(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の焼入温度に保持された鋼材部品を高温焼入油中に浸漬して当該鋼材部品のマルテンサイト変態に起因する歪みによる変形量の最も大きい部位がマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)の直上温度に達するまで急冷した後、当該鋼材部品を高温焼入油中から取り出して当該鋼材部品の保有熱により均熱化し、引続き高温焼入油中に浸漬して冷却することを特徴とする浸炭処理された鋼材部品の油焼入方法。
【請求項２】
焼入れ時の油焼入室内の圧力が７ＫＰa〜７５ＫＰaであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記高温焼入油の温度が１００〜１７０℃の範囲内の温度である請求項１又は２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼材部品の油焼入方法、特に、鋼材部品をマルクエンチ処理する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、焼入温度に保持された鋼材部品を焼入油に浸漬すると、鋼材部品は蒸気膜段階（高温域）、沸騰段階（中温域）及び対流段階（低温域）の三段階を経て冷却される。蒸気膜段階での冷却速度は遅く、沸騰段階での冷却速度はそれよりも３〜１０倍早いことが知られている。また、高温焼入油（ホットクエンチオイル）は、低温焼入油（コールドクエンチオイル）と比べて中温及び低温域での冷却速度が遅いため、焼入れ変態に起因する歪みを軽減できるが、蒸気膜段階の時間が短く、蒸気膜段階の終了温度が高いため、高温域での温度差に起因する熱歪みが生じ易いことが知られている。一方、焼入油を減圧下におくと、図２に示すように、沸点が下降することによって蒸気膜段階の時間が長くなると共に、蒸気膜段階の終了温度が低くなる。そこで、このような現象を利用して、焼入れに起因する変形を軽減する方法として、焼入温度に保持された鋼材部品を高温焼入油中に浸漬して焼入れを行う方法、或いは減圧下の焼入油中に浸漬して焼入れを行う方法が実施されている。
【０００３】
他方、歯車等の鋼材部品の油焼入方法として、所定の焼入温度に保持した鋼材部品をマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)より少し高い高温冷却剤に浸漬してマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)より少し高い温度まで急速冷却し、鋼材部品全体がほぼ同一の温度になった時点で高温冷却剤から取り出して大気中で放冷することによりマルテンサイト変態させる方法（マルクエンチ処理）がある。この方法は、焼入歪みや焼入れのバラツキを軽減することができるが、大気中の放冷であるため、冷却速度が処理材のトレイ内での載置位置や被処理部材の部位間に温度差を生じ、その温度差に起因する焼入歪や焼入れバラツキが避けられないという問題がある。
【０００４】
この問題を解決する方法として、所定の焼入温度に保持した鋼材部品をマルテンサイト変態開始温度以上の高温冷却剤中に浸漬して急冷し、鋼材部品全体がほぼ同一の温度になった時点でマルテンサイト変態開始温度以下の低温冷却剤中に浸漬する方法(特開平２‐１０１１１３号公報)、或いは焼入油を循環させる循環系を備え、かつ、被処理材を包囲するフードを有する焼入槽を用い、前記循環系を停止させた状態でフード内に被処理材を浸漬し、その熱でフード内の焼入油をマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)近傍まで上昇させ、被処理材全体がほぼ同一の温度になった時点で前記循環系で焼入油を循環させてマルテンサイト変態点以下に急冷する方法(特開平６‐２７９３８号公報)などが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、焼入装置の構成及び構造の観点から見れば、前者は高温冷却剤と低温冷却剤とを必要とするばかりでなく、高温冷却剤用の焼入槽と低温冷却剤用の焼入槽とが必要であるため、焼入装置の大型化及び複雑化が避けられずメンテナンス性が悪いという問題がある。後者は、前者における問題を解決するものではあるが、焼入槽自体が複雑化するという問題がある。また、焼入歪及びバラツキの観点から見れば、両者はいずれも冷却剤中に浸漬して鋼材部品全体をほぼ同一温度にする方式であるため、熱媒体としての冷却剤をトレイ上の各被処理材及び被処理材全体に均一に、かつ、十分に接触させるのは困難で、均熱時に鋼材部品間若しくは鋼材部品の部位間に温度差が生じ、焼入歪及びバラツキの軽減に効果はあるが、満足できるものではない。
【０００６】
前記課題を解決するため縷々研究した結果、これらの焼入歪及びバラツキはマルテンサイト変態時における鋼材部品間若しくは鋼材部品の部位間の温度差に起因すると同時に、高温域（約５５０℃以上）での冷却速度が速すぎることに起因することが明らかとなった。
【０００７】
従って、本発明は、マルテンサイト変態時における鋼材部品間若しくは鋼材部品の部位間での温度差を軽減すると共に、高温域（約５５０℃以上）での冷却速度を熱歪を抑制するに十分な緩慢な速度にし、もって、焼入歪及び焼入れのバラツキを軽減することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、所定の焼入温度に保持された鋼材部品を高温焼入油中に浸漬して当該鋼材部品の所定部位がマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)の直上温度に達するまで急冷した後、当該鋼材部品を前記高温焼入油中から取り出して当該鋼材部品の保有熱により均熱化し、引続き前記高温焼入油中に浸漬して冷却するようにしたものである。
【０００９】
本発明の実施態様においては、急冷工程において、鋼材部品は、その所定部位、即ち、マルテンサイト変態に起因する歪みによる変形量が最も大きい部位、具体的には、鋼材部品の単位表面に対して内部体積の小さい部位（例えば、歯車の歯や角柱部品のコーナ部など、以下、先鋭部という）がその部位のＭｓ点直上の温度に達するまで急冷することが行われる。
【００１０】
これは次の知見に基づくものである。即ち、本発明方法においては、前記鋼材部品は、まず、高温焼入油中に浸漬してマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)の直上温度にまで急冷されるが、この場合、鋼材部品全体が前記Ｍｓ点の直上の温度にまで冷却された時点で高温焼入油から取り出すのが好適である。しかしながら、実際の鋼材部品は、一般に焼入れ直前に浸炭処理を施されるため、鋼材部品内部に拡散した炭素の濃度が鋼材部品全体にわたって均一ではなく、部位によってＭｓ点が異なる場合がある。例えば、鋼材部品の先鋭部は、その表層部の炭素濃度が当該先鋭部以外の部位（例えば、鋼材部品内部の浸炭されていない部位、即ち、非浸炭部）よりも高くなるため、前記先鋭部表層部のＭｓ点（Ｍｓ２）が前記非浸炭部のＭｓ点（Ｍｓ１）よりも低くなり、変形量にバラツキを生じる結果となる。ところが、鋼材部品の先鋭部以外の部位、即ち、前記非浸炭部については、通常焼入れした場合でも変形が小さく、その部位の温度が当該部位のＭｓ点（Ｍｓ１）直下となっても鋼材部品としての特性への悪影響が少なく、変形量が最も大きい部位である先鋭部の温度がその部位のＭｓ点（Ｍｓ２）直上であれば、均熱化により鋼材部品全体の変形量のバラツキを小さくできるという知見に基づくものである。
【００１１】
前記焼入油は、被処理材に応じて種類、温度及び量が設定されるが、通常、ＪＩＳ  Ｋ２２４２  ２種１号又は２号に相当する高温焼入油が採用される。また、焼入油の温度は、１００〜１７０ ℃の範囲内の温度に設定される。なお、焼入油の量は、１次焼き入れにより前記設定温度が大きく変動しない量に設定すれば良い。
【００１２】
また、急冷後、被処理材を均熱化するため油焼入室内の焼入油の上方空間に保持されるが、この上方空間の雰囲気温度は、通常、高温焼入油の温度とほぼ同温度である。１次焼入れされた被処理材は、油焼入室の上方空間内にそれ自体の保有熱により均熱されてマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)の直上近傍の温度になるまで保持する時間は、被処理材の大きさ、材質等によって異なるため一義的に定めることは困難であるが、通常、３０〜３００秒に設定される。
【００１３】
均熱化後、再度高温焼入油に浸漬する、所謂マルクエンチ処理により、被処理材のトレイ内での載置位置や被処理材の部位間の温度差をさらに小さくすることができる。
【００１４】
本発明の実施態様においては、焼入れ時の油焼入室内の圧力が７〜７５ＫＰa、より好ましくは、８〜４０ＫＰaに設定される。これは、７ＫＰaより高真空にすると蒸気膜段階が長くなりすぎて十分な焼入れ硬度が得難くなり、また、７５ＫＰaより低真空では十分な減圧効果が得られず、熱歪みを抑制できなくなるからである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明方法の実施に使用するバッチ式浸炭炉の構造を示し、当該炉は加熱室１と油焼入室８とで構成されている。加熱室１は、バルブ２ａを備えた窒素供給ライン３ａを介して窒素ガス供給源４ａに接続されると共に、バルブ２ｂを備えた排気ライン５ａを介して真空ポンプ６ａに接続され、また、図示しない浸炭性ガス供給ラインを接続され、加熱室１は加熱室用扉７を介在させて油焼入室８に連結されている。
【００１６】
他方、油焼入室８は、バルブ２ｃを備えた窒素供給ライン３bを介して窒素ガス供給源４ｂに接続されると共に、バルブ２ｄを備えた空気供給ライン９を介して大気に連通し、バルブ２ｅを備えた排気ライン５ｂを介して真空ポンプ６ｂに接続されている。また、油焼入室８は、その内部に焼入油槽１１を有し、被処理材Ｗを昇降させて焼入油中に浸漬保持する一方、前記焼入油槽１１の上方の空間１４に保持する昇降手段（図示せず）とを備え、加熱室１側に中間扉１５が、また、大気側に装入兼搬出用扉１６がそれぞれ配設されている。
【００１７】
本発明方法の実施に際しては、まず、加熱室１及び油焼入室８を約７〜７５ＫＰaの範囲内の所定の真空度にまで真空排気する。両室が所定の真空度に達した後、被処理材Ｗを加熱室１から油焼入室８内に移送し、高温焼入油１３中に浸漬して当該被処理材Ｗの表面がマルテンサイト変態開始点(Ｍｓ点)の直上近傍の温度になるまで急冷して１次焼入れを行う。この時、焼入油１３が高温焼入油であって、油焼入室８内が減圧された状態で浸漬冷却されるため、大気圧下での高温焼入油による焼入と比較して蒸気膜段階の冷却速度が遅く、しかも、蒸気膜段階の冷却時間が長くなるため、被処理材Ｗは高温域（８５０〜５５０℃）を緩慢に、かつ、均一に冷却される。
【００１８】
次いで、焼入れを継続した場合には歪等が許容範囲外となる部位、例えば、被処理材の先鋭部表面の温度が表面マルテンサイト変態開始点(Ｍs２点)の直上近傍の温度に達した時点で、被処理材Ｗを高温焼入油１３中から取り出して油焼入室８内の上方空間１４に放置し、被処理材Ｗの表面及び内部が表面マルテンサイト変態開始点(Ｍs２点)の直上近傍の温度になるまで均熱化する。
【００１９】
更に、均熱化後、被処理材Ｗを再度高温焼入油１３中に浸漬して冷却し２次焼入れを行う。この際、被処理材Ｗは均熱処理工程を経ており、かつ、高温焼入油中に浸漬されるため、空冷するよりも均一に冷却できることから、マルクエンチ処理によりマルテンサイト変態が均一に行われる。また、高温焼入油は、低温焼入油に比較して冷温域の冷却速度が遅いため、被処理材Ｗをより均一に冷却できる。
【００２０】
冷却が完了すると、前記被処理材Ｗを高温焼入油１３から取り出し、バルブ２ｄを開いて空気供給ライン９から空気を油焼入室８内に導入して大気圧状態に復圧した後、油焼入室８から装入兼排出用扉１６を経て炉外へ取り出す。
【００２１】
被処理材Ｗは、焼入れ中、各部位において別々の温度履歴を示し、その部位におけるマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）も炭素濃度（Ｃ％）に応じて異なっている。この炭素濃度とマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）との関係は、例えば、公知の次式で与えられる。
Ｍｓ（℃）＝５５０−３６１（％Ｃ）−３９（％Ｍｎ）−３５（％Ｃｒ）−１７（％Ｎｉ）−１０（％Ｃｕ）−５（％Ｍｏ＋％Ｗ）＋１５（％Ｃｏ）＋３０（％Ａｌ）
【００２２】
従って、本発明が最も効果的なのは、被処理材Ｗの総ての部位において前記式で求められるマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）直上の温度にて高温焼入油１３から取り出すことである。しかしながら、図３には４点のみ示したが、被処理材Ｗの部位に応じて異なる一次冷却時の温度推移及びマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）をあらゆる点に渡って求め、かつ、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）直上の温度で取り出すことは事実上不可能である。そこで、本発明においては、変形量が最も大きい部位である先鋭部の温度がその部位のＭｓ点（Ｍｓ２）直上の温度に達したところで高温焼入油１３から取り出すようにしている。これは、通常焼入れした場合でも変形量の小さい部位については、その表層部の温度が当該部位のＭｓ点（Ｍｓ１）直下となっても、変形量が最も大きい部位である先鋭部の温度がその部位のＭｓ点（Ｍｓ２）直上であれば、均熱化により鋼材部品全体の変形量のバラツキを小さくできるからである。
【００２３】
なお、焼入れを継続した場合に歪等が許容範囲外になる部位（具体的には、鋼材部品表面の焼入れの必要な部位）が表面マルテンサイト変態開始点(Ｍｓ２点)の直上近傍の温度に到達する時点、すなわち、被処理材Ｗを高温焼入油１３中から取り出すタイミングは浸漬時間により管理する。また、1次焼入れした被処理材Ｗがマルテンサイト変態開始点(Ｍs２点)の直上近傍の温度に到達する時点、すなわち、再度、高温焼入油１３中に浸漬するタイミングは油焼入室８の上方空間１４での放置時間により管理する。
【００２４】
前記実施態様においては、油焼入室８を減圧状態にした場合を例に挙げて説明したが、油焼入室８を大気圧状態で実施しても良い。この場合、一次焼入れ後、焼入油から引き上げて均熱処理を行うことにより、その後の二次焼入れでのマルテンサイト変態を均一に行わせることができるため、歪みのバラツキの低減に満足すべき効果がある。また、減圧状態では、高温域での被処理材Ｗの冷却をより均一に行うことができるため、歪みのバラツキ低減に、より一層の効果が得られる。
【００２５】
【実施例１】
自動車変速機用ファイナルギヤ（ＳＣＭ４２０Ｈ、直径１８０mm）を被処理材Ｗとしてトレイに４０個積載し、加熱室１に入れて９５０ ℃の浸炭温度で浸炭処理（有効浸炭深さ：０.７ mm）した後、油焼入室８に移送し、下記の条件で焼入れ処理を行った。この時の冷却曲線の実測値を図３に示す。なお、図３中、▲１▼は上段歯部、▲２▼は上段肉厚部、▲３▼は下段歯部及び▲４▼は下段肉厚部をそれぞれ示す。
焼入条件
焼入開始温度：  ８５０ ℃
焼入油温度：    １２０ ℃
油焼入室８内圧力：  大気圧
一次焼入（浸漬時間）：  ６８秒
均熱（放置時間）：      ２分
二次焼入（浸漬時間）：  ７分
【００２６】
【比較例１】
自動車変速機用ファイナルギヤ（材質：ＳＣＭ４２０Ｈ、直径：１８０mm）を被処理材Ｗとし、均熱工程を省き連続浸漬とした以外は下記のように実施例１と同一条件下で焼入れ処理を行った。
焼入条件
焼入開始温度：  ８５０ ℃
焼入油温度：    １２０ ℃
油焼入室８内圧力：  大気圧
焼入（浸漬時間）：  １０分
【００２７】
実施例１及び比較例１で得た各処理材について、歯形及び歯筋変形量のバラツキを比較した結果は下記の通りであった。これらの結果から本発明方法により油焼入れしたものは、マルテンサイト変態時における鋼材部品間若しくは鋼材部品の部位間での温度差が軽減されると共に、高温域（約５５０℃以上）での冷却速度が緩慢で熱歪が抑制されバラツキが軽減されていることが判る。
【００２８】
0003990917.tif 000002
【００２９】
【実施例２】
自動車変速機用ハイポイドギヤ（材質：ＳＣr４２０Ｈ、直径２００mm）を被処理材Ｗとしてトレイに３２個積載し、加熱室１に入れて９５０ ℃の浸炭温度で浸炭処理（有効浸炭深さ：０.９ mm）した後、油焼入室８に移送し、下記の条件で焼入れ処理を行った。
焼入条件
焼入開始温度：  ８５０ ℃
焼入油温度：    １２０ ℃
油焼入室８内圧力：  １３ＫＰa
一次焼入（浸漬時間）：  ５８秒
均熱（放置時間）：      ２分
二次焼入（浸漬時間）：  １０分
【００３０】
【比較例２】
自動車変速機用ハイポイドギヤ（材質：ＳＣr４２０Ｈ、直径２００mm）を被処理材Ｗとし、焼入れをプレス焼入れとし、その他は実施例２と同一条件で下記の焼入れ処理を行った。
焼入条件
焼入開始温度：  ８５０ ℃
焼入油温度：    １２０ ℃
油焼入室８内圧力：  大気圧
焼入（矯正型焼入れ）
焼入（浸漬時間）：  １０分
【００３１】
実施例２及び比較例２で得た各処理材について、歯形及び歯筋変形量のバラツキを比較した結果は下記の通りであった。
0003990917.tif 000003
【００３２】
これらの結果から本発明方法により油焼入れしたものは、マルテンサイト変態時における鋼材部品間若しくは鋼材部品の部位間での温度差が軽減されると共に、高温域（約５５０℃以上）での冷却速度が緩慢で熱歪が抑制されバラツキが軽減されていることが判る。
【００３３】
なお、前記実施例及び比較例では、浸炭処理された鋼材部品について焼入れ処理を例に挙げているが、本発明方法は工具鋼、軸受鋼或いは機械構造用鋼の焼入処理にも適用することができる。また、焼入槽は一槽に限らず、二槽であっても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、高温焼入油を用いて一次冷却を行うようにしたので高温域での冷却を緩慢な速度で行うことができ、高温域での熱歪を抑制すると共に、Ｍｓ点の直上温度で鋼材部品を一旦高温焼入油から取り出してその保有熱により均熱化し、その後、高温焼入油中に再浸漬して冷却するようにしたので、マルテンサイト変態時における鋼材部品間若しくは鋼材部品の部位間での温度差を軽減でき、焼入歪のバラツキを少なくすることができる。また、本発明方法は、油焼入室の内部を減圧状態にして焼入れを行うため、中温度域の冷却をある程度速く行うことができ、減圧による冷却能不足を補い、焼入れ時間が増大するのを防止できる。更に、一槽の焼入槽でマルクエンチ処理ができるとともに、油焼入室を簡単な構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法の実施に使用する浸炭炉の構造を示す説明図
【図２】  鋼材部品の各種雰囲気圧力下での冷却曲線を示すグラフ
【図３】  鋼材部品の各部位の冷却曲線を示すグラフ
【符号の説明】
１…加熱室
２…バルブ
３…窒素供給ライン
４…窒素ガス供給源
５…排気ライン
６…真空ポンプ
７…加熱室用扉
８…油焼入室
９…空気供給ライン
１１…焼入油槽
１３…焼入油
１４…均熱空間
１５…中間扉
１６…装入兼搬出用扉
Ｗ…被処理材
【図１】
0003990917.tif 000004
【図２】
0003990917.tif 000005
【図３】
0003990917.tif 000006