(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化処理後の化合物層の除去処理を化学研磨で行って平滑な表面を与え得る窒化処理鋼部材の製造方法の提供。【解決手段】工具鋼を機械加工し窒化処理して得られる窒化処理鋼部材の製造方法である。窒素を表面から拡散させて表面硬化部を与える窒化処理工程Ｓ２と、表面硬化部の表面を酸性水溶液で洗浄処理する化合物層除去工程Ｓ４と、を含む。ここで、化合物層除去工程Ｓ４は、塩酸、硝酸、又は、リン酸のうちのいずれか１つの酸に対して過酸化水素を０．１〜５．０質量％の範囲で与えた酸性溶液を調整する溶液調整工程を含む。【選択図】図１
2013136805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具鋼を機械加工し窒化処理して得られる窒化処理鋼部材の製造方法であって、
窒素を表面から拡散させて表面硬化部を与える窒化処理工程と、
前記表面硬化部の表面を酸性溶液で洗浄処理する化合物層除去工程と、を含み、
前記化合物層除去工程は、塩酸、硝酸、又は、リン酸のうちのいずれか１つの酸に対して過酸化水素を０．１〜５．０質量％の範囲で与えた前記酸性溶液を調整する溶液調整工程を含むことを特徴とする窒化処理鋼部材の製造方法。
【請求項２】
前記化合物層除去工程に先だって、４００〜６００℃の温度範囲で加熱保持する下処理工程を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化処理鋼部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具鋼を機械加工し窒化処理して得られる窒化処理鋼部材の製造方法に関し、特に、窒化処理後に表面処理を与えて鋼部材の機械的特性のさらなる改善を図る窒化処理鋼部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型や機械部品などの工具鋼からなる鋼部材において、所定の形状に機械加工後、窒化処理による表面硬化処理を施す場合がある。かかる窒化処理では、鋼部材表面から内部へ向けて窒素の拡散を与えるが、窒素濃度の比較的高い表面近傍において窒化物が生成し易い。ここで、窒化物生成元素を含む工具鋼からなる鋼部材では鉄窒化物とともにいくつかの合金窒化物が生成し、一方、窒化物生成元素を含まない又はほとんど含まない工具鋼からなる鋼部材では鉄窒化物を主として生成する。このような表面窒化物は高い硬さを有し鋼部材の機械的特性の改善が期待される。しかしながら、主として鉄窒化物からなり、断面エッチング観察において一様に層状に現出される、いわゆる「白層」と称される如き化合物層が表面近傍部分で厚さ方向に広範に拡がると、破壊の起点となり易いことも指摘されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、合金鋼オイルテンパー線からなるコイルばねの製造において、窒化処理後のコイルばねに残留応力を付与するショットピーニングを施し、更に、電解液に１００％リン酸を用いた電解研磨によって窒化処理で生成した白層を除去しその厚さを減じ得ることが開示されている。かかる電解研磨処理では、窒化処理により生成した化合物層の厚さを減じると同時に、ショットピーニングにより粗面化した表面を平滑化し、コイルばねの耐衝撃性や疲労特性を向上させ得ると述べている。
【０００４】
また、特許文献２では、窒化処理で白層の生じ易いダイス鋼において、白層をショットブラストで除去するにあたり、窒化処理前のダイス鋼の硬さを熱処理で調質しておき、白層自体の硬さをより低くすることを開示している。ダイス鋼の硬さを予め低く調質しておくことで窒化処理による白層自体の硬さも低くできて、ショットブラストによる白層の除去を容易にできると述べている。
【０００５】
ところで、鋼部材の製造において、熱間圧延後の表面スケールの除去や、鋼板表面の平滑性の向上、各種表面処理における表面異常層の除去などを目的として、酸性溶液を用いた化学研磨処理が広く行われている。一般的に、表面スケールの除去の如きでは塩酸を用い、化学的に安定性の高い化合物を多く含む鋼部材の化学研磨などではフッ酸を用いることが多い。
【０００６】
例えば、特許文献３では、クロムモリブテン鋼からなる鋼部材の製造方法において、酸性溶液を用いてバリ取りを行って表面の平滑性を向上させ、さらに含有元素によるスマットの生成を防止させ得る化学研磨処理を開示している。かかる処理では、過酸化水素、酸性フッ化アンモン又はシュウ酸を含有する酸性溶液を用いて揺動エッチングを行って、続いて、水酸化カリウム及びグルコン酸ナトリウムを含有する水溶液で揺動処理し、更に、塩酸で揺動処理し、表面の平滑性を向上させた上でスマットの発生を抑制できる、と述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２７０１５０号公報
【特許文献２】特開２０１１−０３６９４９号公報
【特許文献３】特開２０１１−１２７１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した窒化処理後の化合物層の除去処理を化学研磨で行おうとするとき、電解研磨では特別な設備が必要となるとともに、電極形状など対象製品形状毎に設備を調整する必要が生じる。また、フッ酸の如きにおいてはその取り扱いが難しい。
【０００９】
本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、窒化処理後の化合物層の除去処理を化学研磨で行って、しかも平滑な表面を与え得る窒化処理鋼部材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、いくつかの酸が窒化処理後の化合物層の除去をなし得ることを見い出したものの、その研磨速度は安定せず非常に遅かったり、化合物層の除去後に平滑な表面を得られないなどの状況があった。これに対し、鋭意実験を行って本発明に達した。
【００１１】
本発明による窒化処理鋼部材の製造方法は、工具鋼を機械加工し窒化処理して得られる窒化処理鋼部材の製造方法であって、窒素を表面から拡散させて表面硬化部を与える窒化処理工程と、前記表面硬化部の表面を酸性溶液で洗浄処理する化合物層除去工程と、を含み、前記化合物層除去工程は、塩酸、硝酸、又は、リン酸のうちのいずれか１つの酸に対して過酸化水素を０．１〜５．０質量％の範囲で与えた前記酸性溶液を調整する溶液調整工程を含むことを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、窒化処理後の化合物層の除去処理を可能な塩酸、硝酸、又は、リン酸の各酸に対して、過酸化水素を与えて化合物層の研磨速度を安定的に高め、その後の鋼部材の表面に平滑な表面を与え得るのである。
【００１３】
上記した発明において、前記化合物層除去工程に先だって、４００〜６００℃の温度範囲で加熱保持する下処理工程を含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、化合物層中の化合物を酸との反応を促進するよう変化させ、化合物層の研磨速度を安定的に且つより高め、その後の鋼部材の表面に平滑な表面を与え得るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による製造方法のフロー図である。
【図２】本発明による製造方法における化合物層除去前後の窒化処理鋼部材の断面図である。
【図３】実施例及び比較例の製造条件及び試験結果の一覧である。
【図４】化合物層除去前後の試料断面の光学顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の１つの実施例による金型などの窒化処理鋼部材の製造方法について、図１に沿って、適宜、図２を用いて説明する。
【００１６】
工具鋼からなる鋼塊を部材形状に機械加工し（機械加工ステップＳ１）、所望される表面処理部分に窒化処理を施す（窒化処理ステップＳ２）。窒化処理としては、例えば、ガス浸硫窒化処理、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理などが適宜、採用され得る。また、工具鋼としては、例えば、ＪＩＳ規格に定めるＳＣＭ４２０若しくはその相当材、ＳＫＤ６１若しくはその相当材などの低合金鋼が適宜、採用され得る。
【００１７】
ここで、図２（ａ）に示すように、窒化処理後の断面においては、窒化処理雰囲気に曝される基材部２の最表層に表面硬化部３が与えられる。一般的に低合金鋼からなる鋼部材１では、表面硬化部３は、主として、ε相（Ｆｅ２‐３Ｎ）やγ’相（Ｆｅ４Ｎ）などのＦｅ窒化物からなる化合物層４と、その下部（深部）の窒素を深さ方向に向けて拡散させた固溶層５とからなる。化合物層４は、Ｆｅ窒化物の他に、Ｆｅ炭化物などを固溶層５に比較して多く含み耐食性に優れるとされる。一方、硬く脆くなるため、割れが発生しやすく、鋼部材１としての破壊の起点となりやすい。
【００１８】
図１に戻って、窒化処理後の鋼部材１を４００〜６００℃の温度範囲で所定時間だけ加熱保持する（下処理ステップＳ３）。化合物層４に含まれるε相（Ｆｅ２−３Ｎ）は熱分解し、また、ε相（Ｆｅ２−３Ｎ）に含まれる窒素は固溶層５など鋼部材１の内部へと拡散（若しくは、外部へ放出）される。なお、この下処理ステップＳ３は省略してもよい。
【００１９】
続いて、化合物層４の厚さを減じるよう化学研磨処理を行う（化合物層除去ステップＳ４）。かかる処理には、塩酸、硝酸、又は、リン酸から選択される酸を５．０〜３０．０質量％の範囲内の濃度の水溶液に調整し、過酸化水素の濃度を０．１〜５．０質量％の範囲内となるように過酸化水素水を添加剤として与えて、酸性溶液を調整する（溶液調整ステップＳ４１）。なお、過酸化水素水の代わりに、過酸化水素を発生させる過硫酸塩、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸水素カリウム、又は、過硫酸ナトリウムなどの粉末を添加剤に用いてもよい。そして、窒化処理後の鋼部材１をこの酸性溶液に所定時間だけ浸漬させて洗浄処理を行う（洗浄処理ステップＳ４２）。
【００２０】
ここで、図２（ｂ）に示すように、化学研磨処理後の断面においては、最表層の化合物層４は、窒化処理後の断面に比較して薄くなり、平滑な表面を有する。故に、クラックのような割れや剥離を生じづらく、また、仮に、化合物層４に割れが生じたとしても、化合物層４と固溶層５との界面で進展が停止するのである。
【００２１】
以上の実施例において、化合物層４を除去し得る塩酸、硝酸、及び、リン酸のような酸は、過酸化水素を与えられることで、化合物層４の研磨速度を安定的に高め、平滑な表面を与え得る。ここで、前記した酸は化合物層４の研磨速度において不安定であって、典型的には、徐々にその速度を低下させる。これに対して、過酸化水素を所定の割合で与えることで、化合物層４の表面状態を活性化させ、化合物層４の研磨速度を安定的に高め得ると考える。
【００２２】
なお、本実施例による製造方法は、窒化処理を与えられて、より良好な疲労特性を要求される機械部品であって、窒化処理によって化合物層４を形成しやすい低合金鋼からなる機械部品に広く適用できる。
【００２３】
次に、上記した製造方法において、鋼部材の種類、酸性溶液の種類及び濃度などを変化させたときの化合物層除去ステップＳ４の前後、すなわち、化合物層４を除去する前後の化合物層４の厚さの変化、及び、表面粗さの変化について評価試験の結果を示す。
【００２４】
まず、評価試験の方法について、図３を用いて説明する。
【００２５】
実施例１乃至２０及び比較例１乃至６では、ＪＩＳ規格に定めるＳＫＤ６１又はＳＣＭ４２０からなる短冊形状の加工片をそれぞれ用意し、図３に示す各種の窒化処理、及び、化合物層除去処理を行って試験片を得た。
【００２６】
なお、実施例１乃至９、及び、実施例１５乃至２０では、各種の酸に対して３７質量％の過酸化水素水を１質量％だけ混合し、過酸化水素の濃度を０．３７質量％とした酸性溶液を用いた。実施例１０及び１１では、過酸化水素の濃度をそれぞれ０．１２質量％及び４．５１質量％とした酸性溶液を用いた。また、実施例１２乃至１４では、それぞれ過硫酸カリウム、過硫酸水素カリウム又は過硫酸ナトリウムからなる粉末を２質量％だけ混合した酸性溶液を用いており、発生する過酸化水素の濃度に換算するとそれぞれ０．２５、０．４５又は０．２９質量％となる。また、比較例１では、ショットブラスト処理を与えた。かかるショットブラスト処理は、粒径８０μｍ程度のアルミナ粒子を投射圧０．３ＭＰａで４０秒間投射して行った。更に、実施例１９及び２０では、化合物層除去処理に先立って、それぞれ４５０℃及び５５０℃の窒素雰囲気で１時間加熱保持して化合物の分解処理を行った。
【００２７】
試験片の観察は、まず、表面粗さ計を用いて表面粗さＲａを計測した。続いて、窒化処理面の上からニッケルメッキを与えて、窒化処理面に垂直となるように切断し、切断面を鏡面研磨して、光学顕微鏡で研磨面を観察した。かかる観察は、化合物層除去処理の前後の試験片を作製した上で行って、それぞれにおいて化合物層の厚さを計測した。
【００２８】
評価試験の結果について説明する。
【００２９】
実施例１乃至２０では、化合物層除去処理前において化合物層の厚さは５．８〜１２．６μｍ、化合物層除去処理後において化合物層の厚さは０〜１．４μｍである。なお、金型などの機械部品の用途において、化合物層の厚さが数ミクロン程度以下、典型的には、２μｍ程度以下であると疲労特性が良好であるとされ、実施例１乃至２０はこれを満たす。更に、表面粗さＲａは０．２２〜０．８２μｍであった。本発明者による疲労試験の破断サイクル評価、すなわち、試験片が破断するまで繰り返し応力を与えてその繰り返し回数にて疲労特性を評価する方法において、表面粗さＲａ：１．０μｍを境に、それ以上の表面粗さにおいて顕著に破断サイクルの低下が認められた。このことから、Ｒａ１．０μｍ以下の表面粗さである実施例１乃至２０では、良好な疲労特性を有していると推定される。
【００３０】
典型例として、図４に実施例１の試験片における（ａ）化合物層除去処理前、及び、（ｂ）化合物層除去処理後の切断研磨面の光学顕微鏡写真を示した。なお、切断研磨面はナイタールでエッチングした上で観察を行っている。除去処理前では、ニッケルメッキ層１１の下の化合物層４の厚さは６．７μｍであったが、除去後においてニッケルメッキ層１１の下に化合物層４は観察されず固溶層５まで除去されていた。このように、化合物層除去後に化合物層の厚さを０μｍとしている実施例では、化合物層が全て除去された上で、硬さや疲労特性などに殆ど影響を与えない範囲で固溶層の一部も除去されている。
【００３１】
実施例２では、実施例１に対して、処理時間（浸漬時間）を短くしたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいてより平滑となる。つまり、処理時間（浸漬時間）とともに、少なくとも、表面粗さＲａは粗くなる傾向にあることが判る。
【００３２】
実施例３では、実施例２に対して、塩酸の濃度を高めたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいては粗くなった。つまり、少なくとも、塩酸の濃度を高めると、表面粗さＲａは粗くなる傾向にあることが判る。
【００３３】
実施例４では、酸に硝酸を用いたが、実施例１乃至３の塩酸と同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても同等程度となった。
【００３４】
実施例５では、実施例４に対して、処理時間（浸漬時間）を長くしたが、化合物層の厚さをより大きく減じる一方、表面粗さＲａにおいては粗くなった。つまり、処理時間（浸漬時間）とともに、化合物層の厚さをより大きく減じ、表面粗さＲａは粗くなる傾向にあることが判る。
【００３５】
実施例６では、実施例４に対して、硝酸の濃度を高めたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいては粗くなった。つまり、少なくとも、硝酸の濃度を高めると、表面粗さＲａは粗くなる傾向にあることが判る。
【００３６】
実施例７では、酸にリン酸を用いたが、実施例１乃至６の塩酸及び硝酸と同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても同等程度となった。
【００３７】
実施例８では、実施例７に対して、処理時間（浸漬時間）を短くしたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいては同等程度となった。
【００３８】
実施例９では、実施例８に対して、リン酸の濃度を高めたが、化合物層の厚さをより大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいては同等程度となった。
【００３９】
実施例１０では、過酸化水素の濃度を減じたが、実施例１乃至９と同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても同等程度となった。
【００４０】
実施例１１では、過酸化水素の濃度を高めたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいては粗くなった。つまり、過酸化水素の濃度を高めると、表面粗さは粗くなる傾向にあることが判る。
【００４１】
実施例１２では、添加剤に過硫酸カリウムを用いたが、実施例２の過酸化水素と同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さにおいては同等程度となった。
【００４２】
実施例１３では、添加剤に過硫酸水素カリウムを用いたが、実施例１２と同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいては同等程度となった。
【００４３】
実施例１４では、添加剤に過硫酸ナトリウムを用いたが、実施例１２及び１３と同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さにおいては同等程度となった。
【００４４】
実施例１５では、母材にＳＣＭ４２０を使用した上で、実施例４乃至１４と同様のガス軟窒化処理を施したが、除去処理前では化合物層厚さは１０．８μｍと実施例４乃至１４に比べて厚い傾向であった。ＳＣＭ４２０はＳＫＤ６１と比較して、Ｃｒ、Ｍｏなどの窒化物を形成する合金元素の含有量が少なく、ε相（Ｆｅ２‐３Ｎ）やγ’相（Ｆｅ４Ｎ）などのＦｅ窒化物の生成に寄与する窒素の量が相対的に多くなったものと考えられる。また、実施例１５では、酸に塩酸を用いたが、実施例１２乃至１４と同等以上に化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても実施例１２乃至１４と同等程度となった。
【００４５】
実施例１６では、実施例１５に対して処理時（浸漬時間）を長くしたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても同等程度となった。
【００４６】
実施例１７では、母材にＳＫＤ６１を使用した上で、塩浴軟窒化処理を施したが、化合物層厚さは除去処理前において実施例１５及び１６と同程度であった。また、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても同等程度となった。
【００４７】
実施例１８では、実施例１７に対して処理時間（浸漬時間）を長くしたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても同等程度となった。
【００４８】
実施例１９では、実施例１７に対して除去処理前に加熱保持（下処理）を施したが、化合物層の厚さをより大きく減じる一方、表面粗さＲａにおいてはやや粗くなった。つまり、下処理により化合物層の厚さをより大きく減じる一方で、表面粗さＲａはやや粗くなる傾向にあることが判る。
【００４９】
実施例２０では、実施例１９に対して下処理の加熱保持の温度を高めたが、同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得て、表面粗さＲａにおいても同等程度となった。
【００５０】
ところで、一般的な塩浴軟窒化処理では、ε相（Ｆｅ２−３Ｎ）が比較的多く生成されるが、４００℃以上の温度で加熱保持すると、化合物層中の堅牢なε相が非常に脆いγ’相（Ｆｅ４Ｎ）へと変化する。その結果、化合物層の酸性溶液との反応が促進され、化合物層の研磨速度が速くなると考える。実施例１９及び２０において研磨速度が速くなるのはこのためである。なお、下処理の温度が６００℃以上に高くなると、基材部の硬さが低下してしまう。
【００５１】
一方、参考例として、比較例１では、化学研磨処理ではなく、上記したような条件のショットブラストにより化合物層除去処理を行った。実施例１乃至２０の化学研磨同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得るが、表面粗さＲａにおいては大きく粗くなった。ショットブラストの条件にもよるが、実施例の化学研磨処理は、少なくとも機械研磨処理よりも表面粗さにおいては大きく優れることが判る。
【００５２】
比較例２乃至４では、塩酸、硝酸及びリン酸に対して添加剤を与えず、同様の化学研磨処理を行った。しかしながら、いずれも研磨速度が安定せず、処理時間を延長しても実施例１乃至２０ほどの研磨量を得ることが出来なかった。
【００５３】
比較例５では、実施例１０に対して、過酸化水素の濃度を０．０５質量％と更に減じ、同様の化学研磨処理を行った。しかしながら、研磨速度が安定せず、実施例１乃至２０ほどの研磨量を得ることが出来なかった。
【００５４】
比較例６では、実施例１１に対して、過酸化水素の濃度を６．２９質量％と更に高め、同様の化学研磨処理を行った。実施例１乃至２０の化学研磨と同様に、化合物層の厚さを大きく減じ得るが、表面粗さＲａにおいては大きく粗くなった。塩酸による化合物層の研磨速度を過剰に高めて化合物層の下部の固溶層を過剰に除去したと考えられる。
【００５５】
ところで、上記した評価試験の結果と併せ、過酸化水素による化合物層の研磨速度を十分に得る観点から、少なくとも過酸化水素の濃度を０．１質量％以上とすることが好ましい。一方、過酸化水素の濃度が高すぎると、化合物層の研磨速度が過剰に大きくなり、化合物層下部の固溶層を過剰に除去し、表面粗さを大きくしてしまう。故に、過酸化水素の濃度範囲は、０．１〜５．０質量％の範囲とすべきである。
【００５６】
以上の評価試験において、化合物層を除去し得る塩酸、硝酸、及び、リン酸のような酸は、過酸化水素を与えられることで、化合物層の研磨速度を安定的に高め、平滑な表面を与え得ることが確認できる。過酸化水素を所定の割合で与えることで、化合物層の表面状態を活性化させ、化合物層の研磨速度を安定的に高め得ると考える。
【００５７】
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。
【符号の説明】
【００５８】
１  鋼部材
２  基材部
３  表面硬化部
４  化合物層
５  固溶層
【図１】
2013136805.tif 000003
【図２】
2013136805.tif 000004
【図３】
2013136805.tif 000005
【図４】
2013136805.tif 000006