金属材料表面の高硬度・ 耐摩耗・耐食性の向上技術

金属材料表面の高硬度・
耐摩耗・耐食性の向上技術
群馬大学大学院 工学研究科
機械システム工学専攻
助教 小山真司
教授 荘司郁夫
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研究背景
オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）
耐食性・加工性・溶接性に優れ、様々な用途に使用さている
例えば… ① 耐摩耗性が要求される部品
② 微粒子を含む高速流体にさらされる部品
Ⅰ．焼 入 れ ： 不可
Ⅱ．コーティング ： 硬化層の保持が困難
Ⅲ．窒化・薪炭 ： 不動態皮膜除去に問題・耐食性低下
ほう化処理による『高硬度・耐摩耗性』の獲得が必要
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研究背景
ほう化処理方法
➣ 粉末ﾊﾟｯｸ法
➣ 気体法
➣ 溶融塩法
➣ 電解法
・特殊な薬品を用いる
・排ガスに問題がある
・ホウ素源(B)に課題
・特殊な装置が必要
安全・安価で簡便な『 ほう化処理法 』
研究目的
・溶融塩浸漬法を用いた簡便な『ほう化処理法』の検討
・被処理材の機械的特性の検証
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適用方法
ほう砂溶融塩浴組成
無水ほう砂（Na2B4O7： 500円/1kg程度）
アルミニウム（Al： 400円/1kg程度）
鉄鋼材料（SUS304）
機械研磨仕上げ（#4000エメリー紙）
試験片形状
ほ う 化 処 理
試験片を溶融塩に浸漬
水中で急冷
水中で煮沸洗浄
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適用結果 －表面硬さ－
表面硬さの最大値
➮ 2000HV(HRC80)以上
処理時間・温度の増加
➮ 表面硬度が上昇
表面硬さ変化（荷重変化）
➮ 硬化層厚さが変化
硬さに対応する金属組織
➮FeB:2000, Fe2B:1600(HV)
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適用結果 －表面構造解析－
Fe2B
FeB
Fe1.1Cr0.9B0.9
処理時間・温度の増加
➮ 化合物中のB濃度が増加：ほう化が達成される
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適用結果 －断面観察（処理時間：1.8 ks）－
t = 1.8 ks，T = 1123 K
t = 1.8 ks，T = 1173 K
t = 1.8 ks，T = 1223 K
SEM
ｺﾝﾄﾗｽﾄの違い
➮ 元素割合変化
Line analysis
Fe
Fe
Fe
Cr
Cr
Ni
Ni
Ni
Si
Si
B
Si
B
Cr
B
20 µm
7
適用結果 －断面観察（処理時間：7.2 ks）－
t = 7.2 ks，T = 1123 K
t = 7.2 ks，T = 1173 K
t = 7.2 ks，T = 1223 K
SEM
ｺﾝﾄﾗｽﾄの違い
➮ 元素割合変化
Fe
Bの元素分布
Cr
Cr
➮ ステップ状
➮ 化合物層形成
Ni
Ni
Ni
Si
Si
Si
B
B
B
Line analysis
Fe
Cr
Fe
20 µm
8
適用結果
－断面硬度測定（処理時間：1.8 ks）－
t = 1.8 ks，T = 1173 K
t = 1.8 ks，T = 1223 K
Cross-section
hardness
SEM
t = 1.8 ks，T = 1123 K
20 µm
(Load = 25 g)
処理時間・温度の増加
➮ 硬化層厚さが増加：より深い層までほう化が進行
9
適用結果
－断面硬度測定（処理時間：7.2 ks）－
t = 7.2 ks，T = 1173 K
t = 7.2 ks，T = 1223 K
Cross-section
hardness
SEM
t = 7.2 ks，T = 1123 K
20 µm
(Load = 25 g)
処理時間・温度の増加
➮ 硬化層厚さが増加：より深い層までほう化が進行
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適用結果 －摩耗試験方法－
0.5 kgf
Sample
ZrO2 ball
Ball-on-disk type 摩耗試験
・摩耗相手材：ZrO2
・荷 重
：0.5 kgf
・接線速度 ：100 mm/s
・摺動距離 ：2.88 km
摩耗試験後の評価
・摩耗幅と摩耗深さの測定
・摺動部の高倍率観察
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適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：1.8 ks）－
処理温度の増加
➮ 摩耗量が減少
➮ FeB層厚さと摩耗が一致 ＝ FeBが摩耗後、Fe2Bが露出
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適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：7.2 ks）－
処理時間の増加
➮ 摩耗量が増加
➮ Fe2B層領域内で摩耗の進行が抑制
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適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：1.8 ks）－
SEM
t = 1.8 ks，T = 1123 K t = 1.8 ks，T = 1173 K
20 µm
掘り起し・引っかき跡/酸化
100
O
暗いコントラスト領域
0
処理温度の増加
➮ 摩耗量が大幅に減少
➮ アブレシブ摩耗や凝着摩耗
摩耗が進行したFe2Bの領域
（はく離・脱落の痕跡あり）
➮ 疲労摩耗
200 µm
➮ FeBが摩耗後、Fe2Bが露出
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適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：7.2 ks）－
SEM
t = 7.2 ks，T = 1123 K t = 7.2 ks，T = 1173 K
20 µm
暗いコントラスト領域
O
100
酸素(O)が強く検出
(FeBに比べFe2Bは酸化傾向:大)
➮ Fe2Bが露出している領域
淡いコントラスト領域
0
200 µm
はく離している様子が観察
(Fe2Bに比べFeBは脱落:大)
➮ FeBが残存している領域
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適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：7.2 ks）－
t = 7.2 ks，T = 1123 K t = 7.2 ks，T = 1173 K
SEM
淡いコントラスト領域
FeB
Fe2B
FeB が残存している領域
FeB
暗いコントラスト領域
Fe2B
Fe2B が露出している領域
O
100
➮ FeBは“はく離・脱落”しやすい
Fe2B
脱落
残存
耐摩耗性良好
0
処理時間の増加
FeB
200 µm
➮ Fe2Bは耐摩耗性に優れる
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適用結果 －摩耗過程の検討－
FeB
○ 高硬度 × 靭性に欠ける
➮ 疲労摩耗により摩耗
FeB
Fe2B
SUS304
FeB ：より高硬度な表面
Fe2B ：耐摩耗性を有する表面
Fe2B
○ 高硬度 ○ 高靭性
➮ 耐摩耗性に優れる
脱落FeBによりｱﾌﾞﾚｼﾌﾞ摩耗
SUS304
脱落した硬化層による
ｱﾌﾞﾚｼﾌﾞ摩耗と酸化摩耗
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従来技術とその問題点 －金属部材の表面硬化－
めっき
表面硬化処理
コーティング
蒸着
塗装
本発明手法
拡散処理
窒化
イオン注入
熱処理
焼入れ
めっき（〜1000 HV）
△ 排水処理 △ 密着性
△ 硬化層厚さ △ 処理に長時間
△ 一般に十分な硬度ではない
蒸着（〜1000 HV）
△ 薬品・気体 △ 下地処理必要
△ 硬化層厚さ △ 耐摩耗性
△ 処理材との密着性に難点
イオン注入
△ 処理装置が非常に高額
△ 得られる硬化層が非常に浅い
焼入れ（〜800 HV）
△ 部品ごとの焼入れ治具の製作が必要
△ 得られる硬化層が非常に浅い
窒化（〜1200 HV）
△ 処理温度以上で使用すると
硬度低下の可能性：大
△ 処理に長時間 △ 気体
本発明手法（〜2100 HV）
○ 特殊装置不必要 ○ 安価な処理材料
○ 安全・安価 ○ 溶融浴中処理(形状不問)
○ 拡散処理であるため高い耐はく離性
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想定される用途
耐摩耗性
－金属部材の表面硬化－
耐食性
高温硬さ
耐高温酸化
☑ 機械
ギヤ、軸受け、ベアリング、
金型類、カム etc.
☑ 設備
蒸気タービン翼、縫製関連、
液体・気体配管 etc.
☑ 乗り物
自動車部品、ﾌﾞﾚｰｷﾛｰﾀｰ、
ｴﾝｼﾞﾝｼﾘﾝﾀﾞ etc.
☑ 家庭用品
OA機構部品、刃物、ﾄﾞｱﾋﾝｼﾞ、
窓枠等の滑車 etc.
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想定される業界
－金属部材の表面硬化－
電機・精密機械
機械製造
自動車・バイク
素材関連
などの 『表面硬化』 を必要とする企業・研究所
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実用化に向けた課題
SUS304・SUS316・SUS309S・S45Cへの効果は確認済
その他の鋼種への適用は未確認
→ これまでに得られた検証結果が適用可能なのか
他の手法によるほう化処理層は耐食性を有する報告有
本手法によるほう化処理層の耐食性は未確認
→ 耐食性評価（塩水噴霧等）により検証が必要
摩耗相手材： ZrO2（硬質・潤滑なし） は確認済
→ 使用される環境に応じた検証が必要不可欠
処理温度の低温化の検討
→ アルミニウムなどの低融点材料は処理不可
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企業への期待
➣ ステンレス鋼（SUS）以外への適用範囲拡大に向けた
共同研究 ≪表面硬化 ＋ 焼入れ 同時処理 など≫
➣ 他の摩耗相手材や耐食性等、実用化の検討を視野に
企業ニーズに合致した共同研究
➣ 新技術適用の可能性を有した企業ニーズの提供
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本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
発明の名称 ：金属の硬化処理方法
出願番号 ：特願2010-73004
出願人
：群馬大学
発明者
：小山真司、荘司郁夫
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お問い合わせ先
群馬大学ＴＬＯ
ＴＥＬ ０２７７－３０－１１７１〜１１７５
ＦＡＸ ０２７７－３０－１１７８
e-mail ｔｌｏ＠ｍｌ.ｇｕｎｍａ－ｕ.ａｃ.ｊｐ
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