WO2003104516A1 - ガス浸炭方法 - Google Patents

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WO2003104516A1
WO2003104516A1 PCT/JP2003/005422 JP0305422W WO03104516A1 WO 2003104516 A1 WO2003104516 A1 WO 2003104516A1 JP 0305422 W JP0305422 W JP 0305422W WO 03104516 A1 WO03104516 A1 WO 03104516A1
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carburizing
gas
temperature
treated
partial pressure
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PCT/JP2003/005422
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Inventor
暁華 立里
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光洋サーモシステム株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a method for gas carburizing steel parts used, for example, in the automotive and mechanical industries. Background art
  • the carburizing time can be shortened by increasing the carburizing temperature.
  • the conventional carburizing temperature is the eutectic point temperature at which the liquid phase transforms to iron and cementite (in the equilibrium diagram of iron and carbon shown in Fig. 1, the C point temperature is 114). Less than 7, typically less than 150 ° C
  • the carburizing process is performed until the carbon concentration in the surface layer of the object to be treated becomes higher than the final target value, and then the carbon concentration is lower than the carburizing atmosphere.
  • the carbon concentration in the surface layer was reduced to the final target value (see Japanese Patent Publication No. 6-458886).
  • the carburizing temperature is limited to less than the eutectic point temperature, the diffusion rate of carbon atoms in the object to be treated is restricted, so that the carburizing time cannot be significantly reduced. In other words, there is a problem that productivity is reduced because the diffusion treatment takes a long time.
  • An object of the present invention is to provide a gas carburizing method that can solve such a conventional problem. Disclosure of the invention
  • the carburization temperature is not higher than the peritectic point temperature at which ⁇ iron and a liquid phase are transformed to iron and the temperature is not less than the eutectic point temperature at which the liquid phase is transformed to iron and cementite.
  • the carburizing time can be reduced by heating the object to be treated to as high a temperature as possible and performing gas carburizing in an austenitized state.
  • the concentration of carburizing gas in the carburizing atmosphere it is possible to prevent the hardened layer on the object to be processed from becoming shallow, and to obtain a hardened layer having a sufficient thickness in a short time.
  • the object to be treated turns to austenite when heated to a temperature above the GS and ES lines in the equilibrium diagram of iron and carbon shown in Fig. 1. If the carbon concentration in the surface layer of the object exceeds the J-line, melting starts in that surface layer.
  • the present inventor has determined that, for carburizing conditions such as carburizing temperature and carburizing time, there is an upper limit of the carburizing gas partial pressure at which the surface layer of the object to be treated does not melt, and the upper limit is that the carburizing temperature is higher. And that the shorter the carburizing time, the higher.
  • the carburizing temperature range in the gas carburizing method according to the present invention is lower than the peritectic point temperature (1494 ° C) and higher than the eutectic point temperature (1147 ° C), the carburizing time can be greatly increased. Can be shortened. Moreover, by setting the partial pressure of the carburizing gas at or below the previously determined upper limit, carburization at a high temperature can be performed without melting the surface layer of the object to be treated. As a result, energy consumption can be significantly reduced and energy can be saved. In addition, the gas carburizing step can be performed in succession with other steps, for example, a machining step or a different heat treatment step.
  • the limit carburizing conditions include the upper limit of the carburizing temperature and the upper limit of the carburizing time at which the surface layer of the sample is austenitized without melting, and the upper limit of the carburizing gas partial pressure.
  • the relationship between the upper limit of the carburizing temperature and the upper limit of the carburizing time is determined in advance, and the carburizing gas is set so that the carburizing condition of the object to be treated does not violate the limit carburizing condition that satisfies the obtained relationship. It is preferable to set the partial pressure, carburizing temperature and carburizing time.
  • the upper limit of carburizing gas partial pressure, the upper limit of carburizing temperature and the upper limit of carburizing time as the limiting carburizing conditions are related to each other, and two of carburizing gas partial pressure, carburizing temperature and carburizing time are fixed. By doing so, the remaining upper limit can be obtained. This makes it easy to set the carburizing conditions as fast as possible within a range where the surface layer of the object to be treated does not melt.
  • Another feature of the gas carburizing method of the present invention is that, when performing gas carburizing of a steel object to be treated, the carburizing temperature is changed to the peritectic point temperature at which ⁇ iron and the liquid phase are transformed into iron.
  • the eutectic point temperature is below J 1 419 1) at the J point temperature, and the liquid phase transforms into iron and cementite (in the case of Fig. 1, the temperature at the C point is 1 147 ° C)
  • the target value of the surface carbon concentration of the object to be treated is set to a value that does not cause the surface of the object to be treated to melt at the set carburizing temperature, and the partial pressure of the carburizing gas in the carburizing atmosphere is set in advance.
  • the point is that the surface carbon concentration of the object to be treated is set to a value that can reach the set target value by gas carburizing for the set time.
  • the carburizing temperature is set to be lower than the peritectic point temperature and higher than the eutectic point temperature, and the target value of the surface carbon concentration of the steel object is set. If the carburizing gas partial pressure in the carburizing atmosphere is set to an appropriate value, the surface carbon concentration of the object to be treated will reach the set target value due to gas carburizing, and the carburizing depth will be sufficient. It is based on the discovery that it can be obtained. Carburization at high temperature allows carbon atoms to move faster during carburization than in the past, making it possible to reach the oxidized layer depth in a short time, which previously required several hours to reach. And the surface carbon concentration does not become excessively high.
  • the carburizing time can be significantly reduced by increasing the carburizing temperature.
  • the carbon concentration in the surface layer of the processing object does not exceed the set target value, the carbon diffusion processing step is not required. Thereby, productivity can be improved.
  • the gas carburizing process can be performed continuously with other heat treatment processes. Therefore, It is preferable to cool the object to be treated without performing the diffusion treatment after performing the gas carburizing of the above. After the cooling, the object to be processed is preferably reheated. This reheating is performed by, for example, high frequency heating. It is preferable to perform a filling treatment of the reheated processing object.
  • the cooling for the quenching process is performed by oil cooling or gas cooling, for example.
  • the carburizing temperature is 120 Ot: or more from the viewpoint of shortening the carburizing time.
  • ⁇ 5 peritectic transformation from iron and liquid phase to iron At a carburizing temperature below the eutectic point, below the eutectic point where the liquid phase transforms to iron and cementite from the liquid phase, the surface layer of the sample of steel to be treated in the carburizing atmosphere is not austenite
  • the limit carburizing conditions should include the upper limit of carburizing gas partial pressure in the carburizing atmosphere where the surface layer of the sample is austenitized without melting.
  • the object to be treated becomes austenite when heated to a temperature above the GS and ES lines in the iron-carbon equilibrium diagram shown in Fig. 1. If the carbon concentration in the surface layer of the object exceeds the JE line, melting starts in that surface layer.
  • carburizing conditions such as carburizing temperature and carburizing time
  • the limit carburizing conditions including the upper limit of the carburizing gas partial pressure, setting of the carburizing gas partial pressure and carburizing time becomes easy.
  • the total pressure of the carburizing atmosphere may be normal pressure, may be reduced from normal pressure, or may be pressurized.
  • the entire carburizing atmosphere may be a carburizing gas, or a mixed gas of a carburizing gas and a diluting gas may be a carburizing atmosphere.
  • a diluent gas it is preferable to dilute with an inert gas such as nitrogen gas or argon gas.
  • the steel type of the object to be treated to which the gas carburizing method of the present invention is applied is not particularly limited, as long as the steel is austenitized at a temperature lower than the peritectic point temperature and higher than the eutectic point temperature. It can be applied not only to steel but also to alloy steel.
  • the object to be treated and the sample are preferably heated by means capable of heating the surface layer at a high speed.
  • induction heating or laser heating preferable.
  • the heating efficiency of the carburizing target can be improved.
  • the carburizing process is simple, quality control becomes easy. That is, since there are few factors that affect the quality, it is easy to find the cause even if a quality problem such as spots, distortion, or cracks occurs in the object to be treated.
  • the wall covering the carburizing treatment space can be made a cold wall, and the exhaust gas combustion device is not required, so the working environment is not impaired, initial investment can be reduced, small-lot production of single items can be handled, and production lines can be used. Easy to assemble, for example, one-line inline processing is also possible. Since a conventional carburizing furnace equipped with heat insulating walls is not required, heating and seasoning of the furnace are not required, and running costs can be reduced.
  • the gas carburizing it is preferable to carry out the gas carburizing while flowing a carburizing atmosphere containing a carburizing gas at a constant partial pressure.
  • the carburizing gas partial pressure can be kept constant and the quality of the object to be treated can be made uniform.
  • productivity can be greatly improved.
  • Figure 1 is an equilibrium diagram of iron and carbon
  • FIG. 2 is a diagram showing a state in which a sample to be treated is heated by a gas carburizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows an example of the relationship of the upper limit of carburizing gas partial pressure to different carburizing temperatures and carburizing times.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which an object to be treated is heated by the gas carburizing apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows the relationship between the carburizing time, the carburizing gas partial pressure, and the surface carbon concentration until the surface of the object starts melting at a carburizing temperature of 1573 K.
  • Figure 6 shows the relationship between carburizing time, carburizing gas partial pressure, and surface carbon concentration until the surface of the object to be treated starts melting at a carburizing temperature of 1623 K.
  • FIG. 7 shows that the carburizing was performed at a carburizing temperature of 125 ° C. and a carburizing time of 1 minute in the example of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the distance from the surface of the object to be treated carburized at a carburizing temperature of 1300 ° (the carburizing time of 1 minute and the hardness in the example of the present invention and the hardness.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the distance from the surface of the object to be treated carburized at a carburizing temperature of 125 ° C. and a carburizing time of 10 minutes and the hardness in the example of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the distance from the surface of the object to be carburized at a carburizing temperature of 130 ° C. and a carburizing time of 10 minutes and the hardness in the embodiment of the present invention.
  • Fig. 11 shows the metal structure of the surface layer of the gas carburized object before quenching.
  • Fig. 12 shows the metal structure after quenching in the surface layer of the gas carburized object.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the distance from the surface of the object to be treated and the carbon concentration obtained according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of the relationship among the carburizing time, the diffusion time, and the carbon concentration in the object to be treated by the conventional carburizing method.
  • the gas carburizing apparatus includes a vacuum vessel 1, a heating device 2, a vacuum pump 3 for reducing the pressure in the vacuum vessel 1, and a carburizing atmosphere in the vacuum vessel 1.
  • the heating device 2 performs induction heating in the vacuum vessel 1 by a coil 2 a connected to a power supply 7.
  • the output from the power supply 7 to the coil 2a is variable.
  • a thermocouple 6 is welded to the surface layer of the sample 5 ′ set in the heating device 2 as a temperature detection sensor in order to perform gas carburization of the sample 5 ′ of the steel processing object.
  • the air in the vacuum vessel 1 is evacuated by the vacuum pump 3 to reduce the pressure in the vacuum vessel 1. At this point, it is preferable to reduce the internal pressure of the vacuum vessel 1 to about 27 Pa or less.
  • the temperature detecting means is not limited to a thermocouple.
  • a carburizing atmosphere gas is introduced into the vacuum vessel 1 from the gas source 4. Thereby, the inside of the vacuum vessel 1 is filled with the carburizing atmosphere, and the total pressure of the carburizing atmosphere is increased.
  • the pressure of the carburizing atmosphere in the vacuum vessel 1 is increased to about 80 kPa.
  • the carburizing atmosphere is composed of a carburizing gas and a diluting gas.
  • the type of carburizing gas and dilution gas is not particularly limited.
  • the carburizing gas is methane gas
  • the diluting gas is nitrogen gas.
  • Non-oxidative carburization can be realized by using hydrocarbon gas as the carburizing gas.
  • the carburizing gas is not limited to a hydrocarbon-based gas.
  • the carburizing atmosphere may consist only of carburizing gas. In order to keep the total pressure of the carburizing atmosphere in the vacuum vessel 1 constant, a carburizing atmosphere gas is supplied from the gas source 4 into the vacuum vessel 1 at a constant flow rate, and the carburizing atmosphere gas is supplied at a constant flow rate by the vacuum pump 3. Exhaust.
  • the carburizing atmosphere gas flows at a constant flow rate of, for example, 0.5 L / min in the vacuum vessel 1, and the total pressure of the carburizing atmosphere is maintained at, for example, about 80 kPa. That is, the carburizing atmosphere containing the carburizing gas at a constant partial pressure flows in the vacuum vessel 1.
  • the partial pressure of the carburizing gas is a value obtained by multiplying the total pressure of the carburizing atmosphere in the vacuum vessel 1 by the molar fraction or volume% of the carburizing gas. Therefore, the set value of the carburizing gas partial pressure can be adjusted by changing the total pressure of the carburizing atmosphere in the vacuum vessel 1 or changing the flow ratio of the carburizing gas and the dilution gas.
  • the heating device 2 heats the sample 5 ′ to the set carburizing temperature.
  • the carburization temperature is set to be lower than the peritectic point temperature at which ⁇ iron and liquid phase transform to r-iron and higher than the eutectic point temperature at which liquid phase transforms to iron and cementite.
  • the set value of the carburizing temperature can be adjusted by changing the output to the coil 2a of the heating device 2. Under the set carburizing gas partial pressure and the set carburizing temperature, whether the surface layer of sample 5 'melts when gas carburizing is performed by holding sample 5' for the set carburizing time Check if.
  • set value of carburizing gas partial pressure Carburize sample 5 'with increasing pressure. If the surface layer of sample 5 'is molten, reduce the set value of the carburizing gas partial pressure to perform carburization of sample 5'.
  • the upper limit value of the partial pressure of the carburizing gas is determined in advance as the limit carburizing condition at which the surface layer of sample 5 'is austenitized without melting.
  • the present invention is not limited to this, and may be appropriately modified without departing from the spirit of the present invention. May be used. That is, the upper limit of the carburizing time may be obtained by keeping the carburizing gas partial pressure and the carburizing temperature constant, or the upper limit of the carburizing temperature may be obtained by keeping the carburizing gas partial pressure and the carburizing time constant.
  • FIG. 3 shows an example of the relationship between the upper limit of the carburizing gas partial pressure, the upper limit of the carburizing temperature, and the upper limit of the carburizing time, which was obtained in advance as described above. Although the ordinate in FIG.
  • the carburizing gas partial pressure is equal to the total pressure of the carburizing atmosphere, and the methane flow can be used to represent the carburizing gas partial pressure.
  • the upper limit of the partial pressure of the carburizing gas in the carburizing atmosphere decreases as the carburizing temperature increases, and increases as the carburizing time decreases.
  • the relationship shown in FIG. 3 is merely an example, and the relationship is, for example, the arrangement of the components of the heating device 2, the material and arrangement of the sample 5 'in the heating device 2, the type of the heating device 2, the type and the flow rate of the carburizing gas. Different if they are different. Thereafter, using the above-described gas carburizing apparatus, gas carburizing of the steel workpiece 5 is performed under the carburizing conditions set so as not to go against the limit carburizing conditions that satisfy the relation obtained in advance. The carburizing of the object 5 can be performed in the same manner as the carburizing of the sample 5 '. 5422 1 91
  • the object 5 to be treated is set in the heating device 2, the air in the vacuum vessel 1 is evacuated by the vacuum pump 3, and the gas for the carburizing atmosphere is introduced into the vacuum vessel 1 from the gas source 4.
  • the pressure of the carburizing atmosphere is increased to the set pressure, and the gas for the carburizing atmosphere is supplied into the vacuum vessel 1 from the gas source 4 at a constant flow rate, and the gas for the carburizing atmosphere is exhausted at a constant flow rate by the vacuum pump 3.
  • the partial pressure of the carburizing gas in the carburizing atmosphere in the vacuum vessel 1 is set to be equal to or less than the upper limit previously determined as the limit carburizing condition.
  • the object to be treated 5 is heated by the heating device 2 to the carburizing temperature.
  • the carburizing temperature is set at a temperature below the peritectic point temperature and above the eutectic point temperature.
  • the carburizing temperature at the time of heating the sample 5 ′ can be reproduced by controlling the heating device 2 in the same manner as when heating the sample 5 ′. No need to weld to 5.
  • gas carburizing is performed by holding the object 5 to be processed for the set carburizing time.
  • the carburization temperature is lower than the peritectic point temperature at which d iron and liquid phase transform to T iron, and the liquid phase transforms to r iron and cementite.
  • the target value of the surface carbon concentration of the processing object 5 is set to a value that does not cause the surface of the processing object 5 to melt at the set carburizing temperature.
  • the partial pressure of the carburizing gas in the carburizing atmosphere is set to a value at which the surface carbon concentration of the object to be treated can reach the set target value by the gas carburizing for a preset time.
  • the set value of the carburizing gas partial pressure with respect to the carburizing time may be obtained in advance by an experiment.
  • the setting of the carburizing time and the partial pressure of the carburizing gas can be made by obtaining the above upper limits in advance. It will be easier.
  • Fig. 5 shows the relationship between the carburizing time, the carburizing gas partial pressure, and the surface carbon concentration until the surface of the object 5 starts melting at K.
  • the carburizing time is 1 minute. If the methane concentration in the carbon atmosphere is 10 o It can be seen that the methane concentration in the carbon atmosphere should be set to less than 3 V o 1% if the carburizing time is less than 1% and the carburizing time is 10 minutes.
  • the carburizing temperature is 1623 K
  • the surface of the object 5 starts melting when the carbon concentration is about 0.9% by weight. Therefore, from the relationship shown in FIG.
  • the relationship between the carburizing time, the carburizing gas partial pressure and the surface carbon concentration until the surface of the object 5 starts melting at 3 K is shown in FIG.
  • the carburizing time is 1 minute
  • the methane concentration in the carbon atmosphere should be set to less than 1.8 V ⁇ 1% and the carburization time should be set to less than 0.8 ⁇ 1% if the carburization time is 10 minutes.
  • gas carburizing is performed by holding the object 5 to be treated for the set carburizing time. After the set carburizing time has elapsed, the carburizing is stopped by stopping the supply of the carburizing gas or by canceling the heating by the heating device 2.
  • the carburizing temperature range is lower than the peritectic point temperature and higher than the eutectic point temperature, so that the carburizing time can be greatly reduced.
  • the partial pressure of the carburizing gas to be equal to or less than the upper limit obtained in advance, carburization at a high temperature can be performed without melting the surface layer of the object 5 to be treated.
  • a 5 mm 2 sec, 1 3 0 0 Sometimes 1 0-fold or more 4 3 X 10- s mm 2 / sec.
  • the moving speed of carbon atoms is more than 10 times faster at 1300 ° C than at 100 ° C. Therefore, the time required to obtain a desired carburizing depth can be greatly reduced, and a normal carburizing depth can be obtained with a carburizing time of about 1 to 10 minutes.
  • the carbon diffusion processing step becomes unnecessary.
  • the carburizing time can be significantly reduced and productivity can be improved.
  • the gas carburizing process can be performed continuously with other heat treatment processes. Setting the carburizing temperature above 1200 ° C shortens the carburizing time. The temperature may be set to 130 ° C. or more.
  • gas carburizing is performed while flowing a carburizing atmosphere containing a carburizing gas at a constant partial pressure in the vacuum vessel 1, the carburizing gas partial pressure can be kept constant and the quality of the object 5 to be treated can be made uniform! ? ! Further, in the carburizing treatment performed in the present invention, no soot was generated at all, and in this respect, a very favorable result was obtained as compared with the conventional vacuum carburizing.
  • the object 5 After performing the gas carburizing, the object 5 is cooled without performing the diffusion process.
  • the cooling method is not particularly limited, and may be natural cooling or various forced cooling. Further, it is preferable to quench the gas-carburized object 5 by reheating it after cooling and then rapidly cooling it. Secondary quenching may be performed by rapidly cooling the primary cooling.
  • the atmosphere in which the quenching is performed is preferably a neutral protective atmosphere, that is, an atmosphere in which the material to be treated is not carburized or decarburized at that temperature, but may be an atmosphere of another inert gas or the like.
  • the reheating temperature for quenching is higher than the temperature at which at least the surface layer of the processing object 5 becomes austenite beyond the GS line or ES line in the equilibrium diagram shown in FIG. Example 1
  • the limit carburizing conditions were determined in advance by the gas carburizing method of the embodiment of the present invention, and gas carburizing was performed under the carburizing conditions set so as not to go against the limit carburizing conditions.
  • the object 5 to be treated is made of nickel-chromium-molybdenum steel (Japanese Industrial Standard SNCM420) and has a cylindrical shape with a diameter of 1 Omm and a length of 52 mm.
  • the carburized object 5 is naturally cooled in a vacuum vessel 1, quenched, polished, and finished with a diamond paste having a particle diameter of 3 zim, and then subjected to hardness measurement and The tissue was observed. Before carburizing, the inside of the vacuum vessel 1 was purged.
  • Carburizing gas is methane gas and diluent gas is nitrogen gas.
  • a gas for carburizing atmosphere was flowed into the vacuum vessel 1 at a constant flow rate of 0.5 L / min.
  • the quenching was performed by holding the object 5 in a quartz tube furnace at 860 ° C. in a nitrogen gas atmosphere for 10 minutes and then cooling it with oil.
  • Fig. 7 shows the results of the carburizing condition of 1 to 50 ° C, carburizing time of 1 minute, and carburizing conditions of the gas carburizing under the carburizing conditions of 40 V o 1% corresponding to the partial pressure of carburizing gas methane.
  • the relationship between the distance from the surface (mm) and the hardness (Hv) is shown.
  • the target value of the surface carbon concentration of the object 5 was set to 1.4% by weight.
  • Figure 8 shows the distance from the surface of the object to be carburized under the conditions of carburizing temperature of 1300 ° C, carburizing time of 1 minute, carburizing gas methane concentration of 10 V o 1% and carburizing conditions (mm). It shows the relationship between hardness and hardness (Hv). In this case, the target value of the surface carbon concentration of the treatment object 5 was 1.1.5% by weight.
  • Fig. 9 shows the surface of the object 5 to be carburized under a carburizing condition of 1250 ° C, a carburizing time of 10 minutes, and a carburizing gas concentration of 10 V o 1% corresponding to the partial pressure of methane as the carburizing gas. It shows the relationship between the distance (mm) from hardness and the hardness (Hv). In this case, the target value of the surface carbon concentration of the treatment object 5 was set to 1.4% by weight.
  • Figure 10 shows the distance (mm) and hardness from the surface of the gas-carburized object under carburizing conditions of 1300 ° C, carburizing time of 10 minutes, and carburizing gas methane concentration of 3 vo 1%. (Hv).
  • the target value of the surface carbon concentration of the object 5 was 1.15% by weight.
  • the carburizing time is 1 to 10 minutes and that a carburized layer with a sufficient effective carburizing depth can be obtained.
  • the partial pressure of methane which is the carburizing gas, is a value obtained by multiplying the total pressure of the carburizing atmosphere by the concentration of methane. In the examples shown in Figs. 7 to 10, the total pressure of the carburizing atmosphere was about 80 kPa.
  • a carburizing temperature of 130 O: and a metal structure before quenching of the surface layer of the object 5 subjected to gas carburizing at a carburizing time of 1 minute are shown in FIG. 11, and a metal structure after quenching is shown in FIG. 12. .
  • the coarse structure existing before quenching does not exist after quenching, and it can be confirmed that the coarse structure is refined by quenching.
  • the gas carburizing was performed under the carburizing conditions set by the gas carburizing method according to the embodiment of the present invention.
  • the processing object 5 is made of the same nickel-chromium-molybdenum steel (Japanese Industrial Standard SNCM420) as in the above embodiment, and has a cylindrical shape with a diameter of 10 mm and a length of 52 mm. Have.
  • the object 5 was naturally cooled in the vacuum vessel 1 without going through the diffusion process, quenched, polished, and finished with a diamond paste having a particle size of 3 jtim. Before carburizing, the inside of the vacuum vessel 1 was purged.
  • Carburizing gas is methane gas
  • diluent gas is nitrogen gas.
  • the quenching was performed by holding the object to be treated 5 in a quartz tube furnace at 860 under a nitrogen gas atmosphere for 10 minutes and then oil-cooling.
  • Carburizing temperature is 1300 ° C
  • carburizing time is 1 minute
  • the concentration corresponding to the partial pressure of methane, which is the carburizing gas in the carburizing atmosphere is 10 V o 1%
  • the target surface carbon concentration of the treatment object 5 The value was 0.74% by weight
  • the total pressure of the carburizing atmosphere was 8 OkPa
  • the gas for the carburizing atmosphere was flown into the vacuum vessel 1 at a constant flow rate of 0.5 L Zmin during carburizing.
  • the surface carbon concentration of the object 5 to be treated can be set to the target value without passing through the diffusion treatment step, and a sufficient carburizing depth can be obtained.
  • the carburizing time can be significantly reduced by increasing the carburizing temperature, and the carbon concentration in the surface layer of the object 5 does not exceed the set target value, so that the carbon diffusion process is unnecessary. Therefore, productivity can be improved.
  • the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made within the scope of the present invention.

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Abstract

ガス浸炭方法は、δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上の浸炭温度で行われる。浸炭雰囲気中の鋼製処理対象物のサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される限界浸炭条件を予め求める工程と、その処理対象物を、その包晶点温度以下であって共晶点温度以上の浸炭温度で、その限界浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下でガス浸炭する工程とを備える。その限界浸炭条件として、そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される浸炭ガス分圧の上限値を含める。

Description

明細書
ガス浸炭方法 技術分野
本発明は、 例えば自動車工業や機械工業において用いられる鋼製部品をガス浸炭 する方法に関する。 背景技術
鋼製の処理対象物のガス浸炭を行う場合、 浸炭温度を高くすることで浸炭処理時 間を短縮することができる。 しかし、 浸炭温度が高くなり過ぎると処理対象物が 溶けてしまう。 そのため、 従来の実用化されている浸炭温度は、 液相からァ鉄と セメンタイ卜に変態する共晶点温度 （図 1に示す鉄と炭素の平衡状態図における 場合は C点温度で 1 1 4 7 未満とされ、 一般的には 1 0 5 0 °C以下であった
従来の浸炭温度の下で浸炭処理時間を短くするため、 処理対象物の表層における 炭素濃度が最終目標値よりも高くなるまで浸炭処理を行い、 しかる後に、 浸炭雰 囲気よりもカーボン濃度の低い高温雰囲気中で処理対象物の表層における炭素を 拡散させる拡散処理を行うことで、 その表層における炭素濃度を最終目標値まで 低下させていた （特公平 6— 4 5 8 6 8号公報参照） 。 しかし、 浸炭温度を共晶点温度未満に制限した場合、 処理対象物における炭素原 子の拡散速度が制約されるため、 浸炭時間を大幅に短縮することができない。 す なわち、 拡散処理には長時間を要することから生産性が低下するという問題があ る。 本発明は、 そのような従来の問題を解決することのできるガス浸炭方法を提供す ることを目的とする。 発明の開示
本発明のガス浸炭方法の一つの特徴は、 δ鉄と液相からァ鉄に変態する包晶点温 度以下であって、 液相からァ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上の浸炭 温度で、 浸炭雰囲気中の鋼製処理対象物のサンプルの表層が溶融することなくォ ーステナイト化される限界浸炭条件を予め求める工程と、 その処理対象物を、 そ の包晶点温度以下であって共晶点温度以上の浸炭温度で、 その限界浸炭条件に反 することがないように設定した浸炭条件の下でガス浸炭する工程とを備え、 その 限界浸炭条件は、 そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化され る浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧の上限値を含む点にある。
すなわち、 処理対象物を可及的高温に加熱することでオーステナイト化した状態 でガス浸炭を行うことで、 浸炭時間の短縮を図ることができる。 浸炭雰囲気にお ける浸炭ガス濃度を高くすることで処理対象物における硬化層が浅くなるのを防 止すると共に短時間で充分な厚さの硬化層を得ることができる。
処理対象物は、 図 1に示す鉄と炭素の平衡状態図における G S線および E S線よ り上の温度に加熱されるとオーステナイト化する。 もし、 処理対象物の表層にお ける炭素濃度が J Ε線を超えると、 その表層において溶融を開始する。 本件発明 者は、 浸炭温度や浸炭時間などの浸炭条件に対し、 処理対象物の表層が溶融しな い浸炭ガス分圧の上限値が存在すること、 またその上限値は、 浸炭温度が高くな るとともに低下すること、 かつ浸炭時間が短いほど高くなること、 をそれぞれ見 い出した。 本発明によるガス浸炭方法における浸炭温度範囲は包晶点温度 （ 1 4 9 4 °C ) 以下であって共晶点温度 （1 1 4 7 °C ) 以上であるので、 浸炭時間を大 幅に短縮できる。 しかも、 浸炭ガス分圧を予め求めた上限値以下に設定すること で、 処理対象物の表層における溶融を生じることなく高温での浸炭を行うことが できる。 これにより、 エネルギー消費量を大幅に削減して省エネルギー化を図る ことができる。 また、 ガス浸炭工程を他の工程、 例えば機械加工工程や異なる熱 処理工程と連続して行うことも可能になる。 その限界浸炭条件は、 そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化 される浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値を含み、 その浸炭ガス分圧の上限値 と浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値との間の関係を予め求め、 その処理対象 物の浸炭条件として、 その求めた関係を充足する限界浸炭条件に反することがな いように浸炭ガス分圧、 浸炭温度および浸炭時間を設定するのが好ましい。 その 限界浸炭条件としての浸炭ガス分圧の上限値、 浸炭温度の上限値および浸炭時間 の上限値は互いに関連し、 浸炭ガス分圧、 浸炭温度、 浸炭時間のうちの 2つを一 定にすることで残る 1つの上限値を求めることができる。 これにより、 処理対象 物の表層が溶融することのない範囲で、 可及的に高速な浸炭条件を設定すること が容易にできる。 本発明のガス浸炭方法の別の一つの特徵は、 鋼製処理対象物のガス浸炭を行うに 際して、 浸炭温度を、 δ鉄と液相からァ鉄に変態する包晶点温度 （図 1における 場合は J点温度で 1 4 9 4 1 ) 以下であって、 液相からァ鉄とセメンタイトに変 態する共晶点温度 （図 1における場合は C点温度で 1 1 4 7 °C ) 以上に設定し、 処理対象物の表面炭素濃度の目標値を、 その設定浸炭温度において処理対象物の 表面が溶融することのない値以下に設定し、 浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を 、 予め設定した時間のガス浸炭によって処理対象物の表面炭素濃度が設定目標値 に達し得る値に設定する点にある。
本発明は、 浸炭温度を包晶点温度以下であって共晶点温度以上に設定し、 鋼製処 理対象物の表面炭素濃度の目標値を設定浸炭温度において処理対象物の表面が溶 融することのない値以下に設定した場合、 浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を適 当な値に設定すれば、 処理対象物の表面炭素濃度がガス浸炭により設定目標値に 達すると共に、 十分な浸炭深さを得られることを発見したことに基づく。 高温で 浸炭を行うことで浸炭中における炭素原子の移動が従来よりも速くなるので、 従 来であれば到達するのに数時間を要した磾化層深さまで短時間で到達することが 可能になり、 しかも表面炭素濃度が過剰に高くなることがない。
これにより、 浸炭温度を高くすることで浸炭時間を大幅に短縮できる。 しかも、 処理対象物表層における炭素濃度が設定目標値を超えることはないので炭素の拡 散処理工程が不要になる。 これにより生産性を向上することができる。 また、 ガ ス浸炭処理工程を他の熱処理工程と連続して行うことも可能になる。 よって、 そ のガス浸炭を行った後に、 拡散処理を行うことなく、 処理対象物を冷却するのが 好ましい。 その冷却後に処理対象物を再加熱するのが好ましい。 この再加熱は例 えば高周波加熱により行う。 その再加熱された処理対象物の馋入れ処理を行うの が好ましい。 その焼入れ処理のための冷却は例えば油冷やガス冷却により行う。 その浸炭温度を 1 2 0 O t:以上に設定するのが浸炭時間を短縮する上で好ましい この場合、 ガス浸炭方法を行うに先立って、 《5鉄と液相からァ鉄に変態する包晶 点温度以下であって、 液相からァ鉄とセメン夕ィトに変態する共晶点温度以上の 浸炭温度で、 浸炭雰囲気中の鋼製処理対象物のサンプルの表層が溶融することな くオーステナイト化される限界浸炭条件を予め求めるのが好ましい。 その限界浸 炭条件に、 そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される浸炭 雰囲気における浸炭ガス分圧の上限値を含むようにする。 処理対象物は、 図 1に 示す鉄と炭素の平衡状態図における G S線および E S線より上の温度に加熱され るとオーステナイト化する。 もし、 処理対象物の表層における炭素濃度が J E線 を超えると、 その表層において溶融を開始する。 浸炭温度、 浸炭時間などの浸炭 条件に対し、 処理対象物の表層が溶融しない浸炭ガス分圧の上限値が存在する。 予め浸炭ガス分圧の上限値を含む限界浸炭条件を求めておくことで、 浸炭ガス分 圧と浸炭時間の設定が容易になる。 本発明においては、 浸炭雰囲気の全圧は常圧であってもよいし、 常圧から減圧さ れてもよいし、 加圧されてもよい。 浸炭雰囲気を全て浸炭ガスとしてもよいし、 浸炭ガスと希釈ガスとの混合ガスを浸炭雰囲気としてもよい。 希釈ガスを用いる 場合、 窒素ガスやアルゴンガスのような不活性ガスで希釈するのが好ましい。 本 発明のガス浸炭方法が適用される処理対象物の鋼種は特に限定されず、 その包晶 点温度以下であって共晶点温度以上の温度下でオーステナイト化される鋼であれ ばよく、 炭素鋼だけでなく合金鋼にも適用できる。 本発明においては、 処理対象物とそのサンプルの加熱は、 その表層を高速加熱で きる手段により行うのが好ましい。 例えば誘導加熱やレーザ加熱により行うのが 好ましい。 これにより浸炭対象物の加熱効率を向上できる。 また、 浸炭処理がシ ンプルになるので品質の管理が容易になる。 すなわち、 品質に影響する要素が少 ないので、 処理対象物の斑、 歪、 割れなどの品質問題が発生しても原因究明が容 易である。 さらに、 浸炭処理空間を覆う壁をコールドウォールにでき、 かつ排ガ ス燃焼装置が不要になるため、 作業環境を損なうことがなく、 イニシャル投資を 少なくでき、 単品少量生産に対応でき、 生産ラインに組込み易く、 たとえば一個 流しのインライン処理も可能である。 断熱壁を設けた従来の浸炭処理炉が必要な いので、 炉の昇温やシーズニングが不要になり、 ランニングコストを削減できる
本発明においては、 一定分圧の浸炭ガスを含む浸炭雰囲気を流動させつつ前記ガ ス浸炭を行うのが好ましい。 これにより、 浸炭ガス分圧を一定に保持できると共 に処理対象物の品質の均一化を図ることができる。 本発明のガス浸炭方法によれば生産性を大幅に向上できる。 図面の簡単な説明
図 1は鉄と炭素の平衡状態図
図 2は本発明の実施形態のガス浸炭用装置により処理対象物のサンブルを加熱す る状態を示す図
図 3は異なる浸炭温度、 浸炭時間に対する浸炭ガス分圧の上限値の関係の一例を 示す図
図 4は本発明の実施形態のガス浸炭用装置により処理対象物を加熱する状態を示 す図
図 5は浸炭温度 1 5 7 3 Kで処理対象物の表面が溶融を開始するまでの浸炭処理 時間と浸炭ガス分圧と表面炭素濃度との関係を示す図
図 6は浸炭温度 1 6 2 3 Kで処理対象物の表面が溶融を開始するまでの浸炭処理 時間と浸炭ガス分圧と表面炭素濃度との関係を示す図
図 7は本発明の実施例において浸炭温度 1 2 5 0 °C、 浸炭時間 1分で浸炭された P 画裏 422
- 6 - 処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図 8は本発明の実施例において浸炭温度 1 3 0 0 ° ( 、 浸炭時間 1分で浸炭された 処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図 9は本発明の実施例において浸炭温度 1 2 5 0 °C、 浸炭時間 1 0分で浸炭され た処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図 1 0は本発明の実施例において浸炭温度 1 3 0 0 °C、 浸炭時間 1 0分で浸炭さ れた処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図 1 1はガス浸炭された処理対象物の表層における焼入れ前の金属組織を示す図 面代用顕微鏡写真
図 1 2はガス浸炭された処理対象物の表層における焼入れ後の金属組織を示す図 面代用顕微鏡写真
図 1 3は本発明の実施例により得られた処理対象物の表面からの距離と炭素濃度 との関係を示す図
図 1 4は従来の浸炭方法による処理対象物における浸炭時間と拡散時間と炭素濃 度との関係一例を示す図 発明を実施するための最良の形態
図 2に示す本発明の実施形態のガス浸炭用装置は、 真空容器 1と、 加熱装置 2と 、 その真空容器 1内を減圧するための真空ポンプ 3と、 その真空容器 1内に浸炭 雰囲気用ガスを供給するガス源 4とを備える。 その加熱装置 2は、 本実施形態で は電源 7に接続されたコイル 2 aによって真空容器 1内で誘導加熱を行う。 その 電源 7からコイル 2 aへの出力は可変とされている。 まず、 鋼製処理対象物のサンプル 5 ' のガス浸炭を行うため、 加熱装置 2にセッ トされたサンプル 5 ' の表層に温度検出用センサとして熱電対 6を溶接する。 し かる後に真空容器 1内の空気を真空ポンプ 3により排気することで真空容器 1内 を減圧する。 この時点で真空容器 1の内圧を 2 7 P a程度以下にするのが好まし い。 なお、 温度の検出手段は熱電対に限定されない。 その減圧後に真空容器 1内にガス源 4から浸炭雰囲気用ガスを導入する。 これに より真空容器 1内を浸炭雰囲気で満たし、 その浸炭雰囲気の全圧を上昇させる。 例えば真空容器 1内の浸炭雰囲気を 8 0 k P a程度まで昇圧する。 その浸炭雰囲 気は浸炭ガスと希釈ガスとから構成される。 その浸炭ガスや希釈ガスの種類は特 に限定されない。 本実施形態の浸炭ガスはメタンガスであり、 希釈ガスは窒素ガ スである。 浸炭ガスとして炭化水素系ガスを用いることで無酸化浸炭を実現でき る。 浸炭ガスは炭化水素系ガスに限定されない。 浸炭雰囲気は浸炭ガスのみから 構成してもよい。 真空容器 1内の浸炭雰囲気の全圧を一定に保持するため、 真空容器 1内にガス源 4から浸炭雰囲気用ガスを一定流量で供給すると共に、 真空ポンプ 3により浸炭 雰囲気用ガスを一定流量で排気する。 これにより、 真空容器 1内で浸炭雰囲気用 ガスが例えば 0 . 5 L /m i nの一定流量で流れ、 浸炭雰囲気の全圧が例えば 8 0 k P a程度に保持される。 すなわち、 真空容器 1内で一定分圧の浸炭ガスを含 む浸炭雰囲気が流動する。 その浸炭ガスの分圧は、 真空容器 1内の浸炭雰囲気の 全圧に浸炭ガスのモル分率または容積％を乗じた値になる。 よって、 真空容器 1 内の浸炭雰囲気の全圧を変更、 または浸炭ガスと希釈ガスの流量比を変更するこ とで、 浸炭ガス分圧の設定値を調整できる。 次に、 加熱装置 2によりサンプル 5 ' を設定された浸炭温度まで加熱する。 その 浸炭温度は、 δ鉄と液相から r鉄に変態する包晶点温度以下であって、 液相から ァ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上に設定する。 その浸炭温度の設定 値は加熱装置 2のコイル 2 aへの出力を変更することで調整できる。 その設定された浸炭ガス分圧および設定された浸炭温度の下で、 サンプル 5 ' を 設定された浸炭時間だけ保持することでガス浸炭を行った時に、 そのサンプル 5 ' の表層が溶融するか否かを確認する。 その浸炭時にサンプル 5 ' の表層が溶融していなければ、 浸炭ガス分圧の設定値 を増大させてサンプル 5 ' の浸炭を行う。 サンプル 5 ' の表層が溶融していれば 浸炭ガス分圧の設定値を減少させてサンプル 5 ' の浸炭を行う。 この工程を繰り 返すことで、 サンプル 5 ' の表層が溶融することなくオーステナイト化される限 界浸炭条件として浸炭ガス分圧の上限値を予め求める。 以上は、 浸炭温度と浸炭時間を一定にして浸炭ガス分圧の上限値を決める方法に ついて述べたが、 これに限らず、 本発明の思想から逸脱することなく、 これに適 宜変更を加えたものであってもよい。 すなわち、 浸炭ガスの分圧と浸炭温度を一 定にして浸炭時間の上限値を求めてもよいし、 浸炭ガスの分圧と浸炭時間を一定 にして浸炭温度の上限値を求めてもよい。 図 3は、 以上のようにして予め求めた、 浸炭ガス分圧の上限値、 浸炭温度の上限 値および浸炭時間の上限値の間の関係の一例を示す。 なお、 図 3における縦軸は 、 本実施形態では浸炭ガス分圧に対応する炭素雰囲気中メタン濃度 （v o 1 % ) としたが、 浸炭ガス分圧を表わすものであればよい。 例えば、 希釈ガスを使用し ない場合は浸炭ガス分圧は浸炭雰囲気の全圧に等しく、 メタン流量を浸炭ガス分 圧を表わすものとして用いることができる。 同様の方法により、 図 3に示されて いる l m i n、 3 m i n、 3 0 m i nの線のみならず、 これらの中間の任意の直 線又は曲線を求めることができる。 この図 3において、 浸炭雰囲気における浸炭 ガス分圧の上限値は、 浸炭温度が高くなる程に低下し、 浸炭時間が短くなる程に 高くなる。 なお、 図 3に示す関係はあくまで一例であり、 その関係は例えば加熱 装置 2の構成部材の配置、 加熱装置 2におけるサンプル 5 ' の材質、 配置、 加熱 装置 2の種類、 浸炭ガスの種類や流量等が異なれば相違する。 しかる後に、 上記ガス浸炭用装置を用いて、 その予め求めた関係を充足する限界 浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下で鋼製処理対象物 5の ガス浸炭を行う。 この処理対象物 5の浸炭はサンプル 5 ' の浸炭と同様に行うこ とができる。 5422 一 9一
すなわち図 4に示すように、 処理対象物 5を加熱装置 2にセットし、 真空容器 1 内の空気を真空ポンプ 3により排気し、 真空容器 1内にガス源 4から浸炭雰囲気 用ガスを導入して設定圧力まで浸炭雰囲気を昇圧し、 真空容器 1内にガス源 4か ら浸炭雰囲気用ガスを一定流量で供給すると共に、 真空ポンプ 3により浸炭雰囲 気用ガスを一定流量で排気する。 これにより、 真空容器 1内の浸炭雰囲気におけ る浸炭ガス分圧を、 限界浸炭条件として予め求めた上限値以下に設定する。 次に 、 加熱装置 2により処理対象物 5を浸炭温度まで加熱する。 その浸炭温度は、 上 記包晶点温度以下であって共晶点温度以上の浸炭温度に設定する。 なお、 処理対 象物 5の加熱時は、 サンプル 5 ' の加熱時と同様に加熱装置 2を制御することで サンプル 5 ' の加熱時め浸炭温度を再現できるので、 熱電対 6を処理対象物 5に 溶接する必要はない。 その設定された浸炭ガス分圧および設定された浸炭温度の 下で、 処理対象物 5を設定された浸炭時間だけ保持することでガス浸炭を行う。 例えば、 その鋼製処理対象物 5のガス浸炭を行うに際して、 浸炭温度を、 d鉄と 液相から T鉄に変態する包晶点温度以下であって、 液相から r鉄とセメンタイト に変態する共晶点温度以上に設定する。 また、 処理対象物 5の表面炭素濃度の目 標値を、 その設定浸炭温度において処理対象物 5の表面が溶融することのない値 以下に設定する。 そして、 浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を、 予め設定した時 間のガス浸炭によって処理対象物の表面炭素濃度が設定目標値に達し得る値に設 定する。 その浸炭時間に対する浸炭ガス分圧の設定値は予め実験により求めれば よい。 その浸炭時間と浸炭ガス分圧の設定値は、 その設定温度に対応する上記の 上限値よりも小さくなるので、 上記の上限値を予め求めておくことで浸炭時間と 浸炭ガス分圧の設定が容易になる。
例えば、 浸炭温度が 1 5 7 3 Kでは処理対象物 5の表面は炭素濃度が 1 . 1 5重 量％程度で溶融を開始することから、 図 3に示す関係より、 浸炭温度 1 5 7 3 K で処理対象物 5の表面が溶融を開始するまでの浸炭処理時間と浸炭ガス分圧と表 面炭素濃度との関係は図 5に示すものとなる。 この図 5より、 浸炭温度を 1 5 7 3 K、 処理対象物 5の表面炭素濃度の目標値を溶融することのない 1 . 1 5重量 %未満に設定した場合、 浸炭時間が 1分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を 1 0 o 1 %未満にし、 浸炭時間が 1 0分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を 3 V o 1 %未満に設定すればよいことがわかる。 また、 例えば浸炭温度が 1 6 2 3 Kで は処理対象物 5の表面は炭素濃度が 0 . 9重量％程度で溶融を開始することから 、 図 3に示す関係より、 浸炭 fi度 1 6 2 3 Kで処理対象物 5の表面が溶融を開始 するまでの浸炭処理時間と浸炭ガス分圧と表面炭素濃度との関係は図 6に示すも のとなる。 この図 6より、 浸炭温度を 1 6 2 3 K、 処理対象物 5の表面炭素濃度 の目標値を溶融することのない 0 . 9重量％未満に設定した場合、 浸炭時間が 1 分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を 1 . 8 V ο 1 %未満にし、 浸炭時間が 1 0 分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を 0 . 8 ν ο 1 %未満に設定すればよいこと がわかる。 その設定された浸炭ガス分圧および設定された浸炭温度の下で、 処理対象物 5を 設定された浸炭時間だけ保持することでガス浸炭を行う。 設定した浸炭時間が経 過したならば、 浸炭ガスの供給を停止したり加熱装置 2による加熱を解除するこ とで浸炭を停止する。 本発明のガス浸炭方法によれば、 浸炭温度範囲は包晶点温度以下であって共晶点 温度以上であるので、 浸炭時間を大幅に短縮できる。 しかも、 浸炭ガス分圧を予 め求めた上限値以下に設定することで、 処理対象物 5の表層における溶融を生じ ることなく高温での浸炭を行うことができる。 例えばァ鉄中の炭素原子の拡散係 数は、 1 0 0 0 °C時では 3 . 5 9 X 1 0 -5mm2 s e cであるのに対して、 1 3 0 0 時には 1 0倍以上の 4 3 X 1 0 -smm2 / s e cになる。 すなわち、 炭 素原子の移動速度は 1 3 0 0 °C時には 1 0 0 0 °C時におけるよりも 1 0倍以上速 くなる。 よって、 所望の浸炭深さを得るのに要する時間を大幅に短縮でき、 通常 の浸炭深さであれば 1分〜 1 0分程度の浸炭時間で得ることができる。 しかも、 処理対象物 5の表層における炭素濃度が設定目標値を超えることはないので炭素 の拡散処理工程が不要になる。 これにより、 浸炭処理時間を大幅に短縮して生産 性を向上できる。 また、 ガス浸炭処理工程を他の熱処理工程と連続して行うこと も可能になる。 その浸炭温度は 1 2 0 0 °C以上に設定するのが浸炭時間を短縮す る上で好ましく、 1 3 0 0 °C以上に設定しても良い。 また、 真空容器 1内で一定 分圧の浸炭ガスを含む浸炭雰囲気を流動させつつガス浸炭を行うので、 浸炭ガス 分圧を一定に保持できると共に処理対象物 5の品質の均一化を！？!ることができる 。 さらに、 本発明で実施した浸炭処理では、 煤の発生は全く認められず、 この点 でも従来の真空浸炭に比べて非常に好ましい結果となった。 上記ガス浸炭を行った後に、 拡散処理を行うことなく、 処理対象物 5を冷却する 。 その冷却方法は特に限定されず、 自然冷却でも種々の強制冷却でもよい。 さら に、 ガス浸炭された処理対象物 5を冷却後に再加熱して急冷することにより焼入 れを行うのが好ましい。 1次冷却を急冷とすることで 2次焼入れを行ってもよい 。 その焼入れを行う雰囲気は中性の保護雰囲気、 即ち被処理材がその温度で浸炭 も脱炭もされない雰囲気が好ましいが、 他の不活性ガス等の雰囲気であってもよ い。 焼入れのための再加熱温度は、 処理対象物 5の少なくとも表層が図 1に示す 平衡状態図における G S線或いは E S線を超えてオーステナイト化する温度以上 にする。 実施例 1
上記本発明の実施形態のガス浸炭方法により限界浸炭条件を予め求め、 その限界 浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下でガス浸炭を行った。 処理対象物 5はニッケル ·クロム ·モリブデン鋼 （日本工業規格 S N C M 4 2 0 ) 製で、 直径 1 O mm、 長さ 5 2 mmの円柱形を有するものとした。 本実施例で は、 浸炭された処理対象物 5を真空容器 1中で自然冷却し、 焼入れし、 研磨し、 粒径 3 zi mのタイヤモンドペーストによる仕上げ加工を行った後に、 硬度の測定 と組織の観察を行なった。 浸炭前には真空容器 1内のパージを行った。 浸炭ガス はメタンガスであり、 希釈ガスは窒素ガスである。 浸炭中は真空容器 1内に浸炭 雰囲気用ガスを 0 . 5 L /m i nの一定流量で流した。 焼入れは、 窒素ガス雰囲 気を流している 8 6 0 °Cの石英チューブ炉内で処理対象物 5を 1 0分間保持した 後に油冷することで行なった。 なお、 焼入れに用いるのは高周波加熱を含め、 他 の形式の炉でもさしつかえないことは勿論である。 図 7は、 浸炭温度 1 2 50°C、 浸炭時間 1分、 浸炭ガスであるメタンの分圧に対 応する濃度が 40 V o 1 %の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物 5の表面か らの距離 （mm) と硬度 （Hv) との関係を示す。 この場合、 処理対象物 5の表 面炭素濃度の目標値は 1. 4重量％とした。
図 8は、 浸炭温度 1 300°C、 浸炭時間 1分、 浸炭ガスであるメタンの濃度が 1 0 V o 1 %の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物の表面からの距離 （mm) と硬度 （Hv) との関係を示す。 この場合、 処理対象物 5の表面炭素濃度の目標 値は 1. 1.5重量％とした。
図 9は、 浸炭温度 1 2 50°C、 浸炭時間 10分、 浸炭ガスであるメタンの分圧に 対応する濃度が 10 V o 1 %の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物 5の表面 からの距離 （mm) と硬度 （Hv) との関係を示す。 この場合、 処理対象物 5の 表面炭素濃度の目標値は 1. 4重量％とした。
図 10は、 浸炭温度 1 300°C, 浸炭時間 10分、 浸炭ガスであるメタンの濃度 が 3 v o 1 %の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物の表面からの距離 （mm ) と硬度 （Hv) との関係を示す。 この場合、 処理対象物 5の表面炭素濃度の目 標値は 1. 1 5重量％とした。
図 7〜図 10によれば、 浸炭時間が 1分〜 10分で、 十分な有効浸炭深さの浸炭 層を得られることを確認できる。 なお、 浸炭ガスであるメタンの分圧は、 浸炭雰 囲気の全圧にメタンの濃度を乗じた値になる。 図 7〜図 1 0に示した例では浸炭 雰囲気の全圧は 80 k P a程度とした。
本発明により、 浸炭温度 1 30 O ：、 浸炭時間 1分でガス浸炭された処理対象物 5の表層の焼入れ前における金属組織を図 1 1により示し、 焼入れ後の金属組織 を図 1 2により示す。 焼入れ前に存在した粗大組織は焼入れ後に存在しなくなり 、 焼入れにより粗大組織が微細化されることを確認できる。 実施例 2
上記本発明の実施形態のガス浸炭方法により設定した浸炭条件の下でガス浸炭を 行った。 処理対象物 5は上記実施形態と同様のニッケル · クロム ·モリブデン鋼 (日本工業規格 SNCM420) 製で、 直径 10mm、 長さ 52mmの円柱形を 有する。 その処理対象物 5を拡散処理工程を経ることなく真空容器 1中で自然冷 却し、 焼入れし、 研磨し、 粒径 3 jti mのダイヤモンドペーストによる仕上げ加工 を行った。 浸炭前には真空容器 1内のパージを行った。 浸炭ガスはメタンガスで あり、 希釈ガスは窒素ガスである。 焼入れは、 窒素ガス雰囲気を流している 8 6 0での石英チューブ炉内で処理対象物 5を 1 0分間保持した後に油冷することで 行なった。 なお、 焼入れに用いるのは高周波加熱を含め、 他の形式の炉でもさし つかえないことは勿論である。 浸炭温度は 1 3 0 0 °C、 浸炭時間は 1分、 浸炭雰 囲気における浸炭ガスであるメタンの分圧に対応する濃度は 1 0 V o 1 %、 処理 対象物 5の表面炭素濃度の目標値は 0 . 7 4重量％、 浸炭雰囲気の全圧は 8 O k P a、 浸炭中は真空容器 1内に浸炭雰囲気用ガスを 0 . 5 L Zm i nの一定流量 で流した。 図 1 3は、 本実施例により得られた処理対象物 5の表面からの距離 （ mm) と炭素濃度 （重量％) との関係を示す。 炭素濃度が母材の 0 . 2重量％ょ り高くなる深さ、 すなわち全浸炭深さが本実施例では 0 . 9 mmとなり、 拡散処 理工程を要することなく十分な有効浸炭深さを得られるのを確認できる。 また、 図 8から得られる全浸炭深さの結果とよく一致する結果を得た。 上記各実施例によれば、 拡散処理工程を経ることなく、 処理対象物 5の表面炭素 濃度を目標値にでき、 しかも十分な浸炭深さを得ることができる。 これに対し、 図 1 4は従来の浸炭方法による処理対象物における浸炭時間と表面炭素濃度との 関係一例を示し、 その炭素濃度が浸炭処理工程のみでは目標値を超えるため、 そ の後の拡散処理工程が必要であることが示されている。 本発明によれば、 浸炭温度を高くすることで浸炭時間を大幅に短縮でき、 しかも 、 処理対象物 5の表層における炭素濃度が設定目標値を超えることはないので炭 素の拡散処理工程が不要になるので、 生産性を向上することができる。 本発明は上記実施形態や実施例に限定されるものではなく、 本発明の範囲内で種 々の変更が可能である。

Claims

- X 4 - 請求の範囲
1 . <5鉄と液相からァ鉄に変態する包晶点温度以下であって、 液相からァ鉄とセ メンタイトに変態する共晶点温度以上の浸炭温度で、 浸炭雰囲気中の鋼製処理対 象物のサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される限界浸炭条件 を予め求める工程と、
その処理対象物を、 その包晶点温度以下であって共晶点温度以上の浸炭温度で、 その限界浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下でガス浸炭す る工程とを備え、
その限界浸炭条件は、 そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化 される浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧の上限値を含むガス浸炭方法。
2 . その限界浸炭条件は、 そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイ ト化される浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値を含み、 その浸炭ガス分圧の上 限値と浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値との間の関係を予め求め、 その処理 対象物の浸炭条件として、 その求めた関係を充足する限界浸炭条件に反すること がないように浸炭ガス分圧、 浸炭温度および浸炭時間を設定する請求項 1に記載 のガス浸炭方法。
3 . 鋼製処理対象物のガス浸炭を行うに際して、
浸炭温度を、 δ鉄と液相から r鉄に変態する包晶点温度以下であって、 液相から ァ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上に設定し、
処理対象物の表面炭素濃度の目標値を、 その設定浸炭温度において処理対象物の 表面が溶融することのない値以下に設定し、
浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を、 予め設定した時間のガス浸炭によって処理 対象物の表面炭素濃度が設定目標値に達し得る値に設定することを特徴とするガ ス浸炭方法。
4 . そのガス浸炭を行った後に、 拡散処理を行うことなく、 処理対象物を冷却す る請求項 3に記載のガス浸炭方法。
5 . その冷却後に処理対象物を再加熱する請求項 4に記載のガス浸炭方法。
6 . その再加熱された処理対象物の焼入れ処理を行う請求項 5に記載のガス浸炭 方法。
7 . その浸炭温度を 1 2 0 0 °C以上に設定する請求項 3〜6の中の何れかに記載 のガス浸炭方法。
8 . 一定分圧の浸炭ガスを含む浸炭雰囲気を流動させつつ前記ガス浸炭を行う請 求項 1〜 7の中の何れかに記載のガス浸炭方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1493829A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-05 Koyo Thermo Systems Co., Ltd. Method of gas carburizing
JP2005350729A (ja) * 2004-06-10 2005-12-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 真空浸炭方法
JP2021088748A (ja) * 2019-12-05 2021-06-10 株式会社日本テクノ ガス浸炭方法およびガス浸炭装置

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1304624C (zh) * 2005-03-29 2007-03-14 大连华锐股份有限公司 机械零件表面补碳的工艺方法
US8123872B2 (en) 2006-02-22 2012-02-28 General Electric Company Carburization process for stabilizing nickel-based superalloys
CN113385763B (zh) * 2021-07-14 2022-08-26 成都共益缘真空设备有限公司 一种真空回流焊正负压结合焊接工艺

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06192815A (ja) * 1992-12-28 1994-07-12 Kawasaki Steel Corp 金属帯の連続浸炭設備
JPH0959756A (ja) * 1995-08-22 1997-03-04 Kobe Steel Ltd 耐高面圧浸炭部品の製法
JPH10121128A (ja) * 1996-10-16 1998-05-12 Sumitomo Metal Ind Ltd 肌焼鋼の製造方法及びその方法により製造された肌焼鋼
JPH11200009A (ja) * 1998-01-14 1999-07-27 Nissan Motor Co Ltd 高面圧用機械構造用鋼
JP2000129418A (ja) * 1998-10-28 2000-05-09 Dowa Mining Co Ltd 鋼部品の減圧浸炭方法及び装置
JP2001081543A (ja) * 1999-09-14 2001-03-27 Chugai Ro Co Ltd 真空浸炭方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3241491B2 (ja) * 1993-06-29 2001-12-25 大同特殊鋼株式会社 高温高速回転用転がり軸受
JP3385722B2 (ja) * 1994-06-15 2003-03-10 住友金属工業株式会社 浸炭焼入方法
JP3428936B2 (ja) * 2000-01-31 2003-07-22 オリエンタルエンヂニアリング株式会社 金属表面のガス硬化処理方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06192815A (ja) * 1992-12-28 1994-07-12 Kawasaki Steel Corp 金属帯の連続浸炭設備
JPH0959756A (ja) * 1995-08-22 1997-03-04 Kobe Steel Ltd 耐高面圧浸炭部品の製法
JPH10121128A (ja) * 1996-10-16 1998-05-12 Sumitomo Metal Ind Ltd 肌焼鋼の製造方法及びその方法により製造された肌焼鋼
JPH11200009A (ja) * 1998-01-14 1999-07-27 Nissan Motor Co Ltd 高面圧用機械構造用鋼
JP2000129418A (ja) * 1998-10-28 2000-05-09 Dowa Mining Co Ltd 鋼部品の減圧浸炭方法及び装置
JP2001081543A (ja) * 1999-09-14 2001-03-27 Chugai Ro Co Ltd 真空浸炭方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1598440A4 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1493829A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-05 Koyo Thermo Systems Co., Ltd. Method of gas carburizing
US7029540B2 (en) 2003-07-03 2006-04-18 Koyo Thermo Systems Co., Ltd. Method of gas carburizing
JP2005350729A (ja) * 2004-06-10 2005-12-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 真空浸炭方法
JP4569181B2 (ja) * 2004-06-10 2010-10-27 株式会社Ｉｈｉ 真空浸炭方法
JP2021088748A (ja) * 2019-12-05 2021-06-10 株式会社日本テクノ ガス浸炭方法およびガス浸炭装置
JP7189115B2 (ja) 2019-12-05 2022-12-13 株式会社日本テクノ ガス浸炭方法およびガス浸炭装置

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