JPS6270561A

JPS6270561A - 鉄合金材料の表面処理方法

Info

Publication number: JPS6270561A
Application number: JP21049585A
Authority: JP
Inventors: Toru Arai; 新井　透; Hironori Fujita; 藤田　浩紀; Junji Endo; 遠藤　淳二; Yoshihiko Sugimoto; 義彦杉本; Yukio Oota; 幸夫太田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1985-09-24
Filing date: 1985-09-24
Publication date: 1987-04-01
Also published as: JPH0424423B2

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、金型、治工具類及び機械部品などの鉄合金材
料の表面にチタン（Ｔｉ）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チタンの炭化物、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、
チタン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）あるいはイオンブレーティング法
などにより鉄合金材料表面にチタン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５８−１．５１４６９号、金属表面技術。

１９７９年、　Ｎａ２．　　Ｐ２８）。これらの方法で
は、鉄のＡ　（１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
性の優れたチタン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、チタン材料と、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剤とを共存せしめて、
７００℃以下において加熱処理し、チタンを上記鉄合金
材料表面に拡散せしめることにより、鉄合金材料表面に
チタン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。

本発明において、鉄合金材料はチタンの窒化物あるいは
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１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、鉄合金材料中の炭素含有量が多ければ、
それだけ形成されるチタン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、窒化処理に先立って、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
含有される掻く微量の炭素がチタン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、この鉄合金材料をチタン材
料と共に加熱処理することにより窒化物層にチタンが拡
散し、チタン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チタ
ン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チタン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、従って表面層の厚さは窒化処理によって規定される
。

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チタンの窒
化物あるいは炭窒化物層の厚さが薄くなり、一方法すぎ
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
チタン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チタンを拡散させ
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。

上記チタン材料とは、鉄合金材料の表面に拡散させるチ
タンを供給するものであり、チタンを含む金属あるいは
チタン化合物等を用いる。該金属としては、チタン金属
やフェロチタン等の合金が挙げられる。上記化合物とし
ては、　ＴｔＣＩ３＋ＴｉＦ４゜ＮａｚＴｉＦａ＋Ｔｉ
０ｚ、ＴｉＢｒ４等の塩化物、弗化物、酸化物。

臭化物等が挙げられる。しかして、これらチタン材料は
、これらのうち１種または２種以上を用いるが、チタン
金属を用いるのが最も実用的である。

また、前記処理剤は、チタン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、加熱処理方法によっ
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、ＮａＣ１＋ＣａＣＩｚ＋Ｌ＋ＣＩ、Ｎａ
Ｆ＋ＫＦ。

ＬｉＦ、　ＫＢＦｔ、　ＮａｚＣＯｉ、　ＬｉＣ０ｚ、
Ｋｃｏｆｆ、　ＮａＮ０．、、　ＮａｚＯ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、　ＮＨ４，ＣＩ
、ＮｌＩ４Ｂｒ＋ＮＨ４，Ｉ＋ＮＨｔＦ等が挙げられ、
金属ハロゲン化物としては、Ｃｒ１２．ＣｒＢｒｚ＋Ｖ
Ｃ１ｉ、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。なおＶやＣｒを含む化合物
を使用する場合には、Ｔｉと同時にＶ、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ＴｉＦ４等のチタンのハロゲン化物
を使用する場合、前記チタンを含む材料として兼用する
こともできる。

加熱処理方法としては２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って、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、前記処理剤を溶融じて溶融浴を
形成し、該溶融浴にチタン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、　ＮａＣ１とＣａＣ
１ｚ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
の目的のためにＡｌｚ（１＋、ＺｒＯ２等の酸化物やＮ
ａＣＮ等のシアン化合物等を添加してもよい。

上記溶融浴にチタン材料を浸漬するのは、溶融浴中にチ
タンを溶入させるためである。チタン材料を浸漬する手
段としては、該材料を粉末状（好ましくは２００メソシ
ユ以下）または薄板状で溶融浴に添加する方法あるいは
棒状または板状の該材料を陽極として溶融浴中に浸漬し
て電解しチタンを陽極溶解させる′方法等がある。上記
陽極溶解によりチタンを溶入する場合には、チタンが迅
速に溶入して作業能率を向上させることができ、しかも
未溶解のチタン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
溶解するときの陰極電流密度は、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／ｃｎ！が適当である。

浴中に溶入したチタン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チタンの窒化物あ
るいは炭窒化物層を形成する。

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。

また、前記溶融塩電解法とは、処理剤を溶融せしめた浴
にチタン材料を浸漬しチタン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、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チタン材料を浸漬してチタ
ンを溶入する手段も前記溶融浴温浸漬法と同様な方法で
よい。また処理剤の溶融浴にチタン材料を陽極、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、チタン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ットがある。

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／Ｃｌ１）以下、実用的には０．８〜０゜０５
Ａ／ｃＪＡ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（Ｎｚ、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、前記処理剤とチタン材料との混
合粉末及び鉄合金材料を共存させ１加熱するものである
。

該粉末法において、処理剤とチタン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。

ペースト法と一般に言われている鉄合金材料９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（ＶＣ
ｌ２．ＦｅＣｌ：＋、ＴｉＦ４＋ＶＦ３＋ＴｉＢｒａ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
剤から発生しチタン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。

処理剤とチタン材料との配合割合は、チタン材料に対し
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
的にチタン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。

また処理剤とチタン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ＪＩＳＮ
ａ１００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、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（い。逆に３５０メソシユより細か
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、上記処理剤とチタン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、処理剤の種類によっ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（
Ａｌ２Ｏ２）等の不活性粉末を添加することができる。

更にチタン材料と処理剤の組合わせによっては表面層形
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１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チタン材料との混合
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龍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１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覆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５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　／　ｃＪ
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ｔ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、チタン
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。

加熱処理の処理時間が長くなれば表面層中のチタン含有
量が増加する。このため処理時間は所望とするチタン含
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〕

本発明によるチタン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９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、以下のようになっていると考えられる。なお
、以下の説明はチタン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はそ乳ぞれ数字を表
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Ｆｅｍ　
（ＣＩ　Ｎ）　ｎ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チタン（Ｔｉ）が拡散する。この
拡散はｐｅｊｃ、Ｎ）ｎのＦｅとＴｉとが置換する反応
であり、窒化物層は（Ｔｉ、Ｆｅ）。（Ｃ，Ｎ）、に変
化する。そしてＦｅＪＣｌＮ）、、層がすべて（Ｔｔ、
Ｆｅ）。

（Ｃ，Ｎ）ｐに変化するとそれ以上（Ｔｔ　＋　Ｆｅ）
　ｏ　（Ｃ１Ｎ）　ｐ層の成長はない。なお、（Ｔｉ、
Ｆｅ）。（Ｃ，Ｎ）、層においては表面はどＴｉが多く
、母材に近いほどＦｅが多い傾向にある。従って条件に
よっては表面部のＦｅｉは著しく小さく　、　Ｔｉ０（
Ｃ，Ｎ）ｐと表示するのが妥当な場合もある。

従って、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っ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）　
ｎ層が（Ｔｉ、Ｆｅ）。（Ｃ１Ｎ）ｐに変化するまでの
間は表面側に（Ｔｉ、Ｆｅ）。（Ｃ，Ｎ）ｐ層、母材側
にＦｅ、（Ｃ，Ｎ）、　Ｈ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Ｆ
ｅｓ＋　（ＣＩ　Ｎ）　ｎ層の厚さにほぼ等しい。

また、チタンの窒化物から成る表面層を形成する場合に
ついても２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
を行っているためであり、このような機構での、したが
っ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℃で行った場合（曲線Ａ）の表面層厚
さくＦｅ、　（Ｃ，Ｎ）　１）層の厚さと（Ｔｉ、Ｆｅ
）。

（Ｃ，Ｎ）、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
で加熱処理を行った場合（曲線Ｓｌ）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（Ｔｔ
、Ｆｅ）。（Ｃ，Ｎ）、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（Ｔｉ、Ｆｅ）。

（Ｃ，Ｎ）ｐ層に変わった状態でもよい（鉄・窒素の窒
化物層をチタン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５前記特定の処理剤を用い、７００℃以
下という低温においてチタンの拡散処理を行うので、低
温において、鉄合金材料にチタン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、材料の母材に
歪みが発生しに（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１本発明による層は拡散によって形成されるため、
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２本発明のチタン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は、窒化処理を行わないでチタ
ン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２本発明の詳細な説明する。なお％は重量％を意味
する。

実施例１゜直径６關、長さ３０龍のＪＩＳ−３ＫＨ５１丸棒試片丸
棒子０℃の塩浴中に１時間浸漬して塩浴窒化処理を施し
た。次にＣａＣＩｚ　５２モル％とＮａＣ１４８モル％
との混合物の入っ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、更に浴中に一１０
０メツシュのチタン金属粉末を上記溶融塩浴に対して２
０％添加した。この５５０℃の溶融塩浴に上記窒化処理
した試片を１〜１６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ｍ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、ｌｈｒ以降の厚さは該窒化物
層とチタンの炭窒化物層との合計厚さく全表面層の厚さ
）である（なお、チタン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、処理時間が異なって
もほとんど同じであり、約３μｍであった。

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析では第３図に示
すように表面層中にはＴｉとともにＮとＣとが認められ
た。更にＸ線回折ではＴｉＮ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、　（Ｔｉ、Ｆｅ）　
（Ｎ、Ｃ）から成るチタン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
・５ＫＨ５１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に示される厚さのチタン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っているが１本発明では浸漬時
間が長くなっても全表面層厚さは厚くならない。従って
１本発明の炭窒化物層の形成機構は比較例の裔温処理の
場合の形成機構と異なっていることが明らかになった。

実施例２゜実施例１と同様にしてＪＩＳ−３４５Ｃ試片（直径７１
ｍ、長さ５０龍）を塩浴窒化処理した。次に実施例１と
同様の組成のＣａＣ１ｚ　＋ＮａＣｌの溶融塩浴を調整
し、更にこの浴中にＴｉＣＬ＋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。

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。−例として６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５μｍ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、　　（Ｔｉ、　Ｆｅ）（Ｎ、Ｃ）より
成るチタンの炭窒化物層であることが確かめられた。

実施例３゜外径φｌＱｍｍ、内径φ６龍、長さ２５１）の円筒形Ｊ
ＩＳ・５４８Ｃ試片を５７０℃、５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ＣａＣ１□＋ＮａＣ１の
溶融塩浴を調整し、更にこの浴中に上記溶融塩浴に対し
て３％のへ１□０３粉末（−３２０メソシユ）と２５％
のフェロチタン（Ｆｅ−Ｔｉ）合金（Ｊ　Ｉ　Ｓ　１号
）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時間浸漬し、その後浴
中より取り出し油冷した。

この試片について真円度を測定したところ、はとんど同
じ真円度であり、試片の」二部と下部とも約６μｍと小
さかった。なお比較のため溶融塩浴への浸漬温度を８５
０℃（浸漬時間は４時間）にした場合の試片では真円度
は約２５μｍであり。

本発明で処理した試片に比べて約４倍も大きかった。

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５μｍであり、また、Ｘ線回折や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、　（
Ｔｉ、Ｆｅ）（Ｎ、Ｃ）より成るチタンの炭窒化物層で
あることが確かめられた。また１表面からのＸ線マイク
ロアナライザーによる分析結果では、約４０％のＴｉの
他にＮとＣが認められた。

実施例４゜ＪＩＳ−３ＫＨ５１試片（直径６鶴、長さ３０璽璽）を
５５０℃、５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ＣａＣ１，＋ＮａＣ１の溶
融塩浴を黒鉛容器中で調整し、更にこの浴の中央に直径
１０酊、長さ５０鰭のチタン金属棒を挿入し、これを陽
極、黒鉛容器を陰極として、０．５Ａ／−の陽極電流密
度で約１６時間通電した。このチタンの陽極溶解処理に
よってチタン金属棒の重量減から計算して塩浴量全体に
対して約１０％のチタンが浴中に溶入された。この溶融
塩浴中に上記試片を５５０℃で８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Ｘ線マイクロアナライザー分
析で調べたところ１表面層は、チタンの炭窒化物層であ
ることが確かめられた。

実施例５゜直径約７１ｍ×長さ５０關のＪＩＳ−５４５Ｇ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６００℃に加熱して
溶融塩浴を調整し、更にこの浴に一１００メソシュのチ
タン金属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０．０８Ａ／
Ｃｌ１）で８時間通電して電解を行った。

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９表面層
は、　（Ｔｉ、　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５０％のＴ
ｉの他に、ＮとＣが確認された。

実施例６゜実施例４と同様にして直径８Ｎ×長さ３５ｍの工業用純
鉄試片（炭素含有量０．０３％以下）をイオン窒化処理
した。

次に、実施例１と同様な組成のＣａＣ１□＋ＮａＣｌの
溶融塩浴を鋼容器内で調整し、更に浴中に一２００メツ
シュのＦｅ−Ｔｉ（Ｊ　Ｉ　Ｓ　１号）粉末を溶融塩浴
に対して３０％添加した。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１０μｍであった。また
１表面からのＸ線マイクロアナライザー分析結果より表
面層には約５０％のＴｉの他ＮとＣとが認められた。こ
のことより２表面層は、チタンの炭窒化物層であること
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、　ＬｉｚＣ（ｈ４５％、Ｋｚｃｏ３２５％、　Ｎ
ａ２ＣＯｚ３０％の混合物の入っ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、
更にこの浴に一１００メツシュのチタン金属粉末を溶融
塩浴に対して３０％添加した。この浴を十分に攪拌した
後、この５５０℃の浴に上記試片を５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Ｘ
線マイクロアナライザーにより分析したところ１表面層
は、　（Ｔｉ、　Ｆｅ）　（Ｃ，Ｎ）より成ることが確
かめられた。

実施例８゜直径８龍×長さ３０鶴のＪＩＳ−５４５Ｇ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一１００メソシュのＦ
ｅ−Ｔｉ（Ｊ　Ｉ　Ｓ　１号）９０％と硼フン化カリウ
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一１０
０メソシュのフェロポロン粉末を３〜４鶴の厚さで被覆
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２表面層中にＴｉとＮ、　　Ｃとが認め
られ１表面からの分析結果では約３５％のＴｉが認めら
れ、この層は、チタンの炭窒化物層であることが確かめ
られた。

実施例９゜アルミナ（ＡｌｚＯｉ、２００メソシユ）４０％。

Ｆｅ−Ｔｉ（Ｊ　Ｉ　Ｓ　１号、−１００メツシユ）５
５％。

塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃ１，−８０メツシユ）５％
から成る混合粉末を、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と同じ条件でガス軟窒化処理したＪＩＳ−３層４試片
（直径２ＯＮ、長さ１０龍）に３〜５ｆｌ厚さに上記ペ
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。

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２表面層は、チタンの炭窒化物より成っている
ことが確かめられた。

実施例１０゜八Ｉｚ（ｈ（−８０メツシユ）６０％、　Ｆｅ−Ｔｉ（
Ｊ　Ｉ　Ｓ１号、−１００メツシユ）３８．．８％、　
ＮＨ，、Ｃ１（−８０メソシユ）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／ｃＪ）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−３ＫＤ６１棒（直径７１重、長さ５ＯＮ）を装
入し６００℃で１６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、第７図に示すように表面層はＴｉとＮ、Ｃか
ら成っており１表面分析では約３０％のＴｉが検出され
、かつｘ′４ｆＡ回折の結果ではＴｉＮ回折線と一致し
たことから１層は、　（Ｔｉ、Ｆｅ）（Ｃ，Ｎ）である
ことが確かめられた。

実施例１）゜直径ＩＮ、長さ５ＯＮのＪＩＳ・Ｓ、に４試片を５７０
℃、４時間の条件で塩浴窒化処理した。

次に、　Ａｌｚ（ｈ（８０メツシユ）５８．８％、Ｆｅ
−Ｔｉ（ＪＩＳＩ号、−１００＋２００メツシエ）４０
％、　ＮＨ，、ＣＩ（−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２００■／分、圧力１．５　ｋｇ／
ｃＡ）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ＳＫ４試片を装入し、６００℃で１６時間保持
して加熱処理した。

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１表面層はＴｉとＮ、Ｃから成り。

表面からの分析では約２０％のＴｉが検出された。

Ｘ線回折の結果ではＴｉＮ回折線と一致したことから、
Ｎは（Ｔｉ　、　Ｆｅ）　（Ｃ，Ｎ）であることが確か
められた。

実施例１２゜直径６．５ｍｌ、長さ４Ｑ’ｍｓのＪＩＳ−３ＫＨ５１
試片を実施例１と同様にして塩浴窒化処理した。

次に、　ＣａＣＩｚ　５２モル％とＮａＣ１４８モル％
の混合物を耐熱鋼容器に入れ、大気中の電気炉にて５５
０℃に加熱して溶融塩浴を調整し、更にこの浴に一２０
０メソシュのＦｅ−Ｔｉ（Ｊ　Ｉ　Ｓ　１号）粉末を溶
融塩浴全量に対して２５％添加した。この５５０℃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線回折で調べたところ。

ＴｉＮに相当する回折線が認められ１表面層はチタンの
炭窒化物層であることが確かめられた。

次に上記チタン炭窒化物被覆試片（試料ＦｋｘＣ）につ
いて、ガス浸炭焼入れされたＪＩＳ−３層Ｍ４１５を相
手材としてファビリー試験機により乾式、荷重４００ｋ
ｇ、回転数３００ｒｐｍ、摩耗速度０．１　ｍ　／　ｓ
ｅｃ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−３ＫＨ
５１試片（試料阻Ｓ２）と窒化処理のみ施した５ＫＨ５
１試片（試料Ｉｔｓ３）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、試料隘Ｓ２．
Ｓ３では焼付傷が鮮明に発生していたのに対して、試料
ＰｋＬｃでは、小さな損傷が認められたにずぎなかった
。このことより９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において優
れていることが分かる。

表

【図面の簡単な説明】

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１，２．６において本
発明の処理により形成された表面層の断面Ｍｉ織を示す
顕微鏡写真（４００倍）、第３図、第５図、第７図はそ
れぞれ実施例１，２．１０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。

Claims

【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、チタン材料と、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、７００℃以下において加熱処理し、チタ
ンを上記鉄合金材料表面に拡散せしめることにより、鉄
合金材料表面にチタン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）上記チタン材料は、チタン金属、チタン合金、チ
タン化合物の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
浴中にチタン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、チタン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、上記処理剤とチタン材料との混
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、上記処理剤とチタン材料との混
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、上記処理剤とチタン材料との混
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、上記処理剤とチタン材料との混
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。