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JP3385722B2 - Carburizing and quenching method - Google Patents

Carburizing and quenching method

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Publication number
JP3385722B2
JP3385722B2 JP13317494A JP13317494A JP3385722B2 JP 3385722 B2 JP3385722 B2 JP 3385722B2 JP 13317494 A JP13317494 A JP 13317494A JP 13317494 A JP13317494 A JP 13317494A JP 3385722 B2 JP3385722 B2 JP 3385722B2
Authority
JP
Japan
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cementite
carburizing
steel
carbon
less
Prior art date
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Application number
JP13317494A
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Japanese (ja)
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JPH083629A (en
Inventor
暢宏 村井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority to JP13317494A priority Critical patent/JP3385722B2/en
Publication of JPH083629A publication Critical patent/JPH083629A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3385722B2 publication Critical patent/JP3385722B2/en
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  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は歯車、軸受け等表面硬化
が必要な鋼製部品の浸炭処理方法に関する。 【0002】 【従来の技術】歯車、軸受け等の機械構造部品に対する
軽量化、長寿命化の要請が強い。これらの部品では高い
面圧が負荷されることが特徴であることから、表面硬
化、なかでも浸炭処理が施される場合が多い。 【0003】昨今、上記要請に応えるために、より高い
表面硬度を得る目的で、表面を高炭素マルテンサイト化
する従来の浸炭処理法を改良し、セメンタイトを分散さ
せる新しい処理法が提案されている。従来の浸炭処理法
では、鋼のオーステナイト領域で雰囲気から炭素をオー
ステナイト中への固溶限(セメンタイトが析出する炭素
濃度)未満で浸透させるのに対し、新しい浸炭処理法で
は炭素を上記固溶限以上に浸透させる。 【0004】新しい浸炭処理法を適用すると、セメンタ
イトの分散により表面硬度が一層上昇し、耐摩耗性や転
動疲労寿命等の向上が達成できる。例えば、特開昭61−
104065号公報や特開平2−107755号公報などに開示され
ているのが、この思想に基づく発明である。 【0005】しかし、このセメンタイトを析出させる浸
炭法には次の二つの問題がある。 【0006】(1)セメンタイト析出浸炭では、炭素はセ
メンタイトを析出させつつ母材中心部に向かって拡散す
るわけであるが、拡散してきた炭素がセメンタイトの析
出に消費されるため、所定の浸炭深さを得るためには長
時間の処理が必要である。 【0007】(2)セメンタイトは凝集して粗大化しやす
く、加えてオーステナイト温度域での浸炭では粒界に析
出する傾向がある。このような粗大化したり、粒界に析
出したりしたセメンタイトは硬さの上昇には寄与する
が、硬化層の靱性に悪影響を及ぼす。 【0008】浸炭所要時間を短縮する方法の一つとし
て、例えば特開昭57−5861号公報に示されるような高温
で処理するものがある。この発明は 950〜1150℃で炭素
をオーステナイト固溶限以上に浸炭させた後冷却する方
法であり、セメンタイトを析出させることを特徴として
いる。しかし、このような高温域(オーステナイト+セ
メンタイト二相域)でセメンタイトを析出させた場合、
前述のとおり粗大な棒状の炭化物が生成し、粒径が1μ
m 以下のセメンタイトを得るのは困難である。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題を解決するためになされたものである。本発明の目的
は、セメンタイト析出浸炭における浸炭時間の短縮と微
細セメンタイトのオーステナイト基地への均一分散が可
能な鋼の浸炭処理方法を提供することにある。 【0010】 【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の浸炭
処理方法にある。 【0011】重量%で、C:0.05〜1.2 %、Si:0.05〜
2%、Mn: 0.3〜3%、Cr: 0.1〜5%、Ni:0〜3%
およびMo:0〜2%を含む鋼を、1000℃以上、共晶点未
満の温度域で、浸炭層表面部の炭素濃度分布の最大値の
下限を0.8 %以上、かつ母材の炭素量を超える量、同じ
く上限をセメンタイトが析出する炭素量(Acm線)未満
に増大させ、次いで10℃/sec以上の冷却速度で少なくと
も浸炭層を 500℃以下まで冷却した後、Ac1点以上に再
加熱して焼入することにより、表面部に直径1μm 以下
のセメンタイト粒を体積比で10%以上析出させることを
特徴とする鋼の浸炭処理方法。 【0012】上記鋼において、NiおよびMoはいずれも無
添加でもよく、必要に応じて1種または2種を添加す
る。これらを積極的に添加する場合の下限は、Niで 0.5
%、Moで0.1 %とするのが望ましい。 【0013】基礎的事実として、鋼中の炭素の拡散に限
らず拡散速度は高温になるほど速くなる。また、鋼のオ
ーステナイト領域では高温になるほど炭素の固溶限が高
くなり、共晶温度で最大となる。本発明者はこれらの基
礎事実に鑑みさらに検討を進め、次のような新知見を得
た。 【0014】(1)高温での炭素固溶量の増大を利用し
て、高炭素のオーステナイト基地を生成させる。その
後、冷却時の初析セメンタイト析出を阻止しつつ冷却
し、過飽和組織(マルテンサイトまたはベイナイト、も
しくはそれらの混合組織)を生成させる。この組織を再
加熱した後焼入れすることにより、従来にない極めて微
細でかつ均一な分散セメンタイトを生成させることが可
能である。 【0015】セメンタイトの微細分散には初析セメンタ
イト析出の阻止も重要であるが、この他、オーステナイ
ト基地の固溶炭素量を増加させることも重要である。浸
炭処理後のこの固溶炭素量は、少なくとも重量%で0.8
%以上が必要となる。 【0016】(2)高温処理で、かつ浸炭中にセメンタイ
トを析出させないことを利用すると、従来のセメンタイ
ト析出浸炭よりは勿論のこと、通常の浸炭よりもさらに
高速で処理することが出来る。 【0017】(3)微細セメンタイトを表面層内に均一に
分散させることにより、表面硬度と同時に靱性も付与す
ることができる。 【0018】 【作用】まず、本発明方法の対象となる鋼(母材)の化
学組成と製品鋼の組織について前記のように限定した理
由を説明する。%は重量%を意味する。 【0019】(1)C:0.05〜1.2 % Cには母材の強度を向上する作用と母材の靱性を低下さ
せる作用がある。0.05%未満であると、機械部品として
の強度が不足するので下限は0.05%とした。一方、1.2
%を超えると母材の靱性が大幅に低下し、中心偏析の問
題から溶製が難しくなるので、上限を1.2 %とした。望
ましいのは0.10〜0.30%である。 【0020】(2)Si:0.05〜2% Siは鋼の溶製時に脱酸剤として使用されるので、少なく
とも0.05%は含有される。一方、2%を超えると母材の
被削性、加工性が劣化するので上限を2%とした。望ま
しいのは1%以下である。 【0021】(3)Mn: 0.3〜3% Mnには鋼の焼入性を向上させる作用がある。本発明では
再加熱焼入によって浸炭層と母材を硬化させることが必
要不可欠であるため、鋼の焼入性確保も同時に必要とな
る。この確保のためには最低0.3 %のMnが必要である。
一方、3%を超えると母材の被削性、加工性が劣化する
ので上限を3%とした。望ましいのは2%以下である。 【0022】(4)Cr: 0.1〜5% Crには鋼の焼入性を向上させる作用がある。また、再加
熱によってセメンタイトをより微細化する効果もある。
これらの効果を得るには最低0.1 %のCr含有量が必要で
ある。一方、5%を超えてもセメンタイトの微細化効果
は飛躍的に向上しないので上限を5%とした。望ましい
のは4%以下である。 【0023】(5)Ni、Mo:Niの上限は3%、Moの上限は
2% 本発明方法の対象鋼では、上記の各成分のほかにNiおよ
びMoの1種または2種を含有させてもよい。 【0024】これらには、母材と硬化層の基地の靱性向
上、焼入性向上の作用があるので目的に応じて添加す
る。積極的に添加する場合の下限は、Niで0.5 %、Moで
0.1 %とするのが望ましい。しかし、Niが3%、Moが2
%を超えると母材の被削性が劣化するので、上限をそれ
ぞれ3%、2%とした。望ましい上限はNiで2%、Moで
1%である。 【0025】(6)その他の元素:アルミキルド鋼とする
場合、脱酸剤としてのAl、被削性改善のためのS、Pb等
を必要により添加してもよい。その他、不可避的不純物
としてのP、N、O(酸素)などが含まれる。 【0026】(7)製品鋼表面部のセメンタイト粒の粒径
および量 表面の硬化層内に形成されるセメンタイトの粒径が1μ
m 以下の微細なものでないと、靱性の低下が著しくな
る。例えば、衝撃が負荷された場合、クラックが入った
りする。そして、このセメンタイトの量は、表面硬度の
上昇のほか、耐摩耗性、耐熱性等の向上等セメンタイト
析出浸炭鋼の特徴を左右する因子である。 【0027】体積率で10%以上となるように析出させ、
均一分散させなければ、上記特性を発揮させることがで
きないのでセメンタイト量の下限を体積率で10%とし
た。望ましい上限は同じく30%である。 【0028】次に、本発明の浸炭処理方法について詳述
する。 【0029】本発明方法は、前記組成の鋼を 1000℃以上、共晶点未満の温度域で、浸炭層表面部の
炭素濃度分布の最大値の下限を0.8 %以上、かつ母材の
炭素量を超える量、同じく上限をセメンタイトが析出す
る炭素量(Acm線)未満に増大させる。 【0030】次いで10℃/sec以上の冷却速度で少なく
とも浸炭層を500 ℃以下まで冷却する。 【0031】次いでAc1点以上に再加熱して焼入す
る。 【0032】という工程で処理し、表面部に直径1μm
以下のセメンタイト粒を体積比で10%以上析出させるも
のである。 【0033】(1)浸炭処理温度 本発明方法の目的の一つは浸炭処理時間の短縮を達成す
ることにある。このためには処理温度の上昇が有効であ
る。浸炭処理温度の下限は、従来(925〜950 ℃) の場合
と比較して50%以上の時間短縮が可能となる1000℃とし
た。 【0034】一方、処理温度は鋼の共晶点以上であって
はならない。この理由は次のとおりである。 【0035】一般に浸炭処理は浸炭期と拡散期に分けら
れ、浸炭期では表面部のC濃度を上昇させ、拡散期でそ
れを内部に拡散させ所定の浸炭深さを得る。 【0036】浸炭期では表面炭素濃度を高める目的か
ら、炭素濃度がオーステナイト基地の炭素固溶限に対し
過剰になる場合がある。 【0037】この場合、通常の処理温度であるとセメン
タイト析出が起こり、これは拡散によって消失させるこ
とが可能である。しかし、処理温度が高くなると炭素濃
度過剰部は液化し、母材に形状変化が発生する。このよ
うな液化は鋼の共晶点以上の温度域で発生する。 【0038】この共晶点はFe−Fe3C系では約1150℃であ
り、合金元素の添加により若干の変化がある。浸炭時間
短縮の観点から、浸炭処理は共晶点直下の温度で行うの
が理想であるが、量産時のばらつきを考慮すると、望ま
しい上限温度は共晶点−30℃程度である。 【0039】高温浸炭の利点は浸炭時間の短縮のほか、
表面部の炭素量を高くできることである。高温になるほ
どオーステナイト基地へのCの固溶度は上昇するので、
炭素濃度がより高いオーステナイトを表面部に得ること
ができ、再加熱後の焼入により多量のセメンタイトを生
成させることが可能となる。 【0040】(2)表面炭素濃度 表面の炭素には、浸炭後に実施する再加熱焼入で得られ
る表面硬度を上昇させる作用がある。加えて、再加熱焼
入後のセメンタイト析出を多量に細かく、均一分散する
作用もある。 【0041】浸炭鋼として十分な表面硬度と微細セメン
タイトの均一分散を得るために、浸炭後の表面のオース
テナイト基地の固溶炭素濃度は最低限0.8 %を確保する
ことが必要である。 【0042】本発明方法の対象母材では炭素含有量の上
限が1.2 %である。母材炭素含有量が0.8 %以上の場合
でも、本発明方法によれば表面硬化が十分可能である。
母材炭素量が0.8 %を超える場合は、少なくともその母
材炭素量を超えた表面炭素濃度に調整する。 【0043】一方、浸炭処理後では、表面固溶炭素濃度
はオーステナイトの固溶限以下としなければならない。 【0044】すなわち、固溶炭素濃度がオーステナイト
の固溶限を超えて過剰になると、セメンタイトが析出す
る。浸炭時にオーステナイトから析出するセメンタイト
は粗大である。比較的その微細化が可能な低温域浸炭で
も2〜3μm 程度の粗いセメンタイト粒が生成し、なお
かつオーステナイト粒界に生成する場合もあり、硬化層
の靱性を劣化させる。 【0045】本発明方法の特徴の一つは、浸炭時に生成
しやすい粗大セメンタイトを皆無にすることである。こ
のために、拡散期に炭化物を溶かすことにより、表面部
の固溶炭素濃度をオーステナイトの固溶限以下とする必
要がある。 【0046】固溶炭素濃度を上記のように制御すること
の作用効果としては、旧オーステナイト粒の微細化作用
もある。0.8 %以上の炭素を固溶させ、再加熱焼入によ
り1μm 以下の微細セメンタイトを得ることができる
が、同時にその時の表面部の旧オーステナイト粒は極め
て微細化する。鋼の合金元素、炭素量、再加熱の温度、
保持時間にもよるが10μm 以下の結晶粒にすることがで
きる。旧オーステナイト粒が微細化するとマルテンサイ
トも微細化され、破壊単位が細かくなって靱性が向上す
る。 【0047】浸炭処理に用いる浸炭炉として、現在工業
的にはガス浸炭炉が普及しているがこの炉の問題点は雰
囲気の酸素ポテンシャルが高いことである。酸素ポテン
シャルが高いと合金元素が優先酸化され、鋼の特に表面
での浸炭性が変化する。本発明方法では、浸炭処理時の
セメンタイトの析出を阻止するために雰囲気制御が必要
であることから、ガス浸炭炉における処理中の合金元素
の優先酸化やこれによる鋼表面の浸炭性の変化は、望ま
しい浸炭の制御を困難にする。 【0048】浸炭炉としては、雰囲気の酸素ポテンシャ
ルを極めて低くコントロールすることができるタイプの
炉、例えばプラズマ浸炭炉などが適する。 【0049】(3)冷却 浸炭処理時の雰囲気制御か、またはこの制御と拡散期で
のCの母材中心部への溶解により、浸炭終了時点では粗
大セメンタイトは存在しない。この状態を維持するため
に、冷却過程においてもオーステナイト域での初析セメ
ンタイトの析出を阻止しなければならない。冷却過程で
析出するセメンタイトもオーステナイト域での析出であ
れば粗大となり、浸炭中に析出するセメンタイトと同様
に硬化層の靱性を劣化させる。 【0050】よって、冷却時の初析セメンタイト生成阻
止のため、少なくとも浸炭層を冷却速度10℃/sec以上で
冷却する必要がある。望ましい上限は100 ℃/secであ
る。 【0051】本発明の目標の一つは微細セメンタイトの
均一析出である。微細セメンタイトは再加熱焼入れによ
り得ることができるが、そのためには、上記冷却時にお
いて過飽和組織を形成させておく必要がある。過飽和組
織とは具体的にはマルテンサイトまたはベイナイト、も
しくはそれらの混合組織である。これらの組織の形成の
ため、少なくとも浸炭層が500 ℃以下になるまで上記速
度条件で冷却しなければならないのである。 【0052】上記冷却条件は少なくとも浸炭層について
満たされればよく、製品鋼全体としては特に制約はな
い。ただし、熱処理歪みを考慮に入れて、母材部の冷却
速度はなるべく遅くする方が望ましい。 【0053】(4)再加熱 高温浸炭を行っているため、冷却後の組織は浸炭層、母
材ともに元の母材よりも粗粒化しており、靱性が低下し
ている。従って、このままの状態では機械部品として使
用することができない。 【0054】再加熱は粗粒化した浸炭層と母材の組織を
細粒化する作用がある。また、過飽和状態の組織から微
細なセメンタイトを析出させる作用もある。次行程の焼
入れにより基地を十分に硬化するために再加熱温度はA
c1点以上にする必要がある。 【0055】望ましい上限は900 ℃である。 【0056】加熱時間は特に限定しないが、前組織のフ
ェライト(マルテンサイト、ベイナイト)が残らない程
度に行うべきである。前組織が残ると硬度ばらつきの原
因となり、疲労寿命などに悪影響を及ぼす。 【0057】(5)焼入 浸炭層および母材の硬度を上昇させるために焼入れを施
す。焼入れ後の組織は十分な強度と靱性を得るため、硬
化層、母材ともにマルテンサイトを主体とし、硬化層中
に直径1μm 以下の微細なセメンタイトが均一に分散析
出し、この体積率を10%以上とした前記組織とする。焼
入れ方法については特に限定されない。 【0058】 【実施例】 (試験1)表1に供試鋼の化学組成を示す。A−1〜A
−3鋼では熱間鍛造素材を焼準し、A−1鋼、A−3鋼
については焼準ままで、A−2鋼についてはさらに球状
化焼鈍し、機械加工により直径φ20mm×長さ30mmの試験
片を製作した。これらの試験片に表2に示す条件で浸炭
−再加熱焼入を施し、組織観察、硬度測定、C濃度分析
およびセメンタイト量の測定を行った。結果を表2に併
せて示す。 【0059】 【表1】【0060】 【表2】 【0061】ただし、従来例のA−3鋼の浸炭処理で
は、まず120 分の浸炭で表面のC濃度を0.8 %程度に増
加させ、次にAr3点以下に冷却し、その後再び加熱して
120 分の浸炭を行った。 【0062】浸炭炉はいずれもプラズマ浸炭炉を用い、
雰囲気ガスにはプロパンと水素を用いた。 【0063】硬化層の評価には、硬化深さを用い、硬度
分布においてHv550を示す深さを基準とした。 【0064】表2から明らかなように、本発明例におい
ては40分の浸炭時間で従来の2時間浸炭よりも深い硬化
深さを得ることができる。析出するセメンタイトは、従
来例ではオーステナイト域での浸炭時に生成しているた
め、オーステナイト粒界に存在するもの、または粗大化
したものが多く観察されたが、本発明例では高温域浸炭
で完全固溶した高濃度の炭素を再加熱焼入により急激に
析出させたものであるため1μm 以下の微細なものとな
る。これらの組織例を図1および図2に示す。 【0065】図1は本発明例の場合の表面ミクロ組織の
一例を示す図である。これは、表2の鋼A-1のセメンタ
イト粒径が0.9 μm 、表面炭素濃度が1.7 %、セメンタ
イトの量が12vol.%のものである。図示するように、微
細セメンタイトが基地に均一に分散していることがわか
る。図2は従来例の場合の表面ミクロ組織の一例を示す
図である。これは、表2の従来例、鋼A-3のものであ
る。基地に均一に分散した微細セメンタイトは存在しな
いことがわかる。 【0066】(試験2)表1に示すA−4〜A−12鋼の
熱間鍛造素材を焼準し、A−5鋼、A−6鋼については
さらに球状化焼鈍して、その他については焼準ままで、
機械加工により直径φ20mm×長さ30mmの試験片を製作し
た。これらの試験片に浸炭−再加熱焼入を施し、試験1
と同じ調査を行った。表3に結果を示す。 【0067】 【表3】 【0068】このときの処理条件は、次のとおりとし
た。 【0069】浸炭処理−冷却条件: 浸炭炉:プラズマ浸炭炉 雰囲気:プロパン、水素 浸炭温度:1130℃、 保持時間:40分(浸炭:20分、拡散:20分) 冷却速度:50℃/sec 、50℃まで油冷 再加熱焼入処理条件: 加熱温度:950 ℃、保持時間:30分、その後50℃まで油
冷 表3に示すように、本発明で定める条件を全て満たして
処理された場合には、粒径1μm 以下の微細セメンタイ
トが分散した良好な表面硬化層を得ることができる。 【0070】 【発明の効果】本発明の浸炭処理方法によれば、短時間
の処理で表面に粒径が1μm 以下の微細セメンタイトを
均一分散状態で析出させることができ、浸炭後の表面硬
化層は靱性も良好である。本発明方法は、歯車、軸受な
どの機械構造用鋼製部品の表面硬化方法として好適であ
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for carburizing steel parts such as gears and bearings which require surface hardening. 2. Description of the Related Art There is a strong demand for weight reduction and long life of mechanical structural parts such as gears and bearings. Since these parts are characterized by high surface pressures, they are often subjected to surface hardening, especially carburizing. [0003] In recent years, in order to meet the above-mentioned demand, a new treatment method for dispersing cementite by improving the conventional carburizing treatment method for converting the surface into high carbon martensite for the purpose of obtaining higher surface hardness has been proposed. . In the conventional carburizing method, carbon is infiltrated from the atmosphere in the austenite region of the steel below the solid solubility limit (carbon concentration at which cementite precipitates) from the atmosphere. Let it penetrate more. When a new carburizing method is applied, the surface hardness is further increased due to the dispersion of cementite, and improvement in wear resistance and rolling fatigue life can be achieved. For example, JP-A-61-
Japanese Patent Application Laid-Open No. 104065 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-107755 are inventions based on this concept. However, the carburizing method for precipitating cementite has the following two problems. (1) In cementite precipitation carburization, carbon diffuses toward the center of the base material while precipitating cementite. However, since the diffused carbon is consumed for the precipitation of cementite, a predetermined carburization depth is required. It takes a long time to obtain this. (2) Cementite tends to aggregate and coarsen, and in addition, tends to precipitate at grain boundaries during carburization in the austenite temperature range. Such cementite coarsened or precipitated at the grain boundary contributes to an increase in hardness, but has a bad influence on the toughness of the hardened layer. As one method of shortening the time required for carburizing, there is a method of treating at a high temperature as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-5861. The present invention is a method of carburizing carbon at a temperature of 950 to 1150 ° C. above the austenite solid solubility limit and then cooling, and is characterized by the precipitation of cementite. However, when cementite is precipitated in such a high temperature region (austenite + cementite two phase region),
As described above, coarse rod-like carbides are formed, and the particle size is 1 μm.
It is difficult to obtain cementite below m. [0009] The present invention has been made to solve such a problem. An object of the present invention is to provide a method of carburizing steel capable of shortening the carburizing time in cementite precipitation carburization and uniformly dispersing fine cementite in austenite matrix. The gist of the present invention lies in the following carburizing method. C: 0.05-1.2% by weight, Si: 0.05-%
2%, Mn: 0.3-3%, Cr: 0.1-5%, Ni: 0-3%
And Mo: a steel containing 0 to 2%, in a temperature range of 1000 ° C. or higher and lower than the eutectic point, the lower limit of the maximum value of the carbon concentration distribution on the surface of the carburized layer is set to 0.8% or more, and Increase the amount, also the upper limit, to less than the amount of carbon on which cementite precipitates (Acm line), then cool the carburized layer to at least 500 ° C or less at a cooling rate of 10 ° C / sec or more, and then reheat to one point or more of Ac A method of carburizing steel, wherein cementite grains having a diameter of 1 μm or less are precipitated on the surface by 10% or more by volume ratio by quenching. In the above steel, Ni and Mo may not be added, and one or two of them may be added as necessary. The lower limit when these are added positively is 0.5% for Ni.
% And 0.1% with Mo. As a basic fact, the diffusion rate increases not only with the diffusion of carbon in steel but also with the increase in temperature. In the austenitic region of steel, the higher the temperature, the higher the solid solubility limit of carbon, and the maximum at the eutectic temperature. The present inventor has further studied in view of these basic facts, and has obtained the following new findings. (1) A high-carbon austenite matrix is generated by utilizing the increase in the amount of carbon solid solution at a high temperature. Thereafter, cooling is performed while preventing precipitation of pro-eutectoid cementite during cooling to generate a supersaturated structure (martensite or bainite, or a mixed structure thereof). By reheating this structure and then quenching, it is possible to generate an extremely fine and uniform dispersed cementite, which has never been seen before. In order to finely disperse cementite, it is important to prevent precipitation of proeutectoid cementite. In addition, it is also important to increase the amount of solute carbon in the austenite matrix. The amount of solute carbon after carburizing is at least 0.8% by weight.
% Or more is required. (2) By utilizing the high temperature treatment and the fact that cementite is not precipitated during carburization, it is possible to carry out the treatment not only by conventional carburization of cementite but also at higher speed than ordinary carburization. (3) By uniformly dispersing the fine cementite in the surface layer, it is possible to impart not only surface hardness but also toughness. First, the reasons for limiting the chemical composition of the steel (base material) and the structure of the product steel as the object of the method of the present invention as described above will be described. % Means% by weight. (1) C: 0.05 to 1.2% C has an effect of improving the strength of the base material and an effect of reducing the toughness of the base material. If it is less than 0.05%, the strength as a mechanical component is insufficient, so the lower limit was made 0.05%. On the other hand, 1.2
%, The toughness of the base material is greatly reduced, and it becomes difficult to melt the steel due to the problem of center segregation. Therefore, the upper limit is set to 1.2%. Desirable is 0.10-0.30%. (2) Si: 0.05 to 2% Since Si is used as a deoxidizing agent when smelting steel, at least 0.05% is contained. On the other hand, if it exceeds 2%, the machinability and workability of the base material deteriorate, so the upper limit was made 2%. Desirable is 1% or less. (3) Mn: 0.3-3% Mn has the effect of improving the hardenability of steel. In the present invention, since it is indispensable to harden the carburized layer and the base material by reheating and quenching, it is also necessary to ensure the hardenability of steel. To secure this, Mn of at least 0.3% is required.
On the other hand, if it exceeds 3%, the machinability and workability of the base material deteriorate, so the upper limit was made 3%. Desirable is 2% or less. (4) Cr: 0.1 to 5% Cr has an effect of improving the hardenability of steel. In addition, there is an effect of refining cementite by reheating.
To achieve these effects, a minimum Cr content of 0.1% is required. On the other hand, even if it exceeds 5%, the effect of refining cementite does not improve remarkably, so the upper limit was made 5%. Desirable is 4% or less. (5) Ni, Mo: The upper limit of Ni is 3%, and the upper limit of Mo is 2%. In the steel to be subjected to the method of the present invention, one or two of Ni and Mo are contained in addition to the above components. You may. These have an effect of improving the toughness and hardenability of the matrix of the base material and the hardened layer, and are added according to the purpose. The lower limit for positive addition is 0.5% for Ni and 0.5% for Mo.
It is desirable to set it to 0.1%. However, Ni is 3%, Mo is 2
%, The machinability of the base material deteriorates. Therefore, the upper limits are set to 3% and 2%, respectively. Desirable upper limits are 2% for Ni and 1% for Mo. (6) Other elements: When using aluminum-killed steel, Al as a deoxidizing agent, S, Pb, etc. for improving machinability may be added as necessary. In addition, P, N, O (oxygen) and the like are included as inevitable impurities. (7) Particle size and amount of cementite grains on the surface of the product steel The particle size of cementite formed in the hardened layer on the surface is 1 μm.
If it is not finer than m, the toughness will be significantly reduced. For example, when an impact is applied, cracks may occur. The amount of cementite is a factor that affects the characteristics of cementite-precipitated carburized steel, such as an increase in surface hardness and an improvement in wear resistance and heat resistance. Precipitated so as to have a volume ratio of 10% or more,
Unless uniformly dispersed, the above characteristics cannot be exhibited, so the lower limit of the amount of cementite was set to 10% by volume. A desirable upper limit is also 30%. Next, the carburizing method of the present invention will be described in detail. According to the method of the present invention, the lower limit of the maximum value of the carbon concentration distribution on the surface of the carburized layer is set to 0.8% or more in a temperature range of 1000 ° C. or higher and lower than the eutectic point. And the upper limit is also increased to less than the carbon amount (Acm line) on which cementite precipitates. Next, the carburized layer is cooled to at least 500 ° C. at a cooling rate of 10 ° C./sec or more. Next, it is reheated to one or more Ac and quenched. The surface is treated with a diameter of 1 μm
The following cementite grains are precipitated in a volume ratio of 10% or more. (1) Carburizing temperature One of the objects of the present invention is to achieve a shortened carburizing time. For this purpose, it is effective to increase the processing temperature. The lower limit of the carburizing temperature was set to 1000 ° C., which can reduce the time by 50% or more as compared with the conventional case (925 to 950 ° C.). On the other hand, the processing temperature must not be higher than the eutectic point of the steel. The reason is as follows. In general, carburizing is divided into a carburizing period and a diffusion period. In the carburizing period, the C concentration on the surface is increased, and in the diffusion period, the C concentration is diffused inside to obtain a predetermined carburizing depth. In the carburizing period, the carbon concentration may be excessive with respect to the carbon solid solubility limit of the austenite matrix for the purpose of increasing the surface carbon concentration. In this case, cementite precipitation occurs at a normal processing temperature, and this can be eliminated by diffusion. However, when the processing temperature is increased, the excess carbon concentration portion is liquefied, and the base material undergoes a shape change. Such liquefaction occurs in the temperature range above the eutectic point of steel. This eutectic point is about 1150 ° C. for the Fe—Fe 3 C system, and there is a slight change due to the addition of alloying elements. From the viewpoint of shortening the carburizing time, it is ideal that the carburizing treatment is performed at a temperature just below the eutectic point. However, in consideration of variation during mass production, a desirable upper limit temperature is about −30 ° C. The advantages of high-temperature carburizing include shortening of carburizing time,
That is, the amount of carbon on the surface can be increased. The higher the temperature, the higher the solid solubility of C in the austenitic base,
Austenite having a higher carbon concentration can be obtained on the surface, and a large amount of cementite can be generated by quenching after reheating. (2) Surface Carbon Concentration Carbon on the surface has the effect of increasing the surface hardness obtained by reheating and quenching performed after carburization. In addition, it has the effect of finely and uniformly dispersing cementite precipitation after reheating and quenching. In order to obtain sufficient surface hardness and uniform dispersion of fine cementite as a carburized steel, it is necessary to secure a minimum concentration of 0.8% of solute carbon in the austenite matrix on the surface after carburization. The upper limit of the carbon content of the target base material of the method of the present invention is 1.2%. Even when the base material carbon content is 0.8% or more, the method of the present invention allows sufficient surface hardening.
If the base material carbon amount exceeds 0.8%, the surface carbon concentration is adjusted to at least the base material carbon amount. On the other hand, after the carburizing treatment, the surface solid solution carbon concentration must be lower than the solid solubility limit of austenite. That is, when the concentration of the solute carbon exceeds the austenitic solid solubility limit and becomes excessive, cementite precipitates. Cementite precipitated from austenite during carburization is coarse. Coarse cementite grains of about 2 to 3 μm are formed even in a low-temperature carburized region where the grain size can be relatively reduced, and may be formed at austenite grain boundaries, thereby deteriorating the toughness of the hardened layer. One of the features of the method of the present invention is that there is no coarse cementite which is easily formed during carburization. For this reason, it is necessary to dissolve the carbide during the diffusion period to make the concentration of the solid solution carbon at the surface portion equal to or lower than the austenite solid solubility limit. As an effect of controlling the concentration of solute carbon as described above, there is also an effect of refining old austenite grains. By dissolving 0.8% or more of carbon in solid solution and reheating and quenching, fine cementite of 1 μm or less can be obtained, but at the same time, prior austenite grains on the surface become extremely fine. Steel alloying elements, carbon content, reheating temperature,
Although it depends on the holding time, the crystal grains can be reduced to 10 μm or less. When the prior austenite grains are refined, the martensite is also refined, and the fracture unit is reduced, thereby improving the toughness. As a carburizing furnace used for the carburizing treatment, a gas carburizing furnace is currently industrially widespread, but the problem of this furnace is that the oxygen potential of the atmosphere is high. If the oxygen potential is high, alloying elements are preferentially oxidized, and the carburizing property of the steel, particularly on the surface, changes. In the method of the present invention, since atmosphere control is required to prevent the precipitation of cementite during carburizing treatment, preferential oxidation of alloying elements during treatment in a gas carburizing furnace and a change in carburizability of the steel surface due to this, It makes it difficult to control the desired carburization. As the carburizing furnace, a type of furnace capable of controlling the oxygen potential of the atmosphere to an extremely low level, such as a plasma carburizing furnace, is suitable. (3) Coarse cementite does not exist at the end of carburizing due to the atmosphere control during the cooling carburizing treatment or the control and the dissolution of C into the central part of the base material during the diffusion period. In order to maintain this state, precipitation of proeutectoid cementite in the austenite region must be prevented even during the cooling process. Cementite precipitated during the cooling process is also coarse if precipitated in the austenite region, and deteriorates the toughness of the hardened layer like cementite precipitated during carburization. Therefore, it is necessary to cool at least the carburized layer at a cooling rate of 10 ° C./sec or more in order to prevent the formation of proeutectoid cementite during cooling. A desirable upper limit is 100 ° C./sec. One of the goals of the present invention is the uniform precipitation of fine cementite. Fine cementite can be obtained by reheating and quenching. For that purpose, it is necessary to form a supersaturated structure during the cooling. The supersaturated structure is specifically martensite or bainite, or a mixed structure thereof. In order to form these structures, it is necessary to cool at the above-mentioned rate conditions at least until the carburized layer becomes 500 ° C. or less. The above cooling condition only needs to be satisfied for at least the carburized layer, and there is no particular limitation on the product steel as a whole. However, it is desirable that the cooling rate of the base material portion be as low as possible in consideration of heat treatment distortion. (4) Since reheating and high-temperature carburizing are performed, the structure after cooling is coarser in both the carburized layer and the base material than in the original base material, and the toughness is reduced. Therefore, it cannot be used as a mechanical part in this state. Reheating has the effect of making the structure of the coarse-grained carburized layer and the base metal finer. It also has the effect of precipitating fine cementite from the supersaturated structure. In order to harden the base sufficiently by quenching in the next step, the reheating temperature is A
c Must have at least one point. A desirable upper limit is 900 ° C. The heating time is not particularly limited, but the heating time should be such that no ferrite (martensite, bainite) of the prestructure remains. If the pre-structure remains, it causes a variation in hardness and adversely affects fatigue life and the like. (5) Quenching is performed to increase the hardness of the quenched carburized layer and the base material. In order to obtain sufficient strength and toughness after quenching, both the hardened layer and the base metal are mainly composed of martensite, and fine cementite with a diameter of 1 μm or less is uniformly dispersed and precipitated in the hardened layer. This is the organization described above. The quenching method is not particularly limited. EXAMPLES (Test 1) Table 1 shows the chemical composition of the test steel. A-1 to A
For -3 steel, hot forging material is normalized, A-1 steel and A-3 steel remain as-normalized, and A-2 steel is further spheroidized and then machined to have a diameter of φ20 mm and a length of 30 mm. Was manufactured. These test pieces were carburized and reheated and quenched under the conditions shown in Table 2, and the structure was observed, the hardness was measured, the C concentration was analyzed, and the amount of cementite was measured. The results are shown in Table 2. [Table 1] [Table 2] However, in the conventional carburizing treatment of the A-3 steel, the C concentration on the surface is first increased to about 0.8% by carburizing for 120 minutes, then cooled to three points or less of Ar, and then heated again.
Carburizing was performed for 120 minutes. All carburizing furnaces use a plasma carburizing furnace,
Propane and hydrogen were used as atmosphere gases. In the evaluation of the hardened layer, the hardening depth was used, and the depth at which Hv550 was exhibited in the hardness distribution was used as a reference. As is apparent from Table 2, in the example of the present invention, a carburizing time of 40 minutes can obtain a deeper hardening depth than the conventional carburizing of 2 hours. In the conventional example, since the precipitated cementite is generated during carburization in the austenite region, many of the precipitated cementite are present at the austenite grain boundaries or are coarsened. Since the dissolved high-concentration carbon is rapidly precipitated by reheating and quenching, it becomes finer than 1 μm. Examples of these structures are shown in FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a diagram showing an example of the surface microstructure in the case of the present invention. The steel A-1 in Table 2 has a cementite particle size of 0.9 μm, a surface carbon concentration of 1.7%, and an amount of cementite of 12 vol.%. As shown in the figure, it can be seen that the fine cementite is uniformly dispersed in the matrix. FIG. 2 is a diagram showing an example of the surface microstructure in the case of the conventional example. This is that of steel A-3 in the conventional example shown in Table 2. It can be seen that fine cementite uniformly dispersed in the matrix does not exist. (Test 2) Hot forging materials of A-4 to A-12 steels shown in Table 1 were normalized, and A-5 and A-6 steels were further subjected to spheroidizing annealing. As it is,
A test piece having a diameter of φ20 mm and a length of 30 mm was manufactured by machining. These specimens were carburized and reheated and quenched,
The same survey was conducted. Table 3 shows the results. [Table 3] The processing conditions at this time were as follows. Carburizing treatment-cooling conditions: carburizing furnace: plasma carburizing furnace atmosphere: propane, hydrogen carburizing temperature: 1130 ° C., holding time: 40 minutes (carburizing: 20 minutes, diffusion: 20 minutes) cooling rate: 50 ° C./sec Oil-cooled reheating and quenching conditions up to 50 ° C: Heating temperature: 950 ° C, holding time: 30 minutes, then oil-cooling to 50 ° C As shown in Table 3, when all the conditions specified in the present invention are satisfied In this case, a good surface-hardened layer in which fine cementite having a particle size of 1 μm or less is dispersed can be obtained. According to the carburizing method of the present invention, fine cementite having a particle size of 1 μm or less can be precipitated in a uniform dispersion state on the surface in a short time, and the carburized surface layer after carburizing can be deposited. Has good toughness. INDUSTRIAL APPLICABILITY The method of the present invention is suitable as a surface hardening method for steel parts for machine structures such as gears and bearings.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明方法で得られる表面ミクロ組織の例を示
す図である。 【図2】従来方法で得られる表面ミクロ組織の例を示す
図である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing an example of a surface microstructure obtained by the method of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing an example of a surface microstructure obtained by a conventional method.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】重量%で、C:0.05〜1.2 %、Si:0.05〜
2%、Mn: 0.3〜3%、Cr: 0.1〜5%、Ni:0〜3%
およびMo:0〜2%を含む鋼を、1000℃以上、共晶点未
満の温度域で、浸炭層表面部の炭素濃度分布の最大値の
下限を0.8 %以上、かつ母材の炭素量を超える量、同じ
く上限をセメンタイトが析出する炭素量(Acm線)未満
に増大させ、次いで10℃/sec以上の冷却速度で少なくと
も浸炭層を500 ℃以下まで冷却した後、Ac1点以上に再
加熱して焼入することにより、表面部に直径1μm 以下
のセメンタイト粒を体積比で10%以上析出させることを
特徴とする鋼の浸炭処理方法。
(57) [Claims] [Claim 1] C: 0.05-1.2%, Si: 0.05-% by weight
2%, Mn: 0.3-3%, Cr: 0.1-5%, Ni: 0-3%
And Mo: 0% to 2% of steel, in a temperature range of 1000 ° C. or higher and lower than the eutectic point, the lower limit of the maximum value of the carbon concentration distribution on the surface of the carburized layer is 0.8% or higher, and the carbon content of the base metal is exceeds the amount, also limit the increase to less than the amount of carbon cementite precipitates (Acm line), then cooled at least carburized layer to 500 ° C. or less at 10 ° C. / sec or more cooling rate, re-heated above the Ac 1 point A method of carburizing steel, characterized in that cementite grains having a diameter of 1 μm or less are precipitated on the surface by 10% or more by volume ratio by quenching.
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