JPH1081924A - 元素状粉末の熱化学処理による鉄アルミナイドの製造方法 - Google Patents

元素状粉末の熱化学処理による鉄アルミナイドの製造方法

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JPH1081924A
JPH1081924A JP9195132A JP19513297A JPH1081924A JP H1081924 A JPH1081924 A JP H1081924A JP 9195132 A JP9195132 A JP 9195132A JP 19513297 A JP19513297 A JP 19513297A JP H1081924 A JPH1081924 A JP H1081924A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良された室温延性、固有抵抗、サイクル疲
労抵抗、高温酸化抵抗、低及び高温強度及び/又は高温
サグ形成抵抗を有する電気抵抗加熱要素として有用な鉄
アルミナイドの製造法にある。 【解決手段】 本発明方法は、アルミニウム粉末及び鉄
粉末の混合物を形成し、混合物を、例えばシートに冷間
圧延して物品に造形し、物品を鉄とアルミニウム粉末が
反応して鉄アルミナイドを形成するのに充分な温度で焼
結することを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】発明の分野 本発明は一般に鉄アルミナイド及びかかる材料の製造の
ための粉末冶金法に関する。
【0002】発明の背景 アルミニウムを含有する鉄基合金は、秩序及び無秩序体
心結晶構造を有することができる。例えば金属間合金組
成を有する鉄アルミナイド合金は、Fe3 Al,FeA
l,FeAl2 ,FeAl3 及びFe2 Al5 の如き種
々の原子割合で鉄及びアルミニウムを含有する。体心立
方秩序結晶構造を有するFe3 Al金属間鉄アルミナイ
ドは、US−P 5320802,US−P 5158
744,US−P 5024109及びUS−P 49
61903に記載されている。かかる秩序結晶構造は、
一般に25〜40原子%のAl、及び合金化添加剤例え
ばZr,B,Mo,C,Cr,V,Nb,Si及びYを
含有する。
【0003】無秩序体心結晶構造を有する鉄アルミナイ
ド合金は、US−P 5238645に記載されてい
る、この特許の中で、合金は、重量%で8〜9.5のA
l、≦7のCr、≦4のMo、≦0.05のC、≦0.
5のZr、及び≦0.1のY、好ましくは4.5〜5.
5のCr、1.8〜2.2のMo、0.02〜0.03
2のC、及び0.15〜0.25のZrを含む。8.4
6,12.04及び15.90重量%のAlをそれぞれ
有する3種の二元合金を除いて、US−P 52386
45に記載された特別の合金の組成の全てが最小5重量
%のCrを含有する。更にUS−P 5238645に
は、合金化元素が、強度、室温延性、高温酸化抵抗、水
性腐蝕抵抗、及び点蝕に対する抵抗を改良することを述
べている。US−P 5238645は、電気抵抗加熱
要素に関するものではなく、熱疲労抵抗、電気抵抗率又
は高温サグ(sag )抵抗の如き性質を目的としていな
い。
【0004】3〜18重量%のAl、0.05〜0.5
重量%のZr、0.01〜0.1重量%のB、及び任意
成分Cr,Ti及びMoを含有する鉄基合金は、US−
P3026197及びカナダ特許648140に記載さ
れている。Zr及びBは粒子精練を提供すると述べ、好
ましいAl含有率は10〜18重量%であり、合金は酸
化抵抗及び加工性を有するとして記載されている。しか
しながら、US−P5238645と同様、US−P
3026197及びカナダ特許は電気抵抗加熱要素に関
するものでなく、熱疲労抵抗、電気抵抗率又は高温サグ
抵抗の如き性質を目的としていない。
【0005】US−P 3676109には、3〜10
重量%のAl、4〜8重量%のCr、約0.5重量%の
Cu、0.05重量%未満のC、0.5〜2重量%のT
i及び任意成分Mn及びBを含有する鉄基合金を記載し
ている。US−P 3676109には、Cuが錆斑点
形成に対する抵抗を改良し、Crが脆性を避け、Tiが
析出硬化を与えることを記載している。US−P 36
76109には、合金が化学処理装置に有用であること
を述べている。US−P 3676109に記載された
特効を示した実施例の全てが、0.5重量%のCu及び
少なくとも1重量%のCrを含有し、好ましい合金は少
なくとも9重量%のAlとCrの合計、少なくとも6重
量%の最少量のCrとAl、及び6重量%未満のAl含
有率とCr含有率の間の差を有している。しかしなが
ら、US−P 5238645と同様、US−P 36
76109は電気抵抗加熱要素に関するものでなく、熱
疲労抵抗、電気抵抗率又は高温サグ抵抗の如き性質を目
的としていない。
【0006】電気抵抗加熱要素として使用するための鉄
基アルミニウム含有合金は、US−P 155050
8,US−P 1990650及びUS−P 2768
915及びカナダ特許648141に記載されている。
US−P 1550508に記載された合金は、20重
量%のAl、10重量%のMn;12〜15重量%のA
l、6〜8重量%のMn;又は12〜16重量%のA
l、2〜10重量%のCrを含有する。US−P 15
50508に記載された実施例の全てが、少なくとも6
重量%のCr及び少なくとも10重量%のAlを含有す
る。US−P 1990650に記載された合金は、1
6〜20重量%のAl、5〜10重量%のCr、≦0.
05重量%のC、≦0.25重量%のSi、0.1〜
0.5重量%のTi、≦1.5重量%のMo及び0.4
〜1.5重量%のMnを含有し、唯一の実施例が17.
5重量%のAl、8.5重量%のCr、0.44重量%
のMn、0.36重量%のTi、0.02重量%のC及
び0.13重量%のSiを含有する。US−P 276
8915に記載された合金は、10〜18重量%のA
l、1〜5重量%のMo,Ti,Ta,V,Cb,C
r,Ni,B及びWを含有し、特別の例のみが16重量
%のAl及び3重量%のMoを含有する。カナダ特許6
48141に記載された合金は、6〜11重量%のA
l、3〜10重量%のCr、≦4重量%のMn、≦1重
量%のSi、≦0.4重量%のTi、≦0.5重量%の
C、0.2〜0.5重量%のZr及び0.05〜0.1
重量%のBを含有し、特別の実施例のみが少なくとも5
重量%のCrを含有する。
【0007】種々の材料の抵抗ヒーターは、US−P
5249586及び米国特許出願No. 07/94350
4,No. 08/118665,No. 08/105346
及びNo. 08/224848に記載されている。
【0008】US−P 4334923には、≦0.0
5%のC、0.1〜2%のSi、2〜8%のAl、0.
02〜1%のY、<0.009%のP、<0.006%
のS及び<0.009%のOを含有する触媒コンバータ
ーに有用な冷間圧延可能な酸化抵抗鉄基合金が記載され
ている。
【0009】US−P 4684505には、10〜2
2%のAl、2〜12%のTi、2〜12%のMo、
0.1〜1.2%のHf、≦1.5%のSi、≦0.3
%のC、≦0.2%のB、≦1.0%のTa、≦0.5
%のW、≦0.5%のV、≦0.5%のMn、≦0.3
%のCo、≦0.3%のNb及び≦0.2%のLaを含
有する熱抵抗鉄基合金が記載されている。US−P 4
684505には、16%のAl、0.5%のHf、4
%のMo、3%のSi、4%のTi及び0.2%のCを
有する特別な合金を記載している。
【0010】特開昭53−119721には、1.5〜
17%のAl、0.2〜15%のCr、及び<4%のS
i、<8%のMo、<8%のW、<8%のTi、<8%
のGe、<8%のCu、<8%のV、<8%のMn、<
8%のNb、<8%のTa、<8%のNi、<8%のC
o、<3%のSn、<3%のSb、<3%のBe、<3
%のHf、<3%のZr、<0.5%のPb及び<3%
の稀土類金属の任意添加剤の合計0.01〜8%を含有
し、良好な加工性を有する耐摩耗性、高透磁率合金を記
載している。16%のAl、残余Fe合金の外は、特開
昭53−119721の特別な実施例の全てが少なくと
も1%のCrを含有し、5%のAl、3%のCr、残余
Fe合金であること以外は残りの実施例は≧10%のA
lを含有している。
【0011】“ Microstructure And Mechanical Pr
operties of P/M Fe3Al合金”の表題で、J. R. Knib
loe 等によって Advances in Powder Metallurgy
(1990年発行)、Vol.2の219〜231頁に、不
活性ガスアトマイザーを用いて2及び5%のCrを含有
するFe3 Alを製造する粉末冶金法が発表されてい
る。この刊行物では、Fe3 Al合金が低温でDO3
造を有し、約550℃より上でB2構造に変換すること
を説明している。シートを作るため、粉末はミルスチー
ル中で缶詰めし、脱気し、9:1の面積減少比に100
0℃で熱押出している。スチール缶から取出した後、合
金押出物を1000℃で厚さ0.340インチに鍛造
し、800℃で約0.10インチの厚さのシートに圧延
し、最後に650℃で0.030インチに圧延した。こ
の刊行物によれば、微粉化した粉末は一般に球形であ
り、密な押出物を提供し、約20%の室温延性が、B2
構造の量を最大にすることによって達成された。
【0012】“Powder Processing of Fe3Al-Based
Iron-Aluminide Alloys ”の表題で、V. K. Sikka に
よって、Mat. Res. Soc. Symp. Proc.(1991年発
行)、Vol.213の901〜906頁に、シートに形成
した2%及び5%のCr含有Fe3 Al基鉄アルミナイ
ド粉末を作る方法が発表されている。この刊行物には、
粉末を窒素ガス微粉化及びアルゴンガス微粉化によって
作ったと述べている。窒素ガス微粉化粉末は、低レベル
の酸素(130ppm)及び窒素(30ppm)を有し
ていた。シートを作るため粉末は軟鋼中に缶詰めにさ
れ、9:1の面積減少比に1000℃で熱押出された。
押出された窒素ガス微粉化粉末は30μmの粒度を有し
ていた。鋼を除き、棒を1000℃で50%鍛造し、8
50℃で50%圧延し、650℃で0.76mmのシー
トに50%最終圧延した。
【0013】米国、ペンシルバニア州、ピッツバーグで
の1990年 Powder MetallurgyConference Exhibit
ion で提供された1〜11頁の表題“ Powder Product
ion, Processing, and Properties of Fe3Al ”のV.
K. Sikka 等の論文では、保護雰囲気の下で構成成分金
属を溶融し、金属を計量ノズルを介して通し、溶融物流
を窒素微粉化ガスと衝突させて溶融物を破壊することに
よってFe3 Al粉末を作る方法を発表している。粉末
は低酸素(130ppm)及び窒素(30ppm)を有
し、球形であった。押出された棒は、76mmの軟鋼缶
を粉末で満し、缶を脱気し、1.5時間1000℃で加
熱し、缶を9:1の減少のため25mmのダイを通して
押出することによって作られた。押出された棒の粒度は
20μmであった。厚さ0.76mmのシートは、缶を
除き、1000℃で50%鍛造し、850℃で50%圧
延し、650℃で50%最終圧延して作られた。
【0014】酸化物分散強化された鉄基合金粉末がUS
−P 4391634及びUS−P5032190に記
載されている。US−P 4391634には、10〜
40%のCr、1〜10%のAl及び≦10%の酸化物
分散質を含有するTi不含合金が記載されている。US
−P 5032190には、75%のFe、20%のC
r、4.5%のAl、0.5%のTi及び0.5%のY
23 を有する合金MA956からシートを形成する方
法が記載されている。
【0015】1991年6月17日〜20日に日本の仙
台で開催された the Proceedingsof International
Symposium on Intermetallic Compounds - Structur
eand Mechanical Properties(JIMIS−6)の5
79〜583頁で提出された表題“Mechanical Behavi
or of FeAl40 Intermetallic Alloys ”のA.LeFort
等の発表では、硼素、ジルコニウム、クロム及びセリ
ウムの添加を伴ったFeAl合金(25重量%のAl)
の種々な性質を発表している。合金は、真空鋳造及び1
100℃での押出により作られ、又は1000℃及び1
100℃で圧縮によって形成された。この論文は、酸化
及び硫化条件でのFeAl化合物のすぐれた抵抗が、高
Al含有率及びB2秩序構造の安定性に原因があると説
明している。
【0016】1994年2月27日〜3月3日に米国カ
リフォルニア州、サンフランシスコで開催された“Proc
essing, Properties and Applications of Iron A
luminides ”での the Minerals, Metals and Mater
ials Society Conference(1994 TMS Conference
)の19〜30頁で提出された表題“Production and
Properties of CSM FeAl Intermetallic Alloys
”で D. Pocci 等による発表では、鋳造及び押出し、
粉末のガス微粉化及び押出し、及び粉末の機械的合金化
及び押出しの如き異なる方法によって処理されたFe40
Al金属間化合物の種々の性質が発表されており、その
機械的合金化は微細酸化物分散で材料を強化するために
使用している。論文では、B2秩序結晶構造、23〜2
5重量%の範囲(約40原子%)のAl含有率及びZ
r,Cr,Ce,C,B及びY23の合金化添加物を
有するFeAl合金を作ったことを述べている。論文
は、材料が高温での腐蝕環境での建造物の材料として用
いられ、熱エンジン、ジェットエンジンのコンプレッサ
ー段階、石炭ガス化プラント及び石油化学工業での用途
が見出されることを述べている。
【0017】1994年のTMS Conference で提出され
た、表題“ Selected Propertiesof Iron Aluminide
s ”の329〜341頁のJ. H. Schneibel の発表に
は、鉄アルミナイドの性質が発表されている。この論文
には、各種のFeAl組成の溶融温度、電気抵抗率、熱
伝導率、熱膨張率及び機械的性質の如き性質を報告して
いる。
【0018】1994年のTMS Conference で提出され
た表題“Flow and Fracture ofFeAl ”の101〜1
15頁の J. Baker による発表には、B2化合物FeA
lの流れと破砕の大要を発表している。この論文は、前
の熱処理がFeAlの機械的性質に強力に影響を与える
こと、及び高温焼鈍後の高冷却速度が高い室温降伏強度
及び硬度を提供するが、過度の空孔による低延性を与え
る。かかる空孔に関して、論文は、溶質原子の存在が、
保持された空孔効果を押える傾向があり、過度の空孔を
除くため長時間焼鈍を使用できることを示している。
【0019】1994年のTMS Conference で提出され
た表題“ Impact Behavior of FeAl Alloy FA−35
0 ”の193〜202頁のD. J. Alexander による発表
には、鉄アルミナイド合金FA−350の衝撃及び引張
特性を発表している。FA−350合金は、原子%で3
5.8%のAl、0.2%のMo、0.05%のZr及
び0.13%のCを含む。
【0020】1994年のTMS Conference で提出され
た表題“ The Effect of Ternary Additions on
the Vacancy Hardening and Defect Structure o
f FeAl ”の231〜239頁の C. H. Kong の発表に
は、FeAl合金の三元合金化添加物の効果を発表して
いる。この論文は、B2構造化した化合物FeAlが、
低室温延性率及び500℃以上での許容できない程低い
高温強度を示すことを述べている。この論文は、室温脆
性は、高温熱処理に続く空孔の高濃度の保持によって生
ずると述べている。この論文は、Cu,Ni,Co,M
n,Cr,V及びTiの如き各種の三元合金化添加物の
効果のみならず高温焼鈍及び続く低温空孔緩和熱処理の
効果を論じている。
【0021】1989年9月のMet. Trans A ,Vol.2
0Aの1701〜1714頁に、表題“ Microstructur
e and Tensile Properties of Fe-40 At. Pct. A
l Alloys with C, Zr, Hf and B Additions ”の
D. J. Gaydosh 等の発表には、粉末が、C,Zr及びH
fを前合金化添加物として含むか、又はBを予め作った
鉄アルミニウム粉末に加えたガス微粒子化粉末の熱押出
しを論じている。
【0022】1991年8月の Mater. Res. Vol. 6,
No. 8,1779頁〜1805頁の表題“ A review
of recent developments in Fe3Al-based Alloys
”のC. G. McKamey 等の発表には、不活性ガス微粉化
による鉄アルミナイド粉末を得、所望の合金組成を生ぜ
しめるため合金粉末を混合してFe3 Alに基づいた三
元合金を作り、そして熱押出しによって団結させる方
法、即ち窒素又はアルゴンガス微粉化及び団結により、
≦9:1の面積減少まで1000℃で押出すことによっ
て密度を満たすFe3 Al基粉末の製造を発表してい
る。
【0023】従来の鉄アルミナイドを製造する粉末冶金
法は、鉄及びアルミニウムを溶融し、溶融物を不活性ガ
ス微粉化して鉄アルミナイド粉末を形成し、粉末を缶に
入れ、缶に入れた材料を高温で加工することを含んでい
る。粉末を缶に入れる必要をなくし、鉄アルミナイド粉
末を形成するため鉄及びアルミニウムの前合金化する必
要をなくする粉末冶金法によって鉄アルミナイドが製造
できるならば望ましいことである。
【0024】発明の概要 本発明は、アルミニウム粉末及び鉄粉末の混合物を作る
工程;混合物を物品に造形する工程;物品を、アルミニ
ウム粉末と鉄粉末を反応させ、鉄アルミナイドを形成さ
せるのに充分な温度に焼結する工程を含む粉末冶金法に
より鉄アルミナイド合金を製造する方法を提供する。ア
ルミニウム粉末は非合金化アルミニウム粉末からなるこ
とができ、鉄粉末は鉄合金、純鉄又はそれらの混合物か
らなることができる。結合剤は造形工程前に混合物に加
えることができる。この方法は、物品を真空又は不活性
雰囲気中で加熱すること、及び焼結工程前に物品から揮
発性成分を除去することを含むことができる。例えば物
品は、揮発性成分を除去する工程中700℃未満の温度
に加熱することができる。アルミニウム粉末及び鉄粉末
は、10〜60μm、好ましくは40〜60μmの平均
粒度を有することができる。造形は、圧延装置のローラ
ーと直接接触させて粉末混合物を冷間圧延することによ
り、又は粉末混合物をテープ鋳造することにより行うこ
とができる。
【0025】鉄アルミナイドは好ましくはオーステナイ
トを含まぬフェライト構造を有する。本発明の一実施態
様によれば、鉄アルミナイドは本質的にFeAlからな
ることができる。或いは、他の構成成分と合金化するこ
とができ、重量%で、22.0〜32.0%のAl、≦
2%のMo、≦1%のZr、≦2%のSi、≦30%の
Ni、≦10%のCr、≦0.1%のC、≦0.5%の
Y、≦0.1%のB、≦1%のNb及び≦1%のTaを
含有できる。例として、鉄アルミナイドは、重量%で、
22〜32%のAl、0.3〜0.5%のMo、0.0
5〜0.15%のZr、0.01〜0.05%のC、≦
25%のAl23 粒子、≦1%のY23 粒子、残余
Fe、又は22〜32%のAl、0.3〜0.5%のM
o、0.05〜0.3%のZr、0.01〜0.1%の
C、≦1%のY23 、残余Feから本質的になること
ができる。
【0026】造形工程は好ましくは、粉末混合物をシー
トに冷間圧延することを含む。この方法は燒結工程に続
いて物品(例えばシート)を電気抵抗加熱要素に形成す
ることを更に含むことができ、電気抵抗加熱要素は、1
0V以下の電圧及び6A以下の電流を加熱要素に通した
とき、1秒未満で900℃に加熱することができる。焼
結工程は第一及び第二段階で行うことができ、第一段階
は、アルミニウム粉末の2分の1以下が鉄粉末と反応し
てFe3 Al,Fe2 Al5 又はFeAl3 を形成する
温度に物品を加熱することを含み、第二段階は、未反応
アルミニウム粉末が溶融し、鉄粉末と反応してFeAl
を形成する温度に物品を加熱することを含む。物品は第
一段階中200℃/分以下の速度で加熱することがで
き、物品は第二段階中1200℃以上に加熱することが
できる。この方法は、焼結工程に続いて、物品を熱間圧
延及び/又は冷間圧延することによる如き物品を加工す
ることを含むことができる。焼結工程は物品中に25〜
40%の多孔度を作ることができ、この方法は焼結工程
に続いて、物品の多孔度を加工工程中に5%未満に減少
させるよう物品を加工する工程を更に含むことができ
る。シートは圧延工程中に0.010インチ未満の厚さ
に減少させることができる。
【0027】図面の簡単な説明 図1はアルミニウム含有鉄基合金の室温特性についての
Al含有率における変化の効果を示す。
【0028】図2はアルミニウム含有鉄基合金の室温及
び高温特性についてのAl含有率における変化の効果を
示す。
【0029】図3はアルミニウム含有鉄基合金の伸び率
に対する高温応力についてのAl含有率における変化の
効果を示す。
【0030】図4はアルミニウム含有鉄基合金の破壊
(クリープ)特性についてのAl含有率における変化の
効果を示す。
【0031】図5はAl及びSi含有鉄基合金の室温引
張特性についてのSi含有率における変化の効果を示
す。
【0032】図6はAl及びTi含有鉄基合金の室温特
性についてのTi含有率における変化の効果を示す。
【0033】図7はTi含有鉄基合金のクリープ破壊に
ついてのTi含有率の変化の効果を示す。
【0034】図8a〜図8cは合金 No.23,35,4
6及び48の降伏強度、極限引張強度及び全伸び率を示
す。
【0035】図9a〜図9cは、市販合金 Haynes 21
4及び合金46及び48についての降伏強度、極限引張
強度及び全伸び率を示す。
【0036】図10a〜図10bはそれぞれ3×10-4
/秒及び3×10-2/秒の引張歪速度での極限引張強度
を示し、図10c〜図10dは合金57,58,60及
び61についてのそれぞれ3×10-4/秒及び3×10
-2/秒の歪速度での破断までの塑性伸び率を示す。
【0037】図11a〜図11bは焼鈍時間の関数とし
て、合金46,48及び56についての850℃でのそ
れぞれ降伏強度及び極限引張強度を示す。
【0038】図12a〜図12eは、合金35,46,
48及び56についてのクリープデータを示し、図12
aは真空で2時間1050℃で焼鈍後の合金35につい
てのクリープデータを示し、図12bは1時間700℃
で焼鈍し、空気冷却した後の合金46についてのクリー
プデータを示し、図12cは真空中で1時間1100℃
で焼鈍後の合金48についてのクリープデータを示し、
この場合試験は800℃で1ksiで行った。図12d
は3ksi及び800℃で試験した図12cの試料を示
す。図12eは真空中で1時間1100℃で焼鈍後、8
00℃及び3ksiで試験した合金56を示す。
【0039】図13a〜図13cは合金48,49,5
1,52,53,54及び56についての硬度(ロック
ウエルC)値のグラフを示し、図13aは合金48につ
いての750〜1300℃の温度で1時間焼鈍に対する
硬度を示し、図13bは合金49,51及び56につい
ての0〜140時間、400℃での焼鈍に対する硬度を
示し、図13cは合金52,53及び54についての0
〜80時間、400℃での焼鈍に対する硬度を示す。
【0040】図14a〜図14eは合金48,51及び
56についての時間に対するクリープ歪データのグラフ
を示し、図14aは合金48及び56についての800
℃でのクリープ歪の比較を示し、図14bは合金48に
ついての800℃でのクリープ歪を示し、図14cは1
時間1100℃で焼鈍後、合金48についての800
℃,825℃及び850℃でのクリープ歪を示し、図1
4dは1時間750℃で焼鈍後、合金48についての8
00℃,825℃及び850℃でのクリープ歪を示し、
図14eは139時間400℃で焼鈍後、合金51につ
いての850℃でのクリープ歪を示す。
【0041】図15a〜図15bは合金62についての
時間に対するクリープ歪データのグラフを示し、図15
aはシートの形での合金62についての850℃及び8
75℃でのクリープ歪の比較を示し、図15bは棒の形
での合金62についての800℃,850℃及び875
℃でのクリープ歪を示す。
【0042】図16a〜図16bは合金46及び43に
ついての温度に対する電気固有抵抗のグラフを示し、図
16aは合金46及び43の電気固有抵抗を示し、図1
6bは合金43の電気固有抵抗についての加熱サイクル
の効果を示す。
【0043】好ましい実施態様の詳述 本発明のシート、棒、ワイヤー又は材料の他の望ましい
形の如き所望の形で鉄アルミナイドを製造するための簡
単かつ経済的な粉末冶金法を提供する。この方法におい
ては、鉄及びアルミニウム粉末の混合物を作り、混合物
を物品に造形し、物品を、鉄とアルミニウム粉末を反応
させ、鉄アルミナイドを形成させるため焼結する。造形
は、金属缶の如き保護シェル中に粉末を入れることな
く、粉末を冷間圧延することによって低温で行うことが
できる。アルミニウム粉末は非合金化アルミニウム粉末
であるのが好ましいが、鉄粉末は、純鉄粉末又は鉄合金
粉末であることができる。更に混合物を形成するとき、
追加の合金化成分を鉄及びアルミニウム粉末と混合でき
る。
【0044】物品を造形する前に、パラフィン及び/又
は焼結助剤の如き結合剤を粉末混合物に加えるのが好ま
しい。造形工程後、揮発性成分を除去するため、好適な
温度に物品を加熱することによって物品中の揮発性成分
を除去することが望ましい。例えば、酸素及び炭素の如
き揮発性成分を除去するため1/2〜1時間の如き好適
な時間、500〜700℃、好ましくは550〜650
℃の範囲の温度に物品を加熱することができる。物品は
真空又は不活性ガス雰囲気例えばアルゴン雰囲気中で加
熱でき、加熱は200℃/分以下の速度であるのが好ま
しい。この予備加熱段階中、アルミニウムの幾らかが鉄
と反応してFe3 Al又はFe2 Al5又はFeAl3
の如き化合物を形成し、少量のアルミニウムは鉄と反応
してFeAlを形成する。しかしながら、焼結工程中
に、鉄及びアルミニウムは反応してFeAlの如き所望
される鉄アルミナイドを形成する。
【0045】焼結工程は、鉄及びアルミニウムを反応さ
せ、所望の鉄アルミナイドを形成させるため1200℃
より上の温度で行うことができる。焼結は真空又は不活
性ガス(例えばAr)雰囲気中で1/2〜2時間125
0〜1300℃の温度で行うのが好ましい。焼結工程中
遊離アルミニウムは溶融し、鉄と反応して鉄アルミナイ
ドを形成する。
【0046】焼結工程中に、焼結された物品中に実質的
な多孔度、例えば25〜40容量%の多孔度を生ぜしめ
うる。かかる多孔度を減少させるため、焼結物品は熱間
又は冷間圧延してその厚さを減少させ、これによって密
度を増大させ、物品中の多孔度を除く。熱間圧延を行う
ときには、熱間圧延は不活性雰囲気中で行うのが好まし
く、又は物品を、熱間圧延工程中セラミック又はガラス
被覆の如き保護被覆によって保護することができる。物
品に冷間圧延を受けさせるときには、保護雰囲気中で物
品を圧延する必要はない。熱間又は冷間圧延に続いて、
物品は、1/2〜2時間真空又は不活性ガス雰囲気中で
1100〜1200℃の温度で焼鈍できる。次いで物品
は更に所望によって、更に加工及び/又は焼鈍できる。
【0047】本発明による実施例によれば22〜32重
量%のAl(38〜46原子%のAl)を含有する鉄ア
ルミナイドのシートは次の如くして作る。最初、任意合
金化構成成分と共にアルミニウム粉末及び鉄粉末の混合
物を作る、結合剤は粉末混合物に加える、そして圧縮体
を圧延により作る、又は混合物を直接圧延装置に供給す
る。粉末混合物に冷間圧延を受けさせて厚さ0.022
〜0.030インチを有するシートを作る。圧延したシ
ートを次に≦200℃/分の速度で600℃まで加熱
し、粉末混合物中の結合剤の揮発性成分を追い出すため
1/2〜1時間真空又はAr雰囲気中でこの温度で保
つ。続いて物品の温度を真空又はアルゴン雰囲気中で1
250〜1300℃に上昇させ、物品を1/2〜2時間
焼結する。600℃で加熱中にアルミニウムの一部は鉄
と反応してFe3 Al,Fe2 Al5及び/又はFeA
3 を形成し、少量のみのFeAlを形成する。125
0〜1300℃での焼結工程中に残りの遊離アルミニウ
ムは溶融し、追加のFeAlを形成し、Fe3 Al,F
2 Al5 及びFeAl3 化合物はFeAlに変換され
る。焼結は25〜40%の多孔率を生ぜしめる。多孔率
を除くため、焼結物品は冷間又は熱間圧延して0.00
8インチの厚さにする。例えば焼結シートは、約0.0
12インチに冷間圧延し、真空又はアルゴン雰囲気中で
1/2〜2時間1100〜1200℃で焼鈍し、約0.
008インチに冷間圧延し、そして再び真空又はアルゴ
ン雰囲気中で1/2〜2時間1100〜1200℃で焼
鈍できる。完成したシートは次いで更に電気抵抗加熱要
素に加工できる。
【0048】粉末組成物は、テープ鋳造法によりテープ
又はシートに形成できる。例えば粉末組成物の層は、シ
ートがロールから巻き出されるに従って材料のシート
(例えばセルロースアセテートシートの如き)上に受器
から付着させることができる。シート上の粉末層の厚さ
は、粉末層がドクターブレードを通過するシート上を送
行するに従って粉末層の上面と接する一つ以上のドクタ
ーブレードによって制御できる。粉末組成物は、好まし
くは、強靱であるが可撓性フィルムを形成し、粉末中に
残渣を残すことなく揮発し、貯蔵中周囲条件によって影
響を受けず、比較的安価で及び/又は安価でなお揮発性
かつ不燃性の有機溶剤に可溶性である結合剤を含有す
る。結合剤の選択は、テープの厚さ、鋳造面及び/又は
所望される溶剤によって決めることができる。
【0049】厚さ少なくとも0.01インチの厚い層を
テープ鋳造するため、結合剤は、粉末100重量部につ
いて、3部のポリビニルブチラール(例えばMonsanto,
Co.によって販売されている Butvar Type 13-76)を
含有でき、溶剤は35部のトルエンを含有でき、可塑剤
は5.6部のポリエチレングリコールを含有できる。厚
さ0.01インチ未満の薄い層を鋳造するため、結合剤
は15部のビニルクロライド−アセテート(例えばUnio
n Carbide Corp. より販売されているVYNS,90-10 ビ
ニルクロライド−ビニルアセテート共重合体)を含有で
き、溶剤は85部MEKを含有でき、可塑剤は1部のブ
チルベンジルフタレートを含有できる。所望ならば、粉
末テープ鋳造混合物は他の成分例えば解膠剤及び/又は
湿潤剤も含有できる。本発明によるテープ鋳造のために
好適な結合剤、溶剤、可塑剤、解膠剤及び/又は湿潤剤
組成物は当業者に明らかであろう。
【0050】本発明による方法は、少なくとも4重量%
のアルミニウムを含有し、DO3 構造を有するFe3
l相又はB2構造を有するFeAl相を有する種々の鉄
アルミナイド合金を作るため使用できる。合金は好まし
くはオーステナイト不含ミクロ構造を有するフェライト
であり、モリブデン、チタン、炭素、稀土類金属(例え
ばイットリウム又はセリウム)、硼素、クロム、酸化物
(例えばAl23 又はY23 )、及びカーバイド形
成剤(例えばジルコニウム、ニオビウム及び/又はタン
タル)(これは粒度及び/又は沈澱強化を制御するため
固溶体マトリックス内でカーバイド相を形成するため炭
素との関連で使用できる)から選択した1種以上の合金
元素を含有できる。
【0051】Fe−Al合金中のアルミニウム濃度は、
14〜32重量%(公称)の範囲であることができ、鍛
造又は粉末冶金処理されたときのFe−Al合金は、約
700℃より大なる選択した温度(例えば700〜11
00℃)で好適な雰囲気中で合金を焼鈍し、次いで、降
伏及び極限引張強度、酸化及び水性腐蝕性に対する抵抗
を保持している間に合金を炉冷却、空気冷却又は油急冷
して所望レベルでの選択された室温延性をうるため製造
できる。
【0052】Fe−Al合金を形成するに当って使用す
る合金化元素の濃度は、公称重量%でここでは表示す
る。しかしながらこれらの合金中のアルミニウムの公称
重量は、合金中のアルミニウムの実際の重量の少なくと
も約97%に実質的に相当する。例えば公称18.46
重量%はアルミニウムの実際の18.27重量%を提供
でき、これは公称濃度の約99%である。
【0053】Fe−Al合金は、強度、室温延性、酸化
抵抗、水性腐蝕抵抗、点蝕抵抗、熱疲労抵抗、電気固有
抵抗、高温サグ又はクリープ抵抗及び重量増加に対する
抵抗の如き性質を改良するため1種以上の選択した合金
化元素で処理又は合金化できる。各種合金化添加物及び
処理の効果は、図面、表1〜6及び以下の説明に示す。
【0054】アルミニウム含有鉄基合金は、電気抵抗加
熱要素に製造できる。しかしながら、ここに明らかにし
た合金組成物は、他の目的、例えば、合金を酸化及び腐
蝕抵抗を有する被覆として使用できる熱スプレー用にお
ける如き他の目的のために使用できる。又合金は、酸化
及び腐蝕抵抗電極、炉構成成分、化学反応器、硫化抵抗
材料、化学工業において使用するための腐蝕抵抗材料、
石炭スラリー又はコールタールを搬送するためのパイ
プ、触媒コンバーター用基体材料、自動車エンジンの排
気パイプ、多孔質フィルター等として使用できる。
【0055】本発明の一つの観点によれば、合金の形状
寸法(geometry)は、式R=ρ(L/W×T)(式中R
はヒーターの抵抗であり、ρはヒーター材料の固有抵抗
であり、Lはヒーターの長さであり、Wはヒーターの幅
であり、Tはヒーターの厚さである)によりヒーター抵
抗を最良まで変化させることができる。ヒーター材料の
固有抵抗は、合金のアルミニウム含有率を調整し、合金
の処理又は合金中への合金化添加物の混入によって変え
ることができる。例えば固有抵抗は、ヒーター材料中に
アルミナの粒子を混入することによって著しく増大させ
ることができる。合金は、クリープ抵抗及び/又は熱伝
導率を増強するため他のセラミック粒子を所望によって
含むことができる。例えば、ヒーター材料は、導電性材
料例えば遷移金属(Zr,Ti,Hf)の窒化物、遷移
金属の炭化物、遷移金属の硼化物、及び1200℃まで
良好な高温クリープ抵抗及びすぐれた酸化抵抗も与える
ためのMoSi2 の粒子又は繊維を含むことができる。
ヒーター材料は又、ヒーター材料を高温でのクリープ抵
抗性にするため及び熱伝導率を増強するため、及び/又
はヒーター材料の熱膨張係数を低下させるため、Al2
3 ,Y23 ,Si34 ,ZrO2 の如き電気絶縁
性材料の粒子を混入することもできる。電気絶縁/伝導
粒子/繊維は、Fe,Al又は鉄アルミナイドの粉末混
合物に加えることができる、又はかかる粒子/繊維は、
ヒーター要素の製造中発熱的に反応する元素粉末の反応
合成によって形成できる。
【0056】ヒーター材料は種々の方法で作ることがで
きる。例えばヒーター材料は、冷間圧延した粉末のシー
トの如き物品に粉末混合物を造形した後鉄及びアルミニ
ウムの粉末を反応させることにより又は合金構成成分を
機械的に合金化することによって、予備合金化した粉末
から作ることができる。材料のクリープ抵抗は種々の方
法で改良できる。例えば予備合金化粉末をY23 と混
合し、予備合金化粉末中にサンドウィッチされるように
機械的に合金化することができる。機械的合金化粉末
は、缶詰めしそして押出しすることにより、スリップ鋳
造により、遠心鋳造により、熱鋳造により及び熱プレス
及び熱等圧プレスによる如き従来からの粉末冶金法によ
って処理できる。別の方法は、Y23 及び酸化セリウ
ムの如きセラミック粒子を用い又は用いずに、Fe,A
l及び任意合金化元素の純粋元素粉末を使用し、かかる
成分を機械的に合金化することである。上述したことに
加えて、ヒーター材料の物理的性質及び高温クリープ抵
抗に合格させるため粉末混合物中に前述した電気絶縁性
及び/又は電気伝導性粒子を混入できる。
【0057】ヒーター材料は、通常の鋳造又は粉末冶金
法で作ることができる。例えば、ヒーター材料は異なる
画分を有する粉末の混合物から作ることができる、しか
し好ましい粉末混合物は、−100メッシュより小さい
サイズを有する粒子を含む。本発明の一観点によれば、
粉末はガスアトマイゼーション(微粉化)によって作る
ことができ、この場合粉末は球形を有することができ
る。本発明の別の観点によれば、粉末は水アトマイゼー
ションによって作ることができる、この場合粉末は不規
則な形態を有することができる。更に、水アトマイゼー
ションによって作られる粉末は、粉末粒子上に酸化アル
ミニウム被覆を含むことができ、かかる酸化アルミニウ
ムは破壊され、そして、シート、棒等の如き形を作るた
め粉末の熱機械的処理中にヒーター材料中に混入される
ことができる。アルミナ粒子は鉄アルミニウム合金の抵
抗を増大させるのに有効であり、アルミナは強度及びク
リープ抵抗を増大させるのに有効であるが、合金の延性
を低下させる。
【0058】モリブデンを合金化構成成分の一つとして
用いるとき、それは付随的不純物より多い量から約5.
0%までの有効範囲で加えることができる、有効量は、
合金の固溶体硬化を促進し、高温に曝されたとき合金の
クリープに対する抵抗を促進するのに充分な量である。
モリブデンの濃度は0.25〜4.25%の範囲である
ことができ、一つの好ましい実施態様においては、約
0.3〜0.5%の範囲である。約2.0%より大なる
モリブデン添加は、かかる濃度でのモリブデンの存在に
よって生ずる固溶体硬化の比較的大きな程度に原因する
室温延性を低下させる。
【0059】チタンは合金のクリープ強度を改良するの
に有効な量で加えることができ、3%以下の量で存在さ
せることができる。存在させるときには、チタンの濃度
は≦2.0%の範囲であるのが好ましい。
【0060】炭素及びカーバイド形成材を合金中で使用
するとき、炭素は付随的不純物より多い量から約0.7
5%までの範囲の有効量で存在させる、そしてカーバイ
ド形成材は、付随的不純物より多い量から約1.0%ま
で又はそれ以上の範囲の有効量で存在させる。炭素濃度
は約0.03%〜約0.3%の範囲であるのが好まし
い。炭素及びカーバイド形成材の有効量は、それぞれが
一緒になって、上昇温度にそれらを暴露中合金中での粒
子生長を制御するのに充分なカーバイドの形成を与える
のに充分な量である。カーバイドは合金中でいくらかの
析出強化も提供できる。合金中の炭素及びカーバイド形
成材の濃度は、カーバイド添加が、炭素対カーバイド形
成材の理論比又は理論比付近を与え、かくして本質的に
過剰の炭素が完成合金中に残らないようにすることがで
きる。
【0061】ジルコニウムは高温酸化抵抗を改良するた
め合金中に混入できる。炭素が合金中に存在すると、合
金中で過剰のジルコニウムの如きカーバイド形成材は、
それが空気中での高温熱サイクル中に破砕抵抗酸化物を
形成するのを助けるので多い程有利である。ジルコニウ
ムはHfより有効である、何故なら、Zrは表面酸化物
に刺される合金の露出面に対し直角に酸化物ストリンガ
ーを形成するからである、一方、Hfは表面に平行であ
る酸化物ストリンガーを形成する。
【0062】カーバイド形成材は、ジルコニウム、ニオ
ブ、タンタル及びハフニウム及びそれらの組合せの如き
カーバイド形成元素を含む。カーバイド形成材は、合金
内に存在する炭素とカーバイドを形成するのに充分な濃
度でのジルコニウムであるのが好ましい、この量は約
0.02%〜0.6%の範囲である。カーバイド形成材
として使用するときニオブ、タンタル及びハフニウムの
濃度は、本質的にジルコニウムの量に相当する。
【0063】前述した合金元素に加えて、合金組成物中
で約0.05〜0.25%のセリウム又はイットリウム
の如き稀土類元素の有効量の使用は有利である、何故な
らかかる元素は合金の酸化抵抗を改良することが見出さ
れたからである。
【0064】性質における改良は、Y23 ,Al2
3 等の如き酸化物分散質粒子の30重量%以下を加える
ことによっても得ることができる。酸化物分散質粒子
は、Fe,Al及び他の合金化元素の溶融物又は粉末混
合物に加えることができる。或いは、酸化物は、アルミ
ニウム含有鉄基合金の溶融物を水噴霧することによって
その場で作ることができる、これによって鉄−アルミニ
ウム粉末上にアルミナ又はイットリアの被覆が得られ
る。粉末の処理中に、酸化物は破砕され、最終生成物中
でストリンガーとして配置される。鉄−アルミニウム合
金中の酸化物粒子の導入は、合金の固有抵抗を増大する
のに有効である。例えば、合金中に酸素約0.5〜0.
6重量%を導入することによって、固有抵抗は約100
μΩ・cmから約160μΩ・cmに上昇できる。
【0065】合金の熱伝導率及び/又は固有抵抗を改良
するため、導電性及び/又は電気絶縁性金属化合物の粒
子を合金に混入できる。かかる金属化合物には、周期表
の第IVb族、第Vb族及び第VIb族から選択した元素の
酸化物、窒化物、ケイ化物、硼化物、及び炭化物を含
む。炭化物にはZr,Ta,Ti,Si,B等の炭化物
を含むことができ、硼化物にはZr,Ta,Ti,Mo
等の硼化物を含むことができ、ケイ化物にはMg,C
a,Ti,V,Cr,Mn,Zr,Nb,Mo,Ta,
W等のケイ化物を含むことができ、窒化物にはAl,S
i,Ti,Zr等の窒化物を含むことができ、酸化物に
はY,Al,Si,Ti,Zr等の酸化物を含むことが
できる。FeAl合金が酸化物分散強化されている場合
には、酸化物は粉末混合物に加えることができる、或い
は溶融金属浴にYの如き純粋金属を加えることによって
その場で形成できる、これによってYは溶融金属の粉末
へのアトマイズ中に溶融浴中で酸化されることができ
る、及び/又は続いての粉末の処理によって形成でき
る。例えばヒーター材料は、1200℃までの良好な高
温クリープ抵抗及びすぐれた酸化抵抗も得る目的のた
め、遷移金属(Zr,Ti,Hf)の窒化物、遷移金属
の炭化物、遷移金属の硼化物及びMoSi2 の如き導電
性材料の粒子を含むことができる。ヒーター材料は又、
ヒーター材料を高温での耐クリープ性にするため、及び
ヒーター材料の熱伝導率を増強させ及び/又は熱膨張係
数を減少させるためにもAl23 ,Y23 ,Si3
4 ,ZrO2 の如き電気絶縁材料の粒子を混入するこ
ともできる。
【0066】本発明により合金に加えることのできる別
の元素には、Si,Ni及びBを含む。例えば2.0%
以下の少量のSiは、低温及び高温強度を改良できる
が、合金の室温及び高温延性は、0.25重量%より多
いSiの添加で悪い影響を受ける。30重量%以下のN
iの添加は、第二相強化によって合金の強度を改良でき
る、しかしNiは合金の原価に加わり、室温及び高温延
性を低下させることができ、従って特に高温での加工困
難性をもたらす。少量のBは合金の延性を改良すること
ができる、そしてBはTi及び/又はZrと組合せて、
粒子精練のためチタン及び/又はジルコニウム硼化物沈
澱物を提供するため使用できる。Al,Si及びTiへ
の効果は図1〜図7に示す。
【0067】図1は、アルミニウム含有鉄基合金の室温
特性についてのAl含有率における変化の効果を示す。
特に図1は、20重量%以下のAlを含有する鉄基合金
に対する引張強度、降伏強度、面積減少率、伸び率及び
ロックウエルA硬度値を示す。
【0068】図2は、アルミニウム含有鉄基合金の高温
特性についてのAl含有率における変化の効果を示す。
特に図2は、18重量%以下のAlを含有する鉄基合金
に対する室温、800°F,1000°F,1200°
F及び1350°Fでの引張強度及び比例限度値を示
す。
【0069】図3は、アルミニウム含有鉄基合金の伸び
率に対する高温応力についてのAl含有率における変化
の効果を示す。特に図3は、15〜16重量%までのA
lを含有する鉄基合金に対する1時間での1/2%伸び
率に対する応力及び2%伸び率に対する応力を示す。
【0070】図4は、アルミニウム含有鉄基合金のクリ
ープ特性についてのAl含有率における変化の効果を示
す。特に図4は、15〜18重量%までのAlを含有す
る鉄基合金に対する100時間及び1000時間で破断
までの応力を示す。
【0071】図5は、Al及びSi含有鉄基合金の室温
引張特性についてのSi含有率の変化の効果を示す。特
に図5は、5、7又は9重量%のAl及び2.5重量%
までのSiを含有する鉄基合金に対する降伏強度、引張
強度及び伸び率値を示す。
【0072】図6は、Al及びTi含有鉄基合金の室温
特性についてのTi含有率の変化の効果を示す。特に図
6は、12重量%までのAl及び3重量%までのTiを
含有する鉄基合金に対する引張強度及び伸び率値を示
す。
【0073】図7は、Ti含有鉄基合金のクリープ破断
特性についてのTi含有率における変化の効果を示す。
特に図7は、700〜1350°Fの温度で、3重量%
までのTiを含有する鉄基合金に対する破断までの応力
を示す。
【0074】図8〜図16は表1a及び表1bにおける
合金の性質のグラフを示す。図8a〜図8cは、合金 N
o.23,35,46及び48に対する降伏強度、極限引
張強度及び全伸び率を示す。図9a〜図9cは、市販の
合金 Haynes 214に対して比較した合金46及び48
に対する降伏強度、極限引張強度及び全伸び率を示す。
図10a〜図10bは、それぞれ3×10-4/秒及び3
×10-2/秒の引張応力速度での極限引張強度を示し、
図10c〜図10dは、合金57,58,60及び61
に対するそれぞれ3×10-4/秒及び3×10-2/秒の
応力速度で破断に対する塑性伸び率を示す。図11a〜
図11bは、焼鈍時間の関数としての合金46,48及
び56に対する850℃でのそれぞれ降伏強度及び極限
引張強度を示す。図12a〜図12eは、合金35,4
6,48及び56に対するクリープデータを示す。図1
2aは真空中で2時間1050℃で焼鈍後の合金35に
対するクリープデータを示す。図12bは1時間700
℃で焼鈍し、空気冷却した後の合金46に対するクリー
プデータを示す。図12cは真空中で1時間1100℃
で焼鈍後の合金48に対するクリープデータを示し、こ
の場合試験は800℃で1ksiで行った。図12dは
3ksi及び800℃で試験した図12cの試料を示
し、図12eは真空中で1時間1100℃で焼鈍後、3
ksi及び800℃で試験した合金56を示す。
【0075】図13a〜図13cは、合金48,49,
51,52,53,54及び56に対する硬度(ロック
ウエルC)値のグラフを示し、図13aは合金48に対
する750〜1300℃の温度で1時間焼鈍に対する硬
度を示し、図13bは合金49,51及び56に対する
0〜140時間、400℃での焼鈍に対する硬度を示
し、図13cは合金52,53及び54に対する0〜8
0時間、400℃での焼鈍に対する硬度を示す。
【0076】図14a〜図14eは、合金48,51及
び56に対する時間に対するクリープ歪データのグラフ
を示し、図14aは合金48及び56に対する800℃
でのクリープ歪の比較を示し、図14bは合金48に対
する800℃でのクリープ歪を示し、図14cは1時間
1100℃で焼鈍後の合金48に対する800℃,82
5℃及び850℃でのクリープ歪を示し、図14dは1
時間750℃で焼鈍後の合金48に対する800℃,8
25℃及び850℃でのクリープ歪を示し、図14eは
139時間400℃で焼鈍後の合金51に対する850
℃でのクリープ歪を示す。図15a〜図15bは、合金
62に対する時間に対するクリープ歪データのグラフを
示し、図15aはシートの形での合金62に対する85
0℃及び875℃でのクリープ歪の比較を示し、図15
bは棒の形での合金62に対する800℃,850℃及
び875℃でのクリープ歪を示す。
【0077】図16a〜図16bは、合金46及び43
に対する温度に対する電気固有抵抗のグラフを示し、図
16aは合金46及び43の電気固有抵抗を示し、図1
6bは合金43の電気固有抵抗についての加熱サイクル
の効果を示す。
【0078】Fe−Al合金は、ZrO2 等から形成し
た好適な坩堝中で、約1600℃の温度で選択した合金
構成成分の粉末及び/又は中実片の粉末冶金法又はアー
ク溶融、空気誘導溶融、又は真空誘導溶融によって形成
できる。溶融した合金は、所望された製品の形状で又は
合金を加工することによって合金物品の形成のため使用
する合金の熱を形成するため、グラファイト等の鋳型中
で鋳造するのが好ましい。
【0079】加工すべき合金の溶融物は、所望によって
適切な大きさに切り、次いで約900〜1100℃の範
囲の温度で鍛造し、約750〜1100℃の範囲の温度
で熱間圧延し、約600〜700℃の範囲の温度で温間
圧延し、及び/又は室温で冷間圧延することによって厚
さを減少させる。それぞれの冷たいロールの通過は、厚
さにおける20〜30%の減少を与えることができ、続
いて約700〜1050℃の範囲の温度、好ましくは約
800℃で1時間空気、不活性ガス又は真空中で合金を
熱処理する。
【0080】下記表に示した鍛造合金試料は、各種合金
の加熱物(heats )を形成するため、合金構成成分をア
ーク溶融して作った。これらの加熱物は厚さ0.5イン
チの片に切断し、これを1000℃の温度で鍛造して合
金試料の厚さを0.25インチ(約50%減少)に減少
させ、次いで800℃で圧延して合金試料の厚さを0.
1インチ(60%減少)に減少させ、次いで所望のそし
てここで試験する合金試料のため、650℃で温間圧延
して最終の厚さ0.030インチ(70%減少)にし
た。引張試験のため、試料を、シートの圧延方向で並べ
た試料の1/2インチゲージ長で、0.030インチシ
ートからパンチした。
【0081】粉末冶金法で作った試料も下表に示す。一
般に粉末はガス微粉化又は水微粉化によって得た。使用
する方法によって、球(ガス微粉化粉末)から不規則
(水微粉化粉末)までの範囲の粉末形態を得ることがで
きる。水微粉化粉末は、粉末をシート、ストリップ、棒
等の如き有用な形に熱機械的に加工する間に酸化物粒子
のストリンガーに破壊される酸化アルミニウム被覆を含
む。酸化物粒子は、導電性Fe−Alマトリックス中の
ばらばらの絶縁体として作用することによって合金の電
気固有抵抗を変性する。
【0082】合金の組成を比較するため、組成を表1a
〜1bに示す。表2は、表1a〜1bにおける選択した
合金組成に対する低温及び高温での強度及び延性特性を
示す。
【0083】各種合金に対するサグ抵抗データを表3に
示す。サグ試験は、一端で支持された又は両端で支持さ
れた各種合金のストリップを用いて行った。サグの量は
示した時間、900℃で空気雰囲気中でストリップを加
熱後測定した。
【0084】表4に各種合金に対するクリープデータを
示す。クリープ試験は、10時間、100時間及び10
00時間で、試験温度で試料が破壊された応力を測定す
るため、引張試験を用いて行った。
【0085】選択した合金に対する室温での電気固有抵
抗及び結晶構造を表5に示す。表5に示されるように、
電気固有抵抗は、合金の組成及び処理によって影響を受
ける。
【0086】表6は、本発明による酸化物分散強化した
合金の硬度データを示す。特に表6は合金62,63及
び64の硬度(ロックウエルC)を示す。表6に示され
ている如く、Al23 を20%まで有していても(合
金64)、材料の硬度はRc45未満を維持できる。し
かしながら、加工可能性を提供するため、材料の硬度は
約Rc35未満に保つことが好ましい。従って、抵抗ヒ
ーター材料として酸化物分散強化材料を利用することを
望むときには、材料の加工可能性は、材料の硬度を低下
させるため好適な熱処理を行うことによって改良でき
る。
【0087】表7は、反応合成によって形成できる選択
した金属間化合物の形成の加熱物を示す。アルミナイド
及びシリサイドのみを表7に示したが、反応合成はカー
バイド、窒化物、酸化物及び硼化物を形成するためにも
使用できる。例えば、粒子又は繊維の形での電気絶縁性
又は電気伝導性共有セラミック及び/又は鉄アルミナイ
ドのマトリックスを、元素状粉末の加熱中に発熱的に反
応する元素状粉末を混合することによって形成できる。
例えばかかる反応合成は、本発明によるヒーター要素を
形成するため、使用する粉末を押出し又は焼結しながら
行うことができる。
【0088】
【表1】
【0089】
【表2】
【0090】
【表3】
【0091】
【表4】
【0092】
【表5】
【0093】
【表6】
【0094】
【表7】
【0095】試料の熱処理 A=800℃/1時間/空気冷却 K=750℃/1時間真空中 B=1050℃/2時間/空気冷却 L=800℃/1時間真空中 C=1050℃/2時間真空中 M=900℃/1時間真空中 D=圧延したまま N=1000℃/1時間真空中 E=815℃/1時間/油急冷 O=1100℃/1時間真空中 F=815℃/1時間/炉冷却 P=1200℃/1時間真空中 G=700℃/1時間/空気冷却 Q=1300℃/1時間真空中 H=1100℃で押出し R=750℃/1時間徐冷 I=1000℃で押出し S=400℃139時間 J=950℃で押出し T=700℃/1時間油急冷
【0096】合金1−22,35,43,46,56,
65−68(0.2インチ/分の歪速度で試験した) 合金49,51,53(0.16インチ/分の歪速度で
試験した)
【0097】
【表8】
【0098】追加条件 a=試料を作るため自由端で吊したワイヤー重しは同じ
重量を有する b=試料を作るため試料上に置いた同じ長さ及び幅の箔
は同じ重量を有する
【0099】
【表9】
【0100】
【表10】
【0101】試料の条件 A=水微粉化粉末 B=ガス微粉化粉末 C=鋳造及び加工 D=700℃で1/2時間焼鈍+油急冷 E=750℃で1/2時間焼鈍+油急冷 F=共有セラミック添加を形成するため反応合成
【0102】
【表11】
【0103】合金62: 16:1の減少比に1100
℃で炭素鋼中で押出し(2インチから1/2インチへの
ダイ)。 合金63及び合金64: 16:1の減少比に1250
℃で不銹鋼中で押出し(2インチから1/2インチへの
ダイ)。
【0104】
【表12】
【0105】前述したことは、本発明の操作の原理、好
ましい実施態様及び方法を説明した。しかしながら本発
明は前述した特定の実施態様に限定するものとして解し
てはならない。従って前述した実施態様は限定のためで
なく例示として見做すべきであり、特許請求の範囲によ
って規定した通りの本発明の範囲から逸脱することな
く、当業者によってこれらの実施態様において改変をな
しうることは認めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】アルミニウム含有鉄基合金の室温特性について
のAl含有率における変化の効果を示す。
【図2】アルミニウム含有鉄基合金の室温及び高温特性
についてのAl含有率における変化の効果を示す。
【図3】アルミニウム含有鉄基合金の伸び率に対する高
温応力についてのAl含有率における変化の効果を示
す。
【図4】アルミニウム含有鉄基合金の破壊(クリープ)
特性についてのAl含有率における変化の効果を示す。
【図5】Al及びSi含有鉄基合金の室温引張特性につ
いてのSi含有率における変化の効果を示す。
【図6】Al及びTi含有鉄基合金の室温特性について
のTi含有率における変化の効果を示す。
【図7】Ti含有鉄基合金のクリープ破壊についてのT
i含有率の効果を示す。
【図8】図8a〜図8cは、それぞれ合金 No.23,3
5,46及び48についての降伏強度、極限引張強度及
び全伸び率を示す。
【図9】図9a〜図9cは、それぞれ市販合金 Haynes
214及び合金46及び48についての降伏強度、極限
引張強度、及び全伸び率を示す。
【図10】図10a及び図10bは、それぞれ3×10
-4/秒及び3×10-2/秒の引張歪速度での極限引張強
度を示す。図10c及び図10dは、合金57,58,
60及び61についてのそれぞれ3×10-4/秒及び3
×10-2/秒の歪速度での破断までの塑性伸び率を示
す。
【図11】図11a及び図11bは、焼鈍時間の関数と
して、合金46,48及び56についての850℃での
それぞれ降伏強度及び極限引張強度を示す。
【図12】図12a〜図12eは、合金35,46,4
8及び56についてのクリープデータを示す、但し図1
2aは、真空中で2時間1050℃で焼鈍後の合金35
についてのクリープデータを示し、図12bは、1時間
700℃で焼鈍し、空気冷却した後の合金46について
のクリープデータを示し、図12cは、真空中で1時間
1100℃で焼鈍後の合金48についての800℃で1
ksiで行ったクリープデータを示し、図12dは3k
si及び800℃で試験した図12cの試料のクリープ
データを示し、図12eは、真空中で1時間1100℃
で焼鈍後、800℃及び3ksiで試験した合金56の
クリープデータを示す。
【図13】図13a〜図13cは合金48,49,5
1,52,53,54及び56についての硬度(ロック
ウエルC)値のグラフを示す、但し図13aは合金48
についての750〜1300℃の温度で1時間焼鈍に対
する硬度を示し、図13bは合金49,51及び56に
ついての0〜140時間、400℃での焼鈍に対する硬
度を示し、図13cは合金52,53及び54について
の0〜80時間、400℃での焼鈍に対する硬度を示
す。
【図14】図14a〜図14eは合金48,51及び5
6についての時間に対するクリープ歪データのグラフを
示す、但し図14aは合金48及び56についての80
0℃でのクリープ歪の比較を示し、図14bは合金48
についての800℃でのクリープ歪を示し、図14c
は、1時間1100℃で焼鈍後、合金48についての8
00℃,825℃及び850℃でのクリープ歪を示し、
図14dは1時間750℃で焼鈍後、合金48について
の800℃,825℃及び850℃でのクリープ歪を示
し、図14eは139時間400℃で焼鈍後、合金51
についての850℃でのクリープ歪を示す。
【図15】図15a及び図15bは、合金62について
の時間に対するクリープ歪データのグラフを示す、但し
図15aはシートの形での合金62についての850℃
及び875℃でのクリープ歪の比較を示し、図15bは
棒の形での合金62についての800℃,850℃及び
875℃でのクリープ歪を示す。
【図16】図16a及び図16bは、合金46及び43
についての温度に対する電気抵抗率のグラフを示す、但
し図16aは合金46及び43の電気固有抵抗を示し、
図16bは合金43の電気固有抵抗についての加熱サイ
クルの効果を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C22C 33/02 C22C 38/00 304 38/00 304 38/54 38/54 B22F 3/10 D (72)発明者 エー・クリフトン・リリィ・ジュニア アメリカ合衆国ヴァージニア州23832、チ ェスターフィールド、ウォーターフォウ ル、フライウェイ 9641 (72)発明者 ヴィノド・ケー・シッカ アメリカ合衆国テネシー州37830、オーク、 リッジ、ダンスワース、レイン 115 (72)発明者 モハマド・アール・ハジャリゴル アメリカ合衆国ヴァージニア州23236、リ ッチモンド、アパートメント、エイチ、オ ールド、コートハウス、ロード 3322

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウム粉末及び鉄粉末の粉末混合
    物を作り;粉末混合物を物品に造形し;アルミニウム粉
    末及び鉄粉末を反応させ、鉄アルミナイドを形成するの
    に充分な温度で物品を焼結させることを特徴とする粉末
    冶金法によって鉄アルミナイドを製造する方法。
  2. 【請求項2】 アルミニウム粉末が、非合金化アルミニ
    ウム粉末を含み、鉄粉末が鉄合金、純鉄又はそれらの混
    合物を含むことを特徴とする請求項1の方法。
  3. 【請求項3】 造形工程前に、粉末混合物に、結合剤及
    び1種以上の任意合金化構成成分を加えることを特徴と
    する請求項1又は2の方法。
  4. 【請求項4】 造形を、粉末混合物をシートに冷間圧延
    することによって行うことを特徴とする請求項1,2又
    は3の方法。
  5. 【請求項5】 焼結工程前に、物品を真空又は不活性雰
    囲気中で加熱し、物品から揮発性成分を除去することを
    更に含むことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項の
    方法。
  6. 【請求項6】 揮発性成分を除去する工程中、物品を7
    00℃未満の温度に加熱することを特徴とする請求項5
    の方法。
  7. 【請求項7】 鉄アルミナイドが、FeAlから本質的
    になることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項の方
    法。
  8. 【請求項8】 鉄アルミナイドが、重量%で、22.0
    〜32.0%のAl及び≦1%のCrを含むことを特徴
    とする請求項1〜7の何れか1項の方法。
  9. 【請求項9】 鉄アルミナイドが、オーステナイト不含
    であるフェライトミクロ組織を有することを特徴とする
    請求項1〜8の何れか1項の方法。
  10. 【請求項10】 造形工程を、粉末混合物を冷間圧延す
    ることによって行うことを特徴とする請求項1〜9の何
    れか1項の方法。
  11. 【請求項11】 焼結工程に続いて、物品を電気抵抗加
    熱要素に形成することを更に含み、電気抵抗加熱要素
    が、加熱要素中に10V以下の電圧及び6A以下の電流
    を通したとき1秒未満で900℃に加熱できることを特
    徴とする請求項1〜10の何れか1項の方法。
  12. 【請求項12】 焼結工程を、第一段階及び第二段階で
    行い、第一段階が、アルミニウム粉末の半分以下が鉄粉
    末と反応してFe3 Al,Fe2 Al5 ,FeAl3
    はそれらの混合物を形成する温度に物品を加熱すること
    を含み、第二段階が、未反応アルミニウム粉末が溶融
    し、鉄粉末と反応して鉄アルミナイドを形成する温度に
    物品を加熱することを含むことを特徴とする請求項1〜
    11の何れか1項の方法。
  13. 【請求項13】 物品を、第一段階中200℃/分以下
    の速度で加熱することを特徴とする請求項12の方法。
  14. 【請求項14】 物品を、第二段階中1200℃以上に
    加熱することを特徴とする請求項12又は13の方法。
  15. 【請求項15】 焼結工程に続いて物品を加工すること
    を更に含むことを特徴とする請求項1〜14の何れか1
    項の方法。
  16. 【請求項16】 加工が、物品を熱間圧延及び/又は冷
    間圧延することを含むことを特徴とする請求項15の方
    法。
  17. 【請求項17】 焼結工程が、物品中に25〜40%の
    多孔度を生じ、この方法が更に焼結工程に続く物品の加
    工工程を含み、物品の多孔度を加工工程中に5%未満に
    減少させることを特徴とする請求項1〜16の何れか1
    項の方法。
  18. 【請求項18】 物品がシートを含み、シートに、焼結
    工程に続いて圧延工程、続いて熱処理工程を受けさせ、
    熱処理工程を、真空又は不活性雰囲気中で1100〜1
    200℃の温度で行うことを特徴とする請求項1〜17
    の何れか1項の方法。
  19. 【請求項19】 シートを圧延工程中0.3mm(0.
    010インチ)未満の厚さに減ずることを特徴とする請
    求項18の方法。
  20. 【請求項20】 アルミニウム粉末及び鉄粉末がそれぞ
    れ10〜60μmの平均粒度を有する請求項1〜19の
    何れか1項の方法。
  21. 【請求項21】 鉄アルミナイドが、重量%で、≦2%
    のMo、≦1%のZr、≦2%のSi、≦30%のN
    i、≦10%のCr、≦0.1%のC、≦0.5%の
    Y、≦0.1%のB、≦1%のNb及び≦1%のTaを
    含むことを特徴とする請求項1〜20の何れか1項の方
    法。
  22. 【請求項22】 鉄アルミナイドが、重量%で、20〜
    32%のAl、0.3〜0.5%のMo、0.05〜
    0.15%のZr、0.01〜0.05%のC、≦25
    %のAl23 粒子、≦1%のY23 粒子、残余Fe
    から本質的になることを特徴とする請求項1〜21の何
    れか1項の方法。
  23. 【請求項23】 鉄アルミナイドが、重量%で、22〜
    32%のAl、0.3〜0.5%のMo、0.05〜
    0.3%のZr、0.01〜0.1%のC、≦1%のY
    23 、残余Feから本質的になることを特徴とする請
    求項1〜21の何れか1項の方法。
  24. 【請求項24】 圧延装置のローラーと直接接触した状
    態で、混合物の粉末を用い、混合物を冷間圧延すること
    によって物品を形成することを特徴とする請求項1〜2
    3の何れか1項の方法。
  25. 【請求項25】 造形工程を、粉末混合物をテープ又は
    シートにテープ鋳造することによって行うことを特徴と
    する請求項1〜23の何れか1項の方法。
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