JPS63210287A - 鋼部材の浸炭窒化方法 - 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〕 本発明は鋼部材の浸炭窒化方法に関し、特にＣｒ含有の
鋼部材の表面に高硬度層を形成し得るようにした方法に
関するものである。

〔従来技術〕

従来、自動車の変速機用歯車等は一般に焼入れ性向上の
ためＣｒ含有網で製作され、それを浸炭焼入れすること
でその要求特性を満たしてきた。

しかし、近年エンジンの高出力化や変速機の小型軽量化
のため歯元の曲げ疲労破損及び歯面のピッチングや焼付
きが問題となっている。

上記浸炭焼入れは、周知のように鋼部材の表層部の炭素
量を増し焼入れ処理によってその表層部を硬化させる方
法である。

一方、鋼部材の表層部に炭化物を析出させれば耐ピツチ
ング性や耐焼付き性が向上する事は軸受鋼等で広く知ら
れている（炭化物の効果及び表面硬度増加の効果）。そ
こで浸炭硬化層に炭化物を析出させる事が耐ピツチング
性や耐焼き性に有効であると考えられる。

浸炭層に炭化物を析出させる方法として、０．９％以上
の浸炭濃度（Ｃポテンシャル）で浸炭する過剰浸炭法あ
るいは高炭素浸炭法と呼ばれるものがありその考え方は
以下の通りである。

鋼部材を過剰なＣポテンシャルとなるように浸炭処理す
ると表層部の炭素濃度がオーステナイト固溶限以上とな
って炭化物が析出し硬化する。

他方、鋼部材の表層部を硬化させる方法として、従来よ
り一般に窒化処理が採用されている。この窒化処理は鋼
部材を適当な浸窒温度（Ｎポテンシャル）となるように
所定の雰囲気中で加熱することにより微細なＮ化合物を
析出させて表層部を硬化させる方法であり、この窒化処
理に際しては一般に焼入れ処理を施さない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記高炭素浸炭法は鋼中にＣｒ等の炭化物性成元素が存
在すれば容易に実現できるが、表層部の基地中の固溶Ｃ
ｒ量が減少し焼入れ性が低下する。

上記析出した炭化物はＦｅ、、！：Ｃｒ等が複合したセ
メンタイト状の炭化物である。このため、通常歯車等に
使用されるＣｒ含有鋼を油焼入れした場合表層部（炭化
物生成層）の基地が不完全焼入れ組織となり炭化物が存
在しても表面硬度をＨＶ８００以上にする事は困難であ
る。なお、歯車等では熱処理変形の抑制及び内部硬度の
適正化のため急激な冷却能を有する焼入れ剤は使用でき
ない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る鋼部材の浸炭窒化方法は、Ｃｒ含有の鋼部
材を１．０％以上の浸炭濃度となるように浸炭処理し、
次にその鋼部材の表層部の炭化物生成層のめに浸窒処理
を施し、その後上記鋼部材を焼入れ処理するものである
。

本発明の構成についてより具体的に補足説明する。

」１記Ｃｒ含有の鋼部材としては、ＳＣｒ、ＳＣＭ、Ｓ
ＮＣＭなど０．６％以上のＣｒを含有する浸炭焼入れ用
合金鋼が適用対象となる。「作用」の項で後述の如く、
浸炭処理により表層部にＦｅとＣｒの炭化物を生成させ
るためには０．６％以上のＣｒが必要であるが、表層部
以外の芯部の硬さの増加により靭性低下を防ぐためには
、Ｃｒ含有量は２％以下とすることが望ましい。更に、
上記鋼部材のＣ含有量は、焼入れ処理後の芯部硬さを適
正にするため０．０５〜０．２５％とするのが望ましい
。

上記浸炭処理は、１．０％以上の浸炭濃度の高炭素浸炭
処理であり、Ｃｒを含んだ炭化物を析出させるためには
少なくとも１．０％以上の浸炭濃度となるように処理す
る必要があり、浸炭濃度は最大３．０％程度とすること
が望ましい。

上記浸炭処理後浸窒処理を施す際、表層部のＣが芯部へ
拡散して表層部のＣ量が減少するので、浸窒処理と並行
して１．０％以上の浸炭濃度となるように高炭素浸炭処
理も行なう。そして、浸窒処理は０．３〜０．４の浸窒
濃度となるように行なうことが望ましく、浸炭処理によ
って形成された炭化物生成層（約１００μの厚さ部分）
のみに浸窒処理を施すためには温度と処理時間とを適当
に設定すればよい。

（作用〕 本発明に係る鋼部材の浸炭窒化方法の作用は次のとおり
である。

浸炭焼入れにより炭化物を析出させるためには炭化物生
成元素の存在が必要であり、Ｃｒは炭化物生成傾向が大
きいうえ、歯車用材料には焼入性向上元素として一般に
含まれている。

１．０％以上の過剰な浸炭濃度となるように浸炭するの
で、表層部の炭素濃度がオーステナイｌ−固溶限以上と
なってＦｅ、！：Ｃｒの複合炭化物が析出し硬化する。

炭化物生成層のみに浸窒処理を施すことについて説明す
ると、Ｎが過剰の場合には、■Ｎがオーステナイト安定
化元素であるため残留オーステナイトの生成を促し、逆
に表面硬度の低下を招くこと、■炭化物生成層より内部
へ侵入したＮは優先的にＣｒと結合してＣｒＮを生成し
、固溶ＣｒＮは減少するため基地の焼入性が低下するこ
と、などの理由で好ましくない。

ここで炭化物生成層内は固溶Ｃｒｌが少ないためＣｒＮ
が生成されに＜＜、固溶Ｃｒ量が減少していない範囲で
も０．１％Ｎ以下の場合ＣｒＨの生成がわずかである事
から、０．１％Ｎ以上の有効浸窒深さを炭化物生成層内
とする必要がある。なお、有効浸窒深さが炭化物生成層
より著しく浅い場合はＮによる焼入れ性向上効果が十分
でなく好ましくない。

上記のように、浸炭窒化処理後、焼入れ処理を施すと、
鋼部材の表層部はマルテンサイトの基地組織中にＦｅと
Ｃｒの複合炭化物が析出した高硬度（ＨＶ＞８００）の
金属組織となる。

〔発明の効果〕

本発明に係る鋼部材の浸炭窒化方法によれば、以上説明
したように、焼入れ性向上のためのＣｒを含有する鋼部
材に対し、高炭素浸炭処理を施すことにより表層部にＦ
ｅとＣｒの複合炭化物を析出させて高硬度化を図る一方
、表層部の固溶Ｃｒ量の減少により焼入れ性が低下する
のを補うため表層部のみに浸窒処理を施すことにより深
層部の硬度低下を防止しつつ表層部の焼入れ性を向上さ
せるので、最終的に焼入れ処理を施した状態において鋼
部材の表層部はマルテンサイト基地組織中にＦｅとＣｒ
の複合炭化物が析出した）（ｖ８００以上の高硬度層と
なる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面と表を参照しつつ説明する
。

本実施例は、自動車用の変速機のセカンダリシャフトに
浸炭窒化処理を施しその後焼入れ処理する方法の実施例
である。

先ず、第１工程において、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ
４２０）の鋼素材を鍛造成形してから機械加工を施し、
上記セカンダリシャフト（以下、ワークという）を製作
した。

次に、第２工程において、第１図に示すように上記ワー
クを浸炭処理炉に投入し、浸炭濃度つまりＣポテンシャ
ル（以下、ｃ、ｐ、と略称する）１．６％となる雰囲気
中で９５０°Ｃで３時間高炭素浸炭処理し、その浸炭処
理後油焼入れ処理した。

この浸炭処理によりワーク表面からＣが浸炭し、その表
層部（約１００μの厚さ部分）ではＣ濃度がオーステナ
イト固溶限以上となり、その過剰のＣ元素がＦｅとＣｒ
の複合炭化物として粒界に片状に析出する。上記表層部
のＣ含有量が高くなるので後述の焼入れ処理によりマル
テンサイト化する表層部の硬度が高くなるばかりでなく
、硬い炭化物の生成により表層部の硬さが更に向上する
。

次に、第３工程において、上記ワークを浸窒処理炉に投
入し、Ｃ，Ｐ、　　−１，２％且つ浸窒濃度つまりＮポ
テンシャル（以下、Ｎｌ　ｐ、と略称する）　　−０，
３％の雰囲気中で高炭素浸炭処理しなから浸窒処理した
。

この処理は、硬度と処理時間とを変えて７個のワークに
ついて下記第１表の条件で処理し、その浸窒処理後油焼
入れ処理した。

上記浸窒処理は前記炭化物の生成によって表層部のＣｒ
Ｍが減少し焼入れ性が低下するのを補うために行なうも
のであるが、この浸窒処理のためＡＩ変態点以上に加熱
する過程において片状に析出していた炭化物が球状化す
る。

そして、浸窒処理時、Ｃが表層部から芯部へ拡散し表層
部のＣｆＱ度が低下するのでそれを補うため浸窒処理と
並行して高炭素浸炭処理をも行なう。

上記浸窒処理はワークの表層部の炭化物生成層のみ施す
ものとする。その理由については「作用」の項で説明し
たので省略する。上記のように炭化物生成層のみに浸窒
処理を施すには、温度と処理時間を適当に設定すればよ
い。

次に、８個のワークに対して上記浸炭処理を施し、その
うちの７個のワークに対して温度と処理時間を変えて浸
炭浸窒処理を施して焼入れ処理し、それらのワークにつ
いて０．１％Ｎ有効浸窒深さ（単位能）及びビッカース
硬さくＨｖ）を測定した結果は第１表のとおりである。

第１表 上記第１表の結果から判るように、浸窒処理を施さない
従来例のもの＜Ｉ！ｌ１１　）及び処理温度が低くかつ
浸窒処理時間が短かすぎてＯ，１％Ｎ有効浸窒深さが２
０〜３０μのもの（Ｎａ２、Ｎ１１３）は焼入れ性が低
いためにＨＶ８００以上の硬さが得られない。

約１００μ厚さの炭化物生成層のみに浸窒処理を施した
本案例（１１１ｏ、４、Ｎｏ、　５、Ｎｏ、　６　）で
は、固溶Ｎにより焼入れ性が向上し、Ｈｖが８６０〜８
９０にも達している。

過剰浸窒となり０．１％Ｎ有効浸窒深さが１００μ以上
になるもの（階７、陽８）では過剰Ｎにより残留オース
テナイトの生成が促進され表層部の硬度低下を来してい
る。

但し、この残留オーステナイトはショソｌ〜ピーニング
によりマルテンサイト化でき）ｌｖ＝８００程度の硬さ
にすることができることから、必らずしも実用に適さな
い訳ではない。

第２図・第３図・第４図は夫々従来例（Ｎｏ、１）・本
案例（Ｎｏ５）　　・比較例（Ｎｏ、８）の表層部の金
属組織の４００倍拡大写真であり、第２図の従来例のも
のでは黒色のトルースクイドの基地の組織中に白色の炭
化物が析出しており、第３図の本案例のものでは黒色の
マルテンザイト基地組織中に白色の炭化物が析出してお
り、第４図の比較例のものでは黒色のマルテンサイトと
残留オーステナイト基地組織中に白色の炭化物が析出し
ている。

ここで、本願の浸炭窒化方法について補足説明しておく
。

Ｃｒ含有鋼の成分について既述の如く、Ｃｒ含有量は０
．６％〜２．０％程度が望ましく、Ｃ含有量は０．０５
％〜０．２５％程度が望ましい。

更に、Ｎｉは炭化物生成阻害元素であるため、１．６％
以下とすることが望ましく、Ｍｎは芯部硬さが過大とな
らないように１．５％以下とするのが望ましく、Ｍｏは
Ｃｒと複合して炭化物を生成し炭化物の硬さを向上させ
るが０．５％以下で十分である。

次に、前記実施例では、浸炭処理後油冷し、再び加熱し
て浸窒処理したが、第１図に仮想線で図示のように浸炭
処理後炉冷にて浸窒温度まで低温化させてもよい。また
、浸炭処理はイオン浸炭法で行なってもよいことは勿論
である。

上記実施例に係る鋼部材の浸炭窒化方法によれば、Ｃｒ
含有鋼に対して高炭素浸炭処理と浸窒処理とを施し、そ
の後焼入れするという簡単な方法で、Ｃ含有量の高いマ
ルテンサイト基地組織にＦｅ、ｌ！：Ｃｒの複合炭化物
を析出させた高硬度の表層部に形成し、耐疲労強度、耐
ピツチング性、耐焼付き性・耐摩耗性に優れた鋼部材を
得ることが出来る。

しかも、炭化物生成層のみに浸窒処理を施すことで、芯
部における残留オーステナイトの生成による硬度低下及
びＣｒＮの生成による焼入れ性の低下つまり硬度低下を
防ぎ、芯部の疲労強度の低下等を防止できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係るもので、第１図は浸炭処理
並びに浸窒処理の処理条件を示す線図、第２図は従来例
の金属組織の断面４００倍拡大写真、第３図は本案例の
金属組織の断面４００倍拡大写真、第４図は比較例の金
属組織の断面４００倍拡大写真である。 特　許　出　願　人　　　マツダ株式会社」 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　Ｃｒ含有の鋼部材を１．０％以上の浸炭濃度と
   なるように浸炭処理し、次にその鋼部材の表層部の炭化
   物生成層のみに浸窒処理を施し、その後上記鋼部材を焼
   入れ処理することを特徴とする鋼部材の浸炭窒化方法。