JP2018095963A - 金属ワークの真空硬化方法及びこれを使用した金属ワークの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素源として炭化水素ガスを使用しつつ、水素脆性が防止又は抑制された真空浸炭方法を提供する。【解決手段】炭化水素ガスを炉内に導入する初期において、炭素がワークに過不足なく付着する基準ガス量に対応した基準水素濃度を検出し、基準水素濃度に基づいて目標水素濃度を設定する。後に続く継続工程では、処理炉の水素濃度を連続的に検知しつつ、処理炉の水素濃度が目標水素濃度を越えない所定範囲に維持されるように、炭化水素ガスの導入量を制御する。目標水素濃度は、基準水素濃度以上で、かつ、水素の浸入を抑制できる範囲である。炭化水素ガスの分解で発生した水素は速やかに排除されるため、ワークへの水素の浸入を防止又は大幅に抑制できる。従って、従来の真空浸炭設備を使用しつつ、水素に起因した空孔の発生を抑制して、ワークＷの水素脆性を防止できる。真空浸炭窒化及び真空窒化にも適用できる。【選択図】図４

Description

本願発明は、真空浸炭方法や真空窒化方法、或いは真空浸炭窒化方法のような真空硬化方法であって水素浸入抑制方式の方法、並びに、これを使用した金属ワーク（処理物）の製造方法に関するものである（以下では、一部を除いて、「金属ワーク」は単に「ワーク」と呼ぶ。）。

ここで、金属ワークには、鋼製品やチタン又はその合金、或いは、アルミニウム又はその合金のような浸炭又は浸窒が可能なものが広く含まれる。また、ワークは、全体が浸炭又は浸窒可能な素材で構成されている場合と、少なくとも一部が浸炭又は浸窒可能な素材で構構成されている場合との両方が含まれる。また、チタン等の各種のワークの硬化処理は、導入ガス量を基準ガス量よりも低い量に制御する方法にも適用できる。

鋼製のワークの表面層を硬化処理する手段として、例えば真空浸炭法が広く行われている。真空浸炭法は、真空雰囲気下の処理炉に炭化水素ガスを導入し、炭化水素ガスから分離した炭素をワークの表面層に取り込むものであり、大気圧下で行われるガス浸炭に比べて、炭化水素ガスの使用量を抑制できる利点や、浸炭時間を短縮できる利点、或いは、炭化水素ガスの拡散がないため安全性が高い等の利点がある。

この真空浸炭法において、浸炭量や浸炭深さ等の浸炭効果は、炭化水素ガスの導入量や種類、真空度、炉内温度（ワークの表面温度）などの種々の要因によって左右されるが、特に、炭化水素ガスの導入量（正確には、単位時間及び単位体積当たりの導入量）は重要な要因である。

さて、炭化水素ガスは、処理炉内においてワーク等に接触して炭素と水素に分離するが、浸炭の程度は、ワークの単位表面積当たりに浸入する（接触する）炭素量に依存していることから、従来は、十分な炭素量が維持されるように、炭化水素ガスを過剰に導入している。つまり、従来は、炭化水素ガスを処理炉内に押し込むことにより、浸炭の確実化を図っていたと云える。

そして、炭化水素ガスが分解すると処理炉内での水素の濃度は上昇するため、炭化水素ガスの分離の度合いを水素濃度から把握することが可能になる。特許文献１はこの点に着目し、処理炉内の雰囲気ガスの熱伝導度から例えば水素濃度を検知し、この水素濃度に基づいて、処理炉内における雰囲気ガスの組成（炭化水素ガスの分離の度合い）を分析し、この分析結果に基づいて炭化水素ガスの導入量を制御することが開示されている。

つまり、炭化水素ガスは鋼製部材の表面に接触して炭素と水素とに分解するので、炭化水素ガスの分解の程度は、ワークの表面積や酸化の程度、鋼製炉壁のスーティングの程度、炭化水素ガスの種類や導入量、真空度などの様々な条件に依存しており、そこで、特許文献１では、水素濃度が設定値（通常の浸炭が行われる状態での水素濃度）になるように、炭化水素ガスの導入量をフィードバック制御することにより、炉内条件が変化しても十分な炭素量が確保されるようにしている。

さて、処理炉内は完全な真空ではなくて、微量な空気が残っているが、空気を構成する酸素の分圧は炭化水素ガスから分離した水素の量に応じて変化する。特許文献１には、このことを利用して、処理炉内での酸素濃度を検出して、酸素濃度が一定になるように炭化水素ガスの導入量等を制御することも開示されている。

なお、炭化水素ガスとしては、アセチレンやプロパン、メタンなどが使用されているが、アセチレンは１段階で炭素と水素とに分解するのに対して、プロパンのような分子量が大きい炭化水素ガスは、一部は第１段階で炭素と水素とに直接分解し、残りは分子量が小さい炭化水素ガスに分解してから、第２段階で炭素と水素とに分解する。いずれにしても、炭化水素ガスの全体がワークに接触する訳ではないので、炭素と水素とに分解されずに処理炉外に排出されるガスも相当割合ある。

浸炭は焼入れ（及び焼き戻し）とセットになっているのが通常であり、焼入れによる硬化によってワークに圧縮残留応力が付与されて、ワークの機械的性質が向上する。そして、炭化水素ガスを使用して浸炭されたワークに関する問題の一つに、水素脆性が挙げられる。水素脆性の原因とメカニズムは殆ど未解明と云えるが、対策は多く提案されている。

水素脆性対策のアプローチの大半は、脆性の原因は水素の存在にあるとして、水素の除去によって脆性を解消しようするものである。その例として特許文献２には、水素を除去したことにより、高い効果（機械的性質の向上）が得られた旨が記載されている。

他方、水素脆性の主因は水素自体にあるのではなくて、水素の浸入によって鋼材の結晶格子間に形成された空隙（空孔）にあるという考え方があり、特許文献３には、水素が発生しない状態で真空浸炭を行う方法が開示されている。

また、水素脆性の原因とメカニズムに関する学術的な研究論文として、非特許文献１がある。この非特許文献１には、水素が金属組織での空孔生成を助長して、水素が除去されても空孔は除去されないために亀裂進展抵抗が小さくなり、破壊過程が促進されるという「水素助長塑性誘起空孔理論」が提起されている。

なお、真空浸炭法における炭化水素ガスの導入量の制御例として、特許文献４には、炉内の水素とメタンの量を分析することによってカーボン・ポテンシャル値（Ｃ・Ｐ値）を測定し、Ｃ・Ｐ値が所望の値となるように炭化水素ガスの導入量を制御することが開示されている。また、特許文献５には、「理論水素分圧比」というパラメータを使用して、理論水素分圧比の時間変化と実際の水素分圧比の時間変化とを比較し、実際の水素分圧比の変化が理論水素分圧比の変化に近づくように制御することが開示されている。

特許第３５３１７３６号公報 特開２００２−３３９０４５号公報 特開２０１５−７８４１６号公報 特開昭５３−１５２３２号公報 特開２０１２−７２４０号公報

社団法人日本高圧力技術協会発行「圧力技術」第４６巻４号１９０〜１９９頁、南雲道彦執筆「破壊現象としての水素脆性〜水素脆性機構〜」

上記のとおり、真空浸炭法では、処理炉内での炭素量は浸炭の程度を左右する重要な要素であり、特許文献１の制御も、目標は必要な炭素量の確保にあると云える。つまり、必要とする炭素量を確保するために炭化水素ガスの導入量を制御するものであり、炭素量を維持するための手段として水素濃度や酸素濃度を使用しているのである。この点は、特許文献４，５も同様と云える。

そして、従来は、浸炭量の確保を至上命題としており、浸炭に必要な理論値よりも多い量の炭化水素ガスを処理炉内に押し込んでおり、その結果として鋼中に浸入した水素の除去手段として、特許文献２のように後処理が成されていたと云える。他方、特許文献３は、水素脆性の主因を鋼中に生じた空隙（空孔）に求めるもので、特許文献３の考え方は、非特許文献１によって理論的にサポートされていると云える。

結局、浸炭時に水素が鋼中に浸入することは極力抑制すべきであり、水素の浸入自体を抑制することにより、水素に起因した脆性（特に遅れ破壊）を解消又は著しく抑制できることは明らかであると思料される。真空窒化法では、窒素含有ガスとして一般にアンモニアガスが使用されているが、アンモニアの分解によって水素が発生するため、真空窒化法でも、真空浸炭法と同様に水素脆性は深刻な問題として表れる。

そして、特許文献３は水素を含まないガスを使用せずに浸炭するので、水素脆性の防止という目的は確実に達成できる。従って、特許文献３は、関連産業に大きな貢献をできると云えるが、非水素含有ガスの浸炭性向上などにまだ研究が必要である。更に、真空浸炭設備（或いは、真空浸炭窒化設備）は現実に広く使用されているが、既存の設備や従来と同じ炭化水素ガスを使用して特許文献３と同様の効果を得ることができれば、産業界が受ける利益は極めて大きいと云える。

本願発明はこのような認識や知見を基礎にして成されたものであり、水素の浸入を抑制するという点は特許文献３と軌を一にしつつ、既存の設備や原料を有効利用するという視点に立って、水素脆性対策が採られたワークを容易に提供せんとするものである。

既述のように、炭化水素ガスは、ワークの表面に接触して炭素と水素とに分解する。従って、浸炭ガスとして炭化水素ガスを使用しても、分解した水素がワークに浸入しないか、浸入量が少なければ、水素脆性の問題を大幅に改善できる。本願発明者たちはこのような視点に立って思索と研究と実験を重ね、本願発明を完成させるに至った。

本願発明は、金属ワークの真空硬化方法と、金属ワークの製造方法とを含んでいる。このうち金属ワークの真空硬化方法は、請求項１のとおり、
処理炉内に加熱された金属ワークを配置してから、炭素又は窒素と水素とが結合した硬化用ガスを真空雰囲気下の前記処理炉内に導入して、前記硬化用ガスを前記金属ワークに接触させることにより、前記金属ワークの表面に浸炭層又は浸窒層を形成していきつつ、前記硬化用ガスの導入量を制御することにより、前記硬化用ガスの分解によって発生した水素が金属ワークに浸入することを抑制する、という基本構成である。

そして、請求項１発明は、上記基本構成において、
未処理状態の金属ワークが配置された処理炉内に硬化用ガスを継続的に導入したときに前記金属ワークの表面全体に炭素又は窒素をまんべんなく付着させるために必要にして十分な（必要最小限度の）硬化用ガス量の単位時間当たり導入量を基準ガス量と設定して、前記硬化用ガスの導入量の制御が前記基準ガス量に基づいて行われるものであり、
更に、前記基準ガス量に基づく硬化用ガスの導入量を制御する工程の少なくとも一部において、前記硬化用ガスの導入量を、水素がワークに浸入することを抑制できる許容範囲内で前記基準ガス量以上に制御している。

請求項２の発明は、請求項１の具体例であり、この発明では、前記硬化処理工程は、前記基準ガス量を検出するための初期工程と、前記基準ガス量に基づいて導入ガス量の制御が行われる継続工程とを備えている。

請求項２の反対解釈として理解できるように、硬化処理工程の全部に亙って、基準ガス量に基づく硬化用ガス導入量制御を行うことが可能である。例えば、同一金属ワークに関する工程が複数回連続していて、先行した作業によって既に基準ガス量が求められている場合は、初期工程を省略することが可能である。

請求項３の発明は金属ワークの製造方法に関するものであり，この製造方法は、請求項１又は２に記載した真空硬化方法によって表面に浸炭層又は浸窒層を形成してから、焼入れが行われるものである。

本願発明において、浸炭処理の対象品であるワークの種類に限定はなく、処理炉に入れることができるものなら何でも対象になる。ごく僅かながら、例として、ドリルねじやタッピンねじや木ねじのような棒状ねじ（或いは棒状ファスナ）、ギア、プーリ、チェーンスプロケット、チェーンの構成部材、各種の回転軸やアーム、各種のケーシング（ハウジング）、ベアリングを構成するボール、コロ、リテーナ、油圧シリンダや空圧シリンダのロッドやピストン、ソレノイドバルブの駆動軸などを挙げることができる。回転軸には、エンジンのカム軸やクランク軸、無段変速機の入力軸や出力軸、内燃機関用ウォータポンプの回転軸、各種モータの主軸など、多種多様のものが含まれる。

さて、特許文献１には、処理炉内の水素濃度が「通常の浸炭条件」での水素濃度になるように制御することが記載されている。このことは、通常の浸炭条件を維持したら、条件が相違しても所望の浸炭が行われることを意味していると云える。ここで問題は、第１に、「通常の浸炭条件」において水素脆性が発生していたことであり、第２に、いかなる状態でも必要な炭素量を確保するという点についてのみ着目し、大量に炭化水素ガスを導入していたことである。この点を、図１（Ａ）に基づいて説明する。

図１（Ａ）は、ガス導入口２とガス排出口３とを有する処理炉１にアセチレン（Ｃ2 Ｈ2 ）を導入して、アセチレンをワークＷの表面に接触させて浸炭する状態を模式的に表示しており、十分な炭素が分離して所望の炭素量が得られるように、理論値よりも多くの量のアセチレンが導入されている（処理炉１の内部で、アセチレンの量をリッチ状態にしていている。但し、どの程度リッチになっているかは、把握できていない。）。

そして、水素は物質のうちで最も質量が小さい気体であるため、ワークＷの表面で分離した水素は、基本的には、処理炉１の内部に拡散してガス排出口３から排出されるが、炭素量の維持を目的にしてアセチレンの導入量を高い値に設定していると、水素の分圧が高くなって処理炉１からのガスの排出が滞る傾向を呈することにより、水素の拡散（排出）が不十分になって、水素がワークＷの表面個所に滞留したり、水素の飛散速度が著しく低下してワークＷの表面に捕捉されやすい環境が発生し、その結果、水素が、ワークＷを構成する鋼の結晶格子間に取り込まれてしまうことになる（水素分子は最も小さいため、鋼の結晶格子を構成する原子と原子との間に取り込まれやすい。）。

そして、ワークＷの表層に取り込まれた水素は、時間の経過と共に（或いは焼き戻しにより）大気中に放散されてしまうのが大半であり、ワークＷの組織に残ったままになっている量は僅かであるが、水素の浸入によって発生した空隙（空孔）は組織中にそのまま残っており、空隙が塞がって組織が修復されることはないため、鋼を構成する結晶格子間の分子間引力を低下させ、その結果、繰り返し荷重や持続的負荷によって塑性変形が徐々に進行していき、やがて破断に至ると推測される。
他方、本願発明では、図１（Ｂ）に模式的に示すように、アセチレン導入量が制御されて水素の発生量が許容限度に納まっている状態になっており、このため、水素は、ワークＷの表面近くに全く又は殆ど滞留することなくガス排出口３から排出される。正確には、水素が発生してもワークＷに浸入することなく速やかに排除される状態が維持されるように、アセチレンの導入量が制御される。これにより、鋼中への水素の浸入を防止又は著しく抑制できる。この点を、更に説明する。

さて、単位時間当たりの水素の発生量は、大まかには、炭化水素ガスの種類（組成）、炭化水素ガスの単位時間当たりの導入量、処理炉１の真空度、ワークＷの総表面積によって定まるものであり、炭化水素ガスの種類と真空度とが一定であると、炭素と水素の分離量（すなわち、単位時間当たりの炭素及び水素の発生量）、炭化水素ガスの単位時間当たりの導入量に応じて変動する（正比例する。）。

また、処理炉１に導入された炭化水素ガスの全量がワークＷに接触する訳ではなく、ワークＷに接触することなく処理炉から排出する炭化水素ガスもあり、かつ、炭化水素ガスがワークＷに接触して炭素が分離しても、浸炭に供されずに処理炉外に排出される炭素もある程度存在する。つまり、浸炭に供される炭化水素ガスには、分解せずに排出されるロスと、分解しても浸炭に寄与せずに排出されるロスとがある。

更に、真空浸炭法においては、（Ｃ）に示すように、まず、炭化水素ガスから分離した炭素原子がワークＷの表面にまんべんなく付着し、次いで、炭素原子が時間をかけて内部に浸入（拡散）していくというメカニズムを取っており、そこで、炭素原子がワークＷの表面にまんべんなく付着する状態を実現するために、必要にして十分な炭化水素ガスの導入量（正確には、時間×導入量）を基準ガス量として定義できる（上記のロスを見越した導入量である。）。

そして、基準ガス量のときに発生する水素の濃度を基準水素濃度として定義可能であり、基準水素濃度では、理論的には、水素は全て処理炉１の外に排出されるので、ワークＷへの水素の浸入はないと云える。

しかし、従来は、基準ガス量の把握がなされていないため、基準ガス量を大幅に越える（何倍もの）量の炭化水素ガスを導入していたのが実情であり、その結果、水素も基準水素濃度を越える濃度で過剰に発生しており、その結果、大量の水素がワークＷの表面近くに滞留する現象が生じて、滞留した水素がワークＷの組織内に大量に浸入していたといえる。

これに対して本願発明では、基準水素濃度から基準ガス量を把握できるため、水素の発生量が許容範囲に納まるように炭化水素ガスの導入量を制御できる。その結果、水素をワークの表面近くに滞留させることなく処理炉外に速やかに排除できる。従って、水素の浸入に起因した脆性の発生を、防止又は著しく抑制できるのである。また、硬化処理のバラツキも抑制できる。

そして、ワークＷに求められる機械的性質は様々であり、水素浸入が許容される程度も、ワークＷの種類や等級によって大きく相違する。従って、炭化水素ガスの導入量は必ずしも基準ガス量より低く設定する必要はないのであり、本願発明ではこの点に着目して、基準ガス量以上の量を導入している。硬化用ガスの導入量がどの程度までなら水素の侵入を従来よりも抑制できるかについては実験を行っていないが、基準ガスより少ない量での導入量の実験結果から推測して、基準ガス量の１．５倍程度なら、水素の侵入量は従来よりも相当に減少するのではないかと推測される。

以上の説明は、炭化水素ガスを使用する浸炭方法についてであったが、アンモニアのように窒化水素ガスを使用した真空浸窒についても、上記の説明が概ね妥当する。また、真空浸炭法と真空窒化法とを組み合わせた真空浸炭窒化法があるが、この場合も同様である。窒化について述べると、まず、分離した窒素がワークの表面の鉄と化合して、ワークの表面に窒化鉄の層が形成され、次いで、窒化鉄から窒素が分離して内部に浸入していくと推測される。そして、真空窒化でもアンモニア等のガスの分解率に比例して水素が発生するため、水素濃度を利用してガス導入量等を制御できる。

なお、基準ガス量に基づく硬化用ガス導入量の制御は、具体的には、硬化用ガスの導入量に応じて変化する数値を利用して行われる。例えば、炉内の水素濃度（水素分圧）を検知して、実際の水素濃度（水素分圧）が基準水素濃度（分圧）以上になるように制御することができる。

ワークＷの浸炭又は浸窒にどれだけの硬化用ガスが必要であるかは、ワークの総表面積に大きく依存している。総表面積が小さければ硬化用ガスの量は少なくてよいし、総表面積が大きいと硬化用ガスの量も多くなる。また、炉の容積によっても、ワークに対する硬化用ガスの接触性は変化する。

そこで問題は、ワークの総表面積の検出方法である。ワークが単純な平板である場合は、計算によって求めることも可能であるが、例えば、ねじやギアのような複雑な形状のワークＷの場合は、総表面積を計算で求めることは困難であることが多く、現実的ではない。形状や寸法が異なるワークが混在している場合は、計算で総表面積を求めることは更に困難になる。また、単純な平板であっても、多数個をまとめて浸炭処理する場合は、一々個数を計算せねばならないため、総表面積を計算で求めることは非常に厄介である。

これに対して、請求項２の構成では、初期工程において、発生する水素濃度から総表面積を検出（算定、設定）するものであるため、ワークの形状や個数などに関係なく総表面積を導き出すことができる。

（Ａ）は従来例の模式図、（Ｂ）（Ｃ）は本願発明の模式図である。 真空浸炭設備の概念図である。 参考例を示す図で、（Ａ）は工程の流れを示す図、（Ｂ）は炭化水素ガス導入量を示す図、（Ｃ）は水素濃度の変化を示す図、（Ｄ）は酸素分圧の変化を示す図である。 （Ａ）は水素濃度と炭化水素ガス導入量との単純な関係を示す図、（Ｂ）は水素濃度と炭化水素ガス導入量との関係が酸素分圧によって補正されている状態を示す図である。 参考例の実験結果を示す図で、（Ａ）は材料を説明したグラフ、（Ｂ）は応力範囲と破断繰り返し数との関係を示すグラフ、（Ｃ）はテストピースの側面図である。

(1).設備の概要
次に、本願発明を図面等に基づいて説明する。まず、図２に示す真空浸炭方設備の概要を説明する。本設備は従来と同様のものであり、主要要素として、ガス導入口２及びガス排出口３が内部に開口した処理炉（浸炭室）１と、処理炉１に扉４を介して隣り合った冷却室５と、冷却室５の下方に配置した焼入れ室６とを有している。焼入れ室６には、冷却液（水系又はオイル）を溜めた焼入れ槽７が配置されている。図示していないが、処理炉１や冷却室５にはワークＷを出し入れするための扉を設けている。

ガス導入口２とガス排出口３はそれぞれ１つずつしか表示していないが、それぞれ複数個設けることが可能である。一般には、ガス導入口２は４個以上設けて、ガス排出口３は２個程度設けていることが多い。

ガス導入口２には、ボンベ８がガス導入管９を介して接続されており、ガス導入管９の中途部には第１バルブ１０を配置している。ボンベ８には炭素源となる炭化水素ガスが充填されている。本実施形態では、炭化水素ガスとしてアセチレンを使用している。ガス排出口３は、第１排出管１１を介して真空ポンプ１２と接続されており、第１排出管１１の中途部には第２バルブ１３を介在させている。第１排出管１１は、第２排出管１４を介して冷却室５にも接続されており、第２排出管１４の中途部には第３バルブ１５を配置している。

処理炉１の内部には多数の伝熱式ヒータ１６を配置しており、各ヒータ１６は電源１７に接続されている。また、浸炭設備には、水素濃度を直接的に検知する手段として、水素濃度センサ１８を設けている。

水素濃度センサ１８は、特許文献１に開示されているように、処理炉１内のガスの熱伝導率を検知するものであり、第１排出管１１に設けたバイパス管１９に設けている。なお、熱伝導率は最終的には電気信号に変換されて、制御に供される。性能等の条件が許せば、水素濃度センサ１８を処理炉１の内部に露出させることも可能である。処理炉１には、酸素センサ２０を臨ませている。酸素センサ２０は、微量非水素ガスの分圧検知手段の例である。

真空浸炭設備は、制御装置（制御手段）２１を有している。制御装置２１は、真空浸炭設備とセットになっていてもよいし、パソコンで代替することも可能である。いずれにしても、メモリーやモニター、入力手段などを有している。各バルブ１０，１３，１５、ヒータ電源１７，水素濃度センサ１８、酸素センサ２０は、制御装置２１に電気的に接続されている。図示していないが、処理設備には、デジタル式の温度センサや真空計を設けており、これらも制御装置２１に接続されている。

(2).処理パターンの基本態様
次に、真空浸炭処理パターンの例を、図３，４に基づいて説明する。表面処理作業の基本的なパターンは従来と同様であり、これを図３（Ａ）に示している。

すなわち、表明処理作業は、ワークＷを処理炉１に入れて炉内温度を上げる昇温工程、設定温度を維持してワークＷをむらなく加熱する均熱工程、処理炉１に真空雰囲気下でアセチレンを導入して分解した炭素をワークＷに浸入させる浸炭工程、アセチレンの導入を停止してワークＷの表面層内で炭素を拡散させる拡散工程、炉内温度をある程度まで徐々に低下させる降温工程、ある程度の温度を維持してワークＷの温度を安定させる均熱工程、冷却室５に移行させて窒素ガスで冷却するガス冷却、又は、焼入れ液に投入して急冷する焼入れ工程、のいずれかの各工程を有している。

浸炭温度は従来と同様である。ワークＷの材質等によって相違するが、例えば、７５０〜１１００℃程度である。処理炉１の真空度も従来と大きく相違するものではなくて、例えば４〜１０Ｔｏｒｒ程度に維持されるように、第２バルブ１３の開度が自動制御されている。

本例では、浸炭工程は、最初にアセチレンを導入する初期工程と、その後にある程度の時間間隔をおいて行われる継続工程とから成っており、継続工程は、アセチレンの導入を複数の浸炭ブロックI 〜IVに分けて行うパルス制御方式になっている。本例では、継続工程は、４回の浸炭ブロックI 〜IVで構成されているが、浸炭ブロックの回数や間隔は任意に設定できる。

初期工程では、一定量ずつのアセチレンが、所定時間だけ処理炉１に連続して導入される。他方、継続工程を構成する各ブロックI 〜IVでは、アセチレンの導入量Ｑは、基本的には水素濃度ρを変数として制御され、かつ、酸素分圧Ｐによっても補正される。また、本実施形態では、図４に示すように、継続工程を構成する各浸炭ブロックI 〜IVは、アセチレンの導入のＯＮ・ＯＦＦが短い時間間隔で繰り返されている。従って、各浸炭ブロックI 〜IVも、短い時間間隔でアセチレンの導入をＯＮ・ＯＦＦするパルス制御が成されている。

初期工程から継続工程に移行するとき、及び、継続工程においてアセチレンの導入がカットされている状態では、処理炉の内部にはアセチレンが存在しない無ガス状態になっており、この無ガス状態でも、処理炉１は所定の真空雰囲気に維持されている（アセチレンが導入されている場合よりも真空度は高くなっている。）。

(3).総表面積の設定（算定）
図３（Ｃ）に示すように、初期工程では、アセチレンの導入により、水素濃度ρはゼロから急激に立ち上がって、増加率が急激に低下する。そこで、増加率が著しく低下した範囲を安定化状態として、安定化状態での平均値を、初期工程での基準水素濃度ρ０として設定する。例えば、初期工程が全体でｎ分間あると仮定すると、アセチレン導入経過後１〜ｎ分の間の（ｎ−１）分間を安定時間Ｔ０として、Ｔ０における水素濃度ρの平均値を基準水素濃度ρ０として設定する。なお、平均値は、単位時間ごとにプロットして、それらの加重平均を求めたらよい。

基準水素濃度ρ０からワークＷの表面積（総表面積）を算定するが、このための準備として、予め面積が判っているサンプルを複数種類製造し、各サンプルを炭化水素ガスに晒して水素濃度を検知し、これにより、ワークＷの表面積の絶対値と水素濃度との関係を、マップ（対応表）として作成している。

概念的に説明すると、例えば、１ｍ2 のサンプル、２ｍ2 のサンプル、３ｍ2 のサンプル、４ｍ2 のサンプル、５ｍ2 のサンプルというように多数のサンプルを製造しておき、それぞれについて、初期工程と同じ条件で浸炭した場合に発生する水素濃度（ρ１，ρ２，ρ２・・・）を記録しておき、表面積と水素濃度との関係式（マップ）を作成しておく。

そして、実際のワークＷから検知された水素濃度の平均値ρ０と、各サンプルの基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ３・・・とを比較して、実際の平均値ρ０が最も近い基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ２・・・を選択して、この基準水素濃度が属するサンプルの総表面積をワークＷの総表面積に設定し、設定された総表面積を基準として、その総表面積の場合に設定されている飽和水素濃度を、実際のワークＷの飽和水素濃度として設定する。

例えば、ワークＷが３ｍ2 の総表面積として設定されたら、３ｍ2 の総表面積の場合の基準水素濃度ρ３から安全率を見込んだ目標水素濃度ρ３′を設定し、この目標水素濃度ρ３′を水素濃度ρの上限値とする。安全率は、水素の許容侵入量によって相違する。基本的に水素の侵入を防止する場合（水素侵入ゼロを目指す場合）は、安全率は、例えば０．８〜０．９５程度でよいと云える。

他方、ある程度の侵入は許容する場合は、１．０以上とする。実際の水素濃度が基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ３・・・の２倍までなると、水素の発生量が過剰になって（従来と同じになって）、ワークへの水素の侵入を抑制できるとは言い難いと推測される。従って、現実的には、安全率は２．０以下が普通で、好適には１．５程度以下と推測される。目標水素濃度ρ３′を基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ３・・・に設定すること（安全率を１．０とすること）も可能である。

また、水素濃度ρの下限値も設定しており、便宜的に、３ｍ2 の総表面積の場合の下限値をρ３″として表示する。下限値は、基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ３・・・より高くてもよいし、基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ３・・・と同じでよいし、基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ３・・・より低くてもよい。基本的に水素の侵入を防止する参考例の場合は、制御上限値である目標水素濃度ρ３′を基準水素濃度ρ１，ρ２，ρ３・・・の０．９倍、下限値を０．８５倍とすることができる。目標水素濃度（上限値）や下限値を、ワークＷの材質や形状等によって異ならせることも可能である。なお、基準水素濃度は、飽和水素濃度と呼ぶことも可能である。

初期工程でアセチレンを所定時間に所定量だけ導入すると、アセチレンが分解して水素が発生するが、水素の発生量はワークＷの表面積に正比例している。また、処理炉１の内部が真空雰囲気であることから、初期工程としてある程度を保持しておけば、アセチレンはワークＷの表面にまんべんなく接触する。従って、初期工程において、ワークＷの表面には、分離した炭素がまんべんなく付着する。従って、初期工程では、ワークＷの表面積の大きさに関係なく、ワークＷの表面全体に炭素をまんべんなく付着させるために必要にして十分なアセチレンの量（基準ガス量）と、基準ガス量に対応した炭化水素ガスとを検出できる。

(4).アセチレンの導入量制御
図４（Ａ）に示すように、実際の水素濃度ρは時々刻々と変化していくが、ρがρ３′とρ３″との間に維持されるように、アセチレンの導入量Ｑが制御される。つまり、実際の水素濃度ρが飽和水素濃度（上限値ρ３′）に近づくとアセチレンの導入量を減らし、実際の水素濃度ρが下限値ρ３″に近づくとアセチレンの導入量を増やすことにより、実際の水素濃度ρを所定の範囲（レベル）に維持する。

これにより、処理炉１内に水素が過剰に発生することを防止して、水素がワークＷに浸入することを防止又は著しく抑制することができる。すなわち、水素の害を無くした状態又は抑制した状態で、アセチレン（炭化水素ガス）を使用して浸炭を行うことができるのである。アセチレンの導入量Ｑには、飽和水素濃度に対応した上限値Ｑ３′と下限値Ｑ３″とを設定している。

なお、上記の実施形態（及び参考例）は、総表面積が相違してもある範囲のものは一律に扱うゾーン管理であるが、ワークＷの総表面積と水素濃度との間には比例関係があるので、例えば、１ｍ2 ，２ｍ2 ，３ｍ2 ，４ｍ2 ，５ｍ2 の５つのサンプルの水素濃度計結果に基づいて、１．５ｍ2 の基準水素濃度、２．５ｍ2 の基準水素濃度、３．５ｍ2 の基準水素濃度、４．５ｍ2 の基準水素濃度も作成しておくことが可能であり、このようにして多くのゾーンを用意しておくことにより、誤差を少なくしてきめ細かく制御できる。

さて、既述のように、本実施形態の継続工程では、各浸炭ブロックI 〜IVは、短い時間間隔でガス導入口の開閉を行うパルス制御が成されており、従って、短い時間のガス導入を単位として、多数のガス導入単位が間欠的に行われる。従って、各ガス導入単位での水素濃度の変化を見ると、水素濃度はゼロから立ち上がって安定化しており、安定化してからの濃度が既述の上限値（飽和水素濃度）と下限値との間に納まるように、アセチレンの導入量Ｑが制御される。

図４では、パルスの各単位ごとに水素濃度とガス導入量とが変動する状態に描いているが、これは、理解を容易にするための便宜的な表示であり、実際には、各ガス導入単位においても、水素濃度ρとアセチレン導入量Ｑとは高低変化している。但し、各ガス導入単位の時間が短い場合は、１つ前のガス導入単位での水素濃度に基づいて次のガス導入単位のアセチレン導入量を制御する、といったことは可能である。

本願発明の実施形態において、アセチレンの導入量Ｑが基準ガス量を越えるパターンは、種々有り得る。第１に、導入量Ｑが常に基準ガス量よりも多い態様がある（水素濃度で制御する場合は、実際の水素濃度が常に基準水素濃度を越えている場合である。）。第２に、導入量Ｑが、基準ガス量と同じになったり、基準ガス量を超えたりする態様がある。

第３に、導入量Ｑが、基準ガス量よりも少ない量と多い量との間で変動する態様である。第３の態様は、基準ガス量をターゲットにして、その上下にある程度の変動幅を持たせた場合であるが、この場合は、ワークへの水素の侵入は殆どないと推測される。第４に、基本的には基準ガス量より少ない導入量であるものの、一時的に、導入量を基準ガス量以上に増大させる態様がある。

(5).酸素分圧を利用した補正制御
図３（Ｄ）では、処理炉１内での酸素の分圧の変化を表示している。初期工程について見ると、酸素の分圧Ｐは浸炭ガス導入前の酸素分圧から急激に低下して安定化した領域に移行し、かつ、安定領域では、ワークＷの浸炭に応じて僅かに上昇傾向を呈する。また、各浸炭ブロックI 〜IVについて見ると、各浸炭ブロックI 〜IVの前の状態では、処理炉１内にはアセチレンが導入されていないので、真空度に対応した上限値から低下して安定領域に移行し、各安定領域では、ワークＷの浸炭の進行に応じて僅かに上昇する傾向を呈する。

浸炭の継続工程においては、時間の経過と共に浸炭も進行していくので、酸素分圧Ｐの安定領域での平均値は、後ろの浸炭ブロックに行くほど高くなる傾向を呈する。また、各浸炭ブロックI 〜IVは、多数のガス導入単位が間欠的に繰り返されるパルス制御が成されているので、酸素分圧Ｐは、各ガス導入単位ごとに急激に下降してから安定化するように変化しており、各ガス導入単位で見ても、酸素分圧Ｐの平均値は経時的に上昇する傾向を呈する。従って、図３（Ｄ）の表示は、各ガス導入単位の酸素分圧Ｐの平均値の推移を表示したものに相当する。

ワークＷの浸炭が進行すると、ワークＷの表面でのアセチレンの分解性能は低下していき、単位時間・単位アセチレン量当たりの炭素及び水素の発生量は低下する傾向を呈する。これに伴い、酸素分圧Ｐは上昇する傾向を呈する。従って、酸素分圧Ｐは、浸炭の進行度合いを把握する指標になる。

そして、浸炭の進行度合い等の様々な要因により、水素濃度ρが予め設定した範囲に納まっていても、浸炭に必要な炭素が不足している場合（アセチレンが過少な場合）や、炭素が過剰な場合（アセチレンか過剰な場合）があり得る。すなわち、水素濃度ρの制御のみでは炭素量が過不足なく分離するようなアセチレン量に制御しにくい場合がある。

そこで、図４（Ｂ）に示すように、酸素分圧Ｐに上限値Ｐ３′と下限値Ｐ３″とを設定して、酸素分圧Ｐが上限値Ｐ３′を越えると、水素濃度ρが設定範囲内でもアセチレンの導入量を増加させて、酸素分圧Ｐが下限値Ｐ３″を下回ると、水素濃度ρが設定範囲内でもアセチレンの導入量を減少させるように制御している。従って、酸素分圧Ｐで補正した後のアセチレンの導入量は、図４（Ｂ）の点線で示すように推移している。これにより、ワークＷへの水素の浸入を阻止しつつ、ワークＷに炭素を適量供給している。

なお、Ｐ３′とＰ３″は、ワークＷの表面積が３ｍ2 である場合であり、図４（Ａ）と整合させたものである。（Ｂ）の水素濃度とガス導入量とは（Ａ）のグラフをそのまま利用しており、ガス導入量のグラフに、実際のアセチレンの導入量が棒グラフ状に表示されている。また、図４（Ｂ）では、制御単位時短をｔとしてフィードバック制御しており、酸素分圧Ｐに基づくアセチレン導入量Ｑの制御は、ｔの時間だけタイミングが遅れている。

このように、酸素分圧Ｐの上昇に応じてアセチレンの導入量を増大させることにより、水素の浸入は阻止しながら、ワークＷに接触する炭素の量を必要量確保して浸炭を的確に行うことができるのである。なお、アセチレンの導入量は、上限値Ｑ３′を越えないように制御されるが、図４（Ｂ）のＱ３′を図４（Ａ）のＱ３′より高い値に設定することは可能である。

真空浸炭浸窒法の場合は、図３（Ａ）に表示するように、浸炭後の均熱工程で処理炉１にアンモニアを投入して窒化処理される。この場合も、浸炭工程での処理の同様に、初期工程と継続工程とがセットになって窒化処理が行われる。制御手順は浸炭の場合と本質的な違いはない。アンモニアはアセチレンに比べて分子中の水素の割合が多いので、アンモニアの導入量はアセチレンに比べて抑え気味が好ましいと云える。

浸窒のみを行う場合は、上記した説明において、アセチレンをアンモニアに置き換えたらよい。当然ながら、浸炭と浸窒とでは、ワークＷの表面積が同じでも基準水素濃度や目標水素濃度は相違する。

(6).参考実験例
次に、参考実験例と比較例を説明する。本例では、テストピースとしてボロン鋼（１０Ｂ２１）の丸棒を使用した。図５（Ｃ）に示すように、試料は、基準径Ｄが７．１５ｍｍ、全長が１００ｍｍ、試験機での掴み部となる雄ねじ部ＳがＭ８で長さは１５ｍｍずつであり、中間位置に、破断予想部として開き角度６０度のノッチを形成した。ノッチの外径は、約４．６ｍｍであった。実施例及び比較例とも、７本ずつ作成した。

参考例は、通常のボロン鋼に適用される条件下で、約１４分かけてパルス浸炭を行い、８９０℃で焼入れした。冷却液には油を使用した。比較例は、大気圧の元で行われるガス浸炭法で浸炭処理されたものであり、従来と同様に浸炭ガス（プロパン）を過剰に供給している。このため、比較例の拡散性水素量は、浸炭直後の状態で２．１ｐｐｍであった。他方、実施例は目標水素濃度が基準水素濃度の９０％程度となるようにリーン状態に設定して浸炭しており、拡散性水素濃度は０．０５ｐｐｍであった。浸炭直後の拡散性水素量Ａは、室温から３００℃までの計測値であり、焼き戻し後の拡散性水素量Ｂは、３６０℃で焼き戻し後の計測値である。

ワークＷに浸入した水素は、焼き戻し工程で大半が排出される。比較例も同様であり、焼き戻し後の拡散性水素量を測定したら、０．０４ｐｐｍであった。他方、実施例は０．０３ｐｐｍであった。従って、見かけ上の残留水素量は、実施例も比較例も大差ない。

そして、参考例と比較例との疲労試験を行った。疲労試験機にセットして、破断するまで軸方向に繰り返し負荷をかけて、応力範囲と繰り返しサイクルとの関係（ＳＮ曲線）を得た。制御波形はｓｉｎ波、応力比は０．１、周波数は３０Ｈｚ、最大繰り返し数は５．０×１０6 であった。その結果を示したのが図５（Ｂ）のグラフであり、実施品は、鋼製品で特に問題となる３００〜４００ＭＰａの応力範囲で高い耐久性を有していることが判る。
また、例えば、アセチレンガスの導入量が基準ガス量と同じであったり僅かに多かったりしても、ワークへの水素の侵入は大幅に抑制されると推測されるため、参考例実験例から、本願発明の実施品か高い耐久性を有することを容易に推測できる。

本願発明は、実際に鋼製ワークの浸炭に適用できる。従って、産業上利用できる。

Ｗ ワーク
１ 処理炉
２ ガス導入口
３ ガス排出口
５ 冷却室
６ 焼入れ室
８ 炭化水素ガスボンベ（アセチレンボンベ）
１０，１３，１５ バルブ
１２ 真空ポンプ（真空源）
１８ 水素濃度センサ
２０ 酸素センサ
２１ 制御装置

Claims (3)

1. 処理炉内に加熱された金属ワークを配置する工程と、
   炭素又は窒素と水素とが結合した硬化用ガスを真空雰囲気下の前記処理炉内に導入して、前記硬化用ガスを前記金属ワークに接触させることにより、前記金属ワークの表面に浸炭層又は浸窒層を形成する硬化処理工程とを備えており、
   前記硬化処理工程において、前記硬化用ガスの導入量を制御することにより、前記硬化用ガスの分解によって発生した水素が金属ワークに浸入することを抑制する方法であって、
   未処理状態の金属ワークが配置された処理炉内に硬化用ガスを継続的に導入したときに前記金属ワークの表面全体に炭素又は窒素をまんべんなく付着させるために必要にして十分な硬化用ガス量の単位時間当たり導入量を基準ガス量と設定して、前記硬化用ガスの導入量の制御が前記基準ガス量に基づいて行われるものであり、
   更に、前記基準ガス量に基づく硬化用ガスの導入量を制御する工程の少なくとも一部において、前記硬化用ガスの導入量を、水素がワークに浸入することを抑制できる許容範囲内で前記基準ガス量以上に制御している、
   金属ワークの真空硬化方法。
2. 前記硬化処理工程は、前記基準ガス量を検出するための初期工程と、前記基準ガス量に基づいて導入ガス量の制御が行われる継続工程とを備えている、
   請求項１に記載した金属ワークの真空硬化方法。
3. 請求項１又は２に記載した真空硬化方法によって表面に浸炭層又は浸窒層を形成してから、焼入れが行われる、
   金属ワークの製造方法。
   

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