JP6788817B2

JP6788817B2 - 真空浸炭窒化部品の製造方法

Info

Publication number: JP6788817B2
Application number: JP2015203048A
Authority: JP
Inventors: 健太辻井; 知洋安東; 井上　圭介; 圭介井上
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: JP2017075359A

Description

本発明は、真空浸炭窒化部品の製造方法に関し、特に真空下での窒化処理時に炭化物の析出を抑制することで、強度低下を防止し得る真空浸炭窒化部品の製造方法に関する。

歯車等の部品の表面硬化熱処理として、一般的には浸炭処理がよく用いられている（下記特許文献１参照）。この浸炭処理として、近年ではガス浸炭に変わり、減圧下で浸炭を行う真空浸炭が広まっている。真空浸炭では、粒界酸化が発生しないため、曲げ疲労強度の向上に有効であると言われている。一方、浸炭窒化も広く行われている（下記特許文献２参照）。浸炭窒化では、焼戻し処理でＦｅ_４Ｎなどの微細な窒化物が析出し、焼戻し軟化抵抗が向上するため、面疲労強度の向上に有効であると言われている。そこで、真空浸炭と浸炭窒化の両方のメリットを併せ持つ真空浸炭窒化を行うことが考えられる。

特開２００７−２９１４８６号公報特開２００１−０７３０７２号公報

しかしながら、真空浸炭窒化は、下記のような問題を有するため、実用的にはそれほど普及していない。すなわち、減圧下での窒化は、アンモニア分圧が低く、またアンモニアの熱分解反応が起こりやすいため、鋼材の表面におけるＮの高濃度化が困難であること、Ｎ濃度のばらつきが大きくなりやすいこと、などの問題がある。このため、窒化温度としてはアンモニアの熱分解を抑制できる程度の低温に設定する必要がある。ところが、窒化温度を低温化すると、鋼材のＡｃｍ点が低濃度化するため、図５に示されるように炭素濃度の高いエッジ部のＣ濃度がＡｃｍ点を切り、炭化物が析出することから、エッジ部の強度が低下してしまうという課題があった。

本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、真空下での窒化処理時に炭化物の析出による強度低下が発生しない真空浸炭窒化部品を得るための製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために本発明の真空浸炭窒化部品の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｃｕ：０．１０〜０．３３％、Ｎｉ：０〜０．５０％、Ｃｒ：０．２０〜０．８０％、Ｍｏ：０．５０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を用いて、下記式（１）及び（２）を満たすように真空浸炭窒化処理を行うことを特徴とする。
Ｓｉ＋Ｃｕ＋Ｎｉ−Ｃｒ−５Ｃ*＞−３．５ …式（１）
Ｓｉ＋Ｃｒ−０．００３２Ｔ＜−１．７２ …式（２）
前記式（１）のＣ*は単位を質量％とする表面炭素濃度を示す。
前記式（２）のＴは単位を℃とする窒化温度を示す。

本発明の真空浸炭窒化部品の製造方法の条件において、式（１）は浸炭期の表面炭素濃度（平面部）をパラメータとして含み、式（２）は窒化期の窒化温度をパラメータとして含む。そして、式（１）を満たすと浸炭期において炭化物の析出が阻止され、式（２）を満たすと窒化期において炭化物の析出が阻止されるようになる。したがって、式（１）及び（２）を満たすように真空浸炭窒化処理を行えば、浸炭期及び窒化期のいずれにおいても真空浸炭窒化部品に炭化物が析出しないことから、該部品の強度低下を防止することが可能となる。

式（２）を説明するためのグラフ。（ａ）は平面部１１ａを有する試験片１１を示す図。（ｂ）はエッジ部１２ａを有する試験片１２を示す図。本発明の実施例で採用した真空浸炭窒化処理の条件を示す図。（ａ）〜（ｃ）は試験片１２のエッジ部１２ａにおける組織写真。本発明の課題を説明するためのグラフ。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

最初に、本発明に係る真空浸炭窒化部品の製造方法に用いられる鋼材について説明する。該鋼材は、各種の合金元素を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる。各合金元素の種類、成分範囲（質量％）及び組成限定理由は、以下の通りである。

（１）Ｃ：０．１５〜０．２５％
Ｃは鋼の強度を確保するための元素である。この効果を得るには、０．１５％以上の含有が必要である。ただし、過度に含有させると、硬さが高くなりすぎ、製造性（特に、被削性）を著しく損なうため、上限を０．２５％とする。好ましくは０．１７〜０．２３％である。

（２）Ｓｉ：０．１０〜０．３５％
Ｓｉはその添加量の増加に伴い炭化物の生成を抑制する。ただし、図１に示されるようにＡｃｍの値を低くする（Ａcm点の炭素濃度を低濃度化する）。すなわち、添加量が増えるに従って、Ａｃｍ線を状態図の左側へシフトさせる。ただし、過剰な含有はＣの場合と同様、製造性を著しく損なうため、０．５０％以下の含有とする。好ましくは０．１０〜０．３０％である。

（３）Ｍｎ：１．００〜２．００％
Ｍｎは炭化物の生成に大きな影響を与えるものではないが、添加しすぎると硬さが高くなりすぎ製造性を著しく損なうため、２．５０％以下の含有とする。一方、鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であり、所定の内部硬さを得るために０．５０％以上の添加が必要である。好ましくは１．００〜２．００％である。

（４）Ｃｕ：０．１０〜０．３３％
ＣｕはＳｉと同様、炭化物の生成を抑制する元素である。ただし、過剰な含有はＣの場合と同様、製造性を著しく損なうため、１．００％以下の含有とする。好ましくは０．１０〜０．３０％である。

（５）Ｎｉ：０〜０．５０％
ＮｉはＳｉと同様、炭化物の生成を抑制する元素である。ただし、過剰な含有はＣの場合と同様、製造性を著しく損なうため、３．００％以下の含有とする。好ましくは０．０５〜０．５０％である。

（６）Ｃｒ：０．２０〜０．８０％
Ｃｒはその添加量の増加に伴い炭化物の生成を促進する。ただし、図１に示されるようにＡｃｍの値を低くする（Ａcm点の炭素濃度を低濃度化する）。すなわち、Ｓｉと同様、添加量が増えるに従って、Ａｃｍ線を状態図の左側へシフトさせる。鋼の焼入れ性を高め、強度を向上させるために０．２０％以上の添加が必要であるが、１．２０％を超えて添加すると、式（１）及び（２）の成立が困難となるため、１．２０％以下の含有とする。好ましくは０．３０〜０．８０％である。

（７）Ｍｏ：０．５０％以下
Ｍｏは焼入れ性の確保、強度向上のために含有させる。ただし、０．５０％を超えて添加すると、コストの増大をもたらし、製造性を著しく損なうため、０．５０％以下の含有とする。好ましくは０．１０〜０．３０％である。

（８）Ａｌ（固溶Ａｌ）：０．０５％以下
Ａｌは浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止するのに有効な元素である。ただし、０．０５％を超えるとオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する効果が飽和するので、０．０５％以下の含有とする。

（９）Ｓｉ＋Ｃｕ＋Ｎｉ−Ｃｒ−５Ｃ*＞−３．５ …式（１）
式（１）のＣ*は単位を質量％とする表面炭素濃度を示す。ここで「表面炭素濃度」とは、鋼材における平面部分の表面から１０μｍの領域内の平均炭素濃度を意味する。式（１）は浸炭期における部品のエッジ部での炭化物析出可否を判定する式であり、表面炭素濃度Ｃ*が低い値であれば、（Ｓｉ＋Ｃｕ＋Ｎｉ−Ｃｒ）で規定される各元素の添加量の合計が低い値であっても浸炭期に炭化物が析出しないことを意味する。換言すれば、表層炭素濃度Ｃ*が高い値であれば、（Ｓｉ＋Ｃｕ＋Ｎｉ−Ｃｒ）で規定される各元素の添加量の合計を高くしなければ浸炭期に炭化物が析出してしまうことを意味する。部品に要求される強度を考慮に入れると、表層炭素濃度Ｃ*は０．５０〜０．７５％に設定するのが好ましく、より好ましくは０．６０〜０．７０％である。

（１０）Ｓｉ＋Ｃｒ−０．００３２Ｔ＜−１．７２ …式（２）
式（２）のＴは単位を℃とする窒化温度を示す。式（２）は窒化期における部品のエッジ部での炭化物析出可否を判定する式である。図１から、Ａｃｍ線はＳｉとＣｒのみに依存し、両元素から同程度の影響を受けることが分かる。ＳｉとＣｒの添加量が増えるほどＡｃｍは低くなり、炭化物が析出しやすくなる。また、窒化期における炭化物の析出は、窒化温度にも依存し、窒化温度が低くなるほど炭化物が析出しやすくなる。窒化温度が高くなるほど炭化物は析出し難くなるが、この場合はＮＨ_３が分解しやすくなるので、窒化能力は下がることとなる。部品に要求される強度を考慮に入れると、窒化温度Ｔは８００〜８７０℃に設定するのが好ましく、より好ましくは８２０〜８５０℃である。

以下、本発明の実施例について説明する。
まず、表１に示す合金組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）の鋼材を小型溶解炉（５０ｋｇ）を用いて溶製し、インゴットに鋳造した。次に、１２５０℃×２時間の条件下でφ３０×１０００ｍｍの棒鋼に鍛伸した後、９５０℃×２時間の条件下で空冷による焼ならし処理を行った。

次に、上記棒鋼から図２（ａ）に示されるような直方体状の試験片１１と、図２（ｂ）に示されるような三角柱状（底面は正三角形）の試験片１２を作成した。通常、浸炭時の炭素侵入量は部品の表面積に依存し、表面積に応じて浸炭時の炭素導入量が決まる。そして、炭素が拡散する部分は前記表面積に対応する部品内部の体積部分であると考えられる。つまり、例えば試験片１２のようなエッジ部（稜線）１２ａを有するものは、試験片１１のような平面部１１ａを有するものに比べて表面積に対する体積部分が少ないため、導入される炭素量に対して拡散する体積部分が少なく、表面炭素濃度が高くなる傾向を示す。なお、図２（ａ）に示す試験片１１からは、例えば平面部１１ａの任意の点を中心とする円の表面積及びこれに対応する球の半分をそれぞれ浸炭及び拡散部位とするモデルを想定することができ、図２（ｂ）の試験片１２からは、エッジ部１２ａの任意の点を中心とする、エッジ部１２ａを挟んだ二つの半円の表面積及びこれに対応する球の一部をそれぞれ浸炭及び拡散部位とするモデルを想定することができる。

各試験片１１，１２に対して、図３に示した浸炭窒化処理パターンで真空浸炭窒化処理を施した。具体的には、９５０℃で３０分間浸炭処理後に９５０℃で９０分間拡散処理を行った（浸炭期）。次に、８５０℃で６０分間窒化処理を行った（窒化期）。その後、８５０℃で焼入れ処理を行い、１８０℃で１時間の焼戻し処理を行った。浸炭処理の条件はアセチレン雰囲気（６００ｌ／ｈ）、拡散処理の条件はＮ_２雰囲気、窒化処理の条件はＮＨ_３雰囲気（６００ｌ／ｈ）であり、浸炭及び窒化期において炉内はいずれも真空（１５００Ｐａ以下）とした。

各試験片１１，１２について、ＥＰＭＡ(Electron Probe Micro Analyzer)でライン分析を行い、最表部の炭素濃度を測定した。また、上記鋼種毎に対応する棒鋼から機械加工により試験歯車を形成し、各試験歯車について図３に示したのと同じ浸炭窒化処理パターンで真空浸炭窒化処理を施した。この処理後の試験歯車を用いて１０^７回疲労強度を測定した。炭素濃度及び疲労強度の測定結果を表１に示す。

実施例１〜１０は、いずれも式（１）及び式（２）を満たしている。このため、疲労強度はいずれも７００×１０^７（ＭＰａ）を超えることとなった。これに対し、比較例１〜１０は、式（１）及び式（２）の少なくとも一方を満たしていない。このため、疲労強度はいずれも７００×１０^７（ＭＰａ）を下回ることとなった。

また、各試験片１２の横断面を研磨してナイタール液でエッチング処理した後、組織写真を撮影した。図４（ａ）に実施例３の組織写真を、図４（ｂ）に比較例９の組織写真を、図４（ｃ）に比較例１０の組織写真をそれぞれ例示する。

図４（ａ）（実施例３）では炭化物の生成は認められないが、図４（ｂ）（比較例９）、図４（ｃ）（比較例１０）では炭化物の生成が明らかに認められる。

以上の説明からも明らかなように、本実施例の真空浸炭窒化部品の製造方法によれば、式（１）及び（２）を満たすように真空浸炭窒化処理が行われるので、浸炭期及び窒化期のいずれにおいても真空浸炭窒化部品に炭化物が析出しなくなり、部品の強度低下を良好に防止することができる。

その他、本発明は上記実施例に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えた態様で実施することが可能である。

１１，１２試験片
１１ａ平面部
１２ａエッジ部

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．２５％、
Ｓｉ：０．１０〜０．３５％、
Ｍｎ：１．００〜２．００％、
Ｃｕ：０．１０〜０．３３％、
Ｎｉ：０〜０．５０％、
Ｃｒ：０．２０〜０．８０％、
Ｍｏ：０．５０％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を用いて、下記式（１）及び（２）を満たすように真空浸炭窒化処理を行うことを特徴とする真空浸炭窒化部品の製造方法。
Ｓｉ＋Ｃｕ＋Ｎｉ−Ｃｒ−５Ｃ*＞−３．５ …式（１）
Ｓｉ＋Ｃｒ−０．００３２Ｔ＜−１．７２ …式（２）
前記式（１）のＣ*は単位を質量％とする表面炭素濃度を示す。
前記式（２）のＴは単位を℃とする窒化温度を示す。
さらに、質量％で、
Ａｌ：０．０５％以下、
を含有することを特徴とする請求項１に記載の真空浸炭窒化部品の製造方法。