(57)【要約】【課題】ナノカーボン水溶液を使用して金属材料の硬度を高めるための方法を提供することである。【解決手段】所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌し、ナノカーボン水溶液を作る第１工程と、金属材料を加熱する第２工程と、加熱された金属材料をナノカーボン水溶液に浸漬し、或いは、加熱された金属材料にナノカーボン水溶液を吹きつけ又は塗布する第３工程と、第２工程と第３工程とを所定回数繰り返す工程とを含むことを特徴とする。ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の粒径は０．００１ｍｍ以下であるのが好ましい。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の硬度を高めるための方法であって、
所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌し、ナノカーボン水溶液を作る第１工程と、
金属材料を加熱する第２工程と、
加熱された前記金属材料を前記ナノカーボン水溶液に浸漬し、或いは加熱された前記金属材料に前記ナノカーボン水溶液を吹きつけ又は塗布する第３工程と、
前記第２工程と前記第３工程とを所定回数繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌することによって作られたナノカーボン水溶液を用いて、焼入れをすることにより形成される金属材料。
【請求項４】
前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の金属材料。
【請求項５】
耐火物の耐火性を向上させるための方法であって、
所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌し、ナノカーボン水溶液を作る第１工程と、
耐火物を加熱する第２工程と、
加熱された前記耐火物を前記ナノカーボン水溶液に浸漬し、或いは加熱された前記耐火物に前記ナノカーボン水溶液を吹きつけ又は塗布する第３工程と、
前記第２工程と前記第３工程とを所定回数繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍ　であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌することによって作られたナノカーボン水溶液を用いて、焼入れをすることにより形成される耐火物。
【請求項８】
前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍであることを特徴とする請求項７に記載の耐火物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、鋼等の金属材料の硬度を高めるための方法及び該方法により製造された金属材料、並びに、レンガ等の耐火物の耐火性を向上させるための方法及び該方法により製造された耐火物に関する。より詳細には、本発明は、ナノカーボン水溶液により金属材料の硬度を高めるための方法及び該方法により製造された金属材料、並びに、ナノカーボン水溶液によりレンガ等の耐火物の耐火性を向上させるための方法及び該方法により製造された耐火物に関する。本明細書において「ナノカーボン水溶液」とは、一定の粉末度の炭化物粒子を水に混合した液体のことをいう。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
鋼は、熱処理を行うことによって、その硬度が高められる。例えば、日本刀は、その製作過程において、材料を加熱して叩いた後に水に入れて急冷する焼入れを行うことによって、硬度が高められる。しかしながら、従来の焼入れ法では、幾度も焼入れを行わなければならないため煩雑であり、また、焼入れを行っても所定の硬度が得られない場合もあった。また、炭素の含有率が低い冷間圧延鋼板は、一般の手法では焼入れを行うことができず、ソルトバス等を用いて浸炭焼入れ法を行うのが一般的であった。
【０００３】
一方、広範に使用されている粘土質レンガは、廉価であるという利点を有するものの、カーボン系レンガと比較して、耐火性が優れているとは言い難いのが実情である。したがって、廉価であり且つ耐火性に優れたレンガに対する要請がある。
【０００４】
したがって、本発明は、ナノカーボン水溶液により金属材料の硬度を高めるための方法及び該方法により製造された金属材料、並びに、ナノカーボン水溶液により耐火物の耐火性を向上させるための方法及び該方法により製造された耐火物を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、高温の金属材料又は耐火物をナノカーボン水溶液に浸漬すると、金属材料の硬度が高められ、或いは耐火物の耐火度が向上することを見い出した。これは、高温の金属材料又は耐火物をナノカーボン水溶液に浸漬することにより、水分が急速に消失して金属材料又は耐火物内に炭素が残り、金属材料と炭素が結合することによって金属材料の硬度が高められ、或いは耐火物と炭素が結合することによって耐火物が密になり耐火度が向上するものと思われる。なお、本発明者が行った種々の実験の結果、ナノカーボン水溶液を形成する炭化物粒子の粒径は好ましくは、約０．００１ｍｍ以下であることが判明した。
【０００６】
本願請求項１に記載の金属材料の硬度を高めるための方法は、所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌し、ナノカーボン水溶液を作る第１工程と、金属材料を加熱する第２工程と、加熱された前記金属材料を前記ナノカーボン水溶液に浸漬し、或いは、加熱された前記金属材料に前記ナノカーボン水溶液を吹きつけ又は塗布する第３工程と、前記第２工程と前記第３工程とを所定回数繰り返す工程とを含むことを特徴とするものである。
【０００７】
本願請求項２に記載の金属材料の硬度を高めるための方法は、前記請求項１の方法において、前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍであることを特徴とするものである。
【０００８】
本願請求項３に記載の金属材料は、所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌することによって作られたナノカーボン水溶液を用いて、焼入れをすることにより形成されることを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項４に記載の金属材料は、前記請求項３の金属材料において、前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項５に記載の耐火物の耐火性を向上させるための方法は、所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌し、ナノカーボン水溶液を作る第１工程と、耐火物を加熱する第２工程と、加熱された前記耐火物を前記ナノカーボン水溶液に浸漬し、或いは、加熱された前記耐火物に前記ナノカーボン水溶液を吹きつけ又は塗布する第３工程と、前記第２工程と前記第３工程とを所定回数繰り返す工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項６に記載の耐火物の耐火性を向上させるための方法は、請求項５の方法において、前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項７に記載の耐火物は、所定の粒径以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌することによって作られたナノカーボン水溶液を用いて、焼入れをすることにより形成されることを特徴とするものである。
【００１３】
本願請求項８に記載の耐火物は、前記請求項７の耐火物において、前記ナノカーボン水溶液の炭化物粒子の前記所定の粒径が０．００１ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明の好ましい実施の形態に係る鋼の硬度を高めるための方法について説明する。まず、所定の粒径（約０．００１ｍｍ）以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌し、ナノカーボン水溶液を作る。次いで、高温に加熱した鋼をナノカーボン水溶液に浸漬し、或いは高温に加熱した鋼にナノカーボン水溶液を吹きつけ又は塗布する。以上の作業を所定の回数繰り返す。
【００１５】
上述の鋼の硬度を高める方法についての効果を実証するために行った試験について説明する。この実験で使用したナノカーボン水溶液は、０．００１ｍｍの粒径の炭化物粒子１グラムに２０リットルの水を混入することによって得られた水溶液である。図１は、直径３ｍｍの丸棒について、ナノカーボン水溶液による焼入れ（以下「ナノカーボン水溶液焼入れ」という）を行った場合のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）と、油による焼入れ（以下「油焼入れ」という）を行った場合のロックウェル硬さとをそれぞれ測定した値を示したグラフである。図１に示されるように、ナノカーボン水溶液焼入れ時のロックウェル硬さの値は、油焼入れ時のロックウェル硬さの値よりも大きいのが分かる（その差は、丸棒の中心部において特に顕著である）。
【００１６】
図２は、焼入れ後の各焼き戻し温度におけるナノカーボン水溶液焼入れ時と油焼入れ時のロックウェル硬さと降伏強さを測定したグラフである。図２に示されるように、各焼き戻し温度の殆ど全ての範囲にわたって、ナノカーボン水溶液焼入れ時のロックウェル硬さの値及び降伏強さは、油焼入れ時のロックウェル硬さの値及び降伏強さよりもそれぞれ大きいのが分かる。
【００１７】
以上、図１及び図２に示した試験結果により、ナノカーボン水溶液を使用する本発明の方法の実効性を証明することができた。なお、図３は、ナノカーボン水溶液焼入れによるロックウェル硬さ（縦軸）と鋼（炭素鋼及び合金鋼）の炭素量（横軸）の関係を示したグラフである。また、図４は、冷間圧延鋼板のナノカーボン水溶液焼入れによるロックウェル硬さ（縦軸）と炭素量（横軸）の関係を示したグラフ、図５は、冷間圧延鋼板（板厚３．２ｍｍ）のナノカーボン水溶液焼入れ時におけるロックウェル硬さを測定したグラフである。図４及び図５から、本発明の方法を用いれば、浸炭焼入れ法を使わなくとも、硬度を高めることができることが分かる。
【００１８】
次いで、本発明の好ましい実施の形態に係るレンガの耐火度を向上させるための方法について説明する。まず、上述の鋼の硬度を高めるための方法と同様に、所定の粒径（約０．００１ｍｍ）以下の炭化物粒子を水に混入して攪拌し、ナノカーボン水溶液を作る。次いで、高温に加熱したレンガをナノカーボン水溶液に浸漬し、或いは高温に加熱したレンガにナノカーボン水溶液を吹きつけ又は塗布する。以上の作業を所定の回数繰り返す。
【００１９】
上述のレンガの耐火度を向上させる方法についての効果を実証するために行った試験について説明する。この実験で使用したナノカーボン水溶液は、０．００１ｍｍの粒径の炭化物粒子１グラムに２０リットルの水を混入することによって得られた水溶液である。試験体として、４種類のレンガ、即ち、粘土質レンガ、ケイ石質レンガ、鋼アルミナ質レンガ、及び炭化珪素質レンガを使用した。図６は、ナノカーボン水溶液による処理を行う前と後における各試験体のゼーゲル番号ＳＫ（縦軸）を示したグラフである。図６から、ナノカーボン水溶液による処理を行うことによって、ゼーゲル番号ＳＫが約１割〜約２割程度向上することが分かる。図５に示した試験結果により、ナノカーボン水溶液を使用する本発明の方法の実効性を証明することができた。
【００２０】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００２１】
例えば、前記実施の形態では、鋼の硬度を高める方法について説明したが、鋼以外の金属材料、例えば鋳鉄、鉄管、アルミニウム合金、ステンレス等についても本発明の方法を適用することができる。また、前記実施の形態では、レンガの耐火度を向上させる方法について説明したが、レンガ以外の耐火物、例えばタイル等についても本発明の方法を適用することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、金属材料の硬度を容易に高めることが可能になった。また、炭素の含有率が低い冷間圧延鋼板であっても、一般の手法で焼入れを行うことが可能になった。さらに、本発明により、粘土質レンガ等の比較的廉価なレンガの耐火性を向上させて高品位化を図ることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ナノカーボン水溶液焼入れ時のロックウェル硬さと油焼入れ時のロックウェル硬さとを示したグラフである。
【図２】焼入れ後の各焼き戻し温度におけるナノカーボン水溶液焼入れ時と油焼入れ時のロックウェル硬さと降伏強さを測定したグラフである。
【図３】ナノカーボン水溶液焼入れによるロックウェル硬さと鋼の炭素量の関係を示したグラフである。
【図４】冷間圧延鋼板のナノカーボン水溶液焼入れによるロックウェル硬さと炭素量の関係を示したグラフである。
【図５】冷間圧延鋼板（板厚３．２ｍｍ）のナノカーボン水溶液焼入れ時におけるロックウェル硬さを示したグラフである。
【図６】ナノカーボン水溶液による処理を行う前と後における各レンガ試験体のゼーゲル番号ＳＫを示したグラフである。
【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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