JPH03219010A - 浸炭処理部品およびその製造方法 - 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、曲げ疲労強度の高い浸炭処理部品とその製
造方法に関する。

（従来の技術） 近年、さまざまな産業分野で材料の高強度化が強く要望
されているが、使用中に繰り返し応力が作用するような
歯車、各種シャフト、ビニオン等の鋼部品には、さらに
高い曲げ疲労強度の賦与が必要とされている。

鋼部品の曲げ疲労強度上昇のためのもっとも代表的な対
策の一つに浸炭処理がある。浸炭処理は鋼のオーステナ
イト領域で炭素（Ｃ）を鋼の表面から浸透拡散させ、そ
の後オーステナイト領域から焼入れし、焼戻し処理を行
って、鋼の表面を高強度の高炭素マルテンサイトとする
ものである。

浸炭による曲げ疲労強度上昇効果は、この鋼表面の高炭
素マルテンサイトによるところが多い。通常このような
高炭素マルテンサイトを得るためには、浸炭処理でのカ
ーボンポテンシャルを０．８〜１．２％程度にする。

しかしながら、上記のような高炭素マルテンサイトの強
度にたよるだけでは、疲労強度の上昇には限界がある。

数々の研究調査の結果、現在では高炭素マルテンサイト
の強度のみにたよるのではなく、他の疲労限上昇のため
の因子を取り入れることが提案されている。代表的なも
のを以下にあげる。

■高炭素浸炭処理方法 浸炭の際、カーボンポテンシャルを鉄−炭素状態図のＡ
ｃ＋ａ以上に保持して、炭化物を球状析出させ、基地の
高炭素マルテンサイトと球状硬質析出物分散により曲げ
疲労強度を上昇させるという方法（特公昭５９−３５６
３０号公報）である。

一方、浸炭処理方法のみではなく、浸炭処理に供される
鋼の材質の改善に関しても次のような提案がある。

■浸炭異常層低減鋼 通常の肌焼鋼（例えばＪＩＳ規格の５ＣＲ４２０、ＳＣ
Ｍ４２０等）をガス浸炭すると、鋼の表面近傍に浸炭異
常層と称される粒界酸化と不完全焼入組織とから構成さ
れる層が生成する。浸炭異常層は、曲げ疲労強度に悪影
響を及ぼすので、浸炭異常層の出にくい肌焼鋼が提案さ
れている（特公昭５５−３２７７７号公報）。

■低Ｐ化による浸炭層粒界強化鋼 浸炭部品の曲げ疲労破壊における浸炭層の破面形態は旧
オーステナイト粒界破壊となる。浸炭層の旧オーステナ
イトの粒界を強化するために旧オーステナイト粒界を脆
弱化すさせるＰの粒界偏析を低減した肌焼鋼が提案され
ている（特開昭６０２４３２５２号公報）。

以上のように、鋼部品の曲げ疲労強度上昇のために浸炭
方法や浸炭用鋼が種々提案されており、これにより鋼部
品の曲げ疲労強度はある程度の上昇を見た。しかし上記
の方法、あるいは浸炭用鋼にはいずれも、次に述べる共
通した問題点がある。

（発明が解決しようとする課題） 前記のとおり、曲げ疲労強度を上昇させるためには、鋼
の表面を高炭素マルテンサイトにすることが第一に必要
であり、このためには前記のいずれの浸炭方法、いずれ
の浸炭鋼においても、浸炭処理の際には鋼の表面を高炭
素マルテンサイトにするために、カーボンポテンシャル
を０．８〜１．２％程度にすることが必要である。

しかしながら、上記の方法、上記の鋼において、高炭素
マルテンサイトを得るために、このような高いカーボン
ポテンシャルで浸炭した場合には、マトリックスは高炭
素マルテンサイトとなり高い硬度が得られるが、粒界は
相対的に著しく脆弱化するという問題がある。

このため、曲げ疲労が加わると浸炭部では粒界破壊が起
こってしまい、マトリックスの高炭素マルテンサイトの
強度は十分に曲げ疲労強度の向上に反映しない。

本発明の課題は上記の問題を解決することにあり、具体
的には、浸炭の際のカーボンポテンシャルを０．８〜１
．２％にしても粒界が脆化せず、曲げ疲労に対してマト
リックスの強度が十分に反映した浸炭処理部品を提供す
ること、およびそのような部品を製造する新しい方法を
提供することを目的とする。

（ｉｉ題を解決するための手段） 前述のとおり、これまでの浸炭方法および浸炭用鋼にお
いては、マトリックス強度を十分に強化するために、カ
ーボンポテンシャルを０．８〜１．２％として浸炭した
場合、曲げ疲労により浸炭部の破面ば粒界破壊が支配的
になる。

第１図は、浸炭部破面の金属組織の顕微鏡写真と、これ
をオージェ電子分光分析を行った結果を示すものである
。試験片は、０．２χＣ−０，１χＳｉ　−０，８χ阿
ｎ−１，５χＣｒ鍛伸鋼から３．２φＸ２０．５Ｎ（ｍ
ｍ）の丸棒を切り出し、カーボンポテンシャル０，９％
で９３０°Ｃ×４時間の浸炭を行った後、１７０’ＣＸ
２時間の焼戻しを行ったものである。これを真空容器中
で破壊し、オージェ電子分光分析に供した。

図中の写真に示されるように、破面には粒界破壊と粒内
破壊が観察される。Ｃのピーク幅が、粒内に較べて粒界
の方が大きいことから粒界のＣ濃度が高いことがわかる
。また、粒界でのＣピークの形状はＣの粒界での存在形
態が炭化物であることを示しており、粒界に炭化物が析
出していることが推測される。これらの炭化物は電子顕
微鏡では測定不可能なほどわずかな量である。

このような現象についての詳細な調査の結果をまとめる
と下記のとおりである。

（１）浸炭処理による粒界の相対的脆弱化は、粒界での
フィルム状の炭化物の析出が原因である。

（２）　　このようなフィルム状の炭化物は、■浸炭処
理中のＣの鋼への浸透過程、■浸炭焼入処理後の焼戻し
過程で各々生しる。

（３）浸炭処理によってＣを鋼に浸透させた後、通常、
焼入処理をして表面（Ｃの浸透部）を高炭素マルテンサ
イトにするが、この時、焼入処理を施さずに表面部を恒
温変態させれば、微細ベーナイト（ロフト状のペイニチ
ンクフェライトとフェライト中に分散した炭化物からな
る組織）にすることができ、このような組織によって粒
界を強化でき、曲げ疲労強度を向上させることができる
。

（４）　　これは、浸炭処理後の冷却過程と恒温度Ｌ！
ｉ過程で、粒状の微細炭化物を粒内に分散させることが
でき、この後に行う焼戻し過程での粒界のフィルム状炭
化物の析出を少なくすることができるからである。

以上の知見に基づいてなされた本発明は、次の（ｉ）お
よび（ｉｉ）をその要旨とする。

（ｉ）　Ｃを０．１〜０．４重量％含有する炭素鋼また
は合金鋼の浸炭処理部品であって、芯部が焼戻しマルテ
ンサイトを主体とする組織で、Ｃ含有量の多い表面層が
焼戻し微細ベーナイトを含む組織であることを特徴とす
る曲げ疲労強度の高い浸炭処理部品。

（ｉｉ）Ｃを０．１〜０．４重量％含有する炭素鋼また
は合金鋼製の部品に、浸炭処理を施した後、表層部製炭
層の組成に対応するマルテンサイト変態開始温度以上で
、芯部の組成に対応するマルテンサイト変態開始温度以
下の温度域まで、臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却し
、その温度域で表層部製炭層に微細ベイナイトが生じる
のに必要な時間保持した後、表層部製炭層の組成に対応
するマルテンサイト変態開始温度よりも低い温度に冷却
して、この後焼戻し処理を施すことを特徴とする曲げ疲
労強度の高い浸炭処理部品の製造方法。

（作用） 以下、本発明の浸炭処理部品およびその製造方法につい
て、まとめて詳しく説明する。

まず、本発明において部品の素材となる鋼をＣの含有量
が０．１〜０．４％（以下、合金成分の含有量について
の％は全で重量％である）とした理由を説明する。

Ｃは浸炭鋼の芯部の強度を上昇させる作用がある。下限
を０．１％とするのは、芯部の強度確保のためである。

浸炭部品の芯部の硬さは、ロンフラニル硬度（Ｈ，Ｃ）
で少なくとも２５は必要である。本発明の製造方法（熱
処理条件）を前提にすれば、＋１．ｃ　２５以上の芯部
硬さを得るための炭素量として、少なくとも０．１％は
必要である。ただし、Ｃ含有量が０．４％を超えると、
機械構造用鋼として必要な靭性、被削性を劣化させるの
で、０．４％を上限とする。

素材鋼は上記のＣを含有する炭素鋼、またはＣの外に、
Ｎｉ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｓｉ、　Ｍｎ、■、Ｎｂ、　
Ｔｉ、　Ｓｏｌ。

Ａ２などの１種以上を含有する合金鋼であり、例えば後
述の実施例にあげるＪＩＳ規格の各種鋼種、およびその
改良鋼種が対象になる。曲げ疲労強度が必要な浸炭鋼製
部品の中には、用途によっては大型の部品もある。この
ような大型部品の場合は、焼入性確保のため合金鋼が使
用されることが多い。

合金鋼に添加される合金元素の種類にかかわらず、本発
明の浸炭処理部品は高い曲げ疲労強度をもつ。

次に、芯部を焼戻しマルテンサイトを主体とする組織と
する理由は下記のとおりである。

通常、浸炭鋼等の表面硬化部品は、表面が硬化している
分だけ脆化しているので、部品全体の靭性を確保するた
めに、芯部は強度をある程度犠牲にして靭性の高い組織
にする。この点から、組織が細かく、強度と靭性のバラ
ンスが優れている焼戻しマルテンサイトを芯部の組織と
する。

表面層を焼戻し微細ベイナイト組織とする理由は次のと
おりである。

微細ベイナイトは、浸炭処理とその後の恒温変態処理に
ひきつづいて行う焼戻し処理の際、粒界への炭化物の析
出を抑制する作用がある。従来の浸炭処理は、Ｃの浸透
拡散の後、焼入処理を行って、表面に高炭素マルテンサ
イトを生成させるものであったが、次工程の焼戻しによ
り高炭素マルテンサイトが分解し、粒界にフィルム状の
炭化物が生成して表面部の粒界強度が低下する。

本発明においては、焼戻しによる粒界へのフィルム状炭
化物の生成防止のために、焼戻し以前に表面の浸炭部の
全部あるいは一部をヘイナイト化して、微細な粒状炭化
物をあらかじめ基地に分散させておく、そうすることに
よって、次工程の焼戻し処理のとき表面の浸炭部の炭化
物析出は抑制され、表面部は焼戻しベイナイトに、また
、芯部は強度と靭性のバランスがよい焼戻しマルテンサ
イトになる。

表面の浸炭部は、すべてが微細ベイナイトに変態するの
が望ましい、しかし、一部が微細ベイナイトになってい
るだけでも相応の効果が得られる。

オーステナイトからベイナイトに変態する核の生成はほ
とんどが粒界で生じ、ベイナイトの成長は粒界から粒内
部に向かって起こる。従って、ヘイナイト変態が完全に
終了しなくても、粒界から成長が始まるので、粒界の近
傍はベイナイト化しており、焼戻し過程での粒界への炭
化物析出防止の効果は十分に現れる。

なお　本明細書の「微細ベイナイト」とは、ベイニチッ
クフェライトとその中に微細に分散した炭化物から成る
組織であり、ペイムチツクフェライト間の界面に炭化物
が密集した粗いベイナイト組織ではない、このような粗
いベイナイト組織は、焼戻し過程での粒界への炭化物の
析出の抑制には寄与するが、それ自体の強度が低く、基
地の強度低下を招（。

本発明方法におけるＣの浸透拡散処理（浸炭処理）は、
通常の条件でよい、カーボンポテンシャルは、マトリッ
クスの強度を十分に確保するため０．８〜１．２％とす
るのが望ましい、また、浸炭方法は特に制約はないが、
浸炭雰囲気の調整が容易で浸炭処理後の恒温処理なども
比較的容易に行えるガス浸炭法が望ましい。

Ｃを浸透拡散処理した後、表層部浸炭層の鋼成分に対応
するマルテンサイト変態開始温度以上で、芯部の鋼成分
に対応するマルテンサイト変態開始温度以下の温度域ま
で、臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却する。この処理
によって芯部の組織は完全なマルテンサイトになる。

Ｃを浸透拡散処理した鋼は、表面部と芯部とではＣの含
有量が異なるので、マルテンサイト変態の開始温度が異
なる。すなわち、表面部のＣの含有量が芯部に比べ高い
ので、表面部のマルテンサイト変態の開始温度は芯部に
比べて低い。従って、裏面部浸炭層のマルテンサイト変
態の開始温度以上で、かつ芯部のマルテンサイト変態の
開始温度以下の温度領域では、表面部の浸炭層は未変態
で、芯部はマルテンサイト変態する。ただし、この温度
領域に到達するまでの冷却は十分速くし、フェライト、
パーライトあるいはベーナイトへの変態を阻止する必要
がある。すなわち、冷却速度は臨界冷却速度以上にする
必要がある。

上記の温度域で、表面部の浸炭層に微細ベイナイトが生
じるのに必要な時間保持すれば、表面部の浸炭層の一部
あるいは全部を微細ベーナイト組織に変態させるためで
ある。

ここでは、未変態の浸炭層を恒温変態によりベーナイト
変態させる。即ち、少なくとも未変態浸炭層の一部が微
細ベイナイトに変態するのに必要な時間の保持を行うこ
とにより、表面部の浸炭層の一部あるいは全部をベーナ
イト変態させることができる。さきにも述べたとおり、
粒界脆化の原因となる焼戻し過程での粒界へのフィルム
状炭化物析出の阻止は、組織の一部をベーナイトすれば
十分であるので、保持時間は、少なくとも一部に微細ヘ
イナイトが生じる時間より長くすればよい。

なお、微細ヘイナイト化織を得るためには、望ましくは
表層部浸炭層の鋼成分に対応するマルテンサイト開始温
度以上でかつ４５０’Ｃ以下の温度領域で保持すること
が望ましい。この場合、当然のことながら、芯部のマル
テンサイト開始温度以下という条件を満足する必要があ
る。

上記のＣの浸透拡散処理後の冷却と等温保持のプロセス
は、所定温度に保持した塩浴への投入保持によって実施
することができる。

焼戻し処理は、芯部あるいは一部の表面部のマルテンサ
イトに靭性を賦与するために行う。Ｃの浸透拡散の後、
冷却−保持−冷却の過程で表面部の全部もしくは一部に
微細ベーナイトが生成し、残りはマルテンサイトが主体
の組織となる。このような組織の部品を焼戻しすること
により、これらのマルテンサイトを焼戻しマルテンサイ
トにして、靭性を高めるのである。表面部の浸炭層にヘ
イナイトが混在しない場合、焼戻しによって表面部は脆
化するが、本発明方法で得られる部品のように表層部に
微細ヘイナイトが混在する場合は、表面部を脆化させる
ことなく芯部に適度な靭性を賦与することができる。

焼戻しの条件は、浸炭焼入れ後に一般に行われる１５０
〜２００°ＣＸＩ〜２時間→空冷のような条件でよ〔実
施例１〕 （１）供試鋼 供試鋼は、ＪＩＳ規格の５２０Ｃ，５ＣＲ４２０、ＳＣ
Ｍ４２０、ＳＮＣＭ４２０．５１５Ｃ，５ＣＲ４１５、
ＳＮＣＭ４１５．５４０Ｃ，５ＣＲ４４０、ＳＣＲ４２
０の計１０鋼種とした。それらの組成を第１表に示す。

これらの供試鋼を大気中にて溶製し、鋳造後２０ｍｏｗ
φ棒に鍛造して、素形材を製作した。

次にこの素形材を１５Ｃ材（Ｃ＃０．１５Ｘ）について
は９５０°Ｃ１２０Ｃ材（Ｃ＃０．２０χ）は９３０°
Ｃ１４０Ｃ材（Ｃ＃０．４０χ）は８７０’Ｃにそれぞ
れ加熱し、その温度で１時間保持したのち空冷すること
により焼準し、その後、小野式回転曲げ疲労試験片〔平
行部１０ｍｍφ、切欠径８ｍｎφ、切欠部の形状２ｗＲ
半円（α、＝１．７８））を製作した。

（２）試験方法 上記の小野式回転曲げ疲労試験片（各鋼種からそれぞれ
２本）に、カーボンポテンシャル０．９％の浸炭雰囲気
で９３０°ＣＸ２時間の条件でガス浸炭処理を施した。

その後、試験片の１本には本発明方法の条件で恒温変態
処理を施し、他方には通常の焼入処理を施した。焼入処
理は２０°Ｃの水で水冷して行い、芯部までマルテンサ
イトを生成させた。

双方の冷却処理の後、焼戻処理（１７０°ＣＸ２時間→
空冷）を行い、次いで、小野式回転曲げ疲労試験を行っ
た。

（３）試験結果 試験結果を第１表に併記する。各鋼種の上段が本発明の
実施例に相当し、下段が従来の焼入法によるものである
。

炭素鋼（Ｓ２０Ｃ，５１５Ｃ，５４０Ｃ）、合金鋼（Ｓ
ＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０．５ＣＲ４
１５、ＳＮＣＭ４１５．５ＣＲ４４０、ＳＣＲ４２０）
のいずれであっても、同一の鋼で比較した場合、本発明
の方法によって処理を行ったものの方が従来の焼入処理
を行ったものに比べ疲労限が高い。

本発明方法によって処理したものは、いずれも表面層が
一部ペイナイト化しており、これにより後工程の焼戻し
での炭化物析出が阻止されて、粒界の脆化が抑制できた
ものと考えられる。

なお、焼戻し処理の影響をみるため、第１表の鋼種のう
ち、５１５Ｃ，ＳＮＣＭ４１５．５ＣＲ４２０、Ｓ４０
ＣＳＳＮＣＭ４４０について、焼戻し処理をしないまま
の試験片で疲労強度を測定した。その結果を第１表の疲
労強度強度の欄に（）付の数値で示す。

恒温処理であっても通常焼入であっても、焼戻し処理を
施したものの方が疲労限が高い、これは、焼戻しによる
靭性の向上に起因したものと考えられる。次に、恒温処
理材と通常焼入材の焼戻しによる疲労限向上の効果を比
較すると、恒温処理材の方がその後の焼戻しによる疲労
限向上が大きい。

これは焼戻し中、通常焼入材は、旧Ｔ粒界へ炭化物が析
出するのに対し、恒温処理材は、焼戻し前に炭化物かベ
ーナイトとしてすでに析出しているので、焼戻中の旧Ｔ
粒界への炭化物析出が最小限に抑えられた結果と考えら
れる。疲労限向上のためには、焼戻し処理は必要不可欠
の工程である。

〔実施例２〕 （１１供試鋼 実施例１で使用した鋼種のうち、５１５Ｃ，５４０Ｃ。

５ＣＲ４２０、ＳＮＣＭ４１５　、ＳＮＣＭ４４０の試
験片を供試鋼として使用した。

（２）試験方法 試験片を実施例１と同じ条件でガス浸炭した後、（ア）
芯部のＭ８点よりも高温で保持した場合、（イ）表面部
のＭ８点よりも低温で保持した場合、（つ）保持時間を
長くした場合、 （１）冷却速度を臨界冷却速度より遅くした場合、につ
いて調査した。焼戻し条件は同じにした。

光学顕微鏡による組織検査と、実施例１と同じ方法によ
る疲労強度試験をおこなった。結果を第２表に示す。

（３）試験結果 （ア）の場合、芯部のＭ８点以上で保持するので芯部に
は焼きが十分入らず、また表面部は粗いベーナイト組織
となり、芯部および表面部との硬さが十分に上がらず疲
労限は低くなった。

（イ）の場合、表面部のＭ５点以下で保持するので、芯
部はもちろん表面にもマルテンサイトが生成し、通常焼
入と変わりない組織となり疲労限も同程度となった。

（つ）は、本発明の実施例に相当する０等温保持時間を
長くしたので、ベーナイト比率が大きくなり、組織に占
めるベーナイトの割合が増えている。

疲労限は最も高い。

（１）の場合、（ア）の場合と同様、芯部がベイナイト
組織となり、十分な硬度が得ることができず疲労限は低
くなった。

〔実施例３〕 （１）　　供試鋼 供試鋼として、第３表に示すＳＣＭ４２０鋼、Ａ、Ｂ。

Ｃ鋼の４鋼種を用いた。Ａ鋼は高炭素浸炭用鋼、Ｂ鋼は
浸炭異常層低減鋼、Ｃ綱はＰ（燐）の粒界偏析を抑えた
粒界強化鋼である。これらの鋼を実施例１の要領で加工
し小野式回転曲げ疲労試験片を製作した。

（２）試験方法 ＳＣＭ４２０鋼は本発明の方法によって処理をし、Ａ鋼
については、第３表の下の注に示す処理方法で高炭素浸
炭し、浸炭層に微細な炭化物を析出させた。Ｂ綱および
Ｃ鋼については、通常の浸炭焼入処理（９３０℃×２時
間→焼入）を行った０以上４鋼種を同一条件で焼戻した
後、疲労試験を行った。

（３）試験結果 第３表に併記した疲労強度を対比してみれば、肌焼鋼と
して最も一般的な規格鋼であるＳＣＭ４２０１１であっ
ても、本発明方法で処理すれば他の改良鋼と同等以上の
高い疲労強度が得らることか明らかである。

（以下、余白） （発明の効果） 本発明の浸炭処理部品は、独特のミクロ組織をもつこと
によって浸炭後の浸炭層の粒界脆化がな（、マトリック
スの強度が十分に反映した高い疲労強度を有する。この
ような部品は本発明の方法で比較的安価に製造すること
ができる。本発明は、浸炭処理して使用される歯車、シ
ャフト等、様々な機械部品の製造に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、浸炭部破面の金属組織の顕微鏡写真と、破面
のオージェ電子分光分析結果を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃを０．１〜０．４重量％含有する炭素鋼または
   合金鋼の浸炭処理部品であって、芯部が焼戻しマルテン
   サイトを主体とする組織で、Ｃ含有量の多い表面層が焼
   戻し微細ベーナイトを含む組織であることを特徴とする
   曲げ疲労強度の高い浸炭処理部品。
2. （２）Ｃを０．１〜０．４重量％含有する炭素鋼または
   合金鋼製の部品に、浸炭処理を施した後、表層部浸炭層
   の組成に対応するマルテンサイト変態開始温度以上で、
   芯部の組成に対応するマルテンサイト変態開始温度以下
   の温度域まで、臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却し、
   その温度域で表層部浸炭層に微細ベイナイトが生じるの
   に必要な時間保持した後、表層部浸炭層の組成に対応す
   るマルテンサイト変態開始温度よりも低い温度に冷却し
   て、この後焼戻し処理を施すことを特徴とする曲げ疲労
   強度の高い浸炭処理部品の製造方法。