JP2007239028A - 鋼材の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塑性変形加工が施された鋼材に対して適切な熱処理を行い、生産効率を向上させる。
【解決手段】組成比が所定範囲内であるワークは、第１工程Ｓ１において、熱間鍛造によって金属組織中に析出物を形成するとともにリテーナの形状に塑性変形され、高温が保持された状態で熱処理炉に導入される。このリテーナは、次に、熱処理炉内でＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度まで昇温されて保持される（第２工程Ｓ２）。昇温・保持は１０分以内で十分であり、好ましくは３分程度である。リテーナは、次に、５〜４５℃／分、好ましくは５〜２０℃／分の冷却速度で除冷される（第３工程Ｓ３）。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱間温度域で塑性変形加工が施された鋼材の諸特性を向上するための鋼材の熱処理方法に関する。

自動車の走行機関を構成する等速ジョイントのリテーナは、一般的に、円柱体からなる炭素鋼製ワークを加熱して熱間温度域まで昇温し、圧潰、穿孔（ピアッシング）、再圧潰を順次行い、高さ方向略中腹部が若干膨出したリング体に鍛造加工（塑性変形加工）されることによって製造されている。

このようにして成形加工されたリテーナは、室温まで冷却された後、熱処理設備まで搬送される。そして、リテーナを軟化させて変形能を向上させたり、又は硬度の均質化を図るべく、この熱処理設備において、低温焼き鈍し、球状化焼き鈍し、又は焼きならし等の各種の熱処理が施される。

次に、前記熱処理の際に発生する酸化スケール等を除去するショットブラスト処理が行われ、さらに、必要に応じてリテーナの外表面にリン酸亜鉛等からなる潤滑用化成皮膜が形成される。その後、切削加工によって寸法調整がなされ、さらに、前記等速ジョイントの外輪部材に形成される溝と対となってボールを挟持するための窓が設けられる。

ところで、このような製造過程を経る場合、熱処理を施す前のリテーナを保管しておくための広大なスペースが必要であるが、保管の目的のみにスペースを確保することは経済的に不利である。

また、熱処理は、例えば、トランスファー上に載置されたリテーナを連続式加熱炉内で移動させながら行われるが、リテーナが連続式加熱炉内に搬入されてから搬出されるまでの時間、換言すれば、処理時間が長く、このためにリテーナの生産効率が低いという不具合が顕在化している。なお、バッチ式加熱炉に変更しても、処理時間を短縮することはできない。

さらに、低温焼き鈍し、球状化焼き鈍し、又は焼きならしを行うための熱処理設備は、いずれも大規模な設備が必要であり、従って、設備投資が高騰してしまう。

しかしながら、このような不具合を回避するべく熱処理を省略すると、リテーナが軟化することも硬度が均質になることもないので、窓を設けることや切削加工を施すことが容易でなくなる。

以上のような観点から、短時間で終了し、且つ簡素な設備で実施することが可能な熱処理方法を確立することが希求されており、例えば、特許文献１には、焼入れを省いて焼き戻しのみを行うようにすることが提案されている。また、特許文献２には、鋼製ワークをＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度で加工度４５〜６５％の塑性変形加工を行い、その後、空冷（自然放冷）することが開示されている。

特開平５−３０２１１７号公報 特開平５−２５５７３９号公報

特許文献１に記載された熱処理方法では、鍛造加工後の成形品が放冷される。このため、成形品を保管するスペースを確保しなければならない。換言すれば、特許文献１記載の熱処理方法では、保管スペースを狭小化することができない。

また、特許文献２記載の加工方法は温間鍛造であり、そのために加工率が制限されてしまうという問題がある。

さらに、成分・組成比が規定された鋼材に対して各種の熱処理を行っても、例えば、切削性が向上しないことがある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、保管スペースを不要とし、短時間で、しかも、簡素な設備で実施することが可能で、しかも、特定の鋼種の切削性を向上させることも可能な鋼材の熱処理方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、０．１〜０．３質量％のＣ、０．３５質量％以下のＳｉ、１．５質量％以下のＭｎ、０．０３質量％以下のＳ、０．０００３〜０．００５質量％のＢ、０．０１質量％以下のＮ、０．０５質量％以下のＴｉ、０．０６質量％以下のＡｌ、０．００５〜０．２質量％のＮｂを少なくとも含み、且つ熱間温度域で塑性変形加工が施された後に少なくともＮｂを含む析出物が存在する鋼材の熱処理方法であって、
前記鋼材に対して熱間温度域で塑性変形加工を施す第１工程と、
塑性変形加工が施されることに伴って加工熱を帯びた前記鋼材を、加工熱が残留している時点で加熱してＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に保持する第２工程と、
加熱保持された前記鋼材を、パーライトの析出が終了する温度となるまで５〜４５℃／分の冷却速度で冷却する第３工程と、
を有し、
前記第２工程での保持時間を１０分以内とすることを特徴とする。

第２工程及び第３工程を経ることにより、鋼材が軟化するとともに、該鋼材の硬度が部位や表面からの距離によらず略同等となる。

しかも、本発明においては、加工熱が残留している時点で熱処理を行うので、塑性変形加工が施された鋼材を保管する必要がない。従って、保管のためのスペースを用意することも不要となるので、スペースを他の用途に有効活用することができる。

また、保持時間を１０分以内とするので、熱処理設備の規模を球状化焼き鈍し設備等の従来の熱処理設備に比して小さくすることができる。このため、設備投資が高騰することが回避される。その上、熱処理効率が向上するので、熱処理に要するエネルギが低減されるとともに、生産効率が向上する。結局、コスト的に有利となる。

さらに、Ｎｂを含有することで析出物が形成され、その結果、オーステナイト粒が粗大化することが抑制される。このため、最終製品の靱性及び疲労強度が向上する。

なお、熱間温度域で塑性変形加工が施された後の鋼材において、前記析出物の個数は、概ね５個／１０μｍ²以上であることが好ましい。この場合、オーステナイト粒の粗大化を抑制する効果に優れるからである。

鋼材としては、質量％で１．５％以下のＣｒ、１．５％以下のＮｉ、１％以下のＭｏの少なくともいずれか１種をさらに含有するものであってもよい。

又は、質量％で０．２％以下のＰｂ、０．２％以下のＢｉ、０．０００５〜０．０５％のＴｅ、０．０００５〜０．００３％のＣａ、０．００３〜０．０５％のＳｅの少なくともいずれか１種をさらに含有する鋼材を使用するようにしてもよい。この場合、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏは共存していてもよく、存在していなくともよい。

前記第２工程の冷却速度は、６００℃となるまでを５〜２０℃／分とし、６００℃以降を１５〜２５℃／分とすることが好ましい。この場合、組織が一層微細化し、その結果、硬度のバラツキが一層抑制される。

また、塑性変形加工は、１０００〜１３００℃で行うことが好ましい。１０００℃未満では加工率が低く塑性変形が困難であり、また、１３００℃を超える温度ではコスト的に不利である。

本発明によれば、加工熱が残留している状態の鋼材に対し、所定の条件下で熱処理を施すようにしている。この熱処理によって鋼材が軟化するとともに、該鋼材の硬度が略一定となる。このため、切削加工や穿孔加工等の機械加工を行う際に各部位の寸法精度が良好となる。

また、加工熱が残留している時点で熱処理を行うので、保管のためのスペースを用意する必要もない。

さらに、保持時間を１０分以内とするので、熱処理設備の構成が簡素になる。しかも、保持時間が短いので熱処理効率が向上し、その上、熱処理に要するエネルギが低減されるとともに、生産効率が向上する。

以下、本発明に係る鋼材の熱処理方法につき、ワークに対して熱間鍛造加工を施して等速ジョイントのリテーナを作製する場合を例として好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る鋼材の熱処理方法をフローチャートにして図１に示す。この熱処理方法は、熱間鍛造加工を行う第１工程と、得られたリテーナをＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に保持する第２工程と、加熱保持が終了したリテーナを冷却する第３工程とを有する。

図２Ａ〜図２Ｆは、第１工程Ｓ１において、鋼材からなる円柱体形状のワーク１０から第１次成形品１２、第２次成形品１４、第３次成形品１８を経てリテーナ２０が形成されるまでの過程を示すフローチャートである。これら図２Ａ〜図２Ｆから諒解されるように、リテーナ２０は、ワーク１０に対し、熱間鍛造による成形加工とピアッシングが実施されて設けられる。

先ず、ワーク１０の材質である鋼材につき説明する。この鋼材は、少なくともＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｂ、Ｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂを含有する。

Ｃは、ワーク１０、ひいてはリテーナ２０の強度を確保するための成分であり、その組成比は０．１〜０．３％（数字は質量％、以下同じ）に設定される。０．１％未満であると硬度を確保することが困難となる。また、０．３％よりも多いと、熱間加工後の硬度が過度に大きくなるので、次なる加工として冷間加工を行う場合等には、球状化焼鈍し等の軟化処理を実施する必要がある。結局、工程数が多くなる。

Ｓｉは、リテーナ２０中の酸素を低減させる脱酸剤として機能する元素であるが、フェライト強化型の元素であるため、その割合が過度に大きいと熱間加工後のリテーナ２０の硬度が過度に上昇する一方、冷間加工時の加工率が低減する。従って、Ｓｉは、０．３５％以下に設定される。

Ｍｎは、リテーナ２０の焼入れ性及び強度を向上させる。すなわち、リテーナ２０は、Ｍｎが存在するため、焼入れが施されると焼入れ前に比して硬度が顕著に上昇する。その一方で、１．５％を超えると、硬度が過度に上昇するので冷間加工を施すことが容易でなくなるとともに、切削性も低下する。これを回避するべく、Ｍｎの組成比は１．５％以下に設定される。

Ｓは、ワーク１０の金属組織中でＭｎとともにＭｎＳを形成し、これによりワーク１０の切削性を向上させる成分であるが、過度に多量であると冷間加工時の加工率が低減する。このため、Ｓの組成比は０．０３％以下に設定される。

Ｂは、リテーナ２０の冷間加工時の加工率を低下させることなく焼入れ性を向上させる機能を営む。この効果を得るべく、Ｂの組成比は、０．０００３〜０．００５％（３〜５０ｐｐｍ）に設定される。３ｐｐｍ未満であると、焼入れ性を向上させる効果に乏しい。一方、５０ｐｐｍを超えると焼入れ性は飽和するのでコスト的に不利であり、また、熱間加工時に割れが生じ易くなることがある。

ここで、遊離Ｎがリテーナ２０中に過剰に存在すると、上記したＢと結合してＢＮが生成し、その結果、焼入れ性等が低下する。また、冷間加工の際に割れの起点となる比較的大きな晶出物がワーク１０に存在する原因ともなる。このような事態を回避するべく、Ｎの組成比は、０．０１％以下に設定される。

Ｔｉは、前記遊離Ｎを捕捉する役割を果たす。このように遊離Ｎが捕捉された場合、上記したＢの添加効果が一層顕著となる。しかしながら、過剰量で存在すると、大粒径のＴｉＮが生成するようになるので、切削性や冷間加工時の加工率が低下したり、リテーナ２０の疲労強度が低下したりする。このため、Ｔｉの組成比は、０．０５％以下に設定される。

Ａｌは、Ｓｉと同様に脱酸に寄与する成分である。しかしながら、過剰に存在するとＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物系不純物が増加し、その結果、疲労特性、塑性変形加工時の変形能が低下する。このため、Ａｌの上限は０．０６％に設定される。

また、Ａｌは、後述するＮｂとともに析出物を形成する。

Ｎｂは、ワーク１０に含まれるＮ又はＣ、場合によってはこれらに加えて前記Ａｌとも結合して微細析出物を生成し、これによりオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する役割を果たす。この効果を得るべく、Ｎｂの割合は、０．００５％以上とする。なお、０．２％を超えると、リテーナ２０の熱間加工後の硬度が過度に上昇するとともに、冷間加工時の加工率や被削性が低下する。従って、Ｎｂの組成比は、０．００５〜０．２％に設定される。

ワーク１０には、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏの少なくともいずれか１種がさらに含有されていてもよい。この場合、リテーナ２０の浸炭処理が施されると、深さ方向中腹部及びその近傍の強度・靭性を向上させることができる。しかしながら、過剰量が存在すると、熱間加工後の硬度が過度に上昇して冷間加工時の加工率が低下する。これを回避するべく、Ｃｒ、Ｎｉは１．５％以下、Ｍｏは１．０％以下に設定される。

また、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃａ、Ｓｅの少なくともいずれか１種がさらに含有されていてもよい。この場合、リテーナ２０の切削性を向上させることができるので好適である。しかしながら、過剰量が存在すると冷間加工時の加工率が低下するので、Ｐｂ、Ｂｉは０．２％以下、Ｔｅは０．０００５〜０．０５％、Ｃａは０．０００５〜０．００３％、Ｓｅは０．００３〜０．０５％に設定される。

Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏの少なくともいずれか１種の第１群と、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃａ、Ｓｅの少なくともいずれか１種の第２群は、同時に存在していてもよく、どちらか一方の群のみが存在していてもよい。

このように構成されたワーク１０からリテーナ２０を得るには、先ず、ワーク１０を熱間鍛造の温度域に昇温する。具体的には、ワーク１０の温度を１０００〜１３００℃とすることが好ましい。１０００℃未満では塑性変形を生じさせることが容易ではなく、特に、８００℃未満には鋼材の変態点が存在するため、ワーク１０を所定の組織とすることが容易でなくなる。また、ワーク１０の変形能は１３００℃で略飽和するので、１３００℃を超える温度としてもコスト的に不利となる。

この熱間鍛造加工時に、Ｎｂを構成元素として含む析出物が析出する。すなわち、Ｎｂは、ワーク１０の金属組織中に存在するＣ又はＮの少なくともいずれか一方と結合して炭化物、窒化物、炭窒化物を形成し、場合によっては、これらの少なくともいずれか一方とＡｌと結合して複合炭化物、複合窒化物、複合炭窒化物を形成する。

以上の析出物は比較的微細であり、このような微細な析出物が存在する金属組織では、オーステナイト粒の粗大化が著しく抑制される。その結果、第１次成形品１２、ひいてはリテーナ２０の疲労強度や靭性が低下することを回避できるようになる。

Ｎｂ、Ａｌが上記した組成比である場合、析出物は、金属組織中に概ね５個／１０μｍ²以上の個数で析出する。なお、オーステナイト粒の粗大化が抑制される温度は、前記析出物（炭化物、窒化物、炭窒化物、複合炭化物、複合窒化物、複合炭窒化物）の析出個数が多いほど高温となる。換言すれば、析出物の個数が多いほど、ワーク１０に対する熱間鍛造をより高温で行うことができるので、加工率を大きくすることが可能となる。

次に、温度が上昇したワーク１０に対し、予備成形を施す。すなわち、ワーク１０の一端面を支持した状態で該ワーク１０を他端面側から押圧する。これに伴って円柱体形状のワーク１０が圧潰され、図２Ｂに示すように、両端面から中腹部にかけて膨出した樽型円柱体形状の第１次成形品１２となる。その後、さらなる圧潰が行われ、図２Ｃに示すように、ディスク形状の第２次成形品１４が作製される。

次に、第２次成形品１４に対し、側周壁方向からの圧潰が行われる。これにより第２次成形品１４の側周壁が縮径されるとともに鉛直方向に延伸され、図２Ｄに示すように、略中腹部に仕切壁１６（図２Ｅ参照）が残留した断面略Ｈ字形状の第３次成形品１８が作製される。

そして、図２Ｅに示すように、ピアッシング加工が施されて第３次成形品１８から仕切壁１６が打ち抜かれる。さらに、図２Ｆに示すように、第３次成形品１８に再度の圧潰が施され、該第３次成形品１８の略中腹部が直径方向に沿って膨出する。これにより、リテーナ２０が得られるに至る。

なお、各熱間鍛造は別個の熱間鍛造成形装置で行われ、ワーク１０、第１次成形品１２、第２次成形品１４、第３次成形品１８は、各熱間鍛造成形装置間をトランスファー等の搬送装置によって移送される。

以上の熱間鍛造が施されたリテーナ２０は、図３に示すように、鍛造加工ステーション３０から熱処理炉３２に移送され、この熱処理炉３２において、本実施の形態に係る熱処理方法の第２工程Ｓ２及び第３工程Ｓ３が実施される。

鍛造加工ステーション３０から熱処理炉３２までの距離は、鍛造加工が施されたリテーナ２０を速やかに熱処理炉３２内に導入するべく、可及的に短く設定されている（図３参照）。また、トランスファー３６による搬送速度は、リテーナ２０の単位時間当たりの生産数に合わせて設定される。

このように、本実施の形態によれば、塑性変形された直後で熱を帯びたリテーナ２０を熱処理炉３２に可及的に速やかに導入するようにしている。このため、リテーナ２０を保管するスペースが不要となり、従って、スペースを他の用途に有効利用することができるようになる。

リテーナ２０は、熱処理炉３２に至るまでの間に大気に露呈され、このために温度が若干降下するが、図４に示すように、本実施の形態においては、リテーナ２０は、熱間鍛造が施されて塑性変形を起こすことに伴って帯びた加工熱が残留している時点で熱処理炉３２内に導入される。

熱処理炉３２に導入される直前のリテーナ２０の温度は、５００℃以上とすることが好ましい。５００℃を下回るまで温度が降下したリテーナ２０を熱処理炉３２に導入すると、Ａｃ１〜Ａｃ３点まで短時間で昇温するために昇温速度を大きく設定する必要があるが、この場合、結晶粒が粗大化することに起因して金属組織に欠陥が生じたりすることがあり、リテーナ２０としては強度が十分でないものとなることがある。

また、これを回避するべく、５００℃を下回る温度まで降下したリテーナ２０を緩慢な昇温速度で昇温するには、熱処理炉３２を大規模なものとして設ける必要があり、設備投資の高騰を招く。

熱処理炉３２に導入される直前のリテーナ２０の好適な温度範囲は、６００〜７２０℃程度であるが、図４に示すように、冷却時におけるオーステナイトからフェライトとセメンタイトへの共析変態の開始温度であるＡｒ１点を下回る温度、例えば、Ａｒ１点の数値から５０℃を差し引いた程度の温度まで、さらには５００℃まで降下した時点で、リテーナ２０が熱処理炉３２に導入されるようにしてもよい。この場合、リテーナ２０の金属組織からオーステナイトが消失するので、フェライトとパーライトが共存する略均一な金属組織が形成されたリテーナ２０を容易に得られるからである。

Ａｒ１点の数値は温度降下速度の相違に応じて変化し、一定ではないが、温度降下速度が２０〜４０℃である場合、概ね７１０〜７２０℃である。

この場合、熱処理炉３２は、昇温炉３８、均熱炉４０、除冷炉４２の３炉を有する。このうち、昇温炉３８と均熱炉４０は同一温度に保持されている。なお、３炉の内部にＮ₂ガスを導入してＮ₂雰囲気で加熱・保持・除冷が行われるようにしてもよい。

リテーナ２０は、トランスファー３６上に載置された状態で昇温炉３８に導入され、該昇温炉３８から、図１に示す第２工程Ｓ２が開始される。

昇温炉３８に導入されたリテーナ２０は、Ａｃ１〜Ａｃ３点の間の温度となるまで加熱される。

ここで、昇温速度を過度に大きく設定すると、リテーナ２０の金属組織において結晶粒が粗大化し、欠陥が発生することがある。このことを回避するべく、昇温炉３８の温度は、５０℃／分以下の昇温速度が得られるように設定することが好ましい。なお、昇温速度が１５℃／分未満であると、リテーナ２０の熱処理効率が低下する。また、１５℃／分未満の昇温速度でも熱処理効率を低下させないようにするには、熱処理炉３２を大規模化する必要があるので設備投資が高騰してしまう。結局、好適な昇温速度は１５〜５０℃／分であり、１７〜４６℃／分とすることが一層好ましい。

この昇温速度を得るためには、昇温炉３８の温度を、例えば、８００〜８５０℃に設定すればよい。昇温炉３８の導入前に５００〜７２０℃であったリテーナ２０は、昇温炉３８を通過する前までに７２０〜７８０℃に達する。

そして、昇温炉３８を通過したリテーナ２０は、次に、均熱炉４０に導入される。この均熱炉４０では、昇温炉３８で７２０〜７８０℃程度に昇温されたリテーナ２０が、その温度に保持される。

以上の昇温・保持は、合わせて１０分以内とすれば十分である。加熱処理をこれ以上行うようにした場合、熱処理炉３２やトランスファー３６が長くなるので熱処理設備が大規模となる。すなわち、設備投資が高騰する。また、１０分を超える加熱保持を行っても、軟化や硬度の均質化の度合いは１０分以内の場合とほとんど同等であるので、コスト的に不利である。昇温・保持時間は、合わせて５分以内であっても十分であり、例えば、３分とすることができる。

Ａｃ１〜Ａｃ３点の間の温度に保持されたリテーナ２０では、オーステナイトとフェライトが共存する金属組織となる。

なお、リテーナ２０の最終的な温度がＡｃ１点未満である場合、該リテーナ２０を軟化することや硬度の均質化を図ることが困難となる。また、Ａｃ３点を超える温度まで昇温・保持した場合、オーステナイトの粗大化（異常粒成長）が起こる。このため、表面の各部位や、深さ方向で硬度にバラツキが認められる。

Ａｃ１〜Ａｃ３点の間の温度に所定時間保持されたリテーナ２０は、次に、除冷炉４２に導入され、これにより第３工程Ｓ３が開始される。

除冷炉４２では、リテーナ２０の冷却速度が所定の範囲内、具体的には、５〜４５℃／分となるように設定される。冷却速度をこのような範囲に設定することにより、表面から内部に至るまで略均一な組織が得られ、硬度のバラツキがほとんど認められなくなる。

冷却速度は、５〜２０℃／分であることがより好ましい。この場合、球状化組織が形成され、表面から内部に至る硬度が一層均一になるとともに、リテーナ２０の伸びや絞りが向上する。

除冷は、パーライトの析出が終了する温度まで行えばよい。この析出終了温度は、降温速度や鋼材の種類に応じて相違するが、概ね６８０〜６００℃の間である。従って、除冷は、温度が６８０〜６００℃の間となるまで続行することが好ましく、例えば、６５０℃に低下するまで行えばよい。この温度降下に伴い、リテーナ２０には、フェライトとパーライトが共存する金属組織が形成される。

このように、本実施の形態においては、リテーナ２０が昇温炉３８、均熱炉４０、除冷炉４２を短時間で通過するようにしている。このため、昇温炉３８から除冷炉４２に至る熱処理設備を簡素な構成とすることができる。

第３工程Ｓ３が終了したリテーナ２０は、トランスファー３６で除冷炉４２から搬出され、室温まで冷却された後、ショットブラスト処理、必要に応じては潤滑用化成皮膜形成処理が行われ、切削加工、窓開け加工が行われる加工ステーションに移送される。

これら切削加工、窓開け加工を行うに際しては、リテーナ２０の伸びや絞りが向上しているため、該リテーナ２０の変形が容易に進行する。すなわち、後加工が極めて容易である。

しかも、リテーナ２０の硬度は、表面では部位に関わらず略同等で、且つ表面から内部に至るまでも略一定である。このため、変形能はすべての部位にわたって略同等となり、従って、変形する度合いも略同等である。このため、寸法精度に優れたリテーナ２０を作製することができる。

すなわち、本実施の形態に係る熱処理方法によれば、組成比が上記の範囲内であるリテーナ２０の硬度が、部位や深さに関わらず均質化される。このため、変形能が均質化し、寸法精度に優れるリテーナ２０を得ることができる。

リテーナ２０には、さらに、その側周壁を貫通する保持窓が設けられる。この際には、例えば、打ち抜きパンチ等が使用される。なお、保持窓は、一般的には６個形成され、各々に、等速ジョイントを構成するアウタ部材及びインナ部材の各ボール溝に挿入される転動ボールが収容される。

さらに、浸炭処理、ペーパー加工、研削加工等が施され、等速ジョイントを構成する最終製品としてのリテーナ２０が得られるに至る。

なお、上記した実施の形態は、ワーク１０を熱間鍛造によって等速ジョイントのリテーナ２０に塑性変形させる場合を例示して説明したが、リテーナ２０以外のものを最終製品として作製するようにしてもよいことはいうまでもない。例えば、インナ部材やローラであってもよい。

さらに、塑性変形加工は鍛造加工に特に限定されるものではなく、ワークに圧力を付与して該ワークを変形させる加工であればよい。例えば、圧延加工が含まれる。

成分・組成比が図５に示される鋼材製のワーク１０（図２Ａ参照）を用い、図２Ｂ〜図２Ｆに示すような過程を経る熱間鍛造によって、同一のリテーナ２０（図２Ｆ参照）を３個ずつ作製した。熱間鍛造時の温度は１２５０℃とした。

なお、図５中、実施例１〜１０のワーク１０は各成分を上記した組成比で含むものであり、一方、比較例１〜６のワークは、それぞれ、ＳＣＲ４２０相当材、ＳＣＭ４２０相当材、ＳＮＣＭ４２０相当材、ＳＣＲ４２０相当材、ＳＣＭ４２０相当材、ＳＮＣＭ４２０相当材である。すなわち、比較例１〜６のワークは、上記した成分を含まないか、含んでいても上記の組成比の範囲外である。また、「ｓ−Ａｌ」は、Ａｌが固溶体として存在していることを意味する。

この中、各リテーナ２０のうちの１個は、鍛造加工後、５００℃を下回らない時点で熱処理炉３２に導入し、昇温及びＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度保持を合計３分間行った後、６００℃となるまで５〜４５℃／分の冷却速度で冷却し、さらに大気中で自然冷却した。これをこれをＡ処理とする。

また、別の１個は、鍛造加工後に室温まで降下した後、７４０〜９００℃に加熱し１時間保持して空冷した。これをＢ処理とする。

さらに残余の１個に対しては、鍛造加工後に圧縮エアを当てて強制的に冷却した。これをＣ処理とする。

各々の処理後、各リテーナ２０に対して内周壁及び外周壁の研削加工を行い、切削性の評価を行った。結果を併せて図５に示す。この図５から諒解されるように、比較例１〜６の成分・組成比ではＢ処理又はＣ処理を施しても十分な切削性が得られたのに対し、実施例１〜１０の成分・組成比では、Ａ処理、すなわち、上記した実施の形態に準拠する熱処理方法を実施しなければ十分な切削性が発現しなかった。

このことから、上記した実施の形態に係る熱処理方法によれば、通常の熱処理方法では切削性を向上させることが困難な鋼材であっても、切削性を容易に向上させることが明らかである。

以上とは別に、実施例１と同等の成分・組成比である直径２５ｍｍ×高さ３７．５ｍｍの円柱体形状のテストピースを複数個設け、加工率７０％で加工を施した後に３０分加熱保持した。この際の保持温度は、例えば、あるテストピースでは９００℃、別のテストピースでは９５０℃、さらに別のテストピースでは１０００℃等と、９００℃〜１０５０℃の範囲内でテストピースによって変更した。

その後、結晶粒度を求め、結晶粒度番号４番以下の粗粒の面積率が５％以下を維持していた最高温度（以下、粗大化温度と表記する）と、析出物の個数を求めた。実施例２〜１０、比較例１〜６についても同様の操作を行った。

その結果、実施例１〜１０では粗大化温度が９５０〜１０２５℃、析出物の個数が１５〜６０個／１０μｍ²であったのに対し、比較例１〜６では、粗大化温度は９００℃を下回った。また、比較例１〜６はＮｂを含有しないため、析出物は認められなかった。なお、実施例１〜１０での析出物は、Ｎｂの炭化物、窒化物、炭窒化物と、Ｎｂ及びＡｌの複合炭化物、複合窒化物、複合炭窒化物の双方が析出していた。

このことから、Ｎｂを含有させることによって金属組織中に析出物を形成することができ、粗大化温度が上昇することが明らかである。これは、オーステナイト粒が粗大化することを抑制可能であり、最終製品の靱性及び疲労強度が向上することを意味する。

本実施の形態に係る鋼材の熱処理方法のフローチャートである。 図２Ａ〜図２Ｆは、ワークからリテーナに塑性変形されるまでを示す工程説明図である。 リテーナを鍛造加工ステーションから熱処理炉に移送するまでの作業場を説明する模式図である。 熱間鍛造を行った場合の温度パターンを示すグラフである。 実施例１〜１０、比較例１〜６のワーク（鋼材）における成分・組成比と、熱処理後の切削性の関係を示す図表である。

符号の説明

１０…ワーク １２、１４、１８…成形品
２０…リテーナ ３０…鍛造加工ステーション
３２…熱処理炉 ３８…昇温炉
４０…均熱炉 ４２…除冷炉

Claims (6)

1. ０．１〜０．３質量％のＣ、０．３５質量％以下のＳｉ、１．５質量％以下のＭｎ、０．０３質量％以下のＳ、０．０００３〜０．００５質量％のＢ、０．０１質量％以下のＮ、０．０５質量％以下のＴｉ、０．０６質量％以下のＡｌ、０．００５〜０．２質量％のＮｂを少なくとも含み、且つ熱間温度域で塑性変形加工が施された後に少なくともＮｂを含む析出物が存在する鋼材の熱処理方法であって、
   前記鋼材に対して熱間温度域で塑性変形加工を施す第１工程と、
   塑性変形加工が施されることに伴って加工熱を帯びた前記鋼材を、加工熱が残留している時点で加熱してＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に保持する第２工程と、
   加熱保持された前記鋼材を、パーライトの析出が終了する温度となるまで５〜４５℃／分の冷却速度で冷却する第３工程と、
   を有し、
   前記第２工程での保持時間を１０分以内とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。
2. 請求項１記載の熱処理方法において、熱間温度域で塑性変形加工が施された後の前記鋼材に前記析出物が５個／１０μｍ²以上で存在することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
3. 請求項１又は２記載の熱処理方法において、前記鋼材として、質量％で１．５％以下のＣｒ、１．５％以下のＮｉ、１％以下のＭｏの少なくともいずれか１種をさらに含有する鋼材を使用することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理方法において、前記鋼材として、質量％で０．２％以下のＰｂ、０．２％以下のＢｉ、０．０００５〜０．０５％のＴｅ、０．０００５〜０．００３％のＣａ、０．００３〜０．０５％のＳｅの少なくともいずれか１種をさらに含有する鋼材を使用することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理方法において、前記第２工程の冷却速度を、６００℃となるまでを５〜２０℃／分、以降を１５〜２５℃／分とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱処理方法において、前記第１工程で、１０００〜１３００℃で塑性変形加工を行うことを特徴とする鋼材の熱処理方法。

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