(57)【要約】【課題】鋼材（鋼板）から塑性加工および焼入れ加工を経て製造する機械部品の製造方法において、鋼材として安価な低炭素鋼を用いて所定部位のみ高硬度・高靭性を付与できる鋼材製機械部品の製造方法を提供すること。【解決手段】低炭素鋼材から所定部品形状に塑性加工で調製した鋼材加工品（ワーク）を、焼入れ工程を経て製造する機械部品の製造方法。  １）ワークに対して、窒化ガスを用いて、深さ１０μmの窒素濃度：1.５質量％以下で、且つ、深さ５０μmの窒素濃度：０.１０質量％以上の浸窒層を得る浸窒処理工程、および、  ２）浸窒処理工程後のワークを、所要部位にのみ高周波により加熱してオーステナイト化後、時間をおかず急冷してマルテンサイト化する高周波焼入れ工程、  の各工程を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低炭素鋼材（炭素量０．３質量％未満）から所定部品形状に塑性加工及び／又は機械加工で調製した鋼材加工品（ワーク）を、焼入れ加工を経て製造する機械部品の製造方法であって、
前記ワークに対して、密閉室内で、実質的に中性ガスと窒化剤とのみからなる窒化ガスを用いて、深さ１０μmの窒素濃度：１.５質量％以下で、且つ、深さ５０μmの窒素濃度：０.１０質量％以上の浸窒層を得る浸窒処理工程、及び、
該浸窒処理工程後の前記ワークを、所要部位にのみ高周波加熱してオーステナイト化後、時間をおかず急冷してマルテンサイト化する高周波焼入れ工程、
の各工程を含むことを特徴とする鋼材製機械部品の製造方法。
【請求項２】
前記浸窒処理工程における加熱温度をＦｅ−Ｃ状態図のＡ1変態点（共析反応線：７２７℃）以上とすることを特徴とする請求項１記載の鋼材製機械部品の製造方法。
【請求項３】
前記浸窒処理工程における窒化ガスとして、実質的にＮ2（中性ガス）とＮＨ3（窒化剤）のみからなり、窒化剤混合比率：２０〜５０vol％の組成のものを用い、加熱条件：７４０〜８５０℃×３５〜１２０minとするとともに、
前記高周波焼入れ工程における、高周波条件：出力２０〜３５ｋＷで加熱保持時間３．５〜１.０ｓとするとともに、急冷条件：２０〜４０℃×１〜１０ｓとして、表面硬度（ビッカース硬さ：JIS Z 2244（荷重100ｇ）、以下同じ。）６５０ＨＶ以上の機械部品を得る、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の鋼材製機械部品の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の鋼材製機械部品の製造方法において、前記塑性加工をブランキングとすることを特徴とする鋼材製機械部品の製造方法。
【請求項５】
請求項４の鋼材製機械部品の製造方法を用いて、歯部のみ高周波焼入れをして板状歯車を製造することを特徴とする板状歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材製機械部品の製造方法に関する。特に、歯車、プーリ、スプロケット等の高硬度および高靭性（じんせい:toughness）が要求される機械部品を、鋼材をプレス打ち抜き（ブランキング）等の塑性加工及び／又は機械加工を経て製造するのに好適な発明に係る。
【０００２】
ここでは、輸送機器等における歯車を、鋼板（鋼材）から塑性加工（ブランキング等）及び切削加工を経て製造する場合について説明するが、プーリやスプロケット等を塑性加工や切削加工により製造する場合についても、本発明は適用できるものである。
【背景技術】
【０００３】
上記のような歯車を鋼板からブランキングにより製造する場合は、ブランキング後、歯車の咬み合い部に所要の硬度を付与するために、従来は、通常、慣用の浸炭処理や浸炭窒化処理により対処していた。
【０００４】
しかし、浸炭処理や浸炭窒化処理では、浸炭に伴い、被処理物（鋼材）の表層に粒界酸化物が析出するため、焼入れ性が低下して、焼入れによる疲れ強さ（fatigue strenngth）の向上効果が阻害される。
【０００５】
なお、本発明の特許性に影響を与えるものではないが、先行技術文献として、特許文献１〜３等を挙げることができる。
【０００６】
特許文献１には「表層に窒素化合物層を有せず、表面から所定深さまで０．０５〜１．５０％の濃度で窒素を固溶させた窒素拡散層を備え、且つ焼入れ処理を施した浸窒焼入品」（請求項１等）が、特許文献２には、「鋼製の転動部材であって、表面層から一種以上の合金元素を拡散浸透させるとともに、その表面層を浸炭、浸炭浸窒及び／又は浸窒処理した後に焼入れ若しくは焼入れ焼き戻し処理が施されている転動部材」（請求項１等）が、特許文献３には、「歯車歯をその最終形状に切削し、歯車歯を浸炭し、この歯車を徐冷し、或いは焼きなまし、歯車歯の表面だけを加熱して高周波焼入れする歯車の製造方法」（要約等）が、それぞれ記載されている。
【０００７】
さらに、非特許文献１には、「ガス浸炭窒化」のタイトルの論文、非特許文献２には、「軟窒化処理した鋼の高周波焼入れに関する基礎研究」のタイトルの論文が、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４６０８８号公報
【特許文献２】特開２００４−１０７７０９号公報
【特許文献３】特開平１１−３４３５２０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】滝嶋，「ガス浸炭窒化」社団法人日本熱処理技術協会発行、熱処理１０巻１号、昭和45年2月、ｐ568〜572。
【非特許文献２】高瀬他2名，「軟窒化処理した鋼の高周波焼入れに関する基礎研究」社団法人日本熱処理技術協会発行、熱処理17巻3号、昭和52年6月、ｐ377〜381。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記にかんがみて、鋼材（鋼板）から塑性加工及び／又は機械加工で調製した鋼材加工品（ワーク）を、焼入れ加工を経て製造する機械部品の製造方法において、鋼材として安価な低炭素鋼を用いて所定部位のみ高硬度および高靭性を付与でき、且つ、機械部品を取り付けるに際して、後加工としてカシメや溶接したような場合に、カシメ割れや焼割れが発生しない鋼材製機械部品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】
【００１１】
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意開発に努力をした結果、下記構成の鋼材製機械部品の製造方法に想到した。
【００１２】
低炭素鋼材（炭素含有量０．３質量％未満）から所定部品形状に塑性加工及び／又は機械加工で調製した鋼材加工品（ワーク）を、焼入れ加工を経て製造する鋼材製機械部品の製造方法であって、
前記ワークに対して、密閉室内で、実質的に中性ガスと窒化剤とのみからなる窒化ガスを用いて、深さ１０μmの窒素濃度：１．５質量％以下で、且つ、深さ５０μmの窒素濃度：０.１０質量％以上の浸窒層を得る浸窒処理工程、及び、
該浸窒処理工程後の前記ワークを、所要部位にのみ高周波加熱してオーステナイト化後、時間をおかず急冷してマルテンサイト化する高周波焼入れ工程、
の各工程を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の鋼材製機械部品の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】Ｆｅ−Ｎ系の状態図である（日本金属学会編「金属データブック」丸善、2004.2におけるものを改訂）。
【図３】各実施例に使用した試験片である平歯車の平面寸法図である。
【図４】本発明の実施例Ａ，Ｄにおける浸窒処理の加熱タイムチャートである。
【図５】本発明の実施例Ａ〜Ｆにおける浸窒処理後の表面硬さ（ＨＶ）および窒化深さ（μｍ）を示すグラフ図である。
【図６】本発明の実施例Ａ〜Ｆにおける異なる二つの条件の高周波焼入れ後の表面硬さ（ＨＶ）、及び、一方の高周波焼入れ後の有効深さ（μｍ）を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。以下の説明で濃度等を示す「％」は、特に断らない限り、「質量％」を意味する。
【００１５】
上位概念的には、低炭素鋼材（炭素含有量0.３質量％未満）から所定部品形状に加工した鋼材加工品（ワーク）を、焼入れ加工を経て製造する機械部品の製造方法に関する。
【００１６】
ここでは、低炭素鋼材として、冷間圧延鋼板一般用「ＳＰＣＣ」を用いて、板状機械部品（例えば歯車）を、ブランキング加工（塑性加工）を経て製造する場合を例に採り説明する。本発明は、他の低炭素鋼板、さらには、帯鋼、型鋼、棒鋼等の他の鋼材を用いて、歯車以外の機械部品に適用することもできる。また、塑性加工に限らず、切削・研削機械加工により形成した機械部品（ワーク）に適用することも可能である。
【００１７】
そして、本発明の方法の概略は、図１に示す如くである。以下、各工程を詳細に説明する。
【００１８】
（１）ワーク調製工程：
低炭素鋼板を歯車形状にブランキング加工をして板状ワークを調製する。ブランキング加工後、通常、機械加工（切削乃至研削）により面取り加工を行なう。なお、ブランキング加工の代わりに最初から機械加工によりワークを調製してもよい。
【００１９】
（２）浸窒処理工程：
該板状ワークの全面表層側を浸窒処理する。
【００２０】
このときの浸窒処理の条件は、ワークに対して、密閉室内で、実質的に中性ガスと窒化剤とのみからなる窒化ガスを用いて、深さ１０μmの窒素濃度１．５％以下（浸窒加熱温度により異なるが、望ましくは、０．２〜０．９％）で、且つ、深さ５０μmの窒素濃度０．１０％以上（浸窒加熱温度により異なるが、望ましくは０．１５〜０．７％）の浸窒層を得ることができるものとする。なお、深さ１００μmの窒素濃度０．５％（さらには０．２％）以下となるものとすることがさらに望ましい。
【００２１】
深さ１０μmの窒素濃度が過剰になると、表面硬さ・靭性を確保し難くなる。高周波加熱に際して、オーステナイト中に固溶された窒素原子（Ｎ）が分子状窒素（Ｎ2）となって、粒界拡散或いは連結空孔を介して脱窒（逸脱）して、ボイドが多数形成されやすいためと推定される。
【００２２】
上記窒素濃度を確保し易い浸窒処理条件は、実質的にＮ2（中性ガス）とＮＨ3（窒化剤）とのみからなり、窒化剤混合比率：２０〜５０vol％（望ましくは３０〜４５vol％）の組成のものを用いる。また、加熱条件は、通常、６５０〜８５０℃×３５〜１２０minの範囲から選定するが、Ｎ固溶限の高いオーステナイト域、Ａ1変態点：Ｆｅ−Ｃ状態図で７２７℃以上が望ましく、さらには、７４０〜８４０℃×６０〜１００minとすることが望ましい。
【００２３】
窒化剤混合比率が高すぎたり、加熱条件の温度が低すぎたり時間が長すぎたりする場合は、窒素濃度が過剰になり易く、さらには、オーステナイト中に固溶（侵入）したＮ原子が会合してＮ分子（Ｎ2）となりオーステナイト粒界にボイドを形成して、残留オーステナイト（γ）を生成し易くなる（硬度低下をもたらす。）。
【００２４】
逆に、窒化剤混合比率が低すぎたり、加熱条件の温度が高すぎたりたり時間が短すぎたりする場合は、窒素濃度が過少となり、いずれも、所要の表面硬さを確保し難くなる。
【００２５】
なお、窒化剤混合比率の低い方が、コスト的に有利であるとともに、安定して表面側における高硬度・高靭性を得やすいことを確認している。
【００２６】
また、この浸窒処理後、高周波加熱に先立ち、浸炭浸窒装置を用いて行う場合は、通常、焼入れ（クエンチ）処理が行われるが、歪みをかんがみると、必然的ではない。
【００２７】
（３）高周波焼入れ工程：
浸窒処理工程後のワークを、所要部位（歯部）にのみ高周波加熱してオーステナイトを部分的に生じさせるオーステナイト化後、瞬時急冷してマルテンサイト化する工程である。
【００２８】
即ち、部分オーステナイト化できる温度であるＦｅ−Ｃ状態図におけるＡ1線：７２７℃以上の温度に、望ましくは８００〜９５０℃になるような範囲で適宜設定する。
【００２９】
具体的には、高周波加熱条件：出力２０〜３５ＫＷで加熱保持時間３．５〜１.０ｓとするとともに、急冷条件：２０〜４０℃×１〜１０ｓとする。
【００３０】
高周波加熱時間が短いと、深部へのＮ拡散が小さくて表面側のＮ濃度の低下が抑制されて残留オーステナイト（retained austenite）（以下、「γR」）量が相対的に大となり易い。逆に、高周波焼入れ（加熱）時間が長いと、深部へのＮ拡散が大きくて表面側Ｎ濃度が低下して、表面側γR量が相対的に小となり易い。
【００３１】
高周波焼入れ工程における急冷に際して、オーステナイト（γ）からマルテンサイトへの変態が生じるが、マルテンサイト変態は体積膨張を伴う。このため、γRの比率が大であるとマルテンサイト変態率が小となりマルテンサイト膨張に起因する圧縮残留応力が小さく、鋼材機械部品に高硬度・高靭性を得がたい。逆に、γRの比率が小であるとマルテンサイト変態率が大となりマルテンサイト膨張に起因する圧縮残留応力が大となることによる鋼材機械部品に高硬度・高靭性の向上が期待できる。
【００３２】
こうして、表面硬さ（ビッカース硬さ：JIS Z 2244（荷重100ｇ）、以下同じ。）６５０ＨＶ以上、望ましくは、７５０ＨＶ以上、よりさらには８００ＨＶ以上を有する機械部品を容易に製造することができる。
【００３３】
なお、「ＳＰＣＣ」の化学成分は、Ｃ：0.12%以下、Ｍｎ：0.50%以下、Ｐ：0.040%以下、Ｓ：0.045%以下、である（[JIS G 3141]から引用。）。
【実施例】
【００３４】
本発明の効果を確認するために行なった実施例について説明する。
【００３５】
使用した試験片は、低炭素鋼板（ＳＰＣＣ）（厚み：2.8ｍｍ）をブランキング加工後、切削によりＲ付けをして、図３に示すような寸法仕様の板状歯車とした。
【００３６】
なお、各特性の試験方法は、下記の如く行なった。
【００３７】
1)表面硬さ（ＨＶ）：
マイクロビッカース硬度計を用いて荷重１００ｇの条件で、ＪＩＳＺ２２４４に準じて行なった。
【００３８】
2）浸窒処理後の窒化深さ（μｍ）
光学顕微鏡で撮影した金属断面組織写真（４００倍）で、フェライト相／マルテンサイト相が略等量に見える深さで判定した。
【００３９】
3)高周波処理の有効深さ（μｍ）
ビッカース硬度計で、ＨＶ５５０を示す硬さまでの深さで判定した。
【００４０】
（１）浸窒処理工程：
浸窒処理は、手前側から順に、搬出入装置が連結されたパージ室を兼ねた冷却室、中間室、最後に、加熱室(浸窒室)が配され、真空気密構造で、手前側で搬出入するイン−アウト方式のダイレクト浸炭炉（株式会社日本テクノ製造）（図示せず。）を用いた。
【００４１】
真空気密構造であることにより、浸窒処理を行う加熱室の雰囲気を、実質的にＮ2（中性ガス）とＮＨ3（窒化剤）とのみからなるものにし易くなり、浸窒処理に際して、粒界における酸化物生成（硬さ・靭性低下の一因となる。）が抑制される。
【００４２】
さらに、真空パージにより短時間で確実にパージ室の酸素雰囲気を真空引きで酸素を排気する。即ち、パージ室にワークを搬入した状態で、それぞれ、隔壁に設けられたパージ室の入口・出口真空扉（第一・第二真空扉）及び加熱室断熱扉を閉じて、密閉隔離されたパージ室、中間室および浸窒室を真空排気した後、Ｎ2ガスで各室を復圧（大気圧）させる。そして、加熱室（浸窒室）は設定温度に昇温させておく。パージ室の入口・出口真空扉及び加熱室断熱扉を開けて、加熱室（浸窒室）にワークを搬入した後、加熱室断熱扉およびパージ室の第二真空扉を閉じて、加熱室（浸窒室）を密閉室として、Ｎ2とＮＨ3を導入して、窒化剤混合比率を所定値とする。
【００４３】
表１に示す条件で浸窒処理を行った。実施例Ａ・Ｄにおける浸窒室の加熱タイムチャートを図４に示す。
【００４４】
すなわち、Ｎ2が充満された浸窒室内の温度を７００℃に保持した状態で、５０〜８０Ｐａに真空引きしたあと、大気圧（１０１．３kPa）になるまでＮ2を導入して復圧させる。その際、図４に示す如く、温度が若干下がる。その後、試験片（ワーク）を浸窒室内に挿入し、設定温度（図例では８００℃）になるまでになるまで昇温後、浸窒室内の温度分布を均一化させるため均熱時間（４０分）を設け、その後、Ｎ2（中性ガス）とＮＨ3（窒化剤）とを浸窒室内へ導入して、所定窒化剤混合比率とし、浸窒処理を行った。
【００４５】
そして、浸窒処理後ワーク（試験片）を、引張駆動にて、中間室を経て焼入れ室へ移動して、急冷（油焼入れ：８５℃×１０min）を行なって、浸炭浸窒炉から試験片を取り出した。
【００４６】
こうして調製した各ワークについて、表面からの距離（深さ）−窒素濃度を市販のＥＭＰＡ（Electron Probe Micro Analyzer）装置を用いて行なった。
【００４７】
そして、各実施例のワークにおける深さ１０μm、５０μm及び１００μmにおける窒素濃度を表１に示す。
【００４８】
いずれの実施例も本発明の範囲内の浸窒が行なわれていることが分かる。
【００４９】
また、浸窒処理後の表面硬さ(ＨＶ)を測定するとともに、硬化深さ（μｍ）を測定して、纏めた結果を図５に示す。図５から、浸窒処理温度が高い程、窒化深さが増大する傾向にあるとともに、浸窒処理後の表面硬さは低下する傾向にあることが分かる。即ち、浸窒処理の温度が高くて時間が長いと表面側の窒素濃度が低くなる傾向にあることが分かる。
【００５０】
（２）高周波焼入れ工程：
上記浸窒処理後の各試験片について、真空式発振機（３５０kＨｚ、５０kＷ）を用いて、下記二つの条件で高周波焼入れを歯部のみについて行った。
・３４ｋＷ（８．５ＫＶ×４．０Ａ）×１．６ｓ
・２１ｋＷ（７．０ｋＶ×３．０Ａ）×３．０ｓ
【００５１】
前記方法により測定した表面硬さ（ＨＶ）および有効深さ（５５０ＨＶ）（μｍ）の結果を纏めたものを表１及び図６に示す。
【００５２】
いずれの実施例も表面硬さにおいて７５０ＨＶ以上が得られ、有効深さも５０μｍ以上得られることが確認できた。
【００５３】
特に、表面硬さ（ＨＶ）８００ＨＶ以上が得られるとともに、有効深さ（５５０ＨＶ）（μｍ）において、目標値である１００μｍ以上が得られた。これは、従来の高周波焼入れでは得難かった表面硬さ特性である。
【００５４】
【表１】
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【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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