JP6228403B2 - 炭素鋼の表面硬化方法及び表面硬化構造 - Google Patents
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Description
このガス窒化処理は変態を伴わないので、熱処理ひずみや寸法変化が小さく、最終形状に仕上げられた部品に施されることが多い。この処理方法は、後述するガス軟窒化処理に比べ硬化層が深く硬度も高くなるが、高価な合金鋼が必要でしかも処理時間が長いという課題を有する。
このガス軟窒化処理も変態を伴わないので、熱処理ひずみや寸法変化が小さく、最終形状に仕上げられた部品に施されることが多い。この処理方法は、上述したガス窒化処理に比べ処理時間が短く炭素鋼等の安価な材料の処理に適しているが、硬化層が浅く(10μm前後)硬度も低いという課題を有する。
この浸窒焼入れ処理は、ガス浸炭処理と、上述したガス窒化処理やガス軟窒化処理との中間に位置する処理で、処理時間が短く炭素鋼等の安価な材料の処理に適しているが、ガス浸炭処理程の硬化深さは得られず、ガス窒化処理やガス軟窒化処理程の熱処理ひずみや寸法変化も得ることができない。
また、特許文献2には、アンモニアガスにより鋼のA1変態点(約723℃)〜850℃の温度域で浸窒し、その後650℃〜A1変態点(約723℃)の温度域まで徐冷し、一定時間保持後急冷(油冷)して表面に窒素マルテンサイトを生成する表面硬化処理が開示されている。
また、特許文献3には、アンモニアガスにより鋼を600〜800℃で浸窒し、表面に0.05−1.50%の窒素を固溶させ、その後急冷(油冷)して表面に硬い窒素マルテンサイトを生成する表面硬化処理が開示されている。
これに対して、本発明によれば、真空気密構造で、且つ、加熱室に攪拌機を備えたホットウォール型真空熱処理炉を用い、真空パージ(真空排気・窒素ガス復圧)により、加熱室を窒素ガス100%にしてから処理ガス(アンモニアガス及び窒素ガス)を導入することにより、従来のガス窒化処理、ガス軟窒化処理及び浸窒焼入れ処理では困難とされていた雰囲気及び鋼表面の窒素濃度の制御を、精度よく、且つ、再現性をよく行うことができる。
なお、被処理品表面の窒素濃度は、2.95質量%よりも高くなると次第に窒化物が生成し、2.95質量%よりも低くなると次第に窒素マルテンサイトが生成し、いずれも表面硬度が低くなるため、経済性を考慮し実操業では2.95±0.35質量%になるように雰囲気を制御する。被処理品表面の窒素濃度を2.60%〜3.30%にすることによって、被処理品の表面を実用上有効なHV950以上に硬化することができる。
具体的に、処理ガスとしては、例えば、アンモニアガスと窒素ガスの混合ガス、アンモニアガスと水素ガスの混合ガス、またはアンモニアガスと窒素ガスと水素ガスの混合ガスの何れかを用いることができる。
ここで、被処理品を250〜350℃の温度域で再加熱するのは、250℃未満ではFe16N2が十分析出せず、350℃以上では、Fe16N2が[αFe+Fe4N(γ’)]に変化していずれも硬度が下がるからである。そのため再加熱の温度域は、被処理品表面に十分な硬度を付与できる250〜350℃にするのが望ましい。
加熱室は、当該加熱室を真空にする真空排気手段と、加熱室の圧力を大気圧以上に保持する圧力制御手段と、加熱室を加熱する加熱手段と、加熱室を所定の温度に保持する温度制御手段と、加熱室を断熱する断熱手段と、加熱室の出入り口を断熱する断熱扉手段と、加熱室の雰囲気を攪拌する攪拌手段と、加熱室にアンモニアガスと窒素ガスを供給するガス供給手段と、加熱室雰囲気のアンモニアガス濃度を測定する測定手段または加熱室雰囲気の水素ガス濃度を測定する測定手段とを備えることができる。
一方、真空パージ室兼油槽(以下、前室と称する。)は、前室の出入口を密閉にするための密閉手段と、前室を真空排気するための真空排気手段と、前室の圧力を大気圧以上に保持する圧力制御手段と、被処理品を急冷(油冷)するための急冷手段と、前室油槽の油を加熱する加熱手段と、前室油槽の油を冷却する冷却手段と、前室油槽の油を攪拌する攪拌手段と、被処理品を炉内搬送する搬送手段とを備えることができる。
図2は、本発明の実施例に用いたホットウォール型真空熱処理炉1の構造を示すもので、このホットウォール型真空熱処理炉1は、炉本体となる加熱室2と、急冷用の油槽4を備えた前室3とから主に構成されており、前室3にはトレーに載置した被処理品を前室3と加熱室2の間で移動させるための炉内搬送装置5と、被処理品を油槽4中の冷却油に浸漬するための昇降装置(エレベータ)6とを備えている。さらに、前室3には、油槽4中の冷却油を加熱するためのパイプヒータ7と、冷却油を循環させるための油撹拌装置(アジタ)8が設けてあると共に、図外には冷却油を冷却するための水冷装置と、冷却油の温度を検出する熱電対などを備えている。
先ず、処理に先立ち、JIS G 3445に規程される機械構造炭素鋼鋼管STKM−13Cからなる試験片(20mm×20mm×5mm)を用意した。
そして、この試験片の表面に硬化層深さが30μm、表面硬さがマイクロビッカース硬さで930以上のFe16N2と窒素マルテンサイトの2層構造を生成することを目的として、600mm幅×900mm奥行×600mm高さの炉内有効寸法を有する上述した構造のホットウォール型真空熱処理炉により、図3に示すヒートサイクルの処理を施した。
窒素ガス(N2):1Nm3/Hr
アンモニアガス(NH3):0.48Nm3/Hr(=8Nl/min)
ここで、窒素ガスとアンモニアガスの各流量は、事前の条件出しで決定した。すなわち、条件出しでは、窒素ガスの流量を1Nm3/Hrで固定し、炉内の残留アンモニアガス濃度が1.4〜1.6%(例えば、1.5%)になるようにアンモニアガスの流量を調整し、最終的に0.48Nm3/Hr(=8Nl/min)に決定した。
さらに、上記試験片について、表面からの断面の窒素濃度分布を測定したところ、図6に示すような結果が得られた。この図6によれば、窒素濃度分布は2段になっており、図4(b)の2層構造の組織に対応している。
2 加熱室
2a 加熱室断熱扉
3 前室
3a 前室入口真空扉
3b 前室出口真空扉
4 油槽
5 搬送装置
6 昇降装置
7 パイプヒータ
8 油攪拌装置
9 断熱材
10 ラジアントチューブヒータ
11 熱電対
12 雰囲気攪拌装置
Claims (8)
- 炭素鋼にて構成される被処理品に窒素を侵入・拡散・固溶させた後、油冷及び再加熱により被処理品表面を硬化させる処理方法であって、
アンモニアガスが供給される加熱室内に被処理品を送入し、前記加熱室の温度を被処理品の鉄−窒素系平衡状態図のオーステナイトと鉄窒化物(Fe4N)の混相領域の所定温度に昇温して前記被処理品の表面窒素濃度がFe16N2の窒素濃度となるように浸窒した後、前記被処理品を油冷し再加熱することにより、被処理品表面にFe16N2と窒素マルテンサイトの2層構造を生成することを特徴とする炭素鋼の表面硬化方法。 - 前記加熱室内を鉄−窒素系平衡状態図のオーステナイトと鉄窒化物(Fe4N)の混相域温度620℃〜650℃に保持して、浸窒することを特徴とする請求項1に記載の炭素鋼の表面硬化方法。
- 前記加熱室内を鉄−窒素系平衡状態図のオーステナイトと鉄窒化物(Fe4N)の混相域温度620℃〜650℃に保持し、処理ガスとして、アンモニアガスと窒素ガスの混合ガス、アンモニアガスと水素ガスの混合ガス、またはアンモニアガスと窒素ガスと水素ガスの混合ガスを用いて、浸窒することを特徴とする請求項1または2に記載の炭素鋼の表面硬化方法。
- 前記被処理品の表面窒素濃度が2.95±0.35質量%となるように浸窒することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の炭素鋼の表面硬化方法。
- 前記被処理品を油冷した後、前記被処理品を250℃〜350℃で再加熱することを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の炭素鋼の表面硬化方法。
- 前記被処理品の再加熱を250℃〜350℃で60分〜120分施すことを特徴とする請求項5に記載の炭素鋼の表面硬化方法。
- 被処理品を浸窒するために、真空気密構造で、且つ、加熱室に攪拌機を備えたホットウォール型真空熱処理炉を使用するとともに、加熱室の雰囲気を真空排気及び窒素復圧により窒素ガス100%の状態とした後に、加熱室に処理ガスを導入するようにしたことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の炭素鋼の表面硬化方法。
- Fe16N2と窒素マルテンサイトの2層構造を表面にもつことを特徴とする炭素鋼の表面硬化構造。
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