(57)【要約】【課題】所望の浸炭品質を安定的に得ることが可能な鋼材の浸炭方法を提供することができる。  【解決手段】本発明は、Ｍｎを含有する鋼材の浸炭方法に関する。本発明の鋼材の浸炭方法は、鋼材を真空雰囲気下で所望の浸炭温度まで加熱する昇温工程と、浸炭温度下で鋼材に浸炭性ガスを供給し、減圧雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を侵入させる浸炭工程と、浸炭性ガスの供給と温度保持を停止し、真空雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を拡散させる拡散工程とを含む。本発明の鋼材の浸炭方法では、昇温工程における真空度を５００〜１０００Ｐａの範囲内とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎを含有する鋼材の浸炭方法であって、
前記鋼材を真空雰囲気下で所望の浸炭温度まで加熱する昇温工程と、
前記浸炭温度下で前記鋼材に浸炭性ガスを供給し、減圧雰囲気下で所定時間保持することにより、前記鋼材中に炭素を侵入させる浸炭工程と、
前記浸炭性ガスの供給と温度保持を停止し、真空雰囲気下で所定時間保持することにより、前記鋼材中に炭素を拡散させる拡散工程とを含み、
前記昇温工程における真空度を５００〜１０００Ｐａの範囲内とする、
鋼材の浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の浸炭方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鋼材表面の耐摩耗性等の機械的性質を向上させる表面処理の１つとして、浸炭処理がある。
浸炭処理は、
鋼材を真空雰囲気下で所望の浸炭温度まで加熱する昇温工程と、
上記浸炭温度下で鋼材に浸炭性ガスを供給し、減圧雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を侵入させる浸炭工程と、
浸炭性ガスの供給と温度保持を停止し、真空雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を拡散させる拡散工程とを含む。
浸炭性ガスとしては、プロパン、プロピレン、エチレン、またはアセチレン等が使用される。
浸炭温度は１１００℃程度が好ましい。
【０００３】
特許文献１には、
減圧浸炭性ガス雰囲気下で鋼材を加熱保持して炭素を浸透させる浸炭期と浸透炭素を内部に拡散させる拡散期とからなる真空浸炭方法において、
前記拡散期に０.３〜１５ＫＰaで、かつ、ＣＯ2ガス単体又はＣＯ2ガスとＮ2ガスとの混合ガスの雰囲気を形成することを特徴とする鋼材部品の真空浸炭方法が開示されている（請求項１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003-171756号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記昇温工程における加熱方法としては、効率良く鋼材を加熱できることから、高周波加熱を用いることがある。
従来、上記昇温工程においては、鋼材の酸化抑制のため、できる限り高真空とすることが好ましいとされている。従来の昇温工程における真空度は１００Ｐａ程度である。
【０００６】
従来の浸炭処理方法では、所望の浸炭品質が得られないことがあった。
本発明者が検討したところ、従来の浸炭処理方法では、浸炭処理後の鋼材の表層にマルテンサイトに変態しなかった不完全焼入れ組織が残ることがあった。
また、同一装置にて５００ロット等の多数の鋼材を浸炭処理すると、同じ出力で高周波加熱を実施しているにもかかわらず、昇温速度が低下し、同じ時間昇温したときの到達温度が低下してしまうことがあった（図３Ａ中の比較例１を参照）。この場合、加熱温度が所望温度に到達せず、所望の浸炭品質が得られなくなることがあった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、所望の浸炭品質を安定的に得ることが可能な鋼材の浸炭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】
【０００８】
本発明の鋼材の浸炭方法は、
Ｍｎを含有する鋼材の浸炭方法であって、
前記鋼材を真空雰囲気下で所望の浸炭温度まで加熱する昇温工程と、
前記浸炭温度下で前記鋼材に浸炭性ガスを供給し、減圧雰囲気下で所定時間保持することにより、前記鋼材中に炭素を侵入させる浸炭工程と、
前記浸炭性ガスの供給と温度保持を停止し、真空雰囲気下で所定時間保持することにより、前記鋼材中に炭素を拡散させる拡散工程とを含み、
前記昇温工程における真空度を５００〜１０００Ｐａの範囲内とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所望の浸炭品質を安定的に得ることが可能な鋼材の浸炭方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】鋼材の浸炭方法における温度プロファイルの一例を示すグラフである。
【図２Ａ】比較例１の付着物のＥＤＸチャートである。
【図２Ｂ】比較例２の付着物のＥＤＸチャートである。
【図３Ａ】比較例１、２および実施例１において、５００ロットの鋼材を処理した後の昇温工程の昇温プロファイルである。
【図３Ｂ】実施例１〜３において、５００ロットの鋼材を処理した後の昇温工程の昇温プロファイルである。
【図４Ａ】比較例１において得られた浸炭処理後の鋼材の光学顕微鏡断面写真である。
【図４Ｂ】実施例１において得られた浸炭処理後の鋼材の光学顕微鏡断面写真である。
【図５】実施例３、比較例３、および比較例４において得られた浸炭処理後の鋼材の表面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
「鋼材の浸炭方法」
本発明は、鋼材の浸炭方法に関する。
本発明において、鋼材はＦｅ（鉄）を主成分とする合金からなり、Ｍｎ（マンガン）を含有する。
Ｍｎは鋼材の焼入れ性等を向上するために添加される元素である。
【００１２】
本発明の鋼材の浸炭方法は、
鋼材を真空雰囲気下で所望の浸炭温度まで加熱する昇温工程と、
浸炭温度下で鋼材に浸炭性ガスを供給し、減圧雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を侵入させる浸炭工程と、
浸炭性ガスの供給と温度保持を停止し、真空雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を拡散させる拡散工程とを含む。
温度プロファイルの一例を図１に示す。図１に示すグラフはイメージ図である。
【００１３】
浸炭性ガスとしては、プロパン、プロピレン、エチレン、またはアセチレン等が使用される。
浸炭温度は１１００℃程度が好ましい。
【００１４】
従来、上記昇温工程においては、鋼材の酸化抑制のため、できる限り高真空とすることが好ましいとされている。従来の昇温工程における真空度は１００Ｐａ程度である。
【００１５】
本発明者は、従来の方法で同一装置を用いて５００ロット以上の多数の鋼材について浸炭を実施したところ、加熱炉の内壁および高周波コイルに付着物が生成されていることを見つけた。この付着物は、酸化マンガン（ＭｎＯ）を含むことが分かった。
上記従来の昇温工程においては、高真空下での加熱により、鋼材の表層にあるＭｎ元素が昇華し、加熱炉の内壁および高周波コイルに付着したと考えられた。
【００１６】
鋼材の表層からのＭｎの昇華により鋼材の表層においてＭｎが欠乏することが、鋼材の表層における不完全焼入れの原因であると考えられた。
また、昇華したＭｎが高周波コイルに付着する結果、昇温に支障が生じ、５００ロット等の多数の鋼材を浸炭処理すると、同じ出力で高周波加熱を実施しているにもかかわらず、昇温速度が低下し、同じ時間昇温したときの到達温度が低下してしまうと考えられた。
【００１７】
本発明者が、上記昇温工程の真空度を変えて浸炭処理を実施したところ、昇温工程の真空度を５００Ｐａ以上とすることで、鋼材の表層からのＭｎの昇華が抑制され、鋼材全体が良好にマルテンサイトに変態し、不完全焼入れ組織が残ることが抑制されることを見出した。
また、昇温工程の真空度を５００Ｐａ以上とすることで、Ｍｎの昇華が抑制される結果、５００ロット等の多数の鋼材を浸炭処理しても、高周波コイルへのＭｎＯを含有する付着物の付着が抑制され、所望の昇温プロファイルが安定的に得られることを見出した。
昇温工程の真空度が１０００Ｐａ超では、残留空気による鋼材の表面酸化が生じる恐れがある。また、昇温工程の真空度が１０００Ｐａ超では、残留空気によって鋼材の熱が奪われ、鋼材の昇温に支障をきたす恐れもある。
【００１８】
以上の知見に基づいて、本発明の鋼材の浸炭方法では、昇温工程における真空度を５００〜１０００Ｐａの範囲内とする。
これにより、鋼材の表層からのＭｎの昇華を抑制しつつ、鋼材の表面酸化を抑制し、所望の温度に安定的に昇温することができ、所望の浸炭品質を安定的に得ることができる。
本実施形態によれば、所望の浸炭品質を安定的に得ることが可能な鋼材の浸炭方法を提供することができる。  
【実施例】
【００１９】
（実施例１〜３、比較例１〜４）
各例においては、昇温工程における真空度を変更する以外は同一条件で、図１に示したような温度ファイルで鋼材の浸炭処理を実施した。
鋼材としては、円盤状のＭｎを含有する鋼材を用いた（図５を参照）。
各例においては、高周波コイルとして新品を用い、５００ロット以上の鋼材について、浸炭処理を実施した。
【００２０】
はじめに、真空雰囲気下で高周波加熱にて鋼材を所望の浸炭温度まで加熱する昇温工程を実施した。昇温工程の工程時間は６５０秒間とし、浸炭温度は１１００℃とした。
各例において、昇温工程における真空度は以下の通りとした。
比較例１：１００Ｐａ、
比較例２：４００Ｐａ、
実施例１：５００Ｐａ、
実施例２：８００Ｐａ、
実施例３：１０００Ｐａ、
比較例３：１１００Ｐａ、
比較例４：１５００Ｐａ。
次に、上記浸炭温度下で鋼材に浸炭性ガスとしてエチレンを供給し、減圧雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を侵入させる浸炭工程を実施した。
最後に、浸炭性ガスの供給と温度保持を停止し、真空雰囲気下で所定時間保持することにより、鋼材中に炭素を拡散させる拡散工程を実施した。
【００２１】
各例において、５００ロットの鋼材を処理した後、高周波コイルへの付着物の有無を肉眼にて観察した。
比較例１、２では高周波コイルに付着物が見られたが、実施例１〜３および比較例４、５では高周波コイルに付着物が見られなかった。
比較例１、２の上記付着物についてＥＤＸ分析を実施した。得られたＥＤＸチャートを図２Ａ、図２Ｂに示す。
上記ＥＤＸチャート中、ＭｎのピークおよびＯのピークがＭｎＯに由来するピークである。
上記ＥＤＸチャート中、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｕ、およびＳのピークは、分析手法に起因したピークであり、付着物の成分に関係なく現れるピークである。
昇温工程における真空度を１００Ｐａとした比較例１では、ＭｎＯ（酸化マンガン）に由来してＭｎとＯの２つのピークが大きく見られた。
昇温工程における真空度を４００Ｐａとした比較例２では、ピーク強度が小さくなったものの、ＭｎＯ（酸化マンガン）に由来するＭｎとＯの２つのピークが見られた。
昇温工程における真空度を５００Ｐａ未満とした比較例１、２では、ＭｎＯを含有する付着物が見られた。これは、鋼材の表層からのＭｎの昇華によると考えられた。
昇温工程における真空度を５００Ｐａ以上とした実施例１〜３および比較例４、５では、高周波コイルへの付着物が見られず、Ｍｎの昇華が抑制されることが分かった。
【００２２】
比較例１、２、実施例１〜３の各例において、５００ロットの鋼材を処理した後に、昇温工程の昇温プロファイルを測定した。測定結果を図３Ａ、図３Ｂに示す。
昇温工程における真空度を５００〜１０００Ｐａとした実施例１〜３では、初期と同様の所望の昇温プロファイルが得られた。
昇温工程における真空度を４００Ｐａとした比較例２では、所望の温度に昇温できたが、昇温に遅れが見られた。
昇温工程における真空度を１００Ｐａとした比較例１では、昇温に遅れが見られ、かつ、所望の温度まで昇温できなかった。
【００２３】
比較例１および実施例１〜３において、５００ロット目の浸炭処理後の鋼材の光学顕微鏡断面観察を実施した。比較例１の光学顕微鏡断面写真を図４Ａに示し、実施例１の光学顕微鏡断面写真を図４Ｂに示す。
昇温工程における真空度を１００Ｐａとした比較例１では、表層に不完全焼入れ組織が残っている様子が見られた。これに対して、昇温工程における真空度を５００Ｐａとした実施例１では、不完全焼入れ組織は見られなかった。実施例２、３についても、実施例１と同様であった。
【００２４】
実施例３および比較例３、４について、５００ロット目の浸炭処理後の鋼材の表面写真を撮影した。得られた表面写真を図５に示す。
昇温工程における真空度を１０００Ｐａとした実施例３では、鋼材の表面色は浸炭処理前と変わらず、表面酸化による黒色化は見られなかった。
昇温工程における真空度を１１００Ｐａとした比較例３では、鋼材の表面色は薄黒く、表面酸化による黒色化が若干見られた。
昇温工程における真空度を１５００Ｐａとした比較例４では、鋼材の表面色は黒く、表面酸化による黒色化が顕著に見られた。
【００２５】
以上説明したように、昇温工程における真空度を５００Ｐａ以上とすることで、鋼材の表層からのＭｎの昇華が抑制され、鋼材全体が良好にマルテンサイトに変態し、不完全焼入れ組織が残ることが抑制されることが分かった。
また、昇温工程の真空度を５００Ｐａ以上とすることで、Ｍｎの昇華が抑制される結果、５００ロット等の多数の鋼材を浸炭処理しても、高周波コイルへのＭｎを含有する付着物の付着が抑制され、所望の昇温プロファイルが安定的に得られることが分かった。
昇温工程の真空度を１０００Ｐａ以下とすることで、残留空気による鋼材の表面酸化が抑制されることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の鋼材の浸炭方法は、Ｍｎを含有する鋼材に適用できる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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