JP3314017B2 - 窒化処理における窒化防止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、窒化処理される加工
材料の表面のうち窒化を防止する部分を金属被膜で被覆
して、金属被膜で被覆された部分の加工材料表面の窒化
を防止する方法に関し、より詳細には、前記金属被膜
を、加工材料の表面に金属粉体を噴射することにより形
成する、窒化処理における窒化防止方法に関する。

【０００２】なお、本明細書において、「窒化」とは加
工材料の表面に窒素を拡散させることをいい、加工材料
の表面硬化を目的とするの狭義の「窒化」の他、表面高
硬化を目的としない「軟窒化」等広義の窒化を含む。

【０００３】

【従来の技術】窒化鋼、その他の加工材料の耐摩耗性、
耐疲労性、その他種々の性質向上を目的として、加工材
料の表面に窒素を拡散させて窒化層を形成する窒化処理
が行われている。

【０００４】この窒化処理において、加工材料によって
はそのうちの一部分だけを窒化し、その他の部分をその
ままに残しておく場合があることから、このように窒化
処理を希望しない部分の加工材料の表面に窒素が拡散し
ないよう、該加工材料に部分的にメッキを施した後に窒
化処理を行い、メッキ層により被覆された加工材料の表
面に窒素が拡散することを防止した窒化防止方法が行わ
れている。

【０００５】このように、加工材料の窒化しない部分に
メッキ層を形成する方法として、溶融メッキ法及び電気
メッキ法が用いられている。

【０００６】前述の溶融メッキ法とは、溶融された金属
中に加工材料を浸漬して加工材料の表面に該溶融金属を
メッキする方法であり、比較的融点が低い錫等の金属を
メッキするに適した方法である。

【０００７】一例として錫（Sn）によるメッキを行う場
合、加工材料の表面全体を掃除した後に、この加工材料
を４００℃に保たれた溶融錫に約１分間浸漬後取り出
し、余剰の錫を取り除くことにより、メッキが行われ
る。

【０００８】なお、前記錫（Sn）の代わりに鉛（Pb）５
０％と錫（Sn）５０％の合金、又は鉛（Pb）８０％と錫
（Sn）２０％の合金中に加工材料を浸漬することにより
行うこともできる。

【０００９】また、電気メッキ法は電着法ともいい、電
解槽の電着液内に陰極の加工材料と陽極の金属を投入し
て通電し、電解によって陽極の金属を陰極の加工材料の
表面に析出させて（電着という）金属被覆を行う方法で
あり、窒化防止法としては、この電気メッキ法により一
般にはニッケル（Ni）のメッキが施される。

【００１０】ニッケルメッキを施す場合には、低電圧を
用いて細密なメッキ層を作ることにより、０．０１２５
mm厚のメッキ層の形成により十分な窒化防止を図ること
ができる。

【００１１】なお、前述のように加工材料の表面をメッ
キする代わりに、窒素の拡散を防止する部分の加工材料
の表面に前述の錫（Sn）やニッケル（Ni）等の金属やセ
ラミック等を含有するペーストを塗布し、これを自然乾
燥または熱乾燥した後に窒化処理を行う窒化防止方法も
行われている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述した窒化防止方法
のうち、溶融メッキ法による場合、加熱溶融された金属
中に加工材料を浸漬する必要があるため作業に危険を伴
い、また、加工材料の表面に余剰に付着した金属を除去
するための作業を必要とし、該作業に長時間を要する。

【００１３】さらに、加工材料を浸漬するための加熱溶
融された金属が必要であるために、金属を常に溶融状態
に維持するための加熱設備費を必要とし、そのためにコ
ストがかかるという問題点を有する。

【００１４】加えて、溶融メッキにより形成されたメッ
キ層は接着力が弱く、窒化処理中に加工材料の表面より
メッキ層が剥離して不良品が発生しやすく、そのため該
方法により加工された製品のコストを高める原因となっ
ている。

【００１５】また、電解メッキ法による場合、加工材料
の表面に金属が析出されてメッキが形成されるまでに長
時間を要し、また、細密なメッキ層を作るために低電圧
で電着を行う場合にはより一層の長時間を要する。その
ため、メッキ作業に長時間を要しコスト高となるという
問題点を有する。

【００１６】さらに、窒化処理のされた加工材料を溶接
等する場合、該溶接する部分のメッキを除去する必要が
あるが、前述のようにしてメッキされたニッケルは加工
材料の表面から容易に剥離することができず、これを剥
離するためにはカセイソーダ等の剥離剤を使用する必要
がある。そのため該剥離に使用された剥離剤を処理する
ための設備、施設等が必要となり、該設備、施設の維持
・管理にコストがかかる。

【００１７】一方、加工材料の表面に錫（Sn）やニッケ
ル（Ni）、セラミックを含有するペーストを塗布するこ
とにより窒化防止を行う窒化防止方法にあっては、比較
的低コストで窒化防止を行うことができるが、この方法
により窒化を防止する場合、窒化後に加工材料を洗浄等
して塗布されたペーストを除去する必要があり煩雑であ
る。特に、窒化防止を完全ならしめるためにペーストを
加工材料の表面に高密度で付着させた場合には、ペース
トの除去がより一層困難となり、該ペーストの除去作業
に多大な労力と時間を必要とする一方、窒化後の除去を
考慮して前記ペーストを低密度で塗布して除去し易くす
ると、該ペーストの塗布部分も窒化されて不良品が発生
するという欠点を有する。

【００１８】そこで、本発明の目的は、比較的簡単な方
法によりかつ短時間で加工材料の表面に対する密着強度
が強く、密度が高いと共に、窒化処理後にあっては加工
材料の表面から容易に剥離することのできる金属被膜を
加工材料の窒化を防止する部分に施し、金属被膜の形成
された加工材料を窒化処理した際に該金属被膜により覆
われた部分に窒素が拡散することを良好に防止できる窒
化防止方法を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の窒化処理における窒化防止方法は、窒化
鋼、その他窒化処理の対象である金属より成る加工材料
Ｗ、その一部を窒化処理の対象となる金属により形成さ
れた加工材料Ｗ、及び窒化処理の対象となる金属成分を
含む加工材料Ｗの表面に、例えば金属被膜１４を形成し
ない部分を被覆するマスク材１２を付着させ、加工材料
Ｗよりも低融点かつ低硬度の金属粉体１５を噴射速度８
０m/sec以上又は噴射圧力０.３MPa以上で噴射し、前記
噴射された金属粉体１５を加工材料Ｗの表面に溶着させ
て金属被膜１４を形成した後、該金属被膜１４の形成さ
れた加工材料Ｗをガス窒化、液体窒化、軟窒化等の既知
の方法により窒化処理することを特徴とする。

【００２０】前記金属粉体１５は、好ましくは錫(Sn)又
はアルミニウム(Al)の粉体を使用する。

【００２１】さらに、噴射される前記金属粉体を、平均
粒径２０〜３００μm、好ましくは２０〜１００μm、よ
り好ましくは、３０〜６０μmとする。

【００２２】なお、加工材料の表面に形成された金属被
膜は、窒化処理後もそのまま残すこともできるが、必要
に応じて窒化処理後の該加工材料の表面に形成された金
属被膜をサンドブラストにより剥離することもできる。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態につき添
付図面を参照しながら以下説明する。

【００２４】本発明の窒化処理における窒化防止方法
は、所定形状に形成されたマスク材１２等により被覆さ
れた加工材料Ｗの表面に金属被膜１４となる金属粉体１
５を所定噴射速度又は所定噴射圧力以上で噴射すること
により、噴射された金属粉体１５を被加工物Ｗの表面に
溶着させて金属被膜１４を形成し、この金属被膜１４の
形成された加工材料Ｗを窒化処理して金属被膜１４によ
り被覆された加工材料Ｗの表面に窒素が拡散することを
防止するものである（図１参照）。

【００２５】噴射される金属粉体１５は、加工材料Ｗよ
りも低融点でかつ、低硬度の種々の金属を使用すること
ができるが、亜鉛（Zn）は、窒化防止の効果がなく、ニ
ツケル（Ni）等の金属にあっては、加工材料Ｗの材質に
よつては被膜が形成され難いものもあり、好ましくは広
範な材質の加工材料に対して使用できる錫（Sn）を使用
する。なお、アルミニウム（Al）は、爆発の危険性から
圧縮空気による噴射には、不適当である。

【００２６】錫(Sn）の噴射により形成された錫被膜１
４は、窒化処理後に錫被膜１４に対してサンドブラスト
を行うことにより容易に加工材料の表面より剥離するこ
とができ、窒化処理後の加工材料を溶接する必要がある
場合等においても該溶接を行う部分の被膜１４を容易に
除去することができる。

【００２７】前述のように、加工材料Ｗの表面に噴射さ
れて金属被膜１４を形成する金属粉体１５は、平均粒径
２０〜３００μm、好ましくは２０〜１００μm、より好
ましくは３０〜６０μmである。

【００２８】また、金属粉体１５の形状は球状のもの、
多角形状のものなど種々のものを使用することができる
が、加工材料Ｗの表面が研摩され難い球状のものを好ま
しくは使用する。

【００２９】前述の金属粉体１５を噴射する噴射装置と
しては、乾式により金属粉体１５を所定速度又は所定の
圧力で噴射し得る構成のものであれば如何なるものをも
使用可能であり、具体的には遠心作用により金属粉体１
５を噴射する遠心式ブラスト加工装置、金属粉体１５を
打撃して噴射する平打式のブラスト加工装置、圧縮空気
等の気体流と共に金属粉体１５を噴射するエア式のブラ
スト加工装置等、金属粉体１５の噴射装置として既知の
各種ブラスト加工装置を使用することができるが、本実
施形態にあってはこのうち、噴射速度、噴射圧力、金属
粉体１５の噴射範囲等の調整が容易であるエア式のブラ
スト加工装置を使用する。

【００３０】本実施形態にあっては、前記エア式のブラ
スト加工装置のうち特に金属粉体１５の投入されたタン
ク内に圧縮空気を供給し該圧縮空気により搬送された金
属粉体１５を別途与えられた圧縮空気の空気流に乗せて
ブラストガンより噴射する直圧式のブラスト加工装置、
金属粉体１５のタンクから重力により落下した金属粉体
１５を圧縮空気に乗せて噴射する重力式のブラスト加工
装置を使用している。もっともこの噴射装置は、圧縮空
気の噴射により生じた負圧により金属粉体１５を吸引し
て圧縮空気と共に噴射するサイフオン式等他のエア式の
ブラスト加工装置を使用することも可能である。

【００３１】本発明の方法に使用する金属粉体１５の噴
射装置の一例として、重力式のブラスト加工装置を図２
及び図３に示す。

【００３２】以下、金属粉体１５の噴射装置としてのブ
ラスト加工装置６０の全体構成について説明すると、図
２及び図３において６１はキヤビネットで、被加工物Ｗ
を出し入れする投入口を備え、キヤビネット６１内に前
記投入口から投入した被加工物Ｗに金属粉体１５を噴射
するブラストガン４０を設ける。

【００３３】また、前記キヤビネット６１の下部にはホ
ッパ６８が設けられ、ホッパ６８の最下端は導管６５を
介してキヤビネット６１の上部に設置された金属粉体１
５回収用の回収タンク７０の上部に連通する。

【００３４】回収タンク７０はいわゆるサイクロンで、
粉塵を金属粉体１５から分離する装置であり、図２に示
すように上部に円筒状を成す円筒部と、下部に下方に向
けて徐々に狭くなる円錐状を成す円錐部とから成り、回
収タンク７０の円筒部の上部の側壁に流入口７３を設
け、この流入口７３に連通管７５を介して前記導管６５
の先端を連結する。

【００３５】前記連通管７５の軸線方向は横断面円形状
を成す円筒部の内壁面の接線方向に位置しているので、
連通管７５から回収タンク７０内へ流入した気流は円筒
部の内壁に沿って回りながら降下してゆく。

【００３６】回収タンク７０の円錐部の下端はブラスト
ガン４０から噴射される金属粉体１５の噴射量を調整す
る調整器７８を備え、この調整器７８にブラストガン４
０を連通している。

【００３７】一方、回収タンク７０の上端壁面の略中央
には連結管７４が設けられ、この連結管７４は排出管６
７を介してダストコレクタ６６に連通している。

【００３８】ダストコレクタ６６は、排風機６９を回転
しダストコレクタ６６内の空気を外気へ放出している。
この排風機６９によりブラスト加工装置６０のキヤビネ
ット６１、導管６５、回収タンク７０内の空気を吸引
し、各部がそれぞれ負圧になり、また図示せざる圧縮空
気供給源から供給された空気が金属粉体１５と共にブラ
ストガン４０から噴射されるので、キヤビネット６１か
ら順に導管６５、回収タンク７０、ダストコレクタ６６
へ気流が流れる。

【００３９】以上のように構成されたブラスト加工装置
６０のキヤビネット６１内に金属被膜１４を形成する加
工材料Ｗを投入し、この加工材料Ｗの表面に対して金属
粉体１５を噴射速度８０m/sec以上、又は３Mpa以上で噴
射する。

【００４０】本発明の方法により加工される加工材料Ｗ
としては、狭義の「窒化」に用いられる窒化鋼の他、窒
化処理の対象となる各種の金属について適用可能であ
り、また、セラミック等の一部に窒化処理の対象となる
金属より成る部分を備えた加工材料、前記窒化処理の対
象となる金属成分を含む加工材料等、表面に窒素が拡散
される性質のものであれば種々の加工材料について適用
可能である。

【００４１】なお、前記加工材料Ｗは、必要に応じて焼
なまし、焼入れ、焼もどし、研摩、ひずみ取り等を行っ
た後、その表面に金属粉体１５の噴射を行う。

【００４２】このような加工材料Ｗの表面に、前記噴射
速度又は噴射圧力により噴射された金属粉体１５は加工
材料Ｗよりも低融点かつ低硬度であるので、加工材料Ｗ
の表面に衝突した際の衝撃と該衝突の際に発生した熱に
より加工材料Ｗの表面に溶着して、加工材料Ｗの表面に
該金属粉体１５により形成された金属被膜１４が形成さ
れる。

【００４３】この金属被膜１４は、金属粉体１５の噴射
速度又は噴射圧力、並びに噴射時間を調整することによ
り、約０．２〜１５μmの範囲で所望の厚みとすること
ができ、加工材料Ｗに対する付着強度が強く、高密度の
金属被膜１４を形成することが可能である。

【００４４】前記加工材料Ｗの表面に対して所望パター
ンの金属被膜１４を形成する場合には、加工材料Ｗの表
面の金属被膜１４を形成する部分以外をマスク材１２に
より被覆してマスキングする。

【００４５】そして、該マスキングされた加工材料Ｗの
表面に金属粉体１５を噴射して金属被膜１４を形成する
と、後述する窒化処理を行った際に、所望の形状に形成
された該金属被膜１４により被覆された加工材料Ｗの表
面の窒化を防止することができる。

【００４６】加工材料Ｗの表面のマスキング方法として
は、形成されるパターンが微細又は複雑でない場合に
は、粘着剤の塗布された樹脂フィルムやテープをマスク
材１２と成し、これを加工材料Ｗの表面に貼付けて金属
被膜１４の非形成面を被覆することもできるが、加工材
料Ｗの表面に正確なパターンの金属被膜１４を形成する
必要がある場合には、ゴム、樹脂等のマスク材１２をス
クリーン印刷等により加工材料Ｗの表面に直接印刷し、
又は、転写紙に印刷されたマスク材１２を加工材料Ｗの
表面に転写してマスクする方法や、フオトレジスト等を
使用した既知のリソグラフィー技術によりマスクする。

【００４７】このようにしてマスキングのされた加工材
料Ｗの表面に対して、前述と同様の方法により金属粉体
１５を噴射すると、マスク材１２により被覆されていな
い加工材料Ｗの表面に衝突した金属粉体１５が、加工材
料Ｗに対する衝突の際の衝撃及び該衝突の際に発生した
熱により加工材料Ｗの表面に付着して、該部分に金属被
膜１４が形成される。

【００４８】このようにして、加工材料の表面に所望パ
ターンの金属被膜１４が形成された後、前記加工材料の
表面よりマスク材１２を剥離又は洗浄等して除去し、所
望パターンの金属被膜１４が被加工物の表面に形成され
る。

【００４９】以上のようにして金属被膜１４の形成され
た加工材料Ｗは、アンモニアガス中で５００〜５２５℃
に数時間から１００時間保持して行うガス窒化、NaCNO
を主剤とする塩浴中で約５４０℃に保持する液体窒化、
タフトライド（Tufftride）法等の既知の窒化法により
窒化処理される。

【００５０】このとき、前記金属粉体１５の噴射により
金属被膜１４の形成された加工材料Ｗの部分には、前記
窒化処理によっても窒素の拡散が行われず、したがっ
て、該部分の窒化が好適に防止される。

【００５１】なお、窒化処理後の加工材料Ｗに溶接等す
る場合等、該溶接する部分の金属被膜１４を剥離する場
合、該金属被膜１４の表面にサンドブラストを行うこと
によりきわめて容易に該金属被膜１４を加工材料Ｗの表
面より剥離することができる。

【００５２】従って、ニッケルメッキ等のようにカセイ
ソーダ等の剥離剤を使用して剥離する必要のあった従来
の電気メッキ法等により形成されたメッキに比較して容
易に剥離することができると共に、サンドブラストとい
う汚染、公害のおそれの少ない方法により金属被膜を剥
離することができ、さらに、剥離剤の処理等に使用され
る施設、設備を必要としない。

【００５３】〔試験例〕次に、本発明の方法により、窒
化処理の際に加工材料の表面の一部分の窒化を防止した
結果につき説明する。

【００５４】試験例１ 加工材料として、縦２０mm×横１００mm×厚さ５mmのＳ
ＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼：18Cr-8N
i）のプレートにマスク材を付着させ、その表面に錫（S
n）の粉体を噴射しての２０mm×５０mmの範囲に厚さ約
５μmの錫被膜を形成した後、ガス軟窒化処理を行っ
た。

【００５５】なお、本試験例における加工条件を表１に
示す。

【００５６】

【表１】

【００５７】上記方法において、窒化防止の行われた加
工材料Ｗの断面顕微鏡写真を図４に示す。なお、図４に
示す顕微鏡写真において、加工材料の表面においてやや
黒色に変色している部分が窒素の拡散の生じた部分であ
る。

【００５８】図４に示す顕微鏡写真より明らかなよう
に、黒色に変色している部分、すなわち窒素の拡散が生
じている部分は、錫の被膜が形成されていない部分のみ
であり、錫の被膜の形成された部分において加工材料の
表面の変色は全く見られなかった。

【００５９】従って、本発明の方法により加工材料の表
面に錫の被膜を形成すことにより、ガス軟窒化の際に該
錫の被膜により被覆された加工材料の表面が窒化するこ
とを好適に防止できることが確認された。

【００６０】試験例２ 加工材料として、縦２０mm×横１００mm×厚さ５mmのＳ
ＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼：18Cr-8N
i）のプレートにマスキングを施し、その表面に錫（S
n）の粉体を噴射して２０mm×５０mmの範囲で厚さ約１
０μmの錫の被膜を形成した後、イオン窒化処理を行っ
た。

【００６１】なお、本試験例における加工条件を表２に
示す。

【００６２】

【表２】

【００６３】上記方法において、窒化防止の行われた加
工材料の断面顕微鏡写真を図５に示す。なお、図５に示
す顕微鏡写真においても加工材料の表面においてやや黒
色に変色している部分が窒素の拡散の生じた部分であ
る。

【００６４】図５に示す顕微鏡写真より明らかなよう
に、黒色に変色している部分、すなわち窒素の拡散が生
じている部分は、錫の被膜が形成されていない部分のみ
であり、錫の被膜が形成された部分において加工材料の
表面の変色は全く確認できなかった。

【００６５】従って、本発明の方法により加工材料の表
面に錫の被膜を形成することにより、イオン窒化による
場合であつても該錫の被膜により被覆された加工材料の
表面部分の窒化を好適に防止できることが確認された。

【００６６】

【発明の効果】以上説明した本発明の構成により、金属
粉体の噴射という比較的簡単な方法によりかつ短時間で
加工材料の表面に密着強度が強く、密度の高い金属被膜
を形成し、該金属被膜の形成された部分の加工材料を窒
化処理することで、該金属被膜の形成された部分の加工
材料の表面に窒素が拡散することを好適に防止できた。

【００６７】特に、噴射される金属粉体として錫（Sn）
を使用した場合には、加工材料の材質を選ばす良好に金
属被膜を形成することができ、従って、広範な材質の加
工材料の窒化防止を行う方法を提供することができた。

【００６８】また、金属粉体の噴射により行われる金属
被膜の形成は、加工材料の表面にマスク材を付着するこ
とにより加工材料の表面中の所望の範囲に容易に行うこ
とができ、加工材料の表面中の所望部分を正確に窒化防
止することができた。

【００６９】さらに、本発明の方法により形成された金
属被膜は、窒化処理後にサンドブラストを行うことによ
り容易に除去することができ、特に錫の粉体を噴射して
形成された金属被膜にあっては該サンドブラストにより
極めて容易に除去することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の方法を示す概略説明図。

【図２】 本発明の方法に使用されるブラスト加工装置
の一例を示す正面図。

【図３】 図２に示すブラスト加工装置の左側面図。

【図４】 試験例１により処理した加工材料の断面顕微
鏡写真。

【図５】 試験例２により処理した加工材料の断面顕微
鏡写真。

【符号の説明】

１２ マスク材 １４ 金属被膜 １５ 金属粉体 ４０ ブラストガン ６０ ブラスト加工装置 ６３ 投入口 ６５ 導管 ６６ ダストコレクタ ６７ 排出管 ６８ ホッパ ６９ 排風機 ７０ 回収タンク ７３ 流入口 ７４ 連結管 ７５ 連通管 ７８ 調整器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−285062（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−145439（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−115654（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−37055（ＪＰ，Ｕ) 微粒子の高速衝突現象を利用した表面 創製の動向，電気製鋼，日本，71巻第１ 号（2000年１月別冊），第51−58頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 8/04,8/02,8/24

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化を防止する部分の加工材料の表面に加
   工材料よりも低融点かつ低硬度の金属粉体を噴射速度８
   ０m/sec以上又は噴射圧力０.３MPa以上で噴射して前記
   金属粉体を溶着させて金属被膜を形成した後、前記金属
   被膜の形成された加工材料を窒化処理することを特徴と
   する窒化処理における窒化防止方法。
2. 【請求項２】前記金属粉体が、錫(Sn)またはアルミニウ
   ム(Al)より成る請求項１記載の窒化処理における窒化防
   止方法。
3. 【請求項３】前記金属粉体が、平均粒径２０〜３００μ
   m、好ましくは２０〜１００μm、より好ましくは３０〜
   ６０μmである請求項１又は２記載の窒化処理における
   窒化防止方法。
4. 【請求項４】加工材料の表面に所望パターンに形成され
   たマスク材を取り付けた後、前記金属粉体を噴射するこ
   とを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の窒化処
   理における窒化防止方法。
5. 【請求項５】窒化処理後の前記加工材料表面の金属被膜
   をサンドブラストにより除去することを特徴とする請求
   項１〜４いずれか１項記載の窒化処理における窒化防止
   方法。