窒化とは何ですか？

窒化の基礎

窒化は、窒素を金属の表面に拡散させて肌硬化した表面を作成する熱処理プロセスです。 添加された窒素は、コアの冶金学的特性に大きな影響を与えることなく、硬度と耐摩耗性を向上させます。 窒化中、金属は窒素に富んだ雰囲気中で 500 ～ 550°C に加熱されます。 窒素は表面に最大 0.5 mm の深さまで拡散し、アルミニウム、バナジウム、クロムなどの合金元素と反応して硬質窒化物を形成します。 これらの窒化物は表面硬度を最大 1300 HV まで高め、耐摩耗性と耐腐食性を向上させます。

窒化処理の目的

窒化は、いくつかの重要な目的で金属の表面特性を改善するために使用されます。

表面硬度を上げる

窒化の主な目的は、金属の表面硬度を高めることです。 添加された窒素は合金元素と反応して硬質窒化物化合物を形成します。 この拡散層により硬度が 1300 HV まで高まり、耐摩耗性と耐荷重性が向上します。

疲労強度の向上

窒化によって硬化した硬化層深さにより、ギアやシャフトなどの部品の疲労強度が向上します。 窒化ケース内に形成される圧縮応力により、亀裂の発生と伝播に対する耐性が向上します。

耐食性の向上

窒化により、XNUMX つの方法で耐食性が向上します。 まず、窒化物化合物は非常に安定で不活性です。 第二に、窒化によって形成される層の深さにより、表面層が摩耗してもコア材料は影響を受けません。

最小限の歪み

焼き入れ硬化法とは異なり、窒化では部品を急速に冷却する必要がありません。 そのため、窒化処理による歪みや残留応力が非常に少なく、高精度部品に適しています。 窒化による寸​​法変化は無視できます。

窒化処理の種類

産業で使用される窒化プロセスには、いくつかの主な方法とバリエーションがあります。

• ガス窒化– ガス窒化では、窒素源は窒素と水素に解離したアンモニアガスから得られます。 アンモニアガスは純粋な窒素ガスよりも安価です。 コンポーネントは、アンモニア流量が制御された密閉レトルト内で 500 ～ 590°C に加熱されます。
• プラズマ窒化- プラズマ窒化では、高電圧電源によって発生するプラズマ放電を利用して活性化された窒素イオンを生成します。 これにより、350 ～ 590°C の低温でのより速い拡散が可能になります。 プラズマ窒化により、浸漬深さを正確に制御できます。
• 塩浴窒化- 塩浴窒化では、窒素源は NaCN などのシアン化物塩の解離から得られます。 部品は、580 ～ 590°C に維持された溶融シアン化物塩浴に浸されます。 塩浴窒化は、最大 1500 HV までの非常に高い表面硬度を達成できます。
• 流動層窒化- 流動層窒化では、ガス流によって流動化されたアルミナ粉末の層内でアンモニアガスが解離します。 この方法により、処理中の優れた温度均一性が得られます。
• その他のバリエーション- 他のバリエーションには、炭素を添加して炭窒化物を形成する軟窒化、黒色酸化層を形成する後酸化、および 350 ～ 380°C の低温窒化が含まれます。 プラズマ軟窒化などのハイブリッドプロセスも使用されます。

窒化に適した材質

窒化は、さまざまな鉄合金および非鉄合金に適用できます。

低炭素鋼

炭素含有量が 0.25% 未満の低合金鋼は、表面硬度と耐摩耗性を高めるために窒化されるのが一般的です。 炭素含有量が低いため、不安定な窒化鉄の生成が減少します。 一般的な例には、1018、4140、および 4340 鋼が含まれます。

工具鋼

H13、P20、D2 などの工具鋼は、高い焼入れ性と合金含有量により窒化に最適です。 窒化により、熱間または冷間加工用途の工具の硬度、強度、寿命が向上します。

ステンレス鋼

410、416、420、17-4PH などのマルテンサイト系ステンレス鋼や析出硬化型ステンレス鋼は、効果的に窒化して耐摩耗性と耐食性を向上させることができます。 1000～1400HVの表面硬度を達成できます。

アルミニウム合金

シリコンとマグネシウムを含む特定のアルミニウム合金は、軟窒化と呼ばれるプロセスを通じて窒化できます。 これにより、窒素と炭素が同時に合金内に拡散します。

チタン合金

Ti-6Al-4V などのチタン合金はプラズマ法で窒化できます。 これにより、コアの延性や破壊靭性に影響を与えることなく、高硬度の保護表面層が形成されます。

その他の合金

ニッケル基超合金、工具鋼、コバルト合金などの他の材料も窒化できます。 窒化物を安定化するために十分な合金添加物を含む鉄合金と非鉄合金の両方に利点があります。

窒化処理用の設備と消耗品

窒化プロセスでは、特殊な炉、ガス供給、温度監視装置が使用されます。

• 窒化炉
  • 気密レトルトと断熱材を備えたボックス型またはキャビネット型の炉で、最大 1000°F (590°C) までのガス窒化およびプラズマ窒化が可能です。
  • 約 1100°F (590°C) で塩浴窒化を行う溶融塩浴炉。
  • 流動床窒化用の多孔質セラミック媒体を含む流動床炉。
• 窒素ガス
  • ガス窒化の原料となる高純度窒素ガス。
  • 窒素と水素に分解してガス窒化するアンモニアガス。
• 直流安定化電源
  • プラズマ窒化用に最大 1000 V の DC 電源と 10,000 アンペアを超える定格電流を供給します。
• 温度モニタリング
  • 炉の温度均一性を監視する熱電対。
  • 部品の表面温度を測定するための高温計。
• 消耗品
  • 塩浴窒化用のシアン化物塩。
  • 流動層窒化用アルミナ粉末。
  • 焼き入れ油、洗浄液、工具、治具など

再現性のある硬化深さと特性を達成するには、窒化雰囲気、温度、および時間を制御するために適切な装置が不可欠です。

窒化処理

一般的な窒化プロセスの主な手順は次のとおりです。

1. クリーニング
   1. 脱脂、アルカリ洗浄、または酸洗により、コンポーネントの表面から汚れ、油、グリース、酸化物、その他の汚染物質を除去します。
2. ローディング
   1. 汚染を避け、適切な露出を確保するために、コンポーネントを治具またはバスケットに慎重にロードします。
3. 加熱保持
   1. 窒化温度に達するまで、400 ～ 800°F/hr (220 ～ 440°C/hr) の速度で加熱します。
   2. ワークピースが熱平衡に達するまで窒化温度に保持します。
4. 窒化
   1. 浸漬深さを達成するために必要な時間、ワークピースを窒化温度で窒素が豊富な環境にさらします。
   2. アンモニアガスは窒素と水素に分解されます。 プラズマは窒素イオンを生成します。 シアン化物塩は窒素を放出します。
5. 1. 油中などで急冷し、窒化組織を保持します。 一部のプロセスでは必要ありません。
6. 荷降ろしと清掃
   1. ワークピースを降ろし、洗浄によって焼き入れ油や塩の残留物を除去します。
   2. 研削や研磨などの後処理を行ってください。

望ましい硬化深さを取得し、歪みを最小限に抑え、窒化物相の形成を確実にするには、慎重なプロセス制御が必要です。

窒化処理の産業応用

機械部品における窒化の一般的な工業用途には次のようなものがあります。

ギア

窒化合金鋼ギヤは表面硬度が高く、疲労強度が高くなります。 トランスミッションギヤ、カムギヤ、リングギヤなどに使用されます。

ベアリング

軸受レース、転動体、軸受表面を窒化することにより、繰り返し荷重下での耐摩耗性と耐久性が向上します。

クランクシャフト

窒化処理により、クランクシャフトのフィレットとジャーナルの疲労強度が向上します。 自動車や船舶のエンジンに使用されます。

ピストンズ

窒化鋳造アルミニウムピストンにより、シリンダー壁に対する耐スカッフィング性と耐凝着摩耗性が向上します。

バルブ

窒化されたバルブフェイスとステムにより、内燃エンジンの吸気バルブと排気バルブの摩耗が改善されます。

切削工具

窒化処理されたコーティングされた高速度鋼および超硬切削工具は、より優れた金属除去率と寿命を実現します。

金型

鋳造、鍛造、プレス用の窒化工具鋼の金型と金型は、耐久性と性能が向上します。

その他の用途

圧力容器、シャフト、シリンダー、カム、ファスナー、アクチュエーター、流体動力コンポーネントによく見られます。

表面硬度、耐摩耗性、疲労強度、耐食性が向上するため、窒化は重要な機械部品に最適です。

ジュエリーやアクセサリーの窒化

窒化処理は工業用途ほど一般的ではありませんが、ジュエリーやファッション アクセサリーにおいてニッチな用途がいくつかあります。

改善された表面仕上げ

窒化処理により、指輪、ブレスレット、時計ケースなどの宝飾品の金属部品に滑らかで均一な表面仕上げを施すことができます。 これにより、二次研磨の必要性が軽減されます。

耐食性の向上

窒化層は、指輪、ブレスレット、チェーン、金属製の時計ストラップなど、湿気にさらされる宝飾品の耐食性を向上させます。

装飾黒色コーティング

ステンレス鋼またはチタンを窒化することによりエッチングされた表面を選択的に黒くすることで、ジュエリーに装飾的なパターンやアクセントを与えることができます。

硬化した表面

表面硬化により、メンズリングや金属時計バンドなどの頻繁に使用される宝飾品の耐摩耗性が向上します。

コスト削減

特定の金属では、窒化によりメッキや PVD ​​コーティングよりも低コストで性能上の利点が得られる場合があります。

顧客の認識

一部の高級ブランドでは、技術と表面仕上げの利点を認識して窒化処理を使用しています。

窒化処理は製造業ほど普及していませんが、一部のジュエリー用途に機能的および美的利点をもたらします。 宝飾金属の外観を維持するには、適切な管理が必要です。

他の表面硬化処理との比較

窒化処理は、他の一般的な表面硬化プロセスとはいくつかの点で異なります。

浸炭

浸炭では、窒素ではなく炭素が鋼の表面に拡散します。 これにより、より硬いが安定性の低いマルテンサイトケースが生成されます。 窒化処理により耐食性が向上します。

ニトロ炭化

軟窒化処理では、窒素と炭素の両方を同時に添加します。 炭窒化物ケースを組み合わせると、どちらか単独よりも利点が得られます。

高周波焼入れ

高周波焼入れは、電磁誘導によって表面を急速に加熱し急冷します。 窒化処理により、ケース深さがより深くなり、歪みが少なくなります。

火炎硬化

火炎硬化では、酸素燃料トーチは急冷する前に表面を急速に加熱します。 窒化により、複雑な形状をより効果的に硬化できます。

硬質膜の堆積

PVD、CVD、溶射コーティングなどの硬質膜堆積技術により、表面に薄いセラミック コーティングが堆積されます。 窒化により基板金属自体に窒素が拡散し、密着性と耐疲労性が向上します。 ただし、コーティングにより、絶縁性や高温耐性などの追加の利点が得られます。