JPH0784639B2

JPH0784639B2 - ガス複合浸透改質方法

Info

Publication number: JPH0784639B2
Application number: JP2232471A
Authority: JP
Inventors: 兼昭紀田
Original assignee: 日栄鋼材株式会社
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1995-09-13
Anticipated expiration: 2010-09-13
Also published as: JPH04116150A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、金属表面のガス複合浸透による改質方法の改
良に関するものである。

従来の技術機械部品、工具、治具、金型等の金属表面の改質方法
は、浸透、窒化、浸硫、浸硼、酸化等の改質媒体の元素
を金属表層部に浸透、拡散させて表面を改質する方法が
主流である。

しかしながら、従来の改質方法には、品質，効率，原
価，設備等に次のような種々の問題点がある。

（１）硬化深さが浅い。

例えば塩浴改質方法では、表面改質層の厚みは極めて薄
く、1/100mm台であり、さらに、作業の特性から、硬化
層の厚みが調整管理できず、高圧荷重を受ける0.2〜0.3
mm以上の厚さを必要とする部品の用に耐えられない。

（２）白層（化合物層），黒層（拡散浸透層）の深さ調
整が困難である。

アンモニアガスを主としたこの種表面硬化法では、通
常、白層，黒層が共に発生する。さらに物理的特性とし
て白層，黒層は、処理方法（例えば処理時間等）によ
り、比例関係にあるため、白層を厚くすれば、黒層も厚
くなる。そのため、用途上、白層を極少として黒層を厚
くするとか、逆に白層を厚くして黒層を薄くするような
逆相関の処理方法が望めない。

（３）白層の化合物層の調整が困難である。

表面層に発生する化合物層は通常γ′相（Fe₄N）やε相
（Fe_２〜３Ｎ）を主体とする酸化物層等（Fe₃O₄,FeS,Fe
₃C,αＦ等）である。ε相とγ′相は通常混合して表わ
れる。γ′相とε相の性質に得失があるが、耐摩，靭性
を要求される工具，金型，機械部品類では、混合相を避
け、ε相単相やγ′単相を生成させることが好ましい。

（４）処理時間が長い。

例えば、窒素単体ガス浸透による改質方法は、改質時間
が長い。

当初の炉内空気の置換を行なった後、加熱〜保持〜加熱
〜長時間（数十時間）保持〜炉中冷却を施す。大半は数
十時間を費やす。短縮化を図るためにCO₂ガス等を併用
して硬化促進を図る方法もあるが、それでも数時間以上
を要する。

（５）処理温度が高い。

例えば、窒素−アンモニア−CO₂ガス雰囲気中で硬化処
理を施す方法では、通常570℃以上の高温処理となる。

そのため、被処理材の調質温度がこの処理温度を下廻る
場合は、母材への熱影響（例えば母材硬さの低下等）に
より、劣化が発生する。

（６）高合金鋼（鋼Cr,Ni鋼等）の硬化が不充分であ
る。

この種の材料は通常、表層部に硬質の薄膜が生成してい
るため、硬化用の処理ガスが被処理材内へ浸透できず、
硬化が不充分となる。

（７）硬化硬さ，硬化深さ，表面化合物層のバラツキが
多く、品質が不安定である。

従来法及び機器では、ガス系の制御が不安定のため品質
のバラツキが少なくない。即ち、ガス純度，炉内の温
度，ガス圧，ガス流量，炉内温度，炉内圧力等の多岐に
わたる要因が複雑な交互作用を及ぼし、出来ばえに大き
なバラツキを生じ易い。

また、鉄系部材の表面に高温で酸化物を形成し、次い
で、該鉄系部材をガス軟窒化処理して表面に窒化物層を
形成する方法が特開昭55−44516号及び特開昭55−13417
2号として公知である。

これらの方法によれば、鉄系部材の表面に形成された酸
化物層中の酸素が、ガス軟窒化処理における窒化物層の
形成に関与するため、窒化物層を短時間で形成すること
を可能とするものである。

しかしながら、これらの方法では、窒化処理中において
窒化炉内において鉄酸化物が再び鉄と酸素に分解される
ことにより処理雰囲気中にも酸素が入り込み、金属材料
表面への窒素の吸着、拡散に対して、酸素の吸着被膜や
酸化被膜が形成されてしまい、窒化ムラを生じやすく、
また、酸化被膜の存在は、窒化ガスであるアンモニアの
解離度を助長する点で好ましくない。このため、浸透処
理が阻害されたり処理品の品質のバラツキが少なくな
い。具体的には、酸素が多くなると、ポーラスが形成さ
れてしまい質が弱くなる。

さらに、金属の表面に高温で硼素を拡散させた後に窒化
処理を行う金属材料の表面処理方法が特開昭55−119164
号に記載されている。しかしながら、この方法において
も、硼素を金属材料に拡散させるため、浸透処理の阻害
要因となる。

また、浸透改質炉内に金属母材を挿入し、抜気して炉内
を真空に保持した後、アンモニア,CO₂,H₂,Ar,ENDO,EXO
等のガスを単独にまたは複数個混合させて炉内に注入
し、室温から昇温し、次に前記ガスから選ばれたガス混
合ガス中で、連続加熱し、さらに前記ガスから選ばれた
混合ガス中で保持し、さらにその状態で前記ガスから選
ばれた混合ガスを供給しながら保持し、かつ主としてN₂
ガスを炉中循環させるガス複合浸透改質方法が特開昭63
−255355号として知られている。

発明が解決しようとする課題本発明の目的は、上述のような表面改質方法の問題点を
解決し、廉価、且つ高効率で大幅に向上した耐摩，耐
熱，耐食，耐疲労の表面性状が得られる複合ガスによる
表面改質方法を提供することにある。

課題を解決するための手段本発明のガス複合浸透改質方法は、上記課題を解決する
ために、表面を改質するための金属母材の表面に予め、
酸窒化物，酸硫化物，酸硼化物，硫窒化物，硫硼化物，
硫酸窒化物，酸硫硼化物，酸硫硼窒化物より選ばれた化
合物層を形成する改質促進の事前処理を常温で施す。

その上で、浸透改質炉内へ前記金属母材を挿入し、抜気
して炉内を真空に保持した後、N₂を単独またはN₂にアン
モニア,CO₂,H₂,Arの１つから選ばれたガスを混合させて
炉内に注入し、室温から昇温し、次にN₂にアンモニア,C
O₂,H₂及びArの１つから選ばれたガスを混合した混合ガ
ス中で、連続加熱し、さらにN₂にアンモニア,CO₂,N₂及
びArから選ばれた１種または複数種のガスを混合した混
合ガス中で保持し、さらにその状態でN₂にアンモニア,C
O₂,H₂及びArから選ばれた１種または複数種のガスを混
合した混合ガスを供給しながら保持し、かつ主とてN₂ガ
スを炉中循環させる。

さらには、ガス圧を適宜加圧，減圧して調整させ、保持
後は、処理後急冷，除冷を適宜選定し、調質と効率化を
図る。

なお、前記連続加熱，混合ガス中での保持中にガス圧の
加圧，減圧を適宜選択し、又、さらに加熱，保持を多段
階行なってより成果をあげることもできる。

発明の効果本発明のガス複合浸透改質方法によれば、浸透改質炉内
へ挿入する金属母材の表面に予め、酸窒化物，酸硫化
物，酸硼化物，硫窒化物，硫硼化物，酸硫硼化物，酸硫
硼化物，酸硫硼窒化物より選ばれた化合物層を形成する
事前処理を常温で施すことにより、炉内での混合ガスと
の化学反応が活性化し、母材表面部の改質が促進され
る。

第２図は熱間強度の一例を示したものであり、横軸に温
度、縦軸に硬さ（ビッカース）がとってある。図中比較
例の実線と二点鎖線はそれぞれ特開昭63−255355号公報
「ガス複合浸透改質方法」にて開示された１段処理と多
段処理を施したもの、また点線は多の浸透改質方法を施
したものを示す。

第３図はSKD61について耐摩耗性の一例を示したもので
あり、横軸に摩擦時間、縦軸に摩擦量がとってある。図
中比較例の実線と二点鎖線はそれぞれ特開昭63−255355
号公報「ガス複合浸透改質方法」にて開示された１段処
理と２段処理を施したもの、また点線は多の浸透改質方
法を施したものを示す。

第４図はSKD61について摩擦抵抗の一例を示したもので
あり、横軸に試験荷重、縦軸に上昇温度がとってある。
図中比較例の実線と二点鎖線はそれぞれ特開昭63−2553
55号公報「ガス複合浸透改質方法」にて開示された１段
処理と２段処理を施したもの、また点線は他の浸透改質
方法を施したものを示す。

第５図はSKD61について疲労強度の一例を示したもので
あり、横軸に処理時間、縦軸に疲労強度がとってある。
図中比較例の実線と二点鎖線はそれぞれ特開昭63−2553
55号公報「ガス複合浸透改質方法」にて開示された１段
処理と２段処理を施したものを示す。

第６図はS15C,SNCM3,SKD61について無浸透品（点線で示
す）と比較例の特開昭63−255355号公報「ガス複合浸透
改質方法」にて開示された１段処理（実線で示す）、２
段処理（二点鎖線で示す）によるクリープ強度の比較を
示したものである。

以上述べたように、本発明によれば特開昭63−255355号
公報記載の方法に対して、金属母材の表層部が改質さ
れ、大幅に向上した耐摩，耐熱，耐食，耐疲労の表面性
状が得られ、また、廉価で且つ高効率であるという優れ
た効果を有し、工業的にその価値は大きい。

金属母材の表面に予め酸窒化物，酸硫化物，酸硼化物，
硫窒化物，硫硼化物，酸硫硼化物，酸硫硼窒化物等より
選ばれた事前処理を常温で施すため、処理が容易かつ簡
便に行え、費用、時間、エネルギー等を消費せずに行う
ことができる。

実施例以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のガス複合浸透改質方法に用いられる装
置のブロック図である。

第１図において、浸透改質炉１は真空槽に形成され、管
路とバルブ（図示せず）を介して真空ポンプ２につなが
っている。浸透改質炉１の内部には、雰囲気の純化を図
ると共に酸化を防ぎ、水分及び酸素濃度を常に低く保つ
為の外熱式レトルト等を装備する。ボンベA,B,C,D,Eに
はそれぞれ保護ガスとしてアンモニア,N₂,CO₂,H₂,Ar,EN
DO,EXO等が封入されており、浸透改質炉１内を抜気後、
管路とバルブ（図示せず）を介して手動又は自動でそれ
ぞれのガスを単独に又は複数個混合させて炉内に注入す
る。このガスの選択は、金属母材の材質，寸法，形状，
改質層の性状に応じて行なう。また、炉１内には送風機
が備えてあり、高効率に均一な雰囲気循環を施すと共
に、例えば、ボンベＢよりN₂を注入し、循環させて冷却
し、調質と効率化が図れる。

表面を改質するための金属母材に予め常温で改質促進の
事前処理を施す。

まず、酸化物を母材表面部に発生させる。さらには窒化
物，硫化物又は硼化物の一種を母材表面に塗布又は浸漬
させる。その後常温で一段又は数段に所定時間（１分〜
10時間）保持する。

その後、そのまま、又は上記処理をさらに選択組合わせ
て併用する。母材表面に酸窒化物，酸硫化物，酸硼化
物，硫窒化物，硫硼化物，酸硫窒化物，酸硫硼化物，酸
硫硼窒化物より選ばれた化合物層を形成する。

次いで、以下の工程を行う。

（１）表面を改質するための金属母材の表面に予め前記
のような事前処理を施した後、該母材を炉内に挿入し、
抜気する。炉内の真空度は800〜10^-6ミリバールを用い
る。

（２）２〜12Nm³/hr（総量２〜22Nm³）のN₂を注入し、
その上で室温から300〜450℃へ20〜230分で昇温させ
る。

（３）１〜8Nm³/hrの窒素及び１〜8Nm³/hrのアンモニア
の混合ガス中で10〜90分で400〜650℃の連続加熱を施
す。（総量:N₂1〜6Nm³,アンモニア１〜6Nm³）（４）アンモニア１〜8Nm³/hr,N₂1〜8Nm³/hr,CO₂0.1〜2
Nm³/hrの混合気中で10〜240分間400〜650℃で保持す
る。（総量：アンモニア２〜16Nm³,N₂2〜16Nm³,CO₂0.1
〜3Nm³）（５）更に10〜120分間,CO₂濃度を上昇させN₂濃度を低
下させるため保持する。その場合のガス供給量は次の如
くする。

N₂1〜6Nm³/hr,アンモニア１〜4Nm³/hr,CO₂0.1〜2Nm³/hr （６）２〜12Nm³/hrのN₂を置換及び冷調質用に循環させ
る。

O₂の雰囲気中の残存は、初期抜気の際に除去されるの
で、全く問題とならない。表面効果促進剤として、上記
の諸物質を表面部に付着させ、加熱保持して均質効率を
狙ったものである。

上記は１段処理の場合であるが、２段・３段等多段処理
を施すこともできる。

さらにはガス圧を適宜加圧，減圧調整し、保持後は、処
理後急冷，徐冷を適宜選定し、調質と効率化を図る。

なお、前記連続加熱，混合ガス中での保持に際してガス
圧の加圧，減圧を適宜選択し、又、さらに加熱・保持を
多段階行なって、有効な表面改質を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガス複合浸透改質方法に用いられる装
置のブロック図、第２図，第３図，第４図，第５図，第
６図はそれぞれ熱間強度，耐摩耗性，摩耗抵抗，疲労強
度，クリープ強度の特性について本発明の方法で得られ
たものを比較例と対比して示した図である。１……浸透改質炉、２……真空ポンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属母材の表面に予め酸窒化物，酸硫化
物，酸硼化物，硫窒化物，硫硼化物，酸硫硼化物，酸硫
硼窒化物より選ばれた化合物層を形成する事前処理を常
温で施した後、該母材を浸透改質炉内へ挿入し、抜気し
て炉内を真空に保持した後、N₂を単独またはN₂にアンモ
ニア,CO₂,H₂及びArの１つから選ばれたガスを混合させ
て炉内に注入し、室温から昇温し、次にN₂にアンモニ
ア,CO₂,H₂及びArの１つから選ばれたガスを混合した混
合ガス中で、連続加熱し、さらにN₂にアンモニア,CO₂,N
₂及びArから選ばれた１種または複数種のガスを混合し
た混合ガス中で保持し、さらにその状態でN₂にアンモニ
ア,CO₂,H₂及びArから選ばれた１種または複数種のガス
を混合した混合ガスを供給しながら保持し、かつ主とし
てN₂ガスを炉中循環させることを特徴とするガス複合浸
透改質方法。
【請求項２】前記連続加熱，混合ガス中での保持にガス
圧の加圧，減圧の選択を行う請求項（１）記載のガス複
合浸透改質方法。
【請求項３】前記連続加熱，混合ガス中での保持を多段
階行う請求項（１）又は（２）記載のガス複合浸透改質
方法。