(57)【要約】【課題】浸炭温度領域に応じた融点を有する合金からなる浸炭抑制材を提供することである。【解決手段】浸炭抑制材は、浸炭処理を施す浸炭個所と、浸炭処理を施さない非浸炭個所とを有する金属部材を浸炭処理する際に、非浸炭個所に被膜を形成して、非浸炭個所の浸炭を抑制する浸炭抑制材であって、浸炭温度領域に応じた融点を有し、浸炭温度領域において、固液共存状態となる。浸炭抑制材は、例えば、銅−マンガン合金からなる。浸炭抑制材は、浸炭処理時において、固液共存状態となり、緻密な被膜となって、炭素の浸透、拡散を抑制する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭処理を施す浸炭個所と、浸炭処理を施さない非浸炭個所とを有する金属部材を浸炭処理する際に、非浸炭個所に被膜を形成して、非浸炭個所の浸炭を抑制する浸炭抑制材において、
浸炭温度において固液共存状態となる合金からなることを特徴とする浸炭抑制材。
【請求項２】
請求項１記載の浸炭抑制材において、
前記合金は、マンガンを含む銅合金であることを特徴とする浸炭抑制材。
【請求項３】
請求項２記載の浸炭抑制材において、
前記銅合金は、更に、ニッケルを含むことを特徴とする浸炭抑制材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭処理を施す浸炭個所と、浸炭処理を施さない非浸炭個所とを有する金属部材を浸炭処理する際に、非浸炭個所を被覆して当該個所の浸炭を抑制する浸炭抑制材に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面硬さを向上させて、鋼等の金属部材の耐摩耗性を高める技術として、浸炭処理が知られている。浸炭処理は、９００℃〜１０００℃程度に加熱された鋼の表面から、炭素を浸透、拡散させる処理である。浸炭処理としては、一般的に、固体浸炭法、液体浸炭法、ガス浸炭法が知られている。浸炭処理が施され、炭素が浸透した金属部材の表面は硬くなり、炭素が浸透しなかった金属部材は硬くならず、金属部材の本来の性質である靱性を維持したままとなる。
【０００３】
浸炭処理が施される金属部材の中には、全表面に浸炭処理を施すことを望まないものがある。例えば、先端部にねじ部を備えた歯車を有するシャフト部品の場合、ねじ部の表面は浸炭処理を望まない個所である。ねじ部に浸炭処理が施されてしまうと、ねじ部は硬くなり過ぎて、切欠き感受性が高くなってしまう。浸炭したままの部品のねじ部を、ナットにねじ込んだ場合、シャフト部品のねじ部に遅れ破壊が発生してしまう。その為、浸炭処理を望まない個所（非浸炭個所）を有する金属部材を浸炭処理する場合、非浸炭個所に炭素が拡散しない様に、非浸炭個所に金属被膜を形成して浸炭を防止する技術（特許文献１）や、非浸炭個所にゴム成分とガラス成分とを含む混合物を被覆して浸炭を防止する技術（特許文献２）が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３０２８２１号公報
【特許文献２】特開平０８−１３４５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１において開示される金属被膜は、スズ（スズ合金）からなり、非浸炭個所に、ブラスト加工によって吹き付けて形成されるものである。このように吹き付けて金属被膜を形成すると、被膜中には、微細な空隙（孔）が生じてしまう。空隙の中には、被膜の内部を貫通するものもある。非浸炭個所の表面に、このような空隙を有する金属被膜を形成しても、浸炭時に表面から炭素が侵入してしまい、金属被膜の下の非浸炭個所に炭素が浸透してしまうことがあり問題であった。
【０００６】
特許文献２が開示するゴム成分とガラス成分とを含む混合物の被膜は、ねじ部等の複雑な形状を備える金属部材の表面に形成出来る点において優れるが、粘度、濃度の管理が難しく、膜厚の管理が難しくなる。ゴム成分やガラス成分を含む被膜は、金属被膜とは異なり、薄く均一な被膜とすることが難しい。その為、ねじ部に当該被膜を形成して浸炭処理を行った場合、浸炭処理後、ねじ部を露出させる為の被膜の除去工程が必要となり問題であった。更に、一部成分がガス化するため、浸炭炉の雰囲気を乱すことになり、目的の品質を得られない場合が生じる。
【０００７】
なお、他の従来技術として、非浸炭個所に銅メッキ被膜を施して、浸炭処理を防止する技術が知られている。一般的に、銅メッキ被膜は、吹き付けて形成された金属被膜よりも空隙が少なく緻密な構造を有する。しかし、非浸炭個所のみに、選択的に、銅メッキ被膜を施すには煩雑な工程が要求される。また、やむを得ず、浸炭個所に銅メッキ被膜が形成されてしまった場合には、その銅メッキ被膜を機械加工等により除去しなければならない。また銅メッキ処理は、取り扱い上、制約のある薬品を用いなければならず、また処理が困難な廃液を発生させてしまうため、コスト面において、好ましくない。
【０００８】
また、非浸炭個所を、浸炭個所と共に、一旦、浸炭処理を行い、その後、浸炭された非浸炭個所を高周波等で焼戻す技術が知られている。しかし、焼戻しによって、ねじ部等の非浸炭個所に、遅れ破壊を回避できる程度の柔軟性を与えるには、焼戻しの条件管理が非常に難しくなる。また設備投資費、維持管理費も高くなり、問題である。
【０００９】
また、非浸炭個所に、銅製のキャップ等を被せて、浸炭を抑制する技術も知られている。しかし、この技術によっては、キャップと非浸炭個所との間に隙間が生じやすく、その隙間から炭素が侵入してしまう為、浸炭を充分に抑制することができない場合が多い。
【００１０】
本発明の目的は、浸炭温度において固液共存状態となる合金からなる浸炭抑制材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る浸炭抑制材は、浸炭処理を施す浸炭個所と、浸炭処理を施さない非浸炭個所とを有する金属部材を浸炭処理する際に、非浸炭個所に被膜を形成して、非浸炭個所の浸炭を抑制する浸炭抑制材において、浸炭温度において固液共存状態となる合金からなることを特徴とする。本発明の浸炭抑制材は、金属部材の非浸炭個所において、浸炭処理中に加熱され、溶解して固液共存状態となり、空隙の無い緻密な被膜となる。空隙の無い緻密な被膜となることによって、被膜下の非浸炭個所へ炭素が浸透し、拡散するのを抑制する。
【００１２】
上記浸炭抑制材において、合金は、マンガンを含む銅合金であることを特徴とする。本発明に係る浸炭抑制材の融点は、主として、マンガンと銅との組成比によって調節することができる。
【００１３】
また、上記浸炭抑制材において、前記銅合金は、更に、ニッケルを含むことを特徴とする。
【００１４】
また本発明に係る浸炭抑制方法は、浸炭処理を施す浸炭個所と、浸炭処理を施さない非浸炭個所とを有する金属部材を浸炭処理する際に、非浸炭個所の浸炭を抑制する浸炭抑制方法であって、浸炭温度において固液共存状態となる合金からなる浸炭抑制材の被膜を形成することを特徴とする。
【００１５】
上記浸炭抑制方法において、浸炭抑制材の被膜は、プラズマ溶射法によって形成されることを特徴とする。例えば、プラズマ溶射法を用いれば、所定の組成比を保持した合金の被膜を形成することができる。
【００１６】
上記浸炭抑制方法において、浸炭抑制材の被膜の厚みは、１０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする。この程度の被膜の厚みであれば、場合によっては、浸炭処理後、被膜を取り除かずに、そのままの状態で、金属部材を利用することも可能となる。
【００１７】
上記浸炭抑制方法において、浸炭抑制材は、少なくともマンガンと、ニッケルとを含む銅合金であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、浸炭温度で固液共存状態となる合金からなる浸炭抑制材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本実施形態に係る浸炭抑制材は、浸炭温度領域に応じた融点を有する合金からなる。浸炭温度領域とは、浸炭処理が行われる温度領域（温度範囲）のことである。浸炭温度は、通常、８８０℃〜９５０℃の範囲内にある。例えば、浸炭処理の温度が９５０℃の場合、浸炭抑制材（合金）の融点は、８６０℃〜９７０℃程度に設定される。合金は、純粋な金属と異なり、明確な融点を示さず、幅を持った融点となる。本実施形態に係る浸炭抑制材（合金）の融点とは、幅を持った融点であって、その上限を、合金状態図における固相線温度と対応させ、かつ下限を、液相線温度と対応させたものである。このような上限と下限との幅を持った融点の合金からなる浸炭抑制材は、浸炭温度において固液共存状態となる。
【００２０】
浸炭抑制材は、主として、マンガンを含む銅合金からなる。浸炭抑制材の融点は、主として、銅とマンガンとの組成比率によって定められる。銅とマンガンとの組成比率を調節することによって、浸炭温度において固液共存状態となる銅合金を調製することができる。銅とマンガンとの組成比率は、例えば、縦軸に温度（℃）を取り、横軸に銅とマンガンの比率（割合）を取った、合金状態図において、液相線と固相線との間の領域内に浸炭温度が収まる条件を選択することによって定めることができる。
【００２１】
本実施形態の銅合金において、マンガンは１０〜３０質量％（以下、単に％と示す）の割合で含むことが好ましい。その他の成分として、ニッケルを１〜１０％、ケイ素を１〜３％を、所望により銅合金に添加しても良い。また、濡れ性を向上させる為に、銅合金にホウ素を添加してもよい。ホウ素の添加量は、０．０５％〜２．０％の範囲であることが好ましい。
【００２２】
例えば、浸炭温度が９５０℃であれば、２０．０質量％のマンガンと、１０．０％のニッケルと、２．０％のケイ素を含む銅合金（６８．０％の銅）を用いることが出来る。この銅合金の融点は、８９０℃〜９４０℃である。また、１５．０％のマンガンと、５．０％のニッケルと、２．５％のケイ素を含む銅合金（７７．５％の銅）を用いることができる。この銅合金の融点は、９１０℃〜９７０℃である。また、２０．０％のマンガンと、１０．０％のニッケルと、１．５％のケイ素と、０．５％のホウ素を含む銅合金（６８．０％の銅）を用いることができる。この合金の融点は、８９０℃〜９６０℃である。また、３０．０％のマンガンと、１５．０％のニッケルと、１．０％のケイ素と、０．５％のホウ素を含む銅合金（５３．５％の銅）を用いることができる。この銅合金の融点は、８６０℃〜９２０℃である。なお、銅合金の調製は、ガスアトマイズ法等の公知の手法によって行うことが出来る。
【００２３】
図１は、ねじ部を有するシャフト部品（以下、シャフト部品）に浸炭抑制材の被膜を形成して、浸炭を抑制する工程を示す説明図である。図１（Ａ）は、浸炭処理が施されるシャフト部品１を示す。シャフト部品１（ＪＩＳ  ＳＣＲ４２０）は、トランスミッションに用いられる部品である。シャフト部品１は、傘歯車７を有する頭部２と、頭部２に接続する略円柱状の胴体部３からなる。胴体部３に接続する先端部４には、ねじ部５が設けられている。このシャフト部品１の表面を浸炭処理する場合、ねじ部５を有する先端部４は、浸炭処理を施さない非浸炭個所であり、傘歯車７を有する頭部２と、胴体部３とが、浸炭処理を施す浸炭個所となる。特に、頭部２の傘歯車７に浸炭処理を施し、強度を上げる必要がある。非浸炭個所のシャフト部品１の先端部４に、浸炭抑制材の被膜を形成する。なおシャフト部品１は、被膜を形成する前に、あらかじめ洗浄して油脂成分等を取り除いておくことが好ましい。
【００２４】
図１（Ｂ）は、非浸炭個所のシャフト部品１の先端部４に、銅合金からなる浸炭抑制材の被膜６を形成した状態を示す説明図である。シャフト部品１の先端部４に浸炭抑制材の被膜６を形成する方法（銅合金被膜を形成する方法）としては、銅合金の組成を保持しつつ被膜を形成することが出来る溶射法、蒸着法等の公知の方法を用いることができる。例えば、不活性ガスを通電して、プラズマジェットを形成し、このプラズマジェットに粉末の材料（合金粉末材料）を投入して被膜を形成するプラズマ溶射法を用いることができる。プラズマ溶射法によれば、シャフト部品１の先端部４のねじ部５の表面に、所定の組成比率を維持した銅合金の被膜６を形成することができる。なお、非浸炭個所に浸炭抑制材の被膜６を形成する際、浸炭個所に浸炭抑制材の被膜６が形成されることを防止するために、浸炭個所を適宜、公知の手法によってマスキングすることが好ましい。本実施形態においては、シャフト部品１の頭部２と、胴体部３とがマスキングされる。マスキングの為の部材（マスキング部材）は、例えば、所定形状に機械加工されたスリーブ状の鉄製マスキング部材を用いることができる。
【００２５】
非浸炭個所に形成される浸炭抑制材の被膜６の厚みは、１０μｍ〜２００μｍの範囲が望ましい。被膜の厚みが１０μｍ未満であると、充分な浸炭抑制効果を得ることが難しい。１０μｍ程度の被膜を被浸炭個所に形成すれば、浸炭抑制効果が充分得られる。特に被膜の厚みが、１０μｍ〜６０μｍの範囲であれば、浸炭処理後、ねじ部５から被膜６を除去せずに、シャフト部品１を使用することが出来る。なお本実施形態の銅合金被膜６は、浸炭処理時にねじ部５の表面と隙間を形成しない高い密着力を有する。かつ銅合金被膜６は、適度な柔軟性を有しているため、シャフト部品１のねじ部５をナットに螺合する際、シャフト部品１（鋼材）のねじ部５から剥がれ易く、ねじ部５に凝着し難い。その為、銅合金被膜６を除去しなくても、シャフト部品１の螺合不良を発生させない。
【００２６】
なおプラズマ溶射法等の公知の手法により、銅合金被膜６を形成すると、必然的に、被膜６中にある程度の空隙が生じる。被膜６は、金属微粒子が積層して形成される為、微粒子相互間に生じる隙間が、集まって上記空隙となる。なおこの空隙の割合（空隙率）は、被膜６中において３０％以下とすることが好ましい。３０％以下に留めると、被膜６は浸炭抑制効果を発揮することができる。
【００２７】
図１（Ｃ）は、先端部４のねじ部５に被膜６を形成したシャフト部品１の浸炭個所（頭部２と、胴体部３）に浸炭処理を施した状態を示す説明図である。浸炭処理方法としては、ガス浸炭法を用いた。非浸炭個所に被膜６が形成されたシャフト部品１を、所定の浸炭炉へ設置し、所定の浸炭温度、カーボンポテンシャル等の浸炭条件下で、シャフト部品１の浸炭個所へ浸炭処理を施した。
【００２８】
この浸炭処理の際、非浸炭個所に形成された浸炭抑制材の被膜６は、加熱され、溶けて、固相と液相とが共存した状態（固液共存状態）となる。加熱される前の固体（固相）状態の被膜６中には、空隙が存在している。しかし、浸炭処理時において、被膜６が加熱されて固液共存状態となると、内部の合金が流動して空隙を消失させる。空隙が消失することによって、被膜６は、空隙の無い緻密な膜構造となり、被膜６表面からの炭素の侵入を防止することができる。なお本実施形態において、固液共存状態にある被膜６は、適度な粘性（粘度）を備えており、液だれ等により被膜６が失われる等の問題を生じない。
【００２９】
浸炭処理の後、非浸炭個所に形成した被膜６は、所定の機械加工等によって、容易に取り除くことが出来る。本実施形態の銅合金被膜６は薄く、かつ柔らかい。その為、シャフト部品１のねじ部５に被膜６を形成した場合、浸炭処理後も被膜６を除去せず、残したままの状態で、シャフト部品１を使用することができる。このシャフト部品１のねじ部５をナットにねじ込んでも、的確に螺合し、かつ遅れ破壊を生じさせない。
【００３０】
図２（Ａ）は、図１（Ｂ）中の破線a−aにおける断面図を示す。非浸炭個所のシャフト部品１の先端部４の表面に、合金被膜６が形成された状態を示す。ねじ部５のような複雑な形状を有する非浸炭個所であっても、本実施形態に係る浸炭抑制材を用いれば、表面形状に沿って密着した被膜６を形成することができる。また図２（Ｂ）は、図１（Ｃ）中の破線b−bにおける断面図を示す。浸炭個所であるシャフト部品１の頭部２と、胴体部３の表面から炭素が浸透、拡散して浸炭された状態を示す。本実施形態に係る浸炭抑制材を用いれば、浸炭個所の表面のみ、浸炭処理を施すことができる。非浸炭個所であるシャフト部品１の先端部４には、被膜６が形成されている為、先端部４の表面（ねじ部５の表面）には炭素が浸透、拡散しない。本実施形態に係る浸炭抑制材は、歯車、シャフト類等の非浸炭個所を備える種々の金属部材に適用することができる。
【００３１】
ここで、被膜の浸炭抑制効果の確認を行った結果を説明する。試験片１０（形状：Φ３０×５０ｍｍ、材質：ＳＣＲ４２０（ＪＩＳ））に、銅合金（マンガン（２０％）、ニッケル（５％）、ケイ素（２％））の被膜６を、プラズマ溶射方法により形成し、その後、被膜６を形成した試験片１０に浸炭処理を施して、被膜６の浸炭抑制効果の確認を行った。プラズマ溶射法には、溶射ガン（９ＭＢタイプガン、スルザ−メテコ社製）を使用した。この溶射ガンを使用して、粉末供給量：１００ｇ／分、銅合金粉末粒度：１μｍ〜６０μｍ、の溶射条件で、試験片１０の表面に約１００μｍの被膜を形成した。浸炭処理は、浸炭（温度：９５０℃、時間：１２０分、カーボンポテンシャル：１．０）、拡散（温度：９５０℃、時間：１５０分、カーボンポテンシャル：０．８）の条件で行った。なお焼入れ油として、ダフニ  ハイテンプＡ（出光興産社製）（油温：１３０℃）を使用した。
【００３２】
被膜６を形成し、その後、浸炭処理を施した試験片１０を切断して、試験片１０の切断面を観察した。試験片１０の切断面（断面図）は、図３に示した。図３において、上側の層が、銅合金被膜６であり、下側の層が、試験片１０である。図３において示されるように、上層の銅合金被膜６には、空隙が殆ど認められないことが確かめられた。特に、銅合金被膜６の表面から下層の試験片１０へ繋がった孔が存在しないことが確かめられた。
【００３３】
図４は、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ: Electron Probe Micro-Analysis）により、浸炭処理後の被膜６を形成した試験片１０の元素分析結果を示すグラフである。縦軸は、対象試料（被膜６および試験片１０）中に含まれる元素の質量％（Ｃｕ、Ｃ／１００）を示す。横軸は、図３における縦方向の位置（距離）を示す。図３における上層と下層との間の界面の位置が、図４における横軸の０の位置に対応する。横軸において、０の位置よりも左側は、図４の上層の銅合金被膜６に対応し、０の位置よりも右側は、図４の下層の試験片１０（鉄製）に対応する。図４において示されるように、銅合金被膜６中には殆ど炭素（Ｃ）が存在していないことが確認された。これにより、銅合金被膜６の表面から、炭素が浸透し、拡散していないことが確かめられた。
【００３４】
以下、ねじや、トランスミッション、ディファレンシャル等において用いられるシャフト部品等のねじ部を備える金属部材において、浸炭処理を行う場合の手順について説明する。本実施形態に係る銅合金被膜は、薄く、かつ柔らかい為、金属部材に形成しても、容易に削り落とすことが出来る。その為、ねじ部を形成する前の金属部材（例えば、シャフト部品）の状態において、ねじ部が形成される予定の個所に、銅合金被膜を形成し、次いで、残りの個所である浸炭個所に浸炭処理を施し、その後、銅合金被膜を削り落とすと同時にねじ切りを行うことによって、シャフト部品を製造することが出来る。
【００３５】
具体的な製造工程を図５に示す。まず、油脂成分を除去する為等の目的で、所定の金属部材を洗浄する（洗浄工程、Ｓ１０）。洗浄後、本実施形態に係る銅合金からなる浸炭抑制材の被膜を、ねじ部が設けられる予定の個所の表面に形成する（被膜形成工程、Ｓ１２）。被膜形成後、被膜を形成した金属部材において、浸炭個所（シャフト部品の場合、頭部等）に対して、浸炭処理を行う（浸炭処理工程、Ｓ１４）。浸炭処理後、被膜が形成された個所に、ねじを切り、ねじ部を形成する（ねじ切り工程、Ｓ１６）。ねじ切り工程の際、銅合金被膜は削り取られる。
【００３６】
なお、図６において示されるように、ねじ切り工程（Ｓ２０）、洗浄工程（Ｓ２２）、被膜形成工程（Ｓ２４）および浸炭処理工程（Ｓ２６）の手順に沿って、ねじ部を備える金属部材を製造することもできる。この場合、被膜の厚みを調節すれば、ねじ部に形成された被膜を削り落とさなくても、そのままの状態で、シャフト部品等のねじ部を備えた金属部材を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態に係る浸炭抑制材の被膜をシャフト部品に形成して、浸炭を抑制する方法を示す説明図である。                                                  （Ａ）：浸炭個所および非浸炭個所を備えるシャフト部品の説明図である。        （Ｂ）：非浸炭個所であるシャフト部品の先端部に、銅合金からなる浸炭抑制材の被膜を形成した状態を示す説明図である。                                        （Ｃ）：先端部のねじ部に浸炭抑制材の被膜を形成した状態のシャフト部品に浸炭処理を施した状態を示す説明図である。
【図２】浸炭抑制材の被膜を形成したシャフト部品の断面図を示す。                （Ａ）：図１（Ｂ）中の破線a−aにおけるシャフト部品の断面図を示す。          （Ｂ）：図１（Ｃ）中の破線b−bにおけるシャフト部品の断面図を示す。
【図３】銅合金被膜を形成し、その後、浸炭処理を施した試験片の断面図（切断面の写真）を示す。
【図４】図３における試験片をＥＰＭＡにより元素分析（銅、炭素）を行った結果を示したグラフである。
【図５】ねじ部を備える金属部材の製造工程の手順を示す。
【図６】ねじ部を備える金属部材の他の製造工程の手順を示す。
【符号の説明】
【００３８】
１  シャフト部品、２  シャフト部品の頭部、３  シャフト部品の胴体部、４  シャフト部品の先端部、５  ねじ部、６  被膜、７  傘歯車。
【図１】
2007302969.tif 000002
【図２】
2007302969.tif 000003
【図４】
2007302969.tif 000004
【図５】
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【図６】
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【図３】
2007302969.tif 000007