WO2008056552A1

WO2008056552A1 - Procédé de fabrication d'acier cémenté à haute concentration

Info

Publication number: WO2008056552A1
Application number: PCT/JP2007/070953
Authority: WO
Inventors: Toshiyuki Morita; Masaomi Saruyama; Hiroyuki Tsuyuzaki
Original assignee: Honda Motor Co., Ltd.
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2008-05-15
Also published as: CN101535522A; EP2085493A1; JP2008115427A; JP4971751B2; EP2085493A4; US20100126632A1; CN101535522B

Description

明細書

高濃度浸炭鋼の製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、高濃度浸炭鋼の製造方法に関し、さらに詳しくは、浸炭処理によって表面に微細、かつ球状の炭化物を多量に析出させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法に関する。

背景技術

[0002] 浸炭とは、鋼を浸炭性雰囲気中で加熱し、表面の炭素濃度を高める処理をいう。浸炭は、一般に低炭素鋼に適用され、浸炭後に焼入れされて使用される。このような浸炭焼入れ処理された材料は、肌焼鋼あるいは浸炭鋼と呼ばれており、表面が硬く、内部は柔らかいので、軸、軸受け、歯車、ピストンピン、カムなどの機械部品に賞用されている。

浸炭の中でも、材料表面近傍の炭素濃度を高めて炭化物を析出させる処理は、特に「高濃度浸炭」と呼ばれている。高濃度浸炭により得られる材料は、組織中に硬い炭化物が分散しているので、従来より行われている共析浸炭により得られる材料よりも耐摩耗性、面疲労強度が高 V、と!/、う特徴がある。

しかしながら、高濃度浸炭処理材の特性は、炭化物の分散形態の影響を強く受けるので、高い強度を得るためには、炭化物を微細 ·球状'大量に分散させる必要がある（非特許文献 1参照）。特に、粒界に析出した粗大な炭化物は、強度低下の原因となる。

[0003] そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献 1には、 C : 0. 05〜0. 45%を含有する鋼で製造した機械構造部品を、

(i) 880°C以上の温度でプラズマ浸炭することにより、部品表面の C濃度を鋼の Acm 以上にして表面近傍に炭化物を析出させる一次浸炭を行い、

(ii)徐冷して鋼の Arはり低い温度に降温し、いったんそこで保持したのち、 Arlを超える温度に昇温し、 (iii)一次浸炭の温度より 10〜60°C低い温度において、再びプラズマ浸炭による二次浸炭を行い、

(iv)直ちに、または拡散処理を施したのち、焼入れ焼戻しをし、表面 C濃度が 1. 5% 以上であり、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性に優れた部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法が開示されている。

また、同文献には、上記工程 (iii)に続いて、

(V)再び徐冷して鋼の Arはり低い温度に降温し、いったんそこに保持したのち、 Arl を超える温度に昇温し、

(vi)二次浸炭の温度よりさらに 10〜60°C低い温度において、再びプラズマ浸炭による三次浸炭を行い、

その後に工程 (iv)を行うことにより、

表面 C濃度 1. 7%以上で、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性に優れた部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法が開示されている

〇

[0004] 同文献には、

(1)浸炭処理法としてプラズマ浸炭を用いると、高いカーボンポテンシャルにも力、かわらず、すすの発生が軽微であるので、浸炭ムラの心配がない点、

(2)—次浸炭において Acmを超える高度の浸炭を行っているので、炭化物をオーステナイト粒界に塊状に析出させることができる点、

(3)浸炭後、いったん温度を Arはり低い温度に降温し、再度 Arlを超える温度に昇温すると、オーステナイト粒界が移動し、はじめに粒界に存在していた炭化物は、新オーステナイト粒内に残存することになる点、

(4)さらに二次浸炭を行うことにより、新オーステナイト粒界に炭化物が析出し、この新しく生成した炭化物と、上記の残存炭化物をあわせて、炭化物分布が好ましい浸炭層が得られる点、が記載されている。

[0005] さらに、特許文献 2には、浸炭処理により表面炭素濃度を 0. 8%以上とした鋼製部品をこの浸炭処理後 300°C以下の温度まで 0. l°C/s_ec以上の冷却速度で冷却し、次いで、鋼の Acl変態温度よりも 50°C高くかつ 150°C低い温度域に鋼製部品を加熱した後同温度で保持し、更に、 10°C/sec以下の加熱温度で心部がオーステナイト単相ないしはオーステナイトとフェライトの 2相であってフェライト面積率が 30%以下となる温度まで昇温して保持した後、直接焼入れを行うかもしくは所定の焼入れ温度まで温度を下げたあと焼入れを行う鋼製部品の浸炭熱処理方法が開示されている。同文献には、浸炭処理した鋼製部品を鋼の Acl変態温度より 50°C高くかつ 150°C 低い温度域に保持することによって、微細炭化物を成長させることができる点が記載されている。

[0006] 非特許文献 1 :下村哲也、森田敏之、井上幸一郎著電気製鋼、第 77巻 (2006年）、 p . 11

特許文献 1 :日本国登録特許公報： 2808621

特許文献 2：日本国公開特許公報：平 6 - 108226

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 特許文献 2に開示されているように、 1回の浸炭処理のみによって、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させるのは難しい。そのため、従来行われている高濃度浸炭は、 1次浸炭及び 2次浸炭の 2回の浸炭を行うものが多い。 1次浸炭は、主として、表面に高濃度の炭素を固溶させ、 2次浸炭を行うための再加熱時に微細な炭化物を多量に析出させることを目的として行われる。一方、 2次浸炭は、主として、 1次浸炭後の再加熱時に生成した微細な炭化物を成長させることを目的として行われる。そのためには、 1次浸炭と 2次浸炭の温度差が十分あることが望ましい。

[0008] しかしな力、 1次浸炭と 2次浸炭の温度差を大きくするために、 1次浸炭の温度を上昇させると、炉の寿命が低下する。また、肌焼鋼は、通常、仕上げ加工することなくそのまま使用されるが、必要以上の高温加熱は、材料の変形を増大させる原因とな一方、この問題を解決するために 1次浸炭の温度を下げると同時に 2次浸炭の温度を下げると、 2次浸炭時の炭素の拡散速度が低下する。そのため、必要量の炭化物を析出させるのに長時間を要し、作業効率が低下する。

さらに、 1次浸炭の温度のみを下げ、 2次浸炭の温度を高く維持すると、 1次浸炭と 2次浸炭の温度差力 S小さくなる。そのため、粒界に片状 '粗大な炭化物が析出しやすくなり、組織の再現性が低下する。

[0009] 本発明が解決しょうとする課題は、炉の寿命を低下させることなぐ微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することである。

また、本発明が解決しょうとする他の課題は、浸炭処理後に大きな変形を生じさせることのない高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することである。

また、本発明が解決しょうとする他の課題は、作業効率を低下させることなぐ微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することである。

さらに、本発明が解決しょうとする他の課題は、粒界に片状 ·粗大な炭化物が析出せず、組織の再現性が高い高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

[0010] 上記課題を解決するために、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、

(i) C : 0. 15〜0. 30mass%、 Si : 0. 40〜0. 80mass%、 Mn： 0. 3〜0. 8mass %、 Cr: l . 25-2. OOmass%、残部が Fe及び不可避的不純物からなる鋼材を、 1 次浸炭温度 Tl (°C)にお!/、て、その表面炭素濃度 Cが Ceu< C≤ C(Acm)となるまで浸炭させる 1次浸炭工程 (但し、 Ceuは、前記鋼材の共析炭素濃度、 C(Acm)は、前記 1次浸炭温度 T1における前記鋼材の Acm線に相当する炭素濃度）と、

(ii)前記 1次浸炭工程終了後、前記鋼材を冷却速度 1°C/分以上で 700°C以下まで冷却する冷却工程と、

(iii)前記鋼材を 2次浸炭開始温度 T2sまで昇温させ、 2次浸炭温度 T2にお V、て前記鋼材を浸炭させる 2次浸炭初期工程 (但し、 Acl点 (°C)≤T2s (°C)≤1次浸炭温度 Tl - 100°C≤ 2次浸炭開始直後における前記鋼材の表面炭素濃度に相当する A cm線温度（°C)、 T2s≤T2≤前記鋼材の表面炭素濃度に相当する Acm線温度（°C) ) と、

(iv)前記 2次浸炭初期工程終了後、引き続き前記鋼材を焼入れ温度 Tq (°C)まで昇温させ、前記焼入れ温度 Tqにおいてさらに浸炭させる 2次浸炭後期工程 (但し、 T q≤前記鋼材の表面炭素濃度に相当する Acm線温度（°C) )と、

(V)前記 2次浸炭後期工程終了後、前記鋼材を焼入れする焼入れ工程と、を備えることを要旨とする。

発明の効果

[0011] 1次浸炭温度 T1で 1次浸炭を行った後、さらに 2次浸炭を行う場合において、 2次浸炭を焼入れ温度 Tqより低い 2次浸炭温度 T2で浸炭を行う 2次浸炭初期工程と、焼入れ温度 Tqにおいて浸炭を行う 2次浸炭後期工程に分割すると、 1次浸炭温度 T1 が相対的に低温であっても、 1次浸炭温度 T1と 2次浸炭温度 T2の温度差を十分に取ること力 Sできる。そのため、炉の寿命低下や浸炭処理後の大きな変形を生じさせることなく、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることができる。また、 2次浸炭後期工程においては、相対的に高温で浸炭が行われるので、作業効率を低下させることもない。さらに、 1次浸炭温度 T1と 2次浸炭温度 T2の温度差を十分に取ることができるので、材料間に組成のバラツキがあっても、粒界への片状 '粗大な炭化物の析出を確実に抑制することができる。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1]各種条件下で高濃度浸炭した場合における組織変化の模式図、及び、状態図である。

[図 2]実施例で用いた典型的な浸炭処理パターンを示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。

初めに、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法が適用される鋼材について説明する。

本発明に係る方法が適用される鋼材は、以下のような合金元素を含み、残部が Fe 及び不可避的不純物からなる。合金元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。

[0014] (1) C : 0. 15〜0· 30mass%。

C量が少ないと、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、 C量は、 0. 15mass%以上が好ましい。一方、 c量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性 (特に、被削性)を低下させる。従って、 C量は、 0. 30mass%以下が好ましい。

[0015] (2) Si : 0. 40〜0· 80mass%。

Si量が少ないと、マトリックスの焼戻し硬さが低下し、強度を低下させる。従って、 Si 量は、 0. 40mass%以上が好ましい。

一方、 Si量が過剰になると、炭化物の生成量が低下し、強度を低下させる。また、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、 Si量は、 0. 80mass%以下が好ましい。

[0016] (3) Μη : 0. 3〜0· 8mass%。

Mn量が少ないと、マトリックスの焼入れ性が低下し、不完全焼入れにより強度が低下する。従って、 Mn量は、 0. 3mass%以上が好ましい。

一方、 Mn量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、 Mn量は、 0. 8mass%以下が好ましい。

[0017] (4) Cr : l . 25〜2· 00mass%。

Cr量が少ないと、炭化物の生成量が低下し、強度を低下させる。また、心部にフエライトが生成し、強度を低下させる。従って、 Cr量は、 1. 25ma_SS%以上が好ましい。一方、 Cr量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、 Cr量は、 2. 00mass%以下が好ましい。

[0018] 次に、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法につ V、て説明する。

本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、 1次浸炭工程と、冷却工程と、 2次浸炭初期工程と、 2次浸炭後期工程と、焼入れ工程とを備えている。

[0019] 1次浸炭工程は、上述の組成を有する鋼材を、 1次浸炭温度 Tl (°C)において、その表面炭素濃度 Cが Ceu< C≤ C(Acm)となるように浸炭させる工程である。

1次浸炭温度 T1は、少なくとも、後述する 2次浸炭開始温度 T2sよりも 100°C以上高い温度であればよい。一般に、 1次浸炭温度 T1が高くなるほど、短時間で所定の炭素濃度まで浸炭することができる。 1次浸炭温度 T1は、具体的には、 900°C以上が好ましい。

一方、 1次浸炭温度 T1が高くなりすぎると、炉の寿命を低下させ、あるいは、浸炭中における鋼材の変形が増大する場合がある。従って、 1次浸炭温度 T1は、具体的には、 1100°C以下が好ましぐさらに好ましくは、 1000°C以下である。

[0020] また、浸炭は、鋼材の表面炭素濃度 Cが Ceu< C≤C(Acm)となるように行う。

ここで、「表面炭素濃度」とは、表面から 10 πιの領域内の平均炭素濃度をいう。また、「Ceu」とは、上述した範囲の Si、 Mn、及び Crを含む鋼材の共析炭素濃度をいう。上述した鋼材の場合、いずれも、共析炭素濃度は、 0. 5ma_SS%以上となる。さらに、「C(Acm)」とは、 1次浸炭温度 T1における、上述した範囲の Si、 Mn及び Cr を含む鋼材の Acm線に相当する炭素濃度を!/、う。 C≤ C(Acm)となるまで浸炭を行うことは、鋼材の表面温度が Acm線以上となる温度（すなわち、表面が γ相単相となる温度）で 1次浸炭を行うことを意味する。

[0021] 表面炭素濃度 Cが少ないと、後述する 2次浸炭の昇温中に、マトリックス内に炭化物が析出しない。昇温中にマトリックス内に炭化物が析出しないと、 2次浸炭時に粒界に粗大な炭化物が生成する。従って、 1次浸炭は、表面炭素濃度 Cが Ceuより大きくなるように行う必要がある。

一方、表面の炭素濃度 Cが過剰になると、 1次浸炭中に粒界に炭化物が生成する。

1次浸炭で生成した炭化物は、そのまま残存するため、粗大な炭化物の生成は防止しなければならない。具体的には、長径 5 in以上の粗大な炭化物が存在しないことが好ましい。従って、 1次浸炭は、表面炭素濃度 Cが C(Acm)以下となるように行う必要がある。

例えば、上述した組成を有する鋼材の場合、 1次浸炭温度 T1を 950〜； 1000°Cとすると、 C(Acm)は、 1. 25-1. 4mass%程度となる。

[0022] 1次浸炭を行う際の浸炭方法は、特に限定されるものではなぐ種々の方法を用いること力 Sできる。特に、ガス浸炭及び真空浸炭は、取り扱いが容易で、処理時間も短いので、浸炭方法として好適である。特定の浸炭方法を採用した場合において、浸炭条件を最適化すると、表面の炭素濃度 Cを上述の範囲に収めることができる。例えば、ガス浸炭は、浸炭性ガス雰囲気中で鋼材を加熱することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルにより制御することができる。カーボンポテンシャルとは、雰囲気と平衡する純鉄の表面平衡炭素濃度であり、雰囲気中の CO/CO比や H O量に依存する。一般に、カーボンポテンシャルが高くなるほど、及び/又は、 1次浸炭温度 T1が高くなるほど、短時間で表面の炭素濃度を高めることができる。

また、例えば、真空浸炭は、鋼材を揷入した炉内を 1. 3Pa程度に減圧した後、浸炭温度に加熱し、メタン、プロパンなどの炭化水素ガスを炉内に導入することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、炭化水素ガスの導入時間により制御することができる。なお、真空浸炭を行うと、表面近傍の炭素濃度が高くなりすぎる場合があるので、このような場合には、浸炭後に炭化水素ガスの供給を止め、その状態で保持する拡散処理を行うのが一般的である。

[0023] 冷却工程は、 1次浸炭工程終了後、鋼材を冷却速度 1°C/分以上で 700°C以下まで冷却する工程である。

1次浸炭終了後、鋼材は、一端、 700°C以下の温度まで冷却される。 700°C以下の温度まで冷却するのは、 2次浸炭の再加熱の際に、粒内に微細な炭化物を析出させるためである。この場合、冷却速度が遅すぎると、冷却中に片状 '粗大な炭化物が粒界に析出するので好ましくない。冷却時に生じた粗大な炭化物は、後述の工程においても消滅せず、鋼材の強度を低下させる原因となる。従って、冷却速度は、 1°C/ 分以上が好ましい。冷却速度は、速いほどよい。

[0024] 2次浸炭初期工程は、冷却された鋼材を 2次浸炭開始温度 T2sまで昇温させ、 2次浸炭温度 T2において鋼材を浸炭させる工程である。

ここで、「2次浸炭開始温度 T2s」とは、次の（1)式の条件を満たす温度をいう。

Acl点（°C)≤T2s (°C)≤1次浸炭温度 Tl— 100°C≤2次浸炭開始直後における前記鋼材の表面炭素濃度に相当する Acm線温度（°C) · · · (1)

2次浸炭開始温度 T2sと 1次浸炭温度 T1との温度差は、 100°C以上が好ましい。両者の温度差が 100°C未満になると、粒界に片状 ·粗大な炭化物が生成するおそれがある。両者の温度差は、大きいほどよい。

また、 2次浸炭開始温度 T2sは、 Acl点以上であり、かつ、 2次浸炭開始直後における鋼材の表面炭素濃度に相当する Acm線温度以下である必要がある。これは、鋼材の表面温度が Acl点と Acm線の間の温度（すなわち、表面が γ +Fe C相となる温度 )で 2次浸炭を開始することを意味する。

[0025] 「2次浸炭温度 T2」とは、次の（2)式の条件を満たす温度を!/、う。

T2s≤T2≤前記鋼材の表面の炭素濃度に相当する Acm線温度（°C)…（2) 2次浸炭温度 T2は、 2次浸炭開始温度 T2sと同一であっても良ぐあるいは、それより高い温度であってもよい。

2次浸炭温度 T2が 2次浸炭開始温度 T2sと同一である場合、 2次浸炭温度 T2での保持時間は、後述する焼入れ温度 Tqまで昇温したときに、鋼材の表面温度が Acm 線温度を超えな V、時間であればよ V、。一般に、 2次浸炭温度 T2での保持時間が長くなるほど、表面の炭素濃度が上昇し、これに応じて表面の Acm線温度も上昇するので、鋼材の表面温度を Acm線以下に保ったまま、浸炭を行うこと力 Sできる。後述する焼入れ温度 Tqに昇温したときに鋼材の表面温度を確実に Acm線以下とするためには、 2次浸炭温度 T2での保持時間は、 15分以上が好ましい。

[0026] 一方、 2次浸炭温度 T2が 2次浸炭開始温度 T2sより高い場合、 2次浸炭温度 T2は、 2次浸炭開始温度 T2sから階段状に温度を上昇させても良ぐあるいは、連続的に上昇させてもよい。

「階段状」とは、一定温度で所定時間保持した後、温度を所定の温度幅で上昇させ、さらにその温度で所定時間保持することを繰り返すことをいう。階段状に温度を上昇させる場合であっても、温度の上昇幅及び保持温度での保持時間を最適化すると、鋼材の表面温度を Acm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。

また、「連続的」とは、所定の昇温速度で温度を上昇させることをいう。連続的に温度を上昇させる場合であっても、昇温速度を最適化することによって、鋼材の表面温度を Acm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。

[0027] 2次浸炭後期工程は、 2次浸炭初期工程終了後、引き続き鋼材を焼入れ温度 Tq ( °C)まで昇温させ、焼入れ温度 Tqにおいてさらに浸炭させる工程である。

但し、 Tq≤前記鋼材の表面炭素濃度に相当する Acm線温度（°C)。

2次浸炭後期工程は、単に鋼材の温度を焼入れ温度 Tqまで上昇させるためだけではなぐより高温において浸炭を行わせ、粒界に片状 '粗大な炭化物を析出させることなぐ短時間で表面の炭素濃度を目的とする炭素濃度とするための工程でもある。従って、焼入れ温度 Tqは、鋼材の表面炭素濃度に相当する Acm線温度以下である必要がある。 2次浸炭初期工程の浸炭条件を最適化すると、鋼材の表面温度を Acm 線温度以下に保ったまま、焼入れ温度 Tqまで昇温することができる。

一般に、焼入れ温度 Tqが低くなるほど、保持中に、粒界に片状 ·粗大な炭化物が生成しに《なる。し力、しながら、焼入れ温度 Tqが低くなりすぎると、炭素の拡散速度が低下するだけでなぐ心部の焼入れが不十分となる。従って、焼入れ温度 Tqは、鋼材の心部がオーステナイト単相となる温度以上とするのが好ましい。

[0028] 焼入れ温度 Tqでの保持時間は、特に限定されるものではなぐ鋼材の組成、焼入れ温度 Tq、鋼材に要求される特性等に応じて、最適な時間を選択する。一般に、保持時間が長くなるほど、鋼材の表面炭素濃度を上昇させることができる。耐摩耗性、面疲労強度に優れた高濃度浸炭鋼を得るためには、焼入れ温度 Tqでの保持時間（すなわち、浸炭時間）は、 15分以上が好ましい。

なお、 2次浸炭初期工程において、段階的又は連続的に 2次浸炭温度 T2を上昇させる場合において、焼入れ温度 Tqに達した時点で十分な浸炭量が得られ、かつ、鋼材の均熱も十分であるときには、焼入れ温度 Tqに到達後、焼入れ温度 Tqでの浸炭を実質的に行うことなぐ直ちに焼入れを行ってもよい。

[0029] 焼入れ工程は、 2次浸炭後期工程終了後、鋼材を焼入れする工程である。

焼入れは、表面の浸炭層及び心部をマルテンサイト変態させるために行われる。そのためには、 2次浸炭後期工程終了後の鋼材は、急冷することが好ましい。焼入れ方法としては、具体的には、油焼入れ、ガス焼入れなどがある。

[0030] 次に、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法の作用につ!/、て説明する。

図 1 ω〜図 1 (d)に、各種条件で高濃度浸炭した場合における組織変化の模式図を示す。なお、図 1 (a)〜図 1 (d)には、状態図も併せて示した。

高濃度浸炭は、 1次浸炭と 2次浸炭の 2回の浸炭を行うものが多い。浸炭を 2段階に分けて行う従来の高濃度浸炭は、図 1 (a)の状態図に示すように、 1次浸炭終了時の表面の炭素濃度は、浸炭温度に対応する Acm線濃度より低い濃度になっている。すなわち、 1次浸炭終了後の表面は、オーステナイト単相状態にある。そのため、この状態から所定の冷却速度で 700°C以下まで冷却すると、鋼材の組織は、図 1 (a)の左図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。この状態から鋼材を 2次浸炭温度まで昇温すると、図 1 (a)の中図に示すように、 2 次浸炭の昇温過程で粒内に球状'微細な炭化物が生成する。これは、 2次浸炭は、鋼材の表面炭素濃度に相当する Acm線温度より低い温度（すなわち、表面が γ + F e C相となる温度）で行われ、 1次浸炭に比べて炭素の拡散速度が遅くなるので、粒界に炭化物が析出しに《なるためである。

2次浸炭温度に到達後、その温度で 2次浸炭を開始すると、図 1 (a)の右図に示すように、昇温過程で生じた微細な炭化物が核となり、炭化物が成長する。

[0031] 図 1 (a)に示すような組織を得るためには、 1次浸炭終了時の温度は Acm線より高く

、 2次浸炭開始時の温度は Acm線より低くなつている必要がある。製造された鋼材にはロット間の成分バラツキがあり、鋼材ごとに Acm線の位置が多少変動するので、図

1 (a)に示すような組織を確実に得るためには、 1次浸炭温度と 2次浸炭温度の温度差を十分に取る必要がある。

しかしながら、温度差を十分に取るために、 1次浸炭温度を上昇させると、炉の耐久性が低下する。一方、これを回避するために、 2次浸炭温度を下げると、 2次浸炭時における炭素の拡散速度が低下するので、生産性が大幅に低下する。

[0032] さらに、炉の耐久性と生産性とを両立させるために、 1次浸炭温度と 2次浸炭温度の温度差を小さくすると、 Acm線を挟んだ 2段階の浸炭処理を再現性良く行うのが困難となる。

例えば、 2次浸炭温度を従来と同等の温度に維持し、 1次浸炭温度を下げた場合において、 1次浸炭温度が Acm線より上にあるときには、 1次浸炭終了後の鋼材の組織は、図 1 (b)の左図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。し力もながら、 2次浸炭開始温度が Acm線を越えると、図 1 (b)の中図に示すように、 2次浸炭温度に保持している間に、 2次浸炭の昇温過程で粒内に生成した微細な炭化物が再固溶する。粒内には炭化物を成長させるための核が無くなるので、炭化物は、形成エネルギーのより小さい粒界において優先的に生成する。その結果、図 1 (b)の右図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成する。

一方、 2次浸炭温度を従来と同様の温度に維持し、 1次浸炭温度を下げた場合において、 1次浸炭温度が Acm線より下にあるときには、 1次浸炭終了後の鋼材の組織は、図 1 (c)の左図に示すように、粒界に片状の炭化物が生成した状態となる。これを 2次浸炭開始温度に昇温すると、図 1 (c)の中図に示すように、昇温過程で粒内に微細な炭化物が生成する。この状態から 2次浸炭を行うと、図 1 (c)の右図に示すように、粒内の微細な炭化物と粒界に生成した片状の炭化物の双方が成長する。

図 1 (b)及び図 1 (c)の!/、ずれの場合にお!/、ても、粒界に生成した片状'粗大な炭化物は、高濃度浸炭鋼の強度を低下させる原因となる。

[0033] これに対し、 1次浸炭温度を従来と同等以下にした状態で 1次浸炭を終了させると、図 1 (d)の左図に示すように、 1次浸炭終了後の鋼材の組織は、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。また、鋼材を冷却後、 2次浸炭開始温度に昇温する場合において、 2次浸炭開始温度を 1次浸炭温度より 100°C以上低い温度にすると、鋼材の表面温度を Acm線より低い温度に確実に持っていくことができる。そのため、 2次浸炭開始温度に到達した時点では、図 1 (d)の中図に示すように、粒内に微細な炭化物が生成する。

この状態から、 2次浸炭開始温度と同一温度で保持し、又は、 2次浸炭開始温度から段階的若しくは連続的に温度を上昇させながら一定時間浸炭を行うと、粒界に炭化物が生成することなぐ粒内の炭化物が成長する。

また、 2次浸炭の進行に伴い、表面の炭素濃度が上昇し、表面の Acm線温度も上昇する。そのため、 2次浸炭初期工程の条件を最適化すれば、鋼材を焼入れ温度に昇温しても、焼入れ温度が表面の Acm線温度を超えることがない。その結果、図 l (d )の右図に示すように、粒界に炭化物を生成させることなぐ粒内の炭化物を成長させること力 Sでさる。

[0034] 粒界に片状 ·粗大な炭化物の析出を防止するためには、 1次浸炭を Acm線より高い温度で行い、 2次浸炭を Acm線より低い温度で行う必要がある。本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、 1次浸炭終了後と 2次浸炭開始時の温度差を十分に取ることができるので、鋼材の成分にロット間バラツキがある場合であっても、片状 '粗大な炭化物の生成を確実に抑えることができる。また、充分な温度差を取るために 1次浸炭温度を上昇させる必要がないので、炉の耐久性を低下させることもない。さらに、 2 次浸炭開始温度に到達した後、所定時間経過後に焼入れ温度に上昇させて浸炭が続行されるので、表面の炭素濃度を短時間で目的とする濃度に到達させることができ実施例

[0035] (実施例;!〜 15、比較例;!〜 5)

[1. 試料の作製]

種々の組成を有する鋼材について、種々の条件下で浸炭を行った。なお、浸炭は、いずれも 1次浸炭と 2次浸炭の 2段階で行った。また、 2次浸炭は、実施例 15及び比較例 1を除き、一定の温度 (低温)で一定時間保持する 2次浸炭初期工程と、焼入れ温度（高温）に昇温して一定時間保持する 2次浸炭後期工程の 2段階に分けて行つた。図 2に、典型的な浸炭処理パターンを示す。

[0036] 浸炭は、 1次浸炭、 2次浸炭初期及び 2次浸炭後期のいずれも、

(1) 総浸炭時間の 2%に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭を行う操作、及び

(2) 総浸炭時間の 23%に当たる時間、真空引きをして拡散させる操作、を合計 4回繰り返すことにより行った。

但し、実施例 15については、 2次浸炭開始温度を 750°Cとし、焼入れ温度 850°C に達するまで、浸炭しながら 40分かけて昇温し、焼入れ温度に到達後、直ちに焼入れを行った。

また、比較例 2の 2次浸炭初期工程は、総浸炭時間の 3%に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭する操作と、総浸炭時間の 22%に当たる時間、真空引きをして拡散する操作を、合計 4回繰り返した。

さらに、比較例 3の 2次浸炭初期工程は、総浸炭時間の 1 %に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭を行い、総浸炭時間の 24%に当たる時間、真空引きをして拡散する操作を、合計 4回繰り返した。

[0037] [2. 試験方法]

1次浸炭終了後の表面炭素濃度は、断面の炭素濃度分布を EPMAにより測定し、表面から 10 πιの領域内の平均炭素濃度を算出した。また、 1次浸炭終了後及び焼入れ後の炭化物粒径は、試料断面をピクラルで腐食後、 SEMを用いて写真撮影することにより測定し、 lmm2中に存在する炭化物の粒径の最大値を「炭化物粒径」とした。さらに、焼入れ後の疲労強度は、回転曲げ疲労試験 (JIS Z 2274に準拠）により測定した。

[0038] [3. 結果]

表 1に、各種鋼材の成分、浸炭条件、及び試験結果を示す。

比較例 1は、焼入れ後において、 10 inを超える粗大な炭化物が生成した。これは、 2次浸炭初期工程を省略し、直ちに 885°Cでの 2次浸炭後期工程を行っているために、 2次浸炭の昇温過程で生じた微細な炭化物が再固溶したためと考えられる。また、比較例 2は、焼入れ後において、 10 inを超える粗大な炭化物が生成した。これは、 1次浸炭が過剰であり、 1次浸炭終了時点で粗大な炭化物が既に生成していたためである。

また、比較例 3は、 6 inを超える粗大な炭化物が生成した。これは、 1次浸炭が不十分であり、表面炭素濃度が共析炭素濃度に満たないために、 2次浸炭開始温度到達時点で、粒内に微細な炭化物が生成しな力たためと考えられる。

また、比較例 4は、粗大な炭化物はないが、疲労強度が低い。これは、 2次浸炭初期温度と 2次浸炭後期温度が同一であり、炭素の拡散速度が遅いために、十分な量の炭化物が生成しな力、つたためと考えられる。

さらに、比較例 5は、 7 inを超える粗大な炭化物が生成した。これは、 2次浸炭初期温度における保持時間が短いために、 2次浸炭後期温度に昇温したときに鋼材の表面温度が Acm線を越えたためと考えられる。

そのため、比較例 1〜5は、いずれも疲労強度が 700MPa未満であった。

[0039] これに対し、実施例;!〜 15は、いずれも疲労強度が 700MPa以上であった。これは、適正な条件下で 1次浸炭、 2次浸炭初期、及び 2次浸炭後期が行われているので、粒界に片状 '粗大な炭化物を生成させることなぐ微細かつ球状の炭化物を粒内に多量に形成することができたためと考えられる。

[0040] [表 1]

産業上の利用可能性

[0041] 本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、軸、軸受け、歯車ピストンピン、カムなどの機械部品の製造方法として使用することができる。

[0042] 本発明を詳細に、また特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は 2006年 11月 6日出願の日本特許出願（特願 2006 6)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims

請求の範囲

[1] 高濃度浸炭鋼の製造方法であって、

(i) C : 0. 15〜0. 30mass%、 Si : 0. 40〜0. 80mass%、 Mn： 0. 3〜0. 8mass %、 Cr: l . 25-2. 00mass%、残部が Fe及び不可避的不純物からなる鋼材を、 1 次浸炭温度 Tl (°C)にお!/、て、その表面炭素濃度 Cが Ceu< C≤ C(Acm)となるまで浸炭させる 1次浸炭工程 (但し、 Ceuは、前記鋼材の共析炭素濃度、 C(Acm)は、前記 1次浸炭温度 T1における前記鋼材の Acm線に相当する炭素濃度）と、

(V)前記 2次浸炭後期工程終了後、前記鋼材を焼入れする焼入れ工程と、を備えた高濃度浸炭鋼の製造方法。

[2] 前記 1次浸炭温度 T1は、 1100°C以下である請求項 1に記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。

[3] 前記 2次浸炭初期工程は、前記 2次浸炭温度 T2を前記 2次浸炭開始温度 T2sに維持したまま、 15分以上浸炭を行うものである請求項 1又は 2に記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。

[4] 前記 2次浸炭初期工程は、前記 2次浸炭温度 T2を前記 2次浸炭開始温度 T2sから前記焼入れ温度 Tqに至るまで、段階的又は連続的に上昇させながら浸炭を行うものである請求項 1又は 2に記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。

[5] 前記 2次浸炭後期工程は、前記焼入れ温度 Tqにおいて 15分以上浸炭を行うものである請求項 1から 4までのいずれかに記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。