Shonan Institute of Technology
NII-Electronic Library Service
Shonan 工nstitute of Teohnology
M 跏 Olits OF SHONAN INSTInPVTE OF TeCHNeLOGy Vol.%, NOr 1, 1992
微
量
のCe
およ
び
Si
を
添 加
し
たNi
−Cr
合 金
の1373K
に おけ る
高
温
酸 化
天 野 忠 昭*High
Temperature
Oxidation
ofNi
−Cr
Alloys
withSmall
Additions
ofCe
andSi
at1373
K
Tadaaki
AMANO
Oxidation behavior of Ni −(20
, 40,60,80)Cr, M −(20,40, 60,80)Cr −(0.20r O.3)Ce, Ni−(20, 40,60,80)Cr − 1Si and Ni−(20,40,60,80)Cr −1Si−(0.20r O.3)Ce alloys was studied for 14.4ks at l373 K in O2 by mass ・
change measurements , X.ray diffraction, scanning electron microscopy and electron dispersive X−ray microanalysis . Mass changes of Ni−(20,40,60,80)Cr alloys increased negatively with increasing Cr content of the alloys , Voids were observed at oxidelalloy interface. The voids increased with increas・ ing Cr content of the alloys . The spalhng of surface oxide is attributed to the void formation. Sur− face oxide of N卜20Cr−1Si−0.3Ce alloy showed good adherence . FormatiGn of surface oxide NiCr20 唾, and
α 一cristobalite and Ce oxide which were observed at the oxide !alloy interface may lead to improve ・ ment of oxidation resistance of the alloy .
1. 緒 言 Ni に 20 mass % 程度の Cr を 含 む 合 金は , 大 気 中 1300K 以上で 加熱さ れる と,合 金 表 面に Cr203 お よび NiCr204 を生成 し,これ らの酸 化 皮 膜が その後の 酸 化 速 度 を低 減し,耐酸化性に寄与する。 耐酸化性をさ ら に改 善する た め ,Ni−20Cr 合金に 希上 類 元素や Siな どの活 性元素を添 加 すると,酸 化 速 度の低 減,並びに酸 化 皮 膜 の 密 着性の 改 善な どの 効 果 が 生じ,優 れた高温 耐酸 化 性 合 金が得ら れつ つ あるD−4) 。 しか し ながら, Cr 含 有量の 異なる Ni−Cr 系 合 金お よびこれらに 活 性 元 素を添加 し た合 金の 耐 酸 化 性に 関 する系 統 的 な 研 究は 必ずしも多い とは い えず,活性 元 素添加に よ る耐酸 化 性改 霽の 機 構に つ い て は不 明確な点も多い。 本 研究で は,系 統 的 な 研 究 を 行 う ため に Ni−Cr 合 金 の Cr 含有量を 20,40,60 お よび 80 mass % と変 えた 含 金,お よ び これ らの 合 金に 活性 金 属とし て微 量の Ce お よび Si を添加 した合金 を 用い て高温酸化実験を実施 * 材 料工 学 科 助 教 授 平成 2年11 月 5目受 付 し,そ れに よっ て新しい耐 酸 化 性 合 金 開 発に とっ て の基 礎 的知見を得る こ とを 日的と し た。
2
. 実 験 方 法 本 研 究で 用い た試 料は ア ーク溶 解法 に よっ て 溶 製 し た。合 金 組 成を Table 1 に示 す。 合金溶 製後,カ ヅ ター で約 10mm × 10mm ×lmrn に切断 し,#800 のエ メ リー紙で研 磨 し た。 その後, エチ ル アル コ ール 中で超 音 波 洗 浄し供 試 材とし た。 酸 化 実 験は酸 素 気 流 中 (100cm3 /min ), 1373 K に保持 さ れ た横 型シ リコ ;ッ ト炉の 中へ ,アル ミナ ボート にの せ た 試料を挿入 し,14.4ks 行っ た 。 表面酸化 皮 膜の剥 離 現 象を詳 細に 調べ るた め,試 料を酸 化 後, た だ ちに液 体 窒 素の中に投入し た。 試 料 が室温になっ てか ら,合 金 表 面に生成 し た 剥離酸 化 物を 毛先の柔らか い ブ ラ シ で取 り除い て質 量 変 化 量 (%)* を求め た。 酸 化し た表面の外 観を観 察し, つ い で X 線回 折 装置を用い て表 面に生成 酸 化 後の試料の質量* * ・ 鮠 変化 量 ・% ・一譜拂 繍 錨整
… * * 酸化後の 試 料の 質 量: 剥 離 酸 化 物 を 除 去した 質 量 一 45 一 N工 工一Eleotronio Library湘南工科大学 紀要 筮 26 巻 第 1 号
Table 1。 Chemical composition of alloys . o.4
AlloyNi −20Cr Ni−40Cr Ni−60Cr Ni−80Cr Ni −20Cr−O.3Ce Ni−40Cr−0.3Ce Ni−60Cr−0.2Ce Ni −80Cr−0.2Ce Ni−20Cr−1Si Ni−40Cr−1Si Ni−60Cr−1Si Ni−80Cr−ISi Ni−20Cr−1Si−0。3Ce Ni−40Cr−1Si−0.3Ce Ni−60Cr−1Si−0.2Ce Ni−80Cr−1S卜0.2Ce し た酸 化 物を同 定 し た。 さらに表面 形態お よび表面組成 を SEM (走 査 型 電 子 顕微鏡 ) お よ び EDX (エ ネル ギー 分散型 X 線マ イク Ptア ナ ライザ ー)を 用い て そ れ ぞれ 明 ら かに した。 3. 結 果お よ び考 察 3・1 質 量 変 化 Fig.1 に 質量変 化量 (%)を示 す。 Ni−Cr の質量変化 量は Cr 含 有 量の増加 と ともに お お む ね負に大 き くな る ことがわか る。 こ の 結果は ,後 述する よ うに表 面酸化皮 膜の剥 離 量の増 大に よ るもの と考えられる。 Ni −Cr −(o.2 ま た は 0.3)Ce の質 量 変 化 量は Cr 含 有 量 が 60 % まで 増 大 し,80% で小さ くな る。 一方,Ni−Cr−1Si お よ び Ni−Cr−ISi−(0.2 ま た は 0.3)Ce の質量変 化量は Cr 含 有 量の増 加 と共に (40Cr ま た は 60Cr まで) 小さくな り, その後 Cr 含有量の増加に よ っ て大 き くなる。 3.2X 線 回 折 Table 2 に X 線回 折に よっ て同 定 され た表 面 酸 化 物
を示 す。 Ni−20Cr で は NiO , Cr203 お よび NiCr204が
同 定され,こ の 合 金に Ce を添加する と Nio お よ び
NiCr204は低 減 したQ Ni−20Cr−1Si では Cr20s,NiCr204
お よ び α・cristobalite (SiO2)ヵ;認め られたQ Ni−20Cr − 1Si−0,3Ce で は Cr203 お よ び a・cristobalite が検 出
さ れ た。 一方,他の 合金で はい ず れも Cr20s のみ で あ っ た。 こ れらの結 果か ら, Ce ま た は Si の単 独 添 加は 0.3 O.2 1 α O 遭 ゜ 、 09 呵 ‘ u 一〇.1 鴇 Σ 一α2 一〇.3 一〇.4 0 20 40 60 80 100 Cr content /ma5s ’le Fig. L Mass changes of Ni−Cr, Ni−Cr−(0.20r O.3)Ce ,Ni−20Cr −1SiandNi −Cr −1Si−(0.20rO 、3) Ce alloys oxidized in Os at 1373 K for 14,4ks 。
Tab匸e 2. Oxides determined by X・ray diffrac・
tion of N卜Cr, Ni−Cr−(0.20r O,3)Ce , NトCr −
1Si and Ni−Cr −1Si−(0.20r O.3)Ce anoys oxi .
dized in O2 at 1373 K for 14.4ks .
Alloy
Oxide Ni−20Cr Ni−40Cr Ni−60Cr Ni−80Cr Ni−20Cr −O.3Ce Ni−40Cr −O.3Ce Ni−60Cr−0.2Ce Ni−80Cr−0.2Ce Ni−20Cr−1Si Ni−40Cr−1Si Ni −60Cr−1Si Ni−80Cr−1Si Nレ20Cr −1S卜0.3Ce Ni −40Cr−1Si−0.3Ce Ni −・60Cr−1Si−0.2Ce M −80Cr−1S卜0.2Ce NiO(v.s)Cr203(s)NiCr20 , (m )Cr203
(s} Cr20s(s) Cr203(s) Cr203(s)NiO (v.w )NiCr204 (v.w) Cr20s(s) Cr203(s) Cr203(s) Cr20s(s)NiCr204 〔w )α・cri− stobalite (v.w ) Cr20s(s) Cr203(s) Cr203(s) Cr20s(s}α.cristobalite (v.w ) Cr20s(s) Cr20s(s) Cr203(s)v.s:very strong , s: strong , m ;medium , w : weak , v.w : very weak .
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微 鼠 の C・ お よ び Si を添加 した Ni−C・ 合緬 1373 K }・お け る高温酸 イヒ (天野 忠 昭 ) ∫ ” ’s/1 ・ tt」£ 購 9 肖 ” ♂ 、,「・・一ボ ・: : , r ρ 尸 ギ へ ’E 句 壹 田 切 冨 認 触 ず ・ 螺 戴 薈 翠 肌 弾 爵 ヒ r 卍 丁 r 円 げ ,」 { ゴ 腔 ア 胛 覊 } 賦 . ∬ ヒ げ 物 「 ぐ「 藷 , 亭瑳 ひ , 它 顎 高 麟 讌 駿・ ・需
S。 ,face apP 。。 ,ance ・f (・)Ni−2。C・,(b)Ni−40C・,(・)Ni −60C・
・ (d)Ni−80C・・(・)Ni
−20C「− Fig .2.
0.:IC。,(f)Ni−40Cr−O.3C・,(9)Ni−60Cr−・.2C・,(h)Ni −8・C卜 0・2C ・・(i>Ni−20Cr−ISi・(
j
)Ni−40Cr −1Si,(k)Ni−60Cr−ISi,(1)Ni−80C・−ISL (m )Ni −20Cr−ISi−・・3C・,(・)N 皇一40Cr−ISレ0・3Ce ,
(。)Ni−60Cr −1Si−0.2C・ and (P)Ni−80Cr −1SI−・.2Ce all・y・ 。・idized i・ 0・ at 1373 K f° 「14・4ks ・
Nio お よ び NiCr204 の生 成 を低 減 し, Ce お よび Si の 複 合 添加 は,Nio お よび NiCr204 {よ X 線的に は 認め ら れ ず,これ らの 生 成を さらに 遅ら せ る こ と が 明ら か と な っ たD 3.3 クト観 観 察 Fig.2 に酸 化 後の 試 料の 外 観を 示す。武 料の 切 断に よ る陽があ ウ,は っ ぎり しない もの も ある が,Ni−Cr で は 40,60 お よび 80Cr で 表 面酸 化 物の著 しい剥 離が認め ら 一 47 一 N工 工一Eleotronlo Llbrary
vawtrpt
±\rept
as
26#
th1 ge'1=G.LN.c=::-(d)
e-di:Nt;:1H Nt(e)Fig.
3. Scanning electron micrographs of
80Cralloys oxidized in 02 at 1373K
Spalledsurface of Ni-20Cr alloy.
(c)
ef the point A designatedin Fig, 3
alloy surfaces and EDX analysis of Ni-20Cr and
Ni-for 14.4ks.
(a)
Surface oxide of Ni-20Cr alloy. (b)Spalled surface of Ni-80Cr alloy.
(d)
EDX
analysis(a).
(e)
EDX analysis of B on Fig. 3(a).
-48-Shonan Institute of Technology
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微量の Ce および Si を 添 加した Ni.−Cr 合 金の 1373 K に お け る高温 酸 化 (天 野 忠 昭)
れ る。 Ni−Cr−(0.2 ま たは 0.3)Ce お よ び Ni−Cr−ISi
− (0.2 ま たは 0,3)Ce で は,60Cr ま で お おむ ね 均一な表 面で あり,80Cr で表 面酸 化 皮 膜の剥離が認め ら れる。 一方,Ni−Cr−ISi で は, Cr 量に関わらず 剥 離は微 量で ある。 3.4 SEM 観 察お よ び EDX 分 折
Fig,3 か ら Ftg.6 に SEM 観 察お よ び EDX 分 析
の結果を 示す。 Fig,3 (a)か ら, Ni−20Cr 合金で は粒状 お よ び角 錐 状酸化 物が生 成し,ま た剥 離 領域で は Fig. 3 (b)に示 すよ うにわ ずか に ボ イ ドが 認め られる。 こ の ボイ ドは Cr 含有量の増 大とともに増加 し, Ni−80Crで は Fig,3(c)か ら明 らかな ように ボ イ ドは連な り始め て い るこ と が わか る。 こ の ボ イ ドの生 成が表 面 酸化皮膜の 剥離の:要因と考え ら れる aFig .3(d)お よび Fig.3 (f) か ら,Ni−20Cr の粒 状 酸 化物は 主 と して NIO ,そ して角 錐 状酸化物は主と して NiCr204であ る ものと考え られ るD Ni−20Crへ の Ce の添 加は表 面 酸 化物の密 着性 を 改:善 し,Fig.4(a)に示 す よ うに 酸 化 物f合金 界 面でボイ ドか 微 量認め ら れ るの み であ る。しか し ながら,Ni−80Cr−
O.2Ce で は Fig.4 (b) か ら 明 らかなよ うに酸 化皮膜 /合 金界面でボ イ ド の連 な りが認め ら れ,表 面 酸 化 物の剥離 が著しい こ と が わか る。 Fig.4 (c)の EDX 分 析 結 果は Ni−20Cr−0.3Ce の表面生 成 物がほぼ Cr203 で ある こ と を 示 して い る。 Fig.5(a)か ら, Ni−20Cr−1Si では粒界に沿っ て ボ イ ドが わずか に認め られ るの みで, Si の添 加は ボ イ ドの 生 成 を 防1Lする方 向に働 くこと がわか る。 Ni−SOCr−ISi で は,Fig.5 (b)に示 す ように Ni−80Cr と 同 様に ボイ ドの連な りが認め られる。 し か しな が ら,酸 化 物は表 面 の 一部か ら剥 離 するの み である。 Fig.5(c}の EDX 分 析 結 果か ら判 明 するよ うに,表 面酸化物 は 主 とし て Cr203であり, Ni の 量は Ni −20Cr よ り少ない。剥離 酸 化物を取 り除いた合 金 表 面で は,Fig.5 (d)か ら 明 らか なよ うに,Siが濃 縮されて い ることが認め ら れ る。 Fig.6に Ni−Cr−1Sレ(0.2 ま た は O.3)Ce の表 面形態,
並 びにその EDX 分 析の 結果 を 示す。 Ni−20Cr−ISi−0,3 Ce では表面酸化物の剥離は 全 く認め られ ない。 Nレ40
Cr−1Si−e.3Ce お よ び Ni−60Cr−ISi−O.2Ce で は,わずか に表 面 酸 化物の剥離が 認め ら れ, ボ イ ドの生 成 も観 察 さ
れ る。 し か しな が ら、Ni−80Cr
−1Si−O・2Ce で は多量の ボ
イ ドが 生 成し てい るeNi −20Cr−ISi−O.3Ce 表薗iに生成 し 且 霊コ , 画 ミ 、 港 喟 霆 2 £ o Or Cr 艮i 舮 」 6.a66 薩顔硼曜, ‘ 19.巳39 孰■》 5 廻.乳二曜■b (c )
Fig.4、 Scanning e正ectron micrographs of al・ loy surfaces and EDX analysis of Ni−20Cr−
0.3Ce and Ni−80Cr−0.2Ce ailoys ox 藍dized in
Ot at 1373 K for 14.4ks.(a)Surface oxide of
Ni−20Cr−0.3Ce anoy .(b)Spalled surface of Ni−80Cr−0.2Ce alloy .(c)EDX analysis of the point A designated in Fig.4 (a).
一 49 一
湘 南工 科大学紀要 第 26 巻 第 1 号 明 り 一‘ 3 . 』鞠 嘱 、 h =輔 鴟 〇 一 ε
(
c) 門 一 噂匿 層 . 』』 呵 、 、 =甲 ‘ り 一弓 冖 (d
)Fig.5. Scanning electron micrographs of alloy surfaces and EDX analysis of Ni−20Cr−1Si and Nj−80Cr −1Si alloys oxidized in O2 at l373 K for 14.4ks . (a)Surface oxide of Ni−20Cr −ISi alloy . (b)Surface oxide of Ni−80Cr−ISi alloy . (c)EDX analysis of the point A designated
in Fig,5 (a).(d)EDX analysis of the point B designated in Fig,5 (a).
た結 晶粒の 大 きな酸化 物は Fig.6 (e)か ら明 らか なよ う に 主 と して Cr203 で あ り,結 晶 粒の微 細 な酸 化 物で は Fig,6 (f)に示 すように Ni, Siお よび Ce も検出され ること か ら,微 量の NiCr204,α.cristobalite お よび Ce 酸 化 物の 生成が推 定さ れ る。 Ecer ら5)・6)は , Ni−(40 お よ び 50)Cr 合金お よ び Ni− 50Cr に微 量 の Ce を添加 し た合 金の高 温 酸 化 実 験か ら, 酸化皮膜/合 金 界 面で多量の ボイ ドの生 成を認め,こ のボ イ ドは Cr イ オ ンの外向拡 散に と もなう陽イオ ン空 孔の 凝 集に よ る と して い るQ 本 研 究に お け る ボ イ ドの生 成 も 主とし て こ の こ とに帰 着さ れ る。 し か し な が ら,Ce お よ び Siの 添加 は酸 化 皮 膜 /合 金 界 面で Ce 酸 化 物や α・ cristobalite を 生 成させ , これ らの酸化物は酸 素の 内向 拡 散に よっ て生 成 すると も考 えられ る。 こ の場 合,ボ イ ドは生 成 しない。 Ce 酸 化 物や α一cristobalite は, その 後の Cr イ オ ソ の外向拡 散に とっ て障壁 と な る もの と考 え られ る。 そ れ ゆ え, 結 果 とし て は Ce お よ び Siの添 加は ボ イ ドの 生 成 を 遅 くして い るとい えよう。 Douglass ら7)は Ni−20Cr へ の Siお よび Mn の 添 加 効 果に つ い て報 告してい る。 彼 らに よると NiCr204 中 の各イ オ ン の拡 散 速 度が Cr20s 中の 各イ オ ン の拡 散 速 度 よ りも著し く遅い こと から,酸 化 速 度は NiCr204 の 生成に より低 減 する とし て いえる。 本 研 究に おい て も
Ni−20Cr−1Si−0.3Ce で は, EDX に よる分析結果か ら微
量の NiCr !04 の生 成 が推 定され,さ ら に Ce 酸 化物お
よび a −cristobalite の生成 も認め ら れる の で,これ らの
酸 化 物の生 成が酸 化 増 量 を 低 減し,表 面 酸 化 皮 膜の 密着
性 改 善に 寄 与 すると 考 え られる。
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微 量の Ce お よ び Si を 添 加し た Ni−Cr 合 金 の 1373 K に お け る高温酸 化 (天 野忠昭} 切 } ≡ コ. O臼 胃 丶 ハ =り 嘗 〇 一 ξ ー 」 o Cr 邸i ぐ門 幽 L9. 団日oL IR 亀【go鹽 ら 田.z3日 kr》 1164 ↓9 一し
(
e)
匂 ご零 コ. 』h 「 丶 為 =り国 = o り畳 冖 (f
)Fig.6. Scanning electron micrographs of alloy surfaces and EDX analysis of Ni −20Cr−1Si−0.3 Ce , Ni−40Cr 一ユSi−0.3Ce , Ni−60Cr−1Si−0,2Ce and Ni−80Cr−1Si−0.2Ce alloys oxidized in O2 at l373 K for 14.4ks .(a>Surface oxide of Nト20Cr −1Sレ0.3Ce alloy .(b)Surface oxide of Ni− 40Cr−1Si−0.3Ce alloy .(c)Surface oxide of Ni−60Cr−ISi−0.2Ce alloy .(d)Spalled surface of
Ni−80Cr−1Sト0.2Ce alloy .(e)EDX analysis of the point A designated in Fig .6(a).(f)EDX
analysis of the point B designated in Fig.6 (a),
一 51 一
湘 南工 科 大 学 紀 要 第 26 巻 第 1 号
4. 結 言
1) Ni−20Cr, Ni−40Cr, Ni−60Cr お よび Ni−80Cr で は Cr 含有量の増加 と ともに質量変化 量 は おお む ね負に 低 減し, 酸 化皮膜/合 金 界面に おけ るボ イ ドの生 成が増 加 する。 こ の ボ イ ドの生 成 が表面 酸化 皮膜の剥 離の主原 因で ある こ と が明らか に なっ た。 2} Ni−20Cr へ の 0.3% Ce お よび 1% Si の単独 添 加 は NiO お よ び NiCr204 の 生 成を遅 らせ ,質 量 変 化 量 を 低 減 する。 一方, Ni−20Cr へ の O.3% Ce お よび 1% Siの複 合 添 加は さ らに Nio お よび NiCr204 の生成を 遅らせ るとと もに,表 面 酸 化皮膜の密 着性を著 しく改 善 する こ とがわ かっ た。 表 面 酸化皮膜として の NiCr20,, 表面酸 化皮膜 /合 金 界 面にお け る a−cristobalite お よび Ce 酸 化 物の生 成が高 温 耐酸化 性 を 改善するもの と思わ れ る。 3) Ce お よび Si の単 独お よび複合添加 した Ni−40 Cr, Ni−60Cr お よび Ni−80Cr で も耐 酸化 性 が改 善され る もの の,Cr 含 有 量の増 加とともに,その改善 効 果は 小さ く な る傾 向があるこ とがわ か っ た。 > 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 > 7 参 考 文 献 天野忠昭, 矢島聖使, 木 村 孝, 斎藤安俊 :防食 技 術, 24 (1975)19.
Y .Saito, T. Maruyama and T. Amano :
Mat . Sci. Eng .,8 (1987)275.
T .Amano :Trans .
Japan
Inst. Met .,21(1980) 721.
T .Amano and O . Momose :to be published
(High Temperature Corrosion of Advanced
Materials).
G.M . Ecer and G, H. Meier : Oxid . Met .,13 (1979) 119.
G .M . Ecer and G , H . Meier: Oxid. Met .,13
(1979) 159.
D,L. Douglass and J. S , Armijo:Oxid . Met .,
2 (1970) 207.