JP3387427B2 - 鋼の熱処理方法 - Google Patents

鋼の熱処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、鋼の熱処理方法に
関し、更に詳細には、鋼の結晶粒度の微細化及び炭窒化
物の析出により鋼の強度を向上させるための熱処理方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、鋼の強度を向上させるための熱処
理方法としては、浸炭浸窒焼入れ、高周波焼入れ、或い
は、焼入れ、焼き戻し等の熱処理法が知られており、一
般にこれらいずれかの熱処理法により、炭素鋼や中低合
金鋼を熱延、冷延したもの、或いは熱鍛材に切削を行っ
て造形したものをオーステナイト域まで昇温させて鋼表
面或いは全体の硬度を高めることで、鋼の強度を向上さ
せている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の熱処理方法によると、鋼の旧オーステナイト粒
度はJIS規格による鋼の結晶粒度(Gc)で8番程度
にしかならない。そのため、高い疲労強度、ピッチング
強度、及び衝撃強度を要する使用環境に曝される変速機
の歯車等に用いられる鋼の場合には、必ずしも十分に強
度を向上させているとはいえない。
【0004】そこで、従来、鋼の結晶粒度の微細化を促
進して、鋼の強度を高めようとする浸炭窒化処理方法が
特公平7−13294号公報にて提案されている。この
浸炭窒化処理方法では、クロムを含有する鋼を浸炭処理
し、いったん鋼のA1変態点以下に冷却した後、850
℃〜900℃の温度に再び加熱して結晶粒度を微細化す
る処理とクロム炭化物を分解する処理を行い、その後8
00℃〜850℃の温度で浸窒化処理を行い、次に焼入
れ処理を行う。
【0005】しかしながら、この従来の処理方法におい
ては、浸炭処理後に鋼をA1変態点以下に冷却する際の
冷却速度が定められておらず、冷却速度が遅いときには
鋼の表層部にマルテンサイト組織が得られないことがあ
る。そのため、冷却速度が遅いときには焼入れ処理後の
結晶粒度が十分に細かくならず、結晶粒界に析出される
炭窒化物が少なくなり、十分に鋼の強度を向上させるこ
とができない。
【0006】それゆえ、本発明は、鋼の結晶粒度を従来
の熱処理方法によって得られる結晶粒度よりも確実に微
細化し、結晶粒界に析出される炭窒化物量を確実に増大
させることで、十分な強度を得ることができる鋼の熱処
理方法を提供することを、その課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に講じた請求項1の発明の技術的手段は、当該鋼の熱処
理方法を、炭化系ガスを含有する雰囲気中にて鋼をオー
ステナイト域まで昇温させた後にマルテンサイト域にな
るように急冷却して前記鋼を焼入れする浸炭焼入れ工程
と、該浸炭焼入れ工程の後、前記鋼を炭化系ガス及びア
ンモニアを含有する雰囲気中にてオーステナイト域まで
昇温させた後、再度焼入れを行う第2焼入れ工程とから
構成したことである。
【0008】この手段によれば、浸炭焼入れ工程で生じ
るマルテンサイト中の高密度な転位や炭化物を核にし
て、第2焼入れ工程での再加熱の際にオーステナイト結
晶粒が多数生成される。これにより、鋼の結晶粒度がG
c13程度まで微細化されると共に、第2焼入れ工程で
の炭化系ガスとアンモニアガスの作用により、鋼中に炭
素及び窒素が浸入拡散され、結晶粒界或いは粒内に微細
な炭窒化物が多数形成され、鋼の強度が向上される。
【0009】また、上記課題を解決するために講じた請
求項2の発明の技術的手段は、当該鋼の熱処理方法を、
炭化系ガス及びアンモニアを含有する雰囲気中にて鋼を
オーステナイト域まで昇温させた後にマルテンサイト域
になるように急冷却して前記鋼を焼入れする浸炭浸窒焼
入れ工程と、該浸炭浸窒焼入れ工程の後、前記鋼を炭化
系ガス及びアンモニアを含有する雰囲気中にてオーステ
ナイト域まで昇温させた後、再度焼入れを行う第2焼入
れ工程とから構成したことである。
【0010】この手段によれば、浸炭浸窒焼入れ工程に
よりオーステナイト域で鋼の表面に炭素と窒素を浸入さ
せることで、焼入れを行ったときに生じるマルテンサイ
ト中の転位密度や炭窒化物の量が浸炭のみに比べて多く
なるため、第2焼入れ工程での再加熱の際、オーステナ
イト化温度にてオーステナイト結晶粒が生成するための
核がより多数生成され、より多くの結晶粒が生成され
る。これにより、鋼の結晶粒度がGc15程度まで微細
化されると共に、結晶粒がより多く生成される分第2焼
入れ工程での炭化系ガスとアンモニアガスの作用によ
り、結晶粒界或いは粒内に微細な炭窒化物がより多く形
成され、鋼の強度が更に向上される。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明に従った鋼の熱処理
方法の実施形態を図面に基づき、説明する。図1は本発
明の第1実施形態(請求項1の発明)及び第2実施形態
(請求項2の発明)における鋼の熱処理方法を示すヒー
トパターンである。
【0012】先ず、第1実施形態について説明する。図
1において、本第1実施形態の熱処理は大別して、T1
〜T4の4つの処理から成る。処理T1では、炭素を含
む雰囲気(好ましくは、雰囲気中の炭素の割合である炭
素ポテンシャル(CP)が0.75%)中で鋼部材(例
えば、SCr420)を900〜950℃に昇温させて
浸炭を行い、鋼部材の表面に炭素を拡散させる。鋼部材
の炭素濃度は始め0.2%であり、この処理T1中で鋼
部材の表面の炭素の濃度が0.7〜1.0%になるよう
に浸炭が行われる。このT1の熱処理は数時間行われ
る。
【0013】次に、処理T2で炭化系ガスが含まれる雰
囲気(好ましくは、炭素ポテンシャル(CP)が0.7
5%)中で鋼部材を820〜870℃に降温させて浸炭
が行われる。T2の処理は20〜60分行われ、その後
に油中にて急冷却(約120℃)し焼き入れてから処理
T3が行われる。尚、処理T1、処理T2及び急冷却処
理は、本発明における浸炭焼入れ工程に相当する。
【0014】処理T3及びそれに続く急冷却処理は本発
明の第2焼入れ工程であり、炭化系ガス及びアンモニア
ガスを含有する雰囲気(好ましくは、炭素ポテンシャル
(CP)が0.75%、雰囲気中の窒素の割合である窒
素ポテンシャル(NP)が0.2%)中で800〜85
0℃にて鋼部材を20〜60分浸炭浸窒後、焼入れを行
う。図1に示すように、処理T3では、第1加熱温度
(例えば840℃)で所定時間(例えば20分)加熱
後、第2加熱温度(例えば820℃)に降温させ第2加
熱温度で所定時間(例えば15分)加熱を行う。T3の
処理が終わると、鋼部材を油中にて急冷却(約120
℃)し焼き入れてからT4の処理が行われる。T4の処
理は主に鋼部材の焼き割れを防止するために行われる焼
き戻し工程であり、120〜200℃で数時間行われ
る。
【0015】上記した第1実施形態においては、処理T
1、T2及び急冷却処理から成る浸炭焼入れ工程によ
り、鋼部材がオーステナイトからマルテンサイトに変態
することで、鋼部材の表面の転位密度が高くなると共に
炭化物の量が増加される。この浸炭焼入れ工程の後で処
理T3及び急冷却処理から成る第2焼入れ工程を行うこ
とにより、浸炭焼入れ工程で生じるマルテンサイト中の
高密度な転位や炭化物を核にして、オーステナイト結晶
粒が鋼部材内に多数生成され、この結果、鋼部材内の旧
オーステナイトの結晶粒度がGc13程度まで微細化さ
れる。更に、第2焼入れ工程における炭化系ガスとアン
モニアガスの作用により、鋼部材中に炭素及び窒素が浸
入拡散され、結晶粒界或いは粒内に微細な炭窒化物が多
数形成される。この結果、鋼部材の強度が向上される。
【0016】上記した浸炭焼入れ工程においては、図2
に示すように、処理T2後の冷却速度に応じて鋼部材の
表層部に得られる組織が変化する。そして、この組織の
変化に伴い第2焼入れ工程後の鋼部材の物性(旧オース
テナイト結晶粒度、炭窒化物量)が変化する。上記した
第1実施形態においては、処理T2後の急冷却処理にて
鋼部材が油中にて高い冷却速度で冷却される。そのた
め、マルテンサイト組織が確実に鋼部材の表層部に得ら
れ、結晶粒度を十分に細かくでき、粒界に析出される炭
窒化物の量を増やすことができる。尚、冷却速度と表層
部の組織の関係は、鋼部材の材質や浸炭時の炭素ポテン
シャル(CP)によって大きく異なり、その多くはCC
T図(連続冷却曲線:continuous cooling transformat
ion diagram)により実験的に求められている。
【0017】また、上記した第2焼入れ工程において
は、図3に示すように、第1加熱温度に応じて第2焼入
れ工程後の鋼部材中の炭窒化物量が変化する。第1加熱
温度が高いと、炭素や窒素の固溶限が高くなる。そのた
め、浸炭焼入れ工程及び第2焼入れ工程での昇温時に析
出した炭化物が再固溶したり、第1加熱温度での保持中
に析出する炭窒化物量が減少し、その結果、第2焼入れ
工程後の鋼部材中の炭窒化物量が減少する。また、第1
加熱温度が低いと、例えば800℃未満だと、固溶する
炭素濃度によっては軟質なフェライトや有害な粒界セメ
ンタイトが部分的に析出するため、強度低下の原因とな
る。上記した第1実施形態においては、800〜850
℃に第1加熱温度が設定されているため、第2焼入れ工
程後の鋼部材中の炭窒化物量が減少することが防止され
ると共に、異常組織の生成が防止される。尚、図3の炭
窒化物量は、第1加熱温度で20分加熱して、820℃
の第2加熱温度で15分加熱した後、焼入れた結果であ
る。
【0018】また、上記した第1実施形態においては、
第2焼入れ工程にて、第1加熱温度での所定時間の加熱
後、第1加熱温度よりもΔT低い第2加熱温度で所定時
間加熱される。このように、浸窒処理中に温度を下げて
炭素や窒素の固溶限を下げることにより、温度を下げる
前に固溶していた炭素や窒素の一部を炭化物や窒化物等
の化合物となって析出することができる。この結果、炭
窒化物量を増やすことができる。図4にΔTと第2焼入
れ工程後の鋼部材中の炭窒化物量の関係を示す。尚、図
4の炭窒化物量は、第1加熱温度840℃で20分加熱
して、第2加熱温度(840℃−ΔT)で15分加熱し
た後、焼入れた結果である。図4から明らかなように、
ΔTを大きくすると、炭窒化物量が増大する。しかしな
がら、温度を下げ過ぎると、鋼部材内部まで十分に焼き
が入らず、内部硬度が不足するため、第2加熱温度は8
20℃以上が好ましい。
【0019】次に図1に基づき、本発明の第2実施形態
を説明する。処理T1では、上記した第1実施形態と同
様に、炭素を含む雰囲気中で鋼部材を900〜950℃
に昇温させて浸炭を行い、鋼部材の表面に炭素を拡散さ
せる。尚、処理T1では、初期状態で鋼部材中の炭素濃
度が0.2%のものを、鋼部材の表面の炭素の濃度が
0.7〜1.0%になるように数時間浸炭が行われる。
次に処理T2で1%未満のアンモニアが含まれる雰囲気
中で鋼を820〜870℃に降温させて浸窒が行われ
る。このT2の処理は20〜60分行われ、その後に油
中にて急冷却(約120℃)し焼き入れてから処理T3
が行われる。尚、処理T1、処理T2及び急冷却処理
は、本発明における浸炭浸窒焼入れ工程に相当する。こ
の第2実施形態においても、上記した第1実施形態と同
様に、処理T2後の急冷却処理にて鋼部材が油中にて高
い冷却速度で冷却される。そのため、マルテンサイト組
織が確実に鋼部材の表層部に得られ、後述する第2焼入
れ工程後の鋼部材内の旧オーステナイト結晶粒度を十分
に細かくでき、粒界に析出される炭窒化物の量を増やす
ことができる。
【0020】処理T3及びそれに続く急冷却処理は本発
明の第2焼入れ工程であり、炭化系ガス及びアンモニア
ガスを含有する雰囲気中で800〜850℃にて鋼部材
を20〜60分浸炭浸窒後、焼入れを行う。上記した第
1実施形態と同様に、処理T3では、第1加熱温度(例
えば840℃)で所定時間(例えば20分)加熱後、第
2加熱温度(例えば820℃)に降温させ第2加熱温度
で所定時間(例えば15分)加熱を行う。これにより、
第2焼入れ工程後の鋼部材中の炭窒化物量が増大され
る。T3の処理が終わると、鋼部材を油中にて急冷却
(約120℃)し焼き入れてからT4の処理が行われ
る。T4の処理は主に鋼部材の焼き割れを防止するため
に行われる焼き戻し工程であり、120〜200℃で数
時間行われる。
【0021】この第2実施形態においては、T1及びT
2の浸炭浸窒焼入れ工程により、鋼部材がオーステナイ
トからマルテンサイトに変態することで、第1実施形態
に比し鋼部材の表面の転位密度がより高くなると共に炭
窒化物の量が増加される。この浸炭浸窒焼入れ工程の後
でT3の第2焼入れ工程を行うことにより、浸炭浸窒焼
入れ工程で生じるマルテンサイト中のより多くの高密度
な転位や炭窒化物を核にして、オーステナイト結晶粒が
より多数生成され、この結果、鋼部材の結晶粒度がGc
15程度まで微細化される。更に、結晶粒がより多く生
成される分、第2焼入れ工程での炭化系ガスとアンモニ
アガスの作用により、結晶粒界或いは粒内に微細な炭窒
化物がより多く形成され、鋼部材の強度が更に向上され
る。
【0022】上記した第1実施形態及び第2実施形態の
熱処理方法により熱処理された鋼部材(Scr420)
と従来の熱処理方法により熱処理された鋼部材(従来
品)との疲労強度、ピッチング強度及び衝撃強度につい
ての試験結果を図5に示す。尚、図5において、従来品
はSCr420を従来の方法で浸炭浸窒処理したもので
ある。
【0023】図5に示される各強度の試験方法について
説明する。疲労強度試験は、φ20mmの丸棒を熱間鍛
造して所定の形状に加工し上記した各実施形態の熱処理
を施して作製された疲労試験片に、回転曲げにより繰り
返し応力を加えたときの、107サイクルまで疲労試験
片が破壊しない最大応力を測定する試験で、疲労強度は
その最大応力を示す。
【0024】ピッチング強度試験は、疲労試験片と同じ
材料で同様にして作製されたピッチング試験片と、SC
r420を肌焼き深さ0.7mm程度となるように浸炭
焼入れした相手ローラーを用い、面圧300kg・f/
mm2 、すべり率−40%、ATフルード中(約80
℃)の条件でピッチングが発生するまでのローラー回転
数を測定する試験で、ピッチング強度は同ローラー回転
数を示す。
【0025】衝撃強度試験は、長さ55mm、一辺が1
0mmの角棒を上記した第1及び第2実施形態に従い熱
処理を施し、その中心にR5mmのノッチをつけて作製
した衝撃強度試験片の中心にハンマーをたたきつけたと
きにハンマーが吸収されるエネルギーを試験片の断面積
で除した値、即ち、衝撃値を測定する試験で、衝撃強度
はこの衝撃値を示す。
【0026】図5から明らかなように、上記した第1及
び第2実施形態によれば、鋼部材表面から数百μmの旧
オーステナイト結晶粒度を、夫々Gc13及びGc15
程度まで微細化でき、更に結晶粒界或いは粒内に微細な
炭窒化物を多数形成することができることから、従来品
に対して鋼部材の疲労強度、ピッチング強度及び衝撃強
度を著しく向上することができ、ピッチングが生じ易い
自動変速機の歯車に適した鋼部材を得ることができる。
【0027】また、上記した第1及び第2実施形態、変
形例に従う熱処理を通して雰囲気中のCP(炭素濃度)
やNP(窒素濃度)を適正に制御することで、表面の残
留オーステナイト量を20〜70%の範囲で最適化する
ことができ、それにより、ピッチング強度等の機械的特
性を更に向上させることができる。
【0028】
【発明の効果】以上の如く、請求項1及び2の発明によ
れば、浸炭焼入れ工程或いは浸炭浸窒焼入れ工程の後
に、鋼を炭化系ガス及びアンモニアを含有する雰囲気中
にてオーステナイト域まで昇温させる第2焼入れ工程を
行うだけの簡単な処理のみで、鋼の旧オーステナイト結
晶粒度を格段に微細化することができると共に、結晶粒
界或いは粒内に微細な炭窒化物を多数形成することがで
き、鋼の疲労強度、ピッチング強度及び衝撃強度を著し
く向上させることができる。
【0029】また、請求項3の発明によれば、加熱温度
が高すぎることにより生じる析出炭化物の再固溶や強度
に対して有害な組織の析出を防止でき、結晶粒界或いは
粒内に微細な炭窒化物を多数形成することができる。
【0030】また、請求項4の発明によれば、浸窒処理
中に温度を下げて炭素や窒素の固溶限を下げることによ
り、温度を下げる前に固溶していた炭素や窒素の一部を
炭化物や窒化物等の化合物となって析出することがで
き、結晶粒界或いは粒内に微細な炭窒化物を多数形成す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従った鋼の熱処理方法の第1及び第2
実施形態におけるヒートパターンである。
【図2】本発明に従った鋼の熱処理方法の第1実施形態
における処理T2後の冷却速度、冷却により鋼部材の表
層部に得られる組織及び第2焼入れ工程後の鋼部材の物
性の関係を示す関係図である。
【図3】本発明に従った鋼の熱処理方法の第1実施形態
における処理T3の第1加熱温度と第2焼入れ工程後の
鋼部材中の炭窒化物量の関係を示す関係図である。
【図4】本発明に従った鋼の熱処理方法の第1実施形態
における処理T3の第1加熱温度と第2加熱温度の温度
差ΔTと第2焼入れ工程後の鋼部材中の炭窒化物量の関
係を示す関係図である。
【図5】本発明に従った鋼の熱処理方法の第1実施形態
及び第2実施形態の熱処理方法により熱処理された鋼部
材と従来の熱処理方法により熱処理された鋼部材(従来
品)との疲労強度、ピッチング強度及び衝撃強度につい
ての試験結果を示す図である。
【符号の説明】
T1、T2 浸炭焼入れ工程、浸炭浸窒焼入れ工程 T3 第2焼入れ工程
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−51155(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 1/06

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化系ガスを含有する雰囲気中にて鋼を
    オーステナイト域まで昇温させた後にマルテンサイト域
    になるように急冷却して前記鋼を焼入れする浸炭焼入れ
    工程と、該浸炭焼入れ工程の後、前記鋼を炭化系ガス及
    びアンモニアを含有する雰囲気中にてオーステナイト域
    まで昇温させた後、再度焼入れを行う第2焼入れ工程と
    からなる鋼の熱処理方法。
  2. 【請求項2】 炭化系ガス及びアンモニアを含有する雰
    囲気中にて鋼をオーステナイト域まで昇温させた後にマ
    ルテンサイト域になるように急冷却して前記鋼を焼入れ
    する浸炭浸窒焼入れ工程と、該浸炭浸窒焼入れ工程の
    後、前記鋼を炭化系ガス及びアンモニアを含有する雰囲
    気中にてオーステナイト域まで昇温させた後、再度焼入
    れを行う第2焼入れ工程とからなる鋼の熱処理方法。
  3. 【請求項3】 前記第2焼入れ工程にて、前記鋼は80
    0℃〜850℃の温度に加熱されることを特徴とする請
    求項1及び2に記載の鋼の熱処理方法。
  4. 【請求項4】 前記第2焼入れ工程にて、前記鋼は一定
    のアンモニア濃度の雰囲気中にて第1の加熱温度で加熱
    された後、該第1の加熱温度よりも所定温度低い第2の
    加熱温度で加熱されることを特徴とする請求項1乃至3
    に記載の鋼の熱処理方法。
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