JP4116677B2 - 電気抵抗加熱素子として有用なアルミニウム含有鉄基合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の分野
本発明は電気抵抗加熱素子として有用なアルミニウム含有鉄基合金に関する。
【０００２】
発明の背景
アルミニウムを含有する鉄基合金は、規則又は不規則体心結晶組織を有する。例えば、金属間合金組成を有する鉄アルミニウム合金は、Ｆｅ３Ａｌ，ＦｅＡｌ，ＦｅＡｌ２，ＦｅＡｌ３及びＦｅ２Ａｌ５の如き種々の原子割合で鉄及びアルミニウムを含有する。体心立方規則結晶組織を有するＦｅ３Ａｌ金属間鉄アルミナイドは米国特許第５３２０８０２号，第５１５８７４４号，第５０８４１０９号及び第４９６１９０３号に記載されている。かかる規則結晶組織は一般に２５〜４０原子％のＡｌ及びＺｒ，Ｂ，Ｍｏ，Ｃ，Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｓｉ及びＹの如き合金添加物を含有する。
【０００３】
不規則体心結晶組織を有する鉄アルミナイド合金は、米国特許第５２３８６４５号に記載されており、その場合、合金は重量％で、Ａｌ ８〜９．５，Ｃｒ ７以下，Ｍｏ ４以下，Ｃ ０．０５以下，Ｚｒ ０．５以下及びＹ ０．１以下を含有し、好ましくはＣｒ ４．５〜５．５，Ｍｏ １．８〜２．２，Ｃ ０．０２〜０．０３２，Ｚｒ ０．１５〜０．２５を含有する。それぞれＡｌ ８．４６重量％，１２．０４重量％及び１５．９０重量％を有する３種の二元合金を除いて、米国特許第５２３８６４５号に記載された特別な合金組成の全部が、最少で５重量％のＣｒを含有する。更に米国特許第５２３８６４５号では、合金化元素が、強度、室温延性、高温酸化抵抗、水性腐蝕抵抗及び点蝕に対する抵抗を改良することを述べている。米国特許第５２３８６４５号は、電気抵抗加熱素子に関係がなく、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗又は高温垂れ抵抗の如き性質に言及している。
【０００４】
３〜１８重量％のＡｌ、０．０５〜０．５重量％のＺｒ、０．０１〜０．１重量％のＢ、及び所望によってＣｒ，Ｔｉ及びＭｏを含有する鉄基合金が、米国特許第３０２６１９７号及びカナダ特許第６４８１４０号に記載されている。Ｚｒ及びＢは、粒子精練を提供することを述べており、好ましいＡｌ含有率は１０〜１８重量％であり、合金は酸化抵抗及び加工性を有するとしての記載がある。しかしながら、米国特許第５２３８６４５号及び第３０２６１９７号及びカナダ特許第６４８１４０号は、電気抵抗加熱素子には関係なく、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗又は高温垂れ抵抗の如き性質には言及していない。
【０００５】
米国特許第３６７６１０９号には、３〜１０重量％のＡｌ、４〜８重量％のＣｒ、約０．５重量％のＣｕ、０．０５重量％未満のＣ、０．５〜２重量％のＴｉ及び所望によってＭｎ及びＢを含有する鉄基合金が記載されている。米国特許第３６７６１０９号には、Ｃｕが点錆（ rust spotting ）に対する抵抗を改良し、Ｃｒは脆性を避け、そしてＴｉが析出硬化を与えることを記載している。米国特許第３６７６１０９号は、合金が化学処理装置に有用であることを述べている。米国特許第３６７６１０９号に記載された実施例の全部が、０．５重量％のＣｕ及び少なくとも１重量％のＣｒを含有し、好ましい合金は、少なくとも９重量％のＡｌとＣｒの合計、少なくとも６重量％の最少のＣｒまたはＡｌ及び６重量％未満のＡｌ及びＣｒ含有率の差を有する。しかしながら、米国特許第５２３８６４５号と同様に、米国特許第３６７６１０９号は、電気抵抗加熱素子とは関係なく、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗又は高温垂れ抵抗には言及していない。
【０００６】
電気抵抗加熱素子として使用するための鉄基アルミニウム合金は、米国特許第１５５０５０８号，第１９９０６５０号及び第２７６８９１５号及びカナダ特許第６４８１４１号に記載されている。米国特許第１５５０５０８号に記載された合金は、２０重量％のＡｌ、１０重量％のＭｎ；１２〜１５重量％のＡｌ、６〜８重量％のＭｎ；又は１２〜１６重量％のＡｌ、２〜１０重量％のＣｒを含有する。米国特許第１５５０５０８号に記載された全実施例が、少なくとも６重量％のＣｒ及び少なくとも１０重量％のＡｌを含有する。米国特許第１９９０６５０号に記載された合金は、１６〜２０重量％のＡｌ、５〜１０重量％のＣｒ、０．０５重量％以下のＣ、０．２５重量％以下のＳｉ、０．１〜０．５重量％のＴｉ、１．５重量％以下のＭｏ、及び０．４〜１．５重量％のＭｎを含有し、唯一つの特別の実施例のみが、１７．５重量％のＡｌ、８．５重量％のＣｒ、０．４４重量％のＭｎ、０．３６重量％のＴｉ、０．０２重量％のＣ、及び０．１３重量％のＳｉを含有している。米国特許第２７６８９１５号に記載された合金は、１０〜１８重量％のＡｌ、１〜５重量％のＭｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｂ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｂ及びＷを含有しており、唯一つの特別の実施例のみが、１６重量％のＡｌ及び３重量％のＭｏを含有している。カナダ特許第６４８１４１号に記載された合金は、６〜１１重量％のＡｌ、３〜１０重量％のＣｒ、４重量％以下のＭｎ、１重量％以下のＳｉ、０．４重量％以下のＴｉ、０．５重量％以下のＣ、０．２〜０．５重量％のＺｒ及び０．０５〜０．１重量％のＢを含有し、唯一つの特別の実施例が少なくとも５重量％のＣｒを含有している。
【０００７】
各種材料の抵抗加熱器が米国特許第５２４９５８６号及び米国特許出願第０７／９４３５０４号，第０８／１１８６６５号，第０８／１０５３４６号及び第０８／２２４８４８号に記載されている。
【０００８】
米国特許第４３３４９２３号には、０．０５％以下のＣ、０．１〜２％のＳｉ、２〜８％のＡｌ、０．０２〜１％のＹ、０．００９％未満のＰ、０．００６％未満のＳ及び０．００９％未満のＯを含有する触媒コンバーターに有用な冷間圧延できる酸化抵抗鉄基合金が記載されている。
【０００９】
米国特許第４６８４５０５号には、１０〜２２％のＡｌ、２〜１２％のＴｉ、２〜１２％のＭｏ、０．１〜１．２％のＨｆ、１．５％以下のＳｉ、０．３％以下のＣ、０．２％以下のＢ、１．０％以下のＴａ、０．５％以下のＷ、０．５％以下のＶ、０．５％以下のＭｎ、０．３％以下のＣｏ、０．３％以下のＮｂ及び０．２％以下のＬａを含有する熱抵抗鉄基合金が記載されている。米国特許第４６８４５０５号には、１６％のＡｌ、０．５％のＨｆ、４％のＭｏ、３％のＳｉ、４％のＴｉ及び０．２％のＣを有する特別な合金を記載している。
【００１０】
特開昭５３−１１９７２１号には、良好な加工性を有し、Ａｌ １．５〜１７％、Ｃｒ ０．２〜１５％、及び４％未満のＳｉ、８％未満のＭｏ、８％未満のＷ、８％未満のＴｉ、８％未満のＧｅ、８％未満のＣｕ、８％未満のＶ、８％未満のＭｎ、８％未満のＮｂ、８％未満のＴａ、８％未満のＮｉ、８％未満のＣｏ、３％未満のＳｎ、３％未満のＳｂ、３％未満のＢｅ、３％未満のＨｆ、３％未満のＺｒ、０．５％未満のＰｂ及び３％未満の希土類金属の任意添加物の合計０．０１〜８％を含有する耐摩耗性、磁気透過性合金が記載されている。１６％のＡｌ、残余Ｆｅ合金以外の特開昭５３−１１９７２１号の特定の実施例のいずれもが、少なくとも１％のＣｒを含有し、５％のＡｌ、３％のＣｒ、残余Ｆｅ合金以外の残りの実施例は１０％以上のＡｌを含有している。
【００１１】
発明の概要
本発明は、電気抵抗加熱素子として有用な鉄基合金を提供する。この合金は不規則体心立方組織を有し、改良された室温延性、熱酸化に対する抵抗サイクル疲れ抵抗、電気固有抵抗、低及び高温強度、及び高温垂れ抵抗を有する。更に合金は好ましくは低熱拡散性を有する。合金は重量％で、４〜９．５％のＡｌ、０．５〜２．０％のＴｉ、０．５〜２％のＭｏ、０．１〜０．８％のＺｒ、０．０１〜０．５％のＣ、残余Ｆｅを含有する。
本明細書、図面、特許請求の範囲で用いられる単位のうち、１インチは２５．４ｍｍに相当する。また、ｐｓｉはポンド毎平方インチの略であり、１ｐｓｉは６．８９５×１０３Ｐａに相当する。ｋｓｉはキログラム毎平方インチの略であり、１ｋｓｉは約７ＭＰａに相当する。華氏温度（Ｆ）と摂氏温度（Ｃ）は次の式に従って換算される：Ｃ＝５／９（Ｆ−３２）。
【００１２】
本発明の種々の好ましい観点によれば、合金は、Ｃｒ不含、Ｍｎ不含、Ｓｉ不含、及び／又はＮｉ不含であることができる。合金は、ＳｉＣ，ＳｉＮ等の如き絶縁増強セラミック粒子を含有しない、完全にフェライトのオーステナイト不含微小組織を有するのが好ましい。合金は２％以下のＳｉ、３０％以下のＮｉ、０．５％以下のＹ、０．１％以下のＢ、１％以下のＮｂ及び１％以下のＴａを含有できる。好ましい合金は、８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．５％のＴｉ、０．７５〜１．５％のＭｏ、０．１５〜０．７５％のＺｒ及び０．０５〜０．３５％のＣ；８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．２〜０．６％のＺｒ、０．０３〜０．０９％のＣ、及び０．０１〜０．１％のＹ；８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．１〜０．３％のＺｒ、０．０１〜０．１％のＣ、０．２５〜０．７５％のＮｂ、０．２５〜０．７５％のＴａ及び０．０１〜０．１％のＹ；８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．５〜０．７５％のＺｒ、０．０５〜０．１５％のＣ及び０．０１〜０．２％のＳｉ；及び８．０〜９．０％のＡｌ、０．０５〜０．１５％のＳｉ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．１〜０．３％のＺｒ及び０．２〜０．４％のＣを含有する。
【００１３】
合金は次の如き種々の性質を有することができる。例えば、合金は、ヒーター、トースター、点火装置等の如き製品のための電気抵抗加熱素子を含むことができる、この場合合金は８０〜３００μΩ・ｃｍ、好ましくは９０〜２００μΩ・ｃｍの室温固有抵抗を有する。合金は、１０ボルトまで及び６アンペアまでの電圧を合金に通したとき、１秒未満で９００℃に加熱するのが好ましい。空気中で３時間１０００℃に加熱したとき、合金は４％未満の重量増加を示すのが好ましい。合金は周囲温度及び９００℃の間の加熱サイクル全体にわたって０．０５〜７オームの抵抗、好ましくは８０〜２００Ωｃｍの固有抵抗を有することができる。合金は好ましくは、室温から１０００℃まで０．５〜５秒間加熱したとき、破壊することなく１００００サイクル以上にわたって熱疲れ抵抗を示す。
【００１４】
機械的性質について見たとき、高い強度対重量比（即ち高比強度）を有し、少なくとも３％の室温延性を示すべきである。例えば、合金は少なくとも１４％の面積での室温減少及び少なくとも１５％の室温延びを示すことができる。合金は好ましくは、少なくとも５０ｋｓｉの室温降伏強度及び少なくとも８０ｋｓｉの室温引張強さを示す。高温特性について見たとき、合金は好ましくは、少なくとも３０％の８００℃での面積での高温減少、少なくとも３０％の８００℃での高温延び、少なくとも７ｋｓｉの８００℃での高温降伏強度、及び少なくとも１０ｋｓｉの８００℃での高温引張強さを示す。
【００１５】
図面の略述
図１はアルミニウム含有鉄基合金の室温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１６】
図２はアルミニウム含有鉄基合金の室温及び高温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１７】
図３はアルミニウム含有鉄基合金の延びに対する高温応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１８】
図４はアルミニウム含有鉄基合金の破断（クリープ）特性に対する応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１９】
図５はＡｌ及びＳｉ含有鉄基合金の室温引張特性についてのＳｉ含有率の変化の効果を示す。
【００２０】
図６はＡｌ及びＴｉ含有鉄基合金の室温特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
【００２１】
図７はＴｉ含有鉄基合金のクリープ破断特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
【００２２】
好ましい実施例の詳述
本発明は、不規則体心立方結晶格子組織におけるアルミニウムの固溶体によって規定され、４〜９．５重量％のアルミニウムを含有する改良されたアルミニウム含有鉄基合金にある。本発明の合金は、好ましくはオーステナイト不含微細組織を有するフェライトであり、粒度及び析出強化を制御するため、固溶体マトリックス内でカーバイド相を形成するための炭素との関連において使用できるカーバイド形成剤（例えばジルコニウム、ニオビウム及び／又はタンタル）、炭素、チタン、モリブデンから選択した１種以上の合金元素を含有する。
【００２３】
本発明によれば、（公称で）４〜９．５重量％の狭い範囲でＦｅ−Ａｌ合金中でのアルミニウム濃度を保つことによって、鍛造したときＦｅ−Ａｌ合金が、合金を約７００℃より高い選択した温度（例えば７００〜１１００℃）での好適な温度で焼鈍し、次いで合金を急冷却又は油急冷することによって所望のレベルでの選択した室温延性を提供するために作ることができ、一方でアルミニウムを９．５重量％より大量に含有するＦｅ−Ａｌ合金に有利には匹敵する降伏及び究極引張強さ、酸化に対する抵抗、水性腐蝕抵抗を維持することを見出した。
【００２４】
約４重量％より少ないアルミニウム濃度を用いると、形成するＦｅ−Ａｌ合金は良好な室温延性を有するが、酸化に対する許容しうる抵抗を与えるのには不充分なアルミニウムを含有する。またアルミニウム４重量％未満を用いると、合金中により多い鉄が存在するから、追加の鉄の存在により合金の引張強さが極度に低下し、合金をＦｅ−Ａｌ合金に所望される多くの用途に不適当なものにする。一方で９．５重量％より大なるアルミニウム濃度を用いると、結晶相の秩序化がＦｅ−Ａｌ合金内で生じ、室温延性を減ずるその中での脆性を誘起するようになる。
【００２５】
本発明のＦｅ−Ａｌ合金を形成するに当って使用する合金化構成成分の濃度は、ここでは公称重量％で示す。しかしながら、これらの合金中のアルミニウムの公称重量は、合金中のアルミニウムの実際の重量の少なくとも約９７％に本質的に相当する。例えば、以下に説明するように、好ましい組成のＦｅ−Ａｌ合金において、表示８．４６重量％は、公称濃度の約９９％であるアルミニウムの実際の８．４０重量％を示す。
【００２６】
本発明のＦｅ−Ａｌ合金は、好ましくは、強度、室温延性、酸化抵抗、水性腐蝕抵抗、点蝕抵抗、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗、高温垂れ抵抗及び重量増加に対する抵抗を改良するための１種以上の選択した合金化元素を含有する。
【００２７】
合金化構成成分の一つとしてモリブデンを使用するとき、付随不純物より多く、約５．０％までが有効範囲であり、有効量は、合金の固溶体硬化及び高温に暴露したとき合金のクリープに対する抵抗を促進するのに充分な量である。モリブデンの濃度は、０．２５〜４．２５％の範囲であることができ、好ましくは約０．７５〜１．５０％の範囲である。約２．０％より大なるモリブデン添加は、かかる濃度でのモリブデンの存在によって生ずる固溶体硬化の比較的大きな程度によって室温延性を損う。
【００２８】
チタンは合金のクリープ強度を改良するために有効な量が加えられ、そして３％までの量で存在させることができる。チタンの濃度は約０．７５〜１．２５％の範囲であるのが好ましい。
【００２９】
炭素及び炭化物形成剤を合金中で使用するとき、炭素は付随的不純物より多く約０．７５％までの範囲の有効量で存在させる、炭化物形成剤は付随的不純物より多く約１．０％以上までの範囲の有効量で存在させる。炭素及び炭化物形成剤の有効量は、合金が増大する温度に暴露される間合金中での粒子生長を抑制するのに充分な炭化物を形成するようにするのにそれぞれが合計で充分な量である。炭化物はまた合金中で析出強化も与える。合金中の炭素及び炭化物形成剤の濃度は、完成した合金中に本質的に過剰の炭素が残らないよう、炭化物添加が炭素対炭化物形成剤の理論比又は近理論比を与えるようなものであることができる。合金中でのジルコニウムの如き炭化物形成剤の過剰は、空気中での高温熱サイクル中耐破砕性酸化物形成するのを助けるだけ多いのが有利である。ジルコニウムは、合金の露出面に垂直な酸化物ストリンガー（ stringer ）の形成によりＨｆより有効である、一方Ｈｆは表面に平行である酸化物ストリンガーを形成する。
【００３０】
炭素濃度は約０．０３％〜約０．３％の範囲であるのが好ましい。炭化物形成剤は、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、及びハフニウム及びそれらの組合せの如き炭化物形成元素を含む。炭化物形成剤は、合金内に存在する炭素と炭化物を形成するのに充分な濃度でのジルコニウムであるのが好ましい、この量は約０．０２〜０．６％の範囲である。炭化物形成剤として使用するとき、ニオブ、タンタル及びハフニウムの濃度は、ジルコニウムの濃度に本質的に相当する。
【００３１】
前述した合金元素に加えて、合金組成中で約０．１％イットリウムの如き有効量の使用は有利である。何故ならイットリウムは、従来より知られていた鉄アルミニウム合金系において達成できるレベルより大きなレベルに合金の酸化抵抗を改良することが見出されたからである。
【００３２】
本発明により合金に加えることのできる追加元素には、Ｓｉ，Ｎｉ及びＢを含む。例えば２．０％までの少量のＳｉは、低温及び高温強度を改良できるが、合金の室温及び高温延性は、０．２５重量％以上のＳｉの添加で悪影響を受ける。３０重量％までＮｉの添加は、第二相強化を介して合金の強度を改良するが、Ｎｉは合金の原価を高くし、室温及び高温延性を低下させることができ、従って特に高温での加工困難をもたらす。少量のＢは合金の延性を改良でき、ＢはＴｉ及び／又はＺｒと組合せて使用して、粒子微細化のためのチタン及び／又はジルコニウム硼化物沈澱を提供できる。Ａｌ，Ｓｉ及びＴｉへの効果を図１〜図７に示す。
【００３３】
図１は、アルミニウム含有鉄基合金の室温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図１は２０重量％までのＡｌを含有する鉄基合金の引張強さ、降伏強度、面積減少、延び及びロックウエルＡ（ＲＡ）硬度値を示す。
【００３４】
図２はアルミニウム含有鉄基合金の高温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図２は、１８重量％までのＡｌを含有する鉄基合金に対する室温、８００°Ｆ，１０００°Ｆ，１２００°Ｆ及び１３５０°Ｆでの引張強さ及び比例限度値を示す。
【００３５】
図３はアルミニウム含有鉄基合金の延びに対する高温応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図３は、１５〜１６重量％までのＡｌを含有する鉄基合金に対する１時間での１／２％延びに対する応力及び２％延びに対する応力を示す。
【００３６】
図４はアルミニウム含有鉄基合金のクリープ特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図４は１５〜１８重量％までのＡｌを含有する鉄基合金に対する１００時間及び１０００時間での破断に対する応力を示す。
【００３７】
図５は、Ａｌ及びＳｉ含有鉄基合金の室温引張特性についてのＳｉ含有率の変化の効果を示す。特に図５は、５．７重量％又は９重量％のＡｌ及び２．５重量％までのＳｉを含有する鉄基合金に対する降伏強度、引張強さ及び延び率値を示す。
【００３８】
図６はＡｌ及びＴｉ含有鉄基合金の室温特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。特に図６は、１２重量％までのＡｌ及び３重量％までのＴｉを含有する鉄基合金に対する引張強さ及び延び率値を示す。
【００３９】
図７はＴｉ含有鉄基合金のクリープ破断特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。特に図７は、７００〜１３５０°Ｆの温度で３重量％までのＴｉを含有する鉄基合金のための破断値に対する応力値を示す。
【００４０】
本発明のＦｅ−Ａｌ合金は、ＺｒＯ2 等から形成した好適な坩堝中で約１６００℃の温度で、選択した合金構成成分の粉末及び／又は固体片のアーク溶融、空気誘導溶融、又は真空誘導溶融によって形成するのが好ましい。溶融した合金は、合金の加工によって合金製品の形成のために使用する合金の熱を形成するため、又は所望される製品の形状のグラファイト等の型中に鋳造するのが好ましい。
【００４１】
加工すべき合金の溶融体は必要なら適切な大きさに切り、次いで約９００〜１１００℃の範囲の温度で鍛造することにより、約７５０〜８５０℃の範囲で熱圧延することにより、約６００〜７００℃の範囲の温度で温熱圧延することにより、及び／又は室温で冷間圧延する。冷ロールを通る各通過毎に厚さ２０〜３０％の減少を提供でき、続いて１時間約７００〜１０５０℃、好ましくは約８００℃の範囲の温度で空気中、不活性気体中又は真空中で合金を熱処理する。
【００４２】
下表に示す鍛造した合金試料は、種々合金のヒート（ heat ）を形成するため、合金成分をアーク溶融することによって作った。これらのヒートは、合金試料の厚さを０．２５ｉｎに減ずるため（５０％減少）、１０００℃で鍛造した厚さ０．５ｉｎの片に切り、次いで更に合金試料の厚さを０．１ｉｎに減ずるため（６０％減少）圧延し、次にここに説明したそして試験するための合金試験片のため、０．０３０ｉｎの最終厚さ（７０％減少）を与えるよう６５０℃で温熱圧延する。引張試験のため、試験片は、シートの圧延方向で配列した試料の１／２ｉｎゲージ長を有する０．０３０ｉｎシートからパンチングする。
【００４３】
本発明により形成した合金の組成を、別の合金及び他のＦｅ−Ａｌ合金と比較するため、本発明による合金組成物及び比較目的のための合金組成物を表１に示す。表２は、表１において選択した合金組成物に対する低温及び高温で強度及び延性特性を示す。表１中、合金Ｎｏ．６，７，１３〜２０及び２２〜２３は本発明の合金であり、残りの合金は比較例の合金である。
【００４４】
各合金に対する垂れ抵抗データを表３に示す。垂れ試験は、一端で支持した又は両端で支持した各合金の片を用いて行った。垂れの量は、指示した時間、９００℃で空気雰囲気中で片を加熱した後測定した。
【００４５】
各合金のクリープデータを表４に示す。クリープ試験は、１０時間、１００時間及び１０００時間で、試験温度で試料が破断した応力を測定するため、引張試験を用いて行った。
【００４６】
【表１】
【００４７】
【表２】
【００４８】
【表３】
【００４９】
【表４】
【００５０】
試料の熱処理
Ａ：８００℃／１時間／空気冷却
Ｂ：１０５０℃／２時間／空気冷却
Ｃ：１０５０℃／２時間真空
Ｄ：圧延したまま
Ｅ：８１５℃／１時間／油急冷
Ｆ：８１５℃／１時間／炉冷却
合金１〜２２は０．２ｉｎ／分の歪み速度で試験した。
【００５１】
【表５】
【００５２】
追加条件
ａ：同じ重量を有する試料を作るため自由端で吊したワイヤーおもり
ｂ：同じ重量を有する試料を作るため試料上に置いた同じ長さ及び幅の箔
【００５３】
【表６】
【００５４】
【表７】
【００５５】
鍛造は、本発明の原理、好ましい例及び操作モードで記載した。しかしながら本発明を、説明した特定の例に限定されるものと解すべきでない。従って前述した例は、限定としてよりも例示として認めるべきであり、特許請求の範囲に規定した如き本発明の範囲から逸脱することなく当業者によってこれらの例の改変はなしうることを認めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム含有鉄基合金の室温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図２】アルミニウム含有鉄基合金の室温及び高温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図３】アルミニウム含有鉄基合金の延びに対する高温応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図４】アルミニウム含有鉄基合金の破断（クリープ）特性に対する応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図５】Ａｌ及びＳｉ含有鉄基合金の室温引張特性についてのＳｉ含有率の変化の効果を示す。
【図６】Ａｌ及びＴｉ含有鉄基合金の室温特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
【図７】Ｔｉ含有鉄基合金のクリープ破断特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
発明の分野
本発明は電気抵抗加熱素子として有用なアルミニウム含有鉄基合金に関する。
【０００２】
発明の背景
アルミニウムを含有する鉄基合金は、規則又は不規則体心結晶組織を有する。例えば、金属間合金組成を有する鉄アルミニウム合金は、Ｆｅ３Ａｌ，ＦｅＡｌ，ＦｅＡｌ２，ＦｅＡｌ３及びＦｅ２Ａｌ５の如き種々の原子割合で鉄及びアルミニウムを含有する。体心立方規則結晶組織を有するＦｅ３Ａｌ金属間鉄アルミナイドは米国特許第５３２０８０２号，第５１５８７４４号，第５０８４１０９号及び第４９６１９０３号に記載されている。かかる規則結晶組織は一般に２５〜４０原子％のＡｌ及びＺｒ，Ｂ，Ｍｏ，Ｃ，Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｓｉ及びＹの如き合金添加物を含有する。
【０００３】
不規則体心結晶組織を有する鉄アルミナイド合金は、米国特許第５２３８６４５号に記載されており、その場合、合金は重量％で、Ａｌ ８〜９．５，Ｃｒ ７以下，Ｍｏ ４以下，Ｃ ０．０５以下，Ｚｒ ０．５以下及びＹ ０．１以下を含有し、好ましくはＣｒ ４．５〜５．５，Ｍｏ １．８〜２．２，Ｃ ０．０２〜０．０３２，Ｚｒ ０．１５〜０．２５を含有する。それぞれＡｌ ８．４６重量％，１２．０４重量％及び１５．９０重量％を有する３種の二元合金を除いて、米国特許第５２３８６４５号に記載された特別な合金組成の全部が、最少で５重量％のＣｒを含有する。更に米国特許第５２３８６４５号では、合金化元素が、強度、室温延性、高温酸化抵抗、水性腐蝕抵抗及び点蝕に対する抵抗を改良することを述べている。米国特許第５２３８６４５号は、電気抵抗加熱素子に関係がなく、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗又は高温垂れ抵抗の如き性質に言及している。
【０００４】
３〜１８重量％のＡｌ、０．０５〜０．５重量％のＺｒ、０．０１〜０．１重量％のＢ、及び所望によってＣｒ，Ｔｉ及びＭｏを含有する鉄基合金が、米国特許第３０２６１９７号及びカナダ特許第６４８１４０号に記載されている。Ｚｒ及びＢは、粒子精練を提供することを述べており、好ましいＡｌ含有率は１０〜１８重量％であり、合金は酸化抵抗及び加工性を有するとしての記載がある。しかしながら、米国特許第５２３８６４５号及び第３０２６１９７号及びカナダ特許第６４８１４０号は、電気抵抗加熱素子には関係なく、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗又は高温垂れ抵抗の如き性質には言及していない。
【０００５】
米国特許第３６７６１０９号には、３〜１０重量％のＡｌ、４〜８重量％のＣｒ、約０．５重量％のＣｕ、０．０５重量％未満のＣ、０．５〜２重量％のＴｉ及び所望によってＭｎ及びＢを含有する鉄基合金が記載されている。米国特許第３６７６１０９号には、Ｃｕが点錆（ rust spotting ）に対する抵抗を改良し、Ｃｒは脆性を避け、そしてＴｉが析出硬化を与えることを記載している。米国特許第３６７６１０９号は、合金が化学処理装置に有用であることを述べている。米国特許第３６７６１０９号に記載された実施例の全部が、０．５重量％のＣｕ及び少なくとも１重量％のＣｒを含有し、好ましい合金は、少なくとも９重量％のＡｌとＣｒの合計、少なくとも６重量％の最少のＣｒまたはＡｌ及び６重量％未満のＡｌ及びＣｒ含有率の差を有する。しかしながら、米国特許第５２３８６４５号と同様に、米国特許第３６７６１０９号は、電気抵抗加熱素子とは関係なく、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗又は高温垂れ抵抗には言及していない。
【０００６】
電気抵抗加熱素子として使用するための鉄基アルミニウム合金は、米国特許第１５５０５０８号，第１９９０６５０号及び第２７６８９１５号及びカナダ特許第６４８１４１号に記載されている。米国特許第１５５０５０８号に記載された合金は、２０重量％のＡｌ、１０重量％のＭｎ；１２〜１５重量％のＡｌ、６〜８重量％のＭｎ；又は１２〜１６重量％のＡｌ、２〜１０重量％のＣｒを含有する。米国特許第１５５０５０８号に記載された全実施例が、少なくとも６重量％のＣｒ及び少なくとも１０重量％のＡｌを含有する。米国特許第１９９０６５０号に記載された合金は、１６〜２０重量％のＡｌ、５〜１０重量％のＣｒ、０．０５重量％以下のＣ、０．２５重量％以下のＳｉ、０．１〜０．５重量％のＴｉ、１．５重量％以下のＭｏ、及び０．４〜１．５重量％のＭｎを含有し、唯一つの特別の実施例のみが、１７．５重量％のＡｌ、８．５重量％のＣｒ、０．４４重量％のＭｎ、０．３６重量％のＴｉ、０．０２重量％のＣ、及び０．１３重量％のＳｉを含有している。米国特許第２７６８９１５号に記載された合金は、１０〜１８重量％のＡｌ、１〜５重量％のＭｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｂ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｂ及びＷを含有しており、唯一つの特別の実施例のみが、１６重量％のＡｌ及び３重量％のＭｏを含有している。カナダ特許第６４８１４１号に記載された合金は、６〜１１重量％のＡｌ、３〜１０重量％のＣｒ、４重量％以下のＭｎ、１重量％以下のＳｉ、０．４重量％以下のＴｉ、０．５重量％以下のＣ、０．２〜０．５重量％のＺｒ及び０．０５〜０．１重量％のＢを含有し、唯一つの特別の実施例が少なくとも５重量％のＣｒを含有している。
【０００７】
各種材料の抵抗加熱器が米国特許第５２４９５８６号及び米国特許出願第０７／９４３５０４号，第０８／１１８６６５号，第０８／１０５３４６号及び第０８／２２４８４８号に記載されている。
【０００８】
米国特許第４３３４９２３号には、０．０５％以下のＣ、０．１〜２％のＳｉ、２〜８％のＡｌ、０．０２〜１％のＹ、０．００９％未満のＰ、０．００６％未満のＳ及び０．００９％未満のＯを含有する触媒コンバーターに有用な冷間圧延できる酸化抵抗鉄基合金が記載されている。
【０００９】
米国特許第４６８４５０５号には、１０〜２２％のＡｌ、２〜１２％のＴｉ、２〜１２％のＭｏ、０．１〜１．２％のＨｆ、１．５％以下のＳｉ、０．３％以下のＣ、０．２％以下のＢ、１．０％以下のＴａ、０．５％以下のＷ、０．５％以下のＶ、０．５％以下のＭｎ、０．３％以下のＣｏ、０．３％以下のＮｂ及び０．２％以下のＬａを含有する熱抵抗鉄基合金が記載されている。米国特許第４６８４５０５号には、１６％のＡｌ、０．５％のＨｆ、４％のＭｏ、３％のＳｉ、４％のＴｉ及び０．２％のＣを有する特別な合金を記載している。
【００１０】
特開昭５３−１１９７２１号には、良好な加工性を有し、Ａｌ １．５〜１７％、Ｃｒ ０．２〜１５％、及び４％未満のＳｉ、８％未満のＭｏ、８％未満のＷ、８％未満のＴｉ、８％未満のＧｅ、８％未満のＣｕ、８％未満のＶ、８％未満のＭｎ、８％未満のＮｂ、８％未満のＴａ、８％未満のＮｉ、８％未満のＣｏ、３％未満のＳｎ、３％未満のＳｂ、３％未満のＢｅ、３％未満のＨｆ、３％未満のＺｒ、０．５％未満のＰｂ及び３％未満の希土類金属の任意添加物の合計０．０１〜８％を含有する耐摩耗性、磁気透過性合金が記載されている。１６％のＡｌ、残余Ｆｅ合金以外の特開昭５３−１１９７２１号の特定の実施例のいずれもが、少なくとも１％のＣｒを含有し、５％のＡｌ、３％のＣｒ、残余Ｆｅ合金以外の残りの実施例は１０％以上のＡｌを含有している。
【００１１】
発明の概要
本発明は、電気抵抗加熱素子として有用な鉄基合金を提供する。この合金は不規則体心立方組織を有し、改良された室温延性、熱酸化に対する抵抗サイクル疲れ抵抗、電気固有抵抗、低及び高温強度、及び高温垂れ抵抗を有する。更に合金は好ましくは低熱拡散性を有する。合金は重量％で、４〜９．５％のＡｌ、０．５〜２．０％のＴｉ、０．５〜２％のＭｏ、０．１〜０．８％のＺｒ、０．０１〜０．５％のＣ、残余Ｆｅを含有する。
本明細書、図面、特許請求の範囲で用いられる単位のうち、１インチは２５．４ｍｍに相当する。また、ｐｓｉはポンド毎平方インチの略であり、１ｐｓｉは６．８９５×１０３Ｐａに相当する。ｋｓｉはキログラム毎平方インチの略であり、１ｋｓｉは約７ＭＰａに相当する。華氏温度（Ｆ）と摂氏温度（Ｃ）は次の式に従って換算される：Ｃ＝５／９（Ｆ−３２）。
【００１２】
本発明の種々の好ましい観点によれば、合金は、Ｃｒ不含、Ｍｎ不含、Ｓｉ不含、及び／又はＮｉ不含であることができる。合金は、ＳｉＣ，ＳｉＮ等の如き絶縁増強セラミック粒子を含有しない、完全にフェライトのオーステナイト不含微小組織を有するのが好ましい。合金は２％以下のＳｉ、３０％以下のＮｉ、０．５％以下のＹ、０．１％以下のＢ、１％以下のＮｂ及び１％以下のＴａを含有できる。好ましい合金は、８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．５％のＴｉ、０．７５〜１．５％のＭｏ、０．１５〜０．７５％のＺｒ及び０．０５〜０．３５％のＣ；８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．２〜０．６％のＺｒ、０．０３〜０．０９％のＣ、及び０．０１〜０．１％のＹ；８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．１〜０．３％のＺｒ、０．０１〜０．１％のＣ、０．２５〜０．７５％のＮｂ、０．２５〜０．７５％のＴａ及び０．０１〜０．１％のＹ；８．０〜９．０％のＡｌ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．５〜０．７５％のＺｒ、０．０５〜０．１５％のＣ及び０．０１〜０．２％のＳｉ；及び８．０〜９．０％のＡｌ、０．０５〜０．１５％のＳｉ、０．７５〜１．２５％のＴｉ、０．７５〜１．２５％のＭｏ、０．１〜０．３％のＺｒ及び０．２〜０．４％のＣを含有する。
【００１３】
合金は次の如き種々の性質を有することができる。例えば、合金は、ヒーター、トースター、点火装置等の如き製品のための電気抵抗加熱素子を含むことができる、この場合合金は８０〜３００μΩ・ｃｍ、好ましくは９０〜２００μΩ・ｃｍの室温固有抵抗を有する。合金は、１０ボルトまで及び６アンペアまでの電圧を合金に通したとき、１秒未満で９００℃に加熱するのが好ましい。空気中で３時間１０００℃に加熱したとき、合金は４％未満の重量増加を示すのが好ましい。合金は周囲温度及び９００℃の間の加熱サイクル全体にわたって０．０５〜７オームの抵抗、好ましくは８０〜２００Ωｃｍの固有抵抗を有することができる。合金は好ましくは、室温から１０００℃まで０．５〜５秒間加熱したとき、破壊することなく１００００サイクル以上にわたって熱疲れ抵抗を示す。
【００１４】
機械的性質について見たとき、高い強度対重量比（即ち高比強度）を有し、少なくとも３％の室温延性を示すべきである。例えば、合金は少なくとも１４％の面積での室温減少及び少なくとも１５％の室温延びを示すことができる。合金は好ましくは、少なくとも５０ｋｓｉの室温降伏強度及び少なくとも８０ｋｓｉの室温引張強さを示す。高温特性について見たとき、合金は好ましくは、少なくとも３０％の８００℃での面積での高温減少、少なくとも３０％の８００℃での高温延び、少なくとも７ｋｓｉの８００℃での高温降伏強度、及び少なくとも１０ｋｓｉの８００℃での高温引張強さを示す。
【００１５】
図面の略述
図１はアルミニウム含有鉄基合金の室温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１６】
図２はアルミニウム含有鉄基合金の室温及び高温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１７】
図３はアルミニウム含有鉄基合金の延びに対する高温応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１８】
図４はアルミニウム含有鉄基合金の破断（クリープ）特性に対する応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【００１９】
図５はＡｌ及びＳｉ含有鉄基合金の室温引張特性についてのＳｉ含有率の変化の効果を示す。
【００２０】
図６はＡｌ及びＴｉ含有鉄基合金の室温特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
【００２１】
図７はＴｉ含有鉄基合金のクリープ破断特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
【００２２】
好ましい実施例の詳述
本発明は、不規則体心立方結晶格子組織におけるアルミニウムの固溶体によって規定され、４〜９．５重量％のアルミニウムを含有する改良されたアルミニウム含有鉄基合金にある。本発明の合金は、好ましくはオーステナイト不含微細組織を有するフェライトであり、粒度及び析出強化を制御するため、固溶体マトリックス内でカーバイド相を形成するための炭素との関連において使用できるカーバイド形成剤（例えばジルコニウム、ニオビウム及び／又はタンタル）、炭素、チタン、モリブデンから選択した１種以上の合金元素を含有する。
【００２３】
本発明によれば、（公称で）４〜９．５重量％の狭い範囲でＦｅ−Ａｌ合金中でのアルミニウム濃度を保つことによって、鍛造したときＦｅ−Ａｌ合金が、合金を約７００℃より高い選択した温度（例えば７００〜１１００℃）での好適な温度で焼鈍し、次いで合金を急冷却又は油急冷することによって所望のレベルでの選択した室温延性を提供するために作ることができ、一方でアルミニウムを９．５重量％より大量に含有するＦｅ−Ａｌ合金に有利には匹敵する降伏及び究極引張強さ、酸化に対する抵抗、水性腐蝕抵抗を維持することを見出した。
【００２４】
約４重量％より少ないアルミニウム濃度を用いると、形成するＦｅ−Ａｌ合金は良好な室温延性を有するが、酸化に対する許容しうる抵抗を与えるのには不充分なアルミニウムを含有する。またアルミニウム４重量％未満を用いると、合金中により多い鉄が存在するから、追加の鉄の存在により合金の引張強さが極度に低下し、合金をＦｅ−Ａｌ合金に所望される多くの用途に不適当なものにする。一方で９．５重量％より大なるアルミニウム濃度を用いると、結晶相の秩序化がＦｅ−Ａｌ合金内で生じ、室温延性を減ずるその中での脆性を誘起するようになる。
【００２５】
本発明のＦｅ−Ａｌ合金を形成するに当って使用する合金化構成成分の濃度は、ここでは公称重量％で示す。しかしながら、これらの合金中のアルミニウムの公称重量は、合金中のアルミニウムの実際の重量の少なくとも約９７％に本質的に相当する。例えば、以下に説明するように、好ましい組成のＦｅ−Ａｌ合金において、表示８．４６重量％は、公称濃度の約９９％であるアルミニウムの実際の８．４０重量％を示す。
【００２６】
本発明のＦｅ−Ａｌ合金は、好ましくは、強度、室温延性、酸化抵抗、水性腐蝕抵抗、点蝕抵抗、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗、高温垂れ抵抗及び重量増加に対する抵抗を改良するための１種以上の選択した合金化元素を含有する。
【００２７】
合金化構成成分の一つとしてモリブデンを使用するとき、付随不純物より多く、約５．０％までが有効範囲であり、有効量は、合金の固溶体硬化及び高温に暴露したとき合金のクリープに対する抵抗を促進するのに充分な量である。モリブデンの濃度は、０．２５〜４．２５％の範囲であることができ、好ましくは約０．７５〜１．５０％の範囲である。約２．０％より大なるモリブデン添加は、かかる濃度でのモリブデンの存在によって生ずる固溶体硬化の比較的大きな程度によって室温延性を損う。
【００２８】
チタンは合金のクリープ強度を改良するために有効な量が加えられ、そして３％までの量で存在させることができる。チタンの濃度は約０．７５〜１．２５％の範囲であるのが好ましい。
【００２９】
炭素及び炭化物形成剤を合金中で使用するとき、炭素は付随的不純物より多く約０．７５％までの範囲の有効量で存在させる、炭化物形成剤は付随的不純物より多く約１．０％以上までの範囲の有効量で存在させる。炭素及び炭化物形成剤の有効量は、合金が増大する温度に暴露される間合金中での粒子生長を抑制するのに充分な炭化物を形成するようにするのにそれぞれが合計で充分な量である。炭化物はまた合金中で析出強化も与える。合金中の炭素及び炭化物形成剤の濃度は、完成した合金中に本質的に過剰の炭素が残らないよう、炭化物添加が炭素対炭化物形成剤の理論比又は近理論比を与えるようなものであることができる。合金中でのジルコニウムの如き炭化物形成剤の過剰は、空気中での高温熱サイクル中耐破砕性酸化物形成するのを助けるだけ多いのが有利である。ジルコニウムは、合金の露出面に垂直な酸化物ストリンガー（ stringer ）の形成によりＨｆより有効である、一方Ｈｆは表面に平行である酸化物ストリンガーを形成する。
【００３０】
炭素濃度は約０．０３％〜約０．３％の範囲であるのが好ましい。炭化物形成剤は、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、及びハフニウム及びそれらの組合せの如き炭化物形成元素を含む。炭化物形成剤は、合金内に存在する炭素と炭化物を形成するのに充分な濃度でのジルコニウムであるのが好ましい、この量は約０．０２〜０．６％の範囲である。炭化物形成剤として使用するとき、ニオブ、タンタル及びハフニウムの濃度は、ジルコニウムの濃度に本質的に相当する。
【００３１】
前述した合金元素に加えて、合金組成中で約０．１％イットリウムの如き有効量の使用は有利である。何故ならイットリウムは、従来より知られていた鉄アルミニウム合金系において達成できるレベルより大きなレベルに合金の酸化抵抗を改良することが見出されたからである。
【００３２】
本発明により合金に加えることのできる追加元素には、Ｓｉ，Ｎｉ及びＢを含む。例えば２．０％までの少量のＳｉは、低温及び高温強度を改良できるが、合金の室温及び高温延性は、０．２５重量％以上のＳｉの添加で悪影響を受ける。３０重量％までＮｉの添加は、第二相強化を介して合金の強度を改良するが、Ｎｉは合金の原価を高くし、室温及び高温延性を低下させることができ、従って特に高温での加工困難をもたらす。少量のＢは合金の延性を改良でき、ＢはＴｉ及び／又はＺｒと組合せて使用して、粒子微細化のためのチタン及び／又はジルコニウム硼化物沈澱を提供できる。Ａｌ，Ｓｉ及びＴｉへの効果を図１〜図７に示す。
【００３３】
図１は、アルミニウム含有鉄基合金の室温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図１は２０重量％までのＡｌを含有する鉄基合金の引張強さ、降伏強度、面積減少、延び及びロックウエルＡ（ＲＡ）硬度値を示す。
【００３４】
図２はアルミニウム含有鉄基合金の高温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図２は、１８重量％までのＡｌを含有する鉄基合金に対する室温、８００°Ｆ，１０００°Ｆ，１２００°Ｆ及び１３５０°Ｆでの引張強さ及び比例限度値を示す。
【００３５】
図３はアルミニウム含有鉄基合金の延びに対する高温応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図３は、１５〜１６重量％までのＡｌを含有する鉄基合金に対する１時間での１／２％延びに対する応力及び２％延びに対する応力を示す。
【００３６】
図４はアルミニウム含有鉄基合金のクリープ特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。特に図４は１５〜１８重量％までのＡｌを含有する鉄基合金に対する１００時間及び１０００時間での破断に対する応力を示す。
【００３７】
図５は、Ａｌ及びＳｉ含有鉄基合金の室温引張特性についてのＳｉ含有率の変化の効果を示す。特に図５は、５．７重量％又は９重量％のＡｌ及び２．５重量％までのＳｉを含有する鉄基合金に対する降伏強度、引張強さ及び延び率値を示す。
【００３８】
図６はＡｌ及びＴｉ含有鉄基合金の室温特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。特に図６は、１２重量％までのＡｌ及び３重量％までのＴｉを含有する鉄基合金に対する引張強さ及び延び率値を示す。
【００３９】
図７はＴｉ含有鉄基合金のクリープ破断特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。特に図７は、７００〜１３５０°Ｆの温度で３重量％までのＴｉを含有する鉄基合金のための破断値に対する応力値を示す。
【００４０】
本発明のＦｅ−Ａｌ合金は、ＺｒＯ2 等から形成した好適な坩堝中で約１６００℃の温度で、選択した合金構成成分の粉末及び／又は固体片のアーク溶融、空気誘導溶融、又は真空誘導溶融によって形成するのが好ましい。溶融した合金は、合金の加工によって合金製品の形成のために使用する合金の熱を形成するため、又は所望される製品の形状のグラファイト等の型中に鋳造するのが好ましい。
【００４１】
加工すべき合金の溶融体は必要なら適切な大きさに切り、次いで約９００〜１１００℃の範囲の温度で鍛造することにより、約７５０〜８５０℃の範囲で熱圧延することにより、約６００〜７００℃の範囲の温度で温熱圧延することにより、及び／又は室温で冷間圧延する。冷ロールを通る各通過毎に厚さ２０〜３０％の減少を提供でき、続いて１時間約７００〜１０５０℃、好ましくは約８００℃の範囲の温度で空気中、不活性気体中又は真空中で合金を熱処理する。
【００４２】
下表に示す鍛造した合金試料は、種々合金のヒート（ heat ）を形成するため、合金成分をアーク溶融することによって作った。これらのヒートは、合金試料の厚さを０．２５ｉｎに減ずるため（５０％減少）、１０００℃で鍛造した厚さ０．５ｉｎの片に切り、次いで更に合金試料の厚さを０．１ｉｎに減ずるため（６０％減少）圧延し、次にここに説明したそして試験するための合金試験片のため、０．０３０ｉｎの最終厚さ（７０％減少）を与えるよう６５０℃で温熱圧延する。引張試験のため、試験片は、シートの圧延方向で配列した試料の１／２ｉｎゲージ長を有する０．０３０ｉｎシートからパンチングする。
【００４３】
本発明により形成した合金の組成を、別の合金及び他のＦｅ−Ａｌ合金と比較するため、本発明による合金組成物及び比較目的のための合金組成物を表１に示す。表２は、表１において選択した合金組成物に対する低温及び高温で強度及び延性特性を示す。表１中、合金Ｎｏ．６，７，１３〜２０及び２２〜２３は本発明の合金であり、残りの合金は比較例の合金である。
【００４４】
各合金に対する垂れ抵抗データを表３に示す。垂れ試験は、一端で支持した又は両端で支持した各合金の片を用いて行った。垂れの量は、指示した時間、９００℃で空気雰囲気中で片を加熱した後測定した。
【００４５】
各合金のクリープデータを表４に示す。クリープ試験は、１０時間、１００時間及び１０００時間で、試験温度で試料が破断した応力を測定するため、引張試験を用いて行った。
【００４６】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
試料の熱処理
Ａ：８００℃／１時間／空気冷却
Ｂ：１０５０℃／２時間／空気冷却
Ｃ：１０５０℃／２時間真空
Ｄ：圧延したまま
Ｅ：８１５℃／１時間／油急冷
Ｆ：８１５℃／１時間／炉冷却
合金１〜２２は０．２ｉｎ／分の歪み速度で試験した。
【００５１】
【表５】
追加条件
ａ：同じ重量を有する試料を作るため自由端で吊したワイヤーおもり
ｂ：同じ重量を有する試料を作るため試料上に置いた同じ長さ及び幅の箔
【００５３】
【表６】
【表７】
鍛造は、本発明の原理、好ましい例及び操作モードで記載した。しかしながら本発明を、説明した特定の例に限定されるものと解すべきでない。従って前述した例は、限定としてよりも例示として認めるべきであり、特許請求の範囲に規定した如き本発明の範囲から逸脱することなく当業者によってこれらの例の改変はなしうることを認めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム含有鉄基合金の室温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図２】アルミニウム含有鉄基合金の室温及び高温特性についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図３】アルミニウム含有鉄基合金の延びに対する高温応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図４】アルミニウム含有鉄基合金の破断（クリープ）特性に対する応力についてのＡｌ含有率の変化の効果を示す。
【図５】Ａｌ及びＳｉ含有鉄基合金の室温引張特性についてのＳｉ含有率の変化の効果を示す。
【図６】Ａｌ及びＴｉ含有鉄基合金の室温特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
【図７】Ｔｉ含有鉄基合金のクリープ破断特性についてのＴｉ含有率の変化の効果を示す。
Claims (23)
- 電気抵抗加熱素子として有用であり、不規則体心立方組織を有する鉄基合金であり、前記合金が、重量％で、Ａｌ ４〜８．５％，Ｔｉ ０．５〜２％，Ｍｏ ０．５〜５％，Ｚｒ ０．１〜０．８％，Ｃ ０．０１〜０．５％，残余Ｆｅからなり、Ｃｒ不含であり、改良された室温延性、サイクル酸化に対する抵抗、熱疲れ抵抗、電気固有抵抗及び高温垂れ抵抗を有することを特徴とする鉄基合金。
- Ｍｎ不含、Ｓｉ不含又はＮｉ不含を特徴とする請求項１の鉄基合金。
- オーステナイト不含であるミクロ組織を有することを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 完全にフェライトミクロ組織を有することを特徴とする請求項１，２又は３の鉄基合金。
- セラミック粒子を含有しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項の鉄基合金。
- ２％以下のＳｉ，３０％以下のＮｉ，０．５％以下のＹ，０．１％以下のＢ，１％以下のＮｂ，及び１％以下のＴａから選択される１つのさらなる成分を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項の鉄基合金。
- Ａｌ ８．０〜８．５％，Ｔｉ ０．７５〜１．５％，Ｍｏ ０．７５〜１．５％，Ｚｒ ０．１５〜０．７５％，Ｃ ０．０５〜０．３５％，残余Ｆｅからなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項の鉄基合金。
- Ａｌ ８．０〜８．５％，Ｔｉ ０．７５〜１．２５％，Ｍｏ ０．７５〜１．２５％，Ｚｒ ０．２〜０．６％，Ｃ ０．０３〜０．０９％，Ｙ ０．０１〜０．１％，残余Ｆｅからなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項の鉄基合金。
- Ａｌ ８．０〜８．５％，Ｔｉ ０．７５〜１．２５％，Ｍｏ ０．７５〜１．２５％，Ｚｒ ０．１〜０．３％，Ｃ ０．０１〜０．１％，Ｎｂ ０．２５〜０．７５％，Ｔａ ０．２５〜０．７５％，Ｙ ０．０１〜０．１％，残余Ｆｅからなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項の鉄基合金。
- Ａｌ ８．０〜８．５％，Ｓｉ ０．０５〜０．１５％，Ｔｉ ０．７５〜１．２５％，Ｍｏ ０．７５〜１．２５％，Ｚｒ ０．１〜０．３％，Ｃ ０．２〜０．４％，残余Ｆｅからなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項の鉄基合金。
- 電気加熱素子が８０〜４００μΩ・ｃｍの室温固有抵抗を有することを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 少なくとも３％の室温延性を示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- １０ボルト以下の電圧を合金中に通すとき１秒未満で９００℃に加熱することを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- ３時間１０００℃に空気中で加熱したとき、４％未満の重量増加を示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 周囲温度及び９００℃の間の加熱サイクルを通じて０．０５〜７Ωの抵抗を有することを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 周囲温度及び９００℃の間の加熱サイクルを通じて８０〜２００Ωｃｍの固有抵抗を有することを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 少なくとも１５％の室温延びを示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 少なくとも３５０Ｎ／ｍｍ２（５０ｋｓｉ）の室温降伏強度を示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 少なくとも５５０Ｎ／ｍｍ２（８０ｋｓｉ）の室温引張強さを示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 少なくとも３０％の８００℃での高温延びを示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 少なくとも５０Ｎ／ｍｍ２（７ｋｓｉ）の８００℃での高温降伏強度を示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 少なくとも７０Ｎ／ｍｍ２（１０ｋｓｉ）の８００℃での高温引張強さを示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
- 各サイクルにおいて、０．５〜５秒間室温から１０００℃に加熱したとき、破壊することなく１００００サイクル以上の熱疲れ抵抗を示すことを特徴とする請求項１又は２の鉄基合金。
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