JPS6233756A - 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、鋼部材の表面処理に関し、特に鋼部材を浸炭
処理しその後窒化処理して鋼部材を表面硬化させ、疲労
強度を高める方法に関する。

（従来技術） 従来から、鋼部材の表面硬化を行う方法として浸炭処理
しただのち窒素を部材中に浸入させる浸窒化処理を施し
、その後焼入することが知られている。この窒化処理の
窒素は鋼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、
ショ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ルテンサイト化するので、
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
。

（解決すべき問題点） 上記窒化処理において、部材中に残留オーステナイト組
織を多量に生成させるためには、多量の窒素を添加すれ
ば良いが、鋼部材中の窒素中が増えると鋼部材中のＣｒ
が窒素と結合してＣｒＮを生成し焼き入れ性の悪い異常
組織（トルスタイト）が増加し、却って疲労強度が低下
するという問題がある。しかし、従来においてはこの異
常組織の発生原因が解明されておらず、従って異常組織
を低減するための有効な浸炭窒化処理条件を設定するこ
とができなかった。その結果、従来においては、浸炭処
理及び窒化処理によって十分に疲労強度を向上させるこ
とができなかったものである。

（上記問題を解決するための手段） 本発明者らの知見によれば、窒化処理による異常組織の
発生は、鋼部材中に生じる窒化物の量に応じて増大する
。そして、この窒化物の量は、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。

本発明は、上記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、十
分に鋼部材の疲労強度を高めることができる浸炭窒化処
理方法を与えることを目的てしている。

本発明の浸炭窒化処理方法は、鋼部材を浸炭処理し、そ
の後窒化処理を行う方法であって、該窒化処理工程にお
いて浸窒化するための窒素ポテンシャルを工程初期より
も工程終期において高めるようにしたことを特徴とする
。

本発明によれば、鋼部材は好ましくは約り００℃〜約９
３０℃の温度で約２時間〜約４時間かけて浸炭処理され
る。また、本発明を適用することができる鋼部材として
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０．０７ｍｍ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。このようにして（尋られる窒化処理
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、ＮＨ。

ガスから添加することができ、キャリアガスとしてＲＸ
ガスを用いることができる。ＲＸガスは例えば、ＣＤ　
２４％、１１□　３．０％、ＣＯ□　０．２％、Ｃ１ｌ
。

０．０４％、）１２０　０．４％、残部Ｎ２のような組
織を有する。本発明によれば、雰囲気ガス中における浸
窒化されるべき窒素量すなわち、窒素ポテンシャルは、
浸窒化処理工程の初期から終期にかけて増大するように
制御される。これを達成するために、ＮＨ，ガス量を工
程終期にかけて徐々に増大させるようにしてもよいし、
窒化処理温度を下げて分解ＮＨ３量を減少させ、残留Ｎ
Ｈａ　量を増大させるようにすることもできる。さらに
、これらの操作を組合わせても良い。また、窒素ポテン
シャルは、段階的に増大させるようにしてもよいし、連
続的に増大させるようにしてもよい。この場合工程終期
における窒素ポテンシャルは初期の２倍以上になってい
ることが望ましい。以上のような浸炭窒化処理及びその
後の焼き入れ処理によって得られた鋼部材において、部
材の焼き入れ層における残留オーステナイト組織の割合
は、３０〜４０％程度が望ましい。その後、この残留オ
ーステナイト組織は、ショットピーニング等の処理によ
って加工誘起変態が生じてマルテンサイト化する。

（本発明の効果） 本発明によれば、上述のように窒素ポテンシャルが浸窒
化処理工程の初期から終期にかけて増大する結果、浸入
窒素濃度は、部材表面から内部に向って急勾配となり、
表面付近では、濃度が高いが、浸窒深さは比較的小さく
抑えることができる。

本発明のような浸炭窒化処理を行う鋼部材においては、
浸炭処理の際に、鋼部材中の合金要素が雰囲気中の微量
の酸素と結合することによるＣｒなどの酸化物層が部材
表面部分に生成しており、この結果、表面付近に高濃度
の浸入窒素が存在しても窒化物の生成は、抑えられ、異
常組織の発生が抑制される。また、この浸入窒素の高濃
度領域は、上記酸化物層の領域とほぼ一致するので、酸
化物層よりも内部における、異常組織の発生も極力抑え
ることができる。従って、本発明によれば、全体として
、異常組織の発生を抑えつつ、有効に浸窒化を行うこと
ができ、これによって、部材の焼き入れ層における所望
量の安定した残留オーステナイト組織を得ることができ
るものである。この結果、その後のショットピーニング
等の処理によって有効に、鋼部材の疲労強度を向上させ
ることができる。

（実施例の説明） 以下、本発明を材質ＳＣＭ４２０のセカンダリシャフト
ギヤを製造する場合、材質ＳＣｒ　４２０のメインドラ
イブギヤを製造する場合に適用した例について説明する
。

実施例Ｉ ＳＣＭ４２０を用いてセカンダリギヤを製造するに当た
り、まず、この部品を浸炭処理した。なお、上記ＳＣＭ
４２０の組成は、ＣＯ，２１重債％、Ｓｉ　　０．２７
重量％、Ｍｎ　　Ｏ，８１重量％、Ｐ　　Ｏ，０１６重
量％、Ｓ　　Ｏ，０１４重量％、Ｃｒ　　１．０２重量
％、Ｍ。

０．１５重量％、残部Ｆｅであった。

浸炭処理条件 浸炭処理温度　　　９２０℃ 浸炭処理時間　　　３時間 窒化処理 浸炭処理を行った後、上記部品の温度を降下させ窒化処
理を行った。本例の浸窒化処理では、処理温度を一定に
保持し、窒素添加ガスの濃度を処理工程の前半と後半と
で段階的に変化させた。

窒化処理条件 窒化処理温度　　　８４５℃ 窒化処理時間　　　２０分 窒素添加ガス　　　Ｎｔｌ。

キャリアガス　　　ＲＸガス ＲＸガスに対するＮＨ３の割合 工程前半　　　　１容量％ 工程後半　　　　３容量％ 次に、上記浸炭窒化処理した部品を焼き入れ処理した。

この結果、表面の焼き入れ層において生じた残留オース
テナイト組織の割合は、３４％であった。

実施例２ 実施例１と同一材質のセカンダリギヤ用部品を実施例１
と同一の条件で浸炭処理した。

窒化処理 浸炭処理を行った後、上記部品の温度を降下させ、窒化
処理を行った。本例の浸窒化処理では、処理温度を一定
に保持し、窒素添加ガスの濃度を浸窒化工程の初期から
終期にかけて連続的に増大させるようにした。

窒化処理条件 窒化処理温度　　　８４５℃ 窒化処理時間　　　２０分 窒素添加ガス　　　ＮＨ。

キャリアガス　　　ＲＸガス ＲＸガスに対するＮＨ３の割合 工程初期　　　　１％ 工程終期　　　　３％ 次に、上記浸炭窒化処理した部品を焼き入れ処理した。

この結果、表面の焼き入れ層において生じた残留オース
テナイト組織の割合は、３７％であった。

比較例１ 実施例１と同一材質のセカンダリギヤ用部品を、実施例
１と同一の条件で浸炭処理した。

窒化処理 浸炭処理を行った後、上記部品の温度を降下させ窒化処
理を行った。本例の浸炭処理では処理温度及び窒素添加
ガスの温度を窒化工程を通じて一定に保持した。

窒化処理条件 窒化処理温度　　　８４５℃ 窒化処理時間　　　２０分 窒素添加ガス　　　ＮＨ３ キャリアガス　　　ＲＸガス Ｎ１１３　のＲＸガスに対する割合　　１％（工程中一
定） 次に、上記浸炭処理した部品を焼き入れ処理した。この
結果、表面の焼き入れ層において生じた残留オーステナ
イト組織の割合は１９％であった。

第１図には、窒素添加ガスとしてＮＨ，を使用した場合
のＮＨ，の濃度と部品の表面焼き入れ層に生じる残留オ
ーステナイト組織の生成割合との関係を示す実験結果が
示されている。この実験では、窒化処理温度は８４５　
℃で一定に保持されるとともに、ＮＨ３濃度を工程初期
から工程終期にかけて連続的に増大するように変化させ
た。この実験結果によれば、工程終期のＮＨ，、の濃度
が工程終期の約２倍以上である場合には、平均ＮＨｊ　
８度が低い場合であっても残留オーステナイト組織が３
０％を越える。

また、第２図には、実施例１．２及び比較例１０部品の
表面部分の浸入窒素分布状態が示されている。実施例１
及び２のものは、窒素濃度勾配が急激で、表面付近では
高濃度であるが、内部に向って急激に低下する。一方、
比較例１のものは、表面付近では、実施例１、及び２の
ものよりも濃度が低いが濃度勾配が緩やかで内部では実
施例１、及び２のものよりも高濃度になっている。第３
図には、実施例１．２及び比較例１の処理によって得ら
れた部品を５％硝酸アルコールにより弱エツチング処理
しその断面組織の顕微鏡写真を示す。

実施例１及び２のものは、表面付近に白い部分が多く、
これは残留オーステナイト組織が形成されていることを
示している。一方、比較例１のものは、表面付近から内
部にわたって一様な組織になっており、実施例１及び２
のような表面付近における白い部分の多い組織を観察す
ることはできない。すなわち、比較例１のものは表面付
近における残留オーステナイト組織の生成が実施例１及
び２のものと比較して少ないことを示している。

実施例３ 材質ＳＣｒ　４２０の部材を用いてメインドライブギヤ
部品を製造するに当たり、まずこの部品を浸炭処理した
。なお、上記ＳＣｒ　４２０の組成は、Ｃ０，２２重量
％、Ｓｉ　０．２４重量％、Ｍｎ　０．８２重量％、Ｐ
　Ｏ，０１９重量％、Ｓ　Ｏ，０１３重量％、Ｃｒ　１
，０３重量％、Ｍｏ　Ｏ，０３重量％、残部Ｆｅで゛あ
った。

浸炭処理条件 浸炭処理温度　　　９３０℃ 浸炭処理時間　　　３時間 浸窒化処理 浸炭処理の後、部品の温度を降下させて浸窒化処理を行
った。本例の浸窒化処理を行うに当たり、窒化処理温度
と雰囲気ガス中の窒素ポテンシャルとの関係を調べた。

この結果を第４図に示す。第１図を参照すれば、窒素添
加ガスをＮＨ，とじた場合において、窒素ポテンシャル
は、温度が低くなる程高くなる傾向を有する。本例の浸
窒化処理では、この知見に基づき、窒化処理温度を工程
初期から工程終期にわたって連続的に低下するように制
御した。

窒化処理条件 窒化処理温度 工程初期　　　　８４０℃ 工程終期　　　　８００℃ 窒化処理時間　　　２０分 窒素添加ガス　　　Ｎｌｌ。

キャリアガス　　　ＲＸガス ＮＨ３のＲＸガスに対する割合　１．５容量％次に、上
記浸炭窒化処理した部品を焼き入れ処理した。この結果
、部品表面の焼き入れ層において生じた残留オーステナ
イト組織の割合は、３１％であった。

比較例２ 実施例３と同一の材質のメインドライブギヤ部品を実施
例３と同一の条件で浸炭処理した。

浸窒化処理 上記浸炭処理を行った後、部品の温度を降下させ、窒化
処理を行った。本例の窒化処理では、処理温度を工程を
通じて一定に保持した。

窒化処理条件 窒化処理温度　　　８２０℃（一定） 窒化処理時間　　　２０分 窒素添加ガス　　　ＮＨ３ キャリアガス　　　ＲＸガス ＲＸガスに対するＮＨ，の割合　１．５容量％次に、上
記浸炭窒化処理した部品を焼き入れ処理した。この結果
、部品表面の焼き入れ層において生じた残留オーステナ
イト組織の割合は１６％であった。

次に、実施例１〜３、比較例１及び２の処理で得られた
部品につき、ショットピーニング処理を行った。

ショットピーニング条件 アークハイト　　　０．４ｍｍ カバレージ　　　　２５０％ 粒子サイズ　　　　ＳＢ６ 次に、上記部品の疲労強度試験を行った。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：２５ｍｍ
のセカイダリシャフトギャとして製造された上記部品を
所定のトルフ負荷を与えた状態で回転し、その破損サイ
クルを測定した。

この結果を第１表に示す。

この結果から、実施例１〜３のものすなわち、残留オー
ステナイト量が３０％を越えるものは、（憂れた疲労強
度を有することがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋼部品の表面焼き入れ層におけるオーステナ
イト組織の生成量と窒素添加ガスの濃度変化との関係を
示すグラフ、第２図は、浸入窒素の分布状態を示すグラ
フ、第３図は、浸炭窒化・処理した鋼部品の断面の金属
組織を示す顕微鏡写真、第４図は、窒素ポテンシャルと
窒化処理温度との関係を示すグラフである。 ・平均ＮＨ３濃度（ＮＯ）＝３°１０ ０平均Ｎ８３濃度（Ｎｏ）＝２０１０ ０平均ＮＨ３濃度（Ｎｏ）＝１°１０ 第２図 表面からの距ｕ（ｒｎｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鋼部材を浸炭処理し、その後窒化処理を行う方法であっ
   て、該窒化処理工程において浸窒化するための窒素ポテ
   ンシャルを工程初期よりも工程終期において高めるよう
   にしたことを特徴とする浸炭窒化処理方法。