(57)【要約】【課題】ワークに脱炭処理を施した際にワークの表面が酸化されることを抑制することが可能なワークの製造方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかるワークの製造方法は、ワーク１２に対して脱炭処理をする工程と、脱炭処理されたワーク１２に対して浸窒処理をする工程と、を備え、脱炭処理は、真空引きされた加熱炉１０内に水素ガスを導入しながら実施される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークに対して脱炭処理をする工程と、
前記脱炭処理されたワークに対して浸窒処理をする工程と、を備え、
前記脱炭処理は、真空引きされた加熱炉内に水素ガスを導入しながら実施される、
ワークの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はワークの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料の表面を強化するための処理の一つとして、ワークの表面に浸炭処理および浸窒処理を施すことにより、ワークの表面に硬化層を形成する浸炭浸窒処理が従来から行われている。
【０００３】
特許文献１には、加熱炉に水素ガスと窒素ガスとを導入し、水蒸気分圧と水素分圧とを調整しつつワークの脱炭処理を行い、脱炭したワークに対して窒化処理を行うことによってワークを製造する、ワークの製造方法に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−０６６４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
背景技術で説明したように、特許文献１に開示されている技術では、水蒸気分圧と水素分圧とを調整しつつワークの脱炭処理を行っている。しかしながら、脱炭処理に水蒸気（Ｈ２Ｏ）を用いた場合、水蒸気の影響によりワーク表面が酸化しやすくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、ワークに脱炭処理を施した際にワークの表面が酸化されることを抑制することが可能なワークの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかるワークの製造方法は、ワークに対して脱炭処理をする工程と、前記脱炭処理されたワークに対して浸窒処理をする工程と、を備え、前記脱炭処理は、真空引きされた加熱炉内に水素ガスを導入しながら実施される。
【０００８】
本発明にかかるワークの製造方法では、真空引きされた加熱炉内に水素ガスを導入しながら脱炭処理を行っている。よって、脱炭処理の際にワークの表面が酸化されることを抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、ワークに脱炭処理を施した際にワークの表面が酸化されることを抑制することが可能なワークの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかるワークの製造方法に用いる熱処理装置の模式斜視図である。
【図２】実施の形態１にかかるワークの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】図１におけるワークの領域Ａ１の拡大図であり、脱炭処理を示す模式図である。
【図４】実施例１にかかる浸炭ガス、水素ガスおよび浸窒ガスの導入条件を示すグラフである。
【図５】実施例１にかかるワークの深さ方向における炭素濃度分布を示すグラフである。
【図６】実施例１にかかるワークの深さ方向における窒素濃度分布を示すグラフである。
【図７】実施例２にかかる浸炭ガス、水素ガスおよび浸窒ガスの導入条件を示すグラフである。
【図８】実施例２にかかるワークの深さ方向における炭素濃度分布を示すグラフである。
【図９】実施例２にかかるワークの深さ方向における窒素濃度分布を示すグラフである。
【図１０】比較例１にかかる浸炭ガス、水素ガスおよび浸窒ガスの導入条件を示すグラフである。
【図１１】比較例１にかかるワークの深さ方向における炭素濃度分布を示すグラフである。
【図１２】比較例１にかかるワークの深さ方向における窒素濃度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、図面は適宜、簡略化されている。
なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１にかかるワークの製造方法に用いる熱処理装置の模式斜視図である。図１に示すように、熱処理装置１は加熱炉１０を備える。加熱炉１０の上部にはガスを供給する供給口２１が設けられている。また、加熱炉１０の下部にはガスを排気する排気口２２が設けられている。
【００１３】
加熱炉１０の供給口２１は、浸炭ガス、水素ガスまたは浸窒ガスの供給源（不図示）と接続されている。また、加熱炉１０の排気口２２は、真空ポンプ１１に接続されている。よって、真空ポンプ１１を作動させて加熱炉１０の内部を真空引きすることにより、浸炭ガス、水素ガスまたは浸窒ガスが供給口２１から供給されると共に、排気口２２から排出される。図１では、各ガスの流れの概略を黒矢印によって示す。また、加熱炉１０は、ヒーター（不図示）によって加熱される。
【００１４】
ワーク１２は、加熱炉１０の内部に設けられた載置台（不図示）に載置されている。ワーク１２は、例えば鉄や鉄合金等の鉄系の材料である。熱処理装置１は、加熱炉１０でワーク１２を加熱しながら、供給口２１から浸炭ガス、水素ガス、及び浸窒ガスをそれぞれ導入することで、ワーク１２の表面１３に対して浸炭処理、脱炭処理、及び浸窒処理をそれぞれ施す。
【００１５】
以下、熱処理装置１を用いてワークを処理する方法（ワークの製造方法）について説明する。なお、以下で説明するワークの製造方法では、浸炭処理が施されたワークに対して脱炭処理、及び浸窒処理を施す場合について説明するが、本実施の形態では、浸炭処理が施されていないワークに対して脱炭処理、及び浸窒処理を施してもよい。つまり、炭素を含む鋼材は、浸炭処理を施さなくてもワークの表面に炭素原子が存在するため、このような材料に対して脱炭処理、及び浸窒処理を施してもよい。
【００１６】
図２は、実施の形態１にかかるワークの製造方法を示すフローチャートである。図１及び図２を参照し、ワークの製造方法の流れについて説明する。
【００１７】
＜ステップＳ１：真空引き＞
まず、図１に示すように、熱処理装置１の加熱炉１０内にワーク１２を設置し、真空ポンプ１１を作動させて加熱炉１０を真空引きする。加熱炉１０を真空引きした後、加熱炉１０内に不活性ガス（パージガス）を供給口２１から供給してパージする。加熱炉１０内に不活性ガスが供給された後、再度真空ポンプ１１を作動させ、さらに真空引きを行う。この真空引きにより、加熱炉１０内の圧力を約５０００Ｐａ以下まで減圧する。
【００１８】
＜ステップＳ２：ワークを加熱＞
次に、ワーク１２を所定の温度まで加熱する。この加熱は、脱炭処理のための加熱である。加熱温度は４７０〜１１００℃、加熱時間は１０分〜１５分が好ましいが、ワークの材質や大きさ、求める強度により適宜変更可能である。
【００１９】
＜ステップＳ３：脱炭処理＞
次に、脱炭処理を行う。脱炭処理には、水素ガスを用いる。図１に示すように、水素ガスは、供給口２１から供給されると共に、排気口２２から排出される。本実施の形態では、脱炭処理の際に加熱炉１０内を５０００Ｐａ以下まで減圧している。つまり、加熱炉１０内は水素の爆発限界を下回る圧力に調整されているため、加熱炉１０内の水素分圧が高くなったとしても、爆発のリスクを回避することができる。なお、脱炭量を定期的に管理するため、排気口２２にガス分析機（不図示）を設置してもよい。
【００２０】
＜ステップＳ４：脱炭量の測定＞
次に、脱炭量を測定する。脱炭量は、ワークの表面炭素濃度を測定することで求めることができる。表面炭素濃度は、例えば電子線プローブマイクロアナライザー（Electron Probe Micro Analyzer,ＥＰＭＡ）を用いて測定する。所定の脱炭量を得られた場合は（ステップＳ４：ＹＥＳ）、浸窒処理（ステップＳ５）へ進む。一方、所定の脱炭量を得られなかった場合（ステップＳ４：ＮＯ）は、真空引き（ステップＳ１）の工程に戻り、ステップＳ１〜Ｓ４の工程を再度行う。ここで、所定の脱炭量とは、例えば、ワーク１２の表面１３から深さ０．０ｍｍ〜０．２ｍｍの位置において、炭素濃度が約０．７mass％以下となる場合をいう。
【００２１】
＜ステップＳ５：浸窒処理＞
最後に、浸窒処理を行う。図１に示すように、加熱炉１０の供給口２１からワーク１２に対しアンモニアガスを含む浸窒ガスを供給し、ワーク１２をヒータ（不図示）を用いて加熱する。加熱により、加熱炉１０内に供給された浸窒ガスが熱分解されて、窒素原子がワーク１２の内部に取り込まれることで、ワーク１２に対して浸窒処理が施される。
以上が、実施の形態１にかかるワークの製造方法の一連の流れである。
【００２２】
次に、脱炭処理（ステップＳ３）について詳細に説明する。図３は、図１における領域Ａ１の拡大図であり、脱炭処理を示す模式図である。図３に示すように、脱炭処理においてワーク１２が加熱されると、ワーク１２の内部から外部へと炭素が拡散する（矢印参照）。脱炭処理では、ワーク１２の温度が高いほど炭素の拡散が促されるので、ワーク１２の温度を高くすることでワーク１２の表面１３から深い位置にある炭素を脱炭することが可能となる。
【００２３】
ワーク１２を加熱することで拡散した炭素は、ワークの表面において脱炭ガスである水素ガスと反応する。このとき、炭素は水素ガスと反応してメタンガスを生成する。メタンガスは水素ガスよりも重いため、加熱炉１０の下部に設けられた排気口２２より速やかに排出することが可能である。このように、ワーク１２に脱炭処理を施してワーク１２の表面１３近傍における炭素濃度を下げることにより、その後の浸窒処理（ステップＳ５）において窒素がワーク１２の内部へ浸透しやすくなる。
【００２４】
従来のように、大気圧下における浸炭浸窒処理において、水蒸気を用いて脱炭処理をした場合は、水蒸気の強い酸化力によって鉄を含むワークの表面は容易に酸化されてしまい、その後の浸窒処理が阻害されるという問題があった。
【００２５】
本実施の形態では、ワーク１２に浸窒処理を施す前に脱炭処理を施しているが、この脱炭処理の際に、真空引きされた加熱炉１０内に水素ガスを導入しながら脱炭処理を行っている。よって、脱炭処理の際にワーク１２の表面１３が酸化されることを抑制することができる。さらに、ワーク１２の表面１３の酸化が抑制されることにより、脱炭処理の後、ワーク１２に浸窒処理を施した際に浸窒の速度が低下してしまうことを抑制することができる。
【００２６】
また、ワーク１２の脱炭処理の際に、真空条件下で水素ガスを用いて脱炭処理をすることで、ワーク１２の表面における脱炭処理を促進することができる。また、このような条件で脱炭処理をすることで、ワーク１２の表面１３から深い位置にある炭素を脱炭することができる。このように、本実施の形態では、ワーク１２の表面およびワーク１２の表面１３から深い位置における脱炭処理を促進することができるので、脱炭処理後の浸窒処理において、窒素原子をワーク１２内に効率的に取り込むことができる。よって、浸窒処理の時間を短縮することができる。
【００２７】
さらに、脱炭処理の際に水蒸気を用いていないので、加熱炉１０や治具などが水蒸気の水分を吸い込むことを抑制できる。よって、真空引きの性能が悪化してしまうことを抑制することができる。また、真空引きによって加熱炉１０内が減圧状態となっているので、水素ガスの圧力を爆発限界以下とすることができる。
【実施例】
【００２８】
次に、本発明の実施例について説明する。
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２９】
＜実施例１＞
図４は、実施例１にかかる浸炭ガス、水素ガスおよび浸窒ガスの導入条件を示すグラフである。実施例１では、アセチレンガスを含む浸炭ガスによる浸炭処理、水素ガスによる脱炭処理、アンモニアガスを含む浸窒ガスによる浸窒処理を行った。
【００３０】
まず、浸炭処理の前に、ワークを９５０℃まで加熱した。次に、加熱炉にアセチレンガスを含む浸炭ガスを導入し、浸炭処理を行った。浸炭処理は、９５０℃において１０分間、加熱炉内の圧力を１０，０００Ｐａに調整して行った。
次に、水素ガスを用いて脱炭処理を行った。脱炭処理は、９５０℃において１０分間、加熱炉内の圧力を５，０００Ｐａに調整して行った。
最後に、アンモニアガスを用いて浸窒処理を行った。浸窒処理は、９５０℃において２０分間、加熱炉内の圧力を１０，０００Ｐａに調整して行った。
【００３１】
以上の処理によって得られたワークの表面における炭素濃度分布と窒素濃度分布を示すグラフを、次の図５及び図６に示す。
【００３２】
図５は、実施例１にかかるワークの深さ方向における炭素濃度分布を示すグラフである。また、図６は、実施例１にかかるワークの深さ方向における窒素濃度分布を示すグラフである。図５及び図６において、横軸はワーク表面からの深さを示す。縦軸は、図５では炭素濃度を示し、図６では窒素濃度を示す。
【００３３】
まず、図５を参照して炭素濃度について説明する。本実施例では、ワーク表面から０．２ｍｍ程度の深さにおける炭素濃度が最も高いピークを示している（約０．６mass％）。炭素濃度のピークより表層側および深層側にかけて、炭素濃度は緩やかに減少している。表層側における炭素濃度が低い理由は、水素ガスによる脱炭処理が行われたため、表層側の炭素濃度が低下したためと考えられる。
次に、図６を参照して窒素濃度について説明する。本実施の形態では、水素ガスによる脱炭処理後、浸窒処理が行われているため、最表層（深さ０．０ｍｍ）における窒素濃度が最も高くなっている（約０．２mass％）。つまり、脱炭された部分に窒素が入り込み、窒化されたものと考えられる。
【００３４】
＜実施例２＞
図７は、実施例２にかかる浸炭ガス、水素ガスおよび浸窒ガスの導入条件を示すグラフである。実施例２では、アセチレンガスを含む浸炭ガスによる浸炭処理、水素ガスによる脱炭処理と併せて少量の浸窒ガスを導入することによる浸窒処理、アンモニアガスを含む浸窒ガスによる浸窒処理を行った。
【００３５】
まず、浸炭処理の前に、ワークを９５０℃まで加熱した。次に、加熱炉にアセチレンガスを含む浸炭ガスを導入し、浸炭処理を行った。浸炭処理は、９５０℃において１０分間、加熱炉内の圧力を１０，０００Ｐａに調整して行った。
【００３６】
次に、水素ガスによる脱炭処理と併せて、少量の浸窒ガスを導入することによって、浸窒処理を行った。浸窒ガスには、実施例１と同様アンモニアガスを用いた。本実施例において、水素ガスと浸窒ガスとのガス比率は９：１にて行った。脱炭処理および少量の浸窒ガスによる浸窒処理は、９５０℃において１０分間、加熱炉内の圧力を５，０００Ｐａに調整して行った。
最後に、アンモニアガスを含む浸窒ガスによる浸窒処理を行った。浸窒処理は、９５０℃において２０分間、加熱炉内の圧力を１０，０００Ｐａに調整して行った。
【００３７】
以上の処理によって得られたワークの表面における炭素濃度分布と窒素濃度分布を示すグラフを、次の図８及び図９に示す。
【００３８】
図８は、実施例２にかかるワークの深さ方向における炭素濃度分布を示すグラフである。また、図９は、実施例２にかかるワークの深さ方向における窒素濃度分布を示すグラフである。図８及び図９において、横軸はワーク表面からの深さを示す。縦軸は、図８では炭素濃度を示し、図９では窒素濃度を示す。
【００３９】
まず、図８を参照して炭素濃度について説明する。本実施例では、ワーク表面から０．２ｍｍ程度の深さにおける炭素濃度が最も高いピークを示している（約０．７mass％）。炭素濃度のピークより表層側および深層側にかけて、炭素濃度は緩やかに減少している。表層側における炭素濃度が低い理由は、水素ガスによる脱炭処理が行われたため、表層側の炭素濃度が低下したためと考えられる。
【００４０】
次に、図９を参照して窒素濃度について説明する。本実施の形態では、水素ガスによる脱炭処理後、浸窒処理が行われているため、最表層（深さ０．０ｍｍ）における窒素濃度が最も高くなっている（約０．４mass％）。つまり、脱炭された部分に窒素が入り込み、窒化されたものと考えられる。
【００４１】
＜比較例１＞
図１０は、比較例１にかかる浸炭ガス、水素ガスおよび浸窒ガスの導入条件を示すグラフである。比較例１では、アセチレンガスを含む浸炭ガスによる浸炭処理と、アンモニアガスを含む浸窒ガスによる浸窒処理を行った。なお、比較例１においては、脱炭処理は行っていない。
【００４２】
まず、浸炭処理の前に、ワークを９５０℃まで加熱した。次に、加熱炉にアセチレンガスを含む浸炭ガスを導入し、浸炭処理を行った。浸炭処理は、９５０℃において１０分間、加熱炉内の圧力を１０，０００Ｐａに調整して行った。
次に、アンモニアガスを用いて浸窒処理を行った。浸窒処理は、９５０℃において４０分間、加熱炉内の圧力を１０，０００Ｐａに調整して行った。
【００４３】
以上の処理によって得られたワークの表面における炭素濃度分布と窒素濃度分布を示すグラフを、次の図１１及び図１２に示す。
【００４４】
図１１は、比較例１にかかるワークの深さ方向における炭素濃度分布を示すグラフである。また、図１２は、比較例１にかかるワークの深さ方向における窒素濃度分布を示すグラフである。図１１及び図１２において、横軸はワーク表面からの深さを示す。縦軸は、図１１では炭素濃度を示し、図１２では窒素濃度を示す。
【００４５】
まず、図１１を参照して炭素濃度について説明する。比較例１では、ワークの最表層（０．０ｍｍ）における炭素濃度が最も高くなっている（約０．８mass％）。これは、比較例１においては脱炭処理が行われていないため、ワークの最表層が最も高い炭素濃度を示したものと考えられる。
【００４６】
次に、図１２を参照して窒素濃度について説明する。比較例１では、浸炭処理後の脱炭処理が行われていない。つまり、ワークの表層において炭素濃度が高く、窒素が入りにくい状態である。また、窒素濃度は、ワークの最表面が最も高い窒素濃度を示すが、０．１mass％程度である。
【００４７】
以上の結果を用いて、実施例１及び実施例２と比較例１との対比を行う。
実施例１及び実施例２では、ワークの最表層の炭素濃度が脱炭により低い値を示し、それぞれ０．４％程度であった。これに対し、比較例１では、ワークの最表層の炭素濃度が比較的高く、約０．８％であった。
【００４８】
また、実施例１及び実施例２では、最も高い窒素濃度がそれぞれ約０．２mass％、約０．４mass％と高い数値を示した。これに対し、比較例１では、最も高い窒素濃度が約０．１mass％程度であった。
【００４９】
さらに、実施例１及び実施例２では、浸窒処理を２０分で行うことができたが、比較例１では４０分の時間を要した。
【００５０】
以上の結果から、ワークの表層における炭素濃度が、浸窒処理の速度に大きく影響するものと考えられる。具体的には、ワークの表層における炭素濃度が低いほど、つまりよく脱炭されているほど、脱炭された部分に窒素が入り込むため、浸窒処理の速度が速くなる。実施例１及び実施例２では、ワークの内部まで十分に浸炭処理されているが、浸炭処理後、真空中においてワーク表面の酸化を抑制した上で脱炭処理することにより、浸窒処理時に浸窒速度の低下を抑制することができた。
さらに、実施例２においては、脱炭処理と浸窒処理とを同時に行うことにより、サイクルタイムを短縮することができた。
【００５１】
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００５２】
１  熱処理装置
１０  加熱炉
１１  真空ポンプ
１２  ワーク
１３  ワークの表面
２１  供給口
２２  排気口
【図１】
2019026875.tif 000003
【図２】
2019026875.tif 000004
【図３】
2019026875.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019026875.tif 000009
【図８】
2019026875.tif 000010
【図９】
2019026875.tif 000011
【図１０】
2019026875.tif 000012
【図１１】
2019026875.tif 000013
【図１２】
2019026875.tif 000014