JP6601582B2 - Ｆｅ−Ｃｒ合金および抵抗発熱体 - Google Patents

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Description

本発明は、電気抵抗率および耐酸化性に優れたＦｅ−Ｃｒ合金に関する。
抵抗発熱体に電流を流した際に発生するジュール熱によって物体を加熱する方法を、抵抗加熱という。この方法は、電気エネルギーから熱エネルギーへの変換効率が良好であり、また制御装置も簡便で済むため、工業用電気炉や電熱調理器などの幅広い分野で利用されている。
この抵抗加熱において用いられる抵抗発熱体は、Ｎｉ−Ｃｒ合金やＦｅ−Ｃｒ合金に代表される金属発熱体と、ＳｉＣに代表される非金属発熱体に分類することができる。このうち、金属発熱体は、非金属発熱体に比べて加工性に優れるので、箔材や線材に加工することができる。そのため、金属発熱体は、窓ガラスや床などの薄い部材や、手袋などの曲げ負荷がかかる部材にも適用可能である。
かような金属発熱体として、例えば、ＪＩＳ Ｃ ２５２０には、電熱用合金線および電熱用合金帯としてＮｉ−Ｃｒ合金３種（電熱用ニッケルクロム線および帯の１〜３種）と、Ｆｅ−Ｃｒ合金２種（電熱用鉄クロム線および帯の１〜２種）とが規定されている。ここで、Ｎｉ−Ｃｒ合金は、Ｃｒ：１５〜２１％、Ｓｉ：０．７５〜３％を主な添加元素とするＮｉ基合金であり、Ｆｅ−Ｃｒ合金は、Ｃｒ：１７〜２６％、Ａｌ：２〜６％、Ｓｉ：１．５％以下を主な添加元素とするＦｅ基合金である（なお、各元素の「％」は質量％であり、以下同様である）。
また、特許文献１には、
「質量％で、Ｃ：０．０８０％以下、Ｓｉ：１．５〜５．０％、Ｍｎ：５％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０.００３％以下、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｍｏ：３％以下、Ｃｕ：３．５％以下、Ｎ：０．２％以下、Ｏ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、２０〜６００℃での体積抵抗率の平均温度係数が０．００１００／℃以下、β（ｃ）／β（Ａ）で定義される体積抵抗率の冷間加工率依存性指数が０．９７０以上１．０３０以下の範囲であることを特徴とする、体積抵抗率の冷間加工率依存性が小さいステンレス箔又はステンレス線材。ここでβ（ｃ）は箔の圧延率または線の減面率が５０％の加工材における２００℃での体積抵抗率、β（Ａ）は焼鈍材の２００℃での体積抵抗率をそれぞれ示す。」
が開示されている。
さらに、特許文献２には、
「質量％で、Ｃ：０．０８０％以下、Ｓｉ：１．５〜５．０％、Ｍｎ：５％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０.００３％以下、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｍｏ：３％以下、Ｃｕ：３．５％以下、Ｎ：０．２％以下、Ｏ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎｉ／Ｓｉの比率が３〜７の範囲であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、２０〜６００℃での体積抵抗率の平均温度係数が０．００１００／℃以下、β（ｃ）／β（Ａ）で定義される体積抵抗率の冷間加工率依存性指数が０．９７０以上１．０３０以下の範囲であることを特徴とする、体積抵抗率の冷間加工率依存性が小さい抵抗発熱体用ステンレス箔又はステンレス線材。ここでβ（ｃ）は箔の圧延率または線の減面率が５０％の加工材における２００℃での体積抵抗率、β（Ａ）は焼鈍材の２００℃での体積抵抗率をそれぞれ示す。」
が開示されている。
特開２０１３−１５９８３７号公報 特開２０１６−０９４６６２号公報
ところで、金属発熱体の電気抵抗率は、一般的に非金属発熱体よりも低い。よって、必要な発熱量を得るためには、箔材や線材に加工することで金属発熱体の断面積を小さくし、長さを稼ぐ必要がある。しかし、発熱体の使用量削減や形状の自由度を向上させる観点から、より電気抵抗率の高い金属発熱体が求められているのが現状である。
また、金属発熱体では、合金中のＣｒやＡｌが高温で保護性の酸化皮膜を形成することによって優れた耐酸化性が得られる。しかし、長期間の使用により合金中のＣｒやＡｌが消費されこれら元素の濃度が低下すると、保護性の酸化皮膜が維持できなくなり、異常酸化や発熱体の破損などを招く。
特に、自動車などの排ガス浄化装置の直前に設置され、排ガスを昇温して触媒との反応を促進する用途に使用される発熱体は、最高到達温度が１０００℃を超える場合もあり、いっそう優れた耐酸化性が求められる。
ここで、ＪＩＳ Ｃ ２５２０に規定されている合金のうち、Ｎｉ−Ｃｒ合金の電熱用ニッケルクロム線および帯の２種と３種は、最高使用温度がそれぞれ１０００℃と８００℃であり、最高使用温度が１０００℃を超えるような用途では使用できない。また、電熱用ニッケルクロム線および帯の１種は、最高使用温度が１１００℃であるものの、Ｎｉ含有量が７７％以上であるため大変高価である。さらに、電気抵抗率も、体積抵抗率で１０１〜１１２μΩ・ｃｍ（１．０１〜１．１２μΩ・ｍ）であり、十分とは言えない。
一方、Ｆｅ−Ｃｒ合金は、Ｎｉ−Ｃｒ合金と比べて最高使用温度が高く、電熱用鉄クロム線および帯の１種は１２５０℃、２種は１１００℃である。また、Ｆｅ−Ｃｒ合金は、Ｎｉ−Ｃｒ合金と比べて電気抵抗率も高く、体積抵抗率で、電熱用鉄クロム線および帯の１種が１４２μΩ・ｃｍ（１．４２μΩ・ｍ）、２種が１２３μΩ・ｃｍ（１．２３μΩ・ｍ）である。
しかし、かような電熱用鉄クロム線および帯の１種および２種も１０００℃を超える高温で長時間使用すると、発熱体の酸化速度が速くＡｌが早期に消費される。この現象は、板厚の薄い箔材や径の細い線材で特に顕著であり、結果的に、寿命の大幅な短時間化を招く。また、１０００℃を超える高温では、保護性の酸化皮膜の剥離が生じ易く、発熱体の破損や断裂を招きやすいという問題もある。
また、特許文献１および２に記載の合金は、Ｆｅ−Ｃｒ合金であるが、オーステナイト安定化元素であるＮｉを１０〜１５％含有するためオーステナイト組織を有しており、フェライト組織を有するＦｅ−Ｃｒ合金よりも高温での強度が高いという利点がある。しかし、オーステナイト組織はフェライト組織よりも熱膨張率が高いため、加熱時の体積膨張に伴い大きな熱応力が発生する。特に、最高使用温度が１０００℃を超えるような条件で加熱と冷却とが繰り返し行われると、熱応力による変形や破断が生じやすく、かえって寿命の短時間化を招くという問題がある。
本発明は、上記の問題を解決するために開発されたものであって、電気抵抗率が高く、耐酸化性、特に１０００℃超の高温での耐酸化性に優れる、抵抗発熱体として用いて好適なＦｅ−Ｃｒ合金を、その有利な製造方法とともに提供することを目的とする。
また、本発明は、上記のＦｅ−Ｃｒ合金を用いた抵抗発熱体を提供することを目的とする。
さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく、種々検討を重ねた。その結果、次の知見を得た。
（１）Ｆｅ−Ｃｒ合金において優れた電気抵抗率と高温での耐酸化性とを両立するには、Ｓｉ含有量およびＡｌ含有量を同時に高めることが有効である。特に、Ａｌ含有量が２．０％を超えると、高温環境下では表面にＡｌ２Ｏ３の保護皮膜が生成して、耐酸化性が大幅に向上する。このように、Ｓｉ含有量およびＡｌ含有量を同時に高めつつ、さらにＣｒを一定量以上含有させてこれらの合計量を所定量以上とすることにより、電気抵抗率と、高温での耐酸化性の両方を向上させることができる。
（２）しかし、ＡｌおよびＳｉは靭性を低下させる元素であり、本発明者らが、Ｃｒを２０％程度含有させたＦｅ−Ｃｒ合金を用いて、Ｓｉ含有量およびＡｌ含有量を変化させた材料を製造したところ、Ｓｉ含有量およびＡｌ含有量が多くなるに伴って、熱間圧延時や冷間圧延時に割れが発生し易くなり、特に板厚の薄い板材への加工が困難になるという問題が生じた。
（３）この点を解決すべく、発明者らはさらに検討を重ねた。その結果、特に板厚の薄いＦｅ−Ｃｒ合金板材のＳｉ含有量およびＡｌ含有量を同時に高めるには、Ａｌ含有量を高くする一方、Ｓｉ含有量を低くしたスラブに圧延加工を施して最終板厚の板材とし、その上で、この板材に、熱ＣＶＤ法による浸珪処理を施して、最終製品でのＳｉ含有量を高めることが有効なことを見出した。これにより、Ｓｉ含有量およびＡｌ含有量を同時に高めた、板厚の薄いＦｅ−Ｃｒ合金が得られる。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えた末に完成されたものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：０．０２０％以下、
Ｓｉ：１．５％超１０．０％以下、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：１６．０〜３０．０％、
Ａｌ：２．０〜６．５％、
Ｎ：０．０２０％以下および
Ｎｉ：０．５０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するとともに、
次式（１）の関係を満足する、Ｆｅ−Ｃｒ合金。
１４.０≦％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒ・・・・・・（１）
ここで、％Ｓｉ、％Ａｌおよび％Ｃｒは、上記成分組成におけるＳｉ、ＡｌおよびＣｒの含有量（質量％）である。
２．前記成分組成が、さらに質量％で、
Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．２０％、
Ｈｆ：０．０１〜０．２０％、
ＲＥＭ：０．０１〜０．２０％、
Ｃｕ：０．０１〜０．１０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｏ：０．０１〜６．０％、
Ｗ：０．０１〜６．０％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１００％および
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１００％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する、前記１に記載のＦｅ−Ｃｒ合金。
３．板厚が２００μｍ以下である、前記１または２に記載のＦｅ−Ｃｒ合金。
４．質量％で、
Ｃ：０．０２０％以下、
Ｓｉ：０．０１〜１．５％、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：１６．０〜３０．０％、
Ａｌ：２．０〜６．５％、
Ｎ：０．０２０％以下および
Ｎｉ：０．５０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を有するスラブに、圧延加工を施して最終板厚となる板材とし、
該板材に、熱ＣＶＤ法による浸珪処理を行うことにより、Ｓｉ含有量が１．５質量％超１０．０質量％以下であり、かつ、次式（１）の関係を満足するＦｅ−Ｃｒ合金を得る、Ｆｅ−Ｃｒ合金の製造方法。
１４.０≦％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒ・・・・・・（１）
ここで、％Ｓｉ、％Ａｌおよび％Ｃｒは、上記Ｆｅ−Ｃｒ合金の成分組成におけるＳｉ、ＡｌおよびＣｒの含有量（質量％）である。
５．前記スラブの成分組成が、さらに質量％で、
Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．２０％、
Ｈｆ：０．０１〜０．２０％、
ＲＥＭ：０．０１〜０．２０％、
Ｃｕ：０．０１〜０．１０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｏ：０．０１〜６．０％、
Ｗ：０．０１〜６．０％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１００％および
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１００％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する、前記４に記載のＦｅ−Ｃｒ合金の製造方法。
６．前記板材の最終板厚が２００μｍ以下である、前記４または５に記載のＦｅ−Ｃｒ合金の製造方法。
７．前記１〜３のいずれかに記載のＦｅ−Ｃｒ合金からなる、抵抗発熱体。
本発明によれば、電気抵抗率が高く、耐酸化性、特に１０００℃超の高温での耐酸化性に優れるＦｅ−Ｃｒ合金を得ることができる。
また、本発明のＦｅ−Ｃｒ合金は、特に高温での耐酸化性に優れるので、自動車などの排ガス浄化装置の直前に設置される排ガス昇温装置の発熱体や、電気炉や電熱調理器の発熱体、さらには、触媒担体、ストーブの反射板、煙突部材などとしても好適に用いることができる。
％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒと電気抵抗率（体積抵抗率）との関係を示す図である。
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明のＦｅ−Ｃｒ合金の成分組成について説明する。なお、成分組成における単位はいずれも「質量％」であるが、以下、特に断らない限り、単に「％」で示す。
Ｃ：０．０２０％以下
Ｃ含有量が０．０２０％を超えると、熱延鋼板や冷延鋼板の靭性が低下してＦｅ−Ｃｒ合金の製造が困難になる。このため、Ｃ含有量は０．０２０％以下とする。好ましくは０．０１５％以下、より好ましくは０．０１０％以下である。なお、下限については特に限定されるものではないが、過度のＣ含有量の低減は精錬コストの増加を招くため、Ｃ含有量は０．００２％以上とすることが好ましい。
Ｓｉ：１．５％超１０．０％以下
Ｓｉは、Ｆｅ−Ｃｒ合金の電気抵抗率を高める働きがある。電気抵抗率の向上の効果を十分に得るためには、Ｓｉ含有量を１．５％超とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が１０．０％を超えると、脆化が著しくなって発熱体の形状に加工することが困難となる。従って、Ｓｉ含有量は１．５％超１０．０％以下とする。好ましくは１．７％以上、より好ましくは２．０％以上である。また、好ましくは６．０％以下、より好ましくは５．０％以下、さらに好ましくは４．０％以下である。
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎ含有量が１．０％を超えると、鋼の耐酸化性が低下する。このため、Ｍｎ含有量は１．０％以下とする。好ましくは０．５％以下、より好ましくは０．１５％以下である。ただし、Ｍｎ含有量を０．０１％未満にしようとすると精錬が困難になるので、Ｍｎ含有量は０．０１％以上が好ましい。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐ含有量が０．０４０％を超えると、鋼の靭性および延性が低下してＦｅ−Ｃｒ合金の製造が困難になる。このため、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下である。なお、下限については特に限定されるものではないが、過度の脱Ｐはコストの増加を招くので、Ｐ含有量は０．００５％以上とすることが好ましい。
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓ含有量が０．０１０％を超えると、熱間加工性が低下して熱延鋼板の製造が困難になる。このため、Ｓ含有量は０．０１０％以下とする。好ましくは０．００４％以下、より好ましくは０．００２％以下である。なお、下限については特に限定されるものではないが、過度の脱Ｓはコストの増加を招くので、Ｓ含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。
Ｃｒ：１６．０〜３０．０％
Ｃｒは、高温での耐酸化性を確保する上で必要不可欠な元素である。また、ＡｌおよびＳｉより効果は小さいものの、電気抵抗率を高める働きも有する。ここで、Ｃｒ含有量が１６．０％未満では、高温での耐酸化性を十分に確保できない。一方、Ｃｒ含有量が３０．０％を超えると、Ｆｅ−Ｃｒ合金の製造過程におけるスラブや熱延鋼板の靭性が低下して、Ｆｅ−Ｃｒ合金の製造が困難となる。このため、Ｃｒ含有量は１６．０〜３０．０％とする。好ましくは１７．０％以上、より好ましくは１８．０％以上である。また、好ましくは２６．０％以下、より好ましくは２２．０％以下である。
Ａｌ：２．０〜６．５％
Ａｌは、高温でＡｌ２Ｏ３を主成分とする酸化皮膜（以下、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜とも称する）を生成して、耐酸化性を向上させる元素である。また、Ａｌは、電気抵抗率を高める効果も有する。これらの効果は、Ａｌ含有量が２．０％以上で得られる。一方、Ａｌ含有量が６．５％を超えると、鋼の靭性の低下により、Ｆｅ−Ｃｒ合金の製造が困難となる。このため、Ａｌ含有量は２．０〜６．５％とする。好ましくは４．０％以上である。また、好ましくは６．０％以下である。
Ｎ：０．０２０％以下
Ｎ含有量が０．０２０％を超えると、靱性が低下してＦｅ−Ｃｒ合金の製造が困難になる。このため、Ｎ含有量は０．０２０％以下とする。好ましくは０．０１０％以下である。なお、下限については特に限定されるものではないが、過度の脱Ｎはコストの増加を招くので、Ｎ含有量は０．００２％以上とすることが好ましい。
Ｎｉ：０．５０％以下
Ｎｉは、オーステナイト組織を安定化させる元素である。ここで、Ｎｉ含有量が０．５０％を超えると、高温で酸化が進行することによりＡｌが枯渇してＣｒが酸化され始めた際に、オーステナイト組織が生成する。これにより、Ｃｒ−Ｆｅ合金の熱膨張係数が変化して、結果的に、部材の破断などの不具合を招く。このため、Ｎｉ含有量は０．５０％以下とする。好ましくは０．２０％以下である。なお、下限については特に限定されるものではないが、過剰に低減しようとすると精錬コストが増加するため、０．０１％以上とすることが好ましい。
以上、基本成分について説明したが、本発明のＦｅ−Ｃｒ合金では、Ｓｉ含有量、Ａｌ含有量およびＣｒ含有量が、次式（１）の関係を満足する必要がある。
１４.０≦％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒ・・・・・・（１）
ここで、％Ｓｉ、％Ａｌおよび％Ｃｒは、上記Ｆｅ−Ｃｒ合金の成分組成におけるＳｉ、ＡｌおよびＣｒの含有量（質量％）である。
すなわち、Ｆｅ−Ｃｒ合金の電気抵抗率の向上のためには、Ｓｉ含有量およびＡｌ含有量を同時に増加させることが有効である。また、ＳｉおよびＡｌには劣るものの、ＣｒにもＦｅ−Ｃｒ合金の電気抵抗率を向上させる効果がある。このように、Ｆｅ−Ｃｒ合金の電気抵抗率は、Ｓｉ含有量、Ａｌ含有量およびＣｒ含有量の合計量によって変化する。
ここで、発明者らが、種々の条件で、Ｓｉ、ＡｌおよびＣｒ含有量を変化させたＦｅ−Ｃｒ合金を製造し、その電気抵抗率を体積抵抗率で測定したところ、図１に示すとおり、Ｆｅ−Ｃｒ合金の体積抵抗率は、％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒとほぼ比例関係になることがわかった。
また、同図より、％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒの値を１４.０以上とすれば、ＪＩＳ Ｃ ２５２０に規定の電熱用鉄クロム線および帯の１種より優れた体積抵抗率（１４２μΩ・ｃｍ超）が得られることがわかる。
このため、％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒの値は１４.０以上とする。好ましくは１４．５以上、より好ましくは１５．０以上である。なお、上限については特に限定されるものではないが、１８．０程度とすることが好適である。
なお、図１は、後述する実施例における表２および表３のＮｏ．１〜１０およびＮｏ．１２〜２１のデータをプロットしたものである。
また、上記の基本成分に加えて、以下の元素をさらに含有させることができる。
Ｔｉ：０．０１〜０．５０％
Ｔｉは、鋼中のＣやＮと結合して靭性を向上させる効果や、耐酸化性を向上させる効果があるため、必要に応じて、０．０１％以上含有させることができる。しかし、Ｔｉ含有量が０．５０％を超えると、Ｔｉ酸化物がＡｌ２Ｏ３皮膜中に多量に混入し、高温での耐酸化性が低下する。よって、Ｔｉを含有させる場合、その含有量は０．０１〜０．５０％とする。より好ましくは０．０５％以上である。また、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｚｒ：０．０１〜０．２０％
Ｚｒは、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜の密着性を改善するとともに、その成長速度を低減して耐酸化性を向上させる効果がある。このため、Ｚｒは、特に優れた耐酸化性が必要な場合に添加することが好ましい。また、Ｚｒは、ＣおよびＮを固定して靭性を向上させる。これらの効果は、Ｚｒ含有量が０．０１％以上で得られる。しかし、Ｚｒ含有量が０．２０％を超えると、Ｆｅなどと金属間化合物を形成し、Ｆｅ−Ｃｒ合金の靭性を低下させる。よって、Ｚｒを含有させる場合、その含有量は０．０１〜０．２０％とする。より好ましくは０．０２％以上である。また、より好ましくは０．１０％以下である。
Ｈｆ：０．０１〜０．２０％
Ｈｆは、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜の密着性を改善するとともに、その成長速度を低減して耐酸化性を向上させる効果がある。このため、Ｈｆは、特に優れた耐酸化性が必要な場合に添加することが好ましい。この効果は、Ｈｆ含有量が０．０１％以上で得られる。しかし、Ｈｆ含有量が０．２０％を超えると、Ｆｅなどと金属間化合物を形成し、靭性を低下させる。よって、Ｈｆを含有させる場合、その含有量は０．０１〜０．２０％とする。より好ましくは０．０２％以上である。また、より好ましくは０．１０％以下である。
なお、ＺｒとＨｆを同時に含有させる場合、靭性確保の観点から、その合計の含有量を０．２０％以下とすることが好ましい。
ＲＥＭ：０．０１〜０．２０％
ＲＥＭとは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイド系元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍなど原子番号５７〜７１までの元素）をいう。ＲＥＭは、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜の密着性を改善し、酸化が繰り返し起こるような環境下において、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜の耐剥離性を向上させる効果がある。このため、ＲＥＭは、特に優れた耐酸化性が必要な場合に添加することが好ましい。この効果は、ＲＥＭ含有量（上記したＳｃ、Ｙおよびランタノイド系元素の合計含有量）が０．０１％以上で得られる。一方、ＲＥＭ含有量が０．２０％を超えると、熱間加工性が低下して熱延鋼板の製造が困難になる。よって、ＲＥＭを含有させる場合、その含有量は０．０１〜０．２０％とする。より好ましくは０．０３％以上である。また、より好ましくは０．１０％以下である。
なお、ＲＥＭの添加には、コスト低減のため、これらが分離精製されていない金属（ミッシュメタル等）を用いることもできる。
Ｃｕ：０．０１〜０．１０％
Ｃｕは、鋼中に析出して高温強度を向上させる効果があるため、必要に応じて、０．０１％以上含有させることができる。しかし、Ｃｕ含有量が０．１０％を超えると、鋼の靭性の低下を招く。よって、Ｃｕを含有させる場合、その含有量は０．０１〜０．１０％とする。より好ましくは０．０５％以下、さらに好ましくは０．０３％以下である。
Ｎｂ：０．０１〜０．５０％
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと結合して靭性を向上させる効果や、耐酸化性を向上させる効果があるため、必要に応じて、０．０１％以上含有させることができる。しかし、Ｎｂ含有量が０．５０％を超えると、Ｎｂ酸化物がＡｌ２Ｏ３皮膜中に多量に混入し、高温での耐酸化性がかえって低下する。よって、Ｎｂを含有させる場合、その含有量は０．０１〜０．５０％とする。より好ましくは０．０５％以上である。また、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｖ：０．０１〜０．５０％
Ｖは、鋼中のＣやＮと結合して靭性を向上させる効果や、耐酸化性を向上させる効果があるため、必要に応じて、０．０１％以上含有させることができる。しかし、Ｖ含有量が０．５０％を超えると、Ｖ酸化物がＡｌ２Ｏ３皮膜中に多量に混入し、高温での耐酸化性がかえって低下する。よって、Ｖを含有させる場合、その含有量は０．０１〜０．５０％とする。より好ましくは０．０５％以上である。また、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｍｏ：０．０１〜６．０％
Ｍｏは、高温での強度を増加させ、Ｆｅ−Ｃｒ合金を発熱体として使用するときの寿命の延長に寄与する。この効果は、Ｍｏ含有量が０．０１％以上で得られる。一方、Ｍｏ含有量が６．０％を超えると、加工性の低下によりＦｅ−Ｃｒ合金の製造が困難になる。よって、Ｍｏを含有させる場合、その含有量は０．０１〜６．０％とする。より好ましくは１．０％以上である。また、より好ましくは５．０％以下である。
Ｗ：０．０１〜６．０％
Ｗは、高温での強度を増加させ、Ｆｅ−Ｃｒ合金を発熱体として使用するときの寿命の延長に寄与する。この効果は、Ｗ含有量が０．０１％以上で得られる。一方、Ｗ含有量が６．０％を超えると、加工性の低下によりＦｅ−Ｃｒ合金の製造が困難になる。よって、Ｗを含有させる場合、その含有量は０．０１〜６．０％とする。より好ましくは１．０％以上である。また、より好ましくは５．０％以下である。
なお、ＭｏとＷを同時に含有させる場合、加工性の低下を防ぐためにその合計の含有量を６．０％以下とすることのが好ましい。
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％
Ｂは、鋼の粒界を強化し、熱間圧延中の割れを防ぐ効果がある。この効果は、Ｂ含有量が０．０００１％以上で得られる。一方、Ｂ含有量が０．００５０％を超えると、耐酸化性の低下を招くおそれがある。よって、Ｂを含有させる場合、その含有量は０．０００１〜０．００５０％とする。より好ましくは０．００１０％以上である。また、より好ましくは０．００４０％以下である。
Ｃａ:０．０００２〜０．０１００％、Ｍｇ：０．０００２〜０．０１００％
適量のＣａあるいはＭｇは、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜の鋼に対する密着性向上と成長速度低減により耐酸化性を向上させる効果がある。この効果は、Ｃａ含有量が０．０００２％以上、Ｍｇ含有量が０．０００２％以上で得られる。より好ましくは、Ｃａ含有量は０．０００５％以上、Ｍｇ含有量は０．００１５％以上である。さらに好ましくは、Ｃａ含有量は０．００１０％以上である。しかし、これら元素を過剰に添加すると、靭性の低下や耐酸化性の低下を招くおそれがある。よって、ＣａおよびＭｇを含有させる場合、Ｃａ含有量およびＭｇ含有量はいずれも０．０１００％以下とする。より好ましくは０．００５０％以下である。
上記以外の成分は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。
すなわち、本発明のＦｅ−Ｃｒ合金の成分組成は、質量％で、
Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：１．５％超１０．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１６．０〜３０．０％、Ａｌ：２．０〜６．５％、Ｎ：０．０２０％以下およびＮｉ：０．５０％以下を含有し、
必要に応じて、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、Ｚｒ：０．０１〜０．２０％、Ｈｆ：０．０１〜０．２０％、ＲＥＭ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｍｏ：０．０１〜６．０％、Ｗ：０．０１〜６．０％、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、Ｃａ：０．０００２〜０．０１００％およびＭｇ：０．０００２〜０．０１００％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、上掲式（１）の関係を満足するものである。
また、本発明のＦｅ−Ｃｒ合金の板厚は特に限定されるものではないが、電熱調理器や排ガス浄化装置の直前に搭載される排ガス昇温装置などの発熱体に用いる場合、断面積を小さくし、かつ表面積を大きくすべく、２００μｍ以下とすることが好ましい。また、下限については、強度を確保するために２０μｍとすることが好ましい。
次に、本発明のＦｅ−Ｃｒ合金の好適製造方法について説明する。
すなわち、質量％で、
Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１６．０〜３０．０％、Ａｌ：２．０〜６．５％、Ｎ：０．０２０％以下およびＮｉ：０．５０％以下を含有し、
必要に応じて、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、Ｚｒ：０．０１〜０．２０％、Ｈｆ：０．０１〜０．２０％、ＲＥＭ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｍｏ：０．０１〜６．０％、Ｗ：０．０１〜６．０％、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、Ｃａ：０．０００２〜０．０１００％およびＭｇ：０．０００２〜０．０１００％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を有する溶鋼を、
転炉、電気炉、真空溶解炉等の公知の方法で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊−分塊法によりスラブとする。
ここで、スラブ（および後述する浸珪処理素材となる板材）の成分組成について説明する。
Ｓｉ：０．０１〜１．５％
スラブ（および浸珪処理素材となる板材）のＳｉ含有量は１．５％以下とする。すなわち、スラブのＳｉ含有量が１．５％を超えると、靭性が低下し、特に板厚：２００μｍ以下の板材（箔材）を製造する際には、熱間圧延時や冷間圧延時に破断が生じて製造が困難になる。従って、スラブのＳｉ含有量は１．５％以下とする。好ましくは１．０％以下、より好ましくは０．５％以下である。一方、スラブのＳｉ含有量が０．０１％未満になると、耐酸化性が低下する。従って、Ｓｉ含有量は０．０１％以上とする。好ましくは０．０５％以上である。
なお、スラブにおけるＳｉ以外の元素の成分組成は、前述したＦｅ−Ｃｒ合金の成分組成と同じにすればよい。
ただし、後述する熱ＣＶＤ法による浸珪処理では、基本的にＦｅがＳｉに置換されるが、Ｆｅ以外の元素、例えば、ＡｌやＣｒも塩化物を生成してＳｉと置換され、スラブ時点での含有量よりも減少する場合がある。特に、ＡｌやＣｒは耐酸化性の向上に特に重要な役割を果たすので、浸珪処理後のＣｒ含有量およびＡｌ含有量が前述したＦｅ−Ｃｒ合金の成分組成を下回らないよう注意する必要がある。このような観点から、スラブ（および浸珪処理素材となる板材）のＣｒ含有量は１８．０〜３０．０％、Ａｌ含有量は３．０〜６．５％とすることがそれぞれ好ましい。より好ましくは、Ｃｒ含有量は１９．０％以上である。また、より好ましくは、Ｃｒ含有量は２２．０％以下である。より好ましくは、、Ａｌ含有量は４．５％以上である。また、より好ましくは、Ａｌ含有量は６．０％以下である。
ついで、このスラブに圧延加工を施して、最終板厚となる板材とする。圧延加工方法は特に限定されず、常法に従えばよい。例えば、スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とし、該熱延鋼板に、冷間圧延と焼鈍とを施して最終板厚となる板材（浸珪処理素材）を得たり、または、スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とし、該熱延鋼板に熱延板焼鈍を施したのち、冷間圧延して最終板厚となる板材（浸珪処理素材）を得たりする方法が挙げられる。
また、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延および焼鈍の条件については特に限定されず、常法に従えばよい。例えば、スラブを１１００〜１２５０℃で１〜２４時間加熱したのち、熱間圧延によって板厚：２．０〜６．０ｍｍ程度の熱延鋼板とし、その後、必要に応じて、酸洗や機械研磨によって脱スケールを施し、上記の熱延鋼板に、冷間圧延および焼鈍を施して、最終板厚となる冷延板とする。
なお、所望の最終板厚の板材とするために、冷間圧延および焼鈍（冷延板焼鈍）は繰り返し行ってもよいが、製造効率の観点から、冷間圧延および焼鈍の回数は少ない方が好ましい。なお、ここでいう板材には、いわゆる箔材（例えば板厚：２０〜２００μｍ）も含むものとする。
かくして得られた最終板厚となる板材に、熱ＣＶＤ法による浸珪処理を施す。
ここで、熱ＣＶＤ法による浸珪処理は、最終板厚とした板材に対して、高温でＳｉＣｌ４ガスを吹き付けてＳｉ含有量を上昇させる方法であり、例えば、特公平６−４５８８１号公報に記載されるように、珪素鋼（電磁鋼板）の製造技術として利用される場合がある。
具体的には、非酸化性雰囲気下の熱処理炉で浸珪処理素材となる板材を、７００℃以上１４００℃以下の温度域に加熱する。ついで、ＳｉＣｌ４ガスを炉内に導入する。その結果、浸珪処理素材となる板材の表面では、
ＳｉＣｌ４＋５Ｆｅ → Ｆｅ３Ｓｉ＋２ＦｅＣｌ２
の反応によりＦｅ３Ｓｉが生成し、Ｓｉ濃化相が形成される。
この反応で素材のＦｅがＳｉと置換されて、板材のＳｉ含有量が高まるのである。
なお、この処理の後、表層部に濃化しているＳｉを拡散させて均質化するため、９００℃以上１３００℃以下の温度域で１分以上保持する熱処理を行ってもよい。
このようにして、Ｓｉ含有量が０．０１〜１．５％、Ａｌ含有量が２．０〜６．５％の浸珪処理素材となる板材に、熱ＣＶＤ法による浸珪処理を施すことにより、Ｓｉ含有量およびＡｌ含有量の両方が高いＦｅ−Ｃｒ合金を、安定的に製造することが可能となる。
なお、浸珪処理後に得られるＦｅ−Ｃｒ合金におけるＳｉ含有量（浸珪処理におけるＳｉの増加量）は、浸珪処理の処理温度や処理時間（２０〜６００秒の範囲で調整）、および／またはＳｉＣｌ４ガス濃度（５〜４０体積％の範囲で調整、残部はＡｒガス）を調整することによって制御することができる。
５０kｇ小型真空溶解炉によって溶製した表１に示す成分組成となるスラブ（残部はＦｅおよび不可避的不純物）を、１２００℃に加熱後、９００〜１２００℃の温度域で熱間圧延して板厚：３.０ｍｍの熱延鋼板とした。なお、表１中の鋼記号Ｊでは、熱間圧延時に割れが発生して冷延鋼板が作成できなかったため、浸珪処理を行えず、以降の評価もできなかった。ついで、得られた熱延鋼板を、大気中、９００℃、１分間の条件で熱延板焼鈍し、酸洗で表面スケールを除去した後、板厚：１．０ｍｍまで冷間圧延し、冷延鋼板とした。なお、表１中の鋼記号Ｋでは、冷間圧延時に割れが発生して箔材が作成できなかったため、浸珪処理を行えず、以降の評価もできなかった。この冷延鋼板を大気中、９００℃、１分間の条件で冷延板焼鈍し、酸洗で表面スケールを除去した後、さらに冷間圧延を行って、板厚：４０〜１１０μｍの板材（箔材）を得た。
ついで、得られた板材に対し、浸珪処理を行った。この浸珪処理は、小型バッチ式加熱炉にて実施した。具体的には、幅：５０ｍｍ、長さ：１５０ｍｍの鋼片を採取し、Ａｒ雰囲気中で９５０℃〜１１００℃に加熱した後、ＳｉＣｌ４ガス濃度が１５体積％、残部がＡｒガスなるようにこれらのガスを混合して、加熱炉内に導入した。処理時間は、２５秒〜４５０秒とした。
その後、さらに、真空中、１１５０℃で３０分保持した後に炉冷する熱処理を施し、Ｆｅ−Ｃｒ合金を作製した。
かくして得られたＦｅ−Ｃｒ合金の成分組成を、Ｆｅ−Ｃｒ合金の一部から切粉を採取して、湿式分析を行うことにより測定した。測定結果を表２に併記する。なお、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
また、このＦｅ−Ｃｒ合金を用いて、以下の要領で、（１）加工性、（２）電気抵抗率、および、（３）耐酸化性の評価を行った。評価結果を表３に示す。
（１）加工性
加工性は、得られたＦｅ−Ｃｒ合金に、自動車などの排ガス浄化装置に使用される金属用発熱体で一般的に行われる波付加工を施して評価した。すなわち、最大曲げ半径：０．５ｍｍ、波ピッチ：２．０ｍｍ、波高さ：２．０ｍｍの歯車状ロール２本の間を通過させることにより、上記のＦｅ−Ｃｒ合金に波付け加工を施した。そして、破断やクラックが発生することなく加工できた場合を○（良好）、破断やクラックが発生した場合を×（不良）として評価した。
（２）電気抵抗率
電気抵抗率は、ＪＩＳ Ｋ ７１９４に規定する４探針法を参考に測定した。装置は三菱化学株式会社製：ＭＣＰ−Ｔ６００を使用した。すなわち、上記のＦｅ−Ｃｒ合金から５０ｍｍ×８０ｍｍの試験片を各５個切り出し、各試験片の中心部１点で抵抗を測定し、体積抵抗率を算出した。そして、これらの平均値を、当該Ｆｅ−Ｃｒ合金の体積抵抗率とし、以下の基準で評価した。
◎（合格、特に優れる）：体積抵抗率が１５０μΩ・ｃｍ超
○（合格、優れる）：体積抵抗率が１４２μΩ・ｃｍ超１５０μΩ・ｃｍ以下
×（不合格、不良）：体積抵抗率が１４２μΩ・ｃｍ以下
（３）耐酸化性
耐酸化性は、高温の大気中で保持する酸化試験により評価した。すなわち、上記のＦｅ−Ｃｒ合金から幅：２０ｍｍ×長さ：３０ｍｍの試験片を２枚採取し、大気雰囲気中、１１００℃で４００時間酸化させる処理を行い、処理前後での酸化増量（酸化処理前後での試験片の質量変化量を、酸化処理前の試験片の表面積で除した値）を測定した。そして、各試験片の酸化増量の平均値を、当該Ｆｅ−Ｃｒ合金の酸化増量として、以下の基準で評価した。
◎（合格、特に優れる）：酸化増量が１０．０ｇ／ｍ２以下
○（合格、優れる）：酸化増量が１０．０ｇ／ｍ２超１５．０ｇ／ｍ２以下
×（不合格、不良）：酸化増量が１５．０ｇ／ｍ２超
表３より、発明例ではいずれも、高い加工性と電気抵抗率、さらには優れた耐酸化性が得られていることがわかる。
一方、比較例ではいずれも、熱間圧延時もしくは冷間圧延時に割れが発生して試験片が作成できないか、または、加工性、電気抵抗率および耐酸化性のうちの少なくとも１つが十分とは言えなかった。
なお、Ｎｏ．１１については、Ｓｉ含有量が過剰であるために材料が非常に脆く、（２）電気抵抗率および（３）耐酸化性の評価で使用する所定の形状の試験片を切出すことできなかった。このため、Ｎｏ．１１については、（２）電気抵抗率および（３）耐酸化性の評価は行わなかった。

Claims (4)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．０２０％以下、
    Ｓｉ：１．５％超１０．０％以下、
    Ｍｎ：１．０％以下、
    Ｐ：０．０４０％以下、
    Ｓ：０．０１０％以下、
    Ｃｒ：１６．０〜３０．０％、
    Ａｌ：２．０〜６．５％、
    Ｎ：０．０２０％以下および
    Ｎｉ：０．５０％以下
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するとともに、
    次式（１）の関係を満足し、かつ、
    板厚：２００μｍ以下の板材である、Ｆｅ−Ｃｒ合金。
    １４.０≦％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒ・・・・・・（１）
    ここで、％Ｓｉ、％Ａｌおよび％Ｃｒは、上記成分組成におけるＳｉ、ＡｌおよびＣｒの含有量（質量％）である。
  2. 前記成分組成が、さらに質量％で、
    Ｃｕ：０．０１〜０．１０％、
    Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
    Ｃａ：０．０００２〜０．０１００％および
    Ｍｇ：０．０００２〜０．０１００％
    のうちから選んだ１種または２種以上を含有する、請求項１に記載のＦｅ−Ｃｒ合金。
  3. 質量％で、
    Ｃ：０．０２０％以下、
    Ｓｉ：１．５％超１０．０％以下、
    Ｍｎ：１．０％以下、
    Ｐ：０．０４０％以下、
    Ｓ：０．０１０％以下、
    Ｃｒ：１６．０〜３０．０％、
    Ａｌ：２．０〜６．５％、
    Ｎ：０．０２０％以下および
    Ｎｉ：０．５０％以下と、
    Ｃｕ：０．０１〜０．１０％、
    Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
    Ｃａ：０．０００２〜０．０１００％および
    Ｍｇ：０．０００２〜０．０１００％
    のうちから選んだ１種または２種以上と、
    Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、
    Ｚｒ：０．０１〜０．２０％、
    Ｈｆ：０．０１〜０．２０％、
    ＲＥＭ：０．０１〜０．２０％、
    Ｎｂ：０．０１〜０．５０％、
    Ｖ：０．０１〜０．５０％、
    Ｍｏ：０．０１〜６．０％および
    Ｗ：０．０１〜６．０％
    のうちから選んだ１種または２種以上と、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するとともに、
    次式（１）´の関係を満足し、かつ、
    板厚：２００μｍ以下の板材である、Ｆｅ−Ｃｒ合金。
    １５.０≦％Ｓｉ＋１．１５×％Ａｌ＋０．３５×％Ｃｒ・・・・・・（１）´
    ここで、％Ｓｉ、％Ａｌおよび％Ｃｒは、上記成分組成におけるＳｉ、ＡｌおよびＣｒの含有量（質量％）である。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載のＦｅ−Ｃｒ合金からなる、抵抗発熱体。
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