【手続補正書】
【提出日】平成16年3月25日(2004.3.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本発明で高温浸炭法を採用することの目的は、短時間で浸炭層の炭素濃度を１．２重量％以上でセメンタイトの析出を伴わない炭素濃度にまで最大に固溶させることと浸炭深さを深くすることにある。ほぼ炭素活量が１となる雰囲気下で、０．２重量％の炭素を含有する鋼を使って、例えば１０４０℃×１ｈｒの高温浸炭では、最大固溶炭素濃度が１．７重量％になり、０．２重量％の炭素を含有する鋼での０．４重量％炭素濃度深さ位置までの距離（浸炭深さ）を比較した場合には、通常の浸炭条件９３０℃×１ｈｒでの浸炭深さ（約０．５ｍｍ）と較べて２．３倍の深さに達しており、さらに、前述の意味合いの１．２重量％炭素濃度の表面からの位置を比較した場合には、９３０℃×１ｈｒではほぼ０ｍｍであるのに対して１０４０℃×１ｈｒでは０．４〜０．５ｍｍに達していることがわかる。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
なお、上述のような高温浸炭時のスーティング現象を積極的にコントロールするには、１）析出する炭素を迅速に酸化除去する、２）炭素が析出し難くするためのガス組成をコントロールする等の各手段が考えられるが、例えば、式（３）〜（５）の関係から下記のように検討した。
ＣＯ２＋Ｃ＝２ＣＯ          ・・・（３）
ＣＨ４＋ＣＯ２＝２ＣＯ＋２Ｈ２・・・（４）
ＣＨ４＋Ｃ＝Ｃ＋２Ｈ２        ・・・（５）


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
１）スーティングを起こしている炭化水素ガスの分解ガス中にＣＯ２ガスをパルス的に添加することによって一番迅速に式（４）が起こり、スーティング発生源のメタンガスを極めて還元性の高いＣＯ＋Ｈ２ガスに変換するとともに、続いて既に発生している炭素を式（３）によってＣＯガスに変換させることが有効であり、式（５）に示したメタンからの炭素の析出速度を遥かに上回る速度でスーティングを除去、抑制できるようにすることが好ましい。特に既に発生している炭素をメタンからの析出速度以上の速さで除去するには、浸炭温度を少なくとも９８０℃以上に設定しておくことが必要であることがわかる（図１参照）。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
２）また、浸炭時のガスコストを考えた場合には、以上の議論から、式（３）のブルドア反応を減圧下で行わせることをベースとして式（４）で示されるメタンとＣＯ２の急激な酸化反応を利用してスーティングの少ない条件で上述の浸炭を実施することが極めて有効であり、かつ浸炭後の粒界酸化層の発現を抑えることができる。なお、例えば２４％ＣＯ−２９％Ｈ２−４７％Ｎ２からなるＲＸガスの２５０ｔｏｒｒにおける１０００℃でのブルドア平衝で炭素活量が１の時に存在するＣＯ２は約４０ｐｐｍであり、ほぼ粒界酸化性に対する危険性の無い状態にあり、さらに浸炭性の均一性が確保できる５０ｔｏｒｒにまで減圧した状態ではさらに安全になることがわかる。さらに、この状態に炭化水素ガスを極微量添加することによって過度のスーティングの発生を上記式（４）の反応性から抑制して、炭素活量をほぼ１に制御することが可能であることがわかる。なお、浸炭ガスとしてＲＸガスの代わりにメタノール等のアルコール類やアセテート類を使用した場合にも同じく使用できることがわかる。また、浸炭ガスとしてメタン、プロパンに限らずブタン、アセチレン等の他の炭化水素ガスを利用することも可能である。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
３）さらになお、炉内における加熱ヒーター部は常に炉内温度より高温状態にあり、浸炭ガス中のＣＨ４などの炭化水素ガスとの直接的な接触によりヒーター部において炭素が析出しやすくなり、４）またＣＯ２等の弱酸化性ガスの添加によるヒーター部の消耗が大きくなりやすい等の設備的トラブルを発生させ易いことが問題となる。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
なお、浸炭操業において実質的な浸炭時間が短縮化される場合には、浸炭温度までの昇温に必要とする時間が長くなり、生産性を遅らせることが問題となるが、本発明では、浸炭工程の前段階となる予加熱室を浸炭室と分離して設けて、予加熱が中性ガス雰囲気もしくは真空雰囲気下で独立した温度条件で操業できるようにして、浸炭部と連動させて浸炭操業効率を高めると同時に余加熱室、浸炭室と独立したガス冷却室を設け、高温浸炭後に熱処理部品を冷却室に移送してガス冷却する一連の工程が不活性なガスもしくは真空中で実施できるシステムとして生産性を高めた。ガス冷却室には熱交換機を備え、かつガス室が１０気圧にまで加圧できる構造であることが望ましいが、実質的にはガス冷却時の冷却ガス圧力は冷却ファンを備えることによって５００ｔｏｒｒ〜２気圧の範囲にあることが設備コスト的な関係から好ましい。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
そこで本発明では、分散させるセメンタイトをより確実に微細化させるために、前述のように高温浸炭によって表面浸炭層を炭素濃度で１．２重量％〜２．０重量％に高め、ガス冷却して前述のようにベイナイト、マルテンサイトを主体とする組織にしたものを一旦Ａｌ点温度以下の状態で加熱して、十分に微細なセメンタイト（平均粒径が０．５μｍ以下）を均一に分散させた後に、
１）Ａｌ点温度〜９００℃に再加熱した後に焼き入れることによって、平均粒径１μｍ以下のセメンタイトを３体積％以上の深さ位置が、歯車モジュール×０．０５（最表面に働く曲げ応力が１５％減じる深さ位置）の深さ以上に分散析出させ、結晶粒度をＡＳＴＭ９番以上に微細化させるとともに表面浸炭層深さ０．０５ｍｍ以上において平均粒径１μｍ以下のセメンタイトを５〜２０体積％分散させて転動強度を高めるとともに曲げ疲労強度の改善を図った。
２）上述１）のように結晶粒を微細化する条件と５〜２０体積％の微細なセメンタイト粒子を分散させた組織に、再加熱処理温度でのＡｃｍ濃度を越えない炭素ポテンシャルで浸炭浸窒および／または浸窒することによって２０〜７０体積％の残留オーステナイトを生成させ、靱性改善を図るとともに、転動中の応力によって残留オーステナイトから生成されるマルテンサイトを分散セメンタイトにより微細化することによって転動強度を高めた。
３）上述２）のような再浸炭浸窒および／または再浸窒によって、２０〜７０体積％の残留オーステナイトを生成させるとともに、浸透拡散する窒素とＡｌを反応させて、Ａｌを主体とする平均粒径約０．２μｍ以下の窒化物をさらに１５体積％まで分散析出させて転動強度を高めた。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
さらに、上述１）２）３）に加えて微細なセメンタイ卜粒子の体積％を増大させる浸炭手段としては、先述のセメンタイトの粗大化メカニズムを参考にして、
４）上述１）２）３）のように結晶粒を微細化する条件に加えて、再加熱の浸炭および／または浸炭浸窒雰囲気をＡｃｍ濃度を越える炭素ポテンシャルと越えない共析炭素濃度の炭素ポテンシャルを周期的に与えて過剰浸炭させることによって浸炭層最表面近傍におけるセメンタイトの粗大化を防止して、平均粒径が３μｍ以下の微細なセメンタイトを１５〜３５体積％およびＡｌ窒化物を０〜１５体積％範囲内になるように分散させ、かつ前述の残留オーステナイトを生成させることによって転動強度を高めるとともに曲げ疲労強度の劣化を防止した。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
なお、上述の１）、２）、３）、４）ではＡｌ温度以上に加熱する前にＡｌ点温度以下で一旦加熱保持を実施しているが、この目的はフェライト中にまずセメンタイトを微細で均一で多量に（〜３０体積％）分散させ、かつセメンタイト中にＣｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｖ等の元素を迅速に極度に濃縮させてセメンタイトをより安定化させた状態にした後に再加熱温度に昇温することによってセメンタイトをより微細な状態に保持させることを目的としているので、例えば６００℃〜Ａｌ温度間を５℃／ｍｉｎ以下の緩やか昇温速度で加熱することによっても同じ目的を達成できると考えることができる。さらに、４）のようにＡｌ点温度から９００℃の範囲で再浸炭によるセメンタイトの析出を図る場合には、通常の炭素ポテンシャル調整に加えて、アンモニアを連続的に添加または間欠的に添加させることによる浸炭浸窒雰囲気下で、窒素を多量に拡散浸透させながら、炭素ポテンシャルをより高炭素条件に高めたり、炭素ポテンシャルを変動させる方法が、さらなるセメンタイトを析出もしくは成長させるときの粗大化抑制効果を発現させるものである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
なお、上述１）の再加熱後に焼き入れる方法では、加熱方法が脱炭作用の無い雰囲気下で実施されることが好ましい。また、上述４）の再浸炭によるさらなるセメンタイトの微細析出が浸炭雰囲気にアンモニアを添加した浸炭浸窒条件で特に有効であることは上述の通りであるが、さらに、上述の理由でＮｉ，Ｓｉ，Ａｌを多く添加した鋼を使用する場合や、Ｃｒ，Ｖ添加量を多くする場合には、微細なセメンタイトを析出させるだけでなく、例えばＡｌの添加による０．２μｍ以下の窒化物が微細に析出することによって、転動強度の改善に極めて効果的な作用を示す。この作用は先の微細なセメンタイトを分散させる高炭素浸炭方法に、浸炭浸窒による更なる微細セメンタイトおよび／または極微細窒化物の分散析出の効果を合わせることによって極めて優れた転動強度を得ることができるとともに、表面層に窒素の固溶による焼き入れ性の改善効果や焼き入れマルテンサイト組織の顕著な微細化、複雑形状化、残留オーステナイト形成および残留オーステナイトの加工処理による圧縮残留応力の効果がさらに転動強度、曲げ強度の改善に有効に利用できる特徴が付加できる。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
Ｃｒ：
鋼中のＣｒは、セメンタイトの微細化に顕著な役割を果たし、特にフェライト中に分散するセメンタイトに対しては他の合金元素に較べて最もセメンタイト中に濃縮する傾向が強く、セメンタイトを効果的に微細化するとともにセメンタイト粒の成長を抑制する作用を示す。さらに、オーステナイト中に分散するセメンタイトに対してもＶについでセメンタイト中への濃縮化傾向が強く、上述と同じセメンタイトに対する効果を示す。なお、セメンタイトの微細化効果の観点からすると０．３重量％以上の添加が好ましい。また、再加熱温度において浸炭浸窒および浸窒処理を施す場合において、Ｃｒが母相中に１．５重量％以上含まれているとＣｒ窒化物が粒界に析出しやすくなるため、上述の条件においてはＣｒを減量するか、０．２重量％以上のＡｌとＶの１種以上との複合添加によって防止することが必要である。また、３．５重量％を越えて添加した場合には、表面層にＣｒ7 Ｃ3 炭化物が析出するようになるが、最表面層においては粗大セメンタイトが析出するため、転動強度や例えば曲げ疲労強度の点で好ましくない。この粗大セメンタイトの析出を防止するためには、通常浸炭時の炭素ポテンシャルを抑制する必要があるが、本発明では、前述のＰａｒの関係式において最も効果的にセメンタイトの析出を抑制するＳｉとＡｌを次の近似式の関係に従って共存させることにより制御が可能である。
５．６×〔Ｓｉ重量％〕＋７．２×〔Ａｌ重量％〕≧２．１×〔Ｃｒ重量％〕
上述の関係から、（Ｓｉ＋Ａｌ）重量％の下限値は１重量％であることがわかる。また、上限値は、後述のＳｉ，Ａｌ添加量の上限値を考慮して２．５重量％が好ましい。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
先の結晶粒微細化作用を実現するための必要深さは前述の通りであるが、セメンタイトが分散した再浸炭層深さや浸炭浸窒および浸窒によって窒化物が分散した浸窒層深さは、転動面のヘルツ面圧計算から求まる最大せん断応力深さ位置を考慮して通常の産業機械用歯車サイズの範囲では０．０５〜０．５ｍｍの範囲にあれば十分と考えられる。このことは高炭素浸炭に限らず、浸炭浸窒および／または浸窒によって析出する微細な窒化物層深さについても当てはまることである。