(57)【要約】【課題】特別な工程を経ることなく、浸炭条件を変化させるだけで、部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）を調節することができ、これにより、特に歯元における曲げ疲労強度の大きい歯車を製造することが可能となる、鋼製部材の浸炭方法を提供する。【解決手段】本発明に係る鋼製部材の浸炭方法においては、雰囲気圧力を低圧力条件にした浸炭炉の内部に浸炭ガスを充満させ、前記浸炭炉の内部に歯車を送入して行うのである。そして、前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量を６０Ｌ／分以下とすることが望ましい。より望ましくは、前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量を２０Ｌ／分以下とすることが望ましい。この場合、前記浸炭ガスは１００％のアセチレンＣ２Ｈ２を用いることが望ましい。【選択図】図４
2011032556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気圧力条件を低圧力条件にした浸炭炉の内部に浸炭ガスとして炭化水素系ガスを充満させて、前記浸炭炉の内部に、溝部を有する鋼製部材を送入して行う、鋼製部材の浸炭方法であって、
前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記炭化水素系ガスの流量を６０Ｌ／分以下とする、
ことを特徴とする、鋼製部材の浸炭方法。
【請求項２】
前記鋼製部材は歯車である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の鋼製部材の浸炭方法。
【請求項３】
前記炭化水素系ガスとして１００％のＣ２Ｈ２を用いる、
ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の鋼製部材の浸炭方法。
【請求項４】
前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記炭化水素系ガスの流量を２０Ｌ／分以下とする、
ことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の鋼製部材の浸炭方法。
【請求項５】
前記浸炭炉の内部における浸炭温度を１０５０度以上とする、
ことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の鋼製部材の浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製部材の浸炭方法に関し、詳しくは、浸炭処理の対象である鋼製部材において、部分的に浸炭深さを変更する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼製部材に施す表面硬化法の一つとして浸炭処理が知られており、該浸炭処理は機械部品として用いられる歯車にも適用されている。浸炭処理においては、被処理物である鉄鋼材料を、アセチレン等の炭化水素系ガスを充満させた浸炭炉に送入して、被処理物の表面に炭素を侵入・拡散させ、その後焼入れ硬化を行う技術である。これにより、被処理物の靭性を確保しつつ表面の耐磨耗性を向上させるのである。このような一般的な鋼製部材の浸炭方法においては、浸炭深さは被処理物の全体に亘って均一となるため、部分的に浸炭深さの異なる部品を製造することは難しかった。
【０００３】
また、歯車のように溝部を有する鋼製部材に関しては一般的に、突出部（歯車の場合は歯面。以下、歯面とする。）においては面圧疲労強度が、基端部（歯車の場合は歯元。以下、歯元とする。）においては曲げ疲労強度が求められる。そして、歯面における面圧疲労強度を向上させるためには前記浸炭処理が有効であり、一方、歯元における曲げ疲労強度を向上させるためには圧縮残留応力を付与することが有効である。ここで、歯元において圧縮残留応力を付与するためには、前記浸炭処理における浸炭深さを歯元において浅くする（浸炭濃度勾配を大きくする）ことが望ましい。
【０００４】
上記の如く部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）の異なる部品を製造することを目的として、被処理物の表面に酸化皮膜を形成した後に真空浸炭を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３１５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記従来技術の如く、被処理物の表面に酸化皮膜を形成した後に真空浸炭を行う方法においては、酸化皮膜の厚さを０．０５μｍから５μｍの範囲内とするような緻密な制御が求められ、この範囲から外れると所望の効果を得ることは難しい。
【０００７】
一方、酸化皮膜は一般的には浸炭を阻害する原因となり、また、酸化皮膜の形成状態は被処理物の表面性状の影響を強く受け、さらに、部分的に酸化皮膜を形成することは技術的に難しい。即ち、上記従来技術によって、部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）の異なる部品を製造することは品質管理上困難であった。
【０００８】
そこで本発明では、上記現状に鑑み、特別な工程を経ることなく、浸炭条件を変化させるだけで、部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）を調節することができ、これにより、特に基端部（歯元）における曲げ疲労強度の大きい鋼製部材（歯車）を製造することが可能となる、鋼製部材の浸炭方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
即ち、請求項１においては、雰囲気圧力条件を低圧力条件にした浸炭炉の内部に浸炭ガスとして炭化水素系ガスを充満させて、前記浸炭炉の内部に、溝部を有する鋼製部材を送入して行う、鋼製部材の浸炭方法であって、前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記炭化水素系ガスの流量を６０Ｌ／分以下とするものである。
【００１１】
請求項２においては、前記鋼製部材は歯車であるものである。
【００１２】
請求項３においては、前記炭化水素系ガスとして１００％のＣ２Ｈ２を用いるものである。
【００１３】
請求項４においては、前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記炭化水素系ガスの流量を２０Ｌ／分以下とするものである。
【００１４】
請求項５においては、前記浸炭炉の内部における浸炭温度を１０５０度以上とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
本発明により、特別な工程を経ることなく、浸炭条件を変化させるだけで、部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）を調節することができ、これにより、特に歯元における曲げ疲労強度の大きい歯車を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本発明の被処理物である歯車を切出したテストピースを示す図、（ｂ）は浸炭炉を示した概略図、（ｃ）は本発明の一実施形態における加熱サイクルを示した図。
【図２】本発明の被処理物である歯車の拡大断面図。
【図３】本発明に係る第一の実験条件と第一の実験結果を示した図。
【図４】本発明に係る第一の実験における浸炭ガスの流量と歯元部分の浸炭深さの関係を示した図。
【図５】本発明に係る第二の実験条件と第二の実験結果を示した図。
【図６】本発明に係る第二の実験における浸炭ガスの濃度と歯元部分の浸炭深さの関係を示した図。
【図７】本発明に係る第三の実験条件と第三の実験結果を示した図。
【図８】本発明に係る第三の実験における浸炭ガスの濃度と歯元部分の浸炭深さの関係を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。
【００１９】
［第一実験］
本発明の一実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法に関して本願出願人が行った第一の実験について、図１を用いて説明する。
本実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法においては、被処理物として溝部を有する鋼製部材が用いられる。本実験においては図１（ａ）に示す如く、材質がＳＣＭ４２０の歯車から切出したテストピースＴＰを被処理物とした。なお、被処理物は歯車に限定されるものではなく、ボルトやナット等、溝部が形成される部材であれば、本発明を適用することができる。
【００２０】
そして、図１（ｂ）に示す如く、前記テストピースＴＰを、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２が濃度１００％で充満した浸炭炉内に送入した後、ヒーターで加熱することにより、前記テストピースＴＰに対する浸炭処理を行った。浸炭条件は図１（ｃ）に示すように、浸炭温度を９５０度とした。浸炭炉内は、雰囲気圧力を５００Ｐａ程度の低圧力条件とした。前記浸炭炉は、内部が約直径８ｃｍ、高さが約１．５ｍの円筒状に形成されており、容積が約７．５×１０−３ｍ３であるものを使用した。
なお、前記浸炭ガスはアセチレンＣ２Ｈ２に限定されるものではなく、メタンＣＨ４、エチレンＣ２Ｈ４、プロパンＣ３Ｈ８、ブタンＣ４Ｈ１０など、他の炭化水素系ガスを用いることも可能である。
【００２１】
本願出願人が行った第一の実験については、試験Ｎｏ．１から試験Ｎｏ．５までの５種類の前記テストピースＴＰを用意して、それぞれについて条件を変えて浸炭処理を行った。具体的には図３に示すように、前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量を、試験Ｎｏ．１のテストピースＴＰについては５Ｌ／分とし、以下試験Ｎｏ．２から試験Ｎｏ．５のテストピースＴＰまでは順に、１０Ｌ／分、２０Ｌ／分、６０Ｌ／分、１００Ｌ／分としたのである。例えば、試験Ｎｏ．５のテストピースＴＰの場合は、浸炭炉の容積が約７．５×１０−３ｍ３であるので、前記浸炭ガスの流量を１００Ｌ／分×７．５×１０−３ｍ３＝約０．７５Ｌ／分としたのである。なお、試験Ｎｏ．５のテストピースＴＰの条件は、従来品を製造する条件と同一である。
【００２２】
次に、本実験に係る鋼製部材の浸炭方法に関する結果を、図２から図４を用いて説明する。
本明細書に係る各実験については図２に示す如く、テストピースＴＰである歯車について、歯部の突出部分（歯面）における浸炭部分の深さを歯面深さとして、歯部の基端部分（歯元）における浸炭部分の深さを歯元深さとして測定した。
【００２３】
そして、上記のように浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量を変化させてテストピースＴＰに対する浸炭処理を行ったことにより、図３及び図４に示す如く歯元深さを変化させることができた。具体的には、各試験Ｎｏ．におけるテストピースＴＰの歯面深さが０．５０ｍｍの一定値となるように浸炭処理を行った場合の歯元深さを、試験Ｎｏ．１から試験Ｎｏ．５のテストピースＴＰの順に、０．１９ｍｍ、０．３２ｍｍ、０．３６ｍｍ、０．４４ｍｍ、０．４７ｍｍと変化させることができたのである。
換言すれば、前記浸炭ガスの流量を少なくすることにより、歯面深さに対して歯元深さを小さくすることができたのである。これは、浸炭ガスの流量が少なくなることにより、浸炭ガスが歯元部分に到達しにくくなる影響であると考えられる。
【００２４】
なお、本実験においては、浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量を変化させる構成としたが、浸炭ガスを歯元部分に到達し難くなるような他の構成をとることも可能である。具体的には、テストピースＴＰの表面近傍における浸炭ガスの流量を制御する方法や、単位時間・単位表面積あたりにおけるテストピースＴＰの浸炭前後の重量増加量（Ｆ値）を制御する方法も可能である。
【００２５】
上記の如く、本実験に係る鋼製部材の浸炭方法を用いることにより、歯元部分の浸炭濃度分布を調節することができたのである。これにより、歯元において充分な圧縮残留応力を付与することができるため、歯元における曲げ疲労強度の大きい歯車を製造することが可能となるのである。
【００２６】
本実験において具体的には、浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける浸炭ガスの流量を１００Ｌ／分とした試験Ｎｏ．５のテストピースＴＰは、−１１０２ｋＮ／ｍｍ２の圧縮残留応力を付与したのに対し、流量を２０Ｌ／分とした試験Ｎｏ．３のテストピースＴＰは、−１３３０ｋＮ／ｍｍ２の圧縮残留応力を付与することができたのである。
【００２７】
上記の如く、本発明に係る鋼製部材の浸炭方法においては、雰囲気条件を低圧力条件にした浸炭炉の内部に浸炭ガスを充満させ、前記浸炭炉の内部に歯車を送入して行うのである。そして、上記実験結果より、浸炭ガスの流量を少なくして浸炭ガスを歯元部分に到達しにくくさせるため、前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量を６０Ｌ／分以下とすることが望ましい。具体的に本実験における浸炭炉においては、浸炭炉の容積が約７．５×１０−３ｍ３であるので、前記浸炭ガスの流量を６０Ｌ／分×７．５×１０−３ｍ３＝約０．４５Ｌ／分とするのである。
また、より望ましくは、浸炭ガスの流量をより少なくして浸炭ガスを歯元部分に到達しにくくさせるため、前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量を２０Ｌ／分以下とすることが望ましい。具体的に本実験における浸炭炉においては、前記浸炭ガスの流量を２０Ｌ／分×７．５×１０−３ｍ３＝約０．１５Ｌ／分とするのである。
また、このように、浸炭ガスの流量を従来の浸炭処理における流量（１ｍ３あたり１００Ｌ／分）よりも少なくした場合は、前記浸炭ガスとして１００％のアセチレンＣ２Ｈ２を用いることが望ましい。
【００２８】
本実験では上記の如く構成することにより、特別な工程を経ることなく、浸炭条件を変化させるだけで、部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）を調節することができ、これにより、特に歯元における曲げ疲労強度の大きい歯車を製造することができたのである。
【００２９】
［第二実験］
次に、本発明の一実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法に関して本願出願人が行った第二の実験について、図５及び図６を用いて説明する。
本実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法の実験においては、前記第一の実験と同様に、材質がＳＣＭ４２０の歯車から切出したテストピースＴＰを被処理物とした。
そして、前記テストピースＴＰを、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を変えて充満した浸炭炉に送入して、前記テストピースＴＰに対する浸炭を行った。浸炭条件は浸炭温度を９５０度とし、浸炭炉内は、雰囲気圧力を５００Ｐａ程度の低圧力条件とした。前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量は１００Ｌ／分とした。
【００３０】
本願出願人が行った第二の実験については、試験Ｎｏ．１１から試験Ｎｏ．１５までの５種類の前記テストピースＴＰを用意して、それぞれについて条件を変えて浸炭処理を行った。具体的には図５に示すように、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を、試験Ｎｏ．１１のテストピースＴＰについては５％とし、以下試験Ｎｏ．１２から試験Ｎｏ．１５のテストピースＴＰまでは順に、１０％、３０％、５０％、１００％としたのである。前記アセチレンＣ２Ｈ２のうち濃度が１００％未満のものは、窒素Ｎ２、ヘリウムＨｅ、アルゴンＡｒ等の不活性ガスで希釈した。なお、試験Ｎｏ．１５のテストピースＴＰにおける浸炭処理の条件は、従来品を製造する条件と同一である。
【００３１】
次に、本実験に係る鋼製部材の浸炭方法に関する結果を、図５及び図６を用いて説明する。
本実験については図５及び図６に示す如く、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を変化させることにより、歯元深さを変化させることができた。具体的には、各試験Ｎｏ．におけるテストピースＴＰの歯面深さが０．５０ｍｍの一定値となるように浸炭処理を行った場合の歯元深さを、試験Ｎｏ．１１から試験Ｎｏ．１５のテストピースＴＰの順に、０．２３ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．３９ｍｍ、０．４４ｍｍ、０．４７ｍｍと変化させることができたのである。
換言すれば、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を低くすることにより、歯面深さに対して歯元深さを小さくすることができたのである。これは、浸炭ガスの濃度が低くなることにより、浸炭ガスが歯元部分に到達しにくくなる影響であると考えられる。
【００３２】
上記の如く、本実験に係る鋼製部材の浸炭方法を用いることにより、歯元部分の浸炭濃度分布を調節することができたのである。これにより、歯元において充分な圧縮残留応力を付与することができるため、歯元における曲げ疲労強度の大きい歯車を製造することが可能となるのである。
【００３３】
本実験において具体的には、アセチレンＣ２Ｈ２の濃度を１００％とした試験Ｎｏ．１５のテストピースＴＰは、−１１０２ｋＮ／ｍｍ２の圧縮残留応力を付与したのに対し、濃度を３０％とした試験Ｎｏ．１３のテストピースＴＰは、−１３８０ｋＮ／ｍｍ２の圧縮残留応力を付与することができたのである。
【００３４】
上記の如く、本発明に係る鋼製部材の浸炭方法においては、雰囲気条件を低圧力条件にした浸炭炉の内部に浸炭ガスを充満させ、前記浸炭炉の内部に歯車を送入して行のである。そして、上記実験結果より、前記浸炭ガスは濃度５０％以下、より好ましくは濃度１０％以下のアセチレンＣ２Ｈ２を用いることが望ましい。
【００３５】
本実験では上記の如く構成することにより、特別な工程を経ることなく、浸炭条件を変化させるだけで、部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）を調節することができ、これにより、特に歯元における曲げ疲労強度の大きい歯車を製造することができたのである。
【００３６】
［第三実験］
次に、本発明の一実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法に関して本願出願人が行った第三の実験について、図７及び図８を用いて説明する。
本実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法の実験においては、前記第一の実験と同様に、材質がＳＣＭ４２０の歯車から切出したテストピースＴＰを被処理物とした。
そして、前記テストピースＴＰを、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を変えて充満した浸炭炉に送入して、前記テストピースＴＰに対する浸炭を行った。浸炭条件は前記浸炭炉の内部における浸炭温度を１１００度とし、浸炭炉内は雰囲気圧力を５００Ｐａ程度の低圧力条件とした。前記浸炭炉の容積１ｍ３あたりにおける前記浸炭ガスの流量は１００Ｌ／分とした。
【００３７】
本願出願人が行った第三の実験については、試験Ｎｏ．２１から試験Ｎｏ．２５までの５種類の前記テストピースＴＰを用意して、それぞれについて条件を変えて浸炭処理を行った。具体的には図７に示すように、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を、試験Ｎｏ．２１のテストピースＴＰについては５％とし、以下試験Ｎｏ．２２から試験Ｎｏ．２５のテストピースＴＰまでは順に、１０％、３０％、５０％、１００％としたのである。
【００３８】
次に、本実験に係る鋼製部材の浸炭方法に関する結果を、図７及び図８を用いて説明する。
本実験については図７及び図８に示す如く、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を変化させることにより、歯元深さを変化させることができた。具体的には、各試験Ｎｏ．におけるテストピースＴＰの歯面深さが０．５０ｍｍの一定値となるように浸炭処理を行った場合の歯元深さを、試験Ｎｏ．２１から試験Ｎｏ．２５のテストピースＴＰの順に、０．１３ｍｍ、０．２１ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．４６ｍｍ、０．４７ｍｍと変化させることができたのである。換言すれば、浸炭ガスであるアセチレンＣ２Ｈ２の濃度を低くすることにより、歯面深さに対して歯元深さを小さくすることができたのである。
【００３９】
さらに、前記浸炭炉の内部における浸炭温度を１０５０度以上にすることにより、浸炭温度を９５０度とした第二の実験結果と比較して、浸炭深さをさらに小さくすることができたのである。これは、浸炭炉の内部における浸炭温度が高くなることにより、浸炭ガスが歯元部分に到達する前に熱分解されることで、歯元部分に到達しにくくなる影響であると考えられる。
【００４０】
上記の如く、本実験に係る鋼製部材の浸炭方法を用いることにより、歯元部分の浸炭濃度分布を調節することができたのである。これにより、歯元においてさらに大きな圧縮残留応力を付与することができるため、歯元における曲げ疲労強度のより大きい歯車を製造することが可能となるのである。
【００４１】
本実験では上記の如く構成することにより、特別な工程を経ることなく、浸炭条件を変化させるだけで、部分的に浸炭深さ（浸炭濃度分布）を調節することができ、これにより、特に歯元における曲げ疲労強度がさらに大きい歯車を製造することができたのである。
【符号の説明】
【００４２】
ＴＰ    テストピース
【図１】
2011032556.tif 000003
【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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