【手続補正書】
【提出日】平成16年4月8日(2004.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面硬化が要求される部分が低炭素含有量でありかつ鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素を含む鋼を、Ａ1 変態温度未満の温度により浸炭剤中で加熱処理することを特徴とする炭素鋼の浸炭表面硬化方法。
【請求項２】
前記加熱処理温度は４５０〜６５０℃であることを特徴とする請求項１記載の炭素鋼の浸炭表面硬化方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明者が種々実験・研究した結果、鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の鋼への添加と、Ａ1 変態点未満の温度で炭素を鋼中に拡散浸透させることとが可能であることを知見するに至った。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
そこで、請求項１の鋼の表面硬化方法は、少なくとも表面硬化が要求される部分が低炭素含有量でありかつ鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素を含む鋼を、Ａ1 変態温度未満の温度により浸炭剤中で加熱処理するようにしている（以下、本明細書では、これをサブＡ1 変態浸炭硬化方法と呼ぶ）。ここで、鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素としては、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｈｆのうち少なくとも１種類を含むものであることが好ましい。また、加熱処理温度は４５０〜６５０℃であることが好ましい。なお、本明細書中では、「少なくとも表面硬化処理が要求される部分が低炭素含有量の鋼」とは、炭素量０．２０〜０．３０％Ｃ以下のいわゆる低炭素鋼の他、炭素量０．３０％Ｃを超えても脱炭することにより表面層が炭素量０．１％Ｃ以下に調整されたものも含む。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
この場合、浸炭表面硬化処理が求められる部分が低炭素であるので、浸炭前の鋼では鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素がほとんど炭化物になっていない。このため、浸炭により新たな炭素が多量に鋼の表面に供給されて、その時初めて鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素が炭化物となる。したがって、鋼の表面層での析出硬化を有効に行うことができる。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
そして、加熱温度はＡ1 変態温度未満の温度、好ましくは４５０〜６５０℃程度である。５００〜６５０℃の温度のとき、鋼の鉄の結晶の間で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の原子が移動可能となる。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
この鋼を５００〜６５０℃程度に加熱することにより、鉄の結晶の中で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の原子が移動を始める。そして、水素−アセチレン雰囲気中の炭素は、鋼の表面で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の周囲に引き寄せられる。このため、炭素と鉄とが結合して鋼の表面にセメンタイトＦｅ3 Ｃ層を緻密に形成することはないので、鋼の表面での炭素の侵入を阻害することがない。これにより、炭素は鋼の表面層に浸透拡散することができる。さらに、鋼の表面層に浸透した炭素が鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素に結合して炭化物を析出することにより、その周囲の鉄の結晶が歪み析出硬化によって鋼の表面層が硬化する。ここで、この鋼は低炭素鋼であるので、浸炭前の鋼では鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素がほとんど炭化物になっていない。このため、浸炭により新たな炭素が多量に鋼の表面に供給されて、その時初めて鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素が炭化物となる。したがって、鋼の表面層での析出硬化を有効に行うことができる。したがって、鋼を４５０〜６５０℃程度の温度で加熱することにより焼入れしなくても表面硬化を行うことができる。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
上述した鋼の表面硬化方法によれば、鋼の加熱温度をＡ1 変態温度未満、好ましくは４５０〜６５０℃程度にして焼入れ工程を省いているので、鋼はマルテンサイト変態を起こさない。このため、鋼はマルテンサイト変態による著しい体積膨張を起こすことがないので、鋼材の寸法精度を向上させることができる。また、鋼材の焼き割れを防止して歩留まりを良くすることができるので、製造コストを低減することができる。しかも、従来はマルテンサイト変態による体積膨張を避けて焼入れを行うことができなかった鋼製品でも表面硬化処理を行うことができるようになり、表面硬化可能な鋼製品の範囲を拡大することができる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
［実施例２］
表１に示す組成のＭＡＣ２４鋼（熱間圧延材）を水素−アセチレン浸炭性雰囲気中で３時間６００℃加熱する、いわゆるサブＡ1 変態浸炭硬化方法を実施した。
【手続補正９】
【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】
［実施例３］
表１に示す組成のＭＡＣ２４鋼（熱間圧延材）を水素−アセチレン浸炭性雰囲気中で３時間６５０℃加熱する、いわゆるサブＡ1 変態浸炭硬化方法を実施した。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
表１に示すように、サブＡ1 変態浸炭硬化方法を実施した実施例４の鋼は浸炭によって大きく硬化した。反面、比較例１の鋼は浸炭によって僅かしか硬化しなかった。硬化が小さい理由は、ＳＡＣＭ６４５鋼は中炭素鋼で炭素量が０．４６％Ｃであったので、鋼中の鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素が浸炭前から炭化物になっていて、加熱及び浸炭によっても炭化物の析出硬化がほとんど生じなかったためと考えられる。したがって、この発明の鋼の表面硬化方法を実現するためには、鋼は低炭素鋼であることが必要であると推測される。さらに、比較例２の鋼も浸炭によって僅かしか硬化しなかった。硬化が小さい理由は、ＳＫＤ６１鋼は中炭素鋼で炭素量が０．３７％Ｃであったので、比較例１のＳＡＣＭ６４５鋼と同様に鋼中の鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素が浸炭前から炭化物になっていて、加熱及び浸炭によっても炭化物の析出硬化がほとんど生じなかったためと考えられる。また、比較例１のＳＡＣＭ６４５鋼よりは炭素量が少ないので硬化の程度が大きくなった。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
［実施例６］
ＳＫＤ６１鋼を１０５０℃の湿潤水素中に４時間載置して表面脱炭を行った。そして、脱炭後の表面硬さを測定した。その後、５５０℃で３時間加熱した後焼き戻し（テンパー）したものと、５５０℃３時間で本発明のサブＡ1 変態浸炭硬化方法を行ったものとの２種類の鋼を得た。これらの鋼の表面硬さを測定した。その結果を表２に示す。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
表２に明らかなように、ＳＫＤ６１鋼は極めて焼入れされ易い鋼であり、脱炭のままでもかなりの硬さとなった。また、脱炭後のＳＫＤ６１鋼に焼き戻しを行っても、ある程度硬さを増すことができた。しかし、本発明のサブＡ1 変態浸炭硬化方法によって浸炭を行ったものの方が遙かに高い硬さを得ることができた。これは、ＳＫＤ６１鋼の内部で炭化物となっていた鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素が脱炭により金属原子として鉄の中に溶け込んだ状態になり、その後の浸炭により炭素が鋼の表面から供給されたため再び炭化物が生じて析出硬化が起こったことによるものと考えられる。したがって、本発明の鋼の表面硬化方法は低炭素鋼に特に有効であることが確認された。また、低炭素鋼の炭素含有量よりも多くの炭素を含む鋼であっても、脱炭を経て浸炭を行うことにより表面硬化できることが判明した。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
その後、図３に示すように浸炭ガスの流通路２とその内部の鋼１の保持部３とを備えた装置を用いて、５５０℃の水素−アセチレン雰囲気を鋼１の片側面に６時間吹き付けて浸炭を行った。ここで、浸炭ガスの流通路２の高さはＳＫＤ６１鋼の直径の２倍弱であったので、ＳＫＤ６１鋼の上部のＳ部分が流通路２の高さ方向の中央部に相当した。このため、浸炭ガスはＳ部分に最も大きな流速で吹き付けられた。そして、この鋼１の表面硬さを測定した。ＳＫＤ６１鋼１の縦方向の直径Ｗ上で１ｍｍごとに硬さを測定した結果を表３に示し、ＳＫＤ６１鋼のＳ部分でランダムな位置で硬さを測定した結果を表４に示す。


【手続補正１４】
【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】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１の炭素鋼の浸炭表面硬化方法は、少なくとも表面硬化処理が求められる部分が低炭素含有量でありかつ鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素を含む鋼をＡ1 変態温度未満の温度により浸炭剤中で加熱処理するようにしているので、鉄の結晶の中で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の原子が移動すると共に、浸炭剤中の炭素が鋼の表面で鉄よりも炭化物形成傾向の大きい元素の周囲に引き寄せられて、炭素は鉄と結合することなく鋼の表面層に浸透拡散し、その部分だけを析出硬化原理に基づき硬化させる。しかも、その表面硬化は、焼入れをしなくとも、Ａ1 変態温度よりも遙かに高い温度（９５０℃）で行う従来の浸炭法と同等以上の硬度が得られる。


【手続補正１５】
【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】
したがって、本発明の浸炭表面硬化方法によると、浸炭処理後の炭素鋼に対して表面硬化させるための焼き入れを必要としないので、マルテンサイト変態を起こさない。このため、鋼はマルテンサイト変態による著しい体積膨張を起こすことがないので、鋼材の寸法精度を向上させることができる。また、鋼材の焼き割れを防止して歩留まりを良くすることができるので、製造コストを低減することができる。しかも、従来はマルテンサイト変態による体積膨張を避け焼入れを行うことができなかった鋼製品でも表面硬化処理を行うことができるようになり、表面硬化可能な鋼製品の範囲を拡大することができる。


【手続補正１６】
【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】
また、本発明の表面硬化方法によれば、炭素鋼の加熱温度はＡ1 変態温度未満であるので、加熱に必要な時間を短縮して鋼製品の製造時間の短縮化を図ることができると共に、加熱に必要なエネルギの使用量を減少させてエネルギコストを削減することができる。しかも、このサブＡ1 変態浸炭硬化処理によれば、後処理として焼入れ及び焼戻しを行う必要がないので、従来の浸炭処理に比べて表面硬化に必要な時間の短縮とエネルギの低減とを大幅に行うことができる。特に、４５０〜６５０℃で加熱処理を行う場合には、Ａ1 変態温度を大きく下回る温度であってもちょうど鉄の結晶の中で金属原子が移動でき始める温度であるため、炭化物形成能の強い元素が溶けていれば、炭素がその周りに引きつけられて炭化物として析出することができる。即ち、最も少ない加熱量で所望の表面硬化を行うことができる。