JP2011032514A - 窒素化合物層を有する鉄鋼部材、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄鋼材料の表面に窒化処理によって形成された化合物層の高周波焼入れによる酸化を防止する方法であって、部位による酸化防止皮膜の膜厚ムラが生じにくく、その結果、高周波加熱後に得られる窒素含有化合物層が均一に残存することを可能とした製造方法の提供。
【解決手段】鉄鋼材料に対して窒化処理と高周波焼入れ処理との組み合わせ複合熱処理を施す方法において、窒化処理後高周波焼入れ処理前に、窒化処理により鉄鋼に形成された窒素化合物層上に化成皮膜を形成させる化成処理工程を更に含むことを特徴とする方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、面圧強度、耐摩耗性、曲げ疲労強度等の機械的強度に優れた機械構造部品として使用される焼入れ鉄鋼材料、その製造方法（複合熱処理方法）およびその処理液に関するものである。

従来、機械的強度の向上のために、鋳鉄や鋼の機械構造部品に窒化処理（軟窒化処理を含む），浸炭焼入れ，高周波焼入れ等の表面硬化処理が施されている。
このうち、窒化処理により最表面に形成される窒化物からなる化合物層は、摺動性に優れており、摩耗に強く、焼き付き抵抗性が高いことが知られている（以下、これを窒素化合物層による効果Ｉと呼ぶ）。しかし、一般的に窒化処理は、浸炭焼入れ、高周波焼入れに比較して、面圧強度、疲労強度等において劣っており、例えばローラーピッチング試験を行った場合、窒素化合物層が鋼素地より剥離を生じる場合がある。その為、窒素化合物層は2GPaを越えるような高面圧における疲労試験においては、むしろ悪影響を与える存在であると広く信じられていた。本発明者等は、この要因は化合物層そのものにあるのでは無く、化合物層を支える素地の硬化層深さが浅いためであることを見出した。すなわち、窒化処理単体では、最表面の化合物層の良好な摺動性を十分に生かす為には、その直下の硬化層深さが不足していたのである。

ところで、窒素を含有する鋼材は、窒素を含有しない鋼材よりも、焼入れ後に得られるマルテンサイト組織が微細になり、そのため硬度は高くなり、また、焼入れ性が向上することによって硬化深さが増大することが知られている。つまり、窒化処理は、焼入れ性向上のための窒素拡散層を形成するための窒素拡散前処理としても利用可能（以下、窒素化合物層を形成することによる効果ＩＩと呼ぶ）である。すなわち、この効果ＩＩを利用し得られる特性とは、窒素化合物層そのものの作用によるものでは無く、窒素化合物層を形成する際に生じた窒素化合物層の直下にある鋼材中の拡散窒素の作用によるものである。
焼入れによって得られた窒素含有のマルテンサイト組織は、上述の高硬度や焼入れ性向上の他に、焼き戻し軟化抵抗性、亀裂発生・成長に対する抵抗故の高面圧強度、高疲労強度を有することが知られている。

窒化処理後にそのまま高周波焼入れを行う場合、焼入れ温度は少なくともオーステナイト組織となる温度Ａｃ３変態点以上が必要であり、通常７５０〜１０５０℃の温度範囲から選択される。窒化温度５７０℃で形成される窒素化合物層は、鉄と窒素の結合であり、大気雰囲気で６５０℃以上に再加熱されると酸化を受け分解し、窒素化合物層の窒素は、最表面では窒素ガスとして放出され窒素化合物層が消失してしまう。このことは古くから報告されている（非特許文献１）。

窒化処理と焼入れとによる複合熱処理技術は、通常、窒化処理で得られた窒素拡散層による効果ＩＩを利用するのみであり、窒化処理で形成される窒素化合物層の効果Ｉを利用していない。すなわち窒素化合物層が、窒化処理の後工程である焼入れの際に消失してしまう事を止む無しとしている。この技術に対する開示例は多く、例えば、特許文献１〜５の複合熱処理を挙げることができる。

特許文献６には、600℃以上の温度で窒化処理を施し５μｍ以下の窒素化合物層を形成させた後に高周波焼入れを行い、２μｍ以下の窒素化合物層を有する焼入れ部材を得る複合熱処理方法が開示されている。本技術で窒化条件を600℃以上の高温とする理由は、高温ほど鋼材奥側へ高濃度の窒素拡散が期待できるためであるが、600℃を越える窒化処理温度で得られる窒素化合物層は硬度が低く、効果Ｉを有さない窒素化合物層である。すなわち、本技術も窒素化合物層による効果ＩＩのみを期待するものであり、2μｍ以下の残留する窒素化合物層は無くても良い程度のものである。

前述のように高面圧における疲労強度においては、窒素化合物層はむしろ悪影響を与える存在であると広く誤信されてきた為に、窒素化合物による効果Ｉ、効果ＩＩを兼ね備えようとした技術はほぼ皆無である。このような窒化処理により表面に形成された窒化物層をそのまま高周波焼入れすることによる高温加熱での窒化物層の損傷や消失という問題を解決し、効果Ｉ、効果ＩＩを兼ね備えようとした前例の無い技術として、窒化処理後の表面上に、酸化ケイ素を成分とするガス窒化・イオン窒化防止剤、浸炭防止剤、酸化防止剤を１〜３ｍｍの厚みで被覆し、その後に焼入れを行う方法が、特許文献７に開示されている。

しかし、特許文献７の方法では、仮に加熱時での酸化現象は防止できても、１ｍｍ以上の厚膜のために熱伝導性も低いことから、マルテンサイト変態に必要な焼入れ時の冷却速度が不十分となり、目的とする微細マルテンサイトを得る事は実際には困難であった。

また、効果Ｉ、ＩＩとも利用しようとした特許文献８には、鉄鋼材料の表面に硬質窒化物層が形成され、さらにその上層として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ及びＡｌから成る群の中から選択される少なくとも一種の金属酸化物を含む無機化合物層が形成されたことを特徴とする焼入れ鉄鋼部材が特許文献８に開示されている。

特許文献７及び８は、窒化処理により窒素化合物層を形成した後、高周波焼入れの際に化合物層が酸化や分解しないよう保護皮膜を被覆し、深い硬化深度と窒素含有化合物層をともに兼ね備える鋼材を製造しようとする手法であるが、この両手法とも保護皮膜を処理液から塗布やディップによって被覆するものであり、ギヤ歯面等の複雑な形状物に対する均一塗布を苦手としていた。
特許第３１９３３２０号 特許第３３２７３８６号 特許第３１４５５１７号 特開平７−９０３６４号 特開２００７−１５４２５４号 特開２００７−７７４１１号 特開昭５８−９６８１５号 熱処理１６巻４号 Ｐ２０６ 昭和５１年 特開２００８−０３８２２０号

本発明は上記課題に鑑み、窒素化合物層保護皮膜を均一に形成させる手法として化成処理を用いることによって、部位による酸化防止皮膜の膜厚ムラが生じにくく、その結果、高周波加熱後に得られる窒素含有化合物層が均一に残存することを可能とした製造方法を提供し、その製造方法を用い、窒化処理によって形成された硬度HV550以上かつ１μｍ以上の窒素化合物層が表層に残存し、その層の下部に窒素を含有する微細マルテンサイト組織を含むHV550を越える硬度分布領域が表面からの距離で200μm以上存在する鉄鋼材料を提供することを目的としている。

本発明（１）は、鉄鋼材料に対して窒化処理と高周波焼入れ処理との組み合わせ複合熱処理を施す方法において、窒化処理後高周波焼入れ処理前に、窒化処理により鉄鋼に形成された窒素化合物層上に化成皮膜を形成させる化成処理工程を更に含むことを特徴とする方法である。

本発明（２）は、前記方法が、化成皮膜により高周波焼入れ時の窒素化合物層の分解を抑制することで、窒化処理によって形成された硬度HV550以上かつ１μｍ以上の窒素化合物層が表層に残存し、その層の下部に窒素を含有する微細マルテンサイト組織を含むHV550を越える硬度分布領域が表面からの距離で200μm以上存在する鉄鋼材料を得る方法であることを特徴とする複合熱処理方法である。

本発明（３）は、前記化成皮膜が、皮膜量として0.1〜50g/m2であることを特徴とする前記発明（１）又は（２）の複合熱処理方法である。

本発明（４）は、前記化成皮膜が、金属としてＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｈｆ、ＳｉおよびＣａからなる群の中から選択される少なくとも１種の金属と、りん酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物およびフッ化物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物とを含有することを特徴とする前記発明（１）〜（３）のいずれか一つの複合熱処理方法である。

本発明（５）は、前記窒素化合物層の形成方法が塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理又はプラズマ窒化処理のいずれかによって行われ、その処理によって鋼材の表面に１〜３０μｍの窒素を含有する化合物層が形成されることを特徴とする前記発明（１）〜（４）のいずれか一つの複合熱処理方法である。

本発明（６）は、窒化処理の温度が350〜600℃であり、高周波焼入れ時の到達温度が750〜860℃であることを特徴とする前記発明（１）〜（５）のいずれか一つの複合熱処理方法である。

本発明（７）は、前記発明（１）〜（６）のいずれか一つの複合熱処理によって得られる、硬度HV550以上かつ１μｍ以上の窒素化合物層が表層に残存し、その層の下部に窒素を含有する微細マルテンサイト組織を含むHV550を越える硬度分布領域が表面からの距離で200μm以上存在することを特徴とする鉄鋼部材である。

本発明（８）は、窒素と鉄とを含有する化合物層表面のエッチングを駆動力として析出する成分、過飽和により析出する成分又は外部電源を用いた電気的駆動力により析出する成分を含有する化成処理液であって、鉄鋼材料の窒化処理後高周波焼入れ処理前に、窒化処理により鉄鋼材料上に形成された前記化合物層の分解防止のために当該化合物層上に化成皮膜を形成するために使用される化成処理液である。

本発明の窒素化合物層を有する鉄鋼部材、その製造方法（複合熱処理方法）及びその処理液によれば、窒化処理によって得られた化合物層上に化成処理によって部位による酸化防止皮膜の膜厚ムラの無い化合物層保護膜を形成することにより、その後の高周波焼入れによる化合物層の酸化分解を効果的に抑制可能である。本発明によって得られた鉄鋼部材は、良好な摺動特性を有する化合物層が残存する結果、化合物層の特性に基づく機械的強度や耐摺動性，耐摩耗性等が維持される。さらに、拡散した窒素により焼入れ性が向上している鉄鋼部材は、高周波焼入れにより深い硬化深さ、及び高い硬度を得ることができるため、面圧強度、耐摩耗性、曲げ疲労強度について高い機械的強度を要求する機械構造部品用途に対し好適に利用可能である。

本発明の適用対象となる鉄鋼材料は、特に限定されず、例えば、炭素鋼、低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼、鋳鉄等を挙げることができる。コストの点から好ましい材料は、炭素鋼や低合金鋼等である。例えば、炭素鋼としては機械構造用炭素鋼鋼材（Ｓ２０Ｃ〜Ｓ５８Ｃ）が好適であり、低合金鋼としては、ニッケルクロム鋼鋼材（ＳＮＣ２３６〜８３６）、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＮＣＭ２２０〜８１５）、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ４１５〜４４５、８２２）、クロム鋼鋼材（ＳＣｒ４１５〜４４５）、機械構造用マンガン鋼鋼材（ＳＭｎ４２０〜４４３）、マンガンクロム鋼鋼材（ＳＭｎＣ４２０、４４３）等が好適である。これらの鋼材は、必ずしも調質を行うことによって焼入れ性を保証した調質鋼材（Ｈ材）を用いる必要は無く、調質されていないフェライト−パーライト組織ままのならし鋼材を用いてもよい。また、本発明では合金鋼の方が高い表面硬度が得られる傾向はあるものの、窒素による効果ＩＩの焼入れ性向上作用の為、炭素鋼であっても十分に深い硬化深さが得られる。さらに本発明では窒素による効果ＩＩにより、必ずしも調質鋼を用いる必要は無く、非調質鋼であるフェライト−パーライト組織の鋼でも十分な機械強度を得られる。

本発明における鉄鋼材料表面の窒素化合物層は、鉄鋼材料の表面に活性窒素を拡散させ、硬質で安定な窒化物を生成する表面硬化処理によって得られる。窒素化合物層である限り特に限定されないが、通常は母材成分であるＦｅを主体とし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉ等を含む窒化物からなる層であることが好ましい。窒素化合物層の形成方法としては、タフトライド処理、イソナイト処理、パルソナイト処理等の塩浴窒化処理、ガス軟窒化処理、プラズマ窒化処理等、効果Ｉを有する窒素化合物層およびその直下に窒素が拡散した領域が形成される手法であれば何れの窒化方法でも用いることができる。効果Ｉを有するための窒素化合物層が形成されるための窒化熱処理温度として、６００℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは５８０℃以下、さらに好ましくは５７０℃以下であることが好ましい。６００℃を上回る処理温度で得られる窒素化合物層の厚さは増すが、硬度が低下するため効果Ｉがもはや期待できなくなる。尚、下限は特に限定されないが、例えば３５０℃である。
高周波焼入れ前の窒化処理により得られる窒素化合物層の厚さは特に限定されないが、通常は１〜３０μｍの厚さで形成されていれば良く、さらに好ましくは２〜２０μｍであり、さらに好ましくは３〜１５μｍである。

本発明では、鋼材に窒素化合物層を形成後に、化成処理によって、前記化成皮膜が、金属としてＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｈｆ、ＳｉおよびＣａからなる群の中から選択される少なくとも１種の金属と、りん酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物およびフッ化物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物とを含有する化成皮膜を形成する。より具体的には、りん酸塩を含有する化成皮膜として、例えば、Ｆｅ_３ＰＯ_４、ＦｅＰＯ_４、Ｚｎ_２Ｆｅ（ＰＯ_４）_２、Ｚｎ_２Ｃａ（ＰＯ_４）_２、ＣｒＰＯ_４、Ｎｉ_３（ＰＯ_４）_２、ＡｌＰＯ_４、Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２、Ｍｎ_３（ＰＯ_４）_２、Ｍｎ_３（ＰＯ_４）_４、Ｍｇ_３（ＰＯ_４）_２、Ｚｒ_３（ＰＯ_４）_４、ＶＰＯ_４、Ｈｆ_３（ＰＯ_４）_４、Ｓｉ_３（ＰＯ_４）_４、Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２などが挙げられるが、これらは適宜、一部のカチオン代替として水素イオンを含んでも構わない。炭酸塩を含有する化成皮膜として、例えば、Ｆｅ_２（ＣＯ_３）_２、Ｃｒ_２（ＣＯ_３）_３、ＮｉＣＯ_３、Ａｌ_２（ＣＯ_３）_３、ＺｎＣＯ_３、ＭｎＣＯ_３、Ｍｎ（ＣＯ_３）_２、ＭｇＣＯ_３、Ｚｒ（ＣＯ_３）_２、Ｖ_２（ＣＯ_３）_３、Ｈｆ（ＣＯ_３）_２、Ｓｉ（ＣＯ_３）_２、ＣａＣＯ_３などが挙げられる。酸化物を含有する化成皮膜として、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＭｎＯ、ＭｎＯ_２、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｖ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２、ＣａＯなどが挙げられる。水酸化物を含有する化成皮膜として、例えば、Ｆｅ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_３、Ｃｒ（ＯＨ）_３、Ｎｉ（ＯＨ）_２、Ａｌ（ＯＨ）_３、Ｚｎ（ＯＨ）_２、Ｍｎ（ＯＨ）_２、Ｍｎ（ＯＨ）_４、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｚｒ（ＯＨ）_４、Ｖ（ＯＨ）_３、Ｈｆ（ＯＨ）_４、Ｓｉ（ＯＨ）_４、Ｃａ（ＯＨ）_２などが挙げられる。フッ化物から酸化物を含有する化成皮膜として、例えば、ＦｅＦ_２、ＦｅＦ_３、ＣｒＦ_３、ＮｉＦ_２、ＡｌＦ_３、ＺｎＦ_２、ＭｎＦ_２、ＭｎＦ_４、ＭｇＦ_２、ＺｒＦ_４、ＶＦ_３、ＨｆＦ_４、ＳｉＦ_４、ＣａＦ_２などが挙げられる。本発明における化成皮膜としては、上述のりん酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物、およびフッ化物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含有すれば良く、それらは水和水を含んだものでも良い。また、析出する化成皮膜中の金属成分は、処理液からの供給の他、窒素含有化合物層から溶解して取り込まれた鉄等の成分が含まれても良い。

なお本発明の化成処理とは、窒化処理された窒素含有化合物層表面の化成処理液によるエッチングを駆動力とした処理液成分の析出、窒素含有化合物層のエッチングを伴わない処理液の過飽和からの析出、又は外部電源を用いた電気的駆動力による処理液成分の析出によるものを言う。このように、一般的などのような化成処理でも、本発明の化成処理として基本的に適用可能である。また、化成処理後の鉄鋼部材の水洗や乾燥も、通常の化成処理と同じ工程を適宜用いてよい。ここで、以下において、例として、りん酸イオンとＺｎイオンが溶解した処理液を用いて、各種工法によってりん酸亜鉛を主体とする化成皮膜を形成する手法について簡単に説明する。エッチングを駆動力とした化成処理としては、りん酸イオンとＺｎイオンが溶解した酸性液中に被処理物を浸漬し、窒素含有化合物層がエッチングされた際、その表面のｐＨが上昇（中性側へシフト）することによって、不溶性のりん酸亜鉛が窒素含有化合物層上に沈着形成する。また、上記処理液の加温、あるいは、苛性ソーダなどを少しずつ添加し処理液のｐＨを中性側へ動かす等の作業によって、りん酸亜鉛の溶解度が低下する結果、窒素含有化合物層のエッチングを伴わずに、その表面を核として不溶性のりん酸亜鉛が沈着する。また、上記処理液中に被処理物を浸漬し、陽極として電解を行えば、窒素含有化合物層のエッチングが生じ、液に過剰のカチオンが供給される結果、界面近傍の溶解度が低下し、窒素含有化合物層からの溶解物であるＦｅを多く含んだりん酸亜鉛皮膜が析出する。あるいは、陰極側として電解を行うと、窒素含有化合物層上での水素発生に伴う水酸化物イオン濃度の上昇により、表面が溶解することなく界面のｐＨ上昇が生じ不溶性のりん酸亜鉛を形成し、さらにその電解電圧が高い場合にはりん酸亜鉛と水酸化亜鉛との複合皮膜が形成される。

これら化成処理は鉄鋼材料に対し、防錆、絶縁、異音防止、耐摩耗性などの摺動、接着下地、濡れ性調整、冷間加工の加工性、などの付与を目的として行う通常の化成処理方法を用いれば良く、皮膜量として0.1〜50g/m2を形成させる。より好ましくは、0.3〜30g/m2であり、さらに好ましくは1〜10g/m2である。皮膜量が0.1g/m2未満では、化成皮膜による窒素化合物層の酸化防止効果が十分には現れず、また50g/m2を越える量は既に化成皮膜の保護効果が飽和する上、化成皮膜の形成に過度の時間を要するため好ましくない。また化成皮膜が結晶性である場合、結晶間に隙間ができやすいため、最低膜厚として1g/m2以上形成させることが好ましい。皮膜量が50g/m2の時、その皮膜厚さは２０〜５０μｍ程度であり、ミリオーダーの皮膜を被覆する特許文献７に比べ圧倒的に薄く、焼入れ性を阻害しない厚さとなっている。

窒素化合物層の保護のために化成皮膜を形成する手法の最大のメリットは、簡便な手段で安価に保護皮膜を均一に形成させることが可能となることであり、これによって部位による酸化防止皮膜の膜厚ムラが生じにくく、その結果、高周波加熱後に得られる窒素含有化合物層は均一に残存することが可能となる。その他の化成処理のメリットは、塗布による保護皮膜の形成時に問題となりやすい液溜まり部での高温かつ長時間のウェットが保たれる厳しい皮膜状態を避けることができることであり、これによって皮膜形成時の窒素化合物層の分解を最小限に抑えることができる。ただし、窒素化合物層のエッチングを伴う化成処理を選択した場合、表層の窒素化合物層の一部が溶解するため、化成処理によってエッチングされる皮膜厚以上の窒素化合物層を予め窒化処理によって形成させておくことが必要となる。

化合物層保護膜を形成した後に行う高周波焼入れとして、750〜860℃に設定された所定の加熱温度に到達するように、０．３〜５秒間加熱することによる高周波加熱に供される。所定の温度に到達後は、冷却剤によって直ちに冷却されることによって、窒素を含有する微細なマルテンサイト組織を得ることができる。加熱温度について、より好ましい加熱温度は770〜840℃であり、さらに好ましい加熱温度は780〜830℃である。また、加熱時間について、より好ましい加熱時間は０．８〜３秒間で、さらに好ましくは１〜２秒間である。
750℃以下の加熱では窒素が入っているとは言え、この温度では十分にオーステナイト化されないため焼入れ不十分となる。加熱が860℃を上回る温度では、化合物層直下のマルテンサイト組織中に過剰な残留オーステナイトが発生しやすくなるため好ましく無い。加熱時間が０．３秒未満の加熱では窒素が拡散しているとは言え、十分にオーステナイト化されないため焼入れ不十分となる。５秒を上回る加熱時間では、もはや加熱時間の効果がほぼ飽和する上、化合物層保護膜の作用が低下するため好ましく無い。
本発明の化合物層保護膜を用いることにより、高周波加熱時の雰囲気が大気中であっても、窒素化合物層は酸化や分解から十分に抑制される。また、設備導入が可能であれば、高周波加熱時の雰囲気は、真空雰囲気、アルゴンガスや窒素ガスによる不活性雰囲気、低酸素雰囲気、炭化水素系の還元性雰囲気、アンモニアガス雰囲気等で行うこともできる。
高周波加熱時、処理物が大きい場合などは、予備加熱を含めた多段の昇温法を適宜行うことができる。高周波加熱による焼入れ後は、通常の焼入れ手法と同様に適当な条件にて焼き戻し処理を行っても良い。

一連の熱処理終了後、本発明による処理品を機械部品として組み込む際、化合物層保護膜は除去しても除去しなくても良く、必要に応じて選定することができる。化合物層保護膜の除去は、化合物層に比べ硬度が低いため容易にでき、例えばラッピング処理、エメリー紙研磨、バフ研磨、ショットブラスト、ショットピニング等によって適宜行うことができる。

高周波加熱後、本発明の化合物層保護膜によって窒素化合物層は残存するが、窒素化合物層は高周波加熱前の化合物層状態に対し必ずしも１００％残存する必要は無く、最低膜厚として１μｍ以上の化合物層厚さが確保されていれば良い。より好ましくは２μｍ以上の残存であり、さらに好ましくは３μｍ以上である。窒素化合物層の酸化を受けた部位が表層に存在する場合、そこは脆く硬度が低いため、前述の化合物層保護膜の除去作業工程を行った場合は、保護膜とともにほとんどが除去されることになる。

以上のような複合熱処理によって、表面に１〜３０μmの厚みを有する窒素化合物層を有し、その直下から内部に向かって漸減する硬度分布を有する窒素を含有する微細マルテンサイト組織を含む硬質層を兼ね備え、窒素化合物層の硬度がビッカーズ硬度換算でHV630以上であり、微細マルテンサイト組織を含む硬質層のHV550を越える硬度領域が表面からの距離で200μm以上、好ましくは400μｍ以上、さらに好ましくは600μｍ以上存在する硬度分布を持つ鉄鋼材料を得ることができる。尚、上限は特に限定されないが、例えば１．５ｍｍである。

以上の本発明の処理によって、窒素化合物層の効果Ｉ、ＩＩを兼ね備える機械部品が得られる。すなわち、本発明の処理が施された機械部品は、最表面に形成された窒素化合物層による高い摺動性、耐焼付き性を有し、かつ、窒素含有微細マルテンサイト組織による高い焼き戻し軟化抵抗、亀裂発生・亀裂成長抵抗性、耐面圧強度、高疲労強度、深い硬化深さを有している。

本発明による複合熱処理による高周波加熱による焼入れは750〜860℃であり、通常900℃を越える温度で行う高周波焼入れや浸炭焼入れに対して、焼入れ温度は十分に低い。これは熱変形や焼き割れにおいて極めて有利であり、一般的な高周波焼入れや浸炭焼入れ後に行う寸法精度調整の為の後切削工程の大幅な低減を可能とするものである。
先に述べたように本発明の適用対象となる鉄鋼材料は、窒素による効果ＩＩの焼入れ性向上作用の為、必ずしも調質鋼を用いる必要は無く、非調質鋼であるフェライト−パーライト組織の鋼でも十分な機械強度を得られる。また合金鋼の方がやや高い表面硬度が得られる傾向はあるものの、窒素による効果ＩＩにより、安価な炭素鋼であっても十分に深い硬化深さが得られる。例えば、S45Cなどの機械構造用炭素鋼においても、十分な硬度、かつ十分な深さの硬度プロファイルを持つ熱処理材となる。また、そのS45Cでさえ、必ずしも調質材である必要は無く、非調質のフェライト−パーライト組織の鋼部材に本発明の熱処理を適用しても、十分なマルテンサイト変態を生じ、十分な機械的強度を有する熱処理機械部品となりえる。
以上のように本発明の適用により、部品の機械強度の向上、切削工程の低減や安価な材料への切り替えによって、部品の小型化による機械部品全体の小型・軽量化、および窒化処理と高周波焼入れとの複合処理によるコスト増を補って余るだけの実質コストの低減が可能となる。

本発明の高周波焼入れによる焼入れ手法の置き換えとして、例えば長くとも数秒の短時間加熱によるレーザー焼入れ、あるいは数ミリ秒の短時間加熱となる衝撃焼入れによって、窒化処理後に本発明の化合物層保護皮膜を形成した部品に焼入れを行った場合は、窒化物層は十分に保護され、その層の下の鋼素地部分は用いた焼入れ手法に応じた焼入れ組織を得ることができる。

次に、本発明に係る焼入れ鉄鋼材料の用途について説明する。本発明に係る焼入れ鉄鋼部材は、高負荷・高面圧領域で使用されるものに好適である。鉄鋼部材の形状、部品種は特に限定されず、例えば、軸、歯車、ピストン、シャフト、カム等を挙げることができ、自動車や建機のミッション関連部品、パワートレイン用部品に好適である。

以下に本発明の実施形態について実施例を挙げて説明するが、本発明の範囲は、以下の実施例に限定されるものでは無い。

＜実施例１＞
基材として直径８ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳＣＭ４４０調質材を使用し、この表面を脱脂洗浄したのち、溶融塩浴中において５６０℃で１時間塩浴軟窒化処理（イソナイト処理：日本パーカライジング（株）製）して油冷し、鋼材表面に厚さ約７μｍの窒化鉄を主体とする窒素化合物層を形成した。これに対し、表面調整液（PL-55；日本パーカライジング製）に浸漬することによって表面調整を行った後、りん酸マンガン化成処理液（PF-M1A；日本パーカライジング製）に浸漬し95℃にて１分間の化成処理を行った。化成皮膜は主にりん酸、Ｍｎ、Ｆｅを含有する結晶質のものであり、２．８g/m2の皮膜量であった。化成処理後の化合物層の厚さは約５μｍであった。これに大気雰囲気中で高周波焼入れ装置を使用して、０．８秒の加熱によって８６０℃に到達後、直ちに水冷して焼入れを行った。

＜実施例２＞
基材として直径８ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳ４５Ｃ調質材を使用し、この表面を脱脂洗浄したのち、溶融塩浴中において５６０℃で２時間塩浴軟窒化処理（イソナイト処理：日本パーカライジング（株）製）して油冷し、鋼材表面に厚さ約１３μｍの窒化鉄を主体とする窒素化合物層を形成した。これに対し、ジルコニウム系化成処理液（ＰＬＣ−２０００；日本パーカライジング製）に浸漬し４５℃にて５分間の化成処理を行った。化成皮膜は主にＺｒ、Ｆｅ、フッ化物、水酸化物を含有する非晶質のものであり、0.3g/m2の皮膜量であった。化成処理後の窒素化合物層の厚さは約１３μｍであり、化成処理による化合物層の厚さに変化はほとんど見られなかった。これに高周波焼入れ装置を使用して、１秒の加熱によって８２０℃に到達後、直ちに水冷して焼入れを行った。

＜実施例３＞
基材として直径８ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳＣＭ４３５調質材を使用し、この表面を脱脂洗浄したのち、溶融塩浴中において５６０℃で２時間塩浴軟窒化処理（イソナイト処理：日本パーカライジング（株）製）して水冷し、鋼材表面に厚さ約１０μｍの窒化鉄を主体とする窒素化合物層を形成した。これに対し、表面調整液（PL-XG；日本パーカライジング製）に浸漬することによって表面調整を行った後、りん酸亜鉛化成処理液（PB-L47；日本パーカライジング製）に浸漬し50℃にて10分間の化成処理を行った。化成皮膜は主にりん酸、Ｚｎ、Ｆｅを含有する結晶質のものであり、１．２g/m2の皮膜量であった。化成処理後の化合物層厚さは約９μｍであった。これに大気雰囲気中で高周波焼入れ装置を使用して、１秒間の加熱によって８２０℃に到達後、直ちに水冷して焼入れを行った。

＜比較例１＞
基材として直径８ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳＣＭ４４０調質材を使用し、この表面を脱脂洗浄したのち、溶融塩浴中において５６０℃で１時間塩浴軟窒化処理（イソナイト処理：日本パーカライジング（株）製）して油冷し、鋼材表面に厚さ約７μｍの窒化鉄を主体とする窒素化合物層を形成した。これに大気雰囲気中で高周波焼入れ装置を使用して、０．８秒の加熱によって８６０℃に到達後、直ちに水冷して焼入れを行った。

（評価試験）
これらの処理を行った鋼材をマイクロカッターで切断し、樹脂中に埋め込み、金属顕微鏡により断面観察を行った。また、この埋め込みサンプルを用いて、マイクロビッカース硬度計を用いて断面硬度測定を行った。

表１に評価の結果一覧を示す。表中の有効硬化深さとは、Ｈｖ５５０以上の硬度を有する部分の表面からの深さ（ｍｍ）である。例として図１、図２に実施例１、比較例１の断面写真をそれぞれ示す。また、図４に実施例２の断面硬度分布を示す。

表１より、本発明の実施例１〜３においては、図１のように高周波焼入れ後においても表面の窒素化合物層が大きくダメージを受けることなく残存していた。化合物層保護膜の無い比較例１においては、図２のように全面が酸化している様子が観察された。

実施例１の鋼材の焼入れ後の窒素化合物層の断面写真 比較例１の鋼材の焼入れ後の窒素化合物層の断面写真 実施例２の断面硬度分布

Claims (8)

1. 鉄鋼材料に対して窒化処理と高周波焼入れ処理との組み合わせ複合熱処理を施す方法において、窒化処理後高周波焼入れ処理前に、窒化処理により鉄鋼に形成された窒素化合物層上に化成皮膜を形成させる化成処理工程を更に含むことを特徴とする方法。
2. 前記方法が、化成皮膜により高周波焼入れ時の窒素化合物層の分解を抑制することで、窒化処理によって形成された硬度HV550以上かつ１μｍ以上の窒素化合物層が表層に残存し、その層の下部に窒素を含有する微細マルテンサイト組織を含むHV550を越える硬度分布領域が表面からの距離で200μm以上存在する鉄鋼材料を得る方法であることを特徴とする複合熱処理方法。
3. 前記化成皮膜が、皮膜量として0.1〜50g/m2であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合熱処理方法。
4. 前記化成皮膜が、金属としてＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｈｆ、ＳｉおよびＣａからなる群の中から選択される少なくとも１種の金属と、りん酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物およびフッ化物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物とを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合熱処理方法。
5. 前記窒素化合物層の形成方法が塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理又はプラズマ窒化処理のいずれかによって行われ、その処理によって鋼材の表面に１〜３０μｍの窒素を含有する化合物層が形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合熱処理方法。
6. 窒化処理の温度が350〜600℃であり、高周波焼入れ時の到達温度が750〜860℃であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合熱処理方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合熱処理によって得られる、硬度HV550以上かつ１μｍ以上の窒素化合物層が表層に残存し、その層の下部に窒素を含有する微細マルテンサイト組織を含むHV550を越える硬度分布領域が表面からの距離で200μm以上存在することを特徴とする鉄鋼部材。
8. 窒素と鉄とを含有する化合物層表面のエッチングを駆動力として析出する成分、過飽和により析出する成分又は外部電源を用いた電気的駆動力により析出する成分を含有する化成処理液であって、鉄鋼材料の窒化処理後高周波焼入れ処理前に、窒化処理により鉄鋼材料上に形成された前記化合物層の分解防止のために当該化合物層上に化成皮膜を形成するために使用される化成処理液。