CN1703530A - 耐磨性优良的表面碳氮化不锈钢部件和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种不锈钢部件，所述不锈钢部件是是使含有3～20质量％Mn的奥氏体系不锈钢的表面进行碳氮化处理而硬化的部件，通过使表面硬度的维氏硬度在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，特别是在适用于必须具有滑动和耐磨性的部件的场合，可以大幅度提高其耐用时间。另外，其制造方法仅仅是在气体的气氛气体中加热，可以同时处理大量的部件。由此，作为要求耐磨损性的不锈钢部件，可以在广泛的领域中适用。

Description

耐磨性优良的 表面碳氮化不锈钢部件和其制造方法
技术领域
本发明涉及为提高耐磨性使表面硬化的奥氏体系不锈钢部件和其制造方法。
背景技术
奥氏体系不锈钢被有效利用于食品机械、化学相关机械和成套设备、汽车发动机以及其它各种要求耐蚀性的领域中。其中，更多是同时要求如轴类、阀门类、齿轮类等的滑动机械部件那样的耐磨性的用途。为了提高这样的耐磨性，对于机械结构用碳素钢和合金钢或者工具钢等多使用由淬火等热处理的硬化和渗碳或者渗碳氮化等的表面硬化。
奥氏体系不锈钢的场合，由淬火不能硬化，由渗碳不能得到充分的硬化，特别要使表面硬化的场合，实行镀硬质铬等的湿式镀和由PVD(物理气相淀积)的硬质层的涂覆或者表面氮化等。但是，镀和PVD等皮膜的被覆存在与被膜的基体的密合性难的问题，特别是表面压力高的场合，难以说可以充分稳定地使用。
与此相反，表面氮化处理是从表面渗入氮而硬化的方法，由于含铬多的不锈钢存在氧化皮膜，所以一般氮化处理是困难的，但是采用盐酸处理法和由卤化物的处理法、甚至于通过离子氮化处理等，氮化变得容易，作为奥氏体系不锈钢的表面硬化法多被利用。
奥氏体系不锈钢的表面硬化还可以提高疲劳强度，但以提高耐磨性为目的更需要。耐磨性的改善可以抑制滑动部件中滑动面的磨损，提高耐久性，还有降低研磨和切削用工具的损耗或者抑制不锈钢部件的表面损伤的效果。
氮化处理不象渗碳处理那样必须淬火，用比较低的温度处理就可以使表面硬化。但是，为了使表面硬度高有最佳温度，如果在该温度下使硬化层增厚，氮化就需要长时间，如果使温度上升，可以增加硬化深度，但得到的表面硬度低。
另外，在滑动部件等中，为了提高耐磨性，表面硬度越高越好，但在增加硬度而降低温度进行处理时，在表层会形成化合物层那样的硬的层。而且，该层脆弱，未必能够改善耐磨性。
这样，虽然由氮化的方法作为奥氏体系不锈钢的表面硬化法是重要的，但是未必能说可以得到充分的满足。
发明内容
本发明的目的在于，提供被用于滑动部分等的、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优良的奥氏体系不锈钢部件和其制造方法。
本发明人进行了由气体氮化提高表面硬化的奥氏体系不锈钢的性能的各种研究。作为不锈钢的表面氮化法还有离子氮化法，但由于该方法在减压下进行，处理速度慢，形状也受限制。与此相反，可以认为，气体氮化一次可以多量处理，适用于大量生产。
而且，准备与由奥氏体系不锈钢的气体氮化的表面硬化有关而组成各种各样不同的钢，对于由气体氮化的表面硬度和硬化深度，研究组成和处理条件等的种种影响。
该场合，使用可以隔绝空气的炉子，导入10容积％NF3其余是N2的含有氟化物的气体，保持30分钟，使表面活性化，然后，注入含有NH3的氮化气体，改变各种温度和时间，进行氮化处理。
一般由钢的氮化的表面硬度是1200～1300HV左右，根据处理条件表面上还形成硬的化合物层，但因脆而不能利用。但是，在使用这样的奥氏体系不锈钢的调查中发现，表面硬度的维氏硬度超过1350HV。
可以确认，该硬的表面层不是历来机械结构用钢和铁素体系不锈钢等中得到的脆的化合物层而具有充分的韧性，另外，将其制作磨损试验用的试样，调查并观察耐磨性，极优良。
因此，详细调查并观察这样得到的硬的表面的钢部件时，有如下发现。
(a)在表层可以看到化合物层。
(b)是含Mn多的奥氏体系不锈钢。
(c)用于氮化处理的气氛气体除了含有NH3以外，还含有RX气体等渗碳性气体。
机械结构用钢和铁素体系不锈钢的场合，根据处理条件多数情况下在表层也出现化合物层。可以认为，该化合物层是由氮化的进行、NH3分解产生的活性的氮在表面上的浓度增大、使Fe和Cr等氮化而产生的层。
但是，在奥氏体系不锈钢的场合，通常不出现这样的化合物层。这可以认为是，由于奥氏体相的氮的溶解度远比铁素体相大，因氮向钢的内部扩散而表面浓度难以增大，所以不形成化合物层。
另外，含Mn多的奥氏体系不锈钢的场合，在除氮化性以外的碳化性的气氛气体下进行处理时，出现化合物层，进行这样处理的试样显示优良的耐磨性。
关于得到这样的结果的理由，未必清楚，但是与上述(a)、(b)和(c)的事实同时考虑时，可以作如下推测。
首先，由在比通常的渗碳低的温度下进行的氮化处理的硬化，可以通过微细的氮化物析出物的形成和固溶氮的增加而得到。机械结构用钢和铁素体系不锈钢的场合，由于是铁素体相，氮的溶解度小，虽然容易形成化合物层，但是其正下方的部分的氮的浓度不能提高，所以硬度降低，与化合物层的硬度的差别大。
因此，由于不能充分保持硬而脆的化合物层，硬的化合物层在小的应力下容易被破坏，所以只是脆度突出，不能充分利用硬的化合物层。
与此相反，奥氏体系不锈钢的场合，奥氏体相的氮的溶解度远远比铁素体相大。而且可以认为，在含Mn多的奥氏体钢中出现化合物层，在一个方面也许是由于Ni少。
在奥氏体系不锈钢中含Mn多的目的是抑制高价Ni的使用，Mn多的场合，Ni含量必然低。Ni一般防碍氮化，由于Ni少，氮的渗入还有碳的渗入变得容易。因此，可以推定，氮化时的表面附近的氮浓度成为远比含Mn少含Ni多的场合高的状态。
另外，在氮化的气氛气体中存在含有RX气体等CO和CH4的渗碳性气体时，渗碳也同时进行，固溶于钢中的氮因存在固溶碳而与浓度升高时有相同的效果，在表面容易形成化合物。而且奥氏体相的化合物层的正下方的部分由于其溶解度大，所以含有比铁素体相的场合多的固溶氮和固溶碳。
这样，因是奥氏体相，氮的固溶浓度高，因Ni低，氮的渗入可以活跃进行，通过其上方碳的渗入，容易形成化合物层，另外，固溶浓度高，可以更多地形成微细的碳化物和氮化物，由此，化合物正下方的部分的硬度可以大幅度地提高。
可以认为，化合物层通过保持为具有充分强度的下部层，可以补充其脆度，作为结果，也许就成为耐磨性优良的表面强化层。为了提高耐磨性，其重要之处在于，表面硬度要大，同时基体和表面的硬的层之间要存在具有中间硬度的适当厚度的硬化层。
而且，以含Mn多的奥氏体不锈钢为对象，进一步进行钢的组成、氮化处理条件、得到的表面硬化部件的诸特征等的各种调查。根据其研究结果，明确可以得到这样的效果的界限，完成了本发明。本发明的要旨如下所述。
(1)一种耐磨性优良的表面碳氮化不锈钢部件，是使含有3～20质量％Mn的奥氏体系不锈钢的表面进行碳氮化处理而硬化的部件，其特征在于，表面的维氏硬度在1350HV或其以上，而且作为1000HV或其以上的硬化层的深度在10μm或其以上。
(2)一种上述(1)的耐磨性优良的表面碳氮化不锈钢部件的制造方法，其特征在于，使成形为所要形状的含有3～20质量％Mn的奥氏体系不锈钢部件在含有卤素气体或者卤化物气体的气氛气体中进行表面活性化处理后，在含有NH3和渗碳性气体的气氛气体中，进行430～600℃的碳氮化处理。
具体实施方式
成为本发明部件的钢是含有3～20质量％Mn的奥氏体系不锈钢。之所以将Mn的含量取为3质量％或其以上是由于奥氏体钢的场合Mn低时Ni含量会增加、由氮化的表面硬化硬度不能充分地高。另外，由于Mn含量多时，作为奥氏体系不锈钢的耐蚀性差，所以即使多也只能取至20质量％。
这样的钢，例如有JIS规格的SUS201、SUS202、SUS304J2、SUH35、SUH36等。Mn以外的组成，只要属于奥氏体系不锈钢的范围，就不作特别地限制。由于有时不能得到充分的表面硬度，所以如果可能优选Ni含量比Mn含量少。
碳氮化处理后的表面硬度取为1350HV或其以上。这是由于低于1350HV的场合不能得到充分高的耐磨性。而且与该表面硬度一起，其硬度是1000HV或其以上的硬化层的深度取为10μm或其以上。
这是由于，表面化合物层的正下方的硬化层的硬度低于1000HV的场合而且其硬化层的深度低于10μm的场合，任一情况都不仅会使表面的硬度低于1350HV，而且会使表面的化合物层变脆，耐磨性变差。
表面硬化成上述这样的状态的奥氏体系不锈钢部件，仅用氮化处理是不能得到的，必须碳氮化处理而制造。对于奥氏体系不锈钢的表面氮化有在含有卤素气体或者卤化物气体的气氛气体中加热使表面活性化后导入含有NH3的氮化气体的方法，但在本发明中，以使用该卤素或者卤化物的方法为基准进行碳氮化处理。
首先，使用可密闭的加热容器，在例如含有0.5～20容积％的F2、Cl2、HCl或者NF3等的卤素气体或者卤化物气体其余为氮、氢或者惰性气体等的气氛气体中，在200～550℃下加热10分钟～3小时，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的混合气体的气氛气体，进行在430～600℃的温度范围内、加热20分钟或其以上的碳氮化处理。
作为该碳氮化处理的气氛气体取为含NH3为10～95容积％，含CO或CH4的一方或两方合在一起为5～30容积％。之所以将NH3取为10容积％或其以上是由于如果比该值小则氮化不能充分进行、不能得到硬化层，在只氮化的目的下，也可以将NH3取为100容积％，但是由于有时必须使用碳化性气体，所以即使多，也只能取至95容积％。
为了碳化，CO或CH4的一方或两方合在一起的气体必须在5容积％或其以上。但是，由于该气体的比率过高时会生成煤气，所以即使多，也只能取至30容积％。
作为碳氮化处理的气氛气体，只要对氮化和碳化充分而含有上述那样的NH3、CO和CH4、其它组成是惰性气体、氢、氮或者其它碳化氢气体等就行，不作特别的限定。另外，可以是例如使NH3与RX气体混合那样满足上述的组成范围的气体，也可以是使NH3与历来所用的渗碳性气体混合而作为碳氮化处理用气体。
碳氮化处理的温度低于430℃的场合，不能得到1350HV或其以上的表面硬度，1000HV或其以上的硬化层的产生会不充分。这是由于氮化进展，但碳化不能充分进展。成为430℃或其以上的温度时，可以得到其表面硬度和硬化层，但超过600℃时，不仅不能得到超过1350HV的表面硬度，而且作为不锈钢的耐蚀性降低。
另外，碳氮化处理的时间在低于20分钟时往往不能得到表面的化合物层，不能得到1350HV或其以上的表面硬度。处理时间只要是20分钟或其以上就不作特别的限定，而且如果时间长，硬度在1000HV或其以上的硬化层的厚度变厚。但是，由于在其以上几乎并不提高耐磨性，却使耐蚀性劣化，所以即使时间长，也就优选取至50小时。
如果示出适用本发明而有效的要求耐磨性的不锈钢部件的具体例，作为滑动机械部件有发动机阀门、压缩机轴、压缩机叶片、活塞环、轴承滚珠、微型马达轴、马达轴等，作为流体耐磨部件有网状过滤器、喷嘴、阀门、配管接头、减压阀、泵等。另外，作为连接部件有螺栓、螺母、木螺钉、自攻螺钉，在工具类中有修整工具、切削锯、钢丝锯、锯、钻头，也可以适用于挤压金属模、压铸金属模、喷射成形金属模。
(实施例)
用表1所示组成的不锈钢，进行切削，制成直径35mm、厚10mm的圆板状试样。作为阿姆斯拉磨损试验用回转试样的场合，再使圆板的圆周面进行镜面研磨，去掉边。将该试样加热到300℃，然后在含有NF3的气氛气体中加热保持，进行氮化或碳氮化处理，使表面硬化。表面氮化时的气氛气体、温度和处理时间示于表2。
对于表面硬化后的试样，用试验力0.9806N的维氏硬度(HV0.1)测定表面硬度，用试验力0.4903N的维氏硬度(HV0.05)测定断面的硬度分布。用100倍的光学显微镜观察表面硬度测定后的凹痕，将可以辨认缺陷和龟裂发生的场合判定为脆性不良。
阿姆斯拉磨损试验是2个圆筒型滚动磨损试验，以150kg的荷重施加在直径35mm、50mm的圆筒状金属(SKH52制)面上，按照滑动部成为同方向那样回转上述试样的圆周面，在无润滑的条件下，滑动速度取为0.12m/sec，求出比磨损量[mg/(m·sec)]。
                                   表1
钢记号              化学组成(质量％)[其余：杂质和Fe]   备考
  C   Si   Mn   Cr   Ni   Mo   N
A   0.05   0.2   9.5   13.5   2.5   1.0   0.15   本发明范围
B   0.05   0.5   10.0   11.0   5.0   1.0   0.05   本发明范围
C   0.05   0.5   10.0   22.0   5.0   2.0   0.10   本发明范围
D   0.03   0.5  *2.5   25.0   7.0   3.5   0.30   范围外
*表示在本发明规定的范围外。
将结果一起示于表2，使用Mn充分高的奥氏体系不锈钢、作为表面硬化处理进行碳氮化处理的试验编号1～3的试样，显示低的优良的比磨损量，可以推定，这是由于具有超过1400HV的高的表面硬度和1000HV或其以上的充分厚的硬化层深度。
                                   表2
试验编号   钢记号               表面硬化处理   表面硬度(HV0.05)   1000HV或其以上的硬化深度(μm) 表面硬化层脆性 比磨损量[mg/(m·s)] 备考
  气氛气体     温度(℃)     时间(h)
123456   ABC*DAA   50％NH3+50％RX50％NH3+50％RX50％NH3+50％RX50％NH3+50％RX50％NH3+50％RX*100％NH3     570540570570*410570     3.02.03.03.048.03.0   150014501500*1200*1330*1300   50185050750 良好良好良好良好不良不良 0.10.10.10.50.50.6 本发明例本发明例本发明例比较例比较例比较例
*表示在本发明规定的范围外。
与此相反，在试验编号6中，即使是Mn含量高的奥氏体系不锈钢，由于表面硬化处理不是碳氮化处理，所以表面硬度不充分而且脆，试验编号5的处理温度低，1000HV或其以上的硬化深度浅为7μm。另外，在试验编号4中，即使将表面硬化处理取为碳氮化处理，由于是Mn含量低的钢，所以表面硬度低于1300HV。该试验编号4～6的场合，比磨损量都大，显示比试验编号1～3差的结果。
如以上说明那样，对于使用了奥氏体系不锈钢的各种机械部件，特别是通过适用于必须具有滑动和耐磨性的部件，可以大幅度提高其耐用时间。
根据本发明的表面碳氮化不锈钢部件和其制造方法，通过使表面硬度的维氏硬度在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为10μm或其以上，特别是适用于必须具有滑动和耐磨性的部件的场合，可以大幅度提高其耐用时间。另外，其制造方法仅仅是在气体的气氛气体中加热，所以可以同时处理大量的部件。由此，可以在作为要求耐磨损性的不锈钢部件中、具体地说在滑动机械部件、流体耐磨部件、连接部件、还有工具类中采用，可以适用于广泛的领域。

Claims (2)

1.一种耐磨性优良的表面碳氮化不锈钢部件，是使含有3～20质量％Mn的奥氏体系不锈钢的表面进行碳氮化处理而硬化的部件，其特征在于，表面的硬度以维氏硬度计在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。
2.一种权利要求1所述的耐磨性优良的表面碳氮化不锈钢部件的制造方法，其特征在于，使成形为所需形状的含有3～20质量％Mn的奥氏体系不锈钢部件在含有卤素气体或者卤化物气体的气氛气体中进行表面活性化处理后，在含有NH3和渗碳性气体的气氛气体中，进行430～600℃的碳氮化处理。
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