JP2009299163A - 鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および機械部品 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ_２ガスの排出量を低減することが可能な鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および機械部品を提供する。
【解決手段】鋼の熱処理方法は、Ｒガスを生成させる工程と、Ｒガスに窒素ガスを混合することにより希釈Ｒガスを製造する工程と、希釈Ｒガスを含む雰囲気中で鋼を加熱することにより、鋼の表面を含む厚み０．３ｍｍ以上の領域に、炭素富化層を形成する工程とを備えている。そして、希釈Ｒガスを製造する工程においては、混合される窒素ガスの体積を、混合される窒素ガスの体積とＲガスの体積との和で除した値である窒素希釈率は６６体積％未満とされる。
【選択図】図６

Description

本発明は鋼の熱処理方法、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、鋼の表面を含む領域に炭素富化層を形成する鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および機械部品に関するものである。

一般に、鋼の表面を含む領域に内部よりも炭素濃度が高い領域である炭素富化層を形成する浸炭処理、浸炭窒化処理などの熱処理においては、雰囲気のベースガスとしてＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ_２（二酸化炭素）、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を含むＲガスが用いられる。Ｒガスをベースガスとして用いることにより、Ｃ（炭素）、ＣＯおよびＣＯ_２の間の平衡反応であるブードア反応を利用して、鋼への炭素の侵入量を制御することができる。

Ｒガスは、Ｎｉ（ニッケル）触媒を用いて１０５０℃程度の高温で炭化水素ガスと空気とを反応させることにより、生成させることができる。炭化水素ガスとしては、ＣＨ_４（メタン）、Ｃ_３Ｈ_８（プロパン）、Ｃ_４Ｈ_１０（ブタン）あるいはこれらの混合ガスが採用される場合が多い。この場合、生成するＲガスにおけるＣＯの体積分率は、２０体積％程度である。より具体的には、たとえば炭化水素ガスとしてＣ_３Ｈ_８を採用した場合、生成するＲガスにおけるＣＯの体積分率は２３．７体積％、Ｈ_２の体積分率は３１．６体積％、Ｎ_２の体積分率は４４．６体積％となることが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。このように、ＣＯの体積分率が高いため、Ｒガスを用いることにより、鋼への炭素の侵入量の制御（炭素の活量の制御）をＣＯ_２の体積分率に基づいて行なうことが容易であるばかりでなく、鋼への炭素の侵入速度を規定する炭素移行係数βの値を高くすることができる（たとえば、非特許文献２参照）。
原泰三著、「熱処理炉の設計と実際」、改訂第２版、新日本鋳鍛造出版会、２００５年、ｐ.１２０ Ｆ．Ｎｅｕｍａｎｎ、外１名、「Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｓｃｈｅ Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ ｚｕｍ ｉｎｄｉｒｅｋｔｅｎ Ｍｅｓｓｅｎ ｄｅｓ Ｃ−Ｐｅｇｅｌｓ」、ＨＴＭ、ｖｏｌ．４９、Ｎｏ．４、１９９４年

しかしながら、Ｒガスに含まれるＣＯのうち、鋼への炭素の侵入に寄与するＣＯの割合は小さい。そして、鋼への炭素の侵入に寄与しなかったＣＯは、熱処理炉の反応室の外部において燃焼され、ＣＯ_２ガスとして大気中に排出されることとなる。近年、温室効果ガスの低減が求められる中、鋼の熱処理においてもＣＯ_２ガスの排出量を低減することが好ましい。

そこで、本発明の目的は、鋼の表面を含む領域に炭素富化層を形成する鋼の熱処理において、ＣＯ_２ガスの排出量を低減することが可能な鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および機械部品を提供することである。

本発明に従った鋼の熱処理方法は、炭化水素ガスと空気とを混合して反応させることによりＲガスを生成させる工程と、Ｒガスに窒素ガスを混合することにより希釈Ｒガスを製造する工程と、希釈Ｒガスを含む雰囲気中で炭素含有量が０．６質量％未満の鋼を加熱することにより、鋼の表面を含む厚み０．３ｍｍ以上の領域に、０．６質量％以上の炭素を含有する炭素富化層を形成する工程とを備えている。そして、希釈Ｒガスを製造する工程においては、混合される窒素ガスの体積を、混合される窒素ガスの体積とＲガスの体積との和で除した値である窒素希釈率が６６体積％未満である。

本発明者は、鋼の表面を含む領域に炭素富化層を形成する鋼の熱処理において、ＣＯ_２ガスの排出量を低減する方法について詳細な検討を行なった。その結果、以下のような知見が得られ、本発明に想到した。

まず、ＣＯ_２ガスの排出量を低減する目的で、一般的なＲガスに窒素ガスを混合することにより希釈Ｒガスを製造し、当該希釈Ｒガスを用いて炭素富化層を形成することを検討した。その結果、希釈Ｒガスを用いた場合、従来のＲガスを用いた場合に比べて長い時間を要するものの、鋼に所望の炭素富化層を形成可能であることが分かった。しかし、希釈Ｒガスの窒素希釈率が大きくなると、単位時間あたりのＣＯ_２ガスの排出量は低下するものの、所望の炭素富化層を形成するために必要な時間が長くなるため、ＣＯ_２ガスの排出量の総量が大きくなり、ＣＯ_２ガスの排出量を低減する効果が小さくなることも分かった。そして、炭素含有量が０．６質量％未満の鋼に厚み０．３ｍｍ以上、炭素含有量０．６質量％以上の炭素富化層を形成する場合、希釈Ｒガスの窒素希釈率が６６体積％以上では、ＣＯ_２ガスの排出量の総量を低減する効果が得られないことが明らかとなった。

本発明の鋼の熱処理方法においては、窒素希釈率が６６体積％未満である希釈Ｒガスが製造された上で、当該希釈Ｒガスを含む雰囲気中で炭素含有量が０．６質量％未満の鋼が加熱されて、厚み０．３ｍｍ以上、炭素含有量０．６質量％以上の炭素富化層が形成される。その結果、本発明の鋼の熱処理方法によれば、鋼の表面を含む領域に炭素富化層を形成する鋼の熱処理において、ＣＯ_２ガスの排出量を低減することができる。

ここで、本発明の熱処理方法を適用可能な鋼の成分組成は、炭素含有量を除いて基本的には限定されるものではないが、特に、ＪＩＳ規格Ｇ４０５３に規定される機械構造用合金鋼やＪＩＳ規格Ｇ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼のうち炭素含有量が０．６質量％未満である鋼に好適である。

上記本発明の鋼の熱処理方法において好ましくは、窒素希釈率は５０体積％未満である。

上述のように、希釈Ｒガスを用いて炭素富化層を形成することによりＣＯ_２ガスの排出量を低減することができるものの、従来のＲガスを用いた場合に比べて熱処理に要する時間が長くなる。そして、形成すべき炭素富化層の厚みが小さい場合において窒素希釈率を５０体積％以上とすると、実際の量産プロセスに適用した場合、限度を超えて熱処理に要する時間が長くなるおそれがある。そのため、窒素希釈率は５０体積％未満であることが好ましい。

上記本発明の鋼の熱処理方法において好ましくは、窒素希釈率は４０体積％以上である。

上述のように、希釈Ｒガスを用いて炭素富化層を形成することによりＣＯ_２ガスの排出量を低減することができるものの、窒素希釈率が小さくなりすぎると、ＣＯ_２ガスの排出量を低減する効果が小さくなる傾向にある。特に、形成すべき炭素富化層の厚みが小さい場合、窒素希釈率が４０体積％未満では、ＣＯ_２ガスの排出量を低減する効果が小さくなる。そのため、窒素希釈率は４０体積％以上であることが好ましい。

本発明に従った機械部品の製造方法は、炭素含有量が０．６質量％未満の鋼からなり、成形加工された鋼部材を準備する工程と、鋼部材に対して熱処理を実施する工程とを備えている。そして、当該熱処理は、上記本発明の鋼の熱処理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、ＣＯ_２ガスの排出量を低減可能な上記本発明の鋼の熱処理方法が熱処理工程において採用されることにより、ＣＯ_２ガスの排出量を低減しつつ、機械部品を製造することができる。

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、環境への負荷の小さい機械部品となっている。

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。表層部に厚み０．３ｍｍ以上、炭素含有量０．６質量％以上の炭素富化層が形成されることにより表層部が強化されるとともに環境への負荷が低減された本発明の機械部品は、疲労強度、耐摩耗性等の向上とともに環境への負荷の低減が要求され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。

表層部が強化されるとともに環境への負荷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、耐久性が向上するとともに環境への負荷が低減された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、本発明の鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および機械部品によれば、鋼の表面を含む領域に炭素富化層を形成する鋼の熱処理において、ＣＯ_２ガスの排出量を低減することが可能な鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および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つが表層部に厚み０．３ｍｍ以上、炭素含有量０．６質量％以上の炭素富化層が形成された本発明の機械部品であることにより、環境負荷を低減しつつ、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つが表層部に厚み０．３ｍｍ以上、炭素含有量０．６質量％以上の炭素富化層が形成された本発明の機械部品であることにより、環境負荷を低減しつつ、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、三角形ＯＡＰと三角形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つが表層部に厚み０．３ｍｍ以上、炭素含有量０．６質量％以上の炭素富化層が形成された本発明の機械部品であることにより、環境負荷を低減しつつ、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、工程（Ｓ１０）として、鋼材準備工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ１０）では、炭素含有量が０．６質量％未満の機械構造用合金鋼、機械構造用炭素鋼などの棒鋼、鋼線などが準備される。次に、工程（Ｓ２０）として、加工工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ２０）では、上記棒鋼、鋼線などの鋼材に対して切断、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加工された鋼部材が作製される。上記工程（Ｓ１０）および（Ｓ２０）は、炭素含有量が０．６質量％未満の鋼からなり、機械部品の概略形状に成形加工された鋼部材を準備する鋼部材準備工程を構成する。

次に、上記鋼部材に対して炭素富化層を形成する浸炭処理を含む熱処理を行なう熱処理工程が実施される。この熱処理工程は、工程（Ｓ３０）として実施されるＲガス生成工程、工程（Ｓ４０）として実施されるＲガス希釈工程、工程（Ｓ５０）として実施される浸炭工程、工程（Ｓ６０）として実施される焼入工程および工程（Ｓ７０）として実施される焼戻工程を含んでいる。この熱処理工程の詳細については後述する。

次に、工程（Ｓ８０）として、熱処理工程が実施された鋼部材に対して、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、熱処理工程が実施された鋼部材の内輪転走面１２Ａ、軌道輪転走面２１Ａ、アウターレースボール溝３２Ａなどに対する研磨加工が実施される。これにより、本実施の形態における機械部品は完成し、本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、工程（Ｓ９０）として、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実施の形態における機械部品である、たとえば外輪１１、内輪１２および玉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、上記熱処理工程の詳細について説明する。図７は、本実施の形態における機械部品の製造方法に含まれる熱処理工程の詳細を説明するための図である。図７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７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６を参照して、本実施の形態における熱処理工程においては、まず、工程（Ｓ３０）としてＲガス生成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、炭化水素ガスと空気とを混合して反応させることによりＲガスを生成させる。具体的には、たとえば炭化水素ガスであるＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０あるいはこれらの混合ガスに対して２．５倍以上１０倍以下程度の割合で空気を混合し、Ｎｉなどの触媒を用いて１０００℃以上１１００℃以下程度の高温において炭化水素ガスと空気中の酸素とを反応させることにより、Ｒガスを生成させる。

次に、工程（Ｓ４０）として、Ｒガス希釈工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において生成したＲガスに窒素ガスを混合することにより希釈Ｒガスが製造される。このとき、混合される窒素ガスの体積を、混合される窒素ガスの体積とＲガスの体積との和で除した値である窒素希釈率は６６体積％未満とされる。

次に、図６を参照して、工程（Ｓ５０）として、浸炭工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において製造された希釈Ｒガスを含む雰囲気中で鋼部材が加熱されることにより、鋼部材の表面を含む厚み０．３ｍｍ以上の領域に、０．６質量％以上の炭素を含有する炭素富化層が形成される。具体的には、図７を参照して、鋼部材が、上記希釈Ｒガスを含む雰囲気中においてＡ_１点以上の温度である温度Ｔ_１に加熱され、時間ｔ_１の間保持されることにより、鋼部材に炭素が侵入し、炭素富化層が形成される。

次に、図６を参照して、工程（Ｓ６０）として、焼入工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図７を参照して、工程（Ｓ５０）において炭素富化層が形成された鋼部材がＡ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却されることにより、焼入硬化される。

次に、図６を参照して、工程（Ｓ７０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、図７を参照して、工程（Ｓ６０）において焼入硬化された鋼部材がＡ_１変態点未満の温度である温度Ｔ_２に加熱され、時間ｔ_２の間保持された後冷却されることにより焼戻処理される。これにより、鋼部材の焼入処理による残留応力を緩和し、熱処理によるひずみが抑制される等の効果が得られる。これにより、本実施の形態の熱処理工程は完了する。

以上のように、本実施の形態における熱処理工程においては、工程（Ｓ４０）において窒素希釈率が６６体積％未満である希釈Ｒガスが製造された上で、工程（Ｓ５０）において当該希釈Ｒガスを含む雰囲気中で鋼部材が加熱されて、厚み０．３ｍｍ以上、炭素含有量０．６質量％以上の炭素富化層が形成される。その結果、本実施の形態における熱処理工程では、鋼部材の表面を含む領域に炭素富化層を形成する熱処理において、ＣＯ_２ガスの排出量が低減されている。

また、本実施の形態の機械部品の製造方法によれば、ＣＯ_２ガスの排出量を低減しつつ、所望の炭素富化層が形成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、環境負荷が低減されつつ、耐久性に優れた機械部品となっている。

ここで、Ａ_１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_ｓ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。

また、上記熱処理工程における温度Ｔ_１、Ｔ_２、時間ｔ_１、ｔ_２の具体的条件は、鋼部材を構成する鋼の成分組成、および製造される機械部品の用途等に合わせて適切に決定することができるが、たとえば温度Ｔ_１は９００℃以上１０００℃以下、Ｔ_２は１６０℃以上３５０℃以下、時間ｔ_１は３０分間以上９００分間以下、時間ｔ_２は６０分間以上２４０分間以下とすることができる。

さらに、上記熱処理工程においては、窒素希釈率は５０体積％未満であることが好ましい。これにより、熱処理に要する時間が限度を超えて長くなることを回避することができる。

また、上記熱処理工程においては、窒素希釈率は４０体積％以上であることが好ましい。これにより、ＣＯ_２ガスの排出量を有効に低減することができる。

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、疲労強度、耐摩耗性、靭性など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。

以下、本発明の実施例１について説明する。希釈Ｒガスを用いて浸炭処理を実施した場合の、鋼の表層部における炭素富化層の形成挙動について検討を行なった。以下、その検討結果について説明する。

Ｒガスは、ＣＯガス、ＣＯ_２ガス、Ｈ_２ガスおよびＮ_２ガスを含んでいる。これらのガスの体積分率と炭素移行係数（鋼への炭素の侵入速度を規定する係数）との関係は、実験的あるいは理論的に導出することが可能であり、たとえば上述の非特許文献２にも記載されている。そして、この関係に基づき、所定の窒素希釈率における希釈Ｒガスの炭素移行係数を算出することができる。図８は、窒素希釈率（単位：体積％）と希釈Ｒガスの炭素移行係数（単位：ｍｍ／ｓ）との関係を示す図である。図８において横軸は窒素希釈率を示しており、縦軸は炭素移行係数を示している。また、図中における直線は、窒素希釈率と希釈Ｒガスの炭素移行係数との関係を示す近似直線である。ここで、Ｒガスの原料となる炭化水素はＣ_３Ｈ_８、鋼はＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０（炭素含有量０．２質量％）であるとして、算出を行なった。また、窒素希釈率ｄは熱処理炉に導入される（Ｎ_２ガスの流量）／｛（Ｒガスの流量）＋（Ｎ_２ガスの流量）｝×１００とし、Ｎ_２ガスの流量とＲガスの流量との和は一定とした。

図８を参照して、窒素希釈率と希釈Ｒガスの炭素移行係数との関係は、直線近似可能であることが分かる。そして、直線近似を行なった場合の近似直線は、窒素希釈率をｄ（単位：体積％）、希釈Ｒガスの炭素移行係数をβ（単位：ｍｍ／ｓ）とすると、以下の式（１）で表される。

一方、鋼が焼入硬化されることにより生成するマルテンサイト組織の硬度は、当該鋼に固溶した炭素の濃度（固溶炭素濃度）が０．６質量％未満の場合、固溶炭素濃度の増加に伴って高くなるものの、固溶炭素濃度が０．６質量％以上では、固溶炭素濃度が増加しても上昇しないことが知られている。つまり、鋼に炭素富化層を形成する熱処理を行なう場合、炭素濃度が０．６質量％以上である鋼の領域を所望の厚みだけ形成することが重要である。そこで、炭素移行係数βが変化した場合における鋼の表面付近の炭素濃度の分布、および浸炭処理開始から所定時間経過した時点における炭素濃度が０．６質量％以上である鋼の領域の厚みを算出した。

図９は、鋼の表面からの深さと炭素濃度との関係を示す図である。図９において、横軸は鋼の表面からの深さ、縦軸は浸炭処理の処理時間が１０時間である場合における炭素濃度を示している。また、図９において、実線は炭素移行係数が９×１０^−９ｍｍ／ｓである場合、破線は炭素移行係数が１×１０^−９ｍｍ／ｓである場合における炭素濃度の分布を示している。また、図１０は、浸炭処理の経過時間（処理時間）と炭素濃度が０．６質量％以上である鋼の領域の厚み（０．６質量％Ｃ深さ）との関係を示す図である。図１０において、横軸は浸炭処理の処理時間、縦軸は炭素濃度が０．６質量％以上である鋼の領域の厚み（０．６質量％Ｃ深さ）を示している。ここで、炭素の拡散係数Ｄは４×１０^−６ｍｍ^２／ｓ、炭素の活量ａ_Ｃは１、鋼はＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０（炭素含有量０．２質量％）であるとした。

図９を参照して、浸炭処理の処理時間が同一である場合、炭素移行係数が高いほど鋼の表層部における炭素濃度が高くなることが確認される。そして、図１０を参照して、各炭素移行係数βにおける処理時間と０．６質量％Ｃ深さとの関係は、直線近似可能であることが分かる。さらに、直線近似した場合の近似直線の傾きは炭素移行係数にかかわらず一定（６．６×１０^−６）であり、切片のみ変化（−３．３０×１０^−２〜１．８８×１０^−１）することがわかった。

図１１は、炭素移行係数と上記近似直線の切片との関係を示す図である。図１１において、横軸は炭素移行係数、縦軸は上記近似直線の切片の値を示している。図１１を参照して、上記近似式の切片の値は、炭素移行係数が小さい場合は炭素移行係数の増加に伴って急激に増加する一方、炭素移行係数が大きくなるとその増加は緩やかになっている。そして、上記近似直線の切片の値Ｃは、以下の式（２）に示すように炭素移行係数の関数で近似することができる。

ここで、上述のように、上記近似直線の傾きは６．６×１０^−６であることから、０．６質量％Ｃ深さをａ（単位：ｍｍ）、浸炭処理時間をｔ（単位：ｓ）とすると、ａ、ｔおよびβの関係は以下の式（３）で表すことができる。

さらに、上記式（３）を、所望の０．６質量％Ｃ深さａを得るために必要な浸炭処理時間ｔと炭素移行係数βとの関係を示す形式に変更すると、以下の式（４）が得られる。

ここで、上述のように、炭素移行係数βと窒素希釈率ｄとの関係は式（１）で表される。そこで、式（１）を上記式（４）に代入すると、所望の０．６質量％Ｃ深さａを得るために必要な浸炭処理時間ｔと窒素希釈率ｄとの関係を示す以下の式（５）が得られる。

すなわち、Ｎ_２ガスによるＲガスの希釈率である窒素希釈率ｄを増加させると、式（５）の関係に従って必要な浸炭処理時間が長くなる。そして、希釈ＲガスにおけるＣＯの体積分率と浸炭処理時間ｔとの積が、窒素希釈率０であるＲガスにおけるＣＯの体積分率と浸炭処理時間ｔとの積を下回れば、浸炭処理において排出されるＣＯ_２ガスの総量を低減することができる。

図１２は、窒素希釈率と希釈ＲガスにおけるＣＯの体積分率との関係を示す図である。図１２に示すように、窒素希釈率の増加に対して、希釈ＲガスにおけるＣＯの体積分率は直線的に低下する。そして、窒素希釈率と希釈ＲガスにおけるＣＯの体積分率との関係は、ＣＯの体積分率をＶ_ＣＯとすると、以下の式（６）により表される。

したがって、浸炭処理において排出されるＣＯ_２ガスの総量を低減するためには、以下の式（７）の関係を満たすことが必要であるといえる。

そして、上記式（７）から、窒素希釈率と、Ｒガスを使用した場合に対する希釈Ｒガスを使用した場合の浸炭処理におけるＣＯの使用量の比（ＣＯ使用比率）との関係を導出することができる。図１３は、窒素希釈率とＣＯ使用比率との関係を示す図である。図１３において横軸は窒素希釈率、縦軸はＣＯ使用比率を表している。また、図中においては種々の０．６質量％Ｃ深さにおける窒素希釈率とＣＯ使用比率との関係が示されており、中空の正方形は０．３ｍｍ、中実の正方形は０．４ｍｍ、中空の菱形は０．５ｍｍ、中実の菱形は０．６ｍｍ、中空の三角形は０．７ｍｍ、中実の三角形は０．８ｍｍ、中空の円形は０．９ｍｍ、中実の円形は１ｍｍの０．６質量％Ｃ深さを得る場合のＣＯ使用比率を表している。

図１３を参照して、０．６質量％Ｃ深さが大きいほど、希釈Ｒガスを用いることによるＣＯ使用量の削減効果が大きくなり、ＣＯ_２排出量の低減効果も大きくなる。そして、０．６質量％Ｃ深さが０．３ｍｍ以上の範囲では、窒素希釈率が６６体積％未満の範囲において、希釈Ｒガスを用いることによりＣＯ使用量が削減できることが分かる。このことから、０．６質量％Ｃ深さが０．３ｍｍ以上である場合、窒素希釈率が６６体積％未満とすることにより、浸炭処理におけるＣＯ_２排出量を低減可能であることが確認される。また、図１３から、０．６質量％Ｃ深さが０．３ｍｍ以上である場合、窒素希釈率が４０体積％以上６０体積％以下の範囲で、ＣＯの使用量を約２０％以上削減することが可能となっていることが分かる。したがって、希釈Ｒガスにおける窒素希釈率は４０体積％以上であることが好ましく、また、６０体積％以下であることが好ましい。

一方、上記式（５）に基づき、窒素希釈率と、Ｒガスを使用した場合に対する希釈Ｒガスを使用した場合の浸炭処理時間の比（処理時間比率）との関係を導出することができる。図１４は、窒素希釈率と処理時間比率との関係を示す図である。図１４において横軸は窒素希釈率、縦軸は処理時間比率を表している。また、図中においては種々の０．６質量％Ｃ深さにおける窒素希釈率と処理時間比率との関係が示されており、中空の正方形は０．３ｍｍ、中実の正方形は０．４ｍｍ、中空の菱形は０．５ｍｍ、中実の菱形は０．６ｍｍ、中空の三角形は０．７ｍｍ、中実の三角形は０．８ｍｍ、中空の円形は０．９ｍｍ、中実の円形は１ｍｍの０．６質量％Ｃ深さを得る場合の処理時間比率を表している。

図１４を参照して、０．６質量％Ｃ深さが０．３ｍｍ以上である場合、窒素希釈率が５０体積％以下の範囲で処理時間比率が１．５以下、すなわち希釈Ｒガスを用いることによる浸炭時間の増加が５０％以下となっている。一般的な量産工程を想定すると、処理時間の増加が５０％以下であれば、量産工程への適用が容易である。したがって、希釈Ｒガスにおける希釈率は５０体積％以下であることが好ましいといえる。

なお、上記実施例においては、浸炭処理を実施する場合を想定して解析を行なったが、浸炭窒化処理を実施する場合について解析した場合でも同様の結果が得られる。また、上記実施例においては、浸炭処理の被処理物がＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０に該当する鋼である場合を想定して解析を行なったが、０．６質量％以下の炭素を含有する鋼について同様の解析を行なった場合、同様の結果が得られる。特に、ＳＣｒ４２０のほか、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０、ＳＮＣ４２０、ＳＭｎ４２０、ＳＭｎＣ４２０、Ｓ２０Ｃなどの低炭素の機械構造用合金鋼や機械構造用炭素鋼に対して本発明の熱処理方法を適用することにより、有効にＣＯ_２ガスの排出量を低減することができる。

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。

本発明の鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および機械部品は、鋼の表面を含む領域に炭素富化層を形成する鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法および機械部品に、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。 熱処理工程の詳細を説明するための図である。 窒素希釈率と希釈Ｒガスの炭素移行係数との関係を示す図である。 鋼の表面からの深さと炭素濃度との関係を示す図である。 浸炭処理の経過時間と炭素濃度が０．６質量％以上である鋼の領域の厚みとの関係を示す図である。 炭素移行係数と近似直線の切片との関係を示す図である。 窒素希釈率と希釈ＲガスにおけるＣＯの体積分率との関係を示す図である。 窒素希釈率とＣＯ使用比率との関係を示す図である。 窒素希釈率と処理時間比率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。

Claims (6)

1. 炭化水素ガスと空気とを混合して反応させることによりＲガスを生成させる工程と、
   前記Ｒガスに窒素ガスを混合することにより希釈Ｒガスを製造する工程と、
   前記希釈Ｒガスを含む雰囲気中で炭素含有量が０．６質量％未満の鋼を加熱することにより、前記鋼の表面を含む厚み０．３ｍｍ以上の領域に、０．６質量％以上の炭素を含有する炭素富化層を形成する工程とを備え、
   前記希釈Ｒガスを製造する工程においては、混合される前記窒素ガスの体積を、混合される前記窒素ガスの体積と前記Ｒガスの体積との和で除した値である窒素希釈率は６６体積％未満である、鋼の熱処理方法。
2. 前記窒素希釈率は５０体積％未満である、請求項１に記載の鋼の熱処理方法。
3. 前記窒素希釈率は４０体積％以上である、請求項１または２に記載の鋼の熱処理方法。
4. 炭素含有量が０．６質量％未満の鋼からなり、成形加工された鋼部材を準備する工程と、
   前記鋼部材に対して熱処理を実施する工程とを備え、
   前記熱処理は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼の熱処理方法を用いて実施される、機械部品の製造方法。
5. 請求項４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。
6. 軸受を構成する部品として使用される、請求項５に記載の機械部品。

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