(57)【要約】【課題】本発明は、靱性を有する金属間化合物を所定の厚さに再現性よく形成可能なアルミナイズド鋼の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウムと鉄との金属間化合物が形成されたアルミナイズド鋼の製造方法であって、鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウムシートを押さえつける工程、あるいはアルミニウム粒子を吹きつけることにより又は化学的気相成長法若しくは物理的気相成長法により鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウム層を形成する工程と、該アルミニウムシートの融点以下の温度で熱処理する第１の熱処理工程と、９００〜１４００℃の温度で熱処理する第２の熱処理工程と、からなることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウムと鉄との金属間化合物が形成されたアルミナイズド鋼の製造方法であって、鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウムシートを押さえつける工程と、該アルミニウムシートの融点以下の温度で熱処理する第１の熱処理工程と、９００〜１４００℃の温度で熱処理する第２の熱処理工程と、からなることを特徴とするアルミナイズド鋼の製造方法。
【請求項２】
前記第１の熱処理工程は、真空中又は不活性ガス中で行うことを特徴とする請求項１に記載のアルミナイズド鋼の製造方法。
【請求項３】
鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウムと鉄との金属間化合物が形成されたアルミナイズド鋼の製造方法であって、アルミニウム粒子を吹きつけることにより又は化学気相成長法若しくは物理的気相成長法により鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウム層を形成する工程と、該アルミニウム層の融点以下の温度で熱処理する第１の熱処理工程と、９００〜１４００℃の温度で熱処理する第２の熱処理工程と、からなることを特徴とするアルミナイズド鋼の製造方法。
【請求項４】
前記第１の熱処理工程前に、前記第２の熱処理の温度又はそれ以上の温度で熱処理しておくことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミナイズド鋼の製造方法。
【請求項５】
前記第１の熱処理温度は、６００〜６５０℃であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミナイズド鋼の製造方法。
【請求項６】
前記第２の熱処理後に、表面研磨することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミナイズド鋼の製造方法。
【請求項７】
ＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌからなる層が少なくとも１００μｍ以上形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のアルミナイズド鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミナイズド鋼の製造方法に係り、特に、表面層が主に靱性に優れたＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌ層からなるアルミナイズド鋼を低温で、また簡易な装置で製造可能なアルミナイズド鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナイズド鋼は、鉄鋼材にアルミニウムを一定以上添加し合金化させると、硬度が増加し、また高温での耐酸化性及び耐硫化性等が著しく向上することから、製鋼用ランスパイプ、ボイラ、窯業、熱交換器等の部材等に用いられている。
このアルミナイズド鋼は、例えば、７００〜８００℃程度に加熱された溶融アルミニウム浴に鋼材を浸漬して反応させることにより作製され、表面層に鉄とアルミニウムの金属間化合物が形成される。この金属間化合物は主にＦｅＡｌ２，Ｆｅ２Ａｌ５又はＦｅＡｌ３等のアルミニウムリッチな金属間化合物からなり、その硬度は鉄鋼材（ビッカース硬度ＨＶ：２００程度）に比べ、ＨＶ８００〜１２００程度と大きくなるものの脆いため、表面層は亀裂や剥離が起こり易いという問題があり、これが、アルミナイズド鋼の適用範囲の拡大を妨げる原因となっていた。
【０００３】
その一方、近年、上記アルミナイズド鋼は高温熱処理により、亀裂や剥離が起こりにくくなることが報告され（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．，３０（１９９５）２６３５）、再び、注目を浴びることとなった。即ち、１０５０℃の高温での熱処理により、ＦｅＡｌやＦｅ３Ａｌの金属間化合物からなる層厚が増加し、上記アルミニウムリッチな化合物に比べ硬度は低くなるものの（ＨＶ：３００〜６００程度）、靱性に優れるため曲げに対しても亀裂や剥離が起こり難くなることが報告され、新たな応用可能性が検討されることとなった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、種々の用途に対応するには、靱性を有する金属化合物層が所定の厚さに再現性よく形成することが必要であり、上記従来の処理方法では、溶融浴の温度や鋼材の浸漬条件等を見かけ上同じにした場合であっても、１００μｍ以上の靱性を有する金属化合物層が得られない場合があり、また、その厚さを所望の値に制御することは実際上困難であることが分かった。
さらに、従来法は溶融浴と拡散炉を必要するため、設備の面積及びコストがかかるとともに、溶融浴のランニングコストが問題となっていた。
【０００５】
かかる状況のなかで、本発明者らは、処理の安定化及びアルミナイズド鋼のより一層の特性改善を図るべく、種々の処理方法・条件を検討するなかで、従来の溶融浴を用いる方法ではなく、即ち、鋼材表面にアルミニウム層を形成する工程とアルミニウム層と鋼材とを反応させ金属間化合物を形成する工程を同時に行わせる方法ではなく、両者を分離して行う構成を採用することにより、ＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌの金属間化合物の膜厚が安定して得られることを見出した。
本発明は、かかる知見を基にさらに検討を加えて完成したものであり、靱性を有する金属間化合物を所定の厚さに再現性よく形成可能なアルミナイズド鋼の製造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】
【０００６】
本発明のアルミナイズド鋼の製造方法は、鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウムと鉄との金属間化合物が形成されたアルミナイズド鋼の製造方法であって、鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウムシートを押さえつける工程と、該アルミニウムシートの融点以下の温度で熱処理する第１の熱処理工程と、９００〜１４００℃の温度で熱処理する第２の熱処理工程と、からなることを特徴とする。ここで、第１の熱処理工程は、真空中又は不活性ガス中で行うのが好ましく、特に真空中で行うのが好ましい。
このように、鋼材表面に固相のアルミニウム層を形成した後に、ＡｌとＦｅの相互拡散工程、続いてＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌの金属間化合物の成長工程を経ることにより、ＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌの金属間化合物層を所望の厚さに安定して、再現性よく形成することが可能となる。
また、熱処理温度も従来に比べより低い温度とすることができ、従来の場合、例えば１０５０℃の熱処理でＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌからなる金属間化合物層は１００μｍ程度であるのに対し、本発明の場合、例えば１０００℃の熱処理で２５０μｍの金属化合物層を形成することができる。
【０００７】
なお、アルミニウムシートを押さえつける工程の代わりに、アルミニウム粒子を吹きつけることにより又は化学的気相成長法若しくは物理的気相成長法により鋼材表面の少なくとも一部にアルミニウム層を形成する工程を用いることも可能である。このような方法を用いることにより、凹凸又は曲面等の種々の表面形状を有する鋼材に対応することができる。なお、部分的にアルミニウム層を形成する場合は、マスク等を用いればよい。
【０００８】
また、前記第１の熱処理工程前に、前記第２の熱処理の温度又はそれ以上の温度で熱処理しておくのが好ましく、より強度が大きくかつ剥離しにくいアルミナイズド鋼を得ることができる。
さらに、前記第１の熱処理温度は、６００〜６５０℃であることを特徴とする。この温度範囲とすることにより、ＡｌとＦｅとの相互拡散が促進され、生産性を向上させることができる。
【０００９】
前記第２の熱処理後に、表面研磨することを特徴とする。最表面に残る、脆いアルミニウムリッチな金属化合物層を取り除くことにより、剥離のないアルミナイズド鋼を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
本発明のアルミナイズド鋼の製造方法は、鋼材の所定表面にアルミニウム層を形成する工程と、該アルミニウム層を形成した鋼材をアルミニウムの融点以下の所定の温度に加熱し、アルミニウムと鉄原子の相互拡散させる第１の熱処理工程と、かかる鋼材を９００〜１４００℃加熱し、ＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌの金属間化合物層を成長させる第２の熱処理工程と、から構成される。
【００１１】
本発明の第１の実施形態として、アルミニウムシートを用いる場合について図１を用いて説明する。
まず、前処理として、処理全体を通して鋼材が経る最高温度で焼鈍する。次に、所定の厚さのアルミニウムシート２を鋼材１上に重ね、例えばＳｉＣセラミックス等の耐熱性材料板３で挟み、治具４により０．０２〜０．０５ＭＰａ程度の力で押さえつける（図１Ａ）。ここで、アルミニウムシートは１枚に限らず、薄いシートを複数枚重ね合わせたものを用いても良い。
【００１２】
図１Ａの状態のままで真空炉内に挿入し、１ｍＰａ程度以下に減圧にした後、図１Ｂに示した温度プロセスの熱処理を行う。即ち、まず、アルミニウムシートが溶けない温度Ｔ１まで加熱して所定時間、第１の熱処理を行う。加熱温度Ｔ１は具体的には６００〜６５０℃が好適に選択され、この範囲でＦｅとＡｌの相互拡散が速やかに起こり、Ａｌ−Ｆｅの連続層が形成される。また、熱処理時間はアルミニウム層の厚さ及び処理温度により異なるが、通常１０分〜２時間程度である。
【００１３】
続いて、炉の温度を９００〜１４００℃の範囲内の温度Ｔ２に上昇させ、所定時間放置して、第２の熱処理工程を行う。処理時間は、処理温度Ｔ２及びアルミニウム層の厚さにより適宜選択されるが、通常１０分〜２時間程度である。
以上の処理により、所望の厚さのＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌの金属間化合物層を安定して形成することができる。
なお、熱処理工程は、必ずしも真空中で行う必要はなく、例えばＡｒ等の不活性ガス中で行っても良いが、第１の熱処理工程はアルミニウムシートと鋼材との間にガスが残ると相互拡散が面内で不均一となるため、ガスを排気すべく真空中で行うのが好ましい。また、第１と第２の熱処理工程は連続して行う必要はなく、例えば第１の熱処理後室温まで戻しても良い。さらに、第２の熱処理工程では、上記セラミックス板の治具を取り外しても良い。
【００１４】
本発明の第２の実施形態として、アルミニウム粒子を鋼材表面に吹き付け固定する方法について説明する。
アルミニウム粒子を鋼材表面に吹き付け、緻密なアルミニウム層を形成する方法としては、例えば溶射法が用いられ、特に低温溶射法が好適に用いられる。この方法においては、例えば３００〜５００℃程度に加熱したヘリウムガス等を先細末広（ラバル）ノズルにより超音速流に吹き出させ，その流れの中にアルミニウム溶射粒子を投入して加速させ，固相状態のまま基材に高速で衝突させて皮膜を形成する。粒子の衝突速度が５００ｍ／ｓ程度以上になると粒子の運動エネルギーにより粒子が塑性変形して緻密な膜が形成され、例えば１０〜数１００μｍの皮膜形成に適している。なお、溶射粒子としては、直径１〜１０μｍのものが好適に用いられ、膜の緻密性は一層向上する。また、ガス温度は基材に到達するときには膨張するため室温〜１００℃程度に低下する。
【００１５】
本実施形態は、鋼材に粒子を吹き付ける方法であるため、鋼材表面に凹凸がある場合や曲面形状の場合により好適に用いられる。また、部分的にアルミニウム層を形成する場合には、鋼材上に、所定の形状の開口を有するマスク等を配置して、アルミニウム粒子を溶射すればよい。
第１及び第２の熱処理は、上記第１に実施形態と同様にして行えばよく、同様に、所望の厚さのＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌの金属間化合物層を安定して形成することができる。
【００１６】
さらに本発明においては、アルミニウム粒子を吹き付ける方法の他、蒸着、スパッタ等の物理的気相成長法やＣＶＤ法等の化学的気相成長法用いてアルミニウム層を形成することも可能である。さらには、以上のアルミシートを用いる方法、吹きつけ法及び各種気相成長法を組み合わせて用いても良い。
【００１７】
（実施例）
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。即ち、上記第１の実施形態に示した方法及び従来法によりアルミナイズド鋼を作製して、それぞれの金属間化合物の深さ方向の組成及び硬度変化を比較するとともに、鋼材の耐摩耗性を調べた。
この実験で用いた試料は、炭素鋼ＳＳ４００圧延材（炭素含有量０．１％）を１０ｍｍｘ２５ｍｍｘ３ｍｍに切り出し、脱脂処理した後、真空中において１０５０℃で１時間、焼鈍したものである。
図１に示したように、以上の焼鈍試料１の上に、厚さ２０μｍのアルミ箔２を５枚重ねて配置し、ＳｉＣセラミックス板３で挟み、０．０４ＭＰａ程度の力で押さえつけた。これを、高真空炉（高千穂精機株式会社製特注品）に配置し、１ｍＰａ以下に排気した後６５０℃で、１時間の熱処理（第１の熱処理）を行った。
続いて、所定の温度（それぞれ７００℃，８００℃，９００℃及び１０００℃）まで昇温して各温度で１時間加熱し（第２熱処理）、その後自然冷却させた。
【００１８】
一方、比較例として、従来の溶融めっき法によるアルミナイズド鋼も同様にして作製した。即ち、上記焼鈍試料を７００℃の溶融アルミニウム浴中に６０秒間浸漬して溶融アルミニウムめっきを行い、これを冷却後、高真空炉内に配置し、１ｍＰａの減圧下、種々の温度で熱処理した。
以上のようにして作製したアルミナイズド鋼の表面及び断面写真を図２及び図３に示す。図が示すように、本実施例のいずれの試料も比較例に比べ表面粗さが小さく、また、最表面の粗い層が薄いことが分かる。
【００１９】
次に、ビッカース硬度（ＨＶ）の深さ方向の変化を測定し、金属間化合物の組成の深さ方向の変化を調べた。
各深さの硬度は、試料を斜め研磨（４５度）した試料を用いて、明石製作所ＭＶＫ−ＩＩＩマイクロビッカース試験機により測定した。測定条件は、加重１０ｇｆ、押しつけ時間１５秒とした。測定結果は図４及び図５にまとめた。
なお、図において、測定時にクラックを生じたものを×で示し、そうでないものを○で示した。また、予め求めたＦｅ−Ａｌ金属間化合物とビッカース硬度との関係から、ビッカース硬度の測定値に対応する金属間化合物を調べ、これを図に記入した。図に示したように、アルミニウム含有量が増加するにつれ、ビッカース硬度は増加する。なお、ＦｅＡｌの硬度は大きな幅を持っているためハッチングで示した。
【００２０】
例えば、比較例の場合（図５）、拡散温度が７００℃の場合、深さ３５０μｍ程度までは、ＨＶが６００〜１０００の硬い層（ＦｅＡｌ３、Ｆｅ２Ａｌ５）が確認された。なお、ビッカース圧子を押しつけたときに圧痕近傍にクラックが生じると見かけ上測定値が低くなる場合があり、本実験においてクラックが生じた層は、脆いＦｅ２Ａｌ５と考えている。深さ３５０μｍ以上ではＨＶは２００程度となり、素地である炭素鋼ＳＳ４００の値となる。
拡散温度が高くなると、ＨＶが小さく、クラックが発生しない金属間化合物の層（ＦｅＡｌ及びＦｅ３Ａｌ）が現れ、この層の厚さは温度と共に増加し、１０００℃で１００μｍ程度となった。
【００２１】
一方、本実施例の場合も（図４）、拡散（第２熱処理）温度が７００〜８００℃では、比較例に比べ薄いものの表面にＨＶの大きな層（ＦｅＡｌ３、Ｆｅ２Ａｌ５）が現れ、ＦｅＡｌ及びＦｅ３Ａｌの層はほとんど観測されていない。しかし、９００℃以上に加熱すると、厚いＦｅＡｌ及びＦｅ３Ａｌの層が現れ、１０００℃では厚さが２５０μｍ以上になることが分かる。また、どの熱処理温度においても、表面の硬い層は従来例に比べ極めて薄いことが分かる。即ち、アルミニウムシートを用いる方法により、より低い温度で、靱性を有する金属間化合物をより厚く形成することが可能となる。
【００２２】
次に、本実施例のアルミナイズド鋼について、平均径１７００μｍ（ＧＣ＃１６）のＳｉＣ砥粒中で、回転速度（摩耗速度０．６３ｍ／ｓ）、１４５時間の３元アブレッシブ摩耗試験を行った。結果を図６に示す。図６において、摩耗率Ｗｔはは、試験前後の試験片の重量をｍ０，ｍｔとして、（ｍ０−ｍｔ）／ｍ０で表され、摩耗距離ｄは摩耗速度（ｍ／ｓ）ｘ摩耗時間（ｓ）である。
図から明らかなように、アルミナイズ処理を行うことにより、摩耗率は大幅に低減し、素材の４分の１以下の値となることが分かる。また、一般に純金属のアブレッシブ摩耗では硬さと摩耗率は負の比例関係にあり、硬い金属ほど摩耗率は減少することが知られている。従って、９７３Ｋの試料はＨＶの高いＦｅＡｌ３、Ｆｅ２Ａｌ５が厚く形成されているため、最も摩耗率は小さいと考えられたが、実際は９００℃以上の温度で第２の熱処理を行った試料（即ち、ＨＶの小さいＦｅＡｌ３、Ｆｅ２Ａｌ５が厚く形成された試料）の方が耐摩耗性が高いことが分かった。
以上説明したように、本実施例により、低い温度でより厚いＦｅＡｌ又はＦｅ３Ａｌの金属間化合物を有するアルミナイズド鋼を製造することが可能となり、しかも得られるアルミナイズド鋼は、極めて優れた耐摩耗特性を有することが分かる。
【００２３】
本発明において、鋼材とは、いわゆる炭素鋼の他、ステンレス鋼、特殊鋼等、全ての鉄系合金を含む意味である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、靱性を有する金属間化合物を所定の厚さに再現性よく形成することが可能となることから、種々の応用に対応可能なアルミナイズド鋼を提供することができる。しかも、溶融炉が不要となるため設備こコスト及び設置面積が削減されるとともに、ランニングコストを低減でき、全体としてアルミナイズド鋼のコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミナイズド鋼の製造方法の一例を示す模式図である。
【図２】アルミナイズド鋼の表面を示す写真である。
【図３】アルミナイズド鋼の断面を示す写真である。
【図４】実施例のアルミナイズド鋼の硬度の深さ方向変化を示す模式図である。
【図５】比較例のアルミナイズド鋼の硬度の深さ方向変化を示す模式図である。
【図６】摩耗距離と摩耗率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  鋼材、
２  Ａｌシート、
３  ＳｉＣセラミックス板、
４  押さえ治具。
【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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