JP2011012305A - 窒化部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化を促進させることにより窒素化合物層の厚さを厚くし窒素の内部拡散深さを増加させるとともに表面部に摩擦係数の低い層を形成し、これにより初期なじみ性および耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】金元素を含む鉄鋼部材を窒化処理することにより得られた窒化部材であって、窒素化合物層を表層部に有し、該表層部の表面部に、内部よりも合金元素の濃度が低い合金元素低濃度領域を有する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、窒化部材およびその製造方法に係り、特に、窒化を促進させることにより窒素化合物層の厚さを厚くし窒素の内部拡散深さを増加させるとともに表面部に摩擦係数の低い層を形成し、これにより初期なじみ性および耐摩耗性を向上させる技術に関する。

迅速に窒化を行う方法として酸窒化という窒化方法が知られている。この窒化方法は、例えば特許文献１に記載されているように、窒化性ガスであるアンモニア中に空気または酸素を添加し、窒化時の還元反応を抑制して窒化反応を促進するというものである。しかしながら、空気または酸素を導入する酸窒化処理の場合、空気比が２８％（酸素濃度５．６％）以上の混合ガスが高温になると爆発限界を超えた危険な雰囲気になり、安全上問題がある

一方、窒化処理した鉄系材料の更なる低摩擦係数化、高耐摩耗性化を図る方法として、窒化処理した後に酸化処理を行い、表面の鉄窒化物上に酸化鉄含有皮膜もしくは酸化皮膜を形成することが知られている。たとえば、特許文献２では、窒化処理により形成した鉄窒素含有層に対して、水酸化ナトリムなどからなる水溶液の処理浴中で鉄窒化物の表面部を変性し、かつ表面部の上に酸化鉄含有層を形成している。また、特許文献３では、鋼材の表面に窒化処理を行って窒化層を形成した後、一定温度で一定時間の酸化処理（例えば水蒸気を含む湿潤酸化性ガス中）を行い、鋼材表面に酸化皮膜を被覆している。しかしながら、これらの技術では、窒化処理後に酸化処理するための設備を追加する必要があり、量産性やコストの問題がある

また、特許文献４には、鉄鋼製品部品を窒化する際に、被窒化物部品を空気中でテンパーカラーがつく程度に酸化させ、続いて窒化処理を行うことで、被窒化物の表面加工歪み状態によらず均一に窒化できることが記載されている。

特開昭６２−２７０７６１号公報 特開平８−２０８７７号公報 特開２００３−１３１９９号公報 特開平６−５７４００号公報

ところで、特許文献４におけるテンパーカラーが付く程度の酸化膜の厚さは、０．０１５〜０．０５０μｍ程度と考えられる。しかしながら、この程度の酸化膜の厚さでは、必ずしも窒化の迅速・促進の効果が得られるわけではなく、ましてや摺動特性などの機能特性の向上などには効果はない。特許文献４の実施例では、窒化用鋼ＳＡＣＭ６４５の調質棒鋼の引き抜き加工を行なったままの面と、その一部を研削加工したものを用意し、それぞれの前酸化の有無に対して窒化後の硬度を測定している。その結果、引き抜いたままの面に対しては前酸化処理の有無により違いが現れたことが記載されているが、機械加工面においては前酸化の有無による影響は認められていない。通常、窒化により高機能化を図る鉄鋼製品は窒化処理の前には機械加工がなされている。しかしながら、特許文献４に記載の程度の酸化皮膜では、通常の機械加工面において窒化を促進したり、機能を向上させるなどの効果は得ることができない。

したがって、本発明は、窒化を促進させることにより窒素化合物層の厚さを厚くするとともに表面部に摩擦係数の低い層を形成し、これにより初期なじみ性および耐摩耗性を向上させることができる窒化部材およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者等は、酸化処理がその後の窒化処理に与える影響について検討を重ねた結果、酸化処理によって厚さが０．１μｍ以上の酸化皮膜を形成することにより、表層部に厚い窒素化合物層が形成され、しかも、表層部の表面部に内部よりも合金元素の濃度が低い合金元素低濃度領域が形成されることを見出した。そして、合金元素低濃度領域は摩擦係数が低く、窒化部材の初期なじみ性および耐摩耗性を向上させることを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、合金元素を含む鉄鋼部材を窒化処理することにより得られた窒化部材であって、窒素化合物層を表層部に有し、該表層部の表面部に、内部よりも合金元素の濃度が低い合金元素低濃度領域を有することを特徴としている。また、本発明の窒化部材の製造方法は、鉄鋼部材に酸化処理を行って表面に厚さ０．１〜５μｍの酸化皮膜を形成し、次いで窒化処理を行うことを特徴としている。

以下、本発明の原理を図５を参照して説明する。鉄鋼部材に酸化処理を行って酸化皮膜を形成することにより、最表面部に主としてＦｅ_２Ｏ_３が形成され、その下層に主としてＦｅ_３Ｏ_４が形成される。これら酸化鉄は鉄が優先的に酸化されて生成されたものであるから、ＳｉやＭｎなどの合金元素は殆ど含まれないが、Ｆｅ_３Ｏ_４の下層にはＳｉ酸化物やＭｎ酸化物が生成され、その生成のためにＳｉやＭｎが集まって濃化する。

上記のような酸化処理後の鉄鋼部材に窒化処理を行うと窒化が促進され、酸化処理を行わない場合と比べて窒素化合物層と窒素拡散層の深さは５％程度増加する。その理由は以下のように考えられる。すなわち、鉄と窒素が結び付いて窒化鉄が生成されるよりも、酸化鉄の方が窒化鉄になり易いため、窒素化合物が容易に生成される。この点について、本発明者等が窒化鉄の反応生成系における熱力学計算を行ったところ、Ｆｅ２Ｎの４００〜７００℃における生成自由エネルギーは、Ｆｅ、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３の順番で低くなることを確認した。したがって、鉄よりも酸化鉄の方が窒化され易く、また、酸化鉄の中でも酸素の原子比が高い方が窒化され易い。そして、上記のようにして生成された窒化鉄の下層には、酸化処理を行わない鉄鋼部材と同様に、鉄と窒素が結び付いて窒化鉄が生成されるから、結果として厚い窒化鉄層が生成される。また、窒化鉄層の下層に形成される窒素の拡散層も厚くなる。

上記のように窒素化合物が生成されると、酸化鉄であった部分は、内部よりも合金元素の濃度が低い合金元素低濃度領域（窒素化合物）となる。したがって、本発明によれば、厚い窒化鉄層と窒素の拡散層が形成されることは勿論のこと、軟質であるため相手部材とのなじみ性が良好な合金元素低濃度領域が形成されるから、摩擦係数が低く耐摩耗性を向上させることができる。

本発明によれば、窒化を促進させることにより窒素化合物層の厚さを厚くするとともに表面部に摩擦係数の低い層を形成し、これにより耐摩耗性を向上させることができる等の効果が得られる。

本発明の実施例における酸化処理後の試料の組織を示すＴＥＭ写真である。 本発明の実施例における窒化処理後の試料の組織を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の実施例におけるグロー放電発行分光分析装置による各元素の濃度分布を示すグラフである。 本発明の実施例の表面部におけるグロー放電発行分光分析装置による各元素の濃度分布を示すグラフである。 本発明の原理を説明するための図である。

本発明で用いる鉄鋼部材としては、ステンレス鋼や耐熱合金などのようにＣｒやＮｉを多く含有する材料以外の鉄系材料（窒化を阻害する酸化クロム等を生成しない材料）が望ましい。たとえば、構造用の低〜中炭素鋼を用いることができる。また、鉄鋼部材の合金元素としては、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｏなどの金属元素を挙げることができる。

酸化処理の方法は、大気中での加熱に限定されるものではなく、水蒸気中での加熱や塩浴中での加熱でもよい。例えば大気中での加熱温度は、３００〜５００℃、加熱時間は２０〜１２０分が好適である。要は表面に厚さ０．１〜５μｍの酸化皮膜が形成されれば良い。なお、酸化皮膜の厚さは０．２〜０．５μｍであることが望ましい。このような酸化処理により、鉄鋼部材の表面は黒みを帯びた色を呈する。

窒化処理では、炉内を所定温度まで昇温して均熱で保持した後、炉内に例えばＮ_２ガス、ＮＨ_３ガス、およびＣＯ_２ガスからなる窒化ガスを導入し、所定時間保持した後に冷却する。この場合、炉内温度は５００〜６００℃であり、保持時間は１００〜３００分である。この窒化処理により、酸化皮膜であった部分に合金元素低濃度領域が形成される。合金元素低濃度領域の合金元素の濃度は、合金元素の総含有量に対して総量で０〜６０％が望ましく、また、合金元素低濃度領域の合金元素の厚さは、０．１〜０．５μｍであることが望ましい。

以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。
まず、普通炭素鋼Ｓ４５Ｃを熱間鍛造後、機械加工により縦：３０ｍｍ、横：３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの形状の試料に加工した。この試料に対して、酸化処理をしないものを試料１、３００℃の大気中で１時間酸化処理をしたものを試料２、４５０℃の大気中で１時間酸化処理をしたものを試料３とした。酸化処理により試料２には約０．２μｍ、試料３には約０．８μｍの酸化皮膜が形成された。試料２の組織のＴＥＭ写真を図１（ａ）に、試料３の組織のＴＥＭ写真を図１（ｂ）に示す。

次に、試料１〜３に対して、アンモニアガスおよび窒素ガスを炉内に導入して６００℃で９０分間の軟窒化処理行った。試料１〜３の組織の光学顕微鏡写真を図２（ａ）〜（ｃ）に示す。軟窒化処理後の化合物層（窒化鉄層）の厚さは、試料１が２８．６μｍ、試料２が３０．８μｍ、試料３が３１．７μｍであった。また、試料１〜３におけるグロー放電発行分光分析装置（ＧＤＳ）によるの各元素の濃度分析結果を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。図３に示すように、窒素濃度が１ｗｔ％を示す表面からの深さは、試料１で４０μｍ、試料２で４５μｍ、試料３で４７μｍとなり、化合物層の厚さおよび窒素の拡散深さは、窒化処理前に酸化処理することにより増加したことが確認された。

試料１〜３の表面部におけるＭｎおよびＳｉの濃度分析結果を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。図４に示すように、試料１では最表面から内部にかけてＭｎおよびＳｉの濃度に変化はないが、試料２では表層から約０．１μｍ、試料３では表層から約０．３μｍの領域で、ＭｎおよびＳｉの濃度が減少している。

試料１〜３に対してバウデン試験装置（神鋼造機（株）製、荷重５００ｇ）により摩擦係数を測定したところ、試料１では０．１２２、試料２では０．１０９、試料３では０．１０８となった。この結果により、窒化処理の前に酸化処理することにより、摩擦係数が低減されることが確認された。

本発明の窒化部品は、相手部品とのなじみ性が良く摩擦抵抗が低いので、例えばクランクシャフトなどのように低摩擦、耐摩耗性が要求される分野に適用することができる。

Claims (2)

1. 合金元素を含む鉄鋼部材を窒化処理することにより得られた窒化部材であって、
   窒素化合物層を表層部に有し、該表層部の表面部に、内部よりも合金元素の濃度が低い合金元素低濃度領域を有することを特徴とする窒化部材。
2. 鉄鋼部材に酸化処理を行って表面に厚さ０．１〜５μｍの酸化皮膜を形成し、次いで窒化処理を行うことを特徴とする窒化部材の製造方法。

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