JPS601950B2 - 窒化防止剤 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば炭素鋼、鋳鉄、銭鋼、ステンレス鋼お
よびニッケル、クロムなどを含む合金鋼などの材料、こ
れら材料から作製された機械や構造用部品などを塩裕軟
窒化を行なう場合に窒化を行なわない部分を保護するた
めの窒化防止剤に関するものである。

炭素鋼、鋳鉄、鏡鋼、ステンレス鋼およびニッケル、ク
ロムなどを含む合金鋼などから作製された機械や構造用
部品の疲労強度と耐摩耗性、耐蝕性、耐熱性を向上させ
ることは、機械や構造物の高性能化と材料の節減にとっ
てきわめて重要である。

そのための種々の表面硬化法が実用化されているが、そ
の一つに塩裕軟窒化法（タフトラィド法）がある。この
方法は１９５４王頃開発されたもので、窒化しようとす
るものを５７０３０のＫＣＮ，ＫＣＮＯなどを主成分と
した塩格に浸潰した後、水冷または油冷して行われる。

しかし、部品全体をタフトラィド処理することは、かえ
ってその部品のほかの機能や製作上必要な後加工の便を
損う場合がある。

部品全体をタフトラィド処理する場合に不都合を生ずる
場合として２〜３の実例を示せば、次の如き場合がある
。

例えば小型のクーラー用クランクシャフトにおいてタフ
トライド処理によって、目的とするクランクシャフトの
疲労強度や耐摩耗性は著しく向上するが、軸端のプーリ
を取付けるためのネジ部で破壊することがよくある。こ
れは窒化深さはどの部分でも一定であるため、直径の小
さいネジ部では窒化深さが直径に比較して相対的に大き
くなる結果、逆にその部分がもろくなって、弱められる
ことに起因する。段差の大きなほかの軸やピンでも同様
の現象が発生する。

他の例として、プレス打抜き部品がタフトラィド処理後
スポット溶接によって、組立てられる場合には、表面に
生成された窒素化合物層のために溶接性が著しく損なわ
れることもよく経験するところである。

このように機能上、加工上あるいは構造上タフトラィド
処理が好ましくない部分の窒化防止方法としては従来よ
りその部分をニッケルメッキ、クロムメッキする方法が
使用されていた。

しかしながら、これらのメッキ法では前処理、後処理な
どの工程が複雑でタフトラィド処理を施さない部分に対
するメッキのためのマスキングが必要であったり、また
溶接などの二次加工を品質を損なわずに確実に行なうた
めにタフトラィド処理後、メッキを取除く作業が必要で
あったり、更には有害なシアンなどを含むメッキ廃液の
処理など、公害、環境の面から配慮も必要であり、作業
性、コストの両面より多くの問題を有していた。また有
機化合物を主体とするマスキングは、当然のことながら
、タフトラィド処理における５７０℃もの高温に耐えう
るものが現在皆無であるために、実用性がない。

本発明者は、このような現状に鑑み、簡便な窒化防止剤
について種々検討した結果、本発明を完成した。本発明
による窒化防止剤は、メッキ法によるような複雑な作業
や繁雑な処理を必要とせずに塗料のように必要部分に塗
布して硬化させるだけで、タフトラィド処理部品の機能
やその後の二次加工などの必要性に応じて、部分的に窒
化を防止できるものであり、そのトータルコストはメッ
キなど従来法に比べて著しく低減できるものである。

一般的に窒化防止剤として必要な特性は（１ー 塩格温
度５７０００において燃えたり、溶けたりしないで耐熱
性を有すること、【２）コーティング膜が５７０午０に
おいて塩俗と反応したりせず、かつ実用的に塩俗の浸透
がないこと、‘３’ 窒化処理後、コーティング膜のは
く雛が簡単にできること、などがあり、本発明はこれら
特性を有する窒化防止剤に関するものである。

本発明の窒化防止剤を構成する給合剤とは無機質の硬化
皮膜を形成し得る物質であり、珪酸ナトリウム、珪酸カ
リウムなどのような水溶性アルカリ金属達酸塩、コロィ
ダルシリカ、コロィダルアルミナなどのような水分散性
シリカゾル、アルミナゾル、あるし・はりん酸アルミニ
ウム、りん酸マグネシウム、りん酸カルシウムなどの水
落Ｉ性りん酸塩など、或はこの池完全な無機物ではない
が、エチルシリケートのようなアルキルシリケートおよ
びその部分加水分解物、アンモニウム珪酸塩、グァニジ
ン珪酸塩などの有機珪酸塩、ポリオルガノシロキサン化
合物などである。

本発明の窒化防止剤は、上記給合剤と無機質系の骨材と
から成るものである。

無機質系の骨材の例としては、軟化温度が少なくとも６
０ぴ０以上の耐火物粉末が主として使用され、その形状
は必ずしも球状である必要はなく、針状、繊維状、りん
片状、塊状などの形態のものが使用される。

具体的な化合物としては例えばアルミナ、シリ力、ムラ
イト、ジルコニア、チタニア、マグネシアなどの酸化物
、窒化棚素、窒化珪素のような窒化物珪砂、珪石粉末、
ジルコン、カオリンなどの天然鉱物などの１種または２
種以上が組合せて使用される。給合剤と骨材の配合割合
としては、骨材１０の重量部に対して給合剤１〜１０，
００の重量部であることが好ましく、より好ましくは１
０〜１００の重量部である。

これらの他に沈降防止剤、界面活性剤、顔料、無機せん
し・、粘度調整剤、溶剤、硬化剤などが必要に応じ適宜
組合せて配合される。

か）る窒化防止剤となり得る市販品としては、東亜合成
化学工業株式会社製の無機系耐熱性接着剤アロンセラミ
ックＬ，Ｄ，Ｓなどがある。

本発明に係わる窒化防止剤は、種々の形態で使用可能で
あるが、通常スラリー状、サスベンジョン状、ペースト
状などの形態が塗布作業に適する。その粘度は、塗布方
法によっても異なるが、２５００における回転粘度計で
の粘度で５０〜５００，００比ｐｓ程度が良いが、スプ
レーなどの場合は、低粘度のものが、刷毛塗りなどの場
合はや）高い粘度のものが塗布作業性においてすぐれて
いる。タフトラィド法による拳化処理を適用できる材質
は主として、一般圧延または機械構造用炭素鋼、鋳鉄、
炭素工具鋼、ニッケルやクロムなどの合金鋼ならびに鉄
系の蛭結金属などであり、その線膨張率は、慨して（９
〜１８）×１０‐６肌／肌℃程度であることから、本発
明の窒化防止剤は線膨張率が（１〜３０）×１０‐６肌
／肌℃の範囲にあると窒化防止剤としての効果が良好で
あるので好ましく、更に２５〜６００ｑｏの熱膨張がで
きる限り一定であり、かつその平均線膨張率が（４〜２
３）×１０‐６肌／抑℃の範囲のものがより好ましい。

更に好ましくは、基材との２５〜５７０ｑ０における線
膨張率の差が（０．５〜５）×１０−６弧／肌℃以内で
あるものが望ましい。線膨張率および線膨張率の差がこ
の範囲より大きな場合、タフトラィド処理を施す部品に
コーティングされて、５７０ｑｏの塩裕中に浸潰される
際、５００００以上もの熱衝撃によりコーティング膜の
クラックピンホール、発泡、はく離、脱落などが生じて
拳化防止剤の用をなさない傾向にある。一方、線膨張率
が基材と２５〜５７０ｏｏのすべての温度において、全
く一致する窒化防止剤は、コーティング膜の密着性がす
ぐれ、防止効果も良いが、タフトライド処理後、コーテ
ィング膜をはく離させる場合に困難をともなう傾向にあ
る。次に窒化防止の方法であるが、タフトラィド処理す
る部品の処理を施さない部分にこの窒化防止剤をハケ、
ヘラ、スプレー、各種コーターなどを用いて塗布すれば
良い。基材に油、錆、ほこりなどが付着している場合は
、密着性が低下するので、事前にサンデイング脱脂など
を行なう必要がある。続いて窒化防止剤が良好な塗膜を
形成することが可能な条件で硬化させる。結合剤の種類
により加熱硬化温度は異なるが、通常１００〜３００℃
での加熱が一般的であり、硬化剤などを併用すれば更に
低い温度で硬化させることもできる。加熱硬化の場合、
結合剤の種類によっては急激な加熱により発泡し、ピン
ホールなどを発生することもあるので、徐々に昇温して
硬化することが望ましい。

この加熱硬化はメッキなどと比べて一見、余分な労力が
かかるように思えるが、精密部品などではタフトラィド
処理裕中への急激な浸糟は熱衝撃による０．０１〜０．
１肋程度の変形をもたらすため、通常３００午ＣＩ時間
程度の予加熱を必要とするので、この工程で窒化防止剤
の加熱硬化を兼ねることができる。次に部品全体を５７
０ｑｏに加熱されたシアン塩とシアン酸塩を主成分とす
るタフトラィド塩裕中に必要時間浸潰した後、水または
油中に投入して急冷する。

この急冷は窒素を基材中に固溶化したま）閉じ込めるた
め、タフトライド処理を行なう際の必要な工程であるが
、本発明による窒化防止方法においては、この急冷にお
ける熱衝撃により極めて容易に窒化防止剤をはく離させ
ることができることが一つの特長である。

通常この種の無機コーティング剤は空気中で５７０ｑｏ
に加熱し、水冷してもコーティング膜は異常が認められ
ないが、タフトラィド処理の塩格に浸潰された場合は、
急冷により容易には〈離するため、窒化防止剤として極
めて作業性がすぐれており、これも特長の一つである。
本発明の窒化防止剤により簡便にかつ安価なコストの窒
化防止が可能になる。

部品の機能上タフトライド処理してはならない部分ある
し、は溶嬢、機械加工その他の二次加工（後加工）など
のために必要な部分を防止処置することにより、タフト
ラィド処理の効果的な応用の拡大と機械、構造物の性能
や信頼性が大中に高められる。以下、各種の材料につい
て実施例をもって本発明を更に詳しく説明する。

実施例 １ 一般構造用圧延鋼材２種（ＳＳ４１）の試料（縦１５０
脇×穣３Ｑ蚊×板厚４脚）をトリクロルェチレンで脱脂
洗浄後、その表面の１／２に、非金属の無機質を主体と
する窒化防止剤として、シリカ系接着剤アロンセラミツ
クＣ（東亜合成化学工業社製）をハケ塗りで塗布し、室
温から１５０００まで徐々に昇温し、更にその温度で６
０分保持して加熱硬化させた。

硬化後の膜厚は約１００りのであり、この窒化防止剤の
２５〜６００℃の平均線膨張率は１３×１０‐６伽／抑
℃であった。引続いてＮａＣＮ３５％、Ｎａ２Ｃ０３２
５％、ＮａＯＣＮ４０％なるタフトラィド裕中で５７０
ｑ０９０分処理を行ない、ついで水により急冷した。タ
フトラィド処理後の防止剤は急冷時の熱衝撃により容易
にはく離することができた。試料の一部を切り出して窒
化防止処理の有無によるＳＳ４１基材の顕微鏡的観察を
するために、３００℃１時間の焼き戻しを行なった試料
断面の組織写真を図一１、図一２に示す。図一１は防止
剤を塗布しなかった部分であり表層には８．０山川の化
合物層が形成され、更にその下層に０．２５側程度の深
さまで針状の窒化物（Ｆｅ４Ｎ）が析出して拡散層を形
成している。防止剤塗布部は図一２に見られるように若
干の化合物層（０．９山肌）が観察されるが、窒化物の
析出はほとんど認められず、組織は処理前と実質的に変
化ない。

これは図一３の断面硬さ分布からも明らかであり、タフ
トラィド処理部と防止剤塗布部の硬さはそれぞれＨｖ４
２２とＨｖ２２１であって、防止効果は顕著である。そ
の結果窒化防止部に対する必要な機械加工などの二次加
工は容易に行なうことができる。実施例 ２ 試料は機械構造用炭素鋼（ＳＩやＫ）の丸棒（１０側め
×１００肌）でこれをトリクロルエチレンで脱脂後、ア
ロンセラミツクＣ（粘度７０，００比ｐｓ）を試料の一
部に筆塗りした。

室温で約１０分間放置後、１５０００で６０分加熱硬化
させ、ついで５７０００のタフトラィド塩浴中で９０分
保持し水冷した。窒化防止剤は水冷と同時に完全にはく
離した。実施例１と同様の方法により観察した試料断面
の顕微鏡写真を図一４、図一５に示す。

図一４は防止剤塗布を施さなかった部分であり、表層に
は１１．６仏凧の化合物層が形成され、更にその下層０
．２５柳程度までＦｅ４Ｎの窒化物拡散層が見られる。
図一５は防止剤塗布部であり、３．５山肌の化合物層が
見られるにすぎない。図一６の断面硬さ分布から、タフ
トラィド処理部と防止剤塗布部の硬さはそれぞれＨｖ７
００とＨｖ２８１であり、防止効果は明白である。この
結果は比較的低級な材料でもタフトラィド処理によって
、機械的性質を著しく向上させることができることを示
す。しかしながら、機械要素においては段付軸のような
形状変化の顕著な部品が少なくなく、そのような場合、
窒化深さはどの部分でも一定であるが、直径に対する窒
化深さの割合が小径部で大きくなるため、大窪部を基準
に窒化処理を施すと逆に小径部は処理前より強度が低下
し、特に段付角部のような最も影響をうけやすい部分で
破壊することが多い。

窒化処理をより効果的に応用することを考えれば小径部
の弱化を抑制することが必要であるが、このような場合
、アロンセラミツクＣを用いれば必要に応じて部分的に
窒化を防止することができる。また小径部を基準にして
適切な窒化処理を施した後、小怪部に防止剤を塗布して
更に処理を行なう方法により、部品全体の強度を目的に
応じてコントロールすることも可能である。実施例 ３
これは高炭素鋼に対する窒化防止の効果を明らかにする
ために、炭素工具鋼３種（ＳＫ３）炭素含有量１〜１．
１％、線膨張率９．８×１０‐６の／肌℃の丸捧試料（
１仇肋少×ｌｏ仇肋）を用いて実施したものである。

試料を脱脂し、サンドペーパーで研磨した後、窒化防止
剤としてアルミナ系接着剤アロンセラミックＤ（東亜合
成化学工業社製）を乾燥濃厚約５０〜７０仏肌となるよ
うに塗布した。アロンセラミックＤはアルミナを主成分
として粘度５０，００比ｐＳ，２５〜６００ｑ○の平均
線膨張率８×１０‐６伽／肌℃であった。塗布後、室温
で４時間放置し、１５０００／ｈｒの昇溢速度で１５０
ｑ０まで昇温し、実施例１と同じ条件でタフトラィド処
理ならびに顕微鏡観察を行ない、その結果を図一７、図
一８に示した。試料断面の組織写真においてタフトラィ
ド処理部は８．７ぶれの化合物層が、防止剤塗布部にお
いては１．９Ａ机に減じている。化合物層より深部の拡
散層は両者ともほとんど差がないかのように見えるが、
これは試料が高炭素鋼のためタフトラィド処理（５７０
００）により焼戻されて、炭化物が析出していることに
よる。図一９の断面硬さ分布によればタフトラィド処理
部のＨｖ４９５に対し、防止剤塗布部はＨｖ３０７と明
確な差が認められ、高炭素鋼においても本発明の窒化防
止剤は充分使用することができる。この結果は例えばミ
シンの部品である布地裁断用刃物のように耐摩耗性と焼
き入れの両者が必要な場合に好都合である。即ち上下の
刃の内側は布地および刃同志の摺動のため耐摩耗性が必
要とされるが、タフトラィド処理のま）では刃の切れ味
が悪いので、刃先だけは高周波焼入れによる方が良い。
ところが刃全体にタフトラィド処理を施せば刃部の高周
波による衝撃的焼入れ（通常１′１０〜数／１０町秒）
しようとする場合に表面の化合物層の融点が高いために
焼入れが困難になる。このような場合、刃先部に防止剤
を塗布した後、タフトラィド処理することにより必要な
刃先部だけの焼入れが可能となる。実施例 ４ 冷間圧延鋼板１種（ＳＰＣＣ）で縦１５０脚×横２５肋
×板厚２．３柳の試料を作成し、トリクレンの蒸気洗浄
で脱脂後、アルミナ系アロンセラミックＤ及びシリカ系
接着剤アロンセラミックＳ（東亜合成化学工業社製、粘
度１０，００比ｐＳ，ＰＨ８〜９，２５〜６００ｑＣ、
平均線膨張率１３×１０‐６肌／肌℃）を窒化防止剤と
して試料の一部に塗布した。

室温で１０分間放置後１５０ｑｏで１時間加熱硬化して
実施例１と同条件のタフトラィド処理を行なった。図一
１０１こ示すようにタフトラィド処理部と防止剤塗布部
のＨｖは４６８及び２１３であり、明らかに硬さの差が
認められた。アロンセラミックＤとアロンセラミックＳ
の間には、実質的に菱は認められなかつた。タフトラィ
ド処理を施した部品をスポット溶接する場合、表面に化
合物層が存在するために電流値のバラッキあるいは融点
上昇による溶接強度のバラッキなどが生ずるが、このよ
うな場合も簡単に部分的に窒化を防止し、溶接の信頼性
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

図一１、図一４及び図一７はタフトライド処理した材料
の組織の変化を示す顕微鏡写真であり、図一２、図一５
及び図一８は本発明の窒化防止剤を塗布した場合の材料
の顕微鏡写真であり、それぞれ図の上方が材料の表面側
、下方が材料の内部を示す。 又図一３、図一６、図一９及び図一１０はタフトラィド
処理と窒化防止剤塗布の材料の断面に於ける表面からの
深さとかたさ（Ｈｖ）を示すグラフである。第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水溶性アルカリ金属珪酸塩、水分散性シリカゾル、
   水分散性アルミナゾル、水溶性りん酸塩、アルキルシリ
   ケートおよびその部分加水分解物、有機珪酸塩、ならび
   にポリオルガノシロキサン化合物の１種もしくは１種以
   上の化合物から成る給合剤と無機質系の骨材とから成る
   ことを特徴とする窒化防止剤。