JP2991759B2

JP2991759B2 - 窒化処理鋼の製造方法

Info

Publication number: JP2991759B2
Application number: JP2261102A
Authority: JP
Inventors: 清己保浦; 勝則花川; 能久三輪
Original assignee: Nihon Denshi Kogyo KK; Matsuda KK
Current assignee: Matsuda KK; NDK Inc
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1999-12-20
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: JPH04141573A; US5240514A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は窒化処理鋼の製造方法に関する。

（従来の技術）自動車のミッションギヤなど鋼製の機構構造部品の疲
労強度、耐ピッチング性等を向上せしめる手段として
は、浸炭焼入れが広く知られている。しかしながら、こ
の浸炭焼入れは被処理品を一旦オーステナイト化する必
要があるから、いわゆる熱処理変形を招き、上記ギヤの
場合は振動騒音の原因となる。

一方、上述の熱処理変形が少ない表面処理手段として
イオン窒化処理が知られている。しかし、このイオン窒
化処理では、表面に窒素化合物層（Fe₄N）が形成され、
その下に窒素の拡散層が形成されるが、上記化合物層は
硬く脆い。従って、ミッションギヤのような使用条件が
厳しいものでは、表面の窒素化合物層（約15μ）が高い
応力下で剥離し異常摩耗を起こしたり、あるいはこの化
合物層にクラックを生じてこれが拡散層に伝播してピッ
チングが発生するという問題がある。また、窒化処理鋼
は浸炭処理鋼に比べて表面硬化層が薄く、この硬化層と
母材との境界付近に塑性変形が起こって内部クラックが
発生し、スポーリングを生ずるという問題がある。

これに対して、特公昭61−31184号公報には、軟窒化
処理（浸炭窒化処理）に関し、被処理品に熱間加工を行
なった後、制御冷却により金属組織を調整した後、窒化
処理を行なうという方法が開示されている。この方法に
よれば、表面硬化深さを大きくすることができ、上記耐
ピッチング性等の向上の点では有効になる。

しかし、上記軟窒化処理の場合、被処理品の前処理が
面倒なものになる。また、単に窒化処理時間を長くする
という方法により、表面硬化層を深くすることも考えら
れるが、生産性の点では不利になる。

（発明が解決しようとする課題）本発明の課題は、上述のイオン窒化処理を用いた窒化
処理鋼の製造方法を提供することにあり、特に、窒化処
理時間を必要以上に長くすることなく、且つ全体の処理
工程を複雑にすることなく、耐ピッチング性ないしは耐
スポーリング性を向上できるようにすることにある。

（課題を解決するための手段及びその作用）本発明は、このような課題に対して、被処理品を特定
のCr−Mo−Ｖ鋼としイオン窒化処理雰囲気を構成するN₂
ガスとH₂ガスとの混合比を調整することにより、上述の
硬くて脆い窒素化合物層の生成を抑制し、拡散層を主体
とした硬化層を得ようとするものである。

−第１の手段− 具体的には、N₂ガスとH₂ガスとArガスとが混合された
窒化雰囲気において、グロー放電を発生させ、N₂ガスを
イオン化させて鋼製の被処理品に窒化処理を行なうよう
にした窒化処理鋼の製造方法において、上記被処理品は、Crを0.50〜1.30重量％、Moを0.05〜
0.50重量％、Ｖを0.05〜0.20重量％含み、上記窒化雰囲気は、N₂ガスとH₂ガスとの混合比が1:2
〜40であることを特徴とするものである。

−第２の手段− また、被処理品が歯車の場合、窒化雰囲気をArガスの
添加によりグロー放電のグローの幅が１〜3mmになるよ
うに調整することは上記課題解決の有効な手段である。

−第３の手段− イオン窒化処理後に被処理品にショットピーニングを
施すことは上記課題解決のさらに有効な手段となる。

−第１の手段の作用− 上記窒化処理鋼の製造方法においては、N₂ガスとH₂ガ
スとの混合比を1:2〜40としたことにより、窒素化合物
の生成を抑制して窒化拡散層を主体とする表面硬化層を
得ることができる。

N₂ガスは、窒化処理に不可欠の元素であり、鋼中への
拡散によりFeに固溶して表面硬化層を形成する。一方、
H₂ガスは、イオン衝撃によって被処理品を加熱するとと
もに、被処理品表面の清浄作用を呈し、且つＮ原子との
結合によりNH₃を生成することにより、窒素化合物の生
成を抑制しながら、Ｎ原子の鋼中への拡散固溶を促進す
る。

すなわち、窒素化合物は上記Ｎ原子とイオン衝撃によ
り飛び出したFe原子とによって生じたFeNが被処理品表
面に蒸着して生ずるが、本発明の場合、上述の如くH₂ガ
スが多量であることから、Ｎ原子はＨ原子との反応によ
りNH₃を生成することにより、Fe原子との反応が抑制さ
れるものであり、そして、上記生成したNH₃が被処理品
表面で分解してＮ原子が鋼中に拡散していくものであ
る。

この場合、N₂ガスとH₂ガスとの混合比は、N₂ガスを１
とした場合、H₂ガスが２よりも小（N₂/H₂の比率が1/2よ
りも大）になると、上述の窒素化合物が生成し易くなり
好ましくない。つまり、窒素が鋼中に十分に拡散固溶す
ることなく、短時間に５μｍを越える厚さの窒素化合物
層が生成され、所望の耐ピッチング性を得ることが難し
くなる。一方、上記混合比に関し、H₂ガスが40よりも大
（N₂/H₂の比率が1/40よりも小）になると、所望の表面
硬化層を得るための窒化処理時間が長くなり好ましくな
い。

−被処理品について− 被処理品（窒化用鋼）の好ましい添加元素及びその添
加量（重量％）は以下の通りである。

Cr:0.50〜1.30％ Crは焼入れ性向上元素であるとともに、窒素の拡散を
促進する元素である。この効果を得るには0.50％以上を
添加することが好ましい。1.30％を越えると焼入れ性過
大となる。

Mo;0.05〜0.50％ Moは熱間鍛造後の冷却工程で焼入れ性を向上させる重
要な元素である。この効果を得るには0.05％以上を添加
することが好ましい。0.50％を越えると効果が飽和する
とともに、加工性が損なわれる。

V:0.05〜0.20％Ｖは鋼中の炭素及び窒素と化合して炭窒化物を生成
し、基地硬さを向上せしめるとともに、窒化時に窒化物
を生成して有効硬化深さを深くする。この効果を得るに
は0.05％以上を添加することが好ましい。0.20％を越え
ると、靭性及び加工性が低下する。

−第２の手段の作用− しかして、上述の如く、N₂/H₂のガス比を小さくした
場合、グロー放電の安定化が図れるが、グローの幅が広
くなるため、歯車の歯底という狭い箇所にはグロー放電
が侵入し難くなる。

これに対して、希釈ガスとしてのArガスによる窒化雰
囲気の調整は、上記グローの幅の制御に有効であり、こ
のArガスの添加によりグローの幅を１〜3mmに調整する
と、上記歯底にもクロー放電を侵入せしめて、所望の表
面硬化層を得ることができる。この場合、上記グローの
幅を3mm以下とするのは、一般に多く使用される歯車
は、歯数５〜50のとき、モジュールが１〜３であり、そ
の歯底の溝幅が3mm程度もしくはそれ以下になるためで
ある。また、グローの幅を1mm未満にすることは、難し
いとともに、窒化不良を招く結果となる。

−第３の手段の作用− また、上記イオン窒化処理後にショットピーニング処
理を施すことは、疲労強度及び耐ピッチング性の向上に
有効である。すなわち、上述のイオン窒化処理では、窒
素化合物の生成を抑制して窒素拡散層を主体とする表面
硬化層を形成するから、被処理品表面に割れを生ずるこ
となくショットピーニングを施すことができるものであ
る。

−ショットピーニング条件について− ショット粒径:0.02〜0.8mm 0.02mmよりも小さくなると、表面に有効な圧縮残留応
力を与えることができず、また、0.8mmを越えると、圧
縮残留応力を与えることはできるが、被処理品表面のダ
メージが大きくなり好ましくない。

ショット材質：スチール，ガラス，アルミナ等ショット速度:50〜120m/秒 50m/秒未満では加工力が不足し、120m/秒を越えるシ
ョット速度では加工力過大で基地を傷めるため好ましく
ない。

（発明の効果） −第１の手段の効果− 被処理品を、Crを0.50〜1.30重量％、Moを0.05〜0.50
重量％、Ｖを0.05〜0.20重量％含む鋼製とし、N₂ガスと
H₂ガスとの混合比を1:2〜40としたことにより、被処理
品の熱処理性、加工性及び靭性を向上させながら、窒素
化合物の生成を抑制して窒素拡散層を主体とする表面硬
化層を得ることができ、窒化処理時間を必要以上に長く
することなく、耐ピッチング性ないしは耐スポーリング
性を向上せしめることができる。

−第２の手段の効果− Arガスの添加によりグローの幅が１〜3mmにになるよ
う窒化雰囲気を調整するから、N₂/H₂ガス比が小さいに
も拘らず、歯車の歯底という細部にまでグロー放電を侵
入せしめて、この歯車の耐ピッチング性ないしは耐スポ
ーリング性を向上せしめることができる。

−第３の手段の効果− 上述の窒素化合物の生成を抑制して窒素拡散層を主体
とする表面硬化層を形成するイオン窒化処理後にショッ
トピーニング処理を施すから、被処理品表面に割れを生
ずることなく疲労強度及び耐ピッチング性をさらに向上
せしめることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

−テスト１（窒素化合物層について）− 表１に示す組成を主成分とする材質Ａ（Cr−Mo−Ｖ
鋼）の被処理品つき、前処理として熱間鍛造後に900℃
に加熱して焼準処理を施し、15×15×10（mm）の複数の
直方体状テストピースを加工作成した。そして、これら
各テストピースに対して、各種のガス混合比（N₂:H₂:A
r）でイオン窒化処理を施し、窒素化合物層の厚さ（μ
ｍ）を測定した。窒化処理条件は次の通りであり、結果
は表２に示されている。

＜窒化処理条件＞窒化温度 570℃，保持時間 12Hr 真空度 4Torr 上記結果から、N₂/H₂のガス比が大きくなるにつれて
窒素化合物層の厚さが厚くなっているが、実施例の場
合、N₂:H₂＝1:2でも４μｍであって、比較例によりも格
段に薄く、上述のN₂/H₂のガス比を小さくすることが窒
素化合物の抑制に効を奏していることがわかる。なお、
窒素化合物層の厚さについては、第７図にガス混合比と
の関係で一部示されている。すなわち、同図において、
A,C,D,Fが各々実施例1,2,3,5に対応し、Ｇが比較例１に
対応する。

上記実施例１と比較例１につき、その表層部の金属組
織（断面）をそれぞれ第１図と第２図に示す（倍率は40
0倍）。また、第３図にこの両例の表層部の硬さ分布を
示す。第２図（比較例１）において、最表面部に層状に
表われている部分が窒素化合物層であるが、第１図の実
施例１の場合、この窒素化合物層は形成されていない。
また、第３図に示されているように、実施例１と比較例
１とでは、その硬さ分布にほとんど差がなく、実施例１
の場合、窒素化合物層が形成されていないもにも拘ら
ず、十分な表面硬さが得られていることがわかる。

しかして、歯数30、モジュール1.75の歯車につき、上
記テスト１と実施例１と同じ条件において、窒化処理を
施したところ、その歯底においても第３図に示すものと
実質的に同じ硬さ分布が得られた。

−テスト２（材質の影響について）− 上記表１に示す材質Ａと第３表に示す組成を主成分と
する材質Ｂ（SCM435）とにつき、テスト１と同様の前処
理により同様のテストピースを作成して、表４に示す窒
化雰囲気でテスト１と同じ条件の窒化処理を施し、各々
の表層部の硬さ分布を調べた。結果は第４図に示す。

第４図からわかるように、材質Ａを使用した実施例６
と比較例２とは硬さ分布にほとんど差が見られず、材質
Ａについては硬さ分布にガスの混合比の影響があまり出
ていない。

これに対して、材質Ｂを使用した実施例７と材質Ａを
使用した実施例６とを比較した場合、窒化処理条件はガ
ス混合比を含めて同じであっても、材質Ｂを使用した実
施例７は表面硬化層が薄く且つ最表面部の硬さも低くな
っている。さらに、同じ材質Ｂを使用した実施例７と比
較例３とを比較した場合、実施例７の方が表面硬化層が
薄く且つ最表面部の硬さも低くなっている。

以上の結果は、上記材質Ａの場合、窒化特性が優れて
いるためN₂量の低下の影響を受け難く、本発明の実施に
適していることを意味する。

−テスト３（ショットピーニング及びローラピッチング
について− 表１の材質Ａにつき、テスト１と同じ前処理を行なっ
た後、第５図に示すピッチング用試験片１を作成した。
この場合、試験片中央部２がテスト面である。この中央
部２は直径Ｄ＝26mm、長さＬ＝28、両側部3,3は直径ｄ
＝22mm、長さｌ＝51mmである。そして、各試験片につ
き、表５に示す条件で窒化処理を施し、表６に示す条件
でショットピーニングを行なった。

しかして、上記ショットピーニング後に、走査型電子
顕微鏡により試験片表面を観察したところ、比較例５の
ガス軟窒化処理品には、第６図に示すように化合物層の
剥離が認められた（倍率は100倍）。

そこで、上記比較例５を除く他の試験片につき、ショ
ットピーニングを行なったものと行わないものとをロー
ラピッチング試験に供した。このローラピッチング試験
は、面圧308kgf/mm²、すべり率60％を主条件とした。各
試験片の窒素化合物層の厚さは第７図に示され、また、
ピッチング発生寿命（トータル回転数）が第８図に示さ
れている。なお、第８図に記載のＡ〜Ｇは第７図のＡ〜
Ｇと同じ試験片であることを示す。

すなわち、ピッチング発生寿命は、ショットピーニン
グなしの場合、比較例４は1.9×10⁶であるのに対し、実
施例8,9,10,11は7.8×10⁶以上の長寿命を示した。ま
た、ショットピーニング有りの場合、各実施例はショッ
トピーニングなしの場合によりさらに耐ピッチング性の
向上が認められた。

これに対し、比較例４ではピッチング発生寿命が長く
なるものと短くなるものがあったが、これは窒素化合物
層の割れが原因と考えられ、厚い窒素化合物層を有する
ものにはショットピーニングは好ましくないと言える。
第９図に走査型電子顕微鏡による比較例４の試験片表面
の観察結果を示す（倍率は100倍）。これによると、窒
素化合物を起点にピッチングが部分的に発生しているこ
とがわかる。これはピッチング試験中に脆弱な窒素化合
物に亀裂が発生し、この亀裂が窒素拡散層に伝播したこ
とによるものであり、このことから、ピッチング発生寿
命が実施例に比べて短くなっていると認められる。

以上のことから、実施例の場合、窒素化合物層が無い
か若しくは非常に薄いことで耐ピッチング性が向上して
いると言うことがてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の表層部断面の金属組織を示す顕微鏡
写真、第２図は比較例１の表層部断面の金属組織を示す
顕微鏡写真、第３図は実施例１と比較例１との表層部の
硬さ分布を示す特性図、第４図は材質の異なる被処理品
についての表層部の硬さ分布を示す特性図、第５図はピ
ッチング用試験片を示す正面図、第６図は走査型電子顕
微鏡による比較例５の表面の金属組織を示す写真、第７
図はガス混合比と窒素化合物層の厚さとの関係を示す特
性図、第８図は窒素化合物層の厚さとピッチング発生寿
命との関係を示す特性図、第９図は走査型電子顕微鏡に
よる比較例４の表面の金属組織を示す写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三輪能久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55−115965（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−35672（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−104534（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 8/38

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】N₂ガスとH₂ガスとArガスとが混合された窒
化雰囲気において、グロー放電を発生させ、N₂ガスをイ
オン化させて鋼製の被処理品に窒化処理を行なうように
した窒化処理鋼の製造方法において、上記被処理品は、Crを0.50〜1.30重量％、Moを0.05〜0.
50重量％、Ｖを0.05〜0.20重量％含み、上記窒化雰囲気は、N₂ガスとH₂ガスとの混合比が1:2〜4
0であることを特徴とする窒化処理鋼の製造方法。
【請求項２】被処理品は歯車であり、窒化雰囲気をArガ
スの添加によりグロー放電のグローの幅が１〜3mmにな
るように調整する請求項（１）に記載の窒化処理鋼の製
造方法。
【請求項３】イオン窒化処理後、被処理品にショットピ
ーニングを施す請求項（１）または（２）に記載の窒化
処理鋼の製造方法。