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- かずまさ とみもと
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1 29 Low Temperature Plasma Nitriding and arburizing for Austenitic Stainless Steel Motoo Egawa Nobuhiro Ueda ( ) 1. SUS304, SUS316 1) 400 (S ) 2) Bell 3) S (extended austenite) S S S ( ) ( ) S
2 30 2. S ( S ) S ( S ) S S S S S S S S S S S 2.1 SUS304 SUS mm D ( ) N 2 : H 2 = 80 : 20 H 4 : H 2 : Ar = 5 : 45 : L/min 667 Pa 300 V ( ) (GDS, Glow discharge spectrometer, System 3860) (1) 1 4 SUS304 SUS316 SUS K 1 (mass%) Si Mn P S Ni r Mo SUS SUS K 713K 723K 743K 773K SUS316 SUS SUS304 SUS316
3 K 773 K SUS K 713 K SUS K 743 K ( ) S Nitrogen intensity (arb. unit) 673K 723K 773K GDS SUS304) SUS K SUS K K SUS316 SUS304 Mo 2 GDS SUS304 X Y GDS X Y 2 (2) 3 4 SUS304 SUS316 SUS K 743 K 673 K 813 K 833 K SUS316 SUS K 833 K 673K 743K 773K 813K 833K SUS316 SUS SUS304 SUS316
4 32 arbon intensity (arb. unit) SUS K 743K 833K GDS SUS304 SUS K 833 K SUS316 SUS304 SUS316 SUS304 4 GDS SUS304 2 X Y (1) Fick 2 = D (2.1) t x x x t D 0 ( t = 0 x = 0 ) S ( S > 0 ) = (2.2) S ( x = 0, t > 0) (2.1) S Q D = D0 exp (2.3) RT Q (kj mol 1 ) R ( / J K 1 mol 1 ) T (K) D 0 Q 4) Well 5) 4) 0.33c D = exp( c) exp 10 (2.4) T c (mass %) (1) (2) S 2 S (2.4) (2.2) (2.4) (2.1) 4) GDS 5 5 X GDS Y GDS 5 GDS 5 GDS
5 33 arbon intensity (arb. unit) SUS K 743K 833K Solute concentration S Phase Boundary Phase II Phase I II I initi xb Depth from surface x 5 ( ) GDS 6 S S 6) (2) x I ( t = 0 x = initial ) I II I I II II ( II > I ) S = (2.5) S ( x = 0, t > 0) I II 2 I = DI, x > x B (2.6) t x x II = DII, x < x B (2.7) t x x I II D I D II I II initial 1 1 erf 2 x = + A DIt x = S A2 erf, 2 D t, x > x B (2.8) x < xb (2.9) erf 7) 2 x 2 erf = 2 Dt π A 1 A 2 x II D t 0 2 η dη (2.10) B I initial 1 1 erf (2.11) 2 x = + A DIt xb II = S A2 erf (2.12) 2 DIIt I II I II 6 8) S S S Makishi 9) Ni G. P. (Guinier- Preston zone) e
6 34 (3) Push-ahead S ) Push- ahead 11) Push-ahead 12) 13) 14) 10) (4) S S S S S S S S Push-ahead S S S S S 1100 HK 800 HK SUS316 4 ( 4N ) 4 ( 4) 2 2 ( 4 ) ( 22N) 673 K 8 4N 4 22N 4N 5.9 μm 4 (a) (b) SUS304 nitrided at 723K N, intensity (arb. unit) N (c) (a) 4 (4N), (b) 4 (4) (c) 2 2 (22N)
7 35 N, intensity (arb. unit) N, intensity (arb. unit) (a) Nitriding 4h (4N) N (b) arburizing 4h (4) N μm 22N 11.1 μm (22N) 9 GDS 9(c) 10 4N 1080 HK HK0.01 (22N) 1050 HK HK0.01 N, intensity (arb. unit) Knoop hardness, /HK (c) arburizing 2h and Nitriding 2h (22N) N 9 GDS (a) 4N, (b) 4, (c) 22N Depth from surface, d/μm 10 4N, 4, 22N 3. S S
8 36 (a) 図 11 に プ ラ ズ マ 窒 化 処 理 と 浸 炭 処 理 を 施 し た (b) SUSXM7 製のタッピンねじの断面ミクロ組織を示す 窒化層の厚さは約 3.5 μm 浸炭層の厚さは約 27 μm であった 図 12 に窒化処理と浸炭処理を施したタッピンねじ 図 11 の硬度分布を示す なお 比較のため 従来品のマ ルテンサイト系ステンレス SUS410 製と 浸炭焼入 SUSXM7 製タッピンねじのミクロ組織 (a) 窒化 (b) 浸炭 れを施した炭素鋼線材 SWRH18A 製のタッピンねじ の硬度を併せて示す 窒化処理を施した SUSXM7 製 タッピンねじの硬度は最表面近傍で 1155 HK0.01 の 1500 Knoop hardness, /HK0.01 最大値を示し 表面から約 4 μm の深さの母相 窒化 層界面で急激に低下している また 浸炭処理を施 した SUSXM7 製タッピンねじは最表面の近傍で HK0.01 の最大硬度を示した後 深さ約 25 μm の母相 界面まで徐々に硬度が低下している 一 方 SUS410 製 の タ ッ ピ ン ね じ は 最 表 面 に お 500 いて最大硬度 780 HK0.01 を示した後 約 120 μm の 深さまで硬度が徐々に低下し 芯部の硬度は HK0.01 で あ っ た ま た 浸 炭 焼 入 れ を 施 し た Depth from surface, d/μm 140 SWRH18A 製のタッピンねじは最表面において最大 160 硬度 758 HK0.01 を示し 約 80 μm の深さまで徐々に 硬度が低下し 芯部の硬度は HK0.01 であっ 図 12 タッピンねじのヌープ硬度分布 (a) SUSXM7 窒化 ( ) (b) SUSXM7 浸炭 ( ) (c)sus410 焼入れ ( ) (d)swrh18a 浸炭焼入れ ( ) た 図 13 に 木 材 へ の ね じ 込 み 試 験 の 結 果 を 示 す 従来品と同様に木材にねじ込めており プラズマ処理 and quenched SWRH18A arburized Quenched SUS410 arburized SUSXM7 SUSXM7 Nitrided SUSXM7 製窒化ねじおよび SUSXM7 製浸炭ねじは により表面に形成された窒化層と浸炭層が木材へのね じ込み性に関して十分な表面硬度を有していることが 確認できた 図 14 に曲げ試験後のタッピンねじの外観写真を示 す SUSXM7 窒化ねじと SUSXM7 浸炭ねじはともに 90 まで曲げても破断せず 亀裂の発生も認められな かった 一方 SUS410 製のタッピンねじは約 45 で SWRH18A 製浸炭ねじは約 35 まで曲げた時点で破 断しており 試作した SUSXM7 窒化ねじと SUSXM7 浸炭ねじが従来品と比べて高い変形能と靭性を備えて いることが確認できた 図 13 ねじ込み試験結果 (a) (b) 図 14 曲げ試験結果 (c) (d) (a) SUSXM7 窒化 (b)susxm7 浸炭 (c)sus410 焼入れ (d)swrh18a 浸炭焼入れ
9 37 SUSXM7 SUSXM7 15) 4. S 1) (1976) 51. 2) K. Ichii, K. Fujimura abd T. Takase: Technology Reports of Kansai University, 27 (1986) ) Z. L. Zhang and T. Bell: Surface Engineering, 1, 2 (1985) ), 32, 4 (1982) 66. 5). Wells, W. Batz and R. F. Mehl: Trans. AIME, 188 (1950) ) F. Ernst, A. Avishai, H. Kahn, X. Gu, G. M. Michal and A. H. Heuer: Metallurgical and Materials Transactions, 40A, 8 (2009) ) G. H. Geiger and D. R. Poirier: Transport phenomena in Metallurgy, Addison-Wesley publishing company (1973) ) G. H. Geiger and D. R. Poirier: Transport phenomena in Metallurgy, Addison-Wesley publishing company (1973) ) Takashi Makishi and Kazuhiro Nakata: Metallurgical and Materials Transactions A, 35A (2004) ) M. Tsujikawa, D. Yoshida, N. Yamauchi, N. Ueda, T. Sone and S. Tanaka: Surface & oatings Technology, 200 (2005) ) A. Leyland, D. B. Lewis, P. R. Stevenson and A. Matthews: Surface and oatings Technology, 62 (1993) ) (1977) ) K. Oda, N. Kondo and K. Shibata: ISIJ int., 30, (1990) ) M. Murayama, K. Hono, H. Hirukawa, T. Ohmura and S. Matsuoka: Scripta Materialia, 41, 5 (1999) ), 58, 11 (2007) 620.
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