(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手側部材との摩擦摺動部を持つ少なくともＳｉ、Ｍｎ、Ｃを含む球状黒鉛鋳鉄製部材であって、
エンリッチプロパンとアンモニアを含む不活性ガス雰囲気中でオーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により形成される焼戻しマルテンサイト、焼戻しマルテンサイトとトルースタイト、焼き戻しマルテンサイトとソルバイトからなる群より選択された組織と、
前記オーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により窒素の拡散固溶した表層とを有し、
前記拡散固溶層の表面に炭窒化物層を有することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製部材。
【請求項２】
相手側部材との摩擦摺動部を持つ少なくともＳｉ、Ｍｎ、Ｃを含む球状黒鉛鋳鉄製部材であって、
エンリッチプロパンとアンモニアを含む不活性ガス雰囲気中でオーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により形成される焼戻しマルテンサイト、焼戻しマルテンサイトとトルースタイト、焼き戻しマルテンサイトとソルバイトからなる群より選択された組織と、    
前記オーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により窒素の拡散固溶した表層とを有し、
前記拡散固溶層の表面に酸化けい素層を有することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製部材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄製部材であって、
前記拡散固溶層の厚さが２０〜４００μｍ、ビッカース硬度Ｈｖが５８０〜６５０で、  前記表層の厚さが５〜３０μｍで、
あることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製部材。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄製部材であって、
前記オーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理後、焼き入れ処理と焼き戻し処理を行う
ことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製部材の熱処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載のオーステナイト化処理は前記不活性ガス雰囲気中で８００〜９４０℃の温度に１．０〜１０．０時間加熱保持することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製部材の熱処理方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の炉冷処理は、前記不活性ガス中で８００〜８６０℃の温度に１０．０〜２０．０分間加熱保持することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製部材の熱処理方法。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の焼き入れ処理と焼き戻し処理は、１３０〜１５０℃の温度の冷却剤に前記部材を焼き入れた後１０〜６０分間均一に保持した後、
該焼き戻しを処理が３８０〜４００℃の温度に１．０〜３．０時間均一に保持して焼き戻す、
ことを特徴する記載の球状黒鉛鋳鉄製部材に熱処理方法。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄製部材をハウジングに使用した車両に搭載されるデファレンシャル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状黒鉛鋳鉄製の機械構造部材及びその熱処理方法、更にその部材を利用した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば車両の構造部材等で複雑な形状をなし強度や耐摩耗性を要求される部材には、適度に肉抜きが可能で軽量化でき、加工工数を減らすことの可能な材料として球状黒鉛鋳鉄が用いられてきている。
【０００３】
この球状黒鉛鋳鉄は、析出する黒鉛により耐衝撃性があり、また、黒鉛が振動のエネルギーを吸収するために減衰能が大きい等の優れた機械的性的性質を有している。しかも、析出した黒鉛を球状にすることによって応力集中をなくし引張強度等の機械的性質を向上させている。
【０００４】
この球状黒鉛鋳鉄の基質部分は、一般的にはフェライトとパーライトの組織にする場合が多い。フェライトは引張強度は低いが延性があり、加工しやすい。一方、パーライトは強度は高いが加工し難い性質を有してる。このため、両者の組織を共存させ用途に応じて組織の量比を調整している。しかし、硬さが低いために耐摩耗性が劣るという問題があった。
【０００５】
このような問題を解決するために、ベーナイトとオーステナイトの混合組織を有する球状黒鉛鋳鉄の表面を浸炭窒化処理することによって鋳鉄部材の表面に硬化層を設けて耐摩耗性を改良する発明が提案されている（特開昭５７−１９２２４１号公報等）。基質の組織をベーナイトとオーステナイトの混合組織にして強度を高くし、かつ、表面に窒素が拡散固溶した硬化層を設けることにより疲労強度、耐摩耗性に優れた部材を提供するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の球状黒鉛鋳鉄製部材では以下のような問題点がある。
【０００７】
高負荷を受けて相手側部材と摺動する摩擦摺動部に使用される場合、ベーナイトは熱処理に伴って、加熱炉から冷却炉に移す工程中に酸素雰囲気に触れると表層に脱炭層を生ずるおそれがあり、耐摩耗性、耐焼き付き性が低下するおそれがある。一方、オーステナイトは室温では安定な組織ではないためにマルテンサイト変態をするために使用中に寸法変化を生ずる場合がある。また、該変態に伴って応力が生じ、割れが発生するおそれがある。
【０００８】
更に、高負荷を受ける場合はベーナイトとオーステナイトの混合組織では未だ強度が十分ではないという問題がある。また、特に高速の金属同士が接触摺動する摩擦摺動部に使用される場合は混合組織では、耐摩耗性、耐焼き付け性が十分ではないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、球状黒鉛鋳鉄製部材のじん性の低下防止を図りながら、耐摩耗性、耐焼き付き性を向上させる熱処理方法の提供を課題とする。さらに、じん性の低下防止を図り強度が高く、かつ耐摩耗性、耐焼き付き性の向上した部材の提供を課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、相手側部材との摩擦摺動部を持つ少なくともＳｉ、Ｍｎ、Ｃを含む球状黒鉛鋳鉄製部材であって、エンリッチプロパンとアンモニアを含む不活性ガス雰囲気中でオーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により形成される焼戻しマルテンサイト、焼戻しマルテンサイトとトルースタイト、焼き戻しマルテンサイトとソルバイトからなる群より選択された組織と、前記オーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により窒素の拡散固溶した表層とを有し、前記拡散固溶層の表面に炭窒化物層を有することを特徴とする。
【００１１】
これにより、窒素の拡散固溶層の形成が部材摺動部の耐摩耗性と耐焼き付き性を著しく向上することができる。
【００１３】
また、部材の極く表面に前記拡散固溶層より硬い炭窒化物層が生成され摺動部分の耐摩耗性が一層向上する。さらに、部材表面に硬さの大きい層を得ることにより摺動部の耐摩耗性と耐焼き付き性が一層向上することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、相手側部材との摩擦摺動部を持つ少なくともＳｉ、Ｍｎ、Ｃを含む球状黒鉛鋳鉄製部材であって、エンリッチプロパンとアンモニアを含む不活性ガス雰囲気中でオーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により形成される焼戻しマルテンサイト、焼戻しマルテンサイトとトルースタイト、焼き戻しマルテンサイトとソルバイトからなる群より選択された組織と、前記オーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理により窒素の拡散固溶した表層とを有し、前記拡散固溶層の表面に酸化けい素層を有することを特徴とする。
【００１５】
これにより、部材の極く表面層に網目状の酸化けい素層が生成され、潤滑油を保持するので、摺動部の耐摩耗性と耐焼き付き性が一層向上することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄製部材であって、前記拡散固溶層の厚さが２０〜４００μｍ、ビッカース硬度Ｈｖが５８０〜６５０で、  前記表層の厚さが５〜３０μｍで、あることを特徴とする。
【００１６】
これにより、高負荷がかかる摺動部分に使用する部材にも利用することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄製部材であって、前記オーステナイト化処理と該処理後の炉冷処理後、焼き入れ処理と焼き戻し処理を行うことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のオーステナイト化処理は前記不活性ガス雰囲気中で８００〜９４０℃の温度に１．０〜１０．０時間加熱保持する球状黒鉛鋳鉄製部材の製造方法である。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の炉冷処理は、前記不活性ガス中で８００〜８６０℃の温度に１０．０〜２０．０分間加熱保持する球状黒鉛鋳鉄製部材の熱処理方法である。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の焼き入れ処理と焼き戻し処理は、１３０〜１５０℃の温度の冷却剤に前記部材を焼き入れた後１０〜６０分間均一に保持した後、該焼き戻しを処理が３８０〜４００℃の温度に１．０〜３．０時間均一に保持して焼き戻す球状黒鉛鋳鉄製部材の熱処理方法である。
【００２１】
こうして、オーステナイト化処理および炉冷処理の上記各条件により、均一なオーステナイト組織が得られるから、部材の劣化などを伴うことなく窒素の拡散固溶層を形成でき、次工程の焼入れ処理における焼きむら、焼き割れの危険性を防止することができる。
【００２２】
また、焼入れ・焼戻し処理の上記各条件により、焼き割れ、じん性の低下を防止すると共に所定の表面硬さを安定的に得ることができる。
【００２３】
なお、これらの熱処理による部材の変形量が極めて小さいので、部材に熱処理後の機械加工を行うことなく、相手部材との組み付け、摩擦摺動が可能となる。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄製部材をハウジングに使用した車両に搭載されるデファレンシャル装置である。
【００２５】
機械構造部材としては、例えば車両に搭載されるディファレンシャル装置のハウジングがある。このハウジングに本発明の球状黒鉛鋳鉄部材を使用することによって、形状決定の自由度が高く、軽量かつ低コスト化が可能となると共に、これに本発明の熱処理を行うことにより、内蔵する差動部材との摺動部に摺動ワッシャを用いなくとも、高面圧、高周速度の条件下で十分な耐久性を発揮する効果が得られる。
【００２６】
本発明に用いる球状黒鉛鋳鉄の組成はＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓと不可避的不純物としてＳｂ、Ｓｎ、Ｃｕ等の他黒鉛球状化剤としてＭｇ、Ｃａ、Ｃｅ等を使用することができる。球状黒鉛鋳鉄であれば組成は特に限定されるものではない。
【００２７】
本発明の構成によって、部材のじん性の低下を防止すると共に、表層に窒素の拡散固溶層を形成することにより部材摺動部の耐摩耗性と耐焼き付き性を著しく向上することができる。窒素の拡散固溶層の表面に更に硬い炭窒化物等の層を設けることによって耐摩耗性等を更に向上させることができる。
【００２８】
本発明の熱処理方法によって、均一なオーステナイト組織が得られるから、部材の劣化などを伴うことなく窒素の拡散固溶層等を形成でき、次工程の焼入れ処理における焼きむら、焼き割れの危険性を防止することができる。
【００２９】
また、焼入れ・焼戻し処理の上記各条件により、焼き割れ、じん性の低下を防止すると共に所定の表面硬さを安定的に得ることができるようになる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図１、図２により説明する。図１は，熱処理後の部材の断面組織を示し、図２は部材の表面の状態を示したものである。
【００３１】
本発明の球状黒鉛鋳鉄の実施形態としては、鋳造後所定の形状に加工された部材に各熱処理を施すことができる。この部材は高負荷を受けて相手側部材と摺動する摩擦摺動部を有する機械の部分に使用することができる。
【００３２】
図１は上記一連の熱処理を施した部材の断面組織を模型的に示す。部材の表面から１０μｍ程度の極く表面層には酸化けい素層Ａが生成され、その下層が窒素の拡散固溶層Ｂであり、その厚さは２５μｍで表面硬さはＨｖ５８０〜６５０となる。素地Ｃは焼戻しマルテンサイトとトルースタイトとの混在組織であり、球状黒鉛Ｄ（斜線を施した球）が点在している。
【００３３】
また、図２は上記酸化けい素層Ａの表面を示す拡大平面図である。酸化けい素層Ａは図示のような孔ａ，ｂ（ｂはａの集り）を多数有する網目状をなし、これらの孔ａ，ｂが潤滑油を保持する作用を果たす。また、この層Ａは窒素の拡散固溶層Ｂと比較してそれ以上の硬さを有する。
【００３４】
上記酸化けい素層は不活性ガス中に微量に存在するＣＯ2 やＨ2 ０が解離し酸化成分として部材中に存在するＳｉに吸着して結合する。
【００３５】
また、窒素の拡散固溶層の表面に炭窒化物層を設けることができる。存在形態は上記酸化けい素層と同様である。炭化鉄などの炭化物と窒化鉄などの窒素化物が混合して層を形成しているものである。
【００３６】
炭窒化物層はオーステナイト化処理温度または時間を調整することによって浸炭窒化処理すると同時に形成することができる。部材の表面に１０μｍ程度の極く表面層には炭窒化物層が生成され、その下層が窒素の拡散固溶層であり、さらに素地は焼戻しマルテンサイトとトルースタイトとの混在組織であり、球状黒鉛が点在している上記同等の組織形態を有している。また、炭窒化物層は窒素の拡散固溶層と比較してそれ以上の硬さを有している。
【００３７】
請求項１ないし請求項３に記載の球状黒鉛鋳鉄部材を得るための請求項４ないし請求項８に記載の熱処理方法の実施形態を具体的に説明する。
【００３８】
［オーステナイト化処理］
まず、部材のオーステナイト化処理を行う。このオーステナイト化処理は、部材をエンリッチプロパンおよびアンモニアを高濃度に保持した不活性ガス雰囲気中（浸炭窒化雰囲気中）で８００〜９４０℃の温度に１．０〜１０．０時間保持し、部材の組織を均一なオーステナイト組織にする。
【００３９】
上記の温度と時間の条件は下記の理由により設定している。すなわち、上限温度９４０℃よりも高い温度に保持すると部材が溶解する恐れがある。一方、下限温度８００℃よりも低い温度に保持するとオーステナイト化速度が遅く、内部組織が均一に得られない。
【００４０】
また、保持時間を下限の１．０時間よりも短くすると、後工程の焼入れ処理での部材の焼きむら、焼き割れの危険性が増すためである。一方、上限の１０．０時間よりも長くすると組織中のカーボン量のバラツキや不純物の混入により均一な組織を得るのが難しく、処理時間もかさむためである。
【００４１】
［炉冷処理］
ついで、上記オーステナイト化処理と同じ不活性ガス雰囲気中で、８００〜８６０℃の温度に１０．０〜２０．０分保持し炉冷する。
【００４２】
これにより窒素の拡散固溶層の形成を促進しながら表層および内部組織を均一かつ安定化させる。次工程の焼入れに移行する段階で急速にマルテンサイト変態を行うと焼き割れを起こす恐れがあるので、この炉冷処理により焼き割れを防止する。
【００４３】
更に、オーステナイト処理と炉冷処理は同一雰囲気中で行われるため、オーステナイト処理は８９０〜９４０℃の温度にし、かつ炉冷処理を８４０〜８６０℃の温度にすることが好ましい。部材の焼き割れを防止するために適切な温度条件であり、かつ最短時間で処理できるからである。
【００４４】
［窒素の拡散固溶層の形成］
窒素の拡散固溶層の形成は、上記オーステナイト化処理と炉冷処理とを不活性ガス雰囲気中で行うことにより形成する。すなわち、オーステナイト化処理と炉冷処理とをそれぞれ上記の温度と時間の条件で行うことにより、部材の表層に窒素の拡散固溶層を形成する。
【００４５】
これにより、部材表面から２０〜４００μｍの表層に窒素の拡散固溶層を形成する。
【００４６】
［炭窒化物層の形成］
オーステナイト化処理と炉冷処理とを上記の温度と時間内で調整することにより、部材表面から５〜３０μｍの表層に炭窒化物層を形成することができる。
【００４７】
［焼入れ］
焼入れ処理は、上記炉冷処理状態から急冷し、部材を１３０〜１５０℃の温度の冷却剤中に焼き入れた後、１０．０〜６０．０分間均一に保持し焼入れする。これにより、完全マルテンサイト変態の領域を僅かに外し、マルテンサイト中にパーライトを存在させて焼き割れを防止する。変態組織の安定化のため焼入れ冷却剤は油冷とするのが好ましいが、水溶性冷却剤を用いてもよい。
【００４８】
なお、温度１３０〜１５０℃、時間１０．０〜６０．０分の条件は、上記のように焼き割れを防止すると共に次工程の焼戻し処理による脆性、つまりじん性の低下を防止する。上記の温度と時間はこの防止のための適温で最適時間である。
【００４９】
［焼戻し処理］
焼き戻し処理は、温度３８０〜４００℃に１．０〜３．０時間に保持して焼戻し処理をする。温度と時間の条件は部材内部が均一な状態にするために必要な範囲内で決定する。通常の乗用車のデフケースは１〜１０ｋｇ程度のものであればこれにより、最終的に部材表面から２０〜４００μｍの表層に窒素の拡散固溶層を形成したまま、表面硬さをＨｖ５８０〜６５０内に落ち着かせることができる。析出組織は焼戻しマルテンサイト、もしくは焼戻しマルテンサイトとトルースタイトまたはソルバイトとの混在組織である。
【００５０】
このとき、温度条件を下限の３８０℃よりも低い温度にすると硬さは増すが、じん性が低下するので、相手側部材との摩擦摺動部においては相手側摺動面を損傷し摩耗させる。一方、上限の４００℃よりも高い温度にすると硬さは低下するが、摺動面の摩耗量が増加する。
【００５１】
また、上記処理時間１．０〜３．０時間は、上記３８０〜４００℃で表面硬さＨｖ５８０〜６５０を安定的に得るための最適時間である。
【００５２】
なお、球状黒鉛鋳鉄の簿剤の種類選定については熱処理後の材質の機械的性性質としての耐力、引張強度も考慮し適宜選定することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の部材はじん性の低下を防止すると共に、表層に窒素の拡散固溶層を形成することにより、部材摺動部の耐摩耗性と耐焼き付き性を著しく向上することができる。
【００５４】
また、本発明の熱処理方法はオーステナイト化処理および炉冷処理により、均一なオーステナイト組織が得られるから、部材の劣化などを伴うことなく窒素の拡散固溶層を形成でき、次工程の焼入れ処理における焼きむら、焼き割れの危険性を防止することができる。さらに、焼入れ・焼戻し処理により、焼き割れ、じん性の低下を防止すると共に所定の表面硬さを安定的に得ることができる。
【００５５】
さらに、本発明の部材を使用した装置を用いることによって耐摩耗性、耐焼き付き性のある車両に搭載するデファレンシャル装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施形態の部材の断面組織を示す説明図である。
【図２】  一実施形態の部材の表面の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ  酸化けい素層
Ｂ  窒素の拡散固溶層
Ｃ  素地
Ｄ  球状黒鉛
【図１】
0003748972.tif 000002
【図２】
0003748972.tif 000003