JP2015014017A - クロム炭化物層の形成方法及び機械部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノズルリンク１が金属粉末射出成形によって成形された成形体により構成される場合でも、クロム炭化物層Ｃの厚みの均一性を高めつつ、クロム炭化物層Ｃの厚みを厚くすること。
【解決手段】 機械部品１に対して溶体化処理を施す溶体化工程と、溶体化工程の終了後に、機械部品１の表面に対してクロマイズ処理を施すことにより、機械部品１の表面にクロム炭化物層Ｃを形成するクロマイズ工程と、を具備したこと。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステンレス鋼からなる機械部品の表面にクロム炭化物層を形成するためのクロム炭化物層の形成方法等に関する。

過給機におけるタービンにはステンレス鋼からなるタービン部品（機械部品の一例）が用いられており、また、タービン部品の耐熱性、耐摩耗性等を向上させるために、タービン部品の表面に対してクロマイズ処理を施してタービン部品の表面にクロム炭化物層を形成することがよく行われている（特許文献１及び特許文献２参照）。

一方、近年、高寸法精度及び高強度の成形体の製造を可能にした金属粉末射出成形（ＭＩＭ工法）が機械加工、ダイキャスト、粉末冶金、精密鋳造に次ぐ第５世代の精密加工技術として注目されている。それに伴い、ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料とし、タービン部品の成形（製造）に金属粉末射出成形を適用する試みがなされている。

特開２００７−３２７０７７号公報 特開２００４−３３９５６２号公報

しかしながら、ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって実際に成形体を成形して焼成し、焼結済みの成形体の表面及び断面について電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）による元素分析を行うと、成形体の表面及び断面にクロム（Ｃｒ）の濃度の高い箇所が存在することが確認された（後述の実施例参照）。また、クロムの濃度の高い箇所についてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による点分析すると、クロム炭化物が存在していることが確認された。つまり、成形体を成形して焼成すると、成形体の表面及び内部にクロム炭化物が生成され、成形体の表面及び内部における、クロム炭化物の周辺の炭素（Ｃ）が少なくなり、クロマイズ処理によってクロムと結合するための炭素の絶対量が減ることになる。そのため、焼結済みの成形体の表面に対してクロマイズ処理を施しても、焼結済みの成形体の表面に形成されたクロム炭化物層の厚みが薄かったり、クロム炭化物層の厚みのばらつきが生じたりして（後述の実施例参照）、焼結済みの成形体により構成されるタービン部品の耐熱性、耐摩耗性等を十分に向上させることが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のクロム炭化物層の形成方法等を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、ステンレス鋼の粉末を用いて金属粉末射出成形によって成形して焼成した焼結済みの成形体に対して溶体化処理（固溶化処理）を施すと、焼成時に成形体の表面及び内部に生成されたクロム炭化物をほぼ消滅させることができるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。これは、成形体の表面及び内部に含まれるクロム炭化物が溶体化処理によって炭素とクロムに分離したことによるものと考えられる。

本発明の第１の特徴は、ステンレス鋼からなる機械部品の表面にクロム炭化物層を形成するためのクロム炭化物層の形成方法において、前記機械部品は、ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形（ＭＩＭ工法）によって成形して焼成した焼結済みの成形体により構成され、前記機械部品に対して溶体化処理（固溶化処理）を施す溶体化工程と、前記溶体化工程の終了後に、前記機械部品の表面に対してクロマイズ処理を施すことにより、前記機械部品の表面に前記クロム炭化物層を形成するクロマイズ工程と、を具備したことを要旨とする。

ここで、「機械部品」とは、過給機におけるタービンに用いられるタービン部品の他、種々の機械に用いられる部品を含む意である。

第１の特徴によると、前記機械部品はステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって成形された焼結済みの前記成形体により構成され、前記機械部品に対して溶体化処理を施しているため、前述の新規な知見を適用すると、焼成時に前記機械部品の表面及び内部に生成されたクロム炭化物を消滅させることができる。これにより、前記機械部品の表面に対してクロマイズ処理を施す前に、前記機械部品の表面及び内部における、クロマイズ処理によってクロムと結合するための炭素の絶対量を増やすことができる。

本発明の第２の特徴は、ステンレス鋼からなる機械部品でおいて、ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって成形して焼成した焼結済みの成形体により構成され、表面に第１の特徴からなるクロム炭化物層の形成方法によってクロム炭化物層が形成されたことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴と同様の作用を奏するものである。

本発明によれば、前記機械部品の表面に対してクロマイズ処理を施す前に、前記機械部品の表面及び内部における、クロマイズ処理によってクロムと結合するための炭素の絶対量を増やすことができるため、前記機械部品が金属粉末射出成形によって成形して焼成した焼結済みの前記成形体により構成される場合でも、前記クロム炭化物層の厚みの均一性を高めつつ、前記クロム炭化物層の厚みを厚くして、前記機械部品の耐熱性、耐摩耗性等を十分に向上させることができる。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法の形成対象であるノズルリンクの斜視図、図１（ｂ）は、表面全体にクロム炭化物層が形成されたノズルリンクの斜視図である。 図２Ａ（ａ）は、試験片１の表面のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図２Ａ（ｂ）は、図２Ａ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図２Ｂ（ａ）は、試験片２の表面のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図２Ｂ（ｂ）は、図２Ｂ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図３Ａ（ａ）は、試験片１の断面端部のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図３Ａ（ｂ）は、図３Ａ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図３Ｂ（ａ）は、試験片２の断面端部のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図３Ｂ（ｂ）は、図３Ｂ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図４Ａ（ａ）は、試験片１の断面中央部のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図４Ａ（ｂ）は、図４Ａ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図４Ｂ（ａ）は、試験片２の断面中央部のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図４Ｂ（ｂ）は、図４Ｂ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図５Ａ（ａ）は、試験片１の断面端部の光学顕微鏡写真（倍率２０倍）、図５Ａ（ｂ）は、試験片１の断面中央部の光学顕微鏡写真（倍率２０倍）である。 図５Ｂ（ａ）は、試験片２の断面端部の光学顕微鏡写真（倍率２０倍）、図５Ｂ（ｂ）は、試験片２の断面中央部の光学顕微鏡写真（倍率２０倍）である。 図６Ａ（ａ）は、クロマイズ処理を施した試験片１の断面端部のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図６Ａ（ｂ）は、図６Ａ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図６Ｂ（ａ）は、クロマイズ処理を施した試験片２の断面端部のＳＥＭ写真（倍率５００倍）、図６Ｂ（ｂ）は、図６Ｂ（ａ）で示された部分のクロムの濃度分布を示す図である。 図７Ａ（ａ）（ｂ）は、クロマイズ処理を施した試験片１の断面端部の異なる箇所の光学顕微鏡写真（倍率２０倍）である。 図７Ｂ（ａ）（ｂ）は、クロマイズ処理を施した試験片２の断面端部の異なる箇所の光学顕微鏡写真（倍率２０倍）である。

以下、本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法の形成対象であるノズルリンク、及び本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法等について順次説明する。

図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法の形成対象であるノズルリンク１は、特開２０１２−１６３０８３号公報、特開２００８−７５６３５号公報、及び特開２００７−４０２５１号公報等に示すように、可変容量型過給機におけるタービンの可変ノズル機構（図示省略）に用いられるタービン部品の１つであって、可変ノズル機構の駆動リング（図示省略）の回転力を可変ノズル機構のノズル翼（図示省略）に伝達するものである。また、ノズルリンク１の基部には、貫通穴２が形成されており、ノズルリンク１の基部は、ノズル翼の翼軸をノズルリンク１の貫通穴２に挿通させた状態で、ノズル翼の翼軸の先端部をかしめることによってノズル翼の翼軸に一体的に連結されるものである。更に、ノズルリンク１は、先端側に、対向した一対のアーム部３を有しており、ノズルリンク１の一対のアーム部３は、駆動リングに設けられた矩形のジョイント部材４を挟むように係合するものである。なお、ノズルリンク１の一対のアーム部３の対向面３ｆは、ジョイント部材４の側面との摺動面になっている。

ノズルリンク１は、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形（ＭＩＭ工法）によって成形して焼成した焼結済みの成形体により構成されている。ここで、金属粉末射出成形は、射出成形金型のキャビティ（図示省略）に混合物を射出して、ノズルリンク１の最終形状と相似形の成形体を成形する射出工程と、射出工程の終了後に、成形体に含まれるバインダを脱脂する脱脂工程と、脱脂工程の終了後に、成形体を焼成して焼結させて、最終形状まで熱収縮させる焼成工程とを具備している。また、バインダとは、ポリスチレン，ポリメチルメタアクリレート等の複数種の樹脂とパラフィンワックス等のワックスとからなるものである。なお、ノズルリンク１がオーステナイト系ステンレス鋼からなる代わりに、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼からなるものであっても構わない。

続いて、本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法について説明する。

本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法は、オーステナイトステンレス系ステンレス鋼からなるノズルリンク１の表面にクロム炭化物層Ｃを形成するための方法であって、溶体化工程と、クロマイズ工程とを具備している。そして、本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法における各工程の具体的な内容は、次のようになる。

（ｉ）溶体化工程
溶体化処理炉（図示省略）を用いて、ノズルリンク１に対して溶体化処理を施す。具体的には、ノズルリンク１を溶体化処理炉内の所定位置にセットして、溶体化処理炉内の温度（溶体化温度）を１０５０〜１１５０℃の温度域に０．１〜５時間保持する。ここで、溶体化温度を１０５０〜１１５０℃の温度域に設定したのは、ノズルリンク１の表面及び内部に含まれるクロム炭化物を炭素とクロムに十分に分離させるためである。また、保持時間（溶体化時間）を０．１時間以上に設定したのは、ノズルリンク１の表面及び内部に含まれるクロム炭化物を炭素とクロムに十分に分離させるためであり、保持時間を５時間以下に設定したのは、溶体化処理炉の稼働時間の短縮を図るためである。

（ｉｉ）クロマイズ処理
溶体化工程の終了後に、加熱炉（図示省略）を用いて、ノズルリンク１の表面全体に対して粉末パック法によるクロマイズ処理を施す。具体的には、クロム源としてのクロム粉末又はフェロクロム粉末と焼結防止剤としてのアルミナ粉末との混合粉末と共にノズルリンク１を容器（図示省略）に封入する。そして、容器を加熱炉の所定位置にセットして、加熱炉内を真空雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中に保ちつつ、加熱炉内の温度を９００〜１４００℃、好ましくは９００〜１２００℃の温度域で３〜１０時間保持する。これにより、図１（ｂ）に示すように、ノズルリンク１の表面全体にクロム炭化物層Ｃを形成することができる。

なお、ノズルリンク１の表面全体に対してクロマイズ処理を施す代わりに、ノズルリンク１の表面の一部である一対のアーム部３の対向面（摺動面）３ｆのみに対してクロマイズ処理を施しても構わない。また、ノズルリンク１の表面に粉末パック法によるクロマイズ処理を施す代わりに、気体法又は塩浴法によるクロマイズ処理を施しても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ノズルリンク１はオーステナイト系ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって成形して焼成した焼結済みの成形体により構成され、ノズルリンク１に対して溶体化処理を施しているため、前述の新規な知見を適用すると、焼成時にノズルリンク１の表面及び内部に生成されたクロム炭化物を消滅させることができる。これにより、ノズルリンク１の表面に対してクロマイズ処理を施す前に、ノズルリンク１の表面及び内部における、クロマイズ処理によってクロムと結合するための炭素の絶対量を増やすことができる。

従って、本発明の実施形態によれば、ノズルリンク１が金属粉末射出成形によって成形して焼成した成形体により構成される場合でも、クロム炭化物層Ｃの厚みの均一性を高めつつ、クロム炭化物層Ｃの厚みを厚くして、ノズルリンク１の耐熱性、耐摩耗性等を十分に向上させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、クロム炭化物層の形成方法の形成対象をノズルリンク１以外のタービン部品又はタービン部品以外の機械部品に変更する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、表面に本発明の実施形態に係るクロム炭化物層の形成方法によってクロム炭化物層Ｃが形成されたノズルリンク１等の機械部品にも及ぶものである。

次に、本発明の実施例について説明する。

（クロマイズ処理前の試験片の表面観察）
オーステナイト系ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって成形して焼成することにより、焼結済みの成形体により構成される試験片１を製作した。そして、倍率５００倍で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により試験片１の表面の観察を行い、図２Ａ（ａ）に示すような観察結果を得て、図２Ａ（ａ）に示された部分を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）によって元素分析を行い、図２Ａ（ｂ）に示すような分析結果を得た。これによると、試験片１の表面にクロムの濃度の高い箇所（薄くなっている箇所）が存在することが確認された。なお、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による点分析によってクロムの濃度の高い箇所にクロム炭化物が存在していることが確認された。

オーステナイト系ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって成形して焼成し、焼結済みの成形体に固溶化処理を施すことにより、試験片２を製作した。そして、倍率５００倍で走査型電子顕微鏡により試験片２の表面の観察を行い、図２Ｂ（ａ）に示すような観察結果を得て、図２Ｂ（ａ）に示された部分を電子線マイクロアナライザーによって元素分析を行い、図２Ｂ（ｂ）に示すような分析結果を得た。これによると、試験片２の表面にクロムの濃度の高い箇所がなくなって、試験片２の表面からクロム炭化物が略消滅したことが確認された。

（クロマイズ処理前の試験片の断面観察）
試験片１を切断して、試験片１を埋込樹脂に埋め込んだ状態で、試験片１の切断面に対して研磨処理及びエッチング処理を順次行った。そして、倍率５００倍で走査型電子顕微鏡により試験片１の断面端部（断面における表面側）及び断面中央部の観察を行い、図３Ａ（ａ）及び図４Ａ（ａ）に示すような観察結果を得て、図３Ａ（ａ）及び図４Ａ（ａ）に示された部分を電子線マイクロアナライザーによって元素分析を行い、図３Ａ（ｂ）及び図４Ａ（ｂ）に示すような分析結果を得た。これによると、試験片１の断面端部及び断面中央部、換言すれば、試験片１の内部にクロムの濃度の高い箇所が存在することが確認された。また、倍率２０倍で光学顕微鏡により試験片１の断面端部及び断面中央部の観察を行い、図５Ａ（ａ）及び図５Ａ（ｂ）に示すような観察結果を得た。なお、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による点分析によって、図５Ａ（ａ）及び図５Ａ（ｂ）に示された部分にクロム炭化物が存在することが確認された。

試験片２を切断して、試験片２を埋込樹脂に埋め込んだ状態で、試験片２の切断面に対して研磨処理及びエッチング処理を順次行った。そして、倍率５００倍で走査型電子顕微鏡により試験片２の断面端部及び断面中央部の観察を行い、図３Ｂ（ａ）及び図４Ｂ（ａ）に示すような観察結果を得て、図３Ｂ（ａ）及び図４Ｂ（ａ）に示された部分を電子線マイクロアナライザーによって元素分析を行い、図３Ｂ（ｂ）及び図４Ｂ（ｂ）に示すような分析結果を得た。これによると、試験片２の断面端部及び断面中央部、換言すれば、試験片２の内部にクロムの濃度の高い箇所がなくなって、試験片２の内部からクロム炭化物が略消滅したことが確認された。また、倍率２０倍で光学顕微鏡により試験片２の断面端部及び断面中央部の観察を行い、図５Ｂ（ａ）及び図５Ｂ（ｂ）に示すような観察結果を得た。

（クロマイズ処理後の試験片の断面観察）
試験片１の表面全体にクロマイズ処理を施した後に、試験片１を切断して、試験片１を埋込樹脂に埋め込んだ状態で、試験片１の切断面に対して研磨処理及びエッチング処理を順次行った。そして、倍率５００倍で走査型電子顕微鏡により試験片１の断面端部の観察を行い、図６Ａ（ａ）に示すような観察結果を得て、図６Ａ（ａ）に示された部分を電子線マイクロアナライザーによって元素分析を行い、図６Ａ（ｂ）に示すような分析結果を得た。また、倍率２０倍で光学顕微鏡により試験片１の断面端部の異なる箇所の観察を行い、図７Ａ（ａ）（ｂ）に示すような観察結果を得た。これによると、試験片１の表面に形成されたクロム炭化物層の厚みが薄く、クロム炭化物層の厚みにばらつきがあることが確認された。

試験片２の表面全体にクロマイズ処理を施した後に、試験片２を切断して、試験片２を埋込樹脂に埋め込んだ状態で、試験片２の切断面に対して研磨処理及びエッチング処理を順次行った。そして、倍率５００倍で走査型電子顕微鏡により試験片１の断面端部の観察を行い、図６Ｂ（ａ）に示すような観察結果を得て、図６Ｂ（ａ）に示された部分を電子線マイクロアナライザーによって元素分析を行い、図６Ｂ（ｂ）に示すような分析結果を得た。また、倍率２０倍で光学顕微鏡により試験片２の断面端部の異なる箇所の観察を行い、図７Ｂ（ａ）（ｂ）に示すような観察結果を得た。これによると、試験片２の表面に形成されたクロム炭化物層の厚みが厚くなって、クロム炭化物層の厚みのばらつきが小さくなったことが確認された。

１：ノズルリンク（タービン部品、機械部品）、２：貫通穴、３：アーム部、４：ジョイント部材、Ｃ：クロム炭化物層

Claims (5)

1. ステンレス鋼からなる機械部品の表面にクロム炭化物層を形成するためのクロム炭化物層の形成方法において、
   前記機械部品は、ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって成形して焼成した焼結済みの成形体により構成され、
   前記機械部品に対して溶体化処理を施す溶体化工程と、
   前記溶体化工程の終了後に、前記機械部品の表面に対してクロマイズ処理を施すことにより、前記機械部品の表面に前記クロム炭化物層を形成するクロマイズ工程と、を具備したことを特徴とするクロム炭化物層の形成方法。
2. 前記溶体化工程における溶体化温度を１０５０〜１１５０℃の温度域に設定したことを特徴とする請求項１に記載のクロム炭化物層の形成方法。
3. ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクロム炭化物層の形成方法。
4. 前記機械部品は、過給機におけるタービンに用いられるタービン部品であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のクロム炭化物層の形成方法。
5. ステンレス鋼からなる機械部品において、
   ステンレス鋼の粉末とバインダの混合物を射出材料として金属粉末射出成形によって成形された焼結済みの成形体により構成され、
   表面に請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のクロム炭化物層の形成方法によってクロム炭化物層が形成されたことを特徴とする機械部品。