JP2016037631A - 炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて短い時間で炭素鋼の球状化焼鈍処理を実現することができ、製造ラインにおいて炭素鋼の部分的な軟質化処理を行うことが可能となる急速軟質化焼鈍処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため、炭素鋼を加熱し、炭素鋼の表面をＡｃ_１＋２０℃〜Ａｃ_１＋５０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる第１熱処理工程と、第１熱処理工程を終了した直後に、炭素鋼をＭｓ点〜６００℃の低温保持温度Ｔ２まで１℃／ｓ以上の速度で降下させる第２熱処理工程と、第２熱処理工程を終了した炭素鋼を、Ａｅ_１−１３０℃〜Ａｅ_１−２０℃の高温保持温度Ｔ３まで１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる第３熱処理工程と、第３熱処理工程を終了した炭素鋼を冷却して軟質化焼鈍処理した炭素鋼を得る冷却工程を備える。
【選択図】図１

Description

本件出願に係る発明は、自動車の部品などに用いられる機械構造部品の焼鈍処理方法に関するものである。

従来より、自動車の部品などに用いられる中空ラックバー等の機械構造部品は、鋼材に所定の熱履歴を与えて所定の硬さとし、さらに、球状化焼鈍処理を行い、軟質化することで、加工性の向上を図っている。従前より行われていた球状化焼鈍処理では、セメンタイトを球状化させるために、Ａｅ_１点前後の温度で鋼材を数十時間以上の長時間をかけて加熱する必要があった。ゆえに、生産効率が悪い球状化焼鈍処理の方法を改善すべく、種々の急速連続球状化焼鈍処理法が開発されている。

例えば、特許文献１に示す急速連続球状化焼鈍処理法は、鋼材に素過程（１）として、Ａｅ_１点以上、Ａｅ_１点＋１５０Ｋ以下の温度域に、１Ｋ／秒以上の昇温速度で昇温加熱し、当該温度域内で０秒以上６００秒未満の時間保持した後、Ａｅ_１点＋５０Ｋ〜Ａｅ_１点−１５０Ｋの温度域内を５Ｋ／秒以下の冷却速度で冷却するかまたは当該温度域内の温度に保持すること、および、（２）として、Ａｅ_１点＋８０Ｋ以上、Ａｅ_１点＋３００Ｋ以下の温度域内に１Ｋ／秒以上の昇温速度で昇温加熱し、当該温度域内で０秒以上１２０秒未満の時間保持した後、Ａｅ_１点〜Ａｅ_１点−１５０Ｋの温度域内を５Ｋ／秒以下の冷却速度で冷却するか又は当該温度域内の温度に保持すること、を単独でまたは組み合わせて１回もしくは２回以上行うことを特徴としている。

当該特許文献１では、昇温途上で鋼材にＡｃ_１点未満、６２３Ｋ以上の温度域で塑性加工を加え、所定の熱処理サイクルを経ることで、鋼の球状化焼鈍処理を１時間以下に短縮させている。

また、特許文献２に示す線材の球状化焼鈍方法は、母材が、重量％でＣ：０．１５〜０．６％、Ｍｎ−Ｃｒ：０．８〜３．０％を含有する鋼で、熱間圧延後の組織が以下の式（１）及び（２）を満たすストランド状態の線材を、１００℃／秒以上の加熱速度で温度Ｔ１に昇温した後、直ちに温度Ｔ２までＣ１℃／秒の冷却速度で冷却し、次いで、温度Ｔ３の炉中に装入して３〜３０分保持することを特徴としている。なお、Ａｅ_１点＋２０℃≦Ｔ１≦Ａｅ_１点＋１５０℃、Ａｅ_１点−５０℃≦Ｔ２≦Ａｅ_１点＋２０℃、Ａｅ_１点−８０℃≦Ｔ３≦Ａｅ_１点−２０℃、｛（Ｔ１−Ａｅ_１点）／３０｝≦Ｃ１≦｛（Ｔ１−Ａｅ_１点）／１．５｝である。
式（１） ｛（ベイナイト分率）／（１−フェライト分率）｝≧０．２
式（２） フェライト分率≧０．１

当該特許文献２では、加熱温度や、加熱速度及び冷却速度を制御することで、線材の球状化焼鈍処理を３０分以下に短縮させている。

特開平０８−２４６０４０号公報 特開平１０−２５５２１号公報

しかしながら、上述した各特許文献のような軟質化を目的とした球状化焼鈍技術は、主に鋼板や線材といった素材を炉加熱することで、当該素材全体を均一に軟質化させる方法であるため、処理を行う装置が大がかりとなる問題がある。また、上述した特許文献に記載されているように、球状化焼鈍処理には、３０分程度の時間が必要である。

そこで、市場からは、従来３０分から１時間程度の処理時間を必要としていた鋼材の球状化焼鈍処理を、より短い時間で処理することを可能とし、製造ラインにおいて部分的な軟質化焼鈍処理を実現することができる球状化焼鈍処理方法の開発が望まれていた。

本件発明者等は、鋭意研究の結果、以下の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法を採用することで、極めて短い時間で炭素鋼の焼鈍処理を実現することができ、製造ラインにおいて炭素鋼の部分的な軟質化焼鈍処理を行うことが可能になることに想到した。

すなわち、本発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、以下の工程を備えることを特徴とする。
第１熱処理工程：前記炭素鋼を加熱し、当該炭素鋼の表面をＡｃ_１＋２０℃〜Ａｃ_１＋５０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる工程。
第２熱処理工程：第１熱処理工程を終了した直後に、前記炭素鋼をＭｓ点〜６００℃の低温保持温度Ｔ２まで１℃／ｓ以上の速度で降下させる工程。
第３熱処理工程：第２熱処理工程を終了した前記炭素鋼を、Ａｅ_１−１３０℃〜Ａｅ_１−２０℃の高温保持温度Ｔ３まで１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる工程。
冷却工程：第３熱処理工程を終了した前記炭素鋼を冷却して軟質化処理した炭素鋼を得る工程。

また、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、前記第２熱処理工程において、前記低温保持温度Ｔ２を３０秒以下の時間、及び／又は、前記第３熱処理工程において、前記高温保持温度Ｔ３を６０秒以下の時間、保持することが好ましい。

また、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、前記軟質化焼鈍処理により、当該処理前の炭素鋼の硬さを基準として、ビッカース硬さを８％以上低下させるものであることが好ましい。

さらに、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、前記第１熱処理工程、前記第２熱処理工程、又は、前記第３熱処理工程の少なくともいずれか１つの工程において、高周波誘導加熱法を用いることが好ましい。

また、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、炭素が０．２７質量％〜０．５８質量％、ケイ素が０．１５質量％〜０．３５質量％、マンガンが０．３０質量％〜１．５０質量％、リンが０．０３質量％以下、硫黄が０．０３質量％以下、ニッケルが０．２５質量％以下、クロムが０．３５質量％以下であり、残部が鉄及び不可避的不純物からなる化学組成を備える前記炭素鋼を用いることが好ましい。

さらに、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、前記第１熱処理工程における前記オーステナイト化温度Ｔ１が、７６０℃〜７８５℃であり、当該オーステナイト化温度Ｔ１までの昇温速度が９０℃／ｓ〜１５０℃／ｓであることが好ましい。

また、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、前記第２熱処理工程における前記低温保持温度Ｔ２までの冷却速度が３℃／ｓ〜１７０℃／ｓであることが好ましい。

さらに、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、前記第３熱処理工程における前記高温保持温度Ｔ３が、６００℃〜７００℃であり、当該高温保持温度Ｔ３までの昇温速度が２０℃／ｓ〜３５０℃／ｓであることが好ましい。

本件出願に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法によれば、従来、３０分から１時間以上の処理時間が必要であった炭素鋼の球状化焼鈍処理を極めて短時間で実現することが可能となる。また、本件出願に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、極めて短時間で炭素鋼の球状化焼鈍処理を行うことができるため、製造ラインの中で、炭素鋼の部分的な軟質化焼鈍処理を連続的に行うことが可能になる。よって、本願発明は、炭素鋼のうち機械加工や塑性加工が必要となる部分を、局所的に軟質化焼鈍処理できるため、硬さが必要な部分における硬さ低下を回避し、且つ、加工が必要な部分の加工性を著しく向上させることが可能となる。従って、本件出願に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法を採用することで、加工精度に優れ、高い品質の製品を提供できるようになる。

本件発明に係る実施形態としての熱処理サイクルの模式図である。 各実施例において用いる軟質化焼鈍処理前の試料の金属組織の顕微鏡写真である。 実施例１の熱処理サイクルの模式図である。 実施例４の熱処理サイクルの模式図である。 実施例７の熱処理サイクルの模式図である。 実施例１０の熱処理サイクルの模式図である。 実施例１１の熱処理サイクルの模式図である。 実施例１４の熱処理サイクルの模式図である。 実施例１５の熱処理サイクルの模式図である。 実施例１７の熱処理サイクルの模式図である。 実施例１８の熱処理サイクルの模式図である。 比較例７の熱処理サイクルの模式図である。 比較例８の熱処理サイクルの模式図である。 オーステナイト化温度Ｔ１に対する硬さを示す図である。 低温保持温度Ｔ２に対する硬さを示す図である。 高温保持温度Ｔ３に対する硬さを示す図である。 実施例１７〜実施例１９において用いた試験鋼管の断面模式図である。 処理前の試験鋼管と、実施例１７〜実施例１９の試験鋼管の各測定部における硬さを示す図である。

以下に、本件発明に係る「炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法」の実施形態について詳述する。

本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、所定の硬さを備えた炭素鋼を極めて短時間で、軟質化焼鈍処理する方法であり、「第１熱処理工程」と、「第２熱処理工程」と、「第３熱処理工程」と、「冷却工程」とを必須の工程として備えることを特徴とする。まずはじめに、処理対象となる炭素鋼について説明した後、第１熱処理工程〜第３熱処理工程及び冷却工程について詳述する。

１．炭素鋼
本件発明に係る急速軟質化焼鈍処理方法において用いる炭素鋼は、高強度を必要とする中空ラックバー等の炭素鋼製品を製造する際に必要とする成分を所定量含むものである。すなわち、本件発明において用いる炭素鋼は、炭素が０．２７質量％〜０．５８質量％、ケイ素が０．１５質量％〜０．３５質量％、マンガンが０．３０質量％〜１．５０質量％、リンが０．０３質量％以下、硫黄が０．０３質量％以下、ニッケルが０．２５質量％以下、クロムが０．３５質量％以下であり、残部が鉄及び不可避的不純物からなる化学組成を備えるものであることが好ましい。当該化学組成を備えた炭素鋼の一例として、ＳＭｎ４３３（ＪＩＳ Ｇ ４０５３）を挙げることができる。

炭素：中空ラックバー等の高強度が要求される機械構造用鋼材における炭素含有量は、０．２７質量％〜０．５８質量％であることが好ましく、０．３０質量％〜０．３６質量％であることがより好ましい。合金成分としての炭素は、焼入処理後の芯部強度を確保するために必要な元素であり、０．２７質量％未満では、その硬さが不十分であり、０．５８質量％を超えると、芯部の靱性を低下させるため、含有量を０．２７質量％〜０．５８質量％とした。

ケイ素：ケイ素は、焼戻しの軟化抵抗性の向上に大きく寄与する元素であり、十分な効果を得るためには、０．１５質量％以上必要である。一方で、過剰にケイ素を含有させると、切削加工性を低下させるため、軟質化焼鈍処理後に、部分的に切削等の機械加工を行う中空ラックバー等に用いる場合には、ケイ素の含有量の上限を０．３５質量％とすることが好ましい。

マンガン：中空ラックバー等の機械構造用鋼材におけるマンガン含有量は、０．３０質量％〜１．５０質量％であることが好ましい。マンガンは精錬時の脱酸剤として必要で、酸化物系介在物を低減して鋼の清浄度を高める元素である。また、焼入性を向上させて鋼の芯部硬さや硬化層深さを高める元素でもある。本実施の形態のように所定の硬さが要求される中空ラックバー等の機械構造用鋼材に用いるためには、炭素鋼中に０．３０質量％以上のマンガンを含有させることが必要となる。一方で、過剰にマンガンを添加すると、焼入性が過剰となり、靱性が劣化して加工性も低下するため、マンガン含有量の上限を１．５０質量％とした。

リン：リンは、鋼の熱間加工性や靱性を低下させる不純物である。よって、炭素鋼中のリンの含有量は少ない方が好ましい。リン含有量の上限は、０．０３質量％以下である。

硫黄：中空ラックバー等の機械構造用鋼材における硫黄含有量は、０．０３０質量％以下であることが好ましい。

ニッケル：中空ラックバー等の機械構造用鋼材におけるニッケル含有量は、０．２５質量％以下であることが好ましい。

クロム：中空ラックバー等の機械構造用鋼材におけるクロム含有量は、０．３５質量％以下であることが好ましい。

なお、本件発明において用いられる炭素鋼は、機械構造用鋼材としての用途に応じて他の成分、例えば、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ホウ素、チタン、テルル、カルシウム、マグネシウム、ジルコニウム等の成分を含むものを用いてもよい。

本願発明の急速軟質化焼鈍処理方法の処理対象となる上述の炭素鋼は、そのままでは硬さが高く、歯部などに加工を行うための切削性研削性や塑性加工性が低くなる。よって、本件発明では、当該炭素鋼の加工対象となる部分に急速軟質化焼鈍処理を施して、当該加工対象部分を機械加工が容易な金属組織とする。

本願発明では、軟質化焼鈍処理によって、処理前の炭素鋼の硬さを基準としてビッカース硬さを８％以上低下させるものであることが好ましい。処理前の炭素鋼の硬さを基準として、軟質化焼鈍処理により、硬さを８％以上低下させることにより、軟質化焼鈍処理前の炭素鋼と比較して、切削性・研削性・塑性加工性が良好となる。従って、加工精度に優れ、高い品質の製品を提供することが可能になる。また、本願発明では、当該軟質化焼鈍処理によって、処理前の炭素鋼の硬さを基準としてビッカース硬さを８％〜２０％低下させるものであることがより好ましい。例えば、上述した化学組成である炭素鋼のビッカース硬さが１５５ＨＶ（１）〜１９０ＨＶ（１）である場合、軟質化焼鈍処理後のビッカース硬さは、１２４ＨＶ（１）〜１７４ＨＶ（１）であることが好ましい。当該軟質化焼鈍処理によって、処理前の炭素鋼の硬さを基準としてビッカース硬さを上述した範囲で低下させることにより、炭素鋼の硬さをある程度維持しつつ、加工性を良好とすることができる。

次に、図１の熱処理サイクルの模式図を参照して、上述の金属組織、及び硬さを実現するための具体的な急速軟質化焼鈍処理方法について、各工程毎に説明する。

２．第１熱処理工程
この第１熱処理工程では、炭素鋼を加熱し、当該炭素鋼の表面をＡｃ_１＋２０℃〜Ａｃ_１＋５０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる。従って、Ａｃ_１が７４０℃程度の炭素鋼を用いた場合には、オーステナイト化温度Ｔ１は、７６０℃〜７８５℃であることが好ましいことになる。

当該第１熱処理工程において、炭素鋼をＡｃ_１＋２０℃以上の温度に急速加熱することにより、炭素鋼の金属組織のうち、炭化物（パーライト組織中のセメンタイト組織）の一部のみをオーステナイト化することができる。一方、当該第１熱処理工程において、炭素鋼をＡｃ_１＋５０℃を超える温度に急速加熱すると、金属組織中において炭化物がオーステナイト化する量が過剰となり、処理後の金属組織中にパーライト析出量が多くなるため好ましくない。

また、この第１熱処理工程におけるオーステナイト化温度Ｔ１までの昇温速度は、９０℃／ｓ〜１５０℃／ｓとすることが好ましい。当該昇温速度で加熱することで、炭化物の一部のみを効率的にオーステナイト化することが可能となり、軟質化焼鈍処理に要する時間を短縮することが可能となるからである。

上述した昇温速度での加熱を行うため、炭素鋼の加熱方法としては、高周波誘導加熱法を用いることが好ましい。高周波誘導加熱法を用いることにより、容易に高い昇温速度で炭素鋼をオーステナイト化温度Ｔ１まで加熱することが可能となるからである。

３．第２熱処理工程
この第２熱処理工程では、上述の第１熱処理工程を終了した直後に、前記炭素鋼をＭｓ点〜６００℃の低温保持温度Ｔ２まで１℃／ｓ以上の速度で降下させる。この際、当該低温保持温度Ｔ２で３０秒以下の時間、保持することが好ましい。

当該第２熱処理工程において、上述の第１熱処理工程でオーステナイト化温度Ｔ１まで加熱された直後の炭素鋼の温度をＭｓ点以上の低温保持温度Ｔ２に急速に下げることにより、炭素鋼の金属組織のうち、オーステナイト組織をマルテンサイト変態させることなく、当該オーステナイト化した組織からフェライトと炭化物（セメンタイト組織）へ拡散変態させて、その際に、残存した炭化物に炭素が分配されることで炭化物の成長を促進させることができる。一方、当該第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２を６００℃を超える温度とすると、第１熱処理工程においてオーステナイト化した組織からフェライトと炭化物へ拡散変態するための駆動力が低くなってしまい、拡散変態に時間がかかるため、好ましくない。したがって、Ｍｓ点が４００℃程度の炭素鋼を用いた場合には、低温保持温度Ｔ２は４５０℃〜６００℃であることが好ましいことになる。

本件発明は、当該第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２の保持時間を、３０秒以下とすることが好ましい。当該低温保持温度Ｔ２の保持時間を３０秒以下とすることにより、従来の球状化焼鈍処理と比べて大幅に処理時間の短縮化を図ることが可能となる。

また、この第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２までの冷却速度は、３℃／ｓ〜１７０℃／ｓとすることがより好ましい。オーステナイト化温度Ｔ１から低温保持温度Ｔ２までの冷却速度を３℃／ｓ〜１７０℃／ｓとすることにより、炭素鋼の金属組織中のオーステナイト組織中の炭素を効率的にセメンタイト組織に分配させて炭化物の成長を行うことが可能となり、軟質化焼鈍処理に要する時間を大幅に短縮することが可能となるからである。

なお、第２熱処理工程における炭素鋼の加熱方法としては、第１熱処理工程と同様に、高周波誘導加熱法を用いることが好ましい。高周波誘導加熱法を用いることにより、容易に温度制御が可能となるからである。

４．第３熱処理工程
この第３熱処理工程では、上述の第２熱処理工程を終了した前記炭素鋼を、Ａｅ_１−１３０℃〜Ａｅ_１−２０℃の高温保持温度Ｔ３まで１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる。例えば、高温保持温度Ｔ３は、６００℃〜７００℃であることが好ましい。

当該第３熱処理工程において、上述の第２熱処理工程で低温保持温度Ｔ２に保持された炭素鋼の温度をＡｅ_１−１３０℃以上の温度に急速加熱することにより、炭素鋼の金属組織のうち、第２熱処理工程において、オーステナイト組織中から炭素が分配された炭化物（セメンタイト組織）を効率的に成長させ、合体、凝集させて、球状化することができる。当該第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３がＡｅ_１−１３０℃を下回る場合には、炭化物の成長速度を遅延させ、効率的な炭化物の球状化処理が困難となるため、好ましくない。一方、当該第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３をＡｅ_１−２０℃を超える温度とすると、炭素鋼の金属組織のうち、一部が再度オーステナイト化してしまい、急冷時にマルテンサイト変態して、炭素鋼の軟質化を行うことができなくなるため、好ましくない。

また、この第３熱処理工程における低温保持温度Ｔ２から高温保持温度Ｔ３までの昇温速度は、２０℃／ｓ〜３５０℃／ｓであることが好ましい。当該昇温速度で加熱することで、効率的に炭化物を球状化させることが可能となり、軟質化焼鈍処理に要する時間を短縮することが可能となるからである。

本件発明では、当該第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３の保持時間を、６０秒以下とすることが好ましい。当該高温保持温度Ｔ３の保持時間を６０秒以下とすることにより、従来の球状化焼鈍処理と比べて大幅に処理時間の短縮化を図ることが可能となる。

なお、第３熱処理工程における炭素鋼の加熱方法としては、第１熱処理工程及び第２熱処理工程と同様に、高周波誘導加熱法を用いることが好ましい。高周波誘導加熱法を用いることにより、容易に高い昇温速度で炭素鋼を高温保持温度Ｔ３まで加熱することが可能となるからである。

５．冷却工程
この冷却工程では、第３熱処理工程を終了した前記炭素鋼を冷却して軟質化処理した炭素鋼を得る。

当該冷却工程において、第３熱処理工程を終了した炭素鋼を冷却することにより、炭素鋼の金属組織のうちフェライト組織中の固溶している炭素を分配させる。当該冷却工程における冷却速度は、特に限定されない。すなわち、当該冷却工程における冷却速度によって、得られる軟質化炭素鋼の硬さへの影響はほとんどないからである。よって、急冷方法を採用することにより、軟質化処理に要する時間を短縮することが可能となる。急冷方法としては、強制空冷や水冷、その他の冷却剤を用いた冷却方法を採用することができる。

これら一連の第１熱処理工程〜冷却工程を行うことにより、所定の強度を備える炭素鋼は、球状化焼鈍処理されることによって軟質化され、加工性を著しく向上させることができる。

特に、本件発明によれば、従来、３０分から１時間以上の処理時間が必要であった炭素鋼の球状化焼鈍処理を、第１熱処理工程から冷却工程まで極めて短時間で実現することが可能となる。よって、本件出願に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、極めて短時間で炭素鋼の球状化焼鈍処理を行うことができるため、製造ラインの中で、炭素鋼の部分的な軟質化焼鈍処理を実現することができる。ゆえに、本件出願に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法は、炭素鋼のうち機械加工や塑性加工が必要となる部分のみを、局所的に軟質化焼鈍処理できるため、硬さが必要な部分において硬さ低下を回避し、且つ、加工が必要な部分の加工性を著しく向上させることが可能となる。従って、本件出願に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法を採用することで、加工精度に優れ、高い品質の製品を提供できるようになる。

なお、本件発明における急速軟質化焼鈍処理方法では、上述した第１熱処理工程と、第２熱処理工程と、第３熱処理工程とを順次行った後、冷却工程を行うものとしているが、これに限定されるものではない。例えば、第１熱処理工程と第２熱処理工程とを複数サイクル実施した後、第３熱処理工程を行い、その後、冷却工程を行う場合や、第１熱処理工程から第３熱処理工程までを複数サイクル実施した後、冷却工程を行うことも好ましい。さらに、第１熱処理工程から冷却工程までを複数サイクル行うことも好ましい。このように第１熱処理工程と第２熱処理工程、又は、第１熱処理工程から第３熱処理工程まで、もしくは、第１熱処理工程から冷却工程までを複数サイクル実施することにより、炭素鋼をより一層軟質化焼鈍処理することができる。特に、サイクルの繰り返し回数を調整することにより、炭素鋼の軟質化の程度を高い精度で調整することが可能となる。よって、加工の程度や、種類に応じて、炭素鋼の硬さを調整することが可能となり、所望の硬さの炭素鋼を得ることが可能となる。いずれの場合であっても、各熱処理工程は、サイクルが極めて短い時間で実行可能であるため、第１熱処理工程から冷却工程までの一連の熱処理サイクルを数サイクル繰り返し行った場合であっても、従来と比較して極めて短い時間で軟質化焼鈍処理を実行することが可能となる。

次に、上述の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法を用いることで、得られる軟質化炭素鋼について説明する。当該軟質化炭素鋼は、処理前の炭素鋼の硬さを基準として、ビッカース硬さを８％以上低下させたものである。本件発明の急速軟質化焼鈍処理方法により得られる軟質化炭素鋼は、炭素鋼全体を均一に軟質化させて得られるものに限られず、加工が必要となる部分のみを軟質化焼鈍処理したものも含まれる。よって、中空ラックバー等の機械構造部品の場合には、加工が必要となる成形箇所のみを、高周波加熱法を用いることにより、部分的に軟質化焼鈍処理してもよい。従って、軟質化焼鈍処理をしない部分については素材自体の硬さを維持しつつ、加工が必要となる部分のみ軟質化焼鈍処理することができるため、加工性が非常に良好となる。ゆえに、加工精度を向上でき、高い品質を実現することができる。

次に、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法を用いた実施例及び比較例について述べる。

以下に示す実施例１〜実施例１９は、本件発明に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法により焼鈍処理を行った。各実施例では、供試材として中空ラックバーの素管（ＳＭｎ４３３：ＪＩＳ Ｇ ４０５３）を採用した。当該素管の表１に示す成分組成を有する鋼材からなる中空管である。表１において、数値の単位は質量％であり、残部は鉄及び不可避不純物である。当該素管は、直径３２ｍｍ、肉厚５ｍｍであり、各実施例１〜実施例１６は、当該素管から、直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱状の試験片を、当該試験片の長さ方向が素管の長さ方向と一致するようにワイヤーカッター放電加工機により切り出して用いた。実施例１６〜実施例１８は、当該素管に断面減少率２％程度の絞り加工を行った後、平つぶし加工を行った試験鋼管を用いた。当該試験片として用いたＳＭｎ４３３のＡｃ_１は７４０℃程度であり、Ａｅ_１は７１３℃、Ｍｓ点は３８６℃である。

また、当該素管の金属組織、すなわち、各実施例において用いる軟質化焼鈍処理前の試験片の金属組織の顕微鏡写真を図２に示す。当該顕微鏡写真の倍率は、４００倍、１０００倍、２０００倍であり、４００倍と１０００倍の顕微鏡写真は光学顕微鏡で撮影し、２０００倍の顕微鏡写真は走査型電子顕微鏡により撮影した。軟質化焼鈍処理前の試験片の金属組織は、パーライト組織中にセメンタイト組織の球状化が一部進行しており、固まり状のパーライト組織も残存している状態となっている。なお、図２からは当該素管の金属組織が縞状であるように見えるが、これは当該素管の前処理の一部として引抜加工が実施されたものだからである。

そして、各実施例１〜実施例１９では、各試験片について、フォーマスター試験機（富士電波工業株式会社製、変態点測定装置 Ｆｏｒｍａｓｔｅｒ−ＥＤＰ）を用いて、本願発明に係る急速軟質化焼鈍処理を行った。以下に、各実施例１〜実施例１９の急速軟質化焼鈍処理条件をまとめた表２を示す。表２中の米印は、第１熱処理工程〜第３熱処理工程又は第１熱処理工程〜第２熱処理工程を３サイクル行ったものを示す。

まずはじめに、図３の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例１の急速軟質化焼鈍処理について説明する。この図３には、実施例１以外にも、実施例２及び実施例３の熱処理サイクルを合わせて示す。実施例１は、第１熱処理工程において試験片を７６０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。当該実施例１では、８秒で室温から７６０℃まで加熱したので、当該第１熱処理工程の昇温速度は、約９１．３℃／ｓであった。第１熱処理工程において、試験片を７６０℃に加熱した直後、第２熱処理工程において試験片を５５０℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた後、当該低温保持温度Ｔ２を１０秒間保持した。当該実施例１では、２秒で７６０℃から５５０℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、１０５℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、第３熱処理工程において、試験片を６７０℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を１０秒間保持した。当該実施例１では、１秒で５５０℃から６７０℃まで昇温させたので、当該第３熱処理工程の昇温速度は、１２０℃／ｓであった。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで急冷し、実施例１の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例１における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は１０秒であった。以上より、当該実施例１において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、４１秒（０．６８分）であった。

実施例２は、実施例１と第１熱処理工程におけるオーステナイト化温度Ｔ１のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例２は、第１熱処理工程において試験片を７７０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。当該実施例２では、実施例１と同様に８秒で室温からオーステナイト化温度Ｔ１まで加熱したので、当該第１熱処理工程の昇温速度は、約９２．５℃／ｓであった。その後、実施例２についても、実施例１と同様に、第２熱処理工程、第３熱処理工程、冷却工程を経て、実施例２の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例２では、２秒で７７０℃から５５０℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、１１０℃／ｓであった。

実施例３は、実施例１と第１熱処理工程におけるオーステナイト化温度Ｔ１のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例３は、第１熱処理工程において試験片を７８５℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。当該実施例３では、実施例１と同様に８秒で室温からオーステナイト化温度Ｔ１まで加熱したので、当該第１熱処理工程の昇温速度は、約９４．４℃／ｓであった。その後、実施例３についても、実施例１と同様に、第２熱処理工程、第３熱処理工程、冷却工程を経て、実施例３の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例３では、２秒で７８５℃から５５０℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、１１８℃／ｓであった。

次に、図４の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例４の急速軟質化焼鈍処理について説明する。この図４には、実施例４以外にも、上述した実施例１及び実施例５の熱処理サイクルを合わせて示す。実施例４は、上述した実施例２と第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例４は、実施例２と同様に第１熱処理工程で試験片を７７０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した直後に、第２熱処理工程において試験片を４５０℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた後、当該低温保持温度Ｔ２を１０秒間保持した。当該実施例４では、２秒で７７０℃から４５０℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、１６０℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、実施例４についても、実施例２と同様に、第３熱処理工程及び冷却工程を経て、実施例４の軟質化炭素鋼を得た。

実施例５は、上述した実施例２と第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例５は、実施例２と同様に第１熱処理工程で試験片を７７０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した直後に、第２熱処理工程において試験片を５００℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた後、当該低温保持温度Ｔ２を１０秒間保持した。当該実施例５では、２秒で７７０℃から５００℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、１３５℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、実施例５についても、実施例２と同様に、第３熱処理工程及び冷却工程を経て、実施例５の軟質化炭素鋼を得た。

実施例６は、上述した実施例２と第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例６は、実施例２と同様に第１熱処理工程で試験片を７７０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した直後に、第２熱処理工程において試験片を６００℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた後、当該低温保持温度Ｔ２を１０秒間保持した。当該実施例６では、２秒で７７０℃から６００℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、８５℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、実施例６についても、実施例２と同様に、第３熱処理工程及び冷却工程を経て、実施例６の軟質化炭素鋼を得た。

次に、図５の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例７の急速軟質化焼鈍処理について説明する。この図５には、実施例７以外にも、実施例８及び実施例９の熱処理サイクルを合わせて示す。実施例７は、上述した実施例２と第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例７は、実施例２と同様の条件で第１熱処理工程及び第２熱処理工程を行った後、第３熱処理工程において、試験片を５５０℃の低温保持温度Ｔ２から６００℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を１０秒間保持した。当該実施例７では、１秒で５５０℃から６００℃まで昇温させたので、当該第３熱処理工程の昇温速度は、５０℃／ｓであった。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで急冷し、実施例７の軟質化炭素鋼を得た。

実施例８は、上述した実施例２と第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例８は、実施例２と同様の条件で第１熱処理工程及び第２熱処理工程を行った後、第３熱処理工程において、試験片を５５０℃の低温保持温度Ｔ２から６５０℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を１０秒間保持した。当該実施例８では、１秒で５５０℃から６５０℃まで昇温させたので、当該第３熱処理工程の昇温速度は、１００℃／ｓであった。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで急冷し、実施例８の軟質化炭素鋼を得た。

実施例９は、上述した実施例２と第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例９は、実施例２と同様の条件で第１熱処理工程及び第２熱処理工程を行った後、第３熱処理工程において、試験片を５５０℃の低温保持温度Ｔ２から７００℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を１０秒間保持した。当該実施例９では、１秒で５５０℃から７００℃まで昇温させたので、当該第３熱処理工程の昇温速度は、１５０℃／ｓであった。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで急冷し、実施例９の軟質化炭素鋼を得た。

次に、図６の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例１０の急速軟質化焼鈍処理について説明する。実施例１０は、上述した実施例２と冷却工程における冷却速度のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例１０は、実施例２と同様の条件で第１熱処理工程〜第３熱処理工程を行った後、冷却工程において、試験片を６７０℃の高温保持温度Ｔ３から４５０℃まで５℃／ｓの速度で冷却した後、室温まで２０℃／ｓで冷却し、実施例１０の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例１０における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は６５秒であった。以上より、当該実施例１０において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、９６秒（１．６０分）であった。

次に、図７の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例１１の急速軟質化焼鈍処理について説明する。この図７には、実施例１１以外にも、実施例１２及び実施例１３の熱処理サイクルを合わせて示す。実施例１１は、上述した実施例２と第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２の保持時間と、冷却工程における冷却速度のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例１１は、第１熱処理工程において試験片を室温から９２．５℃／ｓの昇温速度で７７０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。第１熱処理工程において、試験片を７７０℃に加熱した直後、第２熱処理工程において試験片を１１０℃／ｓの冷却速度で５５０℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた後、当該低温保持温度Ｔ２を５秒間保持した。第２熱処理工程を終了した後、第３熱処理工程において、試験片を１２０℃／ｓの昇温速度で６７０℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を１０秒間保持した。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで１℃／ｓの冷却速度で冷却し、実施例１１の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例１１における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は６４０秒であった。以上より、当該実施例１１において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、６６６秒（１１．１０分）であった。

実施例１２は、上述した実施例１１と第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３の保持時間のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例１２は、実施例１１と同様の条件で第１熱処理工程及び第２熱処理工程を行った後、第３熱処理工程において、試験片を５５０℃の低温保持温度Ｔ２から６７０℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を６０秒間保持した。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで１℃／ｓの冷却速度で冷却し、実施例１２の軟質化炭素鋼を得た。以上より、当該実施例１２において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、７１６秒（１１．９３分）であった。

実施例１３は、上述した実施例１１と第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３の保持時間のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、実施例１３は、実施例１１と同様の条件で第１熱処理工程及び第２熱処理工程を行った後、第３熱処理工程において、試験片を５５０℃の低温保持温度Ｔ２から６７０℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を９００秒間保持した。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで１℃／ｓの冷却速度で冷却し、実施例１３の軟質化炭素鋼を得た。以上より、当該実施例１３において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、１５５６秒（２５．９０分）であった。

次に、図８の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例１４の急速軟質化焼鈍処理について説明する。実施例１４は、実施例１１と同様の条件で第１熱処理工程〜第３熱処理工程を行った後、冷却工程において、試験片を６７０℃の高温保持温度Ｔ３から４５０℃まで５℃／ｓの速度で冷却した後、室温まで２０℃／ｓで冷却し、実施例１４の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例１４における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は６５秒であった。以上より、当該実施例１４において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、９１秒（１．５２分）であった。

次に、図９を熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例１５の急速軟質化焼鈍処理方法について説明する。実施例１５は、上述した実施例１３における第１熱処理工程から第３熱処理工程までの熱処理条件と同様の条件で、第１熱処理工程から第３熱処理工程までを３サイクル行ったのち、実施例１３と同様の条件で冷却工程を行って、実施例１５の軟質化炭素鋼を得た。以上より、当該実施例１５において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、１６０４秒（２６．７０分）であった。

次に、実施例１６の急速軟質化焼鈍処理方法について説明する。実施例１６は、上述した実施例１１における第１熱処理工程から第３熱処理工程までの熱処理条件と同様の条件で、第１熱処理工程から第２熱処理工程までを３サイクル行ったのち、実施例１１と同様の条件で第３熱処理工程及び冷却工程を行って、実施例１６の軟質化炭素鋼を得た。以上より、当該実施例１６において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、６９６秒（１１．６０分）であった。

次に、図１０の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例１７の急速軟質化焼鈍処理について説明する。当該実施例１７では、絞り加工及び平つぶし加工が施された試験鋼管を用いた。当該絞り加工及び平つぶし加工が施された試験鋼管は、中空ラックバーの製造に用いられるものである。当該絞り加工及び平つぶし加工が施された平つぶし面には、軟質化焼鈍処理後に塑性加工によって歯が形成される。

実施例１７は、第１熱処理工程において絞り加工及び平つぶし加工が施された試験鋼管を７５２℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。当該実施例１７では、５秒で室温から７５２℃まで加熱したので、当該第１熱処理工程の昇温速度は、１４４．４℃／ｓであった。第１熱処理工程において、試験鋼管を７５２℃に加熱した直後、第２熱処理工程において５２５℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた。当該実施例１７では、７２秒で７５２℃から５２５℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、約３℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、第３熱処理工程において、試験鋼管を６２５℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱した。当該実施例１７では、５秒で５２５℃から６２５℃まで昇温させたので、当該第３熱処理工程の昇温速度は、２０℃／ｓであった。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験鋼管を５４３℃まで約１．４℃／ｓの速度で冷却した後、室温まで２０℃／ｓで冷却して、実施例１７の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例１７における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は８０秒であった。以上より、当該実施例１７において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、１６２秒（２．７０分）であった。

次に、図１１の熱処理サイクルの模式図を参照して、実施例１８の急速軟質化焼鈍処理について説明する。実施例１８は、第１熱処理工程において絞り加工及び平つぶし加工が施された試験鋼管を７６７℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。当該実施例１８では、５秒で室温から７６７℃まで加熱したので、当該第１熱処理工程の昇温速度は、１４７．４℃／ｓであった。第１熱処理工程において、試験鋼管を７６７℃に加熱した直後、第２熱処理工程において５３９℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた。当該実施例１８では、７２秒で７６７℃から５３９℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、約３℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、第３熱処理工程において、試験鋼管を６６５℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱した。当該実施例１８では、５秒で５３９℃から６６５℃まで昇温させたので、当該第３熱処理工程の昇温速度は、２５．２℃／ｓであった。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験鋼管を５６５℃まで約１．４℃／ｓの速度で冷却した後、室温まで２０℃／ｓで冷却して、実施例１８の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例１８における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は８０秒であった。以上より、当該実施例１８において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、１６２秒（２．７０分）であった。

実施例１９は、上述した実施例１８における第１熱処理工程から第３熱処理工程までの熱処理条件と同様の条件で、第１熱処理工程から第３熱処理工程までを３サイクル行った後、実施例１８と同様の条件で冷却工程を行って、実施例１９の軟質化炭素鋼を得た。当該実施例１９における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は８０秒であった。以上より、当該実施例１９において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、４８６秒（８．１０分）であった。

比較例

以下に示す比較例１〜比較例８は、上述した各実施例１〜実施例１６と同様の試験片を用いて軟質化炭素鋼を作製した。以下に、各比較例１〜比較例８の軟質化焼鈍処理条件をまとめた表３を示す。

［比較例１］
比較例１は、実施例１と第１熱処理工程におけるオーステナイト化温度Ｔ１のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、比較例１は、第１熱処理工程において試験片を７４０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。当該比較例１では、実施例１と同様に８秒で室温からオーステナイト化温度Ｔ１まで加熱したので、当該第１熱処理工程の昇温速度は、８９℃／ｓであった。その後、比較例１についても、実施例１と同様に、第２熱処理工程、第３熱処理工程、冷却工程を経て、比較例１の軟質化炭素鋼を得た。当該比較例１では、２秒で７４０℃から５５０℃まで降下させたので、第２熱処理工程の冷却速度は、９５℃／ｓであった。

［比較例２］
比較例２は、実施例１と第１熱処理工程におけるオーステナイト化温度Ｔ１のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、比較例２は、第１熱処理工程において試験片を８００℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した。当該比較例２では、実施例１と同様に８秒で室温からオーステナイト化温度Ｔ１まで加熱したので、当該第１熱処理工程の昇温速度は、９６℃／ｓであった。その後、比較例２についても、実施例１と同様に、第２熱処理工程、第３熱処理工程、冷却工程を経て、比較例２の軟質化炭素鋼を得た。当該比較例２では、２秒で８００℃から５５０℃まで降下させたので、第２熱処理工程の冷却速度は、１２５℃／ｓであった。

［比較例３］
比較例３は、上述した実施例２と第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、比較例３は、実施例２と同様に第１熱処理工程で試験片を７７０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した直後に、第２熱処理工程において試験片を１００℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた後、当該低温保持温度Ｔ２を１０秒間保持した。当該比較例３では、２秒で７７０℃から１００℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、３３５℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、比較例３についても、実施例２と同様に、第３熱処理工程及び冷却工程を経て、比較例３の軟質化炭素鋼を得た。

［比較例４］
比較例４は、上述した実施例２と第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、比較例４は、実施例２と同様に第１熱処理工程で試験片を７７０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に加熱した直後に、第２熱処理工程において試験片を６５０℃の低温保持温度Ｔ２まで温度を降下させた後、当該低温保持温度Ｔ２を１０秒間保持した。当該比較例４では、２秒で７７０℃から６５０℃まで降下させたので、当該第２熱処理工程の冷却速度は、６０℃／ｓであった。第２熱処理工程を終了した後、比較例４についても、実施例２と同様に、第３熱処理工程及び冷却工程を経て、比較例４の軟質化炭素鋼を得た。

［比較例５］
比較例５は、上述した実施例２と第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、比較例５は、実施例２と同様の条件で第１熱処理工程及び第２熱処理工程を行った後、第３熱処理工程において、低温保持温度Ｔ２と同じ、５５０℃の高温保持温度Ｔ３を１０秒間維持した。この場合、低温保持温度Ｔ２から高温保持温度Ｔ３への温度変化はないため、第３熱処理工程の昇温速度は、０℃／ｓである。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで急冷し、比較例５の軟質化炭素鋼を得た。

［比較例６］
比較例６は、上述した実施例２と第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３のみが異なり、それ以外の工程の条件は同じとした。即ち、比較例６は、実施例２と同様の条件で第１熱処理工程及び第２熱処理工程を行った後、第３熱処理工程において、試験片を５５０℃の低温保持温度Ｔ２から７２０℃の高温保持温度Ｔ３まで加熱し、当該高温保持温度Ｔ３を１０秒間保持した。当該比較例６では、１秒で５５０℃から７２０℃まで昇温させたので、当該第３熱処理工程の昇温速度は、１７０℃／ｓであった。当該第３熱処理工程を終了した後、冷却工程において、試験片を室温まで急冷し、比較例６の軟質化炭素鋼を得た。

［比較例７］
次に、図１２の熱処理サイクルの模式図を参照して、比較例７は軟質化焼鈍処理について説明する。比較例７は、試験片を１００℃／ｓの昇温速度で７６０℃に加熱した後、当該温度を１０秒保持した。その後、試験片を６５０℃まで５℃／ｓの速度で冷却した後、２０℃／ｓで室温まで冷却して、比較例７の軟質化炭素鋼を得た。当該比較例７における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は５３秒であった。以上より、当該比較例７において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、７１秒（１．１８分）であった。

［比較例８］
次に、図１３の熱処理サイクルの模式図を参照して、比較例８は軟質化焼鈍処理について説明する。比較例８は、試験片を１００℃／ｓの昇温速度で７６０℃に加熱した後、当該温度を３６００秒（１時間）保持した。その後、試験片を１５秒で室温まで冷却して比較例８の軟質化炭素鋼を得た。当該比較例８における冷却工程で室温までの冷却に要した時間は１５秒であった。以上より、当該比較例８において、当該一連の熱処理サイクルの実行に要した時間は、３６２３秒（６０．３８分）であった。

［評価］
上述により得られた実施例１〜実施例１６の軟質化炭素鋼と、比較例１〜比較例８の軟質化炭素鋼、及び軟質化焼鈍処理前の素材についてビッカース硬さＨＶ（１）を測定し、評価を行った。また、上述により得られた実施例１７〜実施例１９の軟質化炭素鋼と、軟質化焼鈍処理前の素材についてビッカース硬さＨＶ（５）を測定し、評価を行った。以下に、実施例１〜実施例１６と、比較例１〜比較例８と、処理前の素材のビッカース硬さの測定結果をまとめた表４を示す。なお、表４には、実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例６については、ビッカース硬さ測定を８点実施し、それらの平均値を示し、実施例１１〜実施例１６及び比較例７、比較例８については、ビッカース硬さ測定を３点実施し、それらの平均値を示す。

表４に示す各実施例及び比較例において用いた処理前の炭素鋼のビッカース硬さは、１８６ＨＶ（１）であり、処理後の各実施例１〜実施例１６の軟質化炭素鋼のビッカース硬さは、いずれも１７０ＨＶ（１）以下であった。なお、第１熱処理工程〜第３熱処理工程までを１サイクルのみ行った実施例１〜実施例１４は、上述したように、これら熱処理に要する時間が、冷却工程を含めて４１秒〜２５分５６秒であった。第１熱処理工程〜第３熱処理工程を３サイクル行った実施例１５は、熱処理に要する時間が２６分４４秒であった。第１熱処理工程〜第２熱処理工程を３サイクル行った後、第３熱処理工程を行った実施例１６は、熱処理に要する時間が１１分３６秒であった。これに対し、比較的短時間（１．１１秒）で軟質化焼鈍処理を行うことができる比較例７では、１８３ＨＶ（１）であり、１時間かけて軟質化焼鈍処理を行う比較例８では、１６４ＨＶ（１）であった。

上述した測定結果から、処理前の炭素鋼の硬さを基準として、比較例７に示すような従来の急速軟質化焼鈍処理方法では、ビッカース硬さをわずか１．６％しか軟質化できないのに対し、本件発明により急速軟質化焼鈍処理された軟質化炭素鋼は、３０分に満たない短時間でビッカース硬さを８％以上低下させることが可能となったことがわかる。本件発明の急速軟質化焼鈍処理によれば、比較例８に示すような処理時間に１時間を要する軟質化焼鈍処理と同等に、炭素鋼の硬さを低下させることが可能となったことがわかる。

特に、冷却工程における冷却時間を短縮することにより、極めて短時間で炭素鋼の球状化焼鈍処理を行うことができるため、製造ラインの中で、炭素鋼の部分的な軟質化焼鈍処理を連続的に行うことが可能になる。よって、本願発明は、炭素鋼のうち機械加工や塑性加工が必要となる部分を、局所的に軟質化焼鈍処理できるため、硬さが必要な部分における硬さ低下を回避し、且つ、加工が必要な部分の加工性を著しく向上させることが可能となる。従って、本件出願に係る炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法を採用することで、加工精度に優れ、高い品質の製品を提供できるようになる。

次に、本件発明における各温度Ｔ１〜Ｔ３、第３熱処理工程における高温保持時間、冷却工程における冷却速度、熱処理サイクルの回数の最適条件について、上述の実施例及び比較例を挙げて述べる。

（１）オーステナイト化温度Ｔ１
図１４は実施例１〜実施例３、比較例１、比較例２のオーステナイト化温度Ｔ１と硬さとの関係を示す図である。図３に示すように、実施例１〜実施例３と、比較例１及び比較例２は、オーステナイト化温度Ｔ１の条件のみが異なり、他の条件をすべて同じ熱処理サイクルを行ったものである。オーステナイト化温度Ｔ１は、比較例１が７４０℃、実施例１が７６０℃、実施例２が７７０℃、実施例３が７８５℃、比較例２が８００℃であった。

図１４から、オーステナイト化温度Ｔ１が７６０℃〜７８５℃の範囲である場合には、処理前ビッカース硬さが１８６ＨＶ（１）であった炭素鋼を、いずれも１７０ＨＶ（１）を下回る程度にまで軟質化焼鈍処理することができたことがわかる。これに対し、オーステナイト化温度Ｔ１が７６０℃より低い場合及び７８５℃を超える場合には、ビッカース硬さを１７２ＨＶ（１）や、１７４ＨＶ（１）までしか軟質化焼鈍処理することができなかったことがわかる。

以上のことから、第１熱処理工程におけるオーステナイト化温度Ｔ１は、７６０℃〜７８５℃を採用することにより、１８６ＨＶ（１）であった処理前の炭素鋼を、１７０ＨＶ（１）以下に軟質化させることが可能となることがわかる。よって、当該オーステナイト化温度Ｔ１を採用することにより、処理前の炭素鋼の硬さを基準としてビッカース硬さを８％以上、低下させることが可能となることが確認できる。

（２）低温保持温度Ｔ２
図１５は実施例１、実施例４〜実施例６、比較例３、比較例４の低温保持温度Ｔ２と硬さとの関係を示す図である。図４に示すように、実施例１、実施例４〜実施例６と、比較例３及び比較例４は、低温保持温度Ｔ２の条件のみが異なり、他の条件をすべて同じ熱処理サイクルを行ったものである。低温保持温度Ｔ２は、比較例３が１００℃、実施例４が４５０℃、実施例５が５００℃、実施例１が５５０℃、実施例６が６００℃、比較例４が６５０℃であった。

図１５から、低温保持温度Ｔ２が当該炭素鋼のＭｓ点（この場合３８６℃）〜６００℃の範囲である場合には、処理前ビッカース硬さが１８６ＨＶ（１）であった炭素鋼を、いずれも１７０ＨＶ（１）を下回る程度にまで軟質化焼鈍処理することができたことがわかる。これに対し、低温保持温度Ｔ２が当該炭素鋼のＭｓ点である３８６℃より低い場合には、ビッカース硬さを１７８ＨＶ（１）までしか軟質化焼鈍処理することができなかったことがわかる。また、低温保持温度Ｔ２が６００℃を超える場合には、ビッカース硬さが１９４ＨＶ（１）となり、処理前よりも硬さが高くなってしまったことがわかる。

以上のことから、第２熱処理工程における低温保持温度Ｔ２は、当該炭素鋼のＭｓ点である３８６℃〜６５０℃を採用することにより、１８６ＨＶ（１）であった処理前の炭素鋼を、１７０ＨＶ（１）以下に軟質化させることが可能となることがわかる。よって、当該低温保持温度Ｔ２を採用することにより、処理前の炭素鋼の硬さを基準としてビッカース硬さを８％以上、低下させることが可能となることが確認できる。

（３）高温保持温度Ｔ３
図１６は実施例１、実施例７〜実施例９、比較例５、比較例６の高温保持温度Ｔ３と硬さとの関係を示す図である。図５に示すように、実施例１、実施例７〜実施例９、比較例５、比較例６は、高温保持温度Ｔ３の条件のみが異なり、他の条件をすべて同じ熱処理サイクルを行ったものである。高温保持温度Ｔ３は、比較例５が５５０℃、実施例７が６００℃、実施例８が６５０℃、実施例１が６７０℃、実施例９が７００℃、比較例６が７２０℃であった。

図１６から、高温保持温度Ｔ３が６００℃〜７００℃の範囲である場合には、処理前ビッカース硬さが１８６ＨＶ（１）であった炭素鋼を、いずれも１７０ＨＶ（１）以下にまで軟質化焼鈍処理することができたことがわかる。これに対し、高温保持温度Ｔ３が６００℃より低い場合には、ビッカース硬さを１７７ＨＶ（１）までしか軟質化焼鈍処理することができなかったことがわかる。また、高温保持温度Ｔ３が７００℃を超える場合には、ビッカース硬さが２２７ＨＶ（１）となり、処理前よりも硬さが高くなってしまったことがわかる。

以上のことから、第３熱処理工程における高温保持温度Ｔ３は、６００℃〜７００℃を採用することにより、１８６ＨＶ（１）であった処理前の炭素鋼を、１７０ＨＶ（１）以下に軟質化させることが可能となることがわかる。よって、当該高温保持温度Ｔ３を採用することにより、処理前の炭素鋼の硬さを基準としてビッカース硬さを８％以上、低下させることが可能となることが確認できる。

（４）第３熱処理工程における高温保持時間
図７に示すように、実施例１１〜実施例１３は、第３熱処理工程において高温保持温度Ｔ３を保持する時間のみが異なり、他の条件をすべて同じ熱処理サイクルを行ったものである。高温保持温度Ｔ３の保持時間は、実施例１１が１０秒、実施例１２が６０秒、実施例１３が９００秒であった。

先に示した表４からわかるように、高温保持温度Ｔ３の保持時間が１０秒〜９００秒のいずれの場合であっても、処理前のビッカース硬さが１８６ＨＶ（１）であった炭素鋼を、いずれも１６０ＨＶ（１）を下回る程度にまで軟質化焼鈍処理することができたことがわかる。即ち、高温保持温度Ｔ３の保持時間が９００秒の場合と、１０秒の場合とでは、軟質化できる程度にほとんど差がなかったことがわかる。よって、処理時間の短縮化を考慮すると、より短い時間、例えば、６０秒以下で処理することが適切であることがいえる。

（５）冷却工程における冷却速度
上述した実施例２と実施例１０とは、冷却工程における冷却速度のみが異なり、他の条件はすべて同じ熱処理サイクルを行ったものである。実施例２は、冷却工程において急冷を行っており、実施例１０は４５０℃まで５℃／ｓの速度で冷却を行った後、室温まで２０℃／ｓで冷却を行った。また、図８に示すように、実施例１１と実施例１４とは、冷却工程における冷却速度のみが異なり、他の条件はすべて同じ熱処理サイクルを行ったものである。実施例１１は冷却工程において１℃／ｓの速度で冷却を行い、実施例１４は冷却工程において４５０℃まで５℃／ｓの速度で冷却を行った後、室温まで２０℃／ｓで冷却を行った。

先に示した表４からわかるように、冷却工程における冷却速度が、異なる場合であっても、処理前のビッカース硬さが１８６ＨＶ（１）であった炭素鋼を、いずれも１６４ＨＶ（１）を下回る程度にまで軟質化焼鈍処理することができたことがわかる。よって、冷却工程における冷却速度は、軟質化できる程度に殆ど影響を与えないことがわかる。従って、処理時間の短縮化を考慮すると、より短い時間で冷却することが適切であることがいえる。

（６）熱処理サイクルの回数
上述した実施例１３と実施例１５とは、第１熱処理工程から第３熱処理工程までの熱処理サイクルの実施回数のみが異なり、他の条件はすべて同様に行ったものである。実施例１３は、第１熱処理工程から第３熱処理工程までの熱処理サイクルを１回行った後、冷却工程を行ったものであり、実施例１５は、上述の熱処理サイクルを３回繰り返し行った後、冷却工程を行ったものである。

先に示した表４からわかるように、熱処理サイクルの実施回数が１回の場合は、処理前のビッカース硬さが１８６ＨＶ（１）であった炭素鋼を、１５７ＨＶ（１）まで軟化処理することができ、熱処理サイクルの実施回数が３回の場合は、更に、１５６ＨＶ（１）まで軟化処理することができたことがわかる。よって、熱処理サイクルの実施回数を繰り返すことにより、僅かに炭素鋼の硬さを低下させることができることがわかる。ゆえに、より高い精度で軟質化焼鈍処理を行うことが要求される場合には、熱処理サイクルの実施回数を調整することが有効であることがいえる。

また、上述した実施例１１と実施例１６とは、第１熱処理工程から第２熱処理工程までの熱処理サイクルの実施回数のみが異なり、他の条件はすべて同様に行ったものである。実施例１１は、第１熱処理工程から第３熱処理工程までの熱処理サイクルを１回行った後、冷却工程を行ったものであり、実施例１６は、第１熱処理工程から第２熱処理工程までの熱処理サイクルを３回繰り返し行った後、第３熱処理工程及び冷却工程を行ったものである。

先に示した表４からわかるように、第１熱処理工程及び第２熱処理工程までの熱処理サイクルの実施回数が１回の場合は、処理前のビッカース硬さが１８６ＨＶ（１）であった炭素鋼を、１５９ＨＶ（１）まで軟化処理することができ、第１熱処理工程及び第２熱処理工程までの熱処理サイクルの実施回数が３回の場合は、更に、１５７ＨＶ（１）まで軟化処理することができたことがわかる。よって、熱処理サイクルの実施回数を繰り返すことにより、僅かに炭素鋼の硬さを低下させることができることがわかる。ゆえに、より高い精度で軟質化焼鈍処理を行うことが要求される場合には、熱処理サイクルの実施回数を調整することが有効であることがいえる。

次に、平つぶし加工が施された試験鋼管を本件発明の急速軟質化焼鈍処理方法により軟質化焼鈍処理した実施例１７〜実施例１９の各部の硬さについて述べる。実施例１７〜実施例１９は、各部についてビッカース硬さＨＶ（５）を測定し、評価を行った。図１７は実施例１７〜実施例１９において用いた試験鋼管の断面模式図及び硬さ測定位置を示しており、図１８は処理前の試験鋼管と、実施例１７〜実施例１９の試験鋼管の各測定位置での硬さを示している。また、表５には、実施例１７〜実施例１９の試験鋼管の各測定位置の硬さと共に、硬さ低下率及び適正に軟質化処理されているか否かの評価結果を示す。硬さの測定位置は、測定部１として、平つぶし面中央部表面０．５ｍｍ位置、測定部２として、平つぶし面角部表面０．５ｍｍ位置、測定部３として、平つぶし面裏部表面０．５ｍｍ位置である。

処理前の試験鋼管は、加工度の小さい測定部１と測定部３でのビッカース硬さは２１０ＨＶ（５）程度であったが、加工度の大きな測定部３ではビッカース硬さが２５９ＨＶ（５）程度にまで高くなっていた。

本件発明の急速軟質化焼鈍処理を施した各実施例１７及び実施例１８の試験鋼管は、図１８及び表５に示すように、試験鋼管の表面全体のビッカース硬さがほぼ均一となるように、軟質化焼鈍処理されていることがわかる。また、各実施例１７及び実施例１８の試験鋼管は、従来、短時間での軟質化焼鈍処理が困難であった加工度の小さい測定部１及び測定部３であっても、軟質化焼鈍処理されていることがわかる。

また、図１８及び表５からわかるように、測定部３では、処理前の試験鋼管を基準として、大きく硬さが低下している。これは、平つぶし加工による加工度の大きな角部での加工された金属組織の回復、再結晶も、本発明による急速軟質化焼鈍処理によって生じたためと考えられる。

以上のことから、本件発明の急速軟質化焼鈍処理方法によれば、平つぶし加工が施された試験鋼管についても、当該平つぶし加工面の表面全体が硬さが均一となるように軟質化焼鈍処理することができることがいえる。よって、上述から、平つぶし面全体の硬さが均一に軟質化されることで、当該平つぶし面への機械加工や塑性加工等を高い精度で行うことが可能となることがわかる。

また、図１８及び表５には、実施例１８と同様の条件の熱処理サイクルを３回繰り返して行った実施例１９の試験鋼管についても示している。図１８及び表５から、上述したように、第１熱処理工程から第３熱処理工程までの熱処理サイクルを３回繰り返して行った場合には、平つぶし面の表面全体のビッカース硬さが、より一層、低下していることがわかる。このことからも、上述したように、熱処理サイクルの実施回数を繰り返すことにより、炭素鋼の硬さを低下させることができることがいえる。

本件発明にかかる急速軟質化焼鈍処理方法は、極めて短い時間で炭素鋼の軟質化焼鈍処理を実現することができる。また、製造ラインにおいて部分的な軟質化焼鈍処理も可能となる。よって、強度が必要な箇所の硬さを低下させることなく、加工が必要となる部分のみを軟質化し、高い精度での機械加工が可能となり、高い品質の機械構造部品の提供が可能となる。

Claims (8)

1. 炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法であって、
   以下の工程を備えることを特徴とする炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。
   第１熱処理工程：前記炭素鋼を加熱し、当該炭素鋼の表面をＡｃ_１＋２０℃〜Ａｃ_１＋５０℃のオーステナイト化温度Ｔ１に１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる工程。
   第２熱処理工程：第１熱処理工程を終了した直後に、前記炭素鋼をＭｓ点〜６００℃の低温保持温度Ｔ２まで１℃／ｓ以上の速度で降下させる工程。
   第３熱処理工程：第２熱処理工程を終了した前記炭素鋼を、Ａｅ_１−１３０℃〜Ａｅ_１−２０℃の高温保持温度Ｔ３まで１０℃／ｓ以上の速度で上昇させる工程。
   冷却工程：第３熱処理工程を終了した前記炭素鋼を冷却して軟質化処理した炭素鋼を得る工程。
2. 前記第２熱処理工程において、前記低温保持温度Ｔ２を３０秒以下の時間、及び／又は、前記第３熱処理工程において、前記高温保持温度Ｔ３を６０秒以下の時間、保持する請求項１に記載の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。
3. 前記軟質化処理により、当該処理前の炭素鋼の硬さを基準として、ビッカース硬さを８％以上低下させるものである請求項１又は請求項２に記載の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。
4. 前記第１熱処理工程、前記第２熱処理工程、又は、前記第３熱処理工程の少なくともいずれか１つの工程において、高周波誘導加熱法を用いることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。
5. 炭素が０．２７質量％〜０．５８質量％、ケイ素が０．１５質量％〜０．３５質量％、マンガンが０．３０質量％〜１．５０質量％、リンが０．０３質量％以下、硫黄が０．０３質量％以下、ニッケルが０．２５質量％以下、クロムが０．３５質量％以下であり、残部が鉄及び不可避的不純物からなる化学組成を備える前記炭素鋼を用いる請求項１〜請求項４のいずれかに記載の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。
6. 前記第１熱処理工程における前記オーステナイト化温度Ｔ１が、７６０℃〜７８５℃であり、当該オーステナイト化温度Ｔ１までの昇温速度が９０℃／ｓ〜１５０℃／ｓである請求項１〜請求項５のいずれかに記載の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。
7. 前記第２熱処理工程における前記低温保持温度Ｔ２までの冷却速度が３℃／ｓ〜１７０℃／ｓである請求項１〜請求項６のいずれかに記載の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。
8. 前記第３熱処理工程における前記高温保持温度Ｔ３が、６００℃〜７００℃であり、当該高温保持温度Ｔ３までの昇温速度が２０℃／ｓ〜３５０℃／ｓである請求項１〜請求項７のいずれかに記載の炭素鋼の急速軟質化焼鈍処理方法。