JPH0674481B2

JPH0674481B2 - Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系フェライト合金

Info

Publication number: JPH0674481B2
Application number: JP5564792A
Authority: JP
Inventors: 糾濱田; 修司山田; 順二今井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 1994-09-21
Anticipated expiration: 2009-09-21
Also published as: JPH05255797A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高温酸化雰囲気中で
合金の表面に密着性に優れ緻密かつ均一なアルミナを主
成分とする皮膜が生成でき、母材の高硬度化も図れ、電
気カミソリやバリカンなどの刃物や電動工具のチャッ
ク、ギア、シャフト等の部品に適するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ
−Ａｌ系フェライト合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高温酸化によりアルミナ皮膜を生成でき
る合金として、特開昭54-141314 号公報、特開昭60-262
943 号公報、特開平2-254136号公報にみられるようなＦ
ｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金がある。これらの合金はＮｉを含
まないものである。このＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金は、強
度がフェライト系ステンレスと略同程度であり、また、
何らかの熱処理を施しても、その機械的性質を大幅に改
善することが出来ない。それに、厚み数μｍ以上のアル
ミナ皮膜を生じさせるには、数時間以上１１００℃以上
の高温にさらさねばならず、この間に合金の結晶粒が著
しく成長し機械的性質の低下をもたらす。

【０００３】上記Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の他に、特開
昭62-174352 号公報や米国特許第 4144380号明細書にみ
られるようなＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系を主構成要素と
するオーステナイト合金がある。しかし、この合金は、
アルミナ皮膜が均一でないし剥がれ易い。そこで、発明
者等は、特開平3-150337号公報にみるようなＦｅ−Ｃｒ
−Ｎｉ−Ａｌ系フェライト合金を提案している。この合
金は、高温の酸化性雰囲気中で加熱された場合、表面に
密着性に優れたアルミナ皮膜を生成する。また、合金生
地中には微細かつ均一な分散状態でＮｉＡｌ系金属間化
合物が析出して母材の硬度が高く、アルミナ皮膜形成時
高温にさらされても、ＮｉＡｌの存在により結晶粒粗大
化が抑制される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発明者
等の提案にかかる合金においても、アルミナ皮膜の密着
性と母材硬度は必ずしも十分とは言えず、使用中にアル
ミナ皮膜が部分的に剥離したり、母材が磨耗するなどの
問題がある。この発明は、上記事情に鑑み、アルミナ皮
膜と合金の密着性および母材硬度の向上が図れるＦｅ−
Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系フェライト合金を提供することを課
題とする。

【０００５】

【問題を解決するための手段】発明者らは、前記事情に
鑑み、アルミナ皮膜の密着力と母材硬度の両方を同時に
向上させられる方途を求めて、様々な角度から検討を行
った。中でも、構成元素の含有量、すなわち組成の点に
まで逆上って改めて鋭意検討した。そして、その結果、
以下のような知見を得ることができた。

【０００６】第１の知見は、高温酸化で生成したアルミ
ナ皮膜（Ａｌ₂Ｏ₃皮膜）が母材に根を生やしたように
成長することが密着性向上に不可欠なのであるが、Ｃｒ
の含有量が３５重量％（wt％）を越えるようになると、
根が十分に密で適切な状態で生えるようになるというこ
とである。第２の知見は、Ｃｒの含有量を固定しＮｉ，
Ａｌの含有量を増していくとＮｉＡｌ系化合物の量が増
加し母材硬度は高くなるが、Ｎｉの含有量が２０重量％
となるあたりからその効果は飽和してゆくが、逆に、Ｎ
ｉ，Ａｌの含有量を固定しＣｒの含有量を増していくと
前者の場合よりも硬度化が大きくできるが、Ｃｒの含有
量が４０重量％を越すと極端に脆くなるということであ
る。

【０００７】以上のことから、Ｃｒの含有量を３５重量
％を越して多くすることが、アルミナ皮膜の密着性と母
材硬度の同時向上を図れるようにするのであるが、Ｃｒ
の増量には脆化の点から限界があるということが分か
り、これにより、この発明を完成させることが出来たの
である。したがって、この発明にかかるＦｅ−Ｃｒ−Ｎ
ｉ−Ａｌ系フェライト合金はＣｒ：３５〜４０重量％
（３５重量％は含まず）、Ｎｉ：１５〜２５重量％、Ａ
ｌ：４〜８重量％、Ｔｉ：０〜０．５重量％、Ｚｒ，
Ｙ，Ｈｆ，Ｃｅ，Ｌａ，ＮｄおよびＧｄのうちのいずれ
か１種または２種以上：０．０５〜１．０重量％、残
部：実質的にＦｅからなるという構成をとるようにして
いる。

【０００８】以下、この発明をより具体的に説明する。
まず、この発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系フェライト
合金の含有元素について、その含有量とその限定理由を
説明する。この発明の合金は、フェライト生成元素であ
るＣｒおよびＡｌと、オーステナイト生成元素であるＮ
ｉを多量に含有したＦｅ基合金であり、合金が主として
フェライト相となるように各元素の量が選ばれている。
この発明の合金を主としてフェライト相にする理由は、
次の通りである。フェライト相の合金は、酸化加熱処理
により、緻密で下地との密着性の良い厚いアルミナ（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）皮膜を形成し易いが、オーステナイト相の合
金はアルミナ皮膜が均一に生じず、剥離するからであ
る。合金をフェライト相にする場合、Ｎｉ量を増加させ
ると、（Ｃｒ＋Ａｌ）量を増加させるようにする。

【０００９】〔Ｃｒ：３５〜４０wt％（但し、３５wt％
は含まず）〕Ｃｒは、合金表面に緻密で均一なアルミ
ナ皮膜を形成させるために必要であるが、アルミナ皮膜
が根を母材に密に生やして密着性が向上するようになる
には、Ｃｒの含有量が３５wt％を越す必要がある。た
だ、Ｃｒの含有量が４０wt％を越すと極端に脆くなって
しまい、製品として適当でなくなる。それに、上記範囲
だと母材硬度の向上も図れるようになる。そのため、Ｃ
ｒの含有量は、３５wt％を越え、４０wt％以下とするの
である。

【００１０】〔Ｎｉ：１５〜２５wt％〕Ｎｉは、微細
なＮｉＡｌを合金中に析出させ、母材の機械的性質の向
上を図っているが、Ａｌとの共存下でＮｉＡｌを析出さ
せるのに不可欠の元素である。機械的性質の向上に十分
効果的であるだけのＮｉＡｌを析出させるためには１５
wt％以上のＮｉを必要とする。Ｎｉ量が増加すれば、Ｎ
ｉＡｌの析出による機械的性質の向上には好都合である
が、２０wt％を越すとその効果は飽和傾向を示し２５wt
％付近では一定となる。それ故、Ｎｉの上限値は２５wt
％である。

【００１１】〔Ａｌ：４〜８wt％〕Ａｌは、微細なＮ
ｉＡｌを合金中に析出させ、さらに、高温酸化処理によ
り合金表面にアルミナ皮膜を形成させるために不可欠な
元素である。緻密で均一な皮膜を形成させるためには、
４wt％以上のＡｌを含有することが必要である。Ａｌ含
有量の増加は、ＮｉＡｌの析出やアルミナ皮膜の形成に
有利であるが、８wt％を越えると合金の加工性が低下す
るので、Ａｌの上限は８wt％である。

【００１２】〔Ｚｒ，Ｙ，Ｈｆ，Ｃｅ，Ｌａ，Ｎｄおよ
びＧｄのうちのいずれか１種または２種以上：０．０５
〜１．０重量％〕これらの各元素（およびＴｉ）はア
ルミ皮膜内に混入して皮膜の脆さを改善するとともに皮
膜直下の合金内に内部酸化物粒子として分散し、皮膜の
密着性を著しく向上させる。これらの効果を発揮させる
には、０．０５wt％以上で含有させる必要がある。他
方、１wt％を越えて含有すると、合金の加工性が急激に
低下するので、上限は１wt％である。

【００１３】なお、Ｔｉは合金中に０．５wt％程度含有
されている場合、適当な熱処理により微細な金属間化合
物を形成し、合金の強靱化に役立つ。この発明の合金
は、Ｔｉを含んでいないものであってもよいが、このよ
うな理由によりＴｉを含んでいてもよい。ただし、Ｔｉ
の含有量が０．５wt％を越えるアルミナ皮膜の密着性や
緻密性が損なわれる恐れがあるため、Ｔｉの含有量の上
限は０．５wt％である。〔Ｆｅ：残部〕以上の成分の他をＦｅが占める。ただ
し、残部が完全にＦｅである場合のみに限定されず、不
可避的に不純物としてＦｅ中に存在する場合も含む。な
お、不純物の中でも、Ｓｉ、Ｃ、Ｎの３元素は、下記の
理由により、下記の範囲となるようにするのが好まし
い。

【００１４】Ｓｉは高温酸化処理中にＳｉＯ₂となり、
アルミナ皮膜に混入して皮膜の緻密性を損なう恐れがあ
ることから、０．３wt％以下とすることが望ましい。０
wt％であってもよい。Ｃは高温でＣｒと反応してＣｒ炭
化物を形成し、合金を脆化させる。また、ＣＯがＣＯ₂
ガスとなり、アルミナ皮膜を破壊する。さらに、稀土類
元素と容易に反応し皮膜の密着性向上に対する稀土類元
素の効果を低下させる。これらのことから、Ｃは０．０
１wt％以下が望ましい。０wt％であってもよい。

【００１５】Ｎは合金の靱性を低下させ、また、高温加
熱中にＣｒと反応してＣｒ系窒化物となり、合金の脆化
の原因となりうる。このため、Ｎは０．０１５wt％以下
が望ましい。０wt％であってもよい。続いて、この発明
の合金の表面にアルミナ皮膜を形成する場合について説
明する。

【００１６】アルミナ皮膜の形成は、この発明の合金を
高温の大気中あるいは酸素ガス等の酸化性雰囲気中で加
熱処理することにより実現できる。加熱温度は、通常、
７００℃以上、１３００℃以下の範囲が好ましい。７０
０℃未満だと表面に均一なアルミナ皮膜が形成されない
傾向がみられ、１３００℃を越えると母材が脆化するこ
とがあるからである。また、加熱温度が１０００℃以下
の場合は、加熱時間が０．５時間以上であることが好ま
しい。０．５時間よりも短いと全面に均一なアルミナ皮
膜が形成されないことがある。生成されるアルミナ皮膜
の厚みは特定の厚みに限定されるようなことはない。

【００１７】そして、この発明の合金は、アルミナ皮膜
形成後、熱処理により母材硬度を向上させることが可能
なのである。母材中に析出しているＮｉＡｌ化合物は約
１２００℃を越えると０．５時間以下で母材中に完全固
溶する。しかる後に急冷を行えば急冷中に核形成・成長
した径が１μｍよりも遙に小さい微細ＡｌＮｉ粒を母材
中に生成できる。この微細ＮｉＡｌ粒の分散析出により
母材は大きく硬化する。但し、１２００℃を越えて２時
間以上加熱すると結晶粒が粗大化する。これは、ＮｉＡ
ｌ粒が消失し結晶粒粗大化を抑制する効果がなくなるか
らである。好ましくは、加熱時間は１時間以下である。
また、急冷は、空冷で１℃／秒以上の速度が望ましい。
１℃／秒より遅い冷却の場合は、再析出ＮｉＡｌ粒のサ
イズが大きくなり、母材硬度を大きく向上させることが
できない。水冷など空冷以外の急冷は熱応力割れが起こ
り易いので好ましくはない。

【００１８】以上のことから、比較的厚いアルミナ皮膜
を形成しようとする場合は、１２００℃以下で長時間加
熱処理してから、一旦、室温まで下げてからでもよい
し、そのまま継続してでもよいのであるが、１２００℃
を越えた温度で１時間以下の熱処理を行い最後に急冷す
るようにすればよい。アルミナ皮膜が５μｍ以下程度の
薄いものである場合、始めから１２００℃を越える温度
で１時間以下の熱処理を行い最後に急冷するようにすれ
ばよい。

【００１９】以上により根が密に生えたアルミナ皮膜の
ある高硬度・高強度のものが得られる。このようにして
得られたアルミナ皮膜付のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系フ
ェライト合金の用途としては、耐磨耗性や耐食性が要求
される電気カミソリの内刃、外刃、バリカン刃の固定刃
や可動刃などの刃物や電動工具等の軸、チャックやギア
などの機構部品、内燃機関用あるいは腐食雰囲気用バル
ブなどに応用できる。しかし、用途は、これらに限定さ
れない。アルミナ皮膜形成前に部品の形状に合わせた加
工しておいて、こアルミナ皮膜形成のための熱処理や硬
度上昇のための熱処理を施したものを、そのまま部品に
使うようにすることも可能である。

【００２０】

【作用】この発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系フェライ
ト合金では、Ｃｒの含有量が３５重量％を越えているた
め、アルミナ皮膜の密着力と母材硬度の同時向上が図れ
るとともに、その際、Ｃｒの含有量が４０重量％を越す
ことがないため、脆化で製品適性がなくなるという不都
合もない。

【００２１】

【実施例】

−実施例１〜６および比較例１〜６− 表１，２に示す組成の合金を高周波誘導加熱式真空溶解
炉で溶製し、熱間で１ｍｍの板状に圧延した。すなわ
ち、５×１０^-4Torr以上の高真空中で、電解鉄，電解ク
ロムおよびＮｉペレットをアルミナるつぼに入れて溶解
し、溶融液中にアルミニウム鉄合金、ＦｅＺｒ合金、Ｆ
ｅＴｉ合金、ならびに、Ｈｆおよび稀土類元素小片を添
加した。さらに、同じ真空中で炉内にある鉄あるいは銅
鋳型に鋳込んで合金のインゴットを得た。

【００２２】得られたインゴットを軟銅製ケースに入れ
て８００〜１１００℃に加熱し、同温度でパック圧延し
た。ついで、これらの試料を１ｍｍ×１５ｍｍ×２０ｍ
ｍの大きさに切断して、１２００番のエメリーペーパー
で表面を仕上げ、１２５０℃で３０分大気中で加熱処理
を行い、表面に酸化皮膜を形成し、続いて、その温度か
ら空冷で急速冷却（約１０℃／秒前後の冷却速度）し
た。空冷後の母材硬度、アルミナ皮膜厚み、アルミナ皮
膜の根の本数比（面密度比）を測定した。測定結果を、
表３に示す。

【００２３】アルミナ皮膜の根の本数比に関しては以下
の通りである。図１にみるように、合金１の表面のアル
ミナ皮膜２には母材３中に延びるように根２ａが多数生
えているのであるが、Ａｌの含有量の等しい比較例と実
施例を比較例の場合を１として比べた。なお、４はＮｉ
Ａｌ粒子である。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】表３にみるように、実施例の場合、比較例
の場合に比べて母材硬度がＨｖ値で１００程度も上昇し
ている。それに、実施例の場合、アルミナ皮膜の厚さも
約１．５倍程度と増している。アルミナ皮膜の剥がれに
関しては実施例も比較例も外観上からは観察されなかっ
たが、アルミナ皮膜の根の面密度比が実施例の場合、比
較例の約５倍もあり、アルミナ皮膜の密着性が向上して
いることが良く分かる。

【００２８】

【発明の効果】この発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系フ
ェライト合金では、Ｃｒの含有量が３５重量％を越えて
いるため、アルミナ皮膜の密着力と母材硬度の同時向上
が図れるとともに、その際、Ｃｒの含有量が４０重量％
を越すことがないため、脆化で製品適性が失われるとい
うような不都合もなく、したがって、非常に有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】アルミナ皮膜を形成した合金の構成例をあらわ
す断面図である。

【符号の説明】

１合金２アルミナ皮膜２ａ根３母材４ＮｉＡｌ粒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｒ：３５〜４０重量％（３５重量％は
含まず）、Ｎｉ：１５〜２５重量％、Ａｌ：４〜８重量
％、Ｔｉ：０〜０．５重量％、Ｚｒ，Ｙ，Ｈｆ，Ｃｅ，
Ｌａ，ＮｄおよびＧｄのうちのいずれか１種または２種
以上：０．０５〜１．０重量％、残部：実質的にＦｅか
らなるＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｌ系フェライト合金。