第1回関西ものづくりシーズ発表会 2014/9/29 國民會館 大阪 高温での強度 硬さ特性に優れた Ni基金属間化合物合金 大阪府立大学 工学研究科 マテリアル工学分野 准教授 金 野 泰 幸 1
工具鋼の問題点 焼戻し温度を超えると, 金属組織や炭化物の効果が消失 超硬合金の問題点 結合剤 ( バインダー ) に使用される金属相 (Co や Ni) が高温 で軟化 ニッケル超合金の問題点 硬さレベルが高くなく, 耐摩耗材料としては不十分 セラミックスの問題点 靱性が低く, 高価 現用耐摩耗材料の問題点 金型や切削工具などには耐摩耗性に優れた工具鋼や超硬合金などが多用されているが, これらの材料は高温になると硬さが著しく低下し, 耐摩耗性が劣化する 高温でも高い強度 硬さを維持する材料が必要 2
金属間化合物のポテンシャル 金属間化合物とは?: 少なくとも一つの金属元素を含む化合物 (A m B m ) 金属間化合物を用いた材料開発 1Ni 基超々合金,2NST 合金 3
1Ni 基超々合金 2 重複相金属間化合物 (Ni 基超々合金 ) 最密充填構造 (GCP) 金属間化合物であるNi 3 Al (L1 2 ) 相とNi 3 V(D0 22 ) 相が2 重に階層化され, 微細 整合に配置された2 重複相組織を有する, 構成相のすべてが金属間化合物相である複相金属間化合物合金. Ni 3 Al(L1 2 ) 上部複相組織 (SEM 組織 ) 下部複相組織 (TEM 組織 ) Ni 3 V(D0 22 ) 4
引張強度 (MPa) 超々合金の高温引張特性 1400 1200 1000 800 超々合金 #4 超々合金 ( 鋳造材 ) 600 400 200 超合金 ( 展伸材 ) Udimet 520 Waspaloy 0 0 200 400 600 800 1000 試験温度 ( ) Inconel 718 現用の超合金を上回る優れた高温高強度特性 900 における引張強度 :Inconel 718 の 3 倍以上,Waspaloy の 1.5 倍, Udimet 520 の 1.3 倍 5
超々合金の耐環境性 耐酸化特性 耐腐食特性 腐食減量 g/m2 h 40 消 消 失 失 30 20 腐食減量ほとんどなし 10 0 #1 #2 #3 #4 超々合金 Inconel Monel 718 400 Inconel X750 Hastelloy C276 Ni合金 SUS 304 SUS 430 SUS 310S SUS 316L ステンレス 各種腐食溶液 塩酸 硫酸 硝酸 酢酸 中で優れた耐腐食特性 酸化による重量増加量 g/cm2 塩酸(36%), 室温, 24hr 50 0.04 酸化重量増加ほとんどなし 0.03 比較合金 0.02 CMSX-4 0.01 0 超々合金 105 106 1000 加熱時間 秒 約30日間 現用タービンブレード材料より 優れた高温耐酸化特性 6
超々合金の浸炭 窒化による表面硬化 C N 窒化層 EPMA 浸炭層 5μm 5μm 炭素のEPMA元素マッピング 窒素のEPMA元素マッピング 1000HVを超える表面硬さ 900 800 PC1023K-2h PC1023K-8h PC1023K-48h PC1023K-100h based hardness 700 600 500 400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Distance from surface ( m) 深さ方向の硬さ分布 1200 Vickers hardness (Hv) Vickers hardness (Hv) 1000 PN848K-2h PN848K-48h PN848K-100h based hardness 1100 1000 900 800 700 600 500 400 0 5 10 15 20 25 30 Distance from surface ( m) 深さ方向の硬さ分布 35 40 7
②NST合金 L12構造のNi3(Si,Ti)基金属間化合物合金 強度の逆温度依存性を示す 耐食性 耐酸化性に優れる B A 冷間加工が可能 水素生成触媒能を有する Ni3(Si,Ti) 200 m L12 A3B Ni3(Si,Ti) 30 m 8
常温引張特性比較 合金 引張強さ (MPa) 0.2% 耐力 (MPa) 伸び (%) Ni 3 (Si,Ti) 1500-2350 800-2050 5.5-30 インコネル X-750 1137 690 20 ハステロイ X 785 360 43 ステンレス SUS304 660 285 60 ステンレス SUS430 510 310 29 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 1275 1200 6 Ti-6Al-4V 930 855 12 市販のニッケル合金やステンレス鋼, さらにはチタン合金と比べても格段に高い引張強度を示す. 9
耐食性 塩酸浸漬試験 常温 24h Ni3(Si,Ti) Ni3(Si,Ti)+Nb Ni3(Si,Ti)+Cr Ni3(Si,Ti)+Nb,Cr 2.80 0.62 2.5 0.85 Inconel X750 SUS430 SUS304 SUS316L 10.4 消失 消失 9.61 外 観 腐食減量 (g/m2 h) 外 観 腐食減量 (g/m2 h) Ni3(Si,Ti)は耐食性にも優れ 特にステンレス鋼が苦手とする 塩酸中で 優秀な耐腐食性を示す Nbを添加することで Ni3(Si,Ti)の耐塩酸腐食性はさらに向上 10
酸化増量 (g/cm 2 ) 耐酸化特性 10-2 900 Co 3 Ti 10-3 10-4 SUS310S NST Inconel X750 NST-4Ta Hastelloy C276 10-5 10-6 0 1000 2000 3000 暴露時間 (min) Ni 3 (Si,Ti) は Hastelloy 合金に肉薄する良好な耐酸化性 11
ビッカース硬さ (HV) 高温硬さ特性 1400 1200 1000 800 600 400 SUS440C NST-5Ta WC-Co 超硬合金 Ni 3 Al/Ni 3 V 超々合金 高温では Ni 基金属間化合物合金が超硬合金の硬さを上回る. 200 0 200 400 600 800 温度 ( ) Ni 基超々合金,NST 合金は温度上昇に伴う硬さの低下が小さい 12
応用例 1( 耐熱ボールベアリング ) 耐熱 耐食ボールベアリング 外輪保持器ボール内輪ボールベアリング完成品 600 実機耐熱試験 13
ベアリング耐熱試験結果 600 摩耗粉 ほとんど無し 摩耗粉 ごく少量 Nb-NST 試験時間 現行耐熱ベアリング SUS440C 超々合金 #2 Nb添加-NST合金 123h 摩耗粉 大量 超々合金 #2 132h SUS440C 100h 内輪摩耗量 0 m 71 m 711 m 外輪摩耗量 22 m 24 m 780 m 推定寿命 8,336h 2,072h 100h 14
摩擦攪拌接合とその利点 摩擦攪拌接合 (FSW; Friction Stir Welding) 回転したツールを被接合材に接触させ, 発生した摩擦熱によって被接合材を高温状態にして可塑化し, 固相状態で接合する新しい高品質接合技術 接合線 摩擦攪拌接合の利点 : 固相接合なので接合部の強度低下が小さい ( 強度向上の場合もあり ). アーク溶接に比べ接合部の歪みや変形が少ない. 気孔, 割れなどが生じにくい. 熟練技術や溶接免許が不要である. 摩擦攪拌接合 (FSW) 溶融接合 ( 溶接 ) 15
応用例 2(FSW ツール ) 被加工材 :SS400( 一般構造用圧延鋼材 ) 超々合金製ツール 比較ツール 超々合金ツール 使用前 ( ), 使用後 ( ) 約 50m の FSW 施行後もツール摩耗はほとんど生じていない. 16
ハイブリッド合金の開発コンセプト 超硬合金 Ni 基金属間化合物合金ハイブリッド合金 + 中低温で高硬度 高い高温強度 硬度良好な耐酸化性 耐食性 超硬合金と Ni 基超々合金の長所を兼備した新型合金 超硬合金の結合剤 ( バインダー ) に Ni 基超々合金を用いることで低温から高温に至る広い温度域で優れた耐摩耗性が期待される 17
ビッカース硬さ (HV) 開発材の高温硬さ特性 ビッカース硬さ (HV) TiB 2 /NST 焼結体 TiC/ 超々合金焼結体 1500 1200 1000 30%TiB 2 WC-Co 1000 800 Ta 添加 -50%TiC 500 0 10%TiB 2 78.0Ni (0%TiB 2 ) Bulk(base) SPS900 1050-24h 0 200 400 600 800 温度 ( ) 600 400 200 0 Ti 添加 -50%TiC 0 200 400 600 800 1000 温度 ( ) NST-30vol.%TiB 2 および 50vol.%TiC 添加超々合金焼結体は 800 で 600HV 以上の優れた高温硬さを実現した 18
Ni 基超々合金のプラズマ溶射 2.5Nb 1280-3h(SEI) 皮膜 :Ni 基超々合金 熱処理 基板 :SUS304 100µm ステンレス板上にプラズマ溶射された Ni 基超々合金コーティング皮膜の断面写真 1280-3h(TEM) 1µm As sprayed 1280-3h 1050-3h 1050-24h 950-3h 950-24h 基板約 200HV 溶製材 560HV 2.5Nb 0 200 400 600 800 ビッカース硬さ (HV) 400µm 皮膜中に 2 重複相組織が形成 熱処理後は皮膜の硬さが上昇 950, 1050-24h の熱処理後も硬さの低下は小さい ( 耐熱性良好 ) 19
想定される技術移転 想定される用途 耐摩耗用途 高温用ドリル バイトなど耐熱切削工具 高温用軸受など耐 熱摺動部品 高温用ボルト ナットなどの耐熱締結要素部品 高温用ダイス 高温金型等の耐熱工具など その他 高温腐食環境下や 海水中などの溶液中で耐摩耗性 が要求される部材など 広範囲な用途が想定される 想定される業界 機械 金属産業全般 自動車 輸送用機器業界 建築 土木 鉱 山産業分野 化学工業など 20
実用化に向けて 企業様へのお願い 用途提案 企業 用途に応じた材料特性の向上 強度 硬さ特性向上 耐食 耐酸化性の向上 耐熱性向上 コスト低減 大学 合金設計 ( 成分, 組成 ) 製造プロセスの確立 最適化企業大学 溶解鋳造準工業規模の健全素材製造 ( 試作品作製 ) 粉末冶金 塑性加工 ( 熱間鍛造, 伸線加工など ) 表面処理 21
本技術に関する知的財産権 1. 特許第 4756974 号,Ni 3 (Si,Ti) 系箔及びその製造方法, 公立大学法人大阪府立大学 2. 特許第 5010841 号,Ni 3 Si-Ni 3 Ti-Ni 3 Nb 系複相金属間化合物, その製造方法, 高温構造材料, 公立大学法人大阪府立大学 3. 特許第 5127144 号,2 重複相組織からなる V および Ti を含有する Ni 3 Al 基金属間化合物及びその製造方法, 耐熱構造材, 公立大学法人大阪府立大学 4. 特許第 5146935 号,V および Nb を含有し, かつ, 二重複相組織を有する Ni 3 Al 基金属間化合物, およびその製造方法, 耐熱構造材, 公立大学法人大阪府立大学 5. 特許第 5162492 号, 高い高度を有する Ni 基金属間化合物合金, 公立大学法人大阪府立大学 6. 特許第 5327644 号, ニッケル系金属間化合物, 当該金属間化合物圧延箔および当該金属間化合物圧延板または箔の製造方法, 公立大学法人大阪府立大学 7. 特許第 5565776 号,W が点火された Ni 3 (Si,Ti) 系金属間化合物及びその製造方法, 公立大学法人大阪府立大学 8. 特許第 5565777 号,Ta が添加された Ni 3 (Si,Ti) 系金属間化合物, 公立大学法人大阪府立大学 9. US 8,197,618 B2,Ni 3 Al-based intermetallic compound including V and Nb, and having dual multi-phase microstructure, production method thereof, and heat resistant structural material, Osaka Prefecture University Public Corporation 10. GB2447222,Ni 3 Al-based intermetallic compound with dual multi-phase microstructure, production method thereof, and heat-resistant structural material, Osaka Prefecture University Public Corporation ほか 22
問い合わせ先 公立大学法人大阪府立大学産学官研究連携推進センター濱田糾 ( コーディネーター ) 599-8570 大阪府堺市中区学園町 1-2 Tel 072-254-8263 e-mail hamada@iao.osakafu-u.ac.jp 工学研究科マテリアル工学分野金野泰幸 ( 研究者 ) 599-8531 大阪府堺市中区学園町 1-1 Tel 072-252-1161( 内線 )5701 e-mail kaneno@mtr.osakafu-u.ac.jp 23