JP3083292B1 - 鋼表面へのアルミニウム拡散方法 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 高温特性、耐酸化性を必要とする各種構造部
品、機械部品に適用しうるとともに、窒化、浸炭などの
処理を施すことにより、耐摩耗、耐食性を必要とする各
種構造部品、機械部品や各種工具、金型へ応用可能な簡
易な鋼の表面処理法を確立する。 【解決手段】 アルミニウムまたはアルミニウムを主体
とした合金の粉末と、アルミニウムと金属間化合物を形
成しやすい金属（例えばチタン金属）粉末との混合物を
鋼表面に塗布し、これを真空中、または不活性ガス中も
しくは還元性ガス雰囲気中で、アルミニウムの融点もし
くはアルミニウム合金の液相線以上程度の温度に加熱
し、鋼表面にアルミニウムを拡散浸透させ、アルミニウ
ム濃度の高い層を鋼表面に形成させるアルミニウム拡散
方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温特性、耐酸化
性を必要とする各種構造部品、機械部品に適用しうると
ともに、窒化、浸炭などの処理を施すことにより、耐摩
耗、耐食性を必要とする各種構造部品、機械部品や各種
工具、金型へ応用可能な粉体を利用した鋼表面へのアル
ミニウム拡散方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉄鋼表面にアルミニウム高濃度層
を形成させるいわゆるアルミナイジング表面改質方法と
して、(1)溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合
金中に被処理物を浸漬し、引き上げる溶融めっき法（例
えば、特開平３-180461号）、(2)アルミニウムまたはア
ルミニウム合金粉末にアルミナ粉末、揮発性ハロゲン化
物を加えた混合粉末中に被処理物を埋没し、高温に加熱
する粉末パック法（例えば、特開平７-109579号）、(3)
被処理物表面に蒸着、スパッタリング、イオンプレーテ
ィング、電気めっき等でアルミニウムもしくはアルミニ
ウム膜を形成し、加熱しアルミニウムを拡散させる方法
（例えば、特開平８-319557号）などがある。

【０００３】また、(4)本発明のアルミニウム拡散方法
に近いものとして、少なくとも1100℃以上の融点を示
し、アルミニウム含量が40〜60at％の鉄、コバルト、ニ
ッケル、ジルコニウム等とのアルミニウム合金粉末とハ
ロゲン化物（例えば、塩化アンモン）とを有機樹脂結合
材（例えば、ポリメタクリル酸ブチルのキシレン溶液）
に分散させたものを鋼表面に塗布、乾燥し、それを不活
性ガス中で800〜1100℃に加熱して揮発性のハロゲン化
アルミニウムを生成させて鋼表面に拡散処理する方法が
特開昭50-57037号にみられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】(1)の溶融めっき法は
元来めっき法であるため、拡散層に加え数十ミクロン厚
さのアルミニウムまたはアルミニウム合金皮膜が形成さ
れる。このため、めっき後の窒化処理が困難になる。さ
らに、めっき厚さの精密制御が困難、被処理物の溶融金
属中への溶け込みなどによる被処理物の表面荒れ、寸法
変化が生じる。

【０００５】(2)の粉末パックは、被処理物表面と粉体
が反応し粉体が付着することにより、被処理物表面の荒
れが生じる。被処理物の加熱・冷却に長時間を要するう
え、拡散層の制御が困難である。(3)の方法は被処理物
の表面荒れもなく、表面アルミニウム濃度も制御でき、
脆弱な化合物層の形成もなく窒化処理などの後加工も可
能になる。しかし、アルミニウムまたはアルミニウム合
金の皮膜を形成するために大がかりな処理装置を必要と
するうえ、被処理物の形状の制約も大きい。また、めっ
き処理の場合は、水溶液系めっき浴を用いることができ
ず工業的には困難が伴う上、皮膜の密着性に劣る欠点も
ある。

【０００６】このように、(1)、(2)の方法は表面に高濃
度、脆弱なアルミニウム富化層が形成される上、被処理
物の表面荒れが発生するなど、金型、機械部品のアルミ
ナイジング法として不適である。一方、(3)は高精度な
アルミニウム拡散手法であるが、被処理物表面にアルミ
ニウム、アルミニウム合金皮膜を形成する方法に制約が
大きい。

【０００７】(4)の方法は、40〜60％のアルミニウム含
有合金という特殊なものを使用し、しかも、ハロゲン化
物の存在下、1100℃という高温で処理するものであり、
取扱いが面倒であり、かつ汎用性に劣る方法である。

【０００８】そこで、鋼表面へのアルミニウムへの簡易
な拡散方法について鋭意研究に取組んだ結果、既存の鋼
表面へのアルミニウム拡散法の抱える問題点を解決する
新規な手法を見い出した。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、アルミ
ニウム粉末と、チタン粉末との混合物スラリーを鋼表面
に塗布し、これを真空中もしくは還元雰囲気中、または
不活性ガス中で加熱するという非常に簡易な処理法であ
る。

【００１０】すなわち、アルミニウムまたはアルミニウ
ムを主体とした合金の粉末と、アルミニウムと金属間化
合物を形成しやすい金属粉末との混合物スラリーを鋼表
面に塗布し、これを真空中、または不活性ガス中もしく
は還元性ガス雰囲気中で、アルミニウムの融点もしくは
アルミニウム合金の液相線以上の温度程度（例えば、65
0〜1000℃）に加熱し、鋼表面にアルミニウムを選択的
に拡散浸透させ、アルミニウム濃度の高い層を鋼表面に
形成させることを特徴とする粉体のスラリーを利用した
鋼表面へのアルミニウムの拡散方法である。

【００１１】ここで用いるアルミニウムを主体とした合
金とは、一般に市販されているアルミニウム70at％以上
の合金で、Ｓi, Ｆe, Ｃu, Ｍn, Ｍg, Ｃr, Ｚn, Ｚr,
Ｔi,Ｃa, Ｖ 等との合金である。なかでも、純アルミニ
ウム、Ａl−Ｔi（0.25％以下）、Ａl−(Ｚr+Ｔi（6.25
％以下）、Ａl−Ｍg（5.0％以下）、Ａl−Ｍg（3.0％以
下）−Ｚn（7.0％以下）などが好ましい。また、これら
アルミニウムやアルミニウムを主体とした合金粉末と混
合して金属間化合物を形成しやすい金属は、チタン（Ｔ
i）、チタン合金が好ましいが、そのほか、Ｃu, Ｍn,
Ｍg, Ｃaなどの金属粉末の選択も可能である。

【００１２】この方法によると、鋼表面にアルミニウム
を拡散しうるとともに、余剰塗布物が容易に脱落する。
これは、(1)余剰のアルミニウム粉末とチタン等の金属
粉末が反応しアルミニウム−チタン等アルミニウムとの
金属間化合物を形成する、(2)形成された化合物が鋼素
地とは化合物を形成しにくい、又は固溶しにくい、(3)
チタンなどは鉄よりアルミニウムと反応しやすい、など
の理由による。

【００１３】さらに、混合物の塗布量を変化させてもほ
ぼ一定厚さの拡散厚さが得られること、アルミニウム粉
末/チタン粉末の混合比率により拡散層中のアルミニウ
ム濃度を変化させうることを確認した。これは、アルミ
ニウムとチタン等との混合比により、両者の反応で形成
される金属間化合物の組成が変化することで、鋼表面で
のアルミニウム濃度を制御する働きを示すからである。

【００１４】鋼表面へのアルミニウムの拡散を制御する
ものとして、アルミニウムと金属間化合物を形成し、鉄
よりアルミニウムと反応しやすく、反応物が鉄と化合物
を形成もしくは固溶しないものであれば、チタン以外の
金属粉末の選択も可能であることは上述のとおりである
が、更に、拡散層の特性を向上させるために、ボロン、
シリコン、クロム等の第３元素の添加や焼き入れ、焼鈍
などの後処理の適用も可能である。

【００１５】用いるそれぞれの粉末の粒度に特に制限は
ないが、混合物が被処理物表面に保持されやすい観点か
ら、0.1μｍから50メッシュ（0.3mm）程度、好ましく
は、１μｍ〜0.2mmの範囲が望ましい。0.1μｍ以下では
微細すぎて取扱いが困難であり、50メッシュ以上では粗
すぎて均一な塗布が困難となる。

【００１６】混合物を被処理物表面に効率よく付着・保
持させるために、混合粉に、水、有機溶剤さらに、有機
系のバインダーを用いることも可能である。具体的に
は、アルコール類、ポリビニルアルコールなどがある。
混合粉の被処理物への付着方法は特に指定されないが、
塗布、スプレー、浸漬などの方法を適用できる。

【００１７】本発明の対象とする鋼は、被処理物の鋼種
や形状、大きさを問うことはない。用途に応じ、炭素
鋼、工具鋼、金型鋼、ステンレス鋼のような合金鋼にも
適用できる。

【００１８】以下、実施例に基づいて本発明の粉体を利
用した鋼表面へのアルミニウム拡散方法を具体的に説明
するが、これら実施例に限定されるものではない。

【００１９】

【発明の実施の形態】実施例１ アルミニウム粉末（粒度３μｍ）及びチタン粉末（粒度
10μｍ）を体積比で５：５混合し、エチルアルコールを
添加しスラリー状にしたものを、直径50mm、厚さ５mmの
鋼（Ｓ45Ｃ）に十分な厚さで塗布した。塗布物を乾燥
後、真空中、950℃で１時間加熱した。処理品の外観写
真を図１に示す。右は処理品から剥離した混合粉の反応
物であり、左は剥離した処理品の外観表面状態である。
この試料断面の走査電子顕微鏡写真及びＸ線マイクロア
ナライザーによる線分析結果を図２に示す。余剰の粉末
は、図１の写真にみられるように円盤の形状を保ったま
ま、鋼から剥離した。余剰粉を剥離した鋼の表面には、
多少の荒れがみられたが、ペーパーがけ程度で十分研磨
可能であった。また、断面顕微鏡写真と線分析結果から
アルミニウム拡散層が明瞭に観察された。チタンは最表
面に痕跡程度確認されたが、素地中への拡散は認められ
なかった。

【００２０】実施例２ 実施例１で示した粉末をＴi：Ａl＝７：３に混合したス
ラリーを用い、鋼板に塗布する量を種々変化させ実施例
１と同条件で拡散処理を行い、アルミニウム拡散層の厚
みを測定した。その結果を図３に示す。塗布量が変化し
ても、その拡散厚さはほぼ一定で、拡散厚さは混合粉塗
布厚さに鈍感であることがわかった。

【００２１】実施例３ アルミニウム粉末とチタン粉末の混合比率を種々変化さ
せ、エチルアルコールでスラリー状にしたものを厚さ５
mmの鋼板（Ｓ45Ｃ）に塗布し、実施例１と同条件で拡散
処理を行った。このとき、アルミニウム粉末のみの試料
は、慎重に塗布量を制限し余分なアルミニウム層が残存
しないよう注意した。図４に粉末の混合比と拡散厚さの
関係、図５に代表的な混合比での拡散層中のアルミニウ
ム濃度を示す。拡散層厚さ及び拡散層中のアルミニウム
濃度は、アルミニウム粉末とチタン粉末の混合比率で制
御しうることがわかった。特に、拡散層中のアルミニウ
ム濃度を30at％以下に抑えることもでき、拡散層中に脆
弱な化合物を形成させないことも可能である。

【００２２】

【発明の効果】本発明の粉体を利用した鋼表面へのアル
ミニウム拡散方法は、粉体を使用することで極めて簡便
であり、かつ、アルミニウム粉末にチタン等の金属間化
合物を形成しやすい金属の存在でアルミニウムの鋼材へ
の拡散厚さが広い条件範囲でほぼ一定となり、余分のも
のは剥離して除去できるので工程管理が容易で均質な表
面処理ができる。したがって、高温特性に優れた鋼や窒
化処理との複合処理が可能な高性質の鋼を容易に得るこ
とができるのである。

【００２３】また、アルミニウムや容易に入手しうる汎
用のアルミニウム主体合金粉末と、金属粉末の混合比を
変えることでアルミニウム拡散層の厚みや濃度が変更可
能であるし、ハロゲン化物や1000℃以上の高温を必要と
しない点でも優れたアルミニウム拡散方法であるといえ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】拡散処理後の鋼板外観（左）および剥離した余
剰粉の反応物（右）の対比写真である。

【図２】試料断面の走査電子顕微鏡写真およびその断面
に対応したＸ線マイクロアナライザーによる線分析結果
のチャートである。

【図３】混合粉塗布量と拡散厚さの関係を示すグラフで
ある。

【図４】粉末の混合比と拡散厚さの関係を示すグラフで
ある。

【図５】粉末の混合比と拡散層中のアルミニウム濃度の
関係を示すグラフである。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムまたはアルミニウムを主体
   とした合金の粉末と、アルミニウムと金属間化合物を形
   成しやすい金属粉末との混合物スラリーを鋼表面に塗布
   し、これを真空中、または不活性ガス中もしくは還元性
   ガス雰囲気中で、アルミニウムの融点もしくはアルミニ
   ウム合金の液相線以上の温度に加熱し、鋼表面にアルミ
   ニウムを選択的に拡散浸透させ、アルミニウム濃度の高
   い層を鋼表面に形成させることを特徴とする鋼表面への
   アルミニウム拡散方法。
2. 【請求項２】 アルミニウムと金属間化合物を形成しや
   すい金属は、チタン、チタン合金の一種又は二種以上の
   混合物である請求項１記載の鋼表面へのアルミニウム拡
   散方法。