表面処理の基礎：窒化処理

窒化処理は、鋼の表面に窒素を浸透、拡散させることで、極めて硬い窒化層を形成し、部品の表面特性を飛躍的に向上させる表面硬化熱処理の一種です。その最大の目的は、部品の耐摩耗性、耐疲労性、そして耐食性を高めることにあります。

焼入れを伴う他の多くの表面硬化法とは一線を画す、窒化処理ならではの最大の特徴は、比較的低い温度で処理を行い、急冷を必要としない無変態硬化処理である点です。これにより、熱処理による部品の寸法変化や変形が極めて少ないという、絶大な工学的利点がもたらされます。

硬化の原理：窒化物の形成と圧縮残留応力

窒化処理による硬化のメカニズムは、鋼の内部に浸透した窒素原子が、鉄や合金元素と反応して、微細で非常に硬い窒化物の粒子を形成することに基づいています。

プロセスと硬化メカニズム

処理される部品は、摂氏500度から590度程度の、オーステナイト変態点よりも低い温度に加熱されます。この温度で、窒素を豊富に含む雰囲気中に部品を保持すると、活性化された窒素原子が鋼の表面から内部へと拡散していきます。

鋼の内部に侵入した窒素は、まず鉄と反応して硬い鉄窒化物を形成します。さらに、窒化処理が真価を発揮するのは、アルミニウム、クロム、モリブデンといった、窒素と特に強く結びつく合金元素を含む鋼材に適用された場合です。これらの合金元素は、拡散してきた窒素と反応し、窒化アルミニウムや窒化クロムといった、極めて安定で高硬度な合金窒化物を、母材の中に微細に分散した状態で析出させます。

この無数に析出した硬い窒化物の粒子が、金属が変形する際の転位の動きを強力に妨げる「杭」として機能し、表面層に絶大な硬さを与えるのです。

窒化層の構造

窒化処理によって形成される硬化層は、主に二つの層から構成されています。

化合物層: 部品の最表面に形成される、厚さ数ミクロンから数十ミクロンの層です。主に鉄窒化物からなり、非常に硬く、優れた耐摩耗性と耐食性を部品に与えます。
拡散層: 化合物層の下に形成される、より厚い層です。ここには、前述の微細な合金窒化物が母材中に分散しており、高い硬度を担っています。

疲労強度を飛躍させる圧縮残留応力

窒化処理がもたらすもう一つの極めて重要な効果が、表面層への圧縮残留応力の付与です。窒化物が形成される際、その体積は周囲の母材よりも大きくなるため、表面層は内側から外側へ向かって膨張しようとします。しかし、この膨張は内部の軟らかい母材によって拘束されるため、結果として表面層には強力な圧縮応力が残留します。

金属部品の疲労破壊は、表面にかかる引張応力によって亀裂が発生・進展することで起こります。しかし、窒化処理によってあらかじめ表面に圧縮応力がかかっていると、外部から引張の力が作用しても、それが相殺されるため、疲労亀裂の発生が劇的に抑制されます。これが、窒化処理が部品の疲労寿命を飛躍的に向上させる理由です。

主な窒化処理の種類

窒素をいかにして鋼材表面に供給するか、その方法によっていくつかの種類に分類されます。

ガス窒化: 最も古くから行われている方法で、アンモニアガスを満たした炉の中で部品を加熱します。高温でアンモニアが分解する際に発生する、反応性の高い原子状の窒素を利用します。
塩浴窒化: シアン酸塩などを含む溶融した塩（ソルト）の中に部品を浸漬する方法です。窒素と同時に少量の炭素も浸透するため、軟窒化とも呼ばれます。処理時間が比較的短く、均一な処理が可能です。
プラズマ窒化: 近年、主流となっている先進的な方法です。真空にした炉内に窒素ガスを導入し、部品と炉壁の間に高い電圧をかけることで、部品の周りにプラズマ（グロー放電）を発生させます。プラズマ中の窒素イオンが、高いエネルギーを持って部品表面に衝突することで、表面が加熱されると同時に、窒素が効率的に供給されます。
- この方法は、ガスの組成を精密に制御できるため、化合物層の厚みなどを自在にコントロールできる、プロセスの自由度が非常に高いという利点があります。また、環境負荷が少ないクリーンな処理法でもあります。

窒化処理の長所と応用

長所

変形が極めて少ない: 焼入れを伴わない低温処理であるため、熱処理による寸法変化や歪みがほとんどありません。このため、精密な研削加工などで最終的な寸法に仕上げた後に、硬化処理を施すことが可能です。これは、焼入れによる変形を前提としなければならない他の硬化法に対する、圧倒的な優位点です。
高い表面硬度と耐摩耗性: 非常に高い表面硬度が得られ、摺動部品の摩耗を大幅に低減します。
優れた疲労強度: 圧縮残留応力の付与により、クランクシャフトや歯車といった、繰り返し応力を受ける部品の寿命を著しく延ばします。
優れた耐食性: 最表面の化合物層は、化学的に安定しているため、錆などに対する耐食性を向上させます。