气体软氮化方法和轴承部件的制造方法
【专利摘要】气体软氮化方法是通过将由钢形成的被处理物(14)在导入热处理气体的热处理炉内进行加热而在被处理物(14)的表层部形成氮化物层(14A)的方法，热处理气体包含氨气、和二氧化碳气体及氢气中的至少任一方，其余部分由杂质形成。
【专利说明】气体软氮化方法和轴承部件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体软氮化方法和轴承部件的制造方法，更具体涉及可兼顾成本降低和品质偏差降低的气体软氮化方法和轴承部件的制造方法。
【背景技术】
[0002]作为在由钢形成的部件的表层部形成氮化物层而使该部件的耐磨损性提高的处理，已知气体软氮化处理。更具体来说，气体软氮化处理中，在钢的奥氏体转变温度以下的温度范围内，使由钢形成的部件与例如氨气接触，在部件的表层部形成铁的氮化物层。该氮化物层具有极高的硬度，因此被广泛用作使部件的耐磨损性提高的热处理。
[0003]上述气体软氮化处理通过将被处理物加入热处理炉内而在含氨气的气氛中加热来实施。已知作为用于形成气氛的热处理气体仅向热处理炉导入氨气的方法(参照例如原泰三著，《热处理炉的设计及实用(熱処理炉O設計i実際)》，新日本铸锻造出版会，1998年3月，185-188页(非专利文献I))、采用将氮气作为基础气体并向其中添加氨气的热处理气体的方法、采用将吸热型变换气作为基础气体并向其中添加氨气的热处理气体的方法等(参照例如日本专利特开2002-69609号公报(专利文献I)和日本专利特开昭58-174572号公报(专利文献2))。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本专利特开2002-69609号公报
[0007]专利文献2:日本专利特开昭58-174572号公报
[0008]非专利文献
[0009]非专利文献1:原泰三著，《热处理炉的设计及实用》，新日本铸锻造出版会，1998年3月，185-188页
[0010]发明的概要
[0011]发明所要解决的技术问题
[0012]作为用于形成气氛的热处理气体仅向热处理炉导入氨气的方法中，存在因氨气的使用量增加而热处理成本升高的问题。此外，还存在因热处理炉内的位置而产生的热处理后的被处理物的品质偏差增大的问题。对于该问题，如果使用采用将氮气作为基础气体并向其中添加氨气的热处理气体的方法，则可通过抑制氨气的使用量来降低热处理的成本。但是，该方法中依然存在上述的偏差问题。另一方面，如果使用采用将吸热型变换气作为基础气体并向其中添加氨气的热处理气体的方法，则可减少上述偏差。但是，该方法中需要用于产生吸热型变换气的变换炉的维持费用和丙烷等原料气体的费用等。因此，存在难以降低热处理成本的问题。即，以往的气体软氮化方法中，存在难以兼顾成本降低和品质偏差降低的问题。
[0013]于是，本发明的目的在于提供可兼顾成本降低和品质偏差降低的气体软氮化方法和轴承部件的制造方法。[0014]解决技术问题所采用的技术方案
[0015]基于本发明的第一方面的气体软氮化方法是通过将由钢形成的被处理物在导入热处理气体的热处理炉内进行加热来在被处理物的表层部形成氮化物层的气体软氮化方法。热处理气体包含氨气、和二氧化碳气体及氢气中的至少任一方，其余部分由杂质形成。
[0016]此外，基于本发明的第二方面的气体软氮化方法是通过将由钢形成的被处理物在导入热处理气体的热处理炉内进行加热来在被处理物的表层部形成氮化物层的气体软氮化方法。热处理气体包含氨气、和二氧化碳气体及氢气中的至少任一方、和氮气，其余部分由杂质形成。
[0017]本发明人对可兼顾成本降低和品质偏差降低的气体软氮化方法进行了研究。结果获得了如下的发现，想到了本发明。
[0018]即，氨(NH3)在常温、常压下是稳定的气体。但是，如果暴露于高温下，则通过示于
(I)式的分解反应而分解为氮(N2)和氢(H2)。
[0019]NH3 — 1/2Ν2+3/2Η2...(I)
[0020]在此，氮气对于钢呈惰性，反应式(I)左边的氨、即作为分解前的氨的未分解氨有助于钢的氮化。因此，通过延缓以反应式(I)表示的氨的分解反应速度，可减少氨气的使用量，抑制制造成本。
[0021 ] 此外，热处理后的被处理物的品质偏差被认为是由于热处理炉内上述氨的分解反应处于非平衡状态。即，上述分解反应呈非平衡状态，因此分解反应的进行程度根据热处理炉内的位置而不同，未分解氨分数也不同。因而认为热处理后的被处理物的品质根据炉内的位置而不同。因此，通过延缓上述分解反应速度，未分解氨分数因热处理炉内的位置产生的差异变小，可减少热处理后的 被处理物的品质偏差。
[0022]即，认为为了兼顾成本降低和品质偏差降低，延缓氨的分解反应的负催化剂的添加有效。另外，通过本发明人的研究发现，通过将作为负催化剂的二氧化碳气体和氢气中的至少一方添加至热处理气体中，可有效地延缓氨的分解反应速度，减少热处理炉内的气氛中的未分解氨分数的偏差。此外，氢气在食品工业等中被大量采用，因此价格较低。另外，二氧化碳气体是温室效应气体之一，因此认为今后会不断推进分离回收，进一步低价格化。因此，可较低成本地实现向热处理气体中的氢气和二氧化碳气体的添加。因此，如果采用向热处理气体中添加二氧化碳气体和氢气中的至少一方的本发明的气体软氮化方法，则可兼顾成本降低和品质偏差降低。
[0023]上述气体软氮化方法中，二氧化碳气体的流量在导入热处理炉的热处理气体的总流量中所占的比例可以是5%以上且20%以下。
[0024]随着二氧化碳气体的流量在热处理气体的总流量中所占的比例的增加，氨的分解反应速度变慢。另外，上述比例在5%以下时，该分解速度明显下降。因此，上述比例较好是在5%以上。另一方面，如果上述比例超过20%，则基于二氧化碳的添加引起的氨的分解速度的降低效果可能会因基于二氧化碳的添加引起的氨浓度的降低相抵。因此，上述比例较好是在20 以下。
[0025]上述气体软氮化方法中，氢气的流量在导入热处理炉的热处理气体的总流量中所占的比例可以是10%以上且50%以下。
[0026]随着氢气的流量在热处理气体的总流量中所占的比例的增加，氨的分解反应速度变慢。另外，上述比例在10%以下时，该分解速度明显下降。因此，上述比例较好是在10%以上。另一方面，如果上述比例超过50%，则基于氢的添加的氨的分解速度引起的降低效果可能会因基于氢的添加引起的氨浓度的降低相抵。因此，上述比例较好是在50%以下。
[0027]上述气体软氮化方法中，通过将被处理物在热处理炉内加热至550°C以上且650°C以下的温度范围，可形成氮化物层。通过采用550°C以上且650°C以下的加热温度，可通过使用氨气的软氮化处理容易地形成高品质的氮化物层。
[0028]上述气体软氮化方法中，可采集热处理炉内的多个位置的气氛，管理气氛中的未分解氨分数。
[0029]如上所述，未分解氨有助于氮化物层的形成。另外，分解反应的进行程度根据热处理炉内的位置而不同，未分解氨分数也不同。因此，通过采集热处理炉内的多个位置的气氛，管理气氛中的未分解氨分数，可更可靠地减少热处理后的被处理物的品质偏差。
[0030]上述气体软氮化方法中，可按照从热处理炉内的多个位置采集的气氛中的未分解氨分数的最大值与最小值的差达到0.8体积％以下的条件，管理气氛中的未分解氨分数。通过这样操作，可更可靠地减少热处理后的被处理物的品质偏差。
[0031]上述气体软氮化方法中，可通过调整热处理气体中二氧化碳气体和氢气中的至少任一方的流量，调整气氛中的未分解氨分数。由此，可容易地调整气氛中的未分解氨分数。特别是通过调整热处理气体中二氧化碳气体和氢气中的至少任一方的流量来使从热处理炉内的多个位置采集的气氛中的未分解氨分数的最大值与最小值的差减小，可容易地减少热处理后的被处理物的品 质偏差。
[0032]上述气体软氮化方法中，可在通过配置于热处理炉内的搅拌叶片对热处理炉内的气氛进行搅拌的同时，将被处理物在热处理炉内进行加热。由此，可更容易地减少热处理后的被处理物的品质偏差。
[0033]基于本发明的轴承部件的制造方法具备准备钢材的工序、通过对钢材成形来制造成形构件的工序、在成形构件的表层部形成氮化物层的工序。另外，形成氮化物层的工序中，通过上述本发明的气体软氮化方法形成氮化物层。根据本发明的轴承部件的制造方法，通过上述本发明的气体软氮化方法形成氮化物层，可提供能够兼顾成本降低和品质偏差降低的轴承部件的制造方法。
[0034]热处理气体的总流量可设为常温常压下每小时热处理炉的容积的I倍以上且5倍以下左右。
[0035]发明的效果
[0036]由以上的说明可知，如果采用本发明的气体软氮化方法和轴承部件的制造方法，则可提供能够兼顾成本降低和品质偏差降低的气体软氮化方法和轴承部件的制造方法。
[0037]附图的简单说明
[0038]图1是表示向心滚针轴承的结构的简略图。
[0039]图2是放大表示向心滚针轴承的结构的简略剖视图。
[0040]图3是表示向心滚针轴承的制造方法的概要的流程图。
[0041]图4是与反应室的上壁和底壁垂直的剖面的热处理炉的简略剖视图。
[0042]图5是与图4的剖面垂直且与反应室的上壁和底壁垂直的剖面的热处理炉的简略剖视图。[0043]图6是表示二氧化碳气体和氢气的流量对未分解氨分数的影响的图。
[0044]图7是表示二氧化碳气体和氢气的流量对未分解氨分数的影响的图。
[0045]图8是表示二氧化碳气体和氢气的流量对未分解氨分数的偏差的影响的图。
[0046]实施发明的方式
[0047]以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。对于以下的附图中相同或同等的部分标记同一参照编号，略去其重复说明。
[0048]参照图1，本实施方式中作为滚动轴承的向心滚针轴承I具备环状的外圈11、配置于外圈11的内侧的环状的内圈12、配置于外圈11与内圈12之间的作为保持在圆环状的保持器14的转动体的多个滚针13。在外圈11的内周面形成有外圈滚动面11A，在内圈12的外周面形成有内圈滚动面12A。另外，外圈11与内圈12以内圈滚动面12A与外圈滚动面IlA彼此相对的方式配置。另外，多个滚针13的外周面13A与内圈滚动面12A和外圈滚动面IlA接触，且通过保持器14在圆周方向上以规定的间隔配置，从而可自由转动地保持在圆环状的轨道上。通过以上的构成，向心滚针轴承I的外圈11和内圈12可彼此相对地转动。
[0049]在此，参照图2，作为保持滚针13的轴承部件的保持器14具有与滚针13的端面13B相对的端面保持面14B。该端面保持面14B因滚针13的端面13B受到钻削磨损，因此要求高耐磨损性。对于这一点，本实施方式中的保持器14具有在其表层部通过气体软氮化形成的氮化物层14A，因此赋予端面13B高耐磨损性。另外，该氮化物层14A通过以下说明的本发明的一种实施方式的气体软氮化方法形成。
[0050]参照图3，本实施方式中的具备保持器14的向心滚针轴承I的制造方法中，首先实施作为工序(Sio)的钢材准备工序。该工序(SlO)中，准备例如作为JIS的冷轧压延钢带的SPCC材或者作为JIS的热轧压 延软钢带的SPHD材。
[0051]接着，实施作为工序(S20)的成形工序。该工序(S20)中，通过将所准备的钢带成形加工成所需形状，制成具有保持器14的形状的成形构件。具体来说，实施形成用于保持滚针的槽，并将钢带弯曲加工成环状的保持器形状等加工。
[0052]接着，实施作为工序(S30)的软氮化工序。该工序(S30)中，通过将上述成形构件在导入热处理气体的热处理炉内进行加热，在该成形构件的表层部形成氮化物层。这时，作为热处理气体，使用包含氨气、和二氧化碳气体及氢气中的至少任一方、和氮气且其余部分由杂质形成的气体。热处理气体中，氮气并不是必需成分，也可略去氮气，使用包含氨气、和二氧化碳气体及氢气中的至少任一方且其余部分由杂质形成的气体。
[0053]本实施方式的气体软氮化方法中，热处理气体中添加二氧化碳气体及氢气中的至少任一方，因此可实现兼顾成本降低和品质偏差降低的气体软氮化处理。其结果是，在上述构成构件形成氮化物层14A来制成的保持器14成为兼顾成本降低和品质偏差降低的保持器。
[0054]接着，实施作为工序(S40)的组装工序。该工序(S40)中，通过将如上所述制成的保持器14与另外准备的外圈11、内圈12、滚针13等组合，组装成向心滚针轴承I。
[0055]在此，上述工序(S30)中，二氧化碳气体的流量在导入热处理炉的热处理气体的总流量中所占的比例较好是5%以上且20%以下。由此，可充分降低氨的分解反应速度。
[0056]此外，上述工序(S30)中，氢气的流量在导入热处理炉的热处理气体的总流量中所占的比例较好是10%以上且50%以下。由此，可充分降低氨的分解反应速度。
[0057]另外，上述工序(S30)中，较好是通过将成形构件在热处理炉内加热至550°C以上且650°C以下的温度范围，形成氮化物层14A。由此，可容易地形成高品质的氮化物层14A。
[0058]此外，上述工序(S30)中，较好是采集热处理炉内的多个位置的气氛，管理气氛中的未分解氨分数。更具体来说，例如较好是按照从热处理炉内的多个位置采集的气氛中的未分解氨分数的最大值与最小值的差达到0.8体积％以下的条件，管理气氛中的未分解氨分数。由此，可更可靠地减少保持器14的品质偏差。
[0059]这时，较好是通过调整热处理气体中二氧化碳气体和氢气中的至少任一方的流量，调整气氛中的未分解氨分数。由此，可容易地调整气氛中的未分解氨分数。特别是通过调整热处理气体中二氧化碳气体和氢气中的至少任一方的流量来使从热处理炉内的多个位置采集的气氛中的未分解氨分数的最大值与最小值的差减小，可容易地减少保持器14的品质偏差。
[0060]另外，上述工序(S30)中，较好是在通过配置于热处理炉内的搅拌叶片对热处理炉内的气氛进行搅拌的同时，将成形构件在热处理炉内进行加热。由此，可更容易地减少保持器14的品质偏差。
实施例
[0061]以下，对本发明的实施例进行说明。实施了对气体软氮化处理中向热处理气体中添加二氧化碳气体和氢气中的至少一方而产生的效果进行确认的实验。实验的步骤如下。 [0062]使用将氮气作为基础气体并向其中添加氨气的热处理气体的气体软氮化处理中，向热处理气体中进一步添加二氧 化碳气体和氢气中的至少一方，考察了添加对未分解氨分数产生的影响。
[0063]用于实验的热处理炉示于图4和图5。参照图4和图5，热处理炉5是可将被处理物保持于反应室51内并对该被处理物进行气体软氮化处理的热处理炉。该反应室51的形状为直径460mm，高700mm。反应室51的上壁设置有搅拌叶片52。此次的实验在将该搅拌叶片52始终以1600rpm的转速运转的状态下实施。此外，如图4所示，反应室51中设置有自上壁向底壁延伸的第一米样管55和第二米样管56。另外,参照图5,反应室51中设置有用于将氨气、氮气、二氧化碳气体和氢气导入反应室51内的气体导入口 53和将反应室51内的气体释放至外部的排气口 54。另外，如图4所示，用于采集反应室51内的气氛的第一采样管55的开口 55A位于与上壁的距离LI达到300mm的区域。此外，第二采样管56的开口 56A位于与上壁的距离L2达到500mm的区域。由此，第一采样管55和第二采样管56可分别采集反应室51内的上方区域和下方区域的气氛。
[0064]另外，一边向反应室51内导入一定量的氨气，一边在保持热处理气体的总流量恒定的同时改变二氧化碳气体、氢气和氮气的流量，对从第一采样管55和第二采样管56采集的反应室51内的未分解氨分数进行了分析。反应室51内的气氛的温度采用作为适合于气体软氮化处理的温度的550°C和650°C这2个基准。
[0065]未分解氨分数的分析使用非分散型红外线气体分析计(株式会社堀场制作所(株式会社堀場製作所)制，FA1000)实施。为了避免分析计和采样管内生成固体的碳酸铵而对实验产生影响，在使用带式加热器和隔热材料将分析计和采样管维持在65°C以上的同时进行实验。实验条件示于表1，实验结果示于表2。
[0066][表1]
[0067]
【权利要求】
1.气体软氮化方法，它是通过将由钢形成的被处理物(14)在导入热处理气体的热处理炉(5)内进行加热而在所述被处理物(14)的表层部形成氮化物层(14A)的气体软氮化方法，其特征在于， 所述热处理气体包含氨气、和二氧化碳气体及氢气中的至少任一方，其余部分由杂质形成。
2.如权利要求1所述的气体软氮化方法，其特征在于，所述二氧化碳气体的流量在导入所述热处理炉(5)的所述热处理气体的总流量中所占的比例为5%以上且20%以下。
3.如权利要求1所述的气体软氮化方法，其特征在于，所述氢气的流量在导入所述热处理炉(5)的所述热处理气体的总流量中所占的比例为10%以上且50%以下。
4.如权利要求1所述的气体软氮化方法，其特征在于，通过将所述被处理物(14)在所述热处理炉(5)内加热至550°C以上且650°C以下的温度范围，形成所述氮化物层(14A)。
5.如权利要求1所述的气体软氮化方法，其特征在于，采集所述热处理炉(5)内的多个位置的气氛，管理所述气氛中的未分解氨分数。
6.如权利要求5所述的气体软氮化方法，其特征在于，按照从所述热处理炉(5)内的多个位置采集的气氛中的未分解氨分数的最大值与最小值的差达到0.8体积％以下的条件，管理所述气氛中的未分解氨分数。
7.如权利要求5所述的气体软氮化方法，其特征在于，通过调整所述热处理气体中二氧化碳气体和氢气中的至少任一 方的流量，调整所述气氛中的未分解氨分数。
8.如权利要求1所述的气体软氮化方法，其特征在于，在通过配置于所述热处理炉(5)内的搅拌叶片(52)对所述热处理炉(5)内的气氛进行搅拌的同时，将所述被处理物(14)在所述热处理炉(5)内进行加热。
9.轴承部件(14)的制造方法，具备: 准备钢材的工序、 通过对所述钢材成形来制造成形构件(14)的工序、 和在所述成形构件(14)的表层部形成氮化物层(14A)的工序， 形成所述氮化物层(14A)的工序中，通过权利要求1所述的气体软氮化方法形成所述氮化物层(14A)。
10.气体软氮化方法，它是通过将由钢形成的被处理物(14)在导入热处理气体的热处理炉(5)内进行加热而在所述被处理物(14)的表层部形成氮化物层(14A)的气体软氮化方法，其特征在于， 所述热处理气体包含氨气、和二氧化碳气体及氢气中的至少任一方、和氮气，其余部分由杂质形成。
11.如权利要求10所述的气体软氮化方法，其特征在于，所述二氧化碳气体的流量在导入所述热处理炉(5)的所述热处理气体的总流量中所占的比例为5%以上且20%以下。
12.如权利要求10所述的气体软氮化方法，其特征在于，所述氢气的流量在导入所述热处理炉(5)的所述热处理气体的总流量中所占的比例为10%以上且50%以下。
13.如权利要求10所述的气体软氮化方法，其特征在于，通过将所述被处理物(14)在所述热处理炉(5)内加热至550°C以上且650°C以下的温度范围，形成所述氮化物层(14A)。
14.如权利要求10所述的气体软氮化方法，其特征在于，采集所述热处理炉(5)内的多个位置的气氛，管理所述气氛中的未分解氨分数。
15.如权利要求14所述的气体软氮化方法，其特征在于，按照从所述热处理炉(14)内的多个位置采集的气氛中的未分解氨分数的最大值与最小值的差达到0.8体积％以下的条件，管理所述气氛中的未分解氨分数。
16.如权利要求14所述的气体软氮化方法，其特征在于，通过调整所述热处理气体中二氧化碳气体和氢气中的至少任一方的流量，调整所述气氛中的未分解氨分数。
17.如权利要求10所述的气体软氮化方法，其特征在于，在通过配置于所述热处理炉(5)内的搅拌叶片(52)对所述热处理炉(5)内的气氛进行搅拌的同时，将所述被处理物(14)在所述热处理炉(5)内进行加热。
18.轴承部件(14)的制造方法，具备: 准备钢材的工序、 通过对所述钢材成形来制造成形构件(14)的工序、 和在所述成形构件(14)的表层部形成氮化物层(14A)的工序， 形成所述氮化物层(14A)的工序中，通过权利要求10所述的气体软氮化方法形成所述氮化物层(14A)。
【文档编号】C21D9/40GK103502500SQ201280018454
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月9日 优先权日:2011年4月19日
【发明者】大木力 申请人:Ntn株式会社