JPH04308072A - 平滑にして美麗なアルミナイド層を形成するアルミニウム拡散被覆処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属部材に耐熱性、耐食
性、耐硫化性及び耐浸炭性を付与し、部品の寿命を延長
することを目的として広く採用されている粉末法による
アルミニウム拡散被覆処理剤及びこれを用いた処理方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に粉末パック法によるアルミニウム
拡散被覆処理法は耐熱部材の耐酸化性及び耐高温腐食性
を向上させ、部材の寿命を延長することを目的として広
く採用されている。

【０００３】中でも石油工業におけるエチレン製造装置
に使用されるクラッキングチューブなどナフサ等の炭化
水素類を高温に加熱し熱分解する反応管材料として、従
来よりＮｉ−Ｃｒ系耐熱鋼、代表的にはＪＩＳ　　ＮＣ
Ｆ８００Ｈ鋼あるいはＮｉやＣｒを含む耐熱鋳鋼、代表
的にはＡＳＴＭ　　ＨＰ材（ＪＩＳ　　ＳＣＨ２４相当
）などが反応管材料として用いられ更に耐浸炭性を強化
し反応管の寿命を延ばすためにアルミニウム拡散被覆を
施された鋼管が実用に供せられている。

【０００４】近年、熱分解の効率を上げエチレンの収率
を向上させるため操業条件は過酷となり反応管温度は１
１００℃にも達しているが、炭化水素類の熱分解により
生成した炭素が反応管表面に付着しコーキングを発生さ
せるため、反応管表面の温度が低下し熱分解の効率を悪
くしている。

【０００５】対策として一般には、表面の平滑な反応管
材料を使用し、生成した炭素の反応管表面への付着を防
止する。さらに一定期間毎に反応管内へ空気等の酸化性
ガスを流し付着した炭素を燃焼し除去するデコーキング
操作を行い、熱分解効率の低下を防止している。

【０００６】アルミニウム拡散被覆処理を施した反応管
については従来方法では平滑化した反応管表面の表面粗
さを著しく大きくし、炭素の付着しやすい表面状態とし
ているため耐コーキング性が十分ではなく熱分解効率が
十分でないという欠点を有していた。

【０００７】代表的な粉末法によるアルミニウム拡散被
覆処理法は、処理剤に適量のアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金などのアルミニウム源、活性化剤としてハロ
ゲン化物例えば塩化アンモニウム及び焼結防止粉末、例
えばアルミナの混合粉末中に被処理物を埋め込み非酸化
性雰囲気中で７００℃ないし１１００℃の高温に適当な
時間加熱し、被処理物表面にアルミニウムを析出・拡散
させ基材とのアルミナイド層を形成させるものである。 現在工業的に実施されている方法を処理剤により大別す
ると次に示す三種の方法が代表的なものである。

【０００８】１）Ａｌ−Ａｌ２　Ｏ３　粉末法Ａｌ２　
Ｏ３　に金属アルミニウム粉末を混合し、さらにハロゲ
ン化物を添加した混合処理剤中に被処理物を埋め込みア
ルミニウム拡散被覆処理を行う方法。

【０００９】２）Ｆｅ−Ａｌ合金粉末法約３０重量％の
アルミニウム濃度を有する繰り返し使用のＦｅ−Ａｌ合
金粉末に約５０重量％のアルミニウム濃度を有する新し
いＦｅ−Ａｌ合金粉末を混合し、さらに数％のハロゲン
化物を添加した混合処理剤中に被処理物母材を埋め込み
アルミニウム拡散被覆処理を行う方法。

【００１０】３）Ｆｅ以外のＡｌ合金粉末を用いる方法
。 Ａｌ２　Ｏ３　等にアルミニウム源としてＦｅ以外のＡ
ｌ合金粉末、例えばＣｒ−Ａｌ合金粉末、Ｎｉ３　Ａｌ
合金粉末、Ｃｏ２Ａｌ５　合金粉末などを混合し、さら
にハロゲン化物を添加した混合処理剤中に被処理物を埋
め込みアルミニウム拡散被覆を用いる方法。

【００１１】これら上述の従来法については以下に示す
欠点を有している。 （１）Ａｌ−Ａｌ２　Ｏ３　粉末法による欠点（イ）ア
ルミニウム拡散被覆処理中に処理剤中のアルミニウム粉
末が被処理物表面に溶融付着し仕上がり表面がざらつき
表面粗さが悪化する。 （ロ）アルミニウム粉末溶融付着部と他の部分でアルミ
ナイド層の厚さ及びアルミニウム濃度のばらつきが発生
する。

【００１２】（２）Ｆｅ−Ａｌ合金粉末法による欠点（
イ）Ｃｏ基、Ｎｉ基超合金等Ｆｅ含有量の低い基材にア
ルミニウム拡散被覆処理を施す場合、アルミナイド層内
にＦｅの拡散によるＦｅの濃化及びＦｅ−Ａｌ合金粉末
の侵入が発生し、基材の高温強度の低下及び耐食性に悪
影響を与える。 （ロ）新しいＦｅ−Ａｌ粉末と被処理物表面が焼結し易
くざらつきが発生し、処理後の表面粗さが悪化する。

【００１３】（３）Ｆｅ以外のＡｌ合金粉末を用いる方
法による欠点 （イ）Ａｌとの合金元素はアルミニウム拡散被覆処理中
には、不活性あるいは極低活性であり、繰り返し使用時
において処理剤は、Ａｌのみの濃度低下が発生し、新し
いＡｌ合金の添加による処理剤の適正配合組成への再生
が困難であり、処理剤の使用が数回の繰り返し使用に限
られること、及びＡｌ合金粉末が高価なことより処理コ
ストが高くなる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は上述の
従来法の欠点を解決し、金属被処理物に平滑で美麗なア
ルミナイド層を安価に形成するアルミニウム拡散被覆処
理方法を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的は次の組成より
なるアルミニウム拡散被覆処理剤中に金属被処理物を埋
設して非酸化性雰囲気中で加熱することによって達成さ
れる。以下に前者の被覆処理剤を特定発明とし、これを
用いたアルミニウム拡散被覆処理方法を関連発明として
説明する。

【００１６】特定発明は５〜１５重量％のアルミニウム
粉末と、アルミニウム粉末に対し重量比にて１〜２のク
ロム粉末と、０．１〜５重量％の塩化アンモニウム及び
残部焼結防止粉末とからなるアルミニウム拡散被覆処理
剤であり、

【００１７】関連発明は５〜１５重量％のアルミニウム
粉末と、アルミニウム粉末に対し重量比にて１〜２のク
ロム粉末と、０．１〜５重量％の塩化アンモニウム及び
残部焼結防止粉末とからなる処理剤中に金属被処理物を
埋設し非酸化性雰囲気中で加熱することを特徴とするア
ルミニウム拡散被覆処理方法である。

【００１８】

【作用】特定発明の処理剤はアルミニウム拡散被覆処理
剤にアルミニウム粉末とアルミニウム粉末に対し重量比
にて１〜２のクロム粉末を含有しているので、このクロ
ムによりアルミニウム拡散被覆処理中の高温加熱時にお
いて、アルミニウム粉末の一部または全部がアルミニウ
ムより高融点のＣｒ−Ａｌ合金を作り、溶融したアルミ
ニウムが被処理物に付着することを防止する。アルミニ
ウム粉末及びクロム粉末の含有量の限定理由については
後記する。

【００１９】塩化アンモニウムは全粉末重量に対して０
．１〜５重量％の含有が必要である。塩化アンモニウム
の含有量が０．１重量％未満の場合は充分なＡｌ濃度及
び均一なアルミナイド層のアルミニウム拡散被覆が行え
ず、５重量％を超える場合は加熱時に塩化アンモニウム
が昇華し、粉末剤体積が減少するため被処理物の処理剤
中の保持が困難となる。工業的に使用する場合、前記塩
化アンモニウムの添加量は０．２〜１重量％が最も適当
である。

【００２０】本発明に使用する焼結防止粉末としては、
アルミナ及びカオリンなどの安定な酸化物を使用するこ
とができる。その含有範囲は通常範囲の５０〜９０重量
％である。

【００２１】本発明において被処理物材料としては、ス
テンレス鋼、耐熱鋳鋼、Ｆｅ基超合金、Ｎｉ基超合金及
びＣｏ基超合金が挙げられる。

【００２２】本発明における加熱は、処理剤中に被処理
物を埋設し、非酸化性雰囲気、例えばＨ２　またはＡｒ
雰囲気中、７００℃ないし１１００℃で１ないし２０時
間拡散処理を行えばよい。

【００２３】次に実施例により本発明を更に詳しく説明
する。実施例において焼結防止粉末にはアルミナを用い
た。またパーセントは重量％を示す。

【００２４】

【実施例】（実施例１）本発明の粉末剤構成成分である
アルミニウム粉末、クロム粉末、１％の塩化アンモニウ
ム及び残部アルミナの混合処理剤においてアルミニウム
粉末の全粉末中の重量％として２．５％、５％、１０％
、１５％、２０％、３０％とし、それぞれのアルミニウ
ム粉末に対してクロム粉末含有量をクロム粉末重量／ア
ルミニウム粉末重量の比率（以下Ｃｒ／Ａｌ比と記す）
にて０．５、１、２、３と変化させて添加し、混合後処
理剤とした。

【００２５】供試材としては、幅２０ｍｍ長さ２０ｍｍ
厚さ３ｍｍのＪＩＳ規格ＮＣＦ８００Ｈ材を用い表面を
エメリー紙＃１５００にて研摩後バフ研磨仕上げしＪＩ
Ｓ表面粗さ試験方法、最大高さ（Ｒｍａｘ）にて０．５
μｍに調整した試料を用いた（以下表面粗さとはＪＩＳ
規格最大高さを意味する）。

【００２６】アルミニウム拡散被覆処理は、軟鋼製容器
に上記各処理剤を入れ、粉末剤中に供試材を埋め込み、
Ａｒガス雰囲気中にて９００℃、１０時間加熱した。前
述のアルミニウム拡散被覆処理を施した供試材について
表面粗さを測定した。この結果から図１に示した各表面
粗さ限界を得た。

【００２７】図１の曲線１は、安定なアルミニウム拡散
被覆の限界を示し、曲線２は表面粗さ３μｍ以下の範囲
を、曲線３は表面粗さ６μｍの限界を示し、曲線４は表
面粗さ１２μｍの限界を示している。

【００２８】図１及び表面・断面アルミナイズ層の観察
結果より、以下の知見が得られた。

【００２９】１）アルミニウム粉末量が１５％を超える
場合には、粉末剤中のアルミニウム粒の供試材表面への
溶融付着が激しくなり表面粗さが大きくなる。

【００３０】２）Ｃｒ／Ａｌ比１未満でも１）項と同様
粉末剤中のアルミニウム粒の供試材表面への溶融付着が
激しくなり表面粗さが大きくなる。

【００３１】３）Ｃｒ／Ａｌ比が２を超える場合には、
クロム粉末の供試材表面への焼結が激しくなり表面粗さ
を大きくする。

【００３２】４）Ｃｒ／Ａｌ比０．５以上で粉末剤中の
アルミニウム粉末量５％未満では均一な厚さのアルミナ
イド層が形成されない。

【００３３】上記１）から４）の知見より、表面平滑で
美麗なアルミナイド層を形成させるアルミニウム拡散被
覆処理粉末剤の必要組成は、アルミニウム粉末量５〜１
５％、クロム粉末含有量はＣｒ／Ａｌ比にて１〜２の範
囲である。

【００３４】表１に本発明法である上記最適範囲の処理
剤にて作成したアルミナイド層及び比較例として従来法
により作成したアルミナイド層の性質を比較した。表中
のアルミナイド層の濃度は、ＥＰＭＡによる最表面アル
ミニウム濃度を示している。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１に示すごとく本発明例では同一加熱条
件において比較例に比べアルミナイド層厚さは若干薄く
なるが、アルミナイド層表面Ａｌ濃度は同一であり、表
面粗さは著しい改善が認められた。

【００３７】（実施例２）幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍ、
厚さ３ｍｍのＪＩＳ規格ＮＣＦ６００　　Ｎｉ基超合金
の試料表面をエメリー紙＃１５００にて研磨後バフ研磨
仕上げし表面粗さ０．５μｍに調整した試料を供試材と
し、表２に示す本発明の粉末組成の処理剤及び比較例処
理剤を用いアルミニウム拡散被覆を行った。アルミニウ
ム拡散被覆処理は、軟鋼製容器に上記各処理剤を入れ、
処理剤中に供試材を埋め込み、Ａｒガス雰囲気中にて９
５０℃、１０時間加熱した。

【００３８】表２に実施例２の処理剤にて作成したアル
ミナイド層及び比較例として従来法により作成したアル
ミナイド層の性質を比較した。表２中のアルミナイド層
濃度は、ＥＰＭＡによる最表面アルミニウム濃度を示し
ている。

【００３９】

【表２】

【００４０】表２に示すごとく本発明例では、同一加熱
条件において比較例に比べアルミナイド層の表面Ａｌ濃
度は同一であり、表面粗さは著しい改善が認められた。

【００４１】図外であるが、実施例２によるアルミナイ
ド層表面性状を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による
表面写真（×１００）及び表２中の比較例によるアルミ
ナイド層表面性状を示すＳＥＭによる表面写真（×１０
０）を比較すると、処理剤中のＡｌ粉末の融着による顕
著な盛り上がりが比較例では認められたのに対し、実施
例２では所見されずＣｒ粉末添加による表面状態の改善
が認められた。

【００４２】

【発明の効果】本発明は叙述説明より明らかなように、
アルミニウム粉末及び塩化アンモニウムを含む処理剤に
対してクロム粉末を混合することにより、アルミニウム
粉末の一部もしくは全部が、アルミニウムより高融点の
Ｃｒ−Ａｌ合金を形成し、溶融アルミニウムが被処理物
に付着することを防止する結果、表面が平滑で美麗なア
ルミナイド層を安価に形成し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】アルミニウム拡散被覆処理粉末剤中のアルミニ
ウム粉末、クロム粉末、塩化アンモニウム及びアルミナ
の合計の含有重量百分率と、アルミニウム拡散被覆処理
後の表面研磨ＮＣＦ８００Ｈ材の安定被覆限界及び表面
粗さ範囲を示す図である。

【符号の説明】

１　　安定なアルミニウム拡散被覆の限界を示す曲線。 ２　　表面粗さ３μｍ以下の範囲を示す曲線。 ３　　表面粗さ６μｍの限界を示す曲線。 ４　　表面粗さ１２μｍの限界を示す曲線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　５〜１５重量％のアルミニウム粉末と
   、アルミニウム粉末に対し重量比にて１〜２のクロム粉
   末と、０．１〜５重量％の塩化アンモニウム及び残部焼
   結防止粉末とからなるアルミニウム拡散被覆処理剤。
2. 【請求項２】　　５〜１５重量％のアルミニウム粉末と
   、アルミニウム粉末に対し重量比にて１〜２のクロム粉
   末と、０．１〜５重量％の塩化アンモニウム及び残部焼
   結防止粉末とからなる処理剤中に金属被処理物を埋設し
   非酸化性雰囲気中で加熱することを特徴とするアルミニ
   ウム拡散被覆処理方法。