JPS6347784B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は鉄の表面硬化法に関し、詳しくは鉄
部品を窒化、炭窒化あるいは炭化する方法に関す
るものである。

鉄部品を窒化、炭窒化あるいは炭化するのには
従来より多くの方法、例えばシアン化塩浴法、シ
アン化物／シアン酸塩浴法あるいはガス炭化法な
どが提案されている。しかし、これら従来の方法
における処理は互いに別々に行なわれている。例
えば、窒化法は反応条件及びパラメータが炭化法
とは異なるためにそれぞれの方法を行なうにあた
つては別々の反応装置並びに化学薬品が必要であ
る。このようにおのおのの方法の反応条件が相入
れないためものであるため極く限られた型のケー
スしかつくることができない。

更に上記の従来の諸方法は次のような種々の大
きな制限があつた。即ちシアン化物浴法あるいは
シアン酸塩浴法は浴で活性成分をかなり高濃度に
保つてやる必要があり、このため高価になるばか
りか有毒物が発生するという問題も生じる。また
ガス炭化法あるいは炭窒化法にあつては装置に費
用がかかり、またエネルギーの消費量が大きく、
更に厳密な環境調整が必要となる。pack炭素化
法もあるが、この方法はよごれがひどく、時間が
かかり、また適用範囲がせまい。

また上記のいずれの方法にあつても600〜760℃
（1100〜1400〓）の温度範囲内で反応するように
はなつていない。この範囲にあつては適当な処理
をすることにより鉄部品の表面を硬化するのに非
常に都合がよい。

この発明の目的は鉄に硬い外皮を形成すること
のできる方法を提供することにある。即ちこの発
明は次の８つの過程から成つている。第１の過程
にあつてはアルカリハロゲン化物、アルカリ土類
ハロゲン化物及びこれらの混合物からなるグルー
プから選ばれた第１の物質と、アルカリ酸化物、
アルカリ土類酸化物、アルカリ炭酸塩、アルカリ
土類炭酸塩及びこれらの混合物からなるグループ
のうちから選ばれた第２の物質とを少くとも含ん
でいる化学塩溶解浴を準備する。第２の過程はこ
の化学塩溶解浴を約540〜950℃の間の温度に保
つ。第３の過程は前記溶解浴においてシアン化物
及びシアン酸塩が発生しない状態に保持する。第
４の過程は溶解浴内に硬化処理をする金属片をつ
りさげる。第５の過程は尿素、ジシアンジアミ
ド、尿素及びジシアンジアミドの熱分解／縮合物
及びこれらの混合物から成る第３のグループから
選んだ第３の物質を溶解浴内に加える。第６の過
程はシアン化物あるいはシアン酸塩が発生しない
割合で活性成分を生成することにより前記金属片
上に外皮を生ぜしめ、第７の過程でこの金属片を
溶解浴からひきあげる。そして第８の過程はその
後前記溶解浴中にあつて前記第１及び第２の物質
のみが残存するようにしシアン化物及びシアン酸
塩が生じない状態を維持する。

以下添付の図面を用いてこの発明について詳細
に説明する。

添付の図面は温度及び処理する負荷の大きさを
関数とした場合における溶解浴に尿素を加える割
合の最適値を示したグラフである。このグラフに
示したのは炭素が最も少なく、かつ合金の含有割
合が少ない鉄の処理をする場合の大体の指標であ
る。

この発明によれば、処理方法及びその構成は鉄
の反応片に所望の外皮をほどこす際に窒化、炭窒
化あるいは炭化処理のうちの任意の１つを施こす
ことができるようになつている。そしてこの方法
にあつては溶解した不活性の化学塩浴を用いて、
この浴にある種の炭素化合物あるいは窒素化合物
を形成するための有機物質を加える方法を採用し
ている。このような化合物は浴内で鉄の表面に炭
素、窒素あるいはこれらのいずれをも付加する能
力をもつている。ここで、不活性浴とはそれ自体
が活性化合物を発生、あるいは有していないもの
を指す。また活性成分とは鉄に炭素及び／または
窒素を付加させた後は不活性成分になるものを指
す。

鉄の表面に形成される外皮の特性はまず浴の温
度及び浴内に存在する有機物質の割合によつて決
定され、これらによつて窒化、炭窒化あるいは炭
化外皮を任意に形成させることができる。尚窒化
外皮とは鉄及び窒素を主に窒化鉄という形で必須
的に含む外皮を意味するものである。また炭化外
皮とは鉄及び炭素を必須的に含み、炭窒素化外皮
とは相応の分量の炭素及び窒素を有する鉄を実質
的に含んだ外皮を意味する。

有機物質は通常処理中の浴内で反応がつづく限
り加えられる。処理が終つた場合には有機物質の
加入は停止されるため炭素あるいは窒素を含んだ
化合物は発生せず、残余の活性化合物は温度によ
る分解によつて、あるいは金属ポツトのような型
式のものを使用した場合には金属ポツトのみ外壁
との反応によつてゆつくりと分解していく。この
ため浴は不使用状態の時には不活性なものにな
る。また以上のような理由からシアン化物あるい
はシアン酸塩のような有害物質を濃縮させておく
必要がなくなる。

次にこの発明の方法における構成要素について
詳細に説明する。不活性化学浴はアルカリハロゲ
ン化物、アルカリ土類ハロゲン化物あるいはこれ
らを適宜組み合わせたものに重量比１〜20％の割
合でアルカリ酸化物、アルカリ土類酸化物、炭酸
塩あるいはこれら炭酸塩と酸化物との混合物を加
えたものを溶解したものである。混合物の好まし
い混合比としては塩化カルシウム（CaCl₂）64〜
68重量％、塩化ナトリウム（NaCl）30〜32重量
％、そして炭酸カルシウム（CaCO₃）１〜５重
量％である。この混合比の混合物の融点は約510
℃（950〓）である。浴に加える有機物質は尿素、
ジシアンジアミド、尿素あるいはジシアンジアミ
ドの熱分解／縮合物であるメラミン、メレム
（melem）、メラム（melam）あるいはメロン
（melon）等、更にはこれら有機物質を組み合わ
せたものである。

次にこの発明の処理手順について説明する。

不活性浴はまず約540℃（1000〓）以内の所望
の温度にまで熱せられる。この温度を選択した理
由は下記で説明する。次に有機物質が好ましくは
ゆつくりと、連続的にかつ一定の割合で浴に加え
られる。この時次のような多少複雑な反応が起こ
る。

有機物質＋酸化物（O^-2）及び／または炭酸塩
（CO₃ ^-2）→シアミナド（CN₂ ^-2）＋不活性化合物
成生されるシアミナドの量は酸化物／炭酸塩の初
期濃度によつて限定される。従つて酸化物／炭酸
塩の初期量が３重量％であつた場合には、浴内で
形成されるシアミナドの量もまた３重量％とな
る。また有機物質を過剰に投入しても熱分解され
てしまい無駄になる。

処理するべき反応片は有機物質の混入が開始さ
れる前、あるいは後に浴中に沈められる。この反
応片は清浄にかつ乾燥しておかなければならな
い。また反応片が決められる時間は形成するべき
外皮の厚さによつて決定される。浴内における鉄
表面の反応は次の通りである。

シアミナドイオン＋鉄表面配位／分解＋微量の
酸素及び／または二酸化炭素→酸化物（O^-2）及
び／または炭酸塩イオン（CO₃ ^-2）＋鉄中に散在
する炭素（Ｃ）及び／または窒素。

こうして活性シアミナドイオンの生成によつて
消費される不活性酸化物及び炭酸塩はシアミナド
が鉄表面で分解する時に再び発生する。このよう
にして浴中には反応を妨げる癈生成塩は生じな
い。

反応中に浴を撹拌することは、負荷全体に活性
化合物を均一に散乱するためには好ましいことで
ある。この種の撹拌は通常撹拌器を用いたりある
いは浴中に空気あるいは窒素ガスを送り込む泡出
法によつてされる。

この発明の方法による反応の間有機物質の加入
をつづけながらくり返し浴の分析をすることによ
つて生成物の中にアルカリ及び／またはアルカリ
土類金属シアン化物及び／またはアルカリ及び／
またはアルカリ土類金属シアン酸塩があるかどう
か、あるいはシアン化物あるいはシアン酸塩が生
成されたかどうかを調べることができる。このよ
うにして反応の前、反応中あるいは反応が終了し
た後にも浴においてアルカリ及び／またはアルカ
リ土類金属シアン化物及び／またはアルカリ及
び／またはアルカリ土類金属シアン酸塩、そして
あらゆるシアン化物、シアン酸塩が生成されない
状態にすることができる。

温度590℃（1100〓）から950℃（1750〓）の間
における尿素の最適加入割合を図に示す。図から
明らかな様に処理する負荷の大きさは大きく３つ
に分類されている。即ち軽負荷（塩１ポンドに対
して負荷表面積２立方インチ）、中負荷（塩１ポ
ンドに対して負荷表面積５立方インチ）、重負荷
（塩１ポンドに対して負荷表面積８立方インチ）。
それぞれの負荷の型に対する加入の割合は浴の重
量を基準にして（即ち浴の重量に対しての％が加
入の割合）１時間当たりの温度を関数として示さ
れており、0.2％から約４％まで変化する。もち
ろんグラフは負荷の表面の種類が異なる時は適宜
補外されている。前述のようにこの加入の割合は
尿素を基準にしてのものであるが、簡単な実験を
することにより尿素以外の他の物質についての最
適の割合を決定することができる。尚グラフでS.
A.D.は浴内の塩１ポンドに対する負荷の表面積
を意味する。

所定の反応片の沈降時間が経過した場合には反
応片を浴から引き上げ、外皮に所望の特性をもた
せるためにゆつくり冷すか適切な冷却器によつて
冷やす。そして反応片を沈める間行なわれていた
有機物質の加入も停止される。必要に応じて有機
物質の加入を反応片が引き上げる前にやめて、残
余の活性化合物及び熱散布効果によつて外皮形成
を完全なものにしてもよい。

この発明方法の大きな特長の１つは反応条件に
融通性があるので種々な型の外皮をつくることが
できることである。鉄に形成される外皮の型は主
に浴が保持されている温度、冷却の種類そして基
材たる鉄の成分によつて決定される。一般に炭素
配合が少なく、他の金属の混入が少ない鉄にあつ
ては窒化物外皮、即ち鉄及び窒素を必須的に含ん
だ外皮を形成するための温度は590℃（1100〓）
以下であることが絶対に必要である。窒化物外質
の最外面は通常EFeN、EFe₃N及び／または
γ¹Fe₄Nの鉄窒化物から構成されている。

これらの鉄窒化物の下には一般にα鉄中に溶解
した窒素の層がある。処理温度が約590℃（1100
〓）以上になると、外皮は次第に含有炭素が多く
なる一方含有窒素は少くなる。このため温度範囲
が590℃（1100〓）から815℃（1500〓）になると
“炭窒化範囲”は終了する。通常この反応温度内
にあつては外皮は水あるいは油等による急速冷却
を組み合わせることによつて形成される。この時
形成される外皮は主にマルテンサイトあるいはベ
イナイトである。その理由はこれらの温度におけ
る鉄への窒素の加入によつてγ鉄が安定し、また
炭素は直ちに分解されるからである。温度がまだ
基材の転移臨界温度以下であるので、この時急冷
をすることにより基材には実質的に何の影響も与
えずに外皮部分のみをマルテンサイト／ベイナイ
ト構造にすることができる。また必要に応じて有
機物質の供給割合を高めることによつて外側の層
に鉄窒化物をまたその下にオーステナイトあるい
はパーライト層を必須的に含有する型の外皮を形
成することができる。

反応温度が約815℃（1500〓）から約950℃
（1750〓）になると、外皮は鉄及び炭素を実質的
に含んで構成されるようになる。これが炭素化外
皮である。この外皮を通常急冷することによりマ
ルテンサイトあるいはベンナイト構造を形成する
ことができる。

もちろん合金要素が異なるものである場合に
は、多少複雑な外皮が形成されるが、前述の一般
の型は実質的なものであり、この場合には一般に
知られているように適宜合金要素を変え、またい
くつかの臨界温度を変更すればよい。このように
単一の有機物質を加え、この有機物質を用いて必
要な活性化炭素化合物及び窒素化合物を生成する
ことにより同じ塩溶解浴によつていくつもの異な
る種類の外皮を形成することができる。また反応
温度冷却状態及び／または有機化合物の供給割合
を変えることによつて容易に外皮を変化させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

添付の図面はこの発明の一実施例において尿素
を浴に投入する割合を示したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 浴中に処理を施す鉄片を入れることによりそ
   の処理を行なうに当つて、 アルカリハロゲン化物、アルカリ土類ハロゲン
   化物およびこれらの混合物からなるグループから
   選んだ第１の物質とアルカリ酸化物、アルカリ土
   類酸化物、アルカリ炭酸塩、アルカリ土類炭酸塩
   およびこれらの混合物からなるグループから選ん
   だ第２の物質を実質的に含んでいる化学溶解浴を
   用意し、 前記溶解浴を約540〜950℃の温度に維持し、 前記溶解浴をシアン化物及びシアン酸塩が生じ
   ない状態に保持し、 鉄片を前記溶解浴内につり下げ、 その後前記溶解浴に尿素、ジシアンジアミド、
   尿素あるいはジシアンジアミドの熱分解／縮合
   物、及びこれらの化合物から成るグループから選
   んだものあるいはこれらのものの化合物である第
   ３の物質を加え、 シアン化物あるいはシアン酸塩が生成しない割
   合で外皮形成用の活性成分を生成せしめることに
   より前記鉄片上に外皮を形成し、 前記鉄片を溶解浴から取出し、 その後前記溶解浴においてシアン化物及びシア
   ン酸塩が生じない状態に保持することにより前記
   第１及び第２の物質のみが残るようにすることを
   特徴とする鉄の表面硬化法。 ２ 少くとも窒化物から成る外皮を形成するため
   に溶解浴の温度を約540〜590℃の間に維持する ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の硬
   化法。 ３ 窒化炭素の外皮を形成するために溶解浴の温
   度を約590〜815℃に維持する ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の硬
   化法。 ４ 少くとも炭化された外皮を形成するために溶
   解浴温度を約815〜950℃に維持する ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の硬
   化法。 ５ 前記第１の物質がCaCl₂とNaClとの混合物
   であり 前記第２の物質がCaCO₃である。 ことを特徴とする特許請求の範囲第１、２、３ま
   たは４項記載の硬化法。 ６ 前記第１の物質が約64〜68重量％のCaCl₂と
   約30〜32重量％のNaClとを有して成り、 前記第２の物質が約１〜５重量％のCaCO₃を
   有して成る ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の硬
   化法。 ７ 前記第３の物質が尿素である ことを特徴とする特許請求の範囲第１、２、３、
   ４、５または６項記載の硬化法。 ８ 前記第３の物質がジシアンジアミドであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１、２、３、
   ４、５または６項記載の硬化法。 ９ 前記第３の物質がジシアンジアミドの熱分
   解／縮合物である ことを特徴とする特許請求の範囲第１、２、３、
   ４、５または６項記載の硬化法。 １０ 前記尿素を加える割合が１時間当り溶解浴
   の重量の約0.1〜４％である ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の硬
   化法。 １１ 前記尿素を加える割合を温度及び負荷の大
   きさによつて適宜変える ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の硬
   化法。