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金属材料表面の高硬度・ 耐摩耗・耐食性の向上技術

群馬大学大学院 工学研究科

機械システム工学専攻

助教 小山真司

教授 荘司郁夫

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研究背景 オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）

耐食性・加工性・溶接性に優れ、様々な用途に使用さている 例えば… ① 耐摩耗性が要求される部品 ② 微粒子を含む高速流体にさらされる部品

Ⅰ．焼 入 れ ： 不可 Ⅱ．コーティング ： 硬化層の保持が困難 Ⅲ．窒化・薪炭 ： 不動態皮膜除去に問題・耐食性低下

ほう化処理による『高硬度・耐摩耗性』の獲得が必要

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研究背景 ほう化処理方法 ➣ 粉末ﾊﾟｯｸ法 ➣ 気体法 ➣ 溶融塩法 ➣ 電解法

・特殊な薬品を用いる ・排ガスに問題がある ・ホウ素源(B)に課題 ・特殊な装置が必要

安全・安価で簡便な『 ほう化処理法 』

研究目的 ・溶融塩浸漬法を用いた簡便な『ほう化処理法』の検討 ・被処理材の機械的特性の検証

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適用方法 ほう砂溶融塩浴組成 無水ほう砂（Na2B4O7： 500円/1kg程度）

アルミニウム（Al： 400円/1kg程度）

鉄鋼材料（SUS304） 機械研磨仕上げ（#4000エメリー紙） 試験片形状

ほ う 化 処 理

試験片を溶融塩に浸漬 水中で急冷 水中で煮沸洗浄

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適用結果 －表面硬さ－

処理時間・温度の増加

➮ 表面硬度が上昇

表面硬さの最大値

➮ 2000HV(HRC80)以上

表面硬さ変化（荷重変化）

➮ 硬化層厚さが変化

硬さに対応する金属組織

➮FeB:2000, Fe2B:1600(HV)

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適用結果 －表面構造解析－

処理時間・温度の増加

➮ 化合物中のB濃度が増加：ほう化が達成される

Fe2B

FeB

Fe1.1Cr0.9B0.9

7

20 µm

SEM

L

ine

ana

lysi

s

t = 1.8 ks，T = 1123 K t = 1.8 ks，T = 1173 K t = 1.8 ks，T = 1223 K

適用結果 －断面観察（処理時間：1.8 ks）－

Fe

Cr

Ni

Si B

Fe

Cr

Ni

Si B

Fe

Cr

Ni

Si B

ｺﾝﾄﾗｽﾄの違い ｺﾝﾄﾗｽﾄの違い

➮ 元素割合変化

8

20 µm

SEM

L

ine

ana

lysi

s

t = 7.2 ks，T = 1123 K t = 7.2 ks，T = 1173 K t = 7.2 ks，T = 1223 K

Fe

Cr

Ni

Si B

Fe

Cr

Ni

Si B

Fe

Cr

Ni Si

B

ｺﾝﾄﾗｽﾄの違い

➮ 元素割合変化

適用結果 －断面観察（処理時間：7.2 ks）－

Bの元素分布

➮ ステップ状

➮ 化合物層形成

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20 µm

SEM

C

ross

-sec

tion

hard

ness

t = 1.8 ks，T = 1123 K t = 1.8 ks，T = 1173 K t = 1.8 ks，T = 1223 K

適用結果 －断面硬度測定（処理時間：1.8 ks）－

(Load = 25 g)

処理時間・温度の増加

➮ 硬化層厚さが増加：より深い層までほう化が進行

10

20 µm

SEM

C

ross

-sec

tion

hard

ness

t = 7.2 ks，T = 1123 K t = 7.2 ks，T = 1173 K t = 7.2 ks，T = 1223 K

適用結果 －断面硬度測定（処理時間：7.2 ks）－

(Load = 25 g)

処理時間・温度の増加

➮ 硬化層厚さが増加：より深い層までほう化が進行

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適用結果 －摩耗試験方法－

0.5 kgf

ZrO2 ball Sample Ball-on-disk type 摩耗試験

・摩耗相手材：ZrO2

・荷 重 ：0.5 kgf ・接線速度 ：100 mm/s ・摺動距離 ：2.88 km

摩耗試験後の評価

・摩耗幅と摩耗深さの測定

・摺動部の高倍率観察

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適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：1.8 ks）－

処理温度の増加 ➮ 摩耗量が減少

➮ FeB層厚さと摩耗が一致 ＝ FeBが摩耗後、Fe2Bが露出

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適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：7.2 ks）－

処理時間の増加 ➮ 摩耗量が増加

➮ Fe2B層領域内で摩耗の進行が抑制

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掘り起し・引っかき跡/酸化

➮ アブレシブ摩耗や凝着摩耗

200 µm

t = 1.8 ks，T = 1123 K t = 1.8 ks，T = 1173 K

O

SEM

100

0

適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：1.8 ks）－

暗いコントラスト領域

摩耗が進行したFe2Bの領域 （はく離・脱落の痕跡あり） ➮ 疲労摩耗

20 µm

処理温度の増加 ➮ 摩耗量が大幅に減少 ➮ FeBが摩耗後、Fe2Bが露出

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暗いコントラスト領域

酸素(O)が強く検出 (FeBに比べFe2Bは酸化傾向:大) ➮ Fe2Bが露出している領域

200 µm

t = 7.2 ks，T = 1123 K t = 7.2 ks，T = 1173 K

O

SEM

100

0

適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：7.2 ks）－

淡いコントラスト領域

はく離している様子が観察 (Fe2Bに比べFeBは脱落:大) ➮ FeBが残存している領域

20 µm

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暗いコントラスト領域

Fe2B が露出している領域

200 µm

t = 7.2 ks，T = 1123 K t = 7.2 ks，T = 1173 K

O

SEM

100

0

適用結果 －摩耗試験結果（処理時間：7.2 ks）－ 淡いコントラスト領域

FeB が残存している領域

処理時間の増加 ➮ FeBは“はく離・脱落”しやすい ➮ Fe2Bは耐摩耗性に優れる

FeB FeB Fe2B Fe2B

FeB Fe2B

脱落 残存

耐摩耗性良好

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適用結果 －摩耗過程の検討－

FeB Fe2B

SUS304

FeB ○ 高硬度 × 靭性に欠ける ➮ 疲労摩耗により摩耗

Fe2B ○ 高硬度 ○ 高靭性 ➮ 耐摩耗性に優れる 脱落FeBによりｱﾌﾞﾚｼﾌﾞ摩耗

SUS304 脱落した硬化層による ｱﾌﾞﾚｼﾌﾞ摩耗と酸化摩耗

FeB ：より高硬度な表面 Fe2B ：耐摩耗性を有する表面

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従来技術とその問題点 －金属部材の表面硬化－

表面硬化処理

塗装

コーティング

拡散処理

熱処理

めっき（〜1000 HV）

△ 排水処理 △ 密着性 △ 硬化層厚さ △ 処理に長時間 △ 一般に十分な硬度ではない

蒸着（〜1000 HV）

△ 薬品・気体 △ 下地処理必要 △ 硬化層厚さ △ 耐摩耗性 △ 処理材との密着性に難点

イオン注入

△ 処理装置が非常に高額 △ 得られる硬化層が非常に浅い

焼入れ（〜800 HV）

△ 部品ごとの焼入れ治具の製作が必要 △ 得られる硬化層が非常に浅い

本発明手法（〜2100 HV）

○ 特殊装置不必要 ○ 安価な処理材料 ○ 安全・安価 ○ 溶融浴中処理(形状不問) ○ 拡散処理であるため高い耐はく離性

窒化（〜1200 HV）

△ 処理温度以上で使用すると 硬度低下の可能性：大 △ 処理に長時間 △ 気体

めっき

蒸着

本発明手法

窒化

イオン注入

焼入れ

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想定される用途 －金属部材の表面硬化－

耐摩耗性 耐食性 高温硬さ 耐高温酸化

☑ 機械 ギヤ、軸受け、ベアリング、 金型類、カム etc.

☑ 設備 蒸気タービン翼、縫製関連、 液体・気体配管 etc.

☑ 乗り物 自動車部品、ﾌﾞﾚｰｷﾛｰﾀｰ、 ｴﾝｼﾞﾝｼﾘﾝﾀﾞ etc.

☑ 家庭用品 OA機構部品、刃物、ﾄﾞｱﾋﾝｼﾞ、 窓枠等の滑車 etc.

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想定される業界 －金属部材の表面硬化－

電機・精密機械 機械製造

自動車・バイク 素材関連

などの 『表面硬化』 を必要とする企業・研究所

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実用化に向けた課題 SUS304・SUS316・SUS309S・S45Cへの効果は確認済 その他の鋼種への適用は未確認 → これまでに得られた検証結果が適用可能なのか 他の手法によるほう化処理層は耐食性を有する報告有 本手法によるほう化処理層の耐食性は未確認 → 耐食性評価（塩水噴霧等）により検証が必要 摩耗相手材： ZrO2（硬質・潤滑なし） は確認済 → 使用される環境に応じた検証が必要不可欠 処理温度の低温化の検討 → アルミニウムなどの低融点材料は処理不可

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企業への期待 ➣ ステンレス鋼（SUS）以外への適用範囲拡大に向けた 共同研究 ≪表面硬化 ＋ 焼入れ 同時処理 など≫

➣ 他の摩耗相手材や耐食性等、実用化の検討を視野に 企業ニーズに合致した共同研究

➣ 新技術適用の可能性を有した企業ニーズの提供

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：金属の硬化処理方法 • 出願番号 ：特願2010-73004 • 出願人 ：群馬大学 • 発明者 ：小山真司、荘司郁夫

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