(57)【要約】【課題】ステンレス鋼の耐食性を改善したステンレス部材およびその製造方法を提供することにある。【解決手段】ステンレス鋼粉末に、質量比で、０.５〜２０％のゲルマニウム粉末を添加し混合した粉末を、所望の形状に圧粉成形し、焼結する。この際にルマニウム粉末の平均粒径が１００μｍ以下であることが好ましく、また１０００〜１３００℃の焼結保持温度とし、８００℃から焼結保持温度までの温度範囲における昇温速度を１０℃／ｍｉｎ以下にすることが望ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼に、ゲルマニウムを質量比で、０.５〜２０％含むことを特徴とする高耐食性ステンレス部材。
【請求項２】
前記ステンレス鋼が、オーステナイト系またはフェライト系のステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載の高耐食性ステンレス部材。
【請求項３】
ステンレス鋼粉末に、質量比で、０.５〜２０％のゲルマニウム粉末を添加し混合した粉末を、所望の形状に圧粉成形し、焼結したことを特徴とする高耐食性ステンレス部材の製造方法。
【請求項４】
前記ゲルマニウム粉末の平均粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の高耐食性ステンレス部材の製造方法。
【請求項５】
前記焼結を１０００〜１３００℃の焼結保持温度で行うことを特徴とする請求項３または４に記載の高耐食性ステンレス部材の製造方法。
【請求項６】
前記焼結において、８００℃から前記焼結保持温度までの温度範囲における昇温速度が、１０℃／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項５に記載の高耐食性ステンレス部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐食性に優れており、広く使用されているステンレス鋼の改良に係り、特に耐食性をより一層改良したステンレス部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＩＳ規格には、ステンレス鋼として、１）組成が、質量比で、Ｃｒ：１５〜２６％、Ｎｉ：３.５〜２８％、Ｃ：０.１５％以下を必須成分とするオーステナイト系ステンレス鋼、２）組成が、質量比で、Ｃｒ：１１〜３２％、Ｃ：０.１２％以下を必須成分とし、Ｎｉを含有しないフェライト系ステンレス鋼、３）組成が、質量比で、Ｃｒ：１１.５〜１８％、Ｃ：１.２％以下を必須成分とするマルテンサイト系ステンレス鋼、および４）組成が、質量比で、Ｃｒ：１５〜１８％、Ｎｉ：３〜７.７５％、Ｃ：０.０９％以下を必須成分とし、Ｃｕ、Ａｌ等を添加した析出硬化系ステンレス鋼が規定されている。
これらのステンレス鋼には、耐食性、耐酸性向上のためＭｏ、Ｓｉ等を添加したり、耐粒界腐食、溶接性向上のためＴｉ、Ｎｂ等を添加したり、快削性向上のためＳ、Ｓｅ、Ｐ等を添加したものも含まれる。
【０００３】
上記のようなステンレス鋼は、耐食性に優れているので広く使用されているが、より一層の耐食性の向上が望まれている。
【０００４】
また、ステンレス部品として、ニアネットシェイプの製品が得られ、加工ロスの少ない粉末冶金法によるものは、粉末どうしの相互拡散により強固に接合するが、気孔が残留するため、溶解法により製造された同一組成の合金よりも耐食性が劣ることとなり、あまり実用化されていない。この欠点を解消するため、原料として用いるステンレス鋼粉末として微細な粉末を用い、バインダーとともに混練したものを金型内に射出成形し、脱バインダー処理の後、焼結により緻密化させ、気孔量を大幅に減少させたものが実用化されている。しかし、脱バインダー工程で、急激に加熱するとバインダーが揮発膨張して製品の型くずれが生じるためバインダーを完全に除去する手間がかかるとともに、寸法収縮量が大きくかつ寸法精度が悪いためニアネットシェイプの製品が得難く、コストがかるという欠点を有している。このような理由から通常の粉末冶金法、すなわち原料粉末を圧粉成形し、得られた圧粉体を焼結するのみの簡単な製法により、実用レベルの耐食性の優れた焼結合金が得られれば、低コストであるためその用途拡大が見込めることから、そのような素材の登場が待ち望まれている。
【０００５】
なお上記のような圧粉成形による焼結体の耐食性を向上する試みはほとんど見られず、Ｃｒ含有鉄基合金に少量のＰあるいはこれに代えてＧｅ、Ａｓを配合した組成とすることにより、耐摩耗性を向上した合金組成物が特許文献１に開示されている程度である。
【特許文献１】特開平７−２７８７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ステンレス鋼の耐食性を改善したステンレス部材を提供することにある。また、本発明のステンレス部材を一般の粉末冶金法に適用することにより、ステンレス焼結合金の耐食性を向上させ、ステンレス焼結合金の耐食性を実用レベルにまで引き上げることにある。また、これにより、一般の粉末冶金法による製品の用途拡大を目指すものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記のステンレス鋼の耐食性を向上させるため、上記のステンレス鋼にゲルマニウムを０.５〜２０質量％含有させたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のステンレス部材の製造方法は、ステンレス鋼粉末に、質量比で、０.５〜２０％のゲルマニウム粉末を添加し混合した粉末を、所望の形状に圧粉成形し、焼結することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のステンレス部材は、従来のステンレス鋼部材にゲルマニウムを０.５〜２０質量％含有させたもので、Ｃｒ不動態をゲルマニウムが強固にする結果、耐食性をさらに向上させた優れた部材である。
また、本発明のステンレス部材の製造方法は、ステンレス鋼粉末にゲルマニウム粉末を添加混合した原料粉末を圧粉成形および焼結するのみの粉末冶金法によるステンレス鋼部材の製造方法であり、従来の粉末冶金法によるものよりも耐食性を向上でき、実用レベルの耐食性焼結合金の製造を可能にするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明におけるゲルマニウムは、ステンレス部材の基地中に固溶し、不銹性を与えるＣｒの不動態を強固にする作用を有する。この作用は含有量が０.５質量％に満たないと効果が乏しい。一方、２０質量％を超えると、基地が硬くなるとともに、脆化するため好ましくない。
【００１１】
このゲルマニウム添加による耐食性向上の効果は、フェライト系やオーステナイト系ステンレス鋼において、その効果が特に顕著である。また、マルテンサイト系や、析出分散系ステンレス鋼は、析出物が分散する結果、硬くなり、耐摩耗性は向上するが、異相共存となるため、フェライト系やオーステナイト系ステンレス鋼よりも耐食性は低下するが、このような耐食性マルテンサイト系や、析出分散系ステンレス鋼においてもゲルマニウム添加の効果は認められる。
【００１２】
本発明のステンレス鋼部材の製造方法においては、ゲルマニウムを単味の粉末の形態で付与することを特徴とするが、ゲルマニウムは、ステンレス鋼粉末基地に極めて拡散しやすく、拡散したゲルマニウムは上記のようにステンレス鋼中のＣｒの不動態を強固にして、耐食性を向上させる。また、ゲルマニウムは９３６℃程度で液相となるため、単味で粉末の形態で付与しても、焼結の昇温過程で発生した液相が、ステンレス鋼粉末表面を濡らしステンレス鋼粉末表面を覆うことにより、より均一にゲルマニウムが拡散することに寄与する。このゲルマニウム液相は、毛細管力によりステンレス鋼粉末間に引きつけられ、気孔を球状化するとともに表面に連通する気孔を閉鎖して、独立気孔（閉鎖気孔）とすることで、多孔質であることに起因する孔食腐食の発生を抑制する効果も有する。
【００１３】
上記ゲルマニウム粉末の添加による耐食性向上の効果は、０.５質量％以上の添加で顕著である。一方、ゲルマニウム粉末は硬い粉末であるため、２０質量％を超える添加は、粉末の圧縮性を損ない、圧粉体密度を低下させ、焼結しても緻密化しにくくなることから耐食性がかえって低下することとなる。また、硬質なゲルマニウム粉末が成形金型を傷つけ、金型寿命が短くなる。よって、ゲルマニウム粉末の添加量の上限を２０質量％とした。
【００１４】
上記のゲルマニウム粉末は、焼結時に液相となって溶出してしまうため、粗大な粉末を用いた場合、粗大な気孔が残留しやすく、ステンレス鋼部材表面にこのような粗大気孔が露出した場合、孔食腐食の基点となるため好ましくない。そのため、ゲルマニウム粉末としては、平均粒径が１００μｍ以下のものを用いることが好ましい。
【００１５】
上記のようにゲルマニウムの液相を利用することによって、より均一なゲルマニウムのステンレス鋼基地への拡散が達成され、気孔を閉鎖することによる孔食腐食の抑制の作用は、焼結保持温度がゲルマニウムの液相発生温度（９３６℃程度）以上であることが要件となる。したがって、焼結保持温度は１０００℃以上であることが好ましい。
【００１６】
焼結する際の昇温速度は速いほうが能率的であるが、速すぎるとゲルマニウムの液相が急激に発生してブリスターを生ずるため、８００℃から焼結保持温度までの範囲においては、１０℃／ｍｉｎ以下の速度にすることが好ましい。
【実施例】
【００１７】
＜第１実施例＞
平均粒径を１００μｍ以下に調整したゲルマニウム粉末を用意し、オーステナイト系ステンレス鋼粉末として、ＳＵＳ３０４Ｌ粉末およびＳＵＳ３１６Ｌ粉末、フェライト系ステンレス鋼粉末として、ＳＵＳ４１０Ｌ粉末、ＳＵＳ４３０Ｌ粉末を用意し、表１に示す割合で配合し、成形圧力６８６ＭＰａで各試料につき１００個連続成形し、その後、金型の状態を観察した。次いで、得られた成形体について、焼結保持温度１２５０℃、焼結保持時間３０分、水素ガス雰囲気中で焼結して、試料０１〜２０を得た。なお、焼結における昇温は、８００℃までの昇温速度は２０℃／ｍｉｎ、８００℃から焼結保持温度（１２５０℃）までの昇温速度は７℃／ｍｉｎで行った。
【００１８】
得られた各試料１０個づつと、乳酸５０ｇ／ｌ（リットル）および塩化ナトリウム１００ｇ／ｌからなる水溶液を入れたビーカーを、各試料とビーカーを離して恒温保持槽内に配置し、密封した状態で５５℃で８時間保持した後、各試料を取り出して錆の発生を確認した。その結果を表１に併せて示す。
【００１９】
【表１】
2005076072.tif 000002
【００２０】
表１より、オーステナイト系ステンレス鋼およびフェライト系ステンレス鋼に関わらず、ゲルマニウム粉末を２５質量％添加したものでは、１００個の連続成形後、金型に摩耗が見られた。このため、ゲルマニウム粉末２０質量％を超える添加は、量産に適さないと判断し、耐食性試験の対象より除外した。
耐食性試験の結果より、ゲルマニウム粉末を添加しない試料は、オーステナイト系ステンレス鋼およびフェライト系ステンレス鋼に関わらず、錆が発生していた。一方、ゲルマニウム粉末を０.５〜２０質量％添加した試料では、鋼種によらず錆は発生しておらず、良好な耐食性を示すことが確認された。また、これらの耐食性が良好な試料について、金属組織を観察したところ、いずれもゲルマニウムがステンレス基地中に固溶されていることが確認された。以上の結果から、ステンレス鋼にゲルマニウム０.５〜２０質量％を含有させることにより耐食性が改善されることを確認した。
【００２１】
＜第２実施例＞
第１実施例の試料番号０７および１７の試料と同じ粉末および配合比の原料粉末を用い、成形圧力６８６ＭＰで、各試料につき１０個成形し、得られた成形体について、表２に示す昇温速度（８００℃から焼結保持温まで）および焼結保持温度で、焼結保持時間３０分、水素ガス雰囲気中で焼結して、試料２１〜３８を得た。なお、８００℃までの昇温速度は第１実施例と同じく２０℃／ｍｉｎで行った。得られた各試料について、外観を観察した後、第１実施例と同様の耐食性試験を行い、焼結条件が耐食性に与える影響を調べた。その結果を表２に併せて示す。
【００２２】
【表２】
2005076072.tif 000003
【００２３】
表２より、焼結保持温度が１３００℃を超える試料番号２７および３６の試料は、ステンレス鋼種によらず収縮量が大きくなりすぎて型くずれが発生している。また、焼結保持温度が１０００℃に満たない試料番号２１、２２、３０および３１の試料は、焼結による緻密化が不十分で耐食性試験後発錆が認められた。以上より、焼結保持温度は、ステンレス鋼種によらず１０００〜１３００℃の温度範囲が適していることが確認された。
【００２４】
また、８００℃から焼結保持温度までの昇温速度が１０℃／ｍｉｎを超える試料番号２９および３８の試料は、ゲルマニウム液相が急激に発生したことにより、焼結後ブリスターが発生している。一方、８００℃から焼結保持温度までの昇温速度が１０℃／ｍｉｎ以下の試料についてはいずれも正常な外観を呈しており、耐食性試験後も発錆が認められなかった。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明のステンレス部材は通常の粉末冶金法により製造することができ、特に高い耐食性を有するため、例えばギヤー、ジョイント、ブッシングをはじめ各種産業用、家庭用の機械部品等、特に高い耐食性の要求される各種部材の材料として有用である。