(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上の浸炭温度で、浸炭雰囲気中の鋼製処理対象物のサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される限界浸炭条件を予め求める工程と、
その処理対象物を、その包晶点温度以下であって共晶点温度以上の浸炭温度で、その限界浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下でガス浸炭する工程とを備え、
その限界浸炭条件は、そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧の上限値を含むガス浸炭方法。
【請求項２】
その限界浸炭条件は、そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値を含み、その浸炭ガス分圧の上限値と浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値との間の関係を予め求め、その処理対象物の浸炭条件として、その求めた関係を充足する限界浸炭条件に反することがないように浸炭ガス分圧、浸炭温度および浸炭時間を設定する請求項１に記載のガス浸炭方法。
【請求項３】
鋼製処理対象物のガス浸炭を行うに際して、
浸炭温度を、δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上に設定し、
処理対象物の表面炭素濃度の目標値を、その設定浸炭温度において処理対象物の表面が溶融することのない値以下に設定し、
浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を、予め設定した時間のガス浸炭によって処理対象物の表面炭素濃度が設定目標値に達し得る値に設定することを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項４】
そのガス浸炭を行った後に、拡散処理を行うことなく、処理対象物を冷却する請求項３に記載のガス浸炭方法。
【請求項５】
その冷却後に処理対象物を再加熱する請求項４に記載のガス浸炭方法。
【請求項６】
その再加熱された処理対象物の焼入れ処理を行う請求項５に記載のガス浸炭方法。
【請求項７】
その浸炭温度を１２００℃以上に設定する請求項３〜６の中の何れかに記載のガス浸炭方法。
【請求項８】
一定分圧の浸炭ガスを含む浸炭雰囲気を流動させつつ前記ガス浸炭を行う請求項１〜７の中の何れかに記載のガス浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えば自動車工業や機械工業において用いられる鋼製部品をガス浸炭する方法に関する。
背景技術
鋼製の処理対象物のガス浸炭を行う場合、浸炭温度を高くすることで浸炭処理時間を短縮することができる。しかし、浸炭温度が高くなり過ぎると処理対象物が溶けてしまう。そのため、従来の実用化されている浸炭温度は、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度（図１に示す鉄と炭素の平衡状態図における場合はＣ点温度で１１４７℃）未満とされ、一般的には１０５０℃以下であった。
従来の浸炭温度の下で浸炭処理時間を短くするため、処理対象物の表層における炭素濃度が最終目標値よりも高くなるまで浸炭処理を行い、しかる後に、浸炭雰囲気よりもカーボン濃度の低い高温雰囲気中で処理対象物の表層における炭素を拡散させる拡散処理を行うことで、その表層における炭素濃度を最終目標値まで低下させていた（特公平６−４５８６８号公報参照）。
しかし、浸炭温度を共晶点温度未満に制限した場合、処理対象物における炭素原子の拡散速度が制約されるため、浸炭時間を大幅に短縮することができない。すなわち、拡散処理には長時間を要することから生産性が低下するという問題がある。
本発明は、そのような従来の問題を解決することのできるガス浸炭方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明のガス浸炭方法の一つの特徴は、δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上の浸炭温度で、浸炭雰囲気中の鋼製処理対象物のサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される限界浸炭条件を予め求める工程と、その処理対象物を、その包晶点温度以下であって共晶点温度以上の浸炭温度で、その限界浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下でガス浸炭する工程とを備え、その限界浸炭条件は、そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧の上限値を含む点にある。
すなわち、処理対象物を可及的高温に加熱することでオーステナイト化した状態でガス浸炭を行うことで、浸炭時間の短縮を図ることができる。浸炭雰囲気における浸炭ガス濃度を高くすることで処理対象物における硬化層が浅くなるのを防止すると共に短時間で充分な厚さの硬化層を得ることができる。
処理対象物は、図１に示す鉄と炭素の平衡状態図におけるＧＳ線およびＥＳ線より上の温度に加熱されるとオーステナイト化する。もし、処理対象物の表層における炭素濃度がＪＥ線を超えると、その表層において溶融を開始する。本件発明者は、浸炭温度や浸炭時間などの浸炭条件に対し、処理対象物の表層が溶融しない浸炭ガス分圧の上限値が存在すること、またその上限値は、浸炭温度が高くなるとともに低下すること、かつ浸炭時間が短いほど高くなること、をそれぞれ見い出した。本発明によるガス浸炭方法における浸炭温度範囲は包晶点温度（１４９４℃）以下であって共晶点温度（１１４７℃）以上であるので、浸炭時間を大幅に短縮できる。しかも、浸炭ガス分圧を予め求めた上限値以下に設定することで、処理対象物の表層における溶融を生じることなく高温での浸炭を行うことができる。これにより、エネルギー消費量を大幅に削減して省エネルギー化を図ることができる。また、ガス浸炭工程を他の工程、例えば機械加工工程や異なる熱処理工程と連続して行うことも可能になる。
その限界浸炭条件は、そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値を含み、その浸炭ガス分圧の上限値と浸炭温度の上限値と浸炭時間の上限値との間の関係を予め求め、その処理対象物の浸炭条件として、その求めた関係を充足する限界浸炭条件に反することがないように浸炭ガス分圧、浸炭温度および浸炭時間を設定するのが好ましい。その限界浸炭条件としての浸炭ガス分圧の上限値、浸炭温度の上限値および浸炭時間の上限値は互いに関連し、浸炭ガス分圧、浸炭温度、浸炭時間のうちの２つを一定にすることで残る１つの上限値を求めることができる。これにより、処理対象物の表層が溶融することのない範囲で、可及的に高速な浸炭条件を設定することが容易にできる。
本発明のガス浸炭方法の別の一つの特徴は、鋼製処理対象物のガス浸炭を行うに際して、浸炭温度を、δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度（図１における場合はＪ点温度で１４９４℃）以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度（図１における場合はＣ点温度で１１４７℃）以上に設定し、処理対象物の表面炭素濃度の目標値を、その設定浸炭温度において処理対象物の表面が溶融することのない値以下に設定し、浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を、予め設定した時間のガス浸炭によって処理対象物の表面炭素濃度が設定目標値に達し得る値に設定する点にある。
本発明は、浸炭温度を包晶点温度以下であって共晶点温度以上に設定し、鋼製処理対象物の表面炭素濃度の目標値を設定浸炭温度において処理対象物の表面が溶融することのない値以下に設定した場合、浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を適当な値に設定すれば、処理対象物の表面炭素濃度がガス浸炭により設定目標値に達すると共に、十分な浸炭深さを得られることを発見したことに基づく。高温で浸炭を行うことで浸炭中における炭素原子の移動が従来よりも速くなるので、従来であれば到達するのに数時間を要した硬化層深さまで短時間で到達することが可能になり、しかも表面炭素濃度が過剰に高くなることがない。
これにより、浸炭温度を高くすることで浸炭時間を大幅に短縮できる。しかも、処理対象物表層における炭素濃度が設定目標値を超えることはないので炭素の拡散処理工程が不要になる。これにより生産性を向上することができる。また、ガス浸炭処理工程を他の熱処理工程と連続して行うことも可能になる。よって、そのガス浸炭を行った後に、拡散処理を行うことなく、処理対象物を冷却するのが好ましい。その冷却後に処理対象物を再加熱するのが好ましい。この再加熱は例えば高周波加熱により行う。その再加熱された処理対象物の焼入れ処理を行うのが好ましい。その焼入れ処理のための冷却は例えば油冷やガス冷却により行う。その浸炭温度を１２００℃以上に設定するのが浸炭時間を短縮する上で好ましい。
この場合、ガス浸炭方法を行うに先立って、δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上の浸炭温度で、浸炭雰囲気中の鋼製処理対象物のサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される限界浸炭条件を予め求めるのが好ましい。その限界浸炭条件に、そのサンプルの表層が溶融することなくオーステナイト化される浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧の上限値を含むようにする。処理対象物は、図１に示す鉄と炭素の平衡状態図におけるＧＳ線およびＥＳ線より上の温度に加熱されるとオーステナイト化する。もし、処理対象物の表層における炭素濃度がＪＥ線を超えると、その表層において溶融を開始する。浸炭温度、浸炭時間などの浸炭条件に対し、処理対象物の表層が溶融しない浸炭ガス分圧の上限値が存在する。予め浸炭ガス分圧の上限値を含む限界浸炭条件を求めておくことで、浸炭ガス分圧と浸炭時間の設定が容易になる。
本発明においては、浸炭雰囲気の全圧は常圧であってもよいし、常圧から減圧されてもよいし、加圧されてもよい。浸炭雰囲気を全て浸炭ガスとしてもよいし、浸炭ガスと希釈ガスとの混合ガスを浸炭雰囲気としてもよい。希釈ガスを用いる場合、窒素ガスやアルゴンガスのような不活性ガスで希釈するのが好ましい。本発明のガス浸炭方法が適用される処理対象物の鋼種は特に限定されず、その包晶点温度以下であって共晶点温度以上の温度下でオーステナイト化される鋼であればよく、炭素鋼だけでなく合金鋼にも適用できる。
本発明においては、処理対象物とそのサンプルの加熱は、その表層を高速加熱できる手段により行うのが好ましい。例えば誘導加熱やレーザ加熱により行うのが好ましい。これにより浸炭対象物の加熱効率を向上できる。また、浸炭処理がシンプルになるので品質の管理が容易になる。すなわち、品質に影響する要素が少ないので、処理対象物の斑、歪、割れなどの品質問題が発生しても原因究明が容易である。さらに、浸炭処理空間を覆う壁をコールドウォールにでき、かつ排ガス燃焼装置が不要になるため、作業環境を損なうことがなく、イニシャル投資を少なくでき、単品少量生産に対応でき、生産ラインに組込み易く、たとえば一個流しのインライン処理も可能である。断熱壁を設けた従来の浸炭処理炉が必要ないので、炉の昇温やシーズニングが不要になり、ランニングコストを削減できる。
本発明においては、一定分圧の浸炭ガスを含む浸炭雰囲気を流動させつつ前記ガス浸炭を行うのが好ましい。これにより、浸炭ガス分圧を一定に保持できると共に処理対象物の品質の均一化を図ることができる。
本発明のガス浸炭方法によれば生産性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
図１は鉄と炭素の平衡状態図
図２は本発明の実施形態のガス浸炭用装置により処理対象物のサンプルを加熱する状態を示す図
図３は異なる浸炭温度、浸炭時間に対する浸炭ガス分圧の上限値の関係の一例を示す図
図４は本発明の実施形態のガス浸炭用装置により処理対象物を加熱する状態を示す図
図５は浸炭温度１５７３Ｋで処理対象物の表面が溶融を開始するまでの浸炭処理時間と浸炭ガス分圧と表面炭素濃度との関係を示す図
図６は浸炭温度１６２３Ｋで処理対象物の表面が溶融を開始するまでの浸炭処理時間と浸炭ガス分圧と表面炭素濃度との関係を示す図
図７は本発明の実施例において浸炭温度１２５０℃、浸炭時間１分で浸炭された処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図８は本発明の実施例において浸炭温度１３００℃、浸炭時間１分で浸炭された処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図９は本発明の実施例において浸炭温度１２５０℃、浸炭時間１０分で浸炭された処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図１０は本発明の実施例において浸炭温度１３００℃、浸炭時間１０分で浸炭された処理対象物の表面からの距離と硬度との関係を示す図
図１１はガス浸炭された処理対象物の表層における焼入れ前の金属組織を示す図面代用顕微鏡写真
図１２はガス浸炭された処理対象物の表層における焼入れ後の金属組織を示す図面代用顕微鏡写真
図１３は本発明の実施例のより得られた処理対象物の表面からの距離と炭素濃度との関係を示す図
図１４は従来の浸炭方法による処理対象物における浸炭時間と拡散時間と炭素濃度との関係一例を示す図
発明を実施するための最良の形態
図２に示す本発明の実施形態のガス浸炭用装置は、真空容器１と、加熱装置２と、その真空容器１内を減圧するための真空ポンプ３と、その真空容器１内に浸炭雰囲気用ガスを供給するガス源４とを備える。その加熱装置２は、本実施形態では電源７に接続されたコイル２ａによって真空容器１内で誘導加熱を行う。その電源７からコイル２ａへの出力は可変とされている。
まず、鋼製処理対象物のサンプル５′のガス浸炭を行うため、加熱装置２にセットされたサンプル５′の表層に温度検出用センサとして熱電対６を溶接する。しかる後に真空容器１内の空気を真空ポンプ３により排気することで真空容器１内を減圧する。この時点で真空容器１の内圧を２７Ｐａ程度以下にするのが好ましい。なお、温度の検出手段は熱電対に限定されない。
その減圧後に真空容器１内にガス源４から浸炭雰囲気用ガスを導入する。これにより真空容器１内を浸炭雰囲気で満たし、その浸炭雰囲気の全圧を上昇させる。例えば真空容器１内の浸炭雰囲気を８０ｋＰａ程度まで昇圧する。その浸炭雰囲気は浸炭ガスと希釈ガスとから構成される。その浸炭ガスや希釈ガスの種類は特に限定されない。本実施形態の浸炭ガスはメタンガスであり、希釈ガスは窒素ガスである。浸炭ガスとして炭化水素系ガスを用いることで無酸化浸炭を実現できる。浸炭ガスは炭化水素系ガスに限定されない。浸炭雰囲気は浸炭ガスのみから構成してもよい。
真空容器１内の浸炭雰囲気の全圧を一定に保持するため、真空容器１内にガス源４から浸炭雰囲気用ガスを一定流量で供給すると共に、真空ポンプ３により浸炭雰囲気用ガスを一定流量で排気する。これにより、真空容器１内で浸炭雰囲気用ガスが例えば０．５Ｌ／ｍｉｎの一定流量で流れ、浸炭雰囲気の全圧が例えば８０ｋＰａ程度に保持される。すなわち、真空容器１内で一定分圧の浸炭ガスを含む浸炭雰囲気が流動する。その浸炭ガスの分圧は、真空容器１内の浸炭雰囲気の全圧に浸炭ガスのモル分率または容積％を乗じた値になる。よって、真空容器１内の浸炭雰囲気の全圧を変更、または浸炭ガスと希釈ガスの流量比を変更することで、浸炭ガス分圧の設定値を調整できる。
次に、加熱装置２によりサンプル５′を設定された浸炭温度まで加熱する。その浸炭温度は、δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上に設定する。その浸炭温度の設定値は加熱装置２のコイル２ａへの出力を変更することで調整できる。
その設定された浸炭ガス分圧および設定された浸炭温度の下で、サンプル５′を設定された浸炭時間だけ保持することでガス浸炭を行った持に、そのサンプル５′の表層が溶融するか否かを確認する。
その浸炭持にサンプル５′の表層が溶融していなければ、浸炭ガス分圧の設定値を増大させてサンプル５′の浸炭を行う。サンプル５′の表層が溶融していれば浸炭ガス分圧の設定値を減少させてサンプル５′の浸炭を行う。この工程を繰り返すことで、サンプル５′の表層が溶融することなくオーステナイト化される限界浸炭条件として浸炭ガス分圧の上限値を予め求める。
以上は、浸炭温度と浸炭時間を一定にして浸炭ガス分圧の上限値を決める方法について述べたが、これに限らず、本発明の思想から逸脱することなく、これに適宜変更を加えたものであってもよい。すなわち、浸炭ガスの分圧と浸炭温度を一定にして浸炭時間の上限値を求めてもよいし、浸炭ガスの分圧と浸炭時間を一定にして浸炭温度の上限値を求めてもよい。
図３は、以上のようにして予め求めた。浸炭ガス分圧の上限値、浸炭温度の上限値および浸炭時間の上限値の間の関係の一例を示す。なお、図３における縦軸は、本実施形態では浸炭ガス分圧に対応する炭素雰囲気中メタン濃度（ｖｏｌ％）としたが、浸炭ガス分圧を表わすものであればよい。例えば、希釈ガスを使用しない場合は浸炭ガス分圧は浸炭雰囲気の全圧に等しく、メタン流量を浸炭ガス分圧を表わすものとして用いることができる。同様の方法により、図３に示されている１ｍｉｎ、３ｍｉｎ、３０ｍｉｎの線のみならず、これらの中間の任意の直線又は曲線を求めることができる。この図３において、浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧の上限値は、浸炭温度が高くなる程に低下し、浸炭時間が短くなる程に高くなる。なお、図３に示す関係はあくまで一例であり、その関係は例えば加熱装置２の構成部材の配置、加熱装置２におけるサンプル５′の材質、配置、加熱装置２の種類、浸炭ガスの種類や流量等が異なれば相違する。
しかる後に、上記ガス浸炭用装置を用いて、その予め求めた関係を充足する限界浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下で鋼製処理対象物５のガス浸炭を行う。この処理対象物５の浸炭はサンプル５′の浸炭と同様に行うことができる。
すなわち図４に示すように、処理対象物５を加熱装置２にセットし、真空容器１内の空気を真空ポンプ３により排気し、真空容器１内にガス源４から浸炭雰囲気用ガスを導入して設定圧力まで浸炭雰囲気を昇圧し、真空容器１内にガス源４から浸炭雰囲気用ガスを一定流量で供給すると共に、真空ポンプ３により浸炭雰囲気用ガスを一定流量で排気する。これにより、真空容器１内の浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を、限界浸炭条件として予め求めた上限値以下に設定する。次に、加熱装置２により処理対象物５を浸炭温度まで加熱する。その浸炭温度は、上記包晶点温度以下であって共晶点温度以上の浸炭温度に設定する。なお、処理対象物５の加熱時は、サンプル５′の加熱時と同様に加熱装置２を制御することでサンプル５′の加熱時の浸炭温度を再現できるので、熱電対６を処理対象物５に溶接する必要はない。その設定された浸炭ガス分圧および設定された浸炭温度の下で、処理対象物５を設定された浸炭時間だけ保持することでガス浸炭を行う。
例えば、その鋼製処理対象物５のガス浸炭を行うに際して、浸炭温度を、δ鉄と液相からγ鉄に変態する包晶点温度以下であって、液相からγ鉄とセメンタイトに変態する共晶点温度以上に設定する。また、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値を、その設定浸炭温度において処理対象物５の表面が溶融することのない値以下に設定する。そして、浸炭雰囲気における浸炭ガス分圧を、予め設定した時間のガス浸炭によって処理対象物の表面炭素濃度が設定目標値に達し得る値に設定する。その浸炭時間に対する浸炭ガス分圧の設定値は予め実験により求めればよい。その浸炭時間と浸炭ガス分圧の設定値は、その設定温度に対応する上記の上限値よりも小さくなるので、上記の上限値を予め求めておくことで浸炭時間と浸炭ガス分圧の設定が容易になる。
例えば、浸炭温度が１５７３Ｋでは処理対象物５の表面は炭素濃度が１．１５重量％程度で溶融を開始することから、図３に示す関係より、浸炭温度１５７３Ｋで処理対象物５の表面が溶融を開始するまでの浸炭処理時間と浸炭ガス分圧と表面炭素濃度との関係は図５に示すものとなる。この図５より、浸炭温度を１５７３Ｋ、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値を溶融することのない１．１５重量％未満に設定した場合、浸炭時間が１分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を１０ｖｏｌ％未満にし、浸炭時間が１０分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を３ｖｏｌ％未満に設定すればよいことがわかる。また、例えば浸炭温度が１６２３Ｋでは処理対象物５の表面は炭素濃度が０．９重量％程度で溶融を開始することから、図３に示す関係より、浸炭温度１６２３Ｋで処理対象物５の表面が溶融を開始するまでの浸炭処理時間と浸炭ガス分圧と表面炭素濃度との関係は図６に示すものとなる。この図６より、浸炭温度を１６２３Ｋ、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値を溶融することのない０．９重量％未満に設定した場合、浸炭時間が１分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を１．８ｖｏｌ％未満にし、浸炭時間が１０分であれば炭素雰囲気中メタン濃度を０．８ｖｏｌ％未満に設定すればよいことがわかる。
その設定された浸炭ガス分圧および設定された浸炭温度の下で、処理対象物５を設定された浸炭時間だけ保持することでガス浸炭を行う。設定した浸炭時間が経過したならば、浸炭ガスの供給を停止したり加熱装置２による加熱を解除することで浸炭を停止する。
本発明のガス浸炭方法によれば、浸炭温度範囲は包晶点温度以下であって共晶点温度以上であるので、浸炭時間を大幅に短縮できる。しかも、浸炭ガス分圧を予め求めた上限値以下に設定することで、処理対象物５の表層における溶融を生じることなく高温での浸炭を行うことができる。例えばγ鉄中の炭素原子の拡散係数は、１０００℃時では３．５９×１０-5ｍｍ2／ｓｅｃであるのに対して、１３００℃時には１０倍以上の４３×１０-5ｍｍ2／ｓｅｃになる。すなわち、炭素原子の移動速度は１３００℃時には１０００℃時におけるよりも１０倍以上速くなる。よって、所望の浸炭深さを得るのに要する時間を大幅に短縮でき、通常の浸炭深さであれば１分〜１０分程度の浸炭時間で得ることができる。しかも、処理対象物５の表層における炭素濃度が設定目標値を超えることはないので炭素の拡散処理工程が不要になる。これにより、浸炭処理時間を大幅に短縮して生産性を向上できる。また、ガス浸炭処理工程を他の熱処理工程と連続して行うことも可能になる。その浸炭温度は１２００℃以上に設定するのが浸炭時間を短縮する上で好ましく、１３００℃以上に設定しても良い。また、真空容器１内で一定分圧の浸炭ガスを含む浸炭雰囲気を流動させつつガス浸炭を行うので、浸炭ガス分圧を一定に保持できると共に処理対象物５の品質の均一化を図ることができる。さらに、本発明で実施した浸炭処理では、煤の発生は全く認められず、この点でも従来の真空浸炭に比べて非常に好ましい結果となった。
上記ガス浸炭を行った後に、拡散処理を行うことなく、処理対象物５を冷却する。その冷却方法は特に限定されず、自然冷却でも種々の強制冷却でもよい。さらに、ガス浸炭された処理対象物５を冷却後に再加熱して急冷することにより焼入れを行うのが好ましい。１次冷却を急冷とすることで２次焼入れを行ってもよい。その焼入れを行う雰囲気は中性の保護雰囲気、即ち被処理材がその温度で浸炭も脱炭もされない雰囲気が好ましいが、他の不活性ガス等の雰囲気であってもよい。焼入れのための再加熱温度は、処理対象物５の少なくとも表層が図１に示す平衡状態図におけるＧＳ線或いはＥＳ線を超えてオーステナイト化する温度以上にする。
実施例１
上記本発明の実施形態のガス浸炭方法により限界浸炭条件を予め求め、その限界浸炭条件に反することがないように設定した浸炭条件の下でガス浸炭を行った。処理対象物５はニッケル・クロム・モリブデン鋼（日本工業規格ＳＮＣＭ４２０）製で、直径１０ｍｍ、長さ５２ｍｍの円柱形を有するものとした。本実施例では、浸炭された処理対象物５を真空容器１中で自然冷却し、焼入れし、研磨し、粒径３μｍのタイヤモンドペーストによる仕上げ加工を行った後に、硬度の測定と組織の観察を行なった。浸炭前には真空容器１内のパージを行った。浸炭ガスはメタンガスであり、希釈ガスは窒素ガスである。浸炭中は真空容器１内に浸炭雰囲気用ガスを０．５Ｌ／ｍｉｎの一定流量で流した。焼入れは、窒素ガス雰囲気を流している８６０℃の石英チューブ炉内で処理対象物５を１０分間保持した後に油冷することで行なった。なお、焼入れに用いるのは高周波加熱を含め、他の形式の炉でもさしつかえないことは勿論である。
図７は、浸炭温度１２５０℃、浸炭時間１分、浸炭ガスであるメタンの分圧に対応する濃度が４０ｖｏｌ％の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物５の表面からの距離（ｍｍ）と硬度（Ｈｖ）との関係を示す。この場合、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値は１．４重量％とした。
図８は、浸炭温度１３００℃、浸炭時間１分、浸炭ガスであるメタンの濃度が１０ｖｏｌ％の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物の表面からの距離（ｍｍ）と硬度（Ｈｖ）との関係を示す。この場合、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値は１．１５重量％とした。
図９は、浸炭温度１２５０℃、浸炭時間１０分、浸炭ガスであるメタンの分圧に対応する濃度が１０ｖｏｌ％の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物５の表面からの距離（ｍｍ）と硬度（Ｈｖ）との関係を示す。この場合、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値は１．４重量％とした。
図１０は、浸炭温度１３００℃、浸炭時間１０分、浸炭ガスであるメタンの濃度が３ｖｏｌ％の浸炭条件下でガス浸炭された処理対象物の表面からの距離（ｍｍ）と硬度（Ｈｖ）との関係を示す。この場合、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値は１．１５重量％とした。
図７〜図１０によれば、浸炭時間が１分〜１０分で、十分な有効浸炭深さの浸炭層を得られることを確認できる。なお、浸炭ガスであるメタンの分圧は、浸炭雰囲気の全圧にメタンの濃度を乗じた値になる。図７〜図１０に示した例では浸炭雰囲気の全圧は８０ｋＰａ程度とした。
本発明により、浸炭温度１３００℃、浸炭時間１分でガス浸炭された処理対象物５の表層の焼入れ前における金属組織を図１１により示し、焼入れ後の金属組織を図１２により示す。焼入れ前に存在した粗大組織は焼入れ後に存在しなくなり、焼入れにより粗大組織が微細化されることを確認できる。
実施例２
上記本発明の実施形態のガス浸炭方法により設定した浸炭条件の下でガス浸炭を行った。処理対象物５は上記実施形態と同様のニッケル・クロム・モリブデン鋼（日本工業規格ＳＮＣＭ４２０）製で、直径１０ｍｍ、長さ５２ｍｍの円柱形を有する。その処理対象物５を拡散処理工程を経ることなく真空容器１中で自然冷却し、焼入れし、研磨し、粒径３μｍのダイヤモンドペーストによる仕上げ加工を行った。浸炭前には真空容器１内のパージを行った。浸炭ガスはメタンガスであり、希釈ガスは窒素ガスである。焼入れは、窒素ガス雰囲気を流している８６０℃の石英チューブ炉内で処理対象物５を１０分間保持した後に油冷することで行なった。なお、焼入れに用いるのは高周波加熱を含め、他の形式の炉でもさしつかえないことは勿論である。浸炭温度１３００℃、浸炭時間１分、浸炭雰囲気における浸炭ガスであるメタンの分圧に対応する濃度は１０ｖｏｌ％、処理対象物５の表面炭素濃度の目標値は０．７４重量％、浸炭雰囲気の全圧は８０ｋＰａ、浸炭中は真空容器１内に浸炭雰囲気用ガスを０．５Ｌ／ｍｉｎの一定流量で流した。図１３は、本実施例により得られた処理対象物５の表面からの距離（ｍｍ）と炭素濃度（重量％）との関係との関係を示す。炭素濃度が母材の０．２重量％より高くなる深さ、すなわち全浸炭深さが本実施例では０．９ｍｍとなり、拡散処理工程を要することなく十分な有効浸炭深さを得られるのを確認できる。また、図８から得られる全浸炭深さの結果とよく一致する結果を得た。
上記各実施例によれば、拡散処理工程を経ることなく、処理対象物５の表面炭素濃度を目標値にでき、しかも十分な浸炭深さを得ることができる。これに対し、図１４は従来の浸炭方法による処理対象物における浸炭時間と表面炭素濃度との関係一例を示し、その炭素濃度が浸炭処理工程のみでは目標値を超えるため、その後の拡散処理工程が必要であることが示されている。
本発明によれば、浸炭温度を高くすることで浸炭時間を大幅に短縮でき、しかも、処理対象物５の表層における炭素濃度が設定目標値を超えることはないので炭素の拡散処理工程が不要になるので、生産性を向上することができる。
本発明は上記実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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