JP2013173982A - 排気系部品および排気系部品の窒化処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐食性の高い排気系部品および排気系部品の窒化処理方法を提供する。
【解決手段】エンジンの排出ガスに接触する排気接触部と、冷却媒体に接触する冷媒接触部とを備えたオーステナイト系ステンレス鋼からなるとともに、冷却媒体により排出ガスを冷却する排気系部品において、排気接触部の表層に窒化による窒化化合物層72を有するとともに、オーステナイト系ステンレス鋼である母材71の鉄含有率よりも低い鉄含有率を有する高耐食層74を母材71と窒化化合物層72との間に有する。
【選択図】図2
【解決手段】エンジンの排出ガスに接触する排気接触部と、冷却媒体に接触する冷媒接触部とを備えたオーステナイト系ステンレス鋼からなるとともに、冷却媒体により排出ガスを冷却する排気系部品において、排気接触部の表層に窒化による窒化化合物層72を有するとともに、オーステナイト系ステンレス鋼である母材71の鉄含有率よりも低い鉄含有率を有する高耐食層74を母材71と窒化化合物層72との間に有する。
【選択図】図2
Description
本発明は、内燃機関を搭載した車両の排気装置に用いられる排気系部品および排気系部品の窒化処理方法に関する。
一般に、自動車などの車両に搭載される内燃機関(以下、単にエンジンと呼ぶ)は、エンジン本体と、吸気装置と、排気装置とを備えている。エンジン本体は、燃料を空気とともに燃焼させて動力に変換する。吸気装置は、空気を吸引してエンジン本体に供給する。
排気装置は、燃料を燃焼することで発生する排出ガスを大気中に排出する。この種の排気装置は、例えば、排気マニホールドと、触媒コンバータと、熱回収器と、マフラとを排気管で連結して構成されている。
また、近年では、エンジンに排出ガス再還流(以下、単にEGRと呼ぶ)装置が備えられることがある。EGR装置は、排気装置から排出ガスの一部を抜き出して吸気装置に供給してエンジン本体で再燃焼させるものである。
EGR装置は、例えば、EGR管とEGRクーラとを備えている。EGR管は、排気装置と吸気装置とを連結する。EGRクーラは、EGR管の途中に設けられるとともに、排気装置から供給された高温の排出ガスを冷却して吸気装置に供給する。
本明細書中では、上述した排気装置の構成部品やEGR装置の構成部品のように排出ガスに接触するものを排気系部品と呼ぶ。排気系部品は、排出ガスに接触する排気接触部を備えている。
排出ガスは、水蒸気および炭酸ガス(CO2)を多く含み、その他に亜硫酸ガス(SO2)や窒素酸化物(NOx)などを含んでいる。排気系部品の排気接触部の裏側が冷却媒体により冷却される場合は、排気接触部において高温の排出ガスが冷却されることにより、排出ガス中の水蒸気が凝縮されて凝縮水となり排気接触部に結露する。
そして、凝縮水に排出ガス中の亜硫酸ガスが溶解することにより、硫酸(H2SO4)や無水硫酸(SO3)が生成される。また、凝縮水に排出ガス中の窒素酸化物が溶解することにより、硝酸(NHO3)が生成される。
さらに、エンジンの燃料であるガソリンには原則として塩素は含まれないものの、国や地域によってはガソリンに塩素が含まれていることがある。また、エンジンオイルや大気には塩素が含まれる。このため、ガソリンやエンジンオイルや大気の塩素はエンジンの燃焼室で排出ガスに混合され、これにより排出ガス中に塩素が含まれることがある。そして、EGRクーラにおいて排出ガス中の塩素が凝縮水に溶解することにより、塩酸(HCl)が生成される。
これら硫酸、硝酸および塩酸のような強酸性の酸性水溶液が、排気系部品の排気接触部に接触して、排気接触部を腐食させる虞がある。
そこで、排気系部品の排気接触部の腐食を防止するために、排気系部品の材質として、耐食性の高いステンレス鋼が広く使用されている。ステンレス鋼は、表層に酸化クロム膜(CrOx膜)からなる酸化膜、すなわち不動態膜を備えている。この酸化膜があることにより、ステンレス鋼の耐食性は高いものとなっている。
ステンレス鋼の酸化膜は、硝酸のような酸化性の酸に対しては高い耐食性を有する。しかし、ステンレス鋼の酸化膜は、硫酸や塩酸などの非酸化性の酸に対しては高い耐食性を有していない。
一方、クロム系ステンレス鋼より耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を用いて、ステンレス鋼の表面を粗面化し、アンモニアガス雰囲気中で10時間〜48時間、400℃〜650℃に加熱処理する窒化処理方法が開発されている(例えば、特許文献1参照)。この窒化処理方法によれば、加熱処理時間が10時間〜48時間と長いので、オーステナイト系ステンレス鋼の母材の表面部に、Fe3NやCrNを多く含有する窒化化合物層が厚く形成される。
しかしながら、上述のような窒化処理を排気系部品に施した場合、厚い窒化化合物層を形成することはできるものの、加熱処理時間が長いので、鉄、ニッケル、クロム、炭素、窒素といった原子が母材の中で十分に拡散してしまう。これにより、この排気系部品では、窒化化合物層の直下には拡散層が形成されず、窒化化合物層と母材とが直接接するようになる。このため、この排気系部品がEGRクーラに適用されるとともに、排気接触部で高濃度の塩酸が生成されたときは、窒化化合物層は十分な耐食性を有しないことから、長期間の使用により窒化化合物層に孔食が発生し、その後に母材が腐食する虞があるという問題があった。
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、耐食性の高い排気系部品および排気系部品の窒化処理方法を提供することを目的とする。
本発明に係る排気系部品は、上記目的達成のため、(1)オーステナイト系ステンレス鋼からなり内燃機関の排出ガスに接触する排気接触部を備える排気系部品において、前記排気接触部の少なくとも一部の領域の表層に窒化による窒化化合物層を有するとともに、前記オーステナイト系ステンレス鋼である母材の鉄(Fe)含有率よりも低い鉄含有率を有する高耐食層を前記母材と前記窒化化合物層との間に有するよう構成する。
この構成により、高耐食層は母材よりも鉄含有率が低いので、酸に対して腐食しやすい鉄の含有率が低いことにより、高耐食層の耐食性が高いものとなる。そして、高耐食層が母材と窒化化合物層との間に形成されるので、高濃度の塩酸が排気接触部に付着して窒化化合物層が腐食した場合であっても、高耐食層により母材までの腐食が抑制されるようになる。
上記(1)に記載の排気系部品においては、(2)前記高耐食層のニッケル(Ni)およびクロム(Cr)の含有率は、前記母材のニッケルおよびクロムの含有率よりも高いよう構成する。この構成により、高耐食層においては鉄含有率が低いことから、ニッケルおよびクロムが高含有率になり、高耐食層は高ニッケルクロム層になるので、高耐食層の耐食性が高いものになる。
上記(1)または(2)に記載の排気系部品においては、(3)前記高耐食層は、前記排気接触部の全域に形成されているよう構成する。この構成により、排出ガスが接触して酸性水溶液が付着する可能性のある部位の全域に高耐食層が形成される。このため、排気接触部の全域において酸性水溶液による腐食が抑制される。
本発明に係る排気系部品の窒化処理方法は、上記目的達成のため、(4)上記(1)ないし(3)のいずれか1に記載の排気系部品を形成する排気系部品の窒化処理方法であって、前記オーステナイト系ステンレス材を加熱する昇温工程と、前記オーステナイト系ステンレス材を窒化処理ガス雰囲気において均熱保持する均熱保持工程と、前記オーステナイト系ステンレス材を冷却する冷却工程と、を有するとともに、前記均熱保持工程では、590℃〜650℃で60分〜180分の均熱保持を行うよう構成する。
この構成により、均熱保持工程においては、窒化処理ガス由来の窒素(N)が排気接触部の表面部から入り込み、排気接触部の表層で鉄と化合してFe2〜3Nを生成し、窒化化合物層を形成する。窒化化合物層の直下では、炭素や窒素が拡散する拡散層が形成される。拡散層の窒化化合物層側の境界部では、鉄が窒化化合物層の窒素に化合するため、拡散層の窒化化合物層側の境界部での鉄の含有率が母材より低くなる。これにより、母材の鉄含有率よりも低い鉄含有率を有する高耐食層が、母材と窒化化合物層との間に形成されるようになる。
ここで、図7に示すように、均熱保持工程での均熱保持温度が650℃を超えるか、あるいは均熱保持時間が180分以上である場合、高耐食層の効果がみられない。これは、鉄含有率の低い高耐食層が形成されたとしても、過剰な均熱保持処理により、母材から鉄が移動してきたり、あるいは高耐食層のニッケルやクロムが他の層に移動してしまい、高耐食層が消滅してしまうからであると考えられる。
また、均熱保持工程での保持温度が590℃未満であるか、あるいは保持時間が60分以下である場合も、高耐食層の効果がみられない。これは、不十分な均熱保持処理により、高耐食層が十分に形成されないからであると考えられる。
そこで、本発明では、均熱保持工程において590℃〜650℃で60分〜180分の均熱保持を行うようにしている。これにより、鉄含有率の低い高耐食層を確実に形成することができる。
上記(4)に記載の排気系部品の窒化処理方法においては、(5)前記均熱保持工程では、600℃〜630℃で90分〜150分の均熱保持を行うよう構成する。この構成により、より耐食性の高い高耐食層を形成することができる。
本発明によれば、耐食性の高い排気系部品および排気系部品の窒化処理方法を提供することができる。
以下、本発明の排気系部品の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明の排気系部品を自動車のEGRクーラに適用した例を示している。
まず、本実施の形態に係るEGRクーラ1の構成について説明する。
図1に示すように、EGRクーラ1は、ケース2と、冷却媒体流入管4と、冷却媒体流出管5と、排気系部品としての排出ガス冷却管7と、排出ガス流入管8と、排出ガス流出管9とを備えている。冷却媒体Wとしては、エンジンの冷却水を使用している。
ケース2は、略円筒形状のケース本体10と、上流側支持プレート11と、下流側支持プレート12とを備えている。ケース本体10の内部では、軸方向に沿って冷却媒体Wが流通する。
上流側支持プレート11は、ケース本体10の冷却媒体Wの流通方向の上流側の端部に、該端部を塞ぐように設けられている。上流側支持プレート11は、複数の貫通孔11aを有している。下流側支持プレート12は、ケース本体10の冷却媒体Wの流通方向の下流側の端部に、該端部を塞ぐように設けられている。下流側支持プレート12は、複数の貫通孔12aを有している。
上流側支持プレート11の貫通孔11aと下流側支持プレート12の貫通孔12aとは、同数設けられるとともに、ケース本体10を挟んでそれぞれ対向する位置に設けられている。対向する一組の上流側支持プレート11の貫通孔11aおよび下流側支持プレートの貫通孔12aには、排出ガス冷却管7が支持されている。
冷却媒体流入管4は、ケース本体10の冷却媒体Wの流通方向の上流側の端部付近に取り付けられている。冷却媒体流入管4は、ケース2に冷却媒体Wを流入させるようになっている。冷却媒体流入管4の上流側端部は、冷却媒体供給管15に連結されている。冷却媒体供給管15の上流側端部は、冷却媒体Wの供給ポンプ(図示せず)に連結されている。
冷却媒体流出管5は、ケース本体10の冷却媒体Wの流通方向の下流側の端部付近に取り付けられている。冷却媒体流出管5は、ケース2から冷却媒体Wを流出させるようになっている。冷却媒体流出管5の下流側端部は、冷却媒体排出管16に連結されている。冷却媒体排出管16の下流側端部は、エンジンのウォータージャケット(図示せず)に連結されている。
排出ガス流入管8は、ケース本体10の排出ガスGの流通方向の上流側の端部に取り付けられて、排出ガス冷却管7に連結されている。排出ガス流入管8の上流側端部は、EGRガス供給管13に連結されている。EGRガス供給管13の上流側端部は、排気装置(図示せず)に連結されている。
排出ガス流出管9は、ケース本体10の排出ガスGの流通方向の下流側の端部に取り付けられて、排出ガス冷却管7に連結されている。排出ガス流出管9の下流側端部は、EGRガス排出管14に連結されている。EGRガス排出管14の下流側端部は、吸気装置(図示せず)に連結されている。
排出ガス冷却管7はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、上流側端部7aと、下流側端部7bと、壁部7cとを備えている。排出ガス冷却管7は、内部に排出ガスGを流通させるとともに外部に冷却媒体Wを流通させ、排出ガスGを冷却媒体Wとの間で熱交換させて冷却するようになっている。本実施の形態では、排出ガス冷却管7はSUS316L製としている。ただし、排出ガス冷却管7の材質はSUS316Lに限られないのは勿論である。
上流側端部7aは、上流側支持プレート11の貫通孔11aに圧入されて支持される。上流側端部7aには、排出ガス流入管8から排出ガスGが供給される。下流側端部7bは、下流側支持プレート12の貫通孔12aに圧入されて支持される。下流側端部7bから排出ガス流出管9に排出ガスGが排出される。
壁部7cは、上流側端部7aおよび下流側端部7bの間に設けられるとともに、排出ガスGが流通される方向に延在した管状に形成されている。壁部7cは、内周側の排気接触部7dと、外周側の冷媒接触部7eとを備えている。排気接触部7dの全域には、窒化処理が施されている。
図2(a)および図2(b)に示すように、排気接触部7dは、母材71の表面側に窒化層70が形成されて構成されている。窒化層70は、母材に積層される拡散層73と、拡散層73に積層される窒化化合物層72とを備えている。拡散層73の窒化化合物層72側の境界部には高耐食層74が形成されている。
窒化化合物層72は、鉄と窒素とが化合して生成されるFe2〜3Nを多く含有して形成されている。拡散層73は、オーステナイト系ステンレス鋼の母材71に窒素や炭素が固溶して形成されている。高耐食層74は、母材71に比べて鉄含有率が低く、かつニッケルクロム含有率が高く形成されている。
次に、本発明の実施の形態に係る排気系部品の窒化処理方法により、排出ガス冷却管7の排気接触部7dの表層に窒化処理を施す手順について、図3に示すフローチャートおよび図4に示すタイムチャートを参照して説明する。
排気系部品の窒化処理方法は、準備工程と、昇温工程と、膜除去工程と、均熱保持工程と、冷却工程とを備え、これらを同じ炉中で処理するものとしている。また、本実施の形態では、窒化処理はガス窒化法により施されるものとしている。
まず、排出ガス冷却管7の外周側に、窒化防止のために軟鋼板製のカバーが取り付けられる。この排出ガス冷却管7が炉に設置される(ステップS1、準備工程)。
そして、炉が昇温され、排出ガス冷却管7および炉内雰囲気が昇温される(ステップS2、昇温工程:図4中符号20)。昇温の速度は特に限定されない。次いで、硫化水素(H2S)ガスとアンモニア(NH3)ガスとの混合ガスが炉内に導入される(ステップS3、膜除去工程)。そして、排出ガス冷却管7の排気接触部7dの表層において、硫化水素ガスが、予め形成されていた酸化クロム(CrOx)を主体とする酸化膜と反応して、酸化膜を除去する。
ここでは膜除去工程において硫化水素を使用しているが、これに限られず、酸化膜を除去できる気体であれば何を使用しても良い。さらに、ここでは、昇温工程の開始後に硫化水素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを炉内に導入して膜除去工程を処理するようにしているが、これには限られず、硫化水素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを炉内に導入してから昇温工程を開始して、同時に膜除去工程を開始するようにしてもよい。
続いて、炉が600℃で120分間維持される(ステップS4、均熱保持工程:図4中符号21)。これにより、排出ガス冷却管7および炉内雰囲気が均熱保持される。昇温工程および均熱保持工程において、雰囲気中のアンモニアガスの一部が窒素と水素に分解される。
排出ガス冷却管7では、加熱されることにより排気接触部7dの表層に雰囲気中の窒素が入り込むようになる。そして、表層においては、オーステナイト系ステンレス鋼の成分である鉄と、表層に入り込んだ窒素とが化合して、Fe2〜3Nが生成される。これにより、排気接触部7dの表層に窒化化合物層72が形成される。また、窒化化合物層72の母材71側には、窒素や炭素が固溶する拡散層73が形成される。
ここで、拡散層73の窒化化合物層72側の境界部では、鉄が窒化化合物層72の窒素に化合するため、拡散層73の窒化化合物層72側の境界部での鉄含有率が母材71での鉄含有率より低くなる。これにより、母材の鉄含有率よりも低い鉄含有率を有する高耐食層74が、母材と窒化化合物層との間に形成されるようになる。また、高耐食層74は、鉄含有率が低くなることにより、相対的にニッケルクロム含有率が高いものになる。
均熱保持処理の終了後は、炉の加熱を停止し、雰囲気を窒素ガスに交換して、排出ガス冷却管7を室温程度まで冷却する(ステップS5、冷却工程:図4中符号22)。冷却の速度は特に限定されないが、例えば、600℃から室温までの冷却を120分で行う速度とすることができる。
次いで、EGRクーラ1の動作について説明する。
排出ガスGが、エンジンの排気装置からEGRガス供給管13を経てEGRクーラ1に供給される。排出ガスGはEGRクーラ1において、排出ガス流入管8→排出ガス冷却管7→排出ガス流出管9の順に流通される。EGRクーラ1から排出された排出ガスGはEGRガス排出管14を経てエンジンの吸気装置に供給される。
また、冷却媒体Wが、供給ポンプから冷却媒体供給管15を経てEGRクーラ1に供給される。冷却媒体WはEGRクーラ1において、冷却媒体流入管4→ケース本体10→冷却媒体流出管5の順に流通される。EGRクーラ1から排出された冷却媒体Wは冷却媒体排出管16を経てエンジンのウォータージャケットに供給される。
そして、排出ガス冷却管7では、内部を流通する排出ガスGが、外部を流通する冷却媒体Wとの間で熱交換されて冷却される。この時、排出ガスGに含まれている水蒸気が凝縮されて、排出ガス冷却管7の排気接触部7dに形成された窒化層70上で水滴になる。
この水滴に亜硫酸ガスや窒素酸化物や塩素が溶解して、硫酸や硝酸や塩酸などが生成される。窒化層70の窒化化合物層72は、酸に対する耐食性が比較的弱いので長期間の使用により消失する可能性がある。しかしながら、窒化層70の高耐食層74は、鉄含有率が低いとともに、ニッケルおよびクロムの含有率が高いので、硫酸や硝酸や塩酸などに対して高い耐食性を有する。このため、排出ガス冷却管7の排気接触部7dの母材71への腐食が抑制される。
以上のように、本実施の形態に係るEGRクーラ1によれば、排出ガス冷却管7の排気接触部7dに高耐食層74が形成されている。高耐食層74は母材71よりも鉄含有率が低いので、酸に対して腐食しやすい鉄の含有率が低く、また高ニッケルクロム層が形成されることにより、高耐食層74の耐食性が高いものとなる。そして、高耐食層74が母材71と窒化化合物層72との間に形成されるので、強塩酸が排気接触部7dに付着して窒化化合物層72が腐食した場合であっても、高耐食層74により母材71までの腐食が抑制される。よって、排出ガス冷却管7の壁部7cの耐食性が向上され、壁部7cの腐食が抑制される。
また、本実施の形態に係るEGRクーラ1によれば、高耐食層74は排気接触部7dの全域に形成されているので、排出ガスGが接触して酸性水溶液が付着する可能性のある部位の全域に高耐食層74が形成される。このため、排気接触部7dの全域において酸性水溶液による腐食が抑制される。
また、本実施の形態に係るEGRクーラ1によれば、排出ガス冷却管7の排気接触部7dに高耐食層74を形成するためにガス窒化法が採用されているので、他の窒化法に比べて設備を簡易にすることができる。このため、コストの増大を抑えることができる。
上述した本実施の形態の排出ガス冷却管7においては、排気接触部7dの窒化層70に窒化化合物層72を備えたものとしている。しかしながら、本発明に係る排気系部品においては、これに限られず、例えば、窒化層70の形成時には窒化化合物層72を備えていても、その後、窒化化合物層72が消失したものとしてもよい。この場合も、高耐食層74が存在することにより、排気接触部7dの耐食性を高めることができる。
また、本実施の形態のEGRクーラ1においては、排気系部品を排出ガス冷却管7としたが、本発明に係る排気系部品においては、これに限られず、例えば、排出ガス流入管8や排出ガス流出管9を排気系部品としてもよい。
この場合、例えば、排出ガス冷却管7と排出ガス流入管8と排出ガス流出管9との排出ガスの接触部位を排気接触部にして高耐食層74を形成したり、あるいは排出ガス冷却管7と排出ガス流出管9との排出ガスの接触部位を排気接触部にして高耐食層74を形成するようにできる。さらには、これら排出ガス冷却管7と排出ガス流入管8と排出ガス流出管9以外の部材を排気系部品として、それぞれの排気接触部に高耐食層74を形成するようにしてもよい。
また、本実施の形態の排出ガス冷却管7においては、排出ガス冷却管7の排気接触部7dの全域に高耐食層74を形成した。しかしながら、本発明に係る排気系部品においては、これに限られず、例えば、排出ガス冷却管7の排気接触部7dの一部の領域のみに高耐食層74を形成するようにしてもよい。
また、本実施の形態の排出ガス冷却管7においては、均熱保持工程における均熱保持温度を600℃、均熱保持時間を120分とした。しかしながら、本発明に係る排気系部品においては、これに限られず、例えば、均熱保持温度を590℃〜650℃、均熱保持時間を60分〜180分であれば高耐食層74を形成することができる。また、均熱保持温度を600℃〜630℃、均熱保持時間を90分〜150分とすることにより、高耐食層74の耐食性をより高めることができる。さらに、均熱保持温度を600℃〜630℃、均熱保持時間を120分とすることにより、高耐食層74の耐食性をより高めることができる。
また、本実施の形態のEGRクーラ1においては、窒化層70を形成するためにガス窒化法を採用した。しかしながら、本発明に係る排気系部品においては、これに限られず、例えば、プラズマ窒化法、塩浴窒化法、ガス軟窒化法など他の窒化法を採用してもよい。
また、本実施の形態の排気系部品においては、排気系部品をEGRクーラ1に適用しているが、本発明に係る排気系部品においては、これに限られず、例えば、排気マニホールドや排気管など、排気装置を構成する部品の全般に適用することができる。
以上のように、本発明に係る排気系部品および排気系部品の窒化処理方法は、耐食性を高くできるという効果を奏するものであり、内燃機関を搭載した車両の排気装置に用いられる排気系部品および排気系部品の窒化処理方法に有用である。
オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)の窒化処理材と未処理材とを試料にして、オージェ電子分光法(AES)による分析を行い、鉄原子、酸素分子、ニッケル原子について表面からの深さと含有率との関係を求めた。
(実施例1)
オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)の表層に窒化処理を施し、表層に窒化層70を有する試料を得た。窒化処理では、均熱保持温度を600℃、均熱保持時間を120分とした。形成された窒化層70の窒化化合物層72を消失させ、残存した拡散層73から母材71に向けてAES分析を行った。その結果、図5(a)に示すように、拡散層73の表層側では鉄の含有率が低く、高耐食層74の存在が確認された。
オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)の表層に窒化処理を施し、表層に窒化層70を有する試料を得た。窒化処理では、均熱保持温度を600℃、均熱保持時間を120分とした。形成された窒化層70の窒化化合物層72を消失させ、残存した拡散層73から母材71に向けてAES分析を行った。その結果、図5(a)に示すように、拡散層73の表層側では鉄の含有率が低く、高耐食層74の存在が確認された。
(比較例1)
未処理のオーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)を試料とし、表層の酸化膜80から母材81に向けてAES分析を行った。その結果を図5(b)に示す。図5(b)に示すように、母材81は酸化膜80の直下から鉄の含有率が高いことが確認された。
未処理のオーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)を試料とし、表層の酸化膜80から母材81に向けてAES分析を行った。その結果を図5(b)に示す。図5(b)に示すように、母材81は酸化膜80の直下から鉄の含有率が高いことが確認された。
以上の結果より、本発明の窒化処理を施した実施例1の試料の鉄含有率(図5(b)に破線で示す)は、窒化処理を施していない比較例1の試料の鉄含有率(図5(b)に実線で示す)よりも遥かに低く、また本発明の窒化処理を施した実施例1の試料の表層では、上述のように鉄含有率の低い高耐食層74の存在が確認された。これにより、本発明の窒化処理を施した試料は、窒化処理を施さない試料に比べて高い耐食性を有することが推測された。
次に、オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)の本発明による窒化処理材と未処理材とを試料にして、耐食試験を行った。耐食試験では、試料を硫酸と塩酸の混合液に浸漬加熱して、乾固し、湿潤するという処理を1サイクルとし、10サイクルおよび/または20サイクルの終了時点で、試料の表層における最大浸食深さを測定した。最大浸食深さは、未処理材の最小の浸食深さを基準値として1.0に設定するとともに、他の例の測定値は基準値に対する比として換算して無単位で示した。
(実施例2)
オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)の表層にそれぞれ異なるA〜Cの3種類の方法で本発明の窒化処理を施して、表面部に窒化層70を有する3種の試料を得た。いずれの窒化処理方法においても、均熱保持温度は600℃、均熱保持時間は120分とした。A窒化法により得られた試料については、耐食試験を10サイクルおよび20サイクル行った。B窒化法およびC窒化法により得られた試料については、耐食試験を10サイクルのみ行った。その結果、図6に示すように、本発明の窒化処理を施した全ての試料について、窒化層70における最大浸食深さは0.0であった。
オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)の表層にそれぞれ異なるA〜Cの3種類の方法で本発明の窒化処理を施して、表面部に窒化層70を有する3種の試料を得た。いずれの窒化処理方法においても、均熱保持温度は600℃、均熱保持時間は120分とした。A窒化法により得られた試料については、耐食試験を10サイクルおよび20サイクル行った。B窒化法およびC窒化法により得られた試料については、耐食試験を10サイクルのみ行った。その結果、図6に示すように、本発明の窒化処理を施した全ての試料について、窒化層70における最大浸食深さは0.0であった。
(比較例2)
試料の窒化処理を行わなかった。この試料2個について、耐食試験を10サイクル行った。その結果、図6に示すように、試料の表層における最大浸食深さは各々1.0と1.1であった。また、この試料4個について、耐食試験を20サイクル行った。その結果、図6に示すように、試料の表層における最大浸食深さは1.4と、2.2と、3.1と、3.4とであった。
試料の窒化処理を行わなかった。この試料2個について、耐食試験を10サイクル行った。その結果、図6に示すように、試料の表層における最大浸食深さは各々1.0と1.1であった。また、この試料4個について、耐食試験を20サイクル行った。その結果、図6に示すように、試料の表層における最大浸食深さは1.4と、2.2と、3.1と、3.4とであった。
以上の結果より、本発明の窒化処理を施した実施例2の試料は、20サイクル以下では浸食はみられず、窒化処理を施さない比較例2の試料に比べて高い耐食性を有することが確認された。
次に、オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L)の未処理材を試料にして、表層に窒化処理を施した。均熱保持温度および均熱保持時間は適宜変更した。形成された試料に対して、耐食試験を行った。耐食試験では、試料を硫酸と塩酸の混合液に浸漬加熱して、乾固し、湿潤するという処理を1サイクルとし、10サイクルの終了時点で、試料に孔食が発生しているか否かを検査した。
(実施例3)
均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を120分にして得られた試料に対して耐食試験を行った。その結果、図7に示すように、試料での孔食の発生は抑制された。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を600℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を600℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を600℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を150分にした場合と、において、いずれも試料での孔食の発生は抑制された。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を650℃で均熱保持時間を120分にした場合と、において、いずれも試料での孔食の発生は抑制された。
均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を120分にして得られた試料に対して耐食試験を行った。その結果、図7に示すように、試料での孔食の発生は抑制された。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を600℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を600℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を600℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を150分にした場合と、において、いずれも試料での孔食の発生は抑制された。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を650℃で均熱保持時間を120分にした場合と、において、いずれも試料での孔食の発生は抑制された。
(比較例3)
均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を60分にして得られた試料に対して耐食試験を行った。その結果、図7に示すように、試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を180分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を580℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を60分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を180分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を60分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を180分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を60分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を180分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を650℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を650℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を670℃で均熱保持時間を120分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を60分にして得られた試料に対して耐食試験を行った。その結果、図7に示すように、試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を550℃で均熱保持時間を180分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を580℃で均熱保持時間を120分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を60分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を590℃で均熱保持時間を180分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を60分にした場合と、均熱保持温度を610℃で均熱保持時間を180分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を60分にした場合と、均熱保持温度を630℃で均熱保持時間を180分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
同様に、図7に示すように、均熱保持温度を650℃で均熱保持時間を90分にした場合と、均熱保持温度を650℃で均熱保持時間を150分にした場合と、均熱保持温度を670℃で均熱保持時間を120分にした場合と、において、いずれも試料に孔食が発生した。
以上の結果より、均熱保持温度が650℃を超えるか、あるいは均熱保持時間が180分以上であると、高耐食層74の孔食抑制能が機能しないことが確認された。これは、鉄含有率の低い高耐食層74が形成されても、均熱保持により試料に与えられるエネルギーが過剰であるため、母材71から鉄が移動してきたり、あるいは高耐食層74のニッケルやクロムが他の層に移動してしまい、高耐食層74が消滅してしまうためと推測される。
また、均熱保持工程での保持温度が590℃未満であるか、あるいは保持時間が60分以下であると、高耐食層74の孔食抑制能が機能しないことが確認された。これは、均熱保持により試料に与えられるエネルギーが不十分であるため、高耐食層74が十分に形成されないためと推測される。
そこで、本発明では、均熱保持工程において590℃〜650℃で60分〜180分の均熱保持を行うようにすることにより、鉄含有率の低い高耐食層74を十分に形成することができることが確認された。
1 EGRクーラ
7 排出ガス冷却管(排気系部品)
7d 排気接触部
20 昇温工程
21 均熱保持工程
22 冷却工程
70 窒化層
71 母材
72 窒化化合物層
73 拡散層
74 高耐食層
G 排出ガス
W 冷却媒体
7 排出ガス冷却管(排気系部品)
7d 排気接触部
20 昇温工程
21 均熱保持工程
22 冷却工程
70 窒化層
71 母材
72 窒化化合物層
73 拡散層
74 高耐食層
G 排出ガス
W 冷却媒体
Claims (5)
- オーステナイト系ステンレス鋼からなり内燃機関の排出ガスに接触する排気接触部を備える排気系部品において、
前記排気接触部の少なくとも一部の領域の表層に窒化による窒化化合物層を有するとともに、前記オーステナイト系ステンレス鋼である母材の鉄(Fe)含有率よりも低い鉄含有率を有する高耐食層を前記母材と前記窒化化合物層との間に有することを特徴とする排気系部品。 - 前記高耐食層のニッケル(Ni)およびクロム(Cr)の含有率は、前記母材のニッケルおよびクロムの含有率よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の排気系部品。
- 前記高耐食層は、前記排気接触部の全域に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の排気系部品。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1の請求項に記載の排気系部品を形成する排気系部品の窒化処理方法であって、
前記オーステナイト系ステンレス材を加熱する昇温工程と、前記オーステナイト系ステンレス材を窒化処理ガス雰囲気において均熱保持する均熱保持工程と、前記オーステナイト系ステンレス材を冷却する冷却工程と、を有するとともに、
前記均熱保持工程では、590℃〜650℃で60分〜180分の均熱保持を行うことを特徴とする排気系部品の窒化処理方法。 - 前記均熱保持工程では、600℃〜630℃で90分〜150分の均熱保持を行うことを特徴とする請求項4に記載の排気系部品の窒化処理方法。
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