JP2021080487A - 金属材の表面処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態にかかる表面処理方法においては、金属材に対して、表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を実行する。表面処理の対象とする金属材は、浸窒焼入れまたは浸炭窒化を行いうるものであれば、特に限定されるものではないが、鋼に代表されるFe基合金(Feを含む)を、好適な対象とすることができる。以下でも、Fe基合金を主に想定して説明を行う。金属材は、棒状、板状等、加工素材の状態にあっても、所定の部材形状に加工された機械部品の状態にあってもよい。
上記のように、表面処理として、浸窒焼入れを行う場合にも、浸炭窒化を行う場合にも、雰囲気中のNH3およびH2の分圧をそれぞれ測定しながら、それらの分圧にから見積もられる窒化ポテンシャルKnに基づいて、雰囲気制御を行い、金属材の表層部におけるN濃度(表層N濃度)として、所望の値が得られるようにする。以下、この窒化ポテンシャルKnに基づく雰囲気制御について説明する。
表面処理として、浸窒焼入れを行う場合にも、浸炭窒化を行う場合にも、上記のように、NH3およびH2の分圧の計測値と、それらから見積もられる窒化ポテンシャルKnに基づいて、表層N濃度の制御を行うのに加え、カーボンポテンシャルCPに基づいて、表層C濃度の制御を行うことが好ましい。つまり、COの分圧、およびCO2またはO2の分圧をそれぞれ測定しながら、それらの分圧から見積もられるカーボンポテンシャルCPに基づいて、雰囲気制御を行い、金属材の表層部におけるC濃度(表層C濃度)として、所望の値が得られるようにする。以下、このカーボンポテンシャルCPに基づく雰囲気制御について説明する。
ここまでは、窒化ポテンシャルKnに基づく表層N濃度の評価および制御と、カーボンポテンシャルCPに基づく表層C濃度の評価および制御とを、独立に行う形態について説明した。しかし、CとNの間の相互作用(干渉)を考慮することにより、表層N濃度および表層C濃度の評価および制御を、さらに正確に行うことが可能となる。特に、雰囲気中の各成分ガスの分圧が広い範囲で変化しうる場合等、浸窒反応や浸炭窒化反応にかかる条件が大きく変化する場合には、CとNの相互作用を考慮することが好ましい。
本実施形態にかかる表面処理方法においては、窒化ポテンシャルKnに基づいて金属材の表層N濃度を制御することにより、さらに、適宜NとCの間の相互作用を取り込んで、カーボンポテンシャルCPに基づく表層C濃度の制御も併用することにより、加熱温度や炉内の雰囲気の具体的な組成等、詳細な反応条件に依存することなく、表層N濃度、また表層C濃度を、高い正確性をもって制御することができる。よって、本実施形態にかかる表面処理方法を実行するに際し、表面処理にかかる各種反応条件は、特に限定されるものではない。
まず、浸炭窒化工程において、金属材表層部のN濃度が、雰囲気中のH2濃度にどのように影響されるのかについて、確認した。
Fe材(C:0質量%)を熱処理炉内に収容し、浸炭窒化処理を行った。この際、炉内の雰囲気は、NH3とH2、CO、O2を含むものとした。炉内の温度は、850℃とし、雰囲気の全圧は、1気圧とした。カーボンポテンシャル(CP)は、0.6%とした。
図1に、それぞれのH2濃度について計測された、残留NH3濃度と、平衡N濃度の関係を示す。
次に、浸炭窒化工程における窒化ポテンシャルKnと金属材表層部のN濃度の関係について、調べた。
ここでは、コンピュータシミュレーションを用いて、所定のカーボンポテンシャルCPを想定した際に、窒化ポテンシャルKnと表層N濃度がどのような相関性を示すかを調べた。具体的には、Feに対する浸炭窒化工程における平衡状態を、CALPHAD法により再現し(使用ソフトウェア:Thermo−Calc)、雰囲気の組成を変化させながら、Fe材の表層部における平衡N濃度を見積もった。
図2に、カーボンポテンシャルCPが0.6%である場合について、シミュレーションによって得られた窒化ポテンシャルKn(単位:atm−1/2)と表層N濃度(単位:質量%)との関係を示す。温度は、(a)で750℃、(b)で800℃、(c)で850℃、(d)で900℃とした。
最後に、浸炭窒化工程におけるNとCの間の相互作用について、検討した。
ここでは、実験により、浸炭窒化工程において、表層N濃度がいかにカーボンポテンシャルCPに影響されるか、また表層C濃度がいかに窒化ポテンシャルKnに影響されるかについて調べた。具体的には、Fe材およびSCr420材について、熱処理炉内にNH3およびCO、O2を導入し、NH3、H2、CO、O2の分圧をそれぞれ計測しながら、850℃または900℃で浸炭窒化処理を行った。その間、各分圧値から、それぞれ式(2)および式(10)によって算出される窒化ポテンシャルKnおよびカーボンポテンシャルCPと、上記試験[1]と同様に、Feの鋼箔およびSCr420の鋼箔を用いた化学分析によって計測される表層N濃度および表層C濃度との関係を記録した。雰囲気の全圧は、1気圧とした。
図3に、窒化ポテンシャルKnと表層N濃度との関係を示す。(a)が850℃でのFe、(b)が900℃でのFe、(c)が850℃でのSCr420についての結果である。それぞれ、カーボンポテンシャルCPが異なる場合についての結果を、同一のグラフ上に表示している。
A0=0.997、A1=0.324、A2=−0.0164
B0=0.997、B1=35.8、B2=−742
Claims (11)
- NH3、H2、COを含む雰囲気中で、金属材に対して、表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を行うに際し、
前記雰囲気において、NH3の分圧P(NH3)およびH2の分圧P(H2)をそれぞれ計測するとともに、該計測値に基づいて、Kn=P(NH3)/P(H2)3/2として、窒化ポテンシャルKnを見積もり、
前記金属材の表層部のN濃度と前記窒化ポテンシャルKnとの関係に基づいて、所望のN濃度に対応付けられる前記窒化ポテンシャルKnを目標値として、前記雰囲気中のNH3およびH2の少なくとも一方の分圧を制御することにより、前記窒化ポテンシャルKnを制御する、金属材の表面処理方法。 - 前記表面処理は、700℃以上の温度で行う、請求項1に記載の金属材の表面処理方法。
- 前記雰囲気のカーボンポテンシャルCPによる前記N濃度への影響を、前記窒化ポテンシャルKnに取り込んだ、操業窒化ポテンシャルKn*を、前記窒化ポテンシャルKnとして用いる、請求項1または請求項2に記載の金属材の表面処理方法。
- 前記カーボンポテンシャルCPによる前記N濃度への影響が存在しない場合の前記窒化ポテンシャルKnを、無影響窒化ポテンシャルKn0として、
前記操業窒化ポテンシャルKn*は、窒素操業係数Aを用いて、Kn*=A・Kn0と表され、
前記窒素操業係数Aは、A0、A1、A2を定数として、前記カーボンポテンシャルCPを用いて、A=A0+A1・CP+A2・CP2と表される、請求項3に記載の金属材の表面処理方法。 - 前記係数A0、A1、A2は、前記カーボンポテンシャルCPの異なる雰囲気で、前記窒化ポテンシャルKnを変化させながら、前記N濃度を計測した予備試験によって定められる、請求項4に記載の金属材の表面処理方法。
- 前記金属材は、Fe基合金よりなり、
前記Fe基合金がオーステナイト相をとる領域において、A0=0.997、A1=0.324、A2=−0.0164である、請求項4または請求項5に記載の金属材の表面処理方法。 - 前記雰囲気において、前記COの分圧、およびCO2またはO2の分圧をそれぞれ計測し、
前記金属材の表層部のC濃度と前記雰囲気のカーボンポテンシャルCPとの関係に基づいて、所望のC濃度に対応付けられるカーボンポテンシャルCPを目標値として、前記雰囲気中のCOの分圧、および前記CO2またはO2の分圧の少なくとも一方を制御することにより、前記カーボンポテンシャルCPを制御する、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の金属材の表面処理方法。 - 前記窒化ポテンシャルKnによる前記C濃度への影響を、前記カーボンポテンシャルCPに取り込んだ、操業カーボンポテンシャルCP*を、前記カーボンポテンシャルCPとして用いる、請求項7に記載の金属材の表面処理方法。
- 前記窒化ポテンシャルKnによる前記C濃度への影響が存在しない場合の前記カーボンポテンシャルCPを、無影響カーボンポテンシャルCP0として、
前記操業カーボンポテンシャルCP*は、炭素操業係数Bを用いて、CP*=B・CP0と表され、
前記炭素操業係数Bは、B0、B1、B2を定数として、前記窒化ポテンシャルKnを用いて、B=B0+B1・Kn+B2・Kn2と表される、請求項8に記載の表面処理方法。 - 前記係数B0、B1、B2は、前記窒化ポテンシャルKnの異なる雰囲気で、前記カーボンポテンシャルCPを変化させながら、前記C濃度を計測した予備試験によって定められる、請求項9に記載の金属材の表面処理方法。
- 前記金属材は、Fe基合金よりなり、
前記Fe基合金がオーステナイト相をとる領域において、B0=0.997、B1=35.8、B2=−742である、請求項9または請求項10に記載の金属材の表面処理方法。
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