JP5593717B2 - 鋼材の熱処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は鋼材の熱処理方法に関し、特に、曲げ疲労強度と面疲労強度が共に向上した鋼材を得ることができる熱処理方法に関する。
近年、機械構造用部品の高強度化が要請されており、鋼材の曲げ疲労強度と面疲労強度をいずれも向上させることが可能な真空浸炭窒化処理が提案されている。なお、真空浸炭窒化処理の一例は特許文献１に示されている。
ところで、真空浸炭窒化処理では浸窒ガスとしてアンモニアガスを使用するが、発明者等の調査によると、アンモニアガスの分解で生じた水素が鋼材中に浸入してその強度向上を阻害していることが判明した。
そこで、本発明は上記知見に基づいて鋼材の強度向上を実現する鋼材の熱処理方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本第１発明では、真空浸炭処理の後、真空窒化処理を行う鋼材の熱処理方法において、真空窒化処理の終了に続いて、炉温を７９０〜８９０℃で、１．１ｋＰａ以上の窒素ガス雰囲気とし、当該雰囲気中の水素分圧を１０Ｐａ以下に減少させる脱水素処理を行い、その後油冷による焼入れを行う。
本第１発明においては、真空窒化処理の終了によってアンモニアの供給が停止された後、脱水素処理によって雰囲気中の水素分圧を１０Ｐａ以下に減少させるから、鋼材に浸入した水素が雰囲気中に放出されて鋼材中の水素濃度が低下し、その強度が向上させられる。
本第２発明では、前記脱水素処理を雰囲気中に窒素ガスを供給することによって行なう。本第２発明においては、窒素ガスを供給することにより、真空窒化処理によって鋼材中に浸透させた窒素を放出させることなく、水素分圧を低下させて水素のみを鋼材中から放出させることができる。
以上のように、本発明の鋼材の熱処理方法によれば、真空窒化処理中に鋼材に浸入した水素が、これに続く脱水素処理で雰囲気中に放出されるから、鋼材中の水素濃度が低下してその強度が向上する。
図１には本発明の熱処理方法を実施した際の熱処理炉の炉温、炉圧、炉内の水素分圧の経時変化を示す。炉温をＴ1に上げるとともに、炉圧をＰ１まで低下させてこれを維持し、その前半は浸炭ガスを供給して浸炭処理を行なう。後半は浸炭ガスに代えて窒素ガスを供給することにより浸炭した炭素の拡散処理を行なう。この後、炉温をＴ２に下げてアンモニアガスを供給することによって窒化処理を行なうが、この過程で、アンモニアガスの分解で水素が生じてその分圧が増大し、水素が鋼材中に浸入してその強度向上を阻害する。そこで、窒化処理を終えた後にその炉温と炉圧を保ちつつ、窒素ガスを供給して水素分圧が１０Ｐａ以下になるようにして、鋼材の脱水素処理を行なう。脱水素処理を終了した後は油冷等による焼入れを行なう。
ここで、炉温Ｔ１は９００〜９５０℃の間とするのが良く、炉温Ｔ２は７９０〜８９０℃の間とするのが良い。炉圧Ｐ１は、図２に示すように、０．３、０．５、０．７、０．９、１．０、１．１、１．２、１．５、１．７ｋＰａと変化させた時の鋼材中の窒素濃度変化が１．１ｋＰａ以上で飽和していることから１．１ｋＰａ以上にしておく必要がある。また、浸炭ガスは炭化水素系ガスであり、例えばアセチレンガスが使用できる。
（実施例）
図１の炉温Ｔ１を９３０℃とし、炉温Ｔ２は７９０〜８９０℃の間で調整した。浸炭ガスとしてアセチレンガスを使用した。炉圧Ｐ１は１．２ｋＰａとした。被処理鋼材としては、歯車用鋼であるＪＩＳ ＳＣＭ４２０，ＳＣｒ４２０、ＳＮＣＭ２２０のそれぞれ曲げ疲労強度を測定するための切欠き付小野式回転曲げ試験片および面疲労強度を測定するためのローラーピッチング試験片を使用した。小野式回転曲げ試験片は全長が２１０ｍｍ、外径が１８ｍｍ、切欠きのＲが１ｍｍ、応力集中係数が１．８４であった。また、ローラーピッチング試験片は全長が１３０ｍｍ、外径が２６ｍｍであった。
図１の炉温Ｔ１を９３０℃とし、炉温Ｔ２は７９０〜８９０℃の間で調整した。浸炭ガスとしてアセチレンガスを使用した。炉圧Ｐ１は１．２ｋＰａとした。被処理鋼材としては、歯車用鋼であるＪＩＳ ＳＣＭ４２０，ＳＣｒ４２０、ＳＮＣＭ２２０のそれぞれ曲げ疲労強度を測定するための切欠き付小野式回転曲げ試験片および面疲労強度を測定するためのローラーピッチング試験片を使用した。小野式回転曲げ試験片は全長が２１０ｍｍ、外径が１８ｍｍ、切欠きのＲが１ｍｍ、応力集中係数が１．８４であった。また、ローラーピッチング試験片は全長が１３０ｍｍ、外径が２６ｍｍであった。
浸炭処理と拡散処理の時間を調整することによって試験片の表層炭素濃度を変化させ、また窒化処理では炉温Ｔ２を上記範囲で調整することで試験片の表層窒素濃度を変化させた。なお、これら表層炭素濃度および表層窒素濃度は、試験片の断面をＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）で測定することによって得た。
図３、図４には、互いに異なる表層炭素濃度と表層窒素濃度を示す試験片について脱水素処理を行った場合の、それぞれ小野式回転曲げ試験による１０7回曲げ疲労強度およびローラピッチング試験による１０7回面疲労強度を測定した結果を示す。なお、図３、図４中、「Ｃ」の前の数字が各試験片の表層炭素濃度（小数）を示し、Ｎの前の数字が表層窒素濃度（小数）を示す。
図３、図４より明らかなように、水素分圧を１０Ｐａ以下にすると小野式回転曲げ試験およびローラピッチング試験による１０7回疲労強度は、水素分圧を９００Ｐａや１００Ｐａとした時に比していずれも大きく向上し、曲げ疲労強度および面疲労強度のいずれも大きく改善されている。なお、水素分圧を１００Ｐａにするために実験では窒素ガスに加えて水素ガスも供給した。
Claims (2)
- 真空浸炭処理の後、真空窒化処理を行う鋼材の熱処理方法において、真空窒化処理の終了に続いて、炉温を７９０〜８９０℃で、１．１ｋＰａ以上の窒素ガス雰囲気とし、当該雰囲気中の水素分圧を１０Ｐａ以下に減少させる脱水素処理を行い、その後油冷による焼入れを行うことを特徴とする鋼材の熱処理方法。
- 前記脱水素処理を雰囲気中に窒素ガスを供給することによって行なう請求項１に記載の鋼材の熱処理方法。
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