JP2019081925A - 浸炭方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】炭素鋼製の処理対象物の融解を抑制しつつ、処理時間の短縮化を図ることが可能な浸炭方法を提供する。【解決手段】浸炭方法は、炭素鋼製の処理対象物を浸炭処理する浸炭工程と、浸炭工程にて処理対象物の表面に注入された炭素を処理対象物の内部へ拡散させる拡散処理を行う拡散工程と、を有する。浸炭方法では、拡散工程において、炭素の内部拡散によって処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従って、浸炭処理温度超、かつ、炭素鋼の平衡状態図で、低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線温度未満の温度範囲内で、連続的または段階的に拡散処理温度を上昇させる。【選択図】図２
Description
本発明は、浸炭方法に関する。
従来、炭素鋼製の処理対象物に対する浸炭方法としては、例えば、雰囲気ガス浸炭方法、真空浸炭方法、大気圧直接浸炭方法などが知られている。雰囲気ガス浸炭方法では、大気圧下、変成炉にて生成された混合ガスと原料ガスとを用いて浸炭処理が行われる。真空浸炭方法では、減圧下、原料ガスのみを用いて浸炭処理が行われる。大気圧直接浸炭方法では、大気圧下、原料ガスと希釈ガスとを用いて浸炭処理が行われる。これら浸炭方法では、通常、浸炭工程後、処理対象物の表面に注入された炭素を処理対象物の内部へ拡散させるため、拡散処理が行われる。
例えば、特許文献１には、所定時間の間、浸炭処理を行った後、処理温度を維持した状態で、浸炭された炭素を処理対象物の内部へ拡散させる拡散処理を行う浸炭方法が開示されている。
上述した浸炭方法は、一般に、温度により制約を受けるため、一定以上の処理時間を必要とする。そのため、生産性向上等の観点から、処理時間の短縮化を図ることが望まれている。上述した浸炭方法では、処理対象物の表面に炭素を固溶、拡散させることから、浸炭処理温度、拡散処理温度を上げることによって処理時間の短縮化を図ることができる。しかしながら、処理温度が炭素鋼の共晶温度以上になると、処理対象物が融解するおそれがある。そのため、実生産上では、浸炭処理温度、拡散処理温度ともに、炭素鋼の共晶温度以下とされるのが通常である。また、拡散処理は、浸炭処理温度をそのまま維持した状態で行われるため、拡散処理時間の短縮化も難しい。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、炭素鋼製の処理対象物の融解を抑制しつつ、処理時間の短縮化を図ることが可能な浸炭方法を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、炭素鋼製の処理対象物を浸炭処理する浸炭工程と、上記浸炭工程にて上記処理対象物の表面に注入された炭素を上記処理対象物の内部へ拡散させる拡散処理を行う拡散工程と、を有する浸炭方法であって、
上記拡散工程において、
上記炭素の内部拡散によって上記処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従って、
浸炭処理温度超、かつ、上記炭素鋼の平衡状態図で、上記低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線温度未満の温度範囲内で、連続的または段階的に拡散処理温度を上昇させる、
浸炭方法にある。
上記拡散工程において、
上記炭素の内部拡散によって上記処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従って、
浸炭処理温度超、かつ、上記炭素鋼の平衡状態図で、上記低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線温度未満の温度範囲内で、連続的または段階的に拡散処理温度を上昇させる、
浸炭方法にある。
拡散工程では、炭素の内部拡散によって処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従い、処理対象物の表層部の融点が上がる。上記浸炭方法では、この現象を利用し、炭素の内部拡散によって処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従って、上記特定の温度範囲内で拡散処理温度を上昇させる。そのため、上記浸炭方法によれば、炭素鋼製の処理対象物の融解を抑制しつつ、拡散処理時間の短縮による処理時間の短縮化を図ることができる。
（実施形態１）
実施形態１の浸炭方法について、図１、図２を用いて説明する。本実施形態の浸炭方法は、図１に示されるように、浸炭工程と、拡散工程とを有している。浸炭工程は、炭素鋼製の処理対象物を浸炭処理する工程である。拡散工程は、浸炭工程にて処理対象物の表面に注入された炭素を処理対象物の内部へ拡散させる拡散処理を行う工程である。
実施形態１の浸炭方法について、図１、図２を用いて説明する。本実施形態の浸炭方法は、図１に示されるように、浸炭工程と、拡散工程とを有している。浸炭工程は、炭素鋼製の処理対象物を浸炭処理する工程である。拡散工程は、浸炭工程にて処理対象物の表面に注入された炭素を処理対象物の内部へ拡散させる拡散処理を行う工程である。
浸炭工程および拡散工程は、具体的には、真空浸炭方法、または、大気圧直接浸炭方法における浸炭工程および拡散工程とすることができる。真空浸炭方法では、減圧下、原料ガスのみを用いて浸炭処理がなされる。また、大気圧直接浸炭方法では、大気圧下、原料ガスと希釈ガスとを用いて浸炭処理がなされる。雰囲気ガス浸炭方法は、雰囲気を維持するために浸炭処理温度、拡散処理温度を向上させることが難しい。これに対し、真空浸炭方法、大気圧直接浸炭方法は、雰囲気ガス浸炭方法に比べ、浸炭処理温度、拡散処理温度を向上させやすい。そのため、上記構成によれば、処理時間の短縮化を図りやすくなる。
真空浸炭方法、大気圧直接浸炭方法で用いられる原料ガスとしては、例えば、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０等の炭化水素ガスなどが挙げられる。大気圧直接浸炭方法で用いられる希釈ガスとしては、Ｎ２等が挙げられる。なお、上記希釈ガスは、原料ガスを爆発圧以下にする、スス発生を抑制する、原料ガスを処理対象物まで供給する流量を確保するなどの役割を有する。
浸炭工程における浸炭温度の下限は、例えば、オーステナイト形成温度などの観点から、好ましくは、Ａ３線温度℃以上とすることができる。浸炭工程における浸炭温度の上限は、原料ガスの分解が生じないように、処理対象物を構成する炭素鋼の共晶温度未満の温度から選択すればよい。浸炭工程における浸炭温度の上限は、好ましくは、１１００℃以下、より好ましくは、１０５０℃以下とすることができる。なお、浸炭工程を実施する前の昇温工程では、例えば、ヒータ加熱などによって処理対象物を昇温することができる。
ここで、本実施形態の浸炭方法では、拡散工程において、炭素の内部拡散によって処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従い、連続的または段階的に拡散処理温度を上昇させる。この際、拡散処理温度は、浸炭処理温度を超える温度とされる。これは、浸炭処理温度を超える温度とすることにより、拡散処理速度を向上させ、全体の処理速度を向上させるためである。また、拡散処理温度は、図２に例示されるような、処理対象物を構成する炭素鋼の平衡状態図（Ｆｅ−Ｃ系状態図）で、上記低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線ＪＱ温度未満の温度とされる。つまり、図２に示すように、拡散中の表面炭素濃度のときにおける拡散処理温度は、拡散中の表面炭素濃度ＣｄのときにγＦｅに対する固相線ＪＱと交わる点Ｄの温度Ｔｄ未満の温度とされる。これは、拡散によって低下した表面炭素濃度のときに、γＦｅに対する固相線ＪＱ温度を超えるような急激な昇温が実施されると、炭素鋼製の処理対象物の融解が生じるためである。このように浸炭工程および拡散工程を実施する本実施形態の浸炭方法によれば、炭素鋼製の処理対象物の融解を抑制しつつ、拡散処理時間の短縮による処理時間の短縮化を図ることができる。
なお、処理対象物を構成する炭素鋼の平衡状態図は、炭素鋼の材質によって決定される。また、図２において、Ｊは、包晶反応点、Ｔｐは、包晶温度、Ｑは、γＦｅの炭素固溶最大点、Ｅは、共晶点、Ｔｅは、共晶温度、Ｓは、共析点、Ｔｓは、共析温度である。
本実施形態の浸炭方法において、拡散処理温度の最大値は、具体的には、処理対象物を構成する炭素鋼の共晶温度以上とすることができる。但し、拡散処理温度の最大値は、上述したように、γＦｅに対する固相線温度を超えないように選択される。この構成によれば、炭素鋼の共晶温度以上の高い温度で拡散処理がなされる。また、この構成によれば、炭素鋼の包晶温度近くまで拡散処理温度の高温化を図ることが可能となる。そのため、この構成によれば、拡散処理時間の短縮による処理時間の短縮化を図りやすくなる。
本実施形態の浸炭方法において、拡散処理温度は、昇温速度を制御することによって制御することができる。この構成によれば、連続的または段階的に拡散処理温度を上昇させやすい。そのため、この構成によれば、上述した作用効果を確実なものとすることができる。
本実施形態の浸炭方法において、拡散処理温度は、高周波加熱によって上昇させることができる。この構成によれば、ヒータ加熱に比べ、所定の拡散処理温度まで迅速に昇温することができ、また、昇温速度の制御もしやすい。そのため、この構成によれば、拡散処理時間の短縮による処理時間の短縮化を図りやすくなる。
本実施形態の浸炭方法の使用時には、上述した拡散工程の後、処理対象物を焼入れする焼入工程を経ることにより、処理対象物の表層に硬化層を形成することができる。なお、焼入条件等については、公知の条件を適用することが可能である。
（実験例）
＜試料１の作製＞
Ｃ：０．１５質量％、Ｓｉ：０．２質量％、Ｍｎ：０．７５質量％、Ｃｒ：１．０５質量％、Ｍｏ：０．２質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなる炭素鋼から構成される処理対象物を準備した。なお、上記炭素鋼における共晶温度は、１１４３℃である。また、上記炭素鋼における包晶温度は、１４８５℃である。
＜試料１の作製＞
Ｃ：０．１５質量％、Ｓｉ：０．２質量％、Ｍｎ：０．７５質量％、Ｃｒ：１．０５質量％、Ｍｏ：０．２質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなる炭素鋼から構成される処理対象物を準備した。なお、上記炭素鋼における共晶温度は、１１４３℃である。また、上記炭素鋼における包晶温度は、１４８５℃である。
準備した処理対象物を、以下の浸炭処理条件で浸炭処理した。
−浸炭処理条件−
雰囲気圧力：大気圧
ガス種：Ｎ２ガス（９９体積％）＋Ｃ２Ｈ２ガス（１体積％）
熱処理条件：１０５０℃まで昇温後、２５０秒間保持
−浸炭処理条件−
雰囲気圧力：大気圧
ガス種：Ｎ２ガス（９９体積％）＋Ｃ２Ｈ２ガス（１体積％）
熱処理条件：１０５０℃まで昇温後、２５０秒間保持
上記浸炭処理後の処理対象物を、以下の拡散処理条件で拡散処理した。
−拡散処理条件−
雰囲気圧力：大気圧
ガス種：Ｎ２ガス
熱処理条件：昇温速度１１℃/秒にて１０５０℃から１２７５℃まで昇温後、２６秒
間保持
−拡散処理条件−
雰囲気圧力：大気圧
ガス種：Ｎ２ガス
熱処理条件：昇温速度１１℃/秒にて１０５０℃から１２７５℃まで昇温後、２６秒
間保持
上記拡散処理後の処理対象物を、水冷にて焼入処理した。
以上により、試料１を作製した。なお、本例の浸炭方法は、大気圧直接浸炭方法である。また、試料１の作製時における浸炭処理後の処理対象物における表面炭素濃度は、１．５５質量％であった。図３に、試料１の作製時における浸炭処理後の処理対象物表面から深さ方向への距離と、炭素濃度との関係を示す。また、図４に、試料１の作製時における熱処理パターンを示す。なお、試料１の作製では、昇温速度を制御することにより、炭素の内部拡散によって処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従って、浸炭処理温度超、かつ、炭素鋼の平衡状態図で、低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線温度未満の温度範囲内で、連続的に拡散処理温度を上昇させている。
金属顕微鏡にて、試料１の表面に垂直な断面を観察したところ（図５（ａ）の線Ｌの位置）、図５（ｂ）に示されるように、処理対象物の溶解は確認されなかった。なお、この結果から、試料１の浸炭方法によれば、炭素鋼製の処理対象物の融解を抑制しつつ、処理時間の短縮化を図ることができるといえる。
＜試料１Ｃの作製＞
拡散処理条件における熱処理条件の昇温速度１６℃/秒とした点、拡散工程における保持時間を２９秒とした点以外は、試料１の作製と同様にして、試料１Ｃを作製した。なお、本例において、拡散工程における保持時間を、試料１の作製の場合よりも長くした理由は、高速で昇温した分、拡散時間を要するためである。図６に、試料１Ｃの作製時における熱処理パターンを示す。なお、試料１Ｃの作製では、拡散処理工程にて意図的に過度な急速昇温を行うことにより、拡散処理温度を、炭素鋼の平衡状態図で、炭素の内部拡散によって低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線温度を上回る温度とした。
拡散処理条件における熱処理条件の昇温速度１６℃/秒とした点、拡散工程における保持時間を２９秒とした点以外は、試料１の作製と同様にして、試料１Ｃを作製した。なお、本例において、拡散工程における保持時間を、試料１の作製の場合よりも長くした理由は、高速で昇温した分、拡散時間を要するためである。図６に、試料１Ｃの作製時における熱処理パターンを示す。なお、試料１Ｃの作製では、拡散処理工程にて意図的に過度な急速昇温を行うことにより、拡散処理温度を、炭素鋼の平衡状態図で、炭素の内部拡散によって低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線温度を上回る温度とした。
金属顕微鏡にて、試料１Ｃの表面に垂直な断面を観察したところ（図７（ａ）の線Ｌの位置）、図７（ｂ）に示されるように、処理対象物の表層部に溶解部Ｍが確認された。この結果から、試料１Ｃの浸炭方法では、処理時間の短縮化を図ることができても、炭素鋼製の処理対象物の融解を抑制することが困難であるといえる。
本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実験例では、昇温速度を制御することにより、上述した特定の温度範囲内で連続的に拡散処理温度を上昇させたが、他にも、昇温速度を制御することにより、上述した特定の温度範囲内で段階的に拡散処理温度を上昇させることも可能である。
Claims (5)
- 炭素鋼製の処理対象物を浸炭処理する浸炭工程と、上記浸炭工程にて上記処理対象物の表面に注入された炭素を上記処理対象物の内部へ拡散させる拡散処理を行う拡散工程と、を有する浸炭方法であって、
上記拡散工程において、
上記炭素の内部拡散によって上記処理対象物の表面炭素濃度が低下するのに従って、
浸炭処理温度超、かつ、上記炭素鋼の平衡状態図で、上記低下した表面炭素濃度のときのγＦｅに対する固相線温度未満の温度範囲内で、連続的または段階的に拡散処理温度を上昇させる、
浸炭方法。 - 上記拡散処理温度の最大値が、上記炭素鋼の共晶温度以上とされる、請求項１に記載の浸炭方法。
- 上記拡散処理温度が、昇温速度を制御することによって制御される、請求項１または２に記載の浸炭方法。
- 上記拡散処理温度を、高周波加熱によって上昇させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の浸炭方法。
- 上記浸炭工程および上記拡散工程は、真空浸炭方法、または、大気圧直接浸炭方法における浸炭工程および拡散工程である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の浸炭方法。
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