(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフェライト結晶粒を含む鉄鋼材料で形成された配管を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程中に加熱部分に、前記鉄鋼材料で形成された配管の圧延方向に平行に磁場を印加する磁場印加工程と、
前記加熱工程中に加熱部分に前記磁場の印加方向と交わる方向に通電端子と接触して交流電流を通電させ電場を印加する通電工程と、
前記磁場と前記電場により発生する前記鉄鋼材料で形成された配管の変位を測定する変位測定工程とを備える配管処理方法。
【請求項２】
請求項１において、前記磁場印加工程で印加する前記磁場が0.1から10Tの範囲であり、
前記通電工程で通電する電流の電流密度が0.01〜1A/mm2の範囲かつ通電周波数が1〜10GHzの範囲である配管処理方法。
【請求項３】
複数のフェライト結晶粒を含む鉄鋼材料で形成された配管を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置により加熱される部分に、前記鉄鋼材料で形成された配管の圧延方向に平行に磁場を印加する磁場印加装置と、
前記加熱装置により加熱される部分に通電端子と接触して交流電流を通電させ電場を印加する通電装置と、
前記鉄鋼材料で形成された配管の変位を測定する変位計とを備え、
前記磁場の印加方向と前記電場の印加方向とが交わる位置に、前記磁場印加装置と前記通電装置とが配置される配管処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材料、材料処理方法及び材料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄系の金属材料において機械的性質、耐食性、機能性を向上させるための組織制御の手法として磁場印加法が開示されている。特許文献1及び2では鉄鋼材料の磁気変態点以下の温度領域において磁場印加することにより組織制御可能なことが記載されている。
【０００３】
また特許文献3において構造材料表面から超音波衝撃を加えることにより劣化を抑制する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３４２４０号公報
【特許文献２】特開２０００−３２８１４３号公報
【特許文献３】特表２００９−５１０２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記先行技術文献では、磁場印加と同時に拡散が進行して組織を制御するため、結晶粒が成長する温度範囲まで加熱保持する必要がある。超音波衝撃法は材料表面の残留応力の低減には有効であるが、組織制御は困難である。
【０００６】
鉄鋼材料の組織を制御するためには、できるだけ低温度で実施できる手法が望ましい。磁場印加は主に強磁性相に働き、強磁性相の結晶粒を磁場方向に成長させることが可能である。また超音波印加は、転位や欠陥の移動には有効な手法である。
【０００７】
強磁性の結晶粒が成長すると、結晶粒径が増加し、機械的性質や耐食性が低下する。そこで、機械的性質と耐食性を向上させかつ残留応力を低減可能な手法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、例えば特許請求の範囲に記載された構成を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、鉄鋼材料の機械的性質と耐食性を向上させかつ残留応力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電磁弾性波処理の構成図
【図２】電磁弾性波処理の制御系模式図
【図３】電磁弾性波処理による磁化曲線
【図４】電磁弾性波処理装置図
【図５】電磁弾性波処理による組織
【発明を実施するための形態】
【００１１】
結晶粒の成長をできるだけ押さえ、機械的性質や耐食性の向上ならびに寿命向上を実現させるには以下の手段が有効である。１）熱エネルギー以外に、磁場、電場及び歪場をほぼ同時に材料に印加し、それぞれの場を制御する。２）局所加熱、局所磁場印加、局所電場及び局所歪場を利用する。３）加熱のための熱源、コイル磁場または磁石磁場、電極を用い磁場中で交流電流を流しローレンツ力による応力場を印加する。
【００１２】
上記のような手法によって加熱された材料には磁場が印加され、被処理材に通電される交流電流の周波数を制御することで高周波弾性変位が発生する。熱エネルギー以外に印加されるエネルギーは、磁場エネルギーと応力（振動）である。
【００１３】
加熱には通電ヒータや赤外線ヒータの他、溶接に使用されるレーザが適用でき、20℃から600℃の温度範囲とする。磁場は静磁場や傾斜磁場または交流磁場が使用でき、静磁場で0.01から10Tの範囲である。電流には高周波電流を使用し、変位が最大となる周波数を選択することが望ましい。
【００１４】
構造材料に上記外場が印加されることにより、それぞれの場は次のように作用する。磁場中で交流電流が流れることによりローレンツ力が発生しローレンツ力の振動が変位または歪場を発生させる。磁場は磁化または磁化率が高くなるように原子の再配列を促進させる。電流は同時に電荷を有する元素移動に寄与する。発生した歪場は欠陥や転位を移動させ欠陥や転位にトラップされた元素の移動が促進される。
【００１５】
上記外場の相乗作用により、次のような組織制御が可能となる。1）溶質元素の拡散促進。2）粒界偏在化元素の拡散促進、3）粒界近傍のみ高磁化または高磁化率化、4）粒界析出サイトの消失、5）粒界面の応力緩和
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【実施例１】
【００１６】
図1に、鉄鋼材料を処理する装置の構成図を示す。本実施例で用いる二相ステンレス材料の組成はFe-25.28Cr-7.01Ni-3.90Mo-0.99Mn-0.43Cu-0.13W-0.024C-0.27N(wt%)である。本実施例では、二相ステンレス材料で形成された配管の処理方法について説明する。1は電磁石、2は変位計、3は電極、4は配管、5は電磁石、6はヒータを示す。
【００１７】
配管4の圧延方向における両側に電磁石1、5を配置する。ここでの配管4は周方向に圧延されたものである。配管4の表面には2つの電極3を配置する。配管4に印加される電場と磁場の向きは直交した状態を示す。配管4の近傍にヒータ6が配置され、電場と磁場が印加される配管表面を加熱する。配管4に電場と磁場が印加されることによりローレンツ力（歪場）が発生する。このローレンツ力により配管4が歪み、歪んだ量（変位）を変位計2で測定する。変位計の配置箇所は特に限定されない。
【００１８】
配管4の圧延方向に電磁石1、5によって1.0Tの磁場を印加する。磁場の印加方向と直交する方向に0.1A/mm2の電流を周波数20kHzで表面電極から通電する。磁場印加方向は圧延面（圧延方向）に平行とし、磁場印加中の材料加熱温度を450℃として0.5時間保持後、400℃まで1時間で徐冷した。通電時の変位は通電面に直角方向に10nmから5000nmであった。ローレンツ力を発生されることができればよいので、電場の印加方向と磁場の印加方向は必ずしも直交していなくてもよい。しかし本実施例のように電場の印加方向と磁場の印加方向とが直交していると、発生するローレンツ力が最大となるので、印加する電場や磁場の大きさを小さくすることも可能であり印加効率が良くなる。
【００１９】
磁場印加により強磁性元素が磁場に平行に配列するとともに窒素や炭素または不純物元素の酸素が粒界に沿って拡散する。このような電場と磁場と弾性波とを材料の加熱中に同時に作用させる処理（電磁弾性波処理）により、σ相などの脆化相の析出が抑制され、溶接時の衝撃値低下が低減される。
【００２０】
本実施例の処理条件のパラメータについて以下説明する。磁場は強磁性相の磁化を大きくするように作用し、応力場の影響を受けやすい粒界近傍では強磁性元素の再配列が生じ、粒界近傍に鉄を多く含む鉄リッチ相が磁場印加方向にほぼ平行に成長する。鉄リッチ相は鉄を60〜98重量%の濃度範囲で含む。鉄リッチ相は鉄含有量が多いため磁化が平均磁化よりも1〜30%増加しており、粒界から0.1〜500nmの範囲に存在する層である。またこの層のキュリー点も上昇する。反磁界が小さい方向に磁場印加することで磁場の効果が最大となるため、圧延方向に強磁性相が伸びている本材料では圧延方向にほぼ平行に磁場印加する。
【００２１】
応力場によって粒界に窒素や酸素、炭素が拡散しやすくなり粒界の一部に酸化物や炭化物ならびに窒化物のいずれかが成長する。鉄リッチ相の組成は脆化相であるσ相の組成から離れているため、鉄リッチ相を形成させない場合よりもσ相の成長が抑制される。また強磁性相／非磁性相界面の応力が低減されるためσ相の析出サイトが減少し、脆化相の形成が抑制される。応力場の効果が確認できるのは磁場0.1から10Tの範囲で電流密度0.01〜1A/mm2の範囲、周波数が1〜10GHzの範囲である。このような範囲で被処理材の変位がドップラー効果レーザー変位計により1nmから50μmの範囲で検出される。変位することにより発生する弾性波により結晶が振動し、結晶内の転位や欠陥が移動し溶質元素が拡散する。元素移動は結晶粒中心よりも粒界近傍の方が大きく、磁場印加により粒界近傍の磁化が高くなるように原子が再配列する。そのため鉄リッチ相が粒界近傍の磁場方向に沿って形成され、σ相の成長が抑制される。応力場は、磁場増加及び通電量増加とともに増加する。
【００２２】
図1に示す装置構成によれば、例えばプラントに使用する配管に適用可能である。また、電磁石1、5、電極3、ヒータ6、変位計2を備えた装置を移動させてプラントの任意位置で弾性波と磁場を印加した加熱処理を局所的に推進でき、超音波探傷と組み合わせることにより、クラックなどの欠陥部を発見することができる。また、欠陥部について上記処理を施すことにより低温で回復させることが可能である。
【００２３】
図2は処理の制御系模式図である。超音波の探傷画像から欠陥部の位置を認識し、各装置を位置決めする。その欠陥部の処理のために、制御回路を使用して、ヒータの加熱電流、電磁石の通電電流、接触端子間の高周波電流と変位計により検出された変位をそれぞれ制御することで、温度分布、磁場分布、弾性波分布がそれぞれ最適制御される。
【００２４】
上記の材料に電磁弾性波処理を実施した場合の磁化曲線を図3に示す。横軸が磁場(Oe)で縦軸が磁束密度(G)である。圧延方向と平行に磁場を印加する。材料に弾性波が付加されたことにより、未処理および磁場印加のみの場合よりも磁束密度が増加していることがわかる。これは高磁化相である鉄リッチ相が粒界近傍に形成された結果である。電磁弾性波処理により、飽和に達する磁場が高磁場側になることも確認できる。また、磁場印加方向とそれに直角方向との磁化曲線の差の増加、すなわち磁気異方性が増加していることを示している。
【００２５】
本実施例のような磁場、電場及び応力場を利用した材料の組織を改質する処理装置の例を図4に示す。被処理材21に通電端子26を接触させ、加熱ヒータ22によって被処理材21を加熱する。通電時に電磁石25とヨーク23から被処理材21に外部磁界を印加し、磁場中での通電により被処理材21には外部応力が働く。外部応力による変位を変位計28で検知し、その値を通電周波数と通電量及び磁場強度によって調整する。チャンバー24内は真空ポンプ27によって排気でき、窒素や炭化水素系の反応性ガスを利用して表面硬化層も形成しながら拡散促進が可能である。
【実施例２】
【００２６】
本実施例では、C 0.18wt%, Si 0.15, Mn 0.6, Cr 1.0, Mo 0.15 を含有する鉄板を用いる。鉄板の表面からNH3-CH系混合ガスで炭窒化後急冷する。炭窒化温度は600℃である。炭窒化後残留歪除去及び窒素と炭素の拡散を目的として電磁場印加熱処理を施す。印加磁場は2Tであり、電磁石を使用して200℃に加熱後1時間保持し1kHzの交流電流を電流密度0.1A/mm2で通電した。電磁場印加による効果は以下の通りである。1）無電磁場と比較して窒素及び炭素がより深く拡散する。すなわち窒素及び炭素の拡散が助長される。2）フェライト結晶粒の粒界近傍に高磁化相が成長する。3）表面近傍のフェライト結晶粒が細かくなる。4）Fe4(N, C)の一部が分解してFe4(N,C)1-x, X=0.01〜0.6となる。5）オーステナイト(γ)中の窒素及び窒素濃度が無電磁場の場合と比較して0.02〜0.1wt%増加する。6）Fe4(N, C)やFe4(N,C)1-x, X=0.01〜0.6の粒径が無電磁場の場合と比較して減少する。7) Fe4(N, C)やFe4(N,C)1-x, X=0.01〜0.6のｃ軸が無電磁場と比較して磁場方向に平行な方向に配向している。8）電場効果により添加元素であるMn, Cr, Mo, Siなどの偏在が制御でき、炭素や窒素などの拡散しやすい元素はマイグレーション効果により偏在化しやすくなる。
【００２７】
上記電磁弾性波効果により、鉄板材の硬度は層状Fe4(N,C)が認められる領域でHv 800となり引張強さ1300N/mm2となる。このような高硬度と高引張り強さの実現には、電磁場印加熱処理が有効であり無電磁場中熱処理の場合と比較して印加電磁場が0.01T以上かつ60から1MHz、0.01mAから50A/cm2の交流電流で上記電磁場印加効果が確認できる。10T以上の磁場印加では上記効果に大きな変化は認められない。したがって最適な印加磁場範囲は0.01から10Tである。
【００２８】
このような電磁場を利用した組織、組成の制御は本実施例のような硬化層を有するFe系材料以外にも硬化層のないFe系、Ni系、Co系材料に適用でき、添加元素の偏在や粒径の制御により引張強さを10から150％増加させることが可能である。
【００２９】
電磁弾性波処理による材料内部の特徴を図5により説明する。（1）に示すようにフェライト結晶粒11とその粒界13以外に、磁場印加方向にほぼ平行に高磁化相12が成長する。圧延材の場合（1）の水平方向が圧延方向であり、圧延方向とほぼ平行に磁場を印加している。結晶粒は圧延方向に延びるので、圧延方向に沿った粒界が長く形成される。圧延方向に沿って磁場を印加するので、高磁化相(鉄リッチ相)が形成される面積も大きくすることができる。磁場0.01〜1T, 通電時の電流密度が0.01〜0.1mA/cm2、300℃以下の場合には(1)のような組織となる。通電方向は磁場印加方向とほぼ垂直である。
【００３０】
通電時の電流密度を0.2〜1A/cm2とし、磁場1〜5Tとした場合には、300℃以下であっても（2）のように粒界に窒化物や炭化物または酸化物あるいはこれらの複合化合物14が磁場印加方向にほぼ平行な粒界に成長しやすくなる。これは粒界及び粒界近傍が弾性波の影響を受けて溶質元素(合金中の不純物元素)の一部が拡散するためである。
【００３１】
さらに通電量を増加させ、通電時の電流密度を10A/cm2とし、磁場1〜5Tとした場合には、300℃以下であってもフェライト結晶粒11の外周側に沿って高磁化相が形成される。その模式図は（3）に示すように、磁場方向にほぼ平行な結晶粒界に沿った外周側の高磁化相12と磁場方向とは角度差のある粒界に沿って成長した高磁化相15がフェライト結晶粒11の外周側に認められ、粒界13の一部には炭素や酸素あるいは窒素を含有する粒界相14が成長する。高磁化相12,15の内周側には平均組成よりも磁化が低い層も成長する。高磁化相12,15の粒界から粒内にかけての幅は0.1〜500nmの範囲である。
【００３２】
図5のような特徴をもった組織により以下の特性向上が図れる。結晶粒の成長が抑制された温度域において結晶粒内で組成が変調されているため、変調構造による引張強度上昇が確認できる。また粒内の不純物は粒界に沿った化合物となるため耐食性が向上する。
このような強度上昇あるいは耐食性向上は、前記高磁化相がすべての粒界に沿って形成されなくとも実現でき、全粒界の5％について認められれば機械的性質あるいは耐食性向上に寄与する。
【実施例３】
【００３３】
本実施例は、Fe-1.0wt%Cの鉄鋼板と純度99.99％の鉄板を重ねて圧縮することにより、Fe-1.0wt%C/Feの拡散対を作製した。この拡散対を300℃、2Tの磁場中で2時間保持後50℃/分以上の冷却速度で急冷した。磁場印加中に交流電流を通電させる。電流密度は0.1mA/cm2から2A/cm2であり、周波数は50〜10GHzである。2Tの磁場中で300℃に保持する熱処理工程全体または100℃以上の高温側で交流電流を通電する。この通電により渦電流が発生し、ローレンツ力が生じる。このような力が結晶に作用し、ストレス及びエレクトロマイグレーションの相乗作用により炭素の拡散が無磁場無通電と比較して3から5倍に促進される。
【００３４】
本実施例のような磁場印加及び磁場中交流電流の通電は、弾性波が材料内を伝播し、Fe-C系のみならず他の鉄鋼材料や鉄系非晶質材料、金属ガラスなどの組織、組成制御、粒界構造、粒界偏在の制御に極めて有効である。さらにFe系だけではなく磁化率がゼロではない材料すべてにおいて、拡散促進効果や粒界組成、粒界構造の攪拌による粒界析出抑制効果が確認できる。
【００３５】
本手法は、高強度高耐食性構造材料、金型材料、耐磨耗材料、耐熱材料、軟磁性材料、硬質磁性材料、高飽和磁化材料、熱電変換材料、磁気冷凍材料、形状記憶材料、電池の負極正極材料、水素吸蔵材料、磁気遮蔽材料などに適用できる。
【実施例４】
【００３６】
厚さ10mmの鋼材の表面から浸炭処理を実施した。本実施例で用いた材料はC 0.02, Si 0.70, Mn 0.82, Ni 12.9, Cr 17.7, Mo 2.1 残りFe(wt%)である。浸炭には直流プラズマ電源を用いたプラズマ浸炭により、CH4, C3H8, N2, H2, Ar混合ガスによって進めた。1000℃で1時間処理後の浸炭層厚さは0.5mmである。
【００３７】
浸炭処理後、試料を磁場印加熱処理炉に挿入する。熱処理炉には磁場発生用コイル、加熱ヒータ、熱処理材に電流を流すための交流電源と耐熱端子が設けられている。磁場1.5Tで400℃に加熱し、1MHzで0.5mA/cm2の交流電流を通電する。この磁場印加熱処理では、磁場によって発現する強制磁気歪と交流電流による電磁振動により原子間隔が伸びてかつ振動波による格子振動により、侵入元素である炭素や窒素は拡散しやすくなる。特に非整合界面である結晶粒界においては、格子振動が隣接する結晶の方位などに影響されてエネルギーが溜まり易くなり拡散はさらに加速されることから、浸炭後の拡散熱処理の短時間化ならびに準安定相の生成に有効であり、従来の単純な熱処理に対し拡散時間を1/2に短縮できる。
【００３８】
本実施例のような強制磁気歪と交流電流による電磁振動は、磁場中超音波振動と類似する。原子の移動や拡散を伴う温度領域において磁場中超音波あるいは電磁超音波による効果を以下に示す。1）超音波周波数によって制御可能な超音波エネルギーが加わることにより拡散が促進される。2）超音波振動により非整合界面などでの摩擦も加わると局所的にエネルギーが溜まりやすくなり、結晶粒界や粒界三重点などで拡散促進や特定元素の偏在が生じる。3）渦電流が流れる材料では、材料の形状と交流周波数により表面近傍で電磁超音波や交流超音波による拡散や偏在ならびに準安定相生成が顕著となる。4）印加磁場が1T以上では、静磁エネルギー、異方性エネルギー、磁気弾性エネルギーの寄与が顕著となり、このような磁気的なエネルギーの増減に超音波振動が影響する。超音波振動は材料の種類によって効果が顕著になる周波数が異なる。2種類以上の周波数を含む超音波振動により粒界組成や粒界構造、粒界近傍の組成を制御することが容易である。
【００３９】
上記磁場中超音波あるいは電磁超音波による効果は以下の材料において確認できる。1）浸炭あるいは浸窒、浸炭窒における溶質元素の拡散促進、溶質元素の粒界偏在、2）Fe-C系鉄鋼材料における粒界偏在層の成長抑制や、超音波により析出物の核となるサイトを消滅させることが可能となる。3）Fe系、FeCo系において磁化率が高い準安定相が粒近傍に成長しやすい。超音波振動と磁場により粒界あるいは粒界近傍に粒内よりも磁化率が高い層が成長して磁気的なエネルギーを低減する。4）NdDyFeB系材料においてはキュリー点が高い相が粒界近傍に成長しやすくなり、粒界近傍にDyが偏在化することから、Dy使用量を1/2に削減できる。
【００４０】
上記磁場中超音波あるいは電磁超音波による効果は勾配磁場や交流磁場印加においても確認できる。特に電磁振動による組成分布制御には勾配磁場が0.1T/cm以上であることと交流周波数1kHz以上が望ましい。加熱温度を600℃以上とすると一部の結晶が粒成長を起こし機械的性質が低下する。さらに加熱温度を上昇させると電極と被処理材との反応や、弾性率減少による弾性波の伝播効果減少が顕著となる。このため600℃未満、できれば500℃以下の温度で弾性波を伝播させることが組織改質には有効である。
尚、超音波による組成、構造、組織制御は、磁場及び交流電流を加熱された材料に印加することで達成でき、電流の周波数を選択することでその効果を局所的に発現させることが可能である。
【実施例５】
【００４１】
本実施例では、Fe74.1(wt%),W9.5,Mo5.0,Co4.8,Mn0.3,Cr4.3,V2.0の鋼板を用いる。鋼板表面に厚さ約20nmのCrN膜を形成する。この材料の板厚方向に1Tの磁場を印加中周波数500kHzの交流を磁場印加方向に垂直な方向に通電する。電流密度は0.1〜10A/cm2である。磁場中で鋼板に交流通電することにより、以下の効果のいずれかが発現する。
【００４２】
1）周波数によって制御可能な振動エネルギーが加わることにより拡散が促進される。2）振動により非整合界面などでの摩擦も加わると局所的にエネルギーが溜まりやすくなり、結晶粒界や粒界三重点などで拡散促進や特定元素の偏在が生じる。3）渦電流が流れ、材料の形状と交流周波数により表面近傍で電磁超音波や交流超音波による拡散や偏在ならびに準安定相生成が顕著となる。4）印加磁場が1T以上では、静磁エネルギー、異方性エネルギー、磁気弾性エネルギーの寄与が顕著となり、このような磁気的なエネルギーの増減に超音波振動が影響する。
【００４３】
上記効果により、CrN膜の密着性が向上し、鋼板中の粒界または粒界近傍に添加元素の偏在が認められ、CrN膜が剥離しにくくなる。剥離の抑制は、鋼板と窒化膜間の界面において相互拡散が進み鋼材の構成元素の一部の元素が窒化膜と拡散し、結合力が増すためである。
【００４４】
本実施例のように通電で加熱する以外に、ヒータを使用して交流通電する手法、レーザを照射した加熱あるいは赤外線加熱中に交流通電する手法が採用でき、200から1200℃の範囲で交流通電による拡散促進や界面構造の変化、界面近傍の組成変化が認められる。
【００４５】
さらに窒化膜の表面を改質しクラックなどの発生を防止するために、窒素雰囲気中でプラズマを照射する手法が適用できる。窒素プラズマを照射しながら交流通電、あるいは静磁場中交流通電を進めることにより窒化膜の表面欠陥を抑制することができ、窒化膜の絶縁性能が向上し、磨耗寿命が延びる。
【実施例６】
【００４６】
本実施例では、W1.5,Mo5.0,Co2.2,Mn0.3,Cr24.3,Ni6.0, 残りFeの鋼板を用いる。鋼板にCH系ガスを使用して炭素を表面から拡散させ、表面硬化層を形成する。次に400℃に加熱し2.0Tの磁場を厚さ方向に印加し、磁場印加方向と垂直な方向に高周波電流を通電させる。電流の周波数は10kHz〜100MHzである。また電流密度は0.1mA/cm2〜100A/cm2の範囲である。
【００４７】
上記高周波電流の通電により、磁場印加中で結晶格子が振動する。また磁場による強制磁気歪が認められ、電流の密度と周波数に依存して組成変調や組織変調が可能となる。本実施例では、温度700℃、2.0Tの磁場において100kHzで1mA/cm2の電流を通電することにより表面硬化層にCrやCo, W濃度が高い炭化物が形成され、硬度を増加させかつ剥離しにくい硬化層を形成できる。
【００４８】
磁場中熱処理時に高周波電流の通電によって得られる効果は以下の通りである。1）通電周波数により特定元素が拡散しやすくなる。2）電磁超音波の発現により磁気的に準安定な相が形成される。3）磁場が1.5から20Tの範囲で高周波あるいは高調波電流を通電することにより高磁化の準安定相が形成される。4）電流の通電方向あるいは磁場印加方向を変えることにより組成分布や磁化分布を制御できる。5）高調波電流と高周波磁場、高調波電流と低周波磁場などの組み合わせにより、材料表面と内部で拡散する元素や組織が異なる材料が得られる。いずれの効果も固相における組成・組織・構造制御が可能であり、高周波電流は、固相内の原子移動に寄与している。
【００４９】
本実施例のように、熱処理時の固相に磁場中で高周波電流を通電するプロセスは、強制磁気歪と格子振動が強く影響して、拡散制御や粒界構造制御、界面構造制御、特定元素の偏在に寄与すため、構造材料以外にも軟磁性材料、ナノコンポジットを含む硬磁性材料、超伝導材料、磁気歪材料、磁気冷凍材料、熱電変換材料、磁気記録材料、磁気シールド材料、超硬合金、各種複合材料などに適用できる。
本実施例のように原子が固相拡散する温度範囲で、磁場及び交流電流を印加する方式は、磁場印加方向の三次元化、交流電流パスの三次元化により、任意の形状や方向に組成・組織・構造制御が可能となり、従来の単純形状では実現不可能な製品への適用が可能となる。
【実施例７】
【００５０】
本実施例では、純度99.99％の鉄板を用いる。鉄板表面に鉄炭化物が成長しており、鉄炭化物の体積率が表面から深さ方向に減少している。主な鉄炭化物はFe3Cであり、Ｘ線回折パターンの測定からFe3Cと認識できる。鉄板表面に金属電極を付着させ、1Tの外部磁場を印加しながら通電する。電流は交流電流であり、その周波数は1MHzであり、電流密度は1A/mm2である。通電方向と磁場印加方向の角度差は約90度である。また加熱温度は200℃、通電時間は1時間である。
【００５１】
通電により電極と電極間に交流電流が流れ、その電流分布は電極接触面に多く流れ、その反対側の面では少ない電流分布となり、電流分布に変位がある。電流分布は通電方向に垂直な面で上下あるいは左右で非対称となる。このような電流分布により電流密度の高い面に強いローレンツ力が作用して弾性波が発現する。弾性波は厚さ方向に伝播し鉄板に弾性変形（格子変形）をもたらす。周波数が高くなると振動エネルギーも高くなり、炭素などの侵入元素は弾性波と磁場の影響により拡散が加速する。上記条件では通電無、磁場無の場合よりも2〜5倍拡散距離が増加することが、炭素分析結果や硬さ分布ならびに炭化物の分布から確認できる。
【００５２】
上記条件において、周波数が1MHzの時、外部磁場は0.1〜20T、電流密度0.01〜10A/mm2であれば拡散促進効果が確認できる。外部磁場が1T,  電流密度1A/mm2の時、交流周波数が1kHzから100GHzの範囲であれば拡散距離が1.5から5倍に増加する。特定周波数で共振幻想を伴い、特定の周波数において準安定相であるFe4CやFe8CなどのFe3Cよりも飽和磁化が高い炭化物が形成される。さらに電極数を増やして周波数の異なる交流電流を通電し、複数の方向に弾性波を伝播させることが可能であり、局所的に拡散を加速させることが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
1---電磁石、2---変位計、3---電極、4---配管、5---電磁石、6---ヒータ、
11---フェライト結晶粒、12---高磁化相、13---粒界、14---化合物、15---高磁化相、
21---被処理材、22---加熱ヒータ、23---ヨーク、24---チャンバー、25---電磁石、26---通電端子、27---真空ポンプ、28---変位計
【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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