(57)【要約】【課題】実施のための時間と手間とを抑制しつつ、鋼製部材の寸法の経時的変化を定量的に予測可能な鋼製部材の寸法変化予測方法を提供する。【解決手段】鋼製部材の寸法変化予測方法は、鋼製部材に含まれる残留オーステナイトの組織量が把握されるγＲ組織量把握工程と、残留オーステナイト分解速度式が導出されるγＲ分解速度式導出工程と、残留オーステナイトの組織量と、残留オーステナイト分解速度式と、残留オーステナイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、残留オーステナイトの分解に伴う鋼製部材の寸法の変化率であるγＲ寸法変化率が算出されるγＲ寸法変化率算出工程と、γＲ寸法変化率が算入されて鋼製部材の寸法変化率が算出される寸法変化率算出工程とを備えている。【選択図】図１
2008214648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入れされた鋼からなる鋼製部材に含まれる残留オーステナイトの組織量が把握されるγＲ組織量把握工程と、
前記鋼製部材が保持される温度および前記温度での保持時間と前記残留オーステナイトの分解率との関係式である残留オーステナイト分解速度式が導出されるγＲ分解速度式導出工程と、
前記残留オーステナイトの組織量と、前記残留オーステナイト分解速度式と、前記残留オーステナイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、前記残留オーステナイトの分解に伴う前記鋼製部材の寸法の変化率であるγＲ寸法変化率が算出されるγＲ寸法変化率算出工程と、
前記γＲ寸法変化率が算入されて前記鋼製部材の寸法変化率が算出される寸法変化率算出工程とを備えた、鋼製部材の寸法変化予測方法。
【請求項２】
前記鋼製部材に含まれるマルテンサイトの組織量が把握されるαＭ組織量把握工程と、
前記鋼製部材が保持される温度および前記温度での保持時間と前記マルテンサイトの分解率との関係式であるマルテンサイト分解速度式が導出されるαＭ分解速度式導出工程と、
前記マルテンサイトの組織量と、前記マルテンサイト分解速度式と、前記マルテンサイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、前記マルテンサイトの分解に伴う前記鋼製部材の寸法の変化率であるαＭ寸法変化率が算出されるαＭ寸法変化率算出工程とをさらに備え、
前記寸法変化率算出工程では、前記αＭ寸法変化率がさらに算入されて前記鋼製部材の寸法変化率が算出される、請求項１に記載の鋼製部材の寸法変化予測方法。
【請求項３】
前記鋼製部材に含まれる低炭素マルテンサイトの組織量が把握されるαＭＬ組織量把握工程と、
前記鋼製部材が保持される温度および前記温度での保持時間と前記低炭素マルテンサイトの分解率との関係式である低炭素マルテンサイト分解速度式が導出されるαＭＬ分解速度式導出工程と、
前記低炭素マルテンサイトの組織量と、前記低炭素マルテンサイト分解速度式と、前記低炭素マルテンサイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、前記低炭素マルテンサイトの分解に伴う前記鋼製部材の寸法の変化率であるαＭＬ寸法変化率が算出されるαＭＬ寸法変化率算出工程とをさらに備え、
前記寸法変化率算出工程では、前記αＭＬ寸法変化率がさらに算入されて前記鋼製部材の寸法変化率が算出される、請求項１または２に記載の鋼製部材の寸法変化予測方法。
【請求項４】
前記鋼製部材に含まれるε炭化物の組織量が把握されるε組織量把握工程と、
前記鋼製部材が保持される温度および前記温度での保持時間と前記ε炭化物の分解率との関係式であるε炭化物分解速度式が導出されるε分解速度式導出工程と、
前記ε炭化物の組織量と、前記ε炭化物分解速度式と、前記ε炭化物が単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、前記ε炭化物の分解に伴う前記鋼製部材の寸法の変化率であるε寸法変化率が算出されるε寸法変化率算出工程とをさらに備え、
前記寸法変化率算出工程では、前記ε寸法変化率がさらに算入されて前記鋼製部材の寸法変化率が算出される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼製部材の寸法変化予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼製部材の寸法変化予測方法に関し、より特定的には、焼入れされた鋼からなる部材である鋼製部材の寸法変化予測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軸受、歯車、シャフトなどの機械部品の素材には、焼入れされた鋼が採用される場合が多い。このような焼入れされた鋼からなる鋼製部材は、長時間使用されることにより、その過程で外形形状が変化する寸法変化を起こす。そして、この寸法変化の原因の１つは、鋼製部材を構成する鋼のミクロ組織が変化することである。たとえば、以下のように、鋼製部材を構成する鋼に含まれる組織の１つである残留オーステナイトやマルテンサイトの分解が寸法変化の原因となることが知られている。
【０００３】
すなわち、鋼製部材の焼入は、鋼製部材がＡ１変態点以上の温度に加熱され、鋼製部材を構成する鋼のミクロ組織がオーステナイト状態にされた後、ＭＳ点以下の温度に冷却されることにより実施される。これにより、鋼製部材を構成する鋼のオーステナイト組織は、マルテンサイト組織に変化する（マルテンサイト変態）。このとき、オーステナイト組織は完全にはマルテンサイトに変化せず、少量のオーステナイト組織がマルテンサイト組織中に残留するのが一般的である（残留オーステナイト）。特に、共析組成よりも炭素濃度が高い鋼（過共析鋼）においては、残留オーステナイト量が多くなる傾向にある。
【０００４】
このマルテンサイト組織および残留オーステナイト組織は、熱力学的にみて、自由エネルギーの高い不安定な組織である。そのため、熱エネルギーなどのエネルギーが与えられると、より安定な組織に変化する。そして、この組織の変化は、結晶格子（結晶構造）の変化を伴う。その結果、マルテンサイト組織や残留オーステナイト組織の組織変化に起因した寸法変化が生じる。
【０００５】
ここで、鋼製部材の寸法変化の要因としては、上述の組織変化のほか、たとえば熱処理工程や加工工程での鋼製部材に対する処理に起因した残留応力が挙げられる。この残留応力は、たとえば加工方法の変更や焼戻により緩和可能である。これに対し、鋼の組織変化は、基本的には不可避であり、寸法変化の大きさも残留応力に起因したものよりも大きい。
【０００６】
鋼の組織変化に起因した鋼製部材の寸法変化は、鋼の炭素含有量が多くなるほど大きくなる。具体的には、１質量％の炭素を含有する軸受鋼であるＪＩＳ規格ＳＵＪ２では、寸法変化率は５×１０−４程度におよぶ。これは、外径１００ｍｍの円筒状の鋼製部材においては、５０μｍ程度の寸法変化量に該当する。たとえば、鋼製部材が軸受を構成する軌道輪などの部品である場合、この寸法変化量は内部すきまの変化、予圧の抜けあるいは増加、軸に対するしまりばめの緩みによる軸受のクリープなどに対して無視できない影響を与え、軸受の早期破損の原因となり得る。したがって、組織変化に起因した寸法変化への対策は極めて重要である。
【０００７】
これに対し、残留オーステナイト量を低減することにより、鋼製部材の寸法変化を抑制可能であることが知られている（たとえば特許文献１参照）。また、鋼の組織変化により、どの程度の寸法変化が発生するのかについても、従来から検討されている（たとえば非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１５３０９３号公報
【非特許文献１】日本鉄鋼協会編、「鋼の熱処理」、丸善、１９６９年、ｐ６２−６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記組織変化に起因した鋼製部材の寸法変化は、鋼製部材が所定温度に加熱されて保持された場合、あるいは所定温度の条件下で部品として使用された場合に、時間の経過とともに進行する経時変化である。したがって、鋼の組織変化に起因した鋼製部材の寸法変化に対して有効な対策を講ずるためには、鋼製部材の保持温度と保持時間に対してどの程度の寸法変化が生じるかを定量的に予測することが必要である。
【０００９】
しかしながら、従来、上記特許文献１および非特許文献１に記載されているように、組織変化の原因となる組織を低減する対策や、鋼の組織が変化した場合にどの程度の寸法変化が生じるかを予測する対策は可能であったものの、寸法の経時変化を定量的に予測することは困難であった。
【００１０】
これに対し、鋼製部材の素材および製造方法（特に熱処理履歴）ごとに実際に鋼製部材を試験片として作製し、当該試験片を所定温度に保持し、寸法変化を測定することで、同様の素材および製造方法により製造された鋼製部材の寸法変化をある程度予測する方法を採用することもできる。しかし、寸法変化が完了するには、数週間、あるいは数ヶ月という長期間を要する場合も多く、この方法による寸法変化予測を実施するためには、多大な時間と手間とを必要とするという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、実施のための時間と手間とを抑制しつつ、鋼製部材の寸法の経時的変化を定量的に予測可能な鋼製部材の寸法変化予測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に従った鋼製部材の寸法変化予測方法は、γＲ組織量把握工程と、γＲ分解速度式導出工程と、γＲ寸法変化率算出工程と、寸法変化率算出工程とを備えている。γＲ組織量把握工程では、焼入れされた鋼からなる鋼製部材に含まれる残留オーステナイトの組織量が把握される。γＲ分解速度式導出工程では、鋼製部材が保持される温度および当該温度での保持時間と残留オーステナイトの分解率との関係式である残留オーステナイト分解速度式が導出される。γＲ寸法変化率算出工程では、上記残留オーステナイトの組織量と、上記残留オーステナイト分解速度式と、残留オーステナイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、残留オーステナイトの分解に伴う鋼製部材の寸法の変化率であるγＲ寸法変化率が算出される。そして、寸法変化率算出工程では、γＲ寸法変化率が算入されて鋼製部材の寸法変化率が算出される。
【００１３】
本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法では、まず、γＲ組織量把握工程において、種々の組織のうち、寸法変化に最も影響の大きい残留オーステナイトの組織量が把握されたうえで、γＲ分解速度式導出工程においてその残留オーステナイトがある温度である時間保持された場合の分解率が算出可能な残留オーステナイト分解速度式が導出される。そのため、鋼製部材に含まれる残留オーステナイトのうち、分解する残留オーステナイトの組織量を算出することができる。この分解する残留オーステナイトの組織量と、残留オーステナイトが単位組織量だけ分解した場合の寸法変化率とから、残留オーステナイトの分解に伴う寸法の変化率であるγＲ寸法変化率を算出することができる。そして、寸法変化率算出工程において、上記γＲ寸法変化率を算入して鋼製部材の寸法変化率が算出されることにより、鋼製部材が所定温度で所定時間保持された場合の寸法変化率が予測される。そのため、本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法によれば、種々の組織のうち、寸法変化に最も影響の大きい残留オーステナイトの分解に起因した寸法変化を算入して、鋼製部材の寸法の経時変化を定量的に予測することができる。また、本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法によれば、γＲ分解速度式導出工程において残留オーステナイト分解速度式が導出され、これに基づいて寸法変化が予測されるため、数週間、あるいは数ヶ月という長期間を要する実験を行なう必要がなく、予測を実施するための時間と手間とを抑制することができる。
【００１４】
ここで、本発明において、組織量は、当該組織の体積でも質量でもよく、これらに対応する他の数値であってもよい。また、分解率とは、鋼製部材を構成する鋼中に当初存在する所定組織の組織量のうち、分解する組織量の割合をいう。さらに、寸法変化率には、１次元、２次元または３次元のいずれの次元を採用することも可能である。つまり、寸法変化率には、体積の変化率を採用してもよいし、長さの変化率を採用してもよく、予測される寸法変化をどのように利用するかに応じて、適宜その次元を選択することができる。また、寸法変化率算出工程では、γＲ寸法変化率算出工程において算出された残留オーステナイトの分解に伴う鋼製部材の寸法の変化率が、そのまま鋼製部材の寸法変化率として算出されてもよいし、他の要因に基づく寸法変化率が合わせて考慮されて鋼製部材の寸法変化率が算出されてもよい。
【００１５】
上記鋼製部材の寸法変化予測方法において好ましくは、αＭ組織量把握工程と、αＭ分解速度式導出工程と、αＭ寸法変化率算出工程とをさらに備えている。αＭ組織量把握工程では、鋼製部材に含まれるマルテンサイトの組織量が把握される。αＭ分解速度式導出工程では、鋼製部材が保持される温度および当該温度での保持時間とマルテンサイトの分解率との関係式であるマルテンサイト分解速度式が導出される。αＭ寸法変化率算出工程では、マルテンサイトの組織量と、マルテンサイト分解速度式と、マルテンサイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、マルテンサイトの分解に伴う鋼製部材の寸法の変化率であるαＭ寸法変化率が算出される。そして、寸法変化率算出工程では、αＭ寸法変化率がさらに算入されて鋼製部材の寸法変化率が算出される。
【００１６】
これにより、鋼製部材を構成する鋼において主要な組織であるマルテンサイトの分解に起因した寸法変化率が、上述の残留オーステナイトの場合と同様に算出され、寸法変化率算出工程においてこれが算入されて、鋼製部材の寸法変化率が算出される。その結果、より高い精度で、鋼製部材の寸法変化率を予測することができる。
【００１７】
上記鋼製部材の寸法変化予測方法において好ましくは、αＭＬ組織量把握工程と、αＭＬ分解速度式導出工程と、αＭＬ寸法変化率算出工程とをさらに備えている。αＭＬ組織量把握工程では、鋼製部材に含まれる低炭素マルテンサイトの組織量が把握される。αＭＬ分解速度式導出工程では、鋼製部材が保持される温度および当該温度での保持時間と低炭素マルテンサイトの分解率との関係式である低炭素マルテンサイト分解速度式が導出される。αＭＬ寸法変化率算出工程では、低炭素マルテンサイトの組織量と、低炭素マルテンサイト分解速度式と、低炭素マルテンサイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、低炭素マルテンサイトの分解に伴う鋼製部材の寸法の変化率であるαＭＬ寸法変化率が算出される。そして、寸法変化率算出工程では、αＭＬ寸法変化率がさらに算入されて鋼製部材の寸法変化率が算出される。
【００１８】
これにより、鋼製部材を構成する鋼において、マルテンサイトが分解して生成する低炭素マルテンサイトの分解に起因した寸法変化率が、上述の残留オーステナイトの場合と同様に算出され、寸法変化率算出工程においてこれが算入されて、鋼製部材の寸法変化率が算出される。その結果、より高い精度で、鋼製部材の寸法変化率を予測することができる。
【００１９】
ここで、マルテンサイトとは、鋼が焼入れされることにより生成する組織である。このマルテンサイトは、鋼の炭素含有量および焼入の冷却前の加熱温度に応じた量の炭素、たとえば０．３質量％以上の炭素が固溶した組織である。一方、低炭素マルテンサイトとは、焼入により生成したマルテンサイトが昇温されることにより、つまり焼戻されることによりマルテンサイトが分解して生成する組織であって、鉄中に０．２質量％以上０．２５質量％以下の炭素が固溶した組織である。
【００２０】
上記鋼製部材の寸法変化予測方法において好ましくは、ε組織量把握工程と、ε分解速度式導出工程と、ε寸法変化率算出工程とをさらに備えている。ε組織量把握工程では、鋼製部材に含まれるε炭化物の組織量が把握される。ε分解速度式導出工程では、鋼製部材が保持される温度および当該温度での保持時間とε炭化物の分解率との関係式であるε炭化物分解速度式が導出される。ε寸法変化率算出工程では、ε炭化物の組織量と、ε炭化物分解速度式と、ε炭化物が単位組織量だけ分解した場合の体積変化率とから、ε炭化物の分解に伴う鋼製部材の寸法の変化率であるε寸法変化率が算出される。そして、寸法変化率算出工程では、ε寸法変化率がさらに算入されて鋼製部材の寸法変化率が算出される。
【００２１】
これにより、鋼製部材を構成する鋼において、マルテンサイトの分解に伴い生成するε炭化物の分解に起因した寸法変化率が、上述の残留オーステナイトの場合と同様に算出され、寸法変化率算出工程においてこれが算入されて、鋼製部材の寸法変化率が算出される。その結果、より高い精度で、鋼製部材の寸法変化率を予測することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上の説明から明らかなように、本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法によれば、実施のための時間と手間とを抑制しつつ、鋼製部材の寸法の経時的変化を定量的に予測可能な鋼製部材の寸法変化予測方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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返さない。
【００２４】
まず、本発明の一実施の形態における鋼製部材の寸法変化予測方法の概略を説明する。図１は、本発明の一実施の形態における鋼製部材の寸法変化予測方法の概略を示す流れ図である。
【００２５】
図１を参照して、本実施の形態における鋼製部材の寸法変化予測方法は、残留オーステナイトの分解に伴う鋼製部材の寸法変化率（γＲ寸法変化率）を算出するためのγＲ組織量把握工程、γＲ分解速度式導出工程およびγＲ寸法変化率算出工程と、マルテンサイトの分解に伴う鋼製部材の寸法変化率（αＭ寸法変化率）を算出するためのαＭ組織量把握工程、αＭ分解速度式導出工程およびαＭ寸法変化率算出工程と、低炭素マルテンサイトの分解に伴う鋼製部材の寸法変化率（αＭＬ寸法変化率）を算出するためのαＭＬ組織量把握工程、αＭＬ分解速度式導出工程およびαＭＬ寸法変化率算出工程と、ε炭化物の分解に伴う鋼製部材の寸法変化率（ε寸法変化率）を算出するためのε組織量把握工程、ε分解速度式導出工程およびε寸法変化率算出工程とを備えている。以下、本実施の形態では、鋼製部材を構成する素材が軸受鋼であるＪＩＳ規格ＳＵＪ２である場合を例として、鋼製部材の寸法変化率予測方法の一例を説明する。
【００２６】
まず、残留オーステナイトの分解に伴う鋼製部材の寸法変化率（γＲ寸法変化率）を算出するためのγＲ組織量把握工程、γＲ分解速度式導出工程について説明する。
【００２７】
γＲ組織量把握工程では、焼入れされた鋼からなる鋼製部材に含まれる残留オーステナイトの組織量が把握される。具体的には、焼入れされたＳＵＪ２からなる鋼製部材における残留オーステナイトの組織量が測定される。残留オーステナイトの組織量の測定は、たとえばＸ線回折計（ＸＲＤ）を用いて、マルテンサイトの（２１１）面とオーステナイトの（２２０）面との回折強度とを測定することにより、算出することができるが、本実施の形態のように残留オーステナイト以外の組織の分解に伴う寸法変化をも考慮する場合、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ；示差走査熱量）分析により算出することができる。
【００２８】
図２は、焼入れされた後、１８０℃に２時間保持されることにより焼戻されたＳＵＪ２からなる鋼製部材のＤＳＣ分析結果を示す図である。図２において、横軸は鋼製部材の加熱温度（単位：℃）、縦軸はサンプル（ＳＵＪ２）とリファレンス（アルミナ；Ａｌ２Ｏ３）とを同じ温度に保持するために必要なエネルギーの差に対応する消費電力（単位：μＷ）を示している。
【００２９】
図２を参照して、実線の曲線は、サンプルであるＳＵＪ２からの発熱とリファレンスであるアルミナからの発熱との差の推移に対応する。ここで、一般に知られている残留オーステナイトの分解温度を考慮すると、２９０℃付近を中心とするピークが、残留オーステナイトがフェライト（α鉄）とセメンタイト（θ炭化物；Ｆｅ３Ｃ）とに分解することに伴う発熱ピークであることが分かる。したがって、この残留オーステナイトの分解に伴うピークの面積（積分強度）を残留オーステナイトの組織量として算出することにより、残留オーステナイトの組織量を把握することができる。ピークの面積は、たとえば残留オーステナイトの分解温度やピークの変曲点などを考慮し、かつ当該ピークが正規分布に従った形状であると仮定して、適切なソフトウェアを用いてフィッティングを行ない、算出することができる。これにより、残留オーステナイトの組織量としての積分強度が把握されるγＲ組織量把握工程が完了する。
【００３０】
次に、γＲ分解速度式導出工程では、鋼製部材が保持される温度および当該温度での保持時間と残留オーステナイトの分解率との関係式である残留オーステナイト分解速度式が導出される。具体的には、残留オーステナイト分解速度式は、たとえば、以下に示すようにアブラミの式およびアレニウスの式を利用して算出することができる。
【００３１】
まず、焼入れされたＳＵＪ２からなる鋼製部材に対して温度および保持時間を変化させた焼戻条件で焼戻を行なったものを試験片として準備する。ここでは、一例として、８５０℃で５０分間保持した後、油焼入されたＳＵＪ２製の鋼製部材に対して、１８０℃、２００℃、２３０℃、２５０℃、３００℃および３５０℃の温度で、５分間、１０分間、３０分間、６０分間、１２０分間および２４０分間加熱することにより焼戻を行なったもの、および焼戻を行なわなかったものを試験片として準備した。なお、焼戻は、試験片の温度を均一に保持する観点から、ソルトバス炉を用いて行なった。また、試験片の形状は、１ｍｍ×１ｍｍ×３０ｍｍの短冊状とした。その後、当該試験片から１０ｍｇ分のＤＳＣ分析用試験片を採取し、ＤＳＣ分析を行なった。測定温度範囲は５０℃〜５００℃、昇温速度は、１０℃／分とした。
【００３２】
次に、ＤＳＣ分析の結果の一例について説明する。図３は、焼戻の温度を２００℃とした場合のＤＳＣ分析の結果を示す図である。また、図４は、焼戻の温度を３００℃とした場合のＤＳＣ分析の結果を示す図である。図３および図４においては、図２と同様に、横軸は加熱温度（単位：℃）、縦軸は消費電力（単位：μＷ）を示している。また、図３および図４においては、焼戻時間が１０分の試料の結果を細い実線、６０分の結果を細い破線、１２０分の結果を太い実線、２４０分の結果を太い破線で示している。なお、図３には、焼戻を行なわなかったもの（焼入のみのもの）を細い一点鎖線で示している。
【００３３】
図３および図４を参照して、焼戻温度が２００℃の場合、残留オーステナイトの分解が時間とともに徐々に進行しているため、残留オーステナイトの分解に伴う２９０℃付近を中心とするピークは、焼戻時間が長くなるにつれて小さくなっていることが分かる。一方、焼戻温度が３００℃の場合、残留オーステナイトの分解が焼戻によりほぼ完了しているため、上記ピークは小さくなっている。このピークの面積（積分強度）を、図２の場合と同様に、各焼戻温度および焼戻時間について算出し、以下のように、反応（分解）速度を解析することができる。
【００３４】
まず、焼戻を行なわなかった場合の残留オーステナイトの組織量に対応するピークの積分強度からの、各焼戻条件での当該積分強度の減少率を残留オーステナイトの反応率として算出する。ここで、時間の関数としての物質の反応率を表す関係式として、以下の式（１）に示すアブラミの式が知られている。
【００３５】
Ｘ＝１−ｅｘｐ（−ｋｔＮ）・・・（１）
ここで、Ｘは反応率、ｔは保持時間（反応時間）、ｋは反応速度定数、Ｎはアブラミ指数（定数）である。
【００３６】
上記式（１）は以下の式（２）のように変形することができる。
ｌｏｇ｛ｌｎ（１／（１−Ｘ）｝＝Ｎｌｏｇｔ＋ｌｏｇｋ・・・（２）
つまり、ｌｏｇｔを横軸（ｘ軸）、ｌｏｇ｛ｌｎ（１／（１−Ｘ）｝を縦軸（ｙ軸）として、上述のように算出された各焼戻条件での残留オーステナイトの反応率をプロットすると、各焼戻温度時間について直線関係が得られることとなる（アブラミプロット）。
【００３７】
図５は、本実施の形態における残留オーステナイトの分解反応に関するアブラミプロットである。図５においては、焼戻温度が１８０℃の場合が白菱形、２００℃の場合が白四角、２３０℃の場合が白丸、２５０℃の場合が白三角、３００℃の場合が黒菱形、３５０℃の場合が黒丸で示されている。図５を参照して、焼戻温度が３００℃および３５０℃の場合、焼戻によりすでに残留オーステナイトの分解がほぼ完了しているため、ＤＳＣ分析において更なる分解反応がほとんど進行せず、アブラミプロットは水平な直線関係を示している。一方、焼戻温度が１８０℃〜２５０℃の場合、時間の経過とともに分解反応が進行したため、右上がりの直線関係が得られている。そして、この直線関係から、残留オーステナイトの分解反応に関するアブラミ指数Ｎ（直線の傾きがＮとなる）と、各焼戻温度における反応速度定数ｋ（ｙ切片がｌｏｇｋとなる）とが得られる。
【００３８】
さらに、反応速度定数ｋを反応温度の関数として表す関係式として、以下の式（３）に示すアレニウスの式が知られている。
【００３９】
ｋ＝−Ａｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）・・・（３）
ここで、Ａは頻度因子、Ｑは活性化エネルギー（単位：Ｊ／ｍｏｌ）、Ｒは気体定数（＝８．３１４Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは温度（単位：Ｋ）である。
【００４０】
上記式（３）は以下の式（４）のように変形することができる。
ｌｎｋ＝−Ｑ／ＲＴ＋ｌｎＡ・・・（４）
つまり、１／ＲＴを横軸（ｘ軸）、ｌｎｋを縦軸（ｙ軸）として、焼戻温度Ｔごとの上記アブラミプロットにより得られた反応速度定数ｋをプロットすると、直線関係が得られることとなる（アレニウスプロット）。
【００４１】
図６は、本実施の形態における残留オーステナイトの分解反応に関するアレニウスプロットである。図６においては、上述のように、オーステナイトの分解反応の進行が確認された焼戻温度が１８０℃〜２５０℃の場合についてアレニウスプロットが行なわれている。図６を参照して、焼戻温度が１８０℃〜２５０℃の場合、アレニウスプロットに直線関係が確認され、当該直線関係から、活性化エネルギーＱ（直線の傾きがＱとなる）と、頻度因子Ａ（ｙ切片がｌｏｇＡとなる）とが得られる。
【００４２】
以上のような解析の結果得られた数値を用いるとともに、アブラミの式とアレニウスの式とを組み合わせて、鋼製部材が保持される温度および当該温度での保持時間と残留オーステナイトの分解率との関係式である残留オーステナイト分解速度式を導出することができる。本実施の形態では、ＳＵＪ２からなる鋼製部材について、残留オーステナイトの焼戻による反応率Ｘが温度および時間の関数として表される、以下の式（５）の残留オーステナイト分解速度式が得られた。
【００４３】
Ｘ＝１−ｅｘｐ［−４．０×１０４×ｅｘｐ｛−（６．５×１０４）／ＲＴ｝×ｔ０．５９］・・・（５）
以上により、本実施の形態のγＲ分解速度式導出工程が完了する。なお、残留オーステナイト分解速度式は、鋼製部材を構成する鋼の成分組成ごとに固有の関係式である。したがって、γＲ分解速度式導出工程は、同種の鋼、たとえば同一鋼種についてすでに導出された残留オーステナイト分解速度式がある場合、これを流用することにより実施することも可能である。
【００４４】
マルテンサイトの分解に関するαＭ組織量把握工程およびαＭ分解速度式導出工程、低炭素マルテンサイトの分解に関するαＭＬ組織量把握工程およびαＭＬ分解速度式導出工程、ε炭化物の分解に関するε組織量把握工程およびε分解速度式導出工程は、上述のγＲ組織量把握工程およびγＲ分解速度式導出工程と同様に実施することができる。なお、図２を参照して、１４０℃付近を中心とするピークが、マルテンサイトが低炭素マルテンサイトとε炭化物とに分解する反応に、３７０℃付近を中心とするピークが、ε炭化物がセメンタイト変化する反応に、２００℃から５００℃にかけてのブロードなピークが、低炭素マルテンサイトがフェライトとセメンタイトとに分解する反応に、それぞれ対応する。また、ε炭化物の分解反応は比較的高温域で進行する。そのため、たとえば焼戻の温度を３００℃および３５０℃、保持時間を１２時間と２４時間とすることにより、ε分解速度式導出工程を実施することができる。
【００４５】
次に、γＲ寸法変化率算出工程、αＭ寸法変化率算出工程、αＭＬ寸法変化率算出工程およびε寸法変化率算出工程について説明する。これらの工程では、上述のようにして得られた各組織の組織量および分解速度式のほか、各組織が単位組織量だけ分解した場合の体積変化率が必要となる。この体積変化率は、鋼製部材を構成する鋼の成分組成ごとに固有の値となる。したがって、同種の鋼、たとえば同一鋼種についてすでに体積変化率分かっている場合、これを流用することができる。一方、鋼製部材を構成する鋼の上記体積変化率が未知である場合、たとえば以下のように算出することができる。
【００４６】
まず、上述のγＲ分解速度式導出工程におけるＤＳＣ分析の試験片の作製と同様の条件で焼入および焼戻を行なった試験片を準備する。ただし、加工や熱処理に起因した応力の残留を抑制する観点および寸法測定を容易にする観点から、試験片の形状は３０ｍｍ×１０ｍｍ×１００ｍｍのブロック状とすることができる。その後、当該試験片の焼戻前の寸法を基準として、実際の寸法変化を測定する。そして、この寸法変化の測定値と、上述のＤＳＣ分析により得られる各組織の分解に伴う発熱ピークの積分強度とを重回帰分析し、上記各組織が単位組織量だけ分解した場合の体積変化率を算出することができる。
【００４７】
そして、想定される加熱温度および時間により当初の組織量のうち分解する割合を分解速度式により求め、当該割合と当初の組織量との積から分解する組織量を算出する。なお、加熱温度が変化する場合、各加熱温度で分解する組織量を積算して分解する組織量の総量を算出することができる。そして、分解する組織量と各組織が単位組織量だけ分解した場合の体積変化率との積から、各組織の分解に伴う寸法変化率が算出される。以上のように、γＲ寸法変化率算出工程、αＭ寸法変化率算出工程、αＭＬ寸法変化率算出工程およびε寸法変化率算出工程を実施することができる。
【００４８】
そして、寸法変化率算出工程では、算出されたγＲ寸法変化率、αＭ寸法変化率、αＭＬ寸法変化率およびε寸法変化率が足し合わされることにより、鋼製部材の寸法変化率の予測値が算出される。ここで、鋼製部材が保持される温度が３００℃以下である場合、鋼製部材の寸法変化は、残留オーステナイトの分解に起因したものが支配的である。そのため、想定される鋼製部材の保持温度が３００℃以下の場合、残留オーステナイトの分解に関係するγＲ組織量把握工程、γＲ分解速度式導出工程およびγＲ寸法変化率算出工程のみを実施し、寸法変化率算出工程ではγＲ寸法変化率のみを算入して鋼製部材の寸法変化率を算出しても、鋼製部材の寸法変化予測を比較的精度よく実施することができる。
【００４９】
一方、想定される鋼製部材の保持温度が３００℃を超える場合、あるいはより精度の高い寸法変化予測を行なう必要がある場合、残留オーステナイトのほか、マルテンサイト、低炭素マルテンサイトおよびε炭化物のうち１つ以上、好ましくは全ての組織の分解に関係する上記工程を実施し、上述のようにγＲ寸法変化率、αＭ寸法変化率、αＭＬ寸法変化率およびε寸法変化率を足し合わせることにより寸法変化率算出工程が実施されることが好ましい。なお、鋼製部材の寸法変化に対して、オーステナイトの分解反応は膨張成分となり、マルテンサイト、低炭素マルテンサイトおよびε炭化物の分解反応は収縮成分となる。また、機械部品である鋼製部材、たとえば軸受の実際の使用期間は、一般に数年間におよぶ。このような長期間におよぶ鋼製部材の寸法変化を予測する場合、反応率Ｘは１にほぼ等しくなる（式（５）において、ｔを限りなく大きくした場合に該当する）。したがって、この場合、組織の分解に伴う寸法変化率は、各組織の組織量と当該組織がすべて分解した場合の体積変化率との積により算出することができる。
【００５０】
以上のように、本実施の形態における鋼製部材の寸法変化予測方法によれば、実施のための時間と手間とを抑制しつつ、鋼製部材の寸法の経時的変化を定量的に予測することができる。そして、当該方法により得られた寸法変化率の予測値は、たとえば鋼製部材である軸受、シャフト、歯車などの部品の寸法変化量に換算され、当該部品自体の設計や当該部品に隣接して配置される部品の設計などに利用することができる。
【００５１】
なお、上記実施の形態においては、組織量を把握する方法としてＤＳＣ分析およびＸ線回折による分析の一例を示したが、本発明における組織量を把握するための方法はこれに限られない。たとえば、鋼製部材を構成する鋼のミクロ組織の観察を行ない、これを画像解析する方法など、組織量が把握可能な方法であれば種々の方法を採用することができる。また、上記実施の形態においては、組織の分解速度式として、アブラミの式およびアレニウスの式を組み合わせた速度式を採用したが、本発明において採用可能な組織の分解速度式はこれに限られず、組織の分解率が温度および時間の関数として表示可能な分解速度式であれば他の速度式を採用してもよい。
【実施例１】
【００５２】
以下、本発明の実施例１について説明する。ＤＳＣ分析の結果から得られる残留オーステナイトの分解に伴うピークの積分強度と、Ｘ線回折を利用して実測した鋼製部材中の残留オーステナイト量との関係を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００５３】
まず、ＤＳＣ分析に供した試験片と熱処理の履歴を含めて同様の製造工程により試験片を作製し、当該試験片の残留オーステナイト量をＸ線回折により測定した。そして、同じ製造履歴により製造された試験片のＤＳＣ分析により得られた積分強度と測定された残留オーステナイト量を比較した。
【００５４】
次に、実施例１における試験の結果を説明する。図７は、実施例１の試験結果を示す図である。図７において、横軸はＤＳＣ分析の結果から得られた残留オーステナイトの分解に伴うピークの積分強度であり、縦軸は同じ製造履歴により製造された試験片の残留オーステナイト量の測定値である。図７を参照して、ＤＳＣ分析により得られた積分強度と、Ｘ線回折により実測された残留オーステナイト量とは直線関係にあることが分かる。したがって、両者は比例関係にあり、積分強度は容易に残留オーステナイト量に換算することができる。以上より、残留オーステナイトの組織量としては、Ｘ線回折により実測される残留オーステナイト量およびＤＳＣ分析の結果から得られる積分強度のいずれを採用してもよいことが確認された。
【実施例２】
【００５５】
以下、本発明の実施例２について説明する。上記実施の形態において算出された式（５）に示す残留オーステナイト分解速度式の妥当性を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００５６】
まず、８５０℃で５０分間保持された後、油焼入されたＳＵＪ２からなる試験片を作製し、当該試験片を１２０℃に保持して残留オーステナイト量の経時変化を測定した。残留オーステナイト量の測定はＸ線回折を利用して行なった。一方、上記式（５）の残留オーステナイト分解速度式を用いて、同条件での残留オーステナイト量の経時変化の予測値を算出した。
【００５７】
次に、試験結果について説明する。図８は、実施例２の試験結果を示す図である。図８において、横軸は１２０℃での試験片の保持時間（単位：時間）、縦軸は残留オーステナイト量（単位：体積％）を示す。また、図８において、白丸は残留オーステナイト量のＸ線回折による測定点、破線は当該測定値の推移を表し、実線は上記式（５）を用いた残留オーステナイト量の経時変化の予測値を表している。図８を参照して、残留オーステナイトの測定値と、式（５）を用いた予測値とはよく一致していることが分かる。このことから、本実施の形態における残留オーステナイト分解速度式は、精度よく残留オーステナイトの分解速度を予測可能であることが確認された。
【実施例３】
【００５８】
以下、本発明の実施例３について説明する。本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法の予測精度を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００５９】
まず、８５０℃で５０分間保持された後、油焼入されたＳＵＪ２からなるＪＩＳ規格６２０６型番の転がり軸受外輪を試験片として作製した。そして、当該試験片を１２０℃に保持した場合と、１００℃に保持した場合とについて、試験片の寸法変化率を経時的に測定した。一方、同様の製造履歴で作製された鋼製部材が、同様の温度に保持された場合の寸法変化率の経時変化を上記実施の形態と同様の方法で予測した。
【００６０】
なお、残留オーステナイトの組織量については、上記実施例１にて確認されたように、積分強度およびＸ線回折による測定値のいずれを採用してもよいが、ここでは、Ｘ線回折による測定値（単位：体積％）を採用した。これに伴い、残留オーステナイトが単位組織量だけ分解した場合の体積変化率には、０．８８×１０−２を採用した。この値は、結晶構造中において原子１個が占める体積（比容積）に基づいて算出される、残留オーステナイトが１体積％だけフェライトとセメンタイトとに分解した場合の体積変化率の理論値である。なお、残留オーステナイトが分解した場合に生成される炭化物はε炭化物等他の過炭化物だという説もある。
【００６１】
一方、マルテンサイト、低炭素マルテンサイトおよびε炭化物の組織量については、上述のようにＤＳＣ分析により得られた積分強度を採用した。そして、各組織が単位組織量だけ分解した場合の体積変化率には、上述の実施の形態において説明したように、重回帰分析により得られた体積変化率を採用した。
【００６２】
次に、試験結果について説明する。図９は、実施例３の試験結果を示す図である。図９において、横軸は１２０℃または１００℃での試験片の保持時間（単位：時間）、縦軸は寸法変化率を示す。また、図９において、一点鎖線は、寸法変化率の測定値、破線は、残留オーステナイトの分解のみを考慮して、本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法により算出された寸法変化の予測値（「γのみ」と表示）、実線は、残留オーステナイトに加えて、マルテンサイト、低炭素マルテンサイトおよびε炭化物の４組織の分解を考慮して、本発明の鋼製部材の寸法予測方法により算出された寸法変化の予測値（「４組織」と表示）を示している。さらに、図９において太い線は試験片が１２０℃に保持された場合、細い線は１００℃に保持された場合を示している。
【００６３】
図９を参照して、保持温度が１２０℃、１００℃のいずれの場合においても、予測値と実測値とはよく一致していることが分かる。また、残留オーステナイトの分解のみを考慮した予測値に比べて、４組織の分解を考慮した予測値は、一層実測値とよく一致していることが分かる。このことから、本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法によれば、鋼製部材の寸法の経時的変化を定量的に、かつ精度よく予測可能であること、および一層精度よく鋼製部材の寸法の経時的変化を予測するためには、残留オーステナイトに加えて、マルテンサイト、低炭素マルテンサイトおよびε炭化物の分解を考慮して予測を行なうことが好ましいことが確認された。
【００６４】
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】
【００６５】
本発明の鋼製部材の寸法変化予測方法は、焼入れされた鋼からなる部材である鋼製部材の寸法変化予測方法に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施の形態における鋼製部材の寸法変化予測方法の概略を示す流れ図である。
【図２】焼入れされた後、１８０℃に２時間保持されることにより焼戻されたＳＵＪ２からなる鋼製部材のＤＳＣ分析結果を示す図である。
【図３】焼戻の温度を２００℃とした場合のＤＳＣ分析の結果を示す図である。
【図４】焼戻の温度を３００℃とした場合のＤＳＣ分析の結果を示す図である。
【図５】本実施の形態における残留オーステナイトの分解反応に関するアブラミプロットである。
【図６】本実施の形態における残留オーステナイトの分解反応に関するアレニウスプロットである。
【図７】実施例１の試験結果を示す図である。
【図８】実施例２の試験結果を示す図である。
【図９】実施例３の試験結果を示す図である。
【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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