JP2004068047A

JP2004068047A - 元素拡散金属材およびその製造方法

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Publication number: JP2004068047A
Application number: JP2002225236A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 桑原　光雄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: JP4564224B2

Abstract

【課題】金属材の諸特性を内部深くまで向上させる。
【解決手段】例えば、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金（ＺＡＳ合金）にＣｕを拡散させる場合、Ｃｕ粉末またはＣｕ−Ｍｎ合金粉末等、Ｃｕを含有する物質を溶媒に分散させて塗布剤とする。なお、塗布剤には、ＺＡＳ合金の表面に存在する酸化物膜を還元する還元剤を分散ないし溶解させることが好ましい。この状態で、母材を加熱することによってＣｕをＺＡＳ合金中に拡散させる。これにより、ＺＡＳ合金の表面からの深さが０．５ｍｍ以上の内部にまでＣｕが拡散し、かつＣｕの濃度がＺＡＳ合金の表面から内部に指向して減少したＣｕ拡散ＺＡＳ合金が得られる。なお、このＣｕ拡散ＺＡＳ合金においては、ＣｕとＺＡＳ合金との間に明確な界面は存在しない。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属からなる母材に元素が拡散した元素拡散金属材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材に対しては、耐摩耗性や耐食性、強度等の諸特性を向上させるという観点から、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理が施される。または、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ、陽極酸化等によって皮膜が設けられることもある。
【０００３】
例えば、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金等のＺｎ合金の表面を硬化処理する手段としては、特許第２８３２２２４号公報に開示されている直接無電解ニッケルメッキ法が挙げられる。この場合、Ｚｎ合金からなる金型を、有機酸ニッケル塩等を含有する無電解ニッケルメッキ液に浸漬して、該金型の表面にニッケル皮膜を設けるようにしている。
【０００４】
特許第２８３２２２４号公報によれば、このようなニッケル皮膜を有するＺｎ基合金は、耐摩耗性および耐食性が良好となるとのことである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した方法のいずれにおいても、諸特性が向上するのは金属材の表面に限られる。例えば、窒化や浸炭等では、元素が拡散するのは金属材の表面から僅かに数十μｍ、最大でも２００μｍ程度であり、それより内部の諸特性を向上させることは困難である。
【０００６】
この不具合は、前記の特許第２８３２２２４号公報に開示された発明をはじめとする皮膜形成においても同様である。しかも、この場合、皮膜と金属材との間に界面が存在する。このため、皮膜と金属材との熱膨張係数が互いに著しく異なる場合、加熱・冷却が繰り返されるような条件下では、膜が剥離することがあるという欠点がある。
【０００７】
さらに、Ｚｎ合金やＡｌ合金、Ｔｉ合金等、表面に酸化物膜を迅速に形成してしまう金属材では、皮膜を設ける方法がメッキや陽極酸化程度に限られるとともに、肉厚が小さい皮膜しか得られないため、諸特性を向上させる効果に乏しいという不具合が顕在化している。
【０００８】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、酸化物膜を迅速に形成する金属材であっても元素が濃度勾配を有する状態で金属材の内部深くまで拡散され、かつ拡散した元素と金属材との間に界面が存在しない元素拡散金属材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、金属からなる母材に元素が拡散された元素拡散金属材であって、
前記元素は、前記母材の表面からの深さが０．５ｍｍ以上の内部に到達しており、
かつ前記元素の濃度は、前記母材の表面から内部に指向して減少することを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明に係る元素拡散金属材における元素の拡散距離は、浸炭や窒化等によって拡散された元素の拡散距離に比して著しく大きい。このため、耐熱性、強度、硬度、耐食性等の諸特性が内部深くまで向上している。
【００１１】
母材である金属材は、特に限定されるものではないが、Ｚｎ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｃｕ合金、Ｔｉ合金、Ｆｅ合金等を好適な例として挙げることができる。
【００１２】
なお、拡散させる元素は、金属材の種類に応じて、該金属材の諸特性を向上させるものを選定すればよい。例えば、母材がＺｎ合金である場合、拡散させる元素としてＣｕまたはＭｎの少なくともいずれか１種を選定すればよい。また、母材がＦｅ合金である場合にはＣｒを選定すればよい。さらに、母材がＴｉ合金である場合にはＡｌ、Ｃｒ、ＮｉまたはＮの少なくともいずれか１種を選定し、Ｃｕ合金である場合にはＮｉを選定すればよい。
【００１３】
また、本発明は、金属からなる母材の表面からの深さが０．５ｍｍ以上の内部にまで拡散した元素を有し、かつ前記元素の濃度が前記母材の表面から内部に指向して減少する元素拡散金属材の製造方法であって、
拡散させる前記元素を含有する物質の粉末が溶媒に分散ないし溶解された塗布剤を前記母材の表面に塗布する第１工程と、
前記物質が塗布された前記母材を加熱することによって前記元素を前記母材中に拡散させる第２工程と、
を有することを特徴とする。
【００１４】
溶媒を介して粉末を塗布した後に加熱処理を施すことにより、元素拡散金属材を容易かつ簡便に得ることができる。
【００１５】
なお、母材がＺｎ合金やＡｌ合金等の酸化物膜を形成し易い金属材である場合には、該酸化物膜を還元する還元剤を前記物質とともに塗布することが好ましい。この還元剤の作用下に酸化物膜が還元されて消失するので、多大な熱エネルギを供給することなく元素を拡散させることができるようになるからである。
【００１６】
そして、母材がＺｎ合金等の低融点物質である場合には、第２工程にて、温度勾配を設けた状態で母材を加熱するようにしてもよい。これにより母材が過度に加熱されることを回避することができるので、母材が融解することを回避することができる。温度勾配を設けるには、例えば、母材の一端面に板部材を当接させればよい。
【００１７】
さらに、母材に酸化物膜が生成することを回避するため、第２工程は、不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る元素拡散金属材およびその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
本実施の形態に係る元素拡散金属材は、母材である金属材の内部に元素が拡散されてなる。
【００２０】
母材である金属材の好適な例としては、実用合金として広汎に使用されているＺｎ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｃｕ合金、Ｔｉ合金、Ｆｅ合金を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２１】
このような金属材からなる母材に拡散された元素のうち最も拡散したものは、該母材の表面からの深さが少なくとも０．５ｍｍ（５００μｍ）に達しており、最大では、２ｃｍ（２０００μｍ）に達することがある。この値は、窒化や浸炭等における元素の拡散距離が数十μｍ、大きくても２００μｍ程度であるのに対し、著しく大きい。すなわち、本実施の形態に係る元素拡散金属材における元素の拡散距離は、従来技術に係る表面処理方法によって導入された元素の拡散距離に比して著しく大きい値である。
【００２２】
拡散される元素の種類は、母材である金属材の種類に応じ、該金属材の諸特性を向上させることが可能なものが選定される。例えば、母材がＺｎ合金からなる場合にはＣｕまたはＭｎの少なくともいずれか１種、Ｆｅ合金からなる場合にはＣｒ、Ｔｉ合金からなる場合にはＡｌ、Ｃｒ、ＮｉまたはＮの少なくともいずれか１種、Ｃｕ合金からなる場合にはＮｉを選定することができる。
【００２３】
ここで、金属材の内部に拡散して存在する元素の形態は、特に限定されるものではない。すなわち、母材を構成する金属材と合金化していてもよいし、金属材に含有された不純物と化合物を形成していてもよいし、元素単独で固溶していてもよい。
【００２４】
なお、後述するように、元素は、母材の表面から拡散される。このため、元素の濃度は、母材の表面で最も高く、母材の内部に指向するにつれて漸次的に減少する。このため、拡散した元素と母材との間には、明確な界面は存在しない。
【００２５】
このような元素拡散金属材においては、元素が拡散された深さまで母材の諸特性が向上する。例えば、Ｚｎ合金であるＺｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ、またはＺｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金（いわゆるＺＡＳ合金）からなる母材に対してＣｕを拡散させると、ＣｕがＺｎと結合する。その結果、融点が上昇するので、耐熱性が向上する。また、強度、硬度、耐食性等も向上するという利点がある。
【００２６】
しかも、この元素拡散金属材においては、拡散した元素と母材との間に明確な界面が存在しないため、応力集中が起こることが回避される。したがって、元素を拡散させることに伴って脆性が増すことを抑制することもできる。
【００２７】
次に、上記した元素拡散金属材の製造方法につき、そのフローチャートである図１を参照して説明する。本実施の形態に係る製造方法は、拡散させる元素を含有する物質を母材の表面に塗布する第１工程Ｓ１と、加熱処理を施すことによって元素を母材中に拡散させる第２工程Ｓ２とを有する。なお、以下の説明においては、ＺＡＳ合金にＣｕを拡散させる場合を例とする。
【００２８】
まず、第１工程Ｓ１において、母材であるＺＡＳ合金の表面に塗布する塗布剤を調製する。塗布剤の溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。そして、この溶媒に、Ｃｕを含有する物質を分散させる。
【００２９】
Ｃｕを含有する物質としてはＣｕ粉末やＣｕ−Ｍｎ合金粉末等が例示される。このうち、比較的低融点であるということから、Ｃｕ−Ｍｎ合金粉末を選定することが好ましい。この場合、より低温、換言すれば、より小さな熱エネルギでＣｕを拡散させることができるからである。Ｃｕ−Ｍｎ合金としては、ＣｕとＭｎの組成比がモル比で６：４であるもの等を使用することができる。
【００３０】
ここで、ＺＡＳ合金の表面には、通常、酸化物膜が形成されている。この状態でＣｕを拡散させるには、Ｃｕが酸化物膜を通過できるように、多大な熱エネルギを供給しなければならない。これを回避するために、塗布剤に、酸化物膜を還元することが可能な還元剤を混合することが好ましい。
【００３１】
具体的には、酸化物膜に対して還元剤として作用し、かつＺＡＳ合金とは反応しない物質を溶媒に分散ないし溶解させる。還元剤の好適な例としては、ニトロセルロース、ポリビニル、アクリル、メラミン、スチレンの各樹脂を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、還元剤の濃度は、５％程度とすればよい。
【００３２】
以上の物質が溶解ないし分散された塗布剤は、刷毛塗り法等の公知の塗布技術によってＺＡＳ合金の表面に塗布される。
【００３３】
次いで、第２工程Ｓ２において、塗布剤が塗布されたＺＡＳ合金に対して加熱処理を施す。この加熱処理は、バーナー火炎をＺＡＳ合金の一端面側から当てることによって施すことができる。
【００３４】
この場合、第２工程Ｓ２において、温度勾配を設けた状態でＺＡＳ合金を加熱するようにしてもよい。すなわち、ＺＡＳ合金の一端面に過度の加熱防止用の板部材を当接させ、この状態で板部材を当接させた端面とは反対側の端面からＺＡＳ合金を加熱するようにすればよい。後述するように、この板部材によって熱が吸収されるので、ＺＡＳ合金を融解させることなくＣｕを拡散させることができるようになる。
【００３５】
この昇温の過程では、２５０℃程度で還元剤が分解し始め、炭素や水素が生成する。ＺＡＳ合金表面の酸化物膜は、この炭素や水素の作用下に還元されて消失する。このため、Ｃｕが酸化物膜を通過する必要がなくなるので、拡散に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。
【００３６】
さらに昇温を続行すると、母材であるＺＡＳ合金中にＣｕが拡散し始める。Ｃｕ−Ｍｎ合金粉末を塗布した場合、この拡散は、Ｃｕ粉末を塗布した場合に比して低温で開始する。
【００３７】
拡散したＣｕは、最終的には、ＺＡＳ合金の構成元素であるＺｎ等と結合し、Ｃｕ−Ｚｎ合金等を形成する。その結果、ＺＡＳ合金の融点が上昇する。このため、ＺＡＳ合金が融解することはない。
【００３８】
しかも、一端面に板部材が当接している場合、ＺＡＳ合金に供給された熱は、該板部材に伝達された後、該板部材を昇温することによって消費される。換言すれば、熱は板部材に吸収される。このため、ＺＡＳ合金を融解させることなくＣｕを効率的に拡散させることができる。
【００３９】
ＺＡＳ合金が１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの立方体である場合、加熱処理によって、該立方体の表面から１．５ｍｍ程度の深さまでＣｕを拡散させることができる。また、Ｃｕの濃度は漸次的に減少し、Ｃｕの拡散到達終端部とＺＡＳ合金との間に明確な界面が生じることもない。
【００４０】
このようにして得られたＣｕ拡散ＺＡＳ合金では、拡散前のＺＡＳ合金に比して硬度や強度が著しく向上する。具体的には、拡散前のＺＡＳ合金における表面のビッカース硬度（Ｈｖ）が約１２０、引っ張り強度が約２００ＭＰａであるのに対し、Ｃｕ拡散ＺＡＳ合金における表面のＨｖ、引っ張り強度はそれぞれ約２５０、約４５０ＭＰａと、ともにおよそ２倍となる。
【００４１】
上記と同様にして、ＺＡＳ合金内にＭｎを拡散させることもできる。
【００４２】
一方、Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格）等に代表されるＦｅ合金にＣｒを拡散させる場合、例えば、アセトンにアクリル樹脂モノマーを濃度が０．５％となるように溶解し、これにＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃ、ＢＮの各粉末が２：３：４：０．５：０．５の割合（重量比）で混合された混合粉末を分散させて塗布剤を調製すればよい。
【００４３】
この塗布剤をＳ４５Ｃに塗布した後（第１工程Ｓ１）、電気炉内にて加熱処理を施す（第２工程Ｓ２）。Ｓ４５Ｃは高融点物質であり、融解し難いので、加熱温度を１２００℃程度とすることができる。この温度で、１時間程度保持すればよい。
【００４４】
電気炉内にて加熱処理を施す場合、窒素やアルゴン等の不活性雰囲気とすることが好ましい。これにより、Ｓ４５Ｃの表面が酸化することを回避することができる。
【００４５】
なお、この場合、過度の加熱を防止するために板部材を母材の一端面に当接させる必要は特にない。上記したようにＳ４５Ｃは高融点物質であるので、高温での加熱処理時に融解することを阻止するべく熱を吸収させる必要が特にないからである。また、上記した理由から、第２工程Ｓ２は、不活性雰囲気中で遂行することが好ましい。
【００４６】
第２工程Ｓ２が終了したＳ４５Ｃにおいては、表面に炭窒化クロムが生成し、かつＳ４５Ｃ中には、Ｃｒが拡散している。この場合、Ｃｒは、表面からの深さ１．８ｍｍにまで到達する。また、その濃度は漸次的に減少し、Ｓ４５Ｃとの間に界面を生成することはない。
【００４７】
このようにして得られたＣｒ拡散Ｓ４５Ｃの表面におけるＨｖは、６５０と著しく高い値を示す。
【００４８】
さらに、表面に炭窒化クロムが生成するため、第２工程Ｓ２の前後での体積変化は、０．２１６％と著しく抑制される。この際に蓄積された歪エネルギを概算すると、約１０２ＭＰａｍとなる。これは、焼き入れ・焼き戻し操作にて大きな歪エネルギを蓄積することができることを示す。
【００４９】
次に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金にＡｌ、Ｃｒ、ＮｉおよびＮを拡散させる例について説明する。
【００５０】
上記と同様に、第１工程Ｓ１において、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の表面に塗布する塗布剤を調製する。この場合、Ｔｉ合金中のＴｉと金属間化合物を容易に形成する金属元素の粉末、例えば、Ａｌ粉末、Ｃｒ粉末、Ｎｉ粉末の混合粉末をアセトンやアルコール等に分散させればよい。
【００５１】
ここで、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の表面にも酸化物膜が存在する。このため、この場合においても、酸化物膜を還元することが可能な還元剤、例えば、粉末状炭素材等を塗布剤に混合することが好ましい。
【００５２】
また、Ｔｉのホウ化物であるＴｉＢ_２が得られ、このＴｉＢ_２が母材であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金中に分散することによって該合金の硬度を向上させることができることから、塗布剤にＢＮ粉末を混合するようにしてもよい。
【００５３】
以上の観点から、この場合、Ａｌ粉末、Ｃｒ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃ粉末およびＢＮ粉末が例えば３０：１０：５０：５：５の割合（重量比）で混合された混合粉末を含有する塗布剤を使用することが好ましい。
【００５４】
この塗布剤を、刷毛塗り法等の公知の塗布技術によってＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の表面に厚み０．５ｍｍ程度で塗布した後、第２工程Ｓ２において、上記と同様に加熱処理を施す。この加熱処理は、例えば、窒素雰囲気とした熱処理炉内で遂行すればよい。
【００５５】
この場合、圧力が１０Ｐａとなるように窒素を流通させながら１０℃／分の昇温速度で昇温し、２５０℃、４５０℃および６５０℃でそれぞれ３０分保持した後、圧力を０．３ＭＰａとして５℃／分で７７７℃まで昇温して１時間保持することによって加熱処理を施すようにすればよい。これにより、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の表面に存在する酸化物膜が還元され、塗布剤に含まれた金属元素と、雰囲気である窒素を源とするＮとを該合金中に確実に拡散させることができる。
【００５６】
拡散した元素、例えば、Ａｌは、最終的には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の構成元素であるＴｉ等と結合し、Ａｌ−Ｔｉ合金等を形成する。また、表面に残留したＣｒやＴｉが窒化されることに伴って窒化クロム、窒化チタン等が生成するとともに、ＴｉとＢとが結合してＴｉＢ_２が生成する。その結果、加熱処理後のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金には、セラミックスないし合金からなる拡散層が形成される。
【００５７】
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が直径１５ｍｍ×長さ１００ｍｍの円柱体である場合、上記したような加熱処理によって、該円柱体の表面から２．３ｍｍ程度の深さまでＴｉとＡｌ、ＣｒまたはＮｉとの合金を生成させることができるとともに、窒化クロム、窒化チタンおよびＴｉＢ_２を生成させることができる。また、合金またはセラミックスの濃度は漸次的に減少し、これらの拡散到達終端部とＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金との間に明確な界面が生じることもない。
【００５８】
この場合においても、拡散前のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比して諸特性が著しく向上する。具体的には、拡散前のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金における表面のＨｖが約３００であるのに対し、拡散後のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金でのＨｖは１２００となる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る元素拡散金属材によれば、母材を構成する金属材の諸特性を向上させる元素が、表面から０．５ｍｍ以上の深さにまで拡散されている。このため、耐熱性、強度、硬度、耐食性等の諸特性を内部深くまで向上させることができるという効果が達成される。
【００６０】
しかも、この元素拡散金属材においては、拡散した元素の濃度が表面から漸次的に減少するので、元素と母材との間に明確な界面が存在しない。このため、応力集中が起こることを回避することもできる。
【００６１】
また、本発明に係る元素拡散金属材の製造方法によれば、拡散させる元素を母材の表面に塗布した後に加熱処理を施すという容易かつ簡便な操作にて元素拡散金属材を得ることができる。
【００６２】
なお、表面に酸化物膜を形成し易い金属材を母材とする場合、還元剤を塗布するようにすることが好ましい。これにより、多大な熱エネルギを供給することなく元素を拡散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る元素拡散金属材の製造方法のフローチャートである。

Claims

金属からなる母材に元素が拡散された元素拡散金属材であって、
前記元素は、前記母材の表面からの深さが０．５ｍｍ以上の内部に到達しており、
かつ前記元素の濃度は、前記母材の表面から内部に指向して減少することを特徴とする元素拡散金属材。
請求項１記載の元素拡散金属材において、前記母材は、Ｚｎ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｃｕ合金、Ｔｉ合金、Ｆｅ合金のいずれかからなることを特徴とする元素拡散金属材。
請求項２記載の元素拡散金属材において、前記母材がＺｎ合金からなり、かつ前記元素がＣｕまたはＭｎの少なくともいずれか１種であることを特徴とする元素拡散金属材。
請求項２記載の元素拡散金属材において、前記母材がＦｅ合金からなり、かつ前記元素がＣｒであることを特徴とする元素拡散金属材。
請求項２記載の元素拡散金属材において、前記母材がＴｉ合金からなり、かつ前記元素がＡｌ、Ｃｒ、ＮｉまたはＮの少なくともいずれか１種であることを特徴とする元素拡散金属材。
請求項２記載の元素拡散金属材において、前記母材がＣｕ合金からなり、かつ前記元素がＮｉであることを特徴とする元素拡散金属材。
金属からなる母材の表面からの深さが０．５ｍｍ以上の内部にまで拡散した元素を有し、かつ前記元素の濃度が前記母材の表面から内部に指向して減少する元素拡散金属材の製造方法であって、
拡散させる前記元素を含有する物質の粉末が溶媒に分散ないし溶解された塗布剤を前記母材の表面に塗布する第１工程と、
前記物質が塗布された前記母材を加熱することによって前記元素を前記母材中に拡散させる第２工程と、
を有することを特徴とする元素拡散金属材の製造方法。
請求項７記載の製造方法において、前記母材の表面に形成された酸化物膜を還元する還元剤を前記物質とともに塗布することを特徴とする元素拡散金属材の製造方法。
請求項７または８記載の製造方法において、前記第２工程にて、温度勾配を設けた状態で前記母材を加熱することを特徴とする元素拡散金属材の製造方法。
請求項７〜９のいずれか１項に記載の製造方法において、前記第２工程を不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする元素拡散金属材の製造方法。