JPS5844145B2 - オ−ステナイト系電熱用合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は冷間および熱闘の塑性加工性に富み、高温強
度の大きいオーステナイト系電熱用合金に係る。

現在高温耐酸化性が優れかつ電気比抵抗の大きい金属材
料としてフェライト組織のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金とオー
ステナイト組織のＮｉ −Ｃｒ合金とがあり、電熱用合
金として広く実用に供されている。

このうち前者のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ 合金は鉄クロム電
熱線として周知で、高温の酸化性雰囲気中で使用すると
表面に緻密なＡｌ２Ｏ３の保護皮膜を生じ、すぐれた耐
酸化性を示すようになる。

然しながらフェライト組織の合金であるため高温強度が
小さく、また高温度で使用すると材質が脆くなる欠点が
あるため工業上の用途が制限される。

一方、後者のＮｉ −Ｃｒ 系合金はニッケルクロム電
熱線として周知で、その代表的なものは８０％Ｎｉ−２
０％Ｃｒの組成（以下８ＯＮｉ −２０Ｃｒ合金という
）であるが、組織がオーステナイトであるため高温強度
が大きく、また塑性加工性に富み、而もＦｅ−Ｃｒ−Ａ
ｌ系合金のように高温使用によって脆くなるようなこと
はない。

従って工業用電熱材料としてＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金よ
りも使い易く、使用上の制限も少ないが、高価なＮｉを
多量に含むので経済的に不利である上に、高温における
耐酸化性はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金に及ばない等の欠点
を有する。

従って上記のような種々の欠点を解消した高温強度が大
きく、耐酸化性に富み、塑性加工性の大きな而も安価な
電熱用合金の開発が望まれて久しくなる。

ところで電熱用合金としては使用上程々の形状に加工で
きることが要件の一つであるが、これを満たすためには
オーステナイト組織であることが望ましい。

現在比較的低Ｎｉ含有のオーステナイト系合金に例えば
ＪＩＳ ５ＵＳ３１０Ｓ の如きステンレス鋼或いは
これと同−基本成分組成のＪＩＳ ＳＵＨ３１０（２
ＯＮｉ−２５Ｃｒ−Ｆｅ ）で代表されるＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｒ系耐熱耐酸鋼がある。

これらの合金は８ＯＮｉ−２０Ｃｒ合金に比べてＮｉ含
有量が少ないので安価であり、高温強度や塑性加工性に
も優れている。

然しなから電熱用合金としてみたとき電気比抵抗が小さ
いこと、高温繰返しによる寿命が短かく耐酸化性に劣る
ことの二つの問題点があり、そのまま電熱用合金として
使用することはできない。

もしもこれらのＦｅＮｉ −Ｃｒ 系耐熱耐酸化鋼の
化学成分組成に大きな変化を与えず、オーステナイト組
織を維持しながら電気比抵抗と高温繰返し寿命や耐酸化
性を改善できれば、塑性加工性に富み高温強度の大きい
新たなオーステナイト系電熱用合金を安価に提供できる
ことになる。

本発明者は上記の如き考にたって種々研究の結果Ｆ ｅ
−Ｎ ｉ −Ｃｒ系耐熱耐酸化鋼にＡｌを添加するこ
とによって電気比抵抗を現用電熱用合金の値まで高め、
かつ高温繰返し寿命、耐酸化特性を同じく改良して電熱
用合金とすることに成功した。

これまでにもＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金にＡＩを添加して
高温耐酸化性を一層高めることについてはたびたび提示
されており、例えば特開昭４８３０６２１号、特開昭５
０−５１４１１．特公昭５２−７８６１２号等の文献が
あるが、いずれも耐熱耐酸化鋼としての用途を目的とし
ており、本＊＊発明の如（に電気比抵抗、塑性加工性、
寿命値或いは酸化増量、高温強度等を総合的に改善して
電熱用合金としての適応性を高めたものではない。

次に本発明について詳述する。

本発明者は電熱用合金について種々研究の結果、Ｆｅ
−Ｎｉ −Ｃｒ系耐熱耐酸化鋼にＡＩを添加することに
より電熱用合金に要求される緒特性を兼備する電熱用合
金が得られることを見出した。

第１表には本発明に係るＦｅ−Ｎｉ −Ｃｒ−Ａ１合金
の代表的な例Ａ〜Ｄと在来のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金並び
に現用ニッケルクロム電熱用合金との基本成分組成およ
び電気比抵抗の実測値の一伊すが対比しである。

その金属組織はいずれもオーステナイトである。

第１表から判るように本発明に係る合金の電気比抵抗は
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系耐熱鋼５ＵＨ３１０の約２〜４割増
、或いは耐熱耐酸化合金Ｉｎｃｏｌｏｙ８００の約１〜
３割増に改善され、現用のニッケルクロム電熱用合金（
８ＯＮｉ −２０Ｃｒ）とほぼ同等もしくはそれ以上の
値を示している。

従って本願発明に係る合金の電気比抵抗は電熱用合金と
して充分な値であることが理解されよう。

次に本願発明に係る合金においてＡｌを添加したことに
よって高温寿命或いは耐酸化性が改善されたことについ
て説明する。

第２表には第１表と同様に本願発明に係る合金Ａ−Ｄと
在来のＦｅＮｉ −Ｃｒ 系耐熱耐酸化合金および現
用電熱用合金の高温寿命値と酸化増量によって示される
耐酸化性との実測値の一例が比較して示しである。

第２表から判るように本発明に係る合金の寿命値、酸化
増量の値はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系耐熱耐酸化合金の値に比
して著しく改善され、寿命値で約１ ４．６倍、酸化増量は約−−になり、優れた値を２ 示している。

而して現用電熱合金のニッケルクロム合金（ＮＣＨ−１
） と同等またはそれ以上の値を示し、酸化増量は鉄
クロム合金（ＦＣＨ−１）の値に近い値まで低下しにい
る。

註、（１）表中ＦＣＨ−１はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ電熱用合
金の１種で、２５Ｃｒ−５Ａｌ−Ｆｅ０その寿命値は１
３００°Ｃ，ＪＩＳＣ２５２４、Ｕ法による値（２）そ
の他の寿命値は同じ＜１２００℃、■法による値 （３）酸化増量は１２００℃における測定値（４）組織
はＦＣＨ−１がフェライト、その他はオーステナイト 本発明に係るＦ ｅ−Ｎ ｉ −Ｃｒ−Ａ Ｉ合金にお
いてＡｌ含有量と酸化増量との関係を調べた結果の一例
を第１図に示す。

第１図は２３％Ｎｉ−２０％Ｃｒ−Ａｌ−Ｆｅ合金のＡ
ｌ含有量と酸化増量との関係を示すが、縦軸にはＡＩを
含有しないＦｅＮ ｉ −Ｃｒ系合金およびニッケルク
ロム電熱用合金の酸化増量の例を比較のため載せである
。

図から判るようにＡＩを添加すると耐酸化性が急激に改
善されるが、Ａｌ含有量がほぼ４．５％を越えるとその
効果は飽和状態に近づく。

またＡｌ含有量が増加すると組織をオーステナイトに維
持するためにＮｉ含有量を増さなければならないので好
ましくない。

更にＡｌが４，５％以上、特に５％以上になると合金組
織内にＮｉ−Ａｌ系の金属間化合物が析出し、塑性加工
性を損ね、例えば伸線加工が困難になる。

本願発明においてはこのような事情を考慮してＡｌ含有
量の上限を４．５％とする。

方電気比抵抗を現用Ｎｉ−Ｃｒ電熱用合金の１０８μΩ
１流と同じ程度とし、かつ高温における寿命値や耐酸化
性も同等またはそれ以上とするためにはＡｌ含有量を２
．５％以上とすることが必要である。

Ａｌを若干量含有したＦｅ −Ｎ ｉ −Ｃｒ系合金は
含有成分の組成によってフェライト単相の組織、フェラ
イトとオーステナイトとの混合組織或いはオーステナイ
ト単相の組織になる。

定性的にはＦｅ５Ｃｒ、Ａ１等の元素はフェライト組織
を安定にし、Ｎｉはオーステナイト安定化元素であるこ
とが知られている。

すなわちＮｉ含有量が多くなればオーステナイト組織と
なり、Ｆｅ、Ｃｒ、ＡＩが多くなればフェライト組織に
なり易い、中間の組成では二相混合組織になる。

Ｆ ｅ −Ｎ ｉ −Ｃｒ −Ａ １合金においても組
織がフェライトになると高温強度が小さくなり、或いは
高温で使用すると脆くなる等のフェライト系のＦｅＣｒ
−Ａｌ電熱合金やＦ ｅ −Ｎ ｉ −Ｃｒ 耐熱合金
同様の欠点を示すので、このような組織を示す組成範囲
は好ましくない。

またフェライトとオーステナイトとの二相混合組成の場
合も後述するように高温強度や塑性加工性が低下するの
で本発明の目的とする電熱用合金として採用できないこ
とが本発明者の実験によって判明した。

すなわち電熱用合金を工業製品にする場合に線材、板材
或いはリボン状にするため強度の、多くは減面率で９０
〜９５％以上の熱間、冷間加工を施すのが通例であるが
、Ｆ ｅ −Ｎ ｉ −Ｃｒ −Ａ Ｉ合金にこのよう
な強度の加工を加えるとその組織がフェライトとオース
テナイトの二相混合組織の場合には高温強度が著しく減
少することが判った。

第２図には本発明に係る組成範囲のＦ ｅ −Ｎ １Ｃ
ｒ−Ａ１合金の２０％ＣｒにおいてＮｉ含有量を変えた
場合の片持ち試験片の自由端の垂下量で表わされた高温
強度の変化並びに組織との関係を調べた試験結果がＡＩ
含有量３％、４％および５％の場合について示しである
。

試験は第３図に示す形状寸法の試験片（塑性加工度的９
０％）を用い、その一端を支持しておいて支持部共１２
００℃の炉内に挿入し、大気雰囲気中で１時間保持した
のち炉内から取出して冷却し、自由端の垂れ高さｈを測
定した。

第３図において各試料はそれぞれ一定の成るＮｉ含有量
の範囲で試料が変形を生じているのが判る。

このＮｉ含有量の範囲では各試料はフェライトとオース
テナイトとの二相混合組織を示し、両者の量比は図にお
いて破線で示すとおりである。

ツレぞれの曲線が横軸と交さする範囲内にＮｉ含有量が
ある場合には二相が共存し、この範囲から左側はフェラ
イト、右側はオーステナイト単相になる。

このように二相混合組織では高温強度が小さくなって変
形し易く、オーステナイト単相或いはフェライト単相の
場合本試験では変形を生じなかった。

二相混合組織のものの高温強度の低下の原因としては、
強度の加工によって結晶組織が微細化し、上記試験温度
において超塑性現象を起し、その結果変形が大きく生じ
たことによるものと推察される。

電熱用合金は前述したように工業製品とするため強度の
加工、例えば減面率で９０％以上の加工を加えるのが通
例なので、結晶組織は当然微細化される。

従って本発明の所望の合金を得るためには二相混合組織
は不適当であり、フェライト組織も前述したように好ま
しくないので、オーステナイト組織とすることが必要に
なる。

次にＮｉの含有量について説明するに、第２図に一例を
示したように３％ＡＩで２０％Ｃｒを含有する場合組織
をオーステナイトとするためにはＮｉを２０％以上含有
させなければならない。

後述するようにＣｒ含有量の下限は１５％であるが、Ｃ
ｒ含有量が減少すればオーステナイト組織を維持するた
め必要なＮｉも少なくてよいことになる。

これを考慮に入れてＮｉ含有量の下限は１８％とする。

一方、前述したように本発明に係る合金のＡＩ含有量の
上限は４．５％であり、Ｃｒ含有量の上限は後述するよ
うに２５％である。

従ってこれら上限値のＡＩ、Ｃｒを含有する合金におい
てオーステナイト組織を維持するためにはＮｉはほぼ３
５％以上含有することが必要である。

しかしＮｉを必要以上含有させることは経済的でないし
、また大約４５％以上含有させても所望の性質の改善の
程度は僅少になるので、本発明においてはＮｉ含有量の
上限は４５％とする。

Ｃｒ含有量は１５％以下では高温耐食性が低下し、電気
比抵抗も小さくなって好ましくない。

一方Ｃｒ含有量が多くなるとオーステナイト組織とする
ためＮｉ含有量を多くしなげればならない上に、Ｃｒ添
加による合金の特性改善の効果の増加も僅かになるので
Ｃｒ含有量の上限は２５％とする。

Ｍｎ含有量は多くなると高温の耐酸化性を低下させるの
で１％以下とし、望ましくは０．５％以下とする。

Ｓｉは耐酸化性の改善に対して良い効果があるが、フェ
ライトを安定化する性質がある上に、本発明合金ではＡ
Ｉがかなり多量に含まれるので１％以下とする。

Ｃは合金成分中のＣｒやＡＩ 等と反応して炭化物をつ
くり塑性加工性を損ねるのでその上限を０．２％にする
。

Ｎ、Ｐ、Ｓ等の不純物はできるだけ少ない方が望ましい
が溶解過程で不純物として混入して来る程度のものは差
支えない。

更に、本発明に係る合金における微量添加元素或いは付
随元素について説明すれば、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ
等の微量添加はＣやＮ等の不純物を固定し、熱間加工性
や機械的性質を改良し１、耐酸化性にも良好な効果があ
るので必要に応じて添加することは差支えない。

ただし合計して０．５％を越えると合金を脆化させるよ
うになるので避けなげればならない。

またＣｅ、Ｌａ、ＴｈやＹ等の希土類元素を微量添加す
れば高温の寿命値や耐酸化特性が改良されるので必要に
応じて添加してもよい。

ただし０．２％以上の添加物は熱間加工性を損ねるので
好ましくない。

本発明に係る電熱用合金の機械的性質について代表的な
値を示せば抗張カフ３〜７７ｋｇ／ｍｉ、伸び３５〜３
９％で現用ニッケルクロム電熱用合金（ＮＣＲ−１）の
伸びの規格２０％を遥かに越え、塑性加工性に富むこと
が判る。

高温の引張り強さくＳＯＯ℃）は２０〜２３ｋｇ／−で
ある。

以上説明したように本発明に係る電熱用合金はＮｉ １
８〜４５％、Ｃｒ１５〜２５％、Ａ１２．５〜４．５％
、Ｓｉ １％以下、Ｍｎ １％以下、Ｃ０，２％以下及
び残部実質的にＦｅより成り、オーステナイト組織であ
ることを特徴とする電熱用合金であり、電気比抵抗、高
温の耐酸化性および寿命値が現用ニッケルクロム電熱用
合金と同程度かそれ以上であり、また高温強度、機械的
性質、塑性用１ 工性に優れている上に、Ｎｉ含有量が−〜−であ４ るから、従来のニッケルクロム電熱用合金と同程度の性
能を持ち、而も鉄クロム電熱用合金に近い耐酸化性を有
する電熱用合金を安価に供給できることになり、その工
業上の効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る合金のアルミニウム含有量と酸化
増量との関係を示すダイアグラム、第２図はアルミニウ
ム含有量を変えた場合のニッケル含有量、組織と高温強
度との関係を示すダイアグラム、第３図は同じ（高温強
度試験方法の要領を説明するための正面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ Ｃ０，２％以下、Ｓｉ １％以下、Ｍｎ １％以
   下、Ｎｉ １８〜４５％、Ｃｒ１５〜２５％、Ａｌ２．
   ５〜４．５％、残部実質的にＦｅより成り、オーステナ
   イト組織であることを特徴とする塑性加工性良好な電熱
   用合金。