JP2008231563A - 浸炭部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋼部材の表面の少なくとも一部に酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成工程と、浸炭ガスが酸化皮膜を還元する際に生成する炭素を鋼部材の表面に拡散させることを伴う真空浸炭処理工程とを備える。形成する酸化皮膜の厚さを0.05〜5μmの範囲に制御する。
【選択図】図1
Description
ところで、浸炭に代表されるような表面処理や表面改質に対しては、一般的には酸化皮膜の存在は阻害要因と考えられており、極力除去することが求められてきた。それは酸化皮膜が表面処理をする際のバリヤー膜となり、表面における反応や密着性に悪影響を及ぼすことが多いためである。しかしながら、発明者らは浸炭前の酸化皮膜形成が減圧浸炭の際には浸炭を促進することを明らかとした。その原理を、反応式を用いて説明する。
酸化皮膜FexOyが存在する際の浸炭反応は次式のような反応となる。
ΔG1−ΔG8>0
ここで、式4と式6から上記条件は下記となる。
また、酸化皮膜にある程度の欠陥を含んでいたとして、99%が酸化皮膜で1%がFe基材だとして計算をしてみる。ここでの事例としては、浸炭ガスにエチレン(C2H4)、酸化皮膜がFe2O3の場合を想定する。
以上の理論的考察より、酸化皮膜が存在することで減圧浸炭する際の浸炭反応が促進されることがわかった。
本発明は鋼であればいずれの成分でも効果が得られる。ここでは浸炭用鋼として一般的なJIS SCM420Hを用いた例を述べる。試験に用いた材料の化学成分を表2に示す。
<予備酸化温度>
表4の結果では、550℃までは浸炭促進効果があるが、600℃ではかえって浸炭が阻害されている。この原因は、570℃以上の温度になると酸化皮膜の内部にFeOを生じて膜厚が厚くなりやすいため、炭素の拡散に対するバリヤー性を増すからである。しかしながら、このような570℃以上の温度で予備酸化した後に軽くショットブラストなどの表面処理を施すことで、最表層の酸化皮膜が除去されて酸化皮膜の厚さを減じたうえで浸炭に供すれば、浸炭促進効果を得ることができる。したがって、酸化の温度が決定的な要素ではなく酸化皮膜の厚さが重要であるが、付加的な工程を省略するためには、予備酸化温度は250〜550℃が望ましい。
上記の温度範囲では酸化皮膜は剥離などを生じないため放物線則にしたがって成長し、下記の式で予測される範囲内の熱処理時間であれば問題は無い。
表3および表4で示している本発明の実施例は、大気中での酸化の結果を示している。酸化物が生成するか否かは酸素分圧で決まるが、例えば本実施例で示した550℃の場合は、Fe2O3の平衡酸素分圧は10−11Pa(10−16atm)程度であるため、これ以上の酸素分圧であることが必要条件となる。酸化反応を速やかに進行させるためには酸素分圧が高い方が良いので、10Pa(10−4atm)以上が望ましい。しかし、このような酸素濃度は特段の雰囲気制御をしなくても大気で実現できるため、特段の限定をあえてする必要は無い。当然のことながら、H2やCOなどが共存するような場合は、10−11Pa(10−16atm)相当以上の酸素ポテンシャルであれば本発明の目的を達することができる。
ガス浸炭に限定して効果が認められる方法として、特開平9−324255号公報には、酸素分圧が10−14Pa〜10Pa(10−19〜10−4atm)である雰囲気中で予備処理をした後にガス浸炭を行う方法が開示されている。ここで開示されている予備熱処理温度の750℃では、Fe2O3の解離酸素分圧は10−5Pa(10−10atm)であるため、これ以下の酸素分圧では安定的な酸化皮膜形成は望めない。同公報には、酸化皮膜の形成量が開示されていないことから、酸化皮膜形成の効果よりはむしろ表面の何らかの改質効果、例えば表面に付着している油分などが10−19〜10−4atm(10−14Pa〜10Pa)という高真空下で除去されたことによる効果が大きいものと考えられる。したがって、ここで開示されている方法では、本発明で必要とする酸化皮膜の膜厚が得られないので、減圧浸炭のための前処理としては効果が望めない。
原理的には浸炭処理の対象となる鋼材はいずれの鋼種でもよい。しかしながらCr濃度を10%以上含む鋼材の場合は、酸化物としてスピネル(FeO・Cr2O3)が主体となりFe酸化物が主体の場合と膜厚の成長速度が異なるため、最適な酸化条件も異なってくる。ただし、浸炭に際して酸化皮膜が促進効果を持つことには変わりが無く、本発明の適用が可能である。具体的には、炭素鋼、SCR材(クロム鋼)、SCM材(クロムモリブデン鋼)、SNC材(ニッケルクロム鋼)、SNCM材(ニッケルクロムモリブデン鋼)など、Cr濃度が10%以下の鋼材であればFe酸化物を主体とした酸化皮膜なので、本発明が適用可能なのはもちろんのこと、本実施例で示した予備酸化条件で本発明の目的は達成される。
予備酸化の方法としては、図6に示すように減圧浸炭炉に投入する前に別体の炉で一度予備酸化した後に冷却し、これを減圧浸炭炉に投入して浸炭する方法がある。この方法によれば、酸化皮膜を形成した後に部分的に酸化皮膜を除去すれば部分浸炭処理を行うことができ、部分浸炭を行うためにはこのように別体の炉を用いることが有効である。
これらは本発明を実施するにあたっての例であり、その目的や操業の炉の形態、流動数などに合わせて選定することができる。
浸炭ガスをCnHmとすると、上記式11に示すようにm>0であれば、浸炭ガスの種類(n,mの値)によらずに浸炭促進効果を得ることができる。つまり、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、アセチレンなどの炭化水素や油蒸気、アルコール、天然ガスなど、分子構造にHを含む浸炭性のガスであれば本発明の効果が得られる。この中でも、本発明によって上記式5の反応を促進させるには、CnHmで表される炭化水素系のガスが最も適している。また、式11によれば、mが小さい方が効果が大きいことがわかる(ただし、m>0)。m=1の炭化水素系ガスは実在しないので、m=2〜6のプロパン(m=6)、エチレン(m=4)、アセチレン(m=2)などの炭化水素が効果的である。なお、本発明の効果が得られない例としてはm=0の浸炭ガスを用いる場合である。例えば、CO、CO2を用いたとしても本発明による効果は全く得ることができない。
浸炭の温度がどのような条件でも本発明が効果的であることの理論的な背景、およびそれに基づいた計算結果(表1)はすでに述べた。また、本発明で開示した最適な酸化皮膜の厚さは、浸炭温度が変化しても有効である。酸化皮膜の下限は浸炭反応全体の時間のうち酸化皮膜の還元に要する時間を規定することとなる。浸炭温度を変えることにより浸炭反応時間が変化しても、同時に酸化皮膜の還元に要する時間も同じ割合で変化するので、両者の時間的割合は温度が変化しても一定を保つからである。酸化皮膜の厚さの上限についても同様のことが言える。酸化皮膜の上限は、浸炭する際の炭素の拡散に対するバリヤー性で規定されるが、温度の変化によって炭素の拡散性が変化すると同時に同じ割合で浸炭反応によって生成する炭素量も変化するため、両者の割合が一定となるためである。
本発明で形成される酸化皮膜を製品の一部分のみに形成することで、同一製品の部分によって浸炭深さが異なる製品の製造が可能である。もっとも簡単な方法は、ワークをまず予備酸化し、この後、酸化皮膜が不要な部分を研削や切削で除去する方法である。この方法によれば、防炭剤を用いた部分的浸炭(特開平10−273771号公報に開示)、防炭剤を用いた部分的浸炭(特開平4−32527号公報に開示)、メッキを用いた部分的浸炭(特開平8−60335号公報に開示)、塑性変形を利用した浸炭深さの制御(特開平5−25610号公報)、高濃度浸炭を行った後に不要な部分を研削や切削で除去する方法(特開平4−250927号公報に開示)などよりも、容易に部分的な浸炭が可能である。
本発明の予備酸化を用いたプロセスにより炭化物を生成する濃度以上、例えばC=0.8%以上に浸炭し、これを炭化物析出温度に保持することで炭化物を析出させた組織を得ることができる。これは、例えば材料がSCM420Hの場合には図10に示す熱処理のヒートパターンで可能である。また、実際にこのような方法を用いてSCM420Hで炭化物を析出させた例を図11に示す。
本発明の予備酸化を用いたプロセスにより炭素濃度を高くすることにより、オーステナイト安定度を高くすることができるので、焼入れ後のオーステナイト率を高くするようなコントロールも可能である。このような方法でSCM420Hをオーステナイト組織とした例を、図12に示す。上記のように部分的酸化を施すことによって部分的にオーステナイト組織とすることが可能である。このような方法により、歯底のみオーステナイト組織とした歯車とすることで歯車の歯元の靱性を向上させ、歯面の耐面圧強度を維持しつつ、衝撃強度を増大させることができる。さらに、噴射させた硬質メディアを表面に衝突させる加工を行うことで、歯底に加工誘起変態したマルテンサイトを生じさせ、これによって歯元の疲労強度を著しく向上させることもできる。
Claims (2)
- 減圧された炉内で浸炭ガスを供給しながら鋼部材に真空浸炭処理を施す浸炭部品の製造方法において、
前記鋼部材の表面の少なくとも一部に酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成工程と、
浸炭ガスが前記酸化皮膜を還元する際に生成する炭素を前記鋼部材の表面に拡散させることを伴う真空浸炭処理工程と
を備えることを特徴とする浸炭部品の製造方法。 - 前記酸化皮膜の厚さを0.05〜5μmの範囲に制御することを特徴とする請求項1に記載の浸炭部品の製造方法。
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