(57)【要約】【課題】浸炭処理を行った後に、浸窒工程を行うようにした鋼材の製造方法において、鋼材表面の強度の低下と馴染み性の低下の双方を回避できるようにした、鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】浸炭工程を含む鋼材の製造方法において、前記製造方法は、浸炭工程後に浸窒工程をさらに含む。前記浸窒工程は、浸窒ガスを雰囲気中に供給しながら鋼材の温度を９５０℃以上に高めて浸窒処理を行う浸窒過程と、浸窒過程の後に、窒素を鋼材に拡散させるための期間を挟まずに、鋼材の冷却を開始する冷却過程を含む。浸窒工程において「拡散過程」を有しないことで、炭素の表面への回復を阻止することができ、結果、鋼材表面の強度の低下と馴染み性の低下の双方を回避できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも浸炭工程を含む鋼材の製造方法において、
前記製造方法は、前記浸炭工程後に浸炭ガスを含まない浸窒ガス雰囲気下で浸窒処理を行う浸窒工程をさらに含み、
前記浸窒工程は、
浸窒ガスを雰囲気中に供給しながら鋼材の温度を９５０℃以上に高めて浸窒処理を行う浸窒過程と、
前記浸窒過程の後に、窒素を鋼材に拡散させるための期間を挟まずに、鋼材の冷却を開始する冷却過程を含む、
ことを特徴とする鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも浸炭工程を含む鋼材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
歯車等を鋼材で製造する際に、鋼材表面の強度を向上させるために、浸炭処理が行われる。また、表面の馴染み性を確保する等の目的で、浸炭処理とともに浸窒処理を行うことも、特許文献１に記載のように、知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３７９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歯車のようにエッジ形状部位を有する鋼材の場合、浸炭処理時に、エッジ形状部位はエッジ形状を有さない部位に対して浸炭が促進しやすい傾向にあり、セメンタイト（鉄炭化物）が析出しやすく、部分的に鋼材強度が低下する可能性がある。また、本発明者らの経験では、鋼材に対して浸炭工程を行った後に、浸窒工程を実施する場合において、表面粗さが大きくなり、また、馴染み性が低下することを経験した。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、浸炭処理を行った後に、浸窒工程を行うようにした鋼材の製造方法において、鋼材表面の強度の低下と馴染み性の低下の双方を回避できるようにした、鋼材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による鋼材の製造方法は、少なくとも浸炭工程を含む鋼材の製造方法において、前記製造方法は、前記浸炭工程後に浸炭ガスを含まない浸窒ガス雰囲気下で浸窒処理を行う浸窒工程をさらに含み、前記浸窒工程は、浸窒ガスを雰囲気中に供給しながら鋼材の温度を９５０℃以上に高めて浸窒処理を行う浸窒過程と、前記浸窒過程の後に、窒素を鋼材に拡散させるための期間を挟まずに、鋼材の冷却を開始する冷却過程を含む、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の製造方法によれば、浸窒工程において、浸窒過程の後に、窒素を鋼材に拡散させるための期間を挟むことなく、直ちに鋼材の冷却を開始するようにしている。そのために、浸炭工程で鋼材内部に浸入した炭素が、浸窒工程中に鋼材表面に戻ってくるのを阻止することができ、結果、セメンタイトの析出による鋼材表面の強度の低下が抑制され、かつ、浸窒中の脱炭によって柔らかくなった表面をそのまま維持することができることで、表面の馴染み性も向上した鋼材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】鋼材に一般的な浸炭工程を施したときの処理の進行状態を説明する図（図１（ａ））と浸炭工程後の鋼材表面の炭素濃度を示すグラフ（図１（ｂ））。
【図２】浸炭処理を行った鋼材に一般的な浸窒工程を施したときの処理の進行状態を説明する図（図２（ａ））と浸窒工程後の鋼材表面での炭素と窒素の濃度を示すグラフ（図２（ｂ））。
【図３】本発明による浸窒工程の処理の進行状態を説明する図（図３（ａ））と浸窒工程後の鋼材表面での炭素と窒素の濃度を示すグラフ（図３（ｂ））。
【図４】一般的な浸窒処理を施したときの鋼材の表面粗さを示す図（図４（ａ））と本発明による浸窒工程を施したときの鋼材の表面粗さを示す図（図４（ｂ））
【図５】実施例での浸窒工程後の鋼材表面での炭素と窒素の濃度を示すグラフ。
【図６】比較例での浸窒工程後の鋼材表面での炭素の濃度を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を本発明者が得た新たな知見とともに説明する。
最初に、鋼材に施される一般的な浸炭工程について図１（ａ）を参照して説明する。図１（ａ）に示すように、処理室内で鋼材は所要の温度にまで昇温され、その温度を維持した状態で、炭素を含む処理ガス（浸炭ガス）の所要流量を適数回に分けて供給することで、浸炭過程が進行する。浸炭後、処理ガスの供給を停止した状態で、炭素を鋼材に拡散させる拡散過程が行われ、その後、冷却処理が施される。そのような一連の浸炭工程を終えた後の鋼材表面近傍に含まれる炭素の濃度は、図１（ｂ）に示すように、表面から深さ方向に向けて次第に減少した傾向となる。
【００１０】
図１に示した方法で浸炭処理を施した鋼材に対して、一般的な浸窒工程を施すときの処理の進行状態が図２（ａ）に示される。図２（ａ）に示すように、処理室内に浸炭処理後の鋼材をセットし、該鋼材を所要の温度にまで昇温した後、その温度を維持した状態で、窒素を含む処理ガス（浸窒ガス）の所要流量を適数回に分けて供給することで、浸窒過程が進行する。浸窒後、浸窒ガスの供給を停止した状態で、窒素を鋼材に拡散させる拡散過程を行い、その後、冷却処理が施される。
【００１１】
上記のようにして、浸炭処理と浸窒処理を行った鋼材について、鋼材表面近傍に含まれる窒素と炭素の濃度を測定したところ、図２（ｂ）に実線で示すようであった。また、その表面の成分分析と表面粗さの測定を行ったところ、表面からセメンタイトが析出されるとともに、表面粗さも図４（ａ）に示すように、＋−方向にブレの大きなものであった。また、周知の馴染み性評価試験後での表面粗さも、ほぼ同じ状態であり、馴染み性の点で、満足できるものではなかった。
【００１２】
その原因を見つけるべく、さらに分析を行った。その結果、図２（ａ）に示す浸窒過程直後の鋼材においては、浸窒により、表面近傍の炭素濃度は、図２（ｂ）に点線で示すように大きく減少していたものが、拡散過程を終えた時点では、図２（ｂ）に実線で示すように濃度が増大したことが分かった。この原因は、より深いところに浸透していた炭素が、濃度勾配に起因して、拡散過程中に、より表面側部位に移動してきたものと考えた。そして、雰囲気ガス（処理ガス）である浸窒ガスは炭素を含まないのにもかかわらず、移動してきた炭素によって、鋼材の表面にセメンタイトが形成されやすくなり、表面粗さが大きくなるとともに、表面に十分な柔らかさが得られず、馴染み性評価試験後での表面粗さにも変化が見られなかったものと考えた。
【００１３】
その仮定のもとに、浸炭工程の後に行う浸窒工程において、通常の浸窒処理工程における前記「拡散過程」の段階を省略して、「浸窒過程」の直後に「冷却」を行って鋼材を製造した。図３（ａ）は、実験で行った浸窒工程の時間経過であり、図３（ｂ）は、製造された鋼材での表面近傍における深さ方向での炭素と窒素の濃度を示している。
【００１４】
図３（ａ）に示すように、ここでは、浸窒過程の終了直後に、直ちに、鋼材の冷却を行っている。なお、浸窒過程は、鋼材を９５０℃以上に高めて行った。その結果、冷却後の鋼材の炭素の濃度は、図３（ｂ）に示すように、先に図２（ｂ）に点線で示した、従来の浸窒処理における浸窒過程直後の鋼材における炭素濃度とほぼ同じ状態であり、炭素濃度の回復は観察されなかった。結果、セメンタイトの析出もなかった。また、表面粗さは、従来の浸窒処理を施した鋼材の表面粗さとほぼ同じであったが、周知の馴染み性評価試験後での表面粗さは、図４（ｂ）に示すように、ブレの小さいものとなっており、高い馴染み性も得られた。これは、浸窒工程において、表面への炭素の回復が回避された結果であると考えられる。
【００１５】
本発明は、上記の実験結果に基づいており、前記したように、本発明による鋼材の製造方法は、少なくとも浸炭工程を含む鋼材の製造方法において、前記製造方法は、前記浸炭工程後に浸炭ガスを含まない浸窒ガス雰囲気下で浸窒処理を行う浸窒工程をさらに含み、前記浸窒工程は、浸窒ガスを雰囲気中に供給しながら鋼材の温度を９５０℃以上に高めて浸窒処理を行う浸窒過程と、前記浸窒過程の後に、窒素を鋼材に拡散させるための期間を挟まずに、鋼材の冷却を開始する冷却過程を含む、ことを特徴とする。
【００１６】
特に制限されないが、本発明の製造方法の具体的な一例として、浸炭工程において表面炭素濃度を０．６〜０．８％まで上昇させた後の鋼材に対して、９５０℃〜１１００℃で１０分〜１時間浸窒処理を施し、表面窒素濃度を０．２〜０．６％まで上昇させた後、拡散工程を設けることなく、直ちに冷却処理（焼き入れ処理）を行うようにする。それにより、浸窒工程での安定した表面脱炭ができ、かつ馴染み性が良好な歯車等を製造することができる。浸窒工程において、拡散工程をなくすことで、前記のように、表面への炭素の回復を抑制できるとともに、製造の短時間化も可能となる。なお、必要な浸窒深さは、高温（９５０℃以上）での処理のため、拡散工程を設けなくても、確保することができる。
【実施例】
【００１７】
［実施例］
鋼材（ＳＣＭ４２０）に対して、従来法により浸炭処理を行った。浸炭ガスにはアセチレンガスを用い、浸炭工程は、１１００℃、７００Ｐａの条件下で、１２ｍｉｎ行った。
浸炭処理後の鋼材を冷却した後、その鋼材に対して、図３（ａ）に示す手順で、すなわち、拡散過程を行わないで、浸窒過程後に直ちに冷却する浸窒工程を行った。浸窒ガスとしてアンモニアガスを用いた。温度は１１００℃、圧力は７００Ｐａに維持し、１０ｍｉｎの処理を行った。
製造後の鋼材における表面からの深さ方向での、炭素濃度と窒素濃度を図５に示した。図５に示すように、表面近傍での炭素濃度の回復は起こらなかった。また、その炭素濃度分布は、浸窒過程直後の濃度分布とほぼ同じであった。
【００１８】
［比較例］
浸窒工程において、浸窒後に、１５ｍｉｎの拡散工程を行った以外は、実施例と同様にして鋼材を製造した。製造後の鋼材における表面からの深さ方向での炭素濃度を図６に示した。図６に示すように、表面近傍での炭素濃度は０．８％弱の値であり、この値は、浸炭処理後の鋼材の炭素濃度の値とほぼ同じであった。
【００１９】
［評価］
実施例と比較例からわかるように、本発明の製造方法で製造された鋼材は、その表面の炭素濃度が、従来法で製造したものと比較して低下している。結果、表面の柔らかさを確保することができ、馴染み性の点で優れた鋼材が得られる。また、表面の強度低下も回避できる。
【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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