JP2808621B2 - 鋼の浸炭処理方法 - Google Patents

鋼の浸炭処理方法

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JP2808621B2 JP63300157A JP30015788A JP2808621B2 JP 2808621 B2 JP2808621 B2 JP 2808621B2 JP 63300157 A JP63300157 A JP 63300157A JP 30015788 A JP30015788 A JP 30015788A JP 2808621 B2 JP2808621 B2 JP 2808621B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鋼の浸炭処理方法の改良に関し、耐摩耗性と
耐ピッチング性をとくに高めた機械構造部品の製造に有
用な方法を提供する。
〔従来の技術〕
たとえば高荷重の下で使用する歯車は、高い耐摩耗性
と耐ピッチング性をそなえていることを要求されるか
ら、このような機械構造部品の製造に当っては、浸炭に
より表面近傍に炭化物を積極的に析出させて利用するこ
とが試みらている。
このような浸炭を行なう方法として知られているもの
には、まず、肌焼鋼、代表的にはC:0.05〜0.45%を含有
し、場合によってはさらに他の合金成分を含有する鋼
を、鋼のオーステナイト固溶限またはそれより若干低い
カーボンポテンシャルの条件下に浸炭し、温度を下げて
オーステナイト中のCの固溶限を低下させることによっ
て、Cを炭化物として析出させる方法がある。
この方法は、適切な量のCを浸炭させるためのカーボ
ンポテンシャルのコントロールが容易でないことと、浸
炭後の冷却速度の好適範囲が狭く、その範囲で実操業を
行なうのが難しいことから、所望どおりの炭化物析出が
なかなか期待できないため、あまり実施されない。
別の手法は、炭化物形成元素であるCrを比較的多量に
(1.5%以上)含有する合金鋼を材料とし、高いカーボ
ンポテンシャル雰囲気の下でガス浸炭を行なって、炭化
物を析出させる方法である。
この方法には、Crの使用によるコスト上昇を別にして
も、高いカーボンポテンシャルの雰囲気で浸炭するため
スーティングが起りやすく、浸炭ムラが生じるという難
点がある。また、高Cr鋼には、ガス浸炭時に粒界酸化が
起って靭性が低下したり、雰囲気ガス中の酸素によって
形成される酸化層が浸炭を阻害するという、原理的な困
難も伴っている。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、鋼の浸炭において従来の技術に内在
していた上記の諸問題を解決し、球形に近い形状の炭化
物が表面近くに均一に析出した、耐摩耗性と耐ピッチン
グ性がすぐれた機械構造部品を得ることができる、改良
された鋼の浸炭方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の鋼の浸炭処理法は、基本的には、C:0.05〜0.
45%を含有する肌焼鋼で製造した機械構造部品を イ) 880℃以上の温度でプラズマ浸炭することによ
り、部品表面のC濃度を鋼のAcm以上にして表面近傍に
炭化物を析出させる一次浸炭を行ない、 ロ) 徐冷して鋼のAr1より低い温度に降温し、いった
んそこで保持したのち、Ar1を超える温度に昇温し、 ハ) 一次浸炭の温度より10〜60℃低い温度において、
再びプラズマ浸炭による二次浸炭を行ない、 ニ) 直ちに焼入れするか、または拡散処理を施したの
ち焼入れし、表面C濃度が1.5%以上あり、浸炭層の炭
化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング
性にすぐれた部品を得ることからなる。
上記の浸炭は、必要に応じ、温度を下げて繰り返し行
なってもよい。従って本発明の鋼の浸炭処理方法の変更
態様は、上記の工程ニ)に続いて、 ホ) 再び徐冷して鋼のAr1より低い温度に降温し、い
ったんそこで保持したのち、 ヘ) 二次浸炭の温度よりさらに10〜60℃低い温度にま
で昇温し、再びプラズマ浸炭による三次浸炭を行ない、 その後に工程ニ)を行なうことにより、表面C濃度1.
7以上あり、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、
耐摩耗性と耐ピッチング性にすぐれた部品を得ることか
らなる。
プラズマ浸炭法の代表的な操業は、部品を浸炭炉に入
れて炉内を10-2Torr程度まで減圧し、温度880℃以上と
なるよう加熱し、ArガスおよびH2ガスを供給して炉内圧
を数Torr程度に高め、部品を陰極に接触させて別に設け
た陽極との間に直流電圧を印加し、グロー放電を起させ
て部品表面を清浄にするクリーニング操作を行ない、さ
らに、浸炭ガスとして炭化水素たとえばプロパンC3H8
導入して浸炭を行なうことからなる。
焼入れに先立って拡散処理を行なう場合、その時間
は、二次浸炭の(または三次浸炭まで行なう場合はそ
の)時間の1.5倍以内が適当である。
本発明を適用できる鋼は、C:0.05〜0.45%を含有する
肌焼鋼、およびC:0.05〜0.45%に加えて、Si:1.0%以
下、Mn:1.5%以下、Cr:0.5〜4.0%、Mo:0.05〜1.5%、N
i:0.05〜0.4%、V:0.1〜2.0%およびNb:0.05〜0.3%か
らえらんだ1種または2種以上を含有し、残部が実質上
Feからなる合金鋼である。
〔作用〕
上記したような条件で実施するプラズマ浸炭は、鋼の
Acmを超える高いカーボンポテンシャルの下で浸炭が行
なわれ、部品の表面近傍に炭化物が析出する。在来のガ
ス浸炭でこのような高度の浸炭を行なおうとすると、複
雑なカーボンポテンシャルのコントロールが必要であっ
たが、本発明に従った浸炭法を採用すれば、その必要は
ない。プラズマ浸炭法は、高いカーボンポテンシャルに
もかかわらず浸炭ガス圧が低く、すすの発生は実質上な
いか、または発生してもごく軽微であるし、浸炭ムラの
心配もないからである。浸炭ガス中にCO、CO2、H2Oなど
の酸素を含む化合物は入っていないから、粒界酸化や、
酸化被膜による浸炭阻害の問題もない。
このように、本発明では、原理的に有利な条件下にま
で鋼のAcmを超える高度の浸炭を行なって(工程イ、一
次浸炭)、炭化物をオーステナイト粒界に塊状に析出さ
せる。この炭化物は、浸炭温度が高いほど速やかに粗大
化し、浸炭部品の耐摩耗性、耐ピッチング性は低くな
る。ここで拡散処理を行なったとすると、Cが再固溶し
て炭化物の体積率が減少し、微細粒状体をへて消失する
に至る。消失の過程で得られる微細な炭化物は、ほとん
どがオーステナイト粒界に存在していて母相には存在せ
ず、分布が不均一のうえに量も少ない。従って、対摩耗
性、耐ピッチング性への寄与はごく低く、ここで拡散処
理を行なうのは得策ではないということになる。
そこで、浸炭後いったん温度をAr1より低い温度に降
温し、再度Ar1を超える温度に昇温する(工程ロ)と、
オーステナイト粒界が移動するから、はじめに粒界に存
在していた炭化物は、新オーステナト粒内に残存するこ
とになる。
工程ハ)に従って再度の浸炭を行なうことにより、新
オーステイナイト粒界に炭化物が析出する。この新しく
生成した炭化物と、上記の残存炭化物をあわせて、炭化
物分布が好ましい浸炭層が得られる。
ここで重要なのは、一次浸炭を880℃以上の温度で行
なうことと、二次浸炭を一次浸炭より低い温度で行なう
ことである。
一次浸炭の温度が880℃より低いと、炭化物の生成速
度が遅くて実際的でない。プラズマ浸炭そのものは、11
00℃またはそれ以上、最高1300℃までの温度で実施可能
であるが、あまり高い温度の揺用は、エネルギー消費が
大きいことと、部品に焼歪みが増すことから、得策でな
い。
二次浸炭は、一次浸炭と同じ温度で行なうと、新オー
ステナイト粒界に生成した塊状の炭化物の粗大化が速や
かに進み、また粒内の残存炭化物の再固固による消失も
速やかであるため、望ましい分布と形状の炭化物が得ら
れない。多数の実験の結果、二次浸炭の温度は、一次浸
炭の温度より10〜60℃低くすればよいことがわかった。
この温度差は、10℃より小さいと上記した意図が達成で
きず、20℃以上あることが好ましい。
一方、あまり温度差を大きくすると、一次浸炭時に生
成した炭化物の固溶に要する時間が長くなって、実操業
に不利になる。60℃までが適当である。
焼入れに先立つ拡散処理は、好ましい工程ではある
が、あまり長時間行なうと、粒内の炭化物の再固溶が進
んでその望ましい分布や形状が崩れるし、残留オーステ
ナイトが増え母材が軟くなって、炭化物による耐摩耗性
向上の効果が減殺されるから、拡散に先立つ浸炭の1.5
倍以内で適当な時間を選択する。Moの添加などで焼入性
を向上させた材料を使用するときは、拡散処理はおそら
く不必要であろう。
二次浸炭まで行なって、裏面近傍のC濃度を1.5%以
上にすることは、浸炭部品の耐摩耗性と耐ピッチング性
を十分に高く得るために必要である。
三次浸炭の目的が二次浸炭を行なう意図をさらにおし
進めたものであることと、その機構とは、上記したとこ
ろから理解されるであろう。三次浸炭の温度を二次浸炭
の温度より10〜60℃低くすべきこととその理由もまた、
上の説明により自ら明らかとなろう。とくに高い耐摩耗
性、耐ピッチング性の実現には、部品表面近傍のC濃度
を1.7%以上に高めることが必要である。
〔実施例〕
表に示す組成(重量%、残部Fe)の合金鋼を溶製し、
鍛造して直径30mmの丸棒とした。この丸棒を機械加工
し、大越式摩耗試験およびローラーピッチング試験の試
験片を製作した。
供試材No.9〜15の試験片については、第1図に示すパ
ターンの処理を行なった。
すなわち、試験片を浸炭炉内に陰極と接触するように
入れ、炉内を10-2Torrの真空にして910℃まで加熱し、A
rガスおよびH2ガスを導入して炉内圧力を2〜3Torrに高
めてから、陽極と陰極の間に直流電圧を印加してグロー
放電を起させた。その状態に20分間ほど保ち、試験片表
面のクリーニングと均熱化を行なった。
次にAr+H2ガスを排出し、浸炭ガスとして炭化水素ガ
ス(CH4,C3H8)を導入し、炉内圧力を2〜3Torrとし、
再びグロー放電を行なって90分間、浸炭処理した。
放電を停止し、浸炭ガスを排出したのち、炉温を680
℃まで下げて、30分間保持した。880℃まで昇温し、上
記と同じようにして再度90分間の浸炭を行なった。
浸炭ガスを排出して炉内を真空にし、830℃に30分間
保ってから試験片をとり出し、油槽中に投入して焼入れ
をした。続いて、160℃の油槽に120分間浸漬する焼もど
しをした。
上記のうち供試材No.9だけは、第1図に破線で示した
パターンの拡散処理を加えて処理した。拡散諸は、二次
浸炭に続いて浸炭ガスを排出し、内圧力10-2Torrとした
真空状態で、同じ温度に30分間保持する処理である。
供試材No.1〜8は、第2図のパターンで処理した。す
なわち、一次浸炭を930℃で、二次浸炭を900℃で実施し
たのち、再度の680℃への降温および保持をへて、三次
浸炭を870℃で行なってから、油焼入れするプロセスで
ある。
ただし供試材No.2は、第2図に破線で示したパターン
の拡散処理を加えて処理した。これも、第2図のパター
ンに対して、その三次浸炭に続いて、やはり真空下に浸
炭時と同じ870℃の温度に30分間保持するものである。
比較のため、供試材No.2の試験片を、第3図のパター
ンに従って在来のガス浸炭法で処理した。すなわち、カ
ーボンポテンシャル1.0%の雰囲気で910℃×180分間の
ガス浸炭、カーボンポテンシャル0.8%の雰囲気で910℃
×150分間の拡散処理をした後、830℃×30分間の保持を
して油冷し、続いて160℃×2時間の加熱をして空冷す
る焼もどしからなるプロセスである。
上記の処理をした試験片を下記の条件で試験した。
(大越式摩耗試験) 相手円坂:SK6 HRB 90 最終荷重:6.5kg 摩擦距離:100m 摩擦速度:3.0m/sec (ローラーピッチング試験) 面 圧:375kgf/mm2 回転数 :1500rpm すべり率:−40% 評 価:B50寿命 試験結果を、表にあわせて示す。
〔発明の効果〕 本発明の浸炭処理方法により、球状の析出炭化物を利
用して耐摩耗性と耐ピッチング性を著しく高めた機械構
造用の浸炭部品が製造できる。
この方法は、カーボンポテンシャルのコントロールに
苦労することも、浸炭ムラの生じる心配もない。粒界酸
化が起ることなく、酸化被膜による浸炭阻害も原理的に
避けることができ、常に一定の品質の製品が容易に得ら
れる。
従って本発明は、高荷重の苛酷な条件下に使用する歯
車の製造などに適用したとき、とくに有意義である。
【図面の簡単な説明】
図面はいずれも本発明の実施例における浸炭処理プロセ
スのパターンを示すものであって、 第1図は本発明に従って二次浸炭まで行なう基本的態様
を示し、 第2図は三次浸炭まで行なう変更態様を示し、 第3図は比較のため実施した在来法の態様を示す。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 8/38

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C:0.05〜0.45%を含有する鋼で製造した機
    械構造部品を、 イ) 880℃以上の温度でプラズマ浸炭することによ
    り、部品表面のC濃度を鋼のAcm以上にして表面近傍に
    炭化物を析出させる一次浸炭を行ない、 ロ) 徐冷して鋼のAr1より低い温度に降温し、いった
    んそこで保持したのち、Ar1を超える温度に昇温し ハ) 一次浸炭の温度より10〜60℃低い温度において、
    再びプラズマ浸炭による二次浸炭を行ない、 ニ) 直ちに、または拡散処理を施したのち、焼入れ焼
    もどしをし 表面C濃度が1.5%以上あり、浸炭層の炭化物形状がほ
    ぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性にすぐれた
    部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の工程ハ)に続いて、 ホ) 再び徐冷して鋼のAr1より低い温度に降温し、い
    ったんそこに保持したのちAr1を超える温度に昇温し ヘ) 二次浸炭の温度よりさらに10〜60℃低い温度にお
    いて、再びプラズマ浸炭による三次浸炭を行ない、 その後に工程ニ)を行なうことにより、表面C濃度1.7
    以上で、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩
    耗性と耐ピッチング性にすぐれた部品を得ることからな
    る鋼の浸炭処理方法。
  3. 【請求項3】C:0.05〜0.45%に加えて、Si:1.0%以下、
    Mn:1.5%以下、ならびに、Cr:0.5〜4.0%、Mo:0.05〜1.
    5%、Ni:0.05〜0.4%、V:0.1〜2.0%およびNb:0.05〜0.
    3%からえらんだ1種または2種以上を含有し、残部が
    実質上Feからなる肌焼鋼または合金鋼を部品の材料とし
    て使用する請求項1または2の鋼の浸炭処理方法。
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