JP2007277648A - 浸炭窒化方法、機械部品の製造方法および機械部品 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒素侵入速度を向上させ、浸炭窒化処理の効率化を図ることが可能な浸炭窒化方法を提供する。
【解決手段】浸炭窒化方法は、雰囲気制御工程50と、加熱パターン制御工程60とを備えている。雰囲気制御工程50は、未分解NH分圧制御工程51と、CO/CO分圧制御工程53とを含んでいる。そして、雰囲気制御工程50においては、定義されるa の値が0.88以上1.27以下、定義されるαの値が0.012以上0.020以下となるように、未分解NH分圧制御工程51およびCO/CO分圧制御工程53が実施される。
【選択図】図7

Description

本発明は浸炭窒化方法、機械部品の製造方法および機械部品に関し、より特定的には、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物を浸炭窒化するための浸炭窒化方法、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物を浸炭窒化する工程を含む機械部品の製造方法および0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなり、浸炭窒化が実施された機械部品に関するものである。
一般に、浸炭窒化処理、特に鋼からなる被処理物に対して実施されるガス浸炭窒化処理においては、RXガスおよびアンモニア(NH)ガスを一定の流量(供給量)で熱処理炉内に流入させるとともに、熱処理炉内のカーボンポテンシャル(C)値を熱処理炉内の二酸化炭素(CO)の分圧に基づいて制御することにより、当該熱処理炉内の雰囲気が制御されている。ここで、被処理物の表層部に侵入する窒素量は、浸炭窒化処理中に直接測定することは困難である。そのため、熱処理炉ごとに、アンモニアガスの流量と被処理物の表層部に侵入する窒素量との関係を過去の生産実績等から経験的に決定し、浸炭窒化処理中に直接測定することが可能なアンモニアガスの流量を調節することにより被処理物の表層部に侵入する窒素量が制御される場合が多い。
そして、このアンモニアガスの流量は、各熱処理炉の過去の生産実績等に基づき、被処理物の量や形状などを考慮して経験的に決定されているが、過去の生産実績が無いような量や形状の被処理物を浸炭窒化処理する必要が生じた場合、当該浸炭窒化処理における最適なアンモニアガスの流量を決定するための試行錯誤が必要となる。その結果、最適なアンモニアガスの流量が決定されるまでは被処理物の品質を安定させることが困難なだけでなく、上記試行錯誤を量産ラインにおいて実施する必要があるため、要求品質を満たさない被処理物が発生し、生産コスト上昇の要因となるおそれもある。
これに対し、熱処理炉ごとに、また被処理物の量や形状ごとに変化させる必要のあるアンモニアガスの流量ではなく、熱処理炉内に残留している気体アンモニアの濃度である未分解アンモニア濃度(アンモニアの残留ガス濃度)を調節することにより、被処理物に侵入する窒素量を制御する方法が提案されている(たとえば、非特許文献1および特許文献1参照)。すなわち。浸炭窒化処理中に測定が可能な未分解アンモニア濃度を測定し、熱処理炉の形状や被処理物の量および形状等に関係なく決定可能な未分解アンモニア濃度と被処理物に侵入する窒素量との関係に基づき、アンモニアガスの流量が調節される。これにより、最適なアンモニアガスの流量を試行錯誤により決定することなく、被処理物に侵入する窒素量を制御することが可能となり、被処理物の品質を安定させることができる。
恒川好樹、外2名、「ガス浸炭窒化処理におけるボイドの発生と窒素の拡散挙動」、熱処理、1985年、25巻、5号、p.242−247 特開平8−13125号公報
しかし、上述の未分解アンモニア濃度をパラメータとする浸炭窒化処理方法を含めて、従来の浸炭窒化処理方法では、被処理物への窒素侵入速度(被処理物の表面の単位面積から単位時間あたりに侵入する窒素量)をコントロールすることは困難であった。浸炭窒化処理は、機械部品の製造工程等において、比較的コストの高い工程である。そのため、浸炭窒化処理に対しては、その処理コストの低減が求められている。したがって、被処理物への窒素侵入速度をコントロールして窒素侵入速度を向上させ、浸炭窒化処理の効率化を図ることができれば、上記浸炭窒化処理コストの低減の要求に応えることができる。
そこで、本発明の目的は、窒素侵入速度を向上させ、浸炭窒化処理の効率化を図ることが可能な浸炭窒化方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、効率的な浸炭窒化処理が実施されることにより、製造コストの低減が可能な機械部品の製造方法を提供することである。また、本発明のさらに他の目的は、効率的な浸炭窒化処理が実施されることにより、製造コストが低減された機械部品を提供することである。
本発明に従った浸炭窒化方法は、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物を、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む雰囲気中で加熱することにより浸炭窒化する浸炭窒化方法である。当該浸炭窒化方法は、熱処理炉内の雰囲気が制御される雰囲気制御工程と、熱処理炉内において被処理物に付与される温度履歴が制御される加熱パターン制御工程とを備えている。
雰囲気制御工程は、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧が制御される未分解NH分圧制御工程と、熱処理炉内の一酸化炭素および二酸化炭素の少なくともいずれか一方の分圧が制御されるCO/CO分圧制御工程とを含んでいる。そして、雰囲気制御工程においては、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧をP、水素分圧をPとした場合に、以下の式(1)で定義されるa が0.88以上1.27以下、式(2)で定義されるαが0.012以上0.020以下となるように、未分解NH分圧制御工程およびCO/CO分圧制御工程が実施される。ここで、各気体の分圧の単位は、atm(気圧)である。また、a は、1.0以下の値となる場合、炭素の活量に該当する。
Figure 2007277648
本発明者は、浸炭窒化を実施した場合の熱処理炉内の雰囲気と被処理物の内部における窒素濃度との関係について詳細に検討を行なった。そして、以下のような知見を得た。すなわち、被処理物への窒素侵入速度qは、以下の式(3)で表される。
Figure 2007277648
つまり、被処理物への窒素浸入速度を向上させ、浸炭窒化処理を効率的に実施するためには、式(3)中のα(上記式(1)および(2)参照)の値を大きくすることが有効である。
一方、被処理物の最表層部、たとえば表面から深さが5μmの領域における窒素濃度には、a に依存する限界値が存在する。つまり、αを大きくして窒素侵入速度を上昇させた場合でも、被処理物の最表層部における窒素濃度が当該限界値に到達すると、最表層部の窒素濃度は当該限界値を超えることができず、窒素侵入量(被処理物の表面の単位面積から侵入した窒素量)はそれ以上増加しない。その結果、被処理物の内部における窒素濃度の上昇は、被処理物内の拡散係数に従った窒素の拡散により基本的に律速され、被処理物の内部における窒素濃度に及ぼす熱処理炉内の雰囲気の影響、すなわちαの影響は小さくなる。つまり、αの値を大きくすることにより、基本的には浸炭窒化処理の効率は向上するが、上記限界値の存在に起因して、浸炭窒化処理の効率向上に対するαの影響が飽和する臨界値が存在する。
本発明者は、さらに検討を行なった結果、αの値が0.012以下においては、所定時間内に被処理物に侵入する窒素侵入量はαの値が大きくなるにつれて、ほぼ一定の割合で増加するが、αの値が0.012を超えると上記窒素侵入量の増加割合は低下することを確認した。したがって、αの値を0.012以上とすることにより、浸炭窒化における被処理物への窒素の導入を効率よく実施することができる。
一方、αの値が0.020を超えると所定時間内の窒素侵入量が飽和するとともに別の問題が発生する。すなわち、αの値を0.020よりも大きくとすると、スーティング(熱処理炉内にすすが発生し、被処理物に付着する現象)が発生しやすくなり、被処理物に表面浸炭などの品質上の不具合が発生するおそれがある。そのため、αの値は、0.020以下とすることが好ましい。また、上記問題点を一層確実に回避するためには、αの値は、0.018以下とすることが好ましい。
さらに、a の値はa ≦1においてカーボンポテンシャル(C)値と一対一の関係にある。0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物の浸炭窒化処理においては、C値が低下して被処理物の表層部が脱炭することを防止するため、a の値は0.88以上とすることが好ましい。一方、a の値が1.27を超えると、被処理物の表層部に過大な炭化物(セメンタイト;FeC)が形成され、被処理物の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、a の値は1.27以下とすることが好ましい。さらに、a の値を1.00よりも大きくすると、スーティングの発生のおそれがある。そのため、a の値は1.00以下とすることがより好ましい。
以上のように、本発明の浸炭窒化方法によれば、a の値が0.88以上1.27以下となり、かつαの値が0.012以上0.020以下となるような雰囲気中で被処理物が加熱されて浸炭窒化が実施されるため、被処理物の表層部の炭素濃度が適切に保持されるとともに、窒素侵入速度を向上させ、浸炭窒化処理の効率化を図ることができる。
なお、未分解アンモニアとは、熱処理炉内に供給されたアンモニアのうち、分解されることなく気体アンモニアの状態で残存しているアンモニアをいう。
上記浸炭窒化方法において好ましくは、未分解NH分圧制御工程では、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧が測定され、当該未分解アンモニア分圧と、αの値が0.012以上0.020以下の範囲となる目標の未分解アンモニア分圧とが比較されて、熱処理炉内に供給されるアンモニアの単位時間あたりの流量が調節される。
これにより熱処理炉内における雰囲気中の未分解アンモニア分圧を精度良くコントロールすることができる。その結果、上述の雰囲気制御工程における熱処理炉内のα値の制御が容易となる。なお、上記未分解アンモニア分圧と目標の未分解アンモニア分圧との比較は、実際に分圧を比較するものだけでなく、未分解アンモニアの濃度など、分圧と等価な値を比較することにより結果的に分圧が比較されるものであればよい。
上記浸炭窒化方法において好ましくは、雰囲気制御工程は、熱処理炉内の水素分圧を制御するH分圧制御工程をさらに含んでいる。そして、H分圧制御工程では、熱処理炉内に供給される水素の単位時間あたりの流量が調節される。
αの値を所望の値とするためには、式(2)に示すように熱処理炉へのアンモニアの単位時間あたりの供給量(流量)を調節して未分解アンモニア分圧を制御してもよいが、水素の流量を調節して水素分圧を制御してもよい。被処理物の形状や量と熱処理炉の特性との組み合わせによっては、アンモニアの流量の調節により未分解アンモニア分圧を制御することが困難な場合もある。このような場合、H分圧制御工程において水素の流量を調節することにより水素分圧を制御し、αの値を所望の値とすることが特に好ましい。
上記浸炭窒化方法において好ましくは、H分圧制御工程では、熱処理炉内の水素分圧が測定され、当該水素分圧と、αの値が0.012以上0.020以下の範囲となる目標の水素分圧とが比較されて、熱処理炉内に供給される水素の単位時間あたりの流量が調節される。
これにより、熱処理炉内における雰囲気中の水素分圧を精度良くコントロールすることができる。その結果、上述の雰囲気制御工程における熱処理炉内のα値の制御が容易となる。なお、上記水素分圧と目標の水素分圧との比較は、実際に分圧を比較するものだけでなく、水素の濃度など、分圧と等価な値を比較することにより結果的に分圧が比較されるものであればよい。
上記浸炭窒化方法において好ましくは、被処理物を構成する鋼の組成ごとに決定される、被処理物がA点以上の温度に保持されている時間である浸炭窒化時間および上記式(3)で定義される窒素侵入速度qの値と、被処理物の表面から所定の深さの領域における窒素濃度との関係に基づき、浸炭窒化時間が決定されて加熱パターン制御工程が実施される。
一般に、浸炭窒化処理における被処理物への窒素の侵入速度は種々のパラメータに依存する複雑な変数である。そのため、被処理物の内部における窒素濃度の分布を制御することは、通常困難である。しかし、被処理物に対して浸炭窒化処理が実施された後、仕上げ加工などが実施されて表面付近の領域が除去される場合、表面付近の領域ではなく所定の深さの領域における窒素含有量が重要となる。
これに対し、本発明の浸炭窒化方法によれば、上述のように被処理物への窒素侵入速度qが式(3)により明確となっている。そのため、被処理物を構成する鋼の組成ごとに決定される、浸炭窒化時間およびqの値と、被処理物の表面から所定の深さの領域における窒素濃度との関係を予め求めておくことにより、当該関係に基づいて浸炭窒化時間を決定し、被処理物の所望の深さの領域における窒素含有量を制御することが可能となる。
本発明に従った機械部品の製造方法は、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された鋼製部材を準備する鋼製部材準備工程と、鋼製部材準備工程において準備された鋼製部材に対して、浸炭窒化処理を実施した後、A点以上の温度からM点以下の温度に冷却することにより、鋼製部材を焼入硬化する焼入硬化工程とを備えている。そして、焼入硬化工程における浸炭窒化処理は、上述の浸炭窒化方法を用いて実施される。
本発明の機械部品の製造方法によれば、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物に適した上述の本発明の浸炭窒化方法が焼入硬化工程において採用されることにより、効率的な浸炭窒化処理が実施され、機械部品の製造コストを低減することが可能となる。
ここで、A点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、M点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。
本発明に従った機械部品は、上述の機械部品の製造方法により製造されている。上述した本発明の機械部品の製造方法により製造されていることにより、本発明の機械部品は、効率的な浸炭窒化処理が実施されており、製造コストが低減されている。
上記本発明の機械部品は軸受を構成する部品として用いられてもよい。浸炭窒化が実施されることにより表面層が強化され、かつ製造コストが低減された本発明の機械部品は、疲労強度、耐摩耗性等が要求される機械部品である軸受を構成する部品として好適である。
なお、上述の機械部品を用いて、軌道輪と、軌道輪に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えた転がり軸受を構成してもよい。すなわち、軌道輪および転動体の少なくともいずれか一方、好ましくは両方が、上述の機械部品である。浸炭窒化が実施されることにより表面層が強化され、かつ製造コストが低減された本発明の機械部品を備えていることにより、当該転がり軸受によれば、製造コストが低減されるとともに、長寿命な転がり軸受を提供することができる。
以上の説明から明らかなように、本発明の浸炭窒化方法によれば、窒素侵入速度を向上させ、浸炭窒化処理の効率化を図ることが可能な浸炭窒化方法を提供することができる。また、本発明の機械部品の製造方法によれば、効率的な浸炭窒化処理が実施されることにより、製造コストの低減が可能な機械部品の製造方法を提供することができる。また、本発明の機械部品によれば、効率的な浸炭窒化処理が実施されることにより、製造コストが低減された機械部品を提供することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。
図1は、本発明の一実施の形態である機械部品を備えた転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図1を参照して、本発明の一実施の形態における転がり軸受としての深溝玉軸受について説明する。
図1を参照して、深溝玉軸受1は、環状の外輪11と、外輪11の内側に配置された環状の内輪12と、外輪11と内輪12との間に配置され、円環状の保持器14に保持された転動体としての複数の玉13とを備えている。外輪11の内周面には外輪転走面11Aが形成されており、内輪12の外周面には内輪転走面12Aが形成されている。そして、内輪転走面12Aと外輪転走面11Aとが互いに対向するように、外輪11と内輪12とは配置されている。さらに、複数の玉13は、内輪転走面12Aおよび外輪転走面11Aに接触し、かつ保持器14により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受1の外輪11および内輪12は、互いに相対的に回転可能となっている。
ここで、機械部品である外輪11、内輪12、玉13および保持器14のうち、特に、外輪11、内輪12および玉13には転動疲労強度や耐摩耗性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも1つは本発明の機械部品であることにより、深溝玉軸受1の製造コストを低減しつつ、深溝玉軸受1を長寿命化することができる。
図2は、本発明の一実施の形態である機械部品を備えた転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。図2を参照して、本発明の一実施の形態における転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受について説明する。
図2を参照して、スラストニードルころ軸受2は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された転動部材としての一対の軌道輪21と、転動部材としての複数のニードルころ23と、円環状の保持器24とを備えている。複数のニードルころ23は、一対の軌道輪21の互いに対向する主面に形成された軌道輪転走面21Aに接触し、かつ保持器24により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受2の一対の軌道輪21は、互いに相対的に回転可能となっている。
ここで、機械部品である軌道輪21、ニードルころ23および保持器24のうち、特に、軌道輪21、ニードルころ23には転動疲労強度や耐摩耗性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも1つは本発明の機械部品であることにより、スラストニードルころ軸受2の製造コストを低減しつつ、スラストニードルころ軸受2を長寿命化することができる。
図3は、本発明の一実施の形態である機械部品を備えた等速ジョイントの構成を示す概略部分断面図である。また、図4は、図3の線分IV−IVに沿う概略断面図である。また、図5は、図3の等速ジョイントが角度をなした状態を示す概略部分断面図である。なお、図3は、図4の線分III−IIIに沿う概略断面図に対応する。図3〜図5を参照して、本発明の一実施の形態における等速ジョイントについて説明する。
図3〜図5を参照して、等速ジョイント3は、軸35に連結されたインナーレース31と、インナーレース31の外周側を囲むように配置され、軸36に連結されたアウターレース32と、インナーレース31とアウターレース32との間に配置されたトルク伝達用のボール33と、ボール33を保持するケージ34とを備えている。ボール33は、インナーレース31の外周面に形成されたインナーレースボール溝31Aと、アウターレース32の内周面に形成されたアウターレースボール溝32Aとに接触して配置され、脱落しないようにケージ34によって保持されている。
インナーレース31の外周面およびアウターレース32の内周面のそれぞれに形成されたインナーレースボール溝31Aとアウターレースボール溝32Aとは、図3に示すように、軸35および軸36の中央を通る軸が一直線上にある状態において、それぞれ当該軸上のジョイント中心Oから当該軸上の左右に等距離離れた点Aおよび点Bを曲率中心とする曲線(円弧)状に形成されている。すなわち、インナーレースボール溝31Aおよびアウターレースボール溝32Aに接触して転動するボール33の中心Pの軌跡が、点A(インナーレース中心A)および点B(アウターレース中心B)に曲率中心を有する曲線(円弧)となるように、インナーレースボール溝31Aおよびアウターレースボール溝32Aのそれぞれは形成されている。これにより、等速ジョイントが角度をなした場合(軸35および軸36の中央を通る軸が交差するように等速ジョイントが動作した場合)においても、ボール33は、常に軸35および軸36の中央を通る軸のなす角(∠AOB)の2等分線上に位置する。
次に、等速ジョイント3の動作について説明する。図3および図4を参照して、等速ジョイント3においては、軸35、36の一方に軸まわりの回転が伝達されると、インナーレースボール溝31Aおよびアウターレースボール溝32Aに嵌め込まれたボール33を介して、軸35、36の他方の軸に当該回転が伝達される。ここで、図5に示すように軸35、36が角度θをなした場合、ボール33は、前述のインナーレース中心Aおよびアウターレース中心Bに曲率中心を有するインナーレースボール溝31Aおよびアウターレースボール溝32Aに案内されて、中心Pが∠AOBの二等分線上となる位置に保持される。ここで、ジョイント中心Oからインナーレース中心Aまでの距離と、アウターレース中心Bまでの距離とが等しくなるように、インナーレースボール溝31Aおよびアウターレースボール溝32Aが形成されているため、ボール33の中心Pからインナーレース中心Aおよびアウターレース中心Bまでの距離はそれぞれ等しく、△OAPと△OBPとは合同である。その結果、ボール33の中心Pから軸35、36までの距離Lは互いに等しくなり、軸35、36の一方が軸まわりに回転した場合、他方も等速で回転する。このように、等速ジョイント3は、軸35、36が角度をなした場合でも、等速性を確保することができる。なお、ケージ34は、軸35、36が回転した場合に、インナーレースボール溝31Aおよびアウターレースボール溝32Aからボール33が飛び出すことをインナーレースボール溝31Aおよびアウターレースボール溝32Aとともに防止すると同時に、等速ジョイント3のジョイント中心Oを決定する機能を果たしている。
ここで、機械部品であるインナーレース31、アウターレース32、ボール33およびケージ34のうち、特に、インナーレース31、アウターレース32およびボール33には疲労強度や耐摩耗性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも1つは本発明の機械部品であることにより、等速ジョイント3の製造コストを低減しつつ、等速ジョイント3を長寿命化することができる。
次に、本発明の機械部品の製造方法における一実施の形態である上記機械部品、および上記機械部品を備えた転がり軸受、等速ジョイントなどの機械要素の製造方法について説明する。図6は、本発明の一実施の形態における機械部品および当該機械部品を備えた機械要素の製造方法の概略を示す図である。
図6を参照して、まず、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された鋼製部材を準備する鋼製部材準備工程が実施される。具体的には、たとえば、0.8質量%以上の炭素を含有する棒鋼、鋼線などを素材とし、当該棒鋼、鋼線などに対して切断、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、機械部品としての外輪11、軌道輪21、インナーレース31などの機械部品の概略形状に成形された鋼製部材が準備される。
次に、鋼製部材準備工程において準備された上述の鋼製部材に対して、浸炭窒化処理を実施した後、A点以上の温度からM点以下の温度へ冷却することにより、鋼製部材を焼入硬化する焼入硬化工程が実施される。この焼入硬化工程の詳細については後述する。
次に、焼入硬化工程が実施された鋼製部材に対して、A点以下の温度に加熱することにより鋼製部材の靭性等を向上させる焼戻工程が実施される。具体的には、焼入硬化された鋼製部材がA点以下の温度である150℃以上350℃以下の温度、たとえば180℃に加熱され、30分間以上240分間以下の時間、たとえば120分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される(空冷)。
さらに、焼戻工程が実施された鋼製部材に対して、仕上げ加工などが施される仕上げ工程が実施される。具体的には、たとえば、焼戻工程が実施された鋼製部材の内輪転走面12A、軌道輪転走面21A、アウターレースボール溝32Aなどに対する研削加工が実施される。これにより、本発明の一実施の形態における機械部品は完成し、本発明の一実施の形態における機械部品の製造方法は完了する。
さらに、完成した機械部品が組合わされて機械要素が組立てられる組立て工程が実施される。具体的には、上述の工程により製造された本発明の機械部品である、たとえば外輪11、内輪12、玉13と保持器14とが組合わされて、深溝玉軸受1が組立てられる。これにより、本発明の機械部品を備えた機械要素が製造される。
次に、上述の焼入硬化工程の詳細について説明する。図7は、本発明の一実施の形態における機械部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程の詳細を説明するための図である。また、図8は、図7の雰囲気制御工程に含まれる未分解NH分圧制御工程を説明するための図である。また、図9は、図7の雰囲気制御工程に含まれるH分圧制御工程を説明するための図である。また、図10は、図7の浸炭窒化工程に含まれる加熱パターン制御工程における加熱パターン(被処理物に与えられる温度履歴)の一例を示す図である。図10において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図10において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図7〜図10を参照して、本実施の形態における機械部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程の詳細について説明する。
図7を参照して、本発明の一実施の形態における機械部品の製造方法の焼入硬化工程においては、まず、被処理物としての鋼製部材が浸炭窒化される浸炭窒化工程が実施される。その後、鋼製部材がA点以上の温度からM点以下の温度に冷却される冷却工程が実施される。そして、浸炭窒化工程においては、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物を、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む雰囲気中で加熱することにより浸炭窒化する本発明の浸炭窒化方法が用いられて、浸炭窒化処理が実施される。
浸炭窒化工程は、熱処理炉内の雰囲気が制御される雰囲気制御工程50と、熱処理炉内において被処理物に付与される温度履歴が制御される加熱パターン制御工程60とを備えている。この雰囲気制御工程50と加熱パターン制御工程60とは、独立に、かつ並行して実施することができる。そして、雰囲気制御工程50は、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧が制御される未分解NH分圧制御工程51と、熱処理炉内の水素分圧が制御されるH分圧制御工程52と、熱処理炉内の一酸化炭素および二酸化炭素の少なくともいずれか一方の分圧が制御されるCO/CO分圧制御工程53とを含んでいる。
CO/CO分圧制御工程53では、式(1)を参照して、熱処理炉内の一酸化炭素および二酸化炭素の少なくともいずれか一方の分圧が制御されることにより、a が制御される。
そして、雰囲気制御工程50においては、式(1)で定義されるa が0.88以上1.27以下、式(2)のαが0.012以上0.020以下の範囲になるように、未分解NH分圧制御工程51、H分圧制御工程52およびCO/CO分圧制御工程53が実施される。
具体的には、図8を参照して、未分解NH分圧制御工程51では、まず、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧を測定する未分解NH分圧測定工程(S11)が実施される。未分解アンモニア分圧の測定は、たとえばガスクロマトグラフを用いて実施することができる。そして、工程(S11)において測定された未分解アンモニア分圧に基づいて、熱処理炉へのアンモニアガスの供給量を増減させるNH供給量調節工程(S13)の実施の要否を判断する、未分解NH分圧判断工程(S12)が実施される。当該判断は、αの値が0.012以上0.020以下の範囲になるように予め決定された目標の未分解アンモニア分圧と、測定された未分解アンモニア分圧とを比較し、測定された未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧になっているかどうかを判定することにより実施される。
未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧になっていない場合には、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧を増減させるための工程(S13)が実施された後、工程(S11)が再度実施される。工程(S13)は、たとえば、熱処理炉に配管を介して連結されたアンモニアガスのボンベから単位時間に熱処理炉に流入するアンモニアの量(アンモニアガスの流量)を当該配管に取り付けられたマスフローコントローラなどを備えた流量制御装置により調節することにより実施することができる。すなわち、測定された未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧よりも高い場合、上記流量を低下させ、低い場合、上記流量を増加させることにより、工程(S13)を実施することができる。この工程(S13)において、測定された未分解アンモニア分圧と目標の未分解アンモニア分圧との間に所定の差がある場合、どの程度流量を増減させるかについては、予め実験的に決定したアンモニアガスの流量の増減と未分解アンモニア分圧の増減との関係に基づいて決定することができる。
一方、未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧になっている場合には、工程(S13)が実施されることなく、工程(S11)が再度実施される。
また、H分圧制御工程52は、上述の未分解NH分圧制御工程51と同様に実施される。すなわち、図9を参照して、H分圧制御工程52では、まず、熱処理炉内の水素分圧を測定するH分圧測定工程(S21)が実施される。水素分圧の測定は、たとえば熱伝導ガス分析計を用いて実施することができる。そして、工程(S21)において測定された水素分圧に基づいて、熱処理炉への水素ガスの供給量を増減させるH供給量調節工程(S23)の実施の要否を判断する、水素分圧判断工程(S22)が実施される。当該判断は、αの値が0.012以上0.020以下の範囲になるように予め決定された目標の水素分圧と、測定された水素分圧とを比較し、測定された水素分圧が目標の水素分圧になっているかどうかを判定することにより実施される。
水素分圧が目標の水素分圧になっていない場合には、熱処理炉内の水素分圧を増減させるための工程(S23)が実施された後、工程(S21)が再度実施される。工程(S23)は、たとえば、熱処理炉に配管を介して連結された水素ガスのボンベから単位時間に熱処理炉に流入する水素の量(水素ガスの流量)を当該配管に取り付けられたマスフローコントローラなどを備えた流量制御装置により調節することにより実施することができる。すなわち、測定された水素分圧が目標の水素分圧よりも高い場合、上記流量を低下させ、低い場合、上記流量を増加させることにより、工程(S23)を実施することができる。この工程(S23)において、測定された水素分圧と水素分圧との間に所定の差がある場合、どの程度流量を増減させるかについては、アンモニアの場合と同様に、予め実験的に決定した水素ガスの流量の増減と水素分圧の増減との関係に基づいて決定することができる。
一方、水素分圧が目標の水素分圧になっている場合には、工程(S23)が実施されることなく、工程(S21)が再度実施される。
図7を参照して、CO/CO分圧制御工程53では、エンリッチガスとしてのプロパン(C)ガス、ブタンガス(C10)などの供給量が調節されることにより、COおよびCOの分圧の少なくともいずれか一方の分圧が制御され、a が調整される。具体的には、たとえば、赤外線ガス濃度測定装置を用いて雰囲気中の一酸化炭素の分圧PCOおよび二酸化炭素の分圧PCO2が測定される。そして、当該測定値に基づいて、以下の式(1)で定義されるa が0.88以上1.27以下の範囲内の目標の値となるように、エンリッチガスとしてのプロパン(C)ガス、ブタンガス(C10)などの供給量が調節される。
ここで、αの値は、式(2)を参照して、未分解NH分圧制御工程51、H分圧制御工程52およびCO/CO分圧制御工程53により、それぞれ未分解アンモニア分圧、水素分圧およびa の少なくともいずれか1つを変化させることにより制御することができる。すなわち、αの値は、たとえば未分解NH分圧制御工程51およびCO/CO分圧制御工程53により、未分解アンモニア分圧およびa を一定に保持した状態で、H分圧制御工程52により水素分圧を変化させて制御してもよいし、H分圧制御工程52およびCO/CO分圧制御工程53により、水素分圧およびa 値を一定に保持した状態で、未分解NH分圧制御工程51により未分解アンモニア分圧を変化させて制御してもよい。
さらに、図7を参照して、加熱パターン制御工程60では、被処理物としての鋼製部材に付与される加熱履歴が制御される。具体的には、図10に示すように、鋼製部材が上述の雰囲気制御工程50によって制御された雰囲気中で、A点以上の温度である800℃以上1000℃以下の温度、たとえば850℃に加熱され、60分間以上300分間以下の時間、たとえば150分間保持される。当該保持時間が経過するとともに加熱パターン制御工程は終了し、同時に雰囲気制御工程も終了する。
その後、図7を参照して、鋼製部材が油中に浸漬(油冷)されることにより、A点以上の温度からM点以下の温度に冷却される冷却工程が実施される。以上の工程により、鋼製部材は表層部が浸炭窒化されるとともに焼入硬化される。これにより、本実施の形態の焼入硬化工程は完了する。
以上のように、本実施の形態の浸炭窒化方法によれば、a およびαの値が適正な範囲に制御された雰囲気中で、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物が加熱されて浸炭窒化が行なわれるため、被処理物への窒素の侵入速度を向上させつつ、良好な浸炭窒化処理を実施することができる。その結果、浸炭窒化処理の効率化を図ることが可能となっている。
さらに、本実施の形態の浸炭窒化方法によれば、未分解アンモニア分圧および水素分圧は、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧および水素分圧の測定値に基づいて、アンモニアおよび水素の供給量の増減が必要か否かが検討されて目標の分圧になるように制御されている。そのため、熱処理炉内における雰囲気中の未分解アンモニア分圧および水素分圧を精度良くコントロールすることが可能となっている。その結果、上述の雰囲気制御工程における熱処理炉内のα値の制御が容易となっている。
また、本実施の形態の機械部品の製造方法によれば、製造コストが低減されつつ、浸炭窒化処理が実施された機械部品を製造することができる。また、本実施の形態の機械部品は、製造コストが低減されつつ、浸炭窒化処理が実施された機械部品となっている。
ここで、本実施の形態の浸炭窒化方法においては、被処理物を構成する鋼の組成ごとに決定される、浸炭窒化時間および式(3)で定義される窒素侵入速度qの値と、被処理物の表面から所定の深さの領域における窒素濃度との関係に基づき、浸炭窒化時間が決定されて加熱パターン制御工程60が実施されることが好ましい。
具体的には、たとえば、式(3)の窒素侵入速度qにより被処理物の表面に供給される窒素が、以下の式(4)に示すように、ガウスのエラー関数に従って拡散、分布するとして、浸炭窒化時間が決定されて加熱パターン制御工程60を実施することができる。このとき、被処理物の浸炭窒化後の加工工程、その後の使用状態等を考慮して窒素濃度を制御すべき深さを決定し、上述の関係に基づいて窒素濃度を制御すべき深さにおける窒素濃度が所望の濃度となるように、浸炭窒化時間を決定することができる。
Figure 2007277648
ここで、拡散係数Dは、実験的に求めることが可能で、被処理物中の窒素濃度が拡散係数に及ぼす影響を考慮した拡散係数として、たとえば以下の式(5)に示す拡散係数Dを式(4)の計算に採用することができる。
D=6.85×10−7exp(140×N)・・・・(5)
N:窒素濃度
上記浸炭窒化時間および窒素侵入速度qの値と、被処理物の表面から所定の深さの領域における窒素濃度との関係は、被処理物を構成する鋼の組成により決定されるため、当該関係を予め決定しておくことにより、同一組成の被処理物に対しては、被処理物の形状等が変化した場合でも、当該関係に基づいて浸炭窒化時間を決定することができる。これにより、被処理物において重要な所望の深さの領域における窒素含有量を容易に制御することが可能となる。
なお、本実施の形態においては、本発明の機械部品の一例として、深溝玉軸受、スラストニードルころ軸受、等速ジョイントを構成する機械部品について説明したが、本発明の機械部品はこれに限られず、表層部の疲労強度、耐摩耗性が要求される機械部品、たとえばハブ、ギア、シャフト等を構成する機械部品であってもよい。
また、被処理物の表層部とは、被処理物の表面付近の領域をいい、たとえば仕上げ加工等が実施され、被処理物が製品となった状態における表面からの距離が0.2mm以下の領域となるべき領域をいう。つまり、被処理物の表層部とは、被処理物が加工等されて製造される製品に対する要求特性に鑑み、被処理物が製品となった状態において、窒素濃度や炭素濃度を制御すべき領域であって、製品ごとに適宜決定することができる。
以下、本発明の実施例1について説明する。式(2)で定義されるαの値と被処理物への窒素侵入量との関係を調査する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
実験に用いた熱処理炉の容量は120L(リットル)である。被処理物はJIS SUJ2(炭素含有量1質量%)製の外径φ38mm、内径φ30mm、幅10mmのリングとし、熱処理炉以内に101g(グラム)挿入した。加熱パタ−ンは図10と同様のパターンを採用して浸炭窒化の保持温度は850℃とした。そして、a 、未分解アンモニア量、浸炭窒化時間、雰囲気のベースガス(エンリッチガス、アンモニアガス以外の雰囲気ガス)の組成を変化させ、被処理物への窒素侵入量を測定した。なお、被処理物に侵入した窒素の量は、EPMA(Electron Probe Micro Analysis)により測定した。表1に、実施例1における実験条件を示す。
Figure 2007277648
図11は、浸炭窒化時間4500秒、3水準のa (0.88、1.03、1.27)におけるα値と窒素侵入量との関係を示す図である。図11において、横軸はαの値、縦軸は窒素侵入量である。そして、実線はa が1.03、破線はa が0.88、一点鎖線はa が1.27の場合を示している。なお、本実験において、a の値が0.88未満では、被処理物の表層部において炭化物(セメンタイト)の消失が観察され、a の値が不十分である(その結果としてC値が不十分である)ことが確認された。また、a の値が1.27では、被処理物の表層部に過大な炭化物の形成が多く観察され、a の値を1.27よりも大きくすることは好ましくないことが確認された。さらに、a の値が1.00では、被処理物の表層部に過大な炭化物の形成が観察されず、a の値を1.00以下とすることが特に好ましいことが確認された。以下、図11を参照して、a 値およびα値と窒素侵入量との関係について説明する。
図11を参照して、αが0.012未満である場合、a 値に関係なく、αが大きくなるにつれて、ほぼ一定の割合で窒素侵入量も大きくなっている。しかし、αが0.012以上の範囲ではαの増加に対する窒素侵入量の増加の割合が小さくなっている。そして、αが0.015を超えると、窒素侵入量の増加の割合がより小さくなり、0.020を超えるとほとんど増加していない。
このことから、窒素侵入量を増加させ、浸炭窒化を効率よく実施するためには、αの値を0.012以上とすることが好ましいことが分かる。一方、αの値を0.020よりも大きくしても、窒素侵入量はほとんど増加しないことから、上述のように、αの増加によるスーティングの発生を回避するため、αの値は0.020以下とすることが好ましく、スーティング発生の回避を重視する場合、0.018以下とすることが好ましいと言える。
なお、上述の図11の結果は、浸炭窒化時間が4500秒の場合に関するものであるが、浸炭窒化時間が表1に示した1800秒〜18000秒の範囲内において、同様の傾向があることが確認された。また、図11の結果は、浸炭窒化温度が850℃の場合に関するものであるが、本発明者は浸炭窒化温度が830℃〜870℃の範囲内において別途実験を行ない、同様の傾向があることを確認している。このことから、図11の結果から得られた好ましいαの値の範囲は、一般的な浸炭窒化の温度および時間の範囲内において同様であると考えられる。
さらに、種々の組成の鋼からなる被処理物に対する上述と同等の実験の結果より、上述の窒素の侵入挙動は、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物に顕著に表れる。したがって、上述の窒素の侵入挙動を利用した本発明の浸炭窒化方法は、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物に有効に適用することができる。ここで、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼、すなわち共析鋼および過共析鋼としては、たとえば軸受鋼であるJIS SUJ2およびこれに相当するSAE52100、DIN規格100Cr6の他、JIS SUJ3、ばね鋼であるJIS SUP3、SUP4、工具鋼であるJIS SK2、SK3などが挙げられる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の浸炭窒化方法および機械部品の製造方法は、0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物を浸炭窒化するための浸炭窒化方法、および0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物を浸炭窒化する工程を含む機械部品の製造方法に特に有利に適用され得る。また、本発明の機械部品は、疲労強度および耐摩耗性が要求される機械部品に特に有利に適用され得る。
本発明の一実施の形態である機械部品を備えた転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態である機械部品を備えた転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態である機械部品を備えた等速ジョイントの構成を示す概略部分断面図である。 図3の線分IV−IVに沿う概略断面図である。 図3の等速ジョイントが角度をなした状態を示す概略部分断面図である。 本発明の一実施の形態における機械部品および当該機械部品を備えた機械要素の製造方法の概略を示す図である。 本発明の一実施の形態における機械部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程の詳細を説明するための図である。 図7の雰囲気制御工程に含まれる未分解NH分圧制御工程を説明するための図である。 図7の雰囲気制御工程に含まれるH分圧制御工程を説明するための図である。 図7の浸炭窒化工程に含まれる加熱パターン制御工程における加熱パターン(被処理物に与えられる温度履歴)の一例を示す図である。 浸炭窒化時間4500秒、3水準のa におけるα値と窒素侵入量との関係を示す図である。
符号の説明
1 深溝玉軸受、2 スラストニードルころ軸受、3 等速ジョイント、11 外輪、11A 外輪転走面、12 内輪、12A 内輪転走面、13 玉、14,24 保持器、21 軌道輪、21A 軌道輪転走面、23 ニードルころ、31 インナーレース、31A インナーレースボール溝、32 アウターレース、32A アウターレースボール溝、33 ボール、34 ケージ、35,36 軸、50 雰囲気制御工程、51 未分解NH分圧制御工程、52 H分圧制御工程、53 CO/CO分圧制御工程、60 加熱パターン制御工程。

Claims (8)

  1. 0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなる被処理物を、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む雰囲気中で加熱することにより浸炭窒化する浸炭窒化方法であって、
    熱処理炉内の雰囲気が制御される雰囲気制御工程と、
    前記熱処理炉内において前記被処理物に付与される温度履歴が制御される加熱パターン制御工程とを備え、
    前記雰囲気制御工程は、
    前記熱処理炉内の未分解アンモニア分圧が制御される未分解NH分圧制御工程と、
    前記熱処理炉内の一酸化炭素および二酸化炭素の少なくともいずれか一方の分圧が制御されるCO/CO分圧制御工程とを含み、
    前記雰囲気制御工程においては、前記熱処理炉内の未分解アンモニア分圧をP、水素分圧をPとした場合に、以下の式(1)で定義されるa が0.88以上1.27以下、式(2)で定義されるαが0.012以上0.020以下となるように、前記未分解NH分圧制御工程および前記CO/CO分圧制御工程が実施される、浸炭窒化方法。
    Figure 2007277648
  2. 前記未分解NH分圧制御工程では、前記熱処理炉内の未分解アンモニア分圧が測定され、前記未分解アンモニア分圧と、前記αの値が0.012以上0.020以下の範囲となる目標の未分解アンモニア分圧とが比較されて、前記熱処理炉内に供給される単位時間あたりのアンモニアの流量が調節される、請求項1に記載の浸炭窒化方法。
  3. 前記雰囲気制御工程は、前記熱処理炉内の水素分圧を制御するH分圧制御工程をさらに含み、
    前記H分圧制御工程では、前記熱処理炉内に供給される水素の単位時間あたりの流量が調節される、請求項1または2に記載の浸炭窒化方法。
  4. 前記H分圧制御工程では、前記熱処理炉内の水素分圧が測定され、前記水素分圧と、前記αの値が0.012以上0.020以下の範囲となる目標の水素分圧とが比較されて、前記熱処理炉内に供給される水素の単位時間あたりの流量が調節される、請求項3に記載の浸炭窒化方法。
  5. 前記被処理物を構成する鋼の組成ごとに決定される、前記被処理物がA点以上の温度に保持されている時間である浸炭窒化時間および以下の式(3)で定義される窒素侵入速度qの値と、前記被処理物の表面から所定の深さの領域における窒素濃度との関係に基づき、前記浸炭窒化時間が決定されて前記加熱パターン制御工程が実施される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の浸炭窒化方法。
    Figure 2007277648
  6. 0.8質量%以上の炭素を含有する鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された鋼製部材を準備する鋼製部材準備工程と、
    前記鋼製部材準備工程において準備された前記鋼製部材に対して、浸炭窒化処理を実施した後、A点以上の温度からM点以下の温度へ冷却することにより、前記鋼製部材を焼入硬化する焼入硬化工程とを備え、
    前記焼入硬化工程における前記浸炭窒化処理は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の浸炭窒化方法を用いて実施される、機械部品の製造方法。
  7. 請求項6に記載の機械部品の製造方法により製造された、機械部品。
  8. 軸受を構成する部品として用いられる、請求項7に記載の機械部品。
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