鋼の窒化処理 – プロセス、窒化層、特性、および用途

鋼の窒化 これは、材料の表面層を窒素で飽和させる熱化学処理プロセスです。適切な活性形態で表面に供給された窒素は、拡散によって鋼の内部深くまで浸透し、窒素に対する高い親和性を示す鉄や合金元素と相互作用します。
その結果、特性 窒化層その微細構造と特性は、コア材とは異なる。適切な鋼材を選別することで、非常に高い表面硬度、耐摩耗性の向上、そして部品の摩擦特性および疲労特性の好ましい形状化が可能となる。
窒化処理の最も重要な特徴の一つは、鋼のオーステナイト化処理と、窒化処理直後の急速硬化処理が不要になることです。これにより、表面硬化を利用する多くの技術に比べて、寸法変化や変形を小さく抑えることができます。

鋼の窒化処理とは何ですか？

窒化処理は拡散プロセスです。このプロセスでは、部品の表面に活性窒素の供給、表面への吸着、そしてその後の材料内部への拡散を可能にする条件を作り出します。
このプロセスは次のように簡略化できます。

窒素源 → 表面活性化 → 窒素浸透 → 拡散 → 窒化物形成 → 窒化層

従来の焼入れとは異なり、窒化処理ではオーステナイトの形成とその後のマルテンサイトへの変態は伴いません。焼入れのメカニズムは主に、固溶体中の窒素の存在と、窒化鉄および合金元素の非常に微細な析出物の形成に関連しています。

鋼の窒化機構

処理メカニズムは使用する技術によって異なります。ガス窒化では、窒素源としてアンモニアが最もよく用いられますが、プラズマ窒化では、表面が窒素を含むプラズマの活性成分と相互作用します。
従来のガス窒化処理では、アンモニアの解離、窒素の吸着、そして材料内部への浸透といったプロセスが鋼材表面で起こる。その後、一部の窒素は鋼材内部に拡散する。
簡略化された技術的表記では、アンモニアの分解は次のように表すことができます。

2NH₃ ⇌ ₂ [N] + _3H₂

この表記における記号[N]は、表面プロセスに利用可能な窒素を表します。表面反応と窒素輸送の実際のメカニズムはより複雑であるため、「Fe + N → FeN」のような単純な式は、窒化プロセスの完全な説明とはみなすべきではありません。

窒素は鋼鉄内部に入るとどうなるのか？

材料に組み込まれた窒素は、溶液中に存在し、適切な相や沈殿物の形成に関与することができます。窒素に対する親和性が高い元素、例えば、 CHROM, バナジウム アルミニウムで。
鋼の化学組成やプロセスパラメータによっては、非常に微細な合金窒化物析出物が形成されることがある。これらの析出物の存在は、拡散層を著しく強化する可能性がある。
したがって、窒化処理用に特別に設計された鋼材には、非常に硬く安定した層を得ることを可能にする元素が含まれている。

窒化層の構造

窒化処理中に形成される層は、その深さ全体にわたって均一ではありません。一般的に、以下の特徴が見られます。

結合層 → 拡散層 → コア

ユニオン層 ― いわゆるホワイト層

窒化層の最外層は、 ユニオンレイヤー金属組織学においては「白色層」とも呼ばれる。この名称は、適切に処理された金属組織標本上での白色層の外観に由来する。
この層には、とりわけ以下のものが含まれる可能性があります。

• γ′相 – Fe₄N,
• ε相 – Fe_2-3N.

個々の相の割合と化合物層の厚さは、窒化電位、温度、処理時間、雰囲気組成、および基板材料によって決まる。
化合物層は、良好な摩擦特性と特定の種類の摩耗に対する耐性をもたらすが、厚すぎたり構造が不十分だったりすると、亀裂や欠けが生じやすくなる。したがって、この技術の目標は、必ずしも可能な限り厚い化合物層を形成することではない。

拡散層

化合物層の下には拡散層が存在する。この領域では、表面からの距離が大きくなるにつれて窒素含有量が徐々に減少する。

合金鋼では、窒素は窒素に対する親和性が高い元素と微細な析出物を形成することがある。これらの析出物は、拡散層の高い硬度を実現する上で極めて重要である。

拡散層は特に以下の点で重要です。

• 表面硬度、
• 耐摩耗性、
• 材料内部の硬度分布、
• 残留応力の状態、
• 変動荷重下における要素の挙動。

窒化層における窒素および硬度プロファイル

窒素含有量は、層全体の深さにわたって均一ではない。最も濃度が高いのは表面付近で、中心部に向かうにつれて減少する。
硬度分布は類似している。鋼種や層構造にもよるが、表面領域では非常に高い硬度を示し、その後徐々に低下して芯材の硬度に対応する値となる。
したがって、窒化元素を評価する際には、単一の表面硬度値だけでなく、 表面からの距離の関数としての微小硬度プロファイル.

鋼の窒化温度

窒化処理は、鋼のオーステナイト化温度範囲よりも低い温度で行われます。正確な温度は、使用する処理方法、材料の種類、および必要な層の構造と深さによって異なります。
工業的な実務では、多くの鋼の窒化処理は、およそ 400-600°Cしかし、これはすべての窒化技術に共通する普遍的な限界ではない。
温度は拡散に大きな影響を与える。温度を上げると材料内部の窒素輸送が促進されるだけでなく、析出過程、微細構造、および基板の特性にも影響を与える。
したがって、パラメータは以下のように選択する必要があります。

温度 + 時間 + 窒素活性 + 鋼の組成 + 必要層数

窒化時間

窒化処理は拡散プロセスであるため、層の深さを決定する上で時間が非常に重要となります。技術や要件によって、処理時間は比較的短いサイクルから数時間、深い層が必要な場合はさらに長くなる場合もあります。
「時間数＝特定の深さ」という普遍的な関係は存在しません。なぜなら、層の成長速度は、温度、物質の化学組成、微細構造、大気活動など、さまざまな要因に依存するからです。
このプロセスは拡散的な性質を持つため、時間を長くしても層の深さが直線的に増加するわけではありません。

ガス窒化

ガス窒化 これは、古典的な工業用窒化処理方法の一つです。部品を炉に入れ、アンモニアを含む制御された雰囲気を作り出します。
表面で窒素供給につながるプロセスが起こり、それが材料内部に拡散していく。
温度、時間、大気組成、アンモニア解離度を制御することで、以下の点に影響を与えることができます。

• 窒素飽和速度論、
• 労働組合層の構築、
• 拡散層の深さ、
• 硬度プロファイル、
• 最終的な表面特性。

窒化ポテンシャル

現代のガス窒化制御において重要なパラメータは 窒化ポテンシャルこれは、大気が地表に窒素を供給する能力を説明するものであり、層内の個々の相の形成をより意識的に制御することを可能にする。
窒化電位を制御することで、化合物層の無秩序な成長を抑制し、技術的な要求に応じてその構造を成形することが可能になります。

ガス窒化の利点

• よく知られた産業技術、
• 複数の要素を同時に処理する能力、
• 大気の組成を制御する能力、
• 適切なプロセス制御により、良好な再現性が得られます。
• 比較的深い拡散層が得られる可能性。

ガス窒化の限界

• より深い層には長い時間が必要で、
• プロセス雰囲気の制御の必要性、
• 過剰または望ましくない結合層の形成の可能性、
• アンモニアを使用する設備を安全に運転する必要性。

プラズマ窒化 – イオン窒化

プラズマ窒化イオン窒化とも呼ばれるこの方法は、減圧されたガス中でグロー放電を利用する。加工対象物は電気系統の一部であり、発生したプラズマには表面と相互作用する活性成分が含まれている。
表面で起こるプロセスには、イオン照射、表面の活性化と洗浄、窒化層の形成を可能にする窒素の供給などが含まれる。

プラズマ窒化の利点

• レイヤーの特性を制御する優れた能力、
• 労働組合層を制限または制御する能力、
• 窒化処理されない表面を選択的に保護できる可能性、
• プラズマ相互作用による表面活性化
• 多くの要求の厳しい工具や機械用途に使用できます。

プラズマ窒化の限界

• より複雑な技術機器、
• 放電および大気パラメータを制御する必要性、
• プロセスは、詳細な形状と電界分布に対して感度が高く、
• エッジ効果の可能性、
• 要素の適切な準備と配置の必要性。

液体窒化

窒化処理は、液体塩浴でも行うことができる。技術や浴組成によっては、表面が窒素で飽和状態になる場合もあれば、窒素と炭素が同時に反応する場合もある。
このため、窒化の古典的な概念とプロセスとを区別する必要がある。 窒化炭化 塩浴を用いたその他の熱化学処理。

入浴プロセスの利点

• 地表への激しい環境影響、
• 特定の技術では比較的迅速なレイヤー作成が可能で、
• 浴槽が要素のアクセス可能な表面に均一な影響を与える。

入浴プロセスの限界

• 化学物質の安全要件、
• 浴槽の組成を制御する必要性、
• 廃棄物管理要件、
• 環境規制は、使用される技術と塩の組成によって異なる。

窒化および窒化炭化

窒化処理 i 窒化炭化 これらは同一の概念ではありません。窒化処理では、層に導入される基本元素は窒素です。窒化炭化処理では、表面は主に窒素で飽和され、同時に炭素が添加されます。
雰囲気や浴の組成の違いは、化合物層の構造、プロセス速度、および表面特性に影響を与える。したがって、これらの技術は互換性があると考えるべきではない。

窒化に影響を与えるパラメータ

鋼の化学組成が窒化に及ぼす影響

すべての鋼材が同じように窒化処理に反応するわけではない。特に、安定した窒化物を形成する元素が重要となる。

クロム – Cr

クロムは窒素との親和性が高く、析出物の形成に関与することで、窒化層の強化に貢献する。そのため、窒化処理を受ける多くの構造用鋼や工具鋼において重要な成分となっている。

アルミニウム – Al

アルミニウムは窒素との親和性が非常に高い。そのため、窒化処理を目的とした従来の鋼材に添加されることが多い。アルミニウムに関連する微細な析出物の形成により、窒化層の硬度を極めて高くすることができる。

モリブデン – Mo

モリブデンは、多くの熱処理鋼および窒化鋼の重要な構成元素です。焼入れ性、焼き戻し抵抗、および高温における材料の挙動に影響を与えます。

バナジウム – V

バナジウムは窒素と安定な化合物を形成し、拡散層の強化に大きく貢献する可能性がある。

チタン – Ti

チタンは窒素との親和性が非常に高く、非常に安定な窒化チタン（TiN）を形成する。しかし、そのプロセスへの影響は、合金の組成や微細構造の状態によって異なる。

窒化鋼

窒化処理は、この処理用に特別に設計された鋼材だけでなく、一部の構造用鋼、工具鋼、ステンレス鋼にも施されます。ただし、最終的な層の硬度と特性は、化学組成に大きく左右されます。
特に重要なグループには以下が含まれます。

• 窒化処理を目的としたCr-Al-Mo鋼、
• Cr-Mo鋼およびCr-Mo-V鋼、
• 熱特性改善用鋼材、
• 熱間加工用工具鋼、
• 適切な表面活性化技術を用いて、厳選されたステンレス鋼を処理する。

38HMJ – クラシックな窒化鋼

38HMJ これは窒化処理に関連する最も特徴的な構造用鋼の一つである。クロム、モリブデン、アルミニウムの存在により、硬い窒化層が形成される。
この材料は、耐久性のある芯材と硬くて耐摩耗性に優れた表面材の両方を必要とする重要な機械部品に使用されます。
実際には、窒化処理を行う前に、素子には適切な準備が施されたコアが必要であり、これは多くの場合、事前の熱処理によって得られる。

31CrMoV9およびその他のCr-Mo-V鋼

クロム、モリブデン、バナジウムを含む鋼は、窒化物形成元素の存在と基材特性の良好な安定性により、窒化処理に対して非常に良好な反応を示す。
これらは、機械部品、シャフト、伝動部品、工具、その他摩耗や高い機械的負荷にさらされる部品などに使用されます。

工具鋼の窒化処理

窒化処理は特定の用途にも使用されます 工具鋼特に、クロム、モリブデン、バナジウムを含む合金工具鋼。
この処理により、工具表面の摩耗や擦り傷に対する耐性が向上し、適切な用途においては耐久性を延ばすことができる。
代表的な用途としては以下のようなものがあります。

• 行列、
• フォーム、
• 高温作業工具、
• ピン、
• 形成要素、
• プラスチック加工システムの構成要素。

ステンレス鋼の窒化処理

ステンレス鋼の窒化には、不動態層の存在により特別なアプローチが必要です。 CHROMそのため、表面を窒素で飽和させるという従来の方法は困難になる。
プラズマ技術は表面活性化を可能にするため、特定のステンレス鋼の加工にも用いられている。
ステンレス鋼の場合、温度選択は特に重要です。特定の条件下では、窒化クロムの析出により表面付近の固溶体中のクロム量が減少し、耐食性が低下する可能性があります。
したがって、高い硬度と高い耐食性が同時に求められる用途では、特別に制御された低温プロセスが用いられる。

窒化処理のための要素の準備

窒化処理は通常、部品製造​​工程における最終段階の一つです。そのため、処理開始前にコア特性を決定しておく必要があります。
典型的な製造ラインには、以下のようなものが含まれる場合があります。

前処理 → 焼き戻し → 機械処理 → 必要に応じて応力除去 → 仕上げ → 窒化処理

詳細な手順は、もちろん、材料、要素の寸法、および要求される精度によって異なります。

なぜ芯材は最初に熱処理されることが多いのでしょうか？

窒化処理は主に表面層の特性を向上させるものであり、断面全体の必要な強度を確保するための熱処理に取って代わるものではありません。
そのため、構造用鋼は多くの場合、窒化処理を受ける前に 熱改善これにより、以下のことが可能になります。

• 耐久性のあるコア、
• 適切な可塑性、
• 基板の安定した微細構造、
• そして窒化処理によって非常に硬い表面層が形成される。

初期焼戻し温度

要素が以前に熱処理されている場合、温度 焼き戻し その後の窒化温度を考慮して選択する必要がある。
その目的は、元素が窒化温度に長時間保持される間に、コア特性に生じる望ましくない変化を抑制することである。

窒化層の硬度

窒化処理によって非常に高い表面硬度を実現できる。しかし、すべての窒化鋼に当てはまる単一の硬度値は存在しない。
硬度は以下に依存します。

• 鋼の化学組成、
• 窒化物を形成する元素の種類と量、
• プロセス温度と時間、
• 窒素活性、
• 労働組合層の構築、
• 拡散層の微細構造、
• 測定方法および測定深度。

窒化処理を目的とした鋼材では、表面の微小硬度が1000 HVを超える場合があるが、この程度の値は、あらゆる鋼種の窒化処理において普遍的に得られる結果と考えるべきではない。

窒化層の深さ

層の深さは拡散の結果であり、したがって処理時間と温度に大きく依存する。鋼の組成と、必要な有効層深さの定義も重要である。

実際には、比較的浅い層と、より深い層まで達する拡散層の両方が用いられる。しかし、例えば0,1～0,6mmといった単一の範囲を、窒化処理全体の技術的な限界と考えるべきではない。

窒化層の特性

適切に設計された窒化処理は、以下のような多くの好ましい表面特性をもたらす可能性がある。

• 非常に高い表面硬度、
• 耐摩耗性の向上、
• 適切な摩擦条件下での焼き付きに対する耐性の向上、
• 残留応力の好ましい分布、
• 多くの用途で疲労挙動を改善し、
• 後続の急速な硬化を必要とするプロセスと比較して、高い寸法安定性を有する。

窒化処理と耐食性

窒化処理が耐食性に及ぼす影響は、すべての材料や技術において同じではない。
適切に形成された化合物層、特に窒化炭化処理や酸化処理を併用した処理においては、特定の環境下で表面の耐食性を向上させることができる。
しかしながら、窒化処理によってすべての鋼の耐食性が向上すると一般的に断言することはできない。ステンレス鋼の場合、不適切な温度設定は窒化クロムの放出を招き、耐食性の低下につながる可能性がある。

窒化処理と耐摩耗性

窒化層の高い硬度と微細構造の特性から、窒化処理は摩擦や摩耗にさらされる部品に広く用いられている。
しかし、実際の耐久性は硬度だけで決まるわけではありません。以下の要素も影響します。

• 労働組合層の構築、
• 拡散層の深さ、
• 基材の硬度と強度、
• 表面粗さ、
• 接触圧力、
• 相互作用する表面の動きの種類、
• 潤滑、
• 動作温度。

窒化処理と疲労寿命

このプロセスは、表面層を強化し、好ましい圧縮応力を発生させることで、疲労寿命にプラスの効果をもたらす可能性がある。
しかし、その効果は部品の形状、表面品質、層の深さ、コアの特性、およびノッチやその他の応力集中部の存在によって異なります。

窒化処理中の変形

窒化の大きな利点の1つは、処理直後にオーステナイト化温度から急速冷却する必要がないことです。これにより、大きな変形のリスクが軽減されます。 硬化, 誘導焼入れ LUB 火炎硬化.
しかし、これは寸法変化が全くないという意味ではありません。窒素拡散、新相の形成、残留応力、長時間の加熱などにより、わずかな寸法変化が生じる可能性があり、高精度部品においてはこれらを考慮に入れる必要があります。

窒化処理と表面硬化

窒化および浸炭

浸炭処理と窒化処理はどちらも熱化学処理プロセスですが、最終的な硬化層の形成に用いる元素やメカニズムが異なります。

窒化層の品質管理

窒化処理の品質を評価するには、表面の硬度を測定するだけでは不十分である。
アプリケーションに応じて、以下のような項目がテストされます（ただし、これらに限定されません）。

• 表面微小硬度、
• 材料内部の微小硬度プロファイル、
• 有効層深度、
• 複合層の厚さと構造、
• 拡散層の微細構造、
• 層の均一性、
• 表面状態、
• 寸法変化、
• 過酷な用途においては、耐摩耗性、耐疲労性、耐腐食性も求められる。

窒化処理中に最もよく発生する問題

• 過度に厚い結合層 表面の脆化や欠けやすさが増加する可能性があります。
• 拡散層の深さが小さすぎる ―時間不足または不適切なプロセスパラメータ。
• 不均一な窒化 表面状態、要素形状、または不均一なプロセス条件に起因する可能性がある。
• コア硬度が不適切 窒化処理では、不適切に準備された基板の微細構造を修復することはできません。
• 寸法変化 ― 小さいが、非常に厳しい公差が求められる部品において重要である。
• ステンレス鋼の耐食性の低下 ―温度や技術の選択を誤ると起こり得る。

窒化処理の応用

窒化処理は、強固な内部構造を維持しながら、硬く耐摩耗性に優れた表面と比較的小さな寸法変化が求められる部品に用いられる。

機械産業

• 堤防、
• 車軸、
• ピン、
• ブッシング、
• ギア、
• トランスミッション部品、
• ガイド、
• 油圧システムの部品。

自動車産業

• シャフトおよび駆動システムコンポーネント、
• ギア、
• ピン、
• 摩耗や疲労にさらされる機構の構成要素。

工具産業

• プラスチック用金型、
• 行列、
• ピン、
• 高温作業工具、
• 形成要素および誘導要素。

特殊機械の製造

• 高い耐摩耗性を必要とする要素、
• 精密機械部品、
• 高表面圧力下で動作する要素、
• 硬い表面と丈夫な芯材の組み合わせを必要とする部品。

窒化処理の最も重要な利点

• 適切に選定された鋼材では、非常に高い硬度が得られる。
• 高い表面耐摩耗性、
• 疲労行動を改善する可能性、
• 窒化処理後すぐに元素を硬化させる必要はありません。
• 比較的小さな寸法変化、
• 完成品またはほぼ完成品の機械加工の可能性、
• 技術とパラメータを選択することで、層構造を制御できる能力。

窒化処理の限界

• 深い層には長い時間が必要で、
• 最終的な硬度は鋼の化学組成に強く依存する。
• 工程前にコアを適切に準備する必要性、
• 望ましくない化合物層が形成される可能性、
• 徹底的な表面処理の必要性、
• 部品の形状や使用される方法によって、技術的な制約が生じる。

窒化鋼 – 最も重要な情報

鋼の窒化 これは、オーステナイト化やそれに続く急速硬化を必要とせずに、非常に硬く耐摩耗性に優れた表面層を形成する熱化学処理プロセスです。このプロセスは、活性窒素を表面に供給し、材料内部に拡散させることに基づいています。得られる層は、主にγ′-Fe相を含む外側の化合物層で構成される場合があります。₄Nとε-Fe_2-3Nと下層の拡散層。特に、クロム、アルミニウム、バナジウムなど、窒素に対する親和性が高い元素を含む鋼で良好な結果が得られます。このため、特殊な窒化鋼が開発されており、その代表的な例は次のとおりです。 38HMJ.
この層の特性は、温度、硬度、深さといった単一の普遍的な範囲によって決まるものではありません。その結果は、鋼種、初期微細構造、温度、時間、窒素活性、および使用される窒化方法によって決まります。
窒化処理は、高い表面硬度、耐摩耗性、そして比較的小さな寸法変化という特性を兼ね備えているため、重要な機械部品、工具、金型、シャフト、歯車、精密部品の製造において最も重要な表面処理技術の一つとなっています。

鋼の熱処理および熱化学処理方法

固溶化処理は、鋼の微細構造と特性を改質するために用いられるプロセスの一つに過ぎません。目的とする効果に応じて、焼ならし、応力除去、焼入れ、焼戻しなどの処理に加え、浸炭、窒化などの熱化学処理も用いられます。

鋼材の熱処理方法

• 鋼の焼きならし ―結晶粒の微細化と微細構造の統一。
• Wyżarzanie odprężające 残留応力の低減。
• 鋼の軟化 硬度を下げ、後加工に対する感受性を向上させる。
• 完全アニーリング オーステナイト化と徐冷。
• 等温焼鈍 －適切な温度に保持しながら行われる変換。
• 球状化のためのボールアニーリング －セメンタイトまたはその他の炭化物の形態変化。
• 再結晶アニーリング ― 圧縮による影響の除去と可塑性の回復。
• 均質化アニーリング －材料の分離を低減し、材料組成を均質化する。
• 硬化および熱処理 ―焼入れと焼き戻しによって微細構造と特性を形成する。
• 鋼の焼き戻し ―焼入れ後の鋼材特性の制御された改変。
• 誘導焼入れ －表面誘導加熱と急速冷却。
• 火炎硬化 ―炎による局所加熱後の表面硬化。
• 過飽和 －適切な熱サイクルによって過飽和固溶体を得る。
• エージング ―制御された相分離により材料の強化を実現する。

鋼の熱化学処理方法

• 鋼の窒化 ―窒素による表面層の拡散濃縮。
• 浸炭鋼 ―表面への炭素の拡散濃縮。
• 炭窒化処理 ―表面層における炭素と窒素の同時濃縮。
• 窒化炭化処理／窒化炭化処理 ―主に窒素と炭素によって層が濃縮される。
• 掘削 – 表面へのホウ素の拡散飽和。
• 拡散クロムめっき －クロムによる層の拡散濃縮。
• 拡散アルミニウム化 ―アルミニウム層への拡散濃縮。