JPH0663080B2 - 細粒組織を有する浸炭部品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、浸炭処理と温間鍛造とを組み合わせた浸炭
部品の製造方法、特に、結晶粒度が小さく、強度、靭性
に優れた浸炭部品を製造することのできる製造方法、に
関する。

（従来の技術） 浸炭処理を施されて使用される部品（ここでは浸炭部品
という）の種類は多数にのぼるが、輸送機械、建設産業
機械の軸、歯車などはその代表例である。これらの部品
は疲労強度、耐摩耗性、耐ピッチング性を要求されるの
で、浸炭処理されるのであるが、かかる浸炭部品を製造
する一般的な製造プロセスは次のとおりである。即ち、
第１図に示すとおり、素材となる浸炭用鋼を所定寸法に
裁断し、概ね600〜900℃の温度に加熱して温間鍛造し、
所定の形状とする。その後、必要な機械加工を施してか
ら、Ac_３点以上の温度に加熱してここで浸炭処理を施
し、焼入れ、焼戻しを行う。この工程における温間鍛造
は、熱間鍛造よりも精密な成形が可能で、また冷間鍛造
よりも小さな負荷で加工できるため、前記のような量産
部品の製造には近年広く採用されている。

上記の従来のプロセスでは、浸炭処理は機械加工後の最
終工程で行われる。浸炭処理の温度は、Ac_３点以上、通
常は920℃前後、であるから、ここでのオーステナイト
結晶粒の粗大化は避け難い。特に、浸炭処理の前に温間
鍛造を受けている部品は、浸炭処理中の結晶粒の粗大化
が著しい。オーステナイト結晶粒が粗大化すると、浸炭
焼入れ、焼戻し後の結晶粒が大きくなり、靭性や静的強
度が低下する。更には、熱処理変形も大きく、製品とし
ての形状が保てないという問題もある。

温間鍛造部品の浸炭処理時の結晶粒の粗大化を防止する
方法として、材料組成の改良という面からは特開昭60−
159155号公報、同60−262941号公報に開示されるような
Al、Ｎ、Nbを適当量添加し、微細析出物の生成を促して
結晶粒の粗大化を防ぐ方法が、また処理方法の改良とい
う面から、特公昭62−6617号公報に開示されるような浸
炭処理の前に中間熱処理を施こす方法が提案されてい
る。これらのなかで、材料組成を改良する方法では、組
成の僅かなばらつきが結晶粒粗大化挙動に大きく影響
し、必ずしも安定した細粒組織が得られないことがあ
る。また、特公昭62−6617号公報の方法では、浸炭処理
前の中間熱処理という工程が増えるため、製造プロセス
が煩瑣になり生産コストが増大する。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、温間鍛造の利点を活用しながら、最終浸炭製
品の結晶粒の粗大化を防ぐのみならず、積極的に結晶粒
を微細化し、製品の機械的性質を向上させることを目的
とし、そのための新しい方法を提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本願の発明は、「浸炭部品用素材鋼に浸炭処理を施して
室温まで冷却した後、Ac_１点以上950℃以下の温度域に
昇温して、この昇温時間も含めて15分以内の時間保持
し、この温度域で所望の形状に鍛造し、直接焼入れする
ことを特徴とする細粒組織を有する浸炭部品の製造方
法」を要旨とする。

ここに、上記「浸炭部品用素材鋼」はいわゆる溶製法に
より得られる鋼であって浸炭温度に加熱することで結晶
粒の粗大化がみられる素材鋼であって、粉末冶金法によ
るそれを排除するものである。

第２図は、上記本発明の方法を説明するヒートパターン
である。前記第１図に示した従来の方法と対比すれば本
発明方法の特徴が明らかになる。即ち、本発明と従来方
法との最も大きな相違は、浸炭処理と温間鍛造の順序で
ある。

第１図に示す従来のプロセスでは、浸炭処理が温間鍛造
の後になっているから、浸炭処理時の結晶粒の粗大化が
必然的におこる。そしてその影響は焼入れ、焼戻し後の
製品にまで持ちこされ、その機械的性質を損なう。この
ような問題があるにもかかわらず、浸炭処理が温間鍛造
の後で行われていたのは、浸炭処理材を温間鍛造すれ
ば、表面割れが発生しやすく、鍛造荷重も高いという固
定観念があったからである。

本発明者は、上記のような従来の常識を再検討して、浸
炭処理を温間鍛造の前に行っても工程上の問題は全くな
く、各工程の条件を適切に選べば製品の機械的性質を大
幅向上させうることを知った。

第２図に示す本発明のプロセスでは、浸炭処理の時にオ
ーステナイト結晶粒が粗大化しても、次の温間鍛造工程
での加工による再結晶の効果で結晶粒は微細化する。こ
の状態から焼入れすれば、微細なマルテンサイト組織が
得られ、後述する優れた機械的性質を持つ製品が得られ
るのである。

以下、本発明方法の各工程について詳しく説明する。

素材は、一般の浸炭用鋼である。最終製品の種類とそれ
に必要とされる特性に応じて鋼種を選べばよい。これを
所定のサイズに整えて、素材（ブランク）とする。この
素材を先ず浸炭工程に付す。浸炭処理そのものは、従来
から行われている方法で差支えない。たとえば、バッ式
ガス浸炭炉による浸炭処理、或いは素材をのせたトレー
が炉内を移動する連続式ガス浸炭炉による連続浸炭処理
が望ましい。

浸炭処理が施された素材は、一旦室温まで冷却される
が、冷却方法には特に制約はない。

次に、素材をAc_１点以上950℃以下の温度域に加熱す
る。この加熱は鍛造に適当な温度にすることと鍛造後の
焼入れを適正に行うためである。温間鍛造の利点である
低負荷で高精度の寸法形状を得るには、上記の温度範囲
で鍛造する必要がある。温度が低くなるほど鍛造荷重は
大きくなるのは当然であるが、とくに鍛造の前に浸炭さ
れ表層部の炭素含有量が高くなっている素材では、Ac_１
点より低温になると鍛造荷重の増大が著しく、冷間鍛造
に対する優位性がうしなわれる。更に、加熱温度がAr_１
点未満では、鍛造後の焼入れによってマルテンサイト組
織を得ることができず、製品に必要な硬さを与えられな
い。一方950℃より高い温度では、表面のスケール生成
が甚だしくなり製品の寸法精度が悪化し、結局、熱間鍛
造にたいする温間鍛造の優位性が失われてしまう。更
に、ここでの加熱温度が高すぎると、前工程の浸炭で表
層部に侵入した炭素の内部への拡散が激しくなるととも
に、表面脱炭現象が著しくなり焼入れ後の表面硬さが低
下する。これらの理由から加熱温度はAc_１点〜950℃の
範囲とする。

上記のスケールの生成、炭素の内部拡散、表面脱炭とい
う問題は、加熱温度だけでなく、時間にも影響される。
本発明では、この点も考慮して、昇温開始から鍛造開始
までの時間、即ち、昇温と加熱保持の合計時間を15分以
内に制限する。この範囲であれば、上記の弊害は殆ど無
視できる程度である。

温間鍛造は、複雑形状に成形する密閉鍛造のほか、自由
据込み、前方押出、後方押出など加工目的によって各種
の方法が選択できる。この鍛造工程は、所定の製品形状
に成形するという本来の目的とともに、製品組織（結晶
粒）の微細化という目的をもつ。浸炭処理工程で粗大化
したオーステナイト粒は、この温間鍛造によって再結晶
して微細化する。オーステナイトの再結晶温度は、鋼種
によって若干相違するが、一般の浸炭用鋼であればAc_１
点直上でも部分的に再結晶をおこす。

温間鍛造温度がAc_３点とAc_１点の間の温度であれば、材
料の中心部はオーステナイトとフェライトの二相である
が、表層部は浸炭によって炭素含有量が高くなっている
ので、オーステナイト一相である。この状態から焼入れ
を行えば、表層部は完全なマルテンサイト組織となり十
分な硬さが確保される。中心部はオーステナイトとフェ
ライトの二相状態からの焼入れであるため、マルテンサ
イト単層にはならないが、結晶粒は表層部以上に細かく
なる。通常の浸炭部品では、中心までマルテンサイト単
層にする必要はないが、特に中心部の硬さが要求される
場合、鍛造終了温度、即ち、焼入れ温度を高くするよう
に配慮する。

焼入れ温度を高くするように配慮する。

温間鍛造の温度がAc_１点より低くなれば、表層部におい
てもオーステナイトが完全に分解し、パーライトやベイ
ナイトが生成し、これを焼入れしてもマルテンサイト組
織にはならず、所望の硬さは得られない。

温間鍛造の終了後、直ちに焼入れするのは、微細な再結
晶オーステナイトを急冷して微細マルテンサイトを生成
させるためである。第１図をみれば明らかなように、従
来、焼入れは浸炭処理に直結し、浸炭処理終了温度から
急冷されていた。この工程では浸炭処理中に粗大化した
オーステナイトが変態するため、得られるマルテンサイ
ト組織も粗大である。これに対して、本発明方法によれ
ば、浸炭処理中にオーステナイト粒が粗大化しても、後
の鍛造工程で細粒化できる。このことは、従来、結晶粒
粗大化をおそれて抑えられてきた浸炭処理温度をもっと
高くしてもよいということである。浸炭処理温度を高く
すれば、炭素の拡散速度が上がり、処理時間が短縮でき
るという大きな ただし、本発明方法では、浸炭処理後に鍛造成形が行わ
れるから、素材段階での浸炭深さと製品のそれとは必ず
しも一致しない。また最終製品形状に仕上げる機械加工
も最後に行われ、ここで浸炭層の一部が除去されること
もある。このような事情を考慮して浸炭処理の条件、浸
炭深さ等を決定しなければならない。

本発明方法を実施する装置としては、鍛造終了後の鍛造
品を直接焼入れする冷却槽が付設された鍛造装置のほか
に特別のものを要しない。浸炭処理と温間鍛造とを別の
ラインで実施しても差支えはない。

以下、実施例によって本発明の効果を具体的に説明す
る。

（実施例） 第１表の組成を有するSCM420熱間圧延棒鋼（50mmφ）か
ら44mmφ×27.5mmの鍛造用ブランクを機械加工によって
作成し、滴注式浸炭炉を用いてカーボンポテンシャル0.
85％の雰囲気中で950℃×２時間の浸炭処理を施し空冷
で室温まで冷却した。この浸炭済みブランクに黒鉛潤滑
を施し、高周波加熱によって650〜1050℃の範囲の50℃
間隔の各温度に加熱した。昇温時間は１〜２分、保持
（均熱）時間は２分とした。

上記各温度のブランクを、鍛造荷重の測定ができる鍛造
機を用いて、第２表に示す諸元の平歯車に鍛造した。鍛
造終了後、５秒おいて120℃の焼入油に浸漬した。ま
た、一部の浸炭ブランクについては、加熱温度を900℃
一定とし、昇温と均熱の合計時間を２〜20分の間で変化
させて鍛造した。

上記の工程で製造した歯車に170℃×１時間の焼戻しを
施した後、第３図に示す歯元表層部と歯元中央部の旧オ
ーステナイト粒の結晶粒度（JISによる）と歯元表層部
の硬度分布を測定した。それぞれの歯車の有効硬化層深
さ（Hv550に相当する表面からの距離）はすべて0.55〜
0.58mmの範囲におさまっていた。

次いで、各歯車にショットブラストをかけてスケールを
除去した後、第10図に示す方法で歯厚マイクロメータを
用いて３枚またぎ歯厚を18個所で測定し、その平均値を
算出した。併せて、歯面中央部の表面粗さ（測定距離2m
m）をも測定した。

更に、これらの歯車について、第11図に示す方法での静
的な歯元折損試験と、シャルピー衝撃試験機を改造した
第12図に示す試験機での衝撃試験を実施した。

一方、比較のため、従来方法によって同様の歯車を製造
した。その条件は次のとおりである。

黒鉛潤滑を施したブランクを実施例と同じく高周波炉で
650〜1050℃間の各温度に加熱し、それぞれの温度で鍛
造して平歯車とした後に、機械加工（歯面研磨）、浸
炭、焼入れ、焼戻しを施した。なお、このときの各工程
の条件は、浸炭時間を、有効硬化深さ0.555〜0.58mmに
なるように1.75時間としたこと以外は、全て前記の条件
と同じである。但し、いうまでもなく、ここでは浸炭処
理と鍛造の工程が本発明方法とは逆であり、焼入れは浸
炭後に行われている。こうして得られたものについても
前記と同じ測定を行った。

以下、添付の図によって、試験の結果を説明する。

第４図は、本発明方法と従来方法で作成した歯車の歯元
表層部と歯元中央部の旧オーステナイト粒の結晶粒度を
鍛造温度で整理したものである。従来方法によるもので
は、どの部分でも粒度番号が小さい（即ち、粗粒であ
る）。本発明方法によるものは、すべて8.5番以上の細
粒で、特に850〜950℃で鍛造したものでは、11番以上の
超微細粒になっている。なお、700℃以下で鍛造したも
のは、フェライト−パーライト組織で鍛造されそこから
急冷されているので、旧オーステナイト粒度は測定でき
ない。また、図中の＊印は、フェライト−マルテンサイ
トの二相であるためマルテンサイト部のみ測定したこと
を示す。

第５図は、鍛造温度と鍛造荷重の関係を示すものであ
る。ここでは、本発明方法も従来方法も同じ傾向を示
す。即ち、浸炭処理後に鍛造する本発明の方法でも、従
来方法と較べて鍛造荷重が大きく増加することはない。
ただ、Ac_１点よりも低い温度では鍛造荷重が急激に増大
する。前記第４図の結果とあわせて、鍛造をAc_１点以上
で行うことの重要性がわかる。

第６図は、スケール除去後の表面硬さ（表面から0.025m
m位置の硬さ）と鍛造温度の関係である。鍛造温度が高
くなりすぎると、浸炭処理によって浸透した炭素が内部
へ拡散し焼入れ後の硬度は低くなる。

第７図は、またぎ歯厚と表面粗さの測定結果である。鍛
造温度が950℃を越えると、またぎ歯厚の目標値（この
場合、7.63mm）からの逸脱が大きくなり、また表面の荒
れも甚だしくなる。これは、ブランク表面のスケール生
成が激しくなり、これがショットブラストで除去された
からであり、結局、製品の寸法精度を悪化させることに
なる。

第６図と第７図の結果から、鍛造温度の上限は950℃と
すべきことが明らかである。

第８図および第９図は、昇温時間と均熱時間の合計と、
またぎ歯厚、表面粗さおよび表面硬さ（表面から0.025m
m位置の硬さ）との関係である。上記鍛造温度が高すぎ
る場合と同じ理由で、15分を越える長時間は避けるべき
ことが明らかである。

第13図、第14図は、本発明方法と従来方法で得た歯車に
ついて静的な折損荷重と衝撃吸収エネルギーを鍛造温度
で整理したものであるが、本発明方法による歯車は従来
方法によるものに較べて大幅に優れていることが明白で
ある。

（発明の効果） 実施例の試験結果から明らかなとおり、本発明によれば
従来方法では得られない微細結晶粒組織の浸炭部品が得
られる。本発明方法によって得られる微細マルテンサイ
ト組織の浸炭部品は、表面硬度においては従来方法によ
るものと同等で、静的強度、靭性においては、それを遥
かに凌ぐものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の温間鍛造−浸炭処理の方法を示すヒー
トパターン図、 第２図は、本発明方法を示すヒートパターン図、 第３図は、実施例において製造した歯車の結晶粒度と硬
さの測定位置を示す図、 第４図〜第９図は、同じく各種の試験結果を示すグラ
フ、 第10図は、またぎ歯厚の測定方法、第11図は歯元折損試
験方法、第12図は歯車の衝撃試験方法をそれぞれ説明す
る図、そして、 第13図と第14図は、それぞれ本発明方法と従来方法によ
って得られた歯車の折損試験と衝撃試験の結果を示すグ
ラフ、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】浸炭部品用素材鋼に浸炭処理を施して室温
   まで冷却した後、Ac_１点以上950℃以下の温度域に昇温
   して、この昇温時間も含めて15分以内の時間保持し、こ
   の温度域で所望の形状に鍛造し、直接焼入れすることを
   特徴とする細粒組織を有する浸炭部品の製造方法。