(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を８００〜８８０℃の処理温度で、雰囲気の炭素濃度を処理温度に相当するＡcm線交点以上の高炭素濃度にして浸炭窒化する浸炭窒化処理工程と、引き続きこの鋼材を前記浸炭窒化温度より２０〜４０℃高い温度に加熱した後、焼入れする焼入処理工程とを含むことを特徴とする鋼材の高濃度浸炭焼入方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、浸炭窒化処理工程は、炭化物を析出させる工程であり、前記加熱・焼入処理工程は、粒界に沿って析出した網目状の炭化物のみをオーステナイトに固溶させ、粒界に析出した粒状炭化物を残し、焼入れによりオーステナイトがマルテンサイトに変態した際に、マルテンサイト内に、前記粒界に析出した粒状炭化物を、略均一に分布させる工程であることを特徴とする鋼材の高濃度浸炭焼入方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、浸炭窒化処理工程は、浸炭雰囲気の炭素（Ｃ）濃度を０．７〜１．２％とし、アンモニアガス（ＮＨ3）を３〜８％添加して処理する工程であることを特徴とする鋼材の高濃度浸炭焼入方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記焼入処理工程後に、サブゼロ処理工程と焼戻処理工程とを含むことを特徴とする鋼材の高濃度浸炭焼入方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法において、処理鋼材表面に煤が付着しないように、前記Ｃ濃度およびＮＨ3添加量を制御することを特徴とする鋼材の高濃度浸炭焼入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、歯車，ベアリング，カム構成部品等の接触疲労強度や耐摩耗性を必要とする一般機械部品や駆動力伝達部品、特に回転や摺動の摩擦熱により硬度低下を伴うような自動車用部品等に好適な高濃度浸炭焼入方法およびこの方法を適用した高濃度浸炭焼入部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に機械部品においては、部品の表面硬度を高めて耐摩耗性を与え、部品内部は比較的軟らかい状態にして強靱性を保たねばならない場合が多い。この目的のために、鋼に浸炭焼入や浸炭窒化焼入を施すことがよく行われる。使用される鋼は、炭素含有量０．２％程度の炭素鋼および合金鋼で、炭素肌焼鋼，合金肌焼鋼，機械構造用鋼，合金機械構造用鋼などが用いられる。クロム鋼，クロムモリブデン鋼，ニッケルクロムモリブデン鋼などは、その代表的な素材である。
【０００３】
ところで、上記浸炭焼入方法としては、Ａcm変態以下の炭素濃度の浸炭雰囲気で行う通常の浸炭方法と、雰囲気の炭素濃度を処理温度に相当するＡcm線交点以上の高炭素濃度にして炭化物を生成させる方法があり、高い表面硬度が必要とされる場合には、後者の高炭素浸炭法（または高濃度浸炭法）が採用されることが多い。前記高濃度浸炭法の場合、粒界に沿って網目状に炭化物が析出する。この炭化物が析出した材料は、通常の浸炭方法に比べて硬度は高く耐摩耗性に優れるが、材料強度が低下する欠点がある。
【０００４】
そのため、Ａ1 変態を利用して前記網目状炭化物を粒状化することが、従来一般的に行われている。即ち、浸炭温度（通常、９００℃以上）から、Ａ1 変態温度以下に下げる又はＡ1 変態温度付近の温度に長時間保持して、網目状炭化物を粒状化して、その後、再度加熱して焼入れ処理を行っている。
【０００５】
例えば、米国特許明細書（ＵＳＰ５，５９５，６１０）には、自動車用部品に好適な、特に曲げ疲労強度の優れた表面硬化部品の製造方法として、下記の方法が記載されている。即ち、例えば９３０℃において浸炭した後、例えば２０℃／分の速度で徐冷し、次いで８００℃の温度に加熱保持した後、一旦７５０℃に降下させて保持した後、焼入れを行なうことにより、表面層をマルテンサイトと残留オーステナイトが主体となる混在組織とする製造方法が記載されている。
【０００６】
さらに、米国特許明細書（ＵＳＰ４，９１３，７４９）には、ころがり軸受け用部品の表面硬化方法として、９７０℃において浸炭した後、約３００℃に冷却保持し、８０５℃で焼入れを行なうか、もしくは、８０５℃焼入れ前に、６１０℃で焼なましを行なう製造方法が記載されている。
【０００７】
また、特開平１１−１１７０５９号公報には、９８０℃以上での高温浸炭時において、セメンタイトの析出を防止するための鋼中成分とその浸炭方法が記載されており、さらに同公開公報の従来技術の項には、近年の浸炭方法として、下記の方法が記載されている。
【０００８】
即ち、近年では、ＲＸガス（吸熱型変成ガス）をキャリヤーガスとし、ブタンガスなどをエンリッチガスとして利用したＲＸガス浸炭を９５０〜１０００℃の高温度で実施する高温度浸炭方法や、炭化水素ガスを減圧下で分解させた還元雰囲気中で浸炭・拡散する真空浸炭方法なども行われている。
【０００９】
さらに、特別な浸炭方法として、二度以上の浸炭サイクルを繰り返して、少なくともその内の１サイクル以上をＡcm炭素濃度以上の炭素濃度雰囲気下で浸炭させる方法も提案されている。
【００１０】
さらにまた、網目状炭化物を生成し難くするために、上記浸炭方法以外に、特殊な組成を有する鋼を使用して高濃度浸炭を行う方法も提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の高濃度浸炭法および高濃度浸炭焼入部品においては、下記のような問題があった。
１）前述のように、高濃度浸炭法の場合、網目状炭化物を消失させることにより、材料の強度低下を抑制する必要があるが、浸炭温度が高くかつ処理工程が複雑である。また、高濃度浸炭法の場合、残留オーステナイトが生じ易く、そのために硬度が低くなる傾向があり、これにより耐摩耗性も低下する問題がある。
２）また、高濃度浸炭法の場合、前述のように雰囲気の炭素濃度を高める必要があるが、この場合、処理過程で煤が発生し、いわゆるスーティングの問題が発生し易い。煤が処理設備の炉材に付着した場合には、炉材寿命に問題を生じ、また、処理部材に付着した場合には、部品の光輝性を損なう問題がある。
３）また、高濃度浸炭焼入部品としては、前述のような特殊な組成を有する鋼を使用することなく、より簡略化した処理方法によって、高い表面部分硬度，耐摩耗性，耐疲労性等が得られたものが要請される。特に、高温度において摺動を伴うような自動車用部品等においては、高い硬度は勿論のこと、大きな軟化抵抗、即ち、高温度における部品表面硬度が常温における部品表面硬度より低下しないような部品が要請される。
【００１２】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、従来に比較して浸炭温度が低くかつ簡単な処理工程により、所望の機械的特性が得られ、かつ煤の発生の問題が生じない鋼材の高濃度浸炭焼入方法を提供し、さらに、表面部分硬度，耐摩耗性，耐疲労性，大きな軟化抵抗等の優れた機械的特性を備え、特に自動車用部品として好適な高濃度浸炭焼入部品を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、高濃度浸炭焼入方法において、鋼材を８００〜８８０℃の処理温度で、雰囲気の炭素濃度を処理温度に相当するＡcm線交点以上の高炭素濃度にして浸炭窒化する浸炭窒化処理工程と、引き続きこの鋼材を前記浸炭窒化温度より２０〜４０℃高い温度に加熱した後、焼入れする焼入処理工程とを含むことを特徴とする（請求項１の発明）。
【００１４】
また、上記請求項１の発明は、鉄−炭素系平衡状態図上の作用に基づけば、以下の高濃度浸炭焼入方法ということができる。即ち、請求項１記載の方法において、浸炭窒化処理工程は、炭化物を析出させる工程であり、前記加熱・焼入処理工程は、粒界に沿って析出した網目状の炭化物のみをオーステナイトに固溶させ、粒界に析出した粒状炭化物を残し、焼入れによりオーステナイトがマルテンサイトに変態した際に、マルテンサイト内に、前記粒界に析出した粒状炭化物を、略均一に分布させる工程とする（請求項２の発明）。
【００１５】
さらに、前記請求項１または２の発明の実施態様としては、請求項１または２記載の方法において、浸炭窒化処理工程は、浸炭雰囲気の炭素（Ｃ）濃度を０．７〜１．２％とし、アンモニアガス（ＮＨ3）を３〜８％添加して処理する工程とする（請求項３の発明）。
【００１６】
即ち、上記方法においては、雰囲気の炭素濃度を処理温度に相当するＡcm線交点以上の高炭素濃度にして、従来法より低温の８００〜８８０℃にして浸炭窒化を行い、炭化物を析出させ、その後、前記浸炭窒化温度より若干高い温度、例えば２０〜４０℃高い温度で加熱し焼入れする。この焼入温度に加熱する過程で、粒界に沿って析出した網目状の炭化物のみをオーステナイトに固溶させ、結晶粒の境界に析出した炭化物は残し、焼入組織としてのマルテンサイト内に略均一に粒状に分布させることができる。
【００１７】
さらに、より好ましくは、上記方法において、アンモニアガスを雰囲気に添加することにより、鉄−炭素系平衡状態図において、よく知られたように、Ａ1 変態点およびＡcm変態線は左下方に移動する。そのため、雰囲気の炭素濃度を普通の浸炭処理の濃度として炭化物を析出でき、また、処理温度も低下できる。それ故にさらに、煤の発生も抑制しやすい。
【００１８】
前記請求項１ないし３の発明の鋼材の高濃度浸炭焼入方法によれば、従来に比較して浸炭温度が低くかつ処理工程が簡略化され、また後述するように、表面部分硬度，耐摩耗性，耐疲労性，大きな軟化抵抗等の優れた機械的特性を備えた高濃度浸炭焼入部品を提供することができる。対象となる鋼材としては、前述した炭素肌焼鋼，合金肌焼鋼，機械構造用鋼，合金機械構造用鋼などが使用できる。
【００１９】
また、前記請求項１ないし３の発明の実施態様としては、請求項４の発明がさらに好適である。即ち、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記焼入処理工程後に、サブゼロ処理工程と焼戻処理工程とを含むこととする。サブゼロ処理工程は、例えば−６０℃の深冷処理をする工程で、周知のように、残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させ、硬度や耐摩耗性の向上を図る上で、好適である。また、焼戻処理工程は、例えば２００℃前後で焼戻しすることにより、一部炭化物，窒化物などを微細析出せしめ、また焼入れによって生じたマクロ的内部応力を一部除去調整する上で、好適である。
【００２０】
さらに、処理部品表面に煤が付着しないようにするためには、請求項４の発明が好ましい。即ち、請求項３に記載の方法において、処理鋼材表面に煤が付着しないように、前記Ｃ濃度およびＮＨ3添加量を制御することとする。
【００２１】
次に、高濃度浸炭焼入部品に関わる発明としては、請求項６ないし８の発明が好適である。まず、請求項６の発明によれば、肌焼鋼や機械構造用鋼等の高濃度浸炭焼入部品において、浸炭層はマルテンサイト内に粒状炭化物が略均一に分散してなる組織を有し、かつ、部品表面から少なくとも０．５mm深さまでの部材硬度ＨV（300g）が、５５０以上であるものとする。これにより、特殊な組成を有する鋼を使用することなく、高い表面部分硬度，耐摩耗性，耐疲労性等を有する部品が提供できる。
【００２２】
また、請求項７の発明によれば、前記請求項６に記載のものにおいて、前記肌焼鋼はクロムモリブデン鋼であり、部品表面硬度が少なくとも２００℃において、常温における部品表面硬度と同等であるものとする。これにより、大きな軟化抵抗が必要とされ、摩擦熱を伴って摺動または回転するような自動車用部品等に好適なクロムモリブデン鋼の部品が提供できる。
【００２３】
さらに、請求項８の発明によれば、前記請求項６または７に記載のものにおいて、高濃度浸炭焼入部品は、ピニオンシャフト，ガバナシャフト，流体軸受シャフト，バルブシート，ギアスリーブ，ターボチャージャー関連部品等の自動車用部品とする。特に、前記ピニオンシャフトは、２２０℃前後において表面硬度の低下がないこと、および耐摩耗性や耐焼付き性の向上が要請され、従来、部品表面に無電界Ｎｉメッキが施されている。また、前記ガバナシャフトは、硬質クロムメッキが施されている。この発明の高濃度浸炭焼入部品を適用することにより、これらのメッキの実施を省略することも可能であり、この発明の技術的，商業的価値は大きい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１ないし図９に基づき、この発明の実施例について以下に述べる。
【００２５】
（実施例１）
図１に、この発明の実施例１に関わる高濃度浸炭焼入処理工程を示す。同図において、被処理部材は、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５（JIS G 4105）で、その寸法は、直径18mm，長さ100mmとした。図１に示すように、第１の浸炭窒化処理工程において、浸炭窒化温度は８３０℃、雰囲気の炭素濃度を０．９％とし、アンモニアガスを５％添加し、処理時間を２４０分とした。その後、８６０℃に加熱し、その温度に５分間保持してから６０℃の焼入油で焼入れし、さらに焼入れ後、−６０℃でサブゼロ処理を行い、室温に戻した後、１７０℃で１２０分間の焼戻しを行った。なお、この実施例において、８６０℃に加熱する際の温度上昇速度は、２０℃／１０分とした。粒界に沿って析出した網目状の炭化物のみをオーステナイトに固溶させるために、この温度上昇速度を早くする場合には、８６０℃での保持時間を長めにするのが良い。
【００２６】
上記によって処理された部材の表面硬度は、ＨV（300g）で９６０で、非常に高い硬度が得られた。通常の浸炭焼入法によれば、一般に、ＨV（300g）は７２０〜７８０程度である。表面硬度分布や浸炭層の金属組織などについては、異なる実施例と共に後述する。
【００２７】
（実施例２）
図２に、この発明の実施例２に関わる高濃度浸炭焼入処理工程を示す。同図において、被処理部材は、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５（JIS G 4105）で、その寸法は、直径20mm，長さ100mmとした。図２に示すように、第１の浸炭窒化処理工程において、浸炭窒化温度は８２０℃、雰囲気の炭素濃度を０．８％とし、アンモニアガスを５％添加し、処理時間を１２０分とした。その後、８４０℃に加熱しその温度に１分間保持し、その後の処理は、実施例１と同様に行った。８４０℃までの温度上昇速度も実施例１と同じとした。上記のようにして処理された部材の表面硬度は、ＨV（300g）で９４０で、実施例１と同様に非常に高い硬度が得られた。
【００２８】
（実施例３）
図３に、実施例３に関わる処理部材の表面硬度および深さ方向の硬度分布の測定結果を示す。また、図６および図７に、この実施例３に関わる浸炭層金属組織の表面組織および断面組織の顕微鏡写真を示す。実施例３における被処理部材は、前記ピニオンシャフト用部材としてのクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１８（JIS G 4105）とした。高濃度浸炭焼入処理工程は、実施例１と同様とした。
【００２９】
図３に示すように、表面硬度は９８０と極めて高く、表面から０．５mmの深さにおいても、その硬度は６２０と高い硬度を示す部品が得られた。
【００３０】
図６および図７の表面組織および断面組織の顕微鏡写真によれば、網目状の炭化物は存在せずに、マルテンサイト内に微細な粒状炭化物（写真の白い部分）が析出しており、また、この粒状炭化物は、表面から深いところにまで分布していることが分かる。なお、図７の写真において、４個の菱形の黒色部分は、硬度測定時のダイヤモンド圧痕である。
【００３１】
この実施例によるピニオンシャフト用部材は、前記のような高い硬度と炭化物の分布により、耐摩耗性と耐焼付き性が高く、また、部材の温度上昇に伴う表面硬度の低下は、少なくとも２２０℃までは生ずることなく、大きな軟化抵抗を有することが確認された。
【００３２】
（実施例４）
図４に、実施例４に関わる処理部材の表面硬度および深さ方向の硬度分布の測定結果を示す。また、図８および図９に、この実施例４に関わる浸炭層金属組織の表面組織および断面組織の顕微鏡写真を示す。実施例４における被処理部材は、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５（JIS G 4105）とした。高濃度浸炭焼入処理工程は、実施例２と同様とした。
【００３３】
図４に示すように、表面硬度は９４０と非常に高く、表面から０．５mmの深さにおいても、その硬度は６００と高い硬度を示す部品が得られた。さらに、表面から１．０mmの深さにおいても、その硬度は５８０と高い硬度を示した。
【００３４】
図８および図９の表面組織および断面組織の顕微鏡写真によれば、実施例３と同様に、網目状の炭化物は存在せず、マルテンサイト内に微細な粒状炭化物が析出しており、また表面から深いところにまで分布していることが分かる。
【００３５】
（実施例５）
図５に、実施例５に関わる処理部材の耐摩耗性や耐焼付き性を評価するための摩擦係数の測定結果を示す。この実施例における試験片は、ピニオンシャフト用部材としてのクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５（JIS G 4105）とした。
【００３６】
図５において、縦軸は摩擦係数を示し、横軸は試験時間（秒）を示す。図中、Ａで示す測定結果は、ＳＣＭ４１５に従来の通常の浸炭焼入れおよび焼戻しを施した基材に対して、表面処理として、実施例１と同様の高濃度浸炭焼入処理工程を施したものの測定結果を示し、Ｂで示す測定結果は、前記表面処理をしない、即ち、下記表１において未処理としたものの測定結果を示す。
【００３７】
図５は、Falex式摩耗試験機によって測定したもので、固定試験片，回転試験片等の試料および試験条件などは、下記表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
図５に示す結果から明らかなように、この発明の高濃度浸炭焼入処理を施したＡの回転試験片は、Ｂに比較して、摩擦係数がかなり小さくなり、本発明の適用により、ピニオンシャフト用部材や流体軸受シャフトなどの回転部材の耐摩耗性や耐焼付き性が向上することが判る。
【００４０】
以上、５つの実施例について説明したが、この技術思想の範囲内において、処理工程上の種々の変更は可能である。特に、焼入れにおける冷却温度、サブゼロ処理や焼戻しにおける処理温度，処理時間，処理雰囲気などは、上記実施例に限定されない。
【００４１】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、高濃度浸炭焼入方法において、鋼材を８００〜８８０℃の処理温度で、雰囲気の炭素濃度を処理温度に相当するＡcm線交点以上の高炭素濃度にして浸炭窒化する浸炭窒化処理工程と、引き続きこの鋼材を前記浸炭窒化温度より２０〜４０℃高い温度に加熱した後、焼入れする焼入処理工程とを含むこととし、さらに好ましくは、前記浸炭窒化処理工程は、例えば、浸炭雰囲気の炭素（Ｃ）濃度を０．７〜１．２％とし、アンモニアガス（ＮＨ3）を３〜８％添加して処理することとしたので、従来に比較して浸炭温度が低くかつ簡単な処理工程により、粒状炭化物をマルテンサイト内に略均一に、表面から深い部分まで分布させることができる。
【００４２】
その結果、表面部分硬度，耐摩耗性，耐疲労性，大きな軟化抵抗等の優れた機械的特性を備え、前述のような一般機械構造部品，一般駆動力伝達部品、特に自動車用部品として好適な高濃度浸炭焼入部品を提供することができる。また、この発明の高濃度浸炭焼入部品は、その部材硬度の高温度における安定した高さ故に、工具鋼として適用されている高速度鋼（ハイス鋼）への代替材料としての利用も期待できる。
【００４３】
さらに、高濃度浸炭焼入における粒状炭化物の大きさと分布の調整、ひいては所望の機械的特性への対応調整は、処理条件次第で容易であり、また部材への煤の発生の抑止も容易に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に関わる高濃度浸炭焼入処理工程の一例を示す図
【図２】この発明に関わり図１とは異なる処理工程の一例を示す図
【図３】実施例３に関わる処理部材の表面硬度および深さ方向の硬度分布の測定結果を示す図
【図４】実施例４に関わる処理部材の表面硬度および深さ方向の硬度分布の測定結果を示す図
【図５】実施例５に関わる処理部材の摩擦係数の測定結果を示す図
【図６】実施例３に関わる処理部材の浸炭層金属組織の表面組織の顕微鏡写真
【図７】実施例３に関わる処理部材の浸炭層金属組織の断面組織の顕微鏡写真
【図８】実施例４に関わる処理部材の浸炭層金属組織の表面組織の顕微鏡写真
【図９】実施例４に関わる処理部材の浸炭層金属組織の断面組織の顕微鏡写真
【符号の説明】
なし
【図１】
0003677462.tif 000003
【図２】
0003677462.tif 000004
【図３】
0003677462.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003677462.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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