JPH0258348B2

JPH0258348B2 -

Info

Publication number: JPH0258348B2
Application number: JP57213749A
Authority: JP
Inventors: Tooru Arai; Junji Endo; Kazuyuki Oguri
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1982-12-06
Filing date: 1982-12-06
Publication date: 1990-12-07
Also published as: JPS59107990A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、流動層式炉を用いて、炭素を含む材
料の表面に、チタン（Ti）、バナジウム（Ｖ）、
ニオブ（Nb）、タンタル（Ta）、クロム（Cr）、
又はマンガン（Mn）、（以下、これらの元素を炭
化物形成元素と総称する）の炭化物層を形成させ
る表面処理方法に関するものである。

従来、鋼の熱処理用炉として、アルミナ粉体
に、空気やアルゴン等のガスを吹込んで流動状態
とした流動層を、熱媒体として使用する流動層式
炉が使用されてきた。この熱媒体は温度分布が均
一であり、かつ熱伝達が迅速であるので、この熱
媒体を利用すれば、品物を急速に、かつ品物の各
部の温度を均一に加熱することができる。

そこで、すでにこの流動層炉を使用して、金属
表面への拡散被覆を行う試みが公表されている。
この方法を第１図を基に説明する。まず浸透用元
素を含む物質とアルミナ等の不活性粉末よりなる
処理剤を流動層式炉の炉本体ａ内の散気板ｂ上に
置く。ついで、不活性ガスをガス供給通路C₁を
経て炉本体ａ内に注入し、処理剤粉末を流動状態
にして、流動層ｄを形成する。そして、炉本体ａ
の頂部の蓋ｅをとつて、被処理材ｆを流動層ｄ中
に埋設し、蓋ｅを締める。その場合に、炉の密閉
の確保には充分注意する。水素をキヤリヤーガス
として、活性化剤のハロゲン蒸気がガス供給通路
C₂を経て、流動層ｄに供給される。すると、ハ
ロゲン蒸気と浸透用元素の粉末とが相互反応し
て、浸透用元素のハロゲン化物のガスが発生す
る。ハロゲン化物のガスは、流動層ｄ中の被処理
材ｆに接触すると、分解して浸透用元素を被処理
材表面に析出させる。このようにして拡散被覆が
行われる。

しかし、この方法では、以下のように、炉の取
り扱い、および処理操作がきわめて、やつかいで
ある点が問題であつた。すなわち、第１に、本方
法で被覆層を形成するためには、活性化剤として
のハロゲン蒸気が必要であり、そのハロゲン蒸気
を搬送するキヤリヤーガスとして水素の使用が不
可欠である。ところが、水素は爆発の危険が多
く、そのため配管および炉の密閉などに相当の注
意を要する。そのため、炉の操作が必ずしも能率
的でない。また第２に、水素の爆発を防ぐために
密閉状態で炉を使用するので、高温状態の被処理
材を炉外に取り出すことができず、そのため、引
続いて母材の焼入れを行うことが困難である。第
３に、ハロゲン蒸気発生装置が必要であるので、
炉の構造が複雑となり、操作も煩雑である。

本願発明は、上記問題を解決しようとするもの
である。すなわち、本願発明は、水素やハロゲン
蒸気を使用することなく、しかも流動層炉を使用
して、実用的な厚さの炭化物層を短時間で安全に
形成することができる表面処理方法を提供するこ
とを目的とするものである。

そして、本願発明は、50〜70重量％のアルミ
ナ、50〜30重量％の炭化物形成元素の金属、又は
それらの合金、および0.5〜３重量％のハロゲン
化アンモニウム塩の三種類の粉末よりなる処理剤
を、流動層式炉中に置き、ついで、流動化ガスを
導入して前記処理剤を流動化して、前記流動層式
炉中に流動層を形成せしめた後、炭素を含む材料
を前記流動層中に埋設し、加熱処理を行うことに
より炭素を含む材料表面に炭化物層を形成させる
ことを特徴とする炭素を含む材料の炭化物被覆方
法、である。

本願発明方法では、処理剤としてハロゲン化ア
ンモニウム塩の粉末を使用し、ハロゲン蒸気を使
用しない。したがつて、ハロゲン蒸気を炉中に搬
入するキヤリヤガスとしての水素を必要としな
い。そのため本願発明は、水素による爆発の危険
もなく、安全に炭化物被覆処理を行うことができ
る。また、炉を密閉する必要がないので、被処理
材を高温の流動層中に直接装入できる。その結
果、品物を急速に加熱することができる。また、
高温状態で品物を炉から出して母材の焼入れを簡
単に行うこともできる。さらに、ハロゲン蒸気を
使用しないので、ハロゲン蒸気発生装置も必要と
しない。そのため、本発明では、構造も操作も簡
単な流動層式炉を使用することができる。また、
熱媒体として流動状態の処理剤粉末を利用するの
で、処理剤が品物の表面に付着することがない。
そのため、本方法によればきわめて平滑な材料表
面を得ることができる。さらに、流動層の温度分
布が均一であるので、品物表面に均一な厚さの炭
化物層を形成することもできる。また、二種類の
炭化物形成元素の金属を同時に混合して処理剤成
分として使用することにより、簡単な操作で、品
物表面に複合あるいは二層の炭化物層を形成する
こともできる。

本発明で使用する流動層式炉は、一般に、乾
燥、焼却、還元等の目的で通常使用されている流
動層式炉でよい。

アルミナは、処理剤中に50〜70重量％（以下、
重量％は％と表記する）の範囲にあるのが有利で
ああ。アルミナの配合量が50％未満の場合は、処
理剤中の金属粉末の割合が多くなり、処理剤全体
が重量が大きくなつて処理剤の流動化が生じにく
くなるので好ましくない。また、逆に、アルミナ
が70％より多くなると、炭化物層が形成しにくく
なるので、同様に好ましくない。

炭化物形成元素の金属とは、炭素と結合して炭
化物を形成しやすい金属をいい、第ａ族元素の
チタン、第ａ族元素のバナジウム、ニオブ、タ
ンタル、そして第ａ族元素のクロム、および第
ａ族元素のマンガンが代表的である。炭化物形
成元素の合金としては、特に、Fe−Ｖ，Fe−
Nb，Fe−Crなどの合金鉄が工業上使用されるこ
とが多い。

なお、複合あるいは二層の炭化物層を形成する
ために、二種類の炭化物形成元素の金属又は合金
を混合して、処理剤の成分として配合することも
できる。

ハロゲン化アンモニウム塩とは、塩化アンモニ
ウム（NH₄Cl）、臭化アンモニウム（NH₄Br）、
沃化アンモニウム（NH₄I）、弗化アンモニウム
（NH₄F）等からなる。ハロゲン化アンモニウム
塩は、炭化物形成元素の金属又は合金と反応し
て、炭化物形成に関与する炭化物形成元素のハロ
ゲン化物のガスを発生させる。したがつて、ハロ
ゲン化アンモニウム塩が0.5％より少ないと炭化
物の形成の反応が弱く、形成される炭化物層の厚
さが薄い。しかし、３％より多くなると、発生す
るハロゲン化物のガス量が増大して、排気孔のつ
まりなどのトラブルが起こりやすくなるので好ま
しくない。

処理剤の粉末粒度は、いずれも60メツシユから
350メツシユの範囲のものが好ましい。60メツシ
ユより粗いと、処理剤を流動化させるために多量
の流動化ガスを必要とする。その結果、発生した
ハロゲン化物のガスが、多量の流動化ガスにより
吹き払われて品物の表面に到達できなくなり、炭
化物形成が進まないので好ましくない。逆に350
メツシユより細かくなると、粉末が浮遊しやすく
なり、取扱いが困難になるので、同様に好ましく
ない。

流動化ガスとしては、処理剤と接触しても反応
が生じないように不活性ガスが使用される。なか
でも、普通純度のアルゴンの使用が一般的であ
る。

流動化ガスは、所定の圧力、流量で流動層式炉
内に注入される。その結果、処理剤粉末は、炉内
に吹き上げられ、しかも引続き流入する流動化ガ
スの圧力により落下せず、浮遊状態で炉内を移動
する流動層となる。しかし、処理剤の流動化に必
要な流動化ガスの圧力・流量は、処理剤粉末の粒
度に応じて異なる。例えば、処理剤粉末粒度が約
80メツシユ程度の場合は、流動化ガスの圧力は、
1.5〜２Kg／cm²、流量は４〜６／minの範囲が
好ましい。

本発明の被処理材としては、炭素を含む材料が
使用できる。また、炭素を含む材料としては、炭
素を含む鉄、ニツケル、コバルトなどの金属材
料、および黒鉛を主体とした炭素材料が含まれ
る。被処理材中に含まれる炭と、処理剤中の炭化
物形成元素が結合して、被処理材表面に炭化物形
成元素の炭化物を形成するので、本発明に使用の
被処理材は0.1％以上の炭素を含むことが必要で
ある。0.1％より炭素量が小さいと、炭化物層の
形成が困難であつたり、実用的な炭化物形成に長
時間を要することがある。

本発明の加熱工程は、熱媒体である流動層を加
熱することにより行う。加熱の具体的手段は、流
動層を含む硫動層式炉を電気炉等の外部加熱器内
に装入して、外部から流動層を加熱する方式、あ
るいは流動層式炉内に設けられた加燃器により、
直接流動層を加熱する方式のいずれでもよい。加
熱された流動層は、品物に接触して品物を加熱
し、その結果、品物表面での炭化物層形成が生ず
る。

加熱処理温度は、700℃〜1200℃の範囲内で選
択される。700℃未満では、被処理材表面に十分
な厚さの炭化物層が形成されない。他方、1200℃
を越えると、処理剤が密着固化しやすくなり、
又、被処理材の材質の劣化をまねくおそれもあ
り、好ましくない。

処理時間は、必要とする炭化物層の厚さ、およ
び被処理材の材質を考慮して、0.5時間から16時
間の間で選択される。加熱時間が0.5時間より短
かいと、十分な厚さの炭化物層が得られない場合
がある。また、16時間を越えて加熱すると、被処
理材と材質劣化が起きやすくなる。一般に、一定
厚さの炭化物層を得るためには、高い処理温度で
は比較的短い処理時間、低い処理温度では比較的
長い処理寺間を必要とする。

以下、本発明の実施例を説明する。

実施例１第２図に示す流動層式炉を用いて、本発明の炭
化物被覆処理を行つた。なお、流動層式炉は、炉
本体１の下部に、ガス供給通路２が開口し、開口
部の直上に、炉内を二つに仕切る散気板３が設け
られている。散気板３は厚さ方向に貫通する多数
のガス分散孔を有する。炉本体１の頂部には、取
りはずし自在の蓋４がかぶせられ、蓋４の一部に
は、ガス排出通路５が開口している。炉本体１の
外周には、加熱器６が設置されている。また、炉
本体１は、耐熱鋼製でああり、かつ形状は直経60
mm×高さ800mmの円柱形状である。

上記流動層式炉の散気板３上に、処理剤粉末１
Kgを置いた。その処理剤中の各成分の配合割合
は、58.5％のアルミナ粉末（80メツシユ）、40％
のフエロバナジウム粉末（70％バナジウム含有、
100〜200メツシユ）および1.5％の塩化アンモニ
ウム粉末（80メツシユ）であつた。ついで、流動
化ガスとしてアルゴンガスを、圧力1.5Kg／cm²、
流量６／minで、ガス供給通路２より炉本体１
内に注入した。

処理剤粉末は流動化し、流動層７が形成され
た。ついで、炉本体１の頂部の蓋４をとり、流動
層７中に被処理材（炭素工具JISS4、高さ200mm
×径７mm）８を支持具を介してつりさげた。つい
で、加熱器６により炉本体１の外部より流動層７
を950℃に加熱した。その温度で２時間加熱処理
を行つた後、そのまま冷却せしめた。このように
して得られた被処理材の表面を目視したところ、
処理剤の付着もなく、平滑な材料表面であつた。
そして、その断面を顕微鏡観察したところ、第３
図の顕微鏡写真に示すように、４〜5μｍの被覆
層が均一に形成されていることが認められた。こ
の層をＸ線回析で分析したところ、バナジウム炭
化物（VC）層であることが確認された。また、
この層の硬さを測定したところ、約Hv3500の硬
度を示した。

実施例２処理剤の各成分の配合割合を45％のフエロチタ
ン粉末（45％チタン含有、100〜150メツシユ）
2.5％の塩化アンモニウム粉末（80メツシユ）お
よび残部アルミナ粉末（80メツシユ）とした処理
剤１Kgを用意した。この処理剤を使用し、実施例
１と同一の被処理材に対して、同一の条件で炭化
物被覆を行つた。得られたJISSK4材表面の断面
顕微鏡写真を第４図に示す。４〜5μｍの平滑な
被覆層が形成されていた。この層をＸ線回析した
ところ、チタン炭化物（TiC）層であることが確
認された。また、この層の硬さを測定したとこ
ろ、約Hv3000の硬度を示した。また、上記と同
一の処理剤を使用し、超硬合金（WC−６％Co）
を被処理材として、実施例１と同一条件で炭化物
被覆処理を行つた。その結果、超硬合金の表面に
１〜2μｍのチタン炭化物層が形成された。

実施例３処理剤の各成分の配合割合を、40％のクロム粉
末（100〜150メツシユ）、１％の臭化アンモニウ
ム粉末（80メツシユ）、残部アルミナ粉末（80メ
ツシユ）とした処理剤１Kgを用意した。この処理
剤を使用し、JISSK4材を被処理材として、他は、
実施例１と同一条件で炭化物被覆処理を行つた。
その結果、被処理材の表面に第５図の顕微鏡写真
に示すような４〜5μｍの平滑な被覆層が形成さ
れた。Ｘ線回析により、この層がクロム炭化物層
であることを確認した。

また、上記と同一の処理剤を用意し、黒鉛を被
処理材として、実施例１と同一条件で炭化物被覆
処理を行つた。その結果、黒鉛の表面には、２〜
3μｍの平滑なクロム炭化物が形成された。

なお、いずれのクロム炭化物層も、約Hv1500
の硬さを有することが測定された。

実施例４処理剤の各成分の配合割合を、50％のフエロニ
オブ粉末（65％のチタンおよび3.4％のタンタル
含有、100〜150メツシユ）、2.5％の塩化アンモニ
ウム粉末（80メツシユ）、および残部アルミナ粉
末とした処理剤１Kgを用意した。また流動化ガス
の圧力を２Kg／cm²、流量を４／minとして、処
理剤を流動化した。この処理剤を使用し、
JISSKD11を被処理材として、実施例１と同一条
件で炭化物被覆を行つた。その結果、JISSKD11
材の表面に、１〜2μｍの平滑な被覆層が形成さ
れた。Ｘ線回析による分析結果から、その層がニ
オブ炭化物（NbC）層であることが確認された。
また、Ｘ線マイクロアナライザーの元素分析によ
り、上記被覆層には、ニオビウム、炭素のほかに
タンタルも存在することが認められた。なお、こ
の層の硬さは約Hv2500であつた。

実施例５処理剤の各成分の配合割合を、35％のフエロマ
ンガン粉末（77％マンガン含有、100〜150メツシ
ユ）、３％の塩化アンモニウム粉末（80メツシ
ユ）、および残部アルミナ粉末（80メツシユ）と
した処理剤１Kgを用意した。この処理剤を使用
し、JISSK4材を被処理材として、実施例１と同
一条件で炭化物被覆を行つた。その結果、
JISSK4材の表面には、７〜8μｍの平滑な被覆層
が形成された。Ｘ線回析により、この層がマンガ
ン炭化物層であることが確認された。この層の硬
さは、約Hv1400であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術の概略を示す説明図、第２
図は、本発明の実施例を示す説明図、第３図ない
し第５図は、本発明実施例により得られた炭化物
層の金属断面組織の400倍の顕微鏡写真である。１：炉本体、２：ガス供給通路、３：散気板、
３１：ガス分散孔、４：蓋、５：ガス排出通路、
６：加熱器、７：流動層、８：被処理材。

Claims

【特許請求の範囲】

１ 50〜70重量％のアルミナ、50〜30重量％の炭
化物形成元素の金属又は、それらの合金、および
0.5〜８重量％のハロゲン化アンモニウム塩の三
種類の粉末よりなる処理剤を、流動層式炉中に置
き、ついで、流動化ガスを導入して前記処理剤を
流動化して、前記流動層式炉中に流動層を形成せ
しめた後、炭素を含む材料を前記流動層中に埋設
し、加熱処理を行うことにより炭素を含む材料表
面に炭化物層を形成させることを特徴とする炭素
を含む材料の炭化物被覆方法。