JPH1018017A

JPH1018017A - オーステナイト系金属に対する浸炭処理方法およびそれによって得られたオーステナイト系金属製品

Info

Publication number: JPH1018017A
Application number: JP17499496A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Kitano; 憲三北野; Kanji Aoki; 寛治青木; Tomomi Shirahata; 知巳白幡; Toshiko Yokoyama; とし子横山
Original assignee: Daido Hoxan Inc
Current assignee: Daido Hoxan Inc
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-01-20

Abstract

(57)【要約】【課題】オーステナイト系金属の芯部硬度の低下を伴う
ことなく表面層の硬度を大幅に向上させ、さらに、オー
ステナイト系金属自体の優れた耐食性が全く失われず、
場合によっては母材以上の耐食性を有する表面層を形成
することのできるオーステナイト系金属に対する浸炭処
理方法およびそれによって得られたオーステナイト系金
属製品を提供する。【解決手段】浸炭処理に先立って、塩素系ガス雰囲気下
でオーステナイト系金属を加熱状態で保持し、ついで浸
炭処理の際の温度を４００〜７００℃の温度に設定して
浸炭処理することにより炭素原子を侵入固溶させ、オー
ステナイト系金属の表面層に炭素濃化層を形成するよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、常温でオーステナ
イト相を呈するオーステナイト金属に対して、表面に炭
素濃化層を形成させ、母材と同等以上の耐食性を得なが
ら、耐摩耗性や耐焼付性等の表面剛性を備えた表面硬化
層を得るオーステナイト系金属に対する浸炭処理方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】オーステナイト系金属、特にその代表で
あるオーステナイト系ステンレスは、高耐食性を有する
うえ、光輝性に富んだ外観で高い装飾性を有するため、
工業製品だけでなく民生用品にまでその用途を拡大しつ
つある。そして、上記オーステナイト系ステンレスは、
食品機械や化学プラント，原子力分野，電子工業等の主
要産業分野において、ファスナー類やバッグ類，シャフ
ト，ノズル，インペラー，ベローズ，金型等多種多様の
機械部品に適用されている。

【０００３】上記のようなオーステナイト系ステンレス
等のオーステナイト系金属は、一般の炭素鋼材料とは異
なり、熱処理による材料強度の向上が困難である。この
ため、従来から、オーステナイト系金属の材料強化は、
最終製品に仕上げるまでの中間加工過程での加工硬化に
依存している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
なオーステナイト系金属の加工硬化による強度アップに
は一定の限界がある。一方、耐摩耗性等、機械部品とし
て要求される表面剛性は、加工硬化のみでは不充分な場
合が多い。そこで、従来から、オーステナイト系金属部
品に特に耐摩耗性等が要求される場合には、硬質クロム
メッキやＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌｖａｐｅｒｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の皮膜コーティング処理、あるい
は、窒化処理のような浸透硬化処理が行われている。

【０００５】しかしながら、上記皮膜コーティング処理
は、一般に皮膜の安定性が悪いために剥離しやすく、膜
厚が薄いうえに処理コストも高いという問題がある。ま
た、上記窒化処理は、低コストで高い表面剛性を得るこ
とができるが、肝心の耐食性の低下が激しいという問題
がある。このような窒化による耐食性の低下は、オース
テナイト系ステンレス等のオーステナイト系金属の耐食
性をつかさどる元素であるクロムが、窒素原子との親和
力が大きいために窒化クロムとなって消費されるからで
あると考えられている。

【０００６】一方、他の浸透硬化処理として、炭素を金
属組織中に浸透させる浸炭処理もあり、一般に中低炭素
鋼等に対して行われている。ところが、従来の浸炭処理
は、鋼のＡ₁変態点である略７００℃を超える温度で処
理が行われるため、被処理物が上記のような高温で長時
間保持されることになる。したがって、浸炭処理をオー
ステナイト系金属製品に適用しようとすると、表面は炭
素の浸透で硬化するものの、せっかく中間加工で加工硬
化した芯部の硬度が低下して製品自体の強度が低くな
る。そのうえ、炭素の浸透により表層部の耐食性が劣化
するという問題がある。これらの問題から、現在までの
ところオーステナイト系金属に対して浸炭処理が適用さ
れることはなかったのが実情である。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、オーステナイト系金属の芯部硬度の低下を伴う
ことなく表面層の硬度を大幅に向上させ、さらに、オー
ステナイト系金属自体の優れた耐食性が全く失われず、
場合によっては母材以上の耐食性を有する表面層を形成
することのできるオーステナイト系金属に対する浸炭処
理方法およびそれによって得られたオーステナイト系金
属製品の提供をその目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のオーステナイト系金属に対する浸炭処理方
法は、浸炭処理に先立って、塩素系ガス雰囲気下でオー
ステナイト系金属を加熱状態で保持し、ついで浸炭処理
の際の温度を４００〜７００℃の温度に設定して浸炭処
理することにより炭素原子を侵入固溶させ、オーステナ
イト系金属の表面層に炭素濃化層を形成することを要旨
とする。

【０００９】また、本発明のオーステナイト系金属製品
は、母材がオーステナイト系金属からなり、表面から１
０〜５０μｍの深さの表面層が炭素原子の浸入によって
炭素濃化層に形成され、この炭素濃化層の硬度がマイク
ロビッカース硬度でＨｖ７００〜１１００に形成され、
上記炭素濃化層が、母材の格子原子の間に炭素原子が侵
入固溶することによりクロム炭化物が存在しないオース
テナイト相から形成されていることを要旨とする。

【００１０】本発明者らは、オーステナイト系金属に対
する表面硬度を向上させるため、一連の研究を重ねる過
程で、浸炭処理に際し、例えば塩化水素ガス（ＨＣｌ）
に代表される塩素系ガス雰囲気下でオーステナイト系金
属を加熱状態で保持すると、オーステナイト系金属に対
し、鋼のＡ₁変態点以下の温度での浸炭処理が可能にな
るのではないかと着想し、これに基づき一連の研究を重
ねた。そして、上記着想のように、浸炭処理に先立っ
て、塩素系ガスで処理することにより、７００℃以下の
低温で浸炭できることを見いだした。そして、このよう
にすることにより、表面から１０〜５０μｍの深さの表
面層が炭素原子の浸入によって硬化した炭素濃化層に形
成され、この炭素濃化層の硬度がマイクロビッカース硬
度でＨｖ７００〜１１００に形成され、上記炭素濃化層
が、母材の格子間に炭素原子が侵入固溶することにより
クロム炭化物が存在しないオーステナイト相から形成さ
れているオーステナイト系金属製品が得られることを見
いだし、本発明に到達した。

【００１１】すなわち、オーステナイト系金属を塩素系
ガス雰囲気下で加熱状態で保持すると、オーステナイト
系金属表面に形成されている不働態皮膜が破壊され、７
００℃以下、さらには５００℃以下の低温領域での浸炭
が可能となるのである。塩素系ガス（例えばＨＣｌ）
は、下記の式（１），（２）に示すように、オーステナ
イト系金属の表面基地と反応して塩化物皮膜を形成し、
同時に基地直上の不働態皮膜も破壊する。

【００１２】

【化１】２ＨＣｌ＋Ｆｅ→ＦｅＣｌ₂＋Ｈ₂ …（１）２ＨＣｌ＋Ｃｒ→ＣｒＣｌ₂＋Ｈ₂ …（２）

【００１３】ついで、ＣＯを含む浸炭性ガス雰囲気下で
浸炭処理することにより、下記の式（３）に示すいわゆ
るブードアー反応により、炭素（Ｃ）がワーク表面に析
出し、オーステナイト系金属の母材に拡散して格子原子
の間に侵入固溶し、表面に炭素濃化層が形成される。こ
のようにして得られたオーステナイト系金属製品は、表
面層に形成された炭素濃化層が硬質で、しかもオーステ
ナイト系金属自体の有する耐食性がほとんど損なわれな
いばかりか、場合によっては母材以上の高度の耐食性を
発揮する。

【００１４】

【化２】２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ₂ …（３）

【００１５】ここで、本発明において、クロム炭化物が
存在しないオーステナイト相とは、金属材料の結晶構造
解析に一般に使用されるＸ線回折計（Ｘ−ＲａｙＤｉ
ｆｆｒａｃｔｉｏｎｍｅｔｅｒ）によって、Ｃｒ₂₃Ｃ
₆，Ｃｒ₇Ｃ₃，Ｃｒ₃Ｃ₂等の結晶質のクロム炭化物
が確認できないオーステナイト相をいう。すなわち、オ
ーステナイト系金属の基相であるオーステナイト相（γ
−相）は、その結晶構造が面心立方格子で格子定数がａ
＝３．５９Åであることから、Ｘ線回折により特定の回
折ピークが得られる。これに対し、Ｃｒ₂₃Ｃ₆は、同じ
面心立方格子であっても、格子定数がａ＝１０．６Åで
あり、Ｃｒ₇Ｃ₃は、三方晶で格子定数がａ＝１４．０
Å，ｃ＝４．５３Åであり、Ｃｒ₃Ｃ₂は、斜方晶で格
子定数がａ＝５．５３Å，ｂ＝２．８２１Å，ｃ＝１
１．４９Åである。このように、これらのクロム炭化物
は、上記オーステナイト相とは結晶構造や格子定数が異
なるため、上記オーステナイト相で得られるＸ線回折ピ
ークとは異なるＸ線回折ピークを生じる。したがって、
炭素濃化層にクロム炭化物が存在すると、Ｘ線回折によ
ってオーステナイト相単相の場合には見られないクロム
炭化物のＸ線回折ピークが現出することになる。一方、
本発明における炭素濃化層は、母材の格子原子の間に炭
素原子が侵入固溶することによりクロム炭化物が存在し
ないオーステナイト相から形成されている。また、上記
炭素原子の侵入固溶によっては、クロム炭化物だけでな
く、他の鉄系の炭化物も形成されない。このため、Ｘ線
回折によってもクロム炭化物等の炭化物のＸ線回折ピー
クが現れないのである。また、上記クロム炭化物および
他の鉄系炭化物とは、通常、粒径が０．１〜５μｍの粒
状のものをいうが、これより微細なクロム炭化物等の炭
化物であれば、炭素濃化層中に含有されていたとしても
表面硬度や耐食性の向上等の効果には支障がなく、Ｘ線
回折によってもクロム炭化物等の炭化物のＸ線回折ピー
クは現れない。すなわち、本発明においてクロム炭化物
が存在しないオーステナイト相とは、粒径が０．１μｍ
以下の超微細なクロム炭化物等の炭化物が含有されたも
のを含むものとする。

【００１６】また、上記炭素濃化層は、炭素原子の侵入
固溶により、母相のオーステナイト相の格子が等方に歪
み膨張し、この歪みによって硬化するが、本発明のオー
ステナイト系金属製品において、上記炭素濃化層中の表
面炭素濃度を、１．２〜２．６重量％にした場合には、
上記歪みがより大きくなり、表面硬度が一層向上する。

【００１７】また、本発明のオーステナイト系金属製品
において、オーステナイト系金属製品を構成するオース
テナイト系ステンレスの材質が、モリブデンを含有する
安定形オーステナイト系ステンレスである場合には、モ
リブデンの耐食性向上作用により、浸炭処理によって形
成される炭素濃化層の耐食性が一層良好になるという効
果が得られるようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態につ
いて詳しく説明する。

【００１９】本発明では、浸炭処理に先立って、塩素系
ガス雰囲気下でオーステナイト系金属を加熱状態で保持
し、ついで浸炭処理の際の温度を４００〜７００℃の温
度に設定して浸炭処理することにより、オーステナイト
系金属の表面層に炭素濃化層を形成させる。

【００２０】オーステナイト系金属としては、まず、そ
の代表であるオーステナイト系ステンレスがあげられ、
その汎用鋼種であるＳＵＳ３０４系，ＳＵＳ３１６系等
の１８−８系ステンレス、およびそれらを中心とした数
多くの改良鋼種があげられる。また、上記汎用鋼種以上
の多量のニッケル，クロム，モリブデン等を含むＳＵＳ
３０９，ＳＵＳ３１０，ＳＵＳ３８４や、ニッケルをマ
ンガンで置換した非磁性型のオーステナイト系金属もあ
げられる。さらに、耐熱鋼であるインコロイ８００やイ
ンコネル６０１，ハステロイ等のニッケル基合金材料も
含まれる。このように、本発明においてオーステナイト
系金属とは、常温で実質的（実質的とは、６０体積％以
上がオーステナイト相を呈していることをいう）に、オ
ーステナイト相を呈する全ての金属を含むものである。

【００２１】本発明において、母材となる上記オーステ
ナイト系金属は、中間加工過程で誘起マルテンサイトが
生成されていないことが望ましい。この点は、磁性をど
の程度示すかによって比較的簡単に判別できる。また、
オーステナイト系金属の母材組織中にフェライト相が生
成した場合には、上記フェライト相には炭素がほとんど
固溶されないため、浸炭による侵入炭素が母材中のクロ
ムと結合してクロム炭化物となって局部的に析出し、母
材のクロム固溶量の低下を招いて耐食性低下の原因とな
る。したがって、母材となる上記オーステナイト系金属
は、フェライト相が生成していないことが望ましい。さ
らに、上記オーステナイト系金属としては、浸炭処理後
の耐食性の観点から、ＳＵＳ３１６系ステンレス等のモ
リブデンを含有する安定型オーステナイト系ステンレス
が最も好ましい。その理由は、含有元素であるモリブデ
ンが耐食性を向上させるうえで極めて有用だからであ
る。上記安定型オーステナイト系ステンレスのモリブデ
ンの含有量としては、耐食性の向上と経済性との兼ね合
いから、１．５〜６重量％程度のものが好適である。ま
た、その中でも、ＳＵＳ３１６系ステンレスであれば、
同じ１８−８系ステンレスであるＳＵＳ３０４系ステン
レス等に比べてオーステナイト相が安定で耐食性がよく
なるうえ、汎用鋼種で容易に入手できるため、一層好適
に用いられる。

【００２２】塩素系ガスとしては、ガス状のＨＣｌ（塩
化水素），液状のＣＨ₂Ｃｌ，ＣＨ ₃Ｃｌ等をガス状に
したもの，固体状のＮＨ₄Ｃｌ，ＦｅＣｌ₂等をガス状
にしたもの等が使用できる。また、これら以外にも、分
子内にＣｌを含む他の塩素化合物をガス状にしたものも
用いることができる。また、このような塩素化合物ガス
を熱分解装置で熱分解させて生成させたＣｌ₂ガスや、
あらかじめつくられたＣｌ₂ガスも上記塩素系ガスとし
て用いることができる。そして、特に、これらのなかで
も、操作性や取扱い性の良さという観点から、常温でガ
ス状のＨＣｌが最も優れている。そして、上記塩素系ガ
スは、それのみで用いることもできるが、通常は、Ｎ₂
ガス等の不活性ガスで希釈されて使用される。このとき
の、ＨＣｌガスのＮ₂ガス等に対する希釈度（濃度）
は、処理効率と炉材の消耗の防止との兼ね合いから、１
〜２０体積％程度が適切であり、３〜１０体積％であれ
ばさらに好ましい。

【００２３】上記塩素系ガスでの処理の際、過剰の塩素
系ガスを導入することは、塩素系ガスでの処理によって
母材等の表面に形成されるＦｅＣｌ₂やＣｒＣｌ₂等の
塩化物の蒸気圧が高いことから炉材の消耗を早め、排ガ
ス処理装置の負荷も増大するため、避けるべきであり、
１〜５ｇ／ｍ³が適当である。また、同様に、炉材の消
耗を防止するため、塩素系ガスでの処理温度を２００〜
４００℃、好ましくは２５０〜３５０℃に設定するのが
好ましい。上記オーステナイト系金属の塩素系ガス雰囲
気中での保持時間は、通常５分〜２０分程度に設定され
る。オーステナイト系金属をこのような塩素系ガス雰囲
気で処理することにより、オーステナイト系金属の表面
に形成された、Ｃｒ₂Ｏ₃等を含む不働態皮膜が破壊さ
れ、ＦｅＣｌ₂やＣｒＣｌ₂等の塩化物皮膜が形成され
る。この塩化物皮膜は、上記不働態皮膜に比べ、浸炭の
際の炭素原子の浸透を容易にすると予想され、オーステ
ナイト系金属の表面は、上記塩素系ガスでの処理によっ
て炭素原子の浸透の容易な表面状態になるものと推測さ
れる。この塩素系ガスでの処理時に形成されたＦｅＣｌ
₂，ＦｅＣｌ₃，ＣｒＣｌ₂，ＣｒＣｌ₃等の塩化物皮
膜は、浸炭処理時に浸炭用雰囲気ガス中のＨ₂と反応し
てＨＣｌとなる。そして、このＨＣｌが排ガスパイプに
導入され、そこに設置された乾式の排ガス処理装置にお
いて、ＣａＣｌ₂等に変換されて捕捉され、無害化され
る。

【００２４】浸炭処理の際の温度は、炭素鋼のＡ₁変態
温度以下である７００℃以下で行う。さらに、表面剛性
とともに、母材と同等以上の耐食性を得ようとする場合
には、浸炭処理温度をさらに低くし、４００〜５００℃
に設定するのが好ましい。このように、浸炭処理を加工
硬化したオーステナイト系金属の芯部の軟化・溶体化を
起こさせない低温で行うのである。浸炭処理に用いる雰
囲気ガスとしては、ＣＯ＋Ｈ₂混合ガスからなる浸炭用
ガスや、ＲＸガス等に代表される変成ガス（ＲＸガスの
成分は、ＣＯ：２３体積％＋ＣＯ₂：１体積％＋Ｈ₂：
３１体積％＋Ｈ ₂Ｏ：１体積％＋残部：Ｎ₂）等の浸炭
用ガス等を用い、炉内を浸炭用ガス雰囲気にして行われ
る。そして、一般に、炭素原子の母材金属中への侵入
は、拡散則に従うため、炭素濃化層の深さは、処理温度
と処理時間とに依存する。一方、耐食性は、処理温度の
みに依存する（低い方が耐食性が良好になる）ので、結
局、要求される耐食性に応じた上限の処理温度で、必要
な炭素濃化層深さを得られるような処理時間を設定して
浸炭処理が行われる。

【００２５】このように処理することにより、オーステ
ナイト系金属の表面に炭素原子が侵入固溶した炭素濃化
層が形成される。この炭素濃化層は、基相であるオース
テナイト相中に、多量の炭素原子が侵入固溶して格子歪
を起こした状態となっており、この格子歪みにより母材
と比べて著しく硬度が向上する。しかも、上記炭素濃化
層は、炭素原子が侵入固溶することによりクロム炭化物
が存在しないオーステナイト相から形成されているた
め、耐食性をつかさどる元素であるクロムが、クロム炭
化物となって消費されるようなことがないため耐食性が
低下することがない。そのうえ、浸炭処理条件の設定に
よっては、母材以上の耐食性を発揮する。

【００２６】つぎに、本発明の浸炭処理方法をさらに具
体的に説明する。

【００２７】本発明の浸炭処理方法は、例えば、図１に
示すような炉で実施することができる。図において、１
は炉本体、２はヒータ、３はファン、４は被処理物が詰
められた治具である。そして、５は塩素系ガス（ＨＣ
ｌ）タンクであり、６はＣＯガスタンクである。また、
７はＮ₂ガスおよびＨ₂ガスを導入するＮ₂，Ｈ₂ガス
導入路であり、上記ＨＣｌガス，ＣＯガス，Ｎ₂ガス，
Ｈ₂ガスは、所定の混合比率に混合されて雰囲気ガス導
入パイプ８から炉内に導入されるようになっている。ま
た、９は真空ポンプ（図示せず）により炉内を真空引き
する排気パイプであり、１０は炉内の排ガスを排出する
排ガスパイプである。この排ガスパイプ１０には、排ガ
ス中のＨＣｌを捕捉して無害化する排ガス処理装置（図
示せず）が設けられている。上記炉において、炉本体１
の内壁，ヒータ２，ファン３，治具４等の雰囲気ガスと
接触する表面は、ニッケル基金属材料から形成されてい
る。

【００２８】上記炉を用いて、本発明の浸炭処理方法は
つぎのようにして行われる。

【００２９】まず、オーステナイト系金属からなるワー
ク（被処理物）を治具４に詰めて炉内に装入し、炉内雰
囲気をＮ₂ガスに置換して昇温し、炉温が２００〜４０
０℃に達すると、ＨＣｌガスをＮ₂ガスに混合希釈した
混合ガスを炉内へ導入する。上記ＨＣｌガスは、４８リ
ットルの高圧容器に充填されたものを用いると便利であ
る。ＨＣｌガスの量は、ワークの表面積や炉内の雰囲気
ガスと接触する部分の表面積に応じ、１〜５ｇ／ｍ³を
導入する。このときの、ＨＣｌガスのＮ₂ガスに対する
希釈度（濃度）は、１〜２０体積％程度に設定される。
この塩素系ガス雰囲気での加熱により、オーステナイト
系金属の表面の不働態皮膜が破壊され、それと同時に塩
化物皮膜が形成される。このときの、塩化物皮膜の形成
反応が極めて速いため、塩素系ガス雰囲気での処理時間
は、５〜１０分程度で充分である。

【００３０】上記塩素系ガス雰囲気での処理が終わる
と、Ｎ₂ガスで炉内のパージを行いながら昇温し、浸炭
性ガス、例えば、〔ＣＯ：１１体積％＋Ｈ₂：１５体積
％＋Ｎ ₂：７２体積％＋ＣＯ₂：２体積％〕混合ガス等
を導入し、所定時間保持して浸炭処理を行うことによ
り、表面に炭素濃化層を形成させたのち取り出す。この
ときの浸炭処理条件としては、例えば、２５μｍ以上の
炭素濃化層を形成し、この炭素濃化層がマイクロビッカ
ース硬度でＨｖ８５０以上となり、しかも、上記炭素濃
化層が母材以上の耐食性を有するものになるようにする
場合には、４００〜５００℃で１０時間以上の浸炭処理
を行う。

【００３１】ここで、ＳＵＳ３１６の圧延材を４８０℃
で２０時間浸炭処理して形成された炭素濃化層の炭素濃
度測定結果の一例を、図２に示す。図２に示すとおり、
炭素濃化層の表面炭素濃度は２．４重量％に達してお
り、芯部に向かって徐々に濃度低下する典型的な拡散支
配パターンの濃度分布形状を示している。そして、この
炭素濃化層の深さは、約３５μｍである。上記炭素濃化
層の表面炭素濃度は、浸炭時の雰囲気ガスのカーボンポ
テンシャルに依存するため、上記表面炭素濃度の調整
は、雰囲気ガスの混合比率等を変えることによって容易
に行うことができる。

【００３２】そして、浸炭処理後のワークの表面は、す
すの付着と最表層部の酸化によって黒色化する。したが
って、本来のオーステナイト系金属の金属光沢を得るた
めには、エメリーペーパー，バフ研磨，バレル研磨等の
機械研磨を行うか、あるいは、６０〜７０℃に加温した
ＨＦ−ＨＮＯ₃溶液等の酸に浸漬して表面洗浄を行うこ
とにより上記黒色層を除去する。この酸による洗浄は、
浸炭処理後のオーステナイト系金属の表面に不働態皮膜
を再生させ、耐食性を強化するのに有効である。

【００３３】図３は、市販のＳＵＳ３１６圧延材を４５
０℃で２０時間浸炭処理した場合の、硬化層の断面硬度
分布測定の一例である。図３に示すように、表面硬度は
ビッカース硬度で約Ｈｖ９２０にまで達し、炭素濃化層
（すなわち硬化層）の深さは、約２８μｍである。そし
て、芯部の硬度は約Ｈｖ２５０であり、加工硬化された
圧延材の硬度を維持していることがわかる。また、図４
は、市販のＳＵＳ３１６圧延材を４８０℃で２０時間浸
炭処理したのち、ＨＦ−ＨＮＯ₃溶液で酸洗い処理した
後、ＪＩＳ０５７９に規定されている５重量％Ｈ₂Ｓ
Ｏ₄溶液中でアノード分極したときの、電位−電流密度
（アノード分極曲線）の測定結果である。未処理材との
比較において示している。図４に示すように、本発明品
の不働態保持電流（不働態域での電流密度）は、未処理
材のそれと略同一レベルであり、不働態化後の耐食性は
同等程度であることがわかる。さらに、本発明品の自然
電位は、未処理材と比べてやや貴（ｎｏｂｌｅ，図示の
右側寄り）に位置し、しかも活性域でのピーク電流密度
は未処理材よりも明らかに低い。このことから、本発明
品の方が未処理材よりも不働態化しやすいことがわか
る。すなわち、上記アノード分極曲線の測定結果から、
本発明品の耐食性は、未処理材（すなわち母材）と同等
以上であることが明らかである。このように、本発明の
浸炭処理によって耐食性が向上する理由については、必
ずしも明白ではないが、不働態皮膜直下に形成される高
濃度カーボンバンドが不働態皮膜の耐食機能の強化をも
たらしているものと考えられる。また、図５は市販のＳ
ＵＳ３１６圧延材を４５０℃で２０時間浸炭処理した場
合の断面金属顕微鏡写真である。また、図６は市販のＳ
ＵＳ３０４圧延材を４５０℃で２０時間浸炭処理した場
合の断面金属顕微鏡写真である。図５および図６からわ
かるとおり、ＳＵＳ３１６材の浸炭処理品は、約３２μ
ｍの炭素濃化層が形成され、ＳＵＳ３１６材の浸炭処理
品では、約２５μｍの炭素濃化層が形成されていること
が観察できる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明の浸炭処理方法
は、浸炭処理に先立って、塩素系ガス雰囲気下でオース
テナイト系金属を加熱状態で保持するため、浸炭処理の
際の温度を７００℃以下の低温にすることができる。そ
して、オーステナイト系金属の表面に炭素原子が侵入固
溶した炭素濃化層が形成される。この炭素濃化層は、基
相であるオーステナイト相中に、多量の炭素原子が侵入
固溶して格子歪を起こした状態となっており、この格子
歪みにより母材と比べて著しく硬度が向上する。しか
も、上記炭素濃化層は、炭素原子が侵入固溶することに
よりクロム炭化物が存在しないオーステナイト相から形
成されているため、耐食性をつかさどる元素であるクロ
ムが、クロム炭化物となって消費されるようなことがな
いため、耐食性が低下することがない。そのうえ、場合
によっては、母材以上の耐食性を発揮する。したがっ
て、加工硬化によって強化された芯部の強度低下を起こ
させず、高い表面硬度を実現できる。しかも、オーステ
ナイト系金属自体の有する耐食性、高加工性等を全く損
なうことがないうえ、場合によっては、母材以上の高い
耐食性も得ることができる。

【００３５】このようにして得られたオーステナイト系
金属製品は、表面から１０〜５０μｍの深さの表面層が
炭素原子の浸入によって硬化して炭素濃化層に形成さ
れ、この炭素濃化層の硬度がマイクロビッカース硬度で
Ｈｖ７００〜１１００に形成されている。しかも、上記
炭素濃化層が、母材の格子原子の間に炭素原子が侵入固
溶することによりクロム炭化物が存在しないオーステナ
イト相から形成されているため、耐食性が劣化しない。
しかも、浸炭処理条件等によっては母材以上の耐食性を
発揮する。しかも、加工硬化によって強化された芯部強
度を低下させることなく、耐摩耗性や耐焼付性等に優れ
た高い表面剛性が得られる。このため、オーステナイト
系金属製品のうち、ボルト，ナット，ねじ等のファスナ
ー類や、一般産業分野において使用される、各種のシャ
フト類やインペラー，ベアリング，ばね類，バルブ部品
等の機械部品類等、多様なオーステナイト系金属部品に
適用することができる。

【００３６】つぎに、実施例について説明する。

【００３７】

【実施例】市販のＳＵＳ３１６材（Ｃｒ：１７．８重量
％，Ｎｉ：１１．５重量％，Ｍｏ２．５重量％，残部：
Ｆｅ）と、ＳＵＳ３０４材（Ｃｒ：１９．０重量％，Ｎ
ｉ：８．５重量％，残部：Ｆｅ）の圧延材板片（芯部硬
度：ＳＵＳ３１６材がＨｖ２４５，ＳＵＳ３０４材がＨ
ｖ２２０）を、複数個準備した。これらの板片を図１に
示す炉（有効容積２０リットル）に装入し、Ｎ₂雰囲気
で２５０℃まで加熱した。ついで、液化ガスとして充填
された４８リットルの圧力容器からＨＣｌガスを取り出
し、Ｎ₂ガスと混合させ、流量計（図示せず）を経由し
て１２分間炉内に導入した。このときの、ＨＣｌガスの
Ｎ₂ガスに対する希釈度（濃度）は、１０体積％であ
り、混合ガスの流量は１００リットル／時間であった。
そして、１２分間上記塩素系ガス雰囲気で処理した後に
バルブを閉じてＨＣｌの導入を止め、Ｎ₂雰囲気に戻し
て４９０℃まで昇温した。つぎに、〔ＣＯ：１０体積％
＋Ｈ₂：２２体積％＋Ｎ₂６８体積％〕混合ガスを導入
し、１０時間保持して浸炭処理した後取り出した。取り
出した両板片サンプルは、すすの付着等により黒色化し
ていたので、エメリーペーパーで軽く表面を研磨した
後、表面硬度および炭素濃化層の深さを測定した。その
結果を下記の表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】上記表１の結果からわかるとおり、ＳＵＳ
３１６材，ＳＵＳ３０４材いずれの材料を用いた場合に
も、高い表面硬度が得られ、数十μｍ深さの炭素濃化層
が得られる。

【００４０】さらに、上記両板片の一部を６０℃に加温
した５重量％ＨＦ−１５重量％ＨＮＯ₃溶液に３０分間
浸漬して酸洗したのち取り出し、この酸洗後の両板片サ
ンプルの表面硬度および炭素濃化層の深さを測定した。
その結果を下記の表２に示す。

【００４１】

【表２】

【００４２】上記表２の結果からわかるとおり、酸洗後
のＳＵＳ３０４材の板片サンプルでは、炭素濃化層深さ
がかなり減少していることがわかる。さらに、このサン
プルをＪＩＳＺ２３７１に基づく塩水噴霧試験を実
施した。その結果、ＳＵＳ３１６材は２０００時間を超
えても発錆がなかったが、ＳＵＳ３０４材は、２４時間
経過後に斑点状の赤錆が現れた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の浸炭処理に用いる炉の構成図である。

【図２】炭素濃化層の炭素濃度測定結果を示すグラフ図
である。

【図３】断面硬度分布の測定結果を示すグラフ図であ
る。

【図４】アノード分極曲線の測定結果を示すグラフ図で
ある。

【図５】ＳＵＳ３１６材の浸炭処理品の断面金属顕微鏡
写真である。

【図６】ＳＵＳ３０４材の浸炭処理品の断面金属顕微鏡
写真である。

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【手続補正書】

【提出日】平成８年７月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横山とし子兵庫県尼崎市中浜町１番８号大同ほくさん株式会社尼崎工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】浸炭処理に先立って、塩素系ガス雰囲気
下でオーステナイト系金属を加熱状態で保持し、ついで
浸炭処理の際の温度を４００〜７００℃の温度に設定し
て浸炭処理することにより炭素原子を侵入固溶させ、オ
ーステナイト系金属の表面層に炭素濃化層を形成するこ
とを特徴とするオーステナイト系金属に対する浸炭処理
方法。
【請求項２】浸炭処理の際の温度が、４００〜５００
℃に設定されている請求項１記載のオーステナイト系金
属に対する浸炭処理方法。
【請求項３】塩素系ガス雰囲気下における上記加熱
が、オーステナイト系金属を２００〜４００℃の温度範
囲にして行われる請求項１または２記載のオーステナイ
ト系金属に対する浸炭処理方法。
【請求項４】オーステナイト系金属が、オーステナイ
ト系ステンレスである請求項１〜３のいずれか一項に記
載のオーステナイト系金属に対する浸炭処理方法。
【請求項５】オーステナイト系ステンレスが、モリブ
デンを含有する安定形オーステナイト系ステンレスであ
る請求項４記載のオーステナイト系金属に対する浸炭処
理方法。
【請求項６】母材がオーステナイト系金属からなり、
表面から１０〜５０μｍの深さの表面層が炭素原子の浸
入によって炭素濃化層に形成され、この炭素濃化層の硬
度がマイクロビッカース硬度でＨｖ７００〜１１００に
形成され、上記炭素濃化層が、母材の格子原子の間に炭
素原子が侵入固溶することによりクロム炭化物が存在し
ないオーステナイト相から形成されていることを特徴と
するオーステナイト系金属製品。
【請求項７】炭素濃化層の表面炭素濃度が、１．２〜
２．６重量％である請求項６記載のオーステナイト系金
属製品。
【請求項８】オーステナイト系金属が、オーステナイ
ト系ステンレスである請求項６または７記載のオーステ
ナイト系金属製品。
【請求項９】オーステナイト系ステンレスが、モリブ
デンを含有する安定形オーステナイト系ステンレスであ
る請求項８記載のオーステナイト系金属製品。