JPH0447029B2 - - Google Patents
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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ハフニウム(Hf)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。
〔従来の技術〕
鉄合金材料の表面にハフニウムの炭化物、窒化
物または炭窒化物から成る表面層を被覆すると、
鉄合金材料の耐磨耗性、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、ハフニウ
ムのハロゲン化物などを利用してプラズマCVD
(化学的気相蒸着法)などにより鉄合金材料表面
にハフニウムの炭窒化物から成る表面層を形成し
ようとする方法が提案されている(例えば、特開
昭55−65357号、特開昭55−164072号)。これらの
方法では、鉄のAc1変態点である約700℃以下の
温度域で処理するため、鉄合金材料の母材に熱に
よる歪みを与えることなく表面層を形成すること
ができるものの、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。
〔発明が解決しようとする問題点〕
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、低温での加熱処理
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ハフニウムの窒
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。
〔問題点を解決するための手段〕
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、ハフニウム材料
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、または/および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、700℃以下に
おいて加熱処理し、ハフニウ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
にハフニウムの窒素化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。
本発明において、鉄合金材料はハフニウムの窒
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、鋳鋼、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、鉄合金材料中の炭
素含有量が多ければ、それだけ形成されるハフニ
ウ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
ハフニウムの炭窒化物層に入る。
窒化処理とは、鉄合金材料の表面に窒素Nを拡
散させ、窒化物層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
窒化物から成る。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、この鉄合金材料をハフニウム材料と
共に加熱処理することにより窒化物層にハフニウ
ムが拡散し、ハフニウ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
窒化物層の場合にはハフニウ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
層の場合にはハフニウ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
させ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。
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
ハフニウムの窒化物あるい炭窒化物層の厚さが薄
くなり、一方深すぎると鉄合金材料の靭性が低下
するおそれがある。
鉄合金材料に上記窒化処理を施した後、該鉄合
金材料とハフニウム材料とを共存させて加熱処理
する。
この加熱処理は、鉄合金材料の表面にハフニウ
ムを拡散させて、そ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。
上記ハフニウム材料とは、鉄合金材料の表面に
拡散させるハフニウムを供給するものであり、ハ
フニウムを含む金属あるいはハフニウム化合物等
を用いる。該金属としては、ハフニウム金属やそ
の合金が挙げられる。上記化合物としては、
HfCl4,HfBr4等の塩化物、臭化物等が挙げられ
る。しかして、これらハフニウム材料は、これら
のうち1種または2種以上を用いるが、ハフニウ
ム金属を用いるのが最も実用的である。
また、前記処理剤は、ハフニウムが鉄合金材料
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、アルカル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、または/およ
びハロゲン化アンモニウム塩,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。
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、VCl3、TiF4、
TiBr4、FeCl3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。
しかして、前記処理剤としては、上記アルカリ
金属またはアルカリ土類金属の化合物のみ、ある
いはハロゲン化アンモニウム塩、金属ハロゲン化
物の一方または双方のみを使用してもよく、更
に、上記アルカリ金属またはアルカリ土類金属の
化合物とハロゲン化アンモニウム塩,金属ハロゲ
ン化物の一方または双方との両者を使用してもよ
い。
なおTiやCrを含む化合物を使用する場合には、
Hfと同時にTi、Crが含まれた表面層が形成され
る可能性がある。
また、処理剤としてHfCl4等のハフニウムのハ
ロゲン化物を使用する場合、前記ハフニウム材料
として兼用することものできる。
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。また、該粉末法には、埋設法、ペースト
法、非接触法、流動層法がある。
以下、これらにつき説明する。
上記溶融塩浸漬法とは、前記処理剤を溶融して
溶融塩浴を形成し、該溶融塩浴にハフニウム材料
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、または/および加熱処理温
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
溶融塩浴の粘性を調節するなどの目的のために
Al2O3,ZrO2等酸化物やNaCN等のシアン化合物
等を添加してもよい。
上記溶融塩沿にハフニウム材料を浸漬するの
は、溶融沿塩中にハフニウムを溶入させるためで
ある。ハフニウム材料を浸漬する手段としては、
該材料を粉末状(好ましくは200メツシユ以下)
または薄板状で溶融塩沿に添加する方法あるいは
棒状または板状の該材料を陽極として溶融塩沿中
に浸漬して電解しハフニウムを陽極溶解させる方
法等がある。上記陽極溶解によりハフニウムを溶
入する場合には、ハフニウ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
ハフニウム材料が浴底に堆積することはないとい
う点で有利である。なお、この場合の陰極として
は溶融塩沿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。
浴中に溶入したハフニウムは鉄合金材料の前記
窒化処理により形成された窒化物層表面に拡散し
てハフニウムの窒化物あるいは炭窒化物層を形成
する。
なお、溶融塩沿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。
また、前記溶融塩電解法とは、処理剤を溶融せ
しめた浴にハフニウム材料を浸漬しハフニウムを
溶入せしめた状態で、該溶融塩沿に鉄合金材料を
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、陽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。
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ハフニウム
材料を浸漬してハフニウムを溶入する手段も前記
溶融塩浸漬法と同様な方法でよい。また処理剤の
溶融塩沿にハフニウム材料を陽極、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、ハフニウ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。
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0.05〜
1.0A/cm2が適当である。
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
れにても処理が可能である。
次に、前記粉末法とは、前記処理剤とハフニウ
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。
該粉末法において、処理剤とハフニウム材料と
の混合粉末及び鉄合金材料を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、ベ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。
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物、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
種以上または/およびハロゲン化アンモニウム
塩,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(VCl3,
FeCl3,TiF4,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
しない金属ハロゲン化物を使用すると、処理剤か
ら発生しハフニウ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。
処理剤とハフニウム材料との配合割合は、ハフ
ニウム材料に対して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ハフニウムの窒
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。
また処理剤とハフニウ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。これによ
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。
混合粉末には、上記処理剤とハフニウム材料以
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。更にハフニ
ウム材料と処理剤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、
表面層形成効果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。
以下に、上記した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。
埋設法では、一定の容器に処理剤とハフニウム
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
気の浸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粉末の層を設け
ることがある。
ペースト法とは、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1
mm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被雰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。
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
していないための作業上の利点がある。
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は流動層中で50cm/分
以上とするのが、表面層に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。
以上のような加熱処理の加熱温度は700℃以下
とする。700℃以下の温度域で処理することによ
り鉄合金材料の母材が歪を受けにくくなる。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、
ハフニウ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520
〜650℃が望ましい。
加熱処理の処理時間が長くなれば表面層中のハ
フニウムの含有量が増加する。このため処理時間
は所望とするハフニウムの含有量により定まる
が、1〜50時間の範囲で選ばれる。
また、形成する表面層の厚さは3〜15μm程度
が実用的である。
〔作用〕
本発明によるハフニウ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
はハフニウ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)。
まず、被処理材である鉄合金材料に窒化処理を
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
Fen(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、窒素の固溶体
(Fe−Nの形)も形成される。
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ハフニウムHfが
拡散する。この拡散はFen(C,N)oのFeとHfと
が置換する反応であり、窒化物層は(Hf,Fe)p
(C,N)pに変化する。そしてFen(C,N)o層が
すべて(Hf,Fe)p(C,N)pに変化するとそれ
以上(Hf,Fe)p(C,N)p層の成長はない。な
お、(Hf,Fe)p(C,N)p層においては表面ほど
Hf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、Hfp(C,N)pと表示するのが妥当な場合も
ある。
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Fen(C,N)o層が(Hf,Fe)p(C,N)pに
変化するまでの間は表面側に(Hf,Fe)p(C,
N)p層、母材側にFen(C,N)o層の存在する二層
から成る表面層が存在している。そしてこの表面
層の厚さは最初のFen(C,N)o層の厚さにほぼ
等しい。
また、ハフニウ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。
これは本発明方法が700℃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(Fen(C,N)o層の厚さと(Hf,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℃のよ
うな高温で加熱処理を行つた場合(曲線S1)に
は加熱処理時間が長くなれば一般の拡散処理と同
じく表面層厚さも増加している。
なお実用上には鉄・炭素・窒素の窒化物層を全
部(Hf,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
(Hf,Fe)p(C,N)p層に変わつた状態でもよい
(鉄・窒素の窒化物層をハフニウムの窒化物から
成る表面層に変える場合についても同様)。
〔発明の効果〕
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、前記特定の処理剤を用
い、700℃以下という低温においてハフニウムの
拡散処理を行うので、低温において、鉄合金材料
にハフニウ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。
また、低温で鉄合金材料を加熱するため、材料
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。
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、緻密な表面層を
形成することができる。また、形成された層の厚
さは実用上十分なものである。
また、本発明のハフニウムの窒化物または炭窒
化物から成る表面層を形成する方法で、窒化処理
を行わないでハフニウムの炭化物層を形成する方
法に比べて非常に短時間で層を形成することがで
きる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を説明する。なお%は重
量%を意味する。
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%と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−200メツシユのハフエニウム金属粉末を上記
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。なお、第1図の横軸は浸漬
時間の1/2乗でとつてある。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
は該窒化物層とハフニウ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、ハフニウ
ムの炭窒化物層のみの厚さを曲線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3μmであつた。
なお、8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
も層と母材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
イザーによる分折では第3図に示すように表面層
中にはHf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50%のHfが存在し
た。更にX線回折ではHfN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、
(Hf,Fe),(N,C)から成るハフニウムの炭窒
化物層であることが確かめられた。
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、1025℃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に示される厚さのハフニウムの
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、本発明では浸漬時間が長くなつ
ても全表面層厚さは厚くならない。従つて、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。
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−200メツシユのハフニウ
ム金属粉末を上記溶融塩浴に対して20%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。
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1000倍)に示すように層厚さ約6μm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、(Hf,Fe),(N,C)より成るハフニウム
の炭窒化物層であることが確かめられた。
実施例3
直径8mm×長さ35mmの工業用純鉄試片(炭素含
有量0.03%以下)を550℃、4時間の条件でイオ
ン窒化処理した。
次に、実施例1と同様の組成のCaCl2+NaCl
+ハフエニウム金属溶融塩浴を調整した。この浴
を600℃にして、浴中に上記試片を8時間浸漬し、
その後浴から取り出し油冷した。
形成された表面層は、第6図の断面組織の顕微
鏡写真(倍率400倍)に示すように層厚さがイオ
ン窒化処理した時の窒化物層の厚さと同じ約10μ
mであつた。また、第7図のX線マイクロアナラ
イザー分析結果より表面層には約40%のHfの他
NとCとが認められた。また、X線回折の結果か
らは、HfNの回折線が認められ、形成された表
面層は、(Hf,Fe),(C,N)より成るハフニウ
ムの炭窒化物層であることが確認された。
実施例4
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。
次に、実施例1と同様の組成のCaCl2+NaCl
の溶融塩浴を調製し、更にこの浴中に上記溶融塩
浴に対して3%のAl2O3粉末(−320メツシユ)
と20%のハフニウム金属粉末(−200メツシユ)
を添加した。この溶融塩浴を550℃にして、上記
試片を9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。
これら2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
の上部と下部とも約7μm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
3倍も大きかつた。
本発明で処理(浸漬温度550℃、浸漬時間9時
間)した試片を切断して表面層を観察したとこ
ろ、形成された表面層は厚さ約8μmであり、ま
た、X線マイクロアナライザーにより分析したと
ころ該層は、ハフニウムの炭窒化物層であること
が確かめられた。
実施例5
JIS・SKD11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。
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×35mm9mmの板状のハフニウム金属を挿
入し、これを陽極,黒鉛容器を陰極として、
0.8A/cm2の陽極電流密度で約17時間通電した。
このハフエニウムの陽極溶解処理によつてハフニ
ウム金属板の重量減から計算して塩浴量全体に対
して約7%のハフニウ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。
処理された試片を切断して表面層を観察したと
ころ、形成された表面層は第8図の断面組織の顕
微鏡写真(倍率400倍)に示されるように厚さ約
5μmであつた。また、X線マイクロアナライザ
ー分析で調べたところ、表面層中にはHfとNの
他にCも認められ表面層は、ハフニウムの炭窒化
物層であることが確かめられた。
実施例6
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。
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の電気炉にて580℃に加
熱して溶融塩浴を調整し、更にこの浴に−100メ
ツシユのハフエニム金属粉末を溶融塩浴に対して
25%添加した。この580℃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0.05A/cm2で8時間通電して電
解を行つた。
試片を浴から取り出し油冷して、形成された表
面層を断面組織観察および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、厚さ約
6μmであり、(Hf,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
45%のHfの他に、NとCが確認された。
実施例7
実施例1と同様にしてJIS・SKH51試片を塩浴
窒化処理した。
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−200メツシユのハフニウム金属粉末を溶
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。
試片を浴から取り出し油冷して、形成された表
面層を断面組織観察および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、厚さ約
4μmであり、該層には、約40%のHfの他にNと
Cとが認められた。また、X線回折で調べたとこ
ろ、HfNの回折線とよく一致し、従つて表面層
は、(Hf,Fe),(C,N)より成ることが確かめ
られた。
実施例8
直径8mm×長さ30mmのJIS・SK4試片を570℃,
150分の条件でガス軟窒化処理した。
次に、ステンレス鋼容器に入れた−100メツシ
ユのハフニウム金属90%と硼フツ化カリウム
(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。
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、表面層中にHfとN,
Cとが認められ、表面からの分析結果では約20%
のHfが認められ、この層は、ハフニウムの炭窒
化物層であることが確かめられた。
実施例9
Al2O3(−80メツシユ)60%、ハフニウム金属
(−100メツシユ)、38.8%、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(炉内での流
速200cm/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℃でで8時間
加熱処理した。
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、表面層は、HfとN,Cから
成つており、表面分析では約25%のHfが検出さ
れ、ハフニウムの炭窒化物層であることが確かめ
られた。
実施例10
直径6.5mm、長さ40mmのJIS・SKH51試片を実
施例1と同様にして塩浴窒化処理した。
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570
℃に加熱して溶融塩浴を調製し、更にこの浴に−
200メツシユのハフニウム金属粉末を溶融塩浴全
量に対して25%添加した。この570℃の浴に上記
試片を8時間浸漬した後、取り出し油冷した。
形成された表面層をX線回折およびX線マイク
ロアナライザーで分析で調べたところ、表面層は
(Hf,Fe)(C,N)より成るハフニウムの炭窒
化物層であることが確かめられた。
次に上記ハフニウム炭窒化物被覆試片(試料No.
C)について、ガス浸炭焼入れされたJIS・
SCM415を相手材としてフアビリー試験機により
乾式、荷重400Kg、回転数300rpm、摩耗速度0.1
m/sec、試験時間4minの条件で摩擦試験を実施
した。また比較のため、上記の窒化処理も加熱処
理も施していないJIS・SKH51試片(試料No.S2)
と窒化処理のみ施したSKH51試片(試料No.S3)
についても摩擦試験を実施した。
上記の摩擦試験の結果を表に示す。また、試料
No.S2,S3とも焼付傷が鮮明に発生していたのに
対して、試料No.Cでは、小さな損傷が認められた
にすぎなかつた。このことより、本発明により形
成した表面層は、比較例のものに比して、耐摩耗
性や耐焼付性の点で優れていることが分かる。
【表】[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention forms a hafnium (Hf) nitride or carbonitride layer on the surface of iron alloy materials such as molds, jigs, tools, and machine parts. This invention relates to a surface treatment method. [Prior Art] When a surface layer of hafnium carbide, nitride, or carbonitride is coated on the surface of an iron alloy material,
It is well known that various properties of iron alloy materials, such as wear resistance, seizure resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance, are improved. Many proposals have been made in recent years regarding methods of coating this surface layer. For example, plasma CVD using hafnium halides, etc.
A method has been proposed in which a surface layer consisting of hafnium carbonitride is formed on the surface of an iron alloy material by a chemical vapor deposition method (for example, JP-A-55-65357; −164072). These methods process at a temperature below approximately 700°C, which is the A c1 transformation point of iron, so a surface layer can be formed without thermally distorting the base material of the iron alloy material. It is difficult to obtain a surface layer with good throwing power and adhesion. Furthermore, the processing steps are complicated and the equipment is expensive. In addition, efficiency is poor because it must be carried out in hydrogen or reduced pressure. [Problems to be Solved by the Invention] The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and efficiently heats the base material at low temperatures using extremely simple equipment, without causing distortion in the base material. The object of the present invention is to provide a method for forming a surface layer made of hafnium nitride or carbonitride that has excellent adhesion to a base material on an iron alloy material. [Means for Solving the Problems] The present invention provides a nitriding treatment to form an iron/nitrogen or iron/carbon/nitrogen nitride layer on the surface of the iron alloy material, and then the iron alloy material and hafnium material and one or more of alkali metal or alkaline earth metal chlorides, borate fluorides, fluorides, oxides, bromides, iodides, carbonates, nitrates, borates, or/and halogens. Nitrogen of hafnium is added to the surface of the iron alloy material by heat treatment at 700°C or below in the presence of a treatment agent consisting of one or both of ammonium oxide salt and metal halide. This is a method for surface treatment of iron alloy materials, characterized by forming a surface layer made of carbonitride or carbonitride. In the present invention, the iron alloy material is a material to be treated on which a hafnium nitride or carbonitride layer is formed. The iron alloy material may be one containing carbon, such as carbon steel, alloy steel, cast steel, sintered alloy, etc., or one containing only a very small amount of carbon, such as pure iron. Furthermore, the greater the carbon content in the iron alloy material, the greater the amount of carbon in the hafnium carbonitride layer formed. 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 hafnium carbonitride layer. The nitriding process is to diffuse nitrogen N into the surface of the iron alloy material to form a nitride layer. 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 the hafnium material, hafnium diffuses into the nitride layer, and a substitution reaction between hafnium and iron in the nitride layer occurs. At this time, if the nitride layer is an iron carbonitride layer, a surface layer consisting of hafnium carbonitride is formed, and if the nitride layer is an iron nitride layer, a surface layer consisting of hafnium nitride is formed. A surface 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 determined by the nitriding treatment. 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 hafnium nitride or carbonitride layer formed will be thin, while if it is too deep, the toughness of the iron alloy material may decrease. After the iron alloy material is subjected to the nitriding treatment described above, the iron alloy material and the hafnium material are allowed to coexist and heat treated. This heat treatment diffuses hafnium onto the surface of the iron alloy material to form a surface layer made of its nitride or carbonitride. The above-mentioned hafnium material supplies hafnium to be diffused onto the surface of the iron alloy material, and uses a metal containing hafnium, a hafnium compound, or the like. Examples of the metal include hafnium metal and alloys thereof. The above compounds include:
Examples include chlorides and bromides such as HfCl 4 and HfBr 4 . Although one or more of these hafnium materials are used, it is most practical to use hafnium metal. Further, the treatment agent has the function of acting as a medium for hafnium to diffuse onto the surface of the iron alloy material.
The treatment agent is an alkali consisting of one or more of chlorides, fluorides, borate fluorides, oxides, bromides, iodides, carbonates, nitrates, and borates of alkali metals or alkaline earth metals. It consists of a metal or alkaline earth metal compound, and/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. 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 , VCl 3 , TiF 4 ,
Examples include TiBr 4 , FeCl 3 , etc., and one of these
Use one or more species. Therefore, as the treatment agent, only the above-mentioned alkali metal or alkaline earth metal compound, or only one or both of the ammonium halide salt and the metal halide may be used. A compound of a similar metal and one or both of an ammonium halide salt and a metal halide may be used. In addition, when using compounds containing Ti or Cr,
A surface layer containing Ti and Cr may be formed simultaneously with Hf. Furthermore, when a hafnium halide such as HfCl 4 is used as a treatment agent, it can also be used as the hafnium material. 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. Further, the powder method includes an embedding method, a paste method, a non-contact method, and a fluidized bed method. These will be explained below. The molten salt immersion method is a method in which the treatment agent is melted to form a molten salt bath, and the hafnium material and the iron alloy material are immersed in the molten salt bath. The processing agent used in this method includes alkali metal or alkaline earth metal chloride, fluoride,
One or more of borofluorides, carbonates, nitrates, oxides, borates, and/or metal halides that do not melt and evaporate at temperatures below the heat treatment temperature are used. Note that in order to improve the melting state, it is desirable to use two or more of the above compounds, such as a combination of NaCl and CaCl 2 . Furthermore, for purposes such as adjusting the viscosity of the molten salt bath.
Oxides such as Al 2 O 3 and ZrO 2 and cyanide compounds such as NaCN may be added. The purpose of dipping the hafnium material along the molten salt is to infiltrate hafnium into the molten salt. As a means of immersing hafnium material,
The material is in powder form (preferably 200 mesh or less)
Alternatively, there is a method of adding hafnium along the molten salt in the form of a thin plate, or a method of immersing the material in the form of a rod or plate as an anode into the molten salt and electrolyzing it to dissolve hafnium in the anode. Introducing hafnium by anodic melting is advantageous in that hafnium can be infused quickly and work efficiency can be improved, and undissolved hafnium material does not accumulate at the bottom of the bath. be. In this case, as the cathode, a conductive substance inserted into a container along the molten salt or elsewhere is used. Increasing the anode current density during anodic melting increases the infiltration rate, but considering that infiltration occurs even without electrolysis,
Relatively low current densities are sufficient. Practically 0.1
~0.8A/ cm2 is suitable. The hafnium dissolved in the bath diffuses onto the surface of the nitride layer formed by the nitriding treatment of the iron alloy material to form a hafnium nitride or carbonitride layer. Note that graphite, steel, or the like is used as the container for the molten salt, but steel is sufficient for practical use. In addition, the molten salt electrolysis method is a method in which a hafnium material is immersed in a bath in which a treatment agent is melted to infiltrate the hafnium, and an iron alloy material is immersed as a cathode along the molten salt to perform electrolytic treatment. It is something.
In this case, the bath container or a separately inserted conductive substance is used as the anode. As the treatment agent, the same one as in the molten salt immersion method may be used, and the means for infiltrating hafnium by immersing the hafnium material in a bath containing the treatment agent may also be the same as in the molten salt immersion method. . Alternatively, electrolytic treatment can be performed by immersing a hafnium material as an anode and an iron alloy material as a cathode along the molten salt of the treatment agent.
In this case, there is an advantage that the anodic dissolution of hafnium and the formation of the surface layer can be performed simultaneously. In addition, the cathode current density for electrolytic treatment by immersing iron alloy materials is 2A/ cm2 or less, and practically 0.05~
1.0A/cm 2 is appropriate. It should be noted that both the molten salt immersion method and the molten salt electrolysis method described above can be carried out either in the air or in a protective gas (N 2 , Ar, etc.). Next, the powder method means that a mixed powder of the treatment agent and a hafnium material and an iron alloy material coexist,
It is heated. In the powder method, the following methods can be used to coexist a mixed powder of a processing agent and a hafnium material and an iron alloy material. Namely, there are two methods: burying the iron alloy material in the mixed powder, which is generally called the burying method, coating the surface of the iron alloy material with the mixed powder, which is generally called the base method, and the non-contact method. There is a method in which the iron alloy material and the above-mentioned mixed powder are arranged in a non-contact state in a certain space, and a method is generally called a fluidized bed method in which the above-mentioned mixed powder is in a fluidized state to form a fluidized bed. There is a method of inserting ferrous alloy material into the layer. The processing agent used in the above powder method is one or two of alkali metal or alkaline earth metal chlorides, fluorides, bromides, iodides, and boron fluorides.
It consists of one or both of a variety of species and/or a halogenated ammonium salt and a metal halide. In addition, among the powder methods, in the case of a fluidized bed, the metal halide mentioned above is one that sublimates or evaporates at a temperature below the heat treatment temperature (VCl 3 ,
FeCl 3 , TiF 4 , VF 3 , TiBr 4, etc.) are used. This is because when metal halides that do not sublimate or evaporate at temperatures below the heat treatment temperature are used, the amount of gas generated from the processing agent that contributes to the diffusion of hafnium is reduced, resulting in a thinner layer. It is. The mixing ratio of the processing agent and the hafnium material is 0.5 to 20% by weight (hereinafter referred to as % by weight) relative to the hafnium material.
It is desirable that the processing agent is contained in the range of %). Outside this range, it becomes difficult to form a continuous surface layer consisting of hafnium 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. In addition, the particle size of the mixed powder of the processing agent and hafnium material may be such that it can pass through a JIS No. 100 sieve when implementing the embedding method, paste method, or non-contact method. As a result, there is no particular effect on whether it is coarse or fine. Further, when carrying out a 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. vice versa
When the powder is finer than 350 mesh, the mixed powder tends to float and becomes difficult to handle. Additives can be added to the mixed powder in addition to the above processing agent and hafnium material. For example, when carrying out a paste method, an adhesive such as dextrin or water glass can be added. Additionally, some types of processing agents tend to solidify easily during heat treatment. In this case, an inert powder such as alumina Al 2 O 3 can be added. Furthermore, some combinations of hafnium materials and processing agents have poor surface layer formation effects. In such cases, conventionally known halides as activators are added,
The effect of forming a surface layer can be enhanced. The amount of these additives added can be arbitrarily selected depending on the purpose. The embedding method, paste method, non-contact method, and fluidized bed method, which are specific examples of the powder methods described above, will be explained in detail below. In the burying method, a mixed powder of a treatment agent and a hafnium material is placed in a certain container, the iron alloy material to be treated is embedded in the powder, and the container is placed in a heating furnace or atmosphere furnace in the atmosphere, and the entire container is filled with iron. This is a method of heating alloy materials. In order to prevent outside air from entering the opening of the container, a layer of inert powder such as alumina or metal powder such as iron-boron powder may be provided. The paste method is a method in which an adhesive such as an aqueous dextrin solution, glycerin, water glass, ethylene glycol, and alcohol is added to a mixed powder to form a paste. A paste of this mixed powder is usually applied to the surface of the iron alloy material.
Coated with a thickness of 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 paste layer can be made thinner in a non-oxidizing atmosphere. Furthermore, in this paste method, since the surface layer is formed only on the surface portion covered with the paste, it is possible to form the surface layer only on an arbitrary part of the surface portion of the iron alloy material. The non-contact method involves making the iron alloy material and the 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 there is no contact between the iron alloy material and the mixed powder. 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 prevent powder from adhering to the surface layer. Gas pressure is 0.5 to 2 kg/
A range of cm 2 is good. The heating temperature for the above heat treatment is 700°C or less. By processing at a temperature below 700°C, the base material of the iron alloy material becomes less susceptible to distortion. Further, it is desirable that the lower limit temperature is 450°C. When heat treated at a temperature lower than 450℃,
The formation rate of the surface layer of hafnium nitride or carbonitride is very slow. In practice, the high temperature tempering temperature of die steel is 520, which is the tempering temperature of structural steel.
~650℃ is desirable. As the heat treatment time increases, the hafnium content in the surface layer increases. Therefore, the treatment time is determined depending on the desired hafnium content, and is selected within the range of 1 to 50 hours. Further, the practical thickness of the surface layer to be formed is about 3 to 15 μm. [Function] The formation mechanism of the surface layer made of hafnium nitride or carbonitride according to the present invention is not clear, but judging from microanalyzer analysis and the relationship between processing time and thickness, the inventors believe that the following It is thought that it is becoming like this. Note that the following explanation is about the mechanism of forming a hafnium carbonitride layer (m, n, o, and p below each represent a number). First, by nitriding the iron alloy material that 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.
A nitride layer is formed in the form of Fe n (C,N) o . A solid solution of nitrogen (in the form of Fe--N) is also formed directly below this nitride layer. Thereafter, by subjecting the iron alloy material to heat treatment, hafnium Hf from the outside is diffused into the nitride layer. This diffusion is a reaction in which Fe and Hf replace Fe n (C, N) o , and the nitride layer is (Hf, Fe) p
(C, N) changes to p . When all the Fe n (C, N) o layers change to (Hf, Fe) p (C, N) p , no further (Hf, Fe) p (C, N) p layers grow. In addition, in the (Hf, Fe) p (C, N) p layer, the surface
There is a tendency for there to be more Hf, and the closer it is to the base metal, the more Fe there is.
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 Hf p (C,N) p . 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. In addition, until all Fe n (C, N) o layers change to (Hf, Fe) p (C, N) p , (Hf, Fe) p (C,
N) There is a surface layer consisting of two layers: a p layer and a Fe n (C, N) o layer on the base metal side. The thickness of this surface layer is approximately equal to the thickness of the initial Fe n (C,N) o layer. Furthermore, when forming a surface layer made of hafnium nitride, the surface layer formation mechanism is the same as described above. This is because the method of the present invention performs heat treatment at a low temperature of 700°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 possible. unknown.
In the method of the present invention, as shown in FIG. 1 of Example 1, the surface layer thickness (Fe n (C, N) o layer thickness and ( Hf, Fe)
p (C,N) (total thickness of p layers) is not affected by heat treatment time. On the other hand, when heat treatment is performed at a high temperature such as 1000° C. (curve S1), as the heat treatment time becomes longer, the surface layer thickness also increases as in general diffusion treatment. In addition, in practice, it is not necessary to change all the iron, carbon, and nitrogen nitride layers to (Hf, Fe) p (C, N) p layers. The state in which two layers coexist, or the state in which the entire layer is changed to (Hf, Fe) p (C, N) p layer (when changing the iron/nitrogen nitride layer to a surface layer consisting of hafnium nitride), is acceptable. (The same applies to) [Effect of the invention] According to the present invention, iron/nitrogen or iron/carbon/
After forming the nitrogen nitride layer, hafnium diffusion treatment is performed at a low temperature of 700°C or less using the above-mentioned specific treatment agent. A surface layer can be formed. Additionally, since the iron alloy material is heated at a low temperature, distortion is less likely to occur in the material. Furthermore, it has good operability due to low temperature treatment and does not require a large amount of energy. Furthermore, since the layer according to the present invention is formed by diffusion, it has excellent adhesion to the base material, unlike carbide and nitride layers formed by PVD, which do not undergo diffusion reactions, despite being processed at low temperatures. A dense surface layer can be formed. Moreover, the thickness of the formed layer is practically sufficient. Furthermore, the method of forming a surface layer made of hafnium nitride or carbonitride of the present invention can form a layer in a much shorter time than the method of forming a hafnium carbide layer without nitriding. Can be done. [Examples] Examples of the present invention will be described below. Note that % means weight %. Example 1 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 550°C molten salt bath, and -200 mesh of hafenium was added to the bath. 20% metal 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 addition, the horizontal axis of FIG. 1 is set to the 1/2 power of the immersion time. 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 hafnium carbonitride layer. (the thickness of the entire surface layer) (curve B shows the thickness of only the hafnium carbonitride layer). The thickness of the total surface layer was almost the same for different treatment times and was approximately 3 μm. Note that FIG. 2 shows a micrograph (400x magnification) of the cross-sectional structure of the surface layer formed by immersion treatment for 8 hours. The surface layer is a layer with a smooth surface, and the boundary between the layer and the base material is complicated, making it a coating layer with excellent adhesion. Furthermore, as shown in FIG. 3, analysis using an X-ray microanalyzer revealed N and C along with Hf in the surface layer. According to the analysis results from the surface, approximately 50% Hf was present. Furthermore, diffraction lines corresponding to HfN were observed in X-ray diffraction. The surface layer formed from this is
It was confirmed that it was a hafnium carbonitride layer consisting of (Hf, Fe) and (N, C). For comparison, a JIS/SKH51 specimen that had been nitrided in the same manner as above was immersed in a molten salt bath heated to 1025°C and treated.
A hafnium carbonitride layer having a thickness shown by curve S1 in FIG. 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 layer thickness does not increase even if the immersion time increases. Therefore, it has become clear that the formation mechanism of the carbonitride layer of the present invention is different from the formation mechanism of the high-temperature treatment of the comparative example. Example 2 A JIS/S45C specimen (diameter 7
mm, length 50 mm) was subjected to salt bath nitriding treatment. Next, a molten salt bath of CaCl 2 +NaCl having the same composition as in Example 1 was prepared, and -200 mesh hafnium metal powder was added in an amount of 20% to 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. 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 6 μm was formed, as shown in the micrograph of the cross-sectional structure of the surface layer (1000x magnification) in Figure 4. Ta. X-ray diffraction and X shown in Figure 5
From the results of line microanalyzer analysis, it was confirmed that this surface layer was a hafnium carbonitride layer consisting of (Hf, Fe) and (N, C). Example 3 An industrial pure iron specimen (carbon content: 0.03% or less) having a diameter of 8 mm and a length of 35 mm was subjected to ion nitriding treatment at 550° C. for 4 hours. Next, CaCl 2 +NaCl with the same composition as in Example 1
+Prepared a hafenium metal molten salt bath. The bath was heated to 600°C, and the specimen was immersed in the bath for 8 hours.
Thereafter, it was taken out of the bath and cooled in oil. The formed surface layer has a layer thickness of about 10μ, which is the same as the thickness of the nitride layer when subjected to ion nitriding, as shown in the micrograph of the cross-sectional structure in Figure 6 (400x magnification).
It was m. Furthermore, from the X-ray microanalyzer analysis results shown in FIG. 7, approximately 40% of Hf, as well as N and C, were observed in the surface layer. Furthermore, from the results of X-ray diffraction, diffraction lines of HfN were observed, and the formed surface layer was confirmed to be a hafnium carbonitride layer consisting of (Hf, Fe) and (C, N). Ta. Example 4 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. Next, CaCl 2 +NaCl with the same composition as in Example 1
A molten salt bath was prepared, and 3% Al 2 O 3 powder (-320 mesh) was added to the bath.
and 20% hafnium metal powder (-200 mesh)
was added. This molten salt bath was heated to 550° C., and the specimens were immersed for 9 hours, and then taken out from the bath and cooled in oil. When the roundness of these two 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 7 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 three times larger than the specimen treated with the present invention. When the specimen treated according to the present invention (immersion temperature 550°C, immersion time 9 hours) was cut and the surface layer was observed, the formed surface layer was approximately 8 μm thick, and was analyzed using an X-ray microanalyzer. As a result, it was confirmed that the layer was a hafnium carbonitride layer. Example 5 JIS/SKD11 specimen (diameter 6 mm, length 30 mm)
Ion nitriding treatment was performed at 550°C for 3 hours. 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 plate-shaped hafnium metal of 40 mm x 35 mm and 9 mm was inserted into the center of this bath, and this was used as an anode and a graphite container. as a cathode,
Current was applied for about 17 hours at an anode current density of 0.8 A/cm 2 .
Due to this anodic dissolution treatment of hafnium, about 7% of hafnium was dissolved into the bath based on the total amount of the salt bath, calculated from the weight loss of the hafnium metal plate. The specimen was immersed in this molten salt bath at 550° C. for 9 hours, then taken out and cooled in oil. When we cut the treated specimen and observed the surface layer, we found that the formed surface layer had a thickness of approximately
It was 5 μm. Further, when examined by X-ray microanalyzer analysis, C was also found in the surface layer in addition to Hf and N, and it was confirmed that the surface layer was a carbonitride layer of hafnium. Example 6 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. Next, a graphite container containing a mixture of 50 mol% KF and 50 mol% LiF was heated to 580°C in an electric furnace in the atmosphere to prepare a molten salt bath, and -100 mesh of Hafenim metal powder was added to this bath. For molten salt bath
Added 25%. The nitrided sample was immersed in this 580° C. bath, and electrolysis was carried out by applying current at a cathode current density of 0.05 A/cm 2 for 8 hours using this as a cathode and the graphite container as an anode. The specimen was taken out of the bath and cooled in oil, and the formed surface layer was analyzed by cross-sectional microstructure observation and an X-ray microanalyzer.
It was confirmed that the diameter was 6 μm and that it was composed of (Hf, Fe) and (C, N). In addition, the analysis results from the surface show that approximately
In addition to 45% Hf, N and C were confirmed. Example 7 A JIS/SKH51 specimen was subjected to salt bath nitriding treatment in the same manner as in Example 1. Next, Li 2 Co 3 45%, K 2 CO 3 25%, Na 2 CO 3 30%
A heat-resistant steel container containing the mixture was heated to 550℃ in an atmospheric furnace to prepare a molten salt bath, and -200 mesh of hafnium metal powder was added to this bath at a rate of 30% of the molten salt bath. did. After thoroughly stirring this bath, the specimen was kept immersed in this 550°C bath for 4 hours. The specimen was taken out of the bath and cooled in oil, and the formed surface layer was analyzed by cross-sectional microstructure observation and an X-ray microanalyzer.
The thickness of the layer was 4 μm, and approximately 40% of Hf as well as N and C were observed in the layer. Furthermore, when examined by X-ray diffraction, the diffraction lines matched well with the diffraction lines of HfN, thus confirming that the surface layer was composed of (Hf, Fe) and (C, N). Example 8 A JIS/SK4 specimen with a diameter of 8 mm and a length of 30 mm was heated at 570°C.
Gas nitrocarburizing treatment was performed for 150 minutes. Next, the specimen was embedded in a -100 mesh powder mixture consisting of 90% hafnium metal and 10% potassium borofluoride (KBF 4 ), which was placed in a stainless steel container. Furthermore, to prevent oxidation, on top of the mixed powder -
100 meshes of ferroboron powder was coated to a thickness of 3-4 mm. The whole container was heated to 600℃ in an atmospheric furnace.
Heated for 16 hours. The container was taken out of the furnace and cooled in air, and then a test piece was taken out from the powder. When the surface layer formed on the specimen was analyzed using an X-ray microanalyzer, it was found that Hf, N,
C was recognized, and the analysis result from the surface shows that it is approximately 20%
of Hf was observed, and this layer was confirmed to be a carbonitride layer of hafnium. Example 9 A mixed powder consisting of 60% Al 2 O 3 (-80 mesh), 38.8% hafnium metal (-100 mesh), and 1.2% NH 4 Cl (-80 mesh) was placed in a fluidized bed furnace.
The mixed powder was brought into a fluid state by argon gas introduced from the lower part of the furnace (flow rate in the furnace 200 cm/min, pressure 1.5 Kg/cm 2 at the furnace inlet). A JIS SK4 rod (diameter 7 mm, length 50 mm) which 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 8 hours. When the formed surface layer was analyzed with an X-ray microanalyzer, it was found that the surface layer was composed of Hf, N, and C. Approximately 25% Hf was detected in the surface analysis, indicating that it was a hafnium carbonitride layer. was confirmed. Example 10 A JIS/SKH51 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. Next, a mixture of 52 mol% CaCl2 and 48 mol% NaCl was placed in a heat-resistant steel container and heated to 570 mol% in an electric furnace in the atmosphere.
A molten salt bath is prepared by heating to
200 meshes of hafnium metal powder was added at 25% to the total amount of the molten salt bath. After immersing the specimen in this 570°C bath for 8 hours, it was taken out and cooled in oil. When the formed surface layer was analyzed by X-ray diffraction and an X-ray microanalyzer, it was confirmed that the surface layer was a hafnium carbonitride layer consisting of (Hf, Fe) (C, N). Next, the hafnium carbonitride coated specimen (sample no.
Regarding C), gas carburized and quenched JIS
Dry test using SCM415 as a mating material using a Fababilly tester, load 400Kg, rotation speed 300rpm, wear rate 0.1
A friction test was conducted under the conditions of m/sec and test time of 4 minutes. Also, for comparison, a JIS/SKH51 specimen (sample No. S2) that was not subjected to the above nitriding treatment or heat treatment.
and SKH51 specimen with only nitriding treatment (sample No. S3)
A friction test was also conducted on the The results of the above friction test are shown in the table. Also, the sample
Seizure scratches were clearly observed in both Nos. S2 and S3, whereas only small damage was observed in sample No. C. From this, it can be seen that the surface layer formed according to the present invention is superior to that of the comparative example in terms of wear resistance and seizure resistance. 【table】
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,第8図はそれぞれ実施例
1,2,3,5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、第3
図、第5図、第7図はそれぞれ実施例1,2,3
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.
4, 6, and 8 are micrographs showing the cross-sectional structure of the surface layer formed by the treatment of the present invention in Examples 1, 2, 3, and 5, respectively.
5, 7 are Examples 1, 2, and 3, respectively.
FIG. 3 is a diagram showing the results of an X-ray microanalyzer analysis of the surface portion of the iron alloy material treated according to the present invention.
Claims (1)
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、ハフニウム材料と、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、または/およびハロゲン化アンモニウム塩、
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、700℃以下において加熱処
理し、ハフニウムを上記鉄合金材料表面に拡散せ
しめることにより、鉄合金材料表面にハフニウム
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。 2 上記ハフニウム材料は、ハフニウム金属、ハ
フニウム合金、ハフニウム化合物の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
溶融塩浴中にハフニウ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る
と共に、ハフニウム材料を浸漬した溶融塩浴中で
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、上記処理剤とハフニウム材
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、上記処理剤とハフニウム材
料との混合粉末のペーストを鉄合金材料に塗布し
た状態において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、上記処理剤とハフニウム材
料との混合粉末と鉄合金材料とを一定空間内に非
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、上記処理剤とハフニウム材
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 a nitriding treatment to form an iron/nitrogen or iron/carbon/nitrogen nitride layer on the surface of an iron alloy material, the iron alloy material, a hafnium material, and an alkali metal or alkali One or more of earth metal chlorides, fluorides, boric fluorides, oxides, bromides, iodides, carbonates, nitrates, borates, and/or ammonium halide salts,
Hafnium nitride or carbonitride is formed on the surface of the iron alloy material by heat treatment at 700°C or less in the presence of a treatment agent consisting of one or both of the metal halides and diffusing hafnium onto the surface of the iron alloy material. 1. A method for surface treatment of iron alloy materials, characterized by forming a surface layer consisting of metal. 2 The above hafnium material is one or two of hafnium metal, hafnium alloy, and hafnium compound.
A method for surface treatment of an iron alloy material according to claim 1, which comprises at least one species. 3. The method of surface treatment of an iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed by immersing the hafnium material and the iron alloy material in a molten salt bath in which the treatment agent is melted. 4. The surface treatment of the iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed by electrolytic treatment in which the treatment agent is melted and the iron alloy material is used as a cathode in a molten salt bath in which the hafnium material is immersed. Method. 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 hafnium material. 6. The method of surface treatment of an iron alloy material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed while a paste of a mixed powder of the treatment agent and the hafnium material is applied to the iron alloy material. 7. The surface 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 hafnium material and the iron alloy material in a fixed space in a non-contact state. Processing method. 8. The heat treatment is carried out by making the mixed powder of the treatment agent and hafnium material into a fluidized state and placing the iron alloy material therein.
A method for surface treatment of iron alloy materials as described in .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24692085A JPS62107055A (en) | 1985-11-01 | 1985-11-01 | Surface treatment of iron alloy material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24692085A JPS62107055A (en) | 1985-11-01 | 1985-11-01 | Surface treatment of iron alloy material |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62107055A JPS62107055A (en) | 1987-05-18 |
JPH0447029B2 true JPH0447029B2 (en) | 1992-07-31 |
Family
ID=17155719
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24692085A Granted JPS62107055A (en) | 1985-11-01 | 1985-11-01 | Surface treatment of iron alloy material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62107055A (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007231301A (en) * | 2004-04-06 | 2007-09-13 | Iox:Kk | Method for producing multi-component alloys on substrates by molten salt electrolysis |
-
1985
- 1985-11-01 JP JP24692085A patent/JPS62107055A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS62107055A (en) | 1987-05-18 |
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