JPH03188256A - 肌焼鋼の浸炭方法 - 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） この発明は、ベアリングやピストンリングなどのような
摺動部品、その他耐摩耗性や疲労強度等を必要とする機
械部品に使用される肌焼鋼の浸炭方法に関する。

（従来の技術） 軸受けの転動体や軌道輪（レース）あるいはピストンリ
ングなどに用いられる材料には、局部的に大きな面圧が
加わるため、その繰り返しによる摩耗に対する抵抗性が
必要とされる。そのため摺動表面は均質な組織を有し、
硬度が高いことが必要である。このような用途には、炭
素量を高めた鋼を使用することもあるが、鋼の表層部だ
けの炭素量を高める浸炭処理鋼を使用することも多い。

炭素量の高い鋼は通常マルテンサイトとなるため一般に
は硬いが、反面脆い性質を有する。このため、高炭素鋼
は、鋼の熱処理時、特に冷却時に焼き割れを起こしやす
い問題がある。これは冷却が鋼表面から進むため、マル
テンサイト変態の時間的ずれに伴う内部応力に起因する
もので、焼き割れ防止の観点からすると、表層層だけ炭
素量を高くすることで表面の硬さを高くすると同時に変
態時間も調整し、硬さを特に要求しない内質部は軟らか
く、靭性に冨むようにする処理、すなわち浸炭熱処理が
望ましい。

浸炭用鋼（以下、肌焼鋼と記す）としては、■構造部材
として使用される非浸炭部の強さおよび靭性が充分であ
ること、 ■このため熱処理中に非浸炭部の結晶粒粗大化が起こり
にくいこと、 ■浸炭部の焼入れ性が良く耐摩耗性が高いこと、等の要
件を満たすことが必要である。従って、肌焼鋼は通常種
々の合金元素を含有する１例えば、焼き入れ性を向上し
、耐摩耗性を高める合金元素としてはＣｒ、結晶粒成長
粗大化防止にはＮｉ、焼き入れ性や靭性の向上、残留オ
ーステナイト量の減少にはＭｏ等が利用されている。

さて、上記のような肌焼鋼を対象とする浸炭処理は、鋼
のオーステナイト（ｒ）域で行うのが常識とされてきた
０例えば、第３版「鉄鋼便覧■」（丸善、昭和５７年５
月３１日発行）の５６３頁には［浸炭は、オーステナイ
ト中に炭素を固溶させる反応Ｊと定義されており、改定
３版「金属便覧」（丸善、昭和４６年１２月１０日発行
）の１６８７頁の図１４．１６にあるように浸炭温度は
８５０〜１０００°Ｃとオーステナイト域になっている
。このように、従来は、ガス浸炭であれ固体浸炭であれ
、浸炭処理は温度の高いオーステナイト域で炭素を拡散
浸透させるのが常識であった。温度の低いところで浸炭
した場合には、拡散した炭素は結晶粒界に塊状炭化物。

を生成し、これが拡散障壁となるため十分な深さの浸炭
層は得られないと信じられていたのである。

浸炭層深さは、種々の要因により決まるが、般には炭化
物の生成挙動ならびに固溶炭素の母材中の拡散に大きく
依存し、温度が高く、処理時間が長いほど浸炭層は深く
なると考えられている。

同じ浸炭層深さを得るには、高温で処理するほど短時間
ですむというのが常識である。前述のように、従来の浸
炭処理が高温のｒ　ｔｒｉ域で行われていたのはこの理
由による。

浸炭処理時間を短縮して生産能率を上げるには、可能な
限り短時間で必要な浸炭深さを得ることが必要であるが
、これまでは、上記の「第３版鉄鋼便覧」の５６６〜５
６７頁にもあるような高温浸炭（９６０〜１０００°Ｃ
で浸炭させる）でその目的を達していた。

しかしながら、高温浸炭法には、高温処理のため熱処理
炉の寿命が短くなり、燃料原単位が悪化するという問題
がある。さらに、材料の特性面からは、処理温度が高い
ため非浸炭部の結晶粒が粗大化してしまい、材料の靭性
低下を招くという大きな問題がある。これに対処するた
め、高価な合金元素である旧、■等の元素を鋼に添加し
、結晶粒成長を抑制するというような対策が必要となり
浸炭部品の製造コストを押上げてしまう。

合金元素による結晶粒の成長抑制効果も、浸炭処理時間
の大幅短縮を可能にするような高い浸炭温度では十分で
なくなるため、材料の靭性の点から、熱処理温度をむや
みに上げる訳にはいかない。

即ち、従来の高温浸炭では処理時間を大幅に短縮して生
産効率を高めるということは困難である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、肌焼き鋼の浸炭処理を行うにあたり、
処理時間の画期的な短縮を達成することにある。同時に
熱処理後の鋼の靭性低下が少なく、コストアップにつな
がるような高価な合金元素の添加を最低限に抑えること
が可能で、炉の寿命の点でも問題がなく、燃料原単位の
点でも有利な浸炭熱処理法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、炭素の拡散の遅速は母材の結晶構造に大
きく依存し、通常はγ相よりもα相の方が拡散が早い点
に着目し、温度の低いフェライト（α）相領域で浸炭が
可能かどうかを調べた。その結果、従来の常識に反し、
温度の低いα相領域でも充分に浸炭することが明らかに
なった。もちろん、同じ結晶構造であれば、温度の高い
方が拡散速度は大きいのであるが、炭素の拡散は、高温
のγ相よりも、低温のα相の方が格段に早いのである。

しかも、浸炭深さは炭素の拡散に大きく依存し、炭化物
生成反応の影響は浸炭に関しては小さく、比較的低温で
浸炭しても、結晶粒界には塊状の炭化物は顕著には生成
せず、拡散の障壁とはならないという新しい知見が得ら
れた。このことは、同じ浸炭深さを得る場合には、α相
領域で処理した方がγ相領域で処理するよりも短時間で
すむということを意味する。

α域での浸炭処理であれば、処理温度が低いため非浸炭
部の結晶粒も粗大化せず、強さ、靭性の低下を招かない
という大きな利点がある。

かかる知見に基づく本発明は「処理対象鋼のＡ１変態点
以下の温度域で浸炭処理を行うことを特徴とする肌焼鋼
の浸炭方法」をその要旨とする。

（作用） 本発明の対象となる綱は、一般に肌焼鋼と呼ばれる０、
１〜０．３％程度の炭素を含有する炭素鋼、Ｃｒ鋼、Ｃ
ｒ’−Ｍｏ鋼、Ｎｉ−Ｃｒ鋼あるいはＮｉ　−Ｃｒ−Ｍ
ｏ鋼である。　ＪＩＳでは、例えば炭素鋼ではＪＩＳ　
Ｇ４０５１のＳ２０〜２８Ｃ１Ｃｒ綱ではＪＩＳ　Ｇ４
１０４の５Ｃｒ４１５．４２０、Ｃｒ　−Ｍｏ鋼ではＪ
ＩＳ　Ｇ４１０５のＳＣＭ４１５．４２０．４２１、Ｎ
ｉ−Ｃｒ鋼ではＪＩＳ　Ｇ４１０２の５ＮＣ４１５，８
１５、Ｎｉ　−Ｃｒ−Ｍｏ鋼ではＳＮＣＭ２２０．４１
５．４２０等である。

これらの鋼の多くの改良鋼種も対象になることは言うま
でもない。

なお、本発明で肌焼鋼というのは、上記のような鋼の素
材のみならず、これらから製作された歯車、軸受、ピス
トンリングなどの機械部品も含めたものである。

浸炭処理は、ガス浸炭、液体浸炭、固体浸炭、のいずれ
でもよいが、特に鋼表面の炭素ポテンシャルを制御する
必要がある場合、工業的にはガス浸炭が好ましい、また
、所定温度に保った炉中で被処理材を連続的に処理する
場合も、雰囲気調整の容易なガス浸炭法が望ましい。

Ａ、変態点というのは、低温から加熱していく場合には
＾Ｃｌ変態点を意味し、高温から冷却していく場合には
Ａｒ＋変態点を意味する。

なお、本発明の浸炭処理の望ましい温度範囲は、６００
℃〜Ａ１変態点℃である。下限温度が６００℃未満であ
ると、ガス浸炭法による場合にはガス雰囲気のスーティ
ング（すすの発生）が顕著になる。また、固体浸炭法お
よび液体浸炭法の場合にはα相領域といえども６００°
Ｃより低い温度では拡散が遅くなって充分な効果が得ら
れない。

浸炭処理の後の熱処理は、通常の浸炭処理鋼に対する熱
処理でよい、即ち、浸炭層を硬化させるための焼入れと
、低温焼戻しを行う、また、焼入れの前に切削加工を行
う場合は、焼入れ前に軟化のための焼なましを行っても
よい。

〔実施例〕

第１表に組成を示す１２種類の炭素鋼、低合金鋼の鍛伸
材に焼ならしく９５０°ＣＸ１時間→空冷）と、焼戻し
く６００°ＣＸ１時間→徐冷）の処理を施し、ＪＩＳＺ
　２２０２に規定される４号衝撃試験片と、幾つかの代
表鋼種からは８ｍｍ径の平滑部を有するＪＩＳ　Ｚ　２
２７４に規定される１号試験片の回転曲げ疲労試験片を
切り出した。

これらの試験片を浸炭性雰囲気（ＣＯ：２４％、ＣＯ□
二０．５％、ＣＨ４：０．４％、Ｈｚ：３０％、残Ｎ、
、いずれも体積％）中で７００’ＣＸ　２時間（本発明
例）、９００’Ｃ×１６時間（比較例１）、１０００°
ＣＸ２時間（比較例２）のそれぞれ３種類の浸炭に供し
た。

その後、各試験片に８２０°ＣＸ３０分→油冷の焼入れ
と、１８０’ＣＸ１時間→空冷の焼戻しの処理を施した
。得られた試験片について浸炭層深さと硬さの調査なら
びにシャルピー衝ｉｔ試験と回転曲げ疲労試験を行った
。

浸炭層深さはＪＩＳ　Ｇ　０５５７、浸炭層の硬さはＪ
ＩＳＺ　２２４２にあるビッカース硬さ試験でそれぞれ
評価し、衝撃試験はＪＩＳ　Ｚ２２４２で規定されたシ
ャルピー衝ＩＩ試験、回転曲げ疲労試験はＪＩＳ　Ｚ　
２２７４で行った。

浸炭層深さを第２表に示す、従来法に相当する比較例１
　（９００”Ｃで１６時間浸炭）の場合、浸炭硬化層深
さ、すなわちＪＩＳで規定される有効硬化層深さは０．
９〜１．５ｍである。比較例２は、浸炭処理時間の短縮
を図るための先に述べた高温浸炭法であり、１０００°
Ｃで２時間の浸炭を行ったものである。

その有効硬化層深さは鋼種によりバラツキはあるものの
０．５〜１．１　ｍと、比較例１よりも浅めである。

本発明例では、比較例２と同じく２時間の短時間処理（
比較例１に比べれば８分の１の処理時間）であっても、
はぼ比較例１に匹敵する有効硬化層深さが得られている
。即ち、比較例１の９００’Ｃとという高温処理に対し
、７００°Ｃという低温で処理する本発明方法の方が、
同じ浸炭層深さを得るの要する時間が著しく短くなって
いる。

第３表は、衝撃試験結果であり、浸炭熱処理による試験
片の靭性の低下を見たものである。

比較例１の長時間浸炭では鋼の衝撃値が１〜８ｋｇ　−
ｍ　／　ｃ−であり、鋼種によるバラツキが大きい。

即ち、結晶粒成長を抑制し、靭性を改善する合金元素（
Ｍｏ、　Ｎｉ等）を含む合金鋼（符号４〜１２）は、炭
素鋼に比べ靭性は比較的高い、ところが短時間熱処理を
目的止し、比較例２の高温浸炭にすると、靭性は著しく
低下し、合金鋼といえども極めて低い衝撃値しか持たな
い。

これに対して、本発明例においては、靭性は従来法（比
較例１）よりもむしろ改善される傾向にある。これは浸
炭処理温度が低いため、鋼の非浸炭部の結晶粒成長が殆
どなかったためである。

第４表は、浸炭処理鋼表面の硬度の測定結果である。比
較例１．２、および本発明例ともに鋼表面の硬度はＨｖ
ニア００〜８００の範囲に入っており、鋼表面の硬さ、
すなわち耐摩耗性の確保という効果の点では、本発明法
は従来法と同等であることがわかる。

第５表は、第１表の符号Ｌ３，４の鋼の回転曲げ疲労試
験の結果である。９００°Ｃ×１６時間の比較例１の耐
久限を１．０として対比しである。

（以下、余白） 第 ■ 表 第 ３ 表 第５表に明らかなように、本発明例では比較例１の従来
法に較べて、疲労強度が約３割程度増加している。これ
に対し、高温処理の比較例２では、従来法よりも低下し
ている。高温処理の場合は、浸炭層中にセメンタイトが
残存して疲労強度を低下させるが、本発明の低温浸炭の
場合にはこのセメンタイトの生成がないため疲労強度に
おいても優れているのである。

（発明の効果） 本発明方法は、浸炭処理はオーステナイト域で行うもの
であるとの従来の常識を覆して、低温のフェライト域で
浸炭を行うという画期的なものである０本発明方法によ
れば、浸炭処理時間が著しく短縮できるだけでなく、非
浸炭部の靭性に及ぼす浸炭処理の影響を最小限に抑える
ことが可能となり、低い製造コストで従来の製品に優る
品質の浸炭部品が製造できる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 処理対象鋼のＡ＿１変態点以下の温度域で浸炭処理を行
   うことを特徴とする肌焼鋼の浸炭方法。