ステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材
【課題】窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法およびこの窒化処理方法により窒化処理を施した窒化処理材を提供する。
【解決手段】窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持する加熱工程（ステップＳ３〜ステップＳ５）と、ステンレス材を冷却する冷却工程（ステップＳ６）とを有するステンレス材の窒化処理方法において、加熱工程の窒化処理ガスは、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスであり、加熱工程の加熱温度は、ステンレス材が窒素に対してオーステナイト相となる温度であり、冷却工程の冷却は、徐々に冷却する徐冷であることを特徴とする。
【解決手段】窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持する加熱工程（ステップＳ３〜ステップＳ５）と、ステンレス材を冷却する冷却工程（ステップＳ６）とを有するステンレス材の窒化処理方法において、加熱工程の窒化処理ガスは、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスであり、加熱工程の加熱温度は、ステンレス材が窒素に対してオーステナイト相となる温度であり、冷却工程の冷却は、徐々に冷却する徐冷であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して表層に窒素原子を浸透させるステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材に関し、特に、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化処理ガス雰囲気で鉄鋼部材を加熱して鉄鋼部材の表層に窒素原子を浸透させる窒化処理方法においては、窒化処理ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスが用いられる。この窒化処理方法では、窒化処理を行うべき鉄鋼部材は、アンモニアガス雰囲気において、例えば５００℃〜５８０℃で５０時間〜７２時間加熱される。
【０００３】
この加熱により、アンモニアガスは窒素原子と水素原子とに分解される。そして、分解された窒素原子を母材である鉄鋼部材の表層に固溶させ、この固溶させた窒素原子を母材に拡散させる。
【０００４】
また、加熱処理の時間を短くするために、窒素原子だけでなく炭素原子も同時に鉄鋼部材に侵入させるガス軟窒化処理と呼ばれる窒化処理方法が適用されることがある。このガス軟窒化処理では、窒化処理ガスとして、アンモニアガスに加えて、例えば一酸化炭素などの浸炭性ガスを含むガスが使用される。ガス軟窒化処理によれば、数時間程度の短い時間で窒化処理が可能になる。
【０００５】
しかしながら、ガス軟窒化処理では、処理温度が低く短時間の処理であるため窒素原子は深さ方向に拡散し難い。また、ガス軟窒化処理では、鉄鋼部材の加熱中に窒素原子が鉄鋼部材の表層から大気中に放出されて脱窒素を発生しやすい。このため、窒化後の鉄鋼部材において表面からの硬化深さが浅くなってしまい、鉄鋼部材の表層の硬さが低くなってしまう。
【０００６】
これを解決するために、鉄鋼部材の表層の深部まで均一かつ高密度に窒素原子を短時間で浸透させることができる窒化処理方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この窒化処理方法は、第一窒化処理工程と第二窒化処理工程とを連続して処理するものとしている。
【０００７】
第一窒化処理工程では、アンモニアガスを高濃度に含む窒化処理ガス雰囲気で、鉄鋼部材をレーザ加熱により部分的に加熱する。第二窒化処理工程では、第一窒化処理工程の窒化処理ガスよりもアンモニアガスを低濃度に含む窒化処理ガス雰囲気で、鉄鋼部材をレーザ加熱により部分的に加熱する。これにより、第一窒化処理工程で、鉄鋼部材の表層に多数の窒素原子を固溶させ、続いて第二窒化処理工程で、鉄鋼部材の表層に固溶した窒素原子を表層内において均一に拡散させるようにしている。
【０００８】
この窒化処理方法によれば、第二窒化処理工程において、鉄鋼部材の表層から窒化処理ガス雰囲気に放出される窒素原子の数と、窒化処理ガスから鉄鋼部材の表層に侵入する窒素原子の数とのバランスが保たれる。このように、第二窒化処理工程では、鉄鋼部材の表層中の窒素原子の数を一定に維持したまま、窒素原子が表層において拡散される。
【０００９】
これにより、図５（ｂ）に示すように、鉄鋼部材１００の表層１０１の表面部１０１ａから深部１０１ｂに至るまで、効率良く短時間で均一かつ高密度に窒素原子を拡散させることができる。このため、図５（ａ）に示すように、鉄鋼部材１００の表層１０１の深部１０１ｂまで、母材１０２に比べて高い硬度を保有することができるようになる。
【００１０】
また、この窒化処理方法では、鉄鋼部材の加熱は、レーザ加熱または高周波誘導加熱により局所的に行われている。このため、鉄鋼部材の冷却時には急冷されるので、鉄鋼部材の全体を加熱する場合に比べて処理時間の長時間化を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２３８９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述のような窒化処理方法にあっては、窒素原子が厚く高密度に拡散した硬度の高い表層１０１と、窒素原子の拡散していない硬度の低い母材１０２とが直接接して積層している。このため、表層１０１と母材１０２との間で硬さおよび熱膨張率について急激な勾配を有するようになるので、例えば、この鉄鋼部材１００が加熱されたときに、表層１０１に亀裂が入るおそれがあるという問題があった（図５（ａ）参照）。
【００１３】
また、上述した窒化処理方法をステンレス材に対して適用した場合、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルが高いので、加熱されたステンレス材の表層に多数の窒素原子が入り込む。そして、窒素原子はステンレス材に含有されるクロム原子に化合し、表層において窒化クロム（ＣｒＮ）を生成する。
【００１４】
ここで、クロム原子と窒素原子との結合力は鉄原子と窒素原子との結合力に比べて強いので、大部分の窒素原子はクロム原子に化合する。このため、自由な窒素原子は殆ど存在せず、窒素原子が母材の深部に拡散する前にクロム原子に捉えられてしまう。さらに、上述した窒化処理方法では冷却時に急冷されるので、窒素原子や窒化クロムが拡散する時間が非常に短くなってしまう。
【００１５】
自由な窒素原子が少ないことおよび窒素原子や窒化クロムの拡散する時間が短いことにより、窒化クロムが厚く高密度に拡散した硬度の高い表層と、窒素クロムの拡散していない硬度の低い母材とが直接接して積層するようになる。よって、表層と母材との間で硬さおよび熱膨張率について急激な勾配を有するようになるので、例えば、このステンレス材が加熱されたときに、表層に亀裂が入るおそれがあるという問題があった。
【００１６】
さらには、冷却時に急冷することにより、ステンレス材にマルテンサイトが含まれるおそれがある。この場合は、マルテンサイトが含まれない場合に比べて靱性が劣るおそれがあるという問題があった。
【００１７】
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係るステンレス材の窒化処理方法は、上記目的達成のため、（１）窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持する加熱工程と、前記ステンレス材を冷却する冷却工程とを有するステンレス材の窒化処理方法において、前記加熱工程の前記窒化処理ガスは、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスであり、前記加熱工程の加熱温度は、前記ステンレス材が窒素に対してオーステナイト相となる温度であり、前記冷却工程の冷却は、徐々に冷却する徐冷であることを特徴とする。
【００１９】
図４に示すように、ステンレス材の窒素含有率は、フェライト相（α相）では最大でも０．１ｗｔ％であるのに対し、オーステナイト相（γ相）では最大で２．８ｗｔ％となる。このため、本発明の構成では、加熱工程においてステンレス材がオーステナイト相にまで加熱されるので、窒化処理ガスの窒素原子がステンレス材の表層に容易かつ多量に入り込むようになる。
【００２０】
表層に入り込んだ窒素原子の中の一部の窒素原子は、クロムと化合して窒化クロムを生成する。また、表層に入り込んだ窒素原子の中の窒化クロムを生成しなかった窒素原子は、窒素原子のままでステンレス材に固溶する。
【００２１】
窒化処理ガスはアンモニアガスと窒素ガスの混合ガスであるので、アンモニアガスのみからなる場合に比べて窒化ポテンシャルが低い。このため、過剰な窒素原子がステンレス材の表層に入り込むことが抑制されるので、高密度の窒化層が厚くなって表層が割れやすくなることを防止できる。
【００２２】
冷却工程では、ステンレス材が徐冷されるので、固溶した窒素原子が徐々に析出するようになる。析出した窒素原子はクロムと化合して、窒化クロムを生成する。この窒化クロムが表層から母材に向けて、微細分散されて拡散する。
【００２３】
このため、表層と母材との間に緩衝層が形成されるようになる。この緩衝層は、表層側には高密度に微細分散された窒化クロムを含有するとともに、母材側には低密度に微細分散された窒化クロムを含有するものとなる（図１（ａ）参照）。この緩衝層は、表層側と母材側とで窒化クロムの濃度勾配を有している。
【００２４】
窒化クロムの密度と相関して、表層の硬度は高く、母材の硬度は低くなる。緩衝層は、表層側は硬度が高く、母材側は硬度が低くなるように、硬度の勾配を有する。このため、緩衝層の濃度勾配により緩衝層は高靱性を有するようになり、表層と母材との間でクッションとして作用するようになる。これにより、従来のように高密度の窒化層からなる表層が母材に直接形成されている場合に比べて、表層が割れにくくなる。
【００２５】
上記（１）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（２）前記徐冷は、前記ステンレス材がフェライトを含む組織となる冷却速度であることが好ましい。この構成により、冷却速度が緩やかであるので、従来のようにステンレス材を急冷してマルテンサイトが含まれる場合に比べ、靱性を向上することができる。
【００２６】
上記（１）または（２）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（３）前記徐冷は４℃／分〜５℃／分の冷却速度であることが好ましい。
【００２７】
ここで、冷却速度が４℃／分より遅いと、室温に放置する自然冷却よりも遅くなることから、保温しながら冷却しなければならず、自然冷却よりもコストが掛かってしまう。また、冷却速度が５℃／分より早いと、ステンレス材にマルテンサイトが生じてステンレス材の靱性が低下してしまうおそれがある。
【００２８】
このため、徐冷の冷却速度は、好ましくは４℃／分〜５℃／分であり、より好ましくは４．５℃／分程度である。この構成により、高靱性のステンレス材を安価に得ることができる。
【００２９】
上記（１）から（３）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（４）前記加熱工程の前記加熱温度は５９０℃から前記ステンレス材の融点までの範囲内であることが好ましい。この構成により、ステンレス材を窒素に対するオーステナイト相にすることができる。
【００３０】
上記（１）から（４）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（５）前記加熱工程で前記均熱保持する時間は３０分〜３時間であることが好ましい。
【００３１】
ここで、均熱保持する時間が３０分より短いと、窒素原子のステンレス材の表層への入り込み数が不十分になり、表層の強度が低下してしまう。また、均熱保持する時間が３時間より長いと、窒素原子のステンレス材の表層への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層が割れやすくなってしまう。
【００３２】
このため、均熱保持する時間は、好ましくは３０分〜３時間であり、より好ましくは２時間である。この構成により、ステンレス材の表層の強度および靱性を最適化することができる。
【００３３】
上記（１）から（５）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（６）前記窒化処理ガスの前記アンモニアガスの含有率は１０体積％〜９５体積％であることが好ましい。
【００３４】
ここで、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が１０体積％より少ないと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が不十分で窒化ポテンシャルが低すぎるので、ステンレス材の表層の窒化が不十分で強度が不足してしまう。また、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が９５体積％より多いと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が多すぎて窒化ポテンシャルが高すぎるので、窒素原子のステンレス材の表層への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層が割れやすくなってしまう。
【００３５】
このため、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は、好ましくは１０体積％〜９５体積％であり、より好ましくは５０体積％である。この構成により、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルを最適化して、ステンレス材の表層の強度および靱性を最適化することができる。
【００３６】
上記（１）から（６）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（７）前記ステンレス材はフェライト系であることが好ましい。これにより、フェライト系ステンレス材において表層が割れにくい窒化処理材を得ることができる。
【００３７】
本発明に係る窒化処理材は、上記目的達成のため、（８）上記（１）ないし上記（７）のいずれかに記載のステンレス材の窒化処理方法により窒化処理を施されたステンレス材からなる窒化処理材であって、表層と、緩衝層と、母材とが順に積層されてなるとともに、前記表層は、高密度に微細分散された窒化クロムを含有し、前記緩衝層は、前記表層に接する表層側と前記母材に接する母材側とを有し、前記表層側が高密度に微細分散された前記窒化クロムを含有するとともに、前記母材側が低密度に微細分散された前記窒化クロムを含有し、前記表層側から前記母材側に向かって前記窒化クロムの濃度が低濃度に変化する前記窒化クロムの濃度勾配を有することを特徴とする。
【００３８】
この構成により、緩衝層の窒化クロムの濃度勾配により緩衝層は高靱性を有するようになる。この緩衝層が表層と母材との間でクッションとして作用するようになるので、従来のように高密度の窒化層からなる表層が母材に直接形成されている窒化処理材に比べて、表層が割れにくい窒化処理材を得ることができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、窒化クロムの濃度勾配により高靱性を有する緩衝層を表層と母材との間に備えるようになるので、この緩衝層が表層と母材との間でクッションとして作用するようになる。これにより、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法およびこの窒化処理方法により窒化処理を施した窒化処理材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化処理材の表層、緩衝層、母材を示す図であり、（ａ）は表面からの深さと、黒点で模式的に示す窒化クロムの分布密度および材質の硬さとの関係を示す模式図であり、（ｂ）は断面を示す顕微鏡写真である。
【図２】本発明の実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法により窒化処理を施す際の処理時間と温度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る鉄−窒素系状態図である。
【図５】従来の窒化処理材の表層および母材を示す図であり、（ａ）は表面からの深さと硬さとの関係を示す模式図であり、（ｂ）は断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の窒化処理材の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４２】
まず、本実施の形態に係る窒化処理材１の構成について説明する。
【００４３】
図１（ｂ）に示すように、この窒化処理材１は、フェライト系のステンレス材からなり、表層２と、緩衝層３と、母材４とが順に積層されて構成されている。図１（ａ）に示すように、表層２は、高密度に微細分散された窒化クロム５を含有する。
【００４４】
緩衝層３は、表層２に接する表層側３ａと母材４に接する母材側３ｂとを有する。表層側３ａは、高密度に微細分散された窒化クロム５を含有するとともに、母材側３ｂは低密度に微細分散された窒化クロム５を含有する。これにより、緩衝層３は、表層側３ａから母材側３ｂに向かって窒化クロム５の濃度が低濃度に変化する窒化クロム５の濃度勾配を有している。
【００４５】
また、窒化クロム５の密度と相関して、表層２の硬度は高く、母材４の硬度は低くなっている。緩衝層３は、表層側３ａは硬度が高く、母材側３ｂは硬度が低くなるように、硬度の勾配を有している。
【００４６】
本実施の形態に係る窒化処理材１によれば、窒化クロム５の濃度勾配により高靱性を有する緩衝層３を表層２と母材４との間に備えるようになるので、この緩衝層３が表層２と母材４との間でクッションとして作用するようになる。これにより、従来のように高密度の窒化層からなる表層が母材に直接形成されている窒化処理材に比べて、表層２が割れにくい窒化処理材１を得ることができる。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法により、ステンレス材に窒化処理を施して上述した窒化処理材１を形成する方法について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４８】
ステンレス材の窒化処理方法は、準備工程と、加熱工程と、冷却工程とを備え、これらを同じ密閉炉にて順に処理するものとしている。また、本実施の形態では、ガス窒化法により窒化処理を行うものとしている。この窒化処理方法により、ステンレス材に窒化処理を施して窒化処理材１を得ることができる。
【００４９】
まず、準備工程では、密閉炉に処理対象であるフェライト系のステンレス材が載置され（ステップＳ１）、窒化処理ガスとしてアンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスが密閉炉内に導入される（ステップＳ２）。この窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は、５０体積％となっている。
【００５０】
加熱工程は、窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持するものとされている。加熱工程では、まず密閉炉内の加熱が開始される（ステップＳ３）。図３に示すように、密閉炉の加熱は、昇温期２０と、均熱保持期２１との２つの段階を経て行われる。
【００５１】
昇温期２０では、ステンレス材を８２０℃まで急速に加熱する（ステップＳ４）。均熱保持期では、ステンレス材を８２０℃に２時間維持する（ステップＳ５）。加熱により、窒化処理ガス中のアンモニアガスが窒素ガスと水素ガスとに分解される。
【００５２】
ここで、ステンレス材の窒素含有率は、フェライト相（α相）１１では最大でも０．１ｗｔ％であるのに対し、オーステナイト相（γ相）１０では最大で２．８ｗｔ％となる（図４参照）。そして、ステンレス材はオーステナイト相１０まで加熱されるので、表層２から窒素原子が容易に入り込むようになる。表層２に入り込んだ窒素原子の一部は、ステンレス材の成分であるクロムと化合して窒化クロム５を生成する。また、表層２に入り込んでクロムと化合しなかった窒素原子は、窒素原子のままステンレス材に固溶する。
【００５３】
さらに、冷却工程では、密閉炉内の徐冷が行われる（ステップＳ６）。本実施の形態では、８２０℃から２０℃までを約３時間程度で緩やかな早さ、すなわち約４．４℃／分の冷却速度で冷却されるようにしている（図３中、符号２２）。また、冷却工程においては、密閉炉には窒素ガスのみが充填される。
【００５４】
ステンレス材が徐冷されることにより、表層２で固溶していた窒素原子が析出し、クロムと化合して窒化クロム５を生成する。この窒化クロム５が微細分散されて、表層２から深部に向けて拡散する。
【００５５】
このため、表層２と母材４との間に、表層側３ａには高密度に微細分散された窒化クロム５を含有するとともに、母材側３ｂには低密度に微細分散された窒化クロム５を含有する緩衝層３が形成されるようになる。この緩衝層３は、表層側３ａと母材側３ｂとで窒化クロム５の濃度勾配を有している。これにより、図１（ｂ）に示す窒化処理材１を得ることができる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、窒化処理ガスはアンモニアガスと窒素ガスの混合ガスであるので、アンモニアガスのみからなる場合に比べて窒化ポテンシャルが低い。このため、過剰な窒素原子がステンレス材の表層２に入り込むことが抑制されるので、高密度の窒化層が厚くなって表層２が割れやすくなることを防止できる。
【００５７】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、加熱工程の加熱温度は８２０℃であるので、ステンレス材を窒素に対するオーステナイト相１０にすることができる。よって、窒化処理ガスの窒素原子がステンレス材の表層２に容易かつ多量に入り込むようになる。
【００５８】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、加熱工程において、均熱保持する時間は２時間であるので、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００５９】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、加熱工程において、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は５０体積％であるので、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルを最適化して、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００６０】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、冷却工程では、ステンレス材が徐冷されるので、固溶した窒素原子が徐々に析出するようになる。析出した窒素原子はクロムと化合して、窒化クロム５を生成する。この窒化クロム５が表層２から母材４に向けて、微細分散されて拡散する。このため、表層２と母材４との間に、窒化クロム５の濃度勾配を有する緩衝層３が形成されるようになる。この緩衝層３の濃度勾配により緩衝層３は高靱性を有するようになり、表層２と母材４との間でクッションとして作用するようになる。
【００６１】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、冷却工程での徐冷は、冷却速度が緩やかであるので、従来のようにステンレス材を急冷してマルテンサイトが含まれる場合に比べ、靱性を向上することができる。さらに、徐冷の冷却速度は、４．４℃／分程度であるので、高靱性のステンレス材を安価に得ることができる。
【００６２】
ここで、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、加熱工程の加熱温度を８２０℃としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、加熱工程の加熱温度を５９０℃からステンレス材の融点までの範囲内としてもよい。この場合も、ステンレス材を窒素に対するオーステナイト相１０にすることができる。
【００６３】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、加熱工程の均熱保持時間を２時間としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、加熱工程の均熱保持時間を３０分〜３時間としてもよい。
【００６４】
ここで、均熱保持する時間が３０分より短いと、窒素原子のステンレス材の表層２への入り込み数が不十分になり、表層２の強度が低下してしまう。また、均熱保持する時間が３時間より長いと、窒素原子のステンレス材の表層２への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層２が割れやすくなってしまう。
【００６５】
このため、均熱保持する時間は、好ましくは３０分〜３時間であり、より好ましくは２時間である。この構成により、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００６６】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、加熱工程の窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率を５０体積％としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、加熱工程の窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率を１０体積％〜９５体積％としてもよい。
【００６７】
ここで、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が１０体積％より少ないと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が不十分で窒化ポテンシャルが低すぎるので、ステンレス材の表層２の窒化が不十分で強度が不足してしまう。また、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が９５体積％より多いと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が多すぎて窒化ポテンシャルが高すぎるので、窒素原子のステンレス材の表層２への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層２が割れやすくなってしまう。
【００６８】
このため、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は、好ましくは１０体積％〜９５体積％であり、より好ましくは５０体積％である。この構成により、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルを最適化して、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００６９】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、冷却工程の冷却速度を約４．４℃／分としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、冷却工程の冷却速度を４℃／分〜５℃／分としてもよい。
【００７０】
ここで、冷却速度が４℃／分より遅いと、室温に放置する自然冷却よりも遅くなることから、保温しながら冷却しなければならず、自然冷却よりもコストが掛かってしまう。また、冷却速度が５℃／分より早いと、ステンレス材にマルテンサイトが生じてステンレス材の靱性が低下してしまうおそれがある。
【００７１】
このため、徐冷の冷却速度は、好ましくは４℃／分〜５℃／分であり、より好ましくは４．５℃／分程度である。この構成により、高靱性のステンレス材を安価に得ることができる。
【００７２】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、フェライト系のステンレス材を用いたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、マルテンサイト系のステンレス材を用いてもよい。
【００７３】
以上説明したように、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材は、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材全般に有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 窒化処理材（ステンレス材）
２ 表層
３ 緩衝層
３ａ 表層側
３ｂ 母材側
４ 母材
５ 窒化クロム
１０ オーステナイト相（γ相）
１１ フェライト相（α相）
Ｓ３ 加熱工程
Ｓ６ 冷却工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して表層に窒素原子を浸透させるステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材に関し、特に、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化処理ガス雰囲気で鉄鋼部材を加熱して鉄鋼部材の表層に窒素原子を浸透させる窒化処理方法においては、窒化処理ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスが用いられる。この窒化処理方法では、窒化処理を行うべき鉄鋼部材は、アンモニアガス雰囲気において、例えば５００℃〜５８０℃で５０時間〜７２時間加熱される。
【０００３】
この加熱により、アンモニアガスは窒素原子と水素原子とに分解される。そして、分解された窒素原子を母材である鉄鋼部材の表層に固溶させ、この固溶させた窒素原子を母材に拡散させる。
【０００４】
また、加熱処理の時間を短くするために、窒素原子だけでなく炭素原子も同時に鉄鋼部材に侵入させるガス軟窒化処理と呼ばれる窒化処理方法が適用されることがある。このガス軟窒化処理では、窒化処理ガスとして、アンモニアガスに加えて、例えば一酸化炭素などの浸炭性ガスを含むガスが使用される。ガス軟窒化処理によれば、数時間程度の短い時間で窒化処理が可能になる。
【０００５】
しかしながら、ガス軟窒化処理では、処理温度が低く短時間の処理であるため窒素原子は深さ方向に拡散し難い。また、ガス軟窒化処理では、鉄鋼部材の加熱中に窒素原子が鉄鋼部材の表層から大気中に放出されて脱窒素を発生しやすい。このため、窒化後の鉄鋼部材において表面からの硬化深さが浅くなってしまい、鉄鋼部材の表層の硬さが低くなってしまう。
【０００６】
これを解決するために、鉄鋼部材の表層の深部まで均一かつ高密度に窒素原子を短時間で浸透させることができる窒化処理方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この窒化処理方法は、第一窒化処理工程と第二窒化処理工程とを連続して処理するものとしている。
【０００７】
第一窒化処理工程では、アンモニアガスを高濃度に含む窒化処理ガス雰囲気で、鉄鋼部材をレーザ加熱により部分的に加熱する。第二窒化処理工程では、第一窒化処理工程の窒化処理ガスよりもアンモニアガスを低濃度に含む窒化処理ガス雰囲気で、鉄鋼部材をレーザ加熱により部分的に加熱する。これにより、第一窒化処理工程で、鉄鋼部材の表層に多数の窒素原子を固溶させ、続いて第二窒化処理工程で、鉄鋼部材の表層に固溶した窒素原子を表層内において均一に拡散させるようにしている。
【０００８】
この窒化処理方法によれば、第二窒化処理工程において、鉄鋼部材の表層から窒化処理ガス雰囲気に放出される窒素原子の数と、窒化処理ガスから鉄鋼部材の表層に侵入する窒素原子の数とのバランスが保たれる。このように、第二窒化処理工程では、鉄鋼部材の表層中の窒素原子の数を一定に維持したまま、窒素原子が表層において拡散される。
【０００９】
これにより、図５（ｂ）に示すように、鉄鋼部材１００の表層１０１の表面部１０１ａから深部１０１ｂに至るまで、効率良く短時間で均一かつ高密度に窒素原子を拡散させることができる。このため、図５（ａ）に示すように、鉄鋼部材１００の表層１０１の深部１０１ｂまで、母材１０２に比べて高い硬度を保有することができるようになる。
【００１０】
また、この窒化処理方法では、鉄鋼部材の加熱は、レーザ加熱または高周波誘導加熱により局所的に行われている。このため、鉄鋼部材の冷却時には急冷されるので、鉄鋼部材の全体を加熱する場合に比べて処理時間の長時間化を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２３８９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述のような窒化処理方法にあっては、窒素原子が厚く高密度に拡散した硬度の高い表層１０１と、窒素原子の拡散していない硬度の低い母材１０２とが直接接して積層している。このため、表層１０１と母材１０２との間で硬さおよび熱膨張率について急激な勾配を有するようになるので、例えば、この鉄鋼部材１００が加熱されたときに、表層１０１に亀裂が入るおそれがあるという問題があった（図５（ａ）参照）。
【００１３】
また、上述した窒化処理方法をステンレス材に対して適用した場合、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルが高いので、加熱されたステンレス材の表層に多数の窒素原子が入り込む。そして、窒素原子はステンレス材に含有されるクロム原子に化合し、表層において窒化クロム（ＣｒＮ）を生成する。
【００１４】
ここで、クロム原子と窒素原子との結合力は鉄原子と窒素原子との結合力に比べて強いので、大部分の窒素原子はクロム原子に化合する。このため、自由な窒素原子は殆ど存在せず、窒素原子が母材の深部に拡散する前にクロム原子に捉えられてしまう。さらに、上述した窒化処理方法では冷却時に急冷されるので、窒素原子や窒化クロムが拡散する時間が非常に短くなってしまう。
【００１５】
自由な窒素原子が少ないことおよび窒素原子や窒化クロムの拡散する時間が短いことにより、窒化クロムが厚く高密度に拡散した硬度の高い表層と、窒素クロムの拡散していない硬度の低い母材とが直接接して積層するようになる。よって、表層と母材との間で硬さおよび熱膨張率について急激な勾配を有するようになるので、例えば、このステンレス材が加熱されたときに、表層に亀裂が入るおそれがあるという問題があった。
【００１６】
さらには、冷却時に急冷することにより、ステンレス材にマルテンサイトが含まれるおそれがある。この場合は、マルテンサイトが含まれない場合に比べて靱性が劣るおそれがあるという問題があった。
【００１７】
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係るステンレス材の窒化処理方法は、上記目的達成のため、（１）窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持する加熱工程と、前記ステンレス材を冷却する冷却工程とを有するステンレス材の窒化処理方法において、前記加熱工程の前記窒化処理ガスは、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスであり、前記加熱工程の加熱温度は、前記ステンレス材が窒素に対してオーステナイト相となる温度であり、前記冷却工程の冷却は、徐々に冷却する徐冷であることを特徴とする。
【００１９】
図４に示すように、ステンレス材の窒素含有率は、フェライト相（α相）では最大でも０．１ｗｔ％であるのに対し、オーステナイト相（γ相）では最大で２．８ｗｔ％となる。このため、本発明の構成では、加熱工程においてステンレス材がオーステナイト相にまで加熱されるので、窒化処理ガスの窒素原子がステンレス材の表層に容易かつ多量に入り込むようになる。
【００２０】
表層に入り込んだ窒素原子の中の一部の窒素原子は、クロムと化合して窒化クロムを生成する。また、表層に入り込んだ窒素原子の中の窒化クロムを生成しなかった窒素原子は、窒素原子のままでステンレス材に固溶する。
【００２１】
窒化処理ガスはアンモニアガスと窒素ガスの混合ガスであるので、アンモニアガスのみからなる場合に比べて窒化ポテンシャルが低い。このため、過剰な窒素原子がステンレス材の表層に入り込むことが抑制されるので、高密度の窒化層が厚くなって表層が割れやすくなることを防止できる。
【００２２】
冷却工程では、ステンレス材が徐冷されるので、固溶した窒素原子が徐々に析出するようになる。析出した窒素原子はクロムと化合して、窒化クロムを生成する。この窒化クロムが表層から母材に向けて、微細分散されて拡散する。
【００２３】
このため、表層と母材との間に緩衝層が形成されるようになる。この緩衝層は、表層側には高密度に微細分散された窒化クロムを含有するとともに、母材側には低密度に微細分散された窒化クロムを含有するものとなる（図１（ａ）参照）。この緩衝層は、表層側と母材側とで窒化クロムの濃度勾配を有している。
【００２４】
窒化クロムの密度と相関して、表層の硬度は高く、母材の硬度は低くなる。緩衝層は、表層側は硬度が高く、母材側は硬度が低くなるように、硬度の勾配を有する。このため、緩衝層の濃度勾配により緩衝層は高靱性を有するようになり、表層と母材との間でクッションとして作用するようになる。これにより、従来のように高密度の窒化層からなる表層が母材に直接形成されている場合に比べて、表層が割れにくくなる。
【００２５】
上記（１）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（２）前記徐冷は、前記ステンレス材がフェライトを含む組織となる冷却速度であることが好ましい。この構成により、冷却速度が緩やかであるので、従来のようにステンレス材を急冷してマルテンサイトが含まれる場合に比べ、靱性を向上することができる。
【００２６】
上記（１）または（２）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（３）前記徐冷は４℃／分〜５℃／分の冷却速度であることが好ましい。
【００２７】
ここで、冷却速度が４℃／分より遅いと、室温に放置する自然冷却よりも遅くなることから、保温しながら冷却しなければならず、自然冷却よりもコストが掛かってしまう。また、冷却速度が５℃／分より早いと、ステンレス材にマルテンサイトが生じてステンレス材の靱性が低下してしまうおそれがある。
【００２８】
このため、徐冷の冷却速度は、好ましくは４℃／分〜５℃／分であり、より好ましくは４．５℃／分程度である。この構成により、高靱性のステンレス材を安価に得ることができる。
【００２９】
上記（１）から（３）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（４）前記加熱工程の前記加熱温度は５９０℃から前記ステンレス材の融点までの範囲内であることが好ましい。この構成により、ステンレス材を窒素に対するオーステナイト相にすることができる。
【００３０】
上記（１）から（４）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（５）前記加熱工程で前記均熱保持する時間は３０分〜３時間であることが好ましい。
【００３１】
ここで、均熱保持する時間が３０分より短いと、窒素原子のステンレス材の表層への入り込み数が不十分になり、表層の強度が低下してしまう。また、均熱保持する時間が３時間より長いと、窒素原子のステンレス材の表層への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層が割れやすくなってしまう。
【００３２】
このため、均熱保持する時間は、好ましくは３０分〜３時間であり、より好ましくは２時間である。この構成により、ステンレス材の表層の強度および靱性を最適化することができる。
【００３３】
上記（１）から（５）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（６）前記窒化処理ガスの前記アンモニアガスの含有率は１０体積％〜９５体積％であることが好ましい。
【００３４】
ここで、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が１０体積％より少ないと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が不十分で窒化ポテンシャルが低すぎるので、ステンレス材の表層の窒化が不十分で強度が不足してしまう。また、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が９５体積％より多いと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が多すぎて窒化ポテンシャルが高すぎるので、窒素原子のステンレス材の表層への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層が割れやすくなってしまう。
【００３５】
このため、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は、好ましくは１０体積％〜９５体積％であり、より好ましくは５０体積％である。この構成により、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルを最適化して、ステンレス材の表層の強度および靱性を最適化することができる。
【００３６】
上記（１）から（６）に記載のステンレス材の窒化処理方法においては、（７）前記ステンレス材はフェライト系であることが好ましい。これにより、フェライト系ステンレス材において表層が割れにくい窒化処理材を得ることができる。
【００３７】
本発明に係る窒化処理材は、上記目的達成のため、（８）上記（１）ないし上記（７）のいずれかに記載のステンレス材の窒化処理方法により窒化処理を施されたステンレス材からなる窒化処理材であって、表層と、緩衝層と、母材とが順に積層されてなるとともに、前記表層は、高密度に微細分散された窒化クロムを含有し、前記緩衝層は、前記表層に接する表層側と前記母材に接する母材側とを有し、前記表層側が高密度に微細分散された前記窒化クロムを含有するとともに、前記母材側が低密度に微細分散された前記窒化クロムを含有し、前記表層側から前記母材側に向かって前記窒化クロムの濃度が低濃度に変化する前記窒化クロムの濃度勾配を有することを特徴とする。
【００３８】
この構成により、緩衝層の窒化クロムの濃度勾配により緩衝層は高靱性を有するようになる。この緩衝層が表層と母材との間でクッションとして作用するようになるので、従来のように高密度の窒化層からなる表層が母材に直接形成されている窒化処理材に比べて、表層が割れにくい窒化処理材を得ることができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、窒化クロムの濃度勾配により高靱性を有する緩衝層を表層と母材との間に備えるようになるので、この緩衝層が表層と母材との間でクッションとして作用するようになる。これにより、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法およびこの窒化処理方法により窒化処理を施した窒化処理材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化処理材の表層、緩衝層、母材を示す図であり、（ａ）は表面からの深さと、黒点で模式的に示す窒化クロムの分布密度および材質の硬さとの関係を示す模式図であり、（ｂ）は断面を示す顕微鏡写真である。
【図２】本発明の実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法により窒化処理を施す際の処理時間と温度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る鉄−窒素系状態図である。
【図５】従来の窒化処理材の表層および母材を示す図であり、（ａ）は表面からの深さと硬さとの関係を示す模式図であり、（ｂ）は断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の窒化処理材の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４２】
まず、本実施の形態に係る窒化処理材１の構成について説明する。
【００４３】
図１（ｂ）に示すように、この窒化処理材１は、フェライト系のステンレス材からなり、表層２と、緩衝層３と、母材４とが順に積層されて構成されている。図１（ａ）に示すように、表層２は、高密度に微細分散された窒化クロム５を含有する。
【００４４】
緩衝層３は、表層２に接する表層側３ａと母材４に接する母材側３ｂとを有する。表層側３ａは、高密度に微細分散された窒化クロム５を含有するとともに、母材側３ｂは低密度に微細分散された窒化クロム５を含有する。これにより、緩衝層３は、表層側３ａから母材側３ｂに向かって窒化クロム５の濃度が低濃度に変化する窒化クロム５の濃度勾配を有している。
【００４５】
また、窒化クロム５の密度と相関して、表層２の硬度は高く、母材４の硬度は低くなっている。緩衝層３は、表層側３ａは硬度が高く、母材側３ｂは硬度が低くなるように、硬度の勾配を有している。
【００４６】
本実施の形態に係る窒化処理材１によれば、窒化クロム５の濃度勾配により高靱性を有する緩衝層３を表層２と母材４との間に備えるようになるので、この緩衝層３が表層２と母材４との間でクッションとして作用するようになる。これにより、従来のように高密度の窒化層からなる表層が母材に直接形成されている窒化処理材に比べて、表層２が割れにくい窒化処理材１を得ることができる。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法により、ステンレス材に窒化処理を施して上述した窒化処理材１を形成する方法について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４８】
ステンレス材の窒化処理方法は、準備工程と、加熱工程と、冷却工程とを備え、これらを同じ密閉炉にて順に処理するものとしている。また、本実施の形態では、ガス窒化法により窒化処理を行うものとしている。この窒化処理方法により、ステンレス材に窒化処理を施して窒化処理材１を得ることができる。
【００４９】
まず、準備工程では、密閉炉に処理対象であるフェライト系のステンレス材が載置され（ステップＳ１）、窒化処理ガスとしてアンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスが密閉炉内に導入される（ステップＳ２）。この窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は、５０体積％となっている。
【００５０】
加熱工程は、窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持するものとされている。加熱工程では、まず密閉炉内の加熱が開始される（ステップＳ３）。図３に示すように、密閉炉の加熱は、昇温期２０と、均熱保持期２１との２つの段階を経て行われる。
【００５１】
昇温期２０では、ステンレス材を８２０℃まで急速に加熱する（ステップＳ４）。均熱保持期では、ステンレス材を８２０℃に２時間維持する（ステップＳ５）。加熱により、窒化処理ガス中のアンモニアガスが窒素ガスと水素ガスとに分解される。
【００５２】
ここで、ステンレス材の窒素含有率は、フェライト相（α相）１１では最大でも０．１ｗｔ％であるのに対し、オーステナイト相（γ相）１０では最大で２．８ｗｔ％となる（図４参照）。そして、ステンレス材はオーステナイト相１０まで加熱されるので、表層２から窒素原子が容易に入り込むようになる。表層２に入り込んだ窒素原子の一部は、ステンレス材の成分であるクロムと化合して窒化クロム５を生成する。また、表層２に入り込んでクロムと化合しなかった窒素原子は、窒素原子のままステンレス材に固溶する。
【００５３】
さらに、冷却工程では、密閉炉内の徐冷が行われる（ステップＳ６）。本実施の形態では、８２０℃から２０℃までを約３時間程度で緩やかな早さ、すなわち約４．４℃／分の冷却速度で冷却されるようにしている（図３中、符号２２）。また、冷却工程においては、密閉炉には窒素ガスのみが充填される。
【００５４】
ステンレス材が徐冷されることにより、表層２で固溶していた窒素原子が析出し、クロムと化合して窒化クロム５を生成する。この窒化クロム５が微細分散されて、表層２から深部に向けて拡散する。
【００５５】
このため、表層２と母材４との間に、表層側３ａには高密度に微細分散された窒化クロム５を含有するとともに、母材側３ｂには低密度に微細分散された窒化クロム５を含有する緩衝層３が形成されるようになる。この緩衝層３は、表層側３ａと母材側３ｂとで窒化クロム５の濃度勾配を有している。これにより、図１（ｂ）に示す窒化処理材１を得ることができる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、窒化処理ガスはアンモニアガスと窒素ガスの混合ガスであるので、アンモニアガスのみからなる場合に比べて窒化ポテンシャルが低い。このため、過剰な窒素原子がステンレス材の表層２に入り込むことが抑制されるので、高密度の窒化層が厚くなって表層２が割れやすくなることを防止できる。
【００５７】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、加熱工程の加熱温度は８２０℃であるので、ステンレス材を窒素に対するオーステナイト相１０にすることができる。よって、窒化処理ガスの窒素原子がステンレス材の表層２に容易かつ多量に入り込むようになる。
【００５８】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、加熱工程において、均熱保持する時間は２時間であるので、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００５９】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、加熱工程において、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は５０体積％であるので、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルを最適化して、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００６０】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、冷却工程では、ステンレス材が徐冷されるので、固溶した窒素原子が徐々に析出するようになる。析出した窒素原子はクロムと化合して、窒化クロム５を生成する。この窒化クロム５が表層２から母材４に向けて、微細分散されて拡散する。このため、表層２と母材４との間に、窒化クロム５の濃度勾配を有する緩衝層３が形成されるようになる。この緩衝層３の濃度勾配により緩衝層３は高靱性を有するようになり、表層２と母材４との間でクッションとして作用するようになる。
【００６１】
また、本実施の形態に係るステンレス材の窒化処理方法によれば、冷却工程での徐冷は、冷却速度が緩やかであるので、従来のようにステンレス材を急冷してマルテンサイトが含まれる場合に比べ、靱性を向上することができる。さらに、徐冷の冷却速度は、４．４℃／分程度であるので、高靱性のステンレス材を安価に得ることができる。
【００６２】
ここで、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、加熱工程の加熱温度を８２０℃としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、加熱工程の加熱温度を５９０℃からステンレス材の融点までの範囲内としてもよい。この場合も、ステンレス材を窒素に対するオーステナイト相１０にすることができる。
【００６３】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、加熱工程の均熱保持時間を２時間としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、加熱工程の均熱保持時間を３０分〜３時間としてもよい。
【００６４】
ここで、均熱保持する時間が３０分より短いと、窒素原子のステンレス材の表層２への入り込み数が不十分になり、表層２の強度が低下してしまう。また、均熱保持する時間が３時間より長いと、窒素原子のステンレス材の表層２への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層２が割れやすくなってしまう。
【００６５】
このため、均熱保持する時間は、好ましくは３０分〜３時間であり、より好ましくは２時間である。この構成により、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００６６】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、加熱工程の窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率を５０体積％としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、加熱工程の窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率を１０体積％〜９５体積％としてもよい。
【００６７】
ここで、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が１０体積％より少ないと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が不十分で窒化ポテンシャルが低すぎるので、ステンレス材の表層２の窒化が不十分で強度が不足してしまう。また、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率が９５体積％より多いと、窒化処理ガス中の窒素原子の量が多すぎて窒化ポテンシャルが高すぎるので、窒素原子のステンレス材の表層２への入り込み数が過剰になり、高密度の窒化層が厚くなって表層２が割れやすくなってしまう。
【００６８】
このため、窒化処理ガスのアンモニアガスの含有率は、好ましくは１０体積％〜９５体積％であり、より好ましくは５０体積％である。この構成により、窒化処理ガスの窒化ポテンシャルを最適化して、ステンレス材の表層２の強度および靱性を最適化することができる。
【００６９】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、冷却工程の冷却速度を約４．４℃／分としたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、冷却工程の冷却速度を４℃／分〜５℃／分としてもよい。
【００７０】
ここで、冷却速度が４℃／分より遅いと、室温に放置する自然冷却よりも遅くなることから、保温しながら冷却しなければならず、自然冷却よりもコストが掛かってしまう。また、冷却速度が５℃／分より早いと、ステンレス材にマルテンサイトが生じてステンレス材の靱性が低下してしまうおそれがある。
【００７１】
このため、徐冷の冷却速度は、好ましくは４℃／分〜５℃／分であり、より好ましくは４．５℃／分程度である。この構成により、高靱性のステンレス材を安価に得ることができる。
【００７２】
また、上述した本実施の形態のステンレス材の窒化処理方法においては、フェライト系のステンレス材を用いたが、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法においては、これに限られず、例えば、マルテンサイト系のステンレス材を用いてもよい。
【００７３】
以上説明したように、本発明に係るステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材は、窒化処理を施した表層が割れないようにしたステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材全般に有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 窒化処理材（ステンレス材）
２ 表層
３ 緩衝層
３ａ 表層側
３ｂ 母材側
４ 母材
５ 窒化クロム
１０ オーステナイト相（γ相）
１１ フェライト相（α相）
Ｓ３ 加熱工程
Ｓ６ 冷却工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持する加熱工程と、前記ステンレス材を冷却する冷却工程とを有するステンレス材の窒化処理方法において、
前記加熱工程の前記窒化処理ガスは、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスであり、
前記加熱工程の加熱温度は、前記ステンレス材が窒素に対してオーステナイト相となる温度であり、
前記冷却工程の冷却は、徐々に冷却する徐冷であることを特徴とするステンレス材の窒化処理方法。
【請求項２】
前記徐冷は、前記ステンレス材がフェライトを含む組織となる冷却速度であることを特徴とする請求項１に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項３】
前記徐冷は、４℃／分〜５℃／分の冷却速度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項４】
前記加熱工程の前記加熱温度は、５９０℃から前記ステンレス材の融点までの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項５】
前記加熱工程で前記均熱保持する時間は３０分〜３時間であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項６】
前記窒化処理ガスの前記アンモニアガスの含有率は、１０体積％〜９５体積％であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項７】
前記ステンレス材はフェライト系であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法により窒化処理を施されたステンレス材からなる窒化処理材であって、
表層と、緩衝層と、母材とが順に積層されてなるとともに、
前記表層は、高密度に微細分散された窒化クロムを含有し、
前記緩衝層は、前記表層に接する表層側と前記母材に接する母材側とを有し、前記表層側が高密度に微細分散された前記窒化クロムを含有するとともに、前記母材側が低密度に微細分散された前記窒化クロムを含有し、前記表層側から前記母材側に向かって前記窒化クロムの濃度が低濃度に変化する前記窒化クロムの濃度勾配を有することを特徴とする窒化処理材。
【請求項１】
窒化処理ガス雰囲気においてステンレス材を加熱して均熱保持する加熱工程と、前記ステンレス材を冷却する冷却工程とを有するステンレス材の窒化処理方法において、
前記加熱工程の前記窒化処理ガスは、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスであり、
前記加熱工程の加熱温度は、前記ステンレス材が窒素に対してオーステナイト相となる温度であり、
前記冷却工程の冷却は、徐々に冷却する徐冷であることを特徴とするステンレス材の窒化処理方法。
【請求項２】
前記徐冷は、前記ステンレス材がフェライトを含む組織となる冷却速度であることを特徴とする請求項１に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項３】
前記徐冷は、４℃／分〜５℃／分の冷却速度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項４】
前記加熱工程の前記加熱温度は、５９０℃から前記ステンレス材の融点までの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項５】
前記加熱工程で前記均熱保持する時間は３０分〜３時間であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項６】
前記窒化処理ガスの前記アンモニアガスの含有率は、１０体積％〜９５体積％であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項７】
前記ステンレス材はフェライト系であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１の請求項に記載のステンレス材の窒化処理方法により窒化処理を施されたステンレス材からなる窒化処理材であって、
表層と、緩衝層と、母材とが順に積層されてなるとともに、
前記表層は、高密度に微細分散された窒化クロムを含有し、
前記緩衝層は、前記表層に接する表層側と前記母材に接する母材側とを有し、前記表層側が高密度に微細分散された前記窒化クロムを含有するとともに、前記母材側が低密度に微細分散された前記窒化クロムを含有し、前記表層側から前記母材側に向かって前記窒化クロムの濃度が低濃度に変化する前記窒化クロムの濃度勾配を有することを特徴とする窒化処理材。
【図２】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４６５２４（Ｐ２０１２−２４６５２４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７９８６（Ｐ２０１１−１１７９８６）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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