カンタルAF合金837レジストオームアルクロムYフェクラル合金

Kanthal AFは、最高1300℃（2370°F）までの温度で使用可能なフェライト系鉄クロムアルミニウム合金（FeCrAl合金）です。この合金は、優れた耐酸化性と非常に良好な形状安定性を特徴とし、長寿命を実現します。

カンタルAFは、一般的に工業炉や家庭用電化製品の電気加熱素子に使用されます。

家電業界における応用例としては、トースターやヘアドライヤーのオープンマイカ発熱体、ファンヒーターの蛇行形状発熱体、レンジのセラミックガラス製トップヒーターの繊維絶縁材上のオープンコイル発熱体、沸騰プレートのセラミックヒーター、セラミックコンロ付き調理プレートの成形セラミックファイバー上のコイル、ファンヒーターの吊り下げコイル発熱体、ラジエーターや対流ヒーターの吊り下げ直線ワイヤー発熱体、ホットエアガン、ラジエーター、タンブル乾燥機のハリネズミ型発熱体などが挙げられる。

要旨 本研究では、900 °C および 1200 °C の窒素ガス (4.6) 中での焼鈍中の市販 FeCrAl 合金 (Kanthal AF) の腐食メカニズムについて概説する。総曝露時間、加熱速度、焼鈍温度を変化させた等温試験および熱サイクル試験を実施した。空気および窒素ガス中での酸化試験は、熱重量分析により実施した。微細構造は、走査型電子顕微鏡 (SEM-EDX)、オージェ電子分光法 (AES)、および集束イオンビーム (FIB-EDX) 分析により特徴付けた。結果は、腐食の進行が、AlN 相粒子からなる局所的な表面下窒化領域の形成を通じて起こり、これがアルミニウム活性を低下させ、脆化および剥離を引き起こすことを示している。Al 窒化物の形成および Al 酸化物スケールの成長プロセスは、焼鈍温度および加熱速度に依存する。 FeCrAl合金の窒化は、低酸素分圧の窒素ガス中での焼鈍中に酸化よりも速く進行するプロセスであり、合金劣化の主な原因であることが判明した。

はじめに FeCrAl系合金（Kanthal AF®）は、高温での優れた耐酸化性でよく知られています。この優れた特性は、表面に熱力学的に安定なアルミナスケールが形成されることに関係しており、これにより材料がそれ以上の酸化から保護されます[1]。優れた耐食性にもかかわらず、FeCrAl系合金から製造された部品の寿命は、部品が高温での熱サイクルに頻繁にさらされると制限される可能性があります[2]。その理由の1つは、アルミナスケールの繰り返しの熱衝撃割れと再形成により、スケール形成元素であるアルミニウムが表面下の合金マトリックスで消費されることです。残りのアルミニウム含有量が臨界濃度を下回ると、合金は保護スケールを再形成できなくなり、急速に成長する鉄系およびクロム系酸化物の形成により、壊滅的なブレークアウェイ酸化が発生します[3,4]。周囲の雰囲気と表面酸化物の透過性によっては、これにより、さらなる内部酸化または窒化、および表面下領域での望ましくない相の形成が促進される可能性があります[5]。 HanとYoungは、アルミナスケールを形成するNiCrAl合金では、特にAlやTiなどの強い窒化物形成元素を含む合金において、空気雰囲気中で高温での熱サイクル中に、複雑な内部酸化および窒化パターンが発達することを示した[6,7]。クロム酸化物スケールは窒素透過性があり、Cr2Nはスケール下層または内部析出物として形成される[8,9]。この効果は、酸化スケールの亀裂を引き起こし、窒素に対するバリアとしての有効性を低下させる熱サイクル条件下でより深刻になると予想される[6]。したがって、腐食挙動は、保護アルミナの形成/維持につながる酸化と、AlN相の形成による合金マトリックスの内部窒化につながる窒素侵入との競合によって支配される[6,10]。AlN相は合金マトリックスよりも熱膨張率が高いため、その領域の剥離につながる[9]。 FeCrAl合金を酸素またはH2OやCO2などの酸素供与体を含む雰囲気中で高温にさらすと、酸化が支配的な反応となり、高温で酸素や窒素を通さないアルミナスケールが形成され、合金マトリックスへの侵入を防ぐ。しかし、還元雰囲気（N2+H2）にさらされ、保護アルミナスケールが割れると、非保護CrおよびFeリッチ酸化物の形成によって局所的な剥離酸化が始まり、フェライトマトリックスへの窒素拡散とAlN相の形成に有利な経路を提供する[9]。保護（4.6）窒素雰囲気は、FeCrAl合金の工業用途で頻繁に適用される。例えば、保護窒素雰囲気の熱処理炉の抵抗ヒーターは、このような環境でのFeCrAl合金の広範な使用例である。著者らは、低酸素分圧雰囲気で焼鈍するとFeCrAlY合金の酸化速度がかなり遅くなることを報告している[11]。本研究の目的は、99.996%窒素ガス（Messer®仕様不純物レベルO2 + H2O < 10 ppm）中での焼鈍がFeCrAl合金（Kanthal AF）の耐食性に影響を与えるかどうか、また、その影響が焼鈍温度、その変化（熱サイクル）、および加熱速度にどの程度依存するかを明らかにすることであった。