JP2779170B2 - 浸炭焼入方法 - Google Patents

浸炭焼入方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、耐摩耗性を有する表面硬質層と靱性を有す
る心部とが要求される鋼部材、例えば自動車の変速機用
歯車等の鋼部材の浸炭焼入方法に関する。
(従来の技術) 従来、自動車の変速機用歯車等の鋼部材においては、
上記の要求を浸炭焼入方法により満たしてきたが、近
年、エンジンの高出力化及び変速機の軽量小型化に伴な
って、歯元の曲げ疲労破損及び歯面のピッチングや焼付
き等が問題になってきた。
通常の浸炭焼入方法は鋼部材の疲労強度の向上を主眼
とし、理想とする熱処理組織はマルテンサイトと変態し
きれなかった少量の残留オーステナイトとからなる混合
組織である。この混合組織からなる鋼部材の表面硬さは
高々Hv800であって、耐ピッチング性及び耐焼付き性の
向上のためにはHv800を超える表面硬さが要求される。
そのためには、表面層にさらに炭化物を析出させる必要
がある。
そこで、近時、特公昭62−24499号公報に例示される
ように、鋼部材を予備浸炭した後に冷却し、その後、再
加熱して浸炭焼入れをする方法が提案されている。
(発明が解決しようとする課題) この方法によると、表面層に炭化物を析出させること
はできるが、表面硬さがHv800を超えるようにしようと
すると網状の炭化物が析出し易くなってしまう。この網
状炭化物が析出すると界面に応力集中が生じ、耐ピッチ
ング性が悪くなる。
もっとも、予備浸炭後の冷却速度を大きくすると網状
炭化物の析出を避けることはできるが、この場合には再
加熱浸炭焼入れ後の熱処理変形が大きくなり過ぎるとい
う新たな問題が発生するので、この方法を採用すること
はできない。
(発明の目的) 上記に鑑みて本発明は、予備浸炭後の冷却速度を特に
大きくしないでも、網状炭化物の析出が避けられるとと
もに均一な球状炭化物が析出して、耐ピッチング性に優
れた鋼部材が得られる浸炭焼入方法を提供することを目
的とする。
(課題を解決するための手段) 上記の目的を達成するため本発明は、予備浸炭工程と
再加熱浸炭焼入れ工程との間に特定の条件の下で炭化物
球状化処理を行うものである。
具体的に請求項1の発明の講じた解決手段は、浸炭焼
入れ方法として、Crを含有する鋼部材を、その表面炭素
濃度が1%以上になるように予備浸炭した後、0.5〜1.0
%のカーボンポテンシャルにて温度条件をA1変態点の近
傍で、かつA1変態点の上下に、該変態点上側への変化に
より前記予備浸炭工程で析出した網状炭化物が分断され
て微細炭化物になる一方、変態点下側への変化により前
記微細炭化物を核に炭化物が凝集して球状化するように
変化させることにより炭化物球状化処理を行い、その
後、前記予備浸炭の温度以下で再加熱して浸炭焼入れ若
しくは浸炭窒化焼入れをする構成としたものである。
さらに、請求項2の発明の講じた解決手段は、Crを含
有する鋼部材を、予備浸炭し、その後にA1変態点より下
の温度に冷却して表面層に炭化物を面積率で3〜30%の
量析出させた後、0.5〜1.0%のカーボンポテンシャルに
て温度条件をA1変態点の近傍で、かつA1変態点の上下
に、該変態点上側への変化により前記予備浸炭工程で析
出した網状炭化物が分断されて微細炭化物になる一方、
変態点下側への変化により前記微細炭化物を核に炭化物
が凝集して球状化するように変化させることにより炭化
物球状化処理を行い、その後、前記予備浸炭の温度以下
でかつ0.8%のカーボンポテンシャルにて再加熱して浸
炭焼入れ若しくは浸炭窒化焼入れをする構成としたもの
である。
また、請求項3の発明では、請求項1の予備浸炭での
表面炭素濃度を1〜3%とし、再加熱浸炭でのカーボン
ポテンシャルを0.8%としたものである。
(作用) 上記の構成における炭化物球状化処理工程により、鋼
部材の温度がA1点の近傍で、かつ上になる際に、予備浸
炭工程で析出した網状炭化物は分断されて微細な炭化物
になり、鋼部材の温度がA1点の近傍でかつ下になる際
に、炭化物は前記の微細な炭化物を核にして凝集しなが
ら析出するので球状になる。
このようにして炭化物球状化処理を行った鋼部材を予
備浸炭の温度以下で再加熱して浸炭焼入れ若しくは浸炭
窒化焼入れをするので、得られる鋼部材の表面層には均
一な球状炭化物が分布している。
また、再加熱浸炭では加熱温度を予備浸炭以下にし、
カーボンポテンシャルを0.8%にすることで、炭化物球
状化処理工程により析出した炭化物の固溶化を防止でき
るとともに、再加熱浸炭でのスーティングの発生を防止
して、浸炭炉のメンテナンスを容易にし生産性を向上さ
せることができる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を第1図に示す熱処理サイクル
に基づいて説明する。
まず、Cr(クロム)を含有する鋼部材をその表面炭素
濃度が1%以上になるように温度T1にて予備浸炭する。
鋼部材にCr(クロム)を含有させるのは、Cr(クロ
ム)が焼入れ性を向上させる元素であるとともに炭素物
を生成し易い元素であるためである。Cr(クロム)の含
有量については0.5〜2.0%が好ましい。その理由はCr
(クロム)の含有量が0.5%未満であると、焼入れ深さ
が不足するとともに表面層における炭化物の析出が不足
するためであり、2.0を超えると鋼部材が硬くなり過ぎ
て加工性が著しく悪化するためである。
また、鋼部材の表面炭素濃度が1%未満では、次の冷
却工程で、鋼部材の表面硬さを向上させるために必要な
量の炭化物の析出が得られないので、予備浸炭後の表面
炭素濃度を1%以上にする必要がある。尚、表面炭素濃
度が3%を超えると、炭化物の析出量が過剰になって鋼
部材の靱性が低下するとともに、表面炭素濃度が3%を
超えるような浸炭ガス濃度にすると、炉のスーティング
が生じて生産性が損われるので、表面炭素濃度は3%以
下が好ましい。
予備浸炭をした後、この鋼部材をA1変態点より下の温
度になるよう冷却して表面層に炭化物を析出させる。こ
の場合において、鋼部材の表面硬さが増大して耐ピッチ
ング性が向上するためには、均一微細な球状炭化物が分
布するとともに、網状炭化物が析出しないことが好まし
い。また、析出する炭化物の量が面積率で3%未満であ
るとHv800以上の表面硬さが得られず、30%を超えると
靱性が低下するので、炭化物の量は面積率で3〜30%が
好ましく、5〜20%がより好ましい。従って、このよう
な種類と量の球状炭化物が析出するような条件下で鋼部
材を冷却するのが良い。
次に、0.5〜1.0%のカーボンポテンシャルにて、温度
条件をA1変態点の近傍で、かつ上であるT2uとA1変態点
の近傍で、かつ下であるT2bとに変化させて炭化物球状
化処理を行う。このように鋼部材の温度を変化させると
炭化物が球状化する理由は次のとおりである。すなわ
ち、鋼部材の温度がA1点より上になると炭化物は固溶
し、A1点より下になると炭化物が析出するが、鋼部材の
温度をA1点の近傍かつ上であるT2uにすると、網状炭化
物は分断されて微細な炭化物として残留する。次に鋼部
材の温度をA1点の近傍かつ下であるT2bにすると、炭化
物は析出時に残留した微細な炭化物を核にして凝集する
ため球状で析出するためである。
この炭化物球状化処理の場合のカーボンポテンシャル
が1.0%を超えると、生地中のC(炭素)が過剰になっ
て炭化物の固溶が進まず、網状炭化物が分断されないの
で、炭化物の球状化は促進されない。また、カーボンポ
テンシャルが0.5未満であると、鋼部材の表面が脱炭す
るので表面近傍の炭化物の粒径が小さくなり、十分な表
面強度が得られない。
尚、この炭化物球状化処理については、鋼部材の表面
炭素濃度によって保持時間や上下させる回数を調整する
必要があり、必要に応じて複数回A1点を上下させること
が好ましい。
その後、このように炭化物球状化処理を行った鋼部材
を、上記の予備浸炭の温度T1以下の温度T3に再加熱して
浸炭焼入れ若しくは浸炭窒火焼入れをする。この焼入れ
の温度T3を予備浸炭の温度T1以下にするのは、T3>T1で
あると、せっかく析出した炭化物が再度固溶してしまい
所望の表面硬さが得られないためである。
尚、上記実施例においては予備浸炭工程、炭化物球状
処理工程及び浸炭焼入れ若しくは浸炭窒化焼入れ工程の
各工程を連続的に行ったが、これに代えて、各工程を適
宜分割してバッチ式に行ってもよい。
以下、本発明に係る浸炭焼入法の具体例と、従来の方
法である比較例について説明する。
鋼部材としては共に、材質がSCM420であって、直径が
20mmの丸棒を準備した。
具体例: まず、上記の鋼部材を1.4%のカーボンポテンシャル
において温度T1=930℃の下で4時間予備浸炭した後、A
1点以下まで炉冷した。
次に、この鋼部材を0.8%のカーボンポテンシャルに
おいて温度T2u=740℃の下で30分間保持した後、降温し
て同じく0.8%のカーボンポテンシャルにおいて温度T2b
=680℃の下で30分間保持した。
上記の炭化物球状化処理を2回繰返した後、この鋼部
材を再加熱し、0.8%のカーボンポテンシャルにおいて
温度T3=870℃の下で30分間保持した。その後、この鋼
部材を常温まで急冷して焼入れを行った。
尚、浸炭窒化焼入れを行う場合には、上記の浸炭ガス
雰囲気中に適度の濃度、例えば数%のNH3(アンモニ
ア)ガスを添加して行う。
比較例: まず、上記具体例と同様に1.4%のカーボンポテンシ
ャルにおいて温度T1=930℃の下で4時間予備浸炭した
後、常温まで炉冷した。
次に、この鋼部材を再加熱し、0.8%のカーボンポテ
ンシャルにおいて温度T3=870℃の下で30分間保持した
後、常温まで急冷して焼入れを行った。
以上のような具体例及び比較例によって得られた鋼部
材の組織の拡大(460倍)顕微鏡写真を第2図(1)及
び(2)に示す。第2図(1)から明らかなように、具
体例の組織においては略均一で微細な球状の炭化物が分
布しているのに対して、第2図(2)に示されるように
比較例の組織においては網状の炭化物が析出している。
また、具体例及び比較例のテスト結果は第1表に示す
通りであって、鋼部材の表面硬さは共にHv800を超えて
いる。炭化物の面積率については、比較例のものが網状
炭化物が析出しているために25μm深さで特に大きいの
に対して、具体例のものは、25μm深さ及び100μm深
さにおいて13%であるから硬さと共に靱性も得られる。
(発明の効果) 以上説明したように請求項1〜3の発明に係る浸炭焼
入方法によると、予備浸炭工程と浸炭焼入れ若しくは浸
炭窒化焼入れ工程との間において、温度条件のA1変態点
上側への変化により予備浸炭工程で析出した網状炭化物
を分断して微細炭化物にする一方、変態点下側への変化
により微細炭化物を核に炭化物を凝集させて球状化する
ように温度条件を変化させる炭化物の球状化処理を行う
ので、得られる鋼部材の表面層には均一な球状炭化物が
分布している。従ってこの鋼部材は表面硬さがHv800以
上であって耐ピッチング性に優れている。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る浸炭焼入方法の熱サイクルの説明
図、第2図(1)及び(2)は鋼部材の組織を示す顕微
鏡写真であって、(1)は具体例のもの、(2)は比較
例のものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有見 幸夫 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−65920(JP,A) 特公 昭62−24499(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C21D 6/00,1/06 C23C 8/22

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Crを含有する鋼部材を、その表面炭素濃度
    が1%以上になるように予備浸炭した後、 0.5〜1.0%のカーボンポテンシャルにて温度条件をA1
    態点の近傍で、かつA1変態点の上下に、該変態点上側へ
    の変化により前記予備浸炭工程で析出した網状炭化物が
    分断されて微細炭化物になる一方、変態点下側への変化
    により前記微細炭化物を核に炭化物が凝集して球状化す
    るように変化させることにより炭化物球状化処理を行
    い、 その後、前記予備浸炭の温度以下で再加熱して浸炭焼入
    れ若しくは浸炭窒化焼入れをすることを特徴とする浸炭
    焼入方法。
  2. 【請求項2】Crを含有する鋼部材を、予備浸炭し、 その後にA1変態点より下の温度に冷却して表面層に炭化
    物を面積率で3〜30%の量析出させた後、 0.5〜1.0%のカーボンポテンシャルにて温度条件をA1
    態点の近傍で、かつA1変態点の上下に、該変態点上側へ
    の変化により前記予備浸炭工程で析出した網状炭化物が
    分断されて微細炭化物になる一方、変態点下側への変化
    により前記微細炭化物を核に炭化物が凝集して球状化す
    るように変化させることにより炭化物球状化処理を行
    い、 その後、前記予備浸炭の温度以下でかつ0.8%のカーボ
    ンポテンシャルにて再加熱して浸炭焼入れ若しくは浸炭
    窒化焼入れをすることを特徴とする浸炭焼入方法。
  3. 【請求項3】前記予備浸炭での表面炭素濃度が1〜3%
    であり、 前記再加熱浸炭でのカーボンポテンシャルが0.8%であ
    ることを特徴とする請求項(1)記載の浸炭焼入方法。
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