JP5608325B2 - ステンレス鋼製品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、変形により、薄い3次元鋼製品を製造する方法に関する。薄い3次元製品は、外囲部を有する製品であり、この外囲部の直交する3方向における寸法は、製品の最大厚さを超えることを理解する必要がある。この製品の最大厚さは、3mm未満であり、1mm未満であることが好ましい。変形には、例えば、深絞り法または型打ち法のような方法が含まれる。

これらの薄い3次元製品の例は、電気回転式シェーバ機器の切断組立体の回転カッターおよび剃り用プレートである。回転式シェーバの最近のいくつかのモデルは、シェービングクリームとともに使用され、水道水で洗浄することができるものである。この場合、強度と成形性をともに有する切断組立体向けのみならず、さらには腐食環境に対して高い耐食性を有する切断組立体向けの種類の鋼が必要となる。

さらに、本発明は、そのような高腐食性環境に対して耐性を有する、薄い3次元製品に関する。

シェーバキャップを製造する方法は、例えば米国特許第6,531,007号で知られている。米国特許第6,531,007号には、シェーバキャップに必要なお椀形状を得るため、特定の組成の鋼シートを深絞り処理する方法が記載されている。米国特許第6,531,007号のこの特定の鋼の組成（サンドビックSandvik 1RK91鋼）は、4wt％のMoを含む。この組成では、成形性と硬度の間での調和がなされ、すなわち、ある強度まで熱処理を行うことが可能となる。得られるシェービングキャップは、耐摩耗性、耐食性および硬度の点で、優れた特性を示す。

Moを4wt％含むため、サンドビック1RK91鋼は、AISI403、AISI410、AISI420、X32Cr14およびX38CrMo13のようなマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて著しく高価である。しかしながら、これらの一般的な市販鋼は、サンドビック1RK91鋼に比べて、耐食性が劣る。

従って、強度と高腐食性環境での耐食性を兼ね備え、変形によって形成される薄い3次元鋼製品を製造するための代替法に対して、ニーズがある。
米国特許第6,531,007号公報

本発明の目的は、変形によって、強度と高耐食性を兼ね備える薄い3次元鋼製品を安価に製造する方法を提供することである。

この目的を達成するため、本発明では、請求項1の特徴により記載された方法が提供される。

本発明の方法は、以降「固溶窒化」と称する、窒素による薄い3次元鋼製品の飽和は、必ずしも表面および表面近傍の領域に限定されず、成形化製品の厚さ全体に広がっても良いという認識を利用するものである。これにより、その後の機械加工処理により、複雑な構造の完成品を製造することが可能となり、あるいは完成品が「固溶窒化」工程に必要な1000℃を超える温度で耐性を有さなくても良くなる。「固溶窒化」処理の特定の利点は、これにより、粒界腐食、ピッティング、およびすき間腐食のような局部的な腐食に対する耐食性が向上することである。

耐食性向上のための処理としての「固溶窒化」処理は、例えば米国特許第5,503,687号で知られている。米国特許第5,503,687号には、ほぼ完成した製品上の水分による腐食に対して、ステンレス鋼の耐食性を向上するための処理法が示されている。米国特許第5,503,687号では、窒素富化が表面層に限られるため、半製品に、未処理材料部を露出させずに、内方拡散層厚さよりも深く、切断および孔開けのような機械加工処理をすることはできない。

この技術の別の問題は、この技術を、ほぼ最終的な形状を有する薄い3次元半製品に適用することができないことである。これは、寸法精度確保の観点から、半製品が高温に耐えることができないためである。

一方、一度ステンレス鋼シートが「固溶窒化」処理されると、降伏強度が上昇するため、この材料の変形により成形化製品を形成する処理は、省略される。

本発明の方法では、主として、フェライト、オーステナイト、マルテンサイトまたはそれらの混合物からなる微細構造を有する、3mm未満の厚さのステンレス鋼のシートが、3次元成形化製品にまで成形される。厚さは、3mm未満であることが重要であり、1mm未満であることが好ましい。窒化処理では、成形化製品の全厚さにわたって、熱力学的平衡を得る必要があるからである。厚さ全体がこの平衡に到達しなかった場合、完成製品までの最終機械加工処理は、米国特許第5,503,687号に示されているような、表面処理に限定される。本発明の利点は、後続の機械加工処理が、表面処理に限定されないことであり、「固溶窒化」処理によって得られた耐食性を損なわずに、切断および孔開け加工を行うことができる。

「固溶窒化」処理は、窒素含有ガス雰囲気下、1000℃から1200℃の間の温度での熱処理を有する。温度、圧力および窒素の富化時間は、成形化製品の厚さ全体で窒素飽和が得られるように選択され、窒素含有量は、重量比で0.3％の下限から、窒素富化の際に、窒化物分離が始まることで定められる上限までの間である。熱処理を実施する上での適当な窒素分圧は、0.01から0.3MPaの間であり、約0.1MPaであることが好ましい。

後続の冷却処理は、窒化物の分離が回避されるような速度および窒素圧力で行われる。これは、例えば、温度が20℃になるまでは、少なくとも5℃／秒の冷却速度で、少なくとも熱処理が実施されるときの窒素分圧から2MPaの間の範囲に設定された窒素圧力下での、循環ガス冷却によって実施されても良い。

必要に応じて、成形化製品は、内部応力を放出して、微細構造を安定化させるため、焼き戻し温度で焼き戻し処理されても良い。焼き戻し処理は、少なくとも半製品が処理された窒素含有雰囲気の窒素圧力までの窒素圧力で、内部応力の少なくとも一部が放出されるのに十分な時間、650℃から100℃の間の温度、好ましくは、200℃から100℃の間の温度に、最終製品を暴露することにより実施されることが好ましい。170℃で約1時間の処理は、適当な焼き戻し処理に適した条件である。

次に、窒素飽和成形化製品は、3次元の鋼製品にまで機械加工処理される。これは、孔開け加工、切断、電気化学式機械加工または電気放電機械加工により、行うことができる。

さらに本発明は、主として、フェライト、オーステナイト、マルテンサイトまたはそれらの混合物からなる、厚さが3mm未満の微細構造を有する3次元鋼製品に関し、この厚さ全体は、0.3wt％の下限から、窒化物の分離が始まることで定められる上限までの間の窒素含有量で飽和される。本発明は、好ましくは、厚さが500μm未満の本発明による製品に関する。これらの製品は、米国特許第5,503,687号に記載の方法では、十分な寸法精度で得ることはできない。

本発明による製品の追加の利点は、その硬度が、サンドビック1RK91鋼の硬度を最大50％上回ることである。

これらの製品の例は、回転カッターと剃り用プレートとを有する回転式シェーバ組立体、電気振動式シェーバのカッター、ヘアートリマーのカッターおよび覆いまたはガード、脱毛用のディスク、食品加工機の強定形ナイフ、ならびにアイロンのサーモスタット用の強折り畳み伸縮スプリングである。

驚くべきことに、本発明による製品は、サンドビック1RK91鋼で構成される製品に比べて、10倍を超える耐摩耗性を示すことが示されている。従って、本発明による製品は、安価であるばかりではなく、耐摩耗性にも優れる。従って、本発明による方法は、回転カッターおよび剃り用プレートを有する回転式シェーバ組立体の製造に、特に適している。

図1に示す回転式シェーバ組立体は、回転カッター1と剃り用プレート2で構成されている。回転カッターは、カッターディスクを有し、このディスク外周に沿って、複数のカッター刃がディスク面からずらした状態で設置されている。刃は、外周に沿って環状となるように配置され、これらは中心軸3に対して対称である。

剃り用プレート2は、厚さが400μmのマルテンサイトステンレス鋼（X32Cr14）のシートから型打ちされたものである。形成された3次元半製品キャップは、1100℃で「固溶窒化」処理され、その後、0.093MPaの窒素圧力で14分間、さらに0.043MPaの窒素圧力で28分間、窒素が厚さ全体に飽和するまで処理される。1MPaの窒素ガス圧力下で、循環ガス冷却が実施され、1100℃から約450℃の間まで、約25℃／秒の速度で冷却処理が実施される。0.2MPaの窒素圧力の下、焼き戻し処理が170℃で60分間実施される。その後、約150μm分の材料厚さを除去するステップを有する電気化学的機械加工により、シェービング面が機械加工され、次に、約100μm分の材料厚さを除去するステップを有する、移動溝の電気化学的機械加工が行われる。次に、中心軸3に対して対称に、ヘアー取り込み開口が、円周方向に開口される。得られた剃り用プレートの窒素量は、約0.4wt％であった。得られた剃り用プレートの硬度は、750HVであった。サンドビック1RK91で構成された同様の剃り用プレートの硬度は、丁度450HVが限界であった。

回転カッター1は、300μmの厚さを有するX32Cr14のシートから型打ちされる。形成された薄い3次元半製品は、1100℃で「固溶窒化」され、その後、半製品が厚さ全体にわたって窒素で飽和するように、0.093MPaの窒素圧力で8分間、さらに0.043MPaの窒素圧力で16分間処理される。1MPaの窒素ガス圧力下で、循環ガス冷却が行われ、その間、約25℃／秒の速度で、1100℃から約450℃の間まで冷却処理が実施される。0.2MPaの窒素圧力下、170℃で60分間、焼き戻し処理が行われる。その後、カッターの脚の先端の電気放電機械加工により、剃り用プレートの移動面と移動溝の整合性調整が行われる。得られた回転カッターの窒素量は、約0.4wt％であった。得られた回転カッターの硬度は、750HVであった。サンドビック1RK91で構成された回転カッターの硬度は、丁度575HVが限界であった。

これらの3次元半製品は、厚さ全体が窒素で飽和されているため、これらは、完成製品まで機械加工することができ、全ての加工表面において、高腐食性環境に対する耐食性は、維持されたままである。

カッター脚と移動溝のそれぞれの機械加工の後、ほぼ最終形状において、回転カッターおよび剃り用プレートの「固溶窒化」が適用された場合、両方の製品において、剃り用プレートの移動溝と回転カッターの移動面との調整に必要な寸法精度が低下する。

エタノール／水（80：20）混合物の2wt％のNaCl溶液にキャップを浸漬することにより評価した場合、「固溶窒化」処理されたシェーバキャップの耐食性は、サンドビック1RK91鋼で構成されたシェーバキャップに匹敵した。168時間後、腐食は生じなかった。「固溶窒化」処理されていないマルテンサイトステンレス鋼キャップでは、168時間後に、激しい腐食が生じた。

回転式シェーバ機器の組立体を示した図である。

Claims (4)

1. 変形により、厚さが3mm未満の3次元完成鋼製品を製作する方法であって、
   主として、オーステナイト、マルテンサイトまたはこれらの混合物からなる微細構造を有するステンレス鋼のシートを、厚さが3mm未満の3次元定形品に構成するステップと、
   前記定形品が厚み全体にわたって、0.3wt％の下限と、窒化物の分離が始まることで定められる上限との間の窒素量で飽和するように、少なくとも8分の間、少なくとも0.01MPaの窒素圧力で、前記定形品を、1000℃から1200℃の間の温度の窒素含有雰囲気で処理するステップと、
   少なくとも5℃／秒の速度、および少なくとも、前記窒素含有雰囲気で処理するステップにおいて使用される前記窒素圧力で、前記定形品を冷却するステップと、
   その後、前記窒素飽和した定形品を、前記完成鋼製品にまで機械加工するステップと、
   を有する、方法。
2. 前記機械加工するステップの前に、前記冷却された定形品を焼き戻し処理するステップを有し、
   前記焼き戻し処理は、内部応力の少なくとも一部が放出されるのに十分な時間である１時間、650℃から100℃の温度で、少なくとも、前記定形品が前記窒素含有雰囲気で処理されたときの前記圧力の窒素圧力に、前記定形品を暴露することにより実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 主として、オーステナイト、マルテンサイトまたはこれらの混合物からなる、厚さが3mm未満の微細構造を有するステンレス鋼の3次元製品であって、
   0.3wt％の下限と、窒化物の分離が始まることで定められる上限との間の窒素量で、厚さ全体にわたって飽和されていることを特徴とする製品。
4. 当該製品は、回転カッターおよび剃り用プレートを有する回転式シェーバ組立体であることを特徴とする請求項3に記載の製品。

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