(57)【要約】【課題】ステンレス鋼製の筒体であっても内面部側でクロム窒化物の発生を抑制して耐食性を向上させることができる耐食性付与方法を提供する。【解決手段】ステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法として、ステンレス鋼製の筒体を窒素ガス雰囲気中で加熱してステンレス鋼に窒素を吸収させた後、ガス冷却してオーステナイト化する窒素吸収工程と、窒素吸収工程を経た筒体を窒素ガス雰囲気中で再加熱した後、急冷する窒素固溶工程と、を含む。【選択図】図２
2015014022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼製の筒体を窒素ガス雰囲気中で加熱して前記ステンレス鋼に窒素を吸収させた後、ガス冷却してオーステナイト化する窒素吸収工程と、
前記窒素吸収工程を経た前記筒体を窒素ガス雰囲気中で再加熱した後、急冷する窒素固溶工程と、を含むことを特徴とするステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステンレス鋼について耐食性を高める耐食性付与方法として、フェライトステンレス鋼を加熱炉内において１１００〜１２５０℃の窒素ガス雰囲気中で加熱し、該フェライトステンレス鋼に窒素を吸収させる窒素吸収工程を行った後、急冷して該フェライトステンレス鋼の一部または全部をオーステナイト化する工程を含む方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
こうした耐食性付与方法で製造されたステンレス鋼は、例えば高耐食性が要求される固体高分子燃料電池のセパレータに用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９２４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のステンレス鋼の耐食性付与方法では、例えば固体高分子燃料電池のセパレータのような板状部材に対しては有効であるが、例えば車両に搭載される排気系部品のような中空形状（例えば箱型状など）の筒体に対しては、上述の窒素吸収工程を適用すると、筒体の内面部側と外面部側とで冷却速度に差が生じてしまう。特に、筒体の内面部側は、外面部側に対して冷却速度が遅いため、クロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ、ＣｒＮ）が形成され、耐食性を悪化させるおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、ステンレス鋼製の筒体であっても内面部側でクロム窒化物の発生を抑制して耐食性を向上させることができる耐食性付与方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法は、上記目的達成のため、（１）ステンレス鋼製の筒体を窒素ガス雰囲気中で加熱して前記ステンレス鋼に窒素を吸収させた後、ガス冷却してオーステナイト化する窒素吸収工程と、前記窒素吸収工程を経た前記筒体を窒素ガス雰囲気中で再加熱した後、急冷する窒素固溶工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法によれば、窒素吸収工程の後に、オーステナイト化された筒体を窒素ガス雰囲気中で再加熱した後、急冷する窒素固溶工程を行うので、同工程の再加熱により筒体の内面部側で発生したクロム窒化物を再固溶させ、同工程の急冷により高濃度窒素固溶層を得ることができる。これにより、窒素吸収工程の後に窒素固溶工程を実施することで、ステンレス鋼製の筒体であっても内面部側でクロム窒化物の発生を抑制して耐食性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ステンレス鋼製の筒体であっても内面部側でクロム窒化物の発生を抑制して耐食性を向上させることができる耐食性付与方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係るステンレス鋼製の筒体の耐食性付与処理を示す図であって、（ａ）は窒素吸収工程、（ｂ）は窒素固溶工程を示す。
【図２】本発明の実施の形態に係る耐食性付与処理のヒートサイクルを示すグラフであって、（ａ）は窒素吸収工程のヒートサイクル、（ｂ）は窒素固溶工程のヒートサイクルを示す。
【図３】本発明の実施の形態に係る筒体の内面部の組織変化を示す図であって、（ａ）は窒素吸収工程後の内面部組織、（ｂ）は窒素固溶工程後の内面部組織を示す。
【図４】従来の窒素吸収処理の概要を示す図であって、（ａ）はその窒素吸収処理の処理工程を示す図であり、（ｂ）はその窒素吸収処理のヒートサイクルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
本実施の形態に係る耐食性付与処理が施されるステンレス鋼製の筒体としては、例えば車両等に搭載される排気系部品等が挙げられ、特に凝縮水に対する耐食性が要求されるＥＧＲクーラなどの排気系部品が挙げられる。ここで、筒体とは、少なくとも一部に開口端を有するものである。また、上述の筒体には、例えば円筒形状以外に角筒形状（例えば箱型形状）が含まれる。
【００１３】
本実施の形態では、筒体の素材となるステンレス鋼材として、耐食性に優れたステンレス鋼材（例えばＳＵＳ４４７Ｊ１等）を用いている。具体的には、化学成分組成（単位：質量％）として、例えば下記（１）〜（３）を含み、残部を鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなるものを用いることができる。
（１）クロム（Ｃｒ）を１５．０％〜３０．０％
（２）モリブデン（Ｍｏ）を０．０％〜４．０％
（３）窒素（Ｎ）は０．４％〜２．０％
【００１４】
なお、窒素（Ｎ）は、処理時に添加される。また、上記フェライトステンレス鋼としては、必要に応じてマンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）を上記（１）〜（３）に加えて含有させてもよい。
【００１５】
次に、図１〜図３を参照して、上述のフェライトステンレス鋼を素材として加工された筒体の耐食性付与処理について説明する。
【００１６】
図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る耐食性付与処理は、窒素吸収工程と窒素固溶工程とから構成されている。
【００１７】
窒素吸収工程では、図１（ａ）に示すように、炉１において多数個の筒体２を同時に処理するバッチ処理が用いられる。ここで、炉１は、ステンレス鋼製の筒体２を例えば５０〜４００ｋＰａに加圧された窒素ガス（Ｎ２）雰囲気中で加熱してステンレス鋼に窒素を吸収させる窒素吸収処理を行う加熱室３と、加熱室３で窒素が吸収されたステンレス鋼を加圧された窒素ガス（Ｎ２）によってガス冷却してオーステナイト化するガス冷却処理を行う冷却室４とを、少なくとも備えている。
【００１８】
したがって、窒素吸収工程では、まず炉１内において複数個の筒体２が加熱室３に投入され、加熱室３内が例えば５０〜４００ｋＰａに加圧された窒素ガス（Ｎ２）で充満される。次いで、加熱室３に投入された複数個の筒体２に対して、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気中で図示しない加熱装置により所定温度（例えば、１１００℃〜１２６０℃の範囲）まで加熱させる窒素吸収処理を行う。この窒素吸収処理によって、各筒体２のステンレス鋼がオーステナイト化される。その後、加熱室３内において昇温された複数個の筒体２を、一定時間（例えば、３０ｍｉｎ〜７２０ｍｉｎ）、所定温度で均熱保持する。これにより、各筒体２のステンレス鋼に対して窒素（Ｎ）を吸収させる。
【００１９】
その後、窒素吸収工程では、均熱保持された状態で一定時間が経過すると、加熱室３と冷却室４との間の断熱扉（図示せず）を開き、図示しない搬送手段によって複数個の筒体２を加熱室３から冷却室４に搬送する。複数個の筒体２が冷却室４に搬送されると、断熱扉を閉じ、冷却室４内に例えば６００ｋＰａに加圧された窒素ガス（Ｎ２）を吹き込み、所定の冷却速度（例えば、６℃／ｓｅｃ）で例えば室温程度までガス冷却するガス冷却処理を行う。
【００２０】
ガス冷却用の冷却ガスとしては、各種の不活性ガスを用いることができる。本実施の形態では、冷却ガスとして窒素ガス（Ｎ２）を用いることとした。また、本実施の形態では、これら２つの処理（窒素吸収処理、ガス冷却処理）により窒素吸収工程が構成されている。
【００２１】
ここで、窒素吸収工程における筒体２の内面部側の組織変化について、図２（ａ）に示すヒートサイクルと併せて説明する。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、まず筒体２を所定温度まで昇温させる際には、筒体２の内面部側および外面部側の組織は、ともにフェライト（α）相である。その後、筒体２の内面部側および外面部側の組織は、ともに窒素吸収処理の昇温に伴いフェライト（α）相からオーステナイト（γ）相に変態する。そして、所定温度で均熱保持されている間（一定時間）、筒体２の内面部側および外面部側の組織は、オーステナイト（γ）相に維持される。ここで、前述の一定時間は、必要とする深さのオーステナイト（γ）相が得られるよう、例えば、３０ｍｉｎ〜７２０ｍｉｎの範囲で調整される。なお、窒素固溶工程でオーステナイト（γ）相、かつクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）を形成しない範囲のＮ濃度が確保されるので、必ずしも均熱時点でオーステナイト（γ）相となっていなくともよい。
【００２３】
その後、筒体２の内面部側および外面部側の組織は、ガス冷却処理においてオーステナイト（γ）相を維持するよう、ガス冷却される。このとき、筒体２の内面部側と外面部側とでは、その冷却速度に差が生じる。特に、図２（ａ）中、実線で示す筒体２の内面部側は、図２（ａ）中、破線で示す外面部側に比べて冷却速度が遅い。筒体２のような内部空間を有する部材は、内面部側に冷却ガスが廻り込み難い上に、輻射熱も存在するため、外面部側と比べて冷却速度が遅くなってしまう。例えば、筒体２がＥＧＲクーラなどである場合には、クーラ内面部側にフィンが取り付けられていたりして複雑な形状をしているため、特に冷却速度が遅くなってしまう。
【００２４】
このため、冷却速度の遅い筒体２の内面部側の組織は、ガス冷却処理の過程においてオーステナイト（γ）相から、フェライト（α）相とオーステナイト（γ）相との２相状態に、クロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ、ＣｒＮ：以下、Ｃｒ２Ｎのみ表記する）が生成された状態（γ→α＋γ＋Ｃｒ２Ｎ）となる。すなわち、筒体２の内面部側の組織は、図３（ａ）に示すように、クロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）といった化合物（図３（ａ）中、黒色部で示す）が形成された組織状態となる。なお、冷却速度が速ければ組織は凍結され、オーステナイト（γ）相が維持される。
【００２５】
こうした窒素吸収工程は従来から行われているが、筒体２のように内面部側の冷却速度が遅いもの対しては窒素吸収工程だけでは上述のようにクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が生成されてしまい、このクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が耐食性を低下させる原因となってしまう。
【００２６】
また、こうした耐食性の悪化を抑制する方法としては、例えば窒素吸収工程の冷却処理において、図４（ａ）に示すようなガス冷却に代えて冷却液による水冷あるいは油冷を用いることも考えられる。
【００２７】
しかし、このような水冷あるいは油冷を用いても、窒素吸収処理後の複数の筒体を冷却室に搬送する間は、水冷あるいは油冷による冷却はまだ行われていないが、一定の冷却速度で冷却される。この搬送中の冷却速度は、著しく遅い。したがって、均熱保持後、水冷あるいは油冷による冷却が開始されるまでの間（搬送中）に、筒体のステンレス鋼に固溶した窒素（Ｎ）が抜けてしまうとともに、温度低下により窒素固溶限が減少しＣｒ２Ｎが生成されてしまう。なお、窒素（Ｎ）が抜けるのは、固溶窒素（Ｎ）のエネルギは化合物ほど安定的ではなく、移動しやすいため、高温下（例えば搬送中は温度低下が生じるものの依然高温である）では、ステンレス鋼内部に拡散するとともに表面から外部に抜ける性質があるからである。
【００２８】
このように、窒素吸収工程の冷却処理において水冷あるいは油冷を用いた場合であっても、やはりクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が生成されてしまい、このクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が耐食性を低下させる原因となってしまう。
【００２９】
そこで、本実施の形態では、上述のようなクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）を含まない耐食性に優れた筒体２を得るために、窒素吸収工程の後に、以下に説明する窒素固溶工程を新たに追加した。
【００３０】
この窒素固溶工程では、図１（ｂ）に示すように、冷却装置５内において１個の筒体２に対して処理を行う１個処理が用いられる。ここで、冷却装置５は、高周波加熱装置６と、冷却ジャケット７とを含んで構成されている。また、冷却装置５は、高周波加熱装置６により筒体２が加熱される際には装置内部が例えば５０〜４００ｋＰａに加圧された窒素ガス（Ｎ２）で満たされるよう、つまりＮ２雰囲気となるよう構成されている。例えば、冷却装置５は、図示しない真空ポンプで装置内部を減圧して装置内部の空気をパージした後に加圧された窒素ガス（Ｎ２）を装置内部に流通させ、Ｎ２雰囲気とする。
【００３１】
高周波加熱装置６は、誘導加熱現象を利用して加熱を行うものである。具体的には、高周波加熱装置６は、誘導コイル６ａに交流電流を通電して交流磁場を発生させ、発生した交流磁場内に配置した被発熱体（筒体２）に交流電流を発生させ、その交流電流によって被発熱体を発熱させるものである。この高周波加熱装置６を用いることで、筒体２を所定温度（例えば、１１００℃〜１２６０℃）まで急速加熱することが可能となる。なお、筒体２を加熱する装置としては、高周波加熱装置６に限らず、急速加熱が可能であればその他の装置を用いてもよい。
【００３２】
冷却ジャケット７は、冷却液を冷却装置５内に噴射するための複数の噴射孔（図示せず）を有しており、この複数の噴射孔から冷却液を噴射することで、高周波加熱装置６によって急速加熱された筒体２を例えば室内温度程度まで急冷するようになっている。
【００３３】
このように構成された冷却装置５において、上述の窒素固溶工程が行われる。具体的には、窒素固溶工程に先立ち、まずは前述した窒素吸収工程を経た複数の筒体２のうちの１つが冷却装置５内部の誘導コイル６ａの内側に配置される。その後、冷却装置５内部をＮ２雰囲気とする。
【００３４】
次いで、冷却装置５内部に配置された筒体２をＮ２雰囲気中で高周波加熱装置６によって再加熱した後、冷却ジャケット７によって急冷する窒素固溶工程が行われる。具体的には、窒素固溶工程では、筒体２を高周波加熱装置６によって所定温度（例えば、１１００℃〜１２６０℃）まで急速加熱する。その度、冷却装置５内において急速加熱された筒体２を、一定時間（例えば、１ｍｉｎ〜１５ｍｉｎ）、所定温度（例えば、１１００℃〜１２６０℃）で均熱保持する。ここで、前述の一定時間は、例えば１ｍｉｎ〜１５ｍｉｎの範囲で、窒素吸収工程で形成されたクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）を固溶するために必要な時間以上とされる。
【００３５】
その後、窒素固溶工程では、均熱保持される一定時間が経過すると、均熱保持されていた筒体２が冷却ジャケット７によって所定の冷却速度（例えば、５０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度）で例えば室内温度程度まで急冷される。これにより、一連の窒素固溶工程が終了する。
【００３６】
ここで、窒素固溶工程における筒体２の内面部側の組織変化について、図２（ｂ）に示すヒートサイクルと併せて説明する。
【００３７】
図２（ｂ）に示すように、まず窒素吸収工程を経た筒体２を所定温度まで急速加熱する際には、筒体２の内面部側の組織は、フェライト（α）相とオーステナイト（γ）相との２相状態に、クロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が生成された状態（γ→α＋γ＋Ｃｒ２Ｎ）である。
【００３８】
その後、筒体２の内面部側の組織は、高周波加熱装置６による急速加熱に伴いクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が再固溶されることで、フェライト（α）相とオーステナイト（γ）相との２相状態にクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が生成された状態からオーステナイト（γ）相に変態する。そして、所定温度で均熱保持されている間（一定時間）、筒体２の内面部側の組織は、オーステナイト（γ）相に維持される。
【００３９】
その後、筒体２の内面部側の組織は、オーステナイト（γ）相を維持するよう、冷却ジャケット７により急冷される。このときの冷却速度は、窒素吸収工程におけるガス冷却の冷却速度よりも速い。また、本実施の形態では、冷却装置５内部で高周波加熱装置６による再加熱と冷却ジャケット７による急冷とが行われるため、急速加熱後に筒体２を搬送するなどの時間をとらずに筒体２を冷却することが可能である。
【００４０】
これにより、筒体２の内面部側の組織として、図３（ｂ）に示すように、窒素吸収工程後のような化合物形成がなく、一様にオーステナイト（γ）相のγ単相（窒素固溶組織、高濃度窒素固溶層）を得ることができる。すなわち、筒体２の内面部側の組織として、耐食性に優れた組織を得ることができる。
【００４１】
以上のように、本実施の形態に係るステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法によれば、窒素吸収工程の後に、オーステナイト化された筒体２をＮ２雰囲気中で再加熱した後、急冷する窒素固溶工程を行うので、同工程の再加熱により筒体２の内面部側で発生したクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）を再固溶させ、同工程の急冷により高濃度窒素固溶層を得ることができる。これにより、窒素吸収工程の後に窒素固溶工程を実施することで、ステンレス鋼製の筒体２であっても内面部側でクロム窒化物（Ｃｒ２Ｎ）の発生を抑制して耐食性を向上させることができる。
【００４２】
以上説明したように、本発明に係るステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法によれば、ステンレス鋼製の筒体であっても内面部側でクロム窒化物の発生を抑制して耐食性を向上させることができ、ステンレス鋼製の筒体の耐食性付与方法として有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１…炉、２…筒体、３…加熱室、４…冷却室、５…冷却装置、６…高周波加熱装置、６ａ…誘導コイル、７…冷却ジャケット
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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