(57)【要約】【課題】ステンレス鋼の表面に比較的深く、高窒素濃度で高硬度の窒化層を形成したステンレス鋼を提供する。【解決手段】ステンレス鋼の表面にプラズマ窒化処理を施して相変態を生じさせることにより、表面からの深さ５μｍ以上（好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上）、窒素濃度１０％以上（好ましくは２０％以上、より好ましくは４０％以上）、硬度１０００Hv以上（好ましくは１５００Hv以上、より好ましくは１７００Hv以上）の窒化層を形成した高窒素固溶ステンレス鋼。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼の表面にプラズマ窒化処理によって窒素を高濃度で固溶させることにより、相変態による窒化層を表面部位に形成したことを特徴とする高窒素固溶ステンレス鋼。
【請求項２】
上記窒化層の深さが、表面から５μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の高窒素固溶ステンレス鋼。
【請求項３】
上記窒化層の窒素濃度が、１０at％以上、好ましくは２０at％以上、より好ましくは４０at％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高窒素固溶ステンレス鋼。
【請求項４】
上記窒化層の硬度が、１０００Hv以上、好ましくは１５００Hv以上、より好ましくは１７００Hv以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の高窒素固溶ステンレス鋼。
【請求項５】
ステンレス鋼の表面にマスクを所定パターンで配置する工程と、
上記ステンレス鋼の表面にプラズマ窒化処理を施し、マスクを配置していない部分に窒化層を形成する工程と、
上記マスクを除去する工程と、
上記ステンレス鋼の表面における窒化層の非形成箇所に凹部を形成する工程と、
からなることを特徴とする型材の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステンレス鋼の表面に窒素を固溶させることにより、硬化させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼は耐食性に優れているため、機械部品から化学品製造プラント等、様々な用途に広く利用されているが、硬度が低く耐摩耗性に劣るという欠点がある。このため、ステンレス鋼に窒素を固溶させることにより、その表面硬度を高める研究がなされている。
例えば、非特許文献１においては、高温加圧ガス法によって窒素を固溶させる技術が開示されている。また、非特許文献２においては、DCプラズマ窒化と浸炭の複合処理により、オーステナイト系ステンレス鋼の表面を低温窒化する技術が開示されている。
【非特許文献１】近未来の鉄鋼材料を知る  インターネットURL：http://www.nims.go.jp/stx-21/jp/publications/stpanf/pdf/tainetsu2.pdf  検索日：２０１４年２月１６日
【非特許文献２】オーステナイトステンレス鋼の低温プラズマ窒化・浸炭処理  インターネットURL：http://tri-osaka.jp/densi_kannkoubutu/syoho/TRI25(2011)29.pdf  検索日：２０１４年２月１６日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１の方法によれば、材料全体に窒素を固溶させることができるが、その窒化濃度は１mass％程度に止まるため、材料の表面層の硬度をより高めたいという要望には応えられないという問題があった。
また、非特許文献２の方法による場合、導入窒素分布が10％以下と小さく、またその分布も深さ方向に単調減少する傾向があるため、ステンレス鋼の表面部分を高濃度で安定的に窒化できないという問題があった。
【０００４】
この発明は、従来の上記問題を解決するために案出されたものであり、ステンレス鋼の表面に比較的深く、高窒素濃度で高硬度の窒化層を形成したステンレス鋼を提供することを第１の目的としている。
また、この高窒素固溶ステンレス鋼を型材として応用する技術を提供することを第２の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記第１の目的を達成するため、この発明に係る高窒素固溶ステンレス鋼は、ステンレス鋼の表面にプラズマ窒化処理によって窒素を高濃度で固溶させることにより、相変態による窒化層を表面部位に形成したことを特徴としている。
上記窒化層は、例えば、表面から５μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上の深さに形成される。
また上記窒化層は、例えば、１０at％以上、好ましくは２０at％以上、より好ましくは４０at％の窒素濃度を備えている。
また上記窒化層は、例えば、１０００Hv以上、好ましくは１５００Hv以上、より好ましくは１７００Hv以上の硬度を備えている。
【０００６】
また、上記第２の目的を達成するため、この発明に係る型材の形成方法は、ステンレス鋼の表面にマスクを所定パターンで配置する工程と、上記ステンレス鋼の表面にプラズマ窒化処理を施し、マスクを配置していない部分に窒化層を形成する工程と、上記マスクを除去する工程と、上記ステンレス鋼の表面にサンドブラスト処理やレーザ加工処理等を施し、窒化層の非形成箇所に凹部を形成する工程とからなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る高窒素固溶ステンレス鋼の場合、表面から比較的深い領域までほぼ均一の高窒素濃度で高硬度の窒化層が形成されているため、優れた耐摩耗性を備えている。
このため、例えば表面にマスクパターンを形成して選択的に窒化層と非窒化部を形成した後、硬度の低い非窒化部をサンドブラストやレーザ照射等によって除去することにより、凹部を備えた型材として応用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、この発明に係るRF-DC低温プラズマ窒化装置10の構造を示す模式図であり、真空チャンバ12と、その内部に配置されたDCバイアス14と、このDCバイアス14上に載置されたステンレス製の加工対象物16と、DCバイアス14内に装着されたヒータ18と、一対のRF電極20と、真空チャンバ12の外部に配置された出力２MHzのRF発振器22とを備えている。
図示は省略したが、真空チャンバ12の外部には、RF発振器22の制御装置と、DCバイアスの制御装置と、冷却装置が設置されている。
【０００９】
この真空チャンバ12の給気口（図示省略）から原料となるＮ２とＨ２の混合ガスを内部に導入し、RF電極20, 20間に高周波を印加すると同時にDCバイアス用電圧を印加し、さらにヒータ18に給電して真空チャンバ12内を摂氏４５０度以下に加熱すると、混合ガスがプラズマ化し、図２に示すように、高密度の窒素イオン及びＮＨラディカルが発生し、窒素原子が加工対象物16の表面に浸透する。
【００１０】
この装置10の場合、RFプラズマとDCプラズマとを独立に制御できるため、２０Pa〜１kPaの広い高圧力範囲（メゾ圧力領域）で窒化を行うことができる。
このメゾ圧力範囲での窒素イオン、NHラディカルの密度は、５×１０17m-3以上であり、その高窒素イオン・高ＮＨラディカル状態で窒化を行うため、低い保持温度でも加工対象物16中に窒素原子を溶質原子として投入できる。
また、従来のプラズマ装置と異なり、入出力パワーのマッチングを周波数領域で行うため、投入エネルギーは無駄なく、迅速にプラズマに投入される。この結果、加工対象物16の表面にムラなく安定的に窒素を固溶させることができる。
【００１１】
以上の処理を所定時間継続すると、加工対象物16の表面に窒素が高濃度で固溶される。
図３は、上記した高密度RF-DCプラズマによる窒化処理により、摂氏４５０度で２時間プラズマ窒化したSUS420（マルテンサイト系ステンレス）の試料に対し、AES（オージェ電子スペクトル法）による分析を行った結果を示すグラフである。
図示の通り、表面から窒化先端（深さ４μｍ付近）まで、３０〜４０at％の高い窒素濃度が実現されている。
すなわち、表面から窒化先端まで高窒素濃度が一定し、固溶窒素がステンレス鋼の結晶格子の空孔位置に規則的に導入されているものと考えられる。
加工時間を２時間以上に延ばすことにより、５０μｍ以上の深さまで、しかもほぼ等しい窒素濃度で窒化層を形成することができる。
【００１２】
一方、クロム・鉄の窒化物のXRDピークは全く観測できないことから、これら高濃度窒素はすべてステンレス中に固溶しているものといえる。
このように、クロムや鉄の窒化物が析出したいため、ステンレス鋼本来の特性に悪影響を及ぼすことがない。
【００１３】
図４は、上記試料に対してXRD分析を行った結果を示すグラフである。
マルテンサイト系ステンレス鋼であるSUS420材の主ピークは、本来、体心立方格子結晶の最稠密面である（１１０）面に対応する。
これに対し、上記のプラズマ高窒素固溶化処理により、ａ軸を含む面内の歪みよりもｃ軸方向に歪み、元の（１１０）面に平行に（１１１）面を持つオーステナイト相に変態する。すなわち、オーステナイト単相になることから、極めて高濃度の窒素がステンレス中に固溶していることがわかる。
一方で、クロム、鉄の窒化物のピークは検出されていない。
【００１４】
図５は、Φ２５mmのディスク状のSUS420J2試験片（厚さ：５mm）30を摂氏４２５度で４時間低温窒化した際の、圧下荷重２００gでのマイクロ・ビカース硬さ試験の結果を示すものである。
図示の通り、試験片30の中心部の硬さは平均で１７５０Hvであり、その周辺部の硬さは平均で２４００Hvに上った。
【００１５】
図６は、正方形状の窒化処理部42と、同じく正方形状の非窒化処理部44を交互に配置させた矩形状のSUS420J2試験片（厚さ：５mm）40に対する硬度測定の結果を示すものである。
同図の［測定結果］が示す通り、窒化処理部42（位置(1)、位置(2)、位置(4)、位置(6)、位置(7)）における硬度が、何れも非窒化処理部44（位置(3)、位置(5)）に比べて大幅に向上している。
【００１６】
この試験片40は、以下の手順で作成される。
(1)矩形状のSUS420J2板の表面における非窒化処理部44の形成を意図する位置に、正方形状のマスク（カーボンテープ）を貼り付ける。
(2)このSUS420J2板に対し、摂氏４２５度で４時間、上記の低温窒化処理を施す。
(3)最後に、上記のマスクを除去する。
図７は、窒化処理部42の表面におけるEDX（エネルギー分散型Ｘ線分析計）による窒素元素の測定結果を示すものであり、SUS420J2試験片の表面から約５μｍの深さまで窒化層が形成されている様子が示されている。
【００１７】
図８は、図６に示したのと同じ試験片40に対し、平均表面粗さ（Ra）を測定した結果を示すものである。
同図の［測定結果］が示す通り、窒化処理部42におけるRa値が、何れも非窒化処理部44に比べて大幅に（１００nm近く）上昇している。
【００１８】
本来、SUS420J2の表面粗さは約１０nmであり、窒化処理前はマスク部と非マスク部で同じ表面粗さを備えているが、非マスク部のみに窒素が高濃度で固溶することで、格子膨張により、表面がマスク部（窒素が固溶していない部分）よりも高くなったため、その表面粗さが拡大したものと考えられる。
【００１９】
ここで、窒化層の厚さが５μｍであり、４０at％の固溶窒素によるSUS420・単結晶のｃ軸方向の歪みが７％（理論推定値）とする。
実際のSUS420材は多結晶であり、圧延・鍛造により、ｃ軸の厚さ方向への配向割合が３３％とする。
以上のことから、実際のSUS420材の厚さ方向の膨張変形量は、以下の通り計算できる。
（５０００nm）×0.07×0.33＝１００nm  
【００２０】
このように、計算の結果求められた値（１００nm）と、上記の計測結果がほぼ一致したことから、表面粗さの差異（１００nm）は、窒化プロセスによって非マスク部が選択的に膨張変形したためと考えることができる。
【００２１】
つぎに、この選択的な窒化プロセスを応用することにより、型材を形成する方法について説明する。
まず、図９(a)に示すように、SUS420よりなる母材50の表面にマスク52を一定の間隔をおいて貼り付けた上で、上記した窒化処理を施す。
この結果、母材50の表面の非マスク部に窒素が約５μｍの深さで固溶され、図９(b)に示すように、窒化層54が多数形成される。
【００２２】
つぎに、図１０(a)に示すように、マスク52を除去した後、母材50の表面に向けて砂等の研磨材56を吹き付けるサンドブラスト処理を施す。
この結果、先の窒化処理によって硬度が上昇している窒化層54が残され、窒化処理が施されていなかったマスク部に凹部58が多数形成された型材60を得ることができる（図１０(b)）。
【００２３】
最近は色々なフィラや鉱物等が充填された樹脂材が増えており、通常のステンレス鋼で型材を形成した場合には摩耗が激しいという問題があったが、上記のプラズマ窒化処理及びサンドブラスト処理によって形成された型材は、その表面に十分な硬度を備えているため、高い耐久性が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明に係るRF-DC低温プラズマ窒化装置の構造を示す模式図である。
【図２】窒素原子が加工対象物の表面に浸透する様子を示す概念図である。
【図３】窒化処理が施されたステンレス鋼に対するAESによる分析結果を示すグラフである。
【図４】窒化処理が施されたステンレス鋼に対するXRDによる分析結果を示すグラフである。
【図５】窒化処理が施されたディスク状ステンレス鋼に対する硬さ試験の結果を示す図である。
【図６】ステンレス鋼の表面における窒化処理が施された部分の硬度と窒化処理が施されていない部分の硬度の測定結果を示す図である。
【図７】窒化処理部におけるEDXによる窒素元素の測定結果を示す図である。
【図８】ステンレス鋼の表面における窒化処理が施された部分と窒化処理が施されていない部分の表面粗さの測定結果を示す図である。
【図９】型材の形成過程を示す図である。
【図１０】型材の形成過程を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
10   低温プラズマ窒化装置
12   真空チャンバ
14   DCバイアス
16   加工対象物
18   ヒータ
20   RF電極
22   RF発振器
30   試験片
40   試験片
42   窒化処理部
44   非窒化処理部
50   母材
52   マスク
54   窒化層
56   研磨材
58   凹部
60   型材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015161011.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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