JPS6039149B2 - 窒化表面硬化法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発生期窒素源または活性窒素源としてのアンモ
ニアの存在下で鉄合金を加熱することによってかかる鉄
合金の表面硬化を行う方法に関するもので、更に詳しく
言えば、一層均一で耐久性に富む改良された硬化表面層
を形成するための新規な窒化法に関する。

窒素源としてのアンモニアガスから成る雰囲気中におい
て鋼を加熱することによって鋼表面を硬化させる方法は
、１９３１年５月５日付の米国特許第１８０４１７６号
明細書からわかる通り、旧釆の公知技術である「エンジ
ニアリング・マテリアルズ・ハン ド ブ ッ ク（
Ｅｎｇｎｅｅｒｌｎｇ ＭｔｅｒｉａｌｓＨＥｎ肋ｏｏ
ｋ）」（マダローヒル・ブック・カンパニー、１９５＆
王）の２１〜２２頁に記載のごとく、ガス窒化法は表面
硬化を施すべき製品を２０％解離アンモニアの雰囲気中
において９７５０Ｆ（８２４００）の温度に保つ第１の
段階およびその製品を８５％解離アンモニアの雰囲気中
において１０２５〜１０５００Ｆ（５５２〜５６６０Ｆ
）の温度に保つ第２の段階から成るのが通例である。

しかるに、同種類かの常用特殊鋼たとればクロム含量や
クロムおよびニッケル含量の比較的高いある種の鋼とり
わけオーステナイト形鋼は、効果的に窒化を施すことが
特に困難であったり厄介であったりする。

たとえば１９５７年４月２３日付の米国特許第２７８９
９３び号明細書中では、高クロム舎量の鉄合金であるス
テンレス鋼が窒化を受け難いという問題が論議され、そ
して処理プロセス中に塩酸を導入することが提唱されて
いる。この特許によれば、酸の煙霧がアンモニアガスと
化合し、こうして生成された塩化アンモニウムが窒素に
対する遮断層を成すクロムの酸化膜を変質させるのであ
る。また、窒化法による常用ステンレス鋼の表面硬化に
関して見られる上記の困難に加えて、従来のガス窒化法
をある種の鉄合金に適用した場合には、処理すべき表面
の全域にわたって欠陥のない均一な連続した窒化物層ま
たは硬化表面層が得られないことも多い。

本発明の主目的は、改良された表面硬化物品及び製品を
製造するための鉄合金に窒化方法を提供するものである
。

本発明の別の目的は、鉄合金のうち例えば、オーステナ
ィト・ステンレス鋼等に代表される高クロムおよび／ま
たは高ニッケル含量の鉄合金に適用した場合、従来にな
く有効でしかも効率的な窒化方法を提供するにある。

さらに本発明の別の目的は、鉄合金のなかでもクロムよ
びニッケルの含有量の高いし・鉄合金に窒化を施して、
この合金上に連続した窒化硬化表面層であって、一様か
つ十分な繊密度を有し、きずや裂け目といった欠陥のな
い層を形成するための窒化方法を提供するにある。

また本発明の別の目的は、鉄合金のなかでもクロムおよ
びニッケルの含有量の高い鉄合金上に均一な窒化層ある
いは極めて硬い表面層を形成して、特に耐摩耗性および
耐腐蝕性の著しい、反りや歪みの極めて小さい、かつ摩
損や暁付けの煩向が非常に少ない表面層の得られる表面
硬化方法を提供するにある。

さて本発明に従えば、下記に示すような特定の組合せの
順序付けられた温度および窒素条件の使用により、一般
に窒化を施すのが困難な鉄合金上欠陥のない均一な連続
した窒化物層または硬化表面層を形成することができる
。

本発明の方法は、簡単に言えば、表面硬化（Ｃａｓｅｈ
ａｒｄｅｎｉｎｇ）を施すべき鉄合金製品に対して所定
の組合せおよび順序に従って加熱および気体状窒素供給
を行うような窒化法である。

すなわち、かかる方法は‘１’アンモニア解離度の低い
雰囲気および４９６００（９２５０Ｆ）より低い温度を
使用する第１の熱処理段階、｛２｝相対的にアンモニア
解離度の高い雰囲気で置換する移行段階、および‘３｝
他の段階に比べて中間のアンモニア解離度を持った雰囲
気および少なくとも５３５℃（１００００Ｆ）の温度を
使用する第２の熱処理段階から成っている。本発明の好
適な一実施態様に従って詳しく述べれば、本発明の実施
する際の第１の熱処理段階においては、通常のごと〈に
加熱してから鉄合金製品の周囲の雰囲気を適当な窒素含
有ガス（たとえば無水アンモニア）でパージした後、一
般に約１／２〜１または２時間という比較的短かし・時
間にわたって製品が４８０〜約４９６００（９００〜９
２５０Ｆ）の範囲内の温度に保たれる。かかる第１の熱
処理段階に際しては、窒化を施すべき製品の周囲の雰囲
気は８〜約１５％という比較的低いアンモニア解離度を
持った無水アンモニアから成る。次の移行段階において
は、実質的に無水アンモニアから成る製品周囲の雰囲気
が解離アンモニアの添加によって部分的に希釈除去され
、それにより雰囲気のアンモニア解離度が８０％より高
くなるように調整される。

その後、第２の熱処理段階においては、製品が５７０〜
約５８５ｏ○（１０６０〜１０８００Ｆ）の範囲内の温
度に加熱維持される。

この温度条件に剣達すと同時に、雰囲気中に供給される
無水アンモニアとアンモニアとの比率を調節することに
より、アンモニア解離度が６５〜約７５％の範囲内に下
させられる。以後、かかる第２の熱処理段階の条件は、
十分な深さの窒化物層または硬化表面層が製品上に形成
されるまで残りの時間全体を通じて実質的に維持される
。窒化物層または硬化表面層の深さが十分な値に到達し
たならば、加熱は停止され、そして製品は周囲温度にま
で放冷される。上記のごとき本発明の窒化法は、鉄合金
または鋼全般に適用した場合にも有効であるが、窒化を
施すのがより困難な高クロム含量の鉄合金たとえばステ
ンレス鋼とりわけ３００系列のステンレス鋼をはじめと
するオーステナィト形ステンレス鋼を処理するために特
に有利かつ有用なものである。

かかる組成を有しかつ一般に窒化を受け難い鉄合金また
は鋼を本発明の窒化法によって処理するれば、耐久性が
あると同時に摩耗や腐食、摩損や焼付き、およびとそり
やゆがみに対して抵抗性を有する本質的に欠陥のない極
めて均一な連続した窒化物層または硬化表面層を効果的
かつ能率的に形成するこができる。発生期窒素源または
活性窒素源としてのアンモニアの含量が解離度のごとき
雰囲気条件は、通常の技術によって容易に達成しかつ制
御することができる。

たとえば、無水アンモニア供給源および解離アンモニア
供給源を用意き、そして雰囲気中に導入されるそれらの
比率を調節することにより、本発明の窒化法が要求する
所定のアンモニア条件や解離度を得ることができるので
ある。その上、本発明の窒化法は雰囲気を隔離して制御
することの可能な墜常のレトルト炉やその他の適当な熱
処理手段を用いて実施することができる。また、通常の
手段により、表面硬化を施すことが要求または所望され
ない製品の表面部分を遮蔽することもできる。たとえば
、スズ、青銅または銅の被覆めつきおよびある種の特殊
ペイントを用いて表面部分を遮蔽することにより、窒化
を防止することができるのである。以下、窒化を施すの
が困難な「ステンレス・スチールＸＭ−１９」という商
品名のステンレス銭上に欠陥のない均一な連続した窒化
物層または硬化表面層を形成するために本発明を実施し
た場合の実施例が示される。

この穣類のステンレス鋼はクロムおよびニッケル含量の
高い次のような組成を有している。成 分
重量百分率 クロム ２０．５〜２３．５ニ
ッケル １１．５〜１３．５マン
ガン ４．０〜６．０モリブデン
１．５〜３．０ケイ素
最大１．００窒 素
０．２５〜０３５ニオブ ０
．１５〜０．３０バナジウム ０．
ｉ５〜０．３０銅 最大０．１
５コバルト 最大０．０５炭素
最大０．０４リン
最大０．０２０酸素
最大０．０１５硫黄 最大０．
０１０全微量元素 最大０．４０鉄
残 部 上記のステンレス鋼から成りかた硬化を施すべき表面部
分を有する製品に溶剤を用いた適当な清浄操作を施した
後、内部の雰囲気と隔離して制御する手段すなわち吸気
□および排気口を備えた通常のレトルト炉内にその製品
を配置した。

次いで、かかる炉を無水アンモニア供給源および解離ア
ンモニア供給源並びにそれらと関連した適当な適量調整
および比例配分手段に連続した。炉内に製品を封入した
後、温度を４総〜４９６００（９１０〜９２５押）に上
昇させ、かつまた炉内雰囲気を無水アンモニアでパージ
した。

第１の熱処理段階のたせの温度である４概〜４９６０Ｃ
に到達した後、炉内に供給されるアンモニアガスの流量
を制御することにより、炉内雰囲気のアンモニア解離度
を８〜１５％に調整した。これらの温度および解離度は
約１時間にわたって維持された。その後「炉内への無水
アンモニアの流量を減少させると同時に解離アンモニア
の流量を増大させることにより、炉内雰囲気のアンモニ
ア解離度を移行段階のための値である８５〜９５％に調
整した。

炉内雰囲気のアンモニア解離度が８５〜９５％に到達す
るや否や、温度を５７７〜５８２００（１０７０〜１０
８００Ｆ）に上昇させた。また、、この温度に到達する
や否や、アンモニアガスの流量を再び調整することによ
り、炉内雰囲気のアンモニア解離度を第２の熱処理段階
のための値である６５〜７５％に低下させた。これらの
温度および解離度条件は、深さ０．１〜０．２ミクロン
（０．００４〜０．００７インチ）の均一な窒化物層ま
たは硬化表面層を得るために必要な時間である４加持間
にわたって維持された。かかる第２の熱処理段階の完了
後、炉の運転を停止したが、アンモニア雰囲気は温度が
１５０００（３０００Ｆ）以下に低下するまでそのまま
に維持した。窒化物層または稿化表面層を検査したとこ
ろ、深さおよび密度は均一でありかつ欠陥や裂け目は存
在しないことが判明した。

ここで図面を見ると、本発明の窒化法によって製族され
た製品１０の拡大略断面図図が示されている。

かかる製品１０は高クロム舎量のステンレス鋼で作られ
た本体１２から成るもので、その上には窒化物層または
硬化表面層１４が形成されている。

【図面の簡単な説明】

図面は窒化による硬化表面層を持った鉄合金から成る製
品の拡大略断面図である。 図中、１川ま製品、１２は本体、そして１４は窒化物層
または硬化表面層を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の諸工程からなることを特徴とする、ステンレ
   ス鋼のようなクロムを含有しえる鉄合金を窒化してその
   表面部を硬化させる方法：（ａ）無水アンモニアを含む
   雰囲気中で、４９６℃以下の第１加熱温度領域の温度ま
   で鉄合金製物品を加熱し、次に、（ｂ）この物品を取り
   巻く雰囲気を構成する無水アンモニアの一部を解離アン
   モニアで置換し、その後、（ｃ）５３５℃以上の第２加
   熱温度領域の温度までこの物品をさらに加熱し、それか
   ら、（ｄ）その物品を取り巻く雰囲気中の解離アンモニ
   アの含有量を低下させる。 ２ 前記第１加熱温度領域での前記物品の加熱を４８０
   乃至４９６℃の温度まで実施することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記物品を前記第１加熱温度領域において、０．５
   乃至２時間維持することを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の方法。 ４ 前記第１加熱温度領域での加熱を実施している間、
   アンモニアの解離を８乃至１５％に調整することを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の方法。 ５ ８０％以上の解離アンモニアが雰囲気中に存在する
   ように、前記物品を取り巻く雰囲気を構成する無水アン
   モニアを解離アンモニアで置換することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 前記第２加熱温度領域での前記物品の加熱を５７０
   乃至５８５℃の温度まで実施することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ４ ５７０乃至５８５℃の温度まで昇温させた後、前記
   物品を取り巻く雰囲気中のアンモニアの解離を８０％以
   上から６５乃至７５％へ低下させることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ８ 無水アンモニアと解離アンモニアを供給することに
   よつて、前記物品を取り巻く雰囲気中のアンモニアの解
   離度を調整することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至７項のいずれかに記載の方法。