金的高温强度特性提高有效的Y '型金属间化合物未知，现有的Co基合金与Ni基合金相比，存在高温强度低、热加工性差的问题。
因此，为了解决该问题，迄今提出了各种的方案。例如，专利文献I中公开了以质量比计A1:0.1 10%、W:3. O 45%、余量除了不可避免的杂质外含有Co,析出了 Co3(A1、W)的Ll2型金属间化合物的Co基合金。在同文献I中，记载了通过在基质中使Co3(AUW)均匀微细地析出，提高高温强度的内容，以及，通过调整所定的组成而使热加工成为可能的内容。还有，专利文献2中公开了含有O.1彡Cr彡20.0质量％、1.0彡Al彡6. O质量％、3.0 < 26. O质量％、Ni ( 50.0质量％，余量包含Co以及不可避免的杂质，满足5. O ^ Cr+AI ^ 20. O质量％，包含以A7B6表不的μ相与以A2B表不的莱维氏相(Lavesphases)的第2相的体积率为10%以下的Co基合金。在同文献2中，记载了使Al量以及W量在所定范围的同时，在所定的条件下进行匀质化热处理以及时效处理，析出Co3(Al、W)型的强化相，显示与Ni基合金同等或更好的高温强度的内容。析出了 Co3(AUW)作为强化相(Y’相)的Co基合金显示与Ni基合金同等或更好的高温强度特性。然而，含有Al以及W的Co基合金，通过热处理条件在加工中析出有害的第2相，有时热加工性显著降低。特别是在锻造用合金中，热加工性变成重要的特性，需要与强度的平衡。另一方面，如专利文献2公开的那样，使成分元素最佳化，则能够一定程度抑制第2相的析出，能够提高热加工性。然而，对于现有的合金，高温强度特性未必充分。现有技术文献专利文献专利文献1:国际公开W02007/032293号专利文献2 :特开2009-228024号公报
发明内容
发明要解决的课题本发明要解决的课题是提供适于锻造的Co基合金，与现有的Co基合金相比，高温强度高，且，热加工性与现有的Co基合金同等或更好。用于解决课题的手段为了解决上述课题，本发明涉及的Co基合金主要内容如下含有O. 001 ^ C〈0. 100 质量 ％、9. O 彡 Cr<20. O 质量 ％、2·0<Α1〈5·0 质量 ％、13.0彡沢20.0质量％、以及，39. O ( Ni〈55. O 质量 ％，余量含有Co以及不可避免的杂质，上述不可避免的杂质之内，Mo、Nb、T1、以及、Ta分别为Μο〈0·010 质量 ％、 ΝΚ0.010 质量0/0、Ti〈0.010 质量 ％、以及，Ta〈0.010 质量 ％。发明的效果含有Al以及W的Co基合金在热加工性中容易生成有害的相。特别是，添加过剩的W时，在粒内以及粒界生成有害相，热加工性显著降低。对此，使成分元素(特别是Al量以及W量)在所定范围的同时，在所定的条件下实施匀质化热处理，能够得到有害相少的Co基合金。还有，热加工后在所定的条件下进行固溶化热处理以及时效处理，则Co3(AUW)型的强化相(Λ'相)析出。再有，对于含有所定量的A1、W以及Cr的Co基合金，添加所定量的C时，在时效处理后，除了 Y '相，则含有W及/或Cr的碳化物析出。这时，对C含量进行最佳化，在母相Y的粒界能够析出粒状的碳化物。在粒界析出了的粒状的碳化物，在高温中的抑制粒界滑动的效果大。即，除了 Y '相的析出，通过在粒界析出所定量的碳化物，与现有的Co基合金相比，能够飞越式地改善作为高温部件而特别必要的蠕变破裂特性(高温延展性)。还有，由此得到具有与现存的Ni基合金同等或更好的耐用强度的Co基合金。本发明的其他目的、特征以及有益点，通过关于添附图的以下本发明实施例的记载完全能够清楚。
图1为蠕变破裂试验前的Co基合金(实施例1)的断裂部组织照片。图2为蠕变破裂试验后的Co基合金(实施例1)的断裂部组织照片。
具体实施例方式以下，对本发明的一实施形式进行详细说明。
[1. Co 基合金][1.1.主构成元素]本发明涉及的Co基合金，含有如以下的元素，余量含有Co以及不可避免的杂质。添加元素的种类、其成分范围、及其限定理由如以下所述。(I) O. OOlS C〈0. 100 质量 ％。C与W以及Cr键合，有助于粒内以及粒界的碳化物生成。在向粒状的碳化物的粒界的析出，主要对粒界强化有效，提高热加工性以及高温强度。特别是通过粒界强度的改善，由于改善了在高温的拉伸以及扭曲，提高拉伸特性以及蠕变破裂特性的效果大。为了得到这样的效果，C含量有必要为O. 001质量％以上。C含量更优选O. 005质量％以上。另一方面，当C含量变过剩时，碳化物的粒内生成的促进所致粒内强度的上升，以及，通过在向粒界的膜状碳化物的析出，则强度特性降低。因此，C含量有必要不足O. 100质量％。C含量更优选不足O. 050质量％。本发明涉及的Co基合金，除了 Cr含量以及W含量之外，通过使C含量最佳化，碳化物以最佳的形状在粒界析出，由此提高了高温延展性、在达到了显著的特性改善的方面为大的特征。在此，所谓“碳化物”，是指以C和Cr及/或W为主成分的各种碳化物全部。(2) 9. O 彡 Cr<20. O 质量 ％。Cr与O键合，由于在表层形成致密的Cr2O3层，对改善耐氧化性有效。Cr含量少，则致密的Cr2O3层的生成困难，得不到充分的耐氧化性。还有，Cr与C键合，由于各种的碳化物在粒内以及粒界生成`，则有助于热加工性的提高以及高温延展性的改善。为了得到这样的效果，Cr含量有必要为9. O质量％以上。Cr含量更优选10. O质量％，更优选
10.5质量％以上。另一方面，Cr含量变过剩，则融点降低，成为高温的机械特性降低的原因。因此，Cr含量有必要不足20. O质量％。Cr含量更优选不足19. 5质量％，更优选不足18. 5质量％。本发明涉及的Co基合金，通过使Cr含量最佳化，碳化物以最佳的形状析出，由此在达到高温延展性的显著地改善方面为大的特征之一。(3) 2. O 彡 Al<5. O 质量 ％。Al是Co3(A1、W)的Ll2型金属间化合物相U '相)的稳定化元素，使准稳定相的相作为稳定相析出，为了使高温强度特性改善而必要的元素。Al含量少，则为了提高强度特性而不能使充分的量的r相生成。还有，Al是与Cr相同，通过Al2O3的生成而改善耐氧化性的元素。为了得到这样的效果，Al含量有必要为2.0质量％以上。Al含量更优选2. 5质量％以上，更优选3. O质量％以上。另一方面，Al含量变过剩，则融点降低，成为高温特性(热加工性以及高温延展性)降低的原因。因此，Al含量有必要不足5. O质量％。Al含量更优选不足4. 5质量％，更优选不足4. 3质量％。另外，所谓“Co3(A1、W)的Ll2型金属间化合物相U '相)”，并非是仅含Co、Al以及W的Y '相，还包含Co位及/或(A1、W)位的一部分由其他的元素置换的相。(4) 13. O ( ff<20. O 质量 ％。
W是Co3 (Al、W)的Ll2型金属间化合物相(Y丨相)的稳定化元素，对生成高温强度有效果的相而必要的元素。W含量少，则为了提高强度而不能使充分的量的Y’相生成。还有，W与C键合，生成各种的碳化物。粒界碳化物的析出对高温强度特性、特别是高温延展性(拉伸、扭曲)的提高有效。为了得到这样的效果，W含量有必要为13. O质量％以上。W含量更优选14. 5质量％以上，更优选15. O质量％以上。另一方面，W含量变过剩，粒内以及粒界形成以A7B6表示的μ相为代表的有害相，热加工性显著降低。因此，W含量有必要不足20. O质量％。W含量更优选不足19. O质量％，更优选不足18. O质量％。另外，所谓『Α7Β6化合物(μ相)』，是由来于Co7W6的化合物，也包含A位(Co位)通过N1、Cr、Al、Fe等置换的化合物，还有，B位(W位)通过Ta、Nb、T1、Zr等置换的化合物。(5) 39. O ≤ Ni<55. O 质量 ％。Ni置换Co位，生成(Co^Ni)3(AUff)的Ll2型金属间化合物相。还有，Ni在母相Y以及强化相Y'均等分配。特别是Y'相的Co位被Ni置换，则相的固溶温度上升，高温强度特性提高。为了得到这样的效果，Ni含量有必要为39. O质量％以上。Ni含量更优选41. O质量％以上，更优选43. O质量％以上。另一方面，Ni含量变过剩，则母相Y的融点降低，热加工性降低。因此，Ni含量有必要不足55. O质量％。Ni含量更优选不足52. O质量％，更优选不足50. O质量％。[1. 2.不可避免的杂质]在本发明涉及的Co基合金中，即使在不可避免的杂质中，特别是Mo、Nb、T1、以及Ta分别有必要在以下的范围。(6)Μο〈0·010 质量 ％。Mo作为固溶强化元素发挥作用。然而，Mo所致的强化量与Ta相比小。还有，Mo的添加使耐氧化性降低。因此，Mo含量有必要不足O. 010质量％。(7)Nb〈0.010 质量 ％。Nb通过在Ni基合金中使Y 〃( Y双撇)相的Ni3Nb析出，具有提高高温强度特性的效果。然而，Co基合金中，通过Nb添加，不发生Y 〃相的析出，引起融点的降低所致的热加工性以及高温强度特性的降低。因此，Nb含量有必要不足O. 010质量％。(8)Ti〈0.010 质量 ％。Ti在Ni基合金中置换Ni3Al的Al位，为对Y ’相的强化有效的元素。然而，过剩的添加成为Y’固溶温度的上升以及基质的融点降低的原因，引起加工性的降低。在Co基合金中，Ti的过剩添加也成为融点降低的原因，成为热加工性以及高温强度特性降低的原因。因此，Ti含量有必要不足O. 010质量％。(9)Ta〈0.010 质量 ％。Ta作为Y’相的固溶强化元素发挥作用，对高温强度的提高有效。然而，Ta添加显著地降低高温延展性。其结果，特别是在高温的蠕变破裂特性中，延展性的降低所致的早期断裂变显著，引起特性的降低。因此，Ta含量有必要不足O. 010质量％。[1. 3.副构成元素]本发明涉及的Co基合金，除了上述的元素之外，还可以含有以下的任一种以上的元素。付加的添加元素的种类、其成分范围、以及，其限定理由，如下所述。(10) O. 0001 ( Β〈0· 020 质量 ％。(11)0.0001 彡 Zr〈0. 10 质量 ％。B以及Zr，任一个都作为粒界的强化元素发挥作用，促进热加工性的改善。为了得到这样的效果，B含量优选O. 0001质量％。还有，Zr含量优选O. 0001质量％以上。另一方面，B或Zr的含量变过剩时，任一个都加工性降低。因此，B含量优选不足O. 020质量％。还有，Zr含量优选不足O. 10质量％。(12) O. 0001 ( Mg〈0. 10 质量 ％。(13) O. 0001 ( Ca〈0. 20 质量 ％。Mg以及Ca任一个都固定S，促进热加工性的改善。为了得到这样的效果，Mg含量优选O. 0001质量％以上。还有，Ca含量优选O. 0001质量％以上。另一方面，Mg或Ca的含量对S变过剩时，生成Mg或Ca的化合物，成为加工性降低的原因。因此，Mg含量优选不 足O. 10质量％。还有，Ca含量优选不足O. 20质量％。[1. 4.组织]对本发明涉及的Co基合金，在如后述那样的条件下进行铸造、匀质化热处理、热加工、固溶化热处理、以及时效处理时，得到具有母相Y、和在母相Y内析出了的碳化物以及Y '相的Co基合金。Y '相主要在母相Y的粒内析出。另一方面，碳化物在母相Y的粒内以及粒界析出。为了提高高温强度特性，优选碳化物在粒界析出。还有，为了抑制在高温的粒界滑移，在粒界析出的碳化物的形状优选粒状。对本发明涉及的Co基合金的热加工后的原材料，通过进行固溶化热处理，以及，各种条件的时效处理，得到适用于各用途的Y、Y'相、碳化物的状态。另外，时效处理不限于I阶段的时效处理，也包含2段以上的多阶段的时效处理。[2. Co基合金的制造方法][2.1.熔解、铸造]首先，以得到上述的组成的Co基合金的方式来配合原料，进行熔解、铸造。本发明中，熔解、铸造方法以及熔解、铸造条件没有特别的限定，能够使用各种的方法以及条件。[2. 2.匀质化热处理]其次，对得到的铸块实施勻质化热处理(soaking treatment)。勻质化热处理是指为了除去在熔解、铸造时产生的凝固偏析而使成分均匀化的热处理。通过成分均匀化，能够提高热加工性。匀质化热处理温度根据组成而选择温度。一般是，匀质化热处理温度过低时，由于合金元素的扩散速度小，在现实的热处理时间内得不到充分的效果。因此，匀质化热处理温度优选1000°c以上。另一方面，匀质化热处理温度过高时，进行粒界氧化，热加工性降低。因此，匀质化热处理温度优选1250°C以下。保持变成Y相单相的温度时，通常，数小时左右异相消失，变成Y相单相。然而，为了除去在熔解、铸造时产生的凝固偏析，还需要长时间的热处理。一般是，匀质化热处理时间越长，成分越均匀化，能够使对热加工性的有害相的量减少。为了有害相的体积率减少，匀质化热处理时间优选10小时以上。在所定的条件下进行匀质化热处理后，冷却时，则得到为Y单相、且有害相少的
Co基合金。[2. 3.热加工]其次，对匀质化热处理后的Co基合金实施热加工，成形各种的形状。对热加工方法及其条件没有特别限定，根据目的，能够选择各种的方法以及条件。[2. 4.固溶化热处理]其次，对热加工后的Co基合金实施固溶化热处理。固溶化热处理是使通过热加工产生的析出物(Y '、碳化物)再固溶的处理。固溶化热处理温度优选1000 1250°C。固溶化热处理时间根据固溶化热处理温度而选择最佳的时间。一般是，固溶化热处理温度越高，能够在越短时间使析出物再固溶。[2. 5.时效处理]其次，对固溶化热处理后的Co基合金实施时效处理。固溶化热处理后的Co基合金在U +Y’)区域中进行时效处理时，能够使在Y相中由Co3(AUW)型的L12型金属间化合物而成的Y ^相析出。还有，与此同时，能够使碳化物析出。时效处理条件没有特别是限定，根据组成及/或用途来选择最佳的条件。一般是，时效处理温度越变高，及/或，时效处理时间越变长，r相的析出量越变多，或者Y'相的粒径越变大。这点也与碳化物`同样。通常，时效处理温度为500 1100°C (优选600 1000°C )，时效处理时间为I 100小时，优选10 50小时左右。还有，可以在不同温度进行多阶段的时效处理。进行多阶段的时效处理时，能够使不同尺寸的Y’相析出。一般是，尺寸大的Y’相对高温特性(特别是蠕变破裂特性)的改善有效果，但室温特性降低。另一方面，尺寸小的Y'相对室温特性的改善有效果，但高温特性降低。为此，进行多阶段的时效处理而使不同尺寸的Y’相析出，则能够同时改善高温特性和室温特性的双方。例如，在进行2阶段时效处理的情况下，第I阶段的时效处理温度优选700 IlOO0C，第2阶段的时效处理温度优选500 900°C。[3. Co基合金的作用]含有Al以及W的Co基合金在热加工性容易生成有害的相。特别是，添加过剩的W时，在粒内以及粒界生成有害相，使热加工性显著地降低。对此，成分元素(特别是Al量以及W量)在所定的范围的同时，在所定的条件下实施匀质化热处理，则能够得到有害相少的Co基合金。还有，热加工后在所定的条件下进行固溶化热处理以及时效处理，则Co3(AUW)型的强化相(Λ'相)析出。再有，相对于含有所定量的A1、W以及Cr的Co基合金，添加所定量的C时，时效处理后，除Y '相之外，含有W及/或Cr的碳化物析出。这时，使C含量最佳化，则能够在母相Y的粒界使粒状的碳化物析出。在粒界析出的粒状的碳化物，抑制高温中的粒界滑移的效果大。S卩，除Y '相的析出之外，通过在粒界使所定量的碳化物析出，与现有的Co基合金相比，能够大幅改善作为高温部件、特别是需要蠕变破裂特性(高温延展性)。还有，由此得到具有与现有的Ni基合金同等或更好的耐用强度的Co基合金。
实施例(实施例1 27、比较例31 52)[1.试料的制作]在真空诱导感应炉熔解表I以及表2所示的组成的合金，得到50kg的铸块。熔
制的铸块实施在1200°C、16小时的匀质化热处理后，锻造加工为Φ 16mm的棒材。对锻造
加工的材料，实施在1200°C、1小时空冷的固溶化热处理(ST)后，在900°C、24h，空冷，
还进行800°C、24h，空冷的2阶段时效处理(AG)。表I
权利要求
1.Co基合金，含有O. OOl ( C〈0. 100质量％、9.O ^ Cr<20. O 质量 ％、2.O ^ Al<5. O 质量 ％、13. O ( ff<20. O 质量 ％、以及39. O ( Ni<55. O 质量 ％， 余量含有Co以及不可避免的杂质， 上述不可避免的杂质之内，Mo、Nb、T1、以及Ta分别为 Mo〈0. 010 质量 ％、Nb〈0. 010 质量 ％、 Ti〈0. 010质量％、以及 Ta〈0. 010 质量 ％。
2.权利要求1记载的Co基合金，还含有 O. 0001 ( Β〈0· 020 质量 ％、以及 O. 0001 ^ Zr〈0. 10质量%的任一种以上。
3.权利要求1或2记载的Co基合金，还含有 O. 0001 ( Mg〈0. 10 质量 ％、以及 O. 0001 ^ Ca〈0. 20质量%的任一种以上。
4.权利要求1 3中任一项记载的Co基合金， 通过在对上述Co基合金实施热加工以及固溶化热处理后，进行时效处理而得到， 具有包含母相Y、和在上述母相Y内析出的碳化物以及Ll2型金属间化合物的相。
全文摘要
本发明涉及Co基合金，含有0.001≤C＜0.100质量%、9.0≤Cr＜20.0质量%、2.0≤Al＜5.0质量%、13.0≤W＜20.0质量%、以及39.0≤Ni＜55.0质量%，余量包含Co以及不可避免的杂质，上述不可避免的杂质之内，Mo、Nb、T、以及Ta分别为Mo＜0.010质量%、Nb＜0.010质量%、Ti＜0.010质量%、以及Ta＜0.010质量%。
文档编号C22C19/05GK103069028SQ201180040300
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月15日 优先权日2010年8月23日
发明者佐藤顺, 今野晋也, 大崎元嗣, 植田茂纪, 石田清仁, 大森俊洋, 西田浩明, 林祐宏, 盐田智纪 申请人:株式会社日立制作所, 国立大学法人东北大学