コールスタライジング : ステンレスの硬化処理

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1 : ステンレスの硬化処理 Kolsterising

2 会社概要 社名 Bodycote plc 本社 英国チェシャー州マクルスフィールド市 ( マンチェスター市郊外 ) 設立年月日 大正 12 年 6 月 創業者 アーサー ボディコート 従業員数 5,500 名 工場数 181ヶ所 売上高 (2011 年度 ) million British pounds ( 約 700 億円 ) 海外営業比率 92% 代表者 CEO スティーブン ハリス

3 ボディコート 熱処理 & 金属接合 熱間静水圧プレス (HIP) 溶射

4 ステンレス鋼 Stainless steel クロム容量 12% 以上 マトリックスに分解され 安定した科学的クロム酸化物の層が出来る From a chromium content of >12%, dissolved in the matrix, formed an chemical stable chrome-oxide layer. 鉄鋼に 12% 以上のクロム含有量があれば 耐食性が向上される Steel with >12% Chrome applied as corrosion resistance Loss of matery g / cm² 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,

5 ミクロ組織に基づいたステンレス鋼の分類 Categories of stainless steel, based on their microstructure オーステナイト Austenite フェライト Ferrite マルテンサイト Martensite 二相ステンレス Austenite/Ferrite

6 オーステナイト系ステンレスタイプ Examples of austenitic stainless steel types Basis Description by Norm EN SUS 記号 Examples of applications Wst.-Nr. Name - DIN 18% Chrome, 8-12% Nickel X 5 CrNi X 4 CrNi X 2 CrNi X 6 CrNiTi SUS304 SUS305 SUS304L SUS321 Household apparatus machineand fill in industries, pipeline equipment, electrical, steer components, automotive industries 17% Chrome, 12-14% Nickel, 2-4% Molybdenum X 5 CrNiMo X 2 CrNiMo X 2 CrNiMo X 6 CrNiMoTi SUS316 SUS316L SUS316L SUS316Ti Food, chemical, pharmaceutical, medical and, environment 25% Chrome, 20% Nickel, 7% Molybdenum, Nitrogen, copper, manganese X 2 CrNiMoN X 2 CrNiMoN X 1 NiCrMoCu SUS316LN SUS317LMN 904L Oil and gas industry, chemical industry, marine, nuclear

7 オーステナイトステンレス Austenitic Stainless Steel 長所 Advantages 優れた耐食性 Corrosion resistance 非磁性である Non-magnetic 靭性が高い High toughness 性質転換性が高い High transformable 短所 Disadvantages 耐磨耗性や表面硬度が低い Poor wear resistance / low surface hardness 耐カジリ性が悪い Galling 求めている特性 Desired completion 耐磨耗性の向上 Improve wear resistance 表面硬度の向上 Higher surface hardness カジリ防止 Avoid galling 耐食性の維持 Preserve the good corrosion resistance

8 表面硬度の向上 ( 従来方法 ) Increase in surface hardness 一般的な表面硬化処理 Surface hardening with a thermo chemical diffusion process (Standard process) 窒化 Nitriding / 浸炭窒化 Nitrocarburizing / 浸炭 Carburizing 批評 Critical クロムが窒素や炭素によって組み合わされることによって 窒化物またはカーバイドが発生してしまう為 相当な耐食性が低下することになる Because of the combination of chromium with nitrogen and/or carbon, nitrides or carbides are formed. This can give rise to a substantial loss of corrosion resistance. 変色 Discoloration 脆さ Brittleness

9 表面硬度の向上 ( 従来方法 ) Increase in surface hardness コーティング ハードクロムメッキ等 Coating, plating, etc. 批評 Critical 剥離 Adhesion failure 気孔 Porosity 耐衝撃性 Impact resistance 環境対応 Environmental concerns

10 Kolsterising オーステナイトとデュープレックスステンレス鋼の低温拡散処理 Low temperature-diffusion process for austenite and duplex stainless steel 熱科学的低温処理 Thermo-chemical low temperature process 炭素原子の浸透 拡散 Diffusion of carbon 格子間に固溶 Interstitial solution of carbon atoms 高い圧縮応力の発生 Forming of high compressive stresses クローム カーバイドがない No chromium carbides. 理由 Purpose 表面硬度の向上 Increase of the surface hardness 耐磨耗性の向上 Improvement of the wear resistance カジリの防止 Avoid galling 耐食性の悪影響はない No negative influence on the corrosion resistance Fe-, Ni-, Cr-, Mo-atoms 原子 基材による Depending of the base material

11 表面硬度 材質 :SUS ( 通称 :K22) 33 ( 通称 :K33) Conversion table HV HRC 母材の表面硬度 母材の表面硬度 深さ

12 デュープレックス Kolsterising-Duplex 材質 :SAF2205 ( 二相ステンレス鋼 ) HV HRC 表面硬度 デュープレックス Conversiont able HV HRC 母材の表面硬度 深さ

13 硬度 コーテングと拡散処理の関係 Coatings vs. Diffusion Treatments Hardness [HV] 母材の表面硬度 コーティング ( 膜厚 ) Layer thickness [µm] 厚さ (0~50μ) 拡散処理 ( 硬化層の深さ )

14 20,00% 表面の炭素含有量 Content of carbon at the surface Concentration en carbone en atome% 炭素含有量 Content of carbon in Atom% 18,00% 16,00% 14,00% 12,00% 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% 2,00% K 22 K 33 K Duplex 0,00% 拡散深さ Profondeur en micron Diffusion depth in µm

15 の特性 Characteristics of Kolsterising 表面硬度の向上 Increase surface hardness ( HV0,05) 疲労強度の向上 Improvement of fatigue strength 耐食性の維持 Corrosion resistant diffusion zone 非磁性の特性はそのまま Non-Magnetic characteristics are not altered 耐カジリ性の向上 Reduce the risk of galling 色 形やサイズの変化はない Colour-, shape- and size stable 刃先 穴や隙間の内面も均一に拡散する Evenly diffusion zone, also at sharp edges and inside bores and gaps

16 拡散層 (33μ) 処理を施したオーステナイト系ステンレス鋼の組織 Structure of Kolsterised austenitic stainless steel 雰囲気 ステンレス (SUS316) 炭素が金属基質に溶解される Carbon is dissolved in the metal matrix 高い圧縮応力による表面硬化の向上 Increase of surface hardness because of high compressive stresses カーバイトの構造がない No formation of carbides 耐食性に影響はない Corrosion resistance will not being influenced.

17 表面の粗さ Surface roughness 処理前 Before Kolsterising Ra: ca. 0,04 µm 処理後 After Kolsterising 33 (Slip lanes due to compressive stress) Ra: ca. 0,08 µm

18 層の弾力性 Elasticity of the Kolsterising layer 雰囲気 衝撃 ステンレス (SUS316) 拡散層 (33μ) この場合 表面が高負荷に衝撃されました 原料物質と一体化している為 層に破損は見られません 原料物質が塑性的に変形しますが 層は変形に倣うように移動します In this example, a high load impact hit the surface. The Kolsterised layer did not break, because it is integrally joined with the base material. Nevertheless the base material plastically deformed. The Kolsterising zone followed the deformation.

19 開口部内面 Bores ø 0.3 mm により開口部内径や間隙に一様な拡散層が見られる With Kolsterising there is a uniform diffusion zone (layer), also inside bores and gaps

20 硬度データ 処理方法 : 33 Hardness in HV0,05 硬度 Examples of hardness profiles for various grades, Kolsterising 33 Treatment , PH 13-8 Mo , , , SUS (SUS316), (SUS316L), (SUS316LN), (SUS316L), (SUS316Ti) (SUS304), Depth in µm 深さ

21 ニッケル合金の硬度データ処理方法 : 33 Examples of hardness profiles of nickel-base alloys, Kolsterising 33 treatment 硬度 Hardness in HV0, Inconel 718 Incoloy 825 Inconel 625 Hastelloy C Depth in µm 深さ

22 疲労強度の試験結果 Fatigue strength, test 500 処理済 Kolsterised 応力 Stress in MPa 未処理 Untreated 反復回数 Number of cycles 10 7

23 キャビテーションによる壊食 Cavitation erosion 処理を施すとキャビテーション壊食に対する耐性が改善する Kolsterising improves the resistance against cavitation erosion. 理由 : 層に高い圧縮応力が発生する Explanation: High compressive stresses in the Kolsterised layer. 例 : SUS316 ステンレス製 ( 高圧 ) ホモジナイザー Example: (High) pressure homogenizer made out of material AISI 316 (1.4401) 未処理の場合の運転寿命 : 3 週間 Operational life untreated: 3 weeks 処理した場合の運転寿命 : 4 年間以上 Operational life Kolsterised: > 4 years

24 摩耗耗輪 テーバー式磨耗試験 Wear Taber Abraser test 輪摩試験版 試験版

25 テーバー式磨耗試験 Wear Taber Abraser test 試験概要 : レコード盤のような回転台に取り付けられた試験片の上を 2 個の摩耗輪が転がり 摩擦が連続的に行われ その結果試験片は摩耗されます 試験は 摩耗粉吸引装置で摩耗粉を吸引しながら行われます 試験前後の質量差から 摩耗質量が測定されます 摩耗輪 ( 記号 : H-10)

26 磨耗試験 測定データ Wear test measurements テーバー式磨耗試験 TABER Abrader wear test Kolsterised SUS316L Graze rol: H -10 Load: 500 g extractor: 100 % 80 磨耗質量 Wear out [mg] Untreated 未処理 K-22 K 回転数 Cycle qty

27 耐磨耗性試験 Wear resistance test 60 55, , ,5 17, ,4 3,9 2,4 1,4 2,1 1,7 0,1 0,1 雰囲気 Air 油 Oil 海水 Sea water 未処理 304 untreated 未処理 316 untreated 処理済 304 kolsterised 処理済 316 kolsterised

28 耐孔食性の向上 Resistance against pitting corrosion untreated 22µm 33µm 孔食発生臨界温度 Critical pitting corrosion temperature C Attack on: 横 上部 Material : (SUS316L) Test with 10% FeCl3 solution, by ASTM G-48

29 処理 直径 : 480mm 量産ねじ ナット ワッシャー等 Bulk, screws, nuts, washers, etc.

30 処理 直径 : 480mm 重量部品 Heavy parts 高さ : 540mm

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32 工程 : 約 10 日間 ~ 14 日間

33 5 箇所の処理工場 1 オランダ 1998 年 2 アメリカ 2002 年 3 フランス 2005 年 4 ドイツ 2010 年 5 スウェーデン 2012 年 10 月 ~ 画像 : 米国オハイオ州ロンドン市

34 成功例のご紹介 Applications for Kolsterising 水霧生成ノズル Nozzles for water automatization 材質 : W-Nr (SUS316L) 要件 Requirements 耐摩耗性 ( キャビテーション 壊食 ) Wear resistance (cavitation erosion) 耐食性 Corrosion resistance カジリ防止 Prevention of galling

35 成功例のご紹介 Applications for Kolsterising 製薬産業用ポンプ部品 Pump parts used in the pharmaceutical industry 材質 : W.-Nr (SUS316L) 要件 Requirements 耐摩耗性 ( キャビテーション 壊食 ) Wear resistance (cavitation erosion) 耐食性 Corrosion resistance 表面品質 Surface quality

36 成功例のご紹介 Applications for Kolsterising 化学産業用ボールバルブ用ボール Ball for a ball valve, used in the chemical industry 材質 : W.-Nr (SUS316L) 要件 Requirements 耐摩耗性 Wear resistance 耐食性 Corrosion resistance 寸法の安定性 Dimensionally stable

37 成功例のご紹介 Applications for Kolsterising 食品加工産業向け汚物処理用容量ポンプ Aseptic positive displacement pump for food processing industry 材質 : W.-Nr and (SUS316L) 要件 Requirements 耐摩耗性 Wear resistance 寸法安定性 Dimensionally stable 非磁性 Non-magnetic 表面品質 Surface quality

38 成功例のご紹介 Applications for Kolsterising 化学産業用バタフライバルブ Butterfly valves for the chemical industry 材質 : W.-Nr (SUS316) 要件 Requirements 耐摩耗性 Wear resistance 耐食性 Corrosion resistance 表面品質 Surface quality

39 成功例のご紹介 Applications for Kolsterising 製薬産業向け投薬ホイール Dosing wheel for the pharmaceutical industry 材質 : W.-Nr (SUS316) 要件 Requirements 耐摩耗性 Wear resistance 摩擦削減 Friction reduction 寸法安定性 Dimensionally stable 耐食性 Corrosion resistance

40 THANK YOU 本資料のダウンロード先 : 改定 :2012 年 8 月 6 日