窒化処理 ガス窒化 金属表面処理 表面硬化処理 量産部品から大型部品の窒化処理も対応いたします。

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窒化処理とは


1)窒化処理とは

窒化処理とは熱処理における表面硬化法の一つとして分類されます。鋼の表面から拡散侵入した窒素が様々な金属 元素と化合し、硬い窒化物を形成して鋼の表面を硬くする処理です。 窒化処理の目的は、耐磨耗性、耐疲労性、耐腐食性、耐熱性の向上です。 窒化しやすい特殊鋼で一番ポピュラーなのはAl、Cr、Moを含むSACM645(通称:窒化鋼)です。 他にはクロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼などが窒化に適しています。

表面硬化処理法についてはこちらから


2)表面硬度と硬化層深さ

【表面硬度】
 処理前 Hv300(母材硬さ) → 処理後 Hv1,000〜1,100
 ※Hv(マイクロビッカース)は硬度の単位です。因みに、 爪 Hv70〜120、
 10円硬貨 Hv150〜180、釘・ナイフ Hv670〜700、石英 Hv1,100、トパーズ Hv1,650、
 ダイヤモンド Hv5,000以上 です。

【窒化層深さ】
 0.6〜0.8mm(硬度は最表面から緩やかに低下し、0.6mm〜0.8mmの深さで母材の硬さに到達。)

窒化鋼の硬さ推移曲線についてはこちらから

※SACM645の場合

3)窒化技術のおこり

熱処理法は、近代に入ると急速に進歩していきました。工業化社会が進展するのに伴い、鋼の使用量も増大し、鋼に対する多様なニーズによって、様々な処理法が開発されていくことになりました。
1923(大正12)年、ドイツのアドルフ・フライ博士がアルミニウム、あるいはクロムなどを含んだ窒化鋼をアンモニア気中で約500℃で加熱したところ、その表面に極めて硬い窒化層ができることを発見し、鋼を高温加熱することなく表面硬化を実現する技術を手に入れました。これが窒化法の始まりです。以後、窒化処理は、第二次世界大戦を経て世界に広まりました。
一説によると、窒化の生みの親であるフライ博士は、第一次世界大戦などの戦場で使用されていた大砲に疑問を持ったことから窒化法を発見したといいます。すなわち、いくら大砲を撃っても、砲身の内壁が減らないことに注目し、大砲を撃つと爆発によって出てくる砲弾の摩擦熱と硝煙が結びついて砲身の内壁表面を硬くするのではないかと仮定。それを基に窒化法を考案したといわれています。戦前、わが国においては、窒化処理は大砲の砲身など軍事利用に密かに使われていたものと思われます。ちなみに、当時最高峰の戦艦として建造されていた戦艦「大和」の砲身も、窒化技術によって作られたといわれています。

4)窒化処理工程
窒化処理は主に以下のような手順で行われます。 

窒化処理装置の概要図についてはこちらから

素材から窒化処理までの熱処理加工工程についてはこちらから


 
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電気炉の中の処理対象部品の入った窒化ケースにアンモニアガス(NH3)を投入し、 500〜550℃に熱する。

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アンモニアガスから乖離した原子状の窒素(N)が鋼の表面から内部に拡散侵入する。

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鋼内部に存在するアルミニウム(Al)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)などの元素と窒素が結びついて硬い窒化物からなる窒化層を形成する。

 

5)ガス窒化処理の特徴

 
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熱処理変形が少なく、研磨を稀少に抑えることが可能。研磨しないで使用できることが多い。

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窒化によって生ずる寸法の太りが、片面につき0.02mm程度生じる。

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表面硬さ、硬化深さは鋼の種類によって異なる。

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表面硬さが窒化鋼の場合、マイクロビッカース1,000以上で浸炭、高周波焼き入れのMv800程度に比較して非常に高い。

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窒化する場合、一般的にCr, Al, Mo等の合金元素を必要とする。

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耐摩耗性が高く、使用温度500℃まで硬度低下ほとんどない。

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塩水、湿気、アルカリ、燃焼生成物さらに550℃程度までの過熱蒸気に対して、十分な耐食性を持つ。

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材料の耐疲労性を向上させる。特に窒化層が持つ高い圧縮残留応力は切欠部の耐疲労性を著しく向上させる。

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摺動部での相手材とのかじりが発生しにくい。

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窒素化合物の生成する材料表面よりも、さらに芯部まで窒素は広く拡散して素材の耐疲労性を上げるので、耐圧力が大きい。

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ガスが届く範囲であれば硬化することが可能で、小間隙の処理や内径の処理が容易である。

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ガス窒化は比較的低温処理なので大型の処理炉製作が可能であり、大型部品の処理ができる。

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ガス窒化は環境面・安全衛生面で問題が少ない。

 

 
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