(57)【要約】      （修正有）【課題】シグマ相（σ相）と、耐熱性、耐酸化性等の高Cr含有Fe-Cr合金の特徴を生かした新しいFe-Cr合金を提供する。【解決手段】FeとCrを主成分とし、表面部のみにσ相を有するFe-Cr合金とする。Fe-Cr合金は、Crのモル分率をx、Feのモル分率をyとしたときx/(x+y)が0.26以上0.75以下であり、表面部σ相の厚みが表面から200μｍ以下であり、さらに表面硬度が450Hv以上である。FeとCrを主成分とし、Crのモル分率をx、Feのモル分率をyとしたときx/(x+y)が0.47以上0.75以下のFe-Cr合金を熱処理し、表面部にσ相を生成させるFe-Cr合金の製造方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面部にのみシグマ相（σ相）を有することを特徴とするFeとCrを主成分とするFe-Cr合金。
【請求項２】
Crのモル分率をx、Feのモル分率をyとしたときx/(x+y)が0.26以上0.75以下であることを特徴とする請求項１に記載の合金
【請求項３】
表面部σ相の厚みが表面から200μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の合金。
【請求項４】
表面硬度が450Hv以上であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の合金
【請求項５】
FeとCrを主成分とし、Crのモル分率をx、Feのモル分率をyとしたときx/(x+y)が0.47以上0.75以下のFe-Cr合金を熱処理し、表面部にσ相を生成させることを特徴とするFe-Cr合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄クロム（Fe-Cr）合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェライト系ステンレス鋼として知られるFe-Cr合金はCr含有量が多いほど高い耐熱性、耐酸化性を示すものの、Cr含有量が多い時硬くて脆いσ相が発生する。そして従来の溶製法では高クロム含有合金はσ相が多く析出し、強度、加工性の面で実用化が難しいという問題がある。
【０００３】
そこで、従来より、このようなσ相の生成を抑制するための方策が様々試みられている。
【０００４】
例えば、鉄クロム合金を超高純度化することが行われている。（参考特許１）
同様にσ相の生成を抑制するために、Fe粉末とCr粉末を機械的合金化法により合金化する方法が提案されている（特許文献２、非特許文献１）。特許文献２によれば、大気圧以上の加圧を保持したまま熱処理を行ってもσ相の生成は認められず、高強度な材料が得られている。
【０００５】
また、σ相の析出を促進する元素として、Mo,Si,V,Nb,Ti,W,Taなどがあり、σ相の析出を抑制する元素としてNi,Co,C,Nがあることが知られている。このような知見によれば、Fe-Cr合金にこれらの元素を添加して、σ相の制御を行うことができることになる。そこで、従来では、一般的に、σ相が析出すると、Fe-Cr合金は脆化するため、析出しないように元素の添加や、熱処理などの方策を採用してFe-Cr合金を製造してきている。
【０００６】
このように、従来は、σ相をできるだけ析出しないように検討されてきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−３０２１５２号公報
【特許文献２】特許３０５４７０３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】粉体粉末冶金協会vol.44（1997)No.6、p.560〜564
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、σ相の析出を抑制しようとする従来の試みは、Fe-Cr合金の組成制御や製造のための実際上の管理コントロールが複雑、面倒であって、高コスト化が避けられなかった。
【００１０】
本発明は、このようなσ相抑制という従来技術の問題点を解消し、耐熱性や耐酸化性等の高Cr含有量Fe-Cr合金の優れた特性を生かすことのできる新しいFe-Cr合金を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のFe-Cr合金は、上記の課題を解決するため、以下のことを特徴としている。
【００１２】
すなわち、本発明のFe-Cr合金は、
表面部にのみシグマ相（σ相）を有することを特徴とするFeとCrを主成分とするFe-Cr合金である。
【００１３】
このFe-Cr合金においては、Crのモル分率をx、Feのモル分率をyとしたとき、x/(x+y)が0.26以上0.75以下であることが好ましい。
【００１４】
また、表面部のσ相の厚みが表面から200μｍ以下であること、そして、表面硬度が450Hv以上であることが好ましい。
【００１５】
本発明は、また、FeとCrを主成分とし、Crのモル分率をx、Feのモル分率をyとしたとき、x/(x+y)が0.26以上0.75以下のFe-Cr合金を熱処理し、表面部にのみσ相を生成させることを特徴とするFe-Cr合金の製造方法も提供する。
【００１６】
つまり、本発明は、通常であればσ相が全体に析出するようなCr含有量が多い組成の鉄クロム合金において、表面部にのみσ相を析出させることにより表面部に優れた機能（高硬度、耐酸化性、高電気抵抗、非磁性）を持たせた合金材料を提供するものである。
【発明の効果】
【００１７】
高クロムFe-Cr合金の表面部のみにσ相を存在させることにより、脆化を防止しながら表面を硬化させることができるため、強度を低下させること無く、強度と硬さを両立させたステンレス等の合金製品とすることができる。また、余計な添加物を必要としないため、リサイクルに適した環境に優しい材料である。さらには、表面部にσ相を析出させることにより接触抵抗を低く保つことができるため、固体高分子形燃料電池セパレータなどの電気部材として応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】TTT線図である。
【図２】熱処理温度に対するビッカース硬度を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
Fe-Cr二元状態図によれば、σ相が析出する範囲はクロムが26〜75モル％含まれている場合である。この範囲内において特にσ相が単独で析出し、それにともなって析出の温度上限が高いクロムが43〜50モル％含まれていることが望ましい。すなわち、Crのモル分率をx、Feのモル分率をyとしたとき、x/(x+y)の比は0.26以上0.75以下である。より実際的には0.43〜0.50の範囲が好適に例示される。
【００２０】
本発明のFe-Cr合金は、FeとCrを主成分とするものであって、以上のようなシグマ相(σ相）が表面部のみに存在していること、つまり合金の厚み方向において内部とは区別される表面部のみにσ相を有していることが本質的な特徴である。この場合の内部はσ相を有していない領域として明確に区分される。このような本発明のFe-Cr合金は、次のように製造することができる。
【００２１】
すなわち、σ相が生成していない高Cr含有Fe-Cr合金材料に対して、これを大気中、真空中、不活性ガス中、もしくは酸素含有ガス中で適温にて熱処理することにより、表面部にのみσ相を析出させ、表面部にのみに内部とは異なる機能性を持つ合金とする。
【００２２】
この場合、σ相は生成していないが、その組成において上記のようにσ相生成が可能である高Cr含有Fe-Cr合金として各種の方法により得られたものを原材料として用いることができる。例えば前述したような従来の高純度Fe-Cr合金や機械的合金化法によるFe-Cr合金、あるいはまた、σ相抑制元素を添加したFe-Cr合金等であってよい。
【００２３】
σ相が生成する温度範囲は、Fe-Cr二元状態図からはおよそ545℃〜820℃であるが、表面部のみでのσ相生成のためには、対象Fe-Cr合金の厚みとσ相生成の表面部（層）の厚みを考慮して熱処理の温度と時間とが選択される。
【００２４】
表面部のσ相の厚みは、表面から200μｍとすることが好適なものとして例示されるが、この場合は、例えば、温度550℃〜650℃未満で３時間以上での熱処理が、また、温度650℃以上で800℃未満で３時間以内での熱処理が好ましく考慮される。
【００２５】
σ相制御の元素が添加されている場合には、上記の温度、時間を考慮しつつ、好ましい温度と加熱時間とが選択される。いずれの場合においても本発明での表面部におけるσ相は、分散析出としてあることが留意されている。
【００２６】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の例によって限定されるものではない。
【実施例】
【００２７】
＜実施例１＞
【００２８】
Fe-48at%Crとなるように、純度99.8%のFe粉末2.69gと純度99.9%のCr粉末2.31gを高速回転できる遊星型ボールミルを用いて機械的合金化を行った。
【００２９】
この高速メカニカルアロイングの条件は次のとおりとした。
【００３０】
・原料Cr、Fe粉末の粒径範囲  Fe：約100μｍ（神戸製鋼300NH）  Cr：100
mesh
・粉砕球（ボール）の球径範囲  φ５mm
・原料粉末と粉砕球（ボール）との重量比  １：20
・回転数の範囲  900rpm
・操作時間範囲  10分
なお、容器と5mm径の粉砕球にはクロム鋼を用いた。この時得られた粉末のX線回折測定を行うことで、10分以内に均質化することが確かめられた。粉末を1000℃、5分間10Pa以下の真空条件で通電焼結することにより緻密な焼結体が得られた。焼結体のX線回折測定からはσ相が存在する証拠は得られなかった。この焼結体を電気炉中で700℃、30分間熱処理した後水中で急冷して熱処理体を得た。表面と切断面のX線回折測定を行った結果、表面にはσ相の存在が確認できたが、切断面にはσ相の存在は確認できなかった。また、10-3Pa以下の真空中で700℃、30分間熱処理した場合も表面にはσ相の存在が確認できたが、切断面にはσ相の存在は確認できなかった。
＜実施例２＞
【００３１】
実施例１と同様に焼結体を作製し、熱処理温度および時間を変化させて、表面および断面のX線回折測定を行い、σ相の生成状況を調べた。図１に示すように、温度と時間と生成相の関係を得ることができた（TTT線図）。その結果、表面にのみσ相を生成できる条件が確認された。
＜実施例３＞
【００３２】
実施例１と同様に焼結体を作製し、700℃30分および700℃2時間で熱処理した試料において、X線回折測定と研磨を繰り返しながら、σ相の生成範囲を測定したところ、熱処理条件700℃、30分では、σ相は表面から50μｍまで生成していた。また、700℃、2時間では、150μｍまでσ相が生成していた。
＜実施例４＞
【００３３】
実施例１と同様に焼結体を作製し、温度を600℃、700℃、800℃、900℃と変化させ、時間は30分で固定して熱処理を行った。作製した材料の表面のビッカース硬度を調べた。結果を図２に示す。温度が上昇するに従って硬度が上昇するのは表面の酸化によるものであり、この場合硬度は温度に対して線形に増加するが、700℃の場合、その直線から外れている。上記の熱処理条件のうち、σ相が生成するのは、700℃の場合のみであり、このことから、表面にσ相が生成することにより、硬度が約500Hvへと著しく上昇することがわかった。
【図１】
2013241635.tif 000002
【図２】
2013241635.tif 000003