JP2009544852A - 高濃度の格子間成分を有する金属物品 - Google Patents

Abstract

薄い金属ワークピースが低温拡散主体の表面処理を施され、薄い金属製品の少なくとも１つの性質が、そのような表面処理を施していない他の性質では同一の製品と比較して、全体として少なくとも１０％強化された、薄い金属製品を製造する。該低温拡散主体の表面処理は、低温浸炭であり得、該強化される性質は、機械的性質、電気的性質および磁気的性質のうちの１つまたは複数であり得、該金属は、鉄系、ニッケル系、コバルト系、またはマンガン系の合金であり得る。該金属はまた、ステンレス鋼であり得る。

Description

（関連出願の参照）
本出願は、先行の米国仮特許出願第６０／８３２，８４４号（２００６年７月２４日出願）に基づき、かつ該仮特許出願に対する優先権を主張する。該仮特許出願の開示は、本明細書において参考として援用される。

肌焼き（ｃａｓｅ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）は、造形金属物品の表面硬度を強化するために広く用いられている工業プロセスである。典型的な商業プロセスでは、ワークピースが天然ガスまたはプロパンと高温で接触し、それにより、炭素化合物の分解によって遊離された炭素原子が、ワークピースの表面中に拡散する。硬化は、これらの拡散炭素原子とワークピース中の１つ以上の金属との反応により生じ、それにより別の化合物、すなわち炭化物を形成する。その後、これらの炭化物がワークピースの表面を形成する金属中に、分離した、極端に硬質な結晶粒子として析出する。非特許文献１を参照されたい。

析出炭化物は表面硬度を強化するだけではなく、腐食を促進する恐れもある。この理由により、ステンレス鋼は、その耐食性が損なわれるために、従来のガス浸炭法によって肌焼きされることは稀である。

１９８０年代の半ばに、通常５００℃（９３２°Ｆ）未満の低温で、ワークピースを一酸化炭素および水素と接触させる、ステンレス鋼の肌焼き技法が開発された。この温度で、かつ浸炭の持続が長すぎない場合には、一酸化炭素の分解によって遊離した炭素原子が、ワークピースの表面中に通常２０〜５０μの深さにまで、析出炭化物を形成せずに拡散する。それにもかかわらず、非常に硬質な焼肌（表面層）が得られるが、それは拡散炭素原子によって金属の結晶格子上に生じた応力によるものと考えられている。さらに、析出炭化物が存在しないために、鋼の耐食性は損なわれず、むしろ向上する。

「低温浸炭」と呼ばれるこの技術は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、ＥＰＯ ０７８７８１７、日本 第９−１４０１９号（特許文献６）および日本 第９−７１８５３号（特許文献７）を含む、いくつかの文献に記載されている。これらの文献の開示は、本明細書において参考として援用される。

米国特許第５，５５６，４８３号明細書 米国特許第５，５９３，５１０号明細書 米国特許第５，７９２，２８２号明細書 米国特許第６，１６５，５９７号明細書 米国特許第６，５４７，８８８号明細書 特開平９−２６８３６４号公報 特開平９−０７１８５３号公報

Ｓｔｉｃｋｅｌｓ、「Ｇａｓ Ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ」、ＡＳＭ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（１９９１年）第４巻、３１２〜３２４頁、

本発明に従って、非常に薄いワークピースが低温浸炭され、拡散炭素が製品のコアの実質的な部分にまで達する。その結果として、全体として過去に見られたものよりも高レベルの格子間（拡散）炭素を含有し、かつ良好な性質の組合せを示す、新しい製品が得られる。

したがって、本発明は、薄い金属製品の少なくとも１つの性質を、他の性質では同一の未処理の製品と比較して、全体として少なくとも１０％強化した、薄い金属製品を製造するプロセスを提供し、該プロセスは、薄い金属ワークピースに低温拡散主体の表面処理を、好ましくは低温浸炭を、施すステップを包含する。通常、降伏強度は実質的に増大し、一方で延性は実質的に維持される。

さらに、本発明はまた、薄い金属ワークピースに低温拡散主体の表面処理を施すことによって製造される薄い金属製品を提供し、該薄い金属製品は、そのような表面処理、好ましくは低温浸炭を施していない他の性質では同一の製品と比較して、全体として少なくとも１０％強化した少なくとも１つの性質を示す。

最後に、本発明はまた、大量の上述の薄い金属製品を所望の形状に形成し焼結することによって製造される、造形物品を提供する。

本発明は、図面を参照することによってより容易に理解され得る。

図１および図２は、本発明に従って低温浸炭されたＡＩＳＩ３１６ステンレス鋼箔の降伏強度および延性に対する効果を示し、図１は未処理の負荷対変位のデータを図示する。 図１および図２は、本発明に従って低温浸炭されたＡＩＳＩ３１６ステンレス鋼箔の降伏強度および延性に対する効果を示し、図２は標準の応力／ひずみ曲線に正規化されたデータを示す。

（低温浸炭）
上で示したように、本発明の主な焦点は、鉄系、ニッケル系、コバルト系、および／またはクロム系の合金、特にステンレス鋼の低温浸炭である。上述の米国特許第５，５５６，４８３号、米国特許第５，５９３，５１０号、米国特許第５，７９２，２８２号、米国特許第６，１６５，５９７号、米国特許第６，５４７，８８８号、ＥＰＯ ０７８７８１７、日本特許第９−１４０１９号（特開平９−２６８３６４号）および日本特許第９−７１８５３号（特開平９−０７１８５３号）に広く記載されているこのプロセスでは、元素の炭素はワークピースを形成する金属マトリクス中に、析出炭化物を形成することなく拡散する。この文脈において、「析出炭化物を形成することなく」ステンレス鋼を浸炭するということは、「ステンレス鋼の耐食性に悪影響を及ぼす種類および量の析出炭化物を形成することなく」という意味であると理解される。

本発明に従って、低温浸炭は、浸炭ワークピースを製造するために過去に行われたものと同様の方法で実施され、浸炭ワークピースの処理表面または「焼肌」は、通常は約２〜１５原子％、より通常は約５〜１０原子％または９〜１２原子％さえもの、増大した量の元素の炭素を含有する。低温浸炭は拡散主体のプロセスであるために、ワークピース表面中の炭素の濃度は、ワークピースの最外表面またはその非常に近くの最大値から、フィックの法則に従って平衡値（ワークピースがそれから作られる「自然の」または未処理の金属中の炭素濃度）にまで低下する。したがって、約２〜１５原子％の炭素濃度への言及は、その炭素濃度がワークピース表面またはその近くの炭素濃度であることを意味し、この濃度が、ワークピースの外表面からわずか５μであり得るが、より一般的にはワークピースの外表面から２０〜５０μ程度の深さで、平衡値へと減少することが理解される。しかしながら、例えば７５μほどの深さ、または１００μさえもの、より深い拡散炭素の深さもあり得る。

（その他の低温拡散主体の表面処理）
本発明は鉄系、ニッケル系およびコバルト系の合金の低温浸炭を集中的に取り上げるが、他の類似の拡散主体の表面処理がまた使用され得る。

上で示したように、低温浸炭では、原子状炭素はワークピース表面中に侵入するように拡散する。すなわち、炭素原子は金属原子を実質的に置換拡散することなく、金属原子の間の空間を通って移動する。処理温度が低いために、これらの炭素原子はワークピース表面の金属原子と共に固溶体を形成する。それらの炭素原子はこれらの金属原子と反応して他の化合物を形成することはない。したがって、低温浸炭は、炭素原子が反応して腐食促進析出炭化物、すなわち、Ｍ_２３Ｃ_６（例えばＣｒ_２３Ｃ_６または炭化クロム）、Ｍ_５Ｃ_２などのような、それらを含有する金属マトリクスから分離して異なる別個の相の形態で配置される、特定の金属化合物を形成するような、より高温で実施される通常の浸炭とは異なる。

比較的低温でワークピース表面中に原子を侵入拡散させて、分離した相の新しい化合物を形成することなく、その中の金属原子と共に固溶体を形成することによって、金属ワークピースの表面特性を改変する他の類似のプロセスが公知である。その例は、若干の例を挙げるならば、鉄系、クロム系および／またはニッケル系の合金の窒化、鉄系、クロム系および／またはニッケル系の合金の炭素窒化、ならびにチタン系の合金の窒化を含む。便宜上、これらのプロセスはすべてまとめて「低温侵入拡散主体の表面処理」と呼ばれる。

すべてのこのような低温侵入拡散主体の表面処理は、本発明に従って使用され得る。すなわち、これらの低温侵入拡散主体の表面処理のそれぞれは、本発明の技術を用いて薄い金属ワークピースに適用され得、過去に利用可能だったものよりも高い拡散原子の濃度を有し、かつより良好な性質を有する新しい製品を作り得る。

（合金）
本発明は、通常鉄系またはニッケル系の合金から作られたワークピース上で実施される。そのような材料は周知であり、例えば、上述の米国特許第５，７９２，２８２号、米国特許第６，０９３，３０３号、米国特許第６，５４７，８８８号、ＥＰＯ ０７８７８１７および日本 第９−１４０１９号（特開平第９−２６８３６４号）に記載されている。

特定の重要な合金は、鋼であり、特に５〜５０、好ましくは１０〜４０重量％のＮｉを含有する鋼である。好ましい合金は１０〜４０重量％のＮｉおよび１０〜３５重量％のＣｒを含有する。より好ましいものは、ステンレス鋼であり、特にＡＩＳＩ３００シリーズの鋼である。特に重要なものは、ＡＩＳＩ３０１、３０３、３０４、３０９、３１０、３１６、３１６Ｌ、３１７、３１７Ｌ、３２１、３４７、ＣＦ８Ｍ、ＣＦ３Ｍ、２５４ＳＭＯ、Ａ２８６およびＡＬ６ＸＮステンレス鋼である。この文書を書いた時点では、本発明は４００シリーズのステンレス鋼では首尾よく実行されておらず、それは低温浸炭のための準備において、鋼を脱不動態化するための適切な条件がまだ決定されていないことによるものと考えられる。それにもかかわらず、ＡＩＳＩ４００シリーズのステンレス鋼、ならびに特に合金４１０、合金４１６および合金４４０Ｃもまた、特別に重要である。

本発明に従って低温浸炭され得る特定のニッケル系の合金は、若干の例を挙げるならば、合金６００、合金６２５、合金８２５、合金Ｃ−２２、合金Ｃ−２７６、合金２０Ｃｂおよび合金７１８を含む。

鉄系およびニッケル系の合金に加えて、本発明による低温浸炭は、コバルト系の合金、ならびにマンガン系の合金にも実行され得る。そのようなコバルト系の合金の例は、ＭＰ３５ＮおよびＢｉｏｄｕｒＣＭＭを含み、一方、そのようなマンガン系の合金の例は、ＡＩＳＩ２０１、ＡＩＳＩ２０３ＥＺおよびＢｉｏｄｕｒ１０８を含む。

本発明は、これに限定はされないが、オーステナイト、フェライト、マルテンサイト、二相金属（例えば、オーステナイト／フェライト）などを含む任意の相構造を有する金属上で実行され得るために、本発明に従って処理される金属の特定の相は、重要ではない。

（薄いワークピースおよび製品）
本発明に従って、低温侵入拡散主体の表面処理が「薄い」ワークピース上で実施され、「薄い」表面処理製品を製造する。

低温侵入拡散主体の表面処理を施されたワークピースは、高濃度に拡散された表面または「焼肌」によって囲まれた、内部コアを有すると考えることができる。侵入拡散処理が低温浸炭である場合には、この浸炭表面は、通常最外表面から約２０μ〜約４０μ、または５０μもの深さまで下方に及ぶが、より深い深さも可能である。この焼肌深さは、ワークピースの全体の厚さと比較すると極端に薄いために、物品の大部分、およびさらに基本的に物品のすべてが自然な金属、すなわち格子間炭素の追加量で強化されていない金属からなる。その結果として、焼肌は、ワークピース全体としての機械的性質に対して顕著な効果を及ぼさない。

しかしながら、本発明によると、処理されるワークピースは非常に薄く、通常０．０００４〜０．０１インチ程度（約０．０１〜約０．２５ｍｍ；約１０〜約２５０μ）の厚さであり、より典型的には約０．００１〜０．００３インチ（約０．０２５〜約０．０８ｍｍ；約２５〜約７５μ）の厚さである。これらの小さいワークピース厚さでは、焼肌厚さはコア厚さに対して有意となり、その結果として、ワークピースの性質が全体として実際に焼肌によって影響される。したがって、本発明に従って、これまで見られなかった性質を有する新しい材料を製造することが可能である。

このことは図１および図２に図示されており、これらの図は、本発明に従って低温浸炭して「薄い」表面処理箔を製造した、０．００２インチ（約０．０４８ｍｍ；約５０μ）の厚さのいくつかの異なるＡＩＳＩ３１６ステンレス鋼箔によって示される、応力／ひずみ関係を示す。この図から分かるように、曲線Ａで表される、未処理の箔は、約３００ＭＰａ（メガパスカル）の応力でその弾性限界に達した。対照的に、曲線Ｂで表される、本発明に従って処理された箔は、負荷応力が約１２００ＭＰａになるまでその弾性限界に達しなかった。これは延性が実質的に維持された状態で降伏強度が４倍増大したことを表し、それによってこれらの処理された箔が、未処理の箔（それから処理された箔が作られた）とは大幅に異なった材料であることを示している。

上で示したように、本発明によって処理されたワークピースは薄く、通常０．０００４〜０．０１インチ程度（約０．０１〜約０．２５ｍｍ；約１０〜約２５０μ）の厚さであり、より典型的には約０．００１〜０．００３インチ（約０．０２４〜約０．０８ｍｍ；約２５〜約７５μ）の厚さである。しかしながら、必要に応じてより大きい、またはより小さい厚さのワークピースがまた処理され得る。重要なことは、これらのワークピースが十分に薄く、低温拡散主体の表面処理が十分に長く実施されるので、その結果として、この表面処理によって製造される焼肌が、製品がそれから作られる他の性質では同一のワークピースと比較して、製品の少なくとも１つの性質に対して無意味ではない（ｎｏｔ−ｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ）変化（すなわち≧１０％）を、全体として付与することである。

したがって、本開示の文脈において、低温侵入拡散表面処理を施されたワークピースと関連する「薄い」は、その処理によって製造された製品の少なくとも１つの性質が、表面処理せずに作られた他の性質では同一の製品と比較して、少なくとも１０％強化されるほどに、十分に小さい厚さを意味すると理解される。

本発明の目的の「薄い」ワークピースおよび製品の特定の例は、例えば、箔、ワイヤ、粉末、プレートレットおよび他の粒子状物質を含む。他の形状もまた可能である。

（性質強化）
本発明によって、薄い金属ワークピースの様々な異なる機械的、電気的および磁気的性質が、強化され得る。その例は、これに限定されないが、硬度、降伏強度、最大引張強度、弾性限界、電気抵抗および磁化率を含む。さらに、上記の開示はこれらの性質の少なくとも１つを少なくとも１０％強化することに言及しているが、さらに大幅な強化が可能なことが理解されるべきである。例えば、電気抵抗は２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％だけ、または１００％さえも増大され、通常は１５％〜６０％だけ増大され得る。同様に、降伏強度は１００％、２００％、３００％、４００％および５００％さえも増大させることが可能である。最も重要なことには、これらの顕著な強化は、実際問題として、例えば延性などの他の性質の著しい減少なしに達成され得る。

これは図１および図２にさらに示されており、これらの図は本発明に従って低温浸炭された箔の曲線Ｂが、約２０％以上の伸びで破断するまで延性を維持することを示す。この破断点伸びは、曲線Ａの未処理の箔が示したもの（約３５％の破断点伸び）ほど大きくはないが、曲線Ｃで表される従来の浸炭箔のもの（約５％の破断点伸び）よりもはるかに大きい。したがって、本発明は降伏強度、電気抵抗および耐食性の実質的な増加を達成するだけではなく、延性を実質的に犠牲にすることなくこれらのことを達成する。

（焼結物品）
本発明の別の特徴に従って、造形金属物品が、本発明の拡散処理した大量の薄い金属製品を原材料として使用する焼結プロセスによって作られる。造形金属物品を形成するための粉末冶金技術は周知であり、任意のそのような技術が、本発明の拡散処理した粉末、プレートレットおよび他の粒子状の薄い製品から造形金属物品を形成ために使用され得る。類似の焼結プロセスがまた、本発明の薄い金属箔製品を造形物品に形成するために使用され得る。

そのような焼結プロセスは通常、大量の金属粒子を所望の形状に形成することを伴い、任意ではあるが、その大量の金属粒子を所望の密度（理論密度に関して）に圧縮すること、およびその大量の金属粒子を加熱して、粒子を溶解しそれらの表面で互いに融着させることを伴う。類似の焼結プロセスが、箔から造形金属物品を形成するために使用され得る。これらと同じプロセスが、形状にかかわらず、すなわち粉末、プレートレット、他の粒子状物質、ワイヤまたは箔の形態のいずれであっても、本発明の拡散処理した薄い金属製品から、任意の所望の形状の造形物品を形成するために使用され得る。そのような製品は、これまで知られていない新しい材料から作られるために、独自のものである。

（磁化率）
そのような大量の薄い金属製品を焼結することによって作られた造形金属物品を含む、オーステナイト系ステンレス鋼から作られた、本発明の薄い金属製品の別の特徴は、それが有意な磁化率を示すことである。磁化率は、印加された磁場に応答する材料の磁化の程度である。記号χ_νによって表される（文献ではκまたはΚによっても表される）無次元の体積磁化率は、次の関係、
Ｍ＝χ_νＨ
によって定義され、ここで、
Ｍは、アンペア／メートルで測定された、材料の磁化（単位体積当たりの磁気双極子モーメント）であり、
Ｈは、やはりアンペア／メートルで測定された、印加された磁場である。

フェライト系およびマルテンサイト系ステンレス鋼は、良好で固有の磁化率を示す。対照的に、オーステナイト系ステンレス鋼は、本質的に磁化率を示さない。しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼および面心立方格子構造を有する他の金属が低温浸炭されるときに製造される、炭素硬化表面は磁化率を示す。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼または面心立方格子構造を有する他の金属から作られた「薄い」ワークピースが低温浸炭されるときには、その炭素硬化表面がその質量全体のかなり大きな部分に相当するために、得られる「薄い」製品は有意な磁化率を示す。同様に、そのような製品の焼結された塊から作られた造形金属物品は、上述のように、その塊りの低温浸炭されたその部分がその塊全体に対してかなり大きいために、やはり全体として有意な磁化率を示す。

この技術のわずかな実施形態のみが、上記記載されてきたが、多数の変更形態が作られ得ることが、理解されるべきである。そのような変更形態のすべては、本開示の範囲に含まれることが意図され、その範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

最後に、本発明はまた、大量の上述の薄い金属製品を所望の形状に形成し焼結することによって製造される、造形物品を提供する。
したがって、本発明は、以下の項目を提供する：
（項目１）
薄い金属ワークピースに低温侵入拡散主体の表面処理を施して、薄い金属製品の少なくとも１つの性質が、そのような表面処理を施していない他の性質では同一の製品と比較して、全体として少なくとも１０％強化される、この薄い金属製品を製造することを包含する、プロセス。
（項目２）
強化される上記性質は、機械的性質、電気的性質および磁気的性質のうちの１つまたは複数である、項目１に記載のプロセス。
（項目３）
強化される上記性質は、硬度、降伏強度、最大引張強度、弾性限界、電気抵抗および磁化率のうちの少なくとも１つである、項目２に記載のプロセス。
（項目４）
上記薄い金属ワークピースは、約０．０１〜０．２５ｍｍの厚さである、項目１に記載のプロセス。
（項目５）
上記金属ワークピースは、ワイヤ、粉末、プレートレット、他の粒子状物質または箔である、項目４に記載のプロセス。
（項目６）
上記低温拡散主体の表面処理は、低温浸炭である、項目１に記載のプロセス。
（項目７）
上記金属は、鉄系、ニッケル系、コバルト系またはマンガン系の合金である、項目６に記載のプロセス。
（項目８）
上記金属は、ステンレス鋼である、項目１に記載のプロセス。
（項目９）
薄い金属ワークピースに低温拡散主体の表面処理を施すことによって製造される薄い金属製品であって、そのような表面処理を施していない他の性質では同一の製品と比較して、少なくとも１０％強化された少なくとも１つの性質を全体として示す、薄い金属製品。
（項目１０）
上記薄い金属製品は、鉄系、ニッケル系もしくはコバルト系またはマンガン系の合金から作られる薄い金属ワークピースに、低温浸炭を施すことによって製造される、項目９に記載の薄い金属製品。
（項目１１）
上記薄い金属製品は、低温浸炭を施していない他の性質では同一の製品よりも、少なくとも１００％大きな降伏強度を有し、この薄い金属製品は破断点の伸びにおいて少なくとも２０％の延性を示す、項目１０に記載の薄い金属製品。
（項目１２）
大量の、項目１１に記載の上記薄い金属製品を所望の形状に形成し、かつ焼結することによって製造される造形物品。
（項目１３）
上記薄い金属製品は、鉄系、ニッケル系もしくはコバルト系またはマンガン系の合金から作られる薄い金属ワークピースに、低温浸炭を施すことによって製造される、項目１２に記載の造形物品。

Claims (13)

1. 薄い金属ワークピースに低温侵入拡散主体の表面処理を施して、薄い金属製品の少なくとも１つの性質が、そのような表面処理を施していない他の性質では同一の製品と比較して、全体として少なくとも１０％強化される、該薄い金属製品を製造することを包含する、プロセス。
2. 強化される前記性質は、機械的性質、電気的性質および磁気的性質のうちの１つまたは複数である、請求項１に記載のプロセス。
3. 強化される前記性質は、硬度、降伏強度、最大引張強度、弾性限界、電気抵抗および磁化率のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記薄い金属ワークピースは、約０．０１〜０．２５ｍｍの厚さである、請求項１に記載のプロセス。
5. 前記金属ワークピースは、ワイヤ、粉末、プレートレット、他の粒子状物質または箔である、請求項４に記載のプロセス。
6. 前記低温拡散主体の表面処理は、低温浸炭である、請求項１に記載のプロセス。
7. 前記金属は、鉄系、ニッケル系、コバルト系またはマンガン系の合金である、請求項６に記載のプロセス。
8. 前記金属は、ステンレス鋼である、請求項１に記載のプロセス。
9. 薄い金属ワークピースに低温拡散主体の表面処理を施すことによって製造される薄い金属製品であって、そのような表面処理を施していない他の性質では同一の製品と比較して、少なくとも１０％強化された少なくとも１つの性質を全体として示す、薄い金属製品。
10. 前記薄い金属製品は、鉄系、ニッケル系もしくはコバルト系またはマンガン系の合金から作られる薄い金属ワークピースに、低温浸炭を施すことによって製造される、請求項９に記載の薄い金属製品。
11. 前記薄い金属製品は、低温浸炭を施していない他の性質では同一の製品よりも、少なくとも１００％大きな降伏強度を有し、該薄い金属製品は破断点の伸びにおいて少なくとも２０％の延性を示す、請求項１０に記載の薄い金属製品。
12. 大量の、請求項１１に記載の前記薄い金属製品を所望の形状に形成し、かつ焼結することによって製造される造形物品。
13. 前記薄い金属製品は、鉄系、ニッケル系もしくはコバルト系またはマンガン系の合金から作られる薄い金属ワークピースに、低温浸炭を施すことによって製造される、請求項１２に記載の造形物品。

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