低炭素鋼の機械的性質と組織に 及 ぼ す 浸 炭 硬 化 処 理 の 影 響

低炭素鋼の機械的性質 と組織 に 及 ぼ す 浸 炭 硬 化 処 理 の 影 響

堀内富雄 小林義一

( 平成

年

月

日 受理)

Effects of Carburized Hardening on the Mechanical Properties and  t h e   M i c r o s t r u c t u r e s   o f   L o w   C a r b o n   S t e e l s

Tomio HORIUCHI Yoshikazu KOBAYASHI

Thelowcarbonsteels(S15CK)Werecarburizedbypackcarburizing,andthenthese steelswereheat‑treatedforprlmaryquenchingandsecondaryquenching.Thetransfor

･

provedwithincreasingcaburizeddepth,buttheelongationandthereductionofarea weredecreasedmarkedlyasquenchedintowaterandoilinsecondaryquenching.Inthe carburizingof5hoursthemaximumhardnessofthecasewasseventimesthehardness ofmaterialasquenchedintowaterinsecondaryquenching.h thetestpiecefortensile testquenchedintowaterandoilassecondaryquenchingthequasi‑cleavagefracture wasobserved.

1

緒 言

機械部晶には歯車や伝動軸のように表面 は硬 く,内部 は粘 り強いとい う,相反す る機械的 性質を要求 され る場合があ り,種々の表面硬化処理が行われている.表面硬化法のひ とつで ある固体浸炭法は,炭素濃度の調節や自動化が困難であるために,現在では用いられ ること が少ないが,小物部品や試作品の表面硬化,そして工学実験 などでは有用である. ここでの 熱処理は固体浸炭剤 と品物を浸炭箱 に入れ密閉 して加熱 ･浸炭 し,第一次焼入れ と第二次焼 入れを行 った後,焼戻 しす るが, これ らの過程での機械的性質や顕微鏡組織の変化 について の報告,特 に浸炭層深 さを変 えた ときの引張特性 についての詳細 な研究( I ) はほ とん ど見 あた らない.筆者 らはすでに固体浸炭法により低炭素鋼に浸炭 し,第一次焼入れ した後,第二次 焼入れ温度から水冷,油冷および空冷 した ときの硬 さ試験および顕微鏡組織観察を行 い,低 炭素鋼の硬 さと組織に及ぼす浸炭熱処理の影響について報告 した( 2 ) .今回は浸炭硬化処理過 程での特性 の変化, とりわけ引張特性が どのように変化するかを明 らかにす るために,固体

'平成

年1 1 月 日本産業技術教育学会第

回北陸支部大会に発表 日 機械工学科 技官

書 目 棟械工学科 教授

26

_{堀内富雄 ･小林義一}

表

熱 処 理

一次油焼入れ 二次水洗入れ 二次抽免入れ

熱 処 で

℃あるいは 分か ら

時間保持

℃で

時間保持

℃ で

時間保持

℃で

時間保持

哩 + l . ̲ ↓

浸炭法によ り低炭素鋼 に浸炭 し,･ さらに第一次焼入れ と第二次焼入れ卑麹 した試験片 につ い て,引張試験,硬 さ試験お よび顕微鏡組織観察を行 い,浸炭硬化処理による低炭素鋼 の機械 的性質 と組織の変化 について調べたので報告す る.

2.

試験片の作成 と実験方法

試験片の作成

供試材 には熱間圧延 した外径

m Ⅲの

を用い,汎用旋盤でセンタ穴 と チ ャ ック部 を加工 した後

旋盤 で

号引張試験片 ( 平行部直径

mm,標点 距離5

に加工 した. また浸炭層の微小硬 さ測定試料お よび頗微鏡組織観察試料 として, 直径

m m,長 さ

m mの丸棒試験片 も併せて製作 した.尚,引張試験 ではデータのば らつ

きが予想 されたため

測定点 あた り

本 の引張試験片 を準備 した. ま声, ここで用 いた供 試材 の機械的性質 は引張強 さ

,破 断強 さ

,伸 びが

,絞 りが

, 硬 さが

であった. 壷た顕微鏡組織 はフェライ トと層状パ ーライ トか ら成 り,平均 結晶粒径が約

〝,粒度番号 は約

であ り浸炭用鋼 として適切 な値 を示 した.

2‑ 2

熱処理

熱処理 は表

に示す よ うに, まず浸炭処理 として浸炭箱 ( 鋳鉄製

m m,肉 厚

m m ) に固体浸炭剤

BURISING GRANULATE,KG30)

と試験片

を入れ密閉 し,浸炭深 さを

mmか ら

m にす るために,電気炉 で

あるいは

で

分 か ら

時間保持 した後,徐冷 した.次 に

に加熱保持後,第一次焼入れ ( 油焼入れ) し声.

さ らに第三次焼 入れ として

に加熱保持

00008エU

e.

〇

判

級,水焼入れまたは油焼入れを行 った.第一次 警

焼入れお よび第二次焼入れ ともに試験片の脱炭 を防止す るために,浸炭箱 に試験片 と浸炭剤 を 入れ加熱保持 した.尚,以下の熱処理条件 にお いて浸炭 とは浸炭 したまま,一次油焼入れ とは 浸炭後第一次焼入れ した まま,二次水焼入れ と 二次油焼入れ とは浸炭後第一次焼入れ しさらに 第二次焼入れ ( 水焼入れあるいは油焼入れ) し

0 0 .

5 1

0 1

0.

5

表 面 か らの臣 能 (mm )

図

全浸炭層深さの測定

たままであることを意味す る.

2‑ 3

試験方法

引張試験 にはインス トロソ型引張試験機 を用い,引張 速度3m ･血 1 で行 った.微小硬 さ測定 は直交す る

方 向について,試料 の表面から

mmおきに3.

m mまでの微 小硬 さを荷重0.

硬 さとし, これよ り図

に示す硬 さ曲線を作成 し,硬 さ がほぼ一定 となる表面からの最小の距離を全浸炭層深 さ とした.顕微鏡組織観察は主 として光学顕微鏡を用いた が, よ り微 細な組御 こついては走査型電子顕微鏡を用 い て観察 した.

3.

実験結果および考察

引張特性

図

は浸炭深さを変 えた ときの各熱処理 における引張

(

)

蒜

60

強 さの変化を示す.いずれ?熱処理 においても全浸炭層

深 さが増すP とっれ,引張強 さは増加 し,また同 じ全浸炭

層深 さでも浸炭,, 第一次焼入れ,第二次焼入れ と熱処理

を施すたびに引張強さが増加 した･特に二次水焼入れ し 仙

た場合 は全浸炭層深 さが約2･

m mの ときは生材 の約

倍 聖

の強度を示 した.

図

. は浸炭深 さを変 えた ときの各熱処理における破断 強 さの変化を示す.破断強 さはいずれの熱処理 において も引張強 さと同様 に全浸炭層深 さの増加につれ増大 し, また約

m mの深 さではいずれの熱処理において も引張 強 さとほぼ同 じ値 を示 した. しかし全浸炭層深 さが浅 い 場合,破断強 さは二次水焼入れの場合 には引張強 さとほ ぼ同 じ倍を示 したが,二次油焼入れではやや低下 した.

さらに浸炭 と一次油焼入れの場合,破断強 さは生材 と同 様に引張強 さと比べてかな り低下 した.

図

は浸炭深 さを変 えた ときの各熱処理 における真破 断強 さの変化を示す.真破断強 さは二次水焼入れ と二次 油焼入れでは全浸炭層深 さの値にかかわ らず引張強 さと ほぼ同 じ強 さを示 した.また浸炭 と一次油焼入れの場合

真破断強 さは全浸炭層深 さの増加 につれて減少 し,約

m mで極小値を示 した後増加 し,約1.

mを越 えると引 張強 さとほぼ同じ値を示 した.

図

は浸炭深 さを変 えた ときの各熱処理 における伸 び の変化を示す.伸 びは生材で約3

串 ん00

200

0 0

0 0

ハ0 ′b

( d

仙 溝 藍

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

全 浸炭 月 潔 さ (m m )

図2 引張強さ

0 0.5 1.0 1.5 2.

0 2 . 5

全 浸炭 層 深 さ (m m )

図

破断強さ

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

全 没炭 層 深 さ (m m )

図

其破断強さ

28

o0o∋2

( %

1 萱

堀内富雄 ･小林義一

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

全 浸炭 層深 さ (mm )

図

伸 び

の.OAH

W

悼 哨

o 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

全 浸炭 層深 さ (mm )

図

最高硬さの変化

炭 の場合,全浸炭層深 さが約 0. 5 m mか ら約 2. 0

m mの間では約 3 0. 0 % か ら約 1 4. 0 % まで減少 し た. また全浸炭層深 さが同 じ場 合,第一次焼 入れ,第二次焼入れ と熱処理 を施すた びに伸 びは減少 し,特 に二次水焼入れ と二次油焼入

Oo0Oo0

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仙 世

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0

全没 炭層 深 さ (m m)

図

絞 . り

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炭 材 次油 学卒 入れ 入れ

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̲次油坑入れ

一ヽヽゝtk I

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0

表 面 か らの定 位 (m m)

図 8

時間浸炭 した ときの硬さの変化 れで は全浸炭層深 さが約 0. 5 mmか ら約 2. 2 mmの

間では約 4. 0 % か ら約 2. 0 % であ り,わずかの伸 びで破断 した.

図

は浸炭深 さを変 えた ときの各熱処理 における絞 りの変化 を示す.絞 りは伸 び とほぼ同 じ傾 向を示 し, いずれの熱処理 において も全浸炭層深 さが増す につれて減少 した. また全浸 炭層深 さが同 じ場合,絞 りは第一次焼入れ,第二次焼入れ と熱処理 を施すた びに減少 した.

3‑ 2 硬 さ特性

図 7 は浸炭深 さを変 えた ときの各熱処理 における最高硬 さの変化 を示 した ものである.浸 炭 の場合,全浸炭層深 さが約 1. 0 皿 を越 え る と,最 高硬 さは 2 8 0 HV0. 3 で ほぼ一定 とな った が,一次油焼入れ,二次水焼入 れお よび二次油焼入れでは全浸炭層深 さの増加 とともに急増 し,約 1. 5 m mにおいては 8 0 0 HVO. 3 , また約 2. 2 m では 8 5 0 HV0. 3 か ら 9 3 0 HV0. 3 の値 を示 した.

5

時間浸炭 した ときの各熱処理 における硬 さの変化 を図

に示す.浸炭 の場合,浸炭部 の

写真 1 浸炭 の まま

共析部 亜共析部

写真 2 一次油焼 入れ のままの顕微鏡組織

3 0

過

節

発 頭 w o 皮 蛋 M 凹 S

朋内筋雄 ･小林茂‑

jt･析部 亜共析部

写真 3 ■ 二 次水枕人LL の滝T tのy l ' l 徴鋲細綴 硬 さは生材 の約 2 倍 を示 したが, r f J J L部 は長時

間加熱 のため に組織 が粗大化 し,生材 よ りわず か軟化 した. また全浸炭層深 さが同 じ場合,第 一次焼入れ,第二次焼入れ と熱処理 を施す た び に硬 さを増 した. さらに一次油焼入れで は表面 か ら約 0. 3 m m 前後 の距離 で最高硬 さを示 したが, 二 次水焼 入 れ と二 次油焼 入 れ で は表 面 か ら約

0. 1 m m で最高硬 さを示 し, そ して約 0. 5 m m を越 え ると急激 に低下 した.

3‑3 組織観察 写真 4 二 次水焼 入れのままの中心部破断面 写真 1は浸炭 の ままの代表例 として 9 5 0 o C で 5 時間滋庚 し,約 2. 2 m の全浸炭層深 さを持 つ 試料 の顕微鏡組織 であ り,上段 は光学跡微税組織

組織),下段 は走査型電子顕微鏡組 織

組織) を示す.炭素浪度 が もっとも高い表面付近 は過共析組織 であ り,粒界 には 網 目状 の初析 セ メソタイ トが観察 され, また粒 内は層状パ ーライ ト組織 であ った.中心部 に 向い炭素浪度 が低下す るにつれて,層状 パ ーライ トだ けの共析部,粒界 に初析 フェライ トが 析 出 した亜共析部 と変化 し,中心部 は粗大化 した組織 が観察 された. この よ うに浸炭時 間の 増加 とともに よ り深 く浸炭 され,中心部組織 は粗大化 したため,浸炭のままの試料 の強度特 性 は生材 よ り向上 した ものの,伸 び と絞 りは逆 に低下 した.

写真 2 は約 2. 2 m m の全浸炭層深 さを持つ一次油焼入 れ の ままの試料 の顕微戟組織 であ る.

浸炭 によ り生 じた過共析部 の網 目状初析 セ メソタイ トの分断 と中心部組織 の微細化 を目的 と

してオーステナイ ト領域 か ら油焼入れす ると,過共析部 ではやや粗大 なマルテ ンサ イ トだ け

の組織 とな り, また中心部 では ウィ ドマ ンステ ッチソ ･フェライ トと低炭素 マルテ ソサ イ ト

r ‑

壁惑WO

過共析部 共析部

F

亜共析部 中心部

写真 5 ' . 次油焼入れのままの抑微錦糾椀

の混合組織 が観察 された. この よ うに浸炭後,第一次焼入れ したr R料の場合,没炭層の過共 l 析部 はやや粗大 なもののマルチソサイ トだけの組織 であることが この部分の硬 さを著 し く増 加 させ, さらに浸炭の試料 に比べ引張強 さ,破断強 さおよび出破断強 さを著 しく増加 させた

と考 えられ る.

写真 3は約2. 2mmの全浸炭層深 さを持つ二次水焼入れのままの試料 の顕微鏡組織 である.

耐摩耗性 の向上 を主 目的 とす る第二次焼入れにおいて水焼入れす ると,過共析部ではマルチ ソサイ ト中に球状セ メソタイ トが分散 した組織 とな り, これが引張強 さ,破断強 さお よび硬 さを増加 させ,そ して耐摩籍性 を向上 させ る原因であると思われ る. また中心部 は低炭素 マ ルテソサイ トとフェライ トの混合組織 であ り粘 り強 く,伸び易 いと考 えられ るが,実際の引 張試験では,伸 び と絞 りはほとん どゼ ロの値を示 した. この原関を調べ るために全浸炭層深 さが約2. 2m mの試料 の引張破断面 の走査型電子顕微鏡観察を行 った.その結果 を写真 4に示 す. これによると引張破断面では,わずかに塑性変形 を示 した凝努開破面( 3 ) が観察 されたが, これは外側が硬 い組織 のため変形 しに くく,外周部 に一旦 き裂が生 じると中心 に向か って き 裂が急速 に伝播 し脆性破壊 を起 こした もの と考 えられ る.

写真 5は約2. 2mmの全浸炭層深 さを持つ二次油焼入れのままの試料 の顕微鏡組織 である.

二次油焼入れの顕微鏡組織 は二次水焼入れ とほぼ同 じ組織 となるが, この場合のほ うが冷却 速度がやや遅 いために結晶粒界 に微細 パ ーライ トが析出 し,過共析部,共析部 および亜共析 部で これが観察 された. また この微細 パーライ トの存在が水焼入れ した場合 と比べ,引張強 さと破断強 さをやや減少 させ,逆 に伸 び と絞 りをやや増加 させた原因であると考 えられ る.

さらに中心部 では二次水焼入れの場合 と同様 に擬努閲破面が観察 された.

32

_{堀内富雄 ･小林義一}

4.

総 括

低炭素鋼を固体浸炭法によ り浸炭 し,第一次焼入れおよび第二次焼入れの硬化処理 を行 い, これ らの過程での機械的性質 と組織の変化 について調べた ところ,次のことがわかった.

( 1 ) 引張強さ,破断強 さおよび真破断強 さは全浸炭層深 さが増すにつれて増加 し,また全浸 炭層深 さが同 じ場合は浸尿,第一次焼入れ,第二次焼入れ と熱処理を施すたびにこれ らの 値 は増加 した.伸 びと絞 りは全浸炭層深 さが同 じ場合,熱処理を施すたび減少 し,特に二 次水焼入れ と二次油焼入れの場合は浸炭の場合 と比べ,著 しく減少 した.

( 2 ) 浸炭部の最高硬 さは 5時間の浸炭によ り浸炭のままでは生材の約 2倍,そ して一次油焼 入れで約

倍, さらに二次水焼入れでは約

倍 まで上昇 した.

( 3) 二次水焼入れおよび二次油焼入れの場合,中心部 はフェライ トと低炭素マルテンサイ ト の混合組織であったが,擬努開破面を持つ脆性破壊を生 じた.

本研究を進めるに当た り, ご協力頂 きました電子制御工学科 ･芳賀.武教授,学生課 ･羽 賀文夫実習係長,小林茂夫実習主任,関 辰治技官,深井郁夫技官に感謝の意を表 します.

尚,本研究 は平成 4年度文部省科学研究費 ･奨励研究( B) の援助 により行われた ものであ り, 関係各位に感謝申し上げます.

参 考 文 献

(1)

例えは,門間,矢島 :鉄鋼Ⅰ

Ⅰ 新版材料篇,日本金属学会

森山,小林,堀内 :長野工業高等専門学校紀要,第1

号

村上,大南 :破壊力学入門,オーム社