(57)【要約】【課題】歪みが抑制できる可能性を高め技術の提供。【解決手段】複数のノズルから吐出された補助冷却用の冷却剤である補助冷却剤を焼き入れ対象の被処理物にかけることで補助冷却を行い、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度に達する前に前記被処理物の補助冷却を停止させ、焼き入れ用の冷却剤である焼入冷却剤によって前記被処理物をマルテンサイト変態開始温度以下に冷却する焼き入れを行う、焼き入れ方法を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズルから吐出された補助冷却用の冷却剤である補助冷却剤を焼き入れ対象の被処理物にかけることで補助冷却を行い、
前記被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度に達する前に前記被処理物の補助冷却を停止させ、
焼き入れ用の冷却剤である焼入冷却剤によって前記被処理物をマルテンサイト変態開始温度以下に冷却する焼き入れを行う、
焼き入れ方法。
【請求項２】
前記複数のノズルから吐出された前記補助冷却剤は、少なくとも、鉛直方向における前記被処理物の最上部にかけられる、
請求項１に記載の焼き入れ方法。
【請求項３】
前記補助冷却は、
空の冷却槽の内部で行われ、
前記焼入冷却剤は、
前記補助冷却によって前記冷却槽内に蓄積された前記補助冷却剤であり、
前記焼き入れは、
前記焼入冷却剤の内部に前記被処理物が保持されることによって行われる、
請求項１または請求項２に記載の焼き入れ方法。
【請求項４】
前記焼き入れは、
前記被処理物を移動させる移動装置により、冷却槽に蓄積された前記焼入冷却剤の内部に前記被処理物を移動させ、前記被処理物と前記焼入冷却剤との相対速度が、前記被処理物の移動速度より遅い状態で行われる、
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の焼き入れ方法。
【請求項５】
前記補助冷却は、
少なくとも、前記被処理物の前記焼入冷却剤への浸漬開始から浸漬完了まで実施される、
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の焼き入れ方法。
【請求項６】
前記補助冷却により、前記被処理物の鉛直方向の上部は下部よりも低い温度になる、
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の焼き入れ方法。
【請求項７】
前記被処理物の鉛直方向の上下に温度差が生じていない状態で、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる、
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の焼き入れ方法。
【請求項８】
前記補助冷却剤と、前記焼入冷却剤とは、
水を主成分とする冷却剤または焼き入れ油である、
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の焼き入れ方法。
【請求項９】
前記補助冷却剤と、前記焼入冷却剤とは、
双方が水を主成分とする冷却剤であるか、または双方が焼き入れ油である、
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の焼き入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼き入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、焼き入れ対象の被処理物を冷却剤に浸漬し、マルテンサイト変態温度以下になるまで冷却する焼き入れ方法が知られている。このような焼き入れ技術としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
被処理物を冷却剤に浸漬する場合、浸漬開始と共に冷却剤に接した部位は、浸漬完了の段階で冷却剤に接した部位より先に冷却されるため、冷却剤内で冷却されている被処理物の表面には部位間で温度差が生じている。表面上の部位によって温度差が生じていると、部位間で熱膨張の程度が異なるために、被処理物に歪みが生じる。温度差が生じた状態で冷却が進行し被処理物の表面にマルテンサイトが形成されると、被処理物の表面が硬くなり歪みが緩和されない。この結果、歪みが生じた状態で焼き入れが完了してしまう。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、歪みが抑制できる可能性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、複数のノズルから吐出された補助冷却用の冷却剤である補助冷却剤を焼き入れ対象の被処理物にかけることで補助冷却を行い、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度に達する前に被処理物の補助冷却を停止させ、焼き入れ用の冷却剤である焼入冷却剤によって被処理物をマルテンサイト変態開始温度以下に冷却する焼き入れを行う。
【０００６】
すなわち、複数のノズルから吐出された補助冷却剤を被処理物にかけると、補助冷却剤の表面の複数の部位を同時に冷却することができ、少なくとも補助冷却剤がかけられた部位を満遍なく冷却することができる。この結果、補助冷却剤がかけられた部位間で温度差を生じさせることなく被処理物の表面を冷却することができ、被処理物における歪みを抑制しながら被処理物の表面を冷却することができる。
【０００７】
一方、複数のノズルから吐出された補助冷却剤が被処理物にかけられる状態において、補助冷却剤は被処理物の表面を伝って下方に移動し、やがて落下する。このため、複数のノズルから吐出された補助冷却剤が被処理物にかけられる状態は、被処理物が冷却剤に浸った状態と比較すると、冷却速度が小さい。そこで、複数のノズルから吐出された補助冷却剤が被処理物にかけられる状態での冷却は補助冷却とし、ある程度冷却した段階（マルテンサイト変態開始温度に達する前の段階）で補助冷却を停止させ、停止後に焼入冷却剤によって焼き入れを行うことで被処理物を急速に冷却させる。
【０００８】
この結果、被処理物における歪みを抑制しながら被処理物の表面を冷却した後に、焼き入れを行うことができる。従って、歪みが抑制された状態で焼き入れを開始することができ、焼き入れによって生じる歪みを抑制できる可能性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａは焼き入れ方法を実施する装置を模式的に示す図、図１Ｂ〜図１Ｄは焼き入れ工程を模式的に示す図である。
【図２】熱処理工程を示すフローチャートである。
【図３】図３Ａは比較例および実施例を示す図であり、図３Ｂ，図３Ｄは比較例における歪み量を示す図であり、図３Ｃ，図３Ｅは実施例における歪み量を示す図である。
【図４】比較例における被処理物の温度変化と、マルテンサイト分率とを示す図である。
【図５】実施例における被処理物の温度変化と、マルテンサイト分率とを示す図である
【図６】熱処理工程を示すフローチャートである。
【図７】図７Ａは焼き入れ方法を実施する装置を模式的に示す図、図７Ｂ〜図７Ｄは焼き入れ工程を模式的に示す図である。
【図８】図８Ａ，図８Ｂは焼き入れ工程を模式的に示す図、熱処理工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）焼き入れ方法を実施する装置の構成：
（２）熱処理工程：
（３）実施例：
（４）他の実施形態：
【００１１】
（１）焼き入れ方法を実施する装置の構成：
図１Ａは、本発明の一実施形態である焼き入れ方法を実施する装置を模式的に示す図である。図１Ａにおいては装置の主要部を示しており、各部を駆動させるための機構や各部の形状等としては、種々の構成を採用し得る。図１Ａに示す装置においては、中空の直方体の一面を開口させることによって形成された冷却槽１０が備えられている。本実施形態において冷却槽１０には、予め焼入冷却剤Ｗが蓄積されている。焼入冷却剤Ｗは、被処理物と熱交換可能な物質であれば良いが、本実施形態において焼入冷却剤Ｗは水である。むろん、焼入冷却剤は、水に各種の材料が溶けている水溶液であっても良い。
【００１２】
本実施形態において、焼き入れ方法を実施する装置には、被処理物Ｓを昇降させる移動装置２０が備えられている。移動装置２０は、支持台２１および支持部２２を備えており、被処理物Ｓは支持台２１に載せられる。支持台２１は冷却槽１０の高さ方向に延びる支持部２２に支持されている。支持部２２には、図示しないモーター等の駆動源が接続され、図示しない昇降機構によって支持台２１を上下に移動させることができる。むろん、モーター等の駆動源は種々のエネルギーで駆動されてよく、電動、油圧駆動、気圧駆動、などの種々のエネルギーを利用可能である。また、動力伝達機構もモーター等に限定されず、リニアモーター等であっても良い（以下同様）。
【００１３】
本実施形態において駆動源は、被処理物Ｓが載せられた支持台２１の昇降速度を変化させることができ、駆動源に対する制御信号を変化させることにより、支持台２１の上昇速度および支持台２１の下降速度を指定することができる。支持部２２は、冷却槽１０の底面から開口部側に向けて鉛直方向に沿って延びている。従って、支持部２２の下方は冷却槽１０内の焼入冷却剤Ｗに浸かっており、支持台２１が上下移動されることにより、支持台２１上の被処理物Ｓを焼入冷却剤Ｗに浸漬したり、また、焼入冷却剤Ｗ内の被処理物Ｓを外部に取り出したりすることができる。
【００１４】
なお、支持台２１に対して載置される被処理物Ｓの数や置き方（向き）等は種々の態様であって良い。例えば、支持台２１にパレットが取り付けられ、当該パレット内に複数の被処理物Ｓが配置されてもよい。本明細書においては、被処理物Ｓが１個である場合を例にして説明を行う。むろん、支持台２１や支持部２２等が各種の特徴を有していて良く、例えば、支持台２１を容易に下降させることができるようにするために支持台２１がメッシュや格子状に形成されていても良い。
【００１５】
さらに、本実施形態において、焼き入れ方法を実施する装置には、シャワー２５が備えられている。本実施形態において、シャワー２５は、複数のノズルを備えており、図示しない配管が接続される。配管は補助冷却用の冷却剤である補助冷却剤を蓄積した図示しないタンクに接続されており、配管に接続された圧力調整弁の開閉することにより、各ノズルから補助冷却剤を吐出させ、また、吐出を停止させることが可能である。図１Ａにおいては、被処理物Ｓの周囲の破線によってノズルから吐出された補助冷却剤を示している。なお、補助冷却剤は、被処理物と熱交換可能な物質であれば良いが、本実施形態において補助冷却剤と焼入冷却剤Ｗは同一であり、双方共に水である。
【００１６】
本実施形態においては、各ノズルから吐出された補助冷却剤が被処理物Ｓの複数の面にかけられる。図１Ａに示す例においては、被処理物Ｓの上面と側面に補助冷却剤がかけられることが模式的に示されているが、むろん、被処理物Ｓの上面に補助冷却剤がかけられ、補助冷却剤が被処理物Ｓの表面上を流れることによって補助冷却剤が被処理物Ｓのほぼ全面に接する構成であってもよい。また、被処理物Ｓの下面に補助冷却剤がかけられても良い。この場合、支持台２１がノズルを備え、当該ノズルから吐出された補助冷却剤が被処理物Ｓに対してかけられる構成等を採用可能である。
【００１７】
なお、シャワー２５のノズルから吐出された補助冷却剤がかけられる部位は、図１Ａに示す部位に限定されない。ただし、シャワー２５によって補助冷却しない状態で被処理物Ｓを焼入冷却剤Ｗに対して浸漬すると、被処理物Ｓの表面において、被処理物Ｓの移動方向（すなわち、図１Ａに示す上下（鉛直）方向）に沿った温度差が生じる。そこで、シャワー２５のノズルから吐出された補助冷却剤は、少なくとも、鉛直方向における被処理物の最上部にかけられることが好ましい。すなわち、鉛直方向における被処理物Ｓの最上部に補助冷却剤がかけられることにより、補助冷却剤が被処理物Ｓの側面を流れて被処理物Ｓの最下部に渡る範囲に達するように構成されていることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、被処理物Ｓの最上部から最下部に渡る側面の全域を同時に補助冷却することができる。従って、被処理物Ｓが移動装置２０によって移動されることによって焼入冷却剤Ｗの液面に接触した段階で、接触した部位である最下部と、最下部から最も遠い被処理物Ｓの最上部とで生じる温度差が緩和される。このため、浸漬によって被処理物Ｓの表面で生じる温度差に起因する歪みの発生を抑制することができる。
【００１９】
本実施形態において、被処理物Ｓは、浸炭処理された後の部品である。浸炭処理は、図１Ａに図示していない浸炭処理装置によって実行されればよく、各種の態様の炉によって被処理物Ｓを加熱し、被処理物Ｓの周囲に存在する炭素を被処理物Ｓに浸炭させることができればよい。むろん、炉の構成も限定されず、炉内で浸炭しながら被処理物Ｓが搬送される構成等であっても良いし、炉内の固定位置に存在する被処理物Ｓで浸炭が行われた後に取り出されてもよい。浸炭の態様も限定されず、ガス浸炭、液体浸炭、固体浸炭、真空浸炭（真空ガス浸炭）、プラズマ浸炭などの各種の態様で浸炭が行われてよい。いずれにしても、浸炭が行われた後の被処理物Ｓが支持台２１にセットされて焼き入れが行われればよい。
【００２０】
（２）熱処理工程：
次に、被処理物Ｓに対する熱処理工程（浸炭処理および焼き入れ処理）を説明する。図２は本実施形態にかかる熱処理工程を示すフローチャートである。熱処理工程においては、熱処理対象の被処理物Ｓが浸炭処理装置にセットされる（ステップＳ１００）。次に、浸炭処理が行われる（ステップＳ１０５）。浸炭処理の条件は、被処理物Ｓの利用目的等に基づいて決定される。例えば、被処理物Ｓがセットされた浸炭処理装置内に予め決められた炭素含有物（ガス等）が導入され、被処理物Ｓが既定の昇温速度で目的温度まで加熱される。そして、被処理物Ｓが目標温度に達したら、既定の期間だけ目的温度に維持される。
【００２１】
次に、浸炭処理が行われた被処理物Ｓが移動装置２０にセットされる（ステップＳ１１０）。すなわち、浸炭処理が行われた被処理物Ｓが、支持台２１に載置される。次に、シャワーによる吐出が開始される（ステップＳ１１２）。すなわち、シャワー２５のノズルから補助冷却剤の吐出が開始される。この結果、図１Ａに示すように、シャワー２５のノズルから補助冷却剤が吐出され、被処理物Ｓの最上部から最下部に渡る全域が同時に補助冷却される。従って、被処理物Ｓの表面において最上部と最下部との温度差はほぼ生じておらず、最上部と最下部との温度差がほぼ生じていない状態で焼入冷却剤Ｗへの浸漬を開始することができる。
【００２２】
なお、本実施形態において、シャワー２５から吐出される補助冷却剤は、被処理物Ｓにかかった後に落下して冷却槽１０に蓄積される。本実施形態において、補助冷却剤は、冷却槽１０に蓄積された焼入冷却剤Ｗと同一である。従って、シャワー２５から吐出される補助冷却剤が焼入冷却剤Ｗと混ざらないようにするための構成は不要である。
【００２３】
次に、被処理物Ｓの下降が開始される（ステップＳ１２０）。すなわち、支持台２１を降下させる駆動源に制御信号が出力され、支持台２１の下降速度Ｖｅが既定の速度に設定される。この結果、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに浸漬される。なお、図１Ｂは下降によって焼入冷却剤Ｗに浸漬されている過程の被処理物Ｓを示す図である。
【００２４】
次に、被処理物の下降が停止される（ステップＳ１２２）。本実施形態においては、被処理物Ｓの最上部が焼入冷却剤Ｗの液面以下となり、被処理物Ｓの最上部と液面Ｓｗとの間の距離が既定値になると被処理物Ｓの下降が停止される。次に、シャワーが停止される（ステップＳ１２３）。すなわち、シャワー２５のノズルからの補助冷却剤の吐出が停止される。図１Ｃは、被処理物Ｓの浸漬が完了し、シャワー２５が停止された状態を示す図である。
【００２５】
このように、本実施形態においては、被処理物Ｓの浸漬が完了するまでシャワー２５による補助冷却剤の吐出が継続され、浸漬の過程においても補助冷却が継続されている。この結果、液面上に露出している被処理物Ｓにおける鉛直方向の温度差が抑制された状態で浸漬を行うことができる。なお、シャワー２５による補助冷却剤の吐出は、少なくとも、被処理物Ｓの浸漬開始から浸漬完了まで実施されればよく、例えば、浸漬完了と同時にシャワー２５が停止される構成であってもよい。
【００２６】
なお、本実施形態において、焼入冷却剤Ｗにおいて攪拌等は行われない。従って、液面Ｓｗの下方で焼入冷却剤Ｗは流動していない。このため、浸漬が完了し、被処理物Ｓの下降が停止すると、焼入冷却剤Ｗの液面Ｓｗよりも内側における被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度は０になる。本実施形態では、この状態をシンクロ状態と呼ぶ。
【００２７】
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度が０であり、被処理物Ｓに接して被処理物Ｓからの熱が伝達された焼入冷却剤Ｗは、被処理物Ｓに接した状態で被処理物Ｓの周囲にとどまった状態となる。このため、焼入冷却剤Ｗに接している被処理物Ｓは焼入冷却剤Ｗによって急冷されるものの、シンクロ状態が維持されていると被処理物Ｓに接した焼入冷却剤Ｗが徐々に暖まるため、冷却は促進されない。
【００２８】
すなわち、被処理物Ｓの周囲の焼入冷却剤Ｗが攪拌等によって他の場所に移動する場合、被処理物Ｓの周囲で高温になった焼入冷却剤Ｗが低温の焼入冷却剤Ｗに置換される。しかし、シンクロ状態においては被処理物Ｓに接して高温になった焼入冷却剤Ｗが低温の冷却剤に置換されにくく、冷却は促進されない。シンクロ状態が維持されていると、先に冷却剤Ｗの液面に到達して先に冷却が開始された部位の冷却速度は徐々に遅くなる。一方、後に冷却剤Ｗの液面に到達して冷却が開始された部位の冷却速度は、先に冷却が開始された部位の冷却速度より速い。このためシンクロ状態が維持されると、被処理物Ｓの表面に生じた温度差は徐々に小さくなり、被処理物Ｓにおける歪みの発生を抑制することができる。
【００２９】
そして、被処理物Ｓの表面における温度差が抑制され、被処理物Ｓにおける歪みの発生が抑制された状態で被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態すると、被処理物Ｓの表面が硬くなり、以後、被処理物Ｓが変形しにくくなる。そこで、本実施形態においては、シンクロ状態が維持された状態で、焼入冷却剤Ｗによって被処理物Ｓをマルテンサイト変態開始温度以下に冷却する。この結果、歪みが抑制された状態で被処理物Ｓの表面を硬化させることができ、歪みが小さい状態で焼き入れを行うことができる。
【００３０】
次に、焼き入れが終了するまで待機される（ステップＳ１４０）。焼き入れの終了は、種々の条件で決められてよく、例えば、既定期間の経過を条件とする構成等を採用可能である。既定期間は、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接してから、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態するまでの期間であり、予め決められる。
【００３１】
ステップＳ１４０において、焼き入れが終了したと判定されると、被処理物を上昇させる（ステップＳ１５０）。すなわち、移動装置２０が制御され、支持台２１が上昇される。これにより、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに漬けられた状態は終了し、熱処理工程が終了する。むろん、この冷却工程は一例であり、この後、焼き戻しや焼きなまし、高周波加熱等の熱処理が行われてもよい。
【００３２】
以上のように、本実施形態においては、シャワー２５によって補助冷却を行うことで、焼き入れ開始前の段階で被処理物Ｓの表面に生じ得る温度差を抑制することができる。従って、被処理物Ｓにおいて生じている歪みが抑制された状態で焼入冷却剤Ｗによる冷却が開始される。この結果、焼き入れによって生じる歪みを抑制できる可能性を高めることができる。
【００３３】
（３）実施例：
次に、上述の熱処理工程によって焼き入れが行われた場合の被処理物Ｓの特性を述べる。図３Ａは、ＳＣＭ２０を利用して形成した円柱状のシャフト（直径３６ｍｍ、軸長１４８ｍｍ）の軸方向を鉛直方向に対して垂直に向けた状態で支持台２１に載置し、焼き入れを行った場合の例を示す図である。すなわち、図３Ａにおいては、同じ材料に対して異なる焼き入れ工程で焼き入れを行った場合の条件と、各条件で製造されるシャフトの特性とを示している。
【００３４】
図３Ａに示された比較例においては冷却剤が水であり、実施例においては補助冷却剤および焼入冷却剤がともに水である。比較例は、シャワー２５による補助冷却を行うことなく水に対して浸漬し、焼き入れした場合の例である。なお、比較例においては、冷却速度を高めるために、冷却剤を攪拌し、浸漬方向と逆向きの流速（２００ｍｍ／ｓ）を与えてある。比較例、実施例に使用された冷却剤である水の熱伝達率は、１１０００Ｗ／（ｍ2・Ｋ）である。
【００３５】
図３Ａにおいては、比較例および実施例について、焼き入れ温度（℃）、被処理物Ｓの下降速度Ｖｅ（ｍｍ／ｓ）、シャワー時間（秒）、焼入冷却剤Ｗの温度（℃）を示している。ここで、焼き入れ温度は、被処理物Ｓが補助冷却される前の温度である。焼入冷却剤Ｗの温度における常温は２５℃である。シャワー時間は、シャワー２５による補助冷却が開始されてから、被処理物Ｓの最下部が焼入冷却剤Ｗの液面Ｓｗに接するまでの時間である。下降速度Ｖｅは種々の値とすることができ、例えば、１００ｍｍ／ｓ〜１５００ｍｍ／ｓ等の速度とすることができる。
【００３６】
比較例、実施例ともに、浸漬が完了した段階（被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗの液面下に達した段階）で被処理物Ｓに生じている歪みを浸漬後歪みとし、焼き入れが完了した段階で被処理物Ｓに生じている歪みを焼入後歪み量とした。
【００３７】
図３Ａに示す歪み量（曲がり量）（μｍ）は、焼き入れ完了後に被処理物Ｓであるシャフトに生じている歪みを示している。すなわち、歪み量は、被処理物Ｓの円柱軸が鉛直方向にどの程度曲がっているかを示し、鉛直方向における被処理物Ｓの円柱軸の最上部と最下部との距離を示している。従って、図３Ａに示す歪み量は、被処理物Ｓに生じる歪みの最大値を示している。
【００３８】
図３Ｂ〜図３Ｅは、図３Ａに示す比較例および実施例における歪みの発生状態を示す図である。なお、図３Ｂは比較例における浸漬後歪み量を示し、図３Ｃは実施例における浸漬後歪み量を示し、図３Ｄは比較例における焼入後歪み量を示し、図３Ｅは実施例における焼入後歪み量を示している。
【００３９】
これらの図において、横軸はシャフトの軸方向におけるシャフト軸の位置であり、縦軸はシャフトの軸方向に垂直な方向（浸漬の方向）におけるシャフト軸の位置を示している。従って、図３Ｂ〜図３Ｅに示す図における縦軸方向のギャップが図３Ａに示す歪み量である。例えば、図３Ｂにおける縦軸方向のギャップは図３Ａに示す浸漬後歪み量の２２μｍと一致している。
【００４０】
以上の例において、比較例と実施例とを比較すると、浸漬後歪み量、焼入後歪み量のいずれにおいても、実施例は比較例と比較して歪み量が非常に小さい。特に、実施例の焼入後歪み量は、比較例よりも２桁小さい値になっている。さらに、図３Ｂ〜図３Ｅを比較すると、図３Ｂ，図３Ｄに示す比較例においては、浸漬後と焼入後とで逆向きに曲がっており、非常に大きい範囲で変形していることがわかる。
【００４１】
一方、図３Ｃ,図３Ｅに示す実施例においては、歪み量が極めて小さく、浸漬から焼入完了に至る過程で大きい変形は起こらない。従って、実施例によれば、非常に高精度に被処理物Ｓの寸法を制御しながら被処理物Ｓの焼き入れを行うことができる。
【００４２】
シャワー２５による補助冷却は、被処理物Ｓに発生する歪み量を抑制するように行われればよい。図４および図５は、補助冷却によって歪み量が抑制される様子を説明するための図である。図４は、上述の比較例における被処理物Ｓの温度変化と、マルテンサイト分率とを示す図であり、図５は、上述の実施例における被処理物Ｓの温度変化と、マルテンサイト分率とを示す図である。なお、図４および図５において、横軸は時間を対数で示しており、左の縦軸は温度、右の縦軸はマルテンサイト分率を示している。ここで、マルテンサイト分率Ｐ（ｔ）は、
Ｐ（Ｔ）＝１−ｅｘｐ（−ｂ（Ｍｓ−Ｔ））
Ｔ：温度
Ｍｓ：マルテンサイト変態開始温度
ｂ：材質、炭素濃度により特定される定数（例えばＳＣＭ４２０では、母材においてはｂ＝０．１４３、０．８（ｍａｓｓ％）の表面炭素濃度に浸炭した場合においてはｂ＝０．０１となる）
で表現される。
【００４３】
なお、図４および図５においては、被処理物Ｓの最下部における表面の温度およびマルテンサイト分率を実線で示している。また、被処理物Ｓの最上部における表面の温度およびマルテンサイト分率を一点鎖線で示し、被処理物Ｓの内部（中心）における温度およびマルテンサイト分率を二点鎖線で示している。ただし、図５に示す例では、被処理物Ｓの最上部および最下部におけるマルテンサイト分率がほぼ一致しているため、一点鎖線はグラフ上に現れていない。
【００４４】
さらに、図４は、比較例において被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接してからの経過時間毎の、被処理物Ｓの温度およびマルテンサイト分率の推移を示している。図５は、実施例において被処理物Ｓに対してシャワー２５によって補助冷却剤がかけられてからの経過時間毎に、被処理物Ｓの温度およびマルテンサイト分率の推移を示している。なお、図５に示す例においては、補助冷却の開始から１秒後に被処理物Ｓの焼入冷却剤Ｗに対する浸漬が開始される。
【００４５】
図４に示す比較例においては、補助冷却が行われることなく被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接するため、被処理物Ｓの表面の最下部が先に冷却され、後に被処理物Ｓの表面の最上部が冷却される。この結果、冷却開始当初から被処理物Ｓの表面の上下に温度差が形成される。図４に示す比較例においては、当該初期の温度差が１００℃程度と大きいため、時間の経過とともに温度差が縮小していく傾向にはあるものの、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態開始温度（浸炭層Ｍｓ点と表記）以下になっても温度差は解消しない。
【００４６】
具体的には、被処理物Ｓの表面に温度差が生じた状態は、冷却開始後６０秒後程度まで継続している。特に、被処理物Ｓの最下部にマルテンサイトが形成され始める時刻Ｔ1から被処理物Ｓの表面の硬化が開始され、被処理物Ｓの最上部にマルテンサイトが形成され始める時刻Ｔ2を経ても被処理物Ｓの表面の上下に大きな温度差が生じている。被処理物Ｓの表面でマルテンサイト変態が開始されると、被処理物Ｓの表面が硬化していくため、マルテンサイト変態が行われる過程で、被処理物Ｓの表面に温度差に起因する歪みが生じていると、歪みが生じた状態で硬化する。
【００４７】
図３Ａに示されるように、浸漬後歪み（冷却開始後０．１８秒（３６／２００）での歪み）が２２μｍである比較例において、焼き入れが完了すると９４μｍという大きな歪み量となる。これは、図４に示されるように、被処理物Ｓの上下に温度差が生じ、歪みが生じている状態でマルテンサイト変態開始温度以下に冷却されることに起因していると考えられる。
【００４８】
一方、図５に示す実施例においては、最初の１秒間で補助冷却が行われるため、被処理物Ｓの上下に生じる温度差は、図４に示す比較例と比べて非常に小さい。実施例においては、補助冷却開始後１秒の段階で、被処理物Ｓの上下に生じる温度差が非常に小さい状態で焼入冷却剤Ｗへの浸漬が開始される。このため、浸漬が完了した時刻Ｔ5における歪み量が、図３に示されるように１μｍという非常に小さい値となる。
【００４９】
さらに、実施例においては、被処理物Ｓの上下に生じた温度差が非常に小さい状態で焼入冷却剤Ｗによる冷却が開始され、焼入冷却剤Ｗによる冷却開始後、早期に被処理物Ｓの上限における温度差が解消している（時刻Ｔ3）。
【００５０】
実施例においては、時刻Ｔ3よりも後の時刻Ｔ4あたりからマルテンサイト変態が開始される。そして、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる段階において、被処理物Ｓの鉛直方向の上下に温度差は生じていない。従って、実施例においては、被処理物Ｓに生じている歪みが非常に小さくなった状態で被処理物Ｓの表面でマルテンサイト変態が開始され、被処理物Ｓの表面が硬化する。この結果、図３に示されるように、焼き入れが完了した段階で０．７μｍという極めて小さな歪み量となる。
【００５１】
なお、図５に示す実施例においては、被処理物Ｓとしてのシャフトの軸が鉛直方向に対して垂直に向けられた状態で補助冷却および浸漬が行われ、シャワー２５によって円柱状のシャフトの最上部に対して補助冷却剤がかけられる。一方、シャフトの下半分には補助冷却剤はかけられず、最上部から下方に流れた補助冷却剤によってシャフトの下半分が補助冷却される。従って、図５に示す実施例においては、被処理物Ｓの表面の最上部の方が効率的に補助冷却される。この結果、図５に示すように開始から１秒の期間で補助冷却が行われると、被処理物Ｓの鉛直方向の上部は下部よりも低い温度になる。
【００５２】
一方、被処理物Ｓを鉛直方向下方に移動させて焼入冷却剤Ｗに浸漬させると、最初に焼入冷却剤Ｗに接する被処理物Ｓの最下部から先に冷却が開始され、被処理物Ｓの最上部は最後に冷却が開始される。このため、焼入冷却剤Ｗによる冷却が開始されると、すぐに被処理物Ｓの下部の温度が上部の温度よりも下がるが、元々上部の方がより低い温度になるように補助冷却されていたため、その温度差は極めて僅かな状態になる。この結果、焼入冷却剤Ｗに対する浸漬が完了した後に、極めて早い期間で被処理物Ｓの上下における温度差が解消する。この構成によれば、被処理物Ｓの上下の表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる段階で、被処理物Ｓの上下の温度差が極めて小さい状態を容易に実現することができる。
【００５３】
（４）他の実施形態：
以上の実施形態は本発明を実施するための一例であり、他にも種々の実施形態を採用可能である。例えば、被処理物はシャフトに限定されず、ギアや建築用の部品など、種々の物品が被処理物とされて良い。また、焼き入れの際の被処理物の姿勢としては、種々の姿勢が採用されてよい。例えば、多くのシャフトにおいては軸長が直径よりも長いため、上述のようにシャフトの軸が鉛直方向に垂直に向けられた姿勢においては、被処理物の高さが最も低くなる置き方で支持台２１に載置されて焼き入れが行われている。しかし、被処理物の高さが最も高くなる置き方、例えば、軸長が直径よりも長いシャフトであれば、軸方向を鉛直方向に平行に向けた状態で支持台２１に載置されて焼き入れが行われてもよい。
【００５４】
さらに、焼入冷却剤Ｗによる焼き入れを行っている過程でシンクロ状態を停止させてもよい。すなわち、シンクロ状態においては、焼入冷却剤Ｗが被処理物Ｓの周囲にとどまり、上述の実施形態においては、被処理物Ｓからの熱で焼入冷却剤Ｗの温度が上昇しても、より低い温度の焼入冷却剤Ｗと積極的に入れ替えられてはいない。そこで、例えば、被処理物Ｓの表面における温度差が解消されたらシンクロ状態を停止させ、攪拌等によって冷却を促進してもよい。例えば、図５に示す例において、時刻Ｔ3の段階でシンクロ状態を停止させ、焼入冷却剤Ｗを攪拌等によって流動させ、冷却を促進すれば、より早期に焼き入れを完了させることができる。また、シンクロ状態が停止される段階で被処理物Ｓに温度差は生じておらず、従って、歪み量も小さいので、攪拌が行われても焼き入れされた被処理物Ｓにおいて得られる歪み量は小さいままである。
【００５５】
焼き入れは、金属を所定の温度に加熱した後に急冷させる熱処理であれば良く、被処理物としては、種々の材料が想定されて良い。例えば、上述の実施形態のように、浸炭処理された鋼が急冷される焼き入れに限定されず、炭素を含有する鋼が予め用意され、当該鋼が加熱された後に急冷される焼き入れであっても良い。また、被処理物は、浸炭浸窒を施した材料、浸窒を施した材料であっても良い。
【００５６】
さらに、被処理物は焼き入れ対象であれば良く、材質は限定されない。例えば、各種の鉄鋼材、一般圧延鋼材、炭素鋼材、合金鋼、浸炭用鋼、工具鋼、ばね鋼、軸受鋼、熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板、炭素鋼鋳鋼品が被処理物となり得る。さらに、ＪＩＳ、ＳＡＥ、ＤＩＮなどの材料規格に定義される鉄鋼材料、例えば、ＪＩＳ  Ｓ３５Ｃ、ＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ、ＪＩＳ  ＳＣＭ４４０、ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０、ＪＩＳ  ＳＣＭ４１５、ＪＩＳ  ＳＣＲ４４０、ＪＩＳ  ＳＣＲ４２０、ＭＳＢ２０、ＤＥＧ、ＡＧ２０等が被処理物となり得る。また、これら材料に浸炭処理、浸炭浸窒処理、浸窒処理を施したものも被処理物となり得る。
【００５７】
浸漬は、被処理物を冷却剤に浸す処理であれば良い。すなわち、被処理物の周囲に冷却剤が存在しない状態から、被処理物が冷却剤に浸された状態に変化することによって被処理物の熱が冷却剤に移動するように焼き入れが行われればよい。浸漬は、上述のように、冷却槽に蓄積された冷却剤に対して被処理物が漬けられる処理に限定されない。例えば、  補助冷却が空の冷却槽の内部で行われ、補助冷却によって冷却槽内に蓄積された補助冷却剤が焼入冷却剤となり、焼入冷却剤の内部に被処理物が保持されることによって焼き入れが行われる構成であってもよい。
【００５８】
図１Ｄにおいては、空の冷却槽１０１の内側に、図１Ａに示すシャワー２５と同様のシャワー２５０が設けられた構成を示している。この構成におけるシャワー２５０で補助冷却剤を吐出することで補助冷却を行い、冷却槽１０１に補助冷却剤が蓄積していくことで浸漬が行われる構成であっても良い。この場合、浸漬が完了した状態でシャワー２５０から吐出された冷却剤が被処理物Ｓにかからなくなるため、この状態でシャワー２５０を停止させると補助冷却を停止したことになる。また、少なくとも浸漬が完了した段階においてはシンクロ状態になる。
【００５９】
この構成においても、図１Ａに示す構成と同様に、補助冷却により、被処理物Ｓの表面の上下方向に温度差が生じていない状態で浸漬を開始することができる。また、浸漬の開始によって被処理物Ｓの表面に僅かな温度差が生じたとしても、シンクロ状態によって温度差は早期に解消される。従って、被処理物Ｓの表面に温度差が生じていない状態で被処理物Ｓの表面をマルテンサイト変態させることができる。この結果、被処理物Ｓの焼き入れを行い、かつ、その歪み量を非常に小さくすることができる。
【００６０】
この構成は、図１Ｄに示す装置において、例えば、図６に示す熱処理工程を実行することで実現可能である。図６に示す熱処理工程は、図２に示す熱処理工程のステップＳ１２０，ステップＳ１２２を省略したものである。また、ステップＳ１５０においては、被処理物を取り出す工程が行われる。むろん、この取り出し工程は、図１Ａに示す移動装置２０と同様の装置で被処理物Ｓを移動させることによって実施されてもよい。
【００６１】
以上の構成によれば、移動装置２０によって被処理物Ｓを降下させることなく焼き入れを行うことができる。本例においても、焼き入れの完了は、例えば、既定期間経過によって判断されてよい。
【００６２】
本実施形態においては、焼入冷却剤Ｗが流入し液面が被処理物Ｓと交差している状態を浸漬過程とみなすことができ、被処理物Ｓの上方まで液面が達すると、シンクロ状態で焼入が行われているとみなすことができる。従って、本例における焼入も、上述の実施例と同じ原理の焼入である。例えば、液面の上昇速度が２００ｍｍ／ｓとなるように補助冷却剤の流量が調整されると、移動装置２０による被処理物Ｓの下降速度が２００ｍｍ／ｓである実施例と同等の速度で浸漬が行われ、シンクロ状態で冷却される。このため、実施例と定性的に同一の焼入を実施することができる。従って、被処理物Ｓにおける歪みの発生を抑制することができる。
【００６３】
シンクロ状態による焼き入れは、焼入冷却剤Ｗに流れを形成することによって実現されてもよい。例えば、被処理物Ｓを移動させる移動装置２０により、冷却槽に蓄積された焼入冷却剤Ｗの内部に被処理物Ｓを移動させ、被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度が、被処理物Ｓの移動速度より遅い状態で焼き入れが行われる構成であってもよい。
【００６４】
図７Ａは、焼入冷却剤Ｗを流動させる流動装置によって焼入冷却剤Ｗに流れを形成する構成を説明する図である。図７Ａに示す装置においては、図１Ａと同様の移動装置２０を備える構成に、冷却槽１０内の焼入冷却剤Ｗを流動させる流動装置が追加されている。流動装置３０は、軸３１とプロペラ３２とを備えている。すなわち、冷却槽１０においては、その側面付近において、側面に沿って延びる軸３１が設けられている。軸３１は、鉛直方向に沿って平行な方向の線を中心に回転可能である。軸３１にはプロペラ３２が連結されており、プロペラ３２は図示しないモーター等の駆動源によって回転する。本実施形態において駆動源は、プロペラ３２を回転させることによって鉛直方向に向けた流れを誘起することができ、本実施形態においては、鉛直方向上方に向けた流れが誘起される。
【００６５】
冷却槽１０内には、鉛直方向に平行な面を有する板状の部材が設けられ、板状の部材の最上部が液面より深い位置に存在し、板状の部材の最下部は冷却槽１０の底より浅い位置に存在する。また、板状の部材の広い面が対向するように配置されている。このため、焼入冷却剤Ｗに誘起された流れは、板状の部材の表裏で互いに逆方向に循環する。従って、プロペラ３２によって鉛直方向上方に向けた流れが誘起されると、液面付近で水平方向に流れが分散し、冷却槽１０の中央付近で鉛直方向下方に流れる。さらに、冷却槽１０の中央付近の鉛直方向下方への流れが底面付近に達すると、再び側面側に流れ、プロペラ３２側に循環する。この結果、図１Ａにおいて破線の矢印で示すような流れが形成される。すなわち、冷却槽１０においては、中央付近で鉛直方向下方に流れ、冷却槽１０の側面付近で鉛直方向上方に流れる循環流が形成される。なお、ここでは、当該循環流を形成できればよく、板状の部材以外の部材、例えば、環状の部材が配置されてもよい。
【００６６】
軸３１を回転させる駆動源は、軸３１の回転速度を変化させることができ、駆動源に対する制御信号を変化させることにより、冷却槽１０内の循環流の流速を指定することができる。本実施形態においては、被処理物Ｓが浸漬された場合に、被処理物Ｓの側面に接する部位における下方の流れＦｄの流速を制御できるように構成されている。すなわち、駆動源に対する制御指示によって流速が指定されると、被処理物Ｓの側面に接する部位における焼入冷却剤Ｗの下方の流れＦｄの流速が指定された流速になるように構成されている。
【００６７】
以上の構成において、図８Ｃに示す熱処理工程が実行されることで、補助冷却、浸漬および焼き入れを行うことができる。図８Ｃに示す熱処理工程において、図２に示す熱処理工程と同様の処理は同じ符号で示されている。すなわち、ステップＳ１００〜Ｓ１１２までの処理は図２に示す熱処理工程と同様である。この結果、被処理物Ｓは、シャワー２５によって補助冷却される。
【００６８】
次に、流速Ｖｑがシンクロ速度にセットされる（ステップＳ１１５）。すなわち、軸３１を回転させる駆動源に制御信号が出力され、プロペラ３２の回転が開始される。この際、被処理物Ｓの側面に接する部位における焼入冷却剤Ｗの下方の流れＦｄの流速がシンクロ速度になるように設定される。ここで、シンクロ速度は、予め決められた速度であり、詳細は後述する。
【００６９】
次に、被処理物の下降速度Ｖｅがシンクロ速度にセットされる（ステップＳ１２１）。すなわち、支持台２１を降下させる駆動源に制御信号が出力され、この結果、支持台２１の下降速度Ｖｅがシンクロ速度となり、焼入冷却剤Ｗの下方の流れＦｄの流速と同値になる。シンクロ速度は、支持台２１を下降させる下降速度Ｖｅと、被処理物Ｓの側面に接する部位における焼入冷却剤Ｗの下方の流れＦｄの流速とを同期させる際の速度値として予め設定される。なお、被処理物Ｓの最上部が液面Ｓｗに達したら、シャワー２５による補助冷却剤の吐出は停止されてよい。
【００７０】
以上のように、本実施形態においては、移動装置２０において支持台２１の下降速度を制御可能であり、プロペラ３２の回転によって被処理物Ｓの側面に接する部位における焼入冷却剤Ｗの下方の流れＦｄの流速を制御可能であることを利用して、両速度を一致させる。この結果、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗの液面に接し、浸漬が開始されると、焼入冷却剤Ｗの液面よりも内側における被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度は０になる。
【００７１】
具体的には、被処理物Ｓは、移動装置２０の支持台２１に載置されているため、被処理物Ｓの可動方向は支持台２１の可動方向に一致している。このため、被処理物Ｓの移動方向は鉛直下方に向けた方向である。一方、被処理物Ｓの側面に接する部位において焼入冷却剤Ｗが流れる方向も、高さ方向のほぼ全域において鉛直方向に平行であり、かつ鉛直下方に向けた方向である。従って、被処理物Ｓの移動方向と、被処理物Ｓに接する焼入冷却剤Ｗの流れの方向が一致する。
【００７２】
さらに、本実施形態においては、支持台２１の下降速度Ｖｅと、被処理物Ｓの側面に接する部位における焼入冷却剤Ｗの下方の流れＦｄの流速Ｖｑと、が共にシンクロ速度であり、一致している。従って、冷却剤の液面よりも内側における被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度は０である。本実施形態では、この状態をシンクロ状態と呼ぶ。
【００７３】
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度が０であり、被処理物Ｓの移動速度が下降速度Ｖｅである。この状態において下降速度Ｖｅは０よりも大きいため、この状態は、被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度が、被処理物の移動速度（下降速度Ｖｅ）より遅い状態であると言える。なお、流速の方向を厳密に制御または測定することは困難であるため、流れの方向および速度には誤差があっても良いし、流れの方向および速度は測定結果ではなく制御目標量であっても良い。
【００７４】
ステップＳ１１５，Ｓ１２１においてシンクロ状態が実現されると、被処理物Ｓの浸漬が行われる。すなわち、本実施形態においては、被処理物Ｓの浸漬が開始される前（被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗの液面に接する前）から、被処理物Ｓの移動方向と同一方向かつ被処理物Ｓの移動速度と同一速度の流れが焼入冷却剤Ｗに形成されている。このため、本実施形態においては、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗの液面に接する段階で既にシンクロ状態になっている。
【００７５】
図７Ｂは、被処理物Ｓが浸漬される前の状態を模式的に示す図である。なお、図７Ｂにおいては、移動装置２０や軸３１等の構造体を省略して示してある（図７Ｃ〜図８Ｂ等においても同様）。シンクロ状態が実現されると、図７Ｂに示すように流速Ｖｑと下降速度Ｖｅとがシンクロした状態において、被処理物Ｓが徐々に焼入冷却剤Ｗの液面に接近する。
【００７６】
シンクロ状態において被処理物Ｓが下降し、図７Ｃに示すように焼入冷却剤Ｗの液面に達すると、焼入冷却剤Ｗに接した部分の被処理物Ｓの熱が焼入冷却剤Ｗに移動することで被処理物Ｓが冷却される。図７Ｃに示すように、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗの液面に達した状態が浸漬開始の状態である。このような浸漬開始のタイミングにおいて、被処理物Ｓはシャワー２５から吐出された補助冷却剤で補助冷却されている。従って、補助冷却していない状態で浸漬が開始される構成と比較して、被処理物Ｓの側面の最上部と最下部とにおける温度差は低減されている。このため、補助冷却が行われる本実施形態においては、浸漬によって被処理物Ｓの表面で生じる温度差に起因する歪みの発生を抑制することができる。
【００７７】
浸漬開始以後、移動装置２０による移動が継続され、やがて被処理物Ｓの鉛直上方の面が図７Ｄに示すように焼入冷却剤Ｗの液面に達すると被処理物Ｓの全体が焼入冷却剤Ｗに浸かった状態になる。被処理物Ｓの全体が焼入冷却剤Ｗに浸かった状態が浸漬完了の状態である。
【００７８】
本実施形態においては、浸漬開始され、浸漬完了した後（例えば図８Ａに示す状態）においてもシンクロ状態が継続される。シンクロ状態においては、図７Ｂ〜図８Ａ等に示すように、被処理物Ｓが鉛直方向下方に向けて降下する一方で、焼入冷却剤Ｗの液面Ｓｗは鉛直方向に移動しない。従って、図７Ｃ等において、被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗの液面Ｓｗとの相対速度は０ではない。一方、浸漬開始後において、液面Ｓｗの内側において焼入冷却剤Ｗは鉛直方向下方に向けて流れている。従って、図７Ｃに示す状態以後において、シンクロ状態であれば、焼入冷却剤Ｗの液面Ｓｗよりも内側における被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度は０である。
【００７９】
このように、焼入冷却剤Ｗの内部における被処理物Ｓの移動と、被処理物Ｓに接する焼入冷却剤Ｗの移動とが同期していると、被処理物Ｓに接して被処理物Ｓからの熱が伝達された焼入冷却剤Ｗは、被処理物Ｓと共に移動して被処理物Ｓの周囲にとどまった状態となる。このため、焼入冷却剤Ｗに接した被処理物Ｓにおいては焼入冷却剤Ｗによって急冷が開始されるものの、シンクロ状態が維持されていると被処理物Ｓに接した焼入冷却剤Ｗが徐々に暖まり、冷却は促進されない。
【００８０】
すなわち、被処理物Ｓの周囲の焼入冷却剤Ｗが拡散や攪拌等によって他の場所に移動する場合、被処理物Ｓの周囲で高温になった焼入冷却剤Ｗが低温の焼入冷却剤Ｗに置換される。しかし、シンクロ状態においては被処理物Ｓに接して高温になった焼入冷却剤Ｗが低温の冷却剤に置換されにくく、冷却は促進されない。シンクロ状態が維持されていると、先に焼入冷却剤Ｗの液面に到達して先に冷え始めた部位の冷却速度は徐々に遅くなり、後に焼入冷却剤Ｗの液面に到達して先に冷え始めた部位の冷却速度の方が速い。このためシンクロ状態が維持されると、被処理物Ｓの表面に生じた温度差は徐々に小さくなり、被処理物Ｓにおける歪みの発生を抑制することができる。
【００８１】
そして、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態すると、被処理物Ｓの表面が硬くなり、以後、被処理物Ｓが変形しにくくなる。従って、シンクロ状態が維持されていることにより、被処理物Ｓにおける歪みの発生が抑制された状態で被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態すると、歪みの発生が抑制された状態で焼き入れを完了することが可能になる。そこで、本実施形態においては、浸漬開始後に既定期間が経過した場合に、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態したとみなす。
【００８２】
このため、ステップＳ１１５，Ｓ１２１によって被処理物Ｓの浸漬が開始されると、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接してから既定期間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１２５）。既定期間は、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接してから、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態するまでの期間であり、予め決められている。当該既定期間は、種々の手法で決められてよく、本実施形態においては、被処理物Ｓの表面のマルテンサイト分率が既定の比率になるまでの期間として決められている。すなわち、被処理物Ｓの表面にマルテンサイトが形成されている比率が閾値以上である場合に被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態したとみなされる。
【００８３】
マルテンサイト分率は、被処理物Ｓにおいて許容される歪みの程度によって決められて良く、例えば、被処理物の表面のマルテンサイト分率が２８％になるまでの期間を既定期間とする構成を採用可能である。この構成によれば、被処理物Ｓが硬くなり、被処理物Ｓに生じる歪み量が小さくなるまでシンクロ状態を継続することができる。なお、ここで、マルテンサイト分率Ｐ（ｔ）は、
Ｐ（Ｔ）＝１−ｅｘｐ（−ｂ（Ｍｓ−Ｔ））
Ｔ：温度
Ｍｓ：マルテンサイト変態開始温度
ｂ：材質、炭素濃度により特定される定数（例えばＳＣＭ４２０では、母材においてはｂ＝０．１４３、０．８（ｍａｓｓ％）の表面炭素濃度に浸炭した場合においてはｂ＝０．０１となる）
で表現される。
【００８４】
以上のように、ステップＳ１２５においては、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態したか否かが、既定期間に基づいて特定される。なお、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接してから既定期間が経過したか否かを判定する際に、期間の開始は種々の手法で特定されてもよい。例えば、図示しないセンサー等によって被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接したことが検出されても良いし、支持台２１が初期位置から支持台２１を下降速度Ｖｅで下降させる場合において初期位置から被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接する位置まで移動する時間が計測されても良い。
【００８５】
ステップＳ１２５において、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接してから既定期間が経過したと判定された場合、流速Ｖｑが急冷速度にセットされ（ステップＳ１３０）、被処理物の下降速度Ｖｅが０にセットされる（ステップＳ１３５）。すなわち、本実施形態においては、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに接してから既定期間だけシンクロ状態が維持され、既定期間以後においては移動装置２０における支持台２１の下降は停止されてシンクロ状態が停止される（図８Ｂに示す状態）。この結果、被処理物Ｓの周囲における焼入冷却剤Ｗの循環が促進され、被処理物Ｓから焼入冷却剤Ｗへの熱の流出が促進される。このため、より高速に冷却が行われる。
【００８６】
なお、ステップＳ１３０においてセットされる流速Ｖｑである急冷速度は、シンクロ状態が停止された後に焼入冷却剤Ｗで熱交換を促進する際の流速として予め決められていれば良い。この限りにおいて、シンクロ速度と同一であっても良いし、異なっていてもよい。急冷速度がシンクロ速度と同一である場合、ステップＳ１３０は省略可能である。ステップＳ１３５においては、シンクロ状態を停止させるために下降速度Ｖｅを０としているが、むろん、他の値であっても良い。例えば、支持台２１を僅かずつ上昇させ、焼き入れが終了すると共に被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗから出て行くように構成すれば、焼き入れ終了後に被処理物Ｓを上昇させるために必要な期間を短くすることができる。
【００８７】
いずれにしても、ステップＳ１３０，Ｓ１３５によってシンクロ状態が停止されると、焼き入れが終了するまで待機される（ステップＳ１４０）。焼き入れの終了は、種々の条件で決められてよく、例えば、被処理物Ｓを取り出し可能な温度になるまでの所定の時間の経過を条件とする構成等を採用可能である。
【００８８】
ステップＳ１４０において、焼き入れが終了したと判定されると、被処理物を上昇させる（ステップＳ１５０）。すなわち、移動装置２０が制御され、支持台２１が上昇される。これにより、被処理物Ｓが焼入冷却剤Ｗに漬けられた状態は終了し、熱処理工程が終了する。以上の構成によれば、図５と同様に、補助冷却によって被処理物Ｓの上下における温度差が抑制された状態で浸漬が開始される。従って、図５と同様に、被処理物Ｓの上下における温度差が抑制された状態で、被処理物Ｓのマルテンサイト変態が開始される。この結果、被処理物Ｓにおける歪みが抑制された状態で焼き入れを行うことができ、被処理物Ｓに発生する歪みを抑制することができる。
【００８９】
なお、本実施形態においては、浸漬開始前から浸漬完了を経て焼き入れが完了するまでの期間にわたって、支持台２１の下降速度Ｖｅを一定としたが、むろん、下降速度Ｖｅ等が可変であっても良い。例えば、浸漬開始から浸漬完了までの期間においては、浸漬開始から浸漬完了までの期間を早期に終わらせるための下降速度とし、浸漬開始後または浸漬完了後に、連続的または段階的に下降速度を変化させる構成等であっても良い。すなわち、浸漬開始から浸漬完了までの制御と、浸漬完了後の制御と、を別個に制御する構成が採用されてもよい。すなわち、被処理物Ｓと焼入冷却剤Ｗとの相対速度が、被処理物Ｓの移動速度より遅い状態が維持される限りにおいて、種々の速度で制御されて良い。
【００９０】
なお、以上の構成において、移動装置は、被処理物を移動させることによって被処理物を冷却槽に蓄積された焼入冷却剤の内部に漬けることができればよい。移動装置は種々の構成で実現されてよく、例えば、焼入冷却剤の液面より上方に被処理物を配置した状態から液面より下方に被処理物を移動させることが可能な種々の装置であって良い。被処理物の移動方向は鉛直方向に平行であっても良いし、異なっていてもよい。移動速度は可変であっても良い。ただし、この場合であっても、被処理物と焼入冷却剤との相対速度が、被処理物の移動速度より遅い状態は維持される。
【００９１】
被処理物と焼入冷却剤との相対速度が、被処理物の移動速度より遅く、冷却が緩和される状態は、少なくとも、被処理物が焼入冷却剤に接してから被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで維持されれば良い。すなわち、被処理物が焼入冷却剤に接するとその部分から冷却が始まるので表面の温度の差が発生し始める。このため、この段階では、冷却が緩和され、歪みを抑制できる状態になっていることが好ましい。
【００９２】
また、冷却が緩和され、歪みを抑制できる状態は、少なくとも被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで維持されれば良い。すなわち、表面がマルテンサイト変態すると被処理物の表面が硬化するため、その後に急冷しても被処理物に歪みは生じにくい。このため、被処理物の表面がマルテンサイト変態した後においては、さらに急冷しても良く、例えば、被処理物と焼入冷却剤との相対速度が、被処理物の移動速度以上になっても良い。
【００９３】
むろん、被処理物の表面がマルテンサイト変態した後においては、移動装置による被処理物の移動を停止させてもよい。この場合、焼入冷却剤を流動させる流動装置の動作を継続するなどして被処理物の周囲の焼入冷却剤が入れ替わることを促進する構成を採用可能である。
【００９４】
被処理物と焼入冷却剤との相対速度は、被処理物の移動速度より遅ければよい。従って、上述の実施形態のように、被処理物と焼入冷却剤との相対速度が０になるように流動装置の動作が制御される構成以外にも、種々の構成が採用可能である。すなわち、移動装置によって被処理物が移動している過程において、当該被処理物と同方向の成分を有する速度ベクトルで焼入冷却剤が移動していればよい。
【００９５】
表面がマルテンサイト変態している状態は、当該マルテンサイトによって被処理物に歪みが生じにくくなっている状態であれば良い。このような状態は、種々の手法で定義されて良く、例えば、浸炭開始後の経過時間によって定義されても良いし、被処理物の温度によって定義されても良いし、表面におけるマルテンサイト分率によって定義されても良い。すなわち、マルテンサイト変態によって被処理物が硬くなり、歪みの影響を受けにくい状態は、被処理物の組成等によって変動し得るが、被処理物毎に予め経過時間や温度、マルテンサイト分率を特定しておけば、その状態に至るまで冷却が緩和される状態を維持することで、表面がマルテンサイト変態しているとみなすことができる。
【００９６】
焼入冷却剤は、被処理物の熱を焼入冷却剤側に伝達させることによって被処理物を冷却し、焼き入れすることができればよく、種々の冷却剤を選択可能である。補助冷却剤は、被処理物の熱を補助冷却剤側に伝達させることによって被処理物を冷却し、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度に達する前まで冷却することができればよく、種々の冷却剤を選択可能である。
【００９７】
焼入冷却剤と補助冷却剤は、焼き入れおよび補助冷却のそれぞれの目的を達するように冷却可能な物質であればよく、水に限定されない。例えば、焼き入れ油であっても良いし、油よりも冷却能が高い各種の流体、水を主成分とする冷却剤（水溶液）等が利用可能であるし、浸漬開始時点での冷却剤の温度や粘度等が調整されても良い。
【００９８】
なお、補助冷却剤と、焼入冷却剤とは、同種の物質であることが好ましい。このような構成としては、例えば、双方が水を主成分とする冷却剤であるか、または双方が焼き入れ油である構成が挙げられる。この構成によれば、補助冷却と焼き入れとの間に被処理物の洗浄工程を設ける必要がなくなり、補助冷却と焼き入れとを連続して実行することが可能になる。また、補助冷却剤と焼入冷却剤とを分離するための構成を設ける必要がなくなり、簡易な装置によって焼き入れを実現することが可能である。
【００９９】
なお、焼入冷却剤が水を主成分とする冷却剤である場合、焼き入れ油と比較して熱伝達率が高く、冷却速度が大きい。従って、焼き入れ油で焼き入れを行う場合、水を主成分とする冷却剤の冷却材で焼き入れした場合と比較して、被処理物に生じる歪みが少なくなることが知られている。
【０１００】
しかし、熱伝達率が小さい油は、熱伝達率が大きい水（を主成分とする冷却剤）と比較して冷却速度が遅くなるため、焼き入れの程度は低下してしまう。すなわち、冷却速度が遅い場合、速い場合よりも硬度が低く、硬化した部分の表面からの深さ（有効硬化深さ等）が浅くなってしまう。そこで、水や水を主成分とする冷却剤を焼入冷却剤とすれば、被処理物を高速に冷却できるため、油で冷却した場合よりも表面の硬度が高くなり、硬化した部分の表面からの深さも深くなる。従って、歪みの抑制と表面硬度の確保とを両立させることができる。
【０１０１】
被処理物が焼入冷却剤に接してからの既定期間は、浸漬開始後、シンクロ状態が維持される期間であれば良い。既定期間は、当該既定期間経過後にシンクロ状態が解除されることによって急冷が促進されても、被処理物に歪みが残留したり、被処理物が割れたりしないように設定されていれば良い。すなわち、焼入冷却剤によって急冷を行う構成であっても、既定期間はシンクロ状態を維持することにより過度の急冷が抑制可能であり、既定期間が経過した場合にはシンクロ状態が解除されることにより、より高速に急冷が行われるように設定されていればよい。
【０１０２】
既定期間は、シンクロ状態が維持される期間であるが、シンクロ状態の維持が必要な期間の経過を境にして被処理物の状態が急激に変化する訳ではないため、既定期間にはある程度の幅があって良い。ただし、過度に早い段階でシンクロ状態を停止し、急冷が開始されると、被処理物に生じた歪みが残留したり、被処理物が割れたりすることがあり得る。この意味で、既定期間は、シンクロ状態が維持されるべき最低限の期間として規定されていれば良い。従って、既定期間終了後にシンクロ状態が継続された場合に不具合がないのであれば、既定期間経過後においてもシンクロ状態が継続されても良い。既定期間は、例えば、被処理物の上下における温度差が解消するまでの期間である構成が挙げられる。
【０１０３】
焼入冷却剤の液面よりも内側における被処理物と焼入冷却剤との相対速度は０に限定されず、焼入冷却剤による急冷を緩和することによって被処理物に過度の温度差が形成されることを防止できる限りにおいて、種々の相対速度とされて良い。なお、被処理物と焼入冷却剤との相対速度は、特定の方向にのみ着目して定義されても良い。例えば、上述の実施形態においては、被処理物の移動方向や液面の移動方向である鉛直方向に平行な方向の相対速度のみが考慮されても良い。
【符号の説明】
【０１０４】
１０…冷却槽、２０…移動装置、２１…支持台、２２…支持部、２５…シャワー、３０…流動装置、３１…軸、３２…プロペラ、１０１…冷却槽、２５０…シャワー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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