JP6241839B2 - Hardening method for low alloy steel - Google Patents

Hardening method for low alloy steel Download PDF

Info

Publication number
JP6241839B2
JP6241839B2 JP2013147117A JP2013147117A JP6241839B2 JP 6241839 B2 JP6241839 B2 JP 6241839B2 JP 2013147117 A JP2013147117 A JP 2013147117A JP 2013147117 A JP2013147117 A JP 2013147117A JP 6241839 B2 JP6241839 B2 JP 6241839B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
alloy steel
low alloy
nitrogen
quenching
surface layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013147117A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014111821A (en
Inventor
龍大 市來
龍大 市來
寛和 永松
寛和 永松
貴史 井上
貴史 井上
修一 赤峰
修一 赤峰
誠司 金澤
誠司 金澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION OITA UNIVERSITY
Original Assignee
NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION OITA UNIVERSITY
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION OITA UNIVERSITY filed Critical NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION OITA UNIVERSITY
Priority to JP2013147117A priority Critical patent/JP6241839B2/en
Publication of JP2014111821A publication Critical patent/JP2014111821A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6241839B2 publication Critical patent/JP6241839B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

本発明は、低合金鋼の硬化処理方法に関する。   The present invention relates to a method for hardening a low alloy steel.

従来から、炭素鋼等の鉄鋼材料は、他の金属に比べて汎用性が高いことから、工業的に広い分野で利用されている。   Conventionally, steel materials such as carbon steel have been used in a wide range of industrial fields because they are more versatile than other metals.

このような鉄鋼材料は、その表層について硬化処理が施されて長寿命化が図られており、例えば、自動車産業において、自動車のピストンリング、クランクシャフト、各種歯車、カム、金型の鍛造品、プレス成型品、ダイカスト押し出し成型品、射出成型品、切削工具のドリル、タップ、リーマ等に用いられている。   Such a steel material is subjected to a hardening treatment for its surface layer to extend its life. For example, in the automobile industry, automobile piston rings, crankshafts, various gears, cams, die forgings, It is used for press-molded products, die-cast extrusion-molded products, injection-molded products, cutting tool drills, taps, and reamers.

表層の硬化処理方法としては、窒素ガスによりシールドされたFe、Ti、Al、Si、Zr等の金属材料表面に、窒素ガスのプラズマを照射して窒化する表面処理法が開示されている(特許文献1)。   As the surface layer hardening treatment method, a surface treatment method is disclosed in which the surface of a metal material shielded by nitrogen gas, such as Fe, Ti, Al, Si, Zr, etc., is irradiated with nitrogen gas plasma for nitriding (patent) Reference 1).

また、プラズマトーチ内で発生させたプラズマアークに窒素含有ガスを供給し、プラズマトーチの外ノズルから窒素のプラズマジェットを余熱した被処理材表面に照射する際に、外ノズルの中心軸線に対して対称な2箇所以上からプラズマジェットの方向に余熱した窒素ガスを噴出させて、プラズマジェットを広幅化させ、被処理材表面を窒化処理することを特徴とするプラズマジェットによる窒化方法が開示されている(特許文献2)。   Also, when supplying nitrogen-containing gas to the plasma arc generated in the plasma torch and irradiating the preheated material surface with the nitrogen plasma jet from the outer nozzle of the plasma torch, the center axis of the outer nozzle A nitriding method using a plasma jet is disclosed, in which preheated nitrogen gas is ejected from two or more symmetrical locations in the direction of the plasma jet, the plasma jet is widened, and the surface of the material to be treated is nitrided. (Patent Document 2).

また、窒素を少なくとも含む原料ガスを用いて発生させた大気圧プラズマジェットを材料に照射することにより、その材料の表面を窒化させることを特徴とする窒化処理法が開示されている(特許文献3)。   Further, there is disclosed a nitriding method characterized by irradiating a material with an atmospheric pressure plasma jet generated using a source gas containing at least nitrogen, thereby nitriding the surface of the material (Patent Document 3). ).

特開昭62−211365号公報JP-A-62-211365 特開平10−265937号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-265937 特開2009−202087号公報JP 2009-202087 A

しかしながら、上述した従来の表面窒化処理は、Cr、V、Moなどのレアメタルを含有する合金鋼の表層に窒素原子を拡散させて、レアメタルの窒素化合物を細かく析出させて硬化させる方法であった。そのため、硬化は、合金鋼に含まれるNi、Cr、Mo等のレアメタルを必要としており、上述した従来の表面窒化処理では、レアメタルの含有量が少ないかまたは含んでいない安価な低合金鋼の場合、硬化させることが難しかった。   However, the above-described conventional surface nitriding treatment is a method in which nitrogen atoms are diffused in the surface layer of an alloy steel containing rare metals such as Cr, V, and Mo, and the rare metal nitrogen compounds are finely precipitated and hardened. Therefore, hardening requires rare metals such as Ni, Cr, Mo, etc. contained in alloy steel, and in the case of inexpensive low alloy steels with little or no rare metal content in the conventional surface nitriding treatment described above It was difficult to cure.

したがって、レアメタルの含有量が少ないかまたはレアメタルを含まない低合金鋼の表層硬化処理が可能な硬化処理方法が望まれている。   Accordingly, there is a demand for a hardening treatment method capable of carrying out a surface hardening treatment of a low alloy steel having a low rare metal content or no rare metal.

本発明は、低合金鋼の表面に、水素ガスを加えた窒素ガスのプラズマジェットを大気圧下で照射して、低合金鋼の表面層をオーステナイト変態点温度以上に加熱して、低合金鋼の表面層に窒素原子を拡散させること、並びに
低合金鋼を焼入れして、低合金鋼の表面層をマルテンサイト変態させて窒素マルテンサイト相を生成すること、
を含む、低合金鋼の硬化処理方法である。
The present invention irradiates the surface of a low alloy steel with a nitrogen gas plasma jet added with hydrogen gas under atmospheric pressure, and heats the surface layer of the low alloy steel to a temperature above the austenite transformation point temperature. Diffusing nitrogen atoms into the surface layer of the steel and quenching the low alloy steel to martensite the surface layer of the low alloy steel to form a nitrogen martensite phase,
Is a method for hardening a low alloy steel.

本発明によれば、表面が窒素硬化処理された低合金鋼を得ることができる。   According to the present invention, a low alloy steel whose surface is nitrogen hardened can be obtained.

本発明に係る方法の一態様による大気圧プラズマジェット発生装置を用いた低合金鋼の浸窒処理を表す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the nitriding process of the low alloy steel using the atmospheric pressure plasma jet generator by the one aspect | mode of the method which concerns on this invention. 本発明に係る方法の一態様による低合金鋼の衝風冷却を表す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the blast cooling of the low alloy steel by one aspect | mode of the method based on this invention. 本発明に係る方法による低合金鋼の表面層の浸窒メカニズムを表した断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the nitriding mechanism of the surface layer of the low alloy steel by the method according to the present invention. 本発明に係る方法によって浸窒焼入れした低合金鋼の表面層における組成を表す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the composition in the surface layer of the low alloy steel nitrocarburized and quenched by the method according to the present invention. 本発明に係る方法の一態様によって浸窒及び水冷焼入れしたSPCC材の断面硬度分布図である。It is a cross-sectional hardness distribution map of the SPCC material which carried out the nitriding and the water cooling quenching by one mode of the method concerning the present invention. 本発明に係る方法の一態様によって浸窒及び衝風焼入れしたSPCC材の断面硬度分布図である。It is a cross-sectional hardness distribution map of the SPCC material which carried out the nitriding and the blast quenching by one mode of the method concerning the present invention. 本発明に係る方法の一態様によって浸窒及び水冷焼入れしたSPCC材の断面硬度分布図である。It is a cross-sectional hardness distribution map of the SPCC material which carried out the nitriding and the water cooling quenching by one mode of the method concerning the present invention. 図7の断面硬度分布図を、深さ方向に広げた断面硬度分布図である。FIG. 8 is a cross-sectional hardness distribution diagram in which the cross-sectional hardness distribution diagram of FIG. 7 is expanded in the depth direction. 本発明に係る方法の一態様によって浸窒及び水冷焼入れしたSPCC材の最硬化部である鉄-窒素マルテンサイト相の金属組織写真である。It is a metallographic photograph of the iron-nitrogen martensite phase that is the most hardened part of the SPCC material that has been subjected to nitriding and water-cooling quenching according to one embodiment of the method according to the present invention. 本発明に係る方法の一態様によって浸窒及び水冷焼入れしたSPCC材のプラズマジェット照射直下に形成された共析相、ラスマルテンサイト相、及びフェライト相の3種類の硬化層の金属組織写真である。It is a metal structure photograph of three types of hardened layers of a eutectoid phase, a lath martensite phase, and a ferrite phase formed immediately under plasma jet irradiation of an SPCC material that has been nitrogen-nitrided and water-cooled and quenched by one embodiment of the method according to the present invention. . 本発明に係る方法の一態様によって浸窒及び水冷焼入れしたSPCC材の断面硬度分布図である。It is a cross-sectional hardness distribution map of the SPCC material which carried out the nitriding and the water cooling quenching by one mode of the method concerning the present invention. 本発明に係る方法の一態様によって浸窒及び水冷焼入れしたSPCC材の最硬化部である鉄-窒素マルテンサイト相の金属組織写真である。It is a metallographic photograph of the iron-nitrogen martensite phase that is the most hardened part of the SPCC material that has been subjected to nitriding and water-cooling quenching according to one embodiment of the method according to the present invention.

本発明に係る方法は、低合金鋼の新たな表面硬化処理方法を提供するものである。本発明に係る方法は、水素ガスを加えた窒素ガスを用いて生成した大気圧プラズマジェットを低合金鋼の表面に吹き付けることにより、低合金鋼の表面層をオーステナイト変態点以上に加熱し、窒素原子を低合金鋼の表面層に拡散させ、次いで、低合金鋼を焼入れしてマルテンサイト変態させ、低合金鋼の表面層に窒素マルテンサイト相を生成することを含む。   The method according to the present invention provides a new surface hardening treatment method for low alloy steel. The method according to the present invention heats the surface layer of a low alloy steel to a temperature above the austenite transformation point by blowing an atmospheric pressure plasma jet generated using nitrogen gas added with hydrogen gas to the surface of the low alloy steel, It involves diffusing atoms into the surface layer of the low alloy steel, and then quenching the low alloy steel to cause martensitic transformation to produce a nitrogen martensite phase in the surface layer of the low alloy steel.

本発明に係る方法によれば、レアメタルの有無に関わらず、低合金鋼にマルテンサイト相を形成することができるため、従来、難しかった低合金鋼の表面硬化処理が可能となる。   According to the method of the present invention, a martensite phase can be formed in a low alloy steel regardless of the presence or absence of a rare metal, and thus surface hardening treatment of a low alloy steel, which has been difficult in the past, can be performed.

本発明に係る方法に用いられる低合金鋼とは、レアメタルを少ない量で含むか、レアメタルを不可避不純物以外に含まない炭素鋼のことをいう。   The low alloy steel used in the method according to the present invention refers to a carbon steel that contains a rare metal in a small amount or does not contain a rare metal other than inevitable impurities.

比較のために説明すると、合金鋼とは、一般的には、Ni、Cr、Moなどが含有した特殊鋼をいい、例えば、クロム鋼、クロムモリブデン鋼などの合金鋼(JIS規格:SCr、SCMなど)、及び工具に使用される合金工具鋼(JIS規格:SKS,SKDなど)、ステンレス鋼、軸受鋼、バネ鋼などの特殊用途鋼(JIS規格:SUS、SUJ、SUPなど)を挙げることができる。   For comparison, the alloy steel generally refers to a special steel containing Ni, Cr, Mo or the like, for example, an alloy steel such as chrome steel or chrome molybdenum steel (JIS standard: SCr, SCM). And special tool steels (JIS standards: SUS, SUJ, SUP, etc.) such as alloy tool steel (JIS standards: SKS, SKD, etc.), stainless steel, bearing steel, spring steel, etc. it can.

前記合金鋼に対して、本発明に係る方法に用いられる低合金鋼とは、レアメタルを好ましくは5質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下、さらに好ましくは0.1質量%以下で含む炭素鋼材であり、さらにより好ましくはレアメタルを実質的に含まない、すなわち、レアメタルを不可避不純物以外に含まないか、あるいは全く含まない炭素鋼である。このように、本発明に係る方法に用いられる低合金鋼は、レアメタルの含有量が少ないかまたは実質的に含まないため、コストを下げることができる。   With respect to the alloy steel, the low alloy steel used in the method according to the present invention is preferably a rare metal of 5% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less, and further preferably 0.1% by mass or less. Carbon steel that contains carbon, and even more preferably carbon steel that is substantially free of rare metals, that is, carbon steel that does not contain rare metals other than unavoidable impurities or does not contain them at all. As described above, the low alloy steel used in the method according to the present invention has a rare metal content that is low or substantially free, so that the cost can be reduced.

本願においてレアメタルとは、鉄、銅、亜鉛、アルミニウム等のベースメタルや貴金属以外で、産業に利用されている非鉄金属をいう。具体例を示せば次のとおりである:
リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、ホウ素(B)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、ルビジウム(Rb)、ストロンチウム(Sr)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、セシウム(Cs)、バリウム(Ba)、ランタノイド系列の15元素(ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu))、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、タリウム(Tl)、ビスマス(Bi)。本発明に係る方法に用いられる低合金鋼には、これらのレアメタルを合計で、上記の含有量範囲で含むか、あるいは実質的に含まない。
In the present application, the rare metal refers to a non-ferrous metal used in the industry other than a base metal such as iron, copper, zinc, and aluminum or a noble metal. Specific examples are as follows:
Lithium (Li), beryllium (Be), boron (B), scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), Gallium (Ga), germanium (Ge), selenium (Se), rubidium (Rb), strontium (Sr), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), indium (In), Antimony (Sb), tellurium (Te), cesium (Cs), barium (Ba), lanthanoid series 15 elements (lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm) , Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dyspro Um (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu)), Hafnium (Hf), Tantalum (Ta), Tungsten (W), Rhenium (Re) , Thallium (Tl), bismuth (Bi). The low alloy steel used in the method according to the present invention includes these rare metals in the above content range or substantially does not contain these rare metals.

また、本発明に係る方法に用いられる低合金鋼は、より好ましくは、炭素含有量が少ない低炭素鋼である。本発明に係る方法に用いられる低合金鋼は、低合金鋼全体に対して、好ましくは0.5〜0.3質量%、より好ましくは0.3〜0.2質量%、さらに好ましくは0.2〜0.15質量%の炭素を含む低炭素鋼であり、さらにより好ましくは0.15〜0.005質量%以下の極低炭素鋼である。また、本発明に係る方法に用いられる低合金鋼は、炭素を実質的に含まない低合金鋼であってもよい。   Moreover, the low alloy steel used in the method according to the present invention is more preferably a low carbon steel having a low carbon content. The low alloy steel used in the method according to the present invention is preferably 0.5 to 0.3% by mass, more preferably 0.3 to 0.2% by mass, and still more preferably 0% with respect to the entire low alloy steel. Low carbon steel containing 2 to 0.15% by mass of carbon, even more preferably 0.15 to 0.005% by mass or less. Further, the low alloy steel used in the method according to the present invention may be a low alloy steel substantially free of carbon.

本発明に係る方法に用いられる低合金鋼は、好ましくは、レアメタルを上述した含有量の範囲で含むか、実質的に含まない炭素鋼であって、炭素含有量が、上記の含有量範囲である低炭素鋼である。   The low alloy steel used in the method according to the present invention is preferably a carbon steel containing rare metal in the above-mentioned content range or substantially free of carbon, and the carbon content is in the above content range. It is a low carbon steel.

本発明に係る方法に用いられる低合金鋼はまた、鉄以外の銅、亜鉛、アルミニウム等のベースメタルを好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.05%以下で含み、さらに好ましくは鉄以外のベースメタルを実質的に含まない、すなわち、ベースメタルを不可避不純物以外に含まない、あるいは全く含まない炭素鋼である。   The low alloy steel used in the method according to the present invention also preferably contains a base metal such as copper, zinc, and aluminum other than iron in an amount of 0.1% or less, more preferably 0.05% or less, and more preferably iron. It is a carbon steel that does not substantially contain any base metal other than the above, that is, contains no base metal other than unavoidable impurities or does not contain it at all.

本発明に係る方法に用いられる低合金鋼はまた、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)等の貴金属を好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.05%以下で含み、さらに好ましくは貴金属を実質的に含まない、すなわち、貴金属を不可避不純物以外に含まない、あるいは全く含まない炭素鋼である。   Low alloy steels used in the method according to the present invention are also gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), osmium. (Os) or other noble metal is preferably contained in an amount of 0.1% or less, more preferably 0.05% or less, and further preferably contains no noble metal substantially, ie, contains no noble metal other than inevitable impurities, or not at all. Carbon steel not included.

本発明に係る方法に用いることができる低合金鋼は、レアメタル、ベースメタル、及び貴金属の合計量が好ましくは5質量%以下、より好ましくは1質量%以下、さらに好ましくは0.5質量%以下、さらに好ましくはレアメタル、ベースメタル、及び貴金属を実質的に含まない、すなわち、レアメタル、ベースメタル、及び貴金属を不可避不純物以外に含まない、あるいは全く含まない炭素鋼である。   In the low alloy steel that can be used in the method according to the present invention, the total amount of rare metal, base metal, and noble metal is preferably 5% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, and further preferably 0.5% by mass or less. More preferably, the carbon steel is substantially free of rare metals, base metals, and noble metals, that is, carbon steel containing no rare metals, base metals, and noble metals other than unavoidable impurities or not containing them at all.

本発明に係る方法に用いることができる低合金鋼は、例えば、SPCC材、SPHC材、S10C材等であることができる。   The low alloy steel that can be used in the method according to the present invention can be, for example, an SPCC material, an SPHC material, an S10C material, or the like.

本発明に係る方法に用いることができる低合金鋼の形状は特に限定されるものではないが、例えば板状、円盤状、円柱状、角柱状、円錐台状、または角錐台状等の任意の形状であることができる。   The shape of the low alloy steel that can be used in the method according to the present invention is not particularly limited. For example, any shape such as a plate shape, a disk shape, a column shape, a prism shape, a truncated cone shape, or a truncated pyramid shape can be used. It can be in shape.

また、本発明に係る方法に用いることができる低合金鋼の厚みは、特に限定されるものではないが、板状または円盤状の低合金鋼を用いる場合、例えば1〜100mm厚の低合金鋼を用いることができる。   Further, the thickness of the low alloy steel that can be used in the method according to the present invention is not particularly limited, but when using a plate-like or disc-like low alloy steel, for example, a low alloy steel having a thickness of 1 to 100 mm. Can be used.

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る方法において用いることができる大気圧プラズマジェット発生装置100を用いた低合金鋼の浸窒処理を表す断面模式図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a nitriding treatment of a low alloy steel using an atmospheric pressure plasma jet generator 100 that can be used in the method according to the present invention.

大気圧プラズマジェット発生装置100は、略円錐状の内部電極1、その内部電極1を囲むように周囲に配置された円筒状の外部電極2、並びに内部電極1及び外部電極2に高周波電力を供給する高電圧パルス電源3を備えている。外部電極2はアースに接続され0Vに固定することができる。内部電極1と外部電極2との間には、放電領域19を形成することができる。   The atmospheric pressure plasma jet generator 100 supplies high-frequency power to a substantially conical internal electrode 1, a cylindrical external electrode 2 disposed around the internal electrode 1, and the internal electrode 1 and the external electrode 2. A high voltage pulse power supply 3 is provided. The external electrode 2 is connected to ground and can be fixed at 0V. A discharge region 19 can be formed between the internal electrode 1 and the external electrode 2.

外部電極2は、その下端に、生成されたプラズマジェットを外部に噴射させるためのジェットノズル10を備えている。   The external electrode 2 has a jet nozzle 10 at its lower end for injecting the generated plasma jet to the outside.

大気圧プラズマジェット発生装置100では、水素ガスを加えた窒素ガスを含む混合ガス4を、開口部18から、大気圧プラズマジェット発生装置100の内部(放電領域19)に供給することができる。開口部18は、孔が斜めに傾斜されて設けられており、供給された混合ガス4を、ジェットノズル10に向かって内部電極1の周りを螺旋状に流すことができる。そして、混合ガス4はジェットノズル10からプラズマジェットとして吹き出され、低合金鋼8の表面に向けたプラズマジェットプルーム7を発生させることができる。   In the atmospheric pressure plasma jet generator 100, the mixed gas 4 containing nitrogen gas added with hydrogen gas can be supplied from the opening 18 into the atmospheric pressure plasma jet generator 100 (discharge region 19). The opening 18 is provided with a hole inclined obliquely, and the supplied mixed gas 4 can flow spirally around the internal electrode 1 toward the jet nozzle 10. The mixed gas 4 is blown out as a plasma jet from the jet nozzle 10, and a plasma jet plume 7 directed toward the surface of the low alloy steel 8 can be generated.

本発明に係る方法においては、パルスアーク型大気圧プラズマジェットを用いることができる。内部電極1及び外部電極2の間の放電領域19では、高電圧パルスに応じて放電が繰り返され、パルスアークプラズマ5を発生させることができる。   In the method according to the present invention, a pulse arc type atmospheric pressure plasma jet can be used. In the discharge region 19 between the internal electrode 1 and the external electrode 2, the discharge is repeated according to the high voltage pulse, and the pulse arc plasma 5 can be generated.

高電圧パルス電源3を用いて、所定の電圧、電圧パルス幅、パルス繰返し周波数、及び放電電流を、内部電極1に印加して、パルスアーク型大気圧プラズマジェットを形成することができる。   A high voltage pulse power supply 3 can be used to apply a predetermined voltage, voltage pulse width, pulse repetition frequency, and discharge current to the internal electrode 1 to form a pulse arc type atmospheric pressure plasma jet.

本発明に係る方法に用いられ得るパルスアーク型プラズマジェットは大気圧で用いることができ、大気圧プラズマジェットの自己加熱により、低合金鋼8の表面層をFe−N系におけるオーステナイト変態点温度以上の、好ましくは590℃〜1400℃、より好ましくは590℃〜1000℃、さらにより好ましくは590℃〜910℃の所望の温度に加熱することができる。   The pulsed arc type plasma jet that can be used in the method according to the present invention can be used at atmospheric pressure, and the surface layer of the low alloy steel 8 is heated above the austenite transformation temperature in the Fe-N system by self-heating of the atmospheric pressure plasma jet. Of 590C to 1400C, more preferably 590C to 1000C, and even more preferably 590C to 910C.

また、本発明に係る方法においては、低合金鋼を加熱するためのヒーターを要せずに、低合金鋼の表面層のフェライト組織をオーステナイト化させると同時に窒素原子を表面層に拡散させることができる。   Further, in the method according to the present invention, without requiring a heater for heating the low alloy steel, the ferrite structure of the surface layer of the low alloy steel can be austenitized and simultaneously nitrogen atoms can be diffused into the surface layer. it can.

本発明に係る方法によれば、処理温度が高いため、低合金鋼への窒素原子の拡散速度が非常に速く、従来よりも処理速度を大幅に向上することができる。また、低合金鋼を加熱するためのヒーターが不要であり、設備の簡易化が可能であり、消費電力も低減することができる。   According to the method of the present invention, since the treatment temperature is high, the diffusion rate of nitrogen atoms into the low alloy steel is very high, and the treatment rate can be greatly improved as compared with the conventional method. In addition, a heater for heating the low alloy steel is unnecessary, the equipment can be simplified, and power consumption can be reduced.

さらに、本発明に係る方法は、上記のように、大気圧プラズマを用いるので、真空装置や処理炉等の大規模な設備が不要で、初期投資やメンテナンス費用の低減が可能である。   Furthermore, since the method according to the present invention uses atmospheric pressure plasma as described above, large-scale facilities such as a vacuum apparatus and a processing furnace are unnecessary, and initial investment and maintenance costs can be reduced.

水素ガスを加えた窒素ガスを含む混合ガス4の流量は、好ましくは5〜100リットル/分であり、より好ましくは10〜30リットル/分であり、さらに好ましくは15〜25リットル/分である。混合ガス4が上記流量範囲にあるとき、低合金鋼を所望の温度に加熱しつつ、浸窒させやすくなる。   The flow rate of the mixed gas 4 containing nitrogen gas added with hydrogen gas is preferably 5 to 100 liters / minute, more preferably 10 to 30 liters / minute, and further preferably 15 to 25 liters / minute. . When the mixed gas 4 is in the above flow rate range, the low alloy steel is easily nitrided while being heated to a desired temperature.

混合ガス4に含まれる窒素ガスに対する水素ガスの割合は、好ましく0.1〜10体積%であり、より好ましくは0.2〜3体積%であり、より好ましくは0.5〜1.5体積%である。パルスアーク型プラズマジェットに、窒素ガスに水素ガスを上記の割合で加えることにより、窒素原子を低合金鋼の表面に供給することができる。   The ratio of hydrogen gas to nitrogen gas contained in the mixed gas 4 is preferably 0.1 to 10% by volume, more preferably 0.2 to 3% by volume, and more preferably 0.5 to 1.5% by volume. %. Nitrogen atoms can be supplied to the surface of the low alloy steel by adding hydrogen gas to nitrogen gas in a pulse arc type plasma jet at the above ratio.

混合ガス4は、開口部18から供給することができるが、窒素ガス及び水素ガスをあらかじめ混合したガスを開口部18から供給してもよく、または、開口部18が複数ある場合、別々の開口部18から窒素ガス及び水素ガスを別個に供給してもよい。   The mixed gas 4 can be supplied from the opening 18, but a gas in which nitrogen gas and hydrogen gas are mixed in advance may be supplied from the opening 18, or when there are a plurality of openings 18, separate openings may be provided. Nitrogen gas and hydrogen gas may be separately supplied from the unit 18.

低合金鋼8は、その表面が、ジェットノズル10の先端から、好ましくは1〜10mm、より好ましくは2〜6mm、さらに好ましくは3〜5mm離れた位置に配置することができる。ジェットノズル10の先端と低合金鋼8の表面との間の距離が上記の範囲内であるとき、低合金鋼8の表面層をオーステナイト変態点温度以上の所望の温度に加熱しつつ、プラズマジェット中の窒素原子が窒素分子へと再結合する前に、低合金鋼8の表面に到達させやすくなる。   The surface of the low alloy steel 8 can be disposed at a position away from the tip of the jet nozzle 10 by preferably 1 to 10 mm, more preferably 2 to 6 mm, and even more preferably 3 to 5 mm. When the distance between the tip of the jet nozzle 10 and the surface of the low alloy steel 8 is within the above range, the surface layer of the low alloy steel 8 is heated to a desired temperature that is equal to or higher than the austenite transformation point temperature. It becomes easy to reach the surface of the low alloy steel 8 before the nitrogen atoms therein recombine with the nitrogen molecules.

本発明に係る方法おいては、大気圧プラズマジェット内部では、高電圧パルス放電により高濃度の窒素原子が生成される。水素ガスを加えた窒素ガスを含む混合ガス4を用いる大気圧プラズマジェットを材料表面に照射させると、プラズマプルームに含まれている高密度の窒素原子により、低合金鋼の表面を短時間で浸窒することができる。   In the method according to the present invention, high concentration nitrogen atoms are generated by high voltage pulse discharge inside the atmospheric pressure plasma jet. When the material surface is irradiated with an atmospheric pressure plasma jet using a mixed gas 4 containing nitrogen gas added with hydrogen gas, the surface of the low alloy steel is immersed in a short time by the high-density nitrogen atoms contained in the plasma plume. Can be nitrogened.

このように、本発明に係る方法によれば、低合金鋼の表面浸窒による硬化処理を短時間に効率良く行うことができる。また、例えば、従来技術にて用いられているアンモニア等の有害なガスを用いる必要がないため、環境負荷も小さい。   As described above, according to the method of the present invention, the hardening treatment by surface nitriding of the low alloy steel can be efficiently performed in a short time. Further, for example, it is not necessary to use a harmful gas such as ammonia used in the prior art, so the environmental load is small.

ジェットノズル周辺10の周囲には、外部の酸素が多量に処理雰囲気に侵入しないように、カバー6を配置することができる。これにより、窒素酸化物の生成を低減することができる。カバーとしては、例えば石英製のカバーを用いることができる。プラズマジェットプルーム7は、低合金鋼8に照射され、排気9としてカバー6の外部に排気することができる。   A cover 6 can be arranged around the jet nozzle periphery 10 so that a large amount of external oxygen does not enter the processing atmosphere. Thereby, the production | generation of a nitrogen oxide can be reduced. As the cover, for example, a quartz cover can be used. The plasma jet plume 7 is irradiated on the low alloy steel 8 and can be exhausted outside the cover 6 as exhaust 9.

低合金鋼8を加熱及び浸窒した後、内部電極1への印加を止めてプラズマを切り、図2に示すように、冷却ガス11を用いて衝風冷却12により低合金鋼8を焼入れすることができる。プラズマ発生電圧を切ると、ガスのみが低合金鋼8に吹き付けられるため、衝風冷却となり、極めて簡易に焼入れ工程に移行でき、処理工程及び処理時間の低減が可能である。   After heating and nitriding the low alloy steel 8, the application to the internal electrode 1 is stopped and the plasma is turned off, and the low alloy steel 8 is quenched by blast cooling 12 using a cooling gas 11 as shown in FIG. be able to. When the plasma generation voltage is turned off, only the gas is blown to the low alloy steel 8, so that blast cooling is performed, and the process can be shifted to the quenching process very easily, and the processing process and processing time can be reduced.

冷却ガス11は、水素ガスを加えた窒素ガスを含む混合ガス4と同じでもよく、窒素ガスのみでもよい。この場合、内部電極1への印加を止めるだけ、またはそれに合わせて水素ガスの供給を止めるだけで、低合金鋼8の衝風冷却が可能である。冷却ガス11の流量を調節して、低合金鋼8の冷却速度を変えてもよい。また、窒素ガス及び水素ガス以外の別のガスを冷却ガス11として用いてもよい。   The cooling gas 11 may be the same as the mixed gas 4 containing nitrogen gas added with hydrogen gas, or may be only nitrogen gas. In this case, the blast cooling of the low alloy steel 8 is possible only by stopping the application to the internal electrode 1 or by stopping the supply of the hydrogen gas accordingly. The cooling rate of the low alloy steel 8 may be changed by adjusting the flow rate of the cooling gas 11. Further, another gas other than nitrogen gas and hydrogen gas may be used as the cooling gas 11.

衝風冷却に用いる冷却ガス11は、好ましくは、窒素ガス、水素ガス、ヘリウムガス、またはそれらの組み合わせである。   The cooling gas 11 used for blast cooling is preferably nitrogen gas, hydrogen gas, helium gas, or a combination thereof.

冷却速度を高め、低合金鋼8の表面から深くまで焼入れを行う場合は、水素ガスを用いるか、窒素ガス等に水素ガスを組み合わせることが好ましい。熱伝導率は、窒素ガスが26mW/(m・K)であり、水素ガスが180mW/(m・L)であり、水素ガスの熱伝導率が高いため、水素ガスは加熱した低合金鋼8から熱をより奪うことができ、液体冷却と同等の焼入れ深さを得ることができる。   When increasing the cooling rate and quenching from the surface of the low alloy steel 8 deeply, it is preferable to use hydrogen gas or to combine hydrogen gas with nitrogen gas or the like. The thermal conductivity of the nitrogen gas is 26 mW / (m · K), the hydrogen gas is 180 mW / (m · L), and the thermal conductivity of the hydrogen gas is high. The heat can be taken away more and the quenching depth equivalent to liquid cooling can be obtained.

低合金鋼8の焼入れは、液体冷却で行ってもよい。液体冷却は、好ましくは、水、液体窒素、油、またはポリマー焼き入れ剤を用いて行われ、低合金鋼8を上記液体中に浸漬、あるいは低合金鋼8に上記液体を噴霧することによって行うことができる。   The low alloy steel 8 may be quenched by liquid cooling. The liquid cooling is preferably performed using water, liquid nitrogen, oil, or a polymer quenching agent, and is performed by immersing the low alloy steel 8 in the liquid or spraying the liquid on the low alloy steel 8. be able to.

低合金鋼8の焼入れは、衝風冷却及び液体冷却を組み合わせて行ってもよく、あるいは、衝風冷却とともに、液体冷却に用いられ得る水等のミストもしくは液体窒素を噴霧して行ってもよい。   Quenching of the low alloy steel 8 may be performed by combining blast cooling and liquid cooling, or may be performed by spraying mist such as water or liquid nitrogen that can be used for liquid cooling together with blast cooling. .

図3は、本発明に係る方法による低炭素鋼の浸窒メカニズムを表した断面模式図である。図3は、フェライト相15を有する低合金鋼8の表面硬化処理の模式図であり、低合金鋼8の表面層にプラズマジェットプルーム7を照射して、窒素原子13が拡散浸窒したオーステナイト相14を形成することができる。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the nitriding mechanism of low carbon steel by the method according to the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram of the surface hardening treatment of the low alloy steel 8 having the ferrite phase 15. The surface layer of the low alloy steel 8 is irradiated with the plasma jet plume 7, and the austenite phase in which nitrogen atoms 13 are diffusion-nitrogenized. 14 can be formed.

次いで、オーステナイト相14を形成した低合金鋼8を焼入れすることによって、マルテンサイト変態させて、図4に示すような窒素マルテンサイト相17を生成することができる。このようにして、低合金鋼8の表面層の硬化処理を行うことができる。   Next, by quenching the low alloy steel 8 in which the austenite phase 14 is formed, the martensite transformation can be performed to generate the nitrogen martensite phase 17 as shown in FIG. In this way, the surface layer of the low alloy steel 8 can be hardened.

焼入れは、低合金鋼の表面層の加熱及び浸窒の直後に、上述した衝風冷却、液体冷却、またはそれらの組み合わせにより、低合金鋼の表面層を好ましくは550℃以下に急冷することに行われる。冷却速度は、好ましくは25〜700℃/秒であり、より好ましくは50〜600℃/秒であり、さらに好ましくは100〜600℃/秒であり、さらにより好ましくは100〜400℃/秒であり、さらにより好ましくは150〜400℃/秒である。上記冷却速度の範囲で焼入れを行うことにより、低合金鋼の表面層に窒素マルテンサイト相を得つつ、割れ等の損傷を防ぎやすい。   In the quenching, immediately after heating and nitriding the surface layer of the low alloy steel, the surface layer of the low alloy steel is preferably rapidly cooled to 550 ° C. or less by blast cooling, liquid cooling, or a combination thereof. Done. The cooling rate is preferably 25 to 700 ° C./second, more preferably 50 to 600 ° C./second, further preferably 100 to 600 ° C./second, and even more preferably 100 to 400 ° C./second. Yes, even more preferably 150-400 ° C / sec. By quenching in the range of the cooling rate, it is easy to prevent damage such as cracking while obtaining a nitrogen martensite phase in the surface layer of the low alloy steel.

本発明はまた、表面に窒素マルテンサイト相を含む低合金鋼を対象とする。低合金鋼は、上述した種類及び含有量のレアメタルを含むか、実質的に含まない炭素鋼である。低合金鋼は、好ましくは、炭素含有量が、上述した範囲の含有量である低炭素鋼である。   The present invention is also directed to a low alloy steel containing a nitrogen martensite phase on the surface. The low alloy steel is a carbon steel that contains or substantially does not contain the above-described types and contents of rare metals. The low alloy steel is preferably a low carbon steel having a carbon content in the above-described range.

本発明に係る低合金鋼はまた、鉄以外の銅、亜鉛、アルミニウム等のベースメタルの含有量が好ましくは上述した範囲にあり、さらに好ましくは鉄以外のベースメタルを実質的に含まない炭素鋼である。   The low alloy steel according to the present invention is also a carbon steel in which the content of base metals such as copper, zinc, and aluminum other than iron is preferably in the above-described range, and more preferably is substantially free of base metals other than iron. It is.

本発明に係る方法に用いられる低合金鋼はまた、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)等の貴金属を上述した含有量範囲で含み、さらに好ましくは貴金属を実質的に含まない炭素鋼である。   Low alloy steels used in the method according to the present invention are also gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), osmium. Carbon steel containing noble metals such as (Os) in the above-described content range, and more preferably substantially free of noble metals.

本発明に係る低合金鋼は、レアメタル、ベースメタル、及び貴金属の合計量が好ましくは5質量%以下、より好ましくは1質量%以下、さらに好ましくは0.5質量%以下、さらに好ましくはレアメタル、ベースメタル、及び貴金属を実質的に含まない炭素鋼である。   In the low alloy steel according to the present invention, the total amount of the rare metal, the base metal, and the noble metal is preferably 5% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, still more preferably 0.5% by mass or less, and still more preferably rare metal, Carbon steel substantially free of base metal and precious metal.

本発明に係る方法に用いることができる低合金鋼は、例えば、SPCC材、SPHC材、S10C材等であることができる。   The low alloy steel that can be used in the method according to the present invention can be, for example, an SPCC material, an SPHC material, an S10C material, or the like.

本発明に係る低合金鋼の表面層に含まれる窒素マルテンサイト相は、高い硬度を有し、好ましくは150〜800Hvのビッカース硬さを有する。また、低合金鋼の表面層に含まれる窒素マルテンサイト相は、低合金鋼の表面からの厚みが好ましくは10μm以上、より好ましくは50μm以上、さらに好ましくは100μm以上、さらにより好ましくは150μm以上、さらにより好ましくは200μm以上である。低合金鋼の表面層に含まれる窒素マルテンサイト相の厚みの上限は特に限定されるものではないが、例えば、1000μm以下とすることができる。   The nitrogen martensite phase contained in the surface layer of the low alloy steel according to the present invention has a high hardness, preferably a Vickers hardness of 150 to 800 Hv. The nitrogen martensite phase contained in the surface layer of the low alloy steel preferably has a thickness from the surface of the low alloy steel of preferably 10 μm or more, more preferably 50 μm or more, still more preferably 100 μm or more, and even more preferably 150 μm or more. Even more preferably, it is 200 μm or more. Although the upper limit of the thickness of the nitrogen martensite phase contained in the surface layer of the low alloy steel is not particularly limited, it can be, for example, 1000 μm or less.

(実施例1)
図1に示す大気圧プラズマジェット発生装置100を用いて低合金鋼の硬化処理を行った。大気圧プラズマジェット発生装置100における内部電極1と、その周囲に配置された外部電極2との距離は18mmであり、ジェットノズル10の穴径は4mmであった。外部電極2をアースに接続し0Vに固定した。
Example 1
The low alloy steel was hardened by using the atmospheric pressure plasma jet generator 100 shown in FIG. The distance between the internal electrode 1 and the external electrode 2 disposed around the internal electrode 1 in the atmospheric pressure plasma jet generator 100 was 18 mm, and the hole diameter of the jet nozzle 10 was 4 mm. The external electrode 2 was connected to ground and fixed at 0V.

低合金鋼8として、図1に示すように、幅2cm、厚み1mmの正方形SPCC材を、その表面が、ジェットノズル10の先端から4mm離れた位置に配置した。用いたSPCC材は、鉄を主成分とし、微量成分として、0.02質量%の炭素、0.09質量%のMn、0.017質量%のP、及び0.004質量%のSを含有していた。   As shown in FIG. 1, a square SPCC material having a width of 2 cm and a thickness of 1 mm was disposed as the low alloy steel 8 at a position where the surface was 4 mm away from the tip of the jet nozzle 10. The SPCC material used has iron as a main component and contains 0.02 mass% carbon, 0.09 mass% Mn, 0.017 mass% P, and 0.004 mass% S as minor components. Was.

大気圧下で、20L/分の窒素ガス及び0.2L/分の水素ガスをそれぞれ、別々の開口部18から、大気圧プラズマジェット発生装置100の内部(放電領域19)に供給した。   Under atmospheric pressure, nitrogen gas of 20 L / min and hydrogen gas of 0.2 L / min were respectively supplied from the separate openings 18 to the inside of the atmospheric pressure plasma jet generator 100 (discharge region 19).

高電圧パルス電源3から内部電極1に、電圧5kV、電圧パルス幅5μs、パルス繰返し周波数21kHz、及び放電電流1Aで、高電圧パルスを印加することにより、放電領域19を形成して放電プラズマを励起した。   By applying a high voltage pulse from the high voltage pulse power source 3 to the internal electrode 1 at a voltage of 5 kV, a voltage pulse width of 5 μs, a pulse repetition frequency of 21 kHz, and a discharge current of 1 A, a discharge region 19 is formed to excite the discharge plasma. did.

ジェットノズル10からプラズマジェットプルーム7をSPCC材に30分間照射し、SPCC材を加熱及び浸窒し、次いで、SPCC材を水中に入れて水焼入れを行った。プラズマジェットプルーム7をSPCC材に照射しているときのSPCC材の表面温度は900℃であり、水焼入れによるSPCC材表面の550℃までの冷却速度は400℃/秒であった。   The SPCC material was irradiated with the plasma jet plume 7 from the jet nozzle 10 for 30 minutes, the SPCC material was heated and nitrogenated, and then the SPCC material was placed in water for water quenching. The surface temperature of the SPCC material when the SPCC material was irradiated with the plasma jet plume 7 was 900 ° C., and the cooling rate to 550 ° C. of the surface of the SPCC material by water quenching was 400 ° C./second.

浸窒焼入れを行ったSPCC材について、断面を切り出し、鏡面研磨を行って、ビッカース硬度計(加重10g、Akashi製、HM−102)により断面硬度分布を測定した。図5に、浸窒焼入れを行ったSPCC材の表面層部分の断面硬度分布図を示す。   About the SPCC material which carried out the nitriding quenching, the cross section was cut out, mirror polishing was performed, and the cross-sectional hardness distribution was measured with the Vickers hardness meter (weight 10g, the product made from Akashi, HM-102). FIG. 5 shows a cross-sectional hardness distribution diagram of the surface layer portion of the SPCC material that has been subjected to nitrogen quenching.

浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料の窒素マルテンサイト相は、SPCC材の表面から約250μmの厚みで得られ、150Hv〜600Hvのビッカース硬さを示した。これは従来の窒化処理では到達できない硬度である。   The nitrogen martensite phase of the SPCC material sample subjected to nitriding and water quenching was obtained with a thickness of about 250 μm from the surface of the SPCC material, and exhibited a Vickers hardness of 150 Hv to 600 Hv. This is a hardness that cannot be achieved by conventional nitriding.

(実施例2)
実施例1と同様に30分間、SPCC材の加熱及び浸窒処理をした後、高電圧パルスの印加及び水素ガスの供給を止め、20L/分の窒素ガスを用いて衝風冷却する焼入れを行ったこと以外は、実施例1と同様にして、SPCC材の浸窒焼入れを行った。衝風冷却によるSPCC材表面の550℃までの冷却速度は150℃/秒であった。
(Example 2)
After heating and nitriding the SPCC material for 30 minutes in the same manner as in Example 1, the application of the high voltage pulse and the supply of hydrogen gas were stopped, and quenching was performed with blast cooling using nitrogen gas of 20 L / min. Except that, the SPCC material was subjected to nitrogen quenching in the same manner as in Example 1. The cooling rate to 550 ° C. of the surface of the SPCC material by blast cooling was 150 ° C./second.

浸窒焼入れを行ったSPCC材について、断面を切り出し、鏡面研磨を行って、ビッカース硬度計により断面硬度分布を測定した。図6に、浸窒焼入れを行ったSPCC材の表面層部分の断面硬度分布図を示す。   About the SPCC material which carried out the nitriding quenching, the cross section was cut out, mirror-polished, and the cross-sectional hardness distribution was measured with the Vickers hardness meter. FIG. 6 shows a cross-sectional hardness distribution diagram of the surface layer portion of the SPCC material that has been subjected to nitrogen quenching.

浸窒及び衝風焼入れを行ったSPCC材試料の窒素マルテンサイト相は、SPCC材の表面から約100μmの厚みで得られ、150Hv〜600Hvのビッカース硬さを示した。   The nitrogen martensite phase of the SPCC material sample subjected to nitriding and blast quenching was obtained with a thickness of about 100 μm from the surface of the SPCC material, and exhibited a Vickers hardness of 150 Hv to 600 Hv.

(実施例3)
幅6cm、厚み1mmの正方形SPCC材を用いて、SPCC材の加熱及び浸窒時間を、5分、10分、20分、及び30分間としたこと以外は、実施例1と同様にして、SPCC材の浸窒焼入れを行った。
(Example 3)
Using a square SPCC material having a width of 6 cm and a thickness of 1 mm, the SPCC material was heated in the same manner as in Example 1 except that the heating and nitriding time was 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, and 30 minutes. Nitrogen quenching of the material was performed.

浸窒焼入れを行ったSPCC材について、断面を切り出し、鏡面研磨を行って、ビッカース硬度計により断面硬度分布を測定した。図7に、加熱及び浸窒時間を5分、10分、20分、及び30分間として浸窒焼入れを行ったSPCC材の表面層部分(表面〜250μmの深さ)の断面硬度分布図を示す。   About the SPCC material which carried out the nitriding quenching, the cross section was cut out, mirror-polished, and the cross-sectional hardness distribution was measured with the Vickers hardness meter. FIG. 7 shows a cross-sectional hardness distribution diagram of the surface layer portion (surface to 250 μm depth) of the SPCC material subjected to nitriding and quenching with heating and nitriding times of 5, 10, 20, and 30 minutes. .

浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料の表面には、プラズマジェットの照射中心から半径約20mmの範囲において、特に約5mm〜約15mmの範囲で環状に最硬化部が形成された。処理時間が長くなるに従い、最硬化部を形成する環の半径が徐々に大きくなった。最硬化部は、700〜800Hvのビッカース硬さを示しており、これは従来の窒化処理では到達できない硬度である。   On the surface of the SPCC material sample that had been subjected to nitriding and water quenching, the most hardened portion was formed in an annular shape within a radius of about 20 mm from the plasma jet irradiation center, particularly in a range of about 5 mm to about 15 mm. As the treatment time increased, the radius of the ring forming the most cured portion gradually increased. The most hardened part shows a Vickers hardness of 700 to 800 Hv, which is a hardness that cannot be reached by a conventional nitriding treatment.

図8に、図7の断面硬度分布図について、深さ方向を広げた(表面〜500μm〜1000μmの深さ)場合の断面硬度分布図を示す。   FIG. 8 shows a cross-sectional hardness distribution diagram when the depth direction of the cross-sectional hardness distribution diagram of FIG. 7 is expanded (surface to 500 μm to 1000 μm depth).

浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料は、プラズマジェットの照射中心直下において500μm〜1000μmの深さまで、400〜500Hvのビッカース硬さを示した。これは従来の窒化処理では到達できない硬度及び硬化深さである。   The SPCC material sample subjected to nitriding and water quenching exhibited a Vickers hardness of 400 to 500 Hv up to a depth of 500 μm to 1000 μm just below the irradiation center of the plasma jet. This is a hardness and hardening depth that cannot be achieved by conventional nitriding.

図9に、加熱及び浸窒を30分間行って焼入れしたSPCC材の最硬化部の金属組織写真を示す。この最硬化部は、図7に示す深さ10μm及びプラズマジェット照射中心から半径方向に10mmの位置の750Hvを示す最硬化部分である。試料断面は3%ナイタール液によりエッチングされている。   FIG. 9 shows a metallographic photograph of the hardest part of the SPCC material that has been quenched by heating and nitriding for 30 minutes. This most hardened portion is the most hardened portion showing 750 Hv at a depth of 10 μm and a position 10 mm in the radial direction from the plasma jet irradiation center shown in FIG. 7. The cross section of the sample is etched with 3% nital solution.

図9に示すように、浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料の最硬化部は、典型的な笹の葉状の組織を有するマルテンサイト相20であった。SPCC材はマルテンサイト形成に十分な炭素を含んでいないため、このマルテンサイト相は鉄-窒素マルテンサイト相である。   As shown in FIG. 9, the most hardened part of the SPCC material sample subjected to nitriding and water quenching was a martensite phase 20 having a typical bamboo leaf-like structure. Since the SPCC material does not contain sufficient carbon for martensite formation, this martensite phase is an iron-nitrogen martensite phase.

図10に、加熱及び浸窒を30分間行って焼入れしたSPCC材のプラズマジェット照射中心直下の深さ位置による金属組織写真を示す。試料断面は3%ナイタール液によりエッチングされている。   FIG. 10 shows a photograph of the metallographic structure of the SPCC material that has been quenched by heating and nitriding for 30 minutes, depending on the depth position immediately below the plasma jet irradiation center. The cross section of the sample is etched with 3% nital solution.

浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料のプラズマジェット照射中心直下において、表面から100μmの表面近傍では共析相、表面から500μmの下部ではラスマルテンサイト相、及び表面から900μmの最下部ではフェライト相を示し、共析相、ラスマルテンサイト相、及びフェライト相の3相が存在することが分かった。   Immediately under the plasma jet irradiation center of the SPCC sample subjected to nitriding and water quenching, the eutectoid phase is near the surface 100 μm from the surface, the lath martensite phase is 500 μm below the surface, and the ferrite is 900 μm below the surface. As a result, it was found that there are three phases of a eutectoid phase, a lath martensite phase, and a ferrite phase.

(実施例4)
幅6cm、厚み1mmの正方形SPCC材を用い,試料表面をジェットノズル10の先端から7mm離れた位置に配置して表面温度を600℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、SPCC材の浸窒焼入れを行った。
Example 4
A SPCC material was used in the same manner as in Example 1 except that a square SPCC material having a width of 6 cm and a thickness of 1 mm was used, and the surface of the sample was placed at a position 7 mm away from the tip of the jet nozzle 10 and the surface temperature was 600 ° C Nitrogen quenching was performed.

浸窒焼入れを行ったSPCC材について、断面を切り出し、鏡面研磨を行って、ビッカース硬度計により断面硬度分布を測定した。図11に、浸窒焼入れを行ったSPCC材の表面層部分(表面〜1000μmの深さ)の断面硬度分布図を示す。   About the SPCC material which carried out the nitriding quenching, the cross section was cut out, mirror-polished, and the cross-sectional hardness distribution was measured with the Vickers hardness meter. FIG. 11 is a cross-sectional hardness distribution diagram of the surface layer portion (surface to 1000 μm depth) of the SPCC material that has been subjected to nitriding and quenching.

浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料の表面には、プラズマジェットの照射中心から半径15mmの範囲において、特に半径5mm〜10mmの範囲で環状に最硬化部が形成され、600〜700Hvのビッカース硬さを示した。これは従来の窒化処理では到達できない硬度である。また、浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料は、プラズマジェットの照射中心直下において表面から1000μmの深さまで200〜300Hvのビッカース硬さを示した。   On the surface of the SPCC material sample that has been subjected to nitriding and water quenching, a most hardened portion is formed in an annular shape within a radius of 15 mm from the plasma jet irradiation center, particularly within a radius of 5 mm to 10 mm, and a Vickers of 600 to 700 Hv. The hardness was shown. This is a hardness that cannot be achieved by conventional nitriding. Further, the SPCC material sample subjected to nitriding and water quenching exhibited a Vickers hardness of 200 to 300 Hv from the surface to a depth of 1000 μm immediately below the plasma jet irradiation center.

図12に、浸窒焼入れを行ったSPCC材の最硬化部の金属組織写真を示す。この最硬化部は、図11に示す深さ10μm及びプラズマジェット照射中心から半径方向に10mmの位置の750Hvを示す最硬化部分である。試料断面は3%ナイタール液によりエッチングされている。   FIG. 12 shows a metallographic photograph of the most hardened part of the SPCC material that has been subjected to nitriding and quenching. This most hardened portion is the hardest portion showing 750 Hv at a depth of 10 μm and a position 10 mm in the radial direction from the plasma jet irradiation center shown in FIG. 11. The cross section of the sample is etched with 3% nital solution.

浸窒及び水焼入れを行ったSPCC材試料の最硬化部は、典型的な笹の葉状の組織を有するマルテンサイト相20であった。SPCC材はマルテンサイト形成に十分な炭素を含んでいないため、このマルテンサイト相は鉄-窒素マルテンサイト相である。   The most hardened part of the SPCC material sample subjected to nitriding and water quenching was the martensite phase 20 having a typical bamboo leaf-like structure. Since the SPCC material does not contain sufficient carbon for martensite formation, this martensite phase is an iron-nitrogen martensite phase.

100 大気圧プラズマジェット発生装置
1 内部電極
2 外部電極
3 高電圧パルス電源
4 窒素ガス及び水素ガスを含む混合ガス
5 パルスアークプラズマ
6 カバー
7 プラズマジェットプルーム
8 低合金鋼
9 排気
10 ジェットノズル
11 冷却ガス
12 衝風冷却
13 窒素原子
14 オーステナイト相
15 フェライト相
17 窒素マルテンサイト相
18 開口部
19 放電領域
20 笹の葉状のマルテンサイト相
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Atmospheric pressure plasma jet generator 1 Internal electrode 2 External electrode 3 High voltage pulse power supply 4 Mixed gas containing nitrogen gas and hydrogen gas 5 Pulse arc plasma 6 Cover 7 Plasma jet plume 8 Low alloy steel 9 Exhaust 10 Jet nozzle 11 Cooling gas 12 Blast cooling 13 Nitrogen atoms 14 Austenitic phase 15 Ferrite phase 17 Nitrogen martensite phase 18 Aperture 19 Discharge region 20 Leaf-like martensite phase

Claims (10)

低合金鋼の表面に、水素ガスを加えた窒素ガスのプラズマジェットを大気圧下で照射して、前記低合金鋼の表面層をFe−N系におけるオーステナイト変態点温度以上に加熱して、前記低合金鋼の表面層に窒素原子を拡散させること
記低合金鋼を焼入れして、前記低合金鋼の表面層をマルテンサイト変態させて窒素マルテンサイト相を生成すること、及び
前記焼入れが、衝風冷却、液体噴霧冷却、またはそれらの組み合わせによって行われること、
を含む、低合金鋼の硬化処理方法。
The surface of the low alloy steel is irradiated with a plasma jet of nitrogen gas added with hydrogen gas under atmospheric pressure, and the surface layer of the low alloy steel is heated above the austenite transformation point temperature in the Fe-N system , Diffusing nitrogen atoms into the surface layer of low alloy steel ,
And quenching the previous SL low alloy steel, wherein generating the surface layer of the low alloy steel is martensitic transformation nitrogen martensite phase, and
The quenching is performed by blast cooling, liquid spray cooling, or a combination thereof;
A method for hardening a low alloy steel, comprising:
前記低合金鋼が、0〜0.5質量%のレアメタルを含む、請求項1に記載の低合金鋼の硬化処理方法。   The low alloy steel hardening treatment method according to claim 1, wherein the low alloy steel contains 0 to 0.5 mass% of a rare metal. 前記低合金鋼が、0〜0.3質量%の炭素を含む、請求項1または2に記載の低合金鋼の硬化処理方法。   The method for hardening a low alloy steel according to claim 1 or 2, wherein the low alloy steel contains 0 to 0.3 mass% of carbon. 前記窒素ガスに対する前記水素ガスの割合が、0.1〜10体積%である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の低合金鋼の硬化処理方法。   The method of hardening a low alloy steel according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of the hydrogen gas to the nitrogen gas is 0.1 to 10% by volume. 前記衝風冷却が、窒素ガス、水素ガス、ヘリウムガス、またはそれらの組み合わせを用いて行われる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の低合金鋼の硬化処理方法。 The method of hardening a low alloy steel according to any one of claims 1 to 4, wherein the blast cooling is performed using nitrogen gas, hydrogen gas, helium gas, or a combination thereof. 前記液体噴霧冷却の液体が、水、液体窒素、油、ポリマー焼き入れ剤、またはそれらの組み合わせである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の低合金鋼の硬化処理方法。 The liquid in the liquid spray cooling water, liquid nitrogen, oil, polymer quenching agent, or Ru combinations thereof der, hardening method of the low alloy steel according to any one of claims 1 to 5. 前記焼入れが、前記低合金鋼の表面層を、100〜600℃/秒の冷却速度で550℃以下に冷却することを含む、請求項のいずれか一項に記載の低合金鋼の硬化処理方法。 The low-alloy steel according to any one of claims 1 to 6 , wherein the quenching includes cooling the surface layer of the low-alloy steel to 550 ° C or lower at a cooling rate of 100 to 600 ° C / second. Curing method. 表面から500μmの深さまでの表面層窒素マルテンサイト相であり400Hv以上のビッカース硬さを有する、低合金鋼。 A low alloy steel in which the surface layer from the surface to a depth of 500 μm is a nitrogen martensite phase and has a Vickers hardness of 400 Hv or more . 前記低合金鋼が、0〜0.5質量%のレアメタルを含む、請求項に記載の低合金鋼。 The low alloy steel according to claim 8 , wherein the low alloy steel contains 0 to 0.5 mass% of a rare metal. 前記低合金鋼が、0〜0.3質量%の炭素を含む、請求項またはに記載の低合金鋼。 The low alloy steel according to claim 8 or 9 , wherein the low alloy steel contains 0 to 0.3 mass% of carbon.
JP2013147117A 2012-11-02 2013-07-12 Hardening method for low alloy steel Active JP6241839B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013147117A JP6241839B2 (en) 2012-11-02 2013-07-12 Hardening method for low alloy steel

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012243083 2012-11-02
JP2012243083 2012-11-02
JP2013147117A JP6241839B2 (en) 2012-11-02 2013-07-12 Hardening method for low alloy steel

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014111821A JP2014111821A (en) 2014-06-19
JP6241839B2 true JP6241839B2 (en) 2017-12-06

Family

ID=51169128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013147117A Active JP6241839B2 (en) 2012-11-02 2013-07-12 Hardening method for low alloy steel

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6241839B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108344250A (en) * 2018-04-28 2018-07-31 吴又炳 A kind of liquefying plant of dense gas
CN108344249A (en) * 2018-04-28 2018-07-31 吴又炳 A kind of liquefying plant of gas
CN108387067A (en) * 2018-04-28 2018-08-10 吴又炳 A kind of liquefying plant of special gas
KR102116854B1 (en) * 2018-12-13 2020-06-01 한국표준과학연구원 High efficient additive manufacturing process apparatus for complex shaped hydrogen embrittlement resistive parts
RU2801624C1 (en) * 2022-12-12 2023-08-11 Сергей Константинович Федоров Method for nitriding blanks from steel

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104726650A (en) * 2015-04-20 2015-06-24 武汉理工大学 Water-air-water quenching heat treatment process for T10 steel screw taps for machines
JP7174943B2 (en) * 2017-04-26 2022-11-18 国立大学法人 大分大学 Nitriding equipment
CN107815682B (en) * 2017-09-21 2020-02-21 广东工业大学 Method for preparing wear-resistant toughening coating on surface of high manganese steel
CN107699662B (en) * 2017-10-30 2019-03-29 宁波埃利特模具制造有限公司 A method of improving die casting molded surface hardness
US11124867B1 (en) 2020-03-13 2021-09-21 National Taiwan University Of Science And Technology Gradient material layer and method for manufacturing the same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62188771A (en) * 1986-02-14 1987-08-18 Daido Steel Co Ltd Surface hardening method for structural steel
JP2926240B2 (en) * 1989-05-02 1999-07-28 株式会社日立製作所 Sliding material and surface treatment method
JPH1150141A (en) * 1997-07-31 1999-02-23 Tokico Ltd Surface hardening treatment for steel parts
JP2007046088A (en) * 2005-08-09 2007-02-22 Yuki Koshuha:Kk Nitrided quenched part, and method for producing the same
KR100899578B1 (en) * 2007-10-01 2009-05-27 한국생산기술연구원 Method for surface hardening by high temperature nitriding in vacuum

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108344250A (en) * 2018-04-28 2018-07-31 吴又炳 A kind of liquefying plant of dense gas
CN108344249A (en) * 2018-04-28 2018-07-31 吴又炳 A kind of liquefying plant of gas
CN108387067A (en) * 2018-04-28 2018-08-10 吴又炳 A kind of liquefying plant of special gas
KR102116854B1 (en) * 2018-12-13 2020-06-01 한국표준과학연구원 High efficient additive manufacturing process apparatus for complex shaped hydrogen embrittlement resistive parts
RU2801624C1 (en) * 2022-12-12 2023-08-11 Сергей Константинович Федоров Method for nitriding blanks from steel

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014111821A (en) 2014-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6241839B2 (en) Hardening method for low alloy steel
Samih et al. Microstructure modifications and associated hardness and corrosion improvements in the AISI 420 martensitic stainless steel treated by high current pulsed electron beam (HCPEB)
JP4247916B2 (en) Microwave carburizing furnace and carburizing method
JP2012152546A (en) Cutting blade and method of manufacturing the same
US8961711B2 (en) Method and apparatus for nitriding metal articles
Winter et al. Process technologies for thermochemical surface engineering
JP2010163686A (en) Surface treatment apparatus and surface treatment method
JPS60501865A (en) Improvement of heat treatment method and equipment
US3944443A (en) Ultra high temperature chemical reactions with metals
Belashova et al. New nitriding process of high-alloyed maraging steel for cryogenic operation
JP2008127647A (en) Surface treatment device and method therefore
JP2013023769A (en) Surface hardening method for metal or resin
Biller et al. Modification of steel and aluminium by pulsed energetic ion beams
Jacobs et al. Plasma Carburiiing: Theory; Industrial Benefits and Practices
Surla et al. High-energy density beams and plasmas for micro-and nano-texturing of surfaces by rapid melting and solidification
WO2005003400A1 (en) Method of continuous vacuum carburization of metal wire, metal band or metal pipe and apparatus therefor
JP5798463B2 (en) Carburizing method and carburizing apparatus
Kumar et al. Effect of laser surface processing on the microstructure evolution and multiscale properties of atmospheric plasma sprayed high-entropy alloys coating
JP6282002B2 (en) Heat treatment method for steel products
Psyllaki et al. Parametric study on laser nitriding of 1.5919 steel
Akhtar et al. Effect of laser remelting on surface composite layer of nickel aluminide coated steel substrate
JP5984037B2 (en) Metal diffusion layer manufacturing method and steel material
JP2008138223A (en) Method for improving durability of die alloy tool steel
US9738964B2 (en) Method for the nitro carburization of a deep-drawn part or a stamped-bent part made of austenitic stainless steel
KR102337818B1 (en) Methods and apparatus for processing articles

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160628

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170309

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170328

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170526

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20171003

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20171031

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6241839

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250