JPS5842263B2 - 耐孔食、耐隙間腐食、耐応力腐食割れ、耐水素脆性用アモルフアス鉄合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐孔食、耐隙間腐食、耐応力腐食割れ、耐水素
脆性の優れた鉄−クロム−リン系アモルファス合金に関
する。

通常の耐食性鉄合金、すなわちステンレス合金（例えば
１３％クロム鋼、１８−８ステンレス鋼（３０４鋼）、
１７−１４−２．５Ｍｏ 、Ｘ、テンレス鋼（３１６Ｌ
鋼）など）は耐候性、耐食性に優れており、化学反応容
器やパイプ、原子炉用冷却装置など大気中や腐食性の環
境で多く使用されている。

しかし、長時間使用中に、孔食、応力腐食割れ、隙間腐
食、水素脆性などにより、突然破壊や損傷が起るため装
置の使用が不可能になり、安全性や公害などの点で重大
な問題を引き起している。

その原因は結晶金属中には普通多くの格子欠陥が存在し
、これら腐食、孔食、隙間腐食、応力腐食割れ、水素脆
性などの起点になるためで、金属表面の損傷を防ぎ、応
力腐食割れや水素脆性を防ぐことは難かしい。

従来鉄合金の耐食性の改善にはクロム、ニッケルなどの
合金元素を添加して耐食性皮膜を形成さセテキた。

しかし合金元素の添加による耐食性の改善は、孔食、応
力腐食割れなどをかえって促進するという危険を伴いか
つ耐食性の改善にも限界がある。

また耐食性を改善し得る元素の多量の添加は材質の劣化
や製造の困難性から自から制限される。

通常固体の金属は結晶状態にあるが、ある特殊な条件（
合金の組成、急冷凝固）下では、固体でも液体に類似し
て結晶構造をもたない構造が得られ、このような金属、
又は合金をアモルファス金属（又は非結晶質金属）と言
っている。

このアモルファス合金は従来の実用金属材料に比し、著
しく高い強度を保有する。

しかし従来知られているアモルファス鉄合金、例えばＦ
ｅ −Ｃ−Ｐ系およびＦｅ−Ｂ−Ｐ系アモルファス合金
は塩水噴霧による腐食減量が普通の炭素鋼の約３倍であ
り、耐食性に劣る欠点がある。

これに対し、本発明者のうち、増水、奈賀は先に°“Ｆ
ｅ−Ｃｒ系アモルファス合金″を発明（特願昭４９−６
３３０号）し、これが高い強度および耐熱性と共に、全
面腐食に対し、ステンレス鋼と同等に耐えることを見出
し、主として複合材料としての特許を申請した。

しかし、その後の試験の結果、全面腐食のほか、材料の
劣化のうち特に実用上問題である孔食、隙間腐食、応力
腐食割れ、水素脆性に対し、本発明合金は、現用ステン
レス鋼とはくらべようもない高い抵抗性を有することが
判明した。

本発明の目的は、前記性質にもとづき、新しい用途に適
する以下の合金組成を持つアモルファス鉄合金を提供す
るものである。

原子％として、Ｃｒ １〜４０％、Ｃ及びＢの何れか１
種を２〜３０％、１５〜３３％を含有し、但しＣ及びＢ
の何れか１種とＰとを合計で７〜３５％含み残部Ｆｅか
らなるアモルファス鉄合金本発明のアモルファス鉄合金
は、孔食、隙間腐食などの局部腐食および応力腐食割れ
、水素脆性なと応力と腐食が作用する際の材料の破壊を
起こさない点において通常の結晶質耐食性鉄合金よりも
はるかに優れている。

本発明のアモルファス鉄合金は強さと靭さを保たせなが
ら耐食性元素であるクロムを多量に均一に添加でき、し
かも全く腐食の起点となる欠陥を含まない。

これが本発明の合金が孔食、隙間腐食、応力腐食割れ、
水素脆性を起さない理由である。

本発明のアモルファス合金の機械的性質は例えばＣｒ２
Ｏ原子％（２１，１６重量％）、Ｐ１５原子％（９，４
５重量％）、Ｃ５原子％（１，２２重量％）残部ＦｅＯ
ものにあっては、降伏強さは３５〇−／−１破壊強さは
３８５ ｋｇ／ｄ、ヤング率は１３．３Ｘ１０３Ｈ／−
であり、既知のステンレス鋼に比し、優れた機械的性質
を有している。

本発明のアモルファス合金は、例えば次の如くして製造
することができる。

図は本発明のアモルファス合金を製造する装置の一例を
示す概略図である。

図において、１は下方先端に水平方向に噴出するノズル
２を有する石英管で、その中には原料金属３が装入され
、溶解される。

４は原料金属３を加熱するための加熱炉であり、５はモ
ーター６により高速度、例えば５０００ｒｐｍで回転さ
れる回転ドラムで、これはドラムの回転による遠心力負
荷をできるだけ小さくするため、軽量で熱伝導性の良い
金属、例えばアルミニウム合金よりなり、内面には更に
熱伝導性の良い金属、例えば銅板７で内張すされている
。

８は石英管１を支持して上下に移動するためのエアピス
トンである。

原料金属は、先ず石英管１の送入口１ａより流体搬送等
により装入され加熱炉４の位置で加熱溶解され、次いで
エアピストン８によりノズル２が回転ドラム５の内面に
対向する如く石英管１が図に示す位置に下降され、次い
で上昇を開始するとほぼ同時に溶融金属３にガス圧が加
えられて、金属が回転ドラムの内面に向って噴流される
。

石英管内部へは金属３の酸化を防ぐため絶えず不活性ガ
ス、例えばアルゴンガス９を送入し不活性雰囲気として
おくものとする。

回転ドラム内面に噴流された金属は高速回転による遠心
力のため、回転ドラム内面に強く接触させられることに
よって、超高速冷却されてアモルファス金属となる。

前記方法により本発明のアモルフス合金を例えば厚さ０
．２ｍｍ、幅約１０ｍｔｒｔの長いテープ状態として得
ることができる。

本発明の研究において、前記装置ならびに方法により厚
さ０．０５ｍｍ１幅１１ｎｒＩＬの形状の第１表に示す
組成を有するアモルファス合金を製造し、各種の腐食試
験を行なった。

また比較のため市販のクロム鋼、１８−８ステンレス鋼
（３０４鋼）、１７−４−２．５Ｍｏステンレス鋼（３
１６Ｌ鋼）についても同様の試験を行なった。

腐食試験として３０℃における１ＭＨ２ＳＯ４水溶液、
ｌＮＮａＣ１水溶液、および各濃度の塩酸水溶液中に１
６８時間プラスティック線でつるして浸漬し、単位面積
当りの重量減少を求めた。

なお、耐隙間腐食性を調べるため、試料の一部には表面
に接近してテフロン板をおき隙間をもうけた。

その結果を第２および３表に示す。第２表においてＣｒ
３原子％を含有する試料層３は現用１８−８ステンレ
ス鋼（３０４鋼）と腐食量は同じ程度になり、Ｃｒ ５
原子％を含有する試料／１６４、Ａ１２およびＣｒ ８
原子％以上を含有する試料Ａ５〜１１ならびに１３〜１
４にあっては腐食による重量変化は全く検出されない。

第３表において判るように本発明合金／１６．５〜１４
は１６８時間後でも全面腐食、孔食および隙間腐食は全
く起らないが、一方３０４鋼には２４時間ですでに著し
い全面腐食、孔食と隙間腐食が起っている。

孔食試験に普通に用いられる４０℃および６０℃の１０
％ＦｅＣｌ３・６Ｈ２０溶液中に１６８時間浸漬し、試
料の表面観察と重量減少とを調べた結果を第４表に示す
。

比較例の３０４鋼および３１６Ｌ鋼に限らず現用ステン
レス鋼の全鋼種に孔食および隙間腐食が発生する６０℃
の溶液においても、本発明合金には孔食および隙間腐食
が全く発生せず重量減少も検出されない。

また一層この点を明確にするためにＣＩ−を含む溶液す
なわち本発明の研究においてはＩ ＮＮａＣ１水溶液お
よびＩ ＭＨ２ＳＯ，＋ ０． Ｉ ＮＮａＣ１水溶液
中での３０℃におけるアノード分極による孔食電位の発
生の有無を調べその結果を第５表に示す。

３０４鋼、３１６Ｌ鋼だけでなく現用ステンレス鋼はい
ずれも孔食を生じて孔食電位を示すが、本発明合金には
孔食は全く認められず、また孔食電位を示さずに完全に
不動態化し、腐食減量も検出されない。

次に応力腐食割れ感受性試験を典型的試験液である１４
３℃沸騰４２％ＭｇＣｌ２水溶液中で、引張＊＊速度お
よび電位を変化させて行なった。

この結果を第６表に示す。

応力腐食割れに対する感受性は、定速引張試験において
腐食液中の試料の伸びをεとし、同温度での空気中での
伸びをε。

とすると、ε０−ε／ε０によって表され、この値の大
きい程応力腐食割れが起りやすい。

一般に応力腐食割れ感受性は引張速度が小さい程大きく
、また自然電極電位よりアノードにするほど大きくなる
ものであり、同表の３０４鋼の結果はそのことを和実に
示しているが、−古本発明合金にあっては、自然電極電
位および同電位よりアノードにしても応力腐食割れを全
く起さない。

また典型的に水素脆性試験液であるＨ２Ｓを加えた０、
ＩＮＣＨＣＯＯＮａ＋０．ｌＮＣＨ３Ｃ０ＯＨ（ｐＨ４
，６７）溶液を用いて水素脆性試験を行なった結果を第
７表に示す。

水素脆性感受性は応力腐食割れ感受性と同様な方法で表
わすことができる。

一般に水素脆性感受性は引張速度が小さいほど大きくな
り、自然電極電位よりカソードにする程大きくなるもの
であり、また水素脆性を起し難い軟鋼でも、同表に見る
如くこの溶液中で定速引張試験を行なうと水素脆性を起
す。

しかしながら本発明合金は低引張速度およびカソード分
極下においても空気中と同一の伸びを示し、水素脆性は
全く検出されない。

以上第１〜７表より判る如（本発明のアモルファス合金
はＣｒの添加によって耐食性、耐孔食性、耐隙間腐食性
、耐応力腐食割れ性、耐水素脆性なと、局部腐食および
腐食に関連した脆性が極端に改善され、現用ステンレス
鋼と比較を絶する程優れた性能を有する。

この優れた性質はＣｒとＰの共存、および本合金特有の
原子構造に由来するものであり、一方Ｐ、ＢおよびＣの
適当な添加は原子構造をアモルファスにするために必要
な元素で、その量は合金系により定まり、本発明の組成
範囲で優れた腐食性アモルファス合金を得ることができ
る。

次に本発明合金における各成分の含有量の限定理由を説
明する。

先ずＣｒについては、これを１原子％未満にすると、耐
食性、耐孔食性、耐応力腐食性、耐水素脆性が劣化し、
また４０原子％より多くするとアモルファス合金の製造
が困難になるので、１〜４０原子％の範囲内にすること
が必要である。

そして、好適範囲は５〜３０％である。

Ｐの含有量が５〜３３原子％の場合Ｃ及びＢの何れか１
種が２原子％未満、あるいは３０原子％を越え、ただし
Ｃ及びＢの何れか１種とＰとを合計で７原子％未満、あ
るいは３５原子％を越える場合にはアモルファス合金を
製造することができない。

Ｐの含有量が５原子％未満、あるいは３３原子％を越え
る場合、Ｃ及びＢの何れか１種が２原子％未満、あるい
は３０原子％を越える時にはアモルファス合金を製造す
ることはできない。

本発明の合金を実施例について説明する。

実施例 １ クロム２５原子％、リン１３原子％、炭素７原子％残部
鉄よりなる原料金属を前記図の装置および方法によって
加熱溶解後超高速冷却してアモルファス合金を得た。

このアモルファス合金は組成的に非常に製造し易く、か
つ前記第２〜７表に示す諸試験においても何等の欠点を
示さず、１３％Ｃｒ鋼、３０４鋼、３１６Ｌ鋼に比べ比
較を絶する腐乱食性、耐隙間腐食性、耐応力腐食割れ性
を示し、また軟鋼に比べ比較を絶する耐水素脆性を有す
ることが分った。

実施例 ２ クロム２５原子％、リンエ３原子％、ボロン７原子％、
残部鉄よりなる原料金属を実施例１と同様の装置および
方法によって加熱溶解後高速冷却してアモルファス合金
を得た。

この合金も実施例１０合金と同様に製造し易く、かつ前
記第２〜７表に示す諸試験においても、実施例１の合金
と変らない緒特性を有している。

本発明のアモルファス合金は細い条、薄板として製造可
能であり従来の実用金属材料では得られない高い強度と
孔食、隙間腐食、応力腐食割れ、水素脆性に特に高い抵
抗性を有することが要求される、例えば大気中、海水中
および淡水中で使用される装置、水力、火力、原子力そ
の他各種エネルギー産業用プラント、化学工業用プラン
トなどの部分に使用される好適の材料である。

【図面の簡単な説明】

図は本発明のアモルファス合金を製造する装置の管状容
器のノズル部が加熱炉内に位置する時の部分断面図であ
る。 １・・−・・・石英管、２・・・・・・ノズル、３・・
・・・・原料金属、４・・・・・・加熱炉、５・・・・
・・回転ドラム、６・・・・・・モータ、７・・・・・
・銅板、８・・・・・・エヤピストン、９・・・・・・
アルゴンガス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原子％として、Ｃｒ １〜４０％、Ｃ及びＢの何れ
   か１種を２〜３０％、４５〜３３％を含み、かつＣ及び
   Ｂの何れか１種とＰとを合計で７〜３５％含有し残部Ｆ
   ｅからなる耐孔食、耐隙間腐食、耐応力腐食割れ、耐水
   素脆性用アモルファス鉄合金。