JP5581152B2 - 耐酸化性耐熱合金 - Google Patents

Description

本発明は、主に高温で用いられる耐熱合金に関するものである。

タングステンは、融点が非常に高い元素であり、かつ、高強度であることから高温領域で使用され、例えば、線材、板材、パイプなどの高温構造材や高温用器具・工具類のほか、電気接点やフィラメント、放電電極に産業分野で使用されている。しかしながら、タングステンは酸素との親和力が大きく、高温大気下で耐酸化性は悪い。そこで、タングステンとその他の元素を組合せて、タングステン合金とすることで、耐熱性を維持しつつ、耐酸化性の向上が図られてきた。次に例示する公知文献において、タングステン合金の耐酸化性を向上させた合金が提案されている。

例えば特許文献１には、タングステンとクロムと白金族元素で構成されたタングステン合金材料において、クロムを5〜30質量％、及び白金族元素であるルテニウム、ロジウム、イリジウム、及び白金のうちの少なくとも一種を1〜20質量％含み、残部がタングステンおよび不可避不純物から成ることを特徴とする耐酸化性を有するタングステン合金材料が提案されている。しかしながら、耐酸化性が十分とはいえない。

特開２００４−１６９１４８号公報

耐熱材料には、高融点、高強度、高耐酸化性で、長期間安定して使用できることが、常に産業分野から要求される。そこで、本発明は、耐酸化性に優れた耐熱合金を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、Cr：20〜45mass%（ただし20%を除く）、Pd：2〜15mass%（ただし2%を除く）、残部がWからなる耐酸化性の耐熱合金を発明するに至った。

Crが15mass%より少ないと酸化クロムの被膜形成が不十分となり、耐酸化性が劣る。また、45％を超えると合金の溶融温度が下がるため、耐熱合金には不適である。より好ましくは、22〜40mass%とするとよい。

Pdは、酸化クロムの被膜形成を促進する効果があり、2mass%より少ないとその効果が発揮されず、耐酸化性が劣る。また、15mass%を超えると合金の溶融温度が下がるため、耐熱合金には不適である。

本発明の耐熱合金によれば、高温大気中で長時間使用しても、表面に緻密な酸化クロム被膜を形成するため、酸素の内方拡散を遮断し、Wの酸化消耗を抑えることができ、耐熱合金の質量変化率がごく小さく、しかも崩壊することがない。さらに、本発明の耐熱合金の相対密度が低く、又は、耐熱合金中にCrの偏析があったとしても、その効果が損なわれない。

本発明の耐熱合金は、従来のタングステン合金が用いられる分野に適用でき、線材、板材、パイプなどの高温構造材や高温用器具・工具類のほか、ヒータ線、電気接点やフィラメント、放電電極に適用すれば、耐久性は向上し、信頼性、寿命の向上をもたらす。

耐熱合金の断面を示す図である（実施例４）。

本発明は、Cr：20〜45mass%（ただし20%を除く）、Pd：2〜15mass%（ただし2%を除く）、残部がWからなる耐酸化性の耐熱合金である。

本発明の耐熱合金は、粉末冶金法により作製される。原料となるW、Cr及びPdの粉末は、平均粒径5μｍ以下を使用し、ボールミル混合することで混合粉末を得た。
得られた混合粉末を成形圧力500MPaで成形して圧粉体を得た。なお、圧粉体の作製には、一般的な一軸加圧成形機の他、冷間等方圧成形で行ってもよい。次いで、得られた圧粉体を1300〜1500℃で焼結した。なお、焼結雰囲気は、非酸化性雰囲気下（水素などの還元性雰囲気下、アルゴン及び窒素などの不活性雰囲気下、又は真空下）で行うことが好ましい。本焼結によって80％以上の相対密度が得られるが、高密度化、寸法調整、表面形態付与などの必要に応じて熱間等方圧縮、再圧縮、サイジングを行うこともできる。

本発明の実施例について説明する。
参考例、実施例及び比較例の合金の組成及び試験結果を表１及び表２に示す。

（試験片の作製）
表１及び表２の組成となるよう原料粉末を秤量し、乾式ボールミルで2時間混合して、混合粉末を得た。混合粉末0.2gを秤量し、一軸加圧成形機を用いて500MPaで金型中に成形し、直径5mmの円盤状の圧粉体を得た。次いで、参考例１〜参考例６、実施例１〜実施例１０、比較例１〜比較例３及び比較例５の圧粉体は1400℃で1時間焼結した。比較例４及び比較例６〜比較例８の圧粉体は、1750℃で1.5時間焼結した。比較例９及び比較例１０の圧粉体は、1720℃で1.5時間焼結した。焼結雰囲気は、全てアルゴン気流下とした。こうして得た焼結体を試験片とした。

（試験）
試験片の相対密度は、式１によって算出した。
式１：相対密度（％）＝（焼結後の合金密度）／（理論密度）×100

耐酸化試験の条件は、大気中1200℃、20時間とした。
試験前後の質量変化率は式２よって算出した。
質量変化率が負の場合は質量減少を表し、正の場合は酸化増量を表す。
式２：質量変化率（％）＝（試験後の質量−試験前の質量）／試験前の質量×100

試験後の外観は目視によって評価した。試験片の形状が原形をとどめず崩壊したものは、耐酸化性が劣るものと判定し、表中に「×」と表した。原形をとどめていたものは「○」とした。

（試験結果）
参考例および実施例の相対密度は、82〜92％であった。参考例および実施例は、耐酸化試験後にも質量変化率が-0.5％以上であって、しかも原形をとどめており、優れた耐酸化性を示した。
比較例は、質量変化率が-0.5％以上と高いものも含まれるが、いずれも崩壊し、耐酸化性が劣っていた。

１ 酸化被膜
２ Crが３０mass%以上含まれる相
３ Crが１０mass%以下含まれる相

Claims (1)

1. Cr：20〜45mass%（ただし20%を除く）、Pd：2〜15mass%（ただし2%を除く）、残部がWからなる耐酸化性の耐熱合金。