JP2971456B1 - 鋼材の表面硬化処理方法 - Google Patents
鋼材の表面硬化処理方法Info
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Abstract
【要約】
【課題】 鋼材表面の不動態被膜を破壊して表面を活性
化し、活性化状態を維持し、ムラのない窒化物層を形成
できると同時に、雰囲気ガスの毒性や腐食性に起因する
設備の複雑化及び高コスト化を排除すること。 【解決手段】 窒化処理温度への昇温過程で、かつ、硫
化水素を含む窒素ガス雰囲気中で不動態被膜を有する鋼
材を加熱して硫化処理した後、窒化雰囲気中で所定時間
加熱保持して窒化処理する。硫化処理時の硫化水素濃度
は３０〜３００ppmに設定する一方、硫化処理時及び窒
化処理時の酸素濃度は１５０ppm以下に設定する。
化し、活性化状態を維持し、ムラのない窒化物層を形成
できると同時に、雰囲気ガスの毒性や腐食性に起因する
設備の複雑化及び高コスト化を排除すること。 【解決手段】 窒化処理温度への昇温過程で、かつ、硫
化水素を含む窒素ガス雰囲気中で不動態被膜を有する鋼
材を加熱して硫化処理した後、窒化雰囲気中で所定時間
加熱保持して窒化処理する。硫化処理時の硫化水素濃度
は３０〜３００ppmに設定する一方、硫化処理時及び窒
化処理時の酸素濃度は１５０ppm以下に設定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は鋼材の表面硬化処理
方法、特に、不動態被膜を有する鋼材、例えば、オース
テナイト系ステンレス鋼を含む各種ステンレス鋼等の不
動態被膜を有する鋼材に適した表面硬化処理方法に関す
るものである。
方法、特に、不動態被膜を有する鋼材、例えば、オース
テナイト系ステンレス鋼を含む各種ステンレス鋼等の不
動態被膜を有する鋼材に適した表面硬化処理方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、鋼材表面の耐摩耗性その他の機械
的性質を向上させる表面硬化処理法の一形態として、ア
ンモニアガスを含む雰囲気中で加熱して内部に窒化層を
形成する窒化処理や軟窒化処理（以下、窒化処理とい
う。）が採用されている。しかしながら、約１５％以上
のクロムを含むクロム鋼やオーステナイト系ステンレス
鋼などの鋼材は、その表面がクロム酸化物層からなる不
動態被膜で覆われ、この不動態被膜によって鋼材内部へ
の窒素の侵入が阻害されるため、窒化処理が困難であっ
た。
的性質を向上させる表面硬化処理法の一形態として、ア
ンモニアガスを含む雰囲気中で加熱して内部に窒化層を
形成する窒化処理や軟窒化処理（以下、窒化処理とい
う。）が採用されている。しかしながら、約１５％以上
のクロムを含むクロム鋼やオーステナイト系ステンレス
鋼などの鋼材は、その表面がクロム酸化物層からなる不
動態被膜で覆われ、この不動態被膜によって鋼材内部へ
の窒素の侵入が阻害されるため、窒化処理が困難であっ
た。
【０００３】従って、この種の鋼材を窒化処理する場
合、鋼材表面の不動態被膜を除去することが必要であ
る。これを達成する伝統的方法として、窒化に先立って
鋼材を酸洗いする方法がある。しかしながら、酸洗い法
では、鋼材の種類によっては効果があるが、酸洗い後の
表面状態を維持するのが困難であり、また、オーステナ
イト系ステンレス鋼などに適用した場合、不動態被膜が
再生されてしまうため十分な効果が得られないという問
題があった。
合、鋼材表面の不動態被膜を除去することが必要であ
る。これを達成する伝統的方法として、窒化に先立って
鋼材を酸洗いする方法がある。しかしながら、酸洗い法
では、鋼材の種類によっては効果があるが、酸洗い後の
表面状態を維持するのが困難であり、また、オーステナ
イト系ステンレス鋼などに適用した場合、不動態被膜が
再生されてしまうため十分な効果が得られないという問
題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記問題を解決する手
段としては、例えば、特公平８−９７６６号公報により
窒化に先立って鋼材を弗素化合物又は弗素ガスを含む雰
囲気中で加熱保持して表面層に弗化物を形成させる窒化
方法が提案されている。
段としては、例えば、特公平８−９７６６号公報により
窒化に先立って鋼材を弗素化合物又は弗素ガスを含む雰
囲気中で加熱保持して表面層に弗化物を形成させる窒化
方法が提案されている。
【０００５】前記方法は、鋼材表面の不動態被膜を弗化
物膜に変質させ、その後の窒化処理時に前記弗化物膜を
分解させて窒化を行うため、良好な窒化処理を行うこと
ができる利点はあるが、弗化処理に使用するフッ素ガス
及びフッ化窒素ガスの許容濃度が、それぞれ１ppm、３p
pmと極めて毒性が高く、腐食性も極めて高いため設備上
種々の制約を受け、設備自体が極めて複雑で高価となる
問題がある。しかも、不動態被膜を破壊しても、窒化処
理温度（通常、５００〜６００℃）における窒化雰囲気
は、鋼材成分のクロム、珪素、マンガン、アルミニウム
等に対しては酸化性であるため、窒化処理中に不動態被
膜が再形成され、以後の窒素の侵入が阻害されるなど、
安定した窒化処理が困難であることが明らかとなった。
物膜に変質させ、その後の窒化処理時に前記弗化物膜を
分解させて窒化を行うため、良好な窒化処理を行うこと
ができる利点はあるが、弗化処理に使用するフッ素ガス
及びフッ化窒素ガスの許容濃度が、それぞれ１ppm、３p
pmと極めて毒性が高く、腐食性も極めて高いため設備上
種々の制約を受け、設備自体が極めて複雑で高価となる
問題がある。しかも、不動態被膜を破壊しても、窒化処
理温度（通常、５００〜６００℃）における窒化雰囲気
は、鋼材成分のクロム、珪素、マンガン、アルミニウム
等に対しては酸化性であるため、窒化処理中に不動態被
膜が再形成され、以後の窒素の侵入が阻害されるなど、
安定した窒化処理が困難であることが明らかとなった。
【０００６】従って、本発明は、鋼材表面の不動態被膜
を破壊して表面を活性化し、その状態を維持してムラの
ない窒化物を形成することができると同時に、雰囲気ガ
スの毒性や腐食性に起因する設備の複雑化及び高コスト
化を排除できるようにすることを課題とするものであ
る。
を破壊して表面を活性化し、その状態を維持してムラの
ない窒化物を形成することができると同時に、雰囲気ガ
スの毒性や腐食性に起因する設備の複雑化及び高コスト
化を排除できるようにすることを課題とするものであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、窒化処理温度への昇温過程時
に、酸素濃度１５０ppm以下で、かつ、硫化水素濃度３
０〜３００ppmを含む窒素ガス雰囲気中で不動態被膜を
有する鋼材を３５０〜４５０℃の温度域で加熱して硫化
処理した後、窒化雰囲気中で所定時間加熱保持して窒化
処理するようにしたものである。
決するための手段として、窒化処理温度への昇温過程時
に、酸素濃度１５０ppm以下で、かつ、硫化水素濃度３
０〜３００ppmを含む窒素ガス雰囲気中で不動態被膜を
有する鋼材を３５０〜４５０℃の温度域で加熱して硫化
処理した後、窒化雰囲気中で所定時間加熱保持して窒化
処理するようにしたものである。
【０００８】好ましい実施態様においては、前記硫化処
理は、酸素濃度が１５０ppm以下、硫化水素濃度が３０
〜３００ppmである窒素ガス雰囲気中、通常、常温から
窒化処理温度（通常、５００〜６００℃）に達するまで
１〜２時間かけて行われるが、鋼材が３５０〜４５０℃
の温度に０.５〜１時間維持されるように行われる。
理は、酸素濃度が１５０ppm以下、硫化水素濃度が３０
〜３００ppmである窒素ガス雰囲気中、通常、常温から
窒化処理温度（通常、５００〜６００℃）に達するまで
１〜２時間かけて行われるが、鋼材が３５０〜４５０℃
の温度に０.５〜１時間維持されるように行われる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明に係る鋼材の表面硬化処理
方法は、バッチ式窒化炉や連続式窒化炉など任意の形態
でも実施できるが、ここでは図１に示す二室型窒化炉を
用いて実施する場合を例に挙げて説明する。
方法は、バッチ式窒化炉や連続式窒化炉など任意の形態
でも実施できるが、ここでは図１に示す二室型窒化炉を
用いて実施する場合を例に挙げて説明する。
【００１０】図示の二室型窒化炉は、装入室１と加熱室
２とからなり、両室は中間ドア３を介して接続され、装
入室１の一端側には装入ドア４が配設されている。前記
加熱室２は、ガス供給ライン５ａ及びバルブ６ａ、６
ｂ、６ｃを介して窒素供給源７、アンモニア供給源８及
び硫化水素供給源９に接続されると共に、排気系ライン
１０ａを介して真空排気系及び排ガス処理系に接続され
ている。他方、装入室１は、ガス供給ライン５ｂ及びバ
ルブ６ａ'を介して窒素供給源７に接続される一方、排
気系ライン１０ｂを介して真空排気系及び排ガス処理系
に接続されている。なお、加熱室２はその内部を加熱す
る加熱手段が配設されている一方、装入室１と同様に被
処理材を移行させる移送コンベアが配設されているが、
これらは公知のものと同じ構成である。
２とからなり、両室は中間ドア３を介して接続され、装
入室１の一端側には装入ドア４が配設されている。前記
加熱室２は、ガス供給ライン５ａ及びバルブ６ａ、６
ｂ、６ｃを介して窒素供給源７、アンモニア供給源８及
び硫化水素供給源９に接続されると共に、排気系ライン
１０ａを介して真空排気系及び排ガス処理系に接続され
ている。他方、装入室１は、ガス供給ライン５ｂ及びバ
ルブ６ａ'を介して窒素供給源７に接続される一方、排
気系ライン１０ｂを介して真空排気系及び排ガス処理系
に接続されている。なお、加熱室２はその内部を加熱す
る加熱手段が配設されている一方、装入室１と同様に被
処理材を移行させる移送コンベアが配設されているが、
これらは公知のものと同じ構成である。
【００１１】前記二室型窒化炉を用いて被処理材（例え
ば、不動態被膜を有する鋼材）を窒化処理する場合、ま
ず、被処理材を装入室１に装入し、排気系ライン１０
ａ、１０ｂを介して装入室１及び加熱室２内をそれぞれ
真空排気した後、ガス供給ライン５ａ、５ｂより窒素ガ
スを供給し、装入室１及び加熱室２内の雰囲気を酸素濃
度１５０ppm以下の窒素ガス雰囲気に調整すると共に、
加熱手段で加熱室２内を昇温させて３５０〜４５０℃の
範囲内の所定温度に維持する。この状態で被処理材を加
熱室２へ移行させると共に、バルブ６ｃを開いて硫化水
素供給源９から加熱室２内へ硫化水素の供給を開始し、
当該雰囲気中の硫化水素濃度が３０〜３００ppmとなる
ように継続的に供給しながら前記範囲内の温度で所定時
間維持して硫化処理と被処理材の昇温を行う。その後、
雰囲気温度を窒化処理温度まで上昇させる。
ば、不動態被膜を有する鋼材）を窒化処理する場合、ま
ず、被処理材を装入室１に装入し、排気系ライン１０
ａ、１０ｂを介して装入室１及び加熱室２内をそれぞれ
真空排気した後、ガス供給ライン５ａ、５ｂより窒素ガ
スを供給し、装入室１及び加熱室２内の雰囲気を酸素濃
度１５０ppm以下の窒素ガス雰囲気に調整すると共に、
加熱手段で加熱室２内を昇温させて３５０〜４５０℃の
範囲内の所定温度に維持する。この状態で被処理材を加
熱室２へ移行させると共に、バルブ６ｃを開いて硫化水
素供給源９から加熱室２内へ硫化水素の供給を開始し、
当該雰囲気中の硫化水素濃度が３０〜３００ppmとなる
ように継続的に供給しながら前記範囲内の温度で所定時
間維持して硫化処理と被処理材の昇温を行う。その後、
雰囲気温度を窒化処理温度まで上昇させる。
【００１２】前記昇温時、効果的には鋼材の表面温度が
３５０℃以上であると、雰囲気中の硫化水素が鋼材表面
の酸化物と、式１：
３５０℃以上であると、雰囲気中の硫化水素が鋼材表面
の酸化物と、式１：
【化１】ＭexＯy + yＨ2Ｓ ＝ ＭexＳy + ｙＨ2Ｏ （式中、Ｍeは金属を表す。）で表される反応を生じて
鋼材表面の酸化物が硫化物に変わる。
鋼材表面の酸化物が硫化物に変わる。
【００１３】前記式１の反応は正逆両方向に進行する反
応であって、反応系の温度が４５０℃前後までは平衡位
置が右側に偏り鋼材表面の酸化物が容易に硫化物とな
る。しかしながら、反応系の温度上昇と共に反応の平衡
がずれ、５００℃を越えると式１の平衡状態が左側に偏
るようになり窒化処理温度領域では硫化水素が存在して
いても硫化物が十分に生成されないのみならず、雰囲気
中の酸素の存在により鋼材表面に生成した硫化物が酸化
物に戻ることになる。この現象は昇温時の雰囲気中の酸
素濃度が高いほど著しい。これを防止するため、本発明
においては、昇温時の雰囲気中の酸素濃度を一定値以下
に抑制し、反応系の平衡位置が右側に偏り、かつ、反応
速度的に有利な３５０〜４５０℃の範囲内の温度で十分
に鋼材表面に硫化物を生成させるようにしている。
応であって、反応系の温度が４５０℃前後までは平衡位
置が右側に偏り鋼材表面の酸化物が容易に硫化物とな
る。しかしながら、反応系の温度上昇と共に反応の平衡
がずれ、５００℃を越えると式１の平衡状態が左側に偏
るようになり窒化処理温度領域では硫化水素が存在して
いても硫化物が十分に生成されないのみならず、雰囲気
中の酸素の存在により鋼材表面に生成した硫化物が酸化
物に戻ることになる。この現象は昇温時の雰囲気中の酸
素濃度が高いほど著しい。これを防止するため、本発明
においては、昇温時の雰囲気中の酸素濃度を一定値以下
に抑制し、反応系の平衡位置が右側に偏り、かつ、反応
速度的に有利な３５０〜４５０℃の範囲内の温度で十分
に鋼材表面に硫化物を生成させるようにしている。
【００１４】窒化処理温度への昇温が完了した時点で、
バルブ６ｂを開いてアンモニア源からアンモニアガスの
供給を開始して加熱室２内の雰囲気を窒素とアンモニア
からなる窒化雰囲気に置換すると共に、当該雰囲気中の
硫化水素濃度が３０〜３００ppmとなるように硫化水素
を継続的に供給しながら所定時間加熱維持して窒化処理
を行う。
バルブ６ｂを開いてアンモニア源からアンモニアガスの
供給を開始して加熱室２内の雰囲気を窒素とアンモニア
からなる窒化雰囲気に置換すると共に、当該雰囲気中の
硫化水素濃度が３０〜３００ppmとなるように硫化水素
を継続的に供給しながら所定時間加熱維持して窒化処理
を行う。
【００１５】この窒化処理過程では、窒化雰囲気中のア
ンモニアの一部が分解して水素を発生し、この発生した
水素の作用により昇温時に鋼材表面に生成した硫化物
が、式２：
ンモニアの一部が分解して水素を発生し、この発生した
水素の作用により昇温時に鋼材表面に生成した硫化物
が、式２：
【化２】ＭexＳy ＋ yＨ2 ＝ xＭｅ + yＨ2Ｓ で表される反応により活性な金属に還元されて鋼材表面
の不動態被膜（酸化物）が破壊されると同時に、アンモ
ニアの分解により生ずる発生期窒素の材料への侵入が容
易となり、窒化物を形成しながら鋼材表面から内部へ順
次拡散していく。この場合、硫黄は原子径が大きいため
鋼材表層の２〜１０μmに硫化物を形成しているが、窒
素は原子径が小さいため鋼材内部の比較的深い部分まで
侵入して窒化物を形成する。
の不動態被膜（酸化物）が破壊されると同時に、アンモ
ニアの分解により生ずる発生期窒素の材料への侵入が容
易となり、窒化物を形成しながら鋼材表面から内部へ順
次拡散していく。この場合、硫黄は原子径が大きいため
鋼材表層の２〜１０μmに硫化物を形成しているが、窒
素は原子径が小さいため鋼材内部の比較的深い部分まで
侵入して窒化物を形成する。
【００１６】また、窒化処理中においても、式１の硫化
水素による酸化物の硫化及び式２による水素による硫化
物の還元が起こる。しかしながら、窒化雰囲気中の酸素
濃度が高い場合、還元された金属、即ち、還元金属は、
式３：
水素による酸化物の硫化及び式２による水素による硫化
物の還元が起こる。しかしながら、窒化雰囲気中の酸素
濃度が高い場合、還元された金属、即ち、還元金属は、
式３：
【化３】(Ｍe)x + (1/2Ｏ2)y ＝ (Ｍe)xＯy で表される反応によって再酸化されて不動態被膜が再生
され、以後の窒化が阻害される。この還元金属の再酸化
の問題は、雰囲気中の酸素濃度に応じて硫化水素濃度を
高くすることによって解決し得るが、硫化水素濃度の増
大によって高濃度の硫化物層が鋼材表面に形成され、か
えって窒化が阻害される。このような問題を防止するた
め、本発明においては、酸素濃度を１５０ppm以下に維
持し、高濃度の硫化物が鋼材表面に形成されるのを防止
している。
され、以後の窒化が阻害される。この還元金属の再酸化
の問題は、雰囲気中の酸素濃度に応じて硫化水素濃度を
高くすることによって解決し得るが、硫化水素濃度の増
大によって高濃度の硫化物層が鋼材表面に形成され、か
えって窒化が阻害される。このような問題を防止するた
め、本発明においては、酸素濃度を１５０ppm以下に維
持し、高濃度の硫化物が鋼材表面に形成されるのを防止
している。
【００１７】更に、窒化雰囲気中でも酸化物の硫化と硫
化物の還元を持続させる為には、昇温時だけでなく窒化
処理時にも適正量の硫化水素が存在する必要がある。従
って、窒化処理サイクル全体を通じて窒化雰囲気中の硫
化水素濃度が３０〜３００ppmとなるように硫化水素を
添加するのが望ましい。しかしながら、昇温時に鋼材表
面が十分に硫化されていれば、窒化処理時に鋼材や治具
及び炉材表面に形成されている硫化物が窒化雰囲気中の
水素と反応して硫化水素を生成して窒化雰囲気中の硫化
水素濃度が３０〜３００ppmとなるため、窒化処理時に
硫化水素を添加しなくても窒化を行うことができる。昇
温時に十分な硫化物を形成させるためには、昇温時の硫
化処理を３５０〜４５０℃、好ましくは、３５０〜４０
０℃で０.５〜１時間行うのが好適である。
化物の還元を持続させる為には、昇温時だけでなく窒化
処理時にも適正量の硫化水素が存在する必要がある。従
って、窒化処理サイクル全体を通じて窒化雰囲気中の硫
化水素濃度が３０〜３００ppmとなるように硫化水素を
添加するのが望ましい。しかしながら、昇温時に鋼材表
面が十分に硫化されていれば、窒化処理時に鋼材や治具
及び炉材表面に形成されている硫化物が窒化雰囲気中の
水素と反応して硫化水素を生成して窒化雰囲気中の硫化
水素濃度が３０〜３００ppmとなるため、窒化処理時に
硫化水素を添加しなくても窒化を行うことができる。昇
温時に十分な硫化物を形成させるためには、昇温時の硫
化処理を３５０〜４５０℃、好ましくは、３５０〜４０
０℃で０.５〜１時間行うのが好適である。
【００１８】前記硫化処理時及び窒化処理時の硫化水素
濃度は、３０〜３００ppmに設定されるが、これは硫化
水素濃度が３０ppm未満では、鋼材表面に均一な硫化物
が形成されず、また、硫化水素濃度が３００ppmを越え
ると、鋼材表面に高濃度の硫化物が形成され、表面が黒
色化し剥離し易くなると共に、鋼材内部への窒素の侵入
が阻害され窒化処理が困難となるからである。
濃度は、３０〜３００ppmに設定されるが、これは硫化
水素濃度が３０ppm未満では、鋼材表面に均一な硫化物
が形成されず、また、硫化水素濃度が３００ppmを越え
ると、鋼材表面に高濃度の硫化物が形成され、表面が黒
色化し剥離し易くなると共に、鋼材内部への窒素の侵入
が阻害され窒化処理が困難となるからである。
【００１９】このようにして硫化処理及び窒化処理を行
った後、バルブ６ｂ，６ｃを閉じて硫化水素及びアンモ
ニアの供給を停止し、次いで、中間ドア３を開いて被処
理材を加熱室２から装入室１に移行させる。なお、装入
室１への移行は、加熱室２を真空排気した後、窒素雰囲
気に復圧してから行うようにしてよい。その後、中間ド
ア３を閉じて装入室１の窒素ガス雰囲気中でガス冷却す
ることにより被処理材の窒化処理が終わる。
った後、バルブ６ｂ，６ｃを閉じて硫化水素及びアンモ
ニアの供給を停止し、次いで、中間ドア３を開いて被処
理材を加熱室２から装入室１に移行させる。なお、装入
室１への移行は、加熱室２を真空排気した後、窒素雰囲
気に復圧してから行うようにしてよい。その後、中間ド
ア３を閉じて装入室１の窒素ガス雰囲気中でガス冷却す
ることにより被処理材の窒化処理が終わる。
【００２０】なお、前記説明では、窒化処理の窒素供給
源としてアンモニアと窒素ガスとの混合ガスを採用した
場合を例に挙げたが、必ずしもアンモニアと窒素ガスと
の混合ガスに限定されるものではなく、アンモニア単体
或いはアンモニアと吸熱型ガスとの混合ガスからなるガ
ス雰囲気を使用しても良い。
源としてアンモニアと窒素ガスとの混合ガスを採用した
場合を例に挙げたが、必ずしもアンモニアと窒素ガスと
の混合ガスに限定されるものではなく、アンモニア単体
或いはアンモニアと吸熱型ガスとの混合ガスからなるガ
ス雰囲気を使用しても良い。
【００２１】以下、本発明の実施例について説明する。
【００２２】
【実施例１】図１に示す二室型窒化炉を用い、被処理材
を装入室１に装入し、装入室１及び加熱室２内の雰囲気
を酸素濃度が約５０ppmの窒素ガス雰囲気に調整すると
共に、前記加熱室２内を約４００℃に維持する。この状
態で、被処理材を加熱室２へ移行させると共に、加熱室
２内への硫化水素の供給を開始して当該雰囲気中の硫化
水素濃度が１００ppmとなるように硫化水素を継続的に
供給しながら約３５０℃で３０分間維持して硫化処理す
る。その後、約３０分かけて窒化処理温度(約５７０℃)
まで昇温する。この昇温が完了した時点で加熱室２内の
雰囲気をアンモニアガスからなる窒化雰囲気に置換する
と共に、当該雰囲気中の硫化水素濃度が１３０ppmにな
るように硫化水素を継続的に供給しながら３．５時間加
熱保持して窒化処理する。なお、この窒化処理時におい
ても、酸素濃度は約５０ppmに維持される。前記時間経
過後、被処理材を装入室１に移行させ、窒素ガス雰囲気
中でガス冷却して試料を得た。なお、被処理材として
は、ＳＵＳ３０４製パイプ（１００mmφ×３mmφ×１０
０mm）並びにＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４１０製の丸棒（直
径３０mmφ×１００mm）を使用した。
を装入室１に装入し、装入室１及び加熱室２内の雰囲気
を酸素濃度が約５０ppmの窒素ガス雰囲気に調整すると
共に、前記加熱室２内を約４００℃に維持する。この状
態で、被処理材を加熱室２へ移行させると共に、加熱室
２内への硫化水素の供給を開始して当該雰囲気中の硫化
水素濃度が１００ppmとなるように硫化水素を継続的に
供給しながら約３５０℃で３０分間維持して硫化処理す
る。その後、約３０分かけて窒化処理温度(約５７０℃)
まで昇温する。この昇温が完了した時点で加熱室２内の
雰囲気をアンモニアガスからなる窒化雰囲気に置換する
と共に、当該雰囲気中の硫化水素濃度が１３０ppmにな
るように硫化水素を継続的に供給しながら３．５時間加
熱保持して窒化処理する。なお、この窒化処理時におい
ても、酸素濃度は約５０ppmに維持される。前記時間経
過後、被処理材を装入室１に移行させ、窒素ガス雰囲気
中でガス冷却して試料を得た。なお、被処理材として
は、ＳＵＳ３０４製パイプ（１００mmφ×３mmφ×１０
０mm）並びにＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４１０製の丸棒（直
径３０mmφ×１００mm）を使用した。
【００２３】
【実施例２】実施例１において、硫化処理時及び窒化処
理時における雰囲気中の酸素濃度をそれぞれ１５０ppm
に変更した以外は実施例１と同様にして硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
理時における雰囲気中の酸素濃度をそれぞれ１５０ppm
に変更した以外は実施例１と同様にして硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
【００２４】
【比較例１】実施例１において、硫化処理時及び窒化処
理時における雰囲気中の酸素濃度をそれぞれ２６０ppm
に変更した以外は実施例１と同様にして硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
理時における雰囲気中の酸素濃度をそれぞれ２６０ppm
に変更した以外は実施例１と同様にして硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
【００２５】
【比較例２】実施例１において、硫化処理時及び窒化処
理時における雰囲気中の酸素濃度をそれぞれ７５０ppm
に変更した以外は実施例１と同様にして硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
理時における雰囲気中の酸素濃度をそれぞれ７５０ppm
に変更した以外は実施例１と同様にして硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
【００２６】実施例１及び２並びに比較例１及び２で得
た各試料について窒化物層の厚さを測定した。その結果
を表１に示す。表中、研磨面とはパイプの表面を研磨加
工した面、圧延面とは圧延のままの丸棒の表面を、切断
面とは丸棒を切断加工した面をそれぞれ意味する。
た各試料について窒化物層の厚さを測定した。その結果
を表１に示す。表中、研磨面とはパイプの表面を研磨加
工した面、圧延面とは圧延のままの丸棒の表面を、切断
面とは丸棒を切断加工した面をそれぞれ意味する。
【００２７】
【表１】
【００２８】表１に示す結果から、硫化水素濃度及び硫
化処理温度が所定条件下では、硫化処理時及び窒化処理
時の各雰囲気中の酸素濃度が窒化物層を形成する上での
要因となることが解る。即ち、酸素濃度が１５０ppm以
下ではステンレス鋼（ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ４１０）
からなる鋼材を窒化することができるが、比較例１及び
比較例２に示すように、酸素濃度が１５０ppmを越える
場合にはステンレス鋼からなる鋼材を窒化することがで
きない。なお、前記窒化物層の表層には数ミクロンの硫
化物層が認められた。
化処理温度が所定条件下では、硫化処理時及び窒化処理
時の各雰囲気中の酸素濃度が窒化物層を形成する上での
要因となることが解る。即ち、酸素濃度が１５０ppm以
下ではステンレス鋼（ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ４１０）
からなる鋼材を窒化することができるが、比較例１及び
比較例２に示すように、酸素濃度が１５０ppmを越える
場合にはステンレス鋼からなる鋼材を窒化することがで
きない。なお、前記窒化物層の表層には数ミクロンの硫
化物層が認められた。
【００２９】
【実施例３】実施例１において、硫化処理時及び窒化処
理時の酸素濃度をそれぞれ１００ppmとし、硫化処理時
の維持温度を４５０℃にした以外は、実施例１と同様に
して硫化処理及び窒化処理を行い、試料を得た。
理時の酸素濃度をそれぞれ１００ppmとし、硫化処理時
の維持温度を４５０℃にした以外は、実施例１と同様に
して硫化処理及び窒化処理を行い、試料を得た。
【００３０】
【比較例３】実施例１において、硫化処理時及び窒化処
理時の酸素濃度をそれぞれ１００ppmとし、硫化処理時
の維持温度を５００℃にした以外は、実施例１と同様に
して硫化処理及び窒化処理を行い、試料を得た。
理時の酸素濃度をそれぞれ１００ppmとし、硫化処理時
の維持温度を５００℃にした以外は、実施例１と同様に
して硫化処理及び窒化処理を行い、試料を得た。
【００３１】
【比較例４】実施例１において、硫化処理時及び窒化処
理時の酸素濃度をそれぞれ１００ppmとし、硫化処理時
の維持温度を５５０℃にした以外は、実施例１と同様に
して硫化処理及び窒化処理を行い、試料を得た。
理時の酸素濃度をそれぞれ１００ppmとし、硫化処理時
の維持温度を５５０℃にした以外は、実施例１と同様に
して硫化処理及び窒化処理を行い、試料を得た。
【００３２】得られた各試料について表面状態を観察す
る一方、窒化物層の厚さを測定した。その結果を表２に
示す。
る一方、窒化物層の厚さを測定した。その結果を表２に
示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】表２に示す結果から、硫化水素濃度及び酸
素濃度が所定条件下では、硫化処理温度が窒化物層を形
成する上での要因となることが解る。即ち、硫化処理温
度が３５０〜４５０℃の範囲内では、ほぼ均一な窒化物
層を形成することできるが、比較例３及び比較例４に示
すように、硫化処理温度が４５０℃を越える場合には不
均一な窒化物層が形成される。
素濃度が所定条件下では、硫化処理温度が窒化物層を形
成する上での要因となることが解る。即ち、硫化処理温
度が３５０〜４５０℃の範囲内では、ほぼ均一な窒化物
層を形成することできるが、比較例３及び比較例４に示
すように、硫化処理温度が４５０℃を越える場合には不
均一な窒化物層が形成される。
【００３５】
【実施例４】酸素濃度が５０ppmの窒素ガス雰囲気中で
硫化水素を当該窒素ガス雰囲気中の硫化水素濃度が１３
０ppmとなるように添加しながら約３５０℃で３０分間
維持して硫化処理を行った後、酸素濃度が５０ppmで、
かつ、窒素ガス（４０体積％）とアンモニアガス（６０
体積％）からなる窒化雰囲気中に硫化水素を当該窒化雰
囲気中の硫化水素濃度が１３０ppmとなるように添加し
ながら窒化処理温度（約５７０℃）に３.５時間加熱維
持して窒化処理し、その後、窒素ガス雰囲気中でガス冷
却し、試料を得た。
硫化水素を当該窒素ガス雰囲気中の硫化水素濃度が１３
０ppmとなるように添加しながら約３５０℃で３０分間
維持して硫化処理を行った後、酸素濃度が５０ppmで、
かつ、窒素ガス（４０体積％）とアンモニアガス（６０
体積％）からなる窒化雰囲気中に硫化水素を当該窒化雰
囲気中の硫化水素濃度が１３０ppmとなるように添加し
ながら窒化処理温度（約５７０℃）に３.５時間加熱維
持して窒化処理し、その後、窒素ガス雰囲気中でガス冷
却し、試料を得た。
【００３６】
【実施例５】実施例４において、窒化処理時に硫化水素
を添加しない以外は、実施例４と同様に硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
を添加しない以外は、実施例４と同様に硫化処理及び窒
化処理を行い、試料を得た。
【００３７】得られた試料について窒化物層の厚さを測
定した。その結果を表３に示す。
定した。その結果を表３に示す。
【００３８】
【表３】
【００３９】表３に示す結果から、窒化処理時に硫化水
素を窒化雰囲気中に添加しなくても、硫化処理及び窒化
処理のサイクル全体を通じて硫化水素を添加した実施例
４のものとほぼ同等の結果が得られることが解る。な
お、窒化処理時の排ガスからは硫化水素が検出された
が、これは昇温時に形成された硫化物がアンモニアの分
解により生じた水素と反応して生成されたものと考えら
れる。
素を窒化雰囲気中に添加しなくても、硫化処理及び窒化
処理のサイクル全体を通じて硫化水素を添加した実施例
４のものとほぼ同等の結果が得られることが解る。な
お、窒化処理時の排ガスからは硫化水素が検出された
が、これは昇温時に形成された硫化物がアンモニアの分
解により生じた水素と反応して生成されたものと考えら
れる。
【００４０】
【実施例６】実施例４において、硫化処理時及び窒化処
理時における雰囲気中の硫化水素濃度を３００ppmに変
更した以外は、実施例４と同様にして硫化処理及び窒化
処理を行い、試料を得た。
理時における雰囲気中の硫化水素濃度を３００ppmに変
更した以外は、実施例４と同様にして硫化処理及び窒化
処理を行い、試料を得た。
【００４１】
【比較例５】実施例４において、窒化処理温度への昇温
時に硫化水素が存在しない窒素ガスを用いた以外は、実
施例４と同様にして窒化処理を行い、試料を得た。
時に硫化水素が存在しない窒素ガスを用いた以外は、実
施例４と同様にして窒化処理を行い、試料を得た。
【００４２】
【比較例６】実施例４において、窒化処理温度への昇温
時に硫化水素が存在しない窒素ガス雰囲気を用いる一
方、窒化処理時に硫化水素が存在しないアンモニアガス
雰囲気を用いた以外は、実施例４と同様にして窒化処理
を行い、試料を得た。
時に硫化水素が存在しない窒素ガス雰囲気を用いる一
方、窒化処理時に硫化水素が存在しないアンモニアガス
雰囲気を用いた以外は、実施例４と同様にして窒化処理
を行い、試料を得た。
【００４３】実施例６、比較例５及び比較例６でそれぞ
れ得られた各試料について窒化物層の厚さを測定した。
その結果を表４に示す。
れ得られた各試料について窒化物層の厚さを測定した。
その結果を表４に示す。
【００４４】
【表４】
【００４５】表４に示す結果から、窒化処理温度への昇
温時に硫化水素が存在しない比較例５並びに昇温時及び
窒化処理時に硫化水素が存在しない比較例６の試料で
は、殆ど窒化物層が形成されていないことが判る。
温時に硫化水素が存在しない比較例５並びに昇温時及び
窒化処理時に硫化水素が存在しない比較例６の試料で
は、殆ど窒化物層が形成されていないことが判る。
【００４６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、従来法では窒化し難いオーステナイト系ステ
ンレス鋼などの鋼材の不動態被膜を確実に破壊して表面
を活性化し、均一な窒化物層を形成することができる。
また、鋼種を問わず、低合金鋼の機械加工時の焼き付き
などに起因する窒化ムラを防止できる。また、鋼材表面
の不動態被膜を除去するのに使用する硫化水素は、許容
濃度が１０ppmとフッ化窒素の許容濃度３ppmやフッ素の
許容濃度１ppmに比べて高いため、設備上の制約が緩和
され、設備を単純化することができる。さらに、窒化処
理温度程度の温度域で比較すると、炉材の耐食性もフッ
素系ガスよりも硫化水素の方が極めて有利となり製造コ
ストを低減することができる、など優れた効果が得られ
る。
によれば、従来法では窒化し難いオーステナイト系ステ
ンレス鋼などの鋼材の不動態被膜を確実に破壊して表面
を活性化し、均一な窒化物層を形成することができる。
また、鋼種を問わず、低合金鋼の機械加工時の焼き付き
などに起因する窒化ムラを防止できる。また、鋼材表面
の不動態被膜を除去するのに使用する硫化水素は、許容
濃度が１０ppmとフッ化窒素の許容濃度３ppmやフッ素の
許容濃度１ppmに比べて高いため、設備上の制約が緩和
され、設備を単純化することができる。さらに、窒化処
理温度程度の温度域で比較すると、炉材の耐食性もフッ
素系ガスよりも硫化水素の方が極めて有利となり製造コ
ストを低減することができる、など優れた効果が得られ
る。
【図１】 本発明方法の実施に使用する窒化処理装置の
一例を示す説明図。
一例を示す説明図。
１…装入室 ２…加熱室 ３…中間ドア ４…装入ドア ５…ガス供給ライン ６a、６b、６c、６a'…バルブ ７…窒素供給源 ８…アンモニア供給源 ９…硫化水素供給源 １０a、１０b…排気系ライン
Claims (2)
- 【請求項１】 窒化処理温度への昇温過程時に、酸素濃
度１５０ppm以下で、かつ、硫化水素濃度３０〜３００p
pmを含む窒素ガス雰囲気中で不動態被膜を有する鋼材を
３５０〜４５０℃の温度域で加熱して硫化処理した後、
窒化雰囲気中で所定時間加熱保持して窒化処理すること
を特徴とする鋼材の表面硬化処理方法。 - 【請求項２】 前記鋼材を３５０〜４５０℃の温度域で
０.５〜１時間加熱して硫化処理を行うことを特徴とす
る請求項１に記載の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27530498A JP2971456B1 (ja) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | 鋼材の表面硬化処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27530498A JP2971456B1 (ja) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | 鋼材の表面硬化処理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2971456B1 true JP2971456B1 (ja) | 1999-11-08 |
| JP2000104159A JP2000104159A (ja) | 2000-04-11 |
Family
ID=17553580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27530498A Expired - Fee Related JP2971456B1 (ja) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | 鋼材の表面硬化処理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2971456B1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60333655D1 (de) * | 2002-09-24 | 2010-09-16 | Honda Motor Co Ltd | Verfahren zum nitrieren von metallringen und vorrichtung dafür |
| JP6516238B2 (ja) * | 2015-03-30 | 2019-05-22 | 日鉄ステンレス株式会社 | オーステナイト系ステンレス鋼及びその製造法 |
| JP7117000B2 (ja) * | 2018-11-01 | 2022-08-12 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 容器の製造方法、硫化水素収容体の製造方法、及び、硫化水素の充填方法 |
-
1998
- 1998-09-29 JP JP27530498A patent/JP2971456B1/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000104159A (ja) | 2000-04-11 |
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