(57)【要約】【課題】  本発明の目的は強度、耐食性の高い合金を提供することである。【解決手段】  本発明に係る鉄系合金は、鉄及び炭化物を含み、表面から内部に向かって炭素の濃度が低下する炭素の濃度勾配を有し、前記炭化物のアスペクト比は１以上２未満であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄及び炭化物を含み、
表面から内部に向かって炭素の濃度が低下する炭素の濃度勾配を有し、
前記炭化物のアスペクト比は１以上２未満であることを特徴とする鉄系合金。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄系合金であって、
誘導磁気異方性を有することを特徴とする鉄系合金。
【請求項３】
請求項１に記載の鉄系合金であって、
方向により磁化の高さが異なることを特徴とする鉄系合金。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鉄系合金であって、
前記炭化物は遷移金属元素を含むことを特徴とする鉄系合金。
【請求項５】
請求項４に記載の鉄系合金であって、
前記遷移金属元素はＣｒまたはＭｏであることを特徴とする鉄系合金。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の鉄系合金であって、
母材はマルテンサイトであることを特徴とする鉄系合金。
【請求項７】
鉄及び遷移金属元素を含む合金に炭素を拡散させる工程と、
炭素が拡散した前記合金を加熱する工程と、
加熱された前記合金を冷却しつつ、磁場を印加する工程を有することを特徴とする鉄系合金の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の鉄系合金の製造方法であって、
前記磁場を印加する工程における磁場強度は１Ｔ以上であることを特徴とする鉄系合金の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の鉄系合金の製造方法であって、
前記磁場を印加する工程における温度範囲は７００℃以上８５０℃以下であることを特徴とする鉄系合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄系合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄系素材において機械的性質の向上、耐食性向上あるいは機能性向上の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、材料表面から印加する手法であり材料内部の組織制御にはこれまでの手法では困難であった。
【０００６】
金属系材料の組織を制御するためには、応用上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、強磁性相の結晶粒が磁場方向に成長することが可能である。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。構造材料の耐摩耗性向上のためには表面を含む表面近傍の組織制御が重要となる。低合金鋼の表面から炭素あるいは窒素を導入し、硬化層を形成することで疲労強度が上昇することが知られている。炭素あるいは窒素の導入によって熱処理後に成長する主な相は、炭化物や窒化物、マルテンサイト、残留オーステナイトなどである。硬度が最も高い炭化物や窒化物の寸法や形状、界面ならびに分散状態を制御することにより疲労強度を増加させる。
【０００７】
炭化物の形態制御にはA1変態点（γがαと炭化物となる共析温度）の高温側から低温側に冷却し、A1変態点より高温側に再加熱する熱処理パターンを採用することにより炭化物の形状を球状化する方法が知られている。このような従来の手法では1回の冷却昇温工程で炭化物を球状化することは困難であり、熱処理時間が長時間となることを犠牲にして繰り返し冷却と昇温を実施することが必要であった。
【０００８】
このような熱処理時間の長時間化は生産効率の低下とエネルギーコスト増加によるプロセスコストの上昇をまねき、その低減が課題である。
【０００９】
本発明の目的は強度、耐食性の高い合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る鉄系合金は、鉄及び炭化物を含み、表面から内部に向かって炭素の濃度が低下する炭素の濃度勾配を有し、前記炭化物のアスペクト比は１以上２未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、鉄系合金の強度、耐食性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】磁場中熱処理後の断面組織
【図２】磁場中熱処理後の磁化曲線
【図３】磁場中熱処理の工程例
【図４】磁場中熱処理後の炭化物のアスペクト比
【図５】磁場中熱処理後の炭化物平均粒径
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施例では、CrやMoなどの遷移金属元素を含有する鉄系合金について説明する。鉄系合金の一つである低合金鋼はA1変態点をもち、炭化物の形態が変態点の高温側と低温側とで大きく異なる材料である。すなわち、A1変態点より高温側ではγ(オーステナイト)や炭化物が成長し、低温側ではα(フェライト)と炭化物が形成でき、低温側に保持すると層状の炭化物が成長しやすくなる。ここで炭化物とはM3Cが主であり,MはFeおよびCrやMoなどの遷移金属元素である。
【００１４】
炭化物の球状化のためには，層状炭化物の一部をγ相に溶解させ凝集することで表面エネルギー低下のために層状炭化物の分断が進行し、楕円形からさらに球状となる。球状化した炭化物以外の炭素はγ内に固溶する。このγ相からA1点以下でパーライトが成長し炭化物間に層状炭化物が形成され、さらにA1点より高温側に加熱することで層状炭化物が分断凝集する。このようなA1点の高温側と低温側で加熱冷却を繰り返すことで球状炭化物が成長する。
【００１５】
A1点以外に磁場を印加することで磁気変態点であるA2点を考慮したプロセス設計が可能となる。C 0.3%, Si 0.2%, Mn 0.6%, Cr 1.2%, Mo 0.2%を含有する低合金鋼の場合、A2点は760℃付近でありA2付近で強磁性が常磁性に変化する。磁場が印加されると磁場強度に依存してA2点より高温側の磁化が変化する。磁場強度が0.5T以上であればA2点より高温側の特定温度範囲で強磁性となる。これは磁場印加によりスピンが磁場方向にそろい強磁性的な振る舞いとなるからである。A1点の高温側ではγが安定であるのに対しA1点より低温側で強磁性相であるαが成長するが、磁場が印加された場合、磁場強度が0.5T以上となるとA1点よりも高温側であってもスピンが平行にそろい強制であるαが安定化する。このようなα安定化により磁場印加の場合A1点が高温側に移動することと同等の効果が磁場印加によって生じる。
【００１６】
上記のように磁場印加により強磁性相であるα相が安定化するため、冷却時のA1点よりも高温側において冷却時に0.5T以上の磁場を印加することでA1点よりも高温側であるにもかかわらずα相の成長が促進される。磁場印加を交流磁場あるいは磁場強度に強弱を加えて冷却時に印加することでα相の成長促進とγ化を繰り返し成長させることが可能である。これはA1点の高温側から低温側への冷却と逆の昇温を繰り返す工程と同等となる。したがってA1点近傍での磁場印加により炭化物の形態制御が可能となる。
【００１７】
CrおよびMoが0.1-2%添加された合金鋼の場合、冷却時のA1点(Ac1)よりも高温側かつA2点よりも高温側から冷却し、冷却時に0.5T以上の磁場を印加することによりα相の核発生が促進される。交流磁場を印加することによりα相安定化、γ相安定化が繰り返され二相の炭素固溶濃度の差から炭化物の析出と凝集が生じ界面エネルギー低下のために炭化物界面はなめらかとなり、球状化が進行する。1回の冷却工程で磁場強度を変えた磁場印加により変態温度がシフトすることと同等の効果が得られ、炭化物など析出物の形態を磁場印加によって変化させることが可能である。
【００１８】
このような磁場印加履歴のある材料は、直流磁化曲線の測定による磁気異方性の評価により確認できる。
【００１９】
上記磁場印加による炭化物形状制御により摩部品の寿命が大幅に改善できる。
【００２０】
以下に示す実施例１〜１０では、様々な方法で鉄及び遷移金属元素を含有する合金に炭素を拡散させている。その結果、合金は表面から内部に向かって炭素の濃度が低下する炭素の濃度勾配を有することとなる。本実施形態では、内部にまで炭素を拡散させ、その炭素が遷移金属元素とともに炭化物を形成することで、鉄系合金の強度、耐食性が向上する。
【実施例１】
【００２１】
Fe-0.5%Si, 0.8%Mn, 1.5%Cr, 0.8%Mo, 0.25%C合金を溶解後冷間圧延する。この合金を母材にして切削加工後真空加熱炉に挿入する。10℃/分の加熱速度で1000℃まで加熱後アセチレン(C2H2)ガスを導入する。表面から10μm深さまでの炭素濃度が1.0wt%になるまで反応させ拡散後Arガスにより冷却する。
【００２２】
20℃から500℃までの温度範囲に冷却後、再加熱する。加熱速度は10℃/分であり850℃に加熱後アセチレンガスを導入する。ガス導入後1時間拡散させ700℃まで10℃/分の冷却速度で冷却後850℃まで再加熱後油焼き入れする。前記700℃まで10℃/分の冷却速度で冷却中に2Tの磁場を試料に印加する。印加磁場の周波数は1Hzである。この磁場印加により炭化物が球状化し分散する。最後の急冷によりマトリックス（母相）はマルテンサイトであることを硬さおよび組織から確認している。マトリックスをマルテンサイトとすることで、耐摩耗性が向上する。
【００２３】
本材料の特徴は以下の通りである。1）磁場印加により球状化した炭化物のアスペクト比が1以上2未満であること。その典型的な組織を図１に示す。アスペクト比が2を超える炭化物が増加すると疲労強度が低下する。2）磁場印加方向と垂直方向では図２に示すように磁化曲線に差があること。磁場印加方向に平行な方向では磁化が磁場に対して立ち上がりやすい。すなわち、方向により磁化の高さが異なっている。この特徴を「誘導磁気異方性を有する」という。3）種々の条件で検討した結果を表1に示す。アスペクト2未満を実現できる条件はNo.1-3, 5-10である。磁場強度は1T以上、磁場印加は700-850℃の温度範囲にて実施する必要がある。
【００２４】
No.4では磁場強度が小さいため、炭化物のアスペクト比が大きくなってしまう。No.11,15では磁場を印加していないので、炭化物のアスペクト比が大きい。No.12-14では磁場印加時の温度範囲が公的な範囲にないため、炭化物のアスペクト比が大きい。
【００２５】
図４に示すように、印加する磁場が1T未満であると炭化物のアスペクト比が２以上となり、印加する磁場が1T以上であると炭化物のアスペクト比が２未満となることが分かっている。
【００２６】
【表１】
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【実施例２】
【００２７】
Fe-0.5%Si, 0.8%Mn, 5%Ni, 26%Cr, 4%Mo, 0.2%Cu, 0.25%N , 0.1%Sn合金を真空溶解し母合金をアセチレンガスにより浸炭する。浸炭後の炭素濃度は表面近傍で0.9wt%である。冷却中に0.5Tの磁場を印加する。冷却速度は材料の表面と内部では異なり、内部の冷却速度が小さい。磁場は冷却時の1000℃から200℃の温度範囲において印加する。冷却中にキュリー点とキュリー点から100℃低温側の温度範囲において冷却速度を1℃/minとしている。磁場は静磁場であり、静磁場の代わりに回転磁場や直行磁場、パルス磁場を印加しても良い。磁場印加方式は永久磁石、コイルのいずれでも良い。磁場印加により炭化物の析出形状が球状になる。
【００２８】
本実施例において、磁場印加の効果は以下の通りである。1）添加しているCrの炭化物への偏在が抑制される。2）α相の結晶粒内に局所的な組成変調が生じる。3）α相の一部の結晶成長が磁場に平行になる。
【００２９】
上記のような組成及び組織制御により、疲労強度が増加し、疲労寿命の向上を実現できる。
【実施例３】
【００３０】
Fe-0.5%Si, 0.8%Mn, 1.5%Cr, 0.8%Mo, 0.3%C合金を溶解後冷間圧延する。この合金を母材にして切削加工後真空加熱炉に挿入する。10℃/分の加熱速度で1000℃まで加熱後アセチレン(C2H2)ガスを導入する。表面から10μm深さまでの炭素濃度が1.0wt%になるまで反応させ拡散後Arガスにより冷却する。20℃から500℃までの温度範囲に冷却後、再加熱する。加熱速度は10℃/分であり850℃に加熱後アセチレンガスを導入する。ガス導入後1時間拡散させ700℃まで10℃/分の冷却速度で冷却後850℃まで再加熱後油焼き入れする。前記700℃まで10℃/分の冷却速度で冷却中に2Tの磁場を試料に印加する。印加磁場の周波数は1Hzである。この磁場印加により炭化物が球状化し分散する。最後の急冷によりマトリックスはマルテンサイトであることを硬さおよび組織から確認している。
【００３１】
図３に球状化処理の温度と時間の模式図を示す。無磁場の場合には二次浸炭後にA1点を横切るようにして昇温、降温を3回繰り返して炭化物を球状化させた後、油焼き入れする。これに対し磁場印加を二次浸炭後に進める場合には焼き入れ前のA1点の降温は1回で炭化物を球状化する。一次浸炭温度、T1は950〜1050℃の範囲でアセチレンガスを導入後拡散処理し、炉冷後二次浸炭の工程に入る。尚、一次浸炭後の冷却は炉玲よりもガス冷却でA1点以下まで降下させた方が二次浸炭時の球状化時間が短縮できる。
【００３２】
本材料の特徴は以下の通りである。1）磁場印加により球状化した炭化物のアスペクト比が1以上2未満であること。その典型的な組織を図１に示す。アスペクト比が2を超える炭化物が増加すると疲労強度が低下する。2）磁場印加方向と垂直方向では図2に示すように磁化曲線に差があること。磁場印加方向に平行な方向では磁化が磁場に対して立ち上がりやすい。すなわち、方向により磁化の高さが異なっている。この特徴を「誘導磁気異方性を有する」という。3）種々の条件で検討した結果を表1に示す。アスペクト2未満を実現できる条件はNo.1-3, 5-10である。磁場強度は1T以上、磁場印加は700-850℃の温度範囲にて実施する必要がある。
【００３３】
炭化物の平均粒径と二次浸炭後に印加する磁場強度の関係を図5に示す。炭化物の平均粒径は磁場強度が増加すると減少する傾向がある。2Tで約1μm, 2Tを超えると1μmよりも小さくなる。
【実施例４】
【００３４】
Fe-0.5%Si, 0.1%Mn, 7%Ni, 26%Cr, 4%Mo, 0.2%Cu, 0.25%N 合金を溶解後熱間鍛造する。圧延後に1100℃で溶体化処理する。本材料を1000℃に加熱しアセチレンガスにより浸炭する。拡散方向に1.0Tの磁場を印加し450℃で時効処理する。390℃以上の温度範囲における冷却速度は0.5-1℃/分とし、磁場印加効果を促進させている。磁場中時効により組成変調が促進される。
【００３５】
上記のような炭素拡散は、磁場中熱処理によって顕著になり、磁場中熱処理条件を制御することが重要である。組成変調や炭素偏在化が進行するのはセメンタイト相が成長する温度よりも低温側であり、本実施例では400〜450℃の温度範囲である。この温度範囲において0.1T〜5Tの範囲の磁場を印加する。0.1T未満では磁場による組成変化がほとんど認められない。また5Tを超えると変調組成の周期が短くなる傾向があり拡散バリアとしての効果が小さくなる。磁場は圧延方向、圧延に垂直方向などを含み回転磁場を印加する。優先成長方位や組織の異方性に応じて磁場の強度と方向を適正に配分する。磁場が1.0Tの場合390℃以上の温度範囲における冷却速度は0.5-1℃/分とし，磁場強度を小さくする場合には冷却速度をさらに小さくし、磁場方向を走査しながら熱処理する。300〜450℃の熱処理時に1-50℃の範囲で降温と昇温を繰り返しながら昇温や降温または温度保持捜査をしても良い。
【００３６】
上記のような磁場中熱処理を施した結果、その組織の特徴を以下に説明する。まず磁場中熱処理前後の飽和磁化が0.1〜10%の範囲で増加することが20℃の磁化曲線の測定結果らわかる。これは熱処理によりα相の磁化が増加したためである。α相内のFe原子はCr原子の置換によりその磁気モーメントが減少しているが、熱処理によりCr置換による磁気モーメント減少が少なくなりFeの平均磁気モーメントが増加する。このため材料全体の磁化が増加する。このような効果は磁気変態点の上昇や内部磁場の増加などによって確認できる。次に結晶構造であるが溶体化処理した材料にはX線回折パターンにα相とγ相の2相が認められる。溶体化処理後のX線回折パターンと溶体化処理の後に磁場中熱処理を施した材料のX線回折パターンとでは異なる。磁場中熱処理後のα相の回折ピークは少なくとも2つの格子定数に対応する結晶を有していることを示している。これは磁場中熱処理により結晶構造が変調していることを示すものである。
【実施例５】
【００３７】
Fe-25.0Cr-6.9Ni-4.0Mo-0.8Mn-0.2Cu-0.017C-0-0.27N(wt%)の鋼板に電極を接触させ、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しながら浸炭する。電流密度は0.1〜10A/cm2である。キュリー点以下の温度範囲における磁場中時効処理中に鋼板に交流通電する。実施例１の磁場印加効果に加えて以下の効果のいずれかが発現する。
【００３８】
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。
【００３９】
上記効果により、組成変調及び炭化物成長がさらに促進される。また組成変調が粒界に沿って局所的に進行する。固有周波数における振動の伝播がα/炭化物界面に沿って伝播しやすくなるためα/炭化物界面での組成変調が促進される。このような炭化物成長の促進により炭化物の形状はアスペクト比が2.0未満となり疲労寿命が無磁場の場合より2倍に伸びる。
【００４０】
本実施例のように磁気弾性波は交流電流の通電以外に、レーザー照射による振動、圧電素子、磁歪素子による振動も利用することが可能である。
【実施例６】
【００４１】
被処理材料の組成はFe-2.0Cr-0.1Ni-1.0Mo-0.8Mn-0.2Cu-0.2C--0.4N(wt%)である。溶接部および溶接熱影響部に対して浸炭部の脆化を抑制するために溶接前に磁場引加時効熱処理を実施する。圧延方向0.1Tの磁場を印加し、被処理鋼を構成する主相αのキュリー点(500℃)以下の450℃において磁場中時効熱処理を進める。磁場中時効熱処理についてその典型条件を以下に示す。
【００４２】
溶体化処理された被処理鋼の圧延方向に磁場が印加できるよう電磁石の位置を溶接部および溶接熱影響部において調整する。真空ポンプで排気し1x10-2Paまで真空引き後、窒素を充填しヒータで加熱する。加熱速度は10℃/分である。加熱後300℃に達したら磁場を印加開始し、冷却時も300℃まで磁場印加する。磁場強度は0.01T以上であればσ相の成長抑制効果が確認できる。温度が390℃に達した時に加熱速度を小さくする。390℃以上の温度では0.5℃/分とした。450℃に達した後直ちに0.2℃/分の速度で390℃まで徐冷する。390℃以下では炉冷である。上記磁場中時効熱処理を実施後、レーザー溶接し残留歪を除去するために800℃で10分間加熱冷却した。
【００４３】
800℃の熱処理後，相構成について組織観察を行った。炭化物の形状はアスペクト比が1-2の範囲でありアスペクト比が3を超える炭化物粒子は認められず、疲労強度が無磁場の場合と比較して2倍に伸びることを確認した。
【実施例７】
【００４４】
Fe-2%Cr-20%Ni合金を溶解後、電磁弾性波処理により結晶粒を微細化させる。電磁弾性波処理は次の条件である。磁場2.0T, 温度600℃, 通電電流密度 200A/cm2,  
周波数1MHz-10THzである。磁場方向に対して45〜90度方向に通電させて弾性波を発現させる。処理時間は600℃で10分である。冷却中も電磁弾性波を印加させている。
【００４５】
電磁弾性波処理により、高弾性係数のα相やγ相の結晶に転位や欠陥が導入され、結晶粒が30μmから5μmに細かくなる。また粒界の不純物偏析が均一化される。弾性波の伝播が不連続なα/γ界面近傍では結晶粒を細かくすることができ, 耐腐食性と引張強度が上昇する。
【００４６】
電極対を複数使用し、通電方向を変えることで被処理材にねじり変形や曲げ変形を局所的に加えることが可能である。このような変形により応力が集中しやすい結晶粒界近傍で結晶粒径が細かくなる。また通電しながら磁場中急速冷却を施すことで応力付加部を準安定状態で室温に保持することができる。
【００４７】
FeNiCr系合金において、浸炭や浸窒処理を施し、高硬度相である炭化物、窒化物や金属間化合物は電磁弾性波処理により粉砕分散させることができ、粒界あるいは粒内への分散が可能である。電磁弾性波処理なしの場合の衝撃値が50J/cm2である材料であっても、電磁弾性波処理により150J/cm2とすることが可能である。また電磁弾性波は残留応力の低減にも有効である。電磁振動波を印加して成長させた準安定化合物の中には、弾性振動印加により安定化される化合物がある。このような化合物を安定維持させるために使用構造物において適用部分に弾性振動を印加し性能を維持させることが可能である。弾性振動の固有周波数を検知することにより振動波の伝播定数をパラメータとして前記準安定相の状態を推定することができ、構造物の保守管理が容易となる。
【実施例８】
【００４８】
NiFe合金において規則化を促進させるために磁場中弾性波処理を利用する。Ni75Fe25合金に磁場1.0T、1ｋHz〜10THzの周波数で磁場方向とは30〜90度の範囲の方向に通電する。温度は外部ヒータにより制御し、200℃から800℃の温度範囲で加熱保持する。規則化することにより比熱の変化あるいは磁化、保磁力の変化として検出できる。500℃で1時間保持し上記のように磁場1.0T中で1kHz〜10THzの範囲で弾性波を印加することで原子移動が生じ、規則化が進行する。周波数1kHz未満ではO, B, C, Nなど不純物元素の拡散速度を制御できるがNiやFe原子の規則度にはほとんど影響しない。周波数が1kHz〜10THzの範囲では、結晶格子の振動モードに弾性波が影響し、磁場が印加されることで規則化が進行する。弾性波は正弦波以外に矩形波などのパルス状波形でも良い。複数の電極対を使用するなどしてねじり変形成分を含む弾性波を印加しても良い。複数の電極対に対してスイッチングすることで電流パスを切り替えることにより変形方向や振動伝播方向または干渉波の導入を制御することができる。処理後L10型規則合金が形成され、残留磁化1.0T, 保磁力20kOeの硬質磁性合金が得られる。規則度を向上させるために、Niよりも低融点の元素を添加することが有効である。弾性波は固有振動または非固有振動のいずれでも良い。規則合金の異方性は弾性波の伝播方向、磁場印加方向に影響される。
【００４９】
本実施例のような元素の規則化による保磁力の増加は、Ni75Fe25及びNi50Fe50、Co50Fe50, Fe16N2, など他の組成の化合物においても確認できる。
【実施例９】
【００５０】
Fe-C系材料においてはα相、γ相及び炭化物などの結晶から構成されている。磁場印加しながら加熱すると、元素拡散により強磁性相が磁場方向に伸びた配向組織を有するようになる。このような強磁性が磁場の影響で配向する温度は材料組成や結晶粒の寸法及び粒界によって異なるが、500℃以上キュリー温度以下の温度範囲である。キュリー温度以下の温度で磁場を印加しながら弾性波を加えることで、強磁性相の配向と拡散速度促進が図られる。
Fe3Cが成長する材料系においてはFe3Cの形態に磁場と弾性波が影響する。Fe3Cを0.01%以上含有する材料においては、500℃以上キュリー温度以下の温度範囲で1Tの磁場を印加しながら周波数1GHzで1μmの変位の弾性振動を加えることによりFe3Cの一部が破砕され、Fe3Cの粒径が小さくなる。強磁性相であるα相に沿って微細化されたFe3Cが並んでいる組織となる。
【００５１】
キュリー温度以下の温度では、磁場方向に強磁性相が伸びた方が自由エネルギーが低下する。このためα相が磁場方向に平行になりやすい。これにより非磁性あるいは弱磁性のγ相はα相とα相の相間に形成されることとなり、γ相の結晶も磁場方向に平行に繋がっている。γ相の方がα相よりも炭素や窒素などの侵入型元素を固溶しやすいためγ相が炭素の多くを含有する。炭素の固溶量が多いγ相結晶が磁場に平行につながることにより炭素原子の拡散経路が形成されることとなり、無磁場の場合よりも炭素拡散が進行しやすくなる。
【００５２】
キュリー温度以下の温度域において、磁場以外に弾性振動を印加することにより、炭素原子が拡散し易い周波数を選択することにより炭素はさらに拡散速度が増加する。振動数が20から1kHzの低周波では強磁性と非磁性相との間には弾性波伝播の差が認められないが、振動数は1kHzを超えて1MHzとなると弾性係数が大きな連続相を伝播しやすくなりα相を弾性波は伝播し易くなる。さらに1MHzを超えて1GHzの周波数では弾性係数の大きな不連続相である炭化物を破砕し始める。炭化物の破砕に伴い炭化物の粒径が1/2から1/10となり炭素がさらに拡散しやすくなる。
【００５３】
上記磁場印加と弾性波印加の効果は窒化物や酸化物、硼化物、フッ化物またはこれらの複合化合物を含む材料においてその構成元素の拡散促進や結晶粒制御に有効である。弾性波の発生源としては、電磁振動波以外に衝撃波、圧電法、超短光パルス、などのパルスレーザ法や磁歪振動子、超音波振動子との接触、音響放射圧、音波や第二音波、共鳴波、パルス磁場などを利用でき、弾性波は縦波、横波のいずれでも良い。
【００５４】
周波数が1GHzを超え1THzまでの範囲においては、磁場と格子振動及びスピンとの関係により特有の効果が認められる。α、γ、炭化物が主な構成相である本実施例の場合には、磁化が高い順にα、炭化物、γとなる。この場合Feが炭化物に含有している。格子振動やスピンの振動に強く影響するのは最も磁化が高いα相である。振動モードによりその影響は異なるが、スピンを平行に保持したままの伝播と、スピンを非平行にしようとする作用を加えた伝播がある。スピンを平行に保持しようとしても磁壁などで散乱し伝播が乱される。印加磁場が十分大きい場合にはスピンは平行となり単磁区化されているため、散乱されずに伝播することになる。単磁区化されたα相内では振動波の減衰が抑制され、散乱されにくい磁気構造になろうとするのである。このためスピン配列を乱すような元素は伝播経路から排除される。
【００５５】
弾性波などの振動を被処理材に伝播させて熱処理することによる組成・組織制御の他に、機能性材料や構造材料の使用時に振動させ、その材料の特性を維持、保全することが可能である。使用時の振動波は、振動によって誘起される準安定相や準安定状態の組織・組成・結晶構造を維持する。振動波の伝播特性などにより準安定状態を検知する。このような強制振動によって維持される準安定相を維持して、各種機能材料や構造材料を各種用途に適用できる。
【実施例１０】
【００５６】
Fe-25.0Cr-4.5Ni-4.0Mo-0.8Mn-0.2Cu-0.02C-0.35N(wt%)の二相ステンレスの表面に対してアセチレンガスを使用して800℃にて反応性炭化する。炭化物を形成後、表面から炭素を拡散させるために弾性波を印加しながら熱処理する。被処理材に電極を接触させ10MHzの交流電流を磁場1.0Tの磁場方向から50度から90度に通電する。通電時の温度は500℃である。通電により弾性波が伝播し、炭素が表面側から被処理材の内部に拡散しやすくなる。同時に被処理材加工後の残留応力を低減させることができ、この処理後の衝撃値は190J/cm2である。弾性波を印加しない場合には衝撃値が80J/cm2に減少する。
【００５７】
上記炭化処理によりFe3C、Fe2.3Cなどの窒化物が表面に形成され、耐食性と耐磨耗性が向上する。電極対を炭化処理側に接触させることで、弾性表面波が伝播する。レイリー波、リーキー波あるいはラブ波も伝播し、被処理材の結晶粒及び粒界ならびに最表面を弾性波が伝播する。表面から内部への伝播波は減衰しその一部は熱エネルギーとなる。このような数種類の弾性波は互いに干渉しながら減衰し、伝播時には結晶格子の変形を伴う。結晶格子の変形は侵入位置に配置する窒素や炭素などの原子拡散を促進させる。
【００５８】
本実施例では炭化による硬化層の厚さが弾性波を使用することにより弾性波を印加しない場合と比較して2から5倍となる。硬化層の厚さを厚くすることが可能となったのは、低温で弾性波を印加して炭素の拡散を促進させているためである。
【００５９】
上記のように局所的に弾性波を印加して被処理材の物性を変える処理は、磁化の低減のみではなく、局所的に硬化層を厚くすること、歪や残留応力を低減すること、耐食性向上、疲労特性向上、耐磨耗性向上などが可能である。
【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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