JP2008115427A - 高濃度浸炭鋼の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】炉の寿命低下、鋼材の変形、作業効率の低下を生じさせることなく、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法を提供すること。
【解決手段】以下の工程を備えた高濃度浸炭鋼の製造方法。（イ）所定の組成を有する鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1（℃）において、その表面炭素濃度Ｃが所定の炭素濃度となるまで浸炭させる１次浸炭工程。（ロ）１次浸炭工程終了後、鋼材を冷却速度１℃／分以上でＡr1点以下まで冷却する冷却工程。（ハ）鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1より１００℃以上低い２次浸炭開始温度Ｔ2sまで昇温させ、２次浸炭温度Ｔ2において鋼材を浸炭させる２次浸炭初期工程。（ニ）２次浸炭初期工程終了後、引き続き鋼材を焼入れ温度Ｔqまで昇温させ、焼入れ温度Ｔqにおいてさらに浸炭させる２次浸炭後期工程。（ホ）２次浸炭後期工程終了後、鋼材を焼入れする焼入れ工程。
【選択図】図１
【解決手段】以下の工程を備えた高濃度浸炭鋼の製造方法。（イ）所定の組成を有する鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1（℃）において、その表面炭素濃度Ｃが所定の炭素濃度となるまで浸炭させる１次浸炭工程。（ロ）１次浸炭工程終了後、鋼材を冷却速度１℃／分以上でＡr1点以下まで冷却する冷却工程。（ハ）鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1より１００℃以上低い２次浸炭開始温度Ｔ2sまで昇温させ、２次浸炭温度Ｔ2において鋼材を浸炭させる２次浸炭初期工程。（ニ）２次浸炭初期工程終了後、引き続き鋼材を焼入れ温度Ｔqまで昇温させ、焼入れ温度Ｔqにおいてさらに浸炭させる２次浸炭後期工程。（ホ）２次浸炭後期工程終了後、鋼材を焼入れする焼入れ工程。
【選択図】図１
Description
本発明は、高濃度浸炭鋼の製造方法に関し、さらに詳しくは、浸炭処理によって表面に微細、かつ球状の炭化物を多量に析出させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法に関する。
浸炭とは、鋼を浸炭性雰囲気中で加熱し、表面の炭素濃度を高める処理をいう。浸炭は、一般に低炭素鋼に適用され、浸炭後に焼入れされて使用される。このような浸炭−焼入れ処理された材料は、肌焼鋼あるいは浸炭鋼と呼ばれており、表面が硬く、内部は柔らかいので、軸、軸受け、歯車、ピストンピン、カムなどの機械部品に賞用されている。
浸炭の中でも、材料表面近傍の炭素濃度を高めて炭化物を析出させる処理は、特に「高濃度浸炭」と呼ばれている。高濃度浸炭により得られる材料は、組織中に硬い炭化物が分散しているので、従来より行われている共析浸炭により得られる材料よりも耐摩耗性、面疲労強度が高いという特徴がある。
しかしながら、高濃度浸炭処理材の特性は、炭化物の分散形態の影響を強く受けるので、高い強度を得るためには、炭化物を微細・球状・大量に分散させる必要がある（非特許文献１参照）。特に、粒界に析出した粗大な炭化物は、強度低下の原因となる。
浸炭の中でも、材料表面近傍の炭素濃度を高めて炭化物を析出させる処理は、特に「高濃度浸炭」と呼ばれている。高濃度浸炭により得られる材料は、組織中に硬い炭化物が分散しているので、従来より行われている共析浸炭により得られる材料よりも耐摩耗性、面疲労強度が高いという特徴がある。
しかしながら、高濃度浸炭処理材の特性は、炭化物の分散形態の影響を強く受けるので、高い強度を得るためには、炭化物を微細・球状・大量に分散させる必要がある（非特許文献１参照）。特に、粒界に析出した粗大な炭化物は、強度低下の原因となる。
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
Ｃ：０．０５〜０．４５％を含有する鋼で製造した機械構造部品を、
（イ） ８８０℃以上の温度でプラズマ浸炭することにより、部品表面のＣ濃度を鋼のＡcm以上にして表面近傍に炭化物を析出させる一次浸炭を行い、
（ロ） 徐冷して鋼のＡr1より低い温度に降温し、いったんそこで保持したのち、Ａr1を超える温度に昇温し、
（ハ） 一次浸炭の温度より１０〜６０℃低い温度において、再びプラズマ浸炭による二次浸炭を行い、
（ニ） 直ちに、または拡散処理を施したのち、焼入れ焼戻しをし、
表面Ｃ濃度が１．５％以上であり、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性に優れた部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法
が開示されている。
また、同文献には、
上記工程（ハ）に続いて、
（ホ） 再び徐冷して鋼のＡr1より低い温度に降温し、いったんそこに保持したのち、Ａr1を超える温度に昇温し、
（ヘ） 二次浸炭の温度よりさらに１０〜６０℃低い温度において、再びプラズマ浸炭による三次浸炭を行い、
その後に工程（ニ）を行うことにより、
表面Ｃ濃度１．７％以上で、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性に優れた部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法
が開示されている。
例えば、特許文献１には、
Ｃ：０．０５〜０．４５％を含有する鋼で製造した機械構造部品を、
（イ） ８８０℃以上の温度でプラズマ浸炭することにより、部品表面のＣ濃度を鋼のＡcm以上にして表面近傍に炭化物を析出させる一次浸炭を行い、
（ロ） 徐冷して鋼のＡr1より低い温度に降温し、いったんそこで保持したのち、Ａr1を超える温度に昇温し、
（ハ） 一次浸炭の温度より１０〜６０℃低い温度において、再びプラズマ浸炭による二次浸炭を行い、
（ニ） 直ちに、または拡散処理を施したのち、焼入れ焼戻しをし、
表面Ｃ濃度が１．５％以上であり、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性に優れた部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法
が開示されている。
また、同文献には、
上記工程（ハ）に続いて、
（ホ） 再び徐冷して鋼のＡr1より低い温度に降温し、いったんそこに保持したのち、Ａr1を超える温度に昇温し、
（ヘ） 二次浸炭の温度よりさらに１０〜６０℃低い温度において、再びプラズマ浸炭による三次浸炭を行い、
その後に工程（ニ）を行うことにより、
表面Ｃ濃度１．７％以上で、浸炭層の炭化物形状がほぼ球形であって、耐摩耗性と耐ピッチング性に優れた部品を得ることからなる鋼の浸炭処理方法
が開示されている。
同文献には、
（１） 浸炭処理法としてプラズマ浸炭を用いると、高いカーボンポテンシャルにもかかわらず、すすの発生が軽微であるので、浸炭ムラの心配がない点、
（２） 一次浸炭においてＡcmを超える高度の浸炭を行っているので、炭化物をオーステナイト粒界に塊状に析出させることができる点、
（３） 浸炭後、いったん温度をＡr1より低い温度に降温し、再度Ａr1を超える温度に昇温すると、オーステナイト粒界が移動し、はじめに粒界に存在していた炭化物は、新オーステナイト粒内に残存することになる点、
（４） さらに二次浸炭を行うことにより、新オーステナイト粒界に炭化物が析出し、この新しく生成した炭化物と、上記の残存炭化物をあわせて、炭化物分布が好ましい浸炭層が得られる点、
が記載されている。
（１） 浸炭処理法としてプラズマ浸炭を用いると、高いカーボンポテンシャルにもかかわらず、すすの発生が軽微であるので、浸炭ムラの心配がない点、
（２） 一次浸炭においてＡcmを超える高度の浸炭を行っているので、炭化物をオーステナイト粒界に塊状に析出させることができる点、
（３） 浸炭後、いったん温度をＡr1より低い温度に降温し、再度Ａr1を超える温度に昇温すると、オーステナイト粒界が移動し、はじめに粒界に存在していた炭化物は、新オーステナイト粒内に残存することになる点、
（４） さらに二次浸炭を行うことにより、新オーステナイト粒界に炭化物が析出し、この新しく生成した炭化物と、上記の残存炭化物をあわせて、炭化物分布が好ましい浸炭層が得られる点、
が記載されている。
さらに、特許文献２には、
浸炭処理により表面炭素濃度を０．８％以上とした鋼製部品をこの浸炭処理後３００℃以下の温度まで０．１℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し、次いで、鋼のＡc1変態温度よりも５０℃高くかつ１５０℃低い温度域に鋼製部品を加熱した後同温度で保持し、更に、１０℃／ｓｅｃ以下の加熱温度で心部がオーステナイト単相ないしはオーステナイトとフェライトの２相であってフェライト面積率が３０％以下となる温度まで昇温して保持した後、直接焼入れを行うかもしくは所定の焼入れ温度まで温度を下げたあと焼入れを行う鋼製部品の浸炭熱処理方法が開示されている。
同文献には、浸炭処理した鋼製部品を鋼のＡc1変態温度より５０℃高くかつ１５０℃低い温度域に保持することによって、微細炭化物を成長させることができる点が記載されている。
浸炭処理により表面炭素濃度を０．８％以上とした鋼製部品をこの浸炭処理後３００℃以下の温度まで０．１℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し、次いで、鋼のＡc1変態温度よりも５０℃高くかつ１５０℃低い温度域に鋼製部品を加熱した後同温度で保持し、更に、１０℃／ｓｅｃ以下の加熱温度で心部がオーステナイト単相ないしはオーステナイトとフェライトの２相であってフェライト面積率が３０％以下となる温度まで昇温して保持した後、直接焼入れを行うかもしくは所定の焼入れ温度まで温度を下げたあと焼入れを行う鋼製部品の浸炭熱処理方法が開示されている。
同文献には、浸炭処理した鋼製部品を鋼のＡc1変態温度より５０℃高くかつ１５０℃低い温度域に保持することによって、微細炭化物を成長させることができる点が記載されている。
下村哲也、森田敏之、井上幸一郎、電気製鋼、77(2006)、11
特許第２８０８６２１号公報
特開平６−１０８２２６号公報
特許文献２に開示されているように、１回の浸炭処理のみによって、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させるのは難しい。そのため、従来行われている高濃度浸炭は、１次浸炭及び２次浸炭の２回の浸炭を行うものが多い。１次浸炭は、主として、表面に高濃度の炭素を固溶させ、２次浸炭を行うための再加熱時に微細な炭化物を多量に析出させることを目的として行われる。一方、２次浸炭は、主として、１次浸炭後の再加熱時に生成した微細な炭化物を成長させることを目的として行われる。そのためには、１次浸炭と２次浸炭の温度差が十分あることが望ましい。
しかしながら、１次浸炭と２次浸炭の温度差を大きくするために、１次浸炭の温度を上昇させると、炉の寿命が低下する。また、肌焼鋼は、通常、仕上げ加工することなくそのまま使用されるが、必要以上の高温加熱は、材料の変形を増大させる原因となる。
一方、この問題を解決するために、１次浸炭の温度を下げると同時に２次浸炭の温度を下げると、２次浸炭時の炭素の拡散速度が低下する。そのため、必要量の炭化物を析出させるのに長時間を要し、作業効率が低下する。
さらに、１次浸炭の温度のみを下げ、２次浸炭の温度を高く維持すると、１次浸炭と２次浸炭の温度差が小さくなる。そのため、粒界に片状・粗大な炭化物が析出しやすくなり、組織の再現性が低下する。
一方、この問題を解決するために、１次浸炭の温度を下げると同時に２次浸炭の温度を下げると、２次浸炭時の炭素の拡散速度が低下する。そのため、必要量の炭化物を析出させるのに長時間を要し、作業効率が低下する。
さらに、１次浸炭の温度のみを下げ、２次浸炭の温度を高く維持すると、１次浸炭と２次浸炭の温度差が小さくなる。そのため、粒界に片状・粗大な炭化物が析出しやすくなり、組織の再現性が低下する。
本発明が解決しようとする課題は、炉の寿命を低下させることなく、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、浸炭処理後に大きな変形を生じさせることのない高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、作業効率を低下させることなく、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、粒界に片状・粗大な炭化物が析出せず、組織の再現性が高い高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、浸炭処理後に大きな変形を生じさせることのない高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、作業効率を低下させることなく、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、粒界に片状・粗大な炭化物が析出せず、組織の再現性が高い高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、以下の工程を備えていることを要旨とする。
（イ） Ｃ：０．１５〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．３〜０．８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１．２５〜２．００ｍａｓｓ％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1（℃）において、その表面炭素濃度ＣがＣeu＜Ｃ≦Ｃ(Ａcm)となるまで浸炭させる１次浸炭工程。
但し、
Ｃeuは、前記鋼材の共析炭素濃度、
Ｃ(Ａcm)は、前記１次浸炭温度Ｔ1における前記鋼材のＡcm線に相当する炭素濃度。
（ロ） 前記１次浸炭工程終了後、前記鋼材を冷却速度１℃／分以上で７００℃以下まで冷却する冷却工程。
（ハ） 前記鋼材を２次浸炭開始温度Ｔ2sまで昇温させ、２次浸炭温度Ｔ2において前記鋼材を浸炭させる２次浸炭初期工程。
但し、
Ａc1点（℃）≦Ｔ2s（℃）≦１次浸炭温度Ｔ1−１００℃≦２次浸炭開始直後における前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）、
Ｔ2S≦Ｔ2≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
（ニ） 前記２次浸炭初期工程終了後、引き続き前記鋼材を焼入れ温度Ｔq（℃）まで昇温させ、前記焼入れ温度Ｔqにおいてさらに浸炭させる２次浸炭後期工程。
但し、
Ｔq≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
（ホ） 前記２次浸炭後期工程終了後、前記鋼材を焼入れする焼入れ工程。
（イ） Ｃ：０．１５〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．３〜０．８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１．２５〜２．００ｍａｓｓ％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1（℃）において、その表面炭素濃度ＣがＣeu＜Ｃ≦Ｃ(Ａcm)となるまで浸炭させる１次浸炭工程。
但し、
Ｃeuは、前記鋼材の共析炭素濃度、
Ｃ(Ａcm)は、前記１次浸炭温度Ｔ1における前記鋼材のＡcm線に相当する炭素濃度。
（ロ） 前記１次浸炭工程終了後、前記鋼材を冷却速度１℃／分以上で７００℃以下まで冷却する冷却工程。
（ハ） 前記鋼材を２次浸炭開始温度Ｔ2sまで昇温させ、２次浸炭温度Ｔ2において前記鋼材を浸炭させる２次浸炭初期工程。
但し、
Ａc1点（℃）≦Ｔ2s（℃）≦１次浸炭温度Ｔ1−１００℃≦２次浸炭開始直後における前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）、
Ｔ2S≦Ｔ2≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
（ニ） 前記２次浸炭初期工程終了後、引き続き前記鋼材を焼入れ温度Ｔq（℃）まで昇温させ、前記焼入れ温度Ｔqにおいてさらに浸炭させる２次浸炭後期工程。
但し、
Ｔq≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
（ホ） 前記２次浸炭後期工程終了後、前記鋼材を焼入れする焼入れ工程。
１次浸炭温度Ｔ1で１次浸炭を行った後、さらに２次浸炭を行う場合において、２次浸炭を焼入れ温度Ｔqより低い２次浸炭温度Ｔ2で浸炭を行う２次浸炭初期工程と、焼入れ温度Ｔqにおいて浸炭を行う２次浸炭後期工程に分割すると、１次浸炭温度Ｔ1が相対的に低温であっても、１次浸炭温度Ｔ1と２次浸炭温度Ｔ2の温度差を十分に取ることができる。そのため、炉の寿命低下や浸炭処理後の大きな変形を生じさせることなく、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることができる。また、２次浸炭後期工程においては、相対的に高温で浸炭が行われるので、作業効率を低下させることもない。さらに、１次浸炭温度Ｔ1と２次浸炭温度Ｔ2の温度差を十分に取ることができるので、材料間に組成のバラツキがあっても、粒界への片状・粗大な炭化物の析出を確実に抑制することができる。
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
初めに、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法が適用される鋼材について説明する。
本発明に係る方法が適用される鋼材は、以下のような合金元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。合金元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
初めに、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法が適用される鋼材について説明する。
本発明に係る方法が適用される鋼材は、以下のような合金元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。合金元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
（１） Ｃ：０．１５〜０．３０ｍａｓｓ％。
Ｃ量が少ないと、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、Ｃ量は、０．１５ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃ量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、Ｃ量は、０．３０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
Ｃ量が少ないと、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、Ｃ量は、０．１５ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃ量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、Ｃ量は、０．３０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
（２） Ｓｉ：０．４０〜０．８０ｍａｓｓ％。
Ｓｉ量が少ないと、マトリックスの焼戻し硬さが低下し、強度を低下させる。従って、Ｓｉ量は、０．４０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｓｉ量が過剰になると、炭化物の生成量が低下し、強度を低下させる。また、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、Ｓｉ量は、０．８０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
Ｓｉ量が少ないと、マトリックスの焼戻し硬さが低下し、強度を低下させる。従って、Ｓｉ量は、０．４０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｓｉ量が過剰になると、炭化物の生成量が低下し、強度を低下させる。また、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、Ｓｉ量は、０．８０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
（３） Ｍｎ：０．３〜０．８ｍａｓｓ％。
Ｍｎ量が少ないと、マトリックスの焼入れ性が低下し、不完全焼入れにより強度が低下する。従って、Ｍｎ量は、０．３ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｍｎ量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、Ｍｎ量は、０．８ｍａｓｓ％以下が好ましい。
Ｍｎ量が少ないと、マトリックスの焼入れ性が低下し、不完全焼入れにより強度が低下する。従って、Ｍｎ量は、０．３ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｍｎ量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、Ｍｎ量は、０．８ｍａｓｓ％以下が好ましい。
（４） Ｃｒ：１．２５〜２．００ｍａｓｓ％。
Ｃｒ量が少ないと、炭化物の生成量が低下し、強度を低下させる。また、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、Ｃｒ量は、１．２５ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃｒ量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、Ｃｒ量は、２．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。
Ｃｒ量が少ないと、炭化物の生成量が低下し、強度を低下させる。また、心部にフェライトが生成し、強度を低下させる。従って、Ｃｒ量は、１．２５ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃｒ量が過剰になると、素材の硬さを上げ、製造性（特に、被削性）を低下させる。従って、Ｃｒ量は、２．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。
次に、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法について説明する。
本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、１次浸炭工程と、冷却工程と、２次浸炭初期工程と、２次浸炭後期工程と、焼入れ工程とを備えている。
本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、１次浸炭工程と、冷却工程と、２次浸炭初期工程と、２次浸炭後期工程と、焼入れ工程とを備えている。
１次浸炭工程は、上述の組成を有する鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1（℃）において、その表面炭素濃度ＣがＣeu＜Ｃ≦Ｃ(Ａcm)となるように浸炭させる工程である。
１次浸炭温度Ｔ1は、少なくとも、後述する２次浸炭開始温度Ｔ2sよりも１００℃以上高い温度であればよい。一般に、１次浸炭温度Ｔ1が高くなるほど、短時間で所定の炭素濃度まで浸炭することができる。１次浸炭温度Ｔ１は、具体的には、９００℃以上が好ましい。
一方、１次浸炭温度Ｔ1が高くなりすぎると、炉の寿命を低下させ、あるいは、浸炭中における鋼材の変形が増大する場合がある。従って、１次浸炭温度Ｔ1は、具体的には、１１００℃以下が好ましく、さらに好ましくは、１０００℃以下である。
１次浸炭温度Ｔ1は、少なくとも、後述する２次浸炭開始温度Ｔ2sよりも１００℃以上高い温度であればよい。一般に、１次浸炭温度Ｔ1が高くなるほど、短時間で所定の炭素濃度まで浸炭することができる。１次浸炭温度Ｔ１は、具体的には、９００℃以上が好ましい。
一方、１次浸炭温度Ｔ1が高くなりすぎると、炉の寿命を低下させ、あるいは、浸炭中における鋼材の変形が増大する場合がある。従って、１次浸炭温度Ｔ1は、具体的には、１１００℃以下が好ましく、さらに好ましくは、１０００℃以下である。
また、浸炭は、鋼材の表面炭素濃度ＣがＣeu＜Ｃ≦Ｃ(Ａcm)となるように行う。
ここで、「表面炭素濃度」とは、表面から１０μｍの領域内の平均炭素濃度をいう。
また、「Ｃeu」とは、上述した範囲のＳｉ、Ｍｎ、及びＣｒを含む鋼材の共析炭素濃度をいう。上述した鋼材の場合、いずれも、共析炭素濃度は、０．５ｍａｓｓ％以上となる。
さらに、「Ｃ(Ａcm)」とは、１次浸炭温度Ｔ1における、上述した範囲のＳｉ、Ｍｎ及びＣｒを含む鋼材のＡcm線に相当する炭素濃度をいう。Ｃ≦Ｃ(Ａcm)となるまで浸炭を行うことは、鋼材の表面温度がＡcm線以上となる温度（すなわち、表面がγ相単相となる温度）で１次浸炭を行うことを意味する。
ここで、「表面炭素濃度」とは、表面から１０μｍの領域内の平均炭素濃度をいう。
また、「Ｃeu」とは、上述した範囲のＳｉ、Ｍｎ、及びＣｒを含む鋼材の共析炭素濃度をいう。上述した鋼材の場合、いずれも、共析炭素濃度は、０．５ｍａｓｓ％以上となる。
さらに、「Ｃ(Ａcm)」とは、１次浸炭温度Ｔ1における、上述した範囲のＳｉ、Ｍｎ及びＣｒを含む鋼材のＡcm線に相当する炭素濃度をいう。Ｃ≦Ｃ(Ａcm)となるまで浸炭を行うことは、鋼材の表面温度がＡcm線以上となる温度（すなわち、表面がγ相単相となる温度）で１次浸炭を行うことを意味する。
表面炭素濃度Ｃが少ないと、後述する２次浸炭の昇温中に、マトリックス内に炭化物が析出しない。昇温中にマトリックス内に炭化物が析出しないと、２次浸炭時に粒界に粗大な炭化物が生成する。従って、１次浸炭は、表面炭素濃度ＣがＣeuより大きくなるように行う必要がある。
一方、表面の炭素濃度Ｃが過剰になると、１次浸炭中に粒界に炭化物が生成する。１次浸炭で生成した炭化物は、そのまま残存するため、粗大な炭化物の生成は防止しなければならない。具体的には、長径５μｍ以上の粗大な炭化物が存在しないことが好ましい。従って、１次浸炭は、表面炭素濃度ＣがＣ(Ａcm)以下となるように行う必要がある。
例えば、上述した組成を有する鋼材の場合、１次浸炭温度Ｔ1を９５０〜１０００℃とすると、Ｃ(Ａcm)は、１．２５〜１．４ｍａｓｓ％程度となる。
一方、表面の炭素濃度Ｃが過剰になると、１次浸炭中に粒界に炭化物が生成する。１次浸炭で生成した炭化物は、そのまま残存するため、粗大な炭化物の生成は防止しなければならない。具体的には、長径５μｍ以上の粗大な炭化物が存在しないことが好ましい。従って、１次浸炭は、表面炭素濃度ＣがＣ(Ａcm)以下となるように行う必要がある。
例えば、上述した組成を有する鋼材の場合、１次浸炭温度Ｔ1を９５０〜１０００℃とすると、Ｃ(Ａcm)は、１．２５〜１．４ｍａｓｓ％程度となる。
１次浸炭を行う際の浸炭方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。特に、ガス浸炭及び真空浸炭は、取り扱いが容易で、処理時間も短いので、浸炭方法として好適である。特定の浸炭方法を採用した場合において、浸炭条件を最適化すると、表面の炭素濃度Ｃを上述の範囲に収めることができる。
例えば、ガス浸炭は、浸炭性ガス雰囲気中で鋼材を加熱することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルにより制御することができる。カーボンポテンシャルとは、雰囲気と平衡する純鉄の表面平衡炭素濃度であり、雰囲気中のＣＯ／ＣＯ2比やＨ2Ｏ量に依存する。一般に、カーボンポテンシャルが高くなるほど、及び／又は、１次浸炭温度Ｔ1が高くなるほど、短時間で表面の炭素濃度を高めることができる。
また、例えば、真空浸炭は、鋼材を挿入した炉内を１．３Ｐａ程度に減圧した後、浸炭温度に加熱し、メタン、プロパンなどの炭化水素ガスを炉内に導入することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、炭化水素ガスの導入時間により制御することができる。なお、真空浸炭を行うと、表面近傍の炭素濃度が高くなりすぎる場合があるので、このような場合には、浸炭後に炭化水素ガスの供給を止め、その状態で保持する拡散処理を行うのが一般的である。
例えば、ガス浸炭は、浸炭性ガス雰囲気中で鋼材を加熱することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルにより制御することができる。カーボンポテンシャルとは、雰囲気と平衡する純鉄の表面平衡炭素濃度であり、雰囲気中のＣＯ／ＣＯ2比やＨ2Ｏ量に依存する。一般に、カーボンポテンシャルが高くなるほど、及び／又は、１次浸炭温度Ｔ1が高くなるほど、短時間で表面の炭素濃度を高めることができる。
また、例えば、真空浸炭は、鋼材を挿入した炉内を１．３Ｐａ程度に減圧した後、浸炭温度に加熱し、メタン、プロパンなどの炭化水素ガスを炉内に導入することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、炭化水素ガスの導入時間により制御することができる。なお、真空浸炭を行うと、表面近傍の炭素濃度が高くなりすぎる場合があるので、このような場合には、浸炭後に炭化水素ガスの供給を止め、その状態で保持する拡散処理を行うのが一般的である。
冷却工程は、１次浸炭工程終了後、鋼材を冷却速度１℃／分以上で７００℃以下まで冷却する工程である。
１次浸炭終了後、鋼材は、一端、７００℃以下の温度まで冷却される。７００℃以下の温度まで冷却するのは、２次浸炭の再加熱の際に、粒内に微細な炭化物を析出させるためである。この場合、冷却速度が遅すぎると、冷却中に片状・粗大な炭化物が粒界に析出するので好ましくない。冷却時に生じた粗大な炭化物は、後述の工程においても消滅せず、鋼材の強度を低下させる原因となる。従って、冷却速度は、１℃／分以上が好ましい。冷却速度は、速いほどよい。
１次浸炭終了後、鋼材は、一端、７００℃以下の温度まで冷却される。７００℃以下の温度まで冷却するのは、２次浸炭の再加熱の際に、粒内に微細な炭化物を析出させるためである。この場合、冷却速度が遅すぎると、冷却中に片状・粗大な炭化物が粒界に析出するので好ましくない。冷却時に生じた粗大な炭化物は、後述の工程においても消滅せず、鋼材の強度を低下させる原因となる。従って、冷却速度は、１℃／分以上が好ましい。冷却速度は、速いほどよい。
２次浸炭初期工程は、冷却された鋼材を２次浸炭開始温度Ｔ2sまで昇温させ、２次浸炭温度Ｔ2において鋼材を浸炭させる工程である。
ここで、「２次浸炭開始温度Ｔ2s」とは、次の（１）式の条件を満たす温度をいう。
Ａc1点（℃）≦Ｔ2s（℃）≦１次浸炭温度Ｔ1−１００℃≦２次浸炭開始直後における前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃） ・・・（１）
２次浸炭開始温度Ｔ2sと１次浸炭温度Ｔ1との温度差は、１００℃以上が好ましい。両者の温度差が１００℃未満になると、粒界に片状・粗大な炭化物が生成するおそれがある。両者の温度差は、大きいほどよい。
また、２次浸炭開始温度Ｔ2sは、Ａc1点以上であり、かつ、２次浸炭開始直後における鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度以下である必要がある。これは、鋼材の表面温度がＡc1点とＡcm線の間の温度（すなわち、表面がγ＋Ｆｅ3Ｃ相となる温度）で２次浸炭を開始することを意味する。
ここで、「２次浸炭開始温度Ｔ2s」とは、次の（１）式の条件を満たす温度をいう。
Ａc1点（℃）≦Ｔ2s（℃）≦１次浸炭温度Ｔ1−１００℃≦２次浸炭開始直後における前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃） ・・・（１）
２次浸炭開始温度Ｔ2sと１次浸炭温度Ｔ1との温度差は、１００℃以上が好ましい。両者の温度差が１００℃未満になると、粒界に片状・粗大な炭化物が生成するおそれがある。両者の温度差は、大きいほどよい。
また、２次浸炭開始温度Ｔ2sは、Ａc1点以上であり、かつ、２次浸炭開始直後における鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度以下である必要がある。これは、鋼材の表面温度がＡc1点とＡcm線の間の温度（すなわち、表面がγ＋Ｆｅ3Ｃ相となる温度）で２次浸炭を開始することを意味する。
「２次浸炭温度Ｔ2」とは、次の（２）式の条件を満たす温度をいう。
Ｔ2S≦Ｔ2≦前記鋼材の表面の炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）・・・（２）
２次浸炭温度Ｔ2は、２次浸炭開始温度Ｔ2sと同一であっても良く、あるいは、それより高い温度であってもよい。
２次浸炭温度Ｔ2が２次浸炭開始温度Ｔ2sと同一である場合、２次浸炭温度Ｔ2での保持時間は、後述する焼入れ温度Ｔqまで昇温したときに、鋼材の表面温度がＡcm線温度を超えない時間であればよい。一般に、２次浸炭温度Ｔ2での保持時間が長くなるほど、表面の炭素濃度が上昇し、これに応じて表面のＡcm線温度も上昇するので、鋼材の表面温度をＡcm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。後述する焼入れ温度Ｔqに昇温したときに鋼材の表面温度を確実にＡcm線以下とするためには、２次浸炭温度Ｔ2での保持時間は、１５分以上が好ましい。
Ｔ2S≦Ｔ2≦前記鋼材の表面の炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）・・・（２）
２次浸炭温度Ｔ2は、２次浸炭開始温度Ｔ2sと同一であっても良く、あるいは、それより高い温度であってもよい。
２次浸炭温度Ｔ2が２次浸炭開始温度Ｔ2sと同一である場合、２次浸炭温度Ｔ2での保持時間は、後述する焼入れ温度Ｔqまで昇温したときに、鋼材の表面温度がＡcm線温度を超えない時間であればよい。一般に、２次浸炭温度Ｔ2での保持時間が長くなるほど、表面の炭素濃度が上昇し、これに応じて表面のＡcm線温度も上昇するので、鋼材の表面温度をＡcm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。後述する焼入れ温度Ｔqに昇温したときに鋼材の表面温度を確実にＡcm線以下とするためには、２次浸炭温度Ｔ2での保持時間は、１５分以上が好ましい。
一方、２次浸炭温度Ｔ2が２次浸炭開始温度Ｔ2sより高い場合、２次浸炭温度Ｔ2は、２次浸炭開始温度Ｔ2sから階段状に温度を上昇させても良く、あるいは、連続的に上昇させてもよい。
「階段状」とは、一定温度で所定時間保持した後、温度を所定の温度幅で上昇させ、さらにその温度で所定時間保持することを繰り返すことをいう。階段状に温度を上昇させる場合であっても、温度の上昇幅及び保持温度での保持時間を最適化すると、鋼材の表面温度をＡcm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。
また、「連続的」とは、所定の昇温速度で温度を上昇させることをいう。連続的に温度を上昇させる場合であっても、昇温速度を最適化することによって、鋼材の表面温度をＡcm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。
「階段状」とは、一定温度で所定時間保持した後、温度を所定の温度幅で上昇させ、さらにその温度で所定時間保持することを繰り返すことをいう。階段状に温度を上昇させる場合であっても、温度の上昇幅及び保持温度での保持時間を最適化すると、鋼材の表面温度をＡcm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。
また、「連続的」とは、所定の昇温速度で温度を上昇させることをいう。連続的に温度を上昇させる場合であっても、昇温速度を最適化することによって、鋼材の表面温度をＡcm線以下に保ったまま、浸炭を行うことができる。
２次浸炭後期工程は、２次浸炭初期工程終了後、引き続き鋼材を焼入れ温度Ｔq（℃）まで昇温させ、焼入れ温度Ｔqにおいてさらに浸炭させる工程である。
但し、Ｔq≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
２次浸炭後期工程は、単に鋼材の温度を焼入れ温度Ｔqまで上昇させるためだけではなく、より高温において浸炭を行わせ、粒界に片状・粗大な炭化物を析出させることなく、短時間で表面の炭素濃度を目的とする炭素濃度とするための工程でもある。従って、焼入れ温度Ｔqは、鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度以下である必要がある。２次浸炭初期工程の浸炭条件を最適化すると、鋼材の表面温度をＡcm線温度以下に保ったまま、焼入れ温度Ｔqまで昇温することができる。
一般に、焼入れ温度Ｔqが低くなるほど、保持中に、粒界に片状・粗大な炭化物が生成しにくくなる。しかしながら、焼入れ温度Ｔqが低くなりすぎると、炭素の拡散速度が低下するだけでなく、心部の焼入れが不十分となる。従って、焼入れ温度Ｔqは、鋼材の心部がオーステナイト単相となる温度以上とするのが好ましい。
但し、Ｔq≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
２次浸炭後期工程は、単に鋼材の温度を焼入れ温度Ｔqまで上昇させるためだけではなく、より高温において浸炭を行わせ、粒界に片状・粗大な炭化物を析出させることなく、短時間で表面の炭素濃度を目的とする炭素濃度とするための工程でもある。従って、焼入れ温度Ｔqは、鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度以下である必要がある。２次浸炭初期工程の浸炭条件を最適化すると、鋼材の表面温度をＡcm線温度以下に保ったまま、焼入れ温度Ｔqまで昇温することができる。
一般に、焼入れ温度Ｔqが低くなるほど、保持中に、粒界に片状・粗大な炭化物が生成しにくくなる。しかしながら、焼入れ温度Ｔqが低くなりすぎると、炭素の拡散速度が低下するだけでなく、心部の焼入れが不十分となる。従って、焼入れ温度Ｔqは、鋼材の心部がオーステナイト単相となる温度以上とするのが好ましい。
焼入れ温度Ｔqでの保持時間は、特に限定されるものではなく、鋼材の組成、焼入れ温度Ｔq、鋼材に要求される特性等に応じて、最適な時間を選択する。一般に、保持時間が長くなるほど、鋼材の表面炭素濃度を上昇させることができる。耐摩耗性、面疲労強度に優れた高濃度浸炭鋼を得るためには、焼入れ温度Ｔqでの保持時間（すなわち、浸炭時間）は、１５分以上が好ましい。
なお、２次浸炭初期工程において、段階的又は連続的に２次浸炭温度Ｔ2を上昇させる場合において、焼入れ温度Ｔqに達した時点で十分な浸炭量が得られ、かつ、鋼材の均熱も十分であるときには、焼入れ温度Ｔqに到達後、焼入れ温度Ｔqでの浸炭を実質的に行うことなく、直ちに焼入れを行ってもよい。
なお、２次浸炭初期工程において、段階的又は連続的に２次浸炭温度Ｔ2を上昇させる場合において、焼入れ温度Ｔqに達した時点で十分な浸炭量が得られ、かつ、鋼材の均熱も十分であるときには、焼入れ温度Ｔqに到達後、焼入れ温度Ｔqでの浸炭を実質的に行うことなく、直ちに焼入れを行ってもよい。
焼入れ工程は、２次浸炭後期工程終了後、鋼材を焼入れする工程である。
焼入れは、表面の浸炭層及び心部をマルテンサイト変態させるために行われる。そのためには、２次浸炭後期工程終了後の鋼材は、急冷することが好ましい。焼入れ方法としては、具体的には、油焼入れ、ガス焼入れなどがある。
焼入れは、表面の浸炭層及び心部をマルテンサイト変態させるために行われる。そのためには、２次浸炭後期工程終了後の鋼材は、急冷することが好ましい。焼入れ方法としては、具体的には、油焼入れ、ガス焼入れなどがある。
次に、本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法の作用について説明する。
図１（ａ）〜図１（ｄ）に、各種条件で高濃度浸炭した場合における組織変化の模式図を示す。なお、図１（ａ）〜図１（ｄ）には、状態図も併せて示した。
高濃度浸炭は、１次浸炭と２次浸炭の２回の浸炭を行うものが多い。浸炭を２段階に分けて行う従来の高濃度浸炭は、図１（ａ）の状態図に示すように、１次浸炭終了時の表面の炭素濃度は、浸炭温度に対応するＡcm線濃度より低い濃度になっている。すなわち、１次浸炭終了後の表面は、オーステナイト単相状態にある。そのため、この状態から所定の冷却速度で７００℃以下まで冷却すると、鋼材の組織は、図１（ａ）の左図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。
この状態から鋼材を２次浸炭温度まで昇温すると、図１（ａ）の中図に示すように、２次浸炭の昇温過程で粒内に球状・微細な炭化物が生成する。これは、２次浸炭は、鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度より低い温度（すなわち、表面がγ＋Ｆｅ3Ｃ相となる温度）で行われ、１次浸炭に比べて炭素の拡散速度が遅くなるので、粒界に炭化物が析出しにくくなるためである。
２次浸炭温度に到達後、その温度で２次浸炭を開始すると、図１（ａ）の右図に示すように、昇温過程で生じた微細な炭化物が核となり、炭化物が成長する。
図１（ａ）〜図１（ｄ）に、各種条件で高濃度浸炭した場合における組織変化の模式図を示す。なお、図１（ａ）〜図１（ｄ）には、状態図も併せて示した。
高濃度浸炭は、１次浸炭と２次浸炭の２回の浸炭を行うものが多い。浸炭を２段階に分けて行う従来の高濃度浸炭は、図１（ａ）の状態図に示すように、１次浸炭終了時の表面の炭素濃度は、浸炭温度に対応するＡcm線濃度より低い濃度になっている。すなわち、１次浸炭終了後の表面は、オーステナイト単相状態にある。そのため、この状態から所定の冷却速度で７００℃以下まで冷却すると、鋼材の組織は、図１（ａ）の左図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。
この状態から鋼材を２次浸炭温度まで昇温すると、図１（ａ）の中図に示すように、２次浸炭の昇温過程で粒内に球状・微細な炭化物が生成する。これは、２次浸炭は、鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度より低い温度（すなわち、表面がγ＋Ｆｅ3Ｃ相となる温度）で行われ、１次浸炭に比べて炭素の拡散速度が遅くなるので、粒界に炭化物が析出しにくくなるためである。
２次浸炭温度に到達後、その温度で２次浸炭を開始すると、図１（ａ）の右図に示すように、昇温過程で生じた微細な炭化物が核となり、炭化物が成長する。
図１（ａ）に示すような組織を得るためには、１次浸炭終了時の温度はＡcm線より高く、２次浸炭開始時の温度はＡcm線より低くなっている必要がある。製造された鋼材にはロット間の成分バラツキがあり、鋼材ごとにＡcm線の位置が多少変動するので、図１（ａ）に示すような組織を確実に得るためには、１次浸炭温度と２次浸炭温度の温度差を十分に取る必要がある。
しかしながら、温度差を十分に取るために、１次浸炭温度を上昇させると、炉の耐久性が低下する。一方、これを回避するために、２次浸炭温度を下げると、２次浸炭時における炭素の拡散速度が低下するので、生産性が大幅に低下する。
しかしながら、温度差を十分に取るために、１次浸炭温度を上昇させると、炉の耐久性が低下する。一方、これを回避するために、２次浸炭温度を下げると、２次浸炭時における炭素の拡散速度が低下するので、生産性が大幅に低下する。
さらに、炉の耐久性と生産性とを両立させるために、１次浸炭温度と２次浸炭温度の温度差を小さくすると、Ａcm線を挟んだ２段階の浸炭処理を再現性良く行うのが困難となる。
例えば、２次浸炭温度を従来と同等の温度に維持し、１次浸炭温度を下げた場合において、１次浸炭温度がＡcm線より上にあるときには、１次浸炭終了後の鋼材の組織は、図１（ｂ）の左図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。しかしながら、２次浸炭開始温度がＡcm線を越えると、図１（ｂ）の中図に示すように、２次浸炭温度に保持している間に、２次浸炭の昇温過程で粒内に生成した微細な炭化物が再固溶する。粒内には炭化物を成長させるための核が無くなるので、炭化物は、形成エネルギーのより小さい粒界において優先的に生成する。その結果、図１（ｂ）の右図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成する。
一方、２次浸炭温度を従来と同様の温度に維持し、１次浸炭温度を下げた場合において、１次浸炭温度がＡcm線より下にあるときには、１次浸炭終了後の鋼材の組織は、図１（ｃ）の左図に示すように、粒界に片状の炭化物が生成した状態となる。これを２次浸炭開始温度に昇温すると、図１（ｃ）の中図に示すように、昇温過程で粒内に微細な炭化物が生成する。この状態から２次浸炭を行うと、図１（ｃ）の右図に示すように、粒内の微細な炭化物と粒界に生成した片状の炭化物の双方が成長する。
図１（ｂ）及び図１（ｃ）のいずれの場合においても、粒界に生成した片状・粗大な炭化物は、高濃度浸炭鋼の強度を低下させる原因となる。
例えば、２次浸炭温度を従来と同等の温度に維持し、１次浸炭温度を下げた場合において、１次浸炭温度がＡcm線より上にあるときには、１次浸炭終了後の鋼材の組織は、図１（ｂ）の左図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。しかしながら、２次浸炭開始温度がＡcm線を越えると、図１（ｂ）の中図に示すように、２次浸炭温度に保持している間に、２次浸炭の昇温過程で粒内に生成した微細な炭化物が再固溶する。粒内には炭化物を成長させるための核が無くなるので、炭化物は、形成エネルギーのより小さい粒界において優先的に生成する。その結果、図１（ｂ）の右図に示すように、粒界に粗大な炭化物が生成する。
一方、２次浸炭温度を従来と同様の温度に維持し、１次浸炭温度を下げた場合において、１次浸炭温度がＡcm線より下にあるときには、１次浸炭終了後の鋼材の組織は、図１（ｃ）の左図に示すように、粒界に片状の炭化物が生成した状態となる。これを２次浸炭開始温度に昇温すると、図１（ｃ）の中図に示すように、昇温過程で粒内に微細な炭化物が生成する。この状態から２次浸炭を行うと、図１（ｃ）の右図に示すように、粒内の微細な炭化物と粒界に生成した片状の炭化物の双方が成長する。
図１（ｂ）及び図１（ｃ）のいずれの場合においても、粒界に生成した片状・粗大な炭化物は、高濃度浸炭鋼の強度を低下させる原因となる。
これに対し、１次浸炭温度を従来と同等以下にした状態で１次浸炭を終了させると、図１（ｄ）の左図に示すように、１次浸炭終了後の鋼材の組織は、粒界に粗大な炭化物が生成していない状態となる。また、鋼材を冷却後、２次浸炭開始温度に昇温する場合において、２次浸炭開始温度を１次浸炭温度より１００℃以上低い温度にすると、鋼材の表面温度をＡcm線より低い温度に確実に持っていくことができる。そのため、２次浸炭開始温度に到達した時点では、図１（ｄ）の中図に示すように、粒内に微細な炭化物が生成する。 この状態から、２次浸炭開始温度と同一温度で保持し、又は、２次浸炭開始温度から段階的若しくは連続的に温度を上昇させながら一定時間浸炭を行うと、粒界に炭化物が生成することなく、粒内の炭化物が成長する。
また、２次浸炭の進行に伴い、表面の炭素濃度が上昇し、表面のＡcm線温度も上昇する。そのため、２次浸炭初期工程の条件を最適化すれば、鋼材を焼入れ温度に昇温しても、焼入れ温度が表面のＡcm線温度を超えることがない。その結果、図１（ｄ）の右図に示すように、粒界に炭化物を生成させることなく、粒内の炭化物を成長させることができる。
また、２次浸炭の進行に伴い、表面の炭素濃度が上昇し、表面のＡcm線温度も上昇する。そのため、２次浸炭初期工程の条件を最適化すれば、鋼材を焼入れ温度に昇温しても、焼入れ温度が表面のＡcm線温度を超えることがない。その結果、図１（ｄ）の右図に示すように、粒界に炭化物を生成させることなく、粒内の炭化物を成長させることができる。
粒界に片状・粗大な炭化物の析出を防止するためには、１次浸炭をＡcm線より高い温度で行い、２次浸炭をＡcm線より低い温度で行う必要がある。本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、１次浸炭終了後と２次浸炭開始時の温度差を十分に取ることができるので、鋼材の成分にロット間バラツキがある場合であっても、片状・粗大な炭化物の生成を確実に抑えることができる。また、充分な温度差を取るために１次浸炭温度を上昇させる必要がないので、炉の耐久性を低下させることもない。さらに、２次浸炭開始温度に到達した後、所定時間経過後に焼入れ温度に上昇させて浸炭が続行されるので、表面の炭素濃度を短時間で目的とする濃度に到達させることができる。
（実施例１〜１５、比較例１〜５）
［１． 試料の作製］
種々の組成を有する鋼材について、種々の条件下で浸炭を行った。なお、浸炭は、いずれも１次浸炭と２次浸炭の２段階で行った。また、２次浸炭は、実施例１５及び比較例１を除き、一定の温度（低温）で一定時間保持する２次浸炭初期工程と、焼入れ温度（高温）に昇温して一定時間保持する２次浸炭後期工程の２段階に分けて行った。図２に、典型的な浸炭処理パターンを示す。
［１． 試料の作製］
種々の組成を有する鋼材について、種々の条件下で浸炭を行った。なお、浸炭は、いずれも１次浸炭と２次浸炭の２段階で行った。また、２次浸炭は、実施例１５及び比較例１を除き、一定の温度（低温）で一定時間保持する２次浸炭初期工程と、焼入れ温度（高温）に昇温して一定時間保持する２次浸炭後期工程の２段階に分けて行った。図２に、典型的な浸炭処理パターンを示す。
浸炭は、１次浸炭、２次浸炭初期及び２次浸炭後期のいずれも、
（１） 総浸炭時間の２％に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭を行う操作、及び
（２） 総浸炭時間の２３％に当たる時間、真空引きをして拡散させる操作、
を合計４回繰り返すことにより行った。
但し、実施例１５については、２次浸炭開始温度を７５０℃とし、焼入れ温度８５０℃に達するまで、浸炭しながら４０分かけて昇温し、焼入れ温度に到達後、直ちに焼入れを行った。
また、比較例２の２次浸炭初期工程は、総浸炭時間の３％に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭する操作と、総浸炭時間の２２％に当たる時間、真空引きをして拡散する操作を、合計４回繰り返した。
さらに、比較例３の２次浸炭初期工程は、総浸炭時間の１％に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭を行い、総浸炭時間の２４％に当たる時間、真空引きをして拡散する操作を、合計４回繰り返した。
（１） 総浸炭時間の２％に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭を行う操作、及び
（２） 総浸炭時間の２３％に当たる時間、真空引きをして拡散させる操作、
を合計４回繰り返すことにより行った。
但し、実施例１５については、２次浸炭開始温度を７５０℃とし、焼入れ温度８５０℃に達するまで、浸炭しながら４０分かけて昇温し、焼入れ温度に到達後、直ちに焼入れを行った。
また、比較例２の２次浸炭初期工程は、総浸炭時間の３％に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭する操作と、総浸炭時間の２２％に当たる時間、真空引きをして拡散する操作を、合計４回繰り返した。
さらに、比較例３の２次浸炭初期工程は、総浸炭時間の１％に当たる時間、浸炭ガスを流して浸炭を行い、総浸炭時間の２４％に当たる時間、真空引きをして拡散する操作を、合計４回繰り返した。
［２． 試験方法］
１次浸炭終了後の表面炭素濃度は、断面の炭素濃度分布をＥＰＭＡにより測定し、表面から１０μｍの領域内の平均炭素濃度を算出した。また、１次浸炭終了後及び焼入れ後の炭化物粒径は、試料断面をピクラルで腐食後、ＳＥＭを用いて写真撮影することにより測定し、１ｍｍ2中に存在する炭化物の粒径の最大値を「炭化物粒径」とした。さらに、焼入れ後の疲労強度は、回転曲げ疲労試験（ＪＩＳ Ｚ ２２７４に準拠）により測定した。
１次浸炭終了後の表面炭素濃度は、断面の炭素濃度分布をＥＰＭＡにより測定し、表面から１０μｍの領域内の平均炭素濃度を算出した。また、１次浸炭終了後及び焼入れ後の炭化物粒径は、試料断面をピクラルで腐食後、ＳＥＭを用いて写真撮影することにより測定し、１ｍｍ2中に存在する炭化物の粒径の最大値を「炭化物粒径」とした。さらに、焼入れ後の疲労強度は、回転曲げ疲労試験（ＪＩＳ Ｚ ２２７４に準拠）により測定した。
［３． 結果］
表１に、各種鋼材の成分、浸炭条件、及び試験結果を示す。
比較例１は、焼入れ後において、１０μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、２次浸炭初期工程を省略し、直ちに８８５℃での２次浸炭後期工程を行っているために、２次浸炭の昇温過程で生じた微細な炭化物が再固溶したためと考えられる。
また、比較例２は、焼入れ後において、１０μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、１次浸炭が過剰であり、１次浸炭終了時点で粗大な炭化物が既に生成していたためである。
また、比較例３は、６μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、１次浸炭が不十分であり、表面炭素濃度が共析炭素濃度に満たないために、２次浸炭開始温度到達時点で、粒内に微細な炭化物が生成しなかったためと考えられる。
また、比較例４は、粗大な炭化物はないが、疲労強度が低い。これは、２次浸炭初期温度と２次浸炭後期温度が同一であり、炭素の拡散速度が遅いために、十分な量の炭化物が生成しなかったためと考えられる。
さらに、比較例５は、７μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、２次浸炭初期温度における保持時間が短いために、２次浸炭後期温度に昇温したときに鋼材の表面温度がＡcm線を越えたためと考えられる。
そのため、比較例１〜５は、いずれも疲労強度が７００ＭＰａ未満であった。
表１に、各種鋼材の成分、浸炭条件、及び試験結果を示す。
比較例１は、焼入れ後において、１０μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、２次浸炭初期工程を省略し、直ちに８８５℃での２次浸炭後期工程を行っているために、２次浸炭の昇温過程で生じた微細な炭化物が再固溶したためと考えられる。
また、比較例２は、焼入れ後において、１０μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、１次浸炭が過剰であり、１次浸炭終了時点で粗大な炭化物が既に生成していたためである。
また、比較例３は、６μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、１次浸炭が不十分であり、表面炭素濃度が共析炭素濃度に満たないために、２次浸炭開始温度到達時点で、粒内に微細な炭化物が生成しなかったためと考えられる。
また、比較例４は、粗大な炭化物はないが、疲労強度が低い。これは、２次浸炭初期温度と２次浸炭後期温度が同一であり、炭素の拡散速度が遅いために、十分な量の炭化物が生成しなかったためと考えられる。
さらに、比較例５は、７μｍを超える粗大な炭化物が生成した。これは、２次浸炭初期温度における保持時間が短いために、２次浸炭後期温度に昇温したときに鋼材の表面温度がＡcm線を越えたためと考えられる。
そのため、比較例１〜５は、いずれも疲労強度が７００ＭＰａ未満であった。
これに対し、実施例１〜１５は、いずれも疲労強度が７００ＭＰａ以上であった。これは、適正な条件下で１次浸炭、２次浸炭初期、及び２次浸炭後期が行われているので、粒界に片状・粗大な炭化物を生成させることなく、微細かつ球状の炭化物を粒内に多量に形成することができたためと考えられる。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
本発明に係る高濃度浸炭鋼の製造方法は、軸、軸受け、歯車ピストンピン、カムなどの機械部品の製造方法として使用することができる。
Claims (5)
- 以下の工程を備えた高濃度浸炭鋼の製造方法。
（イ） Ｃ：０．１５〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．３〜０．８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１．２５〜２．００ｍａｓｓ％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を、１次浸炭温度Ｔ1（℃）において、その表面炭素濃度ＣがＣeu＜Ｃ≦Ｃ(Ａcm)となるまで浸炭させる１次浸炭工程。
但し、
Ｃeuは、前記鋼材の共析炭素濃度、
Ｃ(Ａcm)は、前記１次浸炭温度Ｔ1における前記鋼材のＡcm線に相当する炭素濃度。
（ロ） 前記１次浸炭工程終了後、前記鋼材を冷却速度１℃／分以上で７００℃以下まで冷却する冷却工程。
（ハ） 前記鋼材を２次浸炭開始温度Ｔ2sまで昇温させ、２次浸炭温度Ｔ2において前記鋼材を浸炭させる２次浸炭初期工程。
但し、
Ａc1点（℃）≦Ｔ2s（℃）≦１次浸炭温度Ｔ1−１００℃≦２次浸炭開始直後における前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）、
Ｔ2S≦Ｔ2≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
（ニ） 前記２次浸炭初期工程終了後、引き続き前記鋼材を焼入れ温度Ｔq（℃）まで昇温させ、前記焼入れ温度Ｔqにおいてさらに浸炭させる２次浸炭後期工程。
但し、
Ｔq≦前記鋼材の表面炭素濃度に相当するＡcm線温度（℃）。
（ホ） 前記２次浸炭後期工程終了後、前記鋼材を焼入れする焼入れ工程。 - 前記１次浸炭温度Ｔ1は、１１００℃以下である請求項１に記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。
- 前記２次浸炭初期工程は、前記２次浸炭温度Ｔ2を前記２次浸炭開始温度Ｔ2sに維持したまま、１５分以上浸炭を行うものである請求項１又は２に記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。
- 前記２次浸炭初期工程は、前記２次浸炭温度Ｔ2を前記２次浸炭開始温度Ｔ2sから前記焼入れ温度Ｔqに至るまで、段階的又は連続的に上昇させながら浸炭を行うものである請求項１又は２に記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。
- 前記２次浸炭後期工程は、前記焼入れ温度Ｔqにおいて１５分以上浸炭を行うものである請求項１から４までのいずれかに記載の高濃度浸炭鋼の製造方法。
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