JPS6058289B2 - 高クロム合金材の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、７喧量％以上のクロムを含有し、しかも、
耐熱性材料および耐食性材料として工業的に使用可能な
、板および棒等の高クロム合金材の製造法に関するもの
である。

通常の、高周波誘導炉等による溶解・鋳造によつて製造
されているクロム基合金材は、クロム含有量の最大が６
腫量％までであり、７喧量％以上のクロムを含有する高
クロム合金の板および棒等を製造するには、クロムは融
点が高いこと、活性であること、蒸気圧が高いこと、そ
して延性に乏一しい等の理由により特別の手段を講じな
ければならず、通常の溶解・鋳造によつて、これを製造
することは不可能であつた。

しかしながら、近年、、苛酷な条件の下で使用する耐熱
性材料や耐食性材料に対する要求が増々厳しくなり、ま
たスパッタリングのためのターゲット材としても、高ク
ロム合金材の重要性が増してきている。従来、７踵量％
以上のクロムを含有する高クロム合金材を製造するに際
しては、大別すると、アーク溶解法を粉末冶金法が採用
されている。

アー・ク溶解法は、水冷モールドを用いて不活性ガス中
でアーク溶解してインゴットを製造する方法で、このイ
ンゴットから所望の寸法に板や棒を切り出して製品とす
るため、シユリンケージ等の鋳造欠陥が避けられず、ま
たデンドライトが発達していると共に、結晶粒も大きく
、したがつて極めて脆く、取り扱いに注意を要するもの
である。また、溶解後の冷却過程ての割れの問題もあり
、大型のインゴットの製造が困難であつた。一方、粉末
冶金法では、クロムが高融点をもつことや蒸気圧が高い
ことから、通常の成型・焼結では高密度の焼結体を得る
のが困難であり、そのため熱間プレス法を採用している
が、それでも得られる製品の密度は約９５％が限界であ
り、また製品の大きさの制限もあるうえ、生産性も悪く
、クロムの含有量が増加するほどこの傾向が強くなり、
純クロムでは最も密度が上りにくいという問題があつた
。このように、従来の製造方法によつて製造された、特
に７睡量％以上のクロムを含有する高クロム合金の板お
よび棒等は、内在する欠陥により非常に脆いものとなり
、切削加工その他の取り扱いにおいて割れやすい等の問
題があり、また、加工を施す場合には超高圧押出し等の
ような特殊な加工方法しか採用できず、通常の熱間圧延
等による加工は不可能であつた。本発明者等は、上述の
ような観点から、内部欠陥が無く、高密度を有し、かつ
、その後の取り扱いにおいても割れ等を発生することが
なく、工業的に使用可能な、７鍾量％以上のクロムを含
有する高クロム合金材を生産性良く製造すべく、特に粉
末冶金法におけるクロム粉末の焼結性に着目し、研究を
行なつた結果、以下に示す知見を得るに至つたのである
。

すなわち、（ａ）特に高クロム合金粉末原料の焼結性に
は、該原料粉末中の吸着ガスや水分が大きな影響を及ぼ
しており、この吸着ガスや水分が焼結操作中に粉末表面
を酸化して焼結の困難性を招いたり、製品純度を下けた
り、内部欠陥や密度低下の原因となるものであつて、吸
着ガスや水分の存在しない状態で原料粉末を加熱・圧縮
すれば、高クロム合金であつても２００ｋ９／Ｃ７ｌ！
以上の加圧下にして、１０００゜Ｃ以上の温度で、完全
な焼結が可能であり、高密度の焼結体を得ることができ
ること。

（ｂ）原料粉末に吸着しているガスや水分は、真空度が
１０−２ｔ０ｒｒ以下の高真空中で１５０℃以上の温度
に加熱することにより、焼結性に悪影響を与．えない程
度に十分に除去できること。

（Ｃ）原料粉末から吸着ガスや水分を除去すると同時に
、これを熱間加工可能な金属容器に密封してしまい、つ
いで、これを所定温度の不活性ガス圧下で加圧すれは、
原料粉末が吸着ガスや水．分を有しない状態を焼結作業
の間中持ち続けることができ、簡単な操作で、複雑な特
殊な装置を用いることなく、比較的大型の焼結体が容易
に得られること。

（ｄ）得られた焼結体は、金属容器により完全に密・着
・拘束されており、また無欠陥であるため、本来困難と
されている高クロム合金でも容易に通常の熱間加工が行
なえること。

したがつて、この発明は上記知見にもとづいてなされた
もので、７哩量％以上のクロムを含有する合金材を製造
するにあたり、まず、目的とする合金組成となるように
粉末原料を配合し、混合し、ついでその後の熱間加工に
耐え得る金属容器中に、１０−２ｔ０ｒｒ以下の減圧下
、温度１５０〜８００Ｃで真空封入した後、２００ｋ９
／Ｃｌｌ以上の不活性ガス圧下で、温度１０００〜１４
００Ｃに加熱して加圧焼結し、引続いて温度８００〜１
３５００Ｃで、１回の加工率が３０％以下の圧延または
スウエージ加工を行ない、そ゛の後、面削あるいは酸洗
によつて表面部の金属容器および変質層を取り除いて、
内部欠陥が存在せず、高密度で、しかも寸法精度の良い
板あるいは棒を得ることに特徴を有するものである。

使用する金属容器は、所望の形状を得るに適した構造を
有するものとし、その材質は、融点がその後の加圧焼結
温度よりも高く、かつ熱間加工に耐えるものを選択する
。

例えば、７５％Ｃｒ−２０％Ｎｉ−５％Ｚｒ合金板（以
後、組成％はすべて重量％とする）を製造する場合には
、１１０ＣｆＣで加圧焼結および熱間加工を行うとすれ
ば、封入容器としてはＳＵＳ３Ｏ標で十分である。焼結
後の、圧延またはスウエージ加工の熱間加工は、所望寸
法の製品を得るためのものであり、これにより、焼結に
よる不均一な変形やそりが矯正され、寸法精度が向上し
、歩留りも向上する。

また、熱間加工後の表面仕上げである面削あるいは酸洗
としては、グラインダー研削等の通常の機械的表面仕上
げ法や、エッチング等の通常の化学的あるいは電気化学
的方法を採用し得るものである。なお、クロム以外の主
要合金元素は、クロムと合金化する元素であればどのよ
うなものでもよく、またクロムと合金化しない元素であ
つても１％以下の含有量であればこの発明の合金材の製
造法が適用可能である。

ついで、この発明の高クロム合金材の製造法において、
粉末原料の真空封入温度やその際の減圧の度合、焼結温
度および加圧力、そして熱間加工温度およびその際の加
工率の範囲を上述の通りに限定した理由を説明する。

（ａ）粉末原料の真空封入温度および減圧の度合真空度
が１０−２ｔ０ｒｒに達しなかつたり、加熱温度が１５
０℃より低い場合には、粉末原料中の脱ガスや吸着水分
の除去を完全に行なうことができず、粉末の酸化によつ
て製品純度が悪くなつたり、満足な焼結体が得られなか
つたりする。

一方、８００Ｃを越えた温度に加熱しても脱ガスや水分
除去の効果は変わらないので、減圧の度合を１０−２ｔ
０ｒｒ以下の高真空度に、また加熱温度を１５０〜８０
０℃と限定した。（ｂ）焼結温度および加圧力 最適焼結温度は合金種類により多少異なるが、７０％以
上のクロムを含有する高クロム合金では、圧力を２００
ｋ９／ＣＦｌｆ以上にすれば１０００℃以上の温度で完
全な焼結が可能となる。

また、高温になると焼結は容易に完了するが、高温側で
は封入容器の材質の問題や、焼結炉からの制限もあり、
これらの条件を満足するために最高温度を１４００℃と
した。したがつて、加圧力を２００ｋ９／Ｃｌｔ以上と
し、加熱温度を１０００〜１４００℃と限定した。（ｃ
）熱間加工温度および加工率 焼結した高クロム合金に熱間圧延やスウエージ加工の熱
間加工を施す際に、その温度が８００℃未満では、割れ
が発生し、一方、１３５０℃を越えると酸化のために熱
間加工が困難となる。

また１回の加工率が３０％を越えたものにするとやはり
割れが発生するので、熱間加工温度を８００〜１３５０
℃に、そしてその際の１回の加工率を３０％以下と限定
した。つぎに、この発明を実施例により、図面とともに
具体的に説明する。

実施例１ ９０％Ｃｒ−１０％Ｆｅの組成をもつ板材を製造するた
めに、原料粉末としてそれぞれ２００メッシュアンダー
のクロム粉末（純度９９％）および鉄粉末（純度９９．
９％）を、９０％Ｃｒ−１０％Ｆｅの最終成分組成をも
つように配合し、混合した。

この混合粉末を第１図に示すような、板厚が１Ｔｒｒ１
ｎのＳＵＳ３Ｏ４鋼製で、長さ１７２Ｗｒ！ｎ１幅１４
０ＴｆｒＩＩｔ１厚さ２『の寸法をもつた容器に入れ、
真空度１０−３ｔ０ｒｒ下、温度５００℃に３紛間加熱
して脱ガス後、真空密封した。その後、不活性ガス圧力
１０００ｋ９／Ｃｌｔ下で、温度１２５０℃に１時間保
持して焼結を行なつたところ、第２図に示すような形状
に圧縮成形された容器入り焼結体が得られた。この焼結
体は、長さ１６０ＴＩ０ｎ１幅１３０？、厚さ１６ｗ１
の寸法をもつものであつた。この焼結体を研削すること
により板材として使用可能であるが、これをさらに、第
３図に示すごとく、長さ３２ｉ１幅１３０？、厚さ７．
８醜の寸法になるまで、温度１２００℃で１回の加工率
３０％で熱間圧延を２回行なつた。この熱間圧延板の表
面を切除および研削することによつて、幅が１２５Ｔｆ
ｎ１長さが３００？、そして厚さが６ｍの板に仕上げた
。この板材は、理論密度の９９．９％の密度をもち、ま
た溶接も可能であり、耐熱性材料および耐食性材料とし
ての使用に耐えるものであつた。また、スパッタリング
のターゲットとしても十分に使用できるものであつた。
なお、第４図は、焼結条件設定のために実施した純クロ
ムにおける焼結温度と圧力の関係を示す線図である。

焼結条件の決定は熱間加工の可否（図中、Ｏ印が可、×
印が否）によつて行なつたものであるが、そのときの熱
間加工条件は、８００℃の温度で、１回の加工率が２５
％の熱間圧延を１回行なうものであつた。また、焼結可
能範囲は、高クロム合金ではクロム含有量により左右さ
れ、クロム含有量が多くなれば高温度、高圧力側に限定
されるようになる。

さらに、Ｃｒ−Ｆｅ合金を、圧力５００ｋ９／Ａｉで焼
結した場合の焼結可能温度の下限値は、その組成（％は
いずれも重量％を示す）により次に示す温度であつた。
１００％Ｃｒ：１００００Ｃ ８０％Ｃｒ−２０％Ｆｅ：９７５よＣ ７０％Ｃｒ−３０％Ｆｅ：９５０℃ また、次に示す合金種類（％はいずれも重量％を示す）
について、圧力２００ｋ９／Ｃｌｔｌ温度１０００℃で
焼結を行なつたところ、この結果得られた焼結体はすべ
て熱間加工が可能であつた。

Ｃｒ−３０％Ｎｉ，Ｃｒ−１０％Ｎｉ，Ｃｒ−３０％Ｃ
Ｏ，Ｃｒ−１０％ＣＯ，Ｃｒ−３０％ＭＯ，Ｃｒ−１０
％ＭＯ，Ｃｒ−２０％Ｍｎ，Ｃｒ−１０％Ａｌ，Ｃｒ−
５％Ｔｉ，Ｃｒ−５％Ｚｒ，Ｃｒ−５％Ｎｂ，Ｃｒ−５
％Ｔａ，Ｃｒ−１５％Ｆｅ一１０％Ｎｉ，Ｃｒ−１０％
Ｎｉ−１０％ＭＯ，Ｃｒ−１０％Ｆｅ−５％Ａｌ，Ｃｒ
−１０％ＣＯ−５％Ｍｎ，Ｃｒ−１０％Ｆｅ−５％Ｔｉ
，Ｃｒ−１０％Ｎｉ−５％Ｎｂ−５％Ａｌ，Ｃｒ−１０
％Ｆｅ−１％Ｓｎ，Ｃｒ−１％Ｃｕ，Ｃｒ−３％ＳｉＯ
上述のように、この発明によれば、従来、製造すること
が困難であつた７０％以上のクロムを含有する高密度の
高クロム合金材を、内部欠陥をほとんど生ずることなく
、簡単な操作で、しかも高い生産性で製造することがで
きるうえ、大型の合金材をも容易に製造することができ
るなど工業上有用な効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明の実施例における
真空封入容器、圧縮成形状態および熱間圧延後の状態を
示す概略斜視図、第４図は純クロムに関し、焼結条件設
定のために実施した結果を示す焼結温度と焼結圧力の関
係図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ７０重量％以上のクロムを含有する合金材を製造す
   るにあたり、まず目的とする合金組成となるように粉末
   原料を配合し、混合した後、その後の熱間加工に耐え得
   る金属容器中に、１０＾−＾２ｔｏｒｒ以下の減圧下、
   １５０〜８００℃の温度範囲内の温度で真空封入し、つ
   いで２００ｋｇ／ｃｍ＾２以上の不活性ガス圧下で、１
   ０００〜１４００℃の温度範囲内の温度に加熱保持して
   加圧焼結し、引続いて８００〜１３５０℃の温度範囲内
   の温度で、１回の加工率が３０％以下の圧延またはスウ
   エージ加工を施し、最終的に面削あるいは酸洗によつて
   表面部の金属容器および変質層を除去する基本的工程か
   らなることを特徴とする高クロム合金材の製造法。