(57)【要約】【課題】鉄鋼素材からなるワークの所定部位への過剰浸炭を抑制した浸炭処理方法における全体の処理時間を短縮した浸炭処理方法を提供することを課題とする。【解決手段】鉄鋼素材からなるワーク１に炭素を浸透拡散させる、浸炭処理方法であって、ワーク１における任意の一部の箇所に脱炭処理を行って、当該任意の一部の箇所に脱炭処理が行われたワーク１を得る脱炭工程Ｓ１と、当該脱炭処理が行われたワーク１に浸炭処理Ｓ２を行う浸炭工程と、を具備する。【選択図】図１
2011012335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼素材からなるワークに炭素を浸透拡散させる、浸炭処理方法であって、
前記ワークにおける任意の一部の箇所に脱炭処理を行って、該任意の一部の箇所に脱炭処理が行われたワークを得る、脱炭工程と、
前記脱炭処理が行われたワークに浸炭処理を行う、浸炭工程と、
を具備する、浸炭処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼素材からなるワークに炭素を浸透拡散させる、浸炭処理方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄鋼素材からなるワークに炭素を浸透拡散させてワークの表層部分を硬化させる浸炭処理方法に関する技術は公知となっている。当該浸炭処理方法によって炭素を浸透させたワークのエッジ部では、ワークの平坦部に比べてその炭素濃度が高くなっている。これは、ワークのエッジ部では、ワークの平坦部に比べて、ワーク内への炭素の拡散可能な領域が小さく、ワーク内へ炭素が拡散しにくいためである。
そして、ワークのエッジ部に炭素が過剰に浸透した場合には、当該ワークを冷却した際に、ワークのエッジ部にセメンタイトが過剰に残留することによって当該エッジ部はもろく割れやすくなり、ひいてはワークの品質が低下してしまうこととなる。
【０００３】
また、鉄鋼素材からなるワークに炭素を浸透拡散させる浸炭処理方法であって、ワークに浸炭処理を行う浸炭工程と、浸炭処理が行われたワークに脱炭処理を行う脱炭工程と、脱炭処理が行われたワークに拡散処理を行う拡散工程と、を具備する浸炭処理方法の技術は公知となっている。例えば、特許文献１に示す如くである。
このような浸炭処理方法は、浸炭工程と拡散工程との間に脱炭工程を行うことによって、ワークのエッジ部への過剰浸炭を抑制し、炭素が浸透拡散されたワークの品質を向上させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１５８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、当該ワークのエッジ部への過剰浸炭を抑制した浸炭処理方法の脱炭工程は、浸炭処理が行われたワーク全体に脱炭処理を行うものである。つまり当該浸炭処理方法の脱炭工程では、脱炭処理が行われる必要の無い箇所（ワークの平面部）まで脱炭処理が行われている。
このため、当該浸炭処理方法の脱炭工程では、ワークの脱炭処理が行われる必要の無い箇所において、その炭素濃度が所望の濃度より低くなってしまう場合がある。このような場合には、当該脱炭処理が行われる必要の無い箇所の炭素濃度を所望の濃度となるように、前記脱炭処理が行われたワークに改めて浸炭処理を行う必要がある。
もっとも、当該浸炭処理方法の浸炭工程は、ワーク全体に浸炭処理を行うものである。つまり前記脱炭工程の後に行われる浸炭工程は、脱炭処理が行われる必要のある箇所（ワークのエッジ部）まで浸炭処理が行われている。
このため、当該改めて浸炭処理が行われたワークの脱炭処理が行われる必要のある箇所において、その炭素濃度が所望の濃度より高くなってしまう場合がある。このような場合には、当該脱炭処理が行われる必要のある箇所の炭素濃度を所望の濃度となるように、前記浸炭処理が行われたワークにさらに脱炭処理を行う必要がある。
【０００６】
このように当該浸炭処理方法では、ワークにおける所定の部位における炭素濃度を所望の濃度にするためには、脱炭処理と浸炭処理とを複数回繰り返し行う必要があり、結果として浸炭処理方法における全体の処理時間が長くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、ワークの所定部位への過剰浸炭を抑制した浸炭処理方法における全体の処理時間を短縮した浸炭処理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】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００９】
即ち、請求項１においては、鉄鋼素材からなるワークに炭素を浸透拡散させる、浸炭処理方法であって、前記ワークにおける任意の一部の箇所に脱炭処理を行って、該任意の一部の箇所に脱炭処理が行われたワークを得る、脱炭工程と、前記脱炭処理が行われたワークに浸炭処理を行う、浸炭工程と、を具備するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１１】
即ち、本発明に係る浸炭処理方法によれば、過剰浸炭を抑制した浸炭処理方法における全体の処理時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る浸炭処理方法の実施形態におけるフロー図。
【図２】本発明に係る浸炭処理方法の第一実施形態に用いられるワークの斜視図。
【図３】（ａ）はワークを加熱する状態を示す模式図、（ｂ）は脱炭工程を行う温度プロファイルを示す図。
【図４】（ａ）は加熱されるワークの温度状態を示す図、（ｂ）は加熱後のワークにおける炭素濃度分布を示す図。
【図５】（ａ）は浸炭工程を行う温度プロファイルを示す図、（ｂ）浸炭工程後のワークにおける炭素濃度分布を示す図。
【図６】（ａ）従来の浸炭処理方法を行う温度プロファイルを示す図、（ｂ）従来の浸炭処理方法における処理時間と、本発明に係る浸炭処理方法における処理時間とを示した図。
【図７】本発明に係る浸炭処理方法の第二実施形態に用いられるワークの斜視図。
【図８】（ａ）はワークを加熱する状態を示す模式図、（ｂ）は脱炭工程を行う温度プロファイルを示す図。
【図９】（ａ）は加熱されるワークの温度状態を示す図、（ｂ）は加熱後のワークにおける炭素濃度分布を示す図。
【図１０】浸炭工程後のワークにおける硬さ分布を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る浸炭処理方法の第一実施形態を、図１から図６を用いて説明する。
本発明の第一実施形態における浸炭処理方法は、ワークに炭素を浸透拡散させる浸炭処理方法であって、図１に示す如く、脱炭工程Ｓ１と、浸炭工程Ｓ２と、を具備する。なお以下において、本実施形態の浸炭処理方法でワークに浸透拡散させる炭素の浸炭深さは、ワークの表面から０．５ｍｍであるものとして説明する。
【００１４】
脱炭工程Ｓ１について説明する。脱炭工程Ｓ１とは、ワークにおける任意の一部の箇所に脱炭処理を行って、該任意の一部の箇所に脱炭処理が行われたワークを得る工程である。
【００１５】
ここで、ワーク１とは、図２に示す如く、鉄鋼素材からなる浸炭処理の対象物を示し、上下方向に長い直方体に形成される。
また、ワーク１はエッジ部１０と平坦部１１とを有する。ワーク１のエッジ部１０とは、ワーク１における面体と面体との各境界部分のエッジ状の部分を示す。ワーク１の平坦部１１とは、ワーク１における側面のうち、エッジ部１０以外の部分である平坦状の部分を示す。
【００１６】
脱炭工程Ｓ１の脱炭処理は、ワーク１における上面と各側面とで構成するエッジ部（以下、上エッジ部１２と称する）、及び、ワーク１における下面と各側面とで構成するエッジ部（下エッジ部１３と称する）を、それぞれ所定の条件で加熱することによって、上エッジ部１２及び下エッジ部１３を脱炭（上エッジ部１２及び下エッジ部１３の炭素濃度を低く）するものである。なお、図４及び図５中のＥは、ワークのエッジ部１０のうち脱炭処理が行われる上エッジ部１２及び／又は下エッジ部１３の状態を示している。また、図４及び図５中の部分Ｆは、ワークの平坦部１１の状態を示している。
【００１７】
ワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３との加熱は、まず、図３（ａ）に示す如く、ワーク１の上エッジ部１２の外周、及び、ワーク１の下エッジ部１３の外周に高周波加熱装置のコイル３・３をそれぞれ配置する。そして、当該ワーク１の上エッジ部１２及びワーク１の下エッジ部１３を、自然雰囲気中で高周波加熱装置によって加熱する。
前記高周波加熱装置によるワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３の加熱は、図３（ｂ）に示す如く、ワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３を９００℃に昇温させ、当該９００℃となった状態を６０秒間保持することによって行われる。そして、係る加熱が終了した後、ワーク１を空冷する。
【００１８】
脱炭工程Ｓ１が行われているワーク１では、図４（ａ）に示す如く、その上エッジ部１２及び下エッジ部１３の温度は、９００℃まで上昇し、当該９００℃を６０秒間保持し、その後下降することとなる。
また、脱炭工程Ｓ１が施されたワーク１では、図４（ｂ）に示す如く、その上エッジ部１２及び下エッジ部１３の炭素濃度は、表面からの距離０．３ｍｍより深いところでは略３％で一定であるが、表面からの距離０．３ｍｍから表面に行くにしたがって減少し、当該表面では略０．１％となっている。つまり、脱炭工程Ｓ１が行われたワーク１では、その上エッジ部１２及び下エッジ部１３の炭素濃度は、表面に行くにしたがって低くなっている。
このようにしてワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３を加熱することによって、当該上エッジ部１２及び下エッジ部１３が酸化して、上エッジ部１２及び下エッジ部１３内の炭素が外部に拡散し、その炭素濃度が低くなっている。つまり、ワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３を加熱することによって、当該上エッジ部１２及び下エッジ部１３は脱炭されている。
【００１９】
もっとも、脱炭工程Ｓ１が行われたワーク１であっても、図４（ａ）に示す如く、その平坦部１１の温度は、ワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３を加熱する前の温度とほぼ変化なく一定となっている。
また、脱炭工程Ｓ１が行われたワーク１では、図４（ｂ）に示す如く、その平坦部１１の炭素濃度は、表面からの距離０．３ｍｍより深いところであっても、表面からの距離０．３ｍｍから表面であっても、略０．３％で殆ど一定となっている。
【００２０】
このように、脱炭工程Ｓ１では、ワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３には脱炭処理が行われているが、ワーク１の平坦部１１には脱炭処理が行われていない。つまり、脱炭工程Ｓ１では、ワーク１を全体的に加熱してこれを脱炭処理するものではなく、
過剰浸炭が生じやすい上エッジ部１２や下エッジ部１３などのワーク１の局所（任意の一部の箇所）を加熱して当該局所（任意の一部の箇所）に脱炭処理を行うものである。
【００２１】
浸炭工程Ｓ２について説明する。浸炭工程Ｓ２とは、脱炭工程Ｓ１にて脱炭処理が行われたワーク１に浸炭処理を行う工程である。
浸炭工程Ｓ２は、所定のワークに炭素を浸透拡散させる浸炭用の処理炉を用いて行う。浸炭工程Ｓ２では、炭酸水素系ガス雰囲気中の前記処理炉内に脱炭工程Ｓ１にて脱炭処理が行われたワーク１を配置してこれを加熱し、その後これを冷却（焼入れ）することによって、ワーク１の全体に対して浸炭処理を行う。
【００２２】
前記処理炉によるワーク１の加熱は、図５（ａ）に示す如く、ワーク１の温度を９５０℃に昇温させ、ワーク１が９５０℃となった状態を６６０秒間保持することによって行う。ワーク１が９５０℃となった状態を保持する時間：６６０秒は、炭素を浸透させる時間：２４０秒と、浸透した炭素を拡散させる時間：４２０秒との合計の時間であって、ワーク１に浸透拡散させる炭素の浸炭深さをワークの表面から０．５ｍｍとするための処理時間である。
【００２３】
このようにして浸炭工程Ｓ２が行われたワーク１では、図５（ｂ）に示す如く、ワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３の炭素濃度と、ワーク１の平坦部１１の炭素濃度とが略同一となっている。つまり、このようにして浸炭工程Ｓ２が行われたワーク１の上エッジ部１２及び下エッジ部１３には、セメンタイトが無い状態となっている。
したがって、本実施形態における浸炭処理方法によれば、ワーク１のエッジ部１０（上エッジ部１２及び下エッジ部１３）に過剰に浸炭が浸透することを抑制して、ワーク１のエッジ部１０（上エッジ部１２及び下エッジ部１３）にセメンタイトが過剰に残留することを抑制し、ワークの品質を向上させることができる。
【００２４】
ここで、図６（ａ）に示す如く、従来における浸炭処理方法であって、ワークにおける所定の部位における炭素濃度を所望の濃度にするために、脱炭処理と浸炭処理とを複数回繰り返した後に拡散処理を行う必要がある浸炭処理方法によって、ワークに浸透拡散させる炭素の浸炭深さをワークの表面から０．５ｍｍとするためには、ワーク１の温度を９５０℃に昇温させ、ワーク１が９５０℃となった状態を１４００秒間保持する必要がある。
もっとも、本実施形態の浸炭処理方法によって、ワークに浸透拡散させる炭素の浸炭深さをワークの表面から０．５ｍｍとするためには、７２０秒（脱炭工程Ｓ１：６０秒と浸炭工程Ｓ２：６６０秒との合計時間）で行うことができる。
つまり、本実施形態の浸炭処理方法によれば、従来の浸炭処理方法の処理時間に比べて略５０％の処理時間で浸炭処理を行うことができる（図６（ｂ）参照）。
したがって本実施形態の浸炭処理方法によれば、ワーク１の所定部位への過剰浸炭を抑制するとともに、浸炭処理方法における全体の処理時間を短縮することができる。
【００２５】
次に、本発明に係る浸炭処理方法の第二実施形態を、図７から図１０を用いて説明する。
なお、本実施形態における浸炭処理方法は、第一実施形態における浸炭処理方法と同様の工程で行われる部分があるため、本実施形態における浸炭処理方法の説明は、第一実施形態における浸炭処理方法と同様の工程で行われる部分については適宜省略し、第一実施形態における浸炭処理方法と異なる工程で行われる部分を中心に説明する。
【００２６】
まず、本実施形態に用いられるワーク２について説明する。
ワーク２は、図７に示す如く、鉄鋼素材からなる浸炭処理の対象物を示し、硬さ必要部２０と硬さ不要部２１とから構成される。ワーク２の硬さ必要部２０とは、本実施形態における浸炭処理方法によってその表層部分を硬化させたい部分をいい、円柱状に形成される。ワーク２の硬さ不要部２１とは、本実施形態における浸炭処理方法によってその表層部分を硬化させたくない部分をいい、前記硬さ必要部２０の底面よりも大きい上面を備える円柱状に形成される。つまり、硬さ不要部２１は硬さ必要部２０よりも大径の円柱状に形成されている。そして、ワーク２は、硬さ必要部２０の底面と硬さ不要部２１の上面とを互いに一致させ、これらを一体的にして構成されている。
【００２７】
脱炭工程Ｓ１の脱炭処理は、ワーク２の硬さ不要部２１を所定の条件で加熱することによって、当該硬さ不要部２１を脱炭（硬さ不要部２１の炭素濃度を低く）するものである。なお、図９及び図１０中のＮは、ワーク２の硬さ必要部２０の状態を示している。また、図９及び図１０中のＵは、ワーク２の硬さ不要部２１の状態を示している。
【００２８】
ワーク２の硬さ不要部２１の加熱は、まず、図８（ａ）に示す如く、ワーク２の硬さ不要部２１の外周に高周波加熱装置のコイル３を配置する。そして、当該ワーク２の硬さ不要部２１を、自然雰囲気中で高周波加熱装置によって加熱する。
前記高周波加熱装置によるワーク２の硬さ不要部２１の加熱は、図８（ｂ）に示す如く、ワーク２の硬さ不要部２１を９００℃に昇温させ、当該９００℃となった状態を１８０秒間保持することによって行われる。そして、係る加熱が終了した後、ワーク２を空冷する。
【００２９】
脱炭工程Ｓ１が行われているワーク２では、図９（ａ）に示す如く、その硬さ不要部２１の温度は、９００℃まで上昇し、当該９００℃を１８０秒間保持し、その後下降することとなる。
また、脱炭工程Ｓ１が施されたワーク２では、図９（ｂ）に示す如く、その硬さ不要部２１の炭素濃度は、表面からの距離０．３ｍｍより深いところでは略３％で一定であるが、表面からの距離０．３ｍｍから表面に行くにしたがって減少し、当該表面では略０．１％となっている。つまり、脱炭工程Ｓ１が行われたワーク２では、その硬さ不要部２１の炭素濃度は、表面に行くにしたがって低くなっている。
このようにしてワーク２の硬さ不要部２１を加熱することによって、当該硬さ不要部２１が酸化して、硬さ不要部２１内の炭素が外部に拡散し、その炭素濃度が低くなっている。つまり、ワーク２の硬さ不要部２１を加熱することによって、当該硬さ不要部２１は脱炭されている。
【００３０】
もっとも、脱炭工程Ｓ１が行われたワーク２であっても、図９（ａ）に示す如く、その硬さ必要部２０の温度は、ワーク２の硬さ不要部２１を加熱する前の温度とほぼ変化なく一定となっている。
また、脱炭工程Ｓ１が行われたワーク２では、図９（ｂ）に示す如く、その硬さ必要部２０の炭素濃度は、表面からの距離０．３ｍｍより深いところであっても、表面からの距離０．３ｍｍから表面であっても、略０．３％で殆ど一定となっている。
【００３１】
このように、脱炭工程Ｓ１では、ワーク２の硬さ不要部２１には脱炭処理が行われているが、ワーク２の硬さ必要部２０には脱炭処理が行われていない。つまり、脱炭工程Ｓ１では、ワーク２を全体的に加熱してこれを脱炭処理するものではなく、硬さ不要部２１などのワーク２の局所（任意の一部の箇所）を加熱して当該局所（任意の一部の箇所）に脱炭処理を行うものである。
【００３２】
このようにして脱炭工程Ｓ１が行われたワーク２について浸炭工程Ｓ２を行い、ワーク２の全体に対して浸炭処理を施す。
浸炭工程Ｓ２が行われたワーク２では、図１０に示す如く、脱炭処理が施されていない硬さ必要部２０は、通常の浸炭処理と同様に硬化することとなるが、脱炭処理が施された硬さ不要部２１は、脱炭処理が行われているため、当該硬さ必要部２０ほど硬化されていないこととなる。
このようにして、本実施形態の浸炭処理方法によれば、ワーク２の局所（硬さ不要部２１）に脱炭工程Ｓ１を行って、さらにこれに浸炭工程Ｓ２を行うことにより、ワーク２において硬化した部分と、硬化していない部分とを容易に作り出すことができる。
また、本実施形態の浸炭処理方法により硬化した部分（硬さ必要部２０）と硬化していない部分（硬さ不要部２１）とを容易に作り出したワーク２では、その後の工程において、ワーク２の硬化していない部分（硬さ不要部２１）の切削や研磨等の機械加工が容易となり、当該機械加工を行う費用を削減することができる。
また、本実施形態における浸炭処理方法によれば、ワーク２の硬さ不要部２１に防炭処理を行うことなくこれを硬化させないようにすることができるため、防炭処理を行う費用を削減することができる。
【００３３】
なお、脱炭工程Ｓ１で行われるワーク１・２の加熱は、高周波加熱装置で行われることに特に限定するものではなく、レーザ加熱装置、電子ビーム装置、又は、通電加熱装置等によって当該ワーク１・２を加熱しても良いものとする。
【符号の説明】
【００３４】
１    ワーク
２    ワーク
１０    エッジ部
１１    平坦部
２０    硬さ必要部
２１    硬さ不要部
【図１】
2011012335.tif 000003
【図２】
2011012335.tif 000004
【図３】
2011012335.tif 000005
【図４】
2011012335.tif 000006
【図５】
2011012335.tif 000007
【図６】
2011012335.tif 000008
【図７】
2011012335.tif 000009
【図８】
2011012335.tif 000010
【図９】
2011012335.tif 000011
【図１０】
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