JPS61104066A - 鋼材部品のガス浸炭焼入方法 - 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〉 本発明はＭｎ、Ｃｒ等を含有する鋼材部品のガス浸炭焼
入方法に関するものである。

〈従来技術〉 肌焼き鋼等のＭｎ、Ｃｒ等を含有する鋼材をガス浸炭す
る方法は、ガス浸炭時に用いる浸炭ガスによって、下記
の２種類に大別される。すなわら、プロパン、メタンな
どの炭化水素系ガスを変成して、この変成ガスを使用す
る変成ガス方式、あろいは低吸アルコ　ル、低吸脂肪酸
」−、スフ゛ルなとの液状の有機剤を熱分解させ、この
変成カスを使用Ｖる滴注式方式などの浸炭性ガスを使用
オる方法と、プロパン、メタン等の炭化水素系カス中休
あるいはＮ、ガスと炭化水素系ガスの混合ガスを炉内に
供給し、この炭化水素系ガスの熱分解を＋１１用する方
法とである。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、浸炭性ガスを使用Ａ−ろ方法でのガス浸
炭は、主として、 ２　Ｇ　Ｏ＝　（Ｃ）　＋　ＣＯｔ・・・−・（１）か
らなる鋼表面での熱分解反応により起ごろか、この際、
鋼材部品に含まれるＣｒ、Ｍｎ、Ｓｉなどの合金元素Ｃ
Ｍ）は酸素と親和性か強いため、Ｇｏ　　＋ＣＭ）→（
Ｍ）Ｏ＋Ｃ・・・　・・・（２）ＣＯ，ｔ＋　（、Ｍ　
）、　−（Ｍ　）　Ｏ＋　ＣＯ・（３）の反応のうち、
いづれかで選択酸化される。この選択酸化は鋼材表面お
よび結晶粒界に沿−・て起こり、その結果、鋼材表面お
よび内部Ｔ１）、界にＣｒ。

Ｍｎ等の合金元素が濃縮するととしに、マトリックスで
の濃度の低トが起きる。そのため、浸炭処理した後に、
焼入処理を施すと、不完全焼入組繊（トルースタイト）
をもつ異常浸炭層が発生し、表面硬さ、疲労強度、衝撃
値を低下させるという問題がある。

一方、真空浸炭などの炭化水素系ガスの熱分解を利用す
る方法では、浸炭ガスにＣＯ，ＣＯｌなどが含まれない
ため、前記異常浸炭層あるいは選択酸化（粒界酸化物）
の問題はほとんとないか、表面炭素量は過剰浸炭を行っ
て、そのあと拡散により調整する。

したがって、処理材表面形状により浸炭層の拡散の状況
が異なり、凸部の表面炭素量は高く、四部のそれは低く
なる傾向を存し、浸炭層の均一性に問題があるばかりか
、生産性が低く設備費が高いという問題がある。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、吸熱型変成ガス等の浸炭性ガスを使用するガ
ス浸炭法における前記選択酸化物（粒界酸化層）か、前
記（２）式および（３）式の反応により形成され、まノ
ニ１１（１記（２）式、（３）式・ご５）解・（・３と
、 ＧＯ＝（Ｃ）士、Ｉ／２０．−　　　・　（４）ＧＯ２
＝ＣＯＪｌ／２０．−−−−（５）ＣＭ）＋１／２０．
＝（’Ｍ）０　・・（６）となることにより、ｌ１ｉｉ
記選択酸化物か浸炭雰囲気中の微量酸素に起因４°るこ
とに古［１し、Ｍｎ、Ｃｒ等を含有する鋼材部品を雰囲
気中でガス浸炭処理したのち、前記処理時に生しろ粒界
酸化物に対して還元領域の高温雰囲気下で所定時間保持
して、０７ｊ記粒界酸化物を還元処理し、その後、焼入
処理を行っよっにした。

〈実施例ン 一）ぎに、本発明を図面にしたがって説明する。

本発明は、鋼材部品を浸炭性ガス中で浸炭処理する際に
必然的に形成される粒界酸化物を、焼入処理以前に、０
７分圧等により管理される前記酸化物に対して還元領域
の高温雰囲気中で所定時間保持することにより、浸炭性
カス中での浸炭処理　　　　　　　　　　　　　Ｃに乙
かかイつらず、粒界酸化物の少ない浸炭焼入鋼材部品を
得ようと４“るものである。

まず、本発明の基礎となす考え力に一ノいて、第１図を
参照して説明する。第１図は、鋼の主要合金成分の平衡
０１分圧を純金属として計算して図示したしので、例え
ば、温度が８５０℃、Ｏ３分圧り月０−”ａｔｍのとき
、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉは酸化領域′にあり、Ｍｏ、　Ｆ　
ｅは還元領域にあることを示す。

なお、図中の実線Ａは浸炭期の炭素ボテンンヤル値を０
９としたときの炉内Ｏ７分圧を示すものである。

第１図に示すように、炭素ボテンノヤル値を０．９とし
て浸炭処理すると、合金元素であるＣｒ。

Ｍｎ、Ｓｉは、酸化領域にさらされることになり、それ
ぞれＣｒｙＯｚ、ＭｎＯ，ＳｉＯ，などの酸化物として
、鋼材表面および結晶粒界部に形成される。

したがって、前記酸化物による粒界酸化層を軽減するに
は、浸炭後の焼入性に影響する合金元素がＣｒ、Ｍｎで
あることにより、焼入処理前に、前記粒界酸化物を還元
処理すればよく、しかもＭｎの還元領域はＣｒの還元領
域であることによりＭｎ酸化物を還几処理４イ１ば、〔
ユ「酸化物乙ぶル処理されろことがわかる、。

そこで、鋼中のＭｎについて考察すると、Ｍｎは、炉内
酸素と ２Ｍｎ＋Ｏｔ＝２ＭｎＯ−・・・・（７）から、なる反
応により酸化される乙のである。換言すれば、Ｍ−ｎ酸
化物は、第１図に示すようにＯ２の量により還元されろ
ことになる。この還元領域を呈するａｌｌは、前記（７
）式の平衡Ｏ３分圧の関係を示す下記（８）式により、
理論的に求めることができる。

Ｐｏ、−０ＡＦＴ／１．９８７Ｔ　　、、、、・、（８
）ただし、ΔＦ　Ｔ　＋（７）式に関する自由エネルギ
（ｃａｔ／ｍｏｌ） Ｔ：絶対温度（０Ｋ） ケなわち、浸炭性ガス中で処理した鋼材部品に形成され
る粒界酸化物は、浸炭処理後、ｌ’＋ｉｉ記粒界酸化物
に対して還元領域の雰囲気中に所定時間保持すれば、前
ν粒界酸化物は還元され、その結果、粒界酸化層は軽減
される二とになる。

また、前記（８）式により求められた（−＋（にＪ、Ｉ
；−ｊき、Ｍｎ酸化物に対して実質的に還元領域となる
Ｏ２分圧値は、炉内を真空排気装置により排気する方法
あるいは、高純度のＮ、ガスあるいはＡ「ガス等の不活
性ガスを連続的に炉内に供給する方法などにより容易に
得ることができる。

第２図は、本発明のガス浸炭焼入方法の代表的な熱処理
サイクル図で、鋼材部品を浸炭温度まで加熱昇温し、要
望される浸炭層に対応する炭素ポテンノヤル値に管理さ
れた状態でガス浸炭処理し、引続き、粒界酸化物に対し
て還元領域に維持される雰囲気中で保持し、その後焼入
処理することからなるものである。

つぎに、還元領域の雰囲気を形成する手段として、炉内
を真空排気する方法における本発明の具体的な実施例を
説明する。

第１図中の破線は、炉内の真空度と炉内０１分圧との関
係を（１）式と（３）式により計算して図示したもので
、例えば、炉内の真空度を５ＸＩＯ−’Ｔｏｒｒとし、
炉内温度を８６０℃とすれば、炉内ぅ゛７囲気は合金ノ
い÷；てｔ！’、ｌろＣｒ　ｒ　、　Ｎｌ　ｎにス１し
一ζＪコノし１イ１域となることを示す。

なお、必要と４−る炉内Ｏ２分圧値を計算４−るに際し
、（３）式を使用する理由は、（２）式の反応による酸
化力より（３）式の反応による酸化力が強いことによる
。

［実施例１］ 処理Ｒ：Ｓ　Ｃｒ４１５丸棒、Ｓ　Ｃｒ４２０歯車浸炭
処理浸炭塩度、９３０℃ 浸炭期ｃ、ｐ値−１，２、時間−１０５分拡散期、ｃｐ
値−０９、時間−４５分 還元処理：拡散後、Ｉ（１’Ｔｏｒｒの真空下で３０分
保持 焼入処理、浸炭温度（９３０℃）から直接油焼入結果）
ＳＣｒ４１５丸棒、５Ｃｒ４．２０歯車とら粒界酸化層
は５〜１０μであった。

［比較例１］ 実施例１と同一条件で還元処理をしない場合、粒界酸化
層は５Ｃｒ４１５丸棒：１５〜２０ｔ１．５２Ｃｒ４２
０歯車・１５〜２０μであった。　　　　　・［実施例
２］ 処理材、浸炭処理条件は実施例１と同一とし、還元処理
を焼入温度（８５０℃〕までの降温期に同一条件（１０
−’ＴｏｒｒＸ　３０分）で行い、その後、油焼入を行
った。その結果、５Ｃｒ４１５丸棒、５−Ｃｒ４２０歯
車とも粒界酸化層は７〜１２μであった。

［比較例２］ 実施例２と同一条件で還元処理をしない場合、粒界酸化
層は５Ｃｒ４１５丸棒：１５−２０μ、５Ｃｒ４２０歯
車：１５〜２５μであった。

［実施例３］ 処理材・５０Ｍ４２０Ｈ丸棒 浸炭処理・浸炭温度：９３０℃ 浸炭期：ｃ、ｐ値−１ｌ、時間＝１２０分還元処理浸炭
期後、５　ｘ　ｌ　Ｏ−”Ｔｏｒｒの真空下で３０分保
持しく拡散期）、その後焼 入温度（８５０℃）まで２０分て降温 焼入処理降温後、油焼入 結果）粒界酸化層は５μ以下であった。

Ｌ比較例：３Ｊ 処理材：５０Ｍ４２０Ｈ丸棒 浸炭処理：浸炭温度９３０℃ 浸炭期：ｃ、ｐ値−１１、時間−１０５分拡散期：Ｃ，
ｐ値＝０．９、時間＝４５分焼入処理・拡散後、焼入温
度（８５０℃）に降温し、油焼入 結果）粒界酸化層は１５〜２０μであつｌこ。

前記実施例で示すように、焼入処理前に、浸炭材を該浸
炭材の粒界酸化物に対して還元領域てあ　　　　゛る雰
囲気中に所定時間保持すれば、粒界酸化層が　　　　。

減少していることが確認できた。

また、炉内の真空度は、理論値により・求めた０、分圧
よりやや低くしてテストした結果におい　　。

ても同様の効果を得る二とができた。これは、鋼中に１
％程度含有するＭｎに関しては、理論値よりも高い酸素
分圧で平衡する乙のと考えられる。

そして、還元処理条件の保持を、８５０℃×１時間、８
５０℃×２時間、９３０℃×１時間、９３０°ＣＸ２時
間と変更して実施したところ、はぼ１ｊ；１記実施例と
同　の傾向か認められ、−か、同　Ｌ’Ｌ空度であれば
、温度の高い方かより粒界酸化層か軽減されていた。

さらに、粒界酸化物の還元処理は、拡散期工程の後半あ
るいは、降温保涛後に行っても同様の効果が得ることが
判明した。

すなわち、浸炭処理後、焼入温度まで降温させる場合は
、降温保持工程時に、また、浸炭処理後、直ちに焼入処
理する場合は拡散期の後半において、還元処理を行うも
のである。また、焼入処理は、油焼入処理に限らず、ガ
ス焼入処理であってらよい。さらに、還元領域の雰囲気
を形成させる手段としては、高純度のＮ、ガスあるいは
Ａ「ガス等の０、を含まない雰囲気ガスを供給してもよ
いか、真空排気方式を採用すれば、炉内の０７分圧と真
空度の関係に基づき、容易に炉内雰囲気を管理すること
かできる。

〈発明の効果〉 以上説明で明らかなように、本発明によれば、吸熱型ガ
ス等の浸炭性ガスによる浸炭処理工程のまたに、拉゛ノ
ー酸化物にλ１ヒご題・しａｒｌ域Ｌノし・・商・＋ｎ
ｔ　’：＞囲気中て、浸炭処理を所定時間保持して、焼
入処理するので、浸炭処理時に形成されｆ二Ｆｉ界酸化
層か軽減でき、それたけ疲労強変を向上さ仕ろことかて
き、また、粒界酸化層の軽減によ０後１ｒＩｉてあろ／
ヨツト処理を省略することらｉｊｆ能となるっ

【図面の簡単な説明】

第１図は、浸炭時の合金元素の酸化　還元特性を示す図
で、第２図は本発明のガス浸炭焼入方法の熱処理サイク
ル図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｍｎ、Ｃｒ等を含有する鋼材部品を浸炭性ガス雰
   囲気中で浸炭処理したのち、浸炭時に形成する粒界酸化
   物に対して還元領域の高温雰囲気中で所定時間保持して
   前記粒界酸化物を還元し、その後、焼入処理を行うこと
   を特徴とするＭｎ、Ｃｒ等を含有する鋼材部品のガス浸
   炭焼入方法。