WO2014174949A1 - 合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法 - Google Patents

合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法 Download PDF

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WO2014174949A1
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alloy steel
surface modification
steel part
temperature
alloy
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紀之 植松
啓祐 鈴木
諭 川頭
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株式会社エフ・シー・シー
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/76—Adjusting the composition of the atmosphere

Definitions

  • the present invention relates to a surface modification device for alloy steel parts made of an alloy steel material containing a nitride-forming element, a surface modification method for alloy steel parts, and a method for producing alloy steel parts.
  • Patent Document 1 discloses a heat treatment method that improves the wear resistance and impact resistance by modifying the surface of a steel part by so-called ion nitriding (also referred to as “plasma nitriding”).
  • the surface modification layer (cured layer) is made uniform by the holocathode effect and the edge effect.
  • the holocathode effect is a phenomenon in which, when a hole portion having a small diameter is formed in a part made of alloy steel, discharge in the hole portion is difficult to be performed and the surface modification layer becomes non-uniform.
  • the edge effect is a phenomenon in which, when an alloy steel part is formed with a corner having an acute angle, a right angle, or an obtuse angle, discharge is concentrated at the corner and the surface modification layer becomes non-uniform. Further, the ion nitriding treatment has a problem that it is not suitable for surface modification treatment of a large amount of steel parts because the steel parts to be treated must be arranged apart from each other in the treatment furnace.
  • the present invention has been made to address the above problems, and its purpose is to provide a surface reforming apparatus for alloy steel parts, an alloy capable of obtaining a deep and uniform hardened layer for a wide range of shapes and a large amount of steel parts.
  • An object of the present invention is to provide a method for surface modification of steel parts and a method for producing alloy steel parts.
  • a feature of the present invention is a surface reforming apparatus for an alloy steel part for performing surface reforming of an alloy steel part made of an alloy steel material containing a nitride-forming element, the ammonia gas concentration Is provided with surface modification treatment means for modifying the surface by exposing the alloy steel part to at least 180 minutes or more in an atmosphere of 80% or more and a temperature of 610 ° C. to 630 ° C.
  • the nitride-forming element is an element that forms a hard nitride by permeation and diffusion of nitrogen, and specifically, is at least one of chromium, molybdenum, and aluminum.
  • the alloy steel material containing a nitride-forming element is obtained by adding the above-mentioned nitride-forming element to a carbon steel in an amount of not less than the minimum specified by JIS standard (Japanese Industrial Standard). 3 wt% or more, molybdenum is 0.08 wt% or more, and aluminum is 0.1 wt% or more.
  • the surface reforming apparatus for alloy steel parts is made of alloy steel in an atmosphere having an ammonia gas concentration of 80% or more and a temperature of 610 ° C. to 630 ° C. It is configured to include surface modification processing means for exposing for at least 180 minutes.
  • surface modification processing means for exposing for at least 180 minutes.
  • the alloy steel parts to be processed in the processing furnace may be arranged with an interval around which ammonia gas is distributed. Even when compared with the nitriding treatment, a large amount of alloy steel parts can be efficiently surface-modified. According to experiments by the present inventors, it is preferable that the ammonia gas concentration is constant during the surface modification treatment for alloy steel parts.
  • the temperature is 620 ° C. in the surface modification apparatus for the alloy steel part surface modification device.
  • the surface reforming apparatus for alloy steel parts is set to 620 ° C. in the atmosphere to which the alloy steel parts are exposed.
  • the cured layer can be formed more stably.
  • the temperature of the atmosphere to which the alloy steel parts are exposed may be 610 ° C. or more and 630 ° C. or less, but a temperature of 615 ° C. or more and 625 ° C. or less is more preferable. Further, 620 ° C. is most preferable. In these cases, it is desirable to keep the temperature of the atmosphere to which the alloy steel parts are exposed during processing.
  • the alloy steel parts include at least one of a sharp corner and a hole having a diameter of 8 mm or less. It is in.
  • angular part the shape or sharp shape which assumed the part comprised by acute angle, right angle, or an obtuse angle, for example is assumed.
  • the method for modifying the surface of an alloy steel part includes a sharp corner or a hole having a diameter of 8 mm or less in the alloy steel part. Even in this case, a uniform cured layer can be formed.
  • the present invention can be implemented not only as an invention of a surface reforming apparatus for alloy steel parts, but also as an invention of a surface reforming method for alloy steel parts and a manufacturing method for alloy steel parts. .
  • a method for surface modification of an alloy steel part is a surface reforming apparatus for an alloy steel part that performs surface modification of an alloy steel part made of an alloy steel containing a nitride-forming element, and includes ammonia What is necessary is just to include a surface modification treatment step in which the surface of the alloy steel is modified by exposing the alloy steel part to an atmosphere having a gas concentration of 80% or more and a temperature of 610 ° C. to 630 ° C. for at least 180 minutes.
  • the temperature is more preferably from 615 ° C. to 625 ° C., and most preferably 620 ° C.
  • the alloy steel part may include at least one of a sharp corner and a hole having a diameter of 8 mm or less.
  • the method for producing an alloy steel part is a method for producing an alloy steel part made of an alloy steel material containing a nitride-forming element, wherein the ammonia gas concentration is 80% or more and the temperature is 610 ° C. or more and 630 ° C. or less.
  • a surface modification treatment step of modifying the surface by exposing the alloy steel part to the atmosphere for at least 180 minutes may be included.
  • 4 is a table showing chemical component values of samples A to E subjected to surface modification treatment by the surface modification method for alloy steel parts according to the present invention.
  • 4 is a graph showing the hardness of a compound layer formed on each surface layer of samples A to E by a surface modification method for alloy steel parts according to the present invention. It is the graph which showed relatively the thickness of the compound layer formed in the surface layer of the sample B for every mutually different process conditions including the surface modification method of the alloy steel parts which concerns on this invention. It is the graph which showed relatively the thickness of the compound layer formed in the surface layer of the sample C for every mutually different process conditions including the surface modification method of the alloy steel parts which concerns on this invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of the apparatus configuration of a surface reforming apparatus 100 for an alloy steel part used in the surface reforming method for an alloy steel part according to the present invention. Note that each drawing referred to in the present specification is schematically represented by exaggerating some of the components in order to facilitate understanding of the present invention. For this reason, the dimension, ratio, etc. between each component may differ.
  • the surface reforming apparatus 100 is made of various alloy steel mechanical parts constituting vehicles such as four-wheeled vehicles and two-wheeled vehicles, for example, alloy steel parts 90 such as cylindrical boss parts constituting a power transmission device such as a clutch. It is the heat processing apparatus which performs the surface modification process for forming a hardened layer in the surface layer of this, and improving abrasion resistance.
  • This alloy steel part 90 is a part that constitutes a power transmission device such as a clutch in a vehicle, and is made of an alloy steel material obtained by adding a nitride-forming element to carbon steel.
  • the nitride-forming element added to the carbon steel is at least one element that forms a nitride when combined with nitrogen, and corresponds to, for example, chromium, molybdenum, and aluminum.
  • the addition amount of these nitride forming elements is not less than the minimum amount determined by JIS standard (Japanese Industrial Standard), specifically, 0.3 wt% or more for chromium, 0.08 wt for molybdenum. % Or more, and 0.1% by weight or more for aluminum.
  • the alloy steel part 90 is constituted by a main body 91 formed in a substantially cylindrical shape, as shown in detail in FIG.
  • the main body 91 has a cylindrical sliding portion 92 on which other members constituting the power transmission device slide, and a disk shape radially outward from one end (right side in the drawing) of the sliding portion 92. It is comprised by the flange part 93 overhanging.
  • a through-hole 94 is formed in the sliding portion 92 of the main body 91 so as to penetrate in the radial direction of the main body 91.
  • the through hole 94 has a diameter of 8 mm.
  • This surface reforming apparatus 100 includes a processing furnace 101.
  • the processing furnace 101 is a substantially cylindrical container that is formed in an airtight manner to perform surface modification processing of the alloy steel part 90, and is a material that can withstand 620 ° C., which is the processing temperature of the alloy steel part 90. For example, it is made of a ceramic material.
  • the processing furnace 101 mainly includes a main chamber 101a and a standby chamber 101b.
  • the main chamber 101a is a space for performing a surface modification treatment of the alloy steel part 90
  • the standby chamber 101b is used to move the alloy steel part 90 into and out of the main chamber 101a.
  • This is a space for waiting, and is configured to include a release door 101c that opens and closes toward the outside.
  • a partition wall 101d is provided between the main room 101a and the standby room 101b to freely open and close the two rooms. Further, between these main chamber 101a and standby chamber 101b, a transport mechanism that transports the alloy steel parts 90 between the standby chamber 101b and the main chamber 101a by operation control by a control device 111 described later. 101e.
  • the partition wall 101c is indicated by a broken line
  • the transfer mechanism 101e and the alloy steel part 90 in the standby chamber 101b are indicated by two-dot chain lines.
  • a heater 102 is provided outside the outer peripheral surface of the processing furnace 101.
  • the heater 102 is an electric heater for heating the inside of the main chamber 101a in the processing furnace 101 to 620 ° C. which is the processing temperature and maintaining the same temperature.
  • the operation of the heater 102 is controlled by the control device 111.
  • a main gas supply pipe 103, a sub gas supply pipe 106, and an exhaust pipe 109 are connected to the processing furnace 101, respectively.
  • the main gas supply pipe 103 is a pipe for introducing ammonia gas (not shown) into the processing furnace 101.
  • An upstream side of the main gas supply pipe 103 is connected to a main gas cylinder 105 via a flow rate regulator 104.
  • the flow rate adjuster 104 is a device for adjusting the flow rate of the ammonia gas introduced into the processing furnace 101, and a flow rate adjustment that adjusts the flow rate of the vaporized ammonia gas and a vaporizer (not shown) that vaporizes the liquid ammonia.
  • a valve (not shown) is provided.
  • the operation of the flow regulator 104 is controlled by the control device 111.
  • the main gas cylinder 105 is a container for storing liquid ammonia.
  • the sub gas supply pipe 106 is a pipe for introducing nitrogen gas (not shown) into the processing furnace 101.
  • a sub gas cylinder 108 is connected to the upstream side of the sub gas supply pipe 106 via a flow rate regulator 107.
  • the flow rate regulator 107 is a device for adjusting the flow rate of nitrogen gas introduced into the processing furnace 101, and a vaporizer (not shown) that vaporizes liquid nitrogen and vaporized.
  • a flow rate adjusting valve (not shown) for adjusting the flow rate of nitrogen gas is provided.
  • the operation of the flow rate regulator 107 is controlled by the control device 111.
  • the sub gas cylinder 108 is a container for storing liquid nitrogen.
  • the exhaust pipe 109 is a pipe for guiding the gas in the processing furnace 101 to the outside of the processing furnace 101.
  • an exhaust gas treatment device 110 Connected to the downstream side of the exhaust pipe 109 is an exhaust gas treatment device 110 that deodorizes and burns exhaust gas introduced from the inside of the processing furnace 101.
  • the control device 111 is configured by a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, an input device (not shown) for inputting instructions from the worker, and the surface modification device 100 for the worker. Is provided with a display device (not shown) for displaying the operation status.
  • the control device 111 controls various operations of the surface modification device 100 by executing a program stored in advance in a storage device such as a ROM in accordance with an instruction from the operator. Specifically, the control apparatus 100 controls each operation
  • FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing process for manufacturing the alloy steel part 90.
  • the worker who manufactures the alloy steel part 90 first forms the alloy steel part 90 as the first step. Specifically, the operator uses a machining facility such as a machine tool (not shown) to cut the alloy steel material through the cutting, welding, and grinding processes of the main body 91, the sliding portion 92, the flange portion 93, and the through hole 94. Each molding is performed.
  • the alloy steel part 90 is not subjected to a heat treatment such as a quenching process, but a heat treatment such as a quenching process is performed before or after the surface modification process according to the present invention. It is also possible to do this.
  • the worker performs a surface modification process on the alloy steel part 90 as the second step.
  • the surface modification treatment is a treatment for forming a hardened layer made of nitride on the surface layer of the alloy steel component 90.
  • the operator operates the control device 111 to close the partition wall 101d in the processing furnace 101 so that the main chamber 101a is an airtight chamber, and then the alloy steel part 90 formed by the machining is used.
  • An alloy steel part 90 is arranged in the waiting chamber 101b through the open / close door 101c. In this case, when arranging a plurality of alloy steel parts 90, the operator arranges each alloy steel part 90 through an interval in which ammonia gas is spread.
  • the operator operates the control device 111 to introduce ammonia gas and nitrogen gas into the main chamber 101 a in the processing furnace 101 and heat the processing furnace 101.
  • the operator introduces ammonia gas and nitrogen gas into the main chamber 101a so that 80% or more of the gas occupying the main chamber 101a of the processing furnace 101 is occupied by ammonia gas and the remainder is occupied by nitrogen gas.
  • the worker heats the temperature in the main chamber 101a of the processing furnace 101 to 620 ° C.
  • the operator operates the control device 111 when the ammonia gas concentration in the main chamber 101a in the processing furnace 101 is 80% and the temperature in the main chamber 101a is 620 ° C. or higher.
  • the alloy steel part 90 in the standby chamber 101b is moved into the main chamber 101a.
  • the operator maintains the atmosphere in the main chamber 101a in the processing furnace 101 by operating the control device 111.
  • the concentration of ammonia gas in the main chamber 101a is 80%, and the inside of the main chamber 101a.
  • the steel alloy parts 90 are exposed for at least 180 minutes in an atmosphere maintained at a constant temperature of 620 ° C. That is, this processing furnace 101 corresponds to the surface modification processing means according to the present invention.
  • a hardened layer including a compound layer and a diffusion layer is generated on the surface layer of the alloy steel part 90 in order from the outermost surface.
  • the surface reforming process for the alloy steel part 90 is performed by the nitrogen drifting in the main chamber 101a coming into contact with the alloy steel part 90, so that the inside of the through hole 94 and the corner part such as the flange 92 are formed.
  • a uniform cured layer is generated without unevenness.
  • the operator After exposing the alloy steel part 90 to the atmosphere in the main chamber 101a of the processing furnace 101 for at least 180 minutes, the operator operates the control device 111 to supply ammonia gas and nitrogen gas to the processing furnace 101. The supply is stopped and heating in the processing furnace 101 is stopped. Then, after the temperature in the processing furnace 101 is lowered to a temperature lower than a predetermined temperature (for example, 150 ° C.), the operator takes out the alloy steel part 90 from the processing furnace 101.
  • a predetermined temperature for example, 150 ° C.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of the change in hardness with respect to the distance from the surface layer of the alloy steel part 90 containing a so-called nitride-forming element.
  • the alloy steel part 90 has a thickness of 660 HmV to 880 HmV in a thickness from the surface to about 25 ⁇ m, and a 780 HmV hardness compound layer is formed. It can be confirmed that the diffusion layer is formed at a depth of up to 0.2 mm. This means that a compound layer having a hardness (750 HmV or higher) equal to or higher than that of chromium plating specified in JIS (Japanese Industrial Standard) can be formed on the surface of the alloy steel part 90.
  • JIS Japanese Industrial Standard
  • the worker performs finishing as the third step. Specifically, the operator performs grinding on the outer surface in order to form the alloy steel part 90 taken out from the processing furnace 101 to a predetermined size or surface roughness. In this case, since a compound layer having a thickness of 25 ⁇ m or more is formed on the surface of the alloy steel part 90, the operator can easily process the alloy into a predetermined size or surface roughness with a sufficient machining allowance. it can.
  • FIG. 5 shows the chemical component values of samples A to E used in this experiment.
  • FIG. 6 shows the measurement results of the surface hardness of the samples A to E when the samples A to E shown in FIG. 5 are subjected to the same surface modification treatment as in the above embodiment.
  • the hardness of the sample B in which the alloy steel part 90 satisfies the hardness required for the part specification is 100%, and the hardness of the other samples A and C to E is shown.
  • the alloy steel part 09 needs to be composed of an alloy steel material containing a nitride-forming element.
  • FIG. 7 to FIG. 10 show the surface of each of the samples A to E shown in FIG. 5 according to the conventional conditions, temperature changing conditions, time changing conditions, concentration changing conditions and the present invention conditions.
  • the measurement results of the compound layer thicknesses of the samples B to E when the modification treatment is performed are shown.
  • the compound layer thickness increased by 60% with respect to the compound layer thickness when the surface modification treatment under the conventional conditions is performed on the sample B (target rate 100%). Represents the compound layer thicknesses of the other samples C to E.
  • the conventional technique is a conventional gas nitriding treatment.
  • the temperature is 530 to 580 ° C.
  • the treatment time is 60 to 180 minutes
  • the ammonia gas concentration in the furnace is 30 to 50.
  • the alloy steel part 90 is subjected to so-called gas soft nitriding treatment in a% atmosphere.
  • the hardness in this prior art is generally 350 HmV or more, and the thickness of the compound layer is about 8 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • the temperature changing condition is to process the alloy steel part 90 under the processing condition in which only the temperature condition is changed to 620 ° C. which is the temperature condition in the present invention with respect to the conventional condition.
  • the time change condition is to process the alloy steel part 90 under the process condition in which only the time condition is changed to 180 minutes or more which is the time condition in the present invention with respect to the conventional condition.
  • the concentration change condition refers to the alloy steel part 90 under the processing condition in which the ammonia gas, which is the gas concentration condition in the present invention, is changed to 80% or more only in the gas concentration condition for closing the main chamber 101a with respect to the conventional condition. Is to process.
  • the conditions of the present invention are to treat the alloy steel part 90 under the processing conditions in the above-described embodiment, that is, the processing conditions in which the temperature is 620 ° C., the processing time is 180 minutes or more, and the ammonia concentration is 80% or more. .
  • the thickness of the compound layer formed by the processing conditions in the present invention depends on the temperature conditions, time conditions and ammonia concentration conditions in the processing conditions in the present invention. It can be confirmed that the compound layer can be formed to be thicker than the thickness of the compound layer formed according to the processing conditions employed in the above. That is, the thickness of the compound layer formed according to the present invention cannot be realized under the processing conditions in which the processing conditions in the present invention are partially adopted, and all of the temperature conditions, time conditions and ammonia concentration conditions in the present invention. This is achieved only by executing processing conditions including the following conditions.
  • the conventional ratio of the thickness of the cured layer formed by the surface modification treatment according to the present invention is 1.9 times to 2.
  • the increase rate of the diffusion layer is 1.2 times to 1.6 times.
  • the compound layer and the diffusion layer increase as the compound layer increases, but the increase rate itself is smaller than the increase rate of the compound layer. That is, according to the surface modification treatment according to the present invention, the thickness of the compound layer formed on the surface while suppressing modification of the base material inside the alloy steel part 90, more specifically, the portion having toughness. Can be increased. Therefore, the surface modification treatment according to the present invention is particularly useful for mechanical parts that have toughness inside and require wear resistance on the surface.
  • the thickness of the compound layer formed on the surface of the samples B to E by the surface modification treatment according to the present invention is 25 ⁇ m to 33 ⁇ m, which is the thickness of the compound layer formed by the conventional gas nitriding treatment.
  • conventional heat treatment products that have been carburized and chrome-plated to chromium molybdenum steel, and heat-treated products that have been induction-hardened and chrome-plated to medium carbon steel, they are thick layers that approach the depth of each hardened layer. is there.
  • the surface reforming apparatus 100 for alloy steel parts is made of alloy steel parts in an atmosphere where the concentration of ammonia gas is 80% or more and the temperature is 620 ° C.
  • a processing furnace 101 that exposes 90 for at least 180 minutes is provided.
  • a compound layer having a thickness of 25 ⁇ m or more can be stably formed on the surface of the alloy steel part 90. That is, according to the surface reforming apparatus 100 for the alloy steel part 90 according to the present invention, since the surface reforming process is performed in an atmosphere in which nitrogen generated by the thermal decomposition of ammonia gas drifts, A deep and uniform hardened layer can be formed on the component 90.
  • the alloy steel parts 90 to be processed in the processing furnace 101 may be arranged at intervals such that ammonia gas is spread. Therefore, the surface modification treatment can be efficiently performed on a large amount of alloy steel parts 90 as compared with the ion nitriding treatment.
  • the gas concentration in the main chamber 101a of the processing furnace 101 is configured such that ammonia gas occupies 80% or more and the remainder is nitrogen gas.
  • the concentration of the gas in the main chamber 101a is not necessarily limited to the above embodiment as long as ammonia gas occupies at least 80% or more. Therefore, you may comprise so that the inside of the main chamber 101a may be occupied only with ammonia gas. Further, 80% or more of the gas concentration in the main chamber 101a may be occupied by ammonia gas, and the remainder may be occupied by another gas such as carbon gas or hydrogen gas instead of or in addition to nitrogen gas. Good. In these cases, according to experiments by the present inventors, it is preferable to keep the ammonia gas concentration constant during the surface modification treatment for the alloy steel part 90.
  • the surface modification treatment of the alloy steel part 90 was performed in a state where the inside of the main chamber 101a in the processing furnace 101 was heated to 620 ° C. and maintained.
  • the temperature condition of the surface modification treatment in the present invention is within a range of ⁇ 10 ° C. with respect to 620 ° C., that is, within a range of 610 ° C. or more and 630 ° C. or less. It was confirmed that the effects of the present invention were exhibited, and it was confirmed that the effects of the present invention could not be sufficiently exhibited outside these temperature ranges.
  • the temperature of the atmosphere to which the alloy steel parts are exposed is more preferably 615 ° C. or more and 625 ° C. or less, and the most effective temperature condition is 620 ° C. It was confirmed. In these cases, it was also confirmed that the temperature of the atmosphere to which the alloy steel parts are exposed should be kept constant during the process.
  • the alloy steel part 90 is a component part of a power transmission device such as a clutch in a self-propelled vehicle.
  • the surface reforming apparatus 100 for alloy steel parts 90 according to the present invention can be widely applied to machine parts made of alloy steel.
  • the surface reforming apparatus 100 for the alloy steel part 90 according to the present invention has a tapered shape with a sharp tip, for example, a cone shape, an acute angle, a right angle or an obtuse angle, and a diameter of 8 mm.
  • it is preferable that a thick and uniform compound layer can be formed even on an alloy steel part 90 including at least one of holes of preferably 5 mm or less, more preferably 4 mm or less.
  • the alloy steel part 90 in which all or part of the alloy steel part 90 has a mechanically sliding portion is formed by the surface reforming apparatus 100 for the alloy steel part 90 according to the present invention.
  • the hardened layer (compound layer) is formed more easily and in a shorter time than the hardened layer by the conventional hardened layer forming treatment, specifically, the hardened layer by the hard chrome plating treatment after induction hardening or carburizing hardening. It can be effective.
  • the surface reformer 100 is an atmosphere in which the alloy steel part 90 is maintained at a constant ammonia gas concentration of 80% and a temperature of the main chamber 101a of 620 ° C. for at least 180 minutes. Exposed inside. This is because, according to experiments by the present inventors, it has been confirmed that the effect of the present invention cannot be sufficiently exhibited when the surface modification treatment to the alloy steel part 90 is less than 180 minutes. Therefore, the surface reforming apparatus 100 needs to expose the alloy steel part 90 to an atmosphere in which the ammonia gas concentration is maintained at 80% or more and the temperature is maintained at 610 ° C. or more and 630 ° C. or less for at least 180 minutes.
  • the surface modification method for alloy steel parts according to the present invention can be widely applied to alloy steel materials containing nitride-forming elements.
  • the alloy steel material containing a nitride-forming element is a steel material containing at least one of chromium, molybdenum and aluminum in a minimum amount determined by the JIS standard (Japanese Industrial Standard), for example, chromium alloy steel, chromium In addition to molybdenum steel and nitride steel, there are carbon steel, chromium alloy steel or chromium molybdenum steel containing 0.1 to 0.3 wt% of aluminum.

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Abstract

幅広い形状や大量の鋼製部品に対して深く均一な硬化層を得ることができる合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法を提供する。 表面改質装置１００は、クロム、モリブデンおよびアルミニウムなどの窒化物形成元素を少なくとも１種類以上添加した合金鋼材からなる合金鋼製部品９０に対して表面改質処理を行う処理炉１０１を備えている。表面改質装置１００は、処理炉１０１内をアンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６２０℃の雰囲気に維持した状態で合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分以上曝して表面に化合物層を形成する。

Description

合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法
　本発明は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法に関する。
　従来から、四輪車や二輪車などの車両を構成する合金鋼製の各種機械部品においては、機械的に摺動する部分における耐摩耗性を向上させる目的で表面改質処理が施されている。例えば、下記特許文献１には、所謂イオン窒化処理（「プラズマ窒化処理」ともいう）によって鋼部品の表面を改質して耐摩耗性や耐衝撃性を向上させる熱処理方法が開示されている。
特開平０９－１２５２２５号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載された表面改質方法においては、鋼製部品の表面改質をイオン窒化処理によって行っているため、ホロカソード効果やエッジ効果によって表面改質層（硬化層）を均一に生成することが困難であるとともに表面改質可能な部品が限定されるという問題があった。ここで、ホロカソード効果とは、合金鋼製部品に直径の小さな孔部が形成されている場合、この孔部内での放電が行われ難く表面改質層が不均一となる現象である。また、エッジ効果とは、合金鋼製部品に鋭角、直角または鈍角からなる角部が形成されている場合、この角部で放電が集中して表面改質層が不均一となる現象である。また、イオン窒化処理は、処理炉内において処理対象となる鋼製部品同士を離して配置しなければならないため、大量の鋼製部品の表面改質処理には不向きであるという問題があった。
　本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、幅広い形状や大量の鋼製部品に対して深く均一な硬化層を得ることができる合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の特徴は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質を行う合金鋼製部品の表面改質装置であって、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理手段を備えていることにある。この場合、窒化物形成元素とは、窒素が浸透拡散することによって硬い窒化物を生成する元素であり、具体的には、クロム、モリブデンおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つである。また、窒化物形成元素を含む合金鋼材は、炭素鋼に対して前記窒化物形成元素をＪＩＳ規格（日本工業規格）で定める最少量以上添加したものであり、具体的には、クロムは０.３ｗｔ％以上、モリブデンは０.０８ｗｔ％以上、アルミニウムは０.１ｗｔ％以上である。
　このように構成した本発明の特徴によれば、合金鋼製部品の表面改質装置は、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上の間曝す表面改質処理手段を含んで構成されている。これにより、本発明者らの実験によれば、合金鋼製部品の表面に対して２５μｍ以上の厚さの化合物層を安定的に形成することができることを確認した。すなわち、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によれば、アンモニアガスの熱分解によって生じた窒素が漂う雰囲気中で表面改質処理が行われるため、幅広い形状の合金鋼製部品に対して深く均一な硬化層を形成することができる。また、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質装置によれば、処理炉内において処理対象となる合金鋼製部品同士はアンモニアガスが行き渡る程度の間隔を介して配置すればよいため、イオン窒化処理に比べても大量の合金鋼製部品に対して効率的に表面改質処理を行うことができる。なお、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品に対する表面改質処理中においてはアンモニアガス濃度が一定であることが好ましい。
　また、本発明の他の特徴は、前記合金鋼製部品の表面改質装置において、表面改質処理手段は、前記温度が６２０℃であることにある。
　このように構成した本発明の他の特徴によれば、合金鋼製部品の表面改質装置は、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度が６２０℃に設定されているため、本発明者らの実験によれば、より安定的に硬化層を形成することができる。なお、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、６１０℃以上ないし６３０℃以下であればよいが、６１５℃以上ないし６２５℃以下の温度がより好適であり、さらには６２０℃が最も好適である。そして、これらの場合、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、処理中一定に保つことが望ましい。
　また、本発明の他の特徴は、前記合金鋼製部品の表面改質装置において、合金鋼製部品は、尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むことにある。この場合、角部としては、例えば、鋭角、直角または鈍角で構成された部分や錘状に尖った形状が想定される。
　このように構成した本発明の他の特徴によれば、合金鋼製部品の表面改質方法は、合金鋼製部品に尖った形状の角部または直径が８ｍｍ以下の孔部を含んで構成されている場合であっても均一な硬化層を形成することができる。
　また、本発明は、合金鋼製部品の表面改質装置の発明として実施できるばかりでなく、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法の発明としても実施できるものである。
　具体的には、合金鋼製部品の表面改質方法は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質を行う合金鋼製部品の表面改質装置であって、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むようにすればよい。
　この場合、表面改質処理工程は、前記温度が６１５℃以上ないし６２５℃以下の温度がより好適であり、さらには６２０℃が最も好適である。
　また、これらの場合、合金鋼製部品は、尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むとよい。
　また、合金鋼製部品の製造方法は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の製造方法であって、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むようにすればよい。
本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法に用いられる合金鋼製部品の表面改質装置の装置構成の概略を示す模式図である。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法が施される合金鋼製部品の構成の概略を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る合金鋼製部品の表面改質方法による合金鋼製部品の製造工程を示す流れ図である。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によって合金鋼製部品の表層に形成された硬化層の硬さと深さとの関係を示したグラフである。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によって表面改質処理を行う試料Ａ～Ｅの化学成分値を示した表である。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によって試料Ａ～Ｅの各表層に形成された化合物層の硬さを示したグラフである。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｂの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｃの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｄの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。 本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｅの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。
　以下、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法に用いられる合金鋼製部品の表面改質装置１００の装置構成の概略を示した模式図である。なお、本明細書において参照する各図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。この表面改質装置１００は、四輪車や二輪車などの車両を構成する合金鋼製の各種機械部品、例えば、クラッチなどの動力伝達装置を構成する円筒状のボス部品などの合金鋼製部品９０の表層に硬化層を形成して耐摩耗性を向上させるための表面改質処理を行う熱処理装置である。
　まず、本発明に係る表面改質装置１００によって成形される合金鋼製部品９０について説明しておく。この合金鋼製部品９０は、車両におけるクラッチなどの動力伝達装置を構成する部品であり、炭素鋼に窒化物形成元素を添加した合金鋼材によって構成されている。この場合、炭素鋼に対して添加される窒化物形成元素は、窒素と結びついて窒化物を生成する少なくとも１種の元素であり、例えば、クロム、モリブデンおよびアルミニウムなどが相当する。また、これらの窒化物形成元素の添加量は、ＪＩＳ規格（日本工業規格）で定める最少量以上であり、具体的には、クロムであれば０.３ｗｔ％以上、モリブデンであれば０.０８ｗｔ％以上、アルミニウムであれば０.１ｗｔ％以上である。
　この合金鋼製部品９０は、詳しくは図２に示すように、略円筒状に形成された本体部９１によって構成されている。本体部９１は、動力伝達装置を構成する他の部材が摺動する円筒状の摺動部９２と、この摺動部９２における一方（図示右側）の端部側から径方向外側に円板状に張り出したフランジ部９３によって構成されている。本体部９１における摺動部９２には、本体部９１の径方向に貫通した状態で貫通孔９４が形成されている。この貫通孔９４は、直径が８ｍｍに形成されている。
　この表面改質装置１００は、処理炉１０１を備えている。処理炉１０１は、合金鋼製部品９０の表面改質処理を行うために気密的に形成された略円筒状の容器であり、合金鋼製部品９０の処理温度である６２０℃に耐えられる材料、例えば、セラミック材で構成されている。この処理炉１０１は、主として、主室１０１ａと待機室１０１ｂとで構成されている。
　これらのうち、主室１０１ａは合金鋼製部品９０の表面改質処理を行うための空間であり、待機室１０１ｂは主室１０１ａに合金鋼製部品９０を出し入れする際に合金鋼製部品９０を待機させておくための空間であり外部に向かって開閉する解放扉１０１ｃを備えて構成されている。そして、これらの主室１０１ａと待機室１０１ｂとの間には、両部屋間を開閉自在仕切る仕切り壁１０１ｄが設けられている。また、これらの主室１０１ａと待機室１０１ｂとの間には、後述する制御装置１１１による作動制御によって待機室１０１ｂと主室１０１ａ内との間で合金鋼製部品９０を相互に搬送する搬送機構１０１ｅを備えている。なお、図１においては、仕切り壁１０１ｃを破線で示すとともに、待機室１０１ｂ内の搬送機構１０１ｅおよび合金鋼製部品９０をそれぞれ二点鎖線で示している。
　処理炉１０１の外周面の外側には、加熱器１０２が設けられている。加熱器１０２は、処理炉１０１における主室１０１ａ内を前記処理温度である６２０℃まで加熱するとともに同温度を維持するための電気ヒータである。この加熱器１０２は、制御装置１１１によって作動が制御される。
　また、処理炉１０１には、メインガス供給管１０３、サブガス供給管１０６および排気管１０９がそれぞれ接続されている。メインガス供給管１０３は、処理炉１０１内にアンモニアガス（図示せず）を導くための配管である。このメインガス供給管１０３の上流側には、流量調整器１０４を介してメインガスボンベ１０５に接続されている。流量調整器１０４は、処理炉１０１内に導入するアンモニアガスの流量を調整するための機器であり、液体アンモニアを気化する気化器（図示せず）および気化したアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁（図示せず）などを備えて構成されている。この流量調整器１０４は、制御装置１１１によって作動が制御される。メインガスボンベ１０５は、液体のアンモニアを貯留するための容器である。
　サブガス供給管１０６は、処理炉１０１内に窒素ガス（図示せず）を導くための配管である。このサブガス供給管１０６の上流側には、流量調整器１０７を介してサブガスボンベ１０８が接続されている。流量調整器１０７は、前記流量調整器１０４と同様に、処理炉１０１内に導入する窒素ガスの流量を調整するための機器であり、液体窒素を気化する気化器（図示せず）および気化した窒素ガスの流量を調整する流量調整弁（図示せず）などを備えて構成されている。この流量調整器１０７は、制御装置１１１によって作動が制御される。サブガスボンベ１０８は、液体の窒素を貯留するための容器である。
　排気管１０９は、処理炉１０１内のガスを処理炉１０１の外に導くための配管である。この排気管１０９の下流側には、処理炉１０１内から導かれた排気ガスを脱臭および燃焼処理する排ガス処理装置１１０が接続されている。
　制御装置１１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータによって構成されているとともに、作業者からの指示を入力するための入力装置（図示せず）および作業者に対して表面改質装置１００の作動状況を表示するための表示装置（図示せず）を備えている。この制御装置１１１は、作業者の指示に従ってＲＯＭなどの記憶装置に予め記憶されたプログラムを実行することにより、表面改質装置１００の各種作動を制御する。具体的には、制御装置１００は、作業者からの指示に従って加熱器１０２、流量調整装置１０４，１０７および排ガス処理装置１１０の各作動を制御する。また、この表面改質装置１００には、処理炉１０１内の温度およびアンモニアガスの濃度を測定して制御装置１１１に出力する温度センサ１１２ａおよび濃度センサ１１２ｂをそれぞれ備えている。
（表面改質装置１００の作動）
　次に、上記のように構成した表面改質装置１００を用いた合金鋼製部品９０への表面改質処理について図３に示す工程流れ図を参照しながら説明する。ここで図３は、合金鋼製部品９０を製造する製造工程を示す流れ図である。
　合金鋼製部品９０を製造する作業者は、まず、第１工程として、合金鋼製部品９０を成形する。具体的には、作業者は、図示しない工作機械などの機械加工設備を用いて合金鋼材を切削加工、溶接加工および研削加工を通じて本体部９１、摺動部９２、フランジ部９３および貫通孔９４の成形をそれぞれ行う。この場合、本実施形態においては、合金鋼製部品９０に対して焼き入れ処理などの熱処理は行なわないが、本発明に係る表面改質処理の前または後の工程において焼き入れ処理などの熱処理を行うことも可能である。
　次に、作業者は、第２工程として、合金鋼製部品９０に対して表面改質処理を行う。この場合、表面改質処理は、合金鋼製部品９０の表層に窒化物で構成される硬化層を形成する処理である。具体的には、作業者は、制御装置１１１を操作して処理炉１０１における仕切り壁１０１ｄを閉じて主室１０１ａ内を気密室とした後、前記機械加工によって成形された合金鋼製部品９０を待機室１０１ｂ内に開閉扉１０１ｃを介して合金鋼製部品９０を配置する。この場合、作業者は、複数の合金鋼製部品９０を配置する場合には、各合金鋼製部品９０をアンモニアガスが行き渡る間隔を介して配置する。
　次いで、作業者は、制御装置１１１を操作することにより、処理炉１０１における主室１０１ａ内にアンモニアガスおよび窒素ガスを導入するとともに処理炉１０１を加熱する。この場合、作業者は、処理炉１０１の主室１０１ａ内を占めるガスのうち、８０％以上をアンモニアガスが占めるとともに残余を窒素ガスが占めるように主室１０１ａ内にアンモニアガスおよび窒素ガスを導入させる。また、作業者は、処理炉１０１の主室１０１ａ内の温度を６２０℃になるように加熱させる。
　次に、作業者は、処理炉１０１における主室１０１ａ内におけるアンモニアガスの濃度が８０％かつ主室１０１ａ内の温度が６２０℃以上の雰囲気になった場合には、制御装置１１１を操作することによって待機室１０１ｂ内の合金鋼製部品９０を主室１０１ａ内に移動させる。この後、作業者は、制御装置１１１を操作することにより処理炉１０１における主室１０１ａ内の雰囲気を維持、具体的には、主室１０１ａ内におけるアンモニアガスの濃度を８０％かつ主室１０１ａ内の温度を６２０℃の一定にそれぞれ維持した雰囲気中に合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分の間曝す。すなわち、この処理炉１０１が、本発明に係る表面改質処理手段に相当する。
　これにより、処理炉１０１における主室１０１ａ内においては、アンモニアガスの熱分解によって生じた窒素が合金鋼部品９０の表層に浸透して硬化層を生成する。具体的には、合金鋼製部品９０の表層には、最表面から順に化合物層および拡散層からなる硬化層が生成される。この場合、合金鋼製部品９０に対する表面改質処理は、主室１０１ａを漂う窒素が合金鋼製部品９０に接触することによって行われるため、貫通孔９４の内部やフランジ部９２などの角部に対してもムラなく均一な硬化層の生成が行われる。
　処理炉１０１の主室１０１ａ内における前記雰囲気中に合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分以上曝した後において作業者は、制御装置１１１を操作することにより処理炉１０１へのアンモニアガスおよび窒素ガスの供給をそれぞれ停止するとともに同処理炉１０１内の加熱を停止させる。そして、作業者は、処理炉１０１内の温度が所定の温度（例えば、１５０℃）未満にまで低下した後、処理炉１０１内から合金鋼製部品９０を取り出す。
　ここで、処理炉１０１から取り出した合金鋼製部品９０の表層における硬度状態について説明しておく。図４は、所謂窒化物形成元素を含む合金鋼製部品９０の表層からの距離に対する硬度変化の一例を示したグラフである。この図４によれば、合金鋼製部品９０は、表面から約２５μｍまでの厚さにおいて６６０ＨｍＶから８８０ＨｍＶを経て７８０ＨｍＶの硬さの化合物層が形成されるとともに、この化合物層から下層に向かって０.２ｍｍまでの深さにおいて拡散層が形成されていることを確認できる。これは、合金鋼製部品９０の表面に対してＪＩＳ（日本工業規格）に規定されるクロムめっきと同等以上の硬度（７５０ＨｍＶ以上）を有する化合物層を形成できたことになる。
　次に、作業者は、第３工程として、仕上げ加工を行う。具体的には、作業者は、処理炉１０１から取り出した合金鋼製部品９０を所定の寸法または表面粗さに成形するために外表面に対して研削加工を行う。この場合、合金鋼製部品９０の表面には２５μｍ以上の厚さの化合物層が形成されているため、作業者は充分な加工取り代によって容易に所定の寸法または表面粗さに加工することができる。
　ここで、本発明者らによる実験結果について説明しておく。図５は、本実験に用いた試料Ａ～Ｅの化学成分値を示したものである。また、図６は、前記図５に示す各試料Ａ～Ｅに対して前記実施形態と同様の表面改質処理を施した場合における各試料Ａ～Ｅの表面硬度の測定結果を示している。この図６においては、合金鋼製部品９０が部品の仕様として必要とされる硬度を満たした試料Ｂの硬度を１００％として他の試料Ａ，Ｃ～Ｅの硬度を表している。この図６に示す実験結果によれば、化合物層が必要な硬度を得るためには、合金鋼製部品０９は窒化物形成元素を含む合金鋼材で構成される必要があることを確認できる。
　次に、図７～図１０は、前記図５に示す各試料Ａ～Ｅのうち、試料Ｂ～Ｅに対して従来条件、温度変更条件、時間変更条件、濃度変更条件および本発明条件によって表面改質処理をそれぞれ行った場合における各試料Ｂ～Ｅの化合物層厚さの測定結果を示している。この図７～図１０においては、試料Ｂに対して従来条件の表面改質処理を行った場合における化合物層厚さに対して６０％増の化合物層厚さを目標値（達成率１００％）として他の試料Ｃ～Ｅの化合物層厚さを表している。
　また、この本実験において、従来技術とは、従来のガス窒化処理であり、具体的には、温度が５３０～５８０℃、処理時間が６０～１８０分および炉内におけるアンモニアガス濃度が３０～５０％の雰囲気で合金鋼製部品９０を所謂ガス軟窒化処理するものである。この従来技術における硬度は一般的に３５０ＨｍＶ以上、化合物層の厚さは８μｍ～１５μｍ程度である。
　また、温度変更条件とは、従来条件に対して温度条件のみ本発明における温度条件である６２０℃に変更した処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。また、時間変更条件とは、従来条件に対して時間条件のみ本発明における時間条件である１８０分以上に変更した処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。また、濃度変更条件とは、従来条件に対して主室１０１ａ内を閉めるガスの濃度条件のみ本発明におけるガスの濃度条件であるアンモニアガスが８０％以上に変更した処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。また、本発明条件とは、前記実施形態における処理条件、すなわち、温度が６２０℃、処理時間が１８０分以上およびアンモニア濃度が８０％以上の処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。
　これらの図７～図１０に示す各実験結果によれば、本発明における処理条件によって形成した化合物層の厚さは、本発明における処理条件における温度条件、時間条件およびアンモニア濃度条件をそれぞれ部分的に採用した各処理条件によって形成された化合物層の厚さに比べて明らかに厚く形成できることが確認できる。すなわち、本発明によって形成される化合物層の厚さは、本発明における処理条件を部分的に採用した処理条件では実現することができず、本発明における温度条件、時間条件およびアンモニア濃度条件のすべての条件を含んだ処理条件を実行することによって始めて達成されるものである。
　また、本発明に係る表面改質処理によって形成される硬化層の厚さの従来比は前記試料Ｂ～Ｅの試料に対する実験結果によれば、化合物層の増加率は１.９倍～２.５倍であり、拡散層の増加率は１.２倍～１.６倍である。この場合、化合物層と拡散層とは、化合物層の増加に伴って拡散層も増加するが、増加率自体の大きさは化合物層の増加率に比べて拡散層の増加率は小さい。すなわち、本発明に係る表面改質処理によれば、合金鋼製部品９０の内部の母材、より具体的にはじん性を有する部分の改質を抑えつつ表面に形成される化合物層の厚さを増加させることができる。したがって、本発明に係る表面改質処理は、内部にじん性を有しつつ表面に耐摩耗性が求められる機械部品に特に有用である。
　なお、本発明に係る表面改質処理によって前記試料Ｂ～Ｅの試料の表面に形成された化合物層の厚さは２５μｍ～３３μｍであり、これは、従来のガス窒化処理による化合物層の厚さに比べて従来のクロムモリブデン鋼材に対する浸炭焼入れおよびクロムメッキ処理を施した熱処理品や、中炭素鋼材に対する高周波焼入れおよびクロムメッキ処理を施した熱処理品における各硬化層の深さにそれぞれ迫る厚い層である。
　上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、合金鋼製部品の表面改質装置１００は、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６２０℃の雰囲気中に合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分以上の間曝す処理炉１０１を備えて構成されている。これにより、本発明者らの実験によれば、合金鋼製部品９０の表面に対して２５μｍ以上の厚さの化合物層を安定的に形成することができることを確認した。すなわち、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００によれば、アンモニアガスの熱分解によって生じた窒素が漂う雰囲気中で表面改質処理が行われるため、幅広い形状の合金鋼製部品９０に対して深く均一な硬化層を形成することができる。また、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質装置９０によれば、処理炉１０１内において処理対象となる合金鋼製部品９０同士はアンモニアガスが行き渡る程度の間隔を介して配置すればよいため、イオン窒化処理に比べても大量の合金鋼製部品９０に対して効率的に表面改質処理を行うことができる。
　さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
　例えば、上記実施形態においては、処理炉１０１の主室１０１ａ内のガスの濃度についてアンモニアガスが８０％以上を占めるとともに残余を窒素ガスが占めるように構成した。しかし、主室１０１ａ内のガスの濃度は、アンモニアガスが少なくとも８０％以上占めれば、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。したがって、主室１０１ａ内をアンモニアガスのみで占めるように構成してもよい。また、主室１０１ａ内のガスの濃度の８０％以上をアンモニアガスで占めるとともに、残余を窒素ガスに代えてまたは加えて他のガス、例えば、炭素ガスや水素ガスで占めるように構成してもよい。これらの場合、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品９０に対する表面改質処理中においてはアンモニアガス濃度を一定に維持することが好ましい。
　また、上記実施形態においては、処理炉１０１における主室１０１ａ内を６２０℃に加熱し維持した状態で合金鋼製部品９０の表面改質処理を行った。しかし、本発明者らの実験によれば、本発明における表面改質処理の温度条件は、６２０℃に対して±１０℃の範囲内、すなわち、６１０℃以上かつ６３０℃以下の範囲であれば本発明の効果を発揮することを確認するとともにこれらの温度範囲外では本発明の効果を十分に発揮することができないことを確認した。そして、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、６１５℃以上ないし６２５℃以下の温度がより好適であり、最も効果的な温度条件は６２０℃であることを確認した。そして、これらの場合、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、処理中一定に保つことが望ましことも確認した。
　また、上記実施形態においては、合金鋼製部品９０は、自走式車両におけるクラッチなどの動力伝達装置の構成部品とした。しかし、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００は、合金鋼で構成される機械部品に広く適用できるものである。この場合、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００は、先端部が先細りの尖った形状、例えば、錐状のほか鋭角、直角または鈍角で構成される角部および直径が８ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは４ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含む合金鋼製部品９０に対しても厚く均一な化合物層を形成することができ好適である。また、合金鋼製部品９０の全部または一部に機械的に摺動する部分が存在する合金鋼製部品９０に対しては、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００によって形成される硬化層（化合物層）が従来の硬化層形成処理による硬化層、具体的には、高周波焼き入れまたは浸炭焼き入れ後の硬質クロムメッキ処理による硬化層に比べて簡単かつ短時間に形成することができ有効である。
　また、上記実施形態においては、表面改質装置１００は、合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分の間アンモニアガスの濃度を８０％かつ主室１０１ａ内の温度を６２０℃の一定にそれぞれ維持した雰囲気中に曝した。これは、本発明者らの実験によれば、合金鋼製部品９０への表面改質処理が１８０分未満では、本発明の効果を十分に発揮することができないことを確認したことによる。したがって、表面改質装置１００は、合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分間、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下に維持した雰囲気中に曝す必要がある。
　また、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法は、窒化物形成元素を含む合金鋼材に広く適用できるものである。この場合、窒化物形成元素を含む合金鋼材としては、クロム、モリブデンおよびアルミニウムのうちの少なくとも１種をＪＩＳ規格（日本工業規格）で定める最少量以上含む鋼材であり、例えば、クロム合金鋼、クロムモリブデン鋼、窒化鋼の他、アルミニウムを０.１～０.３ｗｔ％含んだ炭素鋼、クロム合金鋼またはクロムモリブデン鋼がある。
９０…合金鋼製部品、９１…本体部、９２…摺動部、９３…フランジ部、９４…貫通孔、
１００…表面改質装置、
１０１…処理炉、１０１ａ…主室、１０１ｂ…待機室、１０１ｃ…開閉扉、１０１ｄ…仕切り壁、１０１ｅ…搬送機構、１０２…加熱器、１０３…メインガス供給管、１０４…流量調整器、１０５…メインガスボンベ、１０６…サブガス供給管、１０７…流量調整器、１０８…サブガスボンベ、１０９…排気管、１１０…排ガス処理装置、１１１…制御装置、１１２ａ…温度センサ、１１２ｂ…濃度センサ。

Claims (7)

  1. 　窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質を行う合金鋼製部品の表面改質装置であって、
    　アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に前記合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理手段を備えていることを特徴とする合金鋼製部品の表面改質装置。
  2. 　請求項１に記載した合金鋼製部品の表面改質装置において、
    　前記表面改質処理手段は、
    　前記温度が６２０℃であることを特徴する合金鋼製部品の表面改質装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載した合金鋼製部品の表面改質装置において、
    　前記合金鋼製部品は、
    　尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする合金鋼製部品の表面改質装置。
  4. 　窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質方法であって、
    　アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に前記合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むことを特徴とする合金鋼製部品の表面改質方法。
  5. 　請求項４に記載した合金鋼製部品の表面改質方法において、
    　前記表面改質処理工程は、
    　前記温度が６２０℃であることを特徴する合金鋼製部品の表面改質方法。
  6. 　請求項４または請求項５に記載した合金鋼製部品の表面改質方法において、
    　前記合金鋼製部品は、
    　尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする合金鋼製部品の表面改質方法。
  7. 　窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の製造方法であって、
    　アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に前記合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むことを特徴とする合金鋼製部品の製造方法。
     
     
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014116929B3 (de) * 2014-11-19 2015-11-05 Thyssenkrupp Ag Verfahren zur Herstellung eines aufgestickten Verpackungsstahls, kaltgewalztes Stahlflachprodukt und Vorrichtung zum rekristallisierenden Glühen und Aufsticken eines Stahlflachprodukts

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007516348A (ja) * 2003-05-20 2007-06-21 エクソンモービル　リサーチ　アンド　エンジニアリング　カンパニー 組成勾配サーメットおよびその調製のための反応性熱処理方法
JP2011026627A (ja) * 2009-07-21 2011-02-10 Oriental Engineering Co Ltd 表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法
JP2012246524A (ja) * 2011-05-26 2012-12-13 Toyota Motor Corp ステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3100342B2 (ja) * 1995-09-01 2000-10-16 シーケーディ株式会社 耐食性窒化膜を有する低炭素鋼またはステンレス鋼
US7431777B1 (en) * 2003-05-20 2008-10-07 Exxonmobil Research And Engineering Company Composition gradient cermets and reactive heat treatment process for preparing same
CN1900346A (zh) * 2005-07-19 2007-01-24 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺
CN101629275A (zh) * 2009-08-12 2010-01-20 田绍洁 中小工件气体氮化的热处理工艺

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007516348A (ja) * 2003-05-20 2007-06-21 エクソンモービル　リサーチ　アンド　エンジニアリング　カンパニー 組成勾配サーメットおよびその調製のための反応性熱処理方法
JP2011026627A (ja) * 2009-07-21 2011-02-10 Oriental Engineering Co Ltd 表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法
JP2012246524A (ja) * 2011-05-26 2012-12-13 Toyota Motor Corp ステンレス材の窒化処理方法および窒化処理材

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