JP2024030920A - 浸炭焼結体の製造方法、及び浸炭焼結体の製造装置 - Google Patents

浸炭焼結体の製造方法、及び浸炭焼結体の製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】焼結処理と浸炭処理とを１回の加熱工程で行うことができるとともに、添加物を混ぜる必要がなく、添加物のコストの低減と製造時間の短縮とを図ることができる、浸炭焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】成形工程Ｓ２では、鉄合金粉末を加圧成形して成形体を得る。加熱工程Ｓ４では、成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、成形体の焼結及び浸炭を行う。加熱工程Ｓ４においては、加熱工程Ｓ４中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で成形体の加熱が行われる。【選択図】 図４

Description

本発明は、浸炭焼結体の製造方法、及び浸炭焼結体の製造装置に関する。
従来より、機械部品等の構造部材において、鉄合金粉末を加圧成形して得られた成形体を焼結することで製造される焼結体が用いられている。焼結体は粉末材料を成形して焼結することで得られるため、焼結体を用いることで、素材のロスを少なくすることができ、最終形状に近い製品を焼結工程を行うだけで得ることができる。
焼結体の機械的強度を維持しつつ焼結体の耐摩耗性及び疲労強度の向上のために表面層の硬化を図る場合、焼結体に浸炭処理が施される。浸炭処理が施された焼結体である浸炭焼結体を製造するには、焼結処理と浸炭処理とが必要となるが、焼結処理と浸炭処理とを１回の加熱工程で行うことで浸炭焼結体の製造コストの低減を図る方法として、特許文献１に開示された方法が知られている。特許文献１に開示された方法は、鉄合金粉末にＦｅ－Ｍｎ－Ｓｉ－Ｃ粉末を添加物として加えた原料粉末を加圧成形して得られた成形体を８５０～９５０℃の浸炭雰囲気中で加熱することで浸炭焼結体を製造する方法として構成されている。
特許第５５９５９８０号明細書
特許文献１に開示された浸炭焼結体の製造方法によると、焼結処理と浸炭処理とを１回の加熱工程で行うことができるが、焼結体の原料である鉄合金粉末にＦｅ－Ｍｎ－Ｓｉ－Ｃ粉末を添加物として混ぜる必要がある。このため、特許文献１に開示の浸炭焼結体の製造方法では、添加物のコストが発生するとともに、添加物を原料である鉄合金粉末に添加して混ぜる作業に要する製造時間も必要となる。
本発明は、上記事情に鑑みることにより、焼結処理と浸炭処理とを１回の加熱工程で行うことができるとともに、添加物を混ぜる必要がなく、添加物のコストの低減と製造時間の短縮とを図ることができる、浸炭焼結体の製造方法及び浸炭焼結体の製造装置を提供することを目的とする。
（１）上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造方法は、鉄合金粉末を加圧成形して成形体を得る成形工程と、前記成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱工程と、を備え、前記加熱工程においては、当該加熱工程中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱が行われる。
（２）前記固相線温度は、鉄－炭素系平衡状態図において、液相及びオーステナイト相の共存領域とオーステナイト単相領域との境界線と、液相及びδフェライト相の共存領域とオーステナイト相及びδフェライト相の共存領域との境界線と、液相及びδフェライト相の共存領域とδフェライト単相領域との境界線と、によって規定される温度である。
（３）前記加熱工程において、当該加熱工程の開始後は第１の温度にて前記成形体を加熱し、当該加熱工程の途中以降は前記第１の温度とは異なる第２の温度にて前記成形体を加熱する。
（４）前記加熱工程において、浸炭雰囲気中で前記成形体が加熱されて前記成形体の浸炭が行われる際に、前記成形体の表面の炭素濃度の上昇に伴って、前記成形体の加熱温度を前記固相線温度に沿って低下させるように変更する。
（５）前記加熱工程において、当該加熱工程の開始後は第１の雰囲気ガスでの雰囲気中で前記成形体を加熱し、当該加熱工程の途中以降は前記第１の雰囲気ガスとは異なる第２の雰囲気ガスでの雰囲気中で前記成形体を加熱する。
（６）上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造装置は、鉄合金粉末を加圧成形して得られる成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱装置を備え、前記加熱装置は、前記成形体の加熱期間中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱を行う。
本発明によると、焼結処理と浸炭処理とを１回の加熱工程で行うことができるとともに、添加物を混ぜる必要がなく、添加物のコストの低減と製造時間の短縮とを図ることができる、浸炭焼結体の製造方法及び浸炭焼結体の製造装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る浸炭焼結体の製造装置の一例を模式的に示す図である。 図２（Ａ）は、浸炭焼結体の製造装置における加熱装置の作動について説明するための図であり、図２（Ｂ）は、浸炭焼結体の製造装置における冷却装置の作動について説明するための図である。 鉄－炭素系平衡状態図であって、浸炭焼結体の製造の際の加熱処理について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る浸炭焼結体の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図５（Ａ）は、浸炭焼結体の製造方法における加熱工程のヒートパターンの第１の例を示す図であり、図５（Ｂ）は、浸炭焼結体の製造方法における加熱工程のヒートパターンの第２の例を示す図である。 図６（Ａ）は、浸炭焼結体の製造方法における加熱工程のヒートパターンの第３の例を示す図であり、図６（Ｂ）は、浸炭焼結体の製造方法における加熱工程のヒートパターンの第４の例を示す図である。 浸炭焼結体の製造方法における加熱工程のヒートパターンの第５の例を示す図である。 浸炭焼結体の製造方法を実施した実施例での加熱工程のヒートパターンについて説明するための図である。 製造した浸炭焼結体の断面を示す顕微鏡写真である。 製造した浸炭焼結体の表面近傍における硬さ分布図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、浸炭処理が施された焼結体である浸炭焼結体の製造方法及び製造装置として、種々の用途に広く適用することができるものである。以下の説明においては、まず、本発明の一実施の形態に係る浸炭焼結体の製造装置について説明し、次いで、本発明の一実施の形態に係る浸炭焼結体の製造方法について説明する。
［浸炭焼結体の製造装置］
図１は、本発明の実施形態に係る浸炭焼結体の製造装置１の一例を模式的に示す図である。図２（Ａ）は、浸炭焼結体の製造装置１における加熱装置１１の作動について説明するための図であり、図２（Ｂ）は、浸炭焼結体の製造装置１における冷却装置１２の作動について説明するための図である。なお、以下の説明では、図１、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において両端矢印Ｘ１、両端矢印Ｘ２、及び両端矢印Ｘ３で示すように、浸炭焼結体の製造装置１における上下方向Ｘ１、左右方向Ｘ２、及び前後方向Ｘ３を定義する。上下方向Ｘ１は鉛直方向を基準として定義される。左右方向Ｘ２は、上下方向Ｘ１に垂直な方向である水平方向に延びる方向であり、浸炭焼結体の製造装置１の加熱装置１１と冷却装置１２とが並ぶ方向として定義される。前後方向Ｘ３は、上下方向Ｘ１及び左右方向Ｘ２の両方に垂直な方向として定義される。
図１を参照して、本実施形態の浸炭焼結体の製造装置１（以下、単に「製造装置１」とも称する）は、浸炭処理が施された焼結体である浸炭焼結体を製造するための装置である。製造装置１は、加熱装置１１を有し、鉄合金粉末を加圧成形して得られた成形体として構成されるワーク１００を加熱装置１１において１回の加熱工程で加熱して焼結処理及び浸炭処理を施すことで、浸炭焼結体を製造するように構成されている。また、製造装置１は、冷却装置１２も有し、加熱装置１１で焼結処理及び浸炭処理が施されたワーク１００に対して冷却処理としての焼入れ処理を施すように構成されている。
製造装置１において処理されるワーク１００は、鉄合金粉末を加圧成形して得られた成形体であり、浸炭処理が施された焼結体である浸炭焼結体の素材として構成される。ワーク１００は、機械部品等の構造部材の素材であり、例えば、歯車或いは軸受けなどの素材である。
製造装置１においては、ワーク１００は、搬送トレイ１０１に載せられた状態で左右方向Ｘ２に沿って搬送される。搬送トレイ１０１には、中心に貫通孔が設けられた枠体と、枠体から貫通孔の中心側に向かって突出して延びる複数の支持軸とが設けられている。ワーク１００は、搬送トレイ１０１の貫通孔の上方で複数の支持軸に支持された状態で搬送トレイ１０１に支持される。搬送トレイ１０１における複数の支持軸の先端は互いに隔離している。これにより、搬送トレイ１０１の複数の支持軸は、加熱装置１１における後述の上下駆動部２４によってワーク１００が搬送トレイ１０１から持ち上げられる際に、ワーク１００の持ち上げ動作を阻害しないように構成されている。
図１を参照して、製造装置１は、加熱装置１１、冷却装置１２、コントローラ１３、等を備えて構成されている。
加熱装置１１には、加熱室２１、加熱コイル２２、搬送機構２３、上下駆動部２４、炭化水素系ガス供給系統２５、不活性ガス供給系統２６、ガス排出系統２７、ガス濃度検出部２８、温度検出部２９、等が設けられている。
加熱室２１は、ワーク１００が配置されてワーク１００の加熱処理が行われる処理室として構成されている。加熱室２１には、ワーク１００が搬入される搬入口２１ａが設けられており、搬入口２１ａは、扉２１ｂによって開閉されるように構成されている。ワーク１００は、搬送トレイ１０１に載せられた状態で、搬入口２１ａから加熱室２１内に搬入される。また、加熱室２１には、窓２１ｃが設けられている。窓２１ｃは、サファイアガラス等の赤外線透過性を有する材料で形成されており、加熱室２１の外部に配置された温度検出部２９が加熱室２１内で加熱されるワーク１００の温度を赤外線検知によって非接触で検出できるように構成されている。
加熱コイル２２は、ワーク１００に対して誘導加熱による加熱処理を施す誘導加熱コイルとして構成されている。加熱コイル２２は、例えば、螺旋状のコイルとして形成されており、加熱処理の際には、加熱コイル２２における螺旋状の部分の内側の領域にワーク１００が配置される。ワーク１００が加熱コイル２２の螺旋状の部分の内側に配置された状態で、加熱コイル２２に対して電源３８から高周波電流が供給されることで、ワーク１００に対して誘導加熱による加熱処理が施される。電源３８は、後述のコントローラ１３と電気的に接続しており、加熱コイル２２への供給電力は、コントローラ１３によって制御されるように構成されている。なお、加熱コイル２２の形状としては、螺旋状以外の形状が選択されてもよく、加熱対象のワーク１００の形態に応じて種々の形状が選択されてもよい。例えば、ワーク１００が筒状或いは棒状に延びる軸状の部材である場合、加熱コイル２２は、軸状に延びるワーク１００の長手方向に亘ってワーク１００を取り囲んだ状態で延びるように構成されていてもよい。
搬送機構２３は、ベルトコンベヤ式の搬送機構であり、搬送トレイ１０１を加熱室２１内で搬送する機構として設けられている。ワーク１００が載せられた搬送トレイ１０１が搬入口２１ａから加熱室２１内に搬入されると、搬送トレイ１０１は、搬送機構２３によって、左右方向Ｘ２に沿って加熱室２１内を搬送される。なお、搬送機構２３は、一対のベルトコンベヤを有している。一対のベルトコンベヤは、加熱室２１内において前後方向Ｘ３における両側に配置されており、一対のベルトコンベヤの間の領域には、空間が形成されている。そして、一対のベルトコンベヤのそれぞれが、搬送トレイ１０１の前後方向Ｘ３における両端部をそれぞれ支持するように構成されている。このため、搬送機構２３は、後述の上下駆動部２４によってワーク１００が搬送トレイ１０１から持ち上げられる際に、ワーク１００の持ち上げ動作を阻害しないように構成されている。
上下駆動部２４は、加熱室２１においてワーク１００を搬送トレイ１０１と加熱コイル２２との間で上下移動させるための機構として設けられている。上下駆動部２４は、加熱室２１において、搬送トレイ１０１に形成された貫通孔を通してワーク１００を持ち上げることで、搬送トレイ１０１を持ち上げずにワーク１００のみを加熱コイル２２の内側に配置される位置まで持ち上げるように構成されている。図２（Ａ）は、上下駆動部２４がワーク１００を加熱コイル２２の内側の位置まで持ち上げた状態を示している。上下駆動部２４がワーク１００を加熱コイル２２の内側の位置まで持ち上げた状態で、加熱コイル２２による誘導加熱によってワーク１００の加熱が行われる。
炭化水素系ガス供給系統２５は、炭化水素系ガスの供給源（図示省略）と加熱室２１とを接続し、加熱室２１に対して炭化水素系ガスを供給する系統として設けられている。炭化水素系ガスとしては、例えば、メタンガス（ＣＨ４ガス）或いはアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２ガス）など、ワーク１００へ浸炭処理ができるガスを用いている。炭化水素系ガス供給系統２５には、炭化水素系ガス供給系統２５によって加熱室２１内に供給する炭化水素系ガスの流量を制御するための制御弁２５ａが設けられている。制御弁２５ａは、後述のコントローラ１３と電気的に接続しており、制御弁２５ａの作動は、コントローラ１３によって制御されるように構成されている。
不活性ガス供給系統２６は、不活性ガスの供給源（図示省略）と加熱室２１とを接続し、加熱室２１に対して不活性ガスを供給する系統として設けられている。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ２ガス）など、ワーク１００の酸化を抑制できるガスを用いている。不活性ガス供給系統２６には、不活性ガス供給系統２６によって加熱室２１内に供給する不活性ガスの流量を制御するための制御弁２６ａが設けられている。制御弁２６ａは、後述のコントローラ１３と電気的に接続しており、制御弁２６ａの作動は、コントローラ１３によって制御されるように構成されている。
ガス排出系統２７は、加熱室２１内のガスを外部へ排出するための系統として設けられている。ガス排出系統２７には、開閉することで加熱室２１と外部との接続状態を連通状態と遮断状態との間で切り換える開閉弁２７ａが設けられている。開閉弁２７ａが開放された状態では、加熱室２１と外部とが連通し、加熱室２１内のガスが外部へと排出される。開閉弁２７ａが閉鎖された状態では、加熱室２１と外部とが遮断され、加熱室２１内のガスの外部への排出は行われない。開閉弁２７ａは、後述のコントローラ１３と電気的に接続しており、開閉弁２７ａの作動は、コントローラ１３によって制御されるように構成されている。
ガス濃度検出部２８は、加熱室２１内の炭化水素系ガスの濃度を検出するセンサとして設けられている。加熱室２１内でワーク１００の加熱処理が行われている際には、加熱室２１内の炭化水素系ガスの濃度がガス濃度検出部２８によって検出される。ガス濃度検出部２８は、コントローラ１３と電気的に接続されており、ガス濃度検出部２８によって検出された炭化水素系ガスの濃度の検出値は、コントローラ１３へと送信される。
温度検出部２９は、放射温度計として設けられ、加熱コイル２２によって加熱されるワーク１００の温度を検出するように構成されている。温度検出部２９は、加熱室２１の外側で窓２１ｃに隣接する位置に設けられている。温度検出部２９は、窓２１ｃを介して、加熱コイル２２の螺旋状の部分の隙間から加熱コイル２２の内側に配置されたワーク１００に臨むように配置されている。そして、温度検出部２９は、加熱コイル２２によって加熱されるワーク１００から発せられる赤外線を窓２１ｃを介して検知し、この赤外線の検知結果に基づいてワーク１００の温度を検出する。温度検出部２９は、コントローラ１３と電気的に接続されており、温度検出部２９によって検出されたワーク１００の温度の検出値は、コントローラ１３へと送信される。
コントローラ１３は、加熱装置１１の作動を制御する制御装置として設けられている。コントローラ１３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えて構成されている。ＣＰＵは、ＲＯＭから処理内容に応じたプログラムを読みだしてＲＡＭに展開し、展開したプログラムと協働して加熱装置１１の各構成（２２、２３、２４、２５ａ、２６ａ、２７ａ）の作動を制御する。
また、コントローラ１３は、温度検出部２９から受信するワーク１００の温度の検出値に基づいて、ワーク１００が所望の温度となるように加熱コイル２２の作動を制御するように構成されている。更に、コントローラ１３は、ガス濃度検出部２８から受信する炭化水素系ガスの濃度の検出値に基づいて、加熱室２１内の炭化水素系ガスの濃度が所望の濃度となるように、炭化水素系ガス供給系統２５の制御弁２５ａの作動と不活性ガス供給系統２６の制御弁２６ａの作動とを制御するように構成されている。
前述した構成（２１～２９）を備えてコントローラ１３による制御に基づいて作動する加熱装置１１は、鉄合金粉末を加圧成形して得られる成形体としてのワーク１００を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、ワーク１００の焼結及び浸炭を行うように構成されている。
図３は、鉄－炭素系平衡状態図であって、浸炭焼結体の製造の際の加熱処理について説明するための図である。図３を参照して、加熱装置１１においては、共晶温度である１１５０℃以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲でワーク１００の加熱が行われる。なお、共晶温度以上で固相線温度未満であるワーク１００の加熱温度範囲については、図３においてドットのハッチングを付した領域として示している。
固相線は、鉄－炭素系平衡状態図において、その線以上の温度では固体と液体とが平衡であってその線以下の温度では固体が安定して存在する領域を示す線である。そして、図３の鉄－炭素系平衡状態図において、固相線温度は、固相線ＳＬ１、固相線ＳＬ２、及び固相線ＳＬ３の３つの固相線によって規定される温度として構成される。固相線ＳＬ１は、液相及びオーステナイト相の共存領域とオーステナイト単相領域との境界線として構成される。液相及びオーステナイト相の共存領域については、図３中において「Ｌ＋γ」を付した領域として示している。オーステナイト単相領域については、図３中において「γ」を付した領域として示している。固相線ＳＬ２は、液相及びδフェライト相の共存領域とオーステナイト相及びδフェライト相の共存領域との境界線として構成される。液相及びδフェライト相の共存領域については、図３中において「Ｌ＋δ」を付した領域として示している。オーステナイト相及びδフェライト相の共存領域については、図３中において「δ＋γ」を付した領域として示している。固相線ＳＬ３は、液相及びδフェライト相の共存領域とδフェライト単相領域との境界線として構成される。δフェライト単相領域については、図３中において「δ」を付した領域として示している。
加熱装置１１においては、鉄合金粉末を加圧成形した成形体としてのワーク１００を共晶温度以上で固相線温度未満の高温で加熱することで、ワーク１００の焼結処理を行うことができる。なお、通常、焼結処理は、１０５０℃以上で行われることが多いが、本実施形態によると、共晶温度である１１５０℃以上で加熱されるため、短時間で焼結処理を行うことができる。また、本実施形態では、誘導加熱による加熱処理を行うため、ワーク１００を急速に高温で加熱することができる。
また、前述した構成（２１～２９）を備えてコントローラ１３による制御に基づいて作動する加熱装置１１は、ワーク１００の加熱期間中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中でワーク１００の加熱を行うように構成されている。即ち、加熱装置１１においては、ワーク１００の加熱期間中の全部の期間において、又は、ワーク１００の加熱期間中の一部の期間において、浸炭雰囲気中で成形体の加熱が行われる。
加熱装置１１において浸炭雰囲気中でワーク１００の加熱が行われる期間においては、加熱室２１に対して、不活性ガスと炭化水素系ガスとが雰囲気ガスとして供給される。即ち、加熱室２１に対して、炭化水素系ガス供給系統２５から炭化水素系ガスが供給されるとともに、不活性ガス供給系統２６から不活性ガスが供給される。加熱室２１に対して不活性ガスと炭化水素系ガスとが雰囲気ガスとして供給されることで加熱室２１内が浸炭雰囲気となり、浸炭雰囲気中でワーク１００が加熱されることで、ワーク１００の浸炭処理が行われる。なお、加熱室２１に対して不活性ガスと炭化水素系ガスとが雰囲気ガスとして供給される際には、ガス排出系統２７の開閉弁２７ａは開放された状態となり、浸炭処理によって炭素が消費された状態のガスが加熱室２１の外部へと排出される。
加熱装置１１において浸炭雰囲気以外の雰囲気中でワーク１００の加熱が行われる期間においては、加熱室２１に対して、不活性ガスが雰囲気ガスとして供給される。この場合、不活性ガス供給系統２６の制御弁２６ａは開放され、炭化水素系ガス供給系統２５の制御弁２５ａが閉鎖される。これにより、加熱室２１に対して、炭化水素系ガス供給系統２５からは炭化水素系ガスが供給されず、不活性ガス供給系統２６から不活性ガスが供給され、加熱室２１には不活性ガスのみが供給される状態となる。このため、加熱室２１内において不活性ガスの雰囲気中でワーク１００が加熱され、ワーク１００の焼結処理が行われる。なお、加熱室２１内の雰囲気が不活性ガスの雰囲気の状態でワーク１００の加熱が行われる際には、ガス排出系統２７の開閉弁２７ａは閉鎖状態及び開放状態のいずれでもよい。開閉弁２７ａが閉鎖状態の場合は、加熱室２１内に不活性ガスが閉じ込められた状態でワーク１００の焼結処理が行われる。開閉弁２７ａが開放状態の場合は、加熱室２１内の不活性ガスが連続的に入れ替えられながらワーク１００の焼結処理が行われる。
また、コントローラ１３による制御に基づいて作動する加熱装置１１は、浸炭雰囲気中でワーク１００が加熱されてワーク１００の浸炭が行われる際に、ワーク１００の表面の炭素濃度の上昇に伴って、ワーク１００の加熱温度を鉄－炭素系平衡状態図において規定される固相線温度に沿って低下させるように変更してもよい。この場合、コントローラ１３は、図１に示すように、炭素濃度推定部３０と固相線接近度合判断部３１とを備えて構成される。
炭素濃度推定部３０は、ガス濃度検出部２８から受信する炭化水素系ガスの濃度の検出値と、温度検出部２９から受信するワーク１００の温度の検出値と、浸炭雰囲気中でのワーク１００の加熱時間とに基づいて、ワーク１００の表面から内部に拡散浸透する炭素のワーク１００の表面での濃度を計算して推定する。固相線接近度合判断部３１は、炭素濃度推定部３０によって推定される炭素濃度の値に基づいて、鉄－炭素系平衡状態図で規定される固相線ＳＬ１に近づいていく度合を判断する。そして、コントローラ１３は、固相線接近度合判断部３１での判断結果に基づき、所定の閾値よりも固相線ＳＬ１に近づいた状態となったときには、ワーク１００の加熱温度を固相線ＳＬ１で規定される固相線温度に沿って低下させるように制御する。この制御が行われる場合は、ワーク１００の加熱温度は、例えば、図３において破線の矢印ＣＬで示される経過を辿るようにして、固相線ＳＬ１で規定される固相線温度に沿って低下するように変更される。
加熱装置１１での加熱処理が終了すると、上下駆動部２４は下方に変位し、ワーク１００が搬送トレイ１０１上に載置される。ワーク１００が搬送トレイ１０１に載置されると、搬送機構２３によって搬送トレイ１０１が冷却装置１２へと搬送される。加熱装置１１と冷却装置１２との間の仕切り壁３２には、連通路３２ａが設けられており、連通路３２ａは、扉３２ｂによって開閉されるように構成されている。ワーク１００は、搬送トレイ１０１に載せられた状態で搬送機構２３によって搬送されて、連通路３２ａから冷却装置１２へと搬入される。
図１を参照して、冷却装置１２には、冷却室３３、搬送機構３４、冷媒通路ユニット３５、等が設けられている。
冷却室３３は、加熱装置１１で加熱されたワーク１００が搬入されてワーク１００の冷却処理が行われる処理室として構成されている。冷却室３３内で行われる冷却処理としては、例えば、焼入れ処理が挙げられる。冷却室３３には、冷却処理が終了したワーク１００が搬送トレイ１０１に載せられた状態で搬出される搬出口３３ａが設けられており、搬出口３３ａは、扉３３ｂによって開閉されるように構成されている。また、冷却室３３には、後述する冷媒通路ユニット３５から流出した冷媒を外部へと排出する排出口３３ｃが設けられている。
搬送機構３４は、ベルトコンベヤ式の搬送機構であり、搬送トレイ１０１を冷却室３３内で搬送する機構として設けられている。搬送機構３４は、加熱装置１１の搬送機構２３と同様に設けられている。ワーク１００が載せられた搬送トレイ１０１が連通路３２ａから冷却室３３内に搬入されると、搬送トレイ１０１は、搬送機構３４によって、左右方向Ｘ２に沿って冷却室３３内を搬送される。
冷媒通路ユニット３５は、冷却室３３の外部の冷媒供給源（図示省略）から供給される冷媒を冷却室３３内に取り込み、取り込んだ冷媒にワーク１００を浸漬させてワーク１００を冷却するために設けられている。なお、冷媒通路ユニット３５において取り込まれる冷媒としては、液状冷媒としてのポリマー水溶液、冷却水、焼入れ用油、等が用いられる。冷媒通路ユニット３５は、円筒形状に形成された下側冷媒通路３６と上側冷媒通路３７とを備えている。
下側冷媒通路３６は、冷媒を冷却室３３の外部から冷却室３３内に取り込む配管として設けられている。下側冷媒通路３６には、外部からの冷媒が流入する通路入口３６ａが設けられている。下側冷媒通路３６は、通路入口３６ａから流入した冷媒を上方に向かって流動させるように構成されている。また、下側冷媒通路３６は、上端が開放されている。下側冷媒通路３６の上端の開口は、搬送機構３４によって搬送された搬送トレイ１０１が下側冷媒通路３６の上方に配置された状態で、搬送トレイ１０１の貫通孔と対向するように設けられている。
上側冷媒通路３７は、上端及び下端が開口した円筒状の配管として設けられている。上側冷媒通路３７は、下側冷媒通路３６の上方に配置されており、図示が省略された上下駆動部によって駆動され、上下に変位するように設けられている。図１では、上側冷媒通路３７が上方に配置された状態が示されており、図２（Ｂ）では、上側冷媒通路３７が上下駆動部（図示省略）によって駆動されて下方に変位した状態が示されている。搬送トレイ１０１が上側冷媒通路３７の上方に配置された状態で、上側冷媒通路３７が下方に変位することで、下側冷媒通路３６と搬送トレイ１０１の貫通孔と上側冷媒通路３７とが上下方向Ｘ１に並んで重ね合わされる。これにより、下側冷媒通路３６から搬送トレイ１０１の貫通孔を経て上側冷媒通路３７へと冷媒が流動する通路が形成される。
加熱装置１１でのワーク１００の加熱処理が終了し、冷却装置１２でのワーク１００の冷却処理が行われる際には、ワーク１００が載せられた搬送トレイ１０１が下側冷媒通路３６の上方まで搬送される。ワーク１００を載せた搬送トレイ１０１が下側冷媒通路３６の上方に配置されると、上側冷媒通路３７が下方に変位する。これにより、下側冷媒通路３６と搬送トレイ１０１と上側冷媒通路３７とで形成された冷媒の通路内にワーク１００が配置された状態となる。この状態で、下側冷媒通路３６へと冷媒が供給される。下側冷媒通路３６に供給された冷媒は、下側冷媒通路３６と搬送トレイ１０１と上側冷媒通路３７とで形成された冷媒の通路を満たしながら上方に流動して、上側冷媒通路３７の上端から流出する。このため、下側冷媒通路３６と搬送トレイ１０１と上側冷媒通路３７とで形成された冷媒の通路内でワーク１００が冷媒に浸漬された状態となり、ワーク１００の冷却処理が行われる。なお、冷却室３３内で上側冷媒通路３７から流出した冷媒は、排出口３３ｃから冷却室３３の外部へと排出される。
冷却装置１２での冷却処理が終了すると、下側冷媒通路３６への冷媒の供給が停止され、上側冷媒通路３７が上方に変位するように駆動される。次いで、ワーク１００を載せた搬送トレイ１０１は、搬送機構３４によって搬送され、搬出口３３ａから冷却室３３の外部へと搬出される。
［浸炭焼結体の製造方法］
次に、本発明の実施形態に係る浸炭焼結体の製造方法について説明する。図４は、本発明の実施形態に係る浸炭焼結体の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。本発明の実施形態に係る浸炭焼結体の製造方法（以下、単に、「本実施形態の浸炭焼結体製造方法」とも称する）は、浸炭処理が施された焼結体である浸炭焼結体を製造するための方法である。本実施形態の浸炭焼結体製造方法は、鉄合金粉末を加圧成形して得られた成形体を１回の加熱工程で加熱して焼結処理及び浸炭処理を施すことで、浸炭焼結体を製造する方法として構成される。
図４を参照して、本実施形態の浸炭焼結体製造方法は、粉末原料混合工程Ｓ１と、成形工程Ｓ２と、脱脂工程Ｓ３と、加熱工程Ｓ４と、焼入れ工程Ｓ５と、焼戻し工程Ｓ６と、を備えて構成されている。本実施形態の浸炭焼結体製造方法では、各工程Ｓ１～Ｓ６が実施されることで、浸炭焼結体が製造される。なお、上記工程Ｓ１～Ｓ６のうち脱脂工程Ｓ３、焼入れ工程Ｓ５、及び/または焼戻し工程Ｓ６を含まずに浸炭焼結体の製造方法を実施することもできる。
（粉末原料混合工程）
粉末原料混合工程Ｓ１は、粉末状の原料を混合して浸炭焼結体の原料粉末である鉄合金粉末を準備する工程として構成される。原料粉末としての鉄合金粉末は、全体を１００％としたときに、鉄（Ｆｅ）以外の成分として、例えば、０．１～３％のモリブデン（Ｍｏ）と０．３～５％のクロム（Ｃｒ）とを含んで構成されてもよい。原料粉末としての鉄合金粉末にＭｏおよびＣｒが含まれることで、浸炭焼結体の焼入れ性を向上させることができる。また、原料粉末としての鉄合金粉末は、Ｍｏ及びＣｒの他、Ｖ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｗ等を含んで構成されてもよい。また、原料粉末としての鉄合金粉末は、全体を１００％としたときに、０．１～０．４％の炭素（Ｃ）を含んで構成されてもよい。原料粉末としての鉄合金粉末に過多とならない範囲で炭素が含まれることで、成形性及び浸炭性を確保しつつ浸炭焼結体の強度の向上を図ることができる。また、粉末原料混合工程Ｓ１では、成形工程Ｓ２での成形体の成形性の向上のため、原料粉末としての鉄合金粉末に潤滑剤を混合してもよい。
（成形工程）
成形工程Ｓ２は、原料粉末である鉄合金粉末を加圧成形して成形体を得る工程として構成される。成形工程Ｓ２では、製品の形状に対応した型に鉄合金粉末が充填され、所望される成形体の密度となるように所定の成形圧力が付与され、型に対応した形状の成形体が形成される。なお、粉末原料混合工程Ｓ１において、原料粉末としての鉄合金粉末に潤滑剤を混合している場合は、成形工程Ｓ２では、より高圧での成形が可能となり、より高密度の成形体を得ることができる。
（脱脂工程）
脱脂工程Ｓ３は、成形工程Ｓ２で得られた成形体を加熱し、成形体中の油脂成分を気化させて除去する工程として構成される。油脂成分は、成形性の向上のために原料粉末に混合した潤滑材として成形体に含まれており、脱脂工程Ｓ３において、成形体中の潤滑剤が成形体から除去される。脱脂工程Ｓ３では、例えば、３００～６００℃の範囲の温度で成形体が加熱され、油脂成分が気化して成形体から除去される。
（加熱工程）
加熱工程Ｓ４は、脱脂工程Ｓ３が終了した成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、成形体の焼結及び浸炭を行う工程として構成される。加熱工程Ｓ４は、例えば、前述した製造装置１を用いて実施される。より具体的には、製造装置１において、コントローラ１３の制御に基づいて加熱装置１１が作動することで、加熱工程Ｓ４が実施される。
図３の鉄－炭素系平衡状態図を参照して、加熱工程Ｓ４においては、共晶温度である１１５０℃以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲（図３においてドットのハッチングを付した領域）で成形体の加熱が行われる。図３の鉄－炭素系平衡状態図において、固相線温度は、固相線ＳＬ１、固相線ＳＬ２、及び固相線ＳＬ３の３つの固相線によって規定される温度として構成される。加熱工程Ｓ４においては、鉄合金粉末を加圧成形した成形体を共晶温度以上で固相線温度未満の高温で加熱することで、成形体の焼結処理を行うことができる。
また、加熱工程Ｓ４においては、鉄合金粉末を加圧成形した成形体を共晶温度以上で固相線温度未満の高温で加熱する加熱装置として、例えば、加熱コイル２２によって成形体に対して誘導加熱による加熱処理を施す加熱装置１１が用いられる。この場合、誘導加熱による加熱処理を行うことができ、成形体を急速に高温で加熱することができる。なお、加熱工程Ｓ４では、誘導加熱以外による加熱処理が行われてもよい。例えば、ヒータからの輻射熱によって成形体が加熱される加熱処理が行われてもよい。また、雰囲気ガスが加熱されることによって成形体が加熱される加熱処理が行われてもよい。
また、加熱工程Ｓ４においては、加熱工程Ｓ４中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で成形体の加熱が行われる。即ち、加熱工程Ｓ４においては、加熱工程Ｓ４中の全部の期間において、又は、加熱工程Ｓ４中の一部の期間において、浸炭雰囲気中で成形体の加熱が行われる。
加熱工程Ｓ４が製造装置１の加熱装置１１を用いて実施される場合、加熱工程Ｓ４における浸炭雰囲気中で成形体の加熱が行われる期間においては、成形体の加熱が行われる加熱室２１に対して、不活性ガスと炭化水素系ガスとが雰囲気ガスとして供給される。加熱室２１に対して不活性ガスと炭化水素系ガスとが雰囲気ガスとして供給されることで加熱室２１内が浸炭雰囲気となり、浸炭雰囲気中で成形体が加熱されることで、成形体の浸炭処理が行われる。なお、不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ２ガス）が用いられる。炭化水素系ガスとしては、例えば、メタンガス（ＣＨ４ガス）或いはアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２ガス）が用いられる。
加熱工程Ｓ４中の全部の期間において浸炭雰囲気中で成形体の加熱が行われる場合は、加熱工程Ｓ４の全期間に亘って、窒素ガス等の不活性ガスとメタンガス等の炭化水素系ガスとが混合された状態のガスが雰囲気ガスとして供給される。この場合、加熱工程Ｓ４の全期間に亘って浸炭雰囲気中で成形体が加熱され、成形体の焼結処理と浸炭処理とが同時に行われる。
加熱工程Ｓ４中の一部の期間において浸炭雰囲気中で成形体の加熱が行われる場合は、加熱工程Ｓ４の開始後と、加熱工程Ｓ４の途中以降とで、異なる雰囲気ガスでの雰囲気中で成形体の加熱が行われる。この場合、加熱工程Ｓ４において、加熱工程Ｓ４の開始後は第１の雰囲気ガスでの雰囲気中で成形体が加熱され、加熱工程Ｓ４の途中以降は第１の雰囲気ガスとは異なる第２の雰囲気ガスでの雰囲気中で成形体が加熱される。第１の雰囲気ガスとしては、例えば、窒素ガス等の不活性ガスが加熱室２１内に供給される。そして、第１の雰囲気ガスとして不活性ガスが加熱室２１内に供給された場合は、第１の雰囲気ガスとは異なる第２の雰囲気ガスとして、窒素ガス等の不活性ガスとメタンガス等の炭化水素系ガスとが加熱室２１内に供給される。即ち、第２の雰囲気ガスとして、不活性ガスと炭化水素系ガスとが混合された状態のガスが加熱室２１内に供給される。
第１の雰囲気ガスが窒素ガス等の不活性ガスの場合、加熱工程Ｓ４の開始後は不活性ガスの雰囲気中で成形体が加熱され、成形体の焼結処理が行われる。そして、加熱工程Ｓ４の途中以降は不活性ガスと炭化水素系ガスとが混合された状態のガスとしての第２の雰囲気ガスでの浸炭雰囲気中で成形体が加熱され、成形体の浸炭処理が行われる。
なお、第１の雰囲気ガスとして、窒素ガス等の不活性ガスとメタンガス等の炭化水素系ガスとが加熱室２１内に供給されてもよい。第１の雰囲気ガスとして不活性ガスと炭化水素系ガスとが混合された状態のガスが加熱室２１内に供給された場合は、第１の雰囲気ガスとは異なる第２の雰囲気ガスとして、窒素ガス等の不活性ガスが加熱室２１内に供給される。第１の雰囲気ガスが不活性ガス及び炭化水素系ガスが混合された状態のガスの場合、加熱工程Ｓ４の開始後は第１の雰囲気ガスでの浸炭雰囲気中で成形体が加熱され、成形体の浸炭処理が行われる。そして、加熱工程Ｓ４の途中以降は不活性ガスとしての第２の雰囲気ガスでの雰囲気中で成形体が加熱され、成形体の焼結処理が行われる。
また、加熱工程Ｓ４においては、一定の加熱温度で成形体を加熱して成形体の焼結及び浸炭を行ってもよく、加熱工程Ｓ４の途中で加熱温度を変更して成形体の焼結及び浸炭を行ってもよい。即ち、加熱工程Ｓ４においては、共晶温度である１１５０℃以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲において、一定の加熱温度で成形体の加熱を行ってもよく、或いは、加熱工程Ｓ４の途中で加熱温度を変更して成形体の加熱を行ってもよい。
加熱工程Ｓ４の途中で成形体の加熱温度を変更する場合は、加熱工程Ｓ４の開始後は第１の温度にて成形体を加熱し、加熱工程Ｓ４の途中以降は第１の温度は異なる第２の温度にて成形体の加熱が行われる。第１の温度と第２の温度とは、浸炭焼結体としての製品において求められる機械的強度及び表面硬さの仕様に応じた精密な焼結処理と浸炭処理とをできるように、それぞれ設定される。即ち、求められる機械的強度の仕様に応じた焼結処理をできるように第１の温度及び第２の温度の一方が設定され、求められる表面硬さの仕様に応じた浸炭処理をできるように第１の温度及び第２の温度の他方が設定される。
なお、加熱工程Ｓ４において成形体が加熱される加熱時間については、浸炭焼結体としての製品において求められる機械的強度及び表面硬さが得られる焼結時間及び浸炭時間が確保されるように設定される。加熱工程Ｓ４において一定の加熱温度で成形体の加熱が行われる場合は、求められる機械的強度及び表面硬さが得られるように、加熱工程Ｓ４の全部の期間に亘る加熱時間が設定される。加熱工程Ｓ４において第１の温度から第２の温度に加熱温度を変更して成形体の加熱が行われる場合は、求められる機械的強度及び表面硬さが得られるように、第１の温度での加熱時間と第２の温度での加熱時間とがそれぞれ設定される。
また、加熱工程Ｓ４においては、浸炭雰囲気中で成形体が加熱されて成形体の浸炭が行われる際に、成形体の表面の炭素濃度の上昇に伴って、成形体の加熱温度を固相線温度に沿って低下させるように変更してもよい。この場合、炭素濃度推定部３０と固相線接近度合判断部３１とを備えて構成されるコントローラ１３の制御に基づいて、加熱装置１１が作動し、加熱工程Ｓ４が実施される。
加熱工程Ｓ４において、成形体の加熱温度を固相線温度に沿って低下させるように変更する場合は、コントローラ１３の炭素濃度推定部３０は、ガス濃度検出部２８から受信する炭化水素系ガスの濃度の検出値と、温度検出部２９から受信する成形体の温度の検出値と、浸炭雰囲気中での成形体の加熱時間とに基づいて、成形体の表面での炭素濃度を推定する。固相線接近度合判断部３１は、推定される炭素濃度の値に基づいて、鉄－炭素系平衡状態図で規定される固相線ＳＬ１に近づいていく度合を判断する。そして、コントローラ１３は、固相線接近度合判断部３１での判断結果に基づき、固相線ＳＬ１に近づいた状態となったときには、成形体の加熱温度を固相線ＳＬ１で規定される固相線温度に沿って低下させるように制御する。この制御が行われる場合は、成形体の加熱温度は、例えば、図３において破線の矢印ＣＬで示される経過を辿るようにして、固相線ＳＬ１で規定される固相線温度に沿って低下するように変更される。
なお、加熱工程Ｓ４において、成形体の加熱温度を固相線温度に沿って低下させるように変更する制御は、ある温度で浸炭が行われ浸炭が進むことで成形体の表面の炭素濃度が鉄－炭素系平衡状態図において高濃度の領域へと変化している状態であれば適用できる。第１の温度にて成形体を加熱して成形体の焼結が行われ、第２の温度にて成形体を加熱して成形体の浸炭が行われる際に、成形体の表面の炭素濃度の上昇に伴って、第２の温度を固相線温度に沿って低下させるように変更してもよい。また、第１の温度で焼結して第２温度で浸炭する場合の第２温度において適用する形態に限らず、１つの温度で焼結と浸炭とを同時に行う場合においても適用することができる。
（焼入れ工程）
焼入れ工程Ｓ５においては、加熱工程Ｓ４において成形体が加熱されることで形成された浸炭焼結体を冷却することにより、浸炭焼結体の焼入れが行われる。焼入れ工程Ｓ５は、例えば、前述した製造装置１を用いて実施される。より具体的には、製造装置１において、冷却装置１２が作動することで、焼入れ工程Ｓ５が実施される。
加熱工程Ｓ４にて成形体の加熱処理が行われることで浸炭焼結体が得られると、浸炭焼結体は、まず、焼入れ工程Ｓ５が開始される温度（焼入れが開始される温度）である焼入れ温度になるまで、自然冷却により空冷される。なお、焼入れ温度は、変態点以上の温度において、浸炭焼結体としての製品において求められる機械的強度及び表面硬さが得られるように適宜設定される。そして、浸炭焼結体の温度が、焼入れ温度まで低下すると、浸炭焼結体の温度が所定の時間に亘ってその焼入れ温度に保たれるように浸炭焼結体の加熱が行われ、浸炭焼結体の均熱が行われる。
浸炭焼結体の均熱化が図られると、焼入れ工程Ｓ５が行われる。焼入れ工程Ｓ５においては、焼入れ温度で均熱化された浸炭焼結体が冷却装置１２で冷却されることで、浸炭焼結体の焼入れが行われる。冷却装置１２では、冷媒通路ユニット３５と搬送トレイ１０１とで構成された冷媒の通路内で流動する冷媒に浸炭焼結体が浸漬された状態で浸炭焼結体が冷却され、浸炭焼結体の焼入れが行われる。焼入れ工程Ｓ５は、浸炭焼結体が所定の冷却完了温度に到達するまで継続される。浸炭焼結体が冷却完了温度に達すると、焼入れ工程Ｓ５が終了する。
（焼戻し工程）
焼戻し工程Ｓ６においては、焼入れ工程Ｓ５が終了した後、浸炭焼結体を所定の焼戻し温度まで加熱してその焼戻し温度で保持される。焼戻し工程Ｓ６は、浸炭焼結体の焼入れ硬さの調整と靭性の向上とを図るために行われる。なお、焼戻し温度は、浸炭焼結体において求められる硬さ及び靭性の水準に応じて適宜設定される。なお、浸炭焼結体の製造方法においては、焼戻し工程Ｓ６にかえて焼なまし工程或いは焼ならし工程が実施されてもよい。浸炭焼結体において、内部応力の除去、組織の軟化、及び切削性の向上が求められる場合には、焼なまし工程が行われる。また、浸炭焼結体において、組織の結晶粒を整粒化して機械的性質の改善及び切削性の向上が求められる場合には、焼ならし工程が行われる。
（加熱工程のヒートパターン例）
ここで、本実施形態の浸炭焼結体製造方法の加熱工程Ｓ４のヒートパターンの形態の例について第１～第５の例を挙げて説明する。図５（Ａ）は、加熱工程Ｓ４のヒートパターンの第１の例を示す図であり、図５（Ｂ）は、加熱工程Ｓ４のヒートパターンの第２の例を示す図である。図６（Ａ）は、加熱工程Ｓ４のヒートパターンの第３の例を示す図であり、図６（Ｂ）は、加熱工程Ｓ４のヒートパターンの第４の例を示す図である。図７は、加熱工程Ｓ４のヒートパターンの第５の例を示す図である。なお、各図の縦軸パラメータである温度とは、ワーク１００の温度を示している。
第１～第５の例のいずれにおいても、加熱工程Ｓ４が開始される前に、まず、室温から加熱工程Ｓ４における成形体の加熱温度に達するまで、成形体が加熱されて昇温される。なお、ここで、室温とは、製造装置１を用いて加熱工程Ｓ４が実施される屋内の温度であり、外部系から加熱も冷却も行われていない状態のことを指している。成形体が室温から加熱工程Ｓ４での加熱温度に達するまで昇温されると、加熱工程Ｓ４が行われる。加熱工程Ｓ４においては、第１～第５の例の各ヒートパターンにて成形体が加熱される。加熱工程Ｓ４での加熱処理が終了すると、加熱工程Ｓ４で成形体に加熱処理が施されたことで得られた浸炭焼結体が空冷される。そして、空冷された浸炭焼結体は、焼入れ温度である８５０℃に達すると、１分に亘って均熱される。そして、浸炭焼結体が８５０℃で１分間均熱された後、焼入れ工程Ｓ５が行われ、浸炭焼結体の焼入れが行われる。なお、焼入れ温度の８５０℃は、例示であり、焼入れ工程Ｓ５での焼入れ温度は、これに限定されない。以下、加熱工程Ｓ４のヒートパターンの第１～第５の例について説明する。
まず、図５（Ａ）に示すヒートパターンの第１の例について説明する。加熱工程Ｓ４における成形体を加熱する温度である所定の温度Ｔに達すると、加熱工程Ｓ４が開始される。ヒートパターンの第１の例では、加熱工程Ｓ４の全部の期間に亘って、一定の温度Ｔで成形体が加熱される。温度Ｔは、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度に設定される。そして、加熱工程Ｓ４の開始後は、加熱室２１内には、第１の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）のみが供給され、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスの雰囲気に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後のＮ２ガスでの雰囲気での加熱は、例えば、４分間に亘って行われる。この間、成形体は、Ｎ２ガスの雰囲気にて加熱され、成形体の焼結処理が行われる。
Ｎ２ガスの雰囲気での加熱時間（４分間）が経過すると、加熱室２１内には、第２の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気での加熱は、例えば、３．５分間に亘って行われる。この間、成形体は、浸炭雰囲気にて加熱され、成形体の浸炭処理が行われる。一定の温度Ｔにて７．５分間に亘って成形体を加熱する加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理と浸炭処理とが完了し、浸炭焼結体が得られる。加熱工程Ｓ４が終了すると、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
次に、図５（Ｂ）に示すヒートパターンの第２の例について説明する。加熱工程Ｓ４で成形体を加熱する温度である所定の温度Ｔに達すると、加熱工程Ｓ４が開始される。ヒートパターンの第２の例では、加熱工程Ｓ４の全部の期間に亘って、一定の温度Ｔで成形体が加熱される。温度Ｔは、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度に設定される。そして、加熱工程Ｓ４の開始後は、加熱室２１内には、Ｎ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。浸炭雰囲気での加熱は、例えば、７．５分間に亘って行われる。この間、成形体は、浸炭雰囲気にて加熱され、成形体の焼結処理と浸炭処理とが同時に行われる。一定の温度Ｔにて７．５分間に亘って浸炭雰囲気中で成形体を加熱する加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理及び浸炭処理が完了し、浸炭焼結体が得られる。加熱工程Ｓ４が終了すると、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
次に、図６（Ａ）に示すヒートパターンの第３の例について説明する。ヒートパターンの第３の例では、成形体が加熱工程Ｓ４の開始時の温度としての第１の温度である所定の温度Ｔ１まで加熱され、加熱工程Ｓ４が開始される。ヒートパターンの第３の例では、加熱工程Ｓ４の開始後は、まず、一定の温度Ｔ１で成形体が加熱される。温度Ｔ１は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度に設定され、例えば、１３５０℃に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱時には、加熱室２１内には、第１の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）のみが供給され、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスの雰囲気に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱であってＮ２ガスの雰囲気での加熱は、例えば、４分間に亘って行われる。この間は、成形体の焼結処理が行われる。
温度Ｔ１でＮ２ガスの雰囲気での加熱時間（４分間）が経過すると、成形体の加熱温度が温度Ｔ１から温度Ｔ１よりも低い温度としての温度Ｔ２へと変更される。具体的には、温度検出部２９で検出される成形体の温度が温度Ｔ２となるように加熱コイル２２の作動がコントローラ１３によって制御される。温度Ｔ２は、第１の温度である温度Ｔ１とは異なる第２の温度であり、温度Ｔ１よりも低い温度として設定される。温度Ｔ２は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度であり、例えば、１２００℃に設定される。成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、その後は、成形体の加熱温度は温度Ｔ２に維持される。また、成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、加熱室２１内には、第２の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。温度Ｔ２での加熱であってＮ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気での加熱は、例えば、３．５分間に亘って行われる。この間、成形体は、浸炭雰囲気にて加熱され、成形体の浸炭処理が行われる。温度Ｔ２にて３．５分間に亘って成形体が加熱されると、加熱工程Ｓ４が終了する。加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理と浸炭処理とが完了し、浸炭焼結体が得られる。その後、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
次に、図６（Ｂ）に示すヒートパターンの第４の例について説明する。ヒートパターンの第４の例では、成形体が加熱工程Ｓ４の開始時の温度としての第１の温度である所定の温度Ｔ１まで加熱され、加熱工程Ｓ４が開始される。ヒートパターンの第４の例では、加熱工程Ｓ４の開始後は、まず、一定の温度Ｔ１で成形体が加熱される。温度Ｔ１は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度に設定され、例えば、１１５０℃に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱時には、加熱室２１内には、第１の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）のみが供給され、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスの雰囲気に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱であってＮ２ガスの雰囲気での加熱は、例えば、４分間に亘って行われる。この間は、成形体の焼結処理が行われる。
温度Ｔ１でＮ２ガスの雰囲気での加熱時間（４分間）が経過すると、成形体の加熱温度が温度Ｔ１から温度Ｔ１よりも高い温度としての温度Ｔ２へと変更される。温度Ｔ２は、第１の温度である温度Ｔ１とは異なる第２の温度であり、温度Ｔ１よりも高い温度として設定される。温度Ｔ２は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度であり、例えば、１２００℃に設定される。成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、その後は、成形体の加熱温度は温度Ｔ２に維持される。また、成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、加熱室２１内には、第２の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。温度Ｔ２での加熱であってＮ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気での加熱は、例えば、３．５分間に亘って行われる。この間、成形体は、浸炭雰囲気にて加熱され、成形体の浸炭処理が行われる。温度Ｔ２にて３．５分間に亘って成形体が加熱されると、加熱工程Ｓ４が終了する。加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理と浸炭処理とが完了し、浸炭焼結体が得られる。その後、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
次に、図７に示すヒートパターンの第５の例について説明する。ヒートパターンの第５の例では、成形体が加熱工程Ｓ４の開始時の温度としての第１の温度である所定の温度Ｔ１まで加熱され、加熱工程Ｓ４が開始される。ヒートパターンの第５の例では、加熱工程Ｓ４の開始後は、まず、一定の温度Ｔ１で成形体が加熱される。温度Ｔ１は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度に設定され、例えば、１１５０℃に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱時には、加熱室２１内には、第１の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）のみが供給され、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスの雰囲気に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱であってＮ２ガスの雰囲気での加熱中は、成形体の焼結処理が行われる。
温度Ｔ１でＮ２ガスの雰囲気での加熱が所定の時間に亘って行われると、成形体の加熱温度が温度Ｔ１から温度Ｔ１よりも高い温度としての温度Ｔ２へと変更される。温度Ｔ２は、第１の温度である温度Ｔ１とは異なる第２の温度であり、温度Ｔ１よりも高い温度として設定される。温度Ｔ２は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度であり、成形体の加熱温度を温度Ｔ２へ変更した直後は、例えば、温度Ｔ２は、１２００℃に設定される。成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、加熱室２１内には、第２の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。温度Ｔ２での加熱であってＮ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気での加熱中は、成形体の浸炭処理が行われる。また、浸炭雰囲気であって温度Ｔ２での加熱時には、炭素濃度推定部３０と固相線接近度合判断部３１とを備えるコントローラ１３の制御に基づいて、成形体の表面の炭素濃度の上昇に伴い、成形体の加熱温度である温度Ｔ２が固相線温度に沿って低下するように変更される。温度Ｔ２で浸炭雰囲気での加熱が所定の時間に亘って行われると、加熱工程Ｓ４が終了する。加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理と浸炭処理とが完了し、浸炭焼結体が得られる。その後、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
［本実施形態の作用効果］
以上説明したように、本実施形態によると、加熱工程Ｓ４においては、鉄合金粉末を加圧成形した成形体を共晶温度以上で固相線温度未満の高温で加熱することで、成形体の焼結処理を行うことができる。なお、通常、焼結処理は、１０５０℃以上で行われることが多いが、本実施形態によると、共晶温度である１１５０℃以上で加熱されるため、短時間で焼結処理を行うことができる。また、本実施形態によると、加熱工程Ｓ４中の少なくとも一部の期間においては、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲の浸炭雰囲気中で成形体を加熱することで、成形体の浸炭処理を行うことができる。そして、加熱工程Ｓ４中に行われる浸炭処理においては、共晶温度未満で成形体が加熱されることがない。これにより、成形体の表面の炭素濃度が鉄－炭素系平衡状態図におけるＡｃｍ線にすぐに到達してセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）が析出して炭素拡散が律速してしまうことを防止でき、浸炭の進展が阻害されてしまうことを防止できる。更に、加熱工程Ｓ４中に行われる浸炭処理においては、共晶温度以上で固相線温度未満の高温で成形体が加熱されるため、成形体の表面から内部への炭素拡散を促進し、浸炭を進展させることができる。よって、本実施形態によると、焼結処理と浸炭処理とを１回の加熱工程で行って浸炭焼結体を製造することができる。更に、本実施形態によると、浸炭焼結体の製造において、原料である鉄合金粉末に添加物を混ぜる必要がなく、添加物のコストの低減と製造時間の短縮とを図ることができる。
また、本実施形態によると、オーステナイト単相領域、オーステナイト相及びδフェライト相の共存領域、及び、δフェライト単相領域のいずれにおいても焼結処理及び浸炭処理を行うことができる。
また、本実施形態によると、浸炭焼結体としての製品において求められる機械的強度及び表面硬さの仕様に応じた精密な焼結処理と浸炭処理とをできるように、加熱工程Ｓ４において、第１の温度と第２の温度とをそれぞれ設定することができる。即ち、求められる機械的強度の仕様に応じた焼結処理をできるように第１の温度及び第２の温度の一方を設定でき、求められる表面硬さの仕様に応じた浸炭処理をできるように第１の温度及び第２の温度の他方を設定できる。
また、本実施形態によると、加熱工程Ｓ４中の浸炭処理においては、成形体の表面の炭素濃度の上昇に伴って、成形体の加熱温度が固相線温度に沿って低下するように変更される。このため、固相線温度に近づくまで、極力、高温で浸炭処理を行うことができる。これにより、浸炭処理に要する時間を短くでき、浸炭焼結体の製造に要する時間を短縮することができる。
また、本実施形態によると、加熱工程Ｓ４の途中において、雰囲気ガスを第１の雰囲気ガスから第２の雰囲気ガスへと変更することで、加熱温度のパラメータとは別に浸炭処理の時間をコントロールすることができる。
次に、本実施形態の製造装置１を用いて、本実施形態の浸炭焼結体の製造方法を実施し、浸炭焼結体を製造した実施例について説明する。浸炭焼結体の製造方法の実施例においては、原料の鉄合金系粉末としては、鉄以外の組成として１．５％のモリブデン（Ｍｏ）と０．２５％の炭素（Ｃ）とを含んだ鉄合金粉末（ヘガネス社製Ａｓｔａｌｏｙ Ｍｏ＋０．２５％Ｃ）を用いた。また、浸炭焼結体の製造方法の実施例では、浸炭焼結体の歯車の製造を実施した。
図８は、本実施形態の浸炭焼結体の製造方法を実施した実施例での加熱工程Ｓ４のヒートパターンについて説明するための図である。浸炭焼結体の製造方法の実施例では、まず、室温から加熱工程Ｓ４の開始時の温度としての第１の温度である温度Ｔ１まで成形体を加熱して加熱工程Ｓ４を開始した。なお、成形体を温度Ｔ１まで加熱する途中において、１分間に亘って１０５０℃で均熱する予熱工程を設定した。加熱工程Ｓ４の開始後は、加熱室２１内の雰囲気を第１の雰囲気ガスとしてのＮ２ガスでの雰囲気に設定するとともに、第１の温度である温度Ｔ１でｔ１分間に亘って成形体を加熱した。これにより、成形体の焼結処理を行った。そして、加熱工程Ｓ４開始後ｔ１分経過すると、加熱室２１内の雰囲気を第２の雰囲気ガスとしてのＮ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定するとともに、成形体の加熱温度を温度Ｔ１から第２の温度である温度Ｔ２へと変更し、３．５分間に亘って加熱した。これにより、成形体の浸炭処理を行った。浸炭雰囲気中で温度Ｔ２で３．５分間に亘って成形体を加熱することで加熱工程Ｓ４が終了すると、加熱工程Ｓ４で得られた浸炭焼結体を途中９０５°での均熱区間を経て焼入れ温度である８５０℃まで空冷し、その後、焼入れ工程Ｓ５を行った。焼入れ工程Ｓ５の終了後は、２００℃にて６０分間に亘って焼き戻し工程Ｓ６を行った。
浸炭焼結体の製造方法の実施例としては、上記の加熱工程Ｓ４の条件を変更した実施例１と実施例２とを実施した。実施例１では、第１の温度である温度Ｔ１を１３００℃とし、温度Ｔ１での加熱時間ｔ１分を２分とした。実施例２では、第１の温度である温度Ｔ１を１２５０℃とし、温度Ｔ１での加熱時間ｔ１分を４分とした。なお、実施例１及び実施例２のいずれにおいても、第２の温度である温度Ｔ２は１２００℃とした。また、比較のために、焼結工程と浸炭工程とを別々の加熱工程にて実施する従来の浸炭焼結体の製造方法によって、比較例に係る浸炭焼結体の製造も実施した。
また、浸炭焼結体の製造方法の実施例の評価のため、実施例１及び実施例２のそれぞれにおいて製造した浸炭焼結体の断面について顕微鏡にて観察を行った。図９は、製造した浸炭焼結体の断面を示す顕微鏡写真である。顕微鏡での観察は、歯車としての浸炭焼結体の歯面と歯底とについて行った。なお、歯面は、相手側の歯車と噛み合う歯の輪郭の面であり、歯底は、隣り合う歯の間の溝の底の部分である。図９（Ａ）は、実施例１で製造した歯車の歯面の断面の顕微鏡写真であり、図９（Ｂ）は、実施例２で製造した歯車の歯面の断面の顕微鏡写真である。図９（Ｃ）は、実施例１で製造した歯車の歯底の断面の顕微鏡写真であり、図９（Ｄ）は、実施例２で製造した歯車の歯底の断面の顕微鏡写真である。
また、浸炭焼結体の製造方法の実施例の評価のため、実施例１と実施例２と比較例とについて、製造した浸炭焼結体の表面部分の硬さの測定も行った。図１０は、製造した浸炭焼結体の表面近傍における硬さ分布図である。なお、硬さ分布については、切断した試料の表面側から順次、試験荷重０．０５ｋｇｆとした微小硬さ（マイクロビッカース）を測定することにより求めた。また、硬さ分布の測定は、歯車としての浸炭焼結体の歯面と歯底とについて行った。図１０（Ａ）は、実施例１、実施例２、及び比較例についての歯面の表面部分の硬さ分布図である。図１０（Ｂ）は、実施例１、実施例２、及び比較例についての歯底の表面部分の硬さ分布図である。
顕微鏡観察の結果、図９の顕微鏡写真から分かるように、実施例１及び実施例２のいずれにおいても、焼結により形成された組織構造が全体的にむらなく形成されており、何ら問題なく焼結体が製造できていることが確認できた。
浸炭焼結体の表面部分の硬さについては、微小硬さ（マイクロビッカース）が５５０ＨＶ以上である有効硬化層深さが０．５ｍｍ以上であることが求められる製品について実施した。図１０（Ａ）に示す歯面の表面部分の硬さ分布によると、微小硬さが５５０ＨＶ以上である有効効果層深さは、実施例１で０．５２ｍｍであり、実施例２では、０．５３ｍｍであった。また、図１０（Ｂ）に示す歯底の表面部分の硬さ分布によると、微小硬さが５５０ＨＶ以上である有効効果層深さは、実施例１で０．６７ｍｍであり、実施例２では、０．６８ｍｍであった。このため、実施例１及び実施例２のいずれの歯面及び歯底においても、有効硬化層深さが０．５ｍｍ以上であることが確認できた。更に、焼結工程と浸炭工程とを別々の加熱工程にて実施する従来の浸炭焼結体の製造方法で製造した比較例と比較しても、同等の有効硬化層深さを確保できていることが確認できた。また、従来の特許文献１に開示された浸炭焼結体の製造方法で製造された浸炭焼結体の有効硬化層深さについては、特許文献１において開示されており、これと比較しても、同等の有効硬化層深さを確保できていることが確認できた。
上記の実施例から分かるように、本実施形態の浸炭焼結体の製造方法及び製造装置によると、従来の浸炭焼結体の製造方法で製造した浸炭焼結体と比較しても、焼結体の組織構造としても有効硬化層深さとしても全く遜色ない浸炭焼結体を製造できることが実証できた。そして、焼結処理と浸炭処理とを１回の加熱工程で行うことができるとともに、添加物を混ぜる必要がなく、添加物のコストの低減と製造時間の短縮とを図ることができる、浸炭焼結体の製造方法及び浸炭焼結体の製造装置を提供できることが実証できた。なお、特許文献１に開示された浸炭焼結体の製造方法によると、特許文献１の段落［００３６］に記載されているように、３０～３００分に亘る長時間の浸炭処理時間が必要となる。しかし、本実施形態の浸炭焼結体の製造方法及び製造装置によると、図８に示すように、非常に短時間で完了する加熱工程Ｓ４によって品質上全く遜色のない浸炭焼結体を製造できることが実証できた。
本発明は、浸炭焼結体の製造方法、及び浸炭焼結体の製造装置として、広く適用することができる。
１ 浸炭焼結体製造装置
１１ 加熱装置
１３ コントローラ
２１ 加熱室
２２ 加熱コイル
Ｓ２ 成形工程
Ｓ４ 加熱工程
ＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３ 固相線
（１）上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造方法は、鉄合金粉末を加圧成形して成形体を得る成形工程と、前記成形体を１２００℃より高温であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱工程と、を備え、前記加熱工程においては、当該加熱工程中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱が行われる。
（２）また、上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造方法は、鉄合金粉末を加圧成形して成形体を得る成形工程と、前記成形体を１２００℃より高温であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱工程と、を備え、前記加熱工程において、不活性ガスの雰囲気中で１２５０℃以上の温度で前記成形体を加熱して焼結し、以降は浸炭雰囲気中で前記成形体を加熱して浸炭する。
（３）前記固相線温度は、鉄－炭素系平衡状態図において、液相及びオーステナイト相の共存領域とオーステナイト単相領域との境界線と、液相及びδフェライト相の共存領域とオーステナイト相及びδフェライト相の共存領域との境界線と、液相及びδフェライト相の共存領域とδフェライト単相領域との境界線と、によって規定される温度である。
（４）前記加熱工程において、当該加熱工程の開始後は第１の温度にて前記成形体を加熱し、当該加熱工程の途中以降は前記第１の温度とは異なる第２の温度にて前記成形体を加熱する。
（５）また、上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造方法は、鉄合金粉末を加圧成形して成形体を得る成形工程と、前記成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱工程と、を備え、前記加熱工程においては、当該加熱工程中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱が行われ、前記加熱工程において、浸炭雰囲気中で前記成形体が加熱されて前記成形体の浸炭が行われる際に、前記成形体の表面の炭素濃度に基づいて、液相及びオーステナイト相の共存領域とオーステナイト単相領域との境界線として規定される固相線に近づいていく度合を判断し、その判断結果に基づいて、前記成形体の加熱温度を低下させるように変更する。
（６）前記加熱工程において、当該加熱工程の開始後は第１の雰囲気ガスでの雰囲気中で前記成形体を加熱し、当該加熱工程の途中以降は前記第１の雰囲気ガスとは異なる第２の雰囲気ガスでの雰囲気中で前記成形体を加熱する。
（７）上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造装置は、鉄合金粉末を加圧成形して得られる成形体を１２００℃より高温であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱装置を備え、前記加熱装置は、前記成形体の加熱期間中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱を行う。
（８）また、上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造装置は、鉄合金粉末を加圧成形して得られる成形体を１２００℃より高温であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱装置を備え、前記加熱装置は、不活性ガスの雰囲気中で１２５０℃以上の温度で前記成形体を加熱して焼結し、以降は浸炭雰囲気中で前記成形体を加熱して浸炭する。
（９）また、上記課題を解決するために、本発明のある局面に係わる浸炭焼結体の製造装置は、鉄合金粉末を加圧成形して得られる成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱装置を備え、前記加熱装置は、前記成形体の加熱期間中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱を行い、前記加熱装置は、浸炭雰囲気中で前記成形体を加熱して前記成形体の浸炭を行う際に、前記成形体の表面の炭素濃度に基づいて、液相及びオーステナイト相の共存領域とオーステナイト単相領域との境界線として規定される固相線に近づいていく度合を判断し、その判断結果に基づいて、前記成形体の加熱温度を低下させるように変更する。
温度Ｔ１でＮ２ガスの雰囲気での加熱時間（４分間）が経過すると、成形体の加熱温度が温度Ｔ１から温度Ｔ１よりも低い温度としての温度Ｔ２へと変更される。具体的には、温度検出部２９で検出される成形体の温度が温度Ｔ２となるように加熱コイル２２の作動がコントローラ１３によって制御される。温度Ｔ２は、第１の温度である温度Ｔ１とは異なる第２の温度であり、温度Ｔ１よりも低い温度として設定される。温度Ｔ２は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度である。成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、その後は、成形体の加熱温度は温度Ｔ２に維持される。また、成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、加熱室２１内には、第２の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。温度Ｔ２での加熱であってＮ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気での加熱は、例えば、３．５分間に亘って行われる。この間、成形体は、浸炭雰囲気にて加熱され、成形体の浸炭処理が行われる。温度Ｔ２にて３．５分間に亘って成形体が加熱されると、加熱工程Ｓ４が終了する。加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理と浸炭処理とが完了し、浸炭焼結体が得られる。その後、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
次に、図６（Ｂ）に示すヒートパターンの第４の例について説明する。ヒートパターンの第４の例では、成形体が加熱工程Ｓ４の開始時の温度としての第１の温度である所定の温度Ｔ１まで加熱され、加熱工程Ｓ４が開始される。ヒートパターンの第４の例では、加熱工程Ｓ４の開始後は、まず、一定の温度Ｔ１で成形体が加熱される。温度Ｔ１は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱時には、加熱室２１内には、第１の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）のみが供給され、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスの雰囲気に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱であってＮ２ガスの雰囲気での加熱は、例えば、４分間に亘って行われる。この間は、成形体の焼結処理が行われる。
温度Ｔ１でＮ２ガスの雰囲気での加熱時間（４分間）が経過すると、成形体の加熱温度が温度Ｔ１から温度Ｔ１よりも高い温度としての温度Ｔ２へと変更される。温度Ｔ２は、第１の温度である温度Ｔ１とは異なる第２の温度であり、温度Ｔ１よりも高い温度として設定される。温度Ｔ２は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度である。成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、その後は、成形体の加熱温度は温度Ｔ２に維持される。また、成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、加熱室２１内には、第２の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。温度Ｔ２での加熱であってＮ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気での加熱は、例えば、３．５分間に亘って行われる。この間、成形体は、浸炭雰囲気にて加熱され、成形体の浸炭処理が行われる。温度Ｔ２にて３．５分間に亘って成形体が加熱されると、加熱工程Ｓ４が終了する。加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理と浸炭処理とが完了し、浸炭焼結体が得られる。その後、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
次に、図７に示すヒートパターンの第５の例について説明する。ヒートパターンの第５の例では、成形体が加熱工程Ｓ４の開始時の温度としての第１の温度である所定の温度Ｔ１まで加熱され、加熱工程Ｓ４が開始される。ヒートパターンの第５の例では、加熱工程Ｓ４の開始後は、まず、一定の温度Ｔ１で成形体が加熱される。温度Ｔ１は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱時には、加熱室２１内には、第１の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）のみが供給され、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスの雰囲気に設定される。加熱工程Ｓ４の開始後の温度Ｔ１での加熱であってＮ２ガスの雰囲気での加熱中は、成形体の焼結処理が行われる。
温度Ｔ１でＮ２ガスの雰囲気での加熱が所定の時間に亘って行われると、成形体の加熱温度が温度Ｔ１から温度Ｔ１よりも高い温度としての温度Ｔ２へと変更される。温度Ｔ２は、第１の温度である温度Ｔ１とは異なる第２の温度であり、温度Ｔ１よりも高い温度として設定される。温度Ｔ２は、共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度である。成形体の加熱温度が温度Ｔ２へと変更されると、加熱室２１内には、第２の雰囲気ガスとしてＮ２ガス（不活性ガス）とＣＨ４ガス（炭化水素系ガス）とが供給される。これにより、加熱室２１内の雰囲気は、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気に設定される。温度Ｔ２での加熱であってＮ２ガスとＣＨ４ガスとが混合された状態のガスでの浸炭雰囲気での加熱中は、成形体の浸炭処理が行われる。また、浸炭雰囲気であって温度Ｔ２での加熱時には、炭素濃度推定部３０と固相線接近度合判断部３１とを備えるコントローラ１３の制御に基づいて、成形体の表面の炭素濃度の上昇に伴い、成形体の加熱温度である温度Ｔ２が固相線温度に沿って低下するように変更される。温度Ｔ２で浸炭雰囲気での加熱が所定の時間に亘って行われると、加熱工程Ｓ４が終了する。加熱工程Ｓ４が終了すると、成形体の焼結処理と浸炭処理とが完了し、浸炭焼結体が得られる。その後、浸炭焼結体は空冷され、次いで浸炭焼結体に対して焼入れ工程Ｓ５が行われる。
浸炭焼結体の製造方法の実施例としては、上記の加熱工程Ｓ４の条件を変更した実施例１と実施例２とを実施した。実施例１では、第１の温度である温度Ｔ１を１３００℃とし、温度Ｔ１での加熱時間ｔ１分を２分とした。実施例２では、第１の温度である温度Ｔ１を１２５０℃とし、温度Ｔ１での加熱時間ｔ１分を４分とした。また、比較のために、焼結工程と浸炭工程とを別々の加熱工程にて実施する従来の浸炭焼結体の製造方法によって、比較例に係る浸炭焼結体の製造も実施した。

Claims (6)

  1. 鉄合金粉末を加圧成形して成形体を得る成形工程と、
    前記成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱工程と、を備え、
    前記加熱工程においては、当該加熱工程中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱が行われることを特徴とする、浸炭焼結体の製造方法。
  2. 請求項１に記載の浸炭焼結体の製造方法であって、
    前記固相線温度は、鉄－炭素系平衡状態図において、液相及びオーステナイト相の共存領域とオーステナイト単相領域との境界線と、液相及びδフェライト相の共存領域とオーステナイト相及びδフェライト相の共存領域との境界線と、液相及びδフェライト相の共存領域とδフェライト単相領域との境界線と、によって規定される温度であることを特徴とする、浸炭焼結体の製造方法。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の浸炭焼結体の製造方法であって、
    前記加熱工程において、当該加熱工程の開始後は第１の温度にて前記成形体を加熱し、当該加熱工程の途中以降は前記第１の温度とは異なる第２の温度にて前記成形体を加熱することを特徴とする、浸炭焼結体の製造方法。
  4. 請求項１又は請求項２に記載の浸炭焼結体の製造方法であって、
    前記加熱工程において、浸炭雰囲気中で前記成形体が加熱されて前記成形体の浸炭が行われる際に、前記成形体の表面の炭素濃度の上昇に伴って、前記成形体の加熱温度を前記固相線温度に沿って低下させるように変更することを特徴とする、浸炭焼結体の製造方法。
  5. 請求項１又は請求項２に記載の浸炭焼結体の製造方法であって、
    前記加熱工程において、当該加熱工程の開始後は第１の雰囲気ガスでの雰囲気中で前記成形体を加熱し、当該加熱工程の途中以降は前記第１の雰囲気ガスとは異なる第２の雰囲気ガスでの雰囲気中で前記成形体を加熱することを特徴とする、浸炭焼結体の製造方法。
  6. 鉄合金粉末を加圧成形して得られる成形体を共晶温度以上であって且つ固相線温度未満の温度範囲で加熱することにより、前記成形体の焼結及び浸炭を行う加熱装置を備え、
    前記加熱装置は、前記成形体の加熱期間中の少なくとも一部の期間において浸炭雰囲気中で前記成形体の加熱を行うことを特徴とする、浸炭焼結体の製造装置。
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