(57)【要約】【課題】余分な処理工程を付加することなく角部におけるセメンタイトの析出を抑え、靭性に優れた鋼部品を効率よく生産できる直接浸炭方法を提供する。【解決手段】浸炭性ガスとしての炭化水素系ガスが導入される密閉容器２内に処理対象である鋼部品１を納め、密閉容器２に組込んだ高周波コイル３、４により鋼部品１の角部１ａを除く部分を選択的に加熱し、角部１ａは周辺からの熱伝導により昇温させて周辺の平坦部よりより低い温度とする。これにより角部１ａの表面での分解反応が抑制され、この結果、角部１ａに対する浸炭量が抑えられて、角部１ａにおけるセメンタイトの析出が抑えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系ガスが導入される密閉容器内で鋼部品の表層部を、その角部が該角部以外の部分よりも低い温度となるように加熱し、前記加熱された鋼部品に前記炭化水素系ガスを接触させて分解反応を起こし、この分解反応により生成した炭素を鋼部品の表層部に浸入させることを特徴とする直接浸炭方法。
【請求項２】
鋼部品の角部以外の部分を選択的に加熱し、周辺からの伝熱によって該角部を加熱することを特徴とする請求項１に記載の直接浸炭方法。
【請求項３】
鋼部品を、その角部と該角部以外の部分とで加熱エネルギーを変更して加熱することを特徴とする請求項１に記載の直接浸炭方法。
【請求項４】
鋼部品の加熱に、高周波加熱またはレーザ加熱を用いることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の直接浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼部品に浸炭処理を施す浸炭方法に係り、特に炭化水素系ガスを所定の温度下で鋼部品に接触させて行う直接浸炭方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉内に炭化水素系ガスを導入し、所定の温度下で該ガスを鋼部品に接触させて分解反応を起こし、この分解反応により生成した炭素を鋼部品の表層部に浸入させる直接浸炭方法は、従来より知られている。この直接浸炭方法によれば、鋼部品の表層部に炭素が非平衡反応で浸入するため、変成ガスをキャリアガスとして利用するガス浸炭方法に比べて短時間で浸炭処理を終えることができる利点がある。
【０００３】
しかし、上記直接浸炭方法によれば、非平衡反応を利用していることから、鋼部品の表面から時間当たり一定量の炭素が浸入していくことになり、単位体積当たりの表面積が大きい鋼部品の角部に対する炭素の浸入量がその周辺の平坦部より多くなる。そして、角部に対する炭素の浸入量が多くなる結果、該角部に過剰にセメンタイトが析出し、該セメンタイトが焼入組織中に多量に残留して鋼部品の靭性低下を招くようになる。なお、直接浸炭方法としては、大気圧下で行う常圧浸炭と減圧下で行う真空浸炭とがあるが、いずれにおいても前記角部にセメンタイトが析出しやくなることに変わりはない。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に記載のものでは、浸炭処理（真空浸炭処理）を行った後、脱炭性ガスを炉内に導入して脱炭処理を行い、ワーク（鋼部品）の表面のセメンタイトを減少または除去するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１１５８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載されるように浸炭処理後に脱炭処理を行う対策では、余分な脱炭処理工程が必要になるため、処理時間が短かいという直接浸炭方法のせっかくの利点が失われてしまい、生産効率の低下が避けられないようになる。
【０００６】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、余分な処理工程を付加することなく角部におけるセメンタイトの析出を抑え、靭性に優れた鋼部品を効率よく生産できる直接浸炭方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、鋼部品の角部の温度を、それ以外の部分よりも低くして直接浸炭処理を行うことを特徴とする。このように行う直接浸炭方法においては、角部の温度をそれ以外の部分よりも低くすることで、角部表面での分解反応が抑制され、角部に対する炭素の浸入量が抑えられる。
以下に、本発明の態様をいくつか例示し、それらについて項分けして説明する。
【０００８】
（１）炭化水素系ガスが導入される密閉容器内で鋼部品の表層部を、その角部が該角部以外の部分よりも低い温度となるように加熱し、この加熱された鋼部品に前記炭化水素系ガスを接触させて分解反応を起こし、この分解反応により生成した炭素を鋼部品の表層部に浸入させることを特徴とする直接浸炭方法。
【０００９】
本（１）項記載の直接浸炭方法においては、鋼部品の角部がそれ以外の部分よりも低い温度となるように加熱されるので、該角部表面での分解反応が抑制され、角部に対する炭素の浸入量が抑えられる。これにより角部におけるセメンタイトの析出が抑えられ、結果として焼入組織中に残留するセメンタイトの量も少なくなって、靭性に優れた鋼部品が得られるようになる。
【００１０】
（２）鋼部品の角部以外の部分を選択的に加熱し、周辺からの伝熱によって該角部を加熱することを特徴とする請求項１に記載の直接浸炭方法。
【００１１】
（３）鋼部品を、その角部と該角部以外の部分とで加熱エネルギーを変更して加熱することを特徴とする請求項１に記載の直接浸炭方法。
【００１２】
本発明は、鋼部品の表層部を、その角部が該角部以外の部分よりも低い温度となるように加熱する方法としては、上記（２）項記載のように角部を除いて選択的に鋼部品を加熱する方法、あるいは上記（３）項記載のように角部と該角部以外の部分とで加熱エネルギーを変更して加熱する方法を採用することができる。前者の場合は、角部が周辺からの熱伝導によって温度上昇するだけとなるので、角部の温度はそれ以外の部分よりも低くなり、後者の場合は、加熱エネルギーの選択により角部の温度をそれ以外の部分よりも低く加熱することができる。
【００１３】
（４）鋼部品の加熱に、高周波加熱またはレーザ加熱を用いることを特徴とする（１）乃至（３）の何れか１項に記載の直接浸炭方法。
【００１４】
本発明において、鋼部品の表層部を加熱する方法は任意であるが、（４）項記載のように高周波コイルによる高周波加熱、またはレーザビームによるレーザ加熱を用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る直接浸炭方法によれば、余分な処理工程を付加することなく角部におけるセメンタイトの析出を抑えることができるので、焼入組織中におけるセメンタイトの残留が抑えられ、靭性に優れた鋼部品を効率よく生産できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る直接浸炭方法の実施に際しては、浸炭性ガスとしての炭化水素系ガスが導入される密閉容器内で、鋼部品の表層部を、その角部が該角部以外の部分よりも低い温度となるように加熱し、このように加熱された鋼部品に前記炭化水素系ガスを接触させて分解反応を起こし、この分解反応により生成した炭素を鋼部品の表層部に浸入させるようにする。
【００１７】
本発明の処理対象である鋼部品の材種は任意であり、炭素含有量０．５％以下の低炭素鋼やこれにクロム、モリブデン、ニッケル等の合金元素を添加した低合金鋼等の機械構造用はだ焼鋼を選択することができる。
【００１８】
本発明で用いる炭化水素系ガスとしては、プロパンガス、アセチレンガス、エチレンガス等の不飽和炭化水素系ガスがある。浸炭処理は、これらガスを密閉容器内に導入して行うが、この場合の炉内圧力は大気圧と略同等の常圧条件であっても、大気圧よりも低い減圧条件であってもよい。
【００１９】
図１は、本直接浸炭方法を実施するための処理装置の一例を示したものである。同図において、１は、処理対象である鋼部品、２は、前記鋼部品１が収納可能な密閉容器である。鋼部品１は、ここでは円柱形状となっており、密閉容器２の内部には、鋼部品１の外周面を加熱する第１の高周波コイル３と、鋼部品１の両端を加熱する第２の高周波コイル４，４とが組込まれている。第１の高周波コイル３は、鋼部品１の両端側の所定範囲Ｌ１を除く部分を加熱できるようにその長さが設定され、また、第２の高周波コイル４は、鋼部品１の外周側の所定範囲Ｌ２を除く部分を加熱できるようにその長さが設定されている。また、各高周波コイル３、４は、ここでは、鋼部品１に対して冷却液を噴射するための噴射ノズルを有する構造となっている。一方、密閉容器２には、炭化水素ガスを導入するためのガス管５と、密閉容器２内の空気を排出するための排気管６と、高周波コイル３、４から噴射された冷却液を排出するための排液管７とが接続されている。
【００２０】
鋼部品１の直接浸炭処理に際しては、図１に示したように密閉容器２内に鋼部品１を納める。このとき、鋼部品１の外周面両端側と端面外周側とに前記非加熱範囲Ｌ１、Ｌ２を残すように各高周波コイル３、４に対して鋼部品１を位置決めする。そして、この状態でガス管５を通じて密閉容器２内に浸炭性ガスとしての炭化水素系ガスを導入し、密閉容器２内の空気を排気管６から排出させながら該密閉容器２内に炭化水素系ガスを封入する。
【００２１】
その後、各高周波コイル３、４に高周波電流を供給し、鋼部品１の高周波加熱を行う。この高周波加熱により、図１にグレースケールにて示すように、第１の高周波コイル２に対向する鋼部品１の表層部Ｓ１と第２の高周波コイル３に対向する表層部Ｓ２とが選択的に加熱され、鋼部品１の角部１ａは非加熱部分となる。この場合、鋼部品１の角部１ａは周辺からの熱伝導によって温度上昇するだけとなり、したがって、該角部１ａの温度はそれ以外の部分よりも低くなる。
【００２２】
上記した炭化水素系ガス下での鋼部品１の加熱により、鋼部品１の表面で分解反応が起こり、図２に示すようにこの分解反応で発生した炭素（Ｃ）が鋼部品１の表層部に浸入する。このとき、鋼部品１の角部１ａの温度が、それ以外の部分よりも低くなっているので、前記角部１ａの表面での分解反応が抑制される。この結果、角部１ａに対する炭素の浸入量（濃化）が抑えられ、角部１ａにおけるセメンタイトの析出が抑えられる。ただし、この角部１ａは、周辺の平坦部より単位体積当たりの表面積が大きくなっているので、炭素の浸入量の絶対値としてみれば周辺の平坦部とバランスし、鋼部品１の表層部には、ほぼ一様な炭素濃度を有する浸炭層Ｓが形成される。
【００２３】
本実施形態においては、上記した浸炭処理後、各高周波コイル３、４のノズルから冷却液を鋼部品１に向けて噴射させると共に、配水管７を開いて冷却液を排液させる。これにより鋼部品１の表面が急冷され、鋼部品１の表層部Ｓがマルテンサイト変態を起こして硬化する。すなわち、鋼部品１の表層部が焼入れされるが、本発明においては、上記した浸炭処理中、鋼部品１の角部１ａにおけるセメンタイトの析出が抑えられているので、該角部１ａの焼入組織（マルテンサイト）中に残留するセメンタイトの量も少なくなり、この結果、靭性に優れた鋼部品が得られるようになる。
【００２４】
なお、上記実施形態においては、鋼部品１の角部１ａ以外の部分を選択的に加熱できるように高周波コイル３、４を配置して加熱を行ったが、鋼部品１の角部１ａのみを加熱できる高周波コイルをさらに設けて、該高周波コイルに対する印加電流（加熱エネルギー）を前記高周波コイル３、４に対する印加電流よりも小さく設定して、鋼部品１の全体を高周波加熱するようにしてもよい。この場合も、角部１ａの加熱が抑えられるので、該過度部１ａに対する炭素の浸入量を抑えることができる。
【００２５】
また、上記実施形態においては、鋼部品１の加熱に高周波コイル３，４による高周波加熱を用いたが、本発明は、これに代えてレーザ加熱を用いることができる。この場合は、例えば、レーザダイオードアレイと冷却ノズルとを密閉容器１に組込むことで、角部１ａの温度がそれ以外の部分よりも低くなるように加熱することができる。
【００２６】
ここで、上記した処理対象である鋼部品の種類としては、特に角部の靭性が重要視される部品が選択される。このような鋼部品としては、例えば、図３に示す歯車１０や図４に示す自動変速機（ＣＶＴ）用スライディングシーブ１５などがある。このうち、歯車１０の場合は、その歯先部１１にセメンタイトが存在すると欠損が生じやすくなるので、該歯先部１１の加熱温度を抑えてセメンタイトの析出を抑制する。また、ＣＶＴ用スライディングシーブ１５の場合は、シャフトシーブ１６との間に介装されるベルト１７からの反発力で生じるモーメントにより、その摺動面である軸孔１５ａの開口縁部１５ｂの損傷が問題となるので、該開口縁部１５ｂの加熱温度を抑えてセメンタイトの析出を抑制する。
【実施例１】
【００２７】
ＳＣＭ４２０の素材を用いて、図５に示すように直径Ｄ＝１８ｍｍ、長さＬ＝５０ｍｍのテストピースＴＰを製作し、これを前記図１に示したと相似の密閉容器２に入れて高周波コイル３、４により角部以外の部分を選択的に加熱して浸炭処理を行った。浸炭処理は、浸炭性ガスとしてプロパンガスを用い（常圧）、高周波コイル３、４による最高加熱温度は１１００℃として行い、浸炭処理後、高周波コイル３，４から冷却液をテストピースＴＰに噴射して焼入れを行い、その後、工程を移して１８０℃で焼戻し処理を施した。そして、全ての処理を終えた後、図５に点線で囲んで示すようにテストピースＴＰの角部から検鏡試料（本発明材）Ａを採取し、これに所定の研磨、腐食を施してミクロ組織を顕微鏡により観察した。なお、比較のため、従来と同じく炉内で浸炭処理を行った同様のテストピースについても、同様の部位から検鏡試料（比較材）を採取し、同様にミクロ組織を観察した。
【００２８】
図６は、上記したミロク組織の観察結果を示したものである。これより角部以外の部分を選択的に加熱して浸炭処理を行った本発明材では、セメンタイトの存在が認められず、一様なマルテンサイト組織となっている。これに対し、比較材では、粗大なセメンタイトＦが多数認められ、本発明の方法が、角部におけるセメンタイトの析出防止に極めて有用であることを確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る直接浸炭方法の実施に用いる装置構成の一例を示す模式図である。
【図２】本直接浸炭方法による分解反応のモデルを示す模式図である。
【図３】本発明の処理対象の１つである歯車の形状を示す斜視図である。
【図４】本発明の処理対象の１つであるＣＶＴ用スライデキングシーブの形状を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例の実施状態を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例で得られたテストピースの角部のミクロ組織を比較例と対比して示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３０】
１    鋼部品
１ａ  鋼部品の角部
２    密閉容器
３、４  高周波コイル
Ｓ１、Ｓ２  高周波加熱部
Ｓ    浸炭層
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図６】
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