JPH0344457A - 鋼の窒化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は鋼の表面に窒化層を形成して耐摩耗性等を向上
させる鋼の窒化方法に関する。

［従来の技術］ 耐摩耗性、耐食性、疲労強度等の機械的性質を向上させ
る目的で、鋼材の表面に窒化物の層を形成する窒化法あ
るいは、浸炭窒化法として従来採用されてきた方法は次
のようなものである。

（イ）ＮａＣＮ、にＣＮ等のシアン系溶融塩による方法
（タフトライド法） （ロ）グロー放電による窒化（イオン窒化）（ハ）アン
モニア又はアンモニアと炭素源を有するガス（例えばＲ
Ｘガス）との混合ガスによる窒化（ガス窒化、ガス軟窒
化） これらのうち、（イ）の方法は、有害な溶融塩を用いる
ので作業環境、廃棄物処理等の点で将来的に好ましくな
い。また、（ロ）の方法は、低真空のＮ２＋８２雰囲気
中でグロー放電により窒化するもので５スパツタリング
に伴なう清浄化作用により酸化皮膜の影響は少なくなる
が、局部的な温度差による窒化ムラが発生しやすい。ま
た、この方法は、処理物の形状寸法に制約が大きく、コ
スト高となるという問題点がある。さらに、上記（ハ）
の方法は、窒化ムラが生じやすい等、処理の安定性に問
題があり、しかも深い窒化層を得るためには長時間を要
するという間朋点もある。

一般に、鋼は５００℃以下の温度で窒化されるが、鋼表
面層への窒素の吸着、拡散には酸化皮膜や０２の吸着皮
膜が存在しないことが望ましい。

また、酸化皮膜の存在は、窒化ガスであるアンモニアの
解離度を助長する点でも好ましくない。しかしながら、
実際にはガス窒化法において酸化皮膜の形成を防止する
ことは不可能であり、例えばクロムを多量に含まない肌
焼鋼や構造用鋼の場合でも４００℃の温度では、ＮＨ３
やＮＨ３＋ＲＸの雰囲気下でも薄い酸化物層が形成され
る。クロム等酸素との親和力の大きい元素を多量に含む
鋼種ではこの傾向が更に強くなる。

このような酸化物の形成は、同一部品でも表面状態や加
工条件等によって変化し、結果的に不均一な窒化層を形
成していた。典型的な例として、たとえばオーステナイ
ト系のステンレスの加工硬化界等の場合は、処理炉に装
入する前にフッ硝酸洗浄して表面の不働態皮膜を完全に
除去しても、満足な窒化層を形成するのは殆ど不可能で
ある。

なお、窒化ムラについてはガス軟窒化のみでなく、窒化
鋼やステンレス鋼に対するアンモニアのみによる窒化（
ガス窒化）においても同様に発生する。又通常の構造用
鋼の場合でも歯車の如き形状の複雑な部品の場合窒化ム
ラが発生し易いという基本的な問題がある。

上記のような、ガス窒化、ガス軟窒化の木質的な問題点
を改良する手段として、塩化ビニル樹脂を処理物（ワー
ク）とともに炉に装入する方法や、ＣＨ３Ｃｌ等をふり
かけて２００〜３００℃に加熱し、ＭＣＩを発生させて
酸化物の発生を防止するとともにその除去をはかる方法
、或は予め表面にメツキを施して酸化物を抑制する方法
等が過去に提唱されたことがあるが、殆ど実用化されて
いないのが現状である。ＨＣＩによって鋼表叶・にＦｅ
Ｃｌ２、Ｆ　ｅ　Ｃｌ　３が生成されるが、これらは窒
化温度以下の温度で極めて脆く、しかも昇。

華、蒸発しやすいため、若干の酸化皮膜抑制効果はある
ものの取扱そのもの煩雑さと相まって実用的には有効と
は云えないのである。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記事情に鑑み、被処理物の酸化皮膜による窒
化ムラ等の発生を効果的に解消すること、およびこの目
的を達成するため、処理プロセス上シンプルなシステム
を提供することを課題としている。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明は次のような方法を提
供する。

すなわち、本発明にかかる鋼の窒化方法は、鋼材の表面
に窒素を反応させて硬質の窒化層を形成する鋼の窒化方
法において、鋼材を予めフッ素を含む反応ガス雰囲気中
に保持して表面層にフッ化物を生成した後窒化雰囲気中
で加熱して窒化層を形成することを特徴としている。

本発明で使用されるフッ素含有反応ガスとしては、例え
ばＮＦ３．ＢＦ３　、ＣＦ４　、ＳＦａ　、等のフッ素
化合物もしくはフッ素を含むハロゲンガスがある。これ
らフッ素化合物のうち、反応性、取扱い性等の面でＮＦ
３が最も優れており、実用的である。上記フッ素を微量
に含有する反応ガス雰囲気下で鋼の被加工物を例えばＮ
Ｆ３の場合１５０〜３５０℃の温度に加熱保持し、被加
工物表面をエツチングした後、公知の窒化用ガス、例え
ばアンモニアを用いて窒化処理（又は浸炭窒化処理）を
行なうのである。フッ素を含む反応ガス雰囲気のフッ素
濃度は例えば１０００〜１１００００ｐｐであり、該雰
囲気中での保持時間は、鋼種、ワークの形状寸法、加熱
温度等に応じて適当な時間を選べばよく、通常は十数分
乃至数十分である。

本発明の方法をより具体的に説明すると、鋼製のワーク
を例えば脱脂洗浄し、第１図に示すような熱処理炉１に
装入する。この炉１は、外殻２内に設けたヒータ３の内
側に内容器４を入れたビット炉で、ガス導入管５と排気
管６が挿入されている。ガス導入管５にはボンベ１５．
１６から流量計１７、バルブ１８等を経由してガスが供
給される。内部の雰囲気はモータ７で回転するファン８
によって撹拌される。ワーク１０は全鋼製のコンテナ１
１に入れて炉内に装入される。図中、１３は真空ポンプ
、１４は除害装置である。この炉中にフッ素を含む反応
ガス、例えばＮＦ３とＮ２の混合ガスを導入し、所定の
反応温度に加熱する。ＮＦ３は２５０〜４００℃の温度
で活性基のＦ分を発生し、このＦが鋼表面のＦｅ、Ｃｒ
素地或はＦｅＯ，Ｆｅ３Ｏ４，Ｃｒ２　ｏ３等の酸化物
と迅速に反応して、例えば次式に示す如く、表面にＦｅ
Ｆ２、ＦｅＦ３．ＣｒＦ２．ＣｒＦ４等の化合物を金属
組織中に含むごく薄いフッ化膜が形成される。

Ｆ　ｅ　Ｏ＋　２　Ｆ−＋Ｆ　ｅ　Ｆ　２　＋　１　／
　２０２Ｃｒ２０３　＋４Ｆ→２ＣｒＦ２　＋３／２０
２この反応により、ワーク表面の酸化皮膜はフッ化膜に
変換され、表面に吸着されついた０２も除去される。そ
して、このようなフッ化膜は、０２、Ｎ２．Ｎ２０が存
在しない場合６００℃以下の温度で安定であって後続の
窒化処理温度までの間における金属素地への酸化皮膜の
形成や０２の吸着を防止すると考えられる。゛ このように、フッ素を含有する反応ガスで処理したワー
クは、引続き４８０〜７００℃の窒化温度に加熱され、
ＮＨ３或はＮＨ３と炭素源を有するガス（例えばＲＸガ
ス）との混合ガスを添加すると、フッ化膜はＮ２又は微
量の水分によって例えば次式のように還元或いは破壊さ
れ、活性な金属素地が形成されると推測される。

ＣｒＦ４＋２Ｈ２−＋Ｃｒ＋４ＨＦ ２ＦｅＦ３＋３８．−＋２Ｆｅ＋６ＨＦこのように、活
性な金属素地が形成されると同時に活性基のＮが吸着さ
れて金属内に浸入、拡散してゆき、その結果、表面にＣ
ｒＮ、Ｆｅ２Ｎ、Ｆｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等の窒化物を含有
する化合物層が形成される。

このような化合物層が形成されるのは、従来の窒化法で
も同様であるが、従来法では、常温より窒化温度まで昇
温する間に形成される酸化皮膜や、このとき吸着される
０２分によって表面の活性度が低下しているので、Ｎの
表面吸着の度合が低く、不均一である。また、このよう
な不均一性は、ＮＨ，の分解の度合を炉内で均一に保つ
ことが実際上困難であることによっても拡大されるので
ある。本発明ではワーク表面におけるＮの吸着が均一か
つ迅速に行なわれるので、上記のような問題は生じない
。

上記本発明の操作プロセス上の大きな特徴は、フッ化膜
を形成させる反応ガスとしてＮＦ３の様な常温で反応性
がなく、ガス状の取扱い易い物質を用いることにより、
メツキ処理や固体のＰＶＣ液体の塩素源を用いるなどの
方法に比べて処理が連続操作となるなどプロセスがシン
プルな点にある。タフトライド方式は、窒化層の付き廻
り性や疲労強度の向上への効果等ですぐれた方法と云え
るが作業環境、公害設備等への大きな費用がかかる点で
将来に拓けた方法とは云えない。上記プロセスでは処理
廃ガスを除害化するための簡易な装置だけで充分であり
、タフトライド方式と同等以上の付き廻り性で窒化ムラ
の排除が可能となるほか、タフトライド方式が浸窒と同
時に浸炭も進行するのに比べて、純窒化のみも可能であ
る。

［実施例１および比較例１］ ＳＵＳ、３０５系加工硬化品（ネジ）をフロン洗浄した
のち、第１図に示すような処理炉１に入れ、ＮＦ３を５
０００ｐｐｍ含有するＮ２ガス雰囲気で３００℃で１５
分間保持した。その後５３０℃に加熱し、５０％ＮＨ３
＋５０％Ｎ２の混合ガスを炉内に導入して窒化処理を行
ない、しかるのち空冷して取り出した。

得られたワークの窒化層の厚みは均一で、その硬度は、
基材の部分が３６０〜３８０Ｈｖであるのに対し、表面
硬度が１１００〜１３００Ｈｖであった。

これに対し、比較例として同じワークをフロン洗浄後フ
ッ硝酸処理したのち上記炉に入れ、７５％ＮＨ３中で５
３０℃および５７０℃で３時間加熱したが、いずれの処
理でも形成された窒化層の厚みに大きなバラツキがあり
、全く窒化層が形成されていない部分が多かった。

上記実施例と比較例について、ＥＰＭＡで表面層の元素
分析を行なった結果を第２図に示す。また、両者の表面
付近の顕微鏡組織を第３図および第４図に示す。

［実施例２］ ５ＵＳ３０５のタッピンネジをアセトジ洗浄後第１回に
示す炉に入れＮＦ３を５０００ｐｐｍ含有するＮ、雰囲
気下で２８０℃１５分間保持その後４７０℃に昇温しＮ
２＋９０％Ｈ２下で３０分間保持した後２０％ＮＨ３＋
８０％ＲＸにて８Ｈ窒化して取り出した。

４０〜５０μの窒化層がネジの表面全体に形成されてい
たが、表面硬度はＨｕ＝６５０〜７５０この窒化層は５
％硫酸に対して、基材とそれ程遜色のない耐食性を示し
た。

［実施例３および比較例３］ エメリー研磨した熱間合型部品（ＳにＤ６１）をワーク
として第１図に示す炉に入れ、ＮＦ、を３０００ＰＰｍ
含有するＮ２雰囲気中で、３００℃で１５〜２０分間加
熱したのち、５７０℃まで加熱し５０％ＮＨ３＋５０％
Ｎ２の混合ガスで３時間処理した。その結果、表面硬度
ｔ　ｏｏｏ〜１１００Ｈｖ　（基材４５０〜５００Ｈｖ
）、厚さ１２０μｍの均一な窒化膜が得られた。

これに対し、比較例として、同じ部品をフッ硝酸洗浄し
たのち、５７０℃で３時間窒化処理したものの窒化膜は
、最も厚い所で９０〜１００μｍであり、バラツキが大
きく、しかも面荒れがひどかった。

［実施例３および比較例３］ 窒化１１（ＳＡＣＭＩ）を洗浄後、第１図に示す炉に入
れ、ＮＦ、５０００ｐｐｍを含むＮ２ガス中で２８０℃
にて２０分間保持し、その後５５０℃に昇温して７５％
ＮＨ３中で１２時間加熱したところ、得られた窒化層の
厚さは０゜４２ｍｍであった。比較例として従来法で同
じ部品を窒化した時の窒化層の厚さは０．２８ｍｍであ
った。

［実施例４］ 構造用炭素鋼（３４５Ｃ）の金型部品を洗浄後、ＮＦ３
ガスを５０００ｐｐｍ含有する雰囲気下で３００℃で２
０分間保持し、その後５３０℃に昇温してＮＨ３＋５０
％ＲＸにて４時間処理した後、油冷して取り出した。得
られた窒化層の硬度は４５０〜４８０Ｈｖであった。こ
のワークの回転曲げ疲労強度試験を行なった結果は４４
ｋｇ／ｍｍ２で、従来のガス軟窒化品に較べて同等又は
それ以上であった。

［発明の効果コ 以上の説明から明らかなように、本発明の窒化法は従来
のガス窒化、ガス軟窒化を改良するもので、均一な窒化
層を迅速に得ることが可能となった。また、鋼種、加工
段階、前処理状態等の如何にかかわらず良好な窒化層を
得ることができ、穴やスリットを有する部品でも窒化が
可能である。

さらに、オーステナイト系ステンレス鋼のような窒化困
難な鋼種に対しても、容易に窒化できる等の利点がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は処理炉の１例をあられす断面図、第２図は元素
分析結果を示すチャート、第３図、第４図は加工品の表
面層の顕微鏡組織写真である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋼材の表面に窒素を反応させて硬質の窒化層を形
   成する鋼の窒化方法において、鋼材を予めフッ素を含む
   反応ガス雰囲気中に保持して表面層にフッ化物膜を生成
   した後窒化雰囲気中で加熱して窒化層を形成することを
   特徴とする鋼の窒化方法。