(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入処理における油冷段階において、処理材を１００℃における動粘度が６〜５０ｍｍ2／秒である焼入油に投入する際の焼入油面圧を１〜３００Ｔｏｒｒに減圧し、その後該処理材の表面が蒸気膜段階または沸騰段階にある状態で不活性ガスあるいは空気を導入して焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒを超え７６０Ｔｏｒｒ以下の値とする浸炭処理した歯車部品、自動車のデファレンシャルのハイポイドギア部品、又は浸炭処理したベアリングレース部品の熱処理方法。
【請求項２】
焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒを超え７６０Ｔｏｒｒ以下の値とした後、更に、上記処理材の表面が対流段階に達した段階で焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒ以下に減圧する請求項１記載の浸炭処理した歯車部品、自動車のデファレンシャルのハイポイドギア部品、又は浸炭処理したベアリングレース部品の熱処理方法。
【請求項３】
焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒを超え７６０Ｔｏｒｒ以下の値とした後、更に、上記処理材の表面温度が該処理材のマルテンサイト変態温度（Ｍｓ点）以下の温度に達した段階で焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒ以下に減圧する請求項１記載の浸炭処理した歯車部品、自動車のデファレンシャルのハイポイドギア部品、又は浸炭処理したベアリングレース部品の熱処理方法。
【請求項４】
焼入処理における油冷段階において、処理材を１００℃における動粘度が６〜５０ｍｍ2／秒である焼入油に投入する際の焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒを超える値とし、その後該処理材の表面が沸騰段階にある状態で真空ポンプを用いて焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒ以下とするエンジンのメインシャフト、クラッチプレート、又は軸受鋼ベアリングレース部品の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭鋼、軸受鋼、強靱鋼、工具鋼などの鋼材部品を焼入処理するための熱処理方法に関し、詳しくは、上記鋼材部品の焼入処理の油冷段階においてその圧力を調整し、処理材に応じた最適な冷却状態を得ることにより、該鋼材部品の焼入歪を低減しかつ十分な焼入硬さを与えることのできる熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用歯車やベアリングレースなどの熱処理鋼材部品は、通常その焼入工程において熱応力や変態応力に起因する焼入歪が発生する。その結果、例えば歯車においてはその歪による精度の不良により騒音が発生し、また、ベアリングレースでは、後工程での研削に時間を要し製造コストの上昇につながるなどの問題が生じていた。特に、近年、歯車においては軽量化ニーズに応えるため薄肉化が進められており、焼入歪の低減が大きな問題となっていた。
このような焼入歪を改善する方法としては、従来、例えば、（１）冷却剤にソルトを使用する、（２）焼入油を２００℃前後の高温油として使用する、（３）焼入油面圧を減圧にする、（４）攪拌を制御する、などの方法が採られていた。しかしながら、上記（１）の方法では、コストアップに繋がる点及び廃液処理に課題があり、また焼入歪低減効果も十分でなかった。また、（２）〜（４）の方法では、いずれもやはり焼入歪低減効果が十分でなく、また歪低減がある程度達成された場合でも一方で部品強度が低下するなどの問題が生じていた。
一般に、焼入処理においては、鋼材部品の形状によって最適な冷却特性（冷却状態）が異なることは良く知られている。従来、焼入油の冷却特性を変化させる方法として、例えば、油温を変える方法、攪拌速度を変える方法、焼入前の焼入油面圧を変える方法が知られており、これらの方法により焼入油の蒸気泡の発生状況を変化させるなど、順次、蒸気膜段階、沸騰段階、対流段階の３つの段階に分けられる冷却過程を変化させることができる。すなわち、冷却過程は、通常、高温の処理材の表面が蒸気膜で包まれて冷却速度が遅くなる蒸気膜段階、高温の処理材の表面で焼入油が沸騰して冷却速度が非常に速くなる沸騰段階、更に、その後の、焼入油の沸点以下に温度が下がった処理材の表面で焼入油が対流して冷却速度が再び遅くなる対流段階の３つの段階からなる。しかしながら、上記の方法では、各段階の温度範囲やその冷却速度を変化させることはできるが、その範囲の比率を変化させることはできず、その結果、焼入歪の低減及び硬さの向上などには十分な効果を得ることはできなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、このような状況下で焼入歪を低減するために、焼入歪と冷却特性の関係を研究し、処理材に応じて目標とする冷却特性を得るために鋭意研究を行った。すなわち、本発明は、鋼材部品を焼入処理するための熱処理方法において、その焼入処理の油冷段階で焼入油面圧を連続的あるいは段階的に変化させ処理材に応じた最適な冷却状態を得ることにより、該部品の焼入歪を低減しかつ十分焼入硬さを与えることのできる熱処理方法を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、処理材に応じて焼入歪を抑えるための最適な冷却環境を見出した。そして、その冷却環境を実現する方法として、焼入処理の冷却途中において連続的にあるいは段階的に焼入油面圧を強制的に変化させることにより蒸気膜段階、沸騰段階、対流段階の各々の範囲を変化させ得ることを見出し、本発明の上記課題を解決するに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、
（１）焼入処理における油冷段階において、処理材を１００℃における動粘度が６〜５０ｍｍ2／秒である焼入油に投入する際の焼入油面圧を１〜３００Ｔｏｒｒに減圧し、その後該処理材の表面が蒸気膜段階または沸騰段階にある状態で不活性ガスあるいは空気を導入して焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒを超え７６０Ｔｏｒｒ以下の値とする浸炭処理した歯車部品、自動車のデファレンシャルのハイポイドギア部品、又は浸炭処理したベアリングレース部品の熱処理方法（第１発明）、及び
（２）焼入処理における油冷段階において、処理材を１００℃における動粘度が６〜５０ｍｍ2／秒である焼入油に投入する際の焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒを超える値とし、その後該処理材の表面が沸騰段階にある状態で、場合によってはその後の対流段階にある状態においても、真空ポンプを用いて焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒ以下とするエンジンのメインシャフト、クラッチプレート、又は軸受鋼ベアリングレース部品の熱処理方法（第２発明）、
を提供するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を更に詳細に説明する。
本発明の熱処理方法は、鋼材部品の焼入処理の冷却過程において、連続的にあるいは段階的に焼入油面圧を強制的に変化させ、調整することにより蒸気膜段階、沸騰段階、対流段階の各々の範囲を任意に変化させ、これにより処理材に応じた最適な冷却状態を得るものである。従って、本発明は、処理材である鋼材部品の種類、形状などにより、上記第１発明及び第２発明の方法を適宜適用することができる。
【０００７】
以下に、本発明を具体例を挙げて説明する。
まず、第１の例として、浸炭処理した歯車部品のような場合、焼入歪を少なく抑えるためには、冷却特性としては蒸気膜段階を長くし、かつ対流段階開始温度を高くする必要がある。そのためには、高粘度焼入油を使用し、焼入油面圧を低くした状態で焼入れし、その後処理材が沸騰段階に達し、その段階にある状態で焼入油面圧を常圧を含む高い圧力に戻すことにより冷却を行うことが好ましい。また、自動車のデファレンシャルのハイポイドギアのように、片方の面に歯が切ってある部品では、歯面が先に蒸気膜が切れ、遅れて反対側の取付け面の蒸気膜が切れる。その結果、歯面と取付け面では大きな温度差が出来、歯がだれるという問題がある。また、プレート部品でもプレートの端部と中央部では蒸気膜の破断に大きな時間のずれが生じ、プレートがうねるという問題がある。このような場合、焼入歪を抑えるためには、歯の両面が、またプレートの端部と中央部が同時に蒸気膜が切れて、沸騰段階に入れば良いことになる。そのためには、焼入れ時には減圧にして蒸気膜段階が長く続くようにしておき、その後（常圧だと最早沸騰段階又は対流段階になっている温度で）急激に復圧すれば、全体が同時に蒸気膜段階から沸騰段階又は対流段階に移り、歪を小さく抑えることが出来る。
本発明においては、上記高粘度焼入れ油とは、対流段階開始温度の高い焼入油であり、このようなものとして１００℃の動粘度が６〜５０ｍｍ2 ／秒、好ましくは９〜４０ｍｍ2 ／秒である焼入油を用いる。この動粘度が６ｍｍ2 ／秒より小さい場合は焼入油面圧を常圧に戻しても対流段階開始温度が十分に高くならず焼入歪低減効果が十分でない。また、動粘度が５０ｍｍ2 ／秒を超える場合は焼入油面圧を減圧にしても蒸気膜段階が十分に長くならず、一方で、処理材に付着した焼入油の除去が困難という問題もあり好ましくない。本発明においては、このような焼入油として、具体的には、上記動粘度を有する鉱油、油脂、これらの混合物等が挙げられる。
【０００８】
また、上述のように、焼入油面圧を低くした状態で焼入れし、その後処理材が蒸気膜段階または沸騰段階に達し、その段階にある状態で焼入油面圧を常圧を含む高い圧力に戻すべく具体的方法として、本発明においては、「焼入油に処理材を投入する際の焼入油面圧を１〜３００Ｔｏｒｒ（0.１３３〜４０ｋＰａ）に減圧し、その後該処理材の表面が沸騰段階にある状態で不活性ガスあるいは空気を導入して焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒ（４０ｋＰａ）を超える値とする」方法、すなわち本発明の第１発明が採られる。
投入時の焼入油面圧が３００Ｔｏｒｒを超える場合は、蒸気膜段階を十分に長くすることができず、また１Ｔｏｒｒ未満の場合は油温を１５０℃以上に上げた場合に焼入油の蒸気圧が高過ぎて一定圧に保持することが困難となる。この点から、投入時の焼入油面圧は１０〜２５０Ｔｏｒｒ（1.３３〜３３ｋＰａ）であることが好ましい。
【０００９】
沸騰段階での不活性ガスあるいは空気の導入により復圧した焼入油面圧が３００Ｔｏｒｒ以下である場合は、対流段階開始温度を十分に上げることができず好ましくない。この点から、上記焼入油面圧は７６０Ｔｏｒｒ（１０１ｋＰａ）付近、特に５００〜７６０Ｔｏｒｒ（６７〜１０１ｋＰａ）であることが好ましい。上記沸騰段階で復圧のため導入される不活性ガスとしては、好ましくは窒素、ＲＸガス等が用いられる。
本発明においては、沸騰段階に達した時点あるいは沸騰段階の任意の時点において、上記不活性ガスあるいは空気を導入して復圧または加圧することにより対流段階開始温度を高くすることができる。
【００１０】
なお、大型の歯車などの場合、焼入歪低減のために上記高粘度焼入油を使用すると十分な歯元硬さが得られないなどの問題が発生する。このような場合、上記のように一旦復圧した後、処理材の表面は対流段階の温度に達しているが歯車は未だオーステナイトの状態で再度減圧することにより、対流段階開始温度を下げてやれば再び沸騰が起こり、これにより歯元硬さを改良することができ、焼入歪低減と内部の硬さ向上の両立を図ることができる。本発明においては、上記対流開始温度を下げるために減圧する際の焼入油面圧は３００Ｔｏｒｒ（４０ｋＰａ）以下、好ましくは、２００Ｔｏｒｒ（２７ｋＰａ）以下である。
【００１１】
第２の例として、エンジンのメインシャフト、クラッチプレートなど表面に凹凸が少なく、表面積が広いプレート部品の場合は、一般に蒸気膜段階が長時間安定に存在する。その結果、処理材の端面と中央部で蒸気膜段階が終了する時間に大きな差が生じ、これはその後の沸騰段階において大きな温度差となり焼入歪の原因となる。また油槽の油の流速むらが大きい場合も処理材の位置により大きな温度差となり同様の結果となる。また油槽のこのような状態においては、各部の冷却を均一化するためには蒸気膜段階はできるだけ短いほうが好ましい。従って、このような場合はできるだけ蒸気膜段階の短い焼入油を使用し、焼入油面圧を高くした状態で焼入れすればよい。
しかしながら、一方でこのような場合、冷却性が不足して十分な内部硬さが得られないという問題が生じ、この問題を解決するためには処理材が沸騰段階に入った状態で焼入油面圧を減圧にすることにより対流段階開始温度を下げればよい。
【００１２】
本発明においては、上記蒸気膜段階の短い焼入油として、上述の１００℃の動粘度が６〜５０ｍｍ2 ／ｓ、好ましくは８〜４０ｍｍ2 ／ｓである焼入油を用いる。また、焼入油面圧を高くした状態で焼入れし、その後処理材が沸騰段階に入った状態で焼入油面圧を減圧にするべく具体的方法として、本発明においては、「焼入油に処理材を投入する際の焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒ（４０ｋＰａ）を超える値とし、その後該処理材の表面が沸騰段階にある状態で真空ポンプを用いて焼入油面圧を３００Ｔｏｒｒ（４０ｋＰａ）以下とする」方法、すなわち本発明の第２発明が採られる。
【００１３】
投入時の焼入油面圧が３００Ｔｏｒｒ以下の場合は、蒸気膜段階を十分に短くすることができない。この点から、投入時の焼入油面圧は７６０Ｔｏｒｒ（１０１ｋＰａ）付近、特に４００〜７６０Ｔｏｒｒ（５３〜１０１ｋＰａ）であることが好ましい。
また、沸騰段階で真空ポンプを用いて減圧した焼入油面圧が３００Ｔｏｒｒを超える場合は、対流段階開始温度を十分に下げることができず好ましくない。この点から、該焼入油面圧は２５０Ｔｏｒｒ（３３ｋＰａ）以下であることが好ましい。本発明においては、沸騰段階に達した時点あるいは沸騰段階の任意の時点において、上記真空ポンプを用いて減圧することにより対流段階開始温度を低くすることができる。
【００１４】
更に、第３の例として、高炭素鋼からなるベアリングレース部品などの焼入れの場合、通常、その円筒歪を抑制するには蒸気膜段階はできるだけ短く、対流段階開始温度は高く、そして沸騰段階の温度範囲は広い方がよい。一方、変形のばらつきを抑制するには蒸気膜段階を短く、対流段階開始温度を低くする方がよい。このように要求が相反する場合、焼入歪低減をいずれの歪をメインにして考えるかによりその対応が異なるが、一般には高粘度焼入油を使用し、常圧を含む高い圧力で焼入れし、かつ処理材が沸騰段階にある状態で焼入油面圧を減圧にして対流段階開始温度を下げることが好ましい。すなわち、上記第２の例であるプレート部品の場合と同様の処理を行うことが好ましい。
本発明の熱処理方法においては、処理材である鋼材部品としては、歯車、クラッチプレートなどの浸炭鋼部品、ベアリングレースなどの軸受鋼部品、ボルトなどの強靱鋼部品、刃物、工具、治具などの工具用部品等が好適に用いられる。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
実施例１〜３、比較例１〜８（浸炭鋼の焼入れ）
直径８０ｍｍ、幅４４ｍｍのＳＣＲ４２０相当のベアリングレースを、９３０℃で2.５時間浸炭処理した後、９３０℃で1.０時間拡散処理した。浸炭時の炭素ポテンシャル値は1.１％、拡散時の炭素ポテンシャル値は0.８％であった。
更に、浸炭・拡散処理したベアリングレースを大気圧下８５０℃で２０分間加熱した後に１００℃の焼入油に挿入し、ベアリングレースを挿入する位置を流速２５ｃｍ／秒で攪拌しながら下記第１表に示す条件で冷却を行った。焼入処理されたベアリングレースの円筒歪及び中心硬さを下記のようにして測定した。結果を第１表に示す。なお、焼入油としては以下のものを用いた。
焼入油Ａ：  ホット油（１００℃における動粘度；１１ｍｍ2 ／秒）
焼入油Ｂ：  コールド油（１００℃における動粘度；３ｍｍ2 ／秒）
【００１６】
（１）焼入歪の測定
円筒歪：ベアリングレースの上部、下部からそれぞれ３ｍｍの部分の外径寸法を測り、それぞれの位置の最大値と最小値との平均値の差（上部の平均値−下部の平均値）を求めた。
（２）中心硬さの測定
ロックウェル硬さ試験法（ＪＩＳ  Ｚ  ２２４５）に従い試験した。
【００１７】
【表１】
0004837160.tif 000002
【００１８】
実施例４〜５、比較例９〜１６（軸受鋼の焼入れ）
直径８０ｍｍ、幅３４ｍｍのＳＵＪ２のベアリングレースを、８５０℃で３０分間加熱した後焼入油に挿入し、実施例１と同様に攪拌しながら下記第２表に示す条件で冷却を行った後、実施例１と同様にしてその円筒歪を測定した。結果を第２表に示す。
【００１９】
【表２】
0004837160.tif 000003
【００２０】
【発明の効果】
本発明の熱処理方法によれば、鋼材部品の焼入れにおいて、焼入歪を低減しかつ良好な焼入硬さを与えることができる。
本発明の熱処理方法は、浸炭鋼、軸受鋼、強靱鋼、工具鋼などの鋼材部品の焼入処理に好適に用いられる。