JP2006028588A

JP2006028588A - Nitriding treatment method

Info

Publication number: JP2006028588A
Application number: JP2004209601A
Authority: JP
Inventors: Izuru Yamamoto; 出山本; Yukio Ito; 幸夫伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-02-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitriding treatment method by gas atmosphere control using a new nitriding parameter. <P>SOLUTION: The nitriding treatment method is characterized in that, at the time of subjecting a metallic material to gas nitriding treatment, gas atmosphere control during the treatment is performed using a nitriding parameter (K<SB>N</SB>') expressed by following formula: K<SB>N</SB>'=(P<SB>NH3</SB>/P<SB>H2</SB><SP>1/2</SP>); wherein, P<SB>NH3</SB>is NH<SB>3</SB>partial pressure, and P<SB>H2</SB>is H<SB>2</SB>partial pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化性環境中に金属材料を保持し、該窒化性環境から該金属材料への活性窒素供給により該金属材料を窒化処理する方法に関する。 The present invention relates to a method for holding a metal material in a nitriding environment and nitriding the metal material by supplying active nitrogen to the metal material from the nitriding environment.

金属材料表面の状態を変えることによって、表面の性質を変えたり、新しい機能を付与する表面改質の一つに表面熱処理があり、主として鋼を対象として行われている。熱拡散法による表面熱処理は、他の元素を金属材料表面から新たに熱拡散させて、耐摩耗性、耐疲労性、耐焼付性等を付与するものである。 One of the surface modifications that change the properties of the surface of a metal material or change the surface properties or impart a new function is surface heat treatment, which is mainly performed on steel. The surface heat treatment by the thermal diffusion method newly imparts wear resistance, fatigue resistance, seizure resistance, etc. by thermally diffusing other elements from the surface of the metal material.

鋼に代表される金属材料の表面熱処理法として窒化法が広く行われている。金属材料の窒化処理方法として、ガス窒化法（本願においては、ガス軟窒化法も含む）、塩浴窒化法（例えばタフトライド法）、プラズマ（イオン）窒化法が行われているが、ガス窒化法が生産性が高く、一般的である。ガス窒化法は、主な反応原料としてアンモニアガス（ＮＨ_３）を用い、一般に５００〜６００℃程度の比較的低温で行われ、窒化後も焼入れ等の熱処理を必要としないため、熱歪みが極めて少ないことが大きな利点である。窒化法は、ばね、歯車、鋼板等の構造用部品、切削工具、ダイス等の製造に広く利用されている。 A nitriding method is widely used as a surface heat treatment method for metal materials typified by steel. As a nitriding method of a metal material, a gas nitriding method (including a gas soft nitriding method in the present application), a salt bath nitriding method (for example, a tuftride method), and a plasma (ion) nitriding method are performed. Is highly productive and general. The gas nitriding method uses ammonia gas (NH ₃ ) as a main reaction raw material, and is generally performed at a relatively low temperature of about 500 to 600 ° C., and does not require heat treatment such as quenching after nitriding, so that thermal distortion is extremely high. Less is a big advantage. The nitriding method is widely used for manufacturing structural parts such as springs, gears and steel plates, cutting tools, dies and the like.

窒化による表面硬化層（窒化層）は、最表層の金属窒化物層と、その下の拡散層とから構成されている。表面硬化特性の向上、生産性および生産コストの向上のために、より短時間でより深い拡散層を形成して窒化効率を向上させることが重要である。そのため、これまでに上記の各窒化処理方法において種々の改良がなされてきた。 The surface hardened layer (nitrided layer) formed by nitriding is composed of an outermost metal nitride layer and a diffusion layer therebelow. In order to improve surface hardening characteristics, productivity, and production cost, it is important to form a deeper diffusion layer in a shorter time to improve nitriding efficiency. For this reason, various improvements have been made in the above nitriding methods.

ここで、金属材料に対して所望の窒化処理を施すためには、窒化雰囲気を的確に管理する必要がある。下記特許文献１には、窒化可能性パラメータとして
Ｋ_Ｎ＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^３／２）
が開示されている（ここで、Ｐ_ＮＨ３はＮＨ_３分圧であり、Ｐ_Ｈ２はＨ_２分圧である。）。又、下記特許文献２には、残留アンモニア濃度
ＮＨ_３ ^Ｒ＝Ｐ_ＮＨ３
を用いることが開示されている（ここで、Ｐ_ＮＨ３はＮＨ_３分圧である。）。
特開２０００−４５０６０号公報特開２００３−３２８１０９号公報 Here, in order to perform a desired nitriding treatment on the metal material, it is necessary to accurately manage the nitriding atmosphere. In Patent Document 1 below, K _N = (P _NH3 / P _H2 ^3/2 ) as a _{nitridability} parameter.
(Where P _NH3 is the NH ₃ partial pressure and P _H2 is the H ₂ partial pressure). Further, Patent Document 2 below describes the residual ammonia concentration NH ₃ ^R = P _NH3.
(Where P _NH3 is the NH ₃ partial pressure).
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-4560 JP 2003-328109 A

特許文献１に開示された窒化可能性パラメータや特許文献２に開示された残留アンモニア濃度を用いた場合、後述するように窒化深さに大きなばらつきが見られた。そこで、窒化された金属材料の品質を均一にするには、これらに代わる新しい窒化パラメータが必要とされた。 When the nitridability parameter disclosed in Patent Document 1 and the residual ammonia concentration disclosed in Patent Document 2 were used, large variations were observed in the nitridation depth, as will be described later. Therefore, in order to make the quality of the nitrided metal material uniform, new nitriding parameters instead of these were required.

本発明は、新規な窒化パラメータを用いたガス雰囲気管理による窒化処理法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a nitriding method by gas atmosphere management using a novel nitriding parameter.

本発明者らは、従来の方法に比べて、窒化処理のばらつきの少ない新規な窒化パラメータを見出し、本発明に至った。即ち、本発明は、金属材料にガス窒化処理を施すにあたり、処理中のガス雰囲気管理を
Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２）
（ここで、Ｐ_ＮＨ３はＮＨ_３分圧であり、Ｐ_Ｈ２はＨ_２分圧である。）で表される窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）を用いて行うことを特徴とする窒化処理方法である。 The present inventors have found a novel nitriding parameter with less variation in nitriding treatment as compared with the conventional method, and have reached the present invention. That is, according to the present invention, when performing a gas nitriding process on a metal material, K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )
(Here, P _NH3 is NH ₃ partial pressure, and P _H2 is H ₂ partial pressure.) This is a nitriding method characterized in that it is performed using a nitriding parameter (K _N ′). .

本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）は、ＮＨ_３分圧及びＨ_２分圧で規定されるが、特にＨ_２ガス導入量により、容易に制御することができる。 The nitriding parameter (K _N ′) of the present invention is defined by the NH ₃ partial pressure and the H ₂ partial pressure, and can be easily controlled by the amount of H ₂ gas introduced.

窒化処理が施される金属材料としては、制限されず、鋼の他、チタン等も適用できるが、鋼材が最も適している。 The metal material subjected to the nitriding treatment is not limited, and titanium and the like can be applied in addition to steel, but steel is most suitable.

本発明の窒化処理方法の好ましい態様として、通常の窒化処理で最表面に生成する化合物（Ｆｅ_３Ｎ）を抑制し、金属材料の表面窒素濃度をすばやく窒化化合物生成臨界値以下とし、その後窒素濃度を該窒化化合物生成臨界値以下に保つことに、本発明のパラメータ（Ｋ_Ｎ’）は好適に用いることができる。最表面に生成する化合物（Ｆｅ_３Ｎ）層は、脆性的であり、面圧強度を低下させる原因となっている。化合物層は、窒化が進行し、表面窒素がある臨界濃度以上となった時に形成される。従って、化合物層を抑制するには、窒素濃度分布を正確に予測し、それを基に最適な材料設計、窒化条件を設定することが重要である。 As a preferred embodiment of the nitriding method of the present invention, the compound (Fe ₃ N) generated on the outermost surface by normal nitriding treatment is suppressed, and the surface nitrogen concentration of the metal material is quickly reduced to a nitride compound formation critical value or less, and then the nitrogen concentration Is kept below the critical value for forming a _nitride compound, the parameter (K _N ′) of the present invention can be preferably used. The compound (Fe ₃ N) layer generated on the outermost surface is brittle and causes a reduction in the surface pressure strength. The compound layer is formed when nitriding proceeds and the surface nitrogen reaches a certain critical concentration or higher. Therefore, in order to suppress the compound layer, it is important to accurately predict the nitrogen concentration distribution and to set the optimum material design and nitriding conditions based on it.

本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２））を用いることにより、従来の窒化可能性パラメータ（Ｋ_Ｎ＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^３／２））や残留アンモニア濃度（ＮＨ_３ ^Ｒ＝Ｐ_ＮＨ３）を用いる場合に比べて、はるかに均一に窒化深さを制御することが可能となり、品質のばらつきを少なくすることができる。又、本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２））を用いることにより、短時間で、最表面に生成する化合物（Ｆｅ_３Ｎ）を抑制して窒化処理を行うことができる。 By using the nitriding parameter (K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )) of the present invention, the conventional _{nitridability} parameter (K _N = (P _NH3 / P _H2 ^3/2 )) and residual ammonia Compared with the case where the concentration (NH ₃ ^R = P _NH3 ) is used, the nitridation depth can be controlled much more uniformly, and variations in quality can be reduced. Further, by using the nitriding parameter (K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )) of the present invention, the compound (Fe ₃ N) generated on the outermost surface can be suppressed in a short time to perform nitriding treatment. It can be carried out.

先ず、本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２））の算出方法を説明する。以下の説明では、
ａ：添加したＮＨ_３の流量（Ｌ／ｍｉｎ）
ｂ：添加したＮ_２の流量（Ｌ／ｍｉｎ）
ｃ：添加したＨ_２の流量（Ｌ／ｍｉｎ）
Ｂ：ＮＨ_３の分解率（未知）（ＮＨ_３→０．５Ｎ_２＋１．５Ｈ_２）
Ｐ_ＮＨ３：ＮＨ_３の分圧
Ｐ_Ｎ２：Ｎ_２の分圧
Ｐ_Ｈ２：Ｈ_２の分圧
を用いる。 First, a method for calculating the nitriding parameter (K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )) of the present invention will be described. In the description below,
a: Flow rate of added NH ₃ (L / min)
b: Flow rate of added N ₂ (L / min)
c: Flow rate of added H ₂ (L / min)
B: Decomposition rate of NH ₃ (unknown) (NH ₃ → 0.5N ₂ + 1.5H ₂ )
P _NH3 : _Partial pressure of NH ₃ P _N2 : _Partial pressure of N ₂ P _H2 : _Partial pressure of H ₂ is used.

赤外吸光分析などで、ＮＨ_３の分圧を測定し、
Ｐ_ＮＨ３＝ａ（１−Ｂ）／（ａ＋ｂ＋ｃ＋Ｂａ）
より、Ｂを算出する。算出されたＢを、
Ｐ_Ｎ２＝（ｂ＋Ｂａ／２）／（ａ＋ｂ＋ｃ＋Ｂａ）
及び
Ｐ_Ｈ２＝（ｃ＋３Ｂａ／２）／（ａ＋ｂ＋ｃ＋Ｂａ）
に代入して、Ｎ_２の分圧とＨ_２の分圧を求める。これらより、本発明の窒化パラメータ
Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２）
を算出する。 Measure the partial pressure of NH _{3 by} infrared absorption analysis, etc.
P _NH3 = a (1-B) / (a + b + c + Ba)
Thus, B is calculated. Calculated B is
P _N2 = (b + Ba / 2) / (a + b + c + Ba)
And P _H2 = (c + 3Ba / 2) / (a + b + c + Ba)
To obtain the partial pressure of N _{2 and} the partial pressure of H ₂ . From these, the nitriding parameter K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 ) of the present invention.
Is calculated.

なお、下記実施例では、同時に、従来の窒化可能性パラメータ
Ｋ_Ｎ＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^３／２）
を算出した。 In the following examples, the conventional _{nitridability} parameter K _N = (P _NH3 / P _H2 ^3/2 )
Was calculated.

本発明の窒化処理法により処理する金属材料は、代表的には鋼であるが、これに限定する必要はなく、チタンあるいはチタン合金、アルミニウムあるいはアルミニウム合金、マグネシウムあるいはマグネシウム合金等、窒化処理の対象とし得る金属材料であればよい。 The metal material to be treated by the nitriding method of the present invention is typically steel, but need not be limited to this, and is subject to nitriding treatment such as titanium or titanium alloy, aluminum or aluminum alloy, magnesium or magnesium alloy, etc. Any metal material can be used.

以下、実施例を示す。
［実施例１］
窒化用鋼を用い、６００℃、４時間、表１に示す流量のガスを流して窒化した。表１に、従来の残留アンモニア濃度、窒化可能性パラメータ（Ｋ_Ｎ＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^３／２））、本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２））、及び窒化深さを記載した。 Examples are shown below.
[Example 1]
Nitriding steel was used for nitriding by flowing gas at a flow rate shown in Table 1 at 600 ° C. for 4 hours. Table 1 shows conventional residual ammonia concentration, nitridability parameter (K _N = (P _NH3 / P _H2 ^3/2 )), and nitriding parameter of the present invention (K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )). ) And the nitriding depth.

図１は、表１の実験Ｎｏ．１〜１７の結果を、残留アンモニア濃度に対する窒化深さのグラフにプロットしたものであ。同様に、図２は、表１の結果を、窒化可能性パラメータ（Ｋ_Ｎ）に対する窒化深さのグラフにプロットしたものである。図１及び図２とも窒化深さのばらつきが大きいことが分かる。これに対して、図３は、表１の実験Ｎｏ．１〜１７の結果を、本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）に対する窒化深さのグラフにプロットしたものであり、図１や図２と比べて窒化深さが一定の範囲内に収まっていることが分かる。これから、本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）を用いることにより、窒化製品の品質のばらつきが少ないことが分かる。 FIG. The results of 1 to 17 are plotted in a graph of the nitriding depth against the residual ammonia concentration. Similarly, FIG. 2 plots the results of Table 1 in a graph of nitridation depth versus nitridability parameter (K _N ). 1 and 2 show that the variation in the nitriding depth is large. On the other hand, FIG. The results of 1 to 17 are plotted in a graph of the nitriding depth against the nitriding parameter (K _N ′) of the present invention, and the nitriding depth is within a certain range as compared with FIG. 1 and FIG. I understand that. From this, it can be seen that by using the nitriding parameter (K _N ′) of the present invention, there is little variation in quality of the nitrided product.

［実施例２］
化合物層の生成を抑制しつつ、短時間で窒化するためには、図４に示すように、表面窒素濃度がすばやく臨界濃度の直下となるようにし、その後はその窒素濃度を保つように窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）を制御することが有効である。そこで、窒化鋼を処理温度６００℃にて、窒化深さ０．４ｍｍを得るための条件を検討した。結果を、図５に示す。 [Example 2]
In order to perform nitriding in a short time while suppressing the formation of the compound layer, as shown in FIG. 4, the nitriding parameter is set so that the surface nitrogen concentration quickly becomes immediately below the critical concentration, and thereafter the nitrogen concentration is maintained. It is effective to control (K _N ′). Therefore, conditions for obtaining a nitriding depth of 0.4 mm at a processing temperature of 600 ° C. were examined. The results are shown in FIG.

窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）が一定の条件では、図５中の（１）に示されるように、２６０分の処理時間を要するが、図４の概念を実現できるように、逐次窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）を制御すると、図５中の（２）に示されるように、１５０分の処理時間で目的の品質の窒化処理鋼を得ることができ、４３％の時間減であった。 When the nitriding parameter (K _N ′) is constant, a processing time of 260 minutes is required as indicated by (1) in FIG. 5, but the sequential nitriding parameter (K _N ) is used so as to realize the concept of FIG. _{When N} ′) is controlled, as shown in (2) in FIG. 5, nitriding steel of the desired quality can be obtained in a processing time of 150 minutes, which is a reduction of 43%.

本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’：Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２））を用いることにより、窒化深さを均一に制御することが可能となり、品質のばらつきを少なくすることができる。又、本発明のパラメータ（Ｋ_Ｎ’：Ｋ_Ｎ’＝（Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^１／２））を用いることにより、短時間で、最表面に生成する化合物（Ｆｅ_３Ｎ）を抑制して窒化処理を行うことができる。 By using the nitriding parameter of the present invention (K _N ′: K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )), it becomes possible to uniformly control the nitriding depth and reduce the variation in quality. Can do. Further, by using the parameters of the present invention (K _N ′: K _N ′ = (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )), the compound (Fe ₃ N) generated on the outermost surface can be suppressed in a short time. Nitriding can be performed.

残留アンモニア濃度に対する窒化深さを示すグラフ。The graph which shows the nitriding depth with respect to residual ammonia concentration. 窒化可能性パラメータ（Ｋ_Ｎ）に対する窒化深さを示すグラフ。The graph which shows the nitridation depth with respect to the nitridability parameter (K _N ). 本発明の窒化パラメータ（Ｋ_Ｎ’）に対する窒化深さを示すグラフ。The graph which shows the nitridation depth with respect to the nitriding parameter (K _N ') of the present invention. 理想の窒化進行過程を説明する図。The figure explaining the ideal nitriding progress process. 最適窒化条件を説明する図。The figure explaining optimal nitriding conditions.

Claims

A nitriding method characterized by using a nitriding parameter (K _N ′) represented by the following formula for gas atmosphere management during processing when performing a gas nitriding treatment on a metal material.
K _N '= (P _NH3 / P _H2 ^1/2 )
(Here, P _NH3 is the NH ₃ partial pressure, and P _H2 is the H ₂ partial pressure.)

The nitriding method according to claim 1, wherein the nitriding parameter (K _N ′) is controlled by an H ₂ gas introduction amount.

The nitriding method according to claim 1, wherein the metal material is a steel material.

By controlling the nitriding parameter (K _N ′), the surface nitrogen concentration of the metal material is quickly brought to a nitride compound formation critical value or less, and thereafter the nitrogen concentration is kept to the nitride compound formation critical value or less. Item 4. The nitriding method according to any one of Items 1 to 3.