(57)【要約】【課題】鋼材部品の全体を一様に熱処理する場合でも、自己熱焼戻し時の温度差を小さくできる鋼材部品の熱処理方法を提供する。【解決手段】熱容量が相対的に小さい第１部分１２１，１２２と相対的に大きい第２部分１２５とを有する鋼材部品１２の全体を、そのＡ３変態点以上の温度に加熱する工程と、第１部分の温度が、鋼材部品のＭｓ点より所定温度ΔＴ１だけ高い第１温度に下降するまで鋼材部品の全体を冷却する工程と、鋼材部品の全体の冷却を停止し、第１部分の温度と第２部分の温度との温度差が所定値以下になるまで保持する工程と、第１部分の温度及び第２部分の温度がＭｓ点以下に下降し、第２部分の温度が目標焼戻し温度より所定温度ΔＴ２だけ高い第２温度に達するまで、鋼材部品の全体を冷却する工程と、鋼材部品の全体の冷却を停止し、第１部分の温度と第２部分の温度とが、目標焼戻し温度を維持した状態で目標焼戻し時間が経過するまで保持する工程とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱容量が相対的に小さい第１部分と相対的に大きい第２部分とを有する鋼材部品の全体を、そのＡ３変態点以上の温度に加熱する工程と、
前記第１部分の温度が、鋼材部品のＭｓ点より所定温度だけ高い第１温度に下降するまで前記鋼材部品の全体を冷却する工程と、
前記鋼材部品の全体の冷却を停止し、前記第１部分の温度と前記第２部分の温度との温度差が所定値以下になるまで保持する工程と、
前記第１部分の温度及び前記第２部分の温度が前記Ｍｓ点以下に下降し、前記第２部分の温度が目標焼戻し温度より所定温度だけ高い第２温度に達するまで、前記鋼材部品の全体を冷却する工程と、
前記鋼材部品の全体の冷却を停止し、前記第１部分の温度と前記第２部分の温度とが、前記目標焼戻し温度を維持した状態で目標焼戻し時間が経過するまで保持する工程と、を備える鋼材部品の熱処理方法。
【請求項２】
前記第１部分の温度が、鋼材部品のＭｓ点より１０〜３０℃高い第１温度に下降するまで前記鋼材部品の全体を冷却する請求項１に記載の鋼材部品の熱処理方法。
【請求項３】
前記鋼材部品の全体の冷却を停止し、前記第１部分の温度と前記第２部分の温度との温度差が１０℃以下になるまで保持する請求項１又は２に記載の鋼材部品の熱処理方法。
【請求項４】
前記第１部分の温度及び前記第２部分の温度が前記Ｍｓ点以下に下降し、前記第２部分の温度が目標焼戻し温度より０〜４０℃高い第２温度に達するまで、前記鋼材部品の全体を冷却する請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼材部品の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材部品の熱処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硬度を必要とする部分と靭性を必要とする部分が混在する鋼製品を焼入れする場合に、両部分を高周波加熱法で焼入れ温度まで加熱し、硬度を必要とする部分は、マルテンサイト変態域に到達するまでの所定時間だけ強制冷却する一方、靭性を必要とする部分は、所定時間より短い一定時間だけ強制冷却し、冷却時間を制御して組織を制御し、残りの時間は強制冷却を行わないようにする鋼製品の焼入れ方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４０６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の焼入れ方法は、既に高周波加熱工程が組まれている場合には、比較的容易に実現できる方法であるが、通常の焼入れや浸炭焼入れなど、部品を全体加熱しする場合には、工程や加熱装置が複雑になり容易に実現できる方法ではない。特に、通常の焼入れや浸炭焼入れなど、部品全体を加熱する工程に自己熱焼戻しを適用すると、スリットを有する部品のように形状が複雑なものは、部品内での質量差（熱容量差）が大きいので、オーステナイト化した温度から自己熱焼戻しの温度域に冷却するまでの間において、部品内に温度差が生じ、均一な焼戻し効果が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、鋼材部品の全体を一様に熱処理する場合においても、自己熱焼戻し時の温度差を小さくできる鋼材部品の熱処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、熱容量が相対的に小さい第１部分と相対的に大きい第２部分とを有する鋼材部品の全体を、そのＡ３変態点以上の温度に加熱し（第１工程）、前記第１部分の温度が、鋼材部品のＭｓ点より所定温度だけ高い第１温度に下降するまで前記鋼材部品の全体を冷却し（第２工程）、前記鋼材部品の全体の冷却を停止し、前記第１部分の温度と前記第２部分の温度との温度差が所定値以下になるまで保持し（第３工程）、前記第１部分の温度及び前記第２部分の温度が前記Ｍｓ点以下に下降し、前記第２部分の温度が目標焼戻し温度より所定温度だけ高い第２温度に達するまで、前記鋼材部品の全体を冷却し（第４工程）、前記鋼材部品の全体の冷却を停止し、前記第１部分の温度と前記第２部分の温度とが、前記目標焼戻し温度を維持した状態で目標焼戻し時間が経過するまで保持する（第５工程）ことによって、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第２工程で第１部分の温度が、鋼材部品のＭｓ点より所定温度だけ高い第１温度に下降するまで鋼材部品の全体を冷却し、第３工程で鋼材部品の全体の冷却を停止し、第１部分の温度と第２部分の温度との温度差が所定値以下になるまで保持する。これにより、焼入れ前の状態において鋼材部品の全体の温度が均一になり、この状態から、第４工程で第１部分の温度及び第２部分の温度がＭｓ点以下に下降し、第２部分の温度が目標焼戻し温度より所定温度だけ高い第２温度に達するまで冷却することで焼入れを行う。そして、これに続く第５工程で冷却を停止し、第１部分の温度と第２部分の温度とが、目標焼戻し温度を維持した状態で目標焼戻し時間が経過するまで保持することで自己熱焼戻しを行う。その結果、鋼材部品の全体を一様に熱処理する場合であっても、自己熱焼戻し時の温度差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る鋼材部品の熱処理方法の一実施の形態を示す工程フロー図である。
【図２】本発明に係る鋼材部品の熱処理方法の一実施の形態の熱処理を示す温度曲線である。
【図３】本発明に係る鋼材部品の一実施の形態を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図３は、本発明に係る鋼材部品の一実施の形態を示す分解斜視図である。図３に示す部品１は、第１鋼材部品１１と、第２鋼材部品１２と、第３部品１３とを備える。以下、部品１の構成を説明するが、本実施形態に係る熱処理方法の対象とされる鋼材部品は、少なくとも熱容量が相対的に小さい壁部１２１，１２２（第１部分）と、相対的に大きい基部１２５（第２部分）とを有する第２鋼材部品１２を例示することができる。
【００１０】
第１鋼材部品１１は、中空状（又は中実状であってもよい）の鋼材部品であって、第３部品１３の第２孔１３１に摺接する外面の範囲に、摺動抵抗を低減するための、例えば、ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）などの被膜１１１が形成されている。この第１鋼材部品１１は、第２鋼材部品１２の一対の第１孔１２３，１２４に焼嵌めにより嵌合されるとともに、第３部品の第２孔１３１に挿通される。
【００１１】
第２鋼材部品１２は、基部１２５と、当該基部１２５から間隔をあけて立設された一対の壁部１２１，１２２とを備える。一対の壁部１２１，１２２のそれぞれには、第１鋼材部品１１が嵌合される第１孔１２３，１２４が形成されている。第１鋼材部品１１の外径寸法と第１孔の内径寸法は所定の嵌め合い寸法に加工されている。また、一対の壁部１２１，１２２の間には、第３部品１３の一端が挿入され、第１鋼材部品１１を第２孔１３１に挿通させ、第１孔１２３，１２４に嵌合させることで、第３部品１３は第２鋼材部品１２に対して回動可能に支持される。
【００１２】
第３部品１３は、一端に第１鋼材部品１１が挿通する第２孔が形成されている、そして、これら第１鋼材部品１１、第２鋼材部品及び第３部品１３を組み立てることで、部品１はリンクなどの機械要素を構成する。ここで、第２鋼材部品１２は、質量（すなわち熱容量）が大きい基部１２５から、一対の壁部１２１，１２２が立設されて成り、壁部１２１，１２２は、基部１２５に比べて質量（すなわち熱容量）が小さい。上述したとおり、壁部１２１，１２２が第１部分に相当し、基部１２５が第２部分に相当する。
【００１３】
さて、鋼材部品の強度を向上させる熱処理として、一般的に焼入れが用いられる。焼入れは、鋼材がオーステナイト化するＡ３変態点以上の温度に加熱した後、Ｍｓ点（マルテンサイト変態の生成が開始される温度）まで急冷することによって無拡散変態（マルテンサイト化）し、硬さの向上を図る熱処理法である。そして、無拡散変態することによって、鋼材部品は体積膨張する。このとき、鋼材部品に熱容量の偏在があると、膨張する体積量が変動したり、膨張するタイミングが相違したりするため、鋼材部品が変形する可能性がある。
【００１４】
また、焼入れ後には、量の多少はあるが、残留オーステナイトが発生する。この残留オーステナイトは、不安定な状態であり、そのままにしておくと、鋼材部品の使用状況や気温変化などによって、遅れてマルテンサイト変態し、この体積膨張により部分的に引張応力が発生するため、鋼材部品の割れや変形の原因となる。このため、残留オーステナイトをなくす処理、すなわち靭性の向上を目的として、焼戻しを実施する。焼戻しには、歪取り焼戻し、応力除去焼戻しなど目的別に数種類あるが、一般的な場合の焼戻しの使用温度域は１５０℃〜１８０℃で、おおよそ１時間（炉加熱）の処理である。焼戻しの温度と時間は、焼戻し進行度により決定される。こうした焼戻しの効果を得た上で、時間を短縮する場合には、焼戻しパラメータＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ  ｔ）に適合する温度を設定する。なお、Ｔは焼戻し温度、ｔは焼戻し時間、Ｃは材料定数である。しかしながら、鋼材部品内に熱容量の偏在があると、短時間で鋼材部品の全体を均一な温度に加熱するのは難しい。特に上記従来技術のように部分的に加熱温度が調節できる高周波コイルを用いた加熱装置を使用せずに、鋼材部品の全体を一様に加熱又は冷却する熱処理炉を用いた場合には、短時間で鋼材部品の全体を均一な温度に加熱するのは困難である。
【００１５】
そこで本発明者らは、鋼材部品の全体を一様に冷却する熱処理炉を用い、内部に熱容量の偏在がある鋼材部品を焼入れする場合に、冷却プロファイルを工夫すれば、熱容量が小さい部位と大きい部位の、Ｍｓ点の通過タイミングを極力抑制することができることを知見した。これにより鋼材部品の変形を抑制することができた。さらに本発明者らは、続くＭｓ点通過後における冷却プロファイルを工夫すれば、自己熱により焼戻しが実現できることを知見した。これにより、専用の焼戻し設備を用いることなく、短時間で鋼材部品の全体を均一な焼戻し温度に維持することができた。
【００１６】
こうした熱処理工程の一実施の形態を図１及び図２に示す。図１は、本発明に係る鋼材部品の熱処理方法の一実施の形態を示す工程フロー図、図２は、同じく熱処理を示す温度曲線である。図２の上部に、図１に示す各工程ＳＴ１〜ＳＴ６を対応付けて示している。
【００１７】
図１のステップＳＴ１では、第２鋼材部品１２の部品表面を硬くして耐摩耗性を高めるために、部品表面の金属組織がオーステナイト組織になる温度、すなわちＡ３変態点以上の温度まで加熱する。以下、第２鋼材部品１２の材料が、クロム鋼鋼材ＳＣＲ４２０からなるものとして、具体的な温度を例示する。クロム鋼鋼材ＳＣＲ４２０とは、鉄以外の成分として、Ｃを０．１８〜０．２３％，Ｃｒを０．９０〜１．２０％，Ｓｉを０．１５〜０．３５％，Ｍｎを０．６０〜０．９０％，Ｐを０．０３％以下，Ｓを０．０３％以下，Ｎｉを０．２５％以下含む鋼材である。ただし、本発明に係る鋼材部品はクロム鋼鋼材にのみ限定されず他の鋼材をも用いることができる。また、クロム鋼鋼材からなる場合であっても、例示する温度には何ら限定されるものではない。ステップＳＴ１における加熱温度は、ＳＣＲ４２０の場合、例えば８００〜９００℃である。なお、ステップＳＴ１は、図２の時間ｔ０近傍に相当し、その温度曲線は省略した。
【００１８】
ステップＳＴ２では、第２鋼材部品１２を急冷することで、硬く緻密なαマルテンサイト組織を生成する焼入れ処理が開始される。ここで、熱容量が相対的に小さい壁部１２１，１２２（第１部分）の温度が、鋼材部品のＭｓ点より所定温度ΔＴ１だけ高い第１温度（Ｍｓ＋ΔＴ１）に下降するまで、第２鋼材部品１２の全体を一様に冷却する。図２の温度曲線において、点線が、熱容量が相対的に小さい壁部１２１，１２２（第１部分）の温度を示し、実線が、熱容量が相対的に大きい基部１２５（第２部分）の温度を示す。時間ｔ１において、熱容量が相対的に小さい壁部１２１，１２２（第１部分）の温度が、第１温度（Ｍｓ＋ΔＴ１）まで下降している。ＳＣＲ４２０からなる第２鋼材部品１２の場合、Ｍｓ点が４３０℃、時間ｔ１における壁部１２１，１２２（第１部分）の第１温度が、４５０〜４７０℃、時間ｔ１における基部１２５（第２部分）の温度が、５７０〜６７０℃である。ここで、ステップＳＴ２の冷却を停止する第１温度とＭｓ点との差、すなわち所定温度ΔＴ１は、１０〜３０℃であることが望ましい。
【００１９】
ステップＳＴ３では、ステップＳＴ２で実施していた第２鋼材部品１２の全体の冷却を停止し、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度と、基部１２５（第２部分）の温度との温度差が所定値以下になるまで保持する。このステップＳＴ３では、冷却を停止するとともに、第２鋼材部品１２に対して外部から熱の入出力がない環境、例えば熱処理炉内にて保持する。図２に示す時間ｔ１においては、熱容量が小さい壁部１２１，１２２の温度下降が、熱容量が大きい基部１２５の温度下降に対して大きく、壁部１２１，１２２と基部１２５とに温度差が生じているが、時間ｔ１〜ｔ２の間のステップＳＴ３では、外部からの熱の入出力がない状態であるため、基部１２５から壁部１２１，１２２へ熱が移動する。これにより、時間ｔ１〜ｔ２において、壁部１２１，１２２の温度が上昇するとともに基部１２５の温度が下降し、時間ｔ２において両温度が等しいか又は近似する。このときの温度差（所定値）は、１０℃以下であることが望ましい。
【００２０】
ステップＳＴ４では、第２鋼材部品１２の壁部１２１，１２２（第１部分）の温度及び基部１２５（第２部分）の温度ともにＭｓ点以下に下降するまで、第２鋼材部品１２の全体の一様な冷却を再開する。ただし、基部１２５（第２部分）の温度が、目標焼戻し温度より所定温度だけ高い第２温度に達するまでとし、第２温度に達したら冷却を停止する。ＳＣＲ４２０からなる第２鋼材部品１２の場合、目標焼戻し温度が２００℃、目標焼戻し時間が１０分、図２の時間ｔ３における基部１２５（第２部分）の温度が２１０〜２３０℃、時間ｔ３における壁部１２１，１２２（第１部分）の温度が１９０〜２１０℃である。また、目標焼戻し温度と第２温度との差温ΔＴ２（所定温度）は、０〜４０℃であることが望ましい。ちなみに、図２の時間ｔ２〜ｔ３のステップＳＴ４において、第２鋼材部品１２はＭｓ点を通過して冷却されるが、この通過時の壁部１２１，１２２（第１部分）と基部１２５（第２部分）の通過タイミングのずれ量Δｔは、小さい値に抑制されている。時間ｔ２において両温度がほぼ等しくなっているからである。
【００２１】
ステップＳＴ５では、基部１２５（第２部分）の温度が、第２温度（目標焼戻し温度＋ΔＴ２）に達したら冷却を停止し、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度と基部１２５（第２部分）の温度とが、目標焼戻し温度を維持した状態で目標焼戻し時間が経過するまで保持する。このステップＳＴ５では、冷却を停止するとともに、第２鋼材部品１２に対して外部から熱の入出力がない環境、例えば熱処理炉内にて保持する。図２に示す時間ｔ３においては、熱容量が小さい壁部１２１，１２２の温度下降が、熱容量が大きい基部１２５の温度下降に対して大きく、壁部１２１，１２２と基部１２５とに温度差が生じているが、ステップＳＴ５のうちの時間ｔ３〜ｔ４の間では、外部からの熱の入出力がない状態であるため、基部１２５から壁部１２１，１２２へ熱が移動する。これにより、時間ｔ３〜ｔ４において、壁部１２１，１２２の温度が上昇するとともに基部１２５の温度が下降し、時間ｔ４において両温度が等しいか又は近似する。ステップＳＴ５のうちの時間ｔ４〜ｔ５は、目標焼戻し時間である。
【００２２】
ステップＳＴ６では、第２鋼材部品１２の全体をハンドリング可能な温度まで急冷し、本実施形態の熱処理を終了する。
【００２３】
以上のとおり、本実施形態の鋼材部品の熱処理方法によれば、ステップ２の工程で、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度が、第２鋼材部品１２のＭｓ点より所定温度ΔＴ１だけ高い第１温度に下降するまで第２鋼材部品１２の全体を冷却し、ステップＳＴ３の工程で、第２鋼材部品１２の全体の冷却を停止し、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度と基部１２５（第２部分）の温度との温度差が所定値以下になるまで保持する。これにより、焼入れ前の状態において第２鋼材部品１２の全体の温度が均一になり、この状態から、ステップＳＴ４の工程で、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度及び基部１２５（第２部分）の温度がＭｓ点以下に下降するとともに、基部１２５（第２部分）の温度が目標焼戻し温度より所定温度ΔＴ２だけ高い第２温度に達するまで冷却することで焼入れを行う。そして、これに続くステップＳＴ５の工程で冷却を停止し、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度と基部１２５（第２部分）の温度とが、目標焼戻し温度を維持した状態で目標焼戻し時間が経過するまで保持することで自己熱焼戻しを行う。その結果、ステップＳＴ２，ＳＴ４の工程で鋼材部品の全体を一様に冷却する場合であっても、自己熱焼戻し時の温度差を小さくすることができる。
【００２４】
また、本実施形態の鋼材部品の熱処理方法によれば、焼入れ工程において焼戻し処理も行うことができるので、専用の焼戻し設備を設ける必要がなくなる。さらに、本実施形態の鋼材部品の熱処理方法によれば、鋼材部品の全体の温度が、ある程度均熱化された状態で自己熱焼戻しを行うことになるので、より早く自己熱焼戻しを行うことができる。
【００２５】
また、本実施形態の鋼材部品の熱処理方法によれば、ステップＳＴ１の工程で第２鋼材部品１２の全体を加熱したのち、ステップＳＴ２の工程で、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度が、第２鋼材部品１２のＭｓ点より所定温度ΔＴ１だけ高い第１温度に下降するまで第２鋼材部品１２の全体を冷却するが、ステップＳＴ３の工程で第２鋼材部品１２の全体の冷却を停止し、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度と基部１２５（第２部分）の温度との温度差が所定値以下になるまで保持する。これにより、焼入れ前の状態（時間ｔ２）において第２鋼材部品１２の全体の温度が均一になるので、ステップＳＴ４の工程で、壁部１２１，１２２（第１部分）の温度及び基部１２５（第２部分）の温度がＭｓ点以下に下降するまで冷却する焼入れを行うと、壁部１２１，１２２（第１部分）と基部１２５（第２部分）の膨張体積の差が小さくなり、第２鋼材部品１２の変形を抑制することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１…嵌合部品
１１…第１鋼材部品
１１１…被膜
１２…第２鋼材部品
１２１，１２２…壁部
１２３，１２４…第１孔
１２５…基部
１３…第３部品
１３１…第２孔
ΔＴ１…Ｍｓ点と第１温度との差温
ΔＴ２…目標焼戻し温度と第２温度との差温
【図１】
2018044211.tif 000003
【図２】
2018044211.tif 000004
【図３】
2018044211.tif 000005