JP3931276B2 - 真空浸炭窒化方法 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、減圧下において行う真空浸炭窒化方法に関する。
背景技術
たとえば、歯車、軸受 燃料噴射ノズル、等速ジョイントなどの鋼製自動車部品に浸炭処理を施す真空浸炭方法として、浸炭ガスとしてエチレンガスを使用し、真空熱処理炉内を１〜１０ｋＰａに減圧して行う方法が知られている（日本国特開平１１−３１５３６３号公報参照）。
しかしながら、従来の方法では、真空熱処理炉内における温度均一性の保証された有効加熱空間に、多くの被処理品を積載したバスケットを配して真空浸炭を行った場合、バスケットへの積載位置によって被処理品に浸炭むらが生じ、積載位置の異なる被処理品の有効硬化層深さ（浸炭深さ）や、表面炭素濃度などの浸炭品質にばらつきが発生するという問題があった。
そこで、このような問題を解決した真空浸炭方法として、本出願人は、先に、浸炭ガスとしてエチレンガスと水素ガスとの混合ガスを使用する方法を提案した（日本国特開２００１−２６２３１３号公報参照）。
本出願人が先に提案した真空浸炭法では、真空熱処理炉内における温度均一性の保証された有効空間内に多くの被処理品を配して浸炭を行った場合にも、すべての被処理品に浸炭むらが発生するのを防止することができ、その結果すべての被処理品の浸炭品質を均一にすることが可能になる。
しかしながら、日本国特開２００１−２６２３１３号公報記載の方法では、低級鋼、たとえばＭｎＳ等の不純物の含有量が多い鋼、低合金鋼、低炭素鋼等においては、浸炭後の急冷による焼入によっては硬化せず、十分な表面硬さや有効硬化層深さを得られないという問題がある。また、この方法において、低級鋼で表面硬化層を得ようとするために、エチレンガスと水素ガスに加えてアンモニアガスを同時に真空熱処理炉内に導入すると、残留オーステナイトが多くなったり、セメンタイトが析出しやすくなる。特に、エチレンガスと水素ガスに加えてアンモニアガスを同時に導入した場合、有効硬化層深さを深くするには、処理時間を長くしなければならず、コストが高くなるという問題がある。さらに、肌焼き鋼の場合には、表層部に多くのセメンタイトが析出し、脆くなって割れが発生しやすくなるという問題がある。
この発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、低級鋼や肌焼き鋼からなる被処理品においても表面硬さ、有効硬化層深さ、靭性等の必要な熱処理品質を短時間で再現性よく得ることのできる真空浸炭窒化方法を提供することを目的とする。
発明の開示
請求項１の真空浸炭窒化方法は、減圧された真空熱処理炉内で被処理品を所定の浸炭温度まで加熱した後炉内に浸炭性ガスを供給して真空浸炭処理を施し、ついで浸炭温度を保持したまま浸炭性ガスの供給を停止して減圧状態で炭素を被処理品中に拡散させ、ついで炉内温度を下げた後減圧状態の炉内に窒化性ガスを供給して窒化処理を施すことを特徴とするものである。
請求項１の真空浸炭窒化方法によれば、低級鋼からなる被処理品であっても、表層部の残留オーステナイト量が過剰になるのを防止して表面硬さを硬くすることができるとともに、有効硬化層深さを比較的短時間で深くすることができる。しかも、有効硬化層深さを簡単に制御することができ、所望深さの有効硬化層深さを再現性よく得ることができる。また、肌焼き鋼からなる被処理品であっても、表層部へのセメンタイトの析出量を減少させることができ、靭性を向上させて割れの発生を防止することができる。
請求項２の真空浸炭窒化方法は、請求項１の方法において、浸炭性ガスとして、エチレンガスと水素ガスとの混合ガスを用いるものである。
請求項３の真空浸炭窒化方法は、請求項１または２の方法において、窒化処理時間に基づいて、窒化処理に続いて行う焼入後の被処理品の有効硬化層深さを制御するものである。この場合、窒化時間を変更することによって、種々の深さの有効硬化層を再現性よく得ることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
図１はこの発明による真空浸炭窒化方法の処理パターンを示す。
図１に示すように、真空浸炭窒化は次のようにして行われる。すなわち、真空熱処理炉内に被処理品を配した後、真空排気装置により炉内を減圧する。ついで、炉内を所定の浸炭温度に加熱して予熱処理を施した後、炉内に浸炭性ガス、たとえばエチレンガスと水素ガスの混合ガスを供給しつつ浸炭処理を施す。ついで、エチレンガスおよび水素ガスの供給を停止し、浸炭温度と等しい拡散温度で拡散処理を施す。ついで、炉内の温度を所定の窒化温度まで下げた後、窒化性ガス、たとえばアンモニアガスを供給しつつ窒化処理を施し、最後に油焼入を行う。真空熱処理炉内の加熱開始から窒化処理の終了までは、真空排気装置による炉内の排気を継続して行う。
上述した処理パターンにおいて、浸炭温度は８７０〜１０５０℃、たとえば９３０〜９５０℃、窒化温度は７８０〜９００℃でかつ浸炭温度よりも低い温度であることが好ましい。予熱時間は、浸炭温度や被処理品の形状によって異なるが、３５〜４０分であることが好ましい。浸炭時間、拡散時間および窒化時間は、得ようとする有効硬化層の深さによって種々変える。浸炭温度から窒化温度までの降温速度は、一度に処理される被処理品の重量（積載重量）によって変える。また、浸炭のさいの炉内圧力は３〜９ｋＰａ、窒化のさいの炉内圧力は３〜９ｋＰａとすることが好ましい。
図１に示す処理パターンで真空浸炭窒化処理を施した場合、被処理品の表層部では、図２に示すように、炭素濃度（図２実線参照）および窒素濃度（図２破線参照）は表面からの深さが大きくなるほど低濃度となる。また、窒素濃度は、窒化時間が長くなるほど高濃度となる。
次にこの発明の具体的実施例を比較例とともに説明する。
被処理品としては、ＪＩＳ ＳＷＣＨ１０Ｒからなる図３示す形状のプッシュロッド用カップエンド（１）を使用した。このカップエンド（１）の全長Ｌ１３．５ｍｍ、外径Ｄは１４ｍｍであり、球状の凹所（２）を有している。凹所（２）の内径ｄは４．５ｍｍである。
実施例１
カップエンド（１）を、凹所（２）の開口が下方を向いた姿勢で、２段積みバスケットの下段に複数積載するとともに、２段積みバスケットの上段に複数のダミーを積載し、２段積みバスケットを真空熱処理炉内の温度均一性が保証された有効加熱空間内に配した。カップエンド（１）の総重量は１７．５ｋｇ、カップエンド、ダミー、バスケットおよびトレイの総重量は７５．５ｋｇである。
そして、真空熱処理炉内を８分間で０．１４ｋＰａ以下まで減圧した後、炉内の有効加熱空間を１４分間で９３０℃まで加熱し、この温度で４０分間保持して予熱処理を施した。予熱処理に引き続いて、エチレンガスおよび水素ガスを熱処理炉内に供給しつつ７〜８ｋＰａの圧力下において９３０℃で１００分間保持する浸炭処理を施した。このときのエチレンガスの流量が２０リットル／分、水素ガスの流量が１０リットル／分となるように制御した。浸炭処理に引き続いてエチレンガスおよび水素ガスの供給を停止し、９３０℃で８０分間保持して拡散処理を施した。ついで、３４分間で８５０℃まで降温した後、炉内にアンモニアガスを供給しつつ２〜４ｋＰａの圧力下において８５０℃で１８０分間保持して窒化処理を施した。窒化処理の後、ダフニークエンチＨＶ（出光社製）からなる油温６０℃の焼入油中に焼き入れて２０分間油冷した。なお、油面圧は１０ｋＰａであり、油攪拌機を４４０ｒｐｍで回転させて焼入油を攪拌しておいた。最後に、１５０℃で９０分間保持する焼戻し処理を施した。こうして、カップエンド（１）に真空浸炭窒化処理を施した。
実施例２
窒化処理時間を１２０分間とした他は、上記実施例１と同様にしてカップエンド（１）に真空浸炭窒化処理を施した。
実施例３
窒化処理時間を６０分間とした他は、上記実施例１と同様にしてカップエンド（１）に真空浸炭窒化処理を施した。
比較例
カップエンド（１）を、上記実施例１と同様にダミーとともにバスケットへ積載した。
そして、真空熱処理炉内を１０分間で０．１４ｋＰａ以下まで減圧した後、炉内の有効加熱空間を１０分間で８５０℃まで加熱し、この温度で４０分間保持して予熱処理を施した。予熱処理に引き続いて、エチレンガス、水素ガスおよびアンモニアガスを熱処理炉内に供給しつつ４〜５ｋＰａの圧力下において８５０℃で１６０分間保持する浸炭窒化処理を施した。このときのエチレンガスの流量が１０リットル／分、水素ガスの流量が５リットル／分、アンモニアガスの流量が１０リットル／分となるように制御した。浸炭窒化処理に引き続いてエチレンガス、水素ガスおよびアンモニアガスの供給を停止した後、ダフニークエンチＨＶ（出光社製）からなる油温６０℃の焼入油中に焼き入れて２０分間油冷した。なお、油面圧は１０ｋＰａであり、油攪拌機を４４０ｒｐｍで回転させて焼入油を攪拌しておいた。最後に、１５０℃で９０分間保持する焼戻し処理を施した。こうして、カップエンド（１）に真空浸炭窒化処理を施した。
評価試験
実施例１〜３および比較例の真空浸炭窒化処理を施した各カップエンド（１）の凹所（２）における底面の最深部Ｐ（図３参照）の硬さを、ＪＩＳ Ｇ０５７７で規定されている方法で測定し、実施例１および２については、上記最深部Ｐの最表面から０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの深さ部分の硬さの分布を求めた。実施例３については、上記最深部Ｐの最表面から０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの深さ部分の硬さの分布を求めた。また、比較例については、上記最深部Ｐの最表面から０．１ｍｍ〜１．２ｍｍの深さ部分の硬さの分布を求めた。実施例１の結果を図４に、実施例２の結果を図５に、実施例３の結果を図６に、比較例の結果を図７にそれぞれ示す。
図４から明らかなように、実施例１については、最深部Ｐの最表面から０．１ｍｍの深さ部分の硬さはＨｖ７４４であり、Ｈｖ５５０の硬さを有する有効硬化層深さは０．５５ｍｍである。
図５から明らかなように、実施例２については、最深部Ｐの最表面から０．１ｍｍの深さ部分の硬さはＨｖ７７０であり、Ｈｖ５５０の硬さを有する有効硬化層深さは０．４４ｍｍである。
図６から明らかなように、実施例３については、最深部Ｐの最表面から０．１ｍｍの深さ部分の硬さはＨｖ７４０であり、Ｈｖ５５０の硬さを有する有効硬化層深さは０．３１ｍｍである。
ここで、実施例１〜３における窒化時間と有効硬化層深さとの関係を図８に示す。図８から明らかなように、有効硬化層深さは窒化時間に比例することがわかる。
図７から明らかなように、比較例については、最深部Ｐの最表面から０．１ｍｍの深さ部分の硬さはＨｖ７３０であり、Ｈｖ５５０の硬さを有する有効硬化層深さは０．２２ｍｍである。また、Ｈｖ５５０の硬さを有する有効硬化層深さを０．５５ｍｍにするには、計算上、浸炭窒化処理時間を５６０分間にする必要がある。
また、実施例１〜３の真空浸炭窒化処理を施した各カップエンド（１）の凹所（２）における底面の最深部Ｐの表層部を観察したところ、残留オーステナイトやセメンタイトは見られず、良好な焼戻しマルテンサイト組織となっていた。これに対し、比較例の真空浸炭窒化処理を施した各カップエンド（１）の凹所（２）における底面の最深部Ｐの表層部を観察したところ、多量の残留オーステナイトおよびセメンタイトが存在していた。さらに、カップエンド（１）の表面に大量の煤が付着していた。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる真空浸炭窒化処理方法は、低級鋼や肌焼き鋼の浸炭窒化処理の実施に有用であり、特に低級鋼や肌焼き鋼からなる被処理品においても表面硬さ、有効硬化層深さ、靭性等の必要な熱処理品質を短時間で再現性よく得るのに適している。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明による真空浸炭窒化方法の処理パターンを示す線図である。図２は、この発明による方法で真空浸炭窒化処理が施された被処理品の表層部の炭素濃度および窒素濃度を示す概念図である。図３は、実施例１〜３および比較例に用いた被処理品を示す縦断面図である。図４は、実施例１により真空浸炭窒化処理が施された被処理品の表層部の硬さ分布を示すグラフである。図５は、実施例２により真空浸炭窒化処理が施された被処理品の表層部の硬さ分布を示すグラフである。図６は、実施例３により真空浸炭窒化処理が施された被処理品の表層部の硬さ分布を示すグラフである。図７は、比較例により真空浸炭窒化処理が施された被処理品の表層部の硬さ分布を示すグラフである。図８は、実施例１〜３における窒化時間と有効硬化層深さとの関係を示すグラフである。

Claims (3)

1. 減圧された真空熱処理炉内で被処理品を所定の浸炭温度まで加熱した後炉内に浸炭性ガスを供給して真空浸炭処理を施し、ついで浸炭温度を保持したまま浸炭性ガスの供給を停止して減圧状態で炭素を被処理品中に拡散させ、ついで炉内温度を下げた後減圧状態の炉内に窒化性ガスを供給して窒化処理を施すことを特徴とする真空浸炭窒化方法。
2. 浸炭性ガスとして、エチレンガスと水素ガスとの混合ガスを用いる請求項１の真空浸炭窒化方法。
3. 窒化処理時間に基づいて、窒化処理に続いて行う急冷後の被処理品の有効硬化層深さを制御する請求項１または２の真空浸炭窒化方法。

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