JP3450426B2 - ガス浸硫窒化処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼の表面に硬くて緻密
な窒素化合物層や窒素拡散硬化層を形成させると共に、
さらにその上に固体潤滑性のある浸硫層を生成させるこ
とにより、歯車，シャフト，金型といった鋼部品の耐磨
耗性，耐焼付性，耐かじり性などを改善するのに利用さ
れるガス浸硫窒化処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】浸硫窒化処理は、鋼の表面に窒素と硫黄
を拡散浸透させることにより、鋼の耐磨耗性や耐焼付性
などの改善を図る表面硬化法の一種であり、硫化物を添
加した溶融塩浴に被処理品を浸漬する塩浴法により行わ
れてきた。

【０００３】また、ＮＨ₃ やＮＨ₃ −ＲＸガス，ＮＨ₃
−Ｎ₂ など各種の窒化雰囲気ガスにＨ₂ Ｓ（硫化水素）
やＣＳ₂ （二硫化炭素）などの硫化物を浸硫要素として
少量添加した浸硫窒化雰囲気ガスを用いるガス浸硫窒化
法が実験室的に試みられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記塩
浴法においては、例えばＮａ₂ Ｓ₂ Ｏ₃ （チオ硫酸ナト
リウム）を浸硫要素として添加したＮａＣＮ，ＮａＣＮ
Ｏ，Ｎａ₂ ＣＯ₃ などの溶融塩浴を使用する関係上、公
害対策が必要であるばかりでなく、塩浴成分であるシア
ン化合物やシアン酸化物、硫化物が高温で分解し易く、
変質して塩浴の浸硫性能や窒化性能が劣化するので、長
時間にわたって均一な処理を行うことが困難であるとい
う問題がある。 また、塩浴法では、微妙な窒素濃度の
制御が難しく、どうしても窒素濃度が過剰となり易く、
硬くて脆い多孔質層を備えた厚い窒素化合物が生成して
しまい、せっかく表面に形成された浸硫層も初期摩耗の
段階において多孔質層と共に消失する結果となって、処
理効果にばらつきが生じるという問題点がある。

【０００５】一方、ガス浸硫窒化法においては、シアン
化合物のような猛毒物質を使用しない利点があるもの
の、少量とはいえ硫化水素や二硫化炭素などの有毒ガス
を使用するため、装置から排出される廃棄ガスの処理に
問題があると共に、塩浴法同様に、窒素過剰となって、
多孔質層を備えた厚い窒素化合物層が生成し易く、ばら
つきのない均一な処理が難しいという問題点のために実
験室的規模に留まっているのが実情であって、これら問
題点の解消がこのようなガス浸硫窒化処理を工業的に実
用化し、量産化するための課題となっていた。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、従来のガス浸硫窒化処理にお
ける上記課題に着目してなされたものであって、窒素化
合物層に脆弱な多孔質層を生成させることなく、緻密な
窒素化合物層や窒素拡散硬化層を潤滑性に富む浸硫層と
共に安定して生成させることができ、被処理品の初期摩
耗量を減少させ、耐磨耗性，耐焼付性などの大幅な改善
が可能なガス浸硫窒化処理方法を提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるガス浸硫
窒化処理方法は、ＮＨ_３を含む窒化雰囲気ガスにガス状
の硫化物を添加した浸硫窒化雰囲気中に被処理品を保持
して、処理品の表面に窒素化合物層および窒素拡散硬化
層を生成させ、さらにその上に浸硫層を生成させるガス
浸硫窒化処理方法において、４５０〜５３０℃の処理温
度範囲において窒化させたのち、ＮＨ_３の供給を低減な
いしは停止すると共に、５５０〜５９０℃の処理温度範
囲において窒素を内部拡散させる構成、５５０〜５９０
℃の処理温度範囲においてＮＨ_３の供給を断続させて、
表面窒化と窒素の内部拡散とを交互に繰り返す構成、あ
るいは４５０〜５３０℃の温度範囲から５５０〜５９０
℃の温度範囲に処理温度を徐々に上昇させる構成とした
ことを特徴としている。また、本発明に係わるガス浸硫
窒化処理装置は、被処理品を装入する密閉容器と、密閉
容器内の被処理品を加熱する加熱手段と、密閉容器内を
排気する排気手段と、密閉容器内にキャリヤガスを供給
するキャリヤガス供給手段と、密閉容器内にＮＨ_３を供
給するアンモニアガス供給手段と、密閉容器内にガス状
の硫化物を供給する硫化物供給手段と、キャリヤガス，
ＮＨ_３および硫化物の供給量を制御するガス流量制御手
段と、密閉容器内に連結され密閉容器内から排出される
廃棄ガス中に含まれるＮＨ_３を分解するアンモニア分解
手段と、アンモニア分解手段に連結されアンモニア分解
手段からの排出ガス中に含まれる硫化物を除害処理する
硫化物処理手段と、硫化物処理手段に連結され硫化物処
理手段からの排出ガスを燃焼させる燃焼手段を備えた構
成としたことを特徴としており、このようなガス浸硫窒
化処理方法および装置の構成を前述した従来の課題を解
決するための手段としている。

【０００８】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法にお
いて、浸硫要素として窒化雰囲気ガス中に添加される硫
化物としては、硫化水素あるいは二硫化炭素などを用い
ることができる。

【０００９】このうち、二硫化炭素は常温では液状をな
しているので、恒温槽内に設置した容器に入れ、これに
Ｎ₂ あるいはＡｒなどのキャリヤガスをバブリングさせ
ることによって蒸発させ、キャリヤガスとともに密閉容
器内に送給する。 なお、雰囲気中の濃度制御について
は、恒温槽の温度およびキャリヤガスの通気量を調整す
ることによって行う。

【００１０】硫化水素を使用する場合には、硫化水素発
生器あるいはボンベ入りの硫化水素を使用するが、硫化
水素をＮ₂ によって１％程度に希釈した市販のボンベ入
りガスを使用することが、微量な硫化水素を制御するう
えで、あるいは安全管理のうえで望ましい。

【００１１】また、市販の硫化アンモニウム液を使用
し、これに、二硫化炭素の場合と同様にキャリヤガスを
バブリングさせることによって、当該硫化アンモニウム
液に溶解している硫化水素をＮＨ₃ とともに気化させ
て、キャリヤガスによって密閉容器内に送給するように
してもよい。

【００１２】窒化雰囲気ガスとしては、通常のガス窒化
雰囲気として知られているＮＨ₃ −Ｎ₂ ，ＮＨ₃ −Ｎ₂
−ＣＯ₂ ，ＮＨ₃ −ＣＯ₂ ，ＮＨ₃ 、あるいはＮＨ₃ −
ＲＸガスなどを使用することができるが、上記硫化物と
の反応が少ないＮＨ₃ −Ｎ₂の使用が制御上好ましい。

【００１３】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法にお
いては、窒素化合物層に脆弱な多孔質層が生成しないよ
うに、厳密な雰囲気制御のもとで比較的低い処理温度に
おいて浸硫窒化処理がなされる。

【００１４】例えば、処理温度が４５０〜５３０℃の範
囲の低温処理、４５０〜５３０℃の温度範囲において窒
化させたのちＮＨ₃ の供給を低減ないしは停止するとと
もに、５５０〜５９０℃の処理温度において窒素を内部
拡散させる２段処理、５５０〜５９０℃の温度範囲にお
いてＮＨ₃ の供給を断続させて表面窒化と窒素の内部拡
散とを交互に繰り返すパルス処理、さらには処理温度を
４５０〜５３０℃の温度範囲から５５０〜５９０℃の温
度範囲に徐々に上昇させる勾配処理などを目的に応じて
選択することができる。

【００１５】すなわち、低温処理では、処理温度が４５
０〜５３０℃と低いので極めて薄い窒素化合物層しか生
成せず、しかも窒素拡散硬化層も浅いので、例えば刃物
やドリルの刃先の処理などに適している。 このとき、
処理温度が４５０℃未満の場合には窒化が起らず、５３
０℃を超えた場合には窒素化合物層の厚さが増大する。

【００１６】また、２段処理においては、窒素化合物の
生成しにくい低温で窒化させたのち、ＮＨ₃ の供給を中
止して拡散速度の速い高温で窒素を内部拡散させるので
窒素化合物層が薄く、拡散硬化層の比較的深い処理が可
能となる。

【００１７】パルス処理では、５５０〜５９０℃という
比較的高い温度範囲においてＮＨ₃の供給を断続させる
ことにより、窒化と拡散とを繰り返すようにしているの
で、窒素化合物をさほど生成させることなく、窒素拡散
硬化層の深い処理を行うことができる。 このとき、処
理温度が５５０℃未満の場合には窒素の拡散速度が低く
なって拡散硬化層を深くすることができず、逆に処理温
度が５９０℃を超えた場合には窒素化合物層に脆弱な多
孔質層が形成されることになる。

【００１８】さらに、勾配処理においては、窒素化合物
の生成しにくい低温域から窒素拡散の速い高温域まで徐
々に処理温度を上昇させるので、表面窒化と内部拡散が
バランスよく進行し、窒素化合物層をさほど増加させる
ことなく、窒素拡散硬化層の深い処理を行うことができ
る。

【００１９】本発明に係わる浸硫窒化処理方法において
は、上記の各処理パターンを適宜組合わせたり、繰り返
したりすると共に、処理時間や雰囲気ガス組成を被処理
品の材質（鋼種），形状，寸法などに応じて選択するこ
とにより、目的に合致した硬化層深さを得ることができ
る。 このとき、硫黄は、窒素と異なり、α鉄に対して
ほとんど固溶限をもたないので、当該処理による浸硫層
は被処理品の表面のみに限定され、窒素化合物層の上に
３〜５μｍ程度の厚さに形成され、この浸硫層の厚さは
処理時間を長くしてもほとんど厚くはならない。

【００２０】なお、本発明に係わるガス浸硫窒化処理方
法においては、上記のように、少量の硫化水素や二硫化
炭素のような有毒の硫化物が使用される関係上、処理に
使用されたのちの排気ガス中には未分解ＮＨ３ と共
に、上記硫化物のガスが含まれる。 したがって、本発
明に用いるガス浸硫窒化処理装置には、アンモニア分解
手段と共に上記硫化物の除害処理を行う硫化物処理手段
が設けてあり、残留ＮＨ３ を分解すると共に、硫化物
濃度を環境基準値以下の濃度に低下させたのち、燃焼手
段によって燃焼させて排気するようにしている。

【００２１】

【発明の作用】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法に
おいては、例えば、少量の硫化水素や二硫化炭素などの
ガス状硫化物を添加したＮＨ₃ −Ｎ₂ 系浸硫窒化雰囲気
中において、当該雰囲気ガス成分を制御することによっ
て、例えば、窒素化合物の生成しにくい低温で被処理品
を窒化させたり、窒化後昇温することによって窒素を内
部拡散させたり、ＮＨ₃ の供給を断続させることにより
窒化と拡散とを繰り返したりするようにしているので、
処理パターンの選択や組合わせによって、窒素拡散硬化
層の深さがそれぞれの目的に応じた適切なものとなり、
しかも窒素化合物層が増大したり、当該窒素化合物層に
脆弱な多孔質層が生成したりすることがない。 また、
硫黄はα鉄に対してほとんど固溶しないので、被処理品
表面に生成された窒素化合物層の上に潤滑性に富む浸硫
層が形成されることとなる。

【００２２】

【００２３】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて具体的に説明
する。

【００２４】図１は、本発明に係わるガス浸硫窒化処理
方法に使用する装置の一例を示すものであって、図に示
すガス浸硫窒化処理装置１は、被処理品Ｓを挿入するレ
トルト（密閉容器）２を中心に構成されており、レトル
ト２の周囲は断熱材３によって覆われ、当該断熱材３の
内面には、レトルト２内の被処理品Ｓを加熱する加熱手
段としてのヒータ４が配設されている。

【００２５】レトルト２には、雰囲気を攪拌してレトル
ト２内の温度分布を均一化するためのファン２ａが設け
てあると共に、当該レトルト２の内部をパージしたり、
内部雰囲気を制御したりするための各種配管が接続され
ている。

【００２６】すなわち、レトルト２には、処理に先だっ
てレトルト２内の空気をパージするために、当該レトル
ト２内を真空排気する排気手段としての真空ポンプ５が
バルブＶ1 を介して接続されると共に、真空排気された
レトルト２内にＮ₂ ガスを供給するための復圧用窒素ボ
ンベ６がバルブＶ2 を介して接続されている。

【００２７】また、前記レトルト２には、レトルト２内
にＮ₂ ガスを供給するキャリヤガス供給手段としての窒
素ボンベ７がバルブＶ3 ，Ｖ4 、および高精度の流量計
であるマスフロメータＭ1 を介して接続されると共に、
バルブＶ3 およびＶ4 の間から分岐された配管には、バ
ルブＶ5 およびマスフロメータＭ2 を介して１％の硫化
水素を含むＮ₂ ガスの詰まった硫化水素入り窒素ボンベ
８が接続されており、レトルト２内に硫化水素を供給す
る硫化物供給手段を構成している。

【００２８】さらに、アンモニア供給手段としてのアン
モニアボンベ９がバルブＶ6 およびマスフロメータＭ3
を介して前記レトルト２に接続され、ＮＨ₃ ガスをレト
ルト２内に供給するようになっており、これらマスフロ
メータＭ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 により、Ｎ₂ ガス，ＮＨ₃ ガス
および硫化水素の供給量を制御するガス流量制御手段が
構成されている。

【００２９】なお、断熱材３とレトルト２の間に形成さ
れる炉内空間は、断熱材を貫通して設けられた配管によ
り、バルブＶ7 およびＶ8 を介して外気に連通してお
り、バルブＶ7 およびＶ8 を開放した状態において、バ
ルブＶ7 に接続された冷却ブロア１０を作動させること
により、当該炉内空間に外気が導入され、レトルト２内
の被処理品Ｓを強制冷却することができるようにしてあ
る。

【００３０】前記レトルト２は、排気管１１およびバル
ブＶ9 を介してアンモニア分解炉（アンモニア分解手
段）１２に接続されており、レトルト２からの排出ガス
は当該アンモニア分解炉１２中に導かれ、分解炉１２中
で高温に保持したＮｉ系のアンモニア分解用触媒と接触
することによって、排出ガスに含まれるＮＨ₃ が窒素と
水素に分解される。

【００３１】アンモニア分解炉１２は、配管１３によっ
てガスクーラー１４に接続されており、ここでアンモニ
ア分解炉１２からの排出ガスが一旦冷却されるようにな
っている。 なお、排出ガス量の少ない小型の浸硫窒化
処理装置の場合には、排出ガスが配管１３を通過する間
に十分に冷却されることから、このようなガスクーラー
１４を省略してもよい。

【００３２】ガスクーラー１４は、配管１５を介して硫
化物処理手段である硫化水素分解装置１６に接続されて
おり、ガスクーラー１４により冷却されたアンモニア分
解炉１２からの排出ガスが当該分解装置１６中に充填さ
れた酸化鉄に接触するようになっており、これによって
排出ガス中に含まれる硫化水素が硫化鉄と水に分解され
る。

【００３３】前記硫化水素分解装置１６には、排出管１
７を介して燃焼筒１８（燃焼手段）が接続されており、
当該燃焼筒１８において、窒素，水素および水蒸気を含
む硫化水素分解装置１６からの排出ガスを燃焼した上
で、燃焼ガスを排気ブロア１９によって屋外に排気する
ようになっている。

【００３４】なお、配管の所々に配設されたバルブＶ1
0，Ｖ11，Ｖ12，Ｖ13，Ｖ14は、それぞれの箇所におけ
るガス濃度を測定するためのサンプリング用のものであ
り、例えばバルブＶ11からサンプリングされた雰囲気の
残留アンモニア濃度を参照することによって、ガス供給
量を自動的に制御するようになすことも可能である。

【００３５】また、上記ガス浸硫窒化処理装置１は、浸
硫源となる硫化物として硫化水素を使用する場合の装置
構成を示すものであって、硫化物として二硫化炭素を用
いる場合には、例えば硫化水素分解装置１６の前に二硫
化炭素分解装置を設け、当該分解装置においてアンモニ
ア分解炉１２からの排出ガスを水と共に加熱することに
よって二硫化炭素を硫化水素と二酸化炭素に分解したの
ち、硫化水素分解装置１６に導き入れるようにすればよ
い。

【００３６】次に、上記構成のガス浸硫窒化処理装置１
を用いて、種々の材質の試験片に種々の処理条件によっ
て浸硫窒化処理を施し、組織観察と共に硬度分布の測定
を行い、窒素化合物層や拡散硬化層の厚さを調査した。

【００３７】参考例 まず、ＪＩＳ Ｇ ４１０４に規定されるクロム鋼鋼材
ＳＣｒ４２０からなる試験片を数個用意し、ガス浸硫窒
化処理装置１のすべてのバルブを閉じた状態で、上蓋を
開き、前記試験片（被処理品Ｓ）をレトルト２内に装入
した。

【００３８】次に、上蓋を閉じ、バルブＶ1 を開けると
共に真空ポンプ５を作動させて、レトルト２内を真空排
気したのち、バルブＶ1 を閉じ、バルブＶ2 を開けるこ
とにより、レトルト２内をＮ₂ ガスにより大気圧まで復
圧して、バルブＶ2 を閉じた。

【００３９】そして、処理ガス導入用のバルブＶ3 ，Ｖ
4 ，Ｖ5 ，Ｖ6 およびガス排出用のバルブＶ9 を開いて
Ｎ₂ およびＮＨ₃ ガスと共にＨ₂ Ｓ（硫化水素）を流し
ながら、ヒータ４に通電し、レトルト２内を５１０℃ま
で加熱し、この温度に５時間保持した。 なお、このと
きの各ガスの流量については、Ｎ₂ ガスについては毎時
１ｍ3 、ＮＨ₃ ガスについては毎時２ｍ3 、Ｈ₂ Ｓにつ
いては、１％Ｈ₂ ＳとＮ₂ ガスとの混合ガス量として毎
分１Ｌ（Ｈ₂ Ｓとしては毎時０．６Ｌ）に制御した。
このときの加熱温度および雰囲気ガス制御のタイムチャ
ートを図２に示す。 また、レトルト２内の温度および
雰囲気ガス組成が定常状態に達した後のレトルト２から
の排出ガス中の残留ＮＨ₃ 量は、約６３．５％であっ
た。

【００４０】５時間が経過した後、ヒータ４への通電を
切り、バルブＶ3 ，Ｖ4 を開いたまま、バルブＶ5 およ
びＶ6 を閉じることによりＮＨ₃ とＨ₂ Ｓガスの供給を
止め、レトルト２内の雰囲気をＮ₂ によってパージしな
がら、バルブＶ7 およびＶ8を開くとともに冷却ブロア
１０を作動させ、これによって断熱材３とレトルト２の
間の炉内空間に外気を導入してレトルト２内の試験片を
強制冷却した。

【００４１】冷却終了後、冷却ブロア１０を停止させ、
バルブＶ7 ，Ｖ8 ，Ｖ3 ，Ｖ4 およびＶ9 を閉じ、上蓋
を開いて試験片をレトルト２から取出し、組織観察およ
び硬度分布の測定によって、窒素化合物層や拡散硬化層
の厚さを調査した。

【００４２】その結果は，表１に示すとおりで、脆弱な
多孔質層はいずれの試験片にも形成されておらず、窒素
化合物層も極めて僅かに形成されているにすぎなく、比
較的浅い窒素拡散硬化層（Ｈｖ４００以上）が生成して
いることが確認された。

【００４３】実施例１ ＪＩＳ Ｇ ４１０５に規定されるクロムモリブデン鋼
鋼材ＳＣＭ４３５からなる試験片を数個用意し、ガス浸
硫窒化処理装置１の上蓋を開き、当該試験片をレトルト
２内に装入した。

【００４４】次に、上蓋を閉じ、上記参考例と同じ要領
により、レトルト２内の空気をパージし、Ｎ_２ガスによ
り大気圧まで復圧した。

【００４５】そして、処理ガス導入用のバルブＶ3 ，Ｖ
4 ，Ｖ5 ，Ｖ6 およびガス排出用のバルブＶ9 を開いて
Ｎ_２およびＮＨ_３ガスと共にＨ_２Ｓを流しながら、ヒー
タ４に通電し、レトルト２内を５１０℃まで加熱し、こ
の温度に３時間保持した。なお、このときの各ガスの流
量については、前記参考例と同様に、Ｎ_２ガス：毎時１
ｍ3 ，ＮＨ_３ガス：毎時２ｍ3 ，Ｈ_２Ｓガス：毎時０．
６Ｌにそれぞれ制御した。

【００４６】そして、３時間が経過したのち、Ｖ6 を閉
じてＮＨ₃ の供給を中断させ、Ｎ₂とＨ₂ Ｓを流しなが
ら、レトルト２内を５６０℃に昇温し、この温度に２時
間保持し、２時間の経過後再びＶ6 を開き、Ｎ₂ ，ＮＨ
₃ ，Ｈ₂ Ｓ雰囲気下で１時間だけさらに窒化させた。
このときの加熱温度および雰囲気ガス制御のタイムチャ
ートを図３に示す。 また、レトルト２からの排出ガス
中の残留ＮＨ₃ 量は、昇温前で約６３．０％、昇温後の
窒化処理中では５８．５％であった。 なお、この処理
終了間際の再窒化処理は、表面硬度の不足に対処するた
めのものであって、ＣｒやＡｌ含有量の高い鋼種におい
ては必ずしも必要はない。

【００４７】こののち、ヒータ４への通電を切り、前記
参考例と同様に、ＮＨ_３とＨ_２Ｓの供給を止め、レトル
ト２内の雰囲気をＮ_２によってパージしながら、冷却ブ
ロア１０を作動させ、レトルト２内の試験片を強制冷却
した。

【００４８】冷却終了後、冷却ブロア１０を停止させ、
同様の要領により、上蓋を開いて試験片をレトルト２か
ら取出し、組織観察および硬度分布の測定によって、窒
素化合物層や拡散硬化層の厚さを調査した。

【００４９】その結果は、表１に合わせて示すとおり
で、上記参考例と同様に、脆弱な多孔質層はいずれの試
験片にも形成されておらず、窒素化合物層が薄く、窒素
拡散硬化層の比較的深い浸硫窒化処理が可能であること
が確認された。

【００５０】実施例２ ＪＩＳ Ｇ ４１０５に規定されるクロムモリブデン鋼
鋼材ＳＣＭ４３５からなる試験片を数個用意し、ガス浸
硫窒化処理装置１の上蓋を開き、当該試験片をレトルト
２内に装入した。

【００５１】次に、上蓋を閉じ、上記実施例１と同じ要
領により、レトルト２内の空気をパージし、Ｎ₂ ガスに
より大気圧まで復圧したのち、処理ガス導入用のバルブ
Ｖ3，Ｖ4 ，Ｖ5 ，Ｖ6 およびガス排出用のバルブＶ9
を開いてＮ₂ およびＮＨ₃ ガスと共にＨ₂ Ｓを流しなが
ら、ヒータ４に通電し、レトルト２内を５６０℃まで加
熱し、この温度に２時間保持した。 なお、このときの
各ガスの流量については、前記実施例１と同様に、Ｎ₂
ガス：毎時１ｍ3 ，ＮＨ₃ ガス：毎時２ｍ3 ，Ｈ₂ Ｓガ
ス：毎時０．６Ｌにそれぞれ制御した。

【００５２】そして、２時間が経過したのち、Ｖ6 を閉
じることによりＮＨ₃ の供給を２時間中断させ、２時間
経過後再びＶ6 を開いて、Ｎ₂ ，ＮＨ₃ ，Ｈ₂ Ｓ雰囲気
下で２時間保持したのち、Ｖ6 を閉じることによりＮＨ
₃ の供給をさらに２時間中断させるとことによって、表
面窒化と窒素の内部拡散とをそれぞれ２時間ごとに２回
繰り返した。 このときの加熱温度および雰囲気ガス制
御のタイムチャートを図４に示す。 なお、レトルト２
からの排出ガス中の残留ＮＨ₃ 量は、前後２回の窒化処
理中で６０．０％であった。

【００５３】こののち、ヒータ４への通電を切り、前記
実施例１と同様に、ＮＨ₃ とＨ₂ Ｓの供給を止め、レト
ルト２内の雰囲気をＮ₂ によってパージしながら、冷却
ブロア１０を作動させ、レトルト２内の試験片を強制冷
却した。

【００５４】冷却終了後、冷却ブロア１０を停止させ、
同様の要領により、上蓋を開いて試験片をレトルト２か
ら取出し、組織観察および硬度分布の測定によって、窒
素化合物層や拡散硬化層の厚さを調査した。

【００５５】その結果は、表１に合わせて示すとおり
で、上記実施例１と同様に、脆弱な多孔質層はいずれの
試験片にも形成されておらず、窒素化合物層が比較的薄
く、窒素拡散硬化層の深い浸硫窒化処理が可能であるこ
とが確認された。

【００５６】実施例３ ＪＩＳ Ｇ ４１０４に規定されるクロム鋼鋼材ＳＣｒ
４２０からなる試験片を数個用意し、ガス浸硫窒化処理
装置１の上蓋を開き、当該試験片をレトルト２内に装入
した。

【００５７】次に、上蓋を閉じ、上記実施例１と同じ要
領により、レトルト２内の空気をパージし、Ｎ₂ ガスに
より大気圧まで復圧したのち、処理ガス導入用のバルブ
Ｖ3，Ｖ4 ，Ｖ5 ，Ｖ6 およびガス排出用のバルブＶ9
を開いてＮ₂ およびＮＨ₃ ガスと共にＨ₂ Ｓを流しなが
ら、ヒータ４に通電し、まずレトルト２内を５１０℃ま
で加熱し、５１０℃から５６０℃まで５時間かけて徐々
に昇温した。 なお、このときの各ガスの流量について
は、前記実施例１と同様に、Ｎ₂ ガス：毎時１ｍ3 ，Ｎ
Ｈ₃ ガス：毎時２ｍ3 ，Ｈ₂ Ｓガス：毎時０．６Ｌにそ
れぞれ制御した。 このときの加熱温度および雰囲気ガ
ス制御のタイムチャートを図５に示す。なお、レトルト
２からの排出ガス中の残留ＮＨ₃ 量については、６３．
０％から６０．０％に温度上昇に伴って徐々に減少し
た。

【００５８】こののち、ヒータ４への通電を切り、前記
実施例１と同様に、ＮＨ₃ とＨ₂ Ｓの供給を止め、レト
ルト２内の雰囲気をＮ₂ によってパージしながら、冷却
ブロア１０を作動させ、レトルト２内の試験片を強制冷
却した。

【００５９】冷却終了後、冷却ブロア１０を停止させ、
同様の要領により、上蓋を開いて試験片をレトルト２か
ら取出し、組織観察および硬度分布の測定によって、窒
素化合物層や拡散硬化層の厚さを調査した。

【００６０】その結果は、表１に合わせて示すとおり
で、上記実施例１と同様に、脆弱な多孔質層はいずれの
試験片にも形成されておらず、窒素化合物層がわずかに
厚くなるものの、窒素拡散硬化層の深い浸硫窒化処理が
可能であることが確認された。

【００６１】

【表１】

【００６２】摩擦摩耗試験 ＪＩＳ Ｇ ４１０５に規定されるクロムモリブデン鋼
鋼材ＳＣＭ４１５を素材として、厚さ６ｍｍ，直径５０
ｍｍの円板状試験片を切り出し、当該試験片に上記実施
例１と同様な方法によって浸硫窒化処理を施すととも
に、ＪＩＳ Ｇ４４０１に規定される炭素工具鋼ＳＫ３
からなる接触面積２ｃｍ^２のリングを相手材として、回
転速度２００ｒｐｍ，荷重５ｋｇｆの条件で摩擦摩耗試
験を行い、４５ｋｇｆ・ｃｍのトルクを超えるまでの回
転数を同一素材からなる未処理試験片や塩浴法によって
浸硫窒化処理を施した試験片の場合と比較することによ
り、本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法による試験片
の耐摩擦摩耗性を評価した。

【００６３】その結果は、表２に示すとおりで、未処理
品については、わずか３５回転で、塩浴法による浸硫窒
化処理を施した試験片においても２１０回転でトルクオ
ーバーとなったのに対し、本発明に係わるガス浸硫窒化
処理方法を施した試験片においては、摩耗量も少なく、
５１０回転まで耐え、本発明に係わるガス浸硫窒化処理
を施すことによって耐摩擦摩耗性が大幅に改善されるこ
とが確認された。

【００６４】なお、塩浴浸硫窒化処理については、約５
％のＮａ₂ Ｓ₂ Ｏ₃ （チオ硫酸ナトリウム）を添加した
ＮａＣＮ−Ｎａ₂ ＣＯ₃ −ＮａＣｌ系塩浴中に、上記形
状の試験片を５時間浸漬することによって行った。

【００６５】

【表２】

【００６６】顕微鏡組織試験 図６および図７は、本発明に係わるガス浸硫窒化処理
と、従来の塩浴浸硫窒化処理を施した試験片の浸硫窒化
組織を比較して示す顕微鏡写真であって、本発明に係わ
るガス浸硫窒化処理方法による図６の浸硫窒化組織は、
図７に示した従来の塩浴浸硫窒化処理による浸硫窒化組
織にくらべ、窒素化合物層が薄いばかりでなく、脆弱な
多孔質層の生成が認められず、理想的な浸硫窒化組織と
なっていることが確認された。 なお、図６は前記実施
例２で得られた試験片の組織、図７は、クロム鋼鋼材Ｓ
Ｃｒ４２０からなる試験片を約５％のＮａ₂ Ｓ₂ Ｏ
₃ （チオ硫酸ナトリウム）を添加したＮａＣＮ−Ｎａ₂
ＣＯ₃ −ＮａＣｌ系塩浴中に５時間浸漬した場合の浸硫
窒化組織をそれぞれ示すものである。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わるガ
ス浸硫窒化処理方法においては、例えば硫化水素などの
少量のガス状硫化物を添加した浸硫窒化雰囲気ガス中に
おいて、雰囲気ガス成分を制御することによって、例え
ば、窒素化合物の生成しにくい低温で被処理品を窒化さ
せたり、窒化後昇温することによって窒素を内部拡散さ
せたり、ＮＨ₃ の供給を断続させることにより窒化と拡
散とを繰り返したりするようにしているので、窒素化合
物層に脆弱な多孔質層を生成させることなく、緻密な窒
素化合物層や窒素拡散硬化層を潤滑性に富む浸硫層と共
に安定して生成させることができ、しかも処理条件の選
択，組合わせによって窒素拡散硬化層を目的に応じた適
切な深さにすることができるという優れた効果がもたら
される。

【００６８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法を実施す
るための装置の構成を示す概略説明図である。

【図２】参考例に係わるガス浸硫窒化処理方法における
処理温度と雰囲気ガス組成の時間的関係を示すタイムチ
ャートである。

【図３】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法の第１の
実施例における処理温度と雰囲気ガス組成の時間的関係
を示すタイムチャートである。

【図４】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法の第２の
実施例における処理温度と雰囲気ガス組成の時間的関係
を示すタイムチャートである。

【図５】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法の第３の
実施例における処理温度と雰囲気ガス組成の時間的関係
を示すタイムチャートである。

【図６】本発明に係わるガス浸硫窒化処理方法による浸
硫窒化組織を示す顕微鏡写真である。

【図７】従来の塩浴法による浸硫窒化組織を示す顕微鏡
写真である。

【符号の説明】

１ ガス浸硫窒化処理装置 ２ レトルト（密閉容器） ４ ヒータ（加熱手段） ５ 真空ポンプ（排気手段） ７ 窒素ボンベ（キャリヤガス供給手段） ８ 硫化水素入り窒素ボンベ（硫化物供給手段） ９ アンモニアボンベ（アンモニア供給手段） １２ アンモニア分解炉（アンモニア分解手段） １６ 硫化水素分解装置（硫化物処理手段） １８ 燃焼筒（燃焼手段） Ｓ 被処理品 Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 マスフロメータ（ガス流量制御手
段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−228557（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−105194（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−39155（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 8/28,8/34

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＮＨ_３を含む窒化雰囲気ガスにガス状の
   硫化物を添加した浸硫窒化雰囲気中に被処理品を保持し
   て、処理品の表面に窒素化合物層および窒素拡散硬化層
   を生成させ、さらにその上に浸硫層を生成させるガス浸
   硫窒化処理方法において、 ４５０〜５３０℃の処理温度範囲において窒化させたの
   ち、ＮＨ３ の供給を低減ないしは停止すると共に、５
   ５０〜５９０℃の処理温度範囲において窒素を内部拡散
   させることを特徴とするガス浸硫窒化処理方法。
2. 【請求項２】 ＮＨ_３を含む窒化雰囲気ガスにガス状の
   硫化物を添加した浸硫窒化雰囲気中に被処理品を保持し
   て、処理品の表面に窒素化合物層および窒素拡散硬化層
   を生成させ、さらにその上に浸硫層を生成させるガス浸
   硫窒化処理方法において、 ５５０〜５９０℃の処理温度範囲においてＮＨ３ の供
   給を断続させて、表面窒化と窒素の内部拡散とを交互に
   繰り返すことを特徴とするガス浸硫窒化処理方法。
3. 【請求項３】 ＮＨ_３を含む窒化雰囲気ガスにガス状の
   硫化物を添加した浸硫窒化雰囲気中に被処理品を保持し
   て、処理品の表面に窒素化合物層および窒素拡散硬化層
   を生成させ、さらにその上に浸硫層を生成させるガス浸
   硫窒化処理方法において、 ４５０〜５３０℃の温度範囲から５５０〜５９０℃の温
   度範囲に処理温度を徐々に上昇させることを特徴とする
   ガス浸硫窒化処理方法。
4. 【請求項４】 硫化物は、硫化水素および二硫化炭素の
   うちの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１
   〜３のいずれか１つの項に記載のガス浸硫窒化処理方
   法。