JP2013007077A - 鋼製品 - Google Patents
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- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
【解決手段】鋼材表面に炭素および窒素の拡散層2,3が形成された鋼製品であって、
その表層部に、炭素濃度が母材炭素濃度よりも高く、かつ窒素濃度が0.5質量%以上であり、その窒素濃度の最高値が1.0質量%以上5.0質量%以下の範囲にある第一拡散層2が形成され、
上記第一拡散層2の母材4側に、炭素濃度が母材炭素濃度および窒素濃度よりも高く、かつその窒素濃度が0.5質量%未満である第二拡散層3が、少なくとも厚み30μm以上形成されている。
【選択図】図1−1
Description
特許文献6の〔段落0004〕に記載があるように、軟窒化用鋼材を使用すると高い疲労強度が得られる一方で、表面近傍の拡散層にも窒化物が析出して硬さが極端に高くなって矯正が困難になる。このため、材料表面で硬度が上がらないようにして深い硬化層を形成することにより疲労強度を向上させるため、時効硬化元素として窒化物や炭化物を形成しないCuを一定量添加している。ところが、〔段落0020〕に記載があるとおり、Cuは鋼材の表面品質を悪化させ易い元素であるため、鍛造時の作業性や不良品率が悪化するという弊害を伴うと考えられる。
一方、特許文献7には、窒化化合物層の下に窒素拡散層が形成され、硬度が高くかつ靭性も備え、疲労強度も備えた軟窒化歯車が開示されている〔段落0017等〕。しかしながら、特許文献7の歯車は、Crが約1%含まれていることに加え、通常の窒化処理方法ではフェライト領域で炭素を材料中に拡散させることができないため、非常に硬度の高いCrNが多数析出しているはずである。したがって、実際に形成される窒素拡散層は析出したCrNの影響を受けるはずであり、得られる靭性が実用上耐えうるものかどうかは甚だ疑問である。
一般に、窒素拡散層中の炭素濃度は、特許文献8の〔段落0011〕に記載のある通り、母材の炭素濃度よりも低下する。浸炭性ガスを含んだ窒化雰囲気においてNとCが格子間拡散するときは、CよりもNの侵入が優先されるため、Cの大部分は窒素拡散層よりも深い部分へ押しやられるからである。
特許文献8は、その窒素拡散層中の炭素濃度を母材の炭素濃度の80%以上100%未満に制御することにより、耐ヒートクラック性を向上させようとするものである。しかしながら、特許文献8には、その具体的な理由について一切言及されていない。
すなわち、特許文献8において、〔図4〕に見られる粒界析出物は、Nの侵入によって粒界に押しやられて濃化した炭素が炭化物を形成したものであると考えられる。この炭化物は、周囲に析出した窒化物に比べて硬度が低いことから、上記炭化物によって炭素が濃化した部分のヒートクラックが進展しやすいという理由にはならない。また、上記炭化物が表面に対して平行に形成されるのに対し、ヒートクラックは表面に対して垂直に進展することから、炭素濃度が高いことがヒートクラックの進展を助長する直接原因になっているとは考えられない。炭素濃度が高い部分では、窒素濃度が低下しているはずであり、窒化物よりも軟質の炭化物を形成する炭素の濃度が高いことは、むしろ靭性の向上に寄与するものと考えられる。このように、特許文献8は、拡散層の窒素濃度と炭素濃度の関係について考慮されたものではない。
しかしながら、710〜720℃という従来の浸炭方法よりも低温で浸炭自体は実施しているものの〔表2〕、従来の浸炭処理と同様に浸炭層の硬度を上げるために焼入れを行っている〔段落0030〕。したがって、結局のところ、変態点以上に加熱する際の歪や、焼入れ・焼戻し時の歪の発生は避けることができない。
一方、〔段落0025、0026〕には、浸炭処理を窒化処理等の表面硬化法と組合せることができる旨の記載はあるが、具体的な実施方法の開示も実施例について一切の言及がない。仮に、実施できるとしても、窒化処理の前後に焼入れ処理が必要と考えられ、生産性の低いプラズマ処理装置を用いて低温浸炭するメリットを得られない方法であり、実用レベルの記述がないのは明らかである。
しかしながら、〔図2〜6〕のEPMA分析結果を見る限り、化合物層(ε相の鉄窒化物層)では炭素濃度の上昇が見られるものの、拡散層では母材の炭素濃度と同じになっている。
このような化合物層および拡散層は、炭素濃度が低いものと比べると靭性が向上し、欠けや割れ等が抑制されて耐摩耗性の向上はある程度期待できる。しかしながら、疲労特性の向上まで求めるには十分な靭性が得られない。そのためには、化合物層だけでなく拡散層中の炭素濃度も、母材より高くすることが必要である。
ところが、耐摩耗性を十分に向上させようとすると、かなりの炭化物を析出させる必要があるはずであることから、炭化物の粗大化や偏析が生じやすくなり、疲労強度の向上にとってはマイナスが多くなる。したがって、十分な耐摩耗性と疲労強度を両立させるのは困難だと思われる。
ところが、各種製品の小型化や高機能化が一層進むのにしたがって、機械部品等に対する負荷がますます高くなってきている。このため、低温処理の適用による低歪化はもちろんであるが、単に窒化層の硬度を制御するだけではなく、より高い靭性を持つ表面層を設計した機械部品等の開発が急務となっている。
その表層部に、炭素濃度が母材炭素濃度よりも高く、かつ窒素濃度が0.5質量%以上であり、その窒素濃度の最高値が1.0質量%以上5.0質量%以下の範囲にある第一拡散層が形成され、
上記第一拡散層の母材側に、炭素濃度が母材炭素濃度および窒素濃度よりも高く、かつその窒素濃度が0.5質量%未満である第二拡散層が、少なくとも厚み30μm以上形成されていることを要旨とする。
繰り返し応力が加わった場合でも、その析出物を起点とした疲労破壊を起こす可能性は極めて低く、疲労強度が低下する要因にならない。したがって、疲労強度に優れた鋼製品となる。
鋼の変態点より大幅に低い温度での処理となることによって、歪量を極めて小さく抑制することが可能となる。加えて、結晶粒や炭化物、窒化物、炭窒化物、金属間化合物等の析出物の粗大化も抑制されることから、材料強度の低下による疲労強度の低下が抑制される。
残留オーステナイトの分解による経時変化が少なくなり、極めて寸法精度およびその安定性に優れたものとなる。
一方、比較例は、圧痕の周囲に大きなクラックが発生し、進展している様子が多数観察される。同材質の実施例の試験片と表面の硬度には大きな差はないものの、その表面層はC濃度が低いことによって靭性が大幅に低下していることが分かる。
試験片の摩耗面を観察すると、比較例の方は単純に摩耗を起こしているだけでは無く、割れや欠けも発生していることが分かった。この割れや欠けの発生による摩耗面の脱落が、摩耗試験の長時間側で摩耗量の増加を加速しているものと考えられる。この点からも単純に硬度が高いだけでなく、靭性も兼ね備えた表面層となっていることが結果的に耐摩耗性をより向上させる要因となっており、実施例の部材は耐久性の高い表面層を有することが分かる。
また、第二拡散層2にあたる部分の厚さも、実施例のSKH51製試験片に形成されている厚さよりもかなり薄くなっている。したがって、疲労強度的にも実施例と比較して低いものと考えられる。
これらの結果から、窒素を適切な濃度で拡散させた場合には、炭素の内部への拡散を助長し、炭素濃化層を厚めに形成させることができるものと考えられ、拡散層中の窒素濃度の適正化が、耐摩耗性と疲労特性の向上に寄与することが分かる。
なお、比較例の第一拡散層2部分の濃度については、炭素濃度が低目となっているが、窒素濃度が高い第一拡散層2に相当する部分の濃度を示した。また、炭化物や窒化物の存在によって炭素濃度および窒素濃度の値が局所的に大きく振れているが、その値は拡散層中の任意の深さにおける炭素および窒素濃度を的確に表しているものではないため、表中にはそれらの深さ方向の濃度曲線の大きな振れを考慮せずスムーズな近似曲線とした場合の値を示した。
表2における、比較例のSCM435材、SMnC420材の試験片(第一拡散層2相当部の窒素濃度の最高値が5質量%を超える)は、明らかに表面起点の破壊を起こす場合が多い。窒素濃度が高すぎる場合には、炭素濃度が母材4よりもそれほど低くなっていない場合でも最表面に近い部分が脆化し、そこを起点とした破壊が発生することにより、疲労強度が低下しやすいものと考えられる。
図6−1は、実施例について、NとCの濃度分布をEPMA分析にて測定した結果である。その表面部分を拡大したものを図6−2に示す。
図7−1は、比較例について、NとCの濃度分布をEPMA分析にて測定した結果である。その表面部分を拡大したものを図7−2に示す。
図8より、比較例の結果に対して実施例の結果は、単に疲労限の応力が向上しているだけではなく、試験応力が高いほどその差が大きくなる傾向を示している。
これは第一拡散層2の靭性が高い上、仮にそこに微細なクラックや欠陥等が発生するような環境でも、高濃度の炭素濃化層を有する第二拡散層3がその進展を抑制しているためであるものと考えられる。
2 第一拡散層
3 第二拡散層
4 母材
Claims (4)
- 鋼材表面に炭素および窒素の拡散層が形成された鋼製品であって、
その表層部に、炭素濃度が母材炭素濃度よりも高く、かつ窒素濃度が0.5質量%以上であり、その窒素濃度の最高値が1.0質量%以上5.0質量%以下の範囲にある第一拡散層が形成され、
上記第一拡散層の母材側に、炭素濃度が母材炭素濃度および窒素濃度よりも高く、かつその窒素濃度が0.5質量%未満である第二拡散層3が、少なくとも厚み30μm以上形成されていることを特徴とする鋼製品。 - 第一拡散層および第二拡散層に析出した炭化物、窒化物、炭窒化物は、その大きさが3μm以下で、かつ結晶粒界への偏析を起こしていない請求項1記載の鋼製品。
- 第一拡散層および第二拡散層を形成させる熱処理の温度が600℃以下である請求項1または2記載の鋼製品。
- 第一拡散層および第二拡散層は、母材に比べて残留オーステナイトの増加を伴わない請求項1〜3のいずれか一項に記載の鋼製品。
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