WO2012147776A1 - 機械部品の製造方法 - Google Patents

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工 藤田
和寛 八木田
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    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/64—Special methods of manufacture

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a machine part, and more particularly to a method for manufacturing a machine part having a nitrogen-enriched layer in a surface layer portion.
  • a nitrogen-enriched layer having a higher nitrogen concentration than the inside may be formed on the surface part of machine parts by a method such as carbonitriding.
  • a carrier gas endothermic modified gas; hereinafter referred to as RX gas
  • propane, butane or city gas and air are mixed at a high temperature of 1000 ° C. or higher to produce a carrier gas (endothermic modified gas; hereinafter referred to as RX gas), and a small amount of propane
  • RX gas endothermic modified gas
  • an atmospheric gas containing butane and ammonia is used.
  • a nitrogen-enriched layer is formed in the surface layer part of a to-be-processed object by heating a to-be-processed object in this atmospheric gas.
  • the nitriding reaction is caused by undecomposed ammonia (for example, Noriyuki Mouri et al., “Improvement of wear resistance of carburized steel by heat treatment”, NTN TECHNICAL REVIEW, 2008, NO. 76, p17-22 (Non-patent Document 1)).
  • undecomposed ammonia for example, Noriyuki Mouri et al., “Improvement of wear resistance of carburized steel by heat treatment”, NTN TECHNICAL REVIEW, 2008, NO. 76, p17-22 (Non-patent Document 1)
  • the decomposition of ammonia gas proceeds as the temperature increases. Therefore, nitriding with undecomposed ammonia is rarely performed in a temperature range of 900 ° C. or higher. As a result, even when a product requiring a thick nitride layer is processed, it is difficult to shorten the carbonitriding time by increasing the processing temperature, and there is a problem that the processing time becomes long. Further, in the carbonitriding process using ammonia gas, it is necessary to install equipment for introducing ammonia gas into the heat treatment furnace, and consumption of parts used in the heat treatment furnace (for example, a product transport basket) is reduced. There is also a problem that the maintenance cost of the equipment becomes high due to the fact that it is early.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to manufacture a machine part having a nitrogen-enriched layer in the surface layer portion by rapid heat treatment without using ammonia gas. It is to provide a method for manufacturing a machine part.
  • the method of manufacturing a mechanical component according to the present invention includes a step of preparing a member made of steel, a step of forming a film containing vanadium on the surface of the member, and the member on which the film is formed using nitrogen gas. And a step of forming a nitrogen-enriched layer by heating in a heat treatment gas atmosphere containing no ammonia gas.
  • the present inventor while proceeding with various studies on heat treatment of steel, forms a film containing vanadium on the surface of a member made of steel, and heats the atmosphere in an atmosphere containing nitrogen gas. It has been found that a nitrogen-enriched layer is formed in the surface layer portion of the member even when it is not included, and has arrived at the present invention. That is, in the method for manufacturing a machine part according to the present invention, a member made of steel having a film containing vanadium formed on the surface thereof is heated in an atmosphere containing nitrogen gas and no ammonia gas, whereby the surface layer part of the machine part is obtained. A nitrogen enriched layer is formed.
  • a machine part having a nitrogen-enriched layer in the surface layer portion can be manufactured by rapid heat treatment without using ammonia gas.
  • the heat treatment gas not containing ammonia gas means that it does not substantially contain ammonia gas, and does not exclude mixing of ammonia gas at the impurity level.
  • the oxygen partial pressure of the heat treatment gas may be 10 ⁇ 10 ⁇ 16 Pa or less.
  • the heat treatment gas may contain a reducing gas. Thereby, the oxidation of the member made of steel is suppressed, and a nitrogen-enriched layer can be easily formed.
  • the heat treatment gas may contain nitrogen gas and hydrogen gas, and may consist of the remaining impurities.
  • Hydrogen gas is suitable as a reducing gas that suppresses oxidation of the member made of steel.
  • a member made of steel containing 0.1% by mass or more of vanadium is prepared, and in the step of forming the film, the member is oxidized.
  • the film may be formed.
  • the member in the step of forming the film, may be heated to a temperature range of 800 ° C. or higher and oxidized. By doing so, a film containing vanadium can be more easily formed.
  • the member may be forged in the step of forming the film.
  • the manufacturing process of a machine part includes a forging process, a film containing vanadium can be efficiently formed by oxidizing the machine part in the forging process.
  • the film in the mechanical part manufacturing method, in the step of forming the film, the film may be formed by physical vapor deposition. In the step of forming the film, the film may be formed by chemical vapor deposition. In the step of forming the film, the film may be formed by a wet coating method. By such a method, a film containing vanadium can be easily formed.
  • the heat treatment gas may contain an endothermic modified gas.
  • said member nitrogen-enriched layer is formed, further the step of quench-hardening said member by cooling from the A 1 transformation point or more temperature M S point below the temperature You may have.
  • the mechanical part may be a part constituting a rolling bearing.
  • Parts such as races and rolling elements that constitute a rolling bearing are often required to have high fatigue strength and wear resistance. Therefore, the method for manufacturing a machine part according to the present invention is suitable as a method for manufacturing a part constituting a rolling bearing.
  • a machine component capable of manufacturing a machine component having a nitrogen-enriched layer in the surface layer portion by rapid heat treatment without using ammonia gas can be provided.
  • Embodiment 1 which is one embodiment of the present invention will be described.
  • a steel member preparation process is implemented as process (S10).
  • a steel member which is a member made of steel and formed into a schematic shape of a machine part, is prepared.
  • a steel material of AMS2315 which is steel containing 0.1% by mass or more of vanadium, is prepared, and a steel member is manufactured by performing processing such as forging and turning.
  • an oxidation step is performed as a step (S20).
  • the steel member prepared in step (S10) is oxidized.
  • the surface layer portion of the steel member is oxidized.
  • a film containing vanadium is formed on the surface of the steel member by reacting vanadium contained in the steel with carbon in the steel and nitrogen in the atmosphere.
  • this film is a V (vanadium) -N (nitrogen) film, a VC (carbon) film, a VCN film, or the like.
  • a carbonitriding step is performed as a step (S30).
  • the steel member oxidized in step (S20) is carbonitrided.
  • propane gas and air are mixed in a shift furnace, and heated to a temperature of 1000 ° C. or higher in the presence of a catalyst. in an atmosphere which is adjusted to the desired carbon potential by adding such gas, the steel members are heated to a temperature range of not lower than the a 1 transformation point. At this time, ammonia gas is not added to the atmosphere. Thereby, carbon penetrate
  • a film containing vanadium is formed on the surface of the steel member in the step (S20), and since the RX gas contains nitrogen gas in the air, nitrogen also penetrates into the surface layer portion of the steel member. To do. As a result, the steel member is carbonitrided, and a nitrogen-enriched layer is formed on the surface portion of the steel member.
  • the oxygen partial pressure of the heat treatment gas is preferably 10 ⁇ 10 ⁇ 16 Pa or less.
  • the heat treatment gas is not limited to the gas in which the enriched gas is added to the RX gas, and may be any gas that contains nitrogen and suppresses oxidation of the steel member by containing, for example, a reducing gas.
  • a reducing gas for example, hydrogen gas, carbon monoxide gas, or the like can be employed.
  • the heat treatment gas may include nitrogen gas and hydrogen gas instead of the RX gas to which the enriched gas is added, and be made of the remaining impurities.
  • the ratio of hydrogen gas may be about 50% by volume, but a nitrogen-enriched layer can be sufficiently formed even if the ratio is about 2% by volume.
  • the hydrogen content can be, for example, 2% by volume or more and 30% by volume or less.
  • a quench hardening process is implemented as process (S40).
  • the steel member carbonitrided in step (S30) is hardened and hardened. Specifically, by the steel member carbonitrided at a temperature range of not lower than the A 1 transformation point in the step (S30) it is cooled from a temperature range of not lower than the A 1 transformation point to a temperature range below M S point Hardened and hardened. As a result, the entire steel member including the nitrogen-enriched layer is quenched and hardened, and high fatigue strength and wear resistance are imparted to the steel member.
  • step (S50) a tempering step is performed as a step (S50).
  • the steel member that has been quenched and hardened in step (S40) is tempered.
  • quench hardened steel member in the step (S40) is heated to a temperature below the A 1 transformation point, tempering treatment is carried out by subsequently cooling .
  • a finishing process is performed as a process (S60).
  • mechanical parts such as bearing parts are completed by performing a finishing process on the steel member obtained by performing steps (S10) to (S50).
  • a polishing process or the like is performed on the tempered steel member to complete a mechanical part.
  • a steel part having a film containing vanadium formed on its surface is heated in an atmosphere containing nitrogen gas and no ammonia gas, and the machine part having a nitrogen-enriched layer is obtained.
  • Manufactured In the method for manufacturing a machine part in the present embodiment, the formation of the nitrogen-enriched layer does not proceed with undecomposed ammonia. Therefore, heat treatment at a high temperature is possible without considering the decomposition of ammonia.
  • the process for forming the nitrogen-enriched layer can be performed at a high temperature, and the heat treatment time can be shortened.
  • a machine component having a nitrogen-enriched layer in the surface layer portion can be manufactured by a rapid heat treatment that does not use ammonia gas.
  • Embodiment 2 which is another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the method for manufacturing a mechanical component in the second embodiment is basically performed in the same manner as in the first embodiment.
  • the method for manufacturing a machine part in the second embodiment is different from that in the first embodiment in that it includes a hot forging step.
  • steel containing 0.1% by mass or more of vanadium is prepared in the step (S10) as in the first embodiment, and the step (S21) described later.
  • a steel member is produced by being formed into a shape capable of hot forging.
  • a hot forging process is performed as a process (S21).
  • the steel member is hot forged.
  • the steel member is formed by hot forging in the atmosphere, for example.
  • the surface layer portion of the steel member is oxidized by oxygen in the atmosphere.
  • the vanadium contained in the steel reacts with the carbon in the steel and the nitrogen in the atmosphere, whereby a film containing vanadium on the surface of the steel member, specifically a VN film or a VC film. , A VCN film or the like is formed.
  • step (S20) is omitted, and the steps (S30) to (S60) are performed in the same manner as in the first embodiment to complete the mechanical part.
  • the steel member is oxidized using a hot forging process included in the manufacturing process. Therefore, the method for manufacturing a machine part of the present invention can be performed while suppressing an increase in the number of steps.
  • Embodiment 3 which is still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the method of manufacturing a machine part in the third embodiment is basically performed in the same manner as in the first embodiment.
  • the method for manufacturing a mechanical component in the third embodiment is different from that in the first embodiment in the composition of steel members and the method for forming a film containing vanadium.
  • step (S10) steel is prepared in the same manner as in the first embodiment, and this is processed to produce a steel member.
  • the steel does not need to contain 0.1% by mass or more of vanadium, and for example, carburized steel (alloy steel for mechanical structure) such as JIS SNCM420 and SCN420 is adopted as a material.
  • a film formation step is performed as a step (S22).
  • a film containing vanadium is formed on the surface of the steel member.
  • a film containing vanadium such as a V film, a VN film, a VC film, a VCN film, or the like is formed by a method such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition, or wet coating. Formed on the surface.
  • steps (S30) to (S60) are performed in the same manner as in the first embodiment, and the machine part is completed.
  • a film containing vanadium is formed on the surface of a steel member by a technique such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition, or wet coating. Therefore, it is not necessary for the material steel to contain 0.1% by mass or more of vanadium, and various materials can be employed. As a result, according to the machine part manufacturing method of the present embodiment, a machine part having excellent fatigue strength and wear resistance can be manufactured using inexpensive steel that does not contain vanadium.
  • Example 1 An experiment was conducted to confirm that by forming a film containing vanadium, a nitrogen-enriched layer can be formed by heating in a heat treatment gas atmosphere not containing ammonia gas.
  • Table 1 four types of steel having the composition shown in Table 1 were prepared, and test pieces were prepared from the steel.
  • Table 1 the unit of numerical values is mass%, and the balance of the composition described in the table is iron and impurities.
  • vanadium is not added to the steel C and the steel D, and it has an impurity level content.
  • Steel A, steel C, and steel D correspond to AMS2315, JIS SNCM420, and JIS SCM420, respectively.
  • the prepared test piece was heated to 900 ° C. or higher in the atmosphere and oxidized, and then heated to 960 ° C. in an RX gas atmosphere not containing ammonia gas having a carbon potential of 0.6 to perform carburization. Then, the concentration distribution of carbon and nitrogen in the depth direction of the test piece was investigated. 4, 5, 6 and 7 correspond to the test results of Steel A, Steel B, Steel C and Steel D in Table 1, respectively.
  • a nitrogen-enriched layer can be formed by heating in an atmosphere not containing ammonia gas. It was confirmed.
  • mapping analysis by EPMA Electro Probe Micro Analysis
  • AMS2315 steel A
  • 8, 9 and 10 show the distribution of vanadium, nitrogen and carbon, respectively.
  • vanadium was distributed on the surface of the test piece after carburization, and this vanadium distribution corresponded to the distribution of carbon and nitrogen. Therefore, in steel containing 0.1 mass% or more of vanadium, a film containing vanadium formed by oxidation treatment (for example, a V film, a VN film, a VC film, a VCN film, etc.) It was confirmed that a nitrogen-enriched layer can be formed in an RX gas atmosphere into which ammonia gas has not been introduced.
  • a film containing vanadium formed by oxidation treatment for example, a V film, a VN film, a VC film, a VCN film, etc.
  • the nitrogen concentration in the surface layer portion is 0.3% by mass or more from the viewpoint of improving wear resistance.
  • the carbon concentration of the surface layer part of a bearing component sufficient surface hardness is obtained by setting it as 0.6 mass% or more.
  • the carbon concentration in the surface layer portion of the bearing component exceeds 1.2% by mass or less, the mechanical properties of the bearing component may deteriorate due to the formation of coarse carbides. Therefore, it is desirable that the carbon concentration of the surface layer of the bearing component is 0.6 mass% or more and 1.2 mass% or less. Further, since the bearing parts are rarely used until the wear depth becomes 0.1 mm or more, the thickness of the nitrogen-enriched layer may be 0.1 mm or more.
  • Example 2 In the case of forming a nitrogen enriched layer by oxidizing a member made of steel containing vanadium to form a film containing vanadium and heating it in a heat treatment gas atmosphere containing nitrogen gas and not containing ammonia gas An experiment was conducted to investigate the relationship between the vanadium content of steel and the nitrogen concentration in the nitrogen-enriched layer.
  • the experimental procedure is as follows.
  • test pieces made of JIS standards SUJ2 and SUJ2 with vanadium added in an amount of 0.25 to 3.97% by mass and steel materials of AMS (Aerospace Materials Standard; USA) 6491 were prepared.
  • Table 2 shows the component composition of the steel.
  • the numerical values indicate the contents of C (carbon), Si (silicon), (Mn) manganese, Cr (chromium), Mo (molybdenum), and V (vanadium), with the balance being iron and impurities. It is.
  • the unit of the numerical value is mass%.
  • the prepared test piece was heated to 950 ° C. or higher in the atmosphere for oxidation treatment, and then heated to 960 ° C. in an RX gas atmosphere not containing ammonia gas in which the carbon potential was adjusted to 0.6 by adding an enriched gas or the like. did. And the nitrogen concentration in the test piece surface was investigated by EPMA (Electron Probe Micro Analysis). The survey results are shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the vanadium content of the steel constituting the test piece
  • the vertical axis represents the nitrogen concentration on the surface of the test piece.
  • the addition of vanadium exceeding 1% by mass has a small effect from the viewpoint of increasing the nitrogen content on the surface. Therefore, considering the increase in the price of steel material due to the addition of vanadium, the amount of vanadium added is preferably 1% or less.
  • Example 3 An experiment was conducted to confirm the formation of a nitrogen-enriched layer when a gas comprising nitrogen gas and hydrogen gas as the heat treatment gas and the remaining impurities was employed.
  • a gas comprising nitrogen gas and hydrogen gas as the heat treatment gas and the remaining impurities was employed.
  • the oxidation treatment was performed in the same manner as in Example 2.
  • These test pieces were heated to 960 ° C. in an atmosphere of 50% by volume of nitrogen gas and 50% by volume of hydrogen gas and heat-treated for 24 hours. Thereafter, the nitrogen concentration distribution in the surface layer portion of the test piece was measured by EPMA.
  • the horizontal axis represents the depth from the surface of the test piece, and the vertical axis represents the nitrogen concentration.
  • the thin line corresponds to the measurement result of the test piece to which 3.97% by mass of vanadium is added
  • the thick line corresponds to the measurement result of the test piece to which 1.02% by mass of vanadium is added.
  • the thin line is a test piece heated in an atmosphere of 98% by volume of nitrogen gas and 2% by volume of hydrogen gas
  • the thick line is a test piece heated in an atmosphere of 50% by volume of nitrogen gas and 50% by volume of hydrogen gas. It corresponds to.
  • the method for manufacturing a mechanical component of the present invention can be applied particularly advantageously to a method for manufacturing a mechanical component having a nitrogen-enriched layer in the surface layer portion.

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Abstract

　機械部品の製造方法は、鋼からなる部材を準備する工程（Ｓ１０）と、当該部材を酸化することにより表面にバナジウムを含む膜を形成する工程（Ｓ２０）と、膜が形成された上記部材を、窒素ガスを含みアンモニアガスを含まない熱処理ガス雰囲気中において加熱して浸炭窒化処理することにより窒素富化層を形成する工程（Ｓ３０）とを備えている。

Description

機械部品の製造方法
　本発明は機械部品の製造方法に関し、より特定的には、表層部に窒素富化層を有する機械部品の製造方法に関するものである。
　機械部品の疲労強度の向上や耐摩耗性の向上を目的として、浸炭窒化などの方法により機械部品の表層部に内部に比べて窒素濃度の高い窒素富化層が形成される場合がある。一般に、浸炭窒化処理においては、プロパン、ブタンあるいは都市ガスと空気とを１０００℃以上の高温で混合して搬送ガス（吸熱型変成ガス；以下、ＲＸガスという）を作製し、これに少量のプロパン、ブタン、アンモニアを加えた雰囲気ガスが用いられる場合が多い。そして、この雰囲気ガス中において被処理物を加熱することにより、被処理物の表層部に窒素富化層が形成される。ＲＸガスを搬送ガスとして用いた浸炭窒化処理では、窒化反応は未分解のアンモニアによって生じる（たとえば、毛利信之ら、「熱処理による浸炭鋼の耐摩耗性向上」、ＮＴＮ　ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ、２００８年、ＮＯ．７６、ｐ１７－２２（非特許文献１）参照）。
毛利信之ら、「熱処理による浸炭鋼の耐摩耗性向上」、ＮＴＮ　ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ、２００８年、ＮＯ．７６、ｐ１７－２２
　一般に、アンモニアガスの分解は、高温になるほど進行する。そのため、未分解のアンモニアによる窒化処理は、９００℃以上の温度域において実施されることは少ない。その結果、厚みの大きい窒化層が必要な製品を処理する場合でも、処理温度を高くして浸炭窒化時間を短縮することは困難で、処理時間が長くなるという問題があった。また、アンモニアガスを用いた浸炭窒化処理では、熱処理炉にアンモニアガスを導入するための設備を設置する必要があること、熱処理炉内において使用される部品（例えば、製品搬送用バスケット）の消耗が早いことなどに起因して、設備の維持管理コストが高くなるという問題もあった。
　本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、アンモニアガスを使用しない迅速な熱処理により表層部に窒素富化層を有する機械部品を製造することが可能な機械部品の製造方法を提供することである。
　本発明に従った機械部品の製造方法は、鋼からなる部材を準備する工程と、当該部材の表面にバナジウムを含む膜を形成する工程と、当該膜が形成された上記部材を、窒素ガスを含みアンモニアガスを含まない熱処理ガス雰囲気中において加熱することにより窒素富化層を形成する工程とを備えている。
　本発明者は、鋼の熱処理に関する種々の検討を進める中で、鋼からなる部材の表面にバナジウムを含む膜を形成し、窒素ガスを含む雰囲気中で加熱することにより、当該雰囲気がアンモニアガスを含まない場合でも部材の表層部に窒素富化層が形成されることを見出し、本発明に想到した。すなわち、本発明の機械部品の製造方法では、表面にバナジウムを含む膜が形成された鋼からなる部材が窒素ガスを含みアンモニアガスを含まない雰囲気中において加熱されることにより、機械部品の表層部に窒素富化層が形成される。この製造方法では、窒素富化層の形成が未分解のアンモニアによって進行するものではないため、より高温での熱処理が可能となる。そのため、熱処理時間を短縮することが可能となる。また、この製造方法ではアンモニアを用いないため、熱処理炉内において使用される部品の消耗を抑制し、設備の維持管理コストを低減することができる。このように、本発明の機械部品の製造方法によれば、アンモニアガスを使用しない迅速な熱処理により表層部に窒素富化層を有する機械部品を製造することができる。
　なお、上記アンモニアガスを含まない熱処理ガスとは、アンモニアガスを実質的に含まないことを意味し、不純物レベルでのアンモニアガスの混入を排除するものではない。
　上記機械部品の製造方法においては、上記熱処理ガスの酸素分圧は１０×１０-16Ｐａ以下であってもよい。これにより、上記鋼からなる部材の酸化が抑制され、窒素富化層を容易に形成することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、上記熱処理ガスは還元性ガスを含んでいてもよい。これにより、上記鋼からなる部材の酸化が抑制され、窒素富化層を容易に形成することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、上記熱処理ガスは、窒素ガスと水素ガスとを含み、残部不純物からなっていてもよい。水素ガスは、鋼からなる上記部材の酸化を抑制する還元性ガスとして好適である。
　上記機械部品の製造方法においては、上記部材を準備する工程では、０．１質量％以上のバナジウムを含有する鋼からなる部材が準備され、上記膜を形成する工程では、上記部材が酸化されることにより上記膜が形成されてもよい。
　０．１質量％以上のバナジウムを含有する鋼からなる機械部品においては、当該部材を酸化処理することにより、容易にバナジウムを含む膜を形成することができる。そのため、このようにすることにより、窒素富化層の形成を容易に達成することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、上記膜を形成する工程では、上記部材が８００℃以上の温度域に加熱されて酸化されてもよい。このようにすることにより、一層容易にバナジウムを含む膜を形成することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、上記膜を形成する工程では、上記部材が鍛造されてもよい。機械部品の製造プロセスに鍛造工程を含む場合、当該鍛造工程において機械部品を酸化することにより、効率よくバナジウムを含む膜を形成することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、上記膜を形成する工程では、物理蒸着法により上記膜が形成されてもよい。また、上記膜を形成する工程では、化学蒸着法により上記膜が形成されてもよい。また、上記膜を形成する工程では、ウェットコーティング法により上記膜が形成されてもよい。このような方法により、容易にバナジウムを含む膜を形成することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、上記熱処理ガスは吸熱型変成ガスを含んでいてもよい。これにより、容易に雰囲気のカーボンポテンシャルを調整しつつ窒素富化層の形成を達成することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、窒素富化層が形成された上記部材を、Ａ１変態点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却することにより上記部材を焼入硬化する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、窒素富化層が形成されるとともに焼入硬化された耐久性の高い機械部品を容易に製造することができる。
　上記機械部品の製造方法においては、上記機械部品は転がり軸受を構成する部品であってもよい。転がり軸受を構成する軌道輪、転動体などの部品は、高い疲労強度や耐摩耗性を要求される場合が多い。そのため、本発明の機械部品の製造方法は、転がり軸受を構成する部品の製造方法として好適である。
　以上の説明から明らかなように、本発明の機械部品の製造方法によれば、アンモニアガスを使用しない迅速な熱処理により表層部に窒素富化層を有する機械部品を製造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。 本発明に従った機械部品の製造方法の他の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明に従った機械部品の製造方法のさらに他の一例を説明するためのフローチャートである。 深さ方向における炭素および窒素の濃度分布を示す図である。 深さ方向における炭素および窒素の濃度分布を示す図である。 深さ方向における炭素および窒素の濃度分布を示す図である。 深さ方向における炭素および窒素の濃度分布を示す図である。 試料表面におけるバナジウムの分布を示す図である。 試料表面における窒素の分布を示す図である。 試料表面における炭素の分布を示す図である。 鋼材中のバナジウム含有量と表面窒素濃度との関係を示す図である。 表層部の窒素濃度分布を示す図である。 表層部の窒素濃度分布を示す図である。
　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について説明する。図１を参照して、実施の形態１における機械部品の製造方法では、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、鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された部材である鋼部材が準備される。具体的には、たとえば０．１質量％以上のバナジウムを含有する鋼であるＡＭＳ２３１５の鋼材が準備され、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより鋼部材が作製される。
　次に、工程（Ｓ２０）として酸化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された鋼部材が酸化処理される。具体的には、たとえば上記鋼部材が大気中において８００℃以上の温度域に加熱されることにより、当該鋼部材の表層部が酸化される。このとき、鋼中に含まれるバナジウムと、鋼中の炭素および雰囲気中の窒素とが反応することにより、鋼部材の表面にバナジウムを含む膜が形成される。この膜は、具体的にはＶ（バナジウム）－Ｎ（窒素）膜、Ｖ－Ｃ（炭素）膜、Ｖ－Ｃ－Ｎ膜などである。
　次に、工程（Ｓ３０）として浸炭窒化工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において酸化処理された鋼部材が浸炭窒化処理される。具体的には、たとえば変成炉においてプロパンガスと空気とを混合し、触媒の存在下において１０００℃以上の温度に加熱することにより得られた吸熱型変成ガスであるＲＸガスに、エンリッチガスとしてプロパンガスなどを添加して所望のカーボンポテンシャルに調整された雰囲気中において、上記鋼部材がＡ１変態点以上の温度域に加熱される。このとき、上記雰囲気中にはアンモニアガスは添加されない。これにより、鋼部材の表層部に炭素が侵入する。また、上記鋼部材の表面には工程（Ｓ２０）においてバナジウムを含む膜が形成されており、かつＲＸガスには空気中の窒素ガスが含まれることから、鋼部材の表層部には窒素も侵入する。その結果、鋼部材は浸炭窒化処理され、鋼部材の表層部に窒素富化層が形成される。
　ここで、上記熱処理ガス（雰囲気ガス）の酸素分圧は１０×１０-16Ｐａ以下であることが好ましい。これにより、鋼部材の酸化が抑制され、窒素富化層を容易に形成することができる。また、上記熱処理ガスはＲＸガスにエンリッチガスが添加されたものに限られず、窒素を含み、かつたとえば還元性ガスを含むことにより鋼部材の酸化が抑制されるものであればよい。還元性ガスとしては、たとえば水素ガス、一酸化炭素ガスなどを採用することができる。より具体的には、たとえば上記熱処理ガスは、ＲＸガスにエンリッチガスを添加したものに代えて、窒素ガスと水素ガスとを含み、残部不純物からなるものとすることができる。この場合、水素ガスの割合は５０体積％程度であってもよいが、２体積％程度としても十分に窒素富化層を形成することができる。十分な窒素富化層の形成を確保しつつ可燃性ガスである水素ガスを低減する観点から、水素含有量は、たとえば２体積％以上３０体積％以下とすることができる。
　次に、工程（Ｓ４０）として焼入硬化工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において浸炭窒化処理された鋼部材が焼入硬化される。具体的には、工程（Ｓ３０）においてＡ１変態点以上の温度域において浸炭窒化された鋼部材が、Ａ１変態点以上の温度域からＭＳ点以下の温度域にまで冷却されることにより、焼入硬化される。これにより、窒素富化層を含む鋼部材全体が焼入硬化され、鋼部材に高い疲労強度および耐摩耗性が付与される。
　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、工程（Ｓ４０）において焼入硬化処理された鋼部材が焼戻処理される。具体的には、工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において焼入硬化処理された鋼部材が、Ａ１変態点以下の温度に加熱され、その後冷却されることにより焼戻処理が実施される。
　次に、工程（Ｓ６０）として仕上げ加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ１０）～（Ｓ５０）までが実施されて得られた鋼部材に対して仕上げ加工が実施されることにより、軸受部品などの機械部品が完成する。具体的には、工程（Ｓ６０）では、焼戻処理された鋼部材に対して研磨処理などが実施されて機械部品が完成する。以上のプロセスにより、本実施の形態における機械部品の製造方法は完了し、機械部品が完成する。
　本実施の形態における機械部品の製造方法では、表面にバナジウムを含む膜が形成された鋼部材が、窒素ガスを含みアンモニアガスを含まない雰囲気中において加熱され、窒素富化層を有する機械部品が製造される。本実施の形態における機械部品の製造方法においては、窒素富化層の形成が未分解のアンモニアによって進行するものではない。そのため、アンモニアの分解を考慮することなく、高温での熱処理が可能となっている。その結果、本実施の形態における機械部品の製造方法においては、窒素富化層を形成する処理を高温で実施し、熱処理時間を短縮することができる。また、上記製造方法ではアンモニアを用いないため、熱処理炉内において使用される部品の消耗を抑制し、設備の維持管理コストを低減することができる。以上のように、本実施の形態における機械部品の製造方法によれば、アンモニアガスを使用しない迅速な熱処理により表層部に窒素富化層を有する機械部品を製造することができる。
　（実施の形態２）
　次に、図２を参照して、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は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施される。しかし、実施の形態２における機械部品の製造方法は、熱間鍛造工程を含む点において実施の形態１の場合とは異なっている。
　実施の形態２における機械部品の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）において実施の形態１の場合と同様に０．１質量％以上のバナジウムを含有する鋼が準備され、後述する工程（Ｓ２１）における熱間鍛造が可能な形状に成形されることにより鋼部材が作製される。
　次に、工程（Ｓ２１）として熱間鍛造工程が実施される。この工程（Ｓ２１）では、上記鋼部材が熱間鍛造される。具体的には、上記鋼部材が、たとえば大気中において熱間鍛造されることにより成形される。このとき、大気中の酸素により鋼部材の表層部が酸化される。その結果、鋼中に含まれるバナジウムと、鋼中の炭素および雰囲気中の窒素とが反応することにより、鋼部材の表面にバナジウムを含む膜、具体的にはＶ－Ｎ膜、Ｖ－Ｃ膜、Ｖ－Ｃ－Ｎ膜などが形成される。
　その後、工程（Ｓ２０）を省略し、工程（Ｓ３０）～（Ｓ６０）が実施の形態１の場合と同様に実施され、機械部品が完成する。
　本実施の形態における機械部品の製造方法では、製造プロセスに含まれる熱間鍛造工程を利用して鋼部材の酸化処理が実施される。そのため、工程数の増加を抑制しつつ本発明の機械部品の製造方法を実施することができる。
　（実施の形態３）
　次に、図３を参照して、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。実施の形態３における機械部品の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施される。しかし、実施の形態３における機械部品の製造方法は、鋼部材の成分組成およびバナジウムを含む膜の形成方法において、実施の形態１とは異なっている。
　実施の形態３における機械部品の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）において実施の形態１の場合と同様に鋼が準備され、これが加工されることにより鋼部材が作製される。このとき、実施の形態３においては、鋼は０．１質量％以上のバナジウムを含有する必要はなく、たとえば素材としてＪＩＳ　ＳＮＣＭ４２０、ＳＣＮ４２０などの浸炭鋼（機械構造用合金鋼）が採用される。
　次に、工程（Ｓ２２）として被膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ２２）では、鋼部材の表面にバナジウムを含む膜が形成される。具体的には、たとえば物理蒸着法、化学蒸着法、ウェットコーティング法などの手法により、Ｖ膜、Ｖ－Ｎ膜、Ｖ－Ｃ膜、Ｖ－Ｃ－Ｎ膜などのバナジウムを含む膜が鋼部材の表面に形成される。そして、工程（Ｓ３０）～（Ｓ６０）が実施の形態１の場合と同様に実施され、機械部品が完成する。
　本実施の形態における機械部品の製造方法では、物理蒸着法、化学蒸着法、ウェットコーティング法などの手法によりバナジウムを含む膜が鋼部材の表面に形成される。そのため、素材である鋼が０．１質量％以上のバナジウムを含有する必要はなく、種々の素材を採用することができる。その結果、本実施の形態における機械部品の製造方法によれば、バナジウムを含まない低廉な鋼を用いて、疲労強度および耐摩耗性に優れた機械部品を製造することができる。
　（実施例１）
　バナジウムを含む膜を形成することにより、アンモニアガスを含まない熱処理ガス雰囲気中における加熱によって窒素富化層の形成が可能となることを確認する実験を行なった。
　まず、表１に示す成分組成を有する４種類の鋼を準備し、当該鋼から試験片を作製した。なお、表１において、数値の単位は質量％であり、表中に記載された組成の残部は鉄および不純物である。また、鋼Ｃおよび鋼Ｄにはバナジウムは添加されておらず、不純物レベルの含有量となっている。鋼Ａ、鋼Ｃおよび鋼Ｄは、それぞれＡＭＳ２３１５、ＪＩＳ　ＳＮＣＭ４２０、ＪＩＳ　ＳＣＭ４２０に相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　作製された試験片を大気中において９００℃以上に加熱して酸化処理した後、カーボンポテンシャル０．６のアンモニアガスを含まないＲＸガス雰囲気中において９６０℃に加熱して浸炭処理を行なった。そして、この試験片の深さ方向における炭素および窒素の濃度分布を調査した。図４、図５、図６および図７は、それぞれ表１の鋼Ａ、鋼Ｂ、鋼Ｃおよび鋼Ｄの試験結果に対応する。
　図４～図７を参照して、０．１質量％以上のバナジウムを含む鋼Ａおよび鋼Ｂについては、アンモニアガスを含まない雰囲気中での加熱によって、窒素富化層の形成が可能であることが確認された。
　次に、鋼Ａ（ＡＭＳ２３１５）からなる浸炭後の試験片の表面について、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）によるマッピング分析を行った。図８、図９および図１０は、それぞれバナジウム、窒素および炭素の分布を示している。
　図８～図１０を参照して、浸炭後の試験片の表面にはバナジウムが分布しており、このバナジウムの分布は炭素および窒素の分布に対応していた。このことから、０．１質量％以上のバナジウムを含む鋼では、酸化処理により形成されたバナジウムを含む膜（たとえばＶ膜、Ｖ－Ｎ膜、Ｖ－Ｃ膜、Ｖ－Ｃ－Ｎ膜など）を介して、アンモニアガスが導入されていないＲＸガス雰囲気中で、窒素富化層を形成可能であることが確認された。
　以上の結果から、バナジウムを含む膜を鋼表面に形成することにより、アンモニアガスを使用しない浸炭窒化処理（窒素富化層の形成）が実現可能であることが確認された。
　なお、本発明の機械部品の製造方法では、上述のように、アンモニアを用いた場合に比べて高温での窒素富化層の形成が可能である。しかし、高温で処理された鋼においては、結晶粒粗大化による機械的性質の低下が懸念される。そのため、本発明の機械部品の製造方法においては、高温での窒素富化層の形成を行なった場合、窒素富化層の形成後、一旦Ａ１変態点以下の温度域に機械部品を冷却した後、再度Ａ１変態点以上の温度域に加熱し、その後ＭＳ点以下の温度に冷却して焼入硬化する二次焼入処理が実施されることが好ましい。
　また、本発明の機械部品の製造方法により軸受部品が製造される場合、表層部における窒素濃度は耐摩耗性向上の観点から０．３質量％以上とすることが望ましい。また、軸受部品の表層部の炭素濃度については、０．６質量％以上とすることにより十分な表面硬度が得られる。一方、軸受部品の表層部の炭素濃度が１．２質量％以下を超えると、粗大炭化物の生成により軸受部品の機械的性質が悪化するおそれがある。そのため、軸受部品の表層の炭素濃度は０．６質量％以上１．２質量％以下あることが望ましい。さらに、軸受部品では、摩耗深さが０．１ｍｍ以上になるまで使用されることは少ないので、窒素富化層の厚みは０．１ｍｍ以上であればよい。
　（実施例２）
　バナジウムを含有する鋼からなる部材を酸化処理してバナジウムを含む膜を形成し、これを窒素ガスを含みアンモニアガスを含まない熱処理ガス雰囲気中において加熱することにより窒素富化層を形成する場合における、鋼のバナジウム含有量と窒素富化層の窒素濃度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通りである。
　まず、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＵＪ２にバナジウムを０．２５～３．９７質量％添加したもの、およびＡＭＳ（航空宇宙材料規格；米国）６４９１の鋼材からなる試験片を準備した。鋼材の成分組成を表２に示す。表２において、数値は、それぞれＣ（炭素）、Ｓｉ（珪素）、（Ｍｎ）マンガン、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）およびＶ（バナジウム）の含有量を示しており、残部は鉄および不純物である。また、数値の単位は質量％である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　準備された試験片を大気中において９５０℃以上に加熱して酸化処理した後、エンリッチガスの添加等によりカーボンポテンシャルを０．６に調整したアンモニアガスを含まないＲＸガス雰囲気中において９６０℃に加熱した。そして、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）により試験片表面における窒素濃度を調査した。調査結果を図１１に示す。
　図１１において横軸は試験片を構成する鋼のバナジウム含有量、縦軸は試験片表面における窒素濃度を表している。図１１を参照して、鋼のバナジウム含有量が０．２５質量％の場合において、試験片表面には０．１質量％近い窒素含有量が得られている。そして、鋼のバナジウム含有量を０．２５質量％以上としてバナジウム含有量を増加させるに従って試験片表面の窒素含有量も増加している。しかし、鋼のバナジウム含有量が１質量％程度となると窒素含有量の増加は飽和し、１質量％を超えるバナジウムを鋼に添加しても、試験片表面の窒素含有量はほとんど増加しないことが分かる。このことから、表面の窒素含有量を増加させるという観点からは、１質量％を超えるバナジウムの添加は効果が小さいといえる。したがって、バナジウムの添加による鋼材価格の上昇を考慮すると、バナジウムの添加量は１％以下とすることが好ましい。
　（実施例３）
　熱処理ガスとして窒素ガスと水素ガスとを含み、残部不純物からなるガスを採用した場合における窒素富化層の形成を確認する実験を行なった。まず、上記実施例２において実験に供した試験片のうち、ＳＵＪ２に１．０２質量％のバナジウムを添加したものおよび３．９７質量％のバナジウムを添加したものと同様の試験片を準備し、実施例２の場合と同様に酸化処理した。そして、これらの試験片を窒素ガス５０体積％、水素ガス５０体積％の雰囲気中で９６０℃に加熱して２４時間保持する熱処理を行なった。その後、試験片の表層部の窒素濃度分布をＥＰＭＡにて測定した。また、ＳＵＪ２に１．０２質量％のバナジウムを添加した鋼材からなる試験片については、窒素ガス９８体積％、水素ガス２体積％の雰囲気中で９６０℃に加熱して２４時間保持する熱処理を行なったものについても、同様に表層部の窒素濃度分布を測定した。測定結果を図１２および図１３に示す。
　図１２および図１３において横軸は試験片の表面からの深さ、縦軸は窒素濃度を示している。また、図１２において細線は３．９７質量％のバナジウムが添加された試験片、太線は１．０２質量％のバナジウムが添加された試験片の測定結果に対応している。一方、図１３において細線は窒素ガス９８体積％、水素ガス２体積％の雰囲気中で加熱された試験片、太線は窒素ガス５０体積％、水素ガス５０体積％の雰囲気中で加熱された試験片に対応している。
　図１２を参照して、鋼材のバナジウム含有量が１．０２質量％の場合、および３．９７質量％の場合ともに、試験片の表面に明確に窒素富化層が形成されていることが確認される。また、鋼材のバナジウム含有量を３．９７質量％にまで増加させた場合と、バナジウム含有量を１．０２質量％とした場合とで、表層部の窒素濃度分布には明確な差は見られない。したがって、上記実施例２でも言及したように、窒素富化層の形成を目的としたバナジウムの添加は、１％程度で十分であるといえる。
　また、図１３を参照して、雰囲気中の水素濃度が５０体積％の場合と２体積％の場合とを比較すると、５０体積％の場合に比べて２体積％の場合の窒素濃度は低くなる傾向にある。しかし、雰囲気中の水素濃度を２体積％とした場合でも、表層部には明確に窒素富化層が形成されている。このことから、表層部に必要な窒素濃度があまり高くない場合、雰囲気の水素ガスの割合を２体積％程度にまで低減できることが分かった。
　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請求の範囲によって示され、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。
　本発明の機械部品の製造方法は、表層部に窒素富化層を有する機械部品の製造方法に、特に有利に適用され得る。

Claims (10)

  1. 　鋼からなる部材を準備する工程と、
    　前記部材の表面にバナジウムを含む膜を形成する工程と、
    　前記膜が形成された前記部材を、窒素ガスを含みアンモニアガスを含まない熱処理ガス雰囲気中において加熱することにより窒素富化層を形成する工程とを備えた、機械部品の製造方法。
  2. 　前記熱処理ガスの酸素分圧は１０×１０-16Ｐａ以下である、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
  3. 　前記熱処理ガスは還元性ガスを含んでいる、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
  4. 　前記熱処理ガスは、窒素ガスと水素ガスとを含み、残部不純物からなっている、請求項３に記載の機械部品の製造方法。
  5. 　前記部材を準備する工程では、０．１質量％以上のバナジウムを含有する鋼からなる部材が準備され、
    　前記膜を形成する工程では、前記部材が酸化されることにより前記膜が形成される、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
  6. 　前記膜を形成する工程では、前記部材が８００℃以上の温度域に加熱されて酸化される、請求項５に記載の機械部品の製造方法。
  7. 　前記膜を形成する工程では、前記部材が鍛造される、請求項５に記載の機械部品の製造方法。
  8. 　前記熱処理ガスは吸熱型変成ガスを含んでいる、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
  9. 　窒素富化層が形成された前記部材を、Ａ１変態点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却することにより前記部材を焼入硬化する工程をさらに備えた、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
  10. 　前記機械部品は転がり軸受を構成する部品である、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
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