JP4494995B2 - Metal surface treatment method - Google Patents
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Description
本発明は、金属材の表面から内部にわたって硬度を向上させる金属材表面処理方法に関する。 The present invention relates to a metal material surface treatment method for improving hardness from the surface to the inside of a metal material.
ある部材において、所定の別部材が摺接する摺接面には、耐摩耗性や靱性、強度等に優れていることが希求される。このような諸特性を向上させるべく、各種の部材に対して、従来から、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理を施すことが提案されている。 In a certain member, a sliding contact surface with which a predetermined separate member is in sliding contact is desired to be excellent in wear resistance, toughness, strength, and the like. In order to improve such various characteristics, various surface treatments such as carburizing, sulfurizing, nitriding, carbonitriding, etc. have been conventionally proposed for various members.
例えば、特許文献１では、ＷＣ−５％ＴｉＣ−３％ＴａＣ−６％Ｃｏ等の超硬合金を窒素雰囲気下で焼結することによって、炭窒化物層を形成するとともに該炭窒化物層の直下に結合相に富む領域を設けるようにしている。この場合、炭窒化物層によって耐摩耗性が向上し、結合相に富む領域によって靱性が確保されるとのことである。
For example, in
一方、特許文献２では、鋼材に対して窒化処理を施す前に、該鋼材の表面の酸化皮膜を除去するためにフッ化物膜を設けることが提案されている。このフッ化物膜が存在することにより、鋼材に酸化皮膜が再形成されることやＯ2が吸着することを回避することができ、その結果、均一な窒化層を形成することができるとされている。
On the other hand,
また、特許文献３には、電極とワークとを所定距離で離間させ、このクリアランスに窒素ガスを流通させた状態で放電パルスを発生させる鋼材表面の窒化処理方法が開示されている。 Patent Document 3 discloses a method for nitriding a steel surface in which a discharge pulse is generated in a state where an electrode and a workpiece are separated by a predetermined distance and nitrogen gas is circulated through the clearance.
さらに、特許文献４には、鋼材のねじり衝撃強度及びねじり疲労強度を向上させるべく、該鋼材に含有されたマンガンの割合に応じ、所定の式から算出される温度よりも低温で浸炭焼入れ・焼戻しを行うことが提案されている。 Furthermore, in Patent Document 4, in order to improve the torsional impact strength and torsional fatigue strength of the steel material, carburizing and tempering at a temperature lower than the temperature calculated from a predetermined formula according to the ratio of manganese contained in the steel material. Has been proposed to do.
ところで、上記した表面処理方法のいずれも、鋼材や超硬合金等の特定材質にのみ適用可能であり、別種類の材質に対して同様の方法で表面改質を行うことは著しく困難である。また、例えば、いわゆる１８−８ステンレス鋼の表面には除去することが著しく困難な不動態膜が存在するので、窒化等を施すに際しては、フッ酸や硫化水素、塩化物等でこの不動態膜を予め除去する必要がある。このような作業を行うことは煩雑であり、しかも、フッ酸や硫化水素等の作業安全環境上好ましいとは言い難い薬品を使用しなければならない。その上、除害・解毒機構を設置する必要があるので、装置構成が複雑になるとともに設備投資が高騰するという不具合がある。 By the way, any of the surface treatment methods described above can be applied only to a specific material such as a steel material or a cemented carbide, and it is extremely difficult to perform surface modification on a different kind of material by the same method. Further, for example, there is a passive film that is extremely difficult to remove on the surface of so-called 18-8 stainless steel. Therefore, when performing nitriding or the like, this passive film is made with hydrofluoric acid, hydrogen sulfide, chloride, or the like. Must be removed in advance. It is cumbersome to perform such work, and chemicals such as hydrofluoric acid and hydrogen sulfide, which are difficult to say in terms of work safety environment, must be used. In addition, since it is necessary to install a detoxification / detoxification mechanism, there is a problem that the equipment configuration becomes complicated and the capital investment increases.
さらに、上記したような従来技術に係る表面処理方法では、使用するガスの種類やその比率、反応温度、反応時間等を厳密に制御する必要があり、このために工程管理が煩雑である。 Furthermore, in the surface treatment method according to the prior art as described above, it is necessary to strictly control the type and ratio of the gas used, the reaction temperature, the reaction time, and the like, and therefore process management is complicated.
このように、材質の種類に関わらず適用することが可能であり、しかも、容易且つ簡便に実施することが可能な表面処理方法は、これまでのところ知られていない。 Thus, a surface treatment method that can be applied regardless of the type of material and that can be easily and easily performed has not been known so far.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、様々な金属材の硬度を内部まで向上させることが可能であり、しかも、安全な環境下で容易且つ簡便に実施することができる金属材表面処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can improve the hardness of various metal materials to the inside, and can be easily and easily carried out in a safe environment. It aims at providing the material surface treatment method.
前記の目的を達成するために、本発明は、金属材の表面に硬化層ないし化合物層を形成することにより前記金属材の表面を改質する金属材表面処理方法であって、
アミノ系樹脂の存在下に、金属材に対して熱処理を施す工程を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is a metal material surface treatment method for modifying the surface of the metal material by forming a hardened layer or a compound layer on the surface of the metal material,
It has the process of heat-processing with respect to a metal material in presence of amino resin.
アミノ系樹脂の存在下に熱処理が施された金属材では、アミノ系樹脂が存在しない条件下で熱処理が施された金属材に比して硬度が向上する。しかも、硬度が向上する領域がより内部まで及ぶ。なお、本発明においては、アミノ系樹脂の存在下に熱処理を施せばよく、使用するガスの種類やその比率、反応温度、反応時間等を厳密に制御する必要も特にない。そして、本発明によれば、様々な種類の金属材の硬度を向上させることが可能である。 A metal material that has been heat-treated in the presence of an amino-based resin has improved hardness as compared to a metal material that has been heat-treated in the absence of an amino-based resin. In addition, the region where the hardness is improved extends to the inside. In the present invention, heat treatment may be performed in the presence of an amino resin, and it is not particularly necessary to strictly control the type and ratio of the gas used, reaction temperature, reaction time, and the like. And according to this invention, it is possible to improve the hardness of various kinds of metal materials.
このように、本発明によれば、アミノ系樹脂の存在下に熱処理を行うという簡便且つ容易な作業を行うことによって、アミノ系樹脂が存在しない条件下で熱処理が施された金属材に比して硬度が向上する。しかも、硬度が向上する領域がより内部まで及ぶ。 Thus, according to the present invention, by performing a simple and easy work of performing heat treatment in the presence of an amino resin, compared to a metal material that has been heat-treated in the absence of an amino resin. The hardness is improved. In addition, the region where the hardness is improved extends to the inside.
硬度が優れる金属材は、耐摩耗性や強度に優れる。すなわち、本発明に係る金属材表面処理方法によれば、摩耗し難く且つ高強度の金属材が得られる。 A metal material having excellent hardness is excellent in wear resistance and strength. That is, according to the metal material surface treatment method of the present invention, it is possible to obtain a metal material that is not easily worn and has high strength.
しかも、アミノ系樹脂には毒性がない。このため、安全な環境下で表面処理作業を行うことができる。 Moreover, amino resins are not toxic. For this reason, surface treatment work can be performed in a safe environment.
なお、アミノ系樹脂は、熱分解を起こして気相となり、金属材の周囲に雰囲気ガスとして存在するようになる。 The amino-based resin undergoes thermal decomposition to become a gas phase, and exists as an atmospheric gas around the metal material.
アミノ系樹脂は、例えば、金属材の表面に塗布すればよい。その後、熱処理を施せば、一般的な表面処理方法に比して高い硬度及び厚みの大きな硬化層を有する種々の金属材を迅速に得ることができる。すなわち、本発明によれば、内部まで硬度が向上した種々の金属材を容易且つ簡便に、しかも、迅速に作製することが可能である。 The amino resin may be applied to the surface of a metal material, for example. Then, if heat processing is performed, the various metal materials which have a hardened layer with high hardness and thickness large compared with the general surface treatment method can be obtained rapidly. That is, according to the present invention, various metal materials whose hardness has been improved to the inside can be easily, easily, and quickly manufactured.
この場合、アミノ系樹脂を、溶媒を介して金属材の表面に塗布することが好ましい。これにより塗布ムラが生じ難くなるので、金属材を略均等に硬化させることができるからである。 In this case, it is preferable to apply the amino resin to the surface of the metal material through a solvent. This is because uneven coating is less likely to occur, and the metal material can be cured substantially uniformly.
塗布することに代替して、アミノ系樹脂を、金属材とともに熱処理炉内に収容して熱処理を施すようにしてもよい。この場合においても、アミノ系樹脂が存在しない条件下で表面処理が施された金属材に比して硬度に優れ、且つ厚みの大きな硬化層を有する金属材を得ることができる。 Instead of applying, the amino resin may be housed in a heat treatment furnace together with the metal material and subjected to heat treatment. Even in this case, it is possible to obtain a metal material having a hardened layer that is superior in hardness and large in thickness as compared with a metal material that has been surface-treated in the absence of an amino resin.
ここで、アミノ系樹脂とは、アミノ基とホルムアルデヒドとを重縮合させることによって得られる樹脂を指称する。その代表的な例としては、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂又はホルマリン樹脂を挙げることができる。 Here, the amino resin refers to a resin obtained by polycondensation of an amino group and formaldehyde. Typical examples include melamine resin, urea resin, aniline resin, and formalin resin.
一方、表面処理を施す金属材の好適な例としては、Ｆｅ合金、Ｎｉ合金、Ａｌ合金、Ｃｕ合金又はＺｎ合金を挙げることができる。 On the other hand, as a suitable example of the metal material to be subjected to the surface treatment, Fe alloy, Ni alloy, Al alloy, Cu alloy or Zn alloy can be exemplified.
表面処理方法としては、例えば、窒化処理を挙げることができる。この場合、熱処理の際にアンモニアガスやＲＸガス等を流通させればよい。 Examples of the surface treatment method include nitriding treatment. In this case, ammonia gas or RX gas may be circulated during the heat treatment.
又は、熱処理の際に浸炭性ガスを流通させるようにしてもよい。この場合、金属材に対して浸炭処理を施すことができる。 Or you may make it distribute | circulate carburizing gas in the case of heat processing. In this case, carburizing treatment can be performed on the metal material.
本発明によれば、アミノ系樹脂の存在下に金属材に対して熱処理を施すようにしている。このような容易且つ簡便な作業を行うことにより、種々の金属材の硬度を内部まで向上させることができる。 According to the present invention, heat treatment is performed on a metal material in the presence of an amino resin. By performing such an easy and simple operation, the hardness of various metal materials can be improved to the inside.
以下、本発明に係る金属材表面処理方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the metal material surface treatment method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
先ず、第１実施形態に係る金属材表面処理方法は、金属材の表面にアミノ系樹脂を塗布する第１工程と、アミノ系樹脂が塗布された金属材を熱処理する第２工程とを有する。なお、第１実施形態として、熱処理時にアンモニアガスとＲＸガスの混合ガスを流通させてガス軟窒化処理を行う場合を例示して説明する。 First, the metal material surface treatment method according to the first embodiment includes a first step of applying an amino resin to the surface of the metal material and a second step of heat-treating the metal material to which the amino resin is applied. In the first embodiment, a case where gas soft nitriding is performed by flowing a mixed gas of ammonia gas and RX gas during heat treatment will be described as an example.
金属材としては、例えば、Ｆｅ合金からなる部材や、Ｎｉ合金からなる部材を選定することができる。Ｆｅ合金は、特に限定されるものではないが、鋳鉄や鋼材等を好適な例として挙げることができ、そのような材質からなる部材としては、自動車の内燃機関を構成するクランクシャフトが例示される。また、Ｎｉ合金からなる部材も特に限定されるものではないが、３０Ｎｉ１５Ｃｒ材等と表記されるいわゆるスーパーアロイからなるエンジンバルブを例示することができる。勿論、７５Ｎｉ１５Ｃｒ材等であってもよい。 As the metal material, for example, a member made of Fe alloy or a member made of Ni alloy can be selected. The Fe alloy is not particularly limited, and cast iron, steel, and the like can be cited as a suitable example, and examples of the member made of such a material include a crankshaft constituting an internal combustion engine of an automobile. . Further, a member made of a Ni alloy is not particularly limited, but an engine valve made of a so-called superalloy expressed as a 30Ni15Cr material or the like can be exemplified. Of course, a 75Ni15Cr material or the like may be used.
一方のアミノ系樹脂とは、アミノ基（−ＮＨ2）とホルムアルデヒドとを重縮合させることによって得られる樹脂を指称し、その代表的なものとしては、下記の構造式（１）に示されるメラミン樹脂、構造式（２）に示される尿素樹脂、構造式（３）に示されるアニリン樹脂、ホルマリン樹脂等が挙げられる。なお、このようなアミノ系樹脂は、固形状又は粉末状で市販されている。 One amino resin refers to a resin obtained by polycondensation of an amino group (—NH 2 ) and formaldehyde, and a typical one is a melamine represented by the following structural formula (1). Examples thereof include resins, urea resins represented by the structural formula (2), aniline resins represented by the structural formula (3), and formalin resins. Such amino resins are commercially available in solid or powder form.
代表的な例としては、組成式が（Ｃ6Ｈ3Ｎ9）nで表されるメラミンホルマリン樹脂が挙げられる。 A typical example is a melamine formalin resin whose composition formula is represented by (C 6 H 3 N 9 ) n .
第１工程において、上記したようなアミノ系樹脂の粉末を前記金属材の表面に直接塗布するようにしてもよいが、水等の溶媒に粉末を分散させて懸濁液を調製し、この懸濁液を塗布することが好ましい。これにより、塗布ムラが生じることを回避することができ、結局、形成される化合物層の厚み等を略均等にすることができるからである。 In the first step, the amino resin powder as described above may be applied directly to the surface of the metal material. However, the suspension is prepared by dispersing the powder in a solvent such as water. It is preferable to apply a turbid liquid. Thereby, it is possible to avoid the occurrence of coating unevenness, and the thickness of the compound layer to be formed can be made substantially uniform.
塗布は、刷毛を使用する刷毛塗り法によって行えばよい。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術を採用するようにしてもよい。 The application may be performed by a brush coating method using a brush. Of course, you may make it employ | adopt well-known coating techniques other than the brush coating method.
次に、アミノ系樹脂が直接、好ましくは懸濁液を介して塗布された金属材を、第２工程において、熱処理炉で熱処理する。この熱処理の際、アンモニアガスとＲＸガスの混合ガスを流通させる。 Next, the metal material to which the amino resin is applied directly, preferably via a suspension, is heat-treated in a heat treatment furnace in the second step. During this heat treatment, a mixed gas of ammonia gas and RX gas is circulated.
熱処理炉を昇温する過程中で、アミノ系樹脂が分解し始める。これにより、アミノ系樹脂に含まれるＣ、Ｎ、Ｈが遊離して金属材を攻撃する。金属材がＦｅ合金やＮｉ合金、Ａｌ合金等である場合、該金属材の表面には、酸化物からなる不動態膜が存在するが、遊離したＣ、Ｎ、Ｈは、この不動態膜を還元除去する。すなわち、酸化物膜は、Ｃ、Ｎ、Ｈの作用下に還元されて消失する。 In the process of raising the temperature of the heat treatment furnace, the amino resin begins to decompose. Thereby, C, N, and H contained in the amino resin are liberated and attack the metal material. When the metal material is an Fe alloy, Ni alloy, Al alloy or the like, a passive film made of an oxide exists on the surface of the metal material, but free C, N, and H Reduce and remove. That is, the oxide film is reduced and disappears under the action of C, N, and H.
なお、この過程中、分解したアミノ系樹脂は最終的に気相となり、雰囲気ガスとして熱処理炉内に存在する。 In this process, the decomposed amino resin finally becomes a gas phase and exists in the heat treatment furnace as an atmospheric gas.
さらに昇温を続行し、所定の温度を保持して窒化処理を行う。熱処理条件は、金属材の種類にもよるが、例えば、６００℃で２．５時間保持するようにすればよい。この熱処理において、アミノ系樹脂から遊離したＮや、アンモニアガスのＮにより、露呈した金属材の表面が窒化される。この際、不動態膜が既に消失しているので、Ｎが不動態膜を通過する必要がない。このため、窒化処理に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。 Further, the temperature rise is continued, and nitriding is performed while maintaining a predetermined temperature. The heat treatment condition depends on the type of the metal material, but may be maintained at 600 ° C. for 2.5 hours, for example. In this heat treatment, the surface of the exposed metal material is nitrided by N liberated from the amino resin or N of ammonia gas. At this time, since the passive film has already disappeared, it is not necessary for N to pass through the passive film. For this reason, the time required for the nitriding treatment can be shortened, and the thermal energy can be reduced.
このようにして形成された化合物層の厚み、換言すれば、金属材中における窒素の拡散距離は、アミノ系樹脂が存在しないことを除いては同一条件下でガス軟窒化を行った場合に比して著しく大きくなる。 The thickness of the compound layer formed in this way, in other words, the diffusion distance of nitrogen in the metal material is the same as that when gas soft nitriding is performed under the same conditions except that no amino resin is present. And become significantly larger.
具体的には、Ｓ４８Ｃベース鋼からなるクランクシャフトでは、通常のガス軟窒化によって形成される化合物層の厚みが約１５μｍであるのに対し、メラミンホルマリン樹脂を使用した第１実施形態によれば、化合物層の厚みを約２５μｍとすることができる。すなわち、通常のガス軟窒化が施されたクランクシャフトに比して内部まで硬度が高いクランクシャフトが得られる。 Specifically, in the crankshaft made of S48C base steel, the thickness of the compound layer formed by ordinary gas soft nitriding is about 15 μm, whereas according to the first embodiment using melamine formalin resin, The thickness of the compound layer can be about 25 μm. That is, a crankshaft having a higher hardness to the inside than a crankshaft subjected to normal gas soft nitriding can be obtained.
ここで、通常のガス軟窒化処理が施された鋼材と、メラミンホルマリン樹脂が塗布された後にガス軟窒化処理が施された鋼材とにおいて、表面から内部に指向して測定されたビッカース硬度を図１に示す。なお、測定時の圧子の押圧荷重は３００ｇである。この図１から、メラミンホルマリン樹脂を塗布することによって、鋼材、ひいては金属材の硬度を表面から内部にわたって向上させることができることは明らかである。 Here, the Vickers hardness measured from the surface to the inside is shown for the steel material that has been subjected to normal gas soft nitriding treatment and the steel material that has been subjected to gas soft nitriding treatment after melamine formalin resin has been applied. It is shown in 1. In addition, the pressing load of the indenter at the time of measurement is 300 g. From FIG. 1, it is clear that the hardness of the steel material, and thus the metal material, can be improved from the surface to the inside by applying the melamine formalin resin.
一方、ＲＸガスから遊離したＣも、金属材の表面に吸着される。Ｃは、Ｎに比して拡散速度が小さく、このため、Ｎが上記したように金属材の比較的内部にまで拡散するのに対し、金属材の表面近傍で炭化物を形成する。同時に、Ｃは、窒化物の核として作用し、その結果、金属材の表面に炭窒化物からなる化合物層が形成される。 On the other hand, C liberated from the RX gas is also adsorbed on the surface of the metal material. C has a lower diffusion rate than N. Therefore, N diffuses relatively into the interior of the metal material as described above, whereas carbide forms near the surface of the metal material. At the same time, C acts as a nitride nucleus, and as a result, a compound layer made of carbonitride is formed on the surface of the metal material.
なお、金属材がＦｅ合金である場合、第１実施形態において、電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で熱処理後のＦｅ合金の観察を行うと、緻密なマルテンサイトが生成していることが認められる。 When the metal material is an Fe alloy, in the first embodiment, when the Fe alloy after heat treatment is observed with an electron beam probe microanalyzer (EPMA), it is recognized that dense martensite is generated. .
また、３０Ｎｉ１５Ｃｒ材からなるエンジンバルブの表面に窒化処理を施すには、プラズマ窒化処理以外の手法では困難である。例えば、ガス軟窒化処理を施すと、図２に示すように、化合物層は点在して形成されるのみであり、その厚みは最大でも３．７５μｍ程度である。しかしながら、メラミンホルマリン樹脂を使用した第１実施形態によれば、アンモニアガスとＲＸガスの混合ガスを流通させながら、６００℃で２．５時間にわたって熱処理するという容易且つ簡便な方法によって、図３に示すように、化合物層をエンジンバルブの表面全体にわたって設けることができる。しかも、その厚みは、約３７．５μｍと未塗布の場合の約１０倍にも及ぶ。さらに、窒化処理が困難な金属材、例えば、７５Ｎｉ１５Ｃｒ材であっても、同一条件の熱処理で厚み約５μｍの化合物層を得ることができる。 Further, it is difficult to perform nitriding on the surface of the engine valve made of 30Ni15Cr material by a method other than plasma nitriding. For example, when gas soft nitriding is performed, as shown in FIG. 2, the compound layers are only scattered and formed, and the thickness is about 3.75 μm at the maximum. However, according to the first embodiment using melamine formalin resin, it is shown in FIG. 3 by an easy and simple method of heat treatment at 600 ° C. for 2.5 hours while circulating a mixed gas of ammonia gas and RX gas. As shown, a compound layer can be provided over the entire surface of the engine valve. Moreover, the thickness is about 37.5 μm, which is about 10 times that of the uncoated case. Furthermore, even with a metal material that is difficult to nitride, such as a 75Ni15Cr material, a compound layer having a thickness of about 5 μm can be obtained by heat treatment under the same conditions.
このように、第１実施形態によれば、アミノ系樹脂を直接、又は溶媒を介して金属材の表面に塗布した後、該金属材に対して所定の条件下でアンモニアガスの存在下に熱処理を施すという容易且つ簡便な作業により、化合物層の厚みが大きく、このために内部まで硬度が高い金属材を得ることができる。 As described above, according to the first embodiment, after the amino resin is applied to the surface of the metal material directly or via a solvent, the metal material is heat-treated in the presence of ammonia gas under predetermined conditions. The thickness of the compound layer is large due to the easy and simple operation of applying a metal, and for this reason, a metal material having a high hardness up to the inside can be obtained.
その上、第１実施形態においては、フッ酸等で酸化物膜を除去する等の予備処理を行う必要がない。このため、安全な環境下で作業を行うことができるという利点がある。 In addition, in the first embodiment, it is not necessary to perform preliminary processing such as removing the oxide film with hydrofluoric acid or the like. For this reason, there exists an advantage that work can be performed in a safe environment.
次に、第２実施形態に係る金属材表面処理方法につき、熱処理時に浸炭剤を流通させる浸炭処理を例示して説明する。 Next, the metal material surface treatment method according to the second embodiment will be described by exemplifying a carburizing treatment in which a carburizing agent is circulated during the heat treatment.
第２実施形態では、先ず、前記第１実施形態の第１工程と同一の作業が営まれる。すなわち、金属材の表面にアミノ系樹脂が塗布される。 In the second embodiment, first, the same operation as the first step of the first embodiment is performed. That is, the amino resin is applied to the surface of the metal material.
次に、第１実施形態の第２工程でアンモニアガスを流通させることに代替し、浸炭性ガスが流通される。浸炭性ガスとしては、ガス浸炭で一般的に使用されるガス、例えば、プロパンガス、ブタンガス、ＲＸガス、又はいわゆるエンリッチガスを使用すればよい。 Next, instead of circulating ammonia gas in the second step of the first embodiment, carburizing gas is circulated. As the carburizing gas, a gas generally used in gas carburizing, for example, propane gas, butane gas, RX gas, or a so-called enriched gas may be used.
浸炭処理を行う場合、熱処理条件は、例えば、９２０〜９５０℃で１．５時間保持するように設定することができる。その後、８５０℃で１時間保持して焼入れ処理を行うようにすればよい。 When performing a carburizing process, the heat processing conditions can be set to hold | maintain at 920-950 degreeC for 1.5 hours, for example. Thereafter, the hardening treatment may be performed by holding at 850 ° C. for 1 hour.
浸炭は、金属材中を炭素が拡散することによって進行する。特に、金属材がＦｅ合金である場合、浸炭が迅速に進行する。 Carburization proceeds by the diffusion of carbon in the metal material. In particular, when the metal material is an Fe alloy, carburization proceeds rapidly.
このようにして浸炭処理が施された金属材では、アミノ系樹脂が塗布されることなく浸炭処理された金属材に比して炭素の拡散距離、換言すれば、有効硬化層の厚みが大きくなる。具体的には、アミノ系樹脂が塗布されることなく浸炭処理された金属材における有効硬化層の厚みが０．５ｍｍ程度であるのに対し、メラミンホルマリン樹脂を使用した第２実施形態によって得られた金属材における有効硬化層の厚みは、１．６ｍｍ程度と著しく大きくなる。 In the metal material that has been carburized in this way, the diffusion distance of carbon, in other words, the thickness of the effective hardened layer is larger than the metal material that has been carburized without being coated with an amino resin. . Specifically, it is obtained by the second embodiment using a melamine formalin resin, whereas the thickness of the effective hardened layer in the metal material that has been carburized without being coated with an amino resin is about 0.5 mm. The thickness of the effective hardened layer in the metal material is remarkably increased to about 1.6 mm.
アミノ系樹脂が塗布されることなく浸炭処理が施された鋼材と、メラミンホルマリン樹脂が塗布された後に浸炭処理が施された鋼材とにおいて、表面から内部に指向して測定されたビッカース硬度を図４に示す。圧子の測定時の押圧荷重は、上記と同様に３００ｇとした。この図４から、メラミンホルマリン樹脂を塗布した浸炭処理においても、鋼材の硬度を表面から内部にわたって著しく向上させることができることが諒解される。 Figure shows the Vickers hardness measured from the surface to the inside of steel material that has been carburized without being coated with amino resin and steel material that has been carburized after melamine formalin resin has been applied. 4 shows. The pressing load at the time of measuring the indenter was set to 300 g as described above. From FIG. 4, it is understood that the hardness of the steel material can be remarkably improved from the surface to the inside even in the carburizing process in which the melamine formalin resin is applied.
なお、浸炭処理された鋼材のＥＰＭＡ観察により、有効硬化層全域にわたってＮが存在すること、すなわち、炭窒化物が生成しているとともに、緻密なマルテンサイトが生成していることが認められた。 Note that, by EPMA observation of the carburized steel material, it was confirmed that N was present throughout the effective hardened layer, that is, carbonitride was generated and dense martensite was generated.
上記した第１及び第２の実施形態においては、アミノ系樹脂を金属材の表面に塗布するようにしているが、アミノ系樹脂を塗布することなく、アミノ系樹脂を容器に収容した後、該容器を金属材とともに熱処理炉内に挿入するようにしてもよい。すなわち、本発明においては、熱処理時にアミノ系樹脂が熱処理炉内に存在すればよく、金属材の表面に塗布する必要は特にない。 In the first and second embodiments described above, the amino resin is applied to the surface of the metal material. After the amino resin is accommodated in the container without applying the amino resin, the amino resin is applied to the surface of the metal material. You may make it insert a container in a heat processing furnace with a metal material. That is, in the present invention, it is only necessary that the amino resin is present in the heat treatment furnace during the heat treatment, and it is not particularly necessary to apply it to the surface of the metal material.
アミノ系樹脂を熱処理炉内に挿入する場合、アミノ系樹脂の量は、金属材１ｋｇ当たり１〜１０％程度とすればよい。例えば、金属材が１０ｋｇであれば、１〜１０％／ｋｇのアミノ系樹脂を容器に収容して熱処理炉内に配置すればよい。 When the amino resin is inserted into the heat treatment furnace, the amount of the amino resin may be about 1 to 10% per 1 kg of the metal material. For example, if the metal material is 10 kg, 1 to 10% / kg amino resin may be accommodated in a container and placed in a heat treatment furnace.
具体的には、金属材が７５Ｎｉ１５Ｃｒ材からなるエンジンバルブである場合、該エンジンバルブの質量の５％のメラミンホルマリン樹脂を熱処理炉内に挿入し、５４０℃で２時間、プラズマ窒化処理を施すことにより、厚み約５μｍの化合物層を設けることができる。 Specifically, when the metal material is an engine valve made of 75Ni15Cr material, 5% of melamine formalin resin of the mass of the engine valve is inserted into a heat treatment furnace, and plasma nitriding treatment is performed at 540 ° C. for 2 hours. Thus, a compound layer having a thickness of about 5 μm can be provided.
また、アミノ系樹脂の存在下に行われる表面処理は、窒化又は浸炭に限定されるものではなく、その他の表面処理を行うこともできる。例えば、アミノ系樹脂を鋼材の表面に塗布した後、該鋼材に対して高周波焼入れ処理を施すようにしてもよい。アミノ系樹脂が塗布されない状態で高周波焼入れが施された鋼材における有効硬化層の厚みが９ｍｍ程度であるのに対し、アミノ系樹脂を鋼材の表面に塗布した場合、有効硬化層の厚みは１１ｍｍ程度と、塗布しない場合に比して大きくなる。 Further, the surface treatment performed in the presence of the amino resin is not limited to nitriding or carburizing, and other surface treatments can also be performed. For example, after applying an amino resin to the surface of a steel material, the steel material may be subjected to induction hardening. The thickness of the effective hardened layer in the steel material subjected to induction hardening in a state where the amino resin is not applied is about 9 mm, whereas the thickness of the effective hardened layer is about 11 mm when the amino resin is applied to the surface of the steel material. When compared with the case where no coating is applied.
このように、本実施形態によれば、様々な種類の金属材の表面に対し、容易且つ簡便に表面改質処理を施すことができる。しかも、第１実施形態及び第２実施形態のいずれにおいても、アミノ系樹脂の存在下に熱処理を施せばよく、使用するガスの種類やその比率、反応温度、反応時間等を厳密に制御する必要は特にない。 Thus, according to the present embodiment, the surface modification treatment can be easily and simply performed on the surfaces of various types of metal materials. Moreover, in both the first embodiment and the second embodiment, it is only necessary to perform heat treatment in the presence of the amino resin, and it is necessary to strictly control the type and ratio of the gas used, the reaction temperature, the reaction time, and the like. There is no particular.
また、各種のアミノ系樹脂には、製品安全データシートから諒解される通り毒性がない。従って、第１実施形態及び第２実施形態のいずれも、安全な環境下で表面処理作業を実施することができるという利点がある。 In addition, various amino resins are not toxic as understood from the product safety data sheet. Accordingly, both the first embodiment and the second embodiment have an advantage that the surface treatment work can be performed in a safe environment.
なお、上記したように、本発明は、熱処理を伴う種々の表面処理方法に適用可能であり、窒化処理や浸炭処理に限定されるものではない。例えば、浸硫処理を行うようにしてもよい。 As described above, the present invention can be applied to various surface treatment methods involving heat treatment, and is not limited to nitriding treatment or carburizing treatment. For example, you may make it perform a sulfuration process.
クランクシャフト及びエンジンバルブを図５に示す金属材から作製し、メラミン樹脂を熱処理炉内に配置した状態で、該クランクシャフト及びエンジンバルブに対し、６００℃、２時間の条件下でガス軟窒化処理を施した。また、比較のため、メラミン樹脂を熱処理炉内に配置しなかったことを除いては同一条件下でガス軟窒化処理を行った。メラミン樹脂の存在下でガス軟窒化処理を施したクランクシャフト及びエンジンバルブにおける化合物層又は窒化物層の厚さ、表面硬度、クランクシャフトにおいては拡散層深さを、メラミン樹脂が存在しない条件下でガス軟窒化処理を施したクランクシャフト及びエンジンバルブの倍数として図５に併せて示す。この図５から、メラミン樹脂の存在下で窒化処理を行うことにより化合物又は窒化物の厚さや表面硬度を大きくすることができることが明らかである。 The crankshaft and engine valve are produced from the metal materials shown in FIG. 5, and the melamine resin is placed in a heat treatment furnace, and the crankshaft and engine valve are subjected to gas soft nitriding treatment at 600 ° C. for 2 hours. Was given. For comparison, gas soft nitriding was performed under the same conditions except that the melamine resin was not placed in the heat treatment furnace. The thickness and surface hardness of the compound layer or nitride layer in crankshafts and engine valves subjected to gas soft nitriding treatment in the presence of melamine resin and engine valves, and the diffusion layer depth in crankshaft, under the conditions where melamine resin is not present FIG. 5 also shows multiples of crankshafts and engine valves that have been subjected to gas soft nitriding. From FIG. 5, it is clear that the thickness and surface hardness of the compound or nitride can be increased by performing nitriding in the presence of melamine resin.
Claims (5)
不動態膜除去処理が施されていない前記金属材を、アミノ系樹脂が存在する場で窒化処理又は炭化処理を実施する温度まで昇温し、その最中に、前記アミノ系樹脂から遊離したＣ、Ｎ、Ｈによって不動態膜を還元除去する工程と、
アミノ系樹脂の存在下に、金属材に対して温度保持を伴う熱処理を施す工程と、
を有することを特徴とする金属材表面処理方法。 A metal material surface treatment method for modifying the surface of the metal material by forming a hardened layer or a compound layer on the surface of the metal material,
The metal material that has not been subjected to the passivating film removal treatment is heated to a temperature at which nitriding treatment or carbonization treatment is carried out in the presence of the amino resin, and during that time, C released from the amino resin is released. Reducing and removing the passive film with N, H,
In the presence of an amino-based resin, a step of performing a heat treatment with temperature retention on the metal material ;
A metal material surface treatment method comprising:
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