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WO2004031434A1 - 耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品およびその製造方法 - Google Patents

耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品およびその製造方法

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Publication number
WO2004031434A1
WO2004031434A1 PCT/JP2003/012806 JP0312806W WO2004031434A1 WO 2004031434 A1 WO2004031434 A1 WO 2004031434A1 JP 0312806 W JP0312806 W JP 0312806W WO 2004031434 A1 WO2004031434 A1 WO 2004031434A1
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WO
WIPO (PCT)
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stainless steel
wear resistance
hardness
gas
nitriding
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/012806
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English (en)
French (fr)
Inventor
Takanori Watanabe
Asahiro Sakata
Original Assignee
Air Water Inc.
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Publication date
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Priority to HK06101379.3A priority patent/HK1078618B/xx
Priority to EP03799186A priority patent/EP1553204A4/en
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Priority to US12/216,853 priority patent/US20080277031A1/en

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
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    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/28—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in one step
    • C23C8/30—Carbo-nitriding
    • C23C8/32—Carbo-nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to an austenitic stainless steel part having a hardened surface for improving abrasion resistance, and a method for producing the same.
  • Austenitic stainless steel is used in food machinery, chemical machinery and plants, automobile engines, and other fields requiring corrosion resistance. Among them, there are many applications that also require wear resistance, such as sliding mechanical parts such as shafts, valves, and gears. In order to improve this wear resistance, hardening by heat treatment such as quenching, and surface hardening such as carburizing or carbonitriding are often applied to carbon steel, alloy steel, or tool steel for machine structures.
  • austenitic stainless steel In the case of austenitic stainless steel, it is not hardened by quenching, so that sufficient hardening cannot be obtained by carburizing. ion) coating of the hard layer or nitriding of the surface.
  • coating with a coating such as plating or PVD has difficulty in the adhesion of the coating to the substrate, and it cannot be said that it can be applied sufficiently stably, especially when the surface pressure is high.
  • surface nitriding is a method in which nitrogen is penetrated from the surface to harden it.
  • stainless steel containing a large amount of Cr is generally difficult to nitride due to the presence of an oxide film.
  • the adoption of a halide treatment method and the ion nitridation process have made nitriding easier, and it has been widely used as a surface hardening method for austenitic stainless steel. You.
  • the surface hardening of austenitic stainless steel is required more for the purpose of improving the force and abrasion resistance, which also improves the fatigue strength. Improving wear resistance may reduce wear on the sliding surface of sliding parts and improve durability.However, it reduces wear on grinding and cutting tools, and scratches on the surface of stainless steel parts. It also has the effect of suppressing sticking.
  • the nitriding treatment does not require quenching like the carburizing treatment, and the surface can be hardened by a relatively low temperature treatment.
  • there is an optimum temperature to increase the surface hardness and if the thickness of the hardened layer is to be increased at that temperature, it takes a long time for nitriding, and if the temperature is increased, the hardened depth can be increased. Surface hardness is reduced.
  • the higher the surface hardness the better.However, if the temperature is lowered to increase the hardness, the surface layer will be hard, like a compound layer. Layers are formed. However, the layer is brittle and does not necessarily improve wear resistance.
  • the nitriding method is important as a surface hardening method for austenitic stainless steel, but it cannot be said that satisfactory methods have been obtained. Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel part having a high surface hardness and having a sufficient hardness directly below the austenitic stainless steel part used for a sliding part and the like, and a method for manufacturing the same. On offer.
  • the present inventors have conducted various studies to improve the performance of austenitic stainless steel surface-hardened by gas nitriding.
  • gas nitriding is one It could be processed in large quantities each time and was considered suitable for mass production.
  • nitriding gas including NH 3 And nitriding treatment was carried out by changing the temperature and time variously.
  • the surface hardness of steel due to nitriding ranges from 1200 to 1300 HV.
  • a harder compound layer is formed on the surface, but it is fragile and cannot be used.
  • This hard surface layer was not a brittle compound layer conventionally obtained with mechanical structural steel or fly stainless steel, but it seems to have sufficient toughness.
  • a test piece was prepared and its wear resistance was examined, it was confirmed that the test piece was extremely good. Therefore, a detailed investigation of the steel member with such a hard surface revealed the following.
  • the atmosphere used for the nitriding treatment contains carburizing gas such as RX gas in addition to NH 3 .
  • hardening by nitriding at a lower temperature than ordinary carburization is obtained by the formation of fine nitride precipitates and the increase of solid solution nitrogen.
  • solubility of nitrogen is small because it is a ferrite phase, and a compound layer is easy to form, but the part immediately below it has a low hardness because the nitrogen concentration does not increase. The difference in hardness from the compound layer is large.
  • the hard and brittle compound layer cannot be sufficiently retained, and the hard compound layer is easily ruptured by a small stress, so that only the brittleness is conspicuous and the hard compound layer is not fully utilized.
  • the austenite phase has much higher nitrogen solubility than the ferrite phase.
  • the appearance of a compound layer in the austenitic steel containing a large amount of Mn may be due in part to the low content of Ni.
  • the purpose of including a large amount of Mn in austenitic stainless steel is to suppress the use of expensive Ni.
  • the Ni content is always low.
  • Ni is generally considered to hinder nitridation, and This facilitates the infiltration of nitrogen and even carbon. Therefore, it is presumed that the nitrogen concentration near the surface during nitriding is much higher than when the Mn is low and the Ni is high.
  • carburization also proceeds simultaneously containing CO and CH 4, etc.
  • RX gas nitrogen in solid solution in the steel, because of the presence of solute carbon concentration is high Natsuta Metropolitan This has the same effect as above, and the compound is easily formed on the surface.
  • Ni is low, nitrogen intrusion is active, and furthermore, carbon infiltration facilitates the formation of a compound layer.
  • concentration of solid solution is high, and fine carbides and nitrides are formed more. The hardness immediately below the compound is significantly improved.
  • the brittleness was compensated for by the compound layer being held by the lower layer having sufficient strength, and as a result, it is thought that the surface strengthened layer had excellent wear resistance.
  • the gist of the present invention is as follows.
  • Austenitic stainless steel containing 3 to 20% by mass of Mn is a part obtained by carbonitriding the surface and hardening.
  • the surface has a Vickers hardness of 1350 HV or more and 100 HV
  • the depth of the hardened layer is 10 ⁇ m or more It is a surface carbonitrided stainless steel part with excellent wear resistance.
  • the steel used as the part of the present invention is an austenitic stainless steel containing Mn in an amount of 3 to 20% by mass / 0 .
  • Mn 3 mass 0/0 the content of M n 3 mass 0/0 above, N i content increases if the case M n of O Sutenai preparative steel becomes low because the surface hardening hardness due to nitriding is not sufficiently high.
  • the corrosion resistance of the austenitic stainless steel deteriorates, so it is limited to at most 20% by mass.
  • Such steels include, for example, SUS201, SUS202, SUS304J2, SUH35, SUH36 in the JIS standard.
  • the composition other than Mn is not particularly limited as long as it falls within the range of austenitic stainless steel, but sufficient surface hardness may not be obtained. Desirably less than the n content.
  • the hardness of the surface after carbonitriding shall be 1350HV or more. This is because if it is lower than 1350HV, a sufficiently high wear resistance cannot be obtained.
  • the depth of the hardened layer whose hardness is 1000 HV or more is 10 ⁇ ra or more.
  • Austenitic stainless steel parts surface-hardened to the above-mentioned state cannot be obtained by nitriding alone, but must be manufactured by carbonitriding.
  • the carbonitriding treatment is performed according to the method using the halogen or the halide.
  • a heating container which can be sealed, for example, F 2, C 1 2, HC 1 or NF 3 halogen gas or halide gas to from 0.5 to 20% by volume comprising the balance nitrogen such as, hydrogen or an inert gas
  • the surface is activated by heating at 200 to 550 ° C for 10 minutes to 3 hours in an atmosphere such as this.
  • a mixed gas atmosphere containing NH 3 for nitridation and CO or CH 4 for carbonization, and perform carbonitriding by heating at a temperature range of 430 to 600 ° C for 20 minutes or more .
  • the NH 3 10 to 95 volume% is intended to include in total of one or both of CO or CH 4 5 to 30 volume%.
  • the reason why NH 3 is set to 10% by volume or more is that if it is less than this, nitriding cannot be performed sufficiently and a hardened layer cannot be obtained.
  • NH 3 may be set to 100% by volume. Since it is necessary to use gas, the maximum is 95% by volume.
  • one or a combination of the both gases CO or CH 4 is required 5% by volume or more. However, if the ratio of these gases becomes too high, soot will be generated, so the maximum should be up to 30% by volume.
  • the atmospheric gas for carbonitriding if NH 3 , CO and CH 4 are sufficiently contained for nitriding and carbonizing as described above, other compositions are not considered. There is no particular limitation as long as it is an active gas, hydrogen, nitrogen or other hydrocarbon gas. Further, for example, as long as it satisfies the above-described composition range as that mixing NH 3 in RX gas, a carburizing gas conventionally used, by a carbonitride process gas by mixing the NH 3 Just fine.
  • the carbonitriding time is less than 20 minutes, a compound layer on the surface may not be obtained, and a surface hardness of 1350 HV or more may not be obtained.
  • the treatment time is not particularly limited as long as it is longer than 20 minutes, but if the treatment time is longer, the thickness of the hardened layer having a hardness of 1000 HV or more can be increased. However, there is hardly any improvement in the wear resistance, and furthermore, the corrosion resistance may be degraded.
  • stainless steel parts that require effective wear resistance by applying the present invention are as follows.
  • sliding mechanical parts engine valves, compressor shafts, compressor vanes, piston rings,
  • bearings such as bearings, microphone mouth motors, motor shafts, etc.
  • fluid abrasion-resistant parts include filter meshes, nozzles, valves, pipe fittings, reducers, and pumps.
  • bolts, nuts, screw screws, tapping screws as fastening parts, tools such as dressers, cutting saws, wire saws, saws and drills, extrusion dies, die casting dies, injection Also applicable to molding dies.
  • a disk-shaped test piece of lOmra was prepared.
  • This test piece was heated to 300 ° C. and then heated and held in an atmosphere containing NF 3 to perform nitriding or carbonitriding treatment to harden the surface.
  • Table 2 shows the ambient gas, temperature and treatment time during surface nitridation.
  • the surface hardness was the Pickers hardness (HV0.1) with a test force of 0.9806N, and the cross-sectional hardness distribution was the Vickers hardness (HV0) with a test force of 0.4903N. 05). After the surface hardness was measured, the dents were observed with an optical microscope (magnification: 100), and if chipping or cracking was observed, it was judged to be brittle.
  • the Ammsler abrasion test is a two-cylindrical rolling abrasion test in which the circumferential surface of the above test piece is pressed against a 35 mm diameter, 50 rara cylindrical metal (SKH52.
  • the specific wear rate [mgZ (m ⁇ sec)] was determined with the lubrication speed set to 0.12m / sec without lubrication.
  • the asterisk indicates that it is outside the range defined by the present invention.
  • the results are shown in Table 2 on the next page.
  • the specimens of Test Nos. 1 to 3 using austenitic stainless steel with a sufficiently high Mn and carbonitriding as surface hardening were excellent. It shows the specific wear, which is presumed to have a high surface hardness exceeding 1400 HV and a sufficiently large hardened layer depth of 1000 HV or more.
  • the asterisk indicates that it is outside the range defined by the present invention.
  • the surface hardening treatment is not carbonitriding, so the surface hardness is not sufficient and it is brittle.
  • the processing temperature is low and the hardening depth at 1000 HV or more is as shallow as 7 ra.
  • the surface hardness was lower than 1300 HV because the steel had a low Mn content even if the surface hardening treatment was carbonitriding.
  • the specific wear was large, and the results were inferior to those of Test Nos. 1 to 3.
  • the surface hardness is set to Vickers hardness of 1350 HV or more, and the depth from the surface of the hardened portion of 1000 HV or more to 10 / zm or more.
  • the service life can be greatly improved, especially when applied to parts requiring sliding and wear resistance.
  • the manufacturing method is only heating in a gas atmosphere, it is possible to process a large number of parts at the same time. As a result, it can be specifically used for sliding machine parts, fluid wear-resistant parts, fastening parts, and tools as stainless steel parts that require wear resistance, and can be applied in a wide range of fields.

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Abstract

本発明の鋼部品は、Ｍｎを3～20質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼の表面を炭窒化処理して硬化させた部品であり、表面の硬さをビッカース硬さにて1350HV以上とし、かつ1000HV以上である硬化部分の表面からの深さが10μm以上にすることによって、特に摺動や耐摩耗性を必要とする部品に適用した場合に、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。これにより、耐摩耗性が要求されるステンレス鋼部品として、広い分野で適用することができる。

Description

明 細 書
耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品およびその製造方法 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。 背景技術
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。
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、 硬質クロムメツキなどの湿式メツキや PVD (Phys ical Vaper Deposit ion)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、 メツキや 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。
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、 C r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 ィ 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つてい る。
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 力 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。
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 しょ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。
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。
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。 発明の開示
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。
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。
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、 N F 3 10 容積％残部 N 2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、 N H 3を含む窒化ガスを注入して温度おょぴ時間を種々変えて窒 化処理をおこなった。
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。
この硬い表面層は、 従来、 機械構造用鋼やフ 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。 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。
(a) 表層に化合物層が認められる。
(b) M nを多く含むオーステナイ ト系ステンレス鋼である。
(c) 窒化処理に用いた雰囲気は、 N H 3の他に R Xガスなど浸炭性のガ スを含有させている。
機械構造用鋼やフユライ ト系ステンレス鋼の場合、 処理条件にもよる 力 S、 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 N H 3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 F eや C r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。
ところが、 M n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。
このような結果が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（a)、 （b)および（c)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 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壌されるので、 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。
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レ、。 そして M n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 N i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 M nを多く含ませる目的は、 高価な N iの使用の抑制にあり、 M nを多く した場合は必ず N i含有量が低く なっている。 N iは一般に窒化を妨げるとされており、 N i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、 M nが少なく N i 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。
さらに窒化の雰囲気中に、 R Xガスなど C Oや C H 4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、 濃度が高くなつ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。
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、
N i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ゃ窒 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。
そこで、 M nを多く含むオーステナイ 1、ステンレス銅を対象に、 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。
(1) M n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 100ひ HV以上である硬化層の深さが 10 μ m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 である。
(2) 所要形状に成形された M n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、 N H 3および浸炭性ガ スを含む雰囲気中にて 430 ~ 600°C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 造方法である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の部品となる鋼は、 M nを 3〜20質量 °/0含有するオーステナイ ト系ステンレス鋼である。 M nの含有量を 3質量0 /0以上とするのは、 ォ ーステナイ ト鋼の場合 M nが低くなると N i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、 M n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、 SUS304J2, SUH35、 SUH36 などがある。 M n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 N i含有量は、 M n含有 量より少ないことが望ましい。
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 10 μ ra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 10 /Λ Π1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。
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 N H 3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。
まず、 密閉できる加熱容器を用い、 たとえば、 F 2、 C 1 2、 H C 1 、 あるいは N F 3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°C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。 表面を活性化させた後、 窒化のための N H 3および炭化のための C O または C H 4を含む混合ガス雰囲気とし、 430〜600°Cの温度範囲にて 20 分以上加熱の炭窒化処理をおこなう。
この炭窒化処理の雰囲気ガスとしては、 N H 3を 10〜95容積％、 C Oまたは C H 4の一方または両方を合わせて 5〜30 容積％含むものと する。 N H 3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 N H 3 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、 C Oまたは C H 4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。 炭窒化処理の雰囲気ガスとしては、 上記のように N H 3、 C Oおよび C H 4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、 特 に限定しない。 また、 たとえば R Xガスに N H 3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、 N H 3を混合して炭窒化処理用ガスとすればよい。
炭窒化処理の温度は 430°C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°C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°C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。
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。
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 ボーノレ、 マイク口モータージャフ 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、 カッティングソゥ、 ワイヤーソゥ、 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。
(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 lOmra の円板状の試験片を作製した。 ァ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°Cに加熱し、 次いで N F 3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、 温度おょぴ処理時間を表 2に示す。
表面硬化後の試験片について、 表面硬さは試験力 0. 9806Nのピッカー 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。
ァ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、 50rara 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 [mgZ (m · sec) ] を求めた。
Figure imgf000010_0001
*印は本発明にて定める範囲外であることを示す。 次頁の表 2に、 結果を合わせて示すが、 M n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。
これに対し、 試験番号 6では、 M n含有量の高いオーステナイ ト系ス 表 2
鋼 表面硬化処理 表面 1000HV 表面 比
硬さ 以上の 摩耗量
記 温度 硬化深さ 匕 [mgZ 備 考 号 号 雰囲気 (。C) (HVO.05) (itim) 脆性 (m · s) J
1 A 50% H3+50%RX 570 3.0 1500 50 良好 0.1 本発明例
2 B 50%NH3+50%RX 540 2.0 1450 18 良好 0.1 1!
3 C 50%NH3+50%RX 570 3.0 1500 50 良好 0.1 II
4 *D 50%NH3+50%RX 570 3.0 * 1200 50 良好 0.5 比較例
5 A 50%NH3+50%RX *410 48.0 * 1330 7 不良 0.5 "
6 A * 100% H3 570 3.0 * 1300 50 不民 0.6 II
*印は本発明にて定める範囲外であることを示す。
¾
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 7 ra 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 M n含有量の低い鋼であるため、 表面硬さが 1 300HV 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。
以上説明したように、 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、 とくに摺動ゃ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。 産業上の利用の可能性
本発明の表面炭窒化ステンレス鋼部品およびその製造方法によれば、 表面の硬さをビッカース硬さにて 1350HV以上とし、 かつ 1000HV以上で ある硬化部分の表面からの深さが 10 /z m以上にすることによって、 特に 摺動ゃ耐摩耗性を必要とする部品に適用した場合に、 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。 これにより、 耐摩耗性が要求されるステンレス鋼部品として、 具体的に 摺動機械部品、 流体耐摩耗部品、 締結部品、 さらに工具類に採用でき、 広い分野で適用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . M n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 10 / m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。
2 . 所要形状に成形された M n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、 ハ口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、 N H 3およぴ浸炭性ガス を含む雰囲気中にて 430〜600°C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。
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