技術論文＞肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響

21

技術論文
Technical Paper

肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響
寺田紘樹＊1，森田敏之＊2，宮﨑貴大＊1

Effect of Oxidation Layer on Gas Carburizing Performance in CaseHardening SteelHiroki Terada, Toshiyuki Morita, and Takahiro Miyazaki
Synopsis
Gas carburizing is widely used for strengthening automotive transmission parts such as gears and CVT pulleys. Homogeneous
carburized layer, which forms martensite after quenching, could ensure high fatigue strength and wear resistance of the parts.
Though carbon can be introduced into austenite phase at carburizing temperature, retardation of carburizing is reported in Nbbearing steel and high temperature resistant steel. In this study, typical case hardening steel JIS-SCr420 was gas carburized andthe influence of oxidation layers, which were formed during heating before carburizing, was investigated on the introduction ofcarbon. For comparison, steel grades with change in the amount of chromium, silicon, and manganese were prepared.
It was found that the carburizing is inhibited due to the oxidation layer and the degree of retardation increses with thicknessof the layer. Especially, the thickness of Cr-rich oxidation layer formed at the boundary between parent phase and Fe oxidation
layer significantly inhibits the carburizing.

1．緒

言阻害の事象が報告されている．たとえば，江藤 4）らは，Nb を添加した SCM420 において，浸炭前の切削工程で浸炭焼入れは鋼材の表面硬化処理の代表的なものであ生成した加工変質層による浸炭阻害を，また藤田 5）らは，り，歯車・シャフトなどの高い疲労強度・耐摩耗性が必

耐熱浸炭軸受鋼において浸炭中に生成・成長する Cr 酸要とされる部品に用いられている．その中でもガス浸炭化物による浸炭阻害を報告している．すなわち，CP 制法は，大量生産性に優れ，ブードア反応から予想される御した雰囲気からの炭素の侵入は，加工や浸炭中の酸化平衡する鋼材中の炭素濃度“カーボンポテンシャル（以による表層付近の組織変化の影響を受けることがある．

下，CP）”を用いて雰囲気を制御する CP 制御により，ところで，ガス浸炭の昇温工程では，使用炉や処理条安定した操業が可能であることなどから工業的に広く利件の違いにより被処理材の表面に酸化層が形成されるこ用されているとがある．この酸化層は，前述の事象のように浸炭工程．

1）～ 3）

CP 制御を行うことを前提として，雰囲気ガスの組成が同じ場合に，同一の CP，温度，時間のガス浸炭を行での炭素の侵入に影響すると想定されるが，報告事例はほとんどない．

えば，鋼材の表面からの炭素侵入量に差は無く，同一の本研究では，浸炭阻害の要因として考えられる昇温炭素濃度分布が得られるはずである．しかしながら，特工程における酸化に着目し，代表的な肌焼鋼である JIS

定の鋼種で予測される炭素侵入量よりも少ない，浸炭- SCr420 をベースに O2 との反応活性が Fe よりも大きい2013 年 6 月 13 日受付＊ 1 大同特殊鋼㈱研究開発本部（Daido Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 大同特殊鋼㈱研究開発本部，工博（Dr., Eng., Daido Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

22

電気製鋼 第 84 巻 1 号 2013 年

Cr，Si，Mn 含有量を変化させた種々の鋼 6） における，Unit：mm

浸炭阻害へ及ぼす酸化層の影響を明らかにすることを目的とした．

2．実験方法2.

1

供試材

本研究で用いた供試材の化学成分を Table 1 に示す．
Table 1. Chemical composition of test steels (mass%).
SteelCSi

MnNi

CrA

0.20

0.21

0.85

0.01

1.00

B

0.20

0.21

0.86

0.01

0.50

C

0.20

0.20

0.85

0.01

1.52

D0.20

0.20

0.85

0.01

2.03

各供試材の加熱温度・加熱時間に伴う酸化増量の変化

E0.20

0.50

0.850.011.00を求めた．酸化処理は大気炉にて，試験片をるつぼに入F

0.20

1.01

0.85

0.01

1.01

れた状態で Fig. 3 に示す条件で実施し，試験片の処理前

G

0.20

0.21

1.50

0.01

1.00

Fig. 2. Schematic illustration of specimens for
examination of carburizing performance.

2.

2

酸化増量試験

後の重量変化を精密天秤にて測定し，単位面積当たりの重量変化を酸化増量とした．実際の操業においては，被JIS - SCr420 を基本成分として，Si，Mn，Cr 含有量を処理材や浸炭条件によって様々な昇温パターンが存在す変化させた 7 鋼種である．供試材は高周波誘導炉を用るため，本実験では温度 6 水準，時間 2 水準で変化させいて真空中で溶解し，150 kg 鋼塊に鋳造した後，1523 K試験を行った．

で熱間鍛造しφ 60 mm の棒鋼に鍛伸した．この棒鋼に1183 K の焼ならし処理を施した後，機械加工にて酸化試験片および浸炭性試験片を製作し，次節以降に記述する酸化増量試験および浸炭性評価試験に供した．Fig. 1に酸化増量試験片形状，Fig. 2 に浸炭性評価試験片形状を示す．なお加工の影響を排除することを目的に，各試験片の表面は研磨を施し，組織観察により加工変質層の除去を確認している．

Fig. 3. Conditions of oxidation treatment formeasurement of oxidation mass gain.

2.

3

浸炭性評価

今回の実験では，連続炉では昇温時に酸化された後に浸炭されることを考慮し，各供試材を Fig. 4 (a) に示す
条件で酸化処理を実施し，その後 Fig. 4 (b) に示す条件で浸炭処理を実施，浸炭性を評価した．浸炭は，バッチ

Unit：mmFig. 1. Schematic illustration of specimens formeasurement of oxidation mass gain.

型のメタノール滴注式ガス浸炭炉を用い，純鉄に対するCP が 0.80 % となる雰囲気で行った．また浸炭昇温時はN2 雰囲気で昇温させることで，浸炭昇温時の酸化を極力抑制した条件で浸炭を実施した．浸炭処理後の炭素濃度分布の測定には電子プローブマイクロアナライザー（EPMA）を用いた．Fig. 4 (a)，(b) 各処理後の表面酸化層を走査型電子顕微鏡（SEM）と EPMA で調査した．

技術論文＞肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響

23

Fig. 4. Conditions of oxidation treatment and carburizing.

3．実験結果3.

1

酸化増量試験結果

Fig. 5 に各酸化処理条件における酸化増量の測定結果を示す．いずれの供試材も酸化温度の上昇および酸化時間の増加に伴い酸化増量は高い傾向を示した．

一般に，酸化増量は時間の平方根に対して直線的に変化する，いわゆる放物線則に従うことが知られており，式（1）のように表される 6），7）……………………………………………
（1）

Fig. 5. Dependence of oxidation mass gain on conditions of oxidation treatment.

ここでΔ w は単位面積当たりの重量増加（kg・m-2），t は時間（s），k は反応速度定数（kg2・m-4・s-1）である．
式（1）を元に，各供試材の酸化増量に対する反応速度定数を求め，Arrhenius プロットを行った結果を Fig. 6に示す．これより，本実験条件においては，いずれの供試材も概ね直線関係が得られており，熱活性化過程で反応が進行していることが分かる．また，いずれの供試材もほぼ同じ傾きであることから，本実験条件において，添加元素が酸化反応速度へ与える影響は小さいと考えられる．

Fig. 6. Temperature dependence of the k value.

243.

電気製鋼 第 84 巻 1 号 2013 年

2浸炭性評価結果

Fig. 7 に各供試材の炭素濃度分布を示す．図中の実線として Cr 含有量を変化させた鋼種である．これらの鋼種の 1223 K 酸化処理を施した試料の炭素濃度分布を Fig. 8(a) に示す．これより，同一の酸化処理温度には各酸化処理後に浸炭した試料断面の炭素濃度分布であ

おいて，Cr 含有量が高いほど表面炭素濃度が低く，浸り，比較のため破線は酸化処理をしていない試料断面の炭深さが浅くなっており，顕著な浸炭阻害が認められ炭素濃度分布を示す．いずれの成分においても，酸化処る．一方，Si，Mn 含有量を変化させた Steel E，F，G は理温度の上昇とともに表面炭素濃度が低く，浸炭深さがFig. 8(b)，(c) に示すように炭素濃度分布に顕著な差は浅くなる傾向が認められた．特に 1223 K 酸化処理材は，認められなかった．Fig. 9 に浸炭深さと供試材の Cr 含未酸化処理材よりも表面炭素濃度や浸炭深さが大きく低有量の関係を示す．ここで浸炭深さとは表層から 0.35下しており，酸化処理時に生成した酸化層が浸炭を阻害

mass% の炭素濃度までの距離とした．これより，酸化したと推定される．

処理温度が高く，Cr 含有量が高いほど顕著な浸炭阻害

Steel B，C，D は，Steel A（JIS SCr420） を 基 本 成 分が生じていることが分かる．

Fig. 7. Carbon concentration profiles for carburized specimens oxidatively-treated at 1123 K~1223 K.

技術論文＞肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響

25

Fig. 8. Effects of alloying elements on carburizing performance in specimens oxidatively-treated at 1223 K.

SEM 観察結果より，Steel A の 1123 K 酸化処理後の酸化層はポーラスな組織であった．一方，Steel A の 1173 K，Steel D の 1173 K，1223 K 酸化処理後の酸化層は，界面近傍に緻密に生成される傾向が認められた．EPMA による元素マッピング結果より，酸化層は Cr が濃化している領域（A）と濃化していない領域（B）に分けられ，母材との界面近傍には Cr を多く含む酸化層（以下，Crリッチ酸化層）が生成していることが分かった．また
酸化処理温度が高く，供試材の Cr 含有量が高いほど高濃度の Cr リッチ酸化層が生成していることを確認した．
Fig. 11 は，Fig. 10 で観察した供試材の浸炭後の断面のSEM 観察結果および EPMA による元素マッピング結果である．SEM 観察結果より，浸炭焼入れ後においても，酸化層は剥離していないことが分かる．EPMA による元素マッピング結果より，顕著な浸炭阻害の発生する条件である酸化処理温度が高く供試材の Cr 含有量が高い
Fig. 9. Relationship between Cr content and carburizing

3.

ほど，表面を厚い Cr リッチ酸化層が覆う傾向が認めら

depth.

れた．浸炭前後の酸化層を比較すると，浸炭後に残存し3リッチ酸化層と推定される．

表面酸化層調査結果ている酸化層は酸化処理後に界面近傍に認められた Cr

3．2 より，酸化処理温度が高いほど，また Cr 含有以上の結果より，浸炭阻害が発生した供試材の表面に量が高いほど顕著な浸炭阻害が生じることが分かった．

は Cr リッチ酸化層が存在し，その厚さが増すほど顕著

そこで，浸炭阻害要因を調査するため，酸化処理温度な浸炭阻害が発生する傾向が認められた．また酸化処理と Cr 含有量が異なる供試材の酸化処理後および浸炭後温度が高く，供試材の Cr 含有量が高いほど母材との界の表面酸化層を調査した．Fig. 10 に Steel A の 1123 K，面近傍に緻密な Cr リッチ酸化層が生成し，酸化処理に1173 K，Steel D の 1173 K，1223 K 酸化処理後の供試材よって生成した Cr リッチ酸化層は，本浸炭条件においの断面 SEM 観察結果および EPMA による元素マッピンては十分に還元されず，浸炭中も供試材の表面に存在す

グ結果を示す．なお，SEM 観察像は 2 次電子像である．

ることが分かった．

26

電気製鋼 第 84 巻 1 号 2013 年

Fig. 10. SEM images of cross section and there EPMA mappings after oxidation treatment.

Fig. 11. SEM images of cross section and there EPMA mappings after carburizing.

技術論文＞肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響

4．考
4.

1

察

………………………………………
（2）

ガス浸炭シミュレーション

3．2 および 3．3 より，鋼の表面が厚い Cr リッチ酸

27……………………………………
（3）

化層に覆われている場合，顕著な浸炭阻害が生じること炭化物の生成は考慮せず，鋼中に含まれる炭素は全てが分かった．そこで，浸炭雰囲気において表面に安定な固溶しており，式（3）に従い拡散すると仮定し，炭素酸化層が存在する場合，雰囲気から鋼表面へ炭素が侵入の拡散定数 D（C）は C. Wells10）らの測定値を温度と炭する過程でどのような影響を与えるかを考察するため，素濃度に依存する形で回帰した近似式（4）を用いた．

炭素濃度分布のシミュレーションを行った．表面からのC は炭素濃度（mass%），T は浸炭温度（K）を表す．

炭素侵入は界面に濃度境界層や異材種層などの阻害要因（4）が存在する場合には侵入速度式（2）で表されることが知られており 8），9），また内部での炭素拡散は Fick の第 2法則である式（3）に従うことが知られているため 1），2），Fig. 12 に炭素濃度分布の実測値と計算値の一例を示

シミュレーションはこれらを差分法を用いて解くことです．これより，いずれの条件においてもβを変化させる行った．J は炭素侵入量，βは炭素移行係数，CP は雰ことで実測値とほぼ同様の炭素濃度分布計算結果が得ら

囲気のカーボンポテンシャル，Cs は鋼表面の炭素濃度，れており，βが小さいほど，浸炭阻害の程度が大きいとC は炭素濃度を，D は拡散定数をそれぞれ表す．

理解できる．

Fig. 12. Calculation results of carbon concentration profiles.

284.

電気製鋼 第 84 巻 1 号 2013 年

2

雰囲気と鋼の表面反応に及ぼすCrリッチ 酸化層の影響おいても十分に安定な Cr リッチ酸化層が存在し，外面で雰囲気と内面で鋼材との局所平衡が成立している場
合，酸化層内外面の炭素濃度はそれぞれ aCP，aCs で表Fig. 13 に計算より求めた炭素移行係数（β）と酸化される（a は鋼材中の炭素の活量係数を酸化層中の炭素層中の Cr 酸化物量との関係を示す．酸化層中に存在すの活量係数で除したもの）．酸化層中の炭素の濃度分布る Cr 酸化物量は，以下のように見積もった．Cr 酸化物が直線であると仮定し，酸化層中の炭素の拡散係数を量は供試材の Cr 含有量に比例すると仮定し，元素毎にDo とすれば，鋼材への炭素侵入量は式（5）で表される．

酸化物の組成を FeO，SiO2，MnO，Cr2O3 と仮定し酸化式（5）と（2）を比較すると，βとして式（6）が得ら物割合に換算した．この際，不純物レベルの元素に関しれる．酸化層は炭素の活量係数が非常に大きく拡散定数ては除いて計算を行った．また，Fig. 6 に示す Arrhenius

Do も小さいと推定されることから，炭素移行係数を低プロットより，各酸化温度と時間における酸化増量値を下させる因子として働く．さらに，Cr 酸化物量の増加計算した．酸化増量値は供試材と反応した酸素量に等しとともに Cr リッチ酸化層の厚さ d が増加し，βが小さいことから，Cr 酸化物の割合と酸化増量値から，酸化くなったと考えられる．

層中の Cr 酸化物量を計算した．これより，βは酸化層……………
（5）中の Cr 酸化物量の増加に伴い低下する傾向が認められた．式（2）より，βの低下に従い炭素侵入量（J）が低下することから，表面炭素濃度が低下し，浸炭深さが浅くなり，浸炭阻害が発生すると考えられる．

………………………………………………
（6）

Fig. 14. Model of surface reaction during carburizing
when Cr-rich oxidation layer is formed atsurface.
また，一般的には Si や Ni も炭素侵入量を低下させやすい元素として知られている 11）．本実験では，少なくFig. 13. Relationship between calculation of Cr oxidation
weight in oxidation layer and mass transfer
coefficient of carbon.とも Si はβに顕著な変化を与えていない．しかしながら Si は鋼中の炭素の活量係数を上昇させる元素であり，CP を低下させ 12）～ 14） 式（2）において炭素侵入量を減少させる．この効果は本実験においても確認されておまた，βが低下する原因は以下のように考えることがり，Si を多く添加した鋼材 を浸炭する際には雰囲気のできる．Fig. 14 に示すように鋼の表面に浸炭雰囲気にCP を高めて浸炭するなどの対策が必要と考えられる．

技術論文＞肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響

5．結論

肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響を調査した
結果を以下に記す．
（1）ガス浸炭時の炭素侵入が阻害される浸炭性の低下に対しては，鋼の表面に生成した酸化層だけでなく，母材との界面近傍に生成する Crリッチ酸化層の影響が大きい．
（2）炭素濃度分布は，表面に炭素の拡散が遅い層が存在すると仮定した計算結果とよく一致する．炭素移行係数は，生成した Cr酸化物量でよく整理できることから，Cr酸化物の生成量を減じることで，浸炭阻害は抑制できる．

（文献）1）内藤武志：浸炭焼入れの実際，日刊工業新聞社，東京，（1979）．
2）石神逸男：熱処理，37（1997），6，319．
3）小川三郎：熱処理，37（1997），6，336．
4）江藤裕，梅本実，佐々木和也，吉田匡克：鉄と鋼，99（2013），1，32．

5）藤田工：日本熱処理技術協会講演概要，61（ 2005），
61．
6）大塚伸夫，大塚武彦：熱処理 33（1993），4，251．

7）新居和嘉：防食技術，26（1997），389．

8）R. Collin，S. Gunnarson and D. Thulin：Journal of The
iron and Steel institude，Oct.
（1972），777．
9）内藤武志，中広伊孝：熱処理，37（1997），6，329．
10）C. Wells，W. Batz and R. F. Mehl：Trans. AIME，88（1950），553．
11）高田寿，井上毅，金子晃司，十代田哲夫：神戸製鋼
技報，32，4，66．
12）T. Wada，H. Wada，J. F. Elliott and J. Chipman：MetTrans.，3（1972），1657．
13）T. Wada，H. Wada，J. F. Elliott and J. Chipman：MetTrans.，3（1972），2865．
14）森田敏之，松村康志，梅本実：電気製鋼，79（2008），1，15．

29