JP2013173982A - 排気系部品および排気系部品の窒化処理方法 - Google Patents

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

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（ＣＯ_２）を多く含み、その他に亜硫酸ガス（ＳＯ_２）や窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）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（Ｈ_２ＳＯ_４）や無水硫酸（ＳＯ_３）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（ＮＨＯ_３）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（ＣｒＯ_ｘ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、Ｆｅ_３ＮやＣｒＮを多く含有する窒化化合物層が厚く形成される。

特開平９−７８２２４号公報

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Ｆｅ_２〜３Ｎ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。

本発明の実施の形態に係る排気系部品を適用したＥＧＲクーラを示す縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る排気系部品の窒化層および母材を示す図であり、（ａ）は断面を示す顕微鏡写真、（ｂ）は模式図である。 本発明の実施の形態に係る排気系部品の窒化処理方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るＥＧＲクーラに用いられる排出ガス冷却管の排気接触部に窒化処理を施す際の処理時間と温度との関係を示すグラフである。 ＡＥＳ分析の結果を示すグラフであり、（ａ）は本発明の実施の形態に係る窒化処理方法を施した排気系部品についての結果、（ｂ）は未処理のステンレス鋼についての結果である。 本発明の実施の形態に係る排気系部品の実施例と比較例とについて耐食試験を行った際のサイクル数と最大浸食深さとの関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る排気系部品の実施例と比較例とについて孔食の発生の有無を検査した際の均熱保持時間と均熱保持温度との関係を示すグラフである。

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Ｆｅ_２〜３Ｎ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（Ｈ_２Ｓ）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）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（ＣｒＯ_ｘ）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、Ｆｅ_２〜３Ｎ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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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

Claims (5)

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ことを特徴とする排気系部品。
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ことを特徴とする請求項１に記載の排気系部品。
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。
4. 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。
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。