JP2004509350A

JP2004509350A - 表面を硬化処理した精密分銅およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004509350A
Application number: JP2002528784A
Authority: JP
Inventors: テレンバッハ　ジャン−モーリス
Original assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2004-03-25
Also published as: BR0113973A; AU2001284359A1; EP1327125B1; DE60122916T2; DE60122916D1; RU2244269C1; WO2002025231A1; US6552280B1; EP1327125A1; ATE338937T1

Abstract

精密分銅１は、耐摩耗性、耐引っかき性、耐食性を向上させるため表面層を硬化処理することにより、より高い質量の不変性を有している。硬化処理された表面層は、ガス雰囲気下で熱処理することにより炭素および／または窒素の含有量が増加した拡散層である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、次の用途に用いる精密分銅に関する。
１．計量機器および他の種類の測定機器の較正および試験。
２．精度等級が低い他の分銅の較正および試験。
３．計量機器における計量。
４．たとえば力や圧力、その他の物理量の測定のための、少なくとも一個の分銅を用いた機器による計量以外の測定。
【０００２】
【発明の背景】
この場合、「分銅」という語は、コンパクトな金属製本体のような中実で耐久性のある一定の質量を有する物理体を意味する。一般に、分銅の重量は、「最大許容誤差（ＭＰＥ）」と呼ばれる一定の公差の範囲内にあることが知られている。分銅は、その最大許容誤差に基づいて、公的規格による精度別等級に分けられる。
【０００３】
米国では、ＡＳＴＭ規格Ｅ６１７「実験室用分銅および精密質量標準としての標準規格」が分銅の共通規格であるが、これに限られるわけではない。この規格は、１ｍｇ〜５０００ｋｇの分銅に適用され、公差に従って分銅を８段階の等級に分けている。たとえば、ＡＳＴＭの最も精度が高い等級（ＡＳＴＭ　０級）に属する１ｋｇの分銅は、±１．３ｍｇの公差を有するが、ＡＳＴＭの最も精度が低い等級（ＡＳＴＭ　７級）に属する１ｋｇの分銅は±４７０ｍｇの公差を有する。
【０００４】
世界的に権威があるのは、ＯＩＭＬ（国際法定計量機関）による勧告Ｒ１１１に基づく「Ｅ_１級、Ｅ_２級、Ｆ_１級、Ｆ_２級、Ｍ_１級、Ｍ_２級、Ｍ_３級の分銅」の規格である。この規格は、１ｍｇ〜５０ｋｇの分銅に適用され、公差に従って分銅を７段階の等級に分けている。たとえば、ＯＩＭＬの最も精度が高い等級（Ｅ_１級）に属する１ｋｇの分銅は、±０．５ｍｇの公差を有するが、ＯＩＭＬの最も精度が低い等級（Ｍ_３級）に属する１ｋｇの分銅は±５００ｍｇの公差を有する。
【０００５】
これらの規格は両方とも、質量の公差に基づく等級の決定に加え、形状、構造、材質、密度、表面仕上げ、微調整の規定、検定証印など分銅の物理的特性に関する条件を規定している。
【０００６】
一般に、分銅の物理的特性に関する条件は、等級が高いほどより厳しくなる。たとえば、ＡＳＴＭの０級またはＯＩＭＬのＥ_１級、Ｅ_２級に属する分銅は、以下の条件を満たさねばならない。
●単一の中実の材料から成り、校正の際に材料の付加または除去を行うことが可能な凹部を有していてはならない。
●削磨、研削、電解、その他の適切な表面除去工程により調節されねばならない（すなわち、質量は除去されるだけで、付加できてはならない）。
●密度は、公差が非常に小さい公称８０００ｋｇ／ｍ^３でなければならない（鋼鉄以外の材料はほぼ含まない）。
●平滑な表面仕上げ（ＯＩＭＬ勧告Ｒ１１１によれば「光沢を有する外観」）であり、目立つ引っかき傷やその他の表面傷があってはならない。
●耐食性がなければならない。
●オーステナイト鋼と同等またはそれ以上の硬度および耐摩耗性を有していなければならない。
●事実上非磁性（磁化率の非常に小さな公差の範囲内）でなければならない。
【０００７】
ＡＩＳＩ（アメリカ鉄鋼協会）規格３１６、３１７、３１８、３２１のオーステナイト鋼または同等の合金は、本発明が関するタイプの精密分銅に好ましい材料である。これらの一つから製造された従来技術による分銅は、密度、耐食性、硬度、低磁化率などの材料特性に関する条件を満足している。ただし、耐摩耗性は求められる最低条件を満足するにすぎず、オーステナイト鋼の耐食性より劣っている。しかし、耐摩耗性と耐食性は分銅の質量値の不変性に直接結びつくので、特に最高精度の等級に属する分銅に関しては最も好ましい特性である。たとえば一年または二年の校正間隔の間の期間に起こる表面の摩耗による質量の損失は、重要な用途に使用される分銅が校正の間の期間に公差の範囲を外れるおそれを最小限にするために、それぞれの分銅が有する最大許容誤差より小さくなければならない。また、すでに述べたように、最高精度の等級に属する分銅の場合、減少した質量値を元に戻すことは絶対できない。なぜなら、調整は、分銅から質量を除去することによってのみ可能だからである。それゆえ、摩耗によって、高精度の分銅において質量が公差を下回った場合、その分銅は廃棄するか、より大きな公差が許されるより低い等級の分銅として再分類しなければなければならない。
【０００８】
【発明の目的】
したがって、本発明の目的は、適用されるすべての規格に合致し、かつ、現在入手可能な従来技術による分銅よりも表面硬度、耐摩耗性および耐引っかき性、耐食性を向上させることことにより、質量の不変性をより高め、従来技術による分銅を改善した精密分銅を提供することにある。
【０００９】
【発明の要約】
上記の目的は、本発明に従い、表面層に硬化処理を施したオーステナイト鋼製精密分銅を提供することによって達成される。典型的な用途として、本発明の分銅は、たとえばＯＩＭＬのＥ_１級、Ｅ_２級、Ｆ_１級、Ｆ_２級またはＡＳＴＭの０級〜３級のような、精密分銅のための標準規格を満足するタイプの分銅として用いうるが、本発明は、その他の規格や特別仕様に対応しうる分銅にも同様に適用可能である。
【００１０】
本発明の好ましい実施例において、分銅は、クロムと、ニッケルおよび／またはマンガンのような一つまたは複数の遷移金属元素と、モリブデンのような少なくとも一つの付加的な遷移金属元素を含んで、耐食性を向上させ、フェライトやマルテンサイトを含んでいないオーステナイト鋼製とする。これらの好ましい特性を備えたステンレス鋼の例は、ＵＮＳ−Ｓ３ｘｘｘｘとＵＮＳ−Ｓ２ｘｘｘｘ（ｘｘｘｘは４桁の数字を表わす）であり、たとえばＵＮＳ−Ｓ３０４０３、ＵＮＳ−Ｓ３１６０３、ＵＮＳ−Ｓ３２１００、ＵＮＳ−Ｓ２８２００である。上記のユニファイド・ナンバリング・システム（ＵＮＳ）において、Ｓはステンレス材料を、３は標準的なクロム−ニッケル含有オーステナイト鋼を、２はクロム−マンガン含有オーステナイト鋼をそれぞれ意味する。分銅は、原材料から、たとえば棒材から所定の形状に切削することによって形成される。原材料片から表面材料を除去するための機械的、化学的および／または電気化学的方法により、分銅の表面品質と質量値が、分銅の表面層に硬化処理を行う前に、少なくとも仮の公差限界の範囲に入るように仕上げられ、調整される。
【００１１】
さらに本発明の好ましい実施例において、硬化処理された表面層は、たとえばメタン、エタン、アンモニアまたはエチレンを含有するガス雰囲気下で熱処理することにより形成される。この種の熱処理は、たとえば「肌焼き」「浸炭」「窒化」「浸炭浸窒」「炭窒化」「拡散浸透処理」「拡散層化」などの技術用語によって知られている。熱処理は、分銅の表面からある深さまで、炭素および／または窒素の含有量が増加した拡散層を形成する。拡散する原子は、鉄の原子より直径が小さく、オーステナイト鋼の結晶構造に侵入することが好ましい。
【００１２】
本発明による分銅には上記の熱処理を施すことが好ましく、腐食および／または酸化の問題を起こす可能性がある金属間化合物および／または沈殿物の形成を防ぐため、熱処理の温度は３５０℃以下とするのが好ましい。
【００１３】
上記のカテゴリーに属する一つの権利化された熱処理方法は、「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｚｉｎｇ」および／または「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｓｉｅｒｅｎ」および／または「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ」および／または「Ｈａｒｄｃｏｒ」という登録商標により知られている。この熱処理方法の権利者は、Ｈａｒｄｉｆｆ　ＢＶ，　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，７３３３　ＰＡ　Ａｐｅｌｄｏｏｒｎ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓである。この方法に関する解説は、たとえば「オーステナイト鋼製完成部品の耐摩耗・耐食処理−Ｈａｒｄｃｏｒ法」、Ｒ．Ｈ．ｖａｎ　ｄｅｒ　Ｊａｇｔ，Ｂ．Ｈ．Ｋｏｌｓｔｅｒ，Ｍ．Ｗ．Ｈ．Ｇｉｌｌｈａｍ，　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　＆　Ｄｅｓｉｇｎ，Ｖｏ．１２，Ｎｏ．１，１９９１年２月に記載されている。この方法により得られた層の硬度は外装面において最も大きく、処理されていないコア材料の硬度レベルまで、深くなるに従い段階的に小さくなる。この処理法により質量がわずかに増加する。
【００１４】
本発明の一つの実施例では、分銅の製造工程の最後に上記の熱処理を行ってもよい。本発明の別の実施例では、熱処理後、さらに分銅の研磨および／または微調整の工程を含めてもよい。たとえば、熱処理による質量の増加は、これに対応する修正が熱処理に先行する分銅の仕上げと調節の工程において行われなかった場合、この熱処理後の処理において分銅の表面全体から材料を均等に除去することにより補償可能である。
【００１５】
したがって、本発明による表面層を硬化処理した分銅は、より大きい硬度と、より優れた耐摩耗・耐引っかき性と、腐食特に点食に対するより高い耐性を有する。
【００１６】
本発明の詳細は、図面に示した実施例に関する以下の説明において、より明確に述べる。
【００１７】
【好ましい実施例の説明】
図１は、たとえば上記のＯＩＭＬ勧告Ｒ１１１とＡＳＴＭ６１７の規格で推奨されている精密分銅の典型的な形状を示している。典型的には、本発明は上記の規格の一方または両方に適合する分銅において具体化されるが、本発明は他の規格や特別仕様にも適合するように製造された分銅にも同様に応用できると理解されねばならない。すなわち本発明は、計量機器、あるいは質量、力、圧力、その他の物理量の試験を行うどんな種類の機器にも内蔵あるいは連結可能なディスク形、リング形、その他の任意の形状を有する分銅にも応用できる。
【００１８】
図２は、分銅を熱処理した後、分銅の表面から内部にかけて炭素Ｃおよび／または窒素Ｎの含有率（単位は％）がどのように変化したかを、深さｄ（単位はμｍ）の関数として示す表である。含有率は、分銅の表面では大体５〜６％程度に上昇しているが、分銅の内部では熱処理前のレベルである約０．０３％のままである。
【００１９】
図３は、本発明による分銅の硬化処理した表面層の内部における硬度と深さの関係を示す表である。分銅の外装面ではヴィッカース硬度（ＨＶ０．０５試験）が１０００〜１２００であるが、内部へ向かって５〜５０μｍの範囲では次第に硬度が小さくなり、熱処理されていないコア材料の硬度のレベルである約２００まで小さくなっている。熱処理により、表面積１ｃｍ^２あたり１ｍｇの質量増加が見られるのが普通である。この質量の増加分は、初期段階の切削および研磨により、あるいは熱硬化処理後の微調整および／または研磨工程において、たとえば、分銅の表面全体において深さ約１．２μｍまでの材料を均等に除去することにより、あるいは、許容される公差限界の範囲に分銅の質量値を収めることにより、補償可能である。
【００２０】
表面に硬化処理を施した分銅の多くの実施例が本発明の請求の範囲と基本思想の範囲内で可能であること、また、硬度や層の厚さなどの量的データは例を示すためだけで制限を加えるものではないことは、言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明が関する種類の典型的な精密分銅を示す図
【図２】
本発明による分銅の表面層における炭素および／または窒素の含有量を深さの関数として示す図
【図３】
本発明による分銅の表面層における硬度を深さの関数として示す図

Claims

計量機器の校正試験と、
計量機器以外の測定機器の校正試験と、
精密分銅より精度が低い等級に属する分銅の校正試験と、
計量機器に載せた被計量物の質量の測定と、
上記質量の測定以外の物理量の測定とから成る一群の処理の少なくとも一つに用いられる種類の精密分銅において、
上記精密分銅がオーステナイトステンレス鋼から成り、上記精密分銅が表面層を有し、上記表面層が硬化処理されていることを特徴とする精密分銅。
ＯＩＭＬ（国際法定計量機関）とＡＳＴＭ（アメリカ鉄鋼協会）とＮＩＳＴ（アメリカ商務省国家標準局）を含む団体の少なくとも一つが定める規格に適合するタイプに属する請求項１記載の精密分銅。
機器の内蔵部品である請求項１記載の精密分銅。
上記オーステナイトステンレス鋼がクロミウムと、ニッケルおよびマンガンから成るグループから選ばれた少なくとも一つの遷移金属元素と、上記グループに属していない少なくとも一つの別の遷移金属元素から成る請求項１記載の精密分銅。
上記少なくとも一つの別の遷移金属元素がモリブデンである請求項４記載の精密分銅。
上記オーステナイトステンレス鋼がフェライトとマルテンサイトを含んでいない請求項１記載の精密分銅。
上記オーステナイトステンレス鋼が、ＵＮＳ−Ｓ３ｘｘｘｘまたはＵＮＳ−Ｓ２ｘｘｘｘ（ｘｘｘｘは４桁の数字を表わす）のタイプの鋼材から成るグループに属する請求項１記載の精密分銅。
上記硬化処理された表面層が炭素および窒素の少なくとも一方の含有量が増加した拡散層であり、上記含有量の増加が「肌焼き」「浸炭」「窒化」「浸炭浸窒」「炭窒化」「拡散浸透処理」「拡散層化」という技術用語の少なくとも一つで実質的に表わしうるガス雰囲気下での熱処理によって生じたものである請求項１記載の精密分銅。
上記熱処理における処理温度が３５０℃以下である請求項８記載の精密分銅。
上記熱処理が上記表面層の中に原子を拡散させることを含み、上記拡散した原子は鉄の原子より直径が小さい請求項８記載の精密分銅。
上記表面層が結晶構造を有し、上記拡散した原子が上記結晶構造に侵入していることを特徴とする請求項１０記載の精密分銅。
上記熱処理が、登録商標「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｚｉｎｇ」、「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｓｉｅｒｅｎ」、「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ」、「Ｈａｒｄｃｏｒ」の少なくとも一つにより公知である請求項８記載の精密分銅。
上記硬化処理した表面層が５〜５０ミクロンのオーダーの深さを有する請求項１記載の精密分銅。
上記硬化処理した表面層が、ヴィッカース硬度ＨＶ０．０５試験で１０００〜１２００の外面硬度を有する請求項１記載の精密分銅。
上記オーステナイト鋼から成る原材料から上記精密分銅を成形する工程と、
少なくとも仮の表面仕上げ公差の範囲に入るように上記精密分銅の表面を仕上げる工程と、
少なくとも仮の質量公差内に入るように上記精密分銅の表面から材料を除去することにより上記精密分銅の質量を調節する工程と、
「肌焼き」「浸炭」「窒化」「浸炭浸窒」「炭窒化」「拡散浸透処理」「拡散層化」という技術用語の少なくとも一つで実質的に表わしうる方法を用いてガス雰囲気下で上記精密分銅を熱処理する工程とから成る請求項１記載の精密分銅の製造方法。
最終の表面仕上げ公差の範囲に入るように上記精密分銅の表面を研磨する工程を含み、上記研磨工程が上記熱処理工程の後に行われる請求項１５記載の方法。
最終の質量公差の範囲に入るように上記精密分銅の表面から材料を除去することにより上記精密分銅を微調整する工程を含み、上記微調整工程が熱処理工程の後に行われる上記請求項１５記載の方法。
上記熱処理における処理温度が３５０℃以下である請求項１５記載の方法。
上記熱処理が、登録商標「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｚｉｎｇ」、「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｓｉｅｒｅｎ」、「Ｋｏｌｓｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ」、「Ｈａｒｄｃｏｒ」の少なくとも一つにより公知である請求項１５記載の方法。