JPH10280031A

JPH10280031A - 炭素鋼の浸炭表面硬化方法

Info

Publication number: JPH10280031A
Application number: JP8981597A
Authority: JP
Inventors: Kuniyasu Genma; 国恭源馬; Mamoru Kawakami; 護河上
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】鋼のマルテンサイト変態を起こすことなく表
面硬化を図る。【解決手段】少なくとも表面硬化処理が求められる部
分が低炭素でありかつ鉄よりも炭化物形成傾向の大きい
元素を含む鋼を、Ａ₁ 変態温度未満の温度により浸炭剤
中で加熱処理するようにしている。炭化物形成傾向の大
きい元素としては、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，
Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｈｆのうち少なくとも１種類である
ことが好ましく、加熱温度としては、５００〜６５０℃
が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素鋼の表面だけ
を硬化させる熱処理方法に関する。さらに詳述すると、
本発明は、浸炭処理により表面硬化させる方法の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素鋼の表面だけを硬くする熱処理（表
面硬化法）には、鋼の表面の化学成分を変えて硬化する
化学的表面硬化法として、浸炭によるものが知られてい
る。

【０００３】この浸炭は、通常肌焼き鋼と呼ばれている
低炭素鋼や低合金鋼の表面に、炭素を浸み込ませて表面
だけを高炭素鋼とし、その後にこれを焼き入れして表面
を硬くする熱処理である。炭素を浸み込ませるだけでも
硬くすることはできるが、それだけでは不十分なので焼
き入れ操作を行う。例えば、浸炭方法によっても異なる
が、通常、９００〜９５０℃で加熱して浸炭し、その
後、固体浸炭の場合には９００℃で一次焼き入れ、８０
０℃で二次焼き入れを行い、また液体浸炭やガス浸炭の
場合にはそのまま直焼き入れを行う。そして、焼き入れ
の後、さらに１５０〜２００℃程度で焼きもどしを行っ
ている。また、最近は、１０５０〜１１００℃の高温で
短時間浸炭する高温浸炭法というものもある。

【０００４】いずれの浸炭方法を行う場合においても、
Ａ₁ 変態温度（約７２３℃）からはるかに高い９５０℃
ないし１０００℃付近の高温に加熱して浸炭処理し、そ
の後Ａ₁ 変態温度よりも高温の温度（Ａ₃変態温度以上
３０〜５０℃）から急冷することにより行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た浸炭方法では、鋼をＡ₁ 変態温度よりも遙かに高温
（９００〜９５０℃あるいは１０５０〜１１００℃）に
加熱しなければならないので、鋼はマルテンサイト変態
により著しい体積膨張を生じてしまい、鋼材を加熱した
場合に焼入れ歪みによって寸法誤差が大きくなってしま
う。加えて、マルテンサイト変態により鋼材に焼き割れ
を生ずることがあるので、鋼製品の歩留まりも悪くなっ
てしまう。

【０００６】さらに、浸炭のため９００〜９５０℃ある
いは１０５０〜１１００℃に加熱し、さらにその後にも
一次及び二次の焼き入れあるいは直焼き入れのために９
００℃程度まで加熱し、加えて１５０〜２００℃程度で
焼きもどす必要があるため、加熱処理時間の短縮が難し
い。

【０００７】一方、マルテンサイト変態による体積膨張
を避けるために、表面硬化は要求されているものの焼入
れを行うことができない鋼製品が多数存在しており、こ
れらの鋼製品の表面硬化を促進する必要がある。

【０００８】そこで、本発明は、鋼のマルテンサイト変
態を起こすことなく表面硬化を図ることができる鋼の浸
炭表面硬化方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明者が種々実験・研究した結果、鉄よりも炭化
物形成傾向の大きい元素の鋼への添加と、Ａ₁変態点以
下の温度で炭素を鋼中に拡散浸透させることとが可能で
あることを知見するに至った。

【００１０】元来、純鉄はＡ₁変態温度以下において浸
炭しても、焼き入れ硬化のために有効な浸炭層は形成さ
れない。これは純鉄をＡ₁変態温度以下で浸炭すると、
表面に鉄炭化物であるセメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）層が緻
密に形成され、それが炭素の侵入を阻むためそれ以上浸
炭が進行しなくなるからである。この冶金学上の常識は
合金鋼にも及びＡ₁変態点以下での浸炭を考慮すること
の盲点となっていた。

【００１１】しかしながら、セメンタイトは熱力学的に
はあまり安定ではなく、クロムやモリブデンといった鉄
より炭素との親和力が強い元素が鋼中に共存すれば、そ
れらにより比較的容易に炭素を奪われ鉄を遊離してしま
う。本発明者はかかる事実に基づいて、鉄より炭素との
親和力が強い元素を適当量含有する鋼がＡ₁変態温度以
下の浸炭性雰囲気において加熱されれば、セメンタイト
層が表面に形成されることなく炭素が当該鋼中に侵入す
るということを考えた。

【００１２】そこで、請求項１の鋼の表面硬化方法は、
少なくとも表面硬化が要求される部分が低炭素でありか
つ鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素を含む鋼を、Ａ
₁ 変態温度未満の温度により浸炭剤中で加熱処理するよ
うにしている（以下、本明細書では、これをサブＡ₁変
態浸炭硬化方法と呼ぶ）。ここで、鉄よりも炭化物形成
傾向の大きい元素としては、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔａ，
Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｈｆのうち少なくとも１
種類を含むものであることが好ましい。また、加熱処理
温度は５００〜６５０℃であることが好ましい。なお、
本明細書中では、「少なくとも表面硬化処理が要求され
る部分が低炭素の鋼」とは、炭素量０．２０〜０．３０
％Ｃ以下のいわゆる低炭素鋼の他、炭素量０．３０％Ｃ
を超えても脱炭することにより表面層が炭素量０．１％
Ｃ以下に調整されたものも含む。

【００１３】この場合、浸炭表面硬化処理が求められる
部分が低炭素であるので、浸炭前の鋼では鉄よりも炭化
物形成傾向の大きい元素はほとんど炭化物になっていな
い。このため、浸炭により新たな炭素が多量に鋼の表面
に供給されて、その時初めて鉄よりも炭化物形成傾向の
大きい元素が炭化物となる。したがって、鋼の表面層で
の析出硬化を有効に行うことができる。

【００１４】そこで、Ａ₁ 変態温度未満の温度、特に５
００〜６５０℃に加熱された鉄よりも炭化物形成傾向の
大きい元素を含む鋼は、鉄の結晶の中で鉄よりも炭化物
形成傾向の大きい元素が移動を始め、浸炭剤中の炭素が
鋼の表面で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の周囲
に引き寄せられ、セメンタイトＦｅ₃ Ｃ層を鋼の表面に
形成することなく鋼の表面層に浸透拡散させる。さら
に、鋼の表面層に浸透した炭素が鉄よりも炭化物形成傾
向の大きい元素に結合して炭化物を析出することによ
り、その周囲の鉄の結晶が歪み析出硬化によって鋼の表
面層が硬化する。５００〜６５０℃という温度は、Ａ₁
変態温度を大きく下回る温度であるがちょうど鉄の結晶
の中で金属原子が移動でき始める温度であるため、炭化
物形成能の強い元素が溶けていれば、炭素がその周りに
引きつけられて炭化物として析出する。したがって、鋼
をＡ₁ 変態温度未満の温度で加熱することにより焼入れ
しなくても表面硬化を行うことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の鋼の表面硬化方法
を実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００１６】本発明の炭素鋼の浸炭表面硬化方法は、Ａ
₁ 変態温度未満の温度により浸炭剤中で加熱処理するよ
うにしている。

【００１７】ここで、鉄よりも炭化物形成傾向の大きい
元素としては、特に限定されるものではないが、例えば
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，
Ｈｆ等があり、これらの元素のうち少なくとも１種類を
含んでいれば足りる。また、この鋼は低炭素鋼であり、
炭素量０．１５％Ｃ以下としている。

【００１８】浸炭剤としては、現在実用化されている各
浸炭法で使用されているものの使用が可能である。浸炭
法は、現在、固体浸炭法、液体浸炭法、ガス浸炭法、電
解浸炭法、イオン浸炭法、浮遊流動浸炭法などが実用化
されており、中でもガス浸炭法、イオン浸炭法が最も実
用されている。この従来の浸炭法はあくまでも９００〜
９５０℃程度における浸炭を前提としたものであるが、
その加熱温度さえ変更すれば従来の浸炭装置及び浸炭剤
はそのまま活用できる。例えば、ガス浸炭による場合に
は、浸炭剤として水素−アセチレン雰囲気が使用され
る。そして、この雰囲気中で少なくとも表面硬化処理が
求められる部分が低炭素でありかつ鉄よりも炭化物形成
傾向の大きい元素を含む鋼を加熱し浸炭を行う。勿論、
これには限られず、他の種類のガス浸炭剤を使用したガ
ス浸炭法により浸炭したり、イオン浸炭法や電解浸炭法
や液体浸炭剤を使用した液体浸炭法や固形浸炭剤を使用
した固体浸炭法により浸炭することができる。いずれの
浸炭法によっても浸炭により鋼の表面硬化を図ることが
できるのは勿論である。また、イオン窒化法の窒素の代
わりに一酸化炭素やメタン、アセチレンなどの浸炭剤を
使用することによって、イオン窒化法の装置を使用して
サブＡ₁浸炭変態浸炭硬化方法を実施することも可能で
ある。さらに、電解浸炭法は、従来、９２０℃に安定さ
せて均一に被浸炭部品を加熱することの困難さから、開
発が遅れているが、本発明のサブＡ₁変態浸炭硬化方法
によれば５５０℃程度の比較的低温で安定させれば良い
ので、開発し易い。いずれにしても、煤の発生を伴わず
均一に炭素が鋼材中に浸透するのであればその方法は問
われることがない。

【００１９】ここで、Ｃｒの含有率の比較的高い鋼を表
面硬化する場合は、イオン浸炭法を採用することが好ま
しい。この理由は、Ｃｒの含有率の比較的高い鋼では表
面にＣｒの水和性皮膜や酸化物皮膜や水酸化物皮膜（不
動態）が形成されるので、鋼の耐食耐熱性が向上して鋼
の表面への炭素の浸透が妨げられるが、イオン浸炭法を
採用するとイオンのスパッタ効果によって炭素が鋼の表
面に浸透可能となるからである。

【００２０】そして、加熱温度はＡ₁ 変態温度未満の温
度、好ましくは５００〜６５０℃程度である。５００〜
６５０℃の温度のとき、鋼の鉄の結晶の間で鉄よりも炭
化物形成傾向の大きい元素の原子が移動可能となる。

【００２１】この鋼を５００〜６５０℃程度に加熱する
ことにより、鉄の結晶の中で鉄よりも炭化物形成傾向の
大きい元素の原子が移動を始める。そして、水素−アセ
チレン雰囲気中の炭素は、鋼の表面で鉄よりも炭化物形
成傾向の大きい元素の周囲に引き寄せられる。このた
め、炭素と鉄とが結合して鋼の表面にセメンタイトＦｅ
₃ Ｃ層を緻密に形成することはないので、鋼の表面での
炭素の侵入を阻害することがない。これにより、炭素は
鋼の表面層に浸透拡散することができる。さらに、鋼の
表面層に浸透した炭素が鉄よりも炭化物形成傾向の大き
い元素に結合して炭化物を析出することにより、その周
囲の鉄の結晶が歪み析出硬化によって鋼の表面層が硬化
する。ここで、この鋼は低炭素鋼であるので、浸炭前の
鋼では鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素はほとんど
炭化物になっていない。このため、浸炭により新たな炭
素が多量に鋼の表面に供給されて、その時初めて鉄より
も炭化物形成傾向の大きい元素が炭化物となる。したが
って、鋼の表面層での析出硬化を有効に行うことができ
る。したがって、鋼を５００〜６５０℃程度の温度で加
熱することにより焼入れしなくても表面硬化を行うこと
ができる。

【００２２】例えば、図１に示すように、鉄よりも炭化
物形成傾向の大きい元素を添加したＭＡＣ２４鋼を５５
０，６００，６５０℃で浸炭した場合、いずれの加熱温
度の場合も表面から約０．２ｍｍの深さまで硬さの上昇
が認められた。また、いずれの加熱温度の場合も表面硬
さはＨｖ４００を超えるものとなり、構造用合金鋼であ
る例えばＳＣＭ４４０鋼に焼入れ焼戻しした硬さ（Ｈｖ
３００〜３７０）を超えるものとなった。特に、５５０
℃での加熱の場合は、Ｈｖ５１０程度にまで硬化した。
これは合金工具鋼の熱間金型用鋼である例えばＳＫＤ６
１鋼に焼入れ・焼もどしした硬さ（Ｈｖ５５０）に匹敵
するものとなった。したがって、Ａ₁ 変態温度未満の温
度により浸炭剤中で加熱した鋼材が、Ａ₁ 変態温度を遙
かに超えて９５０℃程度から焼入れされた従来品と同等
以上に表面硬化できることが確認された。

【００２３】反面、表１に示すＳＫＤ６１鋼のように低
炭素鋼の炭素含有量よりも多くの炭素を含む鋼は、その
ままではＡ₁ 変態温度未満で浸炭を行っても表面硬化は
ほとんど見られない。したがって、本発明の鋼の表面硬
化方法は低炭素鋼に特に有効であると言える。しかし、
表２に示すようにＳＫＤ６１鋼であっても表面脱炭を行
うことにより、その後のＡ₁ 変態温度未満での浸炭で大
きな表面硬化が見られる。したがって、低炭素鋼の炭素
含有量よりも多くの炭素を含む鋼であっても、脱炭を経
て浸炭を行うことにより表面硬化できる。要は、表面硬
化処理が求められる部分が低炭素でありかつ鉄よりも炭
化物形成傾向の大きな元素を含む鋼であれば良い。

【００２４】上述した鋼の表面硬化方法によれば、鋼の
加熱温度をＡ₁ 変態温度未満、好ましくは５００〜６５
０℃程度にして焼入れ工程を省いているので、鋼はマル
テンサイト変態を起こさない。このため、鋼はマルテン
サイト変態による著しい体積膨張を起こすことがないの
で、鋼材の寸法精度を向上させることができる。また、
鋼材の焼き割れを防止して歩留まりを良くすることがで
きるので、製造コストを低減することができる。しか
も、従来はマルテンサイト変態による体積膨張を避けて
焼入れを行うことができなかった鋼製品でも表面硬化処
理を行うことができるようになり、表面硬化可能な鋼製
品の範囲を拡大することができる。

【００２５】また、本実施形態の表面硬化方法によれ
ば、鋼の加熱温度をＡ₁ 変態温度未満にできるので、加
熱に必要な時間を短縮して鋼製品の製造時間の短縮化を
図ることができると共に、加熱に必要なエネルギの使用
量を減少させてエネルギコストを削減することができ
る。特に本実施形態の浸炭処理によれば後処理として焼
入れ及び焼戻しを行う必要がないので、従来の浸炭処理
に比べて表面硬化に必要な時間の短縮とエネルギの低減
とを大幅に行うことができる。

【００２６】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。

【００２７】

【実施例】

［実施例１］表１に示す組成のＭＡＣ２４鋼（熱間圧延
材）を水素−アセチレン浸炭性雰囲気中で３時間５５０
℃加熱する、いわゆるサブＡ₁変態浸炭硬化方法を実施
した。

【００２８】［実施例２］表１に示す組成のＭＡＣ２４
鋼（熱間圧延材）を水素−アセチレン浸炭性雰囲気中で
３時間６００℃加熱する、いわゆるサブＡ₁変態浸炭硬
化方法を実施した。した。

【００２９】［実施例３］表１に示す組成のＭＡＣ２４
鋼（熱間圧延材）を水素−アセチレン浸炭性雰囲気中で
３時間６５０℃加熱する、いわゆるサブＡ₁変態浸炭硬
化方法を実施した。した。

【００３０】以上の実施例１から３のサブＡ₁変態浸炭
硬化方法を施した３種類のＭＡＣ２４鋼の表面層のビッ
カース硬さ（荷重は１００ｇｆ）を測定し、その結果を
図１に示した。

【００３１】同図から明らかなように、いずれの加熱温
度の場合も表面から約０．２ｍｍの深さまで硬さの上昇
が認められた。また、いずれの加熱温度の場合も表面硬
さはＨｖ４００を超えるものとなり、構造用合金鋼であ
る例えばＳＣＭ４４０鋼に焼入れ・焼戻しした硬さ（Ｈ
ｖ３００〜３７０）を超えるものとなった。特に、５５
０℃での加熱の場合は、Ｈｖ５１０程度にまで硬化し
た。これは合金工具鋼の熱間金型用鋼である例えばＳＫ
Ｄ６１鋼に焼入れ焼戻しした硬さ（Ｈｖ５５０）に匹敵
するものとなった。したがって、Ａ₁ 変態温度未満で加
熱した鋼材がＡ₁変態温度を超えて焼入れされた従来品
と同等以上に表面硬化できることが確認された。

【００３２】［実施例４］表１に示す組成のＭＡＣ２４
鋼（熱間圧延材）を水素−３％アセチレン雰囲気中で３
時間加熱した。加熱温度は７２３Ｋ（４５０℃）とし
た。この加熱処理を行ったＭＡＣ２４鋼の表面層のマイ
クロビッカース硬さ（荷重は２００ｇｆ）を測定した。
この硬さの値としては１０回の測定値の算術平均値を採
用した。その結果を表１に示す。

【００３３】［比較例１］表１に示す組成のＳＡＣＭ６
４５鋼（熱ならし材）を実施例２と同様に水素−３％ア
セチレン雰囲気中で３時間加熱した。加熱温度は７２３
℃とした。この加熱処理を行ったＳＡＣＭ６４５鋼の表
面層のマイクロビッカース硬さ（荷重は２００ｇｆ）を
測定した。この硬さの値としては１０回の測定値の算術
平均値を採用した。その結果を表１に示す。

【００３４】［比較例２］表１に示す組成のＳＫＤ６１
鋼（焼きなまし材）を実施例２と同様に水素−３％アセ
チレン雰囲気中で３時間加熱した。加熱温度は７２３℃
とした。この加熱処理を行ったＳＫＤ６１鋼の表面層の
マイクロビッカース硬さ（荷重は２００ｇｆ）を測定し
た。この硬さの値としては１０回の測定値の算術平均値
を採用した。その結果を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１に示すように、サブＡ₁変態浸炭硬化
方法を実施した実施例４の鋼は浸炭によって大きく硬化
した。反面、比較例１の鋼は浸炭によって僅かしか硬化
しなかった。硬化が小さい理由は、ＳＡＣＭ６４５鋼は
中炭素鋼で炭素量が０．４６％Ｃであったので、鋼中の
鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素は浸炭前から炭化
物になっていて、加熱及び浸炭によっても炭化物の析出
硬化がほとんど生じなかったためと考えられる。したが
って、この発明の鋼の表面硬化方法を実現するために
は、鋼は低炭素鋼であることが必要であると推測され
る。さらに、比較例２の鋼も浸炭によって僅かしか硬化
しなかった。硬化が小さい理由は、ＳＫＤ６１鋼は中炭
素鋼で炭素量が０．３７％Ｃであったので、比較例１の
ＳＡＣＭ６４５鋼と同様に鋼中の鉄よりも炭化物形成傾
向の大きい元素は浸炭前から炭化物になっていて、加熱
及び浸炭によっても炭化物の析出硬化がほとんど生じな
かったためと考えられる。また、比較例１のＳＡＣＭ６
４５鋼よりは炭素量が少ないので硬化の程度が大きくな
った。

【００３７】［実施例５］ＳＫＤ６１鋼を９５０℃の湿
潤水素中に４時間載置して表面脱炭を行った。そして、
脱炭後の表面硬さを測定した。その後、５５０℃で３時
間加熱した後焼き戻し（テンパー）たものと、５５０℃
３時間で本発明のサブＡ₁変態浸炭硬化方法を行ったも
のとの２種類の鋼を得た。これらの鋼の表面硬さを測定
した。その結果を表２に示す。

【００３８】［実施例６］ＳＫＤ６１鋼を１０５０℃の
湿潤水素中に４時間載置して表面脱炭を行った。そし
て、脱炭後の表面硬さを測定した。その後、５５０℃で
３時間加熱した後焼き戻し（テンパー）たものと、５５
０℃３時間で本発明のサブＡ₁変態浸炭硬化方法を行っ
たものとの２種類の鋼を得た。これらの鋼の表面硬さを
測定した。その結果を表２に示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】表２に明らかなように、ＳＫＤ６１鋼は極
めて焼入れされ易い鋼であり、脱炭のままでもかなりの
硬さとなった。また、脱炭後のＳＫＤ６１鋼に焼き戻し
を行っても、ある程度硬さを増すことができた。しか
し、本発明のサブＡ₁変態浸硬化方法によって浸炭を行
ったものの方が遙かに高い硬さを得ることができた。こ
れは、ＳＫＤ６１鋼の内部で炭化物となっていた鉄より
も炭化物形成傾向の大きい元素が脱炭により金属原子と
して鉄の中に溶け込んだ状態になり、その後の浸炭によ
り炭素が鋼の表面から供給されたため再び炭化物が生じ
て析出硬化が起こったことによるものと考えられる。し
たがって、本発明の鋼の表面硬化方法は低炭素鋼に特に
有効であることが確認された。また、低炭素鋼の炭素含
有量よりも多くの炭素を含む鋼であっても、脱炭を経て
浸炭を行うことにより表面硬化できることが判明した。

【００４１】［実施例７］試験片として図２に示す円盤
形状のＳＫＤ６１鋼１を用意した。このＳＫＤ６１鋼１
は、直径がＷ＝２２ｍｍで中心から７ｍｍ離れた点を中
心にＳ部分が設けられている。このＳ部分は、図３に示
すようにＳＫＤ６１鋼１を流通路２中に設置したときに
流通路２の中心部分に相当する位置とされている。そし
て、Ｓ部分は、ＳＫＤ６１鋼１の径方向の長さが４ｍｍ
であると共に、径方向に垂直な方向の長さが１２ｍｍで
その両端部は半円形状とされている。

【００４２】このＳＫＤ６１鋼１を１０６０℃の水素中
に８０分間載置して溶体化を行った。その後、この鋼１
を８８５℃の湿潤水素中に１６時間載置して表面脱炭を
行った。そして、脱炭後の表面硬さを測定した。その結
果、表面硬さＨｖ２１２であった。

【００４３】その後、図３に示すように浸炭ガスの流通
路２とその内部の鋼１の保持部３とを備えた装置を用い
て、５５０℃の水素−アセチレン雰囲気中を鋼１の片側
面に６時間吹き付けて浸炭を行った。ここで、浸炭ガス
の流通路２の高さはＳＫＤ６１鋼の直径の２倍弱であっ
たので、ＳＫＤ６１鋼の上部のＳ部分が流通路２の高さ
方向の中央部に相当した。このため、浸炭ガスはＳ部分
に最も大きな流速で吹き付けた。そして、この鋼１の表
面硬さを測定した。ＳＫＤ６１鋼１の縦方向の直径Ｗ上
で１ｍｍごとに硬さを測定した結果を表３に示し、ＳＫ
Ｄ６１鋼のＳ部分でランダムな位置で硬さを測定した結
果を表４に示す。

【００４４】表３，４に示すように、いずれの位置でも
浸炭前の硬さ（Ｈｖ２１２）よりも遙かに大きくなっ
た。特に表４に示すようにＳ部分の中では浸炭前の約３
倍の硬さになった部分もあった。したがって、本発明の
鋼の表面硬化方法は低炭素鋼に特に有効であると共に、
低炭素鋼の炭素含有量よりも多くの炭素を含む鋼であっ
ても脱炭を経て浸炭を行うことにより表面硬化できるこ
とが確認された。

【００４５】

【表３】

【００４６】

【表４】

【００４７】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１の炭素鋼の浸炭表面硬化方法は、少なくとも表面硬化
処理が求められる部分が低炭素でありかつ鉄よりも炭化
物形成傾向の大きい元素を含む鋼をＡ₁ 変態温度未満の
温度により浸炭剤中で加熱処理するようにしているの
で、鉄の結晶の中で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元
素の原子が移動すると共に、浸炭剤中の炭素が鋼の表面
で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の周囲に引き寄
せられて、炭素は鉄と結合することなく鋼の表面層に浸
透拡散し、その部分だけを析出硬化原理に基づき硬化さ
せる。しかも、その表面硬化は、焼入れをしなくとも、
Ａ₁変態温度よりも遙かに高い温度（９５０℃）で行う
従来の浸炭法と同等以上の硬度が得られる。

【００４８】したがって、炭素鋼はＡ₁変態温度以上に
加熱されることがなく、マルテンサイト変態を起こさな
い。このため、鋼はマルテンサイト変態による著しい体
積膨張を起こすことがないので、鋼材の寸法精度を向上
させることができる。また、鋼材の焼き割れを防止して
歩留まりを良くすることができるので、製造コストを低
減することができる。しかも、従来はマルテンサイト変
態による体積膨張を避け焼入れを行うことができなかっ
た鋼製品でも表面硬化処理を行うことができるようにな
り、表面硬化可能な鋼製品の範囲を拡大することができ
る。

【００４９】また、本発明の表面硬化方法によれば、炭
素鋼の加熱温度はＡ₁ 変態温度未満であるので、加熱に
必要な時間を短縮して鋼製品の製造時間の短縮化を図る
ことができると共に、加熱に必要なエネルギの使用量を
減少させてエネルギコストを削減することができる。し
かも、このサブＡ₁変態浸炭硬化処理によれば、後処理
として焼入れ及び焼戻しを行う必要がないので、従来の
浸炭処理に比べて表面硬化に必要な時間の短縮とエネル
ギの低減とを大幅に行うことができる。特に、５００〜
６５０℃で加熱処理を行う場合には、Ａ₁変態温度を大
きく下回る温度であってもちょうど鉄の結晶の中で金属
原子が移動でき始める温度であるため、炭化物形成能の
強い元素が溶けていれば、炭素がその周りに引きつけら
れて炭化物として析出することができる。即ち、最も少
ない加熱量で所望の表面硬化を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鋼の表面硬化方法の実施例１により得
られたＭＡＣ２４鋼の表面深さと硬さとの関係を示す図
である。

【図２】実施例５に使用したＳＫＤ６１鋼の試験片を示
す斜視図である。

【図３】実施例５で使用した実験装置を示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１ＳＫＤ６１鋼の試験片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも表面硬化が要求される部分が
低炭素でありかつ鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素
を含む鋼を、Ａ₁ 変態温度未満の温度により浸炭剤中で
加熱処理することを特徴とする炭素鋼の浸炭表面硬化方
法。
【請求項２】前記加熱処理温度は５００〜６５０℃で
あることを特徴とする請求項１記載の炭素鋼の浸炭表面
硬化方法。