(57)【要約】本発明は、ステンレス鋼に関し、特に窒化処理後の表面硬化層の硬さが１２００ＨＶ以上であり、形態がワイヤ、プレート、ストリップ、チューブ、パイプなどであり、特に高強度および／または高靭性と高耐摩耗性との組み合わせに対する要求水準が高い用途に適したステンレス鋼および被覆処理の基材としてのステンレス鋼に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成（質量％）が下記：
炭素        ：０．１以下、
窒素        ：０．１以下、
銅          ：０．５〜４、
クロム      ：１０〜１４、
モリブデン  ：０．５〜６、
ニッケル    ：７〜１１、
コバルト    ：０〜９、
タンタル    ：０．１以下、
ニオブ      ：０．１以下、
バナジウム  ：０．１以下、
タングステン：０．１以下、
アルミニウム：０．０５〜０．６、
チタン      ：０．４〜１．４、
シリコン    ：０．７以下、
マンガン    ：１．０以下、
鉄          ：残部、および
通常の製鋼添加物および不純物
であるステンレス鋼において、
窒化処理後の表面硬化層の硬さが１２００ＨＶ以上であることを特徴とするステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１において、析出硬化処理の生成物としてマルテンサイト組織中に擬結晶質粒子を含むことを特徴とするステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１記載の表面改質ステンレス鋼を製造する方法において、
上記ステンレス鋼に、プラズマ窒化雰囲気中において４５０〜５８０℃で１〜４０時間の窒化処理を施すことを特徴とする表面改質ステンレス鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項記載のステンレス鋼の製品であって、上記ステンレス鋼の製品形態が、ワイヤ、プレート、ストリップ、チューブ、パイプ等の形状であり、特に高強度および／または高靭性と高耐摩耗性との組合せに対する要求水準が高い用途の複雑形状物、例えば、エンジンの耐摩耗部品その他のエンジン部品、衝撃荷重部材例えば安全装置、カムフォロワー、カムフォロワーパッド、バルブステム、バルブステムガイド、ピストンピン、ピストンシャフト、油圧ピストン、排出ピン、安全保護プレート、ロックシリンダー等のロッキング装置、ブロッキング部材、盗難予防設備などであって、寸法変化が無い製品。
【請求項５】
請求項１または２記載までのいずれか１項記載のステンレス鋼であって、耐摩耗被膜の基材として用いることを特徴とするステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼に関し、特に、窒化処理後の表面硬化層の硬さが１２００ＨＶ以上であり、高強度および／または高靭性と高耐摩耗性との組み合わせに対する要求水準が高い用途に特に適したステンレス鋼および被覆の基材としてのステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼は他の鋼材に比べて比較的硬さが低い。その結果、ステンレス鋼の製品あるいは部品は多くの用途において硬化表面すなわち表面硬化層を備えている。表面硬化の考え方は、部材表面の比較的薄い層に炭素などを富化して改質し、この改質処理の影響の無い内部の母材よりも硬い表層を形成するものである。この状態で、全体としてはステンレス鋼としての良好な成形性を確保したまま、表層は母材のように軟らかくない。
【０００３】
ステンレス鋼の表面硬化処理は、浸炭によって行なわれることが多い。浸炭は、製品表面に炭素が拡散して固溶することによって行なわれる。公知の表面硬化処理は高温で行なわれる。しかし、約５４０℃以上（ステンレス鋼の場合）で行なう浸炭処理では、表面硬化層中で炭化物の生成が起き易い。
【０００４】
別の表面硬化法としてプラズマ窒化処理があり、これは圧力１００〜１０００Ｐａ（１〜１０ｍｂａｒ）の窒素ガス含有雰囲気中でグロー放電下で行う処理であり、ステンレス鋼の表面処理方法として従来から用いられている方法の１つであり、生成する窒素拡散層が高硬さであり、高い耐摩耗性を発揮する。窒化による硬化は、表層での窒化物の析出によって起きる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プラズマ窒化処理は、最も新しい表面硬化法である。この方法によってガス窒化法やタ炭窒化法（短時間ガス窒化、浴窒化、テニファー（tenifer）処理）などの従来からの窒化法が置き換わられたのは、これら従来法と同等の熱化学条件が達成されるからである。プラズマ窒化処理によれば、従来法よりも硬さおよび耐摩耗性を向上させつつ、歪は低減する。
【０００６】
プラズマ窒化処理は費用対効果が非常に良好である。それは、処理後の機械加工、仕上げ処理、残滓除去工程が多くの場合に不要だからである。同様に、研磨、燐酸被膜処理や、場合によっては亜鉛めっき、硬質クロムめっきも不要である。
【０００７】
プラズマ窒化処理は真空炉内で行なう。処理温度は、個々の処理に応じて４００〜５８０℃の範囲内で設定する。典型的な処理温度は４２０〜５００℃の範囲内である。最も一般的に用いるプロセスガスはアンモニア、窒素、メタン、水素である。後酸化の耐食工程では酸素と二酸化炭素を用いる。用いるプロセスガスの種類の他、圧力、温度、時間が処理プロセスの主パラメータである。これらのパラメータを変えることによって、種々の所望特性を正確に実現するようにプラズマ窒化処理を精密に調整できる。
【０００８】
鉄基材料であればいずれもプラズマ窒化処理を施すことができる。この処理方法は特殊な窒化用鋼を用いる必要がない。
【０００９】
プラズマ窒化処理で得られた結果はピンポイントの正確さで再現可能である。これは規格製品を大量生産するには非常に重要である。アメリカ合衆国特許第5,632,826号には、粒子の析出によって強化を行なう析出硬化マルテンサイト合金が開示されている。強化粒子は擬結晶構造を持っており、この構造は６５０℃、１０００時間の時効処理によって実質的に形成される。この強化による引張強度の上昇は２００ＭＰａ以上である。アメリカ合衆国特許第5,632,826号の鋼を表面窒化すると、マトリクスに対して更に高い表面硬さが得られることを見出した。
【００１０】
そこで本発明の主たる目的は、表面改質処理によって表面硬さの上昇と同時にマトリクスの硬さも上昇することを特徴とするステンレス鋼を提供することである。
【００１１】
本発明のもう1つの目的は、上記の表面改質ステンレス鋼で作製した製品を提供することである。
【００１２】
更にもう1つの目的は、耐摩耗層を被覆するためのステンレス鋼基材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
表面改質前の本発明のステンレス鋼基材は下記の化学組成（質量％）を備えている。
【００１４】
炭素        ：０．１以下、
窒素        ：０．１以下、
銅          ：０．５〜４、
クロム      ：１０〜１４、
モリブデン  ：０．５〜６、
ニッケル    ：７〜１１、
コバルト    ：０〜９、
タンタル    ：０．１以下、
ニオブ      ：０．１以下、
バナジウム  ：０．１以下、
タングステン：０．１以下、
アルミニウム：０．０５〜０．６、
チタン      ：０．４〜１．４、
シリコン    ：０．７以下、
マンガン    ：１．０以下、
鉄          ：残部、および
通常の製鋼添加物および不純物。
【発明の効果】
【００１５】
表面改質処理によって表面硬さの上昇と同時にマトリクスの硬さも上昇する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
このステンレス鋼は、析出硬化処理を施すと、マルテンサイト組織中に擬結晶粒子を含有した組織になる。
【００１７】
プラズマ窒化処理は、ガスプラズマすなわちイオン化ガスの性質を利用した表面硬化法であって、材料表面に所望の機械的性質を付与する。
【００１８】
窒化処理で影響を持つ主たるパラメータは、処理の圧力、温度、時間と、イオン化されたプロセスガスの化学組成である。
【００１９】
プラズマ窒化処理を行なう圧力は０．３〜１０ｍbarである。実際の処理圧力は、処理対象材の形状と必要な表層組織とによって決まる。
【００２０】
処理温度は、処理対象材の材質および前処理の内容と、必要な表層組織とに応じて、４００〜５８０℃の範囲内で設定する。処理時間は１０分〜７０時間の範囲で、処理対象材と形成する表層の組織および厚さとに応じて設定する。プラズマ窒化処理に用いるプロセスガスは、アンモニアまたは、メタン、窒素、水素を含む混合ガスである。プロセスガスとして何を用いるかは、処理対象材の特性と必要な表層組織とに応じて決める。
【００２１】
本発明は更に、本発明のステンレス鋼の製品であって、製品形態が、ワイヤ、プレート、ストリップ、チューブ、パイプ等の形状であり、特に高強度および／または高靭性と高耐摩耗性との組合せに対する要求水準が高い用途の複雑形状物、例えば、エンジンの耐摩耗部品その他のエンジン部品、衝撃荷重部材例えば安全装置、カムフォロワー、カムフォロワーパッド、バルブステム、バルブステムガイド、ピストンピン、ピストンシャフト、油圧ピストン、排出ピン、安全保護プレート、ロックシリンダー等のロッキング装置、ブロッキング部材、盗難予防設備などにも関する。
【実施例】
【００２２】
本発明のステンレス鋼基材に、処理温度４５０〜５８０℃、処理時間１〜４０時間のプラズマ窒化処理による表面改質処理を施した。処理後の表面硬化層は０．０５〜０．５ｍｍであった。この硬化処理は、ワイヤ、プレート、ストリップ、チューブ、パイプや種々の形態、特に複雑形状の部材に適用できる。本発明のステンレス鋼を処理基材として用いた場合に特に有利な点は、非常に複雑な形状でも全く寸法変化が生じないことである。表面硬さは、表面から深さ０．５ｍｍでのマトリクスの基材硬さの２倍以上である。表面硬さは１２００ＨＶ、望ましくは１１００ＨＶ以上である。
【００２３】
図２に、表面から内部への硬さ分布を示す。深さ０．５ｍｍでも硬化が起きていることが分かる。このように、本発明のステンレス鋼を基材として表面硬化処理を行なうことにより、深い硬化層を持つ表面改質材を得ることができるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の表面改質ステンレス鋼は、耐摩耗被膜を被着させる基材として特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の表面改質ステンレス鋼のサンプルのミクロ組織を示す倍率５００倍の光学顕微鏡写真であり、Ａは表面窒化層、Ｂはステンレス鋼マトリクスである。
【図２】表面からの深さ（ｍｍ）に対して硬さ（ＨＶ）をプロットした図である。
【図１】
2005531694.tif 000002
【図２】
2005531694.tif 000003
【国際調査報告】
2005531694.tif 000004
2005531694.tif 000005