JP2619979B2 - 金属表面硬化方法 - Google Patents

金属表面硬化方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、金属の表面硬化方法に係り、特に化学反応
熱を利用した金属の硬化方法に関する。
[従来の技術] 金属を機械部品あるいは工業設備、装置などの材料と
して使用するとき、表面に傷、亀裂、われなどができる
こと、または摩擦によって表面が磨耗することを避けな
ければならない。この表面損傷や磨耗の防止のために行
われる金属の表面硬化処理は、工業的に非常に重要な技
術である。古くは鋼材の水や油による焼き入れに始ま
り、最近ではレーザーやプラズマあるいは電子ビーム等
の先進技術を用いた表面硬化方法の開発が広く行われて
いる。
金属の表面硬化は文字どおり金属の表面のみを硬化さ
せるためのものであるため、加えるエネルギーは本質的
には金属表面のみに集中させるのが良い。しかし、通常
の手段による加熱では、処理物の温度は内部まで一様に
なる。このため、例えば鋼材の表面硬化を行なうには浸
炭、焼き入れ及び焼戻しという工程を経ることが必要と
なる。このような工程は非常に複雑であり、生産効率が
良くない。また、Tiの表面硬化は窒素拡散によることが
多いが、母材の変形を防ぐために処理温度が制限され、
その処理時間は数十時間に及ぶ。これに対し、上述のよ
うなレーザー、プラズマあるいは電子ビーム等を用いて
表面にエネルギーを集中させて表面硬化を行なう方法が
実施されている。しかしながら、これらの先進技術は、
必然的にコスト高を招くものであった。
[発明が解決しようとする課題] 本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、簡便な
装置構成で、極めて短期間に、金属表面を集中して加熱
して金属表面の硬化を行ない、密着性の良好な耐摩耗硬
化層を得ることを可能とする金属表面硬化方法を提供す
ることを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明者らは、処理される金属の表面を集中して加熱
する手段として化学反応熱を利用することを考慮した。
本発明者らは、このような反応として古くから知られる
テルミット反応に着目した。このテルミット反応は、高
い反応熱を提供するものであり、連鎖反応であることか
ら高エネルギー源として好適であると考えられる。
テルミット反応の例としては、次の反応式に示すよう
なものがある。
Fe2O3+2Al→Al2O3+2Fe+836kJ Cr2O3+2Al→Al2O3+2Cr+530kJ NiO+Mg→MgO+Ni+353kJ 2Fe2O3+3Si→3SiO2+4Fe+1244kJ しかしながら、このテルミット反応は従来より制御し
にくい反応であることが知られていた。このため一般的
にエネルギー源として広く用いられることがなかった。
そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、発熱反応を
起こす粉体を、これを含む組成物を金属表面に適用し、
発熱反応を起こして加熱処理を行なう方法において、こ
の組成物の適用量や組成等を変化させることにより、反
応を制御しながら金属表面を硬化することができること
を見出だした。
すなわち、本発明の金沿表面硬化方法は、金属表面
に、発熱反応を起こす粉体を含む組成物を適用すること
により、発熱層を形成する工程及び該発熱層の少なくと
も一部を加熱することにより、発熱反応を開始させ、こ
の発熱反応により、金属表面を加熱処理する工程を具備
することを特徴とする。
発熱反応を起こす粉体は、長周期型周期表第IV〜第VI
II族に属する金属の酸化物のうち少なくとも1種と、こ
の酸化物の間で発熱反応を起こし、Al、Mg、Si、Ca、Ti
及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の金属
との混合粉体であることが好ましい。
組成物は、結合剤及び溶剤を含むペースト状であって
もよく、この結合剤及び溶剤は加熱処理工程において分
解及び脱離されることが好ましい。
本発明の方法において、加熱処理工程を、窒素、アン
モニア、またはこれらのいずれかの50モル%以上の不活
性ガスとの混合物から実質的になる雰囲気中で行なうこ
とにより金属表面を窒化することができる。
また、本発明の方法において、加熱処理工程を、メタ
ン、その他のメタン系炭化水素、それらの混合物、また
は該混合物50モル%以上と不活性ガスとの混合物から実
質的になる雰囲気中で行なうことにより、金属表面を浸
炭あるいは炭化することができる。
さらに、本発明の方法において、前記組成物の適用量
を調整することにより、金属表面に形成される硬化層の
厚さを調整することができる。また、この組成物に発熱
反応に関与しない物質を添加するかまたはこの組成物と
金属との間に発熱反応に関与しない物質を介在させるこ
とにより、金属表面に形成される硬化層の厚さを調整す
ることができる。
なお、加熱は、例えば通電加熱またはアーク加熱等に
より行なうことができる。また、組成物の適用方法とし
て例えばディッピング法またはハケ塗り法等を用いるこ
とができる。
[作用] 本発明の表面硬化方法によれば、発熱層の一部を加熱
することにより、一旦発熱反応が開始すると、それ以
上、特に加熱、電力等を必要とせずに連鎖的に反応が起
こり、その線速度は1〜10cm/秒に達する。したがっ
て、極めて短期間に発熱反応が終了する。すなわち、レ
ーザ等の高価な装置を使用しなくても、表面に塗布され
た組成物の発熱反応により、短時間で、金属表面を集中
して急速に加熱することができる。一方、発熱反応が終
了すると、このように金属表面のみが加熱され、かつ硬
化されない部分すなわち母材は加熱されていないので、
金属表面は急速に冷却される。
従って、例えば、炭素鋼に発熱反応を起こす粉体を含
む組成物を適用し、真空または中性雰囲気中で発熱反応
を行なうと、簡便な設備で、極めて短時間に、鋼材の母
材に悪影響を及ぼすことなく焼き入れが可能となる。ま
た、窒素あるいは炭素を含む雰囲気中で発熱反応を行な
うと、同様に簡便な設備で、極めて短時間に、鋼材の母
材に悪影響を及ぼすことなく窒化または浸炭が可能とな
る。
また、本発明によれば、発熱反応を起こす粉体を含む
組成物の塗布量を変化させることにより、発熱量を制御
することができることから、表面からの窒化または炭化
の深さすなわち硬化深さを任意に変化させることができ
る。また、発熱量の制御は、発熱反応を起こす粉体を含
む組成物中に、発熱反応及びその生成物や発熱反応に関
与しない添加剤を加えることによっても可能である。
このようにして、本発明によれば極めて短時間に金属
表面のみを加熱、冷却することができるため、焼き入れ
及び固溶原子による浸炭等の表面硬化処理が可能とな
る。
[実施例] 以下、図面を参照し、本発明を具体的に説明する。
第1図には、発熱層が形成された金属試料を表す断面
図である。第1図に示すように、本発明によれば、発熱
反応を起こす粉体を含む発熱量2が金属1上に形成され
る。この発熱層2を有する金属1は、例えば第2図に示
す反応装置中で発熱反応に供される。この反応装置12
は、装置内にカーボンヒータ1を設けた密閉し得るチャ
ンバー13を有し、このチャンバー13内に発熱層2を有す
る金属1がその発熱層2の一端がカーボンヒータ11と接
触するように配置される。装置12内には目的に応じて例
えばAr等の不活性ガス、またはアンモニアガス等の窒化
ガス等を充填することができる。
以下、このような装置を用いて、金属の表面硬化を行
なった本発明の種々の実施例について説明する。
実施例1 発熱反応を起こす粉体としてFe2O31重量部とAl2重量
部とを混合し、得られた混合物に対し、4%ポリビニル
アルコール水溶液を0.5重量%加えて混練することによ
り発熱反応を起こす粉体を含む組成物を調製した。この
組成物をディッピング法を用いて20mm×30mm×5mmの寸
法を有する炭素鋼試料に塗布、乾燥し、発熱層を得た。
発熱層の重量は3.24gであった。この試料を1気圧のAr
雰囲気を有する反応装置中に配置し、発熱層の一端にカ
ーボンヒータを接触させて通電することにより、発熱反
応を開始せしめた。反応は2秒で終了した。反応終了
後、処理された炭素鋼を直ちに反応装置から取り出し、
発熱層を剥離した。この発熱層は、容易に剥離できるも
のであった。得られた炭素鋼は、表面から1mmの深さま
で硬化されており、その硬さはHv(ビッカーズ硬さ)80
0であった。また、バインダーとして用いたポリビニル
アルコールは、反応時の高熱により分解離脱されるもの
であり、得られた炭素鋼に影響を及ぼすものではなかっ
た。
実施例2 10mm×20mm×1mmの寸法の工業用純Ti試料を用い、実
施例1と同様にして発熱反応を起こす粉体を含む組成物
を塗布した。乾燥後、得られた発熱層の重量は、1.48g
であった。その後同様にして発熱反応を行なった。この
反応は2秒で終了した。反応終了後、処理されたTi試料
を直ちに反応装置から取り出し、発熱層を剥離した。こ
の発熱層は、容易に剥離できるものであった。得られた
Ti試料は、表面から80μmの深さまで硬化されており、
その硬さはHv1100であった。また、同様の工業用Tiを用
い、メタンガス雰囲気中で発熱反応を行なう以外は、実
施例1と同様にして塗布液を塗布し、発熱反応を行なっ
た。塗布液の塗布量は2.1gであった。得られたTi試料は
表面から100μmの深さまで硬化されており、その硬さ
はHv1200であった。
実施例3 Cr2O31重量部に対しAl2重量部を混合し、得られた混
合物に対し、4%ポリビニルアルコール0.5重量部を添
加して発熱反応を起こす粉体を含む組成物を調製した。
この組成物をディッピング法を用いて10mm×20mm×5mm
の寸法の窒化試料に塗布、乾燥した。乾燥後、得られた
発熱層の重量は2.15gであった。得られた窒化試料をア
ンモニア1気圧の雰囲気に配置し、発熱層の一端にカー
ボンヒータを接触させ、通電することにより、発熱反応
を開始せしめた。反応は2秒で終了した。反応終了後、
処理された炭素鋼を直ちに反応装置から取り出し、発熱
層を剥離した。この発熱層は、容易に剥離できるもので
あった。得られた窒化試料は、表面から80μmの深さま
で硬化されており、その硬さはHv1200であった。
実施例4 発熱反応を起こす粉体としてFe2O3とAlとを用い、さ
らに発熱量を調製するために予め反応生成物であるAl2O
3を試用し、第1表に示す組成で5種類混合物を調製し
た。得られた混合物に対し、4%ポリビニルアルコール
水溶液を0.5重量%加えて混練することにより発熱反応
を起こす粉体を含む組成物を調製した。この組成物を使
用し、各々実施例1と同様の炭素鋼試料に塗布し、実施
例1と同様にして発熱反応を開始せしめた。反応は2秒
で終了した。反応終了後、処理された炭素鋼を直ちに反
応装置から取り出し、発熱層を剥離した。得られた硬化
層の厚み及び硬度を第1表に示す。
表から明らかなように、組成物中に発熱反応に関与し
ない物質を添加することにより、発熱量が制限され、硬
化層の厚みを制御し得ることがわかった。
なお、上記実施例では組成物中に発熱反応に関与しな
い物質を添加したが、これに限定するものではなく、金
属上に予め発熱反応に関与しない物質層を形成すること
により、金属表面における発熱量を制限し、硬化層の厚
みを制御することができる。
また、上記実施例では、アンモニア雰囲気中で窒化を
行なったが、これに限定するものではなく、他窒素雰囲
気中、50モル%以上の窒素と不活性ガスとの混合物から
実質的になる雰囲気中または50モル%以上のアンモニア
と不活性ガスとの混合物から実質的になる雰囲気中で窒
化を行なうことができる。
さらに、上記実施例では、メタンガス雰囲気中で浸炭
を行なったが、これに限定するものではなく、メタン系
炭化水素雰囲気中、またはメタンとメタン系炭化水素の
混合物50モル%以上と不活性ガスから実質的になる雰囲
気中で浸炭または炭化を行なうことができる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の表面硬化方法を用いる
と、簡便な装置構成で、極めて短時間に、金属表面を集
中して加熱して金属表面の硬化を行ない、密着性の良好
な耐摩耗硬化層を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、発熱層が形成された金属の一例を示す断面
図、第2図は、本発明に用いられる反応装置の一例を示
す図である。 1……金属、2……発熱層、11……ヒータ、12……反応
装置、13……チャンバー

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属表面に、発熱反応を起こす粉体を含む
    組成物を適用することにより、発熱層を形成する工程及
    び該発熱層の少なくとも一部を加熱することにより、発
    熱反応を開始させ、この発熱反応により、金属表面を加
    熱処理する工程を具備する金属表面硬化方法。
  2. 【請求項2】前記粉体は、長周期型周期表第IV〜第VIII
    族に属する金属の酸化物のうち少なくとも1種と、この
    酸化物の間で発熱反応を起こし、Al、Mg、Si、Ca、Ti及
    びZrからなる群から選択される少なくとも1種の金属と
    の混合粉体である請求項1に記載の金属表面硬化方法。
  3. 【請求項3】前記組成物は、結合剤及び溶剤を含み、こ
    の結合剤及び溶剤は加熱処理工程において分解及び脱離
    される請求項1に記載の金属表面硬化方法。
  4. 【請求項4】前記加熱処理工程を、真空または中性雰囲
    気中で行ない、前記発熱反応及びその後引き続いて起こ
    る急冷現象を利用して焼き入れを行なう請求項1に記載
    の金属表面硬化方法。
  5. 【請求項5】前記加熱処理工程を、窒素、アンモニア、
    またはこれらのいずれかの50モル%以上と不活性ガスと
    の混合物から実質的になる雰囲気中で行なうことにより
    金属表面を窒化する請求項1に記載の金属表面硬化方
    法。
  6. 【請求項6】前記加熱処理工程を、メタン、その他のメ
    タン系炭化水素、それらの混合物、または該混合物50モ
    ル%以上と不活性ガスとの混合物から実質的になる雰囲
    気中で行なうことにより、金属表面を浸炭あるいは炭化
    する請求項1に記載の金属表面硬化方法。
  7. 【請求項7】前記組成物の適用量を調整することによ
    り、金属表面に形成される硬化層の厚さを調整する請求
    項1に記載の金属表面硬化方法。
  8. 【請求項8】前記組成物に発熱反応に関与しない物質を
    添加するかまたは前記組成物と金属との間に発熱反応に
    関与しない物質を介在させることにより、金属表面に形
    成される硬化層の厚さを調整する請求項1に記載の金属
    表面硬化方法。
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