JP2010007134A - Surface treatment method for steel material, surface treatment device, and steel obtained thereby - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface treatment method for a steel material having excellent wear resistance and heat resistance by forming a nitrogen compound layer consisting mainly of a chromium nitride having high adhesion on the surface of the steel material. <P>SOLUTION: In the surface treatment method for a steel material which immerses the steel into a molten salt, an inert gas layer for intercepting the liquid face of the molten salt from the atmospheric air is formed in the vicinity of the liquid face of the molten salt, during the immersion of a nitriding steel into a chromium-containing molten salt, and a chromium nitride is formed on the surface layer part. In this way, the reaction between the components in the molten salt with an oxygen component or moisture is substantially prevented, the stabilization of the diffusion components in the molten salt is attained, and a compound layer as a treatment layer having excellent properties can be formed on the surface part of the object to be treated. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、鋼材表面に密着性の高いクロム窒化物を主体とする窒素化合物層を形成させることによって、優れた耐摩耗性や耐熱性を有することになる鋼材の表面処理方法および表面処理装置ならびにそれらによって得られる鋼材に関するものである。   The present invention provides a surface treatment method and a surface treatment apparatus for a steel material that has excellent wear resistance and heat resistance by forming a nitrogen compound layer mainly composed of chromium nitride having high adhesion on the surface of the steel material, and It relates to the steel material obtained by them.

鋼材部品の耐摩耗性を向上させるための方法としては、例えばその表面部にNやCを侵入させる窒化処理方法、浸炭処理方法ならびに浸炭窒化方法等が幅広い機械部品に適用されてきている。   As a method for improving the wear resistance of steel parts, for example, a nitriding method, a carburizing method, a carbonitriding method, and the like in which N or C penetrates the surface portion thereof have been applied to a wide range of machine parts.

一方、機械部品の高精度化や鋼材価格の上昇もあり、エンジン部品や金型等の小型化や高負荷化は一層進んでおり、様々な部材に従来よりも高い耐磨耗性や高寿命化が要求されるようになってきている。このため、PVD法、PCVD法、CVD法といったコーティング処理方法も幅広く使用されるようになってきている。   On the other hand, due to higher precision of machine parts and rising steel prices, engine parts and molds are becoming more compact and more loaded, and various parts have higher wear resistance and longer life than before. There is a need to make it easier. For this reason, coating processing methods such as the PVD method, the PCVD method, and the CVD method have been widely used.

これらのうちPVD法およびPCVD法は、窒化処理と同様に比較的処理温度が低く、様々な特性の被膜を鋼の変態点よりも低い温度で形成できるため、歪を嫌う部品を初めとして工具や金型等の表面被覆膜として幅広く利用されている。   Among these, the PVD method and the PCVD method have a relatively low processing temperature similar to the nitriding treatment, and can form a film having various characteristics at a temperature lower than the transformation point of steel. Widely used as a surface coating film for molds and the like.

しかしながら、これらの被膜は、被覆される基材との密着性向上を図るため、異なる性質を持つ被覆材料を積層したり、被覆される基材表面を窒化処理して被膜との硬度差を極力小さくしたりすることが行なわれているものの、その基材との密着性は決して十分に高いものではなく、高い面圧が負荷される部品等では剥離を起こしやすく、利用しづらいという問題点を有している(例えば特許文献1、2、3、4)。   However, in order to improve the adhesion to the substrate to be coated, these coatings are laminated with coating materials having different properties, or the surface of the substrate to be coated is nitrided to minimize the difference in hardness from the coating. Although it has been made smaller, its adhesion to the base material is never sufficiently high, and it is easy to cause peeling in parts that are subjected to high surface pressure, making it difficult to use (For example, Patent Documents 1, 2, 3, and 4).

また、基材との高い密着性を必要とする場合には、基材との間に合金層を形成しやすいCVD法も利用されているが、この方法は、鋼の変態点よりも高い温度で処理を行うため、処理品の変形の問題やCVD処理後に焼入れ焼き戻し等の熱処理が必要になる等、適用できる部材の範囲は自ずと限られるという問題点を有している(例えば特許文献5、6)。   In addition, when high adhesion with a base material is required, a CVD method that easily forms an alloy layer with the base material is also used, but this method has a temperature higher than the transformation point of steel. Therefore, the range of applicable members is naturally limited (for example, Patent Document 5). 6).

これらのことから、大きな変形や処理後の特別な熱処理を必要としないのはもちろんのこと、耐摩耗性に優れ、さらに、高面圧が負荷された場合でも剥離を起こさない密着性の高い被膜を形成させるためには、鋼の変態点よりも低い温度で表面から元素を拡散させる方法が有効と考えられる。   Because of these, it does not require large deformations or special heat treatment after processing, it has excellent wear resistance, and also has high adhesion that does not cause peeling even when high surface pressure is applied. In order to form the element, it is considered effective to diffuse the element from the surface at a temperature lower than the transformation point of the steel.

このような方法として、表面に窒化層を形成させた後、塩浴中で表面からクロムを拡散させる方法が開示されている(特許文献7)。また、塩浴によるクロム拡散を利用した表面処理方法を用いた鍛造や鋳造に使用される金型についても開示されている(特許文献8、9)。   As such a method, after forming a nitride layer on the surface, a method of diffusing chromium from the surface in a salt bath is disclosed (Patent Document 7). Moreover, the metal mold | die used for forging and casting using the surface treatment method using chromium diffusion by a salt bath is also disclosed (patent documents 8 and 9).

特許第3514963号公報Japanese Patent No. 3514963 特開2003−245738号公報JP 2003-245738 A 特許第3971293号公報Japanese Patent No. 3971293 特開2007−224805号公報JP 2007-224805 A 特開2003−10958号公報JP 2003-10958 A 特開2008−126334号公報JP 2008-126334 A 特許第3939451号公報Japanese Patent No. 3939451 特開2001−25843号公報JP 2001-25843 A 特開2001−25856号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-25856

上記特許文献7の処理方法については、被処理品の表面にクロムを拡散させることによってクロム窒化物を形成させ、比較的良好な耐摩耗性の処理品を得ることができるが、塩浴の状態を安定的に維持することが難しい。このため、クロム窒化物を安定的に形成させ、摺動部材にとって重要な面粗さを安定させるのが困難である。したがって、例えば処理後に研磨等でその面粗さを調整することが行なわれるが、硬質の窒素化合物層を研磨すること自体が困難なうえ、研磨によって耐摩耗性に寄与する窒素化合物層が除去されてしまうおそれがあり、研磨による面粗さの調整が困難である。一方、面粗さが大きいまま摺動部品等に適用すると、処理品自体の耐摩耗性は良好でも、相手材の磨耗が進んでしまうという問題がある。   With respect to the treatment method of Patent Document 7, a chromium nitride can be formed by diffusing chromium on the surface of the article to be treated, and a relatively good wear-resistant treated article can be obtained. Is difficult to maintain stably. For this reason, it is difficult to stably form chromium nitride and to stabilize the surface roughness important for the sliding member. Therefore, for example, the surface roughness is adjusted by polishing or the like after the treatment, but it is difficult to polish the hard nitrogen compound layer itself, and the nitrogen compound layer contributing to wear resistance is removed by polishing. It is difficult to adjust the surface roughness by polishing. On the other hand, when it is applied to a sliding component or the like with a large surface roughness, there is a problem in that the wear of the counterpart material proceeds even if the processed product itself has good wear resistance.

上記特許文献8および9の高温で使用される金型等は、表面にクロム窒化物を主体とする化合物層を形成させる。上記クロム窒化物は、耐摩耗性だけではなく耐熱性、耐酸化性に優れ、耐摩耗性や耐焼付き性等には優れるが、繰り返し熱サイクルが負荷されることによるヒートクラックが発生、進展しやすい場合もあり、必ずしも金型の寿命向上策として十分なものではない場合があった。   The molds and the like used at high temperatures in Patent Documents 8 and 9 have a compound layer mainly composed of chromium nitride formed on the surface. The chromium nitride not only has excellent wear resistance but also heat resistance and oxidation resistance, and is excellent in wear resistance and seizure resistance. However, heat cracks are generated and propagated due to repeated thermal cycles. In some cases, it is easy, and it is not always sufficient as a measure for improving the life of the mold.

以上のように、高い面圧が負荷される摺動部材や繰り返し熱サイクルが負荷される金型等、過酷な環境で使用される部材を変形の少ない鋼の変態点以下で処理し、その耐久性を満足させるのに十分な処理方法およびそのような性質を有する部材の開発が必要となっている。   As described above, members that are used in harsh environments such as sliding members that are subjected to high surface pressure and dies that are subjected to repeated thermal cycles are processed below the transformation point of steel with less deformation, and their durability It is necessary to develop a treatment method sufficient to satisfy the properties and a member having such properties.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、鋼材表面に密着性の高いクロム窒化物を主体とする窒素化合物層を形成させることによって、優れた耐摩耗性や耐熱性を有することになる鋼材の表面処理方法および表面処理装置ならびにそれらによって得られる鋼材を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and by forming a nitrogen compound layer mainly composed of chromium nitride having high adhesion on the steel surface, excellent wear resistance and heat resistance are achieved. It is an object of the present invention to provide a surface treatment method and a surface treatment apparatus for a steel material that will have the following, and a steel material obtained thereby.

上記問題を解決すべく鋭意研究を進めた結果、鋼材を塩浴処理してクロム等の拡散成分を浸透させる際に、被処理品の特性を不安定化させる最大の原因が、塩浴処理中に液面から酸素分や水分が塩浴中に取り込まれて拡散成分と反応して酸化物を形成し、被処理品への拡散反応に寄与しなくなることに起因するものであることを見出した。また、それを防止することにより、処理品表面部に拡散成分を安定的に供給することが可能となり、結果的に面粗さ等の特性が安定した化合物層を形成させることが可能となることを見出したのである。   As a result of diligent research to solve the above problems, the main reason for destabilizing the properties of the product to be treated when the steel material is salt bathed and infiltrated with diffusing components such as chromium is during salt bath processing. It was found that oxygen content and moisture were taken into the salt bath from the liquid surface and reacted with the diffusing component to form an oxide, which did not contribute to the diffusion reaction to the treated product. . Moreover, by preventing this, it becomes possible to stably supply the diffusion component to the surface of the processed product, and as a result, it is possible to form a compound layer having stable characteristics such as surface roughness. Was found.

上記目的を達成するため、本発明の鋼材の表面処理方法は、溶融塩中に鋼材を浸漬する鋼材の表面処理方法であって、少なくとも鋼材を溶融塩に浸漬中、上記溶融塩の液面近傍に上記液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成することを要旨とする。   In order to achieve the above object, a surface treatment method for a steel material of the present invention is a surface treatment method for a steel material in which the steel material is immersed in a molten salt, and at least during the immersion of the steel material in the molten salt, near the liquid surface of the molten salt. The gist is to form an inert gas layer for blocking the liquid surface from the atmosphere.

また、上記目的を達成するため、本発明の鋼材の表面処理装置は、溶融塩中に鋼材を浸漬する鋼材の表面処理装置であって、少なくとも鋼材を溶融塩に浸漬中、上記溶融塩の液面近傍に上記液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成させる不活性ガス層形成手段を備えたことを要旨とする。   In order to achieve the above object, the steel material surface treatment apparatus of the present invention is a steel material surface treatment apparatus for immersing a steel material in a molten salt, and at least during the immersion of the steel material in the molten salt, the molten salt liquid The gist is that an inert gas layer forming means for forming an inert gas layer for blocking the liquid surface from the atmosphere in the vicinity of the surface is provided.

また、上記目的を達成するため、本発明の鋼材は、クロム窒化物と鉄窒化物が混在した化合物層が表層部に形成され、上記化合物層の下に窒素を含有するクロムと鉄の合金層が形成され、上記合金層の下に母材の鋼に窒素が拡散した拡散層が形成され、
上記化合物層の表面硬度をHv700以上Hv1000以下としたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, the steel material of the present invention has a chromium and iron alloy layer in which a compound layer in which chromium nitride and iron nitride are mixed is formed in a surface layer portion, and nitrogen is contained under the compound layer. A diffusion layer in which nitrogen diffuses in the base steel is formed under the alloy layer,
The gist is that the surface hardness of the compound layer is Hv 700 or more and Hv 1000 or less.

本発明の鋼材の表面処理方法は、少なくとも鋼材を溶融塩に浸漬中、上記溶融塩の液面近傍に上記液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成する。このように、少なくとも鋼材を溶融浴中に浸漬処理する間、塩浴の液面上を不活性ガスで覆うことによって、溶融塩中の成分と酸素分や水分との反応を実質的に防止し、溶融塩中の拡散成分の安定化を図り、被処理品の表面部に優れた性質を有する処理層である化合物層を形成させることが可能となる。さらに、処理中の拡散成分の変動が少なくなることによって、鋼材表面の面粗さも低く抑えることが可能となり、摺動部材として優れた特性をもつ鋼材を得ることができるようになる。   In the steel material surface treatment method of the present invention, at least during immersion of the steel material in the molten salt, an inert gas layer for blocking the liquid surface from the atmosphere is formed in the vicinity of the liquid surface of the molten salt. In this way, at least during the immersion treatment of the steel material in the molten bath, the surface of the salt bath is covered with an inert gas, thereby substantially preventing the reaction of the components in the molten salt with oxygen and moisture. Thus, it is possible to stabilize the diffusion component in the molten salt and form a compound layer that is a treatment layer having excellent properties on the surface portion of the article to be treated. Furthermore, since the fluctuation of the diffusion component during processing is reduced, the surface roughness of the steel material surface can be kept low, and a steel material having excellent characteristics as a sliding member can be obtained.

本発明の鋼材の表面処理方法において、上記溶融塩がクロムを含み、窒化された鋼材を溶融塩に浸漬して表層部にクロム窒化物を形成させる場合には、溶融塩に浸漬処理中の拡散成分であるクロムの酸化による劣化を防止してクロム窒化物を安定的に形成させ、非常に密着性の高いクロム窒化物と鉄窒化物が混在した化合物層を表層部に形成させ、例えば高面圧が負荷され、油切れを起こすような摺動環境においても、PVDコーティングのように剥離等の問題を起こすこともなく、長期に渡って使用することが可能な表面層を形成させることが可能となる。   In the surface treatment method for steel according to the present invention, when the molten salt contains chromium and the nitrided steel is immersed in the molten salt to form chromium nitride in the surface layer portion, diffusion during the immersion treatment in the molten salt Prevents deterioration due to oxidation of chromium, which is a component, to stably form chromium nitride, and to form a compound layer containing extremely high adhesion of chromium nitride and iron nitride on the surface layer, for example, high surface It is possible to form a surface layer that can be used for a long time without causing problems such as peeling like PVD coating even in a sliding environment where pressure is applied and oil runs out. It becomes.

本発明の鋼材の表面処理方法において、上記溶融塩への浸漬処理後、0.2mm以下のショットメディアによりショットピーニング処理を行なう場合には、被処理品の表面に微細な凹凸を形成させ、接触する相手材との滑り性を向上させ、相手材との焼付きを防止することができる。さらに、その表層部に高い圧縮応力を付加させることができ、耐摩耗性や耐熱性だけではなく、疲労特性や耐焼付き性も向上させることが可能となる。したがって、例えば繰り返し使用される金型等に使用した場合の耐久性も向上させることが可能となる。   In the steel material surface treatment method of the present invention, after the immersion treatment in the molten salt, when the shot peening treatment is performed with a shot media of 0.2 mm or less, fine irregularities are formed on the surface of the article to be treated, and the contact is made. The sliding property with the mating material can be improved, and seizure with the mating material can be prevented. Furthermore, a high compressive stress can be applied to the surface layer portion, and it is possible to improve not only wear resistance and heat resistance but also fatigue characteristics and seizure resistance. Therefore, it is possible to improve durability when used for a mold that is repeatedly used, for example.

本発明の鋼材の表面処理装置は、少なくとも鋼材を溶融塩に浸漬中、上記溶融塩の液面近傍に上記液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成させる不活性ガス層形成手段を備えている。このように、少なくとも鋼材を溶融浴中に浸漬処理する間、塩浴の液面上を不活性ガスで覆うことによって、溶融塩中の成分と酸素分や水分との反応を実質的に防止し、溶融塩中の拡散成分の安定化を図り、被処理品の表面部に優れた性質を有する処理層である化合物層を形成させることが可能となる。さらに、処理中の拡散成分の変動が少なくなることによって、鋼材表面の面粗さも低く抑えることが可能となり、摺動部材として優れた特性をもつ鋼材を得ることができるようになる。   The steel material surface treatment apparatus of the present invention is an inert gas layer forming means for forming an inert gas layer for shielding the liquid surface from the atmosphere in the vicinity of the liquid surface of the molten salt at least during immersion of the steel material in the molten salt. It has. In this way, at least during the immersion treatment of the steel material in the molten bath, the surface of the salt bath is covered with an inert gas, thereby substantially preventing the reaction of the components in the molten salt with oxygen and moisture. Thus, it is possible to stabilize the diffusion component in the molten salt and form a compound layer that is a treatment layer having excellent properties on the surface portion of the article to be treated. Furthermore, since the fluctuation of the diffusion component during processing is reduced, the surface roughness of the steel material surface can be kept low, and a steel material having excellent characteristics as a sliding member can be obtained.

本発明の鋼材の表面処理装置において、上記溶融塩がクロムを含み、窒化された鋼材を溶融塩に浸漬して表層部にクロム窒化物を形成させる場合には、溶融塩に浸漬処理中の拡散成分であるクロムの酸化による劣化を防止してクロム窒化物を安定的に形成させ、非常に密着性の高いクロム窒化物と鉄窒化物が混在した化合物層を表層部に形成させ、例えば高面圧が負荷され、油切れを起こすような摺動環境においても、PVDコーティングのように剥離等の問題を起こすこともなく、長期に渡って使用することが可能な表面層を形成させることが可能となる。   In the steel material surface treatment apparatus of the present invention, when the molten salt contains chromium and the nitrided steel material is immersed in the molten salt to form chromium nitride in the surface layer portion, diffusion during the immersion treatment in the molten salt Prevents deterioration due to oxidation of chromium, which is a component, to stably form chromium nitride, and to form a compound layer containing extremely high adhesion of chromium nitride and iron nitride on the surface layer, for example, high surface It is possible to form a surface layer that can be used for a long time without causing problems such as peeling like PVD coating even in a sliding environment where pressure is applied and oil runs out. It becomes.

本発明の鋼材の表面処理装置において、上記不活性ガス層形成手段は、加熱手段によって加熱された不活性ガスを溶融塩の液面近傍に供給することにより400℃以上の不活性ガス層を形成する場合には、高温の不活性ガスを液面近傍に供給することにより、上記溶融塩の固化を防止し、処理品の取り出しが困難となる等の問題が発生しなくなり、作業性を向上させることが可能となる。   In the steel material surface treatment apparatus of the present invention, the inert gas layer forming means forms an inert gas layer at 400 ° C. or higher by supplying the inert gas heated by the heating means to the vicinity of the liquid surface of the molten salt. In this case, by supplying a high-temperature inert gas to the vicinity of the liquid surface, solidification of the molten salt is prevented, and problems such as difficulty in taking out the processed product do not occur, and workability is improved. It becomes possible.

本発明の鋼材は、クロム窒化物と鉄窒化物が混在した化合物層が表層部に形成され、上記化合物層の下に窒素を含有するクロムと鉄の合金層が形成され、上記合金層の下に母材の鋼に窒素が拡散した拡散層が形成されている。このように、表層部に耐摩耗性や耐熱性等に優れるクロム窒化物と鉄窒化物が混在した化合物層が安定的に形成され、さらにその母材側には母材との密着性に重要なクロムと母材中の鉄との相互拡散層である合金層が形成され、さらにその母材側に拡散層が形成されて硬度傾斜層として寄与する。これにより、高荷重が負荷される使用環境においても鋼材表面に形成された化合物層が剥離を起こすことがほとんどないのである。さらに、上記化合物層の表面硬度をHv700以上Hv1000以下としたことにより、相手材の焼付きや酸化による磨耗を防止し、優れた耐摩耗性を発揮するとともに、例えば小さい面粗さが必要な場合においても、クロム窒化物を主体とする窒素化合物層の厚さをほとんど減少させることがないような簡易的な研磨処理によって、その表面粗さを調整することも可能となる。   In the steel material of the present invention, a compound layer in which chromium nitride and iron nitride are mixed is formed on the surface layer portion, and an alloy layer of chromium and iron containing nitrogen is formed under the compound layer. In addition, a diffusion layer in which nitrogen diffuses in the base steel is formed. In this way, a compound layer in which chromium nitride and iron nitride, which are excellent in wear resistance and heat resistance, are stably formed on the surface layer part, and the base material side is important for adhesion to the base material. An alloy layer which is an interdiffusion layer of chromium and iron in the base material is formed, and a diffusion layer is further formed on the base material side to contribute as a hardness gradient layer. As a result, even in a use environment where a high load is applied, the compound layer formed on the surface of the steel material hardly peels. Furthermore, when the surface hardness of the compound layer is set to Hv 700 or more and Hv 1000 or less, the wear of the counterpart material is prevented from being seized or oxidized, and excellent wear resistance is exhibited. For example, a small surface roughness is required. However, it is possible to adjust the surface roughness by a simple polishing process that hardly reduces the thickness of the nitrogen compound layer mainly composed of chromium nitride.

本発明の鋼材において、窒化された鋼材が溶融塩に浸漬されてその表層部にクロム窒化物が形成され、溶融塩に浸漬する表面処理上がりの表面粗さがRaで0.5μm以下である場合には、表面の密着性の高い化合物層の存在によって本発明の鋼材自身の磨耗を抑制するだけでなく、その表面の面粗さを低下させ、摺動される相手材の磨耗も抑制することができる、特に高面圧が負荷されるような摺動部材として用いられても、結果的に耐久性の高い機械部品等を構成することができる。   In the steel material of the present invention, when the nitrided steel material is immersed in the molten salt to form chromium nitride on the surface portion thereof, and the surface roughness after the surface treatment immersed in the molten salt is 0.5 μm or less in Ra In addition to suppressing the wear of the steel material itself of the present invention by the presence of a compound layer with high surface adhesion, the surface roughness of the steel material is reduced and the wear of the mating material to be slid is also suppressed. Even if it is used as a sliding member that can be loaded with a particularly high surface pressure, it is possible to form a highly durable mechanical component or the like.

本発明の鋼材において、表面から50μm深さの硬度がHv800以下である場合には、化合物層を支持する拡散層の硬度を適正に制御することにより、拡散層が圧縮応力を有するだけでなく靭性も有することから、ヒートクラックの進展を抑制する効果を発揮し、耐ヒートクラック性が向上するため、例えば繰り返し熱サイクルが負荷される温熱間金型等に適用した場合に、耐ヒートクラック性に優れた表面層を有する高寿命の金型材料として使用することができる。   In the steel material of the present invention, when the hardness at a depth of 50 μm from the surface is Hv 800 or less, the diffusion layer not only has compressive stress but also has toughness by appropriately controlling the hardness of the diffusion layer supporting the compound layer. Therefore, in order to demonstrate the effect of suppressing the development of heat cracks and improve the heat crack resistance, for example, when applied to a hot mold or the like that is repeatedly subjected to a heat cycle, the heat crack resistance is improved. It can be used as a long-life mold material having an excellent surface layer.

以上のように、従来適用が困難であった部品や金型への表面処理を行うことによって、耐摩耗性、耐剥離性および耐熱性に優れた機械部品や金型等が得られ、その結果としてそれらの部材に優れた耐久性を発現させることが可能となる。   As described above, mechanical parts and molds with excellent wear resistance, peel resistance, and heat resistance can be obtained by performing surface treatment on parts and molds that have been difficult to apply in the past. As a result, excellent durability can be expressed in these members.

さらに、本発明において、その窒化処理がフッ化処理工程を含むものである場合には、炭素鋼や低合金鋼だけでなく高合金鋼や工具鋼、ステンレス鋼等を含めた幅広い鋼種に適用することが可能となるのに加え、使用用途に応じた窒化層を形成させることが可能となるため、結果的に目的に応じた処理層を形成させることができる。   Furthermore, in the present invention, when the nitriding treatment includes a fluorination treatment step, it can be applied to a wide variety of steel types including not only carbon steel and low alloy steel but also high alloy steel, tool steel, stainless steel, etc. In addition to this, a nitrided layer can be formed according to the intended use, and as a result, a treated layer can be formed according to the purpose.

さらに、本発明において、少なくとも鋼材を溶融塩中に浸漬処理する間、処理槽内を正圧に保つように、十分な不活性ガス量を供給した場合には、さらに処理槽内に酸素分や水分が混入して溶融塩中の拡散成分が反応により劣化や減少することを防ぐことができる。   Furthermore, in the present invention, when a sufficient amount of inert gas is supplied so as to keep the inside of the treatment tank at a positive pressure during at least the immersion treatment of the steel material in the molten salt, the oxygen content in the treatment tank is further reduced. It is possible to prevent the moisture from being mixed and the diffusion component in the molten salt from being deteriorated or reduced by the reaction.

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Next, the best mode for carrying out the present invention will be described.

本発明が対象とする鋼材は、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、構造用圧延鋼、高張力鋼、機械構造用鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度鋼、軸受鋼、ばね鋼、肌焼鋼、窒化鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼等、各種の鋼材を適用することができる。   Steel materials targeted by the present invention are carbon steel, low alloy steel, high alloy steel, structural rolled steel, high tensile steel, mechanical structural steel, carbon tool steel, alloy tool steel, high speed steel, bearing steel, spring. Various steel materials such as steel, case-hardened steel, nitrided steel, stainless steel, and heat-resistant steel can be applied.

本発明の鋼材の表面処理方法は、まず、必要に応じて上記鋼材に窒化処理を施すことにより、鋼材の表層部に鉄窒化物であるFeNを主体とする鉄窒素化合物層と、その下層において母材に窒素が拡散した窒素拡散層を形成させる。 In the steel material surface treatment method of the present invention, first, if necessary, the steel material is subjected to nitriding treatment, whereby the surface layer of the steel material is an iron nitrogen compound layer mainly composed of Fe 3 N, which is iron nitride, A nitrogen diffusion layer in which nitrogen is diffused in the base material is formed in the lower layer.

このとき、窒素拡散層のみを形成させた場合にも、その後の塩浴処理によりクロム窒化物を主体とする化合物層を形成させることは可能であるが、その場合、塩浴処理で形成される化合物層を十分な厚さとすることができないため、窒化処理によってFeNを主体とする鉄窒素化合物層を形成させることが好ましく、その厚さは3μm以上より好ましくは5μm以上とすることが好ましい。 At this time, even when only the nitrogen diffusion layer is formed, it is possible to form a compound layer mainly composed of chromium nitride by the subsequent salt bath treatment, but in that case, it is formed by the salt bath treatment. Since the compound layer cannot be made sufficiently thick, it is preferable to form an iron nitrogen compound layer mainly composed of Fe 3 N by nitriding treatment, and the thickness is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more. .

また、上記窒化処理については、ガス窒化処理、塩浴窒化処理、イオンおよびプラズマ窒化処理等、各種窒化処理が適用可能であるが、フッ化処理工程を含むガス窒化処理を適用するのが好ましい。このように、フッ化処理工程を含むガス窒化処理を適用した場合には、炭素鋼や低合金鋼だけでなく高合金鋼や工具鋼、ステンレス鋼等を含めた幅広い鋼種に適用することが可能となる。さらに、使用用途に応じた窒化層を形成させるよう、幅広い窒化処理温度やガス組成を選択することが可能となるため、本発明の表面処理に適用する窒化処理として最も好ましい。   As the nitriding treatment, various nitriding treatments such as gas nitriding treatment, salt bath nitriding treatment, ion and plasma nitriding treatment can be applied, but it is preferable to apply gas nitriding treatment including a fluorination treatment step. In this way, when gas nitriding treatment including fluorination treatment process is applied, it can be applied to a wide range of steel types including not only carbon steel and low alloy steel but also high alloy steel, tool steel, stainless steel, etc. It becomes. Furthermore, since it is possible to select a wide range of nitriding temperatures and gas compositions so as to form a nitride layer according to the intended use, it is most preferable as a nitriding treatment applied to the surface treatment of the present invention.

例えば、繰り返し熱サイクルが負荷されヒートクラックが発生しやすい金型等では、硬度を抑制した靭性の高い窒素拡散層を深く形成させることが望ましい。この場合、フッ化処理を行った後、2段階の窒化処理を行なうことが好ましい。すなわち、窒化処理の前半では、極低NH濃度雰囲気での窒化処理を行って、硬度を過度に上昇させない均一な窒素拡散層を形成させ、窒化処理の後半において高NH濃度雰囲気での窒化処理を行うことにより、表層のN濃度のみを上昇させてFeNを主体とする鉄窒素化合物層を形成させることも可能となる。 For example, in a mold or the like in which repeated thermal cycles are loaded and heat cracks are likely to occur, it is desirable to form a deep tough nitrogen diffusion layer with suppressed hardness. In this case, it is preferable to perform two-stage nitriding after the fluorination. That is, in the first half of the nitriding treatment, nitriding treatment is performed in an extremely low NH 3 concentration atmosphere to form a uniform nitrogen diffusion layer that does not excessively increase the hardness, and in the latter half of the nitriding treatment, nitriding in a high NH 3 concentration atmosphere is performed. By performing the treatment, it is possible to increase only the N concentration of the surface layer and form an iron nitrogen compound layer mainly composed of Fe 3 N.

そして、その後後述する塩浴処理を行なうことにより、表面にクロム窒化物を主体とする化合物層を形成させるとともに、表面から50μm深さの拡散層の硬度をHv800以下とすることができる。このようにすることにより、クロム窒化物を主体とする化合物層による耐磨耗性を向上させるだけでなく、圧縮応力を有するとともに靭性も有する拡散層が得られ、ヒートクラックの進展を抑制する効果を発揮し、耐ヒートクラック性が向上する。   Then, by performing a salt bath treatment to be described later, a compound layer mainly composed of chromium nitride can be formed on the surface, and the hardness of the diffusion layer having a depth of 50 μm from the surface can be made Hv 800 or less. In this way, not only the wear resistance by the compound layer mainly composed of chromium nitride is improved, but also a diffusion layer having compressive stress and toughness is obtained, and the effect of suppressing the development of heat cracks To improve heat crack resistance.

上記フッ化処理におけるフッ素源ガスとしては、フッ素ガスあるいはフッ素化合物を含んだガスであれば特に限定されるものではないが、常温でガス状であり、化学的安定性が高い等の理由から、取り扱いが容易であるNFガスを含んだガスが好適に用いられる。通常のフッ化処理工程は被処理品の材質および表面状態等にもよるが、例えばNFガス濃度が1000〜100000ppmとなるようにNガスで希釈したガスをフッ素源ガスとして用い、200〜600℃に1分〜180分保持することによって行われる。このフッ化処理工程を行うことによって、均一な窒化層形成の阻害要因となる鋼材表面の酸化被膜をフッ化物膜に置換することができる。 The fluorine source gas in the fluorination treatment is not particularly limited as long as it contains fluorine gas or a fluorine compound, but it is gaseous at room temperature and has high chemical stability. A gas containing NF 3 gas that is easy to handle is preferably used. The normal fluorination treatment process depends on the material and surface condition of the article to be treated, but for example, a gas diluted with N 2 gas so that the NF 3 gas concentration becomes 1000 to 100000 ppm is used as the fluorine source gas, It is carried out by holding at 600 ° C. for 1 minute to 180 minutes. By performing this fluorination treatment step, it is possible to replace the oxide film on the steel material surface, which is an obstructive factor for forming a uniform nitride layer, with a fluoride film.

上記フッ化処理に引き続き、NHを含むガス雰囲気中で400〜600℃に30分〜50時間、より好ましくは500〜600℃に1時間〜10時間保持して被処理品の表面部にFeNを主体とする鉄窒素化合物層および窒素拡散層を形成させる。このとき、被処理品である鋼材表面を覆っているフッ化物膜は、NHガス濃度の低い弱い還元雰囲気であっても容易に還元、除去される性質を有していることから、被処理品の材質および使用用途を考慮して最適な処理時間等を調整することができる。 Subsequent to the above fluorination treatment, in a gas atmosphere containing NH 3 , hold at 400 to 600 ° C. for 30 minutes to 50 hours, more preferably at 500 to 600 ° C. for 1 hour to 10 hours, and form Fe on the surface of the article to be treated. 3 An iron nitrogen compound layer mainly containing N and a nitrogen diffusion layer are formed. At this time, the fluoride film covering the surface of the steel material to be processed has the property of being easily reduced and removed even in a weak reducing atmosphere with a low NH 3 gas concentration. The optimum processing time and the like can be adjusted in consideration of the material quality and intended use.

本発明の熱処理方法は、必要に応じて窒化処理を行なった鋼材を溶融塩中に浸漬して塩浴処理を行い、溶融塩中の拡散成分を鋼材の表面から拡散浸透させて化合物層を形成する。   The heat treatment method of the present invention forms a compound layer by immersing a steel material that has undergone nitriding treatment in a molten salt, if necessary, performing a salt bath treatment, and diffusing and infiltrating the diffusion component in the molten salt from the surface of the steel material. To do.

上記溶融塩は、アルカリ金属の塩化物およびもしくはアルカリ土類金属の塩化物を主成分としたものを用いることができる。また、上記溶融塩にはクロムを含有させることが好ましい。溶融塩にクロムを含ませることにより、窒化された鋼材を溶融塩に浸漬して表層部にクロム窒化物を形成させることができる。   As the molten salt, those containing an alkali metal chloride and / or an alkaline earth metal chloride as a main component can be used. The molten salt preferably contains chromium. By including chromium in the molten salt, the nitrided steel material can be immersed in the molten salt to form chromium nitride in the surface layer portion.

上記アルカリ金属の塩化物としては、例えば、LiCl、NaCl、KCl等を挙げることができ、アルカリ土類金属の塩化物としては、例えば、MgCl、CaCl、BaCl等を挙げることができる。これらは単独でもしくは混合して使用することができるが、混合することで溶融塩の融点を下げることも可能であり、攪拌によって塩浴中の成分の均一性を確保するためにはある程度粘性を下げることも必要であることから、混合塩を用いて融点、すなわち粘性を低下させることが望ましい。 Examples of the alkali metal chloride include LiCl, NaCl, and KCl. Examples of the alkaline earth metal chloride include MgCl 2 , CaCl 2 , and BaCl 2 . These can be used singly or in combination, but it is also possible to lower the melting point of the molten salt by mixing, and in order to ensure the uniformity of the components in the salt bath by stirring, the viscosity is to some extent. Since lowering is also necessary, it is desirable to lower the melting point, that is, the viscosity, using a mixed salt.

また、上記溶融塩中に添加するクロムとしては、工業用金属クロムが使用でき、溶融塩中への添加、溶解が容易に行えるよう粉末状のものが望ましい。また溶融塩中に含有させるクロムの量は、被処理品の表面積にもよるが概ね5〜20重量%とすることが好ましい。   Further, as chromium added to the molten salt, industrial metal chromium can be used, and it is desirable that it is in a powder form so that it can be easily added and dissolved in the molten salt. The amount of chromium contained in the molten salt is preferably about 5 to 20% by weight although it depends on the surface area of the article to be treated.

また、上記溶融塩中には、塩浴中の成分の安定化につながるだけでなく、塩浴の粘度を調整して攪拌時に塩浴中の成分を均一化させる効果があるため、珪素もしくは珪素の化合物を適量添加することが望ましい。この場合の珪素もしくは珪素の化合物の添加量は、5〜20重量%程度が好ましい。   In addition, the molten salt not only leads to stabilization of the components in the salt bath, but also has the effect of adjusting the viscosity of the salt bath and making the components in the salt bath uniform during stirring. It is desirable to add an appropriate amount of the compound. The amount of silicon or silicon compound added in this case is preferably about 5 to 20% by weight.

上記の塩を500〜700℃に加熱して溶融塩とし、この溶融塩浴中に鋼材を浸漬して、その表面から拡散成分を拡散浸透させて化合物層を形成する。窒化された鋼材をクロムを含む溶融塩に浸漬することにより、表層部にクロム窒化物を主体とする窒素化合物層を形成させることができる。   The above-mentioned salt is heated to 500 to 700 ° C. to form a molten salt, a steel material is immersed in this molten salt bath, and a diffusion component is diffused and permeated from the surface to form a compound layer. By immersing the nitrided steel material in a molten salt containing chromium, a nitrogen compound layer mainly composed of chromium nitride can be formed on the surface layer portion.

図1は、上記鋼材を溶融塩に浸漬する塩浴処理炉の一例を示す図である。   FIG. 1 is a view showing an example of a salt bath treatment furnace in which the steel material is immersed in a molten salt.

この塩浴炉は、炉の外側を覆う炉体5の内部に溶融塩となる塩浴処理剤8が投入される処理槽7が配設されており、上記処理槽7を外側から加熱することにより内部の塩浴処理剤8を加熱溶融させて溶融塩とするヒーター6が設けられている。また、上記処理槽7には、内部の塩浴処理剤(溶融塩)8を攪拌するインペラー9が挿入されている。   In this salt bath furnace, a treatment tank 7 into which a salt bath treatment agent 8 to be a molten salt is introduced is disposed inside a furnace body 5 covering the outside of the furnace, and the treatment tank 7 is heated from the outside. Is provided with a heater 6 that heats and melts the salt bath treating agent 8 to form a molten salt. Further, an impeller 9 for agitating an internal salt bath treating agent (molten salt) 8 is inserted into the treatment tank 7.

また、溶融塩8がその表面から外気の酸素分や水分を吸収し溶融塩中の成分と反応を起こさないよう、上記溶融塩8の液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成するための不活性ガス層形成手段としての配管10および環状管11が設けられている。すなわち、この例では、処理槽7内の上部に上記配管10と連結されるとともに多数の穴が開いた環状管11が配置されている。上記環状管11は、処理槽7の上部開口よりも液面側において、処理槽7の内周面に沿って配置されている。上記環状管11の多数の穴から不活性ガスとして例えばNガスを噴出させ、Nガスが溶融塩8の液面近傍に供給されてその液面表面がNガスで覆われ、不活性ガス層を形成するようになっている。 Further, an inert gas layer is formed to block the liquid surface of the molten salt 8 from the atmosphere so that the molten salt 8 absorbs oxygen and moisture from the outside air from its surface and does not react with components in the molten salt. A pipe 10 and an annular pipe 11 are provided as means for forming an inert gas layer. In other words, in this example, an annular pipe 11 connected to the pipe 10 and having a large number of holes is disposed in the upper part of the processing tank 7. The annular tube 11 is disposed along the inner peripheral surface of the processing tank 7 on the liquid surface side with respect to the upper opening of the processing tank 7. For example, N 2 gas is jetted as an inert gas from a number of holes in the annular tube 11, and the N 2 gas is supplied near the liquid surface of the molten salt 8, and the liquid surface is covered with the N 2 gas. A gas layer is formed.

このように、処理層7内の上部開口よりも下側の液面付近に不活性ガスを供給することにより、上記溶融塩8の液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成することが行なわれる。   In this way, an inert gas layer for blocking the liquid surface of the molten salt 8 from the atmosphere is formed by supplying an inert gas near the liquid surface below the upper opening in the treatment layer 7. Is done.

上記環状管11は、ヒーター6によって温度が高く維持される領域に配設され、上記不活性ガス層形成手段は、加熱手段によって加熱された不活性ガスを溶融塩8の液面近傍に供給する。これにより、高温のNガスを環状管11から噴出させ、溶融塩8の液面上に400℃以上好ましくは溶融塩8の温度と同等以上である500℃以上の不活性ガス層を形成することが可能となっている。これにより、溶融塩8が表面で固化することを防止できる。 The annular tube 11 is disposed in a region where the temperature is maintained high by the heater 6, and the inert gas layer forming unit supplies the inert gas heated by the heating unit to the vicinity of the liquid surface of the molten salt 8. . Thereby, high-temperature N 2 gas is ejected from the annular tube 11, and an inert gas layer of 400 ° C. or higher, preferably equal to or higher than the temperature of the molten salt 8 is formed on the liquid surface of the molten salt 8. It is possible. Thereby, it can prevent that the molten salt 8 solidifies on the surface.

なお、処理槽7内へのNガスの供給方法としては、上述した構造に限られるものではなく、図示しない予熱装置により予熱したNガスを供給してもよいし、ヒーター6と処理槽7の隙間に配管10を通過させて予熱するようにしてもよい。また、Nガスを補助的に溶融塩8中にバブリングさせ、溶融塩8の液面に補助的にNガスを供給することもできる。ただし、Nガスをバブリングだけで供給すると、高温の溶融塩8が周囲に飛散するとともに、バブリングで溶融塩8の液面に浮き上がったガスにより、液面近傍の不活性ガス層が乱れてしまい、液面が大気と接触してしまうこととなるため、あくまで補助的に使用する。 The method for supplying N 2 gas into the processing tank 7 is not limited to the above-described structure, and N 2 gas preheated by a preheating device (not shown) may be supplied, or the heater 6 and the processing tank 7 may be preheated by passing the pipe 10 through the gap 7. Moreover, N 2 gas can be bubbled into the molten salt 8 as an auxiliary, and the N 2 gas can be supplied as an auxiliary to the liquid surface of the molten salt 8. However, if the N 2 gas is supplied only by bubbling, the high-temperature molten salt 8 is scattered around and the inert gas layer in the vicinity of the liquid level is disturbed by the gas floating on the liquid surface of the molten salt 8 by bubbling. Because the liquid level comes into contact with the atmosphere, it is used only as an auxiliary.

また、使用するNガス量を抑制するとともに、形成した不活性ガス層の気流による乱れを防止して状態を維持するため、処理槽7に蓋12を設け、処理槽7の液面よりも上部の空間を正圧に保つことが望ましい。 In addition, in order to suppress the amount of N 2 gas to be used and to prevent the turbulence caused by the air flow of the formed inert gas layer and maintain the state, the treatment tank 7 is provided with a lid 12, which is more than the liquid level of the treatment tank 7. It is desirable to maintain the upper space at a positive pressure.

上記装置を用い、処理槽7内でアルカリ金属の塩化物およびもしくはアルカリ土類金属の塩化物を主成分とする溶融塩8を形成し、その溶融塩8中に好ましくはクロムを添加するとともに、より好ましくはクロムよりも酸素との親和力の強い珪素もしくは珪素の化合物等を添加し、塩浴の状態、特にクロムの活性度を安定化させる。その溶融塩8中に窒化処理された鋼材を浸漬し、500〜700℃に1〜50時間、より好ましくは2〜20時間加熱保持する塩浴処理を実施する。   Using the above apparatus, a molten salt 8 mainly composed of an alkali metal chloride and / or an alkaline earth metal chloride is formed in the treatment tank 7, and preferably chromium is added to the molten salt 8, More preferably, silicon having a higher affinity for oxygen than chromium or a compound of silicon is added to stabilize the state of the salt bath, particularly the activity of chromium. The steel material nitrided in the molten salt 8 is immersed, and a salt bath treatment is performed by heating and holding at 500 to 700 ° C. for 1 to 50 hours, more preferably 2 to 20 hours.

上記塩浴処理の温度が500℃未満の場合には、形成されるクロム窒化物を主体とする化合物層の生成速度が遅くなってしまうため処理が長時間化してしまうのに加え、その厚さも不均一になりやすい。さらに、塩浴の粘性も増加するため攪拌による塩浴成分の均一化が図りづらいため、その処理温度は500℃以上とする。より好ましくは520℃以上である。また、処理温度が700℃を超える場合には、被処理品の面粗さが悪化するだけでなく、被処理品の材料自体の軟化が大きくなり、必要な強度が得られなくなってしまうため、その処理温度は700℃以下とする。より好ましくは650℃以下である。   When the temperature of the salt bath treatment is less than 500 ° C., the formation rate of the compound layer mainly composed of chromium nitride is slowed down, so that the treatment takes a long time and the thickness thereof is also increased. It tends to be uneven. Furthermore, since the viscosity of the salt bath also increases, it is difficult to make the salt bath components uniform by stirring, so the treatment temperature is set to 500 ° C. or higher. More preferably, it is 520 ° C. or higher. In addition, when the processing temperature exceeds 700 ° C., not only the surface roughness of the product to be processed is deteriorated, but also the softness of the material of the product to be processed becomes large, and the necessary strength cannot be obtained. The treatment temperature is 700 ° C. or lower. More preferably, it is 650 degrees C or less.

また、処理時間については、目的とする表面処理層の構造や、得られる硬度等の特性を考慮して決定する必要があるが、1時間未満では耐摩耗性が十分なクロム窒化物を主体とする化合物層を得ることが困難であり、逆に処理時間が長すぎる場合には被処理品の材料自体の軟化が大きくなるのに加え、生産性にも問題があるため上限は50時間程度とする。より好ましくは2〜20時間程度である。   Further, the treatment time must be determined in consideration of the structure of the target surface treatment layer and the characteristics such as hardness to be obtained, but the chromium nitride having sufficient wear resistance is mainly used in less than 1 hour. It is difficult to obtain a compound layer to be processed. Conversely, if the processing time is too long, softening of the material itself of the product to be processed increases, and there is also a problem in productivity, so the upper limit is about 50 hours. To do. More preferably, it is about 2 to 20 hours.

上記溶融塩8への浸漬処理後、必要に応じて、0.2mm以下のショットメディアによりショットピーニング処理を行なう。   After the immersion treatment in the molten salt 8, a shot peening treatment is performed with a shot media of 0.2 mm or less as necessary.

上記ショットピーニングは、直径0.2mm以下より望ましくは0.1mm以下の硬質鉄球等を高速で衝突させるショットピーニング処理を行なうことができる。このように、表層部に、クロム窒化物を主体とする化合物層を2μm以上形成し、2μm以上のクロムと鉄の相互拡散層(合金層)および窒素拡散層を形成し、さらにショットピーニングにより、表面に微小凹凸を形成させる。このように、表面に微小凹凸を形成することにより、例えば鍛造用の金型として使用した場合に、鍛造時の塑性流動の際に、接触する相手材との接触面積が小さくなって滑り性が向上し、耐焼付き性が一層向上する。そして、非常に高い面圧が負荷される使用環境で良好な性能を発揮することが可能となる。   The shot peening can be performed by a shot peening process in which a hard iron ball having a diameter of 0.2 mm or less, more preferably 0.1 mm or less, is collided at a high speed. Thus, in the surface layer portion, a compound layer mainly composed of chromium nitride is formed to 2 μm or more, an interdiffusion layer (alloy layer) of chromium and iron of 2 μm or more and a nitrogen diffusion layer are formed, and further, by shot peening, Form minute irregularities on the surface. Thus, by forming minute irregularities on the surface, for example, when used as a die for forging, in the plastic flow during forging, the contact area with the mating material to be contacted becomes smaller and slipperiness is reduced. And seizure resistance is further improved. And it becomes possible to exhibit a favorable performance in the use environment where very high surface pressure is loaded.

また、上記ショットピーニング処理を適用した被処理品は、その表面部により高い圧縮応力が付加されることから、耐摩耗性だけではなく、疲労特性も向上させることができる。したがって例えば繰り返し使用される金型等に使用した場合には、耐久性も向上させることが可能となる。   In addition, since the article to be treated to which the shot peening treatment is applied is applied with a higher compressive stress on the surface portion, not only the wear resistance but also the fatigue characteristics can be improved. Therefore, for example, when it is used for a mold that is used repeatedly, durability can be improved.

また、このとき、その表面粗さ(Ra)が0.3〜0.8μmになるようにショット材の材質や投射スピード等、ショットピーニング条件を調整することができる。Raが0.3μm未満であると、摺動される相手材の磨耗や損傷を抑制する方向に働く一方で、微小凹凸が十分に形成されないため、接触する相手材との滑り性が重要な使用用途ではむしろ接触面積が増え、滑り性が低下することによって焼付きを起こしやすくなり、逆にRaが0.8μmを超えると、凹凸が粗大化することによって相手材の磨耗や損傷が大きくなる。   At this time, the shot peening conditions such as the material of the shot material and the projection speed can be adjusted so that the surface roughness (Ra) is 0.3 to 0.8 μm. When Ra is less than 0.3 μm, it works in a direction to suppress wear and damage of the mating material to be slid, but minute unevenness is not formed sufficiently, so that the slipperiness with the mating material in contact is important. In use, the contact area increases, and slipping tends to cause seizure, and conversely, when Ra exceeds 0.8 μm, the unevenness becomes coarse and wear and damage of the counterpart material increase.

図2は、本発明の表面処理された鋼材の断面図の一例を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing an example of a cross-sectional view of a surface-treated steel material according to the present invention.

この鋼材は、クロム窒化物と鉄窒化物が混在した化合物層1が表層部に形成され、上記化合物層1の下に窒素を含有するクロムと鉄の合金層2が形成され、上記合金層2の下に母材の鋼に窒素が拡散した拡散層3が形成されている。   In this steel material, a compound layer 1 in which chromium nitride and iron nitride are mixed is formed in the surface layer portion, and a chromium-iron alloy layer 2 containing nitrogen is formed under the compound layer 1, and the alloy layer 2 A diffusion layer 3 is formed in which nitrogen diffuses in the base steel.

すなわち、上記鋼材は、処理中の溶融塩中の拡散成分の変動が少なく、特に溶融塩から鋼材表面へのクロムの供給が安定的に行われることにより、その表面部に耐摩耗性や耐熱性等に優れるクロム窒化物を主体とする化合物層1が安定的に形成される。さらに、その母材4側には母材4との密着性にとって重要なクロムと母材4中の鉄とが相互拡散した合金層2が形成される。さらに、その母材4側に拡散層3が形成されて硬度傾斜層として機能する。   That is, the steel material has little fluctuation of the diffusion component in the molten salt being processed, and in particular, the stable supply of chromium from the molten salt to the surface of the steel material results in wear resistance and heat resistance on the surface portion. The compound layer 1 mainly composed of chromium nitride, which is excellent in the above, is stably formed. Further, an alloy layer 2 is formed on the base material 4 side in which chromium important for adhesion to the base material 4 and iron in the base material 4 are interdiffused. Further, the diffusion layer 3 is formed on the base material 4 side and functions as a hardness gradient layer.

これにより、高荷重が負荷される使用環境においても、鋼材表面に形成されたクロム窒化物を主体とする化合物層1が剥離を起こすことがないのである。さらに処理中の拡散成分であるクロムの変動が少なくなることによって、鋼材表面の表面粗さも低く抑えることが可能となり、摺動部材として優れたものとなる。   Thereby, even in a use environment where a high load is applied, the compound layer 1 mainly composed of chromium nitride formed on the steel material surface does not peel off. Furthermore, since the fluctuation | variation of the chromium which is a spreading | diffusion component during a process becomes small, it becomes possible to suppress the surface roughness of the steel material surface low, and it becomes an excellent thing as a sliding member.

このように、上記の窒化処理および本発明の塩浴処理装置を用いた塩浴処理を実施することによって、表面粗さをそれほど悪化させることなく、耐摩耗性および耐剥離性等に優れたクロム窒化物を主体とする化合物層1を鋼材表面に形成させることが可能となる。   As described above, by performing the nitriding treatment and the salt bath treatment using the salt bath treatment apparatus of the present invention, chromium having excellent wear resistance, peeling resistance, and the like without significantly deteriorating the surface roughness. The compound layer 1 mainly composed of nitride can be formed on the steel material surface.

窒化された鋼材が溶融塩に浸漬されてその表層部にクロム窒化物が形成され、溶融塩に浸漬する表面処理上がりの表面粗さがRaで0.5μm以下とするのが好ましい。Raが0.5μmを超えると、被処理品の耐摩耗性は大きく悪化しないが、相手材の磨耗や損傷が大きくなるため、その値が0.5μmを超えないように処理条件を調整するのが好ましい。   It is preferable that the nitrided steel material is immersed in the molten salt to form chromium nitride on the surface layer, and the surface roughness after the surface treatment immersed in the molten salt is 0.5 μm or less in terms of Ra. If Ra exceeds 0.5 μm, the wear resistance of the product to be processed will not be greatly deteriorated, but the wear and damage of the counterpart material will increase, so the processing conditions should be adjusted so that the value does not exceed 0.5 μm. Is preferred.

また、溶融塩の成分、処理時間等の処理条件を調整することにより、上記化合物層1の表面硬度をHv700以上Hv1000以下とした。すなわち、窒化されて鉄窒化物層と窒素拡散層を有する鋼材を、クロムを含む溶融塩8中に浸漬してクロムを拡散浸透させ、表層部の鉄窒化物層中にクロム窒化物を生成する際、最終的に表層部の化合物層がクロム窒化物と鉄窒化物が混在し、表面硬度をHv700以上Hv1000以下となるように鉄窒化物が残存するようにクロム窒化物を生成するのである。これにより、例えば、さらに小さい面粗さが必要な場合においても、化合物層1の厚さをほとんど減少させることがないような簡易的な研磨処理方法によって、その表面粗さを調整することが可能となる。   Further, the surface hardness of the compound layer 1 was set to Hv 700 or more and Hv 1000 or less by adjusting the treatment conditions such as the components of the molten salt and the treatment time. That is, a steel material that is nitrided and has an iron nitride layer and a nitrogen diffusion layer is immersed in molten salt 8 containing chromium to diffuse and infiltrate chromium, thereby generating chromium nitride in the iron nitride layer of the surface layer portion. At this time, the chromium nitride is produced so that iron nitride remains so that the compound layer of the surface layer portion finally contains chromium nitride and iron nitride and the surface hardness becomes Hv 700 or more and Hv 1000 or less. Thereby, for example, even when a smaller surface roughness is required, it is possible to adjust the surface roughness by a simple polishing method that hardly reduces the thickness of the compound layer 1. It becomes.

上述したように、上記塩浴処理後の表面をマイクロビッカース硬度で700Hv以上1000Hv以下とすることによって、耐摩耗性を有するだけでなく、被加工性も有するため、バフ研磨はもちろんのこと、例えばショット材にダイヤモンド粒を含有させたコンパウンドを使用する方式のラッピングマシンを用いた簡易的な方法での研磨工程を追加することによって表面粗さをさらに向上させることが可能となる。このような研磨処理により表面粗さ(Ra)を0.3μm以下とすることによって、被処理品はもちろんのこと、摺動を受ける相手材の磨耗や損傷をさらに低減できるのである。   As described above, the surface after the salt bath treatment has a micro Vickers hardness of 700 Hv or more and 1000 Hv or less, so that it has not only wear resistance but also workability. The surface roughness can be further improved by adding a polishing process by a simple method using a lapping machine using a compound containing diamond grains in the shot material. By setting the surface roughness (Ra) to 0.3 μm or less by such a polishing treatment, it is possible to further reduce the wear and damage of the material to be slid as well as the product to be treated.

また、上記化合物層1の厚さは少なくとも2μm以上形成させる。その厚さが2μm未満の場合であっても耐摩耗性は向上するが、耐久性の点で必ずしも十分とはいえない場合があるため、その厚さは2μm以上とする。より好ましくは3μm以上である。   The thickness of the compound layer 1 is at least 2 μm. Although the wear resistance is improved even when the thickness is less than 2 μm, the thickness is not less than 2 μm because it may not always be sufficient in terms of durability. More preferably, it is 3 μm or more.

また、この際に処理温度や時間、塩浴中のクロム濃度等を制御することによって、上記化合物層1の母材4側に窒素を含有したクロムと鉄の相互拡散層である合金層2を形成させることができる。その相互拡散層(合金層)2の厚さは2μm以上となるようにする。その厚さは1μm以上あればある程度の密着性は得られるものの、2μm未満では高荷重が負荷された場合には剥離を起こす危険性が生じるため、本発明では十分な密着性を確保するため、その厚さが2μm以上形成されるように処理を行なう。   At this time, the alloy layer 2 which is an interdiffusion layer of chromium and iron containing nitrogen is formed on the base material 4 side of the compound layer 1 by controlling the treatment temperature and time, the chromium concentration in the salt bath, and the like. Can be formed. The thickness of the interdiffusion layer (alloy layer) 2 is set to 2 μm or more. If the thickness is 1 μm or more, a certain degree of adhesion can be obtained, but if it is less than 2 μm, there is a risk of peeling when a high load is applied. Therefore, in the present invention, in order to ensure sufficient adhesion, Processing is performed so that the thickness is 2 μm or more.

さらに、上記相互拡散層(合金層)2の存在に加え、その母材4側に硬度傾斜層として寄与する拡散層3が形成されていることとの相乗効果により、上記化合物層1の密着性を大幅に向上させることができる。   Further, in addition to the presence of the interdiffusion layer (alloy layer) 2, the adhesion of the compound layer 1 is due to a synergistic effect with the diffusion layer 3 contributing as a hardness gradient layer on the base material 4 side. Can be greatly improved.

一方、非常に高い面圧が負荷される使用環境では、上述したショットピーニング処理を行なうことによって、表面に微小凹凸を形成させ、接触する相手材との滑り性を向上させるとともに、耐焼付き性を一層向上させることが可能となる。   On the other hand, in a usage environment where a very high surface pressure is applied, by performing the above-described shot peening treatment, micro unevenness is formed on the surface, improving the slipperiness with the mating material in contact with it, and improving seizure resistance. This can be further improved.

さらに、上記拡散層3の硬度を窒化条件を含めて調整することにより、表面から50μm以上の深さの部分の拡散層3のマイクロビッカース硬度をHv800以下、より望ましくはHv750以下とすることができる。このようにすることにより、熱サイクルの繰り返し負荷によって温熱間金型等の表面に発生するヒートクラックは、硬度が高い、すなわち靭性の低下している部分を進展しやすいことから、靭性を有する拡散層3がヒートクラックの進展を抑制するため、耐摩耗性はもちろんのこと、耐ヒートクラック性に優れた表面構造を持つ鋼材とすることが可能となる。   Furthermore, by adjusting the hardness of the diffusion layer 3 including the nitriding conditions, the micro Vickers hardness of the diffusion layer 3 at a depth of 50 μm or more from the surface can be Hv 800 or less, more desirably Hv 750 or less. . In this way, heat cracks that occur on the surface of a hot mold or the like due to repeated loading of the thermal cycle are easy to propagate in areas where the hardness is high, i.e., the toughness is reduced. Since the layer 3 suppresses the development of heat cracks, it is possible to obtain a steel material having a surface structure excellent in heat crack resistance as well as wear resistance.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

SCM435、SACM645、SKD61の素材に焼入れ、焼戻し処理を行った30mm×30mm×5mmの試験片を作製した後、その表面を研磨し面粗さ(Ra)を0.1〜0.2μmとした。   A 30 mm × 30 mm × 5 mm test piece subjected to quenching and tempering treatment on SCM435, SACM645, and SKD61 materials was prepared, and the surface was polished to a surface roughness (Ra) of 0.1 to 0.2 μm.

その各試験片を脱脂、洗浄した後、300℃で60分、NFとNの混合ガス中でフッ化処理し、それらを570℃で120分、NHガスが70容量%とNガスが30容量%である混合ガス中で窒化処理し、8〜12μmのFeNを主体とする窒素化合物層と100〜200μmの窒素拡散層を形成させた。 Each test piece was degreased and washed, and then subjected to fluorination treatment in a mixed gas of NF 3 and N 2 at 300 ° C. for 60 minutes, and these were treated at 570 ° C. for 120 minutes, NH 3 gas being 70% by volume and N 2. Nitriding treatment was performed in a mixed gas having a gas content of 30% by volume to form a nitrogen compound layer mainly composed of 8 to 12 μm of Fe 3 N and a nitrogen diffusion layer of 100 to 200 μm.

その後、各試験片をNaClとKClとCaClをそれぞれ20重量%、40重量%、40重量%の割合で混合し、550℃に加熱溶融させた溶融塩中にクロム粉末を10重量%と珪素粉末を5重量%含有させ、図1に示した塩浴処理炉を用い、溶融塩の表面近傍にNガスを供給しながら20時間浸漬し処理を実施した。 Thereafter, each test piece, respectively 20 wt% NaCl, KCl, CaCl 2 and a 40 wt%, were mixed at a ratio of 40 wt%, 10 wt% and silicon chromium powder to molten salt melted by heating to 550 ° C. The powder was contained in an amount of 5% by weight, and the treatment was carried out by dipping for 20 hours while supplying N 2 gas near the surface of the molten salt using the salt bath treatment furnace shown in FIG.

一方、比較例として塩浴表面にNガスを供給しない方法でも試験片を作製した。 On the other hand, as a comparative example, a test piece was also produced by a method in which N 2 gas was not supplied to the salt bath surface.

本発明例(塩浴表面にNガスを供給しながら塩浴処理)のそれぞれの試験片の表面硬度およびクロム窒化物を主体とする化合物層の厚さは、鋼種を問わず表面硬度が900±50Hv、窒素化合物層厚さは6±1μmの範囲であった。一方、比較例(塩浴表面にN2ガスを供給しない)では、表面硬度が900±100Hv、窒素化合物層厚さは5±3μmの範囲であった。 The surface hardness of each test piece of the present invention example (salt bath treatment while supplying N 2 gas to the surface of the salt bath) and the thickness of the compound layer mainly composed of chromium nitride have a surface hardness of 900 regardless of the steel type. ± 50 Hv, the nitrogen compound layer thickness was in the range of 6 ± 1 μm. On the other hand, in the comparative example (N2 gas is not supplied to the surface of the salt bath), the surface hardness was 900 ± 100 Hv and the nitrogen compound layer thickness was in the range of 5 ± 3 μm.

本発明例および比較例の塩浴処理後の表面粗さ(Ra)について各5枚ずつ測定した結果を下記の表1に示す。またSKD61のNo.1の試験片の表面部をナイタル液で腐食した(a)本発明例と(b)比較例の断面金属組織を図3に示す。   Table 1 below shows the results of measuring the surface roughness (Ra) after the salt bath treatment of the present invention example and the comparative example for each of five sheets. In addition, SKD61 no. FIG. 3 shows the cross-sectional metal structures of (a) the present invention example and (b) the comparative example in which the surface portion of the test piece 1 was corroded with the night liquid.

表1から明らかなように、表面粗さが悪化しやすかった長時間の塩浴処理を行った場合であっても、本発明例のように塩浴表面にNガスを供給しながら処理を行った場合には、鋼種を問わず表面粗さが比較的低い値で安定していることが分かる。一方Nガスを供給しない比較例では表面粗さのばらつきが非常に大きいことが分かる。 As is clear from Table 1, even when a long-time salt bath treatment was performed, the surface roughness of which was likely to deteriorate, the treatment was performed while supplying N 2 gas to the salt bath surface as in the present invention example. When performed, it can be seen that the surface roughness is stable at a relatively low value regardless of the steel type. On the other hand, it can be seen that in the comparative example in which N 2 gas is not supplied, the variation in surface roughness is very large.

また、図3の断面組織において、表面に形成している腐食されないクロム窒化物を主体とする窒素化合物層が、(a)の本発明例では安定した厚さで形成されているのに対し、(b)の比較例では厚さが安定しておらず、その結果として表面粗さが悪化していることが分かる。したがって(b)の比較例の表面を研磨し、その表面粗さを向上させようとした場合、クロム窒化物を主体とする窒素化合物層を十分な耐摩耗性を有するような厚さを残した状態となるように実施することが非常に困難であることが分かる。   Further, in the cross-sectional structure of FIG. 3, the nitrogen compound layer mainly composed of non-corroded chromium nitride formed on the surface is formed with a stable thickness in the present invention example of (a), In the comparative example of (b), it can be seen that the thickness is not stable, and as a result, the surface roughness is deteriorated. Therefore, when the surface of the comparative example of (b) was polished to improve its surface roughness, the nitrogen compound layer mainly composed of chromium nitride was left with a thickness that had sufficient wear resistance. It turns out that it is very difficult to implement so that it may be in a state.

また、図3(a)本発明例の表面部の断面の元素濃度分布をEPMAを用いて測定した結果を図4に示す。   FIG. 4 shows the result of measuring the element concentration distribution of the cross section of the surface portion of the example of FIG. 3 (a) using EPMA.

最表面部である図4中の(i)の領域にクロム窒化物を主体とする化合物層1が約5μm形成されている。上記化合物層1は、クロム、鉄、窒素がそれぞれ存在し、クロム窒化物と鉄窒化物が混在していることがわかる。上記化合物層1におけるクロム窒化物と鉄窒化物の存在比率は、おおむね4:1〜5:1程度であり、表面側から母材4側に近づくに従って鉄窒化物の存在比率が徐々に大きくなっている。   In the region (i) in FIG. 4 which is the outermost surface portion, a compound layer 1 mainly composed of chromium nitride is formed with a thickness of about 5 μm. It can be seen that the compound layer 1 contains chromium, iron and nitrogen, respectively, and chromium nitride and iron nitride are mixed. The abundance ratio of chromium nitride and iron nitride in the compound layer 1 is approximately 4: 1 to 5: 1, and the abundance ratio of iron nitride gradually increases from the surface side toward the base material 4 side. ing.

また、上記化合物層1の母材4側の(ii)の領域に、窒素を含有する約3.5μmのクロムと鉄の相互拡散層である合金層2が形成されている。上記合金層2では、表面側から母材4側に近づくに従って鉄の存在比率が大きくなるとともに、クロムの存在比率が小さくなる濃度傾斜を有している。   Further, an alloy layer 2 which is an interdiffusion layer of about 3.5 μm of chromium and iron containing nitrogen is formed in the region (ii) on the base material 4 side of the compound layer 1. The alloy layer 2 has a concentration gradient in which the abundance ratio of iron increases and the abundance ratio of chromium decreases as it approaches the base material 4 side from the surface side.

さらに、上記合金層2の母材4側の(iii)の領域に、窒素濃度が高くないため図4からは分かりづらいが硬度傾斜層として寄与する拡散層3が形成されている。この層構造が形成されることによって最表面のクロム窒化物を主体とする化合物層1が非常に耐剥離性の高いものになるのである。   Further, in the region (iii) on the base material 4 side of the alloy layer 2, since the nitrogen concentration is not high, a diffusion layer 3 that is difficult to understand from FIG. 4 and contributes as a hardness gradient layer is formed. By forming this layer structure, the compound layer 1 mainly composed of chromium nitride on the outermost surface has a very high peel resistance.

なお、本発明例の試験片をショット材にダイヤモンド粒を含有させたコンパウンドを使用する方式のラッピングマシンを用いた簡易的な方法での研磨処理を追加した結果、その表面粗さ(Ra)は全て0.1〜0.3μmの範囲に入っており、また表面のクロム窒化物を主体とする窒素化合物層厚さは全て4μm以上であった。したがってこの表面処理を機械部品等に適用した場合には、被処理品はもちろんのこと、摺動を受ける相手材の磨耗や損傷をさらに低減することができる。   In addition, as a result of adding a polishing process by a simple method using a lapping machine using a compound in which a test piece of the present invention contains a compound containing diamond grains in a shot material, the surface roughness (Ra) is All were in the range of 0.1 to 0.3 μm, and the thickness of the nitrogen compound layer mainly composed of chromium nitride on the surface was 4 μm or more. Therefore, when this surface treatment is applied to a machine part or the like, it is possible to further reduce the wear and damage of the material to be slid as well as the object to be treated.

SKD61を素材としてφ10のピンを作製し、熱処理によってHRC50に調質した後、実施例1と同条件のフッ化処理および窒化処理を実施し、その後実施例1と処理時間以外は同条件の塩浴処理を実施して試験片とした。なお、塩浴処理の時間は8時間とした。   A pin having a diameter of 10 is prepared using SKD61 as a raw material, tempered to HRC50 by heat treatment, and then subjected to fluorination treatment and nitridation treatment under the same conditions as in Example 1, and then the same conditions as in Example 1 except for the treatment time A bath treatment was performed to obtain a test piece. The salt bath treatment time was 8 hours.

このとき、その表面部には約4.5μmのクロム窒化物を主体とする化合物層1と、窒素を含有する約3μmのクロムと鉄の相互拡散層である合金層2および約100μmの拡散層3が形成されており、その表面粗さ(Ra)は0.31μmであった。また、その表面に、ショット材にダイヤモンド粒を含有させたコンパウンドを使用する方式の研磨処理を行った試験片も作製した。なおその表面粗さ(Ra)は0.17μmであった。   At this time, on the surface portion, a compound layer 1 mainly composed of chromium nitride of about 4.5 μm, an alloy layer 2 which is an interdiffusion layer of about 3 μm of chromium and iron containing nitrogen, and a diffusion layer of about 100 μm 3 was formed, and its surface roughness (Ra) was 0.31 μm. In addition, a test piece was also prepared on the surface of which a polishing treatment using a compound containing diamond particles in a shot material was performed. The surface roughness (Ra) was 0.17 μm.

また比較材として、フッ化処理および窒化処理を実施した試験片、また塩浴処理中にN2ガスを供給しない方法で処理を行った試験片も作製した。なお上記Nガスを供給しない方法で処理を行った試験片の表面粗さ(Ra)は0.58μmであった。 In addition, as a comparative material, a test piece that was subjected to fluorination treatment and nitriding treatment, and a test piece that was treated by a method in which N 2 gas was not supplied during the salt bath treatment were also produced. Note the N 2 surface roughness of the gas was treated in a manner that does not supply the test specimen (Ra) of 0.58 .mu.m.

これらの試験片をピンオンディスク式の磨耗試験(面圧1.3MPa、摺動速度1.5m/sec、摺動距離50000m、無潤滑、相手材SUJ2)を実施した結果を図5に示す。   FIG. 5 shows the results of performing a pin-on-disk type abrasion test (surface pressure 1.3 MPa, sliding speed 1.5 m / sec, sliding distance 50000 m, non-lubricated, mating material SUJ2) on these test pieces.

これより、塩浴処理中にNガスを供給しない方法で処理を行った比較例(e)は、窒化処理のみを実施したものよりも明らかに耐摩耗性が向上していることが分かるが、塩浴処理中の液面にNガスを供給する方法で処理を行った本発明例(c)およびその表面に上記の研磨処理を行った本発明例(d)は、比較例(e)よりもはるかに優れた耐摩耗性を有していることが分かる。また比較例(e)では摺動相手材であるSUJ2の磨耗が激しく起こっているのに対し、特に表面粗さの小さい本発明例(d)では相手材の目立った磨耗や面荒れが認められず、摺動部材として適用された場合に優れた耐久性を有するものと考えられる。 From this, it can be seen that the comparative example (e) in which the N 2 gas is not supplied during the salt bath treatment is clearly improved in wear resistance as compared with the case where only the nitriding treatment is performed. The present invention example (c) in which the N 2 gas was supplied to the liquid surface during the salt bath treatment and the present invention example (d) in which the above polishing treatment was performed on the surface thereof were compared with the comparative example (e It can be seen that it has much better wear resistance than. Further, in the comparative example (e), the wear of the SUJ2 which is the sliding counterpart material is intense, whereas in the present invention example (d) having a particularly small surface roughness, noticeable wear and surface roughness of the counterpart material are recognized. However, it is considered to have excellent durability when applied as a sliding member.

SKD61を素材として熱処理によってHRC45に調質した鍛造用金型を作製し、400℃で120分、NFとN混合ガス中でフッ化処理し、それらを580℃で120分、NHガスが5容量%とNガスが95容量%である混合ガス中で窒化処理し、さらに580℃で60分、NHガスが70容量%とNガスが30容量%である混合ガス中で窒化処理した。 A forging die that was tempered to HRC45 by heat treatment using SKD61 as a raw material was prepared, and fluorinated in a mixed gas of NF 3 and N 2 for 120 minutes at 400 ° C., and then for 120 minutes at 580 ° C., NH 3 gas Is nitrided in a mixed gas of 5% by volume and N 2 gas of 95% by volume, and further in a mixed gas of 70% by volume of NH 3 gas and 30% by volume of N 2 gas at 580 ° C. Nitrided.

その後、各試験片をNaClとKClとCaClをそれぞれ20重量%、40重量%、40重量%の割合で混合し、570℃に加熱溶融させた溶融塩中にクロム粉末を15重量%と珪素粉末を5重量%含有させ、図1に示した塩浴処理炉を用い、塩浴表面にNガスを供給しながら10時間浸漬し処理を実施した。この金型と同じ調質および本発明の表面処理を行った試験片の断面硬度測定を行った結果を図6に示す。 Thereafter, each test piece NaCl, KCl, and the CaCl 2, respectively 20 wt%, 40 wt%, were mixed at a ratio of 40 wt%, 15 wt% and silicon chromium powder in the molten salt melted by heating at 570 ° C. The powder was contained at 5% by weight, and the treatment was carried out by immersing for 10 hours while supplying N 2 gas to the surface of the salt bath using the salt bath treatment furnace shown in FIG. FIG. 6 shows the result of measuring the cross-sectional hardness of the test piece subjected to the same tempering as this mold and the surface treatment of the present invention.

また、上記の金型の表面に0.2mm以下の硬質鉄球を用いてショットピーニング処理を行い、その表面粗さ(Ra)が概ね0.6μm前後となるように微小凹凸を形成させたものも用意した。また比較例として、鍛造金型処理の多く利用されている塩浴浸硫窒化処理を570℃で180分行った金型も用意した。その塩浴浸硫窒化処理を行なった試験片の断面硬度測定を行った結果も図6に併せて示す。   Also, the surface of the above mold is shot peened using a hard iron ball of 0.2 mm or less, and fine irregularities are formed so that the surface roughness (Ra) is about 0.6 μm. Also prepared. As a comparative example, a mold was also prepared in which a salt bath nitronitriding treatment, which is widely used for forging mold processing, was performed at 570 ° C. for 180 minutes. The results of measuring the cross-sectional hardness of the test piece subjected to the salt bath nitronitriding treatment are also shown in FIG.

これらの金型を用いてS50C製コンロッドを熱間鍛造し、15000回を上限として金型が寿命にいたるまで型打ちした結果を下記の表2に示す。   Table 2 below shows the results of hot forging S50C connecting rods using these molds and stamping them up to the end of their lifetime up to 15000 times.

表2の結果から、本発明を熱間鍛造金型に適用した場合、大幅な寿命の向上が見られることがわかる。寿命向上の理由については、表面に形成させたクロム窒化物を主体とする窒素化合物層が耐熱性に優れるため、大幅な耐磨耗性の向上が見られるためである。   From the results shown in Table 2, it can be seen that when the present invention is applied to a hot forging die, a significant improvement in life is observed. The reason for the improvement in the life is that the nitrogen compound layer mainly composed of chromium nitride formed on the surface is excellent in heat resistance, so that a significant improvement in wear resistance is observed.

また、図6に示したように窒素拡散層の硬度を従来の窒化処理よりも大幅に低下させることによって、窒素拡散層の有する圧縮応力に加え、靭性も有する状態となっていることによって、ヒートクラックの進展を抑制しているものと考えられる。なお、このときその表面部には約6μmのクロム窒化物を主体とする化合物層1と、約4μmの窒素を含有するクロムと鉄との相互拡散層である合金層2が形成されていることがEPMAによる元素分析から確認された。   In addition to the compressive stress of the nitrogen diffusion layer, the hardness of the nitrogen diffusion layer is greatly reduced as compared with the conventional nitriding treatment as shown in FIG. It is thought that the progress of cracks is suppressed. At this time, a compound layer 1 mainly composed of about 6 μm of chromium nitride and an alloy layer 2 which is an interdiffusion layer of chromium and iron containing about 4 μm of nitrogen are formed on the surface portion. Was confirmed by elemental analysis by EPMA.

さらに、上記金型に0.2mm以下のショット材を用いて微小凹凸を形成させた場合には、その表面のクロム窒化物を主体とする化合物層1は4〜5μmの厚さとなっていたが、15000回型打ちした後でも、さらに型打ちが続けられる状態であった。この理由としては、鍛造される材料の金型表面での滑り性が向上することによって、局部的に応力が集中しづらくなり、クラックがさらに進展しづらい状態となっているものと考えられる。   Further, when minute irregularities are formed on the mold using a shot material of 0.2 mm or less, the compound layer 1 mainly composed of chromium nitride on the surface has a thickness of 4 to 5 μm. Even after 15000 times of stamping, the stamping was continued. The reason for this is considered to be that it is difficult for stress to concentrate locally and cracks are difficult to further progress due to the improved slipperiness of the material to be forged on the mold surface.

以上のように、温度差の大きい熱サイクルが負荷される熱間鍛造金型においても、耐摩耗性だけでなく耐焼付き性や耐ヒートクラック性も良好なことから、鍛造金型だけでなく例えば鋳造金型やダイカスト金型に適用した場合も同様に良好な結果が得られる。   As described above, even in a hot forging die loaded with a thermal cycle with a large temperature difference, not only the wear resistance but also seizure resistance and heat crack resistance are good, so that not only the forging die but also, for example, Similarly good results can be obtained when applied to casting molds and die casting molds.

以上の結果から、本発明を各種機械部品や各種金型等に適用することによって、特に高い面圧や高い温度が負荷される場合にその耐久性を大幅に向上させることが可能となる。   From the above results, by applying the present invention to various machine parts, various molds and the like, it is possible to greatly improve the durability particularly when high surface pressure or high temperature is applied.

本発明の処理方法は、鋼材の表面処理に使用することができ、またその表面処理された鋼材を使用することで、特に高面圧、高温度や潤滑状態が良くない環境で使用される部品類や金型等に好適に利用することができる。   The treatment method of the present invention can be used for surface treatment of steel materials, and by using the surface-treated steel materials, components that are used particularly in environments where high surface pressure, high temperature and lubrication are not good. It can be suitably used for types and molds.

本発明の塩浴処理炉の一例の断面図である。It is sectional drawing of an example of the salt bath processing furnace of this invention. 本発明の表面処理によって形成される表面層構造を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the surface layer structure formed by the surface treatment of this invention. 本発明例(a)と比較例(b)の塩浴処理後の断面腐食組織の一例である。It is an example of the cross-sectional corrosion structure | tissue after the salt bath process of this invention example (a) and a comparative example (b). 図3(a)の本発明例の表面部の元素濃度分布を示した図である。It is the figure which showed element concentration distribution of the surface part of the example of this invention of Fig.3 (a). SKD61製試験片のピンオンディスク型磨耗試験結果である。It is a pin on disk type abrasion test result of the test piece made from SKD61. 本発明例(f)と比較例(g)の断面硬度測定結果である。It is a cross-sectional hardness measurement result of this invention example (f) and a comparative example (g).

符号の説明Explanation of symbols

1 化合物層
2 相互拡散層(合金層)
3 拡散層
4 母材
5 炉体
6 ヒーター
7 処理槽
8 塩浴処理剤(溶融塩)
9 インペラー
10 配管
11 環状管
12 蓋
1 Compound layer 2 Interdiffusion layer (alloy layer)
3 Diffusion layer 4 Base material 5 Furnace body 6 Heater 7 Treatment tank 8 Salt bath treatment agent (molten salt)
9 Impeller 10 Piping 11 Ring 12 Lid

Claims (9)

溶融塩中に鋼材を浸漬する鋼材の表面処理方法であって、少なくとも鋼材を溶融塩に浸漬中、上記溶融塩の液面近傍に上記液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成することを特徴とする鋼材の表面処理方法。   A surface treatment method for a steel material in which the steel material is immersed in the molten salt, and at least during the immersion of the steel material in the molten salt, an inert gas layer is formed in the vicinity of the liquid surface of the molten salt to block the liquid surface from the atmosphere. A method for surface treatment of a steel material, comprising: 上記溶融塩がクロムを含み、窒化された鋼材を溶融塩に浸漬して表層部にクロム窒化物を形成させる請求項1記載の鋼材の表面処理方法。   The surface treatment method for a steel material according to claim 1, wherein the molten salt contains chromium and the nitrided steel material is immersed in the molten salt to form chromium nitride in the surface layer portion. 上記溶融塩への浸漬処理後、0.2mm以下のショットメディアによりショットピーニング処理を行なう請求項1または2記載の鋼材の表面処理方法。   The steel material surface treatment method according to claim 1 or 2, wherein a shot peening treatment is performed with a shot media of 0.2 mm or less after the immersion treatment in the molten salt. 溶融塩中に鋼材を浸漬する鋼材の表面処理装置であって、少なくとも鋼材を溶融塩に浸漬中、上記溶融塩の液面近傍に上記液面を大気と遮断するための不活性ガス層を形成させる不活性ガス層形成手段を備えたことを特徴とする鋼材の表面処理装置。   A steel surface treatment apparatus for immersing a steel material in a molten salt, wherein at least the steel material is immersed in the molten salt and an inert gas layer is formed in the vicinity of the liquid surface of the molten salt to block the liquid surface from the atmosphere. A surface treatment apparatus for a steel material, comprising an inert gas layer forming means. 上記溶融塩がクロムを含み、窒化された鋼材を溶融塩に浸漬して表層部にクロム窒化物を形成させる請求項4記載の鋼材の表面処理装置。   The steel material surface treatment apparatus according to claim 4, wherein the molten salt contains chromium, and the nitrided steel material is immersed in the molten salt to form chromium nitride in the surface layer portion. 上記不活性ガス層形成手段は、加熱手段によって加熱された不活性ガスを溶融塩の液面近傍に供給することにより400℃以上の不活性ガス層を形成する請求項4または5記載の鋼材の表面処理装置。   The steel material according to claim 4 or 5, wherein the inert gas layer forming means forms an inert gas layer at 400 ° C or higher by supplying the inert gas heated by the heating means to the vicinity of the liquid surface of the molten salt. Surface treatment equipment. クロム窒化物と鉄窒化物が混在した化合物層が表層部に形成され、上記化合物層の下に窒素を含有するクロムと鉄の合金層が形成され、上記合金層の下に母材の鋼に窒素が拡散した拡散層が形成され、
上記化合物層の表面硬度をHv700以上Hv1000以下としたことを特徴とする鋼材。
A compound layer in which chromium nitride and iron nitride are mixed is formed on the surface layer part, and an alloy layer of chromium and iron containing nitrogen is formed under the compound layer, and the base steel is formed under the alloy layer. A diffusion layer in which nitrogen diffuses is formed,
A steel material characterized in that the surface hardness of the compound layer is Hv700 or more and Hv1000 or less.
窒化された鋼材が溶融塩に浸漬されてその表層部にクロム窒化物が形成され、溶融塩に浸漬する表面処理上がりの表面粗さがRaで0.5μm以下である請求項7記載の鋼材。   The steel material according to claim 7, wherein the nitrided steel material is immersed in a molten salt to form chromium nitride on a surface layer portion thereof, and the surface roughness after finishing the surface treatment immersed in the molten salt is 0.5 μm or less in Ra. 表面から50μm深さの硬度がHv800以下である請求項7または8記載の鋼材。   The steel material according to claim 7 or 8, wherein the hardness at a depth of 50 µm from the surface is Hv 800 or less.
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