JP2008069410A - 焼結ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スチーム処理による封孔ができない焼結ステンレス鋼の窒化処理を、効率的かつ内部の窒化が効果的に抑制される方法で行えるようにして表面の必要箇所が窒化処理されているにもかかわらず寸法精度が安定し、強度低下も少ない焼結ステンレス鋼を得ることを課題としている。
【解決手段】焼結した鋼材を、窒化処理温度以上の高温気中で熱処理してその鋼材の表面１ａと外部に連通した内部空孔２の表層に窒化抑制皮膜３を生じさせ、次いで、表面の必要箇所の窒化抑制皮膜３を除去し、その後、窒化処理を施して窒化抑制皮膜を除去した箇所に窒化層を生じさせるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、焼結後に窒化処理を施して必要箇所の表面の耐摩耗性を高めた焼結ステンレス鋼と、その焼結ステンレス鋼を不必要な内部の窒化を抑制して製造する焼結ステンレス鋼の製造方法に関する。

鉄系焼結合金で形成される機械部品の中に、優れた耐摩耗性が要求される部品がある。そのような部品の具体例としては、例えば、ベーンポンプ用のベーンやロータリーコンプレッサに採用されるブレードなどの摺動部品を挙げることができる。この種の部品の耐摩耗性を窒化処理によって高めることは従来から行われているが、焼結合金は、表面の空孔の面積率が５％を越えたものが多く、このようなものは、窒化処理時に外部に連通した内部空孔を伝って雰囲気ガスが合金の内部に入り込み、そのために、内部も窒化が進行し、それが原因で寸法精度が悪化し、また、内部に脆い窒化層が形成されることによって部品の強度が低下することもある。

その不具合を回避するために、鉄系焼結合金については、スチームによる封孔処理を行い、その後に窒化処理を行う方法が通常採られている。スチームによる封孔処理は、焼結合金を高温のスチームに晒して酸化膜（Ｆｅ_３Ｏ_４膜）を生じさせ、母材の表面に現れた空孔を目潰しする。ところが、クロム（Ｃｒ）の含有量が１２％を越えたステンレス鋼については、そのスチームによる封孔処理を適用できない。

そこで、下記特許文献１に示されるように、母材の表面における空孔の面積率を５％以下に制御して内部の窒化を抑制する方法が開発されている。その方法では、バレル研磨、ショットピーニング、平面研磨などで母材の表面に現れた空孔の目を潰す。

しかしながら、その方法では、母材の表面の空孔の面積率を安定化させるのが難しく、空孔の目を完全に潰すのも難しい。そのために、窒化の条件がばらついて窒化後の寸法精度が不安定になったり、内部に窒化が起こって強度がばらついたりすることがあった。なお、空孔の目潰しに時間をかけすぎると方法の実用性が損なわれる。この面での制限もあるため完全な目潰しは難しく、上記の問題を有する方法となっていた。
特開２００２−２４１９０８号公報

この発明は、スチーム処理による封孔ができない焼結ステンレス鋼の窒化処理を、効率的かつ内部の窒化が効果的に抑制される方法で行えるようにして、表面の必要箇所が窒化処理されているにもかかわらず寸法精度が安定し、強度低下も少ない焼結ステンレス鋼を得ることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、焼結と熱処理を行った後に窒化処理して製造される焼結ステンレス鋼であって、表面に窒化層が形成され、外部に連通した内部空孔の表層は窒化抑制皮膜に覆われた焼結ステンレス鋼を提供する。

この焼結ステンレス鋼は、焼結した鋼材を高温気中で熱処理してその鋼材の表面と外部に連通した内部空孔の表層に窒化抑制皮膜を生じさせ、次いで、表面の窒化抑制皮膜を除去し、その後、窒化処理を施して窒化抑制皮膜を除去した箇所に窒化層を生じさせる製造方法で製造することができる。

かかる方法での焼結ステンレス鋼の製造は、鋼材の表層部と外部に連通した内部空孔の表面に前記窒化抑制皮膜を生成するときの熱処理温度を、窒化処理温度以上、かつ、（窒化処理温度+１００℃）、より好ましくは、窒化処理温度以上、かつ、（窒化処理温度+５０℃）までの範囲とするのがよい。

なお、焼結した鋼材の焼き入れと気中での焼き戻しを行う場合には、焼き戻し温度を窒化処理温度以上として焼き戻し工程で鋼材の表面と外部に連通した内部空孔の表層に前記窒化抑制皮膜を生じさせることができる。

また、窒化抑制皮膜の除去は機械加工によって行うことができる。例えば、鉄系焼結合金で形成される摺動部品は、原料混合、圧粉成形、焼結を行った後、窒化処理が必要とされる摺動面などを機械加工して公差内の寸法に納め、その後に窒化処理を施しており、前述の機械加工が必須となっている。その必須の機械加工を行うことで、窒化処理が必要とされる面に形成された窒化抑制皮膜を除去することができる。窒化抑制皮膜は化学処理して除去することもできるが、化学処理では内部空孔の表層に形成された窒化抑制皮膜も除去される可能性があるので、窒化抑制皮膜の除去は機械加工で行うのがよい。

上述したこの発明の方法で製造される焼結ステンレス鋼は、表面に窒化層が形成され、外部に連通した内部空孔の表層が窒化抑制皮膜に覆われて内部の窒化が抑制されているものになる。ここで言う窒化の抑制とは、窒化抑制皮膜なしで窒化処理を行ったときと比較
して窒化の度合いが低くなることを言う。内部の窒化が幾分か進行していても、窒化抑制皮膜なしで窒化処理を行ったときよりも窒化の度合いが低くなっていれば、窒化が抑制されていることになる。

窒化抑制皮膜は、薄い酸化膜によって構成される。ステンレス鋼以外の鉄系焼結合金をスチーム処理して封孔するときに生じるＦｅ_３Ｏ_４膜は窒化を促進するが、大気中あるいは酸化雰囲気中での高温熱処理ではＦｅ_３Ｏ_４膜を除く酸化膜が形成され、それが窒化抑制皮膜となる。

この発明の製造方法では、窒化処理を行う前に高温気中で熱処理を行って鋼材の表面と外部に連通した内部空孔の表層に窒化抑制皮膜を生じさせるので、窒化処理時に雰囲気ガスが内部空孔に入り込んでも窒化抑制皮膜が障壁となって内部の窒化が抑制される。また、この方法は、母材の表面における空孔の面積率に左右されて内部の窒化の度合いがばらつくことがなく、そのために、寸法精度が安定し、強度低下も少ない焼結ステンレス鋼を製造することができる。

また、窒化抑制皮膜の形成は、バッチ炉などを使用して大量の製品を同時に一括処理することができるので、バレル研磨などで目潰しする特許文献１の方法に比べて生産性を高めることができ、コスト面でも有利になる。

このほか、この発明の方法で製造された焼結ステンレス鋼は、寸法精度が安定し、強度低下も少ない。従って、それを材料にして作られる機械部品の信頼性を向上させ、用途も拡大する。

なお、窒化抑制皮膜の生成は、窒化処理時の温度による影響を無くすために、窒化処理の温度よりも高い温度で行う。また、窒化抑制皮膜生成時の温度が高すぎると、焼き戻しと同様の状況が起こって母材の強度が低下するので、処理温度は、（窒化処理温度+１００℃）を上限にするのがよく、（窒化処理温度+５０℃）を上限にすると熱処理による強度低下がより確実に抑えられる。窒化処理温度は、５７０〜５８０℃が一般的である。その一般的な温度で窒化処理を行う場合には、５７０〜６８０℃の範囲の温度で窒化抑制皮膜生成のための熱処理を行うとよい。

この発明の製造方法の実施の形態を説明する。焼結ステンレス鋼は、Ｃｒを１２％以上、２５％以下、Ｃを０．５％以上、１．５％以下含有し、残部鉄（Ｆｅ）と不可避不純物の組成のものや、上記の組成にさらにモリブデン（Ｍｏ）を３．０％以下添加した組成のものが用いられており、この発明の方法ではそのようなものを製造する。

その焼結ステンレス鋼の製造は、先ず、粉末の調合、圧粉成形、焼結の各工程を経て母材を得る。次に、その母材を、例えば、大気中で窒化処理温度以上の温度で熱処理して母材の表面と内部空孔の表層に窒化抑制皮膜（酸化膜）を生じさせる。以上の工程を経て得られる焼結ステンレス鋼の切断面の組織模型を図１に示す。図中１は母材、２は母材１の内部に存在する空孔（内部空孔）である。内部空孔２の中には、外部に連通した空孔が含まれている。図中３は、酸化膜によって構成された窒化抑制皮膜であり、高温での熱処理によって、図に示すように、母材の表面１ａと外部に連通した内部空孔２の表層部にその窒化抑制皮膜３が形成される。窒化抑制皮膜（酸化膜）は、オングストローム単位で表されるような極く薄い膜であるが、図は、構造を理解し易くするために厚みを誇張した膜にしている。

窒化処理は、必要箇所の母材表面の窒化抑制皮膜３を除去した後に行う。窒化処理を必要とする箇所は、多くの場合、寸法精度も要求されるので、切削、研削、研磨などの機械加工を施して要求寸法精度を確保している。その寸法精度確保のための機械加工を行うと
母材表面の窒化抑制皮膜３が除去される。この状態で窒化を行うと、必要箇所の表面が窒化されて図２に示す窒化層４が表面にできる。内部空孔２の表層は、窒化抑制皮膜３に覆われており、その窒化抑制皮膜３が障壁となって窒化処理時に母材１の組織内に窒素が含浸することが抑えられ、母材の内部の窒化が抑制される。

以下に、より詳細な実施例を示す。
−実施例−
Ｆｅ−１７質量％Ｃｒ−１質量％Ｃの組成の合金粉末に１質量％の潤滑剤を添加した混合粉末を成形圧８８２ＭＰａで３０×２５×５ｍｍのサイズに成形し、さらに、得られた圧粉体を真空雰囲気中、１２５０℃、１時間の条件での加熱と加熱後の急冷を実施して焼結と同時に焼き入れを行い、密度：６．８kｇ／ｍ^３、表面の空孔の面積率：１２％の焼結ステンレス鋼の板材（母材）を得た。次いで、大気雰囲気中で焼き戻しを行い、そのときの焼き戻し温度を６００℃、焼き戻し時間を１．５時間として母材の表面と外部に連通している内部空孔の表層に窒化抑制皮膜となる酸化膜を生じさせた。

その後、温度を常温まで下げ、必要箇所の母材表面の窒化抑制皮膜を機械加工して除去した。

以上の工程を経た後、窒素（Ｎ_２）とアンモニア（ＮＨ_３）の混合ガス雰囲気下で５７０℃、本処理３時間+昇温１時間(硫化水素ガスによる前処理を含む)、冷却１時間の条件でガス浸流窒化処理を施して所望箇所が窒化された焼結ステンレス鋼の板材を得た。

また、比較のために、実施例と同一条件で焼き入れを行った後、焼き戻しを、大気中２００℃、１．５時間の条件で行い、その後、表面の必要箇所の機械加工を行って実施例と同じ条件で窒化処理を施した従来法による焼結ステンレス鋼の板材と、実施例と同一条件で焼き入れを行った後の焼き戻しを、真空中６００℃、１．５時間の条件で行い、その後、表面の必要箇所の機械加工を行って実施例と同じ条件で窒化処理を施した比較例の方法による焼結ステンレス鋼の板材も得た。

そして、上記の各方法で得られた試料の酸素量と、窒化処理後の断面の組織と、強度を調べた。酸素量は、試料を分析装置の抽出炉内に設けられた黒鉛るつぼに入れて急速通電加熱し、試料中に含まれる酸素、窒素、水素が還元又は分解されて生じた一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）ガスをＨｅキャリアガスで運搬し、これをガス制御部に通して２系統に分離後、一方の系統に流れた一酸化炭素を赤外線吸収法で測定して求めた。

また、強度は、試験片として２８×２４×４ｍｍのサイズの試験片を用い、国際規格ＩＳＯ３３２５に規定された抗折力測定装置をベースにした評点間距離が１０ｍｍの専用試験装置を作り、この試験装置で荷重を付加した後に試験片が破壊したときの荷重を測定し、下の計算式（１）で試験片の抗折力を求めてその抗折力で表した。比較試験の結果を表１に示す。
抗折力（Ｒ）=（３Ｎｌ）／（２ｂｈ^２）・・・（１）
ここに、Ｎは、試験片が破断したときの荷重、ｌは支点間距離（ｍｍ）、ｂは試験片の厚みに対して直角方向の寸法（ｍｍ）、ｈは荷重印加方向と平行な高さ（厚み）（ｍｍ）である。

窒化抑制皮膜は酸化膜であるので、酸素量が多いことは窒化抑制皮膜の量が多いことを意味する。

以上の各方法で得られた板材の窒化処理後の断面の組織写真を図３〜図５に示す。図３は実施例の方法で製造された焼結ステンレス鋼の板材の組織写真である。これからわかるように、実施例の方法によれば、焼き戻し時に内部空孔の表層に窒化抑制皮膜が形成され、それが窒化処理時に障壁となって内部の窒化が抑制され、窒化層４は窒化抑制皮膜を除去した表面にのみ形成されている。

これに対し、従来法による板材は、図４の組織写真からわかるように、窒化処理が母材の内部にまで及んで内部の一部にも窒化層４(薄くにじんだような状態になっている部分が窒化層)が形成されている。また、比較例の方法で得られた板材は、焼き戻しを真空中で実施したために実施例と同じ焼き戻しの温度でありながら酸化が抑えられて内部空孔の表層に窒化抑制皮膜が生じておらず、そのために、図５の組織写真からわかるように、内部の至る箇所で空孔の表層にも窒化層４が形成されている。

従来法や比較例の方法で窒化が内部にまで及んだ原因は、内部空孔の表層に窒化抑制皮膜がほとんど形成されていないからにほかならない。窒化抑制皮膜（酸化膜）は非常に薄い膜であり、組織写真では確認できないが、実施例の方法によれば組織中の酸素量が多く、測定した酸素量から窒化抑制皮膜（酸化膜）が多く形成されていることがわかる。その窒化抑制皮膜の生成により、同じ条件で窒化処理を行ったときの母材内部の窒化が従来法や比較例の方法よりも抑えられることを組織写真から確認することができる。

この内部の窒化の抑制により、実施例の方法で製造された焼結ステンレス鋼の板材は、従来法や比較例の方法で製造された板材よりも強度（抗折力）が高まっており、性能や信頼性が向上する。

内部空孔の表層部にも窒化抑制皮膜が形成された焼結ステンレス鋼の組織模型を示す図 この発明の方法で製造した焼結ステンレス鋼の窒化処理後の組織模型を示す図 この発明の方法で製造した焼結ステンレス鋼の窒化処理後の組織写真 従来法で製造した焼結ステンレス鋼の窒化処理後の組織写真 比較例の方法で製造した焼結ステンレス鋼の窒化処理後の組織写真

符号の説明

１ 母材
１ａ 表面
２ 内部空孔
３ 窒化抑制皮膜
４ 窒化層

Claims (7)

1. 焼結と熱処理を行った後、窒化処理して製造される焼結ステンレス鋼であって、表面に窒化層（４）が形成され、外部に連通した内部空孔（２）の表層は窒化抑制皮膜（３）に覆われた焼結ステンレス鋼。
2. 前記窒化抑制皮膜（３）が、Ｆｅ_３Ｏ_４膜を除く酸化膜である請求項１に記載の焼結ステンレス鋼。
3. 焼結した鋼材を、窒化処理温度以上の高温気中で熱処理してその鋼材の表面（１ａ）と外部に連通した内部空孔（２）の表層に窒化抑制皮膜（３）を生じさせ、次いで、表面の窒化抑制皮膜（３）を除去し、その後、窒化処理を施して窒化抑制皮膜を除去した箇所に窒化層（４）を生じさせる焼結ステンレス鋼の製造方法。
4. 焼結した鋼材の焼き入れと気中での焼き戻しを行い、焼き戻し時の温度を窒化処理温度以上として焼き戻し工程で鋼材の表面（１ａ）と外部に連通した内部空孔（２）の表層に前記窒化抑制皮膜（３）を生じさせる請求項３に記載の焼結ステンレス鋼の製造方法。
5. 前記熱処理を、窒化処理温度以上、かつ、（窒化処理温度+１００℃）までの範囲の温度下で行って鋼材の表面（１ａ）と外部に連通した内部空孔（２）の表層に前記窒化抑制皮膜（３）を生じさせる請求項３又は４に記載の焼結ステンレス鋼の製造方法。
6. 前記熱処理を、窒化処理温度以上、かつ、（窒化処理温度+５０℃）までの範囲の温度下で行って鋼材の表面（１ａ）と外部に連通した内部空孔（２）の表層に前記窒化抑制皮膜（３）を生じさせる請求項３又は４に記載の焼結ステンレス鋼の製造方法。
7. 前記窒化抑制皮膜（３）の除去を機械加工によって行う請求項３〜６のいずれかに記載の焼結ステンレス鋼の製造方法。