(57)【要約】【課題】安全性に優れた鋼の熱処理方法および当該鋼の熱処理方法が実施される機械部品の製造方法を提供する。【解決手段】鋼の熱処理方法は、熱処理炉１内に形成された熱処理ガス雰囲気中において鋼材１０を加熱することにより鋼材１０を熱処理する鋼の熱処理方法である。この鋼の熱処理方法は、鋼材１０を熱処理炉１内に配置する工程と、熱処理炉１内においてエチレングリコールの分解ガスを含む熱処理ガス雰囲気を形成する工程と、熱処理ガス雰囲気中において鋼材１０を加熱することにより鋼材１０を熱処理する工程とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉内に形成された熱処理ガス雰囲気中において被処理物を加熱することにより前記被処理物を熱処理する鋼の熱処理方法であって、
前記被処理物を前記熱処理炉内に配置する工程と、
前記熱処理炉内においてエチレングリコールの分解ガスを含む前記熱処理ガス雰囲気を形成する工程と、
前記熱処理ガス雰囲気中において前記被処理物を加熱することにより前記被処理物を熱処理する工程とを備える、鋼の熱処理方法。
【請求項２】
前記熱処理ガス雰囲気を形成する工程では、液状の前記エチレングリコールを加熱して気化させ、気化した前記エチレングリコールを前記熱処理炉内に供給して前記エチレングリコールを分解させる、請求項１に記載の鋼の熱処理方法。
【請求項３】
構成元素が炭素、水素および窒素である有機溶媒が前記液状のエチレングリコールに添加される、請求項２に記載の鋼の熱処理方法。
【請求項４】
気化した前記エチレングリコールが前記熱処理炉内に供給される前に触媒存在下において加熱される、請求項２または３に記載の鋼の熱処理方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼の熱処理方法が実施される、機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法に関し、より特定的には、安全性に優れた鋼の熱処理方法および当該鋼の熱処理方法が実施される機械部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、浸炭処理や浸炭窒化処理などの熱処理は、吸熱型ガス（Ｒガス）を熱処理炉に送り、これにプロパンガスやアンモニアガスなどを添加して炉内に熱処理雰囲気を形成し、当該熱処理雰囲気中において被処理物を加熱することにより実施される。
【０００３】
これに対して、吸熱型ガス発生炉（Ｒガス発生装置）を必要とせず、有機溶媒を熱処理炉内に直接滴下して分解反応により当該熱処理炉内に熱処理雰囲気を形成する滴注式ガス浸炭法が知られており（たとえば特許文献１参照）、メタノールおよび水の混合液を滴下する方法などが実用化されている。この方法では、有機溶媒の分解させることにより変性炉式ガス浸炭法におけるＲガスの組成に相当するガスを発生させることができるため、吸熱型ガス発生炉の運用コストを削減し、環境負荷の低減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２３５６６４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、メタノールの純物質は毒性が強い劇物であるため保管が困難であり、また引火点が低いため危険性が高い物質である。そのため、メタノールを用いた滴注式ガス浸炭法は熱処理の製造現場における安全性に問題がある。また、メタノールの改質反応により水素が生成するため、熱処理雰囲気中における水素分率がＲガスを用いた場合に比べて約１．３倍になる。そのため、アンモニアガスを添加して浸炭窒化処理を行う場合にはアンモニアガスの使用量が増加するという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安全性に優れた鋼の熱処理方法および当該鋼の熱処理方法が実施される機械部品の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従った鋼の熱処理方法は、熱処理炉内に形成された熱処理ガス雰囲気中において被処理物を加熱することにより被処理物を熱処理する鋼の熱処理方法である。この鋼の熱処理方法は、被処理物を熱処理炉内に配置する工程と、熱処理炉内においてエチレングリコールの分解ガスを含む熱処理ガス雰囲気を形成する工程と、熱処理ガス雰囲気中において被処理物を加熱することにより被処理物を熱処理する工程とを備えている。
【０００８】
本発明に従った機械部品の製造方法は、上記本発明に従った鋼の熱処理方法が実施される機械部品の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、安全性に優れた鋼の熱処理方法および当該鋼の熱処理方法が実施される機械部品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】本発明の実施の形態１に係る機械部品の製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態１に係る鋼の熱処理方法を説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る鋼の熱処理方法における熱処理ガス雰囲気中のガス濃度および炭素活量の経時変化の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１に係る鋼の熱処理方法における加熱パターンを概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る鋼の熱処理方法における熱処理ガス雰囲気中のガス濃度および炭素活量の経時変化の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態３に係る鋼の熱処理方法を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１２】
（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１に係る機械部品の製造方法および鋼の熱処理方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る機械部品の製造方法を概略的に示すフローチャートである。図１を参照して、まず工程（Ｓ１０）として鋼材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、まず、たとえば棒鋼や鋼線などの鋼材が準備され、当該鋼材に対して切断、鍛造、旋削などの加工が施される。これにより、たとえば深溝玉軸受やスラストニードルころ軸受などの転がり軸受用の軌道輪などの機械部品の概略形状に成形加工された鋼材が作製される。
【００１３】
次に、工程（Ｓ２０）として熱処理工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、後に詳述するように、上記工程（Ｓ１０）において作製された鋼材に対して浸炭処理、焼入処理および焼戻処理などの熱処理が順に施される。またこの工程（Ｓ２０）は、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法を用いて実施される。
【００１４】
次に、工程（Ｓ３０）として仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、上記工程（Ｓ１０）および（Ｓ２０）において転がり軸受用の軌道輪の概略形状に成形され、所定の熱処理が施された鋼材に対して研磨加工が施される。このようにして上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）が順に実施されることにより、機械部品である転がり軸受用軌道輪が作製され、本実施の形態に係る機械部品の製造方法が完了する。また上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）において作製された軌道輪を、別途準備された玉や保持器などと組み合わせることにより転がり軸受を完成させることができる。
【００１５】
なお、上記本実施の形態に係る機械部品の製造方法では、機械部品の一例として転がり軸受用軌道輪の製造について説明したが、これに限定されるものではない。本発明の機械部品の製造方法は、たとえば等速ジョイントを構成する機械部品や、ハブ、ギア、シャフトなどを構成する機械部品などの製造においても同様に適用し得る。
【００１６】
次に、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法を用いて実施される熱処理工程（Ｓ２０）について、図１〜図４を参照しつつ詳細に説明する。図２は、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法において用いられる熱処理炉の構成を示す概略図である。図３は、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法における熱処理炉内の雰囲気中の各ガス濃度および炭素活量の経時変化を示すグラフであり、横軸が経過時間を示し、縦軸が各ガス濃度および炭素活量を示している。図４は、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法における加熱パターンを示す概略図である。図４において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示し、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。
【００１７】
まず、工程（Ｓ２１）として鋼材配置工程が実施される。この工程（Ｓ２１）では、図２を参照して、上記工程（Ｓ１０）において作製された鋼材１０（被処理物）が、熱処理炉１内の熱処理室１Ａに配置される。この工程（Ｓ２１）では、熱処理室１Ａにおいて複数個の鋼材１０が配置され、後の工程においてこれらが同時に熱処理されることが好ましい。
【００１８】
次に、工程（Ｓ２２）として熱処理ガス雰囲気形成工程が実施される。この工程（Ｓ２２）では、図２を参照して、まず液体状のエチレングリコール（Ｃ２Ｈ６Ｏ２）が気化器２の内部に注入される。気化器２の内部はたとえば４５０℃の温度が維持されるように加熱されている。そのため、気化器２の内部に注入された液体状のエチレングリコールは加熱されて気体化する。なお、エチレングリコールは純物質のものであることが好ましいが、たとえば水や他のアルコールなどとの混合溶媒であってもよい。
【００１９】
次に、エチレングリコールのガスに対して窒素（Ｎ２）ガスを混合することにより、当該エチレングリコールのガスが希釈される。そして、希釈後のエチレングリコールのガスが、鋼材１０が配置された熱処理室１Ａ内に供給される。熱処理室１Ａ内は高温状態に維持されているため、エチレングリコールのガスは当該熱処理室１Ａ内において分解される。これにより、エチレングリコールの分解生成ガスである一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）と、希釈ガスである窒素（Ｎ２）とを所定の比率で含む熱処理ガス雰囲気が熱処理室１Ａ内において形成される。
【００２０】
次に、図３を参照して、熱処理室１Ａ内に形成された熱処理ガス雰囲気中における各ガス濃度および炭素活量について説明する。図３中において、横軸は経過時間（秒、ｓ）を示し、左側縦軸は一酸化炭素および水素の濃度（体積％）を示し、右側縦軸は二酸化炭素濃度（体積％）および炭素活量（ａｃ）を示している。また図３中において、（Ａ）は水素濃度を示し、（Ｂ）は一酸化炭素濃度を示し、（Ｃ）は二酸化炭素濃度を示し、（Ｄ）は炭素活量を示している。
【００２１】
上記熱処理ガス雰囲気においては、水素濃度が２５体積％以上３０体積％以下、一酸化炭素濃度が２０体積％以上２５体積％以下となっており、Ｒガスの組成（水素：約３０％、一酸化炭素：約２０％、窒素：約５０％）とほぼ同等のガス組成になっている。このように本実施の形態に係る鋼の熱処理方法では、エチレングリコールの分解生成ガスを発生させることにより、Ｒガス発生装置を設けずに当該Ｒガスとほぼ同等のガス組成を有する熱処理ガス雰囲気を熱処理室１Ａ内に形成することができる。なお上記工程（Ｓ２２）では、エチレングリコールのガスは、上記熱処理ガス雰囲気における一酸化炭素濃度が上記範囲（好ましくは２０体積％）に調整されるように、予め窒素ガスにより希釈される。また図３に示すように、上記熱処理ガス雰囲気においては炭素活量（ａc）は０．５以下となっている。ここで、炭素活量（ａc）は、下記の式（１）により算出される値であり、Ｐcoは一酸化炭素の分圧、Ｐco2は二酸化炭素の分圧、Ｋは、＜Ｃ＞＋ＣＯ2⇔２ＣＯにおける平衡定数である。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
次に、工程（Ｓ２３）として浸炭工程が実施される。この工程（Ｓ２３）では、図２を参照して、上記工程（Ｓ２２）において形成された熱処理ガス雰囲気中において鋼材１０が加熱されることにより、当該鋼材１０の表層部に炭素富化層が形成される。より具体的には、図４を参照して、鋼材１０が上記熱処理ガス雰囲気中においてＡ1変態点以上の温度である温度Ｔ1に加熱され、時間ｔ1の間保持される。これにより、鋼材１０の表層部に炭素が侵入して当該表層部に炭素富化層が形成され、当該鋼材１０が浸炭処理される。なお「Ａ１変態点」とは、鋼を加熱した場合に鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点である。
【００２４】
またこの工程（Ｓ２３）では、プロパンなどのエンリッチガスがさらに添加された上記熱処理ガス雰囲気中において鋼材１０の浸炭処理が実施されてもよい。また、本発明の鋼の熱処理方法は上記のように浸炭処理が実施される場合に限定されず、アンモニアガスがさらに添加された上記熱処理ガス雰囲気中において鋼材１０を加熱することにより浸炭窒化処理が実施されてもよい。
【００２５】
次に、工程（Ｓ２４）として焼入工程が実施される。この工程（Ｓ２４）では、図４を参照して、上記工程（Ｓ２３）において炭素富化層が形成された鋼材１０がＡ1点以上の温度からＭS点以下の温度に冷却されることにより、焼入硬化される。なお「ＭS点（マルテンサイト変態点）」とは、オーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点である。
【００２６】
次に、工程（Ｓ２５）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ２５）では、図４を参照して、工程（Ｓ２４）において焼入硬化された鋼材がＡ1変態点未満の温度である温度Ｔ2に加熱され、時間ｔ2の間保持された後冷却されることにより焼戻処理される。これにより、鋼材の焼入処理による残留応力を緩和し、熱処理によるひずみが抑制される。上記工程（Ｓ２１）〜（Ｓ２５）により本実施の形態に係る鋼の熱処理方法が実施され、上記熱処理工程（Ｓ２０）が完了する。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法における特徴的な構成および作用効果について説明する。
【００２８】
本実施の形態に係る鋼の熱処理方法は、熱処理炉１内に形成された熱処理ガス雰囲気中において被処理物（鋼材１０）を加熱することにより被処理物（鋼材１０）を熱処理する鋼の熱処理方法である。この鋼の熱処理方法は、被処理物（鋼材１０）を熱処理炉１内に配置する工程（Ｓ２１）と、熱処理炉１内においてエチレングリコールの分解ガスを含む熱処理ガス雰囲気を形成する工程（Ｓ２２）と、熱処理ガス雰囲気中において被処理物（鋼材１０）を加熱することにより被処理物（鋼材１０）を熱処理する工程とを備えている。また、本実施の形態に係る機械部品の製造方法では、熱処理工程（Ｓ２０）において上記本実施の形態に係る鋼の熱処理方法が実施される。
【００２９】
本実施の形態に係る鋼の熱処理方法では、エチレングリコールの分解ガスを含む熱処理ガス雰囲気中において鋼材１０を加熱することにより当該鋼材１０が浸炭処理される。そのため、変性炉式ガス浸炭法のように吸熱型ガスの発生装置（変性炉）を設ける必要がなく、コスト削減および環境負荷の低減を図ることができる。また、危険性の高いメタノールを用いることなくＲガスとほぼ同等のガス組成を有する熱処理ガス雰囲気を形成することができるため、熱処理における高い安全性を確保することができる。このように、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法および当該鋼の熱処理方法が実施される本実施の形態に係る機械部品の製造方法は、より安全性に優れた方法になっている。
【００３０】
上記本実施の形態に係る鋼の熱処理方法において、熱処理ガス雰囲気形成工程（Ｓ２２）では、気化器２において液体状のエチレングリコールを加熱して気体化させ、気体化したエチレングリコールを熱処理炉１内に供給して当該エチレングリコールを分解させる。これにより、熱処理炉１内においてエチレングリコールの分解生成ガスを含む熱処理ガス雰囲気を容易に形成することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る鋼の熱処理方法は、基本的には上記実施の形態１に係る鋼の熱処理方法と同様に実施され、かつ同様の効果を奏する。しかし、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法は、熱処理ガス雰囲気形成工程（Ｓ２２）において上記実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３２】
本実施の形態の熱処理ガス雰囲気形成工程（Ｓ２２）（図１参照）では、たとえば３−ピコリンやアニリンなど、構成元素が炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）および窒素（Ｎ）である有機溶媒が液体状のエチレングリコールに添加された混合溶媒が準備される。この混合溶媒では、３−ピコリンやアニリンなどの有機溶媒の割合が１０質量％以下であることが好ましい。次に、この混合溶媒が気化器２（図２）内に注入されて気体化し、その後窒素ガスにより希釈されて熱処理炉１内に供給される。そして、上記実施の形態１の場合と同様に熱処理炉１内においてＲガスと同等のガス組成を有する熱処理ガス雰囲気が形成される。
【００３３】
次に、図５を参照して、本実施の形態での熱処理ガス雰囲気中における各ガス濃度および炭素活量について説明する。図５中において、横軸は経過時間（秒、ｓ）を示し、左側縦軸は一酸化炭素および水素の濃度（体積％）を示し、右側縦軸は二酸化炭素濃度（体積％）および炭素活量（ａc）を示している。また図５中において、（Ａ）は水素濃度を示し、（Ｂ）は一酸化炭素濃度を示し、（Ｃ）は二酸化炭素濃度を示し、（Ｄ）は炭素活量を示している。
【００３４】
本実施の形態での熱処理ガス雰囲気においては、上記実施の形態１と同様に水素濃度が２５体積％以上３０体積％以下であり、一酸化炭素濃度が２０体積％以上２５体積％以下である。また本実施の形態では、３−ピコリンやアニリンの添加により炭素が過剰になるため、二酸化炭素濃度が０．７体積％以下と上記実施の形態１の場合よりも低くなっている。そのため、本実施の形態では、炭素活量が０．５以上（たとえば０．６）と上記実施の形態１の場合よりも高くなっている。
【００３５】
以上のように、本実施の形態では、構成元素が炭素、水素および窒素である有機溶媒が液体状のエチレングリコールに添加される。これにより、上記実施の形態１の場合に比べて熱処理ガス雰囲気中における二酸化炭素濃度が相対的に低下し、炭素活量がより大きくなる。その結果、鋼材１０の表層部において所望の炭素濃度を有する炭素富化層を容易に形成することができる。
【００３６】
（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。本実施の形態に係る鋼の熱処理方法は、基本的には上記実施の形態１に係る鋼の熱処理方法と同様に実施され、かつ同様の効果を奏する。しかし、本実施の形態に係る鋼の熱処理方法は、熱処理ガス雰囲気形成工程（Ｓ２２）において上記実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３７】
図６を参照して、本実施の形態の熱処理ガス雰囲気形成工程（Ｓ２２）（図１参照）では、まず上記実施の形態１と同様に液体状のエチレングリコールが気化器２内に注入されて、エチレングリコールのガスが発生する。次に、気体化したエチレングリコールが熱処理炉１内に供給される前に、ニッケル（Ｎｉ）触媒４が配置された加熱器３内を通過する。これにより、気体化したエチレングリコールがニッケル触媒４の存在下において加熱器３により高温加熱されて分解反応が活性化される。その後、上記実施の形態１の場合と同様に窒素ガスにより希釈されたエチレングリコールが熱処理炉１内に供給され、当該熱処理炉１内においてＲガスと同等のガス組成を有する熱処理ガス雰囲気が形成される。
【００３８】
以上のように、本実施の形態では、気体化したエチレングリコールが熱処理炉１内に供給される前にニッケル触媒４の存在下において加熱される。そのため、エチレングリコールの分解反応が活性化されて反応効率が向上し、その結果熱処理炉１内に形成される熱処理ガス雰囲気中における二酸化炭素濃度を低下させることができる。その結果、上記実施の形態２の場合と同様に、上記実施の形態１の場合に比べて炭素活量が大きくなり、鋼材１０において所望の炭素濃度を有する炭素富化層の形成が容易になる。
【００３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法は、安全性の向上が要求される鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法において、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００４１】
１  熱処理炉、１Ａ  熱処理室、２  気化器、３  加熱器、４  ニッケル（Ｎｉ）触媒、１０  鋼材。
【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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