JPH10219418A - 高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法 - Google Patents
高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法Info
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- JPH10219418A JPH10219418A JP3834197A JP3834197A JPH10219418A JP H10219418 A JPH10219418 A JP H10219418A JP 3834197 A JP3834197 A JP 3834197A JP 3834197 A JP3834197 A JP 3834197A JP H10219418 A JPH10219418 A JP H10219418A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 あらかじめ前処理を施すことなしに高クロム
合金鋼の表面の不働態皮膜を還元し、窒化層が容易に形
成されるようにする。 【解決手段】 窒化炉３により加熱された反応管２内の
高温のアンモニアガス中に高クロム合金鋼１を配置し、
高クロム合金鋼１が所定の窒化温度に達した後に、アセ
トン６を水素ガスを担体ガスとして反応管２内に導入し
て、アセトン６の熱分解により活性な一酸化炭素と還元
性ラジカルとを高クロム合金鋼１上において生成するこ
とにより高クロム合金鋼１の表面の不働態皮膜を還元
し、高クロム合金鋼１のアンモニアガスによる窒化を容
易化する。
合金鋼の表面の不働態皮膜を還元し、窒化層が容易に形
成されるようにする。 【解決手段】 窒化炉３により加熱された反応管２内の
高温のアンモニアガス中に高クロム合金鋼１を配置し、
高クロム合金鋼１が所定の窒化温度に達した後に、アセ
トン６を水素ガスを担体ガスとして反応管２内に導入し
て、アセトン６の熱分解により活性な一酸化炭素と還元
性ラジカルとを高クロム合金鋼１上において生成するこ
とにより高クロム合金鋼１の表面の不働態皮膜を還元
し、高クロム合金鋼１のアンモニアガスによる窒化を容
易化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高クロム合金鋼のア
ンモニアガス窒化方法に関し、さらに詳しくは高クロム
合金鋼を前処理を施すことなしにアンモニアガスによっ
て窒化するアンモニアガス窒化方法に関する。
ンモニアガス窒化方法に関し、さらに詳しくは高クロム
合金鋼を前処理を施すことなしにアンモニアガスによっ
て窒化するアンモニアガス窒化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】耐熱鋼やステンレス鋼などの高クロム合
金鋼の窒化による表面硬化は、実用上の要求が極めて高
い。現在、高クロム合金鋼の窒化において、もっとも要
求頻度の高い機械部品は、自動車用エンジンの排気バル
ブと、カラープリンターなどの精密電子機械部品のステ
ンレス製紙送りローラーとであろう。現在、日本の自動
車生産台数は、トラック，乗用車その他を含めて年間１
千万台といわれ、エンジンの排気バルブが１台につき平
均４個必要であれば、４千万個のバルブを窒化しなけれ
ばならない。
金鋼の窒化による表面硬化は、実用上の要求が極めて高
い。現在、高クロム合金鋼の窒化において、もっとも要
求頻度の高い機械部品は、自動車用エンジンの排気バル
ブと、カラープリンターなどの精密電子機械部品のステ
ンレス製紙送りローラーとであろう。現在、日本の自動
車生産台数は、トラック，乗用車その他を含めて年間１
千万台といわれ、エンジンの排気バルブが１台につき平
均４個必要であれば、４千万個のバルブを窒化しなけれ
ばならない。
【０００３】現在、鋼材の窒化に使用されている窒化方
法は、ガス窒化方法と、塩浴窒化方法とに大別される。
ガス窒化方法は、高温のアンモニアガス中でアンモニア
（ＮＨ3 ）の解離により生じる発生機窒素により鋼材表
面を窒化する方法である。しかし、高クロム合金鋼の場
合には、表面にクロム（Ｃｒ）の水酸化物と酸化物（Ｃ
ｒＯ・ｎＨ2 Ｏ，Ｃｒ2 Ｏ3 ・ｘＨ2 Ｏ）とから形成さ
れている厚さ数ｎｍのごく薄い非晶質の透明な不働態皮
膜が緻密かつ強固に存在し（日本金属学会、講座・現代
の金属学「材料編４鉄鋼材料」等参照）、この不働態皮
膜が工業的なアンモニアガスのみによる窒化を妨げ、窒
化によって均一な窒化硬化層を形成させることは実用上
不可能である。そのため、前処理（銅めっき，燐酸処
理，ハロゲン化物処理，ショットピーニングなど）を施
したり、あるいは他の気体（微量の酸素（Ｏ2 ），空
気，亜酸化窒素（Ｎ2 Ｏ）など）を添加したりすること
によって、不働態皮膜を還元あるいは機械的に除去する
方法が、多く試行されてきた。例えば、過去の研究実験
段階では、ＲＸガス（吸熱型変成ガス：主成分（ＣＯ＋
Ｈ2 ）のほか微量の水（Ｈ2 Ｏ），二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2 ）を含有）の添加が窒化層形成に効果的であるとの
報告はあるが、微量の酸化成分（Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 ）が常
に混在し、それが窒化むらをもたらして工業上の生産に
結び付いていないのが現状である。
法は、ガス窒化方法と、塩浴窒化方法とに大別される。
ガス窒化方法は、高温のアンモニアガス中でアンモニア
（ＮＨ3 ）の解離により生じる発生機窒素により鋼材表
面を窒化する方法である。しかし、高クロム合金鋼の場
合には、表面にクロム（Ｃｒ）の水酸化物と酸化物（Ｃ
ｒＯ・ｎＨ2 Ｏ，Ｃｒ2 Ｏ3 ・ｘＨ2 Ｏ）とから形成さ
れている厚さ数ｎｍのごく薄い非晶質の透明な不働態皮
膜が緻密かつ強固に存在し（日本金属学会、講座・現代
の金属学「材料編４鉄鋼材料」等参照）、この不働態皮
膜が工業的なアンモニアガスのみによる窒化を妨げ、窒
化によって均一な窒化硬化層を形成させることは実用上
不可能である。そのため、前処理（銅めっき，燐酸処
理，ハロゲン化物処理，ショットピーニングなど）を施
したり、あるいは他の気体（微量の酸素（Ｏ2 ），空
気，亜酸化窒素（Ｎ2 Ｏ）など）を添加したりすること
によって、不働態皮膜を還元あるいは機械的に除去する
方法が、多く試行されてきた。例えば、過去の研究実験
段階では、ＲＸガス（吸熱型変成ガス：主成分（ＣＯ＋
Ｈ2 ）のほか微量の水（Ｈ2 Ｏ），二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2 ）を含有）の添加が窒化層形成に効果的であるとの
報告はあるが、微量の酸化成分（Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 ）が常
に混在し、それが窒化むらをもたらして工業上の生産に
結び付いていないのが現状である。
【０００４】一方、塩浴窒化方法は、シアン化アルカリ
とその酸化生成物であるシアン酸アルカリ（ＮａＣＮＯ
またはＫＣＮＯ）とを主成分とする塩浴中で鋼材表面を
窒化する方法である。特に、塩浴中に空気を送入してＮ
ａＣＮ→ＮａＣＮＯの酸化を積極的に進めて発生機窒素
の発生量を増加させて窒化を促進する方法が、いわゆる
タフトライド法である。現在、あらゆる産業上で要求さ
れる高クロム合金鋼の窒化は、タフトライド法によって
ほぼ１００％が処理されている。
とその酸化生成物であるシアン酸アルカリ（ＮａＣＮＯ
またはＫＣＮＯ）とを主成分とする塩浴中で鋼材表面を
窒化する方法である。特に、塩浴中に空気を送入してＮ
ａＣＮ→ＮａＣＮＯの酸化を積極的に進めて発生機窒素
の発生量を増加させて窒化を促進する方法が、いわゆる
タフトライド法である。現在、あらゆる産業上で要求さ
れる高クロム合金鋼の窒化は、タフトライド法によって
ほぼ１００％が処理されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のガス窒
化方法は、前処理を施したりあるいは他の気体を添加し
たりすることによって不働態皮膜を還元あるいは機械的
に除去する方法が多く、これらの方法はそれぞれ窒化む
ら，表面硬さの低下，多工程によるコスト高などの一長
一短があり、低コストかつ連続生産の工業レベルに見合
う品質を維持する窒化方法として確立されていないとい
う問題点があった。
化方法は、前処理を施したりあるいは他の気体を添加し
たりすることによって不働態皮膜を還元あるいは機械的
に除去する方法が多く、これらの方法はそれぞれ窒化む
ら，表面硬さの低下，多工程によるコスト高などの一長
一短があり、低コストかつ連続生産の工業レベルに見合
う品質を維持する窒化方法として確立されていないとい
う問題点があった。
【０００６】また、塩浴窒化方法（タフトライド法）
は、バッチ式であるために連続生産に難点があるばかり
でなく、シアン廃液公害対策，処理後の水洗，水洗の不
完全による部品の遅れ発錆などの問題点があった。
は、バッチ式であるために連続生産に難点があるばかり
でなく、シアン廃液公害対策，処理後の水洗，水洗の不
完全による部品の遅れ発錆などの問題点があった。
【０００７】本発明の目的は、熱分解により活性な一酸
化炭素（ＣＯ）と還元性ラジカルとを高クロム合金鋼上
において生成する物質（以下、還元性物質という）の蒸
気あるいは噴霧をアンモニアガス中に混合して高クロム
合金鋼を処理することにより、アンモニアと一酸化炭素
との相互作用のうえに還元性ラジカルの働きによって高
クロム合金鋼の表面の不働態皮膜を還元し、容易に窒化
層が形成されるようにした高クロム合金鋼のアンモニア
ガス窒化方法を提供することにある。
化炭素（ＣＯ）と還元性ラジカルとを高クロム合金鋼上
において生成する物質（以下、還元性物質という）の蒸
気あるいは噴霧をアンモニアガス中に混合して高クロム
合金鋼を処理することにより、アンモニアと一酸化炭素
との相互作用のうえに還元性ラジカルの働きによって高
クロム合金鋼の表面の不働態皮膜を還元し、容易に窒化
層が形成されるようにした高クロム合金鋼のアンモニア
ガス窒化方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の高クロム合金鋼
のアンモニアガス窒化方法は、高温のアンモニアガス中
に高クロム合金鋼を配置し、前記高クロム合金鋼が所定
の窒化温度に達した後に、熱分解により活性な一酸化炭
素と還元性ラジカルとを金属表面において生成する還元
性物質をアンモニアガス中に導入して前記高クロム合金
鋼の表面の不働態皮膜を還元し、前記高クロム合金鋼の
アンモニアガスによる窒化を容易にすることを特徴とす
る。
のアンモニアガス窒化方法は、高温のアンモニアガス中
に高クロム合金鋼を配置し、前記高クロム合金鋼が所定
の窒化温度に達した後に、熱分解により活性な一酸化炭
素と還元性ラジカルとを金属表面において生成する還元
性物質をアンモニアガス中に導入して前記高クロム合金
鋼の表面の不働態皮膜を還元し、前記高クロム合金鋼の
アンモニアガスによる窒化を容易にすることを特徴とす
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
て図面を参照して説明する。
【００１０】図１は、本発明の一実施の形態に係る高ク
ロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法が適用されるガス
窒化装置の概略図である。このガス窒化装置は、高クロ
ム合金鋼１を収納する反応管２と、反応管２内を加熱す
る窒化炉（電気炉）３と、反応管２内の温度を測定する
熱電対５と、還元性物質であるアセトン（ＣＨ3 ＣＯＣ
Ｈ3 ）６を収容する恒温冷却槽７と、恒温冷却槽７内に
収納されたメタノール（ＣＨ3 ＯＨ）およびドライアイ
ス（ＣＯ2 ）の混合物でなる冷媒８と、水素ガス
（Ｈ2 ）を導入する配管１１と、水素ガスを恒温冷却槽
７に導く配管１２と、配管１１と配管１２とを切り換え
るバルブ１３と、恒温冷却槽７から水素ガスを担体ガス
としてアセトン蒸気を導出する配管１４と、配管１１と
配管１４とを選択するバルブ１５と、アンモニアガスを
導入する配管１６と、アンモニアと酸素（３％Ｏ2 ）と
の混合気体を導入する配管１７と、配管１６と配管１７
とを選択的に切り換えるバルブ１８と、バルブ１８によ
り選択された気体を反応管２内に導く配管１９とから、
その主要部が構成されている。なお、配管１７およびバ
ルブ１８は、本実施の形態に係る高クロム合金鋼のアン
モニアガス窒化方法と従来の酸窒化方法との結果を比較
するために設けられたものであり、本実施の形態に係る
高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法のみを実施す
るためにはかならずしも必要ではない。
ロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法が適用されるガス
窒化装置の概略図である。このガス窒化装置は、高クロ
ム合金鋼１を収納する反応管２と、反応管２内を加熱す
る窒化炉（電気炉）３と、反応管２内の温度を測定する
熱電対５と、還元性物質であるアセトン（ＣＨ3 ＣＯＣ
Ｈ3 ）６を収容する恒温冷却槽７と、恒温冷却槽７内に
収納されたメタノール（ＣＨ3 ＯＨ）およびドライアイ
ス（ＣＯ2 ）の混合物でなる冷媒８と、水素ガス
（Ｈ2 ）を導入する配管１１と、水素ガスを恒温冷却槽
７に導く配管１２と、配管１１と配管１２とを切り換え
るバルブ１３と、恒温冷却槽７から水素ガスを担体ガス
としてアセトン蒸気を導出する配管１４と、配管１１と
配管１４とを選択するバルブ１５と、アンモニアガスを
導入する配管１６と、アンモニアと酸素（３％Ｏ2 ）と
の混合気体を導入する配管１７と、配管１６と配管１７
とを選択的に切り換えるバルブ１８と、バルブ１８によ
り選択された気体を反応管２内に導く配管１９とから、
その主要部が構成されている。なお、配管１７およびバ
ルブ１８は、本実施の形態に係る高クロム合金鋼のアン
モニアガス窒化方法と従来の酸窒化方法との結果を比較
するために設けられたものであり、本実施の形態に係る
高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法のみを実施す
るためにはかならずしも必要ではない。
【００１１】次に、本実施の形態に係る高クロム合金鋼
のアンモニアガス窒化方法について、図１に示したガス
窒化装置の働きとともに説明する。
のアンモニアガス窒化方法について、図１に示したガス
窒化装置の働きとともに説明する。
【００１２】まず、反応管２内を吸引しながらアンモニ
アガスを配管１６，バルブ１８，配管１９を通じて反応
管２内に導いて、反応管２内をアンモニアガスで置換す
る。次に、窒化炉３により反応管２を加熱し、この加熱
によって高クロム合金鋼１が所定の窒化温度（実用的に
は４００〜６５０°Ｃ）に達したことが熱電対５で検出
されると、バルブ１３を配管１１と配管１２とを接続す
るように切り換えると同時にバルブ１５を配管１４と配
管１１とを接続するように切り換え、恒温冷却槽７内に
保持したアセトン容器に水素ガスを通じて、この水素ガ
スを担体ガスとしてアセトン蒸気を反応管２内に導く。
すると、反応管２内でアセトンが熱分解することにより
活発な一酸化炭素と還元性ラジカルとが高クロム合金鋼
の表面において生成される。
アガスを配管１６，バルブ１８，配管１９を通じて反応
管２内に導いて、反応管２内をアンモニアガスで置換す
る。次に、窒化炉３により反応管２を加熱し、この加熱
によって高クロム合金鋼１が所定の窒化温度（実用的に
は４００〜６５０°Ｃ）に達したことが熱電対５で検出
されると、バルブ１３を配管１１と配管１２とを接続す
るように切り換えると同時にバルブ１５を配管１４と配
管１１とを接続するように切り換え、恒温冷却槽７内に
保持したアセトン容器に水素ガスを通じて、この水素ガ
スを担体ガスとしてアセトン蒸気を反応管２内に導く。
すると、反応管２内でアセトンが熱分解することにより
活発な一酸化炭素と還元性ラジカルとが高クロム合金鋼
の表面において生成される。
【００１３】ここで、アセトンが熱分解により活発な一
酸化炭素と還元性ラジカルとを高クロム合金鋼の表面に
おいて生成する仕組みについて説明する。
酸化炭素と還元性ラジカルとを高クロム合金鋼の表面に
おいて生成する仕組みについて説明する。
【００１４】低分子有機化合物、特に炭化水素の熱分解
は、一般にＣ−Ｃ間、Ｃ−Ｈ間結合が切れて最終的に煤
（Ｃ）と水素ガスとに変化するが、酸素，窒素，硫黄な
どを含む場合は、炭素，水素，窒素，硫黄などの酸化物
も副生される（例えば、Ｓｔｅｉｎｆｅｌｄ・Ｆｒａｎ
ｃｉｓｃｏ・Ｈａｓｅ著、佐藤伸訳、「化学動力学」第
４９３〜４９４頁、東京化学同人発行参照）。化合物，
加熱速度および条件，触媒の存在などにより、分解生成
物は変化し、一概には一般式で表せないが、アセトンの
場合には、少なくとも、分子構造中のメチル基ＣＨ3 -
と炭素Ｃとの間の結合が切れると考えられる。つまり、
高クロム合金鋼の表面において、２個のメチル基ＣＨ3
- と一酸化炭素ＣＯとが生成することになる。アセトン
の熱分解反応の一例を、（１）式に示す。
は、一般にＣ−Ｃ間、Ｃ−Ｈ間結合が切れて最終的に煤
（Ｃ）と水素ガスとに変化するが、酸素，窒素，硫黄な
どを含む場合は、炭素，水素，窒素，硫黄などの酸化物
も副生される（例えば、Ｓｔｅｉｎｆｅｌｄ・Ｆｒａｎ
ｃｉｓｃｏ・Ｈａｓｅ著、佐藤伸訳、「化学動力学」第
４９３〜４９４頁、東京化学同人発行参照）。化合物，
加熱速度および条件，触媒の存在などにより、分解生成
物は変化し、一概には一般式で表せないが、アセトンの
場合には、少なくとも、分子構造中のメチル基ＣＨ3 -
と炭素Ｃとの間の結合が切れると考えられる。つまり、
高クロム合金鋼の表面において、２個のメチル基ＣＨ3
- と一酸化炭素ＣＯとが生成することになる。アセトン
の熱分解反応の一例を、（１）式に示す。
【００１５】 ２（ＣＨ3 ）＝ＣＯad → ２ＣＨ3 ・ad ＋ ＣＯad （１）
【００１６】ここで、 ad は、金属表面に吸着された状
態を示す。メチル基ＣＨ3 - は、Ｃ−Ｃ間結合が切れて
残った１個の孤立電子がラジカルとして強く金属表面に
吸着し、表面の酸化物を還元する。Ｃ，Ｈともに金属酸
化物に対して還元性であるので、（２）式のように作用
する。
態を示す。メチル基ＣＨ3 - は、Ｃ−Ｃ間結合が切れて
残った１個の孤立電子がラジカルとして強く金属表面に
吸着し、表面の酸化物を還元する。Ｃ，Ｈともに金属酸
化物に対して還元性であるので、（２）式のように作用
する。
【００１７】 ５ＭＯ＋２ＣＨ3 ・ad → ５Ｍ＋２ＣＯ＋３Ｈ2 Ｏ （２）
【００１８】特に、高クロム合金鋼の場合、（３）式あ
るいは（４）式となる。
るいは（４）式となる。
【００１９】 5/3 Ｃｒ2 Ｏ3 ＋２ＣＨ3 ・ad → 10/3Ｃｒ＋２ＣＯ＋３Ｈ2 Ｏ （３）
【００２０】 4/3 Ｃｒ2 Ｏ3 ＋２ＣＨ3 ・ad → 8/3 Ｃｒ＋２ＣＯ2 ＋３Ｈ2 （４）
【００２１】また、ＣＯad が共存すれば、（５）式およ
び（６）式の反応が起き、高クロム合金鋼の表面の不働
態皮膜（Ｃｒの酸化物と水酸化物との水和物であるが、
水酸化物から水がとれれば酸化物となるので、反応式で
はＣｒ2 Ｏ3 として表す）が還元される。
び（６）式の反応が起き、高クロム合金鋼の表面の不働
態皮膜（Ｃｒの酸化物と水酸化物との水和物であるが、
水酸化物から水がとれれば酸化物となるので、反応式で
はＣｒ2 Ｏ3 として表す）が還元される。
【００２２】 ＣＯad ＋ＮＨ3 ad → ＨＣＮad ＋Ｈ2 Ｏ （５）
【００２３】 Ｃｒ2 Ｏ3 ＋６ＨＣＮad → ２Ｃｒ（ＣＮ）3 ad ＋３Ｈ2 Ｏ （６）
【００２４】（６）式の反応で、高クロム合金鋼の表面
の不働態皮膜は、還元されるばかりなく、Ｃｒ（ＣＮ）
3 ad のＣとＮとはただちに合金中に溶け込み、浸炭と窒
化とが進む。ここに、ＣＮ- イオンはＣｌ- イオンに似
ているため、（７）式に示すハロゲンイオンによるのと
同じような強い還元反応が期待できる（例えば、桐山良
一著、「構造無機化学」第７４〜７５頁、共立出版発行
等参照）。
の不働態皮膜は、還元されるばかりなく、Ｃｒ（ＣＮ）
3 ad のＣとＮとはただちに合金中に溶け込み、浸炭と窒
化とが進む。ここに、ＣＮ- イオンはＣｌ- イオンに似
ているため、（７）式に示すハロゲンイオンによるのと
同じような強い還元反応が期待できる（例えば、桐山良
一著、「構造無機化学」第７４〜７５頁、共立出版発行
等参照）。
【００２５】 Ｃｒ2 Ｏ3 ＋６ＨＣｌad → ２ＣｒＣｌ3 ＋３Ｈ2 Ｏ （７）
【００２６】（７）式の反応が高クロム合金鋼を窒化す
る場合の一般的な前処理の原理である。
る場合の一般的な前処理の原理である。
【００２７】（２）〜（４）式および（７）式により不
働態皮膜が還元された後は、（８）式および（９）式に
示すＣＯad とＣＨ3 ・ad とによる浸炭，（10）式に示す
ＮＨ 3 ad による窒化，および（11）式に示すＨＣＮad に
よる浸炭窒化が進むと考えられる。
働態皮膜が還元された後は、（８）式および（９）式に
示すＣＯad とＣＨ3 ・ad とによる浸炭，（10）式に示す
ＮＨ 3 ad による窒化，および（11）式に示すＨＣＮad に
よる浸炭窒化が進むと考えられる。
【００２８】 ［Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍ］＋２ＣＯad →［ＦｅＣｒＭ−Ｃ］＋ＣＯ2 （８）
【００２９】 ［Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍ］＋ＣＨ3 ・ad →［ＦｅＣｒＭ−Ｃ］＋3/2 Ｈ2 （９）
【００３０】 ［Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍ］＋ＮＨ3 ad →［ＦｅＣｒＭ−Ｎ］＋3/2 Ｈ2 （10）
【００３１】 ［Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍ］＋ＨＣＮad →［ＦｅＣｒＭ−Ｎ］＋1/2 Ｈ2 （11）
【００３２】ここで、［Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍ］は高クロム合
金鋼を示し、Ｍは、例えばＮｉなどの他の金属元素であ
る。［ＦｅＣｒＭ−Ｃ］は、浸炭後の合金を示すが、炭
素が合金中に単に溶け込んでいる場合（固溶体）と、ク
ロム炭化物として合金中に存在する場合とがある。ま
た、Ｍの性質により、それとの炭化物も生成する。窒化
の場合は窒化物、浸炭窒化の場合には炭化物，窒化物お
よびそれらの複合体の炭・窒化物が考えられる。いずれ
にしても、合金の表面下には、ＣｒＮ，Ｃｒ3 Ｃ2 ，Ｃ
ｒ7 Ｃ3 ，Ｃｒ23Ｃ6 （通常Ｃｒの１部分にＦｅが置き
換わっている）などが形成される。
金鋼を示し、Ｍは、例えばＮｉなどの他の金属元素であ
る。［ＦｅＣｒＭ−Ｃ］は、浸炭後の合金を示すが、炭
素が合金中に単に溶け込んでいる場合（固溶体）と、ク
ロム炭化物として合金中に存在する場合とがある。ま
た、Ｍの性質により、それとの炭化物も生成する。窒化
の場合は窒化物、浸炭窒化の場合には炭化物，窒化物お
よびそれらの複合体の炭・窒化物が考えられる。いずれ
にしても、合金の表面下には、ＣｒＮ，Ｃｒ3 Ｃ2 ，Ｃ
ｒ7 Ｃ3 ，Ｃｒ23Ｃ6 （通常Ｃｒの１部分にＦｅが置き
換わっている）などが形成される。
【００３３】常にアセトン蒸気を供給すれば、窒化とと
もに浸炭が進む。窒化のみを望む場合は、高クロム合金
鋼１の表面の不働態皮膜が還元された後、アセトンの供
給を止め、アンモニアガスのみで処理を継続すればよ
い。
もに浸炭が進む。窒化のみを望む場合は、高クロム合金
鋼１の表面の不働態皮膜が還元された後、アセトンの供
給を止め、アンモニアガスのみで処理を継続すればよ
い。
【００３４】なお、上記実施の形態では、還元性物質と
してアセトンを使用した場合について説明したが、還元
性物質としてはアセトン等のケトン類の他に、アルデヒ
ド類のホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ），アセトアルデヒ
ド（ＣＨ3 ＣＨＯ）等が考えられる。また、パラ−ベン
ゾキノン（Ｃ6 Ｈ4 Ｏ2 ）が考えられるが、常温で固体
（融点：約１１６°Ｃ）であるので、融点以上に加熱し
ながら使用するか、アセトンに溶解して使用するかしな
ければならない。なお、アセトン中にベンゼン（Ｃ6 Ｈ
6 ），トルエン（Ｃ6 Ｈ5 ＣＨ3 ）等を混合すれば、そ
の量に比例して浸炭性を強くすることができる。
してアセトンを使用した場合について説明したが、還元
性物質としてはアセトン等のケトン類の他に、アルデヒ
ド類のホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ），アセトアルデヒ
ド（ＣＨ3 ＣＨＯ）等が考えられる。また、パラ−ベン
ゾキノン（Ｃ6 Ｈ4 Ｏ2 ）が考えられるが、常温で固体
（融点：約１１６°Ｃ）であるので、融点以上に加熱し
ながら使用するか、アセトンに溶解して使用するかしな
ければならない。なお、アセトン中にベンゼン（Ｃ6 Ｈ
6 ），トルエン（Ｃ6 Ｈ5 ＣＨ3 ）等を混合すれば、そ
の量に比例して浸炭性を強くすることができる。
【００３５】また、アセトンの担体ガスとして水素ガス
を使用した場合について説明したが、露点（水分）が−
１０°Ｃ以下程度に低いガス、例えば窒素ガス
（Ｎ2 ），アルゴンガス（Ａｒ），メタンガス（Ｃ
Ｈ4 ）およびこれらの混合ガス等を使用することもでき
る。また、アセトンの供給は、噴霧方式などの他の方法
でも可能である。
を使用した場合について説明したが、露点（水分）が−
１０°Ｃ以下程度に低いガス、例えば窒素ガス
（Ｎ2 ），アルゴンガス（Ａｒ），メタンガス（Ｃ
Ｈ4 ）およびこれらの混合ガス等を使用することもでき
る。また、アセトンの供給は、噴霧方式などの他の方法
でも可能である。
【００３６】
【実施例】以上の見地から、ＳＵＳ３０４鋼（１８Ｃｒ
−８Ｎｉ鋼）ならびに耐熱鋼であるＳＵＨ３１鋼（１４
Ｃｒ−１５Ｎｉ−２．５Ｗ鋼）およびＳＵＨ３５鋼（２
１Ｃｒ−４Ｎｉ鋼）を、本発明の高クロム合金鋼のアン
モニアガス窒化方法で処理した。この結果、前処理とし
てあらかじめ特別な不働態皮膜の還元処理を施さなくと
も十分な窒化層が形成された。
−８Ｎｉ鋼）ならびに耐熱鋼であるＳＵＨ３１鋼（１４
Ｃｒ−１５Ｎｉ−２．５Ｗ鋼）およびＳＵＨ３５鋼（２
１Ｃｒ−４Ｎｉ鋼）を、本発明の高クロム合金鋼のアン
モニアガス窒化方法で処理した。この結果、前処理とし
てあらかじめ特別な不働態皮膜の還元処理を施さなくと
も十分な窒化層が形成された。
【００３７】＜実施例１＞ ＳＵＨ３５鋼（２１Ｃｒ−
４Ｎｉ鋼）に、従来の塩酸前処理アンモニアガス窒化方
法および酸窒化方法と、本発明の高クロム合金鋼のアン
モニアガス窒化方法（アセトン温度が３７３および３６
８Ｋの場合）とを適用し、得られた高クロム合金鋼の表
面硬さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の比較を行ったとこ
ろ、表１に示すような結果が得られた。なお、窒化条件
は、処理温度は７７３，８２３および８５３Ｋ、処理時
間が３．６，７．２および１０．８キロ秒の各場合であ
る。
４Ｎｉ鋼）に、従来の塩酸前処理アンモニアガス窒化方
法および酸窒化方法と、本発明の高クロム合金鋼のアン
モニアガス窒化方法（アセトン温度が３７３および３６
８Ｋの場合）とを適用し、得られた高クロム合金鋼の表
面硬さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の比較を行ったとこ
ろ、表１に示すような結果が得られた。なお、窒化条件
は、処理温度は７７３，８２３および８５３Ｋ、処理時
間が３．６，７．２および１０．８キロ秒の各場合であ
る。
【００３８】
【表１】
【００３９】表１から、本発明の高クロム合金鋼のアン
モニアガス窒化方法によれば、従来の塩酸前処理ガス窒
化方法に対して遜色のない表面硬さが得られたことがわ
かる。また、酸窒化方法により得られたものより表面硬
さが優れていることがわかる。図２および図３は、ＳＵ
Ｈ３５鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１３３３倍拡
大の図面代用写真であり、図２はアセトン温度３６８Ｋ
の場合、図３はアセトン温度３７３Ｋの場合をそれぞれ
示す。窒化条件は、処理温度８２３Ｋで、処理時間１
０．８キロ秒である。図２および図３からアセトン浴の
温度が窒化層の厚さに影響することがわかる。アセトン
浴の温度に応じて窒化層の厚さが変わるのは、図４に示
すアセトン蒸気圧−温度のグラフを見るとわかるよう
に、アンモニアに対するアセトンの混合比（アセトン蒸
気のパーセント）が変わるからである。なお、アセトン
蒸気をアンモニア中に混合する場合、その量を変化させ
る方法には、アセトンの温度を変える方法と、バブ
リングさせる水素ガスの流量を変える方法とがある。
モニアガス窒化方法によれば、従来の塩酸前処理ガス窒
化方法に対して遜色のない表面硬さが得られたことがわ
かる。また、酸窒化方法により得られたものより表面硬
さが優れていることがわかる。図２および図３は、ＳＵ
Ｈ３５鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１３３３倍拡
大の図面代用写真であり、図２はアセトン温度３６８Ｋ
の場合、図３はアセトン温度３７３Ｋの場合をそれぞれ
示す。窒化条件は、処理温度８２３Ｋで、処理時間１
０．８キロ秒である。図２および図３からアセトン浴の
温度が窒化層の厚さに影響することがわかる。アセトン
浴の温度に応じて窒化層の厚さが変わるのは、図４に示
すアセトン蒸気圧−温度のグラフを見るとわかるよう
に、アンモニアに対するアセトンの混合比（アセトン蒸
気のパーセント）が変わるからである。なお、アセトン
蒸気をアンモニア中に混合する場合、その量を変化させ
る方法には、アセトンの温度を変える方法と、バブ
リングさせる水素ガスの流量を変える方法とがある。
【００４０】＜実施例２＞ ＳＵＨ３１鋼（１４Ｃｒ−
１５Ｎｉ−２．５Ｗ鋼）をアセトン蒸気の供給量を変え
て窒化した。
１５Ｎｉ−２．５Ｗ鋼）をアセトン蒸気の供給量を変え
て窒化した。
【００４１】図５〜図７は、ＳＵＨ３１鋼の窒化層の光
学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の図面代用写真であ
り、図５はアセトン温度３６８Ｋの場合、図６はアセト
ン温度３７３Ｋの場合、図７はアセトン温度３８３Ｋの
場合をそれぞれ示す。窒化条件は、処理温度８２３Ｋ
で、処理時間１０．８キロ秒である。図５〜図７から、
アセトン蒸気の供給量を多くする（アセトン浴の温度を
高くする）と、窒化層の厚さが変化するが、いずれの場
合も十分な窒化層が形成されている。
学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の図面代用写真であ
り、図５はアセトン温度３６８Ｋの場合、図６はアセト
ン温度３７３Ｋの場合、図７はアセトン温度３８３Ｋの
場合をそれぞれ示す。窒化条件は、処理温度８２３Ｋ
で、処理時間１０．８キロ秒である。図５〜図７から、
アセトン蒸気の供給量を多くする（アセトン浴の温度を
高くする）と、窒化層の厚さが変化するが、いずれの場
合も十分な窒化層が形成されている。
【００４２】＜実施例３＞ ＳＵＳ３０４鋼（１８Ｃｒ
−８Ｎｉ鋼）をアセトン蒸気の供給量を変えて窒化し
た。
−８Ｎｉ鋼）をアセトン蒸気の供給量を変えて窒化し
た。
【００４３】図８〜図１０は、ＳＵＳ３０４鋼の窒化層
の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡大の図面代用写真で
あり、図８はアセトン温度３６８Ｋの場合、図９はアセ
トン温度３７３Ｋの場合、図１０はアセトン温度３７８
Ｋの場合をそれぞれ示す。窒化条件は、処理温度８２３
Ｋで、処理時間７．２キロ秒である。図８〜図１０か
ら、アセトン蒸気の供給量を多くする（アセトン浴の温
度を高くする）と、窒化層の厚さが変化するが、いずれ
の場合も十分な窒化層が形成されている。
の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡大の図面代用写真で
あり、図８はアセトン温度３６８Ｋの場合、図９はアセ
トン温度３７３Ｋの場合、図１０はアセトン温度３７８
Ｋの場合をそれぞれ示す。窒化条件は、処理温度８２３
Ｋで、処理時間７．２キロ秒である。図８〜図１０か
ら、アセトン蒸気の供給量を多くする（アセトン浴の温
度を高くする）と、窒化層の厚さが変化するが、いずれ
の場合も十分な窒化層が形成されている。
【００４４】＜実施例４＞ 本発明の高クロム合金鋼の
アンモニアガス窒化方法を実用のＳＵＳ３０４鋼製の紙
送りローラーに対して適用した。この紙送りローラー
は、表面に高さの等しい多数の微小突起を微小間隔で均
一に分布させているものである。
アンモニアガス窒化方法を実用のＳＵＳ３０４鋼製の紙
送りローラーに対して適用した。この紙送りローラー
は、表面に高さの等しい多数の微小突起を微小間隔で均
一に分布させているものである。
【００４５】図１１は、ＳＵＳ３０４鋼製の紙送りロー
ラの窒化層の光学顕微鏡組織を表す１１０倍拡大の図面
代用写真である。窒化条件は、処理温度は８０３Ｋで、
処理時間は１．８キロ秒である。図１１からもわかるよ
うに、突起部および周辺にも使用に耐えうる十分な窒化
層の形成が認められた。
ラの窒化層の光学顕微鏡組織を表す１１０倍拡大の図面
代用写真である。窒化条件は、処理温度は８０３Ｋで、
処理時間は１．８キロ秒である。図１１からもわかるよ
うに、突起部および周辺にも使用に耐えうる十分な窒化
層の形成が認められた。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の高クロム
合金鋼のアンモニアガス窒化方法によれば、高温のアン
モニアガス中で高クロム合金鋼が所定の窒化温度に達し
た後に、熱分解により活性な一酸化炭素と還元性ラジカ
ルとを金属表面において生成する還元性物質をアンモニ
アガス中に供給して高クロム合金鋼の表面の不働態皮膜
を還元し、高クロム合金鋼のアンモニアガスによる窒化
を容易にするようにしたことにより、気体を用いる方法
であるために連続生産が可能であるばかりでなく、塩浴
窒化方法の欠点を克服することができ、安定した品質の
管理により均一な高クロム合金鋼の窒化を容易に行うこ
とができるという効果がある。
合金鋼のアンモニアガス窒化方法によれば、高温のアン
モニアガス中で高クロム合金鋼が所定の窒化温度に達し
た後に、熱分解により活性な一酸化炭素と還元性ラジカ
ルとを金属表面において生成する還元性物質をアンモニ
アガス中に供給して高クロム合金鋼の表面の不働態皮膜
を還元し、高クロム合金鋼のアンモニアガスによる窒化
を容易にするようにしたことにより、気体を用いる方法
であるために連続生産が可能であるばかりでなく、塩浴
窒化方法の欠点を克服することができ、安定した品質の
管理により均一な高クロム合金鋼の窒化を容易に行うこ
とができるという効果がある。
【図１】本発明の一実施の形態に係る高クロム合金鋼の
アンモニアガス窒化方法が適用されたガス窒化装置の概
略構成図である。
アンモニアガス窒化方法が適用されたガス窒化装置の概
略構成図である。
【図２】アセトン温度３６８Ｋで処理した場合のＳＵＨ
３５鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１３３３倍拡大
の図面代用写真である。
３５鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１３３３倍拡大
の図面代用写真である。
【図３】アセトン温度３７３Ｋで処理した場合のＳＵＨ
３５鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１３３３倍拡大
の図面代用写真である。
３５鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１３３３倍拡大
の図面代用写真である。
【図４】アセトン蒸気圧−温度との関係を表すグラフで
ある。
ある。
【図５】アセトン温度３６８Ｋで処理した場合のＳＵＨ
３１鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の
図面代用写真である。
３１鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の
図面代用写真である。
【図６】アセトン温度３７３Ｋで処理した場合のＳＵＨ
３１鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の
図面代用写真である。
３１鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の
図面代用写真である。
【図７】アセトン温度３８３Ｋで処理した場合のＳＵＨ
３１鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の
図面代用写真である。
３１鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す６２５倍拡大の
図面代用写真である。
【図８】アセトン温度３６８Ｋで処理した場合のＳＵＳ
３０４鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡大
の図面代用写真である。
３０４鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡大
の図面代用写真である。
【図９】アセトン温度３７３Ｋで処理した場合のＳＵＳ
３０４鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡大
の図面代用写真である。
３０４鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡大
の図面代用写真である。
【図１０】アセトン温度３７８Ｋで処理した場合のＳＵ
Ｓ３０４鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡
大の図面代用写真である。
Ｓ３０４鋼の窒化層の光学顕微鏡組織を表す１５０倍拡
大の図面代用写真である。
【図１１】ＳＵＳ３０４鋼製紙送りローラの表面窒化層
の光学顕微鏡組織を表す１１０倍拡大の図面代用写真で
ある。
の光学顕微鏡組織を表す１１０倍拡大の図面代用写真で
ある。
１ 高クロム合金鋼 ２ 反応管 ３ 窒化炉 ５ 熱電対 ６ アセトン（還元性物質） ７ 恒温冷却槽 ８ 冷媒（メタノール＋ドライアイス） １１，１２，１４，１６，１７，１９ 配管 １３，１５，１７ バルブ
Claims (5)
- 【請求項１】 高温のアンモニアガス中で高クロム合金
鋼が所定の窒化温度に達した後に、熱分解により活性な
一酸化炭素と還元性ラジカルとを金属表面において生成
する還元性物質を前記アンモニアガス中に供給して前記
高クロム合金鋼の表面の不働態皮膜を還元し、前記高ク
ロム合金鋼の前記アンモニアガスによる窒化を容易にす
ることを特徴とする高クロム合金鋼のアンモニアガス窒
化方法。 - 【請求項２】 前記還元性物質がアセトンであり、アセ
トン蒸気を担体ガスによってアンモニアガス中に導く請
求項１記載の高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方
法。 - 【請求項３】 前記還元性物質がアセトンであり、アセ
トンをアンモニアガス中に噴霧する請求項１記載の高ク
ロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法。 - 【請求項４】 前記高クロム合金鋼の表面の不働態皮膜
が還元された後も前記還元性物質の供給を継続して、前
記高クロム合金鋼の窒化とともに浸炭を進める請求項１
記載の高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法。 - 【請求項５】 前記高クロム合金鋼の表面の不働態皮膜
が還元された後に前記還元性物質の供給を止め、前記ア
ンモニアガスによる窒化のみを行わせる請求項１記載の
高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3834197A JPH10219418A (ja) | 1997-02-06 | 1997-02-06 | 高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3834197A JPH10219418A (ja) | 1997-02-06 | 1997-02-06 | 高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10219418A true JPH10219418A (ja) | 1998-08-18 |
Family
ID=12522596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3834197A Pending JPH10219418A (ja) | 1997-02-06 | 1997-02-06 | 高クロム合金鋼のアンモニアガス窒化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10219418A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005068679A1 (ja) * | 2004-01-20 | 2005-07-28 | Parker Netsushori Kogyo K.K. | 金属部材表面の活性化方法 |
| JP2014181397A (ja) * | 2013-03-21 | 2014-09-29 | Denso Corp | フェライト系ステンレス鋼製品の製造方法 |
| WO2022107753A1 (ja) | 2020-11-18 | 2022-05-27 | パーカー熱処理工業株式会社 | 金属部材の処理方法及び処理装置 |
| EP4682290A1 (en) | 2024-07-15 | 2026-01-21 | Seco/Warwick S.A. | Method for diffusion treatment of corrosion-resistant steel |
-
1997
- 1997-02-06 JP JP3834197A patent/JPH10219418A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005068679A1 (ja) * | 2004-01-20 | 2005-07-28 | Parker Netsushori Kogyo K.K. | 金属部材表面の活性化方法 |
| JPWO2005068679A1 (ja) * | 2004-01-20 | 2007-12-27 | パーカー熱処理工業株式会社 | 金属部材表面の活性化方法 |
| KR100858598B1 (ko) | 2004-01-20 | 2008-09-17 | 파커 네쓰쇼리 고교 가부시키카이샤 | 금속부재 표면의 활성화 방법 |
| CN1910303B (zh) | 2004-01-20 | 2010-05-12 | 帕卡热处理工业株式会社 | 金属构件表面的活化方法 |
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| US9738963B2 (en) | 2013-03-21 | 2017-08-22 | Denso Corporation | Method for manufacturing ferritic stainless steel product |
| DE102014103742B4 (de) | 2013-03-21 | 2019-05-23 | Denso Corporation | Verfahren zur herstellung eines ferritischen edelstahlprodukts |
| WO2022107753A1 (ja) | 2020-11-18 | 2022-05-27 | パーカー熱処理工業株式会社 | 金属部材の処理方法及び処理装置 |
| JPWO2022107753A1 (ja) * | 2020-11-18 | 2022-05-27 | ||
| KR20230088445A (ko) | 2020-11-18 | 2023-06-19 | 파커 네쓰쇼리 고교 가부시키카이샤 | 금속 부재의 처리 방법 및 처리 장치 |
| CN116457493A (zh) * | 2020-11-18 | 2023-07-18 | 帕卡热处理工业株式会社 | 金属部件的处理方法和处理装置 |
| EP4682290A1 (en) | 2024-07-15 | 2026-01-21 | Seco/Warwick S.A. | Method for diffusion treatment of corrosion-resistant steel |
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|---|---|---|---|
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|
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