(57)【要約】【課題】鋼材を浸炭処理する際に浸炭処理時間の短縮が可能であり、安価で、しかも、煤や浸炭ムラの発生がない高品質の浸炭鋼を得ることが可能な浸炭方法を提供すること。【解決手段】被浸炭処理材である鋼材を浸炭ガスが減圧下で供給される浸炭処理雰囲気内で加熱すると共に、浸炭ガスとして都市ガス若しくは天然ガスを使用し、これを減圧下且つ８５０〜１１５０℃の温度下で導入工程、拡散保持工程及び排気工程を１サイクルとしこれを複数サイクル繰り返すパルス式手段により導入することによって浸炭処理を行うものであり、各サイクルにおける浸炭炉の単位体積（Ｌ）当たりの浸炭ガスの導入量が３０〜３００ｃｃの範囲内で且つ全サイクルを通じた浸炭炉の単位体積（Ｌ）当たりの浸炭ガスの導入積算量が１８００〜１８０００ｃｃの範囲内となるようにパルス条件を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被浸炭処理材である鋼材の浸炭処理雰囲気を減圧下且つ雰囲気温度を８５０〜１１５０℃の範囲に保った状態で飽和炭化水素系ガスを主成分とする都市ガス若しくは天然ガスをパルス式に導入し被浸炭処理材を浸炭処理するに際し、
前記パルス式に浸炭ガスを導入する手段が、浸炭ガスをそのガス量が前記浸炭処理雰囲気の単位容積（Ｌ）当たり３０〜３００ｃｃとなるように導入する工程と、導入された浸炭ガスを所定時間拡散させる工程と、浸炭処理雰囲気中に残存するガスを排気する工程とを１サイクルとして、これを複数サイクルに亘って繰り返すようにしたことを特徴とする浸炭方法。
【請求項２】
前記パルス式による浸炭処理の全サイクルに亘って導入される浸炭ガスの積算量が前記浸炭処理雰囲気の単位容積（Ｌ）当たり１８００〜１８０００ｃｃとなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法。
【請求項３】
前記パルス式による浸炭処理において、前記導入された浸炭ガスを拡散させるための時間が、１〜２０秒間となるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の浸炭方法。
【請求項４】
前記パルス式による浸炭時における浸炭処理雰囲気のベース圧が０．０１〜１０ｋＰａの範囲内となるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の浸炭方法。
【請求項５】
前記鋼材を浸炭処理した後に１ｋＰａ以下の減圧下且つ前記浸炭処理温度下で１５〜１２０分間保持する拡散処理を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭方法に関し、更に詳しくは、被浸炭処理材である鋼材の表面を浸炭炉内で加熱しながら減圧下で導入される浸炭ガスにより浸炭処理する浸炭方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材表面の硬化技術として古くから知られている「浸炭」は、低炭素鋼を浸炭ガス中で加熱することによって鋼材表面にカーボン（炭素）を取り込み、そのカーボンを鋼材表面から内部へと拡散させてその鋼材表面付近のカーボン濃度を高める方法である。この浸炭方法により鋼材表面付近は高温度のオーステナイト状態からの急冷によりマルテンサイト化された硬化層が形成され、鋼材内部は低炭素のままで高靭性を保持した浸炭鋼製品が得られる。
【０００３】
この浸炭処理技術として知られている方法の１つに、常圧ガス雰囲気下での常圧浸炭法がある。この常圧浸炭法は、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）を浸炭ガスとして用い、これを高温・常圧下で被浸炭処理材（鋼材）と反応させることによってカーボン（Ｃ）と二酸化炭素（ＣＯ２）を生成させると共に生成カーボンを鋼材表面中へと固溶させ、さらにこのカーボンを鋼材表面から内部へと拡散させるというものである。
【０００４】
しかし、近年、環境問題や資源問題に対する関心の高まりを背景として、ＣＯ、ＣＯ２等のガスを排出する常圧浸炭法が問題視される一方、省エネルギー、省資源や公害防止に極めて有効な浸炭法として減圧下で浸炭処理を行う浸炭法が注目を浴びている。
【０００５】
この浸炭法は、減圧下で浸炭ガスとして炭化水素系ガスを導入することにより鋼材表面の浸炭処理を行うものである。浸炭処理に際しては、高温且つ減圧下において炭化水素系ガスが鋼材との反応によってカーボン（Ｃ）と水素ガス（Ｈ２）に分解し、生成したカーボンが鋼中へと固溶し、鋼表面から内部へと拡散される。従来、減圧下での浸炭処理における浸炭ガスとしてはアセチレンガス（例えば、特許文献１参照）、エチレンガス（例えば、特許文献２参照）や、エチレンと水素との混合ガス（例えば、特許文献３参照）、エチレンとアセチレンとの混合ガス（例えば、特許文献４参照）等が用いられている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３２５７０１号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４６５１２号公報
【特許文献３】
特開２００１−２６２３１３号公報
【特許文献４】
特開２０００−１７６５号公報
【０００７】
これらの浸炭ガスを用いた浸炭法によれば、高温度での熱処理により高品質の浸炭処理品が得られ、また浸炭処理の熱エネルギーの無駄がなくなり、ガス消費量も常圧浸炭処理プロセスに比べて少なくて済む上、二酸化炭素の排出がないため環境特性にも優れるという利点を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エチレンガスやアセチレンガスを浸炭ガスとして用いた浸炭処理においては、これら浸炭ガス種が不飽和炭化水素からなる反応性の高い可燃性のガスであるため、煤の発生が起こり易く、また、配管等からのガス漏れにより引火する危険性があり取扱いが難しいという問題があり、さらにはこれらのガスが高価であるため熱処理コストが嵩むという問題があった。
【０００９】
また、エチレンガスやアセチレンガスは、単位炭素原子数当たりのガス量が少ないため、浸炭炉内で分散・拡散しにくく、浸炭ムラが発生し易いという問題もあった。
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は、鋼材を浸炭処理する際にＣＯ、ＣＯ２等の有害ガスの発生がなく、安価で、しかも、煤や浸炭ムラの発生がない高品質の浸炭鋼を得ることが可能な浸炭方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するための本発明の浸炭方法は、被浸炭処理材の浸炭処理雰囲気を減圧下且つ雰囲気温度を８５０〜１１００℃の範囲に保った状態で飽和炭化水素系ガスを主成分とする都市ガス若しくは天然ガスをパルス式に導入し被浸炭処理材を浸炭処理するに際し、前記パルス式に浸炭ガスを導入する手段が、浸炭ガスをそのガス量が前記浸炭処理雰囲気の単位容積（Ｌ）当たり３０〜３００ｃｃとなるように導入する工程と、導入された浸炭ガスを所定時間拡散させる工程と、浸炭処理雰囲気中に残存するガスを排気する工程とを１サイクルとして、これを複数サイクルに亘って繰り返すようにしたことを要旨とする。
【００１２】
またこの場合、鋼材が上記パルス式による浸炭処理の全サイクルに亘って導入される浸炭ガスの積算量が浸炭処理雰囲気の単位容積（Ｌ）当たり１８００〜１８０００ｃｃとなることが好ましい。
【００１３】
この浸炭方法によれば、使用する都市ガス及び天然ガスがエチレンやアセチレン等のガスに比べて安価に入手可能であるため、浸炭処理コストならびに得られる浸炭処理製品のコストを低減させることができる。特に、都市ガスは、家庭用等のガスラインとして広く普及しているため、浸炭ガス源としての供給が極めて容易である。また、浸炭ガスとして用いる都市ガス及び天然ガスは、比較的浸炭能力の低いメタンを主成分とし、浸炭能力の高い炭素数２以上の炭化水素系のガス種が少量ずつ含まれているので、浸炭制御が容易に行え、且つ、煤などの発生のない表面性状に優れた浸炭処理材が得られる。また、炭素数２以上の浸炭ガス種の分散性に優れているので、浸炭処理時間の短縮化も図られる。
【００１４】
また、この浸炭方法によれば、浸炭ガスの導入をパルス式に行うものであるので、浸炭ガスを常時導入する場合と比べてガスの消費量を削減することができる。浸炭ガスを常時導入する場合は、鋼材の表面部が目的の炭素濃度となっても鋼材凸状の角部（例えば、歯車の刃先部分）は平面部に比べ拡散しにくいため炭素濃度が高くなり過剰浸炭となり易い。これに対してパルス式により浸炭ガスを導入すれば、上述の角部での拡散性が良くなり平面部と同じ炭素濃度が得られ均一な拡散処理を施すことができる。この場合、浸炭炉内の加熱温度を８５０〜１１５０℃の範囲内に制御することによって、浸炭ガスと鋼材との反応が効果的に促進されるとともに、煤の発生のない適正量のカーボンを固溶させることができる。
【００１５】
また、パルス式に浸炭ガスを炉内に導入するに際して、「１サイクル当たり」の浸炭ガスの導入量が浸炭処理雰囲気の単位容積（Ｌ）当たり３０〜３００ｃｃの範囲内に制御されているので、煤を発生させることなく浸炭ガスと鋼材との間で効率よく浸炭反応を進行させることができる。
【００１６】
また、パルス式による浸炭処理の全サイクルに亘って導入される浸炭ガスの「積算量」が浸炭処理雰囲気の単位容積（Ｌ）当たり１８００〜１８０００ｃｃとなるように制御されているので、浸炭処理の全工程を通して煤の発生がなく、所定量のカーボンを固溶してなる最適に浸炭処理製品を提供することができる。
【００１７】
また、パルス式による浸炭処理において、導入された浸炭ガスを拡散させるための時間が１〜２０秒間となるように制御されているので、浸炭処理雰囲気内に導入された浸炭ガスと鋼材との反応（浸炭反応）により適正量のカーボンが鋼材中へと供給（固溶）され、浸炭処理を促進させることができる。
【００１８】
また、浸炭時の浸炭処理雰囲気のベース圧を０．０１〜１ｋＰａの範囲内とすることによって、雰囲気内に導入される浸炭ガス圧（ガス導入量）を容易に制御することができる。
【００１９】
さらに、鋼材を浸炭炉内で浸炭処理した後、１ｋＰａ以下の減圧下且つ前記浸炭処理温度下で１５〜１２０分間保持する拡散処理を行うことによって良好な拡散効果を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
初めに、本発明に係る浸炭方法について説明する。図１に、本発明に係る浸炭方法を実施するための浸炭処理時の浸炭工程（加熱履歴と炉内圧力履歴）の一例を示す。この浸炭工程は、被浸炭処理材である鋼材の挿置された浸炭処理雰囲気（ここでは、「浸炭炉」をいう）内を例えば１０Ｐａ程度に減圧しながら所定の浸炭温度まで加熱する加熱工程（図１中の＜１＞参照）と、その後一定温度に保持しながら炉内に浸炭ガスを導入して鋼材の浸炭処理を行う浸炭処理工程（図１中の＜２＞参照）と、浸炭処理後に必要に応じて炉内を減圧した状態で浸炭温度域に保持し鋼材中に固溶したカーボンの拡散処理を行う拡散保持工程（図１中の＜３＞参照）と、さらに必要に応じて、拡散温度よりも低温にて焼入れ保持を行いその後油焼入れ（急冷）を行う焼入れ保持工程及び焼入れ工程（図１中の＜４＞参照）とからなる。なお、拡散処理工程及び焼入れ保持工程は必須ではない。拡散処理を行わない場合には浸炭処理後、そのまま油焼入れるか（図１中の＜５＞参照）、浸炭温度よりも低温にて焼入れ保持を行いその後油焼入れを行う（図１中の＜６＞参照）。以下に、各工程について詳細に説明する。
【００２２】
鋼材を浸炭処理するに際しては、浸炭処理雰囲気（浸炭炉）内に浸炭ガスを所定ガス圧に制御して供給すると共に炉内を所定温度まで加熱する。この時、浸炭ガスが例えば式１に示す反応式によってカーボン（Ｃ）と水素ガス（Ｈ２）に分解し、これにより生成したカーボンが鋼材（Ｆｅ）中へと取り込まれる（固溶する）。
【００２３】
【式１】
＜例えば、浸炭ガスがメタン（ＣＨ４）の場合＞
Ｆｅ＋ＣＨ４（ｇ）→Ｆｅ［Ｃ］＋２Ｈ２（ｇ）
（ｇ）：気体状態を表す。
［Ｃ］：鋼材（Ｆｅ）中に固溶したカーボンを表す。
【００２４】
上記のような浸炭反応によりカーボンが固溶されると鋼材の表面部にはオーステナイト相が形成されるが、これを油槽に浸けて油焼入れ（急冷）することによって鋼材の表面部のオーステナイト相が高硬度のマルテンサイト相へと相変態する。このような浸炭処理を施すことによって、表面部にはマルテンサイト化された硬化層が形成される一方、その内部は依然低炭素のままで高靭性を維持した浸炭処理鋼製品が得られる。
【００２５】
本発明に係る浸炭方法における浸炭ガスとしては、都市ガス若しくは天然ガスが用いられる。両ガスは、共にメタン（ＣＨ４）を主成分とし、これにエタン、プロパン、ブタン等の炭素数２以上の炭化水素系ガスが少量ずつ含まれてなるものである。
【００２６】
都市ガスは、エタン（Ｃ２Ｈ６）：６重量％、プロパン（Ｃ３Ｈ８）：４重量％、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）：２重量％、及び残部：メタンから構成される。また、天然ガスは、成分は一定ではないが、メタンを主成分として、残部をエタン、プロパン等の飽和炭化水素系ガスで構成される。本発明に係る浸炭方法では、天然ガスとしてメタンが５０重量％以上含まれるものを用いるのが好ましい。
【００２７】
従来より減圧下での浸炭処理に用いられている浸炭ガスは、エチレン、アセチレン、プロパン等のガスであり、家庭用等ガスとして汎用されている都市ガスや天然ガスが浸炭ガスとして用いられた例はない。これは以下の理由による。すなわち、都市ガスや天然ガスは、その大部分が反応活性が低いメタンで構成されてことから、上記エチレン、アセチレン、プロパン等のガスよりも浸炭能力に劣り浸炭ガスとしては不向きとされていたからである。
【００２８】
しかし、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、都市ガス、天然ガスを浸炭ガスとして用いた場合でも、その浸炭能力を十分に発揮し実用レベルの浸炭処理製品を提供できることを見出した。これにより、従来のエチレンやアセチレン等の高価なガスに代わって汎用ガスとして広く普及している都市ガスや天然ガスが浸炭ガスとして使用可能となり、浸炭コストが大幅に低減できるという利点がある。
【００２９】
さらには、浸炭能力の高い炭素数２以上の炭化水素系のガス種が少量ずつ含まれていることにより、浸炭制御が容易に行え、且つ、煤の発生がない表面性状に優れた浸炭処理材が得られるという利点もある。その根拠は以下の通りである。すなわち、浸炭炉内に供給される都市ガスや天然ガスには浸炭能力の高い炭素数２以上の炭化水素系のガス種が少量ずつ含まれており、これらのガス種が鋼材の表面と接触し、主に鋼材表面における浸炭処理に寄与するものであるが、都市ガスや天然ガス中の多くは比較的浸炭能力の低いメタンガスであるために、エチレンやアセチレン等のような炭素数２以上の炭化水素系のガス種を単独で浸炭ガスとする場合よりも浸炭反応が緩やかに進行する。このため、所定量のカーボンが鋼材中に固溶されるように浸炭反応を制御することが極めて容易であるという利点がある。また、この場合には、主成分のメタンガスがキャリヤガスの代替となり、炭素数２以上の炭化水素系のガス種が鋼材表面全体にいきわたる結果、均一な浸炭処理を図ることができるので、鋼材中の場所によって浸炭処理に偏りが生じて鋼材表面に多量の煤が発生するといった事態は起こりにくい。これにより、表面性状に優れた浸炭処理材を得ることができるという利点がある。
【００３０】
本願発明に係る浸炭方法では、浸炭ガスをパルス式に浸炭雰囲気（浸炭炉）内に導入することとしている。ここで、「パルス式」とは、浸炭ガスを一定間隔で間歇的に炉内に導入する手段をいい、具体的には、図１に拡大図として模式的に示すように、（Ａ）浸炭ガスを一定ガス圧となるように炉内に導入する工程、（Ｂ）浸炭ガスの導入を止めて保持し導入ガスを炉内に拡散させる工程、及び（Ｃ）浸炭反応に寄与したガスを炉外に排気する工程を１サイクルとして、これを複数サイクル繰り返すことにより浸炭ガスを炉内に導入する手段をいう。なお、図示したように、拡散保持工程（工程（Ｂ））においては、若干の圧力上昇が生じる。これは浸炭反応の進行、具体的には、上記
【式１】に示したような反応によって浸炭ガスが水素ガスへと変換されることによって炉内全体のガス圧が増加することが原因となるものである。
【００３１】
浸炭ガスをパルス式に炉内に導入することによって浸炭反応に寄与する分だけの浸炭ガスの供給が可能であるので、常時ガスを流通させる場合と比べて使用ガス量を大幅に削減することができるというメリットがあると共に、ガスの拡散性を向上させることができるというメリットがある。拡散性の向上は以下の理由による。すなわち、パルス式による浸炭ガスの導入法では、上述のように（Ａ）浸炭ガス導入、（Ｂ）拡散保持、（Ｃ）炉内ガス排気のそれぞれの工程を繰り返す。したがって、工程（Ｃ）において分解した浸炭ガスを排気し新たに工程（Ａ）において浸炭ガスを導入するため、炉内のガスが攪拌されガスの拡散性が向上するのである。
【００３２】
また、パルス式に浸炭ガスを導入するに際して、１サイクル当たりの浸炭ガスの導入量は、浸炭処理雰囲気（浸炭炉）の単位容積（Ｌ）当たり３０〜３００ｃｃの範囲内に制御されていることが好ましく、さらには、５０〜２００ｃｃの範囲内にあることがより好ましい。浸炭ガスの導入量が３０ｃｃに満たない場合には、適正の浸炭反応を進行させるには浸炭ガス量が不十分で浸炭ムラが生じるという問題があり、一方、導入時間が３００ｃｃを超える場合には、適正の浸炭ガス量を超えてしまうことにより過剰カーボンの生成が原因となり鋼材表面上に煤が発生するという問題があるため好ましくない。
【００３３】
ここで、１サイクル当たりに導入される浸炭ガス量は、全サイクルを通じて同じであっても良いし各サイクル毎に漸次減少させても良く、使用する浸炭炉や浸炭処理される鋼材の種類等に応じて適宜設定可能である。
【００３４】
また、浸炭時における雰囲気温度は、８５０〜１１５０℃の範囲内にあることが好ましく、さらには、９００〜１０５０℃の範囲内にあることがより好ましく、またさらには、９３０℃であることがより好ましい。雰囲気温度が８５０℃に満たない場合には、浸炭反応が促進されず浸炭処理が不十分となるという問題があり、一方、雰囲気温度が１１５０℃を超える場合には、鋼材のひずみが大きくなるため実用上適さないという問題があるため好ましくない。
【００３５】
また、鋼材が上記パルス式による浸炭処理の全サイクルに亘って導入される浸炭ガスの積算量は、浸炭処理雰囲気（浸炭炉）の単位容積（Ｌ（リットル））当たり１８００〜１８０００ｃｃとなることが好ましく、さらには、２０００〜１２０００ｃｃとなることがより好ましい。導入ガスの積算量が１８００ｃｃに満たない場合には、鋼材中に固溶するカーボン量が少なく浸炭処理が不十分となるという問題があり、一方、導入ガスの積算量が１８０００ｃｃを超える場合には、過剰量のカーボンが供給されることにより鋼材表面上に煤が発生するという問題があり好ましくない。
【００３６】
また、各パルスサイクルにおいて導入された浸炭ガスを拡散させるための時間は、１〜２０秒間となることが好ましく、さらには、５〜２０秒間となることがより好ましい。この拡散時間が１秒に満たない場合には、浸炭ガスが雰囲気内に十分拡散せず浸炭処理が促進されないという問題があり、一方、拡散時間が２０秒を超える場合には、時間の増加に伴うガスの拡散性の向上が認められず浸炭処理の遅延化につながるという問題があり好ましくない。
【００３７】
また、浸炭時の浸炭処理雰囲気のベース圧は、０．０１〜１０ｋＰａの範囲内に制御することが好ましく、さらには、０．０５〜０．８ｋＰａの範囲内に制御することがより好ましい。ここで、「ベース圧」とは、パルス浸炭の各サイクルにおいて導入された浸炭ガスを排気した時に浸炭処理雰囲気内に残留するガスのガス圧を表したものである。すなわち、ベース圧が低いほど雰囲気内の浸炭処理ガスが多く排気されたことを意味する。ベース圧を０．０１ｋＰａ未満に設定した場合、減圧ポンプの使用がコストアップの要因となり、また、炉内での浸炭ガスの滞留時間が短くなり、２滞留時間内での浸炭ガスの分解が進まず浸炭反応が抑制され、一方、ベース圧が１０ｋＰａを超える場合には、浸炭ガスの分解が進まず煤が発生しやすくなるため好ましくない。
【００３８】
また、上記加熱処理の後には、通常、浸炭温度域において一定時間、浸炭処理材を保持する拡散処理を行う。この拡散処理では、前段階の加熱処理により浸炭処理材の表面部に固溶されたカーボンを処理材内部へと拡散させて浸炭処理の均質化ならびに硬化層範囲の拡大を図ることを目的とする。また、拡散処理時の炉内の温度は浸炭温度と同じであることが好ましい。ここで、拡散処理時の保持時間は１５〜１２０分間の範囲内にあることが好ましい。保持時間が１５分に満たない場合には、カーボンの拡散効果が十分に得られず、一方、保持時間が１２０分を超える場合には、保持時間の経過による浸炭効果が得られず処理に無駄が生じるため好ましくない。
【００３９】
また、さらに拡散処理後に所定温度域に降温して一定時間保持する焼入れ保持処理を行っても良い。この焼入れ保持処理を行うことによりカーボンの拡散効果がより促進される。ここで、焼入れ保持処理温度は８００〜９００℃の範囲内にあることが好ましく、さらには、８５０℃であることがより好ましい。保持処理温度が８００℃に満たない場合には、拡散効果が少なく、一方、保持処理温度が９００℃を超える場合には、焼入れ性能が劣るため好ましくない。
【００４０】
またここで、焼入れ保持処理の保持時間は５〜６０分間の範囲内にあることが好ましく、さらには、保持時間が５〜３０分間の範囲内にあることがより好ましい。保持時間が５分に満たない場合には、焼入れ保持処理によるカーボンの拡散効果が得られず、一方、保持時間が６０分を超える場合には、保持時間の経過による拡散効果が得られず処理に無駄が生じてしまうため好ましくない。
【００４１】
（浸炭処理材の評価手段）
上記浸炭処理プロセスにより得られた浸炭処理材の評価としては、浸炭処理材のビッカース硬さＨＶの測定を行った。このビッカース硬さＨＶは、マルテンサイト化された硬化層中のカーボン濃度に対応するもので、浸炭処理材中にカーボンがどの程度固溶されているかの指標となるものである。測定は、浸炭処理材の深さ方向に対して行った。ビッカース硬さＨＶの測定は、日本工業規格「ＪＩＳＧ  ０５５７」に準拠して行い、圧入荷重は４．９０３Ｎとした。試験は各深さにおいて３点ずつ行い、その平均値を測定結果とした。
【００４２】
ここで浸炭処理材の評価基準として、硬化層がビッカース硬さＨＶが５５０以上であり、且つ、このＨＶ≧５５０の条件を満たす硬化層（以下、「有効硬化層」という。）が表面から０．６ｍｍ以上の深さまで形成されているは実用化レベルにある浸炭処理製品であると判断した。
【００４３】
【実施例】
本発明の効果を、実施例により具体的に説明する。
【００４４】
（実施例１／浸炭温度の違いによる浸炭挙動の比較）
浸炭処理材として鋼材（材質：ＳＣＲ４２０、寸法：幅２２ｍｍ×奥行３０ｍｍ×高さ７．５ｍｍ）を用い、これを浸炭炉（室内容積０．８１Ｌ、室内寸法：φ３５ｍｍ、高さ８５０ｍｍ）内に挿置して、炉内の温度を８７０〜９６０℃の範囲内で加熱した後、その温度下で、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を表１に示すパルス条件下（炉内ガス圧：２４００Ｐａ（ベース圧：１００Ｐａ）導入ガス流量：１００ｃｃ／ｍｉｎ、導入時間：２０秒間、保持時間：２０秒間、排気時間：２０秒間）で炉内に導入するサイクルを６０分間繰り返して行い浸炭処理を施した。
【００４５】
ここで、浸炭ガスの「炉内ガス圧：２４００Ｐａ」というのは、各サイクルの拡散保持工程（図１中の工程（Ｂ））において最大圧力２４００Ｐａに達するということを意味している。また、ここでいう「導入ガス圧」は、パルス浸炭の各サイクルにおける導入工程で導入された浸炭ガスのガス圧と導入前から炉内に若干存在していた残留ガスのガス圧（ベース圧）の総和を表している。なお、ベース圧についても（  ）内に示している。以下の実施例においても、パルス浸炭時のガス圧は浸炭ガスのガス圧とベース圧の総和を表したものである。
【００４６】
浸炭処理後、８０℃の温度でそのまま油焼入れ（急冷）を行った。得られた浸炭処理製品について表面から深さ方向に対するカーボン濃度の測定及びビッカース硬さＨＶの測定を行った。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
図２及び図３に実施例１に係る浸炭挙動（深さ方向に対するカーボン濃度及びビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭温度の影響についての結果を示す。図２に示したように、浸炭温度の上昇に伴い表面付近のカーボン濃度の増加及びカーボンの深さ方向への拡散が認められた。その結果として、図３に示したように、浸炭温度の上昇に伴い有効硬化層の厚みが増大する傾向にあった。特に浸炭温度が９３０℃以上では、有効硬化層が表面から約０．６ｍｍの深さまで形成されており、表面に煤等の発生も認められず良質の浸炭処理製品が得られた。
【００４９】
また、図３に示した結果において有効硬化層が表面から０．６ｍｍの深さまで達しなかった条件下でも浸炭時における浸炭ガス量を増やすこと（各パルスサイクル当たりの浸炭ガス量の増加若しくはパルスサイクルの増加）によって、上記浸炭温度が９３０℃以上の条件下と同様に良質な浸炭処理製品が得られた。なお、図３に示した結果では鋼材の表面近傍においてビッカース硬さＨＶの低下が認められたが、浸炭処理後に拡散処理を施すことによって固溶されたカーボンが拡散して表面近傍において最もビッカース硬さＨＶ値が高くなる、より良質な浸炭処理製品が得られることを実験的に確認している。
【００５０】
（実施例２／浸炭ガス積算量の違いによる浸炭挙動の比較）
実施例１と同じ被浸炭処理材及び浸炭炉（室内容積０．８１Ｌ）を用い、９３０℃の加熱温度下で、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を表１に示すパルス条件下で炉内に導入するサイクルを１０〜１２０分間繰り返すことによって浸炭処理を施した後、８０℃の温度でそのまま油焼入れを行った。ここで、浸炭処理全サイクルに要する時間「１０〜１２０分間」だけ浸炭ガスを導入した場合における導入された浸炭ガスの積算量は「４１２〜４９３８ｃｃ」である。得られた浸炭処理製品について表面から深さ方向に対するカーボン濃度の測定及びビッカース硬さＨＶの測定を行った。
【００５１】
図４及び図５に実施例２に係る浸炭挙動（深さ方向に対するカーボン濃度及びビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭温度の影響についての結果を示す。ここで、図中に示した（  ）内の数値は、各浸炭処理時間内に導入された浸炭ガスの積算量を表したものである。図４に示したように、浸炭処理時間（全パルスサイクルを通じた浸炭処理時間）の増加に伴い表面付近のカーボン濃度の増加及びカーボンの深さ方向への拡散が認められた。その結果として、図５に示したように、浸炭処理時間の増加に伴い有効硬化層の厚みが増大する傾向にあった。特に浸炭処理時間が６０分を超える条件下では、有効硬化層が表面から約０．６ｍｍの深さまで形成されており、表面に煤等の発生も認められず良質の浸炭処理製品が得られた。浸炭処理の短時間側で有効硬化層が深く形成されなかったのは、浸炭ガスの積算量が十分でなかったためと考えられる。
【００５２】
なお、図５に示した結果では鋼材の表面近傍においてビッカース硬さＨＶの低下が認められたが、浸炭処理後に拡散処理を施すことによって鋼材中に固溶されたカーボンが均一に拡散し、その結果硬さムラ並びに浸炭ムラのない、より良質な浸炭処理製品が得られた。
【００５３】
（実施例３／拡散処理の有無による浸炭挙動の比較）
実施例１及び２と同じ被浸炭処理材及び浸炭炉（室内容積０．８１Ｌ）を用い、９３０℃の加熱温度下で、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を表１に示すパルス条件下で炉内に導入するサイクルを６０分間繰り返すことによって浸炭処理を施した。その後、一条件では、浸炭ガスの供給を停止して、１ｋＰａ以下となるように炉内を減圧し同温度（９３０℃）に保持した状態で６０分間拡散処理を行い、８０℃の温度で油焼入れを行った。また他条件では、浸炭処理後、８０℃の温度でそのまま油焼入れを行った。得られた浸炭処理製品について表面から深さ方向に対してビッカース硬さＨＶの測定を行った。
【００５４】
図６に実施例３に係る浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす拡散処理の影響についての結果を示す。図６に示したように、拡散処理の有り・無し、いずれの条件においても有効硬化層が表面から約０．６ｍｍ以上の深さまで形成されており、表面に煤などの発生もなく良質な浸炭処理製品が得られた。しかし、拡散処理を施すことによってビッカース硬さＨＶはさらに増加し有効硬化層の厚みもさらに増大しており、さらには拡散処理を行わなかった条件下で見られた表面近傍でのビッカース硬さＨＶの低下も解消され硬さムラ並びに浸炭ムラのない、より良質な浸炭処理製品が得られた。
【００５５】
（実施例４／浸炭ガス量及び浸炭ガス圧の違いによる浸炭挙動の比較）
浸炭処理材として鋼材（材質：ＳＣＭ４１５、寸法：幅２２ｍｍ×奥行３０ｍｍ×高さ７．５ｍｍ）を用い、実施例１〜３と同じ浸炭炉（室内容積０．８１Ｌ）を用い、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を表１に示すパルス条件下で炉内に導入するサイクルを６０分間繰り返すことによって浸炭処理を施した。なお、本実施例では、炉内ガス圧を２１６０〜３５３０Ｐａの範囲で変化させ、またガス流量を５〜１００ｃｃ／ｍｉｎの範囲内で変化させた。なお、各サイクルにおいて導入される浸炭ガス量は１．５４〜３０．８ｃｃの範囲内にある（表１参照）。浸炭処理後は浸炭処理時と同温度、減圧雰囲気下で６０分間拡散処理を施した後、８０℃の温度で油焼入れを行った。得られた浸炭処理製品について表面から深さ方向に対してビッカース硬さＨＶの測定を行った。
【００５６】
図７〜図９に実施例４に係る浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭ガス量及び浸炭ガス圧の影響についての結果を示す。ここで、図中に示した（  ）内の数値は、各浸炭処理時間内に導入された浸炭ガスの積算量を表したものである。なお、図７〜図９は浸炭ガス圧の違いごとにまとめたものである。図示したように、いずれの浸炭ガス圧下でも浸炭ガス量の増加に伴いカーボンが鋼材中へと固溶しその結果、ビッカース硬さＨＶの増加が認められ、有効硬化層の厚みも増加する傾向にあった。特にいずれの浸炭ガス圧下においても、浸炭ガス量（炉の単位容積当たりの浸炭ガスの積算量）が１８５２ｃｃ（流量：１００ｃｃ／ｍｉｎ）において有効硬化層が表面から約０．６ｍｍの深さまで形成され、また、表面には煤等の発生のない良質の浸炭処理製品が得られた。また、浸炭ガス圧が増加するのに伴いカーボンの鋼材中への固溶量及びビッカース硬さＨＶが増加し且つ有効硬化層の厚みがより増大する傾向にあった。なお、図７〜図９に示した結果において有効硬化層の形成が認められなかった条件についても、図示はしないが浸炭ガス量を増やすこと（各パルスサイクル当たりの浸炭ガス量の増加若しくはパルスサイクルの増加）によって、有効硬化層が表面から０．６ｍｍの深さまで形成され、且つ、煤等の発生のない表面性状に優れた良質の浸炭処理製品が得られることを実験的に確認している。
【００５７】
以上の結果から、浸炭ガスである都市ガス（１３Ａ）を、減圧下且つ８５０〜１１００℃の温度域下で、所定のパルス条件、すなわち、各パルスサイクルにおける浸炭ガスのガス量が浸炭炉の単位容積当たり３０〜３００ｃｃ且つ全パルスサイクルを通じた浸炭ガスの導入積算量が１８００〜１８０００ｃｃとなるように制御されることによって、従来より減圧下での浸炭処理において浸炭ガスとして使用されているアセチレンガス、エチレンガス、プロパンガス等と同様の優れた浸炭効果が得られた。具体的には、一般に浸炭処理材としての実用化レベルとされるビッカース硬さＨＶが５５０以上の有効硬化層が表面から０．６ｍｍ以上の深さまで形成されるという条件を満たし、且つ、煤や浸炭ムラの発生のない良質の浸炭処理製品を得ることができた。
【００５８】
また、上記の浸炭効果は都市ガス（１３Ａ）を浸炭ガスとして用いた場合だけでなく、天然ガスを用いた場合にも、減圧下で浸炭温度を８５０〜１１００℃に制御し、さらに上記所定のパルス条件（浸炭ガス導入量、ベース圧等）を設定することによって、都市ガス（１３Ａ）を用いた場合と同様に有効硬化層が表面から０．６ｍｍ以上の深さまで形成され且つ煤や浸炭ムラの発生のない浸炭処理製品が得られることも実験的に確認している。
【００５９】
本発明は上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、浸炭時のパルスサイクル条件は上記実施例のものには限られず、各サイクルあたりの浸炭ガスの導入量や導入時間、保持時間、排気時間等も適宜変更可能である。また、被浸炭処理材として使用する鋼材の材質も上記実施例のものに限られない。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の浸炭方法によれば、浸炭ガスとして、従来減圧下での浸炭処理において浸炭用の供給ガスとして有効であるとされてきたエチレンガスやアセチレンガス等よりも安価な都市ガス若しくは天然ガスを使用することによって、浸炭処理コストならびに得られる浸炭処理製品のコストを低減させることができるという効果がある。特に、家庭用等のガスラインとして広く普及している都市ガスを浸炭ガスとして使用することによって、浸炭処理設備への浸炭ガスの供給が極めて容易であり、浸炭処理コスト等をより安価に抑えることができるという効果がある。
【００６１】
また、都市ガスや天然ガスは、比較的浸炭能力の低いメタンが主成分として含まれていることにより、浸炭制御が容易に行え、且つ、煤などの発生のない表面性状に優れた浸炭処理材が得られるという効果がある。また、炭素数２以上の浸炭ガス種の分散性が良好であることから、浸炭時の反応ムラが少なく拡散処理時間ひいては浸炭処理工程全体の短縮化をも図ることができるという効果がある。さらには、常圧浸炭法のように浸炭時に有害なＣＯが一切発生せず、環境面からも優れている。
【００６２】
また、減圧下において、浸炭処理を所定温度（８５０〜１１５０℃）、及び所定パルス条件下で行うことによって、煤や浸炭ムラの発生がなく、鋼材内部までカーボンが十分に固溶・拡散された高品質の浸炭処理製品を提供することができるという効果がある。特に、パルス式に浸炭ガスを炉内に導入するに際して、１サイクル当たりの浸炭ガス量が炉の単位容積当たり３０〜３００ｃｃの範囲内且つ全サイクルを通した浸炭ガスの導入積算量が１８００〜１８０００ｃｃの範囲内に制御することによって、生成したカーボンが煤となって発生することなく常に鋼材中へと固溶される適正の浸炭反応を進行させることが可能であり、これにより実用化レベルとされる０．６ｍｍ以上の厚みを備えた有効硬化層が形成され、なおかつ浸炭ムラや硬さムラのない良質の浸炭処理製品を製造することができるという効果がある。またさらに、浸炭時の浸炭処理雰囲気のベース圧を０．０１〜１０ｋＰａの範囲内に制御することによって、浸炭ガスのガス圧（ガス導入量）を容易に制御することができ、最適の浸炭処理を実現することができるという効果がある。
【００６３】
また、浸炭処理後に、浸炭処理製品を１ｋＰａ以下の減圧下で所定時間、特に５〜６０分間保持する拡散処理を行うことによって、浸炭処理で鋼材の表面部に固溶されたカーボンを処理材内部へと効果的に拡散させることができる。これにより、浸炭ムラの発生が抑えられ、最適な厚みを有する硬化層が形成された良質の浸炭処理製品を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る浸炭処理時の加熱履歴及び炉内圧力履歴並びにパルスサイクルの圧力履歴を示した図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対する炭素濃度の変化）に及ぼす浸炭温度の影響について示した図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭温度の影響について示した図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対する炭素濃度の変化）に及ぼす浸炭処理時間の影響について示した図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭処理時間の影響について示した図である。
【図６】本発明の第３実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす拡散処理の影響について示した図である。
【図７】本発明の第４実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭ガス量の影響（浸炭圧力：２１６０Ｐａ）について示した図である。
【図８】本発明の第４実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭ガス量の影響（浸炭圧力：２６１０Ｐａ）について示した図である。
【図９】本発明の第４実施例に係る浸炭処理製品における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨＶの変化）に及ぼす浸炭ガス量の影響（浸炭圧力：３５３０Ｐａ）について示した図である。
【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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【図８】
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【図９】
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