JP2004169101A

JP2004169101A - 浸炭方法

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Publication number: JP2004169101A
Application number: JP2002335666A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Haneki; 敏羽木; Moriyoshi Tamura; 守淑田村
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP3661868B2

Abstract

【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炉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、これをそのガス圧が３〜１０ｋＰａの範囲内となるように制御して浸炭炉内に連続的に供給しながら所定時間保持する浸炭処理を行い、さらにその後必要に応じて１ｋＰａ以下の減圧下で所定時間保持する拡散処理を行う。
【選択図】図１

Description

【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（ＣＯ_２）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、ＣＯ_２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（Ｈ_２）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、ＣＯ_２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、被浸炭処理材である鋼材を浸炭ガスが減圧下で供給される浸炭炉内で加熱しながら浸炭処理するに際し、前記浸炭ガスとして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用い、これをそのガス圧が３〜１０ｋＰａの範囲内となるように制御した状態で前記浸炭炉内に常時供給しながら、前記鋼材を所定温度下で加熱することを要旨とする。
【００１２】
またこの場合、鋼材を浸炭処理する際の浸炭炉内の加熱温度が、８５０〜１１００℃の範囲内にあることが好ましい。さらにこの場合、鋼材を浸炭処理する際の浸炭炉内での保持時間が、１５〜１２０ｍｉｎの範囲内にあることが好ましい。
【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。
【００１４】
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、かつ、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。
【００１５】
また、浸炭時の都市ガス若しくは天然ガスの供給ガス圧が３〜１０ｋＰａの範囲内に制御されているので、浸炭反応が適正に行われ浸炭時に煤や浸炭ムラの発生が抑えられる。
【００１６】
さらに、浸炭炉内の加熱温度を８５０〜１１００℃の範囲内に制御すること、あるいは、浸炭炉内での保持時間が、１５〜１２０ｍｉｎ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。
【００１７】
また、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０〜１２０ｍｉｎ保持する拡散処理を行い、さらに、拡散処理後８００〜９００℃の温度範囲内に降温しこの温度下で１５〜６０ｍｉｎ保持する焼入れ保持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。
【００１８】
また、浸炭炉内の鋼材表面に接触する浸炭ガスの流量が、鋼材の単位表面積当たり２６〜２１０ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２となるように制御することによって、煤の発生を抑えると共に適正量のカーボンを固溶させることができる。
【００１９】
【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。
【００２０】
初めに、本発明に係る浸炭方法について説明する。浸炭炉を用いて鋼材を浸炭処理するに際しては、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（Ｈ_２）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）。
【００２１】
【式１】
＜例えば、浸炭ガスがメタン（ＣＨ_４）の場合＞
Ｆｅ＋ＣＨ_４（ｇ）→Ｆｅ［Ｃ］＋２Ｈ_２（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。
【００２２】
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、これを油槽室の油槽に浸けて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。このように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。
【００２３】
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（ＣＨ_４）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。
【００２４】
都市ガスは、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）：６重量％、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）：４重量％、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）：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。
【００２５】
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、浸炭は浸炭ガスが鋼材と反応することによりカーボンを生成することにより生じるわけであるが、メタンは反応活性が低い物質であり、浸炭能力に劣るガスである。従って、ガス成分の大部分がメタンで構成される都市ガスや天然ガスも浸炭能力の低く、浸炭ガスとしては不向きとされてきた。
【００２６】
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。
【００２７】
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、かつ、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。
【００２８】
ここで、浸炭時における浸炭ガスのガス圧は３〜１０ｋＰａの範囲内にあることが好ましく、さらには、３〜９ｋＰａの範囲内にあることがより好ましい。浸炭ガスのガス圧が３ｋＰａに満たない場合には、鋼材表面部に十分な量のカーボンを接触する時間が短くなる結果、固溶・拡散させることができないという問題があり、一方、浸炭ガスのガス圧が１０ｋＰａを超える場合には、カーボンの鋼材中への接触する時間及びカーボンへ分解する時間が長くなる結果、固溶・拡散が律速となり鋼材表面上に飽和カーボンが煤となって発生するという問題があるため好ましくない。
【００２９】
また、浸炭時における浸炭炉内の加熱温度は８５０〜１１００℃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い。加熱温度が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、加熱温度が１１００℃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。
【００３０】
また、浸炭時の加熱保持時間は１５〜１２０ｍｉｎの範囲内にあることが好ましく、さらには、１５〜６０ｍｉｎの範囲内にあることがより好ましい。保持時間が１５ｍｉｎ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、保持時間が１２０ｍｉｎ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ないばかりでなく、過度の浸炭ガスの供給により鋼材表面部において煤が発生するという問題があるため好ましくない。
【００３１】
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加熱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０〜１２０ｍｉｎの範囲内にあることが好ましい。保持時間が１２０ｍｉｎ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てしまうため好ましくない。
【００３２】
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うのが好ましい。この焼入れ保持処理により上記カーボンの拡散効果が顕著なものとなる。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。
【００３３】
またここで、焼入れ保持処理の保持時間は５〜６０ｍｉｎの範囲内にあることが好ましく、さらには、５〜３０ｍｉｎの範囲内にあることがより好ましい。保持時間が５ｍｉｎ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６０ｍｉｎ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。
【００３４】
また、浸炭炉内の鋼材表面に接触する浸炭ガスの流量が、鋼材の単位表面積当たり２６〜２１０ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２であることが好ましい。ここで鋼材の表面積とは、浸炭炉内に鋼材を設置した場合に、浸炭ガスと接触し得る鋼材部分の総表面積を意味する。また、ここでいう浸炭ガスの流量は、標準状態（０℃、１ａｔｍ）におけるガス流量をいう。鋼材単位表面積当たりに流量が２６ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２に満たない場合には、浸炭反応が十分に促進されないという問題があり、一方、流量が２１０ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２を超える場合には、流量の増加による浸炭反応の促進効果が得られないため好ましくない。
【００３５】
（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Ｈ_Ｖの測定を行った。このビッカース硬さＨ_Ｖ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Ｈ_Ｖの測定は、日本工業規格「ＪＩＳＧ０５５７」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。
【００３６】
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Ｈ_Ｖが５５０以上であり、かつ、このＨ_Ｖ≧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以上の深さまで達しているものは実用化レベルにある浸炭処理製品であると判断した。
【００３７】
【実施例】
本発明の効果を、実施例により具体的に説明する。
【００３８】
（実施例１／浸炭ガス種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４００ｍｍ×奥行５００ｍｍ×高さ３００ｍｍ）を用い、これを浸炭炉（室内寸法：幅４６０ｍｍ、奥行６１０ｍｍ、高さ４６０ｍｍ）内に挿置して、炉内の温度が９３０℃となるように加熱した後、浸炭ガスを表１に示す流量及びガス圧となるように連続的に供給しながら、３０ｍｉｎ浸炭処理を行った。浸炭ガスとしては、都市ガス（１３Ａ）、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、アセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）及びエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）と水素（Ｈ_２）の混合ガスの４種類を使用した。なお、鋼材単位面積当たりの浸炭ガスの流量は、都市ガス（１３Ａ）及びエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）と水素（Ｈ_２）の混合ガスにおいては１０４．９ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２、プロパンガスにおいては４１．９５ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２、アセチレンガスにおいては６２．９ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２である。さらに、浸炭処理後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２０ｍｉｎ拡散処理を行い、次いで、８５０℃で２０ｍｉｎ焼入れ保持した後、油焼入れを行った。
【００３９】
【表１】

【００４０】
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Ｈ_Ｖの測定を行い、浸炭ガス種の違いによる浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）を比較した。
【００４１】
（実施例２／浸炭ガスのガス圧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を用い、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を３〜９ｋＰａのガス圧範囲且つ６０Ｌ／ｍｉｎの流量（鋼材単位面積当たりの流量：（１０４．９ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２）で炉内に連続供給しながら浸炭処理を行った。さらに、その後実施例１と同じ条件で拡散処理及び焼入れを行った。
【００４２】
得られた浸炭処理製品について、カーボンがどの程度の深さまで固溶・拡散したかを示す浸炭深さの測定、製品表面のビッカース硬さＨ_Ｖの測定及びその表面におけるビッカース硬さＨ_Ｖ値のばらつきの測定を行った。ここで、ビッカース硬さＨ_Ｖ値のばらつきとは、複数の測定点における最高硬度値と最低硬度値との差を採ったものであり、硬度差が５０以下の場合には実用可能な浸炭製品の許容範囲内であると判断した。
【００４３】
（実施例３／浸炭ガスの流量の違い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を用い、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を３ｋＰａのガス圧且つ１５〜１２０Ｌ／ｍｉｎの流量範囲内（鋼材単位面積当たりの流量：２６〜２１０ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２）で炉内に連続供給しながら浸炭処理を行った。さらに、その後実施例１及び２と同じ条件で拡散処理を行った。
【００４４】
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Ｈ_Ｖの測定を行い、浸炭ガスの流量の違いによる浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）を比較した。
【００４５】
（実施例４／拡散時間の違いによる浸炭挙動の比較）
実施例１〜３と同じ被浸炭処理材及び浸炭炉を用い、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を９ｋＰａのガス圧且つ６０Ｌ／ｍｉｎの流量（鋼材単位面積当たりの流量：１０４．９ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２）で炉内に連続供給しながら浸炭処理を行った。浸炭処理後、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０〜３０ｍｉｎの拡散時間を変化させて拡散処理を行い、さらに一部処理材を除き８５０℃で２０ｍｉｎ焼入れ保持を行った後油焼入れ（急冷）を行った。本実施例の浸炭処理、拡散処理及び焼入れ時の加熱履歴を図４に示す。
【００４６】
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Ｈ_Ｖの測定を行い、拡散処理における拡散時間の違いによる浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）を比較した。
【００４７】
図１に実施例１に係る浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）に及ぼす浸炭ガス種の影響についての結果を示す。図示したように、アセチレンガスを使用した場合に表面付近のビッカース硬さＨ_Ｖ値が最も高くなったが、他の浸炭ガスとの違いは顕著に認められなかった。すなわち、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を使用した場合にも、従来のアセチレンガスやプロパンガス等と同様の浸炭挙動を示した。また、都市ガス（１３Ａ）を浸炭ガスとした場合には、煤の発生や浸炭ムラの発生がない良質の浸炭処理製品が得られた。
【００４８】
また、図２に実施例２に係る浸炭ガス圧を変化させた場合の浸炭挙動についての結果を示す。図示したように、ガス流量を６０Ｌ／ｍｉｎと一定にしてガス圧を３〜９ｋＰａの範囲内で変化させた場合には、いずれのガス圧下でも浸炭深さが０．６ｍｍ以上且つビッカース硬さＨ_Ｖ値が５５０以上、すなわち、有効硬化層の厚みが０．６ｍｍ以上であり目標値（実用化レベル）に達していた。また、ガス圧が６ｋＰａ以上では、ビッカース硬さＨ_Ｖの最大値と最小値との差が５０以下とビッカース硬さＨ_Ｖ値のばらつきが少なく、煤や浸炭ムラの発生のない良質な浸炭処理材が得られた。なお、ガス圧が３ｋＰａの場合には、硬度差が５０を超えているが、ガス流量を増大させることによって５０以下に抑えることができる。また、ガス圧が３ｋＰａ未満については示していないが、３ｋＰａ未満ではビッカース硬さＨ_Ｖ値、浸炭深さ共に大幅に低下し、さらにビッカース硬さＨ_Ｖ値のバラツキも大きく、浸炭処理が不十分であった。一方、ガス圧が９ｋＰａを超える範囲では、ガス圧の増加による浸炭効果は認められなかった。
【００４９】
また、図３に実施例３に係るガス流量を変化させた場合の浸炭挙動についての結果を示す。図示したように、ガス流量の増加に伴いカーボンの固溶・拡散量も増大する傾向にあり、流量４５Ｌ／ｍｉｎ以上では浸炭ガス圧が３ｋＰａであっても、浸炭深さが約０．６ｍｍの部分までビッカース硬さＨ_Ｖが５５０以上の有効硬化層が形成されていた。なお、流量が６０Ｌ／ｍｉｎを超える範囲では、流量の増加による浸炭効果は認められなかった。
【００５０】
また、図５に実施例４に係る拡散処理における拡散時間の変化させた場合の浸炭挙動についての結果を示す。図示したように、浸炭処理後すぐに油焼入れした場合（焼入れ保持なし）には、鋼材内部へのカーボンの拡散が少なく表面からの０．２〜０．３ｍｍの深さにおいてビッカース硬さＨ_Ｖが最大値となるなどカーボンの濃度ムラが生じた。一方、浸炭処理後、拡散時間を０〜３０ｍｉｎとしその後８５０℃で２０ｍｉｎ焼入れ保持を施した条件では、カーボンが鋼材内部へと拡散し、さらに拡散時間が１５ｍｉｎ以上では有効硬化層が表面から約０．６ｍｍ以上の深さまで形成されると共に、煤や浸炭ムラの発生のない良質の浸炭処理製品が得られた。
【００５１】
以上の結果から、浸炭ガスとして都市ガス（１３Ａ）を使用し、そのガス圧を３〜９ｋＰａの範囲内に制御して連続供給しながら浸炭処理を行うことによって、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Ｈ_Ｖ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、かつ、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。なお、上記実施例では、浸炭ガス圧を３〜９ｋＰａの範囲内で制御しているが、浸炭ガス圧が１０ｋＰａの範囲までは浸炭反応に対するガス圧の効果を確認している。
【００５２】
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、浸炭ガス圧を３〜１０ｋＰａ、浸炭温度を８５０〜１１００℃、浸炭時間を１５〜１２０ｍｉｎとする浸炭条件下で鋼材を浸炭処理することによって、上記都市ガス（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、かつ、煤や浸炭ムラの発生のない浸炭処理製品を得ることができた。
【００５３】
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、浸炭処理並びに拡散処理を行う処理装置は上記のものに限られず種々の形態を有するもので構わない。また、被浸炭処理材として使用する鋼材も上記実施例のものに限られない。さらに、浸炭処理、拡散処理及び焼入れ時の加熱履歴についても上記実施例ものに限られない。
【００５４】
【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。
【００５５】
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、かつ、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。
【００５６】
また、浸炭処理を所定浸炭ガス圧（３〜１０ｋＰａ）、所定温度（８５０〜１１００℃）、所定保持時間（１５〜１２０ｍｉｎ）の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。
【００５７】
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５〜３０ｍｉｎの間保持する拡散処理を行うことによって、浸炭処理によって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。さらに拡散処理後で所定温度（８００〜９００℃）、所定時間（５〜６０ｍｉｎ）の条件下で行うことによって、カーボン拡散効果がさらに向上しより均一且つ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。
【００５８】
また、浸炭処理時の流量を所定条件下（鋼材単位面積当たりの流量：２６〜２１０ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２）に制御することにより、浸炭処理製品の品質等をより高めることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る浸炭処理材における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）に及ぼす浸炭ガス種の影響を示した図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る浸炭処理材における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）に及ぼす浸炭ガス圧の影響を示した図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る浸炭処理材における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）に及ぼす浸炭ガス流量を示した図である。
【図４】本発明の第４実施例に係る浸炭処理、拡散処理及び焼入れ時の加熱履歴を示した図である。
【図５】上記実施例に係る浸炭処理材における浸炭挙動（深さ方向に対するビッカース硬さＨ_Ｖの変化）に及ぼす拡散時間の影響を示した図である。

Claims

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炉内で加熱しながら浸炭処理する浸炭方法において、
前記浸炭ガスとして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用い、これをそのガス圧が３〜１０ｋＰａの範囲内となるように制御した状態で前記浸炭炉内に常時供給しながら、前記鋼材を所定温度下で加熱することを特徴とする浸炭方法。
前記鋼材を浸炭処理する際の前記浸炭炉内の加熱温度が、８５０〜１１００℃の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法。
前記鋼材を浸炭処理する際の前記浸炭炉内での保持時間が、１５〜１２０ｍｉｎの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の浸炭方法。
前記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０〜１２０ｍｉｎ保持する拡散処理を行い、さらに、拡散処理後８００〜９００℃の温度範囲内に降温しこの温度下で５〜６０ｍｉｎ保持する焼入れ保持処理を行う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。
浸炭炉内の鋼材表面に接触する浸炭ガスの流量が、鋼材の単位表面積当たり２６〜２１０ＮＬ／ｍｉｎ・ｍ^２とした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。