JPH06158276A - 絶縁性および耐高温酸化性に優れた酸化Al被覆鉄材料 - Google Patents
絶縁性および耐高温酸化性に優れた酸化Al被覆鉄材料Info
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- JPH06158276A JPH06158276A JP4333869A JP33386992A JPH06158276A JP H06158276 A JPH06158276 A JP H06158276A JP 4333869 A JP4333869 A JP 4333869A JP 33386992 A JP33386992 A JP 33386992A JP H06158276 A JPH06158276 A JP H06158276A
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- Japan
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- iron
- film
- al2o3
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 耐高温酸化性が高い絶縁性表面を有する鉄
基材料の提供。 【構成】 Alを含有した鉄基材をAl2O3で被覆す
る。
基材料の提供。 【構成】 Alを含有した鉄基材をAl2O3で被覆す
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、表面が絶縁化されてお
り、しかも高温加熱を繰り返しても絶縁性が失われるこ
とがなく、また、耐高温酸化性が高い絶縁性表面を有す
る鉄基材料に関する。
り、しかも高温加熱を繰り返しても絶縁性が失われるこ
とがなく、また、耐高温酸化性が高い絶縁性表面を有す
る鉄基材料に関する。
【0002】
【従来の技術】ヒーター用などの電気発熱材料には耐熱
性を必要とするためNi−Cr系合金、Fe−Cr−A
l系合金またはPtなどが用いられている。これらは電
気的に絶縁しなければならないことが多く、その場合に
は、セラミックスなどの材料で絶縁している。線状また
は板状などの発熱体では表面全体を絶縁しなければなら
ない場合があり、その場合には耐熱性のガラス繊維やセ
ラミックス繊維でできた絶縁物やアスベストなどで覆っ
たり、管状の絶縁物の中を通したりしている。高温用の
耐熱絶縁材料としてはセラミックスが多用されている。
性を必要とするためNi−Cr系合金、Fe−Cr−A
l系合金またはPtなどが用いられている。これらは電
気的に絶縁しなければならないことが多く、その場合に
は、セラミックスなどの材料で絶縁している。線状また
は板状などの発熱体では表面全体を絶縁しなければなら
ない場合があり、その場合には耐熱性のガラス繊維やセ
ラミックス繊維でできた絶縁物やアスベストなどで覆っ
たり、管状の絶縁物の中を通したりしている。高温用の
耐熱絶縁材料としてはセラミックスが多用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】鉄基材を絶縁体などで
覆うことは体積が大きくなり使用に際して制限が大きく
なる。絶縁体がセラミックスの場合は加工なども大型に
なると困難になるという問題もある。発熱体の場合は、
絶縁材料で物理的に表面を覆うと直接熱が伝わらず、発
熱体から空気層を介して絶縁材料に熱が伝わり、その熱
が被加熱物に伝わるため被加熱物の昇温が遅くなったり
する。表面を覆った絶縁物が放射熱の反射体となるた
め、被加熱物の昇温がさらに遅くなる。これらの問題を
解決するため、絶縁性のセラミックスで表面を被覆すれ
ばよいが、発熱材料である金属との熱膨張率の差から被
覆のセラミックス層にクラックや剥離が生じたり、それ
によって絶縁性の低下、クラックおよび剥離の発生の部
分から急速に酸化が進んだりする。高温用の絶縁性セラ
ミックスを用いる場合、セラミックスが熱衝撃に弱いた
めセラミックスが割れたりして使用不能になったりする
ことが多い。
覆うことは体積が大きくなり使用に際して制限が大きく
なる。絶縁体がセラミックスの場合は加工なども大型に
なると困難になるという問題もある。発熱体の場合は、
絶縁材料で物理的に表面を覆うと直接熱が伝わらず、発
熱体から空気層を介して絶縁材料に熱が伝わり、その熱
が被加熱物に伝わるため被加熱物の昇温が遅くなったり
する。表面を覆った絶縁物が放射熱の反射体となるた
め、被加熱物の昇温がさらに遅くなる。これらの問題を
解決するため、絶縁性のセラミックスで表面を被覆すれ
ばよいが、発熱材料である金属との熱膨張率の差から被
覆のセラミックス層にクラックや剥離が生じたり、それ
によって絶縁性の低下、クラックおよび剥離の発生の部
分から急速に酸化が進んだりする。高温用の絶縁性セラ
ミックスを用いる場合、セラミックスが熱衝撃に弱いた
めセラミックスが割れたりして使用不能になったりする
ことが多い。
【0004】
【問題点を解決するための手段】前記の問題はAlを含
有する鉄基材の表面を酸化Alで被覆することによって
解決される。
有する鉄基材の表面を酸化Alで被覆することによって
解決される。
【発明の構成】本発明は、Alを含有する鉄基材とその
表面を酸化Alの被覆からなる材料を提供する。本発明
の材料の鉄基材は 0.5〜8wt%のAlを含有する。
酸化Al層の厚さは、特に限定されない。厚い程絶縁性
は高いが、厚すぎると可撓性は制限される。本発明の材
料の鉄基材はAlに加えて8〜35wt%のCr、およ
び合計で0.2wt%以下の希土類とYの少なくとも一
種を含んでいてもよい。
表面を酸化Alの被覆からなる材料を提供する。本発明
の材料の鉄基材は 0.5〜8wt%のAlを含有する。
酸化Al層の厚さは、特に限定されない。厚い程絶縁性
は高いが、厚すぎると可撓性は制限される。本発明の材
料の鉄基材はAlに加えて8〜35wt%のCr、およ
び合計で0.2wt%以下の希土類とYの少なくとも一
種を含んでいてもよい。
【0005】
【作用】本発明の材料は、鉄基材中にAlが含有されて
いることにより、Al203膜にクラックや剥離が生じて
も加熱中に鉄基材中のAlが酸化しそのクラック部にA
l2O3膜が生じてクラック部分が自然に修復(自己修
復)される。鉄基材中のAlの含有量は 0.5wt%以
上でないと自己修復作用は現われない。上限は8wt%
であり、8wt%を超えると熱衝撃に弱くなる。
いることにより、Al203膜にクラックや剥離が生じて
も加熱中に鉄基材中のAlが酸化しそのクラック部にA
l2O3膜が生じてクラック部分が自然に修復(自己修
復)される。鉄基材中のAlの含有量は 0.5wt%以
上でないと自己修復作用は現われない。上限は8wt%
であり、8wt%を超えると熱衝撃に弱くなる。
【0006】鉄基材が箔などの場合はクラックの発生と
自己修復の繰り返しによって含有しているAlが枯渇す
る場合がある。このようになると導電性のFe酸化物が
急速に成長し、Al2O3膜が剥離し、絶縁性が喪失す
る。Fe酸化物の成長は鉄基材中に8wt%以上のCr
を含有させることによって防止することができる。これ
は鉄基材中にCrを含有させることによって、Alが枯
渇する場合にCr2O3やFeO・Cr2O3が緻密にで
き、その後の酸化物の成長を抑え、Al2O3膜の剥離が
急速に進むことがないためである。Cr含有量の上限は
35wt%である。35wt%を超えると鉄基材が30
0℃以下で極めて脆くなり加工ができなくなる。鉄基材
中にCrを含有させることによって鉄基材中のAlが枯
渇した場合においてもFe酸化物の成長による急速なA
l2O3膜の剥離およびそれによる絶縁性、耐高温酸化性
の喪失がなくなる。また、Crを含有させることによっ
て素材の靭性および加工性も高まる。
自己修復の繰り返しによって含有しているAlが枯渇す
る場合がある。このようになると導電性のFe酸化物が
急速に成長し、Al2O3膜が剥離し、絶縁性が喪失す
る。Fe酸化物の成長は鉄基材中に8wt%以上のCr
を含有させることによって防止することができる。これ
は鉄基材中にCrを含有させることによって、Alが枯
渇する場合にCr2O3やFeO・Cr2O3が緻密にで
き、その後の酸化物の成長を抑え、Al2O3膜の剥離が
急速に進むことがないためである。Cr含有量の上限は
35wt%である。35wt%を超えると鉄基材が30
0℃以下で極めて脆くなり加工ができなくなる。鉄基材
中にCrを含有させることによって鉄基材中のAlが枯
渇した場合においてもFe酸化物の成長による急速なA
l2O3膜の剥離およびそれによる絶縁性、耐高温酸化性
の喪失がなくなる。また、Crを含有させることによっ
て素材の靭性および加工性も高まる。
【0007】鉄基材とAl2O3膜の間には熱膨張率の差
によってAl2O3膜の剥離が生じる場合があるが、鉄基
材中に希土類元素とYの少なくとも1種を含有させるこ
とによってAl2O3膜の密着性が高まり、剥離が少なく
なる。このことによってAl2O3膜の剥離後の自己修復
作用による鉄基材中のAlの消耗が少なくなる。これは
鉄基材が箔などの場合には特に有効であり、絶縁性が早
期に失われることがなくなる。しかし、希土類元素およ
び/またはYの合計が 0.2wt%を越えると介在物と
して鉄基材中に析出するため、Al2O3膜が剥離しやす
くなる。このため、希土類元素および/またはYの含有
量の合計は 0.2wt%以下にすべきである。希土類お
よび/またはYの含有により、Al2O3膜の密着性が高
まり、加熱、冷却を繰り返してもAl2O3膜が剥離する
ことが少なくなる。これによって鉄基材中のAlの消費
速度が小さくなり、長期に渡り絶縁性が維持される。ま
た、耐高温酸化性も維持される。
によってAl2O3膜の剥離が生じる場合があるが、鉄基
材中に希土類元素とYの少なくとも1種を含有させるこ
とによってAl2O3膜の密着性が高まり、剥離が少なく
なる。このことによってAl2O3膜の剥離後の自己修復
作用による鉄基材中のAlの消耗が少なくなる。これは
鉄基材が箔などの場合には特に有効であり、絶縁性が早
期に失われることがなくなる。しかし、希土類元素およ
び/またはYの合計が 0.2wt%を越えると介在物と
して鉄基材中に析出するため、Al2O3膜が剥離しやす
くなる。このため、希土類元素および/またはYの含有
量の合計は 0.2wt%以下にすべきである。希土類お
よび/またはYの含有により、Al2O3膜の密着性が高
まり、加熱、冷却を繰り返してもAl2O3膜が剥離する
ことが少なくなる。これによって鉄基材中のAlの消費
速度が小さくなり、長期に渡り絶縁性が維持される。ま
た、耐高温酸化性も維持される。
【0008】酸化Alで被覆する手段として、PVD
法、CVD法、溶射法など種々の方法を採用することが
できる。緻密で密着性のよいAl2O3層を得るためには
PVD法またはCVD法を採用する方がよい。緻密で密
着性がよくなることによって薄い被覆膜で高い絶縁性が
得られるようになる。PVD法とCVD法を比較すると
PVD法の方が高速度で被覆することが可能である。ま
たPVD法の中でも特開平3−72069号および特開
平4−124263号に記載されているイオン化蒸着法
が生産性よく高速度で被覆することが可能である。イオ
ン化蒸着法とはるつぼ中の金属とるつぼ上方の電極との
間でアーク放電を発生させ、そのアーク放電中で蒸発し
た金属を一部もしくは全部をイオン化させ、その蒸気を
酸素が存在する真空中で基板に蒸着させる方法である。
金属蒸気の一部もしくは全部がイオン化しているため、
金属蒸気と酸素との反応性が高くなり、高速に酸化Al
膜が蒸着できる。
法、CVD法、溶射法など種々の方法を採用することが
できる。緻密で密着性のよいAl2O3層を得るためには
PVD法またはCVD法を採用する方がよい。緻密で密
着性がよくなることによって薄い被覆膜で高い絶縁性が
得られるようになる。PVD法とCVD法を比較すると
PVD法の方が高速度で被覆することが可能である。ま
たPVD法の中でも特開平3−72069号および特開
平4−124263号に記載されているイオン化蒸着法
が生産性よく高速度で被覆することが可能である。イオ
ン化蒸着法とはるつぼ中の金属とるつぼ上方の電極との
間でアーク放電を発生させ、そのアーク放電中で蒸発し
た金属を一部もしくは全部をイオン化させ、その蒸気を
酸素が存在する真空中で基板に蒸着させる方法である。
金属蒸気の一部もしくは全部がイオン化しているため、
金属蒸気と酸素との反応性が高くなり、高速に酸化Al
膜が蒸着できる。
【0009】被覆する酸化Al膜は完全に酸化されたA
l2O3でなければならない。完全に酸化されていない酸
化Al(不飽和酸化Al)は絶縁性がないので、それで
被覆した場合は絶縁性を付与するため、空気中または酸
化雰囲中で加熱し、完全に酸化したAlすなわちAl2
O3にしなければならない。すなわち最終的には鉄基材
表面はAl2O3膜で覆われていなければならない。不飽
和酸化Al膜は酸化工程で体積膨張をし、クラックが生
じたり剥離する場合があるため、最初の酸化膜形成にお
いて酸素濃度が30原子%以上になるように不飽和酸化
Al層で被覆しなければならない。
l2O3でなければならない。完全に酸化されていない酸
化Al(不飽和酸化Al)は絶縁性がないので、それで
被覆した場合は絶縁性を付与するため、空気中または酸
化雰囲中で加熱し、完全に酸化したAlすなわちAl2
O3にしなければならない。すなわち最終的には鉄基材
表面はAl2O3膜で覆われていなければならない。不飽
和酸化Al膜は酸化工程で体積膨張をし、クラックが生
じたり剥離する場合があるため、最初の酸化膜形成にお
いて酸素濃度が30原子%以上になるように不飽和酸化
Al層で被覆しなければならない。
【0010】
[実施例1]鋼中のAl含有量を変化させて表1に示す
組成の鋼板を作製し、それに特開平3−72069号お
よび特開平4−124263号に記載のイオン化蒸着法
によって酸素濃度50原子%の酸化Alを両面に蒸着し
た。その後、加熱冷却試験を行った。鋼板の大きさは3
0×80mmとし、板厚は 2.5mmとした。蒸着した
酸化Alの膜厚は0.5μmとした。加熱冷却は 100
〜900℃まで2℃/秒で昇温、900℃で600秒保
持、900〜100℃まで放冷のサイクルを100サイ
クル繰り返した。また、100サイクル後の鋼板の両面
に銅電極を接触させ、直流電圧を印加して電気絶縁抵抗
を測定した。なお、加熱放冷試験前の試料の絶縁抵抗は
1×1012Ωm以上であった。
組成の鋼板を作製し、それに特開平3−72069号お
よび特開平4−124263号に記載のイオン化蒸着法
によって酸素濃度50原子%の酸化Alを両面に蒸着し
た。その後、加熱冷却試験を行った。鋼板の大きさは3
0×80mmとし、板厚は 2.5mmとした。蒸着した
酸化Alの膜厚は0.5μmとした。加熱冷却は 100
〜900℃まで2℃/秒で昇温、900℃で600秒保
持、900〜100℃まで放冷のサイクルを100サイ
クル繰り返した。また、100サイクル後の鋼板の両面
に銅電極を接触させ、直流電圧を印加して電気絶縁抵抗
を測定した。なお、加熱放冷試験前の試料の絶縁抵抗は
1×1012Ωm以上であった。
【0011】
【表1】
【0012】結果を鋼板の組成とともに表1に示す。鋼
中の Al含有量が高い場合、Al2O3膜にクラックお
よび剥離が発生してもその部分の鋼中の Alが酸化さ
れて修復されるため、高い絶縁抵抗が維持された。鋼中
のAl濃度が低い場合、初期のAl2O3膜のクラックお
よび剥離の発生部分から鋼素地は酸化し、Al2O3膜は
鋼素地の酸化と加熱冷却の繰り返しによってほとんどが
剥離してしまった。そのため、絶縁抵抗が非常に低くな
った。
中の Al含有量が高い場合、Al2O3膜にクラックお
よび剥離が発生してもその部分の鋼中の Alが酸化さ
れて修復されるため、高い絶縁抵抗が維持された。鋼中
のAl濃度が低い場合、初期のAl2O3膜のクラックお
よび剥離の発生部分から鋼素地は酸化し、Al2O3膜は
鋼素地の酸化と加熱冷却の繰り返しによってほとんどが
剥離してしまった。そのため、絶縁抵抗が非常に低くな
った。
【0013】[実施例2]厚さ50μm、30×80m
mの鋼箔を試料とした。これに実施例1と同様にイオン
化蒸着法によってAl2O3を 0.5μmずつ両面に蒸着
した。加熱冷却試験は大気中で100〜1000℃まで
3℃/秒で昇温、1000℃での保持時間し、1000
〜100℃まで放冷のサイクルを6000サイクル繰り
返した。加熱冷却試験後のAl2O3膜の電気絶縁抵抗の
求め方は実施例1と同じである。表2に結果を鋼箔の組
成と共に示す。鋼箔中にCrが含有される場合、鋼箔中
のAlが枯渇してもクラックまたは剥離の発生部から急
速に鋼箔の酸化が進まないため、Al2O3膜が残存し
た。そのため、絶縁性が維持された。
mの鋼箔を試料とした。これに実施例1と同様にイオン
化蒸着法によってAl2O3を 0.5μmずつ両面に蒸着
した。加熱冷却試験は大気中で100〜1000℃まで
3℃/秒で昇温、1000℃での保持時間し、1000
〜100℃まで放冷のサイクルを6000サイクル繰り
返した。加熱冷却試験後のAl2O3膜の電気絶縁抵抗の
求め方は実施例1と同じである。表2に結果を鋼箔の組
成と共に示す。鋼箔中にCrが含有される場合、鋼箔中
のAlが枯渇してもクラックまたは剥離の発生部から急
速に鋼箔の酸化が進まないため、Al2O3膜が残存し
た。そのため、絶縁性が維持された。
【0014】
【表2】
【0015】鋼箔中に希土類元素あるいは/またはYが
含有される場合、Al2O3膜の密着性が高まり、Al2
O3膜の剥離がなくなり、クラックの部分だけが自己修
復され、鋼箔中のAlの消費量が少なくなったため絶縁
抵抗が維持された。鋼箔中に希土類元素あるいは/また
はYが含有されない場合またはCrの含有量が少ない場
合は、長期の加熱冷却によって鋼箔の酸化およびAl2
O3膜の剥離が進み、絶縁性がなくなった。加熱冷却後
の鋼箔中のAl濃度は 0.05wt%以下であった。こ
れは、鋼箔などのように表面積に比べて体積が小さい材
料では、長時間の加熱冷却中に自己修復作用によって鋼
箔中のAlが消費されAlが早期に枯渇し、自己修復作
用が行われなくなったためと考えられる。
含有される場合、Al2O3膜の密着性が高まり、Al2
O3膜の剥離がなくなり、クラックの部分だけが自己修
復され、鋼箔中のAlの消費量が少なくなったため絶縁
抵抗が維持された。鋼箔中に希土類元素あるいは/また
はYが含有されない場合またはCrの含有量が少ない場
合は、長期の加熱冷却によって鋼箔の酸化およびAl2
O3膜の剥離が進み、絶縁性がなくなった。加熱冷却後
の鋼箔中のAl濃度は 0.05wt%以下であった。こ
れは、鋼箔などのように表面積に比べて体積が小さい材
料では、長時間の加熱冷却中に自己修復作用によって鋼
箔中のAlが消費されAlが早期に枯渇し、自己修復作
用が行われなくなったためと考えられる。
【0016】
【発明の効果】Alを含有した鉄基材がAl2O3で被覆
されているため、加熱冷却が繰り返されAl2O3膜にク
ラックが入ったり、Al2O3膜が剥離してもその部分の
鉄基材中のAlが酸化してAl2O3となりAl2O3膜が
自然に修復される(自己修復作用)。また、そのことに
よって、耐高温酸化性が高まる。最初に表面を被覆する
ものは不飽和の酸化Alでもよい。不飽和酸化Al膜は
最初の加熱過程で完全に酸化されAl2O3膜に変化す
る。また、材料として用いる前に酸化性雰囲気で加熱し
てもよい。Al以外にCrが含有されていると鉄基材中
のAlが枯渇した場合に鉄基材によるAl2O3膜の剥離
が生じにくくなる。さらに希土類元素および/またはY
が含有されているとAl2O3膜の密着性が高まり、剥離
が生じなくなる。このため自己修復作用による鉄基材中
のAlの消費が少なくなり、寿命が延びる。箔など体積
に比較して表面積が大きい材料には希土類元素、Yおよ
びCrを含有させることが特に有効である。またこのこ
とによって耐高温酸化性がより高まる。
されているため、加熱冷却が繰り返されAl2O3膜にク
ラックが入ったり、Al2O3膜が剥離してもその部分の
鉄基材中のAlが酸化してAl2O3となりAl2O3膜が
自然に修復される(自己修復作用)。また、そのことに
よって、耐高温酸化性が高まる。最初に表面を被覆する
ものは不飽和の酸化Alでもよい。不飽和酸化Al膜は
最初の加熱過程で完全に酸化されAl2O3膜に変化す
る。また、材料として用いる前に酸化性雰囲気で加熱し
てもよい。Al以外にCrが含有されていると鉄基材中
のAlが枯渇した場合に鉄基材によるAl2O3膜の剥離
が生じにくくなる。さらに希土類元素および/またはY
が含有されているとAl2O3膜の密着性が高まり、剥離
が生じなくなる。このため自己修復作用による鉄基材中
のAlの消費が少なくなり、寿命が延びる。箔など体積
に比較して表面積が大きい材料には希土類元素、Yおよ
びCrを含有させることが特に有効である。またこのこ
とによって耐高温酸化性がより高まる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松野 雅典 大阪府堺市石津西町5番地 日新製鋼株式 会社鉄鋼研究所表面処理研究部内 (72)発明者 斎藤 実 大阪府堺市石津西町5番地 日新製鋼株式 会社鉄鋼研究所表面処理研究部内
Claims (4)
- 【請求項1】 Alを含有する鉄基材とその表面に形成
された酸化Alの被覆からなる材料。 - 【請求項2】 鉄基材が 0.4〜8wt%のAlを含有
していることを特徴とする請求項1に記載の材料。 - 【請求項3】 鉄基材がさらに8〜35wt%のCrを
含有していることを特徴とする請求項1または請求項2
に記載の材料。 - 【請求項4】 鉄基材がさらに希土類元素とYの少なく
とも1種を合計で0.2 wt%以下含有していることを
特徴とする請求項1、請求項2または請求項3に記載の
材料。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4333869A JPH06158276A (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 絶縁性および耐高温酸化性に優れた酸化Al被覆鉄材料 |
DE69318515T DE69318515T2 (de) | 1992-11-20 | 1993-11-19 | Eisen-Basis-Legierung mit hoher Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten temperaturen und Verfahren zur Herstellung deselben |
KR1019930024703A KR100265101B1 (ko) | 1992-11-20 | 1993-11-19 | 고온에서의 우수한 내산화성을 가진 철계 재료 및 그 제조방법 |
EP93118671A EP0599225B1 (en) | 1992-11-20 | 1993-11-19 | Iron-based material having excellent oxidation resistance at elevated temperatures and process for the production thereof |
US08/155,373 US5631090A (en) | 1992-11-20 | 1993-11-22 | Iron-based material having excellent oxidation resistance at elevated temperatures and process for the production thereof |
US08/467,637 US5612090A (en) | 1992-11-20 | 1995-06-06 | Iron-based material having excellent oxidation resistance at elevated temperatures and process for the production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4333869A JPH06158276A (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 絶縁性および耐高温酸化性に優れた酸化Al被覆鉄材料 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06158276A true JPH06158276A (ja) | 1994-06-07 |
Family
ID=18270862
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4333869A Withdrawn JPH06158276A (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 絶縁性および耐高温酸化性に優れた酸化Al被覆鉄材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06158276A (ja) |
-
1992
- 1992-11-20 JP JP4333869A patent/JPH06158276A/ja not_active Withdrawn
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