JP2007113105A - 局部加熱による被覆・積層処理剤の拡散浸透表面改質プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】誘導加熱または赤外線加熱などにより金属素材を局部加熱し、表面に塗布、被覆、積層した処理剤から元素浸透させ、基材表面層を改質するプロセスを提供すること。
【解決手段】浸透元素を含む処理剤を粘結剤と混合することにより、処理剤を金属素材表面に塗布、被覆、積層することが可能となった。また誘導加熱または赤外線加熱を用いることで、金属素材を局部加熱し、それによって塗布、被覆、積層された処理剤が間接的に加熱溶融することができるようになった。したがって、処理剤を加熱溶融するための容器が不要となり、被処理素材形状・寸法の制約を受けることが無くなり、また処理施工箇所の選択も自由となった。
【選択図】 図１

Description

本発明は金属素材を局部加熱し、その表面に被覆・積層した処理剤から元素浸透させるプロセスに関するものである。

従来から行われている元素浸透法はセメンテーションとも呼ばれており、浸透剤として粉末を用い、加熱溶融した中に素材を埋めて保持するのが一般的な方法である。このなかで、局部加熱による表面改質技術は、レーザー、電子ビーム、イオンビームなど、高エネルギー密度源による新しいプロセスが研究され、従来にはない特性が得られている。しかしながら、このようなプロセスは高価な装置を必要とし、形成される改質膜は極めて薄く、また処理面積も小さいなどの欠点がある。

一方、古くから行われている元素拡散は、広範な処理面積と厚い改質層が得られる利点があり、シェラダイジング（Ｚｎ拡散浸透）、カロライジング（Ａｌ拡散浸透）、クロマイジング（Ｃｒ拡散浸透）などの方法がある。また、最近の技術としては、ボロンの拡散浸透法（浸ボロン処理またはほう化処理と称する）や、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物被膜形成に関する強発熱反応燃焼合成ならびに溶射とレーザー照射を組み合わせた方法がある。

特許公開平０９−００３６２０ 特許公開２００２−０６０８８５ 特許公開平０６−２９９３０７ 特許公開平２０００−２５６８２２

解決しようとする問題点は、従来のいずれのプロセスも処理剤を直接加熱、溶融し、その中に被処理素材を浸漬するか、または接触させるプロセスのため、適用できる被処理素材の大きさや形状に限界があった点である。

本発明は、誘導加熱や赤外線加熱などで処理素材を局部加熱することによって、処理剤を間接加熱・溶融するプロセスであるから、被処理素材の大きさは制約を受けることがない。本発明の特色は処理剤の塗布または積層と、被処理材表層の局部急速加熱ならびに、それによる処理剤の融解によって元素拡散を行わせることにある。

このように、本発明は、第１に浸透処理剤を被処理素材表面に塗布・積層すること、第２に浸透処理剤を直接加熱溶融するのではなく、被処理素材表層を局部加熱し、それによって処理剤を間接加熱溶融させること、第３に処理剤を加熱溶融する容器が不用であるから、被処理素材形状・寸法の制約を受けず、また処理施工箇所を任意に選択できることが特徴である。

本発明プロセスで形成された表面改質層は、▲１▼耐摩耗としての指標である硬さがＨＶ１５００以上あり、また▲２▼耐熱・耐酸化特性としての酸化消耗は、Ｎｉ基スーパーアロイの５０％以下で、▲３▼耐腐食性については、酸性および非酸化性環境における腐食速度が、チタン系合金と同等かそれ以下が期待される。
さらに、このプロセスは表面層のみの局部加熱によって、処理剤を間接加熱溶融させるものであるから、大型素材あるいは製品への適用が可能であり、また大型素材全体が加熱されることで生ずる熱変形や割れを回避することもできる。

本発明のプロセスは、▲１▼素材を加熱溶融した中に埋めて処理するのではなく、処理剤を被処理素材表面に塗布または積層する。▲２▼次に、誘導加熱や赤外線加熱またはレーザー加熱などの方法で、素材表面層を局部加熱し、それによって塗布または積層した処理剤を加熱・溶融させる。▲３▼また、誘導加熱の場合は電磁誘導力も加わることで、目的とする元素の拡散浸透が促進される。▲４▼その結果、多様な環境に対応する厚い表面改質層が形成される。▲５▼さらに、処理剤を加熱溶融する容器が不用であるから、被処理素材形状、寸法の制約を受けず、特に大型製品への適用が可能となる。

以下、本発明に係わる拡散浸透表面改質プロセスの実施形態について、図面を用いて説明する。ここでは、本発明の実施形態としてとして、高周波誘導加熱を用いて、ボロン（Ｂ）を鉄鋼材料素材表層へ拡散浸透（Ｂの拡散浸透法を浸ボロン処理と称する）した実験内容を説明する。

処理剤は硼砂（６６％）と炭化硼素（３４％）に、粘結剤として水ガラスを適量添加混合したものである。また、供試材料にはＣｒ含有量の異なるＳ３５Ｃ（０．１５％Ｃｒ）、ＳＣＭ４３５（１．０５％Ｃｒ）、ＳＵＳ４２０（１３．０５％Ｃｒ）の３種類の市販丸鋼を用いた。これらの素材表面に処理剤を３〜５ｍｍ厚さに積層塗布し乾燥後、高周波誘導加熱炉を用いて表層加熱した。図１は本発明の赤外線加熱と誘導加熱の概略と圧延ロールへの適用例と局部硬化への適用例を示したものである。

加熱処理後に素材表層断面を光学顕微鏡にて観察したものを図２に示す。また、図３はビッカース硬さ分布である。被処理素材のＣｒ含有量が高くなると、深い浸ボロン層が得られにくくなる傾向はあるが、炭素鋼（Ｓ３５Ｃ）や低合金鋼（ＳＣＭ４３５）の場合、ＨＶ１５００以上の極めて硬い浸ボロン層が、２００μｍを超える厚さまで形成される。

アブレーシブ摩耗と硬さの関係は図４に示す通り、硬さの影響が著しく、また凝着摩耗についても、図５に示すように、浸ボロン処理は極めて有効であることから、本発明によって形成される改質層は、耐摩耗性を著しく向上する。

本発明の概略プロセスであって、赤外線加熱方法を（ａ）、誘導加熱方法を（ｂ）に、そして加熱箇所の詳細が（ｃ）である。また、圧延用ロールの適用法を（ｄ）に、また局部加熱の場合が（ｅ）である。 本実施例において、浸ボロン処理を実施した鋼材表面のミクロ組織である。 本実施例において、浸ボロン処理を実施した鋼材の硬さ分布である。 硬さと摩耗量との関係を示すグラフである。 浸ボロン処理を実施した素材の摩耗量を他の鋼材の摩耗量と比較したグラフである。

Claims (2)

1. 拡散浸透元素を含む浸透剤を粘結剤と混合した処理剤を、金属材料基材に塗布、被覆または積層した後、誘導加熱や赤外線加熱またはレーザー加熱などの方法で、基材表層を局部加熱し、併せて処理剤を溶融することによって元素浸透させ、基材の表面改質を行うプロセス。
2. 請求項１において、表面改質層を形成する浸透剤と有機または無機粘結剤と混合した塗布、被覆および積層できる処理剤。

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