▼浸硫処理▼

形成される硫化鉄は酸性水溶液では分解するが、機械設備が使われるような環境では安定な融点1118℃、ビッカース硬度(Hv)70前後の化合物である。摩擦面では反応により相手材に硫化被膜を形成することが多い。硫化鉄は、摩擦面が高温(実験によっては850℃)になってもその効果が維持されるため、ある温度以下で溶着の抑制剤として働き、それ以上の温度では軟化あるいは融解して、潤滑剤として働くというようにも考えられている。硫化鉄はFeとSの比が1対1に近い組成であるが、処理方法により、結晶質の場合と非結晶質の場合があると考えられている。しかし、構造差による摩擦特性の差は確認されていない。酸化(物)や水分の影響もほとんど受けない。

硫化鉄は常温から900℃程度の温度範囲で比較的簡単に形成できる。そのため、多くの処理技術が提案されているが、再現性などの問題があり、実際に工業化されている技術は比較的少ない。それらのほとんどは表面硬化処理としての窒化、あるいは浸炭焼入れを伴っている。前者は浸硫窒化処理と呼ばれ、硫化と窒化が同じ工程で570℃前後の温度域で行われる。後者では焼戻し後に電解を利用して200℃以下で処理する。それらは電解の方法や処理温度域、あるいは処理液の違いなどから以下の表のように分類できる。

浸硫窒化処理では、窒化鉄層の外層に、軟質の硫化鉄層あるいは硫化鉄をふくんだポーラス状の窒化鉄層が形成される。塩浴・大気圧雰囲気ガス・プラズマを使った方法が工業化されている。層厚さは処理時間や鋼種・用途などに依存するが、硬質層も含め、5〜25[μm]の範囲が一般的である。処理による寸法変化は層厚さよりも少ない。X線回折では、Fe_(1-x)S、Fe_3N(ε)に加え、Fe_4N(ν')、Fe_3O_4m、FeOなどが表面層から検出される。表面状態・硫化鉄の含有量・硬質層と軟質層の比率などは処理方法、あるいは条件に依存し、同時に摩擦摩耗特性も変化する。それらの詳細については不明な部分が多い。用途ごとの処理条件は、総被膜厚さや軟質層の比率などから経験的に選択し、実機テストを行い決定されることが多い。
浸硫窒化処理と同じような状態を作り出すために、通常の軟窒化と陽極電解処理を組み合わせることもある。

陽極電解は通常、浸炭焼入れやショットピーニングなどの後工程として、常温水溶液中・あるいは190℃塩浴中で行われる。酸化膜・切削痕などは固々界面に残らず、処理品に密着した被膜が得られる。膜厚は2〜8[μm]とするのが一般的である。陽極処理によると、処理浴や処理品材質などに依存するが、被膜形成に伴い鉄が溶出し、寸法変化が負になる場合が多い。金属表面(固々界面)は被膜厚さと同じ程度、あるいはそれ以上"後退"する。
陽極処理では硫化鉄を構成する硫黄はアルカリ金属塩(NaSCN、Na_2S_2O_3など)のチオシアン酸イオン(SCN^-)やチオ硫酸イオン(S_2O_3^2-)などから、そして鉄は処理品から供給される。水溶液を用いる場合はこれらの溶液が、そして塩浴処理では混合塩(NaSCN + KSCN)が用いられる。上述の鉄の溶出と被膜形成には、チオ硫酸塩を硫化剤とした場合、次のような反応の組み合わせが利用できる。

(1)は処理の溶出反応、(2)とは初期の硫化反応を示す。硫化鉄被膜が形成された後の固液界面の反応は、次のように、処理品のFeを硫化鉄被膜のFeに置き換えて考える。


チオシアン酸塩が硫化剤の場合は次のように記述できる。


これらを使った解析によると、陽極電解処理では、通電された電気量のほとんどが処理部品の溶出に、そしてごく一部が硫黄の供給(硫化)に使われることが示される。しかし、電気量が硫化のみに使われる、つまり処理品の寸法が大きくなる、とするモデルも多い。実際には寸法が減少するので留意したい。

鉄の錯イオンなどを含む処理浴中で、処理品を陰極として通電し、硫黄と鉄の両方を処理浴から供給し、硫化鉄被膜を部品表面に形成する処理である。そのため、固々界面の状態は維持される。この処理では、鉄鋼以外の金属でも被覆処理でき、寸法変化と被膜厚さが等しいといった特徴がある。

摩擦特性の評価例として乾燥状態でのファビリー(ファレックス)試験がある。この試験はφ6[mm]の試験ピンを2つのVブロックの間に挟んで増加荷重下で回転させ、焼付き性や摩擦係数などを評価する試験である。処理されたピンとブロックの摩擦面は、赤熱する高荷重域でも焼付きを起こさず、平滑状態を保っている。これらの試験では、相手材も含めた反応の繰り返しなどにより、被膜厚さ以上に摩耗が進んだ場合でも、処理効果の持続が観察される。この試験は油中での摩擦で、油切れが起きた場合などもシミュレーションしていると考えられている。

家電・電気機器、あるいは輸送・油圧機器などの初期なじみ、摩擦面の平滑化・焼付き・保油・ローラーピッチング強度・潤滑油温域・荷重分配・荷重の保持と解放、原音などで効果が確認されている。処理品としては、クランクシャフト・ベーン・ネジ・シュー・ブッシュ・吸気バルブ・ワッシャ・ロッカーアーム・ピニオンシャフト・シリンダブロック・ヘッド・ギヤ・プランジャ・リミッタ・シフトホーク・ボール・ケージ・ピン・リングなどがある。ただし、これらには浸炭窒化のみが適用されている部品も含まれている。