JP2664276B2 - Metal surface hardening method - Google Patents

Metal surface hardening method

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JP2664276B2
JP2664276B2 JP25489290A JP25489290A JP2664276B2 JP 2664276 B2 JP2664276 B2 JP 2664276B2 JP 25489290 A JP25489290 A JP 25489290A JP 25489290 A JP25489290 A JP 25489290A JP 2664276 B2 JP2664276 B2 JP 2664276B2
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  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

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表面硬化方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for hardening a metal surface, and more particularly to a method for hardening a metal surface using heat of chemical reaction.

[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。
2. Description of the Related Art When metal is used as a material for machine parts, industrial equipment, equipment, etc., it is necessary to avoid scratches, cracks, cracks, etc. on the surface, or wear on the surface due to friction. The metal surface hardening treatment performed to prevent the surface damage and wear is an industrially very important technique. In the old days, quenching of steel with water or oil started, and recently, the development of surface hardening methods using advanced technologies such as laser, plasma or electron beam has been widely performed.

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。
Since the surface hardening of the metal is literally for hardening only the surface of the metal, the energy to be applied is preferably essentially concentrated only on the metal surface. However, in the heating by the usual means, the temperature of the processed material becomes uniform to the inside. For this reason, for example, in order to harden the surface of a steel material, it is necessary to go through steps of carburizing, quenching and tempering. Such a process is very complicated and the production efficiency is not good. In addition, the surface hardening of Ti is often due to nitrogen diffusion, but the processing temperature is limited to prevent deformation of the base material,
The processing time extends for several tens of hours. On the other hand, a method of performing surface hardening by concentrating energy on the surface using a laser, plasma, an electron beam, or the like as described above has been implemented. However, these advanced technologies
Inevitably resulted in high costs.

また、金属の中でも周期率表IV a族及びV a族の元素
すなわちTi、V、Zr、Nb、Hf及びTaは優れた耐蝕性を持
ち、工業的にも重要な金属である。特にTiは鉄系の金属
に比べて軽く、しかも優れた強度及び耐蝕性を有するた
め、航空機材料及び化学プラント用材料として広く利用
されている。しかしながら、このTiは、耐磨耗性が不十
分であることから、例えば摺動部等の部品として用いる
場合には、表面硬化処理が不可欠である。
Further, among the metals, the elements of the groups IVa and Va of the periodic table, ie, Ti, V, Zr, Nb, Hf and Ta, have excellent corrosion resistance and are industrially important metals. In particular, Ti is lighter than iron-based metals and has excellent strength and corrosion resistance, so that it is widely used as a material for aircraft and chemical plants. However, since Ti has insufficient wear resistance, a surface hardening treatment is indispensable when it is used as a component such as a sliding portion.

Tiの表面硬化方法として、従来より例えばメッキ処理
法、シアン浴法、ほう酸塩浴法、ガス窒化法、溶射法ま
たは高エネルギービームによる表面溶融法等が提案され
ているが、各々以下のような欠点を有する。
As the surface hardening method of Ti, for example, a plating method, a cyan bath method, a borate bath method, a gas nitriding method, a thermal spraying method or a surface melting method using a high energy beam, etc. have been conventionally proposed. Has disadvantages.

メッキ処理法では前処理工程が複雑で、しかもメッキ
処理中にTi製品が水素を吸収して水素脆化を起こす危険
がある。シアン浴法及びほう酸塩法については、毒性の
強い廃液が出るため、その廃液処理が困難である。ガス
窒化法では、処理される金属がかなり高温にさらされ
る。このため、変形及び機械特性の低下を招く危険性が
あり、また、処理時間に数時間から数十時間を要する。
たとえプラズマを用いて処理を施しても、この危険性及
び処理時間はさほど改善されない。これらメッキ処理
法、シアン浴法、ほう酸塩浴法及びガス窒化法において
は、通常表面全体に硬化が行なわれるものであり、処理
される金属の必要な部分だけを加熱することは困難であ
る。溶射法では、硬化層と母材との密着性が低くなり、
そのうえ多くの場合、後加工を要する。さらに、レーザ
ー、プラズマあるいは電子ビーム等を用いて高エネルギ
ービームを表面に照射し、表面を溶融したり、硬質物質
を付着させる方法を用いると、得られる硬化層は優れた
特性を示す。しかしながら、前述のように、これらの先
進技術は、必然的にコスト高を招くものである。
In the plating method, the pretreatment process is complicated, and there is a risk that the Ti product absorbs hydrogen during the plating process and causes hydrogen embrittlement. In the cyan bath method and the borate method, since highly toxic waste liquid is generated, it is difficult to treat the waste liquid. In the gas nitriding method, the metal to be treated is exposed to very high temperatures. For this reason, there is a risk of causing deformation and deterioration of mechanical characteristics, and a processing time of several hours to several tens of hours is required.
Even if processing is performed using plasma, this risk and processing time are not significantly improved. In these plating methods, cyan bath method, borate bath method and gas nitriding method, the entire surface is usually hardened, and it is difficult to heat only a necessary portion of the metal to be processed. In the thermal spraying method, the adhesion between the hardened layer and the base material decreases,
In addition, post-processing is often required. Further, when a method of irradiating the surface with a high energy beam using a laser, plasma, an electron beam, or the like to melt the surface or attach a hard substance is used, the obtained cured layer exhibits excellent characteristics. However, as mentioned above, these advanced technologies inevitably lead to high costs.

[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、金属表
面の硬化を行なうために、簡便な装置構成で、極めて短
期間に、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。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made in view of the above circumstances. In order to harden a metal surface, a simple apparatus configuration is used, and in a very short time, good wear resistance is obtained. It is an object of the present invention to provide a method for hardening a metal surface, which makes it possible to obtain a hardened layer.

[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。
例えば周期率表IV a族及びV a族の元素すなわちTi、
V、Zr、Nb、Hf及びTa等の元素粉体の集合体は、窒素雰
囲気で連鎖的な窒化反応を起こすことが知られている。
ほとんどの場合、この窒化反応に伴う発熱により、これ
らの粉体は瞬時に2000℃以上の高温になることから、こ
れらの金属の窒化反応は高エネルギー源として好適であ
ると考えられる。しかしながら、これらの反応は一般的
に制御しにくい反応である。
[Means for Solving the Problems] The present inventors have considered using heat of chemical reaction as a means for intensively heating the surface of a metal to be treated.
For example, the elements of the periodic table IVa group and Va group, namely Ti,
It is known that an aggregate of elemental powders such as V, Zr, Nb, Hf, and Ta causes a chain nitriding reaction in a nitrogen atmosphere.
In most cases, the heat generated by the nitridation reaction causes these powders to instantaneously reach a high temperature of 2000 ° C. or higher. Therefore, the nitridation reaction of these metals is considered to be suitable as a high energy source. However, these reactions are generally difficult to control.

そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、窒素と発熱
反応を起こし得る粉体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。
Therefore, the present inventors, as a result of earnest research, by applying a composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen to the metal surface, causing an exothermic reaction and performing a heat treatment,
It has been found that the metal surface can be cured while controlling the reaction.

すなわち、本発明の金属表面硬化方法は、金属表面
に、窒素と発熱反応を起こし得る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、発熱層が形
成された金属上に窒素を含むガスを導入する工程及び該
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。
That is, the metal surface hardening method of the present invention is a step of forming a heat generating layer by applying a composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen to a metal surface, and forming a heat generating layer on the metal on which the heat generating layer is formed. The method is characterized by including a step of introducing a gas containing nitrogen and a step of heating at least a part of the heat generating layer to start an exothermic reaction, and performing a heat treatment on the metal surface by the exothermic reaction.

窒素と発熱反応を起こし得る粉体を含む組成物は、結
合材及び溶剤を含み、この結合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。
The composition containing the powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen contains a binder and a solvent, and the bond and the solvent are preferably decomposed and eliminated in the heat treatment step.

金属は、周期率表IV a族金属、V a族金属、またはこ
れらの金属から選択された少なくとも2種の合金を用い
ることができる。また、これらの金属から選択された少
なくとも1種を50モル%以上含む合金を用いることがで
きる。
As the metal, a group IVa metal, a group Va metal, or at least two alloys selected from these metals can be used. An alloy containing at least one selected from these metals in an amount of 50 mol% or more can be used.

窒素を含むガスは、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
実質的になることが好ましい。
The gas containing nitrogen preferably consists essentially of nitrogen, ammonia, or a mixture of at least 50 mol% of any of these and an inert gas.

また、本発明の方法において、前記組成物の適用量を
調整することにおり、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。
Further, in the method of the present invention, the thickness of the cured layer formed on the metal surface can be adjusted by adjusting the application amount of the composition. Further, by adding a substance not participating in the exothermic reaction to the composition or by interposing a substance not participating in the exothermic reaction between the composition and the metal, the thickness of the cured layer formed on the metal surface is reduced. Can be adjusted.

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。
The heating can be performed by, for example, electric heating or arc heating. Further, as a method of applying the composition, for example, a dipping method or a brush coating method can be used.

[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。
[Function] According to the surface hardening method of the present invention, once the exothermic reaction is started by heating a part of the heat generating layer, a reaction occurs in a chain without any need for further heating, electric power and the like, Its linear velocity reaches 1 to 10 cm / sec. Therefore,
The exothermic reaction ends in a very short time. That is, the metal surface can be concentrated and rapidly heated in a short time by an exothermic reaction of the composition applied to the surface without using an expensive device such as a laser. On the other hand, when the exothermic reaction is completed, only the metal surface is heated and the uncured portion, that is, the base material is not heated, so that the metal surface is rapidly cooled.

本発明によれば、金属表面に窒素と発熱反応を起こし
得る粉体を含む組成物を適用し、窒素を含む雰囲気中で
発熱反応を行なうと、簡便な設備で、極めて短時間に、
母材に悪影響を及ぼすことなく金属表面の窒化が可能と
なる。
According to the present invention, when a composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen on a metal surface is applied, and the exothermic reaction is performed in an atmosphere containing nitrogen, with simple equipment, in a very short time,
The metal surface can be nitrided without adversely affecting the base material.

また、本発明によれば窒素と発熱反応を起こし得る粉
体を含む組成物中に結合剤を混入し、ペースト状にして
金属表面に塗布することができるので、処理される金属
の形状にかかわらず効果的に表面硬化処理を行なうこと
ができる。また、局部的な窒化も可能である。
Further, according to the present invention, a binder can be mixed into a composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen, and can be applied in the form of a paste to a metal surface, regardless of the shape of the metal to be treated. The surface hardening treatment can be performed effectively without any problem. Local nitriding is also possible.

また、本発明によれば、窒素と発熱を起こし得る粉体
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、それによって窒化に
よる表面からの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、窒素と発熱反応を起こし得
る粉体を含む組成物中に、発熱反応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。
Further, according to the present invention, since the amount of heat generation can be controlled by changing the amount of application of the composition containing the powder capable of generating heat with nitrogen, the curing depth from the surface due to nitriding can be reduced. It can be changed arbitrarily. In addition, the calorific value can be controlled by adding an exothermic reaction product or an additive that does not participate in the exothermic reaction to a composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen.

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、固溶原子
による窒化処理が可能となる。
In this way, according to the present invention, only the metal surface can be heated and cooled in a very short time, so that a nitriding treatment with solid solution atoms becomes possible.

[実施例] 以下、図面を参照し、本発明を具体的に説明する。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to the drawings.

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、窒素
と発熱反応を起こし得る粉体を含む発熱層2が金属試料
1上に形成される。この発熱層2を有する金属試料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
けた密封し得るチャンバー13を有し、このチャンバー13
内に発熱層2を有する金属試料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内には窒素が充填されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a metal sample on which a heating layer is formed. As shown in FIG. 1, according to the present invention, a heat generating layer 2 containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen is formed on a metal sample 1. Metal sample 1 having this heat generating layer 2
Is subjected to an exothermic reaction, for example, in a reactor shown in FIG. The reaction apparatus 12 has a sealable chamber 13 provided with a carbon heater 1 in the apparatus.
A metal sample 1 having a heating layer 2 therein is disposed such that one end of the heating layer 2 is in contact with the carbon heater 11. apparatus
12 is filled with nitrogen.

以下、このような装置を用いて、金属試料の表面硬化
を行なった本発明の種々の実施例について説明する。
Hereinafter, various embodiments of the present invention in which the surface of a metal sample is hardened by using such an apparatus will be described.

実施例1 窒素と発熱反応を起こし得る粉体としてTi粉体を準備
し、Ti粉体に対し、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窒素と発熱反応を
起こし得る粉体を含む組成物を調製した。この組成物を
用い、塗布回数を増減しながら、発熱層の重量を、第1
表に示すように変化させ、ディッピング法を用いて10mm
×20mm×1mmの寸法を有する工業用純Ti試料5種類に塗
布、乾燥し、発熱層を得た。発熱層が形成された工業用
純Ti試料を10気圧の窒素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Ti試料を直ちに反
応装置から取り出し、反応後の発熱層を剥離した。この
発熱反応により発熱層はTiNに転化された。このTiNは容
易に剥離できるものであった。得られたTi試料の硬化深
さ及びHv(ビッカーズ硬さ)を第1表に示す。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Ti試
料に影響を及ぼすものではなかった。硬化されたTi試料
の表面に凹凸はなく、発熱反応粉の付着が見られなかっ
た。
Example 1 A Ti powder was prepared as a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen, and a 4% aqueous polyvinyl alcohol solution was added to the Ti powder.
A composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen was prepared by adding 0.5% by weight and kneading. Using this composition, while increasing or decreasing the number of coatings,
Change as shown in the table, 10mm using the dipping method
It was applied to five types of industrial pure Ti samples having dimensions of 20 mm x 1 mm and dried to obtain a heat generating layer. The exothermic reaction was started by placing the industrial pure Ti sample on which the heat generating layer was formed in a reactor having a nitrogen atmosphere of 10 atm and bringing a carbon heater into contact with one end of the heat generating layer to energize. The reaction was completed in 2 seconds. After the reaction was completed, the treated Ti sample was immediately taken out of the reactor, and the exothermic layer after the reaction was peeled off. The exothermic reaction converted the exothermic layer to TiN. This TiN was easily peelable. Table 1 shows the curing depth and Hv (Vickers hardness) of the obtained Ti sample. Further, the polyvinyl alcohol used as the binder was decomposed and released by the high heat during the reaction, and did not affect the obtained Ti sample. There was no unevenness on the surface of the cured Ti sample, and no exothermic reaction powder was attached.

比較例1 実施例1と同様の工業用純Ti試料を2つ用意し、各々
窒素雰囲気中800℃で20時間及び40時間で窒化処理を行
なった。処理されたTi試料について硬化深さ及びHv(ビ
ッカーズ硬さ)を各々測定した。その結果を第1表に示
す。
Comparative Example 1 Two industrial pure Ti samples similar to those in Example 1 were prepared, and each was subjected to nitriding at 800 ° C. for 20 hours and 40 hours in a nitrogen atmosphere. Hardening depth and Hv (Vickers hardness) of the treated Ti sample were measured. Table 1 shows the results.

第1表から明らかなように、塗布量を変化させること
により、硬化深さを調節することが可能である。また、
本発明によれば、従来に比べ極めて短時間に同等の硬化
処理が可能であることがわかる。
As is clear from Table 1, the curing depth can be adjusted by changing the application amount. Also,
According to the present invention, it can be understood that the same curing treatment can be performed in an extremely short time as compared with the conventional case.

実施例2 10mm×20mm×1mmの寸法のZr板を用い、実施例1と同
様にして窒素と発熱反応を起こし得る粉体を含む組成物
を塗布した。乾燥後、得られた発熱層の重量は、2.1g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3.5秒で終了した。反応終了後、処理されたZr試料
を直ちに反応装置から取り出し、反応した発熱層を剥離
した。反応した発熱層は、容易に剥離できるものであっ
た。得られたZr試料は、表面から130μmの深さまで硬
化されており、その硬さはHv1100であった。
Example 2 A composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen was applied in the same manner as in Example 1 using a Zr plate having a size of 10 mm × 20 mm × 1 mm. After drying, the weight of the obtained heat generating layer was 2.1 g. Thereafter, an exothermic reaction was performed in the same manner. This reaction was completed in 3.5 seconds. After the reaction was completed, the treated Zr sample was immediately taken out of the reactor, and the reacted exothermic layer was peeled off. The reacted heat generating layer was easily peelable. The obtained Zr sample was cured to a depth of 130 μm from the surface, and its hardness was Hv1100.

実施例3 Ta対しTaN 20モル%加えた混合物を調製し、得られ
た混合物に対し、6重量%エチルセルロースアルコール
溶液0.5重量部を添加して窒素と発熱反応を起こし得る
粉体を含む組成物を調製した。このTaNは、発熱反応時
にTa粉がTa板に融着することを防ぐために添加するもの
である。この組成物をディッピング法を用いて10mm×20
mm×0.5mmの寸法のTa板に塗布、乾燥した。乾燥後、得
られた発熱層の重量は1.8gであった。得られたTa試料を
窒素10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Ta試料を直ちに反応装置から取り出し、反応後の
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Ta試料は、表面から60μmの深さ
まで硬化されており、その硬さはHv1800であった。ま
た、Ta表面には凹凸が見られず、残留発熱層の付着は見
られなかった。バインダーとして用いたエチルセルロー
スは、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Ta試料に影響を及ぼすものではなかった。
Example 3 A mixture was prepared by adding 20 mol% of TaN to Ta, and to the resulting mixture was added 0.5 parts by weight of a 6% by weight ethyl cellulose alcohol solution to prepare a composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen. Prepared. This TaN is added to prevent the Ta powder from fusing to the Ta plate during the exothermic reaction. This composition is 10 mm × 20 using the dipping method.
It was applied to a Ta plate with dimensions of mm × 0.5 mm and dried. After drying, the weight of the resulting heat generating layer was 1.8 g. The obtained Ta sample was placed in an atmosphere of 10 atm of nitrogen, a carbon heater was brought into contact with one end of the heat generating layer, and an exothermic reaction was started by energizing. The reaction was completed in 2 seconds. After the reaction was completed, the treated Ta sample was immediately taken out of the reactor, and the exothermic layer after the reaction was peeled off. This heat generating layer was easily peelable. The obtained Ta sample was hardened to a depth of 60 μm from the surface, and the hardness was Hv1800. No unevenness was observed on the Ta surface, and no adhesion of the residual heat generating layer was observed. Ethyl cellulose used as a binder is one that is decomposed and released by high heat during the reaction,
It did not affect the obtained Ta sample.

実施例4 10mm×20mm×1mm寸法のTi−6Al−4V合金を使用し、実
施例1と同様の組成物を塗布、乾燥した。得られた発熱
層は2.1gであった。さらに、この合金試料を使用して実
施例1と同様にして発熱反応を開始せしめた。反応は2.
5秒で終了した。反応終了後、処理された合金試料を直
ちに反応装置から取り出し、反応後の発熱層を剥離し
た。得られた硬化深さは150μmであり、Hv1100であっ
た。
Example 4 A composition similar to that of Example 1 was applied and dried using a Ti-6Al-4V alloy having a size of 10 mm × 20 mm × 1 mm. The obtained heat generating layer weighed 2.1 g. Further, an exothermic reaction was started in the same manner as in Example 1 using this alloy sample. The reaction is 2.
Finished in 5 seconds. After the reaction was completed, the treated alloy sample was immediately taken out of the reactor, and the exothermic layer after the reaction was peeled off. The resulting cure depth was 150 μm and Hv 1100.

実施例5 Ti対しTiNを第2表に示す割合で加えた混合物を調製
し、得られた混合物に対し、6重量%エチルセルロース
アルコール溶液0.5重量部を添加して窒素と発熱反応を
起こし得る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×1mmの寸法の工業
用純Ti試料に塗布、乾燥した。乾燥後、得られた発熱層
の重量は第2表に示す。得られたTi試料を窒素10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Ti試料
を直ちに反応装置から取り出し、反応後の発熱層を剥離
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試料の硬化深さ及びそのビッカーズ硬さを第
2表に示す。なお、Ti表面には凹凸が見られず、発熱の
付着は見られなかった。バインダーとして用いたエチル
セルロースは、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Ti試料に影響を及ぼすものではなかっ
た。
Example 5 A mixture in which TiN was added to Ti in the ratio shown in Table 2 was prepared, and a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen by adding 0.5 parts by weight of a 6% by weight ethyl cellulose alcohol solution to the obtained mixture. Was prepared. This composition was applied to an industrial pure Ti sample having a size of 10 mm × 20 mm × 1 mm using a dipping method and dried. After drying, the weight of the resulting heat generating layer is shown in Table 2. The resulting Ti sample was placed in an atmosphere of 10 atm of nitrogen, a carbon heater was brought into contact with one end of the heat generating layer, and an exothermic reaction was started by energizing.
The reaction was completed in 2 seconds. After the reaction was completed, the treated Ti sample was immediately taken out of the reactor, and the exothermic layer after the reaction was peeled off. This heat generating layer was easily peelable.
Table 2 shows the curing depth of the obtained Ti sample and its Vickers hardness. No irregularities were observed on the Ti surface, and no heat generation was observed. Ethyl cellulose used as a binder was decomposed and released by high heat during the reaction, and did not affect the obtained Ti sample.

第2表から明らかなように、本発明によれば、窒素と
発熱反応を起こし得る金属粉を含む組成物中に、発熱反
応生成物や発熱反応に関与しない添加剤を添加し、その
量を変化させることにより、硬化深さを調整することが
できる。
As is clear from Table 2, according to the present invention, an exothermic reaction product or an additive that does not participate in the exothermic reaction is added to a composition containing a metal powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen, and the amount thereof is reduced. By changing it, the curing depth can be adjusted.

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。
In the above example, a substance that does not participate in the exothermic reaction was added to the composition.However, the present invention is not limited to this. The amount can be limited to control the thickness of the cured layer.

また、上記実施例では、窒素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、アンモニア雰囲気
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。
In the above embodiment, the nitriding was performed in a nitrogen atmosphere. However, the present invention is not limited to this. In an ammonia atmosphere, an atmosphere substantially consisting of a mixture of 50 mol% or more of nitrogen and an inert gas or Nitriding can be performed in an atmosphere consisting essentially of a mixture of 50 mol% or more of ammonia and an inert gas.

[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、密着性の良い
耐摩耗硬化層を得ることができる。
[Effects of the Invention] As described above, when the surface hardening method of the present invention is used, the metal surface is hardened by concentrating and heating the metal surface in a very short time with a simple apparatus configuration, A hardened wear-resistant layer with good quality can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

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
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a metal on which a heat generating layer is formed, and FIG. 2 is a view showing an example of a reaction apparatus used in the present invention. 1 ... metal, 2 ... heating layer, 11 ... heater, 12 ... reactor, 13 ... chamber

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】窒素と発熱反応を起こし得る粉体を含む組
成物を、金属表面に適用することにより発熱層を形成す
る工程、発熱層が形成された金属上に窒素を含むガスを
導入する工程、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。
1. A step of forming a heat generating layer by applying a composition containing a powder capable of causing an exothermic reaction with nitrogen to a metal surface, and introducing a gas containing nitrogen onto the metal on which the heat generating layer is formed. A method for hardening a metal surface, comprising the steps of: starting an exothermic reaction by heating at least a part of the heat generating layer; and heating the metal surface by the exothermic reaction.
【請求項2】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。
2. The method according to claim 1, wherein the composition contains a binder and a solvent, and the binder and the solvent are decomposed and eliminated in a heat treatment step.
【請求項3】前記窒素を含むガスは、窒素及び/または
アンモニアと不活性ガスとの混合物全体に対し、窒素及
び/またはアンモニアの濃度が50モル%以上である請求
項1に記載の金属表面硬化方法。
3. The metal surface according to claim 1, wherein the nitrogen-containing gas has a concentration of nitrogen and / or ammonia of 50 mol% or more based on the entire mixture of nitrogen and / or ammonia and an inert gas. Curing method.
【請求項4】前記発熱反応を起こす粉体は、周期率表IV
a族金属、V a族金属、Al、Si及びBからなる群から選
択される少なくとも1種の金属の粉体である請求項1に
記載の方法。
4. The powder which causes the exothermic reaction is made of a powder having a periodic table IV.
The method according to claim 1, wherein the powder is a powder of at least one metal selected from the group consisting of a group a metal, a group Va metal, Al, Si and B.
【請求項5】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。
5. The method for hardening a metal surface according to claim 1, wherein the thickness of the hardened layer formed on the metal surface is adjusted by adjusting the application amount of the composition.
【請求項6】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。
6. A cured layer formed on a metal surface by adding a substance not involved in an exothermic reaction to the composition or by interposing a substance not involved in an exothermic reaction between the composition and a metal. The metal surface hardening method according to claim 1, wherein the thickness is adjusted.
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