Fe-Al 合金を利用した高機能ハイブリッドクラッド加工材の創製
東北大学金属材料研究所
助教授 正橋直哉（平成 14 年度研究開発助成 AF-2002018）

キーワード：複合鋼板、クラッド加工、変形抵抗
表 1 化学分析値（Fe, Al, Cr, Mo は at.%、他は wt.%）

１．研究の目的と背景

試料

Fe-Al合金は、Alの高い固溶硬化により著しい強度を示し、

FeAl

CrMo

O

N

C

添加量増加による規則構造の出現により更なる強化をもた

CrMo

94.3

-----

5.4

0.29

0.03410.00020.00003

らす。この高い強度は高温でも保持され、また高濃度のAlが

14Al

86.4

13.6----------

0.03800.00110.00065

高温下ではAl2O3を形成することから1)、高温耐熱材料として

20Al

80.4

19.6----------<0.0030.00150.00135

期待されている2)。またこの合金系は、合金元素の添加を施すことなく高い強度を有するだけでなく、構成元素がFeとAl

２・１ 熱間加工シミュレーター実験という資源的にも潤沢で安価であることから、資源保全のエネルギー材料として魅力的である。しかし、規則構造に由来圧延材から 6.5 mmφx 9. 5mmの円柱試験片を作製し、熱する低靭性・低延性は加工度の低下を引き起こし、実用化

間加工シミュレーター（富士電波工機）にて、初期歪み速度にはいたっていない。

1.0s-1で、873K〜1273Kの温度範囲にて約 30%の圧縮変形

著者らは、この合金の優れた強度と耐食性に着目し、実を施す。変形時の真応力―真歪み線図を作製し、各温度・用鋼板の表層に接合させることで高い機能を有する複合鋼

各真歪みにおけるFe-Al合金とCrMoとの真応力比を算出する。

3)板を考案し 、その作製方法としてクラッド圧延による一体成型加工を提案した。しかし予備実験から健全な一体成型加２・２ クラッド圧延加工

工を施すには、異種材料間の変形抵抗比の調整が必要であることが明らかとなり4)、加工を施す前に、圧延速度に相当5mm 厚の CrMo 鋼板を 2mm 厚の Fe-Al 合金で挟み、する高い歪み速度下での熱間加工シミュレーターにて圧縮1273K で 21.6ks の予備接合を真空下で施す。接合材は圧応力の温度依存性を把握することとした。本研究の目的は、延方向前面をワニ口割れ防止の目的から溶接を施す。加工

熱間加工シミュレーターの実験結果を参考にクラッド加工条シミュレーター実験にて求めた加工条件にて、加工率約件を決め、クラッド加工により複合鋼板創製を作製すると共70%のクラッド圧延を施す。圧延材は断面組織観察、およびに、その変形特性・耐食特性を明らかにすることである。あTexture 測定に供する。

わせて実用化の上で必須のコイル巻き取り化を検討するた

２・３ 供与特性めに、薄板複合鋼板の作製を試みる。

クラッド圧延材から 37 ×4.5×2.8 mm3の試験片を圧延方向が長手方向になるように切り出し、研磨調整後、三点曲げ試

２．実験方法験を行い、曲げ変形から二次加工性を評価した。また、20 x供試材組成は、Fe-Al 合金は Fe-14,20 at.% Al（以後 14Al,10 x 0.15 mm3の試験片を切り出し、0.01N H2SO4 水溶液中20Al と略記）、鋼板は Fe-5.4 at.% Cr-0.3 at.% Mo (CrMo とにて、333Kで 10.8ksの腐食試験を行った。試験は 1.8ksごと略記)とし、水冷銅ハースを使用した Ar アーク法にて作製しに腐食損量を測定することで硫酸溶液中の腐食特性を評た。溶製インゴットをクラッド圧延用に Fe-Al 合金は 1273K に価した。さらに、20 x 10 x 0.15 mm3 の試験片を切り出し、おいて約 2mm に、CrMo は室温にて約 5mm 厚さの圧延加1273K でAr-20 %O2 雰囲気にて 86.4 ksまで酸化増量の連工を施す。同様に加工シミュレーター実験用に、両材料とも続測定を行い、耐酸化特性を評価した。に前述と同様の温度にて約 9.6mm 厚さまで圧延加工を施３．実験成果す。表 1 に圧延後の化学分析値を示す。

３・１ 熱間加工シミュレーター実験
図 1、図 2、図 3 に 14Al、20Al、CrMo の真応力-真歪み線
1図と、各温度変形後の組織写真を示す。図右端の矢印は変察でき、動的再結晶が起こったことがわかる。真歪み 0.25 で形時の圧縮方向を示す。のFe-Al合金とCrMoの真応力比の温度依存性を図 4 に示すが、14Al/CrMoおよび 20Al/CrMo共に、応力比は 0.2 よりも低く、Gomez等の提唱する、一体成型加工条件5)を満足する。

図 1 14Al の真応力-真歪み線図と変形後の組織写真

図 4 Fe-Al 合金と CrMo の真応力比の温度依存性

ここで以上の検討は、圧縮単軸歪みに相当する単軸応力下での実験をベースにしており、実用の圧延でおこっている圧縮平面歪みに相当する実験によるものではないことに注

図 2 20Al の真応力-真歪み線図と変形後の組織写真

意しなければならない。大内等によれば、圧縮平面歪みと圧縮単軸歪の各条件下での平均の変形抵抗は前者が後者よりも 1.5~3 倍高いことが、Ti-6Al-4Vの実験から明らかになっている6)。圧縮平面歪み条件下での変形応力を算出する必要があり、今後の課題である。
３・２ クラッド圧延加工
予備接合を施した 14Al/CrMo/14Al と 20Al/CrMo/20Al の各積層材に対し、図 4 で求めた真応力比が約 2.0 の 873K と、約 0.5 の 1273K の二条件にてクラッド圧延を図 3 CrMo の真応力-真歪み線図と変形後の組織写真

真応力-真歪み線図では、初期の加工硬化の後に加工硬化と動的回復がバランスした定常応力で変形が進行し典型的な動的回復型の塑性変形を示している。14Al、20Al共に温度の増加と共に真応力は増加し、20Alの方が 14Alよりも高く、組織は両合金共に粒界近傍で変形が顕著に観察できる。
一方、CrMoは 1073Kまでは温度増加と共に真応力は低下するが、1173Kでは逆に増加する。変形後の組織は 873Kと

図 5 873K(a,c)、1473K(b,d)で作製した 14Al/CrMo/14Al (a,b)およ973Kでは圧縮軸と垂直方向に延伸した変形粒が観察でき、び 20Al/CrMo/20Al(c,d)複合鋼板の断面組織再結晶粒が変形したことを示唆する。1073Kと 1173Kでは明瞭な組織が観察できず、動的再結晶がおこる前の状況に相行った。その結果、どの圧延材も板ぞりや割れが見られ当すると考えられる。1273Kでは粒径約 18µmの微細粒が観ず、クラッド圧延に成功したことがわかる。図 5 にこれら 4 種
2

類の複合鋼板の接合界面での断面組織写真を、また表 2 に
この組織観察から求めた各層の加工率を示す。
Fe-Al 合金の組成によらず、873K で圧延した複合鋼板の界面はうねっているのに対し、1273K で作製した複合鋼板の界面はほぼ表面と平衡であることがわかる。また表 2 から
14Al/CrMo/14Al は各層はほぼ均一な加工率であるのに対し、20Al/CrMo/20Al では、不均一であることがわかる。
表 2 組織観察から求めた複合鋼板の各層の加工率
複合鋼板
14Al/CrMo/14Al

温度

全体

Fe-Al(1)CrMo

Fe-Al(2)

873

76.4

78.2

74.3

80.3

1273

76.7

77.0

75.6

79.5

873

79.1

84.1

74.9

85.4

1273

73.1

66.5

78.865.5

図 7 14Al/CrMo/14Al (a–c)と 20Al/CrMo/20Al (d–f)の{4 0 0} 正極点図；熱間圧延材 75% 加工率 (a, d)、クラッド圧延材 96%加工率 (b, e)、薄板加工材 99.8%加工率 (c, f)

20Al/CrMo/20Al

３・３ 供与特性

1273K にて作製した複合鋼板をさらに冷間にて約 120µm 厚まで加工を施し、約 670mm 長さの薄板複合鋼板の作製に

14Al/CrMo/14Al と 20Al/CrMo/20Al 複合鋼板の三点曲成功した。この薄板材は図 6(a)のように巻き取ることができ、げ試験により求めた、曲げ歪みと強度の結果を図 8(a)(b)に量産に必要な巻き取り化が可能であることがわかる。この薄それぞれ示す。また試験後の試料側面写真を図 9 に示す。

板成型加工には、圧延加工時に圧延方向への張力発生に1273K にて作製した 14Al/CrMo/14Al は、試験機限界までよる板縁での割れ（耳割れ）防止に用いるスリッターを使用し曲げても破壊せずに図中では上矢印で表示した。それに対ていないことから、極めて優れた成型加工性を有すると考えして 20Al/CrMo/20Al は試料下部の応力集中部からクラックられる。この薄板材の断面組織から、接合界面は直線的でが発生し、20Al 層と CrMo 層の界面まで伝播しているが、ク優れた接合が施されていることがわかる（図 6(b)）。別途行っ

ラックは界面に沿ってわずかに伝播すた大型インゴットにて同様の実験を行った結果、300µm 厚でるものの CrMo 層側へは進展していない。このことは界4200mm 長さの長尺薄板の複合鋼板の成型加工にも成功した。

図 8 三点曲げ試験から求めた曲げ歪み(a)と曲げ強度(b)図 6 14Al/CrMo/14Al（120mm 厚）の薄板複合鋼板の外観写真(a)とその断面光顕組織(b)面が強固であることを示唆する。曲げ延性は圧延温度によらず 14Al/CrMo/14Al が 20Al/CrMo/20Al よりも優れているが、曲げ強度は 1273K でクラッド圧延を施した 20Al/CrMo/20Al

図 7 は 1273Kでクラッド圧延にて作製した 14Al/CrMo/14Alと 20Al/CrMo/20Al 複合鋼板の各加工率での{400}集合組が高い値を示す。これらは複合鋼板の曲げ特性が表層の織を示す。{001}<110>集合組織が加工率の増加と共に強くFe-Al の機械的性質に依存していることを示す。すなわち延なっていることがわかる。この集合組織はbccの圧延集合組性あるいは強度を優先させるには、表層 Fe-Al 合金の Al 濃織の一つで、14Al/CrMo/14Alの方が 20Al/CrMo/20Alよりも度をそれぞれ、低濃度あるいは高濃度にすることが有利でその集積度は強い。これは 20Alが一部DO3規則相に起因ある。またクラッド圧延温度は複雑で、低濃度の場合には曲する{557}<110>集合組織の影響を受けるためで 、DO3 規

げ延性の高い高温が、高濃度の場合には曲げ強度の高い則相を全く含まない 14Alではbcc圧延集合組織のみ現れた高温が有利であるが、この原因についてはまだ不明な点が7)多い。異種材料の積層ためと考察する。

3

14Al/CrMo/14Alよりも酸化特性は優れており、上述のFe-Al合金の酸化特性のAl濃度依存性に起因する。すなわち、耐酸化特性は表面に形成されるα-Al2O3 に依存し、Fe-Al合
金では 13.5at.%Al以上のAlがあれば十分である9)。しかし、この濃度以上のAlを含有する合金では、Al濃度が高いほどα-Al2O3膜が厚くなるために、耐酸化特性はさらに改善される。以上より、複合鋼板においても表層のAl濃度が高いほど耐酸化性は優れていることになる。

４．結論
図 9 三点曲げ試験片の試験後の側面写真；クラッド圧延温度は40873 K(a,c)、1273 K(b,d)。14Al/CrMo/14Al(a,b)およびCrMo
14Al/CrMo/14Al-2

Mass gain / g cm

20Al/CrMo/20Al 材(c, d)。

による複合体の塑性挙動を解明する上で、FEM による解析などを用い、破壊機構を明らかにする予定である。

302010図 10 に複合鋼板の硫酸溶液中での腐食損量経時変化を示す。図から 20Al/CrMo/20Al は耐食合金として実用の00CrMo 鋼には劣るものの、14Al/CrMo/14Al はほぼ CrMo の20406080100

Oxidation time / ks

耐食性に匹敵する特性を示すことがわかる。このこと

図10 1273K, Ar-20%O2雰囲気中での酸化増量の経時変化

は硫酸溶液腐食に対してはFe-Al合金のAl濃度が低いほど有利であることを示し、耐酸化特性のAl濃度依存性とは逆鋼板に耐食機能を付与する目的に、耐食性に優れたの傾向にあることがわかる。この点については、別途行った

Fe-Al 合金との複合化をクラッド圧延加工により行った。一体

Fe-Al二元合金の硫酸溶液腐食のAl濃度依存性実験からも成型加工条件は、熱間加工シミュレーターの実験結果を参8)明らかとなり 、本実験結果の妥当性が明らかとなった。Al考に、真応力比が約 2 と約 0.5 に相当する条件下で行った。

濃度が低いほど硫酸溶液に対する腐食が強い理由につい

以下に本研究の主要結果を記す。ては、現在X線光電子分光(XPS)および分極曲線測定から(1)解明中であるが、不働体膜の性質がAl濃度によって異なる回復型、CrMo は動的再結晶型の塑性変形を示した。
(2)-2

どの加工条件においてもクラッド圧延による一体成型加工に成功し、複合鋼板が作製できた。

20

Weight Loss / g m

熱間加工シミュレーター実験から、Fe-Al 合金は動的(3)20Al/CrMo/20Al
14Al/CrMo/14Al
CrMo

15

複合鋼板は bcc の圧延集合組織の{001}<110>集合組織を形成し、加工率の増加と集積が強くなった。また、
こ の 集 合 組 織 は14Al/CrMo/14Alの 方 が20Al/CrMo/20Al よりも集積度は強かった。

10(4)

曲 げ 試 験 の 結 果 か ら 1273K で 作 製 し た
14Al/CrMo/14Al は優れた変形能を示すことが、また520Al/CrMo/20Al が高い曲げ強度を示すことが明らか
00246810となった。

12(5)Time / ks

硫酸溶液腐食に対しては、14Al/CrMo/14Al が CrMo
鋼と同等の腐食特性を示した。また 14Al/CrMo/14Al

図10 0.01N H2SO4溶液中の腐食損量の経時変化の方が 20Al/CrMo/20Al よりも耐食性が優れていた。

ことが推察される。

(6)

耐酸化性に対しては、複合鋼板化により CrMo よりも耐酸 化 性 は 改 善 し 、 20Al/CrMo/20Al の 方 が

図 11 は 1273KにおけるAr-20 %O2 雰囲気での酸化増量

14Al/CrMo/14Al よりも優れていた。の経時変化である。CrMoは耐熱鋼として実用に供されているが、その耐熱温度は本合金組成では 873K程度で、実験謝辞

温度の 1273Kでは、複合鋼板よりも耐酸化特性が劣化して熱間加工シミュレーター実験を許可・支援して頂きました、

い る こ と が わ か る 。 ま た 20Al/CrMo/20Al の 方 が4

東北大学大学院工学研究科の大内千秋教授、佐原亮二助

3)

手に感謝いたします。また作製試料の化学分析を行なって

N. Masahashi, N. Kondo and S. Hanada. Ann. Chim. Sci.
Mat. 27 (2002), S231.

頂きました、東北大学金属材料研究所材料研究分析コアの4)

近藤尚行、東北大学修士論文 (2001)

皆様に感謝いたします。最後に本研究を進めるにあたり、研5)

X. Gomez and J. Echeberria, Mat. Sci. and Eng. A348

究支援を頂戴いたしました、財団法人天田金属加工機械技(2003), 180.

術振興財団殿に深く感謝いたします。

6)

S. Yamamoto and C. Ouchi. Tetsu to Hagane (J. Ironand Steel Ins. Jpn.) 72 (1986), 595

7)

参考文献

D. Raabe and J. Keichel. Mater. Sci. Eng. A203 (1995),2081)

N.S. Stoloff. Int. Met. Rev. 29 (1984), 136.

2)

P. Tomaszewicz and G.R. Wallwork. Rev. High Temp.

Watanabe and S. Hanada; Corrosion Science (2005) inMater. 4 (1978), 75.

press.

8)

9)

G. Kimura, N. Masahashi, K. Komatsu, M. Oku, S.

P. Tomaszewicz and G. R. Wallwork: Oxid Metals 19(1983), 165.

5