オーステナイト系ステンレス鋼の表面に

1
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】オーステナイト系ステンレス鋼の表面に、
ショットピーニング加工による加工変質層を形成し、か
つそのオーステナイト系ステンレス鋼の粗面化の表面粗
さが5.0∼40.0μmとし、次いでNH3 ガスを基
本とする雰囲気中において400∼650℃で加熱して
窒化することを特徴とするオーステナイト系ステンレス
鋼表面の窒化処理方法。
【請求項2】オーステナイト系ステンレス鋼の表面を研
磨、研削等により表面粗さ5.0∼40.0μmに粗面 10
化し、次いでショットピーニング加工による加工変質層
を形成し、かつそのオーステナイト系ステンレス鋼の粗
面化の表面粗さが5.0∼40.0μmとし、その後N
H3 ガスを基本とする雰囲気中において400∼650
℃で加熱して窒化することを特徴とするオーステナイト
2
系ステンレス鋼表面の窒化処理方法。
【請求項3】オーステナイト系ステンレス鋼の合金組成
が、Cr 16.00∼26.00%、Ni 3.50
∼28.00%、Mo無添加∼7.0%、C0.15%
以下、Fe残部からなるものであることを特徴とする請
求項1又は2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼表
面の窒化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は産業機械、装置等に
使用されるオーステナイト系ステンレス鋼の耐摩耗性や
耐久性を改善するためのオーステナイト系ステンレス鋼
表面の窒化処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ステンレス鋼は、鉄を主成分とし、これ
(2)
3
にクロムやニッケルを含有させた合金鋼であり、昨今そ
の生産量は増大の一途をたどっている。ステンレス鋼
は、クロム系ステンレスとクロム・ニッケル系ステンレ
スに大別されるが、とりわけクロム・ニッケル系ステン
レスであるオーステナイト系ステンレス鋼は、クロム系
ステンレスよりも耐食性、機械的性質、溶接性に優れる
ため多くの用途に用いられ、ステンレス鋼の中では最も
大量に使用されているものである。オーステナイト系ス
テンレス鋼の表面を硬化する目的で各種硬化処理法が採
用されているが、該ステンレス鋼は表面に不働態皮膜を
形成しているために化学的に非常に安定な表面状態を呈
しており、NH3 ガスを基本とする雰囲気中における窒
化処理による表面硬化は困難である。
【0003】従来の窒化処理方法としては、(1)オー
ステナイト系ステンレス鋼を、窒化処理前に酸洗いによ
り表面の不働態皮膜を除去した後、NH3 ガスを基本と
する雰囲気中で窒化する窒化処理方法、(2)オーステ
ナイト系ステンレス鋼を、窒化処理炉の中に塩素系のガ
スを導入しながらNH3 ガスを基本とする雰囲気中で窒
化する窒化処理方法、(3)オーステナイト系ステンレ
ス鋼を表面脱脂処理した後、窒化処理に先だってフッ素
系ガスの雰囲気炉中で加熱処理し、続いてNH3 ガスを
基本とする雰囲気で窒化する窒化処理方法、及び(4)
オーステナイト系ステンレス鋼を表面脱脂した後、通常
の窒化処理温度(450∼600℃)とそれより高い温
度(650∼800℃)でNH3 ガスを基本とする雰囲
気中で窒化する窒化処理方法が存在する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
(1)の窒化処理前に酸洗いを行ってNH3 ガスを基本
とする雰囲気中で窒化する窒化処理方法では、酸洗いの
ための設備が必要であること、廃酸の処理施設が必要で
あること、被処理物に付着した残留酸による炉材の損傷
が大きいこと、作業環境が良くないことなどの問題点が
ある。 (2)の窒化処理炉の中に塩素系のガスを導入
しながらNH3 ガスを基本とする雰囲気中で窒化する窒
化処理方法では、塩素系のガスは有害であるため排ガス
の処理施設が必要であること、腐食性が強いため炉材の
損傷が大きいこと、作業環境が良くないことなどの問題
点がある。
【0005】また、(3)の窒化処理に先だってフッ素
系ガスの雰囲気の炉中で加熱処理し、NH3 ガスを基本
とする雰囲気中で窒化する窒化処理方法では、フッ素雰
囲気加熱炉が必要であること、フッ素系のガスは有害で
あるため排ガスの処理施設が必要であること、腐食性が
強いため炉材の損傷が大きいこと、作業環境が良くない
ことなどの問題点がある。
【0006】そして、(4)の通常の窒化処理温度(4
50∼600℃)とそれより高い温度(650∼800
℃)でNH3 ガスを基本とする雰囲気で窒化する窒化処
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20
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40
50
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4
理方法では、処理温度が高いためエネルギーコストが高
くなること、窒化層のビッカース硬さ(HV)が最高で
もHV760と通常の窒化温度で窒化処理した窒化層の
ビッカース硬さHV900∼1200より低いこと、オ
ーステナイト系ステンレス鋼の窒化処理では(例えばS
US304材)、高温度(例えば750℃)で20時
間、低温(例えば530℃)で100時間での2段階の
窒化処理を必要としているため総窒化処理時間が長くな
ること、処理工程が増えることなどの問題点がある。
【0007】本発明の目的は、前記従来技術(1)∼
(4)のように、窒化処理前に酸洗い処理を行うことな
く、窒化処理炉に有害な塩素系のガスを導入することな
く、窒化処理に先だってフッ素系のガス雰囲気炉で加熱
処理することなく、また高い温度で窒化処理することな
く、従って特別の処理施設も必要としない安全なオース
テナイト系ステンレス鋼表面の窒化処理方法を提供する
ことである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題は以下の本発明
方法によって解決される。
(1)オーステナイト系ステンレス鋼の表面に、ショッ
トピーニング加工による加工変質層を形成し、かつその
オーステナイト系ステンレス鋼の粗面化の表面粗さが
5.0∼40.0μmとし、次いでNH3 ガスを基本と
する雰囲気中において400∼650℃で加熱して窒化
することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼表
面の窒化処理方法。
(2)オーステナイト系ステンレス鋼の表面を研磨、研
削等により表面粗さ5.0∼40.0μmに粗面化し、
次いでショットピーニング加工による加工変質層を形成
し、かつそのオーステナイト系ステンレス鋼の粗面化の
表面粗さが5.0∼40.0μmとし、その後NH3 ガ
スを基本とする雰囲気中において400∼650℃で加
熱して窒化することを特徴とするオーステナイト系ステ
ンレス鋼表面の窒化処理方法。
(3)オーステナイト系ステンレス鋼の合金組成が、C
r 16.00∼26.00%、Ni 3.50∼2
8.00%、Mo無添加∼7.0%、C 0.15%以
下、Fe残部からなるものであることを特徴とする前記
(1)項又は(2)項に記載のオーステナイト系ステン
レス鋼表面の窒化処理方法。
【0009】
【0010】上記本発明におけるオーステナイト系ステ
ンレス鋼表面のショットピーニングによる加工変質層形
成は、通常、冷間(再結晶温度以下,例えば鉄鋼材料で
550℃以下)又は常温下、例えば0∼40℃において
行われる。次いで、同処理済み又は形成済みのオーステ
ナイト系ステンレス鋼材は、NH3 ガスを基本とする雰
囲気中において、従来の窒化処理温度範囲(400∼6
50℃)で、任意の時間、例えば10∼48時間加熱す
(3)
特許2916752
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ることにより窒化処理することができる。特に、Cr
16.00∼26.00%、Ni 3.50∼28.0
0%、C0.15%以下、Mo無添加∼7.0%、Fe
残部からなるオーステナイト系ステンレス鋼を、10∼
30℃で研磨して表面粗さ5.0∼15.0μmとし、
それをショットピーニング加工した後、NH3 ガスを基
本とする雰囲気中において、400∼650℃10∼4
8時間加熱して窒化処理することが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳細に説明す 10
る。本発明ではオーステナイト系ステンレス鋼の表面
に、ショットピーニング加工の冷間加工を施して、表面
粗さを1.0∼40μm、好ましくは5.0∼40.0
μmにし、加工変質層を形成したオーステナイト系ステ
ンレス鋼材を、NH3 ガスを基本とする雰囲気中におい
て、400∼650℃で任意の時間加熱処理することで
窒化できる。本発明でいうショットピーニング加工と
は、ガラス球、セラミックス球、金属球などを表面に衝
突させる加工方法をいう。
【0012】オーステナイト系ステンレス鋼表面の窒化 20
処理は上記のごとく、(1)オーステナイト系ステンレ
ス鋼の表面に、ショットピーニング加工による加工変質
層を形成し、次いでNH3 ガスを基本とする雰囲気中に
おいて加熱すること、あるいは(2)オーステナイト系
ステンレス鋼の表面を研磨、研削等により表面粗さ1.
0∼15.0μmに粗面化し、次いで、その表面にショ
ットピーニング加工による加工変質層を形成し、その後
NH3 ガスを基本とする雰囲気中において加熱すること
等で行われるが、これらの場合、窒化処理雰囲気を形成
するためのガスとしては、NH3 ガス単体、NH3 ガス 30
と炭素源を有するガス(例えば滴中式雰囲気炉における
6
アルコール類、RXガス)との混合ガス(例えばNH3
とCOとCO2 との混合ガス)が用いられる。
【0013】】以上の条件で窒化処理することで、従来
の技術のごとく、窒化処理前の酸洗処理、塩素系ガス、
フッ素系のガスの利用、又は高温度での窒化処理をする
ことなく、オーステナイト系ステンレス鋼表面の窒化処
理が容易にできる。
【0014】本発明によれば、例えば窒化処理前のビッ
カース硬さが約HV200であったオーステナイト系ス
テンレス鋼の表面のビッカース硬さは、窒化処理後はH
V800∼1200に増大し、窒化処理前の4∼6倍の
高いビッカース硬さが得られる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実用例を説明する。
実施例1:JIS G 4303規格のSUS310S
(25Cr−20Ni)相当材のオーステナイト系ステ
ンレス鋼を基材1として選択した。この基材1に窒化処
理の前加工として、 .120#、500#エメリー紙
で研磨、 .CBN砥石研削、又は/及び .ショット
ピーニング加工を施し、次いで、これを図1及び表1に
示す性能仕様の雰囲気熱処理炉((株)不二越製 型式
NACH EQ−3)に入れ、NH3 ガス雰囲気中に
おいて570℃で20時間加熱して窒化処理を施した。
表2に、基材1に対する窒化処理前のエメリー紙による
研磨加工条件を、表4に、基材1に対する窒化処理前の
CBN砥石研削による加工条件を、表3に、基材1に対
する窒化処理前のショットピーニング加工による加工条
件を示す。
【0016】
【表1】
(4)
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7
【0017】
8
* * 【表2】
【0018】
【表3】
50
【0019】
(5)
9
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10
【表4】
【0020】図2に、この基材1(SUS310S相当
材)に対する上記加工条件と雰囲気炉による窒化処理を
施した後の結果を示す。すなわち、(1)最大表面粗さ
と(2)表面層の窒化物総量(クロム窒化物と鉄窒化物
の和)の比率(X線回折で得られたクロム窒化物、鉄窒
化物、酸化物、基地組織のγ(ガンマ)、α(アルフ
ァ)の最強X線強度の比で表した)及び(3)表面のビ
ッカース硬さの関係を示す。
【0021】図2に示す結果から明らかなように、最大
表面粗さが5μm未満の基材では、あまり表面層の窒化
物は認められないが、5μm以上に粗くなると窒化物が
認められ、粗さが粗くなると共に窒化物総量は直線的に
増加する。例えば、基材1に最大表面粗さが8μmで加
工変質層も大きくなるショットピーニング加工を施した
ものにおいては、窒化物総量は非常に増大する。また、
表面のビッカース硬さは、最大表面粗さが5μm未満で
は基材1(母材)硬さと同じであるが、5μm以上に粗
くなると硬さは高くなり、例えば基材1に最大表面粗さ
が8μmで加工変質層も大きくなるショットピーニング
加工を施したものでは、HV800に達する高い硬さを
示している。
【0022】図3は、基材1にショットピーニング加工
を施した後窒化処理したものの表面のX線回折結果を示
す図である。図3から明らかなごとく、Fe4 N及びC
rNの窒化物が認められ、基材1表面が窒化されたこと
が解る。
【0023】図4は、基材1にショットピーニング加工
を施した後に窒化処理を施したものの断面の表面近傍組
織の顕微鏡写真である。図4から明らかなように、基材
1の基地組織と窒化層の境界は直線的ではないが、明確
な窒化層が認められる。窒化層の下部に認められる黒色
の部分はショットピーニング加工による加工変質層であ
る。
【0024】図5は、基材1にショットピーニング加工
を施し窒化処理したものの、断面表面から内部へ至るビ
ッカース硬さ(HV)分布を示す図である。図5から明
らかなように、窒化層のビッカース硬さはHV1200
に達しており、窒化処理前のビッカース硬さ(HV20
0)の6倍の高い硬さが得られている。また、窒化層の
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50
厚さは約50μmと実用的に十分な厚さが得られている
ことが解る。
【0025】上記のごとく、オーステナイト系ステンレ
ス鋼(基材1)に対して、表面粗さ、加工変質層が大き
くなる加工を施し、NH3 ガスを基本とする雰囲気で従
来の窒化処理温度(400∼650℃)で任意の時間窒
化処理すれば、従来技術におけるごとく、窒化処理前の
酸洗い、塩素ガスの窒化処理炉への導入、窒化に先立ち
フッ素ガス雰囲気での加熱処理、高温における窒化処理
等を行うことなしに、オーステナイト系ステンレス鋼
(基材1)を窒化することができ、かつ十分な硬さと厚
さを持つ表面窒化層を得ることができることが解る。
【0026】実施例2:JIS G 4303規格のS
US304(18Cr−8Ni)相当材オーステナイト
系ステンレス鋼を基材2として選択した。この基材2に
対して実施例1におけると同様の各種処理を行った。す
なわち、基材2に窒化処理の前加工として、 .120
#、500#エメリー紙で研磨、 .CBN砥石研削、
又は/及び .ショットピーニング加工を施し、次い
で、これを図1及び表1に示す性能仕様の雰囲気熱処理
炉((株)不二越製 型式 NACH EQ−3)に入
れ、NH3 ガス雰囲気中において570℃で20時間加
熱して窒化処理を施した。表2に、基材2に対する窒化
処理前のエメリー紙による研磨加工条件を、表3に、基
材2に対する窒化処理前のCBN砥石研削による加工条
件を、表4に、基材2に対する窒化処理前のショットピ
ーニングによる加工条件を示す。
【0027】図6に、この基材2(SUS304相当
材)に対する上記加工条件と雰囲気炉による窒化処理を
施した後の結果を示す。すなわち、(1)最大表面粗さ
と(2)表面層の窒化物総量(クロム窒化物と鉄窒化物
の和)の比率(X線回折で得られたクロム窒化物、鉄窒
化物、酸化物、基地組織のγ(ガンマ)、α(アルフ
ァ)の最強X線強度の比で表した)及び(3)表面のビ
ッカース硬さの関係を示す。図6に示す結果から明らか
なように、最大表面粗さが5μm以下でも窒化物が認め
られ、表面最大粗さが5μmを越えると、粗くなるに連
れて窒化物は増加し、窒化物総量は直線的に増加する。
例えば、基材2に表面最大粗さが15.64μmで加工
(6)
11
変質層も大きくなるショットピーニング加工を施したも
のの窒化物総量は最大を示す。表面のビッカース硬さ
は、最大表面粗さが5μm以下においても硬くなる傾向
があるが、顕著ではない。しかし、最大表面粗さが5μ
mを越えると著しく硬くなり、例えば、基材2に最大表
面粗さが15.64μmで加工変質層も大きくなるショ
ットピーニング加工を施したものでは、HV777の高
い硬さを示す。
【0028】図7は、基材2にショットピーニング加工
を施した後上記条件により窒化処理したものの表面のX
線回折結果を示す図である。図7から明らかなごとく、
Fe4 N及びCrNの窒化物が認められ、基材2の表面
が窒化されたことが解る。
【0029】図8は、基材2にショットピーニング加工
を施した後上記条件により窒化処理を施したものの断面
の表面近傍組織の顕微鏡写真を示す。図8から明らかな
ように、基材2の基地組織と窒化層の境界は直線的では
ないが表層に明瞭な窒化層が認められる。なお、窒化層
の下部に認められる黒色の部分はショットピーニング加
工による加工変質層である。
【0030】図9は、基材2にショットピーニング加工
を施した後上記条件により窒化処理したものの、断面表
面から内部へ至るビッカース硬さ(HV)分布を示す図
である。図9から明らかなように、窒化層のビッカース
硬さはHV990以上にも達しており、窒化処理前のビ
ッカース硬さ(HV200)の5倍の高い硬さが得られ
ている。また、窒化層の厚さは、約50μmと実用的に
十分な厚さが得られている。
【0031】上記のごとく、基材2(オーステナイト系
ステンレス鋼)に対して、表面粗さ、加工変質層が大き
くなる加工を施し、NH3 ガスを基本とする雰囲気で従
来のガス窒化処理温度(400∼650℃)で任意の時
間窒化処理をすれば、従来技術におけるごとく、窒化処
理前の酸洗い、塩素ガスの窒化処理炉への導入、窒化に
先立ちフッ素ガス雰囲気での加熱処理、高温における窒
化処理等を行うことなしに、オーステナイト系ステンレ
ス鋼(基材2)を窒化することができ、かつ十分な硬さ
と厚さを持つ表面窒化層を得ることができる。
【0032】実施例3:JIS G 4303規格のS
US316(18Cr−20Ni−2.5Mo)相当材
を基材3として選択した。この基材3に対して実施例1
におけると同様の各種処理を行った。すなわち、基材3
に窒化処理の前加工として、 120#、500#エメ
リー紙で研磨、 CBN砥石研削、又は/及び ショッ
トピーニング加工を施し、次いで、これを図1及び表1
に示す性能仕様の雰囲気熱処理炉((株)不二越製型式
NACH EQ−3)に入れ、NH3 ガス雰囲気中に
おいて570℃で20時間加熱して窒化処理を施した。
表2に、基材3に対する窒化処理前のエメリー紙による
研磨加工条件を示し、表3に、基材3に対する窒化処理
10
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40
50
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前のCBN砥石研削による加工条件を示し、表4に、基
材3に対する窒化処理前のショットピーニングによる加
工条件を示す。
【0033】図10に、この基材3(SUS316相当
材)に対する上記加工条件と雰囲気炉による窒化処理を
施した後の結果を示す。すなわち、(1)最大表面粗さ
と(2)表面層の窒化物総量(クロム窒化物と鉄窒化物
の和)の比率(X線回折)で得られたクロム窒化物、鉄
窒化物、酸化物、基地組織のγ(ガンマ)、α(アルフ
ァ)の最強X線強度の比で表した)及び(3)表面のビ
ッカース硬さの関係を示す。図10から明らかなよう
に、最大表面粗さが2.5μm未満では窒化物がほとん
ど認められないが、2.5μm以上になると、窒化物が
認められ、窒化物総量は、粗さが粗くなると共に直線的
に増加する。例えば、最大表面粗さ14.5μmで加工
変質層も大きくなるショットピーニング加工を施した基
材3で窒化物総量は最大を示す。表面ビッカース硬さ
は、最大表面粗さ2.5μm未満では母材と同じである
が、最大表面粗さ2.5μmより粗くなると、粗さが粗
くなると共に硬さも著しく硬くなり、例えば、最大表面
粗さ7.8μmで加工変質層も大きくなるショットピー
ニング加工を施した基材3で、HV980の高い硬さを
示す。
【0034】図11は基材3にショットピーニング加工
を施した後上記条件により窒化処理したものの表面のX
線回折結果を示す図である。図11より明らかなよう
に、Fe4 N及びCrNの窒化物が認められ、基材3の
表面が窒化されたことが解る。
【0035】図12は基材3にショットピーニング加工
を施した後上記の条件で窒化処理をしたものの断面の表
面近傍組織の顕微鏡写真である。図12から明らかなよ
うに、基地組織と窒化層の境界は直線的ではないが、表
層に明確な窒化層が認められる。なお、窒化層の下部に
認められる黒色の部分はショットピーニング加工による
加工変質層である。
【0036】図13は、基材3にショットピーニング加
工を施した後上記条件で窒化処理したものの、断面表面
から内部へ至るビッカース硬さ(HV)分布を示す図で
ある。図13から明らかなように、窒化後のビッカース
硬さはHV1200に達しており、窒化処理前のビッカ
ース硬さ(HV200)の6倍の高い硬さが得られてい
る。そして窒化層の厚さは約100μmと実用的に十分
な厚さが得られている。
【0037】上記のごとく、基材3(オーステナイト系
ステンレス鋼)に対して、表面粗さ、加工変質層が大き
くなる加工を施し、NH3 ガスを基本とする雰囲気で従
来の窒化処理温度(400∼650℃)で任意の時間窒
化処理をすれば、従来技術におけるごとく、窒化処理前
の酸洗い、塩素ガスの窒化処理炉への導入、窒化に先立
ちフッ素ガス雰囲気での加熱処理、高温における窒化処
(7)
特許2916752
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14
理等を行うことなしに、オーステナイト系ステンレス鋼
* 真。
(基材3)を窒化することができ、かつ十分な硬さと厚
【図5】基材1にショットピーニング加工を施したのち
さを持つ表面窒化層を得ることができる。
窒化処理したものの、断面表面から内部へ至るビッカー
【0038】
ス硬さ(HV)分布を示す図。
【発明の効果】以上に詳述したごとく、本発明のオース
【図6】基材2(SUS304相当材)に対する粗面化
テナイト系ステンレス鋼表面の窒化処理方法によれば、
程度と雰囲気炉による窒化処理を施した後の結果を示す
NH3 ガスを基本とする雰囲気の中で簡単にオーステナ
図。
イト系ステンレス鋼表面の窒化処理ができ、かつ十分な
【図7】基材2にショットピーニング加工を施したのち
厚さと硬さを有する窒化層を形成することができる。ま
窒化処理したものの表面のX線回折結果を示す図。
た、従来技術のごとく酸洗いのための設備や廃酸の処理 10 【図8】基材2にショットピーニング加工を施したのち
施設等の特別な設備も必要としない。よって、一般産業
窒化処理したものの断面の表面近傍金属組織の顕微鏡写
機械、装置等に汎用されるオーステナイト系ステンレス
真。
鋼の耐磨耗性や耐久性の改善に大いに貢献するものであ
【図9】基材2にショットピーニング加工を施したのち
る。
窒化処理したものの、断面表面から内部へ至るビッカー
【0039】
ス硬さ(HV)分布を示す図。
【図面の簡単な説明】
【図10】基材3(SUS316相当材)に対する粗面
【図1】本発明実施例で用いられる、オーステナイト系
化程度と雰囲気炉による窒化処理を施した後の結果を示
ステンレス鋼の表面の窒化処理のための雰囲気熱処理炉
す図。
の概説図。
【図11】基材3にショットピーニング加工を施したの
【図2】基材1(SUS310S相当材)に対する粗面 20 ち窒化処理したものの表面のX線回折結果を示す図。
化程度と雰囲気炉による窒化処理を施した後の結果を示
【図12】基材3にショットピーニング加工を施したの
す図。
ち窒化処理したものの断面の表面近傍金属組織の顕微鏡
【図3】基材1にショットピーニング加工を施したのち
写真。
窒化処理したものの表面のX線回折結果を示す図。
【図13】基材3にショットピーニング加工を施したの
【図4】基材1にショットピーニング加工を施したのち
ち窒化処理したものの、断面表面から内部へ至るビッカ
窒化処理したものの断面の表面近傍金属組織の顕微鏡写*
ース硬さ(HV)分布を示す図。
【図1】
【図2】
(8)
【図3】
特許2916752
【図5】
【図9】
【図4】
(9)
【図6】
特許2916752
【図7】
【図13】
【図8】
(10)
【図10】
特許2916752
【図11】
【図12】
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献
特開 平7−18408(JP,A)
特開 昭55−134171(JP,A)
6
(58)調査した分野(Int.Cl. ,DB名)
C23C 8/02,8/26
C22C 38/00
302