JPS6140751B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属加工品の表面処理方法に係り、
特にイオン表面処理によつて金属加工品に異なる
性質をもつ表面層を形成する方法に関する。

従来より自動車部品、家電品あるいは各種産業
機器部品を製造するには、所定の加工を行なつた
後、耐摩耗性を得るためにガス浸炭等の表面処理
を施していた。この製造工程は、金属加工品を、
浸炭あるいは拡散処理温度である750℃以上に加
熱後、例えば油中に焼入れし、その後、焼戻し処
理をして機械加工により仕上げを行なう。また、
一部の製品には浸炭後局部的に高周波焼入れ、焼
戻しを行なつている。ところがこれには次のよう
な欠点がある。

(1) 金属加工品の寸法精度がその後のガス浸炭焼
入れによる処理歪で著しく損なわれ、その嬌正
に多くの労力を要する。

(2) 金属加工品の表面全体に深い硬化層ができる
ため、肉厚の薄い部分では過剰な浸炭硬化層と
なり、耐衝撃性が低下することがある。

(3) 高温下での操作が多く工程が複雑で、エネル
ギー消費が大である。

また、金属加工品の耐摩耗性の付与を主な目的
とするその他の表面処理には、ガス窒化やタフト
ライド処理等がある。しかし、ガス窒化は有効な
硬化層深さを得るのに処理時間が20〜100時間も
かかる欠点がある。一方、タフトライドに代表さ
れる塩浴軟窒化では、処理用塩浴が公害物質であ
るCN基を多く含有しているため、塩浴の廃液処
理は慎重に行なう必要があり、さらに塩浴成分の
管理及び作業環境の点に問題がある。以上のよう
に、従来法は最適な方法ではなく、また、省資
源、省エネルギー及び無公害の点からも望ましく
ない。

一方、無公害表面処理法として、近年、利用が
多くなつているものに、イオン工学的処理法があ
る。その代表例はイオン窒化法である。この方法
は、真空容器内に処理用ガスを導入し、加工品を
陰極とし、陽極との間に直流の高電圧を印加して
グロー放電を発生させ、イオン化された窒素粒子
を金属加工品の表面に衝突させて、鉄−窒素系化
合物層及び拡散層を形成する方法である。この処
理法は耐摩耗性および耐疲労性を向上させるた
め、自動車工業界を中心に多くの鉄鋼材料に利用
されている。しかし、このイオン窒化法は、材料
成分に窒素と親和力の強いCr、Mo、Al、Si、Ｖ
等を含有する材料には特に有効であるが、炭素鋼
あるいは低合金鋼に対しては、硬度、硬化層深さ
とも不充分である。

そこで最近、窒素ガスの他にメタン系炭化水素
ガスを加えて浸炭窒化を行なうイオン浸炭窒化法
が開発された。この方法は炭素鋼、低合金鋼に対
して有効であり、特にSPCC等の塑性加工品で耐
摩耗性を必要とするものに最適である。このイオ
ン工学的表面処理法は400〜600℃の低温処理であ
り、寸法変化が少なく、後加工をほとんど必要と
しないため、従来の軟窒化に代わる無公害処理法
として注目されている。

本発明は、上記のイオン浸炭窒化法を対象とす
るものである。

ここでイオン浸炭窒化法の原理を説明する。
10^-2Torr以下に減圧した容器内に金属加工品を
装入し、希釈ガスと炭素源と窒素源の混合ガスか
らなる処理用ガスを前記容器内に導入して、内圧
を１〜10Torrにする。希釈ガスとしては水素、
アルゴン、ヘリウムの少なくとも１種のガスが、
炭素源としてはメタン系炭化水素ガスが、窒素源
としては窒素ガスがそれぞれ用いられる。加工品
を陰極とし、陽極との間に300〜1500Vの電圧を
印加して、グロー放電を発生させる。処理用ガス
の一部は、陰極からの電子の衝突によつて励起、
解離してイオン化される。イオン化された粒子
は、陰極付近の急激な電位降下により加速され、
大きなエネルギーをもつて加工品表面に衝突す
る。処理用ガスのうち希釈ガスはイオン化して、
加工品表面に吸着している油脂類、酸化物、表面
原子のスパツタ、クリーニング等の作用をする。
メタン系炭化水素ガスや窒素ガスはイオン化して
加工品表面に衝突し、表面原子のスパツタや、炭
素化合物、窒素化合物、炭素−窒素化合物の生
成、内部への拡散、格子欠陥の生成等の作用をし
て硬化に寄与する。

また、イオン浸炭窒化処理法では、処理温度が
400〜850℃であり、しかも金属加工品はグロー放
電エネルギーの熱交換により自ら昇温するため特
別な熱源を必要とせず、ガス浸炭処理ではヒータ
により加工品の温度を850〜1000℃に昇温する必
要があるのに比べると、消費電力ははるかに少な
くて済む。さらに、イオン浸炭窒化処理法の使用
ガスは変成炉のような特別なガス混合炉を必要と
せず、しかもそのガス使用量は、従来のガス浸炭
焼入れに比べて1/10〜1/10000である。このよう
に、イオン浸炭窒化処理は非常に省質源、省エネ
ルギー処理である。

ところで、このイオン浸炭窒化処理も、加工品
全体が均一な硬化層深さとなり、通常の有効硬化
層深さは低合金鋼で0.1〜0.3mmである。しかし、
金属加工品の中には１つの部品でも各部分によつ
て要求される有効硬化層深さが異なることが多々
ある。この点について、自動車のリダクシヨンス
タータに用いるスタータシヤフトを例にとつて説
明する。

第１図に示すようにスタータシヤフト１は、ピ
ニオンスリープと噛合するスプライン部２と、シ
ヤフト部３と、ピニオンスリーブのストツパーリ
ングが嵌入する溝状のストツパー部４とを備えて
いる。このスタータシヤフトにおいて、スプライ
ン部２は耐摩耗性が、シヤフト部３は耐摩耗性と
耐疲労性が、ストツパー部４は高い耐摩耗性が要
求される。したがつて、このようなスタータシヤ
フト１においては特にストツパー部付近の硬化層
深さを他の部分より深くして0.5〜１mm程度にす
ることが要求される。

このように１つの部品でも各部によつて要求さ
れる機械的特性が異なることが多々あるので、各
部に応じて硬化層深さを調整できるようにするこ
とが望まれる。

本発明の目的は、上記のような課題を解決し、
金属加工品において要求される特性が各部で異な
る場合、それに合つた表面硬化層を形成すること
のできる金属加工品の表面処理法を提供するにあ
る。

この目的を達成するため、本発明は、炭素成分
と窒素成分とを含む処理用ガス中で、金属加工品
を陰極に接続し、対向する陽極との間に高電圧を
印加してグロー放電を発生させ、前記金属加工品
の表面に浸炭窒化層を形成する金属加工品の表面
処理方法において、前記金属加工品に浸炭窒化層
を形成する際、金属加工品の表面温度を部分的に
高めてその部分に形成される浸炭窒化層を他の部
分に形成される浸炭窒化層よりも高炭素濃度に且
つ深く形成し、しかる後、その高炭素濃度の深い
浸炭窒化層を焼入れして硬化させることを特徴と
する。

本発明者等は前述したスタータシヤフトについ
て、予備実験として600℃、５時間のイオン浸炭
窒化処理を行なつた。スタータシヤフトの材質は
肌焼鋼（SCM21：JIS規格）である。これによる
と、スプライン部及びシヤフト部は充分な硬化層
を得ることができたが、ストツパー部はピニオン
スリーブが激しく衝突して摩耗が著しいことが分
かつた。これは、ガス浸炭焼入れ法に比べて硬化
層深さが浅いためである。そこで、イオン浸炭窒
化後ストツパー部のみに高周波焼入れを行なつて
みたが、イオン浸炭窒化による炭素の金属表面へ
の供給がガス浸炭のそれに比べて少ないため充分
な硬化層は得られなかつた。これらのことから、
イオン浸炭窒化処理時に放電状態を変化させ、高
い耐衝撃性を要求されるストツパー部のみに炭素
の供給を多くし、その後、高周波等による部分焼
入れにより深い硬化層を得る方法を検討した。次
にその処理方法を説明する。

まず、スタータシヤフトのストツパー部のみに
炭素を多く供給する方法であるが、イオン浸炭窒
化の処理温度は570〜630℃であり、炭素と窒素原
子はこの温度で共に金属内部へ拡散する。ところ
が、処理温度を高めると、700℃付近で炭素の拡
散速度が窒素より速くなり、さらに昇温すると炭
素濃度が高くなつて実質的に浸炭雰囲気となる。
本発明はここに注目し、スタータシヤフトにおい
て、ストツパー部付近のみの温度を部分的に上昇
させて高炭素濃度の深い浸炭窒化処理を行ない、
その後その部分を高周波やレーザによる部分焼入
れを施こすことによつて深い硬化層を得る方法を
見出した。

イオン表面処理において金属加工品の温度が上
昇するのは、グロー放電エネルギーの熱交換によ
るためであるが、このグロー放電中に次のような
現象が起きると、局部的に温度が上昇する。即
ち、陰極上に加工品に相当する平行板である一定
の距離をおいて対向させ、且つそれから充分に離
れた位置に金属加工品を設置して、両者の温度を
比較すると、前者は後者に比べてはるかに温度上
昇が速い。この現象は、グロー放電の発生する真
空中では、加工品や電極等からの輻射熱が熱の収
受に関与するために生じるものである。それゆ
え、通常のイオン表面処理では、均一な処理層を
得るために、加工品の間隔をある程度離して一定
に保ち、しかもできるだけ同心円状に配列して温
度分布を均一にするようにしている。ところで、
上述の平行平板の間隔を狭めるかあるいはガス圧
を低下させると、両平板のグロー放電の２つの負
グロー領域が合体し、両平板間で強い相互作用を
生じる。この領域では、処理ガスの電離や原子の
表面反応も非常に活発となり、電流密度が増加し
て温度が上昇する。

本発明はこの現象を応用したものである。即
ち、本発明では、平行平板の一方を加工品とし、
他方を陰極放電補助極として、両者を所定の間隔
をおいて配置する。実際の処理の場合、負グロー
領域を合体させるには、加工品と陰極放電補助極
との間隔を一定にし、処理用ガスの圧力を調整し
た方が処理し易い。陰極放電補助極は、シヤフト
のような棒状の加工品の場合は加工品と陰極放電
補助極との間隔を一定にするためリング状のもの
を用いる。また、この補助極は加工品と共に陰極
となりグロー放電を発生するため、鋼、グラフア
イトあるいは複合材料等の電導体で作られる。

金属加工品と陰極放電補助極の間隔は、約0.1
mm以下ではグロー放電の発生が阻害され、約50mm
以上離れるとグロー放電間の相互作用が減少して
負グロー領域の合体が生じにくくなると共に、輻
射熱の影響が少なくなる。したがつて、加工品と
陰極放電補助極との間隔は約0.1〜50mmの間が有
効であり、特に放電状態や温度の調整のし易さか
ら、約５〜25mmが好適である。

陰極放電補助極は金属加工品の表面のうち、深
い硬化層を必要とする部分を覆うように取付けら
れる。例えば上述のスタータシヤフトではストツ
パー部の周囲を覆うように取付けられる。その状
態でイオン浸炭窒化処理を行なうと、スタータシ
ヤフトのスプライン部とシヤフト部は通常のイオ
ン浸炭窒化処理が施されて所要の硬化層深さが得
られ、充分な耐摩耗性が付与できる。この処理時
間のうち適当な時間だけ処理ガスの圧力を下げ、
ストツパー部の温度を上昇させる。容器内は浸炭
窒化のガス雰囲気であるが、ストツパー部の温度
が約700℃以上になると炭素の拡散速度が窒素よ
り速くなるため、この部分だけ実質的な浸炭雰囲
気となり、高炭素濃度の深い浸炭窒化層が得られ
る。したがつてこの部分を処理の後で焼入れする
と他の部分より深い硬化層が得られるわけであ
る。焼入れ方法はできるだけ処理歪を少なくする
ため、高周波あるいはレーザによる部分焼入れが
よい。上記の処理はガス組成を変えずに、単にガ
ス圧を一時的に低下させることにより、同一容器
内で同時に、同一部品に異なる性質をもつ表面層
を短時間で形成することができる。

ところで、上述したガス圧を低下させて実質的
な浸炭雰囲気とする操作は、過剰浸炭や残留オー
ステナイトが生じないように処理時間、温度、時
期を慎重に選ぶ必要がある。これらを含め、実際
の処理条件を次に説明する。

処理すべき金属加工品が例えば第１図に示すス
タータシヤフトである場合には、上述のようにス
トツパー部に陰極放電補助極を取付けてイオン浸
炭窒化処理を行なう。即ち、容器内を0.1Torr以
下に減圧後、希釈ガスとしてアルゴン、水素、ヘ
リウムのうち少なくとも１種のガス、炭素源とし
てメタン系炭化水素ガス及び窒素源として窒素ガ
スを含む混合ガスを導入し、ガス圧を１〜
10Torrとし、両極間に300〜1500Vの直流電圧を
印加してグロー放電を発生させる。シヤフトは放
電エネルギーの熱交換により所定の処理温度400
〜600℃に昇温する。全処理時間はシヤフトのス
プライン部及びシヤフト部に必要な浸炭窒化層を
形成できる時間とし、その間にガス圧を0.1〜
5Torrに低下させてストツパー部の温度を750〜
900℃に上げ、その部分だけ実質的な浸炭雰囲気
として、高炭素濃度の浸炭窒化層を形成する。こ
の部分的な浸炭処理時間は、後工程の焼入れで
0.6〜１mmの有効硬化層深さを得るためには、10
〜60分程度の短時間で充分である。

本発明の重要なポイントは、高炭素濃度の浸炭
窒化処理を行なう温度と時期である。処理温度は
陰極放電補助極と金属加工品との間に形成される
ギヤツプと処理ガスの圧力により決定される。こ
のギヤツプとガス圧はグロー放電の負グローの分
離、合体に重要な役割をはたすため、金属加工品
の寸法、形状に応じて、慎重に選定しなければな
らない。次に、高炭素濃度の浸炭窒化処理を行な
う時期であるが、これは表面から内部への炭素濃
度の分布ができるだけ均一になるようにする必要
があり、過剰浸炭や残留オーステナイトを生じさ
せないような処理のタイミングが重要である。

第２図はイオン浸炭窒化処理の全時間の中で局
部的に温度を上げて高炭素濃度の浸炭窒化処理
（実質的には浸炭処理）を行なう時期について、
いくつかのパターンを示したものである。(a)はイ
オン浸炭窒化処理の初期に浸炭処理を行なう方法
である。この方法では、その後のイオン浸炭窒化
処理で炭素が内部へ拡散し、表面近傍の炭素濃度
が低下して高周波焼入れによつても充分な硬さが
得られないことがある。(b)はイオン浸炭窒化処理
の最後に浸炭処理を行なう方法である。この方法
は、(a)とは逆に、炭素濃度が表面付近で過剰にな
り、高周波焼入れにより過剰浸炭組織となること
がある。(c)はイオン浸炭窒化処理の終りに近いと
ころで浸炭処理を行ない、浸炭処理後、適当な時
間炭素を拡散させる方法である。(d)はイオン浸炭
窒化処理の間に所定のタイミングで間欠的に浸炭
処理を行なう方法である。(e)はイオン浸炭窒化処
理の初期と終期に浸炭処理を行なう方法である。
表面から内部への炭素濃度の分布をできるだけ一
様にするためには、上記(c)(d)(e)のような処理のパ
ターンにすることが好ましい。

また、高周波焼入れ後の焼戻し温度は、130〜
300℃が適切であり、これにより高周波焼入れに
よる残留オーステナイトは分解し、良好な硬さ分
布が得られる。

次に本発明の実施例を図面とともに説明する。
第３図は本発明を実施するためのイオン浸炭窒化
装置の概略構成図、第４図は同浸炭窒化装置にお
ける金属加工品の設置状態を示す図である。

イオン浸炭窒化装置は第３図に示すように陽極
を兼ねる容器５内に陰極支持体６を多段に設けた
もので、容器５は陽極端子７を、陰極支持体６は
陰極端子８を介して電源部９に接続されている。
容器５はアースされ、陰極支持体６とは絶縁碍子
１０によつて絶縁されている。陰極支持体６には
スタータシヤフト１が設置され、このシヤフトの
ストツパー部４は、第４図に示すようにリング状
の陰極放電補助極１１で覆われている。陰極放電
補助極１１はグラフアイトで作られ、適所にガス
通路孔１２が形成され、また、シヤフト１との間
隔Ｇは全周にわたつて６mm均一に維持されてい
る。これにより、シヤフト１のストツパー部４は
成周にわたり均一な温度にすることができる。

処理品となるシヤフト１を設置した後、容器５
内はロータリーポンプからなる排気装置１３によ
つて10^-2Torr以下に減圧され、次にガス導入系
１４から処理用ガスが導入される。処理用ガスは
窒素ガス50％とメタンガス３％と残部水素ガスの
混合ガスからなり、容器５内のガス圧が5Torrに
なるまで導入する。その後、陽極である容器５と
陰極支持体６との間に300〜1500Vの電圧を印加
してグロー放電を発生させる。処理パターンは、
第５図に示すように600℃、５時間のイオン浸炭
窒化処理の内、最初の40分と最後の20分はガス圧
を5Torrから3Torrに下げる。この減圧によりス
トツパー部４付近と陰極放電補助極１１との間の
グロー放電の負グロー領域が合体し、相互作用が
活発となり、陰極放電補助極１１で覆われている
部分だけ電流密度が増大し、850℃程度に昇温さ
れて実質的な浸炭温度となる。なお、このときで
も、その他の部分即ちスプライン部２やシヤフト
部３は温度が約600℃であり、イオン浸炭窒化が
進行している。温度は温度制御系１５により、ガ
ス圧はガス制御系１６により計測、制御される。

以上のイオン浸炭窒化処理を終えた後、ストツ
パー部４を周波数230kHzで高周波加熱を行な
い、最高加熱温度930℃を設定した後、水焼入れ
した。その後、180℃、１時間の低温焼戻しを行
なつた。第６図に上記工程によつて得られたスタ
ータシヤフトの硬さ分布を示す。図中、曲線ａは
ストツパー部、曲線ｂはシヤフト部の硬さを示
す。ストツパー部浸炭処理後、焼入れされて有効
硬化層深さ0.7mmが得られ、また、他の部分は浸
炭窒化処理により有効硬化層深さ0.3mmが得られ
た。処理歪はシヤフトの振れ1/100mm以下、スプ
ライン部の変化も1/100mm以下と良好であり、従
来行なつていたガス浸炭処理による5/100〜20/10
０mmのシヤフト振れの矯正工程を省略することが
できる。また、表面荒さについては、処理前に仕
上げ加工で４〜6Sの処理品が、処理後も４〜6S
であることが確認された。したがつて特別な場合
を除いて、仕上げ加工を行なつた後、最終加工と
して本発明のイオン処理を行なつた方がよい。

以上、本発明の説明は、内容をできるだけ具体
的にするためにスタータシヤフトの表面処理を例
にとつて説明してきたが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、イオン浸炭窒化処理の可能な
各種の金属加工品に同様に適用できるものであ
る。例えば金属加工品の形状はシヤフトのような
丸棒だけでなく、角棒、異形材等についても本発
明による処理が可能であり、その場合は加工品の
形状に応じた陰極放電補助極を用いる。

また、イオン浸炭窒化処理によつて高炭素濃度
の浸炭窒化層を形成した部分への局部表面焼入れ
法は、高周波焼入れだけでなく、レーザーによる
部分焼入れを利用することもでき、また、イオン
処理後、冷却剤中に入れて焼入れすることも可能
である。

また、陰極放電補助極を１つの金属加工品につ
き複数個使用すれば、複数の個所に他の部分より
深い硬化層を同時に形成できることはいうまでも
ない。

本発明は以上のような構成になつており、要求
される特性が各部で異なる金属加工品に、それぞ
れの部分に合つた表面処理層を容易に且つ確実に
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属加工品の一例であるスタータシヤ
フトの一部を断面にした正面図、第２図は本発明
の表面処理方法における処理時間とガス圧・処理
温度との関係を示すグラフ、第３図は本発明を実
施するためのイオン浸炭窒化装置の概略構成図、
第４図は同浸炭窒化装置における金属加工品の設
置状態を示す一部を断面にした正面図、第５図は
本発明の一実施例に係る表面処理方法の処理時間
と処理温度との関係を示すグラフ、第６図は本発
明の表面処理方法によつて得られた金属加工品の
硬さの分布を示すグラフである。 １……スタータシヤフト、５……容器、６……
陰極支持体、１１……陰極放電補助極、Ｇ……シ
ヤフトと陰極放電補助極との間隔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素成分と窒素成分とを含む処理用ガス中
   で、金属加工品を陰極に接続し、対向する陽極と
   の間に高電圧を印加してグロー放電を発生させ、
   前記金属加工品の表面に浸炭窒化層を形成する金
   属加工品の表面処理方法において、前記金属加工
   品に浸炭窒化層を形成する際、金属加工品の表面
   温度を部分的に高めてその部分に形成される浸炭
   窒化層を他の部分に形成される浸炭窒化層よりも
   高炭素濃度に且つ深く形成し、しかる後、深く形
   成された高炭素濃度の浸炭窒化層を焼入れして硬
   化させることを特徴とする金属加工品の表面処理
   方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記金属加
   工品の浸炭窒化層を高炭素濃度に深く形成する部
   分を所定の間隔をおいて陰極放電補助極で覆い、
   この状態で浸炭窒化処理を行なうことを特徴とす
   る金属加工品の表面処理方法。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記金属加
   工品と前記陰極放電補助極との間隔が0.1〜50mm
   の範囲内に規制されていることを特徴とする金属
   加工品の表面処理方法。 ４ 特許請求の範囲第３項において、前記金属加
   工品と前記陰極放電補助極との間隔が全体にわた
   つて均一であることを特徴とする金属加工品の表
   面処理方法。 ５ 特許請求の範囲第２項において、前記陰極放
   電補助極が電導体で作られていることを特徴とす
   る金属加工品の表面処理方法。 ６ 特許請求の範囲第１項において、処理用ガス
   は、希釈ガスとしてアルゴン、水素、ヘリウムの
   少なくとも１種のガス、炭素源としてメタン系炭
   化水素ガス及び窒素源として窒素ガスを含む混合
   ガスであることを特徴とする金属加工品の表面処
   理方法。 ７ 特許請求の範囲第２項において、処理用ガス
   の圧力を変化させて陰極放電補助極で覆つた部分
   の温度を制御することを特徴とする金属加工品の
   表面処理方法。 ８ 特許請求の範囲第１項において、部分的に高
   炭素濃度の深い浸炭窒化層を形成する処理と他の
   部分に浸炭窒化層を形成する処理とを同一炉内で
   同時に行なうことを特徴とする金属加工品の表面
   処理方法。 ９ 特許請求の範囲第１項において、部分的に高
   炭素濃度の深い浸炭窒化層を形成する処理を、浸
   炭窒化層を形成する全処理時間の始めと終りに行
   なうことを特徴とする金属加工品の表面処理方
   法。 １０ 特許請求の範囲第１項において、部分的に
   高炭素濃度の深い浸炭窒化層を形成する処理を、
   浸炭窒化層を形成する全処理時間内の終りに近い
   ところで行なうことを特徴とする金属加工品の表
   面処理方法。 １１ 特許請求の範囲第１項において、部分的に
   高炭素濃度の深に浸炭窒化層を形成する処理を、
   浸炭窒化層を形成する全処理時間内で間欠的に行
   なうことを特徴とする金属加工品の表面処理方
   法。 １２ 特許請求の範囲第１項において、前記焼入
   れ手段が高周波焼入れであることを特徴とする金
   属加工品の表面処理方法。 １３ 特許請求の範囲第１項において、前記焼入
   れ手段がレーザによる焼入れであることを特徴と
   する金属加工品の表面処理方法。