JPS6227515A - 表面強化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、鉄鋼材料や鉄鋼部品（製品）の表面を強化
するのに利用される鉄鋼の表面強化方法に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、鉄鋼材料や鉄鋼部品（製品）の表面を強化する方
法としては、浸炭焼入れ、窒化、軟窒化などがよく知ら
れている。

これらのうち、浸炭焼入れは非常に有効な表面強化方法
であり、全熱処理中の約２５％を占め広く普及している
。しかしながら、この浸度焼入れは処理時間が長いとい
う欠点を有しているため、浸炭時間の短縮は古くからの
課題であり、高周波浸炭、真空浸炭などの高温浸度（例
えば、特開昭４８−１０１３２８号公報に記載の技術）
が工業化されつつある。しかし、高温浸炭の欠点は結晶
粒の粗大化による靭性の低下にあり、この対策として結
晶Ｒｆｆｉ大化防走化防止元素Ａｎ、Ｎｂ。

Ｔｉ、Ｚｒ等を添加した鋼を用いるか、あるいは浸度後
にＡ、変態点を上下させる処理が必要であり、コストア
ップの要因となっている。

一方、鉄鋼の強靭化技術の一つとして加工熱処理法があ
り、加工を加える時期によって、■変態前の加工、■変
態途中の加工、■変態後の加工の３種類に分けられる。

そして、従来の加工熱処理法において、安定なオーステ
ナイト域温度で塑性加工を加えて焼入れする鍛造焼入れ
（金属学会誌Ｖ　ｏ　ｆＬ３２　、　Ｎｏ、　１１　（
１９６８）第１０５２頁、金属学会誌ＶｏＪＬ３．１　
、Ｎｏ、　２　（１９６７）第１２６頁、金属学会誌Ｖ
ｏＪ１３１．Ｎｏ、４（１９６７）第３４７頁）および
準安定オーステナイト域温度で加工急冷するオースフォ
ーミングならびに徐冷する制御圧延などは前記■の変態
前の加工熱処理に属し、パーライトまたはベイナイト変
態途中で加工を加えて急冷するアイソフォーミングや、
マルテンサイト変態中に加工を加えるサブゼロ加工など
は前記■の変態途中の加工熱処理に属し、パーライトま
たはベイナイト変態終了後に加工を加えるパテンティン
グや、マルテンサイトに加工を加えるマルフォームなど
は変態後の加工処理に属している。

これらのうち、前記■の変態前の加工熱処理は、焼入性
の向上、結晶粒および析出物の微細化などにより鉄鋼の
強度および靭性が大幅に向上する処理技術として、板材
、棒材および鍛造粗形材を中心に広く普及している。

一方、前記■の変態途中の加工熱処理は、サブグレイン
と析出物の微細化で特に靭性の向上が著しい処理法とし
て研究されているが、現在のところまだ実用化に至って
いない。

ところで、転造や鍛造によって製作された歯車は、従来
の切削によって製作された歯車に比較して次に示すよう
な利点を有しているといわれている。

（１）歯元にきわめてすぐれたファイバーフローが形成
されているため、負荷能力が増大すること。

（２つ歯の側面が容易にクラウニングできて、その結果
負荷条件を改善できること。

（３〕歯切機械などの機械加工に比べて安価に製作でき
ること。

などである。

このような利点を有している転造による歯車の製造法は
すでに公知である（例えば、特開昭５９−２２５８３８
号公報）、また、精密鍛造による歯車の製造法もすでに
公知であり、なかには西ドイツのＢＬＷ法や、冷間およ
び温間鍛造法等が公知である。

これらのうち、ＢＬＷ方式による歯車の精密鍛造の考え
方は、歯車の歯形を精Ｖ！Ｅｔｌｊ造して黒皮のままで
使用せんとするもので、ＢＬＷ社独自の技術で精密な歯
車を鍛造することに成功したものでアリ、ベベルギヤ、
スパーギヤなどにおいてかなり実用化されている。

（発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記の精密鍛造により製作した歯車では
、黒皮のままで使用しているため、このような歯車では
＃摩耗性に限界があり、低荷重域でしか使用できないた
め、浸炭焼入れが必要である。それゆえ、この浸炭焼入
れによって熱処理歪が発生して精密Ｗｉ造の意味が薄れ
てしまうという問題点がある。

これに対して、冷間鍛造では精度の良い歯車の製造が可
能であるが、歯面の耐摩耗性および歯元強度を確保する
ため、通常は浸炭焼入れや浸炭・窒化処理等の表面硬化
が必要である。しかしながら、冷間鍛造によって強度に
塑性加工を加えた材料を浸炭温度（９２０℃前後）に加
熱すると、再結晶により結晶粒の狙大化が起る。このと
き、加工率が一足であれば一定の再結晶粒度になるが、
歯車形状の場合には、歯先から歯元にかけて微妙な加工
率の変化があるため再結晶粒が一定せず、混粒となり、
ピッチング、スコーリング等の発生の原因となるので、
歯車として使用できない場合も生じ、歩留りが低下して
コスト上昇の原因となるという問題点があった。

さらに、温間鍛造による精密歯車の製造技術はかなり進
み、一部では実用化した例も発表されている。しかし、
この温間鍛造によって製作した歯車においても高荷重域
で使用する場合には浸炭焼入れや浸炭窒化等の表面硬化
処理が必要であり、せっかく高精度で成形した歯車に対
して熱処理歪を芋えてしまうという問題点を有していた
。

さらに、高強度の歯車を製造する他の考え方として、中
ψ高炭素鋼（０，４〜０．６％Ｃ）を素材としてこれに
歯切加工を施し、次いで浸炭あるいは浸炭窒化処理を行
った後ベイナイト変態温度域（例えば２３５〜２７５℃
）に保持するいわゆるオーステンパー処理を行うことに
よって、歯車の芯部をベイナイト組織とし、表面をマル
テンサイト組織とする技術が公知である（熱処理技術協
会；第２０回字術講演大会予稿集（昭和６０年５月２３
日）第４９頁）。

しかし、この歯車製造法によれば、歯切加工工程におけ
る素材の切削性が非常に悪く、量産歯車には適用し難い
という問題点を有していた。

この発明は、上述したような従来の問題点に着目してな
されたもので、表面処理効果が大きく、例えば表面硬さ
が大であると共に、６部の靭性が大きく、疲労強度が大
であって長期の使用を可能にし、加えて成形性にも著し
く潰れた鉄鋼材料。

鉄鋼部品（製品）の表面強化方法を提供することを目的
としている。

［発明の構成」 （問題点を解決するための手段） この発明による鉄鋼の表面硬化方法は、前記鉄鋼のＡ１
変態点以上のオーステナイト域温度で表面処理を施した
のち、当該オーステナイトに加工を加えつつもしくは加
工を加えたのち冷却するようにしたことを特徴としてい
る。

この発明の一実施態様による表面強化方法は、鉄鋼のＡ
、変態点以上のオーステナイト域温度で、高温浸炭、普
通浸炭、浸炭窒化等の表面処理を全体的あるいは部分的
に実施したのち、その熱を利用して前記オーステナイト
に鍛造等の塑性加工を加え、加工を加えたまま、あるい
はその後直ちにＭｓ点以下まで急冷して焼入れする。

また、この発明の他の実施態様による表面強化方法は、
鉄鋼のＡ１変態点以上のオーステナイト域温度で、高温
浸炭、普通浸炭、浸炭窒化等の表面処理を全体的あるい
は部分的に実施したのち、４００〜７００℃程度に急冷
して前記オーステナイトの変態途中で鍛造等の塑性加工
を力ａえ、前記変態が完了する以前より望ましくは５０
％変態が終了する以前に急冷する。

この発明のさらに他の実施態様による表面強化方法は、
鉄鋼のＡｌ変悪点以上のオーステナイト域温度で、高温
浸度、普通浸炭、浸炭窒化等の表面処理を全体的あるい
は部分的に実施したのち、直ちにもしくは所定の温度ま
で冷却したあと前記オーステナイトに鍛造等の塑性加工
を加え、加工を加えたまま、あるいは加工後にベイナイ
ト温度域に保持してベイナイト変態させたのち、冷却す
る。

次に、この発明による表面強化法を第１図の恒温変態図
（Ｔ、Ｔ、Ｔ、図）をもとにさらに詳しく説明する。

第１図はＪＩＳ　　ＳＮＣＭ４２ＯＨ材の恒温変態図で
ある。

第１図に示すパターン■は、鉄鋼部品（製品）等を１０
００℃以上（図では約１０４０°Ｃ）に加熱してこの温
度で高温浸炭あるいは高温浸炭窒化を全体的もしくは部
分的に施したのち、加工率５０％で鍛造を行い、約９０
０℃で鍛造を終了したのち急冷（例えば６０℃の油中に
投入）して焼入れを行うものである。

また、第１図に示すパターン■は、鉄鋼部品（製品〕等
を１０００℃以上（図では約１０４０℃）に加熱してこ
の温度で高温浸度あるいは高温浸炭・窒化を全体的もし
くは部分的に施したのち、５００〜７００℃程度（図で
は約６００’Ｏ）の流動層炉あるいは中性塩浴炉等の恒
温保持炉内に装入し、全体が５００〜７００℃（図では
約６００℃）の温度となったときに温間鍛造を行って変
態途中で加工を続け、加工後直ちに急冷（例えば６０℃
の油中あるいは水中に投入）して焼入れを行うものであ
る。

さらに、第１図に示すパターン■は、鉄鋼部品（製品）
等に対して８００〜９６０℃で普通浸炭あるいは浸漬窒
化を施したのち、パターン（■と同様に恒温加熱および
塑性加工を行い、次いで急冷するものである。

さらにまた、第１図に示すパータン■は、前記パータン
■または■と同様にして温間鍛造までを行い、温間鍛造
後に２００〜３００℃（図では約２７０℃）のベイナイ
ト変態域に保持したのち急冷して、６部をベイナイト化
するものである。

この発明による表面強化法は、上述の４つの基本パター
ンに区別されるが、第２図は高温時の加工率と結晶粒度
との関係を示す図であって。

第２図に示すように、例えば１０４０℃で浸炭（１０〜
３０分〕すると、結晶粒度はＪＩＳＧ約２．５に粗大化
する。そして、これに加工率５０％の鍛造を行うと、粗
大化した結晶粒がＪＩＳ　　Ｇ約６に微細化し、靭性を
著しく高めることができるようになる。

この発明による表面強化方法では、浸炭あるいは浸炭窒
化を全体的に行うほか、所要の箇所に部分的に行うこと
も含まれ、また、前記浸度あるいは浸炭窒化を過剰に行
うことも含まれる。

また、表面強化される鉄鋼としては、一般的に使用され
るはだ焼用に適する鋼材（Ｓ−Ｃ材。

５−ＧＫ材、ＳＮＣ材、ＳＮＣＭ材、ＳＣｒ材。

ＳＣＭ材、ＳＭｎ材、ＳＭｎＣ材）が使用されるほか、
ＣＤ浸炭用鋼や２相浸炭用鋼を用いることもできる。

（実施例１） ＪＩＳ　　５２０Ｃ鋼からなるパイプ（外径２５ｍｍＸ
内径１５ｍｍ）を素材とし、第１図に示したパターン■
に従って、第３図に示すように、１０４　ＣＬ”Ｏで５
０分の真空浸炭処理（浸炭深さ１．０ｍｍ）を施したの
ち、平型回転鍛造機で加工率３０％の加工を行った。続
いて、約９００°Ｃの温度から６０℃の油中に焼入れし
、１８０℃で焼もどしを施した後片面に０．１ｍｍの研
磨仕上を行ってピストンピンを製作した。

ここで得られたピストンピンの浸炭硬化深さは０．６ｍ
ｍ、浸炭層の硬さはＨｖ８００　、芯部の硬さはＨｖ２
８０であり、普通焼入品に比較して芯部で約１５％、浸
炭層で約５０％それぞれ硬さが向上し、高強度のピスト
ンピンを得ることができた。

ところで、炭素を約１．０％含む浸炭層と、０．２％Ｃ
の芯部の各々１０００℃における伸びは同じ約８５％、
変形抵抗も同じ約２０ｋｇｆ／ｍｍ’であり、浸炭層も
芯部もほぼ同じ変形率であることは文献等（例えば、成
形加工論昭和５１年ｌＯ月第５３．５４頁〕で公知であ
る。したがって、仕上り必要浸度層深さＪま加工率と研
磨代を考慮してあらかじめ決めておく必要がある。

また、焼入れ焼もどしの際の相変態による寸法変化は避
は難いものであるので、あらかじめ予備実験により鍛造
仕上り寸法を決めておけば問題はない。

（実施例２） ＪＩＳ　　ＳＮ０Ｍ４２ＯＨ鋼からなる丸棒（直径５０
ｍｍ）を素材とし、第１図に示したパターン■に従って
、第４図に示すように、前記丸棒に９３０℃で５時間の
浸炭処理（深さ１．２ｍｍ）を施し、次いで６００℃の
流動層炉に投入し、約１分間保持した後、歯形張り出し
温間鍛造法（型温度２００℃）で歯車形状に鍛造し、そ
の後直ちに油冷してモジュール３．歯数１７枚の平歯歯
車を製造した。

（実施例３） ＪＩＳ　　５２０Ｃ鋼からなる丸棒（直径５０ｍｍ）を
素材とし、ｒ３を図に示したパターン■に従って、第３
図に示すように、前記丸棒に１０４０℃で２５分の高温
浸炭および５０分の拡散処理（深さ１．２ｍｍ）を施し
、次いで転造用平ダイス（ダイス温度２００℃）で歯車
形状に転造した後約９００℃から油冷して、モジュール
３、歯数１７枚の平歯歯車を製造した。

（実施例４） ＪＩＳ　　Ｓ０Ｍ４２ＯＨ鋼からなる丸棒（直径５０ｍ
ｍ）を素材とし、第１図に示したパターン■に従って、
第５図に示すように、前記丸棒に１０４０℃で２５分の
高温浸炭および５０分の拡散処理（深さ１．２ｍｍ）を
施した後、６００℃の中性塩浴炉に投入し、約３分保持
したのち転造用丸ダイス（ダイス温度２００℃）で歯車
形状に転造し、その後直ちに油冷して、モジュール３゜
歯数１７枚の平歯歯車を製造した。

（評価例１〕 以上の実施例２〜４において製造した各歯車に対し、油
圧式歯車曲げ疲労試験機による試験を行うことによって
、各歯車の歯元疲労強度を調べると共に、歯面硬さおよ
び歯元芯部硬さを調べた。

さらに、同条件で処理した５Ｒシヤルピ一衝撃試験片を
用いてシャルピー衝撃値を測定した。そして、これらの
値をガス浸炭および真空浸炭した場合の特性と比較して
表１に示す。

表１に示すように、実施例２〜４において製造した歯車
はいずれも歯面硬さが大で歯面の耐摩耗性に優れたもの
であると共に、歯元疲労強度もかなり大きくなっていて
長期間の使用に耐えうるちのであり、衝撃値もかなり増
大していて使用時に加えられた衝撃的な負荷に対しても
十分耐えうるちのであることが明らかである。

また１表面炭素濃度０．９％、有効浸炭層深さ０．６ｍ
ｍを得る場合におけるエネルギ比較を行ったところ、従
来の表面強化法では、−例において、鍛造加熱が１２０
０℃で５分、浸炭゛が９３０℃で２．５時間の加熱を行
うため、１ｋｇあたりおよそ０．９８ＫＷＨの熱源を必
要としたのに対し１本発明法では、−例において、浸炭
加熱が１　’０４０℃で２５分、拡散が６０分であり、
鍛造はこの際の熱を利用しているため、１ｋｇあたり０
．８９ＫＷＨの熱源ですみ、１ｋｇあたりおよそ９０Ｗ
Ｈの省エネルギを実現することができた。

（実施例５） ＪＩＳ　　３０Ｍ４２ＯＨ鋼からなる第６図に示す形状
の自動車用差動装置のりングギャ用プレフォーム１を用
いた。そして、このプレフォーム１に対し、１０４０℃
で２５分の高温浸炭および５０分の拡散処理（深さ１．
２ｍｍ）を施したのち、鍛造プレスによって第７図に示
すように歯形２とねじ用下穴３を有する歯車素材４を精
密鍛造成形し、鍛造終了温度９００℃でクエンチンググ
レスにより焼入れした０次いで、ねじ用下穴３の部分を
高周波誘導コイルで約１．５ｍｍの深さまでＨＲＣ２０
前後に焼もどし、続いてドリリングで浸炭層を取り除い
た後タップによりネジ切りをして仕上げることによって
、精密でかつ従来品に比較して歯元強度で２５％、ピッ
チング強度で１５％上まわる特性の憤れたりングギャを
得た。

（実施例６） ０．５５％Ｃ，０，２８％Ｓｉ、１．０３％Ｍｎ、１．
０％Ｎｉ、１．０％Ｃｒ、０．２％ＭＯを主成分とする
鋼を用い、第１図に示したパターン■に従って、第８図
に示すように、９３０°Ｃで２時間のガス浸炭を行った
後、６００℃の流動層炉中に約１分保持し、次いで歯形
張り出し温間鍛造法（型温度２００℃）で歯車形状に鍛
造した。その後直ちに２３０℃の油中に６０分間保持し
てベイナイト変態させた後水冷することにより、モジュ
ール３．歯数１７枚の平歯歯車を製造した。この歯車は
、全浸度硬化深さ０．４ｍｍ。

表面硬さＨｖ８００　、芯部硬さＨｖ６３０であり、ま
た歯面ピッチング寿命はＳ　ＣＭ４２０浸炭品の約５．
５倍に向上した。

し発明の効果コ 以上説明してきたように、この発明による表面強化方法
では、鉄鋼のＡ、変態点以上のオーステナイト域温度で
表面処理を施したのち、当該オーステナイトに加工を加
えて、Ｍｓ点以下まで急冷し、あるいはベイナイト発生
温度域に保持したのち急冷する冷却を行うようにしたか
ら、表面処理効果が大きく、例えば浸炭あるいは浸度窒
化による表面硬さが大であると共に６部の硬さおよび靭
性が大きく、疲労強度が大であって長期の負荷使用に耐
えることができると共に、加工時の成形性にも著しく優
れた鉄鋼材料および鉄鋼部品（製品）の表面強化法であ
り、各種ギヤ、シャフト、ビン、ロッド、リテーナ、ハ
ブ等々の表面処理して使用する機械構造用部品の製造に
適用して有効であるという著大なる効果がもたらされる
。

４、図面の１１ｉｌｌｌＪな説明 第１図はこの発明の実施態様を示すＳＮ０Ｍ４２０鋼の
恒温変態図、第２図は結晶粒径に及ぼす鍛造温度と加工
率の影響を示すグラフ、第３図、第４図および第５図は
各々この発明の実施例１．３．％施例２および実施例４
において採用した表面強化工程の説明図、第６図（ＩＬ
）　　（ｂ）はこの発明の実施例５において使用したり
ングギャ用プレフォームの各々左半正面図および断面図
、第７図（ｆｉＬ）　　（ｂ）はこの発明の実施例５に
おいて加工した歯車素材の各々左半正面図および断面図
、第８図はこの発明の実施例６において採用した表面強
化工程の説明図である。

第１図 Ｆ３力Ｆ＝’ｌ　（ＳｅＯ） 力り工率　シグ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄鋼のＡ＿１変態点以上のオーステナイト域温度
   で表面処理を施したのち、当該オーステナイトに加工を
   加えて冷却することを特徴とする表面強化方法。