(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返しの変形および緩和のために好適なプロファイル要素であって、プロファイル要素は少なくとも９％クロムおよび最大５％までのニッケルを含む表面硬化されたフェライトステンレス鋼シートから成り、プロファイル要素は、０．２ｍｍから３ｍｍの範囲の材料厚さ、および、５％を超える残留オーステナイトを含まずに１０μｍから５０μｍの範囲のケース深さを有する窒素マルテンサイトケース、および、０．０５％から０．５％の範囲の窒素の含有量を有し、また、プロファイル要素は、６２０ＨＶ０．０５〜７５０ＨＶ０．０５の表面硬さを有することを特徴とするプロファイル要素。
【請求項２】
プロファイル要素が、固定要素、バネ、紙を保持するためのクリップ、または、ヘアピンからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のプロファイル要素。
【請求項３】
プロファイル要素が、円環、円錐台またはらせん形状を有する固定要素であることを特徴とする請求項１または２に記載のプロファイル要素。
【請求項４】
プロファイル要素が、第１のかん合面および第２のかん合面を有する固定要素であり、第１のかん合面および／または第２のかん合面が構造化されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプロファイル要素。
【請求項５】
構造化された面が、プロファイル要素のかん合面に対して、１００μｍから１ｍｍまたはそれ以上の範囲の、垂直方向の大きさを有する突起部を具えることを特徴とする請求項４に記載のプロファイル要素。
【請求項６】
プロファイル要素が固定要素であり、第１の固定要素が、第２の固定要素のかん合面に対し補完的なかん合面を有することを特徴とする請求項４または５のプロファイル要素のペア。
【請求項７】
軸受要素と締結要素との間で圧縮され、プロファイル要素が固定要素であることを特徴とする、請求項６に記載のプロファイル要素のペア、または請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプロファイル要素、を具えるアセンブリー。
【請求項８】
締結要素が、補完的な内部らせんネジ山を有する軸受要素内で締結するための外部らせんネジ山を有するネジであることを特徴とする請求項７に記載のアセンブリー。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプロファイル要素または請求項６に記載のプロファイル要素のペア、軸受要素および締結要素を具え、プロファイル要素が固定要素であることを特徴とするキット。
【請求項１０】
締結要素が、補完的な内部らせんネジ山を有する軸受要素内で締結するための外部らせんネジ山を有するネジであることを特徴とする請求項９に記載のキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロファイル要素、例えば、焼入れされたステンレス鋼から成る固定要素に関する。固定要素は、締結要素および軸受要素のアセンブリーが機械的な力にさらされたとき、軸受要素と締結要素とを互いに固定するためのものである。プロファイル要素は、先行技術の同等の要素を超える改良された再利用可能性および腐食特性を有する。本発明は、さらに、例えば本発明のプロファイル要素を提供するために、ステンレス鋼から成るワークピースを表面硬化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼は多くの構造的アプリケーションに使用され、ステンレス鋼の広範囲の組成および処理が、所定のアプリケーションに望まれる材料特性を提供できる。しかしながら、ステンレス鋼の複雑さのために、特定の目的により適合するように材料特性を変更することができる特定の領域が依然として存在する。特に、ステンレス鋼の表面硬化の分野は完全には明らかにされていない。
【０００３】
Ｇｅｏｒｇｉｇｅｖ  ｅｔ  ａｌ．（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．４，１９９６，Ｎｏ．４，ｐｐ．２８）、および、Ｂａｓｈｃｈｅｎｋｏ  ｅｔ  ａｌ．（Ｉｚｖｅｓｔｌｙａ  Ａｋａｄｅｍｉｌ  Ｎａｕｋ  ＳＳＳＲ，Ｍｅｔａｌｌｙ，ｎｏ．４，１９８５，ｐｐ．１７３−１７８）は、窒素および炭素が平衡状態のもと１０５０℃より高い温度でステンレス鋼中で溶解できることを明らかにしている。そのような温度では、ステンレス鋼の不動態層の透過の問題は、それがそのような高温度において不安定なため、無視できることを示している。また、炭化物および窒化物は、そのような高温度において形成されない。冷却中における炭化物／窒化物の沈殿を防ぐために、速い冷却速度が要求される。マルテンサイトステンレス鋼の類型に対し、表面の顕著な硬化は速い冷却によって起こる。
【０００４】
ＥＰ０６５２３００は、ほぼ最終形状を有するステンレス鋼構成物において、溶解された窒素を有するオーステナイト系の表面および表面近くの層を形成するための、熱処理プロセスを開示している。そのプロセスは、窒素含有ガス中１０００℃から１２００℃の温度で、窒素を有する構成物を濃縮する工程、次いで、窒化物分離を避けるような速度で構成物を冷却する工程、を含む。
【０００５】
ＷＯ２００８／１２４２３９は、中間急冷工程を有するハイブリッド炭化プロセスを示唆しており、それによると、金属ワークピース中の炭素で硬化した表面が、ワークピースに高温炭化および低温炭化の両者の処理をし、ここで、高温炭化の直後に、ワークピースを炭化物沈殿が形成される以下の温度まで急冷することにより、炭化物沈殿を形成することなく、形成されることを示唆している。
【０００６】
ＷＯ２０１２／１４６２５４は、不動態化金属の冷間変形ワークピースの固溶体硬化のための方法を開示している。方法は、窒素が、窒化物の形成のための溶解温度より高くワークピースの融点より低い温度で、ワークピース中に溶解する、第１の工程、および、窒素および／または炭素が、炭化物および／または窒化物の形成が実質的に起こらない温度で溶解する、次の第２の工程、を具える。方法は、また、第１から第２の温度への急冷工程を具えることができる。
【０００７】
ＷＯ２０１３／１５９７８１は、ＷＯ２０１２／１４６２５４の技術に基づくものであり、さらに、改善された耐腐食性が、窒素の高温溶解後窒素を含まない不活性ガス中でワークピースを冷却することによって得られることができることを記載している。
【０００８】
ＷＯ２００８／０９２６４０は、マルテンサイト境界層を有するフェライトステンレス鋼から成る食事用または給仕用の食卓用金物を提供する。境界層は、窒化およびそれに続く冷却を伴う熱処理によって形成され、基本的にマルテンサイトである。境界層の表面硬さ（ＨＶ３）は、ＨＶ３に従って測定したコアの最も低い硬さより３０から３００％だけ大きくなければならない。ＷＯ２００８／０９２６４０は、しかしながら、このマルテンサイト境界層をどのようにして得るかについて開示していない。
【０００９】
Ｅｄｅｎｈｏｆｅｒ  ｅｔ  ａｌ．（２００８，Ｉｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ，ｈｔｔｐ：／／ｉｏｎｉｃ−ｔｅｃｈ．ｃｏｍ／ｗｐ−ｃｏｎｔｅｎｔ／ｕｐｌｏａｄｓ／ｓｏｌｕｔｉｏｎｎｉｔｒｉｄｉｎｇ．ｐｄｆ）、および、Ｉｒｒｅｔｉｅｒ  ａｎｄ  Ｒｉｎｋ（２００６，Ｇａｓｗａｒｍｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，７；４９１−４９５）は、ＳｏＩＮＩｔプロセスとして知られている技術を記載している。ＳｏＩＮＩｔプロセスは、５００から１０００℃の通常の温度範囲で高度に合金化されたステンレス鋼を炭化および窒化することは、耐腐食性のかなりのロスなしに不可能であるという問題を扱っている。ＳｏＩＮＩｔプロセスは、より深いケースの形成を可能とし、１０５０℃を超える温度で窒素を挿入し、次いで表面硬化を行うことによって可能となる最も高い窒素表面濃度を達成する。
【００１０】
ステンレス鋼中への窒素の高温度挿入の具体例は、ＤＥ１０２００４０３９９２６に開示されており、ここでは、鋼部分は０．３から１．５ｍｍの深さまで０．３から０．６％のレベルで窒素を挿入するよう処理される。このプロセスは、より高い耐腐食性を提供すると言われている。
【００１１】
ＵＳ２０１２／１０１５３１は、窒素表面焼入れおよびそれに続く冷却を伴う熱処理によって形成される、少なくとも１つのマルテンサイト表面層を有するよう構成された防錆合金化ステンレス鋼から成る生体適合性材料に関する。熱処理は、通常８０から３００μｍの厚さまで１０００から１２００℃の温度で行うことができる。
【００１２】
ＪＰ２００２１９４５０４は、バネ特性を有するクロムステンレス鋼フォイルを提供する。鋼は、表面硬化およびそれに続く１００−６００℃での時効熱処理の前に、１０５０℃の温度で５から９０秒処理される。ＪＰ２００２１９４５０４のプロセスは、約１００μｍ厚さの材料を用いており、そのため、ＪＰ２００２１９４５０４の材料は完全に窒化される。従って、材料はその厚さ全体にわたって均一なプロファイルを有し、あるアプリケーションに対しては最適でない可能性がある。
【００１３】
先行技術文献で示したように、いくつかの方法はステンレス鋼を硬化するために存在する。しかしながら、同じ硬化方法が、硬化したステンレス鋼のすべてのユーザーにとって同様に適切であるわけではない。例として、固定要素、例えば、先行技術で扱われたロックワッシャーは、金属がその特性を失う前に約３回のみ再利用することができ、それはロックワッシャーにとって必要である。同じ観察は、繰り返される変形および緩和が重要である、他のプロファイル要素に対しても関連する。本発明の目的は、従来提供されたものよりも大きい再利用性の、改良されたプロファイル要素、例えば、固定要素を提供することにある。また、目的は、より大きい耐腐食特性の、プロファイル要素、例えば、固定要素を提供することにある。さらに、目的は、改良されたプロファイル要素、例えば、固定要素を提供するために、ワークピースを硬化するための方法を提供することにある。さらにまた、本発明の目的は、製造が安価な改良されたプロファイル要素を提供することにある。
【発明の開示】
【００１４】
本発明は、繰り返しの変形および緩和のために好適なプロファイル要素に関し、そのプロファイル要素は少なくとも９％クロムおよび最大５％までのニッケルを含む表面硬化されたステンレス鋼から成り、そのプロファイル要素は、０．２ｍｍから３ｍｍの範囲の材料厚さ、および、１０μｍから５０μｍの範囲のケース深さを有する窒素マルテンサイトケース、および、ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ６５０７基準に従って測定された最大７５０Ｈｖ０．０５までの表面硬さを有する。プロファイル要素は、繰り返しの変形および緩和のために好適である。通常、プロファイル要素は、それが外力にさらされない緩和状態を有するが、使用時には、それはプロファイル要素を変形する外力にさらされる。外力の除去により、プロファイル要素は、再利用されることを可能とする緩和状態に戻る。本発明のプロファイル要素は、少なくとも５回、好ましくは、少なくとも１０回以上、再利用される。本発明との関連において、「プロファイル要素」は、ステンレス鋼のシートからパンチされた要素であると考えられている。プロファイル要素は、それが繰り返しの変形および緩和にさらされる状況のもとで使用することを意図された、いかなるプロファイル要素ともすることができる。緩和状態は、プロファイル要素が外力にさらされていないときに発生し、緩和状態は、また、外力が解放または除去される状態として参照され、「緩和」、および、外力の「解放」または「除去」の用語は、置き換え可能に使用される。
【００１５】
本発明は、通常、「プロファイル要素」として記載されるが、具体的な実施例において、本発明は「固定要素」に関連する。固定要素に対し観察されたいかなる効果は、また、プロファイル要素に対しても関係し、逆もまた同様である。
【００１６】
好ましい実施例において、プロファイル要素は固定要素であり、本発明との関連において、「固定要素」は、軸受要素と締結要素との間の挿入のために設計された要素であり、締結要素と軸受要素とのアセンブリーが、振動、衝撃、衝突、回転などの機械力にさらされたとき、締結要素と軸受要素とが互いに固定することを可能とする。通常、固定要素が締結要素と軸受要素との間に挿入されると、固定要素は締結要素および軸受要素からの変形にさらされ、固定要素の材料特性は、締結要素と軸受要素とが互いに固定することを可能とする。締結要素は、例えば、締結手段を有するねじなどとすることができ、例えば、外側らせんねじ、軸受要素は、例えば、ナット、または、締結要素、例えば内側らせんねじに対して補完締結手段を有する表面を持つ物体、とすることができる。
【００１７】
本発明者は、ＷＯ２０１２／１４６２５４のプロセスが、固定要素を作成するために、オーステナイトステンレス鋼、例えば、ＡＩＳＩ３１６のワークピースに適用されたとき、１ｍｍを超える深さまで３００−４００ＨＶのコア硬さを有し、３０−３５μｍの深さまで１１００ＨＶを超える表面硬さを有する固定要素が提供されることを観察した。ＷＯ２０１２／１４６２５４のプロセスを使用して準備された固定要素は、しかしながら、通常、締結要素と軸受要素との間の変形および変形からの解放の３サイクルのみで再利用される。
【００１８】
本発明者は、意外にも、以下のことを見出だした：すなわち、上で定義したステンレス鋼要素、例えば、フェライトステンレス鋼が、１０μｍから５０μｍの範囲、例えば、１０μｍから２５μｍの範囲のケース深さを有し、特に、０．０５％から０．５％の範囲、例えば、０．２％から０．４％の範囲の窒素含有量を有し、最大７５０ＨＶまで、例えば、最大６８０ＨＶまでの表面硬さを有する窒素マルテンサイトケースで提供されると、プロファイル要素、例えば、固定要素は、例えば、固定要素が、締結要素と軸受要素との間での変形および変形からの解放を１サイクルとして５サイクル以上、例えば１０サイクル以上の後でも、固定硬化を維持することを可能とする、再利用性に対し優れた特性を得ることができる。同様の観察が、他のタイプのプロファイル要素、例えば、バネ、紙を保持するクリップまたはヘアピンに対しても成される。そのため、さらに高い再利用性のプロファイル要素、例えば、固定要素が提供される。理論に縛られることなく、本発明者は、０．２ｍｍから３ｍｍの範囲の材料厚さ、および、１０μｍから５０μｍ、例えば、１０μｍから２５μｍの窒素マルテンサイトケースを有するステンレス鋼の延性コアの組み合わせが、繰り返される変形および緩和に対する好適性を提供すると考える。好ましい材料厚さは０．５ｍｍから１．５ｍｍの範囲である。本発明との関連において、「窒素マルテンサイトケース」の用語は、窒素で安定化されたマルテンサイトを意味し、窒素マルテンサイトケースは、５％を超える残留オーステナイトを含まない。窒素マルテンサイトケースは、いかなる残留オーステナイトをも含まないことが好ましい。その一方、ケースの表面硬さが７５０ＨＶを超えたとき、あるいは、ケース深さが５０μｍを超えたとき、固定要素は脆くなりすぎて、締結要素と軸受要素との間の変形が、固定要素を破壊し、あるいは、少なくともその再利用を阻止する。通常、プロファイル要素の材料厚さが薄くなると、効果を得るための窒素マルテンサイトケースの厚さが薄くなることに注意すべきである。同様に、材料が厚くなると、効果を得るための窒素マルテンサイトケースが厚くなる。しかしながら、材料厚さが０．２ｍｍ未満または３ｍｍを超える要素に対し、本発明者は、繰り返される変形および緩和に対する好適性の効果が得られないことを見出だした。０．２ｍｍ以下の材料厚さを有する要素は、最大１０μｍのケース深さの窒素マルテンサイトケースを提供する際、脆すぎであり、一方、３ｍｍを超える材料厚さを有する要素は、５０μｍより厚いケース深さの窒素マルテンサイトケースを提供する際、柔らかすぎる。そのため、効果は、１０μｍから５０μｍの範囲のケース深さを有し、最大７５０ＨＶ０．０５までの表面硬さを有する、特に、１０μｍから２５μｍの範囲のケース深さを有し、最大６８０ＨＶ０．０５までの表面硬さを有する、窒素マルテンサイトケースを提供する際、０．２ｍｍから３ｍｍの範囲の材料厚さを有するプロファイル要素に対し観察された。
【００１９】
再利用性は、本発明のプロファイル要素のいかなる実施例に対しても関係する。しかしながら、固定要素が構造化された表面を有するとき、または、固定要素の形状が２次元構造から外れているとき、例えば、固定要素が円錐台またはらせん形状を有するときなどの、３次元構造を有するあるいは３次元構造である、固定要素に対して特に関係する。窒素マルテンサイトケースは、通常、少なくとも６２０ＨＶの硬さを有する。そのため、硬さの好ましい範囲は６２０ＨＶから６８０ＨＶまでであり、硬さのより好ましい範囲は６２０ＨＶから６５０ＨＶまでである。最大の効果は、１０μｍから２０μｍの範囲の窒素マルテンサイトケース深さを有する、プロファイル要素、例えば、固定要素に対し観察される。ＡＩＳＩ４３０のステンレス鋼に対し得られた、ケース深さおよび表面硬さの典型的な組み合わせ、および、固定要素に対する対応する再利用性は、表１にまとめられる。
【００２０】
0006688228.tif 000002
【００２１】
増加した再利用性に加えて、本発明のプロファイル要素、例えば、固定要素は、先行技術のプロファイル要素を超える改良された耐摩耗性も有する。
【００２２】
本発明のプロファイル要素、例えば、固定要素は、ニッケルの低含有量、すなわち、４％まで、３％まで、２％まで、１％まで、または、含有しないなどのニッケルを最大で５％まで含むいかなるステンレス鋼からも準備することができる。ニッケルは高価な合金要素であるため、低ニッケル含有量のステンレス鋼を用いることは、製造コストを減少させるために効果的である。これは、特に、ニッケルを含まないステンレス鋼に対し関係する。好ましいステンレス鋼は、フェライトステンレス鋼、例えば、ＡＩＳＩ４３０である。
【００２３】
他の側面において、本発明は、少なくとも９％クロムおよび最大５％までのニッケルより成るステンレス鋼からなるワークピースを表面硬化する方法であって、そのワークピースが０．２ｍｍから３ｍｍの範囲の材料厚さを有し、その方法が：
−ステンレス鋼のシートからパンチ加工されたワークピースを提供する工程、
−付加的にワークピースにエンボス加工する工程、
−窒化物に対する溶解温度より高く、ステンレス鋼の融点より低い、温度Ｔhighでワークピース中に少なくとも窒素を溶解させる窒素含有ガスの雰囲気中で、温度Ｔhighでの窒素の溶解が、０．０５％から０．５％の範囲の窒素の含有量を有し、１０μｍから５０μｍの範囲の拡散深さを得るために、実行される工程、および、
−温度Ｔｈｉｇｈでの溶解工程後のワークピースを、窒素マルテンサイトケースを提供するために、窒化物がステンレス鋼に形成する温度より低い温度Ｔｌｏｗまで冷却する工程であって、冷却が６０秒以内実行される工程、を具える。
【００２４】
ステンレス鋼のいかなるワークピースも本発明に従って処理することができる。特に、方法は、繰り返される変形および緩和に好適なステンレス鋼を提供し、固定要素の、または、この好適性が重要な他のアプリケーションに対する、高い再利用性を可能とする。方法は、特に、ワークピースを本発明のプロファイル要素になるように表面硬化させるために好適である。ワークピースがステンレス鋼のシートからパンチ加工された事実は、特に、繰り返される変形および緩和に対し意図された要素に関係する。ここで、これらの特性によって、繰り返される変形及び緩和を行うことができる。
【００２５】
本発明の方法は、窒化物の溶解温度より高い温度でワークピース中に窒素を溶解させる工程を具え、さらに方法は、窒化物がステンレス鋼中に形成される温度より低い温度までワークピースを冷却する工程を具える。これらの温度制限の両者は、当業者にとって、例えば、相平衡状態図から公知である。ステンレス鋼は、また、炭素を含むことができ、ワークピースが炭素を含むとき、温度制限、すなわち、ＴｈｉｇｈおよびＴｌｏｗは、炭化物が鋼中に形成される温度のそれぞれ上か下である。方法は、ワークピース中に、Ｔhighの温度で、炭素を溶解する工程を含むことができきるが、炭素を溶解しないことが好ましい。
【００２６】
本発明の方法は、窒素が、１０μｍから５０μｍ、例えば、１０μｍから２５μｍの深さまで、ステンレス鋼中に溶解することを必要とする。本発明との関連で、窒素は、それがその深さで測定できるとき、特定の深さまで溶解される。硬化されたステンレス鋼中、例えば、窒素マルテンサイトケース中、の窒素の含有量は、０．０５％から０．５％、例えば、０．２％から０．４％の範囲である。特に、窒素が０．３％の濃度まで溶解されると、有害な窒化物なしで十分な硬さを有する窒素マルテンサイトが、Ｔｈｉｇｈでの窒素の溶解後ステンレス鋼を表面硬化することで、ステンレス鋼中に形成される。対照的に、窒素含有量が０．５％を超えると、窒化物形成の増大したリスクが存在し、さらにステンレス鋼は脆くなりすぎる。そのため、窒素が、本方法で処理されたステンレス鋼中１０μｍから５０μｍの深さまで溶解すると、１０μｍから５０μｍの範囲のケース深さの窒素マルテンサイトのケースが提供される。窒素マルテンサイトケースの窒素含有量が、０．０５％から０．５％、例えば、０．２％から０．４％の範囲であること、および、より大きな深さ、例えば、５０μｍを超える深さでの窒素含有量が、０．０５％未満であること、が好ましい。特に、要素が、５０μｍを超える深さで０．０５％のあるいは０．０５％を超える窒素を含むと、要素が脆くなりすぎて、繰り返される変形および緩和に対し好適でない。５０μｍを超える深さでの窒素含有量は、０％であることが好ましい。
【００２７】
溶解深さのコントロールは、当業者にとって公知のことであり、溶解深さのコントロールのための関連性のパラメーターは、窒素含有ガスの圧力（Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎ）、温度（すなわちＴｈｉｇｈ）および溶解時間である。パラメーター値は、通常、ステンレス鋼の特定のタイプに依存する。通常、これらのパラメーターに対する値は、溶解深さが、１０μｍから５０μｍ、例えば、１０μｍから２５μｍである限り、自由に選択することができ、硬化されたステンレス鋼中の、例えば、窒素マルテンサイトケース中の、窒素含有量が０．０５％から０．５％、例えば、０．２％から０．４％の範囲内のものを、得ることができる。ＡＩＳＩ４３０ステンレス鋼に対し得られた、これらのパラメーターの典型的な組み合わせおよび対応するケース深さは、表２に示される。他のガスが存在していても、窒素含有ガスが、Ｎ２、例えば、グレード５．０以上の本質的に純粋なＮ２、であることが好ましい。典型的な不活性ガスは、アルゴンまたはその他の希ガス、または、水素（Ｈ２）である。窒素圧力（Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎ）は、ガス含有の他の化合物中の窒素の分圧として、あるいは、他のガスが存在しないときは窒素の絶対圧力として、表現される。
【００２８】
0006688228.tif 000003
【００２９】
Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎは、通常、溶解深さを決定する際に重要なパラメーターである。Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎは、３５０ｍｂａｒと同じまたはそれ未満、特に、２００ｍｂａｒと同じまたはそれ未満であることが好ましく；Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎの好ましい値は、５０ｍｂａｒから３５０ｍｂａｒの範囲、例えば、約１００ｍｂａｒ、１５０ｍｂａｒ、２００ｍｂａｒまたは３００ｍｂａｒなどの、１００ｍｂａｒから３００ｍｂａｒの範囲である。溶解時間は、最大溶解深さを超えないために、この溶解時間で、Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎは、通常、２００ｍｂａｒより高くない、例えば、１５０ｍｂａｒ未満またはそれと同じ、あるいは、１００ｍｂａｒ未満またはそれと同じとすべきだが、典型的には最大約１２０分までとする。
【００３０】
高温における高処理時間、例えば、９０分を超える時間は、ステンレス鋼、例えば、ＡＩＳＩ４３０中の粒径の増加につながり、本発明にとって望ましくないと考えられている。最大９０分までの溶解時間、例えば、１０分から９０分の範囲の溶解時間において、特に、９０分以下、特に６０分以下の溶解時間において、粒径の増加は本発明にとって無視できると考えられており、６０分以下の溶解時間、例えば、６０分、５０分、４０分、３０分、２０分、１０分が好ましい。溶解時間は、Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎが、１００ｍｂａｒから３００ｍｂａｒ、例えば、１００ｍｂａｒから２００ｍｂａｒの範囲のとき、６０分と同じかそれ未満であることが好ましい。Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎの特定の値は、溶解時間が３０分またはそれ未満であることを可能とする。例えば、１００ｍｂａｒ、２００ｍｂａｒまたは３００ｍｂａｒのＰｎｉｔｒｏｇｅｎは、１０μｍから２０μｍの範囲のケース深さを得るために、３０分の溶解時間と組み合すことが出来る。
【００３１】
温度Ｔｈｉｇｈは、通常、１０００℃から１３００℃の範囲、例えば、１０５０℃から１２５０℃の範囲とすることができる。１０７５℃から１１２５℃の範囲、例えば、約１１００℃などの１０９０℃から１１１０℃の範囲の温度Ｔｈｉｇｈにおいて、鋼中への窒素の溶解度は、温度Ｔｈｉｇｈが１１２５℃から１１７５℃の範囲であるときよりも、高いと考えられており、１１２５℃を超える温度よりも１０７５℃から１１２５℃の範囲のＴｈｉｇｈにおいて、窒素は、例えばより短い時間でより深くまで、より速く溶解することができる。そのため、ある実施例において、Ｔｈｉｇｈは、例えば１１００℃などの１０７５℃から１１２５℃の範囲であり、溶解時間は、１０分から３０分など、最大で３０分までの範囲、例えば、３０分である。これらのＴｈｉｇｈおよび溶解時間の範囲に対し、圧力は１００ｍｂａｒから３００ｍｂａｒの範囲とすることができる。
【００３２】
１１２５℃から１１７５℃の範囲、例えば、１１４０℃から１１６０℃の範囲の溶解温度に対し、通常、耐腐食性が、表面硬化したステンレス鋼に対し典型的に理解されているものよりも、１０７５℃から１１２５℃の範囲の温度での溶解に対する耐食性を超えて、改善されることが観察される。理論に縛られることなく、本発明者は、この効果は、例えば１０７５℃から１１２５℃の範囲と比較して、この温度範囲における低い窒素の溶解度によって発現すると考えている。実施例において、Ｔｈｉｇｈは、そのため、１１２５℃から１１７５℃の範囲とする。
【００３３】
ステンレス鋼の主要成分は鉄であるため、パラメーターＴｈｉｇｈ、溶解時間およびＰｎｉｔｒｏｇｅｎの上述した範囲は、ＡＩＳＩ４３０以外の他のタイプのステンレス鋼に対しても関連すると考えられている。
【００３４】
Ｐｎｉｔｒｏｇｅｎ、Ｔｈｉｇｈおよび溶解時間の特定の組み合わせは特に効果的であり、パラメーター値の好ましい組み合わせが表３に与えられる。
【００３５】
0006688228.tif 000004
【００３６】
先行技術の特定の方法と比較して、本発明の方法は、例えば、３００℃から５００℃の範囲の温度において、有利なことに窒素または炭素の低温度溶解を必要としない。窒素または炭素の低温度溶解は、例えば、数時間（例えば１０時間から３０時間）を必要とする、時間のかかる方法であり、本発明の方法は、低温度を必要とするときよりも、より速い。通常、低温度溶解工程は、「拡張オーステナイト」または「拡張マルテンサイト」として知られている表面層を提供することができる。本発明の固定要素は、拡張オーステナイトまたは拡張マルテンサイトのケースを必要としない。
【００３７】
方法は、温度Ｔｈｉｇｈから、窒化物が、または、炭化物および窒化物が、ステンレス鋼中に形成される温度よりも低い、温度Ｔｌｏｗまでの温度での溶解後の材料を冷却する工程を具える。この温度は当業者にとって公知であり、通常５００℃未満である。例えば、窒素を含まない不活性ガス中での冷却工程は、６０秒以内の時間行われるが、好ましくは、冷却は、１０秒未満などの３０秒未満の時間、窒素を含まない不活性ガス中で実行される。そのため、ワークピースが温度Ｔｌｏｗまで冷却されたとき、鋭敏化は避けられ、すなわち、窒素およびまた炭素の沈殿を避けることができる。
【００３８】
例えば１０７５℃から１１７５℃の範囲での、Ｔｈｉｇｈにおける高温度処理は、金属構造をオーステナイトに変化させ、ワークピースの冷却により、窒素マルテンサイト層が形成されると考えられている。本発明者らは、窒素が、０．０５％から０．５％の範囲、例えば、０．２％から０．４％の範囲の窒素含有量まで、および、１０μｍから５０μｍの範囲、例えば、１０μｍから２５μｍの範囲の拡散深さまで、溶解されたとき、４％まで、３％まで、２％まで、１％まで、あるいは、ニッケルを含有しないなどの、最大５％までの低ニッケル含有量と組み合されたこの事実は、マルテンサイトに対し、例えば少なくとも９５％の変態または完全な変態などの、十分な変態を保証することを、意外にも見出した。先行技術の方法において、通常、マルテンサイトの完全な変態を保証するために、例えばドライアイスまたは液体窒素を使用して、−４０℃から−２００℃の範囲などの０℃未満の温度までワークピースを冷却する、極低温の処理を含む必要があった。本発明の方法において、極低温の処理は有利にも必要とせず、方法は極低温の処理を具えないことが好ましい。処理されたワークピースが、冷却後、５％を超える残留オーステナイト相を含む場合、例えば、ワークピースが、５％を超えるニッケル含有量および０．５％を超える窒素含有量を有する場合、再利用性に対する本発明の効果は得られない。本発明者は、０．０５％から０．５％の範囲の窒素含有量および５％未満、例えば、３％のニッケル含有量まで溶解されるとともに、拡散深さが３０μｍ未満であるとき、ワークピースの表面硬化は、少なくとも９５％のマルテンサイト相を具える窒素マルテンサイトケースの形成の結果となることを、意外にも見出した。そのため、他の側面において、本発明は、ワークピース上に窒素マルテンサイトケースを形成する方法に関するものであり、方法が、最大５％までのニッケル含有量を有するステンレス鋼のワークピースを提供する工程、窒素含有ガスの雰囲気中で、窒化物の溶解温度よりも高く、ステンレス鋼の融点より低い、温度Ｔhighで、ワークピース中に少なくとも窒素を溶解させる工程であって、温度Ｔhighでの窒素の溶解が、０．０５％から０．５％の範囲の窒素の含有量を有し、１０μｍから３００μｍの範囲の拡散深さを得るために実行される工程、温度Ｔhighでの溶解工程後のワークピースを、窒素マルテンサイトケースを提供するために、窒化物がステンレス鋼中に形成する温度より低い温度Ｔlowまで冷却する工程であって、冷却が６０秒以内実行される工程を具え、方法は極低温処理を具えない。本発明のこの側面において、ワークピースの材料厚さはほとんど関係せず、材料厚さは、０．２ｍｍから１０ｍｍまたはそれ以上の範囲とすることができる。本発明の第１の方法として開示されている他の全ての特徴は、この第２の方法に対しても別関連しており、これらの特徴は自由に組み合わせることができる。
【００３９】
冷却は、例えば７ｂａｒ、８ｂａｒまたは９ｂａｒなどの、６から１０ｂａｒなどの４から２０ｂａｒの範囲の高圧力下のガスにおいて、いかなる適切な方法を使用して実施することができる。冷却は、Ｔｈｉｇｈでの溶解において使用されたガスと同じ組成のガス中で行われ、あるいは、冷却は、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）またはラドン（Ｒｎ）あるいはそれらの混合物からなる希ガスなどの、窒素を含まない不活性ガス中で行われ、希ガスとしてはアルゴンが特に好ましい。他の実施例において、冷却は、例えば、７ｂａｒ、８ｂａｒまたは９ｂａｒなどの、６から１０ｂａｒなどの４から２０ｂａｒの範囲の高圧力下アルゴン中で行われる。
【００４０】
好ましい実施例において、溶解工程は、例えば、不可避的不純物以外の他のガスを含まない、グレード５．０またはそれ以上の実質的に純粋なＮ２などのＮ２を含むガスのようなガス中で実行され、冷却工程は、窒素を含まない不活性ガス（窒素無含有不活性ガス）であるガス中で実行され、この際アルゴンが特に好ましい。本発明との関連において、「不活性ガス」は、合金の成分と相互作用するいかなる量の分子をも含まないガスであり、窒素を含まないそのような不活性ガスまたはガスの混合物も、本発明において意図されている。不活性ガスが冷却工程で用いられると、本発明の方法で処理されたワークピースは、他の冷却ガスを使用して得られる、または、冷却工程が他の方法を使用して実行されるときに得られる、耐食性よりも優れた耐食性を有する。特に、窒素を含むガスは、冷却が窒素を含むガス中で行われたとき、不活性ガス中での冷却と比較して、窒化物の形成を促進すると考えられており、よりローバストでフレキシブルな方法が、不活性ガスを使用する冷却工程により提供される。温度Ｔｈｉｇｈでの処理中のＰｎｉｔｒｏｇｅｎは窒素の溶解度に影響を与え、温度Ｔｈｉｇｈでの処理中のＰｎｉｔｒｏｇｅｎが高ければ高いほど窒素がより多く溶解し、より顕著になるのは、窒素を含まない不活性ガス中での冷却の効果である。
【００４１】
一旦ワークピースが温度Ｔｌｏｗまで冷却されると、更なるワークピースの処理は必要とされない。Ｔｌｏｗは典型的には５００℃またはそれ以下である。例えば、更なる機械加工は必要とされず、本方法で処理されたワークピースの追加の機械加工は、マルテンサイトケースを破壊することが観察されている。そのため、本方法で処理されたワークピースは、その最終形状の、あるいは、その最終形状内の、ワークピースとすることができる。同様に、ある実施例において焼鈍工程がＴｌｏｗまでの冷却後実行されるが、Ｔｌｏｗまで冷却した後ワークピースを焼鈍する必要はない。焼鈍工程が含まれている場合、焼鈍工程は、典型的には、処理されたワークピースを、Ｔｌｏｗより低い温度に、すなわち、例えば５００℃未満で少なくとも２００℃の、炭化物および／または窒化物がステンレス鋼中に形成される温度に、さらすことによって実行される。焼鈍は、通常、ガス中で、例えば、鋼中の付加的成分を溶解することに関しては不活性ガス中で、行われる。焼鈍工程は、通常、少なくとも１時間の間続くが、より長い時間が必要とすることもできる。焼鈍は、しかしながら、ステンレス鋼、特に、ＡＩＳＩ４３０鋼に対し、粒径の増加を伴い、焼鈍工程は含まないことが好ましい。特に、本発明方法の溶解工程が、最大９０分までの時間範囲、例えば、６０分または３０分で実行されるとき、粒径が大きくなるリスクはほとんどない。
【００４２】
さらに他の側面において、本発明は、本発明のワークピースを表面硬化する方法で得ることができるワークピースに関する。ワークピースは、本方法で得られるステンレス鋼の再利用特性からの恩恵を受けるいかなるワークピースともすることができる。特に、ワークピースは、１０μｍから５０μｍの範囲、例えば、１０μｍから２５μｍの範囲の窒素マルテンサイトケース深さ、および、最大７５０ＨＶまでの表面硬さ、特に、６２０ＨＶから６５０ＨＶの範囲の表面硬さと組み合わせた１０μｍから２０μｍの範囲のケース深さ、を有することができる。窒素マルテンサイトケースは、０．０５％から０．５％の範囲、例えば、０．２％から０．４％の範囲の窒素含有量を有することができる。本発明によれば、ワークピースは、プロファイル要素、例えば、固定要素であることが好ましい。関連する他のワークピースは、バネ、紙を保持するクリップ、ノート、ヘアピンなどである。
【００４３】
プロファイル要素が固定要素であるとき、固定要素は、軸受要素と締結要素との間に挿入可能ないかなる形状をも有することができる。例えば、固定要素は、ホールを有するプレートの形状をとることができ、例えば、固定要素は円環形である。固定要素は、また、円錐台形状とすることができ、または、固定要素は、らせん形状、例えばバネとすることができる。固定要素は当業者にとって公知である。特に、当業者であれば、特定の目的を満たす固定要素のタイプを容易に選択することができる。固定要素の好ましいタイプは、一般的に、「ワッシャー」、「ワッシャーリング」、「ロックワッシャー」などとして参照されるものである。
【００４４】
特定の実施例において、プロファイル要素は、円環形状または円錐台形状を有する、固定要素、例えば、ロックワッシャーである。固定要素、例えば、円環形または円錐台形の固定要素は、固定要素を得るためにワークピースを本発明の方法に供する前に、例えば０．５ｍｍから３ｍｍまたはそれ以上の範囲のシート厚さを有する、ステンレス鋼の適切なシートからワークピースをパンチ加工することによって、準備することができる。ワークピースは、ワークピースが本方法で完全には窒化されないことを保証する厚さを有するべきで、そのため、ワークピースの最小厚さが０．２ｍｍであることが好ましい。同様に、プロファイル要素の材料厚さは少なくとも０．２ｍｍである。ワークピースがその厚さ全体にわたって完全に窒化される場合、結果として得られる表面硬化された要素は、脆くなり、繰り返される変形および緩和に対し適当でない。再利用性に関する特性は得られず、完全に窒化されたプロファイル要素は、繰り返される変形および緩和に対し適当でない。パンチ加工されたワークピースは、また、エンボス加工に供される。本発明のプロファイル要素の材料厚さ、特に、円環形または円錐台形の固定要素の材料厚さは、約０．２ｍｍから約３ｍｍの範囲内である。固定要素のサイズ、例えば、円環形固定要素または円錐台形固定要素のサイズは、典型的には、３ｍｍから５０ｍｍの範囲内である。サイズは、固定要素が円い、もしくは丸いフットプリントを有するとき、直径とすることができる。他のプロファイル要素は、通常、同じ外見上のサイズ、例えば、３ｍｍから５０ｍｍの範囲の大きさ、とすることができる。
【００４５】
ステンレス鋼のシートからパンチ加工された、プロファイル要素、特に固定要素は、第１のかん合面と第２のかん合面とを有することができ、例えば固定要素が軸受要素と締結要素との間で圧縮されると、第１のかん合面は軸受要素の表面に面し、第２のかん合面は締結要素の表面に面している。固定要素の一方のかん合面または両方のかん合面は、例えば突起部などを有するよう構成することができる。固定部材の表面の構造は、ステンレス鋼のシートからパンチ加工によって提供されたワークピースを、エンボス加工することによって提供することができる。あるいは、プロファイル要素、例えば固定要素の表面の構造は、パンチ加工工程において直接提供することもできる。パンチ加工されたワークピースまたはエンボス加工されたワークピースは、次に、プロファイル要素を提供するために、本発明の方法に従って処理することができる。
【００４６】
構造、例えば突起部はいかなる形状をも有することができ、かん合面上の突起部の、プロファイル要素、例えば固定要素のかん合面に対する、垂直方向の大きさは、典型的には、約１００μｍから１ｍｍまたはそれ以上の範囲である。固定要素の構造化されたかん合面は、それが軸受要素と締結要素との間で圧縮されたとき、固定要素の固定効果を高めることができる。例えば、構造化されたかん合面は、固定要素のかん合面と各対向表面との間の摩擦を増加させるために、軸受要素または締結要素の対向面をグリップする、歯、ねじ山、突起などの突起部を具えることができる。例えば突起部を具える構造化されたかん合面を有する、プロファイル要素、例えば固定要素が、軸受要素と締結要素との間で圧縮されたとき、突起部は圧縮によって変形する。しかしながら、本発明の方法における処理によって得られた、例えば最大７５０ＨＶまでの表面硬さとともに１０μｍから５０μｍの範囲、例えば１０μｍから２５μｍの範囲の窒素マルテンサイトケース深さを有する、例えば６２０ＨＶから６５０ＨＶの範囲の表面硬さとともに１０μｍから２０μｍの範囲のケース深さを有する、ステンレス鋼の特性は、突起部の構造が、締結要素と軸受要素との間の変形と変形からの解放とのサイクルの５サイクル以上、例えば１０サイクル以上の後も保持されるため、プロファイル要素または固定要素を再利用可能とする。プロファイル要素、例えば固定要素に対し観察された繰り返される変形および緩和に対する好適性の効果は、驚くべきことに、例えば固定要素全体に対する、回転要素の「マクロスケール」、および、例えばプロファイル要素のかん合面上の構造に対する、「ミクロスケール」の両者に関係している。
【００４７】
プロファイル要素、例えば固定要素のかん合面上の正確な構造および構造の大きさは、プロファイル要素の意図するアプリケーションに基づき、自由に選択される。当業者であれば、容易に、軸受要素および／または締結要素の特性に基づき、適切な構造を選択することができる。特定の実施例において、固定要素は、第１および第２のかん合面上に異なる構造を有する。例えば、固定要素、例えば第１の固定要素は、軸受要素の表面とかみ合うよう構造化された第１のかん合面、および、第２の固定要素の補完的なかん合面とかみ合うよう構造化された第２のかん合面、を有することができ、第２の要素は、次に、締結要素の表面とかみ合うよう構造化されたかん合面を有し、第１および第２の固定要素が、軸受要素と締結要素との間のペアとして用いられている。第１および第２の固定要素がペアとして用いられるとき、改善された固定効果を得ることができる。
【００４８】
本発明の更なる側面は：
軸受要素と締結要素との間で圧縮された、本発明に従う固定要素を具えるアセンブリー；
本発明の固定要素、軸受要素および締結要素を具えるキット。締結要素は、例えば、ナットとすることができ、締結要素はねじまたはボルトとすることができ、ナットとねじまたはボルトとは、補完的な締結要素、例えば、必要に応じて内側および外側らせんねじを具える；
本発明の固定要素および適切な補完的締結手段を有する、軸受要素に締結するための締結要素を具えるキット。例えば、締結要素は、補完的な内側らせんねじを有する軸受要素内で締結するための外側らせんねじを有するねじとすることができる；
本発明の固定要素のペア、第１の固定要素が、第２の固定要素のかん合面に補完的なかん合面を有する；
に関する。
【００４９】
本発明の固定要素のペア、軸受要素および締結要素を具えるキット。締結要素は、例えば、ナットとすることができ、締結要素はねじとすることができ、ナットとねじとは、補完的な締結手段、例えば、必要に応じて内側および外側らせんねじを具える；
本発明の固定要素のペアおよび適切な補完的締結手段を有する、軸受要素に締結するための締結要素を具えるキット。例えば、締結要素は、補完的な内側らせんねじを有する軸受要素内で締結するための外側らせんねじを有するねじとすることができる。
【００５０】
通常、本発明のいかなる側面および実施例に対するすべての変形および特徴は、自由に組み合わせることができる。例えば、本発明の方法は、本発明の固定要素のいかなる実施例、特に固定要素を提供することができる。同様に、プロファイル要素に対し関連するいかなるステンレス鋼も、方法に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
以下の記載において、本発明は、線図的な図面を参照して、実施例を用いて、より詳細に説明される、ここで：
【図１ａ】図１ａは、本発明の固定要素のセットを示し；
【図１ｂ】図１ｂは、ボルトとナットとの間に挿入された本発明の固定要素のセットを示し；
【図２ａ】図２ａおよび２ｂは、固定要素のセットとして使用される本発明の２つの固定要素の線図的な斜視図を示している。
【図３ａ】図３ａは、窒素マルテンサイトケースで提供されたワークピースの断面の顕微鏡写真を示す。
【図３ｂ】図３Ｂは、窒素マルテンサイトケースで提供されたワークピースの断面の顕微鏡写真の詳細を示す。
【図４ａ】図４ａは、窒素マルテンサイトケースで提供されたワークピースの断面の顕微鏡写真を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、窒素マルテンサイトケースで提供されたワークピースの断面の顕微鏡写真の詳細を示す。
【図５ａ】図５ａは、窒素マルテンサイトケースで提供されたワークピースの断面の顕微鏡写真の詳細を示す。
【図５ｂ】図５ｂは、窒素マルテンサイトケースで提供されたワークピースの硬さプロファイルを示す。
【図６】図６は、本発明のプロファイル要素の断面の顕微鏡写真を示す。
【図７ａ】図７ａは、本発明のロックワッシャーの断面の顕微鏡写真を示す。
【図７ｂ】図７ｂは、本発明のロックワッシャーの写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明は、繰り返しの変形および緩和のために好適なプロファイル要素に関し、そのプロファイル要素は少なくとも９％クロムおよび最大５％までのニッケルを含む表面硬化されたステンレス鋼から成り、そのプロファイル要素は、０．２ｍｍから３ｍｍの範囲の材料厚さ、および、１０μｍから５０μｍの範囲のケース深さを有する窒素マルテンサイトケース、および、最大７５０Ｈｖ０．０５までの表面硬さを有する。また、本発明は、少なくとも９％クロムおよび最大５％までのニッケルより成るステンレス鋼からなるワークピースを表面硬化する方法であって、そのワークピースが０．２ｍｍから３ｍｍの範囲の材料厚さを有し、その方法が：
−ステンレス鋼のシートからパンチ加工されたワークピースを提供する工程、
−付加的にワークピースにエンボス加工する工程、
−窒化物に対する溶解温度より高く、ステンレス鋼の融点より低い、温度Ｔhighでワークピース中に少なくとも窒素を溶解させる窒素含有ガスの雰囲気中で、温度Ｔhighでの窒素の溶解が、０．０５％から０．５％の範囲の窒素の含有量を有し、１０μｍから５０μｍの範囲の拡散深さを得るために、実行される工程、および、
−温度Ｔｈｉｇｈでの溶解工程後のワークピースを、窒素マルテンサイトケースを提供するために、窒化物がステンレス鋼中に形成する温度より低い温度Ｔｌｏｗまで冷却する工程であって、冷却が６０秒以内実行される工程、を具える。
【００５３】
本発明は以下の定義を用いる。
【００５４】
本発明のプロファイル要素は、硬さの観点で記載されている。本発明との関連で、硬さは、通常、ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ６５０７規格に従って測定されたＨＶ０．０５である。特に断りがなければ、単位「ＨＶ」はこの規格を参照する。
【００５５】
本発明は、特定組成のステンレス鋼に関連し、ステンレス鋼中の合金化元素の含有量は、パーセントとして参照することができる。本発明との関連で、そのようなパーセントは化学組成を参照する。少なくとも９％、例えば少なくとも１０．５％のクロム含有量を有し、最大５％までのニッケル、例えば４％までまたは３％までのニッケルを含有するステンレス鋼および同等の合金は、特に、本発明に対し好適である。例えば、ステンレス鋼はニッケルを含まなくてもよい。好ましいステンレス鋼は、例えば、ＡＩＳＩ４００シリーズのフェライトおよびマルテンサイトステンレス鋼である。特に好ましいステンレス鋼は、例えばＡＩＳＩ４３０のフェライトステンレス鋼である。ＡＩＳＩ４００シリーズ中の他の関連する鋼タイプは、４０９、４１０、４３９、４３４、４４４である。ＤＩＮ  １７００７規格に従う鋼タイプは、１．４６００、１．４５１２、１．４００３、１．４０００、１．４５８９、１．４０１６、１．４５１１、１．４５２０、１．４５１０、１．４５０９、１．４６０７１、１．４１１３、１．４５１３、１．４５２１または１．４７１３、１．４７２４、１．４７３６、１．４７４２、１．４７６２である。
【００５６】
ステンレス鋼は、それが表面上に酸化物層を有することを意味する「不動態合金」であると考えられている。合金は、自己不動態化する、または、合金に供されるプロセスの結果として不動態化する、の両者である。自己不動態化合金のグループに属するものは、そのような合金化元素（例えば、少なくとも９％Ｃｒ）を含む合金を具え、酸素に対する強い親和性を有するもの（例えばＣｒ、Ｔｉ、Ｖ）である。通常、９％のクロム含有量が、「ステンレス鋼」として分類される鋼に対し必要である。
【００５７】
本発明の観点で、「合金化元素」は、合金中の金属成分または元素、または、合金の解析における構成物質、を参照する。特に、本発明の方法において関連する合金は、それぞれ窒素および炭素の存在で窒化物および／または炭化物を形成できる元素を具える。本発明の方法は、合金化元素の窒化物および炭化物を含まない表面を有利に提供する。合金は、また、半金属成分、金属間成分、または非金属成分などの他の成分を含むことができる。窒化物および／または炭化物を形成可能な合金化元素は、典型的に、合金化元素で不動態の酸化物層の形成のため、合金に対する耐腐食性を提供する金属成分とすることができる。本発明との関連で使用される「窒化物」および「炭化物」の用語は、それぞれ、合金化元素と窒素および炭素との間に形成された、窒化物および炭化物を参照する。典型的な窒化物は、「窒化物」および「炭化物」の用語がクロムを有する窒化物および炭化物に限定されるものではないが、窒化クロム、ＣｒＮまたはＣｒ２Ｎである。典型的な合金化元素は、通常５％未満、例えば２％未満の範囲で存在する、モリブデン、タングステン、銅、チタン、ニオブ、ジルコニウム、マンガン、シリコンである。
【００５８】
本発明の方法は、ステンレス鋼の鋭敏化を阻止する。「鋭敏化」の用語によって、窒素または炭素は、例えばステンレス鋼中のクロムのように、そうでなければ表面上に保護酸化物層を形成するために利用される１つ以上の合金化元素との反応によって、それぞれ、窒化物および炭化物を形成することが理解される。鋭敏化が起こると、固溶体中のクロムのような、合金化元素の自由な含有量は、完全な保護酸化物層を維持するにはもはや十分ではないレベルまで低下し、これは腐食特性が劣化することを意味する。
【００５９】
「窒化物に対する溶解温度」の用語によって、窒化物が安定でなく、すでに形成された窒化物が溶解する温度が理解される。また、同様に、炭化物が安定でなく、すでに形成された炭化物が溶解する「炭化物に対する溶解温度」が存在する。通常、窒化物および／または炭化物を形成できる金属合金化元素を具える合金は、窒素および炭素がそれぞれ存在するとき、窒化物および／または炭化物が形成される、温度間隔を有する。そのため、この温度間隔より上では、窒化物および炭化物は形成されず、すでに形成された窒化物／炭化物が溶解される。窒化物および炭化物が存在するとき、つまり、鋭敏化が起こると、これらの窒化物または炭化物は、鋭敏化された金属をオーステナイト化する温度以上の温度にさらすことによって、通常除去される。さらにまた、そのような合金は、たとえ合金中にすでに形成された窒化物または炭化物が低温度で除去されなくても、窒化物および炭化物が形成されない、温度間隔より低い温度を有する。
【００６０】
本発明の方法は、ステンレス鋼中に少なくとも窒素を溶解させるが、ある実施例では、炭素もまた溶解させる工程を具える。窒素を溶解する工程は、また、「窒素の溶解」または「窒化」として参照することができ、同様に、炭素を溶解する工程は、また、「炭素の溶解」または「炭化」として参照することができる。窒素および炭素の両者が同じプロセスで溶解されるとき、工程は「炭窒化」として参照することができる。
【００６１】
図１は、本発明の固定要素のセット（図１ａ）を示し、固定要素のセットは締結要素および軸受要素の間にボルトおよびナットの形状でそれぞれ挿入されている（図１ｂ）。図１に示す実施例において、固定要素、例えば「ロックワッシャー」のセット１は、２つの固定要素２を具え、それらの使用を記載している。各ワッシャー２は、径方向の歯部４を有する第１のかん合面３、および、対向する第２のかん合面、カム６を有する「カムサイド」５、を有している。固定要素セット１の使用中、固定要素２は、図示のように、カムサイド５が互いに向き合うように設置されている。ロックワッシャーは、キーロック効果を得るために、互いにカムに対して取り付けられたペアで使用される。それらは、極端な振動またはダイナミックロードにおよび塩水などの腐食環境にさらされるボルトアセンブリーを効果的にロックするために、特に好適である。そのため、これらのワッシャーの強度および耐腐食性に対する強い要求が存在する。
【００６２】
他の実施例（図示せず）において、固定要素は、例えば歯部またはカムを有する、あるいは、突起部を有さない、２つの同じかん合面を有し、固定要素は第２の固定要素無しで単独で使用される。
【００６３】
さらに典型的な固定要素はＵＳ２０１３／０２４３５４４Ａ１に記載されており、その内容は参照することによって本明細書に組み込まれる。本発明に対し特に関連する例は、添付明細書の記載、例えば段落［００２４］−［００２７］および［００２８］−［００３８］とともに、ＵＳ２０１３／０２４３５４４Ａ１の図１から図４に示されており、それらも参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００６４】
本発明のさらに他の実施例は図２に示されており、図２ａに示されているような第１の円錐台形固定要素は、第１の固定要素の第１のかん合面に対応する内部ワッシャークラウン１４を有し、図は上方から見た斜視図で固定要素を示している。図２ｂにおいて、第１の固定要素の第１のかん合面に対する補完的なかん合面である、第２の円錐台形固定要素の外部ワッシャークラウン１２が、下方から見た図として表されている。外部ワッシャークラウン１２は第１の中間コーンを定義し、一方、内部ワッシャークラウン１４は第２の中間コーンを定義する。内部ワッシャークラウン１４は凸形状のかん合面２２を有し、一方、外部ワッシャークラウン１２は凹形状のかん合面２４を有している。２つのかん合面２２、２４は、補完的であり、例えば２つのクラウン１４、１２の間にいかなるフリースペースをも残すことなく、お互いのかん合面に適合されている。図２の２つの固定要素が締結要素および軸受要素との間に挿入されたとき、それらは、円錐状態と扁平状態との間で、軸方向に弾性的に変形することができる；例えば図１ｂを参照のこと。潤滑剤は、スライディングサイド３２、３２’の動きをお互いに促進するために、かん合面２２、２４上に塗布することができる。
【００６５】
図２ｂに示された外部ワッシャークラウン１２の凹形状のかん合面２４に関し、それは、ワッシャークラウン１２の外周に規則的に分配された、１５個の第１の非対称径方向歯部２６を有する。これらの第１の非対称径方向歯部２６の各々は、径方向に延びる第１の尾根２８、および、第１の尾根２８から実質的に２４°だけ角度がずれていて径方向に延びる第１の歯底部３０、を有する。そのため、第１の非対称径方向歯部２６は、一方、第１の尾根２８と第１の歯底部３０との間で角度がついて傾いた状態で延びる第１のスライディングサイド３２を有する。第１の非対称径方向歯部２６の各々の第１のスライディングサイド３２は、例えば５°の切断線のレベルに対し何度かの角度を形成しながら、上で定義した第１の中間コーンを横切る。第１の非対称径方向歯部２６は、一方、第１の尾根２８に対し第１のスライディングサイド３２と反対側に延び、続く第１の非対称径方向歯部２６の第１の歯底部３０と一緒になる、第１のストップサイド３４を有する。順に、第１のストップサイド３４は、切断線のレベルに対し、例えば９０°、９５°プラスまたはマイナス１０°の隣接角度を形成しながら、第１の中間コーンを横切る。また、第１のストップサイド３４は、上で定義した第１の中間コーンに従って、例えば２度といった角度だけ、第１の尾根２８と続く第１の非対称径方向歯部２６の第１の歯底部３０との間に角度がついた状態で延びている。
【００６６】
次に、内部ワッシャークラウン１４の凸形状のかん合面２２が、外部ワッシャークラウン１２の凹形状のかん合面２４の形状に補完的な形状を有する、図２ｂを参照する。また、それに類似の要素は、ダッシュシンボル「’」を備える同じ参照番号によって表示される。そのため、それは、第１の非対称径方向歯部２６と同じプロファイルを有し、外周に沿って分配された、１５個の第２の非対称径方向歯部２６’を有する。第２の歯部２６’の各々は、径方向に延びる第２の尾根２８’、および、第２の尾根２８’から約２４°だけ角度がついて離れている第２の歯底部３０’、を有する。また、第２の非対称径方向歯部２６’の各々は、一方、第２の尾根２８’と第２の歯底部３０’との間に角度的に傾いて延びる、第２のスライディングサイド３２’を有する。第２の非対称径方向歯部２６’の各々の第２のスライディングサイド３２’は、例えば５°の切断線のレベルに対し何度かの角度を形成しながら、上で定義した第２の中間コーンを横切る。第２の非対称径方向歯部２６’は、一方、第２の尾根２８’に対し第２のスライディングサイド３２’と反対側に延び、続く第２の非対称径方向歯部２６’の第２の歯底部３０’と結合する、第２のストップサイド３４’を有する。次に、第２のストップサイド３４’は、切断線のレベルに対し９０°の隣接角度を形成しながら、第２の中間コーンを横切る。また、第２のストップサイド３４’は、上に定義した第２の中間コーンに従って、例えば２度のある角度のみ、第２の尾根２８’と続く第２の非対称径方向歯部２６’の第２の歯底部３０’との間角度的に延びる。
【００６７】
凹形状のかん合面２４に対する凸形状のかん合面２２の外部ワッシャークラウン１２および内部ワッシャークラウン１４の接続に続き、および、例えばねじで締めることができる要素などの締結要素および軸受要素との間に形成されたロックワッシャーのかん合に続き、ねじで締めることができる要素の回転は、２つのクラウン１２、１４が一致して軸方向の変形をもたらし、一方、それらは、互いの上で隣接している歯部のストップサイド３４、３４’によって、それぞれが互いに対して回転可能にロックされる。このようにして、２つのクラウン１２、１４の歯部２６、２６’は、変形の間中かん合状態が保たれる。また、歯部２６、２６’は、ロックワッシャーの平坦状態への変形中ダメージを受けることがない。本発明は、固定要素が、締結要素と軸受要素との間の変形および変形からの解放のサイクルを５回以上例えば１０回以上行った後でも、再利用できることを提供する。
【００６８】
上述した図２に示された円錐台形状の固定要素のセットは、歯部、尾根などの数について要望どおり変えることができ、本発明は、径方向歯部などの数について限定されるものではない。本発明の方法は、以下の実施例において説明される。
【実施例】
【００６９】
＜実施例１＞
ワークピースは、１ｍｍの厚さのＡＩＳＩ４３０ステンレス鋼のシートからパンチ加工され、２６５μｍ、１１１μｍおよび１７５μｍの深さおよび０．２％から０．４％の範囲の窒素含有量まで窒素を溶解するよう処理された。窒素の溶解は１０５０℃を超える温度で実行され、次に、ワークピースは窒素ガスを使用して６０秒未満の時間で室温まで冷却された。処理されたワークピースの断面は、研磨され、光学顕微鏡法を使用して解析された。図３ａは、２６５μｍの深さまで処理されたワークピースの断面を示し；ワークピースは１．５ｍｍの厚さを有し、図３ａからわかるように、ワークピースは、図３ｂに示されているように、２６５μｍ厚さの明確な窒素マルテンサイトケースを有していた。同様に、１ｍｍ厚さのワークピースは、１１１μｍの深さまで窒素を挿入するために処理され、このワークピースは、また、１１１μｍの厚さ（図４ｂ）の明確な窒素マルテンサイトケース（図４ａ）を有していた。
【００７０】
１７５μｍの深さまで窒素を溶解させるよう処理されたワークピースは、１．５ｍｍの厚さを有し、図５ａに記載されているように、ワークピースは明確な窒素マルテンサイトケースを有していた。ワークピースは、さらに、断面全体の硬さプロファイルに対し解析された。図５ｂからわかるように、表面硬さは約６５０ＨＶであり、コア硬さは約２７５Ｈｖであった。
【００７１】
これらのワークピースのいずれもが繰り返される変形および緩和に対し好適でなかったが、この実験は、記載されたように処理された場合に、明確な窒素マルテンサイトケースは、ニッケルフリーのステンレス鋼中に形成されることができる、すなわち極低温処理は不要であることを証明している。
【００７２】
＜実施例２＞
ワークピースは、円環形状を有するように、１ｍｍの厚さのＡＩＳＩ４３０ステンレス鋼のシートからパンチ加工された。ワークピースは、次に、固定要素の第１および第２のかん合面を提供する突起部を有するワークピースを提供するようエンボス加工された。エンボス加工されたワークピースは本発明の方法に従って処理され、窒素が表４に示された条件下で基本的に純粋な窒素雰囲気から溶解された。準備した固定要素は、変形から固定要素を解放する前にボルトとナットとの間をねじ止めすることにより固定要素を締結し、締結を繰り返すことによって、再利用性に対するテストを行った。固定要素の耐腐食性は、また、ＩＳＯ  ９２２７の塩水噴霧テストに従って検査された。再利用性および塩水噴霧テストの結果は表４に示されている。表４中の値が「−」として示されている箇所は、対応する特性が解析されなかったことを意味する。
【００７３】
0006688228.tif 000005
【００７４】
驚くべきことに、１０−５０μｍのマルテンサイトのハードケースおよび最大６８０ＨＶまでの表面硬さを組み合わせたフェライトステンレス鋼の本来の低い内部堅さ（２２０ＨＶ）は、カムおよび歯部の変形を避けるために十分であることが見つかった。その結果、ワッシャーは、依然としてロック効果を有していながら、パラメーターの特定の組み合わせに対して、５回または１０回を超える再利用性に到達した。
【００７５】
＜実施例３＞
１ｍｍの厚さのフェライトステンレス鋼のワークピースは、本発明に従って、３２μｍの窒素マルテンサイトケースを提供するために約０．３％の窒素含有量を有するよう処理された。処理されたワークピースの断面は、研磨され、光学顕微鏡法を使用して解析された。図６は、ワークピースの断面を示し、明確な窒素マルテンサイトケースを示している。
【００７６】
＜実施例４＞
本発明の固定要素を表す図１ａに示されたようなロックワッシャーは、本発明に従う方法で処理された。ロックワッシャー２は、図示されたように、セット１中で同一のロックワッシャーとともに使用することができ、ロックワッシャー２は、径方向歯部４を有する第１のサイド３、および、カム６を有する対向カムサイド５、を有していた。使用中、セット１中でのロックワッシャー２は、互いに向かい合うカムサイド５とともに示されているように配置することができる。
【００７７】
ロックワッシャー（１．５ｍｍの厚さのＡＩＳＩ４３０ステンレス鋼）は、アルゴン中６０秒の期間にわたって室温まで冷却する前に、２００ｍｂａｒの窒素圧力中１１００℃で９０分間処理された。ロックワッシャーは、１３μｍの窒素マルテンサイトケース、および、６５０ＨＶの表面硬さを有していた。ロックワッシャーの断面は図７ａに示される。
【００７８】
ロックワッシャーは、一緒にペアリングして、ボルトとナットとの間を固定し両者を解放することを繰り返すことで、再利用性に対してテストを行った。再利用性テストは、ロックワッシャーが変形および緩和の１０サイクル以上で使用できることを明らかにした。
【００７９】
ロックワッシャーは、さらに、ＩＳＯ  ９２２７の塩水噴霧テストに従って耐腐食性に対して解析された。塩水噴霧テストの１６８時間後、ロックワッシャーは、図７ｂから明らかなように、腐食されたいかなるサインをも示さなかった。
【図１ａ】
0006688228.tif 000006
【図１ｂ】
0006688228.tif 000007
【図２ａ】
0006688228.tif 000008
【図２ｂ】
0006688228.tif 000009
【図３ａ】
0006688228.tif 000010
【図３ｂ】
0006688228.tif 000011
【図４ａ】
0006688228.tif 000012
【図４ｂ】
0006688228.tif 000013
【図５ａ】
0006688228.tif 000014
【図５ｂ】
0006688228.tif 000015
【図６】
0006688228.tif 000016
【図７ａ】
0006688228.tif 000017
【図７ｂ】
0006688228.tif 000018