JP7201092B2 - 真空浸炭処理方法及び浸炭部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空浸炭処理方法及び浸炭部品の製造方法に関する。なお、本明細書において、浸炭処理された鋼部品を、「浸炭部品」と称する。

高い面疲労強度が求められる鋼部品は、鋼材に対して表面硬化処理を実施して製造される。表面硬化処理方法の一つに、真空浸炭処理方法がある。真空浸炭処理方法は、浸炭工程と拡散工程とを備える。浸炭工程では、炭化水素ガスである浸炭ガスを導入して、浸炭温度に加熱された鋼材の表面の炭素濃度を高める。炭化水素ガスはたとえば、アセチレンやプロパン等である。拡散工程では、浸炭工程後、浸炭ガスの導入を停止して、鋼材の表層の深さ方向に炭素を拡散させる。浸炭工程及び拡散工程の時間等を調整することにより、鋼材の表層の炭素濃度を制御する。

しかしながら、浸炭ガスである炭化水素ガスは熱力学的に不安定である。そのため、浸炭温度が高い場合、浸炭ガスは炭素及び水素等に分解しやすい。浸炭温度が高い場合さらに、浸炭ガス分子は活発に運動する。活発な運動により、浸炭ガス分子同士が高速で衝突し、浸炭ガスが分解する。浸炭ガスの分解により、煤やタールが発生する。この場合、表面炭素濃度及び浸炭深さがばらつく。そのため、浸炭部品の表層を一定の品質に保つことができない。そのため、真空浸炭処理方法には、浸炭部品の表面の炭素濃度のばらつき、及び、表層の浸炭深さのばらつきの抑制が求められる。以降の説明では、浸炭部品における表面の炭素濃度のばらつき、及び、浸炭部品の表層の浸炭深さのばらつきを「浸炭ばらつき」という。

浸炭ばらつきを抑制する技術が、特開平８－３２５７０１号公報（特許文献１）、特開２０１６－１４８０９１号公報（特許文献２）、特開２００２－１７３７５９号公報（特許文献３）、特開２００５－３５０７２９号公報（特許文献４）、及び、特開２０１２－７２４０号公報（特許文献５）に提案されている。

特許文献１に記載された真空浸炭処理方法は、鋼材からなるワークを、真空浸炭炉の加熱室内で真空加熱するとともに、加熱室内に浸炭ガスを供給して浸炭処理を行う。この真空浸炭処理方法では、浸炭ガスとしてガス状の鎖式不飽和炭化水素を使用する。そして、加熱室内を１ｋＰａ以下の真空状態として浸炭処理を実施する。これにより、煤の発生を抑えつつ、均一に浸炭できる、と特許文献１には記載されている。

特許文献２に記載された真空浸炭処理方法では、減圧した雰囲気の浸炭室に浸炭ガスを噴射することにより、浸炭室に配置した被処理物を浸炭する。この真空浸炭処理方法では、浸炭室へ噴射する浸炭ガスのガス噴射量を、被処理物の浸炭室における荷姿状態での容積と、浸炭室の体積と、被処理物の総表面積と、浸炭ガスの種類に基づき設定される定数と、に基づいて算出する。そして、算出されたガス噴射量の浸炭ガスを、浸炭室に噴射する。これにより、スポット状の過剰浸炭の発生を防ぐことができる、と特許文献２には記載されている。

特許文献３に記載された真空浸炭雰囲気ガス制御システムでは、プロパンガスを浸炭ガスとする。この制御システムでは、被浸炭処理材がセットされる真空浸炭炉内に浸炭ガスを供給する。そして、浸炭ガスの熱分解反応によって生じるカーボンが被浸炭処理材中へ固溶及び拡散することにより、被浸炭処理材の浸炭処理を行う。この制御システムでは、この熱分解反応により発生する水素ガスの分圧を浸炭処理中常時計測する。そして、その計測値に基づいて炉内に供給される浸炭ガス量をリアルタイムで調整制御する。これにより、高品質の浸炭鋼を安定的に生産できる、と特許文献３には記載されている。

特許文献４に記載された真空浸炭処理方法では、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）を、浸炭深さと表面炭素濃度とにより、材料の内部拡散に基づいて算出する。そして、浸炭工程の浸炭前期において、理論流量Ｖよりも十分多くかつスーティングの発生しない浸炭時流量Ｖ１を供給する。さらに、浸炭前期に続く浸炭後期において、理論流量Ｖよりも少ない拡散時流量Ｖ２を供給する。これにより、煤の発生を防止しつつセメンタイトの残存を低減できる、と特許文献４には記載されている。

特許文献５に記載された真空浸炭方法では、被処理品内部への炭素の拡散に基づいて、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量の時間変化を求める。そして、理論流量の時間変化に基づいて、理論流量における浸炭反応により生じる水素の処理室内の全圧力に対する分圧比を理論水素分圧比と定義する。理論水素分圧比の時間変化を求め、理論水素分圧比の時間変化と、実際の浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化とを比較する。これらの近似度合いに基づいて、同一操業バッチ内における浸炭品質のばらつき度合いを判定する。これにより、浸炭部品の品質の再現性を高め、浸炭部品の品質ばらつきを低減できる、と特許文献５には記載されている。

特開平８－３２５７０１号公報 特開２０１６－１４８０９１号公報 特開２００２－１７３７５９号公報 特開２００５－３５０７２９号公報 特開２０１２－７２４０号公報

しかしながら、特許文献１～特許文献５の真空浸炭処理方法と異なる他の方法により、浸炭ばらつきを抑制できてもよい。

本開示の目的は、浸炭ばらつきを抑制可能な真空浸炭処理方法及び浸炭部品の製造方法を提供することである。

本開示による真空浸炭処理方法は、
真空浸炭炉内で鋼材に対して真空浸炭処理を実施する真空浸炭処理方法であって、
前記鋼材を浸炭温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後、前記鋼材を前記浸炭温度で均熱する均熱工程と、
前記均熱工程後、アセチレンガスである浸炭ガスを前記真空浸炭炉内に供給しながら、前記鋼材を前記浸炭温度で保持する浸炭工程と、
前記浸炭工程後、前記真空浸炭炉内への前記浸炭ガスの供給を停止し、前記鋼材を前記浸炭温度で保持する拡散工程と、
前記拡散工程後の前記鋼材に対して焼入れを実施する焼入れ工程と、
を備え、
前記浸炭工程において、
前記真空浸炭炉内に供給される前記浸炭ガスの流量を、実際浸炭ガス流量と定義し、
前記鋼材の前記真空浸炭処理に必要な前記浸炭ガスの流量を、理論浸炭ガス流量と定義し、
前記浸炭工程の完了時間をｔａと定義し、
前記浸炭工程の開始後、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間をｔ０と定義したとき、
前記浸炭工程は、
前記真空浸炭炉内の雰囲気中の前記水素分圧及び前記アセチレン分圧を継続的に測定して前記時間ｔ０を特定する分圧測定工程と、
前記浸炭工程の開始から時間ｔ０までの前期浸炭工程と、
前記時間ｔ０から時間ｔａまでの後期浸炭工程と、
を含み、
前記前期浸炭工程では、
前記実際浸炭ガス流量を、時間ｔａ／１０での前記理論浸炭ガス流量以上、かつ、前記浸炭工程の開始から４秒時点での前記理論浸炭ガス流量以下とし、
前記後期浸炭工程では、
前記前期浸炭工程の前記実際浸炭ガス流量をＦＡと定義し、前記浸炭工程の開始時からの時間を時間ｔと定義したとき、
前記時間ｔ０～時間４ｔ０の期間における前記実際浸炭ガス流量を、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下とし、
前記時間４ｔ０～前記時間ｔａまでの前記実際浸炭ガス流量を、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以下、とする。

本開示による浸炭部品の製造方法は、
前記鋼材に対して、上述の真空浸炭処理方法を実施する工程を備える。

本開示の真空浸炭処理方法は、浸炭ばらつきを抑制できる。本開示の浸炭部品の製造方法は、浸炭ばらつきが抑制された浸炭部品を製造できる。

図１は、拡散方程式を用いた拡散シミュレーションで得られた鋼材の表層の炭素の拡散流束により算出された、理論浸炭ガス流量と時間との関係の一例を示す図である。 図２は、従来の浸炭工程における実際浸炭ガス流量の経時変化と、理論浸炭ガス流量の経時変化を示す図である。 図３は、本実施形態による真空浸炭処理方法の浸炭工程における、実際浸炭ガス流量の経時変化（下図）と、浸炭工程における真空浸炭炉の雰囲気中のアセチレン分圧及び水素分圧の経時変化（上図）とを示す図である。 図４は、本実施形態の真空浸炭処理方法のヒートパターンの一例を示す図である。 図５は、本実施形態の真空浸炭処理方法の前期浸炭工程でのガス流量設定値の一例を示す図である。 図６は、本実施形態の真空浸炭処理方法のガス流量設定値の一例を示す図である。 図７は、図６と異なる、本実施形態の真空浸炭処理方法のガス流量設定値の一例を示す図である。 図８は、図６及び図７と異なる、本実施形態の真空浸炭処理方法のガス流量設定値の一例を示す図である。 図９は、試験番号１、試験番号５、試験番号７～試験番号１２の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。 図１０は、試験番号２～試験番号４、試験番号６の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。 図１１は試験番号１３、試験番号１４の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。 図１２は試験番号１５～試験番号１７の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。 図１３は試験番号１８の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。 図１４は試験番号１９の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。 図１５は試験番号２０の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。 図１６は試験番号２１の浸炭工程でのガス流量設定値とガス分析値との模式図である。

本発明者らは、真空浸炭処理方法における浸炭部品での浸炭ばらつきを抑制する方法について検討を行った。本発明者らは、初めに、真空浸炭炉内に供給されたにも関わらず浸炭反応を起こさずに排気される浸炭ガスが存在することに着目した。浸炭反応を起こさなかった浸炭ガスの一部は煤となり、真空浸炭処理の対象となる鋼材に付着する。煤は、炭素の供給源となる。そのため、鋼材のうち煤の付着した部分では、炭素が過剰に供給される。そのため、煤の付着により、浸炭ばらつきが生じやすくなる。一方、煤の付着を抑制するために浸炭ガス流量を過剰に少なくすれば、浸炭反応が不十分となる。この場合も、浸炭ばらつきが生じやすくなる。

以上の知見に基づいて、本発明者らは、浸炭工程において真空浸炭炉内の雰囲気から鋼材の表面に侵入する浸炭ガスの流量を理論的に規定することに着想した。本明細書において、「理論浸炭ガス流量」とは、鋼材の表面から所定の深さ位置での炭素濃度を所望の濃度にするために必要な浸炭ガス流量であって、かつ、全ての浸炭ガスが浸炭反応に用いられることを前提とした浸炭ガス流量を意味する。本発明者らは、事前に規定された理論浸炭ガス流量に基づいて実際の真空浸炭処理で真空浸炭炉に供給する浸炭ガスの流量（以下、実際浸炭ガス流量と表現する）を調整することにより、浸炭反応に寄与しない浸炭ガスの量を抑制し、かつ、浸炭反応が不足しないようにすることができ、その結果、浸炭ばらつきを抑制できると考えた。

真空浸炭処理の進行に伴い、炭素濃度の勾配が緩やかになるため、鋼材表面から鋼材内部に侵入する炭素の拡散流束が減少する。炉内雰囲気から鋼材に侵入する浸炭ガス流量は、時間の経過とともに減少する。そこで、理論浸炭ガス流量は、浸炭ガスの供給開始（浸炭工程開始）からの時間の経過に伴い変動する関数となる。理論浸炭ガス流量は、拡散シミュレーションに基づいて求めることもできるし、実験により求めることもできる。以下、理論浸炭ガス流量の決定方法の一例として、拡散シミュレーションに基づく理論浸炭ガス流量の決定について説明する。ただし、理論浸炭ガス流量の決定方法は、上述のとおり、拡散シミュレーションに限定されるものではない。

［理論浸炭ガス流量について］
本実施形態の真空浸炭処理方法では、浸炭ガスとしてアセチレンを用いる。アセチレンの分解は、浸炭対象となる鋼材の表層での炭素の拡散により律速される。つまり、鋼材表面から鋼材内部に侵入する炭素の拡散流束が大きいほど、アセチレンの分解量が多くなる。なお、アセチレン以外の浸炭ガスで浸炭する場合には、後述するように浸炭反応以外の化学反応が想定される。したがって、本実施形態の真空浸炭処理方法に適用することは困難である。

真空浸炭処理では、鋼材中を炭素が拡散する、つまり、Ｆｉｃｋの第１法則が成立している。真空浸炭処理により、鋼材の表面から所定の深さ位置での炭素濃度を所望の濃度にするために必要な浸炭ガス（アセチレンガス）の流量であって、全ての浸炭ガスが浸炭反応に用いられることを前提とした浸炭ガス流量を、理論浸炭ガス流量ＦＴ（ｔ）と定義する。ここで、ｔは、浸炭工程の開始時からの時間である。浸炭工程の開始時とは、後述するとおり、浸炭ガスを炉内に供給を開始した時を意味する。ＦＴ（ｔ）は、鋼材表面に侵入する炭素流量をアセチレンガス流量に換算した値に対応する。なお、以降の説明では、理論ガス流量を単に「ＦＴ」とも表記する。

理論浸炭ガス流量ＦＴは、例えば、鋼材表面から侵入する炭素の拡散流束Ｊ（ｍｍ・質量％／ｓ）と、単位時間当たりの炭素濃度の変化量（∂Ｃ／∂ｔ）とを、拡散方程式を用いた周知の拡散シミュレーションに基づいて計算することにより、算出可能である。具体的には、理論浸炭ガス流量は、次の方法で求めることができる。

拡散が起こる場合（つまり、Ｆｉｃｋの第１法則が成立している場合）、鋼材表面から侵入する炭素の拡散流束Ｊは式（１）で定義され、単位時間当たりの炭素濃度の変化量（∂Ｃ／∂ｔ）は式（２）で定義される。
Ｊ＝－Ｄ（∂Ｃ／∂ｚ） （１）
∂Ｃ／∂ｔ＝－∂Ｊ／∂ｚ （２）
ここで、Ｄは鋼材中の炭素の拡散係数（ｍｍ^２／ｓ）である。Ｃは炭素の質量濃度（質量％）である。ｚは鋼材表面からの深さ方向への変位（ｍｍ）である。ｔは浸炭工程を開始してからの時間（秒）である。∂は偏微分記号である。

炭素濃度の変化量を化学ポテンシャルの勾配に基づいて計算すれば、炭素の拡散駆動力を厳密に取り扱うことになる。この場合、炭素の拡散流束Ｊ（ｍｍ・ｍｏｌ％／ｓ）は式（３）で定義され、炭素濃度の時間変化は式（４）で定義される。
Ｊ＝－ｍｘ（∂μ／∂ｚ） （３）
∂ｘ／∂ｔ＝－∂Ｊ／∂ｚ （４）
ここでｍは炭素の易動度（ｍｍ^２・ｍｏｌ／Ｊ・ｓ）である。ｘは炭素のモル濃度（ｍｏｌ％）である。μは炭素の化学ポテンシャル（Ｊ／ｍｏｌ）である。ｚは深さ方向への変位（ｍｍ）である。式（４）中のｔは浸炭工程を開始してからの時間（ｓ）である。∂は偏微分記号である。

ここで、炭素の拡散の駆動力は式（３）中の（∂μ／∂ｚ）の部分である。また、真空浸炭処理におけるオーステナイト（γ）中の炭素濃度は２％以下と小さく、モル濃度と質量濃度とはほぼ比例関係にある。したがって、式（３）を質量濃度（質量％）で表記してもよい。式（３）を質量％で表記する場合、炭素の拡散流束Ｊ（ｍｍ・質量％／ｓ）は式（５）で定義され、炭素濃度の時間変化は式（２）で定義される。
Ｊ＝－ｍＣ（∂μ／∂ｚ） （５）
式（５）中のＣは、炭素濃度（質量％）である。

上記のＦｉｃｋの第１法則（式（１）、（３）及び式（５））、及び、Ｆｉｃｋの第２法則（式（２）及び式（４））を用いて、理論浸炭ガス流量ＦＴを算出するための拡散シミュレーションを、次の方法で行う。

浸炭ガスにアセチレンを用いた真空浸炭処理では、鋼材の表面において、浸炭ガスの分解により、鋼材の表面から鋼材に炭素が侵入する。浸炭工程時の鋼材表面では、黒鉛と平衡するまで鋼材中の炭素濃度が上昇すると仮定する。そこで、真空浸炭処理での鋼材表面の炭素の拡散シミュレーションでの境界条件を、「鋼材表面の炭素濃度が黒鉛と平衡する」と定義する。以上の前提で次のとおり拡散シミュレーションを実施する。

［拡散シミュレーションでの計算方法］
始めに、真空浸炭処理の対象となる鋼材の表層を複数のセルで区分したメッシュデータを作成する。各セルのサイズは周知のサイズで足りる。セルのサイズはたとえば、１～５００μｍである。セルのサイズは鋼材の表面から深さ方向に徐々に拡大してもよい。その場合、隣り合うセルのサイズの比は０．８０～１．２５であり、好ましくは０．９０～１．１０である。ただし、セルのサイズはこれに限定されない。拡散シミュレーションを行う対象は一次元としてよい。鋼材の形状が丸棒又は円筒である場合、メッシュデータを円筒座標系とすることで一次元として取り扱うことができる。さらに、鋼材（丸棒又は円筒）の直径が鋼中の炭素の拡散距離の５０倍以上であれば、平面と同じ取扱いをしてよい。ここでいう拡散距離とは√Ｄｔである。拡散係数Ｄは鋼材の炭素濃度と浸炭温度とから計算する。時間ｔ（秒）は浸炭時間（浸炭工程の実施時間）である。たとえば、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）に規定されたＳＣＭ４１５を鋼材として用い、浸炭温度が９５０℃で浸炭時間が５１分の場合、拡散距離√Ｄｔは０．２０ｍｍとなる。この場合、鋼材の直径が１０ｍｍ以上であれば、平面と同じ取扱いをしてよい。なお、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）に規定されたＳＣＭ４２０を鋼材として用い、浸炭温度が９５０℃で浸炭時間が５１分の場合、拡散距離√Ｄｔは０．２１ｍｍとなる。また、拡散シミュレーションの解析時間（ステップ時間）を設定する。ステップ時間は特に限定されないが、たとえば、０．００１～１．０秒とする。

真空浸炭処理では、浸炭工程が実施され、その後、拡散工程が実施される。浸炭工程及び拡散工程のセットは、複数回実施する場合もある。たとえば、浸炭工程及び拡散工程のセットを２回実施する場合、１回目の浸炭工程を実施し、１回目の浸炭工程後に１回目の拡散工程を実施する。さらに、１回目の拡散工程後に２回目の浸炭工程を実施し、２回目の浸炭工程後に２回目の拡散工程を実施する。このように浸炭工程及び拡散工程を複数回実施する場合、各浸炭工程ごとに、前回の浸炭工程での理論浸炭ガス流量をリセットし、次の浸炭工程での理論浸炭ガス流量を新たに設定する。

なお、ｎ回目（ｎは１以上の自然数）の浸炭工程を実施した後、ｎ回目の浸炭工程時間の１／１０未満の拡散工程を挟んでｎ＋１回目の浸炭工程を実施した場合、ｎ回目の浸炭工程とｎ＋１回目の浸炭工程とは、１回の浸炭工程と考える。つまり、この場合、ｎ回目の浸炭工程で設定した理論ガス流量をリセットせずにそのままｎ＋１回目の浸炭工程に用いる。換言すれば、ｎ回目の浸炭工程とｎ＋１回目の浸炭工程の間の拡散工程時間が、ｎ回目の浸炭工程時間の１／１０以上であれば、ｎ＋１回目の浸炭工程では、ｎ回目の浸炭工程の理論浸炭ガス流量をリセットして、新たな理論浸炭ガス流量を設定する。

上述のとおり、鋼材表面の炭素濃度は黒鉛と平衡状態であるとする。そこで、真空浸炭処理の対象となる鋼材の化学組成に基づいて、浸炭温度における、黒鉛と平衡状態での平衡相及び平衡組成を、周知の熱力学計算により求める。真空浸炭処理の対象となる鋼材の化学組成は、Ｃ濃度の増加によって希釈されることを考慮した上で、黒鉛が平衡相として現れるまでＣ濃度を増加させて熱力学計算を行う。たとえば、Ｃ濃度が７質量％増加すると、鋼材自体の質量が１．０７倍になる。そのため、Ｃ以外の他の元素の濃度は１／１．０７倍とした化学組成に基づいて熱力学計算を行う。熱力学計算により求めた平衡相及び平衡組成により、鋼材中のＣ含有量、Ｃの化学ポテンシャル、及び、オーステナイト中に固溶する固溶Ｃ濃度を特定できる。熱力学計算には周知の熱力学計算ソフトを用いることができる。周知の熱力学計算ソフトとはたとえば、商品名Ｐａｎｄａｔ（商標）である。

同様に、鋼材表面以外の鋼材内部においては、真空浸炭の場合、セメンタイト（θ）が析出する場合がある。この場合、鋼材中の炭素（Ｃ）が、セメンタイトとオーステナイトとに分配される。そこで、浸炭温度における、鋼材表面以外の鋼材内部の平衡相及び平衡組成を、上述の熱力学計算により求める。鋼材表面と同様に、鋼材内部においても、平衡相、平衡組成、鋼材中のＣ含有量、Ｃの化学ポテンシャル、及び、オーステナイト中に固溶する固溶Ｃ濃度を特定できる。

鋼材中のオーステナイト中の炭素の拡散係数Ｄは、真空浸炭処理の対象となる鋼材を用いて予め実験により求めた数値を利用してもよいし、実験データとして報告されているデータを用いてもよい。たとえば、オーステナイト中のＣの拡散係数Ｄ（ｍ^２／ｓ）として、Ｇｒａｙ Ｇ．Ｔｉｂｂｅｔｔｓらにより提唱されたものを参考に、以下の式を用いてもよい。
Ｄ＝４．７×１０^－５×ｅｘｐ（－１．６×Ｃ－（３７０００－６６００×Ｃ）／１．９８７／Ｔ）
ここで、式中の「Ｃ」はオーステナイト中の固溶Ｃ濃度（質量％）であり、Ｔは浸炭温度（Ｋ）である。

鋼材中のオーステナイト中の炭素の易動度ｍ（ｍ^２／ｓ）は、拡散係数Ｄと熱力学計算とから求めることができる。易動度ｍを定式化したものが以下の式である。
ｍ＝１．５４×１０^－１５ｅｘｐ（－１．６１×Ｃ－（１７３００－２９２０×Ｃ）／Ｔ）
ここで、式中の「Ｃ」はオーステナイト中の固溶Ｃ濃度（質量％）であり、Ｔは浸炭温度（Ｋ）である。

次に、真空浸炭処理により得られる表層のＣ濃度を設定する。具体的には、最表面のセルでの目標とする炭素濃度と、所定深さでの目標とする炭素濃度とを設定する。さらに、初期値として、全てのセルでの固溶Ｃ濃度＝鋼材（芯部）の化学組成のＣ濃度（Ｃ_０）とし、全てのセルにおいてセメンタイト析出量を０とする。

以上の前提条件に基づいて、ステップ時間ごとに、次の計算を実施する。
（Ａ）各セルでの炭素濃度と、熱力学計算結果とに基づいて、浸炭温度での各セルでのオーステナイト中の固溶Ｃ濃度（つまり、拡散するＣの濃度）を特定する。このとき、セメンタイト中のＣは固定され、オーステナイト中の固溶Ｃのみが拡散すると仮定する。
（Ｂ）各セルにおいて、特定した固溶Ｃ濃度に基づいて、式（１）、式（３）又は式（５）を用いて、差分法により、各セルでの拡散流束Ｊを求める。このとき、上述のとおり、鋼材表面の固溶炭素濃度は、黒鉛と平衡状態時の固溶限界の固溶炭素濃度（Ｃ_ｓａｔ）とする。鋼材表面からの拡散流束Ｊ_０に基づいて、浸炭効率を１００％として、アセチレン流量を求める。求めたアセチレン流量を、そのステップ時間での理論浸炭ガス流量と定義する。
（Ｃ）求めた各セルでの拡散流束Ｊに基づいて、そのステップ時間経過時点での各セルのＣ濃度を決定する。
（Ｄ）熱力学計算結果に基づいて、平衡相としてセメンタイトが生成するか判断する。なお、セメンタイトの生成に必要な時間は無視する（つまり、次のステップ時間での（Ａ）を決定する）。
（Ｅ）浸炭工程を２回以上行う場合、浸炭工程の間の拡散工程のシミュレーションを行い、その後浸炭工程のシミュレーションを行う。拡散工程においては、鋼材表面からの拡散流束Ｊ_０をゼロとして、（Ａ）～（Ｄ）の計算を行う。

以上の計算をステップ時間ごとに求め、浸炭工程時における鋼材の単位表面積あたりの鋼材表面からの炭素の拡散流束Ｊ_０（ｔ）を求める。そして、鋼材の単位表面積あたりの拡散流束Ｊ_０（ｔ）をアセチレンガス流量に換算し、さらに、真空浸炭処理の対象となる鋼材の表面積Ｓ（ｍ^２）を乗じて、時間ｔでの理論浸炭ガス流量ＦＴ（ｔ）を求める。横軸を浸炭開始時からの経過時間（浸炭時間）とし、縦軸を理論浸炭ガス流量ＦＴとする図において、各浸炭時間における理論浸炭ガス流量ＦＴをプロットすることにより、理論浸炭ガス流量ＦＴを理論浸炭ガス流量曲線として表すことができる。図１は、上述の拡散シミュレーションで得られた鋼材の表層の炭素の拡散流束により算出された、理論浸炭ガス流量と時間との関係の一例を示す図である。図１中の●は、各時間における理論浸炭ガス流量ＦＴを示す。図１中の曲線Ｃ_１．００は、理論浸炭ガス流量曲線を示す。

理論浸炭ガス流量曲線Ｃ_１．００の近似式は、式（６）で表すことができる。
ＦＴ＝Ｓ×Ａ／√ｔ （６）
ここで、ＦＴは理論浸炭ガス流量（ＮＬ／分）である。式（６）中のＡは、式（７）で表現することができる。式（６）中のｔは、浸炭工程開始時からの時間（分）である。
Ａ＝ａ×Ｔ^２＋ｂ×Ｔ＋ｃ （７）
式（７）中のａ、ｂ及びｃは鋼材の化学組成によって決まる定数であり、Ｔは浸炭温度（℃）である。たとえば、鋼材がＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）に規定されたＳＣＭ４２０である場合、上述の拡散シミュレーションで求めると、ａ＝８．５２×１０^－５であり、ｂ＝－０．１４０であり、ｃ＝５８．２である。鋼材がＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）に規定されたＳＣＭ４１５である場合、上述の拡散シミュレーションで求めると、ａ＝８．６４×１０^－５であり、ｂ＝－０．１４１、ｃ＝５９．０である。

理論浸炭ガス流量ＦＴの近似式である式（６）も、本明細書では、理論浸炭ガス流量ＦＴとみなす。つまり、式（６）に基づいて、実際の浸炭工程において、各浸炭時間における理論浸炭ガス流量ＦＴを求めてもよい。

上述の説明では、理論浸炭ガス流量の決定方法の一例として、拡散方程式を用いた周知の拡散シミュレーションに基づいて、理論浸炭ガス流量を求めた。しかしながら、他の方法により理論浸炭ガス流量を決定してもよい。たとえば、実験により、理論浸炭ガス流量を決定することもできる。

実験により理論ガス流量を求める方法は、例えば、次のとおりである。実際に真空浸炭処理する鋼材と同等の化学組成の鋼材に対して、真空浸炭処理を実施する。真空浸炭炉に供給する浸炭ガス流量を一定とし、浸炭工程中において、真空浸炭炉内のアセチレン分圧と水素分圧とを継続的に測定する。そして、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間ｔ０が浸炭工程の完了時間である時間ｔａ（つまり、全浸炭工程時間）の１／１０以下となる浸炭ガス流量の最小値ＦＡｍｉｎを求める。求めた浸炭ガス流量ＦＡｍｉｎに基づいて、理論浸炭ガス流量ＦＴ＝ＦＡｍｉｎ√（ｔ０／ｔ）とする。

なお、上述のとおり、理論浸炭ガス流量は、鋼材表面に接触して浸炭反応に用いられる浸炭ガス流量と等しい。したがって、理論浸炭ガス流量は、熱処理炉の大きさや、形状には影響を受けない。

［本実施の形態の真空浸炭処理方法について］
真空浸炭処理時における実際に真空浸炭炉に供給される浸炭ガスの流量を「実際浸炭ガス流量」ＦＲと定義する。本発明者らは、図１に示すような、浸炭時間における理論浸炭ガス流量ＦＴの関係から大きく外れた実際浸炭ガス流量ＦＲを用いた場合に想定される事象について、調査及び検討を行った。

図２は、従来の浸炭工程における実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化と、理論浸炭ガス流量ＦＴの経時変化とを示す図である。図２の縦軸は浸炭ガス流量（ＮＬ／分）を示し、横軸は浸炭工程開始からの時間（分）を示す。図２の実線ＦＲは、上述のとおり、従来の浸炭工程における実際浸炭ガス流量ＦＲを示す。図２の破線Ｃ_１．００は、上述のとおり、理論浸炭ガス流量ＦＴを示す。

図２を参照して、浸炭工程の開始時間を「０」とし、浸炭工程の完了時間を「ｔａ」と定義する。つまり、浸炭工程は時間０から時間ｔａまで行われる。完了時間ｔａは、浸炭処理後の鋼材の所定深さ位置での炭素濃度の設定値に応じてあらかじめ設定される。また、実際浸炭ガス流量ＦＲが最初に理論浸炭ガス流量ＦＴと等しくなる時間を、「ｔｅ」と定義する。

浸炭工程の開始から時間ｔｅまでの期間を期間Ｓ１００と定義する。時間ｔｅから時間ｔａまでの期間を期間Ｓ２００と定義する。期間Ｓ１００では、実際浸炭ガス流量ＦＲは、理論浸炭ガス流量ＦＴ（曲線Ｃ_１．００）よりも低い。そのため、従来の真空浸炭処理方法の浸炭工程では、期間Ｓ１００における実際浸炭ガス流量ＦＲが足りない。この場合、鋼材表面において、浸炭反応が十分な部分と、浸炭反応が不十分な部分とが生じる。そのため、鋼材表面の浸炭ばらつきが大きくなる。また、鋼材表層において、所望の炭素濃度が得られない場合もある。一方、期間Ｓ２００では、実際浸炭ガス流量ＦＲは、理論浸炭ガス流量ＦＴ（曲線Ｃ_１．００）よりも高い。そのため、期間Ｓ２００では、実際浸炭ガス流量ＦＲが過剰となり、真空浸炭炉内に残留する。その結果、期間Ｓ２００では、残留した浸炭ガスにより煤やタールが発生する。この場合、鋼材表面の浸炭ばらつきが大きくなる。

以上の調査結果に基づいて、本発明者らは、浸炭工程中において、理論浸炭ガス流量曲線Ｃ_１．００に合わせて、実際浸炭ガス流量ＦＲを制御することを考えた。

しかしながら、図２に示すとおり、浸炭工程初期の期間Ｓ１００では、その後の期間Ｓ２００と比較して、理論浸炭ガス流量曲線Ｃ_１．００の傾きが急峻である。そのため、実際の操業の期間Ｓ１００において、この理論浸炭ガス流量曲線Ｃ_１．００の傾きに合わせて実際浸炭ガス流量ＦＲを調整することは非常に困難であることがわかった。

さらに、浸炭工程初期の期間Ｓ１００において、浸炭工程開始時（ｔ＝０）では、上記の式（６）を採用した場合、理論浸炭ガス流量ＦＴは無限大になる。そのため、実際の操業において、理論浸炭ガス流量ＦＴと等しい実際浸炭ガス流量ＦＲを、期間Ｓ１００の初期に導入することは極めて困難である。

そこで、本発明者らは、実際浸炭ガス流量を制御する要素として、理論浸炭ガス流量ＦＴだけを考慮するのではなく、他の要素も検討することを考えた。実際浸炭ガス流量ＦＲに応じて、真空浸炭炉内の雰囲気内のガス成分は変化する。このガス成分の変化が、浸炭ばらつきや煤の発生を引き起こす。そこで、本発明者らは、実際浸炭ガス流量を制御する要素として、理論浸炭ガス流量ＦＴだけでなく、真空浸炭炉の雰囲気内のガス成分にも注目した。

本発明者らは、真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧とアセチレン分圧とに注目した。真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧とアセチレン分圧とは、周知の分析器で測定可能である。分析器はたとえば、四重極型質量分析器である。

分析された水素分圧は、以下の式に基づく反応により真空浸炭炉内で発生したものである。
Ｃ_２Ｈ_２→２Ｃ＋Ｈ_２

水素分圧は、浸炭工程における浸炭反応量の指標となる。つまり、水素分圧は、浸炭ばらつきの抑制度合いの指標となる。一方、アセチレン分圧は、浸炭反応を起こさなかった余剰ガス量を意味し、煤及びタールの発生量の指標となる。

アセチレンを用いた真空浸炭処理では、浸炭工程開始直後、つまり、アセチレンの炉内への供給を開始した直後の化学反応が極めて速い。つまり、浸炭工程開始直後の鋼材表面への炭素の進入速度が極めて速い。そのため、炉内に供給されるアセチレン流量（浸炭ガス流量）が少なければ、炉内雰囲気のほとんどが水素ガスとなる。その結果、炉内での水素分圧が高くなり、アセチレン分圧が低くなる。一方、炉内に供給されるアセチレンガス流量（真空浸炭ガス流量）が多ければ、浸炭反応を起こさないアセチレンガスが炉内に残留する。この場合、炉内での水素分圧が低くなり、アセチレン分圧が高くなる。したがって、炉内での水素分圧とアセチレン分圧とをモニタリングすることにより、鋼材表面での浸炭反応量を推測することができる。

本発明者らは、理論浸炭ガス流量ＦＴと、真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧及びアセチレン分圧とに基づいて、実際浸炭ガス流量ＦＲを制御できれば、真空浸炭処理において、浸炭ばらつきを抑え、かつ、煤の発生も抑制できると考えた。そこで、本発明者らはさらに検討を行い、次の知見を得た。

（ａ）浸炭工程の初期（期間Ｓ１００付近）において浸炭ガス流量が少なければ、浸炭反応量が少ない。そのため、アセチレン分圧が上昇する速度が遅い。その結果、浸炭ばらつきが大きくなり、浸炭部品の表層の炭素濃度も低くなる。

（ｂ）浸炭工程の完了時間をｔａと定義する。上述のとおり、完了時間ｔａは、浸炭処理後の鋼材の表面炭素濃度及び浸炭深さの設定値に応じてあらかじめ設定される。そして、浸炭工程の開始時間から完了時間ｔａの１／１０の時間をｔａ／１０と定義する。時間ｔａ／１０での理論浸炭ガス流量をＦＴ_{ｔａ／１０}と定義する。浸炭工程初期での実際浸炭ガス流量ＦＲを、時間ｔａ／１０での理論浸炭ガス流量ＦＴ_{ｔａ／１０}以上とすれば、真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧が急速に上昇するものの、早期に減少し、アセチレン分圧の上昇速度が速くなる。その結果、浸炭工程初期での浸炭反応量の不足を抑制でき、浸炭ばらつきを低減できる。

（ｃ）一方、浸炭工程の初期での実際浸炭ガス流量ＦＲが多すぎれば、炉内でのアセチレン分圧が過剰に速く上昇する。この場合、炉内にアセチレンガスが過剰に残存する。その結果、煤又はタールが発生し、浸炭ばらつきが発生する。浸炭工程開始から４秒時点での理論浸炭ガス流量をＦＴ_４と定義する。浸炭工程初期において、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＴ_４以下であれば、炉内での実際浸炭ガス流量ＦＲが過剰に多くなるのを抑制できる。そのため、浸炭ばらつきを抑制できる。

（ｄ）実際浸炭ガス流量ＦＲを多いまま維持すると、徐々にアセチレン分圧が増加する。そのため、いずれかの時点でアセチレン分圧が水素分圧を大幅に超えてしまう。この場合、真空浸炭炉内の雰囲気中において、浸炭反応を起こさない余剰ガスが過剰に存在することになる。そのため、余剰ガスに起因した煤が発生して浸炭部品の表面に付着する。その結果、浸炭ばらつきが大きくなる。

（ｅ）浸炭工程において、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となったとき、実際浸炭ガス流量ＦＲを維持又は低減すれば、真空浸炭炉内の雰囲気中において、余剰ガスを抑制することができる。そのため、浸炭ばらつきを抑制することができる。

以上の知見に基づいて、本発明者らは浸炭工程での実際浸炭ガス流量ＦＲを、下記の（Ｉ）～（ＩＩＩ）のように調整すれば、浸炭工程初期に十分な浸炭反応量を確保でき、かつ、その後において、余剰ガスを抑制して煤やタールの発生を抑制し、浸炭ばらつきを低減できると考えた。

ここで、各用語について、次のとおり定義する。
時間ｔａ：浸炭工程の完了時間
時間ｔ０：浸炭工程の開始後、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間
時間ｔａ／１０：浸炭工程の開始時間から完了時間ｔａの１／１０の時間
時間４ｔ０：浸炭工程の開始後、浸炭工程開始から時間ｔ０までの期間の４倍の期間が経過する時間
前期浸炭工程Ｓ１：浸炭工程開始から時間ｔ０までの期間
後期浸炭工程Ｓ２：時間ｔ０から時間ｔａまでの期間
実際浸炭ガス流量ＦＲ：真空浸炭炉に実際に供給される浸炭ガス（アセチレン）流量
理論浸炭ガス流量ＦＴ_{ｔａ／１０}：時間ｔａ／１０での理論浸炭ガス流量
理論浸炭ガス流量ＦＴ_４：浸炭工程開始から４秒時点での理論浸炭ガス流量

上記用語を定義した場合、図３に示すとおり、実際浸炭ガス流量ＦＲを、下記の（Ｉ）～（ＩＩＩ）のように調整する。
（Ｉ）前期浸炭工程Ｓ１において、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＴ_{ｔａ／１０}以上、かつ、ＦＴ_４以下とする。前期浸炭工程Ｓ１にて実際浸炭ガス流量ＦＲを一定とした場合には、その値を実際浸炭ガス流量ＦＡとする。
（ＩＩ）後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間ｔ０～４ｔ０の期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲを、ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下とする。
（ＩＩＩ）後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間４ｔ０～時間ｔａの期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以下、とする。
ここで、ｔは浸炭開始時からの時間である。

図３は、本実施形態による真空浸炭処理方法の浸炭工程における、実際浸炭ガス流量の経時変化（下図）と、浸炭工程における真空浸炭炉の雰囲気中のアセチレン分圧及び水素分圧の経時変化（上図）とを示す図である。図３を参照して、本実施形態では、時間ｔ０～時間ｔａの期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲを、図３中のハッチングの領域の範囲内に調整する。ハッチング領域の下限となる曲線は、浸炭ガス流量＝ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）の曲線である。ハッチング領域の上限は、浸炭ガス流量＝２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）の曲線である。ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）及び２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）はともに、理論浸炭ガス流量ＦＴの式（６）に比例する式である。

なお、上述のとおり、時間ｔ０は、浸炭工程の開始後、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間とする。図３に示すとおり、前期浸炭工程Ｓ１の初期では、水素分圧がアセチレン分圧よりも急速に上昇する。浸炭反応が活発に発生するからである。水素分圧は急速に上昇した後、アセチレン分圧より先に、降下し始める。そして、水素分圧が降下した結果、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる。この時点、つまり、浸炭工程の開始後、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間を、時間ｔ０と定義する。なお、ここでいう「０．８」倍は、アセチレン分圧／水素分圧の比の計算値の小数第２位を切り捨てた値である。

以上の知見に基づいて完成した本実施の形態による真空浸炭処理方法は、次の構成を備える。

［１］
真空浸炭炉内で鋼材に対して真空浸炭処理を実施する真空浸炭処理方法であって、
前記鋼材を浸炭温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後、前記鋼材を前記浸炭温度で均熱する均熱工程と、
前記均熱工程後、アセチレンガスである浸炭ガスを前記真空浸炭炉内に供給しながら、前記鋼材を前記浸炭温度で保持する浸炭工程と、
前記浸炭工程後、前記真空浸炭炉内への前記浸炭ガスの供給を停止し、前記鋼材を前記浸炭温度で保持する拡散工程と、
前記拡散工程後の前記鋼材に対して焼入れを実施する焼入れ工程と、
を備え、
前記浸炭工程において、
前記真空浸炭炉内に供給される前記浸炭ガスの流量を、実際浸炭ガス流量と定義し、
前記鋼材の前記真空浸炭処理に必要な前記浸炭ガスの流量を、理論浸炭ガス流量と定義し、
前記浸炭工程の完了時間をｔａと定義し、
前記浸炭工程の開始後、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間をｔ０と定義したとき、
前記浸炭工程は、
前記真空浸炭炉内の雰囲気中の前記水素分圧及び前記アセチレン分圧を継続的に測定して前記時間ｔ０を特定する分圧測定工程と、
前記浸炭工程の開始から時間ｔ０までの前期浸炭工程と、
前記時間ｔ０から時間ｔａまでの後期浸炭工程と、
を含み、
前記前期浸炭工程では、
前記実際浸炭ガス流量を、時間ｔａ／１０での前記理論浸炭ガス流量以上、かつ、前記浸炭工程の開始から４秒時点での前記理論浸炭ガス流量以下とし、
前記後期浸炭工程では、
前記前期浸炭工程の前記実際浸炭ガス流量をＦＡと定義し、前記浸炭工程の開始時からの時間を時間ｔと定義したとき、
前記時間ｔ０～時間４ｔ０の期間における前記実際浸炭ガス流量を、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下とし、
前記時間４ｔ０～前記時間ｔａまでの前記実際浸炭ガス流量を、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以下、とする、
真空浸炭処理方法。

［２］
［１］に記載の真空浸炭処理方法であって、
前記後期浸炭工程では、
前記時間４ｔ０～時間ｔａの期間において、時間の経過とともに、（Ａ）又は（Ｂ）の方法で前記実際ガス浸炭流量を低減する、
真空浸炭処理方法。
（Ａ）前記実際浸炭ガス流量の維持と低減とを繰り返し、段階的に前記実際浸炭ガス流量を低減する、
（Ｂ）前記実際浸炭ガス流量を、時間の経過とともに漸減する。

［３］
［１］又は［２］に記載の真空浸炭処理方法であって、
前記理論浸炭ガス流量は、拡散方程式を用いた拡散シミュレーションに基づいて決定される、
真空浸炭処理方法。

［４］
浸炭部品の製造方法であって、
前記鋼材に対して、［１］～［３］のいずれか１項に記載の真空浸炭処理方法を実施する工程を備える、
浸炭部品の製造方法。

以下、本実施形態による真空浸炭処理方法及び浸炭部品の製造方法について詳述する。

［真空浸炭処理方法］
図４は、本実施形態の真空浸炭処理方法のヒートパターンの一例を示す図である。図４を参照して、本実施形態の真空浸炭処理方法は、加熱工程（Ｓ１０）と、均熱工程（Ｓ２０）と、浸炭工程（Ｓ３０）と、拡散工程（Ｓ４０）と、焼入れ工程（Ｓ５０）とを備える。以下、各工程の詳細を説明する。

［加熱工程（Ｓ１０）］
加熱工程（Ｓ１０）では、鋼材を浸炭温度に加熱する。真空浸炭処理の対象となる鋼材は、第三者から提供されたものであってもよいし、真空浸炭処理方法を実施する者が製造したものであってもよい。鋼材の化学組成は特に限定されない。浸炭処理が実施される周知の鋼材を用いれば足りる。鋼材はたとえば、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）で規定された、機械構造用合金鋼鋼材である。より具体的には、鋼材はたとえば、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）規定された、ＳＣｒ４１５、ＳＣｒ４２０及びＳＣＭ４１５等である。

準備される鋼材は熱間加工された鋼材であってもよいし、冷間加工された鋼材であってもよい。熱間加工はたとえば、熱間圧延、熱間押出、熱間鍛造等である。冷間加工はたとえば、冷間圧延、冷間抽伸、冷間鍛造等である。鋼材は、熱間加工又は冷間加工された後、切削加工に代表される機械加工を施されたものであってもよい。

加熱工程（Ｓ１０）では、真空浸炭炉内に鋼材を装入して、鋼材を浸炭温度Ｔｃまで加熱する。加熱工程（Ｓ１０）は、真空浸炭処理方法では周知の工程である。浸炭温度Ｔｃは周知の温度で足りる。浸炭温度ＴｃはＡ_ｃ３変態点以上である。浸炭温度Ｔｃの好ましい範囲は、９００～１１３０℃である。浸炭温度Ｔｃが９００℃以上であれば、輻射による熱伝達が高くなり、真空浸炭炉内の温度が均一になりやすい。その結果、鋼材の浸炭ばらつきが小さくなりやすい。浸炭温度が１１３０℃以下であれば、鋼材の結晶粒径が粗大になるのを防ぐことができ、鋼材の強度の低下を抑制できる。浸炭温度Ｔｃのさらに好ましい下限は９１０℃であり、さらに好ましくは９２０℃である。浸炭温度Ｔｃのさらに好ましい上限は１１００℃であり、さらに好ましくは１０８０℃である。

［均熱工程（Ｓ２０）］
均熱工程（Ｓ２０）では、浸炭温度Ｔｃで鋼材を所定時間保持する。以下、均熱工程（Ｓ２０）での保持時間を均熱時間ともいう。均熱工程（Ｓ２０）は、真空浸炭処理方法では周知の工程である。均熱時間は、鋼材の形状及び／又はサイズにより、適宜調整可能である。好ましくは、均熱時間は１０分以上である。より具体的には、鋼材の長手方向に垂直な断面を円に換算した場合、好ましい均熱時間は、円相当径２５ｍｍ当たり３０分以上である。たとえば、円相当径が３０ｍｍである場合、均熱時間は３６分以上が好ましい。均熱時間の好ましい上限は、好ましくは１２０分であり、さらに好ましくは６０分である。

加熱工程（Ｓ１０）及び均熱工程（Ｓ２０）における炉内の圧力は、特に限定されない。加熱工程（Ｓ１０）及び均熱工程（Ｓ２０）における炉内の圧力は、例えば、１００Ｐａ以下であってもよい。加熱工程（Ｓ１０）及び／又は均熱工程（Ｓ２０）において、窒素ガスの導入と真空ポンプによる真空排気とを行って、１０００Ｐａ以下の窒素雰囲気としてもよい。均熱工程（Ｓ２０）において、少なくとも浸炭工程（Ｓ３０）の開始までに、真空浸炭炉内を低圧又は真空とする。たとえば、均熱工程（Ｓ２０）において、浸炭工程（Ｓ３０）の開始までに、真空浸炭炉内を１０Ｐａ以下とする。

［浸炭工程（Ｓ３０）］
本明細書において、浸炭工程（Ｓ３０）は、減圧下又は真空下の炉内で浸炭ガスを供給する工程を意味する。つまり、均熱工程（Ｓ２０）後、減圧又は真空下の炉内に浸炭ガスの供給を開始した時が、浸炭工程（Ｓ３０）の開始時である。浸炭工程（Ｓ３０）では、炉内を低圧に維持しながら、浸炭ガスを炉内に供給する。炉内が低圧であるため、浸炭ガスの分子同士が衝突する頻度が少なくなる。つまり、炉内の雰囲気で浸炭ガスが分解する頻度が少なくなる。したがって、低圧下において浸炭ガスを鋼材表面に供給することにより、煤やタールの発生を抑制できる。その結果、鋼材の表面炭素濃度を迅速に上昇させることができる。浸炭開始から浸炭終了（時間ｔａ）までの浸炭工程（Ｓ３０）中においては、例えば、炉内を１～１０００Ｐａとする。ただし、浸炭工程（Ｓ３０）での炉内圧は上記範囲に限定されない。

浸炭工程（Ｓ３０）では、真空浸炭炉内に浸炭ガスを導入し、浸炭温度Ｔｃで鋼材を所定時間保持する。

［浸炭ガス］
本実施形態では、真空浸炭処理方法の浸炭工程（Ｓ３０）で使用する浸炭ガスは、アセチレンガスである。

従前の真空浸炭処理においては、プロパンガスが用いられることが多い。しかしながら、プロパンガスは、浸炭反応以外に、メタン、エチレン、アセチレン、水素等への分解反応も起こす。分解反応により生じるメタン及びエチレンの多くは、浸炭反応に寄与せず、真空浸炭炉から排気される。したがって、プロパンガスを用いた場合、拡散方程式により求めた炭素の拡散流束を利用した拡散シミュレーションにより理論浸炭ガス流量ＦＴを計算することができない。一方、アセチレンは、浸炭以外の反応が起こり難い。そのため、拡散方程式により求めた炭素の拡散流束を利用した拡散シミュレーションにより理論浸炭ガス流量ＦＴを算出可能である。

本実施形態において、浸炭ガスであるアセチレンの純度は９８％以上であればよい。アセチレンは、たとえば、アセトンに溶解したアセチレンや、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に溶解したアセチレンを浸炭ガスとして用いてもよい。好ましくは、浸炭ガスとして、ＤＭＦに溶解したアセチレンを用いる。この場合、炉内雰囲気への溶媒の混入を抑制することができる。真空浸炭炉へのアセチレンの供給源をボンベとする場合、ボンベからアセチレンを真空浸炭炉内に供給するときの一次圧は、好ましくは、０．５ＭＰａ以上である。真空浸炭炉に供給する場合、好ましくは、減圧弁を用いて、０．２０ＭＰａ以下に減圧して供給する。

［浸炭工程（Ｓ３０）の詳細］
浸炭工程（Ｓ３０）は、分圧測定工程Ｓ０と、前期浸炭工程Ｓ１と、後期浸炭工程Ｓ２とを含む。以下、各工程の詳細を説明する。

［事前準備］
真空浸炭処理方法を実施する前に、事前準備として、対象となる鋼材に応じた理論浸炭ガス流量ＦＴを決定しておき、図１に示すような、浸炭工程（Ｓ３０）の完了時間ｔａまでの理論浸炭ガス流量ＦＴの経時変化を求めておく。理論浸炭ガス流量ＦＴは、拡散シミュレーションに基づいて決定してもよいし、実験に基づいて決定してもよい。

［分圧測定工程Ｓ０］
分圧測定工程Ｓ０では、浸炭工程（Ｓ３０）中において、真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧及びアセチレン分圧を測定する。具体的には、真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧及びアセチレン分圧を継続的に測定する。ここで、「継続的に」とは、経時的に複数回水素分圧及びアセチレン分圧を測定することを意味する。水素分圧及びアセチレン分圧を連続的に測定してもよいし、所定の時間間隔で測定してもよい。測定は周知の分圧測定器を用いて行う。分圧測定器はたとえば、四重極型質量分析器である。ただし、分圧測定器として、四重極型質量分析器以外の他の分圧測定器を用いてもよい。

分圧測定工程Ｓ０では、真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧及びアセチレン分圧を経時的に測定する。つまり、真空浸炭炉内の雰囲気中の水素分圧及びアセチレン分圧をモニタリングする。経時的に測定された水素分圧及びアセチレン分圧に基づいて、時間ｔ０（浸炭工程の開始後、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間）が決定される。

分圧測定器として四重極型質量分析器を使用する場合、四重極型質量分析器は、各成分ガス（水素、アセチレン）を順に測定する。そのため、水素分圧の測定時間と、アセチレンの測定時間とがずれる。四重極型質量分析器の各成分（水素、アセチレン）の分析時間は０．２秒以上２．０秒以下が好ましく、分析間隔は４．０秒以下が好ましい。

たとえば、分圧測定器として四重極型質量分析器を用いる場合であって、水素を０．５秒で分析した後、アセチレンを０．５秒で分析し、水素の分析開始から２．０秒後に、再び水素を０．５秒で分析し、次いで、アセチレンを０．５秒で分析すると仮定する。この場合、各成分（水素、アセチレン）の分析時間は０．５秒であり、分析間隔は２．０秒である。以降の説明において、各成分の分析期間を「分析ステップ」と定義する。また、測定ステップの開始時間から次の測定ステップの開始時間までの期間を、「分析間隔」と定義する。上述の例の場合、分析ステップは１．０秒（水素の分析時間０．５秒＋アセチレンの分析時間０．５秒）であり、分析間隔は２．０秒である。

分圧測定器として四重極型質量分析器を用いる場合、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる時間、つまり、図３における時間ｔ０の判断は、次の方法で行う。ある分析ステップの開始時間をｔ１とし、その分析ステップの完了時間をｔ２とする。分析ステップ中において、水素分圧を先に測定してもよいし、アセチレン分圧を先に測定してもよい。さらに、次の分析ステップの開始時間をｔ３とし、その分析ステップの完了時間をｔ４と定義する。このとき、分析期間は、時間ｔ１～時間ｔ３の間の時間となる。

この場合、時間ｔ１～時間ｔ２での分析ステップで得られたアセチレン分圧が、同じ分析ステップ（つまり、時間ｔ１～時間ｔ２での分析ステップ）で得られた水素分圧の０．８倍以上であり、かつ、分析間隔経過後の次の時間ｔ３～時間ｔ４での分析ステップで得られた水素分圧が、時間ｔ１～時間ｔ２での分析ステップで得られたアセチレン分圧の１．２５倍以下である場合、そのアセチレン分圧を測定した分析ステップの完了時間ｔ２を、時間ｔ０と定義する。

アセチレン分圧が同じ分析ステップで得られた水素分圧の０．８倍以上であるだけでなく、次の分析ステップで得られた水素分圧が、１つ前の分析ステップで得られたアセチレン分圧の１．２５倍以下であることも条件とした理由は次のとおりである。仮に、浸炭ガスが炉内に流れ始めたのが、時間ｔ１～時間ｔ２の分析ステップのうち、水素分圧の測定が完了した後であって、アセチレン分圧の測定前であった場合、この分析ステップで得られる水素分圧は０となる。そのため、この分析ステップで得られたアセチレン分圧は必ず水素分圧の０．８倍以上となる。この分析ステップの完了時間を時間ｔ０と認定した場合、実際には、アセチレンガスが炉内に十分に導入されたことにはなっていない。そこで、このようなケースを時間ｔ０と認定しないようにする必要がある。上記ケースの場合、分析間隔経過後の次の分析ステップ（時間ｔ３～時間ｔ４）で測定される水素分圧が、１つ前の分析ステップで得られたアセチレン分圧の１．２５倍を大きく超える。アセチレンガスが導入されたことにより、水素分圧が急激に高くなるためである。

一方で、浸炭ガスが炉内に十分に導入された結果、得られたアセチレン分圧が、同じ分析ステップで得られた水素分圧の０．８倍以上となった場合、分析間隔経過後の次の分析ステップで得られた水素分圧は、前回の分析ステップで得られたアセチレン分圧の１．２５倍以下となる。図３に示すとおり、浸炭ガスが炉内に十分に導入された場合、水素分圧は時間の経過とともに増加せず、むしろ減少するためである。

そこで、分圧測定器として四重極型質量分析器を用いる場合、得られたアセチレン分圧が、同じ分析ステップで得られた水素分圧の０．８倍以上であり、かつ、分析間隔経過後の次の分析ステップで得られた水素分圧が、１つ前の分析ステップで得られたアセチレン分圧の１．２５倍以下である場合、そのアセチレン分圧を測定した分析ステップの完了時間ｔ２を、時間ｔ０と定義する。

なお、炉内ガス（水素、アセチレン）は炉内で分析してもよいし、炉外に抽出して分析してもよい。炉内ガスを炉内で分析する場合、炉内に設置された分圧測定器を用いる。分圧測定器は上述の四重極型質量分析器以外の測定器であってもよい。また、各成分ガスごとに、分圧測定器を使い分けてもよい。例えば、アセチレン分圧を四重極型質量分析器で分析し、水素分圧は他の分圧測定器で分析してもよい。

浸炭工程（Ｓ３０）は上述の減圧下で浸炭ガスを供給する。そのため、浸炭ガスは炉内全体で速やかに浸炭反応する。そのため、炉内ガスの分圧測定結果は、炉内でばらつきにくい。つまり、炉内ガスの分析結果は、炉内でほぼ均一をみなすことができる。

［前期浸炭工程Ｓ１］
図３に示すとおり、浸炭工程（Ｓ３０）の開始から、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間ｔ０までの期間を、前期浸炭工程Ｓ１と定義する。前期浸炭工程Ｓ１では、次の条件Ｉを満たす様に、実際浸炭ガス流量ＦＲを調整する。
（Ｉ）前期浸炭工程Ｓ１において、実際浸炭ガス流量ＦＲを理論浸炭ガス流量ＦＴ_{ｔａ／１０}以上、かつ、理論浸炭ガス流量ＦＴ_４以下とする。

図５は、本実施形態の真空浸炭処理方法の前期浸炭工程Ｓ１でのガス流量設定値の一例を示す図である。前期浸炭工程Ｓ１では、実際浸炭ガス流量ＦＲを、図５中のハッチング領域の範囲内（ＦＴ_{ｔａ／１０}以上、かつ、ＦＴ_４以下）とする。

前期浸炭工程Ｓ１中の実際浸炭ガス流量ＦＲが、時間ｔａ／１０での理論浸炭ガス流量ＦＴ_{ｔａ／１０}未満であれば、前期浸炭工程Ｓ１において、浸炭ガスの供給が不足し過ぎている。この場合、真空浸炭処理方法を実施した鋼材（浸炭部品）において、浸炭ばらつきが大きくなる。一方、前期浸炭工程Ｓ１中の実際浸炭ガス流量ＦＲが、浸炭工程開始から４秒時点での理論浸炭ガス流量ＦＴ_４を超えれば、実際浸炭ガス流量ＦＲが多すぎる。この場合、時間ｔ０経過後、時間４ｔ０までに、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以下に調整するのに時間が掛かる。そのため、真空浸炭炉内に余剰ガス（アセチレンガス）が過剰に残存してしまい、煤が発生しやすくなる。その結果、真空浸炭処理方法を実施して製造された浸炭部品（鋼材）において、浸炭ばらつきが大きくなる。

前期浸炭工程Ｓ１において実際浸炭ガス流量ＦＲを、時間ｔａ／１０での理論浸炭ガス流量ＦＴ_{ｔａ／１０}以上、かつ、浸炭工程開始から４秒時点での理論浸炭ガス流量ＦＴ_４以下とすれば、後述の後期浸炭工程Ｓ２での実際浸炭ガス流量ＦＲの条件ＩＩ及びＩＩＩを満たすことを前提として、真空浸炭処理後の浸炭部品（鋼材）の浸炭ばらつきを十分に抑制できる。前期浸炭工程Ｓ１での実際浸炭ガス流量ＦＲの調整は、周知の方法で可能である。たとえば、真空浸炭炉に供給される浸炭ガスの流量を供給弁により調整して、実際浸炭ガス流量ＦＲを調整してもよいし、他の周知の方法により、実際浸炭ガス流量ＦＲを調整してもよい。実際浸炭ガス流量ＦＲの調整は、真空浸炭炉の周知の制御装置により実施してもよい。制御装置はたとえば、上述の供給弁の開度を調整することにより、実際浸炭ガス流量ＦＲを調整する。

前期浸炭工程Ｓ１での実際浸炭ガス流量ＦＲは一定であるのが好ましい。実際浸炭ガス流量ＦＲが一定であれば、炉中の水素分圧とアセチレン分圧の変動を精度高く測定できる。前期浸炭工程Ｓ１中の実際浸炭ガス流量ＦＲが変動すれば、炉中の水素分圧の変動と、アセチレン分圧の変動とが、実際浸炭ガス流量ＦＲの変動の影響を受ける。前期浸炭工程Ｓ１中の実際浸炭ガス流量ＦＲが一定であれば、炉中の水素分圧とアセチレン分圧の変動を精度高く測定できる。したがって、前期浸炭工程Ｓ１中の実際浸炭ガス流量ＦＲは一定であるのが好ましい。たとえば、図３に示すとおり、前期浸炭工程Ｓ１での実際浸炭ガス流量ＦＲは、一定であるのが好ましい。この場合、前期浸炭工程Ｓ１を通じて一定であった実際浸炭ガス流量ＦＲの値が、前期浸炭工程Ｓ１での実際浸炭ガス流量ＦＡとなる。しかしながら、実際の操業において、実際浸炭ガス流量は設定値どおりに完全に一定とはならず、設定値からある程度の範囲内に振れることは、当業者に周知の技術常識である。したがって、前期浸炭工程Ｓ１での実際浸炭ガス流量ＦＲを一定とする場合、実際浸炭ガス流量ＦＲは設定値の±１０％のマージンを許容する。つまり、前期浸炭工程Ｓ１を通じて実際浸炭ガス流量ＦＲが特定の設定値の±１０％内を推移した場合、当該設定値を前期浸炭工程での実際浸炭ガス流量ＦＡの値とする。つまり、本明細書において、ＦＡは、前期浸炭工程Ｓ１での設定値±１０％の範囲内の浸炭ガス流量を意味する。好ましくは、ＦＡは、前期浸炭工程Ｓ１での設定値±５％の範囲内である。

［後期浸炭工程Ｓ２］
図３に示すとおり、時間ｔ０から浸炭工程の完了時間ｔａまでの期間を、後期浸炭工程Ｓ２と定義する。後期浸炭工程Ｓ２では、次の条件ＩＩ及びＩＩＩを満たすように、実際浸炭ガス流量ＦＲを調整する。
（ＩＩ）後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間ｔ０～４ｔ０の期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲを、ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下とする。
（ＩＩＩ）後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間４ｔ０～時間ｔａの期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以下、とする。
ここで、ｔは浸炭開始時からの時間である。

要するに、後期浸炭工程Ｓ２では、実際浸炭ガス流量ＦＲを、図３中のハッチングの範囲内になるように調整する。これにより、後期浸炭工程Ｓ２において、過剰な浸炭ガスが真空浸炭炉内に残存するのを抑制することができる。その結果、煤やタールの発生を低減でき、真空浸炭処理方法を実施した後の浸炭部品（鋼材）の浸炭ばらつきを抑制できる。

［条件ＩＩについて］
後期浸炭工程Ｓ２の時間ｔ０～４ｔ０の期間において、実際浸炭ガス流量がＦＡ×√（ｔ０／ｔ）未満であれば、ガス流量が不足する。この場合、真空浸炭炉内で浸炭ガスの分布にばらつきが生じる。たとえば、浸炭ガスの供給ノズル近傍では、浸炭ガスの濃度が高く、供給ノズルから離れた領域では、浸炭ガスの濃度が低い。その結果、真空浸炭処理工程後の鋼材において、浸炭ばらつきが大きくなる。

一方、後期浸炭工程Ｓ２の時間ｔ０～４ｔ０の期間において、実際浸炭ガス流量がＦＡを超えれば、浸炭ガスが過剰に供給されている。この場合、この余剰ガスにより煤やタールが発生する。その結果、真空浸炭処理後の浸炭部品（鋼材）の浸炭ばらつきが大きくなる。

したがって、後期浸炭工程Ｓ２の時間ｔ０～４ｔ０の期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲを、ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下とする。この場合、条件Ｉ及び条件ＩＩＩを満たすことを条件として、浸炭反応に必要な浸炭ガス流量を十分に確保でき、かつ、煤やタールの発生を抑制できる。その結果、浸炭部品の浸炭ばらつきの発生を抑制できる。なお、上述のとおり、実際浸炭ガス流量ＦＲは設定値の±１０％のマージンを許容する。そのため、上述のとおり、前期浸炭工程Ｓ１での実際浸炭ガス流量ＦＡについても同様のマージンが存在する。つまり、本明細書において、前期浸炭工程での実際浸炭ガス流量ＦＡは、前期浸炭工程Ｓ１での実際浸炭ガスＦＲの設定値±１０％の範囲内の浸炭ガス流量を意味する。また、後期浸炭工程Ｓ２の時間ｔ０～４ｔ０の期間の途中まで、前期浸炭工程Ｓ１に引き続いて実際ガス浸炭流量ＦＲをＦＡで維持し、その後、実際浸炭ガス流量をＦＡ～ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）の範囲内に調整してもよい。

［条件ＩＩＩについて］
後期浸炭工程Ｓ２の時間４ｔ０～ｔａの期間において、実際浸炭ガス流量がＦＡ×√（ｔ０／ｔ）未満であれば、ガス流量が不足する。この場合、真空浸炭炉内で浸炭ガスの分布にばらつきが生じる。たとえば、浸炭ガスの供給ノズル近傍では、浸炭ガスの濃度が高く、供給ノズルから離れた領域では、浸炭ガスの濃度が低い。その結果、真空浸炭処理工程後の鋼材において、浸炭ばらつきが大きくなる。

一方、後期浸炭工程Ｓ２の時間４ｔ０～ｔａの期間において、実際浸炭ガス流量が２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）を超えれば、浸炭ガスが過剰に供給されている。この場合、この余剰ガスにより煤やタールが発生する。その結果、真空浸炭処理後の浸炭部品（鋼材）の浸炭ばらつきが大きくなる。

したがって、後期浸炭工程Ｓ２の時間４ｔ０～ｔａの期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以下、とする。この場合、条件Ｉ及び条件ＩＩを満たすことを条件として、浸炭反応に必要な浸炭ガス流量を十分に確保でき、かつ、煤やタールの発生を抑制できる。その結果、浸炭部品の浸炭ばらつきの発生を抑制できる。

後期浸炭工程Ｓ２において、実際浸炭ガス流量ＦＲが条件ＩＩ及び条件ＩＩＩを満たせば、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化は特に限定されない。たとえば、図６に示すとおり、後期浸炭工程Ｓ２の時間４ｔ０～ｔａの期間内において、実際浸炭ガス流量ＦＲの低減を開始してもよい。

後期浸炭工程Ｓ２において、図６に示すとおり、時間の経過とともに、実際浸炭ガス流量ＦＲの維持と低減とを繰り返し、段階的に実際浸炭ガス流量ＦＲを低減してもよい。また、図７に示すとおり、後期浸炭工程Ｓ２において、時間の経過とともに、実際浸炭ガス流量ＦＲを漸減してもよい。さらに、図８に示すとおり、時間の経過とともに、実際浸炭ガス流量ＦＲを漸減した後、上昇させてもよい。要するに、後期浸炭工程Ｓ２において、条件ＩＩ及び条件ＩＩＩを満たせば、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変動は特に限定されない。

［浸炭工程（Ｓ３０）における浸炭ガス圧］
浸炭工程（Ｓ３０）における浸炭ガスの圧力（浸炭ガス圧）は特に限定されない。好ましくは、前期浸炭工程Ｓ１での浸炭ガス圧を、後期浸炭工程Ｓ２での浸炭ガス圧よりも高くする。この場合、後期浸炭工程Ｓ２において、煤の発生がさらに抑制される。さらに好ましくは、後期浸炭工程Ｓ２での浸炭ガス圧を、時間の経過にともない低下する。浸炭工程（Ｓ３０）での好ましい浸炭ガス圧は１ｋＰａ以下である。

［浸炭工程（Ｓ３０）の時間ｔａ］
浸炭工程（Ｓ３０）の開始（ｔ＝０）から完了するまでの時間である時間ｔａは、真空浸炭処理工程後の鋼材の表層の目標とする炭素濃度に応じて、真空浸炭処理の開始前に適宜設定される。時間ｔａは、拡散方程式を用いた上述の拡散シミュレーションにより決定してもよい。時間ｔａは、事前に真空拡散処理試験を実施して、実験データから決定してもよい。時間ｔａは長い方が好ましい。時間ｔａが長い方が、実際浸炭ガス流量ＦＲの調整が容易になる。時間ｔａの好ましい下限は５０秒であり、さらに好ましくは１分（６０秒）であり、さらに好ましくは３分（１８０秒）である。時間ｔａの好ましい上限は１２０分であり、さらに好ましくは６０分である。

［拡散工程（Ｓ４０）］
拡散工程（Ｓ４０）は、真空浸炭処理方法において周知の工程である。拡散工程（Ｓ４０）では、真空浸炭炉への浸炭ガスの供給を停止し、浸炭温度Ｔｃで鋼材を所定時間保持する。拡散工程（Ｓ４０）では、浸炭工程（Ｓ３０）により鋼材に侵入した炭素を、鋼材内部に拡散させる。これにより、浸炭工程（Ｓ３０）で高くなった表層の炭素濃度が低下し、所定の深さの炭素濃度が上昇する。拡散工程（Ｓ４０）では、真空浸炭炉内を窒素ガスの導入と真空ポンプによる真空排気とを行って、１０００Ｐａ以下の窒素雰囲気とする、又は、真空とする。真空とはたとえば、１０Ｐａ以下である。真空浸炭炉内を１０００Ｐａ以下の窒素雰囲気又は真空状態とすることにより、鋼材表面からの炭素の侵入かつ脱離を抑制する。

なお、拡散工程（Ｓ４０）での保持時間は、真空浸炭処理工程後の鋼材の表層の目標とする炭素濃度に応じて適宜設定される。したがって、拡散工程（Ｓ４０）での保持時間は特に限定されない。

［焼入れ工程（Ｓ５０）］
焼入れ工程（Ｓ５０）では、浸炭工程（Ｓ３０）及び拡散工程（Ｓ４０）が完了した鋼材を、焼入れ温度（Ｔｓ）で所定時間保持し、その後、急冷（焼入れ）する。これにより、Ｃ濃度が高まった鋼材表層部分がマルテンサイトに変態して硬化層を形成する。焼入れ工程（Ｓ５０）は、真空浸炭処理方法で周知の工程である。

図４に示すとおり、焼入れ温度Ｔｓが浸炭温度Ｔｃよりも低い場合、拡散工程（Ｓ４０）後の鋼材を、焼入れ温度Ｔｓまで冷却する。この場合の冷却速度は特に限定されない。真空浸炭処理工程の処理時間を考慮すれば、冷却速度は速い方が好ましい。好ましい冷却速度は、０．０２～３０．００℃／秒である。ここでいう冷却速度とは、浸炭温度Ｔｃと焼入れ温度Ｔｓとの温度差を冷却時間で除したものである。

焼入れ温度Ｔｓを浸炭温度Ｔｃ未満とする場合の鋼材の冷却方法は、公知の冷却方法を用いれば足りる。たとえば、真空下で鋼材を放冷して冷却してもよいし、ガス冷却により鋼材を冷却してもよい。真空下での鋼材を放冷する場合、１００Ｐａ以下の圧力で放冷することが好ましい。冷却においてガス冷却を用いて鋼材を冷却する場合、冷却ガスとして不活性ガスを用いることが好ましい。不活性ガスとしては、たとえば、窒素ガス及び／又はヘリウムガスを用いることが好ましい。不活性ガスとしては、特に、安価で入手可能な窒素ガスを用いることが好ましい。冷却ガスとして不活性ガスを用いることで、鋼材の酸化を抑制できる。

焼入れ温度Ｔｓで鋼材を所定時間保持した後、鋼材を急冷する。焼入れ温度ＴｓはＡ_３変態点（Ａ_ｒ３変態点）以上であれば特に限定されない。焼入れ温度Ｔｓの好ましい下限は８００℃であり、さらに好ましくは８２０℃であり、さらに好ましくは８５０℃である。焼入れ温度Ｔｓの好ましい上限は１１３０℃であり、さらに好ましくは１１００℃であり、さらに好ましくは９５０℃であり、さらに好ましくは９００℃であり、さらに好ましくは８８０℃である。

焼入れ工程（Ｓ５０）における急冷方法としては、公知の急冷方法を用いる。急冷方法はたとえば、ガス冷、水冷、油冷である。

以上の真空浸炭処理方法を実施して、鋼材を浸炭部品とする。本実施形態の真空浸炭処理方法では、真空浸炭処理の対象となる鋼材に対する、理論浸炭ガス流量ＦＴを用いる。そして、浸炭工程（Ｓ３０）を、浸炭工程開始後アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間で、前期浸炭工程Ｓ１と後期浸炭工程Ｓ２とに区分する。そして、前期浸炭工程Ｓ１では、条件Ｉを満たし、かつ、後期浸炭工程Ｓ２では条件ＩＩ及び条件ＩＩＩを満たすように、実際浸炭ガス流量ＦＲを調整する。これにより、真空浸炭処理後の鋼材において、浸炭ばらつきが発生するのを抑制することができる。

なお、本実施形態の真空浸炭処理方法はさらに、他の工程を含んでもよい。たとえば、真空浸炭処理方法は、焼入れ工程（Ｓ５０）後に焼戻し工程を含んでいてもよい。焼戻し工程は、周知の条件で実施すれば足りる。たとえば、焼戻し工程では、Ａ_ｃ１変態点以下の温度で鋼材を所定時間保持し、その後、冷却する。

また、本実施形態の真空浸炭処理方法では、浸炭工程（Ｓ３０）と拡散工程（Ｓ４０）とを繰り返し複数回実施してもよい。この場合、上述のとおり、各浸炭工程（Ｓ３０）ごとに、時間ｔａ及び理論浸炭ガス流量ＦＴが決定される。

［浸炭部品の製造方法］
本実施形態の浸炭部品の製造方法は、鋼材に対して、上述の真空浸炭処理方法を実施して浸炭部品を製造する工程を備える。以上の工程により製造された浸炭部品では、浸炭ばらつきを抑制することができる。

以下、実施例により本実施形態の真空浸炭処理方法の効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態の真空浸炭処理方法の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本実施形態の真空浸炭処理方法はこの一条件例に限定されない。

ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）に規定されたＳＣＭ４１５に相当する化学組成を有する機械構造用鋼管（以下、鋼管という）、及び、ＳＣＭ４１５に相当する丸棒を準備した。各試験番号の鋼管及び丸棒のＣ含有量はいずれも０．１５質量％であった。鋼管の直径は３４ｍｍであり、肉厚は４．５ｍｍであり、長さは１１０ｍｍであった。丸棒の直径は２６ｍｍであり、長さは７０ｍｍであった。真空浸炭処理の評価は丸棒で行い、鋼管は、丸棒が真空浸炭炉内での配置位置による浸炭ばらつきを調査するための、ダミー材として使用した。

各試験番号で真空浸炭処理された丸棒及び鋼管の総表面積（ｍ^２）を、鋼材表面積（ｍ^２）と定義した。鋼材表面積は次の式により求めた。
鋼材表面積＝鋼管１個あたりの表面積×鋼管個数＋丸棒１個あたりの表面積×丸棒個数
得られた鋼材表面積を表１に示す。試験番号１～５、１０～１３、１５及び１６、１８～２１では、２４８本の鋼管と、３本の丸棒とを用いた。試験番号６では、４９６本の鋼管と、３本の丸棒とを用いた。試験番号７～９、１４及び１７では、１２４本の鋼管と、３本の丸棒とを用いた。

始めに、拡散方程式を用いた拡散シミュレーションを実施して、理論浸炭ガス流量を求めた。具体的には、丸棒及び鋼管の厚さ方向に２μｍ以上の複数のセルに区分した。また、拡散シミュレーションでのステップ時間を０．００２～０．０２秒とした。鋼管及び丸棒の化学組成（ＳＣＭ４１５）において、浸炭温度での表面における黒鉛との平衡状態での平衡組成を熱力学計算により求めた。さらに、浸炭温度での鋼材内部の平衡組成、炭素の化学ポテンシャル、及び炭素の易動度を求めた。熱力学計算は商品名Ｐａｎｄａｔ（商標）を用いた。さらに、データベースは商品名ＰａｎＦｅ（商標）を用いた。また、炭素の易動度（ｍ^２／ｓ）には、以下の式を用いた。
ｍ＝１．５４×１０^－１５ｅｘｐ（－１．６１×Ｃ－（１７３００－２９２０×Ｃ）／Ｔ）
ここで、式中のＣはオーステナイト中の固溶Ｃ濃度（質量％）であり、Ｔは浸炭温度（Ｋ）である。

鋼管及び丸棒の表面での炭素濃度の目標値を０．７０質量％とし、表面から深さ１．０ｍｍでの炭素濃度の目標値を０．４０質量％とした。以上を前提条件として、ステップ時間ごとに、上述の（Ａ）～（Ｄ）の拡散シミュレーションを実施して、各ステップ時間ごとの理論浸炭ガス流量ＦＴを求めた。

理論浸炭ガス流量ＦＴを算出した結果、理論浸炭ガス流量ＦＴは次の式に近似可能であった。
ＦＴ＝Ｓ×Ａ／√ｔ （６）
ここで、Ａは、式（７）で定義される１ｍ^２あたりの浸炭ガス流量（ＮＬ／分）であり、ｔは浸炭開始時からの時間（分）を示す。また、Ｓは鋼材表面積（ｍ^２）を示す。
Ａ＝ａ×Ｔ^２＋ｂ×Ｔ＋ｃ （７）
本実施例（ＳＣＭ４１５）の場合、ａ＝８．６４×１０^－５であり、ｂ＝－０．１４１であり、ｃ＝５９．０であった。

理論浸炭ガス流量ＦＴを算出した後、実際の真空浸炭処理を次の方法で実施した。初めに、十分に浸炭処理されたステンレス鋼材（ＪＩＳ Ｇ ４３０３（２０１２）に規定のＳＵＳ３１６）からなるかごを準備した。かごに上述の本数の鋼管を立てた状態で均等に並べ、さらに、３個の丸棒を、立てた状態で、かご中央、かご左手前、かご右奥に配置した。上述のとおり、丸棒を試験材とし、鋼管は、丸棒の配置場所に起因した浸炭ばらつきの発生を確認するためのダミー材とした。

鋼材（鋼管及び丸棒）を配置したかごを真空浸炭炉に挿入して、真空浸炭処理を実施した。そして、試験番号１～２１の浸炭部品を得た。真空浸炭処理での条件は、表１に示すとおりとした。

具体的には、各試験番号において、次のとおり真空浸炭処理を実施した。各試験番号での真空浸炭処理は、炉内の圧力を１０Ｐａ以下に保持した。加熱工程では、各試験番号の丸棒を、表１に示す浸炭温度Ｔｃに加熱した。加熱工程後、均熱工程を実施した。均熱工程では、浸炭温度Ｔｃで鋼材（丸棒）を６０分保持した。

均熱工程後、浸炭工程を実施した。浸炭工程では、真空浸炭炉内に、浸炭ガスとして、アセチレンを供給した。浸炭工程での浸炭ガス圧は１ｋＰａ以下に保持した。浸炭工程の完了時間ｔａ（分）は表１に記載のとおりであった。

上述のとおり、丸棒の１．０ｍｍ深さにおける炭素濃度が０．４０質量％とすることを目標として、浸炭工程での浸炭時間と拡散工程での拡散時間とを調整した。

なお、浸炭工程において、真空浸炭炉内の雰囲気中のガスを四重極型質量分析器で分析して、水素分圧及びアセチレン分圧を継続的に測定した。水素の質量電荷比（ｍ／ｚ）を２とし、アセチレンの質量電荷比を２６とした。分析時間は０．５秒であり、分析間隔は４秒であった。求めた水素分圧及びアセチレン分圧に基づいて、時間ｔ０（アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間）を求めた。

各試験番号の実際浸炭ガス流量の経時変化は、図９～１６に示すとおりとした。以下、試験番号１～２１の実際浸炭ガス流量ＦＲの設定値について、図９～図１６を用いて説明する。

図９は、試験番号１、５、７～１２の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図９を参照して、試験番号１、５、７～１２では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲを、ＦＡとした。ＦＡは、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。時間ｔ０を超え、かつ、時間４ｔ０に至る前の時間ｔｓまで、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡのまま一定とした。時間ｔｓ後、実際浸炭ガス流量を曲線Ｃ２（＝ＦＡ×√（ｔｓ／ｔ））で漸減した。その結果、実際浸炭ガス流量ＦＲは、前期浸炭工程Ｓ１中では、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。また、後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間ｔ０～時間４ｔ０の期間における実際浸炭ガス流量ＦＲは、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下であった。さらに、時間４ｔ０～時間ｔａまでの実際浸炭ガス流量ＦＲは、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以下であった。

図１０は、試験番号２～４、６の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図１０を参照して、試験番号２～４、６では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲを、ＦＡとした。ＦＡは、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。時間ｔ０を超え、かつ、時間４ｔ０に至る前の時間ｔｓまで、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡのまま一定とした。なお、図１０の時間ｔ０～時間４ｔ０の期間中での時間ｔｓは、図９の時間ｔ０～時間４ｔ０の期間中での時間ｔｓよりも遅いタイミングであった。時間ｔｓ後、実際浸炭ガス流量ＦＲを曲線Ｃ２（＝ＦＡ×√（ｔｓ／ｔ））で漸減した。その結果、実際浸炭ガス流量ＦＲは、前期浸炭工程Ｓ１中では、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。また、後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間ｔ０～時間４ｔ０の期間における実際浸炭ガス流量ＦＲは、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下であった。さらに、時間４ｔ０～時間ｔａまでの実際浸炭ガス流量ＦＲは、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以下であった。

図１１は、試験番号１３及び１４の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図１１を参照して、試験番号１３及び１４では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲであるＦＡが、ＦＴ_{ｔａ／１０}未満であった。そして、時間ｔａ／１０よりも遅い時間ｔｓで、実際浸炭ガス流量ＦＲを、理論浸炭ガス流量ＦＴと同様に漸減した。なお、浸炭工程中において、真空浸炭炉内のアセチレン分圧が、水素分圧の０．８倍以上となることはなかった。そのため、真空浸炭処理中に、ｔ０を特定することはなかった。

図１２は、試験番号１５～１７の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図１２を参照して、試験番号１５～１７では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲであるＦＡが、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。しかしながら、アセチレン分圧が、水素分圧の０．８倍以上となる前の時間ｔｓで、実際浸炭ガス流量ＦＲの漸減を開始して、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＡ×√（ｔｓ／ｔ）となるように調整した。したがって、浸炭工程中において、真空浸炭炉内のアセチレン分圧が、水素分圧の０．８倍以上となることはなかった。そのため、真空浸炭処理中に、ｔ０を特定することはなかった。

図１３は、試験番号１８の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図１３を参照して、試験番号１８では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲであるＦＡが、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。そして、時間ｔ０を超え、かつ、時間４ｔ０を超えた時間ｔｓまで、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡのまま一定とした。時間ｔｓ後、実際浸炭ガス流量ＦＲを曲線Ｃ２（＝ＦＡ×√（ｔｓ／ｔ））で漸減した。その結果、実際浸炭ガス流量ＦＲは、前期浸炭工程Ｓ１中では、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であり、後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間ｔ０～時間４ｔ０の期間における実際浸炭ガス流量ＦＲは、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下であった。しかしながら、時間４ｔ０～時間ｔａまでの実際浸炭ガス流量ＦＲは、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）を超えた。

図１４は、試験番号１９の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図１４を参照して、試験番号１９では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲであるＦＡが、ＦＴ_{ｔａ／１０}未満であった。さらに、その後の実際浸炭ガス流量ＦＲを、ＦＡで一定とした。試験番号１９では、浸炭工程中において、真空浸炭炉内のアセチレン分圧が、水素分圧の０．８倍以上となることはなかった。そのため、真空浸炭処理中に、ｔ０を特定することはなかった。

図１５は、試験番号２０の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図１５を参照して、試験番号２０では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲであるＦＡが、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。そして、時間ｔ０を超え、かつ、時間４ｔａ未満の時間ｔｓまで、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡのまま一定とした。時間ｔｓ後、実際浸炭ガス流量ＦＲを、時間ｔｓにおける理論浸炭ガス流量ＦＴよりも低いＦＢ（図１５参照）を用いて、曲線Ｃ２（＝ＦＢ×√（ｔｓ／ｔ））で漸減した。その結果、実際浸炭ガス流量ＦＲは、後期浸炭工程Ｓ２では、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＡ√（ｔ０／ｔ）未満であった。

図１６は、試験番号２１の浸炭工程での、実際浸炭ガス流量ＦＲの経時変化を示す図である。図１６を参照して、試験番号２１では、浸炭工程開始時間（ｔ＝０）での実際浸炭ガス流量ＦＲであるＦＡが、ＦＴ_{ｔａ／１０}以上であり、かつ、ＦＴ_４以下であった。そして、時間ｔ０を超え、かつ、時間４ｔａ未満の時間ｔｓまで、実際浸炭ガス流量ＦＲをＦＡのまま一定とした。時間ｔｓ後、実際浸炭ガス流量ＦＲを低減した。しかしながら、時間４ｔａから時間ｔａまでの間において、実際浸炭ガス流量ＦＲは、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）を超えた期間が存在した。

なお、実際浸炭ガス流量の調整及び測定は、流量計（コフロック株式会社製、商品名：マスフローコントローラーＤ３６６５）を用いて実施した。

浸炭工程後、表１に示す拡散時間（分）で丸棒に対して拡散工程を実施して、丸棒に侵入した炭素を丸棒中に拡散させた。拡散工程は、浸炭温度を維持した状態で１０Ｐａ以下の炉内の圧力で実施した。拡散時間（分）は、表１に示すとおりであった。

なお、表１中の「ＦＴ_{ｔａ／１０}」欄には、時間ｔａ／１０での理論浸炭ガス流量（ＮＬ／分）が記載されている。「ＦＴ_４」欄には、浸炭工程開始から４秒時点での理論浸炭ガス流量（ＮＬ／分）が記載されている。「時間ｔ０（分）」欄には、時間ｔ０（分）が記載されている。「時間４ｔ０（分）」欄には、時間４ｔ０（分）が記載されている。「時間ｔｓ（分）」欄には、実際浸炭ガス流量ＦＲの漸減を開始した時間ｔｓ（分）が記載されている。「ＦＲ≧ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）？」欄には、時間４ｔ０～時間ｔａにおいて、実際浸炭ガス流量がＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上であったか否かを記載している。「ＹＥＳ」である場合、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上であったことを示す。「ＮＯ」である場合、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＡ×√（ｔ０／ｔ）未満であったことを示す。「ＦＲ≦２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）？」欄には、時間４ｔ０～時間ｔａにおいて、実際浸炭ガス流量ＦＲが２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以下であったか否かを記載している。「ＹＥＳ」である場合、実際浸炭ガス流量ＦＲが２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以下であったことを示す。「ＮＯ」である場合、実際浸炭ガス流量ＦＲが２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）を超えたことを示す。「拡散時間（分）」は、拡散工程での拡散時間（分）を示す。

拡散工程後、丸棒を８６０℃まで冷却した。そして、焼入れ温度（８６０℃）で３０分保持した。保持した後、丸棒を１２０℃の油に浸漬して、油焼入れを実施した。焼入れ後の丸棒に対して焼戻しを実施した。焼戻し温度を１７０℃とし、焼戻し温度での保持時間を２時間とした。

以上の製造工程により、真空浸炭処理を実施して、浸炭部品（丸棒）を製造した。

［評価試験］
各試験番号の浸炭部品（丸棒）の表層の炭素濃度と、炭素濃度が０．４０質量％となる深さ（以下、浸炭深さという）とを測定して、浸炭ばらつきを評価した。

［浸炭部品の表層の炭素濃度測定試験］
真空浸炭炉に挿入した状態の各試験番号の浸炭部品（丸棒）において、上端面から浸炭部品の長手方向に２０ｍｍの範囲、及び、下端面から浸炭部品の長手方向に５ｍｍの範囲を切断した。以下、上端面から２０ｍｍの範囲を「上端面試験片」と称し、下端面から５ｍｍ範囲の部分を「下端部分」という。

上端面試験片及び下端部分が切断された残りの部分（以下、本体部分という）の円周面に対して、旋削加工を実施した。旋削加工では、丸棒の表面から０．３０ｍｍ深さまでの表層部分の切粉を、０．０５ｍｍ深さピッチごとに採取した。採取された０．０５ｍｍピッチの各深さ位置での切粉の炭素濃度を測定した。以上の工程により、各試験番号の３つの浸炭部品（かごの中央位置、かごの左手前位置、及び、かご右奥位置）において、表面から０．３０ｍｍ深さまでの表層領域において、０．０５ｍｍピッチでの炭素濃度を求めた。かご中央位置に配置された浸炭部品の表面から０．３０ｍｍまでの６つの炭素濃度を、表面から順に、炭素濃度Ａ１～Ａ６（質量％）と定義した。かご左手前位置に配置された浸炭部品の表面から０．３０ｍｍまでの６つの炭素濃度を、表面から順に、炭素濃度Ｂ１～Ｂ６（質量％）と定義した。かご右奥位置に配置された浸炭部品の表面から０．３０ｍｍまでの６つの炭素濃度を、表面から順に、炭素濃度Ｃ１～Ｃ６（質量％）と定義した。そして、３つの浸炭部品において、同じ深さ位置で得られた炭素濃度の最大値と最小値との差を求めた。具体的には、表面から０．０５ｍｍ深さ位置まで領域の炭素濃度Ａ１、Ｂ１、Ｃ１のうち、最大値と最小値を選択し、その炭素濃度の差分値をΔ１と定義した。同様に、表面から０．０５ｍｍ～０．１０ｍｍ深さ位置までの領域の炭素濃度Ａ２、Ｂ２、Ｃ２のうち、最大値と最小値を選択し、その炭素濃度の差分値をΔ２と定義した。以上の工程により、Δ１～Δ６を求め、Δ１～Δ６の算術平均値を、「表層炭素濃度差」（質量％）と定義した。得られた結果を表１の「表層炭素濃度差（質量％）」欄に記載する。

さらに、炭素濃度Ａ１～Ａ６、Ｂ１～Ｂ６、Ｃ１～Ｃ６の全ての算術平均値を、表層平均炭素濃度（質量％）と定義した。得られた結果を表１の「表層平均炭素濃度（質量％）」欄に記載する。

［浸炭深さ測定試験］
上述の上端面試験片を用いて、円周面の表層部の炭素濃度を測定した。具体的には、上端面試験片の上端面から２０ｍｍ位置の横断面（上端面試験片の長手方向に垂直な断面）の炭素濃度を、表面から２ｍｍ深さ位置から表面に向かって径方向に測定した。具体的には、ＥＰＭＡ（電子線マイク口アナライザ）による線分析を実施して、径方向（深さ方向）の炭素濃度を測定した。測定結果に基づいて、３つの上端面試験片のそれぞれについて、炭素濃度が０．４０質量％以上となる領域の深さ（以下、浸炭深さという）を求めた。各上端面試験片で得られた浸炭深さの最大値と最小値との差の平均を、「０．４０質量％深さ差」（ｍｍ）と定義した。得られた結果を表１の「０．４０質量％深さ差（ｍｍ）」欄に記載する。

［評価結果］
表１を参照して、表層炭素濃度差が０．０３０質量％以下、かつ、０．４０質量％深さ差が０．０５ｍｍ以下であるものを、浸炭ばらつきが小さい真空浸炭処理方法として優れていると評価した。

表１を参照して、試験番号１～試験番号１２では、前期浸炭工程Ｓ１において、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＴ_{ｔａ／１０}以上、かつ、ＦＴ_４以下であった。さらに、後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間ｔ０～４ｔ０の期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲが、ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下であった。さらに、後期浸炭工程Ｓ２のうち、時間４ｔ０～時間ｔａの期間において、実際浸炭ガス流量ＦＲが、ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）以下であった。そのため、表層の平均炭素濃度が０．６８０質量％以上であり、表層炭素濃度差が０．０３０質量％以下であり、かつ、０．４０質量％深さ差が０．０５ｍｍ以下であった。つまり、浸炭部品の浸炭ばらつきが小さかった。

一方、試験番号１３及び１４では、図１１及び表１に示すとおり、前期浸炭工程での実際浸炭ガス流量（ＦＡ）がＦＴ_{ｔａ／１０}未満であった。そのため、表層平均炭素濃度が０．６８０質量％未満であり、浸炭が十分に行われなかった。

試験番号１５～１７では、図１２及び表１に示すとおり、浸炭開始時の実際浸炭ガス流量（ＦＡ）がＦＴ_{ｔａ／１０}以上ＦＴ_４以下であったものの、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる前に、実際浸炭ガス流量ＦＲを漸減した。そのため、表層平均炭素濃度が０．６８０質量％未満であり、浸炭が十分に行われなかった。

試験番号１８では、図１３及び表１に示すとおり、実際浸炭ガス流量ＦＲを漸減する時間ｔｓが、時間４ｔ０よりも後であった。その結果、漸減後の実際浸炭ガス流量ＦＲが２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）を超えた。その結果、表層炭素濃度差が０．０３０質量％を超え、浸炭部品の浸炭ばらつきが大きかった。

試験番号１９では、図１４及び表１に示すとおり、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＴ_{ｔａ／１０}未満の値ＦＡで一定であった。そのため、０．４０質量％深さ差が０．０５ｍｍを超え、浸炭部品の浸炭ばらつきが大きかった。

試験番号２０では、図１５及び表１に示すとおり、浸炭開始時の実際浸炭ガス流量の値ＦＡがＦＴ_{ｔａ／１０}以上ＦＴ_４以下であったものの、時間４ｔ０～時間ｔａの間において、実際浸炭ガス流量ＦＲがＦＡ×√（ｔ０／ｔ）未満となる期間が存在した。そのため、表層平均炭素濃度が０．６８０質量％未満であり、浸炭が十分に行われなかった。さらに、表層炭素濃度差が０．０３０質量％を超え、０．４０質量％深さ差が０．０５ｍｍを超え、浸炭部品の浸炭ばらつきが大きかった。

試験番号２１では、図１６及び表１に示すとおり、浸炭開始時の実際浸炭ガス流量の値ＦＡがＦＴ_{ｔａ／１０}以上ＦＴ_４以下であったものの、時間４ｔ０～時間ｔａの間において、実際浸炭ガス流量ＦＲが２ＦＡ×√（ｔ０／ｔ）を超える期間が存在した。そのため、表層炭素濃度差が０．０３０質量％を超え、浸炭部品の浸炭ばらつきが大きかった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上記した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上記した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (4)

1. 真空浸炭炉内で鋼材に対して真空浸炭処理を実施する真空浸炭処理方法であって、
   前記鋼材を浸炭温度に加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程後、前記鋼材を前記浸炭温度で均熱する均熱工程と、
   前記均熱工程後、アセチレンガスである浸炭ガスを前記真空浸炭炉内に供給しながら、前記鋼材を前記浸炭温度で保持する浸炭工程と、
   前記浸炭工程後、前記真空浸炭炉内への前記浸炭ガスの供給を停止し、前記鋼材を前記浸炭温度で保持する拡散工程と、
   前記拡散工程後の前記鋼材に対して焼入れを実施する焼入れ工程と、
   を備え、
   前記浸炭工程において、
   前記真空浸炭炉内に供給される前記浸炭ガスの流量を、実際浸炭ガス流量と定義し、
   前記鋼材の表面から所定の深さ位置での炭素濃度を所望の濃度にするために必要な前記アセチレンガスの流量であって、全ての前記アセチレンガスが浸炭反応に用いられることを前提とした前記アセチレンガスの流量を、理論浸炭ガス流量と定義し、
   前記浸炭工程の完了時間をｔａと定義し、
   前記浸炭工程の開始後、アセチレン分圧が水素分圧の０．８倍以上となる最初の時間をｔ０と定義したとき、
   前記浸炭工程は、
   前記真空浸炭炉内の雰囲気中の前記水素分圧及び前記アセチレン分圧を継続的に測定して前記時間ｔ０を特定する分圧測定工程と、
   前記浸炭工程の開始から時間ｔ０までの前期浸炭工程と、
   前記時間ｔ０から時間ｔａまでの後期浸炭工程と、
   を含み、
   前記前期浸炭工程では、
   前記実際浸炭ガス流量を、時間ｔａ／１０での前記理論浸炭ガス流量以上、かつ、前記浸炭工程の開始から４秒時点での前記理論浸炭ガス流量以下とし、
   前記後期浸炭工程では、
   前記前期浸炭工程の前記実際浸炭ガス流量をＦＡと定義し、前記ＦＡは一定の設定値±１０％の範囲内であり、前記浸炭工程の開始時からの時間を時間ｔと定義したとき、
   前記時間ｔ０～時間４ｔ０の期間における前記実際浸炭ガス流量を、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、ＦＡ以下とし、
   前記時間４ｔ０～前記時間ｔａまでの前記実際浸炭ガス流量を、ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以上、かつ、２ＦＡ√（ｔ０／ｔ）以下、とする、
   真空浸炭処理方法。
2. 請求項１に記載の真空浸炭処理方法であって、
   前記後期浸炭工程では、
   前記時間４ｔ０～時間ｔａの期間において、時間の経過とともに、（Ａ）又は（Ｂ）の方法で前記実際浸炭ガス流量を低減する、
   真空浸炭処理方法。
   （Ａ）前記実際浸炭ガス流量の維持と低減とを繰り返し、段階的に前記実際浸炭ガス流量を低減する、
   （Ｂ）前記実際浸炭ガス流量を、時間の経過とともに漸減する。
3. 請求項１又は請求項２に記載の真空浸炭処理方法であって、
   前記理論浸炭ガス流量は、拡散方程式を用いた拡散シミュレーションに基づいて決定される、
   真空浸炭処理方法。
4. 浸炭部品の製造方法であって、
   前記鋼材に対して、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の真空浸炭処理方法を実施する工程を備える、
   浸炭部品の製造方法。
   

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