JPH10158727A - 浸炭窒化焼入方法および転動部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｃｒ含有鋼を用いた歯車などの浸炭窒化焼入
において、合金成分や、表面への浸炭量や窒化量をさほ
ど増加させることなく、表面硬さを確保し、耐摩耗性を
向上させることのできる浸炭窒化焼入方法を提供する。 【解決手段】 ワーク表層部の総窒素量が０．３％以上
となる浸炭窒化処理を行ったのち、ワーク表層部におけ
る８００℃から６００℃までの冷却速度が毎秒１１０℃
以上、５００℃から４００℃までの冷却速度がマルテン
サイト変態する臨界冷却速度以上かつ毎秒１００℃以下
となる焼入処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動力伝達部品、特
に歯車やその他の転動部品に適用される表面硬化熱処理
に係わり、合金成分や表面の炭素や窒素を過度に増加さ
せることなく、表面硬さを確保し、耐摩耗性を向上させ
ることのできる浸炭窒化焼入方法と、このような特性を
備えた転動部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、歯車などの転動部品において
は、その内部の強靭性を損なうことなく表面硬さを増
し、耐摩耗性を向上させることを目的に、はだ焼鋼と称
せられる炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されるＳ
１５ＣＫ，Ｓ２０ＣＫなど）や、クロム鋼（ＪＩＳ Ｇ
４１０４に規定されるＳＣｒ４１５，ＳＣｒ４２０な
ど），クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０５に規
定されるＳＣＭ４２０，ＳＣＭ４２１など），ニッケル
クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０３に規定され
るＳＮＣＭ２２０，ＳＮＣＭ４２０など）などを素材と
して、これに浸炭焼入や浸炭窒化焼入を施すようにして
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な転動部品においては、近年、機械装置の高出力化に伴
って高面圧化が進むと共に、高寿命化の要請が高まりつ
つあり、従来以上の強度，耐摩耗性が求められている。

【０００４】このような転動部品の強度を向上させるに
は、例えば、素材鋼中のＣｒなどの合金成分を増量する
ことや、浸炭および浸炭窒化処理において、素材鋼表面
への浸炭量および窒化量を増加するなどの方法が考えら
れる。

【０００５】しかしながら、合金成分の増量による方法
では、材料コストの増加が避けられないばかりか、合金
成分の増加によって被削性が劣化し、素材鋼の機械加工
が困難になるという問題が生ずる。

【０００６】また、通常の浸炭処理によって表面Ｃ量を
増加するにしても、０．９５％程度が限度であって、こ
れ以上では通常セメンタイトが網状に析出することによ
って逆に強度が低下することが判っており、いずれにし
ても充分な強度を得ることはできない。

【０００７】さらに、窒化量の増加については、素材鋼
がＳ１５ＣＫ，Ｓ２０ＣＫなどの炭素鋼の場合には、表
面Ｎ量を高くすること自体が困難である。

【０００８】素材鋼が、ＳＣｒ４１５，ＳＣｒ４２０，
ＳＣＭ４２０，ＳＮＣＭ２２０などのようなＣｒ含有鋼
の場合には、０．４０％以上のＮ量を確保することが可
能であるが、従来の焼入方法では、Ｎ量が増加すると表
面のＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が低下する
こと、さらにクロム窒化物（ＣｒＮ）の析出によるマト
リックスのＣｒ低下によって焼入性が劣化し、硬さ低下
を招くことから耐摩耗性が劣化する。このような硬さ低
下を回避するためには、焼入時の冷却速度を上げること
が容易に考えられるが、冷却速度の増加によって同時に
ＣｒＮの析出量も低下することになる。このＣｒＮは、
それ自体硬く、耐摩耗性向上に寄与しているため、単に
冷却速度を上げるだけでは、必ずしも最良の対策とはな
り得ないという問題点があり、これらの問題点を解決す
ることがＣｒ含有鋼を用いた転動部品において、浸炭窒
化焼入により強度および耐摩耗性を向上させるための課
題となっていた。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、Ｃｒ含有鋼を用いた歯車など
の転動部品の浸炭窒化焼入における上記課題に着目して
なされたものであって、合金成分や、表面への浸炭量や
窒化量を過度に増加させることなく、表面硬さを確保
し、耐摩耗性を向上させることのできる浸炭窒化焼入方
法と、合金成分や、浸炭量，窒化量がさほど多くないに
も拘らず表面硬さが高く、耐摩耗性に優れた転動部品を
提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係わ
る浸炭窒化焼入方法は、Ｃｒを含有するはだ焼鋼からな
るワークに浸炭窒化焼入処理を施すに際して、ワーク表
面下１０μｍから５０μｍの部位における総窒素量が
０．３％以上となる浸炭窒化処理を施したのち、ワーク
表面下２００μｍまでの部位における８００℃から６０
０℃までの冷却速度が毎秒１１０℃以上、５００℃から
４００℃までの冷却速度がマルテンサイト変態する臨界
冷却速度以上かつ毎秒１００℃以下となる焼入処理を施
す構成とし、本発明に係わる浸炭窒化焼入方法の実施態
様として請求項２に係わる浸炭窒化焼入方法は、ワーク
が転動部品である構成としたことを特徴としており、こ
のような浸炭窒化焼入方法の構成を前述した従来の課題
を解決するための手段としている。

【００１１】また、本発明の請求項３に係わる転動部品
は、表面下１０μｍから５０μｍの部位における総窒素
量が０．３％以上である浸炭窒化焼入組織を有し、表面
下２００μｍまでの部位におけるクロム窒化物のサイズ
が０．０６μｍ以下である構成とし、このような浸炭窒
化焼入方法の構成を前述した従来の課題を解決するため
の手段としたことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法
においては、析出したＣｒＮの硬さを利用して耐摩耗性
を向上させる観点からＣｒを含有するはだ焼鋼をワーク
素材として使用するようにしているが、このようなＣｒ
含有鋼としては、例えば、前述したクロム鋼（ＪＩＳ
Ｇ ４１０４）やクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４
１０５），ニッケルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ
４１０３）のうちの炭素含有量の低いもの、すなわちＳ
Ｃｒ４１５，ＳＣｒ４２０，ＳＣＭ４１５，ＳＣＭ４１
８，ＳＣＭ４２０，ＳＣＭ４２１，ＳＣＭ８２２，ＳＮ
ＣＭ２２０，ＳＮＣＭ４１５，ＳＮＣＭ４２０，ＳＮＣ
Ｍ６１６，ＳＮＣＭ８１５として規定される鋼材などを
使用することができる。

【００１３】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法において
行われる浸炭窒化処理方法については、とくに制約はな
く、常法に基づいて、例えばＲＸガスなどの浸炭性ガス
を用いたガス浸炭法、およびアンモニアガスを用いたガ
ス窒化方法を適用することができる。

【００１４】また、焼入処理方法についてもとくに制約
はなく、例えばソルト焼入、油焼入などが適用され、焼
入時のソルト温度および油温度の調整、さらには、ソル
ト浴槽および油槽の撹拌速度を調整することによってワ
ークの冷却速度を制御することができる。なお、焼入の
後、残留応力除去を目的に、２００℃近辺での焼戻しが
行われる。

【００１５】

【発明の作用】ワークは、浸炭窒化処理温度（通常８０
０〜９００℃）においては、オーステナイト状態であ
り、この状態において窒素は、最大２．８重量％程度ま
で固溶するが、マルテンサイト状態ではほとんど固溶し
ない。したがって、浸炭窒化処理したワークを冷却する
過程において、窒素は、その一部がマルテンサイトに過
飽和に固溶するものの、大部分はクロム窒化物（Ｃｒ
Ｎ）として析出することになる。

【００１６】このＣｒＮは、８００℃以下の温度で析出
し始めるが、温度の高い段階で析出したものは、窒素お
よびクロム、特に窒素の拡散速度が早いために粗大化し
易い傾向にある。しかし、５００℃以下の温度において
は、窒素の拡散速度が比較的遅くなることから、小さな
サイズのＣｒＮが数多く分散して析出する傾向が顕著に
なる。

【００１７】本発明の請求項１に係わる浸炭窒化焼入方
法においては、８００℃から６００℃までの温度範囲を
比較的早い冷却速度で冷却するようにしているので、粗
大なＣｒＮの大量析出が避けられることから、マトリッ
クス中のＣｒ低下がなくなり、焼入性を損なうことがな
く、５００℃から４００℃までの温度範囲を比較的遅い
冷却速度で冷却しても充分にマルテンサイトに変態する
と共に、比較的遅い速度で冷却されるあいだに小さなサ
イズのＣｒＮが多数分散して析出するので、このＣｒＮ
の総量が少なくても充分な耐摩耗性が確保されることに
なる。

【００１８】このとき、ワーク表面部（表面下１０μｍ
から５０μｍ）における総窒素量が０．３％に満たない
場合には、マトリックスの硬さが確保できなくなると共
に、後述する微細ＣｒＮの充分な析出量を得ることがで
きず耐摩耗性を得ることができなくなる。

【００１９】また、８００℃から６００℃までの温度範
囲におけるワーク表層部の冷却速度が毎秒１１０℃未満
の場合には、粗大なＣｒＮの析出を充分に防止すること
ができず、マトリックスのＣｒ量が低下して、焼入性の
劣化を来すことになる。

【００２０】さらに、５００℃から４００℃までの温度
範囲におけるワークの冷却速度がマルテンサイト変態の
臨界冷却速度に満たない場合には、マトリックス組織を
マルテンサイトとすることができなくなると共に、この
温度範囲における冷却速度が毎秒１００℃を超えた場合
には、窒素の拡散速度との関係から、微細ＣｒＮの充分
な析出量を確保することができず、目標とする耐摩耗性
を得ることができなくなる。

【００２１】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法の実施態
様として請求項２に係わる浸炭窒化焼入方法において
は、ワークが転動部品、すなわち当該浸炭窒化焼入方法
を歯車などの転動部品の製造に適用しているので、転動
部品の表面硬さが向上し、耐摩耗性の優れたものとな
る。

【００２２】本発明の請求項３に係わる転動部品におい
ては、表面下１０μｍから５０μｍの部位における総窒
素量が０．３％以上である浸炭窒化焼入組織を有し、表
面下２００μｍまでの部位におけるクロム窒化物のサイ
ズが０．０６μｍ以下となっている。すなわちクロム窒
化物が微細に分散析出しているのでクロム窒化物の総量
が少なく、マトリックス中Ｃｒの低下が防止されて焼入
性が確保されると共に、微細に分散したクロム窒化物が
耐摩耗性向上に寄与することから、転動部品としての表
面硬さおよび耐摩耗性が確保されることになる。

【００２３】このとき、ワーク表面部における総窒素量
が０．３％に満たない場合には、マトリックスの硬さが
確保できなくなると共に、微細ＣｒＮの充分な析出量を
得ることができず耐摩耗性を得ることができなくなる。
また、クロム窒化物のサイズが０．０６μｍが超えた場
合には、もはや微細ＣｒＮとは言えず、マトリックス中
のＣｒ量が低下して焼入性が損われ、十分な硬さおよび
耐摩耗性が得られなくなる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法におい
ては、ワーク表面下１０μｍから５０μｍの部位におけ
る総窒素量が０．３％以上となるような浸炭窒化処理を
施したのち、ワーク表面下２００μｍまでの部位におけ
る８００℃から６００℃までの冷却速度が毎秒１１０℃
以上、５００℃から４００℃までの冷却速度がマルテン
サイト変態する臨界冷却速度以上かつ毎秒１００℃以下
となるような焼入処理を施すようにしているので、高温
域における粗大なＣｒＮの析出によるマトリックス中Ｃ
ｒの低下を有効に防止して焼入性を確保することがで
き、その後の比較的遅い冷却速度においてもマルテンサ
イト組織を得ることができると共に、析出のための時間
を充分に確保することができ、微細なＣｒＮが充分に析
出されることから、耐摩耗性を高めることができるとい
う極めて優れた効果がもたらされる。

【００２５】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法の実施態
様として請求項２に係わる浸炭窒化焼入方法において
は、当該浸炭窒化焼入方法を歯車などの転動部品の製造
に適用するようにしているので、表面硬さおよび耐摩耗
性に優れた転動部品を得ることができる。

【００２６】本発明の請求項３に係わる転動部品は、そ
の表面部の総窒素量が０．３％以上である浸炭窒化焼入
組織を有し、表面下２００μｍまでの部位におけるクロ
ム窒化物のサイズが０．０６μｍ以下であるから、合金
成分量や表面への浸炭量，窒化量が少ないにも拘らず、
転動部品としての十分な表面硬さおよび耐摩耗性を確保
することができるという極めて優れた効果がもたらされ
る。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００２８】まず、ＪＩＳ Ｇ ４０５２に規定される
ＳＣｒ４２０Ｈ鋼を使用して、２５ｍｍ径の丸棒試験片
と、７０ｍｍ径×１０ｍｍ厚さの摩擦摩耗試験片をそれ
ぞれ９個ずつ作成した。

【００２９】次に、それぞれの試験片に、図１に示すよ
うな条件の浸炭窒化処理を施し、浸炭窒化時間、浸炭窒
化におけるＲＸガス（キャリヤガス）中のアンモニア濃
度、およびカーボンポテンシャルを増減することによっ
て、浸炭窒化量の異なる浸炭窒化処理を施した。

【００３０】次いで、このような条件のもとに浸炭窒化
処理を終えた各試験片を８４０℃の浸炭窒化温度から、
１６０℃に保持したソルト浴槽、あるいは７５℃に保持
した油槽中に急冷すると共に、必要に応じて撹拌するこ
とにより、それぞれの冷却速度の焼入処理を行ったの
ち、１７０℃×２時間の焼戻しを施した。

【００３１】そして、２５ｍｍ径の丸棒試験片を用い
て、各試験片の表面硬さを測定すると共に、透過型電子
顕微鏡（１万倍）によって各試験片の表層部組織を観察
し、クロム窒化物のサイズおよびその分散状態を調査し
た。

【００３２】この結果を各試験片の表面部（表面下１０
〜５０μｍ）における炭素量，窒素量、および各温度域
におけるワーク表層部の冷却速度と共に表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】さらに、７０ｍｍ径×１０ｍｍ厚さの摩擦
摩耗試験片を用いて、図２に示す要領のピンオンディス
ク型摩擦摩耗試験を行い各試験片の耐摩耗性を比較調査
した。この結果を図３に示す。

【００３５】なお、上記ピンオンディスク型摩擦摩耗試
験は、回転する円盤試験片Ｓに、ピン型相手材Ｐを押付
け、所定時間経過後（所定摺動距離）の最大摩耗深さを
もって耐摩耗性を評価するものであって、この実施例に
おいては、ピン型相手材Ｐとして、ＪＩＳ Ｇ ４４０
１（炭素工具鋼材）に規定されるＳＫ３鋼からなる径８
ｍｍ、先端部曲率半径１００ｍｍのものを使用すると共
に、ピンＰの接触圧力１５０ＭＰａ、摺動速度０．２８
ｍ／ｓｅｃ、摺動距離２４０００ｍ（約２４時間）の試
験条件を採用し、潤滑油としてオートマチックトランス
ミッション用オイルを使用した。また、最大摩耗深さの
測定には触針式粗さ計を用いた。

【００３６】これらの結果、ワーク表面部の総窒素量が
０．３％以上となる浸炭窒化処理を行ったのち、１６０
℃のソルト焼入を行うことによって、ワーク表層部にお
ける８００℃から６００℃までの冷却速度が毎秒１１０
℃以上となり、５００℃から４００℃までの冷却速度が
１００℃以下となる焼入を行った発明例ＡないしＤにお
いては、ＨＲＣ６１前後の表面硬さが得られると共に、
微細なＣｒＮが多数分散して析出しており、摩擦摩耗試
験における最大摩耗深さも４μｍ以下であって、良好な
耐摩耗性を示すことが確認された。

【００３７】これに対し、８００℃から６００℃までの
高温域における冷却速度が遅く、逆に５００℃から４０
０℃までの冷却速度が比較的早い比較例ＥおよびＦ、さ
らに窒化量の少ない比較例ＧおよびＨにおいては、浸炭
量が比較的多いこともあって、上記発明例ＡないしＤと
ほとんど変わらない表面硬さが得られたものの、少数の
粗大なＣｒＮが生成され、耐摩耗性が劣化することが明
らかとなった。さらに、ほとんど窒化が行われていない
比較例Ｉにおいては、浸炭量が多い関係上、比較的高い
表面硬さが得られたものの、ＣｒＮの生成が認められ
ず、耐摩耗性が極めて低くなることが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法の実施例にお
いて採用した浸炭窒化処理条件を示すグラフである。

【図２】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法の実施例にお
いて耐摩耗性の評価方法として採用したピンオンディス
ク型摩擦摩耗試験要領を示す概略説明図である。

【図３】本発明に係わる浸炭窒化焼入方法の実施例にお
ける摩擦摩耗試験結果を示すグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｒを含有するはだ焼鋼からなるワーク
   に浸炭窒化焼入処理を施すに際して、 ワーク表面下１０μｍから５０μｍの部位における総窒
   素量が０．３％以上となる浸炭窒化処理を施したのち、 ワーク表面下２００μｍまでの部位における８００℃か
   ら６００℃までの冷却速度が毎秒１１０℃以上、５００
   ℃から４００℃までの冷却速度がマルテンサイト変態す
   る臨界冷却速度を超えかつ毎秒１００℃以下となる焼入
   処理を施すことを特徴とする浸炭窒化焼入方法。
2. 【請求項２】 ワークが転動部品であることを特徴とす
   る請求項１記載の浸炭窒化焼入方法。
3. 【請求項３】 表面下１０μｍから５０μｍの部位にお
   ける総窒素量が０．３％以上である浸炭窒化焼入組織を
   有し、表面下２００μｍまでの部位におけるクロム窒化
   物のサイズが０．０６μｍ以下であることを特徴とする
   転動部品。