JP2010138460A - 浸窒化焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄鋼部材に浸窒焼入れをする場合において、鉄鋼部材の所望の箇所に所望深さの浸窒処理を行い、さらには、浸窒処理のばらつきを抑えることができる浸窒焼入れ方法を提供する。
【解決手段】鉄鋼部材の表層に塑性変形させた塑性変形層を形成する工程と、少なくとも該塑性変形層に、窒化処理ガスを接触させて浸窒焼入れを行う工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

鉄鋼部材に窒素を浸入拡散させる浸窒焼入れ方法であって、特に、浸窒処理にばらつきの少ない浸窒焼入れを行うことができる浸窒焼入れ方法に関する。

これまでに、アンモニアなどの窒化処理ガス雰囲気において、鉄鋼部材を加熱するような浸窒焼入れ方法（浸窒処理方法）が行われている。このような浸窒処理は、熱処理時の雰囲気、処理温度、加熱時間により浸窒深さを制御し、表面硬さや、硬化深さを確保する方法である。たとえば、この窒化処理ガスにアンモニアを用いた場合には、浸窒処理を行うべき鉄鋼部材を、加熱して、この熱により鉄鋼部材の表面で分解したアンモニアガスの窒素原子を鉄鋼部材の表面から浸入させて固溶させ、この固溶した窒素原子をさらに前記鉄鋼部材内に拡散させるのが一般的である。

例えば、このような浸窒焼入れ方法の１つとして、Ｓｉを０．５重量％以上、又はＣｒを１．６重量％以上含有する鉄鋼部材を所望の形状に加工した後、ショットピーニング処理を施して、その後、浸炭窒化処理を行う方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平８−５３７１１号公報

しかし、特許文献１に記載の浸窒焼入れは、鉄鋼部材の表面に形成された酸化皮膜を除去するために、前処理としてショットピーニング処理を行い、これにより、窒素の固溶拡散を促進させるものであるが、窒素の浸入を促進させて、より高い硬度及びより深い硬化深さを得るためには、窒化処理ガスとなるアンモニアガスの濃度をより高くしたり、処理時間をより長くしたりする必要があった。

また、同一の被処理材である鉄鋼部材の各部分において、安定した品質を確保することは難しい。また、浸窒ばらつきは、雰囲気や処理温度だけではコントロールすることは難しく、浸窒焼入れによる硬化深さを確保しようとする場合には、鉄鋼部材のエッジ部等の凸部表層にボイドが発生しやすかった。

特に、浸窒焼入れは、一般的にアンモニアガスを用いて、このアンモニアガスが分解した窒素原子を、鉄鋼部材の表面から浸入拡散させる技術であるため、浸窒による鉄鋼部材の表層の窒素濃度は、鉄鋼部材の形状が大きく影響し、鉄鋼部材の凹部の浸窒焼入れによる処理深さ（硬化深さ）は、凸部の処理深さに比べて浅くなってしまう傾向にあり、均一な処理は難しかった。

また、多数の鉄鋼部材を炉内に配置して、浸窒焼入れを行う場合には、炉内のガス流れ・温度分布の局所的な差異により、品質にばらつきが生ずるため、ガス流れ、温度分布を精度良く制御する必要があった。そして、浸窒焼入れに用いるアンモニアガスの流れを制御したとしても、アンモニアガスは、炉内に配置されたヒータ表面において分解してしまうので、各鉄鋼部材における浸窒処理のばらつきを十分に低減することは難しい。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、鉄鋼部材に浸窒焼入れをする場合において、鉄鋼部材の所望の箇所に所望深さの浸窒処理を行い、さらには、浸窒処理のばらつきを抑えることができる浸窒焼入れ方法を提供することにある。

発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、鉄鋼部材の表層を塑性変形により塑性流動させた金属組織は、他の金属組織に比べて、窒化処理ガスの濃度が従来のものに比べて低い場合であっても、その組織に窒素原子が浸入しやすいとの新たな知見を得た。

本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明にかかる浸窒焼入れ方法は、鉄鋼部材の表層に塑性変形させた塑性変形層を形成する工程と、少なくとも該塑性変形層に、窒化処理ガスを接触させて浸窒焼入れを行う工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、鉄鋼部材の表層を塑性変形（塑性流動）させた塑性変形層を形成することにより、塑性変形層を形成していないものに比べて、窒素原子の浸入が促進されるため、窒化処理ガス（例えばアンモニアガス）濃度を低減することができると共に、濃度変化に伴う浸窒処理のばらつきを抑えることも可能である。

ここで、本発明でいう鉄鋼部材は、例えば、炭素鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼など、を挙げることができ、浸窒処理を行うことができるものであれば特に、限定されるものではない。

また、塑性変形層は、例えば、浸窒焼入れ前において、鉄鋼部材の表層に、ショットピーニング処理、切削刃を積極的に鉄鋼部材に押し当てて加圧することにより切削負荷（切削負荷）を高めるような加工処理、鍛造などにより表面に圧縮応力を加える処理など、鉄鋼部材の表層の組織を塑性変形（塑性流動）させることができるものであれば、その塑性変形層を形成する方法は、特に限定されるものではない。

また、窒化処理ガスは、例えば、アンモニアガス、尿素ガスなどを含む窒化処理ガスを他のガス、例えば窒素などの不活性ガス、水素ガスで薄めたガスが一般的であり、窒化処理（浸窒処理）を行うことができるものであれば特に限定されるものではない。

特に、本発明に係る浸窒焼入れは、塑性変形層を、浸窒焼入れ処理が必要な（より高い硬度が必要な）局部のみに形成することにより、強度が必要な局部に対して、積極的に窒素原子の浸入を促進することができる。

このように、鉄鋼部材のうち強度（硬度）が必要な部分と、この部分よりも強度（硬度）は必要ではないが靭性が必要な部分とが、混在するような鉄鋼部材に対して、強度が必要な部分における表層に塑性変形層を形成すればよいので、鉄鋼部材の必要な部分のみに対して強化（高硬度化）を図ることができる。

また、浸窒焼入れ前に、鉄鋼部材のうちボイドの発生しやすい部分（例えばエッジの凸部）以外の部分（例えば凹部）に対して塑性変形層を形成すれば、浸窒焼入れ時において、従来に比べて、窒化処理ガスの濃度を低減することにより、凹部と同程度に凸部が浸窒処理されるので、凸部に発生するボイドを抑制することができる。

さらに、処理炉内において、複数の鉄鋼部材を炉内に配置して、浸窒焼入れを行う場合には、炉内のうち、窒化処理ガスの濃度が低い箇所の鉄鋼部材の表層に対して、塑性変形させた塑性変形層を形成することがより好ましい。これにより、炉内のうち窒化処理ガスの濃度が低い箇所に配置した鉄鋼部材に対しても、濃度の高い箇所に配置した鉄鋼部材と同等の浸窒焼入れを行うことができるので、炉内の製品ばらつきを低減することができる。

本発明によれば、鉄鋼部材に浸窒焼入れをする場合において、鉄鋼部材の所望の箇所に所望深さの浸窒処理を行い、さらには、浸窒処理のばらつきを抑えることができる。

以下に、図面を参照して、本発明に係る浸窒焼入れ方法の実施形態に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る浸窒焼入れ方法を説明するための図であり、図１（ａ）は、塑性変形層を形成する工程を説明するための図であり、図１（ｂ）は、浸窒焼入れ工程を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係る浸窒焼入れ方法において、まず、浸窒焼入れを行うべき鉄鋼部材１０を準備する。そして、図１（ａ）に示すように、浸窒焼入れ処理を行うべき表層に対して、ショットピーニングにより、５〜３０μｍの塑性変形層（塑性流動層）１１を形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、塑性変形層１１を形成後の鉄鋼部材１０を、加熱炉５０内（炉内）に投入し、窒化処理ガスとして、窒素ガス及びアンモニアガスを所定割合で混合したガスＧを炉内に導入すると共に、ヒータ５１で加熱炉５０内を加熱する。これにより、鉄鋼部材１０の塑性変形層１１の表面から、アンモニアが分解して生成された窒素原子が浸入して内部に拡散し、この結果として、浸窒焼入れ層１２が形成される。

このような浸窒焼入れ方法によれば、塑性変形層１１が、浸窒焼入れ工程において、他の部分に比べて窒素原子の浸入が促進されるので、たとえアンモニアガスの濃度が従来の方法の場合に比べて低い場合であっても、鉄鋼部材１０の内部にまで浸窒処理を行うことができる。

以下に実施例に基づいて、本発明の浸窒焼入れ方法を説明する。
（実施例１）
厚さ５ｍｍ、直径３４ｍｍの円板状のクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０相当）の試験体を準備し、ショットピーニングにより、試験体の表層に塑性流動層を形成した。ショットピーニングにおいては、粒径０．０８ｍｍ、硬度９２０ＨＶの鉄球を投射圧０．３ＭＰａで１０秒間投射し、表層に、約２０μｍの塑性流動層を形成した。

その後、炉内に、試験体を投入し、炉内温度８００℃にして、窒素ガス１ｍ^３／Ｈｒ、アンモニアガス１．７ｍ^３／Ｈｒの窒化処理ガスを導入し、浸窒処理をする浸窒焼入れ処理を行った試験体を製作した。

〔評価方法〕
処理後の試験体を炉内から取り出して、ビッカース硬度計を用いて、ＨＶ５００以上となる箇所を硬化層として、その硬化層の硬化深さを測定した。また、表層の金属組織を観察した。この結果を図２に示す。また、ＥＰＭＡにより試験体の表面からの窒素濃度の分布を測定した。この結果を図３に示す。なお、実施例１の試験体を複数製作し、同様の評価を行った。

（比較例１）
実施例１と同様に、試験体に浸窒焼入れ処理を行った。実施例１と相違する点は、浸窒焼入れ処理前に、ショットピーニングにより塑性流動層を形成しなかった点である。そして、同様に、この試験体に対しても、硬化深さ及び窒素濃度分布を測定した。また、表層の金属組織を観察した。この結果を図２及び図３に示す。

［結果１］
図２に示すように、実施例１の方が比較例１に比べて、硬化深さが深く、金属組織観察の結果から、表層の塑性変形も大きかった。図３に示すように、実施例１の方が比較例１に比べて、表層の窒素濃度も高かった。

実施例１が比較例１と比べて、硬化深さが上昇しているのは、窒素濃度が高くなっているためであり、表層の塑性変形層により窒素の浸入が促進されたからであると考えられる。これは、窒素の浸入が促進されるのは、図２の写真図からも明らかなように、鉄鋼部材の表部である塑性変形層は、組織の粒界密度が他の部分に比べて増加しており、この増加した粒界を通じて、窒素原子が浸入及び拡散しやすくなったからであると考えられる。

（実施例２）
実施例と同じ材質の素材を準備し、歯切り用の刃を用いて、試験体として歯車を製作した。この際に、従来の歯切りとは異なる加工負荷（研削抵抗）で、歯面の表層に塑性流動（塑性変形）させた塑性変形層を形成した。その後、この試験体（歯車）に対して実施例１と同様に、浸窒焼入れ処理を行った。そして、実施例１と同じようにして、顕微鏡のより表層の組織を観察し、さらに表面からの硬化深さを測定した。

（実施例３）
実施例２と同じようにして、試験体を作成した。実施例２と異なる点は、歯切り用の刃に逃げ面を設けた刃（面取り部を設けた刃）を用いて、実施例２に比べて刃圧を低くして、実施例２に比べて加工負荷を低くして、歯面の表層に塑性流動させた塑性変形層を形成した点である。そして、実施例１と同じようにして、顕微鏡のより表層の組織を観察し、さらに表面からの硬化深さを測定した。

［結果２］
実施例３に比べて実施例２の方が、塑性流動が大きく、この結果、浸窒焼入れ工程において、実施例３に比べて実施例２の方が、試験体の硬化深さが深くなったと考えられる。

（実施例４）
実施例１と同様の素材からなる、図５（ａ）に示すような歯車を準備した。そして、この歯車に、図５（ｂ）に示す、歯面(強化必要部位）に実施例１と同様にショットピーニングにより塑性変形層を形成した。

次に、有効寸法６００ｍｍ×９００ｍｍ×６００ｍｍの雰囲気炉において、塑性変形層を形成した歯車を、炉内ガス流れ及び温度分布により、これまで浸窒深さが浅くなっていた炉内の所定の部分（炉内際下段および中央）に配置し、その他の箇所には、塑性変形層を形成してない歯車を配置し、合わせて１０００個の歯車を配置し、浸窒焼入れ工程を行った。そして、実施例１と同様に、これらの歯車に対して硬化深さを測定した。この結果を、図６に示す。

（比較例２）
実施例４と同様の歯車１０００個を準備し、浸窒焼入れ処理を行った。実施例４と相違する点は、これらの歯車には、塑性変形層を形成していない点である。そして、実施例１と同様に、これらの歯車に対して硬化深さを測定した。この結果を、図６に示す。

［結果３］
図６に示すように、実施例４は、比較例２に比べて、硬化深さの平均値は大きく、さらに、ばらつき（３σ）は小さかった。これは、実施例４の場合には、浸窒処理がされ難い箇所に、塑性変形層が形成された歯車を配置することにより、他の箇所と同様の浸窒処理ができたからであると考えられる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

図１は、本実施形態に係る浸窒焼入れ方法を説明するための図であり、図１（ａ）は、塑性変形層を形成する工程を説明するための図であり、図１（ｂ）は、浸窒焼入れ工程を説明するための図。 実施例１及び比較例１の試験体の硬化深さの測定結果及び組織写真を示した図。 実施例１及び比較例１の試験体の窒素濃度を示した図。 実施例２及び実施例３の試験体の硬化深さの測定結果及び組織写真を示した図。 実施例４の試験体を説明するための図であり、（ａ）は、歯車全体を示した図であり、（ｂ）は、歯車のうち塑性変形層を形成する箇所を説明するための図。 実施例４及び比較例２の試験体の硬化深さとその分布を示した図。

符号の説明

１０：鉄鋼部材、１１：塑性変形層、１２：浸窒焼入れ層

Claims (1)

1. 鉄鋼部材の表層に塑性変形させた塑性変形層を形成する工程と、
   少なくとも該塑性変形層に、窒化処理ガスを接触させて浸窒焼入れを行う工程と、
   を含むことを特徴とする浸窒焼入れ方法。

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