JP2525454B2 - 極厚クロム拡散層の形成方法 - Google Patents

極厚クロム拡散層の形成方法

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JP2525454B2 JP63111764A JP11176488A JP2525454B2 JP 2525454 B2 JP2525454 B2 JP 2525454B2 JP 63111764 A JP63111764 A JP 63111764A JP 11176488 A JP11176488 A JP 11176488A JP 2525454 B2 JP2525454 B2 JP 2525454B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属の表面に極厚クロム拡散層を形成するこ
とによって、該金属の耐食、耐摩耗性を著しく向上せし
める方法に関するものである。
〔従来の技術とその課題〕
従来より、金属特に鉄鋼材料の耐食性、耐摩耗性を高
めるためにはその金属表面のクロム濃度を高めることが
必要なことが知られているが、金属表面のクロム濃度を
高めるには一般にクロマイジング処理が用いられてい
る。クロマイジング処理は処理すべき金属材料をクロム
粉20〜90重量%、アルミナ粉10〜80重量%、ハロゲン化
物粉0.1〜5重量%を混合してなる滲透剤中に埋め込
み、還元性又は不活性雰囲気中で900〜1100℃に3〜15
時間加熱して行ない金属の表面にクロムを拡散させる方
法で、表面のクロム濃度20〜80%のクロム拡散層を得る
ことができる。
クロム拡散層の厚みについては加熱温度を高め、又、
加熱時間を長くすることにより、増大する傾向にある
が、無制限に厚くできるものではない。例えば本発明者
等は可能な限り厚いクロム拡散層を得るべく、実用上、
上限の1100℃にて加熱時間を5,10,20,30,40,50時間と変
えてクロマイジング処理を行なった。滲透剤は実施例1
で用いたものと同一組成とし、この中に材質、ボイラ、
熱交換器用合金鋼鋼管STBA24(2.25%Cr-1%Mo-0.15%
C)寸法5mm×30mm×30mmの試片を埋め込み水素ガス雰
囲気中で加熱した。その結果を表−1に示す。
表1から明らかな様に加熱時間が10時間を超えると、
層厚の増加は非常に緩慢となり20時間を超えると殆んど
増加しなかった。層厚は、又、処理される材料の材質に
よっても変動するが、いづれも表−1と同様な傾向を示
し、限度があり、鉄鋼の場合、通常10〜300ミクロン程
度であり、たとえば特公昭48-25608号公報には、Ti,Nb
等の元素を一定量添加した特別な材料を用いると層厚が
増大することが開示されているが、この場合でも最大32
0ミクロンである。このクロム拡散層は多量のクロムを
含有しているので、耐食性や耐摩耗性が優れており上記
特公昭48-25608号公報では耐食性向上の為、特開昭61-2
64170号公報においては、チェーンピンの耐摩耗性向上
の目的で、クロマイジング処理が行なわれている。
しかしながら更に高温、腐蝕性且つ、摩耗性雰囲気下
で使用される場合、例えば高温中で燃焼ガスと石炭灰に
よる腐蝕と摩耗を同時に受ける、石炭焚ボイラーチュー
ブにおいては、300ミクロンの層厚でも、1〜1.5年で消
失し充分な効果が発揮できない。又岩石等の粉砕機部品
には、極めて激しい摩耗性環境下で使用されるものがあ
るが、この様な場合にはできるだけ厚いクロム拡散層が
要求され、300ミクロン程度では尚不充分な場合があ
る。以上の様に、いかにクロム拡散層の性質が優れてい
ても、層厚が最大300ミクロン程度に限定される為、よ
り厚いクロム拡散層が要求される用途においては、充分
な効果が期待できず、従って用途を限定せざるを得ない
欠点があった。
〔発明の概要〕
本発明はかかるクロマイジング処理の欠点を解消して
金属のクロマイジング処理のみで得られる以上の厚みの
極厚クロム拡散層を形成してその耐食性、耐摩耗性を更
に向上せしめうる方法を提供する目的でなされたもので
ある。本発明によれば、金属材料にアルミニウム浸透処
理を行なった後にクロマイジング処理を行なうことによ
り表面のクロム濃度が20〜80%で、300ミクロンを上回
る厚さの極厚クロム拡散層が得られ、耐食、耐摩耗性を
大幅に向上させ、上記目的を達成し得ることが見出され
たのである。
〔発明の具体的説明〕 かくて本発明はアルミニウムが金属材料に対しクロム
よりはるかに拡散し易い材質を有し、より厚い拡散層を
得ることができることに着目し、且つ、クロマイジング
処理によってアルミニウム拡散層中のアルミニウムがク
ロムと入れ替わる形でクロム拡散層を形成し得ることを
知見してなされたもので、予め形成されたアルミニウム
拡散層と、少なくとも同じ厚さのそしてクロマイジング
処理のみで得られる以上の厚さのクロム拡散層が得られ
ることが最大の特徴である。
以下本発明について詳述する。
本発明ではまず金属材料にアルミニウム浸透処理(い
わゆるカロライジング処理)を行なうのであるが、この
処理は通常Fe-Al合金粉又はアルミニウム粉とアルミナ
粉、塩化アンモニウム粉を混合して金属製容器に充填さ
れたアルミニウム滲透剤に処理されるべき金属材料を埋
め込み、800〜1100℃の温度で5〜20時間加熱して行な
う。この処理により、鉄鋼の場合表面のアルミニウム濃
度20〜40%、厚さ1000ミクロンを超えるアルミニウム拡
散層の形成が容易で、層厚さは、加熱温度と時間の調節
により増減できる。この様にアルミニウム滲透処理によ
りえられたアルミニウム拡散層の厚みはクロマイジング
処理によりえられたクロム拡散層の厚みと比べ、通常の
鉄鋼の場合、約6倍、前述のTi,Nb等を添加した材料と
比べても3倍以上に達する。
次にこのアルミニウム拡散層を有する材料に前述した
如きクロマイジング処理を施すことにより、アルミニウ
ム拡散層と同じか、やや上回る、そしてクロム拡散処理
のみでえられる厚みよりも大なる厚さの極厚クロム拡散
層を得ることができるのである。この様にして、得られ
た極厚クロム拡散層中には、若干のアルミニウムが残存
しているが、予め拡散していたアルミニウムの大部分
は、クロムと入れ替わる形で、層外へ排出されたものと
考えられる。その状況は以下の実施例と図面第2〜5図
のグラフからも明らかなとおりである。このメカニズム
の解明については、なお今後の研究に待たねばならな
い。このようにして表面のクロム濃度が20〜80%で300
ミクロンを上回る極厚クロム拡散層がえられるが、アル
ミニウム滲透処理条件を調節してアルミニウム拡散層の
厚みを調節することにより、所望の厚さの極厚クロム拡
散層を得ることができる。
尚、前記のボイラーチューブ等には一般に炭素量が0.
1%以上特に0.40%以上と比較的多く強度の大なる鉄鋼
素材が用いられる。素材中の炭素量が多いほどアルミニ
ウム滲透処理或いはクロマイジング処理してえられるア
ルミニウム拡散層、クロム拡散層の厚みは小さくなる。
アルミニウムが炭素に固溶せず炭素がアルミニウム拡散
時の抵抗体となったり、或いはクロムが炭素と結合して
炭化クロムを形成しこれがそれ以後のクロムの拡散を阻
害するためである。
従って炭素量の比較的大なる金属素材のときは本発明
に従って金属材料にアルミニウム浸透処理を行なった後
クロマイジング処理しても前述のような300ミクロン以
上の厚みがえられないときもあるが、それでもクロマイ
ジング処理のみのときに比べてかなりの厚みのクロム拡
散層を得ることができ、それに相応して耐食性、耐摩耗
性等の向上を図ることができる。
たとえば炭素量1.02%の軸受鋼鋼材SUJの場合1100℃
で10時間のクロマイジング処理では30ミクロンの厚みで
あるが、1000℃で10時間のアルミニウム滲透処理後に同
様なクロマイジクグ処理を行なうとその7倍もの210ミ
クロンの厚みのクロム拡散層がえられる。
この外炭素量0.40%の機械構造用炭素鋼鋼材S40Cの場
合はクロマイジング処理では50ミクロンであるが、アル
ミニウム滲透処理後クロマイジング処理ではその6倍も
の300ミクロンのクロム拡散層がえられる。
このように炭素量が比較的大きいため、最終的にえら
れるクロム拡散層の絶対的厚みが比較的小さくとも、本
発明によればクロマイジング処理のみのときよりもかな
りの厚みのクロム拡散層がえられ、それに相応する物性
の向上が図られるのであるから、かかる場合も本発明の
範囲に含まれるものとする。むしろ本発明の方法は0.1
%以上の比較的高炭素の金属材料の場合に適用するのが
好適である。
〔実施例1〕 本発明の一実施例を第1図により説明する。
先づ、第1図(A)に示すようにSTBA24(2.25%Cr-1
%Mo-0.15%C)のボイラーチューブ(φ50.8×6.0T×5
00l)1を金属製ボックスに充填されたFe-Al合金粉(Al
=38%)80重量%とアルミナ粉19.5重量%、塩化アンモ
ニウム粉0.5重量%を混合してなる、アルミニウム滲透
剤2に埋め込み1080℃に15時間加熱してアルミニウム滲
透処理を行なった。これにより(B)に示す様にボイラ
ーチューブ1の表面に厚さ800ミクロン表面アルミニウ
ム濃度35%のアルミニウム拡散層3が形成された。この
拡散層の厚さ方向のアルミニウム濃度のEPMA分析結果を
第2図に示す。これをついで(C)に示す様にクロム粉
75重量%、アルミナ粉24.5重量%、塩化アンモニウム粉
0.5重量%を混合してなるクロム滲透剤4に埋め込み水
素雰囲気中で1100℃に10時間加熱して、クロマイジング
処理を行なった。これにより(D)に示す様に厚さ840
ミクロン表面クロム濃度65%の極厚クロム拡散層5を得
た。この拡散層の厚み方向のクロム及びアルミニウム濃
度のEPMA分析結果を第3図に示す。
〔実施例2〕 一般構造用圧延鋼材SS41(C=0.15%)、寸法5mm×3
0mm×30mmの試片を実施例1と同一組成のアルミニウム
滲透剤に埋め込み1000℃に10時間加熱して表面のアルミ
ニウム濃度36%、厚さ460ミクロンのアルミニウム拡散
層を得た。次いでクロマイジング処理は、このアルミニ
ウム拡散層を有する試片を実施例1と同一組成のクロム
滲透剤に埋め込み、1100℃で10時間加熱して行ない、試
片の表面のクロム濃度67%、厚さ480ミクロンの極厚ク
ロム拡散層を得た。このクロム拡散層の厚み方向のクロ
ム及びアルミニウム濃度のEPMA分析結果を第4図に示
す。
尚、クロマイジング処理では、アルミニウム滲透処理
を行なっていない試片も一緒に埋め込んだが、この試片
に形成したクロム拡散層の厚みは130ミクロンで本発明
で得られた層厚の約1/4であり、表面クロム濃度も37%
と低かった。
〔実施例3〕 実施例2と同じ寸法を有する試片を炭素量1.02%の高
炭素クロム軸受鋼鋼材SUJでつくり、実施例1と同じア
ルミニウム滲透剤により1000℃で10時間アルミニウム滲
透処理を施したところアルミニウム濃度37%、厚み200
μのアルミニウム拡散層がえられた。次いで実施例1と
同じクロマイジング処理剤により1100℃で10時間クロマ
イジングしたところクロム濃度77%、厚み210μのクロ
ム拡散層がえられた。その層の厚み方向のクロム及びア
ルミニウム濃度のEMPA分析結果を第4図に示す。
〔発明の効果〕
金属材料にアルミニウム浸透処理を行なった後にクロ
マイジング処理を行うことにより、従来のクロマイジン
グ処理に比べ3〜7倍の層厚を有する極厚クロム拡散層
を得ることができた。これにより金属材料の耐食性、耐
摩耗性が大幅に向上し寿命延長に誠に有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)〜(D)は本発明の方法の一実施例の工程
を示す図、第2図は実施例1におけるアルミニウム拡散
層のアルミニウム濃度のEPMA分析結果を示すグラフ、第
3,4,5図は夫々実施例1,2,3における極厚クロム拡散層の
クロム及びアルミニウム濃度のEPMA分析結果を示すグラ
フである。 1……ボイラーチューブ材、2……アルミニウム滲透
剤、3……アルミニウム拡散層、4……クロム滲透剤、
5……クロム拡散層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大石 多津也 長崎県西彼杵郡時津町久留里郷字永之浦 376―10 滲透工業株式会社長崎工場内 (72)発明者 梅野 堅司 長崎県西彼杵郡時津町久留里郷字永之浦 376―10 滲透工業株式会社長崎工場内 (72)発明者 篠原 正朝 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 増山 不二光 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 斉藤 正洋 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 広松 一男 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (56)参考文献 特公 昭41−7762(JP,B1) 特公 昭54−8337(JP,B1)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属材料にアルミニウム浸透処理を行なっ
    た後にクロマイジング処理を行うことによってその金属
    材料の表面に極めて厚いクロム拡散層を形成させる事を
    特徴とする極厚クロム拡散層の形成方法。
JP63111764A 1988-05-09 1988-05-09 極厚クロム拡散層の形成方法 Expired - Lifetime JP2525454B2 (ja)

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