JP2004052023A

JP2004052023A - 窒化処理方法

Info

Publication number: JP2004052023A
Application number: JP2002209027A
Authority: JP
Inventors: Arata Kagiyama; 鍵山　　新; Kazuyoshi Terakado; 寺門　一佳; Noboru Baba; 馬場　　昇; Shizuka Yamaguchi; 山口　　静
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】本発明の目的は、窒化炉を用いて耐食性により優れた窒化硬化層を、より短時間で処理する窒化処理方法を提供することである。
【解決手段】鉄鋼材料の表面を改質するガス窒化法，イオン窒化法及び塩浴窒化法の何れかにおいて、深い窒化硬化層を短時間で形成するための高温処理と、耐食性を確保するための低温処理の複合処理を行うことにより、深い窒化硬化層と表面の耐食性を有することを特徴とする窒化処理方法。更には、高温処理が、処理温度が
５００℃以上で窒化処理を行うこと、低温処理が、処理温度が３００℃以上４５０℃未満で窒化処理を行うこと。
【効果】窒化炉を用いて耐食性により優れた窒化硬化層を、より短時間で処理する窒化処理方法を提供することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化処理方法に関する。特に、耐摩耗性と耐食性の何れにも優れた窒化層を得ることが出来る窒化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平２−２９４４６３号では、第１窒化処理を５５０〜６００℃の比較的高い温度で行い、深い硬化層を得た後、第１窒化処理よりも低い４５０〜５３０℃で窒化処理を行うことによって、表面層の硬さを大幅に向上させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
第２窒化処理が４５０℃以上では、耐食性向上の効果は少ない。また、耐食性の向上には、窒化炉以外の装置を設置する必要がある。
【０００４】
本発明の目的は、窒化炉を用いて耐食性により優れた窒化硬化層を、より短時間で処理する窒化処理方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、まず第１に５００℃以上の高温で窒化処理を行い、次いで、４５０℃未満の温度で窒化処理を行う。これにより、第１の処理では、より深い窒化硬化層を得ることができ、また、第２の処理では、より表面の耐食性を向上させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
発明者らは、ガス窒化法，イオン窒化法，塩浴窒化法等の窒化処理方法について種々検討を行った。
【０００７】
構造部材の耐摩耗性，耐衝撃性等を向上させ、さらに耐食性も向上させる手段として、イオンプレーティングなどによる窒化チタンや窒化クロムなどの皮膜を形成する方法，ニッケルめっきやクロムめっきを形成する方法などがある。しかし、いずれも皮膜であるために剥離の問題や、ピンホール状欠陥による耐食性低下の問題がある。
【０００８】
また、窒化処理法には、ガス窒化法，イオン窒化法，塩浴窒化法があるが、いずれも耐摩耗性，耐衝撃性，疲労強度等の機械的性質の向上を目的としている。いずれの処理法においても、４５０℃未満の低温で処理を行うと、耐食性に優れた窒化層を得ることができる。しかし低温での処理は、窒素の拡散速度が遅く、深い窒化硬化層深さを得るためには長時間の処理が必要となり経済的に有効ではない。
【０００９】
ガス窒化法においては、窒化ガスであるＮＨ_３　ガスを、ＮＨ_３　分解触媒と接触させて分解し、活性窒素発生させることで、窒素原子がより迅速かつ均一に金属表面に吸着・浸透することにより、低温で迅速に均一な窒化層を形成させることができると提案されている。
【００１０】
しかし、この方法では、ＮＨ_３　分解触媒が必要であることや、窒化法がガス窒化法に限定されてしまう問題点がある。
【００１１】
また、第１窒化処理を５５０〜６００℃の比較的高い温度で行い、深い硬化層を得た後、第１窒化処理よりも低い４５０〜５３０℃で窒化処理を行うことによって、表面層の硬さを大幅に向上させることも提案されている。しかし、第２窒化処理が４５０℃以上では、耐食性向上の効果は少ないという問題点がある。
【００１２】
以下、イオン窒化法を用いた実施態様を説明する。
【００１３】
（実施態様１）
窒化処理方法は、ガス窒化法，イオン窒化法，塩浴窒化法のいずれでもよい。イオン窒化法を用いた手段を以下に示す。
【００１４】
図２に、本発明を実施するのに用いた装置の概略を示す。装置は、真空容器４とその内部に設けられたワークテーブル５を有し、真空容器４とワークテーブル５は絶縁体６によって互いに絶縁されている。真空容器４には排気管８と排気バルブ９が設けられ、排気管８は真空ポンプに接続されている。また、真空容器４には、ガス導入管１０とガス導入バルブ１１が設けられ、ガス導入管１０はＮ_２　ガス，Ｈ_２　ガスおよびＡｒガスの混合ガス源に接続されている。真空容器４とワークテーブル５間には、真空容器４を陽極、ワークテーブル５を陰極とする電源７を有し、直流電源を印加できるようになっている。また、真空容器４に設けられたのぞき窓１２を通して、被処理物１４の表面温度を測定する赤外線放射温度計１３で構成される。
【００１５】
窒化処理を行うときには、ワークテーブル５の上に、被処理物１４を設置し、排気バルブ９を開き真空ポンプにより真空容器４の内部を１３．３Ｐａ　以下の圧力とした後、Ｎ_２　ガス，Ｈ_２　ガスおよびＡｒガスの混合ガスを導入し、真空容器４の内部のガス置換を行う。そして、電源７を用いて被処理物１４と真空容器４の間に１００〜７００Ｖの直流電圧をかけてグロー放電を被処理物１４の陰極周囲に発生させてイオン窒化を行う。イオン窒化処理中の被処理物１４は、イオンの衝撃エネルギーにより加熱される。この時の被処理物１４の温度を赤外線放射温度計１３により測定し、窒化温度が一定になるように印加電圧を制御する。
【００１６】
前記イオン窒化において、５００℃以上の高温処理を行った後、４５０℃未満の低温処理を行うことにより、深い窒化硬化層と表面の耐食性を有する窒化層を得ることができる。
【００１７】
同様に、ガス窒化法，塩浴窒化法においても、窒化温度を制御することによって、深い窒化硬化層と表面の耐食性を有する窒化層を得ることができる。
【００１８】
（実施態様２）
実験は、高合金工具鋼ＳＫＤ１１材およびオーステナイト系ステンレス鋼
ＳＵＳ３０４材のテストピースを用いて行った。テストピース形状は、２０×
２０×５〔ｍｍ〕で、脱脂洗浄後、図１に示すイオン窒化炉内のワークテーブル５上に、２０×５の面が下になるようにセットした。
【００１９】
図２に、本発明の窒化処理による温度と時間の条件を示す。処理温度および処理時間は、高温処理：５５０℃×３ｈ，低温処理：４００℃×１ｈで行った。ガス組成比，ガス圧力は、高温処理，低温処理共通で、Ｎ_２　／Ｈ_２　／Ａｒ＝１／１／０，ガス圧力１３３３Ｐａで行い、昇温開始からテストピース取出しまでトータル６時間４０分を要した。
【００２０】
図３に、比較として行った低温処理のみの窒化処理の温度と時間の条件を示す。処理温度および処理時間は、４００℃×１０ｈで行った。温度以外の条件は、本発明の窒化処理による実験と同じ条件で行った。昇温開始からテストピース取出しまでトータル１２時間３０分を要した。
【００２１】
図１に、ＳＫＤ１１材に本発明の窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。低温処理領域１を含む全硬化層２は、約１３０μｍとなっており、以下母材硬さ領域３となっている。この時の表面硬さは、１２００Ｈｖであった。
【００２２】
図５に、ＳＫＤ１１材に低温処理のみの窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。この実験の場合、低温処理領域１と全硬化層２は同一で、約６０
μｍとなっており、以下母材硬さ領域３となっている。この時の表面硬さは、
１２００Ｈｖであった。
【００２３】
図６に、ＳＵＳ３０４材に本発明の窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。低温処理領域１を含む全硬化層２は、約７５μｍとなっており、以下母材硬さ領域３となっている。この時の表面硬さは、１３００Ｈｖであった。
【００２４】
図７に、ＳＵＳ３０４材に低温処理のみの窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。この実験の場合、低温処理領域１と全硬化層２は同一で、約６
μｍとなっており、以下母材硬さ領域３となっている。この時の表面硬さは、
１３００Ｈｖであった。
【００２５】
図８に、表面処理なし、高温窒化処理，低温窒化処理および本発明の窒化処理を行ったＳＫＤ１１材とＳＵＳ３０４材の自然電位および孔食電位を示す。電位測定は、ＪＩＳ　Ｇ　０５７７　ステンレス孔食電位測定方法を参考にした分極測定を行った。これにより、高温窒化処理品は、ＳＫＤ１１材，ＳＵＳ３０４材いずれも低い耐食性であるのに対し、低温窒化品は、高い耐食性を示していることが分かり、本発明の窒化処理を行ったものは、低温窒化品と同等の耐食性を有していることが分かる。
【００２６】
図９に、ＳＫＤ１１材とＳＵＳ３０４材を用いて、第１窒化処理を５５０℃で行った後、第２窒化の処理温度を変化させた場合の孔食電位を示す。図８同様に電位測定は、ＪＩＳ　Ｇ　０５７７　ステンレス孔食電位測定方法を参考にした分極測定を行った。これにより、第２窒化処理温度は、ＳＫＤ１１材，ＳＵＳ３０４材いずれも４３０℃以下で行うことにより優れた耐食性を示したが、４５０℃以上では耐食性改善の効果が無いことが明らかとなった。
【００２７】
以上から窒化処理を行ったＳＫＤ１１材およびＳＵＳ３０４材は、耐食性に優れた窒化層を短時間で形成することが出来ることが分かった。
【００２８】
また、高温窒化処理と低温窒化処理は、同一炉による連続処理でない場合や、ガス窒化法，イオン窒化法および塩浴窒化法のどの組み合わせによる処理でも同じ効果が得られる。
【００２９】
以上述べた実施態様によれば、ガス窒化法，イオン窒化法および塩浴窒化法のいずれかの方法において、また、装置改造や特別な付属品など必要とせずに、通常の窒化炉を用いて耐食性に優れた深い窒化硬化層を、短時間で処理することを特徴とする窒化処理方法を提供することができる。
【００３０】
また、以上述べた窒化方法を用いることにより、耐食性に優れた、深い窒化硬化層を短時間で形成することが可能である。更には、窒化処理費を低減することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化炉を用いて耐食性により優れた窒化硬化層を、より短時間で処理する窒化処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＫＤ１１に窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。
【図２】窒化処理を実施するのに用いた装置の概略を示す。
【図３】窒化処理による温度と時間の条件を示す。
【図４】低温処理のみの窒化処理の温度と時間の条件を示す。
【図５】ＳＫＤ１１に低温処理のみの窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。
【図６】ＳＵＳ３０４に窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。
【図７】ＳＵＳ３０４に低温処理のみの窒化処理を行った断面構成および硬さ分布を示す。
【図８】表面処理なし、高温窒化処理，低温窒化処理および窒化処理を行ったＳＫＤ１１材とＳＵＳ３０４材の自然電位および孔食電位を示す。
【図９】ＳＫＤ１１およびＳＵＳ３０４を用いた場合の、第１窒化処理後の第２窒化温度による孔食電位の変化を示す。
【符号の説明】
１…低温処理領域、２…全硬化層、３…母材硬さ領域、４…真空容器、５…ワークテーブル、６…絶縁体、７…電源、８…排気管、９…排気バルブ、１０…ガス導入管、１１…ガス導入バルブ、１２…のぞき窓、１３…赤外線放射温度計、１４…被処理物。

Claims

鉄鋼材料の表面を改質するガス窒化法，イオン窒化法及び塩浴窒化法の何れかにおいて、深い窒化硬化層を短時間で形成するための高温処理と、耐食性を確保するための低温処理の複合処理を行うことにより、深い窒化硬化層と表面の耐食性を有することを特徴とする窒化処理方法。
請求項１において、前記高温処理が、処理温度が５００℃以上で窒化処理を行うことであることを特徴とする窒化処理方法。
請求項１において、前記低温処理が、処理温度が３００℃以上４５０℃未満で窒化処理を行うことであることを特徴とする窒化処理方法。
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記低温処理と前記高温処理を同一炉内で行うことを特徴とする窒化処理方法。
約５％硝酸アルコール溶液による断面組織観察において、腐食される部分が、強腐食される高温処理領域及び耐食性に優れほとんど腐食されない部分とが明瞭に判別できる窒化硬化層を形成する請求項１乃至３の何れかに記載の窒化処理方法。