JPH02145759A - 鋼の浸炭処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は鋼の浸炭処理方法の改良に関し、耐摩耗性と耐
ピッチング性をとくに高めた機械構造部品の製造に有用
な方法を提供する。

〔従来の技術〕

たとえば高荷重の下で使用する歯車は、高い耐摩耗性と
耐ピッチング性をそなえていることを要求されるから、
このような機械構造部品の製造に当っては、浸炭により
表面近傍に炭化物を積極的に析出させて利用することが
試みらでいる。

このような浸炭を行なう方法として知られているもの（
は、まず、肌焼鋼、代表的にはＣ：Ｏ。

０５〜０．４５％を含有し、場合によってはざらに他の
合金成分を含有する鋼を、鋼のオーステナイト固溶限ま
たはそれより若干低いカーボンポテンシャルの条件下に
浸炭し、温度を下げてオーステナイト中のＣの固溶限を
低下させることによって、Ｃを炭化物として析出させる
方法がある。

この方法は、適切な量のＣを浸炭させるためのカーボン
ポテンシャルのコントロールが容易でないことと、浸炭
後の冷却速度の好適範囲が狭く、その範囲で実操業を行
なうのが鉗しいことから、所望どおりの炭化物析出がな
かなか期待できないため、あまり実施されない。

別の手法は、炭化物形成元素であるＣ「を比較的多量に
（１，５％以上）含有する合金鋼を材料とし、高いカー
ボンポテンシャル雰囲気の下でガス浸炭を行なって、炭
化物を析出させる方法である。

この方法には、Ｃ「の使用によるコスト上昇を別にして
も、高いカーボンポテンシャルの雰囲気で浸炭するため
スーテイングが起りやすく、浸炭ムラが生じるという難
点がある。　また、高Ｑｒ鋼には、ガス浸炭時に粒界酸
化が起って靭性が低下したり、雰囲気ガス中の酸素によ
って形成される酸化層が浸炭を阻害するという、原理的
な困難も伴っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、鋼の浸炭において従来の技術に内在し
ていた上記の諸問題を解決し、球形に近い形状の炭化物
が表面近くに均一に析出した、耐摩耗性と耐ピッチング
性がすぐれた機械構造部品を得ることができる、改良さ
れた鋼の浸炭方法を提供することにおる。

（課題を解決するための手段） 本発明の鋼の浸炭処理法は、基本的には、Ｃ：０．０５
〜０．４５％を含有する肌焼鋼で製造した機械構造部品
を イ）　８８０℃以上の温度でプラズマ浸炭するこことに
より、部品表面のＣ濃度を鋼のＡｃｍ以上にして表面近
傍に炭化物を析出させる一時浸炭を行ない、 口）　徐冷して鋼のＡｒ１より低い温度に降温し、いっ
たんそこで保持したのち、Ａｒ１を超える温度に昇温し
、 ハ）　一次浸炭の温度より１０〜６０℃低い温度におい
て、再びプラズマ浸炭による二次浸炭を行ない、 二）　直ちに焼入れするか、または拡散処理を施したの
ち焼入れし、表面Ｃ濃度が１．５％以上あり、浸炭層の
炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチン
グ性にすぐれた部品を得ることからなる。

上記の浸炭は、必要に応じ、温度を下げて繰り返し行な
ってもよい。　従って本発明の鋼の浸炭処理方法の変更
態様は、上記の工程口）に続いて、ホ）　再び徐冷して
鋼のＡｒ１より低い温度に降温し、いったんそこに保持
したのち、 へ〉　二次浸炭の温度よりさらに１０〜６０℃低い温度
にまで昇温し、再びプラズマ浸炭による三次浸炭を行な
い、 その後に工程口）を行なうことにより、表面Ｃ濃度が１
．７％以上あり、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であっ
て、耐摩耗性と耐ピッチング性にすぐれた部品を得るこ
とからなる。

プラズマ浸炭法の代表的な操業は、部品を浸炭炉に入れ
て炉内を１０−２Ｔｏｒｒ程度まで減圧し、温度８８０
℃以上となるよう加熱し、Ａ「ガスおよびＨ２ガスを供
給して炉内圧を数Ｔｏｒｒ程度に高め、部品を陰極に接
触させて別に設けた陽極との間に直流電圧を印加し、グ
ロー放電を起させて部品表面を清浄にするクリーニング
操作を行ない、さらに、浸炭ガスとして炭化水素たとえ
ばプロパン０３Ｈ８を導入して浸炭を行なうことからな
る。

焼入れに先立って拡散処理を行なう場合、その時間は、
二次浸炭の（または三次浸炭まで行なう場合はその）時
間の１．５倍以内が適当である。

本発明を適用できる鋼は、Ｃ：０．０５〜０゜４５％を
含有する肌焼鋼、およびＣ：０．０５〜０．４５％に加
えて、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ
　：０．５〜４．０％、ＭＯ：０．０５〜１．５％、Ｎ
ｉ：０．０５〜０．４％、Ｖ：０．１〜２．０％および
Ｎｂ　：０．０５〜０゜３％からえらんだ１種または２
種以上を含有し、残部が実質上Ｆｅからなる合金鋼であ
る。

（作　用〕 上記したような条件で実施するプラズマ浸炭は、鋼のＡ
ＣＩｌｌを超える高いカーボンポテンシャルの下で浸炭
が行なわれ、部品の表面近傍に炭化物が析出する。　在
来のガス浸炭でこのような高度の浸炭を行なおうとする
と、複雑なカーボンポテンシャルのコントロールが必要
であったが、上記の浸炭法ならばその必要はない。　高
いカーボンポテンシャルにもかかわらず浸炭ガス圧が低
く、すすの発生は実質上ないか、または発生してもごく
軽微であるから、浸炭ムラの心配はない、、　浸炭ガス
中にＣＯ，ＣＯ２、町Ｏなどの酸素を含む化合物は入っ
ていないから、粒界酸化や、酸化被膜による浸炭阻害の
問題もない。

このように、本発明では、原理的に有利な条件下にまず
鋼のＡＣＩｌｌを超える高度の浸炭を行なって（工程イ
、一次浸炭）、炭化物をオーステナイト粒界に塊状に析
出させる。　この炭化物は、浸炭温度が高いほど速やか
に粗大化し、浸炭部品の耐摩耗性、耐ピッチング性は低
くなる。　拡散処理を行なうと、Ｃが再固溶して炭化物
の体積率が減少し、微細粒状体をへて消失するに至る。

　消失の過程で得られる微細な炭化物は、はとんどがオ
ーステナイト粒界に存在していて母相には存在せず、分
布が不均一のうえに量も少ないため、耐摩耗性、耐ピッ
チング性への寄与はごく低い。

そこで、浸炭後いったん温度をＡｒ１より低い温度に降
温し、再度Ａｒ１を超える温度に昇温する（工程口）と
、オーステナイト粒界が移動するから、はじめに粒界に
存在していた炭化物は、新オーステナト粒内に残存する
ことになる。

■程ハ）に従って再度の浸炭を行なうことにより、新オ
ースティナイト粒界に炭化物が析出する。

この新しく生成した炭化物と、上記の残存炭化物をあわ
せて、炭化物分布が好ましい浸炭層が得られる。

ここで重要なのは、一次浸炭を８８０℃以上の温度で行
なうことと、二次浸炭を一次浸炭より低い温度で行なう
ことである。

一次浸炭の＠度が８８０℃より低いと、炭化物の生成速
度が遅くて実際的でない。　プラズマ浸炭そのものは、
１１００℃またはそれ以上、最高１３００℃までの温度
で実施可能であるが、あまり高い温度の描用は、エネル
ギー消費が大きいことと、部品に焼歪みが増すことから
、得策でない。５二次浸炭は、一次浸炭と同じ温度で行
なうと、新オーステナイト粒界に生成した塊状の炭化物
の粗大化が速やかに進み、また粒内の残存炭化物の再固
溶による消失も速やかであるため、望ましい分布と形状
の炭化物が得られない。　多数の実験の結果、二次浸炭
の温度は、一次浸炭の温度より１０〜６０℃低くすれば
よいことがわかった。

この温度差は、１０℃より小さいと上記した意図が達成
できず、２０’Ｃ：以上あることが好ましい。

一方、あまり温度差を大きくすると、一次浸炭時に生成
した炭化物の固溶に要する時間が長くなって、実操業に
不利になる。　６０℃までが適当である。

焼入れに先立つ拡散処理は、好ましい工程ではあるが、
あまり長時間行なうと、粒内の炭化物の再固溶が進んで
その望ましい分布や形状が崩れるし、残菌オーステナイ
トが増え母材が軟くなって、炭化物による耐摩耗性向上
の効果が減殺されるから、拡散に先立つ浸炭の１．５倍
以内で適当な時間を選択する。　ＭＯの添加などで焼入
性を向上させた材料を使用するときは、拡散処理はおそ
らく不必要であろう。

二次浸炭まで行なって、裏面近傍のｃｍ度を１゜５％以
上にすることは、浸炭部品の耐摩耗性と耐ピッチング性
を十分に高く得るために必要である。

三次浸炭の目的が二次浸炭を行なう意図をざらにおし進
めたものであることと、その機構とは、上記したところ
から理解されるでおろう。　三次浸炭の温度を二次浸炭
の温度より１０〜６０℃低くターベきこととその理由も
また、上の説明により自ら明らかとなろう。　とくに高
い耐摩耗性、耐ピッチング性の実現には、部品表面近傍
のＣ濃度を１．７％以上に高めることが必要である。

（実施例〕 表に示す組成（重量％、残部Ｆｅ）の合金鋼を溶製し、
鍛造して直径３０ｍの丸棒とした。　この丸棒を機械加
工し、大成式摩耗試験およびローラーピッチング試験の
試験片を製作した。

供試材社９〜１５の試験片については、第１図に示すパ
ターンの処理を行なった。

すなわち、試験片を浸炭炉内に陰極と接触するように入
れ、炉内を１０−２ＴＯｒｒの真空にして９１０℃まで
加熱し、ＡｒガスおよびＨ２ガスを導入して炉内圧力を
２〜３　Ｔｏｒｒに高めてから、陽極と陰極の間に直流
電圧を印加してグロー放電を起させた。　その状態に２
０分間はど保ち、試験片表面のクリーニングと均熱化を
行なった。

次にＡ　ｒ　十８２ガスを排出し、浸炭ガスとして炭化
水素ガス（ＣＨ４，０３Ｈ８）を導入し、炉内圧力を２
〜３　ＴＯ１’ｒとし、再びグロー放電を行なって１２
０分間、浸炭処理した。

放電を停止し、浸炭ガスを排出したのち、炉温を６８０
℃まで下げて、３０分間保持した。　８８０℃まで昇温
し、上記と同じようにして再度１２０分間の浸炭を行な
った。

浸炭ガスを排出して炉内を真空にし、８３０℃に３０分
間保ってから試験片をとり出し、油槽中に投入して焼入
れをした。　続いて、１６０℃の油槽に１２０分間浸漬
する焼もどしをした。

上記のうち供試材ＮＱ９だけは、第１図に破線で示した
パターンの拡散処理を加えて処理した。

拡散処理は、二次浸炭に続いて浸炭ガスを排出し、内圧
力ｉ　Ｑ　”２ＴＯｒｒとした真空状態で、同じ温度に
３０分間保持する処理である。

供試材社１〜８は、第２図のパターンで処理した。　す
なわち、一次浸炭を９３０℃で、二次浸炭を９００℃で
実施したのち、再度の６８０℃への降温および保持をへ
て、三次浸炭を８７０℃で行なってから、油焼入れする
プロセスである。

ただし供試材ＮＱ２は、第２図に破線で示したパターン
の拡散処理を加えて処理した。　これも、第２図のパタ
ーンに対して、その三次浸炭に続いて、やはり真空下に
浸炭時と同じ８７０℃の温度に３０分間保持するもので
ある。

比較のため、供試材Ｎα２の試験片を、第３図のパター
ンに従って在来のガス浸炭法で処理した。

すなわち、カーボンポテンシャル１．０％の雰囲気で９
１０℃×１８０分間のガス浸炭、カーボンポテンシャル
０．８％の雰囲気で９１０℃×１５０分間の拡散処理を
した後、８３０″ＣＸ３０分間の保持をして油冷し、続
いて１６０″ＣＸ２時間の加熱をして空冷する焼もどし
からなるプロセスである。

上記の処理をした試験片を下記の条件で試験した。

（大成式摩耗試験） 相手円板：　　ＳＫ６　　ＨＲＢ　　９０最終荷重：６
．５に！ｌ 摩擦距離：　　１００ｍ 摩擦速度：　　３．０ｍ１ｓｅｃ （ローラーピッチング試験） 面　　　圧”　　　３７５Ｋｇｆ／１ｒｙｓ２回転数：
　　１５００ｒＤｍ すべり率二　−４０％ 評　　価”　　８５０寿命 試験結果を、表にあわせて示す。

〔発明の効果〕

本発明の浸炭処理方法により、球状の析出炭化物を利用
して耐摩耗性と耐ピッチング性を茗しく高めた機械構造
用の浸炭部品が製造できる。

この方法は、カーボンポテンシャルのコントロールに苦
労することも、浸炭ムラの生じる心配もない。　粒界酸
化が起ることなく、酸化被膜による浸炭阻害も原理的に
避けることができ、常に一定の品質の製品が容易に得ら
れる。

従って本発明は、高荷重の苛酷な条件下に使用する歯車
の製造などに適用したとき、とくに有意義である。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施側における浸炭処理プロセ
スのパターンを示すものであって、第１図は本発明に従
って二次浸炭まで行なう基本的態′様を示し、 第２図は三次浸炭まで行なう変更態様を示し、第３図は
比較のため実施した在来法の態様を示す。 特許出願人　大同特殊鋼株式会社 代理人　弁理士　須　賀　総　夫

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ：０．０５〜０．４５％を含有する鋼で製造し
   た機械構造部品を、 イ）８８０℃以上の温度でプラズマ浸炭することにより
   、部品表面のＣ濃度を鋼のＡｃｍ以上にして表面近傍に
   炭化物を析出させる一次浸炭を行ない、 ロ）徐冷して鋼のＡｒ＿１より低い温度に降温し、いつ
   たんそこで保持したのち、Ａｒ＿１を超える温度に昇温
   し ハ）一次浸炭の温度より１０〜６０℃低い温度において
   、再びプラズマ浸炭による二次浸炭を行ない、 ニ）直ちに、または拡散処理を施したのち、焼入れ焼も
   どしをし 表面Ｃ濃度が１．５％以上あり、浸炭層の炭化物形状が
   ほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性にすぐれ
   た部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法。
2. （２）請求項１に記載の工程ハ）に続いて、ホ）再び徐
   冷して鋼のＡｒ＿１より低い温度に降温し、いったんそ
   こに保持したのちＡｒ＿１を超える温度に昇温し ヘ）二次浸炭の温度よりさらに１０〜６０℃低い温度に
   おいて、再びプラズマ浸炭による三次浸炭を行ない、 その後に工程ニ）を行なうことにより、表面Ｃ濃度１．
   ７％以上で、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であつて、
   耐摩耗性と耐ピッチング性にすぐれた部品を得ることか
   らなる鋼の浸炭処理方法。
3. （３）Ｃ：０．０５〜０．４５％に加えて、Ｓｉ：１．
   ０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、ならびに、Ｃｒ：０．
   ５〜４．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｎｉ：０．
   ０５〜０．４％、Ｖ：０．１〜２．０％およびＮｂ：０
   ．０５〜０．３％からえらんだ１種または２種以上を含
   有し、残部が実質上Ｆｅからなる肌焼鋼または合金鋼を
   部品の材料として使用する請求項１または２の鋼の浸炭
   処理方法。