JPS6233755A - クロム含有鋼部材の浸炭窒化処理方法 - 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、クロム含有鋼部材の表面処理に関し、特、に
、クロム含有鋼部材を浸炭し、窒化することにより、表
面を硬化させる方法に関する。

（従来技術） 従来から、鋼部材を浸炭処理し、これを焼き入れして表
面硬化を行うことが知られている。しかし、浸炭処理を
行う場合、鋼部材中のＣ「、ｌ＋Ｉｎ、Ｓｉ等の合金要
秦が雰囲気中の微量の酸素と結合して、酸化物が生成し
、この生成した酸化物のために焼き入れ性の悪い異常組
織が鋼部材の表面付近に形成され、このために、鋼部材
の表面硬化を十分に促進することができないといった問
題が生じる。

真空状態で浸炭処理を行えば、この問題を解消すること
ができるが、製造コストの面で現実的ではない。

また、鋼部材の表面硬化を行う方法として窒素を部材中
に浸入させる浸窒化処理が知られている。

この窒素は焼き入れ性を向上させると共にａ部材中に安
定した残留オーステナイト組織を形成させる効果があり
、この残留オーステナイト組織は、ンヨットピーニング
等により、鋼表面に圧縮応力を与えると加工誘起変態に
よりマンテンサイド化するので、これによって部材表面
を硬化させることができ、この結果部材の疲労強度を増
大させることができるものである。この窒化処理を、浸
炭処理と組合せ、浸炭処理の後連続して窒化処理するこ
とも知られている。窒化処理は、焼き入れ性の悪い炭禦
鋼に対しては、有効に用いることができるものであるが
、合金鋼においては、窒化処理の際に鋼部材中に、焼き
入れ性の悪い異常組織（トルスタイト）が形成されるた
め、十分な疲労強度増大効果を得ることができず、その
結果、窒化処理は、合金鋼に対してはあまり用いられて
いないのが現状である。

この窒化処理における異常組織は、部材中に生じる窒化
物の童に応じて増大する。そしてこの窒化物は、窒化処
理における窒素の濃度、窒化処理温度、処理時間が増大
する程多くなるとともに、部材内部のより深い位置に生
じる傾向がある。

（解決すべき問題点） 上述のように、浸炭処理、窒化処理は、鋼部材の表面硬
化に対して有効に活用し得るものであるが、一方におい
て、焼き入れ性の悪い異常組織の発生要因にもなってお
り、従来では、この異常組織の発生原因が十分に解明さ
れておらず、その結果、浸炭処理及び窒化処理によって
、鋼部材の表面硬化を十分に行うことができず、従って
、所望の疲労強度が１斗られないという問題があった。

また、このような鋼部材の焼き入れ性の低下を補うため
に、焼き入れ性能の良い焼き入れ剤を使用することが考
えられるが、焼き入れ性能の良い焼き入れ剤を用いて焼
き入れを行うと鋼部材製品の熱変形が大きく、仕上げ精
度の面で問題が生じる。

（上記問題を解決するための手段） 本発明は、焼き入れ性の悪い異常組織の発生が合金鋼部
材中に生成される窒化物に起因するという知見に基づい
て構成されたものであって浸窒化処理における異常組織
の生成を極力抑えて合金鋼、特にクロム含有鋼部材に対
して所望の疲労強度を与えることができる浸炭窒化処理
方法を提供することを目的としている。本発明のクロム
含有鋼部材の塗炭窒化処理方法は、クロム含有鋼部材を
浸炭処理し、該浸炭処理工程の際に前記クロム含有鋼部
材内に生じるクロム酸化物の生成深さにおいて半分以上
の深さ部分に窒素含有量か０．１重里％以上となるよう
に浸窒化処理することを特徴とする。本発明によれば、
クロム含有鋼部材は好ましくは約り００℃〜約９３０℃
の温度で約２時間〜約４時間かけて浸炭処理される。本
発明の浸炭処理では必ずしも温度を一定に保持する必要
はない。

また、本発明を適用することができるクロム含有鋼部材
としては、例えばＳＣＭ４２０．５Ｃｒ４２０等が挙げ
られる。上記浸炭処理により、クロム酸化物は、鋼部材
の表面から約０．０７　ｍｍの深さまで生じる。本発明
の浸窒化処理は、上記浸炭処理の後行われるようになっ
ている。この場合、浸炭処理の後再加熱して窒化処理温
度を得ても良いし、浸炭処理温度を利用して窒化処理温
度を確保することもできる。このようにし７て得られる
窒化処理温度は、約り００℃〜約８５０℃が適当である
。この場合の窒化処理時間は約１０分〜約２０分が好ま
しく、処理温度が高い程処理時間は短くなる。また、浸
窒化のための窒素は、Ｎ１１３　ガスから添加すること
ができ、キャリアガスとしてはＲＸガスを用いることが
できる。ＲＸガスは例えば、ＣＤ　２４％、Ｈ２３，Ｑ
％、ＣＯ□　０．２％、ＣＨ。

０．０４％、１１゜００，４％、残部Ｎ２　のような組
成を有する。この窒素含有雰囲気ガス中の窒素の割合、
すなわち窒素ポテンシャルは、約０．３％〜約０．４％
が好ましい。窒素ポテンシャルを高くする程また処理時
間が長い程窒累の浸入深さ、すなわち、有効浸窒深さが
深くなる傾向があり、従って、窒素ポテンシャルが高い
程、浸窒化処理時間は短かくなる。本発明の浸窒化処理
によって得られるクロム含有鋼部材中の窒素含有量は、
浸炭処理工程中に生じたクロム酸化物の生成深さにおい
て半分以上の深さ部分に０．１重量％以上含有するのが
好ましい。窒素含有量が上記生成深さより内部で０．１
重貴％を超える場合には、クロム酸化物生成領域よりも
内部においてクロム窒化物が多く生成され、この結果、
トルスタイト等の異常組織の発生が顕著となるからであ
る。また、クロム酸化物の生成深さにおいて半分の深さ
部分に０．１重量％よりも少ないような場合には窒素含
有蛍が少なすぎるために、十分な硬化性能が得られない
からである。

（本発明の効果） 本発明によれば、浸炭処理工程で不可避的に生じるクロ
ム酸化物の生成範囲内に所望の窒素含を遣を有するよう
に、浸窒化処理を行うようになっている。クロム酸化物
生成領域では、固溶クロムが他の領域よりも少なくなっ
ているのでクロム窒化物の生成量が少なく、従って、異
常組織の形成を抑制することができる。また、クロム酸
化物生成領域よりも深い領域では、浸窒化が極力抑えら
れるので、同様にクロム窒化物の生成が少なく異常組織
の形成を抑えることができる。この結果、本発明によれ
ば、異常組織の発生を有効に抑えつつ焼き入れを通じて
安定した残留オーステナイト組織を形成することができ
るとともに、固溶窒素の存在によって焼き入れ性を向上
させることができる。本発明により、得られた浸炭窒化
処理クロム含有鋼部材は、その後焼き入れ、ショットピ
ーニング等の処理を通して十分な疲労強度を確保するこ
とができる。

（実施例の説明） 以下本発明の実施例につき説明する。

実施例１ セカンダリシャフトギアとして用いるクロム含有鋼部材
ＳＣＭ４２０を下記の条件で浸炭窒化処理した。なお上
記ＳＣＭ４２０の組成は、Ｃ０，２１重量％、Ｓｉ０．
２７重量％、ＭｎＯ，８１重１％、ＰＯ，０１６重量％
、３０．０１４重量％、Ｃｒ１．０２重１％、！、Ｉｏ
０．１５重量％及び残部Ｆｅであった。

処理条件 浸炭処理 浸炭処理温度　　　　９００℃ 浸炭処理時間　　　　４時間 窒化処理 浸炭処理の後温度を降下させて浸窒化処理を行った。

処理条件 窒化処理温度　　　　８３０℃ 窒化処理時間　　　　１５分 窒素添加ガス　　　　Ｎ１１３ キャリアガス　　　　ＲＸガス 窒素ポテンシャル　　０．４％ 比較例１ 実施例１の同様のＳＣＭ４２０のセカンダリギヤ部品を
実施例１と同一の条件で浸炭処理を行った。

窒化処理 実施例１と同様に浸炭処理の後、温度を降下させて浸窒
化処理を行った。

処理条件 窒化処理温度　　　　８３０℃ 窒化処理時間　　　　３分 窒素添加ガス　　　　ＮＨ３ キャリアガス　　　　ＲＸ 窒素ポテンシャル　　０．４％ 比較例２ 実施例１と同じ組成のセカンダリギヤ部品を実施例１と
同一の条件で浸炭処理を行った。

窒化処理 浸炭処理の後、温度を降下させて浸窒化処理を行った。

処理条件 窒化処理温度　　　　８３０℃ 窒化処理時間　　　　７５分 窒素添加ガス　　　　Ｎ）１３ キャリアガス　　　　ＲＸガス 窒素ポテンシャル　　０．４％ 実施例２ メインドライブギアを製造するだめのクロム含有部材Ｓ
Ｃｒ　４２Ｑに対して浸炭窒化処理を行った。

なお上記ＳＣｒ　４２０の組成は、Ｃ０，２２重量％、
Ｓｉ　０．２４　ｆｆｌｆｆｉ％、Ｍｎ０．８２重量％
、Ｐｏ、０１９重蛍％、Ｓ　Ｏ，０１３重量％、Ｃｒ　
１．０３重量％、）Ｊ。

０．０３重最％、及び残部Ｆｅであった。

浸炭処理 処理条件 浸炭処理温度　　　　９３０℃ 浸炭処理時間　　　　２時間 窒化処理 ゛浸炭処理を行った後、温度を降下させ、窒化処理を行
った。

処理条件 窒化処理温度　　　　８１０℃ 窒化処理時間　　　　２０分 窒素添加ガス　　　　Ｎ）＋３ キャリアガス　　　　ＲＸガス 窒素ポテンシャル　　０．３％ 比較例３ 実施例２と同じ部品ＳＣｒ　４２０に対し、実施例２と
同一の条件下で浸炭処理を行った。

窒化処理 浸炭処理の後、温度を降下させて、窒化処理を行った。

処理条件 窒化処理温度　　　　７６０℃ 窒化処理時間　　　　２０分 窒素添加ガス　　　　ＮＨ３ キャリアガス　　　　ＲＸガス 窒素ポテンシャル　　０．３容世％ 比較例４ 実施例２と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０を実施
例２と同様の条件で浸炭処理を行った。

窒化処理 浸炭処理の後、温度を降下させて浸窒化処理を行った。

処理条件 窒化処理温度　　　　８７０℃ 窒化処理時間　　　　２０分 窒素添加ガス　　　　ＮＨ３ キャリアガス　　　　ＲＸガス 窒素ポテンシャル　　０．３容量％ 実施例３ 実施例２と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０を実施
例２と同様の条件で浸炭処理を行った。。

窒化処理 浸炭処理の後、温度を降下させ処理温度８００℃ト処理
時間１０分、その他の条件は、実施例２と同一の条件で
浸窒化処理を行った。

比較例５ 実施例３と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０に対し
、窒化処理時間を３分とした以外はすべて実施例３と同
じ条件で浸窒化処理を行った。

比較例６ 実施例３と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０に対し
、窒化処理時間を６０分とした以外はすべて実施例３と
同じ条件で浸窒化処理を行った。

実施例４ 実施例３と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０に対し
、窒化処理温度８５０℃、処理時間１ｏ分とした以外は
すべて実施例３と同じ条件で浸炭窒化処理を行った。

比較例７ 実施例４と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２Ｑに対し
、窒化処理時間を２分とした以外は、すべて実施例４と
同じ条件で浸炭窒化処理を行った。

比較例８ 実施例４と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０に対し
、窒化処理時間を４０分とした以外はすべて実施例４と
同じ条件で浸炭窒化処理を行った。

実施例５ 実施例４と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２Ｑに対し
、窒化処理温度を８３０℃、窒化処理時間を５分とした
以外は、すべて実施例４と同じ条件で浸炭窒化処理を行
った。

比較例９ 実施例５と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０に対し
、窒化処理温度を７７０℃とした以外は、すべて実施例
５と同じ条件で浸炭窒化処理を行った。

比較例１０ 実施例５と同じクロム含有鋼部品ＳＣｒ　４２０に対し
、窒化処理温度を８９０℃とした以外はすべて実施例５
と同じ条件で浸炭窒化処理した。

上記実施例１〜５、比較例１〜１０の浸炭窒化処理によ
って得られたクロム含有鋼部品の窒素分布を測定し、５
％硝酸アルコールを用いて弱エツチング処理した後断面
組織を観察した。この結果を第１表に示す。なお、実施
例１、比較例１、及びこのものは、浸炭処理を通じて生
じる表面の酸化クロム層の厚さは、０．０７ｎｏｎ、実
施例２〜５、比較例３〜１０のものは酸化クロム層の厚
さが０、０８　ｍｍであった。

また、実力缶例１、比較例１及び２の処理によって１−
）られた部品について窒素の分布状態を調べた。

その結果を第１図に示す。

さらに、実施例１、比較例１及び比較例２の処理によっ
て得られた部品を上記５％硝酸アルコールを用いて弱エ
ツチング処理した場合の断面写真を第２図に示す。

第１表から明らかなように、実施例１〜５のものは、部
品のクロム酸化物の生成領域の最大深さ付近て窒素濃度
が０．１重量％になる。比較例１．３．５．７、及び９
のものは、クロム酸化物の生成領域の比較的浅い位置（
酸化クロム層の中間点以下）で窒素濃度が０．１重世％
以下に低下している。また、比較例２．４．６．８及び
１０のものは、逆に窒素濃度がクロム酸化層の最大深さ
を越える深さにおいて窒素濃度が　０．１重量％になっ
ている。′！５１図の結果は、窒化処理時間を変化させ
た場合の部品内の窒素濃度変化を示したものである。ま
た、第１図には、酸溶性クロム量の変化が深さとの関係
で示されているが、酸溶性クロム量は固溶クロム渚と対
応するものと考えることができ、クロム酸化物が生成し
ている領域では、その分だけ酸溶性クロム量は少なくな
る。従って、第１図において、酸溶性クロム量が変化し
ている領域は、クロム酸化物が生成している領域である
。

この結果から、クロム酸化物の生成最大深さは、表面か
ら０．０７　ｍ＋ｎであることがわかる。一方、窒素濃
度は、実施例１′のものでは、上記クロム酸化物の生成
最深さ付近でほぼ０．１重１％になっているが、比較例
Ｉのものでは、酸化物の最大生成１′ｙｉさに達する前
に０．１重塁％よりもはるかに減少しており、比較例２
のものでは、逆にクロム酸化物の生成範囲を越えた領域
で０．１重量％をはるかに越える窒素濃度がある。第１
表において、エツチング処理後の断面組織を観察した結
、果では、比較例１．３．５．７及び９のものでは、表
面付近に層状、の異常組織が生じていることが観察され
た。

また、比較例２．４．６．８及び１ｏのものでは、部品
のかなり深い部分までネット状の異常組織が生じている
ことが観察された。一方、実施例１〜５のものでは、異
常組織の発生はほとんど見られないが、発生しても極め
て浅い領域で僅かに見られる程度であった。このことは
、第２図の断面写真から７．も明らかであり、比較例１
のものでは、表面付近に多くの黒いすしがあり、異常組
織の発生を示している。また、比較例３のものでは、表
面からかなり深い部分にわたって無数のすしが生じてお
り、異常組織の発生が観察される。これに対して、実施
例１のものでは、上記のようなすしはほとんど見られず
、異常組織はほとんど生じていないことがわかる。第３
図には、上記観察結果が、窒化処理時間と、窒化処理温
度との関係において示されている。第３図において、■
印のものは、窒素ポテンシャルが０．３容量％で処理し
た場合であり、Δ印のものは、窒素ポテンシャルが０．
４容量％で処理した場合を示す。また、全黒色町のもの
は第２図の比較例２に示すようなネット状の異常組織が
観察されたものであり、白ぬき印のものは第２図の比較
例１で示すような層状の異常組織が観察されたものであ
る。そして、半黒色印のものは、上記実施例１〜５で処
理したものであり、異常組織の発生がほとんど見られな
いものである。

第３図に示す結果から窒化処理時閉と、窒化処理温度と
は、第３図の斜線邪の領域から選択するのが望ましいと
いうことが判明する。

次に、実施例１〜５、及び比較例１〜１０の処理によっ
て１辱られたクロム含有鋼部品について焼き入れし、部
品の疲労強度を試験した。この試験では歯車諸元がモジ
ュール：　２．２５、歯数：１７、歯幅：２２ｍｍのメ
インドライブギヤまたは歯車諸元がモジュール：　２．
　Ｏ、歯数：２１、歯幅：２６ｍｍのセカンダリシャフ
トギヤとして製造された上記部品を所定のトルク負荷を
与えた状態で回転し、その破損サイクルを調査した。こ
の結果を第２表に示す。

この結果から、実施例１〜５のものは、比較例１〜１０
のものとの比較において、優れた疲労強度を有すること
がわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、浸窒化処理をした場合におけるクロム含有鋼
部材中の窒素量の分布状態を示すグラフ、第２図は、ク
ロム含有鋼部材の倍率４００倍の断面の金属組織を示す
写真、第３図は、窒化処理時間及び処理温度との間係を
示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. クロム含有鋼部材を浸炭処理し、該浸炭処理工程の際に
   前記クロム含有鋼部材内に生じるクロム酸化物の生成深
   さにおいて半分以上の深さ部分に窒素含有量が０．１重
   量％以上となるように浸窒化処理することを特徴とする
   クロム含有鋼部材の浸炭窒化処理方法。