JP2008202105A - 金属部材の炭窒化法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材の表面粗度をほとんど変化させることなく均一に金属部材の表面に炭素及び窒素を含む硬質層を形成する方法を提供する。
【解決手段】本発明の金属部材の炭窒化法は、金属部材を加熱手段により３００〜６５０°Ｃの温度に維持しながら、アンモニアガス、炭化水素ガス及び水素ガスを用い、金属部材の表面に対して０.００１〜２.０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度でグロー放電を行い、金属部材の表面に炭素及び窒素を含む硬質層を形成するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は金属部材の表面粗度をほとんど変化させることなく均一に金属部材の表面に炭素及び窒素を含む硬質層を形成する方法に関する。

金属部材の表面に窒素又は炭素を含む硬質層を形成する方法、例えばイオン窒化して表面にその金属の窒化物の層を形成し、金属の表面の耐摩耗性や耐食性を向上することは公知である。

一方、窒化処理に用いるプラズマを制御することにより、処理部材に対し、化合物層・拡散層それぞれの形成を制御することが可能なラジカル窒化法（例えば、特開平６−２２０６０６号または特開平７−１１８８２６号記載の方法）がある。
特開平６−２２０６０６号 特開平７−１１８８２６号

しかし、イオン窒化処理を行うと、処理が行われた金属部材の表面粗度が悪化し、必要に応じて窒化処理後当該金属部材の表面を再度研磨しなければならなかった。ところが、窒化処理を行った表面は、拡散層により硬度は上昇するものの、摩擦係数は処理をしていない金属部材とほとんど変わらず、耐摩耗性に劣るという欠点があった。

また、金属の表面に炭素を拡散浸透させる方法で、ガス浸炭や液体浸炭といった浸炭処理が行われているが、これは表面に鉄の炭化物を生成させる共に炭素の拡散硬化層を形成する。そのため、硬質でかつ摩擦係数の低い表面硬化層を形成できるという特徴がある。しかしながら、この浸炭処理は表面に形成される鉄の炭化物のために表面粗度が悪化し、また拡散層の厚みも前記イオン窒化に比べると厚くならないという問題点があった。

そこで、上記課題を解決するために、本発明者らは、窒化処理に用いるプラズマを制御することにより、処理部材に対し、化合物層・拡散層それぞれの形成を制御することが可能な前記ラジカル窒化法（例えば、特開平６−２２０６０６号または特開平７−１１８８２６号記載の方法）の原理を用いることで、表面が平滑で、かつ摩擦係数を低減ができる炭素及び窒素を含む拡散硬化層を形成しうるのではないかと考えた。

本発明は、金属部材を加熱手段により３００〜６５０°Ｃの温度に維持しながら、アンモニアガス、炭化水素ガス及び水素ガスを用い、金属部材の表面に対して０.００１〜２.０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度でグロー放電を行い、金属部材の表面に炭素及び窒素を含む硬質層を形成することを特徴とする。

本発明において対象とする金属部材の材料としては、主としてＳ１５ＣＫなどの肌焼鋼、Ｓ４５Ｃなどの構造用鋼、ＳＵＰ１０などのばね鋼、ＳＵＪ２などの軸受鋼、ＳＡＣＭなどの窒化鋼、ＳＫＤ６１などの熱間加工用鋼、ＳＫＤ１１などの冷間加工用鋼、ＳＫＨ５１などの高速度鋼、ＳＵＳ３０１などの耐熱鋼、ＳＣｒ２０などの機械部品用鋼、ＳＵＳ４１０などの耐熱耐酸鋼など種々ある。

本発明の炭窒化法によれば、次のような効果が得られる。
金属部材を加熱手段により３００〜６５０°Ｃの温度に維持しながら、アンモニアガス、炭化水素ガス及び水素ガスを用い、金属部材の表面に対して０.００１〜２.０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度でグロー放電を行い、金属部材の表面に炭素及び窒素を含む硬質層を形成することにより、表面性状を変化させることなく、高硬度で摩擦係数の低い炭窒化処理部材を得ることができる。

本発明においては、低電流密度でのグロー放電がアンモニアガス、炭化水素ガス及び水素ガスのプラズマ化のみに使用され、余計な熱を殆ど発生させることがない。そのため、金属部材と窒素イオン、炭素イオンを速やかに反応させ、経済性が成り立つ収率で反応する反応温度、即ち３００〜６５０°Ｃの温度に、金属部材を外部から加熱手段を用いて加熱し且つ維持する必要がある。金属部材の温度が３００°Ｃ未満では窒化反応あるいは炭化反応が極めて遅く、６５０°Ｃを越えると一旦形成された窒化物あるいは炭化物が分解し、窒化反応、炭化反応が起こらないという問題がある。例えばＳ４５Ｃ構造用鋼の場合では５５０〜６００°Ｃが適している。加熱手段としては電気加熱、ガス加熱などがあるが、電気加熱が使い易い。加熱源としては処理を行う真空チャンバー内に配置するか、その外側に配置して加熱することで、自動制御システムと組み合わせてプログラムされた昇温や温度維持が容易にできる。

本発明においては、反応させるためのガスとして、アンモニアガス、炭化水素ガス及び水素ガスを用いる。そのうち、通常アンモニアガスはＮとＨに分解し、Ｎ₂とＨ₂に直ちになるため窒化反応が充分起こらないが、本発明の低い電流密度の範囲において、アンモニアガスは窒化反応に有効なアンモニアラジカルとして安定であり、この放電によるアンモニアガスのラジカル化を安定に行うための補助ガスとして水素ガスを使用する。また、炭化水素ガス、例えばメタンガスなどは、通常ＣとＨに分解し、炭化物を生成する浸炭処理に必要なＣＯにはなり得ないが、本発明の低い電流密度の範囲において、炭化水素ガスはＣＨラジカルとして安定であり、このＣＨラジカルが炭化反応に有効であることがわかった。

金属部材の表面に対して、かけるプラズマ化電流を０.００１〜２.０ｍＡ／ｃｍ²とするのは、この電流密度の範囲においてのみグロー放電はアンモニアガス、炭化水素ガス及び水素ガスをプラズマ化することにのみ使用でき、余計な熱を殆ど発生させることがないからである。電流密度が０.００１ｍＡ／ｃｍ²未満ではプラズマ化を充分起こすことができず、２.０ｍＡ／ｃｍ²を超えると、金属部材の表面で局部的な過熱状態を生じたり、スリット内や溝内部に有効な炭窒化処理が行われないのでよくない。

本発明では、プラズマ化のためのグロー放電を発生する放電は直流放電でも高周波放電でもよい。本発明で炭窒化を行う真空チャンバーには基本的にグロー放電用電極、プラズマ化ガス用配管とを備え、真空ポンプに接続された排気管を備えたものであればどのような形式のものでもよい。

図１に本発明の実施例に用いた外熱炉型窒化装置の概略図を示す。真空チャンバー１には外壁内に加熱ヒーター２が配置されている。真空チャンバーの下部には直流電源３に接続された直流電極４が配置されている。真空チャンバー１の下部には排気管５が接続され真空ポンプに接続されている。真空チャンバー１の上部から原料ガス供給用のノズル６が挿入されている。Ｈ₂ガス、ＮＨ₃ガス、ＣＨ_４の供給源からそれぞれマスフローコントローラーを介してノズル６より供給される。
直流電極４の上に縦横２０ｍｍ、厚さ５ｍｍ試験片を金属部材７として配置した。この材質はＳＫＤ６１鋼である。

まず、真空チャンバー１内を真空ポンプにより１０⁻¹Ｐａまで排気し、排気を続けながら水素ガスを５０ｍｌ／分で供給し、４０Ｐａに維持し、印加電圧−３５０Ｖで直流グロー放電プラズマを発生させた。同時に加熱ヒーター２で加熱を行い、１時間かけて金属部材の表面が設定温度の５５０°Ｃに均一化されるまで昇温した。
次に、直流電源３から−４００Ｖの電圧を印加して水素ガスによる直流グロー放電プラズマを起こし、真空チャンバー１の内壁と金属部材７の表面を３０分間清浄化した。次に、下記表１に示すようにメタンガスを５０〜２００ｍｌ／分、アンモニアガス５０〜２００ｍｌ／分で、総流量が２５０ｍｌ／分になるように真空チャンバー１内に導入し、圧力を１２０Ｐａに維持し、印加電圧−６００Ｖでメタンガスとアンモニアの直流グロー放電プラズマを発生させ炭窒化処理を開始した。

この間、金属部材７の表面に流れる電流密度は０.６ｍＡ／ｃｍ²と低く且つ一定状態を維持し、加熱ヒーター２により金属部材を前記設定温度の５５０°Ｃに維持した。その結果、金属部材の表面温度はプラズマにより若干上昇して５５０°Ｃよりも２〜６°Ｃだけ高くなった。炭窒化処理を２時間継続した後、プラズマを停止し、ガスの供給と加熱を停止して室温まで冷却した。各金属部材を取り出した。表面の状態はいずれの条件でも良好であった。

比較例

実施例と同じ装置に金属部材を設置し、同様の水素ガスによる直流グロープラズマにより清浄化を行った後、水素ガスを１２５ｍｌ／分、アンモニアガス１２５ｍｌ／分導入し、圧力を１２０Ｐａに維持し、印加電圧−６００Ｖで水素ガスとアンモニアの直流グロー放電プラズマを発生させイオン窒化処理を行った。

表１に示した実施例及び比較例の５ｇ荷重におけるビッカース硬度の測定結果を下記表２に示す。メタンガス流量が５０ｍｌ／分の時がもっとも硬く、ほぼ比較例である窒化と同じ値であった。メタンガス流量が増えるに従って、硬度は減少したが、未処理の金属部材よりは硬度が高かった。

次に、表１に示した実施例及び比較例において、荷重３ＮにおけるＳＵＪ２に対するボールオンディスク摩耗試験による摩擦係数の値を下記表３に示す。雰囲気は大気中、無潤滑である。比較例の窒化処理では、未処理の場合よりも高い値を示した。一方、実施例の炭窒化処理を施した試料では、いずれも低い摩擦係数を示し、最も高硬度であったメタンガス流量が５０ｍｌ／分では、最も低い摩擦係数を示した。

実施例で作製した炭窒化処理部材の構造を調べるために、エックス線回折分析を行ったが、窒化鉄や炭化鉄の化合物の生成を示すスペクトルは得られなかった。このことから、表面粗度を悪化させる化合物は、本実施例においては形成されていないことがわかった。

実施例で作製した炭窒化処理部材（表２および表３のメタンガス流量の値が５０ｍｌ／分）の断面の構造を調べるために、試料を切断し、研磨を施した後、ＧＤＳ（Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：グロー放電分光）分析を行った。図２（深さ５μｍの範囲）および図３（深さ２０μｍの範囲）に実施例の試料のＧＤＳスペクトルを示す。本発明の炭窒化処理を施した試料では、表面を最大として、約０．４μmの深さまで炭素の量が多く存在する層があり、そのあと、２μmまで炭素の拡散した層が認められる。一方、窒素は基材の表面層に一様に拡散しており、この測定では、２０μm以上にわたって一様に分布していた。

本発明法の実施例に使用したイオン窒化装置の概略説明図である。 本発明の実施例で作製した炭窒化された金属部材のＧＤＳによる断面の元素分析結果を示す図（深さ５μｍの範囲）である。 本発明の実施例で作製した炭窒化された金属部材のＧＤＳによる断面の元素分析結果を示す図（深さ２０μｍの範囲）である。

符号の説明

１ 真空チャンバー
２ 加熱ヒーター
３ 直流電源
４ 直流電極
５ 排気管
６ ノズル
７ 金属部材

Claims (1)

1. 金属部材を加熱手段により３００〜６５０°Ｃの温度に維持しながら、アンモニアガス、炭化水素ガス及び水素ガスを用い、金属部材の表面に対して０.００１〜２.０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度でグロー放電を行い、金属部材の表面に炭素及び窒素を含む硬質層を形成することを特徴とする金属部材の炭窒化法。