JP2003508230A - 多相複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は耐熱性及び耐腐蝕性のオーステナイト系の鋼、ニッケル合金及びコバルト合金を製造するための方法に関する。該方法は、従来のものより境界領域に著しく高いアルミニウム含有率を有し、かつ両側に優れた耐熱性及び著しく優れた耐摩耗性を有するオーステナイト系の材料を製造することを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 自動車排ガス触媒における担体箔、電気的熱伝導体、工業炉、装置構造及びガ
スタービンにおける構成要素としてしばしばアルミニウム含有のニッケルベース
合金及び特殊鋼はその十分な耐酸化性及びその耐熱性のゆえに使用される。典型
的な例は１〜３質量％のアルミニウム及び１５〜３０％のクロムを有する、物質
２．４６３３及び物質２．４８５１（ＤＩＮ物質名）及びＵＮＳ０７２１４（Ａ
ＳＴＭの統一番号規則（Unified Numbering System））で定義されるようなニッ
ケルベース合金である。しかしながら高い熱的な酷使及び／又は僅かな壁厚の場
合には、この材料中のアルミニウム含有率は長い時間にわたって酸化アルミニウ
ム層を形成するのに不十分である。その際、高温で局所的な腐蝕をもたらす酸化
クロムが局所的に形成する。更に酸化クロムは１０００℃より高温で蒸発し、例
えば工業炉において焼鈍材の汚染に導くことがある。

【０００２】 加工用鍛錬合金中のアルミニウム含有率の５質量％より上への増大は従来、高
いアルミニウム含有率に結びつく変形の問題のゆえに不可能であった。例えばＧ
．ザウトホフ（G.Sauthoff）の“金属間化合物（Intermetallics）”、ＶＣＨ
ヴァインハイム（Weinheim）に記載される２５質量％以下のアルミニウムを有す
る高アルミニウム含有の“アルミナイド”の開発は所望のアルミニウム含有率を
有する材料に導いた；しかしながら、これらの材料は、例えば低い耐熱性及び非
常に粗悪な冷間及び熱間の成形性のような他の欠点を有する。

【０００３】 十分な耐熱性及び耐腐蝕性を保証するための高いアルミニウム含有率の必要性
は別の側面では、例えばガスタービンにおける高温構成要素の被覆のために広範
に知られているアルミニウム含有の保護層（ＮｉＣｒＡｌＹ−層）の開発に導い
た。しかしながら被覆された材料は半製品として加工できないので、これは制限
されて使用できるに過ぎない。

【０００４】 この問題を扱うために、ＥＰ０５１１６９９号Ｂ１においてアルミニウム合金
された鉄−クロム−シートを、Ｆｅ−Ｃｒ鋼にアルミニウムからなる薄層を施す
ことによって製造するための方法を記載している。こうして得られる複合材料は
所望の最終寸法又は中間寸法に圧延され、その際、最後に均質の材料を拡散焼き
鈍しによって調整される。

【０００５】 ＵＳ−Ａ−５３３６１３９号は複合材料をアルミニウムによる圧延メッキによ
って製造する方法を記載している。

【０００６】 幾らか別の合金組成を使用する類似の方法をＥＰ０８６１９１６号Ａ１が記載
している。

【０００７】 ＤＥ１９６５２３９９号Ａ１は触媒シート及び熱伝導体シートのための鉄−ク
ロム−アルミニウム合金を、鉄−クロム−帯状物をアルミニウム−ケイ素合金で
火炎アルミナイジングし、最終寸法又は中間寸法への圧延の後に拡散焼き鈍しに
よって新規のアルミニウム含有材料を形成することによって製造するのための方
法を記載している。

【０００８】 これらの方法は、母材がフェライト系の鉄ベース合金である場合に適当である
。しかしながらフェライト系材料はしばしば多くの高温使用のために必要な耐熱
性を有さない。良好な耐熱性に関連して高い耐熱性が必要であれば、オーステナ
イト鋼又はニッケルベース合金を使用せねばならない。しかしながらオーステナ
イト系材料は従来そのような方法で製造され得ないので、既にアルミニウム皮膜
の溶融が生じる温度において拡散焼き鈍しを実施せねばならない。

【０００９】 従って本発明の課題は、耐熱性のオーステナイト系材料の製造のために高いア
ルミニウム含有率を実現する経済的な方法を開発することである。

【００１０】 前記課題は、高い耐熱性及び耐摩耗性を有する複合材料を、オーステナイト系
のニッケル、コバルト又は鉄をベースとする合金からなる母材に、８〜２５％（
質量％）のクロム含有率を含むフェライト系クロム鋼からなる中間層を片側又は
両側に施し、その上にアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる層を片側
又は両側に施与し、母材、中間層及びアルミニウム皮膜から形成される前記複合
材料を熱間及び／又は冷間成形によって所望の中間寸法又は最終寸法にもたらし
、引き続き６００℃より高い温度で拡散焼き鈍しする製造方法によって解決され
る。

【００１１】 有利には本発明による方法の再開発は付随の従属形式請求項から得られる。

【００１２】 本発明による方法は、８〜２５質量％のクロム含有率を有するフェライト系ク
ロム鋼をアルミニウム皮膜と母材の間に施与することに優れている。意想外にも
、フェライト系クロム鋼からなる中間層の使用の際にアルミニウムをまず中間層
に導入し、そこに直ちに高温溶融する鉄−アルミニウム及び鉄−クロム及び鉄−
クロム−アルミナイジング合物を形成し、次いでアルミニウムの溶融を実施する
。拡散焼き鈍しは６００℃より高い温度で実施してよい。

【００１３】 該中間層は薄板、帯状物、シート又は、丸い断面の場合は管からなってよい。
また中間層及びアルミニウム皮膜を、まずクロム鋼を火炎アルミナイジング又は
メッキによってアルミニウム皮膜で被覆し、次いでこの２相複合材料を母材にメ
ッキすることによって結合させてもよい。選択的に、母材とクロム鋼からなる複
合材料又はアルミニウムとクロム鋼からなる複合材料を直接、連続鋳造法におい
て製造してもよい。クロム鋼、母材及びアルミニウム層からなる中間層の厚さは
、それぞれアルミニウム豊富な縁部層の所望の厚さ及び特性に応じて規定される
。

【００１４】 特殊合金元素、例えば保護する酸化物層の耐熱性及び付着性を改善する酸素親
和性元素（イットリウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、ケイ素、セリウ
ム、ランタン）を中間層中に導入し、それによって表面下に提供する方法によっ
ても有利である。

【００１５】 同様に母材、中間層及び皮膜材料からなる適当な組合せの選択によって広い範
囲の特性組合せを有する材料を製造できる方法によっても有利である。このよう
に母材の強度及び物理的特性への要求を硬度、耐腐蝕性及び耐摩耗性のような表
面特性への特定の要求と組み合わせることができる。

【００１６】 本発明による方法の他の利点は、片側がアルミニウム豊富な薄板又は管を製造
することにある。このことから、両側への種々のプロセス媒体のゆえに（例えば
熱交換体における）該材料への種々の要求が出されるような構成要素のための半
製品を製造する可能性が生じる。

【００１７】 薄板、帯状物、シート、管、棒状物及びワイヤの形の半製品の製造の他に、本
発明による複合材料は分離、切断及び粉砕のための工具のために使用してもよい
。

【００１８】 更に、自動車構造、船舶エンジン及び飛行駆動装置並びに工業炉構造及び装置
構造において、複合材料を半製品として使用する適用範囲が生じる。

【００１９】 図１〜４は、以下の実施例に詳細に説明されるような高いアルミニウム含有率
を有する多相複合材料の製造のための実施例を示している。

【００２０】 例１： 耐熱性ニッケルベース合金のアルミニウム又はアルミニウム−ケイ素による両
側のメッキ（又は火炎アルミナイジング）による耐高温性及び耐高熱性の材料の
製造 図１は拡散焼き鈍し前の種々の材料の構成を示している。母材、中間被覆及び
アルミニウム皮膜の厚さはアルミニウム豊富な領域及び母材の所望の比に応じて
規定される。中間層は８〜２５質量％のクロム含有率を有するクロム鋼からなる
。アルミニウム皮膜はアルミニウム−ケイ素合金又は純粋アルミニウムからなる
。

【００２１】 実施例においては、イットリウム及びハフニウムをメッキ皮膜として有する火
炎アルミナイジングされたクロム鋼（Ｆｅ−Ｃｒ１８）からなる複合材料を選択
した。

【００２２】 複合材料の個々の層は冷間圧延によって互いに結合させる。冷間圧延は中間焼
き鈍しをするか、又はせずに行って、所望の最終寸法又は中間寸法にする。

【００２３】 約１１００℃の温度での拡散焼き鈍しにおいて、アルミニウムを中間層へと完
全に、かつ母材へと部分的に導入する。母材と皮膜との間に、図２に示されるよ
うな化合物が存在する。境界面に生じる拡散孔を更なる変形によって除去するこ
とができる。

【００２４】 アルミニウム豊富な領域の範囲は拡散焼き鈍しのための時間及び温度によって
規定される。

【００２５】 この方法のために、特に非常に高い温度で不十分な難燃性を有する耐高温性か
つ耐高熱性の合金を提供する。これには、高温で物質２．４８１６、２．４８５
５、２．４８５６、２．４６６５、２．４６６５．２．４９６４、２．４６８３
及び２．４６５０（記載：ＤＩＮ−物質番号）のような酸化クロム層を形成する
ニッケル及びコバルトをベースとする合金が適当である。

【００２６】 例２： 特殊鋼のアルミニウム又はアルミニウム−ケイ素による両側メッキ又は火炎ア
ルミナイジングによる耐高熱性及び耐高温性の材料の製造 複合材料の冷間圧延及び焼き鈍しによる材料の製造を例１に記載されるのと同
様に実施する。

【００２７】 特殊鋼の片側又は両側のメッキのために、例えば１．４８７６型の耐熱性の鋼
が提供され、その高温のプロセスガス中での高温耐腐蝕性はアルミニウム含有の
縁部領域によって著しく改善される。

【００２８】 例３： 耐腐蝕性の材料のアルミニウム又はアルミニウム−ケイ素による片側のメッキ
又はアルミナイジングによる耐腐蝕性及び耐熱性の複合材料の製造 複合材料の冷間圧延及び焼き鈍しによる材料の製造は例１に記載のように実施
する。

【００２９】 図３による耐腐蝕性の材料の片側メッキは、片側で浸食的な水性媒体（酸又は
アルカリ、海水）に曝され、もう一方の側で高熱のプロセスガスに曝されている
典型的な耐腐蝕性の特殊鋼、純粋ニッケル、Ｎｉ−Ｃｕ−合金及びニッケルベー
ス合金からなる半製品に関して対象とする。アルミニウム豊富な縁部層はプロセ
スガス側の耐腐蝕性材料を高温腐蝕に対して保護する。

【００３０】 例４： 高い耐熱性と同時に低い膨張係数を有するＦｅ−Ｎｉ−材料の製造。記載され
る方法によって、高い温度でもなおも使用可能なＦｅ−Ｎｉ３６型の物質（１．
３９１２）から成る半製品を製造することが可能である。通常、この材料の使用
可能性は６００℃より低い温度に制限されている。

【００３１】 該複合材料の冷間圧延及び焼き鈍しによる材料の製造は例１に記載のように実
施する。

【００３２】 例５： 耐腐蝕性の、耐熱性又は高温耐性の材料上にアルミニウム又はアルミニウム−
ケイ素を片側に施与することによる表面下領域に高いアルミニウム含有率を有す
る丸い断面を有する半製品（管又は棒状物）の製造 管又は棒状物の製造を、母材、Ｆｅ−Ｃｒ−中間層及びアルミニウム皮膜から
なる図４に示される複合材料の管又は棒状物の慣用の製造方法（押出、冷鍛、ピ
ルガー圧延又は引き抜き）によって実施する。拡散焼き鈍しは例１に記載のよう
に実施する。

【００３３】 この方法のために、例１〜４に挙げられる全ての材料が適当である。

【００３４】 例６： 耐腐蝕性の、耐高熱性又は耐高温性の材料へのアルミニウム又はアルミニウム
−ケイ素の片側又は両側の施与による耐熱性及び熱耐性の材料から成る薄いシー
トの製造 この製造は例１に記載のように実施する。複合材料は中間焼き鈍しをするか、
又はせずに薄いシートに圧延する。拡散焼き鈍しを、例１に挙げられるように実
施する。しかしながら焼き鈍し時間及び焼き鈍し温度は、高められたアルミニウ
ム含有率を有する薄い縁部領域を除いて全シート断面にわたり均一なアルミニウ
ム含有率が設定されるように選択される。

【００３５】 この方法のために例１〜４に記載される全ての材料が適当である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１はニッケル合金及びアルミニウム皮膜、中間層（１８％のクロム及び反応
性元素のハフニウム、イットリウム及びジルコニウムを含有するクロム鋼）から
なる複合材料の断面の図解（尺度に忠実でない）を示している。ａ）は拡散焼き
鈍し前で、ｂ）は拡散焼き鈍し後である。

【図２】 図２はアルミニウム−ケイ素合金でメッキされたニッケルベース合金（ＤＩＮ
−物質番号 ２．４８１６）の切断面を示している。中間層は１８質量％のクロ
ム及び反応性元素（Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ）の添加を有するフェライト系クロム鋼であ
る。ａ）は熱処理前で、ｂ）は１１２０℃／６０分の後である。

【図３】 図３は耐腐蝕性合金及び片側のアルミニウム皮膜からなる複合材料の断面の図
解（尺度に忠実でない）を示している。中間層はフェライト系クロム鋼である。
拡散焼き鈍し前。

【図４】 図４は耐腐蝕性のニッケルベース合金又は耐腐蝕性の特殊鋼及びアルミニウム
皮膜からなる複合材料の断面の図解（尺度に忠実でない）を示している。中間層
は１８％のクロムを有するクロム鋼である。拡散焼き鈍し前。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 38/28 Ｃ２２Ｃ 38/28 // Ｂ２３Ｋ 101:20 Ｂ２３Ｋ 101:20 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 カーチャ ブルーネ ドイツ連邦共和国 ハーゲン ハイデシュ トラーセ ８ Ｆターム(参考） 4E067 AA05 AA09 AA10 AA11 BA03 BB01 BB02 DC06 4F100 AB02A AB03B AB03C AB09A AB09H AB10D AB10E AB11A AB11H AB12A AB12H AB13A AB13B AB13C AB13H AB15A AB16A AB19A AB19H AB31A AB31D AB31E AB40A AB40H BA03 BA05 BA06 BA07 BA10A BA10D BA10E BA13 EG001 EH311 EH711 EJ192 EJ422 GB31 GB32 JJ03 JK09 YY00A YY00H

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高い耐熱性及び耐摩耗性を有する複合材料の製造方法であっ
   て、オーステナイト系のニッケル、コバルト又は鉄をベースとする合金からなる
   母材に、８〜２５％（質量％）のクロム含有率を含むフェライト系クロム鋼から
   なる中間層を片側又は両側に施し、その上にアルミニウムもしくはアルミニウム
   合金からなる層を片側又は両側に施与し、母材、中間層及びアルミニウム皮膜か
   ら形成される複合材料を冷間及び／又は熱間の成形によって所望の中間寸法又は
   最終寸法にし、引き続き６００℃より高い温度で拡散焼き鈍しすることによる製
   造方法。
2. 【請求項２】 中間層として、薄板、帯状物、シート又は丸い断面の場合に
   は管を使用する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 中間層及びアルミニウム皮膜を、まずクロム鋼を火炎アルミ
   ナイジング又はメッキによってアルミニウム皮膜で被覆し、引き続きこの２相複
   合体を母材上に施す、特にメッキすることで結合させる、請求項１又は２記載の
   方法。
4. 【請求項４】 母材及びクロム鋼からなる複合材料又はクロム鋼及びアルミ
   ニウムからなる複合材料を連続鋳造法で製造する、請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 フェライト系クロム鋼に１種以上の酸素親和性元素のセリウ
   ム、ランタン、ハフニウム、ジルコニウム、ケイ素、チタン、イットリウム、カ
   ルシウム又はマグネシウムを添加し、その際、それらの元素の合計（質量％）が
   ０．５％を超過しない、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 【請求項６】 半製品の製造のための管、帯状物、シート、薄板、棒状物及
   びワイヤの形での、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法で製造される
   複合材料の使用。
7. 【請求項７】 分離、切断及び粉砕のための工具の製造のための、請求項１
   から５までのいずれか１項記載の方法で製造される複合材料の使用。
8. 【請求項８】 自動車、船舶エンジン及び飛行駆動装置の半製品の製造のた
   めの、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法で製造される複合材料の使
   用。
9. 【請求項９】 工業炉構造及び装置構造で使用するための半製品の製造のた
   めの、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法で製造される複合材料の使
   用。