(57)【要約】【課題】鋼製ギアまたは類似の鉄類対象物を選択的に浸炭（個別仕様化浸炭）するための方法を開示する。【解決手段】本発明の方法には、類似してはいるが異なる二つの方法が含まれる。第一の方法には、最初に、ギアの基部を適当なマスキング材料でマスキングするステップ、およびギアの第一の浸炭操作を実施するステップが含まれる。次いで、ギア基部からマスキング材料を除去して、ギアの第二の浸炭操作を実施する。得られる浸炭ギアは、ギアの基部領域においては、炭素含有量がより低くて薄い浸炭硬化層を有する。第二の方法には、ギアの基部領域を、基部領域における炭素の拡散を完全に防止することはないが、これを抑制するようなコーティング材料を用いてマスキングするステップが含まれる。次いで、ギアを浸炭する。最後に、抑制剤を除去する。得られる浸炭ギアは、ギアの基部領域においては、炭素含有量がより低い薄い浸炭硬化層を有する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄金属物品を選択的に浸炭する方法であって、
少なくとも一つの第一領域と少なくとも一つの第二領域とを有する前記鉄金属物品を供するステップと、
前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第二領域を浸炭雰囲気から実質的に分離するように配置したマスキング材料の層で、前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第二領域を被覆するステップと、
前記鉄金属物品を、前記少なくとも一つの第二領域を前記マスキング材料で被覆した状態で、浸炭雰囲気において浸炭するステップと、
前記マスキング材料の前記層を除去するステップと、
前記鉄金属物品を浸炭雰囲気において浸炭して浸炭品を形成するステップと
を含む方法において、
最終形態における前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第一領域の浸炭硬化層深さおよび領域炭素含有量（ｒｅｇｉｏｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｃｏｎｔｅｎｔ）の少なくとも一方が、それぞれ、前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第二領域の浸炭硬化層深さよりも深いおよび領域炭素含有量よりも高い方法。
【請求項２】
前記少なくとも一つの第二領域が、ギア歯間の基部領域に配置されている請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも一つの第一領域が、ギア歯の基部領域を取り囲むギア隣接部に配置されている請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも一つの第二領域の前記浸炭硬化層深さが、約０．４ｍｍである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも一つの第二領域の前記領域炭素含有量が、約０．６０％である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも一つの第一領域の前記浸炭硬化層深さが、約１．２ｍｍである請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも一つの第一領域の前記領域炭素含有量が、約０．９０％である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
鉄金属物品を選択的に浸炭する方法であって、
少なくとも一つの第一領域と少なくとも一つの第二領域とを有する前記鉄金属物品を供するステップと、
浸炭雰囲気において前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第二領域への炭素の拡散を部分的に抑制するように、前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第二領域をコーティング材料の層で被覆するステップと、
前記鉄金属物品を、前記少なくとも一つの第二領域を前記コーティング材料で被覆した状態で、浸炭するステップと、
前記コーティング材料を選択的に除去するステップと、
を含む方法において、
最終形態における前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第一領域の浸炭硬化層深さおよび領域炭素含有量の少なくとも一方が、それぞれ、前記鉄金属物品の前記少なくとも一つの第二領域の浸炭硬化層深さよりも深いおよび領域炭素含有量よりも高い方法。
【請求項９】
前記少なくとも一つの第二領域が、ギア歯間の基部領域に配置されている請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの第一領域が、ギア歯の基部領域を取り囲むギア隣接部に配置されている請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの第二領域の前記浸炭硬化層深さが、約０．４ｍｍである請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの第二領域の前記領域炭素含有量が、約０．６０％である請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも一つの第一領域の前記浸炭硬化層深さが、約１．２ｍｍである請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの第一領域の前記領域炭素含有量が、約０．９０％である請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭（ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ）システムおよび方法に関する。より詳しくは、本発明は、異なる位置（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｌｏｃａｔｉｏｎｓ）によって炭素含有量が異なるように鉄金属物品（ｆｅｒｒｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ａｒｔｉｃｌｅ）を浸炭するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００５年５月２６日に出願した米国仮出願第６０／６８４，５２８号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９に基づく特典を主張するものである。
【０００３】
浸炭は、広く知られた領域または表面焼入れプロセス（ｒｅｇｉｏｎ  ｏｒ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｈａｒｄｅｎｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）である。このプロセスには、低炭素合金鋼に炭素を拡散させて高炭素鋼領域または表面を形成せしめることが含まれる。拡散した炭素は、通常、合金鋼と反応して、鋼表面の硬度を向上させる。拡散した炭素は、通常、合金鋼と反応して、鋼表面の硬度を向上させる。浸炭によって、高い表面硬度とより柔軟なコアとを有する部材を得ることができる。したがって、浸炭は、ギアやシャフトといった高摩耗部材を処理するのに特に有用である。表面硬度を向上させれば、バルク材料の望ましい特性を犠牲にすることなく、摩擦や衝撃摩耗に対する適度な抵抗性を発現させることができる。
【０００４】
浸炭は、一般的には、部品の表面に炭素を拡散させることが可能な雰囲気の存在下、加熱炉で部品を加熱することによって行われる。炭素の量または割合は、雰囲気の組成によって制御される。炭素の鋼への拡散深さは、部材の温度や、炭素を含有する環境への暴露時間によって制御することができる。多くの場合、浸炭する部品を、炭素を含む環境において所望の浸炭温度まで加熱炉で加熱する。浸炭後、ワークは、ゆっくりと冷却した後に急冷焼入れするか、または、そのまま種々の気体もしくは液体の冷媒中で急冷することができる。なぜならば、炭素が表面に拡散すると、部品のこの領域は非常に高い硬度まで焼入れするのに対し、コアは中間的な硬度までしか焼入れしないからである。通常は、部品の表面全体が浸炭されるが、所望であれば、浸炭を防止するために特定の領域にセラミック塗料を用いることもできる。浸炭硬化層（ｃａｒｂｕｒｉｚｅｄ  ｃａｓｅ）の部品周りの組成および深さは、比較的均質である。
【特許文献１】米国仮出願第６０／６８４，５２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
浸炭硬化層の深さと浸炭硬化層の炭素含有量が、浸炭プロセスで得られる通りとするのではなく、部品の様々な部分によって異なるように個別仕様化（ｔａｉｌｏｒ）する有用な方法が希求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ギアなどの鉄金属物品を選択的に浸炭する（浸炭の個別仕様化）プロセスである。本発明の方法には、類似してはいるが異なる二つの方法が含まれる。第一の方法には、最初に、物品のある範囲または領域を適当なマスキング材料（ｍａｓｋｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）でマスキングするステップ、および物品の第一の浸炭操作を実施するステップが含まれる。次いで、物品からマスキング材料を除去して、物品の第二の浸炭操作を実施する。得られる浸炭品は、物品のマスキングされた範囲または領域においては、炭素含有量がより低い薄い浸炭硬化層を有する。第二の方法には、物品のある領域を、マスキングした範囲または領域における炭素の拡散を完全に防止することはないが、これを抑制するようなコーティング材料を用いてマスキングするステップが含まれる。次いで、物品を浸炭する。最後に、抑制剤を除去する。得られる浸炭品は、物品のマスキングした領域においては、炭素含有量がより低い薄い浸炭硬化層を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
浸炭部品（ｃａｒｂｕｒｉｚｅｄ  ｐａｒｔ）の性能は、ケース（ｃａｓｅ）における炭素の割合と浸炭硬化層の深さとに依存することが明らかになっている。例えば、ギア歯の曲げにおいては、軽くて浅い浸炭硬化層が、強度および衝撃の点でより優れている。しかしながら、ギア歯表面における接触強度および耐久性の点では、深い浸炭硬化層の方が好ましい。同様に、最大曲げ疲労寿命の点では、浸炭硬化層の炭素含有量は低い方がより優れている。しかしながら、最大接触疲労寿命の点では、炭素の割合が高い方がより優れている。
【０００８】
本発明は、浸炭硬化層の深さと浸炭硬化層の炭素含有量が、浸炭プロセスで得られる通りとするのではなく、部品の様々な部分によって異なるように、個別仕様化（ｔａｉｌｏｒ）するものである。これにより、異なる領域における部品の性能を最大化することを意図している。例えば、ギア歯においては、基部領域で薄い浸炭硬化層と低い炭素含有量を用いて曲げ特性を向上させる一方、歯表面では深い浸炭硬化層と高い炭素含有量を用いて接触特性を向上させることができる。
【０００９】
部品の異なる領域における浸炭硬化層を個別仕様化する方法の一つは、浸炭操作を別個に行うことである。基部領域をマスキングした状態で、歯表面を高い炭素含有量で深くまで浸炭する。
【００１０】
図１Ａは、本浸炭発明の第一の方法において基部領域をマスキングする第一のステップの略図である。図１Ａに示すように、ギア歯１０の基部領域のみがマスキング剤２０を受容する。本目的のためには、次いで、この被覆表面をこのような浸炭を防止する作用剤、例えばＣｏｎｄｕｒｓａｌ（登録商標）の名称で市販されている商品で被覆する。このような作用剤は、砂と油との耐高温性混合物（ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  ｍｉｘｔｕｒｅ  ｏｆ  ｓａｎｄ  ａｎｄ  ｏｉｌ）である。作用剤は、熱処理後に除去可能で、溶接部分への浸炭ガスの進入を防ぐものであれば、どのような材料であってもよい。このような作用剤は、Ｃｏｎｄｕｒｓａｌ（登録商標）、高温マイクロクリスタリン・ワックス（ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｗａｘ）、耐高温性ラッカー、炭素防止除去塗料（ｃａｒｂｏｎ  ｓｔｏｐ−ｏｆｆ  ｐａｉｎｔ）、セラミック塗料、およびその他の当業者に知られている作用剤からなるグループから選択することができる。図１Ｂに関連して、この第一の方法の第二のステップには、ギア歯１０の露出領域３０を浸炭して、浸炭硬化層深さを１．２ｍｍ、表面炭素（ｓｕｒｆａｃｅ  ｃａｒｂｏｎ）を０．９０％とすることが含まれる。次に、マスキング剤（ｍａｓｋｉｎｇ  ａｇｅｎｔ）２０を基部１２（図１Ｃを参照のこと）から除去し、図１Ｄに示すように基部領域（ｒｏｏｔ  ａｒｅａ）を含めてギア歯を再浸炭して、基部領域における浸炭硬化層深さを０．４ｍｍ、表面炭素を０．６０％とする。
【００１１】
改変した浸炭操作は図１Ａ〜１Ｄのステップに従うようにすることができるが、基部領域において炭素含有量が低くて薄い浸炭硬化層を与えるものとする。第一の浸炭操作は、実際に所望するよりも高い炭素含有量で行うのが好ましく、第二の浸炭操作中に生じる拡散によって炭素含有量は所望のレベルにまで低下する。
【００１２】
この他に浸炭硬化層を個別仕様化しうる方法には、部品の特定領域において、炭素の拡散を完全に防止したりこの領域をマスキングしたりするのではなく、炭素の拡散を抑制するようなコーティングを用いることがある。この第二の好ましいプロセスは、図２Ａ〜２Ｃに図示するステップに従う。
【００１３】
図２Ａは、本浸炭発明の第二の方法において基部領域に抑制剤（ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇａｇｅｎｔ）を塗布する第一のステップの略図である。抑制剤は、浸炭の全てではなく、そのうちのいくらかを遮断する。ニッケルめっき材料（ｎｉｃｋｅｌ  ｐｌａｔｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）が好ましい抑制剤であるが、適切に部分的に浸炭を遮断するようなその他の材料も、本発明の条件を満たすであろう。本浸炭発明の第二の方法によれば、図２Ｂに示すように、抑制剤２０ａを有する領域を含むギア歯１０ａを浸炭する。結果として、露出領域１０ａと処理領域２０ａとは、異なる程度まで浸炭される。図２Ｃは、抑制剤を除去する第三のステップの略図であり、その結果、歯３０において形成される浸炭硬化層深さは約１．２ｍｍ、表面炭素は約０．９０％である一方、基部領域４０において形成される浸炭硬化層深さは約０．４ｍｍ、表面炭素は約０．６％である。
【００１４】
上記のように、本発明は、鋼製ギアなどの鉄金属物品を選択的に浸炭する（浸炭の個別仕様化）プロセスである。例えば本発明のプロセスには、似ているが異なる二種類の方法が含まれる：
１）第一の方法には、最初に、ギアの基部を適当なマスキング材料でマスキングするステップ、およびギアの第一の浸炭化操作を実施するステップが含まれる。次いで、ギア基部からマスキング材料を除去して、ギアの第二の浸炭操作を実施する。得られる浸炭化ギアは、ギアの基部領域においては、炭素含有量がより低くて薄い浸炭硬化層を有する。
２）第二の方法には、ギアの基部領域を、炭素の拡散を完全に防止することはないが、これを抑制するようなコーティング材料を用いてマスキングするステップ、次いで、ギアを浸炭化するステップとが含まれる。得られる浸炭化ギアは、ギアの基部領域において、炭素含有量がより低くて薄い浸炭硬化層を有する。
【００１５】
前記の方法をいくつかの好ましい実施態様を参照しながら説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態や細部に様々な変更を加えられることは、当業者には理解されるであろう。出願人は、典型的な物品としてギアの使用を選択したが、本発明のプロセスは、様々な鉄金属物品に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本浸炭発明の第一の方法において基部領域（ｒｏｏｔ  ａｒｅａ）をマスキングする第一のステップの略図である。
【図１Ｂ】本浸炭発明の第一の方法において露出領域（ｅｘｐｏｓｅｄ  ａｒｅａ）を浸炭する第二のステップの略図である。
【図１Ｃ】本浸炭発明の第一の方法に含まれる、マスキングを除去する第三のステップの略図である。
【図１Ｄ】本浸炭発明の第一の方法に記載の、基部領域を含めた歯を再浸炭する第四のステップの略図である。
【図２Ａ】本浸炭発明の第二の方法において基部領域に抑制剤を塗布する第一のステップの略図である。
【図２Ｂ】本浸炭発明の第二の方法による、抑制剤を有する領域を含めた歯全体を浸炭する第二のステップの略図である。
【図２Ｃ】本浸炭発明の第二の方法による、抑制剤を除去する第三のステップの略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
2006342426.tif 000007
【図２Ｂ】
2006342426.tif 000008
【図２Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年7月24日(2006.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
2006342426.tif 000012
【図１Ｄ】
2006342426.tif 000013
【図２Ａ】
2006342426.tif 000014
【図２Ｂ】
2006342426.tif 000015
【図２Ｃ】
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【外国語明細書】
2006342426.tif 000017
2006342426.tif 000018
2006342426.tif 000019
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2006342426.tif 000022
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2006342426.tif 000027
【図１Ａ】
2006342426.tif 000028
【図１Ｂ】
2006342426.tif 000029
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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