(57)【要約】  本発明の一形態にかかる鋼材の製造方法は、高強度化された鋼材（Ｗ）に熱処理を施すことにより、鋼材の一部分の硬さを前記鋼材（Ｗ）の他の部分の硬さよりも低くする鋼材の製造方法であって、前記熱処理は、誘導加熱または直接通電加熱により鋼材（Ｗ）の表皮から一定深さまでを急速加熱する加熱工程と、該加熱工程の後所定時間後に、前記加熱工程を経た鋼材（Ｗ）を急冷する冷却工程と、を備え、前記加熱工程における加熱温度がＡｃ１変態点以上である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度化された鋼材に熱処理を施すことにより、前記鋼材の一部分の硬さを前記鋼材の他の部分の硬さよりも低くする鋼材の製造方法であって、
前記熱処理は、誘導加熱または直接通電加熱により前記鋼材の表皮から一定深さまでを急速加熱する加熱工程と、該加熱工程の後所定時間後に、前記加熱工程を経た前記鋼材を急冷する冷却工程と、を備え、
前記加熱工程における加熱温度がＡｃ１変態点以上であることを特徴とする鋼材の製造方法。
【請求項２】
前記加熱工程から前記冷却工程までの時間が、鋼種、線径、加熱温度、及び加熱時間に応じて決まる所定時間以下であることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理の処理条件は、前記鋼材の表面急速加熱後の伝熱特性に基づいて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理の処理条件は、前記鋼材の温度の時間積分値であり、前記鋼材の焼戻しの進行状態を示す焼戻進行値に基づいて決定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の鋼材の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理の処理条件は、周波数、入力電気エネルギー、加熱温度、加熱時間、放冷時間、の少なくとも２つを含む組み合わせとすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の鋼材の製造方法。
【請求項６】
前記鋼材の伝熱特性または前記焼戻進行値を算出する工程を備え、
前記熱処理の処理条件は、前記算出された伝熱特性または前記焼戻進行値に基づいて決定されることを特徴とする請求項４または５に記載の鋼材の製造方法。
【請求項７】
前記熱処理の処理条件は、表層部における前記焼戻進行値が、中心部における前記焼戻進行値の１．５倍以上の値になるよう設定することを特徴とする請求項４記載の鋼材の製造方法。
【請求項８】
前記加熱工程から前記冷却工程までの時間は、表層部における前記焼戻進行値が、中心部の前記焼戻進行値の１．５倍以上の値になるよう設定することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか記載の鋼材の製造方法。
【請求項９】
前記鋼材は、線状または棒状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか記載の鋼材の製造方法。
【請求項１０】
前記鋼材に対して加熱処理及び冷却処理を含む焼入処理が施された後、焼戻処理として前記加熱工程及び前記冷却工程がそれぞれ一度ずつ行われることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか記載の鋼材の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか記載の前記加熱工程及び前記冷却工程を経た前記鋼材であって、
その表層部付近の硬さと、半径方向で表層から１０％の位置よりも中心側の硬さの差がＨＶ５０以上であり、かつ、ＪＩＳＺ２２０１の２号試験片で引張試験を行った場合の引張強さが１４２０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする鋼材。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか記載の前記加熱工程及び前記冷却工程を経た前記鋼材であって、
全断面焼き戻しマルテンサイト組織となっており、かつ、表層部の硬さがＨＶ３８０以下であり、かつＪＩＳＺ２２０１の２号試験片で引張試験を行った場合の引張強さが１４２０Ｎ／ｍｍ２以上であり、
表層よりも中心側の硬さが均一であることを特徴とする鋼材。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか記載の前記加熱工程及び前記冷却工程を経た前記鋼材であって、
全断面焼き戻しマルテンサイト組織となっており、かつ、その表層部の硬さがＨＶ４２０以下であり、かつＪＩＳＺ２２０１の２号試験片で引張試験を行った場合の引張強さが１６００Ｎ／ｍｍ２以上であり、
表層よりも中心側の硬さが均一であることを特徴とする鋼材。
【請求項１４】
高強度化された鋼材に熱処理を施すことにより、前記鋼材の一部分の硬さを前記鋼材の他の部分の硬さよりも低くする鋼材の製造装置であって、
誘導加熱または直接通電加熱により前記鋼材の表皮から一定深さまでを急速加熱する加熱手段と、
該加熱の後所定時間後に、加熱された前記鋼材を急冷する冷却手段と、を備え、
前記加熱手段における前記鋼材の加熱温度がＡｃ１変態点以上であることを特徴とする鋼材の製造装置。
【請求項１５】
前記加熱手段での処理終了から前記冷却手段での処理開始までの時間が、鋼種、線径、加熱温度、加熱時間等に応じて決まる所定時間以下であり、
前記熱処理の処理条件は、前記鋼材の表面急速加熱後の伝熱特性、前記鋼材の焼戻しの進行状態を示す焼戻進行値、周波数、入力電気エネルギー、加熱温度、加熱時間、放冷時間、の少なくとも２つを含む組み合わせに基づいて決定され、
前記熱処理の処理条件は表層部の前記焼戻進行値が、中心部の前記焼戻進行値の１．５倍以上の値になるよう設定し、
前記加熱工程から前記冷却工程までの時間は、鋼種、線径、加熱温度、加熱時間等に応じて決まる所定時間以下に設定し、
前記鋼材は、線状または棒状であり、
前記鋼材を前記加熱手段及び前記冷却手段を通る所定の経路に沿って連続的に搬送する搬送手段をさらに備え、前記処理条件は、前記搬送経路における距離及び前記搬送速度を含み、
前記鋼材に対して加熱処理及び冷却処理を施す焼入手段を備え、
前記搬送経路における前記焼入手段の下流側に前記加熱手段及び前記冷却手段がそれぞれ一つずつ備えられ、
前記鋼材の伝熱特性または前記焼戻進行値の算出結果に基づいて前記熱処理の処理条件を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１４記載の鋼材の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材、鋼材の製造方法及び鋼材の製造装置に係り、特に、部位によって硬さが異なるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば棒または線の原料となるコイル状の圧延材（以下圧延材という）等の鋼材からの２次加工（熱処理）において、耐遅れ破壊性を向上させるため、例えば表層部から中心部にかけて、部位によって引張強さ（硬さ）を変化させる技術が提供されている。【０００３】
例えば、クラッド鋼の様に、純鉄などの極低炭素の鋼を表層に配して圧延し脱炭、減炭を利用する技術が知られている（例えば、特開平４−２１２５７０号公報参照）。【０００４】
また、圧延中にＡｃ１〜Ａｃ３温度で加熱し、表層に生成させた脱炭層を利用する技術（例えば、特開昭６２−２６７４２０号公報参照）や、熱処理後、更に表層部のみ熱処理を再度施す技術（例えば、特開平７−５４４４１号公報参照）が提供されている。【０００５】
さらに、一般的に、耐遅れ破壊性を向上させる手段として、鍍金や窒化等の化学的な表面処理を施す技術、あるいは耐遅れ破壊性に優れた非金属材のコーティング材を表面に施す技術が知られている。
【発明の開示】
【０００６】
しかしながら、上記の技術には、以下のような問題がある。すなわち、圧延材の段階で、クラッド鋼を作製、あるいはＡｃ１〜Ａｃ３温度で加熱することによる脱炭層を作り込んでから、２次加工（熱処理）を行うので前処理が必要である。また、２次加工（熱処理）を行った後、再度表層部のみを熱処理、あるいは化学的な表面処理を行う必要がある。したがって、いずれも工程が複雑であり、２次加工（熱処理）の前後で、煩雑な処理条件の制御が必要となる。
【０００７】
そこで、本発明は、単純な処理で、部位によって硬さが異なる鋼材、鋼材の製造方法及び鋼材の製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の一形態にかかる鋼材の製造方法は、高強度化された鋼材に熱処理を施すことにより、前記鋼材の一部分の硬さを前記鋼材の他の部分の硬さよりも低くする鋼材の製造方法であって、前記熱処理は、誘導加熱または直接通電加熱により前記鋼材の表皮から一定深さまでを急速加熱する加熱工程と、該加熱工程の後所定時間後に、前記加熱工程を経た前記鋼材を急冷する冷却工程と、を備え、前記加熱工程における加熱温度がＡｃ１変態点以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、他の一態様として、前記加熱工程から前記冷却工程までの時間が、鋼種、線径、加熱温度、及び加熱時間に応じて決まる所定時間以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、他の一態様として、前記熱処理の処理条件は、前記鋼材の表面急速加熱後の伝熱特性に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、他の一態様として、前記熱処理の処理条件は、前記鋼材の温度の時間積分値であり、前記鋼材の焼戻しの進行状態を示す焼戻進行値に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、他の一態様として、前記熱処理の処理条件は、周波数、入力電気エネルギー、加熱温度、加熱時間、放冷時間、の少なくとも２つを含む組み合わせとすることを特徴とする。
【００１３】
本発明は、他の一態様として、前記鋼材の伝熱特性または前記焼戻進行値を算出する工程を備え、前記熱処理の処理条件は、前記算出された伝熱特性または前記焼戻進行値に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、他の一態様として、前記熱処理の処理条件は、表層部における前記焼戻進行値が、中心部における前記焼戻進行値の１．５倍以上の値になるよう設定することを特徴とする。
【００１５】
本発明は、他の一態様として、前記加熱工程から前記冷却工程までの時間は、表層部における前記焼戻進行値が、中心部の前記焼戻進行値の１．５倍以上の値になるよう設定することを特徴とする。
【００１６】
本発明は、他の一態様として、前記鋼材は、線状または棒状であることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、他の一態様として、前記鋼材に対して加熱処理及び冷却処理を含む焼入処理が施された後、焼戻処理として前記加熱工程及び前記冷却工程がそれぞれ一度ずつ行われることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の一形態は、前記加熱工程及び前記冷却工程を経た前記鋼材であって、その表層部付近の硬さと、半径方向で表層から１０％の位置よりも中心側の硬さの差がＨＶ５０以上であり、かつＪＩＳＺ２２０１の２号試験片で引張試験を行った場合の引張強さが１４２０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、他の一態様として、全断面焼き戻しマルテンサイト組織となっており、かつ、表層部の硬さがＨＶ３８０以下であり、かつＪＩＳＺ２２０１の２号試験片で引張試験を行った場合の引張強さが１４２０Ｎ／ｍｍ２以上であり、表層よりも中心側の硬さが均一であることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、他の一態様として、全断面焼き戻しマルテンサイト組織となっており、かつ、その表層部の硬さがＨＶ４２０以下であり、かつＪＩＳＺ２２０１の２号試験片で引張試験を行った場合の引張強さが１６００Ｎ／ｍｍ２以上であり、表層よりも中心側の硬さが均一であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の他の一形態は、高強度化された鋼材に熱処理を施すことにより、前記鋼材の一部分の硬さを前記鋼材の他の部分の硬さよりも低くする鋼材の製造装置であって、誘導加熱または直接通電加熱により前記鋼材の表皮から一定深さまでを急速加熱する加熱手段と、該加熱の後所定時間後に、加熱された前記鋼材を急冷する冷却手段と、を備え、前記加熱工程における加熱温度がＡｃ１変態点以上であることを特徴とする鋼材の製造装置である。
【００２２】
本発明は、他の一態様として、前記鋼材の伝熱特性または前記焼戻進行値の算出結果に基づいて前記熱処理の処理条件を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱処理装置の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】図２は、同実施形態の熱処理工程を概略的に示す説明図である。
【図３】図３は、同実施形態におけるＰＣ鋼棒の構成を示す側面図である。
【図４】図４は、同実施形態におけるＰＣ鋼棒の成分を示す表である。
【図５】図５は、同実施形態の熱処理装置におけるコイルターン数と線径の関係を示すグラフである。
【図６】図６は、同実施形態及び従来例の熱処理条件を示す表である。
【図７】図７は、同実施形態のＰＣ鋼棒の伝熱解析による経過時間と温度分布の関係を示すグラフである。
【図８】図８は、同実施形態のＰＣ鋼棒の伝熱解析による放冷時間と温度分布の関係を示すグラフである。
【図９】図９は、同実施形態のＰＣ鋼棒の硬さと直径方向の距離との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、同実施形態における焼戻過程における表層部分から中心までの温度分布を示すグラフである。
【図１１】図１１は、同実施形態におけるＮパラメータの効率を示すグラフである。
【図１２】図１２は、同実施形態における表面と中心のＮパラメータの比率と、加熱過程及び放冷の時間との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、同実施形態に係る熱処理と、従来の熱処理により得られたＰＣ鋼棒の断面硬さ分布を示すグラフである。
【図１４】図１４は、同実施形態の熱処理で製造されたＰＣ鋼棒の軸方向の断面硬さ分布を示すグラフである。
【図１５】図１５は、同実施形態の熱処理に用いる複数種類のＰＣ鋼棒の成分を示す表である。
【図１６】図１６は、同実施形態の熱処理と、従来の熱処理によるＰＣ鋼棒Ｗの遅れ破壊試験結果を示す表である。
【図１７】図１７は、同遅れ破壊試験結果を示すグラフである。
【図１８】図１８は、同実施形態のＰＣ鋼棒Ｗ１の構成を示す側面図である。
【図１９】図１９は、同実施形態のＰＣ鋼棒Ｗ１のノッチの構成を示す側面図である。
【図２０】図２０は、同実施形態の熱処理と、従来の熱処理によるＰＣ鋼棒の遅れ破壊試験結果を示す表である。
【図２１】図２１は、同遅れ破壊試験結果を示すグラフである。
【図２２】図２２は、同実施形態のＰＣ鋼棒Ｗ１に形成されたノッチの深さと破断時間との関係を示すグラフである。
【図２３】図２３は、本発明の他の実施形態における熱処理装置の構成を概略的に示す説明図である。
【図２４】図２４は、本発明の第２実施形態にかかる異形ＰＣ鋼棒の構成を示す側面図である。
【図２５】図２５は、同実施形態における異形ＰＣ鋼棒の成分を示す表である。
【図２６】図２６は、同実施形態にかかる熱処理と比較熱処理の熱処理条件を示す表である。
【図２７】図２７は、同実施形態における異形ＰＣ鋼棒の熱処理における経過時間と温度変化の伝熱解析によるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図２８】図２８は、本発明の第３実施形態にかかるばね鋼線の構成を示す斜視図。
【図２９】図２９は、同実施形態におけるばね鋼線の成分を示す表である。
【図３０】図３０は、同実施形態にかかる熱処理と比較熱処理における、熱処理条件を示す表である。
【図３１】図３１は、同実施形態にかかる熱処理における経過時間と温度変化の伝熱解析によるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３２】図３２は、同実施形態にかかる熱処理と、比較熱処理における、処理後のばね鋼線の断面硬さ分布を示すグラフである。
【図３３】図３３は、熱処理材の硬さと疲労限度の関係を示すグラフである。
【図３４】図３４は、比較熱処理材の回転曲げ疲労試験結果を示す表である。
【図３５】図３５は、比較熱処理材の表層から介在物の距離と耐久回数の関係を示すグラフである。
【図３６】図３６は、同実施形態に係る熱処理によるばね鋼線の回転曲げ疲労試験結果を示す表である。
【図３７】図３７は、同実施形態にかかる熱処理によるばね鋼線と比較熱処理材によるばね鋼線の、断面硬さ、残留応力、及び応力振幅を示すグラフである。
【図３８】図３８は、他の実施形態にかかるばね鋼線の成分の例を示す表である。
【図３９】図３９は、本発明の第４実施形態にかかるボルトの構成を示す斜視図である。
【図４０】図４０は、同実施形態にかかるボルトの成分を示す表である。
【図４１】図４１は、同実施形態にかかる熱処理および比較熱処理における熱処理条件を示す表である。
【図４２】図４２は、同実施形態におけるボルトＷｂの熱処理における経過時間と温度変化の伝熱解析によるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４３】図４３は、同実施形態に係る熱処理と、比較熱処理により得られたボルトの断面硬さ分布を示すグラフである。
【図４４】図４４は、同実施形態に係る熱処理と、比較熱処理により得られたボルトの遅れ破壊試験結果を示す表である。
【図４５】図４５は、同実施形態に係る熱処理と、比較熱処理により得られたボルトの累積破断確率と破断時間を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の第１実施形態について図１乃至図２２を参照して説明する。図１は、本実施形態の熱処理装置１０の概念図である。図２は本実施形態におけるＰＣ鋼棒の製造工程のフローチャートである。【００２５】
図１に示すように、鋼材の製造装置の一例としての熱処理装置１０は、鋼材の一例であるＰＣ鋼棒Ｗを搬送するピンチロール１１（搬送手段）と、焼入手段である焼入加熱コイル１２及び焼入冷却ジャケット１３と、ピンチロール１４（搬送手段）と、高周波誘導加熱を行う加熱手段としての焼戻加熱コイル１５と、冷却手段としての冷却ジャケット１６と、ピンチロール１７（搬送手段）と、が直線状の搬送経路に沿って配列されて構成され、ＰＣ鋼棒（鋼材）Ｗを搬送経路に沿って搬送しながら加熱及び冷却する機能を有する。【００２６】
処理の対象となるＰＣ鋼棒Ｗは、例えば図３に示すような中実の丸棒状であり、軸方向に沿って連続して搬送される。ＰＣ鋼棒Ｗは、例えば図４に示される成分を含んで構成されるがこれに限られるものではない。【００２７】
焼戻加熱コイル１５は、間を通過するＰＣ鋼棒Ｗを高周波誘導加熱する機能を有する。焼戻加熱コイル１５は、線径や搬送速度に合わせて適当なコイルターン数に設定される。本実施形態での焼戻加熱コイル１５のターン数は例えば６ターンであるがこれに限定されるものではない。なお比較対象としては、１７ターンのコイルを用いた従来品を例示している。図５に、一般的コイルターン数、線径、搬送速度の関係を示す。【００２８】
高周波誘導加熱による焼戻しでは、ＰＣ鋼棒Ｗ自体が発熱するが、この発熱部の深さは、焼戻加熱コイル１５のコイルターン数と周波数、入力電気エネルギー、加熱温度、加熱時間、放冷時間の組み合わせにより調節することができる。【００２９】
冷却ジャケット１６は通過するＰＣ鋼棒Ｗに冷却液を噴射して冷却する機能を有する。【００３０】
焼戻加熱コイル１５から冷却ジャケット１６までの距離は例えば５００ｍｍ以下に設定されている。なお、通常の処理装置ではこの距離は１９００ｍｍ程度であるが、本実施形態では加熱処理から冷却処理までの時間を短くするためにこの間の距離を短く設定した。【００３１】
本実施形態における熱処理の処理条件の一例を図６に示す。この処理条件は、後述の原理により、高周波誘導加熱した瞬間の加熱温度パターンの時間的な変化と、鋼の焼戻特性を利用して、出願人が見出したものである。この処理条件で連続に熱処理を施すことにより、１度の焼戻しで、表層部に低硬さの層を持つとともに、ある深さからは均一な硬さ分布を持ち、１４２０Ｎ／ｍｍ２以上の強度レベルとなる鋼棒Ｗを製造することが可能となる。【００３２】
本実施形態の処理条件は、周波数５０ｋＨｚ、焼入加熱温度１０００℃、焼戻加熱温度８０５℃、焼戻加熱時間０．１７ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間０．６３ｓとしている。ここで用いたＰＣ鋼棒は直径ｄ（呼び名）７．１ｍｍの細径ＰＣ鋼棒であり、引張強さが１４４０Ｎ／ｍｍ２程度になるよう焼戻加熱温度を調整している。【００３３】
比較対象の従来品の処理条件は周波数９．５ｋＨｚ、焼入加熱温度１０００℃、焼戻加熱温度６０３℃、焼戻加熱時間０．５９ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間３．４８ｓである。この従来品も直径ｄ（呼び名）７．１ｍｍの細径ＰＣ鋼棒であり、全断面平均引張強さが１４４０Ｎ／ｍｍ２程度になるよう焼戻加熱温度を調整している。なお、本実施形態の成分と従来品とは同成分とする。【００３４】
すなわち、本実施形態の焼戻加熱温度は比較対象とした従来品よりも高く、また焼戻加熱から冷却までの時間は従来品よりも短く設定されている。【００３５】
なお、焼戻温度については、従来の常識ではＡｃ１変態点（７２７℃）以上の焼戻温度で加熱することは“焼きが入るので不可能”とされているが、本実施形態では、高周波誘導加熱を用い、表面の急速な加熱と、加熱終了直後の急速な冷却を制御することで、Ａｃ１変態点以上の温度でも、急速な冷却を組み合わせることにより焼きが入らないようにすることが可能であることを見出した。【００３６】
本実施形態に係る熱処理装置１０においては、後述する原理に基づいて、ピンチロール１１等による送り速度、焼戻加熱コイル１５による加熱温度、加熱時間、焼戻加熱コイル１５と冷却ジャケット１６との距離、などを適切に設定、調節することにより、所望の硬さ分布を有するＰＣ鋼棒Ｗを得ることができる。【００３７】
以下、上記構成の熱処理装置１０の動作について図２のフロー図を参照して説明する。素材工程で引抜加工され連続した線状または棒状の鋼材である連続線材Ｗ０は、ピンチロール１１（搬送手段）により図１の左側から右側に連続搬送される。搬送される連続線材Ｗ０は、焼入工程で焼入加熱コイル１２によって誘導加熱により焼入温度に急速加熱された後、焼入冷却ジャケット１３により焼入冷却液噴射により急冷されて連続的に焼入れされる。【００３８】
焼入処理が施された連続線材Ｗ０は、焼戻加熱コイル１５を通過しながら加熱される。所定の焼戻温度に加熱された連続線材Ｗ０は、連続的に冷却液が噴射されている冷却ジャケット１６に搬送され、冷却ジャケット１６により急冷が開始される。冷却ジャケット１６を通過し、連続線材Ｗ０の全長が冷却され、焼戻熱処理が完了する。そして、Ｗ０はピンチロール１７により搬出される。熱処理を完了した後、連続線材Ｗ０（ＰＣ鋼棒Ｗ）は、加工・検査工程を経て成品（ＰＣ鋼棒Ｗ）とされる。【００３９】
次に、熱処理における処理条件を決定するための原理を説明する。【００４０】
以下に、処理条件を設定する基準となる新たなパラメータであるＮパラメータ値（焼戻進行値）について説明する。【００４１】
図７に、連続熱処理中の鋼材のある断面の加熱開始から０．８ｓまでの経過時間と温度変化の有限要素モデル（ＦＥＭ）を用いた伝熱解析によるシミュレーション結果を示す。表面から中心までの６箇所において、それぞれ横軸に経過時間を、縦軸に温度を示している。なお、ここでは加熱時間を０．１７ｓとしているので、グラフ中の０．８ｓまでのうち、最初（グラフ左側）の０．１７ｓは加熱時間であり、残りのグラフ右側の０．６３ｓは放冷時間となる。【００４２】
一般的な焼戻パラメータとして、長時間加熱の場合に成立するラーソン・ミラーのパラメータＰ＝Ｔ×（Ａ＋ｌｏｇｔ）［Ｔ：温度（Ｋ），Ａ：定数，ｔ：時間（ｈ）］が知られている。このパラメータＰの値が大きくなるほど、焼戻しが進行した状態（低硬さ）となる。【００４３】
一方、高周波誘導加熱が短時間加熱では、例として、図７に示すような高周波熱処理における急速加熱過程と急速冷却過程が成立している場合に、あるＮ値をパラメータとして設定できる。定義するＮ値（Ｎパラメータ値）は、ＰＣ鋼棒Ｗの温度の時間積分であり、下記式（１）で示される。
【数１】
2009123227.tif 000003
【００４４】
ここで、Ｔ：温度（℃）、ｔ：時間（ｓ）、ｔ０：熱処理時間（ｓ）とする。【００４５】
すなわち、このＮパラメータ値は、グラフにおける各曲線より下に囲む面積のことである。Ｎパラメータ値の値が大きくなるほど、焼戻しが進行した状態（低硬さ）となる。【００４６】
図７によれば、ｔ０を０．８としたとき、すなわち加熱開始から０．８ｓ時点であって、放冷時間が０．６３ｓの時点では、面積で示されるＮパラメータ値を比較すると、表層部は、中心部のＮパラメータ値より大きくなっており、かつ、おおよそ２ｍｍ以上の深さではＮパラメータの差はほとんど変わらない。したがって、この時点で冷却すれば、図９に示すような、表層部が低硬さで、低硬さ層終了部から中心部まではほぼ均一な硬さ分布をもつ状態を実現できる。なお、この実施形態の例においてはｔ０を０．８としたがこれに限られるものではなく、線径や鋼種等による各種条件に応じて適当な値を適用できる。【００４７】
図８に、ＦＥＭを用いたＰＣ鋼棒の伝熱解析による放冷時間と温度分布の関係を示すグラフを示す。ｒ（中心からの距離）／Ｒ（半径）を横軸に、温度を縦軸に示したものを０．３ｓ毎にそれぞれ示している。解析の条件は、形状；中実丸棒、半径；３．６５ｍｍ、材質；Ｓ４０Ｃ、発熱層深さ０．１５４ｍｍ、加熱時間０．１７ｓ、放冷時間０．６３ｓ、初期温度２０℃とした。なお、グラフ中のｔは、図７と対応した加熱開始からの時間で示しており、放冷を開始する０．１７ｓから放冷を終了する０．８ｓまでの解析結果を示している。したがって、ｔ＝０．８ｓが放冷時間０．６３ｓに該当する。【００４８】
図８に示すように、表層部の発熱による熱は、時間とともに、ＰＣ鋼棒中心や外部に伝達される。加熱初期は、表層部が高温、中心部は低温の温度分布を示すが、時間の経過とともに、表層と中心の温度が均一になる。ｔ＝０．８ｓ時点では、表層の温度Ｔｓ＝４３０℃、中心の温度＝４２９．１となる。【００４９】
図９は、ＰＣ鋼棒Ｗの断面硬さを測定したものであり、横軸に直径方向の位置、縦軸にビッカース硬さを表示している。硬さは、引張強さと対応しており、表層部が低硬さ（低強度）、低硬さ層終了部から中心部まではほぼ均一な硬さ分布を持つ状態を実現している。【００５０】
また、図８によれば、０．６３ｓより後においては均熱状態になっているため、冷却までの時間が長くなればなるほど、表層部と中心部のＮパラメータ値の差が無くなっていくことがわかる。【００５１】
図１０は、ＰＣ鋼棒Ｗの加熱開始から０．８ｓ後のＮパラメータ値とビッカース硬さを示す。Ｎパラメータ値とビッカース硬さは、対称の関係があり、よく一致し、硬さはＮパラメータで整理できることがわかる。【００５２】
以上の原理を整理すると、ＰＣ鋼棒Ｗの引張強さは、表面から中心までの焼戻しの進行状態であるＮパラメータ値で決定されるため、規格を満足するためにはある範囲が存在することがわかる。また、この範囲内で、できるだけ表層部と中心部のＮパラメータ値の差が大きくなるように、温度分布と冷却までの時間を制御することにより、所望の特性を有する鋼材を得られることがわかる。【００５３】
すなわち、高周波誘導加熱した瞬間の加熱温度パターンの時間的な変化と、鋼の焼戻特性を利用することにより、連続熱処理において、１度の焼戻しで、表層部に低硬さの層を、ある深さからは均一な硬さ分布を持ち、引張強さ、例えば１４２０Ｎ／ｍｍ２以上の強度を有する鋼材の製造方法が実現できる。【００５４】
一般に、引張強さが低いほど耐遅れ破壊性に優れていることが知られている。すなわち、表面に低硬さ部を有するＰＣ鋼棒Ｗは、優れた耐遅れ破壊性と、所定の引張強さを併せ持つＰＣ鋼棒であり、上記の方法によりこのようなＰＣ鋼棒Ｗを得ることができる。【００５５】
すなわち、高周波焼戻しでは、適当なコイルと周波数、入力電気エネルギー、加熱温度、加熱時間、放冷時間を選択することによって発熱部の深さを調節でき、シミュレーションで計算したパターンを実現できる。したがって、高周波加熱において冷却までの時間を調整することにより、ＰＣ鋼棒全体の引っ張り強さを規格に満たしながら、表層部のみ低硬さにできる。なお、高周波加熱以外の炉加熱の様な輻射方式の外部加熱は、短時間の過程において昇温も均熱もせず、ゆっくりと加熱し続けるため、鋼の焼戻特性上、半径方向に強度差をつけることはできないが、高周波加熱の場合は、例えば１ｓ以下等の短時間であるため、表層部以外の内部硬さが均一化されるという利点がある。【００５６】
このＮパラメータを元にして、高周波熱処理特有の温度分布（Ｎパラメータの差）を利用して、１度の焼戻しで表層部の硬さ分布を調整でき、かつ、鋼棒の引張強さの規格値を満足できる連続高周波熱処理ラインを実現することができる。【００５７】
例えば、表層のＮパラメータが中心のＮパラメータの１．５倍以上となるように設定することにより、所望の良好な表層部軟化を達成出来る。【００５８】
なお、Ｎパラメータは、１００ｋｇ／ｍｍ２級以上の鋼材に対して好適に使用でき、焼戻温度の制限から、Ｃ：０．１ｍａｓｓ％から０．５ｍａｓｓ％の普通鋼の鋼が好ましい。Ｎパラメータが原理として作用するための直径の範囲としては、例えば５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲が好ましい。【００５９】
すなわち、Ｎパラメータは高強度鋼の焼戻しを利用しており、高周波誘導加熱特有の、急速加熱によるオーバーシュートと鋼の伝熱性による速やかな均熱加熱への移行を利用しているため、上記範囲よりも大線径となると、所望の表層部軟化を達成出来る範囲（中心と表層のＮパラメータが１．５倍以上）であって、かつ、全体が均一で規格強度内になるような焼戻しを行うことは、困難になるからである。但し、本発明はこの範囲に限定されるものではなく、高周波焼戻上、この範囲を超える大線径以上でも適用可能である。【００６０】
さらに、このことは、時間的制約を示唆する。すなわち、Ｎパラメータの効率を示す図１１に示されるように、連続加熱ラインにおいて、全体が焼戻される状態を考慮した短時間、例えば図８における０．８ｓ以下の時間、で冷却することが好ましいことがわかる。すなわち、オーバーシュートの時間は非常に短いため、表層部のＮパラメータ値が中心部の１．５以上で無い場合では、焼戻しは周知の通り、ラーソン・ミラーのパラメータで進行するため、工業的な連続熱処理では、１０ｓ以上かかってしまうと高強度を確保出来ないので、上記Ｎパラメータの時間的制約が生じることとなる。【００６１】
図１１に、Ｎパラメータとビッカース硬さの関係を示す。Ｎパラメータ値と硬さは図中の式により決定されるため、適当なコイルと周波数、入力電気エネルギー、加熱温度、加熱時間、放冷時間を選択し、シミュレーションによりＮパラメータ値を推定しておけば目的の硬さを得ることができる。【００６２】
図１２にＰＣ鋼棒Ｗでの、中心と表層部のＮパラメータの比と加熱開始からの経過時間を示す。加熱開始から１ｓ程度までで、パラメータの値が１．５倍以上の状態を実現しており、表層部のみ低硬さが得られた。なお、上記熱処理方法により得られたＰＣ鋼棒Ｗは全断面焼き戻しマルテンサイト組織となっている。【００６３】
図１３に、上記熱処理方法により得られたＰＣ鋼棒Ｗの断面硬さ分布を示す。図１３において、横軸に表層からの距離を、縦軸にビッカース硬さを示す。図１３に示すように、通常のＰＣ鋼棒の断面硬さ分布が均一であるのに対し、本発明によるＰＣ鋼棒は、表層付近の硬さが低いものの、中心部の硬さは均一であることが確認できた。【００６４】
図１４に、本実施形態の熱処理で製造されたＰＣ鋼棒の軸方向の断面硬さ分布を示す。表層からの距離が異なる６箇所について、それぞれ縦軸にビッカース硬さを、横軸に基準点から軸方向における距離を示す。図１４に示すように、ＰＣ鋼棒Ｗの硬さ分布は軸方向に対してほぼ一定であることが確認できた。【００６５】
次に、上記ＰＣ鋼棒Ｗとして、図１５のＡ，Ｂに示す成分の異なる２種類の鋼種を適用した場合について、上記図６で示した条件の熱処理方法により熱処理を施した場合の、遅れ破壊試験結果を図１６に示す。なお、図１５で示す鋼種Ａ，鋼種Ｂ，鋼種Ｃ，鋼種Ｄのうち、鋼種Ａ，Ｂ，Ｃは丸棒のＰＣ鋼棒、鋼種Ｄは異形ＰＣ鋼棒を用いた。  図１７は、図１６に示す試験結果をグラフで表現したもので、縦軸に破断時間、横軸に累積破断確率をとったものであり、破断時間が長いほど耐遅れ破壊性に優れていることを示す。【００６６】
なお、遅れ破壊試験は５０℃に保った２０％ＮＨ４ＳＣＮ溶液に浸漬した状態で１４２０×０．７Ｎ／ｍｍ２の荷重を与えることで行った。【００６７】
図１７に示すように、本実施形態による熱処理を施した各種の鋼棒は通常の熱処理を施した鋼棒に比べて耐遅れ破壊性に優れていることが確認できた。【００６８】
また、図１７から、プロットが全体的に上にある（すなわち破断時間が長い）方が耐遅れ破壊性に優れていることが示される。つまり、図１７では本実施形態の条件で処理したＰＣ鋼棒が、従来品よりも、耐遅れ破壊性に優れていることが判る。【００６９】
さらに、上記の遅れ破壊試験でも破断しない鋼種に関してはノッチ２０を設けたサンプルを作製し、遅れ破壊試験を行った。ノッチ２０を設けたＰＣ鋼棒Ｗ１の構成を図１８、１９に示す。【００７０】
次に、上記ＰＣ鋼棒Ｗ１として、図１５のＣ，Ｄに示す成分の異なる２種類の鋼種を適用した場合について、上記図６で示したＰＣ鋼棒Ｗと同様の条件の熱処理方法により熱処理を施した場合の、遅れ破壊試験結果を図２０に示す。また、この累積破断確率を図２１に示す。【００７１】
なお、遅れ破壊試験は５０℃に保った２０％ＮＨ４ＳＣＮ溶液に浸漬した状態で１４２０×０．８Ｎ／ｍｍ２の荷重を与えることで行った。図２１は、図２０に示す結果を、縦軸に破断時間、横軸に累積破断確率をとったもので、破断時間が長いほど耐遅れ破壊性に優れていることを示す。【００７２】
図２２に、Ｗ１に形成されたノッチ２０の深さと破断時間との関係を示す。ノッチ２０を設けたＰＣ鋼棒Ｗ１でも本熱処理による鋼棒は通常の熱処理による鋼棒に比べて耐遅れ破壊性に優れていることが確認できた。縦軸に平均破断時間、横軸にノッチ２０深さを示す。本実施形態による耐遅れ破壊性向上効果は、深さ０．４ｍｍから急激に低下していることがわかる。今回用いたＰＣ鋼棒Ｗ１の直径が７．２ｍｍであるので、表層からサンプル半径の１０％、つまり表層からは０．３６ｍｍ程度までは本実施形態の効果が確認できた。【００７３】
本実施形態に係るＰＣ鋼棒、ＰＣ鋼棒の熱処理方法及び熱処理装置によれば、以下のような効果が得られる。  
高周波誘導加熱による表面加熱と鋼の焼戻性能を融合させることで、単純な処理で耐遅れ破壊性に優れたＰＣ鋼棒を得ることができる。すなわち、加熱した瞬間の温度パターンの時間的な変化と、焼戻特性を用いることにより、所定の処理条件を満たす一度の焼戻しで、単純な処理で、部位によって硬さが異なる鋼材を得ることができる。【００７４】
高周波誘導加熱により、一般的には焼きが入るために適用されていなかった７２０℃以上の温度を適用することができる、表層が十分軟らかい層を作ることが可能な条件を見出した。さらに高周波により急速短時間加熱する焼入焼戻熱処理は、通常の炉加熱による熱処理に比して高強度で高い靭性が得られる
また、上記のようにシミュレーション結果を用いて、焼戻特性と伝熱特性とに基づいた熱処理条件を見出すことにより、あらゆる鋼材に対応する適切な条件を容易に見出すことができる。【００７５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、具体的な処理条件は、対象となる鋼材の鋼種や、求める強度規格や硬さの分布、装置の仕様等に応じて適宜変更可能である。また設定する熱処理の処理条件も上記に限られるものではない。【００７６】
また、図２３に示す熱処理装置１０１のように、上記第１実施形態の熱処理装置１０に加えて、処理対象の鋼材についての各種情報を検出する検出手段２１、有限要素法を用いて上記図７，８で示すようなシミュレーション結果を算出する算出手段２２、このシミュレーション結果に応じて装置１０１の各条件を調整するよう制御するＣＰＵ等の制御手段２３、制御手段２３の制御に応じて各種設定を調整する調整手段２４を備え、対応する鋼材の情報に基づいて熱処理条件を制御調節できるように構成してもよい。この場合には例えば、ピンチロール１１，１４、１７の送り機構の速度や冷却ジャケット１６の位置を調整することで、焼戻しから冷却までの時間を制御することができる。また、制御手段２３により加熱温度や周波数等の他の熱処理条件も制御できるように構成してもよい。この場合にも上記第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、鋼材の情報については、ユーザが入力するようにしてもよい。【００７７】
［第２実施形態］
以下本発明の第２実施形態について、図２４乃至図２７を参照して説明する。なお、処理の対象となる鋼材を異形ＰＣ鋼棒Ｗｃとした点以外については上記第１実施形態と同様であるため、共通する説明を省略する。【００７８】
なお、本実施形態にかかる熱処理を表層軟化処理、この表層軟化処理による鋼材（ここでは異形ＰＣ鋼棒Ｗｃ）を表層軟化材、比較対象となる比較例としての熱処理を比較熱処理、この比較熱処理による異形ＰＣ鋼棒を比較熱処理材、と称する。【００７９】
本実施形態においては図２４に示すように、鋼材として、表層に連続する一様な螺旋状の溝を有する異形ＰＣ鋼棒Ｗｃを処理対象とした。製造装置及び製造工程は第１実施形態と同様に、図１に示す熱処理装置１０を用い、図２に示す製造工程によって処理を行った。すなわち、本実施形態は、処理対象となる鋼材の形状、成分、径等が異なるのみであるので、第１実施形態と同様の原理及び同様のパラメータにより、熱処理条件が決定される。【００８０】
本実施形態では、処理対象として、図２５に示す成分を含む異形ＰＣ鋼棒Ｗｃを用いる場合について例示するがこれに限られるものではない。【００８１】
図２６に、本実施形態にかかる異形ＰＣ鋼棒Ｗｃの熱処理条件と、比較対象となる比較熱処理の熱処理条件を示す。本実施形態（表層軟化材）の異形ＰＣ鋼棒Ｗｃの熱処理条件は、周波数５０ｋＨｚ、焼入加熱温度１０００℃、焼戻加熱温度８０５℃、焼戻加熱時間０．１７ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間０．６３ｓとしている。ここで用いた異形ＰＣ鋼棒Ｗｃは直径ｄｂ（呼び名）７．１ｍｍの異形ＰＣ鋼棒であり、全断面引張強度を１４００Ｎ／ｍｍ２程度になるよう調整している。【００８２】
比較処理条件は周波数９．５ｋＨｚ、焼入加熱温度１０００℃、焼戻加熱温度６０３℃、焼戻加熱時間０．５９ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間３．４８ｓである。この比較熱処理材も直径７．１ｍｍの異形ＰＣ鋼棒であり、全断面平均引張強さが１４００Ｎ／ｍｍ２程度になるよう調整している。なお、本実施形態の表層軟化材の異形ＰＣ鋼棒Ｗｃの成分と比較熱処理材の成分とは同成分とする。【００８３】
図２７に、本実施形態における異形ＰＣ鋼棒Ｗｃの熱処理の経過時間と温度変化の関係のシミュレーション結果を示す。ここでは表面からの距離に応じた経過時間と温度との関係を示している。【００８４】
この図２７から判るように、中心部に比べ表層部では、図中斜線部の面積が大きいことがわかる。すなわち、この表層部においては高温で長時間保持された状態となり、硬さが大きく低下することとなる。【００８５】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち高周波誘導加熱による表面加熱と鋼の焼戻性能を融合させることで、単純な処理で耐遅れ破壊性に優れた異形ＰＣ鋼棒を得ることができる。すなわち、加熱した瞬間の温度パターンの時間的な変化と、焼戻特性を用いることにより、所定の処理条件を満たす一度の焼戻しで、単純な処理で、部位によって硬さが異なる異形ＰＣ鋼棒を得ることができる。さらに高周波により急速短時間加熱する焼入焼戻熱処理は、通常の炉加熱による熱処理に比して高強度で高い靭性が得られる。【００８６】
［第３実施形態］
以下本発明の第３実施形態について、図２８乃至図３７を参照して説明する。なお、処理の対象となる鋼材の一例としてばね鋼線Ｗｓを用いた点以外については上記第１実施形態と同様であるため、共通する説明を省略する。【００８７】
なお、本実施形態にかかる熱処理を表層軟化処理、この表層軟化処理による鋼材（ここではばね鋼線Ｗｓ）を表層軟化材、比較例としての熱処理を比較熱処理、この比較熱処理によるばね鋼線を比較熱処理材、と称する。【００８８】
本実施形態では、処理対象となる鋼材を、図２８に示すばね鋼線Ｗｓとした。熱処理装置及び製造工程は第１実施形態と同様であり、図１に示す熱処理装置１０を用いるとともに、図２に示す製造工程で処理を行った。すなわち、本実施形態は、処理対象となる鋼材の成分、径、等が異なるのみである。したがって、第１実施形態と同様の原理及び同様のパラメータを用いて熱処理条件が決定される。【００８９】
本実施形態では、処理対象として、図２９に示す成分を含んで構成されるばね鋼線Ｗｓを用いる場合について例示するが、これに限られるものではない。【００９０】
図３０に、本実施形態にかかる熱処理と、比較例としての比較熱処理の、熱処理条件を示す。本実施形態にかかる表層軟化処理の熱処理条件は、周波数５０ｋＨｚ、焼入加熱温度９５０℃、焼戻加熱温度７８９℃、焼戻加熱時間０．４ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間２．６ｓとする。【００９１】
ここで用いたばね鋼線Ｗｓは直径ｄｓ＝１２．０ｍｍのばね鋼線であり、全断面引張強度が１９００Ｎ／ｍｍ２程度になるよう調整している。【００９２】
比較例としての比較熱処理条件は周波数９．５ｋＨｚ、焼入加熱温度９５０℃、焼戻加熱温度４９５℃、焼戻加熱時間１．７ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間１１．１ｓである。【００９３】
比較熱処理材も直径１２．０ｍｍのばね鋼線であり、全断面平均引張強さが１９００Ｎ／ｍｍ２程度になるよう調整している。なお、本実施形態のばね鋼線Ｗｓと比較熱処理材とは同成分とする。【００９４】
図３１に、本実施形態におけるばね鋼線Ｗｓの熱処理の経過時間と温度変化の関係のシミュレーション結果を示す。ここでは表面からの距離に応じた経過時間と温度との関係を示している。【００９５】
この図３１から判るように、中心部に比べ表層部では、図中斜線部の面積が大きいことがわかる。すなわち、この表層部においては高温で長時間保持された状態となり、硬さが大きく低下することとなる。【００９６】
図３２に、表層からの距離と、硬さの分布を示す。縦軸に硬さ［ＨＶ０．３］を示し、横軸に表層からの距離［ｍｍ］を示す。図３２においては、比較例としての熱処理がなされたばね鋼線（比較熱処理材）と、本実施形態の熱処理条件で処理を行ったばね鋼線Ｗｓ（表層軟化材）の硬さの分布をそれぞれ示す。【００９７】
比較熱処理材は、表層からの距離が変化しても硬さがほとんど変化していない。一方、本実施形態にかかる熱処理を施したばね鋼線Ｗｓでは、表層付近において、表層からの距離が大きくなるにつれて、硬さが大きくなるように変化していることがわかる。すなわち、表層から１ｍｍの範囲ではＨｖ＜５００となっている。【００９８】
なお、図３３に示すように、一般的に、硬さ［Ｈｖ］＞５００では、疲労試験を行った場合に介在物を起点とした早期折損を生じやすくなる。したがって、本実施形態の熱処理条件で処理することにより表層を軟化させたばね鋼線Ｗｓ（表層軟化材）では、疲労特性が改善される。【００９９】
図３４に、比較例としての比較熱処理材の回転曲げ疲労試験の結果として、表層から介在物までの距離と、耐久回数の関係を示す。図３５に、比較熱処理材における表層から介在物までの距離と耐久回数の関係をグラフにしたものを示す。図３４、図３５より、比較熱処理材では、表層から介在物への距離が大きいほど、耐久回数が増加する傾向が認められる。【０１００】
図３６に、本実施形態により処理されたばね鋼線Ｗｓ（表層軟化材）の回転曲げ疲労試験の結果として、ばね鋼線Ｗｓにおける、表層から介在物までの距離と、耐久回数の関係を示す。【０１０１】
回転曲げ疲労試験の結果は、いずれも、ショットピーニング後、回転曲げ疲労試験を実施した場合を例示する。試験条件は、応力振幅：７００ＭＰａ、回転速度２０００ｒｐｍ、とした。１０００万回まで試験を行った。グラフ中「＞１０００」は１０００万回後も破断していないことを示す。【０１０２】
図３４と図３６を比べると、本実施形態のばね鋼線Ｗｓ（表層軟化材）では、比較例のばね鋼線（比較熱処理材）に比べて大幅に耐久回数が増加しており、疲労特性が改善していることがわかる。また、本実施形態のばね鋼線Ｗｓ表層軟化材では折損は全て表層を起点として生じていることが認められる。【０１０３】
図３７は、断面硬さ、残留応力及び応力振幅の分布を示すグラフである。横軸に、表層からの距離［ｍｍ］を示す。縦軸に、硬さ［ＨＶ０．３］、応力振幅［ＭＰａ］、残留応力［ＭＰａ］を示す。【０１０４】
残留応力の分布はいずれも同様の分布となっており、表層から０．１ｍｍ付近で最大の圧縮応力を示した後、０．２ｍｍ以上では引張応力を示している。【０１０５】
このグラフから判るように、比較熱処理材では硬さが高く、同じ応力振幅の場合に靭性が低いため残留応力が引張である表層から０．２〜１．０ｍｍの範囲において、介在物を起点とした早期折損が起こる。【０１０６】
一方、表層軟化材である本実施形態のばね鋼線Ｗｓでは、表層の硬さが低く靭性が高いため、上記０．２〜１．０ｍｍ程度の表層に近い範囲においても、介在物を起点とした疲労亀裂の発生が抑制される。このため、耐久回数が大幅に向上する。【０１０７】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち高周波誘導加熱による表面加熱と鋼の焼戻性能を融合させることで、単純な処理で耐遅れ破壊性に優れたばね鋼線を得ることができる。すなわち、加熱した瞬間の温度パターンの時間的な変化と、焼戻特性を用いることにより、所定の処理条件を満たす一度の焼戻しで、単純な処理で、部位によって硬さが異なるばね鋼線を得ることができる。さらに高周波により急速短時間加熱する焼入焼戻熱処理は、通常の炉加熱による熱処理に比して高強度で高い靭性が得られる。【０１０８】
さらに本実施形態で製造されるばね鋼線Ｗｓによれば、残留応力が引張である表層から０．２〜１．０ｍｍの範囲において軟化させることにより、介在物を起点とした早期折損を起こりにくくするという効果が得られる。【０１０９】
なお、本実施形態においては、一例として図２９に示す成分を示したが、これに限られるものではない。他の例として、例えば図３８に示すような成分を含む鋼種Ｅ〜鋼種Ｉが挙げられる。これらの鋼材であっても、上記と同様の処理により、表層付近を軟化させることができ、高強度、高靭性を得ることができるとともに、介在物を起点とした早期折損を防止することが出来る。なお、図３８の表の最下段は、例示した複数のばね鋼線に含まれる各成分を範囲で示したものである。【０１１０】
［第４実施形態］
以下本発明の第４実施形態について、図３９乃至図４５を参照して説明する。なお、処理の対象となる鋼材の一例としてボルトＷｂを用いた点以外については上記第１実施形態と同様であるため、共通する説明を省略する。【０１１１】
なお、本実施形態にかかる熱処理を表層軟化処理、この表層軟化処理によるボルトＷｂを表層軟化材、比較例としての熱処理を比較熱処理、この比較熱処理によるボルトを比較熱処理材、と称する。【０１１２】
本実施形態においては図３９に示すボルトＷｂを処理対象とした。製造装置及び製造工程は第１実施形態と同様であり、図１に示す製造装置を用いるとともに、図２に示す製造工程によって処理を行った。すなわち、本実施形態は、処理対象となる鋼材の形状、成分、径等が異なるのみであるので、第１実施形態と同様の原理及び同様のパラメータにより、熱処理条件が決定される。【０１１３】
本実施形態では、処理対象として、図４０に示す成分を含むボルトＷｂを用いる場合について例示するがこれに限られるものではない。【０１１４】
図４１に、本実施形態にかかる熱処理と比較熱処理におけるボルトＷｂの熱処理条件を示す。本実施形態（表層軟化材）の熱処理条件は、周波数５０ｋＨｚ、焼入加熱温度１０００℃、焼戻加熱温度７８０℃、焼戻加熱時間０．１５ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間０．６１ｓとしている。【０１１５】
ここで用いたボルトＷｂは直径ｄｂ＝７．１ｍｍのボルトであり、全断面引張強度を１６００Ｎ／ｍｍ２程度になるよう調整している。【０１１６】
比較熱処理条件は周波数９．５ｋＨｚ、焼入加熱温度１０００℃、焼戻加熱温度４８０℃、焼戻加熱時間０．６１ｓ、焼戻加熱から冷却までの時間３．５０ｓである。この比較熱処理材も直径７．１ｍｍのボルトであり、全断面平均引張強さが１６００Ｎ／ｍｍ２程度になるよう調整している。なお、本実施形態の表層軟化材のボルトＷｂの成分と比較熱処理材の成分とは同成分とする。また、いずれの熱処理も、ボルトのバー材Ｗｂ１にねじを転造加工する前に行われることとする。【０１１７】
図４２に、本実施形態におけるボルトＷｂの熱処理の経過時間と温度変化の関係のシミュレーション結果を示す。ここでは表面からの距離に応じた経過時間と温度との関係を示している。【０１１８】
この図４２から判るように、中心部に比べ表層部では、図中斜線部の面積が大きいことがわかる。すなわち、この表層部においては高温で長時間保持された状態となり、硬さが大きく低下することとなる。【０１１９】
図４３に、比較例としての比較熱処理条件で処理を行ったボルト（比較熱処理材）と、本実施形態の熱処理条件で処理を行ったボルトＷｂ（表層軟化材）の硬さの分布をそれぞれ示す。縦軸に硬さ［ＨＶ０．３］を示し、横軸に表層からの距離［ｍｍ］を示す。【０１２０】
図４３においては、比較熱処理材は、表層からの距離が変化しても硬さがほとんど変化していない。一方、本実施形態にかかる熱処理を施したボルトＷｂ（表層軟化材）では、表層付近において、表層からの距離が大きくなるにつれて、硬さが大きくなるように変化していることがわかる。すなわち、表層から１．０ｍｍの範囲ではＨｖ＜５００となっている。【０１２１】
本実施形態の熱処理条件で処理したボルトＷｂ（表層軟化材）では、比較熱処理材に比べて遅れ破壊特性が改善される。【０１２２】
図４４に、本実施形態のボルトＷｂ（表層軟化材）と、比較熱処理材との、遅れ破壊試験結果を比較した表を示す。ここで、遅れ破壊試験は、ボルトＷｂのバー材Ｗｂ１の全長にねじ転造加工後に、試験を実施した。ねじの深さは０．７ｍｍとした。遅れ破壊試験の条件は、２０％ＮＨ４ＳＣＮ溶液に浸漬させた状態として、試験温度：５０℃とし、ねじ部の引張強さ１５３０Ｎ／  ｍｍ２×０．７の引っ張り力を与えた。試験は、載荷方法、定ひずみ法を用い、２００時間経過まで行った。図中「＞２００」は２００時間後も破断していないことを示す。【０１２３】
図４５は、本実施形態の表層軟化材と比較熱処理材の累積破断確率と破断時間の関係を示すグラフである。横軸に、累積破断確率［％］を示し、縦軸に破断時間［ｈ］を示す。【０１２４】
図４４、図４５によれば、比較熱処理材では３０〜１３０時間で破断しているのに対し、表層軟化材では全ての試料で２００時間以上経過しても破断していないことがわかる。したがって、表層軟化処理を行うことにより、耐遅れ破壊特性の向上が認められる。【０１２５】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち高周波誘導加熱による表面加熱と鋼の焼戻性能を融合させることで、単純な処理で耐遅れ破壊性に優れたボルトを得ることができる。すなわち、加熱した瞬間の温度パターンの時間的な変化と、焼戻特性を用いることにより、所定の処理条件を満たす一度の焼戻しで、単純な処理で、部位によって硬さが異なるボルトを得ることができる。さらに高周波により急速短時間加熱する焼入焼戻熱処理は、通常の炉加熱による熱処理に比して高強度で高い靭性が得られる。【０１２６】
なお、本実施形態においては、一例として図４０に示す成分を示したが、これに限られるものではない。【０１２７】
なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、具体的な処理条件は、対象となる鋼材の形状、鋼種、成分、求める強度規格や硬さの分布、装置の仕様等に応じて適宜変更可能である。また設定する熱処理の処理条件も上記に限られるものではない。【０１２８】
ここでは一例として、第１乃至第４実施形態において、それぞれＰＣ鋼棒、異形ＰＣ鋼棒、ばね鋼線、ボルトを例示したが、いずれにおいても同様の原理を用いた処理で同様の結果が得られている。本発明の概念は、これらの例示した鋼種に限られることなく、他の種類の鋼材に広く適用できるものである。【０１２９】
また、各実施形態においては焼き入れ処理により高強度化した鋼材に焼き戻し処理を行って表層軟化させる場合について説明したが、この他、伸線、ストレッチの強加工や、浸炭等の処理によって高強度化した鋼材を用いてもよい。【０１３０】
また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明によれば、単純な処理で、部位によって硬さが異なる鋼材、鋼材の製造方法及び鋼材の製造装置を提供することが可能となる。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【国際調査報告】
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