歯車の浸炭焼入れにおける有効硬化層深さの制御

20CrMnTi鋼の歯車浸炭焼入れで有効硬化層深さを制御する方法を学びます。DS 0.8-1.5mm、表面硬さ58-62HRCを目標とします。

重要なポイント: 20CrMnTi歯車鋼を浸炭する場合、有効硬化層深さ（DS）を0.8-1.5mmに保つことでミクロ組織が安定します。カーボンポテンシャルを1.0%C-1.2%Cに保持すると、所望の針状または微細針状マルテンサイトが生成され、表面硬さは58-62HRCに達します。硬化層深さが2.0mmを超えると、残留オーステナイトが臨界限界の15%を超えることが多く、疲労寿命が低下します。

1. プロセスの基礎

浸炭後に焼入れするのは複合熱処理です。低炭素鋼歯車を炭素リッチな雰囲気中に保持して炭素を表層に拡散させ、その後急冷して硬いマルテンサイト硬化層を形成します。目的は、耐摩耗性の硬い表面と衝撃を吸収する靭性のある芯部を組み合わせることです。これはトランスミッション歯車に課される最も相反する二つの要求です。

1.1 三つの段階

  • 段階 昇温／均熱: 850–930°C
    • サイクルに占める割合: 15–20%
    • 主な設定: 昇温速度 ≤100°C/h
  • 段階 ブースト（浸炭）: 920–950°C
    • サイクルに占める割合: 50–60%
    • 主な設定: CP 1.05-1.20%C、時間は硬化層深さの式から算出
  • 段階 拡散: 880–920°C
    • サイクルに占める割合: 20–30%
    • 主な設定: CPを0.80-0.95%Cに低下、勾配の均一化

1.2 硬化層深さの推定

現場で使われる実用的な経験則は次のとおりです。

有効硬化層深さ ( DS = k \times \sqrt{t} )

PinyiGearの生産記録から:

  • 920°Cでのブースト: DS(mm) ≈ 0.65 × √t(h)
  • 940°Cでのブースト: DS(mm) ≈ 0.78 × √t(h)

DS=1.2mmの場合、920°Cのルートでは約3.4時間のブーストが必要ですが、940°Cでは約2.4時間に短縮されます。ただし、20°C上げるごとに結晶粒粗大化のリスクが著しく増加します。

2. 結果を左右するパラメータ

2.1 カーボンポテンシャル

ガス浸炭の変数のうち、カーボンポテンシャルが最も重要です。これは炉内雰囲気と接触する鋼表面の平衡炭素含有量を表します。制御方法は次のとおりです。

  • ブースト: 1.05-1.20%C、急峻な勾配で炭素を内部へ押し込む
  • 拡散: 0.80-0.95%C、粒界炭化物網の抑制
  • CPが高すぎると残留オーステナイトが20%を超え、粒界に網状炭化物が残る
  • CPが低すぎると浸炭が遅くなり、硬化層が浅く表面硬さが不足する

2.2 焼入れ媒体と冷却

ひずみ鋼種焼入れ媒体撹拌芯部硬さ
中20CrMnTi高速焼入れ油高 (1500rpm)35-42HRC
最小20CrNi2Moマルテンパー油中 (800rpm)38-45HRC
低8620H熱油 (120°C)中32-38HRC

2.3 ミクロ組織の目標 (ISO 6336 / GB/T 3480)

仕様詳細
マルテンサイトISO クラス 3-5、微細針状マルテンサイトが好ましい
残留オーステナイト≤15%、精密歯車では≤10%
炭化物網状炭化物なし; 最大2µmの孤立球状炭化物は許容
芯部フェライト体積分率≤1%

3. 欠陥、原因、対策

  • 欠陥 硬化層深さ不足: DSが仕様以下
    • 根本原因: 時間不足またはCPが低い
    • 対策: ブースト時間延長、O₂プローブ再校正
  • 欠陥 表面硬さ不足: <58HRC
    • 根本原因: 残留オーステナイト過多
    • 対策: 深冷処理 (-80°C) または拡散時間延長
  • 欠陥 許容範囲を超えるひずみ: 歯形または歯すじ偏差
    • 根本原因: 焼入れ応力の不均一
    • 対策: 油投入方向の調整、予備酸化の追加
  • 欠陥 網状炭化物: 粒界に連続炭化物
    • 根本原因: 拡散時間が短すぎる
    • 対策: 拡散時間延長、拡散CP低下

4. 現場の実践

  1. 毎日カーボンポテンシャルを検証する — これが較優先。 酸素プローブは毎月校正が必要で、鋼箔シム炭素試験（±0.05%C）で各シフトの読みを確認すべきです。これがなければ、どのプロセスパラメータも信頼できません。
  2. 高精度歯車には深冷処理が必要。 DS≥1.5mmの歯車では、焼入れ後の-80°C×2hの深冷処理により残留オーステナイトが15–20%から5–8%に減少し、寸法安定性が大幅に向上します。
  3. 予備酸化を省略しない。 380–420°C×30minの予備酸化により、表面にFe₃O₄の核生成サイトが形成され、浸炭の均一性が30%以上向上します。
  4. ひずみ制御はブランクから始まる。 鍛造焼ならし後の硬さ均一性（ばらつき≤10HB）は、浸炭プロセス自体よりも最終的なひずみに影響します。

5. 規格と出典

  • GB/T 3480-2019 歯車の負荷容量計算
  • ISO 6336-5:2016 歯車の強度計算（材料と熱処理）
  • JB/T 6141.2-2018 歯車の浸炭焼入れプロセス仕様
  • PinyiGear工場プロセスマニュアル

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Doc No: GL-TN-20260713 | カテゴリ: 熱処理 | プレビュー: 歯車研削焼けの検出と制御

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