(57)【要約】【課題】熱処理品質の予測精度を向上させることにより、被処理物に所望の熱処理品質をより確実に付与することを可能とする熱処理方法、および機械部品の製造方法を提供する。【解決手段】熱処理方法は、高温部温度を測定する工程と、低温部温度を測定する工程と、被処理物の温度を調節する工程と、被処理物の焼入タイミングを決定する工程とを備えている。温度を調節する工程は、高エネルギー加熱により被処理物を加熱する工程と、高温部温度に基づき加熱を制御する工程とを含み、焼入タイミングを決定する工程では、高温部温度および低温部温度に基づき、被処理物全体において、ＴＴＡ線図上で所定の炭素の固溶状態を満たすように焼入タイミングが決定される。そして、当該ＴＴＡ線図は、炭素の固溶状態と鋼の加熱温度および加熱時間との関係を調査する実験の結果を回帰分析して得られた計算式により導出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなる被処理物の表層を加熱して焼入硬化する高エネルギー熱処理方法であって、
前記被処理物において温度上昇が最も大きい部分の温度である高温部温度を測定する工程と、
前記被処理物において温度上昇が最も小さい部分の温度である低温部温度を測定する工程と、
前記被処理物の温度を調節する工程と、
前記被処理物の焼入タイミングを決定する工程とを備え、
前記被処理物の温度を調節する工程は、
高エネルギー加熱により前記被処理物を加熱する工程と、
前記高温部温度に基づき前記被処理物への前記高エネルギー加熱による加熱を制御する工程とを含み、
前記被処理物の焼入タイミングを決定する工程では、
前記高温部温度および前記低温部温度に基づき、前記被処理物全体において、前記被処理物を構成する前記鋼がＴＴＡ線図上で所定の炭素の固溶状態を満たすように焼入タイミングが決定され、
前記ＴＴＡ線図は、予め実施された前記鋼における炭素の固溶状態と前記鋼の加熱温度および加熱時間との関係を調査する実験の結果を回帰分析して得られた計算式により導出される、熱処理方法。
【請求項２】
前記計算式は、以下の式（１）を回帰式として得られたものである、請求項１に記載の熱処理方法。
Ｍ＝Ｍ０ｅｘｐ（−ｋｔｎ）・・・（１）
ここで、ｋ＝Ａ０ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）、Ｍ：炭化物の面積率（％）、Ｍ０：熱処理前の炭化物の面積率（％）、ｔ：加熱時間（秒）、Ａ０，Ｅ：材料によって決まる定数、Ｒ：気体定数、Ｔ：温度（Ｋ）
【請求項３】
前記低温部温度は、前記被処理物において前記被処理物を保持する保持部材と接触する部分の温度である、請求項１または２に記載の熱処理方法。
【請求項４】
前記被処理物は、焼入実施までの間、不活性ガス中に保持される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理方法。
【請求項５】
前記高エネルギー加熱は高周波加熱である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理方法。
【請求項６】
前記被処理物の焼入タイミングを決定する工程では、昇温速度との関係で決定される加熱変態点を超えた時点で、前記鋼において炭素の素地への固溶が開始するものとして、前記被処理物の焼入タイミングが決定される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱処理方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱処理方法により鋼からなる被処理物を焼入硬化する工程と、
前記被処理物を焼入硬化する工程において前記被処理物に与えられた時間の経過に対する電力の推移である電力パターンを記憶する工程と、
記憶された前記電力パターンに従って前記被処理物と同形状かつ同材質の他の被処理物を焼入硬化する工程とを備えた、熱処理方法。
【請求項８】
機械部品の形状に成形された鋼部材を準備する工程と、
前記鋼部材を焼入硬化する工程とを備え、
前記鋼部材を焼入硬化する工程では、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱処理方法により前記鋼部材が焼入硬化される、機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱処理方法および機械部品の製造方法に関し、より特定的には、鋼からなる被処理物を焼入硬化する熱処理方法、および当該熱処理方法を用いた機械部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼からなる被処理物に対する高周波熱処理、レーザー熱処理、電子ビーム熱処理、炎熱処理などの高エネルギー熱処理は、被処理物が直接加熱される熱処理であるため、雰囲気を介して被処理物を加熱する雰囲気加熱炉による熱処理に比べて高いエネルギー効率を達成できる場合がある等の利点を有する。たとえば、高周波熱処理は、雰囲気加熱炉による熱処理に比べて、作業環境がクリーンであり、少量ロットの製品を短時間で効率よく処理できる。一般に、鋼の高周波焼入では、時間の経過に対する電力の推移（電力パターン）を変化させて試験片を熱処理し、熱処理された試験片の品質を確認するという手順を繰り返すことにより、試行錯誤的に電力パターン（加熱条件）が設定される。この場合、被処理物の種類（材質、形状）に合わせて、その都度、熱処理条件である電力パターンを設定する必要がある。そのため、熱処理条件の決定に手間がかかるという問題がある。
【０００３】
また、高周波熱処理を含む高エネルギー熱処理は、被処理物の一部を加熱する部分加熱であるため、被処理物内に温度むらが生じる。そのため、被処理物全体を熱処理するずぶ焼入などの熱処理を行う場合、被処理物内における品質のむらが発生する可能性がある。特に、肉厚の大きい被処理物においては、温度むらが大きくなりやすく、被処理物の部位によっては所望の品質が達成されないという問題が発生する場合がある。
【０００４】
このように、高エネルギー熱処理を用いて被処理物全体を熱処理、たとえば被処理物をずぶ焼入する場合、熱処理条件の決定に手間を要するという問題、および熱処理品質のむらが発生するという問題が存在する。
【０００５】
これに対し、熱処理条件の決定を自動的に行うことで条件決定の手間を軽減しつつ、熱処理品質のむらを抑制する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された方法は、高周波加熱中に温度が上がりやすい被処理物の領域と、上がりにくい領域とを同時に測温し、その測温データから両方の領域が所定の熱処理品質になったかどうかを加熱中にリアルタイムで判定し、被処理材全体の熱処理品質を所定の水準におさめる方法である。そして、特許文献１に開示された方法では、被処理材全体が所定の熱処理品質になったかどうかが、以下の式（Ａ）で予測されることにより判定される。
【０００６】
∂Ｃ／（∂ｔ）＝Ｄ∂２Ｃ／（∂ｘ２）・・・（Ａ）
Ｄ：拡散定数、Ｃ：炭素濃度（質量％）、ｔ：時間（秒）、ｘ：距離
Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）
Ｄ０：拡散定数のエントロピー項、Ｑ：活性化エネルギー、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度（Ｋ）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１５２４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記式（Ａ）を使った鋼中の固溶炭素量分布の計算では、計算モデルが必要になる。特許文献１で採用されている計算モデルは、２つの炭化物から素地に炭素が固溶しつつ拡散するという単純なモデルである。このモデルは、加熱中の炭素の固溶の挙動を近似的に計算しようとするものである。しかし、このような熱処理方法を機械部品の製造プロセス等において採用する場合、被処理物の熱処理品質をより高精度に予測できるよう、熱処理方法が改良されることが望ましい。
【０００９】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、熱処理品質の予測精度を向上させることにより、鋼からなる被処理物の焼入硬化処理において、当該被処理物に所望の熱処理品質をより確実に付与することを可能とする熱処理方法、および当該熱処理方法を用いた機械部品の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に従った熱処理方法は、鋼からなる被処理物の表層を加熱して焼入硬化する高エネルギー熱処理方法である。この熱処理方法は、被処理物において温度上昇が最も大きい部分の温度である高温部温度を測定する工程と、被処理物において温度上昇が最も小さい部分の温度である低温部温度を測定する工程と、被処理物の温度を調節する工程と、被処理物の焼入タイミングを決定する工程とを備えている。
【００１１】
被処理物の温度を調節する工程は、高エネルギー加熱により被処理物を加熱する工程と、高温部温度に基づき被処理物への高エネルギー加熱による加熱を制御する工程とを含んでいる。被処理物の焼入タイミングを決定する工程では、高温部温度および低温部温度に基づき、被処理物全体において、被処理物を構成する鋼がＴＴＡ線図上で所定の炭素の固溶状態を満たすように焼入タイミングが決定される。そして、上記ＴＴＡ線図は、予め実施された上記鋼における炭素の固溶状態と鋼の加熱温度および加熱時間との関係を調査する実験の結果を回帰分析して得られた計算式により導出される。
【００１２】
本発明の熱処理では、被処理物の温度を調節する工程において、高温部温度に基づき被処理物への高エネルギー加熱による加熱が制御される。これにより、被処理物の一部が必要以上に高温に加熱され、結晶粒が粗大化するなどの不具合の発生が抑制される。また、本発明の熱処理では、被処理物の焼入タイミングを決定する工程において、高温部温度および低温部温度の両方に基づき、被処理物全体において、被処理物を構成する鋼がＴＴＡ線図上で所定の炭素の固溶状態を満たすように焼入タイミングが決定される。そのため、被処理物全体において所望の熱処理品質が達成される。そして、このＴＴＡ線図は、予め実施された被処理物を構成する鋼と同種の鋼における炭素の固溶状態と鋼の加熱温度および加熱時間との関係を調査する実験の結果を回帰分析して得られた計算式により導出される。これにより、単純な計算モデルに基づいて鋼中の固溶炭素量分布を近似的に算出する従来の方法に比べて、高精度な材質予測が可能となる。以上のように、本発明の熱処理方法によれば、熱処理品質の予測精度を向上させることにより、鋼からなる被処理物の焼入硬化処理において、当該被処理物に所望の熱処理品質をより確実に付与することができる。
【００１３】
なお、本願において、「高エネルギー加熱」とは、高周波加熱、レーザー加熱、電子ビーム加熱、炎加熱などを含むものであって、加熱された雰囲気を介して被処理物が加熱されるのではなく、被処理物の一部が直接的に加熱されるものを意味する。
【００１４】
上記熱処理方法においては、上記計算式は、以下の式（１）を回帰式として得られたものであってもよい。
【００１５】
Ｍ＝Ｍ０ｅｘｐ（−ｋｔｎ）・・・（１）
ここで、ｋ＝Ａ０ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）、Ｍ：炭化物の面積率（％）、Ｍ０：熱処理前の炭化物の面積率（％）、ｔ：加熱時間（秒）、Ａ０，Ｅ：材料によって決まる定数、Ｒ：気体定数、Ｔ：温度（Ｋ）
鋼中の炭化物の面積率は、鋼中の炭素の固溶状態を反映する。そのため、炭化物の面積率は、鋼中の炭素の固溶状態を精度よく予測するために用いることができる。したがって、被処理物と同種の鋼を実際に熱処理し、これを切断した断面における炭化物（主にセメンタイトである鉄の炭化物）の面積率を実験により調査し、その結果を、上記式（１）を回帰式として回帰分析し、得られた計算式からＴＴＡ線図を導出することで、被処理物に所望の熱処理品質を一層確実に付与することができる。
【００１６】
上記熱処理方法においては、上記低温部温度は、被処理物において被処理物を保持する保持部材と接触する部分の温度であってもよい。
【００１７】
保持部材と接触する被処理物の領域は、保持部材への熱伝導に起因して温度が低くなる傾向にある。そのため、当該部分の温度を上記低温部温度とすることが適切な場合も多い。
【００１８】
上記熱処理方法においては、上記被処理物は、焼入実施までの間、不活性ガス中に保持されてもよい。これにより、被処理物に酸化スケールが形成されることを抑制し、被処理物の外観を良好な状態に保つことができる。
【００１９】
上記熱処理方法においては、上記高エネルギー加熱は高周波加熱であってもよい。高周波加熱は、鋼からなる被処理物の加熱状態を比較的容易にコントロールすることができる。そのため、高周波加熱は、本発明において採用される高エネルギー加熱として好適である。
【００２０】
上記熱処理方法において好ましくは、被処理物の焼入タイミングを決定する工程では、昇温速度との関係で決定される加熱変態点を超えた時点で、鋼において炭素の素地への固溶が開始するものとして、被処理物の焼入タイミングが決定される。
【００２１】
鋼が加熱される場合、鋼の素地への炭素の固溶は、オーステナイト化温度であるＡ１変態点を超えた時点から始まる。しかし、鋼が連続的に加熱される場合、Ａ１変態点よりも高い加熱変態点（Ａｃ１変態点）を超えた時点で、鋼はオーステナイト化する。そして、昇温速度（単位時間あたりの温度の上昇）が大きくなると、Ａ１変態点とＡｃ１変態点との差は大きくなる。そのため、加熱変態点を超えた時点で素地への固溶が開始するものとして焼入タイミングが決定されることにより、被処理物に所望の熱処理品質をさらに確実に付与することができる。
【００２２】
上記熱処理方法は、上記熱処理方法により鋼からなる被処理物を焼入硬化する工程と、被処理物を焼入硬化する工程において被処理物に与えられた時間の経過に対する電力の推移である電力パターンを記憶する工程と、記憶された電力パターンに従って上記被処理物と同形状かつ同材質の他の被処理物を焼入硬化する工程とを備えていてもよい。
【００２３】
このように、上記熱処理方法により焼入硬化を実施した際の電力パターンを記憶し、その後当該電力パターンで同形状かつ同材質の他の被処理物を焼入硬化することにより、上記本発明の熱処理方法は熱処理の条件決定（電力パターンの決定）のみに使用し、その後は決定された電力パターンに基づいて被処理物を熱処理することができる。これにより、たとえば連続使用により測定精度が低下する放射温度計を温度測定に用いた場合でも、測定精度低下の影響を抑制しつつ、熱処理を連続的に実施することができる。
【００２４】
本発明に従った機械部品の製造方法は、機械部品の形状に成形された鋼部材を準備する工程と、当該鋼部材を焼入硬化する工程とを備えている。そして、鋼部材を焼入硬化する工程では、上記本発明の熱処理方法により鋼部材が焼入硬化される。
【００２５】
このように、機械部品の製造方法において上記本発明の熱処理方法を用いることにより、高エネルギー加熱を採用しつつ、所望の熱処理品質がより確実に付与された機械部品を製造することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から明らかなように、本発明の熱処理方法および機械部品の製造方法によれば、熱処理品質の予測精度を向上させることにより、鋼からなる被処理物の焼入硬化処理において、当該被処理物に所望の熱処理品質をより確実に付与することを可能とする熱処理方法、および当該熱処理方法を用いた機械部品の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】熱処理装置の構成を示す概略図である。
【図２】実験に基づいて作成した炭化物の面積率のＴＴＡ線図の一例である。
【図３】ＴＴＡ線図に、高温部温度および低温部温度の推移を重ねて示す図である。
【図４】昇温速度と加熱変態点との関係を示す図である。
【図５】時間の経過に対する温度の推移（ヒートパターン）の一例を示す図である。
【図６】ヒートパターンを微小時間に分けて炭化物の面積率の変化を積算する方法を説明するための図である。
【図７】従来の方法で焼入を実施した場合の炭化物面積率の予測値と実測値との関係を示す図である。
【図８】本発明の方法で焼入を実施した場合の炭化物面積率の予測値と実測値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００２９】
まず、本発明の一実施の形態において使用される熱処理装置の構成について説明する。図１を参照して、本発明の熱処理装置としての高周波焼入装置１は、加熱部１０と、加熱部１０に接続され、加熱部１０に電力を供給する電源部２０と、加熱部１０内において加熱された被処理物９１に冷却液としての冷却水を吹き付けることにより、被処理物９１を急冷して焼入硬化させる焼入部３０と、加熱部１０、電源部２０および焼入部３０に接続され、これを制御する制御部４０と、被処理物の高温部温度を測定する第１温度計としての第１放射温度計７１と、被処理物の低温部温度を測定する第２温度計としての第２放射温度計７２とを備えている。
【００３０】
電源部２０は、たとえば受電盤、変圧器、インバーター、整合装置などを含んでいる。焼入部３０は、たとえば冷却水などの冷却液の温度を調整する温度調整ヒーター、冷却水を保持する水槽、冷却水を水槽から加熱部１０に送るポンプなどを含んでいる。
【００３１】
加熱部１０は、環状のコイル１１と、コイル１１に取り囲まれた領域に被処理物９１を保持する保持部材１２とを含んでいる。コイル１１は、電源部２０に接続されており、電源部２０から供給される電力により、鋼からなる被処理物９１を誘導加熱する。本実施の形態における被処理物９１は、環状の形状を有する機械部品である転がり軸受の軌道輪である。
【００３２】
本実施の形態における高周波焼入装置１においては、軌道輪である被処理物９１の外周面に面するようにコイル１１が配置される。そのため、被処理物９１の外周面が、コイル１１からの磁束の侵入量が最も多く、温度上昇も最も大きい領域となる。したがって、高温部温度を測定する第１放射温度計７１は、被処理物９１の外周面の温度を測定する。一方、被処理物９１の内周面は、コイル１１からの磁束の侵入量が最も少なく、誘導加熱による温度上昇が最も小さい領域となる。また、被処理物９１の内周面は、保持部材１２により保持されている。そのため、被処理物９１の内周面の中でも、保持部材１２に接触する領域が、被処理物９１において最も温度上昇が小さい。したがって、低温部温度を測定する第２放射温度計７２は、被処理物９１の内周面において保持部材１２に接触する領域の温度を測定する。なお、保持部材１２が被処理物９１の内周面以外の領域、たとえば端面を保持する場合、第２放射温度計７２は、保持部材１２と接触する端面の領域、および内周面のうち、温度上昇がより小さい被処理物９１の領域の温度を測定するように配置される。また、被処理物９１において保持部材１２に接触する領域の温度を放射温度計にて測定することが難しい場合、第２放射温度計７２に代えて、あるいは第２放射温度計７２に加えて、当該領域に接触するように、熱電対などの接触式の温度計を設置してもよい。第２放射温度計７２にて被処理物９１の保持部材１２に接触する領域の温度を測定する場合、保持部材１２に保持部材１２を貫通する溝、穴などを形成し、当該溝、穴などを通して所望の領域の温度を測定してもよい。
【００３３】
制御部４０は、パソコンなどのコンピュータ４１と、シーケンサ（プログラマブルコントローラ）４３と、操作パネル４４とを含んでいる。コンピュータ４１は、第１放射温度計７１および第２放射温度計７２に接続され、これらからの温度情報を受信する。また、コンピュータ４１は、シーケンサ４３に接続されている。コンピュータ４１は、高温部温度に基づいて、シーケンサ４３に対して被処理物９１の外周面の加熱状態を示す信号を送信するとともに、高温部温度および低温部温度に基づいて焼入開始を指示する信号を送信する。
【００３４】
操作パネル４４は、シーケンサ４３に接続されている。作業者は、操作パネル４４を介して、熱処理条件（電力パターン）などをシーケンサ４３に入力する。シーケンサ４３は、電源部２０および焼入部３０に接続されている。シーケンサ４３は、電源部２０に対して出力設定信号および加熱終了信号を送信する。また、シーケンサ４３は、焼入部の水槽に保持された冷却水の温度の情報を受信するとともに、温度調整ヒーターに対して冷却水の温度を調整する信号を送信する。さらに、シーケンサ４３は、焼入部３０のポンプに対して、冷却水の被処理物９１に対する噴射を命令する信号を送信する。
【００３５】
次に、上記高周波焼入装置１を用いて、被処理物９１の全体を焼入硬化する処理、すなわち被処理物９１のずぶ焼入を実施する方法、および当該焼入方法を用いた機械部品の製造方法について説明する。
【００３６】
本実施の形態における機械部品の製造方法では、まず、機械部品である転がり軸受の軌道輪の形状に成形された鋼部材としての被処理物９１が準備される。具体的には、たとえば軸受鋼であるＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる鋼材が準備され、当該鋼材が加工されることにより、被処理物９１が準備される。
【００３７】
次にこの被処理物９１が、上記高周波焼入装置１を用いて焼入硬化される。具体的には、図１を参照して、まず、被処理物９１が保持部材１２により保持されることにより、高周波焼入装置１の加熱部１０内にセットされる。次に、被処理物９１の温度を調節する工程と、被処理物９１の焼入タイミングを決定する工程とが並行して実施される。被処理物９１の温度を調節する工程では、電源部２０からコイル１１に対して電力が供給される（矢印Ａ）。これにより、コイル１１を流れる電流によって変化する磁界が形成され、当該磁界により被処理物９１が誘導加熱される。
【００３８】
このとき、被処理物９１において温度上昇が最も大きい部分である外周面の温度、すなわち高温部温度が、第１放射温度計７１により測定される（矢印Ｂ）。一方、被処理物９１において温度上昇が最も小さい部分である内周面の保持部材１２に接触する領域の温度、すなわち低温部温度が、第２放射温度計７２により測定される（矢印Ｃ）。
【００３９】
被処理物９１への誘導加熱による加熱は、第１放射温度計７１によって測定された高温部温度に基づいて制御される。具体的には、第１放射温度計７１によって測定された高温部温度の情報は、ＡＤ変換されて制御部４０のコンピュータ４１に送信される（矢印Ｄ）。コンピュータ４１は、高温部温度の情報に基づいて被処理物９１の外周面の加熱状態を示す信号をシーケンサ４３へと送信する（矢印Ｉ）。さらに、シーケンサ４３は、外周面の加熱状態を示す信号に基づいて出力設定信号を電源部２０へと送信する（矢印Ｎ）。そして、当該出力設定信号に基づいて、電源部２０から電力がコイル１１に供給される（矢印Ａ）。
【００４０】
一方、被処理物９１の焼入タイミングを決定する工程では、図１を参照して、第１放射温度計７１および第２放射温度計７２によりそれぞれ測定された高温部温度および低温部温度の情報が、測温データとしてコンピュータ４１へと送られる（矢印Ｄおよび矢印Ｆ）。そして、コンピュータ４１では、測温データとして得られた高温部温度および低温部温度に基づき、被処理物９１全体において、被処理物９１を構成する鋼がＴＴＡ線図上で所定の炭素の固溶状態を満たすように焼入タイミングが決定される。このＴＴＡ線図は、予め実施された鋼における炭素の固溶状態と鋼の加熱温度および加熱時間との関係を調査する実験の結果を回帰分析して得られた計算式により導出される。
【００４１】
図２に実験に基づいて作成した炭化物の面積率のＴＴＡ線図の一例を示す。より具体的には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる試験片を準備し、この試験片を表１に示す条件で熱処理した。そして、熱処理が実施された試験片を切断し、断面における炭化物の面積率を電子顕微鏡で計測した。そして、計測された面積率を、以下の式（１）を回帰式として回帰分析し、得られた計算式を図示することにより図２を作成した。図２において横軸は保持時間、縦軸は加熱温度を示している。また、図２に示された曲線は、それぞれ炭化物面積率が２％、４％、６％、８％、１０％および１２％となる保持時間と加熱温度との組み合わせを示している。
【００４２】
Ｍ＝Ｍ０ｅｘｐ（−ｋｔｎ）・・・（１）
ここで、ｋ＝Ａ０ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）、Ｍ：炭化物の面積率（％）、Ｍ０：熱処理前の炭化物の面積率（％）、ｔ：加熱時間（秒）、Ａ０，Ｅ：材料によって決まる定数、Ｒ：気体定数、Ｔ：温度（Ｋ）
【００４３】
【表１】
2014088607.tif 000003
【００４４】
鋼中の炭化物の面積率は、鋼中の炭素の固溶状態の予測に用いることができる。そのため、図２は熱処理品質の予測に使用することができる。以下、炭化物の面積率が６〜８％となることを目標の焼入品質として、焼入タイミングを決定する場合を例に、焼入タイミングの決定方法について説明する。
【００４５】
図３は、図２のＴＴＡ線図の一部に、高温部温度および低温部温度の推移を重ね示した図である。図３において、被処理物９１の高温部温度が測定される部分（被処理物の外周面）および低温部温度が測定される部分（被処理物が保持部により保持される部分）の両方が、炭化物の面積率が６〜８％となる条件を満たす状態で焼入を実施することにより、被処理物９１全体が所望の熱処理品質を満たすこととなる。図３を参照して、高温部温度は、加熱温度が一定になるようにＰＩＤ制御により加熱が制御され、いち早く炭化物の面積率が６〜８％となる条件、すなわち炭化物面積率６％を示す曲線と８％を示す曲線とに挟まれる領域（焼入開始領域）に到達する。一方、低温部温度は、高温部温度に比べて、炭化物の面積率が６〜８％となる条件に到達するまでに、より長時間を要する。そのため、高温部温度が焼入開始領域に到達した場合でも、低温部温度が焼入開始領域に到達するまで、加熱を継続する。そして、高温部温度および低温部温度の両方が焼入開始領域に位置する状態となった時点で、焼入が実施される。
【００４６】
図１を参照して、上記焼入タイミングは、予め実験結果の回帰分析により決定された計算式と、目標の熱処理品質（炭化物の面積率）がコンピュータ４１に入力された状態で被処理物９１の加熱が開始され、第１放射温度計７１および第２放射温度計７２からの高温部温度および低温部温度の推移情報に基づいて、コンピュータ４１にて決定される。焼入開始タイミングが決定されると、焼入開始を指示する信号が、コンピュータ４１からシーケンサ４３に送信される（矢印Ｉ）。焼入開始の信号を受けたシーケンサ４３は、電源部２０に対して加熱終了信号を送信するとともに、焼入部３０に対して冷却水噴射信号を送信する。加熱終了信号を受けた電源部２０は、コイル１１への電力の供給を中止する。一方、冷却水噴射信号を受けた焼入部３０は、温度調整ヒーターにより適切な温度に調整された水槽内の冷却水を、ポンプによって被処理物９１に対して噴射する。これにより、被処理物９１に対するコイル１１による加熱が中止されるとともに、被処理物９１が冷却水によって急冷される。
【００４７】
以上の手順により、本実施の形態における被処理物９１のずぶ焼入処理が完了する。本実施の形態におけるずぶ焼入処理では、被処理物９１に対する誘導加熱は、高温部温度に基づいて制御される。これにより、被処理物９１の一部が必要以上に高温に加熱され、結晶粒が粗大化するなどの不具合の発生が抑制される。また、本実施の形態におけるずぶ焼入処理では、被処理物９１の焼入タイミングは、高温部温度および低温部温度の両方に基づき、被処理物９１全体において、被処理物９１を構成する鋼がＴＴＡ線図上で所定の炭素の固溶状態を満たすように決定される。そのため、被処理物９１全体において所望の熱処理品質が達成される。そして、このＴＴＡ線図は、予め実施された被処理物９１を構成する鋼と同種の鋼における炭素の固溶状態と鋼の加熱温度および加熱時間との関係を調査する実験の結果を回帰分析して得られた計算式により導出される。これにより、単純な計算モデルに基づいて鋼中の固溶炭素量分布を近似的に算出する従来の方法に比べて、高精度な材質予測が可能となっている。
【００４８】
以上のように、本実施の形態におけるずぶ焼入処理によれば、熱処理品質の予測精度を向上させることにより、被処理物９１に所望の熱処理品質をより確実に付与することができる。
【００４９】
上記本実施の形態におけるずぶ焼入処理では、被処理物９１は、焼入実施までの間、不活性ガス雰囲気中に保持されることが好ましい。具体的には、図１を参照して、加熱部１０を窒素、アルゴンなどの不活性ガスで満たすことで、被処理物９１における酸化スケールの発生を抑制して、良好な外観品質を保つことができる。
【００５０】
また、本実施の形態におけるずぶ焼入処理では、被処理物９１の焼入タイミングを決定する工程において、昇温速度との関係で決定される加熱変態点を超えた時点で、鋼における炭素の素地への固溶が開始するものとして、被処理物９１の焼入タイミングが決定される。
【００５１】
フェライトにおける炭素の固溶限は小さい。そのため、焼入前の加熱時における炭素の固溶は、実質的に鋼中の鉄がオーステナイト化した時点、すなわち鋼のオーステナイト化温度から始まる。そして、鋼のオーステナイト化温度は、鋼の昇温速度によって変化する。特に、高周波加熱のように昇温速度が速い場合、一般的なオーステナイト化温度であるＡ１変態点と、実際のオーステナイト化温度（加熱変態点；Ａｃ１変態点）との差は大きくなる。そのため、本実施の形態におけるずぶ焼入処理では、加熱変態点を超えた時点で、炭素の素地への固溶が開始するものとして、被処理物９１の焼入タイミングが決定される。より具体的には、予め被処理物９１を構成する材料の昇温速度と加熱変態点との関係が調査される。図４に、被処理物９１を構成する鋼の昇温速度と加熱変態点との関係の一例を示す。図４に示すように、昇温速度が３００℃以下の範囲では、昇温速度が大きくなるに従って、加熱変態点が急激に上昇し、その後昇温速度の上昇が緩やかになっている。本実施の形態では、図４の関係に基づいて、第１放射温度計７１および第２放射温度計７２により測定された被処理物９１のヒートパターン（加熱履歴）から加熱変態点を導出し、これに基づいて焼入タイミングを決定することができる。
【００５２】
また、上記式（１）は、一定温度に所定時間保持された場合の炭化物の面積率を予測する式である。一方、本実施の形態のずぶ焼入処理では、加熱時間に対して温度が連続的に変化する。そのため、本実施の形態では、炭化物の面積率はヒートパターンを微小時間に分けて、当該微小時間の間、一定温度に保持されるものとして炭化物の面積率を算出し、これを積算することにより、炭化物の面積率を予測する。具体的な手法を図５および図６を参照して説明する。
【００５３】
図５は、本実施の形態のずぶ焼入処理における被処理物のヒートパターンの一例を示している。また、図６は図５の領域αを拡大して示したものであり、炭化物の面積率の算出方法を説明するための図である。図５および図６を参照して、被処理物９１のヒートパターンが図５に示すようなものであった場合、たとえば領域αにおけるヒートパターンを、図６に示すように微小時間Δｔごとに分けて炭化物の面積率を算出する。具体的には、温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３・・・において、時間Δｔだけ保持された場合の炭化物の面積率Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３・・・を以下の式（２）に従って算出して積算することにより、最終的な炭化物の面積率を導出することができる。
【００５４】
【数１】
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【００５５】
また、放射温度計を連続使用した場合、測定精度が低下し、熱処理品質の予測精度に悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、本実施の形態のずぶ焼入処理において多数の同形状、同材質の被処理物が焼入硬化処理される場合、上述の手順にて被処理物９１を焼入硬化し、その際の電力パターンを記憶装置に記憶させておき、記憶された電力パターンに従って被処理物９１と同形状かつ同材質の他の被処理物を焼入硬化するプロセスを採用してもよい。
【００５６】
具体的には、図１を参照して、上述のように被処理物９１の焼入処理を実施した後、たとえばシーケンサ４３に被処理物９１に対して付与された電力パターンおよび焼入タイミングを記憶しておく。次に、被処理物９１と同形状かつ同材質の他の被処理物を加熱部１０にセットし、操作パネル４４を用いてシーケンサ４３に記憶された当該電力パターンおよび焼入タイミングを呼び出す。そして、シーケンサ４３から電源部２０に対して、呼び出された電力パターンに従った電力をコイル１１に供給するように出力設定信号が送信される。これにより、当該他の被処理物は、先に熱処理された被処理物９１と同一のヒートパターンで加熱される。一方、シーケンサ４３から焼入部３０に対しては、呼び出された焼入タイミングに従って冷却液を当該他の被処理物に対して噴射するように、冷却水噴射信号が送信される。これにより、当該他の被処理物は、先に熱処理された被処理物９１と同一のタイミングで急冷され、焼入硬化される。このようにすることにより、放射温度計を連続使用する必要がなくなるため、放射温度計の連続使用による熱処理品質の予測精度低下の問題の発生を抑制することができる。
【実施例】
【００５７】
本発明の熱処理方法の優位性を確認するため、従来の方法および本発明の方法に従って鋼部材のずぶ焼入処理を実施し、炭化物面積率の予測値（目標値）と実験値（実測値）との関係を調査した。具体的には、鋼部材を準備し、種々の炭化物面積率となるように、ずぶ焼入を実施した。その後、焼入処理された鋼部材を切断し、断面を適切なエッチング液によりエッチングし、顕微鏡にて炭化物を観察し、その面積率を算出した。ずぶ焼入の方法として、特許文献１に開示された２つの炭化物から素地に炭素が固溶しつつ拡散するというモデルを用いた従来の方法、および上記実施の形態において説明した本発明の方法、の２通りの方法を採用し、両者を比較した。図７に従来の方法における実験値と予測値との関係、図８に本発明の方法における実験値と予測値との関係を示す。
【００５８】
図７および図８を参照して、本発明の方法は、従来の方法に比べて明確にばらつきが小さくなっており、予測値に近い実測値が得られていることが分かる。このことから、本発明の熱処理方法によれば、従来の方法に比べて熱処理品質の予測精度が向上し、被処理物に所望の熱処理品質をより確実に付与できることが確認される。
【００５９】
なお、上記実施の形態および実施例では、高エネルギー加熱として高周波加熱が採用される場合について説明したが、本発明の熱処理方法および機械部品の製造方法はこれに限られず、レーザー加熱、電子ビーム加熱、炎加熱など、他の高エネルギー加熱を利用して実施することができる。
【００６０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の熱処理方法および機械部品の製造方法は、精度よく所望の熱処理品質を付与することが求められる熱処理方法および機械部品の製造方法に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００６２】
１  高周波焼入装置、１０  加熱部、１１  コイル、１２  保持部材、２０  電源部、３０  焼入部、４０  制御部、４１  コンピュータ、４３  シーケンサ、４４  操作パネル、７１  第１放射温度計、７２  第２放射温度計、９１  被処理物。
【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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