JP3854851B2 - 鋼材部品の浸炭方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼材部品の浸炭方法、特に、鋼材部品の表面炭素濃度を均一化することができる浸炭方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼材表面の耐摩耗性等の機械的性質を向上させる表面処理法の一形態として真空浸炭処理が行われている。この真空浸炭処理は、鋼材部品を真空中で９００〜１０５０℃の浸炭温度まで加熱し、均熱状態に達した時点で浸炭性ガスを加熱室内に供給すると共に、加熱室内を前記浸炭処理温度に維持した状態で所定の減圧下（通常、１０〜７０ｋＰａ）で所定時間保持することにより鋼材中に炭素を侵入させる浸炭期と、浸炭性ガスの供給を停止して真空下（約０.２ｋＰａ）で所定時間保持することにより鋼材中に炭素を拡散させる拡散期とを含むものである。この真空浸炭処理においては、浸炭深さと表面炭素濃度は、浸炭時間と拡散時間を制御することにより調整される。なお、浸炭性ガスとしては、プロパン、プロピレン、エチレン或いはアセチレン等が使用される。
【０００３】
しかしながら、この真空浸炭処理は、ＣＯやＨ2等の吸熱型変成ガスを含む浸炭雰囲気中で行うガス浸炭処理と比較して浸炭時間を短縮できる長所があるが、高温で処理されること、及び拡散期が真空下であることから、鋼材部品の先鋭部にセメンタイトが析出されるという問題がある。即ち、浸炭期に鋼材部品表面に侵入した炭素は、拡散期に鋼材部品内部に拡散するが、この拡散は、単位表面に対して内部体積の小さい部位（例えば、角柱部品のコーナー部や歯車の歯先部等、以下、先鋭部という）では遅いことから、当該先鋭部以外の部分（例えば、平坦部）で所望の表面炭素濃度を確保しようとすると、前記先鋭部にセメンタイトが析出し、逆に、当該先鋭部で所望の表面炭素濃度を確保しようとすると、前記先鋭部以外の部分が浸炭不足（焼入硬度不足）となるという問題がある。
【０００４】
他方、真空浸炭における表面炭素濃度を調整する手段として、拡散期を減圧脱炭雰囲気中で行う方法が特開昭６１-１１７２６８号明細書にて提案されている。この方法は、ＣＯ2ガス単体又はＣＯ2ガスとＮ2ガスとの混合ガスを断続的に或いは連続的に供給しながら所定時間保持することにより先鋭部の過剰浸炭を優先的に脱炭させるようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記拡散期を脱炭雰囲気ガス中で行う浸炭方法は、平滑部よりも先鋭部を優先的に脱炭させるため、先鋭部のセメンタイトの析出を防止できる利点はあるが、拡散処理を拡散時間の管理で行っているため、表面炭素濃度の均一化には厳格な拡散時間の管理が必要となると共に、拡散時間は鋼材部品の形状によって異なることから形状の異なる鋼材部品を混載処理することができないという問題があった。
【０００６】
従って、本発明は、表面炭素濃度の均一化とセメンタイトの析出防止を図ることを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、浸炭期と拡散期を含む鋼材部品の浸炭方法において、浸炭期を所定減圧下の浸炭性ガス中で行うと共に、拡散期をＣＯを含む雰囲気ガス（以下、ＣＯ含有雰囲気ガスという。）中で、当該雰囲気中のカーボンポテンシャル（ＣＰ）値を管理しながら行うようにしたものである。
【０００８】
即ち、本発明は、拡散期をＣＯ含有雰囲気ガス中で行うと同時に、当該拡散期の雰囲気中のカーボンポテンシャル値を被処理材である鋼材部品の所望表面炭素濃度に応じて管理しながら行うことにより真空浸炭法の欠点を解消するようにしたものである。
【０００９】
浸炭性ガスとしては、エチレン、アセチレンなどの不飽和炭化水素系ガスやメタン、エタン、プロパン、ブタンなどの飽和炭化水素が使用されるが、好ましい実施態様においては、浸炭性ガスとしてアセチレンガスが使用される。
【００１０】
なお、所定減圧下とは浸炭性ガスの熱分解により処理材表面に煤が付着せず、かつ、浸炭初期における炭素供給量を確実に確保できる真空度をいい、使用する浸炭性ガスの種類によって規定される。浸炭性ガスとしてアセチレンガスを使用する場合、浸炭処理は、通常、１.５〜３.５ｋＰａのアセチレンガス下で５分〜２時間行われる。
【００１１】
前記浸炭期初期の圧力を１.５ｋＰａ〜３.５ｋＰａの範囲内に設定したのは、次の理由による。即ち、浸炭期の初期の圧力設定値が３.５ｋＰａ以下では、アセチレンガスの熱分解によって生じた煤が処理材表面に付着することを回避できるが、３.５ｋＰａを超えると、加熱室内でアセチレンガスの熱分解によって煤が多量に発生し処理材表面に煤が付着するのを回避するのが困難となるためである。また、前記圧力設定値が１.５ｋＰａ未満では均一な浸炭層を得るのに重要な要素である浸炭初期時におけるアセチレンガスの供給量を確実に確保することができなくなるからである。
【００１２】
本発明に係る浸炭方法では、拡散期は、ＣＯ含有雰囲気ガス中で当該雰囲気中のカーボンポテンシャル値を管理しながら大気圧下で行われるが、前記ＣＯ含有雰囲気ガスとしては、吸熱型変成ガスが使用される。なお、前記吸熱型変成ガスの組成は、ＣＯ：２０.９〜２３.９％、ＣＯ2：０.１５〜０.２％、Ｈ2：３０.４〜３８.９％、Ｎ2残である。前記ＣＯ含有雰囲気ガス中で鋼材部品を加熱すると、当該雰囲気ガスのＣＯ濃度と鋼材中の炭素との間で平衡が成り立ち、当該雰囲気中のＣＯ濃度、即ち、カーボンポテンシャルを制御することにより鋼材部品の表面炭素濃度を均一化することが可能となる。
【００１３】
この拡散期のＣＯ含有雰囲気ガス中のカーボンポテンシャル値の制御は、炉内のＣＯ含有雰囲気中のカーボンポテンシャルを直接又は間接的に測定し、その測定値を設定目標値と比較して差を求め、その差に応じて炉内へのＣＯ含有雰囲気ガス及びその添加ガス（炭化水素ガス）の供給量を増減することにより行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋼材部品の浸炭方法において、浸炭期の浸炭性ガスとしてアセチレンガスを、拡散期のＣＯ含有雰囲気ガスとして吸熱型変成ガスと窒素ガスとの混合ガス及び吸熱型変成ガス単体をそれぞれ用いた場合について、本発明方法の浸炭ヒートサイクルの一例を示す図１を参照して説明する。
【００１５】
まず、炉の加熱室内に鋼材部品を配置し、加熱室内を窒素ガスに置換した後、ほぼ大気圧状態のＮ2雰囲気中で鋼材部品を対流加熱により浸炭温度（９００〜１０５０℃）まで昇温させる。次いで、加熱室内を前記浸炭温度でクロム酸化物やマンガン酸化物などの鋼材部品表面の酸化物が還元する真空度（約０.０２ｋＰａ）まで真空排気した後、所定量の炭素供給源（例えば、炭化水素系ガス）を加熱室内に導入し、加熱室内を前記真空度及び加熱室内温度に維持しながら０.１〜１時間加熱保持して鋼材部品表面を活性化させる。
【００１６】
活性化処理後、前記浸炭温度を維持した状態で加熱室内に所定量の浸炭ガス（例えば、飽和炭化水素系ガス、不飽和炭化水素系ガス又はそれらの混合物）を供給し、加熱室内を所定の真空度に維持しながら所定時間（５分〜２時間）保持して浸炭処理を行う。浸炭処理後、浸炭ガスの供給を停止し、加熱室内にＣＯ含有雰囲気ガスを供給して大気圧にまで昇圧させ、前記加熱室内を前記温度に維持し、かつ、炉内雰囲気のカーボンポテンシャルを所定値に維持しながら所定時間（５分〜２時間）加熱保持して拡散処理を行う。拡散処理終了後、加熱室内を前記雰囲気に維持したまま焼入れ温度まで降温させ、同温度に所定時間維持した後、焼入れ処理を行う。
【００１７】
このように拡散期をＣＯ含有雰囲気中で、かつ、当該雰囲気のカーボンポテンシャルを所定の一定値に制御しながら行うことにより、過剰浸炭となる部位（先鋭部）の表面では脱炭が行われる一方、平坦部表面では拡散が行われることになり、一様な表面炭素濃度を得ると共に、セメンタイトの析出を防止できる。また、装入室、浸炭室及び拡散室の各間に開閉式隔壁を介在させて小容積の中間室を設け、当該中間室を介して処理材の移送を順次行うようにすると、雰囲気を撹乱することなく浸炭及び拡散処理を行うことができる。
【００１８】
【実施例１】
ＳＣＲ４２０製シャフトを処理材とし、目標有効浸炭深さ０.８mmとして下記の条件下で浸炭処理を行った。
浸炭処理：
浸炭温度：９５０℃
浸炭時間：４５分
浸炭性ガス：アセチレンガス
処理圧力：１.５ｋＰａ（制御値）
拡散処理：
拡散温度： ９５０℃
拡散時間： ４０分間
処理圧力： 約１００ｋＰａ
雰囲気： 吸熱型変成ガス＋Ｎ2ガス（ＣＯ：１０体積％）
ＣＰ値： ０.８９
焼入れ処理：
焼入れ温度： ８５０℃
焼入れ液： 油（温度：１２０℃）
【００１９】
得られた処理材の有効浸炭深さは０.７８〜０.８２mmでほぼ均一な浸炭層が形成されており、良好な浸炭処理材が得られた。
【００２０】
【実施例２】
ＳＣＭ４２０製歯車を処理材とし、目標有効浸炭深さ０.６mmとして下記の条件下で浸炭処理を行った。
浸炭処理：
浸炭温度：９５０℃
浸炭時間：３０分
浸炭性ガス：アセチレンガス
処理圧力：１.５ｋＰａ（制御値）
拡散処理：
拡散温度： ９５０℃
拡散時間： ２５分間
処理圧力： 約１００ｋＰａ
雰囲気： 吸熱型変成ガス（ＣＯ：２３体積％）
ＣＰ値： ０.８５
焼入れ処理：
焼入れ温度： ８５０℃
焼入れ液： 油（温度：１２０℃）
【００２１】
得られた処理材の有効浸炭深さは０.６０〜０.６５mmでほぼ均一な浸炭層が形成されており、良好な浸炭処理材が得られた。
【００２２】
【実施例３】
ＳＣＭ４２０製大型歯車を処理材とし、目標有効浸炭深さ１.２mmとして下記の条件下で浸炭処理を行った。
浸炭処理：
浸炭温度： ９５０℃
浸炭時間： １２０分
浸炭性ガス：アセチレンガス
処理圧力： １.５ｋＰａ（制御値）
拡散処理：
拡散温度： ９５０℃
拡散時間： ８５分間
処理圧力： 約１００ｋＰａ
雰囲気： 吸熱型変成ガス＋Ｎ2ガス（ＣＯ：１５体積％）
ＣＰ値： ０.８５
焼入れ処理：
焼入れ温度： ８５０℃
焼入れ液： 油（温度：１２０℃）
【００２３】
得られた処理材の有効浸炭深さは１.２０〜１.２４mmでほぼ均一な浸炭層が形成されており、良好な浸炭処理材が得られた。
【００２４】
【実施例４】
ＳＣＭ４１５製リニアブロックを処理材とし、目標有効浸炭深さ１.６mmとして下記の条件下で浸炭処理を行った。
浸炭処理：
浸炭温度： ９５０℃
浸炭時間： ２００分
浸炭性ガス：アセチレンガス
処理圧力： １.５ｋＰａ（制御値）
拡散処理：
拡散温度： ９５０℃
拡散時間： １６０分間
処理圧力： 約１００ｋＰａ
雰囲気： 吸熱型変成ガス＋Ｎ2ガス（ＣＯ：８体積％）
ＣＰ値： ０.８
焼入れ処理：
焼入れ温度： ８５０℃
焼入れ液： 油（温度：１２０℃）
【００２５】
得られた処理材の有効浸炭深さは１.５６〜１.６２mmでほぼ均一な浸炭層が形成されており、良好な浸炭処理材が得られた。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、浸炭期と拡散期とを含む浸炭方法において、浸炭期を減圧下の浸炭性ガス雰囲気中で行い、拡散期をＣＯ含有雰囲気中で当該雰囲気のカーボンポテンシャルを所定の一定値に制御しながら行うことにより、過剰浸炭となる部位の表面では脱炭しながら、表面全体で拡散を行うことになり、表面炭素濃度を均一化できると共に、セメンタイトの析出を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明方法における浸炭ヒートサイクルの一例を示す図

Claims (1)

1. 浸炭期と拡散期を含む鋼材部品の浸炭方法において、浸炭期を、浸炭性ガスとしてアセチレンガスを用いて１ . ５ k Ｐ a 〜３ . ５ k Ｐ a の浸炭性ガス中で行い、拡散期を、吸熱型変成ガス単体又は吸熱型変成ガスと窒素ガスの混合ガスからなるＣＯ含有雰囲気中で当該雰囲気中のカーボンポテンシャル値を管理しながら大気圧下、浸炭期の浸炭温度で行うことを特徴とする鋼材部品の浸炭方法。

Images