JPWO2006085549A1

JPWO2006085549A1 - 高濃度浸炭・低歪焼入れ部材およびその製造方法

Info

Publication number: JPWO2006085549A1
Application number: JP2007502622A
Authority: JP
Inventors: 功町田; 壽士安部; 寿夫福島; 浩司堀切
Original assignee: パーカー熱処理工業株式会社
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-02-08
Also published as: KR20070095390A; EP1847630A1; JP4627776B2; CA2594838C; CA2594838A1; CN101115859A; EP1847630B1; US20080156399A1; WO2006085549A1; EP1847630A4; KR100898679B1; CN101115859B

Abstract

本発明は、高強度・高面圧などの特徴を持つ高濃度浸炭焼入れ分野において、高性能化と熱処理歪の極小化を両立させた高濃度浸炭・低歪焼入れ部材およびその製造方法を提供することができる、真空浸炭（低圧浸炭）方法により、機械構造用鋼部材をオーステナイト域の温度に加熱し、該部材の表層部に、共析炭素濃度以上の炭素を固溶させた後、該部材をオーステナイト域の温度から、Ａ1変態点以下の温度に３〜１５℃／秒の冷却速度で焼き入れを行い、上記部材の表層部に微細炭化物および／または該炭化物の核を生成させる一次処理と、引き続き該部材をオーステナイト域の温度まで昇温および均熱させた後、急速焼き入れを行い最表層部に有効硬化深さ比で１０〜３０％の範囲に、微細炭化物を析出させる二次処理とからなることを特徴とする高濃度浸炭・低歪焼き入れ部材の製造方法である。

Description

本発明は、機械構造部材の強化手段として多く利用されている浸炭焼き入れ処理のうち、焼き戻し軟化抵抗が高く高強度・高面圧などの特徴を有する高濃度浸炭焼入れ部材に係わり、高性能化と熱処理歪の相反する特性を両立させた、高濃度浸炭・低歪焼入れ部材（以下単に「部材」という場合がある）およびその製造方法に関する。

従来技術

浸炭焼入れ部材は、耐久強度および耐磨耗性などの優れた特徴により、輸送機器や産業機械などの各種部材などとして幅広く使用されており、該部材のさらなる性能向上による小型化・軽量化などの観点から、浸炭焼入れ部材に関する多くの開発がなされている。また、近年、真空浸炭（低圧浸炭）プロセスが開発され、該プロセスは、従来のガス浸炭プロセスに比較して環境にも優しく、浸炭層の粒界酸化が防止され、高温浸炭処理が可能で、さらには浸炭および炭素の拡散の制御が容易であるなど、優れた特徴を有し、部材のさらなる性能、品質向上や部材のさらなる生産性向上などの面からさらなる普及が予想される。

歯車や軸物部材などの機械構造部材の浸炭焼入を行い、該部材の耐ピッチング性能を向上させる方法としては浸炭窒化処理がある。これは基地（マトリックス）に炭素と窒素とを同時に拡散し、部材の焼き戻し軟化抵抗を向上させるものである。また、部材の表層部に炭化物を析出させ、部材の焼き戻し軟化抵抗を向上させる高濃度浸炭処理も開発されており、近年、低圧浸炭設備の進化と相まって多くの研究が行われている。

高濃度浸炭方法の代表例として特許文献１に開示された部材の浸炭処理方法がある。該特許文献１によれば、鋼材の表層部に球状炭化物を析出させ、該表層部の炭素濃度がＡｃｍ以下で、鋼と炭素との共析濃度以上となる炭素量の予備浸炭を行い、その後、処理部材を徐冷または急冷させて、その表層部をベイナイト、パーライトまたはマルテンサイト組織とした後、Ａｃ１点から７５０〜９５０℃の温度範囲まで２０℃／分以下の加熱速度で昇温し、浸炭焼入れを行い、深さ０．４ｍｍの範囲に体積率にて３０％以上の擬球状または球状炭化物を生成させる方法が提案されている。

しかしながら、上記方法では、部材の表層部に炭化物を析出させることにより、該部材の耐ピッチング性能などの特性は改善されるものの、この方法は表層部に３０％もの炭化物を析出させる高濃度浸炭であるために、得られる部材は、熱処理変形や歪などの課題がある。

高濃度浸炭法により部材の表層部へ炭化物を微細に析出させる方法については、多くの加熱および冷却方法が検討されており、特許文献１では予備浸炭後、空冷（ベイナイトまたはパーライト組織が生成）または焼入れ（マルテンサイト組織が生成）し、次工程の炭化物生成処理ではＡｃ１変態温度から７５０〜９５０℃までを２０℃／分以下のゆっくりした速度で加熱し、直接焼入れまたは空冷後、再加熱焼入れ方法が良いと言われている。

また、特許文献２ならびに特許文献３では、予備浸炭または一次浸炭後、徐冷（または３０℃／Ｈｒ以下）が最適との提案もなされている。

しかしながら、特許文献１、２、３に示す方法にて、予備浸炭または一次浸炭後の焼入れが空冷や徐冷による場合には、部材の表層部内で結晶粒界に沿って網状炭化物が析出しやすく、次工程の炭化物生成処理で上記網状炭化物を短時間に分解し、表層内で分散析出させることは困難であり、そのために複数回の加熱冷却が行われる例がある。

一方、特許文献１において、部材を予備浸炭後、冷却速度を速め、マルテンサイト組織を狙った焼入れがあるが、表層内の炭化物の核が固溶して消失する畏れがあり、さらに炭素が過飽和状態の焼入れとなり、高炭素マルテンサイト変態のために、部材の膨張や収縮などの変形或いは歪が増大する懸案がある。

特許文献４には、低圧浸炭法による高濃度浸炭部材の製造方法が記載されており、一次浸炭の炭素濃度を０．５〜０．７質量％で二次浸炭の炭素濃度を０．７〜１質量％とし、さらに一次冷却を１〜１０℃／分と非常に遅くするなど、炭化物の微細化に関する記述はあるが、変形歪に対しては前述の引用文献１、２および３と同様に好ましくないことが予想される。

ここで参考までに最近時、市場拡大している低圧浸炭法が通常ガス浸炭法と比較して優れている点を以下に示す。
ａ）炉内雰囲気条件の変更が容易で迅速にでき、浸炭雰囲気から炭素の拡散雰囲気への切換が容易である。
ｂ）高温処理が可能で、迅速浸炭ができる。
ｃ）部材の表層部における粒界酸化がないので、これらを起点とする処理部材の亀裂の発生が抑制される。
ｄ）スーティングがなく、スーティングに伴う浸炭ムラの発生がない。
特公昭６２−２４４９９号公報特許第２７８７４５５号公報特許第２８０８６２１号公報特開２００２−３４８６１５号公報

しかしながら、従来の低圧浸炭法による高濃度浸炭処理においても、被処理部材の表層内における炭化物の生成過程と表層部のミクロ組織との最適バランスが得られず、処理部材の変形や歪の問題が依然として残されている。そのために浸炭工程後における部材の研磨加工や歪修正のための部材の仕上げ加工などが必須となり、本来得られるはずの高濃度浸炭の高面圧化性能の低下や、さらには生産性の低下やコストアップが高濃度浸炭処理の普及の妨げになっている。

本発明では、部材の炭素濃度、浸炭処理／拡散処理の繰り返し、部材の昇温、均熱、浸炭、焼入れなどの各種温度条件、加熱条件および冷却速度（焼入れ）条件などの各種制御を迅速でかつ高精度で対応できる低圧浸炭設備を利用し、部材の高面圧化と低歪が両立できる最適なプロセス開発を行って上記課題を解決した。

上記課題は以下の本発明によって達成される。
１．真空浸炭（低圧浸炭）方法により、機械構造用鋼部材をオーステナイト域の温度に加熱し、該部材の表層部に、共析炭素濃度以上の炭素を固溶させた後、該部材をオーステナイト域の温度から、Ａ₁変態点以下の温度に３〜１５℃／秒の冷却速度で焼き入れを行い、上記部材の表層部に微細炭化物および／または該炭化物の核を生成させる一次処理と、引き続き該部材をオーステナイト域の温度まで昇温および均熱させた後、急速焼き入れを行い最表層部に有効硬化深さ比で１０〜３０％の範囲に、微細炭化物を析出させる二次処理とからなることを特徴とする高濃度浸炭・低歪焼き入れ部材の製造方法。

２．前記二次処理において、部材の表層部に追加浸炭処理を行う前記部材の製造方法。
３．前記二次処理において、前記部材の表層部に微細炭化物を析出させ、該表層部に、トルースタイトおよび残留オーステナイトなどの混合組織を一部含むマルテンサイトを主体とする組織を形成させ、該層の最表層部（Ａ部）とＡ部より内側の層部（Ｂ部）とＢ部より内側の層部（Ｃ部）のそれぞれのオーステナイト結晶粒度の微細さの序列をＡ≧Ｃ≧Ｂとする前記部材の製造方法。

表層部がトルースタイトおよび残留オーステナイトなどの混合組織を一部含むマルテンサイトを主体とする組織であり、該層のオーステナイト結晶粒度の微細さの序列が、最表層部（Ａ部）とＡ部より内部の層（Ｂ部）とＢ部より内部の層（Ｃ部）において、Ａ≧Ｃ≧Ｂとなっていることを特徴とする高濃度浸炭・低歪焼き入れ部材。

本発明の方法は、部材の処理を低圧浸炭設備を用い、適切な高濃度浸炭と最適な冷却速度で部材の焼き入れを行う一次処理と、引き続き行うシンプルで効率的に微細炭化物を析出させる二次処理とを組合せて、処理部材の熱処理変形および歪が極少に抑えられる方法である。この方法により、従来の高濃度浸炭で最大の懸案であった、例えば、軸の曲がりや歯形の変形歪など、処理後の部材の煩雑な研磨加工や歪修正加工などが大幅に削減され、高濃度浸炭部材の生産性、品質、コストなどの大きな改善が図れる効果がある。

また、本発明の方法では、さらに二次処理において、部材の表層部に追加浸炭処理を施すことにより、マトリックス（基地）の高硬度化が図れるとともに、部材の最表層部の結晶粒度を超微細粒にすることができ、部材の高強度化および高靭性化にも極めて有効である。該本発明の方法によって、従来は高濃度浸炭の適用が困難であった軸物や歯車などの部材の高強度化、高靭性化および高面圧化などが容易に達成される。従って本発明の方法は、このようなニーズが高い分野などに広範に応用が可能となり、部材の高性能化および小型軽量化に対して大きく貢献することができるという効果がある。

次に発明を実施するための最良の形態を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。本発明に至った技術的経緯および知見は以下の通りである。
本発明者らは、低圧浸炭設備を用いて部材の表層部に微細炭化物を析出させる高濃度浸炭プロセスの開発を目的に、上記表層部の炭素濃度や、各種加熱および冷却条件と表層部における微細炭化物の析出形態、ならびに基地のミクロ組織との関係を徹底的に調査した。また、ギアや車軸などの部材を想定した熱処理歪の改善などについて、多方面からの研究開発を行い、高濃度浸炭による部材の高性能化と部材の変形、歪などとの相反する特性を高次元でバランスさせ、これらが両立できる新たな高濃度浸炭・低歪焼入れ方法の確立を目指した。

鋼材（部材）の表層部へ高濃度浸炭を行なう上で重要な点は、一次処理と二次処理との最適組合せにおいて、部材の表層部にいかに多くの微細炭化物を分散析出させるかの点であり、微細炭化物の生成を制御するには、使用する浸炭焼入れ設備にも大きくかかわる。本発明では、従来の浸炭設備に比べて炭素濃度、浸炭／拡散の繰り返し、昇温、均熱、浸炭、焼入れなどの各種温度条件、加熱条件および冷却速度条件などの各種制御が迅速でかつ高精度で対応できる低圧浸炭設備を用い、種々の開発を行った。

具体的には一次処理時の部材の昇温、均熱、高濃度浸炭、拡散ならびに冷却（焼入れ）条件など、種々検討を行い、先ずは一次処理段階での部材の変形や歪の低減を図り、さらに次工程の二次処理では微細炭化物の析出や浸炭層のオーステナイト結晶粒度の調整などができる浸炭および焼き入れ（冷却）条件が重要である。すなわち、二次処理では部材の表層部の微細炭化物の析出範囲を、浸炭層の有効硬化深さ比で１０〜３０％とし、さらには最表層部を超微細結晶構造にすることにより、部材の熱処理変形や歪を極少にすることができることを見出した。

ここで有効硬化深さ比とは、部材の二次処理完了後（１８０℃焼戻し処理も含む）の浸炭有効硬化深さ（Ｔ）と該部材の最表面層部に存在する微細炭化物の析出深さ（ｔ）との比（ｔ／Ｔ）を意味する。なお、浸炭有効硬化深さとは、ＪＩＳＧ０５５７鋼の浸炭硬化層深さ測定方法による、焼入れのまま、または２００℃を超えない温度で焼戻しした硬化層の、表面からビッカース硬さ（ＨＶ）５５０の限界深さの位置までの距離である。
次に微細炭化物の析出深さとは、光学顕微鏡または電子顕微鏡にて解析を行い、該部材の最表層部より微細炭化物が存在する最大深さをいう。ここで微細炭化物を判別し易くするため、該部材を５％の硝酸アルコールなどの腐食液を用い、エッチング状態で解析する。

本発明で用いる真空浸炭（低圧浸炭）設備とは、浸炭加熱室が２００〜２，０００Ｐａに分圧制御し得る処理炉を有する設備であり、該設備は市販されており、市販の設備はいずれも本発明で使用できる。本発明では、一次処理として、該設備の炉内で部材を所定の温度に昇温および均熱後、部材の表層部の炭素濃度を、共析炭素濃度以上の炭素濃度にするため、浸炭と拡散を交互に繰り返した後、適切な冷却速度で部材の焼入れを行う。また、引き続いて行う二次処理では部材の表層部に炭化物を微細に析出させ、さらには必要に応じて追加浸炭処理を行う。

本発明の方法における一次処理では、被処理鋼材（部材）を９００〜１，１００℃のオーステナイト域に昇温して均熱後、表層部の炭素濃度が好ましくは０．８質量％以上になるよう浸炭を行い、続いてその状態から最適な冷却速度で焼入れを行う。ここで最適冷却条件は、浸炭温度（オーステナイト域の温度）からＡ₁変態点以下、好ましくは４００℃以下に至る温度範囲を３〜１５℃／秒の冷却速度にて部材を均一に冷却することである。この冷却によって部材の表層部に微細炭化物を析出させ、表層部にマルテンサイトを主とした組織を形成させる。ここで微細炭化物とは、Ｆｅ₃Ｃ（セメンタイト）や鋼材中のＣｒ、Ｍｏなどの炭化物形成元素が、過飽和に固溶している炭素と結合して生成したＭ₂₃Ｃ₆型炭化物を意味する。

次に二次処理では、部材の非浸炭部分（内部）をオーステナイト化温度＋８０℃以内、好ましくはオーステナイト化温度＋１０〜７０℃の範囲に昇温および均熱し、その後に急速冷却して表層部の炭素濃度が好ましくは０．８質量％以上、より好ましくは１．０〜２．０質量％となるように微細炭化物の析出を行う。また、二次処理における微細炭化物の析出と併行して、表層部に追加浸炭処理を行うことにより、表層部における微細炭化物の析出を助長させ、さらにマトリックス（基地）の炭素濃度を適正に調整した状態から急速焼入れを行うことが好ましい。

なお、二次処理後の最終焼入れ温度については前処理条件が昇温・均熱後、又は昇温・均熱・追加浸炭後のそれぞれのケースがあるが、そのままの温度で急速焼入れを行うか、さらにはそれらの温度に対し、昇降温してもよい。すなわち、二次処理後の最終焼入れ温度は該部材に要求される硬度やミクロ組織などの熱処理品質に合わせて温度設定することができる。

本発明者らは、高濃度浸炭の最適条件を構築するため、低圧浸炭設備を用いて部材の表層部に高濃度浸炭を行う一次処理と、炭化物の微細粒を表層部内に析出させる二次処理について、昇温、均熱、浸炭時の炭素濃度および、拡散、ならびに各種冷却（焼入れ）条件に至る詳細検討を実施した。その結果、最表層部に有効硬化深さ比（ｔ／Ｔ）で１０〜３０％の範囲に炭素濃度が好ましくは０．８質量％以上、より好ましくは１．０〜２．０質量％であり、かつ最表層よりオーステナイト結晶粒度が１０番以上の超微細粒層、続いて細粒層、さらに微細粒層の３層構造を有する高濃度浸炭焼入れ部材を得ることに成功した。この高濃度浸炭焼入れ部材は、処理後において変形および歪が極小となり、従来の高濃度浸炭では不可避であった歪の矯正が不要若しくは従来方法に比べて容易に対応できることを見出した。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。
下記表１に示す機械構造用鋼材（素材）を用い、予め９００℃で素材の焼準処理後、機械加工にてφ３０／φ２５／φ２０×Ｌ３００ｍｍの段付き丸棒試験片を作成した。該試験片の浸炭焼入れは、低圧下で加熱および浸炭ができ、かつ油焼き入れならびに加圧ガス冷却が可能な設備を用い、本発明の高濃度浸炭工程の一次処理を行った。

ここで鋼種記号１および２は、ＪＩＳの浸炭焼入れ用鋼材であり、記号１はクロム−モリブデン鋼のＳＣＭ４２０であり、記号２はクロム鋼のＳＣｒ４１５である。鋼種記号３のＭＡＣ１４は鋼材メーカー開発の商品記号であり、上記の２鋼種に比べＣｒ含有量を多くし、さらにＭｏ元素を添加し、高濃度浸炭時（一次および二次処理）に、Ｍ₂₃Ｃ₆型の微細炭化物の析出を目的に開発された鋼材である。

表２は、本発明の一次処理における、試験片の表層部での炭化物の析出状態、ならびに試験片の熱処理変形に及ぼす冷却速度の影響を種々実験して纏めたものである。ここで一次処理条件としては図１に示すヒートサイクルにて、昇温・均熱後、有効硬化深さ０．５ｍｍを目標に試験片の高濃度浸炭を行った。具体的には最終状態の試験片の表層部の炭素濃度が約１．５質量％となるように、９５０℃の温度にて高濃度浸炭および拡散処理を交互に約７０分間実施し、試験片の表層部の炭素濃度が過飽和の状態から、表２に示す各冷却速度条件で試験片の焼入れを行い、試験片の表層部における炭化物の形状、大きさ、表層部のミクロ組織を調査した。

また、一次処理による試験片の熱処理変形および歪を調べるため、試験片として段付き丸棒試験片（φ３０／φ２５／φ２０×Ｌ３００ｍｍ）を用い、両端支持状態での試験片の軸中央部での振れ量を解析し、試験片の焼き入れ時の冷却速度と試験片の軸振れ量との関連を調査した。

ここで表中に示す記号と解析手法を下記に説明する。
１）冷却速度は、試験片の浸炭・拡散終了後の焼入れ温度９５０℃から、４００℃に至るまでの試験片の軸中央部における平均冷却速度を表す。
２）炭化物の形状および大きさは、走査型電子顕微鏡にて観察した。
３）ミクロ組織の略号
Ｆ：フェライト、Ｐ：パーライト、Ｂ：べイナイト、Ｔ：トルースタイト、Ｍ：マルテンサイト、γ：残留オーステナイト
４）軸振れ量は、試験片を両端支持の振れ測定器に取付け、ダイアルゲージにて測定した軸中央部の振れ量を表す。

ここで表２の試験片Ｎｏ．１、４、６に示す比較例は、冷却時の冷却速度が１℃／秒と遅いため、表層部での炭化物の析出は片状炭化物が連なった網状炭化物の析出が主体で、基地はフェライト、パーライトおよびべイナイトの不完全焼入れ組織となり、その結果、軸振れ量および変形が大となる。また、試験片Ｎｏ．３に示す比較例は一般的な油焼入れ相当（２０℃／秒）の急速冷却を行なったもので、炭化物の析出量は非常に少なく、かつ炭素が過飽和の高炭素状態からの焼入れ組織となり、軸振れ量および変形が大である。

次に試験片２、５および７に示す実施例の冷却速度が４〜１２℃／秒の場合（本発明）、微細炭化物が多量に析出し、さらにその核となる微細組織が出現し、高濃度浸炭の大きな懸案課題であった試験片の変形および歪（軸振れ量）が改善された。すなわち、冷却が遅い徐冷や、逆に速い急速焼入れに比べ、本発明では試験片の軸振れ量が、他の例の概ね１／２レベルとなり、軸振れ量の大幅な低減が実現できた。これらの結果より、一次処理の焼き入れ時における冷却速度は３〜１５℃／秒が最適である。

表３には、表２に示す一次処理の代表的な試験片を用い、表層部に微細炭化物を最終的に析出させることを目的とした二次処理を行なって、表層部の炭素濃度、炭化物析出状態ならびにミクロ組織、結晶粒度、さらには試験片の軸振れ量などを種々調査した結果を示す。二次処理の条件としては図２に示すヒートサイクルにて、均熱温度をＡ₁変態以上の８００℃、８５０℃、９００℃の３水準に、また、二次処理で表層部の炭素濃度をより高め、さらに微細炭化物の析出を増量させる手法として昇温・均熱後、共析炭素濃度以上となる追加浸炭も同時に実施した。
図１〜３における（浸炭／拡散）ｎおよび（追加浸炭／拡散）ｎの「ｎ」は、それぞれの工程における浸炭および拡散の繰り返し回数を意味し、その「ｎ」数は部材毎に要求される品質に合わせて設定する。例えば、表２に示す実施例Ｎｏ．２のケースではｎ＝８であり、また、表３に示す実施例Ｎｏ．２−２のケースではｎ＝５とした。

「表層部の炭素濃度の分析方法」
試験片（φ３０／φ２５／φ２０×Ｌ３００ｍｍ）を用い、φ２５ｍｍ部の表層部より０．０５ｍｍ深さ迄の切粉を旋削加工で採取し、湿式分析法にて表層部の炭素濃度を求める。

表３からして、試験片Ｎｏ．２シリーズは、二次処理温度を変化させた場合の炭化物の析出形態および他への影響を、また、Ｎｏ．５および７シリーズは、二次処理で行った追加浸炭の有無による、微細炭化物の析出ならびに表層部の最終炭素濃度などに及ぼす影響を示す。

ここで二次処理温度（ここでは追加浸炭温度を言う）については試験片Ｎｏ．２−１を用いた９００℃の温度では、表層部の炭化物が固溶し全体的に炭化物粒子の析出が少なく、また、試験片の軸振れ量も大きくなるという問題ある。また、試験片Ｎｏ．２−３に用いた８００℃の二次処理温度では表層部の結晶粒界に片状炭化物が析出し、かつ部材の内部（非硬化部）が不完全焼入れとなり、試験片の軸振れ量にバラツキが現れる。これらの結果より、二次処理にて表層部に微細炭化物を析出させる最適処理温度は該部材の組成（浸炭処理前）によって定まる、Ａ₃変態点温度＋１０〜７０℃相当の温度が好ましい。

次に二次処理における、追加浸炭処理の有無については、試験片５−１および７−１の結果より明らかの如く、追加浸炭処理を施すことにより、表層部における炭素濃度の向上はもとより、炭化物が微細に析出するという効果が認められる。この理由として表層部の炭素が炭化物として析出し、マトリックス（基地）の炭素濃度が希薄となることから、追加浸炭を行い表層部に炭素を補給することにより、表層部には新たにＦｅ₃ＣならびにＭ₂₃Ｃ₆などの微細炭化物やその核の生成が助長されることが考えられる。

また、追加浸炭処理部材は図４に示す如く、最表層部のオーステナイト結晶粒度が超微細粒度になることが判明した。ここで超微細粒度とはＪＩＳ−Ｇ０５５１鋼のオーステナイト粒度試験方法における浸炭粒度試験方法にて、オーステナイト結晶粒度が１０番以上に相当、さらに内部方向に向かって細粒および微細粒からなる３層構造が形成される大きな特徴を発見した。また、これらのオーステナイト結晶粒度と浸炭層との関連を見ると、微細炭化物の析出量が多い最表層部をＡ部とし、その内部の浸炭層部（細粒部）をＢ部とし、さらにその内部（非硬化部）の微細粒部をＣ部とすると、この３層の結晶粒度はＡ≧Ｃ≧Ｂの関係にある。因みに通常浸炭における表層部のオーステナイト結晶粒度は、概ね７〜８番相当が一般的であり、本発明では従来の浸炭処理では出現しない特徴的な３層構造の結晶粒構成となっている。

ここで、これらの超微細粒度層の効果としては、従来の浸炭処理部材で懸案であった、表面硬化層の靭性改善が可能となり、本発明の特徴である高面圧化とともに、浸炭層自体の高靭性も合わせて付与できる大きな特徴を有し、今後の浸炭部材のさらなる高強度化に極めて有効である。

表４には本発明の高濃度浸炭における炭化物析出層の有効硬化深さ比の各種特性に及ぼす影響を示した。ここで各種試験片は、ＪＩＳ機械構造用鋼のＳＣＭ４２０を素材として用い、素材を予め９００℃にて焼準処理後、機械加工にて作成した。試験片の高濃度浸炭処理は、図３に示す一次処理と二次処理のヒートサイクルにて行った。処理された試験片のピッチング寿命、衝撃強度および熱処理歪などを解析調査した。また、表５に示した試験片の最表層部の炭素濃度が試験片の強度耐久性ならびに熱処理変形に及ぼす影響についても、表４の各種試験片と同様に図３に示すヒートサイクルにて処理を行い、処理試験片の炭素濃度などを調べた。

ここで表４の炭化物の析出深さの調整は、主に浸炭時間と炭素濃度の制御などにて、また、表５の最表層部の炭素濃度の調整は、一次処理や二次処理の浸炭・拡散の繰り返し時のプロセスガス量、時間などを予め計算したプログラムにて制御して行った。低圧浸炭用プロセスガスとしてはプロパン、アセチレン、エチレンなどがあるが、最もポピュラーで低廉なプロパンガスを、また、拡散時の不活性ガスとして窒素ガスを用いた。さらに二次処理での急速焼き入れは油冷却で実施したが、これら以外にＮ₂、Ｈｅ、Ｈ₂などのガスを単独若しくは複合させた加圧ガス冷却でも実施可能である。

１）有効硬化深さ比は、マイクロビッカース硬さで５５０ＨＭＶ以上を有する硬化深さ（Ｔ）に対する微細炭化物層深さ（ｔ）との比（ｔ／Ｔ）を表す。
２）転動疲労寿命は、下記条件でのピッチング発生までの繰り返し数を示す。
面圧：３ＧＰａ、回転数：１５００ｒｐｍ、すべり率：−４０％、油圧：８０℃
３）衝撃強度はシャルピー試験片による破壊エネルギーを示す。
４）真円度はテストピース形状：φ１００（φ８０）×１５ｔのリングを用い、形状測定器にてリング内径のＸ−Ｙ方向の変形量を示す。

有効硬化深さ比の転動疲労寿命に及ぼす影響については、記号Ａの比較例で有効硬化深さ比が５％と浅い場合、微細炭化物自体の析出量が少なく、高濃度浸炭の特徴である焼き戻し軟化抵抗が乏しく、ピッチングタフネスが低いといえる。一方、有効硬化深さ比が４０％の記号Ｅの比較例の場合、高硬度の範囲が広がることから衝撃強度が低下する問題あり、また、真円度から見た熱処理変形についても歪が増加傾向となる。これらの結果より炭化物析出層の有効硬化深さに対する深さ比は１０〜３０％の範囲が最適である。

次に、表５に示す最表層部の炭素濃度のピッチング寿命に及ぼす影響については、最表層部の炭素濃度が高い記号Ｈ、Ｊ、Ｋが優れており、前者に比べ炭素濃度が１％と低い、記号Ｇ、Ｉの場合ピッチング寿命が一部劣ることがいえる。参考例として示した記号Ｆのように最表層部炭素濃度が０．８質量％未満の場合には、試験片のピッチングタフネスが大幅に劣る。すなわち、最表層部には微細炭化物が多く析出し炭素濃度が高いほど良好である。よって本発明では高濃度浸炭の炭素濃度は０．８質量％以上に設定した。

浸炭される炭素濃度の上限については２．０質量％までは特に問題にはならなかった。なお、炭素濃度をさらに２．０質量％を超える高濃度にした場合、片状炭化物が析出しやすくなり、試験片の衝撃強度ならびに熱処理変形が不利な方向に向かうという懸念がある。このために部材（試験片）の要求特性に合わせた最表層部の炭素濃度を設定することが必要である。

次に記号Ｉ、Ｊ、Ｋの二次処理で、追加浸炭処理を適用した場合のピッチング寿命、衝撃強度、熱処理変形（歪）に及ぼす影響については、炭素濃度が同等で追加浸炭“無”の記号Ｇ、Ｈに比べ、いずれの特性もバラツキが少なく良好である。その理由としては追加浸炭処理により基地の炭素濃度の安定化、さらには最表層部の微細炭化物の生成が助長され、浸炭層自体が緻密でバランスの取れた組織となり、熱処理品質が全体的に安定化するためと思われる。

以上の各種解析結果より、本発明の方法における最適な処理条件は、部材として機械構造用鋼を用い、低圧浸炭にて一次処理および二次処理を組み合わせた高濃度浸炭を行い、最適な加熱および冷却条件を経た後、最終工程における炭化物の析出深さを有効硬化深さ比１０〜３０％の範囲に、また、表層部の炭素濃度を０．８質量％以上になるよう制御することが望ましい。

上記の一連の結果より、本発明によれば、機械構造部材である歯車や車軸部材などを高強度化および高面圧化でき、かつ低歪が要求される部材や、軸受け構造を有する回転摺動や往復摺動部材、さらには高面圧下での接触疲労や、耐摩耗性が要求される部材など、各種部材の高強度化および高性能化ならびに軽量コンパクト化などのニーズを低歪で具現化できる、全く新しい高濃度浸炭・低歪焼入れ部材およびその製造方法を提供することができる。

一次処理のヒートサイクル二次処理のヒートサイクル実施例のヒートサイクル表３の試験片Ｎｏ．２−２の光学顕微鏡写真（倍率×１００）

Claims

真空浸炭（低圧浸炭）方法により、機械構造用鋼部材をオーステナイト域の温度に加熱し、該部材の表層部に、共析炭素濃度以上の炭素を固溶させた後、該部材をオーステナイト域の温度から、Ａ₁変態点以下の温度に３〜１５℃／秒の冷却速度で焼き入れを行い、上記部材の表層部に微細炭化物および／または該炭化物の核を生成させる一次処理と、引き続き該部材をオーステナイト域の温度まで昇温および均熱させた後、急速焼き入れを行い最表層部に有効硬化深さ比で１０〜３０％の範囲に、微細炭化物を析出させる二次処理とからなることを特徴とする高濃度浸炭・低歪焼き入れ部材の製造方法。
前記二次処理において、部材の表層部に追加浸炭処理を行う請求項１に記載の前記部材の製造方法。
前記二次処理において、前記部材の表層部に微細炭化物を析出させ、該表層部に、トルースタイトおよび残留オーステナイトなどの混合組織を一部含むマルテンサイトを主体とする組織を形成させ、該層の最表層部（Ａ部）とＡ部より内側の層部（Ｂ部）とＢ部より内側の層部（Ｃ部）のそれぞれのオーステナイト結晶粒度の微細さの序列をＡ≧Ｃ≧Ｂとする請求項２に記載の前記部材の製造方法。
表層部がトルースタイトおよび残留オーステナイトなどの混合組織を一部含むマルテンサイトを主体とする組織であり、該層のオーステナイト結晶粒度の微細さの序列が、最表層部（Ａ部）とＡ部より内部の層（Ｂ部）とＢ部より内部の層（Ｃ部）において、Ａ≧Ｃ≧Ｂとなっていることを特徴とする高濃度浸炭・低歪焼き入れ部材。