JPH0365435B2 - - Google Patents

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JPH0365435B2
JPH0365435B2 JP60131556A JP13155685A JPH0365435B2 JP H0365435 B2 JPH0365435 B2 JP H0365435B2 JP 60131556 A JP60131556 A JP 60131556A JP 13155685 A JP13155685 A JP 13155685A JP H0365435 B2 JPH0365435 B2 JP H0365435B2
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iron alloy
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金型、治工具類及び機械部品などの鉄
合金材料の表面にクロムの窒化物あるいは炭窒化
物層を形成せしめる表面処理方法に関するもので
ある。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a surface treatment method for forming a chromium nitride or carbonitride layer on the surface of iron alloy materials such as molds, jigs, tools, and machine parts. It is something.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

鉄合金材料の方面にクロムの炭窒化物、窒化物
または炭窒化物から成る表面処理層を被覆する
と、鉄合金材料の耐摩耗性、耐焼付性、耐酸化
性、耐食性などの諸性質が改善されることはよく
知られている。この表面層を被覆する方法につい
て、近年多くの提案がなされている。例えば、塩
化物系の溶融塩浴中に鉄合金材料を浸漬してクロ
ムの炭化物層を形成しようとするもの(特開昭57
−200555号、特開昭58−197264号公報)あるいは
予め鉄合金材料に窒化処理を施した後にクロマイ
ジング処理を施してクロムの炭窒化物から成る表
面層を形成しようとするもの(特公昭42−24967
号、U.S.P.4242151号公報)などがある。
When a surface treatment layer consisting of chromium carbonitride, nitride, or carbonitride is coated on the iron alloy material, various properties such as wear resistance, seizure resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance of the iron alloy material are improved. It is well known that Many proposals have been made in recent years regarding methods of coating this surface layer. For example, a method attempts to form a chromium carbide layer by immersing an iron alloy material in a chloride-based molten salt bath (Japanese Unexamined Patent Publication No. 57
-200555, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 1972-20055) or chromizing treatment after nitriding the iron alloy material in advance to form a surface layer consisting of chromium carbonitride (Japanese Patent Publication No. 1972-1972) −24967
No., USP No. 4242151).

しかしながら、上記の方法では、いずれも鉄の
AC1変態点である約700℃より高い温度域で加熱
処理を行つているため、鉄合金材料の母材に歪み
が発生し、複雑形状の材料では割れるおそれがあ
る。また高熱のため作業環境が悪いなどの問題点
もある。
However, in all the above methods, iron
A Because the heat treatment is performed at a temperature higher than the C1 transformation point of approximately 700℃, distortion occurs in the base material of the iron alloy material, and there is a risk that materials with complex shapes may crack. There are also other problems, such as the high heat and poor working environment.

一方、700℃以下の温度域でクロムを含む表面
層を形成しようとする方法として、クロムのハロ
ゲン化物などを利用するCVD(化学的気相蒸着
法)やPVD(物理的気相蒸着法)などが提案され
ている。しかし、これらの方法においては、形成
された表面層のつきまわり性や密着性が良好なも
のを得ることは難しい。また、処理工程が複雑
で、装置が高価である。また水素中あるいは減圧
中で実施しなければならないので能率も悪い。
On the other hand, methods that attempt to form a surface layer containing chromium at temperatures below 700°C include CVD (chemical vapor deposition) and PVD (physical vapor deposition), which utilize chromium halides. is proposed. However, with these methods, it is difficult to obtain a formed surface layer with good throwing power and adhesion. Furthermore, the processing steps are complicated and the equipment is expensive. Furthermore, it is inefficient because it must be carried out in hydrogen or reduced pressure.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

本発明は上記従来の問題点を解消して、きわめ
て簡単な装置で、能率よく低温の加熱処理によ
り、母材に歪みを発生させることなく、鉄合金材
料に母材との密着性の優れたクロムの窒化物或い
は炭窒化物から成る表面層を形成する方法を提供
しようとするものである。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and uses an extremely simple device to perform efficient low-temperature heat treatment to produce iron alloy materials with excellent adhesion to the base material without causing distortion to the base material. The object of the present invention is to provide a method for forming a surface layer of chromium nitride or carbonitride.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は鉄合金材料の表面に鉄・窒素または
鉄・炭素・窒素の窒化物層を形成させる窒化処理
を施した後、該鉄合金材料と、クロム材料と、ア
ルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物、ホ
ウ弗化物、弗化物、酸化物、臭化物、ヨウ化物、
炭酸塩、硝酸塩、硼酸塩のうちの1種または2種
以上あるいはハロゲン化アンモニウム塩または金
属ハロゲン化物の一方または双方から成る処理材
とを共存せしめて、680℃以下において加熱処理
し、クロムを上記鉄合金材料表面に拡散せしめる
ことにより、鉄合金材料表面にクロムの窒化物あ
るいは炭窒化物から成る表面層を形成せしめるこ
とを特徴とする鉄合金材料の表面処理方法であ
る。
In the present invention, after performing a nitriding treatment to form a nitride layer of iron/nitrogen or iron/carbon/nitrogen on the surface of an iron alloy material, the iron alloy material, a chromium material, and an alkali metal or alkaline earth metal are combined. Chloride, borofluoride, fluoride, oxide, bromide, iodide,
Chromium is removed by heat treatment at 680°C or below in the presence of a treatment material consisting of one or more of carbonates, nitrates, borates, one or both of ammonium halides and metal halides. This is a method for surface treatment of an iron alloy material, characterized by forming a surface layer made of chromium nitride or carbonitride on the surface of the iron alloy material by diffusing it onto the surface of the iron alloy material.

本発明において、鉄合金材料はクロムの窒化物
あるいは炭窒化物層を表面に形成する被処理材で
ある。該鉄合金材料としては、炭素を含むもの例
えば炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、焼結合金等でもよ
く、また純鉄のような炭素を極くわずかしか含ま
ないものでもよい。また鉄合金材料鋳の炭素含有
量が多ければ、それだけ形成されるクロムの炭窒
化物層中の炭素量も増える。そのため形成される
表面層の炭素量を増やす目的で、窒化処理に先立
つて、浸炭処理等により表面部の炭素含有量を増
加させてもよく、窒化処理中に浸炭させてもよ
い。なお、工業用純鉄を被処理材とする場合に
は、母材中に含有される極く微量の炭素がクロム
の炭窒化物層に入る。
In the present invention, the iron alloy material is a material to be treated on which a chromium nitride or carbonitride layer is formed. The iron alloy material may be one containing carbon, such as carbon steel, alloy steel, cast iron, sintered alloy, or the like, or one containing very little carbon, such as pure iron. Furthermore, the greater the carbon content of the cast iron alloy material, the greater the amount of carbon in the formed chromium carbonitride layer. Therefore, in order to increase the amount of carbon in the surface layer formed, the carbon content of the surface portion may be increased by carburizing or the like prior to nitriding, or carburizing may be performed during nitriding. Note that when industrial pure iron is used as the material to be treated, a very small amount of carbon contained in the base material enters the chromium carbonitride layer.

窒化処理とは、鉄合金材料の表面に窒化(N)を拡
散させ、窒化物を形成するものである。この窒化
物層は、鉄と窒素とが反応した鉄の窒化物あるい
は鉄と窒素と母材中の炭素とが反応した鉄の炭窒
化から成る。なお該窒化物層の直下には窒素の鉄
への固溶体層(拡散層)が形成されている。そし
て、この鉄合金材料をクロム材料と共に加熱処理
することにより窒化物層にクロムが拡散し、クロ
ムと上記窒化物層中の鉄との置換反応が起こる。
この際、窒化物層が鉄の炭窒化層の場合にはクロ
ムの炭窒化物から成る表面層が形成され、また窒
化物層が鉄の窒化物層の場合にはクロムの窒化物
から成る表面層が形成される。該窒化処理した鉄
合金材料に形成され得る表面層の最大厚さは、窒
化物層の層厚さと同じであり、従つて表面層の厚
さは窒化処理によつて規定される。
Nitriding treatment is to diffuse nitride (N) onto the surface of an iron alloy material to form nitrides. This nitride layer is made of iron nitride, which is the reaction between iron and nitrogen, or iron carbonitride, which is the reaction between iron, nitrogen, and carbon in the base material. Note that a solid solution layer (diffusion layer) of nitrogen into iron is formed directly below the nitride layer. Then, by heat-treating this iron alloy material together with a chromium material, chromium diffuses into the nitride layer, and a substitution reaction between chromium and iron in the nitride layer occurs.
At this time, if the nitride layer is an iron carbonitride layer, a surface layer consisting of chromium carbonitride is formed, and if the nitride layer is an iron nitride layer, a surface layer consisting of chromium nitride is formed. A layer is formed. The maximum thickness of the surface layer that can be formed on the nitrided iron alloy material is the same as the layer thickness of the nitride layer, and therefore the thickness of the surface layer is defined by the nitriding treatment.

窒化処理の方法としては、ガス窒化、ガス軟窒
化、塩浴軟窒化、グロー放電窒化など如何なる方
法でもよい。窒化物層の窒化濃度は高い方が望ま
しく、また窒化物層厚さは深い方が望ましいが、
最も望ましいのは窒化物層厚さが3〜15μmの範
囲である。窒化物層厚さが浅すぎると形成される
クロムの窒化物あるいは炭窒化物層の厚さが薄く
なり、一方深すぎると鉄号き材料の靭性が低下す
るおそれがある。
Any method such as gas nitriding, gas soft nitriding, salt bath soft nitriding, glow discharge nitriding, etc. may be used as the nitriding method. It is desirable that the nitride concentration of the nitride layer be high, and that the nitride layer be thick.
Most preferably, the nitride layer thickness is in the range of 3 to 15 μm. If the nitride layer thickness is too shallow, the thickness of the chromium nitride or carbonitride layer formed will be thin, while if it is too deep, the toughness of the iron grade material may decrease.

鉄合金材料に上記立化処理を施した後、該鉄合
金材料とクロム材料とを共存させて加熱処理す
る。
After subjecting the iron alloy material to the above-mentioned vertical treatment, the iron alloy material and the chromium material are allowed to coexist and are heat treated.

この加熱処理は、鉄合金材料の表面にクロムを
拡散させて、クロムの窒化物あるいは炭窒化物か
ら成る表面層を形成するものである。
This heat treatment diffuses chromium onto the surface of the iron alloy material to form a surface layer made of chromium nitride or carbonitride.

上記クロム最良とは、鉄合金材料の表面に拡散
するクロムを供給するものであり、クロムを含む
金属あるいはクロム化合物等を用いる。クロムを
含む金属としては、純クロムやフエロクロム等の
クロム合金が挙げられ、クロム化合物としては、
CrCl3、CrF6、Cr2O3、K2CrO3等のクロムの塩化
物、弗化物、酸化物等が挙げられる。しかして、
これらクロム材料のうち1種または2種以上を用
いるが、純クロムを用いるのが最も実用的であ
る。
The above-mentioned chromium material supplies chromium that diffuses onto the surface of the iron alloy material, and uses a metal containing chromium, a chromium compound, or the like. Examples of metals containing chromium include chromium alloys such as pure chromium and ferrochrome, and examples of chromium compounds include:
Examples include chlorides, fluorides, and oxides of chromium such as CrCl 3 , CrF 6 , Cr 2 O 3 , and K 2 CrO 3 . However,
Although one or more of these chromium materials are used, it is most practical to use pure chromium.

また、前記処理剤は、クロムが鉄合金材料の表
面に拡散する媒介となる働きを有している。該処
理剤としては、アルカリ金属またはアルカリ土類
金属の塩化剤、弗化物、ホウ弗化物、酸化物、臭
化物、ヨウ化物、炭酸塩、硝酸塩、硼酸塩のうち
の1種または2種以上から成るアルカリ金属また
はアルカリ土類金属の化合物、あるいはハロゲン
化アンモニウム塩または金属ハロゲン化物の一方
または双方から成るものであり、加熱処理方法に
よつて適宜選択して使用する。
Further, the treatment agent has the function of acting as a medium for chromium to diffuse into the surface of the iron alloy material. The treatment agent consists of one or more of alkali metal or alkaline earth metal chlorinating agents, fluorides, boric fluorides, oxides, bromides, iodides, carbonates, nitrates, and borates. It consists of an alkali metal or alkaline earth metal compound, or one or both of an ammonium halide salt and a metal halide, and is appropriately selected and used depending on the heat treatment method.

例えば上記アルカリ金属またはアルカリ土類金
属の化合物としては、NaCl、CaCl2、LiCl、
NaF、KF、LiF、KBF4、Na2CO3、LiCO3
KCO3、NaNO3、Na2O等が挙げられ、これらの
うちの1種または2種以上を使用する。また、ハ
ロゲン化アンモニウム塩としては、NH4Cl、
NH4Br、NH4I、NH4F等が挙げられ、金属ハロ
ゲン化物としては、CrI2、CrBr3、TiF4、VCl3
TiBr4等が挙げられ、これらのうちの1種または
2種以上を使用する。なおTiやVを含む化合物
を使用する場合には、Crと同時にTi、Vが含ま
れた表面層が形成される可能性がある。
For example, the alkali metal or alkaline earth metal compounds include NaCl, CaCl 2 , LiCl,
NaF, KF, LiF, KBF4 , Na2CO3 , LiCO3 ,
Examples include KCO 3 , NaNO 3 , Na 2 O, etc., and one or more of these are used. In addition, halogenated ammonium salts include NH 4 Cl,
Examples include NH 4 Br, NH 4 I, NH 4 F, etc., and examples of metal halides include CrI 2 , CrBr 3 , TiF 4 , VCl 3 ,
Examples include TiBr 4 and the like, and one or more of these are used. Note that when using a compound containing Ti or V, there is a possibility that a surface layer containing Ti and V at the same time as Cr is formed.

また、処理剤としてCrCl3等のクロムハロゲン
化物を使用する場合、前記クロム材料として兼用
することもできる。
Further, when a chromium halide such as CrCl 3 is used as a treatment agent, it can also be used as the chromium material.

加熱処理方法としては、処理温度においてこれ
ら処理剤が溶融状態にあるか固体状態にあるかに
よつて、溶融塩浸漬法、溶融塩電解法、粉末法等
がある。
Heat treatment methods include a molten salt immersion method, a molten salt electrolysis method, a powder method, and the like, depending on whether the processing agent is in a molten state or a solid state at the treatment temperature.

上記溶融塩浸漬法とは、前記処理剤を溶融して
溶融浴を形成し、該溶融浴にクロム材料と鉄合金
材料とを浸漬するものである。この方法で用いる
処理剤は、前記処理剤のうちのアルカリ金属また
はアルカリ土類金属の塩化物、弗化物、ホウ弗化
物、炭酸塩、硝酸塩、酸化物、硼酸塩の1種また
は2種以上、あるいは加熱処理温度以下の温度で
溶融し蒸発しない金属ハロゲン化物を使用する。
なお、溶融状態を良好にするため、NaClと
CaCl2との組合わせのように2種類以上の上記化
合物を使用するのが望ましい。更に溶融浴の粘性
を調節するなどの目的ためにAl2O3、ZrO2等の酸
化物やNaCN等のシアン化合物等を添加してもよ
い。
The molten salt immersion method is a method in which the treatment agent is melted to form a molten bath, and the chromium material and the iron alloy material are immersed in the molten bath. The processing agent used in this method includes one or more of the above-mentioned processing agents, including chlorides, fluorides, borate fluorides, carbonates, nitrates, oxides, and borates of alkali metals or alkaline earth metals; Alternatively, a metal halide that melts and does not evaporate at a temperature below the heat treatment temperature is used.
In addition, in order to improve the melting state, NaCl and
It is desirable to use two or more of the above compounds, such as in combination with CaCl 2 . Furthermore, oxides such as Al 2 O 3 and ZrO 2 and cyanide compounds such as NaCN may be added for the purpose of adjusting the viscosity of the molten bath.

上記溶融浴にクロム材料を浸漬するのは、溶融
浴中にクロムを溶入させるためである。クロム材
料を浸漬する手段としては、前記純クロム等のク
ロム材料を粉末状(好ましくは200メツシユ以下)
または薄板状で溶融浴に添加する方法あるいは棒
状または板状のクロム材料を陽極として溶融浴中
に浸漬して電解しクロム陽極溶解させる方法等が
あるが、上記陽極溶解によりクロムを溶入する場
合には、クロムが迅速に溶入して作業能率を向上
させることができ、しかも未溶解のクロム材料が
浴底に堆積するとはないという点で有利である。
なお、この場合の陽極としては溶融浴の容器また
は他に挿入した導電性物質を使用する。陽極溶解
するときの陽極電流密度は、これを大きくすれば
溶入速度は大きくなるが、電解しなくても溶入す
ることから考えても比較的低い電流密度で充分で
ある。実用上は0.1〜0.8A/cm2が適当である。
The reason why the chromium material is immersed in the molten bath is to dissolve chromium into the molten bath. As a means of dipping the chromium material, the chromium material such as the above-mentioned pure chromium is immersed in powder form (preferably 200 mesh or less).
Alternatively, there are methods such as adding it to the molten bath in the form of a thin plate, or immersing a rod-shaped or plate-shaped chromium material as an anode in the molten bath and electrolyzing it to dissolve the chromium anode. However, when chromium is dissolved by the above-mentioned anodic dissolution, This is advantageous in that chromium can be dissolved quickly to improve work efficiency, and undissolved chromium material is not deposited on the bottom of the bath.
In this case, as the anode, a conductive substance inserted into the molten bath container or elsewhere is used. If the anode current density during anodic melting is increased, the infiltration rate will increase, but considering that infiltration occurs even without electrolysis, a relatively low current density is sufficient. Practically speaking, 0.1 to 0.8 A/cm 2 is appropriate.

浴中に溶入したクロムは鉄合金材料の窒化処理
により形成された窒化物層表面に拡散してクロム
の窒化物あるいは炭窒化物層を形成する。
The chromium dissolved in the bath diffuses onto the surface of the nitride layer formed by nitriding the iron alloy material, forming a chromium nitride or carbonitride layer.

なお溶融浴の容器としては黒鉛や鋼などが用い
られるが、実用上は鋼で充分である。
Graphite, steel, etc. are used as the container for the molten bath, but steel is sufficient for practical use.

また前記溶融塩電解法とは、処理剤を溶融せし
めた浴にクロム材料を浸漬しクロムを溶入せしめ
た状態で、該溶融浴に鉄合金材料を陰極として浸
漬し、電解処理を行うものである。なおこの場
合、陰極として浴の容器または別に挿入した導電
性物質を用いる。
The above-mentioned molten salt electrolysis method is a method in which a chromium material is immersed in a bath in which a treatment agent is melted to infiltrate the chromium, and an iron alloy material is immersed as a cathode in the molten bath to perform electrolytic treatment. be. In this case, a bath container or a separately inserted conductive substance is used as the cathode.

処理剤としては、上記溶融塩浸漬法と同様なも
のを使用し、該処理剤を溶融した浴にクロム材料
を浸漬してクロムを溶入する手段も前記溶融浴塩
浸漬法と同様な方法でよい。また処理剤の溶融浴
にクロム材料を陽極、鉄合金材料を陰極として浸
漬し、電解処理を行うこともできる。この場合、
クロムの陽極溶解と表面層の形成とを同時に行う
ことができるというメリツトがある。
As the treatment agent, the same one as in the molten salt immersion method is used, and the means for infiltrating chromium by immersing the chromium material in a bath containing the treatment agent is also the same as in the molten bath salt immersion method. good. Alternatively, electrolytic treatment can be carried out by immersing a chromium material in a molten bath of a treatment agent as an anode and an iron alloy material as a cathode. in this case,
It has the advantage that the anodic melting of chromium and the formation of the surface layer can be performed simultaneously.

また鉄合金材料を浸漬して電解処理を行う陰極
電流密度は2A/cm2以下、実用的には0.8〜
0.05A/cm2が適当である。
In addition, the cathode current density for electrolytic treatment by immersing iron alloy materials is 2A/ cm2 or less, and practically 0.8~
0.05A/cm 2 is appropriate.

なお、上記溶融塩浸漬法、溶融塩電解法とも大
気雰囲気あるいは保護ガス(N2、Ar等)中いず
れもにても処理が可能である。
It should be noted that both the molten salt immersion method and the molten salt electrolysis method described above can be carried out in the air or in a protective gas (N 2 , Ar, etc.).

次に粉末法とは、前記処理剤とクロム材料との
混合粉末及び鉄合金材料を共存させ、加熱するも
のである。
Next, in the powder method, a mixed powder of the treatment agent, a chromium material, and an iron alloy material are allowed to coexist and heated.

該粉末法において、処理剤とクロム材料との混
合粉末及び鉄合金材料と共存させる方法としては
次のものがある。即ち、埋設法と一般に言われて
いる鉄合金材料を上記混合粉末中に埋めこむ方
法、ペースト法と一般に言われている鉄合金材料
の表面に上記混合粉末を被覆する方法、非接触法
と一般に言われている一定の空間内に鉄合金材料
と上記混合粉末とを非接触状態で配置する方法、
及び流動層法と一般に言われている上記混合粉末
を流動状態として流動層を形成し該流動層に鉄合
金材料を挿入する方法がある。
In the powder method, the following methods can be used to make the treatment agent coexist with the mixed powder of the chromium material and the iron alloy material. In other words, there are two methods: embedding the iron alloy material in the mixed powder, which is generally called the embedding method, coating the surface of the iron alloy material with the mixed powder, which is generally called the paste method, and the non-contact method, which is generally called the paste method. A method of arranging an iron alloy material and the above mixed powder in a non-contact state in a certain space,
There is also a method generally called the fluidized bed method, in which the mixed powder is brought into a fluidized state to form a fluidized bed, and an iron alloy material is inserted into the fluidized bed.

上記粉末法で用いる処理剤はアルカリ金属また
はアルカリ土類金属の塩化剤、弗化物、臭化物、
ヨウ化物、ホウ弗化物のうちの1種または2種以
上あるいはハロゲン化アンモニウム塩または金属
ハロゲン化物の一方または双方から成るものであ
る。なお、粉末法の中でも流動層の場合には、上
記金属ハロゲン化物は加熱処理温度以下の温度で
昇華または蒸発するもの(TlF4、VF3、TiBr4
等)を使用する。これは、加熱処理温度以下の温
度で昇華または蒸発しない金属ハロゲ化物を使用
すると、処理剤から発生しクロムの拡散の働きに
寄与するガスの発生量が少なく生成する層の厚さ
が薄くなるためである。
The processing agents used in the above powder method include alkali metal or alkaline earth metal chlorinating agents, fluorides, bromides,
It consists of one or more of iodide, boron fluoride, ammonium halide salt, or metal halide, or both. In addition, among the powder methods, in the case of a fluidized bed, the above-mentioned metal halides are those that sublimate or evaporate at a temperature below the heat treatment temperature (TlF 4 , VF 3 , TiBr 4
etc.). This is because when a metal halide that does not sublimate or evaporate at temperatures below the heat treatment temperature is used, the amount of gas generated from the treatment agent that contributes to the diffusion of chromium is reduced, resulting in a thinner layer. It is.

処理剤とクロム材料との配合割合は、クロム材
料に対して0.5〜20重量%(以下重量%を%とす
る)の処理剤が含まれる範囲が望ましい。この範
囲外であると連続的にクロムの窒化物あるいは炭
窒化物から成る表面層を形成することが困難にな
り、またこの範囲の中心に近づくと、連続的な表
面層形成が容易になる傾向にある。
The mixing ratio of the treatment agent and the chromium material is preferably within a range of 0.5 to 20% by weight (hereinafter referred to as % by weight) of the treatment agent relative to the chromium material. Outside this range, it becomes difficult to form a continuous surface layer consisting of chromium nitride or carbonitride, and as you approach the center of this range, it tends to become easier to form a continuous surface layer. It is in.

また処理剤とクロム材料との混合粉末の粒度
は、埋設法、ペースト法、非接触法を実施する場
合JISNo.100のフルイ通過程度でよい。これより粗
くとも細かくとも特に大きな影響はない。また流
動層法を実施する場合60〜350メツシユの粒度の
範囲のものが好ましい。60メツシユより粗いと混
合粉末を流動化させるために多量のガスを必要と
し、しかも表面層形成が進みにくい。逆に350メ
ツシユより細かくなると混合粉末が浮遊しやすく
なり、取り扱いが困難になる。
In addition, the particle size of the mixed powder of the treatment agent and chromium material may be such that it can pass through a JIS No. 100 sieve when using the embedding method, paste method, or non-contact method. Whether it is coarser or finer than this, there is no particular effect. Further, when carrying out the fluidized bed method, particles having a particle size in the range of 60 to 350 mesh are preferred. If the mesh is coarser than 60, a large amount of gas is required to fluidize the mixed powder, and the formation of a surface layer is difficult to proceed. On the other hand, if the powder is finer than 350 mesh, the mixed powder tends to float and becomes difficult to handle.

混合粉末法には上記処理剤とクロム材料以外に
添加剤を加えることができる。たとえばペースト
法を実施する場合デキストリン、水ガラス等の粘
着剤を添加することができる。また処理剤の種類
によつては加熱処理中に固化しやすい傾向のもの
もある。この場合にはアルミナ(Al2O3)等の不
活性粉末を添加することができる。更にクロム材
料と処理の組合わせによつては表面層形成効果の
乏しい組合わせもある。かかる場合には従来活性
剤として公知のハロゲン化物を添加し、表面層形
成高価を高めることができる。これらの添加物の
添加量は目的に応じて任意に選択することができ
る。
In the mixed powder method, additives can be added in addition to the above-mentioned processing agent and chromium material. For example, when carrying out a paste method, an adhesive such as dextrin or water glass can be added. Furthermore, some types of processing agents tend to solidify easily during heat treatment. In this case, inert powder such as alumina (Al 2 O 3 ) can be added. Furthermore, some combinations of chromium materials and treatments have poor surface layer formation effects. In such cases, a conventionally known halide as an activator can be added to increase the cost of forming the surface layer. The amount of these additives added can be arbitrarily selected depending on the purpose.

以下、粉末法の具体例である埋設法、ペースト
法、非接触法及び流動層法について詳しく説明す
る。
Hereinafter, concrete examples of the powder method, such as the embedding method, the paste method, the non-contact method, and the fluidized bed method, will be explained in detail.

埋設法では一定の容器の処理剤とクロム材料と
の混合粉末を入れその粉末中に被処理剤たる鉄合
金材料を埋めこみ、大気下の加熱炉あるいは雰囲
気炉に容器を入れ、容器ごと鉄合金材料を加熱す
る方法である。なお容器の開口部に外気の侵入を
防止するためアルミナ等の不活性粉末あるいは鉄
−ボロン粉末等の金属分毎を設けることがある。
In the burying method, a mixed powder of a treatment agent and a chromium material is placed in a certain container, the iron alloy material to be treated is embedded in the powder, the container is placed in a heating furnace in the atmosphere or an atmosphere furnace, and the iron alloy material is removed together with the container. This is a method of heating. In order to prevent outside air from entering the opening of the container, an inert powder such as alumina or a metal layer such as iron-boron powder may be provided.

ペースト法とし混合粉末に例えばデキストリン
水溶液、グリセリン、水ガラス、エチレングリコ
ールとアルコール等の粘着剤を添加し、混合粉末
をペースト化して使用するものである。この混合
粉末のペーストは鉄合金材料の表面に通常1mm以
上の厚さで被覆される。ペーストを被覆された鉄
合金材料は通常容器に入れられて加熱炉で加熱さ
れる。雰囲気は大気中でよいが非酸化性雰囲気下
ではペーストの皮膚層を薄くすることができる。
またこのペースト法ではペーストの被覆された表
面部のみに表面層が形成されるため鉄合金材料の
任意の一部表面部のみに表面層を形成することが
できる。
In the paste method, an adhesive such as an aqueous dextrin solution, glycerin, water glass, ethylene glycol and alcohol is added to the mixed powder to form a paste. The paste of this mixed powder is coated on the surface of the iron alloy material to a thickness of usually 1 mm or more. The paste-coated iron alloy material is usually placed in a container and heated in a heating furnace. The atmosphere may be air, but the skin layer of the paste can be made thinner in a non-oxidizing atmosphere.
Further, in this paste method, the surface layer is formed only on the surface portion covered with the paste, so the surface layer can be formed only on an arbitrary part of the surface portion of the iron alloy material.

非接触法とは一定の密閉空間中に鉄合金材料と
混合粉末を共存させるものである。具体的には容
器の開口部近くに混合粉末を配置して外気の侵入
を防止し、容器中の混合粉末と接触しない位置に
鉄合金材料を配置する方法で加熱処理を実施す
る。この方法は鉄合金材料と混合粉末とが接触し
ていないため作業上の利点がある。
The non-contact method involves making the iron alloy material and mixed powder coexist in a certain closed space. Specifically, the heat treatment is performed by placing the mixed powder near the opening of the container to prevent outside air from entering, and placing the iron alloy material at a position where it does not come into contact with the mixed powder in the container. This method has operational advantages because the iron alloy material and the mixed powder are not in contact with each other.

流動層法とは、流動層式炉を用いるものであ
り、混合粉末が流動中に固まりとなるのを防ぐた
めのアルミナ等の耐火物を上記混合粉末に添加し
た粉末と鉄合金材料とを上記炉中に配置し、更に
流動化ガスを導入して粉末が流動化した流動層状
態にするものである。この方法で加熱処理を実施
するときわめて平滑な表面層を得ることができ、
さらに流動層の温度分布が均一であるので、均一
な厚さの表面層を形成することができる。流動化
ガスとしては、アルゴンガス等の不活性ガスや窒
素ガス等の非酸化性ガスを使用することができ
る。また流動化ガスの流速流動層中で50cm/分以
上とするのが、表面層の粉末の付着がなく望まし
い。ガス圧としては、取り扱い上0.5〜2Kg/cm2
の範囲がよい。
The fluidized bed method uses a fluidized bed furnace, in which a refractory material such as alumina is added to the mixed powder to prevent the mixed powder from forming lumps during fluidization, and the above-mentioned iron alloy material is added to the mixed powder. The powder is placed in a furnace and fluidized gas is introduced to create a fluidized bed state in which the powder is fluidized. When heat-treated using this method, an extremely smooth surface layer can be obtained.
Furthermore, since the temperature distribution of the fluidized bed is uniform, a surface layer of uniform thickness can be formed. As the fluidizing gas, an inert gas such as argon gas or a non-oxidizing gas such as nitrogen gas can be used. Further, it is desirable that the flow rate of the fluidizing gas be 50 cm/min or more in the fluidized bed to avoid adhesion of powder on the surface layer. Gas pressure is 0.5-2Kg/cm 2 for handling purposes.
A range of is good.

以上のような加熱処理の加熱温度は680℃以下
とする必要がある。680℃より高い温度では鉄合
金材料の母剤が歪みを受けてしまう。またその下
限温度としては450℃とするのが望ましい。450℃
より低温で加熱処理を施した場合、クロムの窒化
物あるいは炭窒化物から成る表面層の形成速度は
非常に遅い。実用上はダイス鋼の高温焼戻し温
度、構造用鋼の焼戻し温度の500〜650℃が望まし
い。
The heating temperature of the above heat treatment needs to be 680°C or less. At temperatures higher than 680°C, the matrix of the iron alloy material is subject to distortion. Further, it is desirable that the lower limit temperature is 450°C. 450℃
When heat treatment is performed at a lower temperature, the rate of formation of a surface layer of chromium nitride or carbonitride is very slow. Practically speaking, the high temperature tempering temperature for die steel is preferably 500 to 650°C, which is the tempering temperature for structural steel.

加熱処理の処理時間が長長なれば表面層中のク
ロム含有量が増加する。さのため処理時間は所望
とするクロム含有量により定まるが、1〜50時間
の範囲で選ばれる。
As the heat treatment time increases, the chromium content in the surface layer increases. Therefore, the treatment time is determined depending on the desired chromium content, and is selected within the range of 1 to 50 hours.

また形成する表面層の厚さは3〜45μm程度が
実用的である。
Further, the practical thickness of the surface layer to be formed is about 3 to 45 μm.

〔作用〕[Effect]

本発明によるクロムの窒化物あるいは炭窒化物
から成る表面層の形成機構は明確ではないが、本
発明者らがマイクロアナライザ分析や処理時間と
厚さの関係などから判断すると、以下のようにな
つていると考えられる。なお、以下の説明はクロ
ムの炭窒化物層を形成する機構についてである
(以下のm、n、o、pはそれぞれ数字を表す)。
Although the formation mechanism of the surface layer made of chromium nitride or carbonitride according to the present invention is not clear, the inventors have determined from microanalyzer analysis and the relationship between processing time and thickness that it is as follows. It is thought that Note that the following explanation is about the mechanism of forming a chromium carbonitride layer (m, n, o, and p below each represent a number).

まず被処理材である鉄合金材料に窒化処理が施
すことにより、外部から供給される窒素(N)が鉄合
金材料の表面部の鉄(Fe)及び炭素(C)と反応し
てFem(C、N)oの形で窒化物層が形成される。
またこの窒化物層の直下には、窒素固溶体(Fe
−Nの形)も形成される。
First, by applying nitriding treatment to the iron alloy material, which is the material to be treated, nitrogen (N) supplied from the outside reacts with iron (Fe) and carbon (C) on the surface of the iron alloy material. , N) o a nitride layer is formed.
Also, directly below this nitride layer is a nitrogen solid solution (Fe
-N shape) is also formed.

その後鉄合金材料に加熱処理を施すことによ
り、上記窒化物層に外部からのクロム(Cr)が
拡散する。この拡散はFem(C、N)oのFeとCrと
が置換する反応であり、窒化物層は(Cr、Fe)p
(C、N)pに変化する。そしてFem(C、N)o層が
すべて(Cr、Fe)p(C、N)pに変化するとそれ以
上(Cr、Fe)p(C、N)p層の成長はない。なお
(Cr、Fe)p(C、N)p層においては表面ほどCrが
多く、母材に近いほどFeが多い傾向にある。従
つて条件によつては表面部のFe量は著しく小さ
く、Crp(C、N)pと表示するのが妥当な場合もあ
る。
Thereafter, by subjecting the iron alloy material to heat treatment, chromium (Cr) from the outside is diffused into the nitride layer. This diffusion is a reaction in which Fe and Cr in Fem(C,N) o are substituted, and the nitride layer is (Cr,Fe) p
(C, N) changes to p . When all the Fem (C, N) o layers change to (Cr, Fe) p (C, N) p , there is no further growth of (Cr, Fe) p (C, N) p layers. Note that in the (Cr, Fe) p (C, N) p layer, there is a tendency for the surface to have more Cr, and the closer to the base material, the more Fe. Therefore, depending on the conditions, the amount of Fe at the surface may be extremely small, and it may be appropriate to express it as Cr p (C, N) p .

従つて、形成される表面層の厚さは最初の窒化
処理により形成される窒化物層の厚さと同じであ
る。そのため窒化処理の条件によつて表面層の最
大層厚さを規定することができる。またすべての
Fem(C、N)o層が(Cr、Fe)p(C、N)pに変化
するまでの間は表面側に(Cr、Fe)p(C、N)p
層、母材側にFem(C、N)o層のそ材する二層か
ら成る表面層が存在している。そしてこの表面層
の厚さほ最初のFem(C、N)o層の厚さにほぼ等
しい。
Therefore, the thickness of the surface layer formed is the same as the thickness of the nitride layer formed by the initial nitriding process. Therefore, the maximum layer thickness of the surface layer can be determined by the conditions of the nitriding treatment. Also all
Until the Fem (C, N) o layer changes to (Cr, Fe) p (C, N) p , (Cr, Fe) p (C, N) p
On the base material side, there is a surface layer consisting of two layers, the Fem(C,N) layer and the other layer. The thickness of this surface layer is approximately equal to the thickness of the first Fem(C,N) o layer.

またクロムの窒化物から成る表面層を形成する
場合についても、表面層形成機構は上記と同様で
ある。
Also, when forming a surface layer made of chromium nitride, the surface layer formation mechanism is the same as described above.

これは本発明方法が680℃以下という低温で加
熱処理を行つているためであり、このような機構
での、したがつてこのような処理時間−厚さ関係
を持つ表面層の形成はこれまで知られていない。
本発明方法では、実施例1の第1図に表されるよ
うに加熱処理を550℃で行つた場合(曲線A)の
表面層厚さ(Fem(C、N)o層の厚さと(Cr、
Fe)p(C、N)p層厚さの合計厚さ)は加熱処理時
間には影響されていない。それに対して1000℃と
いう高温で加熱処理を行つた場合(曲線S1)に
は加熱処理時が長くなれば一般に拡散処理と同じ
く表面層厚さも増加している。
This is because the method of the present invention performs heat treatment at a low temperature of 680°C or less, and thus the formation of a surface layer with such a treatment time-thickness relationship using such a mechanism has never been done before. unknown.
In the method of the present invention, as shown in FIG. 1 of Example 1, when the heat treatment is performed at 550°C (curve A), the surface layer thickness (Fem(C,N ) ,
Fe) p (total thickness of C, N) p layer thickness) is not affected by heat treatment time. On the other hand, when heat treatment is performed at a high temperature of 1000° C. (curve S1), the longer the heat treatment is, the more the surface layer thickness generally increases, as in the case of diffusion treatment.

なお実用上には鉄・炭素・窒素の窒化物層を全
部(Cr、Fe)p(C、N)p層に変えてしまう必要は
ない。2つの層の共存する状態でも全部が(Cr、
Fe)p(C、N)p層に変わつた状態でもよい(鉄・
窒素の窒化物層をクロムの窒化物から成る表面層
に変える場合についても同様)。
In addition, in practical use, it is not necessary to change all the iron, carbon, and nitrogen nitride layers to (Cr, Fe) p (C, N) p layers. Even in the state where two layers coexist, all (Cr,
Fe) p (C, N) It may be in a state changed to p layer (Fe)
The same applies to the case where the nitrogen nitride layer is changed to a surface layer consisting of chromium nitride).

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、鉄・窒素あるいは鉄・炭素・
窒素の窒化物層を形成後、680℃以下で前記特定
の処理材を用いクロム拡散処理を行うので、低温
においても鉄合金材料にクロムの窒化物あるいは
炭窒化物から成る優れた表面層を形成することが
できる。
According to the present invention, iron/nitrogen or iron/carbon/
After forming the nitrogen nitride layer, chromium diffusion treatment is performed using the above-mentioned specific treatment material at a temperature below 680°C, so an excellent surface layer consisting of chromium nitride or carbonitride can be formed on the iron alloy material even at low temperatures. can do.

また低温で鉄合金材料を加熱するため材料の母
材に歪みが発生しにくい。更に低温処理による操
作性が良好であり、多大のエネルギーを必要とし
ない。
Additionally, since the iron alloy material is heated at a low temperature, distortion is less likely to occur in the base material. Furthermore, it has good operability due to low temperature treatment and does not require a large amount of energy.

また本発明による層は拡散によつて形成される
ため、低温で処理するにもかかわらず、拡散反応
のないPVDによる炭化物層、窒化物層の場合と
異なり母材との密着性に優れ、緻密な表面像を形
成することができる。
In addition, since the layer according to the present invention is formed by diffusion, it has excellent adhesion to the base material and is dense even though it is processed at low temperatures, unlike the case of carbide and nitride layers made by PVD, which do not have a diffusion reaction. A surface image can be formed.

また、本発明によつて形成された窒化物層等は
層境界部に鉄量が多く、該層と母材との熱膨張係
数が接近しているため、耐熱衝突性に優れてお
り、溶融アルミニウム中で使用する場合のように
熱衝突が加わつても剥離等が起こりにくい。
In addition, the nitride layer etc. formed by the present invention has a large amount of iron at the layer boundary and the thermal expansion coefficients of the layer and the base material are close to each other, so it has excellent thermal collision resistance and Peeling is less likely to occur even when subjected to thermal collisions, such as when used in aluminum.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を説明する。なお%は重
量%を意味する。
Examples of the present invention will be described below. Note that % means weight %.

実施例 1 直径6mm、長さ30mmのJIS・SKH51丸棒試片を
570℃の塩浴中に2時間浸漬して塩浴窒化処理を
施した。次にCaCl252モル%のNaCl48モル%と
の混合物の入つた耐熱鋼容器を大気中の電気炉に
て加熱して550℃の溶融塩浴を形成し、更に浴中
に−100メツシユの純クロム粉末を上記溶融塩浴
に対して20%添加した。この550℃の溶融塩浴に
上記窒化処理した試片を1〜25時間浸漬後、取り
出して油冷した。付着浴剤を洗滌除去後、断面を
研磨して、断面組織の観察により表面に形成され
た層の厚さを測定した。その結果を第1図の曲線
Aに示す。この曲線Aにおいて浸漬時間0時の厚
さとは最初の窒化処理により形成された窒化物層
の厚さであり、1hr以降の厚さは該窒化物層とク
ロムの炭窒化物層との合計厚さ(全表面層の厚
さ)である(なお、Crの炭窒化物層の厚さを曲
線Bに示す。)。全表面層の厚さは処理時間が異な
つてもほとんど同じであり、約4μmであつた。
Example 1 A JIS/SKH51 round bar specimen with a diameter of 6 mm and a length of 30 mm
Salt bath nitriding treatment was performed by immersing the sample in a salt bath at 570°C for 2 hours. Next, a heat-resistant steel container containing a mixture of 52 mol% CaCl 2 and 48 mol% NaCl was heated in an electric furnace in the atmosphere to form a molten salt bath at 550°C, and -100 mesh of pure salt was added to the bath. 20% chromium powder was added to the molten salt bath. The nitrided sample was immersed in this 550°C molten salt bath for 1 to 25 hours, then taken out and cooled in oil. After washing off the adhering bath agent, the cross section was polished and the thickness of the layer formed on the surface was measured by observing the cross-sectional structure. The results are shown in curve A in FIG. In this curve A, the thickness at immersion time 0 is the thickness of the nitride layer formed by the first nitriding treatment, and the thickness after 1 hour is the total thickness of the nitride layer and the chromium carbonitride layer. (the thickness of the entire surface layer) (the thickness of the Cr carbonitride layer is shown in curve B). The thickness of the total surface layer was almost the same for different treatment times and was approximately 4 μm.

なお9時間浸漬処理して形成された表面層の断
面組織の顕微鏡写真(倍率400倍)を第2図に示
す。該表面層は表面の滑らかな層であり、しかも
層と母剤との境界は複雑に入り組み密着性に優れ
た被覆層である。またX線マイクロアナライザー
による分析では第3図に示すように表面層中には
CrとともにNとCとが認められた。表面からの
分析結果によると、約60%のCr量が存在した。
更にX線回折ではCr2Nに相当する回折線が認め
られた。このことより形成された表面層は、
(Cr、Fe)2(N、C)+(Cr、Fe)(N、C)から成
るクロムの炭窒化物層であることが確かめられ
た。
FIG. 2 shows a micrograph (400x magnification) of the cross-sectional structure of the surface layer formed after 9 hours of immersion treatment. The surface layer is a layer with a smooth surface, and the boundary between the layer and the base material is intricately intricate, making it a coating layer with excellent adhesion. Furthermore, analysis using an X-ray microanalyzer reveals that there are
N and C were recognized along with Cr. According to the surface analysis results, approximately 60% Cr content was present.
Furthermore, a diffraction line corresponding to Cr 2 N was observed in X-ray diffraction. The surface layer formed from this is
It was confirmed that it was a chromium carbonitride layer consisting of (Cr, Fe) 2 (N, C) + (Cr, Fe) (N, C).

また比較のため、上記と同じ処理で窒化された
JIS・SKH51試片を、1000℃に加熱された上記と
同様な溶融塩浴に浸漬して、処理したところ、第
1図の曲線S1に示される厚さのクロム炭窒化物
層が形成された。この比較例で明らかなように、
浸漬時間が長くなるにつれて層厚さは厚くなつて
いるが、本発明では長くなつても全表面厚さは厚
くならない。したがつて本発明の炭窒化物層の形
成機構は比較例の高温処理の場合の形成機構と異
なつていることが明らかになつた。
For comparison, nitrided samples were also prepared using the same process as above.
When a JIS/SKH51 specimen was immersed in a molten salt bath heated to 1000°C and treated, a chromium carbonitride layer with the thickness shown by curve S1 in Figure 1 was formed. . As is clear from this comparative example,
The layer thickness increases as the immersion time increases, but in the present invention, the total surface thickness does not increase as the immersion time increases. Therefore, it has become clear that the formation mechanism of the carbonitride layer in the present invention is different from that in the case of high-temperature treatment in the comparative example.

実施例 2 実施例1と同様にしてJIS・S45C試片(直径7
mm、長さ50mm)を塩浴窒化処理した。次に実施例
1と同様の組成のCaCl2+NaClの溶融塩浴を調
整し、更にこの浴中にCrCl3粉末(−320メツシ
ユ)を上記溶融塩浴に対して15%添加した。この
溶融塩浴を500℃にして上記試片を浴に1〜16時
間浸漬し、その後浴中より取り出し油冷した。
Example 2 A JIS/S45C specimen (diameter 7
mm, length 50 mm) was subjected to salt bath nitriding treatment. Next, a CaCl 2 +NaCl molten salt bath having the same composition as in Example 1 was prepared, and CrCl 3 powder (-320 mesh) was added in an amount of 15% based on the molten salt bath. The molten salt bath was heated to 500° C. and the specimen was immersed in the bath for 1 to 16 hours, and then taken out from the bath and cooled in oil.

形成された表面層は浸漬時間にかかわらずほと
んど同じ層厚さ、同じ組織の層が形成された。一
例として4時間の浸漬で処理された試片を調べた
ところ、第4図の表面層の断面組織の顕微鏡写真
(倍率400倍)に示すように層厚さ約8μmの表面
層が形成されていた。X線回折や第5図に示すX
線マイクロアナライザー分析の結果よりこの表面
層は(Cr、Fe)2(N、C)+(Cr、Fe)(N、C)
より成るクロムの炭素窒化物層であることが確か
められた。
The surface layer formed had almost the same thickness and texture regardless of the immersion time. As an example, when we examined a sample that had been soaked for 4 hours, we found that a surface layer with a thickness of about 8 μm was formed, as shown in the micrograph of the cross-sectional structure of the surface layer (400x magnification) in Figure 4. Ta. X-ray diffraction and X shown in Figure 5
According to the results of line microanalyzer analysis, this surface layer is (Cr, Fe) 2 (N, C) + (Cr, Fe) (N, C)
It was confirmed that it was a chromium carbon nitride layer consisting of.

実施例 3 外径φ10mm、内径φ6mm、長さ25mmの円筒形
JIS・S48C試片を570℃、6時間でガス軟窒化処
理した。
Example 3 Cylindrical shape with outer diameter φ10mm, inner diameter φ6mm, length 25mm
A JIS/S48C specimen was subjected to gas nitrocarburizing treatment at 570°C for 6 hours.

次に実施例1と同様の組成のCaCl2+NaClの
溶融塩浴を調整し、更にこの浴中に上記塩浴に対
して3%のAl2O3(−320メツシユ)と20%のフエ
ロークロム合金粉末(−200メツシユ)を添加し
た。の溶融塩浴塩を550℃にして上記試片を1、
9、25、50時間でそれぞれ浸漬し、その後浴中よ
り取り出し油冷した。
Next, a molten salt bath of CaCl 2 +NaCl with the same composition as in Example 1 was prepared, and in this bath, 3% Al 2 O 3 (-320 mesh) and 20% ferrochrome alloy were added to the salt bath. Powder (-200 mesh) was added. The above sample was heated to 550℃ in a molten salt bath.
The samples were immersed for 9, 25, and 50 hours, respectively, and then taken out of the bath and cooled in oil.

これら4種類の試片について真円度を測定した
ところ、すべてほとんど同じ真円度であり、試片
の上部の下部とも約5μmと小さかつた。なお比
較のため溶融塩浴への浸漬温度を850℃(浸漬時
間は4時間)にした場合の試片では真円度は約
20μmであり、本発明で処理した試片に比べて約
4倍も大きかつた。
When the roundness of these four types of specimens was measured, they all had almost the same roundness, and both the upper and lower parts of the specimen were as small as about 5 μm. For comparison, the roundness of the specimen when immersed in a molten salt bath at a temperature of 850℃ (immersion time was 4 hours) was approximately
It was 20 μm, which was about 4 times larger than the specimen treated with the present invention.

本発明で処理(浸漬温度550℃、浸漬時間50時
間)した試片を切断して表面層を観察した断面組
織の顕微鏡写真(倍率400倍)を第6図に示す。
またX線マイクロアナライザーによる分析では第
7図に示すように形成された表面層は厚さ約8μ
mであり、(Cr、Fe)2(N、C)+(Cr、Fe)(N、
C)より成るクロムの炭窒化物層であることが確
かめられた。
FIG. 6 shows a micrograph (magnification: 400 times) of a cross-sectional structure obtained by cutting a specimen treated according to the present invention (immersion temperature: 550° C., immersion time: 50 hours) and observing the surface layer.
Furthermore, analysis using an X-ray microanalyzer revealed that the formed surface layer had a thickness of approximately 8 μm, as shown in Figure 7.
m, and (Cr, Fe) 2 (N, C) + (Cr, Fe) (N,
It was confirmed that the layer was a chromium carbonitride layer consisting of C).

実施例 4 JIS・SKH51試片(直径6mm、長さ30mm)を
550℃、3時間の条件でイオン窒化処理した。
Example 4 JIS/SKH51 specimen (diameter 6 mm, length 30 mm)
Ion nitriding treatment was performed at 550°C for 3 hours.

次に実施例1と同様の組成のCaCl2+NaClの
溶融塩浴を黒鉛容器中で調整し、更にこの浴の中
央に40mm×35mm×4mmの純クロム板を挿入し、こ
れを陽極、黒鉛容器を陰極として、0.8A/cm2
陽極電流密度で約15時間通電した。このクロムの
陽極処理によつてクロム板の重量減から計算して
塩浴量全体に対して約7%のクロムが浴中に溶入
された。この溶融塩浴中に上記試片を550℃で9
時間浸漬した後、取り出し油冷した。
Next, a molten salt bath of CaCl 2 +NaCl with the same composition as in Example 1 was prepared in a graphite container, and a pure chromium plate of 40 mm x 35 mm x 4 mm was inserted in the center of this bath, and this was used as the anode and the graphite container. was used as a cathode, and current was applied at an anode current density of 0.8 A/cm 2 for about 15 hours. Due to this anodizing of chromium, approximately 7% of chromium was dissolved into the bath based on the total amount of salt bath, calculated from the weight loss of the chromium plate. The above specimen was placed in this molten salt bath at 550℃ for 9 hours.
After soaking for an hour, it was taken out and cooled in oil.

処理された試片を切断してX線マイクロアナラ
イザー分析で調べたところ、第8図に示すように
表面層中にはCrとNの他にCも認められた。ま
たX線回折結果ではCrNとCr2Nの回折とよく一
致したことから表面層はクロムの炭窒化物層であ
ることが確かめられた。
When the treated specimen was cut and examined using an X-ray microanalyzer, C was also found in the surface layer in addition to Cr and N, as shown in FIG. Furthermore, the X-ray diffraction results showed good agreement with the diffraction of CrN and Cr 2 N, confirming that the surface layer was a chromium carbonitride layer.

実施例 5 直径約7mm×長さ50mmのJIS・S45Cの試片を
570℃、1時間塩浴窒化処理した。
Example 5 A JIS/S45C specimen with a diameter of approximately 7 mm and a length of 50 mm was
Salt bath nitriding treatment was performed at 570°C for 1 hour.

次にKF50モル%とLiF50モル%の混合物の入
つた黒鉛容器を大気中に電気炉にて600℃に加熱
して溶融塩浴を調整し、更にこの浴に−100メツ
シユの純クロム粉末を溶融塩浴に対して25%添加
した。この600℃の浴に上記窒化処理した試片を
浸漬してこれを陰極、黒鉛容器を陽極として陰極
電流密度0.1A/cm2で8時間通電して電解を行つ
た。
Next, a graphite container containing a mixture of 50 mol% KF and 50 mol% LiF was heated in the atmosphere to 600°C in an electric furnace to prepare a molten salt bath, and -100 mesh of pure chromium powder was further melted into this bath. Added 25% to the salt bath. The nitrided sample was immersed in this 600° C. bath, and electrolysis was carried out by applying current at a cathode current density of 0.1 A/cm 2 for 8 hours using this as a cathode and the graphite container as an anode.

試片を浴から取り出し油冷して、形成された表
面層をX線マイクロアナライザーにより分析した
ところ、表面層は(Cr、Fe)2(C、N)+(Cr、
Fe)(C、N)より成ることが確かめられた。ま
た表面からの分析結果では約60%のCrの他に、
NとCが確認された。
The specimen was taken out of the bath and cooled in oil, and the surface layer formed was analyzed using an X-ray microanalyzer. The surface layer was (Cr, Fe) 2 (C, N) + (Cr,
It was confirmed that it consists of Fe)(C,N). In addition, the analysis results from the surface show that in addition to about 60% Cr,
N and C were confirmed.

実施例 6 実施例1と同様にしてJIS・SKH51試片を塩浴
窒化処理した。
Example 6 A JIS/SKH51 specimen was subjected to salt bath nitriding treatment in the same manner as in Example 1.

次にLi2CO345%、K2CO325%、Na2CO330%の
混合物の入つた耐熱鋼容器を大気中の雰囲気炉に
て550℃に加熱して溶融塩浴を調整し、更にこの
浴に−100メツシユの純クロム粉末を溶融塩浴に
対して30%添加した。この浴を十分に撹拌した
後、この550℃の浴に上記試片を4時間浸漬保持
した。
Next, a heat-resistant steel container containing a mixture of 45% Li 2 CO 3 , 25% K 2 CO 3 , and 30% Na 2 CO 3 was heated to 550°C in an atmospheric furnace to prepare a molten salt bath. Further, -100 mesh of pure chromium powder was added to this bath in an amount of 30% based on the molten salt bath. After thoroughly stirring this bath, the specimen was kept immersed in this 550°C bath for 4 hours.

試片を浴から取り出し油冷して、形成された表
面層をX線マイクロアナライザーにより分析した
ところ、表面層は(Cr、Fe)2(C、N)+(Cr、
Fe)(C、N)より成ることが確かめられた。
The specimen was taken out of the bath and cooled in oil, and the surface layer formed was analyzed using an X-ray microanalyzer. The surface layer was (Cr, Fe) 2 (C, N) + (Cr,
It was confirmed that it consists of Fe)(C,N).

実施例 7 直径8mm×長さ30mmのJIS・S45C試片を570%、
150分の条件でガス軟窒化処理した。
Example 7 A JIS/S45C specimen with a diameter of 8 mm and a length of 30 mm was 570%
Gas nitrocarburizing treatment was performed for 150 minutes.

次にステンレス鋼容器に入れた−100メツシユ
の純クロム90℃の硼フツ化カリウム(KBF4)10
%からなる混合粉末に上記試片を埋設した。更に
酸化防止のため混合粉末の上に−100メツシユの
フエロボロン粉末を3〜4mmの厚さで被覆した。
これを容器ごと大気炉で600℃、16時間加熱した。
容器を炉から取り出して空冷後、粉末中から試片
を取り出した。
Next, -100 mesh of pure chromium potassium borofluoride (KBF 4 ) 10 at 90°C was placed in a stainless steel container.
The specimen was embedded in a mixed powder consisting of %. Furthermore, to prevent oxidation, the mixed powder was coated with -100 mesh ferroboron powder to a thickness of 3 to 4 mm.
The whole container was heated at 600°C for 16 hours in an atmospheric furnace.
The container was taken out of the furnace and cooled in air, and then a test piece was taken out from the powder.

試片に形成された表面層をX線マイクロアナラ
イザーで分析したところ、第9図に示すように表
面層中にCrとN、Cとが認められ表面からの分
析結果では約60%のCrが認められ、この層はク
ロムの炭窒化物層であることが確かめられた。
When the surface layer formed on the specimen was analyzed using an X-ray microanalyzer, Cr, N, and C were found in the surface layer, as shown in Figure 9, and the analysis results from the surface showed that about 60% of Cr was present in the surface layer. This layer was confirmed to be a chromium carbonitride layer.

実施例 8 直径7mm×長さ30mmのJIS・SK4試片を570℃、
60時間の条件でガス窒化処理した。
Example 8 A JIS/SK4 specimen with a diameter of 7 mm and a length of 30 mm was heated at 570°C.
Gas nitriding treatment was performed for 60 hours.

次に上記試片を実施例7と同様な粉末中に埋設
して650℃、16時間加熱した。形成された表面層
をX線マイクロアナライザーで分析したところ、
第10図に示すように表面層はCr、N、Cから
成つており、表面からの分析結果では約50%の
Crが検出されクロムの炭窒化物層であることが
確かめられた。
Next, the sample was embedded in the same powder as in Example 7 and heated at 650°C for 16 hours. When the formed surface layer was analyzed with an X-ray microanalyzer, it was found that
As shown in Figure 10, the surface layer consists of Cr, N, and C, and the analysis results from the surface show that about 50% of the
Cr was detected and it was confirmed that it was a chromium carbonitride layer.

実施例 9 アルミナ(Al2O3−200メツシユ)40%、フエ
ロークロム合金(−100メツシユ)55%、塩化ア
ンモニウム(NH4Cl−80+100メツシユ)5%か
らる混合粉末を、エチルアルコールでエチルセル
ロースを溶かした溶媒を用いてペースト状にし
た。実施例8と同じ条件でガス窒化処理した
JIS・SK4試片(直径20mm、長さ10mm)に3〜5
mm厚みに上記ペーストを塗布した後、ステンレス
製容器中に装入し、アルゴン雰囲気中にて600℃、
16時間加熱した。
Example 9 A mixed powder consisting of 40% alumina (Al 2 O 3 -200 mesh), 55% ferrochrome alloy (-100 mesh), and 5% ammonium chloride (NH 4 Cl -80+100 mesh) was dissolved in ethyl cellulose with ethyl alcohol. It was made into a paste using a solvent. Gas nitriding treatment was performed under the same conditions as Example 8.
3 to 5 on JIS/SK4 specimen (diameter 20 mm, length 10 mm)
After applying the above paste to a thickness of mm, it was placed in a stainless steel container and heated at 600℃ in an argon atmosphere.
Heated for 16 hours.

形成された表面層をX線マイクロアナライザー
で分析したところ、表面層はクロムの炭窒化物よ
り成つていることが確かめられた。
When the formed surface layer was analyzed with an X-ray microanalyzer, it was confirmed that the surface layer was made of chromium carbonitride.

実施例 10 Al2O3(−80メツシユ)60%、純クロム(−100
メツシユ)38.8%、NH4Cl(−80メツシユ)12%
から成る混合粉末を流動層炉内に入れ、炉の下部
より導入したアルゴンガス(炉内での流速200
cm/分、炉導入口での圧力1.5Kg/cm2)で上記混
合粉末を流動状態にした。この流動層炉内に実施
例1と同様に塩浴窒化処理したJIS・SK4棒(直
径7mm、長さ50mm)を装入し600℃で16時間加熱
処理した。
Example 10 Al 2 O 3 (-80 mesh) 60%, pure chromium (-100
38.8%, NH 4 Cl (−80 mesh) 12%
A mixed powder consisting of was placed in a fluidized bed furnace, and argon gas (flow rate in the furnace of
cm/min, and a pressure of 1.5 Kg/cm 2 at the furnace inlet) to bring the mixed powder into a fluid state. A JIS SK4 rod (diameter 7 mm, length 50 mm) that had been nitrided in a salt bath in the same manner as in Example 1 was placed in this fluidized bed furnace and heated at 600° C. for 16 hours.

形成された表面層をX線マイクロアナライザー
で分析したところ、第11図に示すように表面層
はCrとN、Cから成つており、表面分析では約
40%のCrが検出され、かつX線回折の結果では
CrN回折線とよく一致したことから、層は(Cr、
Fe)(C、N)であることが確かめられた。
When the formed surface layer was analyzed with an X-ray microanalyzer, it was found that the surface layer was composed of Cr, N, and C, as shown in Figure 11, and the surface layer was composed of Cr, N, and C.
40% Cr was detected, and the X-ray diffraction results showed that
The layer was (Cr,
Fe) (C, N).

実施例 11 直径7mm、長さ50mmのJIS・SKD61試片を570
℃、4時間の条件で塩浴窒化処理した。
Example 11 570 JIS/SKD61 specimens with a diameter of 7 mm and a length of 50 mm
Salt bath nitriding treatment was performed at ℃ for 4 hours.

次にAl2O3(−80メツシユ)58.8%、純クロム
(−100メツシユ)40%、NH4Cl(−80メツシユ)
1.2%から成る混合粉末を流動層炉内に入れ炉の
下部より導入したアルゴンガス(流速200cm/分、
圧力1.5Kg/cm2)で上記混合粉末を流動状態とし
た。この流動層炉内に上記SKD61試片を装入し、
600℃で16時間保持して加熱処理した。
Next, Al 2 O 3 (-80 mesh) 58.8%, pure chromium (-100 mesh) 40%, NH 4 Cl (-80 mesh)
A mixed powder consisting of 1.2% was placed in a fluidized bed furnace and argon gas was introduced from the bottom of the furnace (flow rate 200cm/min,
The mixed powder was brought into a fluid state under a pressure of 1.5 Kg/cm 2 ). The above SKD61 specimen was charged into this fluidized bed furnace,
Heat treatment was performed by holding at 600°C for 16 hours.

形成された表面層をX線マイクロアナライザー
で分析したところ、第12図に示すように表面層
はCrとN、Cから成り、表面からの分析では約
60%のCrが検出された。X線回折の結果では
CrN回折線とよく一致したことから、層は(Cr、
Fe)2(C、N)であることが確かめられた。
When the formed surface layer was analyzed using an X-ray microanalyzer, it was found that the surface layer was composed of Cr, N, and C, as shown in Figure 12.
60% Cr was detected. According to the results of X-ray diffraction
The layer was (Cr,
Fe) 2 (C,N) was confirmed.

実施例 12 直径6.5mm、長さ40mmのJIS・S45C試片を実施
例1と同様にして塩浴窒化処理した。
Example 12 A JIS S45C specimen with a diameter of 6.5 mm and a length of 40 mm was subjected to salt bath nitriding treatment in the same manner as in Example 1.

次にCaCl252モル%とNaCl48モル%の混合物
を耐熱鋼容器に入れ、大気中の電気炉にて600℃
に加熱して溶融塩浴を調整し、更にこの浴に−
200メツシユの純クロム粉末を溶融塩浴全量に対
して25%添加した。この600℃の浴に上記試片を
8時間浸漬した後、取り出し油冷した。
Next, a mixture of 52 mol% CaCl 2 and 48 mol% NaCl was placed in a heat-resistant steel container and heated to 600°C in an electric furnace in the atmosphere.
Adjust the molten salt bath by heating to
200 meshes of pure chromium powder was added at 25% to the total amount of the molten salt bath. After immersing the specimen in this 600°C bath for 8 hours, it was taken out and cooled in oil.

形成された表面層をX線回折で調べたところ、
(Cr、Fe)2(C、N)+(Cr、Fe)(C、N)に相当
する回折線が認められ、表面層はクロムの炭窒化
物層であることが確かめられた。
When the formed surface layer was examined by X-ray diffraction, it was found that
A diffraction line corresponding to (Cr, Fe) 2 (C, N) + (Cr, Fe) (C, N) was observed, and it was confirmed that the surface layer was a chromium carbonitride layer.

次に上記クロム炭窒化物被覆試片(試料No.C)
について、ガス浸炭焼入されたJIS・SCM415を
相手材としてフアビリー試験機により乾式、荷重
200Kg、回転数300rpm、摩擦速度0.1m/secの条
件で摩擦試験を実施した。また比較のため、上記
の窒化処理も可燃処理も施していないJIS・S45C
試片(試料No.S2)と窒化処理のみ施したS45C
試片(試料No.S3)についても摩擦試験を実施し
た。
Next, the above chromium carbonitride coated specimen (sample No. C)
For this, the gas carburized and quenched JIS/SCM415 was used as a mating material, and the test was carried out dry and under load using a fabrication tester.
A friction test was conducted under the conditions of 200 kg, rotation speed 300 rpm, and friction speed 0.1 m/sec. For comparison, JIS/S45C without the above nitriding treatment or combustible treatment is shown.
Specimen (sample No. S2) and S45C with only nitriding treatment
A friction test was also conducted on the specimen (sample No. S3).

試料No.S2の試片は約3秒の試験時間で焼付
き、約90mg/cm2の摩耗量を示した。また試料No.S
3の試片は3分の試験時間では焼付かなかつた
が、約35mg/cm2の大きな摩耗量を示した。
The specimen of sample No. S2 was seized in a test time of about 3 seconds, and showed a wear amount of about 90 mg/cm 2 . Also sample No.S
Test piece No. 3 did not seize during the 3 minute test time, but showed a large amount of wear of about 35 mg/cm 2 .

これに対して本発明による試料No.Cで試片では
3分の試験時間で摩耗量はほとんど認められず、
焼付いた形跡も認められなかつた。
On the other hand, with sample No. C according to the present invention, almost no amount of wear was observed after a test time of 3 minutes.
No signs of burn-in were observed.

また900℃の高温度の溶融塩浴中に3時間浸漬
して約3μm厚さの炭化バナジウム層(VC)層を
被覆したJIS・S45C試片あるいは850℃、4時間
の条件で化学気相蒸着法(CVD)により約7μm
厚さのTi(C、N)からなるチタンの炭窒化層を
被覆したJIS・S45C試片についても摩擦試験を行
つたところ、本発明により処理した試料No.Cの試
片とほとんど同じような摩耗量であつた。このこ
とより、本発明により形成した表面層は、高温で
の溶融塩浴浸漬法やCVDにより形成した表面層
に比べて、耐摩耗性や耐焼付性の点において劣つ
ていないことが分かる。
In addition, JIS/S45C specimens were immersed in a molten salt bath at a high temperature of 900°C for 3 hours to coat a vanadium carbide (VC) layer with a thickness of approximately 3 μm, or chemical vapor deposition was performed at 850°C for 4 hours. Approximately 7μm by CVD method
Friction tests were also carried out on JIS S45C specimens coated with a carbonitride layer of titanium made of Ti (C, N). There was a lot of wear. From this, it can be seen that the surface layer formed according to the present invention is not inferior in terms of wear resistance and seizure resistance compared to the surface layer formed by immersion in a molten salt bath at high temperature or CVD.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は実施例1において形成された表面層の
層厚さの浸漬時間に対する変化を示す図、第2
図、第4図、第6図はそれぞれ実施例1、2、3
において本発明の処理により形成された表面層の
断面組織を示す顕微鏡写真(400倍)、第3図、第
5図、第7図、第8図、第9図、第10図、第1
1図、第12図はそれぞれ実施例1ないし4、
7、8、10、11において本発明により処理された
鉄合金材料の表面部のX線マイクロアナライザー
分析結果を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing changes in the layer thickness of the surface layer formed in Example 1 with respect to immersion time, and FIG.
Figures 4 and 6 are examples 1, 2, and 3, respectively.
Micrographs (400x) showing the cross-sectional structure of the surface layer formed by the treatment of the present invention, FIGS. 3, 5, 7, 8, 9, 10, 1
1 and 12 show Examples 1 to 4, respectively.
7, 8, 10, and 11 are diagrams showing the results of X-ray microanalyzer analysis of the surface portion of the iron alloy material treated according to the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 鉄合金材料の表面に鉄・窒素または鉄・炭素
窒素の窒化物層を形成させる窒化処理を施した
後、該鉄合金材料と、クロム材料と、アルカリ金
属またはアルカリ土類金属の塩化物、弗化物、ホ
ウ弗化物、酸化物、臭化物、ヨウ化物、炭酸塩、
硝酸塩、硼酸塩のうちの1種または2種以上ある
いはハロゲン化アンモニウム塩または金属ハロゲ
ン化物の一方または双方から成る処理剤とを共存
せしめて、680℃以下において加熱処理し、クロ
ムを上記鉄合金材料表面に拡散せしめることによ
り、鉄合金材料表面にクロムの窒化物あるいは炭
窒化物から成り、上記窒化物層の層厚さの範囲内
の層厚さを有する表面層を形成せしめることを特
徴とする鉄合金材料の表面処理方法。 2 上記クロム材料は、純クロム、クロム合金、
クロム化合物の1種または2種以上から成る特許
請求の範囲第1項記載の鉄合金材料の表面処理方
法。 3 上記加熱処理は、上記処理剤を溶融せしめた
溶融浴中にクロム材料と鉄合金材料とを浸漬する
ことにより行う特許請求の範囲第1項記載の鉄合
金材料の表面処理方法。 4 上記加熱処理は、上記処理剤を溶融せしめ、
クロム材料を浸漬した溶融浴中で鉄合金材料を陰
極とし、電解処理により行う特許請求の範囲第1
項記載の鉄合金材料の表面処理方法。 5 上記加熱処理は、上記処理剤とクロム材料と
の混合粉末中に鉄合金材料を埋設することにより
行う特許請求の範囲第1項記載の鉄合金材料の表
面処理方法。 6 上記加熱処理は、上記処理剤とクロム材料と
の混合粉末のペーストを鉄合金材料に塗布するこ
とにより行う特許請求の範囲第1項記載の鉄合金
材料の表面処理方法。 7 上記加熱処理は、上記処理剤とクロム材料と
の混合粉末と鉄合金材料との一定空間内に非接触
状態で配置することにより行う特許請求の範囲第
1項記載の鉄合金材料の表面処理方法。 8 上記加熱処理は、上記処理剤とクロム材料と
の混合粉末を流動状態にしてその中に鉄合金材料
を入れることにより行う特許請求の範囲第1項記
載の鉄合金材料の表面処理方法。
[Claims] 1. After performing nitriding treatment to form a nitride layer of iron/nitrogen or iron/carbon/nitrogen on the surface of the iron alloy material, the iron alloy material, the chromium material, and the alkali metal or alkaline earth Chlorides, fluorides, boron fluorides, oxides, bromides, iodides, carbonates of similar metals,
The chromium is heated at 680°C or lower in the presence of a treatment agent consisting of one or more of nitrates, borates, ammonium halides, and/or metal halides to remove chromium from the above-mentioned iron alloy material. It is characterized by forming a surface layer on the surface of the iron alloy material, which is made of chromium nitride or carbonitride and has a thickness within the range of the thickness of the nitride layer, by diffusing it onto the surface. Surface treatment method for iron alloy materials. 2 The above chromium materials include pure chromium, chromium alloy,
The method for surface treatment of an iron alloy material according to claim 1, which comprises one or more chromium compounds. 3. The method of surface treatment of an iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed by immersing the chromium material and the iron alloy material in a molten bath containing the treatment agent. 4 The heat treatment melts the processing agent,
Claim 1: Performed by electrolytic treatment using an iron alloy material as a cathode in a molten bath immersed in a chromium material.
A method for surface treatment of iron alloy materials as described in . 5. The method of surface treatment of an iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed by embedding the iron alloy material in a mixed powder of the treatment agent and the chromium material. 6. The method of surface treatment of iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed by applying a paste of mixed powder of the treatment agent and chromium material to the iron alloy material. 7. The surface treatment of the iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed by placing the mixed powder of the treatment agent and the chromium material in a fixed space with the iron alloy material in a non-contact state. Method. 8. The method of surface treatment of an iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is carried out by bringing the mixed powder of the treatment agent and the chromium material into a fluid state and placing the iron alloy material therein.
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