JPH0483863A - 鋼の窒化方法およびそれに用いる熱処理炉 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鋼材の表面に窒化層を形成するにあたり、特
殊な前処理を施して窒化層を深く均一に形成すると同時
に、単位時間当たりの処理量を向上することができる鋼
の窒化方法およびそれに用いる熱処理炉に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

耐摩耗性、耐食性、疲労強度等の機械的性質を向上させ
る目的で、鋼材の表面に窒化層を形成する窒化方法が採
用されている。このような窒化法の中でも代表的な方法
として、アンモニアのみの単独ガス、またはアンモニア
と炭素源を有するガス（ＲＸガス）との混合ガスによる
窒化（ガス窒化、ガス軟窒化）法がある。これらの方法
は、合金鋼や複雑な形状のワークを処理する場合、窒化
ムラが生じやすい等処理の安定性に問題がある。

一般に、鋼材は５００°Ｃ以上の温度で窒化されるが、
鋼材表面層への窒素の吸着、拡散には有機、無機系成分
による汚れはもちろんのこと、酸化皮膜の存在しないこ
とが求められる。また、鋼材表面層自体の活性度が高い
ことも求められる。しかしながら、実際には上記のよう
な窒化に際して、酸化皮膜の形成を防止することならび
に鋼材表面層の完全活性化は不可能である。例えば、オ
ースティナイト系のステンレスの冷間加工品等の場合は
、上記ステンレスを処理炉に装入する前にフッ硝酸洗浄
して表面の不働態膜を除去することが行われるが、不働
態膜の完全な除去が困難であり、また鋼材表面層の完全
活性化も実現することができない。したがって、満足な
窒化層を形成するのは、殆ど不可能である。また、鋼材
表面に対する有機、無機系成分による汚れの除去は、窒
化前にアルカリ脱脂もしくはトリクロロエタン等を用い
た有機洗浄が行われるが、最近の公害規制（オゾン層の
破壊に対する規制）により、最も洗浄効果の高い有機洗
浄ができにくい環境になっており、したがって、これも
良好な窒化層の形成の大きな障害となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、本発明者らは、窒化に先立って鋼材をフッ素系
ガス雰囲気下で加熱状態で保持してフッ化処理し、つい
で窒化処理すると、鋼材表面の浄化（有機、無機系成分
の汚れの除去ならびに酸化皮膜等の除去）および活性化
を実現でき良好な窒化層を形成しうることを見いだし、
すでに特許出願している（特願平１−１７７６６０号）
。この方法は、まず鋼材を炉中において加熱し昇温させ
その状態で、ＮＦ３のようなフッ素系ガスと接触させ前
処理する。その結果、活性化したフッ素原子により鋼材
の表面に付着していた有機、無機系の汚れ成分が破壊さ
れ表面の汚れが除かれると同時に、鋼材表面の酸化皮膜
等の不働態膜がフッ化膜に変化して鋼材表面がフッ化膜
で被覆保護された状態になる。つぎに、これを窒化する
。上記フッ化膜は、窒化処理に際して、加熱下で窒素源
を有する窒化ガス（例えばＮ　Ｈ’ｓガス）とＨ２ガス
との混合ガスを炉内に導入することにより、破壊され除
去される。より詳しく述べると、上記フッ化膜の破壊除
去により浄化され活性化された鋼材表面が現れ、この浄
化され活性化された鋼材生地に窒化ガス中のＮ原子が迅
速に内部浸透拡散し、深い窒化層を均一に形成するよう
になる。そして本発明者らは、さらに上記基本発明の実
施に当たって２室型の炉装置を提唱（特願平１−３３３
４２５号）しているが、この装置により実際に操業実験
を行った結果、上記フッ素系ガスを使用するフッ化処理
の時間と、鋼材を窒化する窒化処理の時間とに大幅な差
異があり、したがって、鋼材の前処理から窒化処理に至
る一連の作業が効率よく行えないという問題を生じた。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、鋼材
の前処理から窒化処理の一連の工程を効率よく行うこと
ができ、しかも均一で深い窒化層を形成しうる鋼の窒化
方法およびそれに用いる熱処理炉の提供をその目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、鋼材を第１の熱
処理炉においてフッ素系ガス雰囲気下で加熱状態で保持
してフッ化処理したのち、第２の熱処理炉において窒化
ガス雰囲気下で加熱状態で保持して窒化処理する鋼の窒
化方法において、上記第１の熱処理炉の単位時間当たり
の鋼材処理量に対応する数の第２の熱処理炉を設け、上
記第１の熱処理炉でフッ化処理を終えた鋼材を順次上記
複数の第２の熱処理炉に導入して窒化処理する鋼の窒化
方法を第１の要旨とし、内部に鋼材を出し入れ自在に装
填する吊上げ型のインナーカバーと一定の空間を保った
状態でインナーカバーを被覆する吊上げ型の鐘状アウタ
ーカバーを備え、インナーカバー内をフッ化処理室に形
成し、このフッ化処理室にフッ素系ガスの供給パイプお
よび排気パイプを設け、インナーカバーとアウターカバ
ーとの間を加熱室に形成し、この加熱室にフッ化処理室
加熱用手段を設けたことを特徴とするフッ化処理用の熱
処理炉を第２の要旨とし、内部にフッ化処理を終えた鋼
材を出し入れ自在に装填する吊上げ型のインナーカバー
と、一定の空間を保った状態でインナーカバーを被覆す
る吊上げ型の鐘状アウターカバーを備え、インナーカバ
ー内を窒化処理室に形成し、この窒化処理室に窒化ガス
の供給パイプおよび排気パイプを設け、インナーカバー
とアウターカバーとの間を加熱室に形成し、この加熱室
に窒化処理室加熱用手段を設けたことを特徴とする窒化
処理用の熱処理炉を第３の要旨とする。

〔作用〕

本発明の鋼の窒化方法は、上記のように前記基本発明と
同様、窒化処理に先立って、鋼材に対して、フッ素系ガ
スを使用して特殊な前処理を行うことから、深く均一な
窒化層を形成することができるうえ、前処理と窒化処理
とを同一の炉で行うのではなく別個の炉で行うようにし
、かつ両炉の設立割合を、フッ化処理用熱処理炉の単位
時間当たりの鋼材処理量と窒化処理用熱処理炉の単位時
間当たりの鋼材処理量とを基準に合理的に設定している
ことから、単位時間当たりの窒化量の大幅な向上を実現
しうるようになる。

また、本発明の熱処理炉によれば、インナーカバーとア
ウターカバーとが吊り上げ可能になっているので、フッ
素系ガス、窒化ガス等によりインナーカバーの内面やフ
ァン類が損耗しても、インナーカバーを吊り上げて、そ
の内部補修が簡単に、手速く行える。また、損耗の点検
も簡単に行うことができる。

つぎに、本発明について詳しく説明する。

本発明では、フッ素系ガスを用いて鋼材の表面を前処理
する。

上記７　’７素系ガスは、ＮＦ、、ＢＦ、、ＣＦ。

ＨＦ、ＳＦ、、Ｆ２の単独もしくは混合物からなるフッ
素源成分をＮ２等の不活性ガス中に含有させたガスのこ
とである。上記ＮＦ３　、ＢＦ：＋　。

ＣＦ、、Ｆ２は常温で気体であり、ＢＦ６は常温で液体
である。そして、これらは単独でもしくは併せてＮ２等
の不活性ガス中に混合され、不活性ガスとともに、本発
明におけるフッ素系ガスを構成する。上記フッ素源成分
のなかでも、安全性。

反応性、コントロール性、取扱性等の点でＮＦ３が最も
優れており実用的である。Ｆ２は反応性。

毒性が大きすぎ取扱性や炉の操作性に難点があることか
らあまり好適ではない。ＢＦ、、ＳＦ、のようなガスも
窒化層形成においては有効であるが、有害なり、Ｓによ
る反応物の生成において、般には適切ではない。また、
Ｆ　Ｃｆ　ｓのようなガスは、昇華性の高いＦｅＣ４２
３等塩化物の生成の点でも望ましくない。そして、一般
に、フッ素系ガスは、高温雰囲気下で用いられるもので
あり、このようなフッ素系ガスでは、効果の点から、Ｈ
Ｆ８等のフッ素源成分が０．０５〜２０％（重量基準、
以下同じ）の濃度に設定される。好ましいのは２〜７％
であり、より好ましいのは３〜５％の範囲内である。

本発明の対象となる鋼材の中には、炭素鋼、ステンレス
鋼等各種の鋼材が含まれる。これら鋼材の形状等は特に
限定するものではなく、板やコイルの状態であっても加
工されてネジ等の形状になっていても差し支えはない。

なお、本発明の鋼材には上記のような単体材料だけでは
なく、上記の材料を適宜に配合した合金ないしは上記の
材料を主要成分とし、これに上記以外の他の金属材料を
配合した合金も含まれる。

本発明は、上記鋼材を例えばつぎのようにしてフッ化処
理する。すなわち、フッ化処理用の第１の加熱炉中に上
記鋼材を入れ加熱して鋼材を１５０〜６００℃、好適に
は２５０〜３８０℃の温度に昇温させる。つぎに、その
状態で上記加熱炉中にＮＦ、等のフッ素系ガスを導入し
、上記鋼材を上記温度においてＮＦ、等のフッ素ガス雰
囲気中に１０〜１２０分、好適には２０〜９０分、より
好適には３０〜６０分程度保持する。これにより鋼材表
面の不働態膜（主として酸化膜からなる）がフッ化膜に
変化する。この反応は例えば、下記の弐にもとづいて行
われる。

Ｆ　ｅ　Ｏ＋　２　Ｆ−＋Ｆ　ｅ　Ｆ　ｚ　＋　１　／
　２０　ｚＣｒ　ｚ　Ｏｘ　＋４　Ｆ　→２　Ｃｒ　Ｆ
　ｚ　＋　３　／　２０　ｚ上記工程は、第１図に示す
ような構造のフッ化処理用の熱処理炉を用いて行われる
。図において１は鐘状のアウターカバー　２は上記アウ
ターカバーで被覆される円筒状のインナーカバーである
。上記アウターカバー１の頂部にはクレーン等のフック
を引掛けるための保合部１０ａをもつ枠体１０が一体的
に設けられている。また、上記インナーカバー２の上部
にはクレーン等のフックを引掛けるための保合部１１ａ
をもつ蓋体１１が一体的に設けられている。上記インナ
ーカバー２内はフッ化処理室に形成され、両力バー１，
２の間の空間が加熱室に形成される。３は上記インナー
カバー２内に出し入れ自在に装填される綱材である。こ
の鋼材３は、中心穴１４付きの台枠１５上に積載され、
その中心穴１４から上方に延びる第１の円筒状網状体１
６と、台枠１５の外周から上方に延びる第２の円筒状網
状体１７ａとの間の空間に、中心穴付きの多孔状区切板
１７ｂを介して多段に積層される。４は上記アウターカ
バー１の低部側の周壁に設けられたバーナー装入用穴、
４ａはアウターカバー１の上部側の周壁に設けられた排
気穴である。５はベース、６は炉気循環ファンで、上記
台枠１５の中心穴１４に対面し中心穴１４およびそこか
ら上方に延びる円筒状網状体１６を経由して炉気を循環
させる。７は熱交換器でインナーカバー２のベースから
下方に延びるパイプ７ａに設けられている。８は熱交換
器７に続いてパイプ７ａに設けられた強制冷却用循環ブ
ロワ９はインナーカバー２内にＮ　Ｆ　３等のフッ素系
ガスを導入するパイプである。１２ａはインナーカバー
２内の排ガスを導出する排ガスパイプで、中間部が２股
に分岐しており、一方の分岐パイプ１７には弁１８が設
けられ、他方の分岐パイプ１９には弁２０および真空ポ
ンプ２１が設けられている。インナーカバー２内の排ガ
ス圧力が高いときは分岐パイプ１７の経路が用いられ、
低いときには真空ポンプ２１の吸引力で真空排気するた
め分岐パイプ１９の経路が用いられる。１２は除害装置
であり上記排ガスパイプ１２ａの終端に連結されている
。この除害装置１２は、左右一対の活性炭筒２２とこれ
の外周に巻回されたヒータコイル２３とフィン型熱交換
器２４とからなり、排ガスを左右一対の活性炭筒２２に
導き排ガス中の残留ＮＦ、等を活性炭と熱反応させて無
害のＣＦ４に変え、これをフィン型熱交換器２４に導入
して冷却する。１３は上記熱交換器２４から延びるパイ
プ２５に設けられたスクラバーで、内部に水が収容され
、パイプ２５から導入される排ガスを気泡状にして排ガ
ス中のＨＦ（インナーカバー２内においてＮＦ、がＨｌ
　Ｏ，Ｈ，と反応して副生ずる）を水中に溶解させるこ
とにより排ガスを完全に無害化し、大気中に放出する。

この熱処理炉において、アウターカバー■およびインナ
ーカバー２の係合部１０ａ、Ｉｌａにクレーン等（図示
せず）のフックを引っ掛けて、アウターカバー１および
インナーカバー２をクレーン等で吊り上げる。その状態
で、台枠１５上に鋼材３を図示のように載置した後、ア
ウターカバー１およびインナーカバー２を下げて元の状
態（第１図の状態）にする。つぎに、アウターカバー１
とインナーカバー２との間に形成される加熱室に、バー
ナー装入用穴４に装入されたバーナー（図示せず）から
熱火炎を放射する。これにより、インナーカバー２内の
綱材３が加熱される。つぎに、インナーカバー２内に、
その底部からパイプ９を経由してＮ　Ｆ　３等のフッ素
系ガスを導入しフッ素処理する。このようにしてフッ素
処理する時間は、通常、先に述べたように３０〜６０分
程度である。

上記フッ化処理がなされた鋼材３は、表面がフッ化皮膜
で覆われていることから空気等の外気にふれても、表面
が酸化されることなく好適に保護される。そして、この
状態で保管されるか、もしくは直ちに窒化処理用の第２
の加熱炉内において窒化処理がなされる。窒化処理用の
第２の加熱炉も上記第１の加熱炉と構造が同じものが用
いられる。すなわち、上記と同し構造の加熱炉Ａ・を用
い、インナーカバー２およびアウターカバー１を吊り上
げて上記フッ化処理を終えた鋼材３を装填したのち、イ
ンナーカバー２およびアウターカバー１を下げて元の状
態に戻し、つぎにインナーカバー２とアウターカバー１
との間の空間内にバーナーから火炎を吹き込んでインナ
ーカバー２内の鋼材を４８０〜７００°Ｃの窒化温度に
加熱し、その状態で加熱炉の下側からパイプ９を経由し
てＮＨｌからなる単独ガスあるいはＮＨ３と炭素源を有
する混合ガスを炉内に導入し、１２０分程度保持する。

この過程で上記フッ化膜は、Ｈ２または微量の水分（窒
化反応時に副生ずる）によって、例えば次式のように還
元あるいは破壊され、活性な鋼材表面が形成される。

ＣｒＦ４＋２Ｈｚ　−＋Ｃｒ＋４ＨＦ ２　Ｆ　ｅ　Ｆ　３　＋３　Ｈｚ　→２　Ｆ　ｅ÷６Ｈ
Ｆなお、上記フッ化膜の除去については、窒化ガスの導
入前にＮ２とＨ２からなる混合ガス、あるいはＨ２単独
のガスを吹き込んでフッ化膜を破壊するようにしてもよ
い。むしろ、このようにすることが、フッ化アンモンの
副生によるトラブルがなくなるという点で好適である。

このようにして形成された活性な鋼材表面に対して窒化
ガスに由来する活性な窒素原子が作用し、内部に浸透・
拡散する。その結果、鋼材の表面から内側に向かってＣ
ｒＮ、Ｆｅｚ　Ｎ、Ｆｅ：＋　ＮＦｅ、Ｎ；＝等の窒化
物を含有する超硬質な化合物層（窒化層）が均一に、深
く形成され、それに続いて硬質なＮ原子の拡散層が形成
され上記化合物層＋拡散層が全窒化層を構成する。

このように、本発明の方法によれば、フッ化膜の破壊と
同時に現れる鋼材表面が極めて活性化されており、その
活性化された鋼材表面に対して、窒素原子が作用し浸透
して深い領域まで超硬質な窒化層を均一に形成する。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

〔実施例１〕 第２図に示すように、フッ化処理用の第１の加熱炉Ａ１
基に対して、窒化処理用の第２の加熱炉Ａ’　２基を用
いてフッ化処理および窒化処理を行った。

くフッ化処理〉 オースティナイトＳＵＳ系ねしく試料）を複数個形成し
た後、それぞれをトリクロロエチレンで蒸気洗浄した。

つぎに、これを第１の加熱炉Ａに入れて加熱して３００
°Ｃに昇温させ、その状態で１％のＮ　Ｆ　３を含み残
部がＮ２からなるフッ素系ガスをインナーカバー内に単
位時間当りインナーカバー内容積の２倍の量を入れ、１
０分間保持した。その後上記試料の一部を取り出し表面
層を調べた結果、表面の全体にフッ化膜が形成されてい
ることが確認された。

〈窒化処理〉 つぎに、上記フッ化処理が終え、′−試料を２基の第２
の加熱炉Ａ′のうちの一方に移し、その状態で、ＮＨ３
が２５％、ＣＯ２が１０％、Ｈ２が４０％、Ｎ２が２５
％の混合ガスを炉内に導入し、先に述べた条件で６時間
窒化処理を行った。この処理後、試料を空冷してから炉
から取り出した。

得られた試料の表面には窒化層が均一に形成されていた
。

つぎに、上記窒化処理を行っている間に、上記第１の加
熱炉Ａ内で上記と同様にして複数の試料にフッ化処理を
施したのち、今度は、２基の第２の加熱炉Ａ′のうちの
他方の加熱炉Ａ′に上記試料を入れ、上記と同様にして
窒化処理を行った。

このようにして、フッ化処理炉ＡＩ基に対して窒化処理
炉Ａ′を２基組み合わせて連続的に操業することにより
、第１の加熱炉Ａの手待ち時間がなくなり、効率のよい
窒化処理が可能となる。

〔実施例２〕 第１の加熱炉Ａ１基に対し、第２の加熱炉Ａ′２基を組
み合わせ、フッ化処理および窒化処理を行った。

（フッ化処理〉 炉内の圧力を１００ｔｏｒｒに減圧し、フッ化処理用ガ
スとして０．１％のＮＦ、を含み残部Ｎ２からなるガス
を用い、３５０°Ｃの温度で３０分間保持して処理した
。それ以外は実施例１と同様に処理した。

（窒化処理） 窒化処理温度を５７０°Ｃに変えると同時に、窒化ガス
として２５％のＮＨ３，５％のＣｏ、１０％のＨ２＋残
部Ｎ２からなるものを用い、処理時間を５時間に変えた
。それ以外は実施例１と同様に処理した。

この実施例では、上記実施例１と同様の効果が得られた
。

〔実施例３〕 第１の加熱炉Ａ１基に対して、第２の加熱炉Ａ′を３基
組み合わせ、フッ化処理および窒化処理を行った。

くフッ化処理〉 炉内を１０ｔｏｒｒに減圧し、２％のＮＦ３を含み残部
Ｎ２からなるフッ化ガスを用い、３３０゛Ｃで４０分間
保持した。それ以外は上記実施例Ｉと同様に処理した。

〈窒化処理〉 窒化処理を２５％ＮＨ３，１０％Ｃ○２，２５％Ｈｚ、
４０％Ｎ２からなる混合ガスを用い、５７０°Ｃで７時
間行った。それ以外は上記実施例１と同様に処理した。

この実施例でも上記実施例Ｉと同様の効果が得られた。

なお、実施例では、フッ化処理用の第１の加熱炉と窒化
処理用の第２の加熱炉との両方にアウターカバーとイン
ナーカバーを備えた炉を用いているが、どちらか一方の
加熱炉にピット型の炉を用いることも不可能ではない。

ただし、このような炉装置では、ワークの取り出し、挿
入に手間かがかる点と、フッ化および窒化による炉材の
損耗時の取り替え、補修が厄介な点が難点である。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の鋼の窒化方法は、鋼材をフッ素
系ガス雰囲気下に加熱状態で保持することにより、有機
、無機異物の除去を行うと同時に、鋼材の表面の酸化皮
膜等の不働態膜をフッ化膜に形成し、その後窒化処理す
る。このように、鋼材表面の酸化皮膜等の不働態膜がフ
ッ化膜に変化することにより、良好な状態で鋼材の表面
の保護が行われる。したがって、フッ化膜の形成から窒
化処理の間に時間的な経過があっても、鋼材表面に形成
されたフッ化膜は良好な状態で鋼材の表面を保護する。

その結果、鋼材の表面に酸化皮膜が再び生ずることがな
い。そして、このようなフッ化膜は後続窒化処理時に分
解されて除去され、それによって鋼材の表面が露呈する
ようになる。この露呈された金属表面は活性な状態とな
っており、したがって、窒化処理におけるＮ原子が鋼材
内に浸透しやすくなっている。その結果、Ｎ原子が深（
均一に鋼材表面から内部に浸透して良好な窒化層が形成
されるようになる。特に、本発明の鋼の窒化方法におい
ては、フッ化処理と窒化処理とを同一の炉内で行うので
はなく、それぞれの専用炉を設け、比較的短時間での処
理が可能なフッ化処理用炉１基に対して、かなりの長時
間処理を要する窒化処理用炉を複数基設けて操業を行う
ため、フッ化処理用炉の手持ちがなくなり、窒化の連続
化と効率アップとを実現できるようになる。

また、本発明の熱処理炉は、インナーカバーとアウター
カバーとが吊り上げ可能になっているので、フッ素系ガ
ス、窒化ガス等によりインナーカバーの内面やファン類
が損耗しても、インナーカバーを吊り上げて、その内部
補修が簡単に、手速く行え、補修に時間がかからない。

また、点検も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる熱処理炉の一例の断面図、第２
図はその使用状態説明図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋼材を第１の熱処理炉においてフツ素系ガス雰囲
   気下で加熱状態で保持してフツ化処理したのち、第２の
   熱処理炉において窒化ガス雰囲気下で加熱状態で保持し
   て窒化処理する鋼の窒化方法において、上記第１の熱処
   理炉の単位時間当たりの鋼材処理量に対応する数以内の
   整数倍の第２の熱処理炉を設け、上記第１の熱処理炉で
   フツ化処理を終えた鋼材を順次上記複数の第２の熱処理
   炉に導入して窒化処理することを特徴とする鋼の窒化方
   法。
2. （２）内部に鋼材を出し入れ自在に装填する吊上げ型の
   インナーカバーと、一定の空間を保つた状態でインナー
   カバーを被覆する吊上げ型の鐘状アウターカバーを備え
   、インナーカバー内をフツ化処理室に形成し、このフツ
   化処理室にフツ素系ガスの供給パイプおよび排気パイプ
   を設け、インナーカバーとアウターカバーとの間を加熱
   室に形成し、この加熱室にフツ化処理室加熱用手段を設
   けたことを特徴とするフツ化処理用の熱処理炉。
3. （３）内部にフツ化処理を終えた鋼材を出し入れ自在に
   装填する吊上げ型のインナーカバーと、一定の空間を保
   つた状態でインナーカバーを被覆する吊上げ型の鐘状ア
   ウターカバーを備え、インナーカバー内を窒化処理室に
   形成し、この窒化処理室に窒化ガスの供給パイプおよび
   排気パイプを設け、インナーカバーとアウターカバーと
   の間を加熱室に形成し、この加熱室に窒化処理室加熱用
   手段を設けたことを特徴とする窒化処理用の熱処理炉。