(57)【要約】【課題】従来の腐食液では現出が困難であった多種類の合金元素を含有する高合金鋼の焼き入れ材料についてそのオーステナイト粒界を鮮明に現出する方法を提供すること。【解決手段】本発明の鋼のオーステナイト粒界の現出方法は、対象とする鋼から試料を切り出して試料表面を研磨する研磨工程と、研磨された試料表面に窒化処理を施す窒化処理工程と、窒化された試料表面を再度研磨する再研磨工程と、この再研磨面に粒界を優先的に腐食する腐食処理を施す粒界現出工程とを有することを特徴とする方法である。窒化処理はアンモニア雰囲気中で４５０〜７００℃で３０分〜１０時間の処理を施すことが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼のオーステナイト粒界を現出する方法において、
該鋼から試料を切り出して該試料表面を研磨する研磨工程と、
該研磨された試料表面に窒化処理を施す窒化処理工程と、
該窒化された試料表面を再度研磨する再研磨工程と、
該再研磨面に粒界を優先的に腐食する腐食処理を施す粒界現出工程と、
を有することを特徴とする鋼のオーステナイト粒界の現出方法。
【請求項２】
前記窒化処理工程はアンモニア雰囲気中で４５０〜７００℃で３０分〜１０時間の処理を施す工程である請求項１に記載の鋼のオーステナイト粒界の現出方法。
【請求項３】
前記粒界現出工程は、５〜３０％のクロム酸水溶液中で電解エッチングを施す工程である請求項１または２に記載の鋼のオーステナイト粒界の現出方法。
【請求項４】
前記窒化処理後に前記再研磨工程と前記粒界現出工程とを複数回繰り返す請求項１〜３のいずれかに記載の鋼のオーステナイト粒界の現出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼のオーステナイト粒界を現出する方法に関し、特に、焼き入れ処理を行った高合金鋼のオーステナイト粒界の現出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
昨今の材料技術の進歩に伴い多種多様な高合金鋼が開発されるようになった。これらの高合金鋼は多種類の合金元素を含有しているため従来の腐食液では明瞭なオーステナイト結晶粒界の現出が困難な場合が多い。このため高合金鋼のオーステナイト結晶粒界を鮮明に現出するための腐食液や試料調製方法に関する提案がなされている。例えば、ピクリン酸に、硝酸、塩酸および硫酸を加え、さらに塩化第一鉄と過酸化水素と界面活性剤などを添加した腐食液が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３２５０８０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の腐食液ではＣｒ含有量が０．０５重量％以上の鋼材については鮮明な粒界を現出することが可能であるが、さらに多くの合金元素、例えばＮｉやＭｏなどを０．２重量％以上含むような高合金鋼においてはこの腐食液であっても必ずしも明瞭な粒界を得ることができなかった。
【０００５】
そこで本発明の課題は、従来の腐食液では現出が困難であった多種類の合金元素を含有する高合金鋼の焼き入れ材料について、そのオーステナイト粒界を鮮明に現出する方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、焼き入れ処理後の高合金鋼のオーステナイト粒界を現出する方法について研究を重ね、腐食処理前の試料に窒化処理を施すことに思い至った。試料に窒化処理を施すことにより、窒素はオーステナイト結晶粒の粒界に沿って深く拡散して粒界に析出しているＣやＣｒ等の添加元素と窒化物を形成する。そのため、その後の腐食処理によりオーステナイト結晶粒の粒内と粒界との腐食の程度に大きな差が生じて粒界を鮮明に現出できることを見出した。この知見をもとに鋭意実験を重ねて本発明を完成したものである。
【０００７】
すなわち、本発明の鋼のオーステナイト粒界の現出方法は、対象とする鋼から試料を切り出して試料表面を研磨する研磨工程と、研磨された試料表面に窒化処理を施す窒化処理工程と、窒化された試料表面を再度研磨する再研磨工程と、この再研磨面に粒界を優先的に腐食する腐食処理を施す粒界現出工程とを有することを特徴とする方法である。
【０００８】
ここで、窒化処理はアンモニア雰囲気中で４５０〜７００℃で３０分〜１０時間の処理を施すことが望ましい。
【０００９】
また、再研磨後の粒界現出工程は、５〜３０％のクロム酸溶液中で電解エッチングすることが好ましい。
【００１０】
さらに、オーステナイト粒界をより鮮明に現出するために窒化処理後の再研磨工程と粒界現出工程とを複数回繰り返すことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の鋼のオーステナイト粒界の現出方法は、試料を切り出して試料表面を研磨する研磨工程と、研磨された試料に窒化処理を施す窒化処理工程と、窒化された試料表面を再度研磨する再研磨工程と、この再研磨面に粒界を優先的に腐食する腐食処理を施す粒界現出工程とを有することを特徴とする方法である。
【００１２】
切り出された試料の表面研磨工程では、通常のバフ研磨などによって試料表面を鏡面仕上げすることが望ましい。これは、その後の窒化処理において試料のオーステナイト結晶粒界及び粒内へ窒素が侵入しやすくするためである。なお、バフ研磨後は試料表面を純水やアルコールなどで洗浄して乾燥させることが好ましい。
【００１３】
窒化処理工程は試料のオーステナイト結晶粒の粒内及び粒界に窒素を侵入させ析出物などと窒化物を形成する工程である。窒化処理方法には特に限定はないが、安全性や取り扱いの容易さを考慮するとアンモニアガスによるガス窒化が好ましい。ここで、窒化処理温度は、４５０〜７００℃の範囲が望ましい。窒化処理温度が４５０℃未満では窒素の粒界への侵入が十分でないために窒化物の析出が少なく鮮明な結晶粒界を得ることができない。他方、７００℃を越えると結晶粒が成長することがあり本来観察すべき必要な結晶粒を観察できなくなることがあるので適当ではない。より好ましくは５００〜６５０℃である。
【００１４】
また、窒化処理時間は３０分〜１０時間が望ましい。処理時間が３０分未満では粒界における窒化物の形成が不十分であるため、明瞭な粒界の現出が困難な場合がある。一方、１０時間以上窒化処理しても効果が飽和してしまいかえって作業効率を低下させるので適当ではない。より好ましくは１〜５時間である。
【００１５】
なお、窒化処理における残留アンモニア濃度は２０％以上が適当である。これは、残留アンモニア濃度が２０％以下では、窒化能力が不足し、窒化物の析出が不十分な場合があるからである。
【００１６】
再研磨工程は、窒化により処理品の表面に形成される窒化物層を除去するための工程である。この窒化物層は一般に白層と呼ばれる鉄の窒化物の層であるが、この層は窒化処理により、粒界、粒内を問わず処理品最表面に形成される。窒化物層が存在すると、腐食を行っても粒界の現出は困難であるため、再研磨を施すことで試料の最表面に形成された窒化物層を除去する。再研磨は例えば、ダイヤモンドペースト等の研磨剤を用いて、表面粗さ０．０１Ｒａ程度の鏡面仕上げ加工を施すことが望ましい。
【００１７】
粒界現出工程における腐食方法は、５〜３０重量％のクロム酸水溶液中で電解エッチングを施すことが好ましい。クロム酸水溶液のクロム酸濃度が５重量％未満では明瞭な粒界を現出することができない。また、３０重量％を越えると腐食の程度を調整することが困難となるので適当ではない。より好ましくは８〜１５重量％である。また、電解エッチングは通常の方法で行えばよい。例えば、電流：０．２〜１ｍＡ、電圧：０．５〜２０Ｖ、時間：１〜１０分、温度：１０〜３０℃とすることができる。
【００１８】
なお、窒化処理後の再研磨工程と粒界現出工程とを複数回（例えば２〜３回）繰り返すことによりさらに鮮明な粒界を得ることができる。特に焼き戻し処理を施した高合金鋼については粒内に形成される析出物の量が多いので、粒内の窒化物をできるだけ除去して粒界が明瞭となるように確認しながら窒化処理後の再研磨工程と粒界現出工程とを複数回実施することが好ましい。
【００１９】
【実施例】
以下実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
（供試材）
組成が重量比でＣ：０．２％、Ｃｒ：０．５％、Ｍｏ：０．２５％、Ｎｉ：１．８％を含有する高合金鋼の焼き入れ焼き戻し処理した材料を供試材とした。供試材の形状は、直径：１０ｍｍ、長さ：２０ｍｍの丸棒であった。なお、熱処理条件は、焼き入れ：９００℃×１時間、油焼き入れ、焼き戻し：６００℃×２時間であった。
（試料調製）
上記の供試材から観察用の試料を３個切り出して各々観察面を研磨した。研磨はダイヤモンドペーストを研磨剤としたバフ研磨で鏡面仕上げして、試料１、２、３を得た。
【００２０】
鏡面仕上げした試料１に窒化処理を施して本発明の実施例とし、試料２、３は比較例として窒化処理なしでそれぞれ異なる腐食液で腐食処理しオーステナイト粒界の現出を試みた。
（実施例）
研磨後の試料１に残留アンモニア濃度が７５〜８５容量％となるように流量調整したアンモニアガス雰囲気中で６５０℃×４時間の窒化処理を施した。次に、ダイヤモンドペースト（丸本ストルアス社製）で窒化処理された観察面を再研磨し、表面粗さ０．００１Ｒａの鏡面仕上げとした。再研磨後１０％クロム酸水溶液中で丸本ストルアス社製のエッチング装置で電解エッチングを施した。電解エッチング条件は、電流：０．５Ａ、電圧：４Ｖ、温度：２０℃、時間：４分であった。なお、再研磨と電解エッチングは同一条件で２回繰り返した。現出した粒界の顕微鏡観察写真を図１に示す。
【００２１】
図１から明瞭な結晶粒界が得られたことが分かる。
（比較例１）
鏡面研磨後の試料２を腐食液１で７０℃×２分間腐食処理した。
【００２２】
腐食液１は、水：３００ｍｌに対して、ピクリン酸：６ｇ、塩酸：４ｍｌ、および界面活性剤としてラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム：９ｇを加えたものである。なお、この腐食液１は、例えば炭素鋼やクロム鋼などのオーステナイト粒界を現出するのに好適に使用される腐食液である。
【００２３】
得られた顕微鏡観察写真を図２に示す。粒内の析出物と粒界の析出物との腐食程度が同程度であるため粒界を明瞭に区別できないことが分かる。
（比較例２）
鏡面研磨後の試料３を腐食液２で常温で２５分間腐食処理した。
【００２４】
なお、腐食液２の組成は特許文献１に開示されている以下の組成であった。
【００２５】
すなわち、ピクリン酸飽和水溶液：１１００ｍｌに、６１％硝酸：５ｍｌ、３６％塩酸：１１ｍｌ、９７％硫酸：０．６ｍｌ、３０％過酸化水素水：０．５ｍｌ、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム：１００ｍｇ、グリセリン：２０ｍｌ、塩化第一鉄：３０ｍｇを加えて、全腐食液量を１１３７ｍｌとしたものである。
【００２６】
得られた顕微鏡観察写真を図３に示す。比較例１と同様に粒内の析出物と粒界の析出物との腐食程度が同程度であるため粒界を明瞭に区別できないことが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、従来観察困難であった焼き入れ処理後の高合金鋼のオーステナイト粒界を、ムラなく均一にかつ明瞭に現出することが可能である。従って、結晶粒度による高合金鋼の評価が可能となり、高合金材料の研究開発や品質管理に大きな効果を奏し工業的価値は極めて大である。特に、マルエージング鋼、ＳＮＣＭ鋼、あるいはＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼などの高合金鋼に適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオーステナイト粒界を現出する方法で観察された粒界を示す金属顕微鏡写真である。
【図２】窒化処理を施さないで腐食液１で現出した粒界を観察した金属顕微鏡写真である。
【図３】窒化処理を施さないで腐食液２で現出した粒界を観察した金属顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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