(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化雰囲気に、有機系塩化物を添加した雰囲気ガス中で、処理温度を時効析出温度以下、均熱時間を１５〜６０分の範囲内として窒化処理を行うことを特徴とするマルエージング鋼の窒化処理方法。
【請求項２】
窒化雰囲気に、有機系塩化物を添加した雰囲気ガス中で、処理温度を時効析出温度以下、均熱時間を１５〜６０分の範囲内とし、被処理物表面に脆弱な白色の化合物層を形成させないで窒化処理を行うことを特徴とするマルエージング鋼の窒化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルエージング鋼の窒化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、鋼の疲労強度を向上させる方法として窒化処理が知られている。しかしながら、合金元素を多く含んだ鋼はその表面状態が安定なため、均一な窒化処理を施すのが困難であった。強靭鋼として用いられる１８％Ｎｉマルエージング鋼や析出硬化型ステンレス鋼（１７−４ＰＨ）等は、鋼として最高に近い強度を備えているが、軽量化等の目的により更なる強度の向上が望まれ、これらの強靭鋼についても一つの方法として窒化処理による強度向上が期待されているが、強靭化するために多くの合金元素を含み、その表面が種々の合金元素からなる緻密な酸化膜で覆われているため、均一な窒化処理に困難を伴っている。
【０００３】
これまで、マルエージング鋼に対する窒化処理方法として、例えば、塩化水素又はリン酸を用いて酸化皮膜を除去する方法、硫化水素を添加した窒化雰囲気で浸硫窒化処理を行う方法、フッ素化合物を用いて表面の酸化皮膜を還元してから窒化処理を行う方法、塩浴中で窒化処理を行う方法等が提案され、疲労強度の向上が図られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記各提案において疲労強度の向上が図られてはいるが、品質の安定性、作業性、経済性あるいは公害対策などに問題が残されるものであった。例えば、塩化水素又はリン酸を用いて酸化皮膜を除去する方法は、均一な窒化層が得られにくいという品質上の問題があり、硫化水素を添加した窒化雰囲気で浸硫窒化処理を行う方法は、毒性の強い硫化水素を用いるため、取り扱い上および管理上など作業性に問題があり、フッ素化合物を用いて表面の酸化皮膜を還元してから窒化処理を行う方法は、マルエージング鋼の表面にフッ素化物が残存すること及びフッ化処理を行ってから窒化処理を行うためのコストアップという経済性などの問題があり、塩浴中で窒化処理を行う方法は、シアンをもちいるため排水処理など公害対策及び作業性に問題が残るものであった。
【０００５】
なお、マルエージング鋼は、析出硬化型合金鋼であり、窒化処理と同時に時効効果が進行して機械的性質が変わるため、未時効・過時効とならないマルエージング鋼の特性を十分に引き出せる窒化処理条件の選定についても確認する必要がある。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑み、マルエージング鋼の窒化処理における品質の安定性、作業性、経済性などを改善し、同時に疲労強度を向上させ、疲労寿命の延長を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するため手段】
前記事情に鑑み、本発明の請求項１は、窒化雰囲気に、有機系塩化物を添加した雰囲気ガス中で、処理温度を被処理物の時効析出温度以下、均熱時間を１５〜６０分の範囲内として窒化処理を行うマルエージング鋼の窒化処理方法である。
【０００８】
この請求項１によれば、有機系塩化物が炉内で気化して塩化水素と炭素に分解し、分解により生じた塩化水素が被処理物、すなわち、マルエージング鋼の酸化皮膜を除去して表面を活性化し、活性化されたマルエージング鋼表面に雰囲気中のＮＨ３ガスが吸着し、窒化反応が促進され、硬さの上昇及び深い窒化層が得られる。加えて、引っ張り、曲げ、曲げ戻し応力に対する疲労強度を向上させ、疲労寿命の延長を図った窒化処理品を提供することができる。
【０００９】
本発明では、窒化雰囲気としては、ＮＨ３ガス、ＮＨ３ガス＋Ｎ２ガス、ＮＨ３ガス＋ＲＸガス等が使用される。
【００１２】
請求項２に示す実施の一形態は、窒化雰囲気に、有機系塩化物を添加した雰囲気ガス中で、処理温度を被処理物、すなわち、マルエージング鋼の時効析出温度以下、均熱時間を１５〜６０分の範囲内とし、被処理物表面に脆弱な白色の化合物層を形成させないで窒化処理を行うマルエージング鋼の窒化処理法である。
【００１３】
この請求項２によれば、促進した窒化反応により得られた硬さの上昇及び深い窒化層が、引っ張り、曲げ、曲げ戻し応力に対する疲労強度を向上させ、疲労寿命の延長を図るが、被処理物表面に脆弱な化合物層（白色層）を形成させないことによって、疲労強度をさらに向上させ、疲労寿命のさらなる延長を図った窒化処理品を提供することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の一形態を説明する。
【００１８】
（実施例）
マルエージング鋼を８００〜９００℃で溶体化処理を行った後、４８０℃で３時間時効処理を行った。この溶体化処理並びに時効処理は、前記マルエージング鋼表面の酸化を防止するため、真空中（約１．３３×１０−１Ｐａ≒１０−３Ｔｏｒｒ）で行うことが好ましい。つづいて、溶体化処理並びに時効処理を終えた前記マルエージング鋼を前記時効析出温度以下の４５０℃に加熱した窒化炉で窒化処理を実施した。
【００１９】
前記窒化処理は、窒化雰囲気として、ＮＨ３ガス４０％＋Ｎ２ガス６０％の混合ガスで行われ、前記マルエージング鋼を窒化炉に装入後、炉内温度が４５０℃に復帰すると同時に、酸化皮膜除去剤として有機系塩化物の塩化メチレンを炉内容積１ｍ３当り９０ｍｌの割合で炉内に添加した。
【００２０】
前記４５０℃における均熱時間を１５〜１２０分の範囲で実施し、均熱後、冷却室に移し、Ｎ２ガス雰囲気中で冷却を行った。
【００２１】
（比較例）
前記本発明の実施例と異なり、炉内に有機系塩化物の塩化メチレンを添加することなく、窒化雰囲気、均熱温度、均熱時間及び冷却工程を前記本発明の実施例と同様にして窒化処理を行った。
【００２２】
前記本発明の実施例及び比較例によって処理したマルエージング鋼の断面硬さを測定した結果が、図１に示されている。図１によれば、前記比較例の場合、窒化処理により表面における硬さが僅かに上昇したことが確認されたが、十分な深さの窒化層を得ることができなかった。
【００２３】
前記比較例に対し、前記本発明の実施例の場合には、表面における硬さが８３９Ｈｖまで上昇し、窒化層の深さが０．０４ｍｍの深さに及んだ。
【００２４】
前記本発明の実施例における有機系塩化物の塩化メチレンの添加は、前記のごとく、添加された塩化メチレンが炉内で気化して塩化水素と炭素に分解し、該塩化水素がマルエージング鋼の酸化皮膜を除去して表面を活性化し、該活性化されたマルエージング鋼表面に雰囲気ガス中のＮＨ３ガスが吸着し、窒化反応が促進させられたものである。
【００２５】
なお、前記塩化メチレンの添加量が、炉内容積１ｍ３当り３０ｍｌに満たない場合には、マルエージング鋼の表面の活性化が十分に行われず、窒化むら、窒化抜けが生じ、また、前記塩化メチレンの添加量が炉内容積１ｍ３当り１００ｍｌを超えると、雰囲気中に遊離炭素が多くなり、マルエージング鋼および炉内の表面への煤の付着が多くなるため、前記塩化メチレンの添加量は、炉内容積１ｍ３当り３０〜１００ｍｌが妥当であることが確認された。
【００２６】
つぎに、前記本発明の実施例において、窒化処理の均熱時間を１５〜６０分以内とした場合と、６０分を超えた場合のマルエージング鋼の疲労試験結果が図３に示されている。疲労試験は、マルエージング鋼からなる無端ベルトを利用し、図２に示すベルトプーリー型疲労試験機を使用して、引っ張り強度、曲げおよび曲げ戻し強度について行われた。
【００２７】
すなわち、図２において、１は主動プーリー、２は従動側プーリーであり、該従動プーリー２と前記主動プーリー１間に前記それぞれ無端ベルト３を掛け渡し、該それぞれのベルトに掛かる引張荷重を４，９０３Ｎ（＝５００ｋｇｆ）に調節し、前記主動プーリー１を毎分１，０００回転させて各ベルトが疲労破壊に至る回転数を評価したものである。なお、参考データ−として，窒化処理を実施しない無端ベルトの疲労寿命を均熱時間０分として合わせてプロットした。
【００２８】
図３のデーターを検討すると、窒化処理を施さない無端ベルトの疲労寿命は、１０４回であったのに対して、前記本発明の実施例の範囲で窒化処理を施した無端ベルトの疲労寿命は、１０６〜１０７回となり、疲労寿命が飛躍的に向上することが判明した。しかしながら、前記本発明の実施例よりも均熱時間を延長した場合には、逆に疲労寿命が低下することが判明した。
【００２９】
図４には、前記本発明の実施例の処理条件範囲と窒化層深さの関係が示されている。すなわち、前記本発明の実施例の範囲では、窒化層の深さは２０〜３８μｍとなり、無端ベルトの厚さの１／２に対して２０〜４５％の窒化層が得られていることが判明した。
【００３０】
前記本発明の実施例で得られた窒化層の結果を、前記図３の均熱時間と疲労寿命との関係と合わせ考えると、無端ベルトの厚さの１／２に対する窒化層の深さが２０〜４５％の範囲を超えないように時間管理することが無端ベルトの疲労寿命を最大限に引き出す有効な手段であることが確認された。
【００３１】
すなわち、前記窒化層の深さが２０％より浅い場合には、前記無端ベルトの疲労寿命にばらつきが生じやすく、４５％より深い場合には疲労寿命そのものが短くなってしまうことが確認された。
【００３２】
図５には、前記本発明の実施例の処理条件範囲と白色層形成の有り無しの関係が示されている。すなわち、前記本発明の実施例の範囲では、被処理物表面に白色層（脆弱な化合物層）を形成させないで窒化層のみを得られることが判明した。
【００３３】
前記本発明の実施例で得られた白色層形成の有り無しの結果を、前記図３の均熱時間と疲労寿命との関係と合わせ考えると、白色層の形成によって疲労寿命が低下し、白色層を形成させないことが無端ベルトの疲労寿命を向上させる有効な手段であることが確認された。
【００３４】
また、前記本発明の実施例では、マルエージング鋼の窒化処理について説明したが、該マルエージング鋼以外の、例えば、析出硬化型ステンレス鋼などの強靭鋼の窒化処理にも適用が可能であることが実験的に確認されている。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の窒化処理方法によれば、マルエージング鋼の窒化処理を有効に行うことができ、該マルエージング鋼の窒化処理における品質の安定性、作業性、経済性などが改善され、また、引っ張り、曲げ、曲げ戻し応力に対する疲労強度を向上させ、疲労寿命の延命を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例及び比較例の断面硬さ測定図である。
【図２】ベルトプーリ型疲労試験機の原理図である。
【図３】灼熱時間と疲労寿命の試験結果を示す測定図である。
【図４】本発明実施例における灼熱時間と窒化層の深さの関係を示す説明図である。
【図５】本発明実施例における処理条件範囲と白色層形成の有無の関係を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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