JP2010229490A - 金属製品の表面処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】機械加工した金属製品に対して浸炭窒化処理を行う工程(S1)と、浸炭窒化処理後の金属製品を2時間以上にわたって、300〜400℃で加熱する工程(S2)とを有している(請求項1)。
【選択図】図1
Description
ショットピーニングを施した場合は、金属製品の表面近傍に付加された圧縮残留応力が、例えば、350℃程度の加熱処理によってほぼ完全に開放されてしまう。そのため、従来は、浸炭窒化処理後に処理対象物である金属製品を350℃程度に加熱する処理は行われることがなかった。
近年、エンジンの高トルク化に伴い、自動車用トランスミッションで用いられる浸炭窒化処理を施したギヤの様な鋼製品では、疲労強度をより向上することが要請されている。
しかしながら、係る要請には、未だ十分には応えられていない。
しかし、この従来技術(特許文献1)では、素材の条件が厳密に定められていることに加えて、その用途が軸受部品に限定されているので、上述した問題を解決することはできない。
ところが、係る従来技術(特許文献2)では、素材の条件が限定されており、浸炭窒化部品全般の疲労強度を向上させることが困難であった。
本発明の金属製品の表面処理方法は、機械加工した金属製品に対して浸炭窒化処理を行う工程(S1)と、浸炭窒化処理後の金属製品を2時間以上にわたって、300〜350℃で加熱する(焼戻しを行なう)工程(S2)とを有することを特徴としている(請求項1)。
ここで、加熱時間及び加熱温度の最適値は、熱処理対象物の求められる機械的性質及び処理に要するコストを勘案し、金属材料の組成、形状、大きさ等によって適宜設定される。
上述する本発明の表面処理方法によれば、浸炭窒化処理工程(S1)後に、金属製品を2時間以上、300〜350℃で加熱する工程(S2:焼戻す工程)を付加することにより、曲げ、捩じり及び転動(ピッチング)に対する疲労強度が向上している。
浸炭窒化処理を施した金属製品(鋼製品)に本発明の表面処理方法を施した場合には、金属組織中に微細な析出物(例えば、Cr及びN等)が析出する。この析出物によって、金属製品は、常温時は勿論、高温時においても曲げ、捩じり及び転動(ピッチング)に対する疲労強度が向上すると推定される。
図1は、本発明の実施形態に係る金属製品の表面処理方法の手順を示している。
図1のステップS1において、例えば、炭素量0.1%〜0.3%の合金鋼に対して、浸炭窒化処理、すなわち、部材表面に窒素を0.2〜1.0%浸入させる処理を行う。
そして、ステップS2では浸炭窒化処理を行った金属製品に対して、300〜350℃の範囲で2時間以上加熱処理を行う。
ここで、加熱温度及び加熱時間は、表面処理対象の求められる機械的性質及び処理に要するコストを勘案し、対象材料の組成、形状、大きさ等によって、適切な数値が設定される。なお、発明者による実験で、400℃以上で上記加熱処理を行なった場合には、疲労強度が低下してしまうことが判明している。
図2〜図5は、第1実験例を示している。
図2〜図5は、加熱温度300℃、加熱時間120分(2時間)で加熱した鉄鋼製品(サンプルA、サンプルB)を、300℃高温疲労試験を行い、その破断面を電子顕微鏡により撮影した金属組織を示している。
図3は、図2の浸炭窒化材に対する比較材料として、浸炭焼入れ材(サンプルB)におけるマルテンサイト組織の顕微鏡写真を示している。図2が倍率400倍であるのに対して、図3の倍率は5000倍である。
図5では、白抜きの円(3箇所)内に析出物が確認できる。
図14では、比較対象として、本発明の加熱処理を行っておらず、160℃で焼きならし処理を行った浸炭窒化材の疲労強度特性(特性線E)と、本発明の加熱処理を行っていない浸炭焼入れ材の疲労強度特性(特性線F)を、本発明を適用した場合における疲労強度特性(特性線A)と共に示している。
なお、図14で示す疲労強度特性は、JIS Z 2274「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」による疲労試験の実験結果として得られた。
図6〜図9は、実験例2を示す。
図6〜図9は、実験例1とは異なる鋼材サンプル(サンプルC)で行われた実験例を示している。
図6〜図9は、加熱処理後の浸炭窒化材(サンプルC:SCM420H)に対して300℃疲労試験を行ない、破断面を電子顕微鏡で観察した組織写真(倍率10000倍)を示している。
図7は、図6(サンプルC)において、「Fe」が析出されている状態を示している(黒い線の円内)。
図8は、図6(サンプルC)において、「Cr」が析出されている状態を示している(白抜きの円内)。
図9は、図6(サンプルC)において、窒素(N)が析出されている状態を示している(白抜きの円内)。
図15においても、比較対象として、図14で示す実験結果と同様に、本発明の加熱処理を行っておらず、160℃で焼きならし処理を行った浸炭窒化材の疲労強度特性(図15の特性線E)と、本発明の加熱処理を行っていない浸炭焼入れ材の疲労強度特性(図15の特性線F)を、本発明を適用した場合における疲労強度特性(特性線A)と共に示している。
図15で示す疲労強度特性も、JIS Z 2274「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」による疲労試験の実験結果として得られた。
図10〜図13は、実験例3を示す。
図10〜図13は、実験例1、実験例2とは異なる鋼材サンプル(サンプルD)の実験例を示している。
図10は、浸炭窒化材(サンプルD:SCM418H)の加熱処理後の電子顕微鏡による組織写真(倍率20000倍)を示している。図10によれば、白抜きの円内に、明瞭ではないが析出物が確認できる。
図12は、図10(サンプルD)において、「Cr」が析出されている状態を示している(白抜きの円内)。
そして、図13は、図10(サンプルD)において、窒素(N)が析出されている状態を示している(白抜きの円内)。
図示の実施形態の表面処理方法により、(例えば鋼製品の)金属組織中に微細な析出物(例えば、Fe、Cr、N)が析出し、この析出物(Fe、Cr、N)によって、鉄鋼製品における曲げ、捩じり及び転動(ピッチング)に対する疲労強度が向上したものと推定される。
例えば、本発明は、炭素量0.4〜0.55%の炭素鋼、合金鋼に対しても適用が可能である。
Claims (2)
- 機械加工した金属製品に対して浸炭窒化処理を行う工程と、浸炭窒化処理後の金属製品を2時間以上にわたって、300〜350℃で加熱する工程とを有することを特徴とした金属製品の熱処理方法。
- 前記金属製品の材料は、炭素量0.1%〜0.3%の合金鋼を用いた浸炭焼入れ、高濃度浸炭の熱処理において、部材表面に窒素を0.2〜1.0%浸入させ急冷した請求項1記載の金属製品の熱処理方法。
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