(57)【要約】【課題】別途準備する水素ガスの使用量を抑制することができる金属部材の製造方法を提供する。【解決手段】金属部材３の表面を脱炭ガスによって脱炭する脱炭処理工程（ステップＳ１）と、脱炭された金属部材３の表面を浸窒ガスによって浸窒する浸窒処理工程（ステップＳ２）と、を備える金属部材の製造方法であって、浸窒処理工程（ステップＳ２）において、前記浸窒ガスに含まれるアンモニアガスが分解することによって水素ガスが発生し、脱炭処理工程（ステップＳ１）において、浸窒処理工程（ステップＳ２）において発生した前記水素ガスを前記脱炭ガスが含む、金属部材の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材の表面を脱炭ガスによって脱炭する脱炭処理工程と、
脱炭された前記金属部材の表面を浸窒ガスによって浸窒する浸窒処理工程と、を備える金属部材の製造方法であって、
前記浸窒処理工程において、前記浸窒ガスに含まれるアンモニアガスが分解することによって水素ガスが発生し、
前記脱炭処理工程において、前記浸窒処理工程において発生した前記水素ガスを前記脱炭ガスが含む、金属部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材を製造する方法として、浸窒処理によって金属表面を硬化させる方法が知られている。
例えば、特許文献１には、水素ガスを用いて金属表面を脱炭する脱炭処理工程を、浸窒処理工程の前に設けることによって、浸窒処理工程における鋼製金属部材の浸窒能力を高める方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０４３８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者は、金属部材の製造方法に関し、以下の課題を見出した。
特許文献１に開示されている金属部材の製造方法では、水素ガスを含む脱炭ガスを用いて脱炭処理を行った後に、浸窒ガスを用いて浸窒処理を行っている。このように、水素を含む脱炭ガスは、浸窒ガスとは異なる組成のガスであるため、別途準備する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、別途準備する脱炭ガスすなわち水素ガスの使用量を抑制することができる金属部材の製造方法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】
【０００６】
本発明の一態様に係る金属部材の製造方法は、金属部材の表面を脱炭ガスによって脱炭する脱炭処理工程と、脱炭された前記金属部材の表面を浸窒ガスによって浸窒する浸窒処理工程と、を備える金属部材の製造方法であって、前記浸窒処理工程において、前記浸窒ガスに含まれるアンモニアガスが分解することによって水素ガスが発生し、前記脱炭処理工程において、前記浸窒処理工程において発生した前記水素ガスを前記脱炭ガスが含む。
【０００７】
本発明に係る金属部材の製造方法では、浸窒処理工程において、浸窒ガスに含まれるアンモニアガスが分解することによって水素ガスが発生し、脱炭処理工程において、浸窒処理工程において発生した水素ガスを脱炭ガスが含んでいる。つまり、浸窒処理工程において浸窒ガスの分解によって発生した水素ガスを、脱炭処理工程において脱炭ガスとして再利用している。このような構成により、別途準備する水素ガスの使用量を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、別途準備する水素ガスの使用量を抑制することができる金属部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる金属部材の製造装置を表す模式図である。
【図２】実施の形態１にかかる金属部材の製造方法のフローチャートである。
【図３】脱炭処理工程を行わない場合における金属部材の炭素濃度を示すグラフである。
【図４】実施の形態１にかかる金属部材の炭素濃度を示すグラフである。
【図５】脱炭処理工程を行わない場合における金属部材の窒素濃度を示すグラフである。
【図６】実施の形態１にかかる金属部材の窒素濃度を示すグラフである。
【図７】実施の形態２にかかる金属部材の製造装置を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した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、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１１】
（第１の実施の形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形体に係る金属部材の製造方法を実施するための装置（金属部材の製造装置）について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る金属部材の製造装置を表す模式図である。図１に示すように、金属部材の製造装置１は、脱炭室４、浸窒室５、ヒーター６１、ヒーター６２、ポンプ７、パイプ８１、およびパイプ８２を備える。また、図１において、実線矢印はガスの流れを表す。そして、破線矢印は金属部材の移送の流れを表す。
【００１２】
脱炭室４は、金属部材３を脱炭処理するための減圧炉である。脱炭室４の内側にはヒーター６１が設けられており、ヒーター６１によって脱炭室４は加熱される。
【００１３】
ポンプ７は、パイプ８１を介して脱炭室４と接続されていると共に、パイプ８２を介して浸窒室５と接続されている。ポンプ７は、浸窒室５に導入されているガスを脱炭室４に送り込む。
【００１４】
浸窒室５は、金属部材３を浸窒処理するための減圧炉である。浸窒室５の内側にはヒーター６２が設けられており、ヒーター６２によって浸窒室５は加熱される。
【００１５】
また、脱炭室４における脱炭処理と、浸窒室５における浸窒処理と、は平行して行われている。浸窒処理の際に浸窒室５において発生したガスは、ポンプ７によって脱炭室４に導入され、脱炭処理に用いられる。
【００１６】
図１において、破線矢印は金属部材３の移送の流れを示す。第１の実施の形態では、脱炭室４において脱炭処理された金属部材３は、浸窒室５に移送され、浸窒室５において浸窒処理される。金属部材３は、例えば、鉄鋼材料から構成される。
【００１７】
次に、第１の実施の形態に係る金属部材の製造方法について、図２に示すフローチャートを用いて具体的に説明する。
【００１８】
まず、図１に示すように、ステップＳ１において、金属部材３ａを脱炭室４に載置し、脱炭処理する。具体的には、脱炭室４を真空ポンプ（不図示）等により減圧し、脱炭ガスをポンプ７によって脱炭室４の室内に導入する。そして、ヒーター６１を用いて脱炭室４を加熱することによって金属部材３ａの表面を脱炭する。ステップＳ１（脱炭処理工程）において、脱炭室４の温度は、４７０℃以上１１００℃以下であることが好ましい。さらに、脱炭室４の圧力は、４００００Ｐａ以下であることが望ましい。
【００１９】
次に、脱炭処理工程において脱炭処理された金属部材３ｂを、浸窒室５に載置し、浸窒処理する（ステップＳ２）。具体的には、浸窒室５を真空ポンプ（不図示）等により減圧し、浸窒ガスを外部からポンプ（不図示）等によって浸窒室５に導入する。そして、ヒーター６２を用いて浸窒室５を加熱することによって金属部材３ｂの表面を浸窒する。ステップＳ２（浸窒処理工程）において、浸窒室５の温度は、４７０℃以上１１００℃以下であることが好ましい。さらに、浸窒室５の圧力は４００００Ｐａ以下であることが望ましい。
【００２０】
また、金属部材３は、脱炭処理工程（ステップＳ１）によって金属部材３が脱炭処理されるよりも前に、浸炭処理されていても良い。例えば、減圧浸炭では、減圧下で金属部材３をアセチレンガスと共に加熱することによって浸炭処理を行う。
【００２１】
次に、第１の実施の形態に係る金属部材の製造方法におけるガスの流れについて、図１を用いて具体的に説明する。
【００２２】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る金属部材の製造方法に用いる浸窒ガスは、まず、浸窒室５に導入される。浸窒ガスは、アンモニアガスを含んでおり、さらに、窒素ガスを含んでいてもよい。
【００２３】
アンモニアガスは、高温減圧下において下記の化学式（１）のように分解し、水素ガスおよび窒素ガスを生じる。
２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２  ・・・（１）
【００２４】
また、高温減圧下であり、かつ、鉄が存在する場合には、化学式（２）のように分解し、水素ガスを生じ、金属部材３は浸窒処理される。ただし、化学式（２）において、［Ｎ］は鉄に固溶する窒素を表す。
２ＮＨ３→２[Ｎ]＋３Ｈ２  ・・・（２）
【００２５】
つまり、浸窒ガスに含まれるアンモニアガスは、浸窒処理工程（ステップＳ２）において分解し、水素ガスと窒素ガスとを含む混合ガスを生じる。混合ガスは、パイプ８２、ポンプ７、及びパイプ８１を介して脱炭室４に導入される。
【００２６】
水素ガスは、高温減圧下であり、かつ、鉄に固溶した炭素が存在する場合には、下記の化学式（３）のように反応して炭酸水素ガスを生じ、金属部材３は脱炭処理される。ただし、化学式（３）において、［Ｃ］は鉄に固溶する炭素を表す。
[Ｃ]＋２Ｈ２→ＣＨ４  ・・・（３）
【００２７】
一方、窒素ガスは、高温減圧下で安定な物質であるから、脱炭処理工程（ステップＳ１）において反応しない。したがって、水素ガスと窒素ガスとを含む混合ガスは、脱炭処理工程（ステップＳ１）において、脱炭ガスとして機能する。また、アンモニアガスは高温下で分解しやすいため、浸窒処理工程（ステップＳ２）において生じる混合ガスは、アンモニアガスをほとんど含まない。したがって、混合ガスは、浸窒能力をほとんど有さない。そのため、混合ガスを脱炭ガスとして利用する際に、脱炭処理に不都合な成分を取り除くリサイクル装置等を準備する必要がない。つまり、混合ガスの成分を調整せずに、混合ガスを脱炭ガスとして用いることができる。
【００２８】
また、混合ガスを脱炭ガスとして用いる際には、水素ガスや窒素ガス等を添加し、混合ガスの水素ガス濃度を調節しても良い。
【００２９】
脱炭室４は、排気口（不図示）を備えており、脱炭処理工程（ステップＳ１）で生じた炭酸水素ガスは、排気口を通じて外部に排出される。
【００３０】
金属部材３を予めアセチレンガスによって浸炭処理する場合、アセチレンガスは、下記の化学式（４）のように分解し、水素ガスを生じる。
Ｃ２Ｈ４→２[Ｃ]＋２Ｈ２  ・・・（４）
【００３１】
次に、第１の実施の形態に係る金属部材の製造方法を用いた場合の浸窒能力について、図４から図７のグラフを参照して詳しく説明する。図４は、浸炭処理された金属部材３の表面からの距離と炭素濃度との関係を示すグラフである。図５は、第１の実施の形態に係る金属部材３の表面からの距離と炭素濃度との関係を示すグラフである。図６は、浸炭処理された後に脱炭処理されずに浸窒処理された金属部材３の表面からの距離と窒素濃度との関係を示すグラフである。図７は、第１の実施の形態に係る金属部材３の表面からの距離と窒素濃度との関係を示すグラフである。
【００３２】
図３〜図６のグラフは、金属部材の炭素濃度または窒素濃度をＥＰＭＡを用いて測定した結果を示すグラフである。測定の際には、以下の表１および表２に記載の条件に従って金属部材を製造した。表１は、脱炭処理工程（ステップＳ１）における脱炭処理条件である。また、表２は、浸窒処理工程Ｓ２における浸窒処理条件である。なお、脱炭処理工程（ステップＳ１）に用いる脱炭ガスには、浸窒処理工程（ステップＳ２）において生じる混合ガスを、成分調整せずに使用している。
【表１】
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【表２】
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【００３３】
図３は、浸炭処理された金属部材３の表面からの距離と炭素濃度との関係を示すグラフである。図３に示すように、浸炭処理された金属部材３は、表面から内部に行くにつれて、徐々に炭素濃度が低下する。
【００３４】
図４は、浸炭処理された後に脱炭処理によって表面が脱炭された金属部材３の表面からの距離と、炭素濃度と、の関係を示したグラフである。図４に示すように、表面からの距離が近い部分の炭素濃度が、脱炭処理されない場合よりも、低くなっている。つまり、脱炭処理工程（ステップＳ１）によって、金属部材３の表面が脱炭されている。
【００３５】
図５は、浸炭処理された後に、脱炭処理されずに浸窒処理された際の、金属部材３の表面からの距離と窒素濃度との関係を示すグラフである。浸窒処理された金属部材３は、表面付近に窒素を多く含有する。
【００３６】
図６は、浸炭処理された後に脱炭処理され、浸窒処理された金属部材３の表面からの距離と、窒素濃度と、の関係を示したグラフである。図６に示すように、脱炭処理された後に浸窒処理される場合は、脱炭処理されずに浸窒処理される場合よりも、金属部材３の窒素濃度が上昇している。つまり、脱炭処理された後に浸窒処理された金属部材３は、脱炭処理されずに浸窒処理される場合よりも、浸窒能力が高い。
【００３７】
金属部材３に浸炭処理を施す場合、浸炭処理後に金属部材３を脱炭処理しているため、浸窒能力が高い。そのため、浸炭処理から浸窒処理までの処理時間の合計を短くすることができる。つまり、脱炭処理を行わない場合よりも、製造装置１の稼働時間を短くすることができる。
【００３８】
また、第１の実施の形態では、浸窒処理工程（ステップＳ２）においてアンモニアガスの分解によって生じる水素ガスを、脱炭処理工程（ステップＳ１）に利用している。そのため、別途準備する水素ガスの使用量を抑制することができる。
（第２の実施の形態）
【００３９】
次に、図７を参照して第２の実施の形態について説明する。
【００４０】
図７は、第２の実施の形態にかかる金属部材の製造方法を実施するための装置（金属部材の製造装置）を表す模式図である。図７に示すように、金属部材の製造装置２は、処理室４２、およびヒーター６３を備える。また、図７において、実線矢印はガスの流れを表す。そして、破線矢印は金属部材３の移送の流れを表す。
【００４１】
処理室４２は、金属部材３を脱炭処理および浸窒処理するための減圧炉である。処理室４２の内側にはヒーター６３が設けられており、ヒーター６３によって処理室４２は加熱される。
【００４２】
処理室４２にはガス注入口（不図示）と排気口（不図示）が設けられており、ガス注入口から導入されたガスは、排気口から排出される。例えば、アンモニアガスを含有するガスが、加熱および減圧された処理室４２に注入されると、処理室４２において、アンモニアガスは分解し、水素ガスと窒素ガスとを生じる。アンモニアガスの分解は、高温減圧下に曝された時間が長くなるほど進むため、排気口付近では大部分のアンモニアガスが分解されている。そこで、ガスの流量を調節すると、ガス注入口付近はアンモニアガスが多く、かつ、排気口付近は水素ガスが多い状態に、処理室４２の内部を保つことができる。そこで、ガスの流量を調節することによって、処理室４２内に、アンモニアガスが多く存在する領域と、水素ガスが多く存在する領域と、を形成する。
【００４３】
第２の実施の形態では、処理室４２の水素ガスが多い領域において脱炭処理工程（ステップＳ１）を行い、処理室４２の水素ガスが多い領域において浸窒処理工程（ステップＳ２）を行う。つまり、図７に示すように、水素ガスが多く存在する領域において、金属部材３ａは脱炭処理される。そして、脱炭処理された金属部材３ａは、アンモニアガスが多く存在する領域に移送される。アンモニアが多く存在する領域において、移送された金属部材３ｂは、浸窒処理される。
【００４４】
第２の実施の形態では、金属部材３に浸窒処理を行う前に、脱炭処理を行っている。そのため、金属部材３の浸窒能力が高い。そして、浸窒処理において生じる水素ガスを脱炭処理に利用しているため、脱炭処理に用いる水素ガスを準備する必要がない。したがって、別途準備する水素ガスの使用量を抑制することができる。
【００４５】
以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、別途準備する水素ガスの使用量を抑制することができる金属部材の製造方法を提供することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１、２  金属部材の製造装置
３、３ａ、３ｂ  金属部材
４  脱炭室
４２  処理室
５  浸窒室
６１、６２、６３  ヒーター
７  ポンプ
８１、８２  パイプ
【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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【図７】
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