JP2012201893A

JP2012201893A - 耐食性材料

Info

Publication number: JP2012201893A
Application number: JP2011064717A
Authority: JP
Inventors: Takao Yataka; 隆雄八高
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】金属間化合物ＦｅＡｌからなり、ニッケルを使用することなく、オーステナイト系ステンレス鋼と同等またはそれ以上に、塩酸、硝酸、硫酸などに対する耐食性に優れた耐食性材料を提供する。
【解決手段】鋼または鋳鉄の表面に、アルミニウム、クロムおよび鉄からなる合金膜を成膜し、当該合金膜を高温拡散処理して、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌが形成された耐食性材料とする。該クロムの含有量は、８〜１８ａｔ％であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属間化合物ＦｅＡｌからなる耐食性材料に関する。

鋼の表面を金属、合金、金属間化合物またはセラミックスなどで複合化する技術としては、例えば、アルミナイジングやカロライジングと呼ばれる手法が用いられる。
アルミナイジングやカロライジングは、鋼の表面に純ＡｌおよびＡｌ−Ｓｉ合金を付着させた後、拡散などの処理により、それらの全体または一部分を金属間化合物ＦｅＡｌとする技術である。
特に、本発明者等は、鋼の表面に純ＡｌおよびＡｌ−Ｓｉ合金を付着させた後、８５０〜１１００℃の高温拡散により、ＦｅＡｌを中心とした、鉄リッチな金属間化合物層からなる被膜が得られる、高温アルミナイジング処理方法を見出している（例えば、非特許文献１参照）。

ＴｏｍｏｈｉｒｏＳａｓａｋｉａｎｄＴａｋａｏＹａｋｏｕ：ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＦｅ−ＡｌＡｌｌｏｙＬａｙｅｒｄｕｒｉｎｇＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＡｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇ，ＩＳＩＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｖｏｌ．４７（２００７），Ｎｏ．７，ｐｐ．１０１６−１０２２

しかしながら、従来のアルミナイジング処理によって形成された被膜は、塩酸、硝酸、硫酸などに対しては極めて耐食性に劣る。そのため、その被膜が形成された鋼は、塩酸、硝酸、硫酸などによる腐食が生じる環境では使用できなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、金属間化合物ＦｅＡｌからなり、機械的特性のみならず、塩酸、硝酸、硫酸などに対する耐食性にも優れた耐食性材料を提供することを目的とする。

本発明の耐食性材料は、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌからなることを特徴とする。

前記クロムの含有量は、８〜１８ａｔ％であることが好ましい。

鋼または鋳鉄の表面に、アルミニウム、クロムおよび鉄からなる合金膜を成膜し、当該合金膜を高温拡散処理して、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌを形成させることが好ましい。

本発明の耐食性材料によれば、オーステナイト系ステンレス鋼と同等またはそれ以上に、塩酸、硝酸、硫酸などに対する耐食性に優れたものとなる。したがって、本発明の耐食性材料によれば、ニッケルを使用することなく、ステンレス鋼と同等またはそれ以上に耐食性に優れた部品が安価に得られる。

Ｆｅ−Ａｌ系平衡状態図である。本発明の実験例において、酸化性の酸である硝酸（HNO_３）に対する耐食性を示すグラフである。本発明の実験例において、非酸化性の酸である塩酸（HＣｌ）に対する耐食性を示すグラフである。

本発明の耐食性材料の実施の形態について説明する。
なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

本発明の耐食性材料は、クロム（Ｃｒ）を含有する金属間化合物ＦｅＡｌからなるものである。
金属間化合物ＦｅＡｌは、図１に示すＦｅ−Ａｌ系平衡状態図（Ｕ．Ｒ．ＫａｔｔｎｅｒａｎｄＴ．Ｂ．Ｍａｓｓａｌｓｋｉ，Ｐ．Ｒ．ＳｕｂｒａｍａｎｉａｎａｎｄＬ．Ｋａｃｐｚａｋ：ＢｉｎａｒｙＡｌｌｏｙＰｈａｓｅＤｉａｇｒａｍｓ，ＡＳＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ＭａｔｅｒｉａｌＰａｒｋ，ＯＨ，ｐ．１４８（１９９０）参照）上に示されるＦｅ−Ａｌ系合金、αＦｅ、Ｆｅ_３Ａｌ、ＦｅＡｌ、ＦｅＡｌ_２およびＦｅ_２Ａｌ_５の群から選択される１つであり、これらの中で比較的靱性があり、実用の可能性があるのは、鉄リッチなαＦｅ、Ｆｅ_３ＡｌおよびＦｅＡｌとされている。

金属間化合物ＦｅＡｌにおけるクロムの含有量は、８〜１８ａｔ％であることが好ましく、クロムが多くなると靱性が低下することから、より好ましくは１２〜１４ａｔ％である。
金属間化合物ＦｅＡｌにおけるクロムの含有量がこの範囲内であれば、本発明の耐食性材料は、塩酸や硝酸に対する耐食性に優れたものとなり、塩酸や硝酸によって、鉄（Ｆｅ）が溶出することを防止できる。
金属間化合物ＦｅＡｌにおけるクロムの含有量が８ａｔ％未満では、塩酸や硝酸に対する耐食性の向上が少ない。一方、金属間化合物ＦｅＡｌにおけるクロムの含有量が１８ａｔ％を超えると、それ以上の耐食性の向上が望めない。

次に、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌの製造方法を説明する。
クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌは、例えば、鋼または鋳鉄の表面に、アルミニウム（Ａｌ）、クロムおよび鉄からなる合金膜を成膜し、その後、そのアルミニウム合金膜が成膜された鋼または鋳鉄を高温加熱することにより、そのアルミニウム合金膜を高温拡散処理して、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌを形成する。
これにより、アルミニウム合金膜を構成するアルミニウムとクロムが、鉄または鋳鉄内に拡散し、鋼または鋳鉄の表面に、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌが形成される。すなわち、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌは、上記のようにして鋼または鋳鉄の表面に形成された金属間化合物ＦｅＡｌの被膜である。

鋼または鋳鉄の表面へのアルミニウム、クロムおよび鉄からなるアルミニウム合金膜の成膜方法としては、例えば、（１）溶融したＡｌ−Ｃｒ合金浴中に鋼または鋳鉄を浸漬し、鋼または鋳鉄の表面にＡｌ−Ｃｒ合金を溶融めっきする方法、（２）鋼または鋳鉄の表面にＡｌ−Ｃｒ合金を溶射する方法、（３）鋼または鋳鉄の表面にＡｌとＣｒを真空蒸着する方法、（４）鋼または鋳鉄の表面にＣｒをめっきした後、溶融したＡｌ浴中に、Ｃｒをめっきした鋼または鋳鉄を浸漬し、Ｃｒをめっきした鋼または鋳鉄の表面にＡｌを溶融めっきする方法などが挙げられる。

また、金属間化合物ＦｅＡｌにおけるクロムの含有量を上記の範囲内とするには、上記のそれぞれのアルミニウム合金膜の成膜方法において、次のような操作を行う。
（１）の方法では、クロムの含有量が１４〜２７ａｔ％のアルミニウム合金をルツボで溶解し、その中に鋼または鋳鉄を浸漬して、溶融めっきを行う。
（２）の方法では、クロムの含有量が１４〜２７ａｔ％のアルミニウム合金を、鋼または鋳鉄の表面に溶射して、鋼または鋳鉄の表面にアルミニウム合金被膜を形成する。
（３）の方法では、クロムの膜厚を１にして、アルミニウムの膜厚が３〜６の範囲で、鋼または鋳鉄の表面に真空蒸着を行う。
（４）の方法では、鋼または鋳鉄の表面に、クロムめっきを行った後、アルミニウム溶融めっきを行う。これらのめっきの順番は逆でもよい。このときのクロムめっきの厚さと、アルミニウムめっきの厚さとの比を１／３〜１／６の範囲とする。

アルミニウム合金膜の高温拡散処理を行う温度、すなわち、アルミニウム合金膜が成膜された鋼または鋳鉄を加熱する温度は、８００〜１２００℃であることが好ましく、より好ましくは８５０〜１０５０℃である。
アルミニウム合金膜の高温拡散処理の温度が８００℃未満では、鋼または鋳鉄内にアルミニウム合金膜を構成するアルミニウムとクロムが十分に拡散しないため、拡散時間が短い場合にはクロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌを形成することができない。一方、アルミニウム合金膜の高温拡散処理の温度が１２００℃を超えると、酸化が激しくなるのみならず、鋼の結晶粒の粗大化が起こり、材料が弱くなる。

また、アルミニウム合金膜の高温拡散処理を行う時間、すなわち、アルミニウム合金膜が成膜された鋼または鋳鉄を加熱する時間は、０．５時間〜５０時間であることが好ましく、より好ましくは１時間〜２４時間である。
アルミニウム合金膜の高温拡散処理を行う時間が０．５時間未満では、鋼または鋳鉄内にアルミニウム合金膜を構成するアルミニウムとクロムが十分に拡散しないため、拡散温度が低い場合には、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌを形成することができない。一方、アルミニウム合金膜の高温拡散処理を行う時間が２４時間を超えると、生産効率が低下し、かつ拡散温度が高い場合には、酸化や結晶粒の粗大化を招く。

また、アルミニウム合金膜の高温拡散処理は、真空、あるいは、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス中で行われることが好ましいが、大気中で行ってもよい。

このアルミニウム合金膜の高温拡散処理により、最表面にはクロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌからなる被膜が形成され、その内側、すなわち、金属間化合物ＦｅＡｌからなる被膜と、鋼または鋳鉄との間に、αＦｅ（Ａｌ，Ｃｒを含有する）からなる被膜が形成される。拡散を行うと、最表面から内部に向い、（１）アルミニウム、Ｆｅ_２Ａｌ_５、ＦｅＡｌ、αＦｅの順、（２）Ｆｅ_２Ａｌ_５、ＦｅＡｌ、αＦｅの順、（３）ＦｅＡｌ、αＦｅの順、および（４）αＦｅの順のいずれかが形成される。Ｆｅ_３Ａｌは存在するはずであるが、ほとんど認められない。

このようにして形成された耐食性材料は、ステンレス鋼と同等またはそれ以上に、塩酸、硝酸、硫酸などに対する耐食性に優れている。したがって、本発明の耐食性材料によれば、ニッケルを使用することなく、ステンレス鋼と同等またはそれ以上に耐食性に優れた部品が安価に得られる。

以下、実験例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実験例に限定されるものではない。

「実験例１」
鋼の表面にアルミニウムを溶融めっきした後、厚さ５０μｍのアルミニウム膜が成膜された鋼を、１０００℃で１０時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−１２ａｔ％Ａｌ（αＦｅ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムを含有していなかった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料１」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの硝酸（ＨＮＯ_３）水溶液中に、試料１を４２時間、浸漬した。
次いで、硝酸水溶液から取り出した試料１を乾燥して、試料１の質量を測定した。
硝酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料１における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は４８０ｇ・ｍ^−２であった。

「実験例２」
鋼の表面にＡｌ−Ｃｒ合金を溶融めっきした後、厚さ５０μｍのＡｌ−Ｃｒ膜が成膜された鋼を、１０５０℃で２４時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−１２ａｔ％Ａｌ（αＦｅ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムの含有量が１３ａｔ％であった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料２」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの硝酸（ＨＮＯ_３）水溶液中に、試料２を４２時間、浸漬した。
次いで、硝酸水溶液から取り出した試料２を乾燥して、試料２の質量を測定した。
硝酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料２における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は０ｇ・ｍ^−２であった。

「実験例３」
鋼の表面にアルミニウムを溶融めっきした後、厚さ５０μｍのアルミニウム膜が成膜された鋼を、１０００℃で５．５時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−４５ａｔ％Ａｌ（ＦｅＡｌ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムを含有していなかった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料３」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの硝酸（ＨＮＯ_３）水溶液中に、試料３を４２時間、浸漬した。
次いで、硝酸水溶液から取り出した試料３を乾燥して、試料３の質量を測定した。
硝酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料３における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は８ｇ・ｍ^−２であった。

「実験例４」
鋼の表面にＡｌ−Ｃｒ合金を溶融めっきした後、厚さ５０μｍのＡｌ−Ｃｒ膜が成膜された鋼を、１０５０℃で１０時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−４５ａｔ％Ａｌ（ＦｅＡｌ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムの含有量が１３ａｔ％であった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料４」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの硝酸（ＨＮＯ_３）水溶液中に、試料４を４２時間、浸漬した。
次いで、硝酸水溶液から取り出した試料４を乾燥して、試料４の質量を測定した。
硝酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料４における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は０ｇ・ｍ^−２であった。

「実験例５」
鋼の表面にアルミニウムを溶融めっきした後、厚さ５０μｍのアルミニウム膜が成膜された鋼を、１０００℃で１０時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−１２ａｔ％Ａｌ（αＦｅ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムを含有していなかった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料５」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの塩酸（ＨＣｌ）水溶液中に、試料５を４２時間、浸漬した。
次いで、塩酸水溶液から取り出した試料５を乾燥して、試料５の質量を測定した。
塩酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料５における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は２００ｇ・ｍ^−２であった。

「実験例６」
鋼の表面にＡｌ−Ｃｒ合金を溶融めっきした後、厚さ５０μｍのＡｌ−Ｃｒ膜が成膜された鋼を、１０５０℃で２４時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−１２ａｔ％Ａｌ（αＦｅ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムの含有量が１３ａｔ％であった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料６」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの塩酸（ＨＣｌ）水溶液中に、試料６を４２時間、浸漬した。
次いで、塩酸水溶液から取り出した試料６を乾燥して、試料６の質量を測定した。
塩酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料６における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は３８０ｇ・ｍ^−２であった。

「実験例７」
鋼の表面にアルミニウムを溶融めっきした後、厚さ５０μｍのアルミニウム膜が成膜された鋼を、１０００℃で５．５時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−４５ａｔ％Ａｌ（ＦｅＡｌ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムを含有していなかった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料７」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの塩酸（ＨＣｌ）水溶液中に、試料７を４２時間、浸漬した。
次いで、塩酸水溶液から取り出した試料７を乾燥して、試料７の質量を測定した。
塩酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料７における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は１３００ｇ・ｍ^−２であった。

「実験例８」
鋼の表面にＡｌ−Ｃｒ合金を溶融めっきした後、厚さ５０μｍのＡｌ−Ｃｒ合金膜が成膜された鋼を、１０５０℃で１０時間、加熱して、鋼の表面に、Ｆｅ−４５ａｔ％Ａｌ（ＦｅＡｌ）からなる被膜を形成した。なお、この被膜は、クロムの含有量が１３ａｔ％であった。
次いで、上記の被膜が形成された鋼（以下、「試料８」と言う。）の質量を測定した。
次いで、０．１Ｍの塩酸（ＨＣｌ）水溶液中に、試料８を４２時間、浸漬した。
次いで、塩酸水溶液から取り出した試料８を乾燥して、試料８の質量を測定した。
塩酸水溶液に浸漬する前と、浸漬した後との質量の差異から、試料８における鉄の溶出量（Δｍ、ｇ・ｍ^−２）を算出した。その結果、鉄の溶出量は４００ｇ・ｍ^−２であった。

以上の結果を、図２および図３に示す。
図２および図３の結果から、Ｆｅ−１２ａｔ％Ａｌ（αＦｅ）からなる金属間化合物では、クロムの含有量が１３ａｔ％以上で、硝酸に対する耐食性を示すが、塩酸に対する耐食性は悪くなることが分かった。
ところが、Ｆｅ−４５ａｔ％Ａｌ（ＦｅＡｌ）からなる金属間化合物では、クロムの含有量が１３ａｔ％以上で、硝酸に対しても、塩酸に対しても耐食性が大きく改善されることが分かった。

本発明の耐食性材料は、大気や海水雰囲気に曝される機械部品のみならず、塩酸雰囲気の機械部品に対しても、ＳＵＳ３１６の代りに使用することができる。

Claims

クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌからなることを特徴とする耐食性材料。
前記クロムの含有量は、８〜１８ａｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の耐食性材料。
鋼または鋳鉄の表面に、アルミニウム、クロムおよび鉄からなる合金膜を成膜し、当該合金膜を高温拡散処理して、クロムを含有する金属間化合物ＦｅＡｌが形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の耐食性材料。