JPS58174567A - 金属材料への炭火物被覆方法 - 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】 本発明は、金属材料、特Ｉｃ次素含有量の少ない金属材
料の表面に、任意の厚さの膨化物被覆層を形成する方法
に関する。

金属材料１例えば鉄合金材料の表面に炭化物層を被覆す
ることは、該炭化物層がすぐれた・耐摩耗成に関する技
術は実用化されている。この場合。

炭化物層形成に使用される次素は、材料中に含ましかし
、＃２化物被覆層を形成しようとする材料が、常ＩＣ＃
２化物層形成に必要な炭素量を含有するとは限らない。

例えば、磁性の小さいオースブナイト系ステンレス鋼や
、冷間鍛造性のよい低層素鋼は炭素の含有量が少ないが
、いずれも工業上有用な材料であり、これらの材料表面
に耐摩耗性のすぐれた膨化物被覆を施す必要性は高い。

その他、材料中に全く炭素を含まない材料についても１
次化物を被覆することによる利点も多い。

また、高次素鋼を用いる場合でも、薄い板の表面ＩＣ炭
化物層を形成させたい場合には母材内部に含まれる全炭
素量は炭化物形成面積に比べて小さいため、必要とされ
る厚さが得られないこともある。

例えば００５ｍ厚さのＳＫ４の板の両面にはわずかＬ５
μｍの炭化物を形成することにより、母材中の炭素量は
ほとんど存在しなくなる。

さらに鋼の場合は、材料中に炭化物形成のため１ の必要な炭素量があっても−：その炭素をすべて家く。

化物形成に使用すると、材料中ＩＣ残る炭素がなくなる
ため、その鋼材を焼入れしても、母材に所定の焼入硬さ
を与えることができなくなるという問題もある。そこで
、鋼材の場合は、炭化物層形成に必要な炭素量のはかｌ
ｌＩ：、さらに材料中Ｉｃｌ１ａ入れ硬さを得るに必要
な炭素量（α５〜ＬＯ−ｉ１番％−）が存在しているこ
とが必要 である場合もある。

しかし、従来の炭化物被覆方法では、上記のよう１ｃＪ
１１ｊ化物形成に使用でき硅素の含有量が少ない材料や
、焼入れ硬さを得るに必要な炭素量を含有しない鉄鋼材
料に対して、工業上有用な程度の厚さの炭化物被覆層を
形成することが困難であり。

又鋼については仮に炭化物を形成しても、その母材の焼
入れ硬さが得られないので、全体として炭化物被覆層形
成の効果を発揮することができない・そこで、かって本
発明者らにより、かかる材料に対する炭化物被覆方法と
して１次の方法が考えられた。

すなわち、まず第１工程として、材料に浸脚処環を施し
て被処理材中の炭素、章有量を増加させ、ついで第２工
程糺て、増加した−素を利用して被処理材表ＩＩｉに炭
化物被覆層を形成する方法である（特公昭５６−８６７
０８）。ところが、この方法で、第１工程の浸脚を行り
ても、材料中Ｃ固溶限以上の炭素な含有させることはで
きないので、形成できる炭化物層の厚さは、事実上沓材
料の炭素の一溶＠により制約され、常に厚い炭化物層の
形成が可能となったわけではなか９た。

本発明は、上記電点を克服し、材料中の炭素量とは無関
係に任意の厚さの炭化物被覆層を形成することができる
方法を提供しようとするものである。

すなわち１本発明は、炭化物層を形成する表面以外の金
属材、料の表面に浸脚剤を塗布した後、該金属材料をチ
タン、バチ５ＦａＡ、ニオブ、タンタル、およびクロム
の各元素の内、いずれか一種の存在下に加熱することに
より、炭素な浸廣剤から金属材料へ浸透拡散させる浸羨
魁珊と、金属材料の表ＷＢＣ任意の厚さの炭化物被覆層
を形成させる炭化物形成処理とを同時に並行して行うこ
とを特■ 黴とする金属材料の炭化物被覆方法、にある。

本発明方法によれば、外部から金属材料中ｃｌ素を補給
する浸脚処環を続けながら、同時に他方で、材料中にも
ともと存在していた炭素と、補給された炭素との両方の
炭素を使用して、材料表面Ｗ−炭化物被覆層を形成する
ことかできる。そのため、金属材料中にもともと存在し
ていた炭素量に制約されることなく、又金属材料の固有
の固ＷＩＩ！ｉとも無関係に任意の厚さの炭化物層を容
ＪＩＣｍ成することができる。その結果、第１Ｆ：従来
は、含有炭素量が少なく、ｓｅ化物を形成できなかつた
材料の表面に炭化物被覆層を形成することができるよう
になり、さらに第ＳｔＣ今迄は薄い炭化物層しか形成で
きなかつた薄板の材料に厚い駅化物層を任官ｌｃ形成す
ることができるようになった。

このため１本発明方法により、数ミクロンという藩い金
属薄板の表面に、その板の厚さ以上の厚い炭化物層の形
成が可能となった。

また従来、被処理材の有する特殊形状のために。

すべての表１１ｉＩｃ炭化物を形成することは困難とさ
れていた材料があった。すなわち刃物やタップのようＣ
，鋭角の突起部分を有する場合は１脚化物形成時に突起
部分の母材中の炭素が不足し、厚い炭化物形成かで倉な
かりた。

しかしながら１本発明方法により、この様な突起部分の
近傍の材料表面に浸炭剤を塗布することにより突起部分
にも充分な厚さの炭化物層の形成を行うことができる。

本発明方法を適用する被処理材は、従来の膨化物形成方
法の適用対象と異なり、１４素を全く含まないものでも
良い。しかし、外部から供給された炭素を母材中に！ｉ
ｎすることができる金属材料でなければならない。この
様な金属材料としては。

例えば、１０００　　℃で１５％の炭素の１１ｉｌｌ隈
を有する鉄鋼や、αｇｑＭ程度の廣素固＊ｔｉのニッケ
ル会合およびコバルト合金などがある。

さらに本発明の最゛大の実用上のメリットであるが２本
発明の被処理材は薄板の材料でもよい。薄板の場合は、
母材中の全炭素量が膨化物形成面積にくらバて小さいた
め、厚い炭化物層の形成が不：′ｉ 可能とされていた。しかし、・本発明方法のように。

炭化物形成のための炭素を連続的に供給し続けることに
より、薄板の上に厚い炭化物層の形成が可能となつた。

なお、ここで薄板とは、はぼ１■以下の厚さの板をいう
、１ＩＩＩＩを輔す厚さの材料であれば、母材中の全炭
素量が炭化物形成に不足することは少ない。

被処理材に塗布される浸炭剤は、＊素供給物質と浸炭用
活性剤と、これらを結合させるバインダーとからなり、
さらＥ、水又はアルコールが添加され、全体が混練され
てスラリー状１ＩＩＩＣある。

炭素供給物質としては、木炭、コークス、および黒鉛を
使用する。これら、炭化物供給物質は。

浸炭剤がスラリー状で金属材料に塗布できるように、粉
末状態であることが必要であり１粒度は−６０〜−１０
０メッシ、程度が望ましい。

浸炭用活性剤としては、炭酸リチウム（ＬｉＣＯｉ）。

炭酸バリウム（８ａＣＯ１）＊炭酸ナトリウム（Ｎａｓ
ＣＯｍ）等の炭酸塩を用いる。

バインダーとしては、コロイダルＶ　ＩＩ　＊　、コロ
イダルアルミナ、コ・ｃ１□：・・イダ〜グラフ窄イト
、水ガラス、デキストリン等の＆如の粘着剤を用いる。

なお、これらバインダーは、′ｌ＃融塩浴法において。

洛中で硼酸又は硼酸樵と反応しで、溶液中に溶入するも
のであってはならない。

スラリー状のｉ！［剤は、１ｌｌＩ用的にはα１〜１−
の厚さで材料表面に塗布することが好ましし・。

このように金属表面に比較的薄く塗布するの−よ。

加熱によるスフリーの剥離をＥ２ＦＩ！Ｉ、１ＩＩＩｋ
塩浴中に長時間浸漬してもバインダーとしての結合力を
雑持し、しかも処理１！に温水洗浄により容″易にスゲ
啼−を除去で會るからである。なお、α１−未満の塗布
厚さでは浸択の効果が少ない。

１！Ｉｍ剤は、母材中の炭素が欠乏する部分に近し・材
料表ｌ１１ｉＩｃｆ１１布することが望ましい・したが
−で・刃物やＩツブのような、鋭角な突起部分を有する
材料に炭化物を被覆する場合は、特ＩｃＮ票が欠乏する
突起部分の母材ｌｃ迂い材料表面に浸炭剤を塗布し、炭
化物層を形成しようとする突起部分への炭素の供給を容
易にする。

浸炭剤を塗布した金属材料は、チタン、ノクナジウム、
＝１プ、タンｌｋ−，およびタームの各元素（以下１次
化物形成元素と総称する）の（１ずれか一纏の存在下で
加熱し、最終的には□材料表面Ｃｍ化物被積層を形成す
る。この加熱工程においては。

金属材料への浸炭処理と、炭化物形成処理が同時に蛇管
して行われている。したがって、浸軟のための加熱条件
、雰囲気等の処理条件は、＊化物形成のための処理条件
と同一の条件が使用される。

膨化物形成元素は、金属単体、これらの金属を含む合金
雪あるいは、これら金属の酸化物の形で使用する。例え
ば９合金としては、）！ロバナνウム（Ｆ・−ｖ）ｌあ
るいはフェロクロム（Ｆ・−Ｃｒ）、などであり、酸化
物としては、酸化バナνつＡ　（ｖａ　ｏ＠）　＋ルイ
ｉ１酸化りｏＡ（ＣｒｔＯｌ）等である。

浸炭処理は、金属材料に塗布された浸炭剤中の炭素供給
物質から出た炭素が金属材料の表面に浸透し９次いで材
料の母材中を拡散することにより行われる。この際炭素
の拡散は、＃ＩＩ化物形成時に母材中に炭素の少ない部
分が生ずるとその部分に崗は優先的に行われる。

また、ｇｋｍ処理は。炭化物形成処理の続く隈り１連続
しで行う。

しかしてｌ匙物形成元票の存在下で加熱された金属材料
の表面では、外部から供給される炭化物形成元素と母材
表面近くの炭素が結合して、金属材料の表面に炭化物を
形成する。

炭化物形成の場所は、金属材料の表面で浸炭剤が塗布さ
れなかった部分である。

本発明で、＃２化物被覆層を形成させるための具体的な
方法は、すて＃ＣＣ知知炭化物被覆方法すなわち溶融塩
浴法、電解法、粉末法、および気相法の各法が使用でき
る。

溶融樵洛法としては１発明者らが先に開発した方法、即
ち１脚化物形成元素を落人せしめた硼酸又は硼酸塩の溶
融塩浴中に被処理材を浸漬保持して被処理材の表ｌ１１
ｃｊ１２化物層を拳或する方法が極めで有効である。ま
た諌処環浴中に被処理材を浸漬保持してこれを陰極とし
、別に浴中に挿入した１ｉ１１ 電極性材料を＆１１ｆＩｉとして電解処理な行う電解法
は。

処理時間を短縮するために有効である。粉末法としては
一般に使用されている種化アンモニウム（ＮＨ２Ｃｌ　
＞　、あるいは発明者らの開発した弗化硼素酸樵、たと
えば硼弗化カリウム（ＫＢＦ、）の粉末とｌ化物ｌＩ成
元素七食む粉末との混合粉末中に、被処理材を埋め込ん
で加熱する方法がすぐれティる。この場合に、混合粉末
にさらに水又はアルコールｖｉＩ加して全体をスラリー
状態にして。

被処理材の表面に塗布するのがスラリー法である。

この方法によれば、被処理材の一部にのみ塗布しテラそ
の部分を局部的Ｃ炭化物層とすることができる。

また、他の方法として、四樵化チ滉タン（ＣＨ，）、水
素（Ｈ３）の混合ガスが封入された密閉容器またはそれ
らのガスの９ＩｃｆＩｌ中で被処理材を加熱保持するこ
とによってもチタン炭化物（ＴｉＣ）をｌｌｌ或するこ
とができる。

炭化物形成のための処理温度は、従来一般に知られてい
るように、？ＯＯｔから金属材料の融点以下の範囲でよ
い。しかし、炭化物の形成は、温度が高い程急速だが、
他方高温になれば、材質の劣化が激しくなるので、実用
的Ｉｃｔよ８００℃ないし１１００℃が望ましい。

炭化物形成のための処理時間は、必要とする炭化物被覆
層の厚さや処理温度との関係で決定される。すなわち、
厚い炭化物層の形成を目的とする場合、および処りＩａ
度が低い場合番よ、いずれも長い処理時間を必要とする
。一般に１時間ないし８０時間程度が適当である。

り薄いと耐摩耗性の効果に不安がある。なお１脚化物層
の形成は、１！Ｉ炭剤からの炭素の供給と炭化物形成元
素が存在する限り続くので、処１Ｉａ１度と処理時間を
選竜すれは、任意の厚さの炭化物層の形成が可能である
。しかし、炭化物層があまり厚実施例１ α０５ｍ厚さのＪＩＢ８に４ＣＩ１．素含有量約１重量
優、以下重量％を％と略記する。）の板状試片の片面に
のみスラリー状の浸炭剤を約１＋ｗ厚さで塗布し、１ｏ
ｏｔｒで乾燥させた。上記浸炭剤としては、−１００メ
マｖ１の木炭粉４７６％と。

−６０メｙＦａａのＢａＣＯ５４？、５％の混合粉末に
コロイダル水層液５％を添加し、かくはんして調製した
。この試片な１脚化物形成元素としてのＦ・−■粉（バ
ナＶつふ５Ｂ形含む）２０１；と硼砂８０ｇ６を要人し
てなる溶融浴中に浸漬し、９００℃で８時間保持した。

次に、その試片を浴中かち取り出し、水焼入し、ついで
温水で試片を洗騎して付着していた浸炭剤を除去した。

このようにして得られた試片を切断し断面組織を観察し
た。栴１図は、この時の断面組織を示す顕微鏡写真であ
る。この顕微鏡写真、およびＸ線マイクロアナフィイー
による分析により、試片の浸炭剤を塗布した表面と反対
側の表面（以下、こＣＬ”（，６０μｍ厚さの鋼の上に
、約１５μｍのバナジウム次化物層が形成されていた。

また、この場合の鋼の母材硬さはＨマ８８０であって１
本発明の処理を施さない場合の焼入れ機の母材硬さと同
一の硬さを得ることができた。

一方、閤−試片ｃ　ｌｔｔ　Ｌ　＃浸炭剤を塗布するこ
となく１１−洛中で同一条件で炭化物被覆処理を行また
・その結果得られた試片の断面組織を第８図の顕微鏡写
真に示す。写真から明らかなように試片の両伺表１１ｉ
に形成されたバｆＮつ五脚化物層はわずか１８μＫｍＩ
Ｃすぎず、又、母材硬さも純鉄に近い約Ｈマ１００にす
「なかうた。

実施例２ αｌａｗ厚さの純ニッケルの板状試片の片ｃｉｌｉＫ−
のみ一実施例１と同一の浸炭剤を約Ｑ８鱈の厚さで塗布
し、その後１１然乾燥させた。

この試片の炭化物形成ＷＪにスラリー状の処理剤を約３
厘の厚さで塗布し、その後自然乾燥させた。

上記処理材としては、−１００メツＶＪ−の膨化物形成
元素としての７１０ニオブ（Ｆ・−Ｎｂ　、ニ第１ プロ６９６含む）粉末９６９６と、−１００メッシ１の
ＫＢＦ、粉末６ｇ６との涙金粉末にコロイダルシリカ水
磐液６％を加えてＩＩＩＩした。

この試片を耐熱鋼製有蓋客器（直径１８０８１゜高＃１
００■、肉ｊ１１ｍｌ）に入れ、蓋と容器の隙間に７翼
ロボロン（Ｆ・−Ｂ、ボロンの含有ｔｇ。

優）粉を置いてＶ−ルした。ついでその春−を大気中の
電気炉に入れ、９００℃で３時間加熱した。

そのＩｌ、容器を電気炉より取り出し、空冷した。

ついで、容器から試片を取り出し、試片に付着していた
処理層を除去した。

以上の旭珊により試片の炭化物形成面には、約１０ｐｍ
のニオブ廣化物層が形成されていた。なお、この際の母
材硬さは鋼のように焼入硬化しないため約Ｈマ８０であ
った。

一方、＊−試片に対し、浸炭剤を塗布することなく、た
だ同−処理剤を塗布して、同一条件で炭化物被覆処理を
試みたが、試片の表ｍｔｃｔよ、全く脚化物層が形成さ
れなかつた。

実施例８ 実施例１と同一のＪＩ８８に’？板状試片の片面にのみ
、スラリー状の浸炭剤を約１５ｍ厚さで塗布した後、乾
燥させた。上記浸炭剤として一１００メツＶａの木脚粉
ＢＯ９６ｋ　１−６０’ｙ　Ｖａｆ）Ｎａ雪ＣＯｉ粉６
０％の混合粉末ｃｌ水ガフス水溶液ｌＯ％を添加して調
製した。

一方、−１００メマＶ島の金属クロム粉６６％と焼結防
止剤として一１００メツＶ−のＡｌ＊Ｏｍ粉ｔｓｏ＊と
一１００メ１ＶａのＮＨ４Ｃｌ粉５ｇ６とを混合して調
製した処理剤を、上端開口の耐熱鋼製客器に上端より８
〜４＃ｌＩＩして゛いれた０次に試片を処理剤の中央部
に埋め込み、最後に処理剤の上に一１０’０メツＶ、の
Ｆ・−Ｂ粉を８−の厚さで被覆した。ついでその容器を
大気中の電気炉に入れ、９５０℃で８時間加熱処理を行
った。その後、処理容器を電気炉より取り出し、そのま
まの状態で空冷した。冷却した処ｍｙａ器から試験片を
とり出し、付着していた浸炭剤、および処理剤をワイヤ
プフＶで簡単Ｃ＃夫した。

このようにして得られた試片の断面組織を顕微鏡観察し
たところ、試片の炭化物形成面には、約１６μｍの厚さ
のクロム炭化物が形成されていた。

なお、その母材硬さは約Ｈマ８００であつた。

一方、上記試片に対し浸炭剤を塗布することなく、同一
処理条件で炭化物被覆処理を行ったが。

１１Ｂ成されたクロム炭化物層の厚さは、わずか約壱μ
論にすｌなかった。

実施例４ αｌ麿厚さｆ）ＪＩ８８１８８０４　（炭素會有量約α
Ｏ＋＊）の板状試片の片面にのみ、実施例１上同−の浸
炭剤を約ａｓｍの厚さで塗布し、　１１００℃で乾燥さ
せた。“ついでこの試片を、浴全量に対して１０％のＦ
・−■粉を溶入さ豐た溶融硼砂浴中に浸漬し、試片を陰
極、容器を陽極として、α８Ａ／ｄの電流密度で１時間
電解した・ 上記処理後の試片の断面組織を第８図の顕微鏡写真によ
り示す。写真より明らかなごとく、試片の炭化物形成面
には、約１８μｍのバナＶつ五廣化物層が形成されてい
た。なお、その母材硬さは約Ｈマ８４０であつた。

一方、浸廣剤を全く塗布することなく・同−試片に対し
、同一条件で炭化物被覆処理を行った。

その結果、試片の両面に形成されたバナジウム炭化物層
の厚さは、わずか０８μｍｌｃすぎなかうた。

実施例５ αｌ■厚さの純コバルトの板状試片の片１１ｉにのみ、
ヌラリー状の浸屓剤を約α＠”ｍ厚さで塗布し、乾燥さ
せた。上記浸次剤としては、−６０ＩｙＦＪ＆のコーク
ス粉５０ｑ６と、−２０メマシ、のＫｍ　ＣＯ，１）　
４０９６の混合粉末に、デキストリン水溶液１０ｇ６を
添加して調製した。この試片を、浴全量に対して６９６
に相当する量だけ金属Ｔ烏を陽極にして電解要人させた
溶融硼砂洛中に浸漬し。

１０００℃で２時間保持し、ついで収り出し空冷した。

以上の処理により、試片の膨化物形成面には。

約１５１１ＩＩＩのダンタｖｌｅ化物層が形成されてい
た。

なお、この母材硬さは約Ｈマ９０であった。

一方、同一試片に対し、浸脚剤を塗布することなく、同
一浴中で同一条件で羨化物被覆処理を試、、１１ みたが、試片の表ｆｆ１ｉｌ−は、□全く膨化物層が形
成されなかった。

実施例６ α１ｍ厚さの純コバルトの板状試片の片面にのみ、実施
例１と同一のｉ！ｌ炭剤を約１５１１の厚さで塗布し、
乾燥させた。ついでこの試片を耐熱鋼調有蓋容ｓＩｃ入
れ、　＄１ＣＴＩＣ１ａ　αｏｇ９ＩＣ圧。

ＣＨ６α０８気圧−Ｈ５Ｃ１９暴慨圧よりなる混合ガス
を容器内に封入し、蕾をして、密閉容器とした。

ついでこの容器を大気中の電気炉に入れ、１０００℃で
８時間加熱した。その後容器を電気炉より取り出し、空
冷した俵、容器より試片を取り出した。

以上の処理により得られた試片の膨化物形成面には、約
１５μｍのチタン巌化物が形成されていた。また、その
母材硬さは豹Ｈマ９ｏでありた。

【図面の簡単な説明】

第１図、および第８ＷＡは、それぞれ実施例１゜倍）で
ある。 −３８（ 黄や り

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１Ｎ化物層を形成する表面以外の金属材料の表面に
   浸炭剤を塗布した談、咳金属材料をチタン、バナＶウム
   、＝オプ、タン一ル、およびクロムの各元素の内、いず
   れか一種の存在下に加熱することにより１脚素を浸炭剤
   から金属材料へ浸透拡散させる浸脚処理と、金属材料の
   表１１ｆＩｃ任意の厚さの鯉化物被覆層を形成させる炭
   化物形成処理とを同時に並行して仝 行うことを特徴とする金属材料の炭化物被覆方法 （２）金属材料は、薄板であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の金属材料の炭化物被覆方法 （８）金属材料は、鋭角な突起部分を有する材料であっ
   て、浸炭剤の塗布部分はすくなくとも突起部分の近傍で
   あることを特徴とする特許令 請求の範囲第１項記載の金属材料の軟化物被覆方法