JP2004091892A

JP2004091892A - Process for nitriding metal product

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Publication number: JP2004091892A
Application number: JP2002256934A
Authority: JP
Inventors: Tadaharu Kagaya; 加賀谷　忠治; Eiji Kagaya; 加賀谷　英治; Hirotae Kubota; 久保田　普堪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2004-03-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitriding process for relatively easily and inexpensively forming a nitride layer on a metal product. <P>SOLUTION: The metal product to be nitrided is heated to a nitriding temperature in the presence of a gas to react the metal product with a nitrogen component in a nitriding agent and form the nitride layer on its surface. Here, the gas is generated by heating the nitriding agent which is a nitrogen-containing raw material of a thermosetting resin such as dicyandiamide or a nitrogen-containing thermosetting resin such as melamine resin, urea resin, phenol resin and polyurethane resin. The nitriding agent is preferably obtained by recovering a discarded thermoplastic resin product. By using the recovered resin product as the nitriding agent, effective resource use and reduced nitriding cost can be achieved. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化方法に関し、より詳細には窒素分を含む熱硬化性樹脂又は前記熱硬化性樹脂の窒素分を含む原料を窒化剤として使用した金属製品の窒化方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
窒化処理は、一般に鋼の表面層に窒素を拡散浸透させて硬質の窒化層を形成させる操作であり、機械や構造物の部品等の耐摩耗性、耐疲労性などを向上させるための有効な手段として従来より広く利用されている。
【０００３】
このような窒化処理としては、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）を含む窒化鋼をアンモニアガス中で５００〜５２５℃に５０〜１００時間保持して行うガス窒化と、ＮａＣＮＯ等を主剤とする塩浴中で約５７０℃に処理対象とする金属製品を保持する塩浴窒化法がある。
【０００４】
前述の窒化方法のうちガス窒化は、電気炉等の加熱手段内に配置された窒化用容器内に、窒化対象とする金属製品を投入すると共にアンモニアガスを継続的に導入し、窒化用容器内において前述の窒化対象とする金属製品とアンモニアガスとを反応させて窒化を行うものである。
【０００５】
この窒化に使用される窒化用容器は、高ニッケル・クロム鋼板（Ｎｉ　１９％，Ｃｒ　２３％）や、モネルメタル（強力耐食性合金・Ｎｉ　６４〜６９％，Ｃｕ　３０〜３８％，その他Ｍｎ，Ｃ，Ｆｅ，融点１３５０〜１４２０℃）に２〜３％のＭｎを加えた合金等で形成された容器の底に、高さ２０〜３０ｍｍのＮｉ−Ｃｒ鋼の枕を置き、さらにこの枕の上に太さ２ｍｍ、網目２０ｍｍ位のＮｉ金網を敷いて形成されたものであり、窒化用容器内の前記金網上に窒化すべき品物が並べて収容される。
【０００６】
窒化される金属製品が多数に亘る場合には、さらにこの窒化対象の金属製品上に同様の金網を載せて更に窒化すべき品物を並べ、これに蓋をする。
【０００７】
この窒化用容器内には、アンモニアガスが継続的に導入されており、アンモニアガスの導入開始後暫くして窒化用容器中の空気が完全にアンモニアガスに置き換わると、この容器を収容した電気炉によって窒化用容器が加熱され、窒化対象製品及びアンモニアガスが導入された窒化用容器内も加熱される。
【０００８】
このアンモニアガスは液状アンモニアを詰めたボンベから窒化用容器内に導入され、アンモニアの導入量は窒化用容器からの排気ガスが常にアンモニアを７０〜８０％を含むように調節されている。
【０００９】
次に、電気炉内の温度を窒化温度迄上げて約５０〜１００時間窒化した後、窒化用容器を電気炉外に出して１５０℃以下まで冷却してからアンモニアの送入をやめて蓋を開いて内部に投入された物品を取り出すと、その表面が銀灰色を呈した窒化鋼が得られる。このようにして出来た窒化層はＨｖ１０００〜１１５０と非常に硬く、耐摩耗性や耐疲労性が飛躍的に向上した製品を得ることができる。
【００１０】
但し、このガス窒化法によってはＳＵＳ３０４のようなオーステナイト系ステンレス鋼では一般に窒化ができない。
【００１１】
また塩浴窒化法は、ＮａＣＮ，ＫＣＮをほぼ６０：４０の割合に混合したものに、中性塩・炭酸塩を加えたものを純チタン板を内張したポットの中へ入れ、５７０℃前後に溶融してそのとき生成されるシアン酸化物（ＮａＣＮＯ，ＫＣＮＯ）によって塩浴窒化する方法であり、使用中には塩浴の中へ空気を吹き込むことによってＣＯとＮの分解を促進しつつ処理する。
【００１２】
この塩浴窒化法にあっては、処理温度が５７０℃付近で行われるので、処理中に変態がなく部品の変形が少ないこと、窒化時間が１〜２時間以内で極めて短く、ガス窒化法の５０〜１００時間と比較して格段に処理時間を短縮することができること、および窒化物生成元素を含まない普通鋼にも適用でき、さらに工具鋼に対しても窒化を行える等の利点がある。
【００１３】
その一方で、この処理を行ったものでは低炭素鋼（Ｃ＝０．１５％程度）の薄鋼板の表面化合物層の硬さはＨｖ５００〜６００位で、前述したガス窒化法に比べてかたさはそれ程高くはないが耐摩耗性が著しく向上する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明した従来の窒化方法にあっては、これに使用される処理装置は極め大掛かりかつ高価である一方、窒化装置自体は比較的小型であり同時に大量の金属製品の窒化処理を行うことはできず、窒化処理に際して発生するランニングコストを高めるものとなっている。
【００１５】
また、このように窒化装置が比較的小型であるという制約から、例えば自動車のセンターピラーやシャーシのような大型の金属製品を窒化処理の対象とすることはできなかった。
【００１６】
そのため、安価かつ簡単な方法により金属製品に対して窒化処理を行うことができると共に、比較的大型の金属製品に対しても安価かつ容易な方法で窒化処理を行うことができる窒化方法の開発が要望されている。
【００１７】
ところで、電気部品や家庭用電化製品の各種部品やケース、食器や包装用容器等の各種物品において熱硬化性樹脂製品が使用されており、これらの樹脂製品が多量に消費され、廃棄されているが、資源の乏しい我が国において、また、環境問題等に対する社会の感覚が鋭敏化した今日にあっては、このようにして廃棄された樹脂成形品の有用な再利用が図られることが要望されている。
【００１８】
本発明は、これらの樹脂製品やその原料の中には窒素成分を含むものがあり、これらを加熱することにより窒素や水素、アンモニア等のガスが発生することに着目し、このような樹脂製品、または該樹脂の原料と成る物質を窒化剤として使用し得ることを見出すことによりなされたもので、メラミンの製造原料であるジシアンジアミドや、メラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂等のある種の樹脂を窒化剤として窒化対象とする金属製品を窒化する、従来にはない新規な窒化方法を提供することにより、金属製品の窒化を比較的簡易かつ安価に行うことができると共に、たとえばこれらの窒化剤である樹脂を、廃棄された樹脂製品より得ることにより資源の有効利用を図ることのできる窒化方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の金属製品の窒化方法は、窒素分を含む熱硬化性樹脂、又は前記熱硬化性樹脂の原料のうち窒素分を含むものの中から選択された少なくとも一種類の窒素含有物質を窒化剤とし、この窒化剤の加熱により発生したガスの存在下で、窒化処理の対象とする鉄又は非鉄金属又はこれらの合金から成る金属製品を窒化温度に加熱して前記金属製品の表面に窒化層を形成することを特徴とする（請求項１）。
【００２０】
前述の窒素含有物質としては、ジシアンジアミド、メラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂又はポリウレタン樹脂を使用することができる（請求項２）。
【００２１】
前述の窒化方法は、前記金属製品が投入された電気炉や窒化容器等の空間内に前記窒素含有物質を加熱することにより発生したガスを導入することにより行っても良いが、好ましくは前記金属製品と前記窒化剤とを共に同一の加熱炉や窒化用容器内に投入し、又は金属製品と窒化剤とを共にアルミホイルで包んだ状態で加熱する等して、同一の空間内で加熱する（請求項３）。
【００２２】
前述の窒素含有物質は、これを廃棄された熱硬化性樹脂製品を回収することにより得ることが好ましい（請求項４）。
【００２３】
なお、窒化の対象とする前記金属製品が鉄系の金属製品である場合には、前記窒化温度は４５０〜５７０℃で（請求項５）、
チタン又はチタン合金の場合には、７００〜８５０℃とすることが好ましい（請求項６）。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態につき以下説明する。
【００２５】
本発明の金属製品の窒化方法は、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂等の窒素分を含む熱硬化性樹脂、及びメラミン樹脂の原料となるメラミンの中間生成物であるジシアンジアミド等、前記熱硬化性樹脂の窒素分を含む原料（本明細書においてこれらを総称して「窒素含有物質」という。）を窒化剤とし、これらの窒化剤を処理対象の金属製品と共に窒化用容器や加熱炉に入れ、あるいはアルミホイルで包む等して同一の空間内に配置して両者を加熱することにより、又は前述の窒化剤を加熱することにより発生したガスを前述の金属製品が投入された窒化用容器や加熱炉内に導入し、このガスの存在下において前記金属製品を窒化温度に加熱することにより、処理対象の金属製品と窒化剤中の窒素成分とを反応させて処理対象金属の表面に窒化層を形成するものである。
【００２６】
〔処理対象〕
本発明の窒化方法において処理対象とする金属としては、既知の窒化処理において　処理対象とすることができる金属についてはこれを処理対象とすることができ、ガス窒化のようにアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）を含有する窒化鋼に限定されず、後述する実験例において使用したＳＵＳ３０４鋼の他、極軟鋼（ＳＰＣＣ）、機械構造用鋼（ＳＣＭ４１５）、工具鋼（ＳＫＤ１１）及び鋳鉄（ＦＣＤ８００）などの鋼一般に対して窒化処理を行うことが可能である。
【００２７】
また、鋼以外の非鉄金属の合金についても処理対象とすることができ、例えばチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）についてもこれを処理対象とすることができる。
【００２８】
窒化に際しては、処理対象とする金属製品の表面を必要に応じて研磨等を行っておく。但し、本発明の窒化方法にあっては、窒化処理の対象とする金属製品に錆が発生していたり、油が付着していても窒化には影響がなく、従来のガス窒化等の場合のように処理対象表面に付着した油気の除去や、沸騰水による洗浄、油気を除くために使用された洗剤や酸、アルカリを除去して表面を清浄する等の前処理はこれを省略して工程を簡略化することも可能である。
【００２９】
〔窒化剤〕
本発明の窒化方法において使用される窒化剤は、窒素分を含む熱硬化性樹脂やこの熱硬化性樹脂の原料のうち窒素分を含むもの、すなわち前述の窒素含有物質のうちの一種又はこれらを数種組み合わせたものを窒化剤として使用することができ、この窒素含有物質としては、具体的にはメラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂や、メラミンを製造する際の中間生成物であるジシアンジアミド等がこれに該当する。
【００３０】
また、窒化剤は、例えばバージンのジシアンジアミド、又はメラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂を使用することもできるが、これらの熱硬化性樹脂は、電気絶縁材料、印刷基板回路、配線器具やスイッチ類、包装用容器のキャップ類、食器類等の素材として多量に使用され、廃棄等されていることから、好ましくは資源の有効利用、コストの低減等の理由からこの窒化剤と成るメラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂及びポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂を原料とする廃棄樹脂製品を回収し、この回収された樹脂製品を窒化剤として使用する。
【００３１】
窒化剤として使用する際の前述の樹脂製品の形状は特に限定されず、回収された樹脂製品そのままの状態であっても良く、又は例えばカッタやミル、シュレッダ等により粉末状や片状、所定大の塊状に破砕乃至は粉砕し、これを窒化剤として使用しても良い。
【００３２】
もっとも、処理対象とする金属製品が比較的小型であり昇温が早いときにはこれを粉末状に破砕して使用することで、窒化剤より容易にガスを発生させることができ有効である。
【００３３】
また、これらの窒化剤は窒化用容器や加熱炉等に投入されて使用されることから、回収された樹脂製品が比較的大型である場合等には、前述のように粉末状としたり、又は一例として１０〜５０ｍｍ程度の片状に破砕すれば、窒化用容器や加熱炉等に投入し易く取り扱いに便利である。
【００３４】
なお、この窒化剤は前述のようにして廃棄物より回収された樹脂を単独で使用しても良く、又は廃棄物より回収された樹脂とバージンの樹脂の粉末を所定量添加して使用しても良く、さらに複数種類の樹脂を混合して使用しても良い。
【００３５】
〔窒化処理〕
以上の窒化剤は加熱することにより窒素、水素、アンモニア等を含むガスが発生し、前述の窒化処理対象の金属製品はこのようにして窒化剤の加熱により発生したガスの存在下において窒化温度に加熱される。
【００３６】
このように、窒化剤を加熱することにより発生したガスの存在下において金属製品を窒化温度に加熱するためには、別途設けられた窒化剤用の加熱容器内で発生したガスを金属製品が投入された加熱炉や窒化用容器内に導入することにより行っても良いが、本実施形態にあっては窒化剤を処理対象とする金属製品と共に加熱炉や窒化用容器内に投入し、又は処理対象の金属製品と窒化剤とを共にアルミホイル等で包んだ状態で加熱することにより、窒化剤を加熱することにより発生したガスの存在する空間内において金属製品が窒化温度に加熱される。
【００３７】
この窒化温度は、窒化対象とする金属製品が鋼及び鋼合金である場合には４５０℃〜５７０℃であり、チタン合金である場合には７００〜８５０℃で窒化を行う。
【００３８】
加熱により窒化剤として使用されたジシアンジアミド、あるいはメラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂又はポリウレタン樹脂等の樹脂から窒素、水素、アンモニア等が発生するが、処理対象とした金属製品が鋼または鋼合合金である場合を例に説明すると、窒化剤中の炭素（Ｃ）は鋼表面にＦｅ_３Ｃを形成し、これが核となって窒化物ε（Ｎ，Ｃ等）からなる窒素化合物層を、その直下にはアンモニアの分解（２ＮＨ_３→２Ｎ＋３Ｈ_２）による窒素が拡散して窒素拡散層を形成し、この２つの層から成る窒化層が形成される。
【００３９】
〔実験例〕
次に、本発明の金属製品の窒化方法につき、さらに具体的な実験例を以下説明する。
【００４０】
１．実験方法
本実験例において窒化処理は図１（Ａ）に示す試験片及び図１（Ｂ）に示す窒化用容器を用いて行い、処理対象とする試験片は、ＳＵＳ３０４鋼の板材（厚さ４ｍｍ）を長さ６０ｍｍ・幅４０ｍｍに加工して使用した。
【００４１】
この試験片の表面を♯４００及び♯１０００のエメリー紙で一様に研磨した後、ジシアンジアミド粉末（５０ｇ）とともに図１（Ｂ）に示す窒化用容器内に投入し、このようにしてジシアンジアミド粉末と試験片とが入った窒化用容器を図２に示すように電気炉内に配置して所定の温度まで加熱した。
【００４２】
このときの昇温速度は、約６℃／ｍｉｎで、窒化温度を一定時間保持した後空冷した。このときの窒化条件を表１に、ヒートパターンを図３に示す。
【００４３】
なお、ジシアンジアミドの粉末は、試験片の表面積に対して約０．１ｇ／ｃｍ^２になるように試験片、例えばＳＰＣＣ等と共に窒化容器内に充填した。
【００４４】
【表１】窒化条件

【００４５】
２．実験結果
図４に、ジシアンジアミドの粉末を用いて５６５℃、２時間保持した試験片の横断面組織を示す。図４において、窒素化合物層と窒素拡散層から成る窒化層が形成されていることを明瞭に観察することができ、試験片の表面側には約２６μｍの窒素化合物層が、その直下には約３０μｍの窒素拡散層が形成されていることが確認された。
【００４６】
図５は、窒化処理された試験片表面に対するＸ線解析結果を示したものである。図５から明らかなようにその表面はＦｅ_３Ｏ_４の存在から酸化していることを確認できるものの、ＣｒＮやＦｅ_４Ｎの存在を確認することができ、これにより本発明の方法により試験片に対して好適に窒化が行われていることを確認することができた。
【００４７】
また、図６に示すように断面におけるＥＰＭＡ線分析によれば、表面近傍では窒素（Ｎ）の濃度が増加し、若干の炭素（Ｃ）の拡散も認められた。
【００４８】
図７に、各窒化条件における窒化層の厚さと窒化時間の関係を示す。試験片の表面側に形成される窒素化合物層は、窒化時間１時間以上でほぼ一様な厚さとなるが、これは一定量の窒化剤を用いているためと考えられる。これに対し、窒素拡散層、従って窒素化合物層と窒素拡散層からなる窒化層全体の厚みは窒化時間を長くすることによりその厚みが増大しており、窒化時間を必要に応じて調整することにより所望の厚さの窒化層を形成することも可能である。
【００４９】
また、窒化温度が４８０℃と低い場合には、窒化温度５６５℃の場合に比較して窒化層の形成が抑制されているものの、このように比較的低い温度下においても窒化層が形成されることが確認された。この温度条件による窒化では窒化時間６時間で窒素化合物層及び窒素拡散層の厚さはそれぞれ約２０μｍ、約１５μｍ（合計約３５μｍ）である。
【００５０】
図８は、試験片の断面における硬度分布を示したもので、最表面付近での表面硬度は加熱温度及び保持時間にかかわらず約１３００ＨＶの硬度を示しており、従来のガス窒化による硬度（１０００〜１１５０ＨＶ）と同等以上の硬度となっていることが確認できた。これは、Ｃｒが寄与しているものと考えられる。また、拡散層では約５００ＨＶとなり、既知の方法により窒化処理した場合との相違は殆ど見られず、本発明の方法による窒化処理は、実用に十分耐え得るものであることを確認することができた。
【００５１】
図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に、ジシアンジアミドの粉末中で処理したＳＰＣＣの断面組織の例を示す。ＳＰＣＣの場合の窒素化合物層の厚さは１〜３時間の加熱で２μｍほどであるが、窒化が行われていることを確認することができ、また、図１０に示すように表面硬度が約４５０ＨＶに向上することが確認された。
【００５２】
〔その他〕
なお、以上の実験例にあっては、窒化剤としてジシアンジアミドの粉末を使用した例を示したが、窒化剤として使用するジシアンジアミドやメラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂又はポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂は必ずしも粉末状として使用する必要はなく、例えば樹脂製品として存在する場合にはそのままの状態で、又は片状、ペレット状乃至は塊状のものを使用する場合であっても好適に窒化処理を行うことが可能である。
【００５３】
一例として、一辺ないしは長さが２０〜５０ｍｍ程度の片状のメラミン樹脂及びフェノール樹脂を９：１の割合で混合したものを窒化剤として使用し、窒化温度５６５℃で２時間の窒化処理を行った試験片（ＳＵＳ３０４鋼）の断面組織を図１１に示す。図１１に示すように前述の窒化処理の結果得られた試験片の断面組織からは明らかに窒化層の形成を確認することができ、使用する窒化剤は粉末状のものに限定されることなく他の形態のものであっても本発明の方法による窒化処理に使用することができることが確認できた。
【００５４】
また、前述した実験例にあっては、ジシアンジアミド粉末を使用してＳＣＭ４１５、ＦＣＤ８００、ＳＫＤ１１、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）から成る試験片についてそれぞれ窒化処理を行ったが、これらの試験片についても窒化層が形成されていることを確認することができ、また、窒化剤を前述のジシアンジアミド粉末に代えて塊状、ペレット状、片状又は粉末状のメラミン樹脂やユリア樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂等の窒素分を含む熱硬化性樹脂、又はこれらの熱硬化性樹脂を原料とする製品とし、これらにより前記同様各種金属から成る試験片に対して窒化処理を行ったところ、これらの試験片に対しても窒化層が形成されていることを確認することができた。
【００５５】
従って、本窒化法は電気炉等の加熱手段があれば、その他に特別な装置を必要とせず容易に窒化処理を行うことができ、しかも５００℃以下（一例として４８０℃前後）の比較的低温の加熱によっても窒化処理を行うことができるため機械部品、金型、工具などはもとより、従来の窒化方法によっては窒化処理が困難であった自動車のセンターピラーやシャーシ等の大型の部品に対しても比較的容易に窒化処理を行うことができる等、広範に適用することができる簡易かつ安価な窒化方法であることを確認することかできた。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明した本発明の構成から、本発明の金属製品の窒化方法は以下に示す顕著な効果を有する。
【００５７】
窒素分を含む熱硬化性樹脂、又は前記熱硬化性樹脂の窒素分を含む原料中から選択された少なくとも一種類の窒素含有物質を窒化剤とし、この窒化剤を加熱すると共にこの加熱により発生したガスの存在下で窒化処理の対象とする金属製品を一定時間加熱・保持することにより、窒化剤に含まれる窒素と処理対象とする金属製品とを反応させるという比較的簡単な方法により金属製品に対して窒化層を形成することができる金属製品の窒化方法を提供することができた。
【００５８】
従って、比較的簡単な設備において金属製品に対する固体窒化を行うことができ、例えば少量生産品や比較的大型の金属製品であっても安価かつ容易に窒化を行うことができる窒化方法を提供することができた。
【００５９】
特に前述の窒化剤の原料を例えば電気絶縁材料、電源カバーやスイッチ類、包装用容器のキャップ等として使用された後、廃棄され、回収されたフェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂等の窒素分を含む熱硬化性樹脂製品とすることにより、多量に廃棄されている樹脂製品に対して新たな用途を提供することができ、資源の有効利用を図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験例における実験条件の説明図であり、（Ａ）は試験片、（Ｂ）は窒化用容器の形状及びサイズを示す。
【図２】実験例における実験装置の説明図。
【図３】実験例におけるヒートパターンを示す模式図。
【図４】本発明の方法により窒化された試験片（ＳＵＳ３０４：５６５℃−２ｈ）の断面顕微鏡写真。
【図５】本発明の方法により窒化された試験片（ＳＵＳ３０４：５６５℃−２ｈ）の表面Ｘ線解析結果。
【図６】本発明の方法により窒化された試験片（ＳＵＳ３０４：５６５℃−２ｈ）の表面ＥＰＭＡ線分析結果。
【図７】本発明の方法により窒化された試験片（ＳＵＳ３０４：５６５℃−２ｈ）の窒化層厚さと窒化時間の関係を示すグラフ。
【図８】本発明の方法により窒化された試験片（ＳＵＳ３０４：５６５℃−２ｈ）のビッカース硬度分布。
【図９】本発明の方法により窒化された試験片（ＳＰＣＣ：５６５℃）の断面組織を示す電子顕微鏡写真であり、それぞれ窒化時間が、（Ａ）は１時間、（Ｂ）は２時間、（Ｃ）は３時間。
【図１０】本発明の方法により窒化された試験片（ＳＰＣＣ：５６５℃）の硬度分布を示すグラフ。
【図１１】片状のメラミン樹脂とフェノール樹脂を混合したものを窒化剤として窒化処理を行った試験片（ＳＵＳ３０４：５６５℃−２ｈ）の断面組織を示す電子顕微鏡写真。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitriding method, and more particularly, to a method of nitriding a metal product using a thermosetting resin containing nitrogen or a raw material containing nitrogen of the thermosetting resin as a nitriding agent.
[0002]
[Prior art]
Nitriding is an operation to form a hard nitrided layer by diffusing and infiltrating nitrogen into the surface layer of steel, and is an effective method for improving the wear resistance, fatigue resistance, etc. of machines and structural parts. It has been widely used as a means.
[0003]
As such a nitriding treatment, gas nitriding is performed by holding a nitrided steel containing aluminum (Al) and chromium (Cr) in an ammonia gas at 500 to 525 ° C. for 50 to 100 hours, and a salt mainly composed of NaCNO or the like. There is a salt bath nitriding method in which a metal product to be treated is kept at about 570 ° C. in a bath.
[0004]
Among the above-mentioned nitriding methods, gas nitriding is to introduce a metal product to be nitrided into a nitriding container arranged in a heating means such as an electric furnace and continuously introduce ammonia gas, and to perform nitriding in the nitriding container. In this method, nitriding is performed by reacting the above-mentioned metal product to be nitrided with ammonia gas.
[0005]
Containers for nitriding used for this nitriding include high nickel chromium steel sheet (Ni 19%, Cr 23%), monel metal (strong corrosion-resistant alloy, Ni 64 to 69%, Cu 30 to 38%, other Mn, C, A Ni-Cr steel pillow having a height of 20 to 30 mm is placed on the bottom of a container made of an alloy or the like obtained by adding 2 to 3% Mn to Fe, melting point 1350 to 1420 ° C). It is formed by laying a Ni wire mesh having a thickness of about 2 mm and a mesh of about 20 mm, and articles to be nitrided are housed side by side on the wire mesh in the container for nitriding.
[0006]
When a large number of metal products are to be nitrided, a similar wire mesh is further placed on the metal product to be nitrided, and items to be further nitrided are arranged, and this is covered.
[0007]
Ammonia gas is continuously introduced into the nitriding container, and when the air in the nitriding container is completely replaced with ammonia gas shortly after the introduction of the ammonia gas is started, an electric furnace containing the container is used. Accordingly, the nitriding container is heated, and the inside of the nitriding container into which the product to be nitrided and the ammonia gas are introduced is also heated.
[0008]
This ammonia gas is introduced into the container for nitriding from a cylinder filled with liquid ammonia, and the amount of introduced ammonia is adjusted so that the exhaust gas from the container for nitriding always contains 70 to 80% of ammonia.
[0009]
Next, after raising the temperature in the electric furnace to the nitriding temperature and nitriding for about 50 to 100 hours, the nitriding vessel is taken out of the electric furnace and cooled to 150 ° C. or less, and then the supply of ammonia is stopped and the lid is opened. When the article put inside is taken out, nitrided steel having a silver gray surface is obtained. The nitrided layer formed in this way is extremely hard with Hv1000 to 1150, and a product with significantly improved wear resistance and fatigue resistance can be obtained.
[0010]
However, austenitic stainless steel such as SUS304 cannot be generally nitrided by this gas nitriding method.
[0011]
In the salt bath nitriding method, a mixture of NaCN and KCN in a ratio of about 60:40 and a mixture of a neutral salt and a carbonate are put into a pot in which a pure titanium plate is lined, and about 570 ° C. This is a method of nitriding in a salt bath with cyan oxide (NaCNO, KCNO) generated at that time. During use, air is blown into the salt bath to promote decomposition of CO and N while promoting treatment. I do.
[0012]
In this salt bath nitriding method, since the processing temperature is around 570 ° C., there is no transformation during the processing and there is little deformation of the parts, and the nitriding time is extremely short within 1 to 2 hours. There are advantages that the processing time can be remarkably reduced as compared with 50 to 100 hours, that the invention can be applied to ordinary steel containing no nitride-forming element, and that tool steel can be nitrided.
[0013]
On the other hand, in the case of performing this treatment, the hardness of the surface compound layer of the thin steel sheet of the low carbon steel (C = 0.15%) is about 500 to 600 Hv, which is harder than the gas nitriding method described above. Although not so high, wear resistance is significantly improved.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional nitriding method described above, the processing apparatus used for this is extremely large and expensive, while the nitriding apparatus itself is relatively small, and it is not possible to simultaneously perform nitriding of a large amount of metal products. It is not possible to increase the running cost generated during nitriding.
[0015]
In addition, due to the restriction that the nitriding apparatus is relatively small, large-sized metal products such as, for example, a center pillar and a chassis of an automobile cannot be subjected to the nitriding treatment.
[0016]
Therefore, the development of a nitriding method capable of performing a nitriding treatment on a metal product by an inexpensive and simple method and a nitriding treatment on a relatively large metal product by an inexpensive and easy method has been developed. Requested.
[0017]
By the way, thermosetting resin products are used in various parts such as electric parts and household appliances, various cases such as tableware and packaging containers, and these resin products are consumed and discarded in a large amount. However, in Japan, where resources are scarce, and today, where society's sense of environmental problems and the like has become more acute, it has been demanded that useful reuse of the resin molded products thus discarded be achieved. I have.
[0018]
The present invention focuses on the fact that some of these resin products and the raw materials thereof contain a nitrogen component, and heating these generates gas such as nitrogen, hydrogen, and ammonia. Or a material such as dicyandiamide, which is a raw material for producing melamine, or a melamine resin, a urea resin, a phenol resin, or a polyurethane resin. By providing an unprecedented new nitriding method for nitriding a metal product to be nitrided using the resin of the present invention as a nitriding agent, the nitriding of the metal product can be performed relatively easily and at low cost. An object of the present invention is to provide a nitriding method capable of effectively utilizing resources by obtaining a resin as a nitriding agent from a discarded resin product. To.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for nitriding a metal product according to the present invention includes a thermosetting resin containing nitrogen, or at least one kind selected from those containing nitrogen among the raw materials of the thermosetting resin. The nitrogen-containing substance is a nitriding agent, and in the presence of a gas generated by heating the nitriding agent, a metal product made of an iron or non-ferrous metal or an alloy thereof to be subjected to a nitriding treatment is heated to a nitriding temperature to obtain the metal. A nitride layer is formed on the surface of the product (claim 1).
[0020]
As the nitrogen-containing substance, dicyandiamide, melamine resin, urea resin, phenol resin or polyurethane resin can be used (claim 2).
[0021]
The nitriding method described above may be performed by introducing a gas generated by heating the nitrogen-containing substance into a space such as an electric furnace or a nitriding vessel into which the metal product has been charged, but preferably the metal is used. Both the product and the nitriding agent are put into the same heating furnace or nitriding vessel, or the metal product and the nitriding agent are heated in a state where both are wrapped in aluminum foil and heated in the same space. (Claim 3).
[0022]
It is preferable that the above-mentioned nitrogen-containing substance is obtained by collecting the thermosetting resin product discarded therefrom (claim 4).
[0023]
When the metal product to be nitrided is an iron-based metal product, the nitriding temperature is 450 to 570 ° C (Claim 5).
In the case of titanium or a titanium alloy, the temperature is preferably set to 700 to 850C (Claim 6).
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described below.
[0025]
The method for nitriding a metal product of the present invention includes a phenol resin, a urea resin, a melamine resin, a thermosetting resin containing a nitrogen component such as a polyurethane resin, and dicyandiamide, which is an intermediate product of melamine as a raw material of the melamine resin. A raw material containing a nitrogen component of the thermosetting resin (in the present specification, these are collectively referred to as “nitrogen-containing substances”) is used as a nitriding agent, and the nitriding agent is used together with a metal product to be treated in a container for nitriding or a heating furnace. Or by wrapping it in aluminum foil and placing it in the same space and heating both, or by heating the nitriding agent described above, the gas generated by heating the nitriding The metal product is introduced into a vessel or a heating furnace and heated to the nitriding temperature in the presence of this gas, thereby reacting the metal product to be treated with the nitrogen component in the nitriding agent. Having to be processed metal surface of which forms a nitride layer.
[0026]
〔Processing object〕
As a metal to be treated in the nitriding method of the present invention, a metal that can be treated in a known nitriding treatment can be treated. Aluminum (Al), chromium such as gas nitriding can be used. It is not limited to nitrided steel containing (Cr), but also SUS304 steel used in the experimental examples described later, extremely mild steel (SPCC), steel for machine structure (SCM415), tool steel (SKD11), cast iron (FCD800) and the like. It is possible to perform a nitriding treatment on the steel in general.
[0027]
Also, alloys of non-ferrous metals other than steel can be processed, and for example, titanium alloy (Ti-6Al-4V) can be processed.
[0028]
At the time of nitriding, the surface of the metal product to be treated is polished as necessary. However, in the nitriding method of the present invention, even if rust is generated on the metal product to be subjected to the nitriding treatment or the oil is attached, the nitriding does not affect the nitriding, and the case of the conventional gas nitriding or the like is not affected. Pre-treatment such as removal of oil adhering to the surface to be treated, cleaning with boiling water, and cleaning the surface by removing detergents, acids, and alkalis used to remove oil, should be omitted. It is also possible to simplify the process.
[0029]
(Nitriding agent)
The nitriding agent used in the nitriding method of the present invention is a thermosetting resin containing a nitrogen component or a component containing a nitrogen component among the raw materials of the thermosetting resin, that is, one or more of the above-described nitrogen-containing substances. A combination of several types can be used as a nitriding agent. Specific examples of the nitrogen-containing substance include melamine resins, urea resins, phenol resins, thermosetting resins such as polyurethane resins, and melamine resins. This corresponds to dicyandiamide, which is an intermediate product of the above.
[0030]
The nitriding agent may be, for example, virgin dicyandiamide, or a melamine resin, a urea resin, a phenol resin, or a polyurethane resin.These thermosetting resins include an electric insulating material, a printed circuit board, a wiring device, and the like. Melamine resin, which is used as a nitriding agent because it is used in large quantities as a material for switches, caps for packaging containers, tableware, etc. and is discarded, preferably for effective use of resources and cost reduction In addition, waste resin products made from thermosetting resins such as urea resin, phenol resin and polyurethane resin are collected, and the collected resin products are used as a nitriding agent.
[0031]
The shape of the above-mentioned resin product when used as a nitriding agent is not particularly limited, and may be in the state of the recovered resin product as it is, or may be in the form of a powder, a piece, or a predetermined size using a cutter, a mill, a shredder, or the like. May be crushed or pulverized, and this may be used as a nitriding agent.
[0032]
However, when the metal product to be treated is relatively small and the temperature rises quickly, it is effective to crush this into a powder and use it, so that the gas can be more easily generated than the nitriding agent.
[0033]
In addition, since these nitriding agents are used by being charged into a nitriding container or a heating furnace, etc., when the recovered resin product is relatively large, for example, it may be powdered as described above, or As an example, when crushed into pieces of about 10 to 50 mm, it is easy to put into a nitriding container, a heating furnace, or the like, which is convenient for handling.
[0034]
As the nitriding agent, the resin recovered from the waste as described above may be used alone, or the resin recovered from the waste and the virgin resin powder may be used by adding a predetermined amount. Alternatively, a plurality of types of resins may be mixed and used.
[0035]
〔Nitriding treatment〕
By heating the above nitriding agent, a gas containing nitrogen, hydrogen, ammonia, etc. is generated, and the metal product to be nitrided is heated to a nitriding temperature in the presence of the gas generated by heating the nitriding agent. Heated.
[0036]
As described above, in order to heat the metal product to the nitriding temperature in the presence of the gas generated by heating the nitriding agent, the metal product is charged with the gas generated in the separately provided heating container for the nitriding agent. Although it may be performed by introducing into a heated furnace or a nitriding container, in the present embodiment, the nitriding agent is put into the heating furnace or the nitriding container together with the metal product to be processed, or By heating the target metal product and the nitriding agent in a state where both are wrapped in aluminum foil or the like, the metal product is heated to the nitriding temperature in the space where the gas generated by heating the nitriding agent is present.
[0037]
The nitriding temperature is 450 ° C. to 570 ° C. when the metal product to be nitrided is steel or a steel alloy, and 700 to 850 ° C. when the metal product is a titanium alloy.
[0038]
Nitrogen, hydrogen, ammonia, etc. are generated from dicyandiamide used as a nitriding agent or a resin such as melamine resin, urea resin, phenolic resin or polyurethane resin by heating, but the metal product to be treated is steel or steel alloy. Taking a case as an example, carbon (C) in the nitriding agent forms Fe ₃ C on the steel surface, which serves as a nucleus to form a nitrogen compound layer composed of nitride ε (N, C, etc.) immediately below. The nitrogen is diffused by the decomposition of ammonia (2NH ₃ → 2N + 3H ₂ ) to form a nitrogen diffusion layer, and a nitride layer composed of these two layers is formed.
[0039]
[Experimental example]
Next, a more specific experimental example of the method for nitriding a metal product of the present invention will be described below.
[0040]
1. Experimental Method In this experimental example, the nitriding treatment was performed using the test piece shown in FIG. 1 (A) and the nitriding container shown in FIG. 1 (B), and the test piece to be treated was a SUS304 steel plate (thickness 4 mm). ) Was processed into a length of 60 mm and a width of 40 mm before use.
[0041]
After the surface of the test piece was uniformly polished with # 400 and # 1000 emery paper, it was put into a nitriding container shown in FIG. 1 (B) together with dicyandiamide powder (50 g). The container for nitriding containing the test piece was placed in an electric furnace as shown in FIG. 2 and heated to a predetermined temperature.
[0042]
At this time, the temperature was raised at a rate of about 6 ° C./min. The nitriding conditions at this time are shown in Table 1, and the heat pattern is shown in FIG.
[0043]
The dicyandiamide powder was filled in a nitriding container together with a test piece, for example, SPCC, so that the surface area of the test piece became about 0.1 g / cm ² .
[0044]
[Table 1] Nitriding conditions

[0045]
2. Experimental Results FIG. 4 shows the cross-sectional structure of a test piece kept at 565 ° C. for 2 hours using dicyandiamide powder. In FIG. 4, it can be clearly observed that a nitride layer composed of a nitrogen compound layer and a nitrogen diffusion layer is formed, and a nitrogen compound layer of about 26 μm is provided on the surface side of the test piece, and a nitrogen compound layer is provided immediately below the layer. It was confirmed that a nitrogen diffusion layer of 30 μm was formed.
[0046]
FIG. 5 shows the results of X-ray analysis of the surface of the test piece subjected to the nitriding treatment. As is clear from FIG. 5, although the surface can be confirmed to be oxidized from the presence of Fe ₃ O ₄ , the presence of CrN and Fe ₄ N can be confirmed, whereby the test piece can be confirmed by the method of the present invention. It was confirmed that nitriding was suitably performed on the.
[0047]
As shown in FIG. 6, according to the EPMA line analysis on the cross section, the concentration of nitrogen (N) increased near the surface, and some diffusion of carbon (C) was also observed.
[0048]
FIG. 7 shows the relationship between the thickness of the nitride layer and the nitriding time under each nitriding condition. The nitrogen compound layer formed on the surface side of the test piece has a substantially uniform thickness when the nitriding time is 1 hour or more, which is considered to be because a certain amount of nitriding agent is used. On the other hand, the thickness of the nitrogen diffusion layer, that is, the entire thickness of the nitride layer including the nitrogen compound layer and the nitrogen diffusion layer is increased by increasing the nitridation time, and by adjusting the nitridation time as necessary. It is also possible to form a nitride layer having a desired thickness.
[0049]
Further, when the nitriding temperature is as low as 480 ° C., although the formation of the nitride layer is suppressed as compared with the case where the nitriding temperature is 565 ° C., the nitride layer is formed even at such a relatively low temperature. It was confirmed that. In the nitridation under these temperature conditions, the thickness of the nitrogen compound layer and the nitrogen diffusion layer are about 20 μm and about 15 μm (total about 35 μm), respectively, for a nitriding time of 6 hours.
[0050]
FIG. 8 shows the hardness distribution in the cross section of the test piece. The surface hardness near the outermost surface shows a hardness of about 1300 HV regardless of the heating temperature and the holding time. １1150 HV) or more. This is considered to be due to Cr. In addition, the diffusion layer has a value of about 500 HV, and there is almost no difference from the case where the nitriding treatment is performed by a known method, and it can be confirmed that the nitriding treatment according to the method of the present invention is sufficiently durable for practical use. Was.
[0051]
9 (A) to 9 (C) show examples of the cross-sectional structure of SPCC treated in dicyandiamide powder. In the case of SPCC, the thickness of the nitrogen compound layer is about 2 μm by heating for 1 to 3 hours, but it can be confirmed that nitriding has been performed, and as shown in FIG. It was confirmed that the voltage increased to 450 HV.
[0052]
[Others]
In the above experimental examples, an example was shown in which dicyandiamide powder was used as a nitriding agent, but a thermosetting resin such as dicyandiamide, a melamine resin, a urea resin, a phenol resin or a polyurethane resin used as a nitriding agent was used. Does not necessarily need to be used as a powder, for example, when it is present as a resin product, it is preferably used as it is, or even when a piece, a pellet or a lump is used, a nitriding treatment is preferably performed. It is possible.
[0053]
As an example, nitriding treatment is performed at a nitriding temperature of 565 ° C. for 2 hours using a mixture of a flaky melamine resin and a phenol resin having a side or length of about 20 to 50 mm at a ratio of 9: 1. FIG. 11 shows a cross-sectional structure of the test piece (SUS304 steel). As shown in FIG. 11, formation of a nitrided layer can be clearly confirmed from the cross-sectional structure of the test piece obtained as a result of the above-described nitriding treatment, and the nitriding agent used is not limited to a powdery one. It was confirmed that other forms can be used for the nitriding treatment according to the method of the present invention.
[0054]
In the above-described experimental examples, the test pieces made of SCM415, FCD800, SKD11, and a titanium alloy (Ti-6Al-4V) were each subjected to nitriding treatment using dicyandiamide powder. It can also be confirmed that a nitrided layer is formed, and that the nitriding agent is replaced with the above-mentioned dicyandiamide powder, and is used as a lump, pellet, flake or powder melamine resin, urea resin, phenol resin, polyurethane resin. When a thermosetting resin containing a nitrogen component such as, or a product using these thermosetting resins as a raw material, and a nitriding treatment was performed on test pieces made of various metals in the same manner as described above, these test pieces On the other hand, it was confirmed that a nitride layer was formed.
[0055]
Therefore, in the present nitriding method, if there is a heating means such as an electric furnace, it is possible to easily perform the nitriding treatment without requiring any special equipment, and at a relatively low temperature of 500 ° C. or less (for example, about 480 ° C.). Nitriding can also be performed by heating, so that not only machine parts, molds, tools, etc., but also large parts such as automobile center pillars and chassis that were difficult to nitridate with conventional nitriding methods It was also confirmed that the method is a simple and inexpensive nitriding method that can be widely applied, for example, the nitriding treatment can be performed relatively easily.
[0056]
【The invention's effect】
From the configuration of the present invention described above, the method for nitriding a metal product of the present invention has the following remarkable effects.
[0057]
A thermosetting resin containing a nitrogen component, or at least one type of nitrogen-containing substance selected from raw materials containing a nitrogen component of the thermosetting resin is used as a nitriding agent, and the nitriding agent is heated and generated by this heating. By heating and holding the metal product to be nitrided in the presence of gas for a certain period of time, the nitrogen contained in the nitriding agent reacts with the metal product to be processed. On the other hand, it was possible to provide a method of nitriding a metal product capable of forming a nitride layer.
[0058]
Accordingly, it is possible to provide a nitridation method that can perform solid nitridation on a metal product in a relatively simple facility, for example, even in a small-volume product or a relatively large metal product at low cost and easily. Was completed.
[0059]
In particular, the above-mentioned nitriding agent raw materials are used as electric insulating materials, power supply covers and switches, packaging container caps, etc., and then discarded and recovered, such as phenolic resin, urea resin, melamine resin, and polyurethane resin. By using a thermosetting resin product containing a nitrogen component, a new use can be provided for a resin product that is discarded in a large amount, and effective use of resources can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view of experimental conditions in an experimental example, in which (A) shows a test piece, and (B) shows the shape and size of a nitriding container.
FIG. 2 is an explanatory view of an experimental device in an experimental example.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a heat pattern in an experimental example.
FIG. 4 is a cross-sectional micrograph of a test piece (SUS304: 565 ° C.-2h) nitrided by the method of the present invention.
FIG. 5 is a result of surface X-ray analysis of a test piece (SUS304: 565 ° C.-2h) nitrided by the method of the present invention.
FIG. 6 is a surface EPMA line analysis result of a test piece (SUS304: 565 ° C.-2h) nitrided by the method of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the nitride layer thickness and the nitriding time of a test piece (SUS304: 565 ° C.-2h) nitrided by the method of the present invention.
FIG. 8 is a Vickers hardness distribution of a test piece (SUS304: 565 ° C.-2h) nitrided by the method of the present invention.
FIG. 9 is an electron micrograph showing a cross-sectional structure of a test piece (SPCC: 565 ° C.) nitrided by the method of the present invention, wherein the nitriding time is (A) is 1 hour, (B) is 2 hours, (C) is 3 hours.
FIG. 10 is a graph showing a hardness distribution of a test piece (SPCC: 565 ° C.) nitrided by the method of the present invention.
FIG. 11 is an electron micrograph showing a cross-sectional structure of a test piece (SUS304: 565 ° C.-2h) subjected to nitriding treatment using a mixture of a flaky melamine resin and a phenol resin as a nitriding agent.

Claims

A thermosetting resin containing nitrogen, or at least one type of nitrogen-containing substance selected from those containing nitrogen among the raw materials of the thermosetting resin is used as a nitriding agent, and a gas generated by heating the nitriding agent is used. In the presence of, a metal product made of an iron or non-ferrous metal or an alloy thereof to be subjected to nitriding treatment is heated to a nitriding temperature to form a nitrided layer on the surface of the metal product. Method.

2. The method according to claim 1, wherein the nitrogen-containing substance is dicyandiamide, melamine resin, urea resin, phenol resin or polyurethane resin.

The method according to claim 1, wherein the metal product and the nitriding agent are heated in the same space.

The method for nitriding a metal product according to claim 1, wherein the nitrogen-containing substance is obtained by collecting a discarded thermosetting resin product.

The method for nitriding a metal product according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal product to be nitrided is an iron-based metal product, and the nitriding temperature is 450 to 570 ° C.

The method for nitriding a metal product according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal product to be nitrided is titanium or a titanium alloy, and the nitriding temperature is 700 to 850C.