JPH07103450B2

JPH07103450B2 - ヒーターシース合金

Info

Publication number: JPH07103450B2
Application number: JP4290503A
Authority: JP
Inventors: ゲイロード、ダレル、スミス; ウォルター、ハロルド、ウェンドラー; デイビッド、ブライアン、オドネル
Original assignee: Inco Alloys International Inc
Current assignee: Huntington Alloys Corp
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-10-28
Publication date: 1995-11-08
Anticipated expiration: 2010-11-08
Also published as: EP0551711B1; CA2087389C; US5217545A; NZ245441A; DE69217901T2; AU651783B2; DE69217901D1; KR930016555A; CA2087389A1; JPH05247598A; TW225557B; EP0551711A1; AU3181793A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、魅力的な黒色の保護性
酸化物被覆を形成し、高速自溶性溶接作業に非常に適し
た、電気ヒーター素子シース材として特に好適な、耐酸
化性および耐腐食性を有する低コストの鉄系合金に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在入手可能な電気ヒーター素子は、一
般的に、管状金属シース中に収容した抵抗導体からな
り、耐火性で、熱伝導性の、電気絶縁材料の緻密に圧縮
した層により、その抵抗導体をシースに対して間隔を置
いて埋め込み、支持している。抵抗導体は、らせん状に
巻き付けたワイヤでよく、耐火性材料は顆粒状の酸化マ
グネシウムでよい。ヒーターシース用の材料は、低コス
トで、高温、例えば８５０〜９００℃で優れた耐酸化性
を有し、耐応力腐食亀裂性を有し、良好な溶接性を示す
必要がある。その上、今日では、ヒーターシースに使用
する材料が望ましい外観を有することも重要な必要条件
になっている。電気ヒーター素子は通常露出しており、
レンジやディッシュウォッシャーなどの家庭用品中に存
在することが多いので、消費者はヒーター素子が黒色や
暗灰色の様な見た目に良い色を有することを好む。

【０００３】現在多くのヒーター素子シースは、インコ
ロイ^R合金８４０（インコロイはインコ社グループの商
標である）製である。米国特許第３，７１９，３０８号
に開示されているこの合金は、ヒーター素子シースとし
て使用するのに必要なすべての特性を備えている。その
上、その表面は、暗灰色に酸化する。しかし、この合金
は、主として、その公称ニッケル含有量が約２０％であ
るために高価なので、より経済的な代替品が求められて
いる。可能な低コストの代替品も考慮されてはいるが、
これらの材料はすべて欠点があって理想的とはいえな
い。タイプ３０９ステンレス鋼および日本冶金のＮＡＳ
Ｈ−２２は、好ましくない緑がかった酸化物を形成す
る。タイプ３２１ステンレス鋼は黒色に酸化し、タイプ
３０４ステンレス鋼は暗灰色に酸化するが、これらは２
相合金であり、そのために十分な強度が不足しており、
特定の状況下では、自溶性溶接し難いことがある。

【０００４】

【発明の解決すべき課題】そこで、本発明の目的は、高
温において優れた耐酸化性を示し、凝固の際に１〜１５
のフェライト価により決定される臨界量のδ−フェライ
トが形成されることにより、良好な溶接特性を示す、ヒ
ーター素子シース用の材料を提供することである。本発
明のもう一つの目的は、魅力的な暗灰色または黒色の表
面酸化物層を形成するヒーター素子シース材料を提供す
ることである。本発明のさらに別の目的は、低コストで
ヒーター素子シースを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】これらの目的には、下記
の組成を有する新規な合金が理想的であることが分かっ
た。

【０００６】元素重量％炭素最高０．０５マンガン０．３０〜０．５０鉄残り硫黄最高０．００５ケイ素０．５０〜２．０銅最高０．７５ニッケル８．７５〜１５．５クロム１９．５〜２１．０アルミニウム０．２５〜０．６０チタン０．２５〜１．０コバルト最高１．０モリブデン最高１．０リン最高０．０２カルシウム＋マグネシウム０．００１〜０．０１５本明細書では組成はすべて重量％で表す。この合金は、
好ましくは１１．５〜１５．０％のニッケル、最高０．
００２％の硫黄および最高０．０１５％のリンを含む。
この合金の有利な組成は、約２０．５重量％のクロムお
よび約１４重量％のニッケルを含み、これによって最適
な溶接性を得ると共にシース製造の際に確実に黒色酸化
物を形成する。

【０００７】本発明は、インコロイ^R合金８４０の低コ
スト代替品として、電気レンジ、電熱器、ディッシュウ
ォッシャー等の製品のヒーター素子シースとして使用す
るための、低コストで、耐酸化性、耐応力腐食亀裂性が
あり、溶接可能で、望ましい色に酸化する強力な合金を
提供する。本発明および先行技術の酸化物の両方に関し
てここに説明する酸化物は、すべて空気−メタンの６：
１の比の混合物中で１０７８℃（１９７０°Ｆ）で加熱
することにより形成した。この方法は、現在の工業で一
般的に行われている。

【０００８】

【実施例】特許請求する合金組成物の有効性およびヒー
ター素子シースとして使用するための有用性を公知の材
料と比較して立証するために、様々な研究を行った。こ
の研究に使用した合金の化学組成を、表１に示す。

【０００９】

【表１】それぞれ１０．７５および１４．８８％のニッケルを含
む、特許請求する合金の２種類の試料（実施例Ａおよび
Ｂ）を製造した。また、タイプ３０９ステンレス鋼およ
び合金ＮＡＳＨ−２２の試料も製造した。これらの４
種類の合金を０．０６０インチ厚まで熱間および冷間加
工した。さらに、タイプ３０４および３２１ステンレス
鋼、インコロイ^R合金８００、および３種類のインコロ
イ^R合金８４０の試料も試験に加えた。タイプ３０４ス
テンレス鋼は、０．１２５インチから０．０６０インチ
に冷間圧延した。インコロイ^R合金８００は、熱間圧延
し、焼きなましした状態で０．０５インチ厚であった。
インコロイ^R合金８４０の３種類の試料は、０．３０イ
ンチまで熱間加工し、次いで０．０１８インチに冷間圧
延し、光沢焼きなましを行った。

【００１０】これらの合金の１インチ平方の試料を、電
気的に加熱した水平管状炉中、空気−メタンの６：１の
比の混合物中で、１０７８℃（１９７０°Ｆ）に加熱し
た。加熱時間は５分間で、ガス流量は毎分５００cm³で
あった。試料のほとんどは、最初に１２０グリット表面
仕上げを行った。次いで、これらの試料をコージーライ
トボート上に平らに置いた。ムライト炉管を両端で密封
し、そのボートを、気密のＯリングシールを通した押し
棒で高温区域に押し込んだ。露出後、試料を検査した。
その結果を表２に示す。

【００１１】表２空気−メタン混合気体中、１０７８℃（１９７０°Ｆ）で５分間露出した後の変色結果合金表面仕上げ色実施例Ａ１２０グリット暗灰色実施例Ｂ１２０グリット暗灰色タイプ３０４ＳＳ１２０グリット暗灰色タイプ３０９ＳＳ１２０グリット緑色タイプ３２１ＳＳ１２０グリット黒色（１）インコロイ^R合金８４０圧延＋光沢焼きなまし中灰色（１）インコロイ^R合金８４０１２０グリット暗灰色（２）インコロイ^R合金８４０圧延＋光沢焼きなまし暗灰色（２）インコロイ^R合金８４０１２０グリット暗灰色（３）インコロイ^R合金８４０圧延＋光沢焼きなまし暗灰色合金ＮＡＳＨ−２２１２０グリット緑がかった暗灰色この組成範囲は、ヒーター素子シースに必要な独特の特
性を得るために決定された。本発明を実施するには、一
方で溶接性に、他方黒色酸化物形成に影響を及ぼす、相
反する冶金学的現象の釣り合いをとる必要がある。

【００１２】そこで、緑色の酸化物スケールを形成せず
にフェライトを形成するための可能な最も高いクロム水
準を維持することが望ましかった。反対に、クロム限界
を設定すると、ニッケル含有量が限定される。その上、
ニッケル含有量は、コストの観点から制限される。１
９．５〜２１％（好ましくは、約２０．５％）のクロム
範囲および８．７５〜１５．５％（好ましくは、約１
１．０〜１５．０％）のニッケル範囲により、シース製
造の際に黒色酸化物の形成を確保しながら、最適な溶接
性を得る可能性を最も高めることができる。

【００１３】シース用合金として十分に競合できるため
には、合金は高速自溶性溶接技術に使用できなければな
らない。これは、δ−フェライトの百分率が１〜１５で
あるフェライト価により決定される様に、合金組成を注
意深く釣合わせることによってのみ達成される。本発明
におけるフェライト価は、Ｔ．Ａ．シーバート、Ｃ．
Ｎ．マッコーエン、およびＤ．Ｌ．オルソンによる技術
論文、「ステンレス鋼溶接金属における１００ＦＮに対
するフェライト価予想」、米国溶接協会出版、ウェルデ
ィングリサーチサプルメント、２８９〜２９８頁、１９
８８年１２月、に定義されている。これらの研究者は２
つの等式を定義しているが、本発明者は、ここに記載す
る合金に当てはめるためにこれらの等式を変形した。こ
れらの等式を図に示す計算図表と組み合わせることによ
り、高速自溶性溶接技術で不可欠なδ−フェライトの量
を与える、クロムおよびモリブデンと、ニッケルおよび
炭素との間の重要な関係が決定される。２つの等式と
は、（１）Ｃｒ_eq＝％Ｃｒ＋％Ｍｏ（２）Ｎｉ_eq＝％Ｎｉ＋３５ｘ（％Ｃ）である。この計算図表は、Ｃｒ_eq対Ｎｉ_eqを、座標を斜
めに横切る等値線として示す第三の変数、フェライト価
の値と共にプロットする。

【００１４】黒色の酸化物を常に与えるクロム含有量の
最大値は２０．５％なので、１．０％までのモリブデン
が合金中に存在する場合、最大許容Ｃｒ_eqは２１．５に
なる。したがって、等値線を１、すなわち望ましい最小
フェライト価に合わせると、点Ｐで、最大Ｎｉ_eqは炭素
ゼロ％で約１７．２５になり、炭素が０．０５％である
場合、ニッケル含有量は１５．５％になる。腐食の観点
から望ましい最小クロムは１９．５％と考えられるの
で、Ｃｒ_eqはゼロ％モリブデンで１９．５であり、１．
０％モリブデンで２０．５である。したがって、等値線
をフェライト価１５に合わせることにより、点Ｒで最小
Ｎｉ_eqはゼロ％炭素で約１０になり、ニッケル量は０．
０５％炭素で最小の８．７５％になる。Ｃｒ_eqおよびＮ
ｉ_eqに必要な値は、色、耐腐食性および溶接性の望まし
い特性を達成するには、図の四辺形ＰＱＲＳの中に入る
必要がある。さらに、リン含有量が０．０２％未満（好
ましくは、０．０１５％）、硫黄含有量が０．００５％
（好ましくは、０．００２％）、および脱酸素後の残留
カルシウムとマグネシウムの合計が０．００１％〜０．
０１５％である場合に最高品質の溶接部が得られる。

【００１５】ニッケルの下限８．７５％により、溶接ビ
ードが固化する際に形成されたδ−フェライトが確実に
オーステナイトに変換されるが、比較的低いニッケル含
有量により望ましい暗灰色酸化物が形成され、インコロ
イ合金８４０に類似した引っ張り特性を与えることはま
ったく予期せぬことであった。特許請求する２種類の合
金およびインコロイ合金８４０に関する引張り特性を下
記の表３で比較する。

【００１６】表３引張りデータ降伏強度極限引張り強度伸長 (ksi) (ksi) (%) 室温における引張りデータ実施例Ａ３６．５８８．６４１．０実施例Ｂ２６．１７６．１４６．０インコロイ^R合金８４０３０．８８２．８４０．０８００℃（１４７２°Ｆ）における引張りデータ実施例Ａ１５．５２３．６６６．５実施例Ｂ１３．９２９．８６６．０インコロイ^R合金８４０１５．０２６．６８１．５アルミニウムおよびチタンは、この合金の必須成分であ
る。０．２５〜０．６０％のアルミニウムは耐酸化性お
よび耐腐食性に寄与し、０．２５〜１．０％のチタン
は、炭素と共に炭化チタンとして、粒径の安定性に寄与
する。

【００１７】使用する特殊な酸化性雰囲気、すなわち空
気−メタンの６：１混合物は、簡単で、安価であり、工
業界で一般的に使用されているので選択した。他の公知
の酸化性雰囲気および方法を使用しても類似の結果を達
成できる。

【００１８】好ましい実施形態により本発明を説明した
が、当業者には容易に理解できる様に、本発明の精神お
よび範囲から逸れることなく、修正および変形を加える
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト価を求めるための計算図表である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウォルター、ハロルド、ウェンドラーアメリカ合衆国ウェストバージニア州、ハンチントン、ビーチ、ドライブ、6288、アパートメント、ナンバー、７ (72)発明者デイビッド、ブライアン、オドネルアメリカ合衆国ウェストバージニア州、ハンチントン、ロスト、バレー、ドライブ、２

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化により、暗灰色から黒色までの範囲の
色を呈する酸化物保護層を形成する、溶接可能で、耐酸
化性および耐食性を有する合金であって、重量％で、Ｎｉ：８．７５％〜１５．５％、Ｃｒ：１
９．５％〜２１．０％、Ｍｎ：０．３０％〜０．５０
％、Ｓｉ：０．５０％〜２．０％、Ａｌ：０．２５％〜
０．６０％、Ｔｉ：０．２５％〜１．０％、Ｃ：０．０
５％まで、Ｓ：０．００５％まで、Ｃｕ：０．７５％ま
で、Ｃｏ：１．０％まで、Ｍｏ：１．０％まで、Ｐ：
０．０２％まで、Ｃａ＋Ｍｇ：０．００１％〜０．０１
５％含有し、残部が実質的にＦｅからなり、フェライト相が、容積％で、１％〜１５％占有し、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、ＮｉおよびＣの量が下記の（１）および
（２）式により決定され、（１）Ｃｒｅｑ＝％Ｃｒ＋％Ｍｏ（２）Ｎｉｅｑ＝％Ｎｉ＋３５（％Ｃ）ＣｒｅｑとＮｉｅｑの許容値が、下記の座標で表わされ
るＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓの各点で囲まれる図１に示す四辺形Ｐ
ＱＲＳの中にあることを特徴とするヒーターシース合
金。Ｐ（２１．５，１７．２）Ｑ（２１．５，１２．２）Ｒ（１９．５，１０．２）Ｓ（１９．５，１４．６）