JPH0663079B2

JPH0663079B2 - 細粒組織を有する浸炭部品の製造法及び装置

Info

Publication number: JPH0663079B2
Application number: JP62169490A
Authority: JP
Inventors: 進神原; 渉高橋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-07-07
Filing date: 1987-07-07
Publication date: 1994-08-17
Anticipated expiration: 2009-08-17
Also published as: JPS6415357A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、浸炭部品の製造方法、特に、結晶粒度が小
さく、強度、靭性に優れた浸炭部品を製造することので
きる製造方法、及びこの方法を実施するための装置に関
する。

（従来の技術）浸炭処理を施されて使用される部品（ここでは浸炭部品
という）の種類は多数にのぼるが、輸送機械、建設産業
機械の軸、歯車などはその代表例である。これらの部品
は疲労強度、耐摩耗性、耐ピッチング性を要求されるの
で、浸炭処理されるのであるが、かかる浸炭部品を製造
する一般的な製造プロセスは次のとおりである。即ち、
第１図に示すとおり、素材となる浸炭用鋼を所定寸法に
裁断し、概ね600〜900℃の温度に加熱して温間鍛造し、
所定の形状とする。その後、必要な機械加工を施してか
ら、Ac_３点以上の温度に加熱してここで浸炭処理を施
し、焼入れ、焼戻しを行う。この工程における温間鍛造
は、熱間鍛造よりも精密な成形が可能で、また冷間鍛造
よりも小さな負荷で加工できるため、前記のような量産
部品の製造には近年広く採用されている。

上記の従来のプロセスでは、浸炭処理は機械加工後の最
終工程で行われる。浸炭処理の温度は、Ac_３点以上、通
常は920℃前後、であるから、ここでのオーステナイト
結晶粒の粗大化は避け難い。特に、浸炭処理の前に温間
鍛造を受けている部品は、浸炭処理中の結晶粒の粗大化
が著しい。オーステナイト結晶粒が粗大化すると、浸炭
焼入れ、焼戻し後の結晶粒が大きくなり、靭性や静的強
度が低下する。更には、熱処理変形も大きく、製品とし
ての形状が保てないという問題もある。

温間鍛造部品の浸炭処理時の結晶粒の粗大化を防止する
方法として、材料組成の改良という面からは特開昭60−
159155号公報、同60−262941号公報に開示されるような
Al、Ｎ、Nbを適当量添加し、微細析出物の生成を促して
結晶粒の粗大化を防ぐ方法が、また処理方法の改良とい
う面から、特公昭62−6617号公報に開示されるような浸
炭処理の前に中間熱処理を施こす方法が提案されてい
る。これらのなかで、材料組成を改良する方法では、組
成の僅かなばらつきが結晶粒粗大化挙動に大きく影響
し、必ずしも安定した細粒組織が得られないことがあ
る。また、特公昭62−6617号公報の方法では、浸炭処理
前の中間熱処理という工程が増えるため、製造プロセス
が煩瑣になり生産コストが増大する。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、温間鍛造の利点を活用しながら、最終浸炭製
品の結晶粒の粗大化を防ぐのみならず、積極的に結晶粒
を微細化し、製品の機械的性質を向上させることを目的
とし、そのための新しい方法と装置を提供するものであ
る。

（問題点を解決するための手段）本願第一の発明は、「浸炭部品用素材鋼にAc_３点以上の
温度域で浸炭処理を施し、ひきつづきAr_１点以上の温度
域に冷却し、この温度域で所望の形状に鍛造した後、直
接焼入れすることを特徴とする細粒組織を有する浸炭部
品の製造方法」を要旨とする。

ここに、上記「浸炭部品用素材鋼」はいわゆる溶製法に
より得られる鋼であって浸炭温度に加熱することで結晶
粒の粗大化がみられる素材鋼であって、粉末冶金法によ
るそれを排除するものである。

第２図は、上記本発明の方法を説明するヒートパターン
である。前記第１図に示した従来の方法と対比すれば本
発明方法の特徴が明らかになる。即ち、本発明方法で
は、まずAc_３点以上の温度域で浸炭処理を施こし、その
温度からの冷却過程のAr_１点以上の温度域で温間鍛造を
行うのである。更に、温間鍛造の後はAr_１点以上の温度
から直接焼入れする。

第１図に示す従来のプロセスでは、浸炭処理が温間鍛造
の後になっているから、浸炭処理時の結晶粒の粗大化が
必然的におこる。そしてその影響は焼入れ、焼戻し後の
製品にまで持ちこされ、その機械的性質を損なう。これ
に対して、第２図の本発明のプロセスでは、浸炭処理の
時にオーステナイト結晶粒が粗大化しても、次の温間鍛
造工程での加工による再結晶の効果で結晶粒は微細化す
る。この状態から焼入れすれば、微細なマルテンサイト
組織が得られ、後述する優れた機械的性質を持つ製品が
得られる。

浸炭処理は炭素溶解度の大きなオーステナイト域、即
ち、Ac_３点以上で行うのが普通である。本発明における
浸炭処理工程自体は、従来公知のものでよい。量産に適
した実用的な方法は、素材を載せたトレーが炉内を移動
する連続式ガス浸炭炉による連続浸炭処理である。

浸炭処理の後は、Ar_１点以上の温度域で温間鍛造を行
う。この鍛造工程は、所定の製品形状に成形するという
本来の目的とともに、製品組織（結晶粒）の微細化とい
う目的をもつ。浸炭処理工程で粗大化したオーステナイ
ト粒は、この温間鍛造によって再結晶して微細化する。
オーステナイト粒の再結晶温度は、鋼種によって若干相
違するが、一般の浸炭用鋼であればAr_１点直上でも部分
的に再結晶をおこす。

温間鍛造温度がAc_３点とAr_１点の間の温度であれば、材
料の中心部はオーステナイトとフェライトの二相である
が、表層部は浸炭によって炭素含有量が高くなっている
ので、オーステナイト一相である。この状態から焼入れ
を行えば、表層部は完全なマルテンサイト組織となり十
分な硬さが確保される。中心部はオーステナイトとフェ
ライトの二相状態からの焼入れであるため、マルテンサ
イト単層にはならないが、結晶粒は表層部以上に細かく
なる。通常の浸炭部品では、中心までマルテンサイト単
層にする必要はないが、特に中心部の硬さが要求される
場合、鍛造終了温度、即ち、焼入れ温度を高くするよう
に配慮する。

温間鍛造の温度がAr_１点以下になれば、表層部において
もオーステナイトが完全に分解し、パーライトやベイナ
イトが生成し、これを焼入れしてもマルテンサイト組織
にはならず、所望の硬さは得られない。

温間鍛造の終了後、直ちに焼入れするのは、微細な再結
晶オーステナイトを急冷して微細マルテンサイトを生成
させるためである。第１図と第２図とを対比すれば明ら
かなように、従来、温間鍛造後一旦室温に冷却され、機
械加工の後再加熱して浸炭し焼入れされていたものが、
本発明方法では、温間鍛造の温度から直接焼入れされる
ので、エネルギーコストの低減効果も大きい。

また、本発明方法によれば、浸炭処理中にオーステナイ
ト粒が粗大化しても、次工程で細粒化できるので、浸炭
処理温度を従来の920〜930℃より高くすることができ
る。浸炭処理温度を高くすれば、炭素の拡散速度が上が
り、処理時間が短縮できる。

本発明方法において浸炭工程からひきつづき鍛造工程に
移行することのいまひとつの利点は、仮に浸炭処理後一
旦冷却し、鍛造のために再加熱する工程を採った場合に
おこる再加熱による浸炭層から内部への炭素の拡散や表
層部の脱炭、表面スケールの発生などがなく、製品の表
面硬さの低下、寸法精度の悪化が防止できることであ
る。

ただし、本発明方法では、浸炭処理後に鍛造成形が行わ
れるから、素材段階での浸炭深さと製品のそれとは必ず
しも一致しない。また最終製品形状に仕上げる機械加工
も最後に行われ、ここで浸炭層の一部が除去されること
もある。このような事情を考慮して浸炭処理の条件、浸
炭深さ等を決定しなければならない。

本願第二の発明は、「浸炭部品用素材鋼にAc_３点以上の
温度域で浸炭処理を施す浸炭炉と、その浸炭炉の後方に
近接して設置され、ひきつづく冷却過程でのAr_１点以上
の温度域において浸炭済みの素材鋼に鍛造を施す鍛造装
置とを有し、鍛造装置には鍛造終了後の鍛造品を直接焼
入れする冷却槽が付設されていることを特徴とする浸炭
部品の製造装置」を要旨とする。

第３図は、上記第二の発明の装置を説明する斜視図であ
る。浸炭炉１は、所定のサイズに整えられた素材鋼（ブ
ランク）が、その中を移動しながら連続的に浸炭処理さ
れる連続式浸炭炉であることが望ましい。浸炭炉の後方
には温間鍛造装置４が設けられる。浸炭炉１と温間鍛造
装置４は、搬送装置２で連結されるが、その間での温度
低下を小さくするため、できるだけ近接して設置する。
搬送装置には保温用のカバーを取りつけるのがよい。ま
た、温間鍛造装置４の入口近くに測温装置３を設けて、
材料の温度を常時測定し、鍛造が適正温度で行われるよ
うにすることが望ましい。

本発明における温間鍛造としては、密閉鍛造だけでなく
自由据込み、前方押出、後方押出等、各種の鍛造方法が
採用できる。従って、第３図の鍛造装置４は、採用する
鍛造方法に応じてその機種を変えうることはいうまでも
ない。

鍛造装置４の直後には焼入れのための冷却槽５が置かれ
る。温間鍛造終了後、Ar_１点以上の温度から直ちに材料
を冷却槽中に入れて焼入れするためである。焼入れ後
は、連続焼戻し炉６によって必要な焼戻し処理を行う。
図示していないが、焼戻し後の製品には、適当な仕上加
工装置でシェービング、研磨等の最終仕上が施される。

第３図の設備で重要なことは、浸炭炉１と鍛造機４と冷
却槽５とをひとつのラインのなかで直結することであ
る。従来は、ブランクの加熱装置を併設した温間鍛造装
置が、浸炭処理ラインとは別に置かれるのが普通であっ
た。従来の方法で、温間鍛造後一旦室温まで冷却され、
再加熱して浸炭処理するのであれば、鍛造装置と浸炭炉
を直結する必要はない。しかし、本発明方法は、既に述
べたとおり、浸炭−温間鍛造−焼入れを連続工程で行う
のが特徴であるから、そのための設備は、第３図に示す
ようなものが望ましいのである。

以下、実施例によって本発明の効果を具体的に示す。

（実施例）第１表に示す組成のSCM420熱間圧延棒鋼（50mmφ）か
ら、44mmφ×27.5mmの鍛造用ブランクを機械加工によっ
て作成し、滴注式浸炭炉を用いてカーボンポテンシャル
0.85％の雰囲気中で950℃×２時間の浸炭処理を施し
た。その後、900℃、850℃、800℃、750℃、700℃、650
℃の各温度まで冷却し15分間保持した後、浸炭炉から取
り出し、直ちに平歯車に鍛造した。平歯車の諸元は第２
表のとおりである。鍛造後、５秒おいて120℃の焼入油
に浸漬して焼入し、次いで、170℃×１時間の焼戻しを
行った。

上記によって得られた平歯車について、第４図に示すよ
うに、歯元中央部と歯元表層部の旧オーステナイト粒の
結晶粒度と、歯元表層部の組織および硬度分布、歯元中
央部の硬さを測定した。

更に、機械加工（歯面研磨）して製品歯車とした後、第
５図に示す方法で静的な歯元折損試験を行い、折損荷重
を測定した。また、シャルピー衝撃試験機を改造した第
６図に示す試験機で衝撃試験を実施した。これらの測定
結果を第３表に示す。

第３表中の従来方法というのは、それぞれの温度で鍛造
して平歯車とした後に、機械加工（歯面研磨）、浸炭、
焼入れ、焼戻しの各工程を経たものである。なお、この
ときの浸炭条件は、有効硬化深さ（Hv550に相当する表
面からの距離）を前記本本発明方法によるものと合わせ
るために1.75時間としたこと以外は、全て前記の条件と
同じである。こうして得られたものについても上と同じ
測定を行った。

第３表に示すように、本発明の方法で得られた歯車で
は、歯元表層部、歯元中央部の旧オーステナイト粒度が
10.8番以上と極めて微細であり、このため歯元折損荷重
が6500kg以上と高強度で衝撃吸収エネルギーは98kgf・
ｍ以上と高靭性になっている。これに対して、従来の方
法によるものでは、結晶粒の粗大化が著しく、折損荷重
は4000kgそこそこに過ぎず、衝撃吸収エネルギーは40kg
f・ｍ以下と著しく低い。

また、本発明方法と同じ工程をとっても、鍛造温度がAr
_１点（第１表記載の鋼では約727℃）より低い場合、比
較例として示したように表層部組織はパーライトにな
り、歯元表面硬さ（表面から0.03mmの位置の硬さ）、歯
元中央部の硬さとも極端に低く、折損荷重、衝撃吸収エ
ネルギーとも低下している。

（発明の効果）実施例の結果からも明らかなように本発明によれば、静
的強度の高い浸炭部品を効率よく製造することができる
から、特に品質の向上とコストの低減が同時に要求され
る量産部品の処理に、本発明の方法と装置は大きく寄与
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の温間鍛造−浸炭処理の方法を示すヒー
トパターン図、第２図は、本発明方法を示すヒートパターン図、第３図は、本発明の装置の一例を説明する斜視図、第４図〜第６図は、実施例における製品特性の測定方法
を説明する図、である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】浸炭部品用素材鋼にAc_３点以上の温度域で
浸炭処理を施し、ひきつづきAr_１点以上の温度域に冷却
し、この温度域で所望の形状に鍛造した後、直接焼入れ
することを特徴とする細粒組織を有する浸炭部品の製造
方法。
【請求項２】浸炭部品用素材鋼にAc_３点以上の温度域で
浸炭処理を施す浸炭炉と、その浸炭炉の後方に近接して
設置され、ひきつづく冷却過程でのAr_１点以上の温度域
において浸炭済みの素材鋼に鍛造を施す鍛造装置とを有
し、鍛造装置には鍛造終了後の鍛造品を直接焼入れする
冷却槽が付設されていることを特徴とする浸炭部品の製
造装置。