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November/2005■ 技術講座知りたい材料・熱処理講座⑥「浸炭と窒化」
マテリアル事業

Things to Know about Material and Heat Treatment"Carburizing and Nitriding"〈キーワード〉浸炭・浸炭窒化・窒化・
真空浸炭・高濃度浸炭

クリーンサーモ事業部

原井 哲
監修

Satoshi Harai

開発本部／開発三部

天 野 宏 地 Hirokuni Amano知りたい材料・熱処理講座⑥「浸炭と窒化」

要

旨

1. 浸炭とは

浸炭や窒化は、低炭素鋼の表面から炭素や窒素

浸炭や窒化は、鋼の表面に炭素または窒素を拡を浸透させて、炭素や窒素濃度を高めてから焼入

散浸透させる熱処理方法で、その後、焼入れ焼もどれすることによって、高い表面硬さが得られる熱処

しをすることにより、高い表面硬さが得られます。

理方法です。

炭素も窒素も、鋼の内部には侵入型で拡散しま

表面付近に硬い層を作り、内部は低炭素で硬さすが、炭素の方が原子量が小さいので、比較的簡が低く、比較的靱性の高い材料を得ることができます。

単に深く入り込むことができます。窒素は原子量が処理条件を変えることによって、表面の炭素や窒素大きい分、炭素ほど深くは侵入しませんが、結晶にの量が変わり、表面の硬さやその深さを変えることが大きなひずみを与えるため、高い硬さが得られるのできます。

が特徴です。

表面硬さの向上、耐摩擦性、耐ピッチング性の向上、鋼を焼入れしたときに得られる最高の硬さは、炭耐疲れ強さ、耐焼付き性の向上などの特徴を出す

素鋼や低合金鋼においては、合金原素の量の多ことができ、高速回転軸、摺動用部品、強力歯車、

少にはあまり影響されず、主として炭素の含有量によっ

建設機械部品などに広く利用されています。

て決定されてしまいます。例えば、0.05％炭素鋼では、最高20HRC程度の硬さしか得られませんが、炭素

Abstract
Carburizing and nitriding are types of heat
treatment in which low-carbon steel is hardened after it is either carburized or nitrided toincrease its carbon or nitrogen content; as a result higher surface hardness can be achieved.
Relatively higher toughness in material is achieved as a hard layer is created near the surface, contrary to the lower hardness of low-carbon steel inside. The carbon or nitrogencontent of the surface can be modified bychanging the process conditions, so the surface hardness and the depth can be changed.
Achieved are various features such as improved surface hardness, lesser pitting, wear
and seizing resistance and higher durability.
Therefore, carburizing and nitriding are widelyused in the production of high-speed, rotating
shafts, sliding parts, heavy-duty gears andparts for construction machines.
1

量が増えるにつれて最高硬さも高くなり、0.6％炭素鋼のもので65HRCくらいの硬さが得られます。
しかし、0.85％炭素を越える高炭素鋼になりますと、焼入れしたときの残留オーステナイトが増加して、むしろ最高硬さが低下するようになります。
鋼を焼入れしたときの硬さは、このように炭素の含有量で決まってしまいますから、焼入れしても硬さの得られないような低炭素鋼において、硬さを上げようとすれば、炭素の含有量を増やしてやればよいはずです。そこで考えられたのが、低炭素鋼の表面から炭素を浸透させて、炭素濃度を高めてから焼入れすることによって、表面付近に硬い層を作り、内部は低炭素で硬さが低く、比較的靭性の高い材料を得ることです。このように、低炭素鋼の表面から焼入れに十分な炭素を浸透させることを浸炭といい、広く利用されている表面処理方法の1つです。

浸炭して、焼入れ焼もどしを行なった場合には、
マ
ルテンサイ
ト変態による体積変化が部分によって違ってきます。つまり、炭素量の多い表面層が最も膨張量が大きく、中心部に向かうにしたがって小さくなりますから、心部には引張り、表面層には圧縮の残留圧縮応力を生じることになります（図１）。表面に残留応力がある場合には、疲れ強さを向上させることができます。

図1

浸炭部の残留応力分布

2. 浸炭処理の特徴※1

浸炭は、以上のようにマルテンサイ
トの高い硬さと、（5）異常組織を避けるため、キルド鋼が使用され、そ表面の圧縮応力などを利用して、優れた耐摩耗性、の上、心部は0.2％以下の炭素鋼であるから、き耐疲れ強さを与える表面処理方法です。この浸炭

わめて靭性に富む。

の特徴を箇条書きにすれば、次のようになります。

（6）結晶粒の粗大化に注意する必要はあるが、通（1）後述する表面焼入れ法と違って、形状の制限を

常の浸炭温度ではほとんど問題になることはない。

受けない。複雑形状の小型部品の大量処理が高温（1,000〜1,050℃）での浸炭にも耐える高可能である。

温浸炭用鋼などを使用することで、より迅速な浸（2）作業標準がしっかりしていれば、熟練は必要とせず量産に対応できる。

炭ができる。
（7）大型部品では焼入れ性を考慮する必要があり、（3）表面焼入れのときに起きる硬化層直下の熱影合金鋼（はだ焼用構造用合金鋼）
を使用しなけ響部の問題（調質材ではソフトゾーンができる）

ればならない。そのため、材料コストは表面焼入がない。

れに比べて高くなるのが一般的だが、品質水準（4）局部浸炭は、銅めっきなどで防炭することで可能であるが、非浸炭部に熱影響を与えないといの高いものが得られる。
以上のような特徴をもった表面処理法です。

うことは一般に困難である。

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知りたい材料・熱処理講座⑥「浸炭と窒化」

3. 浸炭量と浸炭深さ
浸炭の条件を変えることによって、表面の炭素量、合には、浸炭層は浅めに、耐圧強さが要求される場

浸炭深さを使用目的にあわせることができます。表合には深くします。

面の炭素量は、一般的には0.8〜0.9％にします。浸通常浸炭と高濃度浸炭の違いを鉄−炭素系平炭深さは主として荷重の条件によって変える必要が衡状態図で示すと、図2のようになります。

あります。つまり、耐摩耗性、耐衝撃性を主とする場

A：通常浸炭
B：高濃度浸炭
C：浸炭温度
1600

A, 1536液体＋δ

B, 0.51％

液相線（線ABCD）
溶融完了（または凝固開始）

1500
H, 0.10％1494
δ＋γ1400 δ J, 0.18％
N, 1392

液体＋黒鉛

1300

温 度［℃］

Fe3C液相線
（計算）
4.28％

液体＋γ

固相線（線AHJECF）
凝固完了（または溶融開始） 1200

2.11％

γ固溶体
（オーステナイト）

1100

E, 2.14％

1153

D

1147

F
C, 4.32％

Acm線（線SE）
セメンタイト析出

1000

A

C
A3線（線GS）
フェライト析出

液体

B

液体＋Fe3C

γ固溶体＋Fe3C（セメンタイト）

G, 911
α＋γ
キュリー点, 780

900

800

α固溶体
（フェライト）

0.69％

738
727

700

S, 0.765％α

S点＝共析点P, 0.0218％
600

K

α固溶体＋Fe3C
汎例

500

400

鋼

鉄ーFe3C平衡

Q
0

純鉄

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5
3.0
炭 素［ ％ ］

3.5

C＝2.14％を境に鋼と鋳鉄に区分される
図2

3

鉄ー黒鉛平衡鋳鉄

鉄一炭素系平衡状態図

4.0

4.5

5.0

4. 浸炭の方法
さて、浸炭についていろいろ説明してきましたが、害が問題となって、排水処理の不完全な場所では

これらの浸炭を行なう方法としては、①固体浸炭、使用できず、ほとんど実施されることはありません。

②液体浸炭、③ガス浸炭、④真空浸炭、⑤イオン浸炭などがあります。
それぞれの方法について簡単にお話ししましょう。

3）ガス浸炭法
これは最も広く利用されている浸炭法です。特徴は、大量生産、自動化が可能で、処理品表面の炭

1）固体浸炭法

素濃度を調節することができます。

処理品を浸炭箱に入れ、その周囲を浸炭剤で満使用される浸炭性ガスは、一般には天然ガス、石たしてふたをします。それから850〜950℃の温度で油ガスを一定割合の空気と混ぜて、加熱分解変成

適当な時間加熱し、冷却してから処理品をとり出しさせて作られます。このガスを吸熱形ガスと呼んでいます。浸炭剤としては、主として木炭を使用し、浸炭ます。表1に各種原料ガスから変成された吸熱型ガなどを加えます。
促進剤として炭酸バリウム（BaCO3）スの組成を示します。

浸炭処理で起こる科学反応は、次のようなものと考

浸炭温度は一般に900〜930℃とされていますが、えられます。

浸炭深さなどに応じて適当に変えています。例えば

2C＋O（空気中）
2→2CO‥木炭の表面（初期だけ）

浸炭深さを浅くするために900℃以下の温度で処理

2CO→〔C〕＋CO2‥処理品の表面したり、浸炭時間を短縮するために、1,000℃付近で

C＋CO2→2CO‥木炭の表面処理したりする例もあります。図3に浸炭温度と浸炭

浸炭箱中に存在した空気中の酸素と木炭とが反応してCOを生じ、このCOが鋼材表面で分解して生じたCは鋼材の表面に浸透拡散します。CO2は木炭深さの関係を示します。
表1

各種原料ガスにより変成されたガス組成〔％〕

表面で再びCOとなり、以下同じような反応を繰返します。この反応の繰返しによって浸炭作用が進行します。
このように固体浸炭法とはいっても、処理品と木炭の接触面での拡散によるのではありません。実際の浸炭作用はCOガスによって行われるのですから、浸炭箱中にO２がなければCOは発生しないため、浸炭作用もすすみません。

2）液体浸炭法
一般には、処理品をシアン化ナトリウム（NaCN）やシアン化カリウム（KCN）のようなアルカリ金属シアン塩の浴中に浸漬し、塩浴中のＣＮイオンが空気中のと原
CO2と反応してできる発生期の原子状炭素（C）
子状窒素（N）
を、表面から浸入させる浸炭法です。
厳密にいえば、炭素と同時に窒素も入りますから、浸炭窒化法の1つです。液体素浸炭法はカーボンポテ
ンシャルの調整ができないことのほかに、
シアンの公図3
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浸炭温度と浸炭深さ
4知りたい材料・熱処理講座⑥「浸炭と窒化」

このガス浸炭は、次のような化学反応によって行
なわれると考えられています。
2CO
CH4

体の種類、滴下量、温度によって決まります。この方→〔C〕＋CO2

CO＋H2 →〔C〕＋H2O

法の特徴としては、①変成炉を必要としないので、処理品の表面→〔C〕＋2H2→CO＋H2O

CH4＋CO2 →2CO＋2H2

ガス中5）真空浸炭真空浸炭とは、炉内の雰囲気を10kPa以下まで

CH4＋H2O →CO＋3H2

減圧して、浸炭ガスとして炭化水素系のガス（例えば処理品の表面炭素量は、処理温度とガス組成、メタン、
プロパン、エチレン、
アセチレンなど）
を直接炉

処理品の材質によって決まりますが、実際の処理過内に装入して、ガスが鋼の表面に接触して分解する、

程での表面の炭素量を管理するには、ガスの露点

活性な炭素によって浸炭する方法です。真空浸炭を測定する。赤外線分析によってガス中のCO 2を測での各種炭化水素系ガスの炭素供給の反応は、メ定する。炉内のO2分圧を測定する。あるいは直接カタンやプロパンからの直接の分解炭素ではなく、
そのーボンポテンシャルを測定するなどして、ガス組成の処理温度で分解・生成したエチレン、
アセチレンなど

調整を行ないます。

の不飽和の炭化水素からの炭素によると考えられます。

ガス組成を変えることによって、表面の炭素量を

C3H8→2CH4＋〔C〕

調整することができます。浸炭時間を短縮するために、

C3H8→C2H4＋CH4

初期にはカーボンポテンシャルの高いガス組成を使2CH4→C2H4＋2H2用してセメンタイトを生ずるような浸炭を行なって内2
2H 4→C 2H 2＋H 2）
C2H4→2〔C〕＋2H（C部への炭素の拡散を早め、その後、
カーボンポテンC2H2→2〔C〕＋H2

シャルを0.8〜0.9％にあわせることによって、表面付

これらの炭素が鋼の表面で反応して、鋼に炭素を近も正常な炭素量にする方法もとられています。こ

供給するものと思われます。

れが拡散処理といわれるものです。後で、表面のカ真空浸炭では、使用する各種炭化水素系ガスにーボンポテンシャルを下げて、最終的に希望する炭よる鋼表面での炭素供給能力は、処理する温度、素の分布にするわけです。

圧力によって多少の差異はあります。
しかし供給量4）滴下式ガス浸炭法
浸炭の機構は、
ガス浸炭とまったく同じですが、その中に滴下式ガス浸炭法というのがあります。

が十分であれば、瞬時に鋼の全表面にFe 3Cを形成し、そこから炭素が内部に向かって拡散していくと考えられます。このことから鋼表面にFe 3Cが形成さそれた直後から、Fe 3C層直下の鋼の炭素濃度は、浸炭ガスの製法で、ガス浸炭と呼ばれるものは、の鋼のその温度における飽和炭素濃度になります。

天然ガス、石油ガスを原料として、空気と混合し加熱

つまり、真空浸炭では浸炭処理中の拡散は、最分解して作るのに対して、
この滴下式といわれるも大の濃度（Acm飽和）勾配での拡散律速になります。

のは、
アルコール類やグリセリン、酢酸メチルなどの浸炭処理での浸炭時間、浸炭温度、浸炭深さの関

有機液体を直接浸炭炉内に滴下して、熱分解した係はを主ときに発生する一酸化炭素（CO）、水素（H 2 ）T
D＝k√体としたガスで浸炭する方法です。その分解反応のD:浸炭深さ〔mm〕 k:浸炭温度係数

例を示しますと、次のようになります。

T:浸炭処理時間（浸炭時間（t c ）＋CH3OH→CO＋2H2
2CO→〔C〕＋CO2
5

設備費が安価であること、②間欠操業を経済的に行なうことができる、などがあげられます。

これらの反応に伴って、次のような副反応が起こります。
H2＋CO2

このとき発生するガスの組成は、滴下する有機液〔Hr〕
拡散時間（t d））
で表わします。

真空浸炭で炭素が拡散律速の場合には、と拡散時間（ t d）
（1）同一温度では、浸炭時間（ t c ）の比が一定なら、表面の炭素濃度（Cs）は常に同じである。

傷することがありません。一般には、1,050℃程度まで問題なく常用できることも利点の1つです。
鋼を高温に保持すれば、当然真空浸炭でも結晶粒の粗大化が起こって、処理品質上の問題になる（浸炭処理時間T＝t c＋t d）

ことがあります。結晶粒の粗大化したものは、いった（2）t cとt dの比が一定であれば、全浸炭深さおよびTの間には比例関係が成り立つ。
有効浸炭深さと√という規則性があります。

ん変態点以下まで徐冷して結晶粒を微細化し、再加熱して焼入れします。
真空浸炭では、雰囲気にも使用ガスにも酸素や

表2および図4に有効浸炭深さ位置の炭素量を酸化性ガスであるCO、CO 2、H 2Oなどをまったく使用

0.3％Cとした場合の、浸炭深さと処理時間の関係と、しません。ですから、
ガス浸炭に見られるようなオース

そのときの浸炭温度係数kを示します。処理温度がテナイト結晶粒界でSi、Mn、Crなどが10〜20μmの同じ930℃でも、真空浸炭ではガス浸炭に比べて炭深さまでに酸化する、粒界酸化の現象は皆無です。

素濃度勾配が大きい分だけ温度係数が大きく、速くそのため、表面欠陥のない、機械的性質に優れた

浸炭することができます。また、浸炭温度を高くすれ浸炭処理ができ、後工程でのショットピーニングなど

ば、温度係数が大きくなり、より速く浸炭することがの改質処理が不要です。

できます。同じ浸炭深さを得るのには、処理温度を真空浸炭とガス浸炭処理品での表面付近の粒界の状況を図5に示します。また、真空浸炭とガス浸炭高くすると非常に有効です。
真空浸炭は、
ガス浸炭の場合のように、浸炭用の処理品での、曲げ疲労試験の結果を図6に示します。

ジグ類や炉内の構造物は、高温になっても酸化損
表2

各温度における有効浸炭深さの温度係数（0.3％Cの位置を有効浸炭深さとした）※※ガス浸炭の場合のkは一般によく使用される値で、当然、浸炭期のカーボンポテンシャルによって決まる値

図4

浸炭時間と深さの関係

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図5

粒界酸化の状況（左：真空浸炭、右：ガス浸炭）

図6

真空浸炭したSNCM420Hの回転曲げ疲労試験

6

知りたい材料・熱処理講座⑥「浸炭と窒化」

真空浸炭では、減圧下の加熱のために処理品の6）高濃度浸炭

温度分布がよい。処理品のすべての部分が規定

通常の浸炭処理によって得られる組織は、炭素温度に達してから浸炭を開始する。さらに、減圧下

量0.8％程度のマルテンサイト組織です。これに対しなので浸炭ガスの狭部侵入性に優れていることなどて高濃度浸炭（高炭素浸炭）は強制的に炭素量をから、浸炭深さのばらつきの少ない、均一な浸炭が多くして、マルテンサイト組織中に多量の粒状の金できるという利点があります。一般に同一浸炭品の属炭化物を析出させる方法です。この方法はI.C法

ロット内、ロット間の深さのばらつきは、高くなった部

とか、C.D法と呼ばれることもあります。硬さが高く、分から浸炭が進むため±0.2mm程度であるのに対し、強さ、耐摩耗性に優れた性質の鋼が得られます。

真空浸炭ではどの部分も同時に浸炭を開始します

高濃度浸炭された鋼には、①高い表面硬さ（＞から±0.05mm程度です。これが、実際の浸炭処理

900HV）が得られる。②耐摩耗性、耐ピッチング性時間の短縮につながるのです。

が向上する。③耐疲れ強さ、耐焼付き性が向上する、ガス浸炭では、処理品表面の炭素量と平衡する④焼もどし温度抵抗が向上する、などの特徴があり、雰囲気の浸炭能力は、ガスの組成と温度で決まりま

高速回転軸、摺動用部品、強力歯車、建設機械部

す。真空浸炭では、浸炭ガスを供給している間は表品などに積極的に利用されています。

その直下は処面にFe 3Cの薄層が形成されていて、過剰の炭素を供給して炭化物を多量に作るには、

理温度でのAcm飽和の炭素量になってその能力

浸炭時にAcm飽和炭素量以上の濃度で炭素を供で浸炭されます。規定の炭素量に達したら浸炭ガス給する必要があります。ガス浸炭では煤（すす）発の供給を止め、
真空中で処理品内部に向かってだけ、生が激しく処理は困難でしたが、真空浸炭の方法

炭素の拡散が行なわれ、深さと表面の炭素濃度をを利用することで、容易に高濃度の炭素を供給でき調整します。浸炭深さは温度と時間だけで決まります。

るようになりました。通常の浸炭鋼（SCM420）に高炭素濃度分布の調整例を図7に示します。

濃度浸炭処理をした組織を図8に示します。

真空浸炭には、以上のような品質上の利点のほ
かに、（1）真空中での処理で、エネルギー効果が高い。
（2）二酸化炭素を排出しない。
（3）火災、爆発の危険が皆無で、完全無人化操業ができる。
などの特徴もあります。

図77炭素濃度分布の調整

図8

高濃度浸炭例SCM4207）イオン浸炭（3）
グロー放電時だけ浸炭が進行するので、浸炭層

イオン浸炭の原理は、次のようなものです。まず、の深さ、表面炭素量の制御が容易である。

処理品を加熱室に入れ、炭化水素ガス系（主としてこの方法では、処理品を加熱室内に適切に配置し、プロパンガス使用）の減圧下で加熱しながら、処理

1〜0.1Paまで排気して900℃以上の処理温度に加品を陰極とし、電極を陽極とした間に、直流高電圧熱します。均熱後に微量の炭化水素ガスを導入し、を加えてグロー放電を起こさせます。このときに発生

10〜100Paで、処理品と電極の間に数100ボルトのする炭素イオンを、処理品付近の強い電位勾配を

直流電圧を加えてグロー放電させ、浸炭させます。

利用して浸炭を行なうものです。

ただ、現状ではバッチ式の真空炉を使用するため、この方法で処理すると、次のような利点があります。
（1）処理品の全表面に均一に浸炭できる。

大量生産には不向きであると同時に、設備費が高くなるという難点をもち合わせています。

（2）普通浸炭温度（900℃付近）で、ガス浸炭に比
べて50％の時間短縮が可能である。

5. 浸炭窒化
浸炭窒化というのは、炭素と同時に窒素も侵入さけて焼入れ性がよくなり、合金鋼でなくても炭素鋼せるもので、
シアン化合物を使用する液体浸炭も、で十分な硬さが得られるという特徴を持っています。

本質的には同じものです。代表的なガス浸炭窒化

しかし、処理温度によっては表面の炭素、窒素量がについて少し説明しておきます。

急に増して、焼入れによって硬化しない化合物層を添加し、鋼
浸炭性ガスにアンモニアガス（NH 3）が生成されます。また、処理炉に用いられている耐の表面から炭素と窒素を同時に侵入させる方法です。

熱鋼製のトレー、
コンベヤ、発熱体保護管なども浸炭

この方法は浸炭に比べて低温処理ができますから、窒化されてしまい、
さらにガス浸炭に比べて寿命が

熱処理ひずみが少なく、また、侵入窒素の影響を受短いという欠点もあります。

6. 窒化とその特徴
一般に窒化と呼ばれているものには、鋼の表面く長く（場合によっては150時間も）することが必から窒素だけを浸透させる純窒化と、処理温度はほ要であるが、処理による変形は変態を伴わないた

とんど同じですが、窒素と炭素を同時に浸透させる

めに、浸炭、表面焼入れなどよりもずっと小さい。

軟窒化といわれるものの2種類があります。窒化は（5）作業環境は良好で、作業者は熟練を必要としない。

次のような特徴をもっています。

（6）処理品形状の制限がなく、複雑形状の小物部（1）鋼の表面が1,000〜2,000HVくらいになり、浸炭に比べて低荷重の場所に使用される場合には高い耐摩耗性に富む。
（2）表面に大きな圧縮応力が残留し、耐疲れ性を増す。
（3）耐食性を向上させる。

品などの大量処理も十分に可能である。
（7）処理温度が530〜570℃程度であるから、調質鋼、高速度工具鋼、熱間ダイス鋼などでは、内部硬さをそのまま保持できる。
などがあげられます。

（4）処理温度が変態点以下のため、処理時間を著し
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知りたい材料・熱処理講座⑥「浸炭と窒化」

7. 窒化の方法
一般に行なわれる窒化の処理法としては、次のようなものがあります。
アンモニアガスによるガス窒化法。ナトリウム、またはカリウムのシアン化塩、
および、
シアン酸塩を使う塩浴窒化法。アンモニアガスと一酸化炭素を含む還処理温度と窒化層

元性ガスを使うガス軟窒化法。低真空中で窒素ガス

ガスが鉄と一緒に加熱されますと、鉄の触媒作用に単体、または、窒素ガスと微量の炭化水素系ガスのよって解離が促進されます。

混合ガスを使ってグロー放電させ、窒化または軟窒化するイオン窒化法などがあります。
しかし、
これらの
処理法の中で、塩浴窒化法は、公害などの問題から使用されなくなってきています。
処理される材料によって、次の目的で窒化が行な

2）塩浴窒化法
塩浴窒化法は、ナトリウム、または、カリウムのシアン化塩およびシアン酸塩を主成分とする塩浴を、
500〜600℃に保ち、処理品をその中に浸漬して、処われています。

理を行ないます。塩浴法では、ガス法に比べて境界（1）工具鋼・ステンレス鋼 ･･･････耐摩耗性の向上

窒素濃度が高いために、ふつう数分から数時間の（2）窒化鋼･･････････････････耐摩耗性の向上

短い時間で、処理を行なうことができます。

（3）
構造用鋼････････疲れ強さ、耐摩耗性の向上

しかし最近では、
シアン（ＣＮ）による公害が大きなではそれぞれの窒化法についてお話しましょう。

問題となって、完全な終末末端処理設備をもってい

1）ガス窒化法
古くから行なわれているアンモニアガスによる窒ない限り、使用できなくなっています。

3）ガス軟窒化法化法です。アンモニアガスは、炉内に入ると熱分解

ガス軟窒化法は、塩浴窒化法と同様に炭素と窒して水素と発生期の窒素になります。この原子状窒素を同時に侵入させるものです。その方法として塩素によって窒化が進行するとされています。アンモ浴ではなく、窒素を供給するアンモニアガスと、炭素

ニアガスの分解度は、ふつう20〜30％が適当とされを供給する浸炭性ガスを用います。

ていて、窒化によって得られる最高硬さは材質によ

このうち、浸炭性ガスとしては一般のガス浸炭にって違いますが、窒化鋼で1,000HV以上の硬さが使用される吸熱形ガスを用いる方法と、有機液体を得られます。

熱分解して得られるＣＯ＋Ｈ2組成のガスを用いるもアンモニアガスによる窒化方法として二段窒化法のとがあります。この浸炭性ガスの違いは、単に供があります。この方法は第一段階では窒化硬さを著

給ガスの違いであって、処理品の品質はまったく同

しく高める500〜525℃で行ない、第二段階は550〜一です。ですから、吸熱形ガス発生装置をもってい570℃で行なって、窒化硬さは低下しますが、窒化る場合は、それを使用してガス軟窒化を行なえばよ

層を増大させます。処理温度と窒化層の硬さ、厚さ

いし、
この発生装置がないときには、有機液体を使を図9に示します。

用すれば、ガス軟窒化ができます。

アンモニアガスが窒化処理温度で「2ＮＨ3→2Ｎ＋塩浴窒化と比べますと、
ガス軟窒化は次の長所

3Ｈ2」のように解離して、発生期の窒素が鋼表面にを持っています。

吸着され、内部に拡散して窒化層が形成されます。

（1）
シアンの出ない無公害表面処理設備である。

しかし、鉄を分子状の窒素ガス中で加熱しても窒化（2）
ガス雰囲気のため、炉気管理が容易で、安定し現象は起きず、
また、
アンモニアガスを石英管中で加熱しても、ほとんど解離しません。
しかし、
アンモニア
9

図9

た品質のものが得られる。
（3）連続処理によって、コスト低減を図ることができる。

4）イオン窒化法

炭素を同時浸透させる軟窒化についても、窒素

イオン窒化法の原理と方法は、
次のようなものです。
まず1〜0.1Pa程度まで真空にした後で、炉内に窒素と水素の混合ガスを導入し、炉内圧を処理条件にあわせて100〜1,000Pa程度にコントロールします。
この中で炉体を陽極とし、処理品を陰極として、

ガスのほかに、メタン、
プロパンなど、炭化水素系のガスを混合導入することによって可能です。

5）イオン窒化の特徴
イオン窒化の特徴としては、ほかの軟窒化処理法

両者間に数100ボルトの直流電圧を加えてグロー放と比較しますと、次のようなことがあげられます。

電を発生させることにより、イオン化した窒素を加速（1）
ガスまたは塩浴による窒化と大きく違って、化学して、高速度で処理品に衝突させます。

反応作用により発生期の窒素を供給するもの

このとき、イオンのもつ高運動エネルギーは熱エネ

ではないので、シアン化ナトリウムまたはアンモニ

ルギーに変換し、処理品を加熱するだけでなく、一アガスを必要としない。窒素ガスだけで窒化する部はカソードスパッタリングを起こして、その表面からことができるため、
まったく無公害であり、汚水も電子および原子が飛び出します。たたき出された鉄排出せず、特別の対策を講じる必要がない。

原子は、電子によって生成した原子状窒素と結合（2）窒素ポテンシャルが高いので、窒化層を短時間して、窒化鉄FeNを形成します。FeNは表面上に蒸で生成できる。また、低温処理が可能である。

着します。高温とイオン衝撃のために、窒化物FeN（3）加熱はグロー放電であるため、特別の加熱装置は速やかに次の低位の窒化物に分解し、窒素を放出して、一部はプラズマのガス中にもどります。このを必要としない。
（4）処理品だけが加熱されるため、ほかの炉のように炉全体を加熱する必要がなく、電力消費も少関係を図10に示します。

なくてすみ、
昇温および保温設備を必要としない。
（5）発生期窒素をつくるための反応炉を必要としない。
（6）窒化防止は、めっきや窒化防止剤塗布などの作業を必要とせず、軟鋼板のケースでカバーするだけで防止することができる。
（7）窒化層の最表面層の状態をコントロールすることができる。
（8）
ガス圧は、大気圧の1/100程度であり、ガス消費量が非常に少ない。
（9）火災、爆発の心配がまったくない。
イオンの衝撃力によって、処理品の表面原子が（10）スパッタリングで除去され、常に新しい面が確保され、ステンレス鋼なども容易に窒化することができる。
図10 イオン窒化の原理図

炉内へ導入する窒素ガス、および、水素ガスの分圧比、処理温度は、処理品の材質や必要表面層の（11）グロー放電を確保しなければならないので、処理品の装入密度に限度があり、大量処理には工夫を要する。

状態にあわせてコントロールします。温度は熱電対、または、赤外線温度計によって測定し、印加電圧を調整して一定温度にコントロールします。
NACHI-BUSINESS news

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8. おわりに今回をもちまして、6回にわたって紹介しました「知りたい材料・熱処理講座」を終了致します。
ここで紹介しました材料・熱処理技術は、NACHI
商品の基盤技術として長い間に多くの関係者により構築されてきており、その集大成が著書「新・知りたい熱処理」（ジャパンマシニスト社）に集約されています。
（今回もその中からの引用があります）
この講座に対し、各所から材料・熱処理に関してわかりやすい資料であったとの好評も得ており、今後も何かの機会に活用してもらえれば幸いです。また、
これからも世の中の環境変化に対応した講座の執筆に努めてまいりたいと考えています。

用語解説

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※1 異常組織

1）浅田泰弘：知りたい材料・熱処理①「材料を強くする熱処理」
NACHI-BUSINESS news Vol.4 D1、August／2004

鋼を浸炭した場合、正常な過共析鋼組織は、初析セメンタイトが粒界に網状に析出し、地質は層状にパーライト組織であるが、ときにはセメンタイトが太く、その周囲にフェライトが幅広く存在することがある。この組織を異常組織という。異常組織の鋼を焼入れしても、フェライト部はマルテンサイトにならず、硬くならない。

2）河口誠司：知りたい材料・熱処理講座②「硬さと粘り強さをあたえる焼入れ焼もどし」
NACHI-BUSINESS news Vol.5 D1、November／2004
3）河口誠司：知りたい材料・熱処理講座③「熱処理にまつわる問題点・トラブルとその防止策」
NACHI-BUSINESS news Vol.6 D1、February／2005
4）吉田 直純・天野 宏地：知りたい材料・熱処理講座④「使用目的を考えた熱処理の選び方」
NACHI-BUSINESS news Vol.7 D2、May／2005
5）吉田 直純・天野 宏地：知りたい材料・熱処理講座⑤「使用目的と熱処理を考えた材料の選び方」
NACHI-BUSINESS news Vol.8 D1、August／2005〈注記〉
本稿は、不二越熱処理研究会著｢新・知りたい熱処理｣ジャパンマシニスト社を引用しています。

NACHI-BUSINESS news
Vol.9 D1 November / 2005

〈発行〉 2005年11月20日
株式会社 不二越 開発本部 開発企画部
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