(57)【要約】  鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を熱処理する方法であって、ａ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を、１．０を超えるカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、ｂ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を、０．６を超えるカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、ｃ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を焼入れするステップと、ｄ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を、ベイナイト処理にかけるステップと、を備える方法。
2015531029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を熱処理する方法であって、
ａ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を、１．０を超えるカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、
ｂ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を、０．６を超えるカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、
ｃ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を焼入れするステップと、
ｄ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を、ベイナイト処理にかけるステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記ステップａ）が１．０〜１．４のカーボンポテンシャルで行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステップｂ）が０．６〜１．２のカーボンポテンシャルで行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ステップａ）及び／又は前記ステップｂ）が９４０〜１０００℃の温度で行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ステップｄ）が２００〜２４０℃の温度で行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）が、１８ＣｒＮｉＭｏ７−６  鋼のような０．１〜０．４重量％の炭素濃度を有する鋼を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ｅ）  前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を冷却するステップと、
ｆ）前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）を１６０〜２４０℃で焼き戻すステップと、
を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）が、転がり要素若しくはころ、又は交互に生じるヘルツ応力にさらされる用途用の鋼コンポーネントを備えるか、転がり要素若しくはころ、又は交互に生じるヘルツ応力にさらされる用途用の鋼コンポーネントで構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記鋼コンポーネント（１０、１２、１４、１６）の以下の特性：残留圧縮応力（ＣＲＳ）、回転曲げ疲労（構造疲労）、荷重負担能力、耐摩耗性、耐腐食性、硬さ、トライボロジー的特性、靱性、耐用年数のうちの少なくとも１つを改善するための方法であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
ボアホール法を使用して表面から０．５〜１．０ｍｍで測定された１５０〜２００ＭＰａの平均ＣＲＳを示すことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法にかけられた鋼コンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼コンポーネントを熱処理する方法及びそのような方法によって処理された鋼コンポーネントに関する。
【０００２】
浸炭は、金属を硬くする意図を持って金属を、炭素を担持する物質の存在下で加熱する際に、鉄又は鋼が遊離した炭素を吸収する熱処理プロセスである。浸炭の時間と温度とに依存して、影響を受ける領域は炭素含有量が変化する。長い浸炭時間と高温とは、金属中へのより多い炭素の拡散と、炭素の拡散の増加する深さをもたらす。鉄又は鋼が焼入れによって急速に冷却される場合、外表面上では炭素含有量が高いほどオーステナイトからマルテンサイトへの変態を介して硬くなり、一方でコアはフェライト及び／又はパーライトの微細構造として、柔らかく強靭なままである。浸炭は、炭素を多く含む気体、液体、又は固体と接触して設置される炭素濃度の低いワークピースに通常、使用される。浸炭は、１０ｍｍまでの深さが硬い硬化層を有するワークピース表面と、強靭かつ延性を有するワークピースコアとを生成する。
【０００３】
金属の、浸炭された領域（硬化層）と基材（コア）との間に生じる体積変化は、残留圧縮応力（ＣＲＳ）を金属に生じさせる。金属に最大の圧縮応力を生じさせることが望ましい場合がある。しかし、金属を浸炭しすぎると、焼入れ割れ、表面に多くのオーステナイトが残ること、マルテンサイト収縮による寸法的非安定性、及び低いＣＲＳのリスクを生じる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、鋼を熱処理する改善された方法を提供することである。
【０００５】
この目的は、ａ）鋼コンポーネントを、１．０を上回るカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、次いでｂ）鋼コンポーネントを、０．６を上回るカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、ｃ）鋼コンポーネントを焼入れするステップと、鋼コンポーネントが冷却されたときにｄ）鋼コンポーネントにベイナイト処理を行うステップと、を備える方法によって達成され、これらステップは好ましくは連続して行われる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この方法は、浸炭のカーボンポテンシャル及び鋼コンポーネントを熱処理する際に使用される焼入れサイクルが、鋼コンポーネントの残留圧縮応力、したがってその物理特性に影響する、という洞察に基づいている。浸炭プロセスの拡散段階（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｐｈａｓｅ）（ステップｂ））に低いカーボンポテンシャルを使用すると、鋼コンポーネントは低い炭素濃度となり、このことが残留圧縮応力、回転曲げ疲労（ＲＢＦ）（構造疲労）、及び靱性のような物理特性に関して有利であるということが見いだされた。高いレベルのＣＲＳが望ましい場合には、０．６〜１．２の、好ましくは０．６〜０．９又は０．６５〜０．８５のカーボンポテンシャルを浸炭プロセスの拡散段階（ステップｂ））に使用すべきである。ベイナイト焼入れ（ステップｄ））はＣＲＳをさらに増加させる。
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、ステップａ）は１．０〜１．４のカーボンポテンシャルで行われる。
【０００８】
本発明のさらなる一実施形態によれば、ステップａ）及び／又はステップｂ）は９４０〜１０００℃、より具体的には９４０〜９８０℃、例えば９７０℃で行われる。
【０００９】
本発明の一実施形態によれば、ステップｄ）は２００〜２４０℃、より具体的には２１５〜２２０℃で行われる。
【００１０】
本発明の別の一実施形態によれば、鋼コンポーネントは０．１〜０．４重量％の炭素濃度を有する鋼、例えば１８ＣｒＮｉＭｏ７−６鋼を備える。
【００１１】
本発明のさらなる一実施形態によれば、方法はｅ）鋼コンポーネントを冷却するステップ及びｆ）鋼コンポーネントを１６０〜２４０℃、より具体的には１９０〜２１０℃、例えば２００℃で焼戻すステップを備える。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、鋼コンポーネントは転がり要素若しくはころ、転がり接触のような交互のヘルツ応力、又は旋回軸受若しくはベアリング用軌道のような転がりと滑りとの組み合わせにかけられる用途のための鋼コンポーネントを備えるか又はそれらから成る。鋼コンポーネントはギアの歯、カム、シャフト、ベアリング、留め具（ｆａｓｔｅｎｅｒ）、ピン、自動車用クラッチ板、工具、又はダイを含むかそれらから成ることができる。鋼コンポーネントは例えば、転がり軸受、針状ころ軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、トロイダルころ軸受、又はスラスト軸受の少なくとも一部を構成することができる。鋼コンポーネントは自動車用ワインド（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  ｗｉｎｄ）、海洋、金属生産、又は高い耐久性を必要とする他の用途に使用することができる。
【００１３】
本発明の一実施形態によれば、この方法は鋼コンポーネントの以下の特性：残留圧縮応力（ＣＲＳ）、回転曲げ疲労（構造疲労）、荷重負担能力、耐久性、耐腐食性、硬さ、トライボロジー的特性、靱性、耐用年数、のうちの少なくとも１つを改善するために使用される。
【００１４】
また本発明は、本発明の一実施形態による方法を使用して熱処理された鋼コンポーネントにも関し、この鋼コンポーネントは、ボアホール法を使用して表面から０．５〜１．０ｍｍを測定した場合に１５０〜２００ＭＰａ以上の平均ＣＲＳを示す。
【００１５】
本発明が以下に、添付の図面を参照しつつ、限定されない例によってさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術による熱処理方法を示す図である。
【図２】本発明による熱処理方法を示す図である。
【図３】従来技術による熱処理と、本発明の一実施形態による熱処理方法と、にかけられた鋼試料の残留圧縮応力を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による鋼コンポーネントを示す図である。
【００１７】
図面は寸法通りには描かれておらず、特定の特徴が明瞭性のために誇張されていることに注意すべきである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明による熱処理サイクルを示す。鋼コンポーネントは最初に９７０℃の温度、１．２のカーボンポテンシャルで、次いで０．６５〜０．８５のカーボンポテンシャルで浸炭された。鋼コンポーネントは次いで焼入れされ、上ベイナイト温度範囲（ｕｐｐｅｒ  ｂａｉｎｉｔｉｃ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｒｅｇｉｍｅ）において水素エフュージョン処理（ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｅｆｆｕｓｉｏｎ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）にかけられる。鋼コンポーネントは冷却され、次いで再焼入れされて焼き戻される。このように熱処理された鋼コンポーネントが比較的低レベルのＣＲＳ、すなわち表面から０．５〜１．０ｍｍで測定した５０〜１００ＭＰａの平均ＣＲＳを示すことが見いだされた。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態による熱処理方法を示す。この方法は、ａ）第１の浸炭ステップにおいて、０．１〜０．４重量％の炭素濃度を有する鋼を備える鋼コンポーネントを９７０℃の温度で、１．０を超えるカーボンポテンシャル、例えば１．０〜１．４のカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、ｂ）第２の浸炭ステップにおいて、この鋼コンポーネントを０．６を超えるカーボンポテンシャル、例えば０．６〜１．２、好ましくは０．６〜０．９のカーボンポテンシャルで浸炭するステップと、を備える。ステップｂ）において、焼き戻す前の焼入れしたままの状態で十分な硬さを達成するのに十分なこの低いカーボンポテンシャルを使用することは、熱処理された鋼コンポーネントのＣＲＳ及びＲＢＦのレベルに関して有利である。
【００２０】
この方法は、寸法変化が許容レベルである状態で最適な特性が達成されるように選択された浴温度を有する油浴又は塩浴中で焼入れするステップｃ）を備える。油／塩浴熱間焼入れは、複雑な部品の熱処理変形（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を最小化するために使用することができる。鋼コンポーネントは次いで、ｄ）２２０℃の温度でベイナイト処理にかけられ、ｅ）例えば室温まで、冷却され、ｆ）２００℃の温度で焼き戻される。
【００２１】
鋼コンポーネントの低い炭素濃度の故に、焼入れ割れのリスクは低く、鋼コンポーネントは増加された靱性を有する。低いオーステナイト維持のレベルが達成され、低い焼き戻し温度を、高いＣＲＳレベルを維持したままで使用することができる。さらに、長い熱暴露によるマルテンサイト収縮によって引き起こされた寸法不安定性が、低い焼き戻し温度を使用することができることによって減少する。
【００２２】
低温焼き戻し（ステップｆ））を、鋼コンポーネントを強靭化させるために、例えば２００℃の温度で行うことができる。焼き戻しの後、コンポーネントは、例えば室温まで冷却され、次いで、通常運転サイクル下の応力、歪、衝撃及び／又は摩耗に曝されるであろういずれかの用途に使用することができる。本発明の一実施形態による方法を使用して熱処理された鋼コンポーネントは、ボアホール法を使用して表面から０．５〜１．０ｍｍで測定された１５０〜２００ＭＰａの平均ＣＲＳを示した。すなわち、鋼コンポーネントのＣＲＳは、ステップｂ）の浸炭の拡散段階におけるカーボンポテンシャルを低下させ、マルテンサイト焼入れからベイナイト焼入れへ焼入れモードを変更することによって増加する。また、本発明の一実施形態による方法を使用して熱処理された鋼コンポーネントは、従来技術による熱処理にかけられた鋼コンポーネントより微細な結晶粒を含んでいた。
【００２３】
３２０℃でのベイナイト処理の後の鋼コンポーネントの焼入れのプロセスステップが除かれるため、図１に示される方法よりも少ない時間しか図２に示された方法を行うために必要とされない。したがって、短いリードタイム及び経費削減が可能となる場合がある。
【００２４】
また、本発明による方法の使用は、浸炭のステップａ）及び／又はｂ）中の好適なカーボンポテンシャルを選択することによって、鋼コンポーネントのＣＲＳ及び硬さを要求に従って調整することを可能にする。
【００２５】
本発明の一実施形態による方法にかけられた鋼コンポーネントは、引き続くグラインディング工程有無にかかわらず使用することができる。
【００２６】
図３は、従来技術による熱処理（図３の左下及び右下の図）及び本発明の一実施形態による熱処理方法（図３の左上及び右上の図）にかけられた鋼試料の残留圧縮応力を示している。
【００２７】
図３の左上の図は、浸炭ステップｂ）の拡散段階中のカーボンポテンシャルが本発明による方法にかけられた１８ＣｒＮｉＭｏ７−６鋼のＣＲＳ及び硬化層深さに与える影響を示している。
【００２８】
図３の右上の図は、浸炭ステップｂ）の拡散段階中のカーボンポテンシャルが本発明による方法にかけられた１８ＮｉＣｒＭｏ１４−６鋼のＣＲＳ及び硬化層深さに与える影響を示している。
【００２９】
浸炭ステップｂ）の拡散段階中の０．６５〜０．８５のカーボンポテンシャルが最も高いレベルのＣＲＳを生じさせることを、左上及び右上の図から見て取ることができる。
【００３０】
図３の左下の図は、浸炭ステップｂ）の拡散段階中のカーボンポテンシャルが従来技術による熱処理にかけられた１８ＣｒＮｉＭｏ７−６のＣＲＳ及び硬化層深さに与える影響を示している。図３の右下の図は浸炭ステップｂ）の拡散段階中のカーボンポテンシャルが従来技術による熱処理にかけられた１８ＮｉＣｒＭｏ１４−６のＣＲＳ及び硬化層深さに与える影響を示している。本発明による方法が、従来技術による熱処理にかけられた鋼コンポーネントよりも高いレベルのＣＲＳを有する鋼コンポーネントを生じさせていることを見て取ることができる。
【００３１】
図４は、本発明の一実施形態による鋼コンポーネントの例、すなわち直径１０ｍｍ〜数ｍのサイズとすることができ、数十グラム数千トンの荷重積載量を有する転がり要素ベアリング１０を示す。すなわち、本発明によるベアリング１０は、いずれのサイズとすることも、いずれの荷重積載量を有することもできる。ベアリング１０は内輪１２、外輪１４、及び一式の転がり要素１６を有する。転がり要素ベアリング１０の内輪１２、外輪１４、及び／又は転がり要素１６、並びに転がり要素ベアリング１０の転がり接触部品のすべての表面の好ましくは少なくとも一部は、本発明による方法にかけることができる。
【００３２】
本発明の一実施形態による方法にかけられたこのような鋼コンポーネント１０、１２、１４、１６は、改良された転がり接触疲労のようなベアリング性能を示し、したがって増加したレベルの残留圧縮応力の存在による増加した耐用年数を有する。
【００３３】
特許請求の範囲の技術的範囲内における本発明のさらなる変型は、当業者には明らかであろう。
【符号の説明】
【００３４】
１０、１２、１４、１６：鋼コンポーネント
【図１】
2015531029.tif 000003
【図２】
2015531029.tif 000004
【図３】
2015531029.tif 000005
【図４】
2015531029.tif 000006
【国際調査報告】
2015531029.tif 000007
2015531029.tif 000008
2015531029.tif 000009