JPH08232082A - 高温用金属部材 - Google Patents

高温用金属部材

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JPH08232082A
JPH08232082A JP3826395A JP3826395A JPH08232082A JP H08232082 A JPH08232082 A JP H08232082A JP 3826395 A JP3826395 A JP 3826395A JP 3826395 A JP3826395 A JP 3826395A JP H08232082 A JPH08232082 A JP H08232082A
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JP
Japan
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high temperature
coating
earth element
metal member
rare earth
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Withdrawn
Application number
JP3826395A
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English (en)
Inventor
Naomasa Miyatake
直正 宮武
Masao Nanba
政雄 難波
Satoshi Kawamoto
聡 川本
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Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造工程の複雑化を招くことなく、耐酸化
性、耐久性に優れた高温用金属部材を提供する。 【構成】 金属基材の表面に結晶質酸化物被膜よりなる
耐酸化層を形成してなる高温用金属部材。該被膜は0.
01〜1.0重量%の希土類元素を含有する。 【効果】 耐酸化層は結晶質であるため、高温での実際
の使用中に結晶化することもなく、安定して使用でき
る。希土類元素の添加により金属基材と酸化物被膜との
密着性が向上する。高温における耐酸化性に優れ、酸化
の進行を効果的に抑制することができ、耐久性に優れた
高温用金属部材が提供される。耐酸化層は一回のコーテ
ィング処理で容易かつ効率的に形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高温用金属部材に係り、
特に、熱交換器などの高温の酸化雰囲気で使用される金
属部材として好適な耐酸化性高温用金属部材に関する。
【0002】
【従来の技術】高温用金属部材としては、例えばFe系
合金に耐熱性の改善の目的でCr,Alを添加したFe
−Cr−Al系合金よりなるものが開発され、古くから
高温部材や電熱材等の高温耐酸化材としての用途に用い
られてきた。近年、これらの高温用金属部材について、
より高特性化の要求から、耐酸化性をより一層向上させ
るために種々の元素の添加が試みられている。なかでも
希土類元素、例えばY,La,Ce,Ndの添加が効果
があり、また、Ti,Nbの添加効果も報告されてい
る。
【0003】また、Ni基やCo基の合金においてもF
e系合金と同様に、耐酸化性を向上させるために種々の
元素の添加が試みられている。
【0004】一方、従来、金属部材の耐熱性を高めるた
めに、酸化物セラミックスを溶射被覆することが行わ
れ、ある程度実用化されてきている。この場合、酸化物
セラミックス被膜は単独では金属部材に対する密着性が
低いため、一般には金属部材と酸化物セラミックス被膜
との間に金属溶射による下地金属被膜層を介在させてい
る(例えば、特開平6−136505号公報)。この場
合、酸化防止の役割は主に下地金属被膜層が担ってお
り、酸化物セラミック層は主に遮熱の役割を担ってい
る。この下地金属被膜層の材料としてはCr,Alを多
量に含有したNi基又はCo基の耐熱合金が多用されて
いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】耐酸化性を向上させる
ために、種々の元素、例えばY,La,Ce,Nd等の
希土類元素を添加した上記従来の高温用金属部材では、
耐酸化性が未だ十分ではないという問題がある。
【0006】一方、金属部材に下地金属被膜層を介して
酸化物セラミックス被膜層を形成したものでは、往々に
して、所要の耐久性を満足しない場合がある。
【0007】その理由は、酸化物セラミックスからなる
耐熱被膜層には気孔が存在しており、下地金属被膜層が
前記耐熱合金からなる場合には高温下では耐熱被膜層の
気孔を通して下地金属被膜層の酸化が進むことによる。
その結果、耐熱被膜層と下地金属被膜層との界面で密着
性が低下し、界面から耐熱被膜層が剥離し、十分な高温
耐酸化性が得られない場合がある。
【0008】また、金属部材に下地金属被膜層を被覆
し、その上に酸化物セラミックスを被覆するという構造
は、2回のコーティングが必要であり、製造工程が複雑
となるという問題もある。
【0009】本発明は上記従来の問題点を解決し、製造
工程の複雑化を招くことなく、耐酸化性、耐久性に優れ
た高温用金属部材を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1の高温用金属部
材は、金属基材の表面に結晶質酸化物被膜よりなる耐酸
化層を形成してなる高温用金属部材であって、該被膜は
0.01〜1.0重量%の希土類元素を含有することを
特徴とする。
【0011】請求項2の高温用金属部材は、請求項1の
高温用金属部材において、該被膜を構成する酸化物が単
斜晶ZrO2 ,Al23 ,TiO2 ,SiO2 及びY
23 よりなる群から選ばれる1種又は2種以上である
ことを特徴とする。
【0012】請求項3の高温用金属部材は、請求項1又
は2の高温用金属部材において、該希土類元素がY,L
a,Ce及びNdよりなる群から選ばれる1種又は2種
以上であることを特徴とする。
【0013】請求項4の高温用金属部材は、請求項1な
いし3のいずれか1項の高温用金属部材において、該被
膜はプラズマCVD法、ゾルゲル法又はダイナミックミ
キシング法で形成されることを特徴とする。
【0014】以下に図面を参照して本発明を詳細に説明
する。
【0015】図1,2は本発明の高温用金属部材の耐酸
化層の構成の一実施例を示す断面図であり、1は金属基
材、2は耐酸化層、3は結晶質希土類元素含有酸化物被
膜、4は結晶質酸化物被膜である。
【0016】本発明の高温用金属部材の金属基材1の材
質としては、耐熱性に優れたFe−Cr−Al系合金、
SUS等のFe基合金、IN738LC等のNi基合
金、ステライト等のCo基合金が挙げられる。
【0017】一方、耐酸化層2を構成する結晶質酸化物
としては、単斜晶ZrO2 ,Al23 ,TiO2 ,S
iO2 ,Y23 等の高融点酸化物が、熱力学的に安定
で、しかも、金属イオンや酸素イオンの拡散係数が少な
いことから好適である。
【0018】また、耐酸化層の酸化物被膜に含有される
希土類元素としては、Y,La,Ce,Nd等の1種又
は2種以上が挙げられる。
【0019】これらの希土類元素の被膜中の含有量が多
すぎると酸化物被膜とは異質な相の析出が起き、逆に、
少なすぎるとその添加効果が十分に得られない。従っ
て、希土類元素の含有量は0.01〜1.0重量%の範
囲とする。
【0020】本発明において、希土類元素は、耐酸化層
2の金属基材1との密着性の改善のために添加される。
従って、希土類元素は、図2に示す如く、耐酸化層2を
構成する結晶質酸化物被膜の全体に含有されているも
の、即ち、耐酸化層2自体が結晶質希土類元素含有酸化
物被膜3で構成されているものであっても良く、また、
図1に示す如く、耐酸化層2の金属基材1との界面側の
みに、結晶質希土類元素含有酸化物被膜3を形成し、こ
の結晶質希土類元素含有酸化物被膜3を介して結晶質酸
化物被膜4を設けることにより耐酸化層2を形成したも
のであっても良い。
【0021】本発明において、耐酸化層の厚さが、厚過
ぎるとコストの高騰、層剥離の問題を生じ、薄過ぎると
十分な耐酸化性が得られない。耐酸化層の厚さは、その
層構成や希土類元素含有量、希土類元素や結晶質酸化物
の種類、高温用金属部材に要求される耐酸化性の程度等
によっても異なるが、通常の場合、図2に示す如く、耐
酸化層2全体を結晶質希土類元素含有酸化物被膜3で構
成する場合には、その厚さを2〜20μmとするのが好
ましく、図1に示す如く、耐酸化層2を結晶質希土類元
素含有酸化物被膜3と結晶質酸化物被膜4とで構成する
場合には、結晶質希土類元素含有酸化物被膜3の厚さを
1〜10μmとし、結晶質酸化物被膜4の厚さを1〜2
0μmとするのが好ましい。
【0022】本発明において、このような耐酸化層は、
プラズマCVD法、ゾルゲル法、ダイナミックミキシン
グ法等の方法で形成するのが好ましく、このような方法
によれば、図2に示す均一被膜はもとより、図1に示す
ような2層構造の被膜であっても、1回のコーティング
処理により、緻密にかつ金属部材との密着性良く形成す
ることができる。
【0023】即ち、これらの方法では、各種原料をガス
相又は液相において混合してコーティングを行うため
に、極めて高い被膜均一性が実現できる。また、プラズ
マCVDやダイナミックミキシング法におけるガス原料
供給方法や、ゾルゲル法における溶液の調合を工夫する
ことにより、希土類元素の添加を図1に示す如く、金属
基材と酸化物被膜の界面付近のみに限定することも、図
2に示す如く、酸化物被膜全体とすることも容易であ
る。しかも、原料の有機金属化合物を適切に選択するこ
とにより、金属基材を損傷、劣化させることのない低温
において、結晶質の酸化物被膜を容易に形成することが
できる。
【0024】なお、図1に示す如く、耐酸化層2の金属
基材1との界面側のみに希土類元素を含有させる場合、
結晶質希土類元素含有酸化物被膜3は、その金属基材1
との界面から結晶質酸化物被膜4との界面に向けて、厚
さ方向に次第に希土類元素の含有量が少なくなるよう
に、被膜厚さ方向で希土類元素含有量に勾配をもたせた
ものであっても良い。同様に、図2に示す結晶質希土類
元素含有酸化物被膜3においても、希土類元素含有量が
金属基材1との界面から被膜表面に向けて被膜3の厚さ
方向に減少するものとしても良い。この場合において
も、上記コーティング方法であれば、原料供給方法を調
整することにより容易に被膜形成することができる。
【0025】このような本発明の高温用金属部材は、熱
交換器等の高温酸化雰囲気で使用される設備の構成部材
として極めて有用であり、その優れた耐酸化性、耐久性
により、長期にわたり使用を継続することが可能とされ
る。
【0026】
【作用】本発明に係る耐酸化層は、結晶質であるため、
高温での実際の使用中に結晶化することもなく、安定し
て使用できる。
【0027】また、希土類元素は金属基材と酸化物被膜
の密着性を高める効果を奏し、結晶質酸化物被膜による
金属基材の保護効果を高めることができる。本発明に係
る希土類元素による金属基材と酸化物被膜との密着性の
向上効果は、希土類元素による次のようなメカニズムで
達成されるものと推定される。
【0028】 釘付け機構 中間相機構 化学結合の向上 スケールの延性の向上 空孔吸収機構 スケールの成長機構変化 硫黄偏析抑制機構
【0029】
【実施例】以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をよ
り具体的に説明する。
【0030】実施例1,2 Ni基合金IN738LC薄板材の両表面に本発明によ
るY含有単斜晶ZrO2 酸化物被膜を形成した。被膜の
形成は、プラズマCVD法により行い、希土類元素の添
加は、希土類元素を含む原料ガスを酸化物被膜母材用原
料ガスに混合することにより、均一な混合状態のもとに
行った。これらの原料ガスは、プラズマにより励起・分
解され、酸化剤との反応により酸化物被膜を形成する。
【0031】得られた被膜の厚さは表1に示す通りであ
り、Y含有量は0.1重量%である。
【0032】この試験片を加熱炉に入れ、大気中、10
00℃で500時間の加熱試験を行い、被膜剥離の有
無、重量変化を調べ結果を表1に示した。
【0033】比較例1 実施例1において、Yの添加を行わなかったこと以外は
同様にして酸化物被膜を形成し、加熱試験による被膜剥
離の有無、重量変化を調べ、結果を表1に示した。
【0034】
【表1】
【0035】表1より明らかなように、Y含有単斜晶Z
rO2 被膜を形成した実施例1および実施例2では被膜
の密着性が良く、被膜剥離の問題がない。一方、Yを含
有しない単斜晶ZrO2 被膜を形成した比較例1では被
膜の密着性が悪いため被膜剥離があり、この被膜の剥離
のために重量が減少した。なお、実施例1において重量
が増大しているのは膜厚が薄く、酸素がわずかな孔を通
過し、金属を酸化したためである。実施例2のように、
膜厚を厚くすることにより改善される。
【0036】実施例3 基材としてFe基合金SUS630薄板材を用いたこと
以外は実施例1と同様にしてY含有単斜晶ZrO2 被膜
を形成し、大気中、700℃で500時間の加熱試験を
行ったところ、被膜の剥離は全く認められず、良好な耐
酸化効果が確認された。
【0037】比較例2 実施例3において、Yの添加を行わなかったこと以外は
同様にして酸化物被膜を形成し、加熱試験による被膜剥
離の有無を調べたところ、被膜の剥離が起き、良好な耐
酸化性は得られないことが確認された。
【0038】実施例4〜13 実施例1において、耐酸化層の構成を表2に示す通りと
したこと以外は同様にして被膜を形成し、同様に加熱試
験を行って、剥離の有無を調べ、結果を表2に示した。
【0039】
【表2】
【0040】表2より、本発明の高温用金属部材によれ
ば、優れた結晶質酸化物被膜の密着性により良好な高温
耐酸化性を得ることができることが明らかである。
【0041】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の高温用金属
部材によれば、金属基材との密着性に優れた結晶質希土
類元素含有酸化物被膜よりなる耐酸化層により、高温に
おける耐酸化性に優れ、酸化の進行を効果的に抑制する
ことができ、耐久性に優れた高温用金属部材が提供され
る。しかも、この耐酸化層は一回のコーティング処理で
容易かつ効率的に形成することができる。
【0042】請求項2,3の高温用金属部材によれば、
良好な耐酸化性を確実に実現することができる。
【0043】請求項4の高温用金属部材によれば、緻密
で良好な耐酸化層を複雑な工程を経ることなくより一層
密着性良く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高温用金属部材の耐酸化層の構成の一
実施例を示す断面図である。
【図2】本発明の高温用金属部材の耐酸化層の構成の他
の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 金属基材 2 耐酸化層 3 結晶質希土類元素含有酸化物被膜 4 結晶質酸化物被膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属基材の表面に結晶質酸化物被膜より
    なる耐酸化層を形成してなる高温用金属部材であって、
    該被膜は0.01〜1.0重量%の希土類元素を含有す
    ることを特徴とする高温用金属部材。
  2. 【請求項2】 請求項1の高温用金属部材において、該
    被膜を構成する酸化物が単斜晶ZrO2 ,Al23
    TiO2 ,SiO2 及びY23 よりなる群から選ばれ
    る1種又は2種以上であることを特徴とする高温用金属
    部材。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2の高温用金属部材におい
    て、該希土類元素がY,La,Ce及びNdよりなる群
    から選ばれる1種又は2種以上であることを特徴とする
    高温用金属部材。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれか1項の高温
    用金属部材において、該被膜はプラズマCVD法、ゾル
    ゲル法又はダイナミックミキシング法で形成されること
    を特徴とする高温用金属部材。
JP3826395A 1995-02-27 1995-02-27 高温用金属部材 Withdrawn JPH08232082A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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