JP2010229490A

JP2010229490A - 金属製品の表面処理方法

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Publication number: JP2010229490A
Application number: JP2009078137A
Authority: JP
Inventors: Kiyohiko Nozaki; 崎精彦野; Makoto Taguchi; 口誠田; Kazuhiro Hirakawa; 川和宏平
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】浸炭窒化処理した金属製品の疲労強度の向上を図ることが出来る金属製品の表面処理方法の提供。
【解決手段】機械加工した金属製品に対して浸炭窒化処理を行う工程（Ｓ１）と、浸炭窒化処理後の金属製品を２時間以上にわたって、３００〜４００℃で加熱する工程（Ｓ２）とを有している（請求項１）。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製品、例えば鋼製品の表面処理方法に関する。より詳細には、本発明は、例えば自動車用トランスミッションのギヤのように、大きな曲げや捩じり及び転動負荷に曝されるような金属製品（特に鋼製品）の表面処理方法に関する。

自動車用トランスミッションのギヤのように、常時大きな曲げ、捩じり、及び転動（ピッチング）負荷が作用する金属製品（特に鋼製品）は、疲労強度を向上させる目的で、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化焼入れ処理を行った後に、１５０〜２５０℃で焼きならし処理を行っている。

ここで、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化処理の後、金属製品にショットピーニングを施す場合がある。
ショットピーニングを施した場合は、金属製品の表面近傍に付加された圧縮残留応力が、例えば、３５０℃程度の加熱処理によってほぼ完全に開放されてしまう。そのため、従来は、浸炭窒化処理後に処理対象物である金属製品を３５０℃程度に加熱する処理は行われることがなかった。
近年、エンジンの高トルク化に伴い、自動車用トランスミッションで用いられる浸炭窒化処理を施したギヤの様な鋼製品では、疲労強度をより向上することが要請されている。
しかしながら、係る要請には、未だ十分には応えられていない。

その他の従来技術として、すべりを伴う接触疲労がある条件下、又は潤滑油が希薄な環境下においても、優れた耐摩耗性と耐焼付き性、及び転動疲労寿命を有する浸炭軸受け部品が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、この従来技術（特許文献１）では、素材の条件が厳密に定められていることに加えて、その用途が軸受部品に限定されているので、上述した問題を解決することはできない。

また、耐曲げ疲労特性と耐ピッチング特性に優れた浸炭部品又は浸炭窒化部品の提供がなされている（例えば特許文献２参照）。
ところが、係る従来技術（特許文献２）では、素材の条件が限定されており、浸炭窒化部品全般の疲労強度を向上させることが困難であった。

さらに、真空浸炭窒化方法に関する従来技術や（例えば特許文献３）、ガス浸炭方法、ガス浸炭窒化方法及び表面処理装置に関する従来技術（例えば特許文献４参照）が提案されているが、何れも上述した問題点を解消するものではない。

特開２００６−９７０９６号公報特開２００８−８８５３６号公報国際公開第２００３／０５０３２１号パンフレット特開２００５−１２０４０４号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、浸炭窒化処理した金属製品の疲労強度の向上を図ることが出来る金属製品の表面処理方法の提供を目的としている。

発明者は、種々の研究の結果において、浸炭窒化処理を施した金属部品を高温下で長時間にわたって加熱処理を行うと、曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度が向上することを見出した。本発明は、係る知見に基づいて提案されたものである。
本発明の金属製品の表面処理方法は、機械加工した金属製品に対して浸炭窒化処理を行う工程（Ｓ１）と、浸炭窒化処理後の金属製品を２時間以上にわたって、３００〜３５０℃で加熱する（焼戻しを行なう）工程（Ｓ２）とを有することを特徴としている（請求項１）。
ここで、加熱時間及び加熱温度の最適値は、熱処理対象物の求められる機械的性質及び処理に要するコストを勘案し、金属材料の組成、形状、大きさ等によって適宜設定される。

前記金属製品の材料は、炭素量０．１％〜０．３％の合金鋼を用いた浸炭焼入れ、高濃度浸炭の熱処理において、部材表面に窒素を0．２〜１．０％浸入させ急冷したものであることを特徴としている（請求項２）。

ここで、本発明が適用される金属製品の材料として、炭素量０．４〜０．５５％の炭素鋼、合金鋼を選択することも可能である。

発明者は、常温における疲労強度に関しては、浸炭処理品と浸炭窒化処理品とは同レベルであるか、或いは浸炭処理品の疲労強度の方が浸炭窒化処理品の疲労強度よりも高いが、図１６に示す高温時（図１６では３００℃）の疲労強度では、浸炭焼入れ材（図１６の特性線Ｃ）に対して、浸炭窒化材（図１６の特性線Ｂ）の方が疲労強度は高いことに着目した。
上述する本発明の表面処理方法によれば、浸炭窒化処理工程（Ｓ１）後に、金属製品を２時間以上、３００〜３５０℃で加熱する工程（Ｓ２：焼戻す工程）を付加することにより、曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度が向上している。
浸炭窒化処理を施した金属製品（鋼製品）に本発明の表面処理方法を施した場合には、金属組織中に微細な析出物（例えば、Ｃｒ及びＮ等）が析出する。この析出物によって、金属製品は、常温時は勿論、高温時においても曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度が向上すると推定される。

本発明の実施形態に関する金属製品の熱処理方法の工程の流れを示したフローチャートである。実験例１で用いた加熱処理前の浸炭窒化材（サンプルＡ）の破断面を電子顕微鏡による組織写真（倍率４００倍）で示している。実験例１で用いた加熱処理前の浸炭焼入れ材（サンプルＢ）の破断面を電子顕微鏡による組織写真（倍率５０００倍）で示している。図２の浸炭窒化材（サンプルＡ）に対して加熱処理したものの破断面を電子顕微鏡による組織写真（倍率５０００倍）で示している。図４の拡大図（倍率５０００倍）である。実験例２で用いた材料（浸炭窒化材：サンプルＣ）に対して加熱処理したものの電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例２において「Ｆｅ」の析出を示す電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例２において「Ｃｒ」の析出を示す電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例２において窒素「Ｎ」の析出を示した電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例３で用いた材料（浸炭窒化材：サンプルＤ）に対して加熱処理したものの電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例３において「Ｆｅ」の析出を示した電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例３において「Ｃｒ」の析出を示した電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例３において窒素「Ｎ」の析出を示した電子顕微鏡による組織写真（倍率１００００倍）である。実験例１における鋼製品（浸炭窒化材）と比較例（浸炭窒化材、浸炭焼入れ材）の常温時の疲労線図である。実験例２における鋼製品（浸炭窒化材）と比較例（浸炭窒化材、浸炭焼入れ材）の常温時の疲労線図である。浸炭窒化材及び浸炭焼入れ材の高温疲労線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る金属製品の表面処理方法の手順を示している。
図１のステップＳ１において、例えば、炭素量０．１％〜０．３％の合金鋼に対して、浸炭窒化処理、すなわち、部材表面に窒素を0．２〜１．０％浸入させる処理を行う。
そして、ステップＳ２では浸炭窒化処理を行った金属製品に対して、３００〜３５０℃の範囲で２時間以上加熱処理を行う。
ここで、加熱温度及び加熱時間は、表面処理対象の求められる機械的性質及び処理に要するコストを勘案し、対象材料の組成、形状、大きさ等によって、適切な数値が設定される。なお、発明者による実験で、４００℃以上で上記加熱処理を行なった場合には、疲労強度が低下してしまうことが判明している。

［実験例１］
図２〜図５は、第１実験例を示している。
図２〜図５は、加熱温度３００℃、加熱時間１２０分（２時間）で加熱した鉄鋼製品（サンプルＡ、サンプルＢ）を、３００℃高温疲労試験を行い、その破断面を電子顕微鏡により撮影した金属組織を示している。

図２は、炭素量０．２％の合金鋼に対して、部材表面に窒素を0．５％浸入させる浸炭窒化処理を施した鋼材サンプル（サンプルＡ）の加熱処理前の電子顕微鏡による組織写真を示している。
図３は、図２の浸炭窒化材に対する比較材料として、浸炭焼入れ材（サンプルＢ）におけるマルテンサイト組織の顕微鏡写真を示している。図２が倍率４００倍であるのに対して、図３の倍率は５０００倍である。

図４は、浸炭窒化材を、例えば１２０分（２時間）の間、３００℃で加熱した後に撮影した金属組織の顕微鏡写真（倍率５０００倍）を示している。図４では、明瞭には写っていないが、図４を拡大して示す図５（倍率５０００倍）では、マルテンサイト組織に析出物が存在することが確認できる。
図５では、白抜きの円（３箇所）内に析出物が確認できる。

図示はされていないが、発明者は、サンプルＡ、Ｂを３００℃で２時間、４時間、６時間に亘って加熱する実験を行った。そして、実験を行ったサンプルの金属組織を倍率５０００倍で観察した結果、金属組織中に１μ以下の析出物が確認された。

図１４は、実験例１に係る浸炭窒化材の常温時の疲労強度特性（図１４の特性線Ａ）を示している。
図１４では、比較対象として、本発明の加熱処理を行っておらず、１６０℃で焼きならし処理を行った浸炭窒化材の疲労強度特性（特性線Ｅ）と、本発明の加熱処理を行っていない浸炭焼入れ材の疲労強度特性（特性線Ｆ）を、本発明を適用した場合における疲労強度特性（特性線Ａ）と共に示している。

図１４によれば、実験例１に係る処理を施した浸炭窒化材（特性線Ａ参照）の常温時の疲労限度に相当する応力振幅σ_ａは、５２０ＭＰａである。係る数値（σ_ａ＝５２０ＭＰａ）は、１６０℃で焼きならし処理を行った浸炭窒化材（特性線Ｅ参照）の疲労限度に相当する応力振幅４８０ＭＰａと、本発明の加熱処理を行っていない浸炭焼入れ材（特性線Ｆ参照）の疲労限度に相当する応力振幅４１０ＭＰａを明らかに上回っている。
なお、図１４で示す疲労強度特性は、ＪＩＳＺ２２７４「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」による疲労試験の実験結果として得られた。

［実験例２］
図６〜図９は、実験例２を示す。
図６〜図９は、実験例１とは異なる鋼材サンプル（サンプルＣ）で行われた実験例を示している。
図６〜図９は、加熱処理後の浸炭窒化材（サンプルＣ：ＳＣＭ４２０Ｈ）に対して３００℃疲労試験を行ない、破断面を電子顕微鏡で観察した組織写真（倍率１００００倍）を示している。

図６によれば、白抜きの円内に、明瞭ではないが析出物が確認できる。
図７は、図６（サンプルＣ）において、「Ｆｅ」が析出されている状態を示している（黒い線の円内）。
図８は、図６（サンプルＣ）において、「Ｃｒ」が析出されている状態を示している（白抜きの円内）。
図９は、図６（サンプルＣ）において、窒素（Ｎ）が析出されている状態を示している（白抜きの円内）。

図１５は、実験例２に係る浸炭窒化材（サンプルＣ：ＳＣＭ４２０Ｈ）の常温時の疲労強度特性（図１５の特性線Ａ）を示している。
図１５においても、比較対象として、図１４で示す実験結果と同様に、本発明の加熱処理を行っておらず、１６０℃で焼きならし処理を行った浸炭窒化材の疲労強度特性（図１５の特性線Ｅ）と、本発明の加熱処理を行っていない浸炭焼入れ材の疲労強度特性（図１５の特性線Ｆ）を、本発明を適用した場合における疲労強度特性（特性線Ａ）と共に示している。

図１５によれば、本発明の加熱処理を施した浸炭窒化材（特性線Ａ参照）の常温時の疲労強度（曲げ疲労強度）は、１６０℃で焼きならし処理を行った浸炭窒化材（特性線Ｅ参照）の疲労強度（曲げ疲労強度）と、本発明の加熱処理を行っていない浸炭焼入れ材（特性線Ｆ参照）の疲労強度（曲げ疲労強度）を明らかに上回っている。
図１５で示す疲労強度特性も、ＪＩＳＺ２２７４「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」による疲労試験の実験結果として得られた。

［実験例３］
図１０〜図１３は、実験例３を示す。
図１０〜図１３は、実験例１、実験例２とは異なる鋼材サンプル（サンプルＤ）の実験例を示している。
図１０は、浸炭窒化材（サンプルＤ：ＳＣＭ４１８Ｈ）の加熱処理後の電子顕微鏡による組織写真（倍率２００００倍）を示している。図１０によれば、白抜きの円内に、明瞭ではないが析出物が確認できる。

図１１は、図１０（サンプルＤ）において、「Ｆｅ」が析出されている状態を示している（黒い線の円内）。
図１２は、図１０（サンプルＤ）において、「Ｃｒ」が析出されている状態を示している（白抜きの円内）。
そして、図１３は、図１０（サンプルＤ）において、窒素（Ｎ）が析出されている状態を示している（白抜きの円内）。

図１４、図１５で示す様な図面は添付されていないが、実験例３においても、本発明の処理を施した浸炭窒化材（特性線Ａ参照）の常温時の疲労強度（曲げ疲労強度）は、１６０℃で焼きならし処理を行った浸炭窒化材（特性線Ｅ参照）の疲労強度（曲げ疲労強度）と、本発明の加熱処理を行っていない浸炭焼入れ材（特性線Ｆ参照）の疲労強度（曲げ疲労強度）を明らかに上回っている。

図示の実施形態の表面処理方法によれば、浸炭窒化処理を施して、鉄鋼製品を２時間以上３００〜３５０℃で加熱することにより、曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度が向上する。
図示の実施形態の表面処理方法により、（例えば鋼製品の）金属組織中に微細な析出物（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎ）が析出し、この析出物（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎ）によって、鉄鋼製品における曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度が向上したものと推定される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
例えば、本発明は、炭素量０．４〜０．５５％の炭素鋼、合金鋼に対しても適用が可能である。

Claims

機械加工した金属製品に対して浸炭窒化処理を行う工程と、浸炭窒化処理後の金属製品を２時間以上にわたって、３００〜３５０℃で加熱する工程とを有することを特徴とした金属製品の熱処理方法。
前記金属製品の材料は、炭素量０．１％〜０．３％の合金鋼を用いた浸炭焼入れ、高濃度浸炭の熱処理において、部材表面に窒素を0．２〜１．０％浸入させ急冷した請求項１記載の金属製品の熱処理方法。