窒化された鋼の構造

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窒化された鋼の構造

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2020/03/25 22:57 UTC 版)

「窒化処理」の記事における「窒化された鋼の構造」の解説

窒化された鋼の構造は、鋼の種類や窒化方法により少しずつ異なる。しかし概ね、最表面から化合物層→拡散層→未窒化層の順に構成されると考えてよい。 化合物層 窒化された鋼の最表面に存在する約10μm以下の化合物の層である。これは前述の通りγ'-Fe4Nまたはε-Fe2～3Nと同じ結晶構造を有する、鉄およびクロムなどの複合窒化物の層である。 化合物層の厚さは窒化の方法により様々であり、アンモニアガス窒化では分厚く脆い化合物層が生成しやすく、一方、水素と窒素の混合ガスを用いたプラズマ窒化を適用すると、化合物層の制御は比較的容易である。Fe4Nで構成される化合物層は脆く割れ易いため機械部品には不適であり機械的に除去されるが、Fe2～3Nで構成される多孔質の化合物層は潤滑性や耐衝撃性に優れるため、意図的に生成させることもある。従って、窒化の用途に応じて化合物層の種類、有無、厚さを制御できる技術が望まれている。制御技術の一例としてSAEによる航空規格（AMS）ではアンモニアガス窒化による化合物層の制御が規定されている。これは窒化ポテンシャルKN― つまり反応に寄与する反応種の窒素ポテンシャル ―を制御することで化合物層を制御する技術であるが、非常に高度な制御技術が要求され、完全に化合物層の制御を確立した技術は未だ工業化されていない。 拡散層 化合物層の下部には、単に窒素を固溶しただけの層、あるいは窒素を固溶した母相に添加元素の窒化物を分散析出した複合層が存在し、これを拡散層と呼ぶ。 純鉄や普通鋼を窒化したときの拡散層は、鉄に窒素が固溶しただけの層であり大幅な硬化は期待できないが、窒化物形成元素を添加した鋼、つまり工具鋼や窒化鋼などを窒化したときは窒化物形成元素を微細に分散析出し、1000HVを大きく超える表面層を得ることが出来る。従って窒化によって鋼を大きく硬化させるためには、前述の化合物層よりもこの高硬度の拡散層を所望の厚さまで成長させることが重要である。 外部窒化層と内部窒化層 古くは「化合物層」とそれに対応する「拡散層」という言葉のみが使用されていたが、窒化技術の発展に伴って単なる「窒素含有層としての拡散層」ではなく「窒化物を分散析出した拡散層」の存在が注目され始めた。そして窒化技術の発展は、従来行われてきた銅や鋼の酸化に関する研究を土台としており、金属の最表面に生成するに酸化スケールを外部酸化層、その内部の酸素含有層を内部酸化層と呼ぶことに倣って、窒化により生じた化合物層を外部窒化層、拡散層を内部窒化層とも呼ぶ。また、窒化した鋼の断面を鏡面に研磨し、ナイタール（エタノールと硝酸の混合液のこと。3 vol%程度の硝酸濃度がよく用いられる）などで腐食すると、化合物層が白く見えるため白層（はくそう）と呼ぶこともある。