JP2010065321A - ＦｅＣｒＡｌ材料の製造方法及びその材料 - Google Patents

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Abstract

【課題】チタンを含むＦｅＣｒＡｌ材料を噴霧化によって製造する方法を提供する。
【解決手段】ガス噴霧化によるＦｅＣｒＡｌ材料の製造方法であって、その材料は、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）に加えて、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の１つ以上を微量割合で含んでいる。本発明は、噴霧化される溶融体が、０．０５〜０．５０重量パーセントのタンタル（Ｔａ）と、０．１０重量パーセント未満のチタン（Ｔｉ）とを含んでいることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＦｅＣｒＡｌ材料の製造方法及びかかる材料に関する。
通常、鉄、１２〜２５％のＣｒ及び３〜７％のＡｌを含む従来の鉄系合金（所謂ＦｅＣｒＡｌ合金）は、その優れた耐酸化性により、各種の高温用途に高い有用性が認められている。従って、かかる材料は、電気抵抗素子の製造に用いられ、また自動車両の触媒において担体材料として使用されている。そのアルミニウム含量のため、この合金は、高温且つ殆どの環境下で、実質的にＡｌ2Ｏ3からなる不浸透性で接着性の表面酸化物を形成することができる。この酸化物が金属の更なる酸化を防ぎ、また、浸炭、硫化等のような多くの他の形態の腐食を防ぐ。
純粋なＦｅＣｒＡｌ合金は、高温における機械強度が比較的低いという特徴がある。そのような合金は高温において比較的弱く、かかる合金を比較的長時間高温にした後に低温にすると、金属性結晶の寸法が増大するため脆くなる傾向がある。かかる合金の高温強度を改善する１つの方法は、合金中に非金属の異物を含有させることであり、それとともに析出硬化の効果が得られる。
前記異物を加える１つの周知方法として、所謂、機械的合金化プロセスが挙げられ、そのプロセスでは成分を固相で混合する。このプロセスにおいては、酸化物の細粉、通常Ｙ2Ｏ3と、ＦｅＣｒＡｌの組成を有する金属粉との混合物を、均質な構造が得られるまで、長時間高エネルギー粉砕器中で粉砕する。
粉砕により粉体が得られ、その後、例えば熱間押出し又は熱間等静圧圧縮成形によって固められ、完全に堅い製品を形成する。
Ｙ2Ｏ3は熱力学的な側面からは高度に安定な酸化物と考えられるが、特有の環境下において、イットリウムの微粒子は変形でき又は金属マトリックス中に溶解できる。
機械的合金化プロセス中でイットリウム粒子はアルミニウム及び酸素と反応し、それによって異なった種類のＹ−Ａｌ酸化物を形成する。これらの混合酸化物異物の組成は変化し、長時間の使用中に周囲のマトリックスの変化によってその安定性は低下する。
Ｙ2Ｏ3及び１２％のＣｒを含む機械的に合金化された材料にチタンの形態で強力な酸化物形成元素を添加すると、複合（Ｙ＋Ｔｉ）酸化物の分離が生じ、チタンを含まない材料よりも機械的強度の大きい材料が得られる。モリブデンの添加によって、高温における強度はさらに改善される。
このように、機械的合金化プロセスによって優れた強度特性の材料が得られる。
しかしながら、機械的合金化には複数の欠点がある。機械的合金化は高エネルギー粉砕器中においてバッチ方式で行われ、この高エネルギー粉砕器中で成分を混合し、均一な混合物を得る。バッチの大きさは比較的制限されており、粉砕プロセスは終了するまでにかなりの長時間を要する。粉砕プロセスにはエネルギーが必要である。機械的合金化の決定的な欠点はコストが高いことである。
高エネルギーである粉砕を必要とすることなく、微粒子と合金化したＦｅＣｒＡｌ材料を製造できる方法は、コスト面から非常に有益である。
仮に、ガス噴霧化によって材料を製造すること、すなわち後に圧縮される微粉の製造が可能となれば有利である。このプロセスは粉砕による粉体の製造よりもコストがかからない。急速な固化プロセスに伴って、非常に小さな炭化物と窒化物が凝結するが、かかる炭化物及び窒化物が好ましい。
しかしながら、チタンは、ＦｅＣｒＡｌ材料を噴霧化する時に深刻な問題を構成する。この問題とは、主としてＴｉＮとＴｉＣとの微粒子が、噴霧化に先立って溶融体中に形成されることである。これらの粒子は耐火材料上で固着する傾向がある。溶融体は噴霧化に先立って比較的細いセラミックのノズルを通過するので、これらの粒子はノズルに固着し、次第に蓄積する。これがノズルの閉塞を引き起こし、それとともに噴霧化プロセスの中断が必要になる。製造でのそのような中断はコストが高くつき、面倒である。その結果、実際に、チタンを含むＦｅＣｒＡｌ材料が噴霧化によって製造されることはない。
本発明はこの問題を解決し、ＦｅＣｒＡｌ材料を噴霧化によって製造できる方法に関する。
従って、本発明は、ガス噴霧化によってＦｅＣｒＡｌ材料を製造する方法であって、前記材料が鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）に加えて、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の1つ以上を微量割合で含み、然も、噴霧化される溶融体が、０．０５〜０．５０重量パーセントのタンタル（Ｔａ）と、０．１０重量パーセント未満のチタン（Ｔｉ）を含むことを特徴としている。
本発明は、また請求項６に規定され、該請求項で記載した本質的特徴を有する種類の材料に関する。
本発明はガス噴霧化によってＦｅＣｒＡｌ材料を製造する方法に関する。ＦｅＣｒＡｌ材料は、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）に加えて、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の1つ以上を微量割合で含んでいる。
本発明によれば、噴霧化される溶融体は０．０５〜０．５０重量パーセントのタンタル（Ｔａ）と、０．１０重量パーセント未満のチタン（Ｔｉ）とを含んでいる。
ノズルの閉塞を引き起こす量のＴｉＣ及びＴｉＮが形成されないため、タンタルは、チタンを同時に使用する際に得られる強度特性に匹敵する強度特性を与えることが見出された。このことは、溶融体が０．１０重量パーセントのチタンを含む時でさえも当てはまる。
このように、チタン量の少なくとも一部分に代わってタンタルを用いることで、ガス噴霧化によって当該材料を製造することが可能となる。
噴霧化ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を使用することは一般的であり、また可能である。しかし、アルゴンの一部は、粉体粒の接触しやすく且つ有効な表面に、また、粉体粒中の孔に吸着される。続いて行われる製品の熱固化と熱加工に伴い、アルゴンは高圧下で微小欠陥中に集まる。これらの欠陥は、その後の低圧、高温下での使用の際に膨張して孔を形成し、それによって製品の強度が損なわれる。
窒素はアルゴンよりも金属への溶解度が大きく、また窒素は窒化物を形成できるので、窒素ガスによって噴霧化される粉体の挙動は、アルゴンを使用する場合と異なる。純粋な窒素ガスで噴霧化する時は、アルミニウムがガスと反応し、粉体粒表面に顕著なニトロ化を生じる。このニトロ化によって熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）に伴って粉体粒間に結合を形成させることが困難になり、得られた空隙の熱加工又は熱処理が困難になる。更に、個々の粉体粒は顕著にニトロ化されるのでアルミニウムの大部分が窒化物として結合してしまう。このような粒子は、保護酸化物を形成することができない。その結果、これらの粒子が最終製品の表面近くにある場合は、酸化物の形成を妨げることができる。
窒素ガスに制御された量の酸素ガスを供給すると、粉体表面の若干の酸化が得られるが、一方ではニトロ化がかなり低減することが見出されている。酸化物妨害のリスクもまた非常に低減される。
その結果、非常に好ましい１つの実施形態によれば、窒素ガス（Ｎ2）が噴霧化ガスとして使用される。そして、ここに酸素ガスを、噴霧化粉体の窒素含量が０．０１〜０．０６重量パーセントであるとき、噴霧化粉体が０．０２〜０．１０重量パーセントの酸素（Ｏ）を含むことになるような量で加える。
１つの好ましい実施形態によれば、溶融体を、噴霧化後に得られる粉体が重量パーセントで以下の組成を有するような組成にする。
Ｆｅ バランス量，
Ｃｒ １５〜２５，
Ａｌ ３〜７，
Ｍｏ ０〜５，
Ｙ ０．０５〜０．６０，
Ｚｒ ０．０１〜０．３０，
Ｈｆ ０．０５〜０．５０，
Ｔａ ０．０５〜０．５０，
Ｔｉ ０〜０．１０，
Ｃ ０．０１〜０．０５，
Ｎ ０．０１〜０．０６，
Ｏ ０．０２〜０．１０，
Ｓｉ ０．１０〜０．７０，
Ｍｎ ０．０５〜０．５０，
Ｐ ０〜０．８，
Ｓ ０〜０．００５。
特に好ましい１つの実施の形態によると、溶融体を、噴霧化後に得られる粉体が重量パーセントでおおよそ以下の組成を有するような組成にする。
Ｆｅ バランス量，
Ｃｒ ２１，
Ａｌ ４．７，
Ｍｏ ３，
Ｙ ０．２，
Ｚｒ ０．１，
Ｈｆ ０．２，
Ｔａ ０．２，
Ｔｉ ０．０５未満，
Ｃ ０．０３，
Ｎ ０．０４，
Ｏ ０．０６，
Ｓｉ ０．４，
Ｍｎ ０．１５，
Ｐ ０．０２未満，
Ｓ ０．００１未満。
熱処理後、材料のクリープ強度又は耐クリープ性は、イットリウムとタンタルの酸化物の存在及びハフニウムとジルコニウムの炭化物によって大きな影響を受ける。
好ましい実施形態の１つによれば、式（（３×Ｙ＋Ｔａ）×Ｏ）＋（（２×Ｚｒ＋Ｈｆ）×（Ｎ＋Ｃ））の値（式中、元素は、溶融体中の各元素の重量パーセントでの量に置き換えられる）が、０．０４を超え、且つ０．３５未満である。
本発明について多数の具体的実施形態を参照して記載してきたが、満足な材料が得られる限りにおいて材料の組成をある程度変更できるということを理解すべきである。
従って、本発明は、請求の範囲に記載された範囲内で多様な変更が可能であり、上記した実施形態に限定されるものではない。

Claims (9)

  1. ガス噴霧化によるＦｅＣｒＡｌ材料の製造方法であって、前記材料が、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）に加えて、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の１つ以上を微量割合で含み、然も、噴霧化される溶融体が０．０５〜０．５０重量パーセントのタンタル（Ｔａ）と、０．１０重量パーセント未満のチタン（Ｔｉ）とを含むことを特徴とする、前記方法。
  2. 噴霧化ガスとして窒素ガス（Ｎ2）を使用し、噴霧化ガスに一定量の酸素ガス（Ｏ2）を加えることを特徴とする請求項１記載の方法であって、前記酸素ガスの量を、噴霧化粉体の窒素含量が０．０１〜０．０６重量パーセントであるとき、噴霧化粉体が０．０２〜０．１０重量パーセントの酸素（Ｏ）を含むような量にする、前記方法。
  3. 溶融体の組成を、噴霧化後に得られる粉体が重量パーセントで以下の組成を有するような組成にすることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
    Ｆｅ バランス量，
    Ｃｒ １５〜２５，
    Ａｌ ３〜７，
    Ｍｏ ０〜５，
    Ｙ ０．０５〜０．６０，
    Ｚｒ ０．０１〜０．３０，
    Ｈｆ ０．０５〜０．５０，
    Ｔａ ０．０５〜０．５０，
    Ｔｉ ０〜０．１０，
    Ｃ ０．０１〜０．０５，
    Ｎ ０．０１〜０．０６，
    Ｏ ０．０２〜０．１０，
    Ｓｉ ０．１０〜０．７０，
    Ｍｎ ０．０５〜０．５０，
    Ｐ ０〜０．８，
    Ｓ ０〜０．００５
  4. 溶融体の組成を、噴霧化後に得られる粉体が重量パーセントでおおよそ以下の組成を有するような組成にすることを特徴とする、請求項３記載の方法。
    Ｆｅ バランス量，
    Ｃｒ ２１，
    Ａｌ ４．７，
    Ｍｏ ３，
    Ｙ ０．２，
    Ｚｒ ０．１，
    Ｈｆ ０．２，
    Ｔａ ０．２，
    Ｔｉ ０．０５未満，
    Ｃ ０．０３，
    Ｎ ０．０４，
    Ｏ ０．０６，
    Ｓｉ ０．４，
    Ｍｎ ０．１５，
    Ｐ ０．０２未満，
    Ｓ ０．００１未満
  5. 式（（３×Ｙ＋Ｔａ）×Ｏ）＋（（２×Ｚｒ＋Ｈｆ）×（Ｎ＋Ｃ））の値（式中、元素は溶融体中の重量パーセントで表わされている）が０．０４を超え且つ０．３５未満であることを特徴とする、請求項１、２、３又は４の方法。
  6. ガス噴霧化によって製造される粉体冶金ＦｅＣｒＡｌ合金からなる高温材料であって、その材料が鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）に加えて、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の１つ以上を微量割合で含み、然も、その材料が０．０５〜０．５０重量パーセントのタンタル（Ｔａ）と、０．１０重量パーセント未満のチタン（Ｔｉ）とを含むことを特徴とする、前記高温材料。
  7. ガス噴霧化によって得られる粉体が重量パーセントで以下の組成を有することを特徴とする、請求項６記載の高温材料。
    Ｆｅ バランス量，
    Ｃｒ １５〜２５，
    Ａｌ ３〜７，
    Ｍｏ ０〜５，
    Ｙ ０．０５〜０．６０，
    Ｚｒ ０．０１〜０．３０，
    Ｈｆ ０．０５〜０．５０，
    Ｔａ ０．０５〜０．５０，
    Ｔｉ ０〜０．１０，
    Ｃ ０．０１〜０．０５，
    Ｎ ０．０１〜０．０６，
    Ｏ ０．０２〜０．１０，
    Ｓｉ ０．１０〜０．７０，
    Ｍｎ ０．０５〜０．５０，
    Ｐ ０〜０．０８，
    Ｓ ０〜０．００５
  8. ガス噴霧化によって得られる粉体が重量パーセントでおおよそ以下の組成を有することを特徴とする、請求項７記載の高温材料。
    Ｆｅ バランス量，
    Ｃｒ ２１，
    Ａｌ ４．７，
    Ｍｏ ３，
    Ｙ ０．２，
    Ｚｒ ０．１，
    Ｈｆ ０．２，
    Ｔａ ０．２，
    Ｔｉ ０．０５未満，
    Ｃ ０．０３，
    Ｎ ０．０４，
    Ｏ ０．０６，
    Ｓｉ ０．４，
    Ｍｎ ０．１５，
    Ｐ ０．０２未満，
    Ｓ ０．００１未満
  9. 式（（３×Ｙ＋Ｔａ）×Ｏ）＋（（２×Ｚｒ＋Ｈｆ）×（Ｎ＋Ｃ））の値（式中、元素は溶融体中の重量パーセントで表わされている）が０．０４を超え且つ０．３５未満であることを特徴とする、請求項６、７又は８の高温材料。
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