耐磨性優良的表面碳氮化不鏽鋼部件和其製造方法
2023-06-26 07:25:41
專利名稱：耐磨性優良的表面碳氮化不鏽鋼部件和其製造方法
技術領域：
本發明涉及為提高耐磨性使表面硬化的奧氏體系不鏽鋼部件和其製造方法。
背景技術：
奧氏體系不鏽鋼被有效利用於食品機械、化學相關機械和成套設備、汽車發動機以及其它各種要求耐蝕性的領域中。其中，更多是同時要求如軸類、閥門類、齒輪類等的滑動機械部件那樣的耐磨性的用途。為了提高這樣的耐磨性，對於機械結構用碳素鋼和合金鋼或者工具鋼等多使用由淬火等熱處理的硬化和滲碳或者滲碳氮化等的表面硬化。
奧氏體系不鏽鋼的場合，由淬火不能硬化，由滲碳不能得到充分的硬化，特別要使表面硬化的場合，實行鍍硬質鉻等的溼式鍍和由PVD(物理氣相澱積)的硬質層的塗覆或者表面氮化等。但是，鍍和PVD等皮膜的被覆存在與被膜的基體的密合性難的問題，特別是表面壓力高的場合，難以說可以充分穩定地使用。
與此相反，表面氮化處理是從表面滲入氮而硬化的方法，由於含鉻多的不鏽鋼存在氧化皮膜，所以一般氮化處理是困難的，但是採用鹽酸處理法和由滷化物的處理法、甚至於通過離子氮化處理等，氮化變得容易，作為奧氏體系不鏽鋼的表面硬化法多被利用。
奧氏體系不鏽鋼的表面硬化還可以提高疲勞強度，但以提高耐磨性為目的更需要。耐磨性的改善可以抑制滑動部件中滑動面的磨損，提高耐久性，還有降低研磨和切削用工具的損耗或者抑制不鏽鋼部件的表面損傷的效果。
氮化處理不象滲碳處理那樣必須淬火，用比較低的溫度處理就可以使表面硬化。但是，為了使表面硬度高有最佳溫度，如果在該溫度下使硬化層增厚，氮化就需要長時間，如果使溫度上升，可以增加硬化深度，但得到的表面硬度低。
另外，在滑動部件等中，為了提高耐磨性，表面硬度越高越好，但在增加硬度而降低溫度進行處理時，在表層會形成化合物層那樣的硬的層。而且，該層脆弱，未必能夠改善耐磨性。
這樣，雖然由氮化的方法作為奧氏體系不鏽鋼的表面硬化法是重要的，但是未必能說可以得到充分的滿足。
發明內容
本發明的目的在於，提供被用於滑動部分等的、表面硬度高而且其正下方部分也具有充分的硬度的耐磨性優良的奧氏體系不鏽鋼部件和其製造方法。
本發明人進行了由氣體氮化提高表面硬化的奧氏體系不鏽鋼的性能的各種研究。作為不鏽鋼的表面氮化法還有離子氮化法，但由於該方法在減壓下進行，處理速度慢，形狀也受限制。與此相反，可以認為，氣體氮化一次可以多量處理，適用於大量生產。
而且，準備與由奧氏體系不鏽鋼的氣體氮化的表面硬化有關而組成各種各樣不同的鋼，對於由氣體氮化的表面硬度和硬化深度，研究組成和處理條件等的種種影響。
該場合，使用可以隔絕空氣的爐子，導入10容積％NF3其餘是N2的含有氟化物的氣體，保持30分鐘，使表面活性化，然後，注入含有NH3的氮化氣體，改變各種溫度和時間，進行氮化處理。
一般由鋼的氮化的表面硬度是1200～1300HV左右，根據處理條件表面上還形成硬的化合物層，但因脆而不能利用。但是，在使用這樣的奧氏體系不鏽鋼的調查中發現，表面硬度的維氏硬度超過1350HV。
可以確認，該硬的表面層不是歷來機械結構用鋼和鐵素體系不鏽鋼等中得到的脆的化合物層而具有充分的韌性，另外，將其製作磨損試驗用的試樣，調查並觀察耐磨性，極優良。
因此，詳細調查並觀察這樣得到的硬的表面的鋼部件時，有如下發現。
(a)在表層可以看到化合物層。
(b)是含Mn多的奧氏體系不鏽鋼。
(c)用於氮化處理的氣氛氣體除了含有NH3以外，還含有RX氣體等滲碳性氣體。
機械結構用鋼和鐵素體系不鏽鋼的場合，根據處理條件多數情況下在表層也出現化合物層。可以認為，該化合物層是由氮化的進行、NH3分解產生的活性的氮在表面上的濃度增大、使Fe和Cr等氮化而產生的層。
但是，在奧氏體系不鏽鋼的場合，通常不出現這樣的化合物層。這可以認為是，由於奧氏體相的氮的溶解度遠比鐵素體相大，因氮向鋼的內部擴散而表面濃度難以增大，所以不形成化合物層。
另外，含Mn多的奧氏體系不鏽鋼的場合，在除氮化性以外的碳化性的氣氛氣體下進行處理時，出現化合物層，進行這樣處理的試樣顯示優良的耐磨性。
關於得到這樣的結果的理由，未必清楚，但是與上述(a)、(b)和(c)的事實同時考慮時，可以作如下推測。
首先，由在比通常的滲碳低的溫度下進行的氮化處理的硬化，可以通過微細的氮化物析出物的形成和固溶氮的增加而得到。機械結構用鋼和鐵素體系不鏽鋼的場合，由於是鐵素體相，氮的溶解度小，雖然容易形成化合物層，但是其正下方的部分的氮的濃度不能提高，所以硬度降低，與化合物層的硬度的差別大。
因此，由於不能充分保持硬而脆的化合物層，硬的化合物層在小的應力下容易被破壞，所以只是脆度突出，不能充分利用硬的化合物層。
與此相反，奧氏體系不鏽鋼的場合，奧氏體相的氮的溶解度遠遠比鐵素體相大。而且可以認為，在含Mn多的奧氏體鋼中出現化合物層，在一個方面也許是由於Ni少。
在奧氏體系不鏽鋼中含Mn多的目的是抑制高價Ni的使用，Mn多的場合，Ni含量必然低。Ni一般防礙氮化，由於Ni少，氮的滲入還有碳的滲入變得容易。因此，可以推定，氮化時的表面附近的氮濃度成為遠比含Mn少含Ni多的場合高的狀態。
另外，在氮化的氣氛氣體中存在含有RX氣體等CO和CH4的滲碳性氣體時，滲碳也同時進行，固溶於鋼中的氮因存在固溶碳而與濃度升高時有相同的效果，在表面容易形成化合物。而且奧氏體相的化合物層的正下方的部分由於其溶解度大，所以含有比鐵素體相的場合多的固溶氮和固溶碳。
這樣，因是奧氏體相，氮的固溶濃度高，因Ni低，氮的滲入可以活躍進行，通過其上方碳的滲入，容易形成化合物層，另外，固溶濃度高，可以更多地形成微細的碳化物和氮化物，由此，化合物正下方的部分的硬度可以大幅度地提高。
可以認為，化合物層通過保持為具有充分強度的下部層，可以補充其脆度，作為結果，也許就成為耐磨性優良的表面強化層。為了提高耐磨性，其重要之處在於，表面硬度要大，同時基體和表面的硬的層之間要存在具有中間硬度的適當厚度的硬化層。
而且，以含Mn多的奧氏體不鏽鋼為對象，進一步進行鋼的組成、氮化處理條件、得到的表面硬化部件的諸特徵等的各種調查。根據其研究結果，明確可以得到這樣的效果的界限，完成了本發明。本發明的要旨如下所述。
(1)一種耐磨性優良的表面碳氮化不鏽鋼部件，是使含有3～20質量％Mn的奧氏體系不鏽鋼的表面進行碳氮化處理而硬化的部件，其特徵在於，表面的維氏硬度在1350HV或其以上，而且作為1000HV或其以上的硬化層的深度在10μm或其以上。
(2)一種上述(1)的耐磨性優良的表面碳氮化不鏽鋼部件的製造方法，其特徵在於，使成形為所要形狀的含有3～20質量％Mn的奧氏體系不鏽鋼部件在含有滷素氣體或者滷化物氣體的氣氛氣體中進行表面活性化處理後，在含有NH3和滲碳性氣體的氣氛氣體中，進行430～600℃的碳氮化處理。
具體實施例方式
成為本發明部件的鋼是含有3～20質量％Mn的奧氏體系不鏽鋼。之所以將Mn的含量取為3質量％或其以上是由於奧氏體鋼的場合Mn低時Ni含量會增加、由氮化的表面硬化硬度不能充分地高。另外，由於Mn含量多時，作為奧氏體系不鏽鋼的耐蝕性差，所以即使多也只能取至20質量％。
這樣的鋼，例如有JIS規格的SUS201、SUS202、SUS304J2、SUH35、SUH36等。Mn以外的組成，只要屬於奧氏體系不鏽鋼的範圍，就不作特別地限制。由於有時不能得到充分的表面硬度，所以如果可能優選Ni含量比Mn含量少。
碳氮化處理後的表面硬度取為1350HV或其以上。這是由於低於1350HV的場合不能得到充分高的耐磨性。而且與該表面硬度一起，其硬度是1000HV或其以上的硬化層的深度取為10μm或其以上。
這是由於，表面化合物層的正下方的硬化層的硬度低於1000HV的場合而且其硬化層的深度低於10μm的場合，任一情況都不僅會使表面的硬度低於1350HV，而且會使表面的化合物層變脆，耐磨性變差。
表面硬化成上述這樣的狀態的奧氏體系不鏽鋼部件，僅用氮化處理是不能得到的，必須碳氮化處理而製造。對於奧氏體系不鏽鋼的表面氮化有在含有滷素氣體或者滷化物氣體的氣氛氣體中加熱使表面活性化後導入含有NH3的氮化氣體的方法，但在本發明中，以使用該滷素或者滷化物的方法為基準進行碳氮化處理。
首先，使用可密閉的加熱容器，在例如含有0.5～20容積％的F2、Cl2、HCl或者NF3等的滷素氣體或者滷化物氣體其餘為氮、氫或者惰性氣體等的氣氛氣體中，在200～550℃下加熱10分鐘～3小時，使表面活性化。
表面活性化後，形成含有用於氮化的NH3和用於碳化的CO或CH4的混合氣體的氣氛氣體，進行在430～600℃的溫度範圍內、加熱20分鐘或其以上的碳氮化處理。
作為該碳氮化處理的氣氛氣體取為含NH3為10～95容積％，含CO或CH4的一方或兩方合在一起為5～30容積％。之所以將NH3取為10容積％或其以上是由於如果比該值小則氮化不能充分進行、不能得到硬化層，在只氮化的目的下，也可以將NH3取為100容積％，但是由於有時必須使用碳化性氣體，所以即使多，也只能取至95容積％。
為了碳化，CO或CH4的一方或兩方合在一起的氣體必須在5容積％或其以上。但是，由於該氣體的比率過高時會生成煤氣，所以即使多，也只能取至30容積％。
作為碳氮化處理的氣氛氣體，只要對氮化和碳化充分而含有上述那樣的NH3、CO和CH4、其它組成是惰性氣體、氫、氮或者其它碳化氫氣體等就行，不作特別的限定。另外，可以是例如使NH3與RX氣體混合那樣滿足上述的組成範圍的氣體，也可以是使NH3與歷來所用的滲碳性氣體混合而作為碳氮化處理用氣體。
碳氮化處理的溫度低於430℃的場合，不能得到1350HV或其以上的表面硬度，1000HV或其以上的硬化層的產生會不充分。這是由於氮化進展，但碳化不能充分進展。成為430℃或其以上的溫度時，可以得到其表面硬度和硬化層，但超過600℃時，不僅不能得到超過1350HV的表面硬度，而且作為不鏽鋼的耐蝕性降低。
另外，碳氮化處理的時間在低於20分鐘時往往不能得到表面的化合物層，不能得到1350HV或其以上的表面硬度。處理時間只要是20分鐘或其以上就不作特別的限定，而且如果時間長，硬度在1000HV或其以上的硬化層的厚度變厚。但是，由於在其以上幾乎並不提高耐磨性，卻使耐蝕性劣化，所以即使時間長，也就優選取至50小時。
如果示出適用本發明而有效的要求耐磨性的不鏽鋼部件的具體例，作為滑動機械部件有發動機閥門、壓縮機軸、壓縮機葉片、活塞環、軸承滾珠、微型馬達軸、馬達軸等，作為流體耐磨部件有網狀過濾器、噴嘴、閥門、配管接頭、減壓閥、泵等。另外，作為連接部件有螺栓、螺母、木螺釘、自攻螺釘，在工具類中有修整工具、切削鋸、鋼絲鋸、鋸、鑽頭，也可以適用於擠壓金屬模、壓鑄金屬模、噴射成形金屬模。
(實施例)用表1所示組成的不鏽鋼，進行切削，製成直徑35mm、厚10mm的圓板狀試樣。作為阿姆斯拉磨損試驗用迴轉試樣的場合，再使圓板的圓周面進行鏡面研磨，去掉邊。將該試樣加熱到300℃，然後在含有NF3的氣氛氣體中加熱保持，進行氮化或碳氮化處理，使表面硬化。表面氮化時的氣氛氣體、溫度和處理時間示於表2。
對於表面硬化後的試樣，用試驗力0.9806N的維氏硬度(HV0.1)測定表面硬度，用試驗力0.4903N的維氏硬度(HV0.05)測定斷面的硬度分布。用100倍的光學顯微鏡觀察表面硬度測定後的凹痕，將可以辨認缺陷和龜裂發生的場合判定為脆性不良。
阿姆斯拉磨損試驗是2個圓筒型滾動磨損試驗，以150kg的荷重施加在直徑35mm、50mm的圓筒狀金屬(SKH52制)面上，按照滑動部成為同方向那樣迴轉上述試樣的圓周面，在無潤滑的條件下，滑動速度取為0.12m/sec，求出比磨損量[mg/(m·sec)]。
表1
*表示在本發明規定的範圍外。
將結果一起示於表2，使用Mn充分高的奧氏體系不鏽鋼、作為表面硬化處理進行碳氮化處理的試驗編號1～3的試樣，顯示低的優良的比磨損量，可以推定，這是由於具有超過1400HV的高的表面硬度和1000HV或其以上的充分厚的硬化層深度。
表2
*表示在本發明規定的範圍外。
與此相反，在試驗編號6中，即使是Mn含量高的奧氏體系不鏽鋼，由於表面硬化處理不是碳氮化處理，所以表面硬度不充分而且脆，試驗編號5的處理溫度低，1000HV或其以上的硬化深度淺為7μm。另外，在試驗編號4中，即使將表面硬化處理取為碳氮化處理，由於是Mn含量低的鋼，所以表面硬度低於1300HV。該試驗編號4～6的場合，比磨損量都大，顯示比試驗編號1～3差的結果。
如以上說明那樣，對於使用了奧氏體系不鏽鋼的各種機械部件，特別是通過適用於必須具有滑動和耐磨性的部件，可以大幅度提高其耐用時間。
根據本發明的表面碳氮化不鏽鋼部件和其製造方法，通過使表面硬度的維氏硬度在1350HV或其以上而且使在1000HV或其以上的硬化部分的由表面的深度成為10μm或其以上，特別是適用於必須具有滑動和耐磨性的部件的場合，可以大幅度提高其耐用時間。另外，其製造方法僅僅是在氣體的氣氛氣體中加熱，所以可以同時處理大量的部件。由此，可以在作為要求耐磨損性的不鏽鋼部件中、具體地說在滑動機械部件、流體耐磨部件、連接部件、還有工具類中採用，可以適用於廣泛的領域。
權利要求
1.一種耐磨性優良的表面碳氮化不鏽鋼部件，是使含有3～20質量％Mn的奧氏體系不鏽鋼的表面進行碳氮化處理而硬化的部件，其特徵在於，表面的硬度以維氏硬度計在1350HV或其以上，而且1000HV或其以上的硬化部分的自表面的深度在10μm或其以上。
2.一種權利要求1所述的耐磨性優良的表面碳氮化不鏽鋼部件的製造方法，其特徵在於，使成形為所需形狀的含有3～20質量％Mn的奧氏體系不鏽鋼部件在含有滷素氣體或者滷化物氣體的氣氛氣體中進行表面活性化處理後，在含有NH3和滲碳性氣體的氣氛氣體中，進行430～600℃的碳氮化處理。
全文摘要
本發明一種不鏽鋼部件，所述不鏽鋼部件是是使含有3～20質量％Mn的奧氏體系不鏽鋼的表面進行碳氮化處理而硬化的部件，通過使表面硬度的維氏硬度在1350HV或其以上而且1000HV或其以上的硬化部分的自表面的深度在10μm或其以上，特別是在適用於必須具有滑動和耐磨性的部件的場合，可以大幅度提高其耐用時間。另外，其製造方法僅僅是在氣體的氣氛氣體中加熱，可以同時處理大量的部件。由此，作為要求耐磨損性的不鏽鋼部件，可以在廣泛的領域中適用。
文檔編號C23C8/04GK1703530SQ20038010096
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月6日 優先權日2002年10月4日
發明者渡邊崇則, 坂田朝博 申請人:愛沃特株式會社