JP3431999B2 - 鋼の浸炭窒化方法及びこの鋼を用いたころがり軸受 - Google Patents

鋼の浸炭窒化方法及びこの鋼を用いたころがり軸受

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は鋼の浸炭窒化方法及びか
かる鋼を用いたころがり軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】０．７５〜１．１重量％のＣ、１．０重
量％以下のＳｉ、０．０１５重量％以下のＰ、０．５重
量％以下のＭｏ、１．２重量％以下のＭｎ、０．５〜２
重量％のＣｒ、そして残部をＦｅとするとする鋼は、浸
炭窒化（ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｉｎｇ）の際に、昇温
状態にて、少なくとも、一酸化炭素、水素そしてアンモ
ニアを含有する雰囲気にさらされる。かかる鋼は米国特
許第４９６１９０４号に開示されている。この鋼は、例
えば、ころがり軸受の軌道輪そして転動体に用いられ
る。他にも種々用途がある中で、この鋼は特にころがり
軸受に好適であることが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
鋼は、高い静荷重を受ける応用分野では、さらに厳しい
要求を受ける。代表的な例としては、車輌用あるいは交
流機用のギアーボックスに用いられる軸受における場合
が挙げられる。
【０００４】本発明の目的は、上記鋼にさらに成分を含
有させることなく低コストで、その特性を改良し、上記
特殊な応用分野にも対応できる鋼の浸炭窒化方法及びか
かる鋼を用いたころがり軸受を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、上記目的は、重量％にて、０．７５≦Ｃ≦１．１、
０＜Ｓｉ≦１．０、０＜Ｐ≦０．０１５、０＜Ｍｏ≦
０．５、０＜Ｍｎ≦１．２、０．５≦Ｃｒ≦２、そして
残部をＦｅとするとする鋼を、昇温状態にて、少なくと
も一酸化炭素、水素そしてアンモニアを含有する雰囲気
にさらす鋼の浸炭窒化方法において、炭素活量аｃが
０．９０〜１．１０で、雰囲気と均衡し、鋼の表面位置
で直接測定した際に、０．１〜０．５重量％の窒素の窒
素ポテンシャル（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｏｔｅｎｔｉａ
ｌ）Ｎｐｏｔを生ずるような組成の雰囲気にて、７８０
〜９００°Ｃの間の温度で１〜１０時間、上記鋼をさら
すことにより達成される。
【０００６】上記窒素ポテンシャルはホイル分析（ｆｏ
ｉｌ ａｎａｌｙｓｉｓ）により測定が可能である。か
かる高い炭素活量（ｃａｒｂｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ）
での浸炭窒化により、鋼の表面には高合金マルテンサイ
トが生ずる。その結果、静負荷重、ころがり接触部にお
ける靱性そして疲労強度、さらには耐摩耗性が改善され
る。
【０００７】高合金マルテンサイトを得るこの本発明の
方法は、従来知られていた方法とは異なる。従来技術に
おいては、高合金マルテンサイトを得るには、鋼中の炭
素の量を多くするか、焼入れ温度を高くするか、あるい
は両者の組合わせを実施するかが提案されていた。しか
しながら、かかる方法によると、組織が微細なものとし
て残留せず、靱性が低下し、残留オーステナイトの量が
増大し、そのため、寸法安定性が低下する。
【０００８】本発明による熱処理では、鋼の表面に炭素
そして窒素が多くなる。重量％にてＣが１％、Ｃｒが
１．５％の組成の玉軸受鋼（ＳＡＥ５２１００）の浸炭
窒化にて通常観察されるように鋼の表面そしてその近傍
にはセメンタイトは生じない。本発明の処理の結果、オ
ーステナイトの粒度は微細な残留カーバイトの析出及び
成長に起因して、小さく留まる。浸炭窒化後の急冷の結
果、高強度の微細粒のマルテンサイトが生成される。鋼
の表面にはオーステナイトで強化された組織が多くなる
ので、マルテンサイトが生成される温度は、上記表面に
おいて、従来の急冷時におけるよりも低くなる。このよ
うな表面ではオーステナイトの剪断力強さを増大し、そ
の結果、大きな過冷が必要で、したがってマルテンサイ
トを生成するときの温度は低くなる。さらには、上記表
面における圧縮強さも増大し、その結果、軸受は運転中
に受ける応力は減少して寿命が延びることとなる。これ
は従来の熱処理による場合にも適用可能である。より低
いマルテンサイト開始温度が表面における残留オーステ
ナイトの著しい増大をもたらす。しかし、これは表面近
傍のみで起きることであり、寸法安定性を害することは
ない。
【０００９】本発明の好ましい形態としては、浸炭窒化
の処理の間、熱処理温度は８００〜８８０°Ｃとされ、
その処理は３〜５時間で、炭素活量は約１．０とされ
る。
【００１０】特に、浸炭窒化の雰囲気は、体積％にて、
一酸化炭素が１７〜２５％、水素が３０〜４５％、そし
てアンモニアが１〜１０％であるのが好ましい。使用さ
れるアンモニアの量は、浸炭窒化が行われる炉そして他
の処理パラメータにかなり依存する。アンモニアの分解
過程中に、窒素原子は分離して金属の中に部分的に取り
入れられる。浸炭窒化処理中、分離する窒素の量は、炉
中に金属ホイルを配しこれを直ぐに分析することにより
測定できる。
【００１１】上述のごとくの処理で得られた鋼は、好ま
しくは、表面近傍で、体積％にて、１０〜３０％のオー
ステナイト、３〜１０％のカーバイド、そして残部がマ
ルテンサイトとなるのが良い。
【００１２】
【実施例】以下、実施例を示し本発明をより詳細に説明
する。本実施例では次の組成の鋼５２１００が用いられ
た。表１ 化学組成（重量％） Ｃ （炭素） ：０．９９％ Ｓｉ（硅素） ：０．２４％ Ｍｎ（マンガン） ：０．２９％ Ｐ （燐） ：０．０１８％ Ｓ（硫黄） ：０．０２３％ Ｃｒ（クロム） ：１．３７％ Ｎｉ（ニッケル） ：０．１９％ Ｍｏ（モリブデン） ：０．０６％ Ｃｕ（銅） ：０．２０％ Ａｌ（アルミニウム）：０．０４２％ 上記の鋼が複数の試片として次の条件の下で浸炭窒化処
理された。
【００１３】 表２ テスト 温度（°Ｃ） 時間（ｈｒ） ＮＨ３（％） １ ８２０±１０°Ｃ ４ ３ ２ ８７０±１０°Ｃ ４ ３ ３ ８７０±１０°Ｃ ４ １ ４ ９００±１０°Ｃ ４ ３ 雰囲気における炭素活量は、煤を生じないように、可能
な限り１に維持された。試片は玉軸受の軌道輪としてテ
ストに供され、すべてが直接上記浸炭窒化温度から５０
°Ｃの油中で急冷され、６０°Ｃで洗われ、１．５時間
の間１６０°Ｃで焼戻しされた。
【００１４】上記のごとく、炉中の雰囲気は使用される
炉の形式に依存する。測定の結果、雰囲気の組成は以下
のごとくであった。 表３ 雰囲気 テスト１ テスト２ テスト３ テスト４ ＣＯ（体積％） １７．３ １７．０ １８．６ １８．２ Ｈ２（体積％） ４１．０ ４２．０ ４２．０ ４２．０ 酸素センサ（ｍｖ） １１２３ １１４７ １１４５ １１６２ ａc ０．９３ ０．９０ ０．９５ ０．９７ 炭素ポテンシャル（重量％）０．８９ １．１４ １．０６ １．１７ 注１）使用された酸素センサはプロセスエレクトロニク
ス社製で、型式がカーボディフＣＥで、ＣＳ−８５型の
酸素測定素子を有している。 注２）炭素活量の値は、グラファイト、すなわち炭素に
対し標準状態で用いられるグラファイトの活性に関して
与えられている。 注３）炭素活量と炭素ポテンシャルは、酸素センサで測
定されたガス組成そしてその値から計算されている。 注４）炭素ポテンシャルは雰囲気の特性であり、浸炭窒
化処理中、鉄のホイルの炭素量に対応する。浸炭窒化処
理中、窒素との交互作用が生じ、その結果、ホイル内の
測定された炭素は理論的な炭素ポテンシャルよりも低く
なっている。
【００１５】表３と表４とを比較すると、炭素ポテンシ
ャルとホイルにおける値との間の関係が決定される。
【００１６】試片３は、添加されたアンモニアの量に関
しては、「稀薄」な状態で浸炭窒化された。試片４は浸
炭窒化温度の影響を決めるために用いられた。
【００１７】炭素と窒素の量は試片と同時に炉内に鉄の
ホイルを入れることにより、そしてこれを炭素と窒素に
ついて直ぐに分析することにより決定された。その結果
は表４に示すごとくである。 処理温度を８２０°Ｃ（試片１）から８７０°Ｃ（試片
２）まで上げることは炭素量（％）を増大し窒素量
（％）を減少させることであることが判明した。８７０
°Ｃでの定温処理では、３％（試片２）から１％（試片
３）へのアンモニアの量の削減は窒素の量を減少させる
が、炭素の量への影響はなかった。焼戻し後、試片は再
度焼入れが行われた。浸炭窒化の後、徐冷もしくは油中
での急冷がなされた。いくつかの場合に、焼入れが８２
０〜８５０°Ｃで約５〜２０分の間、繰り返された。油
中又は塩中での急冷は５０〜１１０°Ｃの温度で、そし
て焼戻しは１６０°Ｃにて行われた。
【００１８】金属顕微鏡による検査が行われ、上記処理
により得られた試片１及び試片２の金属組織構造は、表
面近傍で多量の残留オーステナイトをもつマルテンサイ
トの層が形成されていることが確認された。この層には
カーバイドはなかった。介面のすぐ下には成長したカー
バイドの帯があったが、この帯までの深さはある程度ば
らついていた。テスト１による軌道輪の場合は、深さが
１７５μｍで、テスト２における軌道輪の場合は深さが
１５０μｍであり、すべて軸受の軌道面で測定した。成
長したカーバイドの周辺の地における残留オーステナイ
トの量は、テスト２による軌道輪の場合よりも多く、こ
れらのカーバイドも同様に大きかった。両方の場合、効
果のあった全深さは２５０〜５００μｍであった。心
部、成長したカーバイドをもつ帯部そして表層部がテス
トされたときに、心部の組織が特に粗になってはいない
ことが判った。オーステナイトの粒度は、テスト１の軌
道輪の場合では８μｍで、テスト２の軌道輪の場合では
１０μｍであった。介面における硬度は、心部における
よりも低かった。０．３ｍｍの深さにおいては、ＨＶ硬
度は両者の場合約７５０であった。心部ではＨＶ硬度は
０．５ｋｇの荷重のもとで約８４０であった。１０ｋｇ
の荷重の下でビッカース硬度は、テスト１の軌道輪では
８２０で、テスト２の軌道輪では８４０であった。テス
ト２における軌道輪の場合、表面から０．０９〜０．１
７ｍｍの部分で硬度が一番低かった。
【００１９】テスト３の軌道輪の場合、深さ１００μｍ
における介面及び大きなカーバイドの帯においてマルテ
ンサイト層が多量（高％）の残留オーステナイトを伴っ
ていた。心部でのＨＶ硬度は８０６（荷重１０ｋｇのと
き）で、オーステナイトの開始粒度は９μｍであった。
【００２０】テスト４の軌道輪によると、多量の残留オ
ーステナイトとマルテンサイトが同様に存在していた。
カーバイドのない層の深さは介面から約８０μｍであっ
た。高処理温度であるにも拘らず、心部では残留カーバ
イドが殆どなかったが、地には成長したカーバイドが存
在していた。荷重が１０ｋｇの下で、ビッカース硬度は
７７５だけであり、これは多分、多量の残留オーステナ
イトによるものと考えられる。
【００２１】本発明による処理が行われた試片を研摩そ
して／又はホーニング加工により、カーバイドのないマ
ルテンサイトそして残留オーステナイトを含む表層が除
去された。新しい表層は、成長したカーバイド、マルテ
ンサイトそして残留オーステナイトを含有していた。カ
ーバイドは特に耐摩耗性を向上させる。
【００２２】本発明は、いくつかの例を挙げてすでに説
明した通りであるが、本発明はこれに限定されず、特許
請求の範囲の各項に記載した範囲に及ぶ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アイダン ミッチェル ケリガン オランダ国、3583 アーゲー ウトレヒ ト、アドリアーン ファン オスタデラ ーン 157 ＩＩＩ (72)発明者 ジャン トゥーレ スリッケ オランダ国、3722 ヴェーハー ビルト ホーフェン、プッターラーン 36 (72)発明者 テレンス テイラー ファン フォルマ ー オランダ国、4132 イクスヴェー ビア ネン、スパレンドリーフ ５ (56)参考文献 特開 平２−22440（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−34766（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−165048（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−165046（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 8/32

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 重量％にて、０．７５≦Ｃ≦１．１、０
    ＜Ｓｉ≦１．０、０＜Ｐ≦０．０１５、０＜Ｍｏ≦０．
    ５、０＜Ｍｎ≦１．２、０．５≦Ｃｒ≦２、そして残部
    をＦｅとする鋼を、昇温状態にて、少なくとも一酸化炭
    素、水素そしてアンモニアを含有する雰囲気にさらす鋼
    の浸炭窒化方法において、炭素活量ａｃが０．９０〜
    １．１０で、雰囲気と均衡し，鋼の表面位置で直接測定
    した際に、０．１〜０．５重量％の窒素の窒素ポテンシ
    ャルＮｐｏｔを生ずるような組成の雰囲気にて、７８０
    〜９００°Ｃの間の温度で１〜１０時間、上記鋼をさら
    すことを特徴とする鋼の浸炭窒化方法。
  2. 【請求項２】 鋼の表面位置で測定した際に、窒素ポテ
    ンシャルが０．４重量％であることとする請求項１に記
    載の鋼の浸炭窒化方法。
  3. 【請求項３】 処理温度が８００〜８７０°Ｃ、処理時
    間が３〜５時間、そして炭素活量аｃが約１．００であ
    ることとする請求項１に記載の鋼の浸炭窒化方法。
  4. 【請求項４】 雰囲気は、一酸化炭素が１７〜２５体積
    ％、水素が３０〜４５体積％、アンモニアが１〜１０体
    積％の組成であることとする請求項１ないし請求項３の
    うちの一つに記載の鋼の浸炭窒化方法。
  5. 【請求項５】 鋼は、重量％にて、０．８５≦Ｃ≦０．
    ９５、０＜Ｓｉ≦０．１、０．２＜Ｍｏ≦０．３、０．
    ２５＜Ｍｎ≦０．４５、１．３≦Ｃｒ≦１．６５の組成
    を有していることとする請求項１ないし請求項４のうち
    の一つに記載の鋼の浸炭窒化方法。
  6. 【請求項６】 鋼が浸炭窒化の後に急冷されることとす
    る請求項１ないし請求項５のうちの一つに記載の鋼の浸
    炭窒化方法。
  7. 【請求項７】 鋼の表面近傍が、体積％にて、１０〜３
    ０％が残留オーステナイト、３〜１０％がカーバイド、
    残部がマルテンサイトとなっていることとする請求項１
    ないし請求項６のうちの一つに記載の鋼の浸炭窒化方
    法。
  8. 【請求項８】 軌道輪、転動体のうち少なくとも一つが
    請求項７又は請求項１ないし請求項５のうちの一つに方
    法により得られた鋼で作られていることとするころがり
    軸受。
JP13386294A 1993-05-26 1994-05-25 鋼の浸炭窒化方法及びこの鋼を用いたころがり軸受 Expired - Fee Related JP3431999B2 (ja)

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