JP2009504921A - 複合材料 - Google Patents
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Abstract
腐食環境中で用いる部品用の複合材料であって、耐食部材（１）と荷重負担部材（２）とを備え、これらの部材（１、２）は相互に隣接し、耐食部材（１）は銅−アルミニウム合金（Ｃｕ／Ａｌ）であり、荷重負担部材（２）は鉄（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、またはコバルト（Ｃｏ）基合金である複合材料において、
拡散障壁（３）が耐食部材（１）と荷重負担部材（２）との間に介在しており、該拡散障壁（３）はクロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）、または合金成分としてクロム（Ｃｒ）または炭素（Ｃ）のうちの1種を含有する鉄（Ｆｅ）、のうちの1種を含有することを特徴とする複合材料。
拡散障壁（３）が耐食部材（１）と荷重負担部材（２）との間に介在しており、該拡散障壁（３）はクロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）、または合金成分としてクロム（Ｃｒ）または炭素（Ｃ）のうちの1種を含有する鉄（Ｆｅ）、のうちの1種を含有することを特徴とする複合材料。
Description
本発明は、荷重負担部材と耐食部材とを備えた複合材料に関する。
上記の複合材料の代表的な用途は複合管（チューブ、パイプ）である。国際公開公報ＷＯ２００５／０２１２５５には、石油化学工業を初めとする種々の工業分野における多種多様な腐食の問題と種々の構造の複合管が記載されている。
上記の国際公開公報によれば、上記の問題は耐食部材と荷重負担部材とを備えた複合管を用いることにより解決される。耐食部材は銅−アルミニウム合金から成り、肉厚が０．５ｍｍ以上である。荷重負担部分は鉄基合金、ニッケル基合金、またはコバルト基合金から成り、肉厚が１ｍｍ以上である。この形態の複合管は、押出し、圧延、溶接などといった従来の方法で製造できる。この形態の複合管は、いわゆるメタルダスティング、浸炭、復炭といった激しい腐食の危険性がある環境で用いるためのものである。
しかし、この形態の複合管でも長期間のうちには問題が生ずる。一つは管の耐食性が低下してくることであり、もう一点は荷重負担部材の機械的強度も落ちてくることである。更に、時間経過に伴って二つの部材間の接合強度も落ちてくる。
本発明は、上記の諸問題を解決する。しかし本発明は、上記の環境で管以外の用途にも用いることができる。すなわち、本発明は複合管に限定することなく、平坦な製品や、それ以外の種々の形状にも適用できる。
本発明は、腐食環境中で用いる部品用の複合材料であって、耐食部材と荷重負担部材とを備え、これらの部材は相互に隣接し、耐食部材は銅−アルミニウム合金（Ｃｕ／Ａｌ）であり、荷重負担部材は鉄（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、またはコバルト（Ｃｏ）基合金である複合材料において、
拡散障壁が耐食部材と荷重負担部材との間に介在しており、該拡散障壁はクロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）、または合金成分としてクロム（Ｃｒ）または炭素（Ｃ）のうちの1種を含有する鉄（Ｆｅ）、のうちの1種を含有することを特徴とする複合材料に関する。
拡散障壁が耐食部材と荷重負担部材との間に介在しており、該拡散障壁はクロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）、または合金成分としてクロム（Ｃｒ）または炭素（Ｃ）のうちの1種を含有する鉄（Ｆｅ）、のうちの1種を含有することを特徴とする複合材料に関する。
添付図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
本発明は、腐食環境中で用いる部品用の複合材料であって、耐食部材と荷重負担部材とを備え、これらの部材は相互に隣接している。耐食部材は銅−アルミニウム合金から成り、荷重負担部材は鉄（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、またはコバルト（Ｃｏ）基合金である。
本発明の特徴として、拡散障壁が耐食部材と荷重負担部材との間に介在しており、該拡散障壁はクロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）、または合金成分としてクロム（Ｃｒ）または炭素（Ｃ）のうちの1種を含有する鉄（Ｆｅ）、のうちの1種を含有する。
拡散障壁は実質的に、純鉄または純クロムで構成し得る。あるいは、拡散障壁は、合金成分としてクロムまたは炭素を含有する鉄を含んでいても良い。
以下においては、拡散障壁が合金成分としてクロムまたは炭素を含有する場合を説明する。
図1に、管（チューブ）４の形態の本発明の複合材料を模式的に示す。図２に、平坦な構成要素の形態の本発明の複合材料を模式的に示す。これらの図は特定の寸法関係を示すものではない。
いずれの図においても、耐食部材を１、荷重負担部材を２、拡散障壁を３でそれぞれ示す。ただし本発明はこれら図示した形態に限定されない。本発明は全ての形態に適用でき、どのような形態の構成要素でも全体を本発明の複合材料で形成することもできる。
本発明によれば、４００〜５００℃を超える温度で銅が荷重負担部材へ拡散する程度を制限することができる。この拡散は荷重負担部材の機械的な強度を低下させる。更に、両部材の接合部へのＡｌおよびＮiの拡散も制限される。ＮｉＡｌは脆い接合部を形成して接合部全体を覆う。拡散障壁が無いと、ＣｕはＮｉＡｌ中への溶解度を持つため、ＮｉＡｌ中のＣｕ濃化フェライトが荷重負担部材から分離することによって、更に脆化する。
また、拡散障壁が無いと、ＮｉがＣｕ−Ａｌ合金すなわち耐食部材中に拡散して、耐食部材の表面に到達し、耐食性を低下させる。
これに対して本発明においては、耐食用Ｃｕ−Ａｌ合金と、荷重負担用合金成分Ｎｉ／Ｃｕを含有するＦｅ基合金、Ｎｉ基合金、またはＣｒ基合金との間に、Ｆｅ基合金を拡散障壁として介在させた。
拡散障壁は相対的に薄い。
望ましい一実施形態においては、拡散障壁は厚さ１０μｍ以上である。
また、拡散障壁の厚さは複合材料の総厚さの概略２５％以下である。総厚さは通常は１〜１０ｍｍであるが、１ｍであってもよい。望ましくは、拡散障壁の厚さは２〜３ｍｍを超えない。これ以上厚くしても効果は増加しない。
複合材料の耐食部材は、所期の目的および所望の寿命を達成するのに十分な厚さとする。ただしこの厚さは１０ｍｍ以下とすることが望ましい。
荷重負担部材の厚さは、用途に応じて負荷される応力によって決まる。
本発明の複合材料は、前述の環境中で用途に応じて４００〜６００℃を超える温度で有用であり、用途に応じて８５０〜１０００℃に達する温度で機能する。
拡散障壁の機能は下記のとおりである。すなわち、ＣｕはＦｅ中の溶解度が低いため、荷重負担部材へのＣｕの拡散は非常に少ない。
Ａｌについては、周縁部への拡散防止効果が得られる。
合金成分としてのクロムおよび炭素については、拡散障壁にはどちらの成分も含まれていない。
Ｃｒは、Ｆｅ中へのＣｕの溶解度を低下させる。Ｃｒはまた、広い温度範囲に亘って拡散障壁をフェライト化する。Ｃｒ含有量を１３％以上とすると、全温度範囲で合金はフェライト化する。フェライトＦｅはオーステナイトＦｅよりもＣｕの溶解度が低い。
また、フェライト中のＮｉおよびＣｏの溶解度は低いため、拡散速度も遅い。
ＣｒはＮｉの溶解度を低下させ、これによりフェライトが安定化することでフェライトが安定な温度範囲が高まり、同時に、Ｃｒ含有量の増加は直接的にフェライト中のＮｉの溶解度を低下させる。
ＣｒはＡｌの溶解度も低下させると考えられる。
本発明の１つの望ましい実施形態においては、合金成分としてのクロムの含有量は１〜３０wt％の範囲内である。
合金成分としてのＣの作用は、拡散障壁がオーステナイトに維持される温度領域を高め、特に約７３２℃以上とすることである。Ａｌは、Ｎｉを含まないオーステナイト中の溶解度は低く、また、オーステナイト中ではフェライト中よりも拡散速度が大幅に遅い。
本発明の１つの望ましい実施形態においては、合金成分としての炭素の含有量は、使用温度で鉄をオーステナイトに維持する量である。
オーステナイトの拡散障壁による利点の一つとして、拡散障壁がフェライトである場合に比べて熱膨張の差が小さい。
本発明の１つの望ましい実施形態においては、耐食部材は下記の化学組成（wt％）を有する。
Ａｌ ２〜２０
Ｓｉ ０を超え６以下
Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｍｎ ０〜２０
土類 ０〜３
残部：Ｃｕおよび通常存在する合金元素および汚染物質。
Ｓｉ ０を超え６以下
Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｍｎ ０〜２０
土類 ０〜３
残部：Ｃｕおよび通常存在する合金元素および汚染物質。
本発明の他の望ましい実施形態においては、荷重負担部材は下記の化学組成（wt％）を有する。
Ｆｅ ３〜７５％
Ｎｉ ３〜７５％
Ｃｒ １５〜３５％
更に他の合金成分を含有していても良い。
Ｎｉ ３〜７５％
Ｃｒ １５〜３５％
更に他の合金成分を含有していても良い。
図３および図４は、拡散障壁の有る場合と無い場合について、それぞれ図３がアルミニウムの拡散の例を示し、図４が銅の拡散の例を示す。各図において、上側の曲線は拡散障壁の無い場合のＡｌ含有量およびＣｕ含有量を示し、下側の曲線は拡散障壁が有る場合のＡｌ含有量およびＣｕ含有量を示す。
図３および図４の各曲線は、長さ９００μｍの直線に沿って測定したＥＤＸ掃引（エネルギー分散型X線分析掃引）の結果である。各サンプルは９００℃で２００時間の焼鈍を施した。
いずれの図においても、鉛直線６は、耐食部材（左側）と荷重負担部材（右側）との最初の界面を示す。いずれも荷重負担部材の化学組成（wt％）は下記のとおりであった。
Ｎｉ ６０％
Ｃｒ ３０％
Ｆｅ １０％
この組成の標準表記はＵＮＳ ＮＯ６６９０である。
Ｃｒ ３０％
Ｆｅ １０％
この組成の標準表記はＵＮＳ ＮＯ６６９０である。
耐食部材の化学組成（wt％）は下記のとおりであった。
Ａｌ １０．５％
Ｆｅ ３．５％
Ｓｉ ０．０４％
Ｃｕ 残部
少量のＲＥＭを含有していても良い。
Ｆｅ ３．５％
Ｓｉ ０．０４％
Ｃｕ 残部
少量のＲＥＭを含有していても良い。
拡散障壁は純Ｆｅであった。拡散障壁の位置を長方形７で示してある。
図３および図４から分かるように、拡散障壁によってＡｌおよびＣｕの拡散が大幅に低減された。
幾つかの実施例により本発明を説明したが、２つの部材も拡散障壁も他の合金成分を低濃度で含んでいて良い。
本発明は、上記の実施例に限定されず、特許請求の範囲の範囲内で種々の改変が可能である。
Claims (7)
- 腐食環境中で用いる部品用の複合材料であって、耐食部材（１）と荷重負担部材（２）とを備え、これらの部材（１、２）は相互に隣接し、耐食部材（１）は銅−アルミニウム合金（Ｃｕ／Ａｌ）であり、荷重負担部材（２）は鉄（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、またはコバルト（Ｃｏ）基合金である複合材料において、
拡散障壁（３）が耐食部材（１）と荷重負担部材（２）との間に介在しており、該拡散障壁（３）はクロム（Ｃｒ）、または鉄（Ｆｅ）、または合金成分としてクロム（Ｃｒ）または炭素（Ｃ）のうちの1種を含有する鉄（Ｆｅ）、のうちの1種を含有することを特徴とする複合材料。 - 請求項１に記載の複合材料において、拡散障壁（３）が上記合金成分としての炭素を含有する鉄を含み、該炭素の含有量は該鉄を使用温度でオーステナイトに維持する量であることを特徴とする複合材料。
- 請求項１に記載の複合材料において、拡散障壁（３）が上記合金成分としてクロムを含有する鉄を含み、該クロムの含有量は１〜３０wt％であることを特徴とする複合材料。
- 請求項１から３までのいずれか１項に記載の複合材料において、拡散障壁（３）の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする複合材料。
- 請求項１から４までのいずれか１項に記載の複合材料において、拡散障壁（３）の厚さが複合材料の全厚の概略２５％以下であることを特徴とする複合材料。
- 請求項１から５までのいずれか１項に記載の複合材料において、耐食部材（１）が、wt％で下記組成：
Ａｌ ２〜２０、
Ｓｉ ０より大で６以下、
Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｍｎ ０〜２０、
土類金属 ０〜３、
残部：Ｃｕおよび通常存在する合金元素および汚染物質、
を有することを特徴とする複合材料。 - 請求項１から６までのいずれか１項に記載の複合材料において、荷重負担部材（２）が、wt％で下記組成：
Ｆｅ ３〜７５％、
Ｎｉ ８〜７５％、
Ｃｒ １５〜３５％
を有することを特徴とする複合材料。
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