JP2007507611A - 高温で使用するためのオーステナイト系Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金 - Google Patents
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Abstract
高温で使用するための合金。本発明は、合金が、主としてＦｅ、Ｎｉ及びＣｒを含み、重量％で、Ｎｉ３８〜４８、Ｃｒ１８〜２４、Ｓｉ１．０〜１．９、Ｃ＜０．１、残部Ｆｅの主たる組成を有することを特徴とする。
Description
本発明は、高温で使用するための合金に関するものである。
最大３０重量％のＣｒ、最大３重量％のＳｉ、様々な量のＦｅ及び時には希土類元素（Ｒ．Ｅ．）の添加物を含有するオーステナイト系Ｎｉ基合金は、１１００℃までの使用温度の様々な高温用部品にかなり以前から使用されてきた。工業炉及び電気器具の加熱に使用される電気抵抗用合金に関しては、様々な量のＮｉを含有するいくつかの合金が、ＡＳＴＭ Ｂ ３４４−８３及びＤＩＮ １７４７０に規格化されている。こうした規格は、表１からわかるように十分な互換性を有さない。Ｎｉ：３７、Ｃｒ：２０〜２１％、Ｓｉ：２％、残部がＦｅ、およびイットリウムを含む微量の希土類元素（Ｒ．Ｅ．として表す）の添加物を含む３７−２１合金などの、主題の変形形態を使用する市販の抵抗合金がいくつかある。
一般に、最高作動温度及び寿命は、Ｎｉ含有量の増加とともに増加するが、いくつかの他の元素もこうした特性に対して大きな影響を及ぼす。こうした合金はすべて、主としてＣｒ２Ｏ３から（Ｓｉが添加される場合はいくらかのＳｉＯ２からも）構成される保護酸化物層を形成する。希土類元素などのより少量の添加物がその酸化物層の特性をさらに向上させるために使用され、いくつかの特許により、良好な酸化寿命を有する材料を提供するための添加物が推奨されている。欧州特許第０５３１７７５号及び欧州特許第０３８６７３０号を参照されたい。
良好な耐酸化性に加えて、良好な熱間強度に対する要求も存在する。電気発熱体の場合、材料がその自重を支持し、従って作動温度においてその形状を維持するために十分な強度を有するならば、取付具及び支持装置の費用を低減することができる。
電気発熱体として使用するには、抵抗率が比較的大きく、室温から作動温度までの抵抗変化の比Ｃｔ＝Ｒｈｏｔ／Ｒｃｏｌｄの小さいことが、重要な要素である。一般に、Ｎｉ含有量が多いほど、抵抗率が大きく、Ｃｔ因子が小さくなる。
ＭｏやＷなどの元素を最大数重量％までのレベルで添加すると、高温における機械的特性が向上することは公知であるが、これらの元素は高価であり、従って価格が重要である応用分野においては望ましい添加物ではない。
広範囲の開路コイル型電気抵抗発熱体においては、ＮｉＣｒ６０／１５型及びＮｉＣｒ３０／２０型（ＤＩＮ）、又は６０Ｎｉ−１６Ｃｒ合金及び３５Ｎｉ−２０Ｃｒ合金（ＡＳＴＭ）が使用される。価格の点から、高価なＮｉ含有量がより小さいために、ＮｉＣｒ３０／２０型又はＮｉＣｒ３５／２０型が好ましい。ワット密度が大きく、従って発熱体温度が高い応用分野においては、この水準のＮｉを含有する合金の酸化寿命は、現在では不十分である。同時に、作動温度における機械的特性も許容限界内になければならない。
本発明の目的は、可能ならＮｉＣｒ３０／２０（すなわちＮｉ：３０重量％、Ｃｒ：２０重量％）に近い範囲のＮｉ含有量の有する価格の低廉さと、ＮｉＣｒ６０／１５などのＮｉ含有量のより高い合金の有する
ｉ）良好な高温形態安定性、
ｉｉ）耐酸化性、および
ｉｉｉ）比較的大きな電気抵抗及び小さな抵抗変化（Ｃｔ）
とを併せ持つ合金組成を見出すことである。
ｉ）良好な高温形態安定性、
ｉｉ）耐酸化性、および
ｉｉｉ）比較的大きな電気抵抗及び小さな抵抗変化（Ｃｔ）
とを併せ持つ合金組成を見出すことである。
本発明は、高温で使用するための合金に関し、合金が主としてＦｅ、Ｎｉ及びＣｒを含有し、合金が重量％で、
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： １８〜２４
Ｓｉ： １．０〜１．９
Ｃ： ＜０．１
である主組成を有し、Ｆｅが残部であることを特徴とする。
Ｃの含有量が０．１重量％未満であることは重要である。
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： １８〜２４
Ｓｉ： １．０〜１．９
Ｃ： ＜０．１
である主組成を有し、Ｆｅが残部であることを特徴とする。
Ｃの含有量が０．１重量％未満であることは重要である。
表２の化学組成を有する８個の試験溶融物を、標準的な方法により鋳込み、熱間圧延し、冷間で引き抜き、線材とした。
線材を螺旋状のコイルにし、試料ホルダに載せた。実験用の炉を使って９５０℃の高温で１６８時間それを暴露した。図１の配置に従ってマイクロメータ・ネジにより螺旋体の変形を測定した。
こうした製品は高温で作動するので、酸化寿命、特に繰り返し酸化寿命が重要な設計因子である。この特性を評価するために、繰り返し酸化試験を行った。電流を通して線材試料を加熱し、２分間入（オン）、２分間切（オフ）のサイクルにかけた。焼き切れる時間を記録し、結果を性能に従ってグループ分けした。
例えば吊り下げられたヒータ用コイルに作用する重力などの比較的小さい力をかけることによって生ずる変形性能と、高温での酸化性能とを併せ持たせることが本発明の目的である。
結果は、各元素の含有量だけでなく、さらに、基本元素であるニッケル、クロム及びケイ素の相対的な含有量も性能に対して驚くべき大きな影響を有することを示す。
本発明者らは今回、これらの元素間の関係が、一方で十分な変形性能、他方で適切な酸化性能を与える狭い範囲内になければならないことを見出した。この狭い組成範囲の中でのみ、実用上の問題を解決する最適な両立性が実現される。
本発明による合金は、主成分のＮｉが３８〜４８重量％であり、Ｃｒ量が、
Ｃｒ＝−０．１Ｎｉ＋２４よりも大きく、
Ｃｒ＝−０．１６６７Ｎｉ＋３０未満である。
Ｃｒ＝−０．１Ｎｉ＋２４よりも大きく、
Ｃｒ＝−０．１６６７Ｎｉ＋３０未満である。
同時にＳｉ量が、
Ｓｉ＝１．０よりも大きく、
Ｓｉ＝−０．０１Ｎｉ＋１．９未満である。
Ｓｉ＝１．０よりも大きく、
Ｓｉ＝−０．０１Ｎｉ＋１．９未満である。
図３では、上記のＳｉ含有量及びＣｒ含有量が線図によって示され、本発明による合金が本発明による合金と比較されている。
また本発明合金は、Ｎｉの置換体としてＣｏを最大５％含むことができ、Ｍｎを最大２％含むことができる。さらに本発明合金は、Ａｌを最大０．６％、好ましくは０．０３％を超えて含み、希土類元素、Ｙ及びＣａを合計量が最大０．２％含む。Ｃは、＜０．１％、Ｎは、最大０．１５％、好ましくは０．０３％を超える範囲でなければならない。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖなどの、窒化物及び炭化物を形成する元素を合計量が最大０．４％加えることができるが、本発明の利点を享受するのにそうする必要はない。残部は、鉄、並びに最大で合計量＜２％の、原料及び製造工程由来の様々な元素からなる。
本発明による合金の具体的な例は、重量％で、
Ｎｉ： ３９〜４１
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｎ： ０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含むものである。
Ｎｉ： ３９〜４１
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｎ： ０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含むものである。
本発明による合金の別の例では、Ｎｉ含有量がより大きいためにさらに酸化性能が改善されるが、その他の点でも同等の特性を有する。その合金は、
Ｎｉ： ４４〜４６
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
である。
Ｎｉ： ４４〜４６
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
である。
好ましい例は以下の通りであり、組成は重量％単位である。
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： −０．１Ｎｉ＋２３と、−０．２６６７Ｎｉ＋３６との間
Ｓｉ： ０．８と、−０．０１３３Ｎｉ＋２．２との間
残部がＦｅ
を含む合金。
Ｃｒ： −０．１Ｎｉ＋２３と、−０．２６６７Ｎｉ＋３６との間
Ｓｉ： ０．８と、−０．０１３３Ｎｉ＋２．２との間
残部がＦｅ
を含む合金。
Ｎｉ： ４０
Ｃｒ： ２１
Ｓｉ： １．２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０３
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む合金。
Ｃｒ： ２１
Ｓｉ： １．２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０３
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む合金。
Ｎｉ： ４５
Ｃｒ： ２１
Ｓｉ： １．２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０３
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む合金。
Ｃｒ： ２１
Ｓｉ： １．２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０３
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む合金。
好ましい別の合金は、
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： Ｃｒ＝−０．１Ｎｉ＋２４よりも大きく、Ｃｒ＝−０．１６６７Ｎｉ＋３０未満
Ｓｉ： Ｓｉ＝１．０よりも大きく、Ｓｉ＝−０．０１Ｎｉ＋１．９未満
Ｃ： ＜０．１
Ａｌ： 最大０．６
残部がＦｅ
を含む。
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： Ｃｒ＝−０．１Ｎｉ＋２４よりも大きく、Ｃｒ＝−０．１６６７Ｎｉ＋３０未満
Ｓｉ： Ｓｉ＝１．０よりも大きく、Ｓｉ＝−０．０１Ｎｉ＋１．９未満
Ｃ： ＜０．１
Ａｌ： 最大０．６
残部がＦｅ
を含む。
また本発明合金は、
Ｎｉの置換体としてＣｏを最大５％
Ｍｎ： 最大２
Ａｌ： 最大０．３
希土類元素、Ｙ及びＣａ： 合計で最大０．２％
Ｃ： ＜０．１
Ｎ： ＜０．１５
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ及びＶ： 合計で最大０．４
Ｓ： ＜５０重量ｐｐｍ
原料及び製造プロセス由来の様々な元素： 合計で最大＜２
残部がＦｅ
を含むことができる。
Ｎｉの置換体としてＣｏを最大５％
Ｍｎ： 最大２
Ａｌ： 最大０．３
希土類元素、Ｙ及びＣａ： 合計で最大０．２％
Ｃ： ＜０．１
Ｎ： ＜０．１５
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ及びＶ： 合計で最大０．４
Ｓ： ＜５０重量ｐｐｍ
原料及び製造プロセス由来の様々な元素： 合計で最大＜２
残部がＦｅ
を含むことができる。
別の例は、
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： １８〜２２
Ｓｉ： １．０〜１．５
Ａｌ： ＜０．６
Ｃ： ＜０．１の
Ｎ： ＜０．１５
Ｍｎ： ＜１の
Ｓ： ＜５０重量ｐｐｍの
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、希土類元素（ランタニド群）、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔａからなる群に属する元素： 合計で＜０．５
Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｗからなる群に属する元素： 合計で＜５
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ及びＶからなる群に属する元素： 合計で＜０．４
溶融プロセス中の不純物に由来する他の元素： ＜１
残部がＦｅ
である。
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： １８〜２２
Ｓｉ： １．０〜１．５
Ａｌ： ＜０．６
Ｃ： ＜０．１の
Ｎ： ＜０．１５
Ｍｎ： ＜１の
Ｓ： ＜５０重量ｐｐｍの
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、希土類元素（ランタニド群）、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔａからなる群に属する元素： 合計で＜０．５
Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｗからなる群に属する元素： 合計で＜５
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ及びＶからなる群に属する元素： 合計で＜０．４
溶融プロセス中の不純物に由来する他の元素： ＜１
残部がＦｅ
である。
好ましいさらなる例は、
Ｎｉ： ３９〜４１
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｍｎ： ０．５
Ｃ： ０．０２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む合金である。
Ｎｉ： ３９〜４１
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｍｎ： ０．５
Ｃ： ０．０２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む合金である。
また、本発明合金は、
Ｎｉ： ４４〜４６
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｍｎ： ０．５
Ｃ： ０．０２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む。
Ｎｉ： ４４〜４６
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｍｎ： ０．５
Ｃ： ０．０２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含む。
以下の表２は、市販の合金と本発明合金の比較である。
合金３５３ＭＡは、フィンランドのＯｕｔｏｋｏｍｐｏ Ｓｔａｓｉｎｌｅｓｓ社によって製造されている。合金Ｉｎｃｏｌｌｏｙは、米国のＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐ社によって製造されている。Ｈａｙｎｅｓは米国のＨａｙｎｅｓ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．社によって製造されている。Ｎｉｋｒｏｔｈａｌは出願人によって製造されている。
上記より明らかなとおり、本発明は、本明細書の冒頭の部分に記載した目的を実現するものである。
Claims (9)
- 高温で使用するための合金において、主としてＦｅ、Ｎｉ及びＣｒを含み、重量％で、
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： １８〜２４
Ｓｉ： １．０〜１．９
Ｃ： ＜０．１
である主組成を有し、残部がＦｅであることを特徴とする合金。 - 主としてＦｅ、Ｎｉ及びＣｒを含み、重量％で、
Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： １８〜２４
Ｓｉ： １．０〜１．９
Ｃ： ＜０．１
Ｍｎ： ２未満
Ａｌ、Ｃ、Ｃａ、Ｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｅ及び希土類元素： 合計で約７未満
残部がＦｅ
である主組成を有することを特徴とする、請求項１に記載された合金。 - Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： −０．１Ｎｉ＋２３と−０．２６６７Ｎｉ＋３６との間
Ｓｉ： ０．８と−０．０１３３Ｎｉ＋２．２との間
Ｃ： ＜０．１
を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載された合金。 - Ｎｉ： ３９〜４１
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された合金。 - Ｎｉ： ４４〜４６
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
Ｃ： ＜０．１
不純物： 最大２％
残部がＦｅ
を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された合金。 - Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： −０．１Ｎｉ＋２４と−０．１６６７Ｎｉ＋３０との間
Ｓｉ： １．０と−０．０１Ｎｉ＋１．９との間
を含み、
Ｎｉの置換体としてＣｏを最大５重量％含み、
さらに、
Ｍｎ： 最大２
Ａｌ： 最大０．６
希土類元素、Ｙ及びＣａ： 合計で最大０．２％
Ｃ： ＜０．１
Ｎ： ＜０．１５
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ及びＶ： 合計で最大０．４
Ｓ： ＜５０重量ｐｐｍ
他の元素： 合計で＜２
を含み、
残部がＦｅであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載された合金。 - Ｎｉ： ３８〜４８
Ｃｒ： １８〜２２
Ｓｉ： １．０〜１．５
Ａｌ： ＜０．６
Ｃ： ＜０．１
Ｎ： ＜０．１５
Ｍｎ： ＜１
Ｓ： ＜５０重量ｐｐｍ
を含み、さらに、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、希土類元素（ランタニド群）、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔａからなる群に属する元素： 合計で０．５未満、
Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｗからなる群に属する元素： 合計で５未満、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖからなる群に属する元素： 合計で０．４未満を含み、
他の元素の合計が２未満であり、
残部がＦｅであることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項６に記載された合金。 - Ｎｉ： ３９〜４１
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｃ： ０．０２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
不純物： 最大２％
を含み、
残部がＦｅであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項６及び請求項７に記載された合金。 - Ｎｉ： ４４〜４６
Ｃｒ： ２０〜２２
Ｓｉ： １〜１．５
Ｃ： ０．０２
Ｎ： ＜０．１５
Ｃｅ： ０．０１〜０．０４
不純物： 最大２％
を含み、
残部がＦｅであることを特徴とする、請求項１、請求項２、及び請求項６に記載された合金。
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