(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に収容された鉄鋼材からなる基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
前記基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記基材より硬く化学反応がしにくい拡散促進粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記基材内部に当該金属粒子を構成する成分が拡散した金属拡散層を形成する噴射工程と、
前記基材を冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする金属拡散層製造方法。
【請求項２】
チャンバ内に収容された鉄鋼材からなる基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
前記基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記基材より硬く当該基材に拡散する性質を有する拡散促進粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記金属粒子を構成する成分と前記拡散促進粒子を構成する成分とが拡散した金属拡散層を形成する噴射工程と、
前記基材を冷却する冷却工程と、
前記基材を焼きなまして当該基材の表面近傍に前記金属粒子を構成する成分と前記拡散促進粒子を構成する成分とからなる化合物を形成する焼きなまし工程とを備えていることを特徴とする金属拡散層製造方法。
【請求項３】
前記金属粒子はクロム材で、前記投射材における重量割合が２５〜５０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属拡散層製造方法。
【請求項４】
前記拡散促進粒子は、ＳＫＨ５９鋼であることを特徴とする請求項１に記載の金属拡散層製造方法。
【請求項５】
前記拡散促進粒子は、Ｓｉ材であることを特徴とする請求項２に記載の金属拡散層製造方法。
【請求項６】
前記噴射工程と前記冷却工程との間に、温度を少なくとも６０秒間の一定に維持する温度保持工程を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属拡散層製造方法。
【請求項７】
チャンバ内に収容された鉄鋼材からなる基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
前記基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内で前記基材より硬い前記基材に拡散する性質を有する拡散促進金属粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記金属粒子を構成する成分を含む金属拡散層を形成する噴射工程と、
前記基材を冷却する冷却工程と、
前記基材を焼きなまして当該基材の表面近傍に前記金属粒子を構成する成分と前記拡散促進金属粒子を構成する成分とからなる化合物を形成する焼きなまし工程とを備えていることを特徴とする金属拡散層製造方法。
【請求項８】
鉄鋼材からなる基材と、
当該基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子を構成する成分と、当該基材より硬く当該基材に拡散する性質を有する拡散促進金属粒子を構成する成分とが拡散した金属拡散層と、当該金属粒子を構成する成分と当該拡散促進金属粒子を構成する成分とからなる化合物とを当該基材の表面に備えることを特徴とする鉄鋼材。
【請求項９】
鉄鋼材からなる基材と、
当該基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子を構成する成分と、当該基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内で当該基材より硬く当該基材に拡散する性質を有する拡散促進金属粒子を構成する成分とが混合した金属拡散層と、当該金属粒子を構成する成分と当該拡散促進金属粒子を構成する成分とからなる化合物とを当該基材の表面に備えることを特徴とする鉄鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材等の金属材からなる基材を誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する金属拡散層製造方法及び鉄鋼材に関し、特に耐腐食性を向上させることができる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材等の金属材からなる基材に投射材を噴射して表面処理を施す方法として、目的に応じて種々の手法が知られている。例えば、投射材の消耗率をほとんど増大させずに清浄化・粗面化（表面清掃）効率を向上させるため、金属系粒子（大小２つの混合粒子）を投射する技術（例えば、特許文献１参照）、異なるサイズの粒子を混合したものを投射して、二段ショットピーニングと同等でより効果的な疲労強度向上の効果を得る技術（例えば、特許文献２参照）、焼結部品の表面に，固体潤滑剤粒子と硬質粒子との混合粒子を用いたショットピーニングを施し，硬質粒子の衝突エネルギにより固体潤滑剤を焼結部品に存在する空孔に十分に浸透させる技術（例えば、特許文献３参照）、酸化還元電位が異なる２種類の金属粉末が混合された投射材を鋼製の母材表面にショットピーニングして被膜を形成する技術（例えば、特許文献４）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５３６６１号公報
【特許文献２】特開２０００−５２２４８号公報
【特許文献３】特開２００４−２５５５２２号公報
【特許文献４】特開２００８−１９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した基材の表面処理方法では、次のような問題があった。すなわち、耐腐食性を向上させるためには、投射圧力、粒子供給量、投射時間、投射後の高温保持時間（以下、「保持時間」と称する）、投射材料の種類やその組合せ等の諸条件が複雑に関連するため、最適な処理条件が得られていなかった。
【０００５】
そこで本発明は、ショットピーニングにおける最適な処理条件によって鉄鋼材からなる基材の耐腐食性を向上させることができる金属拡散層製造方法及び鉄鋼材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の金属拡散層製造方法及び鉄鋼材は次のように構成されている。
【０００７】
本発明に係る金属拡散層製造方法は、チャンバ内に収容された鉄鋼材からなる基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法であって、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記基材より硬く前記基材に対して化学反応がしにくい拡散促進粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記基材内部に当該金属粒子を構成する成分が拡散した金属拡散層を形成する噴射工程と、前記基材を冷却する冷却工程とを備えている。
【０００８】
本発明に係る金属拡散層製造方法は、チャンバ内に収容された鉄鋼材からなる基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法であって、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記基材より硬く前記基材に拡散する性質を有する拡散促進粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記金属粒子を構成する成分と前記拡散促進粒子を構成する成分とが拡散した金属拡散層を形成する噴射工程と、前記基材を冷却する冷却工程と、前記基材を焼きなまして当該基材の表面近傍に前記金属粒子を構成する成分と前記拡散促進粒子を構成する成分とからなる化合物を形成する焼きなまし工程とを備えている。
【０００９】
本発明に係る金属拡散層製造方法は、チャンバ内に収容された鉄鋼材からなる基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法であって、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記基材を構成する鉄と原子半径との差が１５％以内の金属粒子と、前記基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内で前記基材より硬い前記基材に拡散する性質を有する拡散促進金属粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記金属粒子を構成する成分と前記拡散促進金属粒子を構成する成分とが拡散した金属拡散層を形成する噴射工程と、前記基材を冷却する冷却工程と、前記基材を焼きなまして当該基材の表面近傍に前記金属粒子を構成する成分と前記拡散促進金属粒子を構成する成分とからなる化合物を形成する焼きなまし工程とを備えている。
【００１０】
本発明に係る鉄鋼材は、鉄鋼材からなる基材と、当該基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子を構成する成分と当該基材より硬く当該基材に拡散する性質を有する拡散促進金属粒子を構成する成分とが拡散した金属拡散層と、当該金属粒子を構成する成分と当該拡散促進金属粒子を構成する成分とからなる化合物とを当該基材の表面に備える。
【００１１】
本発明に係る鉄鋼材は、鉄鋼材からなる基材と、当該基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内の金属粒子を構成する成分と当該基材を構成する鉄との原子半径の差が１５％以内で当該基材より硬く当該基材に拡散する性質を有する拡散促進金属粒子を構成する成分とが混合した金属拡散層と、当該金属粒子を構成する成分と当該拡散促進金属粒子を構成する成分とからなる化合物とを当該基材の表面に備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ショットピーニングにおける最適な処理条件によって基材の耐腐食性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る金属拡散層製造方法により金属材を製造する表面処理装置の構成を示す説明図。
【図２】同表面処理装置における時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図３】同表面処理装置において処理された基材の分極試験に基づく、参照電極との間の電位と電流密度との関係を示す図。
【図４Ａ】同表面処理装置において処理された基材の電子顕微鏡写真、クロムマッピング、鉄マッピングを示す説明図。
【図４Ｂ】同表面処理装置において処理された基材の電子顕微鏡写真、クロムマッピング、鉄マッピングを示す説明図。
【図５】同表面処理装置において処理された被処理物の分極試験に基づく、参照電極との間の電位と電流密度の関係を示す図。
【図６】技術例に係る金属拡散層製造方法により金属材を製造する同表面処理装置における時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図７】同表面処理装置における処理条件を示す説明図。
【図８】同表面処理装置において処理された被処理物の分極試験に基づく、参照電極との間の電位と電流密度との関係を示す図。
【図９】同表面処理装置において処理された被処理物の分極試験に基づく、参照電極との間の電位と電流密度との関係を示す図。
【図１０】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面を模式的に示す説明図。
【図１１】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面を模式的に示す説明図。
【図１２】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面を模式的に示す説明図。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る金属拡散層製造方法により金属材を製造する表面処理装置１００における時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図１４】同表面処理装置１００における時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図１５】同表面処理装置において処理された焼きなまし前の基材表面の光学顕微鏡による組織観察断面図。
【図１６】同表面処理装置において処理された焼きなまし後の基材表面の光学顕微鏡による組織観察断面図。
【図１７】Ｃｒ−Ｓｉ−Ｆｅの３元素状態図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る表面処理方法を実施する表面処理装置１００の概略構成を示す断面図である。表面処理装置１００は、基材Ｗを誘導加熱しつつ投射材Ｐを噴射して表面処理する装置である。ここで、基材Ｗとしては、鉄鋼材等の金属材を対象としている。一方、投射材Ｐとしては、例えば鉄、クロム、アルミニウム等の金属、あるいはクロム−ニッケルや炭化タングステン−コバルト等の合金、アルミナやシリカ、ジルコニア等のセラミックスである金属酸化物、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックスである金属を含有する金属化合物、シリコン等、及びこれらの組合せが例示できる。また、投射材としては、例えば平均粒径が数μｍ〜数百μｍに調整されたものが利用される。
【００１５】
図１に示すように、表面処理装置１００は、気密に形成されたチャンバ１１０を備えている。チャンバ１１０内には、基材Ｗを載置する支持台１２０と、この支持台１２０の周囲に設けられた誘導加熱コイル１３０と、支持台１２０に向けて投射材又は不活性ガスを噴射する噴射ノズル（投射材噴射部）１４０とが設けられている。
【００１６】
支持台１２０には、基材Ｗの表面温度を測定する温度センサ１２１が設けられている。温度センサ１２１の出力は制御部３００に接続されている。
【００１７】
誘導加熱コイル１３０は、チャンバ１１０外に設けられた高周波印加装置２００に接続され、所定の周波数の高周波電流が印加される。
【００１８】
チャンバ１１０内には、噴射ノズル１４０が設けられ、支持台１２０に向けられたノズル１４１を備えている。噴射ノズル１４０には、電磁弁１４２を介してアルゴンガス（不活性ガス）を供給するガスボンベ１６０及び流量弁・圧力調整弁１６１に接続されている。流量弁・圧力調整弁１６１では、アルゴンガスを吸引式の噴射圧で例えば、０．４ＭＰａ以上となるように制御する。
【００１９】
流量弁・圧力調整弁１６１は、さらに粒子フィーダ１５０に接続されたフィーダライン１５１に接続されている。フィーダライン１５１には粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４が設けられ、噴射ノズル１４０に投射材Ｐが供給されている。
【００２０】
高周波印加装置２００は、単一、あるいは複数の周波数の高周波電流を誘導加熱コイル１３０に印加し、基材Ｗを誘導加熱する。
【００２１】
図１中３００は、表面処理装置１００の各部を制御する制御部を示している。制御部３００は、作業者の設定、予め設定されたプログラム、センサ出力等の情報に基づいて、高周波印加装置２００、電磁弁１４２、粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４、基材Ｗの加熱、投射材Ｐの噴射速度・噴射量、アルゴンガスの噴射・噴射タイミング等を調整する。
【００２２】
制御部３００による制御の一例として、制御部３００による制御の一例として、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させ、その後にノズル１４１から投射材を投射圧力０．４ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、その後、ノズル１４１からアルゴンガスのみを噴射させて基材Ｗを冷却させるように制御を行う。
【００２３】
本実施の形態における制御部３００による制御の一例として、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させ、その後にノズル１４１から投射材を投射圧力０．４ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、その後、ノズル１４１からアルゴンガスのみを噴射させて基材Ｗを冷却させるように制御を行う。
【００２４】
このように構成された表面処理装置１００は、次のようにして動作する。なお、図２には基材Ｗの表面の温度変化を示している。なお、基材ＷとしてはＳ４５Ｃ材、投射材Ｐとしては、クロム（金属粒子）とＳＫＨ５９鋼の混合材を用いた。基材Ｗを構成する鉄とクロムは、原子半径の差が１５％以内であるため、クロムは鉄の中に拡散する性質を有している。また、ＳＫＨ５９鋼は基材Ｗより硬く、かつ、不活性であり、クロムが基材Ｗ中へ拡散することを促進する性質を有する粒子（拡散促進粒子）である。
【００２５】
最初に、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させる。
【００２６】
次に、ノズル１４１から投射材Ｐを投射圧力０．４ＭＰａ、所定の粒子供給量、投射時間３０秒だけ基材Ｗに向けて投射させてショットピーニング処理（ＳＰ）を行う（噴射工程）。このとき、温度センサ１２１の出力が９００℃に保持されるように、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。投射材Ｐの噴射（ＳＰ）により、投射材Ｐが基材Ｗの表面に衝突する。次に、ノズル１４１からアルゴンガスのみを基材Ｗに噴射して冷却を行う（冷却工程）。
【００２７】
なお、投射材Ｐについては、クロム材とＳＫＨ５９鋼との混合比率を、クロム材の比率を１０％（Ｃｒ１０），１５％（Ｃｒ１５），２０％（Ｃｒ２０），２５％（Ｃｒ２５），５０％（Ｃｒ５０），７５％（Ｃｒ７５），１００％（Ｃｒ１００）と変えて、耐腐食性を比較した。図３は処理された基材Ｗの分極試験に基づく、参照電極との間の電位と電流密度との関係を示す図である。測定条件は環境２５℃、電解液が３％ＮａＣｌ水溶液、対極が白金電極、参照電極が飽和カロメル電極である。ここで電流密度が最も低くなる電位が自然電位である。
【００２８】
耐腐食性が向上するのは、自然電位が高く（貴である）、かつ、電流密度が一定となる傾向がある（不動態領域が大きい）ものとなる。したがって、図３に示すように、クロム材の比率が２５％及び５０％のものが耐腐食性に優れることが判る。これに対し、クロム材の比率が１０％〜２０％のものは、耐腐食性については劣っている。
【００２９】
上述したように、本実施の形態に係る表面処理装置１００において、投射材としてクロム材とＳＫＨ５９鋼との混合材を用いたショットピーニングにより基材Ｗの耐腐食性を高めるためには、クロム材の比率を２５〜５０％としたものが最適であることが判る。これは、クロムとＳ４５Ｃよりも硬いＳＫＨ５９鋼が同時に噴射されることで，クロムの基材Ｗ内部への拡散を促進するためである。また、不活性の金属材であり基材Ｗとの化学反応を抑制することができる。
【００３０】
このようにして、基材Ｗの表面にクロムと基材Ｗとが混合したクロム拡散層（金属拡散層）が形成された金属材が得られる。
【００３１】
なお、図４Ａは、Ｃｒ１００、Ｃｒ７５、Ｃｒ５０、Ｃｒ２５における電子顕微鏡写真、クロムマッピング、鉄マッピングを示している。この図４Ａからわかるように、Ｃｒ５０及びＣｒ２５はクロム拡散層が一定以上の厚みをもって形成されており、耐腐食性の向上に寄与している。
【００３２】
これに対し、図４Ｂは、Ｃｒ１０、Ｃｒ１５、Ｃｒ２０における電子顕微鏡写真、クロムマッピング、鉄マッピングを示している。この図４Ｂからわかるように、Ｃｒ１０、Ｃｒ１５、Ｃｒ２０についてもクロム拡散層が一定以上の厚みをもって形成されるが、耐腐食性の向上に寄与していない。
【００３３】
さらに、噴射工程と冷却工程との間に、温度を少なくとも６０秒間の一定に維持する温度保持工程を設定するようにしてもよい。この温度保持工程を設定することで、よりクロム拡散層の厚さが大きくなる。
【００３４】
図５は、ＳＫＨ５９鋼の代わりに、基材Ｗ中へ拡散し、かつ、それを促進する性質を有する拡散促進金属粒子として、Ｓｉ粒子を用いた場合の、参照電極との間の電位と電流密度との関係を示す図である。この時のクロムの重量割合は５０％である。この時、ショットピーニング後に、焼なましを施すことにより、さらに耐腐食性が向上することが、判る。
【００３５】
このように、Ｓｉ粒子を用いた場合であっても、自然電位が高く、かつ、不動態領域が大きくなり、耐腐食性に優れることが判る。
【００３６】
図６は技術例に係る表面処理方法を実施する表面処理装置１００における時間と温度変化との関係を示す説明図である。なお、表面処理装置１００の構成は上述したものと同様であり、詳細な説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００３７】
なお、制御部３００による制御の一例として、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させ、その後にノズル１４１から投射材を所定の投射圧力、所定の粒子供給量、所定の投射時間だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、所定の保持時間の間を維持した後、ノズル１４１からアルゴンガスのみを噴射させて基材Ｗを冷却させるように制御を行う。
【００３８】
このように構成された表面処理装置１００は、次のようにして動作する。なお、被処理材ＷとしてＳ４５Ｃ鋼、投射材はクロム材を用いた。図６に示すように、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させる。
【００３９】
次に、ノズル１４１から投射材Ｐを所定の投射圧力、所定の粒子供給量、所定の投射時間だけ基材Ｗに向けて投射させてショットピーニング処理（ＳＰ）を行う。このとき、温度センサ１２１の出力が９００℃に保持されるように、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。投射材Ｐの噴射（ＳＰ）により、投射材Ｐが基材Ｗの表面に衝突する。次に、所定の保持時間の間を維持し、ノズル１４１からアルゴンガスのみを基材Ｗに噴射して冷却を行う。
【００４０】
なお、投射圧力、粒子供給量、投射時間、保持時間については、実験計画法により、処理条件を設定した。具体的には、図７に示すように、試験片Ｓ１〜Ｓ８において、投射圧力を０．３ＭＰａと０．５ＭＰａ、粒子供給量を０．２ｇ／秒と０．８ｇ／秒、投射時間を３０秒と９０秒、保持時間を０秒と６０秒とし、表面Ｏ元素濃度、表面Ｃｒ元素濃度、改質層厚さの変化について調べた。
【００４１】
これにより、投射時間を短くすることで酸化反応を抑制可能、保持時間を長くすることにより，拡散が促進され、投射圧力が高く、粒子供給量が少ないほど、改質層厚さは増加（拡散を促進）することが判った。
【００４２】
一方、各処理条件下において、基材Ｗの分極試験を行った。この分極試験の結果、図８，９に示すように、参照電極との間の電位と電流密度との関係が判る。耐腐食性が向上するのは、自然電位が高く、かつ、不動態領域が大きい試験片Ｓ５のみであるから、投射圧力を０．５ＭＰａ、粒子供給量を０．２ｇ／秒、投射時間を３０秒、保持時間を６０秒とすることが最適であることが判る。
【００４３】
なお、図１０〜図１２は、表面処理された基材Ｗの表面を模式的に示す説明図である。図１０に示すように、試験片Ｓ１は基材Ｗの表面にクロム材が移着する。図１１に示すように、試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は、クロム材が移着するとともに、一部が拡散する。また、図１２に示すように、試験片Ｓ３，Ｓ５は、クロム材の移着層は無く、拡散している。
【００４４】
上述したように、本技術例に係る表面処理装置１００において、ショットピーニングにより基材Ｗの耐腐食性を高めるためには、投射材の投射時間を短くし、保持時間を長くし、投射圧力を高くし、粒子供給量を少なくすることで、改質層厚さが増加させることが良いことが判る。また、具体的な値としては、投射圧力を０．５ＭＰａ、粒子供給量を０．２ｇ／ｓ、投射時間を３０秒、保持時間を６０秒とすることが最適であることが判る。
【００４５】
図１３及び図１４は本発明の第２の実施の形態に係る表面処理方法を実施する表面処理装置１００における時間と温度変化との関係を示す説明図である。なお、表面処理装置１００の構成は上述したものと同様であり、詳細な説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００４６】
本実施の形態における制御部３００による制御の一例として、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させ、その後にノズル１４１から投射材を投射圧力０．４ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、その後、ノズル１４１からアルゴンガスのみを噴射させて基材Ｗを冷却させるように制御を行う。その後、５００〜６００℃で焼きなましを行う。
【００４７】
このように構成された表面処理装置１００は、次のようにして動作する。なお、基材ＷとしてはＳ４５Ｃ材、投射材Ｐとしては、クロム（金属粒子）とＳｉの混合材を用いた。基材Ｗを構成する鉄とクロムは、原子半径の差が１５％以内であるため、クロムは鉄の中に拡散する性質を有している。また，Ｓｉは基材Ｗ中へ拡散し、かつそれを促進する性質を有する粒子（拡散促進金属粒子）である。
【００４８】
最初に、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させる。
【００４９】
次に、ノズル１４１から投射材Ｐを投射圧力０．４ＭＰａ、所定の粒子供給量０．２ｇ／秒、投射時間３０秒だけ基材Ｗに向けて投射させてショットピーニング処理（ＳＰ）を行う（噴射工程）。このとき、温度センサ１２１の出力が９００℃に保持されるように、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。投射材Ｐの噴射（ＳＰ）により、投射材Ｐが基材Ｗの表面に衝突する。次に、ノズル１４１からアルゴンガスのみを基材Ｗに噴射して冷却を行う（冷却工程）。
【００５０】
次に、図１４に示すように、焼きなまし処理を行う。このとき、焼きなまし温度は６００℃、焼きなまし時間は１時間程度が好ましい。
【００５１】
図１５は焼きなまし前の基材Ｗ表面の光学顕微鏡による組織観察断面図である。クロム及びＳｉの拡散層Ｋができていることがわかる。図１６は焼きなまし後の基材Ｗ表面の光学顕微鏡による組織観察断面図である。拡散層Ｋの厚さが増加するとともに、その表面近傍に多数の針状の析出物Ｄができていることがわかる。
【００５２】
ここで、図１５の拡散層Ｋについて、元素分析を行う。図１５におけるＰｏｉｎｔ１，２，３の元素濃度割合を図１７のＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系の三元系状態図に当てはめると、Ｄ０３＋Ｃｒ３Ｓｉの領域にそれぞれ位置し、Ｃｒ３Ｓｉが形成されることがわかる。これに対し、Ｐｏｉｎｔ４の元素割合の場合には，Ａ２＋Ｄ０３の領域に位置し、Ｃｒ３Ｓｉは形成されないことがわかる。
【００５３】
この結果と図１６の観察結果を併せて考えると、表面近傍に認められた針状の析出物Ｄは、Ｃｒ３Ｓｉであるものと考えられる。Ｐｏｉｎｔ３の位置よりも内部（基材側）でＣｒ３Ｓｉが形成されなかったのは、６００℃での焼なましにおいて、Ｃｒ３Ｓｉを形成できる条件を満たしていなかったからである。なお、Ｃｒ３Ｓｉ（シリサイド）は耐酸化性があり、腐食に強い。
【００５４】
上述したように、本実施の形態に係る表面処理装置１００において、投射材としてクロム材とＳｉとの混合材を用いたショットピーニングにより基材Ｗの耐腐食性を高めるためには、ショットピーニングの後、焼きなまし工程を加えることが良い。
【００５５】
このようにして、基材Ｗの表面にクロムとＳｉとが混合したクロム拡散層（金属拡散層）及びシリサイドが形成された金属材が得られる。
【００５６】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］チャンバ内に収容された基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記基材と原子半径の差が１５％以内の金属粒子と前記基材より硬く、かつ、拡散促進粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記金属材を含む金属拡散層を形成する噴射工程と、前記基材を冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする金属拡散層製造方法。
［２］前記金属粒子はクロム材で、前記投射材における重量割合が２５〜５０％であることを特徴とする［１］に記載の金属拡散層製造方法。
［３］前記拡散促進粒子は、不活性であることを特徴とする［１］に記載の金属拡散層製造方法。
［４］前記拡散促進粒子は、ＳＫＨ５９鋼であることを特徴とする［３］に記載の金属拡散層製造方法。
［５］前記拡散促進粒子は、前記基材内に拡散する性質を有することを特徴とする［１］に記載の金属拡散層製造方法。
［６］前記拡散促進粒子は、Ｓｉ材であることを特徴とする［５］に記載の金属拡散層製造方法。
［７］前記噴射工程と前記冷却工程との間に、温度を少なくとも６０秒間の一定に維持する温度保持工程を有していることを特徴とする［２］に記載の金属拡散層製造方法。
［８］チャンバ内に収容された基材の表面に金属拡散層を形成する金属拡散層製造方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記基材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記金属粒子と前記基材と原子半径の差が１５％以内、かつ、前記基材より硬い拡散促進金属粒子とを混合した投射材を前記基材表面に噴射して前記金属粒子を含む金属拡散層を形成する噴射工程と、前記基材を焼きなます焼きなまし工程と、前記基材を冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする金属拡散層製造方法。
［９］基材と、この基材の表面に前記基材と原子半径の差が１５％以内の金属粒子が拡散した金属拡散層とを備えていることを特徴とする金属材。
［１０］基材と、前記基材と原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記基材と原子半径の差が１５％以内、かつ、前記基材より硬い拡散促進金属粒子とが混合した金属拡散層とを備えていることを特徴とする金属材。
【符号の説明】
【００５７】
１００…表面処理装置、１１０…チャンバ、１２０…支持台、１２１…温度センサ、１３０…誘導加熱コイル、１４０…噴射ノズル、１４２…電磁弁、１５０…粒子フィーダ、１５１…フィーダライン、１５２〜１５４…粒子フィーダ調整弁、１６０…ガスボンベ、１６１…流量弁・圧力調整弁、２００…高周波印加装置、３００…制御部、Ｗ…基材、Ｐ…投射材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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