JP2011190513A - 摺動部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器や精密機器に使用される軸及び軸受けとして、寸法精度に優れ、耐摺動磨耗性・非磁性の優れた摺動部品の製造方法を提供する。
【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓi:≦１．００％、Ｍn：９．０〜２０．０％、Ｎi：０．３〜８．０％、Ｃr：１６．０〜１９．０％、Ｎ：０．０４〜０．４０％であり、残部が実質的にＦe及び不可避的な不純物からなる組成のワークを作製する。ワークは１０００℃〜１０８０℃においてアセチレンガスを導入して真空浸炭処理を行ない、その後、温度を保持したままガス供給を停止して真空中で拡散処理を行なう。処理後はワークに研削加工のみ又は研削加工後に研磨加工を施す。この製造方法により、Ｈｖ６５０以上の表面硬さを有する、寸法精度、耐摺動磨耗性及び非磁性に優れた摺動部品を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器や精密機器に使用される軸、軸受け等の摺動部品の製造方法に関するものである。

電子機器や精密機器に使用される部品の中で、ソレノイドバルブ等の精密案内として用いられるものとして、プランジャー、コア摺動軸とその軸受け、カラーがある。これらの摺動部品はメカトロニクス機構の重要部品であるため、高強度、非磁性、高硬度、耐磨耗性等の表面機能が要求され、これまでは主としてステンレス鋼の窒化処理品あるいはメッキ処理品が使用されてきた。しかし、電子機器や精密機器では、著しい高容量化及び小型化が進み、使用される摺動部品も小型化され、これまで以上に小型化・高速化に耐えられる表面機能が要求されている。従来、非磁性であるオーステナイト系ステンレス鋼に耐摺動摩耗性が要求される場合は、硬質クロムメッキ等の湿式メッキ、ＰＶＤ（ Physical Vapor Deposition ）による硬質層のコーティング、あるいは表面窒化が行なわれてきた。しかし、硬質層のコーティングはステンレス鋼に対する密着性が悪いために剥離しやすく、処理コストが高いという問題がある。また、窒化処理は低コストで高い耐摺動摩耗性を得ることが出来るが、耐食性が低下し磁性を帯びるという問題がある。

これらの問題点を解決するために、例えば特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼部品をハロゲンガス又はハロゲン化合物ガスを含む雰囲気中で表面活性化処理を行なった後、アンモニア及び浸炭性ガスを含む雰囲気中で加熱し、浸炭窒化処理する技術が開示されている。

また、特許文献２には、同様の表面活性化処理を行なった後、６８０℃以下の温度に加熱し、ＲＸガスを炉に供給して浸炭処理を行ない、さらにＤＬＣ皮膜形成処理を行なう技術が開示されている。

特開２００４−１２４１９６号公報 特開２００４−３０７８９４号公報

しかしながら、電子機器や精密機器に使用される軸及び軸受けでは、０．００１mm単位の寸法精度が要求され、上記の技術では、浸炭窒化処理あるいは浸炭処理によるワークの寸法変化や変形に問題が残る。

例えば、軸の場合、外径公差は０．００２mm以内、真円度は０．００１mm以下、軸の振れは０．００５mm以下という極めて高い精度が要求される。また、軸受けの場合も、内径公差は０．００５mm以内、真円度は０．００２mm以下の寸法精度が要求される。

したがって、軸及び軸受けでは、処理後にワークの内外径及び全長の研削加工が必要となるが、研削加工を行なう場合は、深さ０．０３mm以上の加工代が必要である。また、軸のように全長の長いものは、軸の振れを改善するためにより多くの加工代を必要とする。

本発明は、かような問題点に鑑みて創案されたものであって、その目的とするところは、寸法精度に優れ、かつ、耐摺動磨耗性と非磁性に優れた摺動部品の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための第１の手段は、表面硬化された摺動部品の製造方法であって、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓi:≦１．００％、Ｍn：９．０〜２０．０％、Ｎi：０．３〜８．０％、Ｃr：１６．０〜１９．０％、Ｎ：０．０４〜０．４０％、残部がＦe及び不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼製のワークの作製工程と、前記ワークの真空浸炭処理工程と、次いで、研削のみ又は研削後に研磨する加工工程と、を備えることを特徴とする。

第２の手段は、第１の手段において、ワークの作製工程が、線材を直線化し所定の長さに切断する工程、又は、直線棒材を旋削加工する工程であることを特徴とする。

第３の手段は、第１又は第２いずれかの手段において、真空浸炭処理工程が、処理温度１０００℃〜１０８０℃、好ましくは１０４０℃〜１０６０℃で、処理圧力約０．１ｋＰａで、アセチレンガスを供給して所定時間の浸炭処理する工程と、前記アセチレンガスの供給停止後に、前記処理温度、処理圧力０．０５ｋＰａで、所定時間の拡散処理する工程と、を備えることを特徴とする。

第４の手段は、第３の手段において、浸炭処理時間が６０分以上、拡散処理時間が１０分であることを特徴とする。

第５の手段は、第１〜４いずれかの手段において、摺動部品が、電子機器又は精密機器に使用されるＨｖ６５０以上の表面硬さを有する軸又は軸受けであることを特徴とする。

本発明によれば、真空浸炭処理によって得られたワークを研削加工あるいは研削・研磨加工することにより、寸法精度に優れ、非磁性であって、要求される耐摺動摩耗性に必要なＨｖ６５０以上の表面硬さを有する摺動部品が得られる。

摺動部品の製造工程図である。 １０５０℃で処理した浸炭処理材の硬さ分布を比較した図である。 １０５０℃で処理した浸炭処理材の硬さ分布を比較した図である。 １０５０℃で処理した浸炭処理材の硬さ分布を比較した図である。

本発明である寸法精度、耐摺動磨耗性に優れた非磁性の摺動部品の製造工程を図１に示す。工程Ｓ０１では、表１の組成をもつオーステナイト系ステンレス鋼の線材を直線化し所定の長さに切断したワーク、又は、同鋼の直線棒材を旋削加工したワークを作製する。

工程Ｓ０２ではワークの真空浸炭処理を行なう。本処理では、予め加熱室を０．０５ｋＰａまで真空引きし、１０００℃〜１０８０℃、好ましくは１０４０℃〜１０６０℃の所定温度まで加熱しておく。搬入搬出扉を開放して、ワークを冷却室兼準備室（以下、冷却室と称する）に搬入し、直ちに搬入搬出扉を閉鎖する。冷却室を０．０５ｋＰａまで真空引きし、その後に中間扉を開放して内部搬送装置によりワークを加熱室に移動する。ワーク移動後、加熱室を０．０５ｋＰａ以下に真空引きしながらワークを１０００℃〜１０８０℃、好ましくは１０４０℃〜１０６０℃の所定温度まで加熱し、その後に浸炭ガス源からアセチレンガスを加熱室内に供給して（このとき、加熱室内は０．１ｋＰａとなる）浸炭処理を行なう。浸炭処理終了後にアセチレンガスの供給を停止し、温度を維持したまま加熱室内を０．０５ｋＰａまで真空にして拡散処理を行なう。拡散処理後に加熱室と冷却室を不活性ガスにより０．５ｋＰａに加圧し、その後に中間扉を開放して内部搬送装置によりワークを冷却室の昇降台上に移動し、直ちに中間扉を閉鎖する。その後、昇降台を降下させワークを冷却剤中で冷却する。なお、ワークを冷却剤中で冷却せず、不活性ガス中で空冷してもよい。ワークを冷却剤中で所定時間冷却した後、昇降台を上昇させ、冷却室を不活性ガスにより大気圧に復圧し、搬入搬出扉を開放してワークを炉外へ搬出する。

工程Ｓ０３では、浸炭及び拡散処理したワークを研削加工、又は研削後に研磨加工し、寸法精度及び耐摺動磨耗性に優れた非磁性の摺動部品を製造する。なお、軸等部品の外径寸公差が０．００１mm以下を要求される場合は、研削加工のみとなる。しかし、研削加工後の表面には微小な凹凸が残っているため磨耗の懸念がある。この問題を避けるためには、さらに研磨加工を施すことが効果的である。本発明材は安定したオーステナイト系であるため、 浸炭及び拡散処理後に研削・研磨加工した場合も、透磁率１．０１以下の非磁性を保持する。

本発明材において、鋼組成を限定した理由は下記の通りである。

〔C（炭素）〕
Cはオーステナイトを安定にすると同時に固溶強化に寄与する元素であって、 本発明材においては強度確保のため ０．０５％以上含有させる。一方、０．５％を超えるとオーステナイト結晶粒界に炭化物が析出し、これにより線材の延性が劣化すると共に、線の伸線加工性や耐食性の低下につながる。したがって、本発明材にあってはC含有量を０．０５〜０．５０％と限定した。

〔Si（ケイ素）〕
Siは脱酸剤として精錬過程で溶綱中に添加されるが、１．０％を超えると非金属介在物が増加して鋼の清浄度の悪化をもたらすため、その上限を１．０％と定めた。

〔Mn（マンガン）〕
Mnはオーステナイト組織を安定化させる作用があるが、本発明材にあっては、鋼を非磁性とするに必要な元素である。そのためには９．０％以上含有させる必要があるが、 ２０％を超えても十分な改善は得られないことから、本発明材では１４〜２０％と定めた。

〔Ni（ニッケル）〕
Niはオーステナイト組織を安定にして耐食性を改善するのに有効な元素であり、少なくとも０．３％以上添加する必要がある。一方、８．０％を超えるとオーステナイト組織の安定化に対しては過剰であるばかりでなく、コスト上昇を招き好ましくない。 したがって、本発明材にあっては、Ni含有量の上限を８．０％と定めた。なお、好ましくは１．０〜６．０％である。

〔Cr（クロム）〕
Crは、MnとNiを含む鋼のオーステナイト組織を著しく安定化する。本発明材の耐食性改善を図るには、１６％以上の含有が必要である。しかし、１９％を超えても耐食性向上が認められない。したがって、本発明材においては、 Cr含有量は１６〜１９％と定めた。かかる狭い範囲において、非磁性で耐摺動磨耗性に特に優れた効果が得られるのである。

〔N（窒素）〕
Nは、Cと同様にオーステナイト組織を安定化すると同時に、固溶化に寄与する元素である。Nは耐応力腐食割れ性を改善する効果があり、本発明材にあっては、０．０４％以上の含有が必要である。これによって、オーステナイト組織の安定、耐食性改善等を目的としたNi等の高価な元素の多量な添加を回避することができる。一方、Nが０．４％を超えるような高N鋼は、鋳込み鋼塊中にブローホールによる欠陥を発生させる恐れがあり好ましくない。したがって、N含有は０．０４〜０．４％と定めた。

本発明材によれば、上記鋼組成を有する耐摺動摩耗性に優れた表面硬さHV６５０以上を有する透磁率１．０１以下の精密案内軸、プランジャー、軸受け等が製造できる。

表２に示す化学組成を有する本発明材と従来のオーステナイト系ステンレス鋼を用いて、表面機能を比較した。なお、比較材１はSUS304鋼、比較材２はSUS316鋼である。

１０５０℃での真空浸炭処理（浸炭及び拡散処理）を各材料に施し、深さ方向の硬さ分布を調べた結果を図２〜４に示す。なお、各試験では、浸炭処理の時間を４５、６０、７５分とし、拡散処理の時間を１０分とした。いずれの条件においても、本発明材の硬さは比較材より高い。

各材料の処理条件毎の表面硬さ、０．０５mm深部の内部硬さ、及び磁性について調べた結果を表３に示す。いずれの材料も非磁性であるが、本発明材の表面硬さ及び内部硬さは比較材より高い。特に、本発明材の内部硬さは浸炭処理時間が６０分以上でＨｖ６５０以上を有し、特に顕著な違いがでる。

Claims (5)

1. 表面硬化された摺動部品の製造方法であって、
   重量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓi:≦１．００％、Ｍn：９．０〜２０．０％、Ｎi：０．３〜８．０％、Ｃr：１６．０〜１９．０％、Ｎ：０．０４〜０．４０％、残部がＦe及び不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼製のワークの作製工程と、
   前記ワークの真空浸炭処理工程と、
   次いで、研削のみ又は研削後に研磨する加工工程と、を備えることを特徴とする摺動部品の製造方法。
2. ワークの作製工程が、線材を直線化し所定の長さに切断する工程、又は、直線棒材を旋削加工する工程であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品の製造方法。
3. 真空浸炭処理工程が、
   処理温度１０００℃〜１０８０℃、好ましくは１０４０℃〜１０６０℃で、処理圧力約 ０．１ｋＰａで、アセチレンガスを供給して所定時間の浸炭処理する工程と、
   前記アセチレンガスの供給停止後に、前記処理温度で、処理圧力０．０５ｋＰａで、所定時間の拡散処理する工程と、を備えることを特徴とする請求項１又は２いずれかに記載の摺動部品の製造方法。
4. 浸炭処理時間が６０分以上、拡散処理時間が１０分であることを特徴とする請求項３に記載の摺動部品の製造方法。
5. 摺動部品が、電子機器又は精密機器に使用されるＨｖ６５０以上の表面硬さを有する軸又は軸受けであることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の摺動部品の製造方法。