JP5477846B2

JP5477846B2 - 鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法

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Publication number: JP5477846B2
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Inventors: 力大木
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Description

本発明は鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法に関し、より特定的には、二酸化炭素の排出量を低減することが可能な鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法に関するものである。

鋼に対して焼入などの熱処理を実施する目的で鋼を高温、たとえばオーステナイト化温度（Ａ_１点）以上の温度域に加熱する場合、その雰囲気にはＲＸガスなどの吸熱型変成ガスが用いられることが多い。吸熱型変成ガスは、ブードア反応等により、鋼表面の炭素量を制御することが可能なガスである。この吸熱型変成ガスは、高温(例えば１０５０℃程度)でＮｉ触媒の存在下において炭化水素ガスと空気とを混合させることにより発生させることができる。実際に用いられている炭化水素ガスは、メタン（ＣＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、あるいはこれらの混合ガスである。たとえばＣ_３Ｈ_８を用いた場合、一酸化炭素（ＣＯ）の体積分率が２３．７％、水素（Ｈ_２）の体積分率が３１．６％、窒素（Ｎ_２）の体積分率が４４．６％の吸熱型変成ガスが理論上得られる（たとえば、非特許文献１参照)。

吸熱型変成ガスは炭素の移行係数が高いため、浸炭処理や浸炭窒化処理の様に鋼中の炭素濃度を上昇させる必要がある場合には有効な雰囲気ガスである。しかし、鋼中の炭素濃度を上昇させる必要がなく、脱炭が抑制されればよい場合、具体的にはたとえば中炭素鋼や高炭素鋼のように鋼が十分な炭素を含有している場合には、雰囲気ガスとして吸熱型変成ガスを採用することによるメリットは特に存在しない。そして、このような場合に雰囲気ガスとして吸熱型変成ガスを採用すると、熱処理において消費されなかったＣＯガスの燃焼が実施されて二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスが発生し、大気中に排出される。また、吸熱型変成ガスの製造には、それに対応した設備、工数、エネルギーを要する。そのため、鋼中の炭素濃度を上昇させる必要がない場合、雰囲気ガスとして吸熱型変成ガスを採用することは好ましいとはいえない。

これに対し、吸熱型変成ガスを用いることなく、窒素ガスを雰囲気の主要成分とした熱処理方法が提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。具体的には、特許文献１においては、脱炭を防ぐために窒素ガスに水素ガスを添加し、水素ガス濃度を独自の範囲内に制御する方法が提案されている。また、特許文献２においては、窒素ガスに２重結合を有する炭化水素系ガスを１〜２％添加することによって、脱炭を防止する方法が提案されている。

特開平１１−８０８３１号公報特開平８−１２７８１４号公報

原泰三、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

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、以下の式（１）の反応による脱炭が考慮されていないことから、所定のＨ_２濃度の範囲において脱炭が発生するという問題がある。また、特許文献２に記載の方法では、雰囲気における炭素の活量が１を超えてしまうことから、熱処理炉内にススが発生する。発生したススは、設備の早期故障の発生や、スス払いのための工数増加の原因となる。

２Ｈ_２＋[Ｃ]⇔ＣＨ_４・・・（１）
そこで、本発明の目的は、脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を抑制することが可能な鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法を提供することである。

本発明の参考例における鋼の熱処理方法は、鋼からなる被処理物を熱処理炉内に装入する工程と、被処理物を熱処理温度に加熱して熱処理を実施する工程とを備えている。そして、熱処理を実施する工程では、酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整された窒素雰囲気中において被処理物が加熱される。

本発明者は、鋼からなる被処理物の熱処理のための加熱を窒素雰囲気中において実施することを前提に、窒素中に存在する酸素濃度と脱炭の発生との関係を調査した。その結果、窒素中の酸素濃度を１×１０^−２０体積％以下とすることにより、脱炭の発生を回避できることが明らかとなった。

上記参考例における鋼の熱処理方法においては、ＣＯの燃焼が必要ないため、雰囲気ガスとして吸熱型変成ガスを採用する場合に比べて二酸化炭素の排出を大幅に抑制することができる。また、雰囲気中の炭素の活量が１を超えることも無いため、ススの発生も大幅に抑制することができる。そして、雰囲気を構成する窒素中の酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整されるため、脱炭の発生も抑制することができる。以上のように、本発明の一の局面における鋼の熱処理方法によれば、脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を抑制することが可能な鋼の熱処理方法を提供することができる。

本発明の他の局面における鋼の熱処理方法は、鋼からなる被処理物を熱処理炉内に装入する工程と、被処理物を熱処理温度に加熱して熱処理を実施する工程とを備えている。熱処理を実施する工程では、窒素と水素と炭化水素とを含み、残部酸素を含む不純物からなる雰囲気中において被処理物が加熱される。また、熱処理を実施する工程では、酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整される。さらに、熱処理を実施する工程では、雰囲気中における炭素の活量が、鋼の母材における炭素濃度を上記熱処理温度における鋼の炭素の固溶限濃度で除した値以上、１以下の値に制御される。

上述のように、窒素中の酸素濃度を１×１０^−２０体積％以下にまで低減することにより、脱炭を抑制することができる。しかし、熱処理において供給される窒素が、液体窒素を原料とするような高純度のものであれば、上記酸素濃度を達成することは容易であるが、たとえばＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；圧力スイング吸着）法などによる空気分離により製造される一般的な純度の窒素には、０．０１体積％程度の酸素が含まれる。これに対し、本発明者は以下のような方策により、上記一般的な純度の窒素が供給される場合において、本発明の課題を解決する手段を見出した。

すなわち、酸素を含む窒素中に水素を添加することにより、以下の式（２）の平衡反応を右辺側に進行させ、酸素濃度を低減することができる。

Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２⇔Ｈ_２Ｏ・・・（２）
しかしながら、水素を添加した場合、以下の式（１）の平衡反応が右辺側に進行し、脱炭が発生する可能性がある。一方、雰囲気中のメタンの濃度を制御して炭素の活量を脱炭の発生しない範囲に調整することにより、脱炭を回避することができる。より具体的には、炭素の活量が、鋼の母材における炭素濃度を熱処理温度における鋼の炭素の固溶限濃度で除した値である場合、鋼の表面における炭素濃度は変化しない。また、炭素の活量が当該値を超える場合、鋼の表面において浸炭が発生するが、通常、浸炭の発生は問題とならない。しかし、炭素の活量が１を超えるとススの発生が問題となる。したがって、炭素の活量は１以下とする必要がある。

２Ｈ_２＋[Ｃ]⇔ＣＨ_４・・・（１）
本発明の他の局面における鋼の熱処理方法においては、ＣＯの燃焼が必要ないため、雰囲気ガスとして吸熱型変成ガスを採用する場合に比べて二酸化炭素の発生を大幅に抑制することができる。また、雰囲気中の炭素の活量が１を超えることも無いため、ススの発生も大幅に抑制することができる。そして、雰囲気中における炭素の活量が、鋼の母材における炭素濃度を上記熱処理温度における鋼の炭素の固溶限濃度で除した値以上に制御されるため、脱炭の発生も抑制することができる。また、雰囲気中に水素を添加することにより、一般的な純度の窒素ガスを雰囲気の形成に使用することができる。以上のように、本発明の他の局面における鋼の熱処理方法によれば、脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を抑制することが可能な鋼の熱処理方法を提供することができる。

上記本発明の鋼の熱処理方法においては、鋼の炭素含有量は０．５質量％以上であり、上記熱処理は焼入硬化処理であってもよい。

脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を抑制することが可能な本発明の鋼の熱処理方法は、浸炭を実施することなく十分な焼入硬化処理を実施することが可能な０．５質量％以上の炭素を含有する鋼の焼入硬化処理に好適である。

本発明に従った機械部品の製造方法は、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、上記熱処理は、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、上記本発明の鋼の熱処理方法が採用されることにより、脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を抑制することが可能な機械部品の製造方法を提供することができる。

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。脱炭が抑制されつつ熱処理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、耐久性の向上だけでなく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。

脱炭が抑制されつつ熱処理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、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および機械部品の製造方法によれば、脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を抑制することが可能な鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態におけ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におけ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におけ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。酸素濃度と炭素変化量との関係を示す図である。水素濃度と炭素変化量との関係を示す図である。式（１）の平衡反応における平衡定数を導出するための図である。炭素の活量を変化させた場合の水素濃度と炭素変化量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のほか、環境への負荷の低減が求められる。そのため、これらのうち少なくとも１つが脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出が抑制されつつ熱処理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、十分な耐久性を有する深溝玉軸受１を得ることができる。

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のほか、環境への負荷の低減が求められる。そのため、これらのうち少なくとも１つが脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出が抑制されつつ熱処理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、十分な耐久性を有するスラストニードルころ軸受２を得ることができる。

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には転動疲労強度や耐摩耗性などの耐久性のほか、環境への負荷の低減が求められる。そのため、これらのうち少なくとも１つが脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出が抑制されつつ熱処理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、十分な耐久性を有する等速ジョイント３を得ることができる。

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、機械構造用炭素鋼（Ｓ５３Ｃなど）、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２、ＳＵＪ３など）などの炭素含有量０．５質量％以上の鋼からなる棒鋼、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光輝焼入処理（光輝熱処理）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）として実施される加熱工程、および工程（Ｓ４０）として実施される冷却工程を含んでいる。この熱処理工程の詳細については後述する。

次に、工程（Ｓ５０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、上記熱処理が実施されることにより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。

次に、工程（Ｓ６０）として、焼入硬化処理および焼戻処理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、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（Ｓ７０）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。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、工程（Ｓ１０）において準備された被処理物としての鋼部材が熱処理炉内に装入される。

次に、工程（Ｓ３０）として加熱工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、被処理物である鋼部材が、光輝焼入処理を実施するためにＡ_１変態点以上の温度に加熱される。このとき、熱処理炉内は、酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整された窒素雰囲気とされる。雰囲気を構成する窒素としては、たとえば液体窒素を原料とする高純度の窒素が供給される。

次に、工程（Ｓ４０）として冷却工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）においてＡ_１変態点以上の温度に加熱された鋼部材が、たとえば油中に浸漬されてＭ_Ｓ点以下の温度に急冷されることにより、焼入硬化される。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。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、本実施の形態における熱処理工程においては、工程（Ｓ３０）における鋼部材の加熱の際に、吸熱型変成ガスではなく、酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整された窒素が雰囲気ガスとして用いられる。そのため、熱処理炉から排出されるガスに含まれるＣＯの燃焼が必要なく、二酸化炭素の排出量が大幅に抑制されている。また、雰囲気中の炭素の活量が１を超えることも無いため、ススの発生も大幅に抑制されている。そして、雰囲気を構成する窒素中の酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整されているため、脱炭の発生も抑制されている。その結果、二酸化炭素の排出量を大幅に低減しつつ、被処理物である鋼部材に対する光輝焼入処理が達成されている。このように、本実施の形態における熱処理工程（鋼の熱処理方法）によれば、脱炭およびススの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を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における機械部品の製造方法および当該製造方法に熱処理工程として含まれる鋼の熱処理方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、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（Ｓ３０）として実施される加熱工程における雰囲気ガスの組成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（Ｓ３０）では、窒素と水素と炭化水素とを含み、残部酸素を含む不純物からなる雰囲気中において鋼部材が加熱され、酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整される。そして、工程（Ｓ３０）では、雰囲気中における炭素の活量が、鋼部材を構成する鋼の母材における炭素濃度を熱処理温度（加熱温度）における当該鋼の炭素の固溶限濃度で除した値以上、１以下の値に制御される。雰囲気を構成する窒素としては、たとえばＰＳＡ法などによる空気分離により製造される一般的な純度の窒素が供給される。

本実施の形態における熱処理工程においては、雰囲気中に水素を導入して酸素濃度の低減を容易にするとともに、水素の添加により生じ得る脱炭を炭素の活量の制御により抑制している。これにより、高価な高純度の窒素を使用することなく、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。

窒素雰囲気中において鋼を加熱して焼入硬化処理する場合における、雰囲気中の酸素濃度と被処理物の炭素の変化量との関係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。

実験は、バッチ型熱処理炉(容積：１２０Ｌ)を用いて試験片を加熱し、その後に油焼入を施すものとした。加熱温度は８５０℃、熱処理炉内の圧力は１．０５ａｔｍ、雰囲気ガスの総流量は１１．５Ｌ／ｍｉｎでそれぞれ一定とした。雰囲気を構成する窒素および酸素は、それぞれボンベからマスフローコントローラーを介して流量を制御しながら供給した。極微量の酸素を制御する場合には微量酸素を含む窒素ガスボンベを用意し、それを更に窒素で希釈することによって所望の酸素濃度を実現させた。酸素濃度の管理にはジルコニア式酸素センサーを用いた。試験片には、同一ロットのＪＩＳ規格Ｓ５５Ｃを直径φ５０ｍｍ、厚みｔ４ｍｍの円盤状に加工したものを採用した。

そして、この試験片を種々の酸素濃度の窒素雰囲気中で０．５〜２時間加熱した後、急冷することにより焼入硬化処理した。さらに、焼入後の試験片中央部を切断し、切断面をＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｉｓ）にて線分析することにより、鋼中の炭素の変化量を調査した。ここで、加熱時間を２ｈ（時間）以下に設定したのは、浸炭処理や浸炭窒化処理を施さない場合、これ以上の加熱時間が必要ないのが一般的だからである。

次に、図７を参照して実験結果について説明する。図７において、横軸は雰囲気中の酸素濃度であり、縦軸は試験片の単位面積あたりからの炭素の侵入および離脱量（炭素変化量）である。炭素変化量の値がマイナスの値であれば、鋼中の炭素が減少していること、すなわち脱炭が生じたことを示している。また、図７において、丸印は加熱時間が０．５時間の場合、三角印は加熱時間が１時間の場合、四角印は加熱時間が２時間の場合を示している。

図７を参照して、酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下の場合、および１×１０^−４体積％以上の場合においては、炭素化量が小さい。一方、酸素濃度が１×１０^−１４〜５×１０^−１９体積％の範囲では、炭素量の減少が顕著であった。ここで、５×１０^−１０体積％以上の酸素濃度の下では、試験片におけるスケールの発生が顕著であったが、酸素濃度が１×１０^−１４体積％以下の場合、スケールの発生は認められなかった。つまり、スケールが発生せず、かつ酸素濃度がある値以上の場合において、炭素量の減少、すなわち脱炭が多くなるものと考えられる。

上記結果によれば、酸素濃度を１×１０^−４体積％以上にすることにより、脱炭を抑制することができるが、当該条件を実際の製品に適用した場合、スケールを除去する工程(例えばショットピーニングなど)が必要となる。そのため、当該条件は、鋼の熱処理方法においては効率的な条件とはいえない。これに対し、酸素濃度を１×１０^−２０体積％以下にした窒素雰囲気の場合、スケールは発生せず、かつ脱炭を抑制することができる。また、この場合、ＣＯの燃焼が必要ないため、二酸化炭素の排出も抑制することができる。さらに、雰囲気中の炭素の活量が１を超えることも無いため、ススの発生も抑制することができる。このように、酸素濃度を１×１０^−２０体積％以下にした窒素雰囲気において熱処理（焼入硬化処理）を実施することにより、脱炭、ススの発生およびスケールの発生を抑制し、かつ二酸化炭素の排出を抑制することができる。

窒素に水素を添加した雰囲気中において鋼を加熱して焼入硬化処理する場合における、雰囲気中の水素濃度と被処理物の炭素の変化量との関係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。

実験の手順は基本的には上記実施例１の場合と同様とした。ここで、水素は、上記窒素および酸素と同様に、ボンベからマスフローコントローラーを介して流量を制御しながら供給した。また、水素濃度の管理には熱伝導式水素センサー、メタン濃度の管理にはガスクロマトグラフィーを用いた。そして、酸素濃度が５×１０^−２２体積％以下に維持された種々の水素濃度の窒素雰囲気中で、試験片を２時間加熱した後、急冷することにより焼入硬化処理した。さらに、焼入後の試験片中央部を切断し、切断面を上記実施例１の場合と同様にＥＰＭＡにて線分析することにより、鋼中の炭素の変化量を調査した。

次に、図８を参照して実験結果について説明する。図８において、横軸は雰囲気中の水素濃度であり、縦軸は試験片の単位面積あたりからの炭素の侵入および離脱量（炭素変化量）である。

図８を参照して、水素濃度が２０体積％以下の範囲では脱炭は認められないものの、４０体積％以上では脱炭の発生が確認される。また、脱炭が発生した条件においては、ガスクロマトグラフィーによる分析の結果、雰囲気中にメタンを添加していないにも関わらず、メタンの存在が確認された。このことから、水素ガスを添加することにより窒素中の酸素濃度を低減する場合、鋼中の炭素がメタンとして離脱することによる脱炭の発生への対策が必要であることが確認される。

上記実施例２において確認された脱炭は、以下の式（１）の平衡反応が右辺側に進行することにより発生すると考えられる。

２Ｈ_２＋[Ｃ]⇔ＣＨ_４・・・（１）
したがって、この反応の平衡定数が分かれば、メタン濃度を制御することにより、熱処理炉内の水素濃度が高くても脱炭を防ぐことが可能であると考えられる。そこで、まず上記式（１）の平衡反応の平衡定数を算出する実験を行なった。試験片には純鉄薄膜(厚み１００μｍ)を用い、加熱温度は８５０℃、熱処理炉内の圧力は１．０５ａｔｍ、ガスの総流量は１１．５Ｌ／ｍｉｎ、加熱保持時間は２時間とし、メタン濃度と水素濃度とを変化させて、焼入後の鋼中の炭素濃度を調査した。鋼中の炭素濃度はＥＰＭＡにより調査した。実験の結果を図９に示す。

図９において、横軸はメタンのモル数（[ＣＨ_４]）を水素のモル数（[Ｈ_２]）の二乗で除した値を示しており、縦軸は炭素濃度を示している。また、図中の破線は、加熱温度である８５０℃における純鉄の炭素の固溶限濃度（１．０６質量％）を示している。つまり、横軸の値の増加に伴って縦軸の値が増加している領域におけるプロットを結ぶ直線と、図中の破線との交点が、式（１）の平衡反応の平衡定数である。したがって、図９から、式（１）の平衡反応の平衡定数は、約０．０２５であることが分かる。

次に、窒素に水素を添加した雰囲気中において鋼を加熱して焼入硬化処理する場合における、雰囲気中の水素濃度と被処理物の炭素の変化量との関係を、炭素の活量０．４、０．７および０．９の３水準において調査する実験を行なった。実験の手順は基本的には上記実施例１および２の場合と同様とした。ここで、活量を調整するためのメタンは、窒素等と同様に、ボンベからマスフローコントローラーを介して流量を制御しながら供給した。また、メタン濃度の管理にはガスクロマトグラフィーを用いた。実験結果を図１０に示す。

図１０において、横軸は水素濃度、縦軸は炭素変化量を示している。また、図１０において菱形印は炭素の活量０．４狙い、四角印は炭素の活量０．７狙い、三角印は炭素の活量０．９狙いの結果を示している。さらに、実施例２においてメタンを添加せずに実施した実験の結果についても丸印（活量狙い値なし）で図１０に表示した。

図１０を参照して、炭素の活量の狙い値を０．４に設定した場合、水素濃度７０体積％において僅かに脱炭が発生した。これはＪＩＳ規格Ｓ５５Ｃの固溶限炭素濃度を１．０６質量％とすると、平衡時には試験片表面の炭素濃度が０．４×１．０６＝０．４２４質量％となり、母材中の炭素濃度０．５５質量％よりも若干少なくなるためである。炭素の活量の狙いを０．７あるいは０．９とした場合、脱炭の発生は認められず、むしろ若干の浸炭の発生が確認される。これは、これはＪＩＳ規格Ｓ５５Ｃの固溶限炭素濃度を１．０６質量％とすると、平衡時には試験片表面の炭素濃度がそれぞれ０．７４２、０．９５４質量％となり、母材中の炭素濃度よりも高くなるためである。つまり、Ｓ５５Ｃの場合、母材中の炭素濃度が０．５５質量％であるため、炭素の活量の狙い値を０．５５／１．０６＝０．５２にすれば脱炭も浸炭も生じず、炭素の変化量は０となる。

本実験では、試験片を構成する鋼としてＪＩＳ規格Ｓ５５Ｃを採用したため、この様な結果になったが、この結果は他の鋼種についてもあてはまる。たとえば過共析鋼をオーステナイトとセメンタイトとの２相域で加熱する場合、母材中(オーステナイト中)の炭素濃度はその温度での固溶限濃度に等しいため、炭素の活量を０．７にすれば若干の脱炭が生じ、１にすれば脱炭が生じなくなる。なお、炭素の活量が１より大きくなれば原理的にススが発生し、問題となる。

このように、加熱後の鋼中炭素の変化量を０にする炭素の活量は、母材の炭素濃度と加熱温度における炭素の固溶限濃度によって変化する。そして、通常、浸炭の発生は問題とならないことを考慮すると、窒素中の酸素を低減する目的で水素を添加する場合、炭素の活量の狙い値は、鋼の母材における炭素濃度を熱処理温度における鋼の炭素の固溶限濃度で除した値以上、１以下の値とすればよいものと考えられる。

なお、図１０において水素濃度が低いほど炭素の変化量は少なくなっている。この原因は、水素濃度が低いほど炭素移行係数が小さいため、平衡濃度に至るまでに要する時間が長いためであると考えられる。

上記実施例においては、ＪＩＳ規格Ｓ５５Ｃが焼入硬化処理される場合を説明したが、本発明の鋼の熱処理方法が適用可能な範囲はこれに限られない。本発明は、脱炭を抑制しつつ鋼を加熱する必要がある種々の鋼の熱処理、特に炭素含有量が０．５質量％以上である鋼の焼入硬化処理に、有効である。

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および機械部品の製造方法は、二酸化炭素の排出量を低減することが求められる鋼の熱処理方法および機械部品の製造方法に、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

鋼からなる被処理物を熱処理炉内に装入する工程と、
前記被処理物を熱処理温度に加熱して熱処理を実施する工程とを備え、
前記熱処理を実施する工程では、
窒素と水素と炭化水素とを含み、残部酸素を含む不純物からなる雰囲気中において前記被処理物が加熱され、
酸素濃度が１×１０^−２０体積％以下に調整され、
前記雰囲気中における炭素の活量が、前記鋼の母材における炭素濃度を前記熱処理温度における前記鋼の炭素の固溶限濃度で除した値以上、１以下の値に制御される、鋼の熱処理方法。
前記鋼の炭素含有量は０．５質量％以上であり、
前記熱処理は焼入硬化処理である、請求項１に記載の鋼の熱処理方法。
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。