JP3273308B2 - 金属基体に対するAlまたはAl合金の被覆法 - Google Patents

金属基体に対するAlまたはAl合金の被覆法

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【発明の詳細な説明】
【0001】〔産業上の利用分野〕 本発明はCuまたはCu合金を除く金属基体の表面にク
ラッドまたはメッキ等によって金属被覆層を形成した複
合材料に高温環境化の耐酸化性を付加させるため、Al
またはAl合金の基体表面の溶融・被覆に関する。
【0002】〔従来の技術及びその問題点〕 Au,Pt等の貴金属を除き、殆どの金属は大気中の酸
素によって、酸化が進行し、その環境が高温になるほど
著しくなる。また大気中の酸素以外の各種ガス雰囲気下
でも浸炭や窒化等が起こる。大気中での高温酸化は酸素
が基体であるFeに拡散し、内部に酸素原子が侵入する
ためで、拡散が進むとスケールとなって成長する。この
酸素原子の侵入を抑止するのに効果があるのが酸化皮膜
で、ステンレス鋼の場合はCr,Alの場合はA
である。従って耐熱合金と称する基体は殆どC
r,Alが関与している。この耐酸化性を付加する方法
として、先ず基体表面に耐酸化性の金属を被覆する方法
と耐酸化性金属元素を基材に添加し合金化する方法とに
大別されるが、前者はFe基体へのAl,Cr被覆であ
り、後者はFe基体へCr,Ni,Al,Mo等を添加
したステンレス鋼等の合金である。先ずFe基体に被覆
する方法として、溶融Al中に基体を浸漬するAlDi
p法があるが、その他にもカロライジング、メッキ、溶
射等があり、とくにAlDip法によるAl被覆鋼板は
普遍的に使用されている。 しかし基体の酸洗による前
処理や、被覆後のフラックス残渣除去の後処理等、環境
問題等を含めて非常に煩雑な工程によって行われるの
で、簡単にAl被覆することが出来ない欠点を有してい
る。またFe基体にAlを溶融・被覆した場合、界面に
FeAl等の化合物を生成し、後の塑性加工が不可能
になる欠点もある。またFeへのCrメッキの実施も普
遍的ではあるが、密着性やコストの改善等難しい問題を
内蔵している。
【0003】一方、基体に耐酸化性の金属元素を添加す
る方法として、例えばFe−Cr,Fe−Cr−Ni合
金等はステンレス鋼の名称で広く知られているが、Fe
へのCr,Niの添加は極めて有効である。 これは基
体表面にCr等の不動態皮膜が生成されるため
で、その皮膜が非常に緻密で強固であることが酸素原子
の侵入を防ぐ役割を果たしている。しかしこれらステン
レス鋼の耐熱・耐酸化性もたかだか800℃以下のもの
であり、それ以上の温度になると皮膜効果が発揮出来ず
スケールを発生してしまう。それを改善するためにFe
−Cr,Fe−Cr−Ni系合金にAlの添加が行わ
れ、Crより強力なAl皮膜を生成させて
耐酸化性を向上させたステンレス鋼もあるが、Alは多
量に添加するほど耐酸化性は改善されるが、一方では加
工性を著しく低下させる欠点も生じて来る。つぎにフェ
ライト系耐熱鋼の中でもFe−12%Crは発電用ター
ビンやボイラー等の構成材料として重要であるが、Cr
成分が低いため耐酸化性が十分といえず600℃以上で
の使用は困難で、より性能の向上が要望されている。ま
たNi及びNi合金の中で例えばニクロム電熱材やスー
パーアロイ等はさらに高温の耐酸化性が要求されてい
る。本発明の主旨はCuまたはCu合金を除く金属基体
の表面にクラッドまたはメッキ等によって金属被覆層を
形成した複合材料に被覆材としてAlまたはAl合金を
溶融・被覆して、表面を高濃度のAl成分にすることに
より、安定な酸化皮膜を形成させて、高温環境に強い金
属基体を提供することにある。
【0004】〔問題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために開発された本発明のAl被
覆方法は、Al粒子とフッ化物系フラックスの混合物を
CuまたはCu合金を除く金属基体の表面にクラッドま
たはメッキ等によって金属被覆層を形成した複合材料の
表面に塗布し、不活性ガス雰囲気下でAl被覆材を加熱
・溶融させる。またAl粒子の代りにAl箔を用いる場
合は、基体及び/またはAl箔に予めフラックスを塗布
した後、Al箔を必要な面に貼り合せ、同様に不活性ガ
ス雰囲気下で加熱・溶融させる。この際フッ化物を主体
とするフラックスの介在は必須条件であり、フラックス
がなければ非酸化雰囲気下でもAlは溶融しても基体に
対しては全く濡れを生じない。本発明に使用するフラッ
クスの組成としては、NaF−AlF−KF−LiF
のフッ化物系を使用するが、フッ化物以外にもNaC
l,KCl,LiCl,ZnCl等の塩化物や場合に
より臭化物等のハロゲン化物を含むことが出来る。操作
温度は被覆材の融点以上、基材の融点以下の温度で行な
うことが出来る。しかし基材と被覆材の反応により合金
を作り、融点降下することもあるので、被覆材の融点以
下でも操作する場合がある。まずAl粒子を用いる場合
は粒子の径及び酸素量が皮膜の性状に影響し150μm
以下の粒子が好ましく、粒子の酸素量は1%以下が好ま
しい。Al粒子80%−フラックス20%の混合物をF
e基体に2〜10gr/m塗布した後、不活性ガス雰
囲気として窒素ガスを用い、その残存酸素濃度を0.1
%以下にして680℃に保持し加熱した。まずフラック
スが560〜570℃で溶け、Al粒子の酸化物を除去
し、基体Feと濡れが発生する。このようにして被覆し
たAlは、Fe基体と完全に合金化するため均一な被覆
層を形成する。一方Al箔を用いる場合も同様で、箔の
厚さは被覆層の厚さに関係し、30μm以下が好まし
い。なお被覆層の厚さは粒子の場合は塗布量、箔の場合
は厚さによって自由に調整することが出来る。なお使用
する不活性ガスとしては、窒素ガス以外にもアルゴン
(Ar)を使用することも出来るし、さらにこれらの不
活性ガスに還元ガスのような活性ガスを添加した混合ガ
スを使用することも可能である。
【0005】〔作用〕 本発明による被覆方法は、被覆材としてのAlを金属基
体の表面で溶融させ、表面をAlの高濃度にすることに
よって、安定な酸化皮膜Alを発達させて耐酸化
性を向上させる。またこの皮膜層はAlを溶融させて合
金化させることから、メッキのようにポーラスでなく、
また被覆層が非常に薄いため、合金層の発達が極めて少
なく、圧延や伸線、成形加工等の塑性加工が可能とな
る。以下参考例を参照しつつ実施例により説明を進め
る。
【0006】〔参考例1〕 耐酸化性試験の試験片には50×50×0.5mmtの
基体純Fe(C0.1%以下)の両面に50μm以下の
Al粒子80%とフッ化物系からなるフラックス20%
の混合物を3gr/m塗布し、680℃の窒素ガス雰
囲気(残存酸素0.1%以下)中で溶融・被覆した。こ
の場合の被覆層の厚さは2〜3μmであった。また同試
料の比較材として、被覆しない純Feを用いた。耐酸化
試験の条件は400〜800℃の大気中で、1hr加熱
し、その後の酸化増量を測定した。その結果図1に示す
ように被覆しない純Feは温度とともに酸化量を増加し
たが、本発明によるAl被覆を施した基体は800℃ま
では殆ど酸化増量が認められず優れた耐酸化性を示し
た。つぎに上記試料にフッ化物系フラックスを塗布した
後、Al箔厚さ20μmを貼り合わせ、同様な手法で被
覆層を作り、耐酸化性試験を行なった結果、Al粒子と
変わらない性能を示した。Al箔を用いる場合は粒子に
比べ、Al量が多くなるため、被覆層を厚くするには有
利であるが、必要以上に厚くするとAl−Fe系の金属
間化合物を生成・助長させ易くなるので適当でない。ま
た被覆材としてAl−8%Si合金粒子を用いいて同様
な試験を行なった結果、純Alと遜色のない耐酸化性を
示すことがわかった。Al−8%Siは融点577〜6
15℃で純Alより50℃程融点が低く、したがって被
覆処理温度を下げるのにも有効である。この効果はAl
−Zn,Al−Cr,Al−Zr,Al−Ti合金及び
Al−希土類(Ce,Y,La等)合金の被覆材を用い
ても同様に得られる。また基体Feの他、炭素鋼、鋳
鋼、合金鋼、鋳鉄、焼結材等に対しても同様な効果があ
る。
【0007】〔参考例2〕 Fe−18%Cr(SUS430)及びFe−18%C
r−8%Ni(SUS304)のステンレス鋼について
も実施した。試験片の形状は参考例1と同様で、被覆材
にはAl粒子80%とフラックス20%の混合物を3g
r/m塗布した後、680℃の窒素ガス雰囲気(残存
酸素量0.1%以下)中で加熱・溶融した。耐酸化試験
の条件としては、ステンレス鋼は耐酸化性が優れている
点を考慮して、参考例1の純Feより高温領域の800
〜1100℃までとした。図2にその結果を示す。ステ
ンレス鋼においても900℃を越すとスケールが発生
し、酸化を増加するが、本発明によるAl被覆を施した
基体はSUS430,SUS304ともに1000℃以
下では殆ど酸化増量が認められず、優れた耐酸化性を示
した。
【0008】〔参考例3〕 基体としてFe−12%Cr耐熱鋼について実施した。
Al被覆方法・耐酸化性試験条件等は参考例2と同様で
ある。1000℃,1hr加熱後の被覆しない基材の酸
化増量は10mg/cmに対し、本発明のAl被覆の
基材は0.805mg/cmで約1/10以下とな
り、著しい耐酸化性の改善効果が認められた。また鉄ク
ロム電熱材の場合においても同様の効果を得た。
【0009】〔参考例4〕 基体として純Niについて実施した。Al被覆方法は
考例3と同様な方法で行ない、耐酸化性試験は1200
℃で1hr加熱を行なった。その結果、酸化増量が殆ど
認められず、すこぶる耐酸化性が優れていることがわか
った。その他、ニクロム電熱線、モネルメタル、ニモニ
ック、インコネル、ハステロイ等Ni基合金についても
同様な効果がある。
【0010】〔実施例1〕 複合材料の基体として、芯材にSUS304,皮材とし
てNi(両面各5μmt)をクラッドした基材(全厚
0.5mmt)について実施した。参考例4の純Niと
同様な方法で行なったが、純Niと全く変わらない優れ
た耐酸化性を示した。
【0011】〔実施例2〕 両面にCuメッキ(厚10μmt)を施した純Fe基体
(全厚0.8mmt)について実施した。参考例1と同
様にAl粒子とフラックスの混合物を用いて、680℃
の窒素ガス雰囲気(残存酸素濃度0.1%以下)中で溶
融・被覆した。その結果、Alはメッキ層のCuと反応
して、黄金色の表面になり美麗な光沢を呈した。耐酸化
性試験は、比較材としてAl被覆を施さないCuメッキ
のままの基体を用意し、600℃で1hr加熱したが、
比較材の試料はメッキ層が完全に酸化されて、スケール
となり剥離したが、本発明によるAl被覆したCuメッ
キFe基体は酸化増量がなく、優れた耐酸化性を示し黄
金色と光沢を維持した。
【0012】 〔効果〕 本発明によるAlまたはAl合金を金属基体に溶融・被
覆することによって、著しい耐酸化性の改善効果が認め
られた。さらに本発明は極めて少ないAl量を金属基体
に塗布し、それを溶融させることから、薄い緻密な被覆
層が得られる。また被覆層が薄いため、界面に有害なA
lとの化合物の生成が抑止され、以降の圧延や伸線、成
形加工などの塑性加工が可能になる。さらに板、線、
棒、型材、鋳造品、鍛造品等の形状を選ばず、様々な部
品の応用が可能である他、金属基体の全面またはマスキ
ングによって局部だけの被覆も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Al被覆Fe板と無処理Fe板の酸化増量の比
【図2Al】被覆ステンレス鋼と無処理ステンレス鋼の
酸化増量の比較 (ステンレス鋼種SUS304,SUS430)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CuまたはCu合金を除く金属基体の表面
    にクラッドまたはメッキ等によって金属被覆層を形成し
    複合材料の表面に被覆材としてのAlまたはその合金
    をフッ化物系フラックスを介して載置し、不活性ガス雰
    囲気中で加熱し、前記Alまたはその合金を溶融させて
    前記基体に被覆する方法。
  2. 【請求項2】被覆材としてAlまたはその合金の粒状物
    を用いる請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】被覆材としてAlまたはその合金の粒状物
    をフラックスと混合して用いる請求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】被覆材としてAlまたはその合金の箔状物
    を用いる請求項1に記載の方法。
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