JPH02254149A - 拡散被覆鋼材の製造方法 - 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、耐食性および耐高温酸化性に優れ、連続処理
可能で、かつ拡散浸透処理後の調質用の熱処理が不用な
熱間圧延棒鋼および線材の拡散被覆に関するものである
。

（従来の技術） 粉末パック法に代表される拡散被覆は、鋼材の表面から
各種の元素を拡散させ、鋼の耐摩耗性、耐高温酸化性、
表面硬さなどの優れた性質を付与するとともに、処理装
置自体が非常に簡単なため、近年はガスタービンのブレ
ードや燃焼器、デーゼルエンジンのシリンダーやピスト
ン、その他高温用機械部品の表面処理として幅広い適用
が検討されており、一部実用化に至っている例もある。

一方、従来の粉末バック法では拡散元素の粉末でバック
し、不活性ガス中で長時間熱処理を施し拡散浸透させる
わけだが、このために試料形状の制約を受けたり、処理
時間が非常に長いなどの欠点があった。これに対して、
事前に試料表面を溶融あるいはイスめつき、溶射、塗装
等により拡散元素の被膜層を形成し、その後、拡散浸透
処理を行う方法が開示されている（特公昭５３−２８８
５２号、特公昭５３−１５４５６号、特公昭５４−３３
５６９号、特開昭５７−１９３７１号等の各公報）。

なお、本発明に係る拡散剤の流動化について、特開昭５
０−７２９３３号及び特開昭５３−１１８２３７号公報
の開示があるが、しかし、この両公報とも空気の送風で
流動化された粉末状樹脂の中に該樹脂の溶融温度以上の
１００〜３００℃に加熱した鉄線を通過させ該鉄線表面
に樹脂の被膜層を形成させるものであり、本発明の金属
粉を不活性ガスにより流動化させ、その中を１０００℃
以上に加熱した棒線材を通過させ拡散被覆処理すること
の技術とは全く異なる分野である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前述の方法では処理時間は短縮されるも
のの新たに鋼表面に被膜層を形成する事前処理が必要と
なり、コスト増をもたらし、また一般的な構造用部材で
ある熱間圧延棒鋼や線材といった畏尺物の連続処理が殆
んど困難であるという問題を有している。さらに、最近
は省工程の一環として鋼材の熱間圧延、熱間鍛造及び冷
間鍛造での非調質化が広範な機械部品に適用されている
ものの、拡散処理により鋼材自体が１０００℃という高
温に長時間さらされるため、鋼材自身の強度や靭性とい
った機械的性能は、再度拡散処理した後に焼入れ、焼戻
し等の熱処理によって再調整する必要があり、非調質鋼
への適用も困難であった。

一方、従来の粉末パック法でも事前の被覆処理なしに処
理時間を短縮する方法として、拡散剤中にアルミナ粉等
の緩衝剤を添加し拡散剤の焼結を防止したり、反応促進
のため活性剤として塩化アンモニウムや塩化カルシウム
等を添加する方法等が行なわれている。

しかし、事前の被覆処理を必要とせずに連続的に、中で
も棒鋼や線材といった非常に長い鋼材の連続処理、さら
には非調質タイプの熱間圧延材の連続拡散被覆方法につ
いては、これまで全く検討されてはいなかった。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、拡散剤と鋼材の接触状況と拡散被覆層の
生成速度を調査した結果、振動や流動層により拡散剤を
適宜移動させた場合、拡散被覆層の生成速度が著しく上
昇することを見出した。これは拡散剤が鋼材と接触、焼
結し、その後元素の拡散により、拡散被覆層が形成され
る従来の粉末パック法では、鋼材と拡散剤の粉末との間
の元素濃度が時間とともに縮まり、その結果として被膜
生成速度が遅滞するのに対し、拡散剤を移動させた場合
、鋼材内への拡散がまだ生じてない新しい拡散剤と鋼材
が接触、焼結、拡散そして離脱を適宜繰返すことにより
、常時拡散剤の粉末と鋼材間に大きな元素濃度の差が生
じ、これにより生成速度の遅滞が生じないためである。

さらに、鋼材加熱方法と拡散被覆層の生成状況および鋼
材特性を調査した結果、拡散被覆には鋼材全体を加熱す
ることなしに、鋼材表面のみ高周波誘導加熱により拡散
に必要な温度に加熱することで十分に拡散が進行するを
見出した。また同時に、制御圧延、調整冷却により熱間
圧延のままで非調質鋼として付与した鋼材特性を表層の
加熱では、実用上殆んど問題になるような劣化は無く、
非調質鋼を拡散被覆した後でも材質調整の熱処理が不要
であることがわかった。

こうした知見をもとに、本発明者らは、熱間圧延棒鋼及
び線材の拡散被覆処理において、拡散剤を流動化させる
とともに、高周波誘導加熱により表面のみ加熱すること
によって、本発明を完成した。

本発明はチタン、アルミニウム、クロムのいずれか１種
の金属粉に緩衝剤としてアルミナ粉、活性剤として塩化
アンモニウム、塩化カルシウム等のハロゲン化物のいず
れか一種を配合した粉末状の拡散剤を不活性ガスにより
流動化させるとともに、この中をスケールを除去した棒
鋼あるいは線材を高周波誘導加熱により鋼材表面を加熱
しつつ移動あるいは固定することを特徴とし、棒鋼線材
が非調質である拡散被覆鋼材を提供するものである。

（作　用） 以下に本発明の鋼の各構成成分について説明する。

まず、拡散剤とし、≦は耐食性、耐高温酸化性の優れた
拡散被覆層を形成させるため、チタン、アルミニウム、
クロムのいずれか１種を選択する。

拡散剤からの反応性ガスの発生を高め鋼材表面の拡散層
あるいは被覆層の形成を促進するとともに。

拡散剤と鋼材との接触面積を広げ固相間での元素の拡散
量を増加させるため、拡散剤は粉状にする。

拡散層および被覆層の形成を阻害する現象として拡散剤
の焼結がある。これを防止するため、高温での安定性が
高いアルミナ粉を緩衝剤として用いる。

次に、活性剤について説明する。これは金属粉末に付着
し金属ノ・ロゲン化物蒸気となり、鋼材表面に金属を析
出し、拡散層および被覆層の形成を促進する機能を有す
る。活性剤としては、この機能が強く、コスト、安全性
等に優れる塩化アンモニウムまたは塩化カルシウム等の
ノ・ロゲン化物とし、いずれか一種を添加する。

拡散剤の混合粉末中にスケールを除去した棒鋼あるいは
線材を埋め込む。この場合、鋼材と拡散剤との間にスケ
ール等の障害物が存在すると、拡散層および被覆層の形
成を著しく阻害するとともに被覆層内にスケールが取込
まれ被覆層強度や特性を劣化するために、スケールは鋼
材表面から酸洗、ショットピーニングあるいはローラー
ベンディング等の方法で除去する。

混合粉末である拡散剤を不活性ガスにより流動化させる
が、これは鋼材内への拡散がまだ生じてない新しい拡散
剤と鋼材が接触、焼結、拡散そして離脱を適宜繰返すこ
とにより、常時拡散剤の粉末と鋼材間に大きな元素濃度
の差が生じ、これにより生成速度の遅滞が生じさせない
ためである。

また流動化させるガスは拡散剤の酸化による劣化を抑制
するため、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを
使用する。

さらに、鋼材加熱方法としては高周波誘導加熱による鋼
材表面のみの加熱とする。これは通常の全体加熱では鋼
材の機械的特性、材質等を支配する内質まで変化させる
ため、拡散被覆後、再度調質のための熱処理が必要であ
る。これに対して、高周波による表面加熱では、鋼材表
面のみを拡散に必要な温度に加熱するだけであり、非調
質鋼として付与した鋼材特性の劣化は無い。

（実施例） 以下に本発明の実施例により更に具体的に説明するが、
本発明はその要旨を超えない限り、以下に実施例の限定
されるものでは無い。

本発明の実施例１ Ｓ３０Ｃを直径１０朋の線材に圧延後、熱湯浴中で５０
０℃以下まで冷却（衝風冷却：Ｓｔｅｌｍｏｒでも同様
な効果が期待できる）捲取り、さらにショットピーニン
グにより熱延スケールを除去し、矯直後長さ５００ｍｚ
の試験片に切断した。この時の引張強度は５８ｋｇｆ／
ｘｉ、絞りは７９チであった。次に、チタン粉４０ｍａ
ｓｓ％、ｗ、＃ｔｙアルミナ粉５８ｍａｓｓ％さらに塩
化アンモニウム２　ｍａｓｓ％配合した拡散剤（金属粉
末）を窒素ガスにより流動化させ、この中を試験材をゆ
っくり移動させつつ高周波誘導加熱により表層のみ１１
５０℃に１時間加熱した。放冷後、被膜の厚さを測定す
るとともにＪＩＳ　Ｚ　２３７１による塩水噴霧試験を
１００時間行ない、腐食面積を測定した。測定の結果、
被膜厚さは２５０μｍで、また腐食面積率はゼロと腐食
は全（無かった。また表に示すように拡散被覆前と比べ
引張強さの低下は殆んど無く、また絞りも高く、若干の
伸線強化により５３８ＣＪＰＳ４５Ｃの焼入れ嚇焼戻し
材に匹敵する性能を有し、非調質化可能であることが分
かる。

比較例１ 直径５０ＩＡ黒のＡ１容器中にチタン粉４０ｍａ８８％
、アルミナ粉５８　ｍａｓｓ％さらに塩化アンモニウム
２ｍａｓｓ％配合した拡散剤（実施例１で用いたと同一
のもの）を充填し、この中に５３０Ｃの試験材（実施例
１で用いたと同一のもの）を挿入し、窒素ガス雰囲気中
で蓋し、電気炉により１１５０℃に１時間加熱した。放
冷後、被膜の厚さを測定するとともにＪＩＳ　Ｚ　２３
７１による塩水噴霧試験を１００時間行ない、腐食面積
を測定した。測定の結果、被膜厚さは１００μｍで、腐
食面積率は１００％であった。

さらに引張強さは４６ｋｇｆ／−と著しく低下し、５３
８Ｃや５４５Ｃの焼入れ・焼戻し材に匹敵する性能は得
られず、非調質化は不可能である。

本発明の実施例２ ＳＤ３０Ｂを直径２０ｍの棒鋼に圧延した後、ショット
ビーニングにより熱延スケールを除去し、長さ５００　
＋１１１１の試験片に切断した。次に、アルミニウム粉
６０　ｍａｓａ％、アルミナ粉３８ｍａｓｓ％さらに塩
化アンモニウム２　ｍａｓｓ％配合した拡散剤（金属粉
末）を窒素ガスにより流動化させ、この中を試験材をゆ
っくり移動させつつ高周波誘導加熱により表層のみ１０
００℃に１時間加熱した。放冷後、被膜の厚さを測定す
るとともにＪＩＳ　Ａ６２０５によるコンクリート中の
鉄筋の腐食試験を行ない、腐食面積を測定した。測定の
結果、被膜厚さは２００μｍで、また腐食面積率はゼロ
と腐食は無かった。

比較例２ 直径５０ｍｇのＡｌ容器中にアルミニウム粉６　Ｑｍａ
ａｓ係さらに塩化アンモニウム２　ｍａｓｓ％配合した
拡散剤（実施例２で用いたと同一のもの）を充填し、こ
の中に５Ｄ３０Ｂの試験材（実施例２で用いたと同一の
もの）を挿入し、窒素ガス雰囲気中で蓋し、電気炉によ
り１０００℃に１時間加熱した。放冷後、被膜の厚さを
測定するとともにＪＩＳ　Ａ６２０５によるコンクリー
ト中の鉄筋の腐食試験を行ない、腐食面積を測定した。

測定の結果、被膜厚さは９０μｍで、また腐食面積率は
１５チであった。

本発明の実施例３ ＳＤ　３０　Ｂを直径２０Ｔｎ１Ｌの棒鋼に圧延した後
、ショットピーニングにより熱延スケールを除去し、長
さ５００朋の試験片に切断した。次に、クロム粉６０ｍ
’ａｇｓ係、アルミナ粉３８ｍａｓｓ％さらに塩化カル
シウム２ｒｌａｓｓ％配合した拡散剤（金属粉末）を窒
素ガスにより流動化させ、この中を試験材を移動させつ
つ高周波誘導加熱により表層のみ１０５０℃に１時間加
熱した。放冷後、被膜の厚さを測定するとともにＪＩＳ
　Ａ６２０５によるコンクリート中の鉄筋の腐食試験を
行ない、腐食面積を測定した。測定の結果、被膜厚さは
１５０１１ｍで、また腐食面積率はゼロと腐食は無かっ
た。

比較例３ 直径５０１ＩｌｌＫのＡＩＪ器中にクロム粉６０ｍａａ
ｓ％、アルミナ粉２８ｍａｓｓ％さらに塩化カルシウム
２　ｍａｓｓ％配合した拡散剤（実施例３で用いたと同
一のもの）を充填し、この中ＫＳＤ３０Ｂの試験材（実
施例３で用いたと同一のもの）を挿入し、窒素ガス雰囲
気中で蓋し、電気炉により１０５０　℃に１時間加熱し
た。放冷後、被膜の厚さ測定をするとともにＪＩＳ　Ａ
　６２０５によるコンクリート中の鉄筋の腐食試験を行
ない、腐食面積を測定した。測定の結果、被膜厚さは７
０μｍで、また腐食面積率は１０％であった。

なお、以上の本発明の実施例および比較例の結果をまと
め末尾の表に示した。

（発明の効果） したがって、本発明法により、これまで従来法では処理
できなかった棒鋼や線材等の長尺物が、しかも連続的に
処理できるため、製造コストを大幅に低減できると同時
に生産性を高めることが可能であり、また非調質鋼化し
た棒鋼、線材を拡散被覆処理を行っても何ら影響はなく
、再熱処理による調整は全く不要であるなど作業性、コ
スト、品質上の優れた効果を発揮するものであり、その
産業上の効果は極めて顕著なものがある。

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Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタン、アルミニウム、クロムのいずれか１種の
   金属粉に緩衝剤としてアルミナ粉、活性剤として塩化ア
   ンモニウム、塩化カルシウム等のハロゲン化物のいずれ
   か一種を配合した粉末状の拡散剤を不活性ガスにより流
   動化させるとともに、この中をスケールを除去した棒鋼
   あるいは線材を高周波誘導加熱により鋼材表面を加熱し
   つつ、拡散被覆することを特徴とする拡散被覆鋼材の製
   造方法。
2. （２）棒鋼、線材が非調質鋼である請求項１記載の拡散
   被覆鋼材の製造方法。