浸炭焼入れ処理の歪低減と硬化層深さ確保の両立

質問

初めて投稿いたします。初心者のため的外れな質問かと思いますが、
量産部品の浸炭焼入れ処理における問題に対して、アドバイス頂きたく、
宜しくお願いいたします。
【状況】
熱処理後の部品の歪（円盤部の反り、うねり）が大きく、全数を３次元測定機にて計測して保証しなければならない状況です。ＯＫ率が２０～３０％と低く困っています。

【工程概略】
部品：材料ＳＰＨ、直径約１５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ
設備：バッチ式浸炭焼入れ炉
ガス浸炭工程：７９０℃、２Ｈ、キャリアガス１５㎥/h、エンリッチガス２．０ℓ/m、ＮＨ３ ２．０ℓ/m
焼入れ加熱工程：７３０℃、２０分、キャリアガス１５㎥/h、ＮＨ３ ２．０ℓ/m
油焼入れ工程：４０～６０℃、１５分

【直近のトライアル結果】
下記１）～２）全て採用の場合、ＯＫ率 約８０～９０％にはなりました。
１）浸炭温度 ７９０℃→７８０℃： 硬化層深さが規格下限ぎりぎりとなり、規格割れのリスク有るため不採用とする。
２）焼入れ加熱温度（焼入れ前の温度）７３０℃→７２０℃：これを行なうと歪ＯＫ率 約４０％ となるので採用とする予定。
３）焼入れ油温度 ５０℃→６０℃：ＭＡＸ８０℃仕様の油のため、劣化を懸念して不採用とする。（他にセミホット炉：油温８０～１００℃、ホット炉：１１０～１３０℃ などがある）

【質問】
?浸炭温度を下げると硬化層深さ（浸炭深さ？）が浅くなるものなのでしょうか？
?浸炭深さは、焼入れ歪に影響する（深いと歪が大きい？）ものでしょうか？
マルテンサイト変態の量が増え、体積変化が大きくなる？
?焼入れ加熱温度を下げる（今回１０℃）と、歪が減るものなのでしょうか？
部品の表裏、各部の冷え方の差が小さくなるため？
?焼入れ加熱温度の７２０～７３０℃はＡ１変態点付近ですが、問題ないでしょうか？
もう少し上の温度、７５０℃ほどからの方が良い？
?油焼入れ時間（油内に保持）１５分間 は妥当でしょうか？ 冷やしきらずに短時間で油から引き上げて、空冷した方が、歪（変形）は少ないでしょうか？
焼入れは一気に進むので、保持時間はあまり関係ない？
?浸炭時間の延長、浸炭後に拡散期を追加 または カーボンポテンシャルのアップなどで、歪をあまり増やさないで硬化層深さ（浸炭深さ？）を確保できる方法はないでしょうか？
この状況で、硬化層深さを確保しつつ歪を低減するための妥当な対策案は、浸炭時間の延長と油焼入れ温度にＵＰではないかと考えていますが、いかがでしょうか？

回答No.5

noname#230359

処理条件から見るに、浸炭焼入れではなく、浸炭窒化処理のようですね。

?浸炭深さは、Cp値、温度、時間で決まってくるので、浸炭時間を変えずに浸炭温度を下げれば、浅くなります。処理温度を下げた分、浸炭時間を長くすれば硬化層を厚くすることができます。

?規格が分からないので、なんとも言えないが、影響しなくはないと思いますが、影響は低いと思います。

?歪は減る傾向になると思います。言われるように冷却差がなくなるのと、この温度だと焼きが甘くなると思うので、それも影響のひとつではないでしょうか？組織を観たときに、フェライトが増えてませんか？

?内部の方はフェライトが増え、強度は下がると思うが、大丈夫かどうかは判断できません。設計者と相談してください。

?言われるような油冷途中で適切な温度で引き上げるとマルクエンチ処理になるかと思います。歪には効くといわれています。引き上げタイミングが難しいとは思いますが、トライしてみてもいいかもしれませんね。

?歪はケースバイケースなので、これという回答は難しいですが、一般論として、
ワークの荷姿について言及されていませんが、平置きよりは立てた方が曲がりは少ないです。
焼準条件等も考慮した方がいい場合もあります。

浸炭窒化は通常コールド油で焼入れします。油温を上げると焼きが甘くなるので、硬度・組織をちゃんと確認しつついじった方がいいかと。

回答No.4

noname#230359

細かく書いてもらっていますが、まず入口が疑問です。

1.浸炭温度、焼入温度が低い。
その温度でオーステナイトになっていますか。

2.この素材厚さで浸炭処理。
表面硬化の目的は。
狙い硬化深さはどのくらい。
浸炭層と芯部非浸炭部では焼入歪量が異なるので厄介。
この形状では回答(1)指摘の通り全体焼入でも歪が大きい。
素材を変更して全体焼入で全体を硬くしてはいけないのか。

回答No.3

noname#230359

条件を振っての試しはやるべきが、その上げ下げ程度で解決するレベルにないのでは

炉中の置き方を工夫する。置きダレの低減。焼入は真直ぐ油に投入。

３）は疑問。他に油はあるはず。変えても効果?

?１５分間は疑問。そんな長時間?

検査 < ３次元測定機にて計測 > では能率以前。実験評価はそれでよいが

現状品の歪取り修正。
棒の一次元的歪はやさしいが、板の二次元的歪はワカメ状態など直しきれないものが出ると予想。それでも焼入屋さんに外注してみる。

焼入れ時に歪を押え込むプレスクエンチという方法。
　　http://www.chugai.co.jp/giroku/pdf/97wal1322.pdf
設備を要しすぐには対応できないはず。

他にも疑問あれど出先ゆえとりあえず

回答（4）の専門家も　入口が問題　と困惑させる状況。
目的はおそらく耐摩耗性の硬さ重視のようだが、数値を示されるなら具体的なアドバイスも得られるはずが。。。

設備は整ってる様子なのに、技術は標準から逸れすぎてます。
技術を持つ外注に相談するのもひとつ。当初は自社設備を遊ばせても時間利得で相殺される。

S45C板材は標準的なので、それでずぶ焼。
浸炭焼入を浸炭窒化、軟窒化にする。

回答No.2

noname#230359

随分前になるが自動車部品の焼入れシャフトの製造・検査ラインの設計をした
経験があるが、予め変形するものとして修正装置(歪取り）や不具合品の流れを
見越して作っている。つまり回答(1)さんの言い方は幾分ぶっきら棒なのだがｗ
的確に急所を付いていてかつ短文だ（昔は超長文だったが、最近は超短かっ）

如何にすれば、歪を小さく出来るかという工夫はあれど限界と精度が関係する
から一筋縄では行かないし苦労と影にはノウハウが隠れているでしょうねぇ。
まったくアドバイスにもなっていない気もしますが、独自解決よりないかと。

回答No.1

noname#230359

材料ＳＰＨ、直径約１５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ
そんなもん熱加えたら
ひずみまくるに決まってます

そのひずみを提言する方法は
もはや企業秘(売りになる技能のため)

こんなとこで発表したら
中国に盗まれますが

前任者(途中でやめた)の営業がどこの会社も断ってきた
アルミダイキャストでひずみまくり
不良率90%

まあこんなとこでいえんような体制で製造し
もう無理だろうと進言し
最終的に誤りに行き詰め腹を切らされた経験はありますが

まあ、壊れるわなぁ

お礼

ははは殿
ご回答をありがとうございます。
初めての投稿でしたので、塩梅が判らず申し訳ありません。
貴重なご意見と情報で大変参考になります。