JPH0835042A - 金属材料 - Google Patents
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- JPH0835042A JPH0835042A JP6189999A JP18999994A JPH0835042A JP H0835042 A JPH0835042 A JP H0835042A JP 6189999 A JP6189999 A JP 6189999A JP 18999994 A JP18999994 A JP 18999994A JP H0835042 A JPH0835042 A JP H0835042A
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【目的】 遮熱コーティング材と母材との中間層あるい
は固体電解質型燃料電池用のセパレータ材として最適な
特性を備えるなど、安定化ジルコニアと熱膨張係数が近
似し、安定化ジルコニアが利用される用途において、耐
熱・耐食性にすぐれた金属材料の提供。 【構成】 １５〜４０ｗｔ％のＣｒ、５〜１５ｗｔ％の
Ｗ、あるいはさらに０．００１〜０．０１ｗｔ％のＢを
含有するＦｅ合金材が、室温から１０００℃における平
均熱膨張係数が１２．０×１０-6／Ｋ以上１３．０×１
０-6／Ｋ未満で、安定化ジルコニアと熱膨張係数が近似
する。
は固体電解質型燃料電池用のセパレータ材として最適な
特性を備えるなど、安定化ジルコニアと熱膨張係数が近
似し、安定化ジルコニアが利用される用途において、耐
熱・耐食性にすぐれた金属材料の提供。 【構成】 １５〜４０ｗｔ％のＣｒ、５〜１５ｗｔ％の
Ｗ、あるいはさらに０．００１〜０．０１ｗｔ％のＢを
含有するＦｅ合金材が、室温から１０００℃における平
均熱膨張係数が１２．０×１０-6／Ｋ以上１３．０×１
０-6／Ｋ未満で、安定化ジルコニアと熱膨張係数が近似
する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、安定化ジルコニアと
熱膨張係数が近似した金属材料に係り、特定組成のＣｒ
−Ｗ−Ｆｅ系合金及びＣｒ−Ｗ−Ｂ−Ｆｅ系合金とする
ことにより、例えば、耐熱・耐食コーティングとしての
安定化ジルコニアと母材との中間層、あるいは第三世代
として開発されている固体電解質型燃料電池の固体電解
質セパレータ材等として利用される安定化ジルコニアと
熱膨張係数が近似し、極めて高温における耐熱性、耐食
性にすぐれた金属材料に関する。
熱膨張係数が近似した金属材料に係り、特定組成のＣｒ
−Ｗ−Ｆｅ系合金及びＣｒ−Ｗ−Ｂ−Ｆｅ系合金とする
ことにより、例えば、耐熱・耐食コーティングとしての
安定化ジルコニアと母材との中間層、あるいは第三世代
として開発されている固体電解質型燃料電池の固体電解
質セパレータ材等として利用される安定化ジルコニアと
熱膨張係数が近似し、極めて高温における耐熱性、耐食
性にすぐれた金属材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、エネルギー問題や地球環境問題が
クローズアップされ、発電用ガスタービンをはじめとす
る各種高温プラント機器の高温高圧化傾向が著しく、こ
れに伴い臨界条件下で使用されている金属材料の損傷劣
化問題が深刻化している。そのため、最近の航空機用な
らびに陸用のガスタービンでは、動静翼用の高強度超合
金に対して耐食コーティングの適用が通例となっている
が、該コーティングにおいても高温腐食が絡んだ損傷劣
化問題は解決されていないのが現状である。
クローズアップされ、発電用ガスタービンをはじめとす
る各種高温プラント機器の高温高圧化傾向が著しく、こ
れに伴い臨界条件下で使用されている金属材料の損傷劣
化問題が深刻化している。そのため、最近の航空機用な
らびに陸用のガスタービンでは、動静翼用の高強度超合
金に対して耐食コーティングの適用が通例となっている
が、該コーティングにおいても高温腐食が絡んだ損傷劣
化問題は解決されていないのが現状である。
【０００３】ここで、遮熱コーティング（ＴＢＣ）を例
にとって、その原理及び基本構造を簡単に説明する。図
１はＴＢＣの模式図、図２は燃焼器へ施工されたＴＢＣ
の断面組織例である。なお、図１において、Ａはセラミ
ック層、Ｂは中間層、Ｃは合金であり、Ｔｇは高温燃焼
ガス温度、Ｔａは冷却空気温度、Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3，Ｔ4，
Ｔ5，Ｔ6はそれぞれの表面又は境界温度である。ＴＢＣ
は、図１の如く温度差を有する金属部品へ熱伝導率の低
いセラミックをコーティングし、金属部品表面の温度上
昇を防止するものである。ガスタービンへは燃焼器を中
心に１０年以上前より使用されており、最近では冷却翼
への適用もさかんに研究され、実翼を用いたテストによ
り５０〜１００℃の遮熱効果が確認されている。ＴＢＣ
は、通常熱伝導率（ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃）が０．０４
〜０．０８であるＡｌ2Ｏ3や０．０１〜０．０２のＴｉ
Ｏ2に比べて０．００５〜０．００６と低いＺｒＯ2（Ｍ
ｇＯ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ等の安定化材を固溶）を主成分と
するセラミック溶射層と合金（基材）との熱膨張差を緩
和あるいは耐食性の向上を目的とするＮｉ−Ａｌ系合
金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｍ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ系合金（Ｍ
はＦｅ，ＮＩ，Ｃｏ等）等からなる中間溶射層からな
り、この中間層を金属とセラミックの混合層として多層
化したり、完全な傾斜組成をすること等も研究されてい
る。
にとって、その原理及び基本構造を簡単に説明する。図
１はＴＢＣの模式図、図２は燃焼器へ施工されたＴＢＣ
の断面組織例である。なお、図１において、Ａはセラミ
ック層、Ｂは中間層、Ｃは合金であり、Ｔｇは高温燃焼
ガス温度、Ｔａは冷却空気温度、Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3，Ｔ4，
Ｔ5，Ｔ6はそれぞれの表面又は境界温度である。ＴＢＣ
は、図１の如く温度差を有する金属部品へ熱伝導率の低
いセラミックをコーティングし、金属部品表面の温度上
昇を防止するものである。ガスタービンへは燃焼器を中
心に１０年以上前より使用されており、最近では冷却翼
への適用もさかんに研究され、実翼を用いたテストによ
り５０〜１００℃の遮熱効果が確認されている。ＴＢＣ
は、通常熱伝導率（ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃）が０．０４
〜０．０８であるＡｌ2Ｏ3や０．０１〜０．０２のＴｉ
Ｏ2に比べて０．００５〜０．００６と低いＺｒＯ2（Ｍ
ｇＯ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ等の安定化材を固溶）を主成分と
するセラミック溶射層と合金（基材）との熱膨張差を緩
和あるいは耐食性の向上を目的とするＮｉ−Ａｌ系合
金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｍ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ系合金（Ｍ
はＦｅ，ＮＩ，Ｃｏ等）等からなる中間溶射層からな
り、この中間層を金属とセラミックの混合層として多層
化したり、完全な傾斜組成をすること等も研究されてい
る。
【０００４】次に、新たな発電システムとして注目され
ている燃料電池は、電解質にリン酸水溶液を用いるリン
酸型（ＰＡＦＣ）、電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウ
ム等を用いる溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、電解質にジル
コニア系のセラミックを用いる固体電解質型（ＳＯＦ
Ｃ）があり、いづれも燃料のもつ化学エネルギーを電気
化学反応により直接電気エネルギーに変換する発電方式
で種々のすぐれた特徴を有している。最近のエネルギー
政策、地球環境問題の高まりの中で需要地に接近設置で
きる分散電源、コージェネレーション用電源として燃料
電池の早期実用化が強く望まれており、分散型電源導入
量でも燃料電池に最も大きな期待がかけられている。
ている燃料電池は、電解質にリン酸水溶液を用いるリン
酸型（ＰＡＦＣ）、電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウ
ム等を用いる溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、電解質にジル
コニア系のセラミックを用いる固体電解質型（ＳＯＦ
Ｃ）があり、いづれも燃料のもつ化学エネルギーを電気
化学反応により直接電気エネルギーに変換する発電方式
で種々のすぐれた特徴を有している。最近のエネルギー
政策、地球環境問題の高まりの中で需要地に接近設置で
きる分散電源、コージェネレーション用電源として燃料
電池の早期実用化が強く望まれており、分散型電源導入
量でも燃料電池に最も大きな期待がかけられている。
【０００５】ここで、固体電解質型燃料電池を例にとっ
て、その原理および基本構造を簡単に説明する。図３に
示すように、固体電解質型燃料電池は、イットリア安定
化ジルコニア（ＹＳＺ）の電解質板１の両面を、燃料極
（アノード）２と空気極（カソード）３とで挟んだもの
を単セル４となし、さらに、実用電力を得るためにセパ
レータ５を介して該単セル４を多層に積層し、前記セパ
レータ５と燃料極（アノード）２の間に形成される通路
空間６には燃料となるＨ2とＣＯが供給され、セパレー
タ５と空気極（カソード）３の間に形成される通路空間
７には空気が供給される構成を基本とする。
て、その原理および基本構造を簡単に説明する。図３に
示すように、固体電解質型燃料電池は、イットリア安定
化ジルコニア（ＹＳＺ）の電解質板１の両面を、燃料極
（アノード）２と空気極（カソード）３とで挟んだもの
を単セル４となし、さらに、実用電力を得るためにセパ
レータ５を介して該単セル４を多層に積層し、前記セパ
レータ５と燃料極（アノード）２の間に形成される通路
空間６には燃料となるＨ2とＣＯが供給され、セパレー
タ５と空気極（カソード）３の間に形成される通路空間
７には空気が供給される構成を基本とする。
【０００６】固体電解質型燃料電池の発電原理を図４に
基づいて説明すると、まず、燃料の都市ガスはメタンが
主成分のため、前段の改質器８で水素主体のガスに改質
する。すなわち、改質器８では電池反応により生成した
水蒸気と反応熱を用いて、燃料の都市ガスが水素と一酸
化炭素に改質され、一部はメタンのまま燃料極２へ送ら
れる。燃料極２では水素と一酸化炭素が、空気極３側か
ら電解質板１を通ってくる酸素イオンと反応する。この
時、水と二酸化炭素を生成するとともに電子を外部回路
９に放出する。空気極３では空気中から得た酸素と外部
回路９からの電子により酸素イオンが生成する。酸素イ
オンは電解質板１を通って燃料極２へ向かう。燃料極
２、空気極３の反応が進むことにより、外部回路９の負
荷、例えば電球に直流電力を供給する。上記の反応は、
電解質を溶かした水に、一対の電極を差し込んで電流を
流すと、一方の電極表面に水素が発生し、もう一方の電
極表面に酸素が発生する、いわゆる水の電気分解反応の
逆の反応を応用したものであるといえる。
基づいて説明すると、まず、燃料の都市ガスはメタンが
主成分のため、前段の改質器８で水素主体のガスに改質
する。すなわち、改質器８では電池反応により生成した
水蒸気と反応熱を用いて、燃料の都市ガスが水素と一酸
化炭素に改質され、一部はメタンのまま燃料極２へ送ら
れる。燃料極２では水素と一酸化炭素が、空気極３側か
ら電解質板１を通ってくる酸素イオンと反応する。この
時、水と二酸化炭素を生成するとともに電子を外部回路
９に放出する。空気極３では空気中から得た酸素と外部
回路９からの電子により酸素イオンが生成する。酸素イ
オンは電解質板１を通って燃料極２へ向かう。燃料極
２、空気極３の反応が進むことにより、外部回路９の負
荷、例えば電球に直流電力を供給する。上記の反応は、
電解質を溶かした水に、一対の電極を差し込んで電流を
流すと、一方の電極表面に水素が発生し、もう一方の電
極表面に酸素が発生する、いわゆる水の電気分解反応の
逆の反応を応用したものであるといえる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】まず、前者の遮熱コー
ティング（ＴＢＣ）の構成において、特に重要視される
のが安定化ジルコニアの溶射層の存在である。ムーンラ
イト計画（通商産業省が推進している省エネルギーに関
する計画）における高温ガスタービンの開発目標は、最
終的に入口ガス温度１７７３Ｋを達成し、そのタービン
の排熱により駆動される蒸気タービンとの組合せによ
る、いわゆる複合発電により総合発電効率を５５％にす
ることを目標としている。蒸気タービンのみによる現在
の火力発電の効率は約４０％であり、これが１０％向上
したとすると我が国において１年間約３１００億円の燃
料が節約できるといわれている。上記のような高温、高
効率化の目標を達成するために、Ｎｉ基超合金が使用さ
れているが、合金をガスタービン中でコーティングなし
で用いては、１年程度の寿命しか期待できない。従って
コーティングを行うことは不可欠である。
ティング（ＴＢＣ）の構成において、特に重要視される
のが安定化ジルコニアの溶射層の存在である。ムーンラ
イト計画（通商産業省が推進している省エネルギーに関
する計画）における高温ガスタービンの開発目標は、最
終的に入口ガス温度１７７３Ｋを達成し、そのタービン
の排熱により駆動される蒸気タービンとの組合せによ
る、いわゆる複合発電により総合発電効率を５５％にす
ることを目標としている。蒸気タービンのみによる現在
の火力発電の効率は約４０％であり、これが１０％向上
したとすると我が国において１年間約３１００億円の燃
料が節約できるといわれている。上記のような高温、高
効率化の目標を達成するために、Ｎｉ基超合金が使用さ
れているが、合金をガスタービン中でコーティングなし
で用いては、１年程度の寿命しか期待できない。従って
コーティングを行うことは不可欠である。
【０００８】しかし、安定化ジルコニアの熱膨張係数
（１０〜１２×１０-6／Ｋ程度）とＮｉ基超合金の熱膨
張係数（１８〜２０×１０-6／Ｋ程度）の差が大きいた
め、安定化ジルコニアの溶射層に亀裂が発生しやすいと
いう問題がある。これに対し、耐食性向上も期待できる
Ｎｉ−Ａｌ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｍ−Ｃｒ−Ａｌ
−Ｙ系合金（ＭはＦｅ，ＮＩ，Ｃｏ等）等からなる中間
層を熱膨張差を緩和する目的で溶射する場合もあるが、
これらの熱膨張係数もまだ１６〜１８×１０-6／Ｋ程度
と大きく、充分な結果が得られていない。
（１０〜１２×１０-6／Ｋ程度）とＮｉ基超合金の熱膨
張係数（１８〜２０×１０-6／Ｋ程度）の差が大きいた
め、安定化ジルコニアの溶射層に亀裂が発生しやすいと
いう問題がある。これに対し、耐食性向上も期待できる
Ｎｉ−Ａｌ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｍ−Ｃｒ−Ａｌ
−Ｙ系合金（ＭはＦｅ，ＮＩ，Ｃｏ等）等からなる中間
層を熱膨張差を緩和する目的で溶射する場合もあるが、
これらの熱膨張係数もまだ１６〜１８×１０-6／Ｋ程度
と大きく、充分な結果が得られていない。
【０００９】次に、後者の固体電解質型燃料電池の構成
においては、特に重要視されるのがセパレータの存在で
ある。燃料電池は内部抵抗を小さくし、容積当たりの電
極面積を大きくするために通常は図３の如く平板を積層
した構成をとる。セパレータ５は、空気極３や燃料極２
あるいは固体電解質１と近似した熱膨張係数と耐酸化
性、高導電性を要求されることから、その材質には（Ｌ
ａ，アルカリアース）ＣｒＯ3を用いるのが一般的であ
る。
においては、特に重要視されるのがセパレータの存在で
ある。燃料電池は内部抵抗を小さくし、容積当たりの電
極面積を大きくするために通常は図３の如く平板を積層
した構成をとる。セパレータ５は、空気極３や燃料極２
あるいは固体電解質１と近似した熱膨張係数と耐酸化
性、高導電性を要求されることから、その材質には（Ｌ
ａ，アルカリアース）ＣｒＯ3を用いるのが一般的であ
る。
【００１０】セパレータ５の具体的な役割は、単セル４
を積層する際に各々単セル４を仕切り、燃料となるＨ2
と空気を遮断するなどの機能を有するほか、電解質板１
を保持する機能を有している。電解質板１を保持するに
は、予め電解質板１の面積を燃料極２や空気極３の面積
よりも大きくしておくことにより、容易にセパレータ５
との積層が可能となって、電解質板１を保持することが
できる。しかし、セパレータ５は上記のごとくセラミッ
クスであるため、強度的に弱く、成形性が悪いことが問
題となっている。
を積層する際に各々単セル４を仕切り、燃料となるＨ2
と空気を遮断するなどの機能を有するほか、電解質板１
を保持する機能を有している。電解質板１を保持するに
は、予め電解質板１の面積を燃料極２や空気極３の面積
よりも大きくしておくことにより、容易にセパレータ５
との積層が可能となって、電解質板１を保持することが
できる。しかし、セパレータ５は上記のごとくセラミッ
クスであるため、強度的に弱く、成形性が悪いことが問
題となっている。
【００１１】セパレータ材料としては、高温で酸化雰囲
気にある空気極と還元雰囲気にある燃料極とを連絡する
必要上、酸化にも還元にも強く、かつ、電子導電性がよ
いことが要求される。セパレータ材料として、ＬａＣｒ
0.9Ｍｇ0.1Ｏ3やＣｏＣｒ2Ｏ4あるいはＮｉ‐Ａｌ合金
が検討されているが、これらのセパレータ用材料と燃料
極あるいは固体電解質との接合が困難であるという問題
がある。上述の（Ｌａ，アルカリアース）ＣｒＯ3は、
工業的に均質な原料粉末を得る粉末調整法が確立されて
おらず、ステンレス鋼や所謂インコネルなどの耐熱合金
は、強度的な点では上記のセラミックスより優れている
が、熱膨張係数が大きいため電池作動温度（約１０００
℃）では固体電解質にかなりの引張応力がかかり、また
酸化被膜の電気抵抗も大きい問題がある。金属セパレー
タについては、熱膨張係数の不整合と耐熱鋼上の酸化被
膜の成長の問題があり、熱膨張係数については、接続体
としてＬａＭｎＯｘの発砲体を使う方法や金属の組成制
御により熱膨張係数を近づける試みがなされており、酸
化被膜についてはＬａＣｒＯ3を溶射する方法などが試
みられているが、いずれも満足した結果は得られていな
い。
気にある空気極と還元雰囲気にある燃料極とを連絡する
必要上、酸化にも還元にも強く、かつ、電子導電性がよ
いことが要求される。セパレータ材料として、ＬａＣｒ
0.9Ｍｇ0.1Ｏ3やＣｏＣｒ2Ｏ4あるいはＮｉ‐Ａｌ合金
が検討されているが、これらのセパレータ用材料と燃料
極あるいは固体電解質との接合が困難であるという問題
がある。上述の（Ｌａ，アルカリアース）ＣｒＯ3は、
工業的に均質な原料粉末を得る粉末調整法が確立されて
おらず、ステンレス鋼や所謂インコネルなどの耐熱合金
は、強度的な点では上記のセラミックスより優れている
が、熱膨張係数が大きいため電池作動温度（約１０００
℃）では固体電解質にかなりの引張応力がかかり、また
酸化被膜の電気抵抗も大きい問題がある。金属セパレー
タについては、熱膨張係数の不整合と耐熱鋼上の酸化被
膜の成長の問題があり、熱膨張係数については、接続体
としてＬａＭｎＯｘの発砲体を使う方法や金属の組成制
御により熱膨張係数を近づける試みがなされており、酸
化被膜についてはＬａＣｒＯ3を溶射する方法などが試
みられているが、いずれも満足した結果は得られていな
い。
【００１２】今日、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ等の種々の
安定化材を固溶させた安定化ジルコニアは、その特徴で
ある高強度や強靭性、高融点や断熱性、電気的特性等を
活かし、各種の用途別に該特性を追求して、安定化材の
選定とともに製造方法に工夫がされており、製鋼工業、
化学工業、電池、溶射材料、タービン、内燃機関、セン
サーなど多方面の用途に使用されていることから、セラ
ミックス単体で用いる以外は、多くの場合、他の金属材
料等と隣接あるいは接合されて使用されるが、熱膨張係
数が近似しかつ各種用途に適用可能な金属材料は提案さ
れていない。
安定化材を固溶させた安定化ジルコニアは、その特徴で
ある高強度や強靭性、高融点や断熱性、電気的特性等を
活かし、各種の用途別に該特性を追求して、安定化材の
選定とともに製造方法に工夫がされており、製鋼工業、
化学工業、電池、溶射材料、タービン、内燃機関、セン
サーなど多方面の用途に使用されていることから、セラ
ミックス単体で用いる以外は、多くの場合、他の金属材
料等と隣接あるいは接合されて使用されるが、熱膨張係
数が近似しかつ各種用途に適用可能な金属材料は提案さ
れていない。
【００１３】この発明は、公知技術において、安定化ジ
ルコニアと熱膨張係数が近似し、かつ耐熱・耐食性にす
ぐれた金属材料がないことに鑑み、例えば、上記遮熱コ
ーティング材と母材との中間層あるいは固体電解質型燃
料電池用のセパレータ材として最適な特性を備えるな
ど、安定化ジルコニアと熱膨張係数が近似し、安定化ジ
ルコニアが利用される用途において、耐熱・耐食性にす
ぐれた金属材料の提供を目的としている。
ルコニアと熱膨張係数が近似し、かつ耐熱・耐食性にす
ぐれた金属材料がないことに鑑み、例えば、上記遮熱コ
ーティング材と母材との中間層あるいは固体電解質型燃
料電池用のセパレータ材として最適な特性を備えるな
ど、安定化ジルコニアと熱膨張係数が近似し、安定化ジ
ルコニアが利用される用途において、耐熱・耐食性にす
ぐれた金属材料の提供を目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】発明者は、安定化ジルコ
ニアと近似した熱膨張係数を有し、耐熱性にすぐれた金
属材料を目的に鋭意研究した結果、Ｃｒ及びＷを特定量
含有させたＦｅ基合金が安定化ジルコニアと近似した熱
膨張係数を有し、使用環境に適した高温特性を有する材
料であることを知見した。さらに、発明者は、上記Ｃｒ
−Ｗ−Ｆｅ系合金に少量のＢを添加することにより、該
合金におけるＷの粒界への偏析を防止できることを知見
しこの発明を完成した。
ニアと近似した熱膨張係数を有し、耐熱性にすぐれた金
属材料を目的に鋭意研究した結果、Ｃｒ及びＷを特定量
含有させたＦｅ基合金が安定化ジルコニアと近似した熱
膨張係数を有し、使用環境に適した高温特性を有する材
料であることを知見した。さらに、発明者は、上記Ｃｒ
−Ｗ−Ｆｅ系合金に少量のＢを添加することにより、該
合金におけるＷの粒界への偏析を防止できることを知見
しこの発明を完成した。
【００１５】Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅを含有する合金としては、
ガスタービンやボイラー管に用いるフェライト鋼等が知
られている。（特公昭５７−４５８２２号、特公平３−
５９１３５号、特公平３−６５４２８号、特公平４−５
４７３７号、特公平５−５８９１号、特開平２−２９０
９５０号等） しかし、それらの合金は、いづれも高温での強度を向上
させることを目的としており、熱膨張係数については一
切考慮されていなかった。また、その組成もＣｒが７．
０〜１５．０ｗｔ％、Ｗが０．０５〜３．５ｗｔ％と、
いずれも本発明の合金組成とは異なるものであった。
ガスタービンやボイラー管に用いるフェライト鋼等が知
られている。（特公昭５７−４５８２２号、特公平３−
５９１３５号、特公平３−６５４２８号、特公平４−５
４７３７号、特公平５−５８９１号、特開平２−２９０
９５０号等） しかし、それらの合金は、いづれも高温での強度を向上
させることを目的としており、熱膨張係数については一
切考慮されていなかった。また、その組成もＣｒが７．
０〜１５．０ｗｔ％、Ｗが０．０５〜３．５ｗｔ％と、
いずれも本発明の合金組成とは異なるものであった。
【００１６】すなわち、この発明は、Ｃｒ １５〜４０
ｗｔ％、Ｗ ５〜１５ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび
不可避的不純物からなり、室温から１０００℃における
平均熱膨張係数が１２×１０-6／Ｋ以上１３×１０-6／
Ｋ未満であることを特徴とする金属材料である。また、
この発明は、Ｃｒ １５〜４０ｗｔ％、Ｗ ５〜１５ｗ
ｔ％、Ｂ ０．００１〜０．０１ｗｔ％を含有し、残部
Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、室温から１０００
℃における平均熱膨張係数が１２×１０-6／Ｋ以上１３
×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする金属材料であ
る。
ｗｔ％、Ｗ ５〜１５ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび
不可避的不純物からなり、室温から１０００℃における
平均熱膨張係数が１２×１０-6／Ｋ以上１３×１０-6／
Ｋ未満であることを特徴とする金属材料である。また、
この発明は、Ｃｒ １５〜４０ｗｔ％、Ｗ ５〜１５ｗ
ｔ％、Ｂ ０．００１〜０．０１ｗｔ％を含有し、残部
Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、室温から１０００
℃における平均熱膨張係数が１２×１０-6／Ｋ以上１３
×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする金属材料であ
る。
【００１７】この発明の金属材料の組成の限定理由につ
いて説明する。Ｃｒは、耐熱性を得るための基本成分で
あり、少なくとも１５ｗｔ％の含有を必要とする。しか
し、４０ｗｔ％を超えて添加しても効果が飽和し、また
熱膨張係数を増加させたり、加工性が劣化するため１５
〜４０ｗｔ％とする。より好ましくは１５〜２５ｗｔ％
である。
いて説明する。Ｃｒは、耐熱性を得るための基本成分で
あり、少なくとも１５ｗｔ％の含有を必要とする。しか
し、４０ｗｔ％を超えて添加しても効果が飽和し、また
熱膨張係数を増加させたり、加工性が劣化するため１５
〜４０ｗｔ％とする。より好ましくは１５〜２５ｗｔ％
である。
【００１８】Ｗは所定の熱膨張係数を得るための基本成
分であり、少なくとも５ｗｔ％の含有を必要とする。し
かし１５ｗｔ％を超えて添加すると熱膨張係数が増加し
過ぎ好ましくないため５〜１５ｗｔ％とする。好ましく
は５〜１０ｗｔ％である。
分であり、少なくとも５ｗｔ％の含有を必要とする。し
かし１５ｗｔ％を超えて添加すると熱膨張係数が増加し
過ぎ好ましくないため５〜１５ｗｔ％とする。好ましく
は５〜１０ｗｔ％である。
【００１９】Ｂは、Ｗが粒界へ偏析するのを防止する効
果があり、少なくとも０．００１ｗｔ％の含有すること
が好ましい。しかし０．０１ｗｔ％を超えて添加しても
効果が飽和するため、０．００１〜０．０１ｗｔ％とす
る。
果があり、少なくとも０．００１ｗｔ％の含有すること
が好ましい。しかし０．０１ｗｔ％を超えて添加しても
効果が飽和するため、０．００１〜０．０１ｗｔ％とす
る。
【００２０】Ｆｅは、この発明による金属材料の基幹を
なし、上記元素の含有残余を占める。
なし、上記元素の含有残余を占める。
【００２１】この発明による金属材料は、例えば溶解鋳
造などの公知の方法によって得ることができ、それに熱
間や冷間などの加工を施したり、粉末化して用いる等、
用途に応じた形態を適宜選定することができる。また、
この発明による金属材料の機械的特性並びに耐熱性は、
実施例にしめすごとく、従来、かかる用途で使用されて
いたステンレス鋼と同等の特性を有している。
造などの公知の方法によって得ることができ、それに熱
間や冷間などの加工を施したり、粉末化して用いる等、
用途に応じた形態を適宜選定することができる。また、
この発明による金属材料の機械的特性並びに耐熱性は、
実施例にしめすごとく、従来、かかる用途で使用されて
いたステンレス鋼と同等の特性を有している。
【００２２】この発明による金属材料の熱膨張係数は、
安定化ジルコニアの熱膨張係数（１０〜１２×１０-6／
Ｋ）とほぼ同等にするため、室温から１０００℃におけ
る平均熱膨張係数が１２．０×１０-6／Ｋ以上１３．０
×１０-6／Ｋ未満の範囲に限定する。
安定化ジルコニアの熱膨張係数（１０〜１２×１０-6／
Ｋ）とほぼ同等にするため、室温から１０００℃におけ
る平均熱膨張係数が１２．０×１０-6／Ｋ以上１３．０
×１０-6／Ｋ未満の範囲に限定する。
【００２３】
【作用】この発明による金属材料は、安定化ジルコニア
の熱膨張係数（１０〜１２×１０-6／Ｋ）と近似した熱
膨張係数を有するため、安定化ジルコニアが使用される
用途、例えば、耐熱・耐食コーティング材や固体電解質
型燃料電池等における、耐熱・耐食コーティングと母材
との中間層、あるいは固体電解質型燃料電池のセパレー
タ材等、安定化ジルコニアあるいは安定化ジルコニアと
同様な熱膨張係数を有する材料と共に用いるのに最適な
特性を有する。
の熱膨張係数（１０〜１２×１０-6／Ｋ）と近似した熱
膨張係数を有するため、安定化ジルコニアが使用される
用途、例えば、耐熱・耐食コーティング材や固体電解質
型燃料電池等における、耐熱・耐食コーティングと母材
との中間層、あるいは固体電解質型燃料電池のセパレー
タ材等、安定化ジルコニアあるいは安定化ジルコニアと
同様な熱膨張係数を有する材料と共に用いるのに最適な
特性を有する。
【００２４】
実施例１ この発明の効果を実証するために、表１に示す組成から
なる本発明合金材料を作成し、室温〜１０００℃の熱膨
張係数を測定した。その結果を比較例と共に表１に示
す。表１より、この発明による金属材料が、その熱膨張
係数が安定化ジルコニアの熱膨張係数（１０〜１２×１
０-6／℃）と近似していることが分かる。また、Ｂを添
加しないもの（試料Ｎｏ．２，４，５，６，８，９）に
は、若干のＷの粒界偏析があったが、Ｂを添加したもの
（試料Ｎｏ．１，３，７）については、Ｗの粒界偏析が
全く無かった。
なる本発明合金材料を作成し、室温〜１０００℃の熱膨
張係数を測定した。その結果を比較例と共に表１に示
す。表１より、この発明による金属材料が、その熱膨張
係数が安定化ジルコニアの熱膨張係数（１０〜１２×１
０-6／℃）と近似していることが分かる。また、Ｂを添
加しないもの（試料Ｎｏ．２，４，５，６，８，９）に
は、若干のＷの粒界偏析があったが、Ｂを添加したもの
（試料Ｎｏ．１，３，７）については、Ｗの粒界偏析が
全く無かった。
【００２５】
【表１】
【００２６】実施例２ この発明による実施例１の試料Ｎｏ．１と比較例の試料
Ｎｏ．１１（ＳＵＳ４３０）の引張り強さ、伸び、硬さ
及び高温酸化増量の測定結果を表２並びに図５に示す。
この発明による金属材料は、安定化ジルコニアと近似し
た熱膨張係数を有するとともに、表２から明らかな如
く、引張り強さ、伸び、硬さのそれぞれが、従来から知
られるＳＵＳ４３０とほぼ同等のすぐれた特性を示し、
また、図５の高温酸化増量の比較からも明らかなよう
に、ＳＵＳ４３０に匹敵するすぐれた耐熱性を有してい
る。
Ｎｏ．１１（ＳＵＳ４３０）の引張り強さ、伸び、硬さ
及び高温酸化増量の測定結果を表２並びに図５に示す。
この発明による金属材料は、安定化ジルコニアと近似し
た熱膨張係数を有するとともに、表２から明らかな如
く、引張り強さ、伸び、硬さのそれぞれが、従来から知
られるＳＵＳ４３０とほぼ同等のすぐれた特性を示し、
また、図５の高温酸化増量の比較からも明らかなよう
に、ＳＵＳ４３０に匹敵するすぐれた耐熱性を有してい
る。
【００２７】
【表２】
【００２８】
【発明の効果】この発明による特定量のＣｒ−Ｗ−Ｆｅ
組成及びＣｒ−Ｗ−Ｂ−Ｆｅ組成からなる金属材料は、
機械的強度並びに耐熱性はステンレス鋼と同等性能を有
し、さらにステンレス鋼と比較してはるかに安定化ジル
コニアと近似した熱膨張係数を有しているため、安定化
ジルコニアからなる耐熱・耐食コーティングと母材との
中間層、あるいは安定化ジルコニアを固体電解質とする
固体電解質型燃料電池のセパレータ材として最適であ
る。
組成及びＣｒ−Ｗ−Ｂ−Ｆｅ組成からなる金属材料は、
機械的強度並びに耐熱性はステンレス鋼と同等性能を有
し、さらにステンレス鋼と比較してはるかに安定化ジル
コニアと近似した熱膨張係数を有しているため、安定化
ジルコニアからなる耐熱・耐食コーティングと母材との
中間層、あるいは安定化ジルコニアを固体電解質とする
固体電解質型燃料電池のセパレータ材として最適であ
る。
【図１】遮熱コーティング材（ＴＢＣ）を示す模式図で
ある。
ある。
【図２】遮熱コーティング材（ＴＢＣ）の断面組織例を
示す写真説明図である。
示す写真説明図である。
【図３】固体電解質型燃料電池の構成を示す分解斜視図
である。
である。
【図４】固体電解質型燃料電池の作動原理を示す説明図
である。
である。
【図５】高温酸化増量を示す温度と重量の関係グラフで
ある。
ある。
１ 電解質板 ２ 燃料極 ３ 空気極 ４ 単セル ５ セパレータ ６，７ 通路空間 ８ 改質器 ９ 外部回路 Ａ セラミック層、 Ｂ 中間層 Ｃ 合金
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｃｒ １５〜４０ｗｔ％、Ｗ ５〜１５
ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からな
り、室温から１０００℃における平均熱膨張係数が１２
×１０-6／Ｋ以上１３×１０-6／Ｋ未満であることを特
徴とする金属材料。 - 【請求項２】 Ｃｒ １５〜４０ｗｔ％、Ｗ ５〜１５
ｗｔ％、Ｂ ０．００１〜０．０１ｗｔ％を含有し、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、室温から１００
０℃における平均熱膨張係数が１２×１０-6／Ｋ以上１
３×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする金属材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18999994A JP3245304B2 (ja) | 1994-07-19 | 1994-07-19 | 金属材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18999994A JP3245304B2 (ja) | 1994-07-19 | 1994-07-19 | 金属材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0835042A true JPH0835042A (ja) | 1996-02-06 |
| JP3245304B2 JP3245304B2 (ja) | 2002-01-15 |
Family
ID=16250703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18999994A Expired - Fee Related JP3245304B2 (ja) | 1994-07-19 | 1994-07-19 | 金属材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3245304B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6776956B2 (en) | 2001-09-27 | 2004-08-17 | Hitachi Metals Ltd. | Steel for separators of solid-oxide type fuel cells |
| WO2005064030A1 (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | Jfe Steel Corporation | フェライト系Cr含有鋼材 |
| WO2018181348A1 (ja) | 2017-03-27 | 2018-10-04 | 新日鐵住金株式会社 | ステンレス鋼材、構成部材、セルおよび燃料電池スタック |
-
1994
- 1994-07-19 JP JP18999994A patent/JP3245304B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6776956B2 (en) | 2001-09-27 | 2004-08-17 | Hitachi Metals Ltd. | Steel for separators of solid-oxide type fuel cells |
| WO2005064030A1 (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | Jfe Steel Corporation | フェライト系Cr含有鋼材 |
| CN100441721C (zh) * | 2003-12-26 | 2008-12-10 | 杰富意钢铁株式会社 | 铁素体类含Cr钢材 |
| US8790573B2 (en) | 2003-12-26 | 2014-07-29 | Jfe Steel Corporation | Ferritic Cr-contained steel |
| WO2018181348A1 (ja) | 2017-03-27 | 2018-10-04 | 新日鐵住金株式会社 | ステンレス鋼材、構成部材、セルおよび燃料電池スタック |
| KR20190126180A (ko) | 2017-03-27 | 2019-11-08 | 닛테츠 스테인레스 가부시키가이샤 | 스테인리스 강재, 구성 부재, 셀 및 연료 전지 스택 |
| US11535915B2 (en) | 2017-03-27 | 2022-12-27 | Nippon Steel Stainless Steel Corporation | Stainless steel material, constituting component, cell, and fuel cell stack |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3245304B2 (ja) | 2002-01-15 |
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