(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼の基材と、その表面に形成された窒化層と、さらに前記窒化層の上に形成された酸化層とから構成される複合材料であり、酸化層側の表面粗度（Ｒａ）が２〜５０μｍである、溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示すことを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の耐侵食性複合材料において、酸化層の厚さが１〜７μｍであることを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の記載の耐浸食性複合材料において、酸化層中のＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率が５０〜５７原子％であることを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項４】
オーステナイト系ステンレス鋼の基材と、その表面に形成された窒化層と、さらに前記窒化層の上に形成された酸化層とから構成される複合材料であり、酸化層の厚さが１〜７μｍである、溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示すことを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項５】
請求項４に記載の耐浸食性複合材料において、酸化層中のＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率が５０〜５７原子％であることを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項６】
オーステナイト系ステンレス鋼の基材と、その表面に形成された窒化層と、さらに前記窒化層の上に形成された酸化層とから構成される複合材料であり、酸化層中のＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率が５０〜５７原子％である、溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示すことを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の耐浸食性複合材料において、窒化層に窒化クロムが形成されていることを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の耐浸食性複合材料において、窒化層の厚さが２０〜１００μｍであることを特徴とする耐浸食性複合材料。
【請求項９】
溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示す耐浸食性複合材料の製造方法において、減圧雰囲気下におけるアンモニアと活性窒素を含む窒化促進ガスを利用したガス窒化処理によって、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に窒化層を形成する工程、及び、該窒化層の表面を酸化して酸化層を形成する工程を含む製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の耐浸食性複合材料の製造方法において、ガス窒化処理の前に、オーステナイト系ステンレス鋼の表面を粗面化する工程をさらに含むことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い溶融温度を有するＰｂフリーはんだ材料にも浸食されない金属材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、はんだ材料としては、ＳｎＰｂといった（Ｐｂ）鉛系のものが一般的に使用されていたが、近年は、環境規制の強化により人体等に有害なＰｂを含まない材料（Ｐｂフリーはんだ材料）への転換が求められている。
そこで、ＳｎＡｇＣｕのようなＰｂフリーはんだ材料が用いられているが、ＳｎＰｂの溶融温度は１８０〜２２０℃程度なのに対し、ＳｎＡｇＣｕなどのＰｂフリーはんだ材料の溶融温度は２２０〜２８０℃程度と高い。
【０００３】
はんだ槽のるつぼのみでなく、チェーン、爪、ヒータ保護管などのはんだ材料に接触する部材の構成材料としては、耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が従来から用いられている。
しかしながら、この２２０〜２８０℃という高温では、Ｐｂフリーの溶融はんだ材料が活性化されてオーステナイト系ステンレス鋼への浸食を進行させ、その寿命を短くしてしまうという問題が生じている。
そのため、２２０〜２８０℃という高温でもはんだ材料に浸食されないチタン（Ｔｉ）材が、部材の材料として用いられるようになってきたが、チタン材は非常に高価であり、Ｐｂフリーはんだ材料を用いるフローはんだ付け装置等の価格が高くなってしまうことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記現状に鑑み、本発明者らは、高い溶融温度で溶融されたＳｎＡｇＣｕなどのＰｂフリーの溶融はんだ材料と高温で長時間接触していても浸食が進まず、且つ、安価な材料を開発することを課題とした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行い、本願出願人が開発した特殊なガス窒化処理方法の一種であるカナック処理を、オーステナイト系ステンレス鋼に施して、その表面にＦｅが含まれる窒化層を形成し、さらにその窒化層の表面を酸化して窒化層の上に酸化層を形成することにより、高温の溶融はんだ材料による浸食を劇的に防止することができることを見出し、本発明に到達した。
【０００６】
請求項１の発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の基材と、その表面に形成された窒化層と、さらに前記窒化層の上に形成された酸化層とから構成される複合材料であり、酸化層側の表面粗度（Ｒａ）が２〜５０μｍである、溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示すことを特徴とする耐浸食性複合材料である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の耐侵食性複合材料において、酸化層の厚さが１〜７μｍであることを特徴とする耐浸食性複合材料である。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の記載の耐浸食性複合材料において、酸化層中のＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率が５０〜５７原子％であることを特徴とする耐浸食性複合材料である。
【０００７】
請求項４の発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の基材と、その表面に形成された窒化層と、さらに前記窒化層の上に形成された酸化層とから構成される複合材料であり、酸化層の厚さが１〜７μｍである、溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示すことを特徴とする耐浸食性複合材料である。
請求項５の発明は、請求項４に記載の耐浸食性複合材料において、酸化層中のＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率が５０〜５７原子％であることを特徴とする耐浸食性複合材料である。
【０００８】
請求項６の発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の基材と、その表面に形成された窒化層と、さらに前記窒化層の上に形成された酸化層とから構成される複合材料であり、酸化層中のＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率が５０〜５７原子％である、溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示すことを特徴とする耐浸食性複合材料である。
【０００９】
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の耐浸食性複合材料において、窒化層に窒化クロムが形成されていることを特徴とする耐浸食性複合材料である。
【００１０】
請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の耐浸食性複合材料において、窒化層の厚さが２０〜１００μｍであることを特徴とする耐浸食性複合材料である。
【００１３】
請求項９の発明は、溶融はんだ材料に対して耐浸食性を示す耐浸食性複合材料の製造方法において、減圧雰囲気下におけるアンモニアと活性窒素を含む窒化促進ガスを利用したガス窒化処理によって、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に窒化層を形成する工程、及び、該窒化層の表面を酸化して酸化層を形成する工程を含む製造方法である。
【００１４】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の耐浸食性複合材料の製造方法において、ガス窒化処理の前に、オーステナイト系ステンレス鋼の表面を粗面化する工程をさらに含むことを特徴とする製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の複合材料は、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に窒化層を有し、さらにその上に酸化層を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明において基材として用いるオーステナイト系ステンレス鋼は、従来から耐食性材料として使用されてきたものであり、例えば、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ２０２、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０３Ｓｅ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０４Ｎ１、ＳＵＳ３０４Ｎ２、ＳＵＳ３０４ＬＮ、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３０９Ｓ及びＳＵＳ３１０ＳなどのＪＩＳ規格品を挙げることができるが、これらに限定されることはない。
【００１７】
オーステナイト系ステンレス鋼の表面に存在する窒化層は、後述する最表層である酸化層に対する溶融はんだ材料の衝撃を緩衝するために形成されたものである。
その厚さは、好ましくは２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜１００μｍの範囲である。この範囲内であれば、緩衝効果を安定して発揮できる。
【００１８】
窒化層の上に存在する酸化層は、溶融はんだ材料の浸食をブロック（阻止）するために形成されたものである。
酸化層は、窒化層に含まれるＦｅが酸化されて形成される、ＦｅiＯjで示される酸化鉄からなる多孔質層である。ここで、酸化層中のＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率は、好ましくは５０〜５７原子％である。Ｏ（酸素）の原子％が５７原子％を超えると、層強度が弱くなり易く、一方、Ｏの原子％が５０重量％未満では、所望のブロック効果が発揮され難いからだである。
酸化層の厚さは、好ましくは１〜７μｍである。酸化層の厚さが１μｍより薄いと、はんだ材料による浸食に対するブロック効果が不十分となり、７μｍを超えると、脆い化合物層が形成される可能性が高くなるため好ましくない。
【００１９】
本発明の複合材料は、酸化層側の表面、すなわち最表面が平滑でなく凸凹状に粗面化されていることが好ましい。溶融はんだ材料と直接接触する最表層の酸化層が粗面化されていることによって、微細な凹部に溶融はんだ材料が入り込みにくくなり、結果として、粗面化されていない場合よりも材料が浸食されにくくなり、寿命がそれだけ長くなる。
最表面を粗面化する方法については後述する。表面粗度（Ｒａ）は、酸化層と溶融はんだ材料の濡れ性特性から、好ましくは２〜５０μｍ程度であるが、最適な粗度は、るつぼの加熱温度、はんだ材料の組成、溶融はんだ材料の流動条件等によって適宜決定すべきである。
なお、表面粗度（Ｒａ）は、金属組織の断面の顕微鏡写真に基づいて測定したものである。
【００２０】
本発明の複合材料は、上記のような構成を有しており、フローはんだ付け装置における、溶融温度の高いはんだ材料と接触する部材（はんだるつぼの他、プリント基板搬送用のチェーン、爪等の溶融はんだ材料と接触する附属部品を含む）を構成する材料として好適である。
【００２１】
次に、本発明に係る複合材料の製造方法の一例について説明する。
本発明の方法において、窒化層の形成は、本願出願人が開発した「カナック処理」と称するガス窒化処理の一種を用いることが好ましい。カナック処理とは、減圧炉中で、４８０〜５５０℃に加熱しながら、炉内にアンモニアと活性窒素を含む窒化促進ガス（Ｎ2＋ＮＨ3＋Ｏ2＋Ｎ-）を導入して３〜１０時間処理して被処理物の内部へ窒素を拡散浸透させる方法である。
【００２２】
カナック処理の原理は、高度の真空中における窒化促進ガス（Ｎ2＋ＮＨ3＋Ｏ2＋Ｎ-）中の活性窒素（Ｎ-）の運動エネルギーによる拡散効果により、鋼中のＣｒが窒化源としてのアンモニアと反応してＣｒＮが生成されるというものである。
なお、窒化促進ガス中、Ｎ2は窒化反応安定のために含まれており、Ｏ2は特殊酸化物形成のために含まれている。
なお、カナック処理は、これまでは主に、ステンレス鋼を含む種々の鋼の表面硬化処理に用いられてきた技術である。
【００２３】
従来の窒化処理方法（例えば、ガス軟、塩浴、プラズマ窒化など）では、本発明で必要とする厚さの窒化層を形成しようとすると、酸化層を形成するのに必要な未化合状態のＦｅ量が減少し、Ｆｅ2-3Ｎ、ＦｅＯ4、Ｆｅ4Ｎなどが多くなり、その上に所望の厚さのＦｅiＯjからなる酸化層の形成が困難になる場合が有る。逆に所望の厚さの酸化層を形成するのに必要な未化合状態のＦｅ量を残存させるために薄く窒化層を形成すると、窒化層によるはんだ材料に対する緩衝効果が不十分となる場合が有り、窒化層の厚さと残存Ｆｅ量のバランスをとることが難しい。これに対し、カナック処理によれば、所望の厚さの窒化層を形成しても所望の厚さの酸化層を形成するのに必要な量の未化合状態のＦｅが残存するので、窒化層の厚さと残存Ｆｅ量とのバランスに配慮する必要がなく、より容易に所望の窒化層を形成することができるので好ましい。
【００２４】
なお、カナック処理は、被処理物にほとんど歪みが生じず、再仕上げ加工が不要であり、複雑な形状物（例えば、細孔の内面など）であっても均一に窒化層を形成でき、また、硬化表面の溶接が容易にでき、割れ、ピンホールなどが発生しないという特徴を有している。
【００２５】
酸化層（ＦｅiＯj層）の形成は、窒化層を有するオーステナイト系ステンレス鋼を、酸化性ガス雰囲気で加熱して行う。好ましくは、空気雰囲気中４００〜５５０℃の温度で０．５〜８時間加熱することにより行う。
【００２６】
次に、酸化層の表面が粗面化された本発明の複合材料を製造するための粗面化処理について説明する。
酸化層の表面を粗面化するには、基材のオーステナイト系ステンレス鋼の表面を粗面化した後、窒化処理及び酸化処理を行う。このようにすることより、酸化層の表面が基材表面の粗さに追従して粗くなり、粗面化された酸化層が得られる。
なお、酸化層は厚さが通常１〜７μｍと極めて薄く、また多孔質であるため、酸化層を形成してから酸化層そのものを粗面化することは実際上不可能である。
【００２７】
最表層の表面粗度（Ｒａ）は２〜５０μｍの範囲であることが好ましい。基材の表面粗度（Ｒａ）の値より最表層の表面粗度（Ｒａ）は小さくなるので、最表層の所望の表面粗度から逆算して、基材の表面粗度を調整する。
【００２８】
基材表面を粗面化するには、酸処理（酸洗い）、ガラスビーズ、カーボランダム等によるショットピーニング、プレス等によるテンプル加工、エンボス加工及びシボ加工などを用いることができる。
ショットピーニングに用いるガラスビーズ、カーボランダム等の粒子は、１００〜４００メッシュ篩粒子であることが好ましい。
【００２９】
本発明の方法によれば、溶融温度の高いＰｂフリーはんだ材料と接触するフローはんだ付け装置等のはんだるつぼなどの部品が、高温の溶融はんだ材料によって浸食されるのを防止でき、且つ、Ｔｉ材に比べて安価なオーステナイト系ステンレス鋼を基材とする金属材料を得ることができる。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例、試験例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例、試験例になんら限定されるものではない。
【００３１】
（比較例１）
基材として、ＳＵＳ３０４のオーステナイト系ステンレス鋼（断面の金属組織写真を図１に示す）を用い、炉内温度を５００℃に保持しながら、アンモニアガスを導入し厚さが６０μｍの窒化層を形成した。その上に酸化層の形成を試みたが、酸化層は形成できなかった。
得られた窒化層のみを有する複合材料の断面の金属組織写真を図２に示す。図中、下の白層は基材を示し、上の少し白みがかった黒層は窒化層を示す。
【００３２】
（実施例）
基材として、ＳＵＳ３０４のオーステナイト系ステンレス鋼を用い、下記のガス窒化処理及び酸化処理を行った。
（１）粗面化処理
ショットピーニングによる粗面化処理を行い、基材を粗面化した。
（２）ガス窒化処理（カナック処理）
試験片を減圧炉内に配置し、炉内温度を５００℃、圧力を１０-3ｍｍＨｇに保持しながら、アンモニア２０〜４０容量％、水素５〜１５容量％、酸素２〜８容量％、残部が窒素からなり、窒素の一部（３０原子％）がＮ-の形態で存在する混合ガスを導入し、８時間にわたって処理して厚さが６０μｍの窒化層を形成した。
（３）酸化処理
その後、試験片を空気中で、５３０℃の温度で３時間にわたって処理して厚さが１μｍの酸化層を形成した。
【００３３】
得られた複合材料の断面の金属組織写真を図３に示す。
元素分析の結果、得られた複合材料におけるＦｅiＯjにおけるｊ／（ｉ＋ｊ）の酸素比率は５５原子％であった。
なお、酸化層の表面粗度（Ｒａ）は２μｍであった。
図中、下の白層は基材を示し、中間の少し白みがかった黒層は窒化層を示し、上の極薄層は酸化層を示す。
【００３４】
（比較例２）
基材として、ＳＵＳ３０４のオーステナイト系ステンレス鋼を用い、炉内温度を５００℃に保持しながら、アンモニアガスを導入し厚さが４０μｍの窒化層を形成した。その上に酸化層の形成を試みたが、酸化層は形成できなかった。
【００３５】
（試験例）溶損試験
ＳＵＳ３０４オーステナイト系ステンレス鋼、上記比較例１で製造した同鋼表面に通常の窒化処理によって窒化層を形成した複合材料、及び上記実施例で製造した本発明の複合材料を用いて、Ｐｂフリーはんだ材料（ＳｎＡｇＣｕ；Ｓｎ９２％、Ａｇ１％、Ｃｕ７％）による溶損試験を行った。
上記各材料と溶融はんだ材料を、温度２８０℃で１００時間接触させた後、各材料の断面の金属組織写真を撮影した。溶損試験の結果を示す写真を図４〜６に示す。
【００３６】
図４〜６を比較観察すると、オーステナイト系ステンレス鋼（図４）では、高温はんだ材料と接触していた面の浸食がかなり進んでいることがわかる。比較例１で製造した窒化層のみが形成された複合材料（図５）では、浸食が進行し始めていることがわかる。これらに対し、実施例で製造した本発明の複合材料（図６）では、浸食は殆ど見られない
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化層が溶融はんだ材料による浸食のブロック層として機能し、窒化層が浸食はんだ材料に対する緩衝効果を発揮し、これら２層が合わさって高温のＰｂフリーはんだ材料によるオーステナイト系ステンレス鋼基材の浸食を劇的に防止することができる。
本発明の複合材料の製造方法によれば、溶融温度が高いＰｂフリーはんだ材料によっても浸食されない、チタン材に比べて安価なオーステナイト系ステンレス鋼を基材とする金属材料を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各実施例、比較例において基材として用いたＳＵＳ３０４オーステナイト系ステンレス鋼の断面の金属組織を示す写真である。
【図２】ＳＵＳ３０４オーステナイト系ステンレス鋼の表面に通常の窒化処理によって窒化層のみが形成された複合材料（比較例１）の断面の金属組織を示す写真である。
【図３】粗面化したＳＵＳ３０４オーステナイト系ステンレス鋼の表面の上にカナック処理によって窒化層を形成し、さらにその上に酸化層を形成した本発明の複合材料（実施例）の断面の金属組織を示す写真である。
【図４】溶損試験後のＳＵＳ３０４オーステナイト系ステンレス鋼の断面の金属組織を示す写真である。
【図５】溶損試験後の通常のガス窒化処理によって窒化層のみが形成された複合材料（比較例１）の断面の金属組織を示す写真である。
【図６】溶損試験後の本発明の複合材料（実施例）の断面の金属組織を示す写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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