(57)【要約】本発明は、パーライトを鉄含有物品から製造する方法に関する。該方法は、（ａ）少なくとも５０重量％の鉄を含む鉄含有物品を、前記鉄の少なくとも一部分がフェライト構造からオーステナイト構造に転換されるのに十分な時間および温度で加熱する工程、（ｂ）前記オーステナイト構造を、炭素が前記オーステナイト構造中に拡散されるのに十分な時間および約７２７〜約９００℃の温度で、炭素過飽和環境に曝露する工程、および（ｃ）前記鉄含有物品を冷却して、連続パーライト構造を形成する工程を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
パーライトを鉄含有物品から製造する方法であって、該方法は、（ａ）少なくとも５０重量％の鉄を含む鉄含有物品を、前記物品の少なくとも一部分がフェライト構造からオーステナイト構造に転換されるのに十分な時間および温度で加熱する工程、（ｂ）前記オーステナイト構造を、炭素が前記オーステナイト構造中に拡散されるのに十分な時間、および約７２７〜約９００℃の温度で、炭素過飽和環境に曝露する工程、および（ｃ）前記鉄含有物品を冷却して、連続パーライト構造を形成する工程を含む、方法。
【請求項２】
前記鉄含有物品が、さらに、ケイ素、マンガン、およびこれらの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記炭素過飽和環境が、ＣＯ、ＣＨ４、炭化水素ガス、Ｃ３Ｈ８、およびこれらの混合物からなるガスの群から選択され、また水素、酸素、窒素，一酸化炭素、および水を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭素過飽和環境が、ＣＯ／Ｈ２ガス環境である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ＣＯ／Ｈ２ガス環境が、前記炭素過飽和環境として選択され、その際一酸化炭素中の水素含有量は、約２．５容量％〜約９０容量％の範囲である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
炭素がオーステナイト構造中に拡散されるのに十分な前記時間が、約１分〜約５０時間の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
パーライトの前記厚さが、少なくとも約１０ミクロンである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
一酸化炭素中の前記水素含有量が、約１０容量％〜約６０容量％の範囲である、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パーライトを鉄含有物品から反応熱処理によって製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼は、比較的安価であることから、石油化学工業において大いに有用である。クロム合金化は、炭素鋼の耐腐食性を向上することで知られているが、クロムは、高価な元素である。したがって、耐腐食性が、高価な合金化なしに達成されるであろう取り組みが、望まれる。
【０００３】
パーライトは、鋼の微細構造の構成成分である。これは、フェライト（体心立方晶鉄）およびセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）の交互層からなる。パーライトの微細構造は、特に、例えば、有機酸による腐食などのある種の型の酸腐食に対して耐性がある。したがって、パーライトは、高価なクロム合金化の手近な代替物である。しかし、パーライトの強度特性の点で、パーライトが少なくとも０．７７％の炭素を含む炭素鋼から製造されることから、多くの用途に対してバルク構造物質としてのその使用が限定される。
【０００４】
したがって、技術的に必要とされるものは、パーライトを、鉄含有物品から製造する方法である。その際、該方法は、当該物品の機械特性を保全する。
【０００５】
【非特許文献１】Ｊ．Ｒ．デーヴィス編「ＡＳＭ特殊製品ハンドブック、炭素および合金鋼」（第３６６頁、１９９６年、ＡＳＭインターナショナル）［ＡＳＭ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｃａｒｂｏｎ  ａｎｄ  Ａｌｌｏｙ  Ｓｔｅｅｌｓ，Ｅｄ．，ｂｙ  Ｊ．Ｒ．Ｄａｖｉｓ，ｐ．３６６（１９９６）ＡＳＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ］
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、パーライトを鉄含有物品から製造する方法に関する。該方法は、（ａ）少なくとも５０重量％の鉄を含む鉄含有物品を、該鉄の少なくとも一部分がフェライト構造からオーステナイト構造に転換されるのに十分な時間および温度で加熱する工程、（ｂ）該オーステナイト構造を、炭素が該オーステナイト構造中に拡散されるのに十分な時間および約７２７〜約９００℃の温度で、炭素過飽和環境に曝露する工程、および（ｃ）該鉄含有物品を冷却して、連続パーライト構造を形成する工程を含む。
【０００７】
炭素過飽和環境は、本明細書では、炭素の熱力学的活性が１より大きい環境として定義される。ＣＯが、最も強い炭素移動分子であり、また一酸化炭素中に水素が存在することにより、炭素の移動が促進される傾向があることは周知である。以下の反応により、炭素質環境から金属表面への炭素の移動が伴うであろう。
ＣＯ＋Ｈ２＝Ｃ＋Ｈ２Ｏ        ［１］
２ＣＯ＝Ｃ＋ＣＯ２          ［２］
ＣＨ４＝Ｃ＋２Ｈ２            ［３］
【０００８】
反応［１］は、最も早い動力学である。したがって、ＣＯ−Ｈ２ガス混合物は、好ましいガス混合物であり、炭素過飽和環境として用いられる。一酸化炭素中の典型的な水素含有量は、約２．５容量％〜約９０容量％、好ましくは約１０容量％〜約６０容量％の範囲であろう。
【０００９】
本発明で用いられる当該鉄物品は、いかなる炭素も含む必要がない。パーライト構造を形成する炭素が、当該鉄物品が曝露される環境からもたらされれば十分である。
【００１０】
本発明により、オーステナイトは、連続パーライト層に転換される。図４に示されるように、転換のための好ましい温度範囲は、約７２７〜約９００℃である。この温度超では、パーライト相は、その連続性を失い、腐食防止性をもたらさないであろう。
【００１１】
フェライト鉄をオーステナイト鉄に転換するための時間および温度は、技術的に周知である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、鉄がオーステナイト状態に転換された鉄含有物品を、炭素過飽和ガス環境に曝露する工程、および次いで当該物品を冷却して、パーライトの連続層を得る工程を含む。オーステナイトからパーライトへの転換を達成するのに好ましい温度範囲を、図４に示す。炭素過飽和環境の好ましい組成は、図３の平坦域に対応する。この範囲においては、反応時間は、パーライトの特定の厚さを得るのに比較的短く、したがってこの範囲のガス組成は、経済的により魅力的である。連続パーライトの種々の厚さを達成する反応時間は、図２を参照して決定することができる。
【００１３】
本方法は、連続パーライトのいかなる厚さをも得るのに用いることができる。また、鉄含有物品をパーライトに完全に転換するのに用いることもできる。したがって、本発明におけるパーライトの製造は、容易に制御されて、パーライトの連続層が調製されるか、または当該物品中に含まれる全ての鉄が連続パーライト構造に転換されることが可能である。したがって、パーライト構造は、作用された当該鉄物品の表面上のパーライトの連続層か、または完全に転換されたパーライト物品であることが可能である。パーライト層の厚さは、炭素過飽和環境、温度、および曝露時間によって制御することができる。これらの曝露時間は、図２に示されるように、当業者によって容易に決定される。
【００１４】
図３には、７７５℃で１時間の反応熱処理後に純鉄上に形成された表面パーライトの厚さ変化の結果が、炭素過飽和ガス混合物の組成の関数として示される。表面パーライトの最大厚さは、ＣＯ−Ｈ２ガス混合物の特定の範囲で得られた。一酸化炭素中の典型的な水素含有量は、約２．５容量％〜約９０容量％、好ましくは約１０容量％〜約６０容量％の範囲であろう。
【００１５】
パーライト層の厚さは、所望のいかなる厚さも可能である。必要なのは、指定された温度で、炭素過飽和ガス環境に対する曝露時間を変えることだけである。比較的薄い層については、曝露時間は比較的少なく、比較的厚い層については、曝露時間は比較的長いものであろう。典型的な曝露時間は、約１分〜約５０時間、好ましくは約５分〜約２５時間、最も好ましくは約１０分〜約１０時間の範囲であることができる。したがって、曝露時間および温度は、工程（ｃ）にしたがって、パーライトの所望の厚さを形成するのに必要なものであろう。所望ならば、鉄含有物品全体がパーライトに転換されるであろうということに注意することが重要である。その場合には、当該物品の厚さは所望の厚さであろう。
【００１６】
典型的な層または構造の厚さは、したがって、少なくとも約１０ミクロンから作用される当該鉄物品の厚さまで、好ましくは約１０から約１０００ミクロンまで、より好ましくは約１０から約５００ミクロンまでの範囲であろう。
【００１７】
鉄含有物品を、フェライト結晶構造からオーステナイト結晶構造に転換する場合には、必要なのは、当該物品が加熱されることだけである。当業者は、これらの結晶構造の転換を達成するのに必要な時間および温度を、任意の出版されたＦｅ−Ｃ状態図をも参照することによって、容易に決定することができる（例えば、（非特許文献１）を参照されたい）。
【００１８】
冷却工程（ｃ）は、形成されたパーライトのラメラ間隔を決定するであろう。パーライトの所望の粗さまたはラメラ間隔のための冷却速度は、パーライトの形成温度、冷却速度、および鉄含有物品の組成を考慮して、当業者によって容易に決定される。
【００１９】
作用される鉄含有物品は、少なくとも約５０重量％の鉄を含むであろう。当該物品は、完全に鉄から構成されることもある。当該物品に含まれる炭素の量は、０．７７重量％未満で、０重量％まで下がる範囲であることが可能である。したがって、本発明により、当業者は、０．７７重量％以上の炭素を含む炭素鋼よりかなり良好な機械特性を有するパーライトを、鉄含有物品から調製することが可能となる。鉄含有物品は、さらに、他の成分を含むであろう。これには、限定されることなく、クロム、ケイ素、およびマンガンが含まれる。本発明に必要なのは、作用される当該物品が少なくとも約５０重量％の鉄を含むことだけである。
【００２０】
さらに、フェライトと組合せてパーライト量を既に有する当該物品は、本発明にしたがって、フェライトがパーライトに転換される。
【００２１】
鉄含有物品が曝露される炭素過飽和環境は、いかなる炭素過飽和環境でもある。過飽和環境における熱力学的炭素の活性は、１より大きい。適切な環境の例としては、限定されることなく、ＣＯ、ＣＨ４、またはプロパン（Ｃ３Ｈ８）などの他の炭化水素ガス、およびこれらの混合物を含み、またＨ２、Ｏ２、Ｎ２、ＣＯ２、およびＨ２Ｏを有する。
【００２２】
本発明により、当業者は、０．７７重量％以上の炭素を含む炭素鋼のものよりはるかに優れた耐腐食性および機械特性の両方を有する鋼を製造することが可能となる。これは、鋼の機械特性が、炭素含有量が減少するにつれて向上するからである。本発明においては、炭素過飽和環境から鉄含有物品中に拡散される炭素の総量が、パーライトを製造するのに利用される。パーライトに転換されない鉄含有物品の一部分は、変化されず、本発明の処理以前に有した機械特性を保持する。したがって、例えば、所望の厚さのパーライト層を形成するのに必要な炭素の総量が、鉄含有物品中に拡散され、よってパーライトが形成されることが可能である。当該物品の残留する非パーライト部分の機械特性は、変化されないであろう。
【００２３】
次の実施例は、例証であり、いかなる意味においても限定されることを意味しない。
【実施例】
【００２４】
実施例１：
純度９９．９９％の鉄を、垂直の石英反応管において、水素環境中で７７５℃の温度に加熱し、その温度で約５分間保持する。その後、環境を、５０％ＣＯ−５０％Ｈ２に切替える。曝露１時間後に、金属試料を、石英反応管を取巻く炉を下げることによって冷却する。試料が室温に達した後、表面の微細構造を、走査型電子顕微鏡によって検査する。図１ａは、厚さ１００ミクロンのパーライトの表面層が、鉄の表面上に形成されたことを示す。パーライトの微細構造の拡大図（フェライトおよびセメンタイトの交互層を示す）を、図１ｂに示す。炭素過飽和ガス環境に対する曝露時間を変化することによって、パーライト層の厚さは、変化されるであろう。これを、図２にグラフによって示す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）は、５０％ＣＯ：５０％Ｈ２の環境中で、７７５℃で１時間反応熱処理した後の純鉄上の表面パーライト構造を示す走査型電子顕微鏡写真を表す。（ｂ）は、フェライト（Ｆｅ）およびセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）を示す拡大された表面領域を表す走査型電子顕微鏡写真を表す。これは、凡そ平行なラメラまたは小板として形成して、複合ラメラ二相構造が製造される。この走査型電子顕微鏡写真においては、セメンタイトラメラは、明るく見え、またフェライトは、窪んで見える。何故ならば、それは、セメンタイトより深く腐食されたからである。これらの図面は、パーライト表面を有する最終製品を示し、これは、本発明にしたがって製造される。
【図２】本発明の方法によって形成された表面パーライトの厚さの変化を、５０％ＣＯ：５０％Ｈ２、同様に９７．５％ＣＯ：２．５％Ｈ２の環境中で、７７５℃における反応時間の関数として表す。
【図３】本発明の方法によって形成された表面パーライトの厚さの変化を、１時間、７７５℃におけるＣＯ中のＨ２含有量の関数として表す。
【図４】本発明の方法によって形成された表面パーライトの厚さの変化を、５０％ＣＯ：５０％Ｈ２の環境中１時間における温度の関数として表す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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