JPH07233411A - 鉄鋼製部品の浸炭焼入れにおける変形低減および疲労強度改善方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 浸炭焼入れした鉄鋼部品の焼入れ変形、内部
酸化及び不均質硬化等による疲労強度の低下を改善す
る。 【構成】 鉄鋼部品を浸炭処理後、引き続いて雰囲気中
に１〜６％のアンモニアガスを導入して６５０〜７３０
℃で所定時間保持後焼入れる。上記の浸炭焼入れ処理済
歯車を馴らし運転することにより、あるいは、処理済部
品に高速流体を噴射して、これら処理品表層部の残留オ
−ステナイトを加工硬化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄及び鋼を素材とする
機械部品の浸炭焼入れの方法に関し、更に詳しくは、処
理する機械部品の浸炭焼入れ時における変形を低減し又
疲労強度を向上させる浸炭焼入れ方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼製機械部品の使用に伴う損傷の原因
としては種々あるが、その典型的な原因の１つに疲労損
傷があり、疲労損傷の発生を防止するために多大な努力
が払われてきている。例えば、従来の浸炭焼入れ焼戻
し、焼入れ後の焼戻しを省略することもあるが、以下本
明細書ではこれらを全て浸炭焼入れと記載し、この処理
も機械部品の表面強度を増して疲労損傷を防止する対策
の一つである。しかし、機械装置の高性能化が進み、部
品に掛かる面負荷条件がますます過酷になり、従来の浸
炭焼入れ処理のみでは疲労損傷防止のためには不十分に
なってきた。疲労損傷防止に対して従来の浸炭焼入れ処
理の性能の及ばない大きな理由が、焼入れにより起きる
変形であり、また表面近傍での内部酸化である。変形し
た機械部品は、相手部材との不均一で部分的な接触、い
わゆる片当たりを起こし、局部的に設計値を超す過大荷
重が掛かるため、特に疲労の一種である面疲労損傷の発
生を早める。また、内部酸化は応力集中箇所を生成し疲
労破壊の起点となるので、これも浸炭焼入れした機械部
品の性能を低下させる原因の一つになっている。したが
って、使用条件が過酷である機械部品は、浸炭焼入れ処
理後に表面を研削して変形部や内部酸化部を除去し上記
の阻害理由を取り除き、浸炭焼入れ処理品の性能向上を
図っているものもある。しかし、このような二次加工は
コスト高を招いている。

【０００３】歯車の疲労損傷の一種としてのピッチング
損傷対策の歴史は古く、特公昭４９−３５４９１号公
報、同５１−２０１７３号公報及び同５４−１７６９９
号公報等は、歯車のピッチング損傷対策に関した発明と
して例示されるものである。これら発明の構成は、歯車
を浸炭処理した後引き続き窒化処理をして、歯車の表層
に多量の残留オ−ステナイトを形成させることにある。
その理由として窒素は鉄鋼材料のオ−ステナイトを安定
化させる傾向が大きい。上記処理後の歯車の表層を加工
して歪を与えて残留オ−ステナイトを加工硬化させてい
る。これら発明で示された窒化処理は、表層に多量の残
留オ−ステナイトを形成させることが目的であることは
明白で、歯車の表層に多量の残留オ−ステナイトを形成
させるという歯車のピッチング損傷対策は、これら発明
以前に公開されたC.Razimの論文（Harteri-Technische
Mitteilungen:22(1967), Heft 4/Dezember,Seite 317/2
9 に掲載）で既に明らかになっている技術である。とこ
ろが、表層に多量の残留オ−ステナイトを形成させた歯
車の耐ピッチング損傷性は有効とされているにも拘ら
ず、未だに歯車のピッチング損傷問題が解決しておら
ず、この従来技術に問題が内在していることを意味して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この問題点の第一は、
焼入れによる変形を無視したことである。特にモジュ−
ルの小さい歯車は、相対的に焼入れによる変形が大きく
なり単に表層の残留オ−ステナイト量を多量にした程度
では焼入れによる変形が吸収しきれない。また、歯当た
りが改善されたとしても焼入れ変形が大きいために、歯
車を組み合わせたとき、最初に強く当たる部分は充分に
硬化するが、最初に当たりの弱かった部分は硬化しない
で軟らかいまま残るため、生成させた残留オ−ステナイ
トが全体的に硬化せず、軟質の残留オ−ステナイトが部
分的に硬化せずに残り、かえって耐ピッチング性を害す
る結果となる。第二の問題は、如何にして均一に残留オ
−ステナイトを加工硬化させるかということである。

【０００５】浸炭焼入れあるいは浸炭窒化した歯車を加
工硬化させるための従来の方法としては、 １）一対の歯車を互いに組み合わせて過大負荷をかけ
る、 ２）別に用意したマスタ−歯車と組み合わせて過大負荷
をかける、 ３）歯車をロ−ル加工する、 ４）歯車をショットピ−ニングする、 等が知られている。１）〜３）の方法は、いずれも上述
した焼入れによる変形の影響を受けて位置により歪量が
変わり加工硬化量が歯車の位置により異なり、従って歯
車の位置による硬度が異なるという硬度分布を生じ、か
えって耐ピッチング性を害する結果を生じ、品質保証を
困難にする。又、３）の方法は、ロ−ルで歪を与えるた
め処理すべき対象部品の形状が限定される欠点を有す
る。４）の方法は、加工硬化処理前の部品表面には軟質
の残留オ−ステナイトが多量に存在するために、硬質粒
子を衝突させるショットピ−ニングによって表面が凹凸
に変形して表面粗度が著しく増大し、かえって耐ピッチ
ング性を害する。以上のように未解決の問題が残され解
決が要望されていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記諸課題
を解決するため以下に示す各種の手段を使用する。鉄鋼
製部品を通常のガス浸炭雰囲気中で浸炭した後、雰囲気
に１〜６％のアンモニアガスを付加しつつ、温度を６５
０〜７３０℃に下げ所定時間保持した後焼入れることに
より、浸炭焼入れする鉄鋼製部品の変形を低減すると共
に、焼入れ部品表層部の多量の残留オ−ステナイトを加
工硬化するために、焼入れ部品表面に高速流体を衝突さ
せる。以上のガス添加量は容量％で流量計等を使用して
制御する。従来のガス浸炭装置では、ＲＸガスとプロパ
ンガス等を混合して炭素ポテンシャルを調整した９００
℃程度の雰囲気中に処理する部品を数時間保持する。本
発明は、８７０〜９３０℃程度の温度でこのように保持
した後、雰囲気に１〜６％のアンモニアガスを付加しつ
つ、温度を６５０〜７３０℃まで下げ、この状態で処理
部品を所定時間保持した後焼入れ処理を行う。浸炭後の
炉内雰囲気にアンモニアガスを付加する目的は処理部品
の表層に多量の残留オ−ステナイトを生成させることと
表層の内部酸化を阻止するためである。その目的は従来
技術によるものと同様であるが、従来技術と異なる本発
明の重要な特徴は、生成する残留オ−ステナイトの量、
表面からの存在深さ及び安定性を制御することである。
残留オ−ステナイトは通常塑性歪が加わると、加工誘起
変態してマルテンサイトに変態して一層硬化するが、本
発明では塑性歪によるマルテンサイトへの変態のし易さ
を留意して制御する。そして最も重要な点は焼入れによ
る変形量を低減することである。

【０００７】残留オ−ステナイトの量と安定性は、主と
して付加するアンモニアガスの量で制御し、上記アンモ
ニアガスの量は、少なくとも雰囲気ガス中で１％以上な
ければ、必要最低限の残留オ−ステナイト量さえ得られ
ない。しかし、６％を超すと必要以上にオ−ステナイト
が安定化してしまうため、これを上限とした。残留オ−
ステナイトの存在深さの制御は、アンモニアガスを付加
してから焼入れするまでの保持時間と保持温度の設定で
行う。この保持温度は即ち焼入れ温度であり、焼入れ変
形の大きさに影響する。従って本発明では、保持温度は
対象部品毎に焼入れ変形を低減し且つ目標とする残留オ
−ステナイトの存在深さとの兼ね合いで設定する。しか
し、部品材質に関係なく、６５０℃未満では焼入れ前に
フェライト・パ−ライト変態が起こり硬化しない可能性
があり、７３０℃を超すと従来技術と同様に焼入れ変形
が大きくなってしまう。

【０００８】

【作用】本発明は、疲労強度を改善するための従来技術
において、浸炭焼入れにより生じる焼入れ変形及び内部
酸化を防止するため、浸炭後の雰囲気中にアンモニアガ
スを導入して残留オ−ステナイト量を制御し又内部酸化
を防止し、更に、６５０〜７３０℃と比較的低い温度か
ら焼入れることにより、焼入れ変形量を軽減した。本発
明のさらに一つの作用は、上記の浸炭焼入れ処理済歯車
を馴らし運転することにより、あるいは、処理済部品に
高速流体を噴射することにより、これら処理品の表面硬
さと寸法精度を向上させて疲労強度を増大させるもので
ある。

【０００９】

【実施例】

実施例１：ＪＩＳ規格Ｇ４１０１の肌焼鋼ＳＣｒ４２０
を外径５０ｍｍφ、内径３０ｍｍφ、高さ２０ｍｍのリ
ング状試験片に加工してこれを炭素ポテンシャル０．９
％に調整した９００℃の浸炭炉雰囲気中に曝し、２．５
時間保持して浸炭した。この後、炉雰囲気に４％のアン
モニアガスを付加しつつ、炉温を種々の温度即ち焼入れ
温度にまで下げ、所定の温度で３０分間保持後試験片を
１２０℃の油中に焼入れた。各保持温度毎に３個の試験
片を処理して、それぞれの処理前後の外径をマイクロメ
−タで測定し最大外径変化量を求めた。図１は最大外径
変化量の３個の試験片による平均値を示すものであり、
同図において、横軸は試験片の焼入れ温度（℃）を、縦
軸は最大外径変化量（μｍ）をそれぞれ示す。同図から
解るように、焼入れ温度が７３０℃を超えると最大外径
変化量が急激に大きくなるが、７３０℃以下では最大外
径変化量が１０μｍ以下で小さい。しかしながら、処理
後の試験片の表層部について観察した結果、６００℃か
ら焼入れた試験片には一部にフェライト・パ−ライトが
生じていて、焼入れ温度が低過ぎることが判明した。上
記の結果により焼入れ温度としては６５０℃から７３０
℃の範囲が好ましいことが明らかになった。

【００１０】実施例２：ピッチ円直径が８０ｍｍで、モ
ジュ−ルが２．３５の小さい歯車に本発明の処理を施し
た実施例を以下に示す。上記歯車を浸炭炉内に装入し８
７０℃で２時間通常の浸炭を行った後、炉内雰囲気中に
アンモニアガスを３％付加し、又、炉温を６７０℃まで
下げてから更に２０分間保持し、１２０℃の油槽中に焼
入れた。この時の上記歯車の焼入れ変形量はピッチ誤差
にして１０μｍ以下であり、また残留オ−ステナイトは
表層部に最大約４５％生じており、表面から内部に進む
につれてその量が減少し、通常の浸炭処理で生じる残留
オ−ステナイト量２０％の位置は表面から８０μｍ内部
側であった。この歯車を減速機に組み込み、馴らし運転
を行った後取り出し、再度測定したピッチ誤差は３μｍ
であり、非常に歯当たりが良くなった。この理由は従来
の知見によれば、本実施例のように軟質な残留オ−ステ
ナイトを多量に及び均一に表層部に生成すれば、馴らし
運転時に表層が均一に塑性変形出来るためである。さら
に、上記塑性変形によって表層部が加工硬化し、馴らし
運転前の表面硬さが５００ＨＶ程度であったものが約９
００ＨＶにまで増大した。この実施例で明らかなよう
に、本発明の実施例２に示す方法は、表層部に生成する
残留オ−ステナイトの量、生成深さ及び安定性を良好に
制御し、且つ焼入れ変形を防止し、馴らし運転だけで本
発明の目的を達成出来る。

【００１１】従って、本発明による上記加工硬化手段
は、従来技術の手段である残留オ−ステナイトの別工程
による加工硬化処理を必要としない。また本手段は、特
にモジュ−ルが小さい歯車に対して有効であり、馴らし
運転時の一対の歯車のなじみを考慮した初期歯形にする
ことが望ましい。一方、モジュ−ルの大きな歯車あるい
は歯車以外の機械部品においては、従来技術の手段であ
る表層部の残留オ−ステナイトを別工程で加工硬化させ
た方が望ましい場合もある。しかしながら従来技術とし
ては、既に述べたようにロ−ル加工あるいはショットピ
−ニング等種々の手段があるが、それぞれが課題を有し
ている。

【００１２】実施例３：これらの課題を解決するための
本発明の実施例３による手段は、高速液体の持つ運動エ
ネルギ−を利用して、処理部品の表層を加工硬化させる
ものである。処理部品に衝突させるために用いる流体
は、比重が大きい方が加工効率が良いが、比重の大きな
流体に高流速を与えるためには昇圧装置が大になるた
め、実用的には水あるいは油が好ましい。水は比較的比
重も大きく安価であるが処理部品を錆びさせ易い。発錆
し易い処理部品に対しては適当な油を使用することがよ
り好適である。２０００〜１００００kg/cm²に昇圧した
水あるいは油を、処理部品に適合した形状のノズルから
噴射して高流速にし、これを処理部品の表面に衝突さ
せ、この衝突時の衝撃によって対象部品の表層部を加工
硬化させる。

【００１３】本発明の実施例３による加工硬化手段は、
従来技術のロ−ル加工のような処理部品の形状の制約あ
るいはショットピ−ニングのような表面粗度の劣化も生
じないない。むしろ本手段は処理部品の表面粗度を処理
前より改善する。図１で使用したものと同様の試験片を
炭素ポテンシャル０．９％に調整した９００℃の浸炭炉
雰囲気に曝し２時間浸炭した。試験片を装入したまま、
炉雰囲気に付加するアンモニアガスの量を１％、６％及
び１０％の３通りにして、それぞれ炉温を６８０℃に下
げて１時間保持し、試験片を１２０℃の油槽中に焼入れ
た。さらに、処理後の試験片をゆっくり（例えば５ｒｐ
ｍ）回転させながら０．３ｍｍ×２０ｍｍのスロットか
ら噴出する３０００kg/cm²に加圧した高速水流（この例
では約７００ｍ／秒）を試験片の正面に衝突させ加工硬
化処理を行った。上記加工硬化処理を行った試験片と焼
入れのままの試験片を切断及び研磨して、高速水流を衝
突させた表面から内部への硬さ分布を測定した。図２は
上記硬さ分布測定の結果を示すものである。同図におい
て、横軸は表面からの距離（μｍ）を、縦軸はビッカ−
ス硬さ（荷重１００ｇ）をそれぞれ示す。また、図中の
記号×は１％アンモニア付加後の焼入れ試験片を加工硬
化処理したもの、▽は６％アンモニア付加後の焼入れ試
験片を加工硬化したもの、また◇は１０％アンモニア付
加後の焼入れ試験片を加工硬化処理したものであり、
○、△及び□はそれぞれアンモニア１％、６％、１０％
付加後焼入れのままで加工硬化処理をしなかった場合の
試験片の測定結果である。同図から、高速水流による表
層の加工硬化処理が表面近傍の硬度値を増大させ、特に
１％及び６％アンモニアの雰囲気で保持し、焼入れた加
工硬化試験片では９００ＨＶにまで硬化した。雰囲気の
アンモニア量が１０％の試験片は加工硬化後も前記１％
及び６％材に比べるとより軟らかい。

【００１４】

【発明の効果】鉄鋼部品を浸炭処理後、引き続いて雰囲
気中に１〜６％のアンモニアガスを導入して６５０〜７
３０℃で所定時間保持後焼入れ、残留オ−ステナイト量
を制御して内部酸化を防止し、更に、焼入れ変形量を軽
減することができた。本発明のもう一つの作用は、上記
の浸炭焼入れ処理済歯車を馴らし運転することにより、
あるいは、処理済部品に高速流体を噴射することによ
り、これら処理品の表面硬さと寸法精度を向上させた。
上記手段により、均一に硬くし又片当たりを防止して鉄
鋼部品の疲労強度を増大した。

【図面の簡単な説明】

【図１】４％のアンモニアガスを含む雰囲気で種々の温
度で保持した後焼入れた試験片の最大外径変化量の平均
値を示す。

【図２】１％、６％あるいは１０％のアンモニアガスを
含む雰囲気で保持後焼入れた試験片とそれらを更に高速
流水で加工硬化させた試験片の表面近傍の硬さ分布を示
す。

【符号の説明】

符号無し

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄鋼製部品を８７０〜９３０℃で浸炭し
   た後、引き続き１〜６容積％のアンモニアガスを炉雰囲
   気に付加しつつ温度を６５０〜７３０℃に下げ、前記温
   度で１０〜６０分間保持した後焼入れて、焼入れ変形量
   を小さくし、内部酸化を防止し、残留オ−ステナイトの
   量と安定性は、主として付加するアンモニアガスの量に
   より所定量の残留オ−ステナイトを表層１００μｍ以下
   に形成させるべく制御することを特徴とする鉄鋼製部品
   の浸炭焼入れにおける変形低減および疲労強度改善方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の前記鉄鋼製部品の浸炭焼
   入れにおける変形低減および疲労強度改善方法におい
   て、焼入れ済の一対の鉄鋼製歯車を組み合わせて馴らし
   運転することにより残留オ−ステナイトを均一に加工硬
   化させ、且つ、表面を平滑にすることを特徴とする鉄鋼
   製部品の浸炭焼入れにおける変形低減および疲労強度改
   善方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の前記鉄鋼製部品の浸炭焼
   入れにおける変形低減および疲労強度改善方法におい
   て、焼入れ後の前記鉄鋼製部品の表面に５００〜１００
   ０ｍ／秒の高速流体を均一に衝突させることにより残留
   オ−ステナイトを均一に加工硬化させ、且つ表面を平滑
   にすることを特徴とする鉄鋼製部品の浸炭焼入れにおけ
   る変形低減および疲労強度改善方法。