JP2017088959A - 窒化部品の製造方法及び窒化部品 - Google Patents
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Description
しかしながらこのような場合、拡散層の粒界(旧オーステナイト結晶粒界)上に炭化物が析出し、この析出炭化物によって窒化処理面で剥離が生じ易くなってしまう問題が生じる。
窒化処理時に粒界上に炭化物が析出するのは、表層近くに予め存在していた炭化物中のCが窒化処理時に侵入してきたNと置換され、そのCが結晶粒界で炭化物として再析出するものと推測される。
例えば図2(A)は、窒化処理により拡散層の粒界に析出した炭化物の実例(窒化処理後のミクロ組織を示した顕微鏡写真)を示したものである。この図に示すように析出炭化物は粒界に沿って屈曲しながら連続的に析出するものが多い。
またこの析出炭化物は、窒化表面に対し平行に析出する傾向があり、析出炭化物が粒界に沿って連なるように多数生じた場合、窒化表面と平行な面で剥離が生じ易く、これが窒化処理された部品の寿命を短くする原因のひとつとなっている。
この特許文献1では、「窒化した工具、金型およびその製造方法」についての発明が示され、そこにおいて窒化処理前の鋼部品に脱炭処理を施し、その後に窒化処理を行うことで、窒化硬さを高めるとともに窒化層中の脆弱な炭窒化物の生成、成長を抑制する点が開示されている。
本発明は以上のような事情を背景とし、耐表面剥離性に優れた窒化部品を製造することができる窒化部品の製造方法及び窒化部品を提供することを目的としてなされたものである。
該窒化層における旧オーステナイト結晶粒界上に析出する長さ5μm以上の析出炭化物が、粒界に沿って途中で屈曲する2辺で構成されていた場合を1個とカウントとしたとき、前記窒化層の表面から深さ100μm、幅200μmの範囲で10個未満であることを特徴とする。
先述した拡散層の結晶粒界に生じる析出炭化物は、部品表層部のC濃度が高いほど、また窒化処理時に部品表層部に侵入するN量が多いほど、その発生が顕著となる。そこで本発明では脱炭処理にて事前に表層部のC濃度を低下させておくことで、窒化処理時に部品表層部に侵入するN量を減らすことなく結晶粒界上の析出する炭化物を抑制することができる。
本発明者らが確認したところによれば、脱炭処理にて部品表面のC濃度を0.25%以下、より望ましくは0.20%以下とすることが結晶粒界上の析出炭化物の抑制に有効である。
尚、脱炭処理によって部品表層部に低C領域を形成した場合であっても、部品表面の硬さについては窒化処理によって十分な値を確保することができる。
本発明者らが析出炭化物に起因しない表面剥離の原因を究明したところ、脱炭処理により部品表面にCがほとんど含有されていない(フェライト相に近い)領域が存在する状態で塩浴窒化処理が施されると、最表層付近に通常の組織とは異なる剥離を起こしやすい組織が生じること、更に脱炭処理後表面除去処理を施して部品表面のC濃度を0.10%以上とすればその剥離を起こしやすい組織の発生を抑制することができることを見出した。
かかる本発明によれば、塩浴窒化処理前の部品表面のC濃度の最適化を図ることにより部品寿命低下の原因となる窒化層での表面剥離の発生を抑制し得て、窒化部品の寿命の大幅延長が期待できる。
C量が0.10%未満の鋼材にあってはそもそも本発明が規定する表面C濃度0.10〜0.25%よりもC濃度が低く、C量が0.70%を越える鋼材にあっては、脱炭処理によって生じる表面から深さ方向に向かうC濃度の勾配の傾きが大きいため、表面除去処理で部品の表面C濃度を0.10〜0.25%の範囲に収めるのが難しい。
そこで本発明では対象とする鋼材のC含有量を0.10〜0.70%とする。
上述のように窒化層中の結晶粒界に析出炭化物が多量に析出すると表面剥離が生じ部品寿命が大幅に低下する。
同図は窒化処理された鍛造用パンチを用いてその先端部で剥離が生じるショット数、及び窒化層の表面から深さ100μm、幅200μmの範囲での析出炭化物の発生個数を調査し、析出炭化物が発生していないパンチにおけるショット数を100として、各パンチの寿命(剥離開始ショット数)を指数で表したものである。
同図によれば析出炭化物の発生個数が10個超となると金型寿命指数が大幅に低下する。
即ち請求項1の製造方法によって、析出炭化物の発生個数を10個以下とすることで析出炭化物起因の剥離を良好に防止することが可能である。
析出炭化物の発生個数の測定方法をこのように規定したのは、析出炭化物は屈曲する2辺で構成された形態が多く、且つ屈曲しながら連なった形態は剥離に対して有害であることが多くの調査で実証されたためである。
ここで金型又は工具としては、温熱間鍛造用のパンチやダイ,ダイカスト金型,アルミ押し出し用型等に用いられる金型本体はもとより、これに組み付けられて使用される中子,ピン等の金型部品の外、熱間ロール等の用途のもの、更には広く金属,ガラス,樹脂等を加工するための治具等も含まれる。
本実施形態では、窒化部品を、機械加工→脱炭処理→焼入焼戻し処理→表面除去処理→窒化処理の各工程を経て製造する。
使用する鋼材としては例えばJIS SKD61等の合金工具鋼が好適であるが、これに限定するものではなく、必要に応じてCを0.10〜0.70%含有する鋼材を使用することができる。
まず、機械加工の工程において鋼材を所定の形状に加工する。
次に機械加工された鋼部品に対して脱炭処理を施す。
脱炭処理において鋼部品は加熱され、該部品の表層部に低C領域からなる脱炭層が形成される。
脱炭処理条件(加熱温度、保持時間等)については使用する鋼材の成分等により適宜定めることができるが、脱炭処理の加熱温度はAc3〜1050℃が望ましい。Ac3以上で加熱することで鋼組織をオーステナイトとし、表層部の脱炭を促進することができる。
尚、脱炭処理の加熱は大気中で行う他、雰囲気を弱脱炭性に制御した状態で行うことも可能である。
次に焼入焼戻し処理により鋼部品を、マルテンサイトを主体とする組織とし、各部品に要求されている硬さと靭性を付与する。
この例では、脱炭処理を焼入焼戻し処理とは別に行っているが、焼入時の加熱を利用して脱炭処理を行うことも可能である。
脱炭処理によって生じた鋼部品表面の、Cがほとんど含有されていない領域を削除するもので、具体的には切削加工や硬質メディア噴射をもって行うことができる。
特に削除する深さを規定するものではないが、鋼種と脱炭処理条件から表層に形成されるC濃度が0.10%未満の層の厚みを予見して、部品表面を除去し、部品表面のC濃度を0.10〜0.25%とする。
尚、表面除去処理は必ずしも部品の全表面について行う必要はなく、特に耐表面剥離性が要求される特定範囲のみに実施することも可能である。
表面除去処理を行った後、塩浴窒化処理を施す。
溶融塩浴としては、NaCN、KCNO,CaCN2,NaCNOなどを主成分とする塩浴を用いて窒化を行う。またNaCl,Na2CO3などとの混合塩浴を用いることができる。
塩浴窒化処理においては、処理温度500〜600℃で、1〜10Hr浸漬させ、窒化層(拡散層を含む)は50μm以上とするのが望ましい。
その後表2に記載された条件に従って鋼部品に対し焼入焼戻し処理,表面除去処理を行ない、その後塩浴窒化処理を行った。
その後焼戻しを580℃×2hの条件で行い、この鋼部品から試験片を採取し、脱炭後の表面C濃度を測定した。
その後シアン酸カリウム(KCNO)を主成分とする塩浴を用いて550℃×10Hrの条件で塩浴窒化処理を行い、組織観察及び析出炭化物数の測定、硬さ試験、剥離試験に供した。
ここで表面C濃度の測定、析出炭化物数の測定、母材硬さ試験、剥離試験はそれぞれ以下のようにして行った。
JIS G 0558に準拠し、試験片を断面方向に切断・埋込・研磨を実施し、表面から内部へ垂直に電子線マイクロアナリシス(EPMA)でC濃度を線分析し、表面から生地のC濃度が得られるまで炭素濃度推移曲線を作成し、かかる曲線より表面C濃度を求めた。
窒化部品の断面をナイタール腐食後、図2(A)で示すようなミクロ組織写真(倍率400倍)を用いて、表層から深さ100μm、幅200μmの範囲で結晶粒界に生じた析出炭化物の数を測定する。
析出炭化物の数の測定は、図2(B)で示すよう結晶粒界上に析出する、長さLが5μm以上の析出炭化物が、粒界に沿って途中で屈曲する2辺で構成されていた場合を1個とカウントし、更に屈曲する3辺が連なった場合を1.5個、屈曲する4辺が連なった場合を2個とカウントする。尚、屈曲のない1辺のみのものは0.5個とカウントする。
また、析出炭化物が緩やかに湾曲している場合でも旧オーステナイト結晶粒界を想定し、隣の粒界との結節点を越えて延びている場合は屈曲とみなす。
測定は2視野について行いその平均値を求め、表2において、析出炭化物数が0〜10個未満の場合はA、10〜25個未満の場合はB、25〜100個未満の場合はC、100個以上の場合はDとした。
上記窒化部品から採取した試験片の切断面にて、表面から内部方向に2000μmの深さまでの硬さ試験を行ない母材の硬さを求めた。
硬さ試験はJIS Z 2244に準拠し、ビッカース硬度計にて荷重1.961Nで実施した。また測定は5箇所行い、平均値を用いる。
得られた窒化部品よりサイズ20×20×20mmの試験片を作成し、図3(A)に示すようにその窒化表面に対してロックウェル硬度計を用いて荷重1471N(150Kgf)で1/16インチの鋼球からなる圧子を押し付け、試験面に2箇所圧痕を生じさせて、圧痕の縁に生じる亀裂の状態を観察する。
そして亀裂の発生が最も顕著な部分を図3(A)で示す等級見本と比較して最も近い亀裂の等級1,2,3の何れかを選択する。
具体的には割れの個数が0〜5であれば割れレベルを1、割れの個数が6以上であれば割れレベルを2とした。
尚、図2(A)は比較例1の窒化処理後のミクロ組織写真である。この画像からも析出炭化物数が多数生じていることが見て取れる。
図4に実施例4のミクロ組織を示しているが、この画像から、実施例4のものは析出炭化物数が良好に抑制されていることが見て取れる。
Claims (4)
- Cを0.10〜0.70質量%含有する鋼材から成る窒化部品の製造方法であって、
該鋼材から成る部品を加熱して、該部品の表層部に脱炭層を形成する脱炭処理を行い、
該脱炭処理後に該脱炭層の表面を除去する表面除去処理を実施して、該部品の表面C濃度を0.10〜0.25質量%となし、
しかる後塩浴窒化処理を実施することを特徴とする窒化部品の製造方法。 - 請求項1において、窒化層における旧オーステナイト結晶粒界上に析出する長さ5μm以上の析出炭化物が、粒界に沿って途中で屈曲する2辺で構成されていた場合を1個とカウントとしたとき、前記窒化層の表面から深さ100μm、幅200μmの範囲で該析出炭化物が10個未満であることを特徴とする窒化部品の製造方法。
- Cを0.10〜0.70質量%含有する鋼材から成る窒化部品であって、
部品の表層部に、表面C濃度を0.10〜0.25質量%とする脱炭層とともに、窒化層が形成されており、
該窒化層における旧オーステナイト結晶粒界上に析出する長さ5μm以上の析出炭化物が、粒界に沿って途中で屈曲する2辺で構成されていた場合を1個とカウントとしたとき、前記窒化層の表面から深さ100μm、幅200μmの範囲で該析出炭化物が10個未満であることを特徴とする窒化部品。 - 請求項3において、前記窒化部品が金型又は工具として用いられるものであることを特徴とする窒化部品。
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