JP2008024993A - Method of diffusing or implanting element to metallic member by driving hard particle - Google Patents

Method of diffusing or implanting element to metallic member by driving hard particle Download PDF

Info

Publication number
JP2008024993A
JP2008024993A JP2006199509A JP2006199509A JP2008024993A JP 2008024993 A JP2008024993 A JP 2008024993A JP 2006199509 A JP2006199509 A JP 2006199509A JP 2006199509 A JP2006199509 A JP 2006199509A JP 2008024993 A JP2008024993 A JP 2008024993A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal member
hard
hard particle
diffusing
hard particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006199509A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Norio Shintani
紀雄 新谷
Yoshio Kyono
純郎 京野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute for Materials Science filed Critical National Institute for Materials Science
Priority to JP2006199509A priority Critical patent/JP2008024993A/en
Publication of JP2008024993A publication Critical patent/JP2008024993A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of diffusing or implanting an element into a metallic member by which a problem that a conventional modification method of a metallic member by element implantation is carried out only in a limited specific purpose and lacks versatility such as homogeneous alloying is solved. <P>SOLUTION: A hard particle comprising an element to be diffused or implanted which is harder than a metallic member to be treated is driven into the metallic member at a high speed to diffuse or implant the element to be diffused or implanted from the contact interface between the driven hard particle and the metallic member. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属部材に元素を拡散・注入し、その部材性能を改質するのに適用される硬
質粒子打ち込みによる金属部材への元素拡散・注入方法に関する。詳しくは、拡散・注入
しようとする元素を多量に含む硬質粒子を、超音速に加速して常温で金属部材表面に衝突
させ、該金属部材表面に有益合金元素を含む硬質粒子を楔状に打ち込んだ硬質粒子層、あ
るいは打ち込んだ際に粒子の塑性変形を多少伴うものの多層化されることなく硬質粒子に
よる一層の硬質粒子打ち込み層を一様に形成することを特徴とし、打ち込んだ硬質粒子を
拡散源とし、元素を容易に且つ効果的に拡散・注入する方法に関する。
The present invention relates to a method for diffusing and injecting an element into a metal member by hard particle implantation, which is applied to diffuse and inject the element into a metal member and improve the performance of the member. Specifically, hard particles containing a large amount of the element to be diffused / injected are accelerated at supersonic speed to collide with the surface of the metal member at room temperature, and hard particles containing beneficial alloy elements are driven into the metal member surface in a wedge shape. A hard particle layer, or a layer of hard particles with a hard particle that is uniformly formed without being multi-layered, although it is somewhat accompanied by plastic deformation of the particles when implanted. And a method for easily and effectively diffusing and implanting elements.

金属材料は、微量の元素の添加によってもその諸性質が大きく変化し、強く影響を受け
ることが知られている。例えば、構造用鋼では、O、H、S、Pbなどの元素は有害元素
として作用し、これら元素を含むことにより鋼の靱性や延性などは著しく損なわれる。こ
れに対して、B、C、N、Ce、La、Zr、Hfなどの元素は、有益微量元素として作
用するものとして評価され、各種合金設計において、重要合金元素として配合され、使わ
れている。
It is known that metallic materials are greatly affected by the addition of a trace amount of elements and are strongly affected. For example, in structural steel, elements such as O, H, S, and Pb act as harmful elements, and the inclusion of these elements significantly impairs the toughness and ductility of the steel. On the other hand, elements such as B, C, N, Ce, La, Zr, and Hf are evaluated as acting as beneficial trace elements, and are blended and used as important alloy elements in various alloy designs. .

これらの元素はそれがppmレベルの極微量の添加であっても、金属の性質は強く影響
されることが知られている。有益な元素は添加量が適正にコントロールされることによっ
て、有効成分が添加された金属は、添加前の金属に比し靱性、耐食性、高温強度等が格段
に改善されうることが知られている。このため、鉄系金属を始め、金属材料一般において
、性能改善のため諸元素添加による成分調整が行われている。これによって性質・用途が
特化された各種鋼種、各種合金が数多く開発されていることは周知の事実である。
These elements are known to be strongly affected by the properties of the metal even if they are added in trace amounts on the ppm level. It is known that the amount of beneficial elements can be controlled appropriately, so that metals added with active ingredients can be significantly improved in toughness, corrosion resistance, high-temperature strength, etc., compared to the metals before addition. . For this reason, in general metal materials including iron-based metals, components are adjusted by adding various elements to improve performance. It is a well-known fact that various types of steels and various alloys with special properties and applications have been developed.

このような有益元素が添加されて、用途・性質が特化された各種鋼種、各種合金は、設
計された成分組成の金属混合物を溶融し、均一に溶製されて製造される。しかし、このよ
うな溶融法による製造は、そのために材料を別チャージとして特別に調整しなければなら
ず余分のエネルギーを要し、コストがかかる。また、昨今の循環型社会の構築という視点
からは、合金元素を多種類含む合金は、特殊な成分を含む分だけ一般的汎用材料としての
利用価値は低くなり、そのため再利用が制限されることとなることから、特殊な成分を含
む合金は好ましいとは云えない。このため、既存の入手しえる金属材料によって構造物を
設計し、設計後、その必要箇所に必要な成分を、例えばB、C等の元素成分を拡散・注入
し、事後的、部分的に改質することが考えられる。このような部分的改質法として実施さ
れているのは、いわゆる表面処理により、表面層に硬質の化合物を生成させる表面改質方
法で、部材そのものを元素の拡散・注入により、改質する方法は実施されていない。
Various types of steels and various alloys specializing in applications and properties with the addition of such beneficial elements are manufactured by melting and uniformly melting a metal mixture having a designed component composition. However, manufacturing by such a melting method requires special adjustment of the material as a separate charge, which requires extra energy and is costly. Also, from the viewpoint of building a recycling-based society in recent years, an alloy containing many kinds of alloy elements has a low utility value as a general-purpose material because it contains a special component, and therefore reuse is limited. Therefore, an alloy containing a special component cannot be said to be preferable. For this reason, a structure is designed using an existing metal material that can be obtained, and after the design, the necessary components, such as elemental components such as B and C, are diffused / injected, and then revised afterwards. It can be thought of as quality. What is implemented as such a partial modification method is a surface modification method in which a hard compound is generated in the surface layer by so-called surface treatment, and the member itself is modified by element diffusion / injection. Is not implemented.

表面処理による表面改質方法として、一般的な方法は、表面反応や元素の拡散・注入に
よる表面改質法であり、特定の密閉された加熱炉内において、例えばB等の添加元素を含
むガス雰囲気中で加熱することによるガス拡散加熱法、あるいは、添加元素を含む粉末中
に埋めて加熱することによる粉末法、さらには、溶融塩中に浸漬して加熱する塩浴法等が
知られている。これらの材料表面を目的元素含有の材料と接触処理することによる表面反
応や元素の拡散・注入方法は、被処理金属部材を650〜1050℃の高温度に加熱する
ことにより行われる。
As a surface modification method by surface treatment, a general method is a surface modification method by surface reaction or element diffusion / injection, and a gas containing an additive element such as B in a specific sealed heating furnace. Known are gas diffusion heating methods by heating in an atmosphere, powder methods by heating by burying in powder containing additive elements, and salt bath methods for immersing and heating in molten salt. Yes. The surface reaction and element diffusion / injection method by contacting the surface of these materials with the target element-containing material is performed by heating the metal member to be processed to a high temperature of 650 to 1050 ° C.

そのため、この手法による添加元素は、接触する表層部において反応し、拡散・注入さ
れるのは、極表層部に限られる。この方法は、目的元素を材料中深く拡散させ、さらには
合金組成の原子比を微量に調整し、制御することは難しく、部材の改質には不適であり、
困難であった。この手法の典型的な適用例としては、表面にホウ素を注入するホウ化処理
があるが、専ら表面を硬化させる改質操作に限定されている。すなわち、表面硬化処理に
は適しているが、それ以外の目的、材料そのものや部材の改質、例えば、靱性や高温強度
等の性質改善には適していない。そのため、有益元素を局部的に注入し、意図する物性を
もった材料設計、合金設計を可能とし得るところまでには至っていない。また、この方法
は、特定の加熱炉内で実施するほかはなく現場での「その場注入」には適していない。
Therefore, the additive element by this method reacts in the contacting surface layer portion, and is diffused and injected only in the extreme surface layer portion. This method diffuses the target element deeply in the material, and furthermore, it is difficult to adjust and control the atomic ratio of the alloy composition to a very small amount, and is unsuitable for modification of the member.
It was difficult. A typical application of this technique is a boride treatment in which boron is injected into the surface, but it is limited to a modification operation that hardens the surface exclusively. That is, although it is suitable for surface hardening treatment, it is not suitable for other purposes, modification of materials and members, for example, property improvement such as toughness and high temperature strength. Therefore, it has not reached the point where it is possible to locally inject beneficial elements and to enable material design and alloy design with intended physical properties. This method is not suitable for in-situ “in-situ injection” except in a specific heating furnace.

表面改質方法として、最近用いられるようになったのが、溶射法である。燃焼ガス、レ
ーザ、高周波誘導プラズマを熱源として、皮膜形成材料を溶融し、材料表面に皮膜材料を
形成し、有益元素は皮膜から金属材料表面へと接触界面から拡散・注入される。しかしこ
の手法によって得られた有益元素を含む金属材料皮膜は、皮膜自体が酸化反応等によって
変質されやすく、また気泡の巻き込みによる気孔が生じていることが多く、しかも下地母
材との密着性が極めて悪く、さらには、下地母材を著しく変質、劣化させる。そのため、
接触界面の状態は、皮膜から金属部材への拡散・注入するには適した手法であるとはいえ
ず、材料中深くまで拡散・注入し、部材そのものを改質することや元素の量を高精度に制
御し、意図する材料設計、合金化設計する目的には適さない。そしてまた、この方法も、
現場での「その場注入」に適していない。
Recently, the thermal spraying method has come to be used as a surface modification method. Using a combustion gas, laser, and high frequency induction plasma as a heat source, the film forming material is melted to form a film material on the material surface, and beneficial elements are diffused and injected from the film into the metal material surface through the contact interface. However, the metal material film containing beneficial elements obtained by this method is likely to be altered due to oxidation reaction, etc., and there are many pores due to entrainment of bubbles, and the adhesion to the base material is low. It is extremely bad, and further, the base material is remarkably altered and deteriorated. for that reason,
The state of the contact interface is not a suitable technique for diffusion / injection from the film into the metal member, but it can be diffused / injected deep into the material to modify the member itself and increase the amount of elements. It is not suitable for the purpose of controlling the accuracy and designing the intended material and alloying. And this method is also
Not suitable for “in-situ injection” on site.

さらに、最近の特許文献には、特に火力発電所のプラントの延命策としてモリブデン鋼
、クロムーモリブデン鋼、クロムーモリブデンーバナジウム鋼、モリブデンーバナジウム
鋼、クロムーモリブデンータングステン鋼、等各種高温耐熱金属からなるボイラー管や関
係するプラントにおける溶接熱影響部を対象とし、そのクリープ強度、疲労強度を改質す
るため、該当箇所にBC等ホウ素化合物粉末を塗布するか、あるいは、ホウ化鉄Fe
Bからなるワイヤをプラズマ溶射して、B元素を含む皮膜を形成し、次いで加熱すること
によってB元素を拡散浸透させる工程とからなる改質法が記載されている(例えば、特許
文献1を参照のこと)。なお、この塗布法、溶射法については、図1中、(c)、(d)
にその態様が示されている。
In addition, recent patent literature includes various high-temperature heat-resistant products such as molybdenum steel, chromium-molybdenum steel, chromium-molybdenum-vanadium steel, molybdenum-vanadium steel, chromium-molybdenum-tungsten steel, etc. In order to improve the creep strength and fatigue strength of a boiler tube made of metal or a welded heat affected zone in a related plant, boron compound powder such as B 4 C is applied to the corresponding part, or iron boride Fe 2
A reforming method comprising a step of plasma spraying a wire made of B to form a coating containing B element and then diffusing and infiltrating the B element by heating is described (see, for example, Patent Document 1) ) In addition, about this coating method and a thermal spraying method, in FIG. 1, (c), (d)
The embodiment is shown in FIG.

しかし、この特許文献に記載の提案による改質方法における皮膜形成方法においても、
その皮膜形成法は、図1(c)、(d)に示す塗布法あるいは溶射法によるものにすぎな
い。したがって、これらは基本的には従来法の域を出ない。そして、拡散するためには、
高温加熱工程が必須であり、しかも形成された皮膜自体には、下地保護層としての機能は
期待することが出来ない。すなわち、塗布法によると、皮膜が脱落するおそれがある。ま
た、ワイヤのプラズマ溶射等による高温溶融による溶射法によると、皮膜と母材との密着
性が悪く、また、母材そのものが変質されてしまう欠点が生じることは否めず、従来技術
でも紹介したような好ましくない現象をきたし、皮膜自体にも問題が内在し、良好な状態
の皮膜は形成されがたい。
However, also in the film formation method in the modification method according to the proposal described in this patent document,
The film forming method is merely the coating method or the thermal spraying method shown in FIGS. 1 (c) and 1 (d). Therefore, these are basically out of the range of conventional methods. And to spread,
A high-temperature heating step is essential, and the formed film itself cannot be expected to function as a base protective layer. That is, according to the coating method, there is a possibility that the film may fall off. In addition, the thermal spraying method by high-temperature melting such as plasma spraying of the wire has the disadvantage that the adhesion between the coating and the base material is poor, and the base material itself may be deteriorated. Such an undesired phenomenon is caused, the problem is inherent in the film itself, and it is difficult to form a film in a good state.

発明者らは、既に、有益元素を材料や部材深くまで、高精度に拡散・注入させることが
可能な方法として、有益元素を含む軟粒子を超音速に加速して、材料表面に衝突・塑性変
形させることにより、密着性がよく、材料そのものを変質させずに表面被膜を形成させ、
表面皮膜の有益元素を材料中に拡散・注入させる方法を発明し、特許出願している(特許
文献2)。この先の特許出願の発明による方法は、コールドスプレイ法に属する技術態様
ということが出来、常温の下でも容易に実施可能とする方法で、大きな部材への応用や現
場での作業が容易である。しかしながら、塑性変形可能な粒子を用いる必要があること、
粒子への有益元素添加量が一般に少量に限られること、一様で厚い皮膜(100μm以上
)を形成させる必要がある、といったいくつかの特有な制約があり、そのため、それぞれ
の部材に合わせて予め高度な調整が必要となるといった点で若干問題が残っていた。
特開2004−91832号公報 特願2006−133469(新谷、京野、「有益元素の高精度拡散・注入に適用される金属皮膜形成方法」)
The inventors have already accelerated the soft particles containing beneficial elements to supersonic speed as a method capable of diffusing and injecting beneficial elements deeply into materials and members, and colliding and plasticizing material surfaces. By deforming, the adhesion is good, the surface film is formed without altering the material itself,
A method for diffusing and injecting beneficial elements of the surface film into the material has been invented and a patent application has been filed (Patent Document 2). The method according to the invention of the earlier patent application can be said to be a technical aspect belonging to the cold spray method, and can be easily carried out even at room temperature, and can be easily applied to large members and on-site work. However, it is necessary to use plastically deformable particles,
There are some unique restrictions such as the fact that the amount of beneficial elements added to the particles is generally limited to a small amount, and that it is necessary to form a uniform and thick film (100 μm or more). Some problems remained in that advanced adjustments were required.
JP 2004-91832 A Japanese Patent Application No. 2006-133469 (Shinya, Kyono, “Metal film forming method applied to high-precision diffusion and implantation of beneficial elements”)

以上述べたように、従来の元素注入による改質法は、特定の成分元素に限定され、しか
も特定目的に限定されて行われているにすぎず、そこには、均質な合金化を狙いとするよ
うな汎用性に富んだ、各種材質設計に利用しうる基本的改質操作として適している手法と
はいえなかった。また、本発明者らが先に特許出願した発明は、これを可能とする皮膜形
成法を提供しようというものであるが、厚い皮膜形成のための塑性容易な粒子と厚皮膜形
成条件に制限され、必ずしも、一般性があるとはいえない。そこで、粒子の塑性変形を特
に必要とせず、また、有益元素を多量に含み、厚い皮膜を形成する必要もない硬質粒子を
常温で材料や部材表面に一層打ち込むだけの簡便・容易な方法を提供しょうとするもので
ある。これによって、必要箇所に対して有益な元素を、それほど高い温度に加熱しなくて
も制御された有効量だけ、拡散させることを可能とし、特に高温で操業されている各種プ
ラントや付設されている配管等の金属部材を現場にて即、多様な目的の改質を図るための
簡便・容易な有益元素拡散・注入方法を提供しようとするものである。
As described above, the conventional reforming method by element implantation is limited to a specific component element and is limited to a specific purpose. Therefore, it cannot be said that the technique is suitable as a basic reforming operation that can be used for various material designs. The invention previously filed by the inventors of the present invention is intended to provide a film forming method that makes this possible, but is limited to easy plastic particles and thick film forming conditions for forming a thick film. However, it is not necessarily general. Therefore, we provide a simple and easy method that does not require the plastic deformation of the particles, and that only hard particles that contain a large amount of beneficial elements and do not need to form a thick film are placed on the surface of the material or member at room temperature. It is something to try. This makes it possible to diffuse elements that are beneficial to the required location by a controlled effective amount without heating to a very high temperature, especially in various plants and facilities operating at high temperatures. The purpose of this invention is to provide a simple and easy method for diffusing and injecting beneficial elements in order to immediately modify metal members such as pipes for various purposes on site.

そのため本発明者らにおいては、鋭意研究した結果、有益元素を多量に含むことが可能
な硬質粒子を超音速に加速して、常温で金属部材に衝突させ、金属部材表面に有益元素を
含む硬質粒子を楔状に打ち込み、金属部材表面に対して粒子を一様に打ち込み、その後、
打ち込まれた粒子と金属部材との界面を通して拡散する元素を拡散せしめることからなる
、硬質粒子を拡散源として有益元素が拡散・注入され、これによって従来よりも、金属部
材表面から深部に効率よく元素が拡散され、合金化され、改質され得ることを見いだした
ものである。
本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その構成は、以下(1)〜(12
)に記載の通りである。
For this reason, as a result of earnest research, the present inventors have accelerated hard particles capable of containing a large amount of beneficial elements to supersonic speed and collided with metal members at room temperature, and hard particles containing beneficial elements on the metal member surface. Particles are driven into a wedge shape, and the particles are uniformly injected into the surface of the metal member.
The beneficial element is diffused and injected using the hard particles as the diffusion source, which consists of diffusing elements that diffuse through the interface between the implanted particles and the metal member. Has been found to be diffused, alloyed and modified.
This invention is made | formed based on this knowledge, The structure is the following (1)-(12
).

(1)処理される金属部材よりも硬質で拡散・注入しようとする元素を含んでなる硬質粒
子を金属部材に対して高速で打ち込む工程、次いで、打ち込まれた硬質粒子と金属部材と
の接触界面から拡散・注入しようとする元素を金属部材へと拡散せしめる工程、とからな
ることを特徴とする、硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
(2)前記硬質粒子を金属部材に対して高速で打ち込む工程が、常温を含む広い温度領域
の下で実施されることを特徴とする、(1)に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材
への元素の拡散・注入方法。
(3)前記硬質粒子を金属部材に対して高速で打ち込む工程、あるいは前記拡散・注入し
ようとする元素を金属部材に拡散させる工程が、金属部材の設置されている使用現場で、
使用作業を中断し、または中断することなく行われることを特徴とする、(1)または(
2)に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
(4)前記拡散・注入しようとする元素が、C、N、B、Ce、La、Zr、Hf、Ti
、Nb、Moからなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であることを特徴とする、
(1)ないし(3)の何れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の
拡散・注入方法。
(5)前記硬質粒子が、粉砕によって得られた硬質粒子であることを特徴とする、(1)
ないし(4)の何れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・
注入方法。
(6)前記硬質粒子が、直径1〜100μmの範囲に調製された硬質粒子であることを特
徴とする、(1)ないし(5)の何れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材
への元素の拡散・注入方法。
(7)前記硬質粒子が、FeB、FeB、あるいはFeと共晶ないし過共晶合金を形成
しうるホウ化鉄から選ばれた硬質粒子からなることを特徴とする、(1)ないし(6)の
何れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
(8)前記硬質粒子が、NiB、または、Niと共晶ないし過共晶合金を形成しうるホ
ウ化ニッケルから選ばれた硬質粒子からなることを特徴とする、(1)ないし(6)の何
れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
(9)前記元素が注入される金属部材が、炭素鋼、低合金鋼、オーステナイト鋼の何れか
1種から選ばれてなる金属部材であることを特徴とする、(1)ないし(8)の何れか1
項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
(10)前記拡散・注入しようとする元素を金属部材へと拡散せしめる工程が、前工程に
より硬質粒子が打ち込まれたままの状態で金属部材を加熱することによって行われること
を特徴とする、(1)に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入
方法。
(11)前記金属材料が炭素鋼ないし低合金鋼の場合、前記加熱が500〜750℃の温
度範囲で、また、前記金属材料がオーステナイトステンレス鋼の場合、650〜900℃
の温度範囲で行われることを特徴とする、(9)に記載する硬質粒子打ち込みによる金属
部材への元素の拡散・注入方法。
(12)前記金属部材が、使用現場で融点温度Tm(絶対温度)の1/3以上の温度で使
用されている金属部材である場合、硬質粒子打ち込み後の拡散工程を、特に加熱すること
なく使用されている温度にそのまま曝すことにより拡散せしめることを特徴とする、(1
)ないし(11)に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法
(1) A step of driving hard particles, which are harder than the metal member to be processed and containing elements to be diffused / injected, into the metal member at a high speed, and then a contact interface between the hard particles thus implanted and the metal member And a step of diffusing the element to be diffused / injected into the metal member. A method of diffusing / injecting the element into the metal member by hard particle implantation.
(2) The step of driving the hard particles into the metal member at a high speed is performed under a wide temperature range including normal temperature. Element diffusion and implantation methods.
(3) The step of driving the hard particles into the metal member at a high speed or the step of diffusing the element to be diffused / injected into the metal member is performed at the site where the metal member is installed.
(1) or (1) or (1) characterized in that the operation is performed without or without interruption
2) A method for diffusing and injecting elements into a metal member by hard particle implantation.
(4) The elements to be diffused / implanted are C, N, B, Ce, La, Zr, Hf, Ti
, One or more elements selected from the group consisting of Nb and Mo,
(1) The diffusion / injection method of an element into a metal member by hard particle implantation according to any one of (3).
(5) The hard particles are hard particles obtained by pulverization, (1)
Or diffusion of elements into the metal member by hard particle implantation described in any one of (4)
Injection method.
(6) To the metal member by hard particle implantation according to any one of (1) to (5), wherein the hard particles are hard particles having a diameter of 1 to 100 μm. Element diffusion and implantation methods.
(7) The hard particles are composed of hard particles selected from Fe 2 B, FeB, or iron boride capable of forming a eutectic or hypereutectic alloy with Fe, (1) to ( 6) The method for diffusing and injecting an element into a metal member by hard particle implantation according to any one of 6).
(8) The hard particles are composed of hard particles selected from Ni 3 B or nickel boride capable of forming a eutectic or hypereutectic alloy with Ni, (1) to (6) The element diffusion / injection method to the metal member by hard particle implantation according to any one of the above.
(9) The metal member into which the element is injected is a metal member selected from any one of carbon steel, low alloy steel, and austenitic steel, (1) to (8) Any one
A method for diffusing and injecting elements into a metal member by hard particle implantation as described in the section.
(10) The step of diffusing the element to be diffused / implanted into the metal member is performed by heating the metal member in a state where the hard particles are implanted by the previous step. A method for diffusing and injecting elements into a metal member by hard particle implantation described in 1).
(11) When the metal material is carbon steel or low alloy steel, the heating is in a temperature range of 500 to 750 ° C., and when the metal material is austenitic stainless steel, 650 to 900 ° C.
The method for diffusing and injecting elements into a metal member by hard particle implantation according to (9), characterized in that the method is carried out in a temperature range of
(12) When the metal member is a metal member used at a temperature of 1/3 or more of the melting point temperature Tm (absolute temperature) at the site of use, the diffusion step after the hard particle implantation is not particularly heated. It is characterized by diffusing by exposing to the temperature used as it is (1
The diffusion / injection method of elements into a metal member by hard particle implantation as described in (11) to (11).

図1は、本発明を従来の塗布法あるいは溶射法、さらには、本発明者等の先願に記載の
軟粒子に係る発明と比較して図示したものであり、これによって、彼我の差が明確に理解
される。図1中(a)は、本発明の拡散源硬質粒子打ち込み層形成方法による態様を示し
、図1中(b)は、本発明者らによる先の出願であって、現在出願中の有益元素を含む合
金皮膜を形成させる方法による態様であって、軟粒子を塑性変形させて被膜を形成する方
法(特願2006−133469号として出願中)による態様を示している。さらに、図
1中(c)は、有益元素を含む粒子を塗布する従来法による態様(例えば、特開2004
−91832号公報)を示し、図1中(d)は、有益元素を含む粒子やワイヤを溶射して
、被膜を形成している態様を示している。
FIG. 1 illustrates the present invention in comparison with the conventional coating method or thermal spraying method, and further to the invention relating to the soft particles described in the prior application of the present inventors. Is clearly understood. FIG. 1 (a) shows an embodiment according to the diffusion source hard particle implantation layer forming method of the present invention, and FIG. 1 (b) is an earlier application by the present inventors, which is a beneficial element of the present application. The method is an embodiment by a method of forming an alloy film including, and an embodiment by a method of forming a film by plastic deformation of soft particles (patent pending as Japanese Patent Application No. 2006-133469). Further, FIG. 1 (c) shows an embodiment according to a conventional method in which particles containing beneficial elements are applied (for example, JP-A-2004
No. -91832) and (d) in FIG. 1 shows a mode in which particles and wires containing beneficial elements are sprayed to form a film.

本発明は、実施に際しては、あらかじめ処理される金属部材は清浄化され、新鮮な金属
地が確保されていることが望ましい。また、化合物及び合金粒子を衝突させる際、化合物
及び合金粒子は、常温で噴射されるが、金属部材は常温でもよいし、高温稼働中であれば
、高温の実使用中でもよい。
In carrying out the present invention, it is desirable that the metal member to be treated in advance is cleaned and a fresh metal ground is secured. Further, when the compound and the alloy particles are collided, the compound and the alloy particles are jetted at a normal temperature, but the metal member may be at a normal temperature, or may be in high temperature actual use as long as it is operating at a high temperature.

超音速で噴射される硬質粒子は、衝突された瞬間に金属部材を変形し、金属部材中に打
ち込まれる。この際、硬質粒子は、最も空気抵抗が少ない姿勢、即ち、最も鋭角な面が先
端を向いて飛行している。そのため、硬質粒子は、金属部材に楔状に打ち込まれる。硬質
粒子打ち込み後、拡散・加熱工程を付加し、これによって有益元素の拡散・注入を調整、
制御する。拡散・加熱工程の加熱温度条件は、炭素鋼、低合金鋼の場合、500〜750
℃、オーステナイトステンレスの場合、650〜900℃の温度を目安として実施するの
が好ましい。
The hard particles injected at supersonic speed deform the metal member at the moment of collision and are driven into the metal member. At this time, the hard particles are flying with the least air resistance, that is, the sharpest surface facing the tip. Therefore, the hard particles are driven into the metal member in a wedge shape. After hard particle implantation, diffusion and heating processes are added, thereby adjusting the diffusion and injection of beneficial elements,
Control. The heating temperature condition of the diffusion / heating process is 500 to 750 in the case of carbon steel and low alloy steel.
In the case of ℃, austenitic stainless steel, it is preferable to carry out using a temperature of 650 to 900 ℃ as a guide.

本発明による元素の拡散・注入に適用される拡散源硬質粒子打ち込み層形成方法は、拡
散・注入しようとする有益元素を含み、打ち込む金属部材より硬度の高い化合物或いは合
金微粒子を調製し、これを使用して常温で、超音速に加速して、処理される金属部材に衝
突させ、任意の領域の表面に硬質粒子を高密度に楔状にあるいは一層分一様に打ち込むの
であることから、金属部材表面は温度による影響や酸化・化学変化等による変質などとい
った従来の表面処理に伴う問題は一切生じない。
The diffusion source hard particle implantation layer forming method applied to the diffusion / injection of the element according to the present invention comprises a compound or alloy fine particle containing a beneficial element to be diffused / injected and having a hardness higher than that of the metal member to be implanted. It is used at normal temperature, accelerated to supersonic speed, collides with the metal member to be processed, and hard particles are driven into the surface of an arbitrary region in a wedge shape or more uniformly, so that the metal member The surface does not have any problems associated with conventional surface treatments such as the influence of temperature and the deterioration due to oxidation and chemical changes.

金属部材最外層は、硬質粒子が打ち込まれるため、加工硬化を生じるが、金属部材表面
の機械的性質向上のためのショットピーニング効果と同じ作用をもたらすことから有益で
あり、特に有害となることはない。硬質粒子は鋭角面を先端として楔状に深く打ち込まれ
、あるいは塑性変形を伴う場合は波状の層を形成するが、いずれも安定であるため、その
後の熱処理過程等で、脱離することはない。表面に清浄な拡散源が打ち込まれ、金属部材
と密着しているため、接触界面を介して有益元素の拡散・注入を容易に行うことが出来る
The outermost layer of the metal member is hardened, and causes work hardening, but is beneficial because it has the same effect as the shot peening effect for improving the mechanical properties of the metal member surface, and is particularly harmful. Absent. The hard particles are deeply wedged with an acute angle surface as a tip, or form a wave-like layer when accompanied by plastic deformation, but since they are all stable, they are not detached in the subsequent heat treatment process or the like. Since a clean diffusion source is implanted on the surface and is in close contact with the metal member, it is possible to easily diffuse and inject beneficial elements through the contact interface.

本発明では硬質粒子を用いることを要件事項としているため、この粒子は塑性変形する
ようなことはほとんどないか少ない。そのため、硬質粒子の金属部材に対する衝突による
打ち込み後の金属部材の状態は、最初に打ち込まれた硬質粒子によって占有されたところ
においては、その後に衝突する硬質粒子の打ち込みは自ずと規制される。すなわち、最初
に打ち込まれた粒子に対して後からも硬質粒子が衝突することはおこるが、その場合、後
から衝突する粒子は、最初の粒子によって規制され、硬質粒子同士が重畳し、多層状態に
形成されることはない。すなわち、硬質粒子一層分が自立的に形成される。したがって、
先願発明を含めた従来法のように多層にわたる厚膜が形成されるようなことはない。むし
ろ、多層化は困難である。しかし、硬質粒子に多量の有益元素を含有させることが可能で
あるので、厚膜ではなくとも特に問題はない。
In the present invention, the use of hard particles is a requirement, so that these particles hardly or hardly undergo plastic deformation. Therefore, the state of the metal member after being driven by the collision of the hard particles with the metal member is naturally restricted when the hard particles colliding thereafter are occupied when the hard particles are occupied by the first hard particles. In other words, hard particles collide with the particles that were initially injected, but in this case, the particles that collide later are regulated by the first particles, and the hard particles overlap each other, resulting in a multilayer state. It is never formed. That is, one hard particle is formed autonomously. Therefore,
There is no case where a thick film over multiple layers is formed unlike the conventional method including the invention of the prior application. Rather, multilayering is difficult. However, since it is possible to contain a large amount of beneficial elements in the hard particles, there is no particular problem even if it is not a thick film.

その使用される硬質粒子の材質は、安定な化合物や耐熱合金など安定な素材を選択する
ことが出来るので、この硬質粒子が打ち込まれた拡散源形成表面は熱的にも、化学的にも
、機械的にも安定である。従って、その後行われる拡散・加熱工程による拡散・注入工程
を、任意の時点、任意の場所で、独立して行うことが可能であり得る。典型的には、硬質
粒子打ち込み層形成工程実施後、加熱による拡散工程を実施することなく放置していても
問題なく、加熱工程は、必要な時まで行わない態様を含みうる。典型的には、拡散源硬質
粒子打ち込みを工場で実施し、現場に運んで操業し、操業温度で拡散・注入することが可
能となり得、この態様を含みうるものである。
The material of the hard particles used can select a stable material such as a stable compound or a heat-resistant alloy, so the diffusion source forming surface into which the hard particles are implanted is thermally, chemically, It is also mechanically stable. Accordingly, it may be possible to independently perform the diffusion / injection step by the subsequent diffusion / heating step at any time and in any place. Typically, after the hard particle implantation layer forming step is performed, there is no problem even if it is left without performing the diffusion step by heating, and the heating step may include an embodiment in which the heating step is not performed until necessary. Typically, diffusion source hard particle implantation may be performed at the factory, transported to the field, operated, and diffused and injected at the operating temperature, which may include this aspect.

本発明の方法によって得られた拡散源硬質粒子打ち込み層は、総じて、清浄であり、密
着性がよく、微量元素を拡散・注入するには最適である。しかも現場においてその場形成
が可能である。各種装置やプラントに対してその設置現場にて直ちに適用することが出来
、極めて実効性に富んだ応用範囲の広い技術である。すなわち、本発明の拡散源硬質粒子
打ち込み方法は、低コストで装置も簡便であり、現場での作業が容易であるので、応用性
や経済性に優れる。この方法により、目的の部位にのみに寿命を大幅に延長させるB等の
有益元素を注入できれば、新規の各種プラントの経済性・信頼性を向上させ、また、経年
劣化したプラントの寿命も大幅に延長化できる。
The diffusion source hard particle implantation layer obtained by the method of the present invention is generally clean, has good adhesion, and is optimal for diffusing and injecting trace elements. Moreover, it can be formed on site. This technology can be applied immediately to various devices and plants at the installation site, and is a highly effective technology with a wide range of applications. That is, the diffusion source hard particle implantation method of the present invention is excellent in applicability and economy because it is low in cost, simple in equipment, and easy on-site work. If this method can inject beneficial elements such as B that greatly extend the lifetime only to the target site, it will improve the economics and reliability of the new plants, and will greatly increase the lifetime of aged plants. Can be extended.

以下、本発明を図面および実施例に基づいて具体的に説明する。但し、これらは、あく
までも本発明を容易に理解するための一助として開示するものであり、本発明はこれに限
定されることはない。
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on the drawings and examples. However, these are disclosed only as an aid for easily understanding the present invention, and the present invention is not limited thereto.

実施例1;
B元素の拡散・注入を行うための拡散源硬質粒子は、FeベースにBを19重量%添加
したフェロボロンで、α−FeとFeBの共晶組織のものを用いた。Fe−B合金浴を
調製し、凝固後、機械的に粉砕し、粉末を53μmの網目で分級した。素材は硬くて、脆
いため、容易に機械的に粉砕でき、微小な粒子を得ることができた。平均粒径は、17±
4μmである。Feを基とする材料を設定した理由は、拡散源硬質粒子を打ち込む金属部
材の主材料はFeベースであることと、フェロボロンは容易に入手し易く、B19%のも
のは、製造上からもその後の取り扱い上でも極めて安定であるためであるので、これを拡
散源硬質粒子の母材とした。図2は、このBを含むFeを基とする共晶合金の粉末を走査
型電子顕微鏡によって観察した写真である。その形状は多角形で、やや細長く、鋭角的な
面を持ち、楔状に打ち込むのには適した形状といえる。大きさのばらつきはあるが、単分
散性に富んだ粉末であった。
Example 1;
The diffusion source hard particles for diffusing / implanting the B element were ferroboron in which 19% by weight of B was added to the Fe base and having a eutectic structure of α-Fe and Fe 2 B. An Fe-B alloy bath was prepared, solidified and then mechanically pulverized, and the powder was classified using a 53 μm mesh. Since the material was hard and brittle, it could be easily mechanically pulverized to obtain fine particles. The average particle size is 17 ±
4 μm. The reason for setting the Fe-based material is that the main material of the metal member into which the diffusion source hard particles are implanted is Fe-based, and that ferroboron is easily available. This is because it is extremely stable in handling, and this was used as a base material for diffusion source hard particles. FIG. 2 is a photograph of the Fe-containing eutectic alloy powder containing B observed with a scanning electron microscope. Its shape is polygonal, slightly elongated, has an acute angle surface, and is suitable for driving in a wedge shape. Although there were variations in size, the powder was rich in monodispersity.

次いで、このFe−B共晶合金粉末を、Nガスにより、ノズルから超音速流で、SU
S304鋼試料表面に衝突させ、試料表面に打ち込んだ。試料の大きさは、20mmφ×
3mmtで、各10個についてその表面に硬質粒子打ち込み層を形成した。設定するガス
圧等のキーポイントなる最適条件はあらかじめダミー試料を使用して調べた。その結果、
得られた打ち込み条件は、表1に示すとおりであった。粒子の打ち込み時の速度を計測し
ていないが、本実験と同様の圧力等の条件で同等のサイズの粒子を用いた実験において、
粒子速度が640m/sの報告(榊 和彦;溶射技術、vol.26、No.2、p.3
2、2000)がなされていることから、粒子速度は、超音速に達していると考えられる

Figure 2008024993
Next, the Fe—B eutectic alloy powder is supersonic flow from the nozzle with N 2 gas, and the SU—
S304 was made to collide with the steel sample surface and driven into the sample surface. The sample size is 20mmφ ×
A hard particle implantation layer was formed on the surface of 10 pieces each at 3 mmt. The optimum conditions, which are key points such as the gas pressure to be set, were examined in advance using a dummy sample. as a result,
The driving conditions obtained were as shown in Table 1. Although the velocity at the time of particle implantation is not measured, in the experiment using particles of the same size under the same pressure conditions as this experiment,
Report of a particle velocity of 640 m / s (Kazuhiko Tsuji; Thermal spray technology, vol. 26, No. 2, p. 3
2, 2000), the particle velocity is considered to have reached supersonic speed.
Figure 2008024993

前記合金粉末を表1に示す条件でSUS304鋼表面に衝突させた。
図3は、SUS304鋼表面に形成されたFe−B共晶合金打ち込み層を示す。図3の
試料は打ち込み後、750℃で10hの加熱処理がなされている。硬粒
子は鋼板表面に打ち込まれ、鋼板に密着して形成されていた。この図からもBは、接触界
面を通して容易に拡散できると判断された。加熱処理をしているため、硬質粒子のFe
BのB成分がSUS304鋼中に拡散し硬質粒子が一部縮小し始めていた。また、反応生
成物などは全くなく、表面は化学的には清浄であった。硬質粒子として、Fe−Bの共晶
合金を用いたため、硬質粒子は一部塑性変形し、打ち込み硬質粒子は楔状の形状が一部変
形し、5〜30μmの波状層をなしていた。また、打ち込み層の内側を100μmの深さ
まで打ち込みしたのに伴い、すべり帯が形成された加工層が観察された。
The alloy powder was made to collide with the surface of SUS304 steel under the conditions shown in Table 1.
FIG. 3 shows an Fe—B eutectic alloy implantation layer formed on the surface of SUS304 steel. The sample shown in FIG. 3 is subjected to heat treatment at 750 ° C. for 10 hours after implantation. Hard particles were driven into the surface of the steel plate and formed in close contact with the steel plate. From this figure, it was determined that B could easily diffuse through the contact interface. Due to the heat treatment, hard particles of Fe 2
The B component of B diffused into the SUS304 steel and the hard particles began to shrink partially. Moreover, there were no reaction products and the surface was chemically clean. Since a Fe—B eutectic alloy was used as the hard particles, the hard particles were partly plastically deformed, and the implanted hard particles were partly deformed in a wedge shape, forming a 5-30 μm wavy layer. In addition, as the inner side of the implantation layer was implanted to a depth of 100 μm, a processed layer in which a slip band was formed was observed.

実施例2;
この実施例は、実施例1における拡散源硬質粒子打ち込み工程に続き、拡散・加熱処理
工程を付加させたものである。すなわち、打ち込み後、SUS304鋼の試料をAr雰囲
気中で加熱し、B元素の試料中への拡散・注入処理を行った。表2に加熱による拡散・注
入条件を示す。

Figure 2008024993
Example 2;
In this embodiment, a diffusion / heat treatment process is added to the diffusion source hard particle implantation process in the first embodiment. That is, after implantation, a sample of SUS304 steel was heated in an Ar atmosphere to perform diffusion / injection treatment of the B element into the sample. Table 2 shows the conditions for diffusion and injection by heating.
Figure 2008024993

拡散源硬質粒子打ち込みとそれに続く拡散・注入処理によるB注入の注入量の定量的計
測を行った。Bの定量計測には、レーザICP質量分析法(LA−ICP−MS)を用い
、高精度な局所分析により、深さ方向の微量Bの拡散・注入量を定量的に求めた。ICP
質量分析計は、Perkin Elmer Elan6000(四重極)型で、高周波出
力は、40.68MHz、1kWである。レーザアブレーションは、Nd−YAG固定レ
ーザを用いた。レーザのスポットサイズは100μmである。
Quantitative measurement of the injection amount of the B injection by the diffusion source hard particle implantation and the subsequent diffusion / injection treatment was performed. For the quantitative measurement of B, laser ICP mass spectrometry (LA-ICP-MS) was used, and the diffusion / injection amount of trace B in the depth direction was quantitatively determined by high-precision local analysis. ICP
The mass spectrometer is a Perkin Elmer Elan6000 (quadrupole) type, and the high frequency output is 40.68 MHz and 1 kW. For laser ablation, an Nd-YAG fixed laser was used. The laser spot size is 100 μm.

図4にレーザアブレーションした表面からの計測位置とイオン質量分析計で計測された
Bのイオン強度との関係を示す。図中にFe−B共晶合金粒子の打ち込みを実施していな
いSUS304鋼素材の加熱材のデータも比較のため示した。
FIG. 4 shows the relationship between the measurement position from the laser-ablated surface and the ion intensity of B measured by an ion mass spectrometer. In the figure, the data of the heating material of the SUS304 steel material that has not been implanted with Fe-B eutectic alloy particles is also shown for comparison.

その結果、Fe−B共晶合金打ち込みがなされていない比較試料では、Bイオン強度は
当然のことながら、加熱処理による変化や深さ方向の変化はなく、低レベルのままである
。それに対し、Fe−B共晶合金粒子の打ち込みがなされ、加熱処理した試料は、表層部
のBイオン強度が極めて高く、表面からの深さ方向の距離とともに急激に低下する。急激
な低下後、平衡に達し、ほぼ一定な値を示すようになる。この一定になるイオン強度は、
加熱温度が高くなるほど、また、加熱時間が長くなるほど高い値となる。この一定値が有
益元素の効果をもたらすBの固溶量に相当すると考えられる。
As a result, in the comparative sample in which the Fe—B eutectic alloy is not implanted, the B ion intensity is naturally not changed by the heat treatment or in the depth direction, and remains at a low level. On the other hand, the Fe-B eutectic alloy particles are implanted and the heat-treated sample has a very high B ion intensity in the surface layer portion, and rapidly decreases with the distance in the depth direction from the surface. After a rapid drop, equilibrium is reached and the value becomes almost constant. This constant ionic strength is
The higher the heating temperature and the longer the heating time, the higher the value. This constant value is considered to correspond to the solid solution amount of B that brings about the effect of beneficial elements.

なお、図5は、Bイオン強度とB含有量との関係を示す検量線である。図5から、Fe
−B共晶合金粒子を打ち込んだことにより、数mmの深さに数ppmから200ppmの
B元素を拡散・注入できることが分かった。B元素は、数ppmの添加でも、その有益な
効果を十分発揮するので、本発明の拡散源硬質粒子打ち込み層形成方法は、オーステナイ
トステンレス鋼に対しては、極めて効果的であることが確認された。
FIG. 5 is a calibration curve showing the relationship between B ion intensity and B content. From FIG. 5, Fe
It was found that by implanting -B eutectic alloy particles, several ppm to 200 ppm of B element can be diffused and implanted at a depth of several mm. Since the element B sufficiently exhibits its beneficial effect even when several ppm is added, it has been confirmed that the diffusion source hard particle implantation layer forming method of the present invention is extremely effective for austenitic stainless steel. It was.

図6は、図5のSUS304ステンレス鋼のB拡散・注入結果を本発明者らが特許出願
中(有益元素の高制度拡散・注入に適用される金属皮膜形成方法、特願2006−133
469)の結果と比較したものである。拡散・注入の熱処理条件は同じであり、深さ方向
のB分布は類似であり、特に深さが200μm以上の内側では、ほぼ同じである。本発明
の方法は、硬質粒子一層だけの打ち込みの簡便な方法であるが、厚膜を形成させる方法と
同じ効果が得られた。これは、主として拡散源を塑性変形の必要のない硬質粒子として、
Bを多量に含有させているためである。従って、B注入に限っていえば、本発明の方が簡
便で効果的にBを注入できるといえる。なお、従来の塗布法や溶射法に関しては、有益微
量元素の拡散・注入の定量的な計測を行ってなく、分析データがないため、比較すること
はできなかった。
FIG. 6 is a patent application of the B diffusion / injection result of SUS304 stainless steel in FIG. 5 (a metal film forming method applied to high system diffusion / injection of beneficial elements, Japanese Patent Application No. 2006-133).
469). The heat treatment conditions for diffusion / implantation are the same, and the B distribution in the depth direction is similar, and is substantially the same especially inside the depth of 200 μm or more. The method of the present invention is a simple method for implanting only one hard particle, but the same effect as the method of forming a thick film was obtained. This is mainly because the diffusion source is hard particles that do not require plastic deformation,
This is because a large amount of B is contained. Therefore, if limited to B injection, it can be said that the present invention is simpler and more effective in injecting B. The conventional coating method and thermal spraying method could not be compared because quantitative measurement of diffusion and injection of beneficial trace elements was not performed and there was no analysis data.

以上、開示したように本発明は、有益元素の拡散源である多角形の硬質粒子を金属部材
に一様あるいは楔状に打ち込み、その中に含まれている有益成分を硬質粒子と金属部材と
の界面を通して拡散、注入させ、金属部材を改質させることである。硬質粒子の打ち込み
は、常温で高速流化させるだけで、通常のコールドスプレイ法により、容易に深く打ち込
むことができる。この楔状に打ち込まれた硬質粒子は、専ら有益元素を拡散・注入する拡
散源として適用されるものであるが、下地金属との密着性がよいので、長期間安定に拡散
源としての役割を果たす。この硬質粒子打ち込み過程は、通常の機械的性質改善のため行
われているショットピーニングと同じであり、硬質粒子打ち込みにより生じた表面層の残
留ひずみは亀裂生成抵抗を向上させるなどの機械的性質改善効果を有する。
実施例においては、特に材料改質効果が期待できるB元素を指標有益元素として選択し
たが、その理由は上記したとおりである。本発明は、改質しうる有益元素であれば、B元
素に限定されない。また、対象金属部材として鉄系金属材料を使用したが、これに限定さ
れるものではない。すなわち、金属部材の材料と、有益元素との組み合わせは、合金化設
定しうる各種組み合わせを含みうることを理解すべきである。
As described above, according to the present invention, the polygonal hard particles that are the diffusion source of beneficial elements are uniformly or wedged into the metal member, and the beneficial components contained therein are divided between the hard particles and the metal member. It is to diffuse and inject through the interface to modify the metal member. The hard particles can be easily and deeply driven by a normal cold spray method simply by flowing at high speed at room temperature. The wedge-shaped hard particles are exclusively used as a diffusion source for diffusing and injecting beneficial elements, but because of their good adhesion to the base metal, they function as a diffusion source stably for a long period of time. . This hard particle implantation process is the same as shot peening performed to improve normal mechanical properties, and the residual strain of the surface layer caused by hard particle implantation improves mechanical properties such as improving crack formation resistance. Has an effect.
In the examples, the B element that can be expected to have a material modification effect was selected as the index useful element, and the reason is as described above. The present invention is not limited to the B element as long as it is a beneficial element that can be modified. Moreover, although the iron-type metal material was used as an object metal member, it is not limited to this. That is, it should be understood that the combination of the material of the metal member and the beneficial element may include various combinations that can be alloyed.

本発明は、すでに設計・製作された金属部材に対しても、また、設置された現場におい
て、操業を中断することなく、事後的に簡単に改質しうる方法を提示したものであり、極
めて実用性に富んだ提案といえ、今後各種プラントにおける補修、延命策として大いに利
用され得る。
The present invention presents a method that can be easily modified afterwards without interrupting the operation of an already designed / manufactured metal member or at the installation site. It can be said that it is a highly practical proposal and can be used greatly as a repair and life extension measure in various plants in the future.

本発明の有益元素注入方法とこれまでの方法との比較。図中(a)は本発明の拡散源硬質粒子打ち込み層形成方法、(b)は本発明者らが出願中の有益元素を含む合金皮膜を形成させる方法、(c)は従来の塗布方法、(d)は従来の溶射方法を示す。Comparison of beneficial element injection method of the present invention with conventional methods. In the figure, (a) is a diffusion source hard particle implantation layer forming method of the present invention, (b) is a method of forming an alloy film containing beneficial elements for which the inventors have applied, (c) is a conventional coating method, (D) shows the conventional thermal spraying method. 実施例で使用した有効元素(B)を含むαFeとFeBの共晶合金粒子の走査型電子顕微鏡による観察図面。ΑFe and Fe 2 B of observation drawings by scanning electron microscope of the eutectic alloy particles comprising the active element (B) used in Examples. 図2に示す合金粒子をSUS304鋼表面に衝突させて得られた試料表面層への打ち込み粒子の走査型電子顕微鏡による観察図面。The observation drawing by the scanning electron microscope of the implantation particle | grains to the sample surface layer obtained by making the alloy particle | grains shown in FIG. 2 collide with the SUS304 steel surface. SUS304鋼表面に粒子打ち込み後、加熱温度、時間による有益元素(B)の拡散状況を、表面からの深さとB量に相当するイオン強度によって示した図。図中(a)は750℃加熱、(b)図は850℃加熱の場合を示す。The figure which showed the diffusion condition of the useful element (B) by heating temperature and time after particle | grain implantation on the surface of SUS304 steel by the ionic strength corresponded to the depth from the surface, and B amount. In the figure, (a) shows the case of heating at 750 ° C., and (b) shows the case of heating at 850 ° C. B量の標準試料のイオン強度で、B含有量の検量線を示す図。The figure which shows the calibration curve of B content by the ionic strength of the standard sample of B amount. 本発明の拡散源硬質粒子打ち込み層形成方法と合金皮膜形成方法とのB拡散・注入効果を比較して示す。The B diffusion / injection effects of the diffusion source hard particle implantation layer forming method and the alloy film forming method of the present invention are compared and shown.

Claims (12)

処理される金属部材よりも硬質で拡散・注入しようとする元素を含んでなる硬質粒子を
金属部材に対して高速で打ち込む工程、次いで、打ち込まれた硬質粒子と金属部材との接
触界面から拡散・注入しようとする元素を金属部材へと拡散せしめる工程、とからなるこ
とを特徴とする、硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
Hard particles that are harder than the metal member to be treated and that contain the elements to be diffused / injected into the metal member at a high speed, and then diffused from the contact interface between the hard particles and the metal member. A method for diffusing and injecting an element into a metal member by implanting hard particles, the method comprising: diffusing an element to be injected into the metal member.
前記硬質粒子を金属部材に対して高速で打ち込む工程が、常温を含む広い温度領域の下
で実施されることを特徴とする、請求項1に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材へ
の元素の拡散・注入方法。
The diffusion of elements into the metal member by hard particle implantation according to claim 1, wherein the step of driving the hard particles into the metal member at a high speed is performed under a wide temperature range including normal temperature. -Injection method.
前記硬質粒子を金属部材に対して高速で打ち込む工程、および、前記拡散・注入しよう
とする元素を金属部材に拡散させる工程が、金属部材の設置されている使用現場で、使用
作業を中断し、または中断することなく行われることを特徴とする、請求項1または2に
記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
The step of driving the hard particles into the metal member at a high speed and the step of diffusing the element to be diffused / injected into the metal member interrupt the use work at the use site where the metal member is installed, The method of diffusing and injecting an element into a metal member by hard particle implantation according to claim 1, wherein the method is performed without interruption.
前記拡散・注入しようとする元素が、C、N、B、Ce、La、Zr、Hf、Ti、N
b、Moからなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素であることを特徴とする、請求
項1ないし3の何れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・
注入方法。
The elements to be diffused / implanted are C, N, B, Ce, La, Zr, Hf, Ti, N
The element diffusion into the metal member by hard particle implantation according to any one of claims 1 to 3, wherein the element is one or more elements selected from the group consisting of b and Mo.
Injection method.
前記硬質粒子が、粉砕によって得られた硬質粒子であることを特徴とする、請求項1な
いし4の何れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方
法。
The element diffusion / injection method to a metal member by hard particle implantation according to any one of claims 1 to 4, wherein the hard particles are hard particles obtained by pulverization.
前記硬質粒子が、直径1〜100μmの範囲に調製された硬質粒子であることを特徴と
する、請求項1ないし5の何れか1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元
素の拡散・注入方法。
The element diffusion to the metal member by the hard particle implantation according to any one of claims 1 to 5, wherein the hard particles are hard particles having a diameter of 1 to 100 µm. Injection method.
前記硬質粒子が、FeB、FeB、あるいはFeと共晶ないし過共晶合金を形成しう
るホウ化鉄から選ばれた硬質粒子からなることを特徴とする、請求項1ないし6の何れか
1項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
Said hard particles, Fe 2 B, FeB or characterized by comprising the selected hard particles of Fe eutectic or hypereutectic iron boride which can form a eutectic alloy, any one of claims 1 to 6, 2. A method for diffusing and injecting elements into a metal member by hard particle implantation according to item 1.
前記硬質粒子が、NiB、または、Niと共晶ないし過共晶合金を形成しうるホウ化
ニッケルから選ばれた硬質粒子からなることを特徴とする、請求項1ないし6の何れか1
項に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
7. The hard particle according to claim 1, wherein the hard particle comprises Ni 3 B or a hard particle selected from nickel boride capable of forming a eutectic or hypereutectic alloy with Ni.
A method for diffusing and injecting elements into a metal member by hard particle implantation as described in the section.
前記元素が注入される金属部材が、炭素鋼、低合金鋼、オーステナイト鋼の何れか1種
から選ばれてなる金属部材であることを特徴とする、請求項1ないし8の何れか1項に記
載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。
The metal member into which the element is injected is a metal member selected from any one of carbon steel, low alloy steel, and austenitic steel, according to any one of claims 1 to 8. The element diffusion / injection method to the metal member by hard particle implantation as described.
前記拡散・注入しようとする元素を金属部材へと拡散せしめる工程が、前工程により硬
質粒子が打ち込まれたままの状態で金属部材を加熱することによって行われることを特徴
とする、請求項1に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法
The step of diffusing the element to be diffused / implanted into the metal member is performed by heating the metal member in a state where the hard particles are implanted by the previous step. The element diffusion / injection method to the metal member by hard particle implantation as described.
前記金属材料が炭素鋼ないし低合金鋼の場合、前記加熱が500〜750℃の温度範囲
で、また、前記金属材料がオーステナイトステンレス鋼の場合、650〜900℃の温度
範囲で行われることを特徴とする、請求項9に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材
への元素の拡散・注入方法。
When the metallic material is carbon steel or low alloy steel, the heating is performed in a temperature range of 500 to 750 ° C., and when the metallic material is austenitic stainless steel, the heating is performed in a temperature range of 650 to 900 ° C. The element diffusion / injection method to the metal member by hard particle implantation according to claim 9.
前記金属部材が、使用現場で融点温度Tm(絶対温度)の1/3以上の温度で使用され
ている金属部材である場合、硬質粒子打ち込み後の拡散工程を、特に加熱することなく使
用されている温度にそのまま曝すことにより拡散せしめることを特徴とする、請求項1な
いし11に記載する硬質粒子打ち込みによる金属部材への元素の拡散・注入方法。

























When the metal member is a metal member that is used at a temperature of 1/3 or more of the melting point temperature Tm (absolute temperature) at the site of use, the diffusion step after the hard particle implantation is used without heating. 12. The method of diffusing and injecting an element into a metal member by hard particle implantation according to claim 1, wherein the element is diffused by being exposed to a certain temperature as it is.

























JP2006199509A 2006-07-21 2006-07-21 Method of diffusing or implanting element to metallic member by driving hard particle Pending JP2008024993A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006199509A JP2008024993A (en) 2006-07-21 2006-07-21 Method of diffusing or implanting element to metallic member by driving hard particle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006199509A JP2008024993A (en) 2006-07-21 2006-07-21 Method of diffusing or implanting element to metallic member by driving hard particle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008024993A true JP2008024993A (en) 2008-02-07

Family

ID=39115943

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006199509A Pending JP2008024993A (en) 2006-07-21 2006-07-21 Method of diffusing or implanting element to metallic member by driving hard particle

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008024993A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012047349A (en) * 2010-08-24 2012-03-08 Tocalo Co Ltd Injection tube for soot blower, and soot blower device
US9182663B2 (en) 2012-05-31 2015-11-10 Sumitomo Chemical Company, Limited Photoresist composition
JP2018015878A (en) * 2016-07-29 2018-02-01 三菱マテリアル株式会社 Composite member and cutting tool comprising the same
CN111719152A (en) * 2020-08-10 2020-09-29 湖南人文科技学院 NbC/Fe2B composite gradient wear-resistant coating and preparation method thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012047349A (en) * 2010-08-24 2012-03-08 Tocalo Co Ltd Injection tube for soot blower, and soot blower device
US9182663B2 (en) 2012-05-31 2015-11-10 Sumitomo Chemical Company, Limited Photoresist composition
JP2018015878A (en) * 2016-07-29 2018-02-01 三菱マテリアル株式会社 Composite member and cutting tool comprising the same
CN111719152A (en) * 2020-08-10 2020-09-29 湖南人文科技学院 NbC/Fe2B composite gradient wear-resistant coating and preparation method thereof
CN111719152B (en) * 2020-08-10 2021-02-26 湖南人文科技学院 NbC/Fe2B composite gradient wear-resistant coating and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ge et al. Wire-arc additive manufacturing H13 part: 3D pore distribution, microstructural evolution, and mechanical performances
US20170080497A1 (en) Infiltrated Segregated Ferrous Materials
Ciubotariu et al. Optimization of the laser remelting process for HVOF-sprayed Stellite 6 wear resistant coatings
Ohtsuka et al. Improvement of creep strength of 9CrODS martensitic steel by controlling excess oxygen and titanium concentrations
Baek et al. Mechanical characteristics of a tool steel layer deposited by using direct energy deposition
Auguste et al. Study on 17-4 PH stainless steel produced by selective laser melting
JP2008024993A (en) Method of diffusing or implanting element to metallic member by driving hard particle
KR102165755B1 (en) Ferritic heat-resistant steel welded structure manufacturing method and ferritic heat-resistant steel welded structure
KR101171682B1 (en) A method for Nitriding Surface of Aluminum or Aluminum Alloy by Cold Spray Method
Zhang Research on microstructure and property of Fe-VC composite material made by laser cladding
US20090020187A1 (en) Method and apparatus for protecting metal from oxidaton
KR102165756B1 (en) Ferritic heat-resistant steel welded structure manufacturing method and ferritic heat-resistant steel welded structure
JP3900847B2 (en) Processing method of ferritic heat resistant steel
Lee et al. Hardness and wear resistance of steel-based surface composites fabricated with Fe-based metamorphic alloy powders by high-energy electron beam irradiation
JP2007302964A (en) Method for forming metallic film to be applied for process of highly precisely diffusing/implanting useful element
Kang et al. Plasma diode electron beam heat treatment of cast iron: effect of direct preheating
JP2008240645A (en) Engine valve and its manufacturing method
JP3971569B2 (en) Hot rolled wire rod for high strength springs
JP2002275526A (en) Method for producing steel material
JP4732694B2 (en) Nanocarbide precipitation strengthened ultra high strength corrosion resistant structural steel
Li et al. Effect of Heat Treatment on the Formability of Zn‐Coated Hot Stamping Steel
JP2010242166A (en) Cold rolling roll made from forged steel excellent in toughness
Mokarram Fundamental investigation of ultrasonic powder consolidation and its application to hardfacing of forging dies
JP3971570B2 (en) Hot rolled wire rod for high strength springs
Kim et al. Dual-gradient structure induced spreadable phase transformation for simultaneously improving strength and ductility