JP2009540120A - 金属の塩浴窒化方法及びその方法で製造された金属 - Google Patents

Abstract

非シアン系塩を利用して行う金属の塩浴窒化方法及びその方法で製造された金属に係り、塩浴中に塩を入れる段階、非シアン系塩を溶融させて一定温度に維持させる段階、及び溶融された非シアン系塩内で金属を窒化させる段階を含むところにその技術的な特徴がある。これにより、従来の環境汚染問題及び処理費用問題を解決し、併せて、金属の窒化深さを従来の窒化方法で窒化処理された鋼より２倍ないし６倍に増大させることができ、金属の内部まで窒化させることができ、金属の硬度及び引張り強度を向上させ、軽量高強度の自動車部品及び各種構造材などさまざまな分野に適用可能である。

Description

本発明は、金属の塩浴窒化方法及びその方法で製造された金属に係り、さらに詳細には、非シアン系塩を利用した純鉄または鋼の塩浴窒化方法及びその方法で製造された純鉄または鋼に関する。

一般的に、機械部品の材料として使われる鉄鋼材料（steel）は、部品に要求された強度を満足させるので、広く利用されている。機械部品のほとんどは、強くて耐久性にすぐれる品質が要求されており、かような理由で鉄鋼材料は、最初の工程で熱処理され、強度、耐性、耐久性などが付与される。また、劣悪な外部環境に露出される一部の機械部品は、表面の耐食性を改善するために、熱処理による表面処理がなされもする。

かような機械部品の耐食性のための表面処理方法の一つとして、機械部品の表面を窒化（nitriding）処理する方法が知られている。窒化方法としては、ＮＨ_３ガスだけを利用したガス窒化法、ＫＣＮＯなどの塩浴中で処理する塩浴窒化法、ＮＨ_３ガスと吸熱性ガス（ＲＸガス）とを混合して利用するガス軟窒化法、Ｎ_２とＨ_２との混合ガスをプラズマ中に入れて処理するイオン窒化法などが知られている。

一般的に、かような窒化処理方法は、被処理材である鉄鋼材料の耐摩耗性、疲労強度などを改善するところにその主要目的があるが、窒化処理された機械部品の表面に腐食に対する耐性を有させるところに利用されもする。

さらに、塩浴（salt bath）窒化法の場合、これに溶融する無機塩類の性質または融点を自由に調節でき、広範囲な処理温度の安定を得ることができ、鋼鉄表面に侵食されないので、自動車用を始めとする多くの機械部品などに広く適用されている。特に、塩浴は、熱伝導性、亀裂性、雰囲気調節の容易性などにすぐれ、他の熱処理と比較して設備費が廉価であって操作方法が簡単であり、加熱速度が大気中の加熱に比べて４倍ほど速く、特に、結晶成長に敏感な高速度鋼の熱処理に適し、処理品を大気中に取り出したとき、その表面に塩浴剤が付着して被膜を形成、大気との遮断を助けて表面酸化を防止し、処理後に表面が清潔であり、少量多種部品の熱処理に適しているというメリットがある。

かような塩浴窒化法には、シアン系の塩が一般的に使われ、これによって、バス（bath）中にはシアン化物イオンが存在する。前記シアン化物イオンは毒劇物に分類され、環境問題が厳しくなっている現在では、公害防止対策に相当な費用と労力とがかかってしまい、排水、排気ガスなど処理費用の増大が問題になっている。

また、シアン化物（Cyanide）が含まれた溶融塩中の窒化処理は、炭素及び窒素が同時に浸透する浸炭窒化方式による被処理材の窒化処理後に、表面硬度は大きく向上するが、引張り強度の上昇效果が微小であり、従来のシアン系塩を使用した塩浴窒化法は、窒化される厚さが薄く、金型やギア（gear）などその適用分野がきわめて制限的であるという問題がある。

本発明は、前記の問題点を解決するために、非シアン系塩を使用して金属を窒化させる方法及びその方法で製造された金属を提供するところに目的がある。

本発明の他の目的は、金属の内部まで窒化が可能な塩浴窒化方法及びその方法で製造された金属を提供するところにある。

本発明のさらに他の目的は、塩浴窒化処理前に比べて、被処理物である金属の硬度及び引張り強度を上昇させることができる塩浴窒化方法及びその方法で製造された金属を提供するところにある。

本発明のさらに他の目的は窒化される深さを最大化できる金属の塩浴窒化方法及びその方法で製造された金属を提供するところにある。

本発明による金属の塩浴窒化方法は、塩浴中にＣａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち、少なくとも一つ以上の塩を入れる段階、前記塩を溶融させて一定温度に維持させる段階、及び前記塩浴内で金属を窒化させる段階を含む。

本発明による金属の他の塩浴窒化方法は、塩浴中にＫＮＯ_３またはＫＮＯ_２のうちいずれか一つと、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち少なくとも一つ以上とを含む混合塩を入れる段階、前記塩を溶融させて一定温度に維持させる段階、及び前記塩浴内で金属を窒化させる段階を含む。

このとき、一定温度は、４００℃ないし７００℃の範囲であり、浸漬時間は、１分ないし２４時間の範囲であることが望ましい。

本発明による金属のさらに他の塩浴窒化方法は、塩浴中にＫＮＯ_３塩を入れる段階、前記塩を溶融させて４００℃以上６２０℃以下に維持させる段階、及び前記塩浴内で８時間未満に金属を窒化させる段階を含む。

本発明による金属のさらに他の塩浴窒化方法は、塩浴中にＫＮＯ_３塩を入れる段階、前記塩を溶融させて６２０℃超過６４０℃以下に維持させる段階、及び前記塩浴内で１時間未満に金属を窒化させる段階を含む。

本発明による塩浴を利用して純鉄を窒化する場合、純鉄の表面から０．１ｍｍないし３．０ｍｍの内部まで窒化させることができる。

本発明による塩浴を利用して純鉄を窒化する場合、鋼の表面から０．１ｍｍないし３．０ｍｍの内部まで窒化させることができる。

本発明において、鋼は、極低炭素鋼、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼及び合金鋼のうちいずれか一つである。

本発明によって窒化された極低炭素鋼は、表面硬度が１２０Ｈｖ超過４５０Ｈｖ以下、低炭素鋼は、表面硬度が２００Ｈｖ超過４１０Ｈｖ以下、中炭素鋼は、表面硬度が１３０Ｈｖ超過４２０Ｈｖ以下、高炭素鋼は、表面硬度が１５０Ｈｖ超過４００Ｈｖ以下、合金鋼は、表面硬度が２００Ｈｖ超過４１０Ｈｖ以下であり、本発明によって窒化された鋼は、その表面硬度が最高４２０Ｈｖまで向上し、本発明によって窒化された純鉄もまた表面硬度が向上する。

一方、本発明によって窒化された極低炭素鋼の引張り強度は、３５ｋｇ／ｍｍ^２超過１１０ｋｇ／ｍｍ^２以下、低炭素鋼は、引張り強度が４５ｋｇ／ｍｍ^２超過１１０ｋｇ／ｍｍ^２以下、中炭素鋼は、引張り強度が４５ｋｇ／ｍｍ^２超過１００ｋｇ／ｍｍ^２以下、高炭素鋼は、引張り強度が６０ｋｇ／ｍｍ^２超過９５ｋｇ／ｍｍ^２以下、合金鋼は、引張り強度が５５ｋｇ／ｍｍ^２超過１１０ｋｇ／ｍｍ^２以下に増大するメリットがあって、純鉄もまた本発明の窒化方法によって、引張り強度が増加するというメリットがある。

従って、本発明による塩浴窒化方法は純鉄に適用可能であり、炭素含有量が０．０００１ｗｔ．％以上０．１３ｗｔ．％未満である極低炭素鋼、炭素含有量が０．１３ｗｔ．％以上０．２ｗｔ．％未満である低炭素鋼、炭素含有量が０．２１ｗｔ．％以上０．５１ｗｔ．％未満である中炭素鋼、炭素含有量が０．５１ｗｔ．％以上２．０ｗｔ．％以下である高炭素鋼のような炭素鋼や、クロム含有量が０．１ｗｔ．％ないし１．５ｗｔ．％である鋼、モリブデン含有量が０．０５ｗｔ．％ないし０．５ｗｔ．％である鋼、ニッケル含有量が０．１ｗｔ．％ないし１０ｗｔ．％である鋼、マンガン含有量が０．１ｗｔ．％ないし２．０ｗｔ．％である鋼、ホウ素含有量が０．００１ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％である鋼、チタン含有量が０．００１ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％である鋼、バナジウム含有量が０．０５ｗｔ．％ないし０．１５ｗｔ．％である鋼、ニオブ含有量が０．００５ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％である鋼、アルミニウム含有量が０．００５ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％である鋼などにも適用可能である。また、本発明による塩浴窒化方法は、前述の鋼のうち少なくとも２以上の鋼を含む合金鋼に適用可能である。

本発明は、鋼材の塩浴窒化方法において、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）、亜硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_２）及び硝酸カルシウム（Ｃａ（ＮＯ_３）_２）やこれらを利用した化合物のような非シアン系塩を利用することによって、環境汚染問題を解決して処理費用を減らすことができる。

本発明は、金属の窒化深さを従来の２倍ないし６倍に増大させることができ、金属の内部まで窒化させることができ、これによって、適用分野が拡大されうるという利点がある。

本発明は、金属の硬度及び引張り強度を向上させ、鋼の表面硬化だけではなくして材料自体のバルク硬化にも適用され、向上した耐摩耗性、耐摩滅性、耐食性及び疲労寿命を要する軽量高強度の自動車部品及び各種構造材など、さまざまな分野に適用可能である。

以下、本発明についてさらに詳細に説明すれば、次の通りである。

本発明は、金属を窒化する方法において、従来のシアン化物（Cyanide）すなわち、シアン系が含まれたＫＣＮ、ＮａＣＮなどを溶融塩として利用し、金属内部に窒素と炭素とが同時に浸透する浸炭窒化方式を利用した窒化方法ではない非シアン系溶融塩、さらに詳細には、ＮａＮＯ_３、ＮａＮＯ_２、Ｃａ（ＮＯ_３）_２及びその混合物を溶融塩として使用した窒素分解原理を利用する。

本発明による金属の塩浴窒化方法は、塩浴中にＮａＮＯ_３、ＮａＮＯ_２及びＣａ（ＮＯ_３）_２のうち、少なくとも一つ以上の塩を入れた後、前記塩を溶融させて４００℃ないし７００℃範囲内の一定温度に維持させる。その後、前記塩浴内に被処理物である金属を一定時間、例えば１分ないし２４時間浸漬させて窒化する。

このとき、前記本発明の非シアン系溶融塩であるＮａＮＯ_３、ＮａＮＯ_２及びＣａ（ＮＯ_３）_２などで、塩の分解による窒素の発生は、以下のような反応式１及び反応式２によって起こる。

以下の反応式１は、ＮａＮＯ_３、ＮａＮＯ_２の溶融塩浴の窒素生成反応を示したものである。

（化１）
ＮａＮＯ_３→ＮａＮＯ_２＋１／２Ｏ_２
２ＮａＮＯ_２→Ｎａ_２Ｏ＋ＮＯ_２＋ＮＯ
２ＮａＮＯ_２＋２ＮＯ→２ＮａＮＯ_３＋Ｎ_２

以下の反応式２は、Ｃａ（ＮＯ_３）_２の溶融塩浴の窒素生成反応を示したものである。

（化２）
Ｃａ（ＮＯ_３）_２→ＣａＯ＋２ＮＯ_２＋１／２Ｏ_２
２ＮＯ_２→２Ｏ_２＋Ｎ_２

本発明による塩浴窒化方法によって窒化された金属のうち炭素鋼（極低炭素鋼、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼）、合金鋼及び純鉄は、表１に図示されているように、窒化された深さが表面から０．１ｍｍないし３．０ｍｍと、従来の窒化方法で窒化された深さに比べて、およそ２倍ないし６倍に増大し、これは、窒化層が金属の表面部位のみで拡散している状態ではなく、試片の内部まで影響を及ぼしていることを意味し、このとき、窒化された金属は、表面硬度及び引張り強度もまた従来に比べて増大する値を有する。下記の表１に係る参考文献は、次の通りである。

［１］B．Finnem，Bad und Gasnitrieren．Vol．18，Betriebsbuecher Carl-Hausner-Verlag，Muenchen(1965)
［２］Tufftride Information 15．DEGUSSA Durfeerit Abteilung
［３］H．Eiraku，K．Shinkawa，Y．Yoneyama，and M．Higashi，“Characteristics of Palsonite(Low temperature salt bath nitriding)，”JSHT Conf．，No．1，49-50(1998)
［４］E．A．Mattision，K．Frisk，and A．Melander，“Microstructure evolution during the combination hardening process of nitriding and induction hardening，”in：5ASM-HTSE Europe(2002)，pp．209-219
［５］W．Junyi，P．Lin and Z．Hul、“Effect of rare earth on ionic nitriding process，” in: 1st Conf． Heat Trearment of Materials，May(1998)，pp．57-61
［６］S．Kondo，Y．Izawa，O．Nakano，S．Uchida，and M．Onoda，“Influence of white layer produced by gas nitriding on fatigue strength of compressive spring，”J．JSHT，36(1)，34-40(1996)
［７］J．Georges，“TC plasma nitriding，” in: 12th IFHTSE Melbourne，Australia(2000)，p．229；Heat treatment Met．，No．2，33-37(2001)
［８］T．Bell，Y．Sun，K．Mao，and P．Buchhagen，“Modeling plasma nitriding，”Advanced Mater．Pro．，No．8，40Y-40BB(1996)
［９］T．Bell，Y．Sun，Z．Lin，and M．Yan，“Rare earth surface engineering，”Heat Treatment Mat．，27(1)，12-13(2000)

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の一実施例について詳細に説明する。

第１実施例

本発明の第１実施例は、ＮａＮＯ_３を溶融塩として使用して鋼を窒化したものである。

窒化した鋼の種類は、極低炭素鋼、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、合金鋼である。

前記の極低炭素鋼、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼及び合金鋼それぞれをＮａＮＯ_３溶融塩浴に浸漬した後、５００℃の温度で２時間窒化処理する。

浸漬した結果の硬度変化及び引張り強度変化は、下記の表２に示した通りであり、表面硬度の測定は、Vickers硬度機で１ｋｇの荷重を与えて測定した結果である。

第１実施例の溶融塩浴窒化方法を介して窒化された極低炭素鋼の場合、表面硬度が１１９％増大して引張り強度が４７％増大し、低炭素鋼の場合、表面硬度が４７％増大し、引張り強度が１９％増大する。

第１実施例の溶融塩浴窒化方法を介して窒化された中炭素鋼の場合、表面硬度が３２％増大して引張り強度が１８％増大し、高炭素鋼の場合、表面硬度が２８％増大し、引張り強度が１６％増大する。そして、合金鋼の場合、表面硬度が２４％増大し、引張り強度が１７％増大する。

すなわち、本発明の第１実施例による溶融塩浴窒化方法を介して窒化された鋼は、表面硬度が２０％ないし１２０％増大し、引張り強度も１５％ないし５０％増大することが分かる。

一方、鋼の種類による表面硬度の増大幅が違いが出るのは、鋼内部の炭素含有量による窒素の拡散差による結果であるといえる。

図１は、極低炭素鋼を５００℃のＮａＮＯ_３溶融塩浴で３０分、１時間、２時間、５時間でそれぞれ窒化処理した後、窒化処理されていない鋼の硬度（Ａｓ）と窒化処理された鋼の硬度との分布を厚さ方向に示したグラフである。

図１に示されているように、窒化処理される時間が長くなるほど鋼の窒化深さも増大するが、硬度は、鋼の表面から中へ入っていくほど低下する。これは、窒素の濃度が鋼の表面から中へ入っていくほど低下するためであり、前記の窒化処理方法で前記鋼を５時間窒化処理した場合、鋼の表面から０．６ｍｍの内部まで窒化されていることが分かる。

図２は、低炭素鋼を６８０℃のＮａＮＯ_３溶融塩浴で３時間、６時間、１２時間、２４時間でそれぞれ窒化処理した後、窒化処理された鋼の厚さ方向への表面硬度の分布を示したグラフであり、硬度はVickers硬度であり、３ｋｇの荷重で実験したものである。

図２に示されているように、低炭素鋼の場合も、窒化処理される時間が長くなるほど鋼の窒化深さも増大し、鋼の表面から３．０ｍｍの内部まで窒化され、従来の６倍以上の厚さに窒化されることが分かる。

また、窒化処理厚の表面硬度が４５０Ｈｖと、窒化処理前の値（Ａｓ）に比べて４倍以上向上したことが分かる。

従って、従来のシアン系塩浴窒化方法に比べて、本発明の窒化方法を使用する場合、その鋼の窒化深さを従来の２倍ないし６倍に向上させることができるのである。

図３は、極低炭素鋼を５００℃温度と６００℃温度とのＮａＮＯ_３溶融塩浴でそれぞれ３時間窒化処理し、極低炭素鋼の窒化処理前（Ａｓ）と窒化処理後との硬度分布を厚さ方向に示したものであり、５００℃温度で窒化処理した鋼より６００℃の温度で窒化処理した鋼の方が窒化される深さが３倍程度深く、その硬度もまた１００Ｈｖほど高まり、窒化処理温度が上昇するほど鋼の硬度増大幅が大きく、窒素が鋼の表面から内部へ浸透する浸透深さもまた増大することが分かる。

表３は、本発明の第１実施例による塩浴窒化方法を使用し、４５０℃ないし６００℃の温度範囲でそれぞれ極低炭素鋼を３時間窒化し、処理温度変化による鋼の引張り強度の変化を示したものである。

表３に示されているように、処理温度が４５０℃である場合は、５％の引張り強度上昇率を示し、処理温度が上昇するほど鋼の引張り強度もまた上昇し、処理温度が６００℃である場合、１３４％の引張り強度上昇率を示す。

すなわち、本発明の第１実施例による鋼の窒化処理によって、鋼の硬度と引張り強度とを同時に向上させることができ、各種部品及び構造材など多様な分野に適用可能であるという利点がある。

第２実施例

本発明の第２実施例は、ＮａＮＯ_２を溶融塩として使用して鋼を窒化する。

窒化した鋼の種類は極低炭素鋼、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、合金鋼であり、４５０℃の温度でそれぞれ２時間浸漬する。

浸漬した結果、鋼の硬度変化及び引張り強度変化は、下記表４に示した通りであり、表面硬度の測定は、Vickers硬度機で１ｋｇの荷重を与えて測定した結果である。

第２実施例の溶融塩浴窒化方法を介して窒化された極低炭素鋼の場合、表面硬度が５４％増大して引張り強度が２１％増大し、低炭素鋼の場合、表面硬度が３２％増大して引張り強度が１５％増大する。

第２実施例の溶融塩浴窒化方法を介して窒化された中炭素鋼の場合、表面硬度が１９％増大して引張り強度が１３％増大し、高炭素鋼の場合、表面硬度が１８％増大し、引張り強度が１２％増大する。

合金鋼の場合、表面硬度が１７％増大し、引張り強度が１４％増大する。

すなわち、本発明の第２実施例による溶融塩浴窒化方法を介して窒化された鋼は、表面硬度がおよそ１５％ないし６０％増大し、引張り強度もまたおよそ１０％ないし２５％増大する。

従って、本発明の第２実施例による溶融塩浴窒化方法も、鋼の表面硬度、引張り強度を増大させることが分かる。

第３実施例

本発明の第３実施例は、ＫＮＯ_３を溶融塩として使用して鋼を窒化する。

窒化した鋼の種類はＩＦ（Interstitial-Free）鋼であり、０．００３ｗｔ％の炭素（Ｃ）、１．２３ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）、０．０３７ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０２７ｗｔ％のチタン（Ｔｉ）、０．０５０ｗｔ％のＩＮ（Ｐ）、０．００２ｗｔ％の窒素（Ｎ）及び０．００８ｗｔ％の硫黄（Ｓ）を含む。

本発明の第３実施例による窒化処理温度は、５６０℃、５８０℃、６００℃、６２０℃及び６４０℃であり、温度別のＫＮＯ_３溶融塩浴に前記ＩＦ鋼を浸漬して窒化する。

図４は、かような温度別のＫＮＯ_３溶融塩で窒化されたＩＦ鋼の表面硬度を示すグラフである。

図４に示されているように、ほとんどの温度条件で、窒化する時間と温度とが上昇するにつれ、表面硬度が増大し、かような硬度の上昇は、窒素濃度の上昇による固溶強化現象と説明されうるが、本願発明がかような理論に必ずしも制約されるものではない。

しかし、６２０℃のＫＮＯ_３溶融塩を利用した窒化時間が８時間を超えるか、または６４０℃のＫＮＯ_３溶融塩を利用した窒化時間が１時間を超える場合は、表面硬度がむしろ低下する。これは、ＩＦ鋼の結晶成長による窒化物層の形成によるものであるということが分かる。

図５は、本発明の第３実施例によって窒化されたＩＦ鋼に対して、厚さ方向に硬度分布を示したグラフである。

このとき、５６０℃のＫＮＯ_３溶融塩で１６時間、５６０℃、５８０℃、６００℃、６２０℃それぞれのＫＮＯ_３溶融塩で８時間窒化する。

図５を参照すれば、ＩＦ鋼の硬度は、表面から内部に入っていくほど低下する。かような硬度の低下は、窒素の濃度が内部に行くほど低減するためであると見られ、窒化層の厚さを、ＩＦ鋼中心の窒化処理前硬度の１１０％以上に該当する厚さに定義すれば、それぞれの条件で形成された窒化層の厚さは、およそ１．３８ｍｍないし１．５ｍｍであり、従来の窒化層の形成厚よりおよそ３倍ないし５倍厚い窒化層を形成できる。

第４実施例

本発明の第４実施例は、Ｃａ（ＮＯ_３）_２を溶融塩として使用して鋼を窒化する。

第４実施例で窒化した鋼の種類は、低炭素鋼である。

Ｃａ（ＮＯ_３）_２は、常温状態で吸湿性が強くて結晶水を含むので、一定時間熱処理を実施し、水分を蒸発させた後で使用することが望ましい。

本発明の第４実施例では、Ｃａ（ＮＯ_３）_２を１００℃ないし１５０℃で４時間熱処理を実施して水分を蒸発させた後、５８０℃の温度で加熱してＣａ（ＮＯ_３）_２溶融塩浴を形成した後、低炭素鋼を３時間浸漬する。

図６は、本発明の第４実施例によって窒化処理された低炭素鋼の表面硬度を示したグラフである。

図６に示されているように、第４実施例によって窒化処理された低炭素鋼は、表面から０．５ｍｍの深さまで窒化され、窒化処理前の表面硬度（Ａｓ）に比べて表面硬度がおよそ２倍向上する。

第５実施例

本発明の第５実施例は、ＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３との混合塩を溶融塩として使用して鋼を窒化する。

第５実施例では、ＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３との混合比率を１：１、８：２、２：８として低炭素鋼を窒化する。

表５は、本発明の第５実施例によって窒化された鋼の表面硬度を示したものである。さまざまな種類の鋼をＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３との混合比率を１：１とした混合塩に浸漬させた後、６５０℃に維持して１２時間または２４時間浸漬する。

このとき、測定された硬度はVickers硬度であり、３ｋｇの荷重で測定する。

表５に示されているように、ＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３との混合塩で窒化処理した鋼は、その種類によって６９％ないし２５１％の硬度向上率を示す。

混合塩を利用して行った窒化処理時間による鋼の表面硬度及び引張り強度の変化を知るために、ＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３との混合比率が１：１である５８０℃混合塩内にさまざまな種類の鋼を浸漬する。

その結果は、下記表６に開示されているように、あらゆる鋼において、窒化処理を行った後の硬度及び引張り強度は上昇し、時間が長くなるほど硬度及び引張り強度の上昇率もまた上昇するということが分かる。

これによって、窒化処理時間が長くなるほど鋼の表面硬度及び引張り強度が持続的に上昇することが分かる。

図７は、塩浴の種類による鋼の表面硬度変化を示したグラフであり、使われた塩浴の種類は、ＫＮＯ_３、ＮａＮＯ_３の単一塩、及びＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３とを１：１で混合した混合塩であり、６８０℃の温度で２００分間窒化処理する。

そして、表面硬度の測定は、Vickers硬度機を使用して表面から深部に硬度を測定したものである。

図７に示されているように、混合塩を使用した場合、窒化処理された鋼は、表面から１．５ｍｍの深さまで窒化され、このときの表面硬度はおよそ１６０Ｈｖであり、単一塩浴を使用して窒化処理された鋼に比べて高い硬度を示し、窒化処理前の鋼（Ａｓ）に比べて、およそ３倍ほど高い硬度を示す。

図８は、ＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３との混合塩の混合比率をそれぞれ８：２及び２：８とし、低炭素鋼を６５０℃温度で４時間窒化した後で窒化処理された低炭素鋼の表面硬度を示したグラフである。

図８に示されているように、ＫＮＯ_３とＮａＮＯ_３との混合比率を異ならせた場合にも、表面の硬度が窒化処理を行う前の鋼（Ａｓ）表面硬度に比べて、２倍以上上昇することが分かる。

本明細書及び特許請求範囲に使われた用語や単語は、一般的であるか、または辞典的意味に限定して解釈されるものではなく、発明者が自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に立脚し、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とによって解釈されねばならない。

従って、本明細書に記載された実施例と図面に図示された構成は、本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想をいずれも代弁するものではないので、本出願時点において、それらを代替可能な多様な均等物と変形例とがありうるということを理解せねばならないのである。

本発明の第１実施例による、窒化処理時間と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第１実施例による、窒化処理時間と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第１実施例による、窒化処理温度と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第３実施例による、窒化処理時間と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第３実施例による、窒化処理温度と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第４実施例による、窒化処理温度と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第５実施例による、塩浴の種類と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第５実施例による、混合塩の混合比率と鋼の窒化厚さとの関係を示すグラフである。

Claims (35)

1. 塩浴中にＣａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち、少なくとも一つ以上の塩を入れる段階と、
   前記塩を溶融させて一定温度に維持させる段階と、
   前記塩浴内で金属を窒化させる段階とを含むことを特徴とする金属の塩浴窒化方法。
2. 塩浴中にＫＮＯ_３及びＫＮＯ_２のうち少なくともいずれか一つ以上と、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち少なくとも一つ以上とを含む混合塩を入れる段階と、
   前記塩を溶融させて一定温度に維持させる段階と、
   前記塩浴内で金属を窒化させる段階とを含むことを特徴とする金属の塩浴窒化方法。
3. 前記一定温度は、４００℃ないし７００℃の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属の塩浴窒化方法。
4. 前記金属を窒化させる段階での浸漬時間は、１分ないし２４時間の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属の塩浴窒化方法。
5. 塩浴中にＫＮＯ_３塩を入れる段階と、
   前記塩を溶融させて４００℃以上６２０℃以下に維持させる段階と、
   前記塩浴内で８時間未満に金属を窒化させる段階とを含むことを特徴とする金属の塩浴窒化方法。
6. 塩浴中にＫＮＯ_３塩を入れる段階と、
   前記塩を溶融させて６２０℃超過６４０℃以下に維持させる段階と、
   前記塩浴内で１時間未満に金属を窒化させる段階とを含む金属の塩浴窒化方法。
7. 前記金属は、純鉄または鋼であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項５及び請求項６のうちいずれか１項に記載の金属の塩浴窒化方法。
8. Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち、少なくとも一つ以上の塩浴で窒化された金属において、
   前記金属は純鉄であり、
   前記純鉄の表面から０．１ｍｍないし３．０ｍｍの内部まで窒化されたことを特徴とする純鉄。
9. ＫＮＯ_３及びＫＮＯ_２のうち少なくともいずれか一つ以上と、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち少なくとも一つ以上とを含む混合塩浴で窒化された金属において、
   前記金属は純鉄であり、
   前記純鉄の表面から０．１ｍｍないし３．０ｍｍの内部まで窒化されたことを特徴とする純鉄。
10. Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち、少なくとも一つ以上の塩浴で窒化された金属において、
    前記金属は鋼であり、
    前記鋼の表面から０．１ｍｍないし３．０ｍｍの内部まで窒化されたことを特徴とする鋼。
11. ＫＮＯ_３及びＫＮＯ_２のうち少なくともいずれか一つ以上と、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＮａＮＯ_３及びＮａＮＯ_２のうち少なくとも一つ以上とを含む混合塩浴で窒化された金属において、
    前記金属は鋼であり、
    前記鋼の表面から０．１ｍｍないし３．０ｍｍの内部まで窒化されたことを特徴とする鋼。
12. 前記鋼は、極低炭素鋼、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼及び合金鋼のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の鋼。
13. 前記極低炭素鋼は、表面硬度が１２０Ｈｖ超過４５０Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の鋼。
14. 前記低炭素鋼は表面硬度が２００Ｈｖ超過４１０Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の鋼。
15. 前記中炭素鋼は、表面硬度が１３０Ｈｖ超過４２０Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の鋼。
16. 高炭素鋼は、表面硬度が１５０Ｈｖ超過４００Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の鋼。
17. 前記合金鋼は、表面硬度が２００Ｈｖ超過４１０Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の鋼。
18. 前記極低炭素鋼は、引張り強度が３５ｋｇ／ｍｍ^２超過１１０ｋｇ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１３に記載の鋼。
19. 前記低炭素鋼は、引張り強度が４５ｋｇ／ｍｍ^２超過１１０ｋｇ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１４に記載の鋼。
20. 前記中炭素鋼は、引張り強度が４５ｋｇ／ｍｍ^２超過１００ｋｇ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１５に記載の鋼。
21. 前記高炭素鋼は、引張り強度が６０ｋｇ／ｍｍ^２超過９５ｋｇ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１６に記載の鋼。
22. 前記合金鋼は、引張り強度が５５ｋｇ／ｍｍ^２超過１１０ｋｇ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１７に記載の鋼。
23. 前記鋼のクロム含有量は、０．１ｗｔ．％ないし１．５ｗｔ．％であることを特徴とする請求項２２に記載の鋼。
24. 前記鋼のモリブデン含有量は、０．０５ｗｔ．％ないし０．５ｗｔ．％であることを特徴とする請求項２２に記載の鋼。
25. 前記鋼のニッケル含有量は、０．１ｗｔ．％ないし１０ｗｔ．％であることを特徴とする請求項２２に記載の鋼。
26. 前記鋼のマンガン含有量は、０．１ｗｔ．％ないし２．０ｗｔ．％であることを特徴とする請求項２２に記載の鋼。
27. 前記鋼のホウ素含有量は、０．００１ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％であることを特徴とする請求項２２に記載の鋼。
28. 前記鋼のチタン含有量は、０．００１ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％であることを特徴とする請求項２２に記載の鋼。
29. 前記鋼のバナジウム含有量は、０．０５ｗｔ．％ないし０．１５ｗｔ．％である請求項２２に記載の鋼。
30. 前記鋼のニオブ含有量は、０．００５ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％である請求項２２に記載の鋼。
31. 前記鋼のアルミニウム含有量は、０．００５ｗｔ．％ないし０．１ｗｔ．％であることを特徴とする請求項２２に記載の鋼。
32. 前記極低炭素鋼の炭素含有量は、０．０００１ｗｔ．％以上０．１３ｗｔ．％未満であることを特徴とする請求項１８に記載の鋼。
33. 前記低炭素鋼の炭素含有量は、０．１３ｗｔ．％以上０．２ｗｔ．％未満であることを特徴とする請求項１９に記載の鋼。
34. 前記中炭素鋼の炭素含有量は、０．２１ｗｔ．％以上０．５１ｗｔ．％未満であることを特徴とする請求項２０に記載の鋼。
35. 前記高炭素鋼の炭素含有量は、０．５１ｗｔ．％以上２．０ｗｔ．％以下であることを特徴とする請求項２１に記載の鋼。

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