JPH0689435B2

JPH0689435B2 - 高温での使用に対して改良された特性を有する鉄アルミナイド合金

Info

Publication number: JPH0689435B2
Application number: JP2505218A
Authority: JP
Inventors: マッケミー、クローデット・ジー; リュー、チェイン・ティー
Original assignee: マーチン・マリエッタ・エナジー・システムズ・インク
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: US4961903A; JPH04500390A; WO1990010722A1; CA2042363C; DE69013335T2; EP0455752A1; CA2042363A1; ATE112809T1; EP0455752B1; DK0455752T3; DE69013335D1; ES2061022T3

Description

【発明の詳細な説明】技術分野一般的に述べると、本発明はDO₃形のアルミニウム含有
鉄を主材とする合金に関し、より詳細に述べると、鉄ア
ルミナイド（iron aluminide）に基づく合金に種々の合
金成分を添加して得られる、室温延性、高温強度、及び
耐腐食性を有するこの種の合金に関する。

従来技術現在、工業的に使用されているほとんどの耐熱合金は、
ニッケルベース合金か又は高ニッケル含有率を有するス
チール（例えば、オーステナイトスチール）である。こ
れらは、クロム、コバルト、ニオブ、タンタル、及びタ
ングステンのような種々の合金成分を微妙なバランスで
含有して、高温強度、延性、及び使用環境における有害
作用に対する抵抗性の組み合わせを作り出している。こ
れらの合金原素は、各成分の二次加工性、及び使用中の
それらの熱安定性にも影響を与える。このような合金は
過去において広く使用されてきたが、これらは、進歩し
た化石エネルギー転換系において使用されるような成分
に必要な要件を満足していない。主要な欠点は、高い材
料コスト、老化脆化性（時間の経過とともに脆くなく性
質）、及び硫黄含有環境下での破壊的な高温腐食性であ
る。

これに対して、Fe₃Al組成物に近い二元（binary）鉄ア
ルミナイド合金は、このような用途で使用するのに魅力
的な特徴を有している。これは、それらの低融点共融混
合物形成に対する抵抗性、と非常に低い酸素分圧下で保
護酸化アルミニウム被膜を形成する能力とによるもので
ある。この酸化物被膜は硫黄含有物質による侵蝕に対し
て抵抗する。しかしながら、非常に低い室温延性（例え
ば、１〜２％）と約600℃以上での貧弱な強度はこれの
適用の欠点である。室温延性は、急速に凝固された粉末
を高温押出しして鉄アルミナイドを製造することによっ
て増加させることができるが、この加工方法は、コスト
が高く、かつ他の特性を劣化させる。この合金のクリー
プ強度は、550℃で0.15％炭素スチールに匹敵するもの
であるが、これは多くの工業的用途に対しては適当では
ない。

広範囲の用途に対して、それらの特性の改良に関する組
成物の効果を研究するために、相当量の研究調査が鉄ア
ルミナイドに関して行われた。このような研究の代表的
なものは、1925年８月18日にエイチ・エス・クーパー
（H.S.Cooper）に与えられた米国特許第1,550,508号に
報告されている。そこに報告されているものは、アルミ
ニウムが10〜16％であり、組成物が10％のマンガンと５
〜10％のクロムを含む鉄アルミナイドである。別の研究
が、1935年２月12日にエイチ・ジェイガー（H.Jaeger）
に与えられた米国特許第1,990,650号に報告されてお
り、ここでは、16〜20％のAl、５〜8.5％のCr、0.4〜1.
5％のMn、0.25％までのSi、0.1〜1.5％のMo、及び0.1〜
0.5％のTiを含有する鉄アルミナイド合金が報告されて
いる。この技術分野の別の特許は、1962年３月20日にジ
ェー・エイチ・シュラム（J.H.Schramm）に与えられた
米国特許第3,026,197号である。これは、６〜18％のA
l、5.86％までのCr、0.05〜0.5％のZr、及び0.01〜0.1
％のＢを有する鉄アルミナイド合金を記載している。
（これら２つの引用例はwt.％かat.％かを特定していな
い。）この技術分野における日本国特許（第53119721）
は、1978年10月19日に日立金属株式会社に与えられた。
これは、磁気ヘッドにおいて使用するための、重量％
で、1.5〜17％のAl、0.2〜15％のCr、及び0.1〜８％のS
i、Mo、Ｗ、Ti、Ge、Cu、Ｖ、Mn、Nb、Ta、Ni、Co、S
n、Sb、Be、Hf、Zr、Pb、及び希土類金属から選択され
る「合金（alloying）」元素を含む鉄アルミナイド合金
を記載している。

鉄アルミナイド研究に関する技術文献の２つの代表的記
事は、メンディラッタ（Mendiratta）らによって、ハイ
・テンパーレイチャー・オーダード・アロイ（High Tem
perature Ordered Alloy）、マテリアルズ・リサーチ・
ソサイエティー・シンポジア・プロシーディング（Mate
rials Research Society Symposia Proceeding）、第39
巻（1985）の「DO₃−ドメイン・ストラクチャーズ・イ
ン・Fe₃Al-X・アロイズ（DO₃−Domain Structures in F
e₃Al-X Alloys）」であり、ここでは、Ti、Cr、Mn、N
i、Mo、及びSiを個別にFe₃Alに添加することを含む種々
の三元（ternary）合金の研究が報告されている、ここ
で、DO₃とは、Fe₃Al合金のように、体心立方構造と３対
１の組成比率を有する型の合金を意味する用語である。
第２の文献は、同じ研究者らによる、メタルージカル・
トランスアクションズ・Ａ（Metallurgical Transactio
ns A）、第18A巻、1987年２月、の「テンシル・フロー
・アンド・フラクチャー・ビヘービア・オブ・DO₃Fe−2
5At％Al・アンド・Fe31At.％Al・アロイズ（Tensile Fl
ow and Fracture Behavior of DO₃Fe−25 At％ Al and
Fe−31At.％Al Alloys）」である。

この研究は、Fe₃Alベース合金に対するある特性の改善
を実証しているが、多くの用途に対して適切な高温合金
を提供するためにはさらに大幅な改善が必要なようであ
る。例えば、室温延性又は高温（500℃以上）強度の点
での改善がほとんど報告されていない。合金の工学的用
途用として考える場合、これらの特性は特に重要であ
る。その他の元素の形態の添加剤は１つの特性を改良で
きても、他の特性を劣化させるということにも注目すべ
きである。例えば、高温強度を改良できるある元素は、
硫黄を帯びた環境下での合金の腐食性を悪化させる。

従って、本発明の目的は、改良された室温延性を有する
Fe₃Alに近い組成の合金を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、構造成分として有用である
ように高温で十分な強度を有する合金を提供することで
ある。

本発明の別の目的は、硫黄化合物を含む環境下での有害
な侵蝕に対して抵抗するような合金を提供することであ
る。

本発明のまた別の目的は、老化脆化に抵抗するような合
金を提供することである。

本発明のこれら及びその他の目的は、以下に記載する本
発明の十分な説明を熟考することにより、より明らかに
なるだろう。

本発明の開示本発明によれば、Fe₃Alに近い組成を有するが（即ち、D
O₃型の合金であるが）、クロム、モリブデン、ニオブ、
ジルコニウム、バナジウム、硼素、炭素、及びイットリ
ウムの選択された添加をともなう複合合金が提供され
る。この改良された合金は、 26〜30at.％のアルミニウム、 0.5〜10at.％のクロム、 0.02〜0.3at.％の硼素及び／又は炭素から成る成分、０〜2at.％のモリブデン、０〜1at.％のニオブ、０〜0.5at.％のジルコニウム、０〜0.5at.％のバナジウム、及び０〜0.1at.％のイットリウムを含み、残部が本質的に鉄
である（即ち、付随的な不純物が混入している可能性が
あるが実質的に鉄から成る）、DO₃型の合金である。こ
れらの組成範囲内の合金は、約10％まで延長された室温
延性と600℃で少なくとも改質クロム−モリブデンスチ
ール及び316型ステンレススチールに匹敵する降伏強さ
及び極限強さとを示す。耐酸化性は316型ステンレスス
チールのものよりもずっと優れている。

図面の簡単な説明第１図は、Fe₃Alベース合金と比較しながら、本発明の
幾つかの合金の室温延性を比べているグラフである。

第２図は、ベース合金と比較しながら、本発明の幾つか
の合金の600℃での降伏強さを比べているグラフであ
る。

第３図は、316型ステンレススチール及びFe−27Alのベ
ース合金と比較しながら、800℃での本発明の合金の１
つの耐酸化性を説明するグラフである。

本発明を実施するための最良の態様純粋な元素を所望の合金組成物が得られる選択された比
率でアーク溶融（arc melting）しドロップ鋳造（drop
casting）することによって、一群の試験合金サンプル
を調製した。このサンプル群は比較用のFe−28at.％Al
合金を含んでいた。合金のインゴットを1000℃で均質化
し、熱間圧延（hot rolling）を1000℃で開始し650℃で
終了してシート状に加工し、その後650℃で加熱圧延（w
arm rolling）して冷間加工（cold−worked）構造を生
じさせた。圧延シートの厚さは一般に0.76mmであった。
その後、全ての合金を850℃で１時間、そして500℃で１
乃至７日間加熱処理した。

後述した第Ｉ表は、試験合金の詳細を表にしたものであ
り、合金の識別番号を与えている。Fe−28Alベース組成
物（FA−61）への添加物の総量は、約２乃至約14原子パ
ーセント（at.％）の範囲内である。

これらの添加剤の室温と600℃での引張り特性に与える
効果を調べた。特定の合金組成物に関するこれらの試験
の結果を第１図と第２図にそれぞれ示す。いずれの場合
においても、結果はFe₃Alベース合金（合金番号FA−6
1）と比較されている。合金組成物の幾つかがベース合
金よりも大幅に改善された室温延性を示し、少なくとも
同等の高温での降伏強さを示していることが分かる。個
々の添加剤についての合金の試験は、室温と600℃での
強度の改善が、モリブデン、ジルコニウム、又はニオブ
から得られるが、これらの添加剤は室温延性を低下させ
ることを示す。第II表中に示されているように、これら
添加剤の中でMoのみが、クリープ破壊寿命をかなり延ば
している。モリブデンを含まない合金はクリープの点で
非常に弱いが、モリブデンを含むものは200時間までの
破壊寿命を有しており、これはいくつかのオーステナイ
トステンレススチールと同等である。クロムのみが、室
温延性を実質的に増加させる。

いくつかの合金について、空気中800℃と1000℃で耐酸
化性試験を行った。結果を第III表に示すが、ここでは3
16型ステンレススチールと結果を比較している。酸化物
被膜が剥離する傾向を有する合金においては、ニオブ又
はイットリウムを合金に配合すると、剥離は実質的に防
がれる。合金の１つ（FA−109）の800℃での耐酸化性が
第３図に示しされているが、ここでは316型ステンレス
スチール及びベース合金（Fe−27％Al）と比較されてい
る。約100時間の酸化の後の316型ステンレススチールに
おける重量損失は、サンプル表面からの酸化物スケール
の剥離によるものである。

本発明による１群の合金の引張り特性を測定した。結果
を後述の第IV表に示す。これらのデータは、延性をほと
んど損なうことなくアルミニウム組成を26原子パーセン
トのように低くできることを示している。また、データ
は、約0.5原子パーセントまでのMoを添加することがで
き、少なくとも７％の延性が保持されることを示してい
る。

第Ｖ表は、改良された9Cr−1Moと316型ステンレススチ
ールの室温と600℃での引張り特性を、ベース合金を含
む鉄アルミナイドと比較している。鉄アルミナイドがこ
れら２つの広く使用されている合金のいずれよりも600
℃でずっと強いことが注目される。室温では、鉄アルミ
ナイドの降伏強さは316型ステンレススチールよりも良
好であり、一方、極限強さは全ての合金が同等である。
改良された鉄アルミナイドの室温延性は使用可能な範囲
内にある。

種々の鉄アルミナイド合金に関して行われた研究に基づ
いて、延性強度と耐腐食性との間の最高の妥協点を与え
るより優れた合金の最適組成範囲を決定した。この鉄ア
ルミナイド合金は、本質的に、26〜30原子％のアルミニ
ウム、0.5〜10原子％のクロム、及び約0.3〜５原子％の
モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、硼素、炭素、バナ
ジウム、イットリウム、及びそれらの混合物から選択さ
れる添加剤を含み、残りは鉄である。より詳細に述べる
と、改良された鉄アルミナイドは、Fe−（26〜30）Al−
（0.5〜10）Cr−（2.0までの）Mo−（１までの）Nb−
（0.5までの）Zr−（0.02〜0.3）Ｂ及び／又はＣ−（0.
5までの）Ｖ−（0.1までの）Ｙから本質的に成る組成物
によって提供されるが、ここでは原子百分率で表されて
いる。この組成範囲内で好ましい合金の群は、本質的
に、約26〜30at.％のAl、１〜10at.％のCr、0.5at.％の
Mo、0.5at.％のNb、0.2at.％のZr、0.2at.％のＢ及び／
又はＣ、及び0.05at.％のイットリウムを含む。

上述の説明から、構造材料用に優れた特性を有する鉄ア
ルミナイド合金が開発されたことが、当業者には理解さ
れるであろう。特に、この合金系は、増加した室温延
性、酸化及び硫黄含有環境での耐腐食性、及び従来の構
造材料に匹敵する高温での強度を示す。従って、この系
の合金は、進歩したエネルギー転換系に適用可能である
と、見なされる。特定の合金組成物を説明のために与え
たが、これらは本発明を限定するものではない。むし
ろ、本発明は、添付の請求の範囲と明細書全体とともに
読んで理解されるそれらの同等物とによってのみ限定さ
れるべきである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】26〜30at.％のアルミニウム、 0.5〜10at.％のクロム、 0.02〜0.3at.％の硼素及び／又は炭素から成る成分、０〜2at.％のモリブデン、０〜1at.％のニオブ、０〜0.5at.％のジルコニウム、０〜0.5at.％のバナジウム、及び０〜0.1at.％のイットリウムを含み、残部が鉄と存在す
る可能性のある付随的な不純物である、DO₃型の合金。
【請求項２】モリブデンが0.1〜2at.％の範囲内の濃度
で存在する、請求の範囲第１項の合金。
【請求項３】ニオブが０より大乃至1at.％の範囲内の濃
度で存在する、請求の範囲第２項の合金。
【請求項４】ジルコニウムが０より大乃至0.5at.％の範
囲内の濃度で存在する、請求の範囲第２項の合金。
【請求項５】バナジウムが０より大乃至0.5at.％の範囲
内の濃度で存在する、請求の範囲第２項の合金。
【請求項６】イットリウムが０より大乃至0.1at.％の範
囲内の濃度で存在する、請求の範囲第２項の合金。
【請求項７】ニオブが０より大乃至1at.％の範囲内の濃
度で存在する、請求の範囲第１項の合金。
【請求項８】ジルコニウムが０より大乃至0.5at.％の範
囲内の濃度で存在する、請求の範囲第７項の合金。
【請求項９】ジルコニウムが０より大乃至0.5at.％の範
囲内の濃度で存在する、請求の範囲第１項の合金。
【請求項１０】硼素及び／又は炭素から成る成分が硼素
である、請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１項の
合金。
【請求項１１】硼素及び／又は炭素から成る成分が炭素
である、請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１項の
合金。