JP7404721B2 - 金属材料、時計用部品および時計 - Google Patents
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Description
本発明は、時計用部品および時計に関する。
特許文献１には、窒素吸収処理により表面層がオーステナイト化されたフェライト系ステンレス鋼を用いた時計用ハウジング、具体的には、胴や裏蓋が開示されている。
特許文献１では、フェライト系ステンレス鋼の表面層をオーステナイト化することにより、時計用ハウジングとして要求される硬度、耐食性を得られるようにしている。
特許文献１では、フェライト系ステンレス鋼の表面層をオーステナイト化することにより、時計用ハウジングとして要求される硬度、耐食性を得られるようにしている。
窒素ガスを用いたオーステナイト化処理、つまり、窒素吸収処理では、窒素が処理対象物質の表層からフェライト相内に進入し、所定の窒素濃度以上になった部分がオーステナイト化相に変わる。ここで、特許文献１のフェライト系ステンレス鋼では、窒素のフェライト相への進入の移動速度が一様ではないので、場所によりばらつきが生じる。そうすると、表面層のいずれの箇所においても、時計用ハウジングとして要求される硬度、耐食性を得られるために必要な厚さのオーステナイト化相を形成するためには、窒素吸収処理時間が長くなってしまうといった問題がある。
本開示の時計用部品は、質量％で、Ｃｒ：１８～２２％、Ｍｏ：１．３～２．８％、Ｎｂ：０．０５～０．５０％、Ｃｕ：０．１～０．８％、Ｎｉ：０．５％未満、Ｍｎ：０．８％未満、Ｓｉ：０．５％未満、Ｐ：０．１０％未満、Ｓ：０．０５％未満、Ｎ：０．０５％未満、Ｃ：０．０５％未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼を母材とし、前記母材を窒素吸収処理した金属材料から構成される。
本開示の時計用部品において、前記フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃｒ：２０～２２％、Ｍｏ：１．８～２．８％、Ｎｂ：０．０５～０．３５％、Ｃｕ：０．１～０．２％、Ｎｉ：０．２％未満、Ｍｎ：０．５％未満、Ｓｉ：０．３％未満、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０１％未満、Ｎ：０．０１％未満、Ｃ：０．０２％未満を含有していてもよい。
本開示の時計用部品において、前記フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃｒ：１９．５～２０.５％、Ｍｏ：２．２５～２．３５％、Ｎｂ：０．１５～０．２５％、Ｃｕ：０．１～０．１５％、Ｎｉ：０．１％未満、Ｍｎ：０．１％未満、Ｓｉ：０．３％未満、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０１％未満、Ｎ：０．０１％未満、Ｃ：０．０１％未満を含有していてもよい。
本開示の時計は、前記時計用部品を備える。
［実施形態］
以下、本開示の一実施形態の時計１を図面に基づいて説明する。
図１は、時計１を示す正面図である。本実施形態では、時計１は、ユーザーの手首に装着される腕時計として構成される。
図１に示すように、時計１は、金属製のケース２を備える。そして、ケース２の内部には、円板状の文字板１０と、秒針３、分針４、時針５と、りゅうず７と、Ａボタン８と、Ｂボタン９とを備える。なお、ケース２は、本開示の時計用部品の一例である。
文字板１０には、時刻を指示するためのアワーマーク６が設けられている。
以下、本開示の一実施形態の時計１を図面に基づいて説明する。
図１は、時計１を示す正面図である。本実施形態では、時計１は、ユーザーの手首に装着される腕時計として構成される。
図１に示すように、時計１は、金属製のケース２を備える。そして、ケース２の内部には、円板状の文字板１０と、秒針３、分針４、時針５と、りゅうず７と、Ａボタン８と、Ｂボタン９とを備える。なお、ケース２は、本開示の時計用部品の一例である。
文字板１０には、時刻を指示するためのアワーマーク６が設けられている。
次に、本開示の時計用部品であるケース２を構成する金属材料の母材としてのフェライト系ステンレス鋼の成分組成の限定理由について説明する。なお、％の表記は、特に断りのない場合は質量％を意味する。
Ｃｒは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動速度およびフェライト相における窒素の拡散速度を高める元素である。Ｃｒが１８％未満であると、窒素の移動速度および拡散速度が低くなる。さらに、Ｃｒが１８％未満であると、表面層がオーステナイト化されたフェライト系ステンレス鋼の材料としての耐食性が低下する。一方、Ｃｒが２２％を超えると、硬質化して、材料としての加工性が悪化する。さらに、Ｃｒが２２％を超えると、美的外観が損なわれる。そのため、Ｃｒの含有量は、１８～２２％であるのが好ましく、２０～２２％とするのがより好ましく、１９．５～２０．５％とするのがさらに好ましい。
Ｍｏは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動速度およびフェライト相における窒素の拡散速度を高める元素である。Ｍｏが１．３％未満であると、窒素の移動速度および拡散速度が低くなる。さらに、Ｍｏが１．３％未満であると、材料としての耐食性が低下する。一方、Ｍｏが２．８％を超えると、硬質化して、材料としての加工性が悪化する。さらに、Ｍｏが２．８％を超えると、オーステナイト化相の構成組織の不均質化が顕著になり、美的外観が損なわれる。そのため、Ｍｏの含有量は、１．３～２．８％であるのが好ましく、１．８～２．８％であるのがより好ましく、２．２５～２．３５％とするのがさらに好ましい。
Ｎｂは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動速度およびフェライト相における窒素の拡散速度を高める元素である。Ｎｂが０．０５％未満であると、窒素の移動速度および拡散速度が低くなる。一方、Ｎｂが０．５０％を超えると、硬質化して、材料としての加工性が悪化する。さらに、析出部が生成され、美的外観が損なわれる。そのため、Ｎｂの含有量は、０．０５～０．５０％であるのが好ましく、０．０５～０．３５％であるのがより好ましく、０．１５～０．２５％であるのがさらに好ましい。
Ｃｕは、窒素吸収処理において、フェライト相での窒素の吸収を制御する元素である。Ｃｕが０．１％未満であると、フェライト相における窒素含有量のばらつきが大きくなる。一方、Ｃｕが０．８％を超えると、フェライト相への窒素の移動速度が低くなる。そのため、Ｃｕの含有量は、０．１～０．８％であるのが好ましく、０．１～０．２％であるのがより好ましく、０．１～０．１５％であるのがさらに好ましい。
Ｎｉは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散を阻害する元素である。Ｎｉが０．５％以上であると、窒素の移動速度および拡散速度が低下する。さらに、耐食性が悪化するとともに、金属アレルギーの発生等を防止するのが困難になる可能性がある。そのため、Ｎｉの含有量は、０．５％未満であるのが好ましく、０．２％未満であるのがより好ましく、０．１％未満であるのがさらに好ましい。
Ｍｎは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散を阻害する元素である。Ｍｎが０．８％以上であると、窒素の移動速度および拡散速度が低下する。そのため、Ｍｎの含有量は、０．８％未満であるのが好ましく、０．５％未満であるのがより好ましく、０．１％未満であるのがさらに好ましい。
Ｓｉは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散を阻害する元素である。Ｓｉが０．５％以上であると、窒素の移動速度および拡散速度が低下する。そのため、Ｓｉの含有量は、０．５％未満であるのが好ましく、０．３％未満であるのがより好ましい。
Ｐは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散を阻害する元素である。Ｐが０．１０％以上であると、窒素の移動速度および拡散速度が低下する。そのため、Ｐの含有量は、０．１０％未満であるのが好ましく、０．０３％未満であるのがより好ましい。
Ｓは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散を阻害する元素である。Ｓが０．０５％以上であると、窒素の移動速度および拡散速度が低下する。そのため、Ｓの含有量は、０．０５％未満であるのが好ましく、０．０１％未満であるのがより好ましい。
Ｎは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散を阻害する元素である。Ｎが０．０５％以上であると、窒素の移動速度および拡散速度が低下する。そのため、Ｎの含有量は、０．０５％未満であるのが好ましく、０．０１％未満であるのがより好ましい。
Ｃは、窒素吸収処理において、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散を阻害する元素である。Ｃが０．０５％以上であると、窒素の移動速度および拡散速度が低下する。そのため、Ｃの含有量は、０．０５％未満であるのが好ましく、０．０２％未満であるのがより好ましく、０．０１％未満であるのがさらに好ましい。
次に、本開示の具体的な実施例について説明する。
［実施例１］
まず、図２に示すように、Ｃｒ：２０％、Ｍｏ：２．１％、Ｎｂ：０．２％、Ｃｕ：０．１％、Ｎｉ：０．０５％、Ｍｎ：０．５％、Ｓｉ：０．３％、Ｐ：０．０３％、Ｓ：０．０１％、Ｎ：０．０１％、Ｃ：０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼からなる母材１００を製造した。
次に、母材１００に窒素吸収処理を施すことで、図３に示すように、フェライト相で構成された基部２０１と、基部２０１の表面に形成されオーステナイト化された表面層２０２と、フェライト相とオーステナイト化相とが混在する混在層２０３とを備えた金属材料２００を得た。
［実施例１］
まず、図２に示すように、Ｃｒ：２０％、Ｍｏ：２．１％、Ｎｂ：０．２％、Ｃｕ：０．１％、Ｎｉ：０．０５％、Ｍｎ：０．５％、Ｓｉ：０．３％、Ｐ：０．０３％、Ｓ：０．０１％、Ｎ：０．０１％、Ｃ：０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼からなる母材１００を製造した。
次に、母材１００に窒素吸収処理を施すことで、図３に示すように、フェライト相で構成された基部２０１と、基部２０１の表面に形成されオーステナイト化された表面層２０２と、フェライト相とオーステナイト化相とが混在する混在層２０３とを備えた金属材料２００を得た。
窒素吸収処理は、以下に説明する方法により行った。
まず、グラスファイバー等の断熱材で囲まれた処理室と、処理室内を加熱する加熱手段と、処理室内を減圧する減圧手段と、処理室内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入手段とを有する窒素吸収処理装置を用意した。
次に、この窒素吸収処理装置の処理室内に、図２に示す母材１００を設置し、その後、減圧手段により処理室内を２Ｐａまで減圧した。
まず、グラスファイバー等の断熱材で囲まれた処理室と、処理室内を加熱する加熱手段と、処理室内を減圧する減圧手段と、処理室内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入手段とを有する窒素吸収処理装置を用意した。
次に、この窒素吸収処理装置の処理室内に、図２に示す母材１００を設置し、その後、減圧手段により処理室内を２Ｐａまで減圧した。
次に、減圧手段により処理室内の排気を行いつつ、窒素ガス導入手段により窒素ガスを導入し、処理室内の圧力を０．０８～０．１２ＭＰａに保持した。この状態で、加熱手段により処理室内の温度を５℃／分の速度で、１２００℃まで上昇させた。
そして、図３に示す表面層２０２の最も薄い箇所の厚さａが４５０μｍとなるように求めた処理時間である４．０時間、１２００℃の温度を保持させた。なお、前述の処理時間である４．０時間は、事前の試験により求めた。また、前述の表面層２０２の厚さａとして４５０μｍとしたのは、金属材料２００をケースなどの時計用部品として用いる場合に、時計用部品として必要な耐食性や硬度を得ることができる値を事前の実験により求めたところ、上記の値であったためである。
その後、母材１００を水冷により急冷した。これにより、図３に示すように、基部２０１の表面にオーステナイト化された表面層２０２が形成された金属材料２００を得た。なお、図３に示す混在層２０３の厚さｂは、凹凸状に形成されたオーステナイト化相の最も深い箇所から、オーステナイト化相の最も浅い箇所、つまり、表面層２０２の厚さａまでの距離を示すものである。すなわち、混在層２０３の厚さｂは、オーステナイト化相のばらつきの大きさを示すものである。
そして、図３に示す表面層２０２の最も薄い箇所の厚さａが４５０μｍとなるように求めた処理時間である４．０時間、１２００℃の温度を保持させた。なお、前述の処理時間である４．０時間は、事前の試験により求めた。また、前述の表面層２０２の厚さａとして４５０μｍとしたのは、金属材料２００をケースなどの時計用部品として用いる場合に、時計用部品として必要な耐食性や硬度を得ることができる値を事前の実験により求めたところ、上記の値であったためである。
その後、母材１００を水冷により急冷した。これにより、図３に示すように、基部２０１の表面にオーステナイト化された表面層２０２が形成された金属材料２００を得た。なお、図３に示す混在層２０３の厚さｂは、凹凸状に形成されたオーステナイト化相の最も深い箇所から、オーステナイト化相の最も浅い箇所、つまり、表面層２０２の厚さａまでの距離を示すものである。すなわち、混在層２０３の厚さｂは、オーステナイト化相のばらつきの大きさを示すものである。
［実施例２～１０］
母材を構成するフェライト系ステンレス鋼の組成を表１に示すようにし、当該母材に実施例１と同様の窒素吸収処理を施すことで、金属材料を得た。なお、実施例２～１０の処理時間は、それぞれ事前の試験により求めた。
母材を構成するフェライト系ステンレス鋼の組成を表１に示すようにし、当該母材に実施例１と同様の窒素吸収処理を施すことで、金属材料を得た。なお、実施例２～１０の処理時間は、それぞれ事前の試験により求めた。
［比較例１～３］
母材を構成するフェライト系ステンレス鋼の組成を表１に示すようにし、当該母材に実施例１と同様の窒素吸収処理を施すことで、金属材料を得た。なお、比較例１～３の処理時間は、それぞれ事前の試験により求めた。
母材を構成するフェライト系ステンレス鋼の組成を表１に示すようにし、当該母材に実施例１と同様の窒素吸収処理を施すことで、金属材料を得た。なお、比較例１～３の処理時間は、それぞれ事前の試験により求めた。
［表面層厚さａおよび混在層厚さｂの測定］
前記各実施例および各比較例で製造した金属材料の任意の箇所を、表面から深さ方向に沿って、つまり、表面と直交する方向に沿って切断し、その切断面を研磨した後、当該切断面の組織をＳＥＭにより観察して、当該切断面における表面層の厚さａおよび混在層の厚さｂを測定した。そして、表面層の厚さａに対する混在層の厚さｂの割合、つまり「ｂ／ａ」を求めた。ここで、表面層の厚さａはオーステナイト化相で構成された層の厚さであり、例えば、５００から１０００倍でＳＥＭ観察したときの視野内において、表面層の表面から混在層のフェライト相までの最短距離である。あるいは、表面層の表面から混在層のフェライト相までの距離が短い複数点の距離を測定し、その平均値を表面層の厚さａとしてもよい。また、混在層の厚さｂは、フェライト相とオーステナイト化相とが混在する層の厚さであり、例えば、５００から１０００倍でＳＥＭ観察したときの視野内において、表面層と混在層との境界、つまり厚さａから混在層のフェライト相までの最長距離である。あるいは、表面層の表面から混在層のフェライト相までの距離が長い複数点の距離を測定し、その平均値を混在層の厚さｂとしてもよい。
なお、切断面の組織を観察する際に、エッチング剤にてフェライト相を組織エッチングさせてもよい。これにより、オーステナイト化相とフェライト相との境界が明確になるので、切断面の組織を観察しやすくできる。
前記各実施例および各比較例で製造した金属材料の任意の箇所を、表面から深さ方向に沿って、つまり、表面と直交する方向に沿って切断し、その切断面を研磨した後、当該切断面の組織をＳＥＭにより観察して、当該切断面における表面層の厚さａおよび混在層の厚さｂを測定した。そして、表面層の厚さａに対する混在層の厚さｂの割合、つまり「ｂ／ａ」を求めた。ここで、表面層の厚さａはオーステナイト化相で構成された層の厚さであり、例えば、５００から１０００倍でＳＥＭ観察したときの視野内において、表面層の表面から混在層のフェライト相までの最短距離である。あるいは、表面層の表面から混在層のフェライト相までの距離が短い複数点の距離を測定し、その平均値を表面層の厚さａとしてもよい。また、混在層の厚さｂは、フェライト相とオーステナイト化相とが混在する層の厚さであり、例えば、５００から１０００倍でＳＥＭ観察したときの視野内において、表面層と混在層との境界、つまり厚さａから混在層のフェライト相までの最長距離である。あるいは、表面層の表面から混在層のフェライト相までの距離が長い複数点の距離を測定し、その平均値を混在層の厚さｂとしてもよい。
なお、切断面の組織を観察する際に、エッチング剤にてフェライト相を組織エッチングさせてもよい。これにより、オーステナイト化相とフェライト相との境界が明確になるので、切断面の組織を観察しやすくできる。
［窒素含有量の測定］
前記各実施例および各比較例で製造した金属材料について、オーステナイト化された表面層の窒素含有量を、不活性ガス融解熱伝導度法にて測定した。
前記各実施例および各比較例で製造した金属材料について、オーステナイト化された表面層の窒素含有量を、不活性ガス融解熱伝導度法にて測定した。
［評価結果］
表２に、各実施例および各比較例の評価結果を示す。
表２に示すように、本開示の実施例１～１０では、混在層の厚さｂが１２６～１９９μｍとなっており、ｂ／ａが２８～４４％となっている。一方、比較例１～３では、混在層の厚さｂが４００～１２６０μｍとなっており、ｂ／ａが８９～２８０％となっている。これは、比較例１では、Ｍｏが１．３％未満であり、窒素の移動速度および拡散速度が低下したためであると考えられる。また、比較例２では、Ｃｕが０．１％未満であったため、フェライト相における窒素のばらつきが大きくなったためであると考えられる。さらに、比較例３では、Ｎｂが０．０５％未満であったため、窒素の移動速度および拡散速度が低下したためであると考えられる。
このことから、本開示の実施例１～１０では、比較例１～３に比べて、オーステナイト化された表面層が均一に形成されることが示唆された。これは、表２に示すように、本開示の実施例１～１０の組成では、比較例に比べて表面層の窒素含有量が多くなっていることから、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散が促進されたことによるものと考えられる。
これにより、本開示の実施例１～１０では、表面層の厚さａが４５０μｍに達するまでの窒素吸収処理の処理時間が３．７～４．７時間であり、処理時間が１０．０～１２．０時間である比較例１～３に比べて、処理時間を大幅に短縮できることが示唆された。
表２に、各実施例および各比較例の評価結果を示す。
表２に示すように、本開示の実施例１～１０では、混在層の厚さｂが１２６～１９９μｍとなっており、ｂ／ａが２８～４４％となっている。一方、比較例１～３では、混在層の厚さｂが４００～１２６０μｍとなっており、ｂ／ａが８９～２８０％となっている。これは、比較例１では、Ｍｏが１．３％未満であり、窒素の移動速度および拡散速度が低下したためであると考えられる。また、比較例２では、Ｃｕが０．１％未満であったため、フェライト相における窒素のばらつきが大きくなったためであると考えられる。さらに、比較例３では、Ｎｂが０．０５％未満であったため、窒素の移動速度および拡散速度が低下したためであると考えられる。
このことから、本開示の実施例１～１０では、比較例１～３に比べて、オーステナイト化された表面層が均一に形成されることが示唆された。これは、表２に示すように、本開示の実施例１～１０の組成では、比較例に比べて表面層の窒素含有量が多くなっていることから、フェライト相への窒素の移動およびフェライト相における窒素の拡散が促進されたことによるものと考えられる。
これにより、本開示の実施例１～１０では、表面層の厚さａが４５０μｍに達するまでの窒素吸収処理の処理時間が３．７～４．７時間であり、処理時間が１０．０～１２．０時間である比較例１～３に比べて、処理時間を大幅に短縮できることが示唆された。
［変形例］
なお、本開示は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本開示の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本開示に含まれるものである。
なお、本開示は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本開示の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本開示に含まれるものである。
前述した実施形態では、本開示の時計用部品はケース２として構成されていたが、これに限定されない。例えば、本開示の時計用部品は、ベゼル、裏蓋、バンド、りゅうず、ボタン等として構成されていてもよい。
前述した実施形態では、本開示のフェライト系ステンレス鋼を母材とした金属材料は、時計用部品を構成していたが、これに限定されない。例えば、本開示の金属材料は、時計以外の電子機器のケース、つまり、ハウジング等の電子機器用部品を構成していてもよい。このような金属材料から構成されるハウジングを備えることで、電子機器は高い硬度、耐食性を有することができる。
１…時計、２…ケース（時計用部品）、３…秒針、４…分針、５…時針、６…アワーマーク、７…りゅうず、８…Ａボタン、９…Ｂボタン、１０…文字板、１００…母材（フェライト系ステンレス鋼）、２００…金属材料、２０１…基部、２０２…表面層、２０３…混在層。
Claims (4)
- 質量％で、Ｃｒ：１８～２２％、Ｍｏ：１．３～２．８％、Ｎｂ：０．０５～０．５０％、Ｃｕ：０．１～０．８％、Ｎｉ：０．５％未満、Ｍｎ：０．８％未満、Ｓｉ：０．５％未満、Ｐ：０．１０％未満、Ｓ：０．０５％未満、Ｎ：０．０５％未満、Ｃ：０．０５％未満を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼を母材とし、前記母材が窒素吸収処理されていることを特徴とする金属材料。 - 請求項１に記載の金属材料において、
前記フェライト系ステンレス鋼は、
質量％で、Ｃｒ：２０～２２％、Ｍｏ：１．８～２．８％、Ｎｂ：０．０５～０．３５％、Ｃｕ：０．１～０．２％、Ｎｉ：０．２％未満、Ｍｎ：０．５％未満、Ｓｉ：０．３％未満、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０１％未満、Ｎ：０．０１％未満、Ｃ：０．０２％未満を含有する
ことを特徴とする金属材料。 - 請求項１または請求項２に記載の金属材料から構成されることを特徴とする時計用部品。
- 請求項３に記載の時計用部品を備えることを特徴とする時計。
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