JP6287390B2 - Gas soft nitriding method of low alloy steel - Google Patents

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本発明は、低合金鋼のガス軟窒化処理方法に関する。   The present invention relates to a gas soft nitriding method for low alloy steel.

自動車や各種産業機械などに使用される鋼部品には、疲労強度、耐摩耗性、耐焼付き性などの機械的性質を向上させるために、浸炭焼き入れ、高周波焼き入れ、窒化、軟窒化などの表面硬化熱処理が施される。窒化処理や軟窒化処理は、加熱温度がA1点以下のフェライト域で熱処理し、相変態を利用しないため、熱処理ひずみを小さくすることができる。そのため、窒化処理及び軟窒化処理は高い寸法精度を有する部品や大型の部品に用いられることが多く、例えば自動車のトランスミッション部品に用いられる歯車や、エンジンに用いられるクランクに適用されている。特に軟窒化処理は、窒化処理と比較して、鋼中にCも侵入させるため、表層脱炭の抑制に有効であることが特徴である。 Steel parts used in automobiles and various industrial machines, such as carburizing quenching, induction quenching, nitriding, soft nitriding, etc. to improve mechanical properties such as fatigue strength, wear resistance, and seizure resistance A surface hardening heat treatment is applied. In the nitriding treatment and soft nitriding treatment, heat treatment is performed in a ferrite region having a heating temperature of A 1 or less and no phase transformation is used, so that heat treatment strain can be reduced. Therefore, nitriding treatment and soft nitriding treatment are often used for parts having high dimensional accuracy and large parts, and are applied to gears used for transmission parts of automobiles and cranks used for engines, for example. In particular, the soft nitriding treatment is effective in suppressing surface decarburization because C also penetrates into the steel as compared with the nitriding treatment.

軟窒化処理には、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理などがあるが、自動車用の部品等には、主に、生産性に優れるガス軟窒化処理が用いられる。ガス軟窒化処理によって、鋼材表面には、Fe2~3(N、C)やFe4(N、C)などの炭窒化物が含まれる、厚さ10μm以上の化合物層が生成する。化合物層は鋼材に較べて硬さが極めて高く、使用の初期には耐摩耗性や面疲労強度を向上させる。 The soft nitriding treatment includes gas soft nitriding treatment, salt bath soft nitriding treatment, and the like, and gas soft nitriding treatment having excellent productivity is mainly used for automobile parts and the like. By the gas soft nitriding treatment, a compound layer having a thickness of 10 μm or more containing carbonitrides such as Fe 2-3 (N, C) and Fe 4 (N, C) is formed on the steel surface. The compound layer is extremely harder than steel, and improves wear resistance and surface fatigue strength at the initial stage of use.

しかし、化合物層は変形能が低いため、使用中に剥離や割れが発生しやすく、衝撃的な応力や大きな曲げ応力が負荷される部品に用いることは難しい。また、ガス軟軟窒化処理は熱処理ひずみが小さいものの、シャフトやクランクなどの長尺部品では、矯正が必要になる場合がある。化合物層の厚みによっては、矯正時に割れが発生し、部品の疲労強度が低下することがある。   However, since the compound layer has a low deformability, peeling and cracking are likely to occur during use, and it is difficult to use the compound layer for a part to which an impact stress or a large bending stress is applied. Further, although the gas soft nitrocarburizing treatment has a small heat treatment strain, it may be necessary to correct long parts such as a shaft and a crank. Depending on the thickness of the compound layer, cracks may occur during correction, and the fatigue strength of the part may decrease.

したがって、ガス軟窒化処理では、化合物層の厚さを薄くする、更には化合物層を無くすことが求められている。ところで、化合物層は、軟窒化処理の処理温度と、NH3分圧及びH2分圧から下記(式1)で求められる窒化ポテンシャル(Kn)で制御できることが知られている。 Therefore, in the gas soft nitriding treatment, it is required to reduce the thickness of the compound layer and to eliminate the compound layer. By the way, it is known that the compound layer can be controlled by the nitriding potential (Kn) obtained by the following (Formula 1) from the treatment temperature of the soft nitriding treatment, the NH 3 partial pressure and the H 2 partial pressure.

Kn=(NH3分圧)/[(H2分圧)3/2] ・・・ (式1) Kn = (NH 3 partial pressure) / [(H 2 partial pressure) 3/2 ] (Formula 1)

窒化ポテンシャルKnを低くすれば、化合物層を薄くし、更には無くすことも可能である。しかし、単にKnを低くすると、鋼中に窒素が侵入し難くなり、窒素拡散層と呼ばれる硬化層の硬さが低く、深さが浅くなって、疲労強度、耐摩耗性、耐焼付き性などが向上しない。また、ガス軟窒化処理後に機械研磨やショットブラストによって化合物層を除去する方法もあるが、コストが高くなる。   If the nitriding potential Kn is lowered, the compound layer can be made thinner and further eliminated. However, simply lowering Kn makes it difficult for nitrogen to penetrate into the steel, and the hardness of the hardened layer called nitrogen diffusion layer is low and the depth is shallow, resulting in fatigue strength, wear resistance, seizure resistance, etc. Does not improve. Further, there is a method of removing the compound layer by mechanical polishing or shot blasting after the gas soft nitriding treatment, but the cost becomes high.

このような問題に対して、ガス軟窒化処理の雰囲気を、上記の窒化ポテンシャルとは異なる窒化パラメータKn´=(NH3分圧)/[(H2分圧)1/2]によって制御し、硬化層深さを均一にする方法が提案されている(例えば、特許文献1、参照)。また、浸窒処理において、窒化処理物を処理炉内に配置する際に、表面が非窒化性材料から構成された治具を使用する方法が提案されている(例えば、特許文献2、参照)。 For such a problem, the atmosphere of the gas soft nitriding treatment is controlled by a nitriding parameter Kn ′ = (NH 3 partial pressure) / [(H 2 partial pressure) 1/2 ] different from the above nitriding potential, A method of making the hardened layer depth uniform has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Further, in nitriding treatment, a method of using a jig whose surface is made of a non-nitriding material when placing a nitriding product in a processing furnace has been proposed (see, for example, Patent Document 2). .

特許文献1によって提案された窒化パラメータを用いると、短時間で、最表面に生成する化合物層を抑制することが可能である。しかし、要求特性によっては、硬化層深さを十分に担保できない可能性がある。また、特許文献2で提案されているように、非窒化性の治具を用意し、フッ化処理を行う場合は、治具の選択及び作業工数の増加という新たな問題が生じる。   When the nitriding parameter proposed by Patent Document 1 is used, the compound layer generated on the outermost surface can be suppressed in a short time. However, the hardened layer depth may not be sufficiently secured depending on the required characteristics. Further, as proposed in Patent Document 2, when a non-nitriding jig is prepared and fluorination treatment is performed, new problems such as selection of the jig and an increase in work man-hours arise.

特開2006−28588号公報JP 2006-28588 A 特開2007−31759号公報JP 2007-31759 A

本発明は、一定の硬化層深さを確保し、低靭性である化合物層の生成を抑制し得る、低合金鋼のガス軟窒化方法の提供を課題とするものである。具体的には、NH3、H2分及びN2を含むガス雰囲気で行うガス軟窒化処理後の鋼材表面の化合物層の平均厚さを5μm以下とし、しかも、硬化層深さを確保することができる低合金鋼のガス軟窒化処理方法を提供するものである。 An object of the present invention is to provide a gas soft nitriding method for low alloy steel that can secure a certain hardened layer depth and suppress the formation of a compound layer having low toughness. Specifically, the average thickness of the compound layer on the steel surface after gas soft nitriding performed in a gas atmosphere containing NH 3 , H 2 and N 2 should be 5 μm or less, and the hardened layer depth should be secured. The present invention provides a method for gas soft nitriding of low alloy steel that can be used.

本発明者らは、ガス軟窒化処理によって低合金鋼の表面に形成される化合物層を薄くし、深い硬化層を得るために、検討を行った。ガス軟窒化処理の雰囲気には浸炭性のガスも含まれるが、化合物層の形成には窒化ポテンシャルが大きく影響することがわかった。そこで、ガス軟窒化処理の前半には窒化ポテンシャル(以下、Kn値ともいう。)を高くして化合物層を生成させ、後半にKn値を下げて化合物層を分解させ、窒素を鋼中に浸透拡散させる方法を指向し、検討を重ねた。更に、Kn値を高くした場合、低合金鋼の表面近傍に、窒素がガス化して空隙が生成した層(以下、ポーラス層ともいう。)が形成されないように、併せて検討を行った。その結果、下記(a)〜(c)の知見を得た。   The present inventors have studied in order to obtain a deep hardened layer by thinning the compound layer formed on the surface of the low alloy steel by gas soft nitriding. Although the gas soft nitriding atmosphere contains carburizing gas, it was found that the nitriding potential has a great influence on the formation of the compound layer. Therefore, in the first half of the gas soft nitriding treatment, a nitriding potential (hereinafter also referred to as “Kn value”) is increased to form a compound layer, and in the latter half, the Kn value is lowered to decompose the compound layer, and nitrogen penetrates into the steel. The method of spreading was directed and studied repeatedly. Furthermore, when the Kn value was increased, studies were also conducted so that a layer (hereinafter also referred to as a porous layer) in which voids were generated by gasification of nitrogen was not formed in the vicinity of the surface of the low alloy steel. As a result, the following findings (a) to (c) were obtained.

(a)ガス軟窒化処理におけるKn値について
一般に、Kn値は、ガス軟窒化処理を行う炉内の雰囲気(軟窒化処理雰囲気、又は、単に雰囲気ということがある。)のNH3分圧、H2分圧を用いて、下記(式1)で定義される。
Kn=(NH3分圧)/[(H2分圧)3/2] ・・・ (式1)
Kn値は、ガス流量によって制御することができるが、ガス軟窒化処理雰囲気のKn値が平衡状態に達するまでには、流量を設定してから一定の時間が必要であり、その間にもKn値は時々刻々と変化している。また、ガス軟窒化処理の途中で、Kn値を変更する場合、平衡状態に達するまでの間にKn値は変動している。本発明者らは、Kn値の変動が、化合物層や硬化層深さに影響を及ぼすため、Kn値の平均値だけでなく、ばらつきの範囲も重要であり、ガス軟窒化処理中のNH3分圧、H2分圧を測定し、Kn値を算出して、精度良く制御する必要があることを見出した。
(A) Kn value in gas soft nitriding treatment Generally, the Kn value is the NH 3 partial pressure of the atmosphere in the furnace in which the gas soft nitriding treatment is carried out (soft nitriding treatment atmosphere or simply the atmosphere), H Using 2 partial pressures, it is defined by (Equation 1) below.
Kn = (NH 3 partial pressure) / [(H 2 partial pressure) 3/2 ] (Formula 1)
The Kn value can be controlled by the gas flow rate, but it takes a certain amount of time after the flow rate is set until the Kn value of the gas soft nitriding atmosphere reaches the equilibrium state. Is changing from moment to moment. Further, when the Kn value is changed during the gas soft nitriding treatment, the Kn value fluctuates until the equilibrium state is reached. Since the fluctuation of the Kn value affects the compound layer and the depth of the hardened layer, the present inventors consider not only the average value of the Kn value but also the range of variation, and the NH 3 during gas soft nitriding treatment is important. It was found that it is necessary to measure the partial pressure and H 2 partial pressure, calculate the Kn value, and control with high accuracy.

(b)化合物層の生成の抑制と硬化層深さの確保との両立について
硬化層を形成するためには、化合物層を窒素の供給源に利用した方が、効率的である。即ち、化合物層の生成を抑制し、硬化層深さを確保するためには、ガス軟窒化処理の前半に化合物層を形成し、後半に化合物層を分解させ、ガス軟窒化処理の終了時に、化合物層がほぼ無くなるように、Kn値を制御すると良い。
(B) About coexistence of suppression of formation of compound layer and ensuring of cured layer depth In order to form a cured layer, it is more efficient to use the compound layer as a nitrogen supply source. That is, in order to suppress the formation of the compound layer and ensure the depth of the hardened layer, the compound layer is formed in the first half of the gas soft nitriding treatment, the compound layer is decomposed in the second half, and at the end of the gas soft nitriding treatment, It is preferable to control the Kn value so that the compound layer is almost eliminated.

(c)ポーラス層の生成の抑制について
ガス軟窒化処理の前半に化合物層を生成させる場合、ポーラス層が生じると、炭窒化物が分解して炭窒素拡散層(硬化層)が形成された後も、空隙がそのまま残存し、疲労強度や曲げ矯正性(曲げ矯正による硬化層の割れの有無)が低下する。そのため、ガス軟窒化処理の前半に化合物層を生成させる場合には、ポーラス層が極力生成しないように、Kn値の上限を制限することが必要である。
(C) Suppression of porous layer formation When the compound layer is generated in the first half of the gas soft nitriding treatment, when the porous layer is formed, the carbonitride is decomposed and the carbon-nitrogen diffusion layer (cured layer) is formed. However, the voids remain as they are, and the fatigue strength and the bending straightness (the presence or absence of cracks in the hardened layer by bending straightening) are reduced. Therefore, when the compound layer is generated in the first half of the gas soft nitriding treatment, it is necessary to limit the upper limit of the Kn value so that the porous layer is not generated as much as possible.

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。   This invention is made | formed based on such knowledge, The summary is as follows.

(1)低合金鋼を550〜620℃に加熱し、全体の処理時間Aを1.5〜10時間とするガス軟窒化処理を行うに際し、
下記(式1)によって求められる窒化ポテンシャルKnXが0.10〜1.00の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルKnXの平均値KnXaveが0.20〜0.55であり、処理時間をX時間とする高Kn値処理の後、
下記(式1)によって求められる窒化ポテンシャルKnYが0.01〜0.20の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルKnYの平均値KnYaveが0.02〜0.15であり、処理時間をY時間とする低Kn値処理を行い、
前記高Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値KnXaveと、
前記低Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値KnYaveと、
前記処理時間Aと、
前記高Kn値処理の処理時間Xと、
前記低Kn値処理の処理時間Yと
から、下記(式2)によって求められる軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Knaveが0.05〜0.20であることを特徴とする低合金鋼のガス軟窒化処理方法。
Kn=(NH3分圧)/[(H2分圧)3/2] ・・・ (式1)
Knave=(X×KnXave+Y×KnYave /A ・・・ (式2)
(1) When performing a gas soft nitriding treatment in which the low alloy steel is heated to 550 to 620 ° C. and the entire treatment time A is 1.5 to 10 hours,
The nitriding potential Kn X obtained by the following (Equation 1) is in the range of 0.10 to 1.00, the average value Kn Xave of the nitriding potential Kn X is 0.20 to 0.55, and the processing time is After high Kn value processing with X time,
The nitriding potential Kn Y obtained by the following (Equation 1) is in the range of 0.01 to 0.20, the average value Kn Yave of the nitriding potential Kn Y is 0.02 to 0.15, and the processing time is Perform low Kn value processing for Y time,
The average value Kn Xave of the nitriding potential of the high Kn value treatment,
The average value Kn Yave of the nitriding potential of the low Kn value treatment,
The processing time A;
A processing time X of the high Kn value processing;
Wherein the processing time Y low Kn value processing, the following average value Kn ave nitriding potential soft-nitriding obtained by (Equation 2) is a low alloy steel, which is a 0.05 to 0.20 Gas soft nitriding method.
Kn = (NH 3 partial pressure) / [(H 2 partial pressure) 3/2 ] (Formula 1)
Kn ave = (X × Kn Xave + Y × Kn Yave) / A ··· ( Equation 2)

本発明のガス軟窒化処理方法によれば、低合金鋼の表面に形成される化合物層を薄くし、且つポーラス層の生成を抑制し、深い硬化層を得ることが可能になる。そして、本発明によれば、低合金鋼製部品の疲労強度、耐摩耗性、耐焼付き性などの機械的性質を向上させたり、曲げ矯正性を向上させることができるなど、産業上の貢献が極めて顕著である。   According to the gas soft nitriding method of the present invention, it is possible to thin the compound layer formed on the surface of the low alloy steel, suppress the formation of the porous layer, and obtain a deep hardened layer. And according to the present invention, industrial contributions such as improvement of mechanical properties such as fatigue strength, wear resistance, and seizure resistance of low alloy steel parts, and improvement of bend straightening can be achieved. Extremely prominent.

高Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値に対する、表面硬さと化合物層厚さとの関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between surface hardness and a compound layer thickness with respect to the average value of the nitriding potential of a high Kn value process. 低Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値に対する、表面硬さと化合物層厚さとの関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between surface hardness and a compound layer thickness with respect to the average value of the nitriding potential of a low Kn value process. 平均の窒化ポテンシャルに対する、表面硬さと化合物層厚さとの関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between surface hardness and a compound layer thickness with respect to an average nitriding potential.

本発明者らは、JIS G 4053の機械構造用合金鋼鋼材であるSCr420を用いて、NH3、H2、N2、CO2、CO及びH2Oからなる雰囲気でガス軟窒化処理を行った。ガス軟窒化処理は、所定の温度に加熱した雰囲気の制御が可能な熱処理炉内に、NH3、N2、H2及びCO2のガスを流入させて行い、軟窒化処理雰囲気のNH3及びH2の分圧を測定しながらガスの流量を調整し、窒化ポテンシャルKn値を制御した。なお、雰囲気に含まれるCO、H2OはCO2とH2の化学反応により生じる。Kn値は、NH3分圧及びH2分圧によって下記(式1)から求めた。
Kn=(NH3分圧)/[(H2分圧)3/2] ・・・ (式1)
The present inventors performed gas soft nitriding treatment in an atmosphere composed of NH 3 , H 2 , N 2 , CO 2 , CO, and H 2 O using SCr420, which is an alloy steel material for mechanical structure of JIS G 4053. It was. Gas nitrocarburizing treatment is to control heat treatable furnace atmosphere was heated to a predetermined temperature, NH 3, N 2, performed by introducing the gases H 2 and CO 2, NH 3 and nitrocarburizing treatment atmosphere While measuring the partial pressure of H 2, the gas flow rate was adjusted to control the nitriding potential Kn value. Note that CO and H 2 O contained in the atmosphere are generated by a chemical reaction between CO 2 and H 2 . Kn values were determined from the following equation (1) by NH 3 partial pressure and the H 2 partial pressure.
Kn = (NH 3 partial pressure) / [(H 2 partial pressure) 3/2 ] (Formula 1)

2分圧は、軟窒化炉体に直接装着した熱伝導式H2センサを用い、標準ガスと測定ガスとの熱伝導度の違いをガス濃度に換算して測定した。H2分圧は、ガス軟窒化処理の間、継続して測定した。また、NH3分圧は、炉外に手動ガラス管式NH3分析計を取り付けて測定し、15分毎に残留NH3の分圧を算出して求めた。NH3分圧を測定する15分毎に窒化ポテンシャルKn値を算出し、目標値に収束するように、NH3流量及びN2流量を調整した。またCO2添加量は、総ガス投入量に対するCO2添加割合[%]を表示単位とし、ガス軟窒化処理中のCO2添加量が一定となるように、CO2のガスの流入を調整した。 The H 2 partial pressure was measured by converting the difference in thermal conductivity between the standard gas and the measurement gas into a gas concentration using a heat conduction type H 2 sensor directly attached to the nitrocarburizing furnace body. The H 2 partial pressure was continuously measured during the gas soft nitriding process. The NH 3 partial pressure was measured by attaching a manual glass tube NH 3 analyzer outside the furnace and calculating the partial pressure of residual NH 3 every 15 minutes. The nitriding potential Kn value was calculated every 15 minutes when the NH 3 partial pressure was measured, and the NH 3 flow rate and the N 2 flow rate were adjusted so as to converge to the target value. The CO 2 addition amount, and the display unit the CO 2 addition rate [%] with respect to the total gas input amount, so that CO 2 loading in the gas nitrocarburizing treatment is constant, to adjust the flow of the gas CO 2 .

ガス軟窒化処理後、試料の断面を研磨し、エッチングして光学顕微鏡で観察した。エッチングは、3%ナイタール溶液で20〜30秒間行った。化合物層は、低合金鋼の表層に存在し、白い未腐食の層として観察される。光学顕微鏡により500倍で撮影した組織写真5視野(視野面積:2.2×104μm2)から、それぞれ30μm毎に4点の化合物層の厚さを測定し、20点の平均値を取ったものを化合物厚さと定義した。化合物層厚さが5μm以下の時、剥離や割れが大きく抑制されるため、本発明においては、化合物層厚さを5μm以下にすることを目標にした。 After the gas soft nitriding treatment, the cross section of the sample was polished, etched and observed with an optical microscope. Etching was performed with a 3% nital solution for 20-30 seconds. The compound layer exists in the surface layer of the low alloy steel and is observed as a white uncorroded layer. Measure the thickness of 4 compound layers every 30 μm from 5 visual fields (field area: 2.2 × 10 4 μm 2 ) taken at 500 times with an optical microscope, and take the average of 20 points. Was defined as the compound thickness. Since peeling and cracking are greatly suppressed when the compound layer thickness is 5 μm or less, in the present invention, the compound layer thickness is set to 5 μm or less.

更に、光学顕微鏡観察によって、空隙の評価を行った。倍率1000倍にて5視野測定(視野面積:5.6×103μm2)して、各視野について最表面から5μm深さの範囲の面積25μm2中に占める空隙の割合を算出した。空隙が10%以上の場合、表面粗さが粗くなり、また化合物層が脆化し、疲労強度の低下に影響を及ぼすため、本発明においては、空隙が10%未満であることを目標とした。 Furthermore, the voids were evaluated by observation with an optical microscope. Five visual fields were measured at a magnification of 1000 (visual field area: 5.6 × 10 3 μm 2 ), and the ratio of voids in an area of 25 μm 2 in the range of 5 μm depth from the outermost surface was calculated for each visual field. When the voids are 10% or more, the surface roughness becomes rough, the compound layer becomes brittle, and the fatigue strength is lowered. Therefore, the object of the present invention is to make the voids less than 10%.

次に、試料の表面から深さ方向のビッカース硬さをJIS Z 2244に準拠し、試験力1.96Nで測定した。また、表面から50μm位置におけるビッカース硬さの3点の平均値を表面硬さと定義した。5μm超の化合物層が残存する一般的なガス軟窒化処理の場合、表面硬さは、S45Cで270〜310HV、SCr420で550〜590HVである。そのため、本発明における表面硬さは、S45Cで290HV以上、SCr420で570以上を目標とした。更に、ビッカース硬さがS45Cについては250HV、SCr420については300HVを満たす表面からの深さを有効硬化層深さと定義した。   Next, the Vickers hardness in the depth direction from the surface of the sample was measured with a test force of 1.96 N in accordance with JIS Z 2244. Moreover, the average value of 3 points | pieces of the Vickers hardness in a 50 micrometer position from the surface was defined as surface hardness. In the case of a general gas soft nitriding process in which a compound layer exceeding 5 μm remains, the surface hardness is 270 to 310 HV for S45C and 550 to 590 HV for SCr420. Therefore, the surface hardness in the present invention was targeted to be 290 HV or higher for S45C and 570 or higher for SCr420. Further, the effective hardened layer depth is defined as the depth from the surface where the Vickers hardness satisfies 250 HV for S45C and 300 HV for SCr420.

処理温度570〜590℃において、化合物層が10μm以上生成される一般的なガス軟窒化処理の場合、有効硬化層深さは、式(A)で求められる値±20μmになる。
有効硬化層深さ(μm)=130×{処理時間(時間)}1/2 ・・・ 式(A)
そこで本発明における有効硬化層深さは、式(B)を目標とした。
有効硬化層深さ(μm)≧130×{処理時間(時間)}1/2 ・・・ 式(B)
In the case of a general gas soft nitriding treatment in which a compound layer is generated at 10 μm or more at a treatment temperature of 570 to 590 ° C., the effective hardened layer depth is a value ± 20 μm determined by the formula (A).
Effective hardened layer depth (μm) = 130 × {treatment time (hour)} 1/2 Formula (A)
Therefore, the effective hardened layer depth in the present invention is targeted for the formula (B).
Effective hardened layer depth (μm) ≧ 130 × {treatment time (hour)} 1/2 Formula (B)

ガス軟窒化処理では、前半の窒化ポテンシャルKn値を高くし、化合物層を生成させた後、後半の窒化ポテンシャルKn値を下げて化合物層を分解させ、鋼中に窒素及び炭素を浸透拡散させた。窒化ポテンシャルKn値が相対的に高いガス軟窒化処理を高Kn値処理、窒化ポテンシャルKn値が相対的に低いガス軟窒化処理を低Kn値処理という。   In the gas soft nitriding treatment, the nitriding potential Kn value in the first half was increased to form a compound layer, and then the nitriding potential Kn value in the second half was lowered to decompose the compound layer, and nitrogen and carbon were permeated and diffused into the steel. . Gas soft nitriding with a relatively high nitriding potential Kn value is referred to as high Kn value processing, and gas soft nitriding with a relatively low nitriding potential Kn value is referred to as low Kn value processing.

Kn値を低下させるためにガス流量を調整すると、炉内のNH3及びH2の分圧が安定化するまでに、ある程度の時間を要する。Kn値を変更するためのガス流量の調整は1回でもよいし、必要に応じて2回以上でもよい。高Kn値処理の後、低Kn値処理の前に、一旦、Kn値を低下させた後、上昇させることもできる。高Kn値処理と低Kn値処理との境界は、Knが一番最後に0.15を下回った点とした。 When the gas flow rate is adjusted to reduce the Kn value, a certain amount of time is required until the partial pressure of NH 3 and H 2 in the furnace is stabilized. Adjustment of the gas flow rate for changing the Kn value may be performed once, or may be performed twice or more as necessary. After the high Kn value processing and before the low Kn value processing, the Kn value can be once lowered and then increased. The boundary between the high Kn value process and the low Kn value process was the point where Kn last fell below 0.15.

高Kn値処理の処理時間X(以下、処理時間Xと示す場合がある。)と低Kn値処理の処理時間Y(以下、処理時間Yと示す場合がある。)との合計は、好ましくは、ガス軟窒化処理の全体の処理時間Aである。そして、高Kn値処理の窒化ポテンシャルをKnX、その平均値をKnXave、低Kn値処理の窒化ポテンシャルをKnY、平均値をKnYaveと称する。 The total of the processing time X of high Kn value processing (hereinafter may be referred to as processing time X) and the processing time Y of low Kn value processing (hereinafter may be referred to as processing time Y) is preferably The overall processing time A of the gas soft nitriding process. The nitriding potential for high Kn value processing is referred to as Kn X , the average value thereof is referred to as Kn Xave , the nitriding potential for low Kn value processing is referred to as Kn Y , and the average value is referred to as Kn Yave .

まず、本発明者らは、SCr420を供試材として、窒化ポテンシャルの平均値KnXave及びKnYaveについて検討を行った。ガス軟窒化処理は、雰囲気の温度を590℃、CO2添加量を5%、処理時間Xを1.0時間、処理時間Yを2.0時間、KnYaveを0.03とし、KnXaveを0.10〜0.70まで変化させて行った。全体の処理時間Aは3.0時間である。KnXaveを0.15以上にすることにより、有効硬化層深さが目標とする225μm以上になることがわかった。 First, the present inventors examined the average values Kn Xave and Kn Yave of nitriding potential using SCr420 as a test material. In the gas soft nitriding treatment, the temperature of the atmosphere is 590 ° C., the CO 2 addition amount is 5%, the treatment time X is 1.0 hour, the treatment time Y is 2.0 hours, Kn Yave is 0.03, and Kn Xave is The change was made from 0.10 to 0.70. The total processing time A is 3.0 hours. It was found that by setting Kn Xave to 0.15 or more, the effective hardened layer depth becomes a target of 225 μm or more.

図1は、KnXaveと表面硬さ及び化合物層厚さの関係である。KnXaveが0.20未満では、表面硬さが目標とする570HVに達しない。また、KnXaveが0.55を超えると、化合物層厚さが5μmより大きくなる。したがって、高Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値KnXaveが0.20〜0.55の範囲とする必要がある。更に、KnXaveの下限は0.25以上、上限は0.50以下が好ましい。 FIG. 1 shows the relationship between Kn Xave , surface hardness, and compound layer thickness. When Kn Xave is less than 0.20, the surface hardness does not reach the target of 570 HV. When Kn Xave exceeds 0.55, the compound layer thickness becomes larger than 5 μm. Therefore, the average value Kn Xave of the nitriding potential in the high Kn value processing needs to be in the range of 0.20 to 0.55. Furthermore, the lower limit of Kn Xave is preferably 0.25 or more and the upper limit is preferably 0.50 or less.

次に、軟窒化処理雰囲気の温度を590℃、CO2添加量を5%、処理時間Xを1.0時間、処理時間Yを2.0時間、KnXaveを0.30とし、KnYaveを0.01〜0.20まで変化させて、ガス軟窒化処理を行った。全体の処理時間Aは3.0時間である。KnYaveを0.02以上にすることにより、有効硬化層深さが目標とする225μm以上になることがわかった。 Next, the temperature of the soft nitriding atmosphere is 590 ° C., the CO 2 addition amount is 5%, the processing time X is 1.0 hour, the processing time Y is 2.0 hours, Kn Xave is 0.30, and Kn Yave is Gas soft nitriding was performed by changing the pressure from 0.01 to 0.20. The total processing time A is 3.0 hours. It was found that by setting Kn Yave to 0.02 or more, the effective hardened layer depth becomes 225 μm or more as a target.

図2は、KnYaveと表面硬さ及び化合物層厚さの関係である。KnYaveが0.02未満では、表面硬さが570HVに達していない。一方、KnYaveが0.15を超えると、化合物層厚さが5μmより大きくなる。したがって、低Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値KnYaveが0.02〜0.15の範囲とする必要がある。更に、KnYaveの下限は0.02以上、上限は0.13以下が好ましい。 FIG. 2 shows the relationship between Kn Yave , surface hardness, and compound layer thickness. When Kn Yave is less than 0.02, the surface hardness does not reach 570 HV. On the other hand, when Kn Yave exceeds 0.15, the compound layer thickness becomes larger than 5 μm. Therefore, the average value Kn Yave of the nitriding potential in the low Kn value processing needs to be in the range of 0.02 to 0.15. Furthermore, the lower limit of Kn Yave is preferably 0.02 or more, and the upper limit is preferably 0.13 or less.

次に、本発明者らは、窒化ポテンシャルKnX及びKnYの範囲について検討を行った。ガス軟窒化処理は、雰囲気の温度を590℃、CO2添加量を5%、処理時間Xを1.0時間、処理時間Yを2.0時間、KnXaveを0.30、KnYaveを0.03とし、表1に示すように、KnX、KnYの最小値KnXmin、KnYmin、最大値KnXmax、KnYmaxを変化させて行った。全体の処理時間Aは3.0時間である。化合物層厚さ、空隙、有効硬化層深さ及び表面硬さを表1に示す。 Next, the present inventors examined the range of the nitriding potentials Kn X and Kn Y. In the gas soft nitriding treatment, the atmosphere temperature is 590 ° C., the CO 2 addition amount is 5%, the treatment time X is 1.0 hour, the treatment time Y is 2.0 hours, Kn Xave is 0.30, and Kn Yave is 0. As shown in Table 1, the minimum values Kn Xmin and Kn Ymin and the maximum values Kn Xmax and Kn Ymax of Kn X and Kn Y were changed as shown in Table 1. The total processing time A is 3.0 hours. Table 1 shows the compound layer thickness, voids, effective hardened layer depth and surface hardness.

Figure 0006287390
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表1に示したように、KnXminが0.09未満であると、X時間中に化合物層が十分に生成されず、処理後の有効硬化層深さが目標とする225μmに届かない。また、KnXminが0.10未満であると、表面硬さが570HVに届かない。一方、KnXmaxが1.10を超えると化合物層厚さが5μmより大きくなり、KnXmaxが1.00を超えると空隙が10%以上になった。したがって、高Kn値処理の窒化ポテンシャルKnXの範囲は0.10〜1.00の範囲とする必要がある。更に、KnXの下限は0.20以上、上限は0.80以下が好ましい。 As shown in Table 1, when Kn Xmin is less than 0.09, the compound layer is not sufficiently formed during X hours, and the effective cured layer depth after the treatment does not reach the target of 225 μm. If Kn Xmin is less than 0.10, the surface hardness does not reach 570 HV. On the other hand, when Kn Xmax exceeded 1.10, the compound layer thickness was larger than 5 μm, and when Kn Xmax exceeded 1.00, the voids became 10% or more. Accordingly, the range of the nitriding potential Kn X for the high Kn value processing needs to be in the range of 0.10 to 1.00. Furthermore, the lower limit of Kn X is preferably 0.20 or more and the upper limit is preferably 0.80 or less.

また、表1に示したように、KnYminが0.01未満であると、低Kn値処理によって化合物層が消失するだけでなく、表層から脱窒及び脱炭が生じてしまい、表面硬さが570HVに届かない。一方、KnYmaxが0.20を超えると、十分に化合物層の分解が起こらず、化合物層の厚さが5μmを超えてしまう。したがって、低Kn値処理の窒化ポテンシャルKnYの範囲は0.01〜0.20の範囲とすること必要がある。更に、KnYの下限は0.02以上、上限は0.18以下が好ましい。 Moreover, as shown in Table 1, when Kn Ymin is less than 0.01, not only the compound layer disappears by the low Kn value treatment, but also denitrification and decarburization occur from the surface layer, and the surface hardness. Does not reach 570HV. On the other hand, if Kn Ymax exceeds 0.20, the compound layer does not sufficiently decompose, and the thickness of the compound layer exceeds 5 μm. Therefore, the range of the nitriding potential Kn Y for the low Kn value processing needs to be in the range of 0.01 to 0.20. Further, the lower limit of Kn Y is preferably 0.02 or more and the upper limit is preferably 0.18 or less.

次に、本発明者らは、ガス軟窒化処理工程の窒化ポテンシャルKnaveについて検討を行った。軟窒化処理雰囲気の温度を590℃とし、処理時間X、処理時間Y、窒化ポテンシャルの範囲及び平均値(KnX、KnY、KnXave、KnYave)を変化させてガス軟窒化処理を行った。そして、下記(式2)によって窒化ポテンシャルの平均値Knaveを求めて、化合物層厚さ、有効硬化層深さ及び表面硬さとの関係について調査した。
Knave=(X×KnXave+Y×KnYave /A ・・・ (式2)
Knaveが0.04以上になると、有効硬化層深さが、下式(A)によって算出される目標に到達することがわかった。
有効硬化層深さ(μm)=130×{処理時間(時間)}1/2 ・・・ 式(A)
Next, we examined the nitride potential Kn ave gas nitrocarburizing process. Gas soft nitriding treatment was performed by changing the temperature of the nitrocarburizing atmosphere to 590 ° C. and changing the treatment time X, the treatment time Y, the range of the nitriding potential and the average value (Kn X , Kn Y, Kn Xave , Kn Yave ). . Then, the average value Kn ave nitride potential by the following (Equation 2), the compound layer thickness was investigated the relationship between the effective case depth and surface hardness.
Kn ave = (X × Kn Xave + Y × Kn Yave) / A ··· ( Equation 2)
If Kn ave is 0.04 or more, effective case depth was found to reach the target, which is calculated by the following formula (A).
Effective hardened layer depth (μm) = 130 × {treatment time (hour)} 1/2 Formula (A)

また、図3は、Knaveと表面硬さ及び化合物層厚さの関係である。Knaveが0.05未満であると、表面硬さが570HVに達しない。一方、Knaveが0.20を超えると、化合物層が5μmより大きくなる。したがって、Knaveは0.05〜0.20の範囲とする必要がある。更に、Knaveの下限は0.06以上、上限は0.18以下が好ましい。 FIG. 3 shows the relationship between Knave , surface hardness, and compound layer thickness. If Kn ave is less than 0.05, the surface hardness does not reach 570HV. On the other hand, if Kn ave exceeds 0.20, compound layer is greater than 5 [mu] m. Therefore, Kn ave should be in the range of 0.05 to 0.20. Further, the lower limit of Kn ave is 0.06 or more, and the upper limit is preferably 0.18 or less.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のガス軟窒化処理方法の対象となる金属材料は低合金鋼である。本発明における低合金鋼とは、Feが93%以上、好ましくは95%以上を占める鋼と定義する。例えば、JIS G 4051に規定される機械構造用炭素鋼鋼材、JIS G 4052に規定される焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材、JIS G 4053に規定される機械構造用合金鋼鋼材などに好適に適用することができる。合金元素の含有量は、これらの規格の規定から逸脱してもよく、更に、ガス軟窒化処理による表層部の硬さの向上に有効なTi、V、Al、Nbなどや、これら以外の元素も、適宜、含有させることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The metal material which is the object of the gas soft nitriding method of the present invention is low alloy steel. The low alloy steel in the present invention is defined as steel in which Fe accounts for 93% or more, preferably 95% or more. For example, it is suitable for carbon steel materials for machine structures specified in JIS G 4051, structural steel materials guaranteed hardenability specified in JIS G 4052, alloy steel materials for machine structures specified in JIS G 4053, etc. Can be applied. The content of the alloy element may deviate from the provisions of these standards, and further, Ti, V, Al, Nb, etc. effective for improving the hardness of the surface layer portion by gas soft nitriding, and other elements Can also be contained as appropriate.

(イ)ガス軟窒化処理温度
ガス軟窒化処理の温度(軟窒化処理温度)は、主に、窒素の拡散速度と相関があり、硬化層深さに影響を及ぼす。処理温度が低すぎると、窒素の拡散速度が遅く、硬化層深さを深くすることが困難になる。また、AC1点を超える温度でガス軟窒化処理を行うと、フェライト相(α相)よりも窒素の拡散速度が小さいオーステナイト相(γ相)が生成され、硬化層深さを深くすることが困難になる。本発明では、ガス軟窒化処理の処理温度を550〜620℃とする。
(A) Gas soft nitriding temperature The temperature of soft nitriding (soft nitriding temperature) is mainly correlated with the diffusion rate of nitrogen and affects the depth of the hardened layer. If the treatment temperature is too low, the diffusion rate of nitrogen is slow and it becomes difficult to increase the depth of the hardened layer. Further, when the gas nitrocarburizing treatment at a temperature exceeding C1 point A, that the ferrite phase (alpha phase) the diffusion rate of nitrogen than smaller austenite phase (gamma-phase) is generated, to deepen the hardening depth It becomes difficult. In the present invention, the gas soft nitriding treatment temperature is set to 550 to 620 ° C.

(ロ)軟窒化処理全体の処理時間A
NH3、H2、N2、CO2、COおよびH2Oを含むガス雰囲気で行うガス軟窒化処理の開始から終了までの時間(軟窒化処理時間)は、化合物層の形成及び分解と窒素の浸透と相間があり、硬化層深さに影響を及ぼす。処理時間が短すぎると硬化層深さを深くすることができず、長すぎると脱窒及び脱炭により表面硬さが低下する恐れがある。また、処理時間の拡大は製造コストの増大を招く。そのため、処理時間(全体の処理時間A)は1.5〜10時間とする。なお、ガス軟窒化処理を行う雰囲気は、不可避的に酸素などの不純物を含むことがあり、NH3、H2、N2、CO2、COおよびH2Oの合計を99.5%以上(体積%)にすることが好ましい。
(B) Processing time A for the entire soft nitriding process
The time from the start to the end of the gas soft nitriding treatment performed in a gas atmosphere containing NH 3 , H 2 , N 2 , CO 2 , CO and H 2 O (soft nitriding treatment time) is the formation and decomposition of the compound layer and nitrogen. This affects the depth of the hardened layer. If the treatment time is too short, the depth of the hardened layer cannot be increased. If it is too long, the surface hardness may decrease due to denitrification and decarburization. In addition, an increase in processing time causes an increase in manufacturing cost. Therefore, the processing time (overall processing time A) is 1.5 to 10 hours. Note that the atmosphere for performing the gas soft nitriding treatment may inevitably contain impurities such as oxygen, and the total amount of NH 3 , H 2 , N 2 , CO 2 , CO, and H 2 O is 99.5% or more ( % By volume) is preferable.

(ハ)炭素の供給方法
炭素の供給源については、一酸化炭素、二酸化炭素或いは炭化水素などが利用される。本発明においては特に制限しないが、CO2によって添加することが好ましい。さらにCO2によって添加する場合の添加量については特に制限しないが、CO2添加量が多すぎると、鋼表面に炭化物が形成され、鋼中への窒素の侵入が妨げられる。そのため、CO2添加量は8%以下とすることが好ましい。より好ましくは5%以下である。
(C) Carbon supply method For the carbon supply source, carbon monoxide, carbon dioxide or hydrocarbons are used. Although not particularly limited in the present invention, it is preferred to add by CO 2. Further, the addition amount in the case of adding by CO 2 is not particularly limited, but if the CO 2 addition amount is too large, carbides are formed on the steel surface and nitrogen penetration into the steel is hindered. Therefore, the CO 2 addition amount is preferably 8% or less. More preferably, it is 5% or less.

(ニ)高Kn値処理
高Kn値処理は、低合金鋼の表面に炭窒化物を含む化合物層を形成する工程であり、窒化ポテンシャルKnXの範囲を0.10〜1.00、平均値KnXaveを0.20〜0.55とする。更に、KnXの下限は0.20以上、上限は0.80以下、KnXaveの下限は0.25以上、上限は0.50以下が好ましい。処理時間Xは、0.50時間以上とすることが好ましい。窒化ポテンシャルの最小値KnXminが0.10未満であったり、平均値KnXaveが0.20未満であると、化合物層の形成が不十分で、硬化層深さが得られず、表面硬さが低下する。一方、窒化ポテンシャルの最大値KnXmaxが1.00を超えたり、平均値KnXaveが0.55を超えると、厚い化合物層が形成され、ガス軟窒化処理の終了後に残存する化合物層厚さが5μmより大きくなり、10%以上の空隙を含むポーラス層が生成することがある。
(D) High Kn Value Treatment The high Kn value treatment is a step of forming a compound layer containing carbonitride on the surface of the low alloy steel, and the range of the nitriding potential Kn X is 0.10 to 1.00, the average value Kn Xave is set to 0.20 to 0.55. Further, the lower limit of Kn X is preferably 0.20 or more, the upper limit is 0.80 or less, the lower limit of Kn Xave is preferably 0.25 or more, and the upper limit is preferably 0.50 or less. The treatment time X is preferably 0.50 hours or longer. If the minimum value Kn Xmin of the nitriding potential is less than 0.10 or the average value Kn Xave is less than 0.20, the formation of the compound layer is insufficient, the depth of the cured layer cannot be obtained, and the surface hardness Decreases. On the other hand, when the maximum value Kn Xmax of the nitriding potential exceeds 1.00 or the average value Kn Xave exceeds 0.55, a thick compound layer is formed. The porous layer may be larger than 5 μm and contain 10% or more voids.

(ホ)低Kn値処理
低Kn値処理は、低合金鋼の表面に形成された化合物層を分解する工程であり、窒化ポテンシャルKnYの範囲を0.01〜0.20、平均値KnYaveを0.02〜0.15とする。更に、KnYの下限は0.01以上、上限は0.18以下、KnYaveの下限は0.02以上、上限は0.13以下が好ましい。処理時間Yは、0.50時間以上とすることが好ましい。窒化ポテンシャルの最小値KnYminが0.01未満であったり、平均値KnYaveが0.02未満であると、表層から脱窒が生じて表面硬さが低下する。一方、窒化ポテンシャルの最大値KnYmaxが0.20を超えたり、平均値KnYaveが0.15を超えると、化合物層の分解が不十分になり、硬化層深さ及び表面硬さが低下する。
(E) Low Kn Value Treatment The low Kn value treatment is a step of decomposing the compound layer formed on the surface of the low alloy steel. The range of the nitriding potential Kn Y is 0.01 to 0.20, the average value Kn Yave. Is set to 0.02 to 0.15. Further, the lower limit of Kn Y is preferably 0.01 or more, the upper limit is 0.18 or less, the lower limit of Kn Yave is 0.02 or more, and the upper limit is preferably 0.13 or less. The treatment time Y is preferably 0.50 hours or longer. When the minimum value Kn Ymin of the nitriding potential is less than 0.01 or the average value Kn Yave is less than 0.02, denitrification occurs from the surface layer and the surface hardness decreases. On the other hand, when the maximum value Kn Ymax of the nitriding potential exceeds 0.20 or the average value Kn Yave exceeds 0.15, decomposition of the compound layer becomes insufficient, and the depth of the hardened layer and the surface hardness decrease. .

(ヘ)ガス軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Knave
本発明のガス軟窒化処理は、NH3、H2、N2、CO2、CO及びH2Oを含むガス雰囲気で低合金鋼を加熱し、ガス軟窒化処理する工程であり、高Kn値処理の後、低Kn値処理が行われる。低Kn値処理の後は、窒化ポテンシャルを上昇させることなく終了する。ガス軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Knaveは、処理時間X、処理時間Y、窒化ポテンシャルの範囲及び平均値(KnX、KnYKnXave、KnYave)から、下記(式2)によって求める。
Knave=(X×KnXave+Y×KnYave /A ・・・ (式2)
(F) mean value Kn ave of nitriding potential of the gas nitrocarburizing treatment
The gas soft nitriding treatment of the present invention is a step of heating a low alloy steel in a gas atmosphere containing NH 3 , H 2 , N 2 , CO 2 , CO and H 2 O to perform gas soft nitriding treatment, and has a high Kn value. After the processing, low Kn value processing is performed. After the low Kn value process, the process is terminated without increasing the nitriding potential. The average value Kn ave of the nitriding potential of the gas soft nitriding is obtained by the following (formula 2) from the processing time X, the processing time Y, the range of the nitriding potential and the average value (Kn X , Kn Y Kn Xave , Kn Yave ). .
Kn ave = (X × Kn Xave + Y × Kn Yave) / A ··· ( Equation 2)

ガス軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Knaveは、0.05〜0.20とする。更に、Knaveの下限は0.06以上、上限は0.18以下が好ましい。Knaveが0.05未満では、硬化層深さが得られず、表面硬さが低下する。一方、Knaveが0.20を超えると、化合物層が5μmより厚くなる。 Mean value Kn ave of nitriding potential of the gas nitrocarburizing treatment is performed at a 0.05 to 0.20. Further, the lower limit of Kn ave is 0.06 or more, and the upper limit is preferably 0.18 or less. The Kn ave is less than 0.05, case depth can not be obtained, surface hardness is lowered. On the other hand, if Kn ave exceeds 0.20, compound layer is thicker than 5 [mu] m.

JIS規格でのSCr420(JIS G 4053 機械構造用合金鋼鋼材)、及びS45C(JIS G 4051 機械構造用炭素鋼鋼材)を、50kg真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造し、熱間鍛造して直径20mmの棒鋼を製造した。SCr420については、組織を均一化させるため、920℃に加熱して30分間保持した後、空冷(焼準)し、更に、900℃に加熱し、30分間保持して水冷(焼入れ処理)し、続いて600℃で1時間保持(焼戻し処理)した。S45Cについては、870℃に加熱して30分保持した後、空冷した。   JIS standard SCr420 (JIS G 4053 alloy steel for machine structure) and S45C (JIS G 4051 carbon steel for machine structure) were melted in a 50kg vacuum melting furnace, then cast into an ingot and hot forged. Thus, a steel bar having a diameter of 20 mm was manufactured. For SCr420, in order to homogenize the structure, after heating to 920 ° C. and holding for 30 minutes, air cooling (normalizing), further heating to 900 ° C., holding for 30 minutes and water cooling (quenching), Then, it hold | maintained at 600 degreeC for 1 hour (tempering process). About S45C, after heating to 870 degreeC and hold | maintaining for 30 minutes, it air-cooled.

得られた棒鋼から、機械加工によって15mm×80mm×5mmの試験片を採取し、ガス軟窒化炉の炉内にNH3、H2、N2、CO2の各ガスを導入することによって、表2に示す条件の軟窒化処理を施した後、80℃の油を用いて油冷を行った。ガス軟窒化処理後、試験片の、長さ方向に垂直な方向の断面を鏡面研磨し、エッチングして、光学顕微鏡によって、化合物層厚さ及び空隙の測定を行った。エッチングは、3%ナイタール溶液で20〜30秒間行った。 A test piece of 15 mm × 80 mm × 5 mm was collected from the obtained steel bar by machining, and each gas of NH 3 , H 2 , N 2 , CO 2 was introduced into the furnace of the gas nitrocarburizing furnace. After performing the soft nitriding treatment under the conditions shown in No. 2, oil cooling was performed using 80 ° C. oil. After the gas soft nitriding treatment, the cross section in the direction perpendicular to the length direction of the test piece was mirror-polished, etched, and the thickness of the compound layer and the void were measured with an optical microscope. Etching was performed with a 3% nital solution for 20-30 seconds.

Figure 0006287390
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化合物層は、500倍で撮影した組織写真5視野(視野面積:2.2×104μm2)から、表層に存在する白い未腐食の層として観察され、それぞれ30μm毎に4点の化合物層の厚さを測定し、20点の平均値を化合物厚さとして求めた。更に、1000倍で5視野観察し、最表面から5μm深さの範囲の面積25μm2中に占める空隙の割合を算出した。 The compound layer is observed as a white, uncorroded layer existing on the surface layer from 5 visual fields (field area: 2.2 × 10 4 μm 2 ) taken at 500 times, and 4 compound layers for each 30 μm. The average value of 20 points was determined as the compound thickness. Furthermore, five fields of view were observed at 1000 times, and the ratio of voids in an area of 25 μm 2 in a range of 5 μm depth from the outermost surface was calculated.

また、JIS Z 2244に準拠し、試験力1.96Nで、表面から50μm、100μm、以降50μm毎に深さ1000μmまで、ビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さ(HV)は、各3点ずつ測定し、平均値を求めた。表面硬さは、表面から50μm位置の3点の平均値である。有効硬化層深さは、SCr420については300HV、S45Cについては250HVとなる表面からの深さであり、表面からの距離に対して、HV硬さをプロットして求めた。   Further, in accordance with JIS Z 2244, the Vickers hardness was measured at a test force of 1.96 N from the surface to 50 μm, 100 μm, and thereafter to a depth of 1000 μm every 50 μm. Vickers hardness (HV) was measured at three points each, and the average value was obtained. The surface hardness is an average value of three points at a position of 50 μm from the surface. The effective hardened layer depth is the depth from the surface of 300 HV for SCr420 and 250 HV for S45C, and was obtained by plotting the HV hardness against the distance from the surface.

化合物層の厚さは5μm以下、空隙の割合は10%未満、表面硬さは、S45Cでは290HV以上、SCr420では570HV以上、有効硬化層深さは下式、以上をすべてを満たすとき、良好と判定した。
有効硬化層深さ(μm)≧130×{処理時間(時間)}1/2 ・・・ 式(B)
The thickness of the compound layer is 5 μm or less, the void ratio is less than 10%, the surface hardness is 290 HV or more for S45C, 570 HV or more for SCr420, the effective hardened layer depth is Judged.
Effective hardened layer depth (μm) ≧ 130 × {treatment time (hour)} 1/2 Formula (B)

結果を表2に示す。表2から、本発明で規定する条件をすべて満たす試験番号21〜23及び試験番号26〜28は、良好な特性が得られていることが明らかである。一方、本発明で規定する条件から外れた試験番号24、試験番号25、試験番号29、試験番号30は比較例である。試験番号24は高Kn値処理の窒化ポテンシャルの最大値が高すぎて、空隙が生じている。試験番号25は高Kn値処理の窒化ポテンシャルの最小値及び平均値が低く、有効硬化層深さが浅く、且つ表面硬さが低下している。試験番号29は低Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値が高く、厚い化合物層が残存している。試験番号30は低Kn値処理の窒化ポテンシャルの最小値及び平均値が低く、表面硬さが低下している。   The results are shown in Table 2. From Table 2, it is clear that the test numbers 21 to 23 and the test numbers 26 to 28 that satisfy all the conditions defined in the present invention have good characteristics. On the other hand, test number 24, test number 25, test number 29, and test number 30 that deviate from the conditions defined in the present invention are comparative examples. In test number 24, the maximum value of the nitriding potential of the high Kn value treatment is too high, and voids are generated. In Test No. 25, the minimum value and average value of the nitriding potential of the high Kn value treatment are low, the effective hardened layer depth is shallow, and the surface hardness is lowered. In test number 29, the average value of the nitriding potential of the low Kn value treatment is high, and a thick compound layer remains. In Test No. 30, the minimum value and average value of the nitriding potential of the low Kn value treatment are low, and the surface hardness is lowered.

Claims (1)

低合金鋼を550〜620℃に加熱し、全体の処理時間Aを1.5〜10時間とするガス軟窒化処理を行うに際し、
下記(式1)によって求められる窒化ポテンシャルKnXが0.10〜1.00の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルKnXの平均値KnXaveが0.20〜0.55であり、処理時間をX時間とする高Kn値処理の後、
下記(式1)によって求められる窒化ポテンシャルKnYが0.01〜0.20の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルKnYの平均値KnYaveが0.02〜0.15であり、処理時間をY時間とする低Kn値処理を行い、
前記高Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値KnXaveと、
前記低Kn値処理の窒化ポテンシャルの平均値KnYaveと、
前記処理時間Aと、
前記高Kn値処理の処理時間Xと、
前記低Kn値処理の処理時間Yと
から、下記(式2)によって求められる軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Knaveが0.05〜0.20であることを特徴とする低合金鋼のガス軟窒化処理方法。
Kn=(NH3分圧)/[(H2分圧)3/2] ・・・ (式1)
Knave=(X×KnXave+Y×KnYave /A ・・・ (式2)
When carrying out gas soft nitriding treatment in which the low alloy steel is heated to 550 to 620 ° C. and the total treatment time A is 1.5 to 10 hours,
The nitriding potential Kn X obtained by the following (Equation 1) is in the range of 0.10 to 1.00, the average value Kn Xave of the nitriding potential Kn X is 0.20 to 0.55, and the processing time is After high Kn value processing with X time,
The nitriding potential Kn Y obtained by the following (Equation 1) is in the range of 0.01 to 0.20, the average value Kn Yave of the nitriding potential Kn Y is 0.02 to 0.15, and the processing time is Perform low Kn value processing for Y time,
The average value Kn Xave of the nitriding potential of the high Kn value treatment,
The average value Kn Yave of the nitriding potential of the low Kn value treatment,
The processing time A;
A processing time X of the high Kn value processing;
Wherein the processing time Y low Kn value processing, the following average value Kn ave nitriding potential soft-nitriding obtained by (Equation 2) is a low alloy steel, which is a 0.05 to 0.20 Gas soft nitriding method.
Kn = (NH 3 partial pressure) / [(H 2 partial pressure) 3/2 ] (Formula 1)
Kn ave = (X × Kn Xave + Y × Kn Yave) / A ··· ( Equation 2)
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105593394B (en) * 2013-09-30 2018-03-30 同和热处理技术株式会社 The nitridation treatment method of steel member
JP6217840B2 (en) * 2014-03-13 2017-10-25 新日鐵住金株式会社 Nitriding method and method for manufacturing nitrided parts
JP6576209B2 (en) * 2015-10-27 2019-09-18 光洋サーモシステム株式会社 Nitriding processing apparatus and nitriding processing method
JP6772499B2 (en) * 2016-03-18 2020-10-21 日本製鉄株式会社 Steel parts and their manufacturing methods
JP6345320B1 (en) * 2017-07-07 2018-06-20 パーカー熱処理工業株式会社 Surface hardening processing apparatus and surface hardening processing method
JP6724201B2 (en) * 2019-03-08 2020-07-15 光洋サーモシステム株式会社 Nitriding apparatus and nitriding method
CN114369704B (en) * 2021-12-20 2023-12-26 无锡鹰贝精密液压有限公司 Low-carbon alloy steel ball socket plunger heat treatment method for reducing inner spherical surface deformation

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5342149A (en) * 1976-09-28 1978-04-17 Daihatsu Motor Co Ltd Surface treatment of press parts
JPS57149455A (en) * 1981-03-10 1982-09-16 Sumitomo Metal Ind Ltd Low-alloyed steel to be soft-nitrided
JP3495590B2 (en) * 1997-06-30 2004-02-09 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 Gears subjected to soft nitriding and method for producing the gears
JP3400934B2 (en) * 1997-10-21 2003-04-28 三菱製鋼室蘭特殊鋼株式会社 Nitriding steel and nitriding method
JP2006028588A (en) * 2004-07-16 2006-02-02 Toyota Motor Corp Nitriding treatment method
JP4947932B2 (en) * 2005-07-26 2012-06-06 エア・ウォーターNv株式会社 Metal gas nitriding method
JP2011235318A (en) * 2010-05-11 2011-11-24 Daido Steel Co Ltd Method for surface treatment of die-casting die
CN103732782A (en) * 2011-06-30 2014-04-16 罗伯特·博世有限公司 Manufacturing method for a drive belt ring component
JP2013194287A (en) * 2012-03-21 2013-09-30 Daihatsu Motor Co Ltd Gas nitriding method for maraging steel
US10125416B2 (en) * 2012-07-26 2018-11-13 Jfe Steel Corporation Steel for nitrocarburizing and nitrocarburized component, and methods for producing said steel for nitrocarburizing and said nitrocarburized component

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