JPS6184319A - 鋼の表面硬化熱処理方法 - 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、鋼の表面硬化熱処理方法に関し、さらに詳し
くは、従来の浸炭処理より著しく短かい処理時間で浸炭
品より著しく優れた面圧強度を有する歯車や転動部材等
を得るための熱処理方法に関する。

従来の技術 建設機械や自動車などのパワーラインに使用される歯車
や転動部材としては、高い面圧強さと曲げ疲労強度が要
求され、従来一般に浸炭処理したものが使用されている
。しかし、歯車等の浸炭処理には長時間を要し、多量の
エネルギーを消費するため、熱処理コストが高価なもの
となり、また焼入変形も大きい。従って、このような浸
炭処理と比べてより短時間の熱処理によって、浸炭材と
同等あるいはそれ以上の強度が得られ、かつ熱処理変形
が少ない鋼の表面硬化熱処理方法の開発が望まれている
。

本発明者は、上記の点に鑑み、先に浸炭浸窒とオーステ
ンパー処理を組合わせた処理である「鋼の表面硬化熱処
理法」を％願昭５６〜１５４７７２号で提案しており、
またその熱処理に適した鋼として「表面硬化熱処理用中
炭素合金鋼」も提案した。

上記の発明の狙いを簡単に説明すると、まず、中炭素鋼
を３００℃以下でオーステンパー処理し、下部ベイナイ
トとした場合、Ｈｖ５５ｏ〜６５０の硬さが得られる。

このような高い硬さの部材では、さらに表面にごく薄く
硬化層を付与するのみで浸炭部材と同等の強度が得られ
る。このような点を考慮し、上記発明の方法では、中炭
素鋼を浸炭浸窒し、それに引き続き２３０〜３００　’
Ｃの熱浴に投入し、この温度にて、素地部がベイナイト
変態を終了し、かつ表面の浸炭浸窒層がベイナイト変′
Ｍ４を始める前の時間まで保持したのち、冷却するもの
である。この処理により、素地部はＨＶ　　５５０〜６
５０　の下部ベイナイトとなり、表面層はマルテンサイ
トとなシ硬化層が得られる。すなわち、上記処理は、浸
炭浸窒によって炭素、窒素量を高められた表面層と素地
部とのＴＴＴ図におけるベイナイト変態開始ラインのず
れを利用して、鋼の表面層をマルテンサイト素地部を下
部ベイナイトとするものである。

この場合、素地硬さが高いため表面硬化層は薄くしても
よく、従って浸炭浸窒処理時間は著しく短かくすること
ができる。

このように、本発明者の先の発明は、従来の浸炭処理の
時間を大幅に短縮し、エネルギーコストの低減を可能と
するものであった。

上記方法の開発により、所期の目的は達成されたが、高
負荷爾車十転動部材等、特に高転動疲労強度材料におい
ては、さらに高い面圧強度や疲労強度を付与できる表面
硬化熱処理方法の開発が要求される。

発明が解決しようとする問題点 従って、本発明の目的は、前記本発明者の発明に係る「
鋼の表面硬化熱処理法」を改良し、浸炭処理に比べて極
めて短時間の処理によって、極めて高い面圧強度および
疲労強度を被処理部材に付与できる鋼の表面硬化熱処理
方法を提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者は、前記「鋼の表面硬化熱処理法」についてさ
らに鋭意研究の結果、表面層の残部オーステナイトを安
定化させるオースチンバー条件を選ぶことにより血圧強
度が著しく向上することを見い出し、本発明を完成する
に至ったものである。

すなわち、本発明に係る鋼の表面硬化熱処理方法は、Ｃ
０，５０〜０．７０チ、Ｓｉ　　１．５０チ以下、Ｍル
０．４０〜１．３０％、Ｎｉ　　４．０　ＯＳ以下、Ｃ
ｒ　　１．５０％以下、ＡｆｏＯ，’ｌＯ％以下、残部
Ｆｔおよび不純物からなる鋼を８００〜９００℃で浸炭
浸窒したのち、２３０〜３００℃の熱浴に投入してオー
ステンパー処理を施し、素地部が下部ベイナイトに変態
し、かつ表面層に５〜３５体積％の下部ベイナイトを生
ずる時間まで保持した後冷却することにより、表面層を
残留オーステナイト、５〜３５体積％の下部ベイナイト
、およびマルテンサイトの混合組織とし、素地部を下部
ベイナイトとすることを特徴とするものである。

発明の作用 表面の残留オーステナイト量が多いほど面圧強度が上昇
することけ、ＳＡＥ　Ｐαρｇｒ　８２１１０２　　な
どで明らかにされている。また、ベイナイトが生じると
オーステナイトが安定化・し、残留オーステナイト量が
増加することはよく知られている。

本発明者は、表面の浸炭浸窒層にオーステナイト量によ
シ下部ベイナイトを生じさせ、残留オーステナイト量を
増加させる試みを行なった。

その結果、一定量の下部ベイナイトと、該下部ベイナイ
トにより安定化された残留オーステナイトを含む組織が
、予想外の著しく優れた面圧強度を示すことを見い出し
た。

すなわち、本発明に係る表面硬化熱処理方法は、浸炭浸
窒とオーステンパー処理を組合せ、しかも表面層と素地
部のベイナイト変態開始ラインのずれを利用して、上記
オーステンパー処理の条件を、素地部が下部ベイナイト
に変態しかつ表面層がある程度ベイナイト変態をおこし
表面層に５〜３５体積−の下部ベイナイトが生じるよう
に設定するものであり、冷却後の表面層を残留オーステ
ナイト＋５〜３５体積チの下部ベイナイト＋マルテンサ
イトの混合組織とし、下部ベイナイトによる残留オース
テナイトの安定化効果により被処理部材に著しく優れた
面圧強度を付与するものである。

発明の態様 本発明に係る表面硬化熱処理方法について説明すると、
まず被処理鋼を８００〜９００℃の温度で所定時間均熱
したのち浸炭浸窒処理し、鋼の表面層中に炭素と窒素を
浸入させる。この浸炭浸窒処理における加熱は、一般に
吸熱ガス（ＲＸガス）にアンモニアガスを添加した雰囲
気中で行なう。アンモニアガスの添加割合は、鋼の表面
層中の所望の窒素量に応じて変えることができ、通常数
チ添加される。ついで、このように浸炭浸窒処理した鋼
を２３０〜３００℃の熱浴、例えばタルトパス中に焼入
れてオーステンパー処理する。このオーステンパー処理
の時間は、前記したように、素地部が下部ベイナイトと
なり、表面層に５〜３５　ＶＯｌ、チの下部ベイナイト
が生じる時間に設定する。このように設定された時間、
上記温度の熱浴中に鋼を保持してオーステンパー処理し
た後、空冷または水冷すると、表面層には高い表面硬さ
と著しく高い面圧強度を有する残留オーステナイト＋３
５　ＶＯｌ、９Ａの下部ベイナイト＋マルテンサイトの
混合組織が得られ、また素地部にはＨｖ６００　以上の
硬さの下部ベイナイト組織が得られる。

次に、本発明の表面硬化熱処理の条件について説明する
。

浸炭浸窒条件： 本発明の表面硬化熱処理の特徴の一つは、被処理鋼の表
面に多量の残留オーステナイトを与えることである。残
留オーステナイトｍは、合金組織および炭素量と窒素量
の和により足まる。

本発明の狙いとする多量、好１しくは４０　Ｖｏｌ。

チ以上の残留オーステナイト量を得るには、浸炭処理で
は、オーステナイト中の炭素の固溶限による制限から困
難である。従って、炭素と共に窒素を固溶させる浸炭浸
窒処理を行なうことが不可欠となる。

そして、浸炭浸窒処理温度は８００℃以上とする必要が
ある。それは、６００℃以下では素地部が均一な組成の
オーステナイトとならないため、焼入性をそこなうから
である。ま九、９００℃以上では表面窒素量を高めるこ
とができない。従って、浸炭浸窒処理の温度は８００〜
９００℃に限定される。

オーステンパ一温度： オーステンパ一温度が３００℃以上では、生成されるベ
イナイトは上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織
となり、充分な強度が得られない。よって、上限温度は
３００℃となる。

また、下限温度は２３０℃である。その理由は、２３０
℃以下の温度で浸炭浸窒層を５〜３５　ＶＯＩ！。

チベイナイトに変態させるには長時間の保持が必要とな
り、本発明の表面硬化熱処理の狙いの一つである短時間
の処理で高強度部材を得るとｔｑ） いう目的が達成困難となる。

よって、オーステンパ一温度は２３０〜３００℃に限定
される。

オース亨ンバ一時間： 表面の浸炭浸貸層に少量の下部ベイナイトを生じると、
オーステナイトの安定柁現象が起こる。

第１図に、浸炭浸窒層におけるベイナイト量と残留オー
ステナイト量との関係を示す。後述する実施例に示され
るように、表面の浸炭浸窒層に５ＶＯ１，４以上の下部
ベイナイトを生じさせると面圧強度が著しく向上する。

ところが、３５Ｖｏｌ、４以上となると下部ベイナイト
固有の強度の影蕃が現われ、曲げ疲労強度が低下し、歯
車材料としての歯元の曲げ疲労強度に問題が生ずる。

従って、浸炭浸窒層に５〜３５　Ｖｏｌ、−の下部ベイ
ナイトを生じるオーステンパ一時間を選定する必要があ
る。

一方、素地部は８０　Ｖｏｌ、％以上下部ペイナイトに
変態させる必要がある。それは、素地部に２０　ＶＯｌ
、１以上の未変態部が残ると、熱処理歪のバラツキが大
きくなるためである。しかしながら、本願発明の組成範
囲の鋼では、前述の浸炭浸窒層に５〜３５　ＶＯｌ、Ｚ
の下部ベイナイトを生じさせるオーステンパ一時間を選
んだ場合、素地部はｇ　Ｑ　Ｖｏｌ、％以上下部ベイナ
イトに変態するため、浸炭浸窒層の方の条件のみにてオ
ーステンパ一時間は決まる。

浸炭浸窒層に５〜３５　ＶＯｌ、％の下部ベイナイトを
得るオーステンパ一時間としては、下式にによる予測値
を参考にすることができる。

ｔｆｌＸ　（分）≦オーステンパ一時間（分）≦ｔ３５
　Ｘ（分）ｌｏｆ／　ｔ　５　Ｎ　９υ＝　−５，６０
＋０１５９×（翫チ）　＋　０．３８　Ｘ　（Ｎｉ　％
）ｔｏ（ｌ　ｔ３５に扮）　＝ｌ　ｏｗｌ　ｔ　ｓ％扮
）十０２ｇここで、 ’　５　Ｘ　ｅ）　：　５　”４１％ベイナイト化する
時間（分）’３５　％　（分）　ｐ　３５Ｖｏｌ１％　
ヘイナイ）　化ｔ　ル時間Ｃ分）Ｔ（ＯＫ）；オーステ
ンパ一温度（０Ｋ）４０１１　；常用対数 である。但し、上記式による予測値は、表面炭素量α７
０〜＋、ＯＯ％でかつ異面窒素ｉｔｏ、＋５〜０６０チ
の場合で、本発明の鋼の組成範囲内の場合のみ適用でき
る。

残留オーステナイト量： 残留オーステナイト量が多い程面圧強度が優れることは
よく知られている。ところが、後述する実施例１および
第２図から明らかなように、下部ベイナイトを５Ｖｏｌ
、％以上生じさせ、残留オーステナイトを安定化させた
場合、残留オーステナイトの血圧強度への効果は著しく
増大する。そして、第２図から、残留オーステナイト量
が多い程、好ましくは４０　ＶＯｌ、Ｓ以上において、
従来の方法で得られる強度よシも優れたものとなり、本
発明の表面硬化熱処理の狙いとする高面圧強度が得られ
易くなる。従って、残留オーステナイト量は４０　ＶＯ
ｌ、１以上とするのが好ましい。

次に、本発明の表面硬化熱処理を施すのに適する鋼の化
学成分の限定理由について説明する。

Ｃについて： 本発明の処理のオーステンパ一温度は２３０〜３００℃
である。この温度では、炭素量０．５０チ以下では素地
硬さが５５０１１ｖ以下となり、本発明の処理の狙いと
する高い素地硬さが得られない。

一方、炭素量０．７０−以上では、素地部をベイナイト
とするのに長時間のオーステンパー処理を要する。

また、本発明の熱処理の狙いは、浸炭浸窒層と素地部の
ＴＴＴ図上のベイナイト変態開始ラインのずれを利用し
、素地部を８０　ＶＯｌ、’！６以上のベイナイト組織
とし、表面層を５〜３５　ＶＯｌｌ、’１６のベイナイ
ト組織とすることにある。ところが、炭素量が０．７０
チ以上では、浸炭浸窒層と素地部とのＴＩ’Ｔ図上のベ
イナイト変態開始ラインのずれが充分でなく、表面層を
５〜３５　Ｖｏｌ、％のベイナイトとするオーステンパ
一時間では、素地部を８Ｑ　Ｖｏｌ、％以上ベイナイト
化することかできない。

従って、炭素量はα５０〜α７０チに限定される。

Ｓｉについて： Ｓｉは多量に含まれると浸炭性および被剛性を害する＠
従って、１．５０　Ｓ以下に限定される。

Ｍｎについて： Ｍｎは、ベイナイトの強度を高め、また焼入性を高める
のに有効な元素であるが、１．３０９６以上では被剛性
が急激に低下する。一方、α４０％以下では脱酸の効果
が充分でなく、またＳの有害性が生じる。

従って、Ｍｎは０，４０〜１．３０　％に限定されるＯ
Ｎｉについて： Ｎｉは鋼の強度、靭性と焼入性を高めるのに有効な元素
である。しかし、ｔｏｏ　１以上ではその効果は飽和し
、かつ高価なものとなるため、　４．００チ以下に限定
される。

Ｃｒについて： Ｃｒは焼入性を高めるのに有効な元素である。

しかし、１．５０１以上では浸炭浸窒層にムラが生じ易
くなる。従って、１．５０　％以下に限定される。

Ｎｏについて： Ｎｏは焼入性を向上させる効果が大きいが、０，７０チ
以上ではその効果が飽和し、かつ高価なものとなる。従
って０．７０　％以下に限定される。

以上のことから、鋼の組成はＣ０，５０〜α７０％、Ｓ
ｉ　　１．５０’％以下、Ｍｎ　Ｏ，４０〜１．３０％
、Ｎｉ　４．ＯＯ’１６以下、Ｃｒ　　１．５０％以下
、Ｍｏ０．７０’１６以下、残部Ｆｅおよび不純物から
なるものが好適である。

以上の組成の範囲内で、質量に応じた焼入性になるよう
組成を調整することにより、本発明の狙いとする組織が
得られる。

実施例 以下に実施例を示して本発明の効果について具体的に説
明する。

実施例　１（歯車試験による面圧強度）歯車試験による
結果を示す。試験に用いた鋼の組成を下記表−１に示す
。

表−１：本発明の鋼と比較鋼の化学組成Ｎｏ、１．　Ｎ
Ｏ，２，Ｎｏ、３の鋼は、浸炭浸窒を８５０℃Ｘ　ＩＨ
ｒ施したのち、下記表−２に示すオーステンパー処理を
行なった。比較鋼のＳＭＣＭ２２０Ｈ鋼は、９３０℃Ｘ
　６Ｈｒの通常の浸炭を施したものである。

表−２に示す各種試験片（Ａ１〜９、Ｂ１〜６、Ｃ１〜
４）について、以下の条件で歯車試験を行なった。

試験条件 試験機・・・・・・動力循環式歯車試験機面　圧・・・
・・・　１６０ｋｌ？／Ｊ回転数・・・・・・２２０　
Ｏ１７１ｍ潤滑・・・・・・エンジンオイル＃３０．８
０℃、１．２１／ｍ礒歯車・−・・ｙｌ＝４．５、（Ｘ
＝２０’％　Ｂ＝２０、ｚ、＝＋ｂ、Ｚ２＝２４結果を
表−２に示す。表−２には表面の残留オーステナイト量
およびベイナイト量も併せて示す。

以下余白 上記表−２の結果をまとめたものが第２図である。第２
図より、表面層の残留オーステナイト量が４０　ＶＯＩ
ｌ、１以上であっても、ベイナイトを５〜３５　Ｖｏｌ
、チとする本発明の処理は、ベイナイトが５ＶＯ１，Ｓ
以下である条件よりも著しく優れた寿命が得られること
がわかる。

実施例　２（転勤疲労強度） ｐ−ラー試験による転勤疲労試験結果を以下に示す。

供試鋼は、前記表−１に示した組成のＮｏ、Ｊ。

Ｎｏ、　２　鋼およびＳＮＣＭ２２０Ｈである。Ｎｏ、
ｌおよびＮｏ、２　　鋼は、８５０℃×ＩＨｒ　　の浸
炭浸窒処理ののち、オーステンパー処理を行なったもの
である。ＳＮ０Ｍ２２０Ｈは９３０℃Ｘ　６　Ｈｒの浸
炭を施したものである。

試験条件 試験機・・・・・・ローラーピッチング試験面　　圧・
・・・・・　２５０に９／ｄすベタ率・・・・・・−４
０チ 回転数・・・・・・　１ｏｏ０ｒ７）７Ｗ（テスト側）
潤　滑・・・・・・　エンジンオイル＃３０，１．５１
／ｍｔｎ、７０℃試験片・・・・・・テストローラー　
φ２６相手ローラー　　　φｌ３０（クラウニングＲ３
００）試験結果を下記表−３に示す。

表−３：転勤疲労試験結果 上記表−３に示されるように、本発明による処理品の寿
命は著しく優れていることがわかる。

実施例　３（曲げ疲労強度） 回転曲げ疲労試験の結果を表−４に示す。

供試鋼は前記表−１に化学組成を示したＮｏ、ｌ鋼であ
る。処理は、８５０℃Ｘ１Ｈｒの浸炭浸窒処Ｗ（７）（
７）ち、ｉ−４に示すオーステンパ一時間のみ変えて行
なった。

表−４二回転曲げ疲労試験結果 上記表−４より、表面のベイナイト量が３５Ｖｏ１．％
を超えると急激に曲げ疲労強度が低下することがわかる
。従って、表面のベイナイト量の上限は３５　ＶＯｌ、
％とする必要がある。

発明の効果 以上のように１本発明の素面硬化熱処理方法は、浸炭浸
窒とオーステンパー処理とを組合わせたものであるため
、これによシ高い素地硬さと表面硬さが得られ、浸炭浸
窒処理時間を著しく２１） く短かくでき、エネルギーコストの低減を図れるという
基本的効果の他に、さらにオーステンパー処理の条件を
、素地部が下部ベイナイトに変態し、かつ表面層がある
程度ベイナイト変態を起こし光面層に５〜３５　Ｖａｌ
、’１６の下部ベイナイトが生じるように設定し、冷却
後の表面層を残留オーステナイト＋３〜３５　ＶＯｌ、
％の下部ベイナイト＋マルテンサイトの混合組織とする
ものであるため、下部ベイナイトによる残留オーステナ
イトの安定化効果によｐ、被処理材に著しく優れた血圧
強度および疲労強度を付与できるという特有の効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表面硬化熱処理を施した鋼の浸炭浸窒
層におけるベイナイト医と残留オーステナイト量との関
係を示すグラフ、第２図は実施例１における歯車試験に
よるピッチング寿命の結果を示すグラフである。 ベイナイト量Ｉ　Ｖｏ　Ｉ　、　”Ａｌ第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｃ０．５０〜０．７０％、Ｓｉ１．５０％以下、Ｍｎ０
   ．４０〜１．３０％、Ｎｉ４．００％以下、Ｃｒ１．５
   ０％以下、Ｍｏ０．７０％以下、残部Ｆｅおよび不可避
   な不純物からなる鋼を８００〜９００℃で浸炭浸窒した
   のち、２３０〜３００℃の熱浴に投入してオーステンパ
   ー処理を施し、素地部が下部ベイナイトに変態し、かつ
   表面層に５〜３５体積％の下部ベイナイトを生ずる時間
   まで保持した後冷却することにより、表面層を残留オー
   ステナイト、５〜３５体積％の下部ベイナイト、および
   マルテンサイトの混合組織とし、素地部を下部ベイナイ
   トとすることを特徴とする鋼の表面硬化熱処理方法。