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鉄アルミナイドは鉄とアルミニウムの金属間化合物で、通常は約 18% 以上の Al を含みます。
これらの化合物は、優れた耐酸化物性と耐硫黄性、鋼合金に匹敵する強度、そして材料費の低さから冶金学的に興味深いものとなっていますが、延性の低さと水素脆化の問題が、構造用途での加工や使用の障壁となっています。
概要
18%以上のアルミニウムを含む鉄合金の高い耐食性は、1930年代に初めて注目されました。[1]一般的な元素のみを使用しているにもかかわらず、その引張強度は鋼鉄に匹敵します。しかし、室温での延性は低く、600℃を超えると強度が大幅に低下します。 [1]また、この合金は硫化物および酸化に対する耐性、耐摩耗性にも優れ、鋼鉄よりも密度が低くなっています。[2]強度と硬度のピークは、Fe 3 Alの化学量論領域で達成されます。[1] Alは酸化膜表面を介して耐食性を与えますが、反応（水との反応）により、AlとH 2 Oの反応で生成される水素を介して脆化を引き起こす可能性もあります。 [1]
クロム（2～6%）は室温での延性を向上させる。1996年にKamey [1]は、そのメカニズムは完全には解明されていないが、FeAl相を安定化させる能力によって水素脆化を軽減できるという仮説を提示した。 [1]他の説明としては、クロムは結晶転位を介して滑りを促進する可能性があり、表面不動態化に寄与し、脆化を引き起こす水反応を防ぐ可能性があるというものもある。[3]約16%のAl、約5.4%のCr、約0.1%のZr、C、Y、約1%のMoを含む不規則合金（FAPYと命名）は、延性が大幅に向上し、約200℃以下でのみ大幅に低下することが示された（Fe 3 Alの場合は650℃を参照）。この合金は冷間加工も可能である。[2]
フェーズ
Alが約18～20%（原子）未満の場合、アルミニウムは鉄に固溶体として存在します。この濃度を超えると、塩化セシウム（CsCl）とα-三フッ化ビスマス（BiF 3 ）の結晶構造の形でFeAl（B2相）とFe 3 Al（DO 3相）が存在します。[1]約550℃を超えると、Fe 3 Al相はFeAl（およびFe）に変換されます。[3]
Al（原子）が約50％を超えると、Fe 5 Al 8、FeAl 2、Fe 2 Al 5、Fe 4 Al 13も知られています。Alに富む相は高い脆性を示します。[3]
準備
AlとFeの反応で鉄アルミナイドが生成する反応は発熱反応です。AlとFeを直接溶解して製造するのは経済的ですが、装入物に水が含まれていると、鉄アルミナイドに溶解する水素が発生し、ガスボイドが発生します。アルゴンを吹き込むか真空溶解すると、この問題は軽減されます。[2]
粒径が大きいと、特にFe 3 Alの場合、延性に大きな悪影響を及ぼし、鋳鉄アルミナイドに発生します。[2]
鉄アルミナイドのコーティングは、鉄への化学蒸着によって作製することができます。[4]
クリープ抵抗
FeAl合金は耐食性が高いため、腐食環境での高温用途に適しています。しかし、FeAl合金はB2構造の拡散率が高いため、高温でのクリープ強度が本質的に低いです。 [5]高温合金として使用するには、FeAlにクリープ耐性を高める処理を施す必要があります。FeAlのクリープ耐性を高める最も一般的な2つの方法は、固溶強化と析出硬化です。[5]
固溶強化は、 FeAl合金中の他の遷移金属の濃度を増加させることにより、定常クリープ速度とFeAlのべき乗指数を低下させることが示されています。[6] これにより材料のクリープ強度は確かに増加しましたが、強化された合金はわずか0.3%のひずみで破壊したため、FeAlの延性によって制限されます。
FeAl の析出硬化は、通常、酸化物粒子と炭化物という 2 種類の析出物によって実現されます。[5] 5 nm の Y ベースの酸化物粒子は、800℃ までの温度で FeAl のクリープ抵抗を高めることが示されています。[7]同様に、Ti ベースの炭化物は、析出強化メカニズムと一致して、低応力で高いクリープ抵抗を持つことが示されています。[8]析出強化はクリープ抵抗を高めるのに優れていますが、高温での析出物の安定性が制限要因となります。炭化物は FeAl に溶解し、酸化物粒子は 1000℃ を超える温度で粗大化する可能性があります。[5]その結果、FeAl 合金は 1000℃ を超える温度を必要とする用途では効果的に強化されておらず、可能な動作温度をさらに上げるには別の戦略が必要になります。
用途
鉄アルミナイドの潜在的な用途としては、電気加熱要素、配管、石炭ガス化用配管や過熱器・再加熱管などの高温プロセス用のその他の作業などが挙げられます。 [1]また、月面で使用するための構造材料としても提案されています。[9]機械的特性と酸化特性の優れた組み合わせにより、鉄アルミナイドはタングステンの結合相として効果的に使用されています。[10] [11]また、レーザークラッディングプロセスで従来のWC-CoサーメットのコバルトをFeAlに置き換えると、酸化特性と摩耗特性が向上しました。[12] [13]
参考文献
- ^ abcdefgh McKamey, CG (1996)、「鉄アルミナイド」、金属間化合物の物理冶金学および処理、pp. 351–391
- ^ abcd Sikka, Vinod K. (1994)、「鉄アルミナイドの処理と応用」、TMS 年次会議議事録出版物
- ^ abc ザマンザデ、モハマド; バーヌーシュ、アフローズ; モッツ、クリスチャン (2016)、「鉄アルミナイド金属間化合物の特性に関するレビュー」、クリスタル、6 (10): 10、doi : 10.3390/cryst6010010、hdl : 11250/2652934
- ^ John, JT; Sundararaman, M.; Dubey, V.; Srinivasa, RS (2013)、「化学蒸着法で作製した鉄アルミナイドコーティングの構造特性」、Materials Science and Technology、29 (3): 357–363、Bibcode :2013MatST..29..357J、doi :10.1179/1743284712Y.0000000105、S2CID 136635777
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- ^ Morris, DG; Gutierrez-Urrutia, I.; Muñoz-Morris, MA (2008-07-01). 「ナノスケール酸化物粒子によって強化された FeAl 金属間化合物の高温クリープ挙動」. International Journal of Plasticity . 24 (7): 1205–1223. doi :10.1016/j.ijplas.2007.09.001. ISSN 0749-6419.
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- ^ ランディス、ジェフリー A. (2006)、月面における太陽電池アレイ製造のための材料精製
- ^ Karimi, Hadi; Hadi, Morteza; Ebrahimzadeh, Iman; Farhang, Mohammad Reza; Sadeghi, Mohsen (2018-10-01). 「放電プラズマ焼結法で製造した WC-FeAl 複合材料の高温酸化挙動」. Ceramics International . 44 (14): 17147–17153. doi :10.1016/j.ceramint.2018.06.168. ISSN 0272-8842. S2CID 140057751.
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- ^ Mostajeran, Alireza; Shoja-Razavi, Reza; Hadi, Morteza; Erfanmanesh, Mohammad; Karimi, Hadi (2020-11-01). 「321ステンレス鋼基板上のレーザークラッドWC-FeAlコーティングの摩耗挙動」。Journal of Laser Applications。32 ( 4): 042015。Bibcode :2020JLasA..32d2015M。doi : 10.2351 /7.0000219。ISSN 1042-346X。S2CID 228828665 。
- ^ Mostajeran, Alireza; Shoja-Razavi, Reza; Hadi, Morteza; Erfanmanesh, Mohammad; Barekat, Masoud; Savaghebi Firouzabadi, M. (2020-04-01). 「レーザークラッディング法で製造された WC-FeAl 複合コーティングの機械的特性評価」. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials . 88 : 105199. doi :10.1016/j.ijrmhm.2020.105199. ISSN 0263-4368. S2CID 212794182.
外部リンク
- レイブ、D.、鉄アルミナイド