JP2008057039A - 浸炭方法、鋼製品、および熱処理設備 - Google Patents

Abstract

【課題】浸炭時間を短縮することのできる浸炭方法、鋼製品、および熱処理設備を提供する。
【解決手段】浸炭方法は、６６体積％以上７４体積％以下の濃度の一酸化炭素と、一酸化炭素を除くガスに占める割合が５０体積％以上１００体積％未満である水素と、一酸化炭素を除くガスに占める割合が０より大きく５０体積％未満である窒素とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。または、６３体積％以上８１体積％以下の濃度の一酸化炭素と、１９体積％以上３７体積％以下の濃度の水素とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。
【選択図】図８

Description

本発明は、浸炭方法、鋼製品、および熱処理設備に関し、より特定的には、浸炭時間を短縮することのできる浸炭方法、鋼製品、および熱処理設備に関する。

浸炭処理は、低炭素鋼または低炭素合金鋼などの加工性のよい鋼を機械加工した後、その鋼の表面層の炭素量を増加させ、表面層のみを焼入硬化する処理方法である。浸炭処理を施した鋼の内部は炭素量が少なく柔軟な組織のままであるために靭性が高く、また表面層は炭素量が多いために耐摩耗性が高い。浸炭処理が施された鋼はこのような利点を有するので、各種の機械部品に広く応用されている。浸炭処理の具体的な方法としては、浸炭性ガスを用いて行われるガス浸炭処理が主流である。

浸炭処理における炭素の挙動は、炭素が鋼表面に侵入する過程と、鋼表面の炭素が鋼内部に拡散する過程とからなる。このうち炭素が鋼表面に侵入する過程において、単位面積単位時間当たりの炭素侵入量Ｊ（ｇ／ｃｍ²・ｓ）は、鋼表面近傍の雰囲気中の炭素濃度をＣｇ（ｇ／ｃｍ³）、鋼表面の炭素濃度をＣｓ（ｇ／ｃｍ³）とした場合、Ｊ＝β（Ｃｇ−Ｃｓ)と表される。ここでβは炭素移行係数（ｃｍ／ｓ）であり、雰囲気により値が変化することが知られている。式からわかるように、同じ時間浸炭したとしても、炭素移行係数βの値が大きいほど炭素侵入量が多くなる。すなわち、特定の深さまで炭素を侵入させる場合、βの値が大きいほど浸炭処理が短時間で終わる。従来は、ＣＯ（一酸化炭素）：５０体積％、Ｈ₂（水素）：５０体積％の雰囲気で浸炭処理すると炭素移行係数βが最大になり、浸炭処理時間が最短になるとされていた。なお、ＣＯ：５０体積％、Ｈ₂：５０体積％の雰囲気で炭素移行係数βが最大になることは、たとえば非特許文献１に開示されている。

従来、工業的には炭化水素ガスと空気とから浸炭処理用のキャリアガスを変成する方法が採られていた。すなわち、炭化水素ガスと空気とを約１０５０℃に加熱し触媒と接触させると、反応が起こりＣＯを含むキャリアガスが発生する。このキャリアガスを炉内へ導入して浸炭処理を行なっていた。しかしこの方法では、浸炭処理に不必要であるＮ₂（窒素）が空気に約８０体積％含まれているため、炉内のＣＯ濃度が５０体積％まで上がらない。その結果、浸炭処理時間を短くすることはできなかった。たとえばこの方法において炭化水素ガスとしてプロパンを用いた場合、キャリアガスの成分比は理論上ＣＯ：２３．１体積％、Ｈ₂＝３０．８体積％、Ｎ₂＝４６．２体積％となる。この成分比は、上記の雰囲気の成分比であるＣＯ：５０体積％、Ｈ₂：５０体積％の雰囲気とは大きく異なっている。

また上記以外にも、浸炭処理の雰囲気をＣＯ：５０体積％、Ｈ₂：５０体積％の雰囲気に近づける試みがなされている。たとえば特開２００４−３１５９０５号公報（特許文献１）には、メタンガスとＣＯ₂（二酸化炭素）ガスとから浸炭処理用のキャリアガスを変成する方法が開示されている。また特開２００６−２２３５７号公報（特許文献２）には、炭化水素ガスとＯ₂（酸素）ガスとから浸炭処理用のキャリアガスを変成する方法が開示されている。また特開２００５−２９０５０９号公報（特許文献３）には、炭化水素ガスとＣＯ₂ガスとＯ₂ガスとから浸炭処理用のキャリアガスを変成する方法が開示されている。さらに、特開２０００−２５６８２４号公報（特許文献４）には、ＣＯ：６２．０体積％、Ｈ₂：３７．８体積％の雰囲気で浸炭することが開示されている。

これらの技術のうち特許文献１〜３では、５０体積％までＣＯ濃度が上がらないため、ＣＯ：５０体積％、Ｈ₂：５０体積％の雰囲気よりも炭素移行係数βを大きくすることはできなかった。上記特許文献４では、ＣＯ濃度と炭素移行係数βとの関係について述べられていない。
特開２００４−３１５９０５号公報 特開２００６−２２３５７号公報 特開２００５−２９０５０９号公報 特開２０００−２５６８２４号公報 F.Neumann et al., "Thermodynamische Grundlagen zum indirekten Messen des C-Pegels", HTM., Vol.49 No.4 pp.255-263. 1994

上述したように、従来はＣＯ：５０体積％、Ｈ₂：５０体積％の雰囲気で炭素移行係数βが最大になるとされていた。しかし、生産性の向上の観点から、βをさらに大きくして浸炭時間を短縮することが求められていた。

したがって、本発明の目的は、浸炭時間を短縮することのできる浸炭方法、鋼製品、および熱処理設備を提供することである。

本発明の一の局面における浸炭方法は、ＣＯ濃度をｘ体積％、Ｈ₂濃度をｙ体積％、Ｎ₂濃度をｚ体積％としたとき、点（ｘ，ｙ，ｚ）が３成分組成図における点Ａ（６３，３７，０）、点Ｂ（６６，１７，１７）、点Ｃ（７４，１３，１３）、および点Ｄ（８１，１９，０）で囲まれた領域内にある雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。

本発明の他の局面における浸炭方法は、６３体積％以上８１体積％以下の濃度のＣＯと、１９体積％以上３７体積％以下の濃度のＨ₂とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。

本発明のさらに他の局面における浸炭方法は、６６体積％以上７４体積％以下の濃度のＣＯと、ＣＯを除くガスに占める割合が５０体積％以上１００体積％未満であるＨ₂と、ＣＯを除くガスに占める割合が０より大きく５０体積％未満であるＮ₂とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。

本願発明者は、５０体積％を超える濃度のＣＯを含む雰囲気での炭素移行係数βが、ＣＯ：５０体積％、Ｈ₂：５０体積％の雰囲気での炭素移行係数βより大きくなることを見出した。同時に、特許文献４には記載されていないが、特許文献４のＣＯ：６２．０体積％、Ｈ₂：３７．８体積％の雰囲気での炭素移行係数βもまた、ＣＯ：５０体積％、Ｈ₂：５０体積％の雰囲気での炭素移行係数βより大きくなることを見出した。

そこで、本願発明者らは、特許文献４に記載の雰囲気での炭素移行係数βよりも大きくなる条件についてさらに鋭意検討した。その結果、ＣＯ濃度をｘ体積％、Ｈ₂濃度をｙ体積％、およびＮ₂濃度をｚ体積％としたとき、点（ｘ，ｙ，ｚ）が３成分組成図における点Ａ（６３，３７，０）、点Ｂ（６６，１７，１７）、点Ｃ（７４，１３，１３）、および点Ｄ（８１，１９，０）で囲まれた領域内にある雰囲気での炭素移行係数βが特許文献４に記載の雰囲気での炭素移行係数βよりも大きくなることを見出した。また、６３体積％以上８１体積％以下の濃度のＣＯと、１９体積％以上３７体積％以下の濃度のＨ₂とを含む雰囲気での炭素移行係数βが特許文献４に記載の雰囲気での炭素移行係数βよりも大きくなることを見出した。さらに、６６体積％以上７４体積％以下の濃度のＣＯと、ＣＯを除くガスに占める割合が５０体積％以上１００体積％未満であるＨ₂と、ＣＯを除くガスに占める割合が０より大きく５０体積％未満であるＮ₂とを含む雰囲気での炭素移行係数βが特許文献４に記載の雰囲気での炭素移行係数βよりも大きくなることを見出した。したがって、これらの条件で浸炭工程を行なうことにより、浸炭時間を短縮することができる。

上記浸炭方法において好ましくは、純粋な一酸化炭素ガスを直接炉内へ導入する導入工程をさらに備えている。浸炭工程を炉内にて行なう。

これにより、炭化水素ガスなどの原料ガスから生成されたＣＯを用いる必要がないので、浸炭工程におけるＣＯの濃度を容易に制御することができる。「純粋な一酸化炭素ガス」とは９９体積％以上の濃度の一酸化炭素ガスを意味している。

本発明の一の局面または他の局面における浸炭方法において好ましくは、浸炭工程は、一般式Ｃ_nＨ_m（ｎ、ｍは１≦ｎ、２≦ｍ、および（６３ｍ／１４８）≦ｎ≦（８１ｍ／７６）を満たす整数）で表わされる炭化水素と二酸化炭素とを加熱された炉内に導入することにより、一酸化炭素と水素とを発生させる工程を含んでいる。

これにより、上記雰囲気の濃度範囲内の濃度を有する一酸化炭素および水素が得られる。その結果、雰囲気における一酸化炭素ガスおよび水素ガスの濃度を個別に制御する必要が無いので、上記雰囲気を容易に実現することができる。

本発明の一の局面または他の局面における浸炭方法において好ましくは、上記炭化水素はシクロアルカンである。より好ましくは、シクロアルカンはシクロペンタンまたはシクロヘキサンである。また、上記炭化水素は好ましくは炭素数が６以上のアルカンであり、より好ましくはトリデカンである。さらに、上記炭化水素は好ましくは芳香族炭化水素であり、より好ましくはトルエンである。

本発明の機械部品、軸受部品、または転動部品などの鋼製品は、上記の浸炭方法を用いて製造される。これにより、鋼製品の浸炭時間を短縮することができ、生産性を向上することができる。

本発明の熱処理設備は、上記の浸炭方法に用いられる熱処理設備であって、第１の管路と、マスフローコントローラと、第２の管路と、ポンプと、気化器とを備えている。第１の管路は、二酸化炭素を炉に導入するためものである。マスフローコントローラは、第１の管路に設けられ、かつ二酸化炭素の量を制御するためのものである。第２の管路は、炭化水素を炉に導入するためのものである。ポンプは、第２の管路に設けられ、かつ炭化水素の量を調節するためのものである。気化器は、第２の管路に設けられ、かつ炭化水素を気化させるためのものである。

本発明の熱処理設備によれば、上記雰囲気の濃度範囲内の濃度を有する一酸化炭素および水素が得られる。その結果、雰囲気における一酸化炭素ガスおよび水素ガスの濃度を個別に制御する必要が無いので、上記雰囲気を容易に実現することができ、浸炭時間を短縮することができる。

本発明の浸炭方法、鋼製品、および熱処理設備によれば、浸炭時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１の深溝玉軸受が備える外輪の概略部分断面図である。また、図３は、図１の深溝玉軸受が備える内輪の概略部分断面図である。図１〜図３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の構成について説明する。

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。

本実施の形態の深溝玉軸受１においては、外輪１１、内輪１２、玉１３、および保持器１４のうち少なくとも１つの軸受部品が、以下に説明する浸炭方法を用いて製造されている。

図４は、本発明の実施の形態１における浸炭方法に用いられる浸炭装置を模式的に示す断面図である。図１を参照して、浸炭装置は、処理炉３と、ヒータ２と、固定具４と、導入管５〜８とを備えている。処理炉３内には固定具４およびヒータ２が配置されている。固定具４は処理炉３の中央部に配置されており、固定具４には外輪１１、内輪１２、玉１３、または保持器１４などの鋼製品１０が固定される。固定具４の両側には鋼製品１０を加熱するためのヒータ２の各々が配置されている。また、処理炉３には４つの導入管５〜８が接続されている。導入管５〜８は処理炉３内へガスを導入するためのものであり、たとえば導入管５からはＣＯガスが導入され、導入管６からはＨ₂ガスが導入され、導入管７からはＮ₂ガスが導入され、導入管８からはＣＯ₂ガスが導入される。導入管５〜８にはそれぞれバルブが設けられており、導入管５〜８の各々のガスの導入量はこれらのバルブの開閉により制御可能とされている。

この浸炭装置において、固定具４に鋼製品１０を固定し、導入管５および６の各々を開いて、純粋なＣＯガスおよびＨ₂ガスを処理炉３の内部に導入する（導入工程）。この場合には、ＣＯガスおよびＨ₂ガスの導入量を制御することにより、処理炉３内は６３体積％以上８１体積％以下の濃度のＣＯと、１９体積％以上３７体積％以下の濃度のＨ₂とを含む雰囲気に保たれる。なお、原料ガスとして純粋なＣＯガスおよびＨ₂ガスを用いる代わりに炭化水素ガスを用い、炭化水素ガスを分解して得られたＣＯガスおよびＨ₂ガスを処理炉３内に導入してもよい。

次に、ヒータ２によって鋼製品１０を加熱し、処理炉３内において鋼製品１０を浸炭処理する（浸炭工程）。浸炭処理は、たとえば図５に示すヒートパターンにて行なわれる。具体的には、鋼製品１０を加熱し、９５０℃の温度で１５分〜２４０分の間保持した後、油冷（Ｏ．Ｑ）により冷却する。その後、処理炉３から鋼製品を取り出し、鋼製品１０の浸炭が終了する。

図４を参照して、上記導入工程において、導入管７を開いて処理炉３内にさらにＮ₂ガスを導入してもよい。この場合には、ＣＯガス、Ｈ₂ガス、およびＮ₂ガスの導入量を制御することにより、処理炉３内は６６体積％以上７４体積％以下の濃度のＣＯと、ＣＯを除くガスに占める割合が５０体積％以上１００体積％未満であるＨ₂と、ＣＯを除くガスに占める割合が０より大きく５０体積％未満であるＮ₂とを含む雰囲気に保たれる。

また、上記導入工程においては、ＣＯガス、Ｈ₂ガス、およびＮ₂ガスの導入量を制御することにより、図６に示す３成分組成図における点Ａ〜点Ｄで囲まれた領域Ｘ内にある雰囲気に保たれてもよい。図６はＣＯ濃度をｘ体積％、Ｈ₂濃度をｙ体積％、およびＮ₂濃度をｚ体積％とした３成分組成図である。この３成分組成図上の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）で表わすと、領域Ｘは点Ａ（６３，３７，０）、点Ｂ（６６，１７，１７）、点Ｃ（７４，１３，１３）、および点Ｄ（８１，１９，０）で囲まれた４角形の領域である。

なお、上記導入工程において、処理炉３内には浸炭により発生したＣＯ₂ガスや微量の不純物ガス（たとえば水蒸気やＯ₂ガス）が含まれていてもよい。さらに、処理炉３内のカーボンポテンシャルが一定になるように、導入管８を開いて処理炉３内にさらに微量のＣＯ₂ガスを導入してもよい。

本実施の形態における浸炭方法は、図６に示す３成分組成図における点Ａ〜点Ｄで囲まれた領域Ｘ内にある雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。

本実施の形態における浸炭方法は、６３体積％以上８１体積％以下の濃度のＣＯと、１９体積％以上３７体積％以下の濃度のＨ₂とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。

本実施の形態における浸炭方法は、６６体積％以上７４体積％以下の濃度のＣＯと、ＣＯを除くガスに占める割合が５０体積％以上１００体積％未満であるＨ₂と、ＣＯを除くガスに占める割合が０より大きく５０体積％未満であるＮ₂とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えている。

本実施の形態における浸炭方法によれば浸炭工程における炭素移行係数βを大きくすることができるので、浸炭時間を短縮することができる。

本実施の形態における浸炭方法は、ＣＯを含む原料ガスを反応させずに炉内へ導入する導入工程をさらに備えている。浸炭工程を炉内にて行なう。

これにより、炭化水素ガスなどの原料ガスからＣＯを生成する必要がないので、浸炭工程におけるＣＯの濃度を容易に制御することができる。

本実施の形態における軸受部品は、上記の浸炭方法を用いて製造される。これにより、軸受部品の浸炭時間を短縮することができ、生産性を向上することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、以下に説明する浸炭方法を用いて鋼製品が製造される。

図７は、本発明の実施の形態２における浸炭方法に用いられる浸炭装置を模式的に示す断面図である。図７を参照して、本実施の形態における浸炭装置は、導入管の代わりに熱処理設備２１を有している点において、図４に示す浸炭装置と異なっている。熱処理設備２１は、第１の管路としての管路１７ａと、マスフローコントローラ１５と、ガスボンベ１６と、第２の管路としての管路１７ｂと、ポンプ１８と、ベーパライザ（気化器）１９と、容器２０とを備えている。管路１７ａは、ガスボンベ１６と処理炉３との間を接続しており、マスフローコントローラ１５は管路１７ａに設けられている。管路１７ｂは、容器２０と処理炉３との間を接続しており、ポンプ１８およびベーパライザ１９は管路１７ｂに設けられている。ポンプ１８はベーパライザ１９よりも容器２０側に設けられている。ガスボンベ１６には液体のＣＯ₂が充填されており、容器２０内には液体の炭化水素が充填されている。

本実施の形態においては、炭化水素として一般式Ｃ_nＨ_m（ｎ、ｍは１≦ｎ、２≦ｍ、および（６３ｍ／１４８）≦ｎ≦（８１ｍ／７６）を満たす整数）で表わされる炭化水素が用いられる。

なお、これ以外の浸炭装置の構成は、図４に示す浸炭装置の構成と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

この浸炭装置において、固定具４に鋼製品１０を固定し、ヒータ２を用いて処理炉３内を加熱する。この時点で処理炉３は鋼製品１０の浸炭温度まで加熱されることが好ましいが、少なくとも後述する式（１）の反応が進む温度まで加熱されればよい。次に、処理炉３内に適切な成分のガスを発生させることにより、処理炉３内を図６に示す領域Ｘの範囲内の雰囲気にする。

具体的には、ガスボンベ１６から管路１７ａを通じてＣＯ₂ガスを処理炉３内に導入する。ＣＯ₂は気体の状態で管路１７ａに供給され、マスフローコントローラ１５においてその導入量が制御されて、処理炉３内に導入される。ＣＯ₂の導入後、容器２０から管路１７ｂを通じて炭化水素ガスを処理炉３内に導入する。炭化水素は液体の状態でポンプ１８を用いて管路１７ｂに供給され、ベーパライザ１９によって気化され、処理炉３内に導入される。炭化水素ガスの導入量はポンプの回転数の制御により調節される。処理炉３内に導入する前にベーパライザ１９を用いて炭化水素を予め気化させておくことにより、炭化水素が処理炉３内で分解しやすくなる。

処理炉３内においては、以下の式（１）に従って炭化水素（Ｃ_nＨ_m、但し１≦ｎ、２≦ｍ）ガスとＣＯ₂ガスとが反応し、それによりＣＯガスとＨ₂ガスとが発生する。

Ｃ_nＨ_m＋ｎＣＯ₂→２ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ₂ ・・・（１）
式（１）の反応で発生するガスに占めるＣＯガスの濃度は、２ｎ×１００／（２ｎ＋（ｍ／２））％と表わされ、Ｈ₂ガスの濃度は（ｍ／２）×１００／（２ｎ＋（ｍ／２））％と表わされる。ここで、式（１）の化学反応で発生するガスの成分を図６に示す領域Ｘの範囲内にするためには、上記ＣＯガス濃度を６３体積％以上８１体積％以下とすればよく、具体的には以下の式（２）を満たせばよい。

６３≦２ｎ×１００／（２ｎ＋（ｍ／２））≦８１ ・・・（２）
上記式（２）をｎについて解くと、以下の式（３）が得られる。

（６３ｍ／１４８）≦ｎ≦（８１ｍ／７６） ・・・（３）
したがって、一般式Ｃ_nＨ_m（ｎ、ｍは１≦ｎ、２≦ｍ、および（６３ｍ／１４８）≦ｎ≦（８１ｍ／７６）を満たす整数）で表わされる炭化水素とＣＯ₂とを加熱された炉内に導入することにより、発生するガスの成分を図６に示す領域Ｘの範囲内にすることができる。

炭化水素としては、具体的にはシクロペンタンおよびシクロヘキサンなどのシクロアルカンや、トリデカンをはじめとする炭素数が６以上のアルカンや、トルエンなどの芳香族炭化水素などが用いられる。

炭化水素としてシクロペンタンまたはシクロヘキサンを用いる場合、それぞれ以下の式（４）または（５）に示す反応が起こる。

Ｃ₅Ｈ₁₀＋５ＣＯ₂→１０ＣＯ＋５Ｈ₂ ・・・（４）
Ｃ₆Ｈ₁₂＋６ＣＯ₂→１２ＣＯ＋６Ｈ₂ ・・・（５）
上記式（４）および（５）の反応で発生するガスの成分はいずれも、計算上、ＣＯ：６６．７体積％、Ｈ₂：３３．４体積％となり、図６に示す領域Ｘの範囲内となる。

また、炭化水素として炭素数が６以上のアルカンを用いる場合、以下の式（６）に示す反応が起こる。

Ｃ_nＨ_2n+2＋ｎＣＯ₂→２ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ₂（ｎは６以上の整数） ・・・（６）
上記式（６）の反応で発生するガスの成分は、計算上、図６に示す領域Ｘの範囲内となる。

さらに、炭化水素としてトリデカンまたはトルエンを用いる場合、以下の式（７）または（８）に示す反応が起こる。

Ｃ₁₃Ｈ₂₈＋１３ＣＯ₂→２６ＣＯ＋１４Ｈ₂ ・・・（７）
Ｃ₇Ｈ₈＋７ＣＯ₂→１４ＣＯ＋４Ｈ₂ ・・・（８）
上記式（７）の反応で発生するガスは、計算上、ＣＯ：６５．０体積％、Ｈ₂：３５．０体積％となり、上記式（８）の反応で発生するガスは、計算上、ＣＯ：７７．８体積％、Ｈ₂：２２．２体積％となり、いずれも図６に示す領域Ｘの範囲内となる。

なお、上記浸炭の際には、処理炉３内には浸炭により発生したＣＯ₂ガスや微量の不純物ガス（たとえば水蒸気やＯ₂ガス）が含まれていてもよい。さらに、処理炉３内のカーボンポテンシャルを所望の値にするために、微量のＣＯ₂ガスやプロパンガスなどのエンリッチガスを処理炉３内にさらに導入してもよい。

上記方法により、図６に示す領域Ｘの範囲内の成分を有するガスが処理炉内３に発生し、それにより、処理炉３内が図６に示す領域Ｘの範囲内にある雰囲気となる。続いて、処理炉３を浸炭温度まで加熱し、上記雰囲気で鋼製品１０を浸炭する（浸炭工程）。浸炭工程の詳細な条件は実施の形態１と同様である。以上の工程により、鋼製品１０の浸炭が終了する。

本実施の形態における浸炭方法において、浸炭工程は、一般式Ｃ_nＨ_mで表わされる炭化水素と二酸化炭素とを加熱された炉内に導入することにより、一酸化炭素と水素とを発生させる工程を含んでいる。

本実施の形態における熱処理設備２１は、上記の浸炭方法に用いられる熱処理設備であって、管路１７ａと、マスフローコントローラ１５と、管路１７ｂと、ポンプ１８と、ベーパライザ１９とを備えている。管路１７ａは、ＣＯ₂を処理炉３に導入するためものである。マスフローコントローラ１５は、管路１７ａに設けられ、かつＣＯ₂の量を制御するためのものである。管路１７ｂは、炭化水素を処理炉３に導入するためのものである。ポンプ１８は、管路１７ｂに設けられ、かつ炭化水素の量を調節するためのものである。ベーパライザ１９は、管路１７ｂに設けられ、かつ炭化水素を気化させるためのものである。

本実施の形態の浸炭方法および熱処理設備２１によれば、図４に示す実施の形態１の浸炭方法および浸炭装置に比べて、図６に示す領域Ｘの雰囲気を容易に実現することができる。すなわち、図４に示す実施の形態１の浸炭方法および浸炭装置では、ＣＯガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびＣＯ₂ガスの各々のガスボンベを準備し、これらのガスボンベを制御することにより目的の比率のガスが導入されている。一方、本実施の形態の浸炭方法では、ＣＯ₂ガスおよび炭化水素ガスのガスボンベを準備し、これらのガスボンベのみを制御すればよいので、ガスボンベの管理およびガス導入量の制御などの面から、所望の雰囲気を容易に実現することができる。加えて、ガスボンベのコストの面からも有利である。

なお、実施の形態１および２においては、深溝玉軸受の軸受部品が浸炭処理される場合について示したが、本発明の浸炭処理は深溝玉軸受の軸受部品に限らず鋼製品全般に適用することができる。たとえば鋼製品としては機械部品、軸受部品、または転動部品が適している。機械部品としては歯車や、自動車のボディなどであってもよい。軸受部品としては深溝玉軸受の他、たとえば針状ころ軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、またはアンギュラ玉軸受などの軸受部品であってもよい。転動部品としては、針状ころ、円筒ころ、円錐ころ、またはボールなどであってもよい。

本実施例では、処理炉内の雰囲気に含まれるＣＯ、Ｈ₂、およびＮ₂のそれぞれの濃度を変えて鋼製品の浸炭を行ない、浸炭後に鋼製品の炭素移行係数βを測定した。

始めに試験片（試料Ａ１〜Ａ９、試料Ｂ１〜Ｂ９、および試料Ｃ１〜Ｃ５）を準備した。試験片はＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）に規定されるＳＣｒ４２０の材質よりなる、外径５０ｍｍ、内径４２ｍｍ、幅１０ｍｍのリング形状のものを用いた。試験片の具体的な合金成分を表１に示す。

この試験片を図４に示す浸炭装置の処理炉内に配置し、処理炉内の雰囲気に含まれるＣＯ、Ｈ₂、およびＮ₂のそれぞれの濃度を調製した後、９５０℃の温度で浸炭処理を行なった。試料Ａ１〜Ａ９についてはＣＯガスとＨ₂ガスとを処理炉内へ導入し、試料Ｂ１〜Ｂ９についてはＣＯガスとＨ₂ガスとＮ₂ガスとを処理炉内へ導入し、試料Ｃ１〜Ｃ５については主にＣＯガスとＮ₂ガスとを処理炉内へ導入した。

浸炭処理においてはカーボンポテンシャルが１．１になるように、必要に応じて処理炉内に微量のＣＯ₂を導入した。各ガスはガスボンベから導入管を通じて処理炉内へ直接導入した。また、浸炭初期の炭素浸入過程の違いを調べる趣旨から、比較的短い時間（１５分〜２４０分）で浸炭処理を行なった。浸炭処理後の試験片の各々について、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて炭素濃度分布を調べた。この炭素濃度分布から炭素移行係数βを計算した。それぞれの試料の実験条件および結果を表２および図８（ａ）、（ｂ）に示す。

表２および図８（ａ）、（ｂ）を参照して、ＣＯ：６２．０体積％、残りがＨ₂および微量のＣＯ₂の雰囲気で浸炭処理を行なった試料Ａ５では、炭素移行係数βが８３．７６×１０^-6（ｃｍ／ｓ）であった。この試料Ａ５を基準とすると、試料Ａ２〜Ａ４では試料Ａ５よりも大きな炭素移行係数βが得られた。具体的には、ＣＯ：８１．０体積％、残りがＨ₂および微量のＣＯ₂の雰囲気で浸炭処理を行なった試料Ａ２では、炭素移行係数βが８４．７×１０^-6（ｃｍ／ｓ）であった。またＣＯ：７０．０体積％、残りがＨ₂および微量のＣＯ₂の雰囲気で浸炭処理を行なった試料Ａ３では、炭素移行係数βが３９３．９８×１０^-6（ｃｍ／ｓ）であった。さらにＣＯ：６３．０体積％、残りがＨ₂および微量のＣＯ₂の雰囲気で浸炭処理を行なった試料Ａ４では、炭素移行係数βが９１．５×１０^-6（ｃｍ／ｓ）であった。以上の結果から、６３体積％以上８１体積％以下の濃度のＣＯと、１９体積％以上３７体積％以下の濃度のＨ₂とを含む雰囲気で鋼を浸炭することにより、大きな炭素移行係数βが得られ、浸炭時間を短縮できることが分かる。

また、試料Ｂ２〜Ｂ４では試料Ａ５よりも大きな炭素移行係数βが得られた。具体的には、ＣＯ：７４．０体積％、残りが同量のＨ₂およびＮ₂と、微量のＣＯ₂との雰囲気で浸炭処理を行なった試料Ｂ２では、炭素移行係数βが８５．６１×１０^-6（ｃｍ／ｓ）であった。またＣＯ：７０．０体積％、残りが同量のＨ₂およびＮ₂と、微量のＣＯ₂との雰囲気で浸炭処理を行なった試料Ｂ３では、炭素移行係数βが９６．２５×１０^-6（ｃｍ／ｓ）であった。さらにＣＯ：６６．０体積％、残りが同量のＨ₂およびＮ₂と、微量のＣＯ₂との雰囲気で浸炭処理を行なった試料Ｂ４では、炭素移行係数βが８８．６９×１０^-6（ｃｍ／ｓ）であった。以上の結果から、６６体積％以上７４体積％以下の濃度のＣＯと、ＣＯを除くガスに占める割合が５０体積％以上１００体積％未満であるＨ₂と、ＣＯを除くガスに占める割合が０より大きく５０体積％未満であるＮ₂とを含む雰囲気で鋼を浸炭することにより、大きな炭素移行係数βが得られ、浸炭時間を短縮できることが分かる。

なお、試料Ｃ１〜Ｃ５では、いずれも試料Ａ５より低い炭素移行係数βしか得られなかった。

以上の結果より、図６における点Ａ（６３，３７，０）、点Ｂ（６６，１７，１７）、点Ｃ（７４，１３，１３）、および点Ｄ（８１，１９，０）で囲まれた領域Ｘ内にある雰囲気で鋼を浸炭することにより、大きな炭素移行係数βが得られ、浸炭時間を短縮できることが分かる。

また、図９は、本発明の実施例１における本発明例および比較例の各々で得られた炭素分布曲線を示す図である。図９を参照して、本発明例は上記試料Ａ３であり、１５分間浸炭処理をして得られた試料である。比較例は従来のキャリアガスを用いた雰囲気（ＣＯ：２３．１体積％、Ｈ₂：３０．８体積％、Ｎ₂：４６．２体積％）で３０分間浸炭処理をして得られた試料である。本発明例の浸炭時間は比較例の浸炭時間の半分であるにも関わらず、本発明例では比較例とほぼ同じ炭素分布曲線が得られている。たとえば０．３４質量％のＣ濃度が得られる深さは、比較例では約０．４ｍｍ、本発明例では約０．３６ｍｍとなっており、わずか０．０４ｍｍの差になっている。この結果より、本発明の浸炭方法によれば従来の浸炭方法を用いた場合と同等の浸炭深さを実現しつつ、浸炭時間を短縮できることが分かる。

本実施例では、実施の形態２の方法を用いて、加熱した処理炉内にＣＯ₂ガスとシクロペンタンガスとを導入し、導入後における処理炉内の雰囲気のガス成分を測定した。始めに、９４０℃に保たれた処理炉内にＣＯ₂ガスを導入し、次に処理炉内にシクロペンタンガスを導入した。また必要に応じて、エンリッチガスとしてプロパンガスを処理炉内に導入した。ＣＯ₂ガスの導入量はマスフローコントローラによって制御し、シクロペンタンガスの導入量はポンプの回転数の制御によって決定された。その後、処理炉内の雰囲気のガス成分を測定した。ＣＯ₂ガスと液体のシクロペンタンとの各々の導入量と、導入後における処理炉内の雰囲気のガス成分との関係を表３に示す。

表３を参照して、いずれの導入量の場合も、図６に示す領域Ｘの範囲内のガス成分となっていることが分かる。また、エンリッチガスとしてプロパンを入れた場合には、カーボンポテンシャルが１．１となり、実施例１の試料Ａ３と同じ炭素濃度分布を持つ試験片が得られた。なお、熱処理中のスーティング（煤の発生）はなかった。

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。

本発明の浸炭方法は、機械部品、軸受部品、または転動部品などの浸炭方法に特に適している。

本発明の実施の形態１における深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。 図１の深溝玉軸受が備える外輪の概略部分断面図である。 図１の深溝玉軸受が備える内輪の概略部分断面図である。 本発明の実施の形態１における浸炭方法に用いられる浸炭装置を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における浸炭方法のヒートパターンを示す図である。 ＣＯ濃度をｘ体積％、Ｈ₂濃度をｙ体積％、およびＮ₂濃度をｚ体積％とした３成分組成図で本発明の雰囲気を示した図である。 本発明の実施の形態２における浸炭方法に用いられる浸炭装置を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施例１におけるＣＯ濃度と炭素移行係数βとの関係を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の要部拡大図である。 本発明の実施例１において本発明例および比較例の各々で得られた炭素分布曲線を示す図である。

符号の説明

１ 深溝玉軸受、２ ヒータ、３ 処理炉、４ 固定具、５〜８ 導入管、１０ 鋼製品、１１ 外輪、１１ａ 外輪転走面、１２ 内輪、１２ａ 内輪転走面、１３ 玉、１４ 保持器、１５ マスフローコントローラ、１６ ガスボンベ、１７ａ，１７ｂ 管路、１８ ポンプ、１９ ベーパライザ、２０ 容器、２１ 熱処理設備。

Claims (10)

1. 一酸化炭素濃度をｘ体積％、水素濃度をｙ体積％、窒素濃度をｚ体積％としたとき、点（ｘ，ｙ，ｚ）が３成分組成図における点Ａ（６３，３７，０）、点Ｂ（６６，１７，１７）、点Ｃ（７４，１３，１３）、および点Ｄ（８１，１９，０）で囲まれた領域内にある雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えた、浸炭方法。
2. ６３体積％以上８１体積％以下の濃度の一酸化炭素と、１９体積％以上３７体積％以下の濃度の水素とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えた、浸炭方法。
3. ６６体積％以上７４体積％以下の濃度の一酸化炭素と、一酸化炭素を除くガスに占める割合が５０体積％以上１００体積％未満である水素と、一酸化炭素を除くガスに占める割合が０より大きく５０体積％未満である窒素とを含む雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程を備えた、浸炭方法。
4. 純粋な一酸化炭素ガスを直接炉内へ導入する導入工程をさらに備え、
   前記浸炭工程を前記炉内にて行なうことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の浸炭方法。
5. 前記浸炭工程は、一般式Ｃ_nＨ_m（ｎ、ｍは１≦ｎ、２≦ｍ、および（６３ｍ／１４８）≦ｎ≦（８１ｍ／７６）を満たす整数）で表わされる炭化水素と二酸化炭素とを加熱された炉内に導入することにより、一酸化炭素と水素とを発生させる工程を含む、請求項１または２に記載の浸炭方法。
6. 前記炭化水素はシクロアルカンである、請求項５に記載の浸炭方法。
7. 前記炭化水素は、炭素数が６以上のアルカンである、請求項５に記載の浸炭方法。
8. 前記炭化水素は芳香族炭化水素である、請求項５に記載の浸炭方法。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の浸炭方法を用いて製造された鋼製品。
10. 請求項５〜８のいずれかに記載の浸炭方法に用いられる熱処理設備であって、
    前記二酸化炭素を前記炉に導入するための第１の管路と、
    前記第１の管路に設けられ、かつ前記二酸化炭素の量を制御するためのマスフローコントローラと、
    前記炭化水素を前記炉に導入するための第２の管路と、
    前記第２の管路に設けられ、かつ前記炭化水素の量を調節するためのポンプと、
    前記第２の管路に設けられ、かつ前記炭化水素を気化させるための気化器とを備える、熱処理設備。

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