ステンレス鋼の表面処理方法及びその方法を用いた電磁ポンプなどの流体機器

【課題】ステンレス鋼特に快削性担保のための硫黄の含有の多いＳＵＳ３０３，ＳＵＳ４３０等の硫黄系快削ステンレス鋼を用いるが、該ステンレス鋼の表面を加工して含有する硫黄の溶出を抑えることを目的とする。
【解決手段】ステンレス鋼の表面処理として、ステンレス鋼の表面にショットブラスト加工を施す。それから、ステンレス鋼の表面に不動態処理を施す。これにより、表面に硫黄が少なくなり、且つ保護膜が作られるため、液体内に硫黄の溶出が抑制される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステンレス鋼特にＳＵＳ３０３，ＳＵＳ４３０Ｆを代表鋼種とする硫黄系快削ステンレス鋼からイオンの溶出を防止する表面処理方法及びその方法を用いて製造した電磁ポンプ等の流体機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼は、錆にくい鋼であるため、食器，流し台等の家庭用品，酒，ビール等の貯蔵タンク，工業用の液体のタンクなど広く使用されている。鉄にＣｒを添加すると表面に緻密なＣｒ水酸化物の不動態被膜を作り、それが鋼を環境から保護する働きをするため耐食性は大きい。一般にＣｒを約１１％以上含む鋼をステンレス鋼と呼んでいる。
【０００３】
ステンレス鋼には、Ｃｒのみを重要合金元素とするＣｒ系と、ＣｒとＮｉの両方を多量に含むＣｒ−Ｎｉ系の２種類がある。そして、それぞれにおいて、硫黄系快削ステンレス鋼が存在し、その代表鋼種はＳＵＳ３０３とＳＵＳ４３０Ｆである。その他、電磁ステンレス鋼や更に快削性を改善した鋼種が市販されている。
【０００４】
前記ステンレス鋼のＳＵＳ３０３は、Ｃｒが１７．００〜１９．００（ｗｔ％）、Ｎｉが８．００〜１０．００（ｗｔ％）を含有すると共にＳが０．１５（ｗｔ％）程度含有する。ＳＵＳ３０４は、Ｃｒが１８．００〜２０．００、Ｎｉ８．００〜１０．５０（ｗｔ％）を含有すると共にＳが０．０３０（ｗｔ％）以下となっている。
【０００５】
ＳＵＳ３０３は、ＳＵＳ３０４に比較して切削加工しやすく、自動旋盤等へ適用できる。最近はこのような自動旋盤用材は環境規制から鉛含有材の使用は難しくなってきており、硫黄系快削材に主力を移してきている。これに比して、ＳＵＳ３０４は、Ｓの含有量が少ない難削材であって、切削くずの排出性が悪く、また加工速度が遅く、且つ材料単価も高価であるため、部材費が格段に上昇する。
【０００６】
当然ながら、ＳＵＳ３０３を用いて接液部品を製作すると、硫黄等のイオンが液体中に溶出し、例えば、石油バーナ機器では問題は無いが、家庭用燃料電池システムに用いる場合、イオンの溶出があると、触媒等にダメージを与えてしまう不都合があった。
【０００７】
現在、ステンレス鋼の表面処理として、特許文献１，特許文献２をあげることができる。前記特許文献１にあっては、有機酸でステンレス鋼部材を洗浄することで、Ｃｒ主体の不動態被膜を形成させ、Ｆｅの溶出を抑制した食品製造用及び食品貯蔵運搬用ステンレス鋼材を提供している。
【特許文献１】特願２００３−１３１０５０
【特許文献２】特願２００５−１８２２５９
【０００８】
前記特許文献２にあっては、電力を直接的駆動源とする自動車、小規模の発電システムなどに用いられる固体高分子型燃料電池セパレータ部材にあって、当該部材のフラット性を高め、その表面の電気的接触抵抗を低くするための表面処理を施したことにある。その具体的な製造方法は、イオン溶出が極小な導電性化合物を超硬粒子に被覆した粒子を用いて、低い投射圧力でステンレス鋼表面に衝突させることで、その表面にイオン溶出が極小な導電性化合物が埋め込まれ、且つ形状がフラットとするものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電磁ポンプにおいて、切削加工のしやすさや、価格の面からＳＵＳ３０３等の硫黄系快削ステンレス鋼が採用されているが、前記段落０００６に記述したように含有する硫黄などのイオンが溶出する不都合があり、これを解決しなければ家庭用燃料電池システムに採用することはできない。
【００１０】
そこで、この発明は、ステンレス鋼特に快削性担保のための、硫黄（Ｓ）の成分の多い、ＳＵＳ３０３等の硫黄系快削ステンレス鋼を用いるが、表面を加工して硫黄などの液体内への溶出を少なくすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るステンレス鋼の表面処理方法は、ステンレス鋼の表面にショットブラスト加工を施すと共に、不動態処理することにある（請求項１）。これにより、ステンレス鋼の表面に塑性流動層が生じると共に、該表面の硫黄が除去されて減少させることができる。そして更に表面に不動態処理されることから、微細な硫黄を除去すると共に、保護膜の形成によって、含有する金属等特に硫黄の溶出が確実に抑えられると共に耐食性が得られるものである。
【００１２】
前記ステンレス鋼はＳＵＳ３０３ならびにＳＵＳ４３０Ｆを代表鋼種とする硫黄系快削ステンレス鋼である（請求項２）。硫黄（Ｓ）が比較的多く、快削性が良い材質である。
【００１３】
前記ショットブラストによる吹き付けられる粒子の種類として、ジルコニアが用いられるのが好ましく（請求項３）、その粒子の径は０．３ｍｍ程又はそれ以下であることが好ましい（請求項４）。
【００１４】
また、この発明に係る電磁ポンプ等の流体機器は、前記請求項１より成る表面処理方法を使用して、表面処理を施したステンレス鋼を用い、液体が流れる部位を製造したことにある（請求項５）。特に電磁ポンプのピストン、プランジャ、継手等の接液部に前記の表面処理方法を施したことにある（請求項６）。これにより、電磁ポンプを液体の移送時ならびに液体滞留時に特に硫黄のイオンの溶出が抑えられる。なお、流体機器としては、電磁ポンプばかりでなく、電磁弁や配管等であっても良い。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、この発明によれば、ショットブラストによる表面の塑性流動層が生じて、金属特に硫黄が減少させることができる。また、表面に保護膜が作られるため、金属特に硫黄がイオンとして溶出することが確実に防がれる（請求項１）。
【００１６】
さらに、ステンレス鋼としてＳＵＳ３０３，ＳＵＳ４３０Ｆ等が採用でき切削加工性を維持できる利点と、材料単価の高騰を抑えることができる（請求項２）。
【００１７】
さらにまた、電磁ポンプ等の流体機器を請求項１より成る表面処理方法を施したステンレス鋼を用い、液体が流れる部位を製造したことから、含有する金属等のイオンを溶出させることを抑えられ、家庭用の燃料電池システムの機器部位として採用できる。特に、電磁ポンプの接液部品に前記の表面処理することはすこぶる有効である。金属等のイオンの溶出が抑えられ、家庭用の燃料電池システム内の液体移送手段として優れた効果を発揮することができる（請求項５，６）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明に実施例を図面にもとづいて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１，図２において、この発明の表面処理方法を用いたステンレス鋼の電子顕微鏡写真と、無処理のステンレス鋼の電子顕微鏡写真が開示されている。ここで用いられているステンレス鋼はＳＵＳ３０３で、まず下記の条件によりショットブラスト加工が施される。
【００２０】
吹き付けされる粒子は、ジルコニアで、その径は０．３ｍｍ程又はそれ以下で、吹き付け時間は５秒程である。これにより図１を見るごとく、表面付近では硫黄の元素の粒子（黒い点で示される）がなくなっている。
【００２１】
その理由として、表面が粒子により打たれることにより、その際に、硫黄の元素Ｓが叩き出されたものと思われる。なお最も表面には塑性流動層が見られる。
【００２２】
ショットブラスト加工が終わると、不動態処理が施される。例えば、濃硝酸に浸せきする方法が用いられる。このように、ショットブラスト加工の後に、不動態処理が施されることから、液体中に硫黄の溶出が抑えられる。
【００２３】
図３は、表面処理を施したステンレス鋼をＥＤＳマッピング分析した特性線図で、ＳｉとＳは微小に存在するが、Ｓはほとんど検出されず、分布もみられない。
【００２４】
図４及び図５は、溶出試験の結果の表で、２つの分析方法で行われている。第１の方法は、誘動結合高周波プラズマ発光分析装置（ＩＣＰ）により、第２の方法は、イオンクロマト分析器（ＩＰ）による。ＩＣＰ分析結果は図４で、Ａ１がわずかに溶出しているにすぎない。ＩＰ分析結果は図５で、ＮＨ，ＳＯ_４がわずかに溶出しているにすぎない。この結果から、家庭用燃料電池システム内における液体の移送手段として採用できるものである。
【実施例２】
【００２５】
図６において、この発明（実施例１）の表面処理方法によるステンレス鋼（ＳＵＳ３０３，ＳＵＳ４３０Ｆ）を用いて、電磁ポンプ１１のピストン３７とプランジャ５１等に用いた例が示されている。このピストン３７とプランジャ５１等の接液部から、液体の移送時に、硫黄の溶出が抑えられた。なお、電磁ポンプ１１を以下簡単に説明する。
【００２６】
電磁ポンプ１１は、定容積形電磁ポンプで、鉄などの磁性材で製造されたケース１２内にパルス電流が印加されるコイル１３を備え、このコイル１３は樹脂製のボビン１４に電線が巻装されて構成され、ボビン１４の中心を貫通して形成された貫通孔には、非磁性材より成るガイドパイプ１６が嵌挿されている。
【００２７】
このガイドパイプ１６の図６の下側に磁性材より成る下磁極筒１８、上側に磁性材より成る上磁極筒１９がそれぞれ接続され、内部に下記するプランジャ５１の駆動空間２０が構成されている。前記下磁極筒１８の下側の開口には、吸入通路２３が接続されている。
【００２８】
下磁極筒１８はその中心で軸方向に形成の大径孔２６とこれに連なる小径孔２７とで構成され、該小径孔２７は下記する吸入弁３０の弁座３２となっている。
【００２９】
吸入弁３０は、円錐弁で、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０３）で作られ、前記のようにショットブラスト加工と不動態処理がなされ、前記スプリング受３１と前記弁座３２との間に介在のスプリング３４により、弁座３２に着座されている。
【００３０】
シリンダ３６は、円筒形の部材で、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）前記下磁極筒１８に形成の大径孔２６内に嵌合され、その先端が前記吸入弁３０に至っている。
【００３１】
ピストン３７は、ＳＵＳ３０３で製造され、前記のようにショットブラスト加工と不動態処理がなされ、中心で軸方向に貫通孔３８を持つ円筒体で、前記シリンダ３６に摺動自在に挿入され、下記するプランジャ５１の往復動に従動される。このピストン３７の下端である先端に吐出弁３９が装着されている。この吐出弁３９は、ＰＥＥＫで作られ、スプリング４３により弁座４１に着座されている。
【００３２】
前記シリンダ３６の図面上の上端に、リテーナとクッション４９が取付られ、下記するプランジャ５１の下方動を規制し、且つ騒音と振動を防いでいる。前記クッション４９は、弾性材のフッ素ゴムが用いられ、移送の流体にイオンが溶出することがないようにしている。
【００３３】
プランジャ５１は、ＳＵＳ４３０Ｆ等の磁性材により作られ、前記のようにショットブラスト加工と不動態処理がなされ、前記プランジャの駆動空間２０内に、前記シリンダ３６の下端との間に設けられた戻しスプリング５２により反シリンダ側に押圧されて配されている。このプランジャ５１は、内部に通孔５３が形成され、該通孔５３を用いて前記ピストン３７が嵌着されている。従って、プランジャ５１の往復動がピストン３７に伝えられると共にピストン３７の貫通孔３８、通孔５３を通ってポンプ室４５からの流体が流され、プランジャの駆動空間２０内に至る。
【００３４】
またプランジャ５１の上端（下流側端）には閉止弁５４が配され、コイル１３への無通電時にこの閉止弁５４が弁座５６に着座され、弁孔５５を閉じている。この閉止弁５４と弁座５６とでプランジャ５１の反ピストン側への動きの規制と共に、ポンプ停止時にプランジャの駆動空間２０から流体の流出や逆に流体の流入を阻止している。
【００３５】
このプランジャ５１は、前記コイル１３に通電されて励磁されると、戻しスプリング５２に抗してシリンダ側に変位し、その下端（上流側端）が前記クッション４９に至る。前記コイル１３が消励されると、戻しスプリング５２の力により戻され、その上端の閉止弁５４が弁座５６に着座される。
【００３６】
プランジャの駆動空間２０は、前述したごとく、ガイドパイプ１６と上磁極筒１９と下磁極筒１８、シリンダ３６により構成され、前記吐出弁３９より後流側にあり、そして前記プランジャの駆動空間２０にプランジャ５１の内部に形成の通孔５３を介して吐出流体が流入される。またプランジャの駆動空間２０は、上磁極筒１９の上端に形成のシート孔５５を持つ弁座５６を介して下記する吐出通路５９に連通している。
【００３７】
吐出通路５９は、この内部に流体の流れ方向に対向するようにスプリング６５付勢の逆流防止弁６１が設けられ、前記弁座５６に着座されている。この逆流防止弁６１により閉止弁５４の開時にプランジャの駆動空間２０への逆流が防がれる。逆流防止弁６１は順方向への流体の流れを許し、プランジャ駆動空間２０との圧力差により開閉する。
【００３８】
上述の構成において、コイル１３に例えば５ＨＺのパルス電流を流すと、オン時にコイル１３が励磁されると、下磁極筒１８、上磁極筒１９、プランジャ５１が磁化され、プランジャ５１が戻しスプリング５２に抗して下方へ動き、その下端がシリンダ３６に設けられたクッション４９に当接し、下方動が止められる。このプランジャ５１の動きは、ピストン３７に伝えられ、該ピストン３７は下方へ従動し、ポンプ室４５は図の状態からデッドスペースが無きまで縮小する。これによりポンプ室４５内の圧力が上昇し、圧力差から吐出弁３９を開いて流体がプランジャ駆動空間２０内へ吐出される。
【００３９】
パルス電流がオフとなると、下磁極筒１８、上磁極筒１９、プランジャ５１が消磁され、プランジャ５１は、戻しスプリング５２により、上方へ動き、プランジャ駆動空間２０内が圧縮されることにより圧力が高まり、該プランジャ駆動空間２０内の流体が前記吐出通路５９側との圧力差により前記逆流防止弁６１を開成し、前記吐出通路５９に流出する。そして開止弁５４が弁座５６に当接して、プランジャ駆動空間２０内の圧縮行程が停止される。その際に、ポンプ室４５内の容積が拡大する。これにより、ポンプ室４５内の圧力が低下し、圧力差から吸入弁３０を開いて流体が吸入される。
【００４０】
そして、パルス電流が再びオンとなると、プランジャ５１及びピストン３７が下方動しポンプ室４５内の加圧作用が開始される。このような作用が繰り返され、ポンプ作用が行われる。
【００４１】
なお、前記したピストン３７、プランジャ５１のみならず吸入弁３０がステンレス鋼（ＳＵＳ３０３）で作られ、前記のようにショットブラスト加工と不動態処理がなされているが、その他に弁座４１，５６などもステンレス鋼（ＳＵＳ３０３）により作られ、前記した表面処理がなされている。さらに、切削加工品以外のスプリング５２及びガイドパイプ１６もＳＵＳ３４０又はＳＵＳ３０４で作られ、濃硝酸に浸せきの不動態処理が施されている。このように、液体との接液部に本発明の表面処理がなされることで、特に硫黄の溶出が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明に係るステンレス鋼に表面処理を施した状態における断面の電子顕微鏡写真である。
【図２】無処理のステンレス鋼の断面の電子顕微鏡写真である。
【図３】ＥＤＳマッピング分析結果の特性線図である。
【図４】ＩＣＰ分析結果の表である。
【図５】ＩＣ分析結果の表である。
【図６】表面処理を施したピストン，プランジャを用いた電磁ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１電磁ポンプ
１２ケース
１３コイル
１６ガイドパイプ
２０プランジャの駆動空間
２３吸入通路
２４吸入継手
３０吸入弁
３２弁座
３６シリンダ
３７ピストン
３９吐出弁
４１弁座
４５ポンプ室
４９クッション
５１プランジャ
５２戻しスプリング
５４閉止弁
５６弁座
５９吐出通路
６１逆流防止弁

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼の表面にショットブラスト加工を施すと共に、不動態処理を施したことを特徴とするステンレス鋼の表面処理方法。
【請求項２】
前記ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０３，ＳＵＳ４３０Ｆ等を代表鋼種とする硫黄系快削ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載のステンレス鋼の表面処理方法。
【請求項３】
前記ショットブラストによる吹き付けられる粒子の種類として、ジルコニアであることを特徴とする請求項１記載のステンレス鋼の表面処理方法。
【請求項４】
前記ショットブラストによる吹き付けられる粒子の径は０．３ｍｍ又はそれ以下とすることを特徴とする請求項３記載のステンレス鋼の表面処理方法。
【請求項５】
前記請求項１より成る表面処理方法を使用して、表面処理を施したステンレス鋼を用い、液体が流れる部位を製造したことを特徴とする電磁ポンプ等の流体機器。
【請求項６】
流体機器である電磁ポンプにおいては、接液部に前記請求項１の表面処理方法を施したことを特徴とする請求項５記載の電磁ポンプ等の流体機器。

【図３】