JP5110906B2 - 金属部材の窒化・酸化処理方法 - Google Patents
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- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Description
1.窒化・酸化処理温度の範囲を従来の500〜600℃から400〜900℃に広げることができる。
2.熱間工具鋼の耐熱疲労特性を向上させることができる。即ち、本発明においては、酸化物層、窒化物層、拡散層の性質を調整することができる。工具鋼の耐熱疲労特性を改善するために、Fe2-3N、Fe3-4N層を無くし、緩やかな硬度勾配を形成することが有効であることは周知である。本発明はそのことを実現できる。
3.低温窒化・酸化処理により、被処理物の寸法精度を保持することができ、耐摩耗性が要求される冷間工具鋼、合金鋼の金型及び部品に適用できる。即ち、本発明の金属部材の窒化・酸化処理方法は500℃以下の低温でも実施できるので、工具鋼及び合金鋼の寸法精度をミクロン単位で抑制することが出来る。
4.本発明の金属部材の窒化・酸化処理方法においては、固形窒素化合物粉体の高温分解によって水素イオンが生成し、その水素イオンが不動態酸化皮膜の酸素と還元反応を起こすので、不動態酸化皮膜を除去するための前処理を実施する必要なしで不動態酸化皮膜を有する鉄基合金及び非鉄基合金を窒化・酸化処理することができる。
5.拡散層の靭性を改善し、圧縮応力を形成することができるので、アルミ合金鋳造用金型におけるヒートクラック及び焼付け・溶損の問題を解決することができる。また、Cr2O3とCr2Nとの混合物層の厚みを制御することによって、アルミ合金溶湯との反応を遮断し、結晶粒界の早期破壊を遅らせて上記の問題を解決することができる。
1.昇温所要時間の設定は炉の加熱能力と被処理物の寸法によって、炉を稼動する毎に常に調整する。
2.室温から、直接に設定温度まで昇温させ、保持する。
3.室温から200℃±20℃の領域まで昇温させ、一旦、その温度に一定時間保持してから再び設定温度まで昇温させ、保持する。この昇温管理の目的は水分を蒸発させて乾かし、固形窒化剤粉体を予熱し、被処理物の温度を制御することである。
4.室温から360℃±20℃の領域まで昇温させ、一旦、その温度に一定時間保持してから再び設定温度まで昇温させ、保持する。この昇温管理の目的は水分を蒸発させて乾かし、固形窒化剤粉体を予熱し、低温領域でのアンモニアガスの発生を遅らせ、被処理物の温度を制御することである。
5.室温から200℃±20℃の領域まで昇温させ、一旦、その温度に一定時間保持し、次に360℃±20℃の領域まで昇温させ、一旦、その温度に一定時間保持してから再び設定温度まで昇温させ、保持する。この昇温管理の目的は水分を蒸発させて乾かし、固形窒化剤粉体を予熱し、低温領域及び高温領域でのアンモニアガスの発生を遅らせ、被処理物の温度を制御することである。
固形窒化剤粉体を180℃±20℃に予熱し、保持する。被処理物を設定温度まで加熱し、その加熱した被処理物をその予熱された固形窒化剤粉体中に投入するか、その加熱した被処理物の周りにその予熱された固形窒化剤粉体を投入する。この昇温管理の目的は被処理物を窒化できる温度まで先に加熱しておくことによって、発生する窒化性ガスの最大限の利用を可能とし、超大物の処理を可能とすることである。なお、被処理物が大きければ大きい程、被処理物の昇温速度と、炉内熱雰囲気の昇温速度及び固形窒化剤粉体の昇温速度との差が大きい。個別加熱法はその差を無くすための手法である。
酸化物層:厚み1〜3μmでFe2O3、Fe3O4、FeCr2O4、Cr2O3を含む、
窒化物層:厚み1〜2μmでCr2N、CrNを含む、
拡散層:厚み10〜150μmで窒素拡散層、Cr2O3析出物を含む。
1.高い表面硬度及び耐磨耗性を重視する場合には、固形窒化剤粉体中の固形窒素化合物粉体の混合比率を40容量%以下とし、窒化・酸化処理温度を500〜540℃とすることが望ましい。このような窒化・酸化処理方法は、例えば、高炭素冷間工具鋼のSKD11や高速工具鋼の金型や部品、及びエロージョン現象が激しい熱間工具鋼のSKD61のダイカスト金型や部品に適用することが好ましい。即ち、高炭素鋼への窒素の拡散を促進するためには固形窒化剤粉体中の固形窒素化合物粉体の混合比率を低くして酸素量を増やすことが望ましい。
2.耐熱疲労性及び拡散層の緩やかな硬度勾配を重視する場合には、固形窒化剤粉体中の固形窒素化合物粉体の混合比率を20〜60容量%とし、窒化・酸化処理温度を520〜560℃とすることが望ましい。このような窒化・酸化処理方法は、例えば、熱疲労現象が激しい熱間工具鋼のSKD61のダイカスト金型及び熱間ハンマ金型に適用することが好ましい。
3.衝撃による磨耗及び高温作業による硬度軟化が発生する金型や部品の場合には、固形窒化剤粉体中の固形窒素化合物粉体の混合比率を60容量%以上とし、窒化・酸化処理温度を540〜580℃とすることが望ましい。このような窒化・酸化処理方法は、例えば、熱間鍛造金型に適用することが望ましい。
4.冷間工具鋼に関しては表面強度及び耐磨耗性が必要であり、それで拡散層に緩やかな硬度勾配を重視する場合には、固形窒化剤粉体中の固形窒素化合物粉体の混合比率を20〜60容量%とし、窒化・酸化処理温度を480〜520℃とすることが望ましい。このような窒化・酸化処理方法は、例えば、冷間鍛造や打ち抜き金型に適用することが望ましい。
1.固形窒化剤粉体中の固形窒素化合物粉体の混合比率を40〜80容量%とすることが望ましい。
2.高Cr鋼は寸法精度が要求される金型及び部品に多く用いられるので、窒化・酸化処理温度を500〜540℃とすることが望ましい。しかし、ミクロ単位の寸法精度が要求される場合には、窒化・酸化処理温度を480〜500℃とし、窒化・酸化処理の保持時間を延ばすことが望ましい。
3.金型及び部品の公差精度が大きい場合には、窒化・酸化処理温度を540〜560℃とすることが望ましい。
4.固形窒化剤粉体による窒化・酸化処理を実施した後、再酸化処理を実施することが望ましい。
実施例1
大気開放式の電気炉を使用し、平均粒径が6μmであるジシアンジアミド20容量%と、平均粒径が70μmであるFe3O480容量%とからなる固形窒化剤粉体中に、SKD61からなる金属部材を埋め込み、該固形窒化剤粉体中の空隙内に酸素含有ガスを常に存在させながら、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃又は580℃で15時間窒化・酸化処理を実施した。このように各々の温度で処理した金属部材の硬度分布を測定した。それらの結果は図1に示す通りであった。なお、図1において横軸は表面からの距離(μm)であり、縦軸はビッカ−ス硬度(Hv)である。
大気開放式の電気炉を使用し、平均粒径が6μmであるジシアンジアミド40容量%と、平均粒径が70μmであるFe3O460容量%とからなる固形窒化剤粉体中に、SKD61からなる金属部材を埋め込み、該固形窒化剤粉体中の空隙内に酸素含有ガスを常に存在させながら、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃又は580℃で15時間窒化・酸化処理を実施した。このように各々の温度で処理した金属部材の硬度分布を測定した。それらの結果は図2に示す通りであった。なお、図2において横軸は表面からの距離(μm)であり、縦軸はビッカ−ス硬度(Hv)である。
大気開放式の電気炉を使用し、平均粒径が6μmであるジシアンジアミド70容量%と、平均粒径が70μmであるFe3O430容量%とからなる固形窒化剤粉体中に、SKD61からなる金属部材を埋め込み、該固形窒化剤粉体中の空隙内に酸素含有ガスを常に存在させながら、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃又は580℃で15時間窒化・酸化処理を実施した。このように各々の温度で処理した金属部材の硬度分布を測定した。それらの結果は図3に示す通りであった。なお、図3において横軸は表面からの距離(μm)であり、縦軸はビッカ−ス硬度(Hv)である。
大気開放式の電気炉を使用し、平均粒径が6μmであるジシアンジアミド10容量%、20容量%、30容量%、40容量%、60容量%、70容量%又は90容量%と、残余量の平均粒径が70μmであるFe3O4とからなる固形窒化剤粉体中に、SKD61からなる金属部材を埋め込み、該固形窒化剤粉体中の空隙内に酸素含有ガスを常に存在させながら、520℃で15時間窒化・酸化処理を実施した。このように種々の含有割合でジシアンジアミドを含有する固形窒化剤粉体で処理した金属部材を、その後、大気中で520℃で6時間酸化処理を実施した。このように処理した各々の金属部材の硬度分布を測定した。それらの結果は図4に示す通りであった。なお、図4において横軸は表面からの距離(μm)であり、縦軸はビッカ−ス硬度(Hv)である。
大気開放式又は密閉式の電気炉を使用し、平均粒径が6μmであるジシアンジアミド20容量%と、平均粒径が70μmであるFe3O480容量%とからなる固形窒化剤粉体中に、SKD61からなる金属部材を埋め込み、540℃で10時間又は20時間窒化・酸化処理を実施した。このように処理した金属部材の硬度分布を測定した。それらの結果は図5に示す通りであった。
Claims (3)
- 平均粒径が1〜10μmであり、窒化・酸化処理温度以下の温度で分解して窒化性ガスを発生し得る固形窒素化合物粉体10〜90容量%と、平均粒径が20〜100μmであり、窒化・酸化処理条件下で変化しない無機物粉体90〜10容量%とからなる固形窒化剤粉体中に、鉄基合金又は非鉄基合金からなる金属部材の窒化・酸化処理を必要とする部分を埋め込み、該固形窒化剤粉体中の空隙内に酸素含有ガスを常に存在させながら、400〜900℃で0.5〜20時間窒化・酸化処理することを特徴とする金属部材の窒化・酸化処理方法。
- 被窒化元素としてCr、Mo、Mn、W、V又はAlを含有する鉄基合金又は非鉄基合金からなる金属部材を用いる請求項1記載の金属部材の窒化・酸化処理方法。
- 無機物粉体が金属酸化物、金属複合酸化物、セラミックス及び鉱物の少なくとも1種からなる粉体である請求項1又は2記載の金属部材の窒化・酸化処理方法。
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