JPS635467B2

JPS635467B2 -

Info

Publication number: JPS635467B2
Application number: JP58232937A
Authority: JP
Inventors: Akira Harayama
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 1983-12-09
Filing date: 1983-12-09
Publication date: 1988-02-03
Also published as: JPS60125365A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ステンレス鋼のガス窒化前処理方法
に関するものである。

ステンレス鋼は、機械的特性及び耐蝕性のよい
有用な材料であるが、低硬度であるため耐摩耗材
として使用上の制約があり、そのため低コストで
安定した硬化処理が切望されている。

ステンレス鋼を窒化等の表面硬化処理する場合
の重大な問題点は、自然発生する非常に強固で緻
密な酸化膜が障壁となつて、窒素、炭素等の侵入
を阻害することから、前処理なしでは実質的な硬
化処理が不可能な点にある。

従つて、従来より、窒素の侵入拡散の障害とな
る酸化膜を除去する種々の方法が提案されている
が、次のような理由で満足できるものではない。

(1) 酸洗浄により化学的に除去する方法この方法は、処理が電気化学的に均質でない
ため、局部電位の生成により、酸化膜の除去は
不均一となる。これらの欠点を取り除く目的
で、大気加熱し、均一酸化膜化した後、酸洗浄
する方法があるが、必要以上に表面あらさが増
大し、精密部品では仕上代が増大するばかり
か、酸洗浄〜昇温時間中に酸化するので、要求
が厳しい用途には利用できない。

(2) ブラスト処理等により物理的に除去する方法ブラスト処理〜昇温時間中の酸化により万全
ではない。

(3) ハロゲン化物を塗布又は処理炉中に混入する
方法主たる作用は、処理炉中で発生するClの還元
作用で酸化膜を除去するものである。

この処理の原理は、最初ClがＯと置換し、
Fe，Cr等と弱い結合をするが、NH₃ガスが分
解して生じた活性窒素がさらにClと置換し、鋼
中に拡散するものである。

従つて、供給するCl量が過少であると、酸化
膜除去が不十分となる。そして、被処理物の酸
化度合、表面積が不明確であるため、必要以上
のCl量を供給するのが常法で、過剰なCl量によ
り下記の欠点を有する。

(イ) 必要以上に被処理面に塩化物を形成し、且
つ結晶粒界及び加工歪層等から侵入したClは
内部腐食を形成し、物理的、化学的に安定し
た均一な硬化層を得られない。

(ロ) 処理炉は耐Cl性が必要で、且つ損傷が大き
い。

(ハ) 主処理材であるNH₃と容易に化合するた
め、NH₃濃度管理が一定しない。

(4) 塩浴軟窒化の場合は侵食性があり、前記前処
理なしでも処理することは可能であるが、鋼種
によつては特殊な条件を選定する必要がある。

なお、塩浴軟窒化及びガス軟窒化は、摺動部材
として好ましくないポーラス層を形成する。この
ポーラス層はＮ濃度が高く、高硬度で多孔質な層
であるため、機械的な強度が低い。この層を摺動
部材として使用すると、脱落し、摩耗粉として作
用し、相手摩耗、自身の摩耗を加速し、異常摩耗
の原因となる。特に、リングではシリンダ内周面
あるいはリング外周面のきずの原因となる。又、
ポーラス層は処理深さに比例して増大する特性が
あり、有効な厚窒化を得ることができない。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもの
で、上記欠点を有さず、しかも窒素の侵入の障壁
となる酸化膜を低コストで安定的に除去し得、均
一、均質な厚窒化を可能とするステンレス鋼のガ
ス窒化前処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本願発明の構成は次のとお
りである。

即ち、ステンレス鋼のガス窒化前処理方法は、
窒化処理条件下で窒素を吸収しない280〜350メツ
シユの硬質粒子を体積比で５％以上含む溶液を使
用した湿式ブラスト処理によつて、被処理面を、
活性化すると共に活性面を硬質粒子で被包する工
程と、硬質粒子によつて活性面を被包された前記
被処理面を有する被処理物を、前記窒化処理条件
下で窒素を吸収しない280〜350メツシユの硬質粒
子を体積比で５％以上含む水溶液に対して水溶性
ハロゲン化物を重量比で１％以上含有した温湯中
に浸漬する工程と、前記浸漬した被処理物を引き
上げて乾燥する工程とよりなることを特徴とす
る。

本方法は、アルミナ等の所定の硬質粒子の微粉
を含む高圧水を被処理面に吹き付けて、加工面の
錆、不働態化膜、加工歪層等の窒化処理に有害な
表面層を物理的に除去すると共に、シヨツトピー
ニシグ効果により均質な活性面を得るものであ
る。

そして、さらに、この活性面を硬質粒子で被包
して、窒化開始までの間の酸化を防止するため
に、湿式ブラストで常用されている高圧水流洗
浄、ブラツシング等の洗浄はしない。

このように、ブラスト処理で梨地化し、微小あ
らさを生じた表面に沈着した硬質粒子は洗い落と
さずに、活性面を硬質粒子で被包保持するので、
被処理面には無数の無酸化点が高密度に均一分布
し大気から遮断される。

前記硬質粒子としては、例えばSiC、SiO₂、
Al₂O₃、Cr₂O₃等の研削材に属するものが好適で、
窒素を吸収せず窒化開始温度約500℃以下で分解
しない粒子を使用する。

この硬質粒子の粒度は280〜350メツシユの粒子
を使用する。吸着性、被覆率では微細な方がよい
が微細なほど粉未が自己結合し、沈澱降下する特
性が強く、懸濁することが難しくなり、撹拌停止
中に沈澱降下するため、350メツシユより粗粒と
し、又、280メツシユより粗い粒子では吸着性、
被覆率が劣り、窒化速度が低下する。以上のよう
に、硬質粒子の粒度は微細な350メツシユが最も
好ましいのであるが、実際の湿式ブラスト作業に
おいては、通常硬質粒子を循環使用するので、硬
質粒子はブラスト時の破砕により徐々に微細化
し、そのため初期の粒度及び補給時の粒度は粗粒
のもの（280メツシユ）を選定するのが実際的で
ある。また、後述する浸漬の際は湿式ブラストと
異なり破砕しないため、微細なもの（350メツシ
ユ）を選定するのが好ましい。

この硬質粒子は５〜50％（体積比）が好適であ
る。５％未満では被包密度が小さくなり、50％を
越えると装置機能上圧力が減退し、研削性が劣化
する。

非常に酸化し易いステンレス鋼に、完全に無酸
化面を形成維持することは、規実的に不可能であ
るが、窒化処理の場合完全な無酸化面ではなくと
も窒化は可能である。

窒化は半円形で等速に進行する。第１図に示す
ように、例えばＡ点より窒化開始すると、点Ａを
中心に半円状に窒化は進行する。１は酸化膜、２
は窒化層、３は母材である。従つて、酸化膜１の
下部も窒化されるが、無酸化面の間隔が大きい
と、第２図に示すように、窒化層２は波状分布と
なるか、或いは連結せず、深さの不均一の原因と
なり、窒化速度が低下する。窒化速度は窒素の拡
散度であるから、無酸化点密度が高い（拡散侵入
口が多い）ことが必要である。微粉で無酸化点を
高密度に均一に分布させる処理方法は窒化速度を
向上する点で有効である。窒化現象が窒素濃度の
移動であることより、深さ方向のみに窒素濃度の
移動を集中すれば、窒化速度は向上する。

さらに、湿式ブラスト後、前記したアルミナ等
の所定の硬質粒子とハロゲン化物を含む所定の温
湯中に浸漬し、引き上げてから乾燥することによ
り、ハロゲン化物の塩素による還元作用による酸
化膜除去の効果が相乗すると共に、硬質粒子での
活性面の被包がさらに確実になる。

この場合、既にブラステイングで均質な表面を
形成しいるので、ハロゲン化物は、HClのような
強酸である必要はなく、且つ少量でよく、既に微
粉で被包されているので特別な被包は不要で簡便
に処理できる。

このハロゲン化物としては、水溶性で、Cl^-を
生成し、被処理面を還元する作用を有するもの
で、例えばCaCl₂、FeCl₃AlCl₃、ZnCl、MgCl₂等
の一種又は二種以上を使用する。

そして、水溶性ハロゲン化物は、前記硬質粒子
を体積比で５％以上含む水溶液に対して重量比で
１〜15％が好適である。１％未満では還元性能が
劣り、15％を越えると処理面を腐食する可能性が
ある。

本発明によるガス窒化前処理後の窒化処理条件
は、材質、目標硬さ、深さにより任意に選定する
ので一定ではないが、温度は500〜600℃で時間は
目標深さ等で調整する。

以上の本発明の方法は、例えば鋼製ピストンリ
ング、鋼製組合せオイルリング等に適用し、ステ
ンレス鋼としては例えばSUS440B、SUS420J2、
SUS304等（あるいはその相当材）を使用する。

ちなみに、本発明によるガス窒化前処理後のガ
ス窒化によれば、有効窒化硬さHv700以上の窒化
層が50〜150μ程度得られるが、この窒化層の厚
さは、鋼製ピストンリングあるいは鋼製組合せオ
イルリングの種類、被処理面、サイズ等によつて
適宜調整するものである。

なお、被処理面を被包しているアルミナ等の硬
質粒子は、ガス窒化後における仕上げ加工（ラツ
ピング、研摩等）及びフエロツクス等の表面処理
反応時の反応（H₂ガスの発生等）により除去さ
れる。

次に実施例を説明する。

(1) 窒化処理条件炉内温度580℃ 処理時間3Hr 雰囲気ガス組成 NH₃ガス150／minとN₂ガ
ス50／minとの混合ガス (2) 被処理品 SUS440B（ピストンリング）（実施例） (1) 前処理湿式ブラストアルミナ砥粒粒度 280メツシユ 30％（水に対する体積比）圧力５Kg／cm² 表面を均一に梨地化浸漬アルミナ粉粒度350メツシユ 10％（水に対する体積比）塩化カルシウム３％（前記アルミナ粉を含む
水溶液に対する重量比）温湯の温度80℃ 浸漬時間 30秒乾燥引き上げて放置乾燥 (2) ガス窒化前記窒化処理条件でガス窒化（比較例１）前処理なしで前記窒化処理条件でガス窒化（比較例２）前処理として前記実施例中の湿式ブラストを行
い、放置乾燥して、前記窒化処理条件でガス窒
化。

（比較例３）前処理として前記実施例中の浸漬処理を行い、
放置乾燥して、前記窒化処理条件でガス窒化。

（比較例４）前処理なしで下記条件でガス窒化炉内温度580℃ 処理時間3.5Hr 雰囲気ガス組成 NH₃ガス150／min及びN₂
ガス50／minとHCl3c.c.／minとの混合ガ
ス（始めの0.5Hr）NH₃ガス150／minと
N₂ガス50／minとの混合ガス（残りの
3Hr）以上の結果、第５図より明らかなように、本発
明によれば他の比較例より窒化深さが深く、窒化
速度が向上していることが明らかである。又、窒
化速度の向上と共に、窒化深さは均一であつた。

又、（比較例４）においては、第４図（第３図
に示すように、ピストンリング４外周面をＢ面ま
で研磨し、金属顕微鏡で矢視Ｃ方向から観察した
面を示す）に示すように、窒化層２内に剥離、異
常摩耗等の原因となるハロゲン化物による異質層
５を形成しているが、本発明の実施例のものは異
質層を形成していない。これは、本発明において
は、ハロゲン化物がHClのような強酸である必要
はなく、且つ量も少なくてよいことによる。

又、以上ガス窒化したのは、軟窒化処理におい
てみられる脆弱なポーラス層の生成はなかつた。

以上のように、本発明の前処理方法によれば、
窒素の侵入の障壁となる酸化膜を安定的に除去で
き、均一、均質な安定した厚窒化を可能とするも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々ガス窒化したステンレ
ス鋼の表面部分における断面を示す図、第３図は
ピストンリングの一部を示す平面図、第４図は第
３図におけるピストンリングの外周表層断面を示
す図、第５図は比較例と本発明の実施例における
窒化層の深さと硬さの関係を示すグラフである。１……酸化膜、２……窒化層、３……母材、４
……ピストンリング、５……異質層。

Claims

【特許請求の範囲】

１窒化処理条件下で窒素を吸収しない280〜350
メツシユの硬質粒子を体積比で５％以上含む溶液
を使用した湿式ブラスト処理によつて、被処理面
を、活性化すると共に活性面を硬質粒子で被包す
る工程と、硬質粒子によつて活性面を被包された
前記被処理面を有する被処理物を、前記窒化処理
条件下で窒素を吸収しない280〜350メツシユの硬
質粒子を体積比で５％以上含む水溶液に対して水
溶性ハロゲン化物を重量比で１％以上含有した温
湯中に浸漬する工程と、前記浸漬した被処理物を
引き上げて乾燥する工程とよりなることを特徴と
するステンレス鋼のガス窒化前処理方法。