JP6168008B2 - 鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の表面に部分的に処理ガスの元素を好適に固溶拡散することができる鋼材の製造方法に関する。

従来から、鋼材の表面の耐久性等を向上させるため、処理ガスを用いて鋼材に浸炭処理、浸窒処理、または、浸炭浸窒処理などが施されている。これらの処理では、加熱された鋼材の表面に処理ガスを接触させることにより、処理ガスの元素を鋼材の処理表面からその表層に固溶拡散させている。

ここで、鋼材の表層全体にこれらの処理を行うことは容易であるが、鋼材の一部の表層にこれらの処理を行うことは容易ではない。このような点を鑑みて、例えば、特許文献１には、その一例として歯車の浸炭方法が提案されている。ここでは、歯車の歯形部の歯先の曲面を非処理表面として防炭材の粒子を吹き付けることにより、防炭材を歯先の曲面に付着させ、この状態で歯先の曲面を除いた処理表面を浸炭ガス(処理ガス）で浸炭処理し、その後、歯先の曲面から防炭材を除去している。これにより、歯車の歯形部の歯先の曲面の炭素固溶量を低減することができる。

特開平１１−２１７６２６号公報

しかしながら、特許文献１のような技術では、浸炭処理の場合には防炭材などの防処理材を用いるので、鋼材の非処理表面に処理ガスの元素の固溶拡散を防止または低減することができるが、この方法では防処理材を鋼材の表面に付着しその後除去しなければならず、これらの作業は煩雑なものであり、多大な時間がかかってしまう。これにより製造コストが高くなる。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、煩雑な作業を要することなく安価に、鋼材の非処理表面への処理ガスの元素の固溶拡散を抑えつつ、鋼材の処理表面の表層に所望の量の処理ガスの元素を固溶拡散することができる鋼材の製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る鋼材の製造方法は、加熱された鋼材の表面の一部である処理表面に処理ガスを接触させることにより、前記処理ガスの元素を前記鋼材の処理表面からその表層に固溶拡散する鋼材の製造方法であって、前記鋼材は、前記処理表面に隣接する非処理表面を有しており、前記鋼材の製造方法は、前記処理表面に処理ガスを接触させることにより、前記処理ガスの元素を前記鋼材の処理表面からその表層に固溶拡散させるとともに、前記処理表面の近傍の処理ガスの濃度よりも前記非処理表面の近傍の処理ガスの濃度が低くなるように、前記処理ガスを熱分解することを特徴とする。

本発明によれば、処理ガスを熱分解することにより、非処理表面の近傍の処理ガスの濃度を、処理表面の近傍の処理ガスの濃度よりも低くする。これにより、非処理表面からの処理ガスの元素の固溶を抑えつつ、処理表面から処理ガスの元素を固溶させ、その表層に拡散させることができる。また、非処理表面からの元素の固溶量は、処理表面からの元素の固溶量に比べて少ない。このような結果、煩雑な作業を要することなく安価に、鋼材の非処理表面への処理ガスの元素の固溶拡散を抑え、鋼材の処理表面の表層に所望の量の処理ガスの元素を固溶拡散することができる。

ここで、本発明でいう「処理表面」とは、鋼材の表面のうち所望の特性を得るべく、処理ガスを接触させて、その内部（表層）に処理ガスの元素を固溶拡散させるための表面である。一方、本発明でいう「非処理表面」とは、鋼材の表面のうち処理表面に隣接した表面であり、処理表面よりも処理ガスの元素の固溶量が低い表面のことをいう。したがって、非処理表面は、処理ガスの元素が全く固溶しない表面に限定されるものではない。

また、本発明でいう「鋼材の製造方法」とは、処理ガスの元素を鋼材の表面からその表層に固溶拡散させることを少なくとも含むものであり、この前工程に、鋼材の熱間鍛造加工、機械加工などの加工工程、プレス成形などの成形工程等をさらに含んでいてもよい。

上述した処理ガスを熱分解する方法としては、たとえば、処理ガスの元素を固溶拡散するための熱を利用して、金属触媒で処理ガスを熱分解する方法などを挙げることができる。しかしながら、より好ましい態様としては、前記鋼材への前記元素の固溶拡散を加熱炉内で行い、前記処理ガスの熱分解を熱分解用ヒータで行うものであり、該熱分解用ヒータが前記加熱炉内の前記鋼材の前記非処理表面に対向するように、前記熱分解用ヒータを前記加熱炉内に配置し、前記非処理表面の近傍の処理ガスを前記熱分解用ヒータで熱分解する。

この態様によれば、加熱炉内に配置された鋼材の非処理表面の対向する位置に、熱分解用ヒータが配置されるので、鋼材の非処理表面近傍の処理ガスは熱分解用ヒータで熱分解される。これにより、鋼材の非処理表面近傍の処理ガスの濃度を、処理表面のものよりも低くすることができる。このような結果、鋼材の非処理表面からの処理ガスの元素の固溶拡散を抑えつつ、鋼材の処理表面の表層に所望の量の元素を固溶拡散させることができる。

また、別の態様としては、前記鋼材への前記元素の固溶拡散を加熱炉内で行い、前記処理ガスの熱分解を熱分解用ヒータで行うものであり、該熱分解用ヒータで前記加熱炉内の空間を処理空間と非処理空間とに区画するように、前記熱分解用ヒータを前記加熱炉内に配置し、前記鋼材の前記処理表面を前記処理空間に配置し、前記鋼材の前記非処理表面を前記非処理空間に配置し、前記処理空間に前記処理ガスを流すとともに、前記処理空間から前記非処理空間に向かう処理ガスを、前記熱分解用ヒータで熱分解する。

この態様によれば、処理空間から非処理空間に処理ガスが流入する際に、熱分解用ヒータで分解されるため、非処理空間の処理ガスの濃度を、処理空間の処理ガスの濃度よりも低い状態に維持することができる。これにより鋼材の非処理表面からの処理ガスの元素の固溶拡散を抑えつつ、鋼材の処理表面の表層に所望の量の元素を固溶拡散させることができる。

より好ましい態様としては、前記加熱炉内への前記処理ガスの供給を行う工程と、前記加熱炉内への処理ガスの供給を中断するとともに前記加熱炉内から処理ガスを排出する工程と、を繰り返しながら、前記鋼材への前記元素の固溶拡散を前記加熱炉内で行う。

この態様によれば、前記加熱炉内への前記処理ガスの供給を行う工程では、鋼材の処理表面から処理ガスの元素が固溶する。前記加熱炉内への処理ガスの供給を中断するとともに前記加熱炉内から処理ガスを排出する工程では、処理ガスの固溶は制限され鋼材は加熱された状態にあるので、一旦固溶した元素の拡散を促進することができる。

このような結果、処理ガスの元素の固溶と拡散を繰り返し、処理表面からその表層に、処理ガスの元素を固溶拡散することができる。一方、非処理表面から処理ガスの元素が僅かに固溶する度に、非処理表面からその内部に拡散するので、非処理表面の表層の元素の含有量を低減することができる。

さらに、より好ましい態様としては、前記加熱炉内への処理ガスの供給を中断するとともに前記加熱炉内から処理ガスを排出する工程において、前記熱分解用ヒータの加熱を中断する。この態様によれば、熱分解用ヒータにより鋼材の非処理表面が連続して加熱されることがないので、鋼材の非処理表面を含む部分の熱影響を低減することができる。

本発明によれば、煩雑な作業を要することなく安価に、鋼材の非処理表面への処理ガスの元素の固溶拡散を抑えつつ、鋼材の処理表面の表層に所望の量の処理ガスの元素を固溶拡散することができる。

本発明の第１実施形態に係る鋼材の製造方法を好適に実施するため浸炭処理装置の模式的概念図。 第１実施形態に係る鋼材の製造方法を説明するための鋼材の処理条件と温度プロフィールを示した図。 図１に示す鋼材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は浸炭処理前の鋼材の斜視図、（ｂ）は浸炭処理時の鋼材と熱分解用ヒータとの位置関係を示した図、（ｃ）は浸炭ガスの鋼材の処理表面への浸炭と浸炭ガスの熱分解とを説明するための図、（ｄ）は浸炭処理後の鋼材の斜視図。 第１実施形態の変形例に係る鋼材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は浸炭処理時の鋼材と熱分解用ヒータの位置関係を示した図であり、（ｂ）は浸炭処理後の鋼材の斜視図。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る鋼材の製造方法を好適に実施するため浸炭装置の模式的概念図であり、（ｂ）は浸炭処理時の鋼材と熱分解用ヒータの位置関係を示した図。 第２実施形態に係る鋼材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、鋼材の処理表面への浸炭と、浸炭ガスの熱分解とを説明するための図、（ｂ）は、浸炭処理後の鋼材の側面図、（ｃ）は、鋼材の利用方法を説明するための断面図。 第３実施形態に係る鋼材の製造方法を説明するための鋼材の処理条件と温度プロフィールを示した図。 確認試験１に係る浸炭ガスの濃度と処理ガス温度との関係を示した図。 確認試験２に係る鋼材の浸炭量と、浸炭ガスの濃度との関係を示した図。 （ａ）は鋼材と熱分解用ヒータとの関係を示した図、（ｂ）は浸炭処理された鋼材の断面写真、（ｃ）は（ｂ）のｃ部における拡大写真、（ｄ）は（ｂ）のｄ部における拡大写真。

以下に、本発明に係る鋼材の製造方法のいくつかの実施形態を図面を参照しながら説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る鋼材の製造方法を好適に実施するため浸炭処理装置の模式的概念図である。

１．鋼材について
本実施形態に係る鋼材の製造方法は、鋼材を浸炭処理する浸炭処理方法である。本実施形態に係る浸炭処理される鋼材は、たとえばフェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材であり、本実施形態ではブロック状の鋼材である（後述する図３（ａ）参照）。

鋼材としては、たとえば、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣｒ４１５〜４３５）、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４１５〜４３５）などを挙げることができ、浸炭処理により、その表面から内部に炭素を固溶拡散することができるのであれば、特にその材質は限定されない。

２．浸炭処理装置１０Ａについて
本実施形態では、上述した鋼材を準備し、図１に示す浸炭処理装置１０Ａを用いて鋼材を浸炭処理する。浸炭処理装置１０Ａについて以下に簡単に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る鋼材の製造方法を好適に実施するため浸炭処理装置の模式的概念図である。

図１に示すように、本実施形態に係る浸炭処理装置１０Ａは、加熱炉１１内に鋼材１ａを配置して、鋼材１ａの処理表面に浸炭ガス（処理ガス）Ｇを接触させることにより、浸炭ガスＧの炭素（元素）を鋼材１ａの処理表面からその表層に固溶拡散させる装置である。

具体的には、浸炭処理装置１０Ａは加熱炉１１を備えており、加熱炉１１の内部には浸炭用ヒータ１３が配置されている。浸炭用ヒータ１３の周りには、外部に浸炭用ヒータ１３の熱が逃げないように断熱材１２が配置されている。なお、浸炭用ヒータ１３は、鋼材１ａの表面を加熱して、浸炭ガスの炭素を鋼材１ａの表層に固溶拡散させるためのヒータである。

加熱炉１１には、浸炭ガス供給源２１からの浸炭ガスＧが流量調整装置２２を介して加熱炉１１内に流入するように、供給管２３が接続されている。浸炭ガスとしては、たとえば、アセチレンガス、ブタンガス、プロパンガス、エタンガスなどのガスを挙げることができ、本実施形態では、アセチレンガスを用いている。アセチレンガスは、他のガスに比べて後述する熱分解がし易いガスであるため、本実施形態では好適なガスである。

一方、加熱炉１１には、加熱炉１１内に供給された浸炭ガスＧが加熱炉１１内から排出されるように、排出管３１が接続されている。排出管３１の下流には、減圧ポンプ３２および圧力調整装置３３が順次接続されている。減圧ポンプ３２は、加熱炉１１内の浸炭ガスＧを吸引し、圧力調整装置３３は、浸炭ガスの排出量を調整することにより、加熱炉１１内の圧力を所定の圧力に調整している。

加熱炉１１内には、浸炭処理される鋼材１ａを固定する冶具１４が配置されており、さらに、浸炭ガスＧを熱分解する熱分解用ヒータ１５Ａが配置されている。熱分解用ヒータ１５Ａの詳細は後述する。

３．鋼材の浸炭処理方法（鋼材の製造方法）ついて
図１に示す浸炭処理装置１０Ａを用いて、鋼材１ａの浸炭処理を行う。図２は、第１実施形態に係る鋼材１ａの製造方法を説明するための鋼材１ａの処理条件と温度プロフィールを示した図である。図３は、図１に示す鋼材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は浸炭処理前の鋼材１ａの斜視図、（ｂ）は浸炭処理時の鋼材１ａと熱分解用ヒータ１５Ａとの位置関係を示した図、（ｃ）は浸炭ガスＧの鋼材１ａの処理表面２ａへの浸炭と浸炭ガスＧの熱分解とを説明するための図、（ｄ）は浸炭処理後の鋼材１Ａの斜視図である。

まず、ブロック状の鋼材１ａを準備する。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、鋼材１ａの表面のうち、鋼材１ａの表面の一部である処理表面２ａを設け、後述する処理により、処理表面２ａからその表層に所望の量の炭素を固溶拡散させる。具体的には、本実施形態では、鋼材１ａの処理表面２ａに隣接して矩形状の非処理表面３ａを設け、後述する処理により、この非処理表面３ａを除く表面からその表層に所望の量の炭素を固溶拡散させる。

次に準備した鋼材を加熱炉１１内の冶具１４に固定する。ここで、上述した熱分解用ヒータ１５Ａは、図３（ａ），（ｂ）に示すように、鋼材１ａの非処理表面３ａの形状に応じた板状ヒータであり、鋼材１ａを冶具１４に固定したときに、非処理表面３ａに対向するように配置される。分解用ヒータ１５Ａは、非処理表面３ａ近傍の浸炭ガスＧを分解することを目的としたものであり、鋼材１ａの非処理表面３ａを他の表面よりも高温に加熱し浸炭ガスＧの炭素の固溶を促進することを目的とするものではない。

次に、図２に示すように固定された鋼材１ａを加熱する（加熱工程）。具体的には、鋼材１ａのフェライト組織およびパーライト組織がオーステナイト組織に変態するように、鋼材のＡ_１変態点以上、より好ましくはＡ_３変態点以上の温度（浸炭温度）まで、鋼材１Ａを浸炭用ヒータ１３で加熱する。なお、この加熱工程では、浸炭ガスＧは加熱炉１１内に導入されておらず、熱分解用ヒータ１５Ａは起動していない。なお、本実施形態では、浸炭用ヒータ１３で鋼材１ａを加熱したが、予め別の加熱炉で加熱した状態の鋼材１ａを、加熱炉１１に投入してもよい。

次に、図２に示すように、加熱された鋼材１ａに浸炭を行う（浸炭工程）。具体的には、鋼材１ａが加熱された状態を浸炭用ヒータ１３で保持し、浸炭ガス供給源２１から流量調整装置２２を介して、加熱炉内１１内に浸炭ガスＧを供給する。その一方で加熱炉内１１内の浸炭ガスＧの濃度を一定に保つべく、浸炭ガスＧの一部を、加熱炉１１内から排出管３１を介して減圧ポンプ３２で排出する。

このような炉内状態を維持しつつ、熱分解用ヒータ１５Ａを起動する。この際、熱分解用ヒータ１５Ａの表面の温度を、浸炭ガスＧが熱分解する温度で、好ましくは加熱された鋼材１ａの表面よりも高い温度にまで加熱する。これにより、熱分解用ヒータ１５Ａの周りの浸炭ガスＧを、鋼材１ａの表面に到達する前に熱分解させることができる。

このようにして、図３（ｃ）に示すように、鋼材１ａの処理表面２ａに、処理ガスである浸炭ガスＧを接触させることにより、浸炭ガスＧの炭素が鋼材１ａの処理表面２ａからその表層に固溶拡散する。これにより、処理表面２ａの内部に浸炭層２Ａが形成される。

一方、鋼材１Ａの非処理表面３ａの近傍の浸炭ガスＧおよびこれに向かう浸炭ガスＧは、熱分解用ヒータ１５Ａで熱分解される。具体的には、本実施形態では、浸炭ガスＧにアセチレンガスを用いたので、アセチレンガスは、炭素と水素ガスに分解される。これにより、熱分解用ヒータ１５Ａの周りの浸炭ガスＧの濃度はその周りに比べて低下し、鋼材１Ａの処理表面２ａの近傍の浸炭ガスＧの濃度よりも非処理表面３ａの近傍の浸炭ガスＧの濃度が低くなる。

このようにして、非処理表面３ａからの浸炭ガスＧの炭素の固溶を抑えつつ、処理表面２ａから浸炭ガスＧの炭素を固溶させることができる。この結果、煩雑な作業を要することなく安価に、鋼材１ａの非処理表面３ａへの浸炭ガスＧの炭素の固溶を抑え、鋼材１ａの処理表面２ａの表層に所望の量の炭素を固溶することができる。

なお、ここで処理表面２ａから固溶した炭素はその一部が拡散するものの、内部から処理表面２ａに従ってより多くの炭素が固溶している。そこで、図２に示すように、鋼材１ａに固溶した炭素をその内部に拡散させる（拡散工程）。

具体的には、浸炭用ヒータ１３で鋼材１ａが加熱された状態を保持して、加熱炉１１内への浸炭ガスＧの供給を中断し、加熱炉１１内の浸炭ガスＧを排出管３１を介して減圧ポンプで排出する。この際、加熱炉１１内に、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスなどの不活性ガスを供給してもよい。このような炉内状態にすると同時に、熱分解用ヒータ１５Ａによる加熱を中断する。

これにより、鋼材１ａの処理表面２ａに固溶した炭素をその表層に拡散させることができる。また、非処理表面３ａからの炭素の固溶量は、処理表面２ａからの炭素の固溶量に比べて少ないので、非処理表面３ａ近傍に僅かに固溶した炭素は、その内部に速やかに拡散する。

その後、図２に示すように、鋼材１ａのうち少なくとも炭素が固溶した組織が、オーステナイト組織からマルテンサイト組織なるように、拡散処理後の鋼材を水冷または油冷で冷却する（冷却工程）。なお、その後、得られた鋼材に対して焼き戻しを行ってもよい。

このようにして、図３（ｄ）に示すように、非処理表面３ａへの浸炭ガスＧの元素の固溶拡散を抑えられた防炭層３Ａが形成されるとともに、処理表面２ａの表層に所望の量の炭素が固溶拡散し浸炭層２Ａが形成された鋼材１Ａを得ることができる。

４．第１実施形態の変形例について
図４は、第１実施形態の変形例に係る鋼材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は浸炭処理時の鋼材と熱分解用ヒータの位置関係を示した図であり、（ｂ）は浸炭処理後の鋼材の斜視図である。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、この変形例では、浸炭処理する鋼材が、車両用のインプットシャフト１ｂである。図４（ａ）に示すように、インプットシャフト１ｂは、段付きのシャフト部５を有しており、その一方側にはギア部５ａが形成されており、他方側の端部にはフランジ部４が形成されている。

この変形例では、フランジ部４の周面とその上縁部を非処理表面３ａとし、それ以外の表面を処理表面２ａとし、処理表面２ａに浸炭ガスを接触させて、処理表面２ａからその表層に所望の量の炭素を固溶させる。

具体的には、図４（ａ）に示すように、フランジ部４の非処理表面３ａ（周面とその上縁部）を覆うように、これらの表面形状に応じたリング状の熱分解用ヒータ１５Ｂを、加熱炉１１内に配置し、非処理表面３ａの近傍の浸炭ガスを熱分解する。

これにより、処理表面２ａであるシャフト部５等の表面からその内部には、浸炭層２Ａが形成され、非処理表面３ａであるフランジ部４の周面とその上縁部には、防炭層３Ａ（母材に近い部分）が形成されたインプットシャフト１Ｂを得ることができる。フランジ部４の周面およびその上縁部は、他の部分に比べて炭素の固溶量が少ないので、この部分で溶接の熱ひずみによる割れを防止することができる。

５．さらなる変形例について
第１実施形態では浸炭処理について説明したが、例えば窒化処理または浸窒処理であってもよい。具体的には、これらの処理の場合には、処理ガスにアンモニアガスを用いる。窒化処理では、鋼材を４８０℃〜５９０℃で加熱し、浸窒処理では鋼材を５９０℃〜８５０℃に加熱する。

そして、第１実施形態で示した熱分解用ヒータ１５Ａを用いて（図３（ａ），（ｂ）参照）、アンモニアガスを窒素ガスと水素ガスに熱分解する。これにより、浸炭処理で示したと同様に、処理表面２ａにアンモニアガスを接触させることにより、アンモニアガスの窒素を鋼材Ｇの処理表面２ａからその表層に固溶拡散する。一方、熱分解用ヒータにより、処理表面２ａの近傍のアンモニアガスの濃度よりも非処理表面３ａの近傍のアンモニアガスの濃度が低くなる。

このようにして、煩雑な作業を要することなく安価に、鋼材１ａの非処理表面３ａへのアンモニアガスの窒素の固溶拡散を抑えつつ、鋼材の処理表面２ａの表層に所望の量の窒素を固溶拡散することができる。また、上述した浸炭処理と窒化処理とを組み合わせた浸炭浸窒処理において、双方の処理ガスを同様の方法で熱分解してもよい。

さらに、図１に示す第１実施形態では、熱分解用ヒータ１５Ａを用いて浸炭ガスを熱分解したが、たとえば、熱分解用ヒータ１５Ａの形状と同じ形状の金属触媒からなる熱分解用部材を準備し、この金属触媒により浸炭ガスを分解させてもよい。さらに、熱分解用ヒータ１５Ａの表面に金属触媒を含んでいてもよい。

同様に、窒化処理または浸窒処理にアンモニアガスを用いた場合には、金属触媒としてＰｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈなどを用いることができ、これらは５５０℃〜１１００℃でアンモニアガスを分解することができる。これにより、処理表面を窒化処理または浸窒処理をしつつ、非処理表面の近傍のアンモニアガスを分解することができる。

〔第２実施形態〕
図５（ａ）は本発明の第２実施形態に係る鋼材の製造方法を好適に実施するため浸炭装置の模式的概念図であり、（ｂ）は浸炭処理時の鋼材と熱分解用ヒータの位置関係を示した図である。

図６は、第２実施形態に係る鋼材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、鋼材の処理表面への浸炭と、浸炭ガスの熱分解とを説明するための図、（ｂ）は、浸炭処理後の鋼材の側面図、（ｃ）は、鋼材の利用方法を説明するための断面図である。

第２実施形態が第１実施形態と相違する点は、処理する鋼材が溶接ボルト１ｃである点と、熱分解用ヒータ１５Ｃの形状である。したがって、その他の同じ機能を有する構成は、同じ符号を付してその詳細な説明を一部省略する。

図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る浸炭処理装置１０Ｂでは、複数の溶接ボルト１ｃへの炭素の固溶拡散を加熱炉１１内で行い、浸炭ガスＧの熱分解を熱分解用ヒータ１５Ｃで行う。ここで、図５（ｂ）に示すように、熱分解用ヒータ１５Ｃは平板状のヒータであり、熱分解用ヒータ１５Ｃには、溶接ボルト１ｃのネジ部を貫通させる貫通孔１５ａが複数形成されている。各貫通孔１５ａは、溶接ボルト１ｃを冶具１４で固定した時に、溶接ボルト１ｃに接触しないような（溶接ボルト１ｃと隙間が形成されるような）大きさとなっている。

このような熱分解用ヒータ１５Ｃは、加熱炉１１内の空間１７を処理空間１７ａと非処理空間１７ｂとに区画するように加熱炉１１内に配置される。各溶接ボルト１ｃを冶具１４で固定した状態で、図６（ａ）に示すように、溶接ボルト１ｃのネジ部６の処理表面２ａは処理空間１７ａに配置され、溶接ボルト１ｃのヘッド部７の非処理表面３ａは非処理空間１７ｂに配置される。この際、溶接ボルト１ｃは、熱分解用ヒータ１５Ｃと非接触状態となっている。

このような配置状態で、図２で説明した方法と同様の方法で、加熱から冷却までの一連の工程を行う。ここで、本実施形態では、図６（ａ）に示すように、浸炭工程において、処理空間１７ａに浸炭ガスＧを流すことにより、処理空間１７ａ内の溶接ボルト１ｃのネジ部６は浸炭処理される。一方、処理空間１７ａから非処理空間１７ｂに向かう浸炭ガスＧは、熱分解用ヒータ１５Ｃで熱分解される。

このようにして、処理空間１７ａから非処理空間１７ｂに浸炭ガスＧが流入する際に、浸炭ガスＧが熱分解用ヒータ１５Ｃで分解されるため、非処理空間１７ｂの浸炭ガスＧの濃度を、処理空間１７ａの浸炭ガスＧの濃度よりも低い状態に維持することができる。これにより溶接ボルト１ｃのヘッド部７の非処理表面３ａからの炭素の固溶拡散を抑えつつ、溶接ボルト１ｃのネジ部６の処理表面２ａの表層に所望の量の炭素を固溶拡散させることができる。

なお、浸炭処理時に、熱分解用ヒータ１５Ｃの複数の貫通孔１５ａのうち、溶接ボルト１ｃが貫通していない貫通孔１５ａがあったとしても、この貫通孔１５ａを介して浸炭ガスＧが処理空間１７ａから非処理空間１７ｂへ通過する際に、その一部は熱分解する。これにより、非処理空間１７ｂの浸炭ガスＧの濃度を、処理空間１７ａの浸炭ガスＧの濃度よりも低い状態に維持することができる。

このようにして得られた溶接ボルト１Ｃは、図６（ｃ）に示すように、ヘッド部７の溶接用突起７ａも、非処理表面３ａへの浸炭ガスＧの元素の固溶拡散を抑えられた防炭層３Ａが形成されている。

これにより、図６（ｃ）に示すように、溶接ボルト１Ｃのヘッド部７の溶接用突起７ａを溶融して溶接ボルト１Ｃを鋼板９に溶接したとしても、この溶接部７ｂの炭素量は母材の炭素量とほとんど変わらないので、溶接部７ｂの熱歪による割れを低減することができる。一方、ネジ部６に所望の量の炭素が固溶拡散し浸炭層２Ａが形成されているので、ネジ部６における溶接ボルト１Ｃの強度を確保することができる。

なお、第２実施形態においても、上述した「５．さらなる変形例について」で述べたように、金属触媒により、処理ガスを熱分解してもよく、浸炭処理の代わりに、窒化処理または浸窒処理に適用してもよい。さらに、浸炭処理と窒化処理とを組み合わせた浸炭浸窒処理に適当してもよい。

〔第３実施形態〕
図７は、第３実施形態に係る鋼材の製造方法を説明するための鋼材の処理条件と温度プロフィールを示した図である。第３実施形態が、第１実施形態と相違する点は、浸炭処理の方法である。したがって、その他の共通する部分は、その説明を一部省略する。

図７に示すように、本実施形態では、浸炭工程と拡散工程とを交互に繰り返し行いながら、鋼材１ａへの炭素の固溶拡散を加熱炉１１内で行っている。具体的には、浸炭工程では、加熱炉１１内への浸炭ガスＧの供給を行い、拡散工程において、加熱炉１１内への浸炭ガスＧの供給を中断するとともに加熱炉１１内から浸炭ガスＧを排出する。浸炭工程と拡散工程いずれの工程でも、浸炭用ヒータ１３により鋼材１ａを加熱している。浸炭工程では熱分解用ヒータ１５Ａを起動して浸炭ガスＧを加熱して熱分解しているが、拡散工程では、熱分解用ヒータ１５Ａによる加熱を中断している。

このようにして、浸炭工程では、鋼材１ａの処理表面２ａから浸炭ガスＧの炭素が固溶する。一方、拡散工程では、処理ガスＧの固溶は制限され鋼材１ａは加熱された状態にあるので、浸炭工程で一旦固溶した炭素を鋼材１ａの表層へさらに拡散させることができる。

このような結果、炭素の固溶と拡散を繰り返し、処理表面２ａからその表層に、浸炭ガスＧの元素を固溶拡散することができる。一方、非処理表面３ａから浸炭ガスＧの炭素が僅かに固溶する度に、非処理表面３ａからその内部に拡散するので、非処理表面２ａの表層の元素の含有量を低減することができる。

また、拡散工程において、熱分解用ヒータ１５Ａにより鋼材１ａの非処理表面３ａが連続して加熱されることがないので、鋼材１ａの非処理表面３ａを含む部分の熱影響を低減することができる。なお、このような方法を、窒化処理または浸窒処理で適用してもよい。

＜確認試験１＞
確認試験１では、浸炭ガスとしてアセチレンガスを準備し、アセチレンガスの熱分解の現象を確認した。具体的には、炉内に分圧１００％のアセチレンガスを流量２０ｍ／分で供給し、加熱炉内の温度を９００℃、９５０℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃、１３００℃にして、その時のアセチレンガス（浸炭ガス）の濃度、すなわち浸炭ガスの分圧を測定した。この結果を、図８に示す。図８は、確認試験１に係る浸炭ガスの濃度と処理ガス温度との関係を示した図である。なお、図８では、９００℃における浸炭ガスの分圧を１００％として、その他の温度における浸炭ガスの分圧を示している。

この結果から、炉内の温度が上昇するに従って、浸炭ガスが加熱されて熱分解し、炉内の浸炭ガスの濃度が低下していることがわかった。このような結果から、図１に示すように、熱分解用ヒータ１５Ａを用いて浸炭ガスＧ（アセチレンガス）を熱分解し、鋼材１ａの非処理表面近傍の浸炭ガスＧの濃度を低減することができると言える。

＜確認試験２＞
確認試験２では、浸炭ガスとしてアセチレンガスを準備し、浸炭ガス（アセチレンガス）の濃度（分圧）と、その時の鋼材の炭素の固溶の関係を確認した。具体的には、鋼材として、直径１８ｍｍ、長さ５０ｍｍのクロム鋼（ＪＩＳ：ＳＣｒ２０）を準備した。次に、アセチレンガスの分圧が３０％、５０％、７０％、１００％となるように、アセチレンガスに窒素を混合した混合ガスを流量２０ｍ／分で供給し、鋼材を９５０℃に加熱して、鋼材への炭素の浸炭量を測定した。この結果を図９に示す。図９は、確認試験２に係る鋼材の浸炭量と、浸炭ガスの濃度との関係を示した図である。

図９に示すように、浸炭ガスであるアセチレンガスの濃度が高くなるに従って、鋼材への炭素の浸炭量（固溶量）が増えていることがわかる。このことから、図１に示すように、熱分解用ヒータ１５Ａを用いて浸炭ガスＧ（アセチレンガス）を熱分解し、鋼材１ａの非処理表面近傍の浸炭ガスＧの濃度を低減すれば、非処理表面から固溶する炭素の量を低減することができるといえる。

以下に本発明を実施例により説明する。
まず、鋼材として、直径１８ｍｍ×長さ５０ｍｍの円柱状の鋼材（材質：クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０））を準備した。次に、図１に示す浸炭処理装置１０Ａを用いて、図７に示す方法で、鋼材の浸炭処理を行った。

具体的には、図１０（ａ）に示すように、内部に加熱用ガスが流れる円柱状の熱分解用ヒータ（ラジアントチューブヒータ）１５Ｄが、円柱状の鋼材１ｄの側面から３ｍｍ離れた位置となるように、鋼材１ｄを配置した。なお、熱分解用ヒータの径は、外径４０ｍｍ、内径３００ｍｍ、高さ２００ｍｍである。

次に、浸炭用ヒータで、５分１５秒間で、９８０℃となるように鋼材を加熱し、以下の表１に示すような条件で、順に浸炭工程および拡散工程を繰り返した。ここで、浸炭工程では、アセチレンガスを１００ｍｌ／分で炉内に供給し、拡散工程では、アセチレンガスの供給を中断するとともに、アセチレンガスを炉内から排出し同じ流量の窒素ガスを供給した。また、熱分解用ヒータは、浸炭工程および拡散工程時に連続して１２００℃で加熱した。その後、鋼材を５分間の間に常温まで油冷却することで、焼入を行った。

得られた円柱状鋼材の断面を顕微観察した。この結果を、図１０（ｂ）〜（ｄ）に示す。図１０（ｂ）は浸炭処理された鋼材の断面写真、（ｃ）は（ｂ）のｃ部における拡大写真、（ｄ）は（ｂ）のｄ部における拡大写真である。

図１０（ｂ），（ｄ）に示すように、熱分解用ヒータ近傍では、鋼材の表層には浸炭層が形成されていなかったが、図１０（ｂ），（ｃ）に示すように、それ以外の鋼材の表層には浸炭層が形成されていた。これは、熱分解用ヒータ近傍では、浸炭ガスが熱分解したことにより、浸炭ガスの濃度が低減されたからであると考えられる。そして、仮に僅かに、この部分に炭素が固溶したとしても、繰り返し拡散工程を挟むことにより、固溶した炭素は拡散し、浸炭層が形成されなかったと考えられる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ａ：（浸炭処理前の）鋼材、１ｂ：（浸炭処理前の）インプットシャフト、１ｃ：（浸炭処理前の）溶接ボルト、１ｄ：（浸炭処理前の）鋼材、１Ａ：（浸炭処理後の）鋼材、１Ｂ：（浸炭処理後の）インプットシャフト、１Ｃ：（浸炭処理後の）溶接ボルト、２ａ：処理表面、２Ａ：浸炭層、３ａ：非処理表面、３Ａ：防炭層、４：フランジ部、５：シャフト部、５ａ：ギア部、６：ネジ部、７：ヘッド部、７ａ：溶接用突起、７ｂ：溶接部、９：鋼板、１０Ａ，１０Ｂ：浸炭処理装置、１１：加熱炉、１２：断熱材、１３：浸炭用ヒータ、１４：冶具、１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５ｄ：熱分解用ヒータ、１５ａ：貫通孔、２１：浸炭ガス供給源、２２：流量調整装置、２３：供給管、３１：排出管、３２：減圧ポンプ、３３：圧力調整装置

Claims (4)

1. 加熱された鋼材の表面の一部である処理表面に処理ガスを接触させることにより、前記処理ガスの元素を前記鋼材の処理表面からその表層に固溶拡散する鋼材の製造方法であって、
   前記鋼材は、前記処理表面に隣接する非処理表面を有しており、
   前記鋼材の製造方法は、
   前記処理表面に処理ガスを接触させることにより、前記処理ガスの元素を前記鋼材の処理表面からその表層に固溶拡散させるとともに、
   前記処理表面の近傍の処理ガスの濃度よりも前記非処理表面の近傍の処理ガスの濃度が低くなるように、前記処理ガスを熱分解するものであり、
   前記鋼材の製造方法は、加熱炉内で、前記鋼材への前記元素の固溶拡散を表面処理用ヒータを用いて行い、前記処理ガスの熱分解を熱分解用ヒータを用いて行うものであり、
   前記熱分解用ヒータが前記加熱炉内の前記鋼材の前記非処理表面に対向するように、前記表面処理用ヒータよりも前記非処理表面に近い位置に、前記熱分解用ヒータを配置し、
   前記非処理表面の近傍の処理ガスを前記熱分解用ヒータで熱分解することを特徴する鋼材の製造方法。
2. 加熱された鋼材の表面の一部である処理表面に処理ガスを接触させることにより、前記処理ガスの元素を前記鋼材の処理表面からその表層に固溶拡散する鋼材の製造方法であって、
   前記鋼材は、前記処理表面に隣接する非処理表面を有しており、
   前記鋼材の製造方法は、
   前記処理表面に処理ガスを接触させることにより、前記処理ガスの元素を前記鋼材の処理表面からその表層に固溶拡散させるとともに、
   前記処理表面の近傍の処理ガスの濃度よりも前記非処理表面の近傍の処理ガスの濃度が低くなるように、前記処理ガスを熱分解するものであり、
   前記鋼材への前記元素の固溶拡散を加熱炉内で行い、前記処理ガスの熱分解を熱分解用ヒータで行うものであり、
   前記熱分解用ヒータで前記加熱炉内の空間を処理空間と非処理空間とに区画するように、前記熱分解用ヒータを前記加熱炉内に配置し、
   前記鋼材の前記処理表面を前記処理空間に配置し、前記鋼材の前記非処理表面を前記非処理空間に配置し、
   前記処理空間に前記処理ガスを流すとともに、前記処理空間から前記非処理空間に向かう処理ガスを、前記熱分解用ヒータで熱分解することを特徴とする鋼材の製造方法。
3. 前記加熱炉内への前記処理ガスの供給を行う工程と、前記加熱炉内への処理ガスの供給を中断するとともに前記加熱炉内から処理ガスを排出する工程と、を繰り返しながら、前記鋼材への前記元素の固溶拡散を前記加熱炉内で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の製造方法。
4. 前記加熱炉内への処理ガスの供給を中断するとともに前記加熱炉内から処理ガスを排出する工程において、前記熱分解用ヒータの加熱を中断することを特徴とする請求項３に記載の鋼材の製造方法。

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