JP2009030131A

JP2009030131A - マルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法

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Publication number: JP2009030131A
Application number: JP2007196998A
Authority: JP
Inventors: Seiken Ryu; 正賢劉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2027-07-30
Also published as: JP4551428B2

Abstract

【課題】浸炭量を制御してマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を最大限度向上する。
【解決手段】連続炉４を４１１予熱領域４１１及びオーステナイト化領域３１２からなる加熱炉４１領域及び冷却炉４５から構成し、変成炉４３でアンモニア４２を加熱分解して生成した窒素及び水素を乾燥器４４を経て気体混合器４７でプロパン４６を加えて、連続炉に導入する。該混合気中の水素によってステンレス鋼の酸化膜が還元されて、プロパン４６中の炭素原子のステンレス鋼基材中への浸炭を促進し、プロパン４６の流量を０．０５〜０．０８ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎに制御することによって過剰の炭素原子がクロムと炭化物を形成して鋭敏化によりステンレス鋼の耐食性が影響を受けるのを防止する。浸透炭素量を制御してステンレス鋼基材中での固溶のみを行わせ、その他に炭化物を形成させない。本発明は浸炭によってマルテンサイト系ステンレス鋼表面の硬度を向上する。
【選択図】図５

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法に関し、特に混合気体中の水素によってステンレス鋼の酸化膜が還元され、プロパンによって提供される炭素原子が容易にステンレス鋼基材中に侵入できるようになり、プロパンの流量を０．０５〜０．０８ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎに制御することによって、過剰の炭素原子がクロムと炭化物を形成して鋭敏化が発生し、ステンレス鋼の耐食性が影響を受けるのを防止する、浸炭によってマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法に関する。

従来技術において鋼板上にねじを螺着させる場合、先ずドリルを使用して孔をあけ、次にタッピング装置を使用してねじ山を切り、そこにねじを螺着させるので、非常に不便である。その後、図１に示すようなセルフドリリングねじ５が案出された。セルフドリリングねじ５は端部に設けられたドリル部５１によって先ず鋼板に穿孔し、次にねじ山５２部分によってドリル部５１によって穿孔された孔にねじ山を切ると同時に直接セルフドリリングねじ５が螺着されるので便利であり、建築または木工などで広く使用されている。

セルフドリリングねじ５は一般にアルミニウム合金、合金鋼、ステンレス鋼などから製造され、ステンレス鋼のセルフドリリングねじ５においてよく使用される材料ではオーステナイト系およびマルテンサイト系がある。オーステナイト系は熱処理技術によって金属組織構造を変化させることができないので、熱処理によって硬度を向上することができない。マルテンサイト系は熱処理技術によって金属組織構造を変更できるので、それによってマルテンサイト系ステンレス鋼の硬度を向上することができる。従って、鋼組織に使用する場合、鋼鉄の硬度は高いのでマルテンサイト系ステンレス鋼のセルフドリリングねじ５を選択する必要があり、硬度、靭性および耐食性などの見地から通常ＡＩＳＩ４１０が選択される。その元素成分を下記に示す。

しかし、マルテンサイト系に熱処理技術におけるオーステナイト化および焼入れを行うとき、空気中の酸素と反応して表面が黒変して光輝が失われるので、水素を添加して保護雰囲気とする必要があり、水素は炉口で酸素と燃焼するので、酸素が炉内に進入するのを防止できる。図２、３は従来技術による熱処理方法を示し、下記の工程を含む。

材料投入工程１１：ステンレス鋼を連続炉２内に投入する。

加熱工程１２：材料投入工程１１で投入されたステンレス鋼を連続炉２の加熱炉２１によって加熱する。加熱炉２１は予熱領域２１１とオーステナイト化領域２１２とに区分され、予熱領域２１１およびオーステナイト化領域２１２の温度は独立して制御および調整が行われる。

分解気体投入工程１３：加熱工程１２での加熱炉２１内の温度が５００℃以上に達したとき、分解気体を連続炉２内に投入する。分解気体は下記の工程によって生成される。アンモニア投入工程１６：アンモニア２２を変成炉２３内に投入する。分解工程１７：アンモニア投入工程１６で投入されたアンモニア２２を変成炉２３によって窒素および水素に分解する。乾燥工程１８：分解工程１７で分解された気体の水分および未分解のアンモニア２２を乾燥器２４内の分子篩で除去する。

冷却工程１４：加熱工程１３においてオーステナイト化するまで加熱されたステンレス鋼を連続炉２の冷却炉２５で急速冷却する。冷却炉２５の後部には下向傾斜領域２５１が設けられる。

窒素添加工程１９：液体窒素２６を蒸発器２７によって気体に蒸発させた後、冷却工程１４の冷却炉２５および下向傾斜領域２５１に送る。

取り出し工程１５：冷却工程１４後のステンレス鋼を送り出すかまたは焼き戻しなどのその他熱処理を行う。

上述の従来技術の光輝熱処理方式は、変成炉２３によってアンモニア２２を分解して水素および窒素の分解気体を生成し、乾燥器２４内に設けられた分子篩によって分解気体の水分および未分解のアンモニアを除去し、水分および未分解のアンモニア２２が高温の下でステンレス鋼と接触してステンレス鋼が光輝を失うのを防止する。分解気体は加熱炉２１の温度が５００℃以上になった後で投入されるので、分解気体中の水素は自己着火し、分解気体が加熱炉２３に充満するに従って炎が加熱炉２３の材料投入部分の方向に移動し、最後に連続炉２の材料投入口部分にフレームカーテンが生成されて外部の酸素が連続炉２内に進入するのを防止し、光輝効果が達成される。また、冷却炉２５および下向傾斜領域２８には窒素が注入され、出口部分は下向傾斜しているので、酸素進入を更に阻止することができる。

しかし、熱処理後のマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度は通常４９０〜５００Ｈｖであり、中心部の硬度は４１０〜４３０であるので、マルテンサイト系ステンレス鋼のセルフドリリングねじ５が３ｍｍのＡＩＳＩ３０４鋼板に対して穿孔するとき、表面硬度が不足するために良好な穿孔を行うことができない。

特許文献１の「オーステナイト系ステンレス鋼と低炭素鋼または低炭素合金鋼とからなるセルフドリリングタッピングねじの製造方法」は、母材が低炭素鋼または低炭素合金鋼であり、予め鍛造または切削によって肩部およびねじ山のない柄部またはドリル部を含む円柱が形成され、浸炭および適当な熱処理後、予め頭部が形成されたねじ山のないオーステナイト系ステンレス鋼円柱とロウ接合され、その後ロウ接合部のバリおよび浸炭鋼円柱の肩部が切削された後、適当な幅の無浸炭硬化領域が形成され、最後に転造ねじ加工および完全焼入れ処理が行われ、頭部およびねじ山を有する柄の締結部がオーステナイト系ステンレス鋼材質で、セルフタッピングねじ山部およびドリル部が低炭素鋼または低炭素合金材質のセルフドリリングタッピングねじが製造される。

上述の「オーステナイト系ステンレス鋼と低炭素鋼または低炭素合金鋼とからなるセルフドリリングタッピングねじの製造方法」は、ロウ接合によって材質が低炭素鋼または低炭素合金鋼のセルフタッピングねじ山およびドリル部と、材質がオーステナイト系の頭部およびねじ山を有する柄部とが接合され、厚い鋼板に使用することができる。

しかし、頭部およびねじ山を有する柄の締結部がオーステナイト系ステンレス鋼材質で、セルフタッピングねじ山部およびドリル部が低炭素鋼または低炭素合金材質のセルフドリリングタッピングねじは製造工程が非常に複雑であるので、製造コストが高くなって生産率が低くなる。また、製造工程が複雑であるのでそれに相応して製造ミスが起こりやすくなり、不良品率が高くなる。また、上述のねじの材質は低炭素鋼または低炭素合金鋼の部分がステンレス鋼ではないので、低炭素鋼または低炭素合金鋼部分の耐食性は劣り、ねじの使用寿命が低下する。
台湾専利公報公告号第２０５０７２号特表２００５−５３３１８５号公報

本発明の目的は、マルテンサイト系ステンレス鋼の靭性および耐食性に影響を与えずに浸炭量を制御してマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を最大限度向上することにある。

上述の課題を解決するために、本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼表面の硬度を向上する方法を提供するものであり、乾燥工程後に気体混合工程およびプロパン投入工程を加えるものである。

プロパン投入工程：プロパンを気体混合器内に投入し、プロパンの流量を微小流量計によって０．０５〜０．０８ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎに制御する。

気体混合工程：乾燥工程後の気体とプロパンとを気体混合器によって混合した後、一緒に加熱炉内に送る。

混合気体中の水素によってステンレス鋼の酸化膜が還元され、プロパンによって提供される炭素原子が容易にステンレス鋼基材中に進入できるようになり、プロパンの流量を０．０５〜０．０８ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎに制御することによって過剰の炭素原子がクロムと炭化物を形成して鋭敏化が発生してステンレス鋼の耐食性が影響を受けるのを防止し、浸炭によってマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する。

本発明の処理方法によってステンレス鋼の表面硬度を大幅に向上することができ、中心部硬度変化は少ないので、靭性を保持できる。また、純水に２４時間浸水させても発錆がない。従って本発明による処理を行った後のステンレス鋼は優れた硬度、靭性および耐食性を備えることができ、本発明のセルフドリリングねじは３ｍｍの厚さのＡＩＳＩ３０４鋼板に３〜４の穿孔を行うことができ、マルテンサイト系ステンレス鋼のセルフドリリングねじの実用性を向上することができる。

本発明の目的、特徴および効果を示す実施例を図に沿って詳細に説明する。

本発明は乾燥工程後に気体混合工程およびプロパン投入工程を加えるものであり、図４、５に示すように下記の工程を含む。

材料投入工程３１：ステンレス鋼を連続炉４内に投入する。

加熱工程３２：材料投入工程３１で投入されたステンレス鋼を連続炉４の加熱炉４１によって加熱する。加熱炉４１は予熱領域４１１とオーステナイト化領域４１２とに区分されており、予熱領域４１１およびオーステナイト化領域４１２の温度は独立して制御および調整が行われる。また、予熱領域４１１の温度は９２０℃〜１０００℃に設定され、オーステナイト化領域４１２の温度は１０２０℃〜１０８０℃に設定され、ステンレス鋼のオーステナイト化時間は３０分である。

混合気体投入工程３３：加熱工程３２での加熱炉４１内の温度が５００℃以上に達したとき、混合気体を連続炉４内に投入する。混合気体は下記の工程によって生成される。アンモニア投入工程３６：アンモニア４２を変成炉４３内に投入する。分解工程３７：アンモニア投入工程３６で投入されるアンモニア４２を変成炉４３によって窒素および水素に分解する。変成炉４３の温度は９２０℃〜９８０℃に設定される。乾燥工程３８：分解工程３７で分解された気体の水分および未分解のアンモニア４２を乾燥器４４内の分子篩で除去する。乾燥器４４によって水分を除去した後の分解気体の露点は−５０℃以下であり、乾燥器４４の後部には流量計４４１が設けられ、流量計４４１によって分解気体の流量を５〜６ｍ^３／ｍｉｎに制御する。プロパン投入工程
３１０：プロパン４６を気体混合器４７内に投入し、該気体混合器の前には微小流量計４６１が設けられて微小流量計４６１がプロパン４６の流量を０．０５〜０．０８ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎに制御する。気体混合工程３９：乾燥工程３８後の分解気体とプロパン投入工程３１０で投入されたプロパン４６とを気体混合器４７によって混合した後、一緒に連続炉４内に送る。

冷却工程３４：加熱工程３２においてオーステナイト化するまで加熱されたステンレス鋼を連続炉４の冷却炉４５で急速冷却する。冷却炉４５の後部には下向傾斜領域４５１が設けられる。冷却炉４５は水タンクに浸漬され、水タンクの水温は室外の冷水塔によって室温に維持される。

窒素添加工程３１１：液体窒素４８を蒸発器４９によって気化させた後、冷却工程３４の冷却炉４５および下向傾斜領域４５１に送る。

取り出し工程３５：冷却工程３４後のステンレス鋼を送り出すかまたは焼き戻しなどのその他熱処理を行う。

本発明は、変成炉４３の温度が９２０℃〜９８０℃に設定されることによってアンモニア４２を分解して水素および窒素の分解気体を生成し、乾燥器４４内に設けられた分子篩によって分解気体の水分および未分解のアンモニアを除去し、分解気体の露点を−５０℃以下にし、水分および未分解のアンモニア４２が高温の下でステンレス鋼と接触してステンレス鋼が光輝しなくなるのを防止する。また、気体混合工程３９によって分解気体とプロパン投入工程３１０において投入されたプロパン４６とが気体混合器４７で混合され、加熱工程３２において加熱炉４１の温度が５００℃以上になった後で混合気体が炉内に投入されるので、混合気体中の水素は自己着火し、分解気体が加熱炉４１に充満するに従って炎が加熱炉４１の材料投入部分の方向に移動し、最後に連続炉４の材料投入口部分にフレームカーテンが発生して外部の酸素が連続炉４内に進入するのを防止し、光輝効果が達成される。また、混合気体中の水素によってステンレス鋼の酸化膜が還元され、本発明において投入されたプロパン４６によって提供される炭素原子が容易にステンレス鋼基材中に進入できるようになって浸炭時間が短縮され、プロパン４６の流量を０．０５〜０．０８ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎに制御することによって過剰の炭素原子がクロムと炭化物を形成して鋭敏化が発生し、ステンレス鋼の耐食性が影響を受けるのを防止する。従って本発明は従来技術における光輝性保持機能を備えるだけでなく、上述の方法によって浸炭効果が達成され、マルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する。

下記の表は本発明の方法によって処理されたセルフドリルねじおよび従来技術によって処理されたセルフドリルねじの３ｍｍのＡＩＳＩ３０４鋼板に対する穿孔および耐食性テストの結果を示したものである。

上記図から分かるように、本発明の処理方式によってステンレス鋼の表面硬度を大幅に向上することができ、中心部硬度変化は少ないので、靭性を保持できる。また、純水に２４時間浸水させても発錆がない。従って本発明による処理工程を行った後のステンレス鋼は優れた硬度、靭性および耐食性を有する。本発明によるセルフドリリングねじは３ｍｍの厚さのＡＩＳＩ３０４鋼板に３〜４の穿孔を行うことができ、マルテンサイト系ステンレス鋼のセルフドリリングねじの実用性を向上することができる。

上述のように、本発明は従来技術で解決できなかった課題を解決できる。本発明は未公開の技術であり、進歩性、実用性を有し、特許申請の要件を満たすものである。

セルフドリリングねじを示す側面図である。従来技術による熱処理工程を示すブロック図である。従来技術による熱処理工程を示す模式図である。本発明による熱処理工程を示すブロック図である。本発明による熱処理工程を示す模式図である。

符号の説明

４連続炉
４１加熱炉
４１１予熱領域
４１２オーステナイト化領域
４２アンモニア
４３変成炉
４４乾燥器
４４１流量計
４５冷却炉
４５１下向傾斜領域
４６プロパン
４６１微小流量計
４７気体混合器
４８液体窒素
４９蒸発器

Claims

ステンレス鋼材を連続炉内に投入する材料投入工程と、
前記材料投入工程で投入された前記ステンレス鋼を予熱領域とオーステナイト化領域とに区分されている連続炉の加熱炉によって加熱する加熱工程と、
アンモニアを変成炉内に投入するアンモニア投入工程と、
前記アンモニア投入工程で投入されたアンモニアを変成炉によって窒素および
水素に分解する分解工程と、
前記分解工程で分解された気体の水分および未分解のアンモニアを乾燥器内の
分子篩で除去する乾燥工程と、
プロパンを上記乾燥工程後の分解気体と混合する気体混合器内に投入するプロ
パン投入工程と、
前記乾燥工程後の分解気体と前記プロパン投入工程で投入されたプロパン
とを気体混合器によって混合する気体混合工程と、
前記加熱工程での加熱炉内の温度が５００℃以上に達したとき、前記混合気体を連続炉内に投入する混合気体投入工程と、
前記加熱工程においてオーステナイト化するまで加熱されたステンレス鋼材を上記のオーステナイト領域に続き、出口側に下向傾斜領域が設けられた連続炉の冷却炉で急速冷却する冷却工程と、
液体窒素を蒸発器によって気体に蒸発させた後、前記冷却炉および下向傾斜領域に送る窒素添加工程と、
前記冷却工程後のステンレス鋼材を送り出すかまたはその他熱処理を行う取り出し工程と、
からなることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法。
前記加熱工程における加熱炉の予熱領域の温度は９２０℃〜１０００℃に設定され、前記加熱工程における加熱炉のオーステナイト化領域の温度は１０２０℃〜１０８０℃に設定され、前記ステンレス鋼のオーステナイト化時間は３０分であることを特徴とする請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法。
前記アンモニアを窒素と水素に分解する分解工程における変成炉の温度は９２０℃〜９８０℃に設定され、前記分解で生成した気体の乾燥工程における乾燥器が水分を除去した後の分解気体の露点は−５０℃以下であり、前記乾燥工程における乾燥器の後方には流量計が設けられ、前記流量計は分解気体の流量を５〜６ｍ^３／ｍｉｎに制御
することを特徴とする請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法。
前記プロパン投入工程における気体混合器の前方には微小流量計が設けられ、微小流量計がプロパンの流量を０．０５〜０．０８ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎに制御することを特徴とする請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法。
前記冷却工程における冷却炉は水タンクに浸漬されて冷却され、該水タンクの水温は室外の冷水塔によって常温に維持されることを特徴とする請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法。
前記取り出し工程におけるその他の熱処理は焼き戻しであることを特徴とする請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の表面硬度を向上する方法。