炭窒化

最新の窒化、浸炭、浸炭窒化炉

浸炭窒化処理は、金属の表面硬度を高めて摩耗を減らすために使用される冶金表面改質技術です。

この処理過程において、炭素原子と窒素原子が金属中に格子間拡散し、滑り障壁を形成して表面近傍の硬度と弾性率を高めます。浸炭窒化処理は、安価で加工しやすい低炭素鋼に、より高価で加工が難しい鋼種と同等の表面特性を付与するためによく使用されます。^[1]浸炭窒化処理された部品の表面硬度は55～62 HRCです。

産業革命以前の特定の表面硬化プロセスには、木炭などの炭素を豊富に含む材料だけでなく、尿素などの窒素を豊富に含む材料も含まれており、これは従来の表面硬化技術が浸炭窒化の一形態であったことを示しています。

プロセス

浸炭窒化処理は、浸炭雰囲気に窒素源となるアンモニアを添加したガス 浸炭処理に似ています。窒素は表面に吸収され、炭素とともにワークピース内に拡散します。浸炭窒化処理（約850℃/1550℉）は、普通窒化処理（約530℃/990℉）よりも大幅に高い温度で行われますが、浸炭処理（約950℃/1700℉）よりもわずかに低い温度で、短時間で行われます。浸炭窒化処理は浸炭処理よりも経済的である傾向があり、焼入れ時の歪みも低減します。温度が低いため、油焼入れ、あるいは保護雰囲気下でのガス焼入れも可能です。

炭窒化処理部品の特性

浸炭窒化処理により、硬質で耐摩耗性に優れた表層が形成されます。表層の厚さは通常0.07mm～0.5mmで、浸炭処理された表層よりも一般的に硬度が高くなります。表層深さは用途に合わせて調整され、表層が厚いほど部品の耐摩耗寿命が長くなります。浸炭窒化処理はワークピースの最上層のみを変化させ、追加の層を堆積させないため、部品の寸法に大きな変化はありません。

最大硬化層深さは通常0.75mmに制限されています。これを超えると、拡散に時間がかかりすぎて経済的ではありません。窒素添加は炭素添加よりも制御が難しいため、硬化層中の窒素濃度を制限するには、処理時間を短くすることが望ましいです。ワークピース中の窒素が過剰になると、残留オーステナイト量が増加し、ポロシティが増加する可能性があり、高硬度部品の製造には望ましくありません。

利点

浸炭窒化処理には、浸炭処理にはない他の利点もあります。まず、焼戻し時の軟化抵抗が高く、疲労強度と衝撃強度が向上します。浸炭窒化処理と浸炭処理を併用することで、より深い硬化層を形成し、ひいては部品の産業における性能向上に最適な条件を作り出すことが可能です。この方法は、バルブシートのように、表面硬化能が低い鋼に特に適用されます。適用されるプロセスは、まず約900～955℃で必要な硬化層深さ（最大2.5mm）まで浸炭処理を行い、次に必要な浸炭窒化層深さに達するまで浸炭窒化処理を行います。その後、部品は油焼入れされます。その結果、浸炭処理では得られない硬度の表皮が得られます。また、浸炭窒化層の形成により、表皮内の残留圧縮応力が増加し、接触疲労抵抗と強度勾配の両方が向上します。研究では、浸炭窒化処理によって耐食性が向上することが示されています。^[2]

アプリケーション

表面硬化の代表的な用途としては、ギアの歯、カム、シャフト、ベアリング、ファスナー、ピン、油圧ピストンロッド、自動車のクラッチプレート、工具、金型、耕作工具などがあります。

参照

• 差動硬化
• 窒化
• 焼き入れ研磨焼き入れ
• 表面工学

参考文献

1. 浸炭窒化
2. Yazıcı, A., Zeybek, MS, Güler, H., Koç, M., Pekitkan, FG, 2017 2種類の酸性環境における鋼30MnB5の耐食性に対する炭窒化処理の影響。金属科学と熱処理、59 (3-4)、190-193 (Doi: 10.1007/s11041-017-0127-8)。