＊１
機械部品の複合熱処理に関する研究（ ）

［要悟＊２

服部

中山

恭

利＊２

市村

恒

人＊３

旨］

ガス軟窒化処理と高周波焼入を組み合わせた複合熱処理は、それらの単独処理に比べ表面硬度が上昇するなど機械的性質が向上するが、さらに軟窒化により表面に生成する化合物層（Fe 窒炭化物）を有効利用し、ガス軟窒化処理後に再加熱を行うと化合物層の分解・拡散により拡散層の窒素量が増加し、これを焼入することでさらに硬度が上昇し、耐摩耗性も向上した。

１．緒言

ス軟窒化後高周波焼入を行う複合熱処理の可能性

産業技術の進歩、また信頼性の向上・コスト低を検討し一定の効果が得られた。しかし、ガス軟減の観点から、自動車・産業用機械はもとよりあ窒化により生成する表面化合物層は窒素を８〜らゆる機械部品に求められる要求はますます厳し９％（１）含んでおり、耐摩耗性・耐食性に有効であくなってきている。その中で、従来より浸炭、窒るが、高周波焼入を行うと一部剥離し効果を失っ化、高周波焼入等の熱処理やメッキなどによる表ていた。そこで、表面化合物層の窒素を有効に利面改質によりその要求に答えてきたが、近年それ用し、ガス軟窒化後再加熱を行い窒化物の分解・らの処理では十分に満足できないケースが出てき窒素の内部への拡散を促進させ、その後の高周波ている。また近頃、TiN、CrN、DLC 等の高硬度焼入により窒素濃度を高めた Fe−C−N 系マルテで摩耗特性を飛躍的に向上させた処理が工具等のンサイトの生成により機械的性質の向上を試みた。

一部の高付加価値部品に見られるが、低コストを求められる一般機械部品に適用するのは今のとこ

２．実験方法
本実験では、普通炭素鋼である S４５C を用い、ろ難しい。
そこで、これまで単独で行われてきた各種熱処

ピン状（φ７．
９８×２０）、ブロック状（１５×１５×１５）、理を組み合わせて行う複合熱処理が種々検討され、 に加工しそれぞれ、摩擦摩耗試験用、組織観察・硬度分布測定用とした。

効果が確認されている。
京都府北部丹後地域の機械金属業界では機械部

ガス軟窒化は、加熱温度５７０℃、加熱時 間３h品の高付加価値化を図るため、高周波焼入を導入で行い、その後の高周波焼入は有効硬化深さ１．
０しているが、さらなる高度化をめざし昨年度、ガmm を目標に行った。
化合物層の分解と、窒素の内部への拡散を促進＊１ 地域産業集積活性化計画支援事業するための再加熱条件として、加熱温度を Fe-N

＊２ 材料技術課 技師系の共析点付近の６００℃、Fe-C 系の A１点直下の＊３ 材料技術課 主任研究員

７００℃、オーステナイト域の８００℃、加熱時間を３、−４７−

１５、３０min とし、電気炉により加熱処理を行った。 においても母材は窒素を含む微細マルテンサイト
評価方法として、金属顕微鏡による組織観察、である。

マイクロビッカース硬度計（島津製作所 HMV２０００）による表面硬度分布の測定、EPMA（島津表１ 各処理後の組織製作所 EPMA−８７０５）による表面窒素濃度分布

ガス軟窒化のままの測定、ピンオンディスク型動摩擦摩耗試験機（高千穂精機 TRI−S）による摩耗試験を行った。なお、摩擦摩耗試験条件は、印荷加重：５０N、摩擦速 度：４m/s、摩 擦 距 離：３０００m、相 手 材：SKD
１１(HRC６１）とした。

窒化後高周波焼入

３．実験結果および考察
表１にガス軟窒化後の組織を示す。最表面には白く見える化合物層が１０〜２０µm 生成している。
次ぎに再加熱を行わずにそのまま高周波焼入を行った組織を下に示す。高周波加熱により化合物層の分解が始まり、母材との界面では拡散の形跡が見られるが、短時間加熱のため十分には進行して高周波焼入のみいない。前回報告のように化合物層下は窒素含有微細マルテンサイトになっており、高周波焼入単独に比べビッカース硬度で１００程度硬さが上昇している。
表２にガス軟窒化後６００、７００、８００℃に３、１５、３０min 保持した組織を示す。
６００℃では、いずれの時間においても組織上は化合物層の分解・拡散は確認できない。７００℃になると化合物層の分解と拡散が同時に進行している様子が確認でき、３min 保持の写真では化合物層と母材の間に αFe と γ′の混合組織が観察される。７００℃１５min，３０min 保持および加熱温度８００℃
ではもはや化合物層は完全に分解しており、最表面は αFe と γ′の混合組織である。
表３に、再加熱後高周波焼入した組織を示す。
化合物層が残っているものでは、さらに分解と拡散が進み、界面が不明瞭になり、また何れの試料−４８−50μｍ表２ 再加熱後の組織再加熱温度、℃７００８００１５３０保持時間、min３６００50μｍ

表３ 再加熱後高周波焼入した組織
再加熱温度、℃
７００８００１５保持時間、min６００50μｍ−４９−での窒素濃度が上昇している。
７００℃においては、化合物層と母材の間に生成している αFe と γ′の領域で高い窒素濃度を示している。
８００℃では分解・拡散が活発になり、表面に化合物層のピークは観察されない。また表面付近の拡散層の窒素濃度は各保持時間でほぼ同じである
が、これは８００℃での γFe への窒素の固溶限に対
図１ 窒化層の N 濃度応していると思われる。
図４に再加熱処理後高周波焼入した試料の、表面からの硬度分布を示す。すべての処理条件で、拡散による窒素量の増加によって表面拡散層全域において、再加熱処理をしないものに比べ硬度が数１０〜８０HV 程度上昇している。しかし７００℃×３min、７００℃×１５min の処理をしたものでは最表面において、残留オーステナイトの生成によるものと思われる硬度の低下が見られる。図５に表面下２０µm 位置での窒素含有量と硬度の関係を示す

図２ 窒化層の N 濃度

が、Fe-C-N 系マルテンサイトの硬度は、炭素量とも関係してくると考えられるがこの場合窒素量２％付近で最大値を示し、それ以上の濃度では残留オーステナイトが生成し硬度低下が起こると思われる。しかし、７００℃×３０min になると窒素の外部への放出と内部への拡散ため表面窒素濃度が低下し高い硬度を示している。
図６に摩擦摩耗試験の結果を示す。今回の摩擦
図３ 窒化層の N 濃度

摩耗試験条件では各温度・時間条件での傾向は明らかではないが、再加熱処理をしたものは、ガス

図１〜３にガス軟窒化後各温度・保持時間で加軟窒化後分解・拡散過程を設けず高周波焼入した

熱処理した後の表面窒素濃度分布を示す。何れのものに比べ耐摩耗性が３０〜４０％向上している。ま

保持温度でも、時間に伴って最表面のピーク強度

た、６００℃で再加熱処理した試料の表面には化合は分解により減少するが内部拡散層の強度が増加

物層が残存しており使用条件によっては、耐焼付し、拡散深さも若干増加している。

性等の効果が期待できる。

６００℃では、ガス軟窒化処理温度である５７０℃より αFe への窒素の固溶限が増加するため拡散層−５０−４．まとめ
ガス軟窒化後、化合物層の分解・窒素の拡散過程を設けることにより、拡散層の窒素濃度が増加し、表面硬度が〜８０HV 程度上昇し、摩耗特性の向上がみられた。

 しかし、７００℃×３、１５min の加熱では焼入時に残留オーステナイトが生成し表面硬度が低下する。

図４ 表面マルテンサイト硬度に対する再加熱処理の効果

【文献】
１）高瀬、
中村、牧野：鉄と鋼、６０、
１１（１９７４）、
２６４

図５ 表面下２０µm 位置での窒素含有量と硬度の関係

図６ 摩擦摩耗試験結果−５１−