(57)【要約】【課題】耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化オーステナイト系ステンレス鋼部品とその製造方法の提供。【解決手段】Ｍｎを３〜２０質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼の表面を炭窒化処理して硬化させた、ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上である部分の表面からの深さが１０μｍ以上で、かつ表面の硬さが１３５０ＨＶ以上である表面炭窒化ステンレス鋼部品、および所要形状に成形された部品を、ハロゲン化合物ガスを含む雰囲気中にて表面活性化処理をおこなった後、ＮＨ３およびＣＯを含む雰囲気中にて４００〜６５０℃、２０分以上の炭窒化処理をおこなう上記の表面炭窒化ステンレス鋼部品の製造方法。【選択図】なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎを３〜２０質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼の表面を炭窒化処理して硬化させた部品であって、表面の硬さがビッカース硬さにて１３５０ＨＶ以上であり、かつ１０００ＨＶ以上である硬化部分の表面からの深さが１０μｍ以上あることを特徴とする耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品。
【請求項２】
所要形状に成形されたＭｎを３〜２０質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼部品を、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含む雰囲気中にて表面活性化処理をおこなった後、ＮＨ３および浸炭性ガスを含む雰囲気中にて４３０〜６００℃の炭窒化処理をおこなうことを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性を向上させるため表面を硬化したオーステナイト系ステンレス鋼部品、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オーステナイト系ステンレス鋼は、食品機械、化学関係機械やプラント、自動車エンジンその他種々の耐食性を要求される分野に活用されている。それらの中で、シャフト類、バルブ類、ギヤ類等の摺動機械部品のように耐摩耗性も合わせて要求される用途も数多くある。この耐摩耗性を向上させるために、機械構造用の炭素鋼や合金鋼、あるいは工具鋼などにおいては、焼き入れなど熱処理による硬化や、浸炭あるいは浸炭窒化などの表面硬化が多く適用される。
【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼の場合、焼き入れによっては硬化しないため、浸炭では十分な硬化は得られないので、とくに表面を硬化したい場合は、硬質クロムメッキなどの湿式メッキやＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による硬質層のコーティング、あるいは表面の窒化などがおこなわれる。しかし、メッキやＰＶＤなど皮膜の被覆は、被膜の素地との密着性に難点があり、とくに面圧が高くなる場合など、十分安定して適用できるとは言い難い。
【０００４】
これに対し表面窒化処理は、表面から窒素を浸透させ硬化させる方法で、Ｃｒを多く含むステンレス鋼は、酸化皮膜の存在のため、一般に窒化処理が困難であるが、塩酸処理法や、ハロゲン化物による処理法の採用、さらにはイオン窒化処理などにより窒化が容易になり、オーステナイト系ステンレス鋼の表面硬化法として多く利用されるようになっている。
【０００５】
オーステナイト系ステンレス鋼の表面硬化は、疲労強度の向上もあるが、耐摩耗性の向上を目的とする方がより多く必要とされる。耐摩耗性の改善は、摺動部品における摺動面の摩耗を抑制し耐久性を向上させることもあるが、研磨や切断用の工具における損耗を低減したり、ステンレス鋼部品の表面の傷付きを抑止する効果もある。
【０００６】
窒化処理は、浸炭処理のように焼き入れる必要がなく、比較的低温の処理で表面を硬化させることができる。しかし、表面硬さを高くするのに最適温度があり、その温度で硬化層を厚くしようとすれば窒化に長時間を要し、温度を上げれば硬化深さを増すことができるが、得られる表面硬さが低くなる。
【０００７】
また摺動部品などで、耐摩耗性を向上させるには、表面硬さが高いほどよいが、硬さを増そうとして温度を下げて処理をおこなうと、表層には化合物層のような硬い層ができる。しかし、その層は脆弱で耐摩耗性は必ずしも改善されない。
【０００８】
このように、窒化による方法はオーステナイト系ステンレス鋼の表面硬化法として重要ではあるが、かならずしも十分満足するものが得られているとは言い難い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、摺動部分などに用いられる、表面硬さが高くかつその直下の部分も十分な硬さを有する耐摩耗性にすぐれたオーステナイト系ステンレス鋼部品と、その製造方法の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ガス窒化により表面硬化したオーステナイト系ステンレス鋼の性能を向上すべく種々検討をおこなった。ステンレス鋼の表面窒化法としてはイオン窒化もあるが、これは減圧下でおこなうこため、処理速度は遅く形状も制限されることがある。これに対し、ガス窒化は一度に多量に処理でき、量産には適していると考えられた。
【００１１】
そこで、オーステナイト系ステンレス鋼のガス窒化による表面硬化に関して、組成の様々異なる鋼を用意し、ガス窒化による表面硬さや硬化深さについてガス組成や処理条件などの影響を種々検討した。その場合、外気を遮断できる炉を用い、ＮＦ３１０容積％残部Ｎ２の弗化物を含むガスを導入し３０分間保持して表面の活性化をおこない、その後、ＮＨ３を含む窒化ガスを注入して温度および時間を種々変えて窒化処理をおこなった。
【００１２】
一般に鋼の窒化による表面硬さは、１２００〜１３００ＨＶ程度までで、処理条件によっては表面にさらに硬い化合物層が形成されるが、脆くて利用できないとされている。ところが、これらのオーステナイト系ステンレス鋼を用いた調査の中で、表面硬さがビッカース硬さにて１３５０ＨＶを超えるもののあることが見出された。
【００１３】
この硬い表面層は、従来、機械構造用鋼やフェライト系ステンレス鋼などで得られていた脆い化合物層ではなく、十分な靱性を有しているようであったので、さらに摩耗試験用の試験片を作製し、耐摩耗性を調べてみたところ、極めてすぐれたものであることが確認されたのである。
【００１４】
そこで、このように硬い表面の得られた鋼部材について詳細調査してみると、次のようなことがわかってきた。
▲１▼表層に化合物層が認められる。
▲２▼Ｍｎを多く含むオーステナイト系ステンレス鋼である。
▲３▼窒化処理に用いた雰囲気は、ＮＨ３の他にＲＸガスなど浸炭性のガスを含有させている。
【００１５】
機械構造用鋼やフェライト系ステンレス鋼の場合、処理条件にもよるが、表層に化合物層が現れることが多い。この化合物層は窒化の進行によりＮＨ３が分解してできた活性な窒素の表面における濃度が増大し、これがＦｅやＣｒなどを窒化してできたものと考えられる。しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、通常このような化合物層は現れない。これは、オーステナイト相の窒素の溶解度はフェライト相よりもはるかに大きいので、窒素は鋼の内部へ拡散していくため表面の濃度の増大は起き難く、化合物層が形成されないものと思われる。
【００１６】
ところが、Ｍｎを多く含むオーステナイト系ステンレス鋼の場合、窒化性に加えて炭化性の雰囲気で処理すると化合物層が現れ、この処理をおこなった試験片はすぐれた耐摩耗性を示したのである。
【００１７】
このような結果の得られた理由については、必ずしも明らかではないが、上記▲１▼、▲２▼および▲３▼の事実とを考え合わせると次のように推測される。まず、通常の浸炭に比較して低い温度でおこなわれる窒化処理による硬化は、微細な窒化物析出物の形成および固溶窒素の増加により得られる。機械構造用鋼やフェライト系ステンレス鋼の場合、フェライト相であるので窒素の溶解度が小さく、化合物層はできやすいが、その直下の部分は、窒素の濃度が上がらないので硬さが低く、化合物層との硬さの差が大きい。そのため、硬くて脆い化合物層を十分保持することができず、硬い化合物層は小さな応力で容易に破壊されるので、脆さのみが目立ってしまい、硬い化合物層が十分活用されない。
【００１８】
これに対し、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、オーステナイト相は窒素の溶解度がフェライト相よりはるかに大きい。そしてＭｎを多く含むオーステナイト鋼において化合物層が現れたことは、一つにはＮｉが少ないことによるのではないかと思われた。オーステナイト系ステンレス鋼にＭｎを多く含ませる目的は、高価なＮｉの使用の抑制にあり、Ｍｎを多くした場合は必ずＮｉ含有量が低くなっている。Ｎｉは一般に窒化を妨げるとされており、Ｎｉが少ないために窒素の浸入、さらには炭素の浸入も容易になる。したがって、窒化時の表面近くの窒素濃度が、Ｍｎが少なくＮｉを多く含む場合に比し、はるかに高い状態になると推定される。
【００１９】
さらに窒化の雰囲気中に、ＲＸガスなどＣＯやＣＨ４を含む浸炭性ガスが存在すると浸炭も同時に進み、鋼中に固溶した窒素は、固溶炭素の存在のため、濃度が高くなったとのと同じ効果があり、表面での化合物が形成されやすくなる。そしてオーステナイト相である化合物層の直下の部分は、その溶解度が大きいために、フェライト相の場合より多くの固溶窒素や固溶炭素が含まれる。
【００２０】
このように、オーステナイト相であるため窒素の固溶濃度が高く、Ｎｉが低いため窒素の浸入が活発におこなわれ、その上炭素の浸入により化合物層ができやすくなり、さらに固溶濃度が高く微細な炭化物や窒化物もより多く形成されることによって、化合物直下の部分の硬さは大幅に向上する。化合物層は十分な強度を有する下部層に保持されることにより、その脆さは補われ、結果として、耐摩耗性にすぐれた表面強化層となったのではないかと思われる。耐摩耗性向上には、表面硬さが大であるとともに、素地と表面の硬い層との間に、中間の硬さを持った適度の厚さの硬化層が存在することが重要である。
【００２１】
そこで、Ｍｎを多く含むオーステナイトステンレス鋼を対象に、さらに鋼の組成、窒化処理条件、得られた表面硬化部品の諸特性、等の調査を種々おこなった。その検討結果に基づき、このような効果を得ることのできる限界を明確にし、本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
【００２２】
（１）　Ｍｎを３〜２０質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼の表面を炭窒化処理して硬化させた部品であって、表面のビッカース硬さが１３５０ＨＶ以上であり、かつ１０００ＨＶ以上である硬化層の深さが１０μｍ以上あることを特徴とする耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品。
【００２３】
（２）　所要形状に成形されたＭｎを３〜２０質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼部品を、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含む雰囲気中にて表面活性化処理をおこなった後、ＮＨ３および浸炭性ガスを含む雰囲気中にて４３０〜６００℃の炭窒化処理をおこなうことを特徴とする上記（１）の耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品の製造方法。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の部品となる鋼は、Ｍｎを３〜２０質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼である。Ｍｎの含有量を３質量％以上とするのは、オーステナイト鋼の場合Ｍｎが低くなるとＮｉ含有量が増し、窒化による表面硬化硬さが十分高くならないからである。またＭｎ含有量は多くなるとオーステナイト系ステンレス鋼としての耐食性が悪くなるので、多くても２０質量％までとする。このような鋼は、たとえば、ＪＩＳ規格にはＳＵＳ２０１、ＳＵＳ２０２、ＳＵＳ３０４Ｊ３、ＳＵＨ３５、ＳＵＨ３６などがある。Ｍｎ以外の組成は、オーステナイト系ステンレス鋼に属する範囲のものであればとくには規制しないが、十分な表面硬さが得られないことがあるので、できればＮｉ含有量は、Ｍｎ含有量より少ないことが望ましい。
【００２５】
炭窒化処理後の表面の硬さは、１３５０ＨＶ以上であることとする。これは１３５０ＨＶを下回る場合、十分高い耐摩耗性が得られないからである。そしてこの表面硬さとともに、その硬さが１０００ＨＶ以上である硬化層の深さが１０μｍ以上あることとする。これは、表面の化合物層のすぐ下の硬化層の硬さが１０００ＨＶを下回る場合、そしてその硬化層の深さが１０μｍ未満の場合は、いずれも表面の硬さが１３５０ＨＶを下回ってしまうばかりでなく、表面の化合物層が脆くなり耐摩耗性の劣るものとなるからである。
【００２６】
上記のような状態に表面硬化したオーステナイト系ステンレス鋼部品は、窒化処理のみでは得られず、炭窒化処理して製造する必要がある。オーステナイト系ステンレス鋼の表面窒化に、ハロゲンガスまたはハロゲン化物ガスを含む雰囲気中で加熱して表面を活性化させ、その後ＮＨ３を含む窒化ガスを導入して窒化させる方法があるが、本発明では、このハロゲンまたはハロゲン化物を用いる方法に準じて炭窒化処理をおこなう。
【００２７】
まず、密閉できる加熱容器を用い、たとえば、Ｆ２、Ｃｌ２、ＨＣｌ、あるいはＮＦ３などのハロゲンガスまたはハロゲン化物ガスを０．５〜２０容積％含み残部は窒素、水素あるいは不活性ガスなどの雰囲気中で２００〜５５０℃にて１０分〜３時間加熱することにより、表面を活性化させる。
【００２８】
表面を活性化させた後、窒化のためのＮＨ３および炭化のためのＣＯまたはＣＨ４を含む混合ガス雰囲気とし、４３０〜６００℃の温度範囲にて２０分以上加熱の炭窒化処理をおこなう。
【００２９】
この炭窒化処理の雰囲気ガスとしては、ＮＨ３を１０〜９５容積％、ＣＯまたはＣＨ４の一方または両方を合わせて５〜３０容積％含むものとする。ＮＨ３を１０容積％以上とするのはこれより少なければ、窒化が十分行えず硬化層が得られないからであり、窒化だけの目的ではＮＨ３を１００容積％としてもよいが、炭化性のガスを用いる必要があるので多くても９５容積％までとする。炭化のためには、ＣＯまたはＣＨ４の一方または両方を合わせたガスが５容積％以上必要である。しかし、これらのガスの比率が高くなりすぎると煤が発生するようになるので、多くても３０容積％までとする。
【００３０】
炭窒化処理の雰囲気ガスとしては、上記のようにＮＨ３、ＣＯおよびＣＨ４が、窒化および炭化に十分なだけ含まれておれば、他の組成は不活性ガス、水素、窒素あるいは他の炭化水素ガスなどであればよく、とくに限定しない。また、たとえばＲＸガスにＮＨ３を混合するというように上記の組成範囲を満足するものであれば、従来用いられている浸炭性のガスに、ＮＨ３を混合して炭窒化処理用ガスとすればよい。
【００３１】
炭窒化処理の温度は４３０℃未満の場合、１３５０ＨＶ以上の表面硬さが得られなくなり、１０００ＨＶ以上の硬化層の発達が不十分になる。これは、窒化は進むが炭化が十分進まなくなるためである。４３０℃以上の温度になるとこれらの表面硬さや硬化層は得られるが、６００℃を超える温度では１３５０ＨＶを超える表面硬さが得られなくなるばかりでなく、ステンレス鋼としての耐食性が低下してくる。
【００３２】
また、炭窒化処理の時間は、２０分未満では表面の化合物層が得られないことがあり、１３５０ＨＶ以上の表面硬さが得られない。処理時間は２０分以上であればとくには限定しないが、長くすれば硬さが１０００ＨＶ以上である硬化層の厚さは大きくできる。しかし、耐摩耗性のそれ以上の向上はほとんどなく、さらには耐食性が劣化することがあるので、長くても５０時間までとすることが望ましい。
【００３３】
本発明を適用して効果的な、耐摩耗性が要求されるステンレス鋼部品の具体例を示せば、摺動機械部品としては、エンジンバルブ、コンプレッサーシャフト、コンプレッサーベーン、ピストンリング、ベアリングボール、マイクロモーターシャフト、モーターシャフト、などがあり、流体耐摩耗部品としては、フィルターメッシュ、ノズル、バルブ、配管継ぎ手、レデューサー、ポンプなどがある。また、締結部品としてボルト、ナット、スクリューネジ、タッピングネジ、があり、工具類にはドレッサー、カッティングソウ、ワイヤーソウ、鋸、ドリルがあり、押し出し金型、ダイカスト金型、射出成形金型にも適用できる。
【００３４】
【実施例】
表１に示す組成のステンレス鋼を用い、切削して、直径３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板状の試験片を作製した。アムスラー摩耗試験用回転試験片とする場合は、円板の円周面をさらに鏡面研磨し、エッジを落としている。この試験片を３００℃に加熱し、次いでＮＦ３を含む雰囲気中に加熱保持して窒化または炭窒化処理をおこない表面を硬化した。表面窒化時の雰囲気ガス、温度および処理時間を表２に示す。
【００３５】
表面硬化後の試験片について、表面硬さは試験力０．９８０６Ｎのビッカース硬さ（ＨＶ０．１）にて、また、断面の硬さ分布は試験力０．４９０３Ｎのビッカース硬さ（ＨＶ０．０５）にて測定した。表面硬さ測定後の凹痕を、１００倍の光学顕微鏡にて観察し、欠けや亀裂の発生が認められた場合は脆性不良と判定した。アムスラー摩耗試験は、２円筒型ころがり摩耗試験で、上記試験片の円周面を、直径３５ｍｍ、５０ｍｍの円筒状金属（ＳＫＨ５２製）面に荷重１５０ｋｇにて押しつけ、摺動部が同方向になるように回転させ、無潤滑で滑り速度０．１２ｍ／ｓｅｃとし、比摩耗量［ｍｇ／（ｍ・ｓｅｃ）］を求めた。
【００３６】
【表１】
2004124196.tif 000002
【００３７】
【表２】
2004124196.tif 000003
【００３８】
結果を合わせて表２に示すが、Ｍｎが十分高いオーステナイト系ステンレス鋼を用い、表面硬化処理として炭窒化処理をおこなった試験番号１〜３の試験片は、低いすぐれた比摩耗量を示しており、これは１４００ＨＶを超える高い表面硬さと、１０００ＨＶ以上の十分大きい硬化層深さを有しているためと推定される。
【００３９】
これに対し、試験番号６では、Ｍｎ含有量の高いオーステナイト系ステンレス鋼ではあっても表面硬化処理が炭窒化処理でないので、表面硬さが十分でなくしかも脆く、試験番号５は、処理温度が低く１０００ＨＶ以上である硬化深さが７μｍと浅い。また、試験番号４では、表面硬化処理を炭窒化処理としてもＭｎ含有量の低い鋼であるため、表面硬さが１３００ＨＶを下回っている。これら試験番号４〜６の場合、いずれも比摩耗量が大きく、試験番号１〜３に比し劣る結果を示している。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼が適用される各種の機械部品において、とくに摺動や耐摩耗性を必要とする部品に適用することにより、その耐用期間を大幅に向上させることができる。また、その製造方法はガス雰囲気中における加熱だけなので、同時に多量の部品を処理することが可能である。