Vol.29, No.2, 1982 93

Recent Development in New-Tufftride Process

塩 谷 恩 ＊

Megumi Shioya

新タフ トライ ド法は,処 理部品の耐摩耗性,耐 食性並びに疲れ強さを増加

する方法として画期的な処理法である。さらに最近,こ の処理に引きつづい

て表面酸化を行う複合処理法が,こ れらの特性を一層改善するといわれる。

これについて現況を紹介する。

1. ま え が き

新 タフ トライド法は,従 来行われてきたタフ ト

ライド法のシアン公害対策を目的として開発され

た塩浴窒化法である。 このプロセスでは,有 害物

質である青化物は原料中に含まれていない。この

プロセスの効果は,従 来のものと同じく,ほ とん

どの鉄系部品に対して,耐 摩耗性,疲 れ強さ,耐

食性等の特性が向上する所にある。また,そ ればか

りでなく処理による寸法変化が,き わめて少ない

という特徴もある。

なお,処 理コス トも比較的安 いことか ら,そ の

応用範囲は広 く,材 質的には鋳物,焼 結金属を含

むすべての鉄系部材を対象とする。そ して自動車,

製鉄,造 船,油 圧機器,産 業機械,事 務機,電 算

機,金 型,工 具関係などの部品類に広 く応用され

ている。

最近,新 タフ トライ ド法の発展にかかわる新技

術が注 目の的となっている。それは新タフトライ

ド処理後,さ らに部品をアルカリ系の酸化性バス

中に浸せ きして表面酸化 を行う方法 で,こ の処

理を行 った部品は,特 異な黒染様の外観を呈 し,

また,そ の表面特性である耐摩耗性,耐 食性は,

新タフ トライド処理のみの場合よりも,さ らに改

善 されることが明らかとなった。

この複合処理法は,新 しい表面処理技術として,

今後の発展が期待 され る。そこで本稿においては

この複合処理について現況を報告したいと思 う。

2. 作業 のあらま し

新タフトライド法(1)を行うために使用する窒化

炉は,ガ スまたは電気による外部加熱炉で,ポ ッ

トには,鉄 ポッ トにチタニウム板を内張りしたも

の,あ るいはオールチタニウムポットが使用され

る。このポ ットの中に,無 公害性の窒化剤TFI

(商 品名:ア ルカ リ金属のシアン酸塩を主成分と

する)を 入れて加熱溶解 し,温 度は580℃ に保持

して,空 気吹込みを行いつつ処理を行 うのである。

新タフ トライド法 は,そ の主剤であるTFIの

名を取 りTFI法 と表示する。これに対 してTF

＊パ ー カ ー熱 処 理 工業(株)第 二技 術 部 長

〒103東 京 都 中央 区 日本 橋2-16-8

03-278-4531

*Parker Heat Treating Co ., Ltd. 16-8, Nihonbashi, 2-chome, Chuo-ku, Tokyo 103

-15-

94 実務表面技術

I処 理後,酸 化性バスABI(商 品名)に 浸せき

する複合処理法は,TFI-ABI法 と表示する。

酸化性バスABIは,こ れまでAKバ スと呼ばれ

たが,内 容は同 じものである。TFI作 業におい

ては,中 心となる窒化作業の前後に若干の前工程

及び後工程がある。

前工程 に属するものには,脱 脂,洗 浄及び予熱

がある。通常,熱 処理工場に持込まれる部品類に

は,油,切 りくず,ご みなどが付着 しているので,

これ らを脱脂,洗 浄 して除去 した後,約300～400

℃で予熱を行 う。後工程としては,冷 却(水 冷,

写 真1 新 タ フ トライ ドライ ンの

囲 いの 内部状 況(東 松山工 場)

油冷,空 冷)操 作を終えた後,湯(水)洗 を行い,

付着ソル トを除去 し,防 錆油処理を行い処理は終

わる。

複合処理を行う場合は,酸 化性バスABIを 窒

化炉の次 に配置 し,窒 化炉から取出 した部品を暫

時(30分 以内)こ の中に浸せきしてか ら前記の後

工程に移るのである。

新タフ トライ ド法の作業については,公 害防止

上と環境衛生上の見地からいろいろ改善工夫が行

われている。これ らについて,現 在わが社が実施

している方法(3)を若干紹介する。

写真2 屋外スクラバーの外 観(東 松 山工場)

写真3 SPC材 の組 織

-16-

Vol.29, No.2, 1982 新 タ フ トライ ド法 の最 近 の発 展 に つ いて 95

先ずソル トフユームを発散する窒化炉,ABI

バスや蒸気を発生する水冷槽 ,湯 洗槽等は,作 業

場から隔離 した囲いの中に収容 し,発 生するソル

トフュームや蒸気は排風機で場外に排出し,戸 外

に設けてあるスクラバーで洗浄 して大気中に放散

させる。これらのソル トフュームや蒸気は,水,

希アルカ リ,希 酸等に易溶性であるのでスクラバ

ーにより容易に除去することが出来る。

写真1は 弊社東松山工場における囲いの状況を

また写真2は 屋外スクラバーの外観を示す。同工

場では,作 業の結果,水 冷槽や湯洗槽等に溶 け込

んだソル ト分はすべて蒸発によって固形化させ回

収 し,ソ ル トを含む廃水としては一切排出しない

いわゆるクローズ ド法式を採用しているので水質

汚濁にかかわる問題は全く発生 しない。

3. TFI及 びTFI-ABI処 理品の物性

3-1 表面層の構造

写真3の 左はSPC材 にTFI(580℃ ×90分)

処理を行 ったものの組織,右 は同材質 にABI

(450℃ ×6時 間)処 理を行った複合処理の組織の

写真を示す。これらの写真に見 られる表層部の白

層は化合物層 と呼ばれるもので,X線 回析の結果

その構は ε-Fe3Nで ある。

写真の右には白層部の最表面に黒色に見える層

が認められるが,こ れはABI処 理によって形成

された酸化皮膜層であって,X線 回析の結果この

組成はFe3O4で あり,表 層部の ε-Fe3N層 が一

部酸化 されて生成 した ものと考えられる。

処理時間はおおむね30分 以内でよく耐摩耗性や

耐食性が向上す る。この場合の酸化皮膜層の厚み

は1～1.5μm程 度で,大 変薄く,な ぜ,こ のよう

な薄い層が耐摩耗性や耐食性の向上 に大きく作用

するかは大変興味あるところであるが,今 日この

理論は未だ十分に解明されていない。

図1(4)はTFI(580℃ ×3時 間→水冷)とT

FI(580℃ ×3時 間)-ABI(350℃ ×20分)

の複合処理を行 ったC15(S15C相 当)試 片につ

いて,化 合物層内のNとOを,オ ージェ電子分光に

より分析 した結果を示す。

この結果から知 られることは,N分 布は両者共

大体同 じであるが,Oの 分布は大変異なった値を示

し,TFI単 独の場合(図 の左)は,深 さに関係

なく,低 い値で一定値を示すが,複 合処理を行っ

た もの(図 の右)は,深 さ約5μmの ところで,7.5

%の 最大値を示す。

なおこの影響 は深さ約13μmの ところまで及んで

いるのが認められる。組織上認められる黒色層は

1～2μm程 度であるか ら,Oは この黒色層外の化

合物層中にも存在することになる。この化合物層

中にあるOが どのような形態で存在するかは議論

の多い問題であるが,現 在のところOは 窒化物の

結晶格子内に,フ リーなOと して存在 していると

考えられている。

図2(4)は 複合処理における表面粗さと耐食性の

図1 オー ジェ電子分光 によ る表面層 の分析(N,C)

-17-

96 実務表面技術

関 係 を工 程 別 に表 示 した も ので あ る。 右 の 棒 グ ラ

フ は各 工 程 に おけ る粗 さで,PerthometerのRm

ス ケ ール(μm)で 表 示 して あ る。

下 図 は,そ れ ぞれ の工 程 に お け る耐 食 性 を,塩

水 噴霧 テ ス トの耐 久 時 間 を も って表 示 した もの で

あ る。

研 削 の み の場 合,表 面 粗 さ は約2.5μm,耐 食 性

は10時 間 以 内 を示 し,こ れ をTFI-ABI処 理

を 行 った 場 合,表 面粗 さ が5μmま で に増 加 し 耐

食 性 は200時 間 以上 に ま で高 め られ た こ とを 示 し

てい る。 さらにこれを ラッピングす ると,粗 さが約1.2

μmに 低 下 し,耐 食 性 も120時 間程 度 に低 下 す る。

こ れ は加 工 に よ って,表 面 酸化 層 のOの リ ッチ

な部 分 が 一部 取 去 られ た か らで あ る と考 え られ る。

そ こで 再 びABI処 理 を 行 う と,表 面 粗 さは ラ ッ

ピ ング後 の粗 さと同 じ1.2μmに な り,耐 食性 も

再 び 向上 して200時 間 以 上 の値 と な る。 以上 の結

果 か ら,粗 さ を最 小 に お さ え,か つ 最 高 の耐 食 性

を 得 る に は,ラ ッ ピ ング加 工 を行 った の ち再 びA

BI処 理 を 行 う ことが 推 奨 され る。

3-2 耐 摩 耗 性

S15C材 に つ い て,TFI(580℃ ×90分 水 冷)

とTFI(580℃ ×90分)-ABI(230℃ 水 冷)の

耐 摩 耗 性 を 比 較 した結 果 を 図3(4)に 示 す 。 この 図

か ら 解 る こ と は,TFI処 理 の み の摩 耗 量 は,5

時 間 あた りか ら著 しくな って い るが,TFI-AB

I処 理 の場 合 は,TFIの 場 合 よ り も低 い摩 耗 量

を示 す 傾 向 が 認 め られ る。

3-3 耐 食 性

42CrMo4材 の シャ フ トの塩 水 噴霧 によ る耐 食

テ ス ト(4)の結 果 に よ る と,硬 質 ク ロ ムめ っ きを し

た もの は約70時 間 の テス ト後 腐 食 が 始 ま った の に

対 し,TFI-ABI処 理 を施 す と,220時 間 の テ

ス ト期 間 中 発 錆 が 認 め られ な か った 。

ま たS45Cの 完全 焼 な ま し後 の テ ス トピー ス に

硬 質 ク ロ ム層 を41.3μmめ っ き した も の と,TF

図2 TFI-ABI処 理 の工程 と粗 さ,耐 食性

図3 TFI→ 水冷 とTFI-ABI水 冷の耐摩 耗性

-18-

Vol.29, No.2, 1982 新 タ フ トライ ド法 の最 近 の発 展 に つ いて 97

I(580℃ ×90分)-ABI(400℃ ×10分)-ラ ッ

ピング-ABI(400℃ ×20分)の 複合処理を行

ったものをJIS D 0201に よって比較テストした結

果によると硬質クロムめっきの耐食時間2時 間に

対 して,複 合処理の場合7時 間であり,約3倍 の

耐食性を示す結果が得られた。

3-4 耐疲れ強さ性

これまで述べた諸特性は,窒 化層の表層部の化

合物層および化合物層の最表面に生成された酸化

層によるものと考え られるがこれらの特性とは別

に,著 しい疲れ強さの増加(2)がよく知 られている。

疲れ強 さの増加は,化 合物層下にあるNの 拡散部

分(拡 散層)に 起因するものと考え られている。

一般に窒化処理は,他 の表面処理である浸炭,

浸炭窒化等と比較 して疲れ強さの向上が著 しいと

いわれ,特 に塩浴窒化の場合にはその効果が顕著

である。例えば,材 質S15C,αK=2の 切欠きテ

ス トピースの回転曲げによる疲れ強さ値は約12kg

/mm2であるが,こ れをTFI(580℃ ×2時 間→水

冷)し たものは約45kg/mm2の 値にまで上昇す る。

TFI-ABI複 合処理の場合 には,TFI処 理

後350℃ 内外の温度のABIバ ス中に若干浸せ き

されることになり,そ の際,拡 散層中に固溶 して

いるNの 一部はFe4Nの 形で析出するため,固 溶

窒素の濃度が減 じて疲れ強さが低下する懸念があ

る。 しか しこのことは非合金鋼に限られ,合 金鋼

にはこの問題はない。なお低下するにしても最大

20～30%程 度であり,処 理による圧倒的増加から

比べればはるかに小さい。

このような懸念はあって も,多 くの場合,複 合

処理を行うことは有利と考えられる。その理由は,

複合処理によって形成される優れた耐食性のある

表面層 は,部 品の長期間使用中,腐 食 によっ

て作 られる表面層 の切欠 き形状や,電 気化学的

原因による脆性の発生を防止 し,疲 れ強さ性の長

期保存を保証するか らである。

3-5 寸法変化の少ないこと

処理部品の寸法変化の少ないことは,タ フ トラ

イド法の大きな特徴 としてあげることができる。

その最大の理由は,処 理温度が鋼の変態点以下の

低 い温度であるため,変 態 による寸法狂いが少な

いことによる。

ただ し処理によって加熱や冷却が行われる以上

若干の寸法変化 はやむ得ないと思われる。また窒

化によって生成される窒化層は,わ ずかではある

が,寸 法の太りを生ずるものである。しかし,タ

フ トライ ド処理法が本来寸法変化や変形の少ない

処理法であることは次の事例か らも理解ができる。

自動車などのクランクシャフ トは,曲 がりや,

寸法変化に対 して,最 も厳 しい部品であるが,現

在量産的にTFI処 理が行われている。クランク

シャフ トの処理をTFI-ABI処 理で行 っている

ヨーロッパの自動車メーカーの話によると,TFI

処理の場合は,処 理後,曲 り直 しを行う必要のあ

るものが若干出たが,複 合処理を行 った場合は,

その必要が全 くないということである。複合処理

によって,曲 がりの発生が少なくなったのはTF

I炉 からの冷却がABIバ スへの投入によって緩

和されたためであると思われる。

4. 応 用 例

本来タフ トライド法には,広 い応用面があるこ

とはまえがきの項で述べたところであり,ま たこ

れまで多 くの報告が行われているのでここで説明

す ることは省略するが,複 合処理法の登場によっ

てまた別の応用面が追加されたので若干紹介 した

いと思 う。

自動車のシャーシ部品のように,雨 水による腐

食とエンジンの振動による疲れ負荷を受けるもの

や,農 耕機のパワーショベルのように,雨 水,土

砂等による腐食と摩耗にさらされるものには,こ

の複合処理が適当と考え られる。

農耕用パ ワーショベルの部品類(シ ョベルシリ

ンダー,リ フトシリンダー,ヒ ンジボル ト等)は,

目下 ヨーロッパにおいてTFI-ABI処 理が行わ

れて好結果が得られているといわれているもので

ある。また海水の腐食にさらされるスライ ドバル

ブは,当 初亜鉛コーテングされたものが使用され

ていたが,こ れをTFI-ABI処 理に切 りかえた

ところ,3ヶ 月の寿命であったものが12ヶ月まで

延びたと報告されている。

自動車工業や,家 具(事 務用机や椅子)製 造工

業に使用されるガスプレッシャースプ リング類は,

-19-

98 実務表面技術

硬 質 ク ロ ームか らTFI-ABI処 理 に切 りかえて コ

ス トの節 約 が で きた と いわ れ る。 な お これ らの 応

用 例 とは別 に,複 合 処 理 の特 異 な黒 色 の 外観 を得

るこ とを 目的 と した応 用例 もあ る 。

例 え ば カ メ ラ部 品 や,光 学 機 械 の部 品 類 に は,

光 の 反 射 を さけ る 目的 で,暗 色 ま た は黒 色 の 表 面

外 観 を 好 む もの が あ る が,こ の よ うな面 へ の 応 用

に対 して も良 結果 が報 告 され て い る 。

5. TFI-ABI処 理 の コ ス ト

TFI処 理 単 独 の 場 合 に 比 較 す る とTFI-AB

I複 合 処 理 の コ ス トは当 然 割 高 とな るが,そ れ で

も,今 日行 わ れ て い る代 表 的 表 面 処 理 法 の コ ス ト

と 比較 して 決 して高 い もので は な い 。

直 径35mm,長 さ400mmの シ リン ダ ー シ ャフ トに

夫 々,TFI-ABI,硬 質 ク ロー ム,コ ー ル ドニ ッ

ケ ル プ レ ーテ ィ ング,亜 鉛 め っきを 行 った 場 合 の

コス トの比 較 が西 独(4)に お い て行 わ れ た が,そ の

結 果 によ る と,TFI-ABI処 理 の コス トは,亜

鉛 め っきに 次 い で 第 二位 で あ る ことが 示 され て い

る。

6. む す び

以 上,TFI処 理 及 びTFI-ABI複 合 処 理 の

現 況 を紹 介 した 。 これ まで の説 明 か ら理 解 され る

と思 うが,TFI-ABI処 理 に よ って得 られ る耐

摩 耗 性 や 耐 食 性 の特 性 は従 来 行 われ て い る代 表 的

表 面処 理 の特 性 に 匹敵 す る もので あ る と考 え られ

る。

ま た コ ス トも比 較 的 に安 い こ とか ら,こ の複 合

処 理 法 は,表 面処 理 法 の 一 分 野 と して これ か ら発

展 す る もの と考 え られ る。 こ の 際,熱 処 理 業 者 の

立 場 か らTFI-ABI処 理 につ いて特 に 強調 した

い こ と は,こ の処 理 法 にお いて は,表 面 特 性 の他

に さ らに優 れ た疲 れ 強 さの 特 性 が追 加 され る と い

う ことで あ る。

参 考 文 献

(1) 塩谷恩:新 タフ トライ ド法,熱 処 理, Vol.16, No.5,

1976, P 262～P266.

(2) 塩谷恩:機 械 の損害 とその防止 に役 立つ表面 処理,

金属, Vol.150, No.7, July 1980. P 59～P 62.

(3) 塩谷恩:熱 処理 におけるソル トバス利用の利点 と問

題点,工 業加熱, Vol.117, No.6, 1980. P34～P40.

(4) DEGUSSA社:技 術 ニュース

-20-