(57)【要約】【課題】ステンレス鋼の潤滑性を向上させて塑性加工を容易にする。【解決手段】ステンレス鋼を塩基性溶液に浸漬することにより、ステンレス鋼の表面に自発的に生成した不動態膜を除去するとともに、孔食２０を形成させる。必要に応じて中間層１８を設け、その後、リン酸亜鉛等のリン酸塩又はシュウ酸鉄等のシュウ酸塩からなる潤滑性皮膜１４を設ける。これら中間層１８及び潤滑性皮膜１４は、孔食２０に充填される。【選択図】図１
2005029854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に平均深さ０．１〜２０μｍの孔食が形成されたステンレス鋼からなる母材と、前記母材の表面に形成されてリン酸塩又はシュウ酸塩からなる皮膜とを有し、
前記孔食が前記皮膜で充填されていることを特徴とする有皮膜ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１記載の有皮膜ステンレス鋼において、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｋの群から選択される少なくとも１種からなる中間層が前記母材と前記皮膜との間に介在することを特徴とする有皮膜ステンレス鋼。
【請求項３】
ステンレス鋼を塩基性溶液に浸漬して不動態膜を除去するとともに、該ステンレス鋼の表面に平均深さ０．１〜２０μｍの孔食を形成して母材とする工程と、
前記母材をリン酸塩又はシュウ酸塩の溶液に浸漬して、該母材の表面にリン酸塩又はシュウ酸塩からなる皮膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする有皮膜ステンレス鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の製造方法において、前記塩基性溶液として、４０℃以上のＫＯＨ溶液又はＮａＯＨ溶液を使用することを特徴とする有皮膜ステンレス鋼の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は４記載の製造方法において、前記ステンレス鋼を陽極として電圧を印加しながら前記塩基性溶液に浸漬することを特徴とする有皮膜ステンレス鋼の製造方法。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の製造方法において、前記塩基性溶液にＺｎ塩、Ｆｅ塩、Ｎｉ塩、Ｎａ塩、Ｋ塩の群から選択された少なくとも１種の金属塩を添加し、前記孔食が形成された前記母材の表面にＺｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｋの群から選択された少なくとも１種からなる中間層を形成することを特徴とする有皮膜ステンレス鋼の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の製造方法において、前記金属塩として塩化物を使用することを特徴とする有皮膜ステンレス鋼の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７記載の製造方法において、前記中間層を形成する際、前記孔食が形成された前記母材を陰極として電圧を印加する電解メッキを行うことを特徴とする有皮膜ステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に皮膜が設けられた有皮膜ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼製ワークに対し鍛造加工を施す際、換言すれば、炭素鋼製ワークに塑性変形を生じさせる際には、該炭素鋼製ワークの表面にリン酸亜鉛等の潤滑性皮膜を設け、これにより潤滑性を付与することが一般的である。同様の観点から、ステンレス鋼製ワークの表面に潤滑性皮膜を形成することが検討されている。
【０００３】
しかしながら、特にワークがフェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼からなる場合、潤滑性皮膜が下地に対して良好に密着しない。このため、ワークの加工変形率を大きくして塑性加工を施すと、皮膜が脱落したり、皮膜に亀裂が生じる等の不具合が生じる。また、鍛造用金型の寿命も著しく短くなる。このように、ステンレス鋼製ワークには、加工変形率を大きくすることが困難であるために加工効率が小さいという難点がある。
【０００４】
そこで、上記の不具合を解消するべく、ステンレス鋼製ワークの表面に潤滑性皮膜を形成する方法が種々提案されている。例えば、特許文献１及び特許文献２には、ステンレス鋼材に対してショットブラストを施し、酸溶液で洗浄した後にリン酸塩皮膜や鉄−亜鉛合金皮膜を形成することが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３においては、ショットブラストを行った後、リン酸塩皮膜に代替してシュウ酸塩皮膜を形成することが提案されている。
【０００６】
さらに、特許文献４には、先ずシュウ酸塩皮膜を形成し、これを酸溶液で洗浄することによってＦｅを析出させ、次いで、シュウ酸塩皮膜を除去してリン酸亜鉛皮膜を設けた後、金属石鹸皮膜を設けることが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５７−１７７９３２号公報（第２頁左上欄第１０行〜右上欄第２行）
【特許文献２】特開昭６３−１９２５２７号公報（第２頁右下欄第９行〜第１３行）
【特許文献３】特公平１−２８１１１号公報（第３欄第２０行〜第２６行）
【特許文献４】特開２００２−２７５６５１号公報（段落［０００７］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記した技術に関連してなされたもので、母材であるステンレス鋼に密着して脱落し難い潤滑性皮膜を有し、このために加工変形率を大きくして塑性加工を施すことが可能な有皮膜ステンレス鋼及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、潤滑性皮膜の密着性を向上させることにつき鋭意検討を行う過程で、ステンレス鋼の表面に存在する不動態膜が潤滑性皮膜の密着を阻害するという知見を得た。そして、この知見に基づき、不動態膜を除去すれば、潤滑性皮膜の密着性が向上し、その結果、容易に塑性変形させることが可能となると推察した。
【００１０】
以上の点に鑑み、本発明者らは、不動態膜を除去し、さらに、不動態膜が除去された後に不動態膜が再度生成しないようにする手法につき検討を重ね、本発明をするに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る有皮膜ステンレス鋼は、表面に平均深さ０．１〜２０μｍの孔食が形成されたステンレス鋼からなる母材と、前記母材の表面に形成されてリン酸塩又はシュウ酸塩からなる皮膜とを有し、
前記孔食が前記皮膜で充填されていることを特徴とする。
【００１２】
このステンレス鋼からは、不動態膜が除去されている。このため、リン酸塩又はシュウ酸塩からなる皮膜（潤滑性皮膜）が良好に密着する。しかも、本発明においては、皮膜が孔食を充填することにより、アンカー効果が発現する。これにより、皮膜が強固に母材に結合するので、該皮膜が一層脱落し難くなる。
【００１３】
なお、孔食の深さは、複数個の孔食の深さの平均値が０．１〜２０μｍの範囲であればよく、すべての孔食の深さが０．１〜２０μｍである必要はない。
【００１４】
この場合、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｋの群から選択される少なくとも１種からなる中間層を前記母材と前記皮膜との間に介在させることが好ましい。このような金属は、ステンレス鋼に良好に密着するとともに、リン酸塩又はシュウ酸塩からなる皮膜とも良好に密着する。このため、皮膜が一層脱落し難くなる。
【００１５】
また、本発明に係る有皮膜ステンレス鋼の製造方法は、ステンレス鋼を塩基性溶液に浸漬して不動態膜を除去するとともに、該ステンレス鋼の表面に平均深さ０．１〜２０μｍの孔食を形成して母材とする工程と、
前記母材をリン酸塩又はシュウ酸塩の溶液に浸漬して、該母材の表面にリン酸塩又はシュウ酸塩からなる皮膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
このような工程を経ることにより、ステンレス鋼の表面に存在する不動態膜を除去することができるとともに、孔食を形成することができる。これにより、上記したように、皮膜が良好に密着して脱落し難い有皮膜ステンレス鋼を簡便且つ容易に作製することができる。
【００１７】
塩基性溶液の好適な例としては、４０℃以上のＫＯＨ溶液又はＮａＯＨ溶液を挙げることができる。このような溶液は入手が容易であるので、皮膜を形成するコストが高騰することがない。
【００１８】
塩基性溶液にステンレス鋼を浸漬する際には、該ステンレス鋼を陽極として電圧を印加することが好ましい。これにより、不動態膜の除去及び孔食の形成が促進される。すなわち、不動態膜を効率よく除去することができるとともに、孔食を効率よく形成することができる。
【００１９】
ここで、塩基性溶液にＺｎ塩、Ｆｅ塩、Ｎｉ塩、Ｎａ塩、Ｋ塩の群から選択された少なくとも１種の金属塩を添加し、孔食が形成された該母材の表面にＺｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｋの群から選択された少なくとも１種からなる中間層を形成することが好ましい。この中間層が存在することにより、皮膜が一層良好に密着して脱落し難くなる。この場合、ステンレス鋼の表面から金属が溶出する一方で、該表面に、金属塩を源とする金属イオンが析出する交換反応が営まれる。
【００２０】
金属塩の好適な例としては、塩化物を挙げることができる。塩化物の溶液は後処理が比較的容易であり、また、塩素によって有皮膜ステンレス鋼にさらなる潤滑性が付与されるからである。
【００２１】
中間層を形成する際には、孔食が形成された母材を陰極として電圧を印加する電解メッキを行うことが好ましい。これにより、中間層を一層効率よく設けることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ステンレス鋼から不動態膜を除去して孔食を設けた後に潤滑性皮膜を設けるようにしている。このため、潤滑性皮膜がステンレス鋼に良好に密着するとともに、孔食によるアンカー効果で脱落し難くなる。これにより、潤滑性に優れ、従って、加工変形率を大きくしても容易に塑性加工を施すことが可能な有皮膜ステンレス鋼を構成できるという効果が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る有皮膜ステンレス鋼及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
本実施の形態に係る有皮膜ステンレス鋼の断面要部拡大図を図１に示す。この有皮膜ステンレス鋼１０は、ステンレス鋼からなる母材１２と、該母材１２の表面に形成された潤滑性皮膜１４と、該潤滑性皮膜１４を被覆する金属石鹸膜１６とを有する。そして、母材１２と潤滑性皮膜１４との間には、中間層１８が介在されている。このことから諒解されるように、この有皮膜ステンレス鋼１０には、不動態膜が存在しない。
【００２５】
母材１２には、後述する塩基性溶液への浸漬によって複数個の孔食２０が形成されている。各孔食２０の平均深さは、塩基性溶液の規定度や浸漬時間を調整することによって、０．１〜２０μｍに設定されている。
【００２６】
中間層１８は、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｋの群から選択された少なくとも１種からなる。このような金属からなる中間層１８は、母材１２の素材であるステンレス鋼に良好に密着し、その一方で、リン酸塩又はシュウ酸塩からなる潤滑性皮膜１４とも良好に密着する。このため、潤滑性皮膜１４が著しく脱落し難くなる。
【００２７】
潤滑性皮膜１４は、上記したようにリン酸塩又はシュウ酸塩からなり、潤滑性に優れる。すなわち、潤滑性皮膜１４が存在することにより、有皮膜ステンレス鋼１０に潤滑性が付与される。
【００２８】
ここで、各孔食２０は、中間層１８及び潤滑性皮膜１４によって充填されている。換言すれば、中間層１８及び潤滑性皮膜１４は、各孔食２０に進入して固化している。このため、中間層１８及び潤滑性皮膜１４は、孔食２０における狭小な開口部のいわゆるアンカー作用によって抜け止めがなされた状態であり、これにより一層強固に母材１２に結合している。すなわち、孔食２０が存在し、且つ該孔食２０に潤滑性皮膜１４を進入させることにより、該潤滑性皮膜１４を脱落し難くすることができる。
【００２９】
金属石鹸膜１６は、有皮膜ステンレス鋼１０にさらなる潤滑性を付与する。この金属石鹸膜１６が存在することにより、有皮膜ステンレス鋼１０の潤滑性がさらに向上し、その結果、大きな加工変形率での塑性加工が容易なものとなる。
【００３０】
このような構成の有皮膜ステンレス鋼１０の表面は、潤滑性皮膜１４及び金属石鹸膜１６が存在するために優れた潤滑性を示す。すなわち、冷間鍛造加工であっても加工変形率を大きくすることが可能である。このため、加工効率が向上するとともに、鍛造加工用金型の寿命が短くなることを回避することができる。
【００３１】
この有皮膜ステンレス鋼１０は、以下のようにして製造することができる。
【００３２】
先ず、母材１２となるステンレス鋼を塩基性溶液に浸漬する。ここで、塩基性溶液の好適な例としては、ｐＨ１０〜１２のアルカリ性を示すＫＯＨ溶液又はＮａＯＨ溶液が挙げられる。このような塩基性溶液に浸漬することにより、ステンレス鋼の表層部に自発的に生成した不動態膜が除去され、ステンレス鋼が露呈する。
【００３３】
この露呈したステンレス鋼は、アルカリ性物質によって腐食される。その結果、表層部に孔食２０が形成されて母材１２が得られる。
【００３４】
なお、ステンレス鋼を塩基性溶液に浸漬する際には、電圧を印加して電界を設けることが好ましい。すなわち、図２に示すように、容器３０内で塩基性溶液３２に浸漬されたステンレス鋼（母材１２）及び電極３４のそれぞれにリード線３６ａ、３６ｂを介して電源３８を電気的に接続する。なお、図２中、参照符号４０は可変抵抗を示す。
【００３５】
塩基性溶液には、Ｚｎ塩、Ｆｅ塩、Ｎｉ塩、Ｎａ塩、Ｋ塩の群から選択された少なくとも１種の金属塩を予め溶解ないし分散させておく。この金属塩に含まれる金属元素が、中間層１８の原材料となる。金属塩は、特に限定されるものではないが、後処理が容易であるとともに、塩素による潤滑性が付与されるという利点があることから、ＺｎＣｌ2、ＦｅＣｌ2、ＮｉＣｌ2、ＮａＣｌ、ＫＣｌ等の塩化物を好適な例として挙げることができる。勿論、２種以上の金属塩を添加するようにしてもよい。
【００３６】
なお、塩基性溶液は、４０℃以上に加温することが好ましい。４０℃未満では腐食が進行し難いので、不動態膜の除去や孔食２０の形成が容易でなくなる。
【００３７】
このような構成において、ステンレス鋼を陽極とし、且つ可変抵抗４０を操作することにより印加電圧を１．５Ｖ以上として電界を設けると、不動態膜の除去が促進され、ステンレス鋼の表層部を効率よく露呈させることができる。また、露呈したステンレス鋼の表層部が塩基性溶液によって腐食され、その結果、該表層部に孔食２０が形成される。なお、印加電圧が１．５Ｖ以下の場合、腐食の進行を促進する効果に乏しい。
【００３８】
ステンレス鋼の浸漬時間は、塩基性溶液の規定度（濃度）や金属塩の濃度に応じて、孔食２０の平均深さが０．１〜２０μｍとなるように設定すればよい。例えば、５ＮでＺｎＣｌ2の濃度が２０％であるＫＯＨ溶液を使用する場合、浸漬時間は、オーステナイト系ステンレス鋼で１５分、フェライト系ステンレス鋼で３０分、マルテンサイト系ステンレス鋼で１時間とすれば十分である。
【００３９】
このようにして不動態膜を除去するとともに孔食２０を設けて母材１２を得た後、次に、電源３８の極性を反転させて該母材１２を陰極とし、且つ印加電圧を１．５Ｖ以上として電界を設ける。これにより、金属塩から電離して生成した金属陽イオンが陰性となった母材１２に引き寄せられ、該母材１２の表面及び孔食２０の内部に到達する。その後、この金属陽イオンが電子と結合して金属となることにより、換言すれば、電解メッキにより、中間層１８が形成される。
【００４０】
中間層１８の厚みは、孔食２０が該中間層１８のみによって充填されてしまうことがないように、０．１〜５μｍに設定される。このため、電解メッキの通電時間は、１０〜３０分とすることが好ましい。
【００４１】
この中間層１８は、潤滑性皮膜１４が設けられるまでの間、母材１２の表層部に不動態膜が生成することを阻止する役割を果たす。すなわち、潤滑性皮膜１４は、母材１２の表層部が酸化されることを防止する保護膜として機能する。
【００４２】
次に、中間層１８が形成された母材１２を、リン酸亜鉛溶液等のリン酸塩溶液又はシュウ酸鉄などのシュウ酸塩溶液に浸漬する。この際、リン酸塩溶液又はシュウ酸塩溶液は、孔食２０の内部に進入する。
【００４３】
そして、リン酸塩溶液又はシュウ酸塩溶液の溶媒を乾燥除去すれば、リン酸塩又はシュウ酸塩からなり、孔食２０を充填する潤滑性皮膜１４が形成される。
【００４４】
さらに、この母材１２を金属石鹸に浸漬した後、該金属石鹸の溶媒を乾燥除去すれば、金属石鹸膜１６が形成され、断面が図１に示される有皮膜ステンレス鋼１０が得られるに至る。
【００４５】
このように、本実施の形態においては、塩基性溶液でステンレス鋼を腐食させるようにしている。このため、不動態膜を確実に除去することができるので、潤滑性皮膜１４が母材１２に良好に密着する。
【００４６】
また、ステンレス鋼の表面に孔食２０が設けられるので、アンカー効果によって潤滑性皮膜１４が母材１２から脱落し難くなる。しかも、この場合、ショットブラストで凹部を設ける場合のように表面が大きく陥没することがないので、潤滑性皮膜１４の平坦度を確保することもできる。すなわち、凹凸のない潤滑性皮膜１４を形成することができる。
【００４７】
このようにして作製された有皮膜ステンレス鋼１０は、上記したように潤滑性に優れる。このため、加工変形率を大きくして冷間鍛造加工等を実施することができる。
【００４８】
なお、この有皮膜ステンレス鋼１０に対して塑性加工を施した後、酸溶液で洗浄を行うようにしてもよい。これにより中間層１８、潤滑性皮膜１４及び金属石鹸膜１６が除去されると同時に、母材１２の表面に不動態膜が設けられる。その結果、該母材１２を腐食し難いものとすることができる。
【００４９】
上記した実施の形態においては、塩基性溶液に金属塩を添加し、さらに電界を設けて孔食２０及び中間層１８を設けるようにしているが、塩基性溶液に金属塩を添加することや電界を設けることなく、ステンレス鋼を塩基性溶液に単に浸漬することによって孔食２０のみを設けるようにしてもよい。
【００５０】
また、潤滑性皮膜１４を形成する前に、下地処理としてシュウ酸鉄の溶液に浸漬するようにしてもよい。
【００５１】
そして、金属石鹸膜１６を形成する必要も特にない。
【実施例】
【００５２】
オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６ＬＮ、フェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４３０、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０又はマルテンサイト系耐熱ステンレス鋼であるＳＵＨ４のそれぞれについて、図３（ａ）に示すように、底面の直径が１０ｍｍ、長さが５０ｍｍである円柱体形状のワークを用意した。各ワークについて、７０℃のＫＯＨ溶液に６０分間浸漬して孔食２０を形成し、それぞれ母材１２を得た。
【００５３】
この母材１２を、ＫＯＨ溶液から即座にリン酸亜鉛溶液に移して１５分間浸漬した後、乾燥して溶媒を除去することによって潤滑性皮膜１４を形成した。さらに、潤滑性皮膜１４が形成された各母材１２を金属石鹸溶液に３分間浸漬し、その後、乾燥して溶媒を除去することによって金属石鹸膜１６を形成して、有皮膜ステンレス鋼１０を作製した。これらを実施例１とする。
【００５４】
また、同一素材及び同一寸法の円柱体形状のワークを、図２に示すように電源３８に電気的に接続して、４０℃のＫＯＨ溶液（ＺｎＣｌ2の濃度が２０％）に１５分間浸漬するとともに、ワークを陽極として１．５Ｖの電圧を印加した条件下で孔食２０を形成して母材１２を得た。その後、電源３８の極性を反転させて電解メッキを施し、Ｚｎからなる中間層１８を形成した。
【００５５】
以降は実施例１と同様にして潤滑性皮膜１４及び金属石鹸膜１６を形成し、有皮膜ステンレス鋼１０とした。これらを実施例２とする。
【００５６】
比較のため、ステンレス鋼を塩基性溶液に浸漬することなくステンレス鋼の表面に皮膜を形成した。具体的には、実施例１、２と同一素材及び同一寸法である円柱体形状のワークを酸溶液で洗浄し、次に８０℃のシュウ酸溶液に１５分間浸漬して湯で洗浄した後、実施例１、２に準拠してワークの表面に潤滑性皮膜及び金属石鹸膜を形成した。さらに、４フッ化エチレンで表面処理を施した。これを比較例１とする。
【００５７】
また、比較例１に準拠してワークの表面に潤滑性皮膜及び金属石鹸膜を形成した後、これらの膜にアクリル樹脂を含浸させた。さらに、４フッ化エチレンで表面処理を施した。これを比較例２とする。
【００５８】
以上の実施例１、２及び比較例１、２の各ワークを、加工速度を０．２ｍ／秒又は０．５ｍ／秒として、図３（ｂ）に示す寸法及び形状に塑性加工した。図３中、数値の単位はｍｍである。
【００５９】
この塑性加工の際の加工性、潤滑性を対比して図４に示す。この図４から、実施例１、２の各ワークが、潤滑性が良好であり、このために加工が容易であることが明らかである。このことは、実施例１、２の各ワークにおいては、潤滑性皮膜１４が良好に密着しており、母材１２から脱落し難いことを意味する。
【００６０】
すなわち、ステンレス鋼から不動態膜を除去することにより、潤滑性皮膜１４が脱落し難くなることが諒解される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施の形態に係る有皮膜ステンレス鋼の断面要部拡大図である。
【図２】塩基性溶液に浸漬されたステンレス鋼に対して電圧を印加するための概略構成を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は塑性加工が施される前のワークの寸法及び形状を示す説明図であり、図３（ｂ）は塑性加工が施された後のワークの寸法及び形状を示す説明図である。
【図４】塑性加工を施した際の各ワークの加工性及び潤滑性を説明する図表である。
【符号の説明】
【００６２】
１０…有皮膜ステンレス鋼              １２…母材
１４…潤滑性皮膜                      １６…金属石鹸膜
１８…中間層                          ２０…孔食
３２…塩基性溶液                      ３４…電極
３８…電源
【図１】
2005029854.tif 000003
【図２】
2005029854.tif 000004
【図３】
2005029854.tif 000005
【図４】
2005029854.tif 000006