酸窒化処理とは？特徴や用途例、イオン窒化処理との違いを解説

酸窒化処理はガス窒化処理の手法の一つで、ガス窒化に使用するアンモニアガスに少量の空気または酸素を添加して熱処理をすることにより、窒素と同時に酸素を侵入拡散させる方法です。
ガス窒化処理法にはガス窒化、ガス軟窒化、酸窒化、浸硫窒化などの種類があり、その中で酸窒化法は反応ガスに空気や酸素を用いる特徴があります。
ガスの生成に特殊なRXガスや硫化水素を使わないため、低コストで耐焼付性を向上でき、機械部品や金型、工具などに利用されています。
また酸窒化処理は、イオン窒化処理方法と処理方法や得られる特性に違いがあるので、それぞれの特徴を理解してどちらを選択するか判断する必要があります。
この記事では酸窒化処理の基本情報や特徴、イオン窒化処理との違いなどを解説します。

1 酸窒化処理とは
2 酸窒化について
3 事例
- 3.1 イオン窒化から酸窒化へ処理方法を変更。驚きのQCD効率アップ
4 よくある質問
- 4.1 Q1.酸窒化処理のメリットは何ですか？
- 4.2 Q2.酸窒化処理により表面組織はどのようになりますか？
5 まとめ

酸窒化処理とは

酸窒化処理とは、酸窒化(Oxinitrieren)または酸軟窒化(Oxinirocarburieren)と呼ばれ、鋼材に窒素、炭素以外に酸素も侵入拡散させる方法です。

酸素の使用用途が従来の窒化処理と酸窒化処理では異なります。

従来の窒化、軟窒化では雰囲気ガスの中に酸素が含有される成分を投入する場合がありますが、それは鋼材に酸素を拡散させる目的ではなく、窒素の吸収を促進させるために用います。

窒化処理方法の中でも酸窒化処理は、アンモニアガスに酸素を含んだガスで処理する点に特徴があり、それにより窒化反応が促進されて窒化速度をあげることができます。

また、酸素を添加するために空気や水蒸気を利用する場合も提案されています。

そのほか、鋼材表面に酸化膜を形成させることで耐焼付性を向上させることが可能となります。

酸窒化処理のようなガス窒化処理とはプロセスが大きく異なる窒化処理のひとつに
イオン窒化（プラズマ窒化）処理があります。

イオン窒化処理は排ガスの燃焼が不要で、窒素と水素の混合ガスを利用します。
グロー放電を発生させて窒化する方法です。

酸窒化について

特徴

従来のガス窒化処理は窒化層を厚くするために長時間熱処理をして窒素を拡散浸透させています。処理時間を少しでも短縮するために段階的に窒化処理をして硬化層を厚くするなどのさまざまな取り組みが行われてきました。その中で酸窒化処理は、迅速窒化法として開発されました。

酸窒化処理の特徴は、NH₃に少量の酸素を添加して熱処理をすることで窒素の浸透する量と深さが大幅に増加、また窒化速度を上げることが可能となります。

また、鋼材表面に形成する酸化膜で耐焼付性の向上も見込まれています。

酸窒化処理には以下のような特徴があります。

処理時間が短く窒化層が形成される
空気や酸素を使用するためガス変成炉が不要
そのためイニシャルコスト、ランニングコストの抑制が可能
炭酸アンモニウムやスーティングの対策が不要である
ガス軟窒化処理と違って炉内に青酸ガスが発生しない

しかし、ガス酸窒化は鋼材表面に炭素を供給できないため炭窒化層を形成できません。
そのため表面の硬度がやや低くなる傾向があります。
水素を多量に含む雰囲気ガス中で処理するときには、酸素や空気を添加すると爆発するリスクを考慮して流量管理には注意が必要となります。

酸窒化処理した鋼材の最表面は、酸素と窒素の酸窒化層が形成される特徴があります。その下には窒化層、酸窒化層と窒化層を含めて化合物層（白層）と称し、化合物層の下は窒素の拡散層となります。表面に形成される酸窒化層が耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性、耐食性に効果を発揮します。
鋼種はおもに、一般構造用鋼、金型用鋼、鋳鉄、焼結合金、耐熱鋼など幅広く適用します。

酸窒化処理をした各種鋼材の硬さ分布

イオン窒化について

イオン窒化処理は、減圧した炉内で窒素または窒素と水素を含む雰囲気中にワークを陰極、炉壁を陽極として電圧をかけ、グロー放電をおこしイオン化した窒素を鋼材に高速で衝突させて窒素を侵入拡散させる方法です。イオン窒化はプラズマ窒化とも呼ばれています。

イオン窒化処理は窒化層の組成制御がガス窒化処理より安定しており、化合物層の形成を防止して350℃という低温で窒化処理が可能です。

イオン窒化処理のおもな特徴は以下のとおりです。

ガスの利用効率がよく、環境負荷が低いため比較的クリーンである
ガス窒化処理に比べて低温で処理時間も短く対応できるため処理物の変形が少ない
処理物の電流密度が等しくなければ均一な窒化ができないため
鋼材の形状が複雑だと温度ムラが大きくなりやすい
設備費用が高額の傾向にある

イオン窒化処理装置はおもに炉内の圧力を制御する真空装置と圧力制御装置、温度制御装置、ガス供給装置、プラズマ発生用DC電源などで構成されています。

イオン窒化処理（プラズマ窒化処理）を施した鋼材の特性（参考数値）

硬材種類	表面硬さ（HV）	処理温度（℃）	化合物深さ（mm）	拡散層深さ（mm）	適用例
S25,35,45C	600 – 700	570 – 580	10 – 15	0.2 – 0.25	シャフト、油圧部品、ポンプ
SCM435	550 – 750	500 – 570	6 – 15	0.25 – 0.6	ギヤ、シャフト
SKD61,62	1000 – 1100	510 – 530	10 – 15	0.25 – 0.5	鍛造用金型、シャフト
SPCC	400 – 500	570 – 590	8 – 10	0.3 – 0.4	コンピュータ部品、板バネ
SKD11	1000 – 1200	450 – 480	10 – 15	0.01 – 0.15	スクリュー、スクリューヘッド
FC,FCD	600 – 800	550 – 570	8 – 12	0.03 – 0.05	クランク軸、シリンダ
MAS1	800 – 1000	400 – 480	2 – 5	0.05 – 0.15	プラスチック用金型

酸窒化とイオン窒化（プラズマ窒化）の違い

酸窒化処理とイオン窒化処理（プラズマ窒化処理）を対比表にまとめました。

	酸窒化処理	イオン窒化（プラズマ窒化）処理
温度[℃]	500 – 570	380 – 590
硬度[HV]	600 – 650	1000
形成層	表面層：酸窒化層下層：窒化層を含む化合物層（白層）	表面層：窒化層下層：化合物層（代表例：窒化酸化珪素）
鋼種	ほとんどの鉄系金属に適応一般構造用鋼金型用鋼鋳鉄焼結合金耐熱鋼	ステンレス鋼チタン材
用途・ワーク例	自動車部品、航空機部品工具、刃物機械部品	金属部品工具、切削具陶器、セラミックス半導体ウェハー
得られる効果	表面の酸窒化層が耐摩耗性、耐食性のほか、耐焼付性、耐疲労性などにも優れている	処理時間が短く、低温処理のため変形が少ない

さまざまな窒化処理

これまで酸窒化処理とイオン窒化処理（プラズマ窒化処理）について述べてきましたが、他にもさまざまな窒化処理があります。代表的な窒化処理の例を表にまとめました。

処理方法		メリット	デメリット	反応成分
塩浴法	塩浴軟窒化	大量生産が可能処理速度が速く、品質が安定	環境対策や排水処理設備が必要ソルト詰まりが発生	NaCNO+KCNO
塩浴法	塩浴浸硫窒化	大量生産が可能処理速度が速く、品質が安定耐焼付性が向上	環境対策や排水処理設備が必要ソルト詰まりが発生表面が柔らかく初期摩耗が発生	NaCNO+KCNO+K₂S
ガス法	ガス窒化	大量生産が可能窒化拡散層が深層まで形成可能	低炭素鋼には不向き排ガス燃焼が必要	NH₃ N₂+NH₃ N₂+H₂+NH₃
	ガス軟窒化	大量生産が可能処理できる鋼材が豊富	炭酸アンモニウムが析出深い窒化層の形成が困難排ガス燃焼が必要	NH₃+RXガス N₂+NH₃+CO₂
	ガス酸窒化	大量生産が可能ガス変成炉が不要	深い窒化層の形成が困難排ガス燃焼が必要	NH₃+空気 NH₃+N₂+空気
	ガス浸硫窒化	大量生産が可能処理できる鋼材が豊富耐焼付性が向上	排ガス燃焼が必要表面が柔らかく初期摩耗が発生	N₂+NH₃+H₂S
真空法	真空窒化	耐摩耗性、耐疲労性が向上	設備コストが高い排ガス燃焼が必要	NH₃
プラズマ法	プラズマ窒化	マスキングが可能排ガス燃焼が不要ステンレス鋼に対応	設備コストが高い生産能力が低い複雑な形状だと窒化層が不安定	N₂+H₂ NH₃+H₂

事例

イオン窒化から酸窒化へ処理方法を変更。驚きのQCD効率アップ

処理量を増加しつつ処理時間の短縮でサイクルタイムの大幅削減に成功

仕様

炉形式	プッシャー式
有効寸法	W800×H760×L1200
温度	500~600℃
雰囲気	窒素、アンモニアガス、RXガス、酸素
処理物	熱間鍛造品
用途	窒化処理
電気容量	114kW
処理量	2000Kg/ch