(57)【要約】【課題】マルテンサイトの生成を抑制しつつ、熱処理時間を短縮することが可能な鋼材の熱処理方法を提供することである。【解決手段】本発明にかかる鋼材の熱処理方法は、鋼材をＡ１点以上の温度に加熱してオーステナイトを生成する第１の工程と、第１の工程で加熱された鋼材をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却して、鋼材のオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させる第２の工程と、第２の工程の後、鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却する第３の工程と、を備える。【選択図】図１
2016130352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材をＡ１点以上の温度に加熱してオーステナイトを生成する第１の工程と、
前記第１の工程で加熱された鋼材をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却して、前記鋼材のオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させる第２の工程と、
前記第２の工程の後、前記鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却する第３の工程と、を備える、
鋼材の熱処理方法。
【請求項２】
前記鋼材は、表面から内部に行くにつれて炭素濃度が徐々に低下するように浸炭処理されており、
前記第２の工程において、前記鋼材の表面温度をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却して、前記鋼材の表面近傍におけるオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させ、
少なくとも前記鋼材の表面近傍におけるオーステナイトがフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化した後に、前記第３の工程において前記鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却する、
請求項１に記載の鋼材の熱処理方法。
【請求項３】
前記第３の工程において前記鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却する際、水冷を用いて冷却する、請求項１または２に記載の鋼材の熱処理方法。
【請求項４】
前記鋼材にレーザ光を照射して前記鋼材をＡ１点以上の温度に加熱する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋼材の熱処理方法。
【請求項５】
前記第２の工程において前記鋼材を冷却する際、
前記鋼材の表面温度を測定し、
前記測定された前記鋼材の表面温度がＭｓ点よりも高い温度に保持されるように前記レーザ光の照射エネルギーを調整しながら前記鋼材に前記レーザ光を照射する、
請求項４に記載の鋼材の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼材の熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、所定の硬さを備える鋼材を製造するためには、鋼材に焼入れ処理を施して鋼材の硬さを高めた後、この鋼材に焼戻し処理を施して硬さを調整する。特許文献１には、焼戻しの熱処理時間を短縮しつつ、鋼材の焼戻し後の硬さを所定値に保持することができ、かつ冷却時の組織のマルテンサイト化を防止することができる鋼材の熱処理方法に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１０８１４４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】村井、津村：浸炭鋼の残留オーステナイト量に及ぼす合金元素と炭素ポテンシャルの影響、鉄と鋼、Ｖｏｌ．８４（１９９８）Ｎｏ．６、ＰＰ４４６−４５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鋼材に熱処理（焼戻し処理）を施す際の温度条件が不適切な場合は、遅れ破壊の原因となるマルテンサイトが生成される。このマルテンサイトは、鋼材をＡ１点（Ａ１変態温度）以上に加熱することで発生したオーステナイトが冷却されることで生成される。このため、図９に示すように、鋼材に熱処理を施す際は、Ａ１点（オーステナイトが生成される温度）よりも低い温度で熱処理を行う。このように、Ａ１点よりも低い温度で熱処理を行うことで、オーステナイトの生成を抑制することができ、結果として、冷却時にマルテンサイトが生成されることを抑制することができる。
【０００６】
このとき、熱処理時間を短くするためには、熱処理温度を可能な限り高くする必要があるため、熱処理温度とＡ１点との間の温度差は小さくなる傾向にある（図９の符号ΔＴ参照）。このため、熱処理時に鋼材の温度測定に誤差が生じた場合は、意図せず鋼材がＡ１点以上の温度に加熱されてオーステナイトが生成される。その結果、意図せず生成されたオーステナイトが冷却工程で冷却されて、遅れ破壊の原因となるマルテンサイトが生成されるという問題がある。
【０００７】
本発明は、マルテンサイトの生成を抑制しつつ、熱処理時間を短縮することが可能な鋼材の熱処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる鋼材の熱処理方法は、鋼材をＡ１点以上の温度に加熱してオーステナイトを生成する第１の工程と、前記第１の工程で加熱された鋼材をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却して、前記鋼材のオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させる第２の工程と、前記第２の工程の後、前記鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却する第３の工程と、を備える。
【０００９】
本発明にかかる熱処理方法では、第１の工程において鋼材をＡ１点以上の温度に加熱してオーステナイトを生成している。そして、第２の工程において、マルテンサイトが生成される原因となるオーステナイトを、フェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させている。よって、第３の工程において鋼材を冷却した際に、マルテンサイトが生成されることを抑制することができる。また、第１の工程でオーステナイトが生成されることを許容することで、鋼材をＡ１点以上の温度に加熱することができ、熱処理温度を高くすることができる。よって、熱処理時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、マルテンサイトの生成を抑制しつつ、熱処理時間を短縮することが可能な鋼材の熱処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態にかかる鋼材の熱処理方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】実施の形態にかかる鋼材の熱処理方法における温度プロファイルの一例を示す図である。
【図３】鋼材の状態図の一例である。
【図４】浸炭処理された鋼材の表面からの距離と炭素濃度との関係を示すグラフである。
【図５】浸炭処理された鋼材の表面からの距離と硬さとの関係を示すグラフである。
【図６】レーザ加熱装置の一例を示す図である。
【図７】ワークの一例を示す図である。
【図８】レーザ加熱装置を用いてワークに熱処理を施す場合の一例を示す図である。
【図９】本発明の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、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、本実施の形態にかかる鋼材の熱処理方法を説明するためのフローチャートである。図２は、本実施の形態にかかる鋼材の熱処理方法における温度プロファイルの一例を示す図である。本実施の形態にかかる鋼材の熱処理方法は、例えば焼入れ処理された鋼材の硬度を調整する（下げる）ために実施することができる。
【００１３】
本実施の形態にかかる熱処理方法は、炭素を含む鉄、つまり鋼材に適用することができる。ここで、鋼材が含む炭素の濃度（質量％）は２％以下である。鋼材は、炭素以外にもＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の他の元素を含んでいてもよい。例えば、炭素含有量が０．２５％以下の鋼材を低炭素鋼、０．２５％〜０．６％の鋼材を中炭素鋼、０．６％以上の鋼材を高炭素鋼と呼ぶ場合もある。
【００１４】
図３は鋼材の状態図の一例であり、Ｆｅ−Ｃ系の状態図を示している。図３の状態図において、αはフェライト、γはオーステナイト、Ｆｅ３Ｃはセメンタイトを示している。Ａ１点はオーステナイト変態点（７２７℃）、Ｓはオーステイナイトの共析変態組成（共析点：０．７７％）である。
【００１５】
本実施の形態にかかる熱処理方法では、図１、図２に示すように、まず鋼材をＡ１点以上の温度に加熱してオーステナイトを生成する（加熱工程：第１の工程）。つまり、図３の状態図に示すように、鋼材をＡ１点以上の温度にすることで、オーステナイト（γ）を生成することができる。このとき、鋼材の炭素濃度に応じて、オーステイナイト（γ）のみを含む場合（領域Ａ）、フェライト（α）とオーステナイト（γ）とを含む場合（領域Ｂ）、オーステナイト（γ）とセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）とを含む場合（領域Ｃ）がある。例えば、一般的に広く用いられている低炭素鋼と中炭素鋼の場合（例えば、炭素濃度が０．２％〜０．６％）では、鋼材を９２０℃程度まで加熱することで、オーステナイトのみを含むように（領域Ａ）することができる。
【００１６】
なお、本実施の形態にかかる熱処理方法では、第１の工程においてオーステナイトを生成する際、オーステイナイト以外にフェライト（α）やセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）が含まれていてもよい。また、上記で示したＡ１点の温度（７２７℃）は一例であり、Ａ１点の温度は鋼材の組成等に応じて変動する場合がある。
【００１７】
次に、図１、図２に示すように、第１の工程で加熱された鋼材をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却する（制御冷却工程：第２の工程）。ここで、Ｍｓ点はオーステイナイトがマルテンサイトに変態する温度であり、オーステナイトがＭｓ点以下の温度に冷却されるとマルテンサイトが生成される。本実施の形態にかかる熱処理方法では、オーステナイトが生成された鋼材を冷却する際に、Ｍｓ点よりも高い温度に保持しながら徐冷することで、オーステナイトをマルテンサイト以外の組織に変化させることができる。
【００１８】
つまり、第２の工程では、鋼材をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却しているので、鋼材中のオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させることができる。ここで、パーライトは、オーステナイトがフェライトとセメンタイトに共析変態した層状組織である。ベイナイトは、フェライトとセメンタイトとを含む組織であり、パーライト生成温度よりも低くＭｓ点よりも高い温度領域でオーステナイトを恒温変態させると生成される。
【００１９】
図３の状態図において、Ａ１点よりも低い温度では、フェライト（α）とセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）が存在する。第２の工程において冷却されると、鋼材中の炭素濃度に応じて、鋼材中のオーステナイトがフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化する。ここで、パーライトおよびベイナイトはフェライトとセメンタイトとを含む組織である。例えば、炭素濃度が０．７７％の鋼材の場合は、第２の工程において冷却されると、組織全面がオーステナイトからパーライトに変化する（共析鋼）。また、炭素濃度が０．７７％よりも低い場合は、第２の工程において冷却されると、一部のオーステナイトがフェライトに変化し、他の一部のオーステナイトがパーライトに変化する。つまり、鋼材に含まれるオーステナイトは、フェライト又はパーライトに変化する（この場合は、鋼材中にフェライトおよびパーライトが混在する）。また、第２の工程の冷却速度が速い場合は、パーライトの代わりにベイナイトが生成される。更に冷却速度が速いとマルテンサイトが生成される。
【００２０】
マルテンサイトは体心正方格子の鉄の結晶中に炭素が侵入した固溶体であり、硬くて脆いという性質がある。マルテンサイトの硬さは炭素濃度が高いほど硬くなるという性質がある。また、上記で説明したように、マルテンサイトは鋼材の遅れ破壊の原因となる。
【００２１】
オーステイナイトがマルテンサイトに変態するＭｓ点の温度は、鋼材中の炭素濃度に応じて変化する。つまり、鋼材中の炭素濃度が高いほど、Ｍｓ点が低くなる傾向にある。Ｍｓ点は、次の式を用いることで求めることができる（非特許文献１参照）。
【００２２】
Ｍｓ（Ｋ）＝８１２−４２３Ｃ−３０．４Ｍｎ−１７．７Ｎｉ−１２．１Ｃｒ−７．５Ｍｏ＋（１０Ｃｏ−７．５Ｓｉ）  ・・・式１
【００２３】
ここで、ＣはＣの質量％、ＭｎはＭｎの質量％、ＮｉはＮｉの質量％、ＣｒはＣｒの質量％、ＭｏはＭｏの質量％、ＣｏはＣｏの質量％、ＳｉはＳｉの質量％である。例えば、炭素が０．２％、Ｓｉが０．２５％、Ｍｎが０．７３％、Ｃｒが１．０５％、Ｎｉが０．１３％含まれている鋼材のＭｓ点は、４１５．４℃となる。一方、炭素が０．６％、Ｓｉが０．２５％、Ｍｎが０．７３％、Ｃｒが１．０５％、Ｎｉが０．１３％含まれている鋼材のＭｓ点は、２４６．２℃となる。このように、鋼材中の炭素濃度が高いほどＭｓ点は低くなる傾向にある。具体的には、炭素濃度が０．２％の場合はＭｓ点が４１５．４℃であるのに対して、炭素濃度が０．６％の場合はＭｓ点が２４６．２℃となる。
【００２４】
そして、図１、図２に示すように、第２の工程の後、鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却する（冷却工程：第３の工程）。第２の工程後は、マルテンサイトが生成される原因となるオーステナイトが、既にフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化している。よって、Ｍｓ点以下に冷却してもマルテンサイトは生成されない。第３の工程では、鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却する際、水冷を用いて冷却（急冷）してもよい。このように水冷を用いることで冷却速度を速めることができ、生産性を向上させることができる。
【００２５】
「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、鋼材に熱処理を施す際、マルテンサイトの生成を抑制するために、図９に示すようにオーステナイトが生成されない温度（Ａ１点よりも低い温度）で熱処理を行う場合がある。このとき、熱処理時間を短くするためには、熱処理温度を可能な限り高くする必要があるため、熱処理温度とＡ１点との間の温度差は小さくなる傾向にある（図９の符号ΔＴ参照）。このため、熱処理時に鋼材の温度測定に誤差が生じた場合は、意図せず鋼材がＡ１点以上に加熱されてオーステナイトが生成される。
【００２６】
例えば、放射温度計を用いて鋼材の温度を測定した場合は、熱処理時に発生する水蒸気や油煙などにより放射温度計のレンズが汚染され、放射温度計の温度が鋼材の実際の温度よりも低くなる場合がある。このように、実際の温度よりも低い温度に基づいて熱処理装置を制御した場合は、鋼材がＡ１点以上の温度に加熱されてしまう。
【００２７】
このような理由から、熱処理温度とＡ１点との間の温度差を小さくすると、意図せず鋼材がＡ１点以上の温度に加熱されてオーステナイトが生成される。その結果、意図せず生成されたオーステナイトが冷却工程で冷却されて、遅れ破壊の原因となるマルテンサイトが生成されるという問題があった。
【００２８】
本実施の形態にかかる熱処理方法では、鋼材をＡ１点以上の温度に加熱してオーステナイトを生成し（第１の工程）、その後、加熱された鋼材をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却して、鋼材のオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させ（第２の工程）、その後、鋼材をＭｓ点以下の温度に冷却している（第３の工程）。このように、本実施の形態にかかる熱処理方法では、マルテンサイトが生成される原因となるオーステナイトを、第２の工程においてフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させている。よって、第３の工程において鋼材を冷却した際に、マルテンサイトが生成されることを抑制することができる。また、第１の工程でオーステナイトが生成されることを許容することで、鋼材をＡ１点以上の温度に加熱することができ、熱処理温度を高くすることができる。よって、熱処理時間を短縮することができる。したがって、本実施の形態にかかる熱処理方法により、マルテンサイトの生成を抑制しつつ、熱処理時間を短縮することが可能な鋼材の熱処理方法を提供することができる。また、本実施の形態にかかる熱処理方法では、鋼材をＡ１点以上の温度に加熱することができるので、熱処理の際の温度制御幅を広くすることができ、品質安定性が向上する。
【００２９】
また、本実施の形態にかかる熱処理方法は、浸炭処理された鋼材にも用いることができる。ここで、浸炭処理とは、鋼材の表面層の硬化を目的として炭素を添加する処理のことである。浸炭処理された鋼材は、鋼材の表面から内部に行くにつれて炭素濃度が徐々に低下する。図４は、浸炭処理された鋼材の表面からの距離と炭素濃度との関係を示すグラフである。図４に示すように、浸炭処理された鋼材（以下、浸炭材料と記載する）では、鋼材の表面から内部に行くにつれて炭素濃度が徐々に低下する。図４に示す鋼材の場合は、表面における炭素濃度が約０．６６％、表面からの距離が０．５ｍｍの位置における炭素濃度が約０．４６％、表面からの距離が１．０ｍｍの位置における炭素濃度が約０．２７％、表面からの距離が２．０ｍｍの位置における炭素濃度（母材の炭素濃度に対応）が約０．２％となっている。
【００３０】
浸炭材料を形成する際は、鋼材に浸炭焼き入れ処理を行いマルテンサイトを形成する。その後、鋼材の靱性をあげるために焼戻し処理を行う。なお、浸炭焼き入れ処理、及び焼戻し処理は一般的な処理であるので詳細な説明は省略する。このようにして形成された浸炭材料に対して本実施の形態にかかる熱処理方法を実施する。
【００３１】
浸炭材料を熱処理する場合も、まず、Ａ１点以上の温度に加熱してオーステナイトを生成する（第１の工程）。その後、加熱された浸炭材料をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却して、浸炭材料のオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させる（第２の工程）。
【００３２】
浸炭材料の場合は、浸炭材料の表面側において炭素濃度が高く内部側において炭素濃度が低くなる。ここで、マルテンサイトの硬さは炭素濃度が高いほど硬くなる。このため、炭素濃度が高い表面側においてマルテンサイトが生成されると、浸炭材料の表面が硬くなり、遅れ破壊の原因となる。よって、浸炭材料では表面側にマルテンサイトが生成されないようにする必要がある。
【００３３】
本実施の形態では、表面側にマルテンサイトが生成されないように、第２の工程において、浸炭材料の表面温度をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却する。これにより、浸炭材料の表面近傍におけるオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させる。
【００３４】
その後、浸炭材料の表面近傍におけるオーステナイトが、フェライト、パーライト、又はベイナイトに変化した後に、第３の工程において浸炭材料をＭｓ点以下の温度に冷却する。このとき、浸炭材料の内部は表面側よりも温度が高いため、浸炭材料の内部にオーステナイトが存在している場合も想定される。このため、第３の工程において浸炭材料をＭｓ点以下の温度に冷却すると、浸炭材料の内部の冷却も進行して、浸炭材料の内部に存在するオーステナイトがマルテンサイトに変化するおそれもある。特に、水冷を用いた場合は、浸炭材料の内部の冷却も急速に進み、浸炭材料の内部に存在するオーステナイトがマルテンサイトに変化する可能性が高くなる。
【００３５】
しかし、浸炭材料の内部は炭素濃度が低いため、仮にマルテンサイトが生成されたとしてもマルテンサイトの硬さは遅れ破壊を生じさせるほど高くはならない。このため、浸炭材料の内部におけるマルテンサイトの生成は、品質上許容できる場合もある。よって本実施の形態では、少なくとも浸炭材料の表面近傍におけるオーステナイトが、フェライト、パーライト、又はベイナイトに変化した後（このとき、浸炭材料の内部にオーステナイトが残存していてもよい）、浸炭材料をＭｓ点以下の温度に冷却することで、熱処理時間を短縮することができ、熱処理工程の生産性を向上させることができる。
【００３６】
なお、第３の工程における冷却開始のタイミングは、第１の工程（加熱工程）における入熱量（温度・時間）と浸炭材料表面からの熱放散、浸炭材料内部への熱伝導、第２工程（制御冷却工程）での温度カーブ等が影響する。実際には、熱処理と当該熱処理が施されたワークの品質確認とを繰り返し、熱処理の条件を調整していくことで、冷却開始のタイミングを決定することができる。
【００３７】
図５は、浸炭処理された鋼材の表面からの距離と硬さとの関係を示すグラフである。図５に示すように、浸炭材料をＡ１点以上の温度に加熱した後に急冷した場合は、表面近傍（表面からの距離が０〜０．６ｍｍ程度）における硬さが４４０Ｈｖ（ビッカース硬さ）よりも高くなった。これは、急冷によってオーステナイトがマルテンサイトに変化したためであると考えられる。
【００３８】
一方、本発明にかかる熱処理方法を用いた場合は、表面近傍における硬さを４４０Ｈｖ以下に抑えることができた。また、浸炭材料をＡ１点以上の温度に加熱した後に放冷した場合も表面近傍における硬さを４４０Ｈｖ以下に抑えることができた。なお、放冷は時間がかかるため、本発明にかかる熱処理方法を用いた場合のほうが、熱処理時間を短縮することができる。また、急冷したサンプルであっても、浸炭材料の内部においては硬さが４４０Ｈｖよりも小さくなった。これは、浸炭材料の内部は炭素濃度が低いため、マルテンサイトが生成されたとしても、マルテンサイトの硬度が高くならないためであると考えられる。
【００３９】
本実施の形態にかかる熱処理方法は、電気炉、高周波誘導加熱装置、レーザ加熱装置等を用いて実施することができる。以下では、本実施の形態にかかる熱処理方法を実施するための熱処理装置の一例としてレーザ加熱装置について説明する。
【００４０】
図６は、レーザ加熱装置の一例を示す図である。図６に示すように、レーザ加熱装置１は、レーザ発生部１０、放射温度計１１、制御部１２、ダイクロックミラー１３、集光レンズ１４、及びミラー１５を備える。
【００４１】
レーザ発生部１０は、加熱源であるレーザ光を発生する。レーザ発生部１０から出射されたレーザ光はダイクロックミラー１３を透過し、集光レンズ１４で集光される。集光レンズ１４で集光されたレーザ光１６は、ワーク１８に照射され、ワーク１８が加熱される。加熱されたワーク１８からは、ワーク１８の表面温度に応じた放射エネルギーが放射される。ワーク１８から放射された放射エネルギーは、ダイクロックミラー１３およびミラー１５で反射される。ミラー１５で反射された放射エネルギー１７は、放射温度計１１に入射される。放射温度計１１は、入射された放射エネルギー１７を用いてワーク１８の表面温度を計測する。放射温度計１１で計測された温度情報は、制御部１２に出力される。
【００４２】
制御部１２は、放射温度計１１で計測された温度と設定温度とを比較し、当該比較結果に応じた制御信号をレーザ発生部１０に出力する。レーザ発生部１０は、制御部１２から出力された制御信号に基づいて、レーザ光の照射エネルギーを調整する。つまり、ワーク１８の表面温度が設定温度よりも低い場合、レーザ発生部１０はレーザ光の照射エネルギーを高くする。一方、ワーク１８の表面温度が設定温度よりも高い場合、レーザ発生部１０はレーザ光の照射エネルギーを低くする。
【００４３】
レーザ光の強度分布には、ガウシアン分布とトップハット分布がある。ガウシアン分布のレーザ強度は、中心部が高く、中心部から離れるにつれて低下する。トップハット分布のレーザ強度は、ガウシアン分布の場合と比べてレーザ照射部全体に均一な照射エネルギーを与えることができる。よって、本実施の形態にかかる熱処理方法では、ワーク１８の加熱面に均一な温度分布を容易に形成できるトップハット分布のレーザ光を用いることが好ましい。
【００４４】
図７は、本実施の形態にかかる熱処理方法を実施するワークの一例を示す図である。図７において、上図は上面図、下図は断面図である。ワーク２０は浸炭処理された鋼材を用いて形成されている。
【００４５】
図７に示すように、ワーク２０は、凹部２１を備える。凹部２１の底部には貫通穴２２、２３が形成されている。熱処理の後、ワーク２０の貫通穴２２、２３には、貫通穴２２、２３を塞ぐためのボール（不図示）が圧入される。このとき、ボールは、ワーク２０の貫通穴２２、２３の側面２５、２６と当接する。
【００４６】
ここで、ワーク２０の貫通穴２２、２３の側面２５、２６にマルテンサイトが多く存在する場合は側面２５、２６が硬くて脆くなるため、貫通穴２２、２３にボールが圧入される際に、ワーク２０が破壊されるおそれがある。特に、浸炭処理された鋼材を用いてワーク２０を形成した場合は、表面における炭素濃度が高いために、表面に形成されたマルテンサイトも硬くなる傾向にある。このため、図７の貫通穴２２、２３の側面２５、２６に熱処理を施して、マルテンサイトを減少（または消滅）させる必要がある。
【００４７】
そこで本実施の形態では、レーザ加熱装置１を用いて、ワーク２０の貫通穴２２、２３の側面２５、２６に熱処理を施して、ワーク２０の領域（表面近傍の領域）２８、２９におけるマルテンサイトを減少（または消滅）させている（図７参照）。このように熱処理を施すことで、ワーク２０の領域２８、２９の硬度が高くなることを抑制することができ、貫通穴２２、２３にボールが圧入された際に、ワーク２０が破壊されることを抑制することができる。なお、本実施の形態では、貫通穴２２および貫通穴２３のうちのいずれか一方のみにボールを圧入するようにしてもよい。この場合は、ボールが圧入される貫通穴にのみ熱処理を施せばよい。
【００４８】
例えば、レーザ加熱装置１を用いてワーク２０の貫通穴２２の側面２５に熱処理を施す場合は、図８に示すように、ワーク２０を治具４１に固定する。そして、治具４１を回転装置４０に取り付けて、ワーク２０の貫通穴２２の中心軸４５を中心に、ワーク２０を回転させる。そして、ワーク２０を回転させながら、貫通穴２２の側面２５に向けてレーザ光１６を斜め方向から照射することで、貫通穴２２の側面２５を加熱することができる。このようにすることで、ワーク２０の貫通穴２２の領域２８に熱処理を施すことができる。なお、図８では、レーザ加熱装置１のレーザ発生部１０以外の構成要素の図示を省略している。
【００４９】
熱処理を施す際は、まず、貫通穴２２の領域２８にレーザ光１６を照射して、領域２８をＡ１点以上の温度に加熱する。このように領域２８をＡ１点以上の温度に加熱することで、領域２８にオーステナイトを生成することができる。
【００５０】
その後、貫通穴２２の領域２８をＭｓ点よりも高い温度に保持しながら冷却して、領域２８（表面近傍）におけるオーステナイトをフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化させる。このとき、領域２８の表面温度を測定し、測定された領域２８の表面温度がＭｓ点よりも高い温度に保持されるようにレーザ光１６の照射エネルギーを調整しながら領域２８にレーザ光１６を照射する。
【００５１】
そして、領域２８のオーステナイトがフェライト、パーライト、又はベイナイトに変化した後、領域２８をＭｓ点以下の温度に冷却する。例えば、レーザ光１６の照射を停止して領域２８を徐冷してもよく、また、水冷を用いて急冷してもよい。水冷を用いた場合は冷却速度を速めることができるので、生産性を向上させることができる。
【００５２】
水冷を用いた場合は、ワーク２０の内部（領域２８よりも深い領域）が急速に冷却されるため、内部（領域２８よりも深い領域）にオーステナイトが残存している場合は、残存しているオーステナイトがマルテンサイトに変化する。しかし、浸炭処理されたワーク２０の内部は表面（領域２８）よりも炭素濃度が低いため、仮にマルテンサイトが生成されたとしてもマルテンサイトの硬さは表面に生成されたマルテンサイトよりも硬くはならない。このため、ワーク２０の内部（領域２８よりも深い領域）におけるマルテンサイトの生成は、品質上許容できる場合もある。
【００５３】
このように、レーザ光を用いることで、ワーク２０の貫通穴２２、２３のような狭い部分であっても、局所的に熱処理をすることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では加熱源に高周波誘導加熱装置を用いてもよい。しかし、高周波誘導加熱装置は、加熱源のコイルにコアが取り付けられているものが多く、このコアが欠けたり脱落したりする場合がある。このようなコアの欠けや脱落は、作業者が目視で確認する必要がある。例えば、作業者がコアの脱落を見落とした場合、不良品が生産されてしまうことがある。一方、加熱源にレーザ加熱装置を用いた場合は、このようなコアに起因する不具合が発生しないため、装置のメンテナンス性が向上するという利点がある。
【００５５】
以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、マルテンサイトの生成を抑制しつつ、熱処理時間を短縮することが可能な鋼材の熱処理方法を提供することができる。
【００５６】
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００５７】
１  レーザ加熱装置
１０  レーザ発生部
１１  放射温度計
１２  制御部
１３  ダイクロックミラー
１４  集光レンズ
１５  ミラー
１６  レーザ光
１７  放射エネルギー
１８  ワーク
２０  ワーク
２１  凹部
２２、２３  貫通穴
【図１】
2016130352.tif 000003
【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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