JPH08176791A - 鋼の浸炭方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 浸炭異常層，オ−ステナイト粒の異常成長粗
大化，処理歪等の発生がない高品質の浸炭材を工業規模
でかつ短時間処理にて作業性良く得ることができる鋼の
浸炭方法を確立する。 【構成】 浸炭処理に先立って被処理鋼を焼戻し“マル
テンサイト組織",“ベイナイト組織",“球状炭化物組
織”あるいは“炭窒化物が微細分散したフェライト組
織”の１種もしくは２種以上を主体とした組織となし、
その後でプラズマ浸炭法により被処理鋼のＡe₃点未満
（好ましくはＡe₁点直下）の温度で浸炭する。このプラ
ズマ浸炭時に、同時に窒素を浸透拡散させることで窒化
と浸炭を同時に行うこともできる。また、プラズマ浸炭
の後、窒化処理，再加熱焼入焼戻処理，高周波焼入れ等
を施しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、品質の良好な浸炭材
を短時間処理にて作業性良く得ることができる鋼の高濃
度浸炭方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその課題】現在、浸炭による表面硬化法は
機械構造用鋼の性能（各種の疲労強度や耐摩耗性等）と
信頼性を向上させる手段として広く用いられている技術
であるが、一般的に実施されている浸炭手段は殆どが
“ガス浸炭”であり、特殊な場合にはまゝ塩浴が用いら
れることもある。

【０００３】何れにしても、浸炭はＣＯ又はＣＮの鋼表
面における還元反応で発生する炭素原子が鋼中へ浸透し
て行くメカニズムによるものであるため、浸炭反応には
必然的に還元反応が伴う。つまり、鋼によるＣＯ又はＣ
Ｎの還元、言い換えれば鋼が酸化されることによって浸
炭が進行するわけである。従って、鋼の浸炭処理では不
可避的に鋼の酸化が起こり、この酸化が鋼表面の粒界酸
化とそれに伴う粒界近傍の不完全焼入組織、即ち“浸炭
異常層”をもたらす。そして、これらの浸炭異常層は浸
炭層の特性劣化を招くため、これを防止する手法が鋼種
成分と浸炭プロセスの両面から開発されてきた。なお、
浸炭プロセスに係わる新しい手法の代表的なものに、還
元反応を伴わないで直接的に炭素原子を浸透させること
のできる“真空浸炭法”や“プラズマ浸炭法（例えば特
開平2-145759号公報参照）”があるが、これらの方法は
浸炭異常層を全く発生させないことから俄然注目を浴び
つつある。

【０００４】一方、現用の浸炭処理（ガス浸炭等）では
「９２０〜９３０℃で３〜５時間」という条件が一般的
に採用されているが、近年の厳しい合理化要請から、こ
の処理時間の短縮が切実な問題として検討されている。
もっとも、従来の浸炭プロセスは、前述したように“還
元反応により炭素原子を発生させてそれを熱拡散にて鋼
材表面から内部へと拡散浸透させる機構”によるため、
浸炭処理温度を上げることで処理時間の大幅な短縮が可
能である。しかしながら、浸炭処理温度の上昇は“オ−
ステナイト粒の異常成長粗大化",“浸炭炉の寿命低下”
あるいは“浸炭処理時の歪”といった新たな問題を呼び
込むことからその実施は難しく、高々９５０℃程度にま
で２０〜３０℃程の温度上昇を達成するのに躍起となっ
ているのが現状である。

【０００５】つまり、処理温度が９２０〜９３０℃とい
う現状の浸炭処理であっても、鋼材の材質や処理対象部
品の前履歴によっては、浸炭処理中にオ−ステナイト結
晶粒が異常に成長して粗大化し部品の特性を著しく劣化
させるとの問題が完全に克服されていないのが実情であ
る。従って、上述した「浸炭時間の短縮のために浸炭温
度上げること」はこの異常粒成長を著しく促進させ、そ
のため特に９５０℃以上の温度域での正常な浸炭は絶望
的とさえ言われている。また、９５０℃程度にまで浸炭
温度を上げた場合には炉の寿命低下が著しくなり、設備
費の過大負担を招くことは如何ともしがたい。

【０００６】更に、浸炭処理を終えた鋼材はそのまま焼
入れ処理されるのが普通であるが、浸炭処理温度を９３
０℃を超える程に高くするとその後の焼入れ時の熱歪，
変形歪が大きく、部品の寸法精度に致命的悪影響を生じ
る。勿論、この熱処理歪による寸法の狂いを最小にする
ため熱処理技術面から多大の労苦が払われてきている
が、熱処理温度が下がるとこの歪の問題は難なく大幅に
改善されるため、最近ではむしろ熱処理温度を下げて品
質向上を目指す方向に変わってきている。

【０００７】しかるに、ガス浸炭法では、処理温度を７
５０℃近くにまで低下させると鋼表面でのガスの分解に
よるＣの発生とそのＣの浸透拡散のバランスが崩れ、炭
素原子の鋼中への浸透拡散が遅延することとなり、Ｃが
すすとして炉内に残るようになる。このすすは、炉中へ
空気が混入した時に爆発的な燃焼を起こすため、炉の浸
炭部で爆発を生じる危険性につながる。その上、このよ
うな低温では、ガスの分解やＣの浸透拡散が著しく遅延
するため、浸炭処理時間が著しく増大するという問題も
あり、低温ガス浸炭には未だ光明を見出せないでいるの
が現状である。

【０００８】真空浸炭法の場合も同様で、浸炭異常層を
発生しない点では極めて優れた技術であると言えるもの
の、鋼材表面で原料ガスを熱分解させ炭素原子（発生機
の炭素原子）を発生させるためには高温が必要であっ
て、９００℃以下ではガス分解反応が追いつかないので
浸炭処理は不可能である。また、プラズマ浸炭法にして
も、これまで知られている技術では、前記特開平２−１
４５７５９号公報の実施例の欄に記載されているように
実際には９００℃程度以上の高温で処理を行わないと所
望の効果を得ることは困難であった。

【０００９】以上のように、従来の浸炭法では、品質面
からすればできるだけ処理温度を下げるべきであるが、
処理時間の面からは温度を上げるのが望ましく、更に設
備面からも処理温度の制約があって、技術的な限界を打
破するのが困難であると考えられた。

【００１０】このような技術的閉塞状態の中にあって、
最近、低温浸炭法として鋼のフェライト域で浸炭する技
術が提案された（特開昭３−１８８２５６号）。この方
法は、従来は不可能と認識されていた鋼のフェライト域
において浸炭を行おうというもので、「温度の低いフェ
ライト域でも浸炭が進行する」という新規究明事項を基
にした手段である。即ち、「Ｃの拡散は高温のオ−ステ
ナイト相中よりも低温のフェライト相中の方が格段に速
く、 しかも浸炭深さはＣの拡散に大きく依存する」との
究明事項が上記提案技術の骨子となっている。

【００１１】しかし、ガス浸炭法を基本とした上記提案
になる低温浸炭法は、実験室的設備での処理においては
良好な結果が得られるものの、工業規模で実施しようと
した場合には、鋼中へ浸透させる炭素原子の十分かつ大
規模な供給手段が未確立であることや、Ａ₁ 点未満のフ
ェライト域温度で処理できる大規模な設備技術が未確立
である等のため、十分に満足できる成果を安定して得る
ことが難しいとの問題を有していた。

【００１２】このようなことから、本発明が目的とした
のは、浸炭異常層，オ−ステナイト粒の異常成長粗大
化，処理歪等の発生がない高品質の浸炭材を工業規模で
かつ短時間処理にて作業性良く得ることができる鋼の浸
炭方法を確立することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は上
記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に示す
ような知見を得ることができた。即ち、Ｃの拡散係数を
同一温度でのフェライト相中とオ−ステナイト相中とで
比較するとフェライト相中の方が１桁も大きく、そのた
め同一温度では炭素原子の拡散速度はフェライト組織の
方がオ−ステナイト組織より１桁のオ−ダ−で速くな
り、拡散速度の観点からはフェライト域であっても十分
に実用性ある浸炭速度を得ることができると考えられ
る。しかし、フェライト中へのＣの固溶限界量は極めて
小さいため、鋼の表面からフェライト地に浸炭を行う手
段によってそのＣ濃度を高めることは工業的には不可能
とも言える事柄である。

【００１４】ところが、フェライトの中にセメンタイト
相等の炭化物相が存在していると、フェライトの中を迅
速に拡散してきたＣがこの炭化物相の回りで炭化物とし
て析出する現象が見られる。そして、この時、「相平
衡」は“フェライト単相中のＣの固溶・析出平衡”とな
るのではなくて、局所的に“〔フェライト＋炭化物〕の
複合組織と炭化物との相平衡”となり、炭化物周辺では
論理的には炭化物中のＣ濃度まで浸炭が可能になる。従
って、フェライト基地内に微細な炭化物が均一に析出・
分散されておれば、上述の相平衡が広範にフェライト基
地内で均一に惹起され、フェライト中へのＣ固溶量の増
大と、それを炭化物として析出させることによる全Ｃ濃
度の増大とが迅速に図れるものと考えられた。

【００１５】ただ、フェライト基地内に微細炭化物を析
出・分散させ、そこからのＣの拡散を図るだけでは鋼に
浸炭の効果を確保することはできず、十分な浸炭効果を
得るためには、前記“フェライト基地内への微細炭化物
の析出・分散”に加えて、フェライトの存在する温度領
域で鋼の表面から炭素原子を供給・浸透させる（浸炭さ
せる）ことが不可欠である。しかしながら、通常のガス
浸炭法では既述のとおりフェライトの存在するような低
温度領域での浸炭は極めて困難である。

【００１６】本発明者等は、種々検討の末、この課題を
解決するのが「プラズマ浸炭法」であることを見出し
た。つまり、プラズマ浸炭法は固溶限の低いフェライト
相内に炭素原子を送り込む（浸炭させる）方法として極
めて有効であり、この方法によると低温の“フェライト
基地に微細炭化物が分散している鋼”への炭素原子の浸
入が非常に円滑に行われるようになる。そして、鋼中へ
浸入した炭素原子は前述した機構により速やかに拡散し
てＣ濃度の増大に資する。

【００１７】本発明は、上記知見事項等に基づいてなさ
れたものであり、「浸炭処理に先立って被処理鋼を焼戻
し“マルテンサイト組織",“ベイナイト組織",“球状炭
化物組織”あるいは“炭窒化物が微細分散したフェライ
ト組織”の１種もしくは２種以上を主体とした組織とな
し、 その後でプラズマ浸炭法により被処理鋼のＡe₃点未
満の温度で浸炭することにより、 高品質の浸炭鋼材を短
時間処理にて安定製造できるようにした点」に大きな特
徴を有している。

【００１８】ここで、本発明法の適用対象鋼はフェライ
ト相を呈するものであれば特に制限はなく、通常炭素
鋼，低合金鋼，肌焼鋼，バネ鋼，軸受鋼，工具鋼，耐摩
耗鋼，耐熱鋼等、フェライト系の全ての機械構造用鋼を
適用対象とすることができる。

【００１９】上述のように、本発明は、被処理鋼に“フ
ェライト中に炭化物含有物質が微細分散した組織”を準
備し、これに対し特にプラズマ浸炭法を適用して鋼のＡ
e₃点以下で浸炭することを骨子としたものであって、フ
ェライトが存在する低温度領域でフェライト組織内に炭
化物を析出・成長させつつ浸炭処理を進行させることに
より、フェライト組織中に多量の炭化物を均一微細分散
させた炭化物過剰浸炭組織を持つ鋼を製造する処理法に
係るものであるが、以下、本発明において処理条件を前
記の如くに限定した理由をその作用と共に説明する。

【００２０】

【作用】本発明者等は、プラズマ浸炭法を適用すればフ
ェライト系の鋼に対しＡe₁点直下という低い温度域でも
浸炭を行えることを見出したが、このプラズマ浸炭に際
して、被処理鋼の組織を“フェライト中に炭化物含有物
質が微細分散したもの”としておくことで浸炭部のＣ濃
度を十分に高くすることができる。つまり、この前組織
はフェライト粒内に微細な炭化物含有物質が均一に析出
した「フェライト＋炭化物粒子又は炭窒化物粒子」から
なるもので、具体的には a) 焼戻しマルテンサイト組織， b) ベイナイト組織， c) 球状化焼鈍組織（球状炭化物組織）， d) フェライト粒内に微細析出物を含んだフェライト・
パ−ライト組織（例えばＶ含有非調質鋼等のような炭窒
化物が微細分散したフェライト組織), 等の１種もしくは２種以上を主体とした組織である。な
お、周知の通り、これらの組織は連続冷却，等温変態，
繰り返し処理等によって再現性良く実現されるので、鋼
の前歴は特に問われるものではない。

【００２１】浸炭処理に処する鋼をかかる前組織として
おく理由は、先にも述べたが、Ｃを高濃度で浸炭させる
ことにある。即ち、炭素原子の拡散速度はフェライト中
の方がオ−ステナイト中よりも格段に速いものの、フェ
ライト中へのＣの固溶限界量が極めて小さいためにその
ままでは鋼の表面からＣを供給してもＣ濃度を十分に高
めることはできない。しかしながら、鋼の組織をフェラ
イトの中にセメンタイト相等の炭化物相が存在する上記
前組織としておくと、その「相平衡」は“〔フェライト
＋炭化物〕の複合組織と炭化物との相平衡”となって炭
化物中のＣ濃度にまで浸炭が可能となり、所望するＣ濃
度への浸炭を迅速に行うことができるようになる。

【００２２】ただ、注意すべきはパ−ライト組織で、パ
−ライト組織中へは本発明に係る手段で浸炭しようとし
て十分な効果を挙げることは難しい。従って、パ−ライ
トを含有する前組織においては、好ましくはパ−ライト
率を５０％以下にしておくべきである。

【００２３】また、本発明においては、浸炭処理は被処
理鋼のＡe₃点未満の温度域で実施される。これは、Ａe₃
点以上の高温域で浸炭を行った際に懸念される“オ−ス
テナイト粒の異常成長粗大化",“浸炭炉の寿命低下”あ
るいは“浸炭処理時の歪”といった問題を防止するため
と、前述したような低温のフェライト中への迅速で安定
した浸炭手段が見出されたためである。ここで、フェラ
イト相への浸炭はＡe₁点以上Ａe₃点未満のα／γ二相域
で行うことができるものの、浸炭後の組織の均一性とい
う観点からはＡe₁点直下での処理が好ましく、従ってよ
り高品質の製品を得るためには浸炭処理をＡe₁点直下の
温度域で実施すべきである。

【００２４】ところで、本発明に係る上記浸炭処理は、
特にプラズマ浸炭法によって行う必要がある。これは、
既に述べたように、プラズマ浸炭法以外の既知の浸炭法
ではフェライトの存在するような低温度領域での十分な
浸炭は不可能であるか極めて困難だからである。しかる
に、プラズマ浸炭法によると固溶限の低いフェライト相
にも円滑に炭素原子を浸入させることが可能で、所定の
前組織の準備と相まってＣ濃度の高い浸炭層を迅速かつ
安定に形成させることができる。

【００２５】なお、本発明法においては、プラズマ浸炭
時に同時に窒素を浸透拡散させることで窒化と浸炭を同
時に行うこともできる。この場合、従来の軟窒化処理と
は違って、鋼材の内部深くまでのフェライト中に炭化物
が分散析出した“高炭素濃度フェライト組織”の上に窒
化層から成る表面層が形成された従来に無い表面硬化処
理鋼材が得られる。

【００２６】また、本発明法に従ってプラズマ浸炭法で
フェライト域炭化物分散析出浸炭を行った後、更に窒化
処理，再加熱焼入焼戻処理，高周波焼入れ等といった既
存の表面硬化処理を組み合わせて実施することもでき
る。

【００２７】続いて、本発明を実施例によって説明す
る。

【実施例】表１に示す化学組成を有するＡ〜Ｅの５種類
の鋼材を用意し、これらに浸炭の前組織として a) 焼入れ焼戻しによる焼戻しマルテンサイト組織， b) 強制風冷によるベイナイト組織， c) 球状化焼鈍による球状炭化物組織， d) 焼準によるフェライト・パ−ライト組織 を準備した。なお、鋼材Ａの焼準組織（フェライト・パ
−ライト組織）は、フェライト粒内に微細なＶ化合物が
多数均一分散析出したものとなっていた。

【００２８】

【表１】

【００２９】次に、これらの鋼材に対し、本発明法とし
て低温でのプラズマ浸炭を、また比較法及び従来法とし
てガス浸炭をそれぞれ施した。ここで、プラズマ浸炭
は、浸炭炉内を１Torrの真空にしてから所定温度に加熱
し、浸炭ガスとしてAr，Ｈ₂ ガスに数％のＣＨ₄ ，Ｃ₃
Ｈ₈ のような炭化水素ガスを混合したガスを導入して炉
内圧力を１〜１０Torrに保ち、所定時間の浸炭を行う条
件で実施した。また、比較法及び従来法でのガス浸炭
は、浸炭ガスとしてＣＯ₂ とＣＯの混合ガスを用い、小
型実験炉により実験的に実施されたものである。

【００３０】このようにして得られた各浸炭材について
“浸炭深さ”及び“浸炭濃度”を調査したが、その結果
を浸炭条件と共に表２に示す。なお、「浸炭深さ」は、
浸炭焼入後の“浸炭層の最高硬度と芯部の平均硬度との
平均値となる硬度を示す位置”の“表面からの深さ”を
断面硬度分布プロフィ−ルから求めた値とした。そし
て、「浸炭濃度」は、精密旋盤にて浸炭後の試料の表面
層を 0.1mm厚さで削り取って採取し、これを化学分析し
て求めた値であり、浸炭後の最表層部（深さ 0.1mmまで
の部分）の平均炭素濃度に相当する値である。また、表
２中の試験番号21と22は、ガス浸炭炉での浸炭ガスのカ
−ボンポテンシャルを可能な限り上昇させ、約 1.5のカ
−ボンポテンシャル雰囲気で浸炭を行ったものである。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に示される結果からは、次のことを確
認できる。即ち、試験番号19〜22の従来例に比べ、本発
明例に係る試験番号１〜14は何れも７２０℃以下の低温
浸炭でありながら従来法よりも短い浸炭時間でより深い
浸炭深さと浸炭濃度が得られている。

【００３３】また、試験番号15〜18の比較法では、本発
明法と同じ前組織でガス浸炭によるフェライト域での炭
化物析出浸炭を試みたものであるが、浸炭は極めて僅か
なため実用性に乏しい。なお、鋼材Ｂ及び鋼材Ｃで前組
織をフェライト・パ−ライトにしたものは、表２中の本
発明例と同じ条件でプラズマ浸炭したが殆ど浸炭が行わ
れず、やはり実用性のないことが確認されている。

【００３４】

【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、浸炭異常層，オ−ステナイト粒の異常成長粗大化，
処理歪等を生じるおそれがない低温でかつ短時間の処理
にて高品質の浸炭鋼材を作業性良く得ることができるな
ど、産業上有用な効果がもたらされる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 浸炭処理に先立って被処理鋼を焼戻しマ
   ルテンサイト組織，ベイナイト組織，球状炭化物組織あ
   るいは炭窒化物が微細分散したフェライト組織の１種も
   しくは２種以上を主体とした組織となし、その後でプラ
   ズマ浸炭法により被処理鋼のＡe₃点未満の温度で浸炭す
   ることを特徴とする、鋼の浸炭方法。