JP3142884B2 - 触媒の耐剥離性に優れ、γAl2O3の密着性を低下させるウイスカ生成を抑制するFe−Cr−Al合金 - Google Patents
触媒の耐剥離性に優れ、γAl2O3の密着性を低下させるウイスカ生成を抑制するFe−Cr−Al合金Info
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Description
の触媒担体用金属材料に係り、触媒を担持させたγAl
2 O3 コートが材料表面に生成した酸化物層から剥離し
にくい材料を提供するものである。
構造の担体にγAl2 O3 コーティングを施した上に触
媒物質を担持させて使用される。γAl2 O3 コーティ
ングは、γAl2 O3 を含むアルミナゾルに担体を浸漬
して上記ゾルを表面に付着させた後に、加熱して水分を
除去することにより行われる。担体材料としてはコーデ
ィエライトと呼ばれるセラミックスや耐酸化性に優れた
Fe−Cr−Al合金が使用される。
熱サイクルや振動等により、γAl2 O3 層が剥離して
目詰まりを起こし排気抵抗が増大したり触媒効率の低下
を招く場合がある。担体材料としてFe−Cr−Al合
金を使用する場合には表面が平滑であるため、γAl2
O3 層の剥離に対しては不利である。係る問題を解決す
るために、Fe−Cr−Al合金に適当な熱処理を施し
て主としてAl2 O3 の酸化物ウィスカを生成させ密着
性を向上させる例として、特開昭56−96726号公
報が開示されている。
ウィスカの表面にγAl2 O3 を付着させれば、触媒有
効面積も増大させられると考えられている。しかし、本
発明者による詳細な研究の結果、酸化物ウィスカを生成
させるとかえってγAl2 O3 層の剥離が起こりやすく
なることが分かった。この理由は、一般にγAl2 O3
コーティングには上述のように水溶性のアルミナゾルを
使用するが、酸化処理によって得られた酸化物ウィスカ
は疎水性であるため密着性が悪いと考えられる。
3 層の剥離を招く酸化物ウィスカの生成を抑制し、触媒
担持層の耐剥離性を改善した触媒コンバータ用Fe−C
r−Al合金である。
ろは、 C :0.05重量%以下 Si:0.1〜3重量 Mn:1.5重量%以下 Cr:5〜30重量% Al:1〜10重量% Mg:20ppm超〜200ppm未満 N :0.05重量%以下 を含有し、さらにランタノイドを含有量の合計で0.0
01〜0.3重量%及び/又はYを0.01〜0.5重
量%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする、触媒の耐剥離性に優れ、γAl2O3の
密着性を低下させるウイスカ生成を抑制するFe−Cr
−Al合金で、必要に応じてランタノイドを含有量の合
計で0.001〜0.3重量%、Yを0.01〜0.5
重量%、Ti,Nb,Zr,Vを含有量の合計で0.0
1〜0.5重量%含有させることができる。
鋼塊あるいはスラブに鋳込まれ、熱間圧延、焼鈍を行っ
た後、冷間圧延と焼鈍を繰返し、必要な厚さのコイルあ
るいは切板として使用されるもので、コイルあるいは切
板状の適当な組成の合金の表面に、Alあるいはさらに
必要元素を含有するAl合金めっき法やクラッド法など
により付着させたものを適切な熱処理によって元素を拡
散させ、上記の化学組成の表面を有するコイルあるいは
切板としてもよい。
00℃前後の温度で酸化処理を行うと、合金表面に主と
してαAl2 O3 の酸化ウィスカが生成することが知ら
れており、触媒コンバータの担体用材料としてFe−C
r−Al合金を使用するにあたっては、上述のようにγ
Al2 O3 層の密着性向上と表面積の増加のため、担体
をハニカム構造に組立てた後、上記熱処理を行って表面
に酸化物ウィスカを生成させる。
−Al合金の50μm箔を用い、表面酸化形態とその上
にコーティングされたγAl2 O3 層の密着性について
研究を重ねた結果、酸化物ウィスカはウィスカのない平
坦な酸化物を生成させたものに比較してγAl2 O3 層
の密着性に劣ることがわかった。その理由は、上述のよ
うに、酸化物ウィスカを生成させた箔をアルミナゾルに
浸漬した場合、酸化物ウィスカが疎水性であるためアル
ミナゾルがウィスカの上に浮いた状態となり、脱水処理
をするとそのままγAl2 O3 層が形成されるためであ
ると考えられる。すなわち、γAl2 O3 層は酸化物ウ
ィスカの先端のみで支えられているため、密着性が悪い
と考えられる。
合金に対し酸化物ウィスカ生成に及ぼす構成元素の影響
を調査した結果、Mgはウィスカの生成を抑える効果が
あることを発見した。そこでMgを含有する数種類のF
e−Cr−Al合金箔に対し、酸化性雰囲気中で500
〜1300℃の熱処理を行いγAl2 O3 層の密着性を
評価した。熱処理により、箔表面に生成した酸化物は上
記温度範囲ですべて平坦な酸化物となっており、γAl
2 O3 層の密着性も酸化物ウィスカを生成させた箔より
良好であった。したがって、Fe−Cr−Al合金にM
gを添加することにより、酸化物ウィスカが生成する温
度範囲でも酸化物形態を平坦なものとすることができ、
γAl2 O3 層の密着性が良好な触媒担体を作成するこ
とができる。
びN:C及びNは、フェライト系ステンレス鋼において
は共に固溶限が小さく、主として炭化物、窒化物として
析出し耐食性を劣化させるほか、鋼板の靭性及び延性を
著しく低下させるので、できるだけ少ない方が望ましい
が、工業的、経済的な溶製技術を考慮して上限をC:
0.05重量%、N:0.05重量%とした。
りでなく、耐酸化性を向上させる効果が大きい元素であ
る。その効果を十分に発揮させるためには0.1重量%
以上の添加が必要である。しかし、3.0重量%を越え
て含有させると、靭性が低下し製造性を劣化させるので
範囲を0.1〜3重量%に限定した。
ない方がよいが、工業的、経済的な溶製技術を考慮して
上限を1.5重量%とした。Cr:Crは、耐酸化性を
向上させる元素であるためその効果を十分発揮させるた
めに5重量%以上の添加が必要である。Crの耐酸化性
向上効果は添加量の増加に伴って増加するが、30重量
%を越えて含有させると靭性及び延性が低下し製造性を
逸するので、範囲を5〜30重量%に限定した。
必要不可欠な元素であり、添加量の増加に伴って高温で
かつ長時間の使用に耐え得る材料となる。その効果を十
分発揮させるためには、1重量%以上の含有が必要であ
る。しかし、10重量%を越えて含有させると冷間での
加工性を逸し、ハニカム加工等で割れるため上限を10
重量%とし、範囲を1〜10重量%とした。ここで、A
lが7重量%以上の合金を溶製する場合は靭性が低く製
造しにくいため、適当な組成の合金にめっきなどの方法
によりAlを付着させ、熱処理によりAlを拡散させて
Al量を調整してもよい。
2 O3層の密着性を低下させる酸化物ウィスカの生成を
抑制する効果が非常に大きく、本発明では最も重要な元
素である。Fe−20Cr−5Al合金の場合には、8
50〜950℃で酸化処理すると酸化物ウィスカが生成
するが、Mgの5ppmの含有により上記温度範囲のう
ち925℃以上で酸化物のウィスカが生成しやすくな
る。酸化物ウィスカの抑制効果はMg含有量の増加に伴
って増加し、100ppmの含有量で500〜1300
℃の温度範囲でウィスカの生成を完全に抑制することが
できる。従って、本発明ではMgの酸化物ウィスカの抑
制効果を発揮させるためにMg含有量の下限を5ppm
とした。また、上述のようにMg含有量の増加に伴って
酸化物のウィスカの抑制効果は増加するが、300pp
mを越えると溶製が難しくなり、コストアップとなるた
め上限を300ppmとし、範囲を5〜300ppmと
した。
は、Fe−Cr−Al合金に高温で生成する酸化被膜の
密着性を向上させることを通じて耐酸化性を向上させる
効果を有するため、その効果を十分発揮させるために、
ランタノイドについては0.001重量%以上、Yにつ
いては0.01重量%以上の含有が必要である。これら
の元素はその効果のために多い方が望ましいがFe−C
r−Al合金に対する固溶限が小さい上に固溶限を越え
て含有させると、粒界に析出して加工性を劣化させるた
め、それぞれ、上限をランタノイド:0.3重量%、
Y:0.5重量%とし、範囲をランタノイド:0.00
1〜0.3重量%、Y:0.01〜0.5重量%に限定
した。
AlNを形成してAlを消耗し耐酸化性を劣化させるN
を無害化する効果と同じく耐酸化性を著しく劣化させる
Sを固定する効果を有する。その効果を十分発揮させる
ためには、合計で0.01重量%以上含有させる必要が
ある。しかし、過剰に含有させると、製造性を逸するの
で上限を含有量の合計で0.01〜0.5重量%とし
た。
較例の化学組成、酸化処理後の酸化物ウィスカの有無及
びγAl2 O3 層の密着性をそれぞれ示した。これらの
うち、A8及びB5をの除いたすべての合金は、真空溶
解により溶製され、熱間圧延、焼鈍後、冷間圧延、焼鈍
を繰返した後50μmに箔圧延され、アンモニア分解ガ
ス(AXガス)中で光輝焼鈍を行った。A8及びB5
は、適切な成分のFe−Cr−Al合金板にMgとラン
タノイドとを含有するAL合金を合金板表面にめっき
し、真空中で拡散処理することにより目標組成の合金板
を得、冷間圧延後、上記光輝焼鈍を行った。これらは、
大気解放下で925℃24時間の酸化処理を行った後、
γAl2O3 コーティングを行った。
酸化物形態を示した。γAl2 O3 層の密着性の評価
は、箔を45度に曲げ、曲げ部分のγAl2 O3 層がそ
のままかひび割れ状でおさまっている場合には◎、わず
かに剥離している程度の場合には〇、完全に剥離してい
る場合には×とした。
てウィスカ状となっており、従ってγAl2O3層の密着
性が悪いのに対し、実施例(A1〜A3)では、酸化物
形態はすべてウィスカ状でなく、したがってγAl2O3
層の密着性がよいことが分かる。なお、参考例(A4〜
A8)もある程度の成績を示している。図1にA2、図
2にB4の、γAl2O3層の密着性評価後の試験片表面
をSEMにより観察した結果を示す。図1は倍率500
0倍、図2のaは倍率5000倍、bは倍率3000倍
である。比較例B4では、γAl2O3層が酸化物ウィス
カ上に乗っており密着性が悪く剥離しているのに対し、
Mgを含有しウィスカの生成していない実施例A2では
γAl2O3層のひび割れがわずかに見られるだけで剥離
は起こっておらず、密着性が良好であることを示す。
の酸化処理における酸化物ウィスカの生成が抑えられ、
耐酸化性及び触媒(γAl2 O3 層)の密着性に優れた
材料であり、自動車をはじめあらゆる触媒の担体材料と
して最適な材料である。
(走査型電子顕微鏡)写真である。
写真である。
Claims (2)
- 【請求項1】 C :0.05重量%以下 Si:0.1〜3重量% Mn:1.5重量%以下 Cr:5〜30重量% Al:1〜10重量% Mg:20ppm超〜200ppm未満 N :0.05重量%以下 を含有し、さらにランタノイドを含有量の合計で0.0
01〜0.3重量%及び/又はYを0.01〜0.5重
量%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする触媒の耐剥離性に優れ、γAl2O3の密
着性を低下させるウイスカ生成を抑制するFe−Cr−
Al合金。 - 【請求項2】 請求項1記載の合金がさらにTi、N
b、Zr、Vを含有量の合計で0.01〜0.5重量%
含有することを特徴とする触媒の耐剥離性に優れ、γA
l2O3の密着性を低下させるウイスカ生成を抑制するF
e−Cr−Al合金。
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