JP2959092B2 - 耐食耐熱性金属複合材とその製造方法 - Google Patents

耐食耐熱性金属複合材とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本発明は、耐食性と耐熱性とをあわせ有する金属複合
材と、その製造方法に関する。
【従来の技術】
高温かつ腐食性の雰囲気中で使用する機器を構成する
材料、たとえば反応器の内張板、自動車排気ガス淨化装
置の触媒担体用素材、あるいは電熱線などの材料として
は、それぞれに所要の耐食性と耐熱性とをあわせもった
合金が使用されている。 しかし、耐食耐熱性の合金は一般に加工性が低いこと
と、耐食性は主として表面の問題であることから、加工
性のよい素材を基材に使用してその表面に耐食性をもっ
た材料を組み合わせた複合材料や、基材の表面に耐食性
を向上させる処理を施した材料が種々提案されている。 自動車の排ガス淨化装置に用いる触媒担体用メタルハ
ニカム素材に例をとると、発明者らは、15Cr−3Al−Fe
(いわゆるエレマン鋼)を基本組成とする合金の板にAl
箔をクラッドし、圧延、真空焼鈍および酸化性雰囲気中
での加熱を行なうことにより、表面のAlを酸化してAl2O
3に変え、耐食性を高めた材料を発明した。エレマン鋼
は加工性がよく、その表面の耐食性をAl2O3生成で高め
ることにより、任意の形状の耐食耐熱性部品を製作する
ことが可能になった。この材料は、すでに開示した(特
願平2−192090)。 ところが、上記の発明の耐食耐熱材料を高温で長期使
用したとき、時々孔食の発生が観察された。その原因
は、表面のAl2O3がウイスカーの形で成長しているた
め、基材に対する付着性は良好であるが、表面方向の組
織の強さは全面的に高いとは限らないことにあると考え
られる。 発明者らはまた、NiまたはNi−Cr合金のヒーター材の
高温耐食性を向上する方策として、その表面にAl箔をク
ラッドして前記と同様に真空焼鈍および酸化性雰囲気中
の加熱を行ない、Al2O3を生成させる技術を確立して、
これもすでに提案した(特願平2−148158)。このヒー
ター材は耐久性が高い。その理由は、クラッドしたAlと
基材のNiとの間で、熱処理により金属間化合物Ni3Al
(一部NiAlも)が生成し、これが強固に基材を被覆する
ためであると理解できる。
【発明が解決すべき課題】
本発明の目的は、上記したNi3Al(および/NiAl)のよ
うな金属間化合物の生成を利用して、Al2O3被覆により
高温耐食性を向上させた材料の耐久性を改善した金属複
合材を提供すること、ならびにそのような耐食耐熱性を
もつ金属板および金属線の製造方法を提供することにあ
る。
【課題を解決するための手段】
本発明の耐食耐熱性金属複合材は、板材の場合は第3
図に、また線材の場合は第6図にそれぞれ概念的に示す
ように、基材金属(1)の少なくとも一部の面(第3図
の例では板の片側)を、金属間化合物NiAl(またはNbA
l)の層(4)および(または)Ni3Al(またはNb3Al)
の層(5)を介して、Al2O3の層で被覆してなる。 基材金属は、使用温度において必要とされる耐熱性を
有する限り任意であるから、いわゆる耐熱鋼に限らず炭
素鋼、ステンレス鋼そのほか広い範囲から選択すること
ができる。 本発明の耐食耐熱性金属複合板材の製造方法は、第1
図に示すように、基材金属(1)の少なくとも一部の面
(図示した例では板の上面だけ)に、Alシート(3)お
よびNi(またはNb)シート(2A)を、後者を中間にして
クラッドして第2図に示すようなクラッド材とし、これ
を真空焼鈍および酸化性雰囲気中で加熱して、Al層(3
B)とNi(またはNb)層(3B)との間に、第3図に示す
ように、金属間化合物Ni3Al(またはNb3Al)の層(4)
および(または)NiAl(またはNbAl)の層(5)を形成
させるととに、表面にAl2O3の層(6)を生成させるこ
とからなる。 Alシート(3A)とNi(またはNb)シート(2B)とは、
基材金属板(1)へのクラッドに先立って、第1図にみ
るように合せ板としておくと好都合である。この場合、
合せ板は、厚さが0.1〜1.0mm、その中のAl部分の厚さは
0.001〜0.5mmが適当である。もちろん、NiとAlまたはNb
を個々に積層しても、また基材金属(1)に先にNi(ま
たはNb)シート(2A)をクラッドしておいて、その上に
Alシート(3A)をクラッドしてもよい。 真空焼鈍は、400〜650℃×1〜200分間、代表的には6
00℃×2分間行なう。これにより、圧延により生じた加
工硬化が消滅し、基材金属とNi層またはNb層との間、お
よびNi層またはNb層とAl層との間で、相互に拡散が進行
する。 酸化性雰囲気中での加熱は、大気中、600〜1200℃×
1〜1200分間、代表的には900℃×2分間の条件で行な
うのが適当である。 本発明の耐食耐熱性金属複合線材の製造方法は、第4
図に示すように、基材金属線(1)の表面を、Alチュー
ブ(3E)およびNi(またはNb)チューブ(2E)で、後者
を中間にして被覆し伸線加工によりクラッドして第5図
に示すようなクラッド材とし、これを真空焼鈍および酸
化性雰囲気中で加熱して、Al層(3F)とNi(またはNb)
層(2F)との間に、第6図に示すように、金属間化合物
Ni3Al(またはNb3Al)の層(4)および(または)NiAl
(またはNbAl)の層(5)を形成させるとともに、表面
にAl2O3の層(6)を生成させることからなる。 線材の製造における代表的な例では、基材金属棒の径
が10mm内外で、これを被覆するAlチューブおよびNiチュ
ーブ(またはNbチューブ)の厚さは、板材の場合と同様
に0.1〜1.0mmでよく、これらに対し減面率30〜50%の引
抜きを数パス行なう伸線加工により、径0.5〜3mmのクラ
ッド材を得る。 真空焼鈍および酸化性雰囲気中での加熱は、板材につ
いて示したものと同じ条件で行なえばよい。 なお、線材は第6図のような円形断面のものに限ら
ず、正方形や長方形そのほかの断面形状のものも製造可
能である。たとえば第7図に示すような断面形状のクラ
ッド材は、孔型ロールを用いた圧延により得、さらにロ
ール圧延してシートに近い形状の製品とすることもでき
る。この種の製品は、両側縁も被覆されているから、耐
食性がいっそう高い。
【作 用】
基材金属板または基材金属線(1)と、その上にクラ
ッドされたNi(またはNb)層(2B,2F)およびAl層(3B,
3F)とは、上述のように真空焼鈍過程で相互の拡散によ
り密着し、続く酸化性雰囲気中での加熱によりこの拡散
はさらに進行して、Ni(Nb)とAlの界面付近では主とし
てNiAl(NbAl)が、またNi(Nb)の基材寄りの部分では
Ni3Al(Nb3Al)が生成する。その中間では、両成分の割
合が次第に変化していると考えられる。基材金属がSUS
のような鋼である場合は、基材とNiとの界面付近では、
金属間化合物Fe3Niが生成する。 酸化性雰囲気中での加熱により、表面のAlは酸化され
てAl2O3となり、主としてウイスカーの形で成長する。
このAl2O3ウイスカーは、NiAl層またはNb3Al層中にアン
カーをもった形で、強固に結合している。 金属間化合物のNi3Al(Nb3Al)およびNiAl(NbAl)
は、いずれも耐熱性および耐食性にすぐれているので、
表面を被覆するAl2O3層にミクロなクラックが生じた場
合にも、腐食を下の基材金属に及ぼすことなく、これを
保護する。従って、耐食性は長期にわたり維持される。
【実施例】
Al層の厚さが0.04mmで全体の厚さが0.1mmのAl/Ni合せ
板およびAl/Nb合せ板を用意した。これらの合せ板をSUS
430の薄板の両面に、NiまたはNbを間にして圧延し、厚
さ0.05mmのクラッド材とした。Al層の厚さは0.002mm
(片面)、Ni層またはNb層の厚さは0.004mm(同)であ
る。 これを、幅6mm×長さ200mmのリボンにスリットし、真
空中で600℃×2分間の焼鈍ののち、大気中で600℃×60
分間の加熱を行なった。比較のため、同じ寸法で、SUS4
30単独のリボン、およびSUS430の両面に上記と同じ0.00
2mmの厚さのAl層を設けたものを用意し、やはり大気中6
00℃×60分間の熱処理をした。 それらの材料について、つぎの耐食性試験を行なっ
た。 (塩水噴霧) 試料を800℃に加熱した状態で一定の張力を加えてお
き、そこへ5%NaCl溶液を2分間に1回噴霧して、試料
の破断に至るまでの塩水噴霧回数をしらべた。 その結果を第8図に示す。図において、実施例および
比較例はつぎのとおり。 比較例1:SUS430 比較例2:Al/SUS430/Al 実施例1:Al/Ni/SUS430/Ni/Al 実施例2:Al/Nb/SUS430/Nb/Al (酸化増量) 試料を1100℃の大気中に置き、時間の経過に伴う酸化
増量(mg/cm2)を測定した。 その結果は、第9図に示すとおりである。
【発明の効果】
本発明によって、表面がセラミックスであるAl2O3
の被覆され、その下に金属間化合物NiAl(NbAl)および
Ni3Al(Nb3Al)の層を有し、それらの基材保護作用で高
温耐食性が長期にわたって確保される耐食耐熱性金属材
料が実現した。 基材金属としては、使用温度における耐熱性の条件を
みたすものを任意に使用できるから、材料全体の加工性
は高く、種々の部品形状への加工が容易である。 以上の説明は製造の容易な板状および線状の材料につ
いて行なったが、実用的なクラッド手段がある限り、そ
のほかの形状の材料や部品も、本発明に従って製作でき
ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、ともに本発明の耐食耐熱性金属
複合板材の製造工程を説明するための、材料の断面図で
ある。 第3図は、本発明の耐食耐熱性金属複合板材の構造を示
す、概念的な断面図である。 第4図および第5図は、ともに本発明の耐食耐熱性金属
複合線材の製造工程を説明するための、第1図および第
2図に対応する材料の断面図である。 第6図は、本発明の耐食耐熱性金属複合線材の構造を示
す、第3図に対応する概念的な断面図である。 第7図は、第6図とは別の態様の線材の構造を示す、同
様な断面図である。 第8図および第9図は、本発明の実施データのグラフで
あって、第8図は塩水噴霧試験、第9図は酸化増量の測
定結果をそれぞれ示す。 1……基材金属板(基材金属線) 2A……Ni(Nb)シート、2B……Ni(Nb)層 2E……Ni(Nb)チューブ、2F……Ni(Nb)層 3A……Alシート、3B……Al層 3E……Alチューブ、3F……Al層 4……Ni3Al(Nb3Al)層、5……NiAl(NbAl)層 6……Al2O3

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基材金属の少なくとも一部の面を、金属間
    化合物Ni3Al(またはNb3Al)の層および(または)NiAl
    (またはNbAl)の層を介して、Al2O3の層で被覆してな
    る耐食耐熱性金属複合材。
  2. 【請求項2】基板金属として、炭素鋼、合金鋼、ステン
    レス鋼または耐熱鋼を使用した請求項1の耐食耐熱性金
    属複合材。
  3. 【請求項3】基材金属の少なくとも一部の面に、Alシー
    トおよびNiシートまたはNbシートを、NiシートまたはNb
    シートを中間にしてクラッドし、クラッド材を真空焼鈍
    ののち酸化性雰囲気中で加熱して、Al層とNi層またはNb
    層との間に金属間化合物Ni3Al(またはNb3Al)の層およ
    び(または)NiAl(またはNbAl)の層を形成させるとと
    もに、表面にAl2O3を生成させることからなる耐食耐熱
    性金属複合板材の製造方法。
  4. 【請求項4】基材金属の線の表面を、Alチューブおよび
    NiチューブまたはNbチューブで、NiチューブまたはNbチ
    ューブを中間にして被覆化伸線加工によりクラッドし、
    クラッド材を真空焼鈍ののち酸化性雰囲気中で加熱し
    て、Al層とNi層またはNb層との間に金属間化合物Ni3Al
    および(もしくは)NiAlの層、またはNb3Alおよび(も
    しくは)NbAlの層を形成させるとともに、表面にAl2O3
    を生成させることからなる耐食耐熱性金属複合線材の製
    造方法。
  5. 【請求項5】真空焼鈍を、400〜650℃×1〜200分間の
    加熱条件で、また酸化性雰囲気中の加熱を、大気中600
    〜1200℃×1〜1000分間の加熱条件で実施する請求項3
    の製造方法。
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