(57)【要約】      （修正有）【課題】鋼材の表層を浸炭処理しこれを微細化するまでの間に鋼材を一次冷却したとしても、鋼材に付与されるひずみ量を低減することができる鋼材の浸炭焼入れ方法を提供する。【解決手段】フェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材の組織をオーステナイト組織となるように加熱し、オーステナイト組織の状態の鋼材の表層を浸炭ガスで浸炭処理し、浸炭処理後、鋼材のオーステナイト組織を維持するように鋼材の表層を鋼材の再結晶温度未満の温度まで冷却することにより、表層のオーステナイト組織に転位を導入し、転位が導入されたオーステナイト組織からなる鋼材の表層を鋼材の再結晶温度以上の温度まで温度上昇させることにより、転位を核として鋼材の表層のオーステナイト組織を微細化した後、鋼材の組織をマルテンサイト組織に変態させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材を加熱して、該鋼材の組織をオーステナイト組織に変態させた後、該オーステナイト組織の鋼材の表層を浸炭ガスで浸炭処理する工程と、
該浸炭処理後、前記鋼材のオーステナイト組織を維持するように前記鋼材の表層を前記鋼材の再結晶温度未満の温度まで冷却することにより、前記鋼材の表層のオーステナイト組織に転位を導入する工程と、
該転位が導入されたオーステナイト組織からなる鋼材の表層を前記鋼材の再結晶温度以上の温度まで温度上昇させることにより、前記転位を核として前記鋼材の表層のオーステナイト組織を微細化する工程と、
該オーステナイト組織を微細化した鋼材を冷却して、前記鋼材のオーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させる焼入れ工程と、を少なくとも含むことを特徴とする鋼材の浸炭焼入れ方法。
【請求項２】
前記微細化する工程において、前記鋼材の表層の温度上昇を、前記鋼材の自己復熱により行うことを特徴とする請求項１に記載の鋼材の浸炭焼入れ方法。
【請求項３】
前記浸炭処理する工程において、前記鋼材を１０００℃以上に加熱し、
前記転位を導入する工程において、前記鋼材の表層を１００℃／秒以上の冷却速度で冷却することを特徴とする請求項２に記載の鋼材の浸炭焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭ガスを用いて鋼材の表層を浸炭処理した後にその表層を微細化する鋼材の浸炭焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鋼材の表面の耐久性等を向上させるため、鋼材に浸炭処理が施されている。浸炭処理の１つにガス浸炭処理があり、ガス浸炭処理では、加熱した鋼材の表面に浸炭ガスを接触させることにより、鋼材の表面からその表層に炭素を固溶拡散させる。ここで、鋼材への炭素の固溶量および固溶拡散速度を高めるには、浸炭処理時の鋼材の加熱温度が高い方が好ましい。しかしながら、浸炭処理時の鋼材の加熱温度を高めると、鋼材のオーステナイト結晶粒が粗大化してしまうため、鋼材の靱性が低下してしまう。
【０００３】
このような点を鑑みて、例えば、図６に示すような浸炭焼入れ方法が提案されている（例えば、特許文献1参照）。ここでは、まず、フェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材がオーステナイト組織となるように、Ａ3変態点を超える浸炭温度Ｔａまで鋼材を加熱した後に、オーステナイト組織の鋼材を浸炭ガスで浸炭処理する。次に、浸炭処理した鋼材をマルテンサイト変態点Ｍｓ以下の冷却温度Ｔｂまで一次冷却することによりオーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させる。一次冷却した鋼材を再結晶温度Ｔｒ以上の昇温温度Ｔｃまで再加熱することによりマルテンサイト組織をオーステナイト組織に変態させるとともに、その表層のオーステナイト組織を微細化する。最後に、微細化したオーステナイト組織を二次冷却することによりマルテンサイト組織に変態させる（焼入れを行う）。このようして、鋼材の浸炭処理された表層には微細化したマルテンサイト組織が形成されることになる。
【０００４】
また、別の浸炭焼入れ方法として、図７に示すような浸炭焼入れ方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。ここでは、まず、上述した浸炭焼入れ方法と同様に、Ａ3変態点を超える浸炭温度ＴＡでオーステナイト組織に変態した鋼材を浸炭ガスで浸炭処理する。次に、浸炭処理した鋼材をマルテンサイト変態点Ｍｓを超える冷却温度ＴＢまで一次冷却し、この冷却温度ＴＢを一定時間保持する。これにより、鋼材の少なくとも表層のオーステナイト組織は、フェライト組織およびパーライト組織（またはベイナイト組織）に変態する。その後、上述した浸炭焼入れ方法と同じように、鋼材を再結晶温度Ｔｒ以上の昇温温度ＴＣまで再加熱してオーステナイト組織に変態させた後、二次冷却することによりオーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させる（焼入れを行う）。このようして、この場合も鋼材の浸炭処理された表層には微細化したマルテンサイト組織が形成されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２１７６２６号公報
【特許文献２】特開２００９−５２１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６に示す浸炭焼入れ方法を行った場合、一次冷却時に、鋼材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際に鋼材にひずみが発生し、再加熱後の二次冷却時（焼入れ時）にも同様の変態を伴うので、鋼材にさらにひずみが付与されることになる。
【０００７】
同様に、図７に示す浸炭焼入れ方法を行った場合も、一次冷却後に一定の冷却温度ＴＢに保持するので、鋼材がオーステナイト組織から、フェライト組織およびパーライト組織（またはベイナイト組織）に変態する際に、鋼材にひずみが発生してしまう。また、図６と同様に、再加熱後の二次冷却時（焼入れ時）にも、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ので、鋼材にひずみがさらに付与されることになる。
【０００８】
このように、図６および図７に示す浸炭焼入れ方法では、鋼材の表層を浸炭処理しこれを微細化するまでの間に鋼材を一次冷却し、表層のオーステナイト組織が一旦変態するので、一次冷却をしない焼入れのみのもの（２度冷却をないもの）に比べて、鋼材のひずみ量は大きくなってしまう。
【０００９】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鋼材の表層を浸炭処理しこれを微細化するまでの間に鋼材を一次冷却したとしても、鋼材に付与されるひずみ量を低減することができる鋼材の浸炭焼入れ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは鋭意検討を重ねた結果、浸炭処理する際の加熱により鋼材の組織をオーステナイト組織に変態させてから、最終的に鋼材を冷却することにより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焼入れまでの間、途中の鋼材の冷却に拘らず鋼材の組織をオーステナイト組織に維持すれば、鋼材に生じるひずみを低減することができるとの新たな知見を得た。
【００１１】
本発明は、発明者らの新たな知見に基づくものであり、本発明に係る鋼材の浸炭焼入れ方法は、フェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材を加熱して、該鋼材の組織をオーステナイト組織に変態させた後、該オーステナイト組織の鋼材の表層を浸炭ガスで浸炭処理する工程と、該浸炭処理後、前記鋼材のオーステナイト組織を維持するように前記鋼材の表層を前記鋼材の再結晶温度未満の温度まで冷却することにより、前記鋼材の表層のオーステナイト組織に転位を導入する工程と、該転位が導入されたオーステナイト組織からなる鋼材の表層を前記鋼材の再結晶温度以上の温度まで温度上昇させることにより、前記転位を核として前記鋼材の表層のオーステナイト組織を微細化する工程と、該オーステナイト組織を微細化した鋼材を冷却して、前記鋼材のオーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させる焼入れ工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
【００１２】
まず、本発明では、フェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材を準備し、フェライト組織およびパーライト組織がオーステナイト組織に変態するまで加熱する。具体的には、鋼材をＡ１変態点以上、好ましくはＡ３変態点以上の温度（後述する浸炭温度）まで加熱する。次に、浸炭温度に加熱保持されたオーステナイト組織の鋼材の表面に浸炭ガスを接触させることにより、浸炭ガスの炭素を鋼材の表面から固溶させ、表層（鋼材内部）に炭素を拡散させる。これにより、鋼材の表層が浸炭ガスで浸炭処理される。
【００１３】
次に、浸炭処理後、鋼材のオーステナイト組織を維持するように鋼材の表層を前記鋼材の再結晶温度未満の温度まで一次冷却することにより、オーステナイト組織に再結晶核となる転位を導入する。ここでは、再結晶温度未満の温度（すなわち、Ａ１変態点よりも低い温度）で冷却されるので、変態せず組織が維持されたオーステナイト組織は過冷オーステナイトの状態である。このように、オーステナイト組織を維持した状態で、冷却による鋼材の熱収縮で表層のオーステナイト組織に転位が導入されるので、鋼材の組織は変態せず、変態によるひずみが鋼材に付与されない。
【００１４】
なお、鋼材の表層の組織をオーステナイト組織に維持した状態で上述した転位を導入し、後述する工程においてその表層のオーステナイト組織を微細化することができるのであれば、冷却条件は特に限定されるものではない。
【００１５】
次に、転位が導入されたオーステナイト組織からなる鋼材の表層を、変態させずに鋼材の再結晶温度以上の温度まで温度上昇させることにより、転位を核として鋼材の表層の組織を微細化させる。
【００１６】
なお、本発明でいう「鋼材の表層を鋼材の再結晶温度以上の温度まで温度上昇させる」とは、外部から加熱装置で加熱して鋼材の表層を温度上昇させる（再加熱する）場合と、鋼材の内部の熱を利用した自己復熱で鋼材の表層を温度上昇させる場合のいずれの場合も含むものである。
【００１７】
このようにして、表層の転位を核として鋼材の表層が微細化するので、鋼材の表層である浸炭層の靱性が向上する。また、転位が導入されたオーステナイト組織が、フェライト組織およびパーライト組織、またはベイナイト組織に変態する前に、オーステナイト組織を微細化するので、この際にも変態によるひずみが鋼材に付与されない。最後に、焼入れ工程で、表層のオーステナイト組織が微細化した鋼材を冷却して、鋼材のオーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させる。
【００１８】
以上、本発明によれば、鋼材の組織をオーステナイト組織に変態させてから、このオーステナイト組織を変態させずに維持して、鋼材の表層の浸炭および微細化を行った後に、マルテンサイト組織に変態させている。これにより、浸炭処理された表層の組織を微細化することができるとともに、鋼材のひずみ量を従来のものより低減することができる。
【００１９】
上述した組織変化を制御することができるのであれば、微細化する工程において鋼材の表層を温度上昇させる方法は特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記微細化する工程において、前記鋼材の表層の温度上昇を、前記鋼材の自己復熱により行う。
【００２０】
ここで本発明でいう「鋼材の自己復熱」とは、浸炭処理する工程で鋼材に入熱され、一次冷却により転位を導入する工程後に、鋼材の内部に残存した熱のことであり、内部の熱で鋼材の表層を再加熱することができる熱のことである。
【００２１】
この態様によれば、鋼材の自己復熱を利用して、転位を核として鋼材の表層のオーステナイト組織を微細化するので、鋼材をヒータ等により外部から再加熱する必要がない。これにより、安価かつ迅速にオーステナイト組織を微細化することができる。また、転位を導入する工程における鋼材の冷却から、微細化する工程における鋼材の表層の温度上昇までを速やかに行うことができるため、オーステナイト組織（過冷オーステナイトの組織）が他の組織に変態する前に迅速に鋼材の表層を微細化することができる。
【００２２】
さらに好ましい態様としては、前記浸炭処理する工程において、前記鋼材を１０００℃以上に加熱し、前記転位を導入する工程において、前記鋼材の表層を１００℃／秒以上の冷却速度で冷却する。
【００２３】
本発明によれば、浸炭処理をする工程において鋼材を１０００℃以上に加熱することで、鋼材の内部に十分な熱量を入熱することができ、前記転位を導入する工程において、前記鋼材の表層を１００℃／秒以上の冷却速度で冷却することで、鋼材の表層に、微細化の核（再結晶核）となる転位を十分に導入することができる。これにより、表層のオーステナイト組織をより確実に微細化することができる。
【００２４】
ここで、鋼材を１０００℃未満で加熱した場合には、鋼材への入熱量が足りない、または、冷却前の温度が低いため、自己復熱時に鋼材の表層の温度が再結晶温度まで上昇しない場合や冷却時に微細化の核となる転位を鋼材の表層に十分に付与することができない場合がある。さらに、鋼材を１０００℃以上で加熱した場合であっても、冷却速度が１００℃／秒未満である場合、冷却の際に、微細化の核となる転位を十分に付与することができないため、鋼材の表層を微細化できないことがある。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、鋼材をオーステナイト組織に変態させ、この組織を維持しながら、鋼材の表層を浸炭処理しこれを微細化するので、鋼材に生じるひずみを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る鋼材の浸炭焼入れ方法を説明するための鋼材の温度プロフィールを示した図。
【図２】図１に示す鋼材の浸炭焼入れ方法を好適に行う浸炭処理装置の模式的概念図。
【図３】変形例に係る浸炭処理装置の模式的概念図。
【図４】実施例１、比較例１〜３の鋼材のひずみ量（比）の結果を示した図。
【図５】実施例７および比較例７に係る鋼材の浸炭処理後、二次冷却後の組織写真。
【図６】従来の鋼材の浸炭焼入れ方法を説明するための鋼材の温度プロフィールを示した図。
【図７】他の従来の鋼材の浸炭焼入れ方法を説明するための鋼材の温度プロフィールを示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、図１〜３の図面を参照して、本発明の実施形態に係る鋼材の浸炭焼入れ方法を説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態に係る鋼材の浸炭焼入れ方法を説明するための鋼材の温度プロフィールを示した図である。図２は、図１に示す鋼材の浸炭焼入れ方法を好適に行う浸炭処理装置１Ａの模式的概念図である。図３は、変形例に係る浸炭処理装置１Ｂの模式的概念図である。なお、図３に示す浸炭処理装置１Ｂは、再加熱炉４１をさらに設けた点が、図２に示す浸炭処理装置１Ａと異なる。
【００２９】
１．鋼材（被処理材）について
本実施形態に係る浸炭焼入れ方法を実施する鋼材は、フェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材である。このような浸炭焼入れ方法に好適な鋼材としては、たとえば、Ｃ：０．１〜０．４質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．５５〜０．９５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部が不可避不純物および鉄からなる鋼材などを挙げることができる。
【００３０】
ここで、Ｃは、浸炭処理される鋼材（母材）の強度および硬さを確保するための元素であり、Ｃが０．１質量％未満である場合には、母材そのものの硬さが不足し、後述する浸炭処理の時間が長くなってしまうことがある。一方、Ｃが０．４質量％を超えた場合には、処理前の鋼材の被削性および冷鍛性が低下してしまい、母材そのものの硬さが向上することにより、鋼材自体の靱性が低下してしまうことがある。
【００３１】
Ｓｉは、焼入れ性を向上させるための元素であり、Ｓｉが０．１５質量％未満である場合には、鋼材の焼入れ性が低下してしまうことがある。一方、Ｓｉが０．３５質量％を超えた場合には、鋼材の被削性および靱性が低下してしまうことがある。
【００３２】
Ｍｎは、Ｓｉと同様に焼入れ性を向上させるための元素であり、Ｍｎが０．５５質量％未満である場合には、鋼材の焼入れ性が低下してしまうおそれがある。一方、Ｍｎが０．９５質量％を超えた場合には、鋼材の被削性が低下してしまうことがある。
【００３３】
ＰおよびＳの添加量がより少ない方が望ましく、Ｐが０．０３質量％を超えた場合には、偏析を起こしやすく、鋼材の耐衝撃性が低下することがある。Ｓが０．０３質量％を超えた場合には、熱間加工性が低下することがある。
【００３４】
さらに、必要に応じて、上述した成分に、Ｎｉ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．８〜１．３質量％、Ｍｏ：０．１〜０．４質量％の範囲で、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの少なくとも１種が鋼材に添加されていてもよい。
【００３５】
Ｎｉが０．２５質量％を超えた場合には、鋼材の硬さが上昇し、鋼材の靱性が低下することがある。Ｃｒは、焼入れ性を向上させるとともに、耐摩耗性および耐食性を向上させるための元素であり、Ｃｒが０．８質量％未満である場合には、鋼材の焼入れ性が低下することがある。一方、Ｃｒが１．３質量％を超えた場合には、鋼材の硬さが上昇し、鋼材の靱性が低下することがある。
【００３６】
Ｍｏは、焼入れ性を向上させる元素ための元素であり、Ｍｏが０．１質量％未満である場合には、焼入れ性が低下することがある。一方、Ｍｏが０．４質量％を超えた場合には、鋼材の硬さが上昇し、鋼材の靱性が低下することがある。
【００３７】
上述した鋼材として、浸炭処理に適した具体的な鋼材としては、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣｒ４１５〜４３５）、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４１５〜４３５）などを挙げることができる。
【００３８】
２．浸炭処理工程
本実施形態では、上述した鋼材を準備し、図１に示すような浸炭処理工程を行う。具体的には、上述した鋼材のフェライト組織およびパーライト組織が、オーステナイト組織に変態するように鋼材をＡ１変態点以上、より好ましくはＡ３変態点以上の温度（浸炭温度）Ｔ１まで加熱する（図１のＳ１参照）。
【００３９】
本実施形態では、図２に示すように、搬送エリア６に配置された受け冶具６１に鋼材Ｗを載置し、受け冶具６１とともに鋼材Ｗを加熱炉２に移動させ、減圧雰囲気下で加熱炉２内の高周波誘導加熱コイル２１を用いて鋼材Ｗを上の条件で加熱する。
【００４０】
例えば、鋼材にクロム鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣｒ４２０）またはクロムモリブデン鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０）を選択した場合には、Ａ１変態点は７３０℃付近、Ａ３変態点は９００℃付近であるので、少なくとも７３０℃以上、好ましくは、９００℃〜１２００℃に加熱し、その組織をオーステナイト組織に変態させる。
【００４１】
次に、図１に示すように、浸炭温度Ｔ１に加熱されたオーステナイト組織の状態の鋼材の少なくとも表層を浸炭ガスで浸炭処理する（図１のＳ２参照）。具体的には、図２に示すように、加熱炉２で加熱された状態の鋼材Ｗを、受け冶具６１とともに浸炭処理炉３まで搬送する。浸炭処理炉３では、ヒータ３１により、鋼材Ｗの温度を上述した浸炭温度Ｔ１に保持しつつ、オーステナイト組織の状態の鋼材Ｗの表面に浸炭ガスＧを接触させ、鋼材Ｗの表層に炭素を固溶拡散させる。ここで浸炭ガスＧは、炭化水素系ガスなどを挙げることができ、たとえばアセチレンガス、プロパンガスなどの浸炭処理に用いられる一般的なガスである。
【００４２】
３．一次冷却工程（転位導入工程）
一次冷却工程では、浸炭処理された鋼材のオーステナイト組織を維持するように（マルテンサイト変態点Ｍｓ以下の温度とならないように）、鋼材の表層を鋼材の再結晶温度Ｔｒ未満の冷却温度Ｔ２まで一次冷却することにより、表層のオーステナイト組織に転位を導入する（図１のＳ３参照）。本実施形態では、Ａ１変態点よりも低い再結晶温度Ｔｒ未満の冷却温度Ｔ２まで一次冷却しても、オーステナイト組織は、即時に他の組織に変態せず、過冷オーステナイトとして維持される。
【００４３】
このように、本実施形態では、図６に示すように一次冷却時にオーステナイト組織をマルテンサイト組織となるまで（冷却温度Ｔｂ）冷却しないので、オーステナイト組織は維持されている。これにより、本実施形態では、一次冷却工程において、変態が起因となる鋼材へのひずみは発生しない。
【００４４】
一次冷却工程で導入される転位は、再結晶核となる転位であり、後述するように鋼材を再結晶温度Ｔｒ以上に加熱した時に、オーステナイト組織の微細化の核となる。浸炭処理工程において、鋼材をその内部まで１０００℃以上に加熱することを前提として、一次冷却工程で、鋼材の表層を１００℃／秒〜３００℃／秒の冷却速度で冷却すれば、オーステナイト組織に上述した転位をより確実に導入することができる。発明者の実験によれば、冷却速度が１００℃／秒未満である場合には、表層の組織が微細化されないことがあり、冷却速度が３００℃／秒を超えるような冷却はし難い。
【００４５】
本実施形態では、図２に示すように、浸炭処理炉３で表層が浸炭処理された鋼材Ｗを、受け冶具６１とともに冷却室５まで搬送する。冷却室５では、冷却ノズル５１から放出された水Ｑにより、鋼材Ｗの表層の温度が、表層のマルテンサイト変態点Ｍｓを超えてかつ鋼材の再結晶温度Ｔｒ未満となるように鋼材Ｗの表層を冷却する。
【００４６】
例えば、鋼材にクロム鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣｒ４２０）を選択した場合、マルテンサイト変態点Ｍｓは４３０℃であり、クロムモリブデン鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０）を選択した場合、マルテンサイト変態点Ｍｓは４００℃である。また、これら鋼材の再結晶温度は、鋼材の残留応力の影響によってもバラつきがあるが一般的に４５０℃を超え６００℃以下の範囲にある。
【００４７】
したがって、クロム鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣｒ４２０）の場合、第１冷却工程で、少なくともマルテンサイト変態点Ｍｓ４３０℃を超え４５０℃以下の冷却温度Ｔ２で冷却すれば、オーステナイト組織を維持した状態で、表層のオーステナイト組織に転位を導入することができる。同様に、クロムモリブデン鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０）を選択した場合、第１冷却工程で、少なくともマルテンサイト変態点Ｍｓ４００℃を超え４５０℃以下の冷却温度Ｔ２で冷却すれば、オーステナイト組織を維持した状態で、表層のオーステナイト組織に転位を導入することができる。
【００４８】
４．再加熱工程（微細化工程）
再加熱工程では該転位が導入されたオーステナイト組織からなる鋼材の表層を鋼材の再結晶温度以上の昇温温度Ｔ３まで温度上昇させる（再加熱する）ことにより、転位を核として鋼材の表層のオーステナイト組織を微細化する（図１のＳ４参照）。
【００４９】
本実施形態では、図２に示すように、冷却室５で表層が一次冷却された鋼材Ｗを、受け冶具６１とともに搬送エリア６に移動し、鋼材Ｗの自己復熱により鋼材の表層の昇温温度Ｔ３を上昇させる。
【００５０】
具体的には、加熱炉２および浸炭炉３（すなわち浸炭処理工程）で鋼材Ｗの内部に入熱され、冷却室５で鋼材Ｗが冷却されたときに鋼材Ｗの内部に残存した熱を、鋼材Ｗの表層に伝達させ、鋼材Ｗの表層を加熱し、表層の温度を昇温温度Ｔ３まで上昇させる。
【００５１】
なお、図１に示す温度プロフィールとなるように、鋼材の表層を昇温温度Ｔ３まで再加熱することができるのであれば、例えば、図３に示すように、浸炭処理装置１Ｂに再加熱炉４をさらに設け、高周波誘導加熱コイル４１を用いて鋼材Ｗを昇温温度Ｔ３まで再加熱してもよい。
【００５２】
しかしながら、本実施形態では、図２に示すように、鋼材Ｗの自己復熱を利用してなりゆきのまま、転位を核として鋼材Ｗの表層のオーステナイト組織を微細化するので、図３に示すような再加熱炉４を新たに設ける必要がない。これにより、安価かつ迅速にオーステナイト組織を微細化することができる。
【００５３】
また転位導入工程における鋼材Ｗの冷却から、微細化工程における鋼材の表層の温度上昇までを速やかに行うことができる。このため、オーステナイト組織（過冷オーステナイト）が、図７に示すような他の組織（フェライト組織およびパーライト組織（またはベイナイト組織））に変態する前に、迅速に鋼材の表層のオーステナイト組織を微細化することができる。なお、微細化工程を、便宜上「再加熱工程」と表現しているが、この「再加熱」とは、本明細書では、上述した自己復熱によりなりゆきのまま、鋼材の表層が昇温される場合も含む。
【００５４】
ここで、鋼材にクロム鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣｒ４２０）またはクロムモリブデン鋼（たとえばＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０）を選択した場合、鋼材の表層の昇温速度は、５０℃／秒以上であることが好ましい。この昇温速度よりも遅い場合には、鋼材内部の転位に伴う残留応力が解放してしまい、鋼材の表層のオーステナイト組織が転位を核として微細化しないことがある。また、昇温温度Ｔ３がＡ３変態点を超えた９５０℃以上となる場合には、オーステナイト組織が粗大化してしまうことがある。
【００５５】
５．二次冷却工程（焼入れ工程）
二次冷却工程では、表層の組織が微細化された鋼材を冷却して、鋼材の組織をマルテンサイト組織に変態させる（図１のＳ５参照）。この工程は、鋼材の表層の焼入れを目的とした工程であり、所定の冷却速度でマルテンサイト変態点Ｍｓ以下に鋼材を冷却することにより、表層のオーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させることができる。
【００５６】
本実施形態では、図２に示すように、表層が再加熱されて微細化された鋼材Ｗを、受け冶具６１とともに冷却室５に再度搬送する。冷却室５では、冷却ノズル５１から放出された水Ｑにより、鋼材Ｗの表層温度がマルテンサイト変態点Ｍｓ以下となるように鋼材Ｗの表層を冷却する。
【００５７】
このようにして、本実施形態では、鋼材の組織を浸炭処理工程でオーステナイト組織に変態させてから、オーステナイト組織を変態させずに維持して、鋼材の表層の浸炭および微細化を行った後に、マルテンサイト組織に変態させている。すなわち、これまでとは異なり、浸炭処理後の一次冷却時に、組織の微細化の核となる転位を導入すべく鋼材を冷却したとしても、オーステナイト組織は変態させず維持されているので、変態による鋼材へのひずみの発生を抑えることができる。このような一連の工程を経た鋼材によれば、浸炭処理された表層の組織を微細化することができるとともに、従来のものに比べて鋼材全体のひずみ量を低減することができる。
【実施例】
【００５８】
以下に本発明を実施例により説明する。以下に示す実施例では、図２に示す浸炭処理装置を用いている。
【００５９】
[実施例１]
直径１７０．７ｍｍ、ピッチ７．５ｍｍ、オーバーボール径（ＯＢＤ）１７１．７ｍｍのクロム鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣｒ４２０）からなる平歯車（鋼材）を準備した。なおクロム鋼の組織はフェライト組織およびパーライト組織からなる組織である。
【００６０】
次に、表１に示す条件で浸炭処理を行った。加熱炉内を脱気して減圧雰囲気下にし、鋼材を加熱炉内に投入し、高周波誘導加熱コイルを用いて８０秒間で、鋼材を１０００℃まで加熱した。なお、鋼材のＡ３変態点が９００℃付近であることから、鋼材の組織は、加熱により、フェライト組織およびパーライト組織からマルテンサイト組織に変態している。
【００６１】
次に、浸炭処理炉に浸炭ガスとしてアセチレンガス２０Ｌ／ｍｉｎを導入するとともに、鋼材の温度をヒータで１０００℃に保持して、浸炭温度（Ｔ１）１０００℃、圧力１１００Ｐａの条件で、浸炭時間１１５秒間、浸炭ガスを鋼材の表面に接触させてその表層に炭素を固溶させ、その後、浸炭ガスを用いず（浸炭ガスを排出した減圧雰囲気で）拡散時間２８０秒間、鋼材を浸炭温度Ｔ１で加熱して固溶した炭素を鋼材の表層に拡散させた（浸炭処理時間合計３９５秒間）。
【００６２】
次に、浸炭処理後の鋼材を冷却室に搬送し、水を吹き付けることにより鋼材の表層（具体的には表面）を冷却速度２００℃／秒、冷却温度（Ｔ２）４５０℃まで一次冷却した。なお、再結晶温度Ｔｒは４９０℃付近と推定され、一次冷却では再結晶温度以下まで冷却されていることになる。この一次冷却により鋼材の表層に転位を導入した。
【００６３】
次に、冷却室から鋼材を取り出して、鋼材の自己復熱により（なりゆきで）、鋼材の表層を再加熱し、鋼材の表層のオーステナイト組織を微細化した。これにより、鋼材の表層は、鋼材の内部の熱で、昇温速度１００℃／秒、昇温温度（Ｔ３）９００℃（再結晶温度Ｔｒ以上の温度）まで再加熱された。
【００６４】
再加熱後の鋼材を冷却室に再度搬送し、鋼材に水を吹き付けることにより冷却速度１００℃／秒の条件で室温まで鋼材を二次冷却し、鋼材の焼入れを行った。これにより、鋼材の組織をマルテンサイト組に変態させた。
【００６５】
[比較例１]
実施例１と同じように、鋼材を準備し、表１に示す条件で、この鋼材に浸炭焼入れを行った。実施例１と相違する点は、図６に示す温度プロフィールに類似した温度プロフィールとなるように、浸炭温度（Ｔａ）１０００℃で浸炭処理を行い、冷却速度２００℃／秒で、水により室温（Ｔｂ）まで一次冷却して、オーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させた点である。その後、高周波加熱で昇温速度１００℃／秒、昇温温度（Ｔｃ）９００℃まで高周波で再加熱し、冷却速度１００℃／秒で、水により室温まで二次冷却した。
【００６６】
[比較例２]
実施例１と同じ鋼材を準備し、表１に示す条件で、この鋼材に浸炭焼入れ方法を行った。実施例１と相違する点は、図７に示す温度プロフィールに類似した温度プロフィールとなるように、浸炭温度（ＴＡ）１０００℃で浸炭処理を行い、冷却速度１００℃／秒で水により冷却温度（ＴＢ）５００℃まで一次冷却して、この温度（５００℃）を７２００秒間保持し、オーステナイト組織をベイナイト組織に変態させた点である。その後、再加熱は行わず（図７とは異なる（ＴＣなし））、冷却速度１００℃／秒で、水により室温まで二次冷却した。
【００６７】
[比較例３]
実施例１と同じ鋼材を準備し、表１に示す条件で、この鋼材に浸炭焼入れを行った。実施例１と相違する点は、図７に示す温度プロフィールに類似した温度プロフィールとなるように、浸炭温度（ＴＡ）１０００℃で浸炭処理を行い、冷却速度５０℃／秒で水により冷却温度（ＴＢ）６５０℃まで一次冷却して、この温度（６５０℃）を７２００秒間保持し、オーステナイト組織をフェライト組織およびパーライト組織に変態させた点である。その後、再加熱は行わず（図７とは異なる（ＴＣなし））、冷却速度１００℃／秒で、水により室温まで二次冷却した。
【００６８】
【表１】
2016017212.tif 000003
【００６９】
＜ひずみ量の測定＞
実施例１および比較例１〜３の鋼材（歯車）に対して、浸炭焼入れ実施前後のオーバーボール径（ＯＢＤ）を測定し、この値から、浸炭焼入れの実施後のひずみ量を測定した。この結果を図４に示す。図４では、比較例１の鋼材のひずみ量を１としたときの、実施例１および比較例２、３の鋼材のひずみ量を示している。
【００７０】
（結果および考察）
図４に示すように、実施例１の鋼材のひずみ量は、比較例１〜３のものに比べて最も小さい値となった。また、比較例１の鋼材のひずみ量に対して、実施例１のものは、７４％低減されていた。
【００７１】
この結果から、実施例１の浸炭焼入れ方法では、鋼材をオーステナイト組織に変態させ、オーステナイト組織を維持しながら、鋼材の表層を浸炭処理しこれを微細化するので、鋼材に生じるひずみを低減することができたと考えられる。一方、比較例１の場合、一次冷却時に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際に鋼材にひずみが発生し、この変態時のひずみが起因となって、実施例１よりも鋼材に生じるひずみ量が大きくなったと考えられる。同様に、比較例２の場合、一次冷却後に一定の温度ＴＢに保持する際にオーステナイト組織がベイナイト組織に変態し、比較例３の場合、オーステナイト組織がフェライト組織およびパーライト組織に変態した際に、鋼材にひずみが発生し、この変態時のひずみが起因となって、実施例１よりも鋼材に生じるひずみ量が大きくなったと考えられる。
【００７２】
以下の実施例２〜８および比較例４〜８は、一次冷却後、自己復熱（なりゆき）で鋼材の表層を昇温したとき（再加熱時）に、鋼材の表層のオーステナイト組織が微細化されるに好適な条件を確認するための例である。
【００７３】
[実施例２]
実施例１と同じように鋼材の浸炭焼入れを行った。実施例１と相違する点は、直径１８ｍｍ×長さ２０ｍｍの円柱状のクロム鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣｒ４２０）からなる鋼材を準備した点と、表２に示す条件で浸炭焼入れを行った点であり、実施例１とは、浸炭処理工程の条件が異なる。
【００７４】
具体的には、実施例２の浸炭処理工程が、実施例１のものと相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）９５０℃、圧力１１００Ｐａの条件で、浸炭時間１９８秒間、その後の炭素の拡散時間５０２秒間（浸炭時間合計７００秒間）で、浸炭処理を行った点である。
【００７５】
したがって、これらの相違点から、鋼材の自己復熱（なりゆき）で鋼材の表層を再加熱した際の昇温速度および昇温温度（Ｔ３）も、表２に示すように実施例１のものとは異なる。
【００７６】
[実施例３〜８]
実施例２と同じように鋼材の浸炭焼入れ方法を行った。実施例３〜８が実施例２と相違する点は、表２に示す条件である。なお、この相違点により、鋼材の自己復熱（なりゆき）で鋼材の表層を再加熱した際の昇温速度および昇温温度（Ｔ３）も、表２に示すように実施例２のものとは異なる。
【００７７】
実施例３が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１０００℃の条件で、浸炭時間１１５秒間、その後の炭素の拡散時間２８０秒間（浸炭処理時間合計３９５秒間）で浸炭処理を行った点である。
【００７８】
実施例４が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１０００℃の条件で、浸炭時間１１５秒間、その後の炭素の拡散時間２８０秒間（浸炭処理時間合計３９５秒間）で浸炭処理を行った点と、水による一次冷却速度を１００℃／秒にした点である。
【００７９】
実施例５が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１１００℃の条件で、浸炭時間１１５秒間、その後の炭素の拡散時間２８０秒間（浸炭処理時間合計３９５秒間）で浸炭処理を行った点である。
【００８０】
実施例６が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１１００℃の条件で、浸炭時間７０秒間、その後の炭素の拡散時間１４２秒間（浸炭処理時間合計２１２秒間）で浸炭処理を行った点と、水による一次冷却速度を１００℃／秒にした点である。
【００８１】
実施例７が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１２００℃の条件で、浸炭時間１３７秒間、その後の炭素の拡散時間４３秒間（浸炭処理時間合計１８０秒間）で浸炭処理を行った点である。
【００８２】
実施例８が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１２００℃の条件で、浸炭時間１３７秒間、その後の炭素の拡散時間４３秒間（浸炭処理時間合計１８０秒間）で浸炭処理を行った点と、水による一次冷却速度を１００℃／秒にした点である。
【００８３】
[比較例４〜８]
実施例２と同じように比較例４〜８に係る鋼材の浸炭焼入れを行った。比較例４〜８が実施例２と相違する点は、表２に示す条件である。
【００８４】
比較例４が、実施例２と相違する点は、水による一次冷却速度を１００℃／秒にした点である。
【００８５】
比較例５が、実施例２と相違する点は、水による一次冷却速度を５０℃／秒にした点である。
【００８６】
比較例６が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１０００℃の条件で、浸炭時間１１５秒間、その後の炭素の拡散時間２８０秒間（浸炭処理時間合計３９５秒間）で浸炭処理を行った点と、水による一次冷却速度を５０℃／秒にした点である。
【００８７】
比較例７が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１１００℃の条件で、浸炭時間７０秒間、その後の炭素の拡散時間１４２秒間（浸炭処理時間合計２１２秒間）で浸炭処理を行った点と、水による一次冷却速度を５０℃／秒にした点である。
【００８８】
比較例８が、実施例２と相違する点は、浸炭温度（Ｔ１）１２００℃の条件で、浸炭時間１３７秒間、その後の炭素の拡散時間４３秒間（浸炭処理時間合計１８０秒間）で浸炭処理を行った点と、水による一次冷却速度を５０℃／秒にした点である。
【００８９】
実施例２〜８および比較例４〜８は、それぞれ浸炭温度、浸炭処理時間、および一次冷却速度の少なくとも１つが相違するので、鋼材の自己復熱（なりゆき）で鋼材の表層を再加熱した際の、鋼材の表層（具体的には表面）の昇温速度および昇温温度（Ｔ３）も、表２に示すように異なる。
【００９０】
＜結晶粒度の測定＞
実施例２〜８および比較例４〜８に係る、二次冷却後の鋼材の結晶粒度を測定した。また、実施例２〜８および比較例４〜８の再加熱による微細化を確認すべく、実施例２〜８および比較例４〜８の浸炭処理後、一次冷却で室温まで急冷した鋼材を準備し、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に準拠して、この鋼材と、上述の二次冷却後の鋼材の結晶粒度を測定した。これらの鋼材の結晶粒度番号を表２に示す。さらに、実施例７および比較例７の鋼材の表層を含む断面を顕微鏡観察した。この結果を図５に示す。
【００９１】
【表２】
2016017212.tif 000004
【００９２】
（結果および考察）
実施例２〜８に係る鋼材は、比較例４〜８のものとは異なり、自己復熱により鋼材のオーステナイト組織が微細化され、二次冷却後のマルテンサイト組織も微細化されていた。
【００９３】
比較例４に係る鋼材は、浸炭温度が９５０℃と低く、自己復熱により再結晶温度Ｔｒ（５００℃）以上とならなかったことで、自己復熱により鋼材の表層の組織が微細化しなかったと考えられる。
【００９４】
比較例５〜７に係る鋼材は、一次冷却速度が十分ではなかったため、鋼材のオーステナイト組織に微細化の起因となる転位が十分に導入できなかったことと、自己復熱により再結晶温度Ｔｒ（４９０℃）以上とならなかったことの２つの理由により、自己復熱により鋼材の表層の組織が微細化しなかったと考えられる。
【００９５】
また、比較例８に係る鋼材は、一次冷却速度が十分ではなかったため、鋼材のオーステナイト組織に微細化の起因となる転位が十分に導入できなかったことが起因して、たとえ自己復熱により再結晶温度（４９０℃）以上の昇温温度（４９５℃）となっても、微細化しなかったと考えられる。
【００９６】
さらに、上述した実施例２〜８および比較例４〜８に係る鋼材の浸炭温度と一次冷却速度との条件に対して、鋼材が微細化されたか否かを、以下の表３にまとめた。この結果から、浸炭温度（Ｔ１）を１０００℃以上とし、一次冷却速度を１００℃／秒以上としたときに、自己復熱により鋼材のオーステナイト組織が確実に微細化すると考えられる。ただし、この条件を満たさない実施例２の場合でも、自己復熱により鋼材のオーステナイト組織が微細化していることから、浸炭温度（Ｔ１）１０００℃以上、一次冷却速度１００℃／秒以上の条件を満たさなくても、自己復熱により鋼材のオーステナイト組織が微細化することがある。
【００９７】
【表３】
2016017212.tif 000005
【００９８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００９９】
１Ａ、１Ｂ：浸炭処理装置、２：加熱炉、３：浸炭処理炉、４：再加熱炉、５：冷却室、６：搬送エリア、２１：高周波誘導加熱コイル、３１：ヒータ、４１：高周波誘導加熱コイル、５１：冷却ノズル、６１受け冶具、Ｑ：水、Ｗ：鋼材
【図１】
2016017212.tif 000006
【図２】
2016017212.tif 000007
【図３】
2016017212.tif 000008
【図４】
2016017212.tif 000009
【図５】
2016017212.tif 000010
【図６】
2016017212.tif 000011
【図７】
2016017212.tif 000012