專利名稱：耐磨性優(yōu)良的表面碳氮化不銹鋼部件和其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為提高耐磨性使表面硬化的奧氏體系不銹鋼部件和其制造方法。
背景技術(shù)：
奧氏體系不銹鋼被有效利用于食品機(jī)械、化學(xué)相關(guān)機(jī)械和成套設(shè)備、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)以及其它各種要求耐蝕性的領(lǐng)域中。其中，更多是同時(shí)要求如軸類、閥門類、齒輪類等的滑動(dòng)機(jī)械部件那樣的耐磨性的用途。為了提高這樣的耐磨性，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)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。
奧氏體系不銹鋼的場(chǎng)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(chǎng)合，實(shí)行鍍硬質(zhì)鉻等的濕式鍍和由PVD(物理氣相淀積)的硬質(zhì)層的涂覆或者表面氮化等。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(wèn)題，特別是表面壓力高的場(chǎng)合，難以說(shuō)可以充分穩(wěn)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，由于含鉻多的不銹鋼存在氧化皮膜，所以一般氮化處理是困難的，但是采用鹽酸處理法和由鹵化物的處理法、甚至于通過(guò)離子氮化處理等，氮化變得容易，作為奧氏體系不銹鋼的表面硬化法多被利用。
奧氏體系不銹鋼的表面硬化還可以提高疲勞強(qiáng)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(dòng)部件中滑動(dòng)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銹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(zhǎng)時(shí)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(dòng)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(jìn)行處理時(shí)，在表層會(huì)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銹鋼的表面硬化法是重要的，但是未必能說(shuō)可以得到充分的滿足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供被用于滑動(dòng)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(yōu)良的奧氏體系不銹鋼部件和其制造方法。
本發(fā)明人進(jìn)行了由氣體氮化提高表面硬化的奧氏體系不銹鋼的性能的各種研究。作為不銹鋼的表面氮化法還有離子氮化法，但由于該方法在減壓下進(jìn)行，處理速度慢，形狀也受限制。與此相反，可以認(rèn)為，氣體氮化一次可以多量處理，適用于大量生產(chǎn)。
而且，準(zhǔn)備與由奧氏體系不銹鋼的氣體氮化的表面硬化有關(guān)而組成各種各樣不同的鋼，對(duì)于由氣體氮化的表面硬度和硬化深度，研究組成和處理?xiàng)l件等的種種影響。
該場(chǎng)合，使用可以隔絕空氣的爐子，導(dǎo)入10容積％NF3其余是N2的含有氟化物的氣體，保持30分鐘，使表面活性化，然后，注入含有NH3的氮化氣體，改變各種溫度和時(shí)間，進(jìn)行氮化處理。
一般由鋼的氮化的表面硬度是1200～1300HV左右，根據(jù)處理?xiàng)l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銹鋼的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，表面硬度的維氏硬度超過(guò)1350HV。
可以確認(rèn)，該硬的表面層不是歷來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼和鐵素體系不銹鋼等中得到的脆的化合物層而具有充分的韌性，另外，將其制作磨損試驗(yàn)用的試樣，調(diào)查并觀察耐磨性，極優(yōu)良。
因此，詳細(xì)調(diào)查并觀察這樣得到的硬的表面的鋼部件時(shí)，有如下發(fā)現(xiàn)。
(a)在表層可以看到化合物層。
(b)是含Mn多的奧氏體系不銹鋼。
(c)用于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(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼和鐵素體系不銹鋼的場(chǎng)合，根據(jù)處理?xiàng)l件多數(shù)情況下在表層也出現(xiàn)化合物層?？梢哉J(rèn)為，該化合物層是由氮化的進(jìn)行、NH3分解產(chǎn)生的活性的氮在表面上的濃度增大、使Fe和Cr等氮化而產(chǎn)生的層。
但是，在奧氏體系不銹鋼的場(chǎng)合，通常不出現(xiàn)這樣的化合物層。這可以認(rèn)為是，由于奧氏體相的氮的溶解度遠(yuǎn)比鐵素體相大，因氮向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而表面濃度難以增大，所以不形成化合物層。
另外，含Mn多的奧氏體系不銹鋼的場(chǎng)合，在除氮化性以外的碳化性的氣氛氣體下進(jìn)行處理時(shí)，出現(xiàn)化合物層，進(jìn)行這樣處理的試樣顯示優(yōu)良的耐磨性。
關(guān)于得到這樣的結(jié)果的理由，未必清楚，但是與上述(a)、(b)和(c)的事實(shí)同時(shí)考慮時(shí)，可以作如下推測(cè)。
首先，由在比通常的滲碳低的溫度下進(jìn)行的氮化處理的硬化，可以通過(guò)微細(xì)的氮化物析出物的形成和固溶氮的增加而得到。機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼和鐵素體系不銹鋼的場(chǎng)合，由于是鐵素體相，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，由于不能充分保持硬而脆的化合物層，硬的化合物層在小的應(yīng)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，奧氏體系不銹鋼的場(chǎng)合，奧氏體相的氮的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鐵素體相大。而且可以認(rèn)為，在含Mn多的奧氏體鋼中出現(xiàn)化合物層，在一個(gè)方面也許是由于Ni少。
在奧氏體系不銹鋼中含Mn多的目的是抑制高價(jià)Ni的使用，Mn多的場(chǎng)合，Ni含量必然低。Ni一般防礙氮化，由于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(shí)的表面附近的氮濃度成為遠(yuǎn)比含Mn少含Ni多的場(chǎng)合高的狀態(tài)。
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(shí)，滲碳也同時(shí)進(jìn)行，固溶于鋼中的氮因存在固溶碳而與濃度升高時(shí)有相同的效果，在表面容易形成化合物。而且?jiàn)W氏體相的化合物層的正下方的部分由于其溶解度大，所以含有比鐵素體相的場(chǎng)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(jìn)行，通過(guò)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(xì)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(rèn)為，化合物層通過(guò)保持為具有充分強(qiáng)度的下部層，可以補(bǔ)充其脆度，作為結(jié)果，也許就成為耐磨性優(yōu)良的表面強(qiáng)化層。為了提高耐磨性，其重要之處在于，表面硬度要大，同時(shí)基體和表面的硬的層之間要存在具有中間硬度的適當(dāng)厚度的硬化層。
而且，以含Mn多的奧氏體不銹鋼為對(duì)象，進(jìn)一步進(jìn)行鋼的組成、氮化處理?xiàng)l件、得到的表面硬化部件的諸特征等的各種調(diào)查。根據(jù)其研究結(jié)果，明確可以得到這樣的效果的界限，完成了本發(fā)明。本發(fā)明的要旨如下所述。
(1)一種耐磨性優(yōu)良的表面碳氮化不銹鋼部件，是使含有3～20質(zhì)量％Mn的奧氏體系不銹鋼的表面進(jìn)行碳氮化處理而硬化的部件，其特征在于，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(yōu)良的表面碳氮化不銹鋼部件的制造方法，其特征在于，使成形為所要形狀的含有3～20質(zhì)量％Mn的奧氏體系不銹鋼部件在含有鹵素氣體或者鹵化物氣體的氣氛氣體中進(jìn)行表面活性化處理后，在含有NH3和滲碳性氣體的氣氛氣體中，進(jìn)行430～600℃的碳氮化處理。
具體實(shí)施例方式
成為本發(fā)明部件的鋼是含有3～20質(zhì)量％Mn的奧氏體系不銹鋼。之所以將Mn的含量取為3質(zhì)量％或其以上是由于奧氏體鋼的場(chǎng)合Mn低時(shí)Ni含量會(huì)增加、由氮化的表面硬化硬度不能充分地高。另外，由于Mn含量多時(shí)，作為奧氏體系不銹鋼的耐蝕性差，所以即使多也只能取至20質(zhì)量％。
這樣的鋼，例如有JIS規(guī)格的SUS201、SUS202、SUS304J2、SUH35、SUH36等。Mn以外的組成，只要屬于奧氏體系不銹鋼的范圍，就不作特別地限制。由于有時(shí)不能得到充分的表面硬度，所以如果可能優(yōu)選Ni含量比Mn含量少。
碳氮化處理后的表面硬度取為1350HV或其以上。這是由于低于1350HV的場(chǎng)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。
這是由于，表面化合物層的正下方的硬化層的硬度低于1000HV的場(chǎng)合而且其硬化層的深度低于10μm的場(chǎng)合，任一情況都不僅會(huì)使表面的硬度低于1350HV，而且會(huì)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(tài)的奧氏體系不銹鋼部件，僅用氮化處理是不能得到的，必須碳氮化處理而制造。對(duì)于奧氏體系不銹鋼的表面氮化有在含有鹵素氣體或者鹵化物氣體的氣氛氣體中加熱使表面活性化后導(dǎo)入含有NH3的氮化氣體的方法，但在本發(fā)明中，以使用該鹵素或者鹵化物的方法為基準(zhǔn)進(jìn)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等的鹵素氣體或者鹵化物氣體其余為氮、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(shí)，使表面活性化。
表面活性化后，形成含有用于氮化的NH3和用于碳化的CO或CH4的混合氣體的氣氛氣體，進(jìn)行在430～600℃的溫度范圍內(nèi)、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％或其以上是由于如果比該值小則氮化不能充分進(jìn)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％，但是由于有時(shí)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，由于該氣體的比率過(guò)高時(shí)會(huì)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(duì)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范圍的氣體，也可以是使NH3與歷來(lái)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于430℃的場(chǎng)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(chǎn)生會(huì)不充分。這是由于氮化進(jìn)展，但碳化不能充分進(jìn)展。成為430℃或其以上的溫度時(shí)，可以得到其表面硬度和硬化層，但超過(guò)600℃時(shí)，不僅不能得到超過(guò)1350HV的表面硬度，而且作為不銹鋼的耐蝕性降低。
另外，碳氮化處理的時(shí)間在低于20分鐘時(shí)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(shí)間只要是20分鐘或其以上就不作特別的限定，而且如果時(shí)間長(zhǎng)，硬度在1000HV或其以上的硬化層的厚度變厚。但是，由于在其以上幾乎并不提高耐磨性，卻使耐蝕性劣化，所以即使時(shí)間長(zhǎng)，也就優(yōu)選取至50小時(shí)。
如果示出適用本發(fā)明而有效的要求耐磨性的不銹鋼部件的具體例，作為滑動(dòng)機(jī)械部件有發(fā)動(dòng)機(jī)閥門、壓縮機(jī)軸、壓縮機(jī)葉片、活塞環(huán)、軸承滾珠、微型馬達(dá)軸、馬達(dá)軸等，作為流體耐磨部件有網(wǎng)狀過(guò)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、鉆頭，也可以適用于擠壓金屬模、壓鑄金屬模、噴射成形金屬模。
(實(shí)施例)用表1所示組成的不銹鋼，進(jìn)行切削，制成直徑35mm、厚10mm的圓板狀試樣。作為阿姆斯拉磨損試驗(yàn)用回轉(zhuǎn)試樣的場(chǎng)合，再使圓板的圓周面進(jìn)行鏡面研磨，去掉邊。將該試樣加熱到300℃，然后在含有NF3的氣氛氣體中加熱保持，進(jìn)行氮化或碳氮化處理，使表面硬化。表面氮化時(shí)的氣氛氣體、溫度和處理時(shí)間示于表2。
對(duì)于表面硬化后的試樣，用試驗(yàn)力0.9806N的維氏硬度(HV0.1)測(cè)定表面硬度，用試驗(yàn)力0.4903N的維氏硬度(HV0.05)測(cè)定斷面的硬度分布。用100倍的光學(xué)顯微鏡觀察表面硬度測(cè)定后的凹痕，將可以辨認(rèn)缺陷和龜裂發(fā)生的場(chǎng)合判定為脆性不良。
阿姆斯拉磨損試驗(yàn)是2個(gè)圓筒型滾動(dòng)磨損試驗(yàn)，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(dòng)部成為同方向那樣回轉(zhuǎn)上述試樣的圓周面，在無(wú)潤(rùn)滑的條件下，滑動(dòng)速度取為0.12m/sec，求出比磨損量[mg/(m·sec)]。
表1

*表示在本發(fā)明規(guī)定的范圍外。
將結(jié)果一起示于表2，使用Mn充分高的奧氏體系不銹鋼、作為表面硬化處理進(jìn)行碳氮化處理的試驗(yàn)編號(hào)1～3的試樣，顯示低的優(yōu)良的比磨損量，可以推定，這是由于具有超過(guò)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(fā)明規(guī)定的范圍外。
與此相反，在試驗(yàn)編號(hào)6中，即使是Mn含量高的奧氏體系不銹鋼，由于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(yàn)編號(hào)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(yàn)編號(hào)4中，即使將表面硬化處理取為碳氮化處理，由于是Mn含量低的鋼，所以表面硬度低于1300HV。該試驗(yàn)編號(hào)4～6的場(chǎng)合，比磨損量都大，顯示比試驗(yàn)編號(hào)1～3差的結(jié)果。
如以上說(shuō)明那樣，對(duì)于使用了奧氏體系不銹鋼的各種機(jī)械部件，特別是通過(guò)適用于必須具有滑動(dòng)和耐磨性的部件，可以大幅度提高其耐用時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明的表面碳氮化不銹鋼部件和其制造方法，通過(guò)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，特別是適用于必須具有滑動(dòng)和耐磨性的部件的場(chǎng)合，可以大幅度提高其耐用時(shí)間。另外，其制造方法僅僅是在氣體的氣氛氣體中加熱，所以可以同時(shí)處理大量的部件。由此，可以在作為要求耐磨損性的不銹鋼部件中、具體地說(shuō)在滑動(dòng)機(jī)械部件、流體耐磨部件、連接部件、還有工具類中采用，可以適用于廣泛的領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種耐磨性優(yōu)良的表面碳氮化不銹鋼部件，是使含有3～20質(zhì)量％Mn的奧氏體系不銹鋼的表面進(jìn)行碳氮化處理而硬化的部件，其特征在于，表面的硬度以維氏硬度計(jì)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(quán)利要求1所述的耐磨性優(yōu)良的表面碳氮化不銹鋼部件的制造方法，其特征在于，使成形為所需形狀的含有3～20質(zhì)量％Mn的奧氏體系不銹鋼部件在含有鹵素氣體或者鹵化物氣體的氣氛氣體中進(jìn)行表面活性化處理后，在含有NH3和滲碳性氣體的氣氛氣體中，進(jìn)行430～600℃的碳氮化處理。
全文摘要
本發(fā)明一種不銹鋼部件，所述不銹鋼部件是是使含有3～20質(zhì)量％Mn的奧氏體系不銹鋼的表面進(jìn)行碳氮化處理而硬化的部件，通過(guò)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，特別是在適用于必須具有滑動(dòng)和耐磨性的部件的場(chǎng)合，可以大幅度提高其耐用時(shí)間。另外，其制造方法僅僅是在氣體的氣氛氣體中加熱，可以同時(shí)處理大量的部件。由此，作為要求耐磨損性的不銹鋼部件，可以在廣泛的領(lǐng)域中適用。
文檔編號(hào)C23C8/04GK1703530SQ20038010096
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月4日
發(fā)明者渡邊崇則, 坂田朝博 申請(qǐng)人:愛(ài)沃特株式會(huì)社