JP6108489B2 - 鋼鉄部材の表面硬化方法 - Google Patents
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Description
(1)硼砂塩浴中には、従来のようなAl粉末の添加に代え、アルミニウム−マグネシウム合金(以下、「Al−Mg合金」と記す)の小片または小塊を添加することとし、そのAlとMg両成分による還元反応によって硼砂成分から化学的活性力の強い硼素(B)、即ち活性硼素(B)を遊離させ、この活性硼素(B)を鋼鉄部材表面の硼化鉄皮膜の形成に利用する。
(1)溶融状態の前記硼砂塩浴は、700℃〜1150℃の温度であること。
(2)前記鋼鉄部材は、硼砂塩浴中において、静止、上下運動、回転運動または水平運動から選ばれる1種以上の状態に保持して浸漬すること。
(3)塩浴中に添加する前記Al−Mg合金は、Mgを1.2mass%〜93mass%含み、残部がAlおよび不可避的不純物からなる合金であって、その形状・寸法が直径2〜10mm、長さ5〜20mmの小片または小塊であること。
(4)前記硼化鉄皮膜は、少なくともその一部は前記硼砂塩浴中のAl2O3微粒子が、Mgによって還元されて生成するAlによる還元作用によって生成した皮膜であること。
(1)塩浴の主成分となる硼砂の性状とその役割
本発明で用いる塩浴は、主成分が硼砂(Na2B4O7)であり、この塩浴中には、さらに還元材としてAl−Mg合金、とくにその小片または小塊を添加してなる活性硼素(B)を含有する硼砂塩浴である。そして、この硼砂塩浴中の活性硼素(B)こそが鋼鉄基材の表面に硼化鉄皮膜を形成するために重要な役割を担う成分である。
以下に、700℃〜1150℃に加熱された溶融状態の硼砂塩浴中におけるAl−Mg合金の作用機構について、従来技術に属するAl粉末添加の場合と比較して説明する。Al−Mg合金とAl粉末は、それぞれ硼砂塩浴中において、下記の反応によって活性硼素(B)を発生するものと考えられる。
Na2B4O7+Al→xB+yAl2O3 (1)
Na2B4O7+Mg→xB+yMgO (2)
(1)硼砂塩浴の化学的活性が低下して、前記(1)式による活性硼素(B)の生成量が少なくなる。
(2)硼砂塩浴の粘度が高くなるため、Al粉末を添加しても塩浴中に均等に分散することがなくなり、被処理鋼鉄部材の表面に形成される硼化鉄皮膜の品質に大きなバラツキが見られるようになる。
(3)上記(2)の現象が顕著となると、やがて硼砂塩浴としての機能を消失することになるため、産業廃棄物として処理されることになり、硼砂塩浴としての有効な試用期間の短縮に伴う、生産コストの上昇原因となる。
(4)Al2O3微粒子自体は、化学的に非常に安定な酸化物であるうえ、ガラス状の硼砂塩浴中に含まれていることもあって、その物理的な除去方法は、極めて困難な状況にある。
Al2O3+3Mg→3MgO+2Al (3)
本発明において最も特徴的なことは、前記硼化物形成用金属化合物である還元材として、Al−Mg合金を用いることにある。この合金の化学成分は、Mg:1.2〜93mass%、残部がAlおよび不可避的不純物であるものが好ましく、さらにMg5〜50mass%のものを用いることがより好ましい。その理由は、Mgの含有量が1.2mass%(ただし、好ましい例では5mass%)よりも少ないと、Mgによる酸化アルミニウム(Al2O3)の還元作用に長時間を要するうえ還元できる量が少なく、一方、93mass%(ただし、好ましい例では50mass%)よりも多いと、前記Al2O3の還元作用によるAl粒子の生成量が増加して塩浴の化学活性度が、必要以上に高くなって鋼製の塩浴槽と反応して、その溶解成分による塩浴の汚染および塩浴槽の寿命を短くするからである。
なお、市販のAl−Mg合金は、微量のZn、Mn、Fe、Si、Cu、CrあるいはTiなど、またその他の不可避的不純物が含まれているが、これらは本発明の作用、効果を得る上であまり障害とならないため、特には規制されない。
本発明において使用可能な被処理対象となる鋼鉄部材としては、機械構造用炭素鋼、合金鋼をはじめ、マルテンサイト、オーステナイトおよびそれらの二相組織からなる各種ステンレス鋼などの特殊鋼、鋳鉄や鋳鋼、鍛鋼などが好適であり、これらの部材は前述した表面処理に好適な部材と言える。
この実施例は、650℃〜1200℃の温度範囲に変化させた硼砂塩浴中に、Mg含有量の異なるAl−Mg合金を添加した試験塩浴を調整した後、この塩浴中にSUS410鋼試験片を浸漬して、その表面に形成される硼化鉄皮膜の形成状況を調査した。
(1)供試塩浴
SUS310鋼の容器中に硼砂20kgを投入した後、加熱溶融させ、塩浴温度650℃〜1200℃の温度範囲に維持しつつ、それぞれ所定の温度に供試鋼試験片を6時間浸漬した。
前記硼砂塩浴中に添加するAl−Mg合金として、Mg含有量1.2mass%〜93mass%、残部が主としてAlからなる合金を直径5〜10mm×長さ20mmの小片に加工し、硼砂量の約10mass%相当の量を添加した。
また比較例として、市販のAl2O3粉末を約10mass%となるように硼砂塩浴中に添加した例を示す。
SUS410鋼(寸法:直径10mm×長さ30mm)
浸漬試験後の供試鋼試験片に形成されている硼化鉄皮膜の形成状況を金属顕微鏡を用いて観察するとともに、その皮膜のミクロ硬さを測定した。
試験結果を表1に示した。この表1に示す結果から明らかなように、塩浴温度650℃では、硼化鉄皮膜の形成は認められなかった。この原因の大部分は、塩浴温度650℃では、Al粉末の融点660℃より低く、Mgの融点650℃とほぼ同じ温度であるため、両金属とも硼砂から活性硼素(B)を還元する作用が弱かったためと考えられる。
また、硼砂塩浴にAl粉末を添加すると、見掛比重の軽いAl粉末は塩浴の表面に浮遊状態となって分離し、塩浴中に均等に分布させることが困難であることも分った。
この実施例では、硼砂塩浴中に浸漬した被処理鋼部材への硼化鉄皮膜の形成速度に及ぼす被処理鋼部材の回転および移動などの運動因子の効果を調査した。
(1)供試塩浴
実施例1に記載した硼砂塩浴槽に硼砂20kgを投入した後、800℃に加熱溶融させ、この塩浴中にAl−10mass%Mg合金を1kg添加したものを供試塩浴とした。
供試鋼種はSUS403とし、塩浴に浸漬する試験片は、直径10mm×長さ50mmの棒状試験片に加工した。
900℃の塩浴中に6時間浸漬したが、試験片に対しては、下記のような運動因子を付与させた。
(1)浸漬期間中、試験片を静かに上下運動させた。(上下運動試験片)
(2)浸漬期間中、試験片を静かに回転運動させた。(回転運動試験片)
(3)浸漬期間中、試験片を塩浴槽の内壁に沿って静かに移動させた。(内壁移動試験片)
(4)浸漬期間中、試験片を塩浴槽の中心部で静止状態にした。(静止試験片)
浸漬試験後の各試験片の表面に形成されている硼化鉄皮膜の形成状況を金属顕微鏡を用いて観察するとともに、ミクロピッカース硬さ計にて皮膜の硬度を測定した。
試験結果を表2に示した。この表2に示す結果から明らかなように、塩浴中に浸漬した試験片のすべてに、試験片の回転、移動などの運動の有無に関係なく、硼化鉄皮膜の形成が認められ、また、その硬さもHV:1500以上の高硬度皮膜であった。ただ、硼化鉄皮膜の成長速度には差が認められ、回転、移動、あるいは上下運動を付与した試験片の表面には、静止試験片の皮膜に比べて7〜10%程度厚く成長していることが判明した。この原因は、Al−Mg合金の還元反応によって硼砂塩浴中に析出した活性硼素(B)が、塩浴中で回転したり、移動したりする試験片の表面に対する接触機会が増大するためと考えられるが、試験片の運動に伴う塩浴の流動化現象も、硼化鉄皮膜の形成速度の向上に有利に働いたものと思われる。
この実施例では、硼砂塩浴にAl粉末を継続的に添加しつつ、硼化鉄皮膜処理を実施する場合(比較例)を想定し、塩浴中に増加し続けるA1203微粒子の硼化鉄皮膜の品質および作業性に与える影響について、本発明に適合する例であるAl−Mg合金添加の場合と比較した。
比較例の塩浴組成:硼砂20kg、Al粉末400g、Al2O3 2kg
本発明例の塩浴組成:硼砂20kg、Al−30mass%Mg400g、Al2O3 2kg
(2)供試鋼種
供試鋼種として、SUS410鋼を用い、直径10mm×長さ15mmの試験片に加工した。
(3)塩浴温度・浸漬時間
960℃×5hとした。
(4)評価方法
供試鋼試験片の表面に形成された硼化鉄皮膜の硬さおよびその断面ミクロ組織観察によって評価した。
試験結果を表3に示した。この表3に示す結果から明らかなように、Al粉末を添加する比較例の塩浴中には、添加したAl粉末のすべてがAl2O3となって塩浴中に残留するため、その残留量が多くなると、Al粉末を添加してもその作用効果は著しく低下していることが認められた。即ち、Al粉末の添加による硼砂(Na2B4O7)の還元作用による活性硼素(B)の析出、遊離の効果が低下する結果、試験片表面に形成されるFe2B層とFeB層との2層からなる硼化鉄皮膜の厚さが薄くなるとともに、皮膜の表層部では割れが多数発生し、その割れ部には多量のAl2O3微粒子が残存しているのが認められた。ただ、硼化鉄皮膜の硬さについては、HV:1600以上を示し、両者に相違は認められなかった。
即ち、硼化鉄皮膜は、高硬度、高耐摩耗性、高耐食性に加え、高温強度にも優れているため、石油精製・石油化学プラントなどの硬質の触媒粒子を含む高温ガス用熱交換器部材、石炭ポイラの各種金具類の耐エロージョン用皮膜、また水蒸気タービンの入口部材で発生する高温・高圧水蒸気中に含まれる鉄酸化物粒子のエロージョン対策技術として好適に用いることができる。
その他、硼化鉄皮膜の表面を精密仕上加工することによって、各種プレス成形用金型、線材圧延機の穴型、各種草刈機の切断刃物類など、耐摩耗性とその耐久性が要求される部材への表面処理技術としても利用できる。
また、本発明の考え方は、Niおよびその合金などの非鉄合金部材の表面硬化処理とに適用が可能である。
Claims (4)
- 硼砂を主成分とする塩浴中にAl−Mg合金を添加してなる溶融状態の硼砂塩浴中に鋼鉄部材を浸漬することによって、その鋼鉄部材の表面に、該硼砂塩浴中の硼砂成分から析出し遊離した活性硼砂と部材表面の鉄とを反応させることによって、Fe2B層とFeB層の二層構造の硼化鉄皮膜を形成させる際に、上記Al−Mg合金中のMg含有量を1.2〜93mass%の範囲内において、溶融状態の該硼砂浴中に残存するAl2O3量に応じ、建浴当初の新しい硼砂塩浴中に適用する場合のAl−Mg合金中のMg含有量を1.2〜10mass%とし、Al2O3が残留している硼砂塩浴に適用する場合のAl−Mg合金中のMg含有量を30mass%以上とすることを特徴とする鋼鉄部材の表面硬化方法。
- 溶融状態の前記硼砂塩浴は、700℃〜1150℃の温度であることを特徴とする請求項1に記載の鋼鉄部材の表面硬化方法。
- 前記鋼鉄部材は、硼砂塩浴中において、静止、上下運動、回転運動または水平運動から選ばれる1種以上の状態に保持して浸漬することを特徴とする請求項1または2に記載の鋼鉄部材の表面硬化方法。
- 塩浴中に添加する前記Al−Mg合金は、Mgを1.2mass%〜93mass%含み、残部がAlおよび不可避的不純物からなる合金であって、直径2〜10mm、長さ5〜20mmの小片または小塊であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載の鋼鉄部材の表面硬化方法。
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