JPS6141984B2

JPS6141984B2 -

Info

Publication number: JPS6141984B2
Application number: JP5561482A
Authority: JP
Inventors: Tooru Arai; Hironori Fujita; Yasuo Takada; Katsuo Kooryama
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1982-04-02
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1986-09-18
Also published as: JPS58174567A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、金属材料、特に炭素含有量の少ない
金属材料の表面に、任意の厚さの炭化物被覆層を
形成する方法に関する。

金属材料、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
性、耐焼付性、耐酸化性、耐食性を有するため、
工業上きわめて有用であり、すでにこの炭化物層
形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炭素は、材料中に
含まれる炭素が使用されるので、実用的な厚さの
炭化物層を形成するためには、材料中に少なくと
も0.1重量％（以下％とする）の炭素を含有する
ことが必要とされている。

しかし、炭化物被覆層を形成しようとする材料
が、常に炭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テナ
イト系ステンレス鋼や、冷間鍛造性のよい低炭素
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
すぐれた炭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、炭化物を被覆することによる利点も多
い。また、高炭素鋼を用いる場合でも、薄い板の
表面に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0.05mm厚さのSK4の板の両面にはわ
ずか1.5μｍ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、材料に炭化物形成のための
必要な炭素量があつても、その炭素をすべて炭化
物形成に使用すると、材料中に残る炭素がなくな
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
必要な炭素量のほかに、さらに材料中に焼入れ硬
さを得るに必要な炭素量（0.5〜1.0％）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
うに炭化物形成に使用できる炭素の含有量が少な
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、かつ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、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
浸炭処理を施して被処理材中の炭素含有量を増加
させる浸炭処理を施した後、ついで第２工程とし
て、増加した炭素を利用して被処理材表面に炭化
物被覆層を形成する炭化物形成処理を施す方法で
ある（特公昭56−36703）。ところが、この方法
で、第１工程の浸炭を行つても、材料中に固溶限
以上の炭素を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、事実上各材料の炭素
の固溶限により制約され、常に厚い炭化物層の形
成が可能となつたわけではなかつた。

本発明は、上記難点を克服し、材料中の炭素量
とは無関係に、また炭素の固溶限に制約されるこ
となく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、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炭剤を塗布した後、該
金属材料をチタン、バナジウム、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、炭素を浸炭剤から
金属材料へ浸透拡散させる浸炭処理と、金属材料
の表面に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
徴とする金属材料への炭化物被覆方法、にある。

本発明方法によれば、外部から金属材料中に炭
素を補給する浸炭処理を続けながら、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
に炭化物被覆層を形成することができる。すなわ
ち、浸炭処理と炭化物形成処理とを同時に並行し
て行うため、炭化物形成のための炭素を連続的に
供給し続けることができる。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溶限とも無関係に
任意の厚さの炭化物層を容易に形成することがで
きる。その結果、第１に従来は、含有炭素量が少
なく、炭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２は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炭化物層を任意に形成す
ることができるようになつた。

このため、本発明方法により、数ミクロンとい
う薄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つた。

また従来、被処理材の有する特殊形状のため
に、すべての表面に炭化物を形成することは困難
とされていた材料があつた。すなわち刃物やタツ
プのように、鋭角の突起部分を有する場合は、炭
化物形成時に突起部分の母材中の炭素が不足し、
厚い炭化物形成ができなかつた。

しかしながら、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、従来の炭化
物形成方法の適用対象と異なり、炭素を全く含ま
ないものでも良い。しかし、外部から供給された
炭素を母材中に固溶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1.5％の炭素の固溶限を有する
鉄鋼や、0.2％程度の炭素固溶限のニツケル合金
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ツトである
が、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炭化物形成面積
にくらべて小さいため、厚い炭化物層の形成が不
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、ほぼ１
mm以下の厚さの板をいう。１mmを越す厚さの材料
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、炭素供給物質
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、さらに、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態にある。

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、粒度は−
50〜−100メツシユ程度が望ましい。

浸炭用活性剤としては、炭酸リチウム
（LiCO₃）、炭酸バリウム（BaCO₃）、炭酸ナトリ
ウム（Na₂CO₃）等の炭酸塩を用いる。

バインダーとしては、コロイダルシリカ、コロ
イダルアルミナ、コロイダルグラフアイト、水ガ
ラス、デキストリン等の公知の粘着剤を用いる。
なお、これらバインダーは、溶融塩浴法におい
て、浴中で硼酸又は硼酸塩と反応して、溶液中に
溶入するものであつてはならない。

スラリー状の浸炭剤は、実用的には0.1〜１mm
の厚さで材料表面に塗布することが好ましい。

このように金属表面に比較的薄く塗布するの
は、加熱によるスラリーの剥離を防ぎ、溶融塩浴
中に長時間浸漬してもバインダーとしての結合力
を維持し、しかも処理後に温水洗浄により容易に
スラリーを除去できるからである。なお、0.1mm
未満の塗布厚さでは浸炭の効果が少ない。

浸炭剤は、母材中のの炭素が欠乏する部分に近
い材料表面に塗布することが望ましい。したがつ
て、刃物やタツプのような、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、特に炭素が
欠乏する突起部分の母材に近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、バナジ
ウム、ニオブ、タンタル、およびクロムの各元素
（以下、炭化物形成元素と総称する）のいずれか
一種の存在下で加熱し、最終的には材料表面に炭
化物被覆層を形成する。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
同時に並行して行われている。したがつて、浸炭
のための加熱条件、雰囲気等の処理条件は、炭化
物形成のための処理条件と同一の条件が使用され
る。

炭化物形成元素は、金属単体、これらの金属を
含む合金、あるいは、これら金属の酸化物の形で
使用する。例えば、合金としては、フエロバナジ
ウム（Fe−Ｖ）、あるいはフエロクロム（Fe−
Cr）、などであり、酸化物としては、酸化バナジ
ウム（V₂O₅）、あるいは酸化クロム（Cr₂O₃）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、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、炭化物形成時に
母材中に炭素の少ない部分が生ずるとその部分に
向け優先的に行われる。

また、浸炭処理は、炭化物形成処理の続く限
り、連続して行う。

しかして、炭化物形成元素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
が塗布されなかつた部分である。

本発明で、炭化物被覆層を形成させるための具
体的な方法は、すでに公知の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。

溶融塩浴法としては、発明者らが先に開発した
方法、即ち、炭化物形成元素を溶入せしめた硼酸
又は硼酸塩の溶融塩浴中に被処理材を浸漬保持し
て被処理材の表面に炭化物層を形成する方法が極
めて有効である。また該処理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
電極性材料を陽極として電解処理を行う電解法
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塩化アンモニウ
ム（NH₄Cl）、あるいは発明者らの開発した弗化
硼素酸塩、たとえば硼弗化カリウム（KBF₄）の
粉末と、炭化物形成元素を含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
れている。この場合に、混合粉末にさらに水又は
アルコールを添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
塗布して、その部分を局部的に炭化物層とするこ
とができる。

また、他の方法として、四塩化チタン
（TiCl₄）、メタン（CH₄）、水素（H₂）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気流
中で被処理材を加熱保持することによつてもチタ
ン炭化物（TiC）を形成することができる。

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、700℃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、実用的には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、および処理温度が低い場合は、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30
時間程度が適当である。

形成される炭化物形成元素の炭化物層の厚さ
は、少なくとも２μｍ以上でなければならない。
２μｍより薄いと耐摩耗性の効果に不安がある。
なお、炭化物層の形成は、浸炭剤から炭素の供給
と炭化物形成元素が存在する限り続くので、処理
温度と処理時間を選定すれば、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
まり厚くなると、剥離しやすくなる傾向があるの
で、実用的には30μｍ以下が原則として望まし
い。

実施例１ 0.05mm厚さのJISSK₄（炭素含有量約１重量
％、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１mm厚さで塗
布し、200℃で乾燥させた。上記浸炭剤として
は、−100メツシユの木炭粉47.5％と、−60メツシ
ユのBaCO₃47.5％の混合粉末にコロイダル水溶液
５％を添加し、かくはんして調製した。この試片
を、炭化物形成元素としてのFe−Ｖ粉（バナジ
ウム55％含む）20％と硼砂80％を溶入してなる溶
融浴中に浸漬し、900℃で８時間保持した。次
に、その試片を浴中から取り出し、水焼入し、つ
いで温水で試片を洗滌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。第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
マイクロアナライザ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
の面を炭化物形成面という）に、バナジウム炭化
物層（VC層）が形成されているのが認められ
た。このようにして、50μｍ厚さの鋼の上に、約
15μｍのバナジウム炭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Hv820であつ
て、本発明の処理を施さない場合の焼入れ後の母
材硬さと同一の硬さを得ることができた。

一方、同一試片に対し、浸炭剤を塗布すること
なく、同一浴中で同一条件で炭化物被覆処理を行
つた。その結果得られた試片の断面組織を第２図
の顕微鏡写真に示す。写真から明らかなように試
片の両側表面に形成されたバナジウム炭化物層は
わずか1.8μｍにすぎず、又、母材硬さも鈍鉄に
近い約Hv100にすぎなかつた。

実施例２ 0.1mm厚さの純ニツケルの板状試片の片面にの
み、実施例１と同一の浸炭剤を約0.8mmの厚さで
塗布し、その後自然乾燥させた。

この試片の炭化物形成面にスラリー状の処理剤
を約３mm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メツシユの炭化物
形成元素としてのフエロニオブ（Fe−Nb、ニオ
ブ65％含む）粉末95％と、−100メツシユのKBF₄
粉末５％との混合粉末にコロイダルシリカ水溶液
５％を加えて調製した。

この試片を耐熱鋼製有蓋容器（直径130mm、高
さ100mm、肉厚７mm）に入れ、蓋と容器の隙間に
フエロボロン（Fe−Ｂ、ボロンの含有量20％）
粉を置いてシールした。ついでその容器を大気中
の電気炉に入れ、900℃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。つい
て、容器から試片を取り出し、試片に付着してい
た処理剤を除去した。

以上の処理により試片の炭化物形成面には、約
10μｍのニオブ炭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Hv80であつた。

一方、同一試片に対し、浸炭剤を塗布すること
なく、ただ同一処理剤を塗布して、同一条件で炭
化物被覆処理を試みたが、試片の表面には、全く
炭化物層が形成されなかつた。

実施例３実施例１と同一のJISSK4板状試片の片面にの
み、スラリー状の浸炭剤を約1.5mm厚さで塗布し
た後、乾燥させた。上記浸炭剤として−100メツ
シユの木炭粉30％と、−60メツシユのNa₂CO₃粉60
％の混合粉末に、水ガラス水溶液10％を添加して
調製した。

一方、−100メツシユの金属クロム粉65％と焼結
防止剤として−100メツシユのAl₂O₃粉30％と−
100メツシユのNH₄Cl粉５％とを混合して調製し
た処理剤を、上端開口の耐熱鋼製容器に上端より
３〜４mm残していれた。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−100メツシ
ユのFe−Ｂ粉を３mm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
間加熱処理を行つた。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
した処理溶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ブラシで簡単に
除去した。

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
15μｍ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Hv800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つたが、
形成されたクロム炭化物層の厚さは、わずか約４
μｍにすぎなかつた。

実施例４ 0.1mm厚さのJISSUS304（炭素含有量約0.04
％）の板状試片の片面にのみ、実施例１と同一の
浸炭剤を約0.6mmの厚さで塗布し、200℃で乾燥さ
せた。ついでこの試片を、浴全量に対して20％の
Fe−Ｖ粉を溶入させた溶融硼砂浴中に浸漬し、
試片を陰極、容器を陽極として、0.3A/cm²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３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13μｍのバナジウム炭化
物層が形成されていた。なお、その母材硬さは約
Hv840であつた。

一方、浸炭剤を全く塗布することなく、同一試
片に対し、同一条件で炭化物被覆処理を行つた。
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0.2μｍにすぎなかつ
た。

実施例５ 0.1mm厚さの純コバルトの板状試片の片面にの
み、スラリー状の浸炭剤を約0.6mm厚さで塗布
し、乾燥させた。上記浸炭剤しては、−60メツシ
ユのコークス粉50％と、−20メツシユのK₂CO₃粉
40％の混合粉末に、デキストリン水溶液10％を添
加して調製した。この試片を、浴全量に対して５
％に相当する量だけ金属Taを陽極にして電解溶
入させた溶融硼砂浴中に浸漬し、1000℃で２時間
保持し、ついで取り出し空冷した。

以上の処理により、試片の炭化物形成面には、
約15μｍのタンタル炭化物層が形成されていた。
なお、この母材硬さは約Hv90であつた。

一方、同一試片に対し、浸炭剤を塗布すること
なく、同一浴中で同一条件で炭化物被覆処理を試
みたが、試片の表面には、全く炭化物層が形成さ
れなかつた。

実施例６ 0.1mm厚さの純コバルトの板状試片の片面にの
み、実施例１と同一の浸炭剤を約1.5mmの厚さで
塗布し、乾燥させた。ついでこの試片を耐熱鋼製
有蓋容器に入れ、さらにTiCl₄0.02気圧、CH₄0.03
気圧、H₂0.95気圧よりなる混合ガスを容器内に封
入し、蓋をして、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２時間加熱
した。その後容器を電気炉より取り出し、空冷し
た後、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炭化物形成面
には、約15μｍのチタン炭化物が形成されてい
た。また、その母材硬さは約Hv90であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図、および第３図は、それぞれ実施例１、
および実施例４により形成されたバナジウム炭化
物層の全層組織の断面顕微鏡写真（倍率200倍）、
第２図は、浸炭剤を塗布しなかつた場合に形成さ
れたバナジウム炭化物層の全層組織の断面顕微鏡
写真（倍率200倍）である。

Claims

【特許請求の範囲】１炭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後、該金属材料をチタン、
バナジウム、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、炭素を浸炭剤から金属材料へ浸透拡散
させる浸炭処理と、金属材料の表面に任意の厚さ
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徴とする金属材料へ
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への炭化物
被覆方法。３金属材料は、鋭角な突起部分を有する材料で
あつて、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請求の範囲
第１項記載の金属材料への炭化物被覆方法。