(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材の浸炭焼き入れ方法であり、鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が鋼材の焼き入れ領域を内部側から表面側に経時的に一方的に移動するように鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を制御することによって、浸炭焼き入れ時に鋼材に生じる歪のばらつきを抑制する高精度浸炭焼き入れ方法。
【請求項２】
鋼材の浸炭焼き入れ条件決定方法であり、鋼材冷却時の鋼材の深さに対する温度のカーブを焼き入れ開始時からの経過時間ごとに求めたカーブ群と、鋼材の深さに対するマルテンサイト変態温度のカーブを重ね合わせたときに、後者のカーブが前者のカーブ群に対して鋼材の深さに対して大きな勾配を有するカーブとし、冷却に伴って鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が焼き入れ領域を内部側から表面側に経時的に一方的に移動するように、鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を決定することを特徴とする浸炭焼き入れ条件決定方法。
【請求項３】
鋼材の浸炭焼き入れ条件決定方法であり、鋼材冷却時の鋼材の深さに対する温度のカーブを、鋼材の随所で焼き入れ開始時からの経過時間ごとに求めたカーブ群と、鋼材の深さに対するマルテンサイト変態温度のカーブを重ね合わせたときに、後者のカーブが前者のカーブ群に対して鋼材の深さに対して大きな勾配を有するカーブとし、冷却に伴って鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が焼き入れ領域を内部側から表面側に経時的に一方的に移動するように、鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を決定することを特徴とする浸炭焼き入れ条件決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の浸炭焼き入れ方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材の硬度を高める方法として、浸炭焼き入れ方法がある。この浸炭焼き入れ方法では、高温の炭化水素系ガスの雰囲気中に鋼材をさらすことで鋼材表面近傍の炭素含有量を高める（浸炭）。次に、加熱されてオーステナイト組織となっている鋼材をマルテンサイト組織に変態する温度（以下、変態温度という）以下に冷却し、鋼材の組織をオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態させることによって鋼材の硬度を高める。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
焼き入れ工程では、鋼材を冷却してオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態させる。この変態に伴って鋼材が体積変化することから、焼き入れによって鋼材の形状に歪が生じる。
同一種類の多数個の鋼材を次々に浸炭焼き入れする場合、焼き入れに伴って発生する歪みが安定していれば、焼き入れ前の鋼材の形状に焼き入れに伴う歪みの影響を加味しておくことによって、焼き入れ後の鋼材群の形状を意図したものに安定的に仕上ることができる。しかしながら、実際には歪みが安定せず、焼き入れ前の形状が同一でも焼き入れ後の形状がばらついてしまう。
そこで、現状では、焼き入れに伴って生じる歪みのばらつきが許されないような高精度の焼き入れされた鋼材製品（あるいは部品）を仕上るには、浸炭焼き入れ後に機械加工して鋼材の形状を修正している。しかしながら、浸炭焼き入れによって硬度が高められた鋼材に機械加工するのは困難であり、加工に要する時間が長くなってコストが高くなる。このために、焼き入れされた高精度の鋼材製品（あるいは部品）の製造コストが高くなっている。
【０００４】
本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、浸炭焼き入れ方法の実行時に生じる歪のばらつきを抑制することを目的とする。さらには、浸炭焼き入れ後の機械加工を不要とし、もって生産コストの低減と生産時間の短縮化を図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの方法は、鋼材の浸炭焼き入れ方法自体に係わる。この方法では、鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が鋼材の焼き入れ領域を内部側から表面側に経時的に一方的に移動するように鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を制御する。この方法によると、焼き入れ時に鋼材に生じる歪のばらつきを抑制することができる。
鋼材の冷却速度を制御することで、鋼材内の温度分布を制御することができる。急冷すれば鋼材の深さに対する温度勾配は大きいし、除冷すれば温度勾配は小さい。一方、鋼材の炭素濃度は、鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態するときの温度に影響する。鋼材の炭素濃度の深さに対する勾配を大きくすれば変態温度の深さに対する勾配が大きくなり、炭素濃度の深さに対する勾配を小さくすれば変態温度の深さに対する勾配も小さくなる。
本発明者が鋭意研究したところ、鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を制御することによって、鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位を鋼材の焼き入れ領域の内部側から表面側に経時的に一方的に移動させたり、あるいは、表面側から内部側に経時的に一方的に移動させることができることを見出した。そのうえで、オーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が鋼材の焼き入れ領域の内部側から表面側に経時的に一方的に移動する場合には、鋼材に生じる歪みが安定するのに対し、オーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が鋼材の表面側から内部側に経時的に移動する場合には、内部側から表面側に経時的に移動する領域が並存して発生しやすく、歪みのばらつきが大きくなることを見出した。従来の焼き入れでは、オーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が鋼材の表面側から内部側に経時的に移動する領域と、内部側から表面側に経時的に移動する領域が混在しており、これが歪みのばらつきを大きくしていることを見出した。
本発明はこの知見に基づいて創作されたものであり、鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を制御することによって、オーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が鋼材の焼き入れ領域を内部側から表面側に経時的に一方的に移動するようにし、これによって鋼材に生じる歪みを安定させるのに成功した。
【０００６】
請求項２の発明は、鋼材の浸炭焼き入れ条件決定方法に関する。この方法では、鋼材冷却時の鋼材の深さに対する温度のカーブを焼き入れ開始時からの経過時間ごとに求めたカーブ群と、鋼材の深さに対するマルテンサイト変態温度のカーブを重ね合わせたときに、後者のカーブが前者のカーブ群に対して鋼材の深さに対して大きな勾配を有するカーブとし、冷却に伴って鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が焼き入れ領域を内部側から表面側に経時的に一方的に移動するように、鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を決定する。
この方法にしたがって鋼材の冷却速度及び／又は鋼材内の深さ方向の炭素濃度分布を決定すると、請求項1に記載の浸炭焼き入れ方法を実施できる。
【０００７】
請求項３の発明は、鋼材の冷却速度が部位ごとに異なる場合に有用な方法である。例えば、鋼材がほぼ円板状のギアであり、一方の面に冷却オイルをあてながら冷却する場合、冷却オイルにさらされる面の冷却速度と、その裏面側の冷却速度は異なる。この場合、焼き入れ対象物の随所で、鋼材の深さに対する鋼材の温度のカーブ群を求め、しかもこのカーブ群を経過時間ごとに求める。このようにして得られる複数のカーブに対して、鋼材の深さに対するマルテンサイト変態温度のカーブを重ね合わせたときに、後者のカーブが前者の全部のカーブに対して鋼材の深さに対して大きな勾配を有するカーブとし、冷却に伴って鋼材がオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態する部位が焼き入れ領域を内部側から表面側に経時的に一方的に移動するようになっていれば、鋼材の全部位においてマルテンサイト変態が内部側から表面側に進行し、歪みのばらつきは小さく抑制される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
鋼材の内部でマルテンサイト変態が生じる順序を、図１、図２、図３のグラフを用いて説明する。
図１のグラフで、縦軸は温度、横軸は鋼材の表面からの深さを示している。実線６は、鋼材冷却中の鋼材の温度分布を示し、鋼材を冷却用油槽に入れたときからの経過時間（ｔ＝１、２、３、４、５）に応じて温度分布が変化していく様子を示している。鋼材の表面付近は急速に冷却され、内部に行くほど遅れて冷却される。深さに対する温度勾配は冷却初期で大きく、冷却が進行するほど深さに対する温度勾配は小さくなる。
鋼材の組織がオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態する温度（変態温度）は、鋼材に含まれる炭素濃度によって影響を受け、炭素濃度が高いほど変態温度は低く、炭素濃度が低いほど変態温度は高い。浸炭処理すると、鋼材の表面に近いほど炭素濃度が高められるために、浸炭処理された鋼材の変態温度は、表面で低く、内部で高くなる。破線１６は、変態温度の深さ方向の分布を示しており、鋼材の温度が点線１６よりも上にあればオーステナイト組織であり、下にあればマルテンサイト組織である。
変態温度をＭｓとすると、Ｍｓは次の式で与えられる。
Ｍｓ＝５５０−３５０Ｃ−４０Ｍｎ−２０Ｃｒ−１０Ｃｕ−１０Ｍｏ
ここで、Ｃは炭素濃度、Ｍｎはマンガン濃度、Ｃｒはクロム濃度、Ｃｕは銅濃度、Ｍｏはモリブデン濃度であり、それぞれ鋼材の重量に対する重量パーセントである。上記のうちＭｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏの項の係数はＣの項の係数に比べて小さく、また重量割合も小さいために上記の式から省略してもＭｓの算出結果に大きな影響は与えない。従って、Msは近似的に下式で求めることができる。
Ｍｓ＝５５０−３５０Ｃ
図1のグラフは、従来の浸炭焼き入れの代表的場合を示している。時間の経過に従って図１を見てみると、鋼材の温度分布線６は、時間ｔが１，２，３と経過し、ｔ＝４のときに、その温度分布線6が変態温度の分布線１６と交わり始める。即ち、時間ｔ＝４で、鋼材の組織は変態を生じ始める。ｔ＝４のタイミングでは、実際の温度分布線６と変態温度の分布線１６が、2箇所（交点１０と１１）で交差する。即ち、ｔ＝４のタイミングでは、交点１０よりも深い部分と、交点１１よりも浅い部分でマルテンサイト組織に変態している。
更に時間ｔが５となると、前記の交点は１２と１３となる。即ち、鋼材のマルテンサイト変態は、鋼材の内部側から表面側へ進行する（１４の矢印方向）とともに、表面側から内部側に進行する（１５の矢印方向）。発明者が種々に調査したところ、マルテンサイト変態が鋼材の表面側から内部側に進行する場合には、マルテンサイト変態が鋼材の内部側から表面側に進行する領域が同時に現れやすく、焼き入れ時に生じる歪のばらつきが大きくなることを確認した。
【０００９】
図２のグラフは、本発明の条件を満たす場合を例示している。図２のグラフで、実線６は冷却中の鋼材の温度分布を示し、鋼材を冷却用油槽に入れたときからの経過時間（ｔ＝１、２、３、４、５）に応じて温度分布が変化していく様子を示している。これは、図１の場合と同じである。即ち、冷却条件は図１の場合と同じである。これに対して、破線２０は、マルテンサイト変態温度の深さ方向の分布を示しており、図１の場合よりも深さに対して大きな勾配を有している。これは、鋼材中の炭素濃度が深さ方向に急に変化するのに対応する。
この場合には、変態温度の分布線２０と、時間毎の鋼材の温度分布線６は、時間ｔ＝２，３、４・・・の進行とともに、交点２１、２２、２３の順で交差する。即ち、マルテンサイト変態は、鋼材の内部側から表面側に（２４の矢印方向）一方的に進行していく。マルテンサイト変態が鋼材の焼き入れ領域を内部側から表面側に進行すると、焼き入れ時に生じる歪のばらつきが抑制されることを確認した。
【００１０】
図３のグラフは、本発明の条件を満たす他の場合を例示している。図３のグラフで、実線４４は冷却中の鋼材の温度分布を示し、鋼材を冷却用油槽に入れたときからの経過時間（ｔ＝１、２、３、４、５）に応じて温度分布が変化していく様子を示している。図１、図２の場合と比較して、冷却速度が遅く、このために、深さ方向の温度変化ないし温度勾配が小さい。破線１６は、マルテンサイト変態温度の深さ方向の分布を示しており、図１の場合と同じである。
図３から明らかなように、鋼材内の炭素分布濃度が図１の場合と同じでも（それゆえに変態温度分布線が等しい）、冷却中の鋼材温度の深さ方向の変化を緩やかに（勾配を小さく）することによって、鋼材の内部側から表面側にマルテンサイト変態が一方的に進行するようにでき、焼き入れ時に生じる歪のばらつきを抑制することができる。
【００１１】
続いて、本発明を歯車に適用した例を説明する。図４は焼き入れの為の油槽３０の断面図であり、３７は冷却用の油、３１は油攪拌機の駆動源、３２は油攪拌羽根であり、矢印３３は油の流れを示している。油槽３０の中には歯車３４がセットされており、下側３５が歯車の加速面側、上側３６が歯車の減速面側である。
【００１２】
図５は、鋼材の表面からの深さと鋼材の変態温度の関係を示したグラフである。横軸は鋼材の表面からの深さで単位はミリメートル、縦軸は変態温度で単位は℃である。カーブ５１は、浸炭深さが０．４ｍｍの場合の変態温度を示す線である。カーブ５０は、浸炭深さが０．８ｍｍの場合の変態温度を示す線である。
浸炭深さは、鋼材中に炭素を拡散させる時間でコントロールすることができ、短時間拡散すれば浸炭深さは浅く、長時間拡散すれば浸炭深さは深くなる。浸炭深さが深いほど、鋼材内の深さに対する炭素濃度は緩やかに変化し、浸炭深さが浅いほど、鋼材内の深さに対する炭素濃度は急に変化する。炭素濃度がマルテンサイト変態温度に大きく影響する為に、浸炭深さが深いほどマルテンサイト変態温度は深さに対して緩やかに変化し（勾配が小さく）、浸炭深さが浅いほどマルテンサイト変態温度は深さに対して急に変化する（勾配が大きい）。
【００１３】
図６は、歯車の表面からの深さに対する鋼材のマルテンサイト変態温度分布と冷却中の鋼材の温度分布の関係を示したグラフである。横軸は鋼材の表面からの深さで単位はミリメートル、縦軸は変態温度および鋼材の温度で、単位は℃である。
カーブ６０の太い実線は、浸炭深さ０．４ｍｍの場合のマルテンサイト変態温度分布であり、図５のカーブ５１に対応する。カーブ６１は、浸炭深さ０．８ｍｍの場合のマルテンサイト変態温度分布であり、図５のカーブ５０に対応する。細い一群の実線６２は、図４の油槽３０内にセットした歯車３４の加速面側（下側）３５の温度分布であり、一群の点線６３は、前記歯車３４の減速面側（上側）３６の温度である。いずれも、歯車３４が油槽３０の油３７中に移されてから（焼き入れが開始されてから）の経過時間毎（グラフ中に１０ｓ(秒)から５０ｓで記載）に示してある。
【００１４】
図４で、油攪拌機の羽根３２が回転すると、この羽根３２によって油槽３０内に貯められた油３７に矢印３３で示した流れが作り出され、この矢印３３のように油槽の中を循環する。この循環の過程で、油３７の流れは油槽３０内にセットされた歯車３４に当たり、この歯車３４を冷却する。この結果、焼き入れが行なわれる。この時、油３７の流れが直接に当たる歯車３４の加速面側（下側）３５の方が、上側の減速面側３６に比べてより効果的に冷却されることになるため、歪のばらつきも大きくなる傾向がある。
【００１５】
図５から明らかなように、鋼材のマルテンサイト変態温度分布は、浸炭深さによって異なる傾向を示し、浸炭深さが深い方が（図５では浸炭深さが０．８mmの場合の線５０）、深さに対する変態温度分布線の傾きが緩やかとなる。浸炭深さによって鋼材の変態温度分布線の傾きが異なってくる性質を利用して、異なる傾きを持つ変態温度分布線を得ることができる。
【００１６】
図６において、浸炭深さ０．８ｍｍの場合の変態温度分布線６１と、歯車３４の加速面３５側の温度分布線６２の交点から、変態が進行して行く過程をみると、経過時間３５ｓ(秒)の時点で、交点６４（深さ０．４２ｍｍ）よりも内部で変態し、交点６５（深さ０．０４ｍｍ）よりも表面側で変態している。即ち、内部と、表面近傍の２箇所でマルテンサイト変態が生じている。更に時間が経過して４０ｓ(秒)となると、交点６６と交点６７まで変態が進行する。さらに時間が経過した４５ｓ(秒)の時点では、交点６６から交点６８まで変態するとともに、交点６７から交点６８まで変態する。この場合、４５ｓ(秒) 経過した時点で、交点６８で変態が終了する。
浸炭深さが０．８ｍｍであると、表面側から内部側へ（７０の矢印方向）変態が進行すると同時に、内部側から表面側へ（６９の矢印の方向）変態が進行する。このために、浸炭深さが０．８ｍｍであると、前述したように焼き入れ時の歪のばらつきは大きくなる。
【００１７】
次に浸炭深さ０．４ｍｍの場合を説明する。この場合の変態温度分布線６０は、浸炭深さ０．８ｍｍのときの変態温度分布線６１よりも勾配が大きく、歯車の加速面側において、図６中の７１、７２、７３，７４の順に変態が進行する。即ち、経過時間１５秒の時点で、交点７１よりも深い部分で変態がおこり、以下、矢印７５に示すように、交点７２まで変態し（２０秒）、交点７３まで変態し（２５秒）、交点７４まで変態し（３０秒）、３５秒の時点でほぼ表面まで変態が進行する。
変態温度分布線６０は、冷却時間ごとに取った温度分布線群６２よりも深さ方向に急に変化する（勾配が大きい）ために、交点は経過時間とともに鋼材の内側から表面側に移動し、マルテンサイト変態も鋼材の内側から表面側に進行するのである。
図６中、点線６３は歯車上面の温度分布線を示す。明らかに、破線６３は実線６２よりも深さ方向に緩やかに変化する。この場合にも当然に、変態温度分布線６０は、冷却時間ごとに取った温度分布線群６３よりも深さ方向に急に変化し、交点は経過時間とともに、鋼材の内側から表面側に移動し、歯車の上面側でも歪みのばらつきが抑制される。
鋼材の随所で温度分布線を取り、経過時間と測定位置を変えた複数の温度分布線を測定し、それらのカーブ群のいずれよりも深さ方向に急に変化する変態温度分布線となる浸炭深さを選べば、鋼材の随所で歪みのばらつきが抑制され、鋼材の全体形状精度が向上する。
図６に示す冷却条件の場合、浸炭深さを０．４ｍｍとすると、歯車の全箇所でマルテンサイト変態が焼き入れ領域の内部側から表面側に一方的に進行する。この結果、歪みのばらつきが押さえられ、歪みを見込んで歯車形状を形成しておくことで、浸炭処理後の歯車の形状を安定的に意図したものとできる。
図６の場合、浸炭深さが０．４mmのときに合格で、０．８mmのときに不合格であった。実際の製造現場では、浸炭深さに許容幅が与えられえていることから、冷却中の温度分布線（経過時間ごとに得る）を参照し、それらのカーブ群よりも深さ方向に急に変化する変態温度分布線を与える浸炭深さを選択することで、本発明の浸炭焼き入れ方法を実施できる。
また、図１と図３の参照して説明したように、冷却条件を変えることで、冷却時間ごとに得られている鋼材中の温度分布線群よりも、変態温度分布線の方が深さ方向に急に変化する関係（勾配が大きい関係）を実現することができる。
【００１８】
歯車と歯車が噛み合って回転するときに生じる騒音は、歯車の形状精度によって大きく影響を受ける。トルク伝達性能には影響しないようなわずかな形状の誤差が騒音には大きく影響するのである。
このために、静粛性が特に必要とされてきた高級車のための歯車は、浸炭焼き入れした後に機械加工して仕上げていた。
本実施例によると、歯車の圧力角やねじれ角等、歯車の重要形状を安定することができる。本実施例によると、必要な静粛性を得るのに焼き入れ後の機械加工を不要化することができ、生産時間とコストの大幅な短縮が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の、鋼材の温度分布と変態温度分布を示すグラフ
【図２】本発明の、鋼材の温度分布と変態温度分布を示すグラフ
【図３】本発明の、鋼材の温度分布と変態温度分布を示す他のグラフ
【図４】歯車の焼き入れの為の油槽の縦断面図
【図５】歯車の変態温度分布を示すグラフ
【図６】歯車の温度分布と変態温度分布を示すグラフ
【符号の説明】
ｔ・・鋼材が油槽に移されてからの時間
６・・鋼材の温度分布線
１０、１１、１２、１３、・・鋼材の温度分布線と変態温度分布線との交点
１４、１５・・鋼材の変態の生じる方向
１６・・鋼材の変態温度分布線
２０・・鋼材の変態温度分布線
２１、２２、２３・・鋼材の温度分布線と変態温度分布線の交点
２４・・鋼材の変態の生じる方向
３０・・油槽
３２・・油攪拌機の羽根
３３・・油の流れ
３４・・歯車
３５・・歯車の加速面側
３６・・歯車の減速面側
３７・・油
４１、４２・・鋼材の温度分布線と変態温度分布線の交点
４３・・鋼材の変態の生じる方向
４４・・鋼材の温度分布線
５０、６０・・歯車の変態温度分布線（浸炭深さ０．４ｍｍ）
５１、６１・・歯車の変態温度分布線（浸炭深さ０．８ｍｍ）
６２・・歯車の加速面側の温度分布線
６３・・歯車の減速面側の温度分布線
６４、６５、６６、６７、６８・・歯車の温度分布線と変態温度分布線との交点
６９、７０・・歯車の変態の生じる方向
７１、７２、７３、７４・・歯車の温度分布線と変態温度分布線との交点
７５・・歯車の変態の生じる方向
【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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