JP2007238974A - 浸炭方法およびこれを用いて製造された浸炭部品 - Google Patents

Abstract

【課題】浸炭ムラの発生および表面硬度の低下を抑止することのできる浸炭方法およびそれによって製造された浸炭部品を提供する。
【解決手段】浸炭方法は、３．５質量％以上のＣｒを含む鋼の表面に酸化膜を形成する酸化工程（Ｓ１）と、酸化工程後、鋼を浸炭する浸炭工程（Ｓ２）と、浸炭工程後、鋼の表面から酸化膜を除去する除去工程（Ｓ３）と、除去工程後、鋼を焼入れる焼入工程（Ｓ４）とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、浸炭方法およびこれを用いて製造された浸炭部品に関する。

浸炭処理は、低炭素鋼または低炭素合金鋼などの加工性のよい鋼を機械加工した後、その鋼の表面層の炭素量を増加させ、表面層のみを焼入硬化する処理方法である。浸炭処理を施した鋼の内部は炭素量が少なく柔軟な組織のままであるために靭性が高く、また表面層は炭素量が多いために耐磨耗性が高い。浸炭処理が施された鋼はこのような利点を有するので、各種の機械部品に広く応用されている。浸炭処理の具体的な方法としては、浸炭性ガスを用いて行なわれるガス浸炭処理が主流であるが、ガス浸炭処理では、鋼の表面の位置によって浸炭層が形成される深さにムラが発生する場合がある。この浸炭の深さのムラを浸炭ムラという。

ところで、浸炭処理方法の一つとして真空浸炭処理がある。真空浸炭処理とは、減圧された浸炭性ガスを真空中（減圧雰囲気中）に導入することで浸炭処理を行なう浸炭処理方法である。真空浸炭処理に関しては、たとえば特許第３５３１７３６号（特許文献１）、特開２００４−１６９１０１号公報（特許文献２）、または特許第３４４２７３７号（特許文献３）などに記載されている。一般に浸炭ムラができる原因は、鋼の表面に生成する酸化膜にあると考えられている。上記真空浸炭処理によれば、酸化膜の生成が抑止されるので、浸炭ムラの発生をある程度抑制することができる。

また、鋼に含まれる成分の中でＣｒ（クロム）は、特に酸化膜の生成が起こりやすい成分である。Ｃｒを多く含んでいる鋼ほど浸炭ムラが発生しやすい。一般に、Ｃｒを多く含むステンレス鋼では安定なＣｒ酸化膜が生成される。このため、Ｃｒを多く含むステンレス鋼についてはガス浸炭処理が困難であることが知られており、真空浸炭処理が採用されている。
特許第３５３１７３６号（特開２００２−２１２７０２号公報） 特開２００４−１６９１０１号公報 特許第３４４２７３７号（特開２００２−１８０２３５号公報）

しかしながら、上記の真空浸炭処理を行なっても、浸炭ムラの発生を十分抑止することができないという問題があった。また、真空浸炭処理には浸炭時に煤が発生する問題があるので、真空浸炭処理は浸炭処理方法の主流にはなっていない。

Ｃｒを多く含む鋼（Ｃｒの含有量３．５質量％以上の鋼）について浸炭ムラの発生を抑止し得る一つの方法として、浸炭処理前の鋼に大気中において９００℃以上の温度で熱処理を施すことが行なわれている。しかし、この熱処理を施すと、浸炭処理後に得られた完成品（浸炭部品）において表面硬度が低下するという問題があった。

したがって、本発明の目的は、浸炭ムラの発生および表面硬度の低下を抑止することのできる浸炭方法およびこれを用いて製造された浸炭部品を提供することである。

本発明の浸炭方法は、３．５質量％以上のＣｒを含む鋼の表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程後、鋼を浸炭する浸炭工程と、浸炭工程後、鋼の表面から酸化膜を除去する除去工程と、除去工程後、鋼を焼入れる焼入工程とを備えている。

本願発明者は、鋼が３．５質量％以上のＣｒを含む場合には、鋼の表面に形成された酸化膜が脱炭を助長し、浸炭部品の表面硬度の低下を招いていることを見出した。すなわち、予め鋼の表面に酸化膜を形成しておくことによって、浸炭時に浸炭ムラの発生を抑止することができる。一方で浸炭後に鋼を焼入れる際には、この酸化膜の成分（特に酸素）が鋼の表面に存在する炭素と結びつき、ガスとして放出される。その結果、焼入によって鋼が脱炭され、浸炭部品の表面硬度が低下する。

そこで、本発明の浸炭方法によれば、焼入工程前に酸化膜を除去するので、焼入工程における脱炭を抑止することができる。その結果、浸炭工程において酸化膜によって浸炭ムラの発生を抑止しつつ、表面硬度の低下を抑止することができる。

本発明の浸炭部品は、上記浸炭方法を用いて製造されている。これにより、浸炭ムラが少なく、高い表面硬度を有する浸炭部品が得られる。

本発明の浸炭方法およびこれを用いて製造された浸炭部品によれば、浸炭ムラの発生および表面硬度の低下を抑止することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における浸炭部品の製造方法を工程順に示す図である。図１を参照して、始めに、３．５質量％以上のＣｒを含む鋼を準備し、この鋼に対して高温酸化処理を施す（ステップＳ１）。これにより、鋼の表面に酸化膜が形成される。高温酸化処理は、たとえば９００℃以上１０００℃以下の大気中に鋼を保持することにより行なわれる。

次に、鋼を浸炭処理する（ステップＳ２）。浸炭処理は、たとえばＣＰ（カーボンポテンシャル）が０．６の雰囲気で、９６０℃の温度で３６時間行なわれる。浸炭処理方法は、固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭、または真空浸炭などいずれでもよい。浸炭処理の際には、鋼の表面に酸化膜が形成されているので、鋼の表面におけるどの位置からも均一な深さで炭素を侵入させることができ、浸炭ムラの発生を抑止することができる。その後、この鋼を浸炭処理温度から冷却することによって、鋼に対して１次焼入が施される。

次に、鋼の表面に形成された酸化膜（スケール）を除去する（ステップＳ３）。スケールの除去方法としては、旋削、ラッピング、タンブラーなどの機械加工を用いる方法であってもよいし、電解研磨のような化学研磨を用いる方法であってもよい。

次に、鋼に対して２次焼入を施す（ステップＳ４）。２次焼入は、１１００℃の真空炉において２０分間保持した後で冷却することにより行なわれる。ここで、２次焼入の際に鋼の表面に酸化膜が形成されていると、酸化膜の成分が鋼の表面の炭素と結びつき、ガスとして放出される。その結果、鋼の脱炭が起こり、鋼の表面硬度の低下を招く。しかし本実施の形態では、酸化膜が除去された鋼に対して２次焼入を施すので、酸化膜による鋼の脱炭は起こらない。

その後、鋼に焼戻を施してもよい。以上の工程により、本実施の形態の浸炭部品が得られる。

本実施の形態における浸炭方法は、３．５質量％以上のＣｒを含む鋼の表面に酸化膜を形成する酸化工程（ステップＳ１）と、酸化工程後、鋼を浸炭する浸炭工程（ステップＳ２）と、浸炭工程後、鋼の表面から酸化膜を除去する除去工程（ステップＳ３）と、除去工程後、鋼を焼入れる焼入工程（ステップＳ４）とを備えている。

本実施の形態における浸炭方法およびこれを用いて製造された浸炭部品によれば、鋼の表面に酸化膜を形成してから浸炭処理を施すので、浸炭ムラの発生を抑止することができる。加えて、酸化膜が除去された鋼に対して２次焼入を施すので、酸化膜の成分による鋼の脱炭を抑止することができ、鋼の表面硬度が低下するのを抑止することができる。

本実施例では、試験片Ａ（比較例）および試験片Ｂ（本発明例）に関して、２次焼入の際に鋼の表面から脱離するガスについて調べた。始めに、Ｃｒを含む鋼（Ｃ：０．１５質量％、Ｎｉ：３．５質量％、Ｃｒ：４質量％、Ｍｏ：４質量％、Ｖ：１質量％、残部Ｆｅ）よりなる試験片Ａおよび試験片Ｂを準備し、高温酸化処理、浸炭処理、および１次焼入を施した。高温酸化処理は９５０℃の大気中に鋼を保持することにより行なった。浸炭処理はガス浸炭により行ない、ＣＰが０．６の雰囲気で、９６０℃の温度で３６時間行なった。続いて、試験片Ｂについて鋼の表面に形成された酸化膜をラッピングにより除去した。試験片Ａについては酸化膜を除去しなかった。以上のようにして得られた１次焼入後の試験片Ａおよび試験片Ｂの各々に対して、昇温脱離ガス分析を行なった。図２は試験片Ａの昇温脱離ガス分析の結果を示す図であり、図３は試験片Ｂの昇温脱離ガス分析の結果を示す図である。

図２を参照して、試験片Ａでは試験片の温度上昇とともに大量のガスの脱離が観測された。具体的には、５００℃付近、８００℃付近および９００℃付近で質量数４４（二酸化炭素）の脱離ピークが観測され、８００℃付近および９００℃付近で質量数２８（窒素・一酸化炭素）の脱離ピークが観測された。一方図３を参照して、試験片Ｂにおいて脱離したガスの量は、試験片Ａにおいて脱離したガスの量に比べて非常に少なかった。これらの結果から、試験片Ａの２次焼入の際には、酸化膜の酸素原子が鋼の表面に存在する炭素原子と結合して、一酸化炭素および二酸化炭素が発生し、その結果鋼の脱炭が発生していることが推測される。加えて、試験片Ａでは３００℃付近で質量数１８（水）の脱離ピークが観測され、６００℃付近で質量数２（水素）の脱離ピークが観測されたことから、酸化膜における酸素以外の成分も鋼に対して何らかの悪影響を与えているものと推測される。

本実施の形態においては、２次焼入後の試験片Ａおよび試験片Ｂに関して、深さ方向の硬度分布について調べた。すなわち、実施例１で得られた１次焼入後の試験片Ａおよび試験片Ｂの各々に対して２次焼入を施した。２次焼入は１１００℃の真空炉において２０分間保持した後で冷却することにより行なった。以上のようにして試験片Ａおよび試験片Ｂの各々の浸炭部品を得た。続いて、試験片Ａおよび試験片Ｂの各々の断面において、深さ方向に沿ってビッカース硬度（ＨＶ）を測定した。図４は試験片Ａの深さ方向の硬度分布を示す図であり、図５は試験片Ｂの深さ方向の硬度分布を示す図である。

図４および図５を参照して、試験片Ａの硬度は、表面から約０．８ｍｍの部分が最も高くなっており、表面に近づく程低下している。一方、試験片Ｂの硬度は、表面に最も近い部分が最も高くなっており、表面から離れる程低下している。これらの結果から、試験片Ａでは２次焼入れの際の脱炭により表面硬度が低下しているのに対して、試験片Ｂでは表面硬度の低下が抑制されていることが分かる。

以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の浸炭方法およびそれによって製造された浸炭部品は、軸受部品の浸炭方法およびそれによって製造された軸受部品に適している。

本発明の一実施の形態における浸炭部品の製造方法を工程順に示す図である。 本発明の実施例１における試験片Ａの昇温脱離ガス分析の結果を示す図である。 本発明の実施例１における試験片Ｂの昇温脱離ガス分析の結果を示す図である。 本発明の実施例１における試験片Ａの深さ方向の硬度分布を示す図である。 本発明の実施例１における試験片Ｂの深さ方向の硬度分布を示す図である。

Claims (2)

1. ３．５質量％以上のＣｒを含む鋼の表面に酸化膜を形成する酸化工程と、
   前記酸化工程後、前記鋼を浸炭する浸炭工程と、
   前記浸炭工程後、前記鋼の表面から前記酸化膜を除去する除去工程と、
   前記除去工程後、前記鋼を焼入れる焼入工程とを備える、浸炭方法。
2. 請求項１に記載の浸炭方法を用いて製造された浸炭部品。

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