JPH04116152A - オーステナイト系ステンレス鋼の表面改質処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はオーステナイト系ステンレス鋼の表面改質処理
方法に関し、特に同調の表面に高硬度、高耐食性を有す
るＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系金属間化合物のσ相組織を形成さ
せる方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、耐摩耗性を向上させるために、浸炭、窒化などの
表面硬化法が多用されてきたが、腐食環境下においては
硬化層中の炭化物及び窒化物と共存するマ）　ＩＪフッ
クス腐食が進行するため、摺動部材としてはその用をな
さず、これを防止するために摺動部素材の材質を向上さ
せた後に上記表面硬化法を行ったり、硬質クロムメツキ
処理を行ったりしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

硬質ＣｒメツキはＣｒＪ１度が１００％に近いために耐
食性が良好であり、かつメツキ硬度は９００）１ｖ前後
であるために耐摩耗性もある。従って高耐食性及び高耐
摩耗性が要求される摺動部材料に利用されている。

しかし、硬質クロムメツキは次のような欠点がある。

（１）硬質Ｃｒメツキは母材との接合が物理的な結合で
あるために母材との界面で剥離しやすい。

（２）　　コストが非常に高い。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らはオーステナイト系ステンレス鋼の表面にＣ
ｒの拡散浸透処理を施す際、ある一定の条件を与えるこ
とにより拡散層組織をＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系金属間化合物
であるσ相とし、そのσ相が高耐摩耗性、高耐食性を有
する有効な被膜層であることの知見を得、本発明はこの
知見に基づいて完成したものであって、 （１）　　Ｃ：　０．０２〜０．１２重量％、Ｃｒ：１
７〜２５重量％、Ｎｉ：８〜１４重量％及び数渾重の添
加元素を含む残部Ｆｅからなるオーステナイト系ステン
レス鋼のＣｒ拡散浸透処理するに際し、封入する水素ガ
スが全体に限りなくゆきわたる構造の鋼板製半密閉容器
を用い、該容器内に上記オーステナイト系ステンレス鋼
をＣｒ拡散浸透処理剤と共に充填し、１０００〜１１５
０℃までの昇温過程では該Ｃｒ拡散浸透処理剤重量１　
ｋｇに対し１００〜２５０ｃｃ／分、昇温後の保持及び
冷却過程では２５〜５０ｃｃＺ分の割合で水素ガスを流
すことにより、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に
高硬度、高耐食性を有するＦｅ−Ｃｒ−Ｎ　ｉ系金属間
化合物のσ相組織を形成させることを特徴とするオース
テナイト系ステンレス鋼の表面改質処理方法。

（２）請求項（１）の昇温過程において、６０〜９０℃
の温水中を通過させた後の湿った水素ガスを使用するこ
とを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の表面改
質処理方法。

である。

すなわち、本発明の処理方法はＦｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉの
金属間化合物の中のσ相組織をオーステナイト系ステン
レス鋼の表面に形成させることによって高耐摩耗性、高
耐食性を有する被膜層の形成方法を提供するものである
。

本発明者らは第１図に示すＦｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉ系三元
状態図中、高硬度、高耐食性を示すσ相（１の個所）に
着目し、この組織を得るため下記実験を実施した。

Ｃｒ拡散浸透処理粉末として金属Ｃｒ粉６５〜８０ｗｔ
％、Ａｌ２Ｏ３粉１９〜３４ｉｖｔ％、ＮＨ，Ｃ’ｌ粉
０．５〜１．０ｗｔ％からなる混合粉末を準備し、鋼板
製半密閉容器に充填後、■２ガスを流しながら１１００
℃で１０時間のＣｒ富化処理（予備処理）を４回繰返し
行ない、充分［ｒが富化された［ｒ拡散浸透処理粉末２
　ｋｇを得た。４回の富化処理に際し、毎回粉末を処理
ケースより取り出しＮＨ，ＣＩ粉を添加、混合使用した
。

その後、粉末と被処理物であるオーステナイト系ステン
レス鋼をキャリア及び雰囲気ガスとして使用するＨ２ガ
スがケース内全体に行きわたるよう配設された鋼板製半
密閉容器内に埋設、充填し、所定の処理温度例ば１００
０〜１１５０℃までの昇温の過程の間は１００〜２５０
　ｃｃ／ｍｉｎの割合でＨ２ガスを流し、所定の処理温
度に到達した時点で２５〜５０ｃｃ／ｍｉｎの流量に落
し、３〜１５時間の処理を行い、本発明処理方法による
［ｒ拡散浸透処理材を得た。

本発明者らは所定温度までの昇温の過程においては、素
材オーステナイト系ステンレス鋼中のカーボンが、まず
最初に拡散したＣｒと反応し炭化クロム層を形成し、そ
の後のＣｒの内部拡散を阻害すると同時にＦｅ、　［：
ｒ、　Ｎｉ系の金属間化合物であるσ相の形成に支障を
きたすことを懸念し、昇温時におけるＨ２ガス流量を増
加させＣｒの置換反応の促進と被処理材表面の脱炭をＣ
ｒが拡散し始める前に行うことによって炭化クロムの発
生を防止した。

なお、ここで昇温時Ｈ２ガスを１００〜２５０ｃｃ／ｍ
ｉｎの割合で流した理由は１００ｃｃ／ｍｉｎ以下では
被処理物表面の脱炭が促進されないこと、また２　５０
　ｃｃ／ｍｉｎ以上では過剰に脱炭されるためである。

さらに、キープ温度で１１２ガスを２５〜５０ｃｃ／ｍ
ｉｎの割合で流した理由は、２５ｃｃ／ｍｉｎ以下では
Ｃｒの置換反応が十分でなく、このため目的とする皮膜
厚さが得られないこと、また５０ｃｅ／ｍｉｎ以上では
これ以上流しても皮膜厚さに変化がないことによる。

特に素材カーボン量の高い５ｔｌＳ　３２１　ＨＴＢ等
には６０〜９０℃に暖めた水中を通した湿ったＨ２ガス
の封入が効果的であり、炭化クロム層が形成され難く、
そのため層厚の厚いσ相を形成させることができた。

なお、ここで温水の温度を６０〜９０℃に設定した理由
は、Ｃｒ拡散浸透処理時の昇温時に８２０が存在すると
Ｃｒが拡散し始める前に脱炭がすみやかに発生し、炭化
クロムの発生を防止できるためであり、この最適温水温
度が６０〜９０℃であったからである。

ここに用いられる被処理物は、例は下記に示すサンプル
Ｎα３．４．５．６の如きＣｒ及びＮｉを含むオーステ
ナイト系ステンレス鋼の中で化学成分が炭素０．０２〜
０．１２重量％、　Ｃｒ１７〜２５重量％、Ｎｉ８〜１
４重量％であれば良く、例ばサンプルＮα１２の如きフ
ェライト系ステンレス鋼、サンプルＮ［Ｌ　７の如き所
謂Ｎｉ基超合金鋼に対し本発明処理方法を用いてもσ相
組織の形成は見られなかった。

上記化学組成のオーステナイト系ステンレス鋼の本発明
処理方法に於る要求されるクロム拡散層の厚さは処理温
度及び処理時間を操作する事に依って任意に設定出来る
ものである。

〔作用〕

本発明によりオーステナイト系ステンレス鋼の表面にσ
相を形成し高耐摩耗性、高耐食の優れた材料を提供でき
るとともに、従来方法の硬質Ｃｒメツキに比べ低コスト
で、しかも剥離の起きない安定な被膜層を有する材料の
提供が可能となる。

〔実施例−１〕 ２５Ｘ２０Ｘ５ｔ、１５Ｘ３５Ｘ３ｔの５Ｏ３３０４製
テストピ一ス各５枚を充分Ｃｒ富化処理を行った金属Ｃ
ｒ粉７５ｗｔ％、Ａ１２［］３粉２４．５　ｗｔ％、Ｎ
Ｈ，ＣＩＩＯ２５ｗｔ％からなる混合粉末と共にケース
内全体にＨ２ガスが行きわたるように配設されたＨ２ガ
ス封入装置をもつ鋼板製半密閉容器に埋設充填し、室温
から１０５０℃までの昇温時に１８０ｃｃ／ｍｉｎの流
量のＨ２ガスを流し°ながら６時間の昇温期を経過した
後、Ｈ２ガス流量を２５ｃｃ／ｍｉｎにおとし１０５０
ｔ：にて８時間のクロム拡散処理を行った後、同上のガ
ス流量を流しながら常温まで冷却した。

冷却後、粉末中より取り出して洗浄後、２５ｘ２０ｘ５
ｔの５ＩＩＳ　３０４テストピースを切断、検鏡した光
学顕微鏡組織（３００倍）を第２図に、マイクロビッカ
ース硬度測定結果を第３図に示す。Ｅ　ＰＭＡ　（Ｂｌ
ｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｘ−ＲａｙＭｉｃｒｏａｎ
ａｌｙｚｅｒ）によるＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉの成分分析結果
はＦｅ：Ｃｒ：Ｎｉ＝５０　：　４５　：　５　（ｗｔ
％）であった。このＥＰＭＡ分析結果により、その組成
は第１図に示すＰｅ、Ｃｒ、Ｎｉ系三元状態図中のσ相
領域１の範囲内にあることが確認された。

同時に１５Ｘ３５Ｘ３ｔの別のテストピースを用イＪＩ
Ｓ　Ｚ　２３７１ニ定める３５℃にて３３６時間の塩水
噴霧試験を行った結果、腐食重量減は０、２３　ｍｇ　
／　ｃｍ’と非常に小さく、優れた耐食性を示した。

また本発明の処理方法にてＣｒ拡散浸透処理した被処理
材と、５〜５０ｃｃ／ｍｉｎと昇温、保持、冷却時のＨ
２ガス流量を変えない従来法によるクロム拡散処理にて
得られた被処理材を１５×３５Ｘ３ｔの同寸法のＳＯ３
３０４材を用いて８Ｎ）ＩＮＯ３水溶液中で８０℃×１
００時間の耐食性比較試験を行った結果、本発明による
ものは腐食量０．２１　ｍｇ／　ｃｍ’　、また従来の
クロマイズ処理によるものは０．８２　ｍｇ　／　ｃｍ
２と約４倍の耐食性を示し、耐食性が著しく向上してい
ることを確露忍した。

〔実施例−２〕 実施例−１にて使用した混合粉末に新たに０．５ｗｔ％
のＮＨ４Ｃｌ粉を加え浸透剤とし、１５０φｘ１５０１
１３０φＸ１２ＯＡの５ＩＩ３３１６製印刷用インキポ
ンプインペラ一各１個を前述の鋼板製半密閉容器に埋設
、充填し、昇温時２２０　ｃｃ／ｍｉｎの流量のＨ２ガ
スを流しながら７時間で昇温の後、２５ｃｃ／ｍｉｎの
Ｈ２ガス流量で１１００℃で１０時間の処理を行った後
、同上のガス流量を流しながら常温まで冷却した。同時
に処理した同材質の１５Ｘ３５Ｘ３ｔのテストピースを
用いて印刷機用インキ中で各々２０℃、８０℃にて１０
０時間の浸漬耐食試験の結果、何れも０．０１　ｍｇ　
／　ｃｍ’の腐食量となり高耐食性を示した。

またインペラー本体を印刷機実機のポンプに取付け１２
５ＯＲＰＭで長時間使用したところ、８ケ月経過しても
エロージョンやコロ−ジョンの発生はなかった。これに
対し、通常このインペラーは５ＩＩＳ　３１６Ｌのまま
の場合は約１〜１．５ケ月、硬質Ｃｒメツキを施した場
合は３〜４ケ月の寿命であった。

また、従来の硬質Ｃｒメツキと本発明の処理方法につい
て１５０φＸ１５０Ａのインペラーの処理コストを比較
した結果、本発明のコストは、従来方法に比べ約１／１
２〜１／１５と非常に低コストにて提供できた。

〔実施例−３〕 ２５Ｘ２０ｘ５ｔのＳ［ＩＳ　３２１　ＨＴＢ製テステ
ストピース分Ｃｒ富化処理を行った金属Ｃｒ粉７５ｗｔ
％、Ａｌ２ａｓ粉２４．５　ｗｔ％、ＮＨ，ＣＩＩＯ２
５ｗｔ％からなる混合粉末と共にケース内全体にＨ２ガ
スが行きわたるように配設されたＨ２ガス封入装置をも
つ鋼板製半密閉容器に埋設、充填し、室温から１０５０
℃までの昇温時に１８０ｃｃ／ｍｉｎの流量のＨ２ガス
を６０〜９０℃に加熱した温水中に通して流しながら６
時間の昇温期を経過した後、Ｈ２ガス流量を２５ｃｃ／
ｍｉｎにおとし、１０５０℃にて８時間のクロマイズ処
理を行った。

その後、光学顕微鏡組織、ＥＰＭＡによるＦｅ。

Ｃｒ、Ｎｉの成分分析結果及びマイクロビッカース硬度
測定を実施したが、これらの結果は、実施例−１とほぼ
同様であり、また、ＪＩＳ　Ｚ　２３７１に定める３５
℃にて３３６時間の塩水噴霧試験においても腐食重量減
は０．３０　ｍｇ　／　ｃｍ２と非常に小さく優れた耐
食性を示した。

〔発明の効果〕

本発明の処理方法によれば、オーステナイト系ステンレ
ス鋼表面にσ相を有する組織のクロム拡散層を形成させ
ることにより耐摩耗性、耐食性の優れた、しかも従来方
法に比べｌ／１２〜１／１５の低コストの表面改質処理
材を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系三元状態図、第２図は本発
明の実施例により得られたＳ［ＩＳ　３０４材断面の金
属組織を示す光学顕微鏡写真（３００倍）第３図は本発
明の実施例により得られたＳＯ３３０４材断面のマイク
ロビッカース硬度測定結果を示す図表である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　Ｃ：０．０２〜０．１２重量％、Ｃｒ：１７〜
   ２５重量％、Ｎｉ：８〜１４重量％及び数種の添加元素
   を含む残部Ｆｅからなるオーステナイト系ステンレス鋼
   のＣｒ拡散浸透処理するに際し、封入する水素ガスが全
   体に限りなくゆきわたる構造の鋼板製半密閉容器を用い
   、該容器内に上記オーステナイト系ステンレス鋼をＣｒ
   拡散浸透処理剤と共に充填し、１０００〜１１５０℃ま
   での昇温過程では該Ｃｒ拡散浸透処理剤重量１ｋｇに対
   し１００〜２５０ｃｃ／分、昇温後の保持及び冷却過程
   では２５〜５０ｃｃ／分の割合で水素ガスを流すことに
   より、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に高硬度、
   高耐食性を有するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系金属間化合物のσ
   相組織を形成させることを特徴とするオーステナイト系
   ステンレス鋼の表面改質処理方法。
2. （２）　請求項（１）の昇温過程において、６０〜９０
   ℃の温水中を通過させた後の湿った水素ガスを使用する
   ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の表面
   改質処理方法。