(57)【要約】【課題】水を主成分とした冷却剤を使用した場合であっても、熱膨張による影響を抑制できる可能性を高める技術の提供。【解決手段】焼き入れ対象の被処理物を冷却する焼き入れ方法であって、冷却剤で前記被処理物を冷却し、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の温度になる前に冷却を停止する１次冷却工程と、前記被処理物の表面と内部とを均熱化する均熱化工程と、少なくとも、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで水を主成分とする冷却剤で前記被処理物を冷却する２次冷却工程と、を含む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】
焼き入れ対象の被処理物を冷却する焼き入れ方法であって、
冷却剤で前記被処理物を冷却し、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の温度になる前に冷却を停止する１次冷却工程と、
前記被処理物の表面と内部とを均熱化する均熱化工程と、
少なくとも、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで水を主成分とする冷却剤で前記被処理物を冷却する２次冷却工程と、
を含む焼き入れ方法。
【請求項２】
前記２次冷却工程においては、
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水を主成分とする冷却剤の内部に前記被処理物を移動させ、
少なくとも、前記被処理物が前記水を主成分とする冷却剤に接してから前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで、前記被処理物と前記水を主成分とする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が維持される、
請求項１に記載の焼き入れ方法。
【請求項３】
前記２次冷却工程においては、
蓄積された前記水を主成分とする冷却剤を流動させる流動装置を備えた冷却槽の内部に前記被処理物が配置された状態で、前記冷却槽に対する前記水を主成分とする冷却剤の蓄積を開始し、少なくとも、前記被処理物が前記水を主成分とする冷却剤に接してから前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで前記流動装置による前記水を主成分とする冷却剤の流動が行われず、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態した後に前記流動装置による前記水を主成分とする冷却剤の流動が行われる、
請求項１に記載の焼き入れ方法。
【請求項４】
前記１次冷却工程には、
前記被処理物に対して、複数のノズルから冷却剤を吐出することによって行われる冷却が含まれる、
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２次冷却工程には、
前記被処理物に対して、複数のノズルから冷却剤を吐出することによって行われる冷却が含まれる、
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２次冷却工程においては、
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５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においては、冷却剤として水や焼き入れ油を使用する技術が知られており、焼き入れ油を使用する技術としては、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】
被処理物が冷却剤に接することで初期に冷却が開始される表面と、冷却剤に直接接しない内部とで温度差が生じる。被処理物が高温である場合には熱膨張が生じるため、被処理物の内部が高温の状態においては、被処理物全体が膨張する。
【０００５】
水を主成分とする冷却剤は焼き入れ油と比較して冷却速度が速い。従って、水を主成分とする冷却剤が使用された場合、焼き入れ油が冷却剤として使用された場合よりも早期にマルテンサイト変態開始温度以下になる。焼き入れの過程では被処理物の表面が内部より先に冷えるため、被処理物の表面が内部より先にマルテンサイトに変態する。マルテンサイト変態が発生すると、被処理物の表面が硬くなるため、その後に内部が冷却されても、被処理物が熱膨張した状態が維持されてしまう。従来は、水を主成分とする冷却剤を使用して焼き入れを行うと、被処理物の内部が熱膨張した状態で被処理物の表面が硬くなり、熱膨張の影響が大きい（伸びであれば、伸びが大きい）状態で被処理物を硬化させてしまうと考えられていた。この結果、水を主成分とした冷却剤を使って熱膨張の影響を抑制することは困難であると考えられていた。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、水を主成分とした冷却剤を使用した場合であっても、熱膨張による影響を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】
【０００６】
上記の目的を達成するため、焼き入れ対象の被処理物を冷却する焼き入れ方法は、冷却剤で前記被処理物を冷却し、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の温度になる前に冷却を停止する１次冷却工程と、前記被処理物の表面と内部とを均熱化する均熱化工程と、少なくとも、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで水を主成分とする冷却剤で前記被処理物を冷却する２次冷却工程と、を含むように構成される。
【０００７】
すなわち、２次冷却工程において、水を主成分とする冷却剤で焼き入れが行われる構成において、２次冷却の前に１次冷却が行われることで、被処理物の表面が冷却され、これに伴って内部も冷却される。この状態でマルテンサイト変態開始温度以下の温度になると被処理物の表面が硬化してしまうため、１次冷却は表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に停止させ、停止後に被処理物の表面と内部とを均熱化させる。
【０００８】
この結果、被処理物の内部の熱が表面に伝達され、内部が冷却される。この冷却により、１次冷却の段階で表面がマルテンサイト変態開始温度以下になるまで冷却する構成と比較して、被処理物の内部の温度を下げることができる。従って、熱膨張の程度を抑制することができる。そして、被処理物の内部の温度が下がった後に、被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで冷却することにより、熱膨張の程度が抑制された状態で被処理物の表面を硬化させることができる。この結果、熱膨張による影響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】図２Ａ〜図２Ｃは焼き入れ工程を模式的に示す図、図２Ｄは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３】図３Ａ〜図３Ｄは焼き入れ工程を模式的に示す図である。
【図４】熱処理工程を示すフローチャートである。
【図５】熱処理工程を示すフローチャートである。
【図６】比較例および実施例を示す図である。
【図７】被処理物の硬さを示す図である。
【図８】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９】マルテンサイト分率と歪み量との関係を示す図である。
【図１０】比較例と実施例における伸び量の推移を示す図である。
【図１１】図１１Ａ，図１１Ｂは、被処理物の温度変化と温度毎の組織変態点とを示す図である。
【図１２】図１２Ａは熱処理工程を示すフローチャートであり、図１２Ｂは補助冷却の効果を示す図である。
【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、予め冷却剤Ｗが蓄積されている。本実施形態において冷却剤Ｗは水である。冷却剤Ｗは水を主成分とする冷却剤であってよく、冷却剤は、例えば、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）。また、被処理物Ｓを昇降させる構成は種々の構成を採用可能である。
【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を冷却剤Ｗに浸漬したり、また、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】
冷却槽１０内においては、冷却剤Ｗを流動させる流動装置３０が設けられている。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。
【００１６】
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。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する。
【００１７】
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、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によって誘起された流れが液面付近で水平方向に流れが分散すると、さらに、冷却槽１０の中央付近で鉛直方向下方に流れる。そして、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。
【００１８】
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。
【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４および図５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。本実施形態においては、１次冷却工程および２次冷却工程において、後述するシンクロ状態が実現される。当該シンクロ状態を実現するため、まず、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。
【００２２】
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Ｓ１２０）。すなわち、支持台２１を移動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、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。
【００２３】
すなわち、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が冷却剤Ｗの液面に接し、浸漬が開始されると、冷却剤Ｗの液面よりも内側における被処理物Ｓと冷却剤Ｗとの相対速度は０になる。
【００２４】
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に接する冷却剤Ｗの流れの方向が一致する。
【００２５】
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。下降速度Ｖｅは任意の速度であってよいが、被処理物Ｓの冷却剤に対する浸漬が開始され、浸漬が完了するまでの期間が短いほど、被処理物Ｓが冷却剤に接する時間差に起因する温度差が小さくなり、歪みが発生しづらい。従って、下降速度Ｖｅはできるだけ速いことが好ましく、例えば、１００ｍｍ／ｓ〜１５００ｍｍ／ｓ等の速度とすることができる。
【００２６】
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Ｓと冷却剤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。
【００２７】
ステップＳ１１５，Ｓ１２０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。
【００２８】
図１Ｂ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。シンクロ状態が実現されると、図１Ｂ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が徐々に冷却剤Ｗの液面に接近する。シンクロ状態において被処理物Ｓが下降し、図１Ｃに示すように冷却剤Ｗの液面に達すると、冷却剤Ｗに接した部分の被処理物Ｓの熱が冷却剤Ｗに移動することで被処理物Ｓが冷却される。図１Ｃに示すように、被処理物Ｓが冷却剤Ｗの液面に達した状態が浸漬開始の状態である。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１Ｄに示すように冷却剤Ｗの液面に達すると被処理物Ｓの全体が冷却剤Ｗに浸かった状態になる。被処理物Ｓの全体が冷却剤Ｗに浸かった状態が浸漬完了の状態である。
【００２９】
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２Ａ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１Ｂ〜図１Ｄ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、冷却剤Ｗの液面Ｓｗは鉛直方向に移動しない（液面内に入った被処理物Ｓの体積分の液面上昇は除く）。従って、図１Ｃ等において、被処理物Ｓと冷却剤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の内側において冷却剤Ｗは鉛直方向下方に向けて流れている。従って、図１Ｃに示す状態以後において、シンクロ状態であれば、冷却剤Ｗの液面Ｓｗよりも内側における被処理物Ｓと冷却剤Ｗとの相対速度は０である。
【００３０】
このように、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、冷却剤Ｗに接した被処理物Ｓにおいては冷却剤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に接した冷却剤Ｗが徐々に暖まるため、冷却は促進されない。
【００３１】
すなわち、被処理物Ｓの周囲の冷却剤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冷却剤Ｗが低温の冷却剤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。
【００３２】
本実施形態においては、以上のようにシンクロ状態が実現されることによって、被処理物Ｓにおいて歪みが発生しないようにして１次冷却工程が行われるが、１次冷却工程においては、当該シンクロ状態が省略されてもよい。例えば、流動装置３０による流れの誘起が行われていない状態（Ｖｑ＝０）で、ステップＳ１１５において被処理物の下降が行われ、浸漬完了後、被処理物Ｓが冷却剤内の既定の高さに達するとステップＳ１２０において下降が停止される構成であってもよい。
【００３３】
いずれにしても、被処理物Ｓが冷却剤Ｗに接していると、被処理物Ｓは１次冷却されている状態になる。本実施形態においては、当該１次冷却において、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度になる前に冷却が停止される。このため、被処理物Ｓが冷却剤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）。ステップＳ１２５における既定期間は、被処理物Ｓが冷却剤Ｗに接してからの期間であり、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態しないように当該期間が予め決められている。すなわち、後のステップＳ１３０で被処理物Ｓが移動装置２０によって上昇されるが、上昇によって被処理物Ｓが冷却剤Ｗから引き上げられた段階で、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態していないように既定期間が決められていればよい。
【００３４】
以上のように、本実施形態においては、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度にならないようにするための判断が、既定期間に基づいて実施される。しかし、当該判断は、種々の手法で実施されてもよい。例えば、図示しないセンサー等によって被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度より高い特定の温度（例えば、マルテンサイト変態開始温度直上）に達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が冷却剤Ｗに接する位置まで移動する時間が計測されることで既定期間が経過したか否か判定されても良い。また、被処理物Ｓが停止してからの時間が計測されることで既定期間が経過したか否か判定されてもよい。
【００３５】
ステップＳ１２５において、被処理物Ｓが冷却剤Ｗに接してから既定期間が経過したと判定された場合、被処理物の上昇が行われる（ステップＳ１３０）。すなわち、支持台２１を移動させる駆動源に制御信号が出力され、この結果、支持台２１が上昇する。上昇速度Ｖｅは任意の速度であってよいが、上昇によって被処理物Ｓが引き上げられた段階で被処理物の表面がマルテンサイト変態していないように上昇が行われる。ここでも、上昇速度Ｖｅは、例えば、１００ｍｍ／ｓ〜１５００ｍｍ／ｓ等の速度とすることができる。
【００３６】
ステップＳ１３０において、上昇速度Ｖｅで被処理物Ｓの上昇が開始すると、被処理物Ｓが徐々に冷却剤Ｗの液面に接近し、被処理物Ｓはやがて液面の上方に引き上げられる。本実施形態においては、被処理物Ｓが引き上げられて、冷却剤Ｗの上方の既定の高さに達すると上昇が停止される（ステップＳ１３５）。既定の高さは、被処理物Ｓの全体が冷却剤Ｗの液面の外部に存在する高さであれば良く、予め決められている。図２Ｂは、被処理物Ｓの上昇が停止された状態を示す図である。なお、本実施形態において、被処理物Ｓが冷却剤Ｗの外部に達すると、冷却剤による冷却が停止するので、ステップＳ１１５〜Ｓ１３０は１次冷却工程である。
【００３７】
以上のようにして被処理物Ｓが冷却剤Ｗの外部に存在する状態になると、被処理物Ｓは均熱化されている状態になる。すなわち、被処理物Ｓの表面は１次冷却工程において冷却剤Ｗに接しているため、冷却剤によって直接冷却されるが、被処理物Ｓの内部は冷却剤Ｗに接していないため、冷却速度は遅く、内部の温度が表面の温度より高くなっている。このため、均熱化工程においては、内部の熱が表面を介して周囲に放散される。従って、内部の熱が表面に移動することにより、被処理物Ｓの表面と内部とが均熱化される。
【００３８】
本実施形態においては、時間によって均熱化工程が終了したか否か判断される。このため、既定期間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０における既定期間は、均熱化によって被処理物Ｓの内部が目標とする温度以下になるまで低下するように設定されていればよく、当該期間は予め決められている。なお、当該期間は、種々の手法で計測されてよく、例えば、被処理物Ｓの最下部が冷却剤Ｗの液面に達してからの期間であってもよいし、被処理物Ｓの上昇が開始されてからの期間であってもよいし、被処理物Ｓの上昇が停止してからの期間であってもよく、種々の構成を採用可能である。
【００３９】
以上のように、ステップＳ１３０によって被処理物Ｓが冷却剤Ｗの液面より上方に引き出されてから、既定期間が経過したと判定されるまでの期間に、被処理物Ｓの内部の温度が目標とする温度以下になるため、ステップＳ１３０〜Ｓ１４０は均熱化工程である。このような均熱化が行われると、焼き入れ温度の被処理物Ｓが冷却剤によってマルテンサイト変態開始温度以下になるまで冷却される構成と比較して、被処理物Ｓの内部の温度が低下した状態で焼き入れを開始することができる。従って、熱膨張による被処理物Ｓの変形を抑制した状態で焼き入れを開始することができる。
【００４０】
本実施形態においては、ステップＳ２００〜Ｓ２３０において、焼き入れを行うための２次冷却工程が実行される。具体的には、まず、流速Ｖｑがシンクロ速度にセットされる（ステップＳ２００）。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。なお、ステップＳ２００における流速ＶｑがステップＳ１１５における流速Ｖｑと同一であれば、ステップＳ２００は省略可能である。
【００４１】
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Ｓ２０５）。すなわち、支持台２１を移動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、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。
【００４２】
すなわち、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が冷却剤Ｗの液面に接し、浸漬が開始されると、冷却剤Ｗの液面よりも内側における被処理物Ｓと冷却剤Ｗとの相対速度は０になる。
【００４３】
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に接する冷却剤Ｗの流れの方向が一致する。
【００４４】
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。下降速度Ｖｅは任意の速度であってよいが、被処理物Ｓの冷却剤に対する浸漬が開始され、浸漬が完了するまでの期間が短いほど、被処理物Ｓが冷却剤に接する時間差に起因する温度差が小さくなり、歪みが発生しづらい。従って、下降速度Ｖｅはできるだけ速いことが好ましく、例えば、１００ｍｍ／ｓ〜１５００ｍｍ／ｓ等の速度とすることができる。
【００４５】
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Ｓと冷却剤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。
【００４６】
ステップＳ２００，Ｓ２０５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。
【００４７】
２次冷却工程におけるシンクロ状態も１次冷却工程と類似しており、図１Ｂ〜図１Ｄ，図２Ａまでは１次冷却工程と同様である。すなわち、図１Ｂ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。シンクロ状態が実現されると、図１Ｂ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が徐々に冷却剤Ｗの液面に接近する。シンクロ状態において被処理物Ｓが下降し、図１Ｃに示すように冷却剤Ｗの液面に達すると、冷却剤Ｗに接した部分の被処理物Ｓの熱が冷却剤Ｗに移動することで被処理物Ｓが冷却される。図１Ｃに示すように、被処理物Ｓが冷却剤Ｗの液面に達した状態が浸漬開始の状態である。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１Ｄに示すように冷却剤Ｗの液面に達すると被処理物Ｓの全体が冷却剤Ｗに浸かった状態になる。被処理物Ｓの全体が冷却剤Ｗに浸かった状態が浸漬完了の状態である。
【００４８】
２次冷却工程においては、浸漬開始され、浸漬完了した後（例えば図２Ａに示す状態）においてもシンクロ状態が継続される。シンクロ状態における冷却の様子は１次冷却工程と同様であり、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。
【００４９】
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。従って、シンクロ状態が維持されていることにより、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。このため、本実施形態のように均熱化の後にシンクロ状態を含む２次冷却工程が行われると、熱膨張による被処理物Ｓの変形と、歪みの発生との双方を抑制した状態で焼き入れを行うことができる。
【００５０】
本実施形態においては、以上のようにシンクロ状態で焼き入れを完了させるために、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。このため、ステップＳ２００，Ｓ２０５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Ｓ２１０）。既定期間は、被処理物Ｓが冷却剤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。
【００５１】
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に生じる歪みをほぼ限界まで小さくすることができる（詳細は後述）。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。
【００５２】
いずれにしても、ステップＳ２１０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。
【００５３】
ステップＳ２１０において、被処理物Ｓが冷却剤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Ｓ２１５）、被処理物の下降速度Ｖｅが０にセットされる（ステップＳ２２０）。すなわち、本実施形態においては、被処理物Ｓが冷却剤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２Ｃに示す状態）。この結果、被処理物Ｓの周囲における冷却剤Ｗの循環が促進され、被処理物Ｓから冷却剤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。
【００５４】
なお、ステップＳ２１５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Ｓ２１５は省略可能である。ステップＳ２２０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。
【００５５】
いずれにしても、ステップＳ２１５，Ｓ２２０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Ｓ２２５）。焼き入れの終了は、種々の条件で決められてよく、例えば、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。
【００５６】
ステップＳ２２５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Ｓ２３０）。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。
【００５７】
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。
【００５８】
（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６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６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。
【００５９】
比較例１における冷却剤は焼き入れ油であり、比較例１は均熱化工程を行わず、かつ、シンクロ状態を実現せずに１回の冷却工程でホット油による焼き入れを行った場合の例である。なお、比較例１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。
【００６０】
比較例２における冷却剤は水であり、比較例２は均熱化工程を行わず、かつ、シンクロ状態を実現して１回の冷却工程で焼き入れを行った場合の例である。実施例における冷却剤Ｗは、水であり、１次冷却工程、均熱化工程、２次冷却工程を行った場合の例である。なお、冷却剤の熱伝達率は、ホット油：３８００Ｗ／（ｍ2・Ｋ）、水：１１０００Ｗ／（ｍ2・Ｋ）である。
【００６１】
図６においては、比較例１，比較例２および実施例のそれぞれについて、焼き入れ温度（℃）、被処理物Ｓの下降速度Ｖｅ（ｍｍ／ｓ）、冷却剤Ｗの流速Ｖｑ（ｍｍ／ｓ）、冷却剤Ｗの温度（℃）、シンクロ時間（ｓ）を示している。ここで、焼き入れ温度は、被処理物Ｓが冷却剤Ｗの液面に接触する前の温度である。１次冷却時間は、１次冷却工程が行われる期間であり、本例では被処理物Ｓの浸漬開始から被処理物Ｓが液面上に引き上げられるまでの期間である。また、均熱化時間は、均熱化工程が行われる期間であり、本例では被処理物Ｓが液面上に引き上げられてから再度浸漬が開始されるまでの期間である。均熱化終了温度は、均熱化が終了した段階における被処理物Ｓの表面温度である（本例では表面の最上部と最下部の温度が一致している）。下降速度Ｖｅおよび流速Ｖｑは鉛直方向下向きが正方向である。冷却剤Ｗの温度における常温は２５℃である。
【００６２】
シンクロ時間は被処理物Ｓが冷却剤に接してから下降速度Ｖｅが０とされるまでの時間である。すなわち、比較例２，実施例のそれぞれにおいては、シンクロ状態においてＶｅ＝Ｖｑとなっているが、シンクロ時間が経過するとＶｅ＝０となるように制御される。従って、比較例２，実施例のそれぞれにおいては、シンクロ時間は被処理物Ｓが冷却剤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既定期間が、１０秒である。
【００６３】
比較例１は、被処理物Ｓの下降速度Ｖｅを２００ｍｍ／ｓとし、１２０℃の焼き入れ油に３００秒保持した後、被処理物Ｓを焼き入れ油から取り出した場合の例である。比較例２は、水の温度を常温とし、被処理物Ｓの下降速度Ｖｅを２００ｍｍ／ｓ、水の流速Ｖｑを２００ｍｍ／ｓとしてシンクロ状態を１０秒継続させ、その後、下降速度Ｖｅを０、流速Ｖｑを２００ｍｍ／ｓとしてシンクロ状態を終了させた場合の例である。
【００６４】
実施例は、水の温度を常温とし、被処理物Ｓの下降速度Ｖｅを２００ｍｍ／ｓとして被処理物Ｓを水に浸漬することで４秒のシンクロ状態を伴う１次冷却工程を行い、その後、被処理物Ｓの上昇速度Ｖｅを２００ｍｍ／ｓとして被処理物Ｓを引き上げて１６秒間均熱化し、さらに、その後に被処理物Ｓを水に浸漬することで１０秒のシンクロ状態を伴う２次冷却工程を行っい、その後、下降速度Ｖｅを０、流速Ｖｑを２００ｍｍ／ｓとしてシンクロ状態を終了させた場合の例である。なお、実施例において均熱化が終了した段階での被処理物Ｓの表面の温度は５６０℃であった。各実施例においては、シンクロ状態を終了させた状態で被処理物Ｓの表面と内部の温度差がなくなるまで冷却剤Ｗ内に保持された後に被処理物Ｓが取り出される。
【００６５】
図６においては、以上のような比較例１，比較例２および実施例によって得られた被処理物Ｓの特性として、歪み量（曲がり量）（μｍ）、伸び量（μｍ）、表面硬度（Ｈｖ）、有効硬化深さ（ｍｍ）、内部硬度（Ｈｖ）が示されている。歪み量（曲がり量）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。伸び量は、焼き入れ完了後における、浸漬の方向と垂直な方向の被処理物Ｓの長さと、常温の状態における熱処理を施していない被処理物Ｓの軸方向の長さとの差である。表面硬度は、被処理物Ｓの表面のビッカース硬さの平均値である。有効硬化深さは、ビッカース硬さが既定値（本例では５１３Ｈｖ）となる深さの平均値である。内部硬度は、被処理物Ｓの中心のビッカース硬さである。
【００６６】
以上の例において、比較例１と実施例とを比較すると、歪み量はそれぞれ７μｍと４μｍとである。焼き入れ油と水とを比較すると、水の方が大きい熱伝達率を有しているため、同等の下降速度で浸漬を行うと、水の方が大きい歪みが発生する。しかし、実施例においては、シンクロ状態を伴う冷却が行われているため、歪みの発生が抑制されており、冷却剤が水である実施例の方が焼き入れ油である比較例１よりも歪み量が小さくなっている。
【００６７】
さらに、比較例１，比較例２と実施例とを比較すると、伸び量はそれぞれ４１μｍ，２５９μｍと４５μｍである。被処理物Ｓの内部が高温の状態で硬くなると被処理物Ｓに生じた熱膨張が解消しないため、被処理物Ｓであるシャフトに伸びが残留する。焼き入れ油と水とを比較すると、水の方が大きい熱伝達率を有しているため、双方において均熱化を行うことなく冷却を進めると、被処理物Ｓの表面が硬化し始める段階における内部の温度は、水の方が高くなる。従って、双方において均熱化を行うことなく冷却を進めると、比較例１，比較例２に示されたように、水で冷却されると焼き入れ油で冷却されるよりも伸び量が大きくなる。
【００６８】
しかし、実施例においては、均熱化が行われており、均熱化が終了した段階で被処理物Ｓの表面が５６０℃まで冷えている。このため、被処理物Ｓの内部においても表面の温度近くまで冷却されている。この結果、実施例の方が比較例２よりも伸び量が小さくなっており、実施例の伸び量は比較例１と同等になっている。
【００６９】
さらに、比較例１のように冷却剤Ｗが油である場合と、実施例のように冷却剤Ｗが水である場合とを比較すると、同じ材料で焼き入れをした場合に、冷却剤Ｗが油である場合より、冷却剤Ｗが水である場合の方が、有効硬化深さを深くすることができる。具体的には、冷却剤Ｗが水である場合、これらの冷却剤Ｗは油よりも熱伝達率が大きいため、より効率的に冷却を行うことができる。
【００７０】
焼き入れ前の浸炭処理によってシャフトにオーステナイトが形成された後、急冷が行われるとマルテンサイトが形成されるが、この冷却の冷却速度が速いほど効率的にマルテンサイトを形成することができる。従って、冷却剤Ｗが焼き入れ油である場合と比較して、冷却剤Ｗが水である場合には、効率的にマルテンサイト変態を行わせることが可能である。この結果、冷却剤Ｗが水である場合、冷却剤Ｗが焼き入れ油である場合と比較して、同等の表面硬度を有する被処理物Ｓを得るために必要な焼き入れに要する時間が非常に短くなる。
【００７１】
さらに、冷却剤Ｗとして水が利用されると、焼き入れ油が利用される場合と比較して、同じ材料の被処理物Ｓにおける有効硬化深さを深くすることができる。図７は、比較例１，比較例２と実施例における硬さを示す図であり、横軸は中心からの距離、縦軸はビッカース硬さを示している。なお、中心は被処理物Ｓの円柱軸であり、当該円柱軸から最下部に向けた距離が負の値、円柱軸から最上部に向けた距離が正の値で示されている。
【００７２】
この図に示すように、被処理物Ｓの表面から内部の全域に渡って、比較例１は実施例よりもビッカース硬さが小さい。この結果、比較例１は実施例よりも有効硬化深さが浅いといえる。このように、同じ材料の被処理物Ｓを焼き入れする際に、冷却剤Ｗとして水を使うと、焼き入れ油を使うよりも硬く、有効硬化深さが深い被処理物Ｓを得ることができる。
【００７３】
以上のように、水は、油よりも効率的に冷却することが可能であるため、同じ有効硬化深さの被処理物Ｓを得るために必要な浸炭処理の時間を短くすることができる。水を利用して、焼き入れ油と同等の有効硬化深さを得るのであれば、焼き入れ対象の被処理物Ｓの表面における炭素濃度が低くても充分である。従って、冷却剤Ｗが焼き入れ油である場合と比較して、浸炭処理に要する時間は少なくて良い。特に、浸炭時間は、浸炭深さの２乗に比例するため、冷却剤Ｗが油である場合に得られる被処理物Ｓと同等の有効硬化深さで良いのであれば、浸炭処理に要する時間を非常に短くすることができる。この結果、浸炭処理を行うための期間および金銭のコストを抑制することができる。
【００７４】
なお、浸炭処理の期間が短くなり、被処理物Ｓの表面における炭素濃度が低い部品を被処理物Ｓとすることができるのであれば、当該部品を用意するためのコストも抑制可能である。すなわち、浸炭された部品が被処理物Ｓとして予め用意され、オーステナイト化温度まで加熱された後に冷却される場合、炭素濃度を予め高くしなければならない焼き入れ油での焼き入れと比較して、焼き入れ前の被処理物Ｓが柔らかい材質となるため、被処理物Ｓを得るための加工が容易である。従って、被処理物Ｓを製造する際の加工コストが抑制される。
【００７５】
シンクロ状態の継続期間である既定期間は、焼き入れ終了後に被処理物Ｓに残留する歪みの量が低減されるように選択されればよい。すなわち、少なくとも被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態するまでシンクロ状態を継続させれば、焼き入れ終了後に被処理物Ｓに残留する歪みを抑制できる可能性を高められる。しかし、許容される歪みの量に応じてシンクロ状態を継続させる既定期間を制御しても良い。
【００７６】
図８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、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。図８においては、このグラフにおいて、被処理物Ｓが冷却剤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が示されている。
【００７７】
なお、図８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。
【００７８】
図８に示す例において１次冷却工程は最初の４秒間であり、当該１次冷却工程においてシンクロ状態ではあるが、被処理物Ｓの浸漬開始初期においては、図８に示すように被処理物Ｓの最下部の表面と最上部の表面とに温度差が生じた状態となる。この状態で、被処理物Ｓが冷却剤Ｗに浸漬していくと、被処理物Ｓの最下部の表面と最上部の表面とで温度差が生じた状態で徐々に冷えていく。しかし、本実施例においては、シンクロ状態が形成されているため、最下部と最上部とで生じている温度差は、徐々に解消していき、図８に示す例においては、被処理物Ｓの表面の温度が、当該表面におけるマルテンサイト変態開始温度（図８においては浸炭層Ｍｓ点と表記）に達する前の段階（マルテンサイト変態開始温度直上の段階）で温度差がほぼ解消されている。
【００７９】
一方、この段階（開始から４秒の段階）において、被処理物Ｓの内部はほとんど冷却されていない。しかし、本実施例においては、開始から４秒〜２０秒までの期間の計１６秒に渡って均熱化が行われる。このため、当該均熱化工程の間に内部の熱は表面側に伝達され、この結果、開始から２０秒の段階で被処理物Ｓの表面の温度が５６０℃となり、内部の温度は６２０℃程度になり、両者は非常に近づいている。本実施形態においては、当該均熱化工程により、被処理物Ｓの表面の最下部と最上部とで生じている温度差は、ほぼ解消している。
【００８０】
本実施例においては、この段階（開始から２０秒の段階）から２次冷却工程が開始される。２次冷却工程が開始されると、開始から数秒で被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる。本実施例においては、シンクロ状態が形成されているため、２次冷却工程が開始され多段階で被処理物Ｓの最下部と最上部とに温度差が生じていたとしても、徐々に解消していく。この結果、被処理物Ｓの鉛直方向の上下に温度差が生じていない状態で、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。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と、被処理物Ｓの表面にマルテンサイトが形成されていく。また、被処理物Ｓの表面におけるマルテンサイト分率は、時間と共に上昇していく。このように、被処理物Ｓの表面にマルテンサイトが形成されると、被処理物Ｓの表面が硬くなり、歪みを抑制する働きがある。
【００８１】
図９は、横軸をシンクロ状態の継続時間、縦軸を歪み量および表面のマルテンサイト分率として示した図である。なお、図９は、実施例と同じ被処理物Ｓについて、図６に示す条件と同じ条件でシンクロ状態の継続時間を変化させた場合に、被処理物Ｓに生じる歪み量が変化する様子を示している。なお、図９に示す被処理物Ｓの歪み量は、焼き入れを終えて被処理物Ｓが完成した状態での歪み量であり、図９に示すグラフでは実線および左の縦軸で示されている。また、図９に示す被処理物Ｓにおける表面のマルテンサイト分率は、シンクロ状態が終了した段階での値であり、図９に示すグラフでは破線および右側の縦軸で示されている。
【００８２】
図９に示すように、シンクロ状態を継続する既定期間（シンクロ時間）が長くなるほど被処理物Ｓの表面に形成されるマルテンサイトの比率であるマルテンサイト分率が上昇する。焼き入れ終了後に被処理物Ｓに残留する歪みの量は、シンクロ状態を継続する既定期間が長くなると共に減少する。しかし、歪み量が限界値（図９に示す例では１μｍ）まで小さくなると、それ以後、歪み量は小さくならない。図９に示す例においては、シンクロ状態の継続期間が１０秒を超えると歪み量の変化が鈍化し、以後、シンクロ状態の継続期間を長くしても有意な変化はない。このように、歪み量の変化がほぼ一定になる段階でのマルテンサイト分率を解析したところ、マルテンサイト分率が２８％であることが判明した。従って、被処理物の表面のマルテンサイト分率が２８％以上になった状態を、被処理物の表面がマルテンサイト変態した状態とみなし、この状態でシンクロ状態を停止させる構成とすれば、被処理物Ｓの歪みを概ね最小にすることができる。
【００８３】
一方、被処理物Ｓにおける歪み量の許容範囲がより大きい場合には、シンクロ状態の継続時間をより短くすることができる。例えば、シンクロ状態の継続時間が０秒である状態（図９に示す従来焼き入れ）の歪み量に対して歪み量を１／１５（図９に示す６．３μｍ）とするために必要なシンクロ状態の継続時間は図９に示すＴ1である。この継続時間でのマルテンサイト分率は６．８％である。従って、シンクロ状態を行わない場合に被処理物Ｓに生じる歪みを１／１５以下にしたい場合には、マルテンサイト分率が６．８％になるまでシンクロ状態を継続すれば良い。
【００８４】
また、シンクロ状態の継続時間が０秒である状態の歪み量に対して歪み量を１／２０（図９に示す４．７μｍ）とするために必要なシンクロ状態の継続時間はＴ2である。この継続時間でのマルテンサイト分率は１４．５％である。従って、シンクロ状態を行わない場合に被処理物Ｓに生じる歪みを１／２０以下にしたい場合には、マルテンサイト分率が１４．５％になるまでシンクロ状態を継続すれば良い。
【００８５】
さらに、シンクロ状態の継続時間が１秒である状態の歪み量に対して歪み量を１／３０（図９に示す３．１μｍ）とするために必要なシンクロ状態の継続時間はＴ3である。この継続時間でのマルテンサイト分率は２１．５％である。従って、シンクロ状態を行わない場合に被処理物Ｓに生じる歪みを１／３０以下にしたい場合には、マルテンサイト分率が２１．５％になるまでシンクロ状態を継続すれば良い。
【００８６】
さらに、実施例における伸び量は４５μｍであり、比較例２における伸び量である２５９μｍと比較して伸び量が非常に小さい値に抑制されている。具体的には、実施例および比較例における伸び量は、図１０に示すように変化する。図１０においては、図９と同等に時間を横軸とし、伸び量を縦軸として実施例および比較例２における伸び量の変化を示している。なお、図１０においては、実線で実施例の伸び量の変化を示し、破線で比較例２の伸び量の変化を示している。
【００８７】
比較例２においては、均熱化工程を行わずに１回の冷却工程で焼き入れを行う構成である。従って、比較例２において、被処理物Ｓの表面の温度は初期において図８と同様に変化するが、４秒を過ぎても温度は上昇せずに下降を続け、４秒を過ぎてしばらくすると被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる。被処理物Ｓの表面にマルテンサイトが形成されると、オーステナイトからマルテンサイトへの変態にともなう結晶系の変化により、体積が増加する。
【００８８】
図１０においては、冷却開始後１０秒を過ぎたあたりで当該体積の増加に起因する伸び量の増加が現れ、被処理物Ｓの伸び量が増加している。例えば、時刻Ｔ4における伸び量は６５０μｍ程度である。この状態から冷却が継続されると、温度の低下に伴って熱膨張の程度が小さくなり、結果として伸び量も小さくなるが、マルテンサイト変態が進むためにやがて伸び量の低下に限界が現れる。この結果、図１０に見られる限界値としての伸び量が図６に示す２５９μｍである。
【００８９】
一方、実施例においては、均熱化が行われるため、均熱化工程で被処理物Ｓの内部の熱が表面を介して外部に伝達されると、被処理物Ｓ全体としては熱膨張の程度が小さくなり、均熱化工程の全体の傾向としては伸び量が小さくなっていく。そして、開始から２０秒後に均熱化工程が終了して２次冷却が開始されると、再度、急冷が始まる。実施例においては、この急冷に伴って時刻Ｔ5に至るまで伸び量が急低下する。この結果、図１０に示す例では、時刻Ｔ5において伸び量が３３０μｍまで低下する。
【００９０】
時刻Ｔ5は、図８に示すように、実施例において被処理物Ｓの表面にマルテンサイト変態が形成され始める時刻である。この時刻Ｔ5を過ぎると、実施例においても、オーステナイトからマルテンサイトへの変態にともなう結晶系の変化によって、体積が増加する。しかし、この体積の増加に伴う伸び量の最大値は、図１０に示す時刻Ｔ6における伸び量である４７８μｍ程度である。従って、比較例においてマルテンサイト変態が開始された後の伸び量の最大値である６５０μｍ程度と比べて非常に小さい値である。
【００９１】
従って、マルテンサイト変態で伸び量が増加したとしても４７８μｍ程度で済んでいる実施例においては、冷却が継続されると、比較例と比較して非常に小さい値になるまで伸び量が低下する。すなわち、実施例において図１０に示されたように伸び量を限界まで低下させると、図６に示す４５μｍまで伸び量を低下させることができる。以上のように、本実施形態においては、１次冷却工程と２次冷却工程との間に均熱化工程を挟むことにより、マルテンサイト変態の開始を遅らせることができ、その過程で内部の熱を逃がすことで被処理物Ｓの伸び量を低下させておくことができる。このため、２次冷却工程の初期の冷却で非常に小さい伸び量となり、伸び量を低下させた状態でマルテンサイト変態を行わせることができる。この結果、最終的に被処理物Ｓに生じる伸びも非常に小さい値にすることができる。
【００９２】
さらに、実施例によれば、被処理物Ｓの硬度を容易に高めることができる。図１１Ａおよび図１１Ｂは、上述の実施例における被処理物Ｓの温度変化と、温度毎の組織変態点とを示す図である。ここでも、横軸は時間を対数で示しており、左の縦軸は温度を示している。図１１Ａにおいては、このグラフにおいて、被処理物Ｓが冷却剤Ｗに接してからの経過時間毎の、被処理物Ｓの表面の温度変化が示されている。図１１Ｂは、被処理物Ｓの内部の温度変化を示している。
【００９３】
図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、表面、内部の双方共にオーステナイトの状態からマルテンサイト変態開始温度より高い温度が長時間維持されると、被処理物Ｓの組織はフェライトやベイナイトに組織変態する。ただし、被処理物Ｓの表面と内部とでは、炭素濃度が異なる等の理由により、フェライトに組織変態する領域とベイナイトに組織変態する領域とが異なっている。すなわち、フェライト、ベイナイト共に、表面においては内部よりも組織変態するまでの時間が長い。
【００９４】
特に、内部においてベイナイトは早期に析出するが、表面においては非常に長期にわたって析出しない。このため、本実施形態においては、容易に、被処理物Ｓの表面がベイナイトに変態しないように均熱化を行うことが可能であり、実施例においては、被処理物Ｓの表面がベイナイトに変態しないような期間にわたって均熱化が行われる。
【００９５】
さらに、被処理物Ｓの表面、内部のいずれにおいてもフェライトが析出する温度域は概ね６００℃を越えている。本実施例においては、１６秒間の均熱化によって被処理物Ｓの表面が約２００℃から５６０℃に達することで内部が６２０℃程度まで下がっている。従って、均熱化を続けたとしても表面は６２０℃より高温にはならない。そして、均熱化後の時刻におけるフェライトの変態点は、図１１Ａに示すように６２０℃より高温である。従って、本実施例においては、被処理物Ｓの表面がフェライトに変態しないように均熱化を行うことが可能である。以上のように、本実施例においては、被処理物Ｓの表面がベイナイト、フェライトのいずれにも組織変態しないため、２次冷却工程において表面が効率的にマルテンサイト変態し、被処理物Ｓを硬くすることができる。
【００９６】
（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。また、１次冷却工程、均熱化、２次冷却工程を行う際に熱交換を担う媒体はガスであってもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
１次冷却工程においては、冷却剤で被処理物を冷却し、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度になる前に冷却を停止することができればよい。すなわち、均熱化工程において、被処理物の内部と表面とを均熱化させることで内部の冷却を促進するできるようにするために、表面をマルテンサイト変態させない範囲で冷却させることができればよい。この意味では、１次冷却工程において、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度直上になるまで冷却すれば、非常に効率的に均熱化を行うことができる。
【０１００】
１次冷却における冷却剤は種々の冷却剤であって良い。すなわち、上述の実施形態のように、水であっても良いし、水に各種の材料が溶けている各種の水溶液であっても良い。焼き入れ油であっても良い。また、１次冷却の態様も種々の態様であって良く、冷却槽に蓄積された冷却剤への被処理物の浸漬であっても良いし、空の冷却槽に配置された被処理物に対してシャワーによって冷却剤がかけられても良いし、気体状の冷却剤が被処理物に噴射されても良い。ただし、１次冷却が２次冷却と同じ冷却剤および同じ装置で実施されると、簡易な装置によって１次冷却を実現可能であり好ましい。
【０１０１】
均熱化工程は、被処理物の表面と内部とを均熱化することができればよい。すなわち、被処理物の内部の熱が表面に向けて流れる工程が設けられれば良い。均熱化は、１次冷却が停止した状態、すなわち、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らない状態で実施されればよい。従って、上述の実施形態のように、被処理物の冷却が行われない状態で均熱化が行われても良いし、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らないように、例えば、気体による空冷等が行われた状態で均熱化が行われてもよく、種々の構成が採用可能である。
【０１０２】
２次冷却工程は、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水を主成分とする冷却剤で被処理物を冷却することができればよい。すなわち、２次冷却工程においては、水を主成分とする冷却剤で被処理物を冷却することで被処理物を焼き入れすることができればよい。被処理物の表面がマルテンサイト変態したか否かは、上述の実施形態のように既定期間によって規定されても良いし、マルテンサイト分率によって規定されても良いし、被処理物の表面の温度によって規定されても良い。
【０１０３】
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水を主成分とする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、水を主成分とする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、被処理物と水を主成分とする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。なお、水を主成分とする冷却剤は、水であっても良いし、水に他の物質が溶けている各種の水溶液であっても良い。すなわち、焼き入れ油よりも熱伝達率が高く冷却速度が大きい冷却剤であれば良い。
【０１０４】
被処理物と水を主成分とする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、被処理物が水を主成分とする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、被処理物が水を主成分とする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、冷却が緩和される。このように冷却が緩和される状態では、被処理物の表面に温度差が生じにくいため、歪みを抑制することができる。このため、熱膨張による影響の抑制と、歪みの抑制とを両立させることができる。
【０１０５】
また、冷却が緩和され、歪みを抑制できる状態は、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、被処理物と水を主成分とする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。
【０１０６】
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、水を主成分とする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水を主成分とする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。
【０１０７】
被処理物と水を主成分とする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、被処理物と水を主成分とする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水を主成分とする冷却剤が移動していればよい。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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実施されればよい。浸漬は、１次冷却工程、２次冷却工程のいずれで実施されてもよい。
【０１１０】
焼き入れを行う２次冷却工程においては、流動しない静止水の内部に被処理物Ｓが保持されることでシンクロ状態が実現されてもよい。図２Ｄは、図１Ａと同様の移動装置２０および流動装置３０を備えた冷却槽１０１にシャワー２５が設けられた構成を示す図である。なお、図２Ｄに示す構成においてシャワー２５と冷却槽１０１以外の構成は図１Ａに示す構成とほぼ同様であり、移動装置２０は、被処理物Ｓを上昇、下降させることができればよい。流動装置３０は、水を主成分とする冷却剤Ｗを流動させることができればよい。なお、冷却槽１０１は冷却槽１０より高く、冷却槽１０１には予め冷却剤Ｗが蓄積されている。
【０１１１】
本実施形態においては、さらに、焼き入れ方法を実施する装置にシャワー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。なお、図３Ｃ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冷却剤を示している。（図３Ａ〜図３Ｄにおいては、流動装置３０を省略して示している。以下同様）。
【０１１２】
本実施形態においては、各ノズルから吐出された冷却剤が被処理物Ｓの複数の面にかけられる。図３Ｃに示す例においては、被処理物Ｓの上面と側面に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の上面に冷却剤がかけられ、冷却剤が被処理物Ｓの表面上を流れることによって冷却剤が被処理物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。
【０１１３】
以上のような構成において、冷却槽１０１の内部に被処理物Ｓが配置された状態で、冷却槽１０１に対する冷却剤Ｗの蓄積を開始し、少なくとも、被処理物Ｓが冷却剤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流動装置３０による冷却剤Ｗの流動が行われず、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態した後に流動装置３０による冷却剤Ｗの流動が行われる。
【０１１４】
具体的には、図２Ｄに示されるように、初期の被処理物Ｓに接触しないような深さまで冷却剤Ｗが蓄積された状態で、図４に示す処理と同様の処理が行われた後に、図１２Ａに示す処理を実行することで焼き入れを行うことが可能である。図１２Ａに示す処理は、図５に示す処理にステップＳ１９５およびステップＳ１９７が追加され、ステップＳ２００およびステップＳ２０５が省略された処理である。すなわち、本実施形態においては、図４に示す処理と同様にステップＳ１００〜Ｓ１３０が実行されることで１次冷却工程が行われる。図３Ａは１次冷却が行われている過程を示す図である。
【０１１５】
次に、ステップＳ１２５を経てステップＳ１３０〜ステップＳ１４０が実行されると、被処理物Ｓが冷却剤Ｗの上方に引き上げられ、均熱化工程が行われる。図３Ｂは均熱化工程が行われている過程を示す図である。
【０１１６】
次に、図１２Ａに示すステップＳ１９５においてシャワーによる吐出が開始される。すなわち、シャワー２５のノズルから冷却剤Ｗの吐出が開始される。この結果、図３Ｃに示すように、シャワー２５のノズルから冷却剤が吐出される。本実施形態においては、シャワー２５から吐出された冷却剤Ｗが冷却槽１０１内に蓄積されていき、被処理物Ｓの最上部が冷却剤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シャワーが停止される（ステップＳ１９７）。すなわち、シャワー２５のノズルから冷却剤の吐出が停止される。図３Ｄ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。
【０１１７】
なお、本実施形態において、浸漬完了直後から既定期間は、冷却剤Ｗにおいて攪拌等は行われない。従って、液面Ｓｗの下方で冷却剤Ｗは流動していない。このため、浸漬が完了すると、冷却剤Ｗの液面Ｓｗよりも内側における被処理物Ｓと冷却剤Ｗとの相対速度は０になる。従って、本実施形態においてもシンクロ状態が実現されている。
【０１１８】
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Ｓと冷却剤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、冷却剤Ｗに接している被処理物Ｓは冷却剤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に接した冷却剤Ｗが徐々に暖まるため、冷却は促進されない。
【０１１９】
すなわち、被処理物Ｓの周囲の冷却剤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冷却剤Ｗが低温の冷却剤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。
【０１２０】
以後、ステップＳ２１０，Ｓ２１５，Ｓ２２５，Ｓ２３０は、上述の図５に示す処理と同様である。すなわち、既定期間が経過すると、ステップＳ２１５で流速Ｖｑがセットされ、シンクロ状態が終了され、流動装置３０による流動が開始される。この結果、被処理物Ｓが急速に冷却される。この後、焼き入れが終了すると（ステップＳ２２５）、被処理物Ｓが上昇されて焼き入れが完了する。ここでも、既定期間は、被処理物Ｓが冷却剤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。当該既定期間は、種々の手法で決められてよく、例えば、被処理物Ｓの表面のマルテンサイト分率が既定の比率（例えば、２８％）になるまでの期間を既定期間とすることが可能である。
【０１２１】
以上の実施形態は、図６に示す実施例と同じ原理の焼入である。例えば、２次冷却工程における液面の上昇速度が２００ｍｍ／ｓとなるように、シャワー２５からの冷却剤Ｗの吐出量が調整されると、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、被処理物Ｓが液面に接してからの既定期間が、実施例と同等の期間とされれば、これらの実施例と定性的に同一の焼入を実施することができる。
【０１２２】
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。さらに、少なくとも被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態するまでシンクロ状態を維持する熱処理工程を容易に実現することができる。さらに、被処理物Ｓの表面がマルテンサイト変態した後においては、流動装置３０によって水を主成分とする冷却剤Ｗを流動させるため、歪みの発生を抑制しながらも、早期に焼き入れを完了させることができる。さらに、本実施形態においては、１次冷却工程と２次冷却工程との間に均熱化工程を挟むことにより、マルテンサイト変態の開始を遅らせることができ、伸び量を低下させた状態でマルテンサイト変態を行わせることができる。この結果、最終的に被処理物Ｓに生じる伸びも非常に小さい値にすることができる。さらに、本実施形態においては、容易に、被処理物Ｓの表面がベイナイトに変態しないように均熱化を行うことが可能であり、被処理物Ｓの硬度を容易に高めることができる。さらに、被処理物Ｓの表面がフェライトに変態しないように均熱化を行うことが可能であり、表面を効率的にマルテンサイト変態させることができ、被処理物Ｓを硬くすることができる。
【０１２３】
なお、上述のステップＳ１９５においては、シャワー２５から吐出された冷却剤が被処理物Ｓにかかるため、被処理物Ｓが蓄積された冷却剤Ｗに浸漬する前に冷却されることになる。この冷却は、浸漬の前に被処理物Ｓの上下における温度差を予め抑制する効果があり、この冷却を補助冷却と呼ぶ。この補助冷却においては、シャワー２５から吐出された冷却剤が被処理物Ｓの最上部から最下部に渡る全域にかけられ、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冷却剤Ｗへの浸漬を開始することができる。また、シャワー２５から吐出された冷却剤を被処理物Ｓにかけることのみによって、１次冷却工程が行われてもよい。
【０１２４】
このような被処理物Ｓの表面における温度差を抑制する補助冷却を行うと、補助冷却を行わない場合と比較して、さらに被処理物Ｓに生じる歪みを抑制することができる。図１２Ｂは、図６に示す実施例と同様のシャフトの軸方向を鉛直方向に対して垂直に向けた状態で図２Ｄに示す装置で冷却剤に浸漬し、焼き入れが完了するまで保持したサンプルの歪み量を示している。サンプルＡは、シャワー２５による補助冷却を行わずに浸漬した場合の例であり、サンプルＢは、シャワー２５による補助冷却を行った後に浸漬した場合の例である。
【０１２５】
図１２Ｂに示されたサンプルＡ，サンプルＢにおいても冷却剤は水であり、熱伝達率は、１１０００Ｗ／（ｍ2・Ｋ）である。図１２Ｂにおいては、サンプルＡおよびサンプルＢについて、焼き入れ温度（℃）、被処理物Ｓの下降速度Ｖｅ（ｍｍ／ｓ）、冷却剤Ｗの温度（℃）、シャワー時間（秒）を示している。ここで、焼き入れ温度は、被処理物Ｓが冷却剤Ｗの液面に接触する前の温度である。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の最下部が冷却剤Ｗの液面Ｓｗに接するまでの時間である。
【０１２６】
サンプルＡ、サンプルＢともに、浸漬が完了した段階（被処理物Ｓが冷却剤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。図１２Ｂに示す歪み量（曲がり量）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１２Ｂ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。
【０１２７】
サンプルＡとサンプルＢとを比較すると、浸漬後歪み量はサンプルＡが２２μｍに対してサンプルＢが１μｍである。焼入後歪み量はサンプルＡが９４μｍに対してサンプルＢが０．７μｍである。従って、補助冷却が行われると、補助冷却が行われない場合と比較して、歪み量を抑制する効果がある。従って、２次冷却工程の初期に、シャワー２５による補助冷却を行えば、被処理物Ｓに発生する歪み量を抑制することが可能である。むろん、１次冷却工程の過程でシャワー２５による補助冷却を行ってもよい。この場合、均熱化を行う前の段階で被処理物Ｓの表面に生じる温度差を抑制することができ、被処理物Ｓに歪みが生じていない状態で均熱化を行うことが可能である。
【符号の説明】
【０１２８】
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
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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