WO2022154105A1 - 鋼製部材の浸炭方法、鋼製部品及び浸炭剤 - Google Patents

鋼製部材の浸炭方法、鋼製部品及び浸炭剤 Download PDF

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WO2022154105A1
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WO
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carburizing
agent
steel member
carburizing agent
steel
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智之 中本
祐司 宮本
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日本精工株式会社
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/60—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C8/62—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes only one element being applied
    • C23C8/64—Carburising
    • C23C8/66—Carburising of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C8/40—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C23C8/42—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions only one element being applied
    • C23C8/44—Carburising
    • C23C8/46—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a method for carburizing steel members, steel parts and carburizing agents used for steelmaking equipment, excavation machines, wind power generators, etc.
  • the hardness near the surface (for example, a depth of about 1 mm from the surface for small products) is increased to improve various characteristics such as wear resistance, slidability, and fatigue strength. Therefore, carburizing and quenching is used.
  • the carburizing method is classified into solid carburizing, liquid carburizing, gas carburizing, and vacuum carburizing, all of which are treatments for invading carbon (C) from the surface of a heated component in the austenite region.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the carburizing mechanism of the gas carburizing method.
  • FIG. 7 is a Fe—C binary phase diagram when the vertical axis is the temperature and the horizontal axis is the C content.
  • a steel member 21 is arranged in a furnace heated to a temperature of line A 1 (727 ° C.) or higher shown in the phase diagram of FIG. 7, and CO, N 2 and H 2 are used as carrier gases.
  • the gas atmosphere (carburized atmosphere) is created by flowing a heat-absorbing modified gas as the main component and further supplying a hydrocarbon gas such as propane or butane as an enriched gas.
  • a hydrocarbon gas such as propane or butane as an enriched gas.
  • carbon (C) can be penetrated from the surface 21a of the steel member 21.
  • carbon dioxide (CO 2 ) is generated.
  • Patent Document 1 discloses a carburizing method for steel parts, which can obtain a wide range of carburizing depth sufficient for rolling bearings in a shorter carburizing time.
  • a carburizing agent which is a mixture of a powdered Fe-C alloy and sodium silicate that binds powders to each other, is in contact with the surface of a steel part, and the eutectic point or higher of the component part or the peritectic point. It is a method of keeping the temperature range of less than austenite for a certain period of time.
  • Patent Document 2 describes carbon powder (graphite powder), carbonate (at least one selected from calcium carbonate and barium carbonate), and metal oxide (at least one selected from aluminum oxide and titanium oxide).
  • a surface treatment method for spray coating a surface treatment agent containing a sodium silicate solution on the surface of a steel material is disclosed. According to this surface treatment method, selective carburizing treatment is possible by using spray coating.
  • carbon dioxide gas (CO 2 ) is generated by decomposing carbonate in a high temperature environment, and this carbon dioxide gas is reacted with carbon (C) in carbon powder.
  • Carbon monoxide (CO) is generated, and carbon monoxide gas is brought into contact with the steel material to cause a carburizing action.
  • Patent Document 2 describes that the metal oxide has a function of diluting carbon powder and carbonate, and makes it easy to remove the carburizing agent after the carburizing treatment.
  • Patent Document 2 when spray coating is used, there is a limit to the thickness of the carburizing agent that can be applied to the metal surface, and it is particularly difficult to obtain the carburizing depth required for large bearings. Become. Further, when the entire surface of the part is carburized, if spray coating is used, the amount of the carburizing agent applied becomes uneven, and a uniform carburized layer cannot be obtained. Further, calcium carbonate and barium carbonate used as carbon salts have a melting point of 800 to 850 ° C., and when treated at a eutectic point or higher, they can be melted to maintain a carburizing agent having a uniform carbon concentration. However, uneven carburizing may occur.
  • the above object of the present invention is achieved by the configuration of the following [1] relating to the carburizing method of a steel member.
  • the heating step is a method for carburizing a steel member, which is a step of holding the steel member in a temperature range of an austenite region having a eutectic point or more and less than a peritectic point for a certain period of time.
  • preferred embodiments of the present invention relating to a carburizing method for steel members relate to the following [2] to [4].
  • the Fe—C alloy powder is in a mixed state or a liquid phase state of a solid phase and a liquid phase at a temperature equal to or higher than the eutectic point, and the graphite powder is in a solid phase above the eutectic point.
  • a step of bringing the carburizing agent into contact with at least a part of the surface of the steel member A method for carburizing a steel member, which comprises a heating step of invading at least a part of the surface of the steel member by heating the carburizing agent.
  • the carburizing agent is a binding that binds the Fe—C alloy powder, the graphite powder of 5% by mass or more and 60% by mass or less with respect to the total mass of the carburizing agent, and the Fe—C alloy powder and the graphite powder to each other.
  • the heating step is a method for carburizing a steel member, which is a step of holding the steel member in a temperature range of an austenite region having a eutectic point or more and less than a peritectic point for a certain period of time.
  • preferred embodiments of the present invention relating to a carburizing method for steel members relate to the following [8] to [10].
  • the Fe—C alloy powder is in a mixed state or a liquid phase state of a solid phase and a liquid phase at a temperature equal to or higher than the eutectic point, and the graphite powder is in a solid phase above the eutectic point.
  • the carburizing agent is a binding that binds the Fe—C alloy powder, the graphite powder of 5% by mass or more and 60% by mass or less with respect to the total mass of the carburizing agent, and the Fe—C alloy powder and the graphite powder to each other.
  • the heating temperature is in the austenite region above the eutectic point and below the peritectic point of the steel part, and is obtained by holding the steel part at the heating temperature for a certain period of time.
  • a uniform carburized layer having a desired depth can be formed on the surface of a steel member in an extremely short treatment time, and the carburizing agent after carburizing can be easily removed.
  • the carburizing method, the steel parts obtained by using the carburizing method, and the carburizing agent used in the carburizing method can be provided.
  • FIG. 1A is a schematic view showing a carburizing method of a steel member according to an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a state in which a carburizing agent is arranged on the surface of the steel member.
  • FIG. 1B is a schematic view showing the next step of FIG. 1A, and is a diagram showing a step of carburizing the surface of a steel member.
  • FIG. 2A is a schematic view showing a process after carburizing the surface of the steel member.
  • FIG. 2B is a schematic view showing a step of peeling the carburizing agent from the surface of the steel part.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the shape and size of the test piece used in the examples.
  • FIG. 4A shows Example No.
  • FIG. 4B shows Comparative Example No. 6 is a drawing-substituting photograph showing a carburized layer after removal of a carburizing agent in the test piece of No. 6.
  • FIG. 5A shows Example No. It is a drawing substitute photograph which shows the carburizing agent after removing the carburizing agent in the test piece of 2.
  • FIG. 5B shows Comparative Example No. It is a drawing-substituting photograph showing the carburizing agent after removing the carburizing agent in the test piece of No. 7.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the carburizing mechanism of the gas carburizing method.
  • FIG. 7 is a Fe—C binary phase diagram when the vertical axis is the temperature (° C.) and the horizontal axis is the carbon content (mass%).
  • the method for carburizing a steel member according to the present embodiment is a step of bringing a carburizing agent into contact with at least a part of the surface of the steel member, and heating the steel member and the carburizing agent to cover at least a part of the surface. It has a heating step of carburizing carbon.
  • the carburizing agent is a binding that binds the Fe-C alloy powder, the graphite powder of 20% by volume or more and 70% by volume or less with respect to the total volume of the carburizing agent, and the Fe-C alloy powder and the graphite powder to each other. Including agents.
  • the carburizing agent is an Fe-C alloy powder, a graphite powder of 5% by mass or more and 60% by mass or less based on the total volume of the carburizing agent, and a binder that binds the Fe-C alloy powder and the graphite powder to each other. , May be included.
  • the heating step is a step of holding the steel member in the temperature range of the austenite region above the eutectic point and below the peritectic point for a certain period of time.
  • Sodium silicate as a binder may be in the form of a solution (aqueous solution, water glass) or in the form of powder or the like.
  • 1A and 1B are schematic views showing a method of carburizing a steel member according to an embodiment of the present invention in order of steps.
  • 2A and 2B are schematic views showing a process after carburizing a steel member with carbon.
  • cast iron powder (Fe—C alloy powder) 2, graphite powder 3, and a sodium silicate solution (binding agent) are formed on at least a part of the surface 1a of the work (steel member) 1.
  • the carburizing agent 5 containing 4 is brought into contact with it.
  • the work 1 is, for example, a steel member made of hardened steel used for bearings and alloy steel for machine structure.
  • the sodium silicate solution 4 or sodium silicate binds the cast iron powder 2 to each other, the graphite powder 3 to each other, and the cast iron powder 2 and the graphite powder 3 to each other by its own adhesiveness, and the cast iron powder 2 is attached to the surface 1a of the work 1.
  • the graphite powder 3 are fixed. Therefore, the carburizing agent 5 is less likely to be peeled off from the surface 1a of the work 1, and the application site to the work 1 is not restricted.
  • the work 1 and the carburizing agent 5 are placed in the furnace and heated in the temperature range of the austenite region above the eutectic point and below the peritectic point of the steel member which is the work, and this is heated. Hold for a certain period of time. As a result, a part of the cast iron powder 2 is melted (liquid phased), and the solid-phase cast iron powder 2, the liquid-phase cast iron portion 2a, the graphite powder 3, and the sodium silicate solution 4 or sodium silicate are mixed. It becomes a state.
  • the graphite powder 3 does not melt, but the cast iron portion 2a, which has become a liquid phase, spreads and contacts the surface 1a of the work 1, so that the contact area between the carburizing agent 5 and the work 1 increases, so that the work Carbon can be uniformly penetrated from the surface 1a of No. 1, and the carbon supply rate to the work 1 can be significantly improved.
  • the solid-phase cast iron powder 2 is further melted to form a mixed state of the liquid-phase cast iron portion 2a, the graphite powder 3, and the sodium silicate solution 4 or sodium silicate. Be done. Even in such a case, if sodium silicate solution 4 or sodium silicate is used in the binder, the sodium silicate functions as an antioxidant of the Fe—C alloy powder, and the Fe—C alloy powder It is possible to prevent an increase in the melting temperature of sodium.
  • the work 1 and the carburizing agent 5 are cooled to an appropriate temperature.
  • the cast iron portion 2a which was in the liquid phase state in FIG. 1B, becomes the cast iron body 2b in the solid phase state.
  • the method of cooling the work 1 and the carburizing agent 5 is not particularly limited, and the method of cooling by leaving in a furnace (further cooling), the method of cooling by immersing in water (water cooling), or immersing in oil By doing so, a cooling method (oil cooling) or the like can be used.
  • a cooling method oil cooling
  • the carburizing agent 5 is peeled off from the surface 1a of the work 1.
  • the carburizing agent used in the present embodiment and the temperature (heating temperature) of the heating step at the time of carburizing will be described in detail below.
  • the carburizing treatment of the eutectic point or more and the peritectic point or less is possible, and within this range, the treatment time can be shortened.
  • the eutectic point and peritectic point differ depending on the material (material composition), but in general, if the material is carburized, the heating temperature in the carburizing treatment is preferably 1150 ° C. or higher, preferably 1175 ° C. or higher. It is more preferable to keep the temperature at 1200 ° C. or higher.
  • the heating temperature in the carburizing treatment is preferably 1300 ° C. or lower, more preferably 1275 ° C. or lower, and even more preferably 1250 ° C. or lower.
  • the carburizing agent used in the carburizing method for the steel member according to the embodiment of the present invention (the carburizing agent according to the present embodiment) will be described in detail below.
  • the carburizing agent according to another embodiment of the present invention is a carburizing agent that allows carbon to penetrate into at least a part of the surface by contacting and heating at least a part of the surface of the steel member. It contains a Fe—C alloy powder, a graphite powder of 5% by mass or more and 60% by mass or less based on the total mass of the carburizing agent, and a binder that binds the Fe—C alloy powder and the graphite powder to each other.
  • the material of the Fe—C alloy powder used for the carburizing agent cast iron powder, carbon steel powder, tool steel powder, cast iron grid and the like can be used.
  • the shape of the powder may be granular or needle-shaped.
  • the amount of C in the Fe—C alloy powder serving as the carbon supply source is preferably calculated from the range of the liquid phase appearance region ( ⁇ + L) in FIG. 1 based on the heating temperature.
  • the powder When the Fe-C alloy is in the form of powder, the powder has a large surface area, and depending on the atmosphere, the melting temperature rises with the decarburization of carbon in the Fe-C alloy powder, and the carburizing source is supplied in a liquid layer. There is a problem that it cannot be done. Such a problem can be solved by treating in an atmosphere of an inert gas or by mixing an antioxidant such as calcium sulfate (gypsum) with a carburizing agent. It is considered that sodium silicate itself has an antioxidant effect. Furthermore, calcium sulfate itself is considered to have an effect as a binder. When an inert gas is used, industrially, a reducing gas mainly composed of N2 gas or CO can be used.
  • the content of the Fe—C alloy powder in the carburizing agent is 25% by mass or more with respect to the total mass of the carburizing agent, both carburizing property and removability of the carburizing agent can be achieved. Therefore, the content of the Fe—C alloy powder in the carburizing agent is preferably 25% by mass or more, more preferably 50% by mass or more, and 75% by mass or more with respect to the total mass of the carburizing agent. More preferably. On the other hand, when the content of the Fe—C alloy powder in the carburizing agent is 86% by mass or less with respect to the total mass of the carburizing agent, the removability of the carburizing agent tends to be good.
  • the content of the Fe—C alloy powder in the carburizing agent is preferably 86% by mass or less, more preferably 84% by mass or less, and 80% by mass or less, based on the total mass of the carburizing agent. It is more preferable to have.
  • the Fe—C alloy powder that can be used in this embodiment may contain elements other than Fe and C.
  • the carburizing agent according to this embodiment contains graphite powder. Since the graphite powder does not melt even at a temperature above the eutectic point, it does not adhere to the work and has a certain carburizing property. A carburizing agent having both removability can be obtained. When the content of the graphite powder in the carburizing agent is less than 20% by volume with respect to the total volume of the carburizing agent, the removability of the carburizing agent after carburizing the steel part is lowered. Therefore, the content of the graphite powder in the carburizing agent is 20% by volume or more, preferably 25% by volume or more, and more preferably 30% by volume or more with respect to the total volume of the carburizing agent.
  • the content of the graphite powder in the carburizing agent is less than 5% by mass with respect to the total mass of the carburizing agent, the removability of the carburizing agent after carburizing the steel part is lowered. Therefore, the content of the graphite powder in the carburizing agent is preferably 5% by mass or more, preferably 15% by mass or more, based on the total mass of the carburizing agent.
  • the particle size of the graphite powder to be used the finer the particle size of the Fe-C alloy powder, the more the particles come into contact with each other without gaps, and uniform carburizing is possible, which is preferable. Specifically, those passing through a 180-mesh sieve are preferable, those passing through a 150-mesh sieve are more preferable, and those passing through a 100-mesh sieve are further preferable.
  • the Fe-C alloy powder and the sodium silicate solution are kneaded and supplied to the work surface, the oxidation and decarburization of the Fe-C alloy powder itself can be further suppressed, so that the melting temperature rises. It is possible to prevent the problem that the carburizing source cannot be supplied by the liquid layer, and a more uniform carburizing layer can be obtained.
  • the sodium silicate and its aqueous solution include water glass (sodium silicate aqueous solution) of Nos. 1 to 3 and sodium metasilicate as described in JIS K 1408 (1966). Nos. 1 and 2 (crystals) and the like can be used.
  • the content of the binder in the carburizing agent is not particularly limited, but when sodium silicate is used as the binder, the content of the binder in the carburizing agent is 4% by mass with respect to the total mass of the carburizing agent. When it is% or more, the adhesion between the carburizing agent and the steel member can be improved.
  • the content of the binder is preferably 0.1% by mass or more with respect to the mass of the cast iron powder in the carburizing agent.
  • the content of the binder in the carburizing agent is 40% by mass or less with respect to the total mass of the carburizing agent, the contents of the Fe-C alloy powder and the graphite powder in the carburizing agent are sufficiently secured. Therefore, excellent carburizing property can be obtained. Therefore, the content of the binder in the carburizing agent is preferably 40% by mass or less, more preferably 25% by mass or less, and 20% by mass or less with respect to the total mass of the carburizing agent. Is even more preferable.
  • the sodium silicate either a liquid one (sodium silicate solution) or a powdery one can be used, and when the sodium silicate solution is used, the above content is the sodium silicate solution with respect to the total mass of the carburizing agent. Represents the mass of.
  • the particle size of the binder is similar to the particle size of Fe-C alloy powder, and the finer the particles, the closer the particles come into contact with each other, enabling uniform carburizing. It is preferable because it becomes. Specifically, those passing through a 180-mesh sieve are preferable, those passing through a 150-mesh sieve are more preferable, and those passing through a 100-mesh sieve are further preferable.
  • the carburizing method according to the present embodiment using the above carburizing agent, it is possible to maintain a high state as compared with the carbon potential of gas carburizing, and it is possible to realize quick and uniform carburizing and carburizing.
  • the later carburizing agent can be easily removed.
  • the carburizing method according to the present embodiment is also suitable for carburizing the raceway ring and rolling element of an ultra-large roller bearing having an outer diameter of more than 1000 mm for industrial machinery, for example.
  • the target steel member is not limited to such a size, and can be applied to steel members of various sizes.
  • the steel part according to the present embodiment is a steel part obtained by contacting at least a part of the surface of the steel member with a carburizing agent and heating the steel part to allow carbon to penetrate into at least a part of the surface.
  • the carburizing agent binds the Fe-C alloy powder, the graphite powder of 20% by volume or more and 70% by volume or less with respect to the total volume of the carburizing agent, and the Fe-C alloy powder and the graphite powder to each other.
  • the heating temperature, including the coating agent is in the austenite region of the steel part having a eutectic point or more and less than a peritectic point, and is obtained by holding the steel part at the heating temperature for a certain period of time.
  • the steel parts have the carburizing agent on the surface removed and have a uniform carburizing layer with a desired depth.
  • the components and their contents contained in the carburizing agent for obtaining the steel parts, the heating conditions, etc. are the same as those described in the carburizing method and the carburizing agent for the steel members described above, and thus are detailed. The description is omitted.
  • Carburizing agents with various volume fractions of graphite powder were prepared, and the test pieces were carburized to evaluate the surface carbon concentration and carburizing agent removability.
  • a carburizing agent in which cast iron powder (Fe-C alloy powder), graphite powder, and sodium silicate (binding agent) are mixed in a volume ratio shown in Table 1 below is placed in the blind hole 11a.
  • the surface of the blind hole 11a (side surface 12a and bottom surface 12b) was brought into contact with the carburizing agent.
  • the carburizing treatment was carried out by holding for 5 minutes or 900 minutes in a state of being heated in a nitrogen gas atmosphere, and the mixture was cooled in the furnace.
  • the temperature in the heating step is 1200 ° C., which is an intermediate temperature between the eutectic point 1147 ° C. and the peritectic point 1494 ° C. of the SCR420 steel material from the Fe—C binary phase diagram shown in FIG. And said.
  • the carburizing agent arranged in the blind hole 11a of the obtained test piece 11 is removed, cut at the surface passing through the central line passing through the cylindrical axis, and the carburizing agent is observed by observing the cross-sectional macro with an actual microscope.
  • the surface carbon concentration was measured by EPMA (Electron Probe Micro Analyzer).
  • EPMA Electro Probe Micro Analyzer
  • the center of the bottom surface of the blind hole 11a in the test piece 11 was measured, and the side surface was measured at an arbitrary position in the center of the distance from the top surface to the bottom surface.
  • the surface carbon concentration those having a surface carbon concentration of 0.80% by mass or more were judged to have excellent carburizing properties.
  • the removability of the carburizing agent is evaluated by a method of scraping the carburizing agent from the test piece after carburizing with a scraping rod having a spoon-shaped tip, and most of the carburizing agent can be removed by one scraping treatment. , Those that do not affect the post-process are marked with " ⁇ " (good), and those that require mechanical removal treatment because the carburizing agent remains even after multiple scraping treatments are marked with "x" (defective). ). The evaluation results are also shown in Table 1 below.
  • the C concentration of the carburizing agent is a value calculated by the following formula (2).
  • C concentration of carburizer (C mass in cast iron powder + C mass in graphite powder) / (mass of cast iron powder + mass of graphite powder) ... (2)
  • the cast iron powder used in this example contains 3.1% by mass of C
  • the graphite powder contains 100% by mass of C.
  • FIG. 4A shows Example No. It is a drawing substitute photograph which shows the carburized layer after carburizing agent removal in the test piece of 2. Further, FIG. 4B shows Comparative Example No. 6 is a drawing-substituting photograph showing a carburized layer after removal of a carburizing agent in the test piece of No. 6.
  • FIG. 5A shows Example No. It is a drawing substitute photograph which shows the carburizing agent after removing the carburizing agent in the test piece of 2. Further, FIG. 5B shows Comparative Example No. It is a drawing-substituting photograph showing the carburizing agent after removing the carburizing agent in the test piece of No. 7.
  • Example No. No. 2 and Comparative Example No. No. 7 has the same surface carbon concentration on the bottom surface, but Example No. Regarding No. 2, the carburizing agent was excellently removed, and no carburizing agent remained on the bottom surface 12b and the side surface 12a.
  • Comparative Example No. Regarding No. 7 the carburizing agent had poor removability, and the carburizing agent 15 was welded to the bottom surface 12b and the side surface 12a, and could not be removed even by using a scratching rod having a spoon-shaped tip.
  • the parts indicated by arrows in FIG. 5B indicate the carburizing agent that could not be removed by welding.
  • Test 2 The mass fraction of each component of the carburizing agent used in Test 1 was measured and compared with the volume fraction shown in Table 1 above.
  • the test conditions and evaluation results are shown in Tables 2 and 3 below.
  • the conditions and evaluation results other than the mass fraction of each component of the carburizing agent in Test 2 are the same as those shown in Table 1 above, but in order to compare with the evaluation results of Tests 3 and 4 shown below, It is also shown in Tables 2 and 3 below.
  • Test 3 Using powdered sodium silicate, carburizing agents with various changes in the mass fraction of sodium silicate were prepared, and the above test pieces were carburized to evaluate the surface carbon concentration and carburizing agent removability. did. In Test 3, it was cooled (water-cooled) by immersing it in water after the heat treatment. The test method and evaluation method were the same as in Test 1 above.
  • Test 4 After changing the packing condition of the carburizing agent and changing the bulk density of the carburizing agent with respect to the above test piece, a carburizing treatment was carried out to evaluate the surface carbon concentration and the carburizing agent removability. In Test 4, it was cooled (water-cooled) by immersing it in water after the heat treatment. Moreover, liquid sodium silicate was used as a binder. The test method and evaluation method were the same as in Test 1 above.

Abstract

極めて短い処理時間で所望の深さの均一な浸炭層を鋼製部材の表面に形成することができるとともに、浸炭後の浸炭剤を容易に除去することができる鋼製部材の浸炭方法を提供する。鋼製部材（ワーク（１））の表面の少なくとも一部に浸炭剤（５）を接触させる工程と、鋼製部材と浸炭剤（５）とを加熱することにより、上記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる加熱工程と、を有する鋼製部材の浸炭方法であって、浸炭剤（５）は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末（鋳鉄粉（２））と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末（３）と、Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤（珪酸ナトリウム溶液（４））と、を含み、上記加熱工程は、鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲に一定時間保持する工程である。

Description

鋼製部材の浸炭方法、鋼製部品及び浸炭剤
　本発明は、製鋼設備、掘削機械、風力発電機等に用いられる、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、球面ころ軸受等を構成する鋼製部材の浸炭方法、鋼製部品及び浸炭剤に関する。
　一般に、歯車、軸受などの機械部品においては表面近傍（例えば小形品は表面から１ｍｍ程度の深さ）の硬さを高くし、耐摩耗性や摺動性、疲労強度などの諸特性を向上させるため、浸炭焼入が用いられている。浸炭法は、固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭、真空浸炭に分類され、いずれもオーステナイト域に加熱した部品表面から炭素（Ｃ）を侵入させる処理である。
　工業的には大部分でガス浸炭が用いられているため、ガス浸炭について、以下に具体的に説明する。図６は、ガス浸炭法の浸炭メカニズムを示す模式図である。また、図７は、縦軸を温度とし、横軸をＣ含有量とした場合の、Ｆｅ－Ｃ　２元系状態図である。
　図６に示すように、図７の状態図に示されるＡ１線（７２７℃）以上の温度に加熱した炉内に鋼製部材２１を配置し、キャリアガスとしてＣＯ、Ｎ２及びＨ２を主成分とする吸熱型変成ガスを流し、さらに、エンリッチガスとしてプロパン、ブタンなどの炭化水素ガスを供給したガス雰囲気（浸炭雰囲気）とする。これにより、炭素（Ｃ）を鋼製部材２１の表面２１ａから侵入させることができる。このとき、二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。
　必要とされる浸炭深さは、鋼製部材２１のサイズ、鋼製部材２１を構成する鋼材の化学成分、鋼製部材２１が使用される製品の使用条件に応じて決定されるため、部品ごとに所望の深さとなる浸炭時間で処理される。本発明が主に対象とする大形軸受のうち、例えば、産業機械用の外径１０００ｍｍを超えるような超大形ころ軸受の軌道輪及び転動体に浸炭処理を施す場合に、大きな荷重下での転動疲労強度を確保するため、それぞれの部材表面から１５ｍｍを超える浸炭深さが必要とされる場合がある。そのため、例えば９５０℃の温度でガス浸炭法により処理する場合には、２００～３００時間もの長時間の処理が必要となる。このように、従来のガス浸炭法を用いると、浸炭処理のリードタイムが最大のネック工程となるため、処理時間の短縮が求められている。
　そこで、特許文献１には、より短い浸炭時間で、転がり軸受に十分な浸炭深さを広範囲に得ることができる鋼材部品の浸炭方法が開示されている。この浸炭方法は、粉末状のＦｅ－Ｃ合金と、粉末同士を結着させる珪酸ナトリウムを混合した浸炭剤を鋼製部品表面に接触させた状態で、構成部品の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲に一定時間保持する方法である。
　上記特許文献１には、Ｆｅ－３．１Ｃ％の粉末と珪酸ナトリウム水溶液（１０ｗｔ％）を混合した浸炭剤を用いて、浸炭処理（１２００℃で３０ｍｉｎ）を行うことで、Ｆ．Ｅ．Ｈａｒｒｉｓの実験式（ｘ＝Ｋ√ｔ）における浸炭速度定数Ｋが２．６９になることが記載されている。この値は、ガス浸炭条件（Ｃｐ：１．０５、９５０℃で５ｈｒ）のＫ＝０．７４に対して迅速な浸炭であり、浸炭処理が大きく効率化していることを示している。
　ところで、上記特許文献１に記載の浸炭処理を施した場合に、浸炭後に部品から浸炭剤を除去する工程が必要な場合がある。工程が増えると、製造コストが上昇するおそれがある。
　そこで、浸炭処理後の部品から、容易に除去することができる浸炭剤の開発が要求されている。
　また、特許文献２には、炭素粉末（グラファイト粉末）と、炭酸塩（炭酸カルシウム及び炭酸バリウムから選ばれる少なくとも一つ）と、金属酸化物（酸化アルミニウム及び酸化チタンから選ばれる少なくとも一つ）と、珪酸ナトリウム溶液と、を含む表面処理剤を、鋼材の表面にスプレー塗装する表面処理方法が開示されている。この表面処理方法によると、スプレー塗布を利用することにより、選択的な浸炭処理が可能となっている。
　なお、上記表面処理方法によると、高温環境下で炭酸塩を分解させることにより、二酸化炭素ガス（ＣＯ２）を生じさせ、この二酸化炭素ガスを炭素粉末における炭素（Ｃ）と反応させることにより、一酸化炭素（ＣＯ）を生成させ、さらに一酸化炭素ガスを鋼材と接触させることにより、浸炭作用を引き起こしている。また、上記特許文献２には、金属酸化物は、炭素粉末や炭酸塩を希釈する機能を有しており、浸炭処理後に浸炭剤を除去しやすくさせることが記載されている。
　さらに、特許文献３には、鉄を含む改質用粉末に埋没した状態で加熱することにより、この金属材料にその表面から炭素を拡散浸透させる金属材料の表面処理方法であって、金属材料から離間して設けた炭素補充源から改質用粉末に炭素を補いながら表面処理を行う表面処理方法が提案されている。このような表面処理方法によると、金属材料から離間して設けた炭素補充源が存在するため、金属材料周辺における炭素の不足分が補われ、表面処理能力を低下させず、改質用粉末を繰り返し使用することができる。
日本国特開２０１８－２０４０８５号公報 日本国特許第６１９４０５７号公報 日本国特許第６３２１９８２号公報
　しかしながら、上記特許文献２のように、スプレー塗布を用いると、金属表面に塗布できる浸炭剤の厚さに限界があり、特に、大形軸受で必要とされる浸炭深さを得ることが困難となる。また、部品全面に浸炭する場合に、スプレー塗布を用いると、塗布される浸炭剤の量にムラが生じ、均一な浸炭層を得ることができない。さらに、炭素塩として使用される炭酸カルシウム及び炭酸バリウムの融点は８００～８５０℃であり、共晶点以上で処理する場合に、これらが溶融することにより、均一な炭素濃度の浸炭剤を保持できず、浸炭にムラが生じることがある。
　また、上記特許文献３に記載の表面処理方法によると、金属材料と改質用粉末の密着性が低いため、浸炭のムラが生じることがある。
　本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、極めて短い処理時間で所望の深さの均一な浸炭層を鋼製部材の表面に形成することができるとともに、浸炭後の浸炭剤を容易に除去することができる鋼製部材の浸炭方法を提供することである。
　また、本発明の目的は、所望の深さで均一に表面に浸炭された鋼製部品を提供することである。
　さらに、本発明の目的は、極めて短い処理時間で所望の深さの均一な浸炭層を鋼製部品の表面に形成することができるとともに、浸炭後に容易に除去することができる浸炭剤を提供することである。
　本発明の上記目的は、鋼製部材の浸炭方法に係る下記［１］の構成により達成される。
［１］　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させる工程と、
　前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱することにより、前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる加熱工程と、を有する鋼製部材の浸炭方法であって、
　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
　前記加熱工程は、前記鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲で一定時間保持する工程である、鋼製部材の浸炭方法。
　また、鋼製部材の浸炭方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］～［４］に関する。
［２］　前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末は、前記共晶点以上の温度で、固相と液相との混合状態、又は液相状態であり、前記グラファイト粉末は、前記共晶点以上で固相状態である、［１］に記載の鋼製部材の浸炭方法。
［３］　前記結着剤は珪酸ナトリウム及び硫酸カルシウムの少なくとも一種を含む、［１］又は［２］に記載の鋼製部材の浸炭方法。
［４］　前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で実施される、［１］～［３］のいずれか１つに記載の鋼製部材の浸炭方法。
　また、本発明の上記目的は、鋼製部品に係る下記［５］の構成により達成される。
［５］　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させ、前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱する加熱工程により前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させることにより得られる鋼製部品であって、
　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
　前記加熱の温度は、前記鋼製部品の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域であり、前記加熱の温度で一定時間保持することにより得られる、鋼製部品。
　また、本発明の上記目的は、浸炭剤に係る下記［６］の構成により達成される。
［６］　［１］～［４］のいずれか１つに記載の鋼製部材の浸炭方法に用いられる浸炭剤であって、
　Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含む、浸炭剤。
　また、本発明の上記目的は、鋼製部材の浸炭方法に係る下記［７］の構成により達成される。
［７］　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させる工程と、
　前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱することにより、前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる加熱工程と、を有する鋼製部材の浸炭方法であって、
　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全質量に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
　前記加熱工程は、前記鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲で一定時間保持する工程である、鋼製部材の浸炭方法。
　また、鋼製部材の浸炭方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［８］～［１０］に関する。
［８］　前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末は、前記共晶点以上の温度で、固相と液相との混合状態、又は液相状態であり、前記グラファイト粉末は、前記共晶点以上で固相状態である、［７］に記載の鋼製部材の浸炭方法。
［９］　前記結着剤は珪酸ナトリウム及び硫酸カルシウムの少なくとも一種を含む、［７］又は［８］に記載の鋼製部材の浸炭方法。
［１０］　前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で実施される、［７］～［９］のいずれか１つに記載の鋼製部材の浸炭方法。
　また、本発明の上記目的は、浸炭剤に係る下記［１１］の構成により達成される。
［１１］　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させ、前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱する加熱工程により前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させることにより得られる鋼製部品であって、
　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全質量に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
　前記加熱の温度は、前記鋼製部品の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域であり、前記加熱の温度で一定時間保持することにより得られる、鋼製部品。
　また、本発明の上記目的は、浸炭剤に係る下記［１２］の構成により達成される。
［１２］　［７］～［１０］のいずれか１つに記載の鋼製部材の浸炭方法に用いられる浸炭剤であって、
　Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全質量に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含む、浸炭剤。
　本発明によれば、極めて短い処理時間で所望の深さの均一な浸炭層を鋼製部材の表面に形成することができるとともに、浸炭後の浸炭剤を容易に除去することができる鋼製部材の浸炭方法、上記浸炭方法を用いて得られる鋼製部品、及び上記浸炭方法において用いられる浸炭剤を提供することができる。
図１Ａは、本発明の実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法を示す模式図であり、鋼製部材の表面に浸炭剤を配置した状態を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａの次工程を示す模式図であり、鋼製部材の表面を浸炭させる工程を示す図である。 図２Ａは、鋼製部材の表面を浸炭させた後の工程を示す模式図である。 図２Ｂは、浸炭剤を鋼製部品の表面から剥離する工程を示す模式図である。 図３は、実施例において使用した試験片の形状及びサイズを示す模式図である。 図４Ａは、実施例Ｎｏ．２の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭層を示す図面代用写真である。 図４Ｂは、比較例Ｎｏ．６の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭層を示す図面代用写真である。 図５Ａは、実施例Ｎｏ．２の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭剤を示す図面代用写真である。 図５Ｂは、比較例Ｎｏ．７の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭剤を示す図面代用写真である。 図６は、ガス浸炭法の浸炭メカニズムを示す模式図である。 図７は、縦軸を温度（℃）とし、横軸を炭素量（質量％）とした場合の、Ｆｅ－Ｃ　２元系状態図である。
　以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
［１．鋼製部材の浸炭方法］
　本実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法は、鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させる工程と、鋼製部材と浸炭剤とを加熱することにより、表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる加熱工程と、を有する。また、浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含む。浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含むものであってもよい。さらに、加熱工程は、鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲に一定時間保持する工程である。結着剤としての珪酸ナトリウムは、溶液（水溶液、水ガラス）の形態であってもよく、粉体等の形態であってもよい。
　本実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法について、図面を参照して以下に具体的に説明する。
　図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法を工程順に示す模式図である。また、図２Ａ及び図２Ｂは、鋼製部材に炭素を浸炭させた後の工程を示す模式図である。
　図１Ａに示すように、まず、ワーク（鋼製部材）１の表面１ａの少なくとも一部に、鋳鉄粉（Ｆｅ－Ｃ合金粉末）２と、グラファイト粉末３と、珪酸ナトリウム溶液（結着剤）４とを含む浸炭剤５を接触させる。ワーク１は、例えば、軸受に使用する肌焼き鋼、機械構造用合金鋼からなる鋼製部材である。
　珪酸ナトリウム溶液４又は珪酸ナトリウムは、自身の粘着性によって鋳鉄粉２同士、グラファイト粉末３同士、及び鋳鉄粉２とグラファイト粉末３とを互いに結着させるとともに、ワーク１の表面１ａに、鋳鉄粉２とグラファイト粉末３とを固着させる。このため、浸炭剤５は、ワーク１の表面１ａから剥がれにくくなり、ワーク１への適用部位に制約を生じることがない。
　その後、図１Ｂに示すように、ワーク１及び浸炭剤５を炉内に配置し、ワークである鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲で加熱し、これを一定時間保持する。これにより、鋳鉄粉２の一部が溶融（液相化）して、固相の鋳鉄粉２と、液相の鋳鉄部２ａと、グラファイト粉末３と、珪酸ナトリウム溶液４又は珪酸ナトリウムとの混合状態となる。このとき、グラファイト粉末３は溶融しないが、液相となった鋳鉄部２ａが、ワーク１の表面１ａに広がって接触することで、浸炭剤５とワーク１との接触面積が増加するため、ワーク１の表面１ａから炭素を均一に侵入させることができるとともに、ワーク１への炭素供給速度を大幅に向上させることができる。
　なお、図１Ｂに示す状態から、固相の鋳鉄粉２が更に溶融して、液相の鋳鉄部２ａと、グラファイト粉末３と、珪酸ナトリウム溶液４又は珪酸ナトリウムとの混合状態となることも考えられる。そのような場合であっても、結着剤中に珪酸ナトリウム溶液４又は珪酸ナトリウムを使用していると、珪酸ナトリウムがＦｅ－Ｃ合金粉末の酸化防止剤として機能して、Ｆｅ－Ｃ合金粉末の溶融温度の上昇を防止することができる。
　その後、図２Ａに示すように、ワーク１及び浸炭剤５を適切な温度まで冷却させる。これにより、図１Ｂにおいて液相状態となっていた鋳鉄部２ａが、固相状態の鋳鉄体２ｂとなる。ワーク１及び浸炭剤５を冷却させる方法は特に限定されず、炉の中で放置することにより冷却する方法（炉冷）や、水中に浸漬することにより冷却する方法（水冷）、油中に浸漬することにより冷却する方法（油冷）等を利用することができる。
　その後、図２Ｂに示すように、浸炭剤５をワーク１の表面１ａから剥離する。
　本実施形態において使用される浸炭剤及び浸炭時の加熱工程の温度（加熱温度）について、以下に詳細に説明する。
＜加熱温度：鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域＞
　一般に、鋼材の表面から炭素を侵入させ、材料内部に拡散させる浸炭工程において、任意の深さ位置ｘにおける炭素濃度の時間的変化は、Ｆｉｃｋの第二法則を用いた下記式（１）で表される。式（１）によれば、浸炭工程における炭素の拡散について理論的に説明できる。
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　Ｃ：位置ｘにおける炭素濃度
　Ｃ０：表面炭素濃度
　Ｄ：γ－Ｆｅ中の炭素の拡散係数
　ｔ：時間
　上記式（１）によれば、浸炭速度を向上させるには（ａ）表面炭素濃度Ｃ０、すなわち、熱処理雰囲気の炭素ポテンシャルを向上させること、又は（ｂ）拡散係数Ｄが大きい高温で処理することが必要となる。
　実用上は、９３０℃～１０５０℃の温度領域（肌焼き入れ鋼及び機械構造用合金鋼におけるＡ１点以上で共晶点以下の温度領域）での浸炭が主流であるが、更なる処理温度の高温化が可能になれば、理論的には浸炭時間は大幅に短縮することができる。
　そこで、本願発明者らは、短い浸炭時間で、１０ｍｍ、好ましくは１５ｍｍを超えるような浸炭深さを得るために、共晶点以上の温度域において、部品表面における浸炭反応を安定して成立させることを鋭意検討した。その結果、ワークを固相のオーステナイト域で加熱し、炭素源である浸炭剤を、固相と液相との混合状態、又は液相状態であるＦｅ－Ｃ合金で供給することが効果的であることを見出した。
　この手法によれば、ワーク表面の炭素濃度が、図７に示すＦｅ－Ｃ　２元系状態図のＪ－Ｅ線以上に浸炭され、液相が生じる課題、即ち、固溶限を超える過剰な浸炭を回避して、溶解現象のコントロールが可能となる。
　ワーク表面が共晶温度以上でオーステナイト固溶限以上に浸炭されると、ワーク表面に液相が発生してしまう。そこで、本実施形態では、共晶点以上の温度域において、炭素をＦｅ－Ｃ合金として供給する浸炭方法であって、ワークの炭素濃度を固溶限濃度（図５のＦｅ－Ｃ　２元系状態図のＪ－Ｅ線）以下に保持するために、浸炭剤に含まれる成分と加熱温度とを制御し、ワークとの界面の反応速度を制御する。
　すなわち、後述の浸炭剤を使用し、共晶点以上、包晶点以下の超高温域での拡散を利用することにより、大形軸受における鋼製部品の表面に、極めて短い処理時間で所望の深さの均一な浸炭層を形成することができる。
　なお、浸炭剤及びワークを加熱する方法としては、炉を用いた加熱方法の他に、高周波加熱も使用することができる。
　浸炭処理における具体的な加熱温度としては、共晶点以上包晶点以下の浸炭処理が可能であり、この範囲であれば、処理時間を短縮させることができる。共晶点及び包晶点は、材質（材料組成）によって異なるが、一般に浸炭処理が施される材料であれば、浸炭処理における加熱温度は、１１５０℃以上とすることが好ましく、１１７５℃以上とすることがより好ましく、１２００℃以上とすることがさらに好ましい。また、浸炭処理における加熱温度は、１３００℃以下とすることが好ましく、１２７５℃以下とすることがより好ましく、１２５０℃以下とすることがさらに好ましい。
　続いて、本発明の実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法に使用される浸炭剤（本実施形態に係る浸炭剤）について、以下に詳細に説明する。
［２．浸炭剤］
　本実施形態に係る浸炭剤は、鋼製部材の表面の少なくとも一部に接触させ、加熱することにより、上記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる浸炭剤であって、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含む。
　また、本発明の他の実施形態に係る浸炭剤は、鋼製部材の表面の少なくとも一部に接触させ、加熱することにより、上記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる浸炭剤であって、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全質量に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含む。
＜Ｆｅ－Ｃ合金粉末＞
　従来の鋼製部材の浸炭方法としては、例えば、珪酸ナトリウム溶液と、炭酸塩と、炭素粉末とを含み、さらに金属酸化物を含む表面処理剤を使用する方法がある。金属酸化物を添加することにより、保護層を形成できることに加えて、炭素粉末及び炭酸塩を希釈することができ、表面の浸炭処理が完成した後に、鋼材の表面から表面処理剤を除去しやすくすることができる。
　これに対して、本発明では、炭酸塩や金属酸化物（酸化アルミニウム、酸化チタン）の代替の浸炭源として、Ｆｅ－Ｃ合金粉末を使用している。ワークを固相のオーステナイト域で加熱し、炭素源の１つを、固相と液相との混合状態又は液相状態からなるＦｅ－Ｃ合金粉末とすることにより、浸炭性を向上させることができる。
　浸炭剤に用いるＦｅ－Ｃ合金粉末の材料としては、鋳鉄粉、炭素鋼粉、工具鋼粉、鋳鉄グリッド等が使用可能である。粉末の形状は、粒状、針状のいずれでも良い。炭素供給源となるＦｅ－Ｃ合金粉末中のＣ量は図１の液相出現領域（γ＋Ｌ）の範囲から、加熱温度に基づいて算出することが好ましい。
　なお、浸炭剤としてＦｅ－Ｃ合金粉末を用いる場合、高温まで酸化を抑制することが重要となる。Ｆｅ－Ｃ合金を粉末の形態とした場合に、粉末は表面積が大きく、雰囲気によっては、Ｆｅ－Ｃ合金粉末中の炭素の脱炭に伴い、溶融温度が上昇し、浸炭源を液層で供給できなくなる問題がある。このような問題に対しては、不活性ガス雰囲気中で処理することや、浸炭剤に硫酸カルシウム（石膏）等の酸化防止剤を混合させることで解決できる。なお、珪酸ナトリウム自体も酸化防止効果を有すると考えられる。さらに、硫酸カルシウム自体も結着剤としての効果を有すると考えられる。
　不活性ガスを使用する場合に、工業的にはＮ２ガスやＣＯを主体とする還元性の変成ガスを用いることができる。
　浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量は特に限定されないが、浸炭剤全体積に対して、１０体積％以上であると、浸炭性と、浸炭剤の除去性とを両立できる。したがって、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量は、浸炭剤全体積に対して、１０体積％以上であることが好ましく、４０体積％以上であることがより好ましく、４５体積％以上であることがさらに好ましい。
　一方、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量は、浸炭剤全体積に対して、６０体積％以下であると、浸炭剤の除去性が良好になる傾向にある。したがって、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量は、浸炭剤全体積に対して、６０体積％以下であることが好ましく、５５体積％以下であることがより好ましく、５０体積％以下であることがさらに好ましい。
　また、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量が、浸炭剤全質量に対して、２５質量％以上であると、浸炭性と、浸炭剤の除去性とを両立できる。したがって、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量は、浸炭剤全質量に対して、２５質量％以上であることが好ましく、５０質量％以上であることがより好ましく、７５質量％以上であることがより好ましい。
　一方、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量は、浸炭剤全質量に対して、８６質量％以下であると、浸炭剤の除去性が良好になる傾向にある。したがって、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量は、浸炭剤全質量に対して、８６質量％以下であることが好ましく、８４質量％以下であることがより好ましく、８０質量％以下であることがさらに好ましい。
　なお、本実施形態において使用することができるＦｅ－Ｃ合金粉末には、Ｆｅ及びＣ以外の元素が含まれていてもよい。
　さらに、使用するＦｅ－Ｃ合金粉末の粒径については、細かいほど粒体同士が隙間なく接触して、均一な浸炭が可能になるため好ましい。具体的には、１８０メッシュの篩を通るものが好ましく、１５０メッシュの篩を通るものがより好ましく、１００メッシュの篩を通るものがさらに好ましい。
＜グラファイト粉末：２０体積％以上、７０体積％以下＞
　本実施形態に係る浸炭剤は、グラファイト粉末を含有する。グラファイト粉末は、共晶点以上の温度でも溶融しないため、ワークに固着せず、かつ、一定の浸炭性を有するため、浸炭剤中に適切な割合でグラファイト粉末を含有することにより、浸炭性と除去性を両立する浸炭剤を得ることができる。
　浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量が浸炭剤全体積に対して、２０体積％未満であると、鋼製部品に浸炭させた後における浸炭剤の除去性が低下する。したがって、浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量は、浸炭剤全体積に対して２０体積％以上とし、２５体積％以上であることが好ましく、３０体積％以上であることがより好ましい。
　上述のとおり、グラファイト粉末は一定の浸炭性を有するが、鋼製部品の共晶点以上の温度範囲においても溶融しないため、浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量が多く、相対的にＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量が少なくなると、浸炭剤と鋼製部品の表面との接触面積が減少し、浸炭性が低下する。
　したがって、浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量は、浸炭剤全体積に対して７０体積％以下とし、６０体積％以下であることが好ましく、５０体積％以下であることがより好ましく、４０体積％以下であることがさらに好ましい。
　また、浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量が浸炭剤全質量に対して、５質量％未満であると、鋼製部品に浸炭させた後における浸炭剤の除去性が低下する。したがって、浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量は、浸炭剤全質量に対して５質量％以上とし、１５質量％以上であることが好ましい。
　一方、浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量が多く、相対的にＦｅ－Ｃ合金粉末の含有量が少なくなると、浸炭剤と鋼製部品の表面との接触面積が減少し、浸炭性が低下する。したがって、浸炭剤中のグラファイト粉末の含有量は、浸炭剤全質量に対して６０質量％以下とし、３０質量％以下であることが好ましく、２０質量％以下であることがより好ましい。
　使用するグラファイト粉末の粒径についても、Ｆｅ－Ｃ合金粉末の粒径と同様に、細かいほど粒体同士が隙間なく接触して、均一な浸炭が可能になるため好ましい。具体的には、１８０メッシュの篩を通るものが好ましく、１５０メッシュの篩を通るものがより好ましく、１００メッシュの篩を通るものがさらに好ましい。
＜結着剤＞
　本実施形態に係る浸炭剤は、結着剤を含有する。浸炭剤に結着剤が含有されていると、Ｆｅ－Ｃ合金粉末同士、グラファイト粉末同士、及びＦｅ－Ｃ合金粉末とグラファイト粉末とを互いに結着させることができるとともに、浸炭剤と鋼製部材との密着性を向上させることができる。その結果、浸炭のムラが発生することを防止でき、均一な浸炭層を得ることができる。
　結着剤としては、所望の作用を有するものであれば特に制限されないが、例えば、珪酸ナトリウム及び硫酸カルシウム（石膏）の少なくとも一種を使用することができる。珪酸ナトリウムは、粉末状態の脱酸剤を形成することができる。
　なお、珪酸ナトリウムは、水溶液として使用することもできる。珪酸ナトリウム水溶液は、空気中のＣＯ２ガスと反応して、固化する働きを有し、常温から高温まで粘性のあるガラス状を呈する。したがって、結着剤に珪酸ナトリウムが水溶液の状態で含まれていると、浸炭剤と鋼製部材との密着性をより一層向上させることができるとともに、酸素を遮断する効果も得ることができる。
　また、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と珪酸ナトリウム溶液とを混練して、ワーク表面に供給すると、Ｆｅ－Ｃ合金粉末自体の酸化・脱炭をさらに抑制することができるため、溶融温度が上昇して、浸炭源を液層で供給できなくなる問題を防止することができ、より均一な浸炭層を得ることができる。
　結着剤として珪酸ナトリウム溶液を使用する場合に、珪酸ナトリウム及びその水溶液としては、ＪＩＳ　Ｋ　１４０８（１９６６年）に記載されるとおり、１～３号の水ガラス（珪酸ナトリウム水溶液）、メタ珪酸ナトリウム１、２号（結晶）等を用いることができる。
　浸炭剤中の結着剤の含有量は特に限定されないが、結着剤として珪酸ナトリウムを使用する場合に、浸炭剤中の結着剤の含有量が、浸炭剤全質量に対して、４質量％以上であると、浸炭剤と鋼製部材との密着性を向上させることができる。また、結着剤の含有量は、浸炭剤中の鋳鉄粉の質量に対して０．１質量％以上とすることが好ましい。
　一方、浸炭剤中の結着剤の含有量は、浸炭剤全質量に対して、４０質量％以下であると、浸炭剤中のＦｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末の含有量を十分に確保することができるため、優れた浸炭性を得ることができる。したがって、浸炭剤中の結着剤の含有量は、浸炭剤全質量に対して、４０質量％以下であることが好ましく、２５質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることがさらに好ましい。なお、珪酸ナトリウムとしては、液状のもの（珪酸ナトリウム溶液）も粉状のものも使用することができ、珪酸ナトリウム溶液を使用する場合に、上記含有量とは、浸炭剤全質量に対する珪酸ナトリウム溶液の質量を表す。
　使用する結着剤が粉末である場合に、結着剤の粒径についても、Ｆｅ－Ｃ合金粉末の粒径と同様に、細かいほど粒体同士が隙間なく接触して、均一な浸炭が可能になるため好ましい。具体的には、１８０メッシュの篩を通るものが好ましく、１５０メッシュの篩を通るものがより好ましく、１００メッシュの篩を通るものがさらに好ましい。
　また、硫酸カルシウム（石膏）は、珪酸ナトリウムと同様に、Ｆｅ－Ｃ合金粉末同士、グラファイト粉末同士、及びＦｅ－Ｃ合金粉末とグラファイト粉末とを互いに結着させることができるとともに、浸炭剤と鋼製部材との密着性を向上させることができる。さらに、結着剤に硫酸カルシウムが含まれていると、酸素の遮断性能も得ることができるため、浸炭剤を無酸化状態～極めて低い酸化状態にして浸炭させることができる。
　上記浸炭剤を使用する本実施形態に係る浸炭方法によると、ガス浸炭の炭素ポテンシャルと比較して高い状態を維持することが可能になり、迅速で均一な浸炭を実現することができるとともに、浸炭後の浸炭剤を容易に除去することができる。
　なお、本実施形態に係る浸炭方法は、例えば、産業機械用の外径１０００ｍｍを超えるような超大形ころ軸受の軌道輪及び転動体に浸炭処理を施す場合にも好適であるが、本発明が対象とする鋼製部材はこのようなサイズに限定されるものではなく、種々のサイズの鋼製部材に対して適用することができる。
［３．鋼製部品］
　続いて、上記鋼製部材の浸炭方法により浸炭が実施された鋼製部品に関して、以下で説明する。本実施形態に係る鋼製部品は、鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させ、加熱することにより、上記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させて得られる鋼製部品であって、浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、上記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、加熱の温度は、鋼製部品の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域であり、加熱の温度で一定時間保持することにより得られるものである。
　なお、上記鋼製部品は、表面の浸炭剤が除去されており、所望の深さの均一な浸炭層を有する。上記鋼製部品を得るための浸炭剤に含まれる成分及びその含有量、並びに加熱の条件等については、上述の鋼製部材の浸炭方法及び浸炭剤で記載したものと同様であるため、詳細な説明は省略する。
　本発明の効果を確認するため、大形軸受を構成する鋼製部材（軌道輪及び転動体）の浸炭処理を模擬した小形の試験片を作製し、以下の実験を行った。
　図３は、本実施例において使用した試験片の形状及びサイズを示す模式図である。試験片（鋼製部材）１１の材料としては、ＪＩＳ４０５３（機械構造用合金鋼鋼材）のうちＳＣＲ４２０鋼材（炭素０．１８～０．２３％、中央値０．２０５％）を選定した。また、試験片１１のサイズは、外径φが４０ｍｍ、３０ｍｍ又は２０ｍｍであり、高さｈが１７．５ｍｍ、２２．５ｍｍ、２５ｍｍ又は３０ｍｍであって、上面の中央に、内径が１５ｍｍであり、深さが１５ｍｍである止まり穴１１ａを有する円柱形状とした。
＜試験１＞
　グラファイト粉末の体積分率を種々に変化させた浸炭剤を作製し、試験片に対して浸炭処理を実施して、表面炭素濃度と浸炭剤除去性を評価した。
　試験方法としては、まず、止まり穴１１ａに、鋳鉄粉（Ｆｅ－Ｃ合金粉末）、グラファイト紛、及び珪酸ナトリウム（結着剤）を、下記表１に示す体積割合で混合した浸炭剤を配置し、止まり穴１１ａの表面（側面１２ａ及び底面１２ｂ）に浸炭剤を接触させた。次に、加熱工程として、窒素ガス雰囲気中において加熱した状態で、５分又は９００分保持して浸炭処理を実施し、炉内で冷却した。なお、加熱工程における温度は、図７に示すＦｅ－Ｃ　２元系状態図より、ＳＣＲ４２０鋼材の共晶点である１１４７℃と、包晶点である１４９４℃とのの中間温度である１２００℃とした。
　得られた試験片１１の止まり穴１１ａに配置された浸炭剤を除去し、円柱形の軸を通る中央の線を通る面で切断し、実態顕微鏡にて断面マクロを観察することにより、浸炭剤の除去性を評価するとともに、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｚｅｒ：電子プローブマイクロアナライザー）によって表面炭素濃度を測定した。ＥＰＭＡによる表面炭素濃度は、試験片１１における止まり穴１１ａの底面については、底面の中央を測定し、側面については、上面から底面までの距離の中央における任意の位置を測定した。表面炭素濃度については、０．８０質量％以上となったものを、浸炭性が優れていると判断した。
　また、浸炭剤の除去性は、浸炭後の試験片から、先端がスプーン形状の引掻き棒で浸炭剤を掻き出す方法により評価し、１回の掻き出し処理により浸炭剤の大部分を除去することができ、後工程に影響がないものを「〇」（良好）とし、複数回の掻き出し処理を実施しても浸炭剤が残存し、機械的な除去処理が必要となったものを「×」（不良）とした。評価結果を下記表１に併せて示す。
　なお、下記表１において、浸炭剤のＣ濃度とは、下記式（２）により算出される値である。
　浸炭剤のＣ濃度＝（鋳鉄粉中のＣ質量＋グラファイト粉末中のＣ質量）／（鋳鉄粉の質量＋グラファイト粉末の質量）・・・（２）
　ただし、本実施例において使用した鋳鉄粉は、Ｃを３．１質量％含むものであり、グラファイト粉末は、Ｃを１００質量％含むものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上記表１に示すように、実施例Ｎｏ．１は、鋳鉄粉：グラファイト紛末：珪酸ナトリウム＝６０：２０：２０（体積％）の混合割合で作製した浸炭剤を用いており、グラファイト粉末の含有量が本発明の範囲内である。したがって、底面と側面における表面炭素濃度は、それぞれ１．１０質量％、１．００質量％であり、優れた浸炭性を得ることができた。また、浸炭後の浸炭剤を容易に除去できた。
　実施例Ｎｏ．２は、鋳鉄粉：グラファイト紛末：珪酸ナトリウム＝４６：３２：２２（体積％）の混合割合で作製した浸炭剤を用いており、グラファイト粉末の含有量が本発明の範囲内である。したがって、底面と側面における表面炭素濃度は、それぞれ１．２０質量％、１．２０質量％であり、優れた浸炭性を得ることができた。また、浸炭後の浸炭剤を容易に除去できた。
　実施例Ｎｏ．３は、鋳鉄粉：グラファイト紛末：珪酸ナトリウム＝１０：７０：２０（体積％）の混合割合で作製した浸炭剤を用いており、グラファイト粉末の含有量が本発明の範囲内である。したがって、底面と側面における表面炭素濃度は、それぞれ０．８０質量％、０．８０質量％であり、優れた浸炭性を得ることができた。また、浸炭後の浸炭剤を容易に除去できた。
　これに対して、比較例Ｎｏ．４は、鋳鉄粉：グラファイト紛末：珪酸ナトリウム＝７０：１０：２０（ｖｏｌ％）の混合割合で作製した浸炭剤を用いており、グラファイト粉末の含有量が本発明の範囲の下限未満である。したがって、底面と側面における表面炭素濃度は、それぞれ１．２５質量％、１．２０質量％であり優れた浸炭性を得ることができたが、浸炭後の浸炭剤を容易に除去することができなかった。
　比較例Ｎｏ．５は、鋳鉄粉：グラファイト紛末：珪酸ナトリウム＝０：１００：０（体積％）の混合割合で作製した浸炭剤を用いており、グラファイト粉末の含有量が本発明の範囲の上限を超えている。したがって、底面の表面炭素濃度は０．６０質量％であり、実施例と比較して浸炭性が低下した。ただし、グラファイト粉末には、浸炭剤の除去性を向上させるだけではなく、一定の浸炭性を得る効果があると考えられる。
　なお、比較例Ｎｏ．５は、グラファイト粉末単体の浸炭性及び除去性を評価するための試験片であったため、側面の炭素濃度については測定しなかった。
　比較例Ｎｏ．６は、鋳鉄粉：グラファイト紛末：珪酸ナトリウム＝５９：４１：０（体積％）の混合割合で作製した浸炭剤を用いており、珪酸ナトリウム（結着剤）が含有されていない。したがって、浸炭後の浸炭剤は容易に除去することができたが、底面と側面における表面炭素濃度は、それぞれ０．６０質量％、０．４０質量％であり、優れた浸炭性を得ることができなかった。
　図４Ａは、実施例Ｎｏ．２の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭層を示す図面代用写真である。また、図４Ｂは、比較例Ｎｏ．６の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭層を示す図面代用写真である。
　実施例Ｎｏ．２と比較例Ｎｏ．６は、浸炭剤のＣ濃度は同じ値であるが、実施例Ｎｏ．２の表面炭素濃度は、比較例Ｎｏ．６の表面炭素濃度よりも高くなっている。また、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、実施例Ｎｏ．２は、底面１２ｂ及び側面１２ａの全面に均一な浸炭層１３を確認することができるが、比較例Ｎｏ．６は、浸炭層１３が不均一となった。この結果は、珪酸ナトリウムが浸炭ムラに有効であることを示す。すなわち、浸炭剤に珪酸ナトリウムが含有されることにより、浸炭剤と鋼製部材との界面の密着性が向上し、脱炭が防止された結果、浸炭ムラが抑制されると考えられる。
　比較例Ｎｏ．７は、鋳鉄粉：グラファイト紛末：珪酸ナトリウム＝７８：０：２２（体積％）の混合割合で作製した浸炭剤を用いており、グラファイト粉末が含有されていない。したがって、浸炭後の浸炭剤を容易に除去することができなかった。
　なお、比較例Ｎｏ．７は、底面における表面炭素濃度は、１．３０質量％であり、優れた浸炭性を得ることができたが、浸炭剤が溶融し、除去が困難な状態であったため、側面における表面炭素濃度は測定しなかった。
　図５Ａは、実施例Ｎｏ．２の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭剤を示す図面代用写真である。また、図５Ｂは、比較例Ｎｏ．７の試験片において、浸炭剤除去後の浸炭剤を示す図面代用写真である。
　実施例Ｎｏ．２と比較例Ｎｏ．７は、底面における表面炭素濃度は同等であるが、実施例Ｎｏ．２については、浸炭剤の除去性が優れており、底面１２ｂ及び側面１２ａに浸炭剤は残存しなかった。これに対し、比較例Ｎｏ．７については、浸炭剤の除去性が悪く、底面１２ｂ及び側面１２ａに浸炭剤１５が溶着しており、先端がスプーン形状の引掻き棒を用いても除去できなかった。なお、図５Ｂ中に矢印で示す箇所等が、溶着して除去できなかった浸炭剤を示している。これらの結果より、グラファイト粉末には浸炭剤の除去性を向上させる効果があることを示す。グラファイト粉末は溶融点が高く、試験温度の１２００℃でも形状が粒状を維持するので、浸炭剤を容易に除去できると考えられる。
　なお、実施例Ｎｏ．１～３及び比較例Ｎｏ．４～７は、段階的に鋳鉄粉とグラファイト粉末の含有割合を変えている。これらの結果から、浸炭剤に占める鋳鉄粉の割合が高いほど、浸炭性は向上する（表面炭素濃度が高くなる）傾向を示すが、浸炭剤の除去性は低下することがわかる。
＜試験２＞
　上記試験１において使用した浸炭剤の各成分の質量分率を測定し、上記表１に記載の体積分率と比較した。試験条件及び評価結果を下記表２及び３に示す。なお、試験２における浸炭剤の各成分の質量分率以外の条件および評価結果は、上記表１に示すものと同一であるが、以下に示す試験３及び試験４の評価結果と比較するため、下記表２及び３に併記した。
＜試験３＞
　粉状の珪酸ナトリウムを使用し、珪酸ナトリウムの質量分率を種々に変化させた浸炭剤を作製し、上記試験片に対して浸炭処理を実施して、表面炭素濃度と浸炭剤除去性を評価した。なお、試験３においては、熱処理後に水中に浸漬することにより冷却（水冷）した。試験方法及び評価方法は、上記試験１と同様とした。
＜試験４＞
　上記試験片に対して、浸炭剤の詰め込み具合を変化させて、浸炭剤の嵩密度を変化させた後、浸炭処理を実施して、表面炭素濃度と浸炭剤除去性を評価した。なお、試験４においては、熱処理後に水中に浸漬することにより冷却（水冷）した。また、結着剤として、液状の珪酸ナトリウムを使用した。試験方法及び評価方法は、上記試験１と同様とした。
　試験３及び試験４の試験条件及び評価結果も下記表２及び表３に併せて示す。なお、試験３については、体積分率も測定し、併記した。試験４については、体積分率は測定せず、質量分率のみ記載した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　上記表２及び表３に示すように、実施例Ｎｏ．１～３及び８～１３は、グラファイト粉末の含有量（質量％）が本発明の範囲内である浸炭剤を使用して、本発明に係る鋼製部材の浸炭方法により試験材に対して浸炭処理を実施したものである。なお、実施例Ｎｏ．１～３及び８～１０は、グラファイト粉末の体積分率も測定しており、いずれも本発明の範囲内となっている。したがって、底面と側面における表面炭素濃度は、いずれも０．８０質量％以上となり、優れた浸炭性を得ることができた。また、浸炭後の浸炭剤を容易に除去することができた。
　これに対して、比較例Ｎｏ．４～７は、浸炭剤中のグラファイト粉末の質量分率及び体積分率が本発明の範囲から外れているか、又は珪酸ナトリウム（結着剤）が含有されていない浸炭剤を使用したため、浸炭性又は浸炭剤除去性が不良となった。
　なお、試験４（実施例Ｎｏ．１１～１３）に示すように、浸炭剤の嵩密度を変化させても、浸炭性及び浸炭剤除去性に大きく影響しないことが分かった。ただし、浸炭剤の嵩密度が小さすぎると、ワークの表面に浸炭剤が密着しにくくなり、品質にばらつきが発生する可能性があるため、浸炭剤の嵩密度は１．０（ｇ／ｃｍ３）以上とすることが好ましい。
　上記実施例及び比較例に示すように、本実施形態に係る鋼製部材の浸炭方法によれば、共晶点以上、包晶点以下の超高温域での拡散を利用することが可能になり、大形軸受においてより迅速で均一な浸炭が可能となる。
　以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
　なお、本出願は、２０２１年１月１４日出願の日本特許出願（特願２０２１－００４２９８）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
１　　　ワーク
２　　　鋳鉄粉
２ｂ　　鋳鉄部
３　　　グラファイト粉末
４　　　珪酸ナトリウム溶液
５　　　浸炭剤
１１　　試験片
１３　　浸炭層
１５　　浸炭剤
２１　　鋼製部材

Claims (12)

  1. 　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させる工程と、
    　前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱することにより、前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる加熱工程と、を有する鋼製部材の浸炭方法であって、
    　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
    　前記加熱工程は、前記鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲で一定時間保持する工程である、鋼製部材の浸炭方法。
  2. 　前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末は、前記共晶点以上の温度で、固相と液相との混合状態、又は液相状態であり、前記グラファイト粉末は、前記共晶点以上で固相状態である、請求項１に記載の鋼製部材の浸炭方法。
  3. 　前記結着剤は珪酸ナトリウム及び硫酸カルシウムの少なくとも一種を含む、請求項１又は２に記載の鋼製部材の浸炭方法。
  4. 　前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で実施される、請求項１～３のいずれか１項に記載の鋼製部材の浸炭方法。
  5. 　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させ、前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱する加熱工程により前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させることにより得られる鋼製部品であって、
    　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
    　前記加熱の温度は、前記鋼製部品の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域であり、前記加熱の温度で一定時間保持することにより得られる、鋼製部品。
  6. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼製部材の浸炭方法に用いられる浸炭剤であって、
    　Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全体積に対して、２０体積％以上、７０体積％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含む、浸炭剤。
  7. 　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させる工程と、
    　前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱することにより、前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させる加熱工程と、を有する鋼製部材の浸炭方法であって、
    　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全質量に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
    　前記加熱工程は、前記鋼製部材の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域の温度範囲で一定時間保持する工程である、鋼製部材の浸炭方法。
  8. 　前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末は、前記共晶点以上の温度で、固相と液相との混合状態、又は液相状態であり、前記グラファイト粉末は、前記共晶点以上で固相状態である、請求項７に記載の鋼製部材の浸炭方法。
  9. 　前記結着剤は珪酸ナトリウム及び硫酸カルシウムの少なくとも一種を含む、請求項７又は８に記載の鋼製部材の浸炭方法。
  10. 　前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で実施される、請求項７～９のいずれか１項に記載の鋼製部材の浸炭方法。
  11. 　鋼製部材の表面の少なくとも一部に浸炭剤を接触させ、前記鋼製部材と前記浸炭剤とを加熱する加熱工程により前記表面の少なくとも一部に炭素を侵入させることにより得られる鋼製部品であって、
    　前記浸炭剤は、Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全質量に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含み、
    　前記加熱の温度は、前記鋼製部品の共晶点以上、包晶点未満のオーステナイト域であり、前記加熱の温度で一定時間保持することにより得られる、鋼製部品。
  12. 　請求項７～１０のいずれか１項に記載の鋼製部材の浸炭方法に用いられる浸炭剤であって、
    　Ｆｅ－Ｃ合金粉末と、浸炭剤全質量に対して、５質量％以上、６０質量％以下のグラファイト粉末と、前記Ｆｅ－Ｃ合金粉末及びグラファイト粉末を互いに結着させる結着剤と、を含む、浸炭剤。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05222411A (ja) * 1992-02-06 1993-08-31 Komatsu Ltd 多板式クラッチ板の製造方法
JP6194057B2 (ja) 2015-05-26 2017-09-06 挺正 周 鋼材の表面処理剤および鋼材の表面処理方法
JP6321982B2 (ja) 2014-02-06 2018-05-09 国立大学法人 熊本大学 金属材料の表面処理方法
JP2018204085A (ja) 2017-06-08 2018-12-27 日本精工株式会社 鋼製部品の浸炭方法、及び鋼製部品、並びに浸炭剤
CN109136484A (zh) * 2018-10-30 2019-01-04 安徽芜湖海螺建筑安装工程有限责任公司 抗断裂锚固件折弯切刀材料及其制备方法
JP2021004298A (ja) 2019-06-26 2021-01-14 日東電工株式会社 粘着シート

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112010005202B4 (de) * 2010-01-29 2018-05-03 National University Corporation Kumamoto University Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche
WO2015037509A1 (ja) * 2013-09-10 2015-03-19 Ntn株式会社 摺動部材およびその製造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05222411A (ja) * 1992-02-06 1993-08-31 Komatsu Ltd 多板式クラッチ板の製造方法
JP6321982B2 (ja) 2014-02-06 2018-05-09 国立大学法人 熊本大学 金属材料の表面処理方法
JP6194057B2 (ja) 2015-05-26 2017-09-06 挺正 周 鋼材の表面処理剤および鋼材の表面処理方法
JP2018204085A (ja) 2017-06-08 2018-12-27 日本精工株式会社 鋼製部品の浸炭方法、及び鋼製部品、並びに浸炭剤
CN109136484A (zh) * 2018-10-30 2019-01-04 安徽芜湖海螺建筑安装工程有限责任公司 抗断裂锚固件折弯切刀材料及其制备方法
JP2021004298A (ja) 2019-06-26 2021-01-14 日東電工株式会社 粘着シート

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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