JP2005200674A - ステンレス鋼ばねの製造方法およびステンレス鋼ばね - Google Patents

Abstract

【課題】オーステナイト系ステンレス鋼の表層部をクロム化合物を析出させることなく強化することにより、ばね性を付与し、優れた耐食性と耐摩耗性・耐疲労性を有し、しかも非磁性の特性をも兼ね備えたステンレス鋼ばねの製造方法を提供する。
【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼からなるばね素材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行い、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記ばね素材に対して浸炭処理を行って、当該ばね素材の表層部に、クロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶層を形成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、優れた耐食性と耐摩耗性を有し、しかも非磁性の特性をも兼ね備えたステンレス鋼ばねの製造方法およびステンレス鋼ばね。

オーステナイト系ステンレス鋼の薄板や線材は、耐食性に優れ、板ばね、コイルばね、動力伝達用ワイヤー、駆動ベルト、チェーン、外装ケース、保護材、薄板成型品など多様な機械部品や機器類等に使用されている。

しかし、上記のようなオーステナイト系ステンレス鋼薄板や線材の多くは、一般の炭素鋼材と異なり、それ自体の材料強度を最終形状に仕上げるまでの中間加工工程、例えば、プレス加工、押し出し成型加工、パンチング加工等に代表される冷間・温間の加工を行い、いわゆる加工硬化により材料強度の向上が図られている。オーステナイト系ステンレス鋼をばね素材として使用する場合、そのままでは強度が不足するうえばね性にも劣るため、特に高加工率の冷間加工を行い、加工硬化で強化することにより、ばねとして使用される。また、特に表面剛性が要求されるときは、硬質クロムメッキやＮｉ−Ｐ等の湿式メッキを施したり、ＰＶＤ，ＣＶＤ等の皮膜コーティング、窒化・浸炭のような浸透拡散硬化処理等を施すことが行われている。

ここで、ステンレス鋼ばねに関する先行技術として出願人が把握しているものとして下記の特許文献１および２を提示する。
特開昭５３−２３８３４号 特開平１１−１１７０４５号

ところが、加工硬化により強度を付与する方法では、高度の加工により加工誘起マルテンサイトを生じるために耐食性が損なわれるうえ、磁性を帯びることになるため、磁気ディスク装置，マイクロスイッチ，リレー等のように非磁性の特性が要求される用途に使用する際に問題となっていた。このため、非磁性特性が要求される分野のばね素材としては、高価で公害性が懸念されるうえに強度も低いＢｅ−Ｃｕ系非鉄合金を使わざるを得なかった。

また、加工硬化によって強度向上を図る方法では得られる強度（硬度）は、通常Ｈｖ４００程度であり最大でもＨｖ５５０程度に止まることから、強度すなわち耐摩耗性におのずと限界が生じる。一方、めっきやＣＶＤ等の皮膜コーティングでは、ばねに加わる応力による大きな曲げ変形で表面の皮膜に剥離が生じやすいという問題がある。

また、特許文献１のように窒化処理を応用したものや、特許文献２のように炭化物の析出を伴うものでは、製品の強度は向上するものの、肝心の耐食性が低下するという大きな問題がある。そのうえ、窒化処理ではＣｒ窒化物を生成することによって製品の表面が膨れたり表面粗度が悪くなったりあるいは磁性を帯びる等の欠点がある。また、形成された窒化層自体には延性が全くないために曲げ等の加工に際しては必ず亀裂を生じるため、ばねとしては致命的な欠点となる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、オーステナイト系ステンレス鋼の表層部をクロム化合物を析出させることなく強化することにより、ばね性を付与し、優れた耐食性と耐摩耗性・耐疲労性を有し、しかも非磁性の特性をも兼ね備えたステンレス鋼ばねの製造方法およびステンレス鋼ばねを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のステンレス鋼ばねの製造方法は、オーステナイト系ステンレス鋼からなるばね素材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行い、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記ばね素材に対して浸炭処理を行って、当該ばね素材の表層部に、クロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶層を形成することを要旨とする。

また、本発明の第１のステンレス鋼ばねは、ばね素材が非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼からなり、表面から内部に向かって炭素固溶濃度が少なくなる濃度勾配が形成されていることを要旨とする。

また、本発明の第２のステンレス鋼ばねは、ばね素材が非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼であり、表層部から芯部にわたるばね素材全体が、母材のオーステナイトに炭素が固溶するとともにクロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶相からなることを要旨とする。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法は、オーステナイト系ステンレス鋼からなるばね素材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行い、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記ばね素材に対して浸炭処理を行う。このとき、上記フッ化処理により、オーステナイト系ステンレス鋼の表面が活性化されて表面にフッ化膜が形成され、炭素が侵入しやすい状態となる。そして、フッ化処理後に浸炭処理を行うことにより、オーステナイト系ステンレスの表面から炭素が侵入固溶する。侵入固溶した炭素は、クロム炭化物粒子を形成せずに母材表面から内部に向かって拡散し、ばね素材に炭素固溶層を形成する。

上記炭素固溶層は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、炭素濃度が高くなって格子歪みが増大し、強度が向上する。したがって、従来のような加工硬化ではなく、浸炭というプロセスによってオーステナイト系ステンレス鋼にばね性を付与することができるのである。そして、上記炭素固溶層は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、母材に固溶するクロム原子が固溶した状態を維持して化合物をつくらないことから、オーステナイト系ステンレス鋼自体が有する耐食性を損なわないばかりか、それ以上の耐食性を発揮するようになる。しかも、オーステナイト系ステンレス鋼自体の非磁性特性も失われることなく維持されるため、磁性を嫌う用途への応用を促進することが可能となるのである。そして、磁気記憶装置やマイクロスイッチ，リレー等の非磁性特性が要求される機器への応用が可能になり、従来のＢｅ−Ｃｕ系合金によるばねよりも大幅にコストを低減することができる。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法において、上記ばね素材は、あらかじめ所定の加工率で冷間加工を施したものである場合には、浸炭処理による表層部近傍の強化に冷間加工による芯部の加工硬化を伴うことにより、ばね性をより向上させることができる。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法において、上記ばね素材は、上記冷間加工の後、応力除去焼鈍を行なったものである場合には、応力除去焼鈍により脆性が改善され、応力腐食割れに対する耐性も向上するうえ、その後のフッ化処理や浸炭処理での熱変形が防止される。したがって、この場合、応力除去焼鈍後、フッ化処理の前に寸法矯正を行なうのが好適である。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法において、上記浸炭処理を行なった後のばね素材に対して冷間加工を施す場合には、浸炭による炭素固溶層は、炭化物等を生成せずに炭素が固溶しているため、高い強度を有するとともにある程度の延性を確保できるため、浸炭処理による表層部近傍の強化に加えて、冷間加工による加工硬化を併せて加えることにより、ばね性をより向上させることができる。また、浸炭処理による硬化処理の後にコイリングやプレス等の塑性変形による成形を行なうことも可能となる。このように、熱処理後に成形することにより、熱処理による歪変形の影響を最小限に留め、極めて高精度のばね製品を得ることができるようになる。特に、磁気ディスク装置等のように高精度が要求される分野への適用において有利である。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法において、上記冷間加工の後、応力除去焼鈍を行なう場合には、応力除去焼鈍により脆性が改善され、応力腐食割れに対する耐性も向上する。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法において、上記ばね素材は、あらかじめ溶体化処理を施したものである場合には、溶体化処理によって完全に非磁性となったばね素材に対して浸炭を行い、冷間加工を施すことなくばね性を付与することができ、非磁性が要求される分野に適切なものとなる。また、溶体化処理によって母材の組織が正常化され、浸炭処理が安定して炭素固溶層が均一化するとともにその強度も向上し、ばね特性の安定したステンレス鋼ばねが得られる。

また、本発明の第１のステンレス鋼ばねは、ばね素材が非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼からなり、表面から内部に向かって炭素固溶濃度が少なくなる濃度勾配が形成されている。すなわち、炭素の濃度勾配が存在する部分は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、炭素濃度が高くなって格子歪みが増大し、強度が向上する。したがって、従来のような加工硬化ではなく、炭素による固溶硬化というプロセスによってオーステナイト系ステンレス鋼にばね性を付与することができるのである。そして、上記炭素固溶層は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、母材に固溶するクロム原子が固溶した状態を維持して化合物をつくらないことから、オーステナイト系ステンレス鋼自体が有する耐食性を損なわないばかりか、それ以上の耐食性を発揮するようになる。しかも、オーステナイト系ステンレス鋼自体の非磁性特性も失われることなく維持されるため、磁性を嫌う用途への応用を促進することが可能となるのである。そして、磁気記憶装置やマイクロスイッチ，リレー等の非磁性特性が要求される機器への応用が可能になり、従来のＢｅ−Ｃｕ系合金によるばねよりも大幅にコストを低減することができる。

本発明のステンレス鋼ばねにおいて、少なくとも表層部に、母材のオーステナイトに炭素が固溶した炭素固溶層が形成されている場合には、上記炭素固溶層は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、炭素濃度が高くなって格子歪みが増大し、強度が向上する。したがって、従来のような加工硬化ではなく、炭素による固溶硬化というプロセスによってオーステナイト系ステンレス鋼にばね性を付与することができるのである。

本発明のステンレス鋼ばねにおいて、上記ばね素材は板状もしくは線状であり、上記炭素固溶層は、表面から板厚もしくは線径の５％以上の深さに形成されている場合には、表層部の上記５％深さの炭素固溶層による表層部の強化によって十分なばね性が付与される。

特に、この場合において、上記ばね素材は、板厚が１ｍｍ以下の板状もしくは線径が１ｍｍ以下の線状である場合には、板厚もしくは線径が比較的大きなばね素材において、比較的短時間の浸炭処理によりばね性を付与することができる。

さらに、上記場合において、上記ばね素材は、板厚が０．２ｍｍ以下の板状もしくは線径が０．２ｍｍ以下の線状であり、上記炭素固溶層は、表面から板厚もしくは線径の２５％以上の深さに形成されている場合には、板厚もしくは線径が比較的小さなばね素材において、十分なばね性を付与することができる。

本発明のステンレス鋼ばねにおいて、上記炭素固溶層にはクロム炭化物が実質的に析出していない場合には、母材に固溶するクロム量を減少させることもないことから、母材であるオーステナイト系ステンレス鋼と同程度の耐蝕性を維持できる。また、表面粗度もほとんど悪化せず、膨れによる寸法変化や磁性も生じないため、面粗度低下や寸法変化も少なく、比較的精度よく表面改質をすることができる。

本発明の第２のステンレス鋼ばねは、ばね素材が非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼であり、表層部から芯部にわたるばね素材全体が、母材のオーステナイトに炭素が固溶するとともにクロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶相からなる。このように、上記炭素固溶相は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、炭素濃度が高くなって格子歪みが増大し、強度が向上する。したがって、従来のような加工硬化ではなく、炭素による固溶硬化というプロセスによってオーステナイト系ステンレス鋼にばね性を付与することができるのである。そして、上記炭素固溶相は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、母材に固溶するクロム原子が固溶した状態を維持して化合物をつくらないことから、オーステナイト系ステンレス鋼自体が有する耐食性を損なわないばかりか、それ以上の耐食性を発揮するようになる。しかも、オーステナイト系ステンレス鋼自体の非磁性特性も失われることなく維持されるため、磁性を嫌う用途への応用を促進することが可能となるのである。そして、磁気記憶装置やマイクロスイッチ，リレー等の非磁性特性が要求される機器への応用が可能になり、従来のＢｅ−Ｃｕ系合金によるばねよりも大幅にコストを低減することができる。しかも、ばね素材全体が炭素固溶相として強化されていることから、強力なばね性を発揮する。

本発明のステンレス鋼ばねにおいて、表面硬度がＨｖ５７０以上である場合には、浸炭処理によって形成される炭素固溶層または炭素固溶相の、特に表面近傍の炭素濃度が十分に高くなり、格子歪みによって十分に強度が向上して優れたばね特性が付与される。また、浸炭処理あがりの中間製品を抜き取り検査することにより、製品のばね特性をある程度予測できるため、中間製品の品質特性の基準をつくり、それに満たないものについては再度フッ化処理と浸炭処理を行うことができ、最終製品の不良率を減少して歩留まりを向上させることができる。特に、上記炭素固溶層または炭素固溶相の硬度として、母材の表面から測定したマイクロビッカース硬度やヌープ硬度を基準とすることにより、非破壊で製品の検査をできて歩留まり低下を減少できる。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を詳しく説明する。

本発明のステンレス鋼ばねの製法は、主としてつぎの工程を実施することにより行う。

すなわち、オーステナイト系ステンレス鋼からなるばね素材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行い、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記ばね素材に対して浸炭処理を行って、当該ばね素材の表層部に、クロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶層を形成する。

まず、本発明が適用される母材であるオーステナイト系ステンレス鋼について説明する。

上記オーステナイト系ステンレス鋼は、例えば鉄分を５０重量％以上含有し、クロム分を１２重量％以上含有するとともにニッケルを含有するオーステナイト系ステンレス鋼があげられる。具体的には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０３Ｓ等の１８−８系ステンレス鋼材や、クロムを２５重量％、ニッケルを２０重量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓや３０９、さらに、クロム含有量が２３重量％、モリブデンを２重量％含むオーステナイト−フェライト２相系ステンレス鋼材等があげられる。また、ニッケルを１９〜２２重量％、クロムを２０〜２７重量％、炭素を０．２５〜０．４５重量％含むＳＣＨ２１やＳＣＨ２２等の耐熱鋼鋳鋼も本発明のオーステナイト系ステンレス鋼として好適に用いられる。さらに、クロムを２０〜２２重量％、ニッケルを３．２５〜４．５重量％、マンガンを８〜１０重量％、炭素を０．４８〜０．５８重量％含むＳＵＨ３５や、クロムを１３．５〜１６重量％、ニッケルを２４〜２７重量％、モリブデンを１〜１．５重量％含むＳＵＨ６６０等の耐熱鋼も本発明のオーステナイト系ステンレス鋼として好適に用いることができる。また、ＳＵＳ３０１等の１７−７系ステンレス鋼、よりニッケル量を少なくしたＳＵＳ２０２等の１８−５−８Ｍｎ−Ｎ系ステンレス鋼、ＳＵＳ２０１等の１７−４−６Ｍｎ−Ｎ系ステンレス鋼、ＳＵＳ３０１Ｊ等の１７−８系ステンレス鋼、析出硬化性を付与したＳＵＳ６３１等の１７−７ＰＨ系ステンレス鋼、ＳＵＳ６３２等のＰＨ１５−７Ｍｏ系ステンレス鋼、ＳＵＳ６３０等の１７−４ＰＨ系ステンレス鋼等のいわゆる準安定系のオーステナイト系ステンレス鋼も本発明のオーステナイト系ステンレス鋼として好適に用いることができる。

このように、ニッケルおよびクロムを含む低炭素のオーステナイト系ステンレス鋼を使用することにより、耐食性に優れるだけでなく高温強度や高温耐疲労性にも優れ、しかもクロム化合物の析出がなく非磁性を保ったオーステナイト系ステンレス鋼の表層部に炭素固溶層を形成し、耐摩耗性や耐食性に優れ、非磁性のステンレス鋼ばねを得ることができるのである。また、非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼であるばね素材の、表層部から芯部にわたるばね素材全体に、母材のオーステナイトに炭素が固溶するとともにクロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶相を形成し、耐摩耗性や耐食性に優れ、非磁性のステンレス鋼ばねを得ることができるのである。

上記オーステナイト系ステンレス鋼を、圧延加工で所定厚さの板材に形成したり、引き抜き加工で所定径の線材に形成してばね素材を形成する。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法では、図１（ａ）に示すように、上記ばね素材に対し、あらかじめ所定の冷間加工を施した後、フッ化処理および浸炭処理を行なうようにする。このようにすることにより、浸炭処理による表層部近傍の強化に所定の加工率による冷間加工で芯部の加工硬化を生じさせ、ばね性をより向上させることができる。

また、本発明のステンレス鋼ばねの製造方法では、図１（ｂ）に示すように、上記ばね素材に対し、あらかじめ所定の加工率で冷間加工を施した後、応力除去焼鈍を行ない、その後フッ化処理および浸炭処理を行なうようにすることができる。

このようにすることにより、浸炭処理による表層部近傍の強化に冷間加工による芯部の加工硬化を伴うことにより、ばね性をより向上させることができる。また、応力除去焼鈍により脆性が改善され、応力腐食割れに対する耐性も向上するうえ、その後のフッ化処理や浸炭処理での熱変形が防止される。したがって、この場合、応力除去焼鈍後、フッ化処理の前に寸法矯正を行なうのが好適である。

上記応力除去焼鈍の処理条件としては、母材とするオーステナイト系ステンレス鋼の種類によって適当な条件を用いることができるが、例えば、６００〜９００℃程度の高温に所定時間保持したのち徐冷することにより行なわれる。

また、本発明のステンレス鋼ばねの製造方法では、図１（ｃ）に示すように、フッ化処理および浸炭処理を施した後のばね素材に対し、所定の加工率で冷間加工を施すようにすることができる。

このようにすることにより、浸炭による炭素固溶層は、炭化物等を生成せずに炭素が固溶しているため、高い強度を有するとともにある程度の延性を確保できるため、浸炭処理による表層部近傍の強化に冷間加工による芯部の加工硬化を伴うことにより、ばね性をより向上させることができる。

また、浸炭処理による硬化処理の後にコイリングやプレス等の塑性変形による成形を行なうことも可能となる。このように、熱処理後に成形することにより、熱処理による歪変形の影響を最小限に留め、極めて高精度のばね製品を得ることができるようになる。特に、磁気ディスク装置等のように高精度が要求される分野への適用において有利である。

さらに、本発明のステンレス鋼ばねの製造方法では、図１（ｄ）に示すように、上記ばね素材にあらかじめ溶体化処理を施したのち、フッ化処理および浸炭処理を行なうようにすることもできる。

このようにすることにより、溶体化処理によって完全に非磁性となったばね素材に対して浸炭を行い、冷間加工を施すことなくばね性を付与することができ、非磁性が要求される分野に適切なものとなる。また、上記溶体化処理によって母材に存在する炭化物が固溶され、母材に固溶される炭素量が増大するとともに、微細炭化物はほとんど存在しなくなり、比較的大きな炭化物も微粒化されて母材の組織が正常化する。これにより、浸炭処理が安定して炭素固溶層が均一化するとともにその強度も向上し、ばね特性の安定したステンレス鋼ばねが得られる。

また、上記溶体化処理により、母材の内部歪みが除去されることから、その後の浸炭処理等における熱変形等も軽減され、製品の寸法変化が少なく、表面粗度の悪化も少なくなる。

上記溶体化処理の条件としては、母材とするオーステナイト系ステンレス鋼の種類によって適当な条件を用いることができるが、１０００℃以上の温度で１０数分〜数１０分程度加熱して炭化物を溶解させたのち急冷することにより行われる。

つぎに、上記フッ化処理について詳しく説明する。

上記フッ化処理に用いられるフッ素系ガスとしては、ＮＦ_３，ＢＦ_３，ＣＦ_４，ＨＦ，ＳＦ_６，Ｃ_２Ｆ_６，ＷＦ_６，ＣＨＦ_３，ＳｉＦ_４，ＣｌＦ_３等からなるフッ素化合物ガスがあげられる。これらは、単独でもしくは２種以上併せて使用される。

また、これらのガス以外にも、分子内にフッ素（Ｆ）を含むフッ素系ガスも本発明のフッ素系ガスとして用いることができる。また、このようなフッ素化合物ガスを熱分解装置で熱分解させて生成させたＦ_２ガスや、あらかじめ作られたＦ_２ガスも上記フッ素系ガスとして用いることができる。このようなフッ素化合物ガスとＦ_２ガスとは、場合によって混合使用することができる。

これらのなかでも、本発明に用いるフッ素系ガスとして最も実用性を備えているのはＮＦ_３である。上記ＮＦ_３は、常温においてガス状を呈し、化学的安定性が高く、取扱いが容易だからである。このようなＮＦ_３ガスは、通常、後述するように、Ｎ_２ガスと組み合わせて、所定の濃度範囲内で希釈して用いられる。

上記に例示された各種のフッ素系ガスは、それのみで用いることもできるが、通常はＮ_２ガス等の不活性ガスで希釈されて使用される。このような希釈されたガスにおけるフッ素系ガス自身の濃度は、例えば、容量基準で１００００〜１０００００ｐｐｍであり、好ましくは２００００〜７００００ｐｐｍ、より好ましくは、３００００〜５００００ｐｐｍである。

上記フッ素系ガスを雰囲気ガスとして用いたフッ化処理は、後述するようなマッフル炉等の雰囲気加熱炉を使用し、炉内に未処理のオーステナイト系ステンレス鋼を装入し、上記濃度のフッ素系ガス雰囲気下において加熱状態で保持することにより行われる。

このときの、加熱保持は、オーステナイト系ステンレス鋼自体を、例えば、１８０〜６００℃、好適には２００〜４５０℃の温度に保持することによって行われる。上記フッ素系ガス雰囲気中での上記オーステナイト系ステンレス鋼の保持時間は、通常は、１０数分〜数時間に設定される。オーステナイト系ステンレス鋼をこのようなフッ素系ガス雰囲気下で加熱処理することにより、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に形成されたＣｒ_２Ｏ_３を含む不働態皮膜が、フッ化膜に変化する。上記不働態被膜は従来浸炭不可能とされてきたが、フッ化処理を行うことにより、上記不働態被膜がフッ化膜に変化する。このフッ化膜は、不働態皮膜に比べ、浸炭に用いる炭素原子の浸透を容易にし、オーステナイト系ステンレス鋼の表面は、上記フッ化処理によって炭素原子の浸透の容易な表面状態になるものと考えられる。

つぎに、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記オーステナイト系ステンレス鋼に対して浸炭処理を行う。

浸炭処理は上記オーステナイト系ステンレス鋼自体を６８０℃以下の浸炭処理温度に加熱し、ＣＯ＋Ｈ_２からなる浸炭用ガス、または、ＲＸガス〔ＣＯ２３容量％，ＣＯ_２１容量％，Ｈ_２３１容量％，Ｈ_２Ｏ１容量％，残部Ｎ_２〕＋ＣＯ_２からなる浸炭用ガス等を用い、炉内を浸炭用ガス雰囲気にして行われる。この浸炭用ガス雰囲気に、必要に応じてプロパンガス等の炭素源ガスをエンリッチすることもできる。

このように、本発明では、浸炭処理を従来公知の浸炭処理に比べて極めて低い温度領域で行うのである。この場合、上記ＣＯ＋Ｈ_２の比率は、ＣＯ２〜５０容量％、Ｈ_２３０〜９０容量％が好ましく、ＲＸ＋ＣＯ_２は、ＲＸが８０〜９０容量％、ＣＯ_２が３〜７容量％の割合が好ましい。また、浸炭に用いるガスは、ＣＯ＋ＣＯ_２＋Ｈ_２も用いられる。この場合、それぞれの比率は、ＣＯ５〜５５容量％、ＣＯ_２１〜３容量％、Ｈ_２５０〜９５容量％の割合が好適である。

上記浸炭処理の際の加熱温度すなわち浸炭処理温度としては、６８０℃以下すなわち４００〜６８０℃の温度が好適である。浸炭処理温度が６８０℃を超えると、オーステナイト系ステンレス鋼の母材自体の軟化が生じたり、浸炭された炭素原子が母材に固溶したクロムと結合してクロム炭化物を生じたりし、母材自体に含まれるクロム量を減少させて表層部の耐蝕性が大幅に低下するうえ、浸炭層に侵入固溶した状態で存在する炭素量が減少し、母材の強度や耐食性が低下するとともに、磁性を帯びることとなるからである。

同様の理由により、上記浸炭処理温度としてより好適なのは４００〜６００℃の温度範囲であり、さらに好適なのは４００〜５５０℃、もっと好適なのは４５０〜５００℃の温度範囲である。本発明においては、上記フッ化処理を行うことにより、このような極めて低温における浸炭処理が可能となり、浸炭処理中にクロム炭化物粒子をほとんど生成させずに母材中に炭素を侵入固溶させ、格子歪みを増大させて母材表層部を強化し、ばね素材にばね性を付与するのである。

このように処理することにより、オーステナイト系ステンレス鋼の表層部に炭素が拡散浸透した炭素固溶層が深く均一に形成される。この炭素拡散層は、基相であるオーステナイト相中に、多量のＣ原子が侵入固溶して格子歪みを起こした状態となっており、母材に比べて著しく硬度の向上を実現している。しかも、上記炭素原子は、母材中のクロムとＣｒ_７Ｃ_３やＣｒ_２３Ｃ_６等の炭化物をほとんど形成することなく結晶格子中に侵入固溶していることから、上記炭素固溶層中にはクロム炭化物粒子が実質的に存在せず、母材に固溶するクロム量を減少させることもないことから、母材と同程度の耐蝕性を維持できる。

また、上記のようにして浸炭処理を行ったオーステナイト系ステンレス鋼は、表面粗度もほとんど悪化せず、膨れによる寸法変化や磁性も生じない。したがって、面粗度低下や寸法変化も少なく、比較的精度よく表面改質をすることができる。また、オーステナイト系ステンレス鋼の中でも、ニッケルを多量に含む安定型オーステナイト系ステンレス鋼や、モリブデンを含有する安定型オーステナイト系ステンレス鋼では、炭素拡散層の耐蝕性がより良好である。

上記のようなフッ化処理および浸炭処理は、例えば、図２に示すような金属製のマッフル炉１で行うことができる。すなわち、このマッフル炉１内において、まずフッ化処理をし、このフッ化処理と同時期もしくはその後に浸炭処理を行う。

また、フッ化処理終了後も浸炭処理が継続していることが好ましい。このようにすることにより、フッ化処理により表面が活性化したばね素材に対して、純粋な浸炭雰囲気でより多くの炭素原子を拡散浸透させることができ、表面強度を高くしたり硬化深さを大きくしたりする際に有利で、ばね性の付与に対して有効だからである。また、上記浸炭処理をフッ化処理の終了を待たずに開始することにより、フッ化による表面の活性化を行ないながら炭素の拡散浸透を行なうことができ、表面強度を高くしたり硬化深さを大きくしたりする際に有利となる。また、上記浸炭処理は、フッ化処理が終了してから開始することもできるし、フッ化処理の開始と同時に浸炭処理を開始してもよいし、フッ化処理の開始後浸炭処理の終了を待たずに浸炭処理を開始してもよい趣旨である。

図２において、１はマッフル炉であり、外殻２と、内部が処理室に形成された内容器４と、上記内容器４と外殻２の間に設けられたヒータ３とを備えている。上記内容器４内には、ガス導入管５および排気管６が連通している。上記ガス導入管５には、浸炭ガスであるＨ_２，ＣＯが充填されたボンベ１５、およびフッ化処理ガスであるＮ_２＋ＮＦ_３，ＣＯ_２が充填されたボンベ１６が連通している。１７は流量計、１８はバルブである。

また、上記排気管６には、排ガス処理装置１４および真空ポンプ１３が接続されている。これにより、内容器４内の処理室内に処理ガスを導入して排出するようになっている。上記処理室内には処理ガスを攪拌するモーター７付きのファン８が設けられている。１１はワークであるオーステナイト系ステンレス鋼からなるばね素材１０が装入されるかごである。

このマッフル炉１内に、例えば、ばね素材１０を入れ、ボンベ１６を流路に接続しＮＦ_３等のフッ素系ガスをマッフル炉１内に導入して加熱しながらフッ化処理をし、ついで排気管６からそのガスを真空ポンプ１３の作用で引き出し、排ガス処理装置１４内で無毒化して外部に放出する。ついで、ボンベ１５を流路に接続しマッフル炉１内に先に述べた浸炭用ガスを導入して浸炭処理を行い、その後、排気管６、排ガス処理装置１４を経由してガスを外部に排出する。この一連の作業によりフッ化処理と浸炭処理が行われる。

上記のようにしてフッ化処理と浸炭処理を行うことにより、オーステナイト系ステンレス鋼の表層部に、炭素固溶層が形成される。

上記フッ化処理および浸炭処理によって形成される炭素固溶層の硬度はＨｖ５７０以上に設定するのが好適であり、Ｈｖ６５０以上であればより好適であり、Ｈｖ７００以上、さらにはＨｖ８００以上やＨｖ９００以上であれば一層好適である。

このようにすることにより、浸炭処理によって形成される炭素固溶層の、特に表面近傍の炭素濃度が十分に高くなり、格子歪みによって十分に強度が向上して優れたばね特性が付与される。また、浸炭処理あがりの中間製品を抜き取り検査することにより、製品のばね特性をある程度予測できるため、中間製品の品質特性の基準をつくり、それに満たないものについては再度フッ化処理と浸炭処理を行うことができ、最終製品の不良率を減少して歩留まりを向上させることができる。特に、上記炭素固溶層の硬度として、母材の表面から測定したマイクロビッカース硬度やヌープ硬度を基準とすることにより、非破壊で製品の検査をできて歩留まり低下を減少できる。

上記浸炭処理において、浸炭処理の温度が高くなり、特に４５０℃を越えると、たとえわずかでもＣｒ_２３Ｃ_６等の炭化物が硬化層すなわち炭素拡散層の表面に析出するという現象が生じることがある。しかし、このような場合でも、その浸炭処理品をＨＦ−ＨＮＯ_３，ＨＣｌ−ＨＮＯ_３等の強酸に浸漬して酸洗処理を行うことにより、表面の析出物が除去され、母材なみの耐蝕性と、ビッカース硬度Ｈｖ８００以上さらにはＨｖ８５０以上、場合によってはＨｖ９００以上の高い表面硬度とを保持自，優れたばね特性を発揮させることができる。また、上記酸洗処理により、Ｆｅ_３Ｏ_４等の酸化物（スケール）を除去することもできる。

このように、本発明は、浸炭後の酸洗処理等によって表面のわずかの析出物や酸化物を除去する場合を含む趣旨である。また、表面の析出物や酸化物を除去しうる処理であれば、ショットブラストや乾式・湿式の各種バレル研磨等の機械的な除去法を採用することもできる。このようなショットブラスト等の機械式研磨は、表面に析出した炭化物や酸化物を除去する目的だけではなく、浸炭処理でスーチングが生じた際の表面のすすの除去等の目的でも行われる。

このようにして製造されたステンレス鋼ばねは、ばね素材が非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼からなり、表面から内部に向かって炭素固溶濃度が少なくなる濃度勾配が形成されている。そして、少なくとも表層部に、母材のオーステナイトに炭素が固溶した炭素固溶層が形成されている。浸炭処理による表面からの炭素の侵入固溶により、母材の炭素固溶部分が強化され、優れたばね性と耐食性，耐摩耗性が付与されるのである。

上記炭素固溶層の深さは、例えば、ばね素材が、比較的板厚の大きい板状もしくは線径の大きな線状である場合、ばね素材の表面から板厚もしくは線径の５％以上の深さに形成するのが好ましい。上記板厚もしくは線径に対する炭素固溶層の深さの比は、１０％以上であればより好ましく、１５％以上であれば一層好ましい。また、この場合の具体的な板厚は、例えば、板厚としては、１ｍｍ以下が好ましく、より好ましい上限値は０．５ｍｍ以下程度である。また、具体的な線径は、例えば１ｍｍ以下が好ましく、より好ましい上限値は０．５ｍｍ以下である。このように、比較的板厚の大きい板状もしくは線径の大きな線状のばね素材において、表層部の上記５％深さの炭素固溶層による表層部の強化によって比較的短時間の浸炭処理で十分なばね性が付与される。

上記炭素固溶層の深さは、例えば、ばね素材が、比較的板厚の小さい板状もしくは線径の小さい線状である場合、ばね素材の表面から板厚もしくは線径の２５％以上の深さに形成するのが好ましい。上記板厚もしくは線径に対する炭素固溶層の深さの比は、３０％以上であればより好ましく、４０％以上であれば一層好ましい。また、この場合の具体的な板厚は、例えば、板厚としては０．２ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０５ｍｍ以下程度に設定される。また、具体的な線径は、例えば０．２ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０５ｍｍ以下程度に設定される。このように、比較的板厚の小さい板状もしくは線径の大きな線状のばね素材において、表層部の上記２５％深さの炭素固溶層による表層部の強化によって強力なばね性が付与される。

これら場合において、上記炭素固溶層が表層部から芯部まで形成され、ばね素材全体が炭素固溶相からなるようにすることもできる。このようにばね素材全体を炭素固溶相とすることにより、ばね素材全体が炭素固溶相として強化され、強力なばね性を発揮する。

そして、上記炭素固溶層または炭素固溶相にはクロム炭化物が実質的に析出していないことから、母材に固溶するクロム量を減少させることもなく、母材であるオーステナイト系ステンレス鋼と同程度の耐蝕性を維持できる。また、表面粗度もほとんど悪化せず、膨れによる寸法変化や磁性も生じないため、面粗度低下や寸法変化も少なく、比較的精度よく表面改質をすることができる。

以上のように、上記ステンレス鋼ばねの製造方法によれば、オーステナイト系ステンレス鋼からなるばね素材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行い、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記ばね素材に対して浸炭処理を行う。このとき、上記フッ化処理により、オーステナイト系ステンレス鋼の表面が活性化されて表面にフッ化膜が形成され、炭素が侵入しやすい状態となる。そして、フッ化処理後に浸炭処理を行うことにより、オーステナイト系ステンレスの表面から炭素が侵入固溶する。侵入固溶した炭素は、クロム炭化物粒子を形成せずに母材表面から内部に向かって拡散し、ばね素材に炭素固溶層または炭素固溶相を形成する。

そして、上記のようにして得られたステンレス鋼ばねは、上記炭素固溶層または炭素固溶相が、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、炭素濃度が高くなって格子歪みが増大し、強度が向上する。したがって、従来のような加工硬化ではなく、浸炭というプロセスによってオーステナイト系ステンレス鋼にばね性を付与することができるのである。そして、上記炭素固溶層または炭素固溶相は、炭素原子がクロム炭化物粒子を形成せずに固溶した状態であることから、母材に固溶するクロム原子が固溶した状態を維持して化合物をつくらないことから、オーステナイト系ステンレス鋼自体が有する耐食性を損なわないばかりか、それ以上の耐食性を発揮するようになる。しかも、オーステナイト系ステンレス鋼自体の非磁性特性も失われることなく維持されるため、磁性を嫌う用途への応用を促進することが可能となるのである。そして、磁気記憶装置やマイクロスイッチ，リレー等の非磁性特性が要求される機器への応用が可能になり、従来のＢｅ−Ｃｕ系合金によるばねよりも大幅にコストを低減することができる。

つぎに、実施例について説明する。

（１）板状ばねの断面写真（サンプル１〜１０）
本発明を適用したステンレス鋼ばねを作成した。下記の処理条件でフッ化処理および浸炭処理を実施した。
〔処理条件〕
母 材 ：ＳＵＳ３１６
フッ化処理 ：１０容量％ＮＦ_３＋残部Ｎ_２雰囲気
３００℃×１８０分
浸炭処理 ：ＣＯ５０容量％＋Ｈ_２１０容量％＋Ｎ_２雰囲気
４７０℃×４〜２６時間

サンプルＮｏ．、板厚、浸炭条件、硬化層深さ寸法（μｍ）、板厚に対する炭素固溶層の深さ比率（％）、炭素固溶層の占める断面面積率（％）、表面硬度（Ｈｖ）、断面写真を示した図番の一覧を下記の表１に示す。

上記表１および図３〜１２からわかるとおり、実施例は、Ｈｖ５７９〜９９５の表面硬度を示し、炭素固溶層すなわち硬化層の占める断面面積比率は２５〜１００％を示した。なお、図３，４，５，７におけるスケールは、図６，８，９に示したものと同様である。

（２）板状ばねのばね限界値（サンプル９）
表１のサンプル９を使用してばね限界値を測定した結果を下記に示す。実施例の板材のばね限界値は、比較例のものよりも飛躍的に向上していることがわかる。なお、試験機は明石製作所製ばね限界値試験機（モーメント型試験機）を使用した。

ばね限界値
Ｋｇｆ／ｍｍ^２ Ｎ／ｍｍ^２
サンプルＮｏ．９（実施例） ８４．８ ８３１
未処理材（比較例） １５５．５ １５２４

（３）板状ばねの曲げ試験（サンプル１１）
下記の処理条件で２ｍｍ厚の板材のフッ化処理および浸炭処理を施したサンプル１１を作成した。
〔処理条件〕
母 材 ：ＳＵＳ３１６
フッ化処理 ：１０容量％ＮＦ_３＋残部Ｎ_２雰囲気
３００℃×１８０分
浸炭処理 ：ＣＯ５０容量％＋Ｈ_２１０容量％＋Ｎ_２雰囲気
４７０℃×２６時間

上記サンプル１１の板材について、図１３に示す装置により先端５Ｒの押圧片で１８０°の曲げ試験を行なった。試験前の炭素固溶層の状態を写真（ａ）に、試験後の押圧側の炭素固溶層の状態を写真（ｂ）に、試験後の裏面側の炭素固溶層の状態を写真（ｃ）に示す。写真（ａ）（ｂ）（ｃ）からわかるように、曲げ加工後でも炭素固溶層の状態に変化はなく、クラックや剥離は見られない。したがって、浸炭による炭素固溶層は、高硬度であると同時に延性も兼ね備え、浸炭処理後の加工が可能であることがわかる。

（４）線状ばねの断面写真と断面硬度分布（サンプル１２）
下記の処理条件で０．３ｍｍ径の線材のフッ化処理および浸炭処理を施したサンプル１２を作成した。
〔処理条件〕
母 材 ：ＳＵＳ３１６
フッ化処理 ：１０容量％ＮＦ_３＋残部Ｎ_２雰囲気
３００℃×１８０分
浸炭処理 ：ＣＯ５０容量％＋Ｈ_２１０容量％＋Ｎ_２雰囲気
４７０℃×１８時間

上記サンプル１２の線材について、断面写真を図１４に示し、断面硬度分布測定結果を図１５に示す。図１４および図１５に示すように、表面硬度はＨｖ８５０程度で硬化深さは約２０μｍであり、表面から芯部に近づくにつれて徐々に硬度が低下していることがわかる。すなわち、表面から深さ方向に炭素濃度の勾配があることがわかる。

（５）線状ばねの引っ張り試験
上記サンプル１２について、引っ張り速度５ｍｍ／ｍｉｎ，チャック間距離７０ｍｍで引っ張り試験を行なった結果を図１６に示す。比較例である未処理材は、引っ張り強度１７５０ＭＰａ程度であるのに対し、実施例であるサンプル１２は２０００ＭＰａ以上の引っ張り強度を示すことがわかる。

サンプル１２と同様の０．３ｍｍ径の線材について、浸炭条件（浸炭時間）を変えて硬化層深さに変化を持たせたサンプルを作成した。実施例として、硬化層深さ１５μｍのもの（硬化層の断面面積率２０％）、２０μｍのもの（硬化層の断面面積率２３％）、３３μｍのもの（硬化層の断面面積率３９％）の３種類を準備し、比較例として未処理材（硬化層深さ０μｍ）および窒化処理材を準備した。

各サンプルの引っ張り試験結果を図１７に示す。図１７からわかるとおり、実施例においては、硬化層深さが大きくなるほど高い引っ張り強度を示し、それぞれ未処理材および窒化処理品よりも高い引っ張り強度であった。

（６）線状ばねの繰り返し曲げ疲労試験
サンプル１２について、図１８に示す試験装置により、繰り返し曲げ疲労試験を行なった。無端状に接続した線材のサンプルを、φ４００ｍｍの円筒と、所定の試験荷重Ｗを与えるφ３００ｍｍの遊び車との間において、φ６０．３ｍｍの２つの試験プーリーによって９０°に曲げるように巻回し、試験速度６０ｃｐｍ，１２０回／分の速さで回転させて繰り返し応力を与えた。

比較例である未処理材および実施例について、３段階に試験荷重を変えた時の引っ張り応力，曲げ応力，全応力，破断までの繰り返し回数を下記の表２に示す。また、未処理材と実施例の破断までの繰り返し数を図１９に示す。ここで、全応力および曲げ応力は、それぞれ下記の式により算出した。なお、弾性率は、比較例の未処理材で１３５ＧＰａ、実施例で１４７ＧＰａであり、線径は０．３ｍｍ、プーリー径は６０．３ｍｍである。
全応力＝引っ張り応力＋曲げ応力
曲げ応力＝弾性率×線径／プーリー径

上記表２および図１９からわかるとおり、実施例は比較例に比べて飛躍的に疲労強度が向上していることがわかる。

以上のように、本発明によって得られたステンレス鋼ばねは、優れた耐摩耗性、耐疲労性、表面硬度、耐食性、ばね性を発揮する。また、溶体化処理材を使用した場合には、非磁性の特性を有するものとなる。したがって、磁気記録装置やコネクタ、リレー、スイッチ等の非磁性が必要とされる分野のばね材として好適に用いることができる。また、本発明の製造方法およびそれによって得られた金属製品は、ばねとしてだけではなく、動力伝達用ワイヤー，制振材，流し台シンク，カメラやノート型パソコン等の外装ケース等の高強度材としても利用することができる。

本発明のステンレス鋼ばねおよびその製法は、磁性を嫌う用途への応用を促進することが可能となる。そして、磁気記憶装置やマイクロスイッチ，リレー等の非磁性特性が要求される機器への応用が可能になり、従来のＢｅ−Ｃｕ系合金によるばねよりも大幅にコストを低減することができる。

本発明のステンレス鋼ばねの製造方法の工程を示す図である。 本発明のステンレス鋼ばねの製造方法に用いる装置を示す構成図である。 実施例（サンプル１）の断面写真である。 実施例（サンプル２）の断面写真である。 実施例（サンプル３）の断面写真である。 実施例（サンプル４）の断面写真である。 実施例（サンプル５）の断面写真である。 実施例（サンプル６）の断面写真である。 実施例（サンプル７）の断面写真である。 実施例（サンプル８）の断面写真である。 実施例（サンプル９）の断面写真である。 実施例（サンプル１０）の断面写真である。 実施例（サンプル１１）の曲げ試験の試験装置を示す図および試験結果を示す断面写真である。 実施例（サンプル１２）の断面写真である。 実施例（サンプル１２）の断面硬度分布である。 実施例（サンプル１２）の引っ張り強度の測定結果を示す図である。 線材ばねの硬化層深さを変えた時の引っ張り強度の変化を示す線図である。 線材ばねの繰り返し曲げ疲労試験方法を示す図である。 線材ばねの繰り返し曲げ疲労試験結果を示す線図である。

符号の説明

１ マッフル炉
２ 外殻
３ ヒータ
４ 内容器
５ ガス導入管
６ 排気管
７ モーター
８ ファン
１０ ばね素材
１１ かご
１３ 真空ポンプ
１４ 排ガス処理装置
１５ ボンベ
１６ ボンベ
１７ 流量計
１８ バルブ

Claims (14)

1. オーステナイト系ステンレス鋼からなるばね素材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行い、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記ばね素材に対して浸炭処理を行って、当該ばね素材の表層部に、クロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶層を形成することを特徴とするステンレス鋼ばねの製造方法。
2. 上記ばね素材は、あらかじめ所定の加工率で冷間加工を施したものである請求項１記載のステンレス鋼ばねの製造方法。
3. 上記ばね素材は、上記冷間加工の後、応力除去焼鈍を行なったものである請求項２記載のステンレス鋼ばねの製造方法。
4. 上記浸炭処理を行なった後のばね素材に対して冷間加工を施す請求項１記載のステンレス鋼ばねの製造方法。
5. 上記冷間加工の後、応力除去焼鈍を行なう請求項４記載のステンレス鋼ばねの製造方法。
6. 上記ばね素材は、あらかじめ溶体化処理を施したものである請求項１記載のステンレス鋼ばねの製造方法。
7. ばね素材が非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼からなり、表面から内部に向かって炭素固溶濃度が少なくなる濃度勾配が形成されていることを特徴とするステンレス鋼ばね。
8. 少なくとも表層部に、母材のオーステナイトに炭素が固溶した炭素固溶層が形成されている請求項７記載のステンレス鋼ばね。
9. 上記ばね素材は板状もしくは線状であり、上記炭素固溶層は、表面から板厚もしくは線径の５％以上の深さに形成されている請求項７または８記載のステンレス鋼ばね。
10. 上記ばね素材は、板厚が１ｍｍ以下の板状もしくは線径が１ｍｍ以下の線状である請求項９記載のステンレス鋼ばね。
11. 上記ばね素材は、板厚が０．２ｍｍ以下の板状もしくは線径が０．２ｍｍ以下の線状であり、上記炭素固溶層は、表面から板厚もしくは線径の２５％以上の深さに形成されている請求項７または８記載のステンレス鋼ばね。
12. 上記炭素固溶層にはクロム炭化物が実質的に析出していない請求項７〜１１のいずれか一項に記載のステンレス鋼ばね。
13. ばね素材が非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼であり、表層部から芯部にわたるばね素材全体が、母材のオーステナイトに炭素が固溶するとともにクロム炭化物が実質的に析出していない炭素固溶相からなることを特徴とするステンレス鋼ばね。
14. 表面硬度がＨｖ５７０以上である請求項７〜１３のいずれか一項に記載のステンレス鋼ばね。

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