JP2011074412A - 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】所望の品質を付与しつつ、浸炭窒化処理におけるＲＸガスの流量を低減することによりＣＯ_２の排出量を抑制することを可能と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を提供する。
【解決手段】バッチ式の熱処理炉を用いた鋼の熱処理方法は、熱処理炉の扉を開け、高炭素クロム軸受鋼からなる被処理物を炉内に装入する工程と、扉を閉じる工程と、炉内にＲＸガスを供給しつつＡ_１点以上の温度である熱処理温度に炉内の雰囲気を加熱して、雰囲気のカーボンポテンシャル値を予め決定された値に調整する工程と、被処理物が熱処理温度に加熱されることにより、被処理物が浸炭窒化される工程とを備えている。そして、被処理物が浸炭窒化される工程では、ガス置換回数が０．０５以上０．７８未満となるように、炉内にＲＸガスが供給される。
【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、高炭素クロム軸受鋼からなる被処理物の浸炭窒化処理に際して排出される二酸化炭素量の低減を可能と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。

熱処理炉において高炭素クロム軸受鋼の浸炭窒化処理を実施する場合、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを含むＲＸガスなどの吸熱型ガスが雰囲気ガスとして用いられることが多い。この吸熱型ガス（ＲＸガス）は、メタン（ＣＨ_４）やプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）などの炭化水素系ガスを原料ガスとし、変成炉内において、これを空気と混合した状態で高温の触媒中を通過させることにより生成させることができる。生成したＲＸガスは、成分としてＣＯ、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）などを含んでいる。そして、このＲＸガスが、アンモニアガスなどの窒素源となるガスとともに熱処理炉内に導入され、鋼の浸炭窒化処理が実施される。被処理物を構成する鋼の表面では、以下の式（１）に示すようなブードア反応と呼ばれる平衡反応が起こる一方で、窒素の導入が進行する。すなわち、熱処理炉内の雰囲気ガスであるＲＸガス中のＣＯガスは、被処理物の表面に炭素（Ｃ）を供給し、ＣＯ_２ガスとなる。これにより、高炭素クロム軸受鋼からなる被処理物の表面における脱炭が抑制されつつ、表面に窒素が導入される。

２ＣＯ⇔＜Ｃ＞＋ＣＯ_２…（１）
ここで、上記鋼の浸炭窒化処理においては、所定量のＲＸガスが絶えず熱処理炉内に導入されるとともに、それに対応する量の炉内ガスが排ガスとして炉外に放出される。これは以下のような理由による。すなわち、被処理物や熱処理用冶具によって炉内に持ち込まれた汚れにより、炉内のＣＯ_２や水（Ｈ_２Ｏ）が増加する。また、被処理物や炉内構造物との浸炭反応によりＲＸガス中のＣＯが消費され、かつＣＯ_２が増加する。そのため、熱処理炉内の雰囲気を維持する目的で新たなＲＸガスの導入および炉内ガスの放出が実施される。さらに、上記ＲＸガスは、所定の割合で空気が混合し、かつ所定の温度に加熱されると発火し、爆発するおそれがある。そのため、熱処理炉内の圧力を大気圧以上に保ち熱処理炉内に空気が侵入することを防ぐ目的で、上記ＲＸガスの導入および炉内ガスの放出が実施される。

そして、浸炭窒化処理において熱処理炉内に導入されるＲＸガスの流量は、バッチ式炉においては１時間あたり炉の容積の６〜１５倍程度、連続炉においては１時間あたり炉の容積の３〜５倍程度とされるのが一般的である（たとえば、非特許文献１参照）。

日本熱処理技術協会編、日本金属熱処理工業会編、「熱処理技術入門」、全面改訂版、大河出版、２００４年７月、ｐ．１９１

しかしながら、熱処理炉内に導入されるＲＸガスに含まれるＣＯは、すべて浸炭窒化処理により消費されるわけではなく、その大半は未反応のままバーナーで燃焼され、ＣＯ_２となって熱処理炉から大気中に放出される。そして、従来の一般的なＲＸガスの流量の設定では、このように未反応のまま燃焼されるＣＯが多くなるため不経済であるだけでなく、温室効果ガスとして最近問題となっているＣＯ_２の排出量も多いという問題があった。

そこで、本発明の目的は、所望の品質を付与しつつ、浸炭窒化処理におけるＲＸガスの流量を低減することによりＣＯ_２の排出量を抑制することを可能と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を提供することである。

本発明の一の局面における鋼の熱処理方法は、開閉可能な扉を有することにより被処理物の炉内への挿入および炉内からの取り出しが可能なバッチ式の熱処理炉を用いた鋼の熱処理方法である。この鋼の熱処理方法は、熱処理炉の扉を開け、高炭素クロム軸受鋼からなる被処理物を炉内に装入する工程と、扉を閉じる工程と、炉内にＲＸガスを供給しつつ、高炭素クロム軸受鋼のＡ_１点以上の温度である熱処理温度に炉内の雰囲気を加熱して、雰囲気のカーボンポテンシャル値を予め決定された値に調整する工程と、カーボンポテンシャル値が調整された炉内で、被処理物が上記熱処理温度に加熱されることにより、被処理物が浸炭窒化される工程とを備えている。そして、上記被処理物が浸炭窒化される工程では、１時間あたりに炉内に供給されるＲＸガスの２０℃、１気圧における体積を熱処理炉の容積で除した値であるガス置換回数が０．０５以上０．７８未満となるように、炉内にＲＸガスが供給される。

また、本発明の他の局面における鋼の熱処理方法は、開閉可能な扉を有することにより被処理物の炉内への挿入および炉内からの取り出しが可能なバッチ式の熱処理炉を用いた鋼の熱処理方法である。この鋼の熱処理方法は、熱処理炉の扉を開け、高炭素クロム軸受鋼からなる被処理物を炉内に装入する工程と、扉を閉じる工程と、炉内にＲＸガスを供給しつつ、高炭素クロム軸受鋼のＡ_１点以上の温度である熱処理温度に炉内の雰囲気を加熱して、雰囲気のカーボンポテンシャル値を予め決定された値に調整する工程と、カーボンポテンシャル値が調整された炉内で、被処理物が上記熱処理温度に加熱されることにより、被処理物が浸炭窒化される工程とを備えている。そして、被処理物が浸炭窒化される工程では、炉内における一酸化炭素の濃度が８．４６×１０^−４（体積％／秒）以下の減少率で減少する。

本発明者は、連続炉のような炉扉が開放されている熱処理炉では、十分な炉内圧力を保てなくなるおそれがあり、現状よりもＲＸガスの流量を低減することは困難であるものの、バッチ式炉の場合は少ないＲＸガスの流量でも炉内圧力を保つことが比較的容易であり、ＲＸガスの流量を低減する余地があると考え、ガス置換回数および炉内における一酸化炭素の減少率に着目した検討を行なった。その結果、高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ規格Ｇ４８０５）を浸炭窒化する場合、ガス置換回数を０．０５以上とすることにより、ガス置換回数が６〜１５程度であった従来の熱処理方法と遜色ない熱処理の効果が得られることが明らかとなった。一方、ガス置換回数を０．７８以上としても、熱処理の効果が向上しないだけでなく、ＣＯ_２の排出量の低減効果が小さくなる。上記一の局面における鋼の熱処理方法によれば、被処理物が浸炭窒化される工程において、ガス置換回数が０．０５以上０．７８未満となるように炉内にＲＸガスが供給されることにより、所望の品質を付与しつつ、浸炭窒化処理におけるＣＯ_２の排出量を大幅に抑制することができる。

また、炉内における一酸化炭素の減少率に着目すると、高炭素クロム軸受鋼を浸炭窒化する場合、炉内における一酸化炭素の濃度の減少率が８．４６×１０^−４（体積％／秒）以下であれば、炉内における一酸化炭素の濃度が減少しないように維持される従来の熱処理方法と遜色ない熱処理の効果が得られることが明らかとなった。一方、炉内における一酸化炭素の濃度が減少しないように炉内にＲＸガスを十分に供給しても、熱処理の効果が向上しないだけでなく、ＣＯ_２の排出量の低減効果が小さくなる。これに対し、上記他の局面における鋼の熱処理方法によれば、被処理物が浸炭窒化される工程において、炉内における一酸化炭素の濃度が８．４６×１０^−４（体積％／秒）以下の減少率で減少することにより、所望の品質を付与しつつ、浸炭窒化処理におけるＣＯ_２の排出量を大幅に抑制することができる。

ここで、高炭素クロム軸受鋼に対する浸炭窒化においては、鋼の表層部における炭素濃度の上昇は必須のものではなく、脱炭が抑制されつつ窒素濃度が上昇すればよい場合もある。したがって、本願において「浸炭窒化」とは、鋼に対して炭素と窒素とが導入されて表層部における炭素および窒素の両方の濃度が上昇するものに限られず、炭素の減少（脱炭）が抑制されつつ窒素濃度のみが上昇する場合をも含む。

本発明に従った機械部品の製造方法は、高炭素クロム軸受鋼からなり、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。浸炭窒化が実施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、耐久性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、所望の品質を付与しつつ、浸炭窒化処理におけるＲＸガスの流量を低減することによりＣＯ_２の排出量を抑制することを可能と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を提供することができる。

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フローチャートである。 保持時間とＣＯ濃度との関係を示す図である。 保持時間とＣＯ濃度との関係を示す図である。 保持時間とＣＯ濃度との関係を示す図である。 試験片の表層部における炭素および窒素の濃度分布を示す図である。 試験片の表層部における炭素および窒素の濃度分布を示す図である。 ＣＯ消費率と炉内におけるＣＯ濃度の変化率との関係を示す図である。

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。

（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１における機械部品を備えた転がり軸受である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などの耐久性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも１つが高炭素クロム軸受鋼からなり、浸炭窒化が実施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。

次に、実施の形態１における第１の変形例である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軌道部材としての一対の軌道輪２１と、転動体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などの耐久性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも１つが高炭素クロム軸受鋼からなり、浸炭窒化が実施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。

次に、実施の形態１における第２の変形例である等速ジョイントについて説明する。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、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などの耐久性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも１つが高炭素クロム軸受鋼からなり、浸炭窒化が実施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、本実施の形態における上記機械部品、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を参照して、まず、工程（Ｓ１０）として、鋼部材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＵＪ３などの高炭素クロム軸受鋼からなる棒鋼、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加工された鋼部材が準備される。

次に、上記鋼部材に対して浸炭窒化処理を含む熱処理を実施する熱処理工程が実施される。この熱処理工程は、工程（Ｓ２０）として実施される装入工程、工程（Ｓ３０）として実施される熱処理炉閉鎖工程、工程（Ｓ４０）として実施される雰囲気調整工程、工程（Ｓ５０）として実施される浸炭窒化工程、工程（Ｓ６０）として実施される焼入硬化工程および工程（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。以上の手順により、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。ここで、以下の工程（Ｓ２０）〜（Ｓ５０）は、開閉可能な扉を有することにより被処理物の炉内への装入および炉内からの取り出しが可能なバッチ式の熱処理炉を用いて実施される。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（Ｓ２０）として装入工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、熱処理炉の扉が開けられ、工程（Ｓ１０）において準備された被処理物としての鋼部材が炉内に装入される。

次に、工程（Ｓ３０）として、熱処理炉閉鎖工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において開けられた熱処理炉の扉が閉じられることにより、鋼部材が配置された熱処理炉内と外気との間が遮断される。

次に、工程（Ｓ４０）として、雰囲気調整工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、熱処理炉内にＲＸガスおよびアンモニアガスが供給されつつ、鋼部材を構成する高炭素クロム軸受鋼のＡ_１点以上の温度である熱処理温度に炉内の雰囲気が加熱される。このとき、当該雰囲気のカーボンポテンシャル値が予め決定された値に調整される。より具体的には、たとえば、赤外線式ガス濃度測定装置を用いて雰囲気中のＣＯおよびＣＯ_２の濃度が測定され、測定データからカーボンポテンシャル値が算出される。そして、予め決定された目標のカーボンポテンシャル値との差に基づいて、エンリッチガスとしてのプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガス、ブタンガス（Ｃ_４Ｈ_１０）などが雰囲気中に供給されることにより、雰囲気のカーボンポテンシャル値が調整される。さらに、窒素源として、所定量のアンモニアガス（ＮＨ_３）が雰囲気中に供給され、たとえば雰囲気中における未分解アンモニア濃度が所定の値に調整される。

そして、工程（Ｓ５０）として浸炭窒化工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）においてカーボンポテンシャル値および未分解アンモニア濃度が調整された熱処理炉内で、被処理物である鋼部材が上記熱処理温度に加熱されることにより、浸炭窒化される。なお、工程（Ｓ４０）におけるカーボンポテンシャル値および未分解アンモニア濃度の調整は、浸炭窒化処理の効果を確実なものとするため、工程（Ｓ５０）においても引き続き実施され、所望のカーボンポテンシャル値および未分解アンモニア濃度が維持されることが好ましい。

次に、工程（Ｓ６０）として、焼入硬化工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において浸炭窒化処理された鋼部材が、鋼部材を構成する鋼の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。より具体的には、Ａ_１点以上の温度に加熱された鋼部材が、所定の温度に維持された油中に浸漬されて急冷されることにより、鋼部材を焼入硬化することができる。なお、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。

次に、工程（Ｓ７０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）において焼入硬化された鋼部材がＡ_１変態点未満の温度に加熱され、所定時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、鋼部材の焼入硬化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。

ここで、上記工程（Ｓ５０）では、１時間あたりに熱処理炉内に供給されるＲＸガスの２０℃、１気圧における体積を熱処理炉の容積で除した値であるガス置換回数が０．０５以上０．７８未満となるように、炉内にＲＸガスが供給される。より具体的には、熱処理炉において浸炭窒化を実施する反応室に接続された配管に設置されたマスフローコントローラなどの流量調整部材により、熱処理炉内へのＲＸガスの供給量が調整されることにより、置換回数が制御される。これにより、本実施の形態における鋼の熱処理方法を含む機械部品の製造方法によれば、製造される機械部品に所望の品質を付与しつつ、浸炭窒化処理におけるＣＯ_２の排出量を大幅に抑制することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２における機械部品およびその製造方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の機械部品の製造方法に含まれる鋼の熱処理方法は、工程（Ｓ５０）として実施される浸炭窒化工程におけるＲＸガスの流量の管理指標において実施の形態１の場合とは異なっている。

すなわち、図６を参照して、実施の形態２における工程（Ｓ５０）では、熱処理炉内におけるＣＯの濃度が８．４６×１０^−４（体積％／秒）以下の減少率で減少するように、炉内にＲＸガスが供給される。より具体的には、熱処理炉において浸炭窒化を実施する反応室に接続された配管に設置されたマスフローコントローラなどの流量調整部材により、熱処理炉内へのＲＸガスの供給量が調整されることにより、ＣＯの濃度の減少率が制御される。これにより、本実施の形態における鋼の熱処理方法を含む機械部品の製造方法によれば、製造される機械部品に所望の品質を付与しつつ、浸炭窒化処理におけるＣＯ_２の排出量を大幅に抑制することができる。

以下、本発明の実施例１について説明する。浸炭窒化処理における熱処理炉内へのＲＸガスの供給量の下限値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は、容積１２０Ｌ（リットル）のバッチ式熱処理炉である。また、炉内の雰囲気の組成は、当該熱処理炉に接続された以下の表１に示す分析装置により分析した。さらに、上記熱処理炉には、配管を介してベースガス供給装置が接続されている。このベースガス供給装置は、Ｎ_２、ＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２の純ガスボンベにそれぞれ接続されており、マスフローコントローラを用いて各ガスの流量を調整して混合し、ＲＸガスを模擬した雰囲気ガスを作製して熱処理炉に供給することが可能な構成を有している。

上記熱処理炉およびベースガス供給装置を用いて、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる試験片を浸炭窒化処理する実験を行なった。試験片の形状は外径φ６３．５ｍｍ、内径φ５１ｍｍ、高さｔ１７ｍｍのリング状とした。表２に浸炭窒化処理の処理温度および保持時間を示す。

表２を参照して、本実験においては、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる試験片が処理温度である８５０℃に加熱されて９０００秒間保持される条件で実験が実施された。このとき、浸炭窒化処理される試験片の数量を変化させることにより試験片の表面積（試験片の表面積の総和）を変化させるとともに、熱処理炉内に導入されるＲＸガスの流量を変化させることによりガス置換回数を変化させた。具体的条件を表３に示す。なお、ガス置換回数５．７５は本発明の範囲外の浸炭窒化条件に該当し、０．０５、０．１２５および０．５は本発明の浸炭窒化条件に該当する。また、本実験では、試験片が装入された熱処理炉内の温度を上昇させ、処理温度である８５０℃に到達した時点における炉内のＣＯ分率を２０体積％とし、その後所定のガス置換回数に応じたＲＸガスを炉内に導入した。

次に、実験結果について説明する。図７〜図９は、それぞれ試験片の表面積を２５０８９．９ｍｍ^２、１５７７９４ｍｍ^２および３５５０３６．５ｍｍ^２とした場合における炉内のＣＯ分率の推移を示している。図７〜図９において、横軸は保持時間、縦軸は炉内のＣＯ分率である。ここで、保持時間は、試験片を装入した熱処理炉内の温度を上昇させ、処理温度である８５０℃に到達した時点からの経過時間である。また、図７〜図９において、二点鎖線はガス置換回数０．０５の場合、一点鎖線はガス置換回数０．１２５の場合、破線はガス置換回数０．５の場合、実線はガス置換回数５．７５の場合を示している。

図７〜図９を参照して、グラフの傾きであるＣＯの体積分率の変化率は、試験片の表面積には大きな影響を受けない一方、ガス置換回数に大きな影響を受けていることが分かる。そして、試験片の表面積にかかわらず、ガス置換回数が０．０５の場合、炉内のＣＯ分率（濃度）が緩やかに低下するものの保持時間９０００秒（１５０分）の時点においても１０％以上のＣＯ分率が維持されている。また、ガス置換回数が０．１２５の場合、ＣＯ分率（濃度）の低下はさらに緩やかになり、ガス置換回数が０．５以上の場合、炉内のＣＯ分率は低下することなく維持されている。なお、９０００秒という保持時間は高炭素クロム軸受鋼の浸炭窒化時間として十分な時間であり、一般的な浸炭窒化処理においては、これより短い保持時間で浸炭窒化処理を実施することができる。

ここで、試験片の表面積が３５５０３６．５ｍｍ^２、ガス置換回数が０．０５の場合および５．７５の場合における試験片表層部の炭素濃度分布および窒素濃度分布を調査した。ガス置換回数が０．０５の場合の調査結果を図１０に、ガス置換回数が５．７５の場合の調査結果を図１１にそれぞれ示す。図１０および図１１において、横軸は表面からの深さ、縦軸は炭素濃度および窒素濃度を示している。図１０および図１１を参照して、ガス置換回数が０．０５の場合における炭素濃度分布および窒素濃度分布は、ガス置換回数が５．７５の場合における炭素濃度分布および窒素濃度分布と遜色ないことが確認される。つまり、ガス置換回数を従来の条件から低減した場合でも、ガス置換回数が０．０５以上であれば、従来と同様の品質を得ることができることが分かった。

一方、浸炭窒化処理中に熱処理炉内が負圧（大気圧以下）となった場合、熱処理炉内に外部から空気等が侵入するおそれがある。ここで、上述のように、浸炭窒化処理においては以下の式（１）に示すブードア反応が右辺側に進行する。そのため、浸炭窒化処理の進行に伴い、ガスのモル数が減少して炉内の全圧が低下する。そこで、通常ＲＸガスは１．０５気圧程度の圧力で熱処理炉内に供給されることを考慮して、熱処理中に炉内が負圧とならないＣＯ濃度の変化率の許容限界値（許容ＣＯ変化率）を算出した。算出結果を表４に示す。

２ＣＯ⇔＜Ｃ＞＋ＣＯ_２…（１）

表４を参照して、熱処理炉内におけるＣＯの減少率が１０．５８２１×１０^−４（体積％／秒）以下であれば、炉内が正圧に保たれる。

ここで、横軸にＣＯの消費率、縦軸にＣＯ濃度の変化率をとった図１２を作成し、上記実験の結果を整理した。ここでＣＯの消費率は、試験片を構成する鋼に侵入する単位時間あたりの炭素のモル数Ｃ_ａ（ｍｏｌ／ｓ）と、単位時間あたりの炭素の炉内への供給モル数Ｃ_ｂ（ｍｏｌ／ｓ）との比Ｃ_ａ／Ｃ_ｂで定義される。また、ＣＯ濃度の変化率は、単位時間あたりのＣＯ濃度の変化率で定義される。さらに、図１２において、丸印はガス置換回数が５．７５の場合、四角印はガス置換回数が０．５の場合、三角印はガス置換回数が０．１２５の場合、バツ印はガス置換回数が０．０５の場合をそれぞれ示し、破線は、上記許容ＣＯ変化率を示している。また、鋼に侵入する単位時間あたりの炭素のモル数Ｃ_ａは、ＥＰＭＡ分析（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）で調査した試験片の炭素濃度分布から求めた炭素侵入量と試験片の表面積とから算出した。なお、ガス置換回数が同じであれば、単位時間あたりの炭素の炉内への供給モル数Ｃ_ｂは同じであるため、ガス置換回数が同じ場合、ＣＯ消費率の違いは試験片の表面積の違いに対応している。

図１２を参照して、ガス置換回数が０．０５の場合における熱処理炉内のＣＯの減少率は８．４６０５２×１０^−４（体積％／秒）となっている。したがって、ガス置換回数が０．０５の場合でも、炉内は正圧に保たれることが確認された。

以上の検討結果から、被処理物の表面積（処理量）にかかわらず、浸炭窒化処理においてガス置換回数を０．０５まで低減しても従来の条件での処理と遜色ない浸炭窒化処理が可能であることが明らかとなった。また、別の観点から検討すると、ガス置換回数０．０５の条件に相当する熱処理炉内のＣＯの減少率が８．４６０５２×１０^−４（体積％／秒）以下の条件で浸炭窒化処理を実施することにより、従来の条件での処理と遜色ない浸炭窒化処理が可能であるといえる。

さらに、本発明に含まれる条件であるガス置換回数０．０５の場合（ＣＯの減少率が８．４６０５２×１０^−４（体積％／秒）の場合）、本発明の範囲外であるガス置換回数５．７５および０．７８の場合について、熱処理１回（１バッチ）あたりのＣＯ_２の排出量、およびガス置換回数５．７５の場合に対するＣＯ_２排出量の削減率を算出した結果を表５に示す。

表５を参照して、ガス置換回数を０．０５にまで低減することにより、ガス置換回数５．７５の場合に比べてＣＯ_２の排出量を９２％以上削減することができる。一方、ガス置換回数が０．７８を超えるとＣＯ_２の排出量の排出量が８０％程度以下となり、効果が十分とはいえない。また、図７〜図９を参照して、ガス置換回数が０．５を超えると炉内のＣＯ分率は低下することなく維持され、ガス置換回数をこれ以上大きくしても浸炭窒化処理の品質向上には寄与しないと考えられる一方、ＣＯ_２の排出量の排出量が大きくなる。このことを考慮すると、ガス置換回数は０．５以下とすることが好ましい。また、ＣＯ_２の排出量をさらに低減するためには、ガス置換回数は０．１２５以下としてもよい。

なお、上記実験は容積１２０Ｌのバッチ式熱処理炉を用いて実施したが、容積が異なるバッチ式熱処理炉においては、上記ガス置換回数に応じてガスの導入量を調整することにより、上記本発明の効果を得ることができる。また、上記実施例ではＪＩＳ規格ＳＵＪ２を素材とする試験片を用いた実験について説明したが、他の高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５など）についても同様の実験結果が得られる。

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、鋼に対して浸炭窒化が実施される鋼の熱処理方法、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。

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 (5)

1. 開閉可能な扉を有することにより被処理物の炉内への挿入および前記炉内からの取り出しが可能なバッチ式の熱処理炉を用いた鋼の熱処理方法であって、
   前記熱処理炉の前記扉を開け、高炭素クロム軸受鋼からなる前記被処理物を前記炉内に装入する工程と、
   前記扉を閉じる工程と、
   前記炉内にＲＸガスを供給しつつ、前記高炭素クロム軸受鋼のＡ_１点以上の温度である熱処理温度に前記炉内の雰囲気を加熱して、前記雰囲気のカーボンポテンシャル値を予め決定された値に調整する工程と、
   前記カーボンポテンシャル値が調整された前記炉内で、前記被処理物が前記熱処理温度に加熱されることにより、前記被処理物が浸炭窒化される工程とを備え、
   前記被処理物が浸炭窒化される工程では、１時間あたりに前記炉内に供給される前記ＲＸガスの２０℃、１気圧における体積を前記熱処理炉の容積で除した値であるガス置換回数が０．０５以上０．７８未満となるように、前記炉内に前記ＲＸガスが供給される、鋼の熱処理方法。
2. 開閉可能な扉を有することにより被処理物の炉内への挿入および前記炉内からの取り出しが可能なバッチ式の熱処理炉を用いた鋼の熱処理方法であって、
   前記熱処理炉の前記扉を開け、高炭素クロム軸受鋼からなる前記被処理物を前記炉内に装入する工程と、
   前記扉を閉じる工程と、
   前記炉内にＲＸガスを供給しつつ、前記高炭素クロム軸受鋼のＡ_１点以上の温度である熱処理温度に前記炉内の雰囲気を加熱して、前記雰囲気のカーボンポテンシャル値を予め決定された値に調整する工程と、
   前記カーボンポテンシャル値が調整された前記炉内で、前記被処理物が前記熱処理温度に加熱されることにより、前記被処理物が浸炭窒化される工程とを備え、
   前記被処理物が浸炭窒化される工程では、前記炉内における一酸化炭素の濃度が８．４６×１０^−４（体積％／秒）以下の減少率で減少する、鋼の熱処理方法。
3. 高炭素クロム軸受鋼からなり、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または２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。
4. 請求項３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。
5. 軸受を構成する部品として使用される、請求項４に記載の機械部品。

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