JP3193320B2 - 機械部品の熱処理方法 - Google Patents

機械部品の熱処理方法

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潔 長谷川
兵衛 苧野
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械部品の表面硬
化処理のうち、軟窒化処理を行った後に高周波焼入れを
行う複合熱処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】機械部品に多用されている鋳鉄や鋼は、
その使用条件によって窒化処理、軟窒化処理や浸炭焼入
れ、高周波焼入れなどの表面硬化処理が施され、場合に
よってはそれらの複合熱処理が行われている。上記の表
面硬化処理において、表面層の硬化によって耐摩耗性の
向上を図るものには窒化処理や軟窒化処理などがある
が、それらは高周波焼入れや浸炭焼入れと比べると硬化
層深さが浅く、耐摩耗性、面圧強度、疲労強度などに改
善の余地があった。これらの問題を解決するために、耐
摩耗性、面圧強度、疲労強度などに優れた材料が得られ
る複合熱処理プロセスとして、軟窒化処理後に高周波焼
入れを行うという複合熱処理方法が開発され、各種機械
部品に対応した特許出願が多数なされている。
【0003】例えば、特開平6−172961号公報、
特開平7−90363号公報、特開平7−90364号
公報には、所定の組成からなる鉄系材料に窒化処理又は
軟窒化処理を行った後、高周波焼入れを行う方法が開示
されており、機械部品の面圧強度や疲労強度などを向上
させるための軟窒化処理条件及び高周波焼入れ条件につ
いて検討がなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の技術は、耐摩耗性や疲労強度などが向上
する表面層の組織の微細化や硬化層深さの増大のための
処理条件についての検討はなされているが、それらに付
け加えて初期なじみ性や保油性が向上する最表面の多孔
質化が得られる条件については全く検討されていない。
このように、今までの軟窒化処理後に高周波焼入れを行
う方法は、表面層の硬化と硬化層深さの増大による耐摩
耗性や疲労強度などの向上を目的としているが、本発明
は、高周波焼入れ条件を従来とは異なる条件に設定する
ことで、表面層を積極的に多孔質にして、耐摩耗性や疲
労強度に付け加えて初期なじみ性や保油性を向上させる
ことを目的とするものである。
【0005】本発明は上記の諸点に鑑みなされたもの
で、本発明の目的は、機械部品に軟窒化処理を行った
後、所定の条件で高周波焼入れを行うことにより、表面
層の組織の微細化及び硬化層深さの増大に加えて最表面
を積極的に多孔質化し、耐摩耗性や疲労強度に加えて、
さらに初期なじみ性や保油性を向上させることができる
複合熱処理方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の機械部品の熱処理方法は、部品形状に加
工された鉄系材料に軟窒化処理を行った後、80℃/se
c以下の昇温速度で950〜1000℃の温度に昇温
し、ついで急冷するような条件で高周波焼入れを行うこ
とを特徴としている。また、本発明の方法は、部品形状
に加工された鉄系材料に軟窒化処理を行った後、80
120℃/sec昇温速度で750〜1000℃の温度
に昇温し、ついで10〜30秒間保持してから急冷する
ような条件で高周波焼入れを行うことを特徴としてい
る。
【0007】本発明の方法について、表面層の組織の微
細化と硬化層深さの増大とともに、最表面の多孔質化が
図れる軟窒化後高周波焼入れ条件について検討を行っ
た。軟窒化処理は、通常のガス軟窒化、イオン軟窒化、
タフトライド、浸硫窒化等を用い、高周波焼入れ条件に
ついては、通常の高周波焼入れの昇温時間では充分に化
合物層の消失が起こらず表層の脱窒による多孔質化も図
られないため、望ましい組織状態が得られる昇温速度、
目標温度、目標温度での保持時間について検討を行っ
た。なお、通常の場合、高周波加熱の昇温速度は200
℃/sec以上と速く、本発明で望まれる組織状態を得る
ための昇温時間を充分にとることは困難である。
【0008】検討の結果、上記のように、昇温速度が8
0℃/sec以下であれば、目標温度950℃以上100
0℃以下、保持時間0で、化合物層が消失し多孔質化さ
れた望ましい組織状態が得られることがわかった。この
場合、目標温度が950℃未満では化合物層の消失が充
分に起こらず、一方、1000℃を超えてしまうと酸化
層が厚くなり過ぎ機械部品として実用に耐えない。ま
た、昇温速度が80℃/secを超える場合(ただし、
20℃/sec以下)でも、目標温度750℃以上100
0℃以下、保持時間10〜30秒間で、化合物層が消失
し多孔質化された望ましい組織状態が得られることがわ
かった。この場合、保持時間が10秒間未満では化合物
層の消失が充分に起こらず、一方、30秒間を超えると
酸化層が厚くなり過ぎ機械部品として実用に耐えない。
また、目標温度が750℃未満では化合物層の消失が充
分に起こらず、一方、1000℃を超えてしまうと酸化
層が厚くなり過ぎ機械部品として実用に耐えない。
【0009】
【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態につ
いて説明する。C、Si等を含有する鉄系材料を素材と
して、該素材を所定の部品形状に成形加工した後、この
鉄系材料の表面に、ガス軟窒化、イオン軟窒化、タフト
ライド、浸硫窒化等の軟窒化処理を行って表面層に窒素
を拡散浸透させ、表面層の窒素量を高めて窒化物からな
る化合物層を形成させる。この場合の軟窒化処理条件
は、通常行われる条件とほぼ同じである。図1に示すよ
うに、この軟窒化処理により、材料の表面が化合物層に
より硬化されて耐摩耗性が付与されるとともに、化合物
層の最表面に薄い多孔質層が形成される。
【0010】鉄系材料に上記のような軟窒化処理を行っ
た後、所定の条件で高周波焼入れを行うが、高周波焼入
れの条件としては、通常の昇温時間では充分に化合物層
の消失が起こらず表層の脱窒による多孔質化も図られな
いため、通常の昇温速度(200℃/sec以上)よりも
遅い40〜80℃/secの昇温速度で、目標温度950
〜1000℃まで昇温してから急冷するようにする。ま
た、昇温速度を80〜120℃/secとする場合でも、
目標温度750〜1000℃まで昇温後に10〜30秒
間保持してから急冷することで、化合物層が充分に消失
し最表面が多孔質化された望ましい組織状態が得られ
る。
【0011】上記のような条件で軟窒化後高周波焼入れ
を行うことにより、図3に示すように、充分に化合物層
が拡散消失するとともに、新たに生成した拡散層の最表
面に脱窒により多孔質層が形成され、新たに形成された
多孔質層は化合物層が完全に消失し母材まで達するよう
な深さを有している。また、材料の最表面に微細き裂や
残留オーステナイトが生成することはなく、Fe−N−
C系の微細で高強度なマルテンサイトと表面層の脱窒素
による多孔質層が得られ、従来にはない耐摩耗性や疲労
強度とともに初期なじみ性や保油性を向上させることが
できる。一方、図2に示すように、軟窒化処理後に短時
間加熱のみで高周波焼入れを行う場合は、軟窒化処理に
より形成された薄い多孔質層が残存するだけであり、材
料表面の初期なじみ性や保油性を向上させることはでき
ない。
【0012】
【実施例】以下に、本発明の好適な実施例について説明
する。被処理品の材質はFCD700であり、このFC
D700からなる材料にガス軟窒化処理を行った。つぎ
に、このFCD700軟窒化材について、目標温度10
00℃、昇温速度70℃/sec、80℃/sec、100℃
/sec、110℃/sec、120℃/secの5条件でそれ
ぞれ高周波焼入れを行った。図4〜図8に示す写真から
わかるように、昇温速度70℃/sec、80℃/secで
は、化合物層が完全に消失し母材まで達するような領域
まで多孔質層が形成されており、最表面に微細き裂や残
留オーステナイトの生成は見られなかった。また、昇温
速度100℃/sec、110℃/sec、120℃/secで
は、化合物層が完全に消失し母材まで達するような領域
まで多孔質層が形成されているものの、最表面に微細き
裂や残留オーステナイトの生成が見られた。しかしなが
ら、昇温速度100℃/sec、110℃/sec、120℃
/secの場合でも、目標温度1000℃まで昇温後に1
0〜30秒間保持してから急冷することにより、微細き
裂や残留オーステナイトの問題は解決した。
【0013】
【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、つぎのような効果を奏する。 (1) 機械部品に軟窒化処理を行った後、所定の条件
で高周波焼入れを行うことにより、表面層の組織の微細
化及び硬化層深さの増大に加えて最表面を積極的に多孔
質化し、耐摩耗性や疲労強度に加えて、さらに初期なじ
み性や保油性を向上させることができる。 (2) 炭素を含有する鉄系材料の最表面に微細き裂や
残留オーステナイトが生成することはなく、Fe−N−
C系の微細で高強度なマルテンサイトと表面層の脱窒素
による多孔質層が得られ、従来にはない耐摩耗性や疲労
強度とともに初期なじみ性や保油性を向上させることが
できる。 (3) 最表面を多孔質にする表面硬化熱処理であるタ
フトライド処理と比較しても、硬化層深さの増大のため
に耐面圧性や疲労強度が向上する。 (4) 従来にはない耐摩耗性や疲労強度に付け加えて
初期なじみ性や保油性が向上する複合熱処理方法である
ので、摺動部材等の機械部品の性能を大幅に向上させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】軟窒化処理を行った処理材の断面硬さ分布を示
す模式図である。
【図2】軟窒化処理後に短時間加熱の高周波焼入れを行
った処理材の断面硬さ分布を示す模式図である。
【図3】本発明の方法で軟窒化処理後に高周波焼入れを
行った処理材の断面硬さ分布を示す模式図である。
【図4】ガス軟窒化処理後に昇温速度70℃/sec、目
標温度1000℃で高周波焼入れを行ったFCD700
処理材の断面ミクロ組織を示す電子顕微鏡写真である
(倍率1000倍)。
【図5】ガス軟窒化処理後に昇温速度80℃/sec、目
標温度1000℃で高周波焼入れを行ったFCD700
処理材の断面ミクロ組織を示す電子顕微鏡写真である
(倍率1000倍)。
【図6】ガス軟窒化処理後に昇温速度100℃/sec、
目標温度1000℃で高周波焼入れを行ったFCD70
0処理材の断面ミクロ組織を示す電子顕微鏡写真である
(倍率1000倍)。
【図7】ガス軟窒化処理後に昇温速度110℃/sec、
目標温度1000℃で高周波焼入れを行ったFCD70
0処理材の断面ミクロ組織を示す電子顕微鏡写真である
(倍率1000倍)。
【図8】ガス軟窒化処理後に昇温速度120℃/sec、
目標温度1000℃で高周波焼入れを行ったFCD70
0処理材の断面ミクロ組織を示す電子顕微鏡写真である
(倍率1000倍)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 苧野 兵衛 兵庫県明石市川崎町1番1号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 丸居 英夫 神戸市西区櫨谷町松本234番地 川崎重 工業株式会社 西神戸工場内 (56)参考文献 特開 平7−90364(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 6/00 C21D 1/06 C21D 1/10 C23C 8/26

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 部品形状に加工された鉄系材料に軟窒化
    処理を行った後、80℃/sec以下の昇温速度で950
    〜1000℃の温度に昇温し、ついで急冷するような条
    件で高周波焼入れを行うことを特徴とする機械部品の熱
    処理方法。
  2. 【請求項2】 部品形状に加工された鉄系材料に軟窒化
    処理を行った後、80〜120℃/sec昇温速度で7
    50〜1000℃の温度に昇温し、ついで10〜30秒
    間保持してから急冷するような条件で高周波焼入れを行
    うことを特徴とする機械部品の熱処理方法。
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