(57)【要約】【課題】主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相のいずれかを呈する鋼に対して低温浸炭を行なうことにより、表層部に焼き入れと同程度の高硬度の硬化層を形成する鋼の表面硬化方法を提供する。【解決手段】少なくとも表面硬化が要求される部分が主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相の少なくともいずれかを呈した鋼である処理対象材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理し、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記処理対象材に対して浸炭処理を行うことによりその表層部に炭素を拡散浸透させて炭化物を形成し、表面硬度がＨｖ５００以上の炭化物リッチな硬化層を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面硬化が要求される部分が主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相の少なくともいずれかを呈した鋼である処理対象材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理し、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記処理対象材に対して浸炭処理を行うことによりその表層部に炭素を拡散浸透させて炭化物を形成し、表面硬度がＨｖ５００以上の炭化物リッチな硬化層を形成することを特徴とする鋼の表面硬化方法。
【請求項２】
上記処理対象材は鉄よりも炭化物形成傾向の大きい合金元素を含む鋼である請求項１記載の鋼の表面硬化方法。
【請求項３】
上記浸炭処理の温度はＡ１変態点よりも低い温度である請求項１または２記載の鋼の表面硬化方法。
【請求項４】
上記処理対象材は、表面に不動態被膜を形成する高クロム合金鋼である請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼の表面硬化方法。
【請求項５】
上記高クロム合金鋼はフェライト系ステンレス鋼，マルテンサイト系ステンレス鋼，加工誘起マルテンサイトが析出した準安定系オーステナイト系ステンレス鋼のいずれかである請求項４記載の鋼の表面硬化方法。
【請求項６】
上記処理対象材は焼き入れ硬化可能な高炭素合金鋼である請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼の表面硬化方法。
【請求項７】
上記高炭素合金鋼は合金工具鋼である請求項６記載の鋼の表面硬化方法。
【請求項８】
上記処理対象材としてあらかじめ焼き入れによってマルテンサイト相としたものを使用し、フッ化処理および浸炭処理を焼き戻しと兼ねて行なう請求項６または７記載の鋼の表面硬化方法。
【請求項９】
少なくとも表面硬化された部分の母材が主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相の少なくともいずれかを呈した鋼であり、上記母材の表層部に炭素が拡散浸透されて炭化物が形成され、表面硬度がＨｖ５００以上の炭化物リッチな硬化層が形成されていることを特徴とする金属製品。
【請求項１０】
上記母材は鉄よりも炭化物形成傾向の大きい合金元素を含む鋼である請求項９記載の金属製品。
【請求項１１】
上記母材は表面に不動態被膜を形成する高クロム合金鋼である請求項９または１０記載の金属製品。
【請求項１２】
上記高クロム合金鋼はフェライト系ステンレス鋼，マルテンサイト系ステンレス鋼，加工誘起マルテンサイトが析出した準安定系オーステナイト系ステンレス鋼のいずれかである請求項１１記載の金属製品。
【請求項１３】
上記母材は焼き入れ硬化可能な高炭素合金鋼である請求項９〜１１のいずれか一項に記載の金属製品。
【請求項１４】
上記高炭素合金鋼は合金工具鋼である請求項１３記載の金属製品。
【請求項１５】
上記母材は焼き戻しマルテンサイト相を呈したものである請求項１３または１４記載の金属製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相のいずれかを呈する鋼に対して低温浸炭を行なうことにより、表層部に硬化層を形成する鋼の表面硬化方法およびそれによって得られた金属製品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼の表面だけを硬くする熱処理（表面硬化法）には、鋼の表面の化学成分を変えて硬化する化学的表面硬化法として、浸炭や窒化が知られている。
【０００３】
上記浸炭は、通常肌焼き鋼と呼ばれる低炭素鋼や低合金鋼の表面に、炭素を浸透させて表面だけを高炭素鋼とし、その後にこれを焼き入れして表面を硬化する熱処理である。このような浸炭焼き入れを行う場合は、Ａ１変態温度（約７２３℃）からはるかに高い１１００℃程度の高温に加熱して浸炭処理し、その後Ａ１変態温度よりも高温のＡ３変態温度以上から油や水中に投入して急冷することにより行われる。
【０００４】
ところが、上述した浸炭方法では、鋼をＡ１変態温度よりもはるかに高温（９００〜９５０℃あるいは１０５０〜１１００℃）に加熱しなければならないので、熱歪が生じたり表層部に脱炭を生じたりすることがある。また、焼き入れによるマルテンサイト変態により、鋼は著しい体積膨張を生じ、焼入れ歪みによって寸法誤差が大きくなったり焼き割れを生ずることがあるため、鋼製品の歩留まりも悪くなってしまう。さらに、浸炭を１１００℃程度の高温に加熱する必要があるため、エネルギー効率も悪い。
【０００５】
一方、上記窒化は、浸炭よりも低い５７０℃程度の温度での処理が可能な表面硬化処理であるが、窒化層の最表面部に、いわゆる白層と呼ばれる窒素化合物層を生じることがある。このような窒素化合物層は、脆弱であるため、窒化処理後に機械研磨等で除去しなければ製品として使用できないという問題がある。また、白層は除去したとしても、窒化による硬化層は、一般に脆いため、浸炭焼き入れ品と比べてても、衝撃的な応力がかかる部位では欠けやすいという欠点がある。
【０００６】
そこで、Ａ１変態点よりも低い温度領域で浸炭することにより表面硬化を行なう方法として、下記の特許文献１に示すものが開示されている。この方法は、鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素を含む低炭素鋼に対して５００〜６５０℃の温度領域で浸炭処理を行うものである。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２８００３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記方法では、炭素が侵入して硬化するといっても、表面硬度でせいぜいＨｖ５００程度止まりであり、マルテンサイト変態によって硬化させる従来の浸炭焼き入れに比べて大幅に低い値であることから、厳しい摩耗環境で使用される分野には、適用することができなかった。
【０００９】
また、上記方法では、浸炭ガス中で鋼を加熱するガス浸炭が行なわれるが、このような浸炭法では、例えばステンレス鋼のように表面に不動態被膜が形成されるような鋼材は、不動態被膜が炭素の侵入を阻止するため、いかに炭化物形成傾向の大きい元素を含む鋼材であったとしても硬化させることはできなかった。
【００１０】
さらに、炭素侵入による硬化層の硬さがせいぜいＨｖ５００未満にとどまるため、もともとの母材硬度がＨｖ５００以上を有するものには、適用しても効果がみられないため、適用材料は、低炭素鋼に限定され、高炭素で強度の高い鋼材の表面をさらに強化するというものではなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相のいずれかを呈する鋼に対して低温浸炭を行なうことにより、表層部に焼き入れと同程度の高硬度の硬化層を形成する鋼の表面硬化方法およびそれによって得られた金属製品を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、表面に不動態被膜が形成された鋼材であっても、浸炭により表層部に焼き入れと同程度の高硬度の硬化層を形成できる鋼の表面硬化方法およびそれによって得られた金属製品を提供することを第２の目的とする。
さらに、本発明は、高炭素で強度の高い鋼材の表面を浸炭によりさらに強化して表層部に焼き入れと同程度の高硬度の硬化層を形成できる鋼の表面硬化方法およびそれによって得られた金属製品を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の鋼の表面硬化方法は、少なくとも表面硬化が要求される部分が主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相の少なくともいずれかを呈した鋼である処理対象材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理し、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記処理対象材に対して浸炭処理を行うことによりその表層部に炭素を拡散浸透させて炭化物を形成し、表面硬度がＨｖ５００以上の炭化物リッチな硬化層を形成することを要旨とする。
【００１３】
また、上記目的を達成するため、本発明の金属製品は、少なくとも表面硬化された部分の母材が主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相の少なくともいずれかを呈した鋼であり、上記母材の表層部に炭素が拡散浸透されて炭化物が形成され、表面硬度がＨｖ５００以上の炭化物リッチな硬化層が形成されていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１４】
このように、主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相のいずれかを呈する鋼に対し、浸炭処理を行う前にフッ化処理を行なうことにより、鋼の表面がフッ化によって活性化され、その後の浸炭処理による炭素の侵入が進行しやすい状態となる。そして、母材に存在するフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相に対して多くの炭素が拡散浸透し、侵入した炭素が炭化物を形成して表層部に炭化物リッチな硬化層が形成される。このようにして形成された硬化層は、従来の焼入れを伴わない浸炭処理による硬化層に比べて遥かにＨｖ５００以上の硬度を示し、焼き入れと同程度の高硬度の硬化層となる。したがって、厳しい摩耗環境で使用される分野にも適用することが可能となるうえ、焼入れを伴わないことからマルテンサイト変態に伴う歪や膨張，割れ等が起こることがなく、製品精度や歩留まりを向上することができる。また、上記硬化層は、焼き入れと同等以上の高い表面硬度を発揮するため、高炭素でもともと母材硬度の高い鋼に対して表面硬化を行なうことも可能となり、各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、上記処理対象材（母材）は鉄よりも炭化物形成傾向の大きい合金元素を含む鋼である場合には、浸炭処理によって侵入した炭素は、鉄よりも炭化物形成傾向の大きい合金元素と結合して炭化物をつくるため、鉄炭化物であるセメンタイトの析出を防止することによりセメンタイトが炭素侵入を阻害するのを防ぎ、炭素の拡散浸透と上記各合金元素との炭化物形成を促進し、硬化層の形成とその硬度アップに有利である。
【００１６】
本発明において、上記浸炭処理の温度はＡ１変態点よりも低い温度である場合には、浸炭処理を通常よりも遥かに低温で行なうことにより、熱歪の発生を防止し、製品精度や歩留まりを向上することができる。また、予め母材に対して焼き入れ硬化や加工硬化等を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。さらに、時効硬化性のある母材を使用し、フッ化処理や浸炭処理と時効処理を同時に行なうことにより、母材の時効硬化と、浸炭による表面硬化とを同時に行なうことも可能となり、少ない工程で各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【００１７】
本発明において、上記処理対象材（母材）は、表面に不動態被膜を形成する高クロム合金鋼である場合には、表面に不動態被膜が形成された鋼材であっても、フッ化処理により表面の不動態被膜がフッ化膜に変化して炭素の侵入が容易な状態となり、母材に存在するフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相に対して多くの炭素が拡散浸透し、侵入した炭素が炭化物を形成して表層部に炭化物リッチな硬化層が形成される。
【００１８】
本発明において、上記高クロム合金鋼はフェライト系ステンレス鋼，マルテンサイト系ステンレス鋼，加工誘起マルテンサイトが析出した準安定系オーステナイト系ステンレス鋼のいずれかである場合には、従来は浸炭処理が不可能であったステンレス鋼に対して浸炭による表面硬化を行なうことができる。特に、マルテンサイト系ステンレス鋼や準安定系オーステナイト系ステンレス鋼においては、予め母材に対して焼き入れ硬化や加工硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。
【００１９】
本発明において、上記処理対象材（母材）は焼き入れ硬化可能な高炭素合金鋼である場合には、予め母材に対して焼き入れ硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となり、各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【００２０】
本発明において、上記高炭素合金鋼は合金工具鋼である場合には、予め母材に対して焼き入れ硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。特に、高速度工具鋼のような焼き戻しによる時効硬化性のある母材を使用し、フッ化処理や浸炭処理と時効処理を同時に行なうことにより、母材の時効硬化と、浸炭による表面硬化とを同時に行なうことも可能となり、少ない工程で各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【００２１】
本発明において、上記処理対象材（母材）としてあらかじめ焼き入れによってマルテンサイト相としたものを使用し、フッ化処理および浸炭処理を焼き戻しと兼ねて行なう場合には、予め母材に対して焼き入れ硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。特に、高速度工具鋼のような焼き戻しによる時効硬化性のある母材を使用し、母材の時効硬化と、浸炭による表面硬化とを同時に行なうことにより、工程を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を詳しく説明する。
【００２３】
本発明の鋼の表面硬化方法は、処理対象材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理し、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記処理対象材に対して浸炭処理を行うことによりその表層部に炭素を拡散浸透させて炭化物を形成し、表面硬度がＨｖ５００以上の炭化物リッチな硬化層を形成する。
【００２４】
上記処理対象材は、少なくとも表面硬化が要求される部分の母材が、主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相の少なくともいずれかを呈した鋼である。
【００２５】
すなわち、上記母材としては、主としてオーステナイト相を呈する鋼は用いない趣旨である。母材がオーステナイト相であると、浸炭処理の際に炭素原子が母材であるオーステナイト相に固溶してしまい、炭化物を形成しないからである。
【００２６】
したがって、上記母材としては、フェライト単相のもの，フェライトとパーライトの混合組織のもの、層状パーライト相を含むもの、球状化パーライト組織のもの、焼き入れマルテンサイト相を呈するもの、焼き戻しマルテンサイト相を呈するもの、加工誘起マルテンサイト相を呈するもの等、各種の組織を呈するものを用いることができる。
【００２７】
上記鋼は、鉄よりも炭化物形成傾向の大きい合金元素を含む鋼とするのが好ましい。浸炭処理によって侵入した炭素は、鉄よりも炭化物形成傾向の大きい合金元素と結合して炭化物をつくるため、鉄炭化物であるセメンタイトの析出を防止することによりセメンタイトが炭素侵入を阻害するのを防止し、炭素の拡散浸透と上記各合金元素との炭化物形成を促進し、硬化層の形成とその硬度アップに有利となるからである。
【００２８】
鉄よりも炭化物形成傾向の大きい合金元素としては、例えば、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｈｆ等をあげることができる。これらは、少なくとも１種類を含むものであればよく、複数種類含まれていてもよい。
【００２９】
上記鋼としては、例えば、Ｃｒ鋼（ＳＣｒ材），Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＳＣＭ材），Ｎｉ−Ｃｒ鋼（ＳＮＣ材），Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＳＮＣＭ材），Ｍｎ鋼（ＳＭｎ材），Ｍｎ−Ｃｒ鋼（ＳＭｎＣ材）等の機械構造用合金鋼等を用いることができる。これらは、炭化物形成元素を適度に含み、浸炭によって炭化物リッチな硬化層を形成しやすいからである。
【００３０】
これらの機械構造用合金鋼は、高炭素の焼き入れ硬化可能な高炭素合金鋼が好適である。予め母材に対して焼き入れ硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となり、各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができるからである。
【００３１】
また、上記高炭素合金鋼としては特に、合金工具鋼を用いるのが好適である。上記合金工具鋼は、焼き入れ性が良好であるとともに、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ等の炭化物形成元素を含み、予め母材に対して焼き入れ硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。
【００３２】
上記合金工具鋼としては、例えば、Ｃｒ−Ｎｉ鋼（ＳＫＳ５，５１材）のような切削および耐衝撃工具用鋼、Ｃｒ−Ｗ−Ｍｎ鋼（ＳＫＳ３，３１材）やＭｏやＶを加えた高炭素高Ｃｒ鋼（ＳＫＤ１１等）のような冷間金型用鋼、Ｃｒ−Ｗ−Ｖ系（ＳＫＤ４，５）、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系（ＳＫＤ６，６１，７）、Ｃｒ−Ｗ−Ｍｏ−Ｖ系（ＳＫＤ６２，８）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系（ＳＫＴ３，４）等の熱間金型用鋼等を用いることができる。
【００３３】
これらの合金工具鋼は、必要に応じて、予め球状化焼きなましを行なって球状化パーライト組織にして使用される。球状化焼きなまし後に焼き入れ焼き戻しを行なったものを使用することもできる。
【００３４】
また、上記合金工具鋼として、特に、高速度工具鋼を好適に用いることができる。上記合金工具鋼としては、例えば、Ｗ系のＳＫＨ２、Ｍｏ系のＳＫＨ５１，５８、Ｍｏ−Ｃｏ系のＳＫＨ５７，５９等をあげることができる。これらの高速度工具鋼は、焼き入れ後必要に応じてサブゼロ処理や焼き戻しを行なったものを使用することができる。上記高速度工具鋼は、焼き戻しによる時効硬化性がある母材であり、フッ化処理や浸炭処理と時効処理を同時に行なうことにより、母材の時効硬化と、浸炭による表面硬化とを同時に行なうことも可能となり、各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができるうえ、工程を簡素化することができる。
【００３５】
また、上記鋼として、ＳＵＪ材のような高炭素クロム軸受鋼や、ＳＵＰ材のようなばね鋼を用いることもできる。高炭素クロム軸受鋼は、必要に応じて予め球状化焼きなましが行なわれ、ばね鋼は必要に応じて予め調質が行なわれる。
【００３６】
さらに、上記鋼として、表面に不動態被膜を形成する高クロム合金鋼を用いることができる。高クロム合金鋼のように、表面に不動態被膜が形成された鋼材であっても、フッ化処理により表面の不動態被膜がフッ化膜に変化して炭素の侵入が容易な状態となり、母材に存在するフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相に対して多くの炭素が拡散浸透し、侵入した炭素が炭化物を形成して表層部に炭化物リッチな硬化層が形成される。
【００３７】
上記高クロム合金鋼としては、例えば、ＳＵＨ，ＳＴＢ，ＳＴＢＡ等のフェライト系およびマルテンサイト系の耐熱鋼や、ステンレス鋼を用いることができる。特に、ＳＵＳ４１０，４２０等のマルテンサイト系ステンレス鋼や、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼を用いることができる。また、加工誘起マルテンサイトが析出した準安定系オーステナイト系ステンレス鋼も本発明の鋼として用いることができる。
【００３８】
このように、従来は浸炭処理が不可能であったステンレス鋼に対して浸炭による表面硬化を行なうことができる。特に、マルテンサイト系ステンレス鋼や準安定系オーステナイト系ステンレス鋼においては、予め母材に対して焼き入れ硬化や加工硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。
【００３９】
さらに、ＰＨステンレス鋼のように、析出硬化型のステンレス鋼も好適に用いることができる。この場合には、フッ化処理や浸炭処理と時効処理を同時に行なうことにより、母材の時効硬化と浸炭による表面硬化とを同時に行なうことが可能となり、工程を簡素化することができる。
【００４０】
本発明では、まず、上記処理対象材を、フッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行なう。
【００４１】
上記処理対象材は、その表面が酸化膜で覆われており、浸炭処理時に炭素が母材組織中へ浸透するのを阻害されて硬化層が形成され難いので、その前処理としてフッ化処理工程を行うのである。このフッ化処理工程は、処理対象材をフッ素系ガス雰囲気下で加熱状態で保持し、表面の酸化膜をフッ化膜に置換して活性化させる。
【００４２】
上記フッ化処理に用いられるフッ素系ガスとしては、ＮＦ３，ＢＦ３，ＣＦ４，ＨＦ，ＳＦ６，Ｃ２Ｆ６，ＷＦ６，ＣＨＦ３，ＳｉＦ４，ＣｌＦ３等からなるフッ素化合物ガスがあげられる。これらは、単独でもしくは２種以上併せて使用される。
【００４３】
また、これらのガス以外にも、分子内にフッ素（Ｆ）を含むフッ素系ガスも本発明のフッ素系ガスとして用いることができる。また、このようなフッ素化合物ガスを熱分解装置で熱分解させて生成させたＦ２ガスや、あらかじめ作られたＦ２ガスも上記フッ素系ガスとして用いることができる。このようなフッ素化合物ガスとＦ２ガスとは、場合によって混合使用することができる。
【００４４】
これらのなかでも、本発明で使用するフッ素系ガスとして最も実用性を備えているのはＮＦ３である。上記ＮＦ３は、常温においてガス状を呈し、化学的安定性が高く、取扱いが容易だからである。このようなＮＦ３ガスは、通常、後述するように、Ｎ２ガスと組み合わせて、所定の濃度範囲内で希釈して用いられる。
【００４５】
上記に例示された各種のフッ素系ガスは、それのみで用いることもできるが、通常はＮ２ガス等の不活性ガスで希釈されて使用される。このような希釈されたガスにおけるフッ素系ガス自身の濃度は、例えば、容量基準で１００００〜１０００００ｐｐｍであり、好ましくは２００００〜７００００ｐｐｍ、より好ましくは、３００００〜５００００ｐｐｍである。
【００４６】
上記フッ素系ガスを雰囲気ガスとして用いたフッ化処理は、後述するようなマッフル炉等の雰囲気加熱炉を使用し、炉内に処理対象材を装入し、上記濃度のフッ素系ガス雰囲気下において加熱状態で保持することにより行なわれる。
【００４７】
このときの、加熱保持は、処理対象材自体を、例えば、２００〜６００℃、好適には、２８０〜４５０℃の温度に保持することによって行われる。上記フッ素系ガス雰囲気中での上記処理対象材の保持時間は、通常は、１０数分〜数十分に設定される。
【００４８】
処理対象材がステンレス鋼の場合、フッ素系ガス雰囲気下で加熱処理することにより、処理対象材の表面に形成された、Ｃｒ２Ｏ３を含む不働態皮膜がフッ化膜に変化する。このフッ化膜は、不働態皮膜に比べ、浸炭に用いる炭素原子の浸透を容易にし、母材の表面は、上記フッ化処理によって炭素原子の浸透の容易な表面状態になるものと考えられる。
【００４９】
つぎに、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記処理対象材に対して浸炭処理を行うことによりその表層部に炭素を拡散浸透させて炭化物を形成し、表面硬度がＨｖ５００以上の炭化物リッチな硬化層を形成する。
【００５０】
浸炭処理は上記処理対象材自体を、Ａ１変態点よりも低い温度、好ましくは６８０℃以下の浸炭処理温度に加熱し、ＣＯ＋Ｈ２からなる浸炭用ガス、または、ＲＸガス〔ＣＯ２３容量％，ＣＯ２１容量％，Ｈ２３１容量％，Ｈ２Ｏ１容量％，残部Ｎ２〕＋ＣＯ２からなる浸炭用ガス等を用い、炉内を浸炭用ガス雰囲気にして行われる。この浸炭用ガス雰囲気に、必要に応じてプロパンガス等の炭素源ガスをエンリッチすることもできる。
【００５１】
このように、本発明では、浸炭処理を従来公知の浸炭処理に比べて極めて低い温度領域で行うのである。この場合、上記ＣＯ＋Ｈ２の比率は、ＣＯ２〜５０容量％、Ｈ２３０〜９０容量％が好ましく、ＲＸ＋ＣＯ２は、ＲＸが８０〜９０容量％、ＣＯ２が３〜７容量％の割合が好ましい。また、浸炭に用いるガスは、ＣＯ＋ＣＯ２＋Ｈ２も用いられる。この場合、それぞれの比率は、ＣＯ５〜５５容量％、ＣＯ２１〜３容量％、Ｈ２５０〜９５容量％の割合が好適である。
【００５２】
上記浸炭処理の際の加熱温度すなわち浸炭処理温度としては、Ａ１変態点以下、好ましくは６８０℃以下すなわち４００〜６８０℃の温度が好適である。浸炭処理温度がＡ１変態点以上になると、フェライト相やパーライト相の一部がオーステナイト相に変態し、このオーステナイト相に炭素原子が侵入固溶して炭化物リッチな硬化層を形成しなくなるからである。また、浸炭処理温度が６８０℃を超えると、焼き入れや加工硬化によって強化された母材自体の軟化が生じやすくなるからである。また、加工誘起マルテンサイトによって強化された素材自身も軟化し、引っ張り強度や疲労強度を低下させてしまうからである。
【００５３】
同様の理由により、上記浸炭処理温度としてより好適なのは４００〜６００℃の温度範囲であり、さらに好適なのは４００〜５５０℃の温度範囲である。本発明においては、上記フッ化処理を行なうことにより、このような極めて低温における浸炭処理が可能となり、浸炭処理を通常よりも遥かに低温で行なうことにより、熱歪の発生を防止し、製品精度や歩留まりを向上することができる。また、予め母材に対して焼き入れ硬化や加工硬化等を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。さらに、時効硬化性のある母材を使用し、フッ化処理や浸炭処理と時効処理を同時に行なうことにより、母材の時効硬化と、浸炭による表面硬化とを同時に行なうことも可能となり、少ない工程で各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【００５４】
ここで、上記浸炭処理は、フッ化処理と同時期および／またはその後に行なわれるが、フッ化処理終了後も浸炭処理が継続していることが好ましい。このようにすることにより、フッ化処理により表面が活性化した鋼材に対して、純粋な浸炭雰囲気でより多くの炭素原子を拡散浸透させることができ、表面硬度を高くしたり硬化深さを大きくしたりする際に有利だからである。また、上記浸炭処理をフッ化処理の終了を待たずに開始することにより、フッ化による表面の活性化を行ないながら炭素の拡散浸透を行なうことができ、表面硬度を高くしたり硬化深さを大きくしたりする際に有利となる。また、上記浸炭処理は、フッ化処理が終了してから開始することもできる。
【００５５】
このように、主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相のいずれかを呈する鋼に対し、浸炭処理を行う前にフッ化処理を行なうことにより、鋼の表面がフッ化によって活性化され、その後の浸炭処理による炭素の侵入が進行しやすい状態となる。そして、母材に存在するフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相に対して多くの炭素が拡散浸透し、侵入した炭素が炭化物を形成して表層部に炭化物リッチな硬化層が形成される。
【００５６】
このようにして形成された硬化層を有する金属製品は、従来の焼入れを伴わない浸炭処理による硬化層に比べて遥かにＨｖ５００以上の硬度を示し、焼き入れと同程度の高硬度の硬化層となる。したがって、厳しい摩耗環境で使用される分野にも適用することが可能となるうえ、焼入れを伴わないことからマルテンサイト変態に伴う歪や膨張，割れ等が起こることがなく、製品精度や歩留まりを向上することができる。また、上記硬化層は、焼き入れと同等以上の高い表面硬度を発揮するため、高炭素でもともと母材硬度の高い鋼に対して表面硬化を行なうことも可能となり、各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【００５７】
上記のようなフッ化処理および浸炭処理は、例えば、図１に示すような金属製のマッフル炉１で行うことができる。すなわち、このマッフル炉１内において、まずフッ化処理をし、このフッ化処理と同時期もしくはその後に浸炭処理を行う。フッ化処理と同時期もしくはその後に浸炭処理を行うというのは、例えば、フッ化処理の開始と同時に浸炭処理を開始してもよいし、まずフッ化処理だけを開始してフッ化処理の終了を待たずに浸炭処理を開始してもよいし、あるいは、フッ化処理を終了してから浸炭処理を開始してもよい趣旨である。
【００５８】
図１において、１はマッフル炉であり、外殻２と、内部が処理室に形成された内容器４と、上記内容器４と外殻２の間に設けられたヒータ３とを備えている。上記内容器４内には、ガス導入管５および排気管６が連通している。上記ガス導入管５には、浸炭ガスであるＨ２，ＣＯが充填されたボンベ１５、およびフッ化処理ガスであるＮ２＋ＮＦ３，ＣＯ２が充填されたボンベ１６が連通している。１７は流量計、１８はバルブである。
【００５９】
また、上記排気管６には、排ガス処理装置１４および真空ポンプ１３が接続されている。これにより、内容器４内の処理室内に処理ガスを導入して排出するようになっている。上記処理室内には処理ガスを攪拌するモーター７付きのファン８が設けられている。１１はワークである処理対象材１０が装入されるかごである。
【００６０】
このマッフル炉１内に、例えば処理対象材１０を入れ、ボンベ１６を流路に接続しＮＦ３等のフッ素系ガスをマッフル炉１内に導入して加熱しながらフッ化処理をし、ついで排気管６からそのガスを真空ポンプ１３の作用で引き出し、排ガス処理装置１４内で無毒化して外部に放出する。ついで、ボンベ１５を流路に接続しマッフル炉１内に先に述べた浸炭用ガスを導入して浸炭処理を行い、その後、排気管６、排ガス処理装置１４を経由してガスを外部に排出する。この一連の作業によりフッ化処理と浸炭処理が行なわれる。
【００６１】
このようにしてフッ化処理と浸炭処理を行なうことにより、処理対象材１０の表層部に、炭化物リッチな硬化層が形成される。
【００６２】
このとき、上記処理対象材としてあらかじめ焼き入れによってマルテンサイト相としたものを使用し、フッ化処理および浸炭処理を焼き戻しと兼ねて行なうこともできる。このようにすることにより、予め母材に対して焼き入れ硬化を行なって母材硬度を高くした鋼に対し、母材硬度をそれほど低下させることなく表面硬化を行なうことが可能となる。特に、高速度工具鋼のような焼き戻しによる時効硬化性のある母材を使用し、母材の時効硬化と、浸炭による表面硬化とを同時に行なうことにより、工程を簡素化することができる。
【００６３】
上記フッ化処理および浸炭処理によって形成される炭素固溶層である硬化層の深さは、５μｍ以上に設定するのが好適である。このようにすることにより、優れた疲労強度を得ることができるからである。
【００６４】
上記フッ化処理および浸炭処理によって形成される硬化層の表面硬度は、Ｈｖ５００以上とするのが好適である。これにより、従来はせいぜいＨｖ５００未満に強化するのが精一杯であるが、表層部をそれ以上の硬度にすることにより、耐疲労性を大幅に向上させることができる。上記表面硬度としては、Ｈｖ６００以上であればより好適であり、Ｈｖ７００以上やＨｖ８００以上であればより好適であり、Ｈｖ９００以上であれば一層好適である。
【００６５】
そして、浸炭処理後に、必要に応じてバレル研磨処理やショットブラスト処理，ショットピーニング処理等が施される。
【００６６】
このように、主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相のいずれかを呈する鋼に対し、浸炭処理を行う前にフッ化処理を行なうことにより、鋼の表面がフッ化によって活性化され、その後の浸炭処理による炭素の侵入が進行しやすい状態となる。そして、母材に存在するフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相に対して多くの炭素が拡散浸透し、侵入した炭素が炭化物を形成して表層部に炭化物リッチな硬化層が形成される。このようにして形成された硬化層は、従来の焼入れを伴わない浸炭処理による硬化層に比べて遥かにＨｖ５００以上の硬度を示し、焼き入れと同程度の高硬度の硬化層となる。したがって、厳しい摩耗環境で使用される分野にも適用することが可能となるうえ、焼入れを伴わないことからマルテンサイト変態に伴う歪や膨張，割れ等が起こることがなく、製品精度や歩留まりを向上することができる。また、上記硬化層は、焼き入れと同等以上の高い表面硬度を発揮するため、高炭素でもともと母材硬度の高い鋼に対して表面硬化を行なうことも可能となり、各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【００６７】
つぎに、実施例について説明する。
【実施例】
【００６８】
下記に示す条件で本発明の表面硬化方法を実施した。
◆母  材
実施例１：ＳＵＳ４４０Ｃ
実施例２：ＳＵＳ４２０Ｊ２
実施例３：ＳＫＨ５１
◆フッ化処理
雰囲気：５容量％ＮＦ３＋残部Ｎ２
条  件：３６０℃×２０分
◆浸炭処理
雰囲気：ＣＯ１０容量％＋Ｈ２５０容量％＋Ｎ２
条  件：５００℃×１６時間
【００６９】
実施例１（ＳＵＳ４４０Ｃ処理品）について、下記の諸特性を測定等した結果を示す。なお、図中、本発明の実施例は「炭化処理」「炭化材」と表示されている。比較例として窒化処理材と未処理材の測定結果を併せて示しているものもある。
図２：断面金属組織
図３：断面硬度分布
図４：ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analysis;電子線プローブ微量分析）測定結果
図５：ＸＲＤ(X-ray Diffraction;Ｘ線回折)測定結果
図６：ヘイドン式摩耗試験結果
図７：摩耗痕写真
【００７０】
図２（断面金属組織）から、実施例１は、表層部７０μｍ深さに浸炭層が観察されることがわかる。
図３（断面硬度分布）から、実施例１は表面硬度はＨｖ９００程度であり、約７０μｍの深さまで硬化していることがわかる。
図４（ＥＰＭＡ測定結果）から、実施例１は、表面炭素濃度は約１．１７重量％であり、芯部の炭素濃度は０．４重量％、炭素濃化層の深さは約７０μｍであることがわかる。また、Ｃｒ−Ｃの析出が多く観察された。
図５（ＸＲＤ測定結果）から、実施例１は、Ｃｒ２３Ｃ６とＦｅ３Ｃが混在していることがわかる。
図６（ヘイドン式摩耗試験結果）および図７（摩耗痕写真）から、実施例１は、未処理材に比べて優れた耐磨耗性を示すことがわかる。
【００７１】
実施例２（ＳＵＳ４２０Ｊ２処理品）について、下記の諸特性を測定等した結果を示す。なお、図中、本発明の実施例は「炭化処理」「炭化材」と表示されている。比較例として窒化処理材と未処理材の測定結果を併せて示しているものもある。
図８：断面金属組織
図９：断面硬度分布
図１０：ＥＰＭＡ測定結果
図１１：ＸＲＤ測定結果
図１２：ヘイドン式摩耗試験結果
図１３：摩耗痕写真
【００７２】
図８（断面金属組織）から、実施例２は、表層部９０μｍ程度の深さに浸炭層が観察されることがわかる。
図９（断面硬度分布）から、実施例２は表面硬度はＨｖ７００程度であり、約９０μｍの深さまで硬化していることがわかる。
図１０（ＥＰＭＡ測定結果）から、実施例２は、表面炭素濃度は約０．６重量％であり、芯部の炭素濃度は０．２５重量％、炭素濃化層の深さは約９０μｍであることがわかる。
図１１（ＸＲＤ測定結果）から、実施例２は、Ｍ２３Ｃ６とＦｅ３Ｃが混在していることがわかる。
図１２（ヘイドン式摩耗試験結果）および図１３（摩耗痕写真）から、実施例２は、未処理材に比べて優れた耐磨耗性を示すことがわかる。
【００７３】
実施例３（ＳＫＨ５１処理品）について、下記の諸特性を測定等した結果を示す。なお、図中、本発明の実施例は「炭化処理」「炭化材」と表示されている。比較例として窒化処理材と未処理材の測定結果を併せて示しているものもある。
図１４：断面金属組織
図１５：断面硬度分布
図１６：ヘイドン式摩耗試験結果
図１７：摩耗痕写真
図１８：動摩擦係数測定結果
【００７４】
図１４（断面金属組織）から、実施例３は、表層部５０μｍ程度の深さに浸炭層が観察されることがわかる。
図１５（断面硬度分布）から、実施例３は表面硬度はＨｖ１０００程度であり、約５０μｍの深さまで硬化していることがわかる。
図１６（ヘイドン式摩耗試験結果）および図１７（摩耗痕写真）から、実施例３は、未処理材に比べて優れた耐磨耗性を示すことがわかる。
図１８（動摩擦係数測定結果）から、実施例３は、窒化材や未処理品に比べて動摩擦係数が低いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上のように、本発明によれば、主としてフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相のいずれかを呈する鋼に対し、浸炭処理を行う前にフッ化処理を行なうことにより、鋼の表面がフッ化によって活性化され、その後の浸炭処理による炭素の侵入が進行しやすい状態となる。そして、母材に存在するフェライト相，パーライト相，マルテンサイト相に対して多くの炭素が拡散浸透し、侵入した炭素が炭化物を形成して表層部に炭化物リッチな硬化層が形成される。このようにして形成された硬化層は、従来の焼入れを伴わない浸炭処理による硬化層に比べて遥かにＨｖ５００以上の硬度を示し、焼き入れと同程度の高硬度の硬化層となる。したがって、厳しい摩耗環境で使用される分野にも適用することが可能となるうえ、焼入れを伴わないことからマルテンサイト変態に伴う歪や膨張，割れ等が起こることがなく、製品精度や歩留まりを向上することができる。また、上記硬化層は、焼き入れと同等以上の高い表面硬度を発揮するため、高炭素でもともと母材硬度の高い鋼に対して表面硬化を行なうことも可能となり、各種の金属製品の耐磨耗性や疲労強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】フッ化処理および浸炭処理を行なう炉を示す図である。
【図２】実施例１の断面金属組織である。
【図３】実施例１の断面硬度分布である。
【図４】実施例１のＥＰＭＡ測定結果である。
【図５】実施例１のＸＲＤ測定結果である。
【図６】実施例１のヘイドン式摩耗試験結果である。
【図７】実施例１の摩耗痕写真である。
【図８】実施例２の断面金属組織である。
【図９】実施例２の断面硬度分布である。
【図１０】実施例２のＥＰＭＡ測定結果である。
【図１１】実施例２のＸＲＤ測定結果である。
【図１２】実施例２のヘイドン式摩耗試験結果である。
【図１３】実施例２の摩耗痕写真である。
【図１４】実施例３の断面金属組織である。
【図１５】実施例３の断面硬度分布である。
【図１６】実施例３のヘイドン式摩耗試験結果である。
【図１７】実施例３の摩耗痕写真である。
【図１８】実施例３の動摩擦係数測定結果である。
【符号の説明】
【００７７】
１        マッフル炉
２        外殻
３        ヒータ
４        内容器
５        ガス導入管
６        排気管
７        モーター
８        ファン
１０      処理対象材
１１      かご
１３      真空ポンプ
１４      排ガス処理装置
１５      ボンベ
１６      ボンベ
１７      流量計
１８      バルブ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2005036279.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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