JP2004244673A

JP2004244673A - 浸炭方法

Info

Publication number: JP2004244673A
Application number: JP2003035192A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Saeki; 泰彦佐伯; Shinji Asano; 晋司浅野; Yoichi Watanabe; 陽一渡辺
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】合金元素やＲＥＭを添加しなくても、浸炭時間を短縮化することができる浸炭方法を提供する。
【解決手段】浸炭処理を施す前に、被浸炭部材の表面積を増加させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の浸炭方法においては、鋼材成分と焼入れ性との関係に基づいて、最適成分範囲を規定することで、浸炭時間の短縮化を図っている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、Ａｌ、Ｎｂ、Ｎの添加量を規定することで、結晶粒の粗大化を抑制し、高温浸炭による浸炭時間の短縮化を図っているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
また、鋼材成分、特に、Ａｌ、Ｎｂ、Ｎの添加量を規定し、ＡｌＮの析出量およびフェライトバンドを調整することで、結晶粒の粗大化を抑制し、高温浸炭による浸炭時間の短縮化を図っているものもある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
さらに、触媒として機能する希土類元素（ＲＥＭ）を浸炭ガスに添加することで、浸炭時間の短縮化を図っているものもある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−７３９９０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２００３８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２７９３８３号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５６４１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載の方法は、焼入れ性の改善によって、組織硬さが向上し、浸炭時間の低減が図れるが、合金元素の添加によるコストアップや、塑性加工性および機械加工性の悪化が生じる問題を有する。
【０００８】
特許文献２および特許文献３に記載の方法は、合金元素の添加によるコストアップに加え、高温浸炭による浸炭炉内の耐火物の損耗および鋼材の表面酸化の増加を引き起こす問題を有する。
【０００９】
特許文献４に記載の方法は、高価なＲＥＭの所要量が大きく、また、ＲＥＭの添加による浸炭炉内の耐火物の損耗を引き起こす問題を有する。
【００１０】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、合金元素やＲＥＭを添加しなくても、浸炭時間を短縮化することができる浸炭方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、浸炭処理を施す前に、被浸炭部材の表面積を増加させることを特徴とする浸炭方法である。
【００１２】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明によれば、被浸炭部材の表面積の増加によって、浸炭処理の際に、炭素の表面反応サイトが増加し、単位時間当たりの炭素反応量が増加する。したがって、合金元素やＲＥＭを添加しなくても、浸炭時間を短縮化することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態１に係る浸炭方法を説明するための工程図である。
【００１５】
線材である被浸炭部材は、浸炭処理を施す前に、被浸炭部材の表面積を増加させる表面積増加処理が施される。表面積増加処理は、例えば、微小な粒子を表面に衝突させる機械加工が適用される。
【００１６】
機械加工は、例えば、ショットピーニングが使用される。表面積増加処理に適用される加工方法は、特に限定されないが、ショットピーニングのように機械的に表面に凹凸を形成し粗面化することは、効率の点で好ましい。
【００１７】
したがって、表面積増加処理による被浸炭部材の表面積の増加によって、浸炭処理の際に、炭素の表面反応サイトが増加し、単位時間当たりの炭素反応量が増加する。そのため、合金元素やＲＥＭを添加しなくても、浸炭時間を短縮化することができる。
【００１８】
なお、実施の形態１に係る被浸炭部材である線材は、φ２０ｍｍであり、クロム鋼ＳＣｒ４２０からなる素材鋼を、熱間圧延することにより製造されている。圧延温度は、１２５０℃である。被浸炭部材の算術平均粗さＲａは、例えば、６．３μｍ以下である。
【００１９】
浸炭温度は、９００〜１０５０℃、浸炭時間は、３〜６時間であり、その後、油冷される。
【００２０】
図２は、表面積増加処理による影響を説明するための図表であり、表面積増加率に対する有効硬化深さ、表面酸化層厚み、浸炭時間短縮割合の関係を示している。
【００２１】
表面積増加率の算出方法は、特に限定されないが、実施の形態１においては、ショットピーニングに適用される粒子の形状および粒子が投射される領域の被浸炭部材の全表面に対する割合から算出しているが、例えば、表面粗さの変化から算出することも可能である。有効硬化深さは、ビッカース硬さ５１２Ｈｖを呈する表面からの距離である。
【００２２】
実施の形態１においては、浸炭処理後の仕上げ加工等のための取り代を考慮して、０．９２ｍｍを有効硬化深さの基準として設定している。しかし、有効硬化深さの基準値は、特に限定されず、対象となる被浸炭部材に応じ、適宜設定することが可能である。また、有効硬化深さを規定するビッカース硬さは、５１２Ｈｖに限定されず、対象となる被浸炭部材に応じ、適宜設定することが可能である。
【００２３】
浸炭時間短縮割合は、硬化深さが浸炭時間の自乗に関係することに基づいた換算値であり、表面積を増加させない場合における有効硬化深さの値を基準としている。なお、表面酸化層厚みは、被浸炭部材の断面を顕微鏡観察することにより、測定した。
【００２４】
図２に示されるように、表面積増加率を０〜１００％の範囲で変更することにより、有効硬化深さは、０．９２ｍｍから１．０５ｍｍに増加し、表面酸化層厚みは、２０μｍから４６μｍに増加した。有効硬化深さの変化を浸炭時間短縮割合に換算すると、表面積増加率が１００％の場合において２３％である。
【００２５】
図３は、表面積増加率に対する浸炭時間短縮割合および表面酸化層厚みの関係を示しているグラフである。図に示されるように。被浸炭部材の表面積の増加率が３５％未満の場合においては、浸炭時間の短縮化の効果が顕著ではない。したがって、被浸炭部材の表面積の増加率は、３５％以上に設定することが好ましい。
【００２６】
また、被浸炭部材の表面積の増加率が７０％を越える場合においては、浸炭時間の短縮化に対する効果が収束する傾向が見られ、また、表面酸化層厚みの増加が顕著である。したがって、表面積増加処理の加工コストも考慮し、被浸炭部材の表面積の増加率は、７０％以下に設定することが好ましい。
【００２７】
以上のように、実施の形態１においては、浸炭処理を施す前に、被浸炭部材の表面積を増加させているため、浸炭処理の際に、炭素の表面反応サイトが増加し、単位時間当たりの炭素反応量が増加する。そのため、合金元素やＲＥＭの添加や高温浸炭をしなくても、浸炭時間を短縮化することができる。したがって、合金元素やＲＥＭの添加によるコストアップや、塑性加工性および機械加工性に影響を及ぼすこともない。
【００２８】
図４は、本発明の実施の形態２に係る浸炭方法を説明するための工程図、図５は、図４に係る浸炭方法が適用される被浸炭部材を説明するための断面図である。実施の形態２に係る被浸炭部材１０は、リングギアであり、クロム鋼ＳＣｒ４２０からなる素材鋼を、例えば、熱間鍛造し、歯切り加工を施すことにより製造されている。
【００２９】
また、被浸炭部材は、浸炭処理を施す前に、選択的表面積増加処理が施される。選択的表面積増加処理は、被浸炭部材における浸炭速度が低い部位（浸炭困難部位）の表面積を選択的に増加させる処理である。浸炭温度は、９００〜１１００℃、浸炭時間は、３〜６時間であり、その後、油冷される。なお、浸炭処理後の被浸炭部材（リングギア）は、例えば、歯面研削等の加工が施される。
【００３０】
つまり、実施の形態２は、浸炭処理の律速となる被浸炭部材の一部の表面積を、選択的に増加させる点で、実施の形態１と異なっている。この場合、浸炭処理の際に、浸炭困難部位の表面における炭素の表面反応サイトが増加し、単位時間当たりの炭素反応量が増加する。
【００３１】
したがって、浸炭時間を短縮化するために、被浸炭部材の全体に表面積増加処理を施す必要がないため、効率的である。例えば、リングギアにおける浸炭困難部位は、歯元（リム部の外周面と歯元の面との境界部）１１である。
【００３２】
選択的表面積増加処理は、例えば、投射される粒子が狭い領域に集中する空気噴射式ショットピーニングを適用することによって、容易に実行することが可能である。なお、浸炭困難部位以外の非処理領域をマスキングする場合、例えば、遠心式ショットピーニングによって、選択的表面積増加処理を実行することが可能である。
【００３３】
図６は、選択的表面積増加処理による影響を説明するための図表であり、歯元表面積増加率に対する歯元有効硬化深さ、歯元表面酸化層厚み、歯元浸炭時間短縮割合の関係を示している。なお、浸炭が迅速に進行する非処理領域である歯面（歯先面と歯末の面との境界）１２における有効硬化深さを、比較例として示している。
【００３４】
また、実施の形態２においては、歯元１１における有効硬化深さ（ビッカース硬さ５１２Ｈｖを呈する表面からの距離）は、０．８２ｍｍを基準として設定している。歯面１２における有効硬化深さの設定は、０．９３ｍｍである。
【００３５】
図６に示されるように、歯元表面積増加率を０〜１００％の範囲で変更することにより、歯元有効硬化深さは、０．８２ｍｍから０．９６ｍｍに増加し、歯元表面酸化層厚みは、１９μｍから４７μｍに増加した。歯元有効硬化深さの変化を浸炭時間短縮割合に換算すると、歯元表面積増加率が１００％の場合において３７％である。
【００３６】
一方、表面積増加処理を施していない歯面１２における有効硬化深さは、０．９２〜０．９４ｍｍの範囲にある。したがって、歯面１２と歯元１１の有効硬化深さの差は、歯元表面積増加率の上昇によって、減少する。つまり、リングギアの全体に表面積増加処理を施さなくとも、浸炭時間を短縮化することができ、効率的である。
【００３７】
なお、図７は、歯元表面積増加率に対する歯元浸炭時間短縮割合および歯元表面酸化層厚みの関係を示しているグラフである。図に示されるように、歯元１１の表面積の増加率が３５％未満の場合においては、浸炭時間の短縮化の効果が顕著ではない。したがって、歯元１１の表面積の増加率は、３５％以上であることが好ましい。
【００３８】
また、歯元１１の表面積の増加率が７０％を越える場合においては、表面酸化層厚みの増加が顕著であり、さらに、歯元１１の表面積の増加率が８０％を越える場合においては、浸炭時間の短縮化に対する効果が収束する傾向が若干見られる。したがって、表面積増加処理の加工コストも考慮し、歯元１１の表面積の増加率は、７０％以下であることが好ましい。
【００３９】
以上のように、実施の形態２においては、浸炭処理の律速となる浸炭困難部位（浸炭速度が低い部位）の表面積を選択的に増加させることにより、浸炭時間を効率的に短縮化することができる。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００４１】
例えば、被浸炭部材は、線材やギアに限定されず、耐摩耗性や疲労強度が要求される部品、例えば、シャフトやピン等の機械部品に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る浸炭方法を説明するための工程図である。
【図２】図１に示される表面積増加処理による影響を説明するための図表である。
【図３】図２に示されている表面積増加率に対する浸炭時間短縮割合および表面酸化層厚みの関係を示しているグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る浸炭方法を説明するための工程図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る被浸炭部材の断面図である。
【図６】図４に示される選択的表面積増加処理による影響を説明するための図表である。
【図７】図６に示されている歯元表面積増加率に対する歯元浸炭時間短縮割合および歯元表面酸化層厚みの関係を示しているグラフである。
【符号の説明】
１０…リングギア（被浸炭部材）、
１１…歯元、
１２…歯面。

Claims

浸炭処理を施す前に、被浸炭部材の表面積を増加させることを特徴とする浸炭方法。
前記被浸炭部材の表面積の増加率は、３５％以上かつ７０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法。
前記被浸炭部材の一部の表面積を、選択的に増加させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の浸炭方法。
前記被浸炭部材の一部は、前記被浸炭部材における浸炭速度が低い部位であることを特徴とする請求項３に記載の浸炭方法。
前記被浸炭部材の表面積は、微小な粒子を表面に衝突させる機械加工によって、増加させられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の浸炭方法。
前記機械加工は、ショットピーニングであることを特徴とする請求項５に記載の浸炭方法。