(57)【要約】      （修正有）【課題】処理の全工程にわたって６００℃以上の温度にて処理を行っていたため、ワーク表面への窒素の侵入速度が遅く、所望の窒素侵入深さを得ようとすると、長時間を要した従来の浸窒焼入れ処理に替わる、短時間で所望の窒素浸入深さを得ることができる浸窒焼入れ方法、および浸窒焼入れ品の提供。【解決手段】鉄または鉄合金にて構成されるワークに窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを行う浸窒焼入れ方法であって、アンモニアガスが供給される熱処理炉内にワークを設置し、前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の温度Ｔａにまで昇温して所定時間ｔ１保持した後、前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度Ｔｂにまで昇温して所定時間ｔ２保持し、その後、前記ワークを急冷して焼入れを行う。【選択図】図２
2009270155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄または鉄合金にて構成されるワークに窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを行う浸窒焼入れ方法であって、
アンモニアガスが供給される熱処理炉内にワークを設置し、
前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の所定の温度にまで昇温して所定時間保持した後、
前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度にまで昇温して所定時間保持し、
その後、前記ワークを急冷して焼入れを行う、
ことを特徴とする浸窒焼入れ方法。
【請求項２】
前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の温度に保持する時間が、前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度に保持する時間よりも長く設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の浸窒焼入れ方法。
【請求項３】
前記ワークのフェライト領域の温度が４００℃〜５７０℃に設定され、
前記ワークのオーステナイト領域の温度が６００℃〜８５０℃に設定される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の浸窒焼入れ方法。
【請求項４】
鉄または鉄合金にて構成されるワークに窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを行うことにより構成された浸窒焼入れ品であって、
アンモニアガスが供給される熱処理炉内にワークを設置し、
前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の所定の温度にまで昇温して所定時間保持した後、
前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度にまで昇温して所定時間保持し、
その後、前記ワークを急冷して焼入れすることにより構成された、
ことを特徴とする浸窒焼入れ品。
【請求項５】
前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の温度に保持する時間が、前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度に保持する時間よりも長く設定される、
ことを特徴とする請求項４に記載の浸窒焼入れ品。
【請求項６】
前記ワークのフェライト領域の温度が４００℃〜５７０℃に設定され、
前記ワークのオーステナイト領域の温度が６００℃〜８５０℃に設定される、
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の浸窒焼入れ品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄または鉄合金にて構成されるワークに窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを行う浸窒焼入れ方法および浸窒焼入れ品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鉄や鉄合金にて構成されるワークの表面に窒素を浸透拡散させるとともに焼入れ処理を施して、ワークの表面に硬化層を形成した浸窒焼入れ品を得ることが行われている。
このような浸窒焼入れ品を製造する方法としては、例えば特許文献１に示すようなものがある。
【０００３】
つまり、鉄や鉄合金にて構成されたワークを密閉された炉内に装入し、次いで浸窒処理に悪影響を与えないガスを導入し、かつ該ガスの導入に前後して該炉内を６００〜８００℃の浸窒温度に昇温させ、さらに前記ワークを前記浸窒温度に昇温させた後、該浸窒温度を維持しつつ、前記炉内にアンモニアガスを単独でまたは浸窒処理に悪影響を与えないガスとともに導入して浸窒処理し、前記ワークに表面から窒素を浸透拡散させたうえで、前記炉内から取り出し、急冷して焼入れを行うことにより、浸窒焼入れ品が製造されている。
【０００４】
このように、従来においてワークに浸窒焼入れ処理を行うときには、浸窒処理の全工程にわたってワークを６００〜８００℃の温度に維持している。
これはワークに焼入れ処理を行うためには、ワークの組織をオーステナイト（γ）にする必要があるが、ワークがオーステナイトになる温度領域が６００℃以上となっているために、前記温度での浸窒焼入れ処理が行われている。
【０００５】
しかし、前述のように、浸窒焼入れ処理の全工程にわたって６００℃以上の温度にて処理を行った場合、ワーク表面への窒素の侵入速度が遅く、所望の窒素侵入深さを得ようとすると、長時間を要することとなっていた。
【特許文献１】特開２００７−４６０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明では、ワーク表面への窒素の侵入速度を向上して、短時間で所望の窒素侵入深さを得ることができる、言い換えれば同じ処理時間で窒素侵入深さを向上することができる浸窒焼入れ方法および浸窒焼入れ品を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する浸窒焼入れ方法および浸窒焼入れ品は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、鉄または鉄合金にて構成されるワークに窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを行う浸窒焼入れ方法であって、アンモニアガスが供給される熱処理炉内にワークを設置し、前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の所定の温度にまで昇温して所定時間保持した後、前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度にまで昇温して所定時間保持し、その後、前記ワークを急冷して焼入れを行う。
【０００８】
また、請求項２記載の如く、前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の温度に保持する時間が、前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度に保持する時間よりも長く設定される。
【０００９】
また、請求項３記載の如く、前記ワークのフェライト領域の温度が４００℃〜５７０℃に設定され、前記ワークのオーステナイト領域の温度が６００℃〜８５０℃に設定される。
【００１０】
また、請求項４記載の如く、鉄または鉄合金にて構成されるワークに窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを行うことにより構成された浸窒焼入れ品であって、アンモニアガスが供給される熱処理炉内にワークを設置し、前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の所定の温度にまで昇温して所定時間保持した後、前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度にまで昇温して所定時間保持し、その後、前記ワークを急冷して焼入れすることにより構成された。
【００１１】
また、請求項５記載の如く、前記熱処理炉内の温度をワークのフェライト領域の温度に保持する時間が、前記熱処理炉内の温度をワークのオーステナイト領域の温度に保持する時間よりも長く設定される。
【００１２】
また、請求項６記載の如く、前記ワークのフェライト領域の温度が４００℃〜５７０℃に設定され、前記ワークのオーステナイト領域の温度が６００℃〜８５０℃に設定される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来のように浸窒処理が行われる全ての時間にわたってワークをオーステナイト温度領域に維持した場合に比べて、同じ時間だけ熱処理を行ったときの、ワークへの窒素侵入深さを向上することが可能となる。
特に、フェライト温度領域での保持時間をオーステナイト温度領域での保持時間よりも長くすることで、ワークへの窒素侵入深さをより向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
【００１５】
図１に示す熱処理炉１は、鉄または鉄合金にて構成されるワーク１１の表面に窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを施す浸窒焼入処理を行うためのものである。
前記浸窒焼入れ処理は、前記熱処理炉１を用いた雰囲気熱処理により行われ、処理対象となるワーク１１は治具１２を介して熱処理炉１内に設置されている。
【００１６】
また、前記熱処理炉１には、該熱処理炉１内にアンモニアガスなどのガスを供給するためのガス供給管３が接続されており、ワーク１１の浸窒焼入れ処理を行うときには、前記ガス供給管３を通じて熱処理炉１内に所定の流量のアンモニアガスなどが供給されるように構成されている。
【００１７】
本例の場合、ワーク１１に対する浸窒焼入れ処理を行う際には、前記ガス供給管３を通じて所定流量のアンモニアガスおよび窒素ガスを熱処理炉１内に供給するようにしている。
【００１８】
つまり、熱処理炉１によるワーク１１への浸窒焼入れ処理は、アンモニアガスおよび窒素ガスの雰囲気下で行われる。
また、熱処理炉１によりワーク１１へ浸窒焼入れ処理を行うときには、熱処理炉１内を所定の温度に加熱するが、熱処理炉１内の温度は制御装置２により制御される。
【００１９】
このように構成される熱処理炉１を用いて行う、ワーク１１に対する浸窒焼入れ処理の方法について、以下に説明する。
【００２０】
浸窒焼入れ処理を行う場合、まずワーク１１を熱処理炉１内に設置し、前記ガス供給管３を通じて熱処理炉１内に所定の流量のアンモニアガスおよび窒素ガスを供給する。
次に、前記制御装置２により熱処理炉１内の温度を昇温させ、ワーク１１を加熱する。
【００２１】
図２に示すように、ワーク１１は、まず所定の温度Ｔａになるまで加熱され、ワーク１１が温度Ｔａまで加熱されると、その温度Ｔａが所定の時間ｔ１だけ保持される。
このように、ワーク１１が温度Ｔａに保持されている間に、ワーク１１の表面からの窒素の侵入および拡散が行われる。
温度Ｔａを所定の時間ｔ１保持した後、熱処理炉１内の温度を昇温させて、ワーク１１を温度Ｔｂとなるまで加熱する。
【００２２】
ワーク１１が温度Ｔｂに達すると、ワーク１１の温度Ｔａからの加熱を開始してから所定の時間ｔ２が経過するまで、その温度Ｔｂが保持される。
このように、ワーク１１が温度Ｔｂに保持されている間にも、ワーク１１の表面からの窒素の侵入および拡散が行われる。
その後、ワーク１１を熱処理炉１内から取り出し、急冷して焼入れを行う。
【００２３】
このように、アンモニアガスおよび窒素ガスの雰囲気下でワーク１１に対して、温度Ｔａおよび温度Ｔｂの二段階の温度による熱処理ならびに急冷処理を行うことで、浸窒焼入れ品を得るようにしている。
【００２４】
ここで、前記温度Ｔａはワーク１１がフェライト（α）の状態にあるフェライト温度領域の温度に設定され、前記温度Ｔｂはワーク１１がオーステナイト（γ）の状態にあるオーステナイト温度領域の温度に設定されている。
具体的には、前記温度Ｔａは４００℃〜５７０℃の範囲の温度に設定され、前記温度Ｔｂは６００℃〜８５０℃の範囲の温度に設定される。
【００２５】
前記温度Ｔａおよび温度Ｔｂを前述のように設定するのは以下の理由による。
つまり、前記フェライト温度領域においては、ワーク１１の温度が上昇するにつれてワーク１１表面からの窒素の拡散速度が増加するが、前記温度Ｔａを４００℃よりも低い温度に設定すると、ワーク１１表面からの窒素の拡散速度が遅くなり過ぎて、浸窒速度向上を効率的に行うことができないためである。
また、ワーク１１にオーステナイトが全く出現しない温度の上限が５７０℃であるため、前記温度Ｔａの上限を５７０℃に設定している。
【００２６】
一方、前記温度Ｔｂについては、ワーク１１に部分的にでもオーステナイトが出現する下限温度が６００℃であるため、温度Ｔｂの下限を６００℃に設定している。
【００２７】
また、前記オーステナイト温度領域においても、ワーク１１の温度が上昇するにつれてワーク１１表面からの窒素の拡散速度が増加するが、８５０℃を超えるような高温になると、熱処理炉１内におけるアンモニアガスの分解が進行しすぎてアンモニアガスがワーク１１の表面に到達し難くなり、ワーク１１に対する浸窒速度が低下することになるため、温度Ｔｂの上限を８５０℃に設定している。
【００２８】
また、前述のように、フェライト温度領域およびオーステナイト温度領域においては、ともにワーク１１の温度が上昇するにつれてワーク１１表面からの窒素の拡散速度が増加することとなっているが、図３に示すように、フェライト温度領域における窒素の拡散係数の方が、オーステナイト温度領域における窒素の拡散係数よりも相対的に大きくなっている。
【００２９】
例えば、オーステナイト温度領域にある８００℃での拡散係数Ｄｂよりも、フェライト温度領域にある５５０℃での拡散係数Ｄａのほうが大きな値となっている。
【００３０】
そこで、本例においては、窒素の拡散係数が大きなフェライト温度領域となる温度Ｔａにて所定の時間ｔ１だけ熱処理をしてワーク１１に対する浸窒・拡散を行ったのち、焼入れに必要なオーステナイト温度領域となる温度Ｔｂにて所定の時間ｔ２だけ熱処理を行い、その後ワーク１１を急冷して焼入れすることで、ワーク１１に対する浸窒焼入れ処理をおこなうようにしている。
【００３１】
このように、温度Ｔａでの熱処理と温度Ｔｂでの熱処理といったように、二段階の温度での熱処理を行うことで、従来のように浸窒処理が行われる全ての時間ｔ３にわたってワークをオーステナイト温度領域に維持した場合（図２における点線で示すグラフを参照）に比べて、同じ時間だけ熱処理を行ったときの、ワーク１１への窒素侵入深さを向上することが可能となっている。
つまり、ワークを全ての浸窒処理時間にわたってオーステナイト温度領域に維持した場合に比べて、短時間で所望の窒素侵入深さを得ることが可能となる。
【００３２】
特に、本例の浸窒焼入れ処理においては、窒素の拡散係数が大きな前記温度Ｔａでの処理時間ｔ１が前記温度Ｔｂでの処理時間ｔ２よりも長くなるように設定しているため、ワーク１１への窒素侵入深さをより向上することが可能となっている。
【００３３】
前記時間ｔ１の長さと前記時間ｔ２の長さとの割合は、例えばｔ１：ｔ２＝５：１に設定することができるが、これに限るものではなく、前記時間ｔ２は、少なくとも温度Ｔａからの加熱を開始したワーク１１が前記温度Ｔｂに達する時間が僅かでもあるように設定されればよい。
【００３４】
次に、ワーク１１に対して二段階の温度Ｔａ・Ｔｂでの浸窒焼入れ処理を実際に行った場合の、ワーク１１の表面における窒素濃度および硬さの測定結果を図４、図５に示す。
【００３５】
本例の浸窒焼入れ処理は、炭素鋼Ｓ３５Ｃにて構成されるワーク１１に対して行われ、前記温度Ｔａは５５０℃に、前記時間ｔ１は７５分に設定され、前記温度Ｔｂは８００℃に、前記時間ｔ２は１５分に設定されている。
【００３６】
また、図４、図５には、従来の浸窒焼入れ処理のように、オーステナイト温度領域における一定の温度にて所定時間ｔ３だけ熱処理した場合の窒素濃度および硬さも示している。従来の浸窒焼入れ処理は８００℃の温度にて行われ、前記時間ｔ３は９０分（前記時間ｔ１と時間ｔ２との和に等しい）に設定されている。
【００３７】
図４によれば、同じ時間だけ熱処理を行った場合でも、従来の浸窒焼入れ処理を施したワーク（図４にて点線で示すグラフ）よりも、本例の浸窒焼入れ処理を施したワーク１１（図４にて実践で示すグラフ）のほうが、表面からの距離が大きい箇所でも、すなわち表面から深い箇所でも高い窒素濃度を得ることが可能となっている。
【００３８】
また、図５によれば、同じ時間だけ熱処理を行った場合でも、従来の浸窒焼入れ処理を施したワーク（図５にて点線で示すグラフ）よりも、本例の浸窒焼入れ処理を施したワーク１１（図５にて実践で示すグラフ）のほうが、表面からの距離が大きい箇所でも、すなわち表面から深い箇所でも高い硬度を得ることが可能となっている。
【００３９】
このように、同一処理時間でも、本例の浸窒焼入れ処理の処理条件にて熱処理を行うほうが、従来の浸窒焼入れ処理の処理条件にて熱処理を行った場合よりも、深い硬化深さを得ることが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】熱処理炉を示す概略図である。
【図２】熱処理炉により浸窒焼入れ処理を行う際の温度プロファイルを示す図である。
【図３】フェライト温度領域における窒素の拡散係数、およびオーステナイト温度領域における窒素の拡散係数を示す図である。
【図４】浸窒焼入れ処理を行ったワークの表面からの距離と窒素濃度との関係を示す図である。
【図５】浸窒焼入れ処理を行ったワークの表面からの距離と硬度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    熱処理炉
２    制御装置
３    ガス供給管
１１    ワーク
１２    治具
【図１】
2009270155.tif 000003
【図２】
2009270155.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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