JP3148310B2 - ステンレス鋼の耐食性および耐摩耗性改善方法 - Google Patents

ステンレス鋼の耐食性および耐摩耗性改善方法

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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ステンレス鋼の耐摩耗
性及び耐食性を改善するための新規な方法に関し、本発
明の方法により被覆処理されたステンレス鋼は特に耐摩
耗性が必要とされる食品用機器の素材として好ましく利
用できるものである。
【0002】
【従来の技術】SUS304鋼としてJIS G430
3に規格されたステンレス鋼は、表1に示した化学成分
を有し、耐食性材料として幅広い用途がある。このた
め、イオンプレーティング法によるTiN被覆処理用素
地金属としても汎用されている。
【0003】
【表1】
【0004】イオンプレーティング法は、周知のように
金属表面に適宜の金属、金属酸化物等を所望の厚さに被
覆することができる方法であり、このため、素地金属を
苛酷な環境から遮断して保護することが可能となり、長
期間に渡って良好な状態で使用できるので各種用途の機
器に用いる素材の開発に盛んに利用されている。
【0005】しかし、上記イオンプレーティング法によ
るTiN皮膜はそれ自体高い硬度を有し、耐摩耗性に優
れているが、膜厚が薄い場合TiN被覆後のこれらの物
理的性質は素地金属の影響を顕著に受ける。又、鋼中に
非金属介在物(主として硫化物系介在物)が多い場合に
は、これら介在物に起因する欠陥が生じてしまうなどの
欠点がある。
【0006】以上のような理由により、食品用機器など
のように湿式環境下で使用され且つ耐摩耗性が要求され
るような用途には未だ実用化されるには至っていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】耐食用鋼として汎用さ
れているSUS304ステンレス鋼をベースに組成を調
整し、窒化法によりその表面に窒化層を生成させ、これ
を素地金属として用いその表面に優れた環境遮断効果を
持つとされるTiN皮膜をイオンプレーティング法によ
り均一に被覆して、食品用機器などのように湿式環境下
で使用され且つ耐摩耗性が要求されるような用途に用い
ることのできる耐摩耗性及び耐食性に優れたTiN被覆
ステンレス鋼の実用化を図ろうとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記従来技術の
課題を解決するためになされたもので、C:0.08w
t%以下、Si:1.0wt%以下、Mn:0.7wt
%以下、P:0.04wt%以下、S:0.005wt
%以下、Ni:8.0〜12.0wt%、Cr:17.
0〜20.0wt%、Mo:0.40〜0.80wt
%、Cu:0.30〜0.50wt%及び残部がFeで
あるステンレス鋼、又はC:0.08wt%以下、S
i:1.0wt%以下、Mn:0.7wt%以下、P:
0.04wt%以下、S:0.005wt%以下、N
i:8.0〜12.0wt%、Cr:17.0〜20.
0wt%、Mo:0.40〜0.80wt%、Cu:
0.10〜0.30wt%、Bi:0.03〜0.12
wt%及び残部がFeであるステンレス鋼表面に窒化法
を用いて窒化層を20μm〜60μm生成された後、こ
の上にイオンプレーティング法によりTiを下地処理と
して被覆し、更にその上にTiNを直接又はTiCを介
してイオンプレーティング法による全皮膜厚さが1μm
〜3μmとなるように被覆することを特徴とするステン
レス鋼の耐摩耗性及び耐食性改善方法である。
【0009】
【作用】Mn及びSは耐食性に有害な元素であり、これ
らは極力低減(MnS量を低減)させることが望ましい
が、MnS量が減少すると切削性が低下するという問題
が一方で生じる。従って、Mnを0.7wt%以下、S
を0.005wt%以下に調整し、特に切削性が要求さ
れる場合にはBiの添加により切削性の低下を補う。
【0010】Biは0.03wt%未満の添加では切削
性を改善する効果が少なく、0.12wt%を越えて添
加すると鍛造性を害することになるので、0.03〜
0.12wt%の範囲で添加する。
【0011】Niはオーステナイト(γ)系ステンレス
鋼の基本元素であり、γ相を安定にする目的で添加す
る。耐食性に関しては、特に活性態域での腐食を抑制す
る効果がある。又、中性塩化物溶液や非酸化性酸による
腐食に対しても顕著な改善効果があり、不動態を強化す
る作用もある。このような目的でNiは、8.0〜1
2.0wt%の範囲で添加する。
【0012】Crはステンレス鋼にとって必須の元素で
あり、本発明においては17.0〜20.0wt%の範
囲で添加する。
【0013】Moは不動態域を拡げ、耐食性を増す元素
である。しかし、0.40wt%未満の添加では耐食性
が改善されない場合があり、0.80wt%を越えての
添加は改善する効果が添加量の割りには期待できなくな
り、結果的にコスト高を招くため本発明における0.4
0〜0.80wt%の範囲が工業的には最適の範囲であ
る。
【0014】Cuの添加は、非酸化性酸に対する耐食性
を増す作用がある。この作用はMoとの共存で顕著に発
揮される。しかし、過剰な添加は耐有機酸腐食性を低下
させることがあるので、添加範囲を0.30〜0.50
wt%とすることにより各種環境下での耐食性の向上を
図ることができる。しかし、Biを上記のように添加し
た場合には熱間圧延性を損なうことがないように、Cu
は0.10〜0.30wt%の範囲で添加する。
【0015】なお、上記以外のC,Si及びPについて
はJISにおいて定められたSUS304鋼の成分範囲
とする。
【0016】上記のように成分調整したステンレス鋼表
面に窒化法を用い窒化層を20μm〜60μm生成さ
せ、これを素地金属として用いこの上にイオンプレーテ
ィング法によりTiを下地処理として被覆し、更にその
上にTiNを直接又はTiCを介してイオンプレーティ
ング法による全皮膜厚さが1μm〜3μmとなるように
被覆することにより、特に耐摩耗性が必要とされる食品
用機器の素材として好ましく利用できるものとなる。
【0017】
【実施例】次に本発明のステンレス鋼の耐摩耗性及び耐
食性改善方法を詳細に説明するが、本発明の主旨を逸脱
しない限り実施例に限定されるものではない。比較例及
び実施例として用いた鋼の化学成分を表2に示す。又こ
れらに施した窒化処理及びイオンプレーティング処理に
よって形成した膜厚を表3にそれぞれ示す。
【0018】
【表2】
【0019】
【表3】
【0020】窒化処理は、イオン窒化法を用い目的の膜
厚になるように行った。上記窒化処理を施した試料表面
に処理温度300℃、バイアス印加電圧−60Vの条件
でイオンプレーティング処理を行った。イオンプレーテ
ィングは先ず、下地処理としてTiを被覆形成し、次に
この上にTiCを形成し更にこの上にTiNを被覆形成
して3層構成の皮膜とした。
【0021】なお、実施例2のみはTiCを形成せず、
Tiの上にTiNを直接形成して、2層構成の皮膜を形
成した。
【0022】〔耐摩耗性試験〕図1に比較例1,2,
3,4及び5、実施例1及び2の各条件で窒化処理並び
にイオンプレーティング処理を施した金属材料の耐摩耗
性試験結果を示す。試験には摩耗試験機を用い、評価は
摩耗による各試料の重量減少量を比較することにより行
った。
【0023】この図1から、実施例1及び2は他のいず
れの比較例よりも重量減少量が小さいので、表面に形成
された皮膜が十分な耐摩耗性を有していることがわか
る。窒化処理は施してあるがイオンプレーティング処理
を行っていない比較例2、逆に窒化処理を行わずにイオ
ンプレーティング処理のみ施した比較例3の重量減少量
は、実施例1,2に比して多くなっている。このことか
ら、耐摩耗性の改善には窒化処理、イオンプレーティン
グ処理の双方が必要であることがわかる。
【0024】又、窒化処理、イオンプレーティング処理
ともに行っているが、窒化処理により形成した膜厚が1
0μmと薄い比較例4、70μmと厚い比較例5の値も
多いことがわかる。このことから、窒化処理による膜厚
は20μm〜60μmが最適である。素地金属に市販の
SUS304を用い、窒化処理、イオンプレーティング
処理ともに実施例1と同条件で行った比較例1では、実
施例1及び2の重量減少量と比して若干多くなってい
る。このことから、鋼種による違いも認められ、本実施
例における鋼種の方が若干ではあるが耐摩耗性は改善さ
れる。
【0025】〔耐全面腐食性〕図2に比較例1,2,
3,4及び5、実施例1及び2の各条件で窒化処理並び
にイオンプレーティング処理を施した金属材料の希硫酸
水溶液(沸騰、5%H2SO4 )中での腐食速度を示
す。この図2から、実施例1及び2は他のいずれの比較
例よりも腐食速度が小さいので、表面に形成された皮膜
が十分な環境遮断効果を有し、耐食性が改善されること
がわかる。
【0026】図3に比較例1及び5、実施例1の各条件
で窒化処理並びにイオンプレーティング処理を施した金
属材料の希硫酸水溶液(30℃、5%H2SO4 )中で
の自然電位の経時変化を示す。比較例1及び5では浸漬
後間もなく電位が活性態にまで落ち込んでしまったが、
本発明の実施例1では電位の落ち込みは全く認められな
かった。
【0027】これらの比較試験の結果から、本実施例は
硫酸水溶液中における耐全面腐食性に優れているといえ
る。
【0028】〔耐孔食性〕図4に比較例1,4及び5、
実施例1及び2の各条件で窒化処理並びにイオンプレー
ティング処理を施した金属材料の食塩水(30℃、3%
NaCl)中におけるアノード分極曲線を示す。比較例
1及び5では明瞭な活性態溶解域が見られ、比較的卑な
電位から電流の増大すなわち孔食の発生が始まる。一
方、実施例1及び2では活性態溶解域は全く見られず、
電流の増大もはるかに貴な電位まで抑制されている。比
較例4もこれに似た傾向を示したが、実施例1及び2よ
りは劣っている。以上のことから、本実施例は耐孔食性
に優れているといえる。
【0029】
【発明の効果】以上の説明からわかるように、SUS3
04ステンレス鋼をベースに成分調整を施した鋼表面に
窒化法を用いて窒化層を20μm〜60μm生成させた
後、この上にイオンプレーティング法によりTiを下地
処理として被覆し、更にその上にTiNを直接又はTi
Cを介してイオンプレーティング法による全皮膜厚さが
1μm〜3μmとなるように被覆させた本発明によるス
テンレス鋼は、優れた耐摩耗性及び耐食性を有しており
食品用機器などのように湿式環境下で使用され且つ耐摩
耗性が要求されるような用途に好ましく利用できるもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 摩耗試験後の重量減少量を示す図である。
【図2】 希硫酸水溶液(沸騰、5%H2 SO4 )中に
おける腐食速度を示す図である。
【図3】 希硫酸水溶液(30℃、5%H2 SO4 )中
における自然電位の経時変化を示す図である。
【図4】 食塩水(3%NaCl)中におけるアノード
分極曲線である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C22C 38/44 C22C 38/44 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58 C23C 8/26 C22C 38/00 302

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C:0.08wt%以下、Si:1.0
    wt%以下、Mn:0.7wt%以下、P:0.04w
    t%以下、S:0.005wt%以下、Ni:8.0〜
    12.0wt%、Cr:17.0〜20.0wt%、M
    o:0.40〜0.80wt%、Cu:0.30〜0.
    50wt%及び残部がFeであるステンレス鋼、又は
    C:0.08wt%以下、Si:1.0wt%以下、M
    n:0.7wt%以下、P:0.04wt%以下、S:
    0.005wt%以下、Ni:8.0〜12.0wt
    %、Cr:17.0〜20.0wt%、Mo:0.40
    〜0.80wt%、Cu:0.10〜0.30wt%、
    Bi:0.03〜0.12wt%及び残部がFeである
    ステンレス鋼表面に窒化法を用いて窒化層を20μm〜
    60μm生成させた後、この上にイオンプレーティング
    法によりTiを下地処理として被覆し、更にその上にT
    iNを直接又はTiCを介してイオンプレーティング法
    による全皮膜厚さが1μm〜3μmとなるように被覆す
    ることを特徴とするステンレス鋼の耐摩耗性及び耐食性
    改善方法。
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