【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は鋼材に対する窒化処理方
法に関し、詳しくは、疲労強度を向上させることができ
る窒化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】機械構
造用鋼の疲労強度向上のための表面硬化処理方法の一つ
として窒化処理がある。この窒化処理は同じ表面硬化処
理方法である高周波焼入れや浸炭焼入れに比べて熱処理
歪が小さいため有用な手法である。一般的には、機械構
造用鋼材（ＳＣ材やＳＣＭ材等）に窒化処理を行う場合
と、ＳＡＣＭ６４５のような窒化鋼を用いる場合がある
が、いずれの鋼種においても窒化処理方法としては一段
窒化及び二段窒化が一般的に採用されている。
【０００３】一段窒化は５００℃程度の一定温度に一定
時間保持する方法であるが、一般に硬化深さが浅く、化
合物層が厚くなるため、耐摩耗性は優れているが、疲労
強度が低いという問題点がある。また、長時間処理によ
り硬化深さを大きくして疲労強度をある程度向上させる
ことも可能であるが、長時間化によりコストアップにつ
ながり現実的ではない。二段窒化は一段窒化の長時間化
を改善するものとして、一段目の加熱により窒化物層を
形成して窒素ポテンシャルを高くし、その後より高温に
して鋼材内部へ窒素をより速く拡散させようとしたもの
であるが、疲労強度を向上させるという点からは不十分
である。
【０００４】一方、疲労強度を向上させるという観点か
ら、特開昭６３−９３８２１号公報には窒化処理後ショ
ットピーニングを施す方法が、特開平２−２９４４６３
号公報にはイオン窒化処理時に２段窒化を施す方法が夫
々開示されている。しかし、前者はショットピーニング
という別工程を付加する必要があり、後者はイオン窒化
という高価な方法を用いる必要があるため、いずれもコ
ストアップにつながってしまう。本発明は、かかる事情
に鑑みてなされたものであって、低コストで疲労強度を
向上させることができる窒化処理方法を提供することを
目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、鋼材
に窒化処理を施すにあたり、窒化処理開始温度を４８０
〜５５０℃の範囲に設定し、窒化処理終了温度を５６０
〜６３０℃の範囲に設定して、窒化処理開始から窒化処
理終了までを連続的に昇温させることを特徴とする窒化
処理方法を提供する。
【０００６】本願発明者らは、通常の窒化処理のみで、
しかも低コストで疲労強度を向上させることができる窒
化処理方法について鋭意研究を行った結果、窒化処理開
始温度及び窒化処理終了温度をある特定の温度範囲に規
定し、その間を連続的に昇温すればよいことを見出し
た。すなわち、窒化処理開始温度及び窒化終了温度を特
定範囲に設定し、その間を連続的に昇温することによ
り、低温で化合物が形成されてもすぐに昇温されて化合
物層が消滅しやすく、また大きな硬化深さが得られ、結
果として疲労強度を向上させ得ることを見出したのであ
る。上記構成を有する本発明は本願発明者らのこのよう
な知見に基づいて完成されたものである。以下、本発明
について具体的に説明する。
【０００７】窒化処理は、鋼材の表面に窒化物層（化合
物層）を生成させ、同時に内部に窒素を拡散させて窒化
物を形成することにより、α−鉄格子内に大きな歪を生
じさせて鋼材の表面を硬化させるものである。
【０００８】本発明においては、このような窒化処理を
行うにあたり、窒化処理開始温度を４８０〜５５０℃の
範囲に設定し、窒化処理終了温度を５６０〜６３０℃の
範囲に設定して、窒化処理開始から窒化処理終了までを
連続的に昇温させる（このような方法を以下傾斜窒化法
と呼ぶ。）。
【０００９】窒化処理開始温度に関しては、その温度が
４８０℃未満では窒化反応が遅いため有効な硬化深さが
得られず、一方、５５０℃を超えると化合物層厚さが大
きくなり、疲労強度に悪影響を及ぼす。従って窒化処理
開始温度は４８０℃〜５５０℃の範囲に規定する。
【００１０】窒化処理終了温度に関しては、その温度が
５６０℃未満では窒素の拡散が遅いため有効な硬化深さ
が得られず、一方、６３０℃を超えると窒素がより内部
まで拡散するため表面硬さが低下し疲労強度が劣化す
る。従って窒化処理終了温度は５６０〜６３０℃の範囲
に規定する。なお、窒化処理終了温度が鋼の焼もどし温
度を超える場合には内部が軟化してしまうので、焼戻し
温度を超えないようにすることが必要である。
【００１１】本発明では窒化処理開始から窒化処理終了
までを連続的に昇温させるのであり、連続的に昇温させ
る限りその態様は限定されないが、直線的に昇温するこ
とが好ましい。
【００１２】本発明でいう窒化処理には、通常行われて
いるガス窒化法のみならず、イオン窒化法、塩浴窒化法
などを適用することができ、いずれの方法の場合にも本
発明の効果を得ることができる。なお、本発明の方法に
適用される鋼の組成については特に制限がないが、通常
の窒化鋼をベースにした組成の鋼に主に適用される。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００１４】表１の組成を有する窒化鋼ＳＡＣＭ６４５
（ＪＩＳＧ４２０２アルミニウム・クロム・モリブデン
鋼）の熱間圧延丸棒（３０ｍｍφ）を用い、９００℃×
１時間油焼入れ、６５０℃×１時間水冷の焼入れ焼もど
しを行った後、平行部８ｍｍφの小野式回転曲げ疲労試
験片を加工し、供試材とした。
【００１５】
【表１】
【００１６】この供試材について窒化処理を施した。窒
化処理は、Ｎ2 −ＮＨ3 −ＣＯ2 雰囲気のガス窒化炉を
用い、図１に示す３つの窒化温度パターンで、処理時間
を２０時間に設定して行った。図１中、傾斜窒化法は温
度を連続的に上げるもの、二段窒化法は第一段窒化の後
第二段の窒化を行うもの、一段窒化法は一定温度に保持
するものである。
【００１７】この窒化処理の処理条件と、処理結果とを
表２に示す。表２中、表面硬さは表面から０．０５ｍｍ
位置の硬さ、化合物厚さは表面に形成された窒化物層の
厚さ、有効硬化深さはＨＶ５５０となる距離、疲労強度
は繰返し数１０7 回での応力値で評価した。なお、表２
中、番号１〜３は本発明の範囲内に含まれる実施例であ
り、番号４〜１３は比較例である。比較例のうち、番号
４〜７は昇温方法は本発明と同様であるが、窒化処理開
始温度又は窒化処理終了温度が本発明の条件から外れて
いるもの、番号８、９は二段窒化法を採用したもの、番
号１０〜１３は一段窒化方を採用したものである。
【００１８】
【表２】
【００１９】表２から明らかなように、本発明の範囲内
である番号１〜３はいずれも化合物層が小さく、表面硬
さが適度であり、有効硬化深さが大きいため疲労強度に
優れている。
【００２０】比較例の番号４〜７は本発明と同様の傾斜
窒化法を採用しているが、処理開始温度あるいは処理終
了温度が本発明の範囲から外れており、有効硬化深さが
小さいか、化合物層厚さが大きく、疲労強度が低下して
いる。比較例の番号６〜１１は従来の窒化処理方法であ
り、化合物層厚さ、有効硬化深さのいずれかが劣るた
め、疲労強度が低下している。
【００２１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、窒化処理
開始温度と窒化処理終了温度とを特定温度範囲に設定
後、その間を連続昇温させるだけで、化合物層を小さ
く、かつ有効硬化深さを大きくすることができ、結果と
して低コストで疲労強度を向上させることができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of nitriding steel, and more particularly, to a method of nitriding which can improve fatigue strength. 2. Description of the Related Art As one of surface hardening methods for improving the fatigue strength of mechanical structural steel, there is a nitriding treatment. This nitriding treatment is a useful method because the heat treatment distortion is smaller than that of induction hardening or carburizing quenching, which is the same surface hardening method. Generally, there are cases where nitriding treatment is performed on steel materials for machine structures (SC material, SCM material, etc.) and cases where nitriding steel such as SACM645 is used. And two-stage nitriding is commonly employed. One-step nitriding is a method of maintaining a constant temperature of about 500 ° C. for a certain period of time. Generally, the depth of cure is small and the thickness of the compound layer is large, so that the wear resistance is excellent, but the fatigue strength is low. There is a problem. Further, it is possible to increase the hardening depth by long-term treatment to improve the fatigue strength to some extent, but it is not realistic because the long-term treatment leads to an increase in cost. Two-stage nitriding improves the length of the one-stage nitridation by increasing the nitrogen potential by forming a nitride layer by heating in the first stage, and then increasing the temperature to a higher temperature to allow nitrogen to diffuse into the steel faster. However, it is insufficient from the viewpoint of improving the fatigue strength. On the other hand, from the viewpoint of improving fatigue strength, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-93821 discloses a method of performing shot peening after nitriding treatment.
Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-157, respectively, discloses a method of performing two-stage nitriding at the time of ion nitriding. However, the former requires an additional step of shot peening, and the latter requires the use of an expensive method of ion nitriding, which leads to an increase in cost. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a nitriding treatment method capable of improving fatigue strength at low cost. According to the present invention, when a steel material is subjected to a nitriding treatment, the temperature at which the nitriding treatment is started is set to 480.
To 550 ° C., and the nitriding treatment end temperature is 560.
A nitriding method is provided in which the temperature is set to a range of from about 630 ° C. to continuously raise the temperature from the start of the nitriding treatment to the end of the nitriding treatment. [0006] The inventors of the present application have performed only ordinary nitriding treatment,
In addition, as a result of intensive research on a nitriding treatment method that can improve fatigue strength at low cost, the nitriding treatment start temperature and nitriding treatment end temperature are specified in a certain temperature range, and the temperature is continuously raised during that period. I found something to do. That is, by setting the nitriding treatment start temperature and the nitridation end temperature to specific ranges and continuously increasing the temperature between them, even if the compound is formed at a low temperature, the temperature is immediately increased and the compound layer easily disappears, and It has been found that a large hardening depth can be obtained, and as a result, fatigue strength can be improved. The present invention having the above configuration has been completed based on such findings of the present inventors. Hereinafter, the present invention will be described specifically. In the nitriding treatment, a nitride layer (compound layer) is formed on the surface of a steel material, and at the same time, nitrogen is diffused inside to form a nitride, thereby causing a large strain in the α-iron lattice to generate a steel material. Is to harden the surface. In the present invention, in performing such a nitriding treatment, the nitriding treatment starting temperature is set in the range of 480 to 550 ° C., and the nitriding treatment end temperature is set in the range of 560 to 630 ° C. The temperature is continuously increased from the start to the end of the nitriding treatment (such a method is hereinafter referred to as a gradient nitriding method). [0009] Regarding the nitriding treatment starting temperature, if the temperature is lower than 480 ° C, the nitriding reaction is slow, so that an effective hardening depth cannot be obtained. On the other hand, if the temperature exceeds 550 ° C, the thickness of the compound layer increases, and the fatigue strength decreases. Adversely affect. Therefore, the nitriding treatment start temperature is specified in the range of 480 ° C to 550 ° C. [0010] Regarding the nitriding treatment end temperature, if the temperature is lower than 560 ° C, diffusion of nitrogen is slow, so that an effective hardening depth cannot be obtained. And fatigue strength deteriorates. Therefore, the nitriding treatment end temperature is specified in the range of 560 to 630 ° C. If the nitriding treatment end temperature exceeds the tempering temperature of the steel, the inside is softened, so it is necessary not to exceed the tempering temperature. In the present invention, the temperature is continuously increased from the start of the nitriding treatment to the end of the nitriding treatment, and the mode is not limited as long as the temperature is continuously increased. In the nitriding treatment according to the present invention, not only a gas nitriding method which is usually performed, but also an ion nitriding method, a salt bath nitriding method and the like can be applied. The effect can be obtained. The composition of the steel applied to the method of the present invention is not particularly limited, but is mainly applied to steel having a composition based on ordinary nitrided steel. An embodiment of the present invention will be described below. A nitrided steel SACM645 having the composition shown in Table 1
(JISG4202 aluminum-chromium-molybdenum steel) hot rolled round bar (30mmφ), 900 ° C ×
After oil quenching for 1 hour and water cooling quenching and tempering for 1 hour at 650 ° C., an Ono-type rotary bending fatigue test piece having a parallel portion of 8 mmφ was processed to obtain a test material. [Table 1] The specimen was subjected to a nitriding treatment. The nitriding treatment was performed using a gas nitriding furnace in an N 2 —NH 3 —CO 2 atmosphere with the three nitriding temperature patterns shown in FIG. 1 and the treatment time set to 20 hours. In FIG. 1, the gradient nitriding method is to raise the temperature continuously, the two-step nitriding method is to perform the second-stage nitriding after the first-stage nitriding, and the one-step nitriding method is to keep the temperature at a constant temperature. Table 2 shows the processing conditions of the nitriding treatment and the processing results. In Table 2, the surface hardness is 0.05 mm from the surface
The hardness of the position, the thickness of the compound are the thickness of the nitride layer formed on the surface, the effective hardening depth is the distance at which the HV550 is obtained, and the fatigue strength is 10 7. Evaluation was based on the stress value at each time. Table 2
Among them, numbers 1 to 3 are examples included in the scope of the present invention, and numbers 4 to 13 are comparative examples. Among the comparative examples, Nos. 4 to 7 have the same temperature raising method as the present invention, but the nitriding treatment start temperature or the nitriding treatment end temperature is out of the conditions of the present invention. Nos. 10 to 13 adopting the single-stage nitriding method. [Table 2] As is clear from Table 2, all of Nos. 1 to 3 within the scope of the present invention have a small compound layer, an appropriate surface hardness, and a large effective hardening depth, and thus have excellent fatigue strength. I have. In Comparative Examples Nos. 4 to 7, the same gradient nitriding method as that of the present invention is employed. However, the processing start temperature or the processing end temperature is out of the range of the present invention, and the effective hardening depth is small. In addition, the thickness of the compound layer is large, and the fatigue strength is reduced. Nos. 6 to 11 of the comparative examples are conventional nitriding treatment methods, in which either the compound layer thickness or the effective hardening depth is inferior, and the fatigue strength is reduced. As described above, according to the present invention, after setting the nitriding treatment start temperature and the nitriding treatment end temperature within a specific temperature range, the temperature is continuously increased only between them, and the compound layer can be made smaller. In addition, the effective hardening depth can be increased, and as a result, the fatigue strength can be improved at low cost.
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例及び比較例の窒化処理の温度パターンを
示す図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a temperature pattern of a nitriding treatment in Examples and Comparative Examples.
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フロントページの続き
(72)発明者 桑原 美博
新潟県長岡市新保４丁目11−10
(56)参考文献 特開 平２−294463（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−255355（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−198464（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−198463（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−202754（ＪＰ，Ａ)
特開 昭49−125234（ＪＰ，Ａ)
特開 昭49−17328（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C23C 8/26 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Yoshihiro Kuwahara 4-11-10, Shinbo, Nagaoka-shi, Niigata (56) References JP-A-2-294463 (JP, A) JP-A-63-255355 (JP, A) JP-A-4-198464 (JP, A) JP-A-4-198463 (JP, A) JP-A-4-202754 (JP, A) JP-A-49-125234 (JP, A) JP-A-49-125 17328 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C23C 8/26