(57)【要約】【課題】浸炭時間の増加を抑制しつつ鋼材部品のクリープ変形の発生を抑制できる鋼材部品の熱処理方法を提供する。【解決手段】鋼材部品１を９００〜９８０℃の浸炭温度で浸炭処理したのち、続けて、前記鋼材部品を８２０〜９００℃の窒化温度で窒化処理し、続けて焼入れ処理する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材部品を９００〜１２００℃の浸炭温度で浸炭処理したのち、
前記鋼材部品を前記浸炭温度以下の窒化温度で窒化処理する鋼材部品の熱処理方法。
【請求項２】
鋼材部品を９００〜９８０℃の浸炭温度で浸炭処理したのち、
続けて、前記鋼材部品を８２０〜９００℃の窒化温度で窒化処理する鋼材部品の熱処理方法。
【請求項３】
鋼材部品を１０２０〜１２００℃の浸炭温度で浸炭処理したのち、
前記鋼材部品を６５０℃以下に冷却し、
その後、前記鋼材部品を８２０〜９００℃の窒化温度で窒化処理する鋼材部品の熱処理方法。
【請求項４】
前記窒化処理に続けて焼入れ処理を行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼材部品の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材部品の熱処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材部品の浸炭焼入熱処理は、鋼材部品の表面に炭素を浸透させ、急冷することで表面に硬く緻密な炭素マルテンサイト組織を形成、鋼材部品の表面の耐摩耗性と衝撃強度を向上させる技術である。鋼材部品の浸炭処理の炭素拡散速度は、拡散方程式∂ｃ／∂ｔ＝Ｄ（∂２ｃ／∂ｘ２）に依り、金属材料の場合の拡散係数Ｄは、Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）により決定される。Ｄ０は材料振動数因子、Ｅａは拡散の活性エネルギ、ｋは気体定数、Ｔは温度であり、拡散係数Ｄは温度Ｔが高くなるほど大きくなるので、浸炭時間を短縮するには浸炭温度を高くすることが有効となる。しかしながら、ある温度以上の高温で金属を保持するとクリープ変形が発生し、保持時間に応じて重力による変形が発生する。クリープ変形の規模は、処理温度Ｔ，材料定数Ｃ，処理時間ｔｒとしたときに、ラーソンミラーパラメータＰ＝Ｔ（Ｃ＋logｔｒ）に依り、温度が高くまた時間が長くなるほど、浸炭焼入熱処理時のクリープ変形量が増加する。このため、浸炭熱処理時のクリープ変形を抑制するために、８００〜１２００℃の浸炭温度で鋼材の表面を浸炭処理する方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２１０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来方法では、１２００℃以下の温度で浸炭処理するので、鋼材部品の融点以下の最高浸炭温度１４００℃に比べると、上記拡散係数の関係式Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）に依れば、浸炭時間が約３倍になるという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、浸炭時間の増加を抑制しつつ鋼材部品のクリープ変形の発生を抑制できる鋼材部品の熱処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、鋼材部品を通常の浸炭温度より低い温度で浸炭処理したのち、鋼材部品を浸炭温度以下の窒化温度で窒化処理することによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、通常の浸炭温度より低温で浸炭処理することによりクリープ変形の発生を抑制できるが、これに加えて浸炭処理後に窒化処理することにより鋼材部品の表面の硬度を高めることができ、これによってもクリープ変形の発生が抑制できる。したがって、上記低温での浸炭処理時間を短くしても窒化処理により高硬度の表面となるため、熱処理工程トータルで、浸炭時間の増加を抑制しつつ鋼材部品のクリープ変形の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る鋼材部品の熱処理方法に適用される鋼材部品の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る鋼材部品の熱処理の一実施の形態の温度と時間の関係を示すグラフである。
【図３】図２の浸炭処理による硬度と窒化処理による硬度を示すグラフである。
【図４】本発明に係る鋼材部品の熱処理の他の実施の形態の温度と時間の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例１と比較例１のクリープ変形量を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る鋼材部品の熱処理方法に適用される鋼材部品の一例を示す斜視図である。図示する鋼材部品１は、可変圧縮比エンジンのマルチリンクを構成する部品である。このマルチリンクは、たとえば特開２０１７−０８８９２２の図６及び図７に記載されたように、一対の鋼材部品１が相互に対称に組み合わされてネジで結合された構成であり、クランクシャフトを回転軸として圧縮比を変更する分だけ回転する。
【００１０】
本実施形態の鋼材部品１は、半円形状の軸受部１１と、一対のピン圧入部１２と、ネジ部１３とを備える。一対のピン圧入部１２とネジ部１３との間に軸受部１１が設けられている。軸受部１１は、クランクシャフトの軸受を構成する。一対のピン圧入部１２は、アッパーリンク又はコントロールリンクを連結するためのピンを圧入する孔を有する。ネジ部１３は、ネジを螺合させるネジ孔１３Ａを有する。図示は省略するが、一対のピン圧入部１２の間にはネジが挿通されるネジ孔が形成されており、このネジ孔に挿通されたネジが、他方の鋼材部品１のネジ孔１３Ａに螺合する。
【００１１】
本実施形態の鋼材部品１は、まず原材料を鍛造加工してリンク形状の外形を有する鋼材部品１を形成する。この鍛造加工では、鋼材部品１のネジ部１３に、ネジ溝の無い孔１３Ｂを形成する。次に、面削加工を実施し、鋼材部品１の表面の黒皮を除去する。この後に、焼入れなどの表面硬化処理を実施し、鋼材部品１の表面全体を熱処理により硬化させる。表面硬化処理としては、焼入れ、浸炭焼入れ、窒化焼入れ又は浸炭窒化焼入れ等の熱処理が挙げられる。以下、鋼材部品１の材料が、クロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０Ｈからなり、鋼材部品１の表面全体に対して浸炭窒化焼入れを行うものとして、本発明に係る熱処理方法を説明する。なお、クロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０Ｈとは、鉄以外の成分として、Ｃを０．１７〜０．２３重量％，Ｃｒを０．８５〜１．２０重量％，Ｓｉを０．１５〜０．３５重量％，Ｍｎを０．６０〜１．００重量％，Ｐを０．０３重量％以下，Ｓを０．０３重量％以下，Ｎｉを０．２５重量％以下、Ｃｕを０．３重量％以下含む鋼材である。ただし、本発明に係る鋼材部品はクロム鋼鋼材にのみ限定されず他の鋼材をも用いることができる。また、クロム鋼鋼材からなる場合であっても、例示する温度には何ら限定されるものではない。
【００１２】
上述したとおり、高浸炭温度で生じるクリープ変形を抑制するために浸炭温度を低くすると浸炭時間が長くなるというトレードオフの関係を踏まえ、本実施形態では、浸炭温度を通常の温度より低くすることに加え、浸炭処理後に窒化処理することで鋼材部品１の表面硬度を高め、これにより浸炭時間を短縮する。すなわち、浸炭時間の問題は窒化処理により補う。
【００１３】
図２は、本発明に係る鋼材部品の熱処理の一実施の形態の温度と時間の関係を示すグラフである。本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法では、まず時間ｔ０〜ｔ１において鋼材部品１を熱処理炉に投入して浸炭温度まで昇温する。この浸炭温度は、たとえば９００〜９８０℃であり、浸炭時間は鋼材部品１に要求される硬度によって適宜に定められる。時間ｔ１〜ｔ２において、９００〜９８０℃の低温で浸炭処理を行うことで、鋼材部品１の、特に一対のピン圧入部１２のような構造的に低強度で寸法精度（一対のピン圧入部１２間の距離Ｌ）が求められる部位にクリープ変形が生じるのを抑制する。
【００１４】
時間ｔ２において浸炭処理を終了したら、これに続けて時間ｔ２〜ｔ３で熱処理炉内の雰囲気温度を８２０〜９００℃に降温し、熱処理炉内に窒素ガスを導入することで時間ｔ３〜ｔ４において窒化処理を行う。これにより、図２の下の断面図に示すように、鋼材部品１の表面に形成された浸炭層の表面域に窒化層が形成されることになる。なお、断面図に示す酸化クロム層は、浸炭処理により鋼材部品１の表面に生じる薄く緻密なＣｒ−Ｃ−Ｏ膜であり、窒素の拡散を阻害するため、窒化処理の時間ｔ３〜ｔ４は、鋼材部品１の表面が十分な硬度になる時間に設定する。
【００１５】
図３の点線は、時間ｔ１〜ｔ２の浸炭処理による鋼材部品１の表面からの深さに対する硬度を示し、図３の実線は、時間ｔ１〜ｔ２の浸炭処理と時間ｔ２〜ｔ３の窒化処理による鋼材部品１の表面からの深さに対する硬度を示すグラフである。同図に示すように、浸炭処理によって表面硬度は高くなるが、窒化処理によりさらに表面硬度が高くなる。このように、鋼材部品１の表面に窒素を含浸させる窒化処理では、浸炭処理に加えて更なる強度向上ができるという利点があるが，低い温度でしか窒化処理はできず、また拡散速度が遅いため、強度を担保する窒化深さを深くできないという欠点がある。しかしながら、本実施形態では、浸炭処理の後で焼入保持温度まで温度を下げ、熱処理炉の雰囲気に窒化ガスを噴射させることにより、表面付近に窒化による硬化層を作ることができる。これにより、鋼材部品１の表面近傍の硬さを窒化にて担保させることで、通常より低温での浸炭処理時間を短縮することができ、トータルでの浸炭処理時間を低減でき、工程全体でのクリープ変形量を削減できる。
【００１６】
時間ｔ４にて窒化処理が終了したら、時間ｔ４〜ｔ５において鋼材部品１を急冷することで焼入れ処理する。以上の熱処理工程により、クリープ変形の発生を抑制しつつ鋼材部品１の表面の耐摩耗性と衝撃強度を向上させることができる。
【００１７】
図４は、本発明に係る鋼材部品の熱処理の他の実施の形態の温度と時間の関係を示すグラフである。本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法では、まず時間ｔ０〜ｔ１において鋼材部品１を熱処理炉に投入して浸炭温度まで昇温する。この浸炭温度は、たとえば１０５０℃であり、浸炭時間は鋼材部品１に要求される硬度によって適宜に定められる。時間ｔ１〜ｔ２において、１０５０℃の低温で浸炭処理を行うことで、鋼材部品１の、特に一対のピン圧入部１２のような構造的に低強度で寸法精度（一対のピン圧入部１２間の距離Ｌ）が求められる部位にクリープ変形が生じるのを抑制する。また、上述した図３に示す実施形態に比べて浸炭温度が高温であるため、浸炭時間を短縮することができる。
【００１８】
図４の時間ｔ２の断面図に示すように、浸炭処理により鋼材部品１の表面に薄く緻密なＣｒ−Ｃ−Ｏ膜（酸化クロム層）が生じ、この酸化クロム層は、その後の窒化処理時において窒素の拡散を阻害する。このため、上述した図３に示す実施形態の熱処理においては、窒化処理時間を十分に確保する必要がある。
【００１９】
これに対して、本実施形態では、時間ｔ２の浸炭処理を終了した鋼材部品１を、時間ｔ２〜ｔ３において、６５０℃以下、好ましくは６００℃以下に冷却し、鋼材部品１と酸化クロム層の熱膨張率の差を利用して、当該酸化クロム層に熱応力を加えることで酸化クロム層を破壊して除去する。この冷却処理時間は、酸化クロム層の破壊状況に応じて適宜の時間に設定すればよい。なお、その後、再び熱処理炉を窒化処理温度８２０〜９００℃まで昇温するが、この時間ｔ２〜ｔ４の冷却処理は、上述した図３の実施形態に比べて追加された処理であるが、酸化クロム層を除去することで、次の窒化処理時間が短縮されることと相殺される。また、浸炭温度を低温のうちでも比較的高い１０５０℃に設定することによっても、トータルの熱処理時間を短縮することができる。
【００２０】
時間ｔ３〜ｔ４で熱処理炉内の雰囲気温度を８２０〜９００℃に降温し、熱処理炉内に窒素ガスを導入することで時間ｔ４〜ｔ５において窒化処理を行う。これにより、図４の下図の断面図に示すように、酸化クロム層が除去された、鋼材部品１の表面に形成された浸炭層の表面域に窒化層が形成されることになる。時間ｔ５にて窒化処理が終了したら、時間ｔ５〜ｔ６において鋼材部品１を急冷することで焼入れ処理する。以上の熱処理工程により、クリープ変形の発生を抑制しつつ鋼材部品１の表面の耐摩耗性と衝撃強度を向上させることができる。
【００２１】
図１に示すクロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０Ｈからなる鋼材部品１に対し、有効硬化層深さ（ＥＣＤ）が１．１±０．３ｍｍとなるように、図２に示す熱処理（実施例１）と、図４に示す熱処理（実施例２）を実施した。また比較例１として、同じ鋼材部品１に対し、浸炭処理のみ（浸炭処理後の窒化処理を実施しない）を実施した。これら熱処理後における各鋼材部品１の表面のロックウェル硬度（ＨＲＣ）、図１に示す一対のピン圧入部１２間の距離Ｌのクリープ変形量、トータルの熱処理時間を表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
上記実施例１及び２と比較例１とを比べると、実施例１及び２はともに、表面硬度が硬くなり、クリープ変形量が小さく、処理時間が短くなっている。特に実施例２のクリープ変形量の低下と処理時間の短縮の効果が著しい。
【００２４】
図１に示すクロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０Ｈからなる鋼材部品１に対し、有効硬化層深さ（ＥＣＤ）が１．３となるように、サンプル数を増やし、図２に示す熱処理（実施例１）を実施して、図１に示す一対のピン圧入部１２間の距離Ｌのクリープ変形量を測定した。また比較例１として、同じ鋼材部品１に対し、浸炭処理のみ（浸炭処理後の窒化処理を実施しない）を実施して、図１に示す一対のピン圧入部１２間の距離Ｌのクリープ変形量を測定した。この結果を図５に示す。実施例１は、比較例１に比べ、クリープ変形量が小さくなっている。
【００２５】
以上のとおり、本実施形態の鋼材部品の熱処理方法によれば、通常の浸炭温度より低温である９００〜１２００℃で浸炭処理することによりクリープ変形の発生を抑制できる。またこれに加えて、浸炭処理後に窒化処理することにより鋼材部品１の表面の硬度を高めることができ、これによってもクリープ変形の発生が抑制できる。したがって、上記低温での浸炭処理時間を短くしても窒化処理により高硬度の表面となるため、熱処理工程トータルで、浸炭時間の増加を抑制しつつ鋼材部品のクリープ変形の発生を抑制することができる。
【００２６】
また、本実施形態の鋼材部品の熱処理方法によれば、浸炭処理を終了した鋼材部品１を６５０℃以下、好ましくは６００℃以下に冷却するので、浸炭処理によって鋼材部品１の表面に形成される酸化クロム層を破壊して除去することができる。その結果、その後の窒化処理においては、窒素の拡散を阻害する酸化クロム層が除去されていることから、短時間で窒化処理を終了することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１…鋼材部品
１１…軸受部
１２ピン圧入部
１３…ネジ部
１３Ａ…ネジ孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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