WO2022176397A1 - 摺動部材並びにその製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a sliding member and its manufacturing method and manufacturing apparatus.
- Damage near the surface of a sliding member is mainly governed by the following three types of damage.
- the maximum Hertzian shear stress occurs at a deeper position as the applied load increases. Considering the range of surface pressure used in the current industrial field, the maximum shear stress occurs at a depth of several tens of ⁇ m to several hundred ⁇ m from the surface. Become. In order to increase the durability against internal damage caused by Hertz's maximum shear stress, it is important to harden at a depth of several tens of ⁇ m to several hundreds of ⁇ m from the surface, and generally hardening is possible from the surface to a deep region. Carburizing and induction hardening have been applied.
- Martensite produced by carburizing and induction hardening is known to have higher frictional resistance and lower temper softening resistance than the compound layer (nitrided layer) produced by nitriding, which will be described below.
- the compound layer ( ⁇ phase of Fe 2-3 N and ⁇ ' phase) are applied.
- Patent Document 1 as a method for carbonitriding a steel member, a Cr-containing steel member is carburized so that the carburization concentration is 1.0% or more, and then only the carbide-generated layer on the surface of the steel member is subjected to carburization. A method of nitriding and then quenching the steel member is disclosed.
- the surface part which requires high durability, has low frictional resistance and is resistant to temper softening.
- the interior has a hardened layer of several hundred ⁇ m or more.
- the outermost surface is a low-friction, hard-to-soften layer and the inner hardened layer is not a completely separated layer, but a gradient layer in which the components of both layers change continuously. is desirable.
- the nitriding treatment described in Patent Document 1 has a nitriding concentration of about 0.3%.
- nitriding treatment is performed only on the surface layer.
- nitriding when nitriding is performed under natural convection conditions in a nitriding gas atmosphere, it is thought that problems such as the concentration of nitriding gas changing locally and the problem of uneven temperature occurring in the steel material to be treated will occur. Therefore, a desired nitrided layer may not be uniformly formed on the outermost surface of the steel material.
- the present invention is a sliding member that has a structure that suppresses internal damage, surface damage, and softening damage in the vicinity of the surface, has low friction, and has high durability against high surface pressure, and has a uniformly formed outermost surface. intended to provide
- the sliding member of the present invention has a structure in which a surface layer is formed on the outer surface region of a base material, and the surface layer is a nitride layer containing iron nitride with a nitrogen concentration of 5.9 to 11.1% on a mass basis. and a hardened layer positioned closer to the base material than the nitrided layer, the nitrided layer constituting the outermost surface, and at least the outermost surface having a uniform nitrogen content.
- a moving member can be provided.
- FIG. 1 is an image of a cross section of a test piece of Example 1 which was subjected to nital etching and photographed with an optical microscope. It is a figure which shows the result of having analyzed the cross-sectional structure
- FIG. 6 is a diagram showing the results of analyzing the cross-sectional structure shown in FIG. 5 with an electron probe microanalyzer;
- FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a processing apparatus of Example 7;
- FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing the sliding member according to Example 1;
- the sliding member according to the embodiment of the present disclosure has ⁇ phase (Fe 2-3 N), ⁇ ' phase (Fe 4 N), or ⁇ phase (Fe 2-3 N) and ⁇ ' phase on its outermost surface. It has a mixed layer (hereinafter referred to as “compound layer”) with a phase (Fe 4 N).
- the compound layer is characterized by low friction and high resistance to temper softening.
- the said sliding member has a hardening layer in the inside.
- the hardened layer contains a martensite structure.
- the hardened layer can withstand high surface pressure and has a thickness of several hundred ⁇ m or more. More preferably, the hardening layer has a thickness of 1.0 mm or more.
- the hardened layer desirably contains a martensitic structure to a depth of 1.0 mm or more from the outermost surface of the surface layer.
- a gradient layer is formed which has an intermediate composition between the two and whose composition changes continuously.
- the graded layer has a structure with excellent spalling resistance and high resistance to temper softening.
- iron and steel materials forming sliding members should contain a high nitrogen concentration ⁇ phase (Fe 2 to 4.5%). 3 N) or ⁇ ' phase (Fe 4 N).
- ⁇ phase Fe 2 to 4.5%
- ⁇ ' phase Fe 4 N
- high-frequency induction heating or electrical heating is used in an environment with high nitriding potential for steel materials that have been nitrided and a compound layer is formed on the outermost surface. It was found that it is effective to rapidly cool the steel material by directly injecting a nitriding gas such as ammonia gas to the steel material after the steel material has been rapidly heated to a temperature equal to or higher than the A1 transformation point.
- high-frequency induction heating is also referred to as "high-frequency hardening.”
- the frequency of the high frequency used for induction hardening varies depending on the type of metal to be hardened, but it is desirable to be approximately 5 to 100 kHz.
- the concentration of ammonia is as high as 20% to 100%. The reason why the concentration has a range is that there is an appropriate ammonia concentration depending on the treatment, and there is an appropriate ammonia concentration depending on the composition of the compound layer on the outermost surface.
- a compound layer with low friction and high temper softening resistance is formed on the outermost surface, and a hardened layer of several hundred ⁇ m or more that can withstand high surface pressure can be obtained inside. Between the compound layer and the hardened layer, a graded layer having excellent peeling resistance and high resistance to temper softening is formed.
- concentrations of carbon, nitrogen, etc. contained in a solid material such as a test piece are expressed on a mass basis. Also, the concentration of carbon, nitrogen, etc. contained in a certain layer may be referred to as "content".
- the treatment of the test piece in this example was performed as follows.
- the base material is chromium molybdenum steel SCM435 with a carbon concentration of about 0.35%, and is a round bar test piece with dimensions of 10 mm diameter x 10 mm length.
- This round bar test piece is heated to 900°C in about 1 minute by induction heating with a high frequency of 30 kHz, and the temperature is maintained. That is, the heating rate is 100° C./min or higher.
- acetylene which is a carburizing gas
- a carburized layer was formed by vacuum carburizing.
- SCM435 when it reaches 900° C., it turns into austenite.
- the material having the carburized layer formed in this manner may be referred to as "carburized material”, and the material subjected to carburizing treatment as a pretreatment may be referred to as "base material".
- base material the material subjected to carburizing treatment as a pretreatment
- the base metal need not be carburized to its center.
- test piece was evacuated once, the pressure was restored with ammonia gas, and the test piece was quenched by directly spraying the ammonia gas onto the test piece.
- Fig. 1 shows an image of the cross section of the test piece obtained by the above treatment, which was subjected to nital etching and photographed with an optical microscope.
- the following three layers exist in the cross section of the test piece. That is, they are a compound layer 1 (nitrided layer), a graded layer 2 and a carburized layer 3 .
- the compound layer 1, the gradient layer 2, and the carburized layer 3 are laminated in order from the outermost surface on the outer surface region of the base material, and these three layers form the surface layer.
- the surface layer includes the compound layer 1 and includes the graded layer 2 and the carburized layer 3 positioned closer to the base material than the compound layer 1 .
- the carburized layer 3 includes a hardened layer.
- FIG. 2 shows the results of analyzing the cross-sectional structure shown in FIG. 1 with an electron probe microanalyzer.
- the dashed line indicates the concentration of nitrogen
- the dashed-dotted line indicates the concentration of carbon.
- the nitrogen concentration significantly decreases from the compound layer 1 toward the interface between the gradient layer 2 and the carburized layer 3 in FIG.
- the carbon concentration has a maximum value inside the interface between the graded layer 2 and the carburized layer 3 .
- FIG. 3 shows the results of phase identification of the cross-sectional structure shown in FIG. 2 by electron beam backscatter diffraction.
- ⁇ -phase (Fe 2-3 N), ⁇ '-phase (Fe 4 N), and ⁇ -phase (ferrite) are formed from the outermost surface toward the inside.
- the ⁇ -phase nitrogen concentration is about 8%.
- the nitrogen concentration in the ⁇ ' phase is about 5.9%.
- the nitrogen concentration is 11.1% for Fe 2 N and 7.7% for Fe 3 N.
- the nitride layer forming the compound layer 1 contains iron nitride with a nitrogen concentration of 5.9 to 11.1%.
- the nitrogen concentration at the outermost surface is about 8%
- the compound layer 1 is formed with a thickness of about 10 ⁇ m from the outermost surface, and contains the ⁇ phase (Fe 2-3 N).
- a graded layer 2 containing a ⁇ phase (Fe 4 N 1-x ) having a nitrogen concentration of about 2% to 0.5% is formed inside.
- a carburized layer 3 having a carbon concentration of about 1% by mass is formed inside the gradient layer 2 .
- acetylene gas is used as the carburizing gas in this embodiment, methane gas may also be used.
- FIG. 8 summarizes the processing steps of the test piece in this example, that is, the method of manufacturing the sliding member.
- the method of manufacturing the sliding member includes the following steps.
- high-frequency induction heating (S110) is applied, which can heat materials such as steel (materials to be treated) to a predetermined temperature in a very short time.
- a vacuum carburizing process (S120) is performed in which a carburizing gas such as acetylene is supplied to increase the carbon concentration on the surface of the material.
- a nitriding treatment (S130) is performed in which a nitriding gas such as ammonia is supplied to form a compound layer.
- quenching (S140) and tempering (S150) are performed by blowing nitriding gas onto the material.
- the surface of the material can be rapidly cooled evenly, the occurrence of uneven nitrogen concentration on the surface of the material can be suppressed, and the material can be A nitride layer can be uniformly formed on the outermost surface of the .
- the standard deviation of the nitrogen content on the outermost surface of the nitrided layer is preferably 1.0% or less on a mass basis, corresponding to being "uniform", and 0.5% or less. It is even more desirable to have
- the nitrogen content distribution on the outermost surface can be obtained, for example, by measuring the nitrogen content at an arbitrary position on the outermost surface. By calculating the average value and standard deviation of the measured values at a plurality of positions, it is possible to confirm whether the nitride layer is formed uniformly.
- Example 2 the same base material as in Example 1 was used as a round bar test piece, and the treatment was performed under the following conditions.
- acetylene which is a carburizing gas, is supplied so that the carbon concentration is 0.8% and the effective depth (hardening depth from the surface where the Vickers hardness is 550 Hv or more) is 1 mm.
- a carburized layer was formed by vacuum carburizing.
- the base material is a round bar test piece of bearing steel SUJ2 with a carbon concentration of about 1%.
- the dimensions are 10 mm diameter x 10 mm length, as in Examples 1 and 2.
- this base material is called "bearing steel”.
- This round bar test piece is heated to 850° C. in about 1 minute in an atmosphere of 8 ⁇ 10 4 Pa using 100% ammonia gas, which is a nitriding gas, and held for 5 minutes to form a compound layer. did. After that, the atmospheric gas was once exhausted, and quenching was performed with ammonia gas. A carburized layer was formed by forming a martensite structure by quenching. Tempering was performed at 180° C. for 30 minutes.
- Comparative example 1 In this comparative example, the same base material as in Example 1 was used for the treatment. That is, the base material is a round bar specimen of chromium molybdenum steel SCM435 with a carbon concentration of about 0.35%. The dimensions are also 10 mm in diameter ⁇ 10 mm in length, as in the first embodiment.
- this round bar test piece is placed in a nitriding furnace, heated to 570°C in about 60 minutes, and held at that temperature. After reaching 570° C., a nitriding layer was formed by supplying ammonia as a nitriding gas and maintaining the nitrogen concentration at about 8% for about 3 hours.
- Comparative example 2 In this comparative example, the same base material as in Example 3 was used for the treatment. That is, the base material is a round bar test piece of bearing steel SUJ2 having a carbon concentration of about 1%. The dimensions are also 10 mm in diameter ⁇ 10 mm in length, as in the third embodiment.
- the round bar test piece was heated to 850° C. in about 1 minute in an atmosphere of 8 ⁇ 10 4 Pa using 100% ammonia gas, which is a nitriding gas, and held for 5 minutes. , to form a compound layer. After that, water quenching was performed in a nitriding atmosphere to form a martensite structure, thereby forming a carburized layer. Tempering was performed at 180° C. for 30 minutes.
- Fig. 4 is a schematic configuration diagram showing a reciprocating sliding wear tester.
- the friction test partner material 5 is installed at a predetermined position on the testing machine and fixed.
- the friction test piece 4 is placed above the counterpart material 5 for the friction test and fixed.
- the friction test partner material 5 is immersed in the lubricating oil 6 , then raised and brought into contact with the friction test piece 4 .
- the mating member 5 for the friction test is heated to 80° C. with a heater and this temperature is maintained.
- the sliding 7 is started and the load 8 is increased in steps of 0.1 kN every 2 minutes and the test is continued until seizure occurs. Frictional resistance was measured during the test, and seizure was defined as a rapid increase in frictional resistance. A dynamic friction coefficient was calculated from the value of the frictional resistance.
- Table 1 summarizes the results of the dynamic friction coefficient.
- Table 2 summarizes the seizure surface pressure results.
- FIG. 5 shows the state of the cross section of the carbonitrided piece of Comparative Example 2 subjected to nital etching.
- a nitride layer 51 is formed on the outermost surface.
- the nitride layer 51 had defects.
- FIG. 6 shows the results of analyzing nitrogen and carbon in the cross-sectional structure shown in FIG. 5 with an electron probe microanalyzer.
- the nitrogen concentration is about 2%, which is about a quarter of that in the first embodiment.
- the reason for this is considered to be the destruction of the nitride layer 51 due to water quenching. It is considered that the breakage of the nitride layer 51 increases the frictional resistance.
- the sliding member according to the present disclosure is not limited to sliding parts in a narrow sense, but also includes power transmission parts that collide or contact during operation, such as gears.
- Example 4 is a planetary gear sample that has undergone the same treatment as in Example 1.
- Comparative Example 3 a conventional carburized planetary gear for a speed reducer was also produced.
- a 500-hour continuous endurance test was conducted by incorporating it into the first stage of the same speed reducer. After the end of the test, the speed reducer was disassembled and the surfaces of the planetary gears of Example 4 and Comparative Example 3 were observed.
- the base material was produced by powder metallurgy.
- the raw material powder used carbon steel containing 0.2% to 0.6% carbon, with the balance being iron and inevitable impurities.
- the same treatment as in Example 1 or Example 2 was applied to the base material.
- Example 1 As a result of these treatments, it was confirmed that the same effect as in Example 1 or Example 2 could be obtained even if it was produced by powder metallurgy.
- Example 2 An alloy with a carbon concentration equivalent to that of carburized steel and bearing steel was modeled using a metal three-dimensional printer. After that, the same treatment as in Example 1 or Example 2 was performed.
- Example 1 As a result of these treatments, it was confirmed that the same effect as in Example 1 or Example 2 could be obtained even if it was produced by powder metallurgy.
- the surface of the steel material is carburized at a temperature of about 900°C to 1000°C in a carburizing gas atmosphere, and then cooled without quenching.
- a nitride compound layer is formed at a temperature of about 500°C to 580°C in a nitriding atmosphere, then quenched and cooled.
- the quenching temperature is lower than the A1 transformation point, the nitride layer is maintained. However, the carburized layer is not quenched and the hardness of the carburized layer is lowered.
- the surface of the steel material is carburized at a temperature of about 900°C to 1000°C in a carburizing gas atmosphere, and then quenched. Quenching hardens the carburized layer.
- nitriding is performed to form a nitride compound layer at a temperature of about 500°C to 580°C in a nitriding atmosphere.
- the carburized layer hardened in the first step is tempered and softened.
- the nitride layer After cooling without quenching, the nitride layer is maintained. However, since the carburized layer is tempered, the hardness of the carburized layer is lowered.
- the surface of the steel material is carburized at a temperature of about 900°C to 1000°C in a carburizing gas atmosphere.
- the steel is cooled from a carburizing temperature of about 900° C. to 1000° C. to a nitriding temperature of about 500° C. to 580° C. to perform nitriding to form a nitride compound layer.
- the temperature is raised to the A1 transformation point or higher (for example, 830°C to 850°C) and quenching is performed.
- the carburized layer can be hardened, but nitrogen tends to escape from the compound layer formed in the second step.
- the nitriding gas concentration must be increased in order to prevent the nitride compound layer from disappearing.
- the heating in the third step takes time, and the amount of desorbed nitrogen further increases.
- This embodiment is a description of an example of a processing apparatus (sliding member manufacturing apparatus) for performing surface treatment.
- FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a processing device.
- the processing apparatus 70 has a carburizing furnace 71 with a carburizing gas supply source, a nitriding furnace 72 with a nitriding gas supply source, and a quenching furnace 73 with a high frequency generation source and a nitriding gas supply source.
- a material 75 to be treated is sent to a carburizing furnace 71, a nitriding furnace 72 and a quenching furnace 73 in this order and treated.
- the quenching furnace 73 is provided with a nitriding gas pipe 74 having a nitriding gas spraying portion.
- a furnace having a plurality of functions among these furnace functions may be used, but by using separate furnaces, it is possible to continuously process a plurality of members.
- the carburizing furnace 71 can supply acetylene or the like as carburizing gas.
- the base material is carburized by heat treatment at a temperature of 900 to 1200° C. for a time ranging from one minute to several minutes. Carburizing treatment is not necessary when using a base material with a high carbon content such as carbon steel.
- the material to be treated 75 (base material) is moved to the nitriding furnace 72 . Then, for example, an ammonia atmosphere of 800 Pa or more is created, the temperature is raised to 530 to 710° C. in about 1 minute, and then held for about 15 minutes, thereby forming a nitride layer on the surface of the material 75 to be treated.
- the material 75 to be treated is moved to the quenching furnace 73 .
- Nitriding gas (indicated by dotted arrows in the figure) supplied through a nitriding gas pipe 74 is sprayed onto the material 75 to be treated from a nitriding gas spraying portion.
- the quenching atmosphere can be selected from vacuum, ammonia atmosphere, and inert gas atmosphere such as argon.
- the temperature is raised to, for example, 900° C. or higher, induction hardening is performed, and then cooling is performed.
- the material to be treated is rapidly cooled to a temperature below the A1 transformation point in about 2 seconds.
- the nitriding gas By cooling while blowing the nitriding gas, it is possible to suppress detachment of nitrogen from the nitrided layer and to perform quenching while maintaining the nitrided layer with few defects. It is desirable that the nitriding gas be blown also in the heating process.
- a method for manufacturing a sliding member according to the present disclosure will be collectively described below.
- a method for manufacturing a sliding member is a method for manufacturing a sliding member having a surface layer containing a nitride layer on an outer surface region of a base material, wherein the temperature of the material to be treated is set to a quenching temperature higher than the A1 transformation point, and nitriding is performed. It includes a quenching step in which gas is directly injected to the material to be treated to cool it from the quenching temperature.
- the material to be treated has a carbon content of a predetermined value or more in its surface portion.
- the material to be treated is preferably carburized or carbon steel.
- the material to be treated may be carburized bearing steel or nitrided steel.
- nitriding steel is alloy steel containing aluminum, chromium, molybdenum, titanium, manganese, etc., which have a strong affinity for nitrogen.
- the material to be processed may be a sintered body, a modeled object produced using a metal three-dimensional printer, a cast material, or a forged material.
- a vacuum evacuation process for evacuating the atmosphere gas of the nitriding process.
- An apparatus for manufacturing a sliding member is an apparatus for manufacturing a sliding member having a surface layer containing a nitride layer on the outer surface region of a base material, and comprises a high-frequency generation source, a nitriding gas supply source, and a material to be treated. and a nitriding gas spraying section for directly injecting nitriding gas supplied from a nitriding gas supply source.
- the sliding member manufacturing equipment further include a nitriding furnace.
- the sliding member manufacturing apparatus further include a carburizing furnace having a carburizing gas supply source.
- the quenching furnace further have a carburizing gas supply source.
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Abstract
母材の外面領域に表面層を形成した構成を有する摺動部材であって、表面層は、窒素濃度が質量基準で5.9~11.1%の窒化鉄を含む窒化層を含み、かつ、窒化層よりも母材側に位置する硬化層を含み、窒化層は、最外表面を構成し、少なくとも最外表面における窒素の含有量が一様である。これにより、表面近傍における内部損傷、表面損傷及び軟化損傷を抑制する構成を有し、低摩擦で、かつ、高面圧に対する耐久性が高い最外表面が一様に形成された摺動部材を提供することができる。
Description
本発明は、摺動部材並びにその製造方法及び製造装置に関する。
近年、摺動部材の使用環境は、過酷化の一途をたどっている。例えば、航空・宇宙分野では、軽量化、性能向上のために高速回転化、高温及び低温の環境での使用が求められている。民生分野では掃除機などで超高速回転化による性能向上が、工作機械分野では重切削に耐える高面圧化が求められている。また、電力分野では風量発電などで発電効率向上のための高面圧化が、建機分野では油圧ポンプ部品の効率及び動作レスポンスの向上のために低摩擦化が求められている。自動車分野では、多様な摺動部材が使用されており、高速回転、高面圧及び低摩擦の全てのニーズがある。
摺動を受ける部材の表面近傍の損傷は、主に、次に述べる3つの損傷形態に支配される。
(1)ヘルツの最大せん断応力起因の内部せん断損傷(以下「内部損傷」という。)
(2)摺動部の摩擦抵抗に起因する表面のせん断応力起因のせん断損傷(以下「表面損傷」という。)
(3)摺動部の摩擦発熱に伴う摺動部の焼戻し軟化による焼戻し軟化損傷(以下「軟化損傷」という。)
これらの損傷形態の防止又は軽減ができれば、高耐久な摺動部材の提供が可能となる。
(2)摺動部の摩擦抵抗に起因する表面のせん断応力起因のせん断損傷(以下「表面損傷」という。)
(3)摺動部の摩擦発熱に伴う摺動部の焼戻し軟化による焼戻し軟化損傷(以下「軟化損傷」という。)
これらの損傷形態の防止又は軽減ができれば、高耐久な摺動部材の提供が可能となる。
ヘルツの最大せん断応力は、作用荷重が大きいほど深い位置で発生するが、現在の工業分野で使用される面圧範囲で考えると、表面から数十μmから数百μmまでの深さで最大となる。ヘルツの最大せん断応力起因の内部損傷に対する耐久性を高めるには、表面から数十μmから数百μmまでの深さにおける硬化が重要であり、一般的には表面から深い領域まで硬化が可能な浸炭及び高周波焼入れが適用されている。
浸炭や高周波焼入れでできるマルテンサイトは、次に述べる、窒化により生成される化合物層(窒化層)などに比べ摩擦抵抗が高いこと、焼戻し軟化抵抗が低いことが知られている。
摺動部の摩擦抵抗に起因する表面のせん断応力は、摩擦抵抗が低いほど軽減されるため、窒化により生成される化合物層(Fe2~3Nのε相及びFe4Nのγ’相)などが適用されている。
摺動部の摩擦発熱に伴う摺動部の焼戻し軟化は、摩擦抵抗が低いほど抑制される。また、材質的に焼戻し軟化が起きにくい材料ほど抑制されるため、上記の摩擦抵抗の低減と同様に、窒化により生成される化合物層(Fe2~3Nのε相及びFe4Nのγ’相)などが適用されている。
特許文献1には、鋼部材の浸炭窒化方法として、Cr含有の鋼部材を1.0%以上の浸炭濃度となるように浸炭処理し、次にその鋼部材の表層部の炭化物生成層のみに浸窒処理を施し、その後上記鋼部材を焼入れ処理する方法が開示されている。特許文献1には、浸炭濃度は最大3.0%程度とすることが望ましいこと、浸窒処理は0.3~0.4の浸窒濃度となるように行なうことが望ましいこと、浸窒濃度つまりNポテンシャル=0.3%という説明、実施例において浸窒処理を820~880℃で行うこと、実施例の0.1%N有効浸窒深さが0.07~0.09mmであることも開示されている。
高い耐久性が求められる表面部は、表面損傷及び軟化損傷の観点から、摩擦抵抗が小さく、かつ、焼戻し軟化が起こりにくいことが望ましい。また、その内部は、内部損傷の観点から、数百μm以上の硬化層を有することが望ましい。さらには、最外表面が低摩擦で焼戻し軟化が起きにくい層と、その内部の硬化層との間は、完全に分離した層ではなく、両者の成分が連続的に変化する傾斜層であることが望ましい。
このような望ましい表面部の形成は、一般に用いられる炉加熱による表面処理技術では困難であった。
特許文献1に記載の浸窒処理は、浸窒濃度が0.3%程度のものである。また、特許文献1には、効果として、高硬度化とともに、表層部の固溶Cr量の減少により焼入れ性が低下するのを補うため表層部のみに浸窒処理を施すことにより深層部の硬度低下を防止しつつ表層部の焼入れ性を向上させることが記載されているが、最外表面における摩擦低減、焼戻し軟化抵抗、耐剥離性等の観点において改善の余地がある。
また、窒化後の窒化雰囲気の中で水焼入れを行う場合、窒化層から窒素が抜けてしまい、摩擦係数の低い窒化層を安定的に形成することが難しい。このため、低摩擦を維持できず、摩擦係数が上昇するという問題があった。
さらに、窒化ガス雰囲気で自然対流の条件で窒化処理を行った場合は、窒化ガスの濃度が局所的に変化する問題、処理対象の鋼材に温度むらが生ずる問題等が生じると考えられる。このため、鋼材の最外表面に所望の窒化層が一様に形成されない場合がある。
本発明は、表面近傍における内部損傷、表面損傷及び軟化損傷を抑制する構成を有し、低摩擦で、かつ、高面圧に対する耐久性が高い最外表面が一様に形成された摺動部材を提供することを目的とする。
本発明の摺動部材は、母材の外面領域に表面層を形成した構成を有し、表面層は、窒素濃度が質量基準で5.9~11.1%の窒化鉄を含む窒化層を含み、かつ、窒化層よりも母材側に位置する硬化層を含み、窒化層は、最外表面を構成し、少なくとも最外表面における窒素の含有量が一様である。
本発明によれば、表面近傍における内部損傷、表面損傷及び軟化損傷を抑制する構成を有し、低摩擦で、かつ、高面圧に対する耐久性が高い最外表面が一様に形成された摺動部材を提供することができる。
本開示の実施形態に係る摺動部材は、その最外表面に、ε相(Fe2~3N)、γ’相(Fe4N)、又はε相(Fe2~3N)とγ’相(Fe4N)との混合層(以下「化合物層」という。)を有する。化合物層は、低摩擦で、かつ、焼戻し軟化抵抗が高いという特徴を有する。そして、当該摺動部材は、その内部に硬化層を有する。硬化層は、マルテンサイト組織を含む。硬化層は、高面圧に耐えるものであり、数百μm以上の厚さである。硬化層は、1.0mm以上の厚さであることが更に望ましい。さらに、硬化層は、表面層の最外表面からの深さが1.0mm以上の範囲までマルテンサイト組織を含むことが望ましい。
マルテンサイト組織を生成する方法としては、浸炭焼入れ処理による方法や、浸炭程度の炭素を元々配合した軸受け鋼などに焼入れ処理をする方法がある。
化合物層と硬化層との間には、両者の組成の中間的な組成を有し、その組成が連続的に変化する傾斜層が形成されている。傾斜層は、耐はく離性に優れ、焼戻し軟化抵抗も高い組織を有する。
本発明者の検討により、摺動部材の摩損耐久性を向上させるため、摺動部材を形成する鉄鋼材に窒素含有量が4.5%を超えるような高窒素濃度のε相(Fe2~3N)又はγ’相(Fe4N)の鉄窒化物の化合物層を形成する必要があることがわかった。しかしながら、これらの鉄窒化物の化合物層は、浸窒処理後の水焼入れ時に窒化層から窒素が脱離するため、安定した表面層を形成することが難しい。
更に検討を進めた結果、安定した表面層を形成する方法としては、窒化され最外表面に化合物層を形成した鋼材に対して、窒化ポテンシャルの高い環境下で高周波誘導加熱又は通電加熱などを用いて急速加熱しA1変態点以上の温度に達した後に、アンモニアガスなどの窒化性ガスを鋼材に直接噴射することにより鋼材を急速に冷却する方法が有効であることがわかった。ここで、高周波誘導加熱は、「高周波焼入れ」ともいう。高周波焼入れに用いる高周波の周波数は、焼入れの対象となる金属の種類によっても異なるが、おおよそ5~100kHzが望ましい。
鋼材を急加熱することによって、形成した化合物層からの窒素の脱離量が少なくなり、化合物層の分解を防ぐことができる。さらに、加熱された鋼材に対して窒化性ガスを噴射して急冷することにより、窒化ポテンシャルを維持したまま焼入れを実施することが可能である。ここで、鋼材を加熱する際は、加熱雰囲気を高い窒化ポテンシャルを維持しなくてはならない。これは、加熱時の窒素脱離を防ぐためであり、窒化性ガスとしてアンモニアを利用する場合はアンモニア濃度が20%~100%の高濃度で行うことが望ましい。
濃度に範囲があるのは、処理によって適切なアンモニア濃度があり、最外表面の化合物層の組成に応じて適切なアンモニア濃度があるためである。
濃度に範囲があるのは、処理によって適切なアンモニア濃度があり、最外表面の化合物層の組成に応じて適切なアンモニア濃度があるためである。
その結果、最外表面に低摩擦で焼戻し軟化抵抗の高い化合物層が形成され、その内部に高面圧に耐える数百μm以上の硬化層を得ることができる。そして、化合物層と硬化層との間には、耐はく離性に優れ焼戻し軟化抵抗も高い傾斜層が形成される。
以下、図面を用いて実施例について説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。また、本明細書においては、試験片等の固体材料に含まれる炭素、窒素等の濃度については、質量基準で表している。また、ある層に含まれる炭素、窒素等の濃度を「含有量」と言い換える場合がある。
本実施例における試験片の処理は、次のようにして行った。
母材は、炭素濃度が約0.35%のクロムモリブデン鋼SCM435であり、寸法が直径10mm×長さ10mmの丸棒試験片である。
この丸棒試験片を周波数30kHzの高周波による誘導加熱により約1分で900℃まで加熱し、その温度を保持する。すなわち、昇温速度は、100℃/分以上である。900℃に到達した後、浸炭ガスであるアセチレンを供給し、炭素濃度が0.8%、有効効果深さ(ビッカース硬さで550Hv以上となる表面からの硬化深さ)が1mmとなるように真空浸炭処理を施して浸炭層を形成した。ここで、SCM435の場合、900℃に達すると、オーステナイト化する。一般に、被処理材がオーステナイト化する所定の温度にまで昇温し、その後、浸炭ガスを供給して、浸炭層を形成することが望ましい。
なお、このように浸炭層を形成した材料を「浸炭材」と呼ぶことにし、このように前処理として浸炭処理を施した材料を「母材」と呼んでもよい。このように、母材は、その中心部まで浸炭されている必要はない。
つぎに、高周波誘導加熱及びアセチレン供給を停止し、不活性ガスで強制冷却しながら850℃まで約1分で降温し、真空排気した後、窒化ガスである100%アンモニアガスを供給して8×104Paに1分で復圧し、1分間保持して化合物層を形成した。このようにして、浸炭窒化を行った試験片を作製した。
つぎに、高周波誘導加熱及びアセチレン供給を停止し、不活性ガスで強制冷却しながら850℃まで約1分で降温し、真空排気した後、窒化ガスである100%アンモニアガスを供給して8×104Paに1分で復圧し、1分間保持して化合物層を形成した。このようにして、浸炭窒化を行った試験片を作製した。
この試験片について、その後、一度真空排気を行い、アンモニアガスで復圧し、アンモニアガスを試験片に直接吹きかけることにより試験片を急冷して焼入れを行った。
図1は、上記の処理により得られた試験片にナイタールエッチングを施し、断面を光学顕微鏡により撮影した画像を示したものである。
本図から、試験片の断面には、次の三つの層が存在することがわかる。すなわち、化合物層1(窒化層)、傾斜層2及び浸炭層3である。言い換えると、母材の外面領域には、最外表面から順に、化合物層1、傾斜層2、浸炭層3が積層され、これらの三つの層が表面層を形成している。言い換えると、表面層は、化合物層1を含み、かつ、化合物層1よりも母材側に位置する傾斜層2及び浸炭層3を含む。浸炭層3は、硬化層を含む。
図2は、図1に示す断面組織を電子線マイクロアナライザにより分析した結果を示したものである。図中、破線は窒素の濃度、一点鎖線は炭素の濃度を示している。
図2に示すように、窒素濃度は、図1の化合物層1から傾斜層2と浸炭層3との境界面に向かって著しく低下している。一方、炭素濃度は、傾斜層2と浸炭層3との境界面よりも内部において最大値を有する。
図3は、図2に示す断面組織を電子線後方散乱回折により相同定をした結果を示したものである。
本図に示すように、最外表面から内部に向かって、ε相(Fe2~3N)、γ’相(Fe4N)、α相(フェライト)が形成されている。
ここで、ε相の窒素濃度は、約8%である。γ’相の窒素濃度は、約5.9%である。
なお、窒素濃度は、Fe2Nの場合は11.1%、Fe3Nの場合は7.7%である。まとめると、化合物層1を構成する窒化層は、窒素濃度が5.9~11.1%の窒化鉄を含む。
なお、窒素濃度は、Fe2Nの場合は11.1%、Fe3Nの場合は7.7%である。まとめると、化合物層1を構成する窒化層は、窒素濃度が5.9~11.1%の窒化鉄を含む。
図1~図3から、アンモニアガスを噴射することにより焼入れを行った場合、窒化処理により得られた低摩擦の窒化層が維持されることがわかる。
具体的には、最外表面における窒素濃度は約8%であり、化合物層1は、最外表面から約10μmの厚さで形成され、ε相(Fe2~3N)を含む。その内側には、窒素濃度が約2%~0.5%のγ相(Fe4N1-x)を含む傾斜層2が形成されている。傾斜層2の内側には、炭素濃度が約1質量%の浸炭層3が形成されている。
なお、本実施例においては、浸炭ガスとして、アセチレンガスを用いているが、メタンガスを用いてもよい。
図8は、本実施例における試験片の処理工程、すなわち摺動部材の製造方法をまとめて示したものである。
本図に示すように、摺動部材の製造方法は、次の工程を含む。
まず、鋼材等の材料(被処理材)を所定の温度まで非常に短い時間で加熱することができる高周波誘導加熱(S110)を施す。そして、アセチレン等の浸炭ガスを供給して材料の表面の炭素濃度を増加させる真空浸炭処理(S120)を施す。つぎに、アンモニア等の窒化ガスを供給して化合物層を形成する窒化処理(S130)を施す。その後、材料に窒化ガスの吹き付けによる焼入れ(S140)及び焼戻し(S150)を行う。
このように、材料に対して窒化ガスの吹き付けをして、強制対流を発生させることにより、材料の表面をむらなく急冷することができ、材料の表面の窒素濃度のむらの発生を抑制し、材料の最外表面に窒化層を一様に形成することができる。温度むら及び濃度むらを抑制するためには、窒化ガスの吹き付けの際、ガスの流れが材料の表面に垂直に衝突するように方向づけることが望ましい。これに近い条件で吹き付けをするためには、複数の噴射口を有する窒化ガス吹付部を設けることが望ましい。言い換えると、ガスの強制対流の材料の表面における境界層がほぼ一様な厚さとなるようにすることが望ましい。
なお、窒化層の最外表面における窒素の含有量の標準偏差は、「一様」であることに対応して、質量基準で1.0%以下であることが望ましく、0.5%以下であることが更に望ましい。ここで、最外表面における窒素の含有量の分布は、例えば、最外表面の任意の位置における窒素の含有量を測定することによって得られる。そして、複数の位置におけるその測定値の平均値や標準偏差を算出することにより、窒化層が一様に形成されているかどうかを確認することができる。
本実施例においては、実施例1と同様の母材を丸棒試験片として用い、次の条件で処理を行った。
周波数30kHzの高周波による誘導加熱により約1分で950℃まで加熱し、その温度を保持する。950℃に到達した後、浸炭ガスであるアセチレンを供給し、炭素濃度が0.8%、有効効果深さ(ビッカース硬さで550Hv以上となる表面からの硬化深さ)が1mmとなるように真空浸炭処理を施して浸炭層を形成した。
つぎに、高周波誘導加熱及びアセチレン供給を停止し、不活性ガスで強制冷却しながら室温まで約5分で降温し、真空排気した後、窒化ガスである100%アンモニアガスを供給して6×104Paに約30秒で復圧し、3分間保持して化合物層を形成した。その後、アンモニアガスを排気した。その後、アンモニアガスの直接吹き付け(強制対流)により焼入れを行い、マルテンサイト組織化することにより浸炭層を形成した。焼戻しは、180℃で30分実施した。
上記の操作により、図1~図3に示す実施例1と同等の組織が得られることを確認した。
本実施例においては、実施例1及び2とは異なる母材を用いて処理を行った。
母材は、炭素濃度が約1%の軸受け鋼SUJ2の丸棒試験片である。寸法は、実施例1及び2と同様に、直径10mm×長さ10mmである。ここで、この母材を「軸受鋼材」と呼ぶことにする。
この丸棒試験片を、窒化ガスである100%アンモニアガスを用い、圧力8×104Paとした雰囲気中で、850℃まで約1分で昇温し、5分間保持し、化合物層を形成した。その後、雰囲気ガスを一旦排気し、アンモニアガスで焼入れを行った。焼入れによりマルテンサイト組織化することにより、浸炭層を形成した。焼戻しは、180℃で30分実施した。
上記の操作により、図1~図3に示す実施例1と同等の組織が得られることを確認した。また、本実施例においては、窒化処理後に雰囲気ガスを一旦排気することにより、窒化工程において生じた水素ガスを除去するため、水素ガスによる金属部材の脆化を防止することができる。
(比較例1~2)
実施例との比較のため、窒化処理(比較例1)又は浸炭窒化処理(比較例2)を施したサンプルを作製した。
実施例との比較のため、窒化処理(比較例1)又は浸炭窒化処理(比較例2)を施したサンプルを作製した。
(比較例1)
本比較例においては、実施例1と同様の母材を用いて処理を行った。すなわち、母材は、炭素濃度が約0.35%のクロムモリブデン鋼SCM435の丸棒試験片である。寸法も、実施例1と同様に、直径10mm×長さ10mmである。
本比較例においては、実施例1と同様の母材を用いて処理を行った。すなわち、母材は、炭素濃度が約0.35%のクロムモリブデン鋼SCM435の丸棒試験片である。寸法も、実施例1と同様に、直径10mm×長さ10mmである。
窒化処理においては、この丸棒試験片を、窒化炉に入れ、約60分で570℃まで加熱し、その温度を保持する。570℃に到達した後、窒化ガスであるアンモニアを供給し、窒素濃度が約8%となるように約3時間維持することにより、窒化層を形成した。
(比較例2)
本比較例においては、実施例3と同様の母材を用いて処理を行った。すなわち、母材は、炭素濃度が約1%の軸受け鋼SUJ2の丸棒試験片である。寸法も、実施例3と同様に、直径10mm×長さ10mmである。
本比較例においては、実施例3と同様の母材を用いて処理を行った。すなわち、母材は、炭素濃度が約1%の軸受け鋼SUJ2の丸棒試験片である。寸法も、実施例3と同様に、直径10mm×長さ10mmである。
浸炭窒化処理は、この丸棒試験片を、窒化ガスである100%アンモニアガスを用い、圧力8×104Paとした雰囲気中で、850℃まで約1分で昇温し、5分間保持し、化合物層を形成した。その後、窒化雰囲気にて水焼入れを行い、マルテンサイト組織化することにより、浸炭層を形成した。焼戻しは、180℃で30分実施した。
(実施例1~3及び比較例1~2の評価)
実施例1~3及び比較例1~2の試験片について、それぞれ摩擦係数及び焼付き荷重の測定を行った。測定には、往復摺動摩耗試験機を用いた。
実施例1~3及び比較例1~2の試験片について、それぞれ摩擦係数及び焼付き荷重の測定を行った。測定には、往復摺動摩耗試験機を用いた。
図4は、往復摺動摩耗試験機を示す模式構成図である。
本図に示すように、摩擦試験相手材5を試験機の所定の位置に設置し、固定する。摩擦試験片4は、摩擦試験相手材5の上方に設置し、固定する。摩擦試験相手材5は、潤滑油6に浸漬し、その後、上昇させ、摩擦試験片4と接触させる。この状態で、摩擦試験相手材5をヒータで80℃に加熱し、この温度を保持する。温度が80℃に到達し、温度が安定した後に、摺動7を開始し、荷重8を0.1kNきざみで2分毎に上昇させ、焼付きが生じるまで試験を継続する。試験中は、摩擦抵抗を測定し、摩擦抵抗の急増をもって焼付きとした。摩擦抵抗の値から動摩擦係数を算出した。
表1は、動摩擦係数の結果をまとめて示したものである。
表2は、焼付き面圧の結果をまとめて示したものである。
表1より、実施例1~3の試験片の動摩擦係数は、比較例1の窒化処理片と比較して、おおよそ20~30%低くなっていることがわかる。また、比較例2の浸炭窒化片は、比較例1よりも高いことがわかる。
表2より、実施例1~3の試験片の焼付き面圧は、比較例1の窒化処理片と比較して、おおよそ20~30%高くなっていることがわかる。また、比較例2の浸炭窒化片は、比較例1よりも高いことがわかる。
図5は、比較例2の浸炭窒化片にナイタールエッチングを行った断面の状態を示したものである。
本図に示すように、最外表面には、窒化層51が形成されている。しかし、観察の結果、窒化層51には、欠陥が存在することがわかった。
図6は、図5に示す断面組織について電子線マイクロアナライザによる窒素及び炭素の分析をした結果を示したものである。
本図に示すように、窒化層51の最外表面部であっても窒素濃度が2%程度であり、実施例1に比べて4分の1程度に低下している。
この原因は、水焼入れによる窒化層51の破壊であると考えられる。このような窒化層51の破壊により、摩擦抵抗が大きくなったと考えられる。
以上より、実施例1~3の摺動部材はいずれも、窒化層が一様に形成されているため、比較例1又は2よりも、摩擦抵抗が低く、かつ、高面圧に対する耐久性が高いものとなっていると考えられる。
本開示に係る摺動部材は、狭義の摺動部品等に限定されるものではなく、歯車等のように、稼働時に衝突や接触を伴う動力伝達部品等も含む。
実施例4は、実施例1と同様の処理を施した遊星歯車のサンプルである。
比較のために、比較例3として、従来の浸炭処理を施した減速機用の遊星歯車も作製した。
同じ減速機の1段目に組込み、500時間の連続耐久試験を実施した。試験終了後に減速機を分解し、実施例4及び比較例3の各々の遊星歯車の表面観察を実施した。
その結果、比較例3の通常の浸炭処理を施した遊星歯車の表面には、マイクロピッチングが多数認められた。一方、実施例4の遊星歯車には、マイクロピッチングはほとんど認められなかった。
これにより、実施例4の処理の効果が確認された。
本実施例においては、母材を粉末冶金により作製した。
原料の粉末は、炭素0.2%~0.6%を含み、残部が鉄及び不可避的不純物である炭素鋼を用いた。母材に実施例1又は実施例2と同様の処理を施した。
これらの処理の結果、粉末冶金により作製した場合であっても、実施例1又は実施例2と同様の効果が得られることが確認された。
浸炭鋼や軸受け鋼と同等の炭素濃度の合金を、金属三次元プリンタを用いて造形した。
その後、実施例1又は実施例2と同様の処理を施した。
その後、実施例1又は実施例2と同様の処理を施した。
これらの処理の結果、粉末冶金により作製した場合であっても、実施例1又は実施例2と同様の効果が得られることが確認された。
つぎに、一般に用いられる炉加熱による表面処理技術を用いた比較例について説明する。
(比較例4)
本比較例においては、比較的低い温度で、窒化ガスなしで焼入れを行う。
本比較例においては、比較的低い温度で、窒化ガスなしで焼入れを行う。
すなわち、第1の工程で、浸炭ガス雰囲気下で、鋼材表面に900℃~1000℃程度の温度で浸炭を行い、焼入れをせずに冷却する。
第2の工程で、窒化雰囲気下で500℃~580℃程度の温度で窒化化合物層を形成し、その後焼入れをして冷却する。
この場合、焼入れ温度がA1変態点より低いため、窒化層は維持される。しかし、浸炭層が焼入れをされず、浸炭層の硬度が低くなってしまう。
(比較例5)
本比較例においては、浸炭処理後、窒化処理前に焼入れを行う。
本比較例においては、浸炭処理後、窒化処理前に焼入れを行う。
すなわち、第1の工程で、浸炭ガス雰囲気下で、鋼材表面に900℃~1000℃程度の温度で浸炭を行い、その後焼入れを行う。焼入れにより浸炭層は硬化する。
第2の工程で、窒化雰囲気下で500℃~580℃程度の温度で、窒化化合物層を形成する窒化を行う。この場合、第1の工程で硬化した浸炭層が焼戻され、軟化する。
その後焼入れせずに冷却すると、窒化層は維持される。しかし、浸炭層が焼き戻されており、浸炭層の硬度が低くなってしまう。
(比較例6)
本比較例においては、窒化後、窒化ガスなしで焼入れを行う。
本比較例においては、窒化後、窒化ガスなしで焼入れを行う。
すなわち、第1の工程で、浸炭ガス雰囲気下で、鋼材表面に900℃~1000℃程度の温度で浸炭を行う。
つぎに、第2の工程として、浸炭温度900℃~1000℃程度から窒化温度500℃~580℃程度まで冷却し、窒化化合物層を形成する窒化を行う。
第3の工程として、窒化後にA1変態点以上(例えば830℃~850℃)に昇温し、焼入れを行う。
この場合、浸炭層の硬化が可能であるが、第2の工程で形成した化合物層から窒素が抜けてしまいやすい。上述のとおり、窒化化合物層を消失させないためには、窒化ガス濃度を高くする必要がある。また、通常炉加熱の場合には、第3の工程の加熱に時間を要し、窒素の脱離量が更に増加する。
本実施例は、表面処理を行うための処理装置(摺動部材の製造装置)の例についての説明である。
図7は、処理装置を示す模式構成図である。
本図において、処理装置70は、浸炭ガス供給源を備える浸炭炉71と、窒化ガス供給源を備える窒化炉72と、高周波発生源及び窒化ガス供給源を備える焼入れ炉73と、を有する。被処理材75は、浸炭炉71、窒化炉72及び焼入れ炉73の順に送られ、処理される。焼入れ炉73には、窒化ガス吹付部を有する窒化ガス配管74が設けられている。
なお、これらの炉の機能のうちの複数の機能を兼ね備えた炉を用いてもよいが、それぞれ別の炉とすることにより、複数の部材を連続して処理することが可能となる。
浸炭炉71は、浸炭ガスとしてアセチレン等を供給できるようになっている。例えば、温度を900~1200℃とし、時間を1分から数分の範囲で熱処理することにより、母材の浸炭処理を行う。なお、炭素鋼等、炭素含有量の多い母材を用いる場合には、浸炭処理は不要である。
つぎに、被処理材75(母材)を窒化炉72に移動する。そして、例えば、800Pa以上のアンモニア雰囲気とし、530~710℃まで約1分で昇温し、その後15分程度保持することにより、被処理材75の表面に窒化層を形成する。
つぎに、被処理材75を焼入れ炉73に移動する。被処理材75には、窒化ガス配管74を介して供給される窒化ガス(図中、点線の矢印で表す。)が窒化ガス吹付部から噴射される。これにより、被処理材75は、窒化ガスの強制対流によりむらなく一様に冷却される。焼入れの雰囲気は、真空、アンモニア雰囲気、及びアルゴン等の不活性ガス雰囲気のいずれでも選択可能である。焼入れ炉73においては、例えば、900℃以上に昇温し、高周波焼入れを行った後、冷却を行う。
昇温は、おおよそ700℃のA1変態点以上の温度とする必要がある。また、焼入れの高温保持時間は不要であり、連続して冷却工程とすることができる。
アンモニアガスの吹き付けにより、被処理材を急冷し、2秒程度でA1変態点以下の温度とする。窒化ガスを吹き付けながら冷却することにより、窒化層からの窒素の離脱を抑制し、欠陥の少ない窒化層を維持しながら焼入れが可能である。なお、窒化ガスの吹き付けは、加熱工程においても行うことが望ましい。
以下、本開示に係る摺動部材の製造方法についてまとめて説明する。
摺動部材の製造方法は、母材の外面領域に、窒化層を含む表面層を有する摺動部材を製造する方法であって、被処理材の温度をA1変態点より高い焼入れ温度とし、窒化ガスを被処理材に直接噴射して焼入れ温度から冷却する焼入れ工程を含む。
焼入れ工程の前には、被処理材に窒化層を形成する窒化処理工程を更に含むことが望ましい。この場合、被処理材は、その表面部における炭素の含有量が所定の値以上である。
被処理材は、浸炭材又は炭素鋼材であることが望ましい。
また、被処理材は、浸炭処理された軸受鋼、又は窒化鋼であってもよい。ここで、窒化鋼は、窒素と親和力の強いアルミニウム、クロム、モリブデン、チタン、マンガン等を含む合金鋼である。
さらに、被処理材は、焼結体、金属三次元プリンタを用いて作製した造形物、鋳造材又は鍛造材であってもよい。
窒化処理工程の後であって焼入れ工程の前には、窒化処理工程の雰囲気ガスを排気する真空排気工程を更に含むことが望ましい。
以下、本開示に係る摺動部材の製造装置についてまとめて説明する。
摺動部材の製造装置は、母材の外面領域に、窒化層を含む表面層を有する摺動部材を製造する装置であって、高周波発生源と、窒化ガス供給源と、被処理材に対して窒化ガス供給源から供給される窒化ガスを直接噴射する窒化ガス吹付部と、を有する焼入れ炉を備えたものである。
摺動部材の製造装置は、窒化炉を更に備えていることが望ましい。
摺動部材の製造装置は、浸炭ガス供給源を有する浸炭炉を更に備えていることが望ましい。
焼入れ炉は、浸炭ガス供給源を更に有することが望ましい。
1:化合物層、2:傾斜層、3:浸炭層、4:摩擦試験片、5:摩擦試験相手材、6:潤滑油、7:摺動、8:荷重、9:転がり試験片、10:転がり試験相手材、70:処理装置、71:浸炭炉、72:窒化炉、73:焼入れ炉、74:窒化ガス配管、75:被処理材。
Claims (15)
- 母材の外面領域に表面層を形成した構成を有し、
前記表面層は、窒素濃度が質量基準で5.9~11.1%の窒化鉄を含む窒化層を含み、かつ、前記窒化層よりも前記母材側に位置する硬化層を含み、
前記窒化層は、最外表面を構成し、少なくとも前記最外表面における窒素の含有量が一様である、摺動部材。 - 前記窒化層は、前記最外表面における窒素の含有量の標準偏差が質量基準で1.0%以下である、請求項1記載の摺動部材。
- 前記硬化層は、マルテンサイト組織を含む、請求項1記載の摺動部材。
- 前記硬化層は、前記表面層の最外表面からの深さが1.0mm以上の範囲まで前記マルテンサイト組織を含む、請求項3記載の摺動部材。
- 前記窒化層は、ε相(Fe2~3N)、γ’相(Fe4N)、又はε相(Fe2~3N)とγ’相(Fe4N)との混合層を含む、請求項1記載の摺動部材。
- 前記窒化層と前記硬化層との間には、両者の成分である窒素と炭素との濃度が連続的に変化している傾斜層が形成されている、請求項1記載の摺動部材。
- 母材の外面領域に、窒化層を含む表面層を有する摺動部材を製造する方法であって、
被処理材の温度をA1変態点より高い焼入れ温度とし、窒化ガスを前記被処理材に直接噴射して前記焼入れ温度から冷却する焼入れ工程を含む、摺動部材の製造方法。 - 前記焼入れ工程の前に、前記被処理材に前記窒化層を形成する窒化処理工程を更に含み、
前記被処理材は、その表面部における炭素の含有量が所定の値以上である、請求項7記載の摺動部材の製造方法。 - 前記被処理材は、浸炭材、炭素鋼材、浸炭処理された軸受鋼、又は窒化鋼である、請求項7記載の摺動部材の製造方法。
- 前記窒化処理工程の後であって前記焼入れ工程の前に、前記窒化処理工程の雰囲気ガスを排気する真空排気工程を更に含む、請求項8記載の摺動部材の製造方法。
- 前記被処理材は、焼結体、金属三次元プリンタを用いて作製した造形物、鋳造材又は鍛造材である、請求項7記載の摺動部材の製造方法。
- 母材の外面領域に、窒化層を含む表面層を有する摺動部材を製造する装置であって、
高周波発生源と、窒化ガス供給源と、被処理材に対して前記窒化ガス供給源から供給される窒化ガスを直接噴射する窒化ガス吹付部と、を有する焼入れ炉を備えた、摺動部材の製造装置。 - 窒化炉を更に備えた、請求項12記載の摺動部材の製造装置。
- 浸炭ガス供給源を有する浸炭炉を更に備えた、請求項12記載の摺動部材の製造装置。
- 前記焼入れ炉は、浸炭ガス供給源を更に有する、請求項12記載の摺動部材の製造装置。
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