DE112013006205T5

DE112013006205T5 - Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112013006205T5
Application number: DE112013006205.4T
Authority: DE
Inventors: Hajime Ota; Taichiro Nishikawa; Masao Sakuta; Kazuo Yamazaki; Takeshi Tokuda
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-10-15
Also published as: US9702838B2; JP2014126401A; US20150330922A1; JP6065580B2; CN104884951A; CN104884951B; WO2014061830A1

Abstract

Eine aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzte Probe wird in eine korrosive Lösung (wässrige Lösung, die eine Säure und Natriumchlorid enthält) getaucht. Die Probe, die in die korrosive Lösung getaucht wurde, wird einer Flamme aus Motoröl ausgesetzt und weiterhin erwärmt. Durch das Eintauchen der Probe in die spezielle korrosive Lösung wird eine Ni-angereichte Phase, der es an zusätzlichen Elementen mangelt und in der die Ni-Konzentration zunimmt, in einem Oberflächenschichtbereich der Probe gebildet. Indem die Probe mit der Ni-angereichten Phase der Flamme des Motoröls ausgesetzt wird, werden Komponenten in dem Motoröl aktiviert und mit der Probe in Kontakt gebracht, um eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt in dem Oberflächenschichtbereich der Probe zu bilden. Durch Erhitzen der Probe mit der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt zum Schmelzen der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt und Wiedererstarren der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt können Partikel und dergleichen in Abhängigkeit vom Materialtyp der Probe gebildet werden. Die Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln kann unter Verwendung von einfacher Ausrüstung anstelle eines Prüfmotors ausgewertet werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren zur Auswertung von Eigenschaften eines Metallmaterials, das ein in einem Verbrennungsmotor enthaltenes Bauteil bildet, oder ein Ausgangsmaterial davon, zum Beispiel einer Elektrode einer Zündkerze, die in einem Kraftfahrzeugmotor enthalten ist, oder eines Elektrodenmaterials, verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren dafür geeignet ist, zur Auswertung der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln, die an der Oberfläche eines Materials gebildet werden können, mit einfacher Ausrüstung verwendet zu werden.
STAND DER TECHNIK
Ein Beispiel für ein Teil, das in einem Verbrennungsmotor, wie einem Benzinmotor eines Kraftfahrzeugs, enthalten ist, ist eine Zündkerze. Eine solche Zündkerze schließt üblicherweise einen zylinderförmigen Isolator, ein Hauptkörper-Anschlussstück, das den Isolator hält, eine stabförmige Mittelelektrode, die durch den Isolator gehalten wird und deren führendes Ende aus dem Ende des Isolators herausragt, eine Erdungselektrode, die an das Hauptkörper-Anschlussstück geschweißt ist, und ein End-Metallanschlussstück ein, das am anderen Ende des Isolators angeordnet ist. Die Erdungselektrode ist so gebildet, dass sie eine L-Form aufweist, und ist an dem Hauptkörper-Metallanschlussstück befestigt, so dass ein kleiner Streifen davon einer freiliegenden Endfläche der Mittelelektrode gegenübersteht. Metalle auf Nickelbasis, wie reines Nickel und/oder Nickellegierungen, werden als Materialien verwendet, die die Mittelelektrode und die Erdungselektrode bilden.
Eine gewünschte Eigenschaft eines konstituierenden Bauteils eines Verbrennungsmotors, wie einer Elektrode der Zündkerze, und eines Ausgangsmaterials davon ist, dass Partikel nicht einfach an der Oberfläche des konstituierenden Bauteils oder des Ausgangsmaterials als Ergebnis der Nutzung im Laufe der Zeit gebildet werden ([0010], [0011] usw. der Beschreibung von PTL 1). Diese Partikel werden als Ergebnis eines Phänomens gebildet, bei dem das Material, welches eine Elektrode oder dergleichen bildet, geschmolzen und dann in Form von kugelförmigen Vorsprüngen verfestigt wird. Die Partikel sind aus einer Mischung zusammengesetzt, die Elemente in einer Atmosphäre, welche aus Motoröl oder dergleichen stammen, und Ni (Nickel) enthält, das eine Matrix der Elektrode bildet ([0010] der Beschreibung von PTL 1). Wenn eine große Zahl von solchen Partikeln an einer Oberfläche einer Elektrode gebildet werden, insbesondere wenn eine große Zahl von solchen Partikeln gebildet werden und darüber hinaus zu groben Partikeln in einem Bereich anwachsen, in dem die Funkenentladung stattfindet (hauptsächlich an Oberflächen der Mittelelektrode und der Erdungselektrode, die sich gegenüberstehen), kann der Zündungszustand des Motors instabil werden, oder im schlechtesten Fall können die Partikel abgelöst werden und den Motor beschädigen.
Demzufolge ist es wünschenswert, die Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln oder die Schwierigkeit der Erzeugung von Partikeln zu untersuchen. PTL 1 offenbart eine Ausrüstung, die einen Benzinprüfmotor einschließt, wobei die Ausrüstung zur Untersuchung des Ausmaßes der Erzeugung von Partikeln verwendet wird ([0055] der Beschreibung).
Im Hinblick auf die konstituierenden Bauteile eines Verbrennungsmotors und ihrer Ausgangsmaterialien wird ein Prüfmotor gewöhnlich auch in einem Fall verwendet, in dem andere Eigenschaften als die Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln untersucht werden (z. B. [0055] usw. der Beschreibung von PTL 2).
Zitatliste
Patentliteratur

PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung 2012-069393
PTL 2: Japanisches Patent 4413951

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Es war wünschenswert, ein Verfahren zur Untersuchung der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln unter Verwendung von einfacher Ausrüstung anstelle von Spezialausrüstung wie einem Prüfmotor zu entwickeln. Bei der Untersuchung von Eigenschaften von Materialien für Verbrennungsmotoren, insbesondere der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln, sind jedoch bisher keine Auswertungsverfahren unter Verwendung von einfacher Ausrüstung erforscht worden.
Demzufolge ist es ein erfindungsgemäßes Ziel, ein Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, wobei das Verfahren dafür geeignet ist, unter Verwendung von einfacher Ausrüstung die Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln bei einem Material für einen Verbrennungsmotor auszuwerten, wobei das Material aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzt ist.
Lösung der Aufgabe
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung nahmen eine Zündkerze, die in einem Kraftfahrzeug verwendet wurde, und erhielten eine Probe, bei der eine große Zahl von Partikeln 210 an der Oberfläche einer Elektrode der Zündkerze erzeugt wurden und bei der die Oberfläche aufgeraut war, wie in 5A und 5B gezeigt wird. Anschließend erforschten die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Wiederherstellungsprüfung des Erzeugungszustandes von solchen Partikeln, insbesondere eine Wiederherstellungsprüfung unter Verwendung von einfacher Ausrüstung. Denkbare Beispiele für die einfache Ausrüstung schließen einen Heizofen und einen Verbrennungsofen ein. Wie im Folgenden beschrieben wird, wurde, selbst wenn lediglich ein Erwärmen oder eine Verbrennung durchgeführt wurde, allerdings kein Oberflächenzustand erhalten, der dem der Elektrode der verwendeten Zündkerze ähnlich ist, die tatsächlich entnommen wurde.
Die Zusammensetzung der Elektrode der verwendeten Zündkerze, die tatsächlich entnommen wurde, wurde untersucht. Wie in 5C gezeigt wird, war ein Oberflächenschichtbereich 200 eines Basismaterials 100, das aus einer Nickellegierung zusammengesetzt war, aus einer Zusammensetzung gebildet, die sich von dem Basismaterial 100 unterschied. Insbesondere war der Oberflächenschichtbereich 200 aus einer Phase gebildet, der es an einigen zusätzlichen Elementen des Basismaterials 100 mangelte, mit anderen Worten einer Phase mit einer hohen Konzentration an Ni, das als Matrix diente (nachfolgend als „Ni-angereicherte Phase” bezeichnet). Ein Partikel 210 war außerdem hauptsächlich aus dieser Ni-angereicherten Phase gebildet. Außerdem lagen in dem Oberflächenschichtbereich 200 einschließlich des Partikels 210 eine Mischverbindung (typischerweise ein Oxid) 220, die einige Elemente unter den zusätzlichen Elementen des Basismaterials 100 und einige Elemente (wie Ca und P) enthielt, von denen angenommen wurde, dass sie im Motoröl enthalten sind, und eine Verbindung (typischerweise ein Oxid) 222 vor, die einige Elemente enthielt, von denen angenommen wurde, dass sie im Motoröl enthalten sind. Insbesondere lagen Bereiche mit einer hohen Konzentration von Komponenten des Motoröls lokal im Oberflächenschichtbereich 200 vor.
Demzufolge wurde ein Verfahren untersucht, das den Oberflächenschichtbereich 200 erzeugen kann, der aus einer Mischverbindung (oder einer Mischung), die Komponenten (wie Ca und P) des Motoröls enthält, und der Ni-angereicherten Phase gebildet ist. Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass in einem Fall, in dem ein bestimmtes Verfahren durchgeführt wurde, dass das Eintauchen einer aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzten Probe in eine bestimmte korrosive Lösung, das anschließende Aussetzen der Probe einer Flamme aus Motoröl und ferner das Erwärmen der Probe einschließt, der Oberflächenzustand in Abhängigkeit vom Materialtyp der Probe variierte. Insbesondere bei einem Material, bei dem eine große Zahl an Partikeln erzeugt werden könnte, wenn es tatsächlich als Elektrode einer Zündkerze verwendet wird, d. h. bei einer Probe, die aus einem Material zusammengesetzt ist, in dem Partikel leicht erzeugt werden, wurde, wenn das obige bestimmte Verfahren durchgeführt wurde, ein Zustand, in dem eine große Zahl an Partikeln an der Oberfläche der Probe erzeugt wurde und die Oberfläche aufgeraut war, oder ein diesem Zustand ähnlicher Zustand erhalten. Bei einer Probe, die aus einem Material zusammengesetzt war, bei dem Partikel nicht einfach erzeugt wurden, wenn es tatsächlich als Elektrode einer Zündkerze verwendet wurde, wurden, wenn das obige bestimmte Verfahren durchgeführt wurde, Partikel nicht einfach erzeugt oder Partikel wurden im Wesentlichen nicht erzeugt. Es wird angenommen, dass der Grund dafür, dass diese Ergebnisse erhalten wurden, der folgende ist.
In letzter Zeit wurden zum Zwecke von Umweltschutzmaßnahmen und dergleichen bei Kraftfahrzeugmotoren und dergleichen Versuche zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz unternommen, indem eine Abgasrückführung (EGR) durchgeführt wurde, und Leerlauf-Stopps werden durchgeführt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass wenn ein Leerlauf-Stopp durchgeführt wird, die Temperatur eines konstituierenden Bauteils eines Verbrennungsmotors, wie eine Elektrode einer Zündkerze, durch das Stoppen des Motors erniedrigt wird, so dass eine Wasserkondensation verursacht wird, und das konstituierende Bauteil gelangt in einen Zustand, in dem es im kondensierten Wasser eingetaucht ist. Es wurde außerdem herausgefunden, dass Elemente aus der Umgebung des konstituierenden Bauteils (typischerweise NOx-Komponenten, die aus der EGR resultieren) mit dem kondensierten Wasser vermischt werden und dass eine korrosive Lösung, die eine Säure enthält, erzeugt werden kann. Wenn die Anzahl von EIN/AUS-Zuständen des Motors durch Leerlauf-Stopps erhöht wird, wird daher kondensiertes Wasser wiederholt erzeugt. Indem ferner eine EGR und dergleichen durchgeführt wird, wird die obige korrosive Lösung wiederholt erzeugt. Wenn die Dauer eines Motorstopps durch Leerlauf-Stopps verlängert wird, wird das konstituierende Bauteil des Verbrennungsmotors sukzessive in einer erzeugten korrosiven Lösung eingetaucht. Es wird angenommen, dass diese korrosive Lösung letztendlich in das konstituierende Bauteil dringt, beispielsweise über Korngrenzen der Kristallkörner eines Metalls, das das konstituierende Bauteil bildet. Es wird angenommen, dass wenn die korrosive Lösung eindringt und das Metall, das das Bauteil bildet, korrodiert wird, eine Phase (die oben beschriebene Ni-angereicherte Phase in dem Metall auf Nickelbasis) erzeugt wird, der es an zusätzlichen Elementen in dem Metall mangelt und in der die Konzentration der Matrix zunimmt.
Wenn Motoröl in einem Verbrennungsmotor zusammen mit Benzin verbrannt wird, werden Komponenten (wie Ca und P) des Motoröls währenddessen in der Verbrennungsflamme des Benzins aktiviert. Insbesondere wird angenommen, dass die Komponenten Ionen oder Plasmen bilden. Des Weiteren wird angenommen, dass das Folgende geschieht: Wenn Ca, P usw. in solch einem aktiven Zustand die Ni-angereicherte Phase kontaktieren, wird eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet, die Ni und Ca, P usw. enthält. Während des EIN-Zustands des Motors wird die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt erhitzt und ihre Temperatur nimmt zu, wodurch sie geschmolzen wird und fließt. Während des AUS-Zustands des Motors nimmt die Temperatur der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt ab und die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt erstarrt, wodurch die oben beschriebenen Partikel gebildet werden und die oben beschriebene Mischverbindung oder Verbindung während der Bildung der Partikel enthalten sind.
Die Flamme des Motoröls, die die Komponenten des Motoröls aktivieren kann, kann unter Verwendung einer relativ einfachen Ausrüstung gebildet werden. Außerdem kann als Ausrüstung zum Eintauchen einer Probe in eine korrosive Lösung und Ausrüstung zum Erwärmen der Probe ebenfalls eine Ausrüstung mit einer einfachen Struktur verwendet werden.
Bei der Auswertung der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln bei einer Probe, die aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzt ist, simuliert das Prüfverfahren, das eine Vielzahl von verschiedenen Schritten des Eintauchens in die spezielle korrosive Lösung, des Aussetzens des Maschinenöls einer Flamme und des Erwärmens einschließt, demzufolge eine tatsächliche Nutzungsumgebung, und die Auswertung kann durch dieses Verfahren unter Verwendung von einfacher Ausrüstung durchgeführt werden. Auf Basis der obigen Erkenntnis legt die vorliegende Erfindung nahe, die obige Vielzahl von besonderen Prozessen als Verfahren zur Auswertung der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln bei einer aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzten Probe durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren zur Auswertung von Eigenschaften eines Metallmaterials, wie einer in einem Verbrennungsmotor enthaltenen Elektrode oder eines Ausgangsmaterials der Elektrode, verwendet wird, und das Verfahren schließt einen Nassätzschritt, einen Verbrennungsschritt und einen Erwärmungsschritt ein, die im Folgenden beschrieben werden.
Nassätzschritt: Der Nassätzschritt ist ein Schritt zur Herstellung einer aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzten Probe als das Metallmaterial, zur Herstellung einer wässrigen Lösung, die eine Säure und Natriumchlorid enthält, als eine korrosive Lösung und zum Eintauchen der Probe in die korrosive Lösung. In diesem Schritt wird eine Ni-angereicherte Phase in einem Oberflächenschichtbereich der Probe gebildet.
Verbrennungsschritt: Der Verbrennungsschritt ist ein Schritt, in dem die Probe, die in die korrosive Lösung eingetaucht wurde, einer Flamme aus Motoröl ausgesetzt wird. In diesem Schritt wird die Ni-angereicherte Phase mit einer Komponente in dem Motoröl zur Bildung einer Phase mit niedrigem Schmelzpunkt im Oberflächenschichtbereich der Probe in Kontakt gebracht.
Erwärmungsschritt: Der Erwärmungsschritt ist ein Schritt zum Erwärmen der Probe, die der Flamme aus dem Motoröl ausgesetzt wurde. In diesem Schritt wird die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt geschmolzen und wieder verfestigt.
Die Reagenzien, wie die korrosive Lösung oder das Motoröl, sind leicht verfügbar. Es ist ausreichend, dass in dem Nassätzschritt ein mit der korrosiven Lösung zu füllendes Tauchbad hergestellt wird und in dem Verbrennungsschritt eine Ausrüstung hergestellt wird, die eine Flamme aus dem Motoröl bilden kann. In dem Erwärmungsschritt kann ein gewöhnlicher Heizofen verwendet werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor kann daher die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln (oder die Schwierigkeit der Bildung von Partikeln) an einer Oberfläche einer aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzten Probe unter Verwendung von einfacher Ausrüstung anstelle eines Prüfmotors ausgewertet werden. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor für jede Form einer Probe, wie einem Stabdraht, einer flachen Platte oder eines Formkörpers mit einer vorbestimmten Form, angewendet werden. Demzufolge ist es nicht notwendig, eine Probe in Form eines Endprodukts, zum Beispiel einer Zündkerze, wie im PTL 2 beschrieben, herzustellen. Als Probe kann lediglich eine Elektrode vor der Montage, zum Beispiel an ein Hauptkörper-Metallanschlussstück einer Zündkerze, oder ein Ausgangsmaterial, wie ein Stabdraht oder eine flache Platte, bevor es zu einer Elektrode mit einer vorbestimmten Form gebildet wird, verwendet werden. In dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor kann die Probe daher auch auf einfache Weise hergestellt werden, und daher ist dieses Verfahren ein einfaches Auswertungsverfahren. Für den Fall, dass ein Ausgangsmaterial, wie ein Stabdraht für eine Elektrode, als Probe verwendet wird, kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor ferner auch zur Auswahl eines Ausgangsmaterials (Materialtyps) verwendet werden, bei dem Partikel nicht leicht gebildet werden.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der Erwärmungsschritt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Erwärmungstemperatur von 450°C oder höher und weniger als 1455°C für eine Haltezeit von 1 Stunde oder mehr und 100 Stunden oder weniger durchgeführt werden.
Indem der Erwärmungsschritt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird, kann die Bildung eines (überschüssigen) Oxidfilms in dem Erwärmungsschritt verhindert werden und die Wärmeenergie in diesem Schritt kann auf effiziente Weise für die Erzeugung von Partikeln, der angereichten Phase und dergleichen verwendet werden. Indem der Erwärmungsschritts unter den obigen besonderen Bedingungen durchgeführt wird, sind außerdem Temperatur und Zeit ausreichend zum Schmelzen, und ein Fließen der Phasen mit niedrigem Schmelzpunkt kann sichergestellt werden. Für den Fall, dass beispielsweise die Probe aus einem Material zusammengesetzt ist, das leicht Partikel erzeugt, werden demzufolge die Partikel einfacher erzeugt, und daher kann erwartet werden, dass die Überlegenheit und Unterlegenheit der Eigenschaften einfacher auszuwerten ist. In der obigen Ausführungsform kann die Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln daher mit einer höheren Genauigkeit ausgewertet werden.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann in dem Nassätzschritt eine Lösung als korrosive Lösung hergestellt werden, die mindestens eine Säure ausgewählt aus Salzsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure enthält, und eine Eintauchzeit der Probe kann 2 Stunden oder mehr und 48 Stunden oder weniger betragen.
Die oben aufgelisteten Säuren sind Säuren, die in einer tatsächlichen Nutzungsumgebung, wie einem Verbrennungsmotor eines Benzinmotors, erzeugt werden. Demzufolge simuliert die korrosive Lösung, die mindestens eine der obigen Säuren enthält, eine korrosive Lösung, die in der tatsächlichen Umgebung erzeugt wird. Indem die Eintauchzeit in die korrosive Lösung innerhalb des obigen spezifischen Bereichs eingestellt wird, kann die Ni-angereicherte Phase in ausreichendem Maße erzeugt werden. Für den Fall, dass beispielsweise die Probe aus einem Material zusammengesetzt ist, das leicht Partikel erzeugt, werden demzufolge die Partikel auf einfachere Weise erzeugt, und daher ist zu erwarten, dass die Überlegenheit und Unterlegenheit der Eigenschaften leichter auszuwerten ist. In der obigen Ausführungsform kann die Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln daher mit einer höheren Genauigkeit ausgewertet werden.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann das Verfahren ferner vor dem Nassätzschritt einen Wärmebehandlungsschritt zur Durchführung einer Wärmebehandlung an der Probe einschließen. In dem Wärmebehandlungsschritt kann eine Erwärmungstemperatur 800°C oder mehr und 1100°C oder weniger betragen und eine Haltezeit kann 1 Stunde oder mehr und 200 Stunden oder weniger betragen.
Während sich ein Motor im EIN-Zustand befindet, wird ein konstituierendes Bauteil eines Verbrennungsmotors, wie eine Elektrode einer Zündkerze, einer Hochtemperaturumgebung (Umgebung bei 800°C oder höher und ferner 900°C oder höher) ausgesetzt. Während sich der Motor im AUS-Zustand befindet, wie oben beschrieben, wird die korrosive Lösung erzeugt und das konstituierende Bauteil des Verbrennungsmotors kann mit der korrosiven Lösung in Kontakt kommen. Demzufolge wird angenommen, dass die Ausführungsform, die den Nassätzschritt nach dem Wärmebehandlungsschritt einschließt, die tatsächliche Umgebung, nämlich „Halten eines Hochtemperaturzustands während des EIN-Zustands eines Motors → Kontakt mit einer korrosiven Lösung, die erzeugt werden kann, nachdem der Motor in den AUS-Zustand geschaltet wird” genauer simuliert.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor kann die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln in einem Material für einen Verbrennungsmotor mit einfacher Ausrüstung ausgewertet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung eines erfindungsgemäßen Prüfverfahrens zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor zeigt, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 1 nach einem Nassätzschritt.
1B ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung eines erfindungsgemäßen Prüfverfahrens zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor zeigt, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 1 nach einem Verbrennungsschritt.
1C ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnittd, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung eines erfindungsgemäßen Prüfverfahrens zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor zeigt, und zeigt einen Zustand der Probe Nr. 1 nach einem Erwärmungsschritt.
1D ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt zeigt, wenn ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor auf Proben-Nr. 1 und Proben-Nr. 2 angewendet wird, die aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sind, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 2 nach einem Nassätzschritt.
1E ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung eines erfindungsgemäßen Prüfverfahrens zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor zeigt, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 2 nach einem Verbrennungsschritt.
1F ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung eines erfindungsgemäßen Prüfverfahrens zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor zeigt, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 2 nach einem Erwärmungsschritt.
2B ist eine Lichtmikroskopaufnahme, die ein Erscheinungsbild nach einem jeweiligen Schritt zeigt, wenn ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor angewendet wird, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 1 nach einem Verbrennungsschritt.
2C ist eine Lichtmikroskopaufnahme, die ein Erscheinungsbild nach einem jeweiligen Schritt zeigt, wenn ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor angewendet wird, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 1 nach einem Erwärmungsschritt.
2D ist eine Lichtmikroskopaufnahme, die ein Erscheinungsbild nach einem jeweiligen Schritt zeigt, wenn ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor angewendet wird, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 2 nach einem Verbrennungsschritt.
2E ist eine Lichtmikroskopaufnahme, die ein Erscheinungsbild nach einem jeweiligen Schritt zeigt, wenn ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor angewendet wird, und zeigt einen Zustand der Proben-Nr. 2 nach einem Erwärmungsschritt.
3 schießt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme, die einen Querschnitt eines Oberflächenschichtbereichs nach einem Erwärmungsschritt zeigt, wenn ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor auf Proben-Nr. 1 angewendet wird, und grafische Darstellungen ein, die Zusammensetzungen der jeweiligen Teile des Oberflächenschichtbereichs zeigen.
4 schießt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme, die einen Querschnitt eines Oberflächenschichtbereiches nach einem Erwärmungsschritt zeigt, wenn ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor auf Proben-Nr. 2 angewendet wird, und grafische Darstellungen ein, die Zusammensetzungen der jeweiligen Teile des Oberflächenschichtbereichs zeigen.
5 ist eine Seitenansichtsaufnahme, die ein Erscheinungsbild einer Elektrode einer verwendeten Zündkerze zeigt, die einem Kraftfahrzeug entnommenen wurde.
5B ist eine Vorderseitenaufnahme, die ein Erscheinungsbild einer Elektrode einer verwendeten Zündkerze zeigt, die einem Kraftfahrzeug entnommenen wurde.
5C ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch einen Oberflächenschichtbereich einer Elektrode verwendeten Zündkerze zeigt, die einer einem Kraftfahrzeug entnommenen wurde.
6A ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung einer Vergleichsprüfung zeigt, und zeigt Proben-Nr. 100 vor der Prüfung.
6B ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt zeigt, wenn eine Vergleichsprüfung angewendet wird, und zeigt Proben-Nr. 100 nach der Verbrennung.
6C ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung einer Vergleichsprüfung zeigt, und zeigt Proben-Nr. 100 nach der Erwärmung.
6D ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung einer Vergleichsprüfung zeigt, und zeigt Proben-Nr. 200 vor der Prüfung.
6E ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts, die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung einer Vergleichsprüfung zeigt, und zeigt Proben-Nr. 200 nach der Verbrennung.
6F ist eine Lichtmikroskopaufnahme eines Querschnitts die einen Zustand nach einem jeweiligen Schritt bei der Anwendung einer Vergleichsprüfung zeigt, und zeigt Proben-Nr. 200 nach der Erwärmung.
BEZUGSZEICHENLISTE

100 Basismaterial, 200 Oberflächenschichtbereich, 210 Partikel, 220 Mischverbindung, 222 Verbindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben. Zunächst wird das Prüfobjekt beschrieben.
[Prüfobjekt]
Beispiele für Prüfobjekte schließen solche ein, die aus Metallmaterialien zusammengesetzt sind, wie konstituierende Bauteile (z. B. Elektroden) von Teilen (z. B. Zündkerzen), die in einem Verbrennungsmotor enthalten sind, und Ausgangsmaterialien (z. B. Elektrodenmaterialien), die für die konstituierenden Bauteile verwendet werden. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor in geeigneter Weise zur Auswertung von Eigenschaften eines Metallmaterials verwendet werden, das aus einem Metall auf Nickelbasis, wie reinem Nickel oder einer Nickellegierung, zusammengesetzt ist, wobei das Metallmaterial als Elektrode für eine Zündkerze oder Elektrodenmaterial verwendet wird, das als Ausgangsmaterial für die Elektrode dient.
Spezifische Beispiele für die Nickellegierung schließen Legierungen ein, die mindestens ein Element ausgewählt aus Al, Si, Cr, Y, Ti, Mn, Fe, Nb, Ta, Mo, Cu, Nd, Zr, Ir, Yb, V und dergleichen als zusätzliche Elemente enthalten, wobei der Rest Ni und unvermeidliche Verunreinigungen sind. Wenn die Legierung Ni als Hauptkomponente (97 Masse-% oder mehr) enthält, ist es möglich, eine Elektrode für eine Zündkerze zu erhalten, die eine gute plastische Verformbarkeit und einen niedrigen spezifischen Widerstand (hohe elektrische Leitfähigkeit) aufweist und deren Abnutzung aufgrund von Funken unterdrückt ist. Je geringer der Gehalt an den zusätzlichen Elementen und je größer der Gehalt an Nickel (z. B. ein Nickelgehalt von 98 Masse-% oder mehr), desto niedriger kann der spezifische Widerstand sein. Mit einer Zunahme des Gehalts an den zusätzlichen Elementen werden ferner die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Demzufolge können durch die Herstellung einer Probe, die aus einer solchen Nickellegierung zusammengesetzt ist, und die Auswertung der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln der Probe besonders bevorzugte Materialien ausgewählt werden, die als Elektrode für eine Zündkerze und Elektrodenmaterialien verwendet werden. Beispiele für unvermeidliche Verunreinigungen schließen und C und S ein. Eine gewisse Menge an C ist in einigen Fällen enthalten.
Die Form des Prüfobjekts ist nicht besonders beschränkt. Für den Fall, dass das Prüfobjekt beispielsweise aus dem obigen Ausgangsmaterial zusammengesetzt ist, schließen Beispiele für die Form des Prüfobjekts Stabdrähte (üblicherweise runde Drähte und rechteckige Drähte) und Plattenmaterialien ein. In diesem Fall wird als Probe vorzugsweise ein Streifen verwendet, der durch Zuschneiden eines jeglichen Stabdrahts oder Plattenmaterials auf eine geeignete Länge hergestellt wird. Zum Beispiel kann ein Produkt, das als konstituierendes Bauteil verwendet wird, d. h., ein Formkörper, der durch Formen des obigen Ausgangsmaterials zu einer gewünschten Form hergestellt wird, als Probe ohne weitere Behandlung verwendet werden.
(Prüfverfahren zur Auswertung)
Ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor schließt die Schritte Herstellung einer Probe → Herstellung einer korrosiven Lösung und Eintauchen in die korrosive Lösung → Verbrennung mit einer Flamme aus Motoröl → Erwärmen ein. Nach diesem Erwärmungsschritt wird durch Betrachtung einer Oberfläche oder eines Querschnitts der Probe entweder visuell oder unter Verwendung eines geeigneten Mikroskops oder dergleichen die Leichtigkeit der Erzeugung der Partikel ausgewertet. Vor dem Eintauchen in die korrosive Lösung kann getrennt davon eine Wärmebehandlung an der Probe durchgeführt werden.
• Herstellung der Probe
Zunächst wird, wie oben beschrieben, eine Probe hergestellt, die aus einem geeigneten Metall auf Nickelbasis zusammengesetzt ist.
• Wärmebehandlung
Für den Fall, dass eine Wärmebehandlung zum Erwärmen der hergestellten Probe bei einer hohen Temperatur vorgesehen ist, können in diesem Schritt Kristallkörner, die mindestens einen Oberflächenschichtbereich der Probe bilden, wachsen und sich vergröbern. Insbesondere kann zumindest der Oberflächenschichtbereich der Probe eine grobe Kristallstruktur aufweisen, mit anderen Worten eine einfache Struktur, in der die Gesamtlänge der Kristallkorngrenzen kurz ist. Es wird angenommen, dass als Folge davon eine korrosive Lösung, die im Folgenden beschrieben wird, auf einfache Weise in die Probe eindringen kann. Demzufolge wird vermutet, dass beispielsweise für den Fall, dass die Probe aus einem Material zusammengesetzt ist, das leicht Partikel erzeugt, die Ni-angereicherte Phase und die Partikel leichter erzeugt werden und das Ausmaß der Leichtigkeit der Erzeugung der Partikel leicht zu erkennen und zu bewerten ist.
Diese Wärmebehandlung simuliert eine Hochtemperaturumgebung in einem Verbrennungsmotor, wie einem Benzinmotor eines Kraftfahrzeugs. Demzufolge beträgt die Erwärmungstemperatur in dem Wärmebehandlungsschritt zum Beispiel 800°C oder mehr und 1100°C oder weniger. Je höher die Erwärmungstemperatur ist, desto einfacher vergröbern sich die Kristallkörner. Wenn die Erwärmungstemperatur allerdings übermäßig hoch ist, zum Beispiel für den Fall, dass die Atmosphäre dieser Wärmebehandlung eine Sauerstoff-haltige Atmosphäre ist, kann sich ein Oxidfilm im Übermaß bilden und die Durchdringung der korrosiven Lösung hemmen. Die Erwärmungstemperatur des Wärmebehandlungsschritts beträgt daher besonders bevorzugt 900°C oder mehr und 1000°C oder weniger.
Die Haltezeit bei der Erwärmungstemperatur kann zweckmäßig ausgewählt werden und beträgt zum Beispiel 1 Stunde oder mehr. Eine übermäßig lange Haltezeit verursacht eine Zunahme der Prüfdauer, und daher beträgt die Haltezeit vorzugsweise 200 Stunden oder weniger und besonders bevorzugt 100 Stunden oder weniger. Wenn die Haltezeit etwa 2 Stunden oder mehr und etwa 24 Stunden oder weniger beträgt, wird die Wärmebehandlung problemlos genutzt und die Prüfdauer kann verkürzt werden. Vorzugsweise werden die Erwärmungstemperatur und die Haltezeit des Wärmebehandlungsschritts gemeinsam anhand des Materialtyps der Probe, der Atmosphäre usw. angepasst.
Die Atmosphäre des Wärmebehandlungsschritts ist zum Beispiel eine Sauerstoff-haltige Atmosphäre. Gemäß Untersuchungsergebnissen einer Elektrode einer verwendeten Zündkerze, die einem Kraftfahrzeug entnommen wurde, wird gewöhnlich ein Oxidfilm auf einer Oberfläche der Elektrode gebildet. Wenn der Wärmebehandlungsschritt in einer Sauerstoff-haltigen Atmosphäre durchgeführt wird, kann sich der Oxidfilm demzufolge auf effiziente Weise auf einer Oberfläche der Probe in dem Wärmebehandlungsschritt bilden. Es wird daher angenommen, dass die tatsächliche Umgebung genauer simuliert wird. Aufgrund der Vergröberung der Kristallkörner neigt der gebildete Oxidfilm dazu, eine Mehrschichtstruktur aufzuweisen, in der sich ein aus einem groben Oxid zusammengesetzte dünne Schicht an der Innenseite der Probe und eine aus einem relativ dichten Oxid zusammengesetzte dichte Schicht an der äußersten Oberflächenseite der Probe befindet.
Ein spezifisches Beispiel für die Sauerstoff-haltige Atmosphäre ist eine Luftatmosphäre. Eine Luftatmosphäre wird auf einfache Weise verwendet, da die Atmosphäre leicht zu regulieren ist. Alternativ kann die Sauerstoff-haltige Atmosphäre eine wenig oxidierende Atmosphäre mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration als Luft sein. Ein spezifisches Beispiel für die Sauerstoffkonzentration ist 0,01 Vol.-% oder mehr und 20 Vol.-% oder weniger. Im Allgemeinen weist die Atmosphäre in einem Verbrennungsmotor, wie einem Benzinmotor eines Kraftfahrzeugs, eine geringere Sauerstoffkonzentration als Luft (20 Vol.-% oder weniger) auf. Demzufolge simuliert eine Ausführungsform, in der die Sauerstoff-haltige Atmosphäre eine wenig oxidierende Atmosphäre ist, einen Zustand, der der tatsächlichen Umgebung näher kommt. Beispiele für das von Sauerstoff verschiedene Atmosphärengas schließen inerte Gase, wie Stickstoff, Argon und Helium, ein. Die wenig oxidierende Atmosphäre kann durch ein Gasgemisch, das durch Mischen von Sauerstoffgas mit irgendeinem der inerten Gase erhalten wird, ein Gasgemisch, das durch Mischen von Sauerstoffgas, irgendeinem der inerten Gase und Luft erhalten wird, oder dergleichen gebildet werden. Für den Fall, dass ein Oxidfilm absichtlich gebildet wird, werden die Erwärmungstemperatur, die Haltezeit, die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre und dergleichen gemeinsam angepasst. Im Fall einer Luftatmosphäre kann die Erwärmungstemperatur zum Beispiel 900°C oder mehr und 1000°C oder weniger betragen, und die Haltezeit kann 1 Stunde oder mehr und 100 Stunden oder weniger, ferner 1 Stunde oder mehr und 72 Stunden oder weniger und insbesondere 2 Stunden oder mehr und 24 Stunden oder weniger betragen.
In dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor ist die Bildung eines Oxidfilms in dem Wärmebehandlungsschritt vor dem Nassätzen nicht essentiell. Die Atmosphäre in dem Wärmebehandlungsschritt kann daher eine sauerstofffreie Atmosphäre sein. Beispiele für die sauerstofffreie Atmosphäre schließen eine Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von weniger als 0,01 Vol.-% (typischerweise eine Vakuumatmosphäre) und die oben beschriebene Inertgasatmosphäre ein. Zu bemerken ist, dass selbst in einer Vakuumatmosphäre, wie oben beschrieben, ein Oxidfilm durch Aufrechterhalten eines Zustandes gebildet werden kann, in dem das Erwärmen bei einer Temperatur von 800°C oder höher und ferner 900°C oder höher für eine lange Zeit, beispielsweise 1 Stunde oder länger, durchgeführt wird. Demzufolge ermöglicht die vorliegende Erfindung die Gegenwart eines Oxidfilms auf einer Probe vor dem Nassätzen.
In diesem Wärmebehandlungsschritt kann ein Heizofen (z. B. ein Ofen mit Luftatmosphäre oder ein Vakuumofen) mit der oben gewünschten Atmosphäre verwendet werden. Nachdem die obige Haltezeit abgelaufen ist, kann die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Alternativ kann die Probe einem nachfolgenden Nassätzschritt in einem Zustand unterzogen werden, in dem die Probe bei einer gewünschten Temperatur (z. B. 50°C oder höher und 80°C oder weniger) gehalten wird. Wenn die Probe sich in einem vorbestimmten erwärmten Zustand befindet, wie oben beschrieben, kann ein Effekt der Beschleunigung, beispielsweise der Durchdringung einer korrosiven Lösung, erwartet werden, und eine Verringerung der Prüfdauer kann realisiert werden.
• Herstellung der korrosiven Lösung und Eintauchen in die korrosive Lösung
Ein Nassätzschritt ist ein Schritt zum Eintauchen der wie oben beschrieben hergestellten Probe oder der Probe, die ferner einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, in eine korrosive Lösung, die im Folgenden beschrieben wird, um in einem Oberflächenschichtbereich der Probe eine Phase zu erzeugen, der es an zusätzlichen Elementen mangelt und in der die Menge an zusätzlichen Elementen verringert ist, d. h. eine Ni-angereicherte Phase. Zu beachten ist, dass es für den Fall, dass die Probe aus einem Material mit einem geringen Gehalt an zusätzlichen Elementen, wie reinem Nickel, zusammengesetzt ist, möglich ist, dass die Zusammensetzung des Oberflächenschichtbereichs vor dem Nassätzschritt nicht wesentlich verändert wird (die Ni-angereichte Phase ist bereits vor dem Nassätzschritt vorhanden).
In dem Nassätzeschritt wird zunächst eine korrosive Lösung hergestellt. Die korrosive Lösung enthält hauptsächlich Wasser, um kondensiertes Wasser zu simulieren. Wenn die korrosive Lösung Chloridionen (Cl^–) enthält, kann die Korrosion beschleunigt werden und die Prüfdauer kann auf effektive Weise verkürzt werden. Demzufolge ist die korrosive Lösung eine wässrige Lösung, die Chloridionen (Cl^–) enthält. Um eine neutrale wässrige Lösung als Basis zu verwenden, wird insbesondere eine wässrige Natriumchlorid(NaCl)-Lösung verwendet. Die Konzentration (Massenanteil) an NaCl in der wässrigen NaCl-Lösung kann zweckmäßig gewählt werden. Eine wässrige NaCl-Lösung mit einer NaCl-Konzentration von 1% oder mehr und 10% oder weniger kann ohne Umstände verwendet werden. Es wird angenommen, dass NaCl in diesem Bereich nicht leicht zu einem Hauptfaktor für die Korrosion wird.
Des Weiteren enthält die korrosive Lösung eine Säure. Es wird angenommen, dass für den Fall, dass die oben beschriebene EGR durchgeführt wird, Salpetersäure aufgrund des in dem Abgas enthaltenen NOx erzeugt werden kann. Gemäß Untersuchungsergebnissen, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, wurden Elemente, wie S (Schwefel) und P (Phosphor), in einer Elektrode einer benutzten Zündkerze, die einem Kraftfahrzeug entnommen wurde, nachgewiesen. Es ist vorstellbar, dass S aus Verunreinigungen im Benzin und P aus Verunreinigungen im Motoröl stammt. Es wird angenommen, dass Schwefelsäure aufgrund von S gebildet werden kann und Phosphorsäure aufgrund von P gebildet werden kann. Des Weiteren wird angenommen, dass Salzsäure aufgrund eines Chlorids gebildet werden kann, das in einem konstituierenden Bauteil des Verbrennungsmotors enthalten ist. Wie oben beschrieben wird, können in einer Umgebung, in der ein Verbrennungsmotor, wie ein Benzinmotor, verwendet wird, verschiedene Säuretypen erzeugt werden, und es wird daher vorgeschlagen, dass die korrosive Lösung zusätzlich zu NaCl eine Säure enthält. Besonders bevorzugt ist die Säure mindestens eine Säure ausgewählt aus Salzsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure, wie oben beschrieben, da die resultierende korrosive Lösung einer korrosiven Lösung ähnlich wird, die in der tatsächlichen Umgebung erzeugt werden kann. Es ist zu erwarten, dass die Verwendung einer einzigen Säure die Herstellung und Einstellung der Konzentration vereinfacht und dass die Verwendung einer Vielzahl von Säuren in Kombination eine korrosive Lösung simuliert, die einer korrosiven Lösung ähnlicher ist, welche in der tatsächlichen Umgebung erzeugt werden kann.
Die Konzentration der Säure kann zweckmäßig ausgewählt werden. Wenn die Gesamtmasse der korrosiven Lösung als 100 angenommen wird, wird ein durch Masse der wässrigen NaCl-Lösung:Masse der Säure dargestelltes Verhältnis = etwa 50:50 bis 99:1 ohne Umstände verwendet, obgleich dies vom Säuretyp abhängt. Es ist zu erwarten, dass im Bereich dieses Verhältnisses eine Korrosion in ausreichendem Maße durch Eintauchen für eine relativ kurze Zeit (etwa 2 Stunden oder mehr und 48 Stunden oder weniger) durchgeführt werden kann. Die Temperatur der Korrosionslösung kann Raumtemperatur (etwa 20°C bis 25°C) sein. Wenn die Temperatur der korrosiven Lösung etwa 50°C oder mehr und 80°C oder weniger beträgt, kann die Korrosion weiter beschleunigt und die Eintauchzeit verringert werden.
Die Eintauchzeit kann zweckmäßig anhand der zu simulierenden Umgebung des Materialtyps der Probe, der Zusammensetzung der korrosiven Lösung (Säurekonzentration und NaCl-Konzentration), der Temperatur usw. ausgewählt werden und beträgt zum Beispiel 2 Stunden oder mehr und 48 Stunden oder weniger. Insbesondere wird eine Eintauchzeit von 5 Stunden oder mehr und 24 Stunden oder weniger ohne Umstände angewendet, und die Prüfdauer kann in diesem Bereich reduziert werden.
Die korrosive Lösung wird vorzugsweise in ein geeignetes Tauchbad gegeben. Das Tauchbad kann in einer thermostatischen Kammer untergebracht sein, und das Eintauchen kann in diesem Zustand durchgeführt werden. In diesem Fall wird die Temperatur der korrosiven Lösung ohne Umstände bei einer gewünschten Temperatur aufrechterhalten. Die Probe wird für eine gewisse Dauer in die korrosive Lösung eingetaucht, dann aus der korrosiven Lösung herausgenommen und getrocknet.
• Verbrennung mit Flamme aus Motoröl
Ein Verbrennungsschritt ist ein Schritt, in dem hauptsächlich eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt und dergleichen in dem Oberflächenschichtbereich der Probe erzeugt wird, die dem Nassätzschritt unterzogen wurde. Im Allgemeinen enthält Motoröl Elemente, wie Ca (Calcium), P (Phosphor) und K (Kalium). Diese Elemente liegen in Form einer Verbindung, wie ein Oxid oder ein Mischoxid vor, das oben beschrieben wurde und hauptsächlich in der Ni-angereichten Phase enthalten ist. Es wurde herausgefunden, dass zur Bildung einer solchen Struktur die Ni-angereicherte Phase in einem Zustand vorliegen muss, in dem sie leicht geschmolzen wird, und zu diesem Zweck ist es geeignet, dass eine Probe einer Flamme aus Motoröl ausgesetzt wird. Als Grund dafür wird Folgendes angenommen. Durch Bildung einer Flamme aus Motoröl können Komponenten (die oben erwähnten Elemente) in dem Motoröl aktiviert werden, insbesondere ionisiert oder zu einem Plasma gebildet werden. Wenn Ca und P in einem solchen aktiven Zustand die Ni-angereicherte Phase kontaktieren, können diese Elemente eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt (Legierungsphase) erzeugen, die Ni und Ca, P usw. enthält, oder können mit Sauerstoff in der Atmosphäre leicht gebunden werden, um ein (Misch-)Oxid zu erzeugen. Mit anderen Worten, um beispielsweise eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt zu erzeugen, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als Ni hat, müssen Elemente im Motoröl aktiviert werden. Demzufolge haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch andere Verfahren, wie Ionenimplantation, untersucht. Unter Verwendung einer Flamme aus Motoröl können Komponenten des Motoröls allerdings mit einfacher Ausrüstung aktiviert werden. Daher wird in der vorliegenden Erfindung eine Flamme aus Motoröl verwendet.
Handelsübliche Produkte, die Ca, P, K usw. enthalten, können als Motoröl in dem Verbrennungsschritt verwendet werden. Insbesondere wenn Motoröl mit einem hohen Gehalt an Ca, P, K usw., z. B. Motoröl für Schiffe, verwendet wird, kann die Menge an Elementen, die aktiviert sind, weiter erhöht werden. Insbesondere ist zu erwarten, dass die Menge an aktiven Elementen, die die Ni-angereicherte Phase kontaktieren können, erhöht werden kann und die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt und dergleichen einfacher erzeugt werden kann.
In dem Verbrennungsschritt kann eine Ausrüstung verwendet werden, die eine Flamme aus Motoröl bilden kann. Ein Beispiel für die Ausrüstung, die verwendet werden kann, schließt ein explosionsgeschütztes Gehäuse, einen Einführungsabschnitt, der Motoröl in das explosionsgeschützte Gehäuse einführt, und einen Zündungsabschnitt, der das aus dem Einführungsabschnitt eingeführte Motoröl zur Bildung einer Flamme zündet.
Zusätzlich zum Aussetzen einer Probe einer Flamme aus Motoröl kann das Motoröl ferner zuvor auf einer Oberfläche der Probe aufgetragen werden. Durch Zünden der gebildeten Flamme auf dem aufgetragenen Motoröl zur weiteren Bildung einer Flamme kann die Oberfläche zuverlässiger der Flamme ausgesetzt werden.
• Erwärmen
Ein Erwärmungsschritt ist ein Schritt zum Erwärmen der Probe, in dem eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt und dergleichen gebildet wird, indem sie einer Flamme aus Motoröl ausgesetzt wird, so dass die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt schmilzt, ermöglicht wird, dass die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt fließt, und eine Verbindung, wie ein (Misch-)Oxid, die die Elemente in dem Motoröl enthält, eingeführt wird. Wenn die geschmolzene Phase mit niedrigem Schmelzpunkt fließt und dann abgekühlt wird, wird die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt auf einer Oberfläche der Probe wieder erstarrt und bildet Partikel, Hohlräume werden in der Probe aufgrund des Flusses der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet oder die geschmolzene Phase mit niedrigem Schmelzpunkt gerät in einen Zustand, der das obige (Misch-)Oxid einschließt. Komponenten (die oben erwähnten Elemente, wie Ca, P und K) des Motoröls können in den Hohlräumen enthalten sein. Des Weiteren wird angenommen, dass die Komponenten der Probe zwangsweise zu der Oberflächenseite als Folge der Bildung der Hohlräume bewegt werden, kugelförmige Projektionen und dergleichen an der Oberfläche der Probe gebildet werden und folglich Unregelmäßigkeiten gebildet werden. Zur Bildung von Partikeln und zur Bildung von Hohlräumen, indem ermöglicht wird, dass die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt fließt, muss die Probe zu einem gewissen Grad erwärmt werden. In dem Erwärmungsschritt beträgt die Erwärmungstemperatur daher vorzugsweise 450°C oder mehr und weniger als 1455°C, und die Haltezeit beträgt vorzugsweise 1 Stunde oder mehr und 100 Stunden oder weniger. Der Erwärmungsschritt wird vorzugsweise in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durchgeführt.
Wenn der Erwärmungsschritt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird, können Oxidation und dergleichen der Oberfläche der Probe verhindert werden, die Wärmeenergie dieses Schritts kann auf effiziente Weise zum Schmelzen, Fließen usw. der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt genutzt werden und die Partikel, Hohlräume und dergleichen können auf einfache Weise gebildet werden. Als Ergebnis kann die Überlegenheit und Unterlegenheit bei der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln leicht ausgewertet werden. Beispiele für die nicht-oxidierende Atmosphäre schließen die oben beschriebene Vakuumatmosphäre und Inertgasatmosphäre ein.
Wenn die Erwärmungstemperatur des Erwärmungsschritts 450°C oder mehr beträgt, kann das Schmelzen, Fließen usw. der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt in zufriedenstellender Weise durchgeführt werden. Wenn die Erwärmungstemperatur des Erwärmungsschritts weniger als 1455°C beträgt, was der Schmelzpunkt von Ni ist, tritt kein Schmelzen von Ni auf und lediglich ein Schmelzen der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als Ni aufweist, kann auf effiziente Weise verursacht werden. Wenn die Haltezeit des Erwärmungsschritts 1 Stunde oder mehr beträgt, kann die Zeit zum Schmelzen, Fließen usw. der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt hinreichend sichergestellt werden. Wenn die Haltezeit des Erwärmungsschritts 100 Stunden oder weniger beträgt, kann eine überflüssige Prüfdauer verhindert werden. Wenn die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt bei einer hohen Temperatur erwärmt wird, wie oben beschrieben, werden beispielsweise die konstituierenden Elemente der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt der Reihe nach in einem Abkühlschritt abgeschieden, und auf diese Weise kann die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt abgetrennt werden.
In diesem Erwärmungsschritt kann ein Heizofen (z. B. ein Vakuumofen) mit der obigen gewünschten Atmosphäre verwendet werden.
Das Erwärmen dieses Erwärmungsschritts wird vorzugsweise gestartet, nachdem eine Probe einer Flamme aus Motoröl ausgesetzt wurde und dann in einem Heizofen platziert wurde. Für den Fall, dass das explosionsgeschützte Gehäuse die Temperatur der Probe heiß halten kann oder einen Mechanismus einschließt, der das Erwärmen durchführen kann, kann das Erwärmen alternativ, direkt bevor die Probe einer Flamme ausgesetzt wurde, gestartet werden, oder das Erwärmen kann im Laufe des Aussetzens einer Flamme gestartet werden.
• Auswertung
Üblicherweise wird die Probe, die dem Erwärmungsschritt ausgesetzt wurde, auf Raumtemperatur abgekühlt, und die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln wird dann ausgewertet. Beispiele für die Auswertung schließen die Betrachtung des Erscheinungsbilds der Probe und die Betrachtung eines Querschnitts der Probe mit einem Mikroskop (die Gegenwart oder Abwesenheit von Hohlräumen und die Zusammensetzungsanalyse in dem Oberflächenschichtbereich und in der Nähe der Hohlräume) ein. Die Überlegenheit und Unterlegenheit bei der Leichtigkeit der Bildung von Partikeln kann über die Gegenwart oder Abwesenheit von Partikeln, die Gegenwart oder Abwesenheit von Hohlräumen usw. ausgewertet werden. Insbesondere können Materialien, die Partikel und Hohlräume aufweisen, und darüber hinaus Materialien, die eine große Zahl an Partikeln, eine große Zahl an Hohlräumen oder große Hohlräume aufweisen, als Materialien bewertet werden, bei denen Partikel leicht gebildet werden. Im Gegensatz dazu können Materialien, die keine Partikel und Hohlräume aufweisen, Materialien, die eine kleine Zahl an Partikeln und eine kleine Zahl an Hohlräumen aufweisen, und Materialien, die im Wesentlichen keine Partikel aufweisen und die kleine Hohlräume aufweisen, als Materialien bewertet werden, bei denen Partikel nicht leicht gebildet werden.
Alternativ kann eine Probe, die als Referenz dient, hergestellt werden (nachfolgend als „Referenzprobe” bezeichnet), und die Betrachtung des Erscheinungsbildes und die Betrachtung eines Querschnitts mit einem Mikroskop kann unter Verwendung der Referenzprobe und der Probe des Prüfobjekts durchgeführt werden. Auf diese Weise können die Überlegenheit und Unterlegenheit der beiden Proben durch Vergleich der Ergebnisse der Proben ausgewertet werden. In diesem Fall werden sowohl bei der Referenzprobe als auch bei der Probe des Prüfobjekts absolute Werte der Größe und der Zahl der erzeugten Partikel, der Größe und der Zahl der erzeugten Hohlräume und dergleichen vorzugsweise gemessen und verglichen. Mittels Durchführung dieser Auswertung kann ein Material, bei dem Partikel nicht leicht gebildet werden, auf Grundlage der Referenzprobe ausgewählt werden.
(Testbeispiel 1)
Die Validität des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor kann unter Verwendung eines spezifischen Testbeispiels untersucht werden.
Ein Nickellegierungselektrodenmaterial, das als Ausgangsmaterial für eine Elektrode einer Zündkerze verwendet wurde, die in einem Benzinmotor eines Kraftfahrzeugs enthalten ist, wurde als Probe hergestellt. In diesem Versuch wurden rechteckige Stabdrähte, zusammengesetzt aus einer Nickellegierung, die als Masseprozentanteile 0,35% Y, 0,25% Si enthielt, wobei der Rest Ni und unvermeidliche Verunreinigungen waren, als Proben-Nr.-1 und 100 hergestellt. Rechteckige Stabdrähte, zusammengesetzt aus einer Nickellegierung, die als Masseprozentanteile 1,5% Si, 1,5% Cr und 2% Mn enthielt, wobei der Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen waren, wurden als Proben-Nr. 2 und 200 hergestellt. Diese rechteckigen Stabdrähte wurden jeweils durch ein bekanntes Herstellungsverfahren unter bekannten Herstellungsbedingungen (Schmelzen/Gießen → Warmumformung → Kaltumformung → Erweichung) erzeugt.
Proben-Nr. 1 und 100 sind Proben, die aus einem Material zusammengesetzt sind, in dem Partikel im Vergleich mit Proben-Nr. 2 und 200 leicht gebildet werden. Es wurde bestätigt, dass für den Fall, dass die rechteckigen Stabdrähte der Proben-Nr. 1 und 100 jeweils zu einer Elektrode gebildet wurden und in einer Zündkerze eines Benzinmotors eines Kraftfahrzeugs verwendet wurden, die in 5A und 5B dargestellten Partikel mit der Zeit an einer Oberfläche der Elektrode gebildet wurden (siehe Proben-Nr. 122 von PTL 1). Im Gegensatz dazu sind Proben-Nr. 2 und 200 Proben, die aus einem Material zusammengesetzt sind, in dem Partikel im Vergleich mit Proben-Nr. 1 und 100 nicht leicht gebildet werden. Es wurde bestätigt, dass für den Fall, dass die rechteckigen Stabdrähte der Proben-Nr. 2 und 200 jeweils zu einer Elektrode gebildet wurden und in einer Zündkerze eines Benzinmotors eines Kraftfahrzeugs verwendet wurden, für eine lange Zeit keine Partikel auf einer Oberfläche der Elektrode gebildet wurden.
Proben-Nr. 100 und 200 sind jeweils eine Probe, die zur Durchführung eines Vergleichsversuchs verwendet wurden. In dem Vergleichsversuch wurde jede der Proben einer Flamme aus handelsüblichem Motoröl für Schiffe ausgesetzt und dann erwärmt. Der Schritt zum Verbrennen der Proben durch Aussetzung der Proben einer Flamme aus Motoröl wurde unter Verwendung einer Ausrüstung einschließlich einem explosionsgeschützten Gehäuse, einem Einführungsabschnitt, der Motoröl in das explosionsgeschützte Gehäuse einführt und einem Zündungsabschnitt, der das aus dem Einführungsabschnitt eingeführte Motoröl zur Bildung einer Flamme zündet, durchgeführt. Der Schritt zum Erwärmen der Proben nach dem Verbrennungsschritt wurde unter Verwendung eines Vakuumofens in einer Vakuumatmosphäre (Sauerstoffgehalt: 0,01 Vol.-% oder weniger, Vakuum: 50 Pa oder weniger) bei 900°C für 70 Stunden durchgeführt.
Bei den Proben-Nr. 100 und 200 wurde der rechteckige Stabdraht vor dem Vergleichsversuch, der rechteckige Stabdraht nach der Verbrennung durch Aussetzung einer Flamme aus Motoröl und der rechteckige Stabdraht, der nach dem weiteren Erwärmen auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, jeweils mit einem Querschnittspolierer (CP) geschnitten, und ein Querschnitt wurde erhalten. Jeder der Querschnitte wurde mit einem Lichtmikroskop betrachtet. Die 6A bis 6C sind Mikroskopaufnahmen der Proben-Nr. 100 vor dem Versuch, nach der Verbrennung bzw. nach dem Erwärmen. 6D bis 6F sind Mikroskopaufnahmen der Proben-Nr. 200 vor dem Versuch, nach der Verbrennung bzw. nach dem Erwärmen. Zu beachten ist, dass in 6A und 6B Unregelmäßigkeiten der Proben aufgeraute Abschnitte aufgrund des Schneidens des rechteckigen Stabdrahts sind. Nach der Verbrennung und darüber hinaus selbst nach dem Erwärmen sind die Unregelmäßigkeiten, die aufgeraute Abschnitte aufgrund des Schneidens sind, im Wesentlichen erhalten. Dies gilt auch für 1A bis 1F.
Bei Proben-Nr. 100, die in 6A und 6B gezeigt wird, gibt es keinen wesentlichen Unterschied in dem Oberflächenschichtbereich zwischen vor und nach der Verbrennung. Wie in 6C gezeigt wird, wird, selbst wenn das Erwärmen nach der Verbrennung weiterhin durchgeführt wird, lediglich ein Oxidfilm (Γ-förmiger dunkelgrauer Abschnitt, der auf einem rechteckigen leicht grauen Abschnitt (Basismaterial) gebildet ist) zu einem gewissen Maß auf der Oberfläche der Probe gebildet. Gleichermaßen gibt es bei Probe-Nr. 200, die in 6D und 6E gezeigt wird, keinen wesentlichen Unterschied in dem Oberflächenschichtbereich zwischen vor und nach der Verbrennung. Wie in 6F gezeigt wird, wird selbst wenn das Erwärmen nach der Verbrennung weiterhin durchgeführt wird, lediglich ein Oxidfilm (Γ-förmiger dunkelgrauer Abschnitt, der auf einem rechteckigen leicht grauen Abschnitt (Basismaterial) gebildet ist) zu einem gewissen Maß auf der Oberfläche der Probe gebildet. Das heißt, diese Ergebnisse zeigen, dass mit dem Vergleichsversuch (Verbrennung mit einer Flamme aus Motoröl → Erwärmung) oder ausschließlich mit der Verbrennung mit einer Flamme aus Motoröl eine Auswertung der Eigenschaften so, dass Proben-Nr. 100 und Proben-Nr. 200 voneinander unterschieden werden können, nicht durchgeführt werden kann. Obgleich Proben-Nr. 200 ursprünglich aus einem Material zusammengesetzt ist, bei dem Partikel erzeugt werden können, wird insbesondere lediglich ein Oxidfilm gebildet, wie oben beschrieben wird. Es wurde außerdem bestätigt, dass für den Fall, dass lediglich das Erwärmen unter den oben beschriebenen Bedingungen ohne Durchführung der Verbrennung mit einer Flamme aus Motoröl durchgeführt wird, lediglich ein Oxidfilm zu einem gewissen Maß auf der Oberfläche jeder der Proben gebildet wird, wie in 6C und 6F gezeigt wird. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln durch lediglich Erwärmen, lediglich Verbrennung und dem Vergleichstest einschließlich Verbrennung und anschließendem Erwärmen nicht angemessen ausgewertet werden kann.
Proben-Nr. 1 und 2 sind Proben, die jeweils einer Prüfung unterzogen wurden, die die Schritte Wärmebehandlungsschritt → Nassätzschritt → Verbrennungsschritt → Erwärmungsschritt in dieser Reihenfolge einschließt. Der Wärmebehandlungsschritt wurde unter Verwendung eines Ofens mit Luftatmosphäre in einer Luftatmosphäre bei 900°C für 24 Stunden durchgeführt. CP-Querschnitte der Proben-Nr. 1 und 2, die dem Wärmebehandlungsschritt unterzogen und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wurden, wurden wie in Proben-Nrn. 100 und 200 erhalten, und jeder der Querschnitte wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) betrachtet. Anhand der Ergebnisse wurde bestätigt, dass bei jeder der Proben-Nrn. 1 und 2 lediglich ein Oxidfilm mit einer größeren Dicke als bei Proben-Nr. 100 und 200 gebildet wurde. Auf Basis dieser Ergebnisse und der Erwärmungsbedingungen für die Proben-Nr. 100 und 200 konnte die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln nicht in angemessener Weise ausgewertet werden, indem lediglich ein einfaches Erwärmen in einer Vakuumatmosphäre oder in einer Luftatmosphäre durchgeführt wurde.
In dem Ätzschritt wurde eine wässrige NaCl-Lösung, die Phosphorsäure und Salpetersäure enthielt, als korrosive Lösung hergestellt. In dieser Prüfung wurden Phosphorsäure, Salpetersäure und eine wässrige NaCl-Lösung hergestellt und so gemischt, dass ein Verhältnis dargestellt durch Phosphorsäure:Salpetersäure:5 Masse-% wässrige Natriumchloridlösung 5:5:90 als Masseverhältnis betrug. Die hergestellte korrosive Lösung wurde auf 80°C erhitzt, und die Proben-Nr. 1 und 2, die dem Wärmebehandlungsschritt unterzogen wurden (und die auf Raumtemperatur in dieser Prüfung abgekühlt wurden), wurden in diesem Zustand in die korrosive Lösung getaucht und für 15 Stunden beibehalten. Nach dem Eintauchen für 15 Stunden wurden die Proben-Nr. 1 und 2 mit Wasser gewaschen, und anschließend wurden CP-Querschnitte der Proben-Nr. 1 und 2 erhalten. Jeder der Querschnitte wurde mit einem Lichtmikroskop betrachtet. 1A zeigt eine Mikroskopaufnahme des Querschnitts der Proben-Nr. 1 nach dem Nassätzschritt. 1D zeigt eine Mikroskopaufnahme des Querschnitts der Proben-Nr. 2 nach dem Nassätzschritt.
Wie in 1A und 1D gezeigt wird, ist in jeder der Proben-Nr. 1 und 2 ein Oxidfilm (in Proben-Nr. 1 ein Γ-förmiger dunkelgrauer Abschnitt und in Proben-Nr. 2 ein viereckiger dunkelgrauer Abschnitt gebildet auf einem rechteckigen leichtgrauen Abschnitt (Basismaterial)) auf der Oberfläche der Probe gebildet. Obgleich es bei den Proben einen gewissen Unterschied im Zustand des Vorliegens des Oxidfilms gibt, gibt es keinen signifikanten Unterschied im Oberflächenzustand. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln nicht in angemessener Weise ausgewertet werden kann, indem eine Probe einfach in die korrosive Lösung (nach dem oben beschriebenen Wärmebehandlungsschritt) eingetaucht wird. In Proben-Nr. 2 ist der viereckige dunkelgraue Abschnitt (Oxidfilm) lediglich oberhalb des rechteckigen leicht grauen Abschnitts (Basismaterial) vorhanden, und ein schwarzer Abschnitt wird zwischen dem Basismaterial und dem Oxidfilm wahrgenommen. Ein Oxidfilm ist in diesem schwarzen Abschnitt nicht vorhanden. Als Grund dafür wird angenommen, dass Proben-Nr. 2 aus einem Material zusammengesetzt ist, in dem ein Oxidfilm einfacher als in Proben-Nr. 1 abgelöst wird, wenn die Proben-Nr. 1 und 2 der Wärmebehandlung unter denselben Bedingungen unterzogen werden und dann in die korrosive Lösung eingetaucht werden.
In dem Verbrennungsschritt wird die Ausrüstung einschließlich des explosionsgeschützten Gehäuses und dem handelsüblichen Motoröl für Schiffe wie in dem Verbrennungsschritt verwendet, der an den Proben-Nr. 100 und 200 durchgeführt wurde. Anschließend wurden die Proben-Nr. 1 und 2 (hier die mit Wasser gewaschenen Proben), die dem Nassätzschritt unterzogen wurden, einer Flamme aus dem Motoröl ausgesetzt. In dieser Prüfung betrug die Zeit, während der die Proben der Flamme ausgesetzt wurden, etwa 50 Millisekunden. Nach diesem Aussetzen einer Flamme wurden CP-Querschnitte der Proben-Nr. 1 und 2 erhalten, und jeder der Querschnitte wurde mit einem Lichtmikroskop betrachtet. 1B zeigt eine Mikroskopaufnahme des Querschnitts der Proben-Nr. 1 nach dem Verbrennungsschritt, und 1E zeigt eine Mikroskopaufnahme des Querschnitts der Proben-Nr. 2 nach dem Verbrennungsschritt. 2B zeigt eine Aufnahme des Erscheinungsbilds der Proben-Nr. 1 nach dem Verbrennungsschritt, und 2D zeigt eine Aufnahme des Erscheinungsbilds der Proben-Nr. 2 nach dem Verbrennungsschritt.
Wie in 1A und 1B gezeigt wird, wurde bei Proben-Nr. 1 kein wesentlicher Unterschied im Oberflächenzustand vor und nach dem Verbrennungsschritt wahrgenommen, und lediglich ein Oxidfilm war vorhanden. Wie in 1D und 1E gezeigt wird, verschwand der Oxidfilm bei Proben-Nr. 2 nach dem Verbrennungsschritt. Obgleich es einen Unterschied im Zustand des Oxidfilms bei jeder der Proben-Nr. 1 und 2 gibt, wurden somit keine Partikel wahrgenommen, wie in 2B und 2D gezeigt wird. Demzufolge ist es schwierig zu sagen, dass die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln in angemessener Weise ausgewertet werden kann, indem einfach der Verbrennungsschritt nach dem Nassätzschritt durchgeführt wird. Aus den obigen Ergebnissen kann allerdings bestätigt werden, dass ein Unterschied in dem Oberflächenschichtbereich in Abhängigkeit vom Materialtyp erzeugt werden kann, indem nicht nur ein Eintauchen in eine korrosive Lösung oder nur eine Verbrennung mit einer Flamme aus Motoröl durchgeführt wird, sondern indem der Verbrennungsschritt nach dem Nassätzschritt durchgeführt wird. In 1E und 1F, die im Folgenden beschrieben werden, sind Unregelmäßigkeiten des Basismaterials der Probe aufgeraute Abschnitte aufgrund des Schneidens, wie oben beschrieben wird.
Der Erwärmungsschritt wurde unter Verwendung eines oben beschriebenen Vakuumofens in einer Vakuumatmosphäre (Sauerstoffgehalt: 0,01 Vol.-% oder weniger, Vakuumgrad: 50 Pa oder weniger) bei 990°C für 72 Stunden ähnlich dem für die Proben-Nr. 100 und 200 durchgeführten Erwärmungsschritt durchgeführt. CP-Querschnitte der Proben-Nr. 1 und 2, die diesem Erwärmungsschritt unterzogen wurden und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wurden, wurden erhalten, und jeder der Querschnitte wurde mit einem Lichtmikroskop betrachtet. 1C zeigt eine Mikroskopaufnahme des Querschnitts der Proben-Nr. 1 nach dem Erwärmungsschritt, und 1F zeigt eine Mikroskopaufnahme des Querschnitts der Proben-Nr. 2 nach dem Erwärmungsschritt. 2C zeigt eine Aufnahme des Erscheinungsbildes der Proben-Nr. 1 nach dem Erwärmungsschritt, und 2E zeigt eine Aufnahme des Erscheinungsbildes der Proben-Nr. 2 nach dem Erwärmungsschritt.
Der Vergleich zwischen 2B und 2C zeigt, dass bei Proben-Nr. 1 eine Vielzahl von Partikeln an der Oberfläche nach dem Erwärmungsschritt gebildet wurde und die Oberfläche beträchtliche Unregelmäßigkeiten aufweist. Im Gegensatz dazu zeigt der Vergleich zwischen 2D und 2E, dass bei Proben-Nr. 2 ein signifikanter Unterschied im Oberflächenzustand vor und nach dem Erwärmungsschritt wahrgenommen wird. Der Vergleich zwischen 2C und 2E zeigt, dass Proben-Nr. 1 aus einem Material zusammengesetzt ist, in dem Partikel im Vergleich zu Proben-Nr. 2 leicht gebildet werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Prüfung einschließlich der Schritte Nassätzschritt → Verbrennungsschritt → Erwärmungsschritt in dieser Reihenfolge zur Auswertung der Leichtigkeit der Bildung von Partikeln bei einer Probe verwendet werden kann, die aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzt ist.
Wie in 1C gezeigt, werden in Proben-Nr. 1 außerdem eine große Anzahl von Hohlräumen (schwarze körnige Abschnitte, schwarze Abschnitte, die in der durch gestrichelte Linien umrandeten Fläche in 3 vorhanden sind, die unten beschrieben wird) in dem Oberflächenschichtbereich wahrgenommen, und ein Bereich an der äußersten Oberflächenseite ist aus einer Struktur gebildet, die sich von dem Basismaterial unterscheidet, das durch eine Kristallstruktur gebildet ist, in der feine Präzipitate und dergleichen dispergiert sind. Demzufolge wurde die Zusammensetzung des Oberflächenschichtbereichs der Proben-Nr. 1 in spezifischer Weise untersucht. Hierbei wurde die Komponentenanalyse mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie durchgeführt. 3 schließt eine REM-Aufnahme, die den Oberflächenschichtbereich der Proben-Nr. 1 in einem vergrößerten Maßstab zeigt, und grafische Darstellungen ein, die die Zusammensetzungen der entsprechenden Abschnitte des Oberflächenschichtbereichs zeigen. Wie in 3 gezeigt wird, werden ein Bereich in der Nähe der Hohlräume und ein Bereich an der äußersten Oberflächenseite nicht durch eine Ni-Y-Si-Legierung gebildet, sondern im Wesentlichen lediglich durch Ni. Diese Ergebnisse stützen das Auftreten des folgenden Phänomens. Durch die Schritte einschließlich Nassätzschritt → Verbrennungsschritt → Erwärmungsschritt mangelt es dem Basismaterial an zusätzlichen Elementen (in diesem Fall Si und Y), die Konzentration an Ni in der Matrix nimmt zu, so dass eine Ni-angereichte Phase gebildet wird, und ein Material, das die Ni-angereichte Phase als Hauptkomponente enthält, fließt zur Oberflächenseite. Wie in 3 gezeigt wird, wurden in einem Abschnitt in der Nähe der Hohlräume außerdem Elemente, wie Ca und P, die in dem Motoröl enthalten waren, nachgewiesen und lagen in relativ hohen Konzentrationen vor. Diese Ergebnisse stützen das Auftreten des folgenden Phänomens. Durch die Schritte einschließlich Nassätzschritt → Verbrennungsschritt → Erwärmungsschritt kontaktiert die Ni-angereichte Phase die Komponenten in dem Motoröl, so dass eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet wird, und folglich fließt die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt zur Oberflächenseite, schließt die Komponenten in dem Motoröl ein und bildet eine Verbindung und dergleichen. Des Weiteren wird angenommen, dass die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt sich wie folgt bildet. In einem Abkühlungsschritt nach dem Erwärmen wird zunächst lediglich Ni ausgefällt, und dann werden Verbindungen von Ni, Ca, P usw. ausgefällt. Durch diese Schritte werden die konstituierenden Elemente der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt getrennt, wodurch eine Struktur gebildet wird, in der ein Bereich an der äußersten Oberflächenseite im Wesentlichen aus Ni zusammengesetzt ist, und Ca, P usw. sind im Inneren der äußersten Oberfläche vorhanden. Zu bemerken ist, dass angenommen wird, dass Cl (Chlor) in der grafischen Darstellung an der rechten Seite von 3 auf die korrosive Lösung zurückzuführen ist.
Wie in 1F gezeigt wird, sind in Proben-Nr. 2 andererseits Hohlräume in dem Oberflächenschichtbereich nicht substantiell vorhanden, und die den Oberflächenschichtbereich bildende Struktur unterscheidet sich von der des Basismaterials, ähnlich wie bei Proben-Nr. 1. Demzufolge wurde die Zusammensetzung des Oberflächenschichtbereichs der Proben-Nr. 2 genauso wie bei Proben-Nr. 1 untersucht. 4 schließt eine REM-Aufnahme, die den Oberflächenschichtbereich der Proben-Nr. 2 in einem vergrößerten Maßstab zeigt, und grafische Darstellungen ein, die die Zusammensetzung der entsprechenden Abschnitte des Oberflächenschichtbereichs zeigen. Wie in 4 gezeigt wird, ist der Oberflächenschichtbereich in Proben-Nr. 2 über den gesamten Bereich aus einer Mischung zusammengesetzt, die durch eine chemische Kombination, ein Komposit oder dergleichen aus einer Nickellegierung (in diesem Fall einer Ni-Si-Cr-Mn-Legierung) des Basismaterials und Komponenten (in diesem Fall Ca, P usw.) in dem Motoröl gebildet wird, obgleich die Gehalte sich etwas voneinander unterschieden. Diese Ergebnisse stützen, dass in dem Material, bei dem Partikel nicht leicht gebildet werden, selbst wenn die Schritte einschließlich Nassätzschritt → Verbrennungsschritt → Erwärmungsschritt durchgeführt werden, ein Phänomen, bei dem die Ni-angereichte Phase erzeugt wird, die Ni-angereichte Phase fließt, wobei sie die Komponenten in dem Motoröl einschließt, und die Ni-angereichte Phase und die Komponenten in dem Motoröl eine Verbindung bilden, im Wesentlichen nicht auftritt, obgleich der Oberflächenschichtbereich ein Stück weit einem Abbau aufgrund von Korrosion und Wärme unterzogen wird. Das heißt, durch die Schritte einschließlich Nassätzschritt → Verbrennungsschritt → Erwärmungsschritt ist es möglich, auf zufriedenstellende Weise eine Auswahl zwischen Materialien, bei denen Partikel leicht gebildet werden, und Materialien, bei denen Partikel nicht leicht gebildet werden, durchzuführen.
Auf Basis der obigen Ergebnisse wurde bestätigt, dass das erfindungsgemäße Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren das Eintauchen in die korrosive Lösung, die Verbrennung mit einer Flamme aus Motoröl und das Erwärmen einschließt, als ein Verfahren zur Auswertung von Eigenschaften (insbesondere der Leichtigkeit der Bildung von Partikeln) eines konstituierenden Bauteils eines Verbrennungsmotors gilt. Es wurde außerdem bestätigt, dass anhand des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor die Eigenschaften (insbesondere die Leichtigkeit der Bildung von Partikeln) eines konstituierenden Bauteils eines Verbrennungsmotors mit einfacher Ausrüstung ausgewertet werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen können zweckmäßig vorgenommen werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können das Material, die Form usw. der Probe, die Bedingungen für den Nassätzschritt (die Verbrennung der korrosiven Lösung, die Temperatur, die Eintauchzeit usw.), die Bedingungen für den Erwärmungsschritt (die Temperatur, die Haltezeit, die Atmosphäre usw.), die Bedingungen für den Wärmebehandlungsschritt (die Temperatur, die Haltezeit, die Atmosphäre usw.) und dergleichen zweckmäßig geändert werden. Der Wärmebehandlungsschritt kann ausgelassen werden.
Des Weiteren ist zu erwarten, dass das erfindungsgemäße Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor nicht nur Metalle auf Nickelbasis sondern auch auf Metallmaterialien angewendet werden kann, die als Material für einen Verbrennungsmotor verwendet werden und bei denen im Laufe der Zeit Partikel an der Oberfläche erzeugt werden, zum Beispiel Aluminiumlegierungen oder Stähle. In einem solchen Fall werden die Prüfbedingungen, wie die Konzentration einer Säure in der korrosiven Lösung und die Erwärmungstemperatur in dem Erwärmungsschritt, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Materialtyp angepasst.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Das erfindungsgemäße Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor kann in geeigneter Weise zur Auswertung der Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln bei einem Metallmaterial auf Nickelbasis verwendet werden, das ein Bauteil bildet, welches in verschiedenen Verbrennungsmotoren, wie Gasmotoren und Benzinmotoren, von Kraftfahrzeugen (typischerweise vierrädrige Fahrzeuge und zweirädrige Fahrzeuge), enthalten sind. Außerdem kann gemäß dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor die Leichtigkeit der Erzeugung von Partikeln unter Verwendung einer Probe ausgewertet werden, die entweder in Form einer Elektrode oder eines Ausgangsmaterials vor der Bildung zu einer Elektrode vorliegt. Das Verfahren kann daher auch in geeigneter Weise zur Auswahl von Materialien verwendet werden, bei denen Partikel nicht einfach erzeugt werden.

Claims

Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren zur Bewertung der Eigenschaften eines Metallmaterials wie einer Elektrode, die in einem Verbrennungsmotor enthalten ist, oder eines Ausgangsmaterials der Elektrode verwendet wird, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Nassätzschritt zum Herstellen einer aus einem Metall auf Nickelbasis zusammengesetzten Probe als das Metallmaterial, Herstellen einer wässrigen Lösung, die eine Säure und Natriumchlorid enthält, als korrosive Lösung und Eintauchen der Probe in die korrosive Lösung zur Bildung einer Ni-angereicherten Phase in einem Oberflächenschichtbereich der Probe, einen Verbrennungsschritt zum Aussetzen der Probe, die in die korrosive Lösung eingetaucht wurde, einer Flamme aus Motoröl, so dass die Ni-angereicherte Phase mit einer Komponente in dem Motoröl zur Bildung einer Phase mit niedrigem Schmelzpunkt in dem Oberflächenschichtbereich der Probe in Kontakt gebracht wird, und einen Erwärmungsschritt zum Erwärmen der Probe, die der Flamme aus dem Motoröl ausgesetzt wurde, Schmelzen der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt und Wiedererstarren der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt.
Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, worin der Erwärmungsschritt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Erwärmungstemperatur von 450°C oder höher und niedriger als 1455°C für eine Haltezeit von 1 Stunde oder mehr und 100 Stunden oder weniger durchgeführt wird.
Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, worin in dem Nassätzschritt eine Lösung, die mindestens eine Säure ausgewählt aus Salzsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure enthält, als die korrosive Lösung hergestellt wird und eine Eintauchzeit der Probe 2 Stunden oder mehr und 48 Stunden oder weniger beträgt.
Prüfverfahren zur Auswertung eines Materials für einen Verbrennungsmotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: vor dem Nassätzschritt einen Wärmebehandlungsschritt zur Durchführung einer Wärmebehandlung an der Probe, worin in dem Wärmebehandlungsschritt eine Erwärmungstemperatur 800°C oder höher und 1100°C oder niedriger ist und eine Haltezeit 1 Stunde oder mehr und 200 Stunden oder weniger beträgt.