JP4041602B2

JP4041602B2 - 鋼部品の減圧浸炭方法

Info

Publication number: JP4041602B2
Application number: JP30654498A
Authority: JP
Inventors: 敬二横瀬; 英樹井上; 英寿十良沢; 淳高橋; 真一武本; 伊孝中広
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: JP2000129418A

Description

【０００１】
本発明は、鋼部品の浸炭方法、特に減圧下における鋼部品の浸炭方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、減圧下における鋼部品の浸炭方法及び装置として、減圧保持した加熱室内の被処理物を高周波加熱手段により加熱する装置（特開平５９−２５９７４号公報）、浸炭用ガスとして鎖式不飽和炭化水素を使用するとともに、加熱室内を１ｋＰａ以下の真空状態にして浸炭処理を行う方法（特開平８−３２５７０１号公報）等が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記のごとき、減圧下における鋼部品の浸炭方法及び装置においては、減圧及び加熱条件等が微妙に鋼部品の浸炭精度に影響することに鑑み、本発明は浸炭むら及びスーティングの発生がなく、精度を高めた減圧浸炭が短時間に可能で、経済的な浸炭方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
請求項１は、減圧無酸化雰囲気の加熱室に鎖状飽和炭化水素ガスを供給して１．３３〜１３．３ｋＰａの減圧下において鋼部品を高周波加熱手段により１０００〜１２００℃に加熱して浸炭処理を行い、その後、前記鎖状飽和炭化水素ガスの供給を停止及び排出して減圧無酸化雰囲気下で拡散処理を行い、前記浸炭処理及び拡散処理を、鋼部品の表面炭素量がオーステナイト固溶限に到達しない範囲で、各浸炭時間を５秒〜３分として適数回繰り返すものである。
【０００５】
請求項１において、加熱室内を１．３３〜１３．３ｋＰａの減圧下におくことは、１．３３ｋＰａ未満では浸炭むらが生じ、また、１３．３ｋＰａを超えると浸炭に直接関与しない炭素がススとなって、いわゆるスーティングが生じるこおとが確認されたためである。
【０００６】
また、高周波加熱を手段を採用したことは、鋼部品のみを加熱することができるため、加熱室の断熱保温材を必要とせず、加熱室構造を簡略化できるため経済的であり、さらに加熱温度を通常一般の浸炭処理温度より高めたのは浸炭時間の短縮を図るためであり、また、浸炭処理後の拡散処理において鎖状飽和炭化水素ガスの供給を停止及び排出することは、浸炭処理後、残存している鎖状飽和炭化水素ガスを直ちに排出することによりス−ティングの発生を抑えることができるためである。
【０００７】
また、鋼部品の表面炭素量がオーステナイト固溶限に到達しない範囲で前記浸炭処理及び拡散処理を適数回繰り返すことにより、必要とする浸炭深さの調整及び確保が容易となり、浸炭精度を高めることができる。
【０００８】
なお、本発明では、前記適数回繰り返す浸炭処理及び拡散処理時の各浸炭時間を５秒から３分とする。
【０００９】
５秒以下では、鋼部品が十分加熱されずに、しかも一回のサイクルで鋼部品への炭素の供給が不十分となる。また、浸炭のサイクルタイムが短い場合、拡散のサイクルタイムも短くなるが、この時拡散時に必要とする真空度まで時間内に排気することが困難になってしまう。
【００１０】
請求項２は、前記請求項１の工程の後、無酸化雰囲気下において一次冷却、再加熱、均熱保持及びガス焼入れを行うものである。すなわち、高温処理中に粗大化した結晶粒を微細化するために行うものである。
【００１１】
請求項３は、前記請求項１及び２における高周波加熱の出力を１０ｋＨｚ以下としたものである。すなわち、短時間に鋼部品の内部まで十分加熱するためであり、１０ｋＨｚを超える高周波出力で加熱を行なうと、鋼部品の表面のみが加熱され、内部までの加熱に時間がかかるためである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態の一例を説明する。図１は本願方法の発明を実施するに適した減圧浸炭装置の概略断面図が示されている。図中、１は気密性を有する加熱室、２は被処理品としての鋼部品、３は高周波加熱装置、４はポンプ等の減圧排気装置、５は前記加熱室１への鎖状飽和炭化水素ガス供給装置（以下単に「ガス供給装置」と言う。）、６は制御バルブ、７は加熱室１内の圧力制御装置、８は冷却室、９は前記加熱室１と冷却室８との間に設けられた開閉扉、１０はファン、１１はファンモータ、１２は搬送装置である。
【００１３】
つぎに、前記減圧浸炭装置を使用して本発明の減圧浸炭方法は下記のごとく実施される。
【００１４】
（１）加熱室１に鋼部品２がセットされ、減圧排気装置４を稼働させて加熱室１内を１．３３Ｘ１０^-3ｋＰａに減圧し、無酸化雰囲気を保持する。
【００１５】
（２）高周波加熱装置３により、前記鋼部品２を１０００〜１２００℃に急速加熱する。
【００１６】
（３）圧力制御装置７を制御して加熱室１内が１．３３〜１３．３ｋＰａの圧力になるようにガス供給装置５から鎖状飽和炭化水素ガス（プロパン、メタン、ブタンガス・・・以下単に「ガス」と言う。）が供給される。
【００１７】
（４）浸炭処理を一定時間行った後に前記ガスの供給を停止及び排出して減圧無酸化雰囲気で拡散処理を行う。
【００１８】
（５）さらに要求される炭素濃度及び浸炭深さが得られていない場合、その他当初の処理計画に基づき前記（３）及び（４）が交互に繰り返される。
【００１９】
（６）鋼部品２に要求される浸炭深さが得られたことが確認されたら、減圧下で開閉扉９を開き、前記鋼部品 2を冷却室８に移動させ、Ａｒ₃ 変態点以下まで冷却を行う（一次冷却と言う。）。
【００２０】
（７）減圧下で加熱室１に前記鋼部品２を戻し、高周波加熱にてオ−ステナイト化温度以上に再加熱後、所定時間保持する。
【００２１】
（８）減圧下で冷却室８に鋼部品１を移動してガス焼入れを行う（後述図２参照）。
【００２２】
【実施例１】
供試片として、ＪＩＳ．ＳＣｒ４２０Ｈを鍛造成形後に機械加工を施し、リング状に構成した。形状は、外径Φ１９０ｍｍ、内径Φ１４０ｍｍ、厚さ２５ｍｍであり、重量は２．３６ｇ、表面積５３１ｃｍ² である。さらに前記供試片に、径Φ５ｍｍ及びΦ８ｍｍ、深さ１５ｍｍの未貫通穴を加工した（以下「鋼部品２」と言う。）。
【００２３】
前記鋼部品２を前記加熱室１内にセットし、該加熱室１内を減圧排気装置４を稼動させて０．６Ｘ１０^−３ｋＰａ以下に減圧した後、高周波加熱装置３の０．８ｋＨｚの高周波誘導加熱により前記鋼部品２を１１００℃まで急速昇温して３分間均熱保持した。なお、この時、室温から１１００℃到達までの所要時間は３分であった。
【００２４】
つぎに、鎖状飽和炭化水素ガスとしてプロパンガスを前記加熱室１内の圧力が７．９８ｋＨｚになるまで瞬時に導入した後、さらに前記圧力を維持するように、圧力制御装置７により減圧排気装置４とガス供給装置５を制御して浸炭処理を施した。
【００２５】
前記１１００℃における減圧浸炭の鋼部品への炭素供給速度が非常に速いので、１１００℃におけるオ−ステナイトの固溶炭素量及び拡散速度が大きいにもかかわらず、短時間の浸炭処理で鋼部品２の表面炭素量は固溶限に達し、その後セメンタイトの析出及び結晶粒界、さらに粒内に合金炭化物を形成する。
【００２６】
前記合金炭化物の析出により、母相の合金成分、特に肌焼鋼ではＣｒが減少することにより焼入れ性が低下するため、鋼部品２の表面近傍に不完全焼入れ組織としてトル−スタイトを析出し、表面硬さの低下のみならず材料硬度の低下をきたす。
【００２７】
また、粒界に網状に析出したセメンタイトもまた、材料強度を損なう要因となる。さらに鋼部品２の表面炭素濃度が固溶限に達すると、鋼部品２表面にススが析出しやすくなり、浸炭反応を阻害する。
【００２８】
前記のごとき鋼部品２の品質低下を防止するためには、鋼部品２の表面炭素量がオーステナイト固溶限に到達しない範囲で浸炭時間を設定して浸炭処理を施して、続いて拡散処理を施すことが望ましい。このことから、高温減圧浸炭処理においては短時間に浸炭と拡散のサイクルを適数回繰り返すことが好ましい。下記表１には、本実施例１における浸炭と拡散のサイクルが示されている。
【００２９】
【表１】

表１によれば、当初の浸炭時間は１２０秒であるが、その後の浸炭処理及び拡散処理の繰り返し時の浸炭時間はそれぞれ３０秒とされている。前記表１に示した浸炭と拡散処理を終了した後、高温処理中に粗大化した結晶粒を微細化するために一次冷却、再加熱、均熱保持、焼入れを無酸化雰囲気下にて行った。
【００３０】
前記一次冷却は、最終サイクル拡散後の０．６７Ｘ１０^−３ｋＰａに減圧された加熱室１から、０．６７Ｘ１０^−３ｋＰａに減圧排気された冷却室８に鋼部品２を移動してから加熱室１との間の開閉扉９を閉め、１．０１Ｘ１０^２ｋＰａ（大気圧）のＮ_２ガスを導入し、ファン１０を用いて鋼部品２の温度が５００〜６００℃になるまで行った。
【００３１】
つぎに鋼部品２を８５０℃に再加熱し、３分間均熱保持した後、焼入れを行った。該焼入れは前記一次冷却と同様に、０．６７Ｘ１０^-3ｋＰａに減圧排気された無酸化状態にて加熱室１から冷却室８へ鋼部品２を移送後、冷却室８にＮ₂ ガスを７．９８Ｘ１０² （６ｂｅｒ）導入し、ガス焼入れにて行った。前記減圧浸炭処理結果が下記表２に示されている。
【００３２】
【表２】

表２は前記供試片、すなわち、鋼部品２のΦ５ｍｍ穴及びΦ８ｍｍ穴の１５ｍｍ底部における浸炭深さを鋼部品２の外周面における浸炭深さに対する比率で表し、各浸炭処理圧と穴の径別に表したものである。すなわち、比率が１に近いほど、複雑な形状の鋼部品２でも浸炭むらがないことを意味する。
【００３３】
前記表２から明らかなように、６．６５〜１３．３ｋＰａの浸炭処理圧の場合に各穴の深部まで均一な浸炭が行なわれることが確認され、かつスーティングも認められなかった。また、１．３３〜６．６５ｋＰａに至らない浸炭処理圧においては若干の浸炭むらが認められたが、スーティングの発生なしに処理が可能であることが確認された。
【００３４】
なお、浸炭処理圧が１３．３ｋＰａを超えた場合は、鋼部品２及び加熱室１内部にスーティングが発生し、連続処理に不都合をきたすばかりでなく、浸炭むらが発生する。これはワーク表面に析出したスス量が非常に多くなり浸炭反応を阻害するためである。
【００３５】
【実施例２】
ＪＩＳ．ＳＣｒ４２０を鍛造成形後に加工したリングギアを用いて処理を行った。リングギアは外径２１８ｍｍ、モジュ−ル２．４、歯巾３３ｍｍ、重量３．４ｋｇである。
【００３６】
前記リングギアを１ｋＨｚの高周波誘導加熱により加熱した。その他の処理条件は前記実施例１と同様である。図２にはその処理工程全体が示されている。図中、Ａは一次昇温工程、Ｂは均熱保持工程、Ｃは浸炭−拡散処理サイクル、Ｄは一次冷却工程、Ｅは再加熱工程、Ｆは均熱保持工程、そしてＧがＮ₂ ガス焼入れである。前記Ｃの浸炭−拡散処理サイクルは下記表３の通りである。
【表３】

前記処理を施した前記リングギアの歯面部及び歯底部の硬さ測定結果が図３に示され、図４に歯面部、図５に歯底部の断面組織写真（Ｘ４００）が示されている。
【００３７】
前記、図３から明らかなように、歯面部及び歯底部の硬度分布もほぼ同様であり、また、図４及び図５から明らかなように歯面部及び歯底部の組織及び浸炭濃度もほぼ同一であり、さらに粒界酸化層も全く確認されなかった。
【００３８】
本願方法の発明によれば、浸炭むら及びスーティングを発生させることなく、精度を高めた減圧浸炭が短時間に可能で、経済的である効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する減圧浸炭装置の実施の一形態を示す概略断面図である。
【図２】実施例２の処理時間及び温度曲線図である。
【図３】実施例２のリンクギア歯面部と歯底部の硬さの測定曲線図である。
【図４】実施例２の処理後のリンクギアの歯面部の金属組織を示す顕微鏡写真（Ｘ４００）である。
【図５】実施例２の処理後のリンクギアの歯底部の金属組織を示す顕微鏡写真（Ｘ４００）である。
【符号の説明】
１加熱室
２鋼部品
３高周波加熱装置
４減圧排気装置
５鎖状飽和炭化水素ガス供給装置
７圧力制御装置
８冷却装置

Claims

減圧無酸化雰囲気の加熱室に鎖状飽和炭化水素ガスを供給して１．３３〜１３．３ｋＰａの減圧下において鋼部品を高周波加熱手段により１０００〜１２００℃に加熱して浸炭処理を行い、その後、前記鎖状飽和炭化水素ガスの供給を停止及び排出して減圧無酸化雰囲気下で拡散処理を行い、前記浸炭処理及び拡散処理を、鋼部品の表面炭素量がオーステナイト固溶限に到達しない範囲で、各浸炭時間を５秒〜３分として適数回繰り返すことを特徴とする鋼部品の減圧浸炭方法。
減圧無酸化雰囲気の加熱室に鎖状飽和炭化水素ガスを供給して１．３３〜１３．３ｋＰａの減圧下において鋼部品を高周波加熱手段により１０００〜１２００℃に加熱して浸炭処理を行い、その後、前記鎖状飽和炭化水素ガスの供給を停止及び排出して減圧無酸化雰囲気下で拡散処理を行い、前記浸炭処理及び拡散処理を、鋼部品の表面炭素量がオーステナイト固溶限に到達しない範囲で、各浸炭時間を５秒〜３分として適数回繰り返し、その後、無酸化雰囲気下において一次冷却、再加熱、均熱保持及びガス焼入れを行うことを特徴とする鋼部品の減圧浸炭方法。
高周波加熱の出力が１０ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼部品の減圧浸炭方法。