JP6565842B2 - フェライト系ステンレス鋼製品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フェライト系ステンレス鋼製の被処理品に対して、浸炭層を形成した後、窒化層を形成するフェライト系ステンレス鋼製品の製造方法に関する。

従来、ステンレス鋼の表面改質方法が検討されてきた。例えば、窒素ガスを含む不活性雰囲気中で、フェライト系ステンレス鋼を窒化温度で加熱する窒化法が知られている（特許文献１参照）。

具体的には、特許文献１においては、窒化層の安定形成のために、内壁が炭素で覆われた加熱炉内で、１１００℃よりも低い温度でフェライト系ステンレス鋼製の被処理品の表面に窒化層を形成する技術が開示されている。

特開２０１４−１８１９３７号公報

しかしながら、従来の窒化層の形成方法においては、炭素濃度の低い被処理品に窒化層を十分に形成することができない場合がある。すなわち、十分な窒化層の形成のためには、処理対象となる被処理品が限定されてしまう。そして、窒化層を十分に形成できないと、マルテンサイト相を十分に形成することができず、フェライト系ステンレス鋼を改質させて硬度を十分に向上させることができなくなる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、素材の炭素濃度に関わらず、窒化層を形成させることができ、硬度の向上が可能なフェライト系ステンレス鋼製品の製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、フェライト系ステンレス鋼製の被処理品（２）に浸炭層（２１）を形成する浸炭工程と、
上記浸炭工程後に、Ｎ₂ガスを含む雰囲気中で上記フェライト系ステンレス鋼の変態点以上の温度で上記被処理品を加熱することにより上記被処理品の表面に窒化層（３）を形成する窒化工程と、を有しており、
上記浸炭層の形成前の上記被処理品の炭素濃度Ａ質量％と、上記浸炭工程後かつ上記窒化工程前における上記浸炭層の表面炭素濃度Ｘ _C 質量％及び上記浸炭層の厚さＬ _C ｍｍと、上記窒化工程後の上記浸炭層の厚さＬ _N ｍｍとが、（Ｘ _C −Ａ）×Ｌ _C ≦（０．３−Ａ）×Ｌ _N の関係を満足する、フェライト系ステンレス鋼製品（１）の製造方法にある。

上記製造方法においては、上記のごとく浸炭工程後に、窒化工程を行う。すなわち、被処理品に対して浸炭層を形成した後、窒化層を形成している。そのため、被処理品の炭素濃度が低くても、浸炭工程において、被処理品の炭素濃度を高めることができるため、窒化工程において十分に窒化層を形成させることが可能になる。

また、浸炭工程における浸炭層の形成により、フェライト系ステンレス鋼の表面に存在する不動態膜を破壊することができるため、窒化工程において窒素がフェライト系ステンレス鋼中に固溶しやすくなる。そのため、窒化層を十分に形成させることができ、被処理品の表面から十分に深い部位まで窒化層を形成させることができる。窒化層は、例えば冷却により、マルテンサイト変態を生じさせることができる。これにより、硬度の高いマルテンサイト相を形成させることができる。したがって、上記製造方法によれば、硬度の高いフェライト系ステンレス鋼製品の製造が可能になる。

また、窒化工程においては、上記のごとく、浸炭層の形成後にフェライト系ステンレス鋼の変態点温度以上という高温で加熱している。そのため、窒化工程においては、浸炭層中の炭素原子を被処理品の内部に拡散させることができる。すなわち、窒化工程においては、浸炭層中への窒素の固溶及び窒化層の形成だけでなく、炭素原子の拡散により被処理品の表面炭素濃度を低下させることができる。この表面炭素濃度の低下により、耐食性の向上が可能になる。すなわち、耐食性を低下させることなく、硬度を向上させることができる。したがって、硬度及び耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼製品の製造が可能になる。

以上のように、上記製造方法によれば、被処理品の炭素濃度に関わらず、窒化層を十分に形成させることができ、硬度の向上が可能なフェライト系ステンレス鋼製品の製造方法を提供することができる。なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、（ａ）浸炭工程における被処理品の断面説明図、（ｂ）窒化工程の初期段階における被処理品の断面説明図、（ｃ）窒化工程の浸炭層の拡散段階及び窒化層の形成進行段階における被処理品の断面説明図。 実施形態１における、フェライト系ステンレス鋼製品の製造時における時間と、温度変化及び圧力変化との関係を示す線図。 実施形態２における加熱炉の模式図。 実験例１における、（ａ）耐食性評価試験後における実施例品の表面を示す図面代用写真、（ｂ）耐食性評価試験後における比較例品の表面を示す図面代用写真。 実験例１における、（ａ）実施例品の断面組織を示す図面代用写真、（ｂ）比較例品の断面組織を示す図面代用写真。 実験例１における、（ａ）円盤状のフェライト系ステンレス鋼製品の斜視図、（ｂ）二等分されたフェライト系ステンレス鋼製品の斜視図。 実験例１における、実施例品における表面からの距離と、ビッカース硬さとの関係を示す説明図。 実験例１における、比較例品における表面からの距離と、ビッカース硬さとの関係を示す説明図。 実験例２における、フェライト系ステンレス鋼素材の炭素含有量Ｃ質量％と、耐食性評価試験後における変色部位の面積率Ｓｃ％との関係を示す線図。 実験例２における、マルテンサイト系ステンレス鋼素材の炭素含有量Ｃ質量％と、ビッカース硬さとの関係を示す線図。 実験例２における、浸炭工程後或いは窒化工程後の炭素濃度分布曲線を示す線図。 実験例２における、浸炭工程後の浸炭層の厚みと炭素濃度との関係を示す線図Ｉ、及び窒化工程後の浸炭層の厚みと炭素濃度との関係を示す線図II。 実験例２における、浸炭工程後の浸炭層の厚みと炭素濃度との関係を示す線図Ｉ、及び窒化工程後の浸炭層の厚みと最表面炭素濃度が０．３質量％となる場合の炭素濃度との関係を示す線図II。 実験例２における、浸炭工程後の浸炭層の厚みと炭素濃度との関係を示す線図Ｉ、及び窒化工程後の浸炭層の厚みと最表面炭素濃度が０．２質量％となる場合の炭素濃度との関係を示す線図II。

（実施形態１）
フェライト系ステンレス鋼製品の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。フェライト系ステンレス鋼製品の製造にあたっては、以下の浸炭工程と窒化工程とを行う。

図１（ａ）に例示されるように、浸炭工程においては、フェライト系ステンレス鋼からなる被処理品２に浸炭層２１を形成する。また、図１（ｂ）及び（ｃ）に例示されるように、窒化工程においては、Ｎ₂ガスを含む雰囲気中でフェライト系ステンレス鋼の変態点以上の温度で被処理品２を加熱する。これにより被処理品の表面に窒化層３を形成する。以下、詳説する。

フェライト系ステンレス鋼製の被処理品２としては、フェライト系ステンス鋼であれば特に限定されず、様々な組成のものを用いることができる。被処理品におけるフェライト系ステンレス素材は、炭素含有量が０．３質量％以下であることが好ましい。この場合には、耐食性がより向上する。この効果をより高めるという観点から、フェライト系ステンレス鋼素材の炭素含有量が０．１２質量％以下であることがより好ましく、０．０１質量％以下であることがさらに好ましい。

浸炭工程及び窒化工程は、例えば後述の実施形態２における図２に例示されるような加熱炉４内において行うことができる。加熱炉４としては、例えばバッチ型、連続型の炉を使用することができる。

浸炭工程における浸炭層２１の形成は、例えばガス浸炭、真空浸炭、プラズマ浸炭により行うことができる。これらの浸炭処理においては浸炭ガスを用いることができる。

浸炭ガスとしては、飽和炭化水素ガス、不飽和炭化水素ガスなどの炭化水素ガスを用いることができる。好ましくは、アセチレンなどの不飽和炭化水素ガスがよい。この場合には、フェライト系スレンレス鋼の表面に存在する不動態膜をより破壊し易くなり、被処理品との反応性を向上させることができる。浸炭ガスとしては、上述の炭化水素ガスを単独で用いることもできるし、炭化水素ガスと例えば不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。

図１（ａ）に例示されるように、浸炭層２１の形成は、真空浸炭により行うことが好ましい。この場合には、フェライト系ステンレス鋼製の被処理品２に浸炭ガスが取り込まれやすくなる。また、浸炭処理にプラズマ発生装置などの特別な装置を必要としないため、低コストでの浸炭が可能になる。

図１（ｂ）、（ｃ）に例示されるように、窒化工程においては、Ｎ₂ガスを含む雰囲気中でフェライト系ステンレス鋼の変態点以上の温度で被処理品２を加熱する。これにより被処理品２の表面に窒化層３を形成する。以下、窒化工程における加熱温度を適宜窒化温度という。

Ｎ₂ガスを含む雰囲気は、少なくともＮ₂を含んでいればよく、さらに不活性ガスを含有していてもよい。また、窒化工程における雰囲気には、浸炭工程において残留した浸炭ガスが含まれていてもよい。残留浸炭ガスは少ない方がよい。好ましくは、Ｎ₂ガスを含む雰囲気はＮ₂ガスがよい。

変態点とは、フェライト系ステンレス鋼素材におけるフェライト相の少なくとも一部がオーステナイト相へ変態を生じる温度である。変態点は、素材の組成によって異なるが、例えば７００〜９００℃である。

また、窒化温度は、窒素の分解温度である９００℃以上であることが好ましい。この場合には、被処理品２への窒素の固溶がより起こり易くなる。窒素の固溶をより容易にするという観点から、窒化温度は１０００℃以上であることがより好ましく、１０５０℃以上であることがさらに好ましい。

窒化温度は、１１００℃以下であることが好ましい。この場合には、被処理品における結晶粒の粗大化を抑制し、強度の低下を抑制することができる。結晶粒の粗大化をより抑制するという観点から、窒化温度は、１０５０℃以下であることがより好ましい。

図２に示すごとく、浸炭工程及び窒化工程は、以下の昇温工程（Ｉ）、均熱工程（II）、浸炭ガス導入工程（III）、高温窒化工程（IV）により行い、さらに窒化工程後の被処理品２の焼き入れを行う冷却工程（Ｖ）を行うことができる。図２においては、横軸は時間を示し、左縦軸は温度を示し、右縦軸は圧力を示す。また、図２における太線が温度変化を示し、細線が圧力変化を示す。

昇温工程（Ｉ）及び均熱工程（II）においては、被処理品２を設置した例えば加熱炉の内部を浸炭温度まで昇温させて保持する。浸炭温度は、適宜決定することができるが、例えば１０００〜１１００℃である。図２においては、浸炭温度と窒化温度とが同じである場合を示すが、両者は異なっていてもよい。

浸炭ガス導入工程（III）においては、被処理品２を設置した例えば加熱炉内に浸炭ガスを供給する。これにより、被処理品２に浸炭層２１を形成する浸炭工程を実施することができる（図１（ａ）参照）。浸炭ガスの導入時間は適宜決定することができる。浸炭ガス導入時間、浸炭温度は、例えば後述の実験例２に示す表面炭素濃度Ｘ_C及び浸炭層２１の厚さＬ_Cが所望の関係になるように適宜決定することもできる。

図１（ｂ）、図１（ｃ）、図２に例示されるように、高温窒化工程（IV）においては、窒化温度で加熱炉内にＮ₂ガスあるいはＮ₂ガスを含むガスを供給する。これにより、被処理品２に窒化層３を形成することができる。窒化温度及び窒化時間は、被処理品に要求される硬度に応じて適宜決定することができる。窒化温度及び窒化時間は、例えば後述の浸炭工程後の表面炭素濃度Ｘ_C、浸炭工程後の浸炭層２１の厚さＬ_C、及び窒化工程後の浸炭層２１の厚さＬ_Nが所望の関係になるように適宜決定することもできる。

図２に例示されるように、冷却工程（Ｖ）においては、被処理品２を設置した加熱炉内を窒化温度から所定の温度まで降温させる。冷却工程（Ｖ）においては、窒化層３を有する被処理品２の焼き入れを行うことが好ましい。この場合には、焼き入れにより、窒化層３に硬度の高いマルテンサイト相をより確実に、より十分に形成させることができる。焼き入れは、例えば油冷により被処理品２を急冷することにより行うことができる。

冷却工程後には、被処理品２を例えば０℃以下の低温に冷却するサブゼロ処理を行うことが好ましい。サブゼロ処理は、深冷処理とも呼ばれる。この処理により、被処理品２の素材内部の残留オーステナイト相をマルテンサイト化させることができる。

サブゼロ処理後には、焼き戻しを行うことが好ましい。この場合には、素材内部の不安定組織を安定化させることができる。

本実施形態においては、上述のように浸炭工程後に窒化工程を行っている。図１（ａ）に例示されるように、浸炭工程における浸炭層２１の形成により、被処理品２のフェライト系ステンレス鋼の表面に存在する不動態膜を破壊することができる。そのため、浸炭工程後に行われる窒化工程においては、図１（ｂ）に例示されるように、窒素が被処理品２のフェライト系ステンレス鋼中に固溶しやすくなる。それ故、図１（ｃ）に例示されるように、窒化層３を十分に形成させることができ、被処理品２の表面から十分に深い部位まで窒化層３を形成させることができる。窒化層３は、例えば冷却によりマルテンサイト変態を生じさせることができ、硬度に優れたマルテンサイト相を形成することができる。したがって、本実施形態の製造方法によれば、硬度の高いフェライト系ステンレス鋼製品１の製造が可能になる。

また、窒化工程においては、上記のごとく、浸炭層２１の形成後にフェライト系ステンレス鋼の変態点温度以上という高温で加熱している。そのため、窒化工程においては、浸炭層２１中の炭素原子を被処理品２の内部に拡散させることができる。すなわち、窒化工程においては、浸炭層２１中への窒素の固溶及び窒化層３の形成だけでなく、炭素原子の拡散により被処理品２の表面炭素濃度を低下させることができる。この表面炭素濃度の低下により、耐食性の向上が可能になる。したがって、耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼製品１の製造が可能になる。

以上のように、浸炭工程後に窒化工程を行うことにより、耐食性に優れると共に、硬度の高いフェライト系ステンレス鋼製品１を得ることができる。このようなフェライト系ステンレス鋼製品１は、耐食性や硬度が要求される種々の用途に利用できる。例えば、自動車のエンジン制御部品、燃料系部品、排気系部品が挙げられる。

（実施形態２）
本実施形態においては、図３に例示される加熱炉４を用いて浸炭工程及び窒化工程を行うことにより、円盤状のフェライト系ステンレス鋼製品１を製造する例である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図３に例示されるように、加熱炉４は浸炭窒化室５と冷却室６とを備える。浸炭窒化室５は、図示を省略するヒータを備えており、このヒータによって内部が加熱される。冷却室６は、冷却用の油槽６１と、図示を省略する昇降装置とを備えており、この昇降装置により、浸炭層２１及び窒化層３が形成された被処理品２、すなわち、フェライト系ステンレス製品１が油槽６１に出し入れされる。

浸炭窒化室５及び冷却室６の双方には、真空ポンプ４１と、大気圧以上に加圧可能な窒素ガスボンベ４２とが接続されている。また、浸炭窒化室５には、例えばアセチレンガスのような浸炭ガスを少なくとも含有する浸炭ガスボンベ５１がマスフローコントローラ５２を通じて接続されている。なお、マスフローコントローラを、以下適宜ＭＦＣという。また、加熱炉４は、浸炭窒化室５と冷却室６との間に、フェライト系ステンレス鋼製品１を移動可能な搬送装置を備えている。図２においては、搬送装置の図示は省略している。

本実施形態の加熱炉４を用いたフェライト系ステンレス鋼製品１の製造にあたっては、まず、浸炭窒化室５内にフェライト系ステンレス鋼からなる直径φ１５ｍｍ×厚み２ｍｍの円盤状の被処理品２を配置した。

次いで、図示を省略したヒータにより浸炭窒化室５内の昇温を開始した。そして、浸炭窒化室５内を例えば浸炭温度１０５０℃まで昇温させた（昇温工程）。次いで、この浸炭温度で１０分間保持しながら（均熱工程）、真空ポンプ４１で真空引きをすることにより浸炭窒化室５内を真空状態まで減圧した。

次に、ＭＦＣ５２を調整しながら、所定の流速で浸炭ガスボンベ５１から浸炭ガスとしてアセチレンガスを浸炭窒化室５内に導入した（浸炭ガス導入工程）。本実施形態においては１分間かけて浸炭ガスを導入した。これにより、被処理品２に浸炭層２１が形成される。浸炭層２１の形成時間を短縮させることによって生産性を向上させるという観点から、浸炭ガスの導入時間は５分以下が好ましく、３分以下がより好ましく、２分以下がさらに好ましい。

次いで、窒素ガスボンベ４２から浸炭窒化室５内に窒素ガスを導入し、浸炭窒化室５内を上述の温度１０５０℃にてさらに１２０分間保持した（高温窒化工程）。これにより、浸炭層２１が形成された被処理品に窒素を固溶させると共に、窒化層３が形成される。さらに、高温窒化工程においては、浸炭層２１の炭素が被処理品２の表面側から内部側に拡散する。

次に、ヒータを停止させ、図示を省略する搬送装置により、浸炭層２１及び窒化層３１が形成されたフェライト系ステンレス鋼製品１を窒化室５から冷却室６へ搬送させた。さらに、冷却室６内において、図示を省略する昇降装置により、フェライト系ステンレス鋼製品１を油槽６１内に浸し、油冷を行った。この油冷により、フェライト系スレンレス鋼の窒化層３にマルテンサイト変態を生じさせ、マルテンサイト相が形成される。油冷後、昇降装置によりフェライト鋼ステンレス製品１を油槽から引き上げた。

次いで、サブゼロ処理を行った後、焼き戻し処理を行うことにより、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼製品１を得た。このようにして得られたフェライト系ステンレス鋼製品１は、後述の実験例１に示すように、優れた耐食性と硬さとを兼ね備えていた。

（実験例１）
本例においては、浸炭工程後に窒化工程を行って作製したフェライト系ステンレス鋼製品（すなわち、実施例品）と、浸炭工程を行うことなく、窒化工程を行って作製したフェライト系ステンレス鋼製品（すなわち、比較例品）の耐食性と硬さの評価を行う。実施例品は、上述の実施形態２と同様にして作製したフェライト系ステンレス鋼製品である。比較例品は、アセチレンガスを導入しなかった点を除いては、上述の実施形態２と同様にして作製したフェライト系ステンレス鋼製品である。

＜耐食性評価＞
ＪＩＳ Ｚ２３７１：２０００に準拠して中性塩水噴霧試験を行い、実施例品及び比較例品の耐食性を評価した。塩水の噴霧は連続で行った。試験後、表面の変色の有無を目視にて観察した。実施例品の結果を図４（ａ）に示し、比較例品の結果を図４（ｂ）に示す。

＜硬さ評価＞
（１）断面組織観察
円盤状の実施例品及び比較例品を直径方向に二等分するように切断し、その断面組織を倍率１００倍の光学顕微鏡にて観察した。実施例品の断面組織写真を図５（ａ）に示し、比較例品の断面組織写真を図５（ｂ）に示す。なお、図５（ａ）における矢印は、マルテンサイト相が表面から所定の深さにおける全域に形成された領域を示す。

（２）ビッカース硬さの測定
実施例品及び比較例品の表面からの距離Ｌとビッカース硬さＨｖ０．１との関係を調べた。ビッカース硬さＨｖの測定にあたっては、まず、図６（ａ）に例示される、実施例品の円盤状のフェライト系ステンレス鋼製品１を直径方向に二等分するように切断し、図６（ｂ）に例示される半円盤状の試験片１０を得た。その後、図示を省略する樹脂に試験片１０を埋込み、切断面１０１を研磨した後、切断面１０１のビッカース硬さを測定した。測定は、板厚方向における試験片の表面から内部に向かう向き、すなわち、図６（ｂ）の矢印Ａの向きに所定の距離毎に行った。比較例品の測定方法も同様である。実施例品の距離Ｌとビッカース硬さＨｖ０．１との関係を図７に示し、比較例品の距離Ｌとビッカース硬さＨｖ０．１との関係を図８に示す。なお、Ｈｖ０．１とは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して規定され、圧痕による測定荷重を０．１ｋｇｆ、すなわち０．９８Ｎに設定した場合のビッカース硬さを示す。

図４（ａ）に例示されるように、浸炭工程後に窒化工程を行って作製した実施例品においては、腐食によって起こる茶色、茶褐色、黒色などへの変色は、ほとんど観察されなかった。これに対し、浸炭工程を行うことなく窒化工程を行って作製した比較例品においては、変色が観察された。図４（ｂ）における斑模様部分が変色した部分である。したがって、浸炭工程後に窒化工程を行うことにより、耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼製品が得られることがわかる。

また、図５（ａ）に例示されるように、浸炭工程後に窒化工程を行って作製した実施例品においては、マルテンサイト変態によりマルテンサイト相が表面から十分な深さまで形成されていた。したがって、図７に例示されるように、実施例品は、表面から十分に深い位置まで高い硬度を示した。

これに対し、図５（ｂ）に例示されるように、浸炭工程を行うことなく窒化工程を行って作製した比較例品においては、マルテンサイト相が観察されなかった。そして、図８に例示されるように、比較例品は、表面硬度の上昇がなく、表面から内部まで硬度が低い。

以上のように、本例によれば、浸炭工程後に窒化工程を行うことにより、優れた耐食性と硬さとを兼ね備えるフェライト系ステンレス鋼製品が得られることがわかる。

（実験例２）
本例においては、浸炭層の形成前の被処理品の炭素濃度Ａ質量％と、浸炭工程後かつ窒化工程前における浸炭層の表面炭素濃度Ｘ_C質量％と、浸炭工程後かつ窒化工程前における浸炭層の厚さＬ_Cｍｍと、窒化工程後の浸炭層の厚さＬ_Nｍｍとの好ましい関係を調べる。

まず、フェライト系ステンレス鋼素材の炭素濃度Ｃ（単位：質量％）と耐食性との関係を調べた。具体的には、上述の中性塩水噴霧試験を行った。試験後、素材表面を観察し、変色部位の面積率Ｓｃを測定した。変色部位が腐食部位である。素材の炭素濃度Ｃ（単位：質量％）と変色部位の面積率Ｓｃとの関係を図９に示す。

図９に示されるように、炭素濃度が０．３質量％を超える場合には、腐食面積が顕著に増大して耐食性が著しく低下する。したがって、耐食性を十分に確保するという観点から、炭素濃度は０．３質量％以下が好ましいことがわかる。

また、図１０には、フェライト系ステンレス鋼素材の炭素濃度Ｃ（単位：質量％）とビッカース硬さＨｖ０．１との関係を示す。具体的には、炭素濃度の異なる複数のフェライト系ステンレス鋼素材を準備し、これを円盤状に加工した。次いで、実験例１と同様に、円盤状の試験片から半円盤状の試験片を作製し、実験例１と同様に、ビッカース硬さを測定した。その結果を図１０に示す。図１０に示されるように、炭素濃度Ｃが高いほどビッカース硬さが高くなる。一般的に耐摩耗性を確保するためには、５００Ｈｖ０．１を超えることが要求されるという観点から、炭素濃度は０．２質量％以上であることが好ましいことがわかる。

次いで、実施形態２と同様の円盤状の被処理品に浸炭工程及び窒化工程を行う過程において、被処理品のＣ濃度分布を以下の測定装置及び測定条件の電子線マイクロアナライザ（すなわち、ＥＰＭＡ）により測定した。ＥＰＭＡの測定サンプルとしては、円盤状のサンプルを直径方向に切断した半円盤状サンプルを用いた。そして、半円盤状サンプルの厚み方向のＣ濃度を測定することにより、Ｃ濃度分布の測定を行った。
測定装置：株式会社島津製作所製のＥＰＭＡ−１６１０
ＡＣＣ．Ｖ：１５ｋＶ
ビーム径：３μｍ
ビーム電流：２００ｎＡ
サンプリングピッチ：３μｍ
データポイント：４００
サンプリング時間：１秒

測定は、浸炭工程、窒化工程の各工程後に浸炭層が十分な深さまでに形成された部分で行った。具体的には、まず、実施形態２と同様にして浸炭工程を行った後に得られる被処理品について、炭素濃度分布を測定した。次いで、浸炭工程後にさらに窒化工程を行って得られる被処理品について、炭素濃度分布を測定した。その一例を図１１に示す。浸炭工程後の炭素濃度分布と窒化工程後の炭素濃度分布は、最表面の炭素濃度、すなわち高さが異なり、さらに素材炭素濃度Ａへと収束するまでの曲線の形状が異なるものの、図１１の例示と同様の分布曲線を描く。炭素濃度分布は、横軸を被処理品の最表面からの距離（すなわち、深さ）、縦軸を炭素濃度とする分布曲線にて表される。図１１の縦軸は、浸炭工程後の炭素濃度或いは窒化工程後の炭素濃度を示す。

浸炭工程後かつ窒化工程前の炭素濃度分布において、最表面からビーム径１０ポイント分の位置、すなわち、最表面から３０μｍの位置までの炭素濃度の平均値を表面炭素濃度Ｘｃとした。
また、図１１に例示されるように、浸炭工程後の被処理品における炭素濃度分布曲線において、炭素濃度が最表面の１／３となる基準点Ｐにおける接線Ｔ_pと素材炭素濃度Ａとの交点までの距離を、浸炭工程後かつ窒化工程前における浸炭層の厚さＬcとした。

また、図１１に例示されるように、窒化工程後の被処理品における炭素濃度分布曲線において、炭素濃度が最表面の１／３となる基準点Ｐにおける接線Ｔ_pと素材炭素濃度Ａとの交点までの距離を、窒化工程後の浸炭層の厚さＬ_Nとした。
また、被処理品の素材炭素濃度Ａは、上述の浸炭工程や窒化工程を行う前の被処理品のフェライト系ステンレス鋼素材本来の炭素濃度である。

浸炭工程後の浸炭層の厚さ（すなわち、浸炭の深さ）と炭素濃度との関係を線図Ｉに示し、窒化工程後における内部に拡散された浸炭層の厚さと炭素濃度との関係を線図IIの一例を図１２に併記する。図１２における線図Ｉ、線図IIは、炭素濃度分布曲線の直線近似を示す。ここで、浸炭工程後に被処理品内に取り込まれた炭素量は、図１２における斜線領域αで表され、窒化工程後の被処理品内の炭素量は斜線領域βで表される。窒化工程においては浸炭工程において取り込まれた炭素が内部に拡散されるため、窒化工程後の最表面炭素濃度は浸炭工程後に比べて低下するが、被処理品内の炭素量自体は変わらない。すなわち、被処理品内の斜線領域αの面積と斜線領域βの面積は同じとなる。

窒化工程後における被処理品の表面炭素濃度が０．３質量％になったと仮定すると、窒化工程において被処理品中に存在する炭素量は、図１３における斜線領域β₁で表される。耐食性を十分に高めるためには、上述のごとく、窒化工程後における被処理品の表面炭素濃度が０．３質量％以下であることが好ましいという観点から、図１３において、領域αの面積は領域β₁の面積以下であることが好ましい。すなわち、（Ｘ_C−Ａ）×Ｌ_C×１／２≦（０．３−Ａ）×Ｌ_N×１／２の関係を満たす。これは、（Ｘ_C−Ａ）×Ｌ_C≦（０．３−Ａ）×Ｌ_N の関係を満たすことと同義である。したがって、耐食性により優れたフェライト系ステンレス鋼製品を得るため、本フェライト系ステンレス鋼製品の製造方法では、（Ｘ_C−Ａ）×Ｌ_C≦（０．３−Ａ）×Ｌ_N の関係を満足するようにする。

窒化工程後における被処理品の表面炭素濃度が０．２質量％になったと仮定すると、窒化工程において被処理品中に存在する炭素量は、図１４における斜線領域β₂で表される。窒化層をより安定に形成するためには、上述のごとく、窒化工程後における被処理品の表面炭素濃度が０．２質量％以上であることが好ましいという観点から、図１４において、領域αの面積は領域β₁の面積以下であることが好ましい。すなわち、（０．２−Ａ）×Ｌ_N×１／２≦（Ｘ_C−Ａ）×Ｌ_C×１／２であることが好ましい。これは、（０．２−Ａ）×Ｌ_N≦（Ｘ_C−Ａ）×Ｌ_Cであることが好ましいことと同義である。したがって、窒化層をより安定に形成してより硬度の高いフェライト系ステンレス鋼製品を得るためには、０．２−Ａ）×Ｌ_N≦（Ｘ_C−Ａ）×Ｌ_Cであることが好ましい。

素材炭素濃度Ａ質量％と、浸炭工程後かつ窒化工程前における浸炭層の表面炭素濃度Ｘ_C質量％と、浸炭工程後かつ窒化工程前における浸炭層の厚さＬ_Cｍｍと、窒化工程後の浸炭層の厚さＬ_Nｍｍとが上述の関係を満足するように、諸条件を調整できる。すなわち、浸炭工程における浸炭温度及び浸炭時間、窒化工程における窒化温度及び窒化時間などを上記所望の関係を満足するように制御することができる。これにより、耐食性や硬度がより優れたフェライト系ステンレス製品を得ることが可能になる。

本発明は上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、被処理品２の形状は、特に限定されず、用途に応じて種々の形状のものを採用することができる。

１ フェライト系ステンレス鋼製品
２ 被処理品
２１ 浸炭層
３ 窒化層

Claims (5)

1. フェライト系ステンレス鋼製の被処理品（２）に浸炭層（２１）を形成する浸炭工程と、
   上記浸炭工程後に、Ｎ₂ガスを含む雰囲気中で上記フェライト系ステンレス鋼の変態点以上の温度で上記被処理品を加熱することにより上記被処理品の表面に窒化層（３）を形成する窒化工程と、を有しており、
   上記浸炭層の形成前の上記被処理品の炭素濃度Ａ質量％と、上記浸炭工程後かつ上記窒化工程前における上記浸炭層の表面炭素濃度Ｘ _C 質量％及び上記浸炭層の厚さＬ _C ｍｍと、上記窒化工程後の上記浸炭層の厚さＬ _N ｍｍとが、（Ｘ _C −Ａ）×Ｌ _C ≦（０．３−Ａ）×Ｌ _N の関係を満足する、フェライト系ステンレス鋼製品（１）の製造方法。
2. 上記窒化層を有する上記被処理品の焼き入れを行う冷却工程を有する、請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼製品（１）の製造方法。
3. 上記浸炭層の形成前の上記被処理品の炭素濃度Ａ質量％と、上記浸炭工程後かつ上記窒化工程前における上記浸炭層の表面炭素濃度Ｘ_C質量％及び上記浸炭層の厚さＬ_Cｍｍと、上記窒化工程後の上記浸炭層の厚さＬ_Nｍｍとが、（０．２−Ａ）×Ｌ_N≦（Ｘ_C−Ａ）×Ｌ_Cの関係を満足する、請求項１または２に記載のフェライト系ステンレス鋼製品の製造方法。
4. 上記浸炭工程においては、上記被処理品を内部に配置した減圧条件下の加熱炉内を浸炭温度まで加熱し、上記加熱炉内に浸炭ガスを供給することにより、上記浸炭層を形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフェライト系ステンレス鋼製品の製造方法。
5. 上記浸炭ガスは、不飽和炭化水素ガスを少なくとも含有する、請求項４に記載のフェライト系ステンレス鋼製品の製造方法。