JP2015172229A

JP2015172229A - 段付き環状部材の製造方法

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Publication number: JP2015172229A
Application number: JP2014048930A
Authority: JP
Inventors: 雄介河原木; Yusuke Kawaragi; 学福本; Manabu Fukumoto
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: JP6269196B2

Abstract

【課題】浸炭焼入れ後の内周面の寸法精度を高める段付き環状部材の製造方法を提供する。
【解決手段】本実施形態による段付き環状部材１の製造方法は、環状の厚肉部２と、厚肉部２の端面上に厚肉部と同軸に配置され、厚肉部よりも肉厚が薄い環状の薄肉部３とを備えた段付き環状部材１に対して浸炭処理を実施する工程と、浸炭処理後の段付き環状部材１を、薄肉部側３から冷却液１０に浸漬させ、薄肉部３及び厚肉部２の途中までが冷却液１０に浸漬し、厚肉部２の残りの部分が冷却液１０に浸漬していない状態で段付き環状部材１を所定時間保持して焼入れする第１焼入れ工程と、所定時間経過後、段付き環状部材１全体を冷却液１０に浸漬して焼入れする第２焼入れ工程とを含む。
【選択図】図１０Ｂ

Description

本発明は、段付き環状部材の製造方法に関し、浸炭焼入れ処理を実施する段付き環状部材の製造方法に関する。

自動車や産業機械に使用される歯車等は、高い応力を繰り返し受ける。したがって、これらの部材は、耐疲労性及び耐摩耗性を求められる。これらの部材は、ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０等の機械構造用合金鋼鋼材を用いて製造される。具体的には、機械構造用合金鋼鋼材からなる部材に対して浸炭焼入れ処理を実施して表面を硬化する。この場合、部材の耐疲労性と耐摩耗性が向上する。

浸炭焼入れ処理は、次の方法で実施される。初めに、部材をオーステナイト変態温度以上まで加熱する。そして、部材表面から炭素を拡散浸透させて表面の炭素濃度を高める（浸炭処理）。その後、部材を急冷する（焼入れ処理）。これにより、部材表面にマルテンサイトが生成する。浸炭焼入れ処理により、表面硬度が高く、高靱性の部材が得られる。

しかしながら，浸炭焼入れを実施した部材には歪が生じやすい。特に、部材の形状が、歯車に代表されるような、段付き環状部材である場合、部材の内径に歪が生じる。その結果、段付き環状部材をシャフト等に嵌め合いにくくなる。

浸炭焼入れ処理より内径が均一に変化するのであれば、その寸法変化量をあらかじめ予測できる。この場合、浸炭焼入れ前の部材に対して、熱処理歪分だけあらかじめ加工することができる。しかしながら、段付き環状部材の場合、浸炭焼入れ処理により、内径の中心軸方向に偏差が生じる。この場合、内周面の軸方向にテーパが生じるため、熱処理歪分だけあらかじめ加工することは困難である。

浸炭焼入れ後、機械研削を実施して内径を均一にする方法もある。しかしながらこの場合、表面硬さや残留応力にむらが生ずやすい。

浸炭焼入れ処理後の熱処理歪を低減し、寸法精度を高める技術が、特開平５−２２２４４５号公報（特許文献１）及び特開２０１０−１７４２８９号公報（特許文献２）に提案されている。

特許文献１に開示された浸炭焼入れ方法では、浸炭処理された被処理部材をオーステナイト温度から当該被処理部材の内部非浸炭部のマルテンサイト変態開始温度直上に保持した第１の熱浴に浸漬した後、さらに被処理部材の浸炭部表面のマルテンサイト変態開始温度直上に保持した第２の熱浴に浸漬し、その後冷却する。

特許文献２に開示された熱処理歪み防止焼入れ方法では、熱処理歪みによる変形を防止すべく、焼入れ対象の部材において冷却が進行しやすい部位には熱伝達率低減手段を設け、及び／又は、焼入れ対象の部材において冷却が遅れる部位には熱伝達率促進手段を設けて、焼入れ対象の部材の焼入れ処理を行う。具体的には、焼入れ対象部材のうち、冷却が進行しやすい部位には、熱伝達率低減手段として断熱材を被覆する。冷却が遅れる部位には冷却促進被膜材を被覆する。

特開平５−２２２４４５号公報特開２０１０−１７４２８９号公報

しかしながら、特許文献１では、第１及び第２の熱浴を準備する必要がある。熱浴はソルトバス又はメタルバスである。これらの熱浴は人体に好ましくない。さらに、熱浴を用いた場合、段付き環状部材を洗浄しなければならない。

特許文献２では、焼入れを実施する前に、断熱材や冷却促進被膜材を対応する部位に被覆しなければならない。

本発明の目的は、浸炭焼入れ後の内周面の寸法精度を高める段付き環状部材の製造方法を提供することである。

本発明による段付き環状部材の製造方法は、環状の厚肉部と、厚肉部の端面上に厚肉部と同軸に配置され、厚肉部よりも肉厚が薄い環状の薄肉部とを備えた段付き環状部材に対して浸炭処理を実施する工程と、浸炭処理後の段付き環状部材を、薄肉部側から冷却液に浸漬させ、薄肉部及び厚肉部の途中までが冷却液に浸漬し、厚肉部の残りの部分が冷却液に浸漬していない状態で段付き環状部材を所定時間保持して焼入れする第１焼入れ工程と、所定時間経過後、段付き環状部材全体を冷却液に浸漬して焼入れする第２焼入れ工程とを含む。

本発明による段付き環状部材の製造方法では、第１焼入れ工程で薄肉部及び厚肉部の一部を焼入れし、その後、第２焼入れ工程で段付き環状部材全体を焼入れする。これにより、焼入れ後の歪みのばらつきを低減でき、内周面の寸法精度が高まる。

好ましくは、第１焼入れ工程では、厚肉部の高さ中央よりも薄肉部側の任意の位置まで冷却液に浸漬した状態で、段付き環状部材を保持する、製造方法。

この場合、内周面の寸法精度がさらに高まる。

図１は、任意の合金元素における鋼材の等温変態曲線を示す図である。図２は、Ａ_c3点以上まで加熱した後、急速冷却した結果、主にマルテンサイト変態が発生した場合の温度と歪の関係を示す図である。図３は、Ａ_c3点以上まで加熱した後、冷却時に一定の応力を負荷した場合の温度と歪との関係を示す図である。図４Ａは、本実施形態の段付き環状部材の斜視図である。図４Ｂは、焼入れ後の段付き環状部材の内径の偏差を説明するための模式図である。図４Ｃは、図４Ｂと異なる、焼入れ後の段付き環状部材の内径の偏差を説明するための他の模式図である。図５は、浸炭焼入れ処理のシミュレーションに用いた二次元軸対称モデルの模式図である。図６は、浸炭焼入れシミュレーションのヒートパターンを示す図である。図７は、浸炭焼入れシミュレーションにより得られた、焼入れ後の段付き金属間の内径を示す図である。図８は、段付き環状部材全体を均一に冷却した浸炭焼入れ後の段付き環状部材の断面における塑性歪と変態塑性歪との和の分布を示す図である。図９Ａは、段付き環状部材の厚肉部の内部における温度、応力、塑性歪、変態塑性歪の履歴を示す図である。図９Ｂは、段付き環状部材の薄肉部の内部における温度、応力、塑性歪、変態塑性歪の履歴を示す図である。図１０Ａは、本発明による段付き環状部材の製造工程中における焼入れ処理の準備工程を示す図である。図１０Ｂは、本発明による段付き環状部材の製造工程中における焼入れ処理の第１焼入れ工程を示す図である。図１０Ｃは、本発明による段付き環状部材の製造工程中における焼入れ処理の第２焼入れ工程を示す図である。図１１は、実施例で得られた各試験番号の段付き環状部材での内径差を示す図である。図１２は、本発明例と、従来法とでの、焼入れ後の塑性歪と変態塑性歪との和の分布を示す図である。図１３は、本発明例と、従来法とでの、冷却中の、薄肉部における引張応力が最も大きい時刻における引張応力の分布を示す図である。図１４は、本発明例と、従来法とでの、冷却中の、厚肉部における引張応力が最も大きい時刻における引張応力の分布を示す図である。図１５は、本発明例と、従来法とでの、冷却中の、厚肉部における圧縮塑性歪が最も大きい時刻における圧縮塑性歪を示す図である。図１６は、段付き環状部材の断面における焼入れ後の硬さ分布を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本発明者らは、浸炭焼入れ後の段付き環状部材の内部に生じる応力、塑性歪、変態塑性歪の履歴を、有限要素法を用いたシミュレーションにより求めた。

初めに、熱処理シミュレーションの計算式について説明する。

[相変態について]
温度Ｔに保持した場合の組織Ｉにおける相変態開始後の時間τ_I、変態率ξ_Iの関係は、次の式（１）〜式（３）で定義される。

式中のＩ＝Ｆはフェライト、Ｉ＝Ｐはパーライト、Ｉ＝Ｂはベイナイト、Ｉ＝Ｍはマルテンサイトを意味する。Ｇはオーステナイト粒度である。Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏにはそれぞれ、対応する元素の質量％が代入される。Ｑは拡散変態の活性化エネルギー、Ｒは気体定数である。

無拡散変態であるマルテンサイト変態の変態率は、式（４）で表される。

式（１）〜（４）を用いれば、任意の温度Ｔにおける任意の変態率ξ_Iに達するまでの時間τ_Iを求めることができる。したがって、ξI＝０．０１を変態開始線、ξＩ＝０．９９を変態終了線とすれば、図１に示すように、任意の合金元素における鋼材の等温変態曲線を予測することができる。

さらに、式（１）〜（３）を変態率で微分し、ある微小時間の間は温度が一定であると仮定して加算則を適用すれば、連続冷却変態を予測できる。

変態温度は次の式（５）〜（８）で定義される。

［熱歪について］
組織Ｉの密度ρ_Iは式（９）〜式（１１）に基づいて計算できる。式中のＩ＝γはオーステナイトを意味する。

したがって，温度Ｔにおける組織Ｉの熱歪増分ｄε^T _Iは以下の式で表される。

［変態歪について］
相変態を考慮する場合、通常の熱弾塑性解析における弾性歪、塑性歪、熱歪の他に変態歪と変態塑性歪とを計算する必要がある。

図２は、Ａ_c3点以上まで加熱した後、焼入れ（急速冷却）した結果、主にマルテンサイト変態が発生した場合の温度と歪の関係を示す図である。図２を参照して、冷却時にオーステナイトからマルテンサイトに変態すると、密度が減少し、体積が増加する。この相変態に伴う体積変化に起因する歪が変態歪である。

オーステナイトから組織Ｉへの温度Ｔにおける変態歪増分ｄε^TRは式（１３）で定義される。

［変態塑性歪について］
図３は、Ａ_c3点以上まで加熱した後、冷却時に一定の応力を負荷した場合の温度と歪との関係を示す図である。図３を参照して、変態の進行時に応力が負荷されている場合、非弾性の歪が発生する。この歪が変態塑性歪である。変態塑性歪は、偏差応力に比例して発生する。変態塑性歪増分ｄε^TRは以下の式で計算される。

ここで，Ｋ_Iは組織Ｉの変態塑性係数であり、Ｓは偏差応力である。偏差応力Ｓは応力から等方成分を差し引いたものであり、式（１５）で定義される。

ここで、σは応力である。σ_ijは応力のｉｊ成分である。Ｉは単位テンソルである。σ_mは静水圧応力であり、式（１６）で定義される。

以上の式で定義される熱歪、変態歪、変態塑性歪の計算部分を、アプリケーションソフトであるＡｂａｑｕｓ（商品名）のユーザサブルーチンに追加する。これにより、相変態を考慮した熱弾塑性解析が可能になる。式(１)〜(１１)は炭素濃度の項を含んでいる。そのため、浸炭による炭素濃度の変化を考慮した解析ができる。

［従来の浸炭焼入れ方法における熱弾性塑性解析］
従来の段付き環状部材の浸炭焼入れ方法は次のとおりである。段付き環状部材に対して、浸炭処理を実施する。続いて、浸炭処理された段付き環状部材に対して、均熱処理を実施する。均熱処理温度は、浸炭処理温度よりも低い。均熱処理後、段付き環状部材を冷却液浴に一定速度で浸漬して段付き環状部材全体を冷却液中に浸漬する。これにより段付き環状部材を急冷する。冷却液はたとえば、水、油等である。

解析において、図４Ａに示す段付き環状部材１を想定する。段付き環状部材１は、厚肉部２と薄肉部３とを含む。厚肉部２は環状であり、外周面と、端面２１と端面（底面）２２とを有する。厚肉部２の外径をＯＤ２，内径をＩＤ０と定義する。

薄肉部３は、厚肉部２の端面２１上に配置される。薄肉部３は厚肉部２と同軸に配置される。薄肉部３も環状であり、外周面と、端面とを有する。薄肉部３の肉厚は厚肉部２の肉厚よりも薄い。薄肉部３の外径をＯＤ３と定義する。このとき、ＯＤ３＜ＯＤ２である。一方、薄肉部３の内径は、厚肉部２の内径と同じであり、ＩＤ０である。

なお、薄肉部３及び厚肉部２の外周面には歯車用の歯が形成されていてもよい。要するに、外周面は平坦でなくてもよい。

段付き環状部材１に対して浸炭焼入れを実施した場合、段付き環状部材１の内周面がテーパ形状になる。この原因として次の事項が推定される。急冷時、段付き環状部材１の冷却速度が部位により異なる。そのため、熱収縮及び相変態のタイミングが、部位によって異なる。その結果、段付き環状部材の周方向における塑性歪及び変態塑性歪の分布が不均一になる。

図４Ｂを参照して、厚肉部２及び薄肉部３をそれぞれリングＲ２及びＲ３であると仮定する。リングＲ２は厚肉部２の高さ中央に配置され、その径はＩＤ０＋（ＯＤ２−ＩＤ０）／２である。リングＲ３は薄肉部３の高さ中央に配置され、その径はＩＤ０＋（ＯＤ３−ＩＤ０）／２である。リングＲ２はリングＲ３と同軸に配置される。

リングＲ２の周長をＬ２、リングＲ３の周長をＬ３とする。熱処理（浸炭処理及び均熱処理）後、熱処理歪により、リングＲ２及びリングＲ３にそれぞれΔε２、Δε３の永久歪が発生したと仮定する。図４Ｃに示すとおり、Δε３＝Δε２であれば、段付き環状部材１の内周面にテーパ形状は生じない。一方、Δε３＞Δε２であれば、内周面に上開きのテーパ形状が形成される。Δε３＜Δε２であれば、内周面に下開きのテーパ形状が形成される。以上より、厚肉部２と薄肉部３とにおける熱処理による周方向の永久歪の差分が、段付き環状部材１の内周面にテーパ形状を形成する原因であると考えられる。

全歪は、弾性歪、塑性歪、熱歪、変態歪及び変態塑性歪の和で定義される。これらの歪のうち、熱歪は焼入れ前後で０になる。したがって、熱処理によって発生する永久歪は、塑性歪、変態歪及び変態塑性歪の和で定義される。段付き環状部材１内での組織が均一である場合、つまり、段付き環状部材１内で組織分率が大きく変化しない場合、変態歪の影響は小さい。したがって、周方向の塑性歪と周方向の変態塑性歪との和が、段付き環状部材１の内周面のテーパ形状形成に大きく関係していると考えられる。以降の説明では、特に断りがない限り、歪及び応力は、段付き環状部材１の周方向の歪、及び応力を意味する。

以上の予測に基づいて、浸炭焼入れ中の段付き環状部材１内部の応力及び歪をシミュレーションにより検証した。具体的には、図５に示す二次元軸対称モデルを準備した。図５中の数値は寸法（ｍｍ）を意味する。シミュレーションでは、図６に示す熱処理条件で、二次元軸対称モデルの段付き環状部材１を浸炭焼入れした。具体的には、浸炭処理での熱処理温度は９３０℃、カーボンポテンシャルＣＰは０．７、熱処理温度での保持時間は１００分とした。浸炭処理後、均熱処理を実施した。均熱処理での熱処理温度は８７０℃、保持時間は６５分とした。均熱処理後、油焼入れを実施した。浸炭焼入れ後（シミュレート後）の段付き環状部材１において、底面２２からの高さＨ＝５〜２５ｍｍの範囲における内径変化量の最大値と最小値との差分を、熱処理歪の指標とした。

図７は、図５の段付き環状部材全体を均一に冷却した浸炭焼入れ後の段付き環状部材の内径変化を示す図である。図７を参照して、薄肉部３（高さＨ＝１５〜３０ｍｍ）の内径減少量は、厚肉部２（高さＨ＝０〜１５ｍｍ）の内径減少量よりも大きい。したがって、段付き環状部材１の内周面は、下開きのテーパ形状となる。

図８は、段付き環状部材全体を均一に冷却した浸炭焼入れ後の段付き環状部材の断面（図５に示す二次元軸対称モデル）における塑性歪と変態塑性歪との和ＴＳの分布を示す。図中の色が濃い部分は、塑性歪と変態塑性歪との和ＴＳが大きいことを意味する。図８を参照して、薄肉部３における和ＴＳは、厚肉部２における和ＴＳよりも小さい。つまり、Δε３＜Δε２となり、内周面が下開きのテーパ形状になったことを意味する。

図９Ａは、厚肉部２の内部（図８中の点Ａ）における応力、塑性歪、変態塑性歪の履歴を示す図である。図９Ｂは、薄肉部３の内部（図８中の点Ｂ）における応力、塑性歪、変態塑性歪の履歴を示す図である。

［厚肉部２及び薄肉部３の履歴］
図９Ａ及び図９Ｂを参照して、従来の浸炭焼入れでは、図９Ａ及び図９Ｂのグラフ上部に記載された期間１〜期間５において、次の変形機構が現れる。

［期間１］
期間１では、段付き環状部材１（以下、単に部材という）の表層部分は、冷却液（油）との接触により温度が下がり、体積が減少する。一方、部材の内部は表層部分と比べると、あまり温度が変化しない。したがって、表層部分は、内部の拘束を受ける。そのため、表層部分には引張応力が発生し、内部には圧縮応力が発生する（図中のＡ）。温度が低下した部分（表層部分）は降伏応力が上昇する。そのため、温度があまり変化しておらず、降伏応力が低い内部において、塑性変形が生じ、圧縮塑性歪が発生する（図中のＢ）。

［期間２］
期間２では、内部においても温度が低下して体積の減少が生じる。上述のとおり、内部では圧縮塑性歪が生じて周長が減少している。そのため、先に冷却された表層部分に拘束されて、内部には引張応力が生じる（図中のＣ）。一方で、冷却速度の速い表層部分では圧縮応力が発生する。

［期間３］
期間３では、内部において相変態が生じる。図中において、ベイナイト変態開始点イ及びマルテンサイト変態開始点ロを示す。変態により、体積が膨張する。そのため、引張応力が減少する（図中のＤ）。相変態が開始した時点から変態塑性歪が発生する。このとき、内部には引張応力が負荷されている。そのため、引張方向に変態塑性歪が増加する（図中のＥ）。

［期間４］
期間４では、相変態がさらに進行する。相変態の進行に伴い、内部応力が負になる。つまり、圧縮応力に変わる（図中のＦ）。そのため、引張方向の変態塑性歪が減少し圧縮方向に変化する（図中のＧ）。

［期間５］
相変態の進行が停止する。このとき、変態塑性歪みはほとんど変化しない（図中のＨ）。そして、温度低下による熱収縮により、内部の引張応力が徐々に増加する。

以上の変形機構は、厚肉部２（図９Ａ）及び薄肉部３（図９Ｂ）で共通である。しかしながら、厚肉部２の内部と、薄肉部３の内部とで、冷却速度は異なる。したがって、厚肉部２及び薄肉部３において、期間１〜期間５のタイミングがずれる（図９Ａ及び図９Ｂ参照）。そのため、厚肉部２の内部と、薄肉部３の内部とで、各期間で生じる歪値及び応力値に違いが生じる。

具体的には、薄肉部３の冷却速度は、厚肉部２よりも大きい。そのため、薄肉部３では、ベイナイト発生までの期間（期間２）が短い。そのため、相変態開始時（点イ）における引張応力は小さい。この場合、相変態後に引張応力が急激に減少し、応力が負になるのが早い。以上のメカニズムにより、厚肉部２では引張塑性歪が発生するのに対し、薄肉部３では圧縮変態塑性歪となる。そのため、薄肉部３での永久歪が厚肉部２の永久歪と大きく異なり、テーパが発生する。

以上のとおり、テーパ形状（厚肉部２及び薄肉部３の永久歪の差分）は、厚肉部２及び薄肉部３の冷却速度の違いに起因する。したがって、表面を均一に冷却する従来の浸炭焼入れ方法では、テーパが発生する。

［本発明による段付き環状部材の製造方法］
そこで、本発明による段付き環状部材の製造方法では、浸炭焼入れ処理において、薄肉部３と厚肉部２との冷却工程を変更する。これにより、薄肉部３と厚肉部２との永久歪の差分を減少させ、テーパ形状の発生を抑制する。

図９Ａ及び図９Ｂに示すとおり、焼入れ後の厚肉部２の変態塑性歪は引張変態塑性歪であり、薄肉部３の変態塑性歪は圧縮変態塑性歪である。厚肉部２と薄肉部３の変態塑性歪の差分を低減すれば、浸炭焼入れ後の厚肉部２及び薄肉部３の内径差を低減できる。

変態塑性歪増分は、偏差応力に比例する。そこで、冷却後に圧縮変態塑性歪が分布する薄肉部３では、相変態中の応力を引張方向に増加させ、冷却後に引張変態塑性歪が分布する厚肉部２では、相変態中の応力を圧縮方向に増加させる。この場合、厚肉部２と薄肉部３とにおける変態塑性歪の差分を小さくすることができる。

本発明の段付き環状部材１が機械構造用合金鋼鋼材を用いて製造される場合、焼入れ工程において、フェライト及びパーライトの発生は無視できるほど小さい。したがって、ベイナイト変態及びマルテンサイト変態を考慮すれば足りる。図９Ａ及び図９Ｂを参照して、ベイナイトの発生とともに、変態塑性歪と応力とが、引張方向から圧縮方向へと急激に変化する。したがって、ベイナイトの発生直前における薄肉部３の引張応力を大きくし、厚肉部２の引張応力を小さくすれば、薄肉部３及び厚肉部２の変態塑性歪の差分を小さくできる。

ベイナイトの発生直前における薄肉部３の引張応力を大きくし、厚肉部２の引張応力を小さくするために、次の方法により焼入れを実施する。

図１０Ａ〜図１０Ｃは本発明による段付き環状部材の製造工程を説明するための模式図である。

本発明による製造方法では初めに、段付き環状部材１を準備する。段付き環状部材は鍛造、熱間押出加工、切削等の機械加工等により製造される。好ましくは、段付き環状部材１の素材は、機械構造用合金鋼鋼材である。機械構造用合金鋼鋼材はたとえば、ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等である。

準備された段付き環状部材１に対して、浸炭焼入れ処理を実施する。浸炭焼入れ処理のうち、浸炭処理及び均熱処理は周知の方法で実施すればよい。浸炭処理及び均熱処理後の段付き環状部材に対して、焼入れ処理を実施する。

焼入れ処理では、図１０Ａに示すとおり、段付き環状部材１のうち、薄肉部３を下方に向ける。つまり、薄肉部３を、冷却液１０を貯めた浴の液面に向ける。

次に、図１０Ｂに示すとおり、段付き環状部材１を薄肉部３から冷却液１０に浸漬する。そして、厚肉部２の途中まで冷却液に浸漬させた状態で、段付き環状部材１を保持する。具体的には、薄肉部３と、薄肉部３と隣接する厚肉部２の端面２１を含む厚肉部２の一部を浸漬し、厚肉部２の残りの部分を浸漬させずに所定時間保持する（第１焼入れ工程）。続いて、図１０Ｃに示すとおり、段付き環状部材１全体を冷却液１０に浸漬する（第２焼入れ工程）。

以上のとおり、２段階の焼入れを実施することにより、焼入れ後の段付き環状部材１の内周面がテーパ形状になるのを抑制できる。そのメカニズムは次のとおりである。

［焼入れ処理における厚肉部２の変形挙動］
図９Ａで示したとおり、期間１において、表層部分と内部との冷却速度差によって発生した圧縮塑性歪により、厚肉部２内部の周長は減少する。そして、先に冷却され圧縮塑性歪があまり発生していない表層部分からの拘束を受け、ベイナイト発生直前において厚肉部２の内部では引張応力が発生する。

本発明による焼入れ処理の場合、第１焼入れ工程にて薄肉部３と、厚肉部２のうち、薄肉部３と隣接する部分とを先に冷却する。この場合、圧縮塑性歪が発生する時点（期間１）での厚肉部２内部の温度が従来法よりも下がる。したがって、厚肉部２内部の降伏応力が上昇する。そのため、圧縮塑性歪が従来法よりも減少する。

圧縮塑性歪が減少すれば、期間２において発生する引張応力を減少することができる。そのため、ベイナイトの発生（点イ以降）に伴う引張変態塑性歪を減少することができる。

［焼入れ処理における薄肉部３の変形挙動］
ベイナイト発生直前における薄肉部３の引張応力は、薄肉部３の表層部分と内部との冷却速度差によって発生した圧縮塑性歪によって発生する他、薄肉部３の内部と厚肉部２の内部との冷却速度差により、相対的に薄肉部の周長が短くなることによっても発生する。

本発明の第１焼入れ工程では、薄肉部３と厚肉部２との冷却速度差が従来法よりもさらに大きくなる。そのため、図９Ｂの期間２で発生する引張応力を従来法よりもさらに大きくすることができる。引張応力が大きくなれば、ベイナイト発生に伴う引張変態塑性歪を大きくすることができる。そのため、期間４及び期間５で発生する圧縮変態塑性歪を減少させることができる。

好ましくは、第１焼入れ工程では、厚肉部２の高さ中央よりも薄肉部３側の任意の位置まで冷却液に浸漬した状態で、段付き環状部材１を保持する。この場合、厚肉部２と薄肉部３との歪差がさらに小さくなり、内周面のテーパ形状を低減できる。

以上の製造工程により、段付き環状部材１を製造できる。焼入れ工程を２段階にすることにより（第１焼入れ工程及び第２焼入れ工程）、厚肉部２に発生する引張変態塑性歪を低減でき、薄肉部３の圧縮変態塑性歪を低減できる。そのため、厚肉部２の変態塑性歪と薄肉部３の変態塑性歪との差分が小さくなる。その結果、焼入れ後の段付き環状部材１の内周面にテーパ形状が形成されるのを抑制でき、焼入れ後の段付き環状部材１の内周面の寸法精度を高めることができる。

図５と同じ二次元軸対称モデルを用いて、本発明例の浸炭焼入れ処理のシミュレーションを実施した。段付き環状部材の素材は、ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０に相当する化学組成とした。

［シミュレーション方法］
図１０Ａ〜図１０Ｃに示すとおり、図５の段付き環状部材（厚肉部２の高さ１５ｍｍ、薄肉部３の高さ１５ｍｍの段付き環状部材）を薄肉部３側から冷却液に向かって５０ｍｍ／ｓで冷却液に浸漬させた。そして、図１０Ｂに示すとおり、厚肉部２の途中まで浸漬した位置で段付き環状部材１を停止し、保持した（第１焼入れ工程）。

停止時の厚肉部２の底面２２から冷却液の液面までの高さＨは、試験番号１では１５．０１ｍｍ、試験番号２では１４．９９ｍｍ、試験番号３では１２．５ｍｍ、試験番号４では１０．０ｍｍ、試験番号５では７．５ｍｍ、試験番号６では５．０ｍｍ、試験番号７では２．５ｍｍとした。

第１焼入れ工程での保持時間は５秒とした。５秒経過後、段付き環状部材を５０ｍｍ／ｓでさらに浸漬させて、段付き環状部材全体を冷却液内に浸漬させた。以上の工程を含むシミュレーションを実施した。

［試験結果］
図１１は、各試験番号１〜７及び従来法（試験番号８）での内径差を示す図である。図１１を参照して、本発明例である試験番号２〜７では、試験番号１及び試験番号８と比較して、内径差が小さかった。したがって、本発明の浸炭焼入れ処理により、段付き環状部材の内周面の寸法精度が向上した。

試験番号２〜４では、第１焼入れ工程において、厚肉部２の高さ中央よりも薄肉部３側の任意の位置で、段付き環状部材１を保持した。そのため、厚肉部２の高さ中央よりも深く浸漬させた試験番号５、６及び７と比較して、内径差が小さかった。

図１２〜図１５は、ある時刻における、変形倍率５０倍での段付き環状部材の形状を示す図である。
図１２は、本発明例である試験番号３と、従来法である試験番号８とでの、焼入れ完了後の塑性歪と変態塑性歪との和の分布を示す図である。図１２を参照して、本発明例では、塑性歪と変態塑性歪の和の薄肉部３における値が増加し、厚肉部２における値は減少した。その結果、本発明例では、焼入れ後の塑性歪と変態塑性歪の和が、従来法と比較して、被熱処理部材内で均一になった。そのため、薄肉部３と厚肉部２における周長変化量の差が減少し、内周面のテーパが低減された。

図１３は、本発明例である試験番号３と、従来法である試験番号８とでの、冷却中の、薄肉部３における引張応力が最も大きい時刻における応力の分布を示す図である。図１３を参照して、本発明例では、薄肉部３における引張応力が従来法と比較して大きくなった。そのため、薄肉部３における圧縮変態塑性歪が減少し，周長の減少が低減された。その結果、内周面のテーパが低減した。

図１４及び図１５は、本発明例である試験番号３と、従来法である試験番号８とでの、冷却中の、厚肉部２における引張応力が最も大きい時刻における応力の分布（図１４）及び圧縮塑性歪が最も大きい時刻における圧縮塑性歪（図１５）を示す図である。本発明例では、厚肉部２における引張応力及び圧縮塑性歪が従来法と比較して小さくなった。したがって、厚肉部２における引張変態塑性歪が減少し、焼入れ後の周長の増加が低減された。その結果、内周面のテーパが低減した。

図１６は、（ｄ）に示す段付き環状部材の線分ハニ、ホヘ、トチ上における焼入れ後の硬さ分布を示す図である。図１６（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明例である試験番号３の硬さ分布を実線で示し、従来法である試験番号８を破線で示す。本発明例と従来法とで、
表面部分の硬さ分布及び有効硬化深さはほぼ一致していた。
表１に、最表面における硬さ（ビッカース硬さ、ＨＶ）を示す。

表１を参照して、最表面硬さは本発明例と従来法とで違いが見られなかった。したがって、本発明例のように二段階の焼入れを実施しても、従来法と同等の硬さが得られることが確認できた。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１段付き環状部材
２厚肉部
３薄肉部

Claims

環状の厚肉部と、前記厚肉部の端面上に前記厚肉部と同軸に配置され、前記厚肉部よりも肉厚が薄い環状の薄肉部とを備えた段付き環状部材に対して浸炭処理を実施する工程と、
浸炭処理後の前記段付き環状部材を、前記薄肉部側から冷却液に浸漬させ、前記薄肉部及び前記厚肉部の途中までが前記冷却液に浸漬し、前記厚肉部の残りの部分が前記冷却液に浸漬していない状態で前記段付き環状部材を所定時間保持して焼入れする第１焼入れ工程と、
前記所定時間経過後、前記段付き環状部材全体を前記冷却液に浸漬して焼入れする第２焼入れ工程とを含む、段付き環状部材の製造方法。
請求項１に記載の製造方法であって、
前記第１焼入れ工程では、前記厚肉部の高さ中央よりも前記薄肉部側の任意の位置まで前記冷却液に浸漬した状態で、前記段付き環状部材を保持する、製造方法。
請求項１又は請求項２に記載の製造方法であって、
前記段付き環状部材は機械構造用合金鋼鋼材からなる、製造方法。