(57)【要約】【課題】セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くすることのできる、鋼材部品の製造方法、および、浸炭炉を提供する。【解決手段】鋼材部品の製造方法は、浸炭ステップと、拡散ステップとを含んでいる。浸炭ステップでは、鋼材１００の表面１０１に炭素を浸入させる浸炭促進工程と、鋼材１００の表面１０１から鋼材１００の内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程と、を所定の浸炭温度ＴＰ１で交互に繰り返す。拡散ステップでは、鋼材１００の表面１０１の炭素濃度Ｃを拡散促進工程における鋼材１００の表面１０１の炭素濃度Ｃよりも低くする。浸炭促進工程における鋼材１００の表面１０１の炭素濃度が、鋼材１００に炭化物を析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ以上で、且つ、鋼材１００の限界炭素濃度Ｃｌｉｍ以下に設定されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材表面に炭素を浸入させる浸炭促進工程と、前記鋼材表面から前記鋼材内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程と、を所定の浸炭温度で交互に繰り返す浸炭ステップと、
前記浸炭ステップの後に前記鋼材表面の炭素濃度を前記拡散促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度よりも低くする拡散ステップと、を含み、
前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が、前記鋼材に炭化物を析出する炭素濃度以上で、且つ、前記鋼材の限界炭素濃度以下に設定されていることを特徴とする、鋼材部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼材部品の製造方法であって、
前記拡散促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が、前記鋼材に炭化物を析出する炭素濃度以上で、且つ、前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度未満に設定されていることを特徴とする、鋼材部品の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鋼材部品の製造方法であって、
前記鋼材は、耐熱軸受鋼であり、前記浸炭ステップにおける前記鋼材表面の前記炭素濃度が、１．４％〜２．０％の範囲に設定されていることを特徴とする、鋼材部品の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の鋼材部品の製造方法であって、
前記浸炭ステップにおける前記鋼材表面の前記炭素濃度が、１．７％〜２．０％の範囲に設定されていることを特徴とする、鋼材部品の製造方法。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の鋼材部品の製造方法であって、
前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が前記範囲の上限値に設定され、前記拡散促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が前記範囲の下限値に設定されていることを特徴とする、鋼材部品の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の鋼材部品の製造方法であって、
前記浸炭ステップが実施される時間は、前記拡散ステップが実施される時間よりも短く設定されていることを特徴とする、鋼材部品の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の鋼材部品の製造方法であって、
複数の前記拡散促進工程において後の前記拡散促進工程になるほど、１回の前記拡散促進工程の実施時間が長くなるように設定されていることを特徴とする、鋼材部品の製造方法。
【請求項８】
熱処理室と、
前記熱処理室を加熱するヒータと、
前記熱処理室内へ浸炭用ガスを供給するガス供給部と、
前記熱処理室内を吸引するための吸引部と、
前記ガス供給部および前記吸引部を制御する制御部と、を含み、
前記制御部は、前記熱処理室内に配置された鋼材を所定の浸炭温度で浸炭させる浸炭ステップにおいて、前記鋼材表面に炭素を浸入させる浸炭促進工程と、前記鋼材表面から前記鋼材内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程と、を交互に行わせ、前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が、前記鋼材に炭化物を析出する炭素濃度以上で、且つ、前記鋼材の限界炭素濃度以下となるように、前記熱処理室内の雰囲気を制御するように構成されていることを特徴とする、浸炭炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材部品の製造方法、および、浸炭炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材部品における曲げ疲労強度、および、耐摩耗性等の向上を目的として、鋼材部品の表面に、真空浸炭処理を行うことがある。真空浸炭処理では、真空（減圧）の雰囲気で且つ高温に維持された熱処理炉内に、浸炭用の浸炭用ガスが供給される。この処理により、鋼材部品の表面の炭素含有量を増加させる。
【０００３】
より具体的には、真空浸炭処理では、浸炭期と拡散期とが存在する（例えば、特許文献１参照）。浸炭期では、鋼材が真空中で８５０℃〜１０５０℃の浸炭温度まで加熱され、均熱状態に達した時点で浸炭性ガスが加熱室内に供給されると共に、加熱室内が浸炭処理温度に維持された状態で所定の減圧下で所定時間保持される。これにより、鋼材中に炭素が浸入する。また、拡散期では、浸炭用ガスの供給が停止されて真空下（約０.０２ｋＰa）で所定時間真空状態が保持されることにより、鋼材中に炭素が拡散される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７１７５６号公報（［０００２］段落）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
真空浸炭処理においては、浸炭と拡散とを繰返し行って炭素原子を鋼材に十分に浸透および拡散させた後、鋼材表面の炭素濃度をより低い値にするために、長時間連続して拡散処理を行う。このような工程によって、鋼材部品への浸炭処理が完了する。このような浸炭処理において、セメンタイトの析出を抑制するために、表面炭素濃度をできるだけ低くした状態で浸炭と拡散を繰返すことが知られている。しかしながら、浸炭処理においてセメンタイトの析出を抑制するために表面炭素濃度の上限を低い値にした場合、炭素原子を鋼材表面に浸透させるのに時間がかかり、鋼材部品の処理時間が長くなってしまう。
【０００６】
特に、耐熱軸受鋼の一種であるＭ５０ＮｉＬは、ＳＣＭ４３５等の一般的な鋼材に比べて、網目状のセメンタイトが析出し易い。セメンタイトが析出しやすい種類の鋼材は、浸炭処理においてセメンタイトの析出を抑制するために、表面炭素濃度をより低くする必要があり、より一層、浸炭処理にかかる時間が長くなってしまう。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１では、浸炭処理の時間を短くする観点の言及はされていない。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みることにより、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くすることのできる、鋼材部品の製造方法、および、浸炭炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
通常、浸炭処理において、セメンタイトの析出を抑制するためには、浸炭処理時における鋼材部品の表面炭素濃度の上限を、Ａｃｍ点での炭素濃度未満に設定する。一方で、本願発明者は、鋭意研究の結果、浸炭処理時間を短縮するために、セメンタイトが析出すると考えられるような高い表面炭素濃度範囲で浸炭および拡散を繰返すという発想を得て、本願発明を想到した。
【００１０】
（１）上記の課題を解決するための、この発明のある局面に係わる鋼材部品の製造方法は、鋼材表面に炭素を浸入させる浸炭促進工程と、前記鋼材表面から前記鋼材内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程と、を所定の浸炭温度で交互に繰り返す浸炭ステップと、前記浸炭ステップの後に前記鋼材表面の炭素濃度を前記拡散促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度よりも低くする拡散ステップと、を含み、前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が、前記鋼材に炭化物を析出する炭素濃度以上で、且つ、前記鋼材の限界炭素濃度以下に設定されている。
【００１１】
なお、「限界炭素濃度」とは、鋼材に析出した炭化物を、拡散ステップを経て実質的に消去できる状態となるときの炭素濃度の上限値をいう。また、「実質的に」とは、拡散ステップを経た後の鋼材における炭化物の割合が数％未満であることをいう。この限界炭素濃度として、当該限界炭素濃度を決定するための実験によって求めた値が用いられる場合がある。
【００１２】
この構成によると、浸炭促進工程における鋼材表面の炭素濃度を、鋼材に炭化物が析出する炭素濃度以上に設定することで、浸炭促進工程における、鋼材への炭素原子の浸入速度をより高くできる。これにより、浸炭ステップにかかる時間が短くて済む。また、浸炭促進工程における鋼材表面の炭素濃度が、鋼材の限界炭素濃度以下に設定されている。これにより、鋼材への浸炭処理の完了時（拡散ステップの完了時）に、鋼材にセメンタイトが析出することを、より確実に抑制できる。なお、浸炭促進工程における鋼材の表面炭素濃度が、鋼材に炭化物が析出する炭素濃度以上に設定されることで、浸炭ステップでは、鋼材に網目状セメンタイトが生じる。しかしながら、浸炭促進工程における鋼材表面の炭素濃度を鋼材の限界炭素濃度以下にすることで、拡散ステップにおいて、この網目状セメンタイトを球状化させることができる。その結果、拡散ステップの完了時における鋼材内のセメンタイトの析出量をより確実に抑制できる。以上の次第で、本発明によると、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くすることのできる、鋼材部品の製造方法を実現できる。
【００１３】
（２）前記拡散促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が、前記鋼材に炭化物を析出する炭素濃度以上で、且つ、前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度未満に設定されている場合がある。
【００１４】
この場合、拡散促進工程において、鋼材表面の炭素濃度が低下しすぎることを抑制できる結果、鋼材の浸炭処理にかかる合計の処理時間が長くならずに済む。
【００１５】
（３）前記鋼材は、耐熱軸受鋼であり、前記浸炭ステップにおける前記鋼材表面の前記炭素濃度が、１．４％〜２．０％の範囲に設定されている場合がある。
【００１６】
この場合、浸炭ステップにおける鋼材表面の炭素濃度の下限を上記の値にすることで、浸炭にかかる合計の処理時間をより短くできる。また、浸炭ステップにおける鋼材表面の炭素濃度の上限を上記の値にすることで、浸炭処理完了後の鋼材におけるセメンタイトの析出を抑制できる。その結果、鋼材に浸炭処理を施す際において、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭にかかる合計の処理時間をより短くできる。特に、鋼材がＭ５０ＮｉＬ材である場合、浸炭ステップにおいて、拡散促進工程の時間が短くても、セメンタイトの球状化が進む。その結果、鋼材表面の炭素濃度が高い範囲で浸炭ステップが行われても、拡散ステップの完了後に鋼材にセメンタイトが析出することは抑制される。
【００１７】
（４）前記浸炭ステップにおける前記鋼材表面の前記炭素濃度が、１．７％〜２．０％の範囲に設定されている場合がある。
【００１８】
この場合、浸炭ステップにおける鋼材表面の炭素濃度の下限を上記の値にすることで、浸炭にかかる合計の処理時間をより一層短くできる。また、浸炭ステップにおける鋼材表面の炭素濃度の上限を上記の値にすることで、浸炭処理完了後の鋼材におけるセメンタイトの析出をより確実に抑制できる。
【００１９】
（５）前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が前記範囲の上限値に設定され、前記拡散促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が前記範囲の下限値に設定されている場合がある。
【００２０】
この場合、浸炭ステップにおいて、炭素濃度の制御に設定される値を僅か２つの値にできる。これにより、浸炭促進工程における炭素濃度の制御、および、拡散促進工程における炭素濃度の制御の双方を、より簡素にできる。
【００２１】
（６）前記浸炭ステップが実施される時間は、前記拡散ステップが実施される時間よりも短く設定されている場合がある。
【００２２】
この場合、浸炭ステップにおいて鋼材表面の炭素濃度が高くされていることにより、より迅速に炭素原子を鋼材に浸透および拡散させることができる。その結果、鋼材におけるセメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くできる。また、鋼材がＭ５０ＮｉＬ材であれば、拡散処理時間が短くても、セメンタイトの粒状化を十分に促進できる。
【００２３】
（７）複数の前記拡散促進工程において後の前記拡散促進工程になるほど、１回の前記拡散促進工程の実施時間が長くなるように設定されている場合がある。
【００２４】
この場合、浸炭ステップが進行するほど、鋼材における炭素原子の含有量が多くなり、炭素原子の拡散にかかる時間がより多くなる。このような浸炭処理の特性を踏まえて、例えば、拡散推進工程１回の時間を、当該拡散推進工程の直前における１回の拡散推進工程の時間よりも長く設定することで、鋼材への炭素原子の拡散度合いをより確実に高めることができる。
【００２５】
（８）上記の課題を解決するための、この発明のある局面に係わる浸炭炉は、熱処理室と、前記熱処理室を加熱するヒータと、前記熱処理室内へ浸炭用ガスを供給するガス供給部と、前記熱処理室内を吸引するための吸引部と、前記ガス供給部および前記吸引部を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記熱処理室内に配置された鋼材を所定の浸炭温度で浸炭させる浸炭ステップにおいて、前記鋼材表面に炭素を浸入させる浸炭促進工程と、前記鋼材表面から前記鋼材内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程と、を交互に行わせ、前記浸炭促進工程における前記鋼材表面の前記炭素濃度が、前記鋼材に炭化物を析出する炭素濃度以上で、且つ、前記鋼材の限界炭素濃度以下となるように、前記熱処理室内の雰囲気を制御するように構成されている。
【００２６】
この構成によると、浸炭炉で上記の浸炭ステップを行う際、浸炭ステップの拡散促進工程をより短時間で済ませることができる。また、浸炭ステップの拡散促進工程が短時間であっても、当該拡散促進工程においてセメンタイトの粒状化が進む結果、表面炭素濃度が高い範囲で浸炭促進工程を実施しても浸炭処理の完了後においてセメンタイトの析出量を抑制できる。以上の次第で、本発明によると、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くすることのできる、浸炭炉を実現できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る浸炭炉の模式図である。
【図２】鋼材の浸炭処理時における時間と表面炭素濃度との関係を示すグラフ、および、鋼材の浸炭処理時における時間と熱処理室内の温度との関係を示すグラフである。
【図３】図２のグラフＧ１の浸炭ステップを拡大した図である。
【図４】浸炭炉における浸炭処理動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５（Ａ）は、鋼材に浸炭ステップを施したときの鋼材の断面図である。図５（Ｂ）は、鋼材に浸炭ステップに続いて拡散ステップを施したときの鋼材の断面図である。
【図６】図６（Ａ）は、比較例１の顕微鏡写真を示す図である。図６（Ｂ）は、実施例１の顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、本発明は、鋼材部品の製造方法、および、浸炭炉として広く適用することができる。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係る浸炭炉１の模式図である。図１を参照して、浸炭炉１は、浸炭用ガスを浸炭炉１の熱処理室２内に導入することで、熱処理室２内に配置された鋼材１００に浸炭処理を行うように構成されている。浸炭用ガスは、炭化水素ガスを含んでいる。浸炭用ガスとして、プロパン、プロピレン、エチレン、および、アセチレンを例示できる。浸炭用ガスとして、上記のガスが適宜選択される。
【００３１】
鋼材１００の材質は、表面に浸炭処理を施されることが可能な耐熱軸受鋼等の鋼材であればよく、特に限定されない。鋼材１００の一例として、Ｍ５０等の耐熱軸受鋼を例示できる。本実施形態では、鋼材１００が、航空機用耐熱軸受鋼であるＭ５０ＮｉＬ（Nickel Low Carbon）材である形態を例に説明する。なお、例えば、Ｍ５０ＮｉＬの成分は、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｃｒ：４．００〜４．２５％、Ｍｏ：４．００〜４．５０％、Ｖ：１．１３〜１．３３％、Ｍｎ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜０．２５％、Ｎｉ：３．２０〜３．６０％、残りの成分がＦｅである。
【００３２】
鋼材１００の形状は、特に限定されないけれども、例えば、軸受の外輪または内輪に相当する円筒形状を挙げることができる。本実施形態では、鋼材１００が四角柱状のブロックである場合を例に説明する。
【００３３】
浸炭処理は、例えば、鋼材１００が配置され且つ雰囲気が約９３０℃に加熱された熱処理室２内に、浸炭用ガスを供給する処理を含んでいる。この処理により、炭素原子は、鋼材１００の表面１０１から内部へ浸透および拡散することで鋼材１００の金属部分に固溶する。その結果、炭素原子が固溶した層（浸炭層）が、鋼材１００の表面１０１の近傍に形成される。これにより、鋼材１００の耐摩耗性、および、疲労強度が向上する。
【００３４】
浸炭炉１は、真空浸炭炉であり、熱処理室２内を大気圧から減圧した状態で、鋼材１００に浸炭処理を施す。このように、浸炭炉１は、ガス浸炭炉ではなく真空浸炭炉として設けられている。浸炭炉１は、ガス浸炭炉である場合と比べて、鋼材１００に対してより均等に浸炭処理を施すことができ、且つ、ポテンシャル制御が不要であるというメリットがある。
【００３５】
浸炭炉１は、熱処理室２と、ヒータ３と、熱処理室２内へ浸炭用ガスを供給するガス供給部４と、熱処理室２内を吸引するための吸引部５と、ヒータ３、ガス供給部４および吸引部５を制御する制御部６と、を有している。
【００３６】
熱処理室２は、鋼材１００を収容する収容室として設けられている。熱処理室２は、中空状に形成されており、図示しない扉を通して鋼材１００を出し入れすることが可能に構成されている。鋼材１００を収容した状態の熱処理室２内に、ガス供給部４から浸炭用ガスが供給される。また、熱処理室２は、気密構造を有しており、真空雰囲気を形成可能である。熱処理室２内の浸炭用ガスおよび鋼材１００は、ヒータ３によって加熱される。ヒータ３は、たとえば、電熱ヒータなどであり、熱処理室２内に配置されている。ヒータ３は、熱処理室２内の鋼材１００および浸炭用ガスを、浸炭処理に必要な温度（例えば、約９３０℃程度）に加熱する。
【００３７】
ガス供給部４は、供給管８と、マスフローセンサ１０と、電磁弁１１と、を有している。
【００３８】
供給管８の一端は、浸炭用ガスが貯められたガスタンク７に接続されている。また、供給管８の他端は、熱処理室２に接続されており、ガスタンク７からの浸炭用ガスは、熱処理室２に供給される。供給管８の途中部に、マスフローセンサ１０、および、電磁弁１１が接続されている。
【００３９】
マスフローセンサ１０は、供給管８における浸炭用ガスの流量を検出するために設けられている。マスフローセンサ１０は、電磁弁１１に対して、供給管８における浸炭用ガスの流れ方向の上流側に配置されている。マスフローセンサ１０は、たとえば、熱式流量センサである。マスフローセンサ１０は、浸炭用ガスの検出流量を示す信号を、制御部６へ出力する。電磁弁１１は、供給管８における浸炭用ガスの流量を調整するために設けられている。電磁弁１１は、たとえば、ソレノイドなどのアクチュエータを有しており、このアクチュエータの動作によって、当該電磁弁１１の開度が設定される。電磁弁１１は、制御部６によって制御される。より具体的には、電磁弁１１は、マスフローセンサ１０で検出された浸炭用ガスの流量と、制御部６で設定された浸炭用ガスの目標流量との差分がゼロとなるように動作する。
【００４０】
吸引部５は、排気管１２と、電磁弁１３と、吸引ポンプ１４と、を有している。
【００４１】
熱処理室２内のガス（排気）は、排気管１２を通して熱処理室２の外部に排出される。排気管１２の一端は、熱処理室２に接続されており、熱処理室２内に開放されている。排気管１２の途中部には、電磁弁１３および吸引ポンプ１４が接続されている。
【００４２】
電磁弁１３は、排気管１２を開閉するために設けられている。電磁弁１３は、たとえば、ソレノイドなどのアクチュエータを有しており、このアクチュエータの動作によって、当該電磁弁１３が開状態または閉状態に設定される。電磁弁１３は、制御部６によって開閉制御される。なお、電磁弁１３は、開度調整可能に構成されていてもよい。電磁弁１３の開度調整が行われる場合、電磁弁１３は、アクチュエータの動作によって、所定の開度に設定される。
【００４３】
吸引ポンプ１４は、熱処理室２内を減圧（大気圧より低い圧力）にするために設けられている。吸引ポンプ１４は、真空ポンプ等の、気体を熱処理室２から吸引して排気管１２の下流側に吐出するポンプである。吸引ポンプ１４の駆動によって、熱処理室２内の気圧が、大気圧より低い減圧状態（真空状態を含む）にされる。吸引ポンプ１４は、制御部６によって駆動制御される。
【００４４】
制御部６は、熱処理室２内の温度を制御する機能と、ガスタンク７から熱処理室２へ供給される浸炭用ガスの供給態様を制御する機能と、熱処理室２内の気圧を制御する機能と、を実現するように構成されている。制御部６は、マスフローセンサ１０、電磁弁１１、ヒータ３、電磁弁１３、および、吸引ポンプ１４に接続されている。制御部６は、マスフローセンサ１０からの、浸炭用ガスの流量検出結果を用いて、電磁弁１１、および、吸引ポンプ１４等を制御する。このような制御によって、制御部６は、鋼材１００への浸炭処理を制御する。本実施形態では、電磁弁１３は、鋼材１００への浸炭処理時には常時開かれており、浸炭処理時以外は閉じられている。
【００４５】
制御部６は、所定の入力信号に基づいて、所定の出力信号を出力する構成を有し、たとえば、安全プログラマブルコントローラなどを用いて形成することができる。安全プログラマブルコントローラとは、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｃ ０５０８−１のＳＩＬ２またはＳＩＬ３の安全機能をもつ公的に認証されたプログラマブルコントローラをいう。なお、制御部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）を含むコンピュータ等を用いて形成されていてもよい。
【００４６】
図２は、鋼材１００の浸炭処理時における時間ＴＭと鋼材１００の表面１０１の炭素濃度Ｃとの関係を示すグラフＧ１、および、鋼材１００の浸炭処理時における時間ＴＭと熱処理室２内の温度ＴＰとの関係を示すグラフＧ２である。図３は、図２のグラフＧ１における浸炭ステップを拡大した図である。
【００４７】
図１〜図３を参照して、制御部６は、グラフＧ１，Ｇ２で示される特性が実現するよう、電磁弁１１，１３、および、吸引ポンプ１４を制御する。本実施形態では、鋼材１００の浸炭処理時の浸炭温度ＴＰ１は、約９３０℃の一定温度に維持される。
【００４８】
制御部６によって制御される鋼材１００の浸炭処理方法は、浸炭ステップと、拡散ステップと、を含んでいる。
【００４９】
浸炭ステップは、鋼材１００の表面１０１に炭素を浸入させる浸炭促進工程（浸炭工程）と、鋼材１００の表面１０１から鋼材１００の内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程（拡散工程）と、を所定の浸炭温度ＴＰ１で交互に繰返すステップである。この浸炭ステップでは、鋼材１００は、当該鋼材１００の表面１０１から所定の浸炭深さまで炭素原子を浸入されることで、上記所定の浸炭深さを有する浸炭層を形成される。浸炭ステップでは、鋼材１００の表面１０１の炭素濃度Ｃが所定の低値ＣＬと高値ＣＨとの間で繰返し変化される。なお、本明細書では、鋼材１００の表面１０１の炭素濃度Ｃを、表面炭素濃度Ｃともいう。
【００５０】
浸炭ステップでは、鋼材１００に炭化物が析出するような高い表面炭素濃度Ｃを発生させつつ浸炭促進工程および拡散促進工程を行うことで、表面炭素濃度Ｃをスイングさせる。
【００５１】
表面炭素濃度Ｃのこの低値ＣＬは、鋼材１００の内部へ炭素を十分に拡散することができるとともに浸炭ステップにかかる時間をより短くする観点から設定されることが好ましい。この低値ＣＬは、好ましくは、１．４％であり、より好ましくは、１．７％である。低値ＣＬは、鋼材１００に炭化物を析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ以下であってもよいし、この炭素濃度Ｃｐｒｅ以上（本実施形態では、約１．６％以上）であってもよい。本実施形態では、低値ＣＬは、炭素濃度Ｃｐｒｅより大きい１．７％に設定されている。
【００５２】
上記の高値ＣＨは、鋼材１００に炭化物を析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ以上で、且つ、鋼材１００の限界炭素濃度Ｃｌｉｍ以下に設定されている。なお、「限界炭素濃度」とは、鋼材１００に析出した炭化物を、拡散ステップを経て実質的に消去できる状態となるときの炭素濃度Ｃの上限値をいう。また、「実質的に」とは、拡散ステップを経た後の鋼材１００における炭化物の割合が数％未満（ゼロを含む）であることをいう。この限界炭素濃度Ｃｌｉｍとして、当該限界炭素濃度Ｃｌｉｍを決定するための模擬浸炭炉による実験によって求めた値が用いられる場合がある。高値ＣＨおよび限界炭素濃度Ｃｌｉｍは本実施形態では、２．０％である。なお、表面炭素濃度Ｃが限界炭素濃度Ｃｌｉｍを超えると、例えば、鋼材１００の切断面における２０μｍ四方でのセメンタイトの粒の数が１０個を超える。
【００５３】
このように、浸炭促進工程における鋼材１００の表面１０１の炭素濃度Ｃ（目標浸炭濃度）が、鋼材１００に炭化物を析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ（炭素濃度Ｃｐｒｅの下限）以上で、且つ、鋼材１００の限界炭素濃度Ｃｌｉｍ以下となるように、制御部６が、熱処理室２内の雰囲気を制御する。
【００５４】
このように、本実施形態では、浸炭促進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが、高値ＣＨに設定され、この高値ＣＨが、限界炭素濃度Ｃｌｉｍと同じ２．０％に設定されている。また、拡散推進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが、低値ＣＬに設定され、この低値ＣＬが１．７％に設定されている。まとめると、浸炭ステップにおける表面炭素濃度Ｃは、好ましくは、１．４％〜２．０％の範囲に設定され、本実施形態では、１．７％〜２．０％の範囲に設定される。このように、例えば、浸炭促進工程における表面炭素濃度Ｃの目標値は、上記範囲の上限である２．０％（高値ＣＨ）に設定され、また、拡散推進工程における表面炭素濃度Ｃの目標値は、上記範囲の下限である１．４％〜１．７％（低値ＣＬ）の範囲に設定される。
【００５５】
浸炭ステップの浸炭促進工程は、熱処理室２内が大気圧より低い所定の気圧Ｐ１に減圧された状態で、熱処理室２内に浸炭用ガスを供給する工程である。グラフＧ１では、浸炭促進工程は、時間の経過に伴い表面炭素濃度Ｃが上昇する期間として示されている。浸炭促進工程では、ガスタンク７の浸炭用ガスは、供給管８を通って熱処理室２内に供給され、鋼材１００の表面１０１に曝される。
【００５６】
浸炭促進工程では、吸引ポンプ１４が駆動されることで、熱処理室２内は大気圧から気圧Ｐ１に減圧されている。その結果、熱処理室２内のガスは、排気管１２を通って浸炭炉１外に排出される。グラフＧ１から明らかなように、最初から数回目までの浸炭促進工程においては、鋼材１００の表面１０１に曝される浸炭用ガスの総量が十分でなく、浸炭促進工程における表面炭素濃度Ｃは、高値ＣＨまで達しない。そして、浸炭促進工程が行われる回数が増えるに従い、表面１０１に曝される浸炭用ガスの総量がより多くなる。その結果、浸炭促進工程における表面炭素濃度Ｃが高値ＣＨに収束する。そして、浸炭促進工程は、当該浸炭促進工程における表面炭素濃度Ｃが高値ＣＨとなるまで繰り返される。グラフＧ１では、一例として、浸炭促進工程が十数回繰返されることで、表面炭素濃度Ｃが高値ＣＨに到達する場合を示している。
【００５７】
浸炭ステップの拡散促進工程は、熱処理室２内が浸炭促進工程時の気圧Ｐ１よりもさらに低い気圧で且つ実質的に真空（気圧Ｐ２、Ｐ２＜Ｐ１）に減圧された状態において、熱処理室２内への浸炭用ガスの供給を停止する工程である。その結果、拡散推進工程では、鋼材１００の内部における炭素原子の拡散が促進される。グラフＧ１では、拡散促進工程は、時間の経過に伴い表面炭素濃度Ｃが低下する期間として示されている。
【００５８】
拡散促進工程では、供給管８の電磁弁１１が閉じられることでガスタンク７から熱処理室２内への浸炭用ガスの供給が遮断される。熱処理室２内のガスは、排気管１２を通って浸炭炉１外に排出される。また、拡散促進工程では、吸引ポンプ１４が駆動されることで、熱処理室２内のガスは、排気管１２を通って強制的に熱処理室２外に排出される。グラフＧ１から明らかなように、最初から数回目までの拡散促進工程においては、表面炭素濃度Ｃは、低値ＣＬまでは低下しない。そして、拡散促進工程が行われる回数が増えるに従い、１回の拡散促進工程で鋼材１００内に拡散される炭素原子の量がより多くなる。そして、最終的に、１回毎の拡散促進工程における表面炭素濃度Ｃが低値ＣＬに収束する。また、拡散促進工程は、当該拡散促進工程における表面炭素濃度Ｃが低値ＣＬとなるまで繰り返される。グラフＧ１では、一例として、拡散促進工程が十数回繰返されることで、表面炭素濃度Ｃが低値ＣＬに到達する場合を示している。
【００５９】
なお、本実施形態では、浸炭促進工程において表面炭素濃度Ｃが高値ＣＨに到達し、且つ、拡散推進工程において表面炭素濃度Ｃが低値ＣＬに到達するまで、浸炭促進工程と拡散推進工程とが繰返される形態を例に説明する。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、複数の浸炭促進工程において表面炭素濃度Ｃが連続して高値ＣＨに到達し、且つ、複数の拡散推進工程において表面炭素濃度Ｃが連続して低値ＣＬに到達するまで、浸炭推進工程および拡散推進工程が繰返されてもよい。その他、表面炭素濃度Ｃの目標値を高値ＣＨと低値ＣＬとにして、浸炭促進工程と拡散促進工程とが行われれば、上述の方法以外の方法で浸炭ステップが行われてもよい。
【００６０】
浸炭促進工程の繰り返し回数が多くなっても、１回あたりの浸炭促進工程の実施期間は、実質的に同じである。一方、拡散推進工程の繰り返し回数が多くなるほど、１回あたりの拡散促進工程の実施期間は、長くなる。この理由として、浸炭ステップが進行するほどに鋼材１００における炭素原子の拡散量が多くなり、炭素原子の拡散にかかる時間がより多くなることを挙げることができる。また、拡散推進工程１回の時間は、当該拡散推進工程の直前における１回の浸炭推進工程の時間よりも長く設定されている。
【００６１】
上記の浸炭ステップにおける最後の拡散推進工程が完了すると、次に、拡散ステップが実行される。拡散ステップは、浸炭ステップの直後のステップであり、鋼材１００の表面炭素濃度Ｃを拡散促進工程における表面炭素濃度Ｃよりも低くするステップである。
【００６２】
拡散ステップは、表面炭素濃度Ｃを、浸炭処理完了時の値Ｃｅｎｄ（例えば０．６％〜０．８％程度）に低下させる処理である。拡散ステップは、浸炭ステップの拡散促進工程での処理と同様に、熱処理室２内が浸炭促進工程時の気圧Ｐ１よりもさらに低い気圧で且つ実質的に真空に減圧された状態において、熱処理室２内への浸炭用ガスの供給を停止する工程である。その結果、拡散ステップでは、鋼材１００の内部における炭素原子の拡散がより一層促進される。拡散ステップにおける熱処理室２内の気圧は、拡散促進工程における熱処理室２内の気圧と同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００６３】
グラフＧ１では、拡散ステップは、時間の経過に伴い表面炭素濃度Ｃが低下しＣｅｎｄへ収束する期間として示されている。拡散ステップでは、拡散促進工程と同様に、ガス供給部４の電磁弁１１が閉じられることで、ガスタンク７から熱処理室２内への浸炭用ガスの供給が遮断される。熱処理室２内のガスは、排気管１２を通って浸炭炉１外に排出される。また、拡散ステップでは、吸引ポンプ１４が駆動されることで、熱処理室２内のガスは、排気管１２を通って強制的に熱処理室２外に排出される。グラフＧ１から明らかなように、拡散ステップの初期では、鋼材１００内部への炭素原子の拡散度合いが大きく、その結果、表面炭素濃度Ｃの低下速度が比較的高い。そして、拡散ステップが進行するに従い、鋼材１００における単位時間当たりの炭素原子の拡散速度が低下する。そして、表面炭素濃度Ｃが最終目標値Ｃｅｎｄに到達した時点で、拡散ステップが完了する。
【００６４】
浸炭ステップが実施される時間ＴＭ１は、拡散ステップが行われる時間ＴＭ２よりも短く設定されている。浸炭ステップが実施される時間ＴＭ１と、拡散ステップが実施される時間ＴＭ２との比率は、例えば、ＴＭ１：ＴＭ２＝１：５〜１０程度に設定され、本実施形態では、この比率は約１：６に設定されている。本実施形態では、浸炭ステップは、約８００分程度に設定され、拡散ステップは、約５０００分程度に設定されている。このように、一時的に網目状セメンタイトが析出するように浸炭ステップで浸炭を行うことで、短時間で十分な浸炭層を形成できる。そして、析出したセメンタイトを拡散ステップで球状化させることで、浸炭処理後の鋼材１００におけるセメンタイトの析出を抑制している。
【００６５】
制御部６は、浸炭ステップの浸炭促進工程、拡散促進工程、および、拡散ステップのそれぞれにおいて浸炭炉１が前述した態様となるよう、各部を制御する。制御部６は、鋼材１００の浸炭処理において、予め設定されたプログラムに従って一義的に浸炭炉１の各部を制御してもよい。また、制御部６は、熱処理室２内の温度および鋼材１００の表面炭素濃度Ｃを測定しながら浸炭炉１の各部を制御してもよい。
【００６６】
以上が、浸炭処理方法の概要である。次に、浸炭炉１における浸炭処理動作の一例を説明する。図４は、浸炭炉１における浸炭処理動作の一例を説明するためのフローチャートである。なお、フローチャートを参照しながら説明する場合、フローチャート以外の図も適宜参照しながら説明する。
【００６７】
浸炭炉１で鋼材１００を浸炭処理する場合、まず、事前準備が行われる（ステップＳ１）。事前準備では、作業者が熱処理室２内に鋼材１００を配置し、その後、制御部６の制御によってヒータ３がオンにされることで、熱処理室２内の雰囲気が浸炭温度ＴＰ１にまで加熱される。
【００６８】
事前準備が完了すると、制御部６が、当該制御部６に設けられているカウンタの計測値ｎを１にリセットする（ステップＳ２）。
【００６９】
次に、浸炭ステップのｎ回目の浸炭促進工程が行われる（ステップＳ３）。浸炭促進工程では、制御部６は、電磁弁１１，１３を開き、さらに、吸引ポンプ１４を駆動する。これにより、熱処理室２内の気圧が所定の減圧値Ｐ１となり、且つ、ガスタンク７から浸炭用ガスが熱処理室２内に供給される。ｎ回目の浸炭促進工程は、例えば、当該ｎ回目の浸炭促進工程の開始から所定時間Δｎ１の間継続されるか、または、表面炭素濃度Ｃが当該ｎ回目の浸炭促進工程での目標値に到達するまでの間継続される。
【００７０】
次に、浸炭ステップのｎ回目の拡散促進工程が行われる（ステップＳ４）。拡散促進工程では、制御部６は、電磁弁１１を閉じる一方，電磁弁１３は開いたままにし、さらに、吸引ポンプ１４の出力を浸炭促進工程のときの出力よりも大きくする。これにより、熱処理室２内が真空状態となり、且つ、ガスタンク７から熱処理室２内への浸炭用ガスの供給が停止される。ｎ回目の拡散促進工程は、例えば、当該ｎ回目の拡散促進工程の開始から所定時間Δｎ２の間継続されるか、または、表面炭素濃度Ｃが当該ｎ回目の拡散促進工程での目標値に到達するまでの間継続される。上記所定時間Δｎ２は、ｎの値が増すに従い大きくなる。上記ステップＳ３，Ｓ４が、本発明の「浸炭ステップ」の一例である。
【００７１】
次に、制御部６は、浸炭ステップを完了するか否かを判定する（ステップＳ５）。制御部６は、例えば、カウンタ値ｎが所定値に達していない場合、浸炭ステップが完了していないと判断し（ステップＳ５でＮＯ）、カウンタ値ｎを１つ足すインクリメント処理を行う（ステップＳ６）。その後、再びステップＳ３〜Ｓ５の処理が行われる。
【００７２】
一方、制御部６は、カウンタ値ｎが所定値に達すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、拡散ステップを実行する（ステップＳ７）。拡散ステップでは、制御部６は、拡散促進工程と同様の状態を維持する。すなわち、電磁弁１１の閉状態および電磁弁１３の開状態を維持し、さらに、吸引ポンプ１４の出力を維持させる。これにより、熱処理室２内の真空状態が維持され、且つ、ガスタンク７から熱処理室２内への浸炭用ガスの供給が停止されたままとなる。拡散ステップは、例えば、拡散ステップの開始から所定時間継続されるか、または、表面炭素濃度Ｃの計測値が最終目標値Ｃｅｎｄに到達するまでの間継続される。
【００７３】
そして、拡散ステップが完了すると、停止処理が行われる（ステップＳ８）。停止処理では、制御部６は、拡散ステップにおける制御態様からの変更点として、ヒータ３をオフにするとともに、電磁弁１３を閉じ、さらに、吸引ポンプ１４を停止する。その結果、グラフＧ２に示されているように、熱処理室２内の温度は、時間の経過と共に低下する。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態によると、浸炭促進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃを、鋼材１００に炭化物が析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ以上に設定することで、浸炭促進工程における、鋼材１００への炭素原子の浸入速度をより高くできる。これにより、浸炭ステップにかかる時間が短くて済む。また、浸炭促進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが、鋼材１００の限界炭素濃度Ｃｌｉｍ以下に設定されている。これにより、鋼材１００への浸炭処理の完了時（ステップＳ８の完了時）に、鋼材１００にセメンタイトが析出することを、より確実に抑制できる。なお、浸炭促進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが、鋼材１００に炭化物が析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ以上に設定されることで、浸炭ステップでは、鋼材に網目状セメンタイトが生じる。しかしながら、浸炭促進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃを鋼材１００の限界炭素濃度Ｃｌｉｍ以下にすることで、拡散ステップにおいて、この網目状セメンタイトを球状化させることができる。その結果、拡散ステップの完了時における鋼材１００内のセメンタイトの析出量をより確実に抑制できる。以上の次第で、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くすることのできる、鋼材部品の製造方法を実現できる。
【００７５】
例えば、浸炭処理時に常時、鋼材１００に炭化物が析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ未満にした場合の処理時間が約１００００分であった場合に比べて、本実施形態では、浸炭処理時間が約５８００分と、浸炭処理時間を４０％以上削減することができる。
【００７６】
また、本実施形態によると、鋼材１００の表面１０１に浸透する炭素量および、鋼材１００の内部に拡散する炭素量を制御できるので、浸炭処理におけるトータルの浸炭ガス使用量をより少なくできる。
【００７７】
また、本実施形態によると、拡散促進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが、鋼材１００に炭化物を析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ以上で、且つ、浸炭促進工程における表面炭素濃度Ｃ未満に設定されている。この構成によると、拡散促進工程において、鋼材１００の表面炭素濃度がＣ低下しすぎることを抑制できる結果、鋼材１００の浸炭処理にかかる合計の処理時間が長くならずに済む。
【００７８】
また、本実施形態によると、鋼材１００はＭ５０ＮｉＬ材であり、浸炭ステップにおける表面炭素濃度Ｃが、１．４％〜２．０％の範囲に設定されており、より好ましくは、１．７％〜２．０％の範囲に設定されている。この構成によると、浸炭ステップにおける鋼材１００の表面炭素濃度Ｃの下限を上記の値にすることで、浸炭処理にかかる合計の処理時間をより短くできる。また、浸炭ステップにおける鋼材１００の表面炭素濃度Ｃの上限を上記の値にすることで、浸炭処理完了後の鋼材１００におけるセメンタイトの析出を抑制できる。その結果、鋼材１００に浸炭処理を施す際において、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計の処理時間をより短くできる。特に、鋼材１００がＭ５０ＮｉＬ材である場合、浸炭ステップにおいて、拡散促進工程の時間が短くても、セメンタイトの球状化が進む。その結果、鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが高い範囲で浸炭ステップが行われても、拡散ステップの完了後に鋼材１００にセメンタイトが析出することは抑制される。
【００７９】
また、本実施形態によると、浸炭促進工程における表面炭素濃度Ｃが上記の範囲の上限値に設定され、拡散促進工程における表面炭素濃度Ｃが上記の範囲の下限値に設定されている。この構成によると、浸炭ステップにおいて、表面炭素濃度Ｃの制御に設定される目標値を僅か２つの値（１．４％または１．７％と、２．０％の２種類の値）にできる。これにより、浸炭促進工程における表面炭素濃度Ｃの制御、および、拡散促進工程における表面炭素濃度Ｃの制御の双方を、より簡素にできる。
【００８０】
また、本実施形態によると、浸炭ステップが実施される時間ＴＭ１は、拡散ステップが実施される時間ＴＭ２よりも短く設定されている。この構成によると、浸炭ステップにおいて鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが高くされていることにより、より迅速に炭素原子を鋼材１００に浸透および拡散させることができる。その結果、鋼材１００におけるセメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くできる。また、鋼材１００がＭ５０ＮｉＬ材であれば、拡散処理時間が短くても、セメンタイトの粒状化を十分に促進できる。
【００８１】
また、本実施形態によると、複数の拡散促進工程において後の拡散促進工程になるほど、１回の拡散促進工程の実施時間Δｎ２が長くなるように設定されている。この構成によると、浸炭ステップが進行するほど、鋼材１００における炭素原子の含有量が多くなり、炭素原子の拡散にかかる時間がより多くなる。このような浸炭処理の特性を踏まえて、拡散推進工程１回の時間を、当該拡散推進工程の直前における１回の拡散推進工程の時間よりも長く設定することで、鋼材１００への炭素原子の拡散度合いをより確実に高めることができる。
【００８２】
また、本実施形態によると、制御部６は、浸炭促進工程における鋼材１００の表面炭素濃度Ｃが、鋼材１００に炭化物を析出する炭素濃度Ｃｐｒｅ以上で、且つ、鋼材１００の限界炭素濃度ｌｉｍ未満となるように、熱処理室２内の雰囲気を制御する。この構成によると、浸炭炉１で浸炭ステップを行う際、浸炭ステップの拡散促進工程をより短時間で済ませることができる。また、浸炭ステップの拡散促進工程が短時間であっても当該拡散促進工程においてセメンタイトの粒状化が進む結果、表面炭素濃度Ｃが高い範囲で浸炭促進工程を実施しても浸炭処理の完了後においてセメンタイトの析出量を抑制できる。以上の次第で、セメンタイトの析出を抑制しつつ、浸炭処理にかかる合計時間をより短くすることのできる、浸炭炉１を実現できる。
【００８３】
以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限られない。本発明は、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。
【実施例】
【００８４】
＜試験１＞
（セメンタイト析出抑制効果の実証１）
鋼材であるＭ５０ＮｉＬ材に浸炭ステップおよび拡散ステップの順に熱処理を施した。浸炭ステップでは、鋼材の表面における浸炭用ガスの炭素濃度（表面炭素濃度）を１．４％とし、浸炭温度を９３０℃、浸炭時間を約１０分間とした。また、拡散ステップでは、拡散時間を約２２分間とし、鋼材の表面炭素濃度が１．１５％となるまで処理を継続した。
【００８５】
結果を図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）は、鋼材に浸炭ステップを施したときの鋼材の断面図である。図５（Ｂ）は、鋼材に浸炭ステップに続いて拡散ステップを施したときの鋼材の断面図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）のそれぞれにおいて、鋼材の左端は、鋼材の表面であり、図の右側に進むに従い鋼材表面からの深さが深くなっている。
【００８６】
図５（Ａ）に示すように、浸炭ステップの完了時には、鋼材内部に網目状のセメンタイトが生じている。一方、図５（Ｂ）に示すように、拡散ステップの完了時には、鋼材内部には、網目状のセメンタイトに代って、粒状セメンタイトが生じている。このように、拡散ステップが短時間であっても、網目状セメンタイトの析出を抑制できることが実証された。
【００８７】
＜試験２＞
（セメンタイト析出抑制効果の実証２）
鋼材であるＭ５０ＮｉＬ材に浸炭ステップおよび拡散ステップを含む浸炭処理を行うことで、実施例１を作製した。浸炭ステップは、鋼材表面に炭素を浸入させる浸炭促進工程と、鋼材表面から鋼材内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程と、を所定の浸炭温度（９３０℃）で交互に繰り返すステップである。拡散ステップは、浸炭ステップの後に鋼材表面の炭素濃度を拡散促進工程における鋼材表面の炭素濃度よりも低くするステップである。
【００８８】
また、浸炭促進工程における鋼材表面の炭素濃度を、鋼材の限界炭素濃度よりも高くした点以外は実施例１と同様の工程で浸炭処理した鋼材であるＭ５０ＮｉＬ材を、比較例１とした。
【００８９】
そして、実施例１および比較例１のそれぞれについて、切断面における顕微鏡写真を撮影し、セメンタイトの析出度合いを測定した。結果を図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示す。図６（Ａ）は、比較例１の顕微鏡写真を示す図である。図６（Ｂ）は、実施例１の顕微鏡写真を示す図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）では、それぞれ、図の右上に、２０μｍを単位とするスケールが示されている。そして、図６（Ａ）に示すように、比較例１では、鋼材に析出したセメンタイトが白い斑点状に多数表れており、セメンタイトが多数析出していることが明らかである。一方、図６（Ｂ）に示すように、実施例１では、セメンタイトが白い斑点状に僅かに表れているものの、図から明らかなように、セメンタイトの析出量は比較例１と比べて顕著に少なく、実質的に無視できる。このように、鋼材の浸炭処理において、鋼材表面の炭素濃度を鋼材の限界炭素濃度以下にすることでセメンタイトの析出を顕著に抑制できることが実証された。
【００９０】
＜試験３＞
鋼材であるＭ５０ＮｉＬ材に浸炭ステップおよび拡散ステップを含む浸炭処理を行うことで、実施例２〜実施例７を作製した。浸炭ステップは、鋼材表面に炭素を浸入させる浸炭促進工程と、鋼材表面から鋼材内部へ炭素を拡散させる拡散促進工程と、を所定の浸炭温度（９３０℃）で交互に繰り返すステップである。拡散ステップは、浸炭ステップの後に鋼材表面の炭素濃度を拡散促進工程における鋼材表面の炭素濃度よりも低くするステップである。
【００９１】
また、浸炭促進工程における鋼材の表面炭素濃度（高値）、および、拡散促進工程におえける鋼材の表面炭素濃度（低値）を実施例２〜実施例７とは異ならせた条件で浸炭処理を行うことで、比較例２〜比較例４を作製した。なお、実施例２〜実施例７および、比較例２〜比較例４のそれぞれにおける、鋼材の表面炭素濃度の低値と高値は、以下の通りである。
【００９２】
鋼材の表面炭素濃度の低値（％）〜高値（％）
比較例２                        ０．８５〜１．３
比較例３                        １．４  〜２．１
実施例２                        １．４  〜２．０
実施例３                        １．４  〜１．９
実施例４                        １．７  〜２．０
実施例５                        １．６  〜２．０
実施例６                        １．５  〜２．０
実施例７                        １．４  〜２．０
比較例４                        ０．８  〜２．０
【００９３】
実施例２〜７および比較例２〜４のそれぞれについて、浸炭処理にかかった時間を、実施例２での時間との比で算出し、浸炭処理合計時間比として集計した。浸炭処理合計時間比は、１．０５未満であれば○の評価とし、１．０５以上を×と評価した。また、実施例２〜７および比較例２〜４のそれぞれについて、セメンタイトの析出量を判定した。セメンタイトの析出量は、鋼材を電子顕微鏡で観察することにより目視で判定し、セメンタイトの析出量が明らかに多い場合を×とし、セメンタイトの析出が、鋼材の機械的性質に実質的に影響を与えない場合を○と判定した。結果を表１に示す。
【００９４】
【表１】
2018188691.tif 000003
【００９５】
表１から明らかなように、比較例２，４では、浸炭処理合計時間比が１．０５を大きく超えている。特に、比較例２は、浸炭処理全般を通じて表面炭素濃度が鋼材に炭化物を析出する炭素濃度未満であったため、浸炭処理に時間がかかり、その結果、浸炭処理合計時間比が実施例２の約１７０％となった。一方、実施例２〜７は、何れも、浸炭処理合計時間比が実質的に１であり、浸炭処理にかかる時間が極めて短いことが実証された。特に、表面浸炭濃度の下値を１．７％とし、上値を２．０％とした実施例４は、浸炭処理にかかる時間が顕著に短いことが実証された。
【００９６】
また、表１から明らかなように、比較例３ではセメンタイトが鋼材の広範囲に析出されており、機械的性質に明確に影響が出ることが実証された。なお、比較例２の切断面の模様は、比較例１における切断面の模様と略同様である。一方、実施例２〜７は何れも、セメンタイトの析出量が僅かであり、鋼材の機械的性質に実質的に影響を与えるものでないことが実証された。なお、実施例２〜７のそれぞれの切断面の模様は、実施例１における切断面の模様と略同様である。
【００９７】
以上の次第で、実施例２〜７について、浸炭処理にかかる時間が短く、且つ、セメンタイト（網目状セメンタイト）の析出が抑制されていることが実証された。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、鋼材部品の製造方法、および、真空浸炭炉として、広く適用することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１  浸炭炉
２  熱処理室
３  ヒータ
４  ガス供給部
５  吸引部
６  制御部
１００  鋼材
１０１  鋼材の表面
Ｃ  鋼材表面の炭素濃度
Ｃｐｒｅ  鋼材に炭化物を析出する炭素濃度
Ｃｌｉｍ  鋼材の限界炭素濃度
ＴＭ１  浸炭ステップが実施される時間
ＴＭ２  拡散ステップが実施される時間
【図１】
2018188691.tif 000004
【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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