JP2020007603A - 浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度により十分に優れた部品を、より十分に低コストで、量産することができる浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法を提供すること。【解決手段】鋼鉄からなる部品の浸炭焼入れ装置であって、前記浸炭焼入れ装置は複数の前記部品２を載置および搬送するためのトレイ１を含み、前記トレイは、前記複数の部品２と加熱源３との間に、前記加熱源３からの輻射熱を遮蔽する遮蔽板１０を有する、浸炭焼入れ装置。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法に関する。

鋼は炭素を固溶させると、硬さが向上することが知られている。一方、鋼は常温では炭素を０．０２％までしか固溶させることができないため、温度を９００℃以上に上げることで、鋼の相をオーステナイト相に変態させ、炭素を固溶させる必要がある。その後は、焼入れ処理において、高温から急冷することで、マルテンサイト相に変態させ、炭素を結晶に固溶させたまま、硬さが向上した鋼を常温で使用できるようになる。このため、高温で浸炭処理を行う工程、続いて焼入れ処理に適した温度まで降温する冷却工程、および焼入れを行う工程を連続的に行う浸炭焼入れ方法が一般的によく実施されている。

このような浸炭焼入れ方法の改良として、例えば、特許文献１には、低炭素鋼からなる素材の非鍛造品でありながら、オーステナイト結晶粒度が♯１０以上の炭素鋼を得ることができる浸炭焼入れ方法が開示されている。この方法では、第１工程でオーステナイト化温度以上に加熱して浸炭を行い、第２工程でオーステナイト化温度未満に冷却し、第３工程で再度、オーステナイト化温度直上に急速加熱を行い、オーステナイト結晶粒を微細に制御し、第４工程で焼入れを行う。第３工程（再加熱工程）での加熱には高周波輪郭加熱が推奨されている。高温に保持すると、結晶粒はその保持時間に応じて成長する特徴があるところ、高周波輪郭加熱による短時間での急速加熱により、オーステナイト結晶粒の成長を抑え、結晶粒の微細化による強度特性の向上効果が最大に得られるためである。

特開２００５−４８２９２号公報

本発明の発明者等は、高周波輪郭加熱には新たな設備投資が必要なため、浸炭炉を利用して、特許文献１の方法に基づく量産化を行った場合、得られる複数の部品において通常の浸炭焼入れに比べて寸法精度が低下することを見い出した。詳しくは、特許文献１の方法において、図６および図７に示すように、各トレイ１０１に複数の部品１０２を載置して、両側にある加熱源（連続浸炭炉）１０３の間を搬送しながら、当該複数の部品を同時に第３工程（再加熱工程）に供した場合、寸法精度が低下した。図６は、従来の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）を示す模式的平面図を示す。図７は、従来の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）におけるトレイおよび当該トレイに載置されて搬送される複数の部品を示す模式的側面図を示す。

詳しくは、連続浸炭炉による加熱は、高周波輪郭加熱と比較して、加熱に長時間を要する。加熱時間は長いほど、結晶粒は成長して大きくなる。結晶粒は大きいほど、焼入れ性が高くなり、オーステナイト相のマルテンサイト相への変態による体積膨張が大きくなる。
このため、例えば、加熱源に近い部品と加熱源から遠い部品との間では、加熱速度に差が生じるため、結晶粒の成長時間にも差が生じ、得られる複数の部品間で、変形量が大きくばらついた。
また例えば、１つの部品においても、加熱源に近い面と加熱源から遠い面との間では、加熱速度に差が生じ、結晶粒の成長時間にも差が生じ、変形量が異なるため、結果として、得られる部品の中で、発生する熱処理ひずみが大きくなり変形量が大きくなった。

本発明は、寸法精度により十分に優れた部品を、より十分に低コストで、量産することができる浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法を提供することを目的とする。

本発明は、
鋼鉄からなる部品の浸炭焼入れ装置であって、
前記浸炭焼入れ装置は複数の前記部品を載置および搬送するためのトレイを含み、
前記トレイは、前記複数の部品と加熱源との間に、前記加熱源からの輻射熱を遮蔽する遮蔽板を有する、浸炭焼入れ装置に関する。

本発明はまた、
鋼鉄からなる部品の浸炭焼入れ方法であって、
複数の前記部品を載置および搬送するためのトレイを用い、
前記トレイは、前記複数の部品と加熱源との間に、前記加熱源からの輻射熱を遮蔽する遮蔽板を有する、浸炭焼入れ方法に関する。

浸炭後に部品に与える熱履歴により結晶を微細化する、あるいは粗大化を防ぐ場合に
本発明の浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法では、浸炭炉を利用して量産化を行っても、同時に処理される複数の部品間および個々の部品における加熱源に近い面と遠い面との間で、熱処理変形量の差が大きくなることを、より十分に防止できる。その結果として、得られる複数の部品間における寸法精度の低下を、より十分に防止することができる。
本発明の浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法では、浸炭焼入れに必要不可欠な既存の設備を利用して量産化を行うため、コスト性能により十分に優れている。

本発明の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）の一例を示す模式的平面図を示す。 本発明の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）の別の一例を示す模式的平面図を示す。 本発明の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）のまた別の一例を示す模式的平面図を示す。 本発明の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）におけるトレイおよび当該トレイに載置されて搬送される複数の部品を示す模式的側面図を示す。 実施例の浸炭焼入れ装置における第３工程（再加熱工程）を示す模式的平面図を示す。 実施例の浸炭焼入れ装置の各工程におけるヒートパターンを示す。 実施例の浸炭焼入れ装置により得られた複数の部品の評価結果を示す。 実施例の浸炭焼入れ装置における連続炉の輪切り断面であって、トレイの搬送方向の真正面から連続炉内部を見たときの模式的断面図を示す。 比較例の浸炭焼入れ装置における第３工程（再加熱工程）を示す模式的平面図を示す。 比較例の浸炭焼入れ装置により得られた複数の部品の評価結果を、実施例の評価結果とともに示す。 参考例の浸炭焼入れ装置の各工程におけるヒートパターンを示す。 参考例の浸炭焼入れ装置により得られた複数の部品の評価結果を、実施例の評価結果とともに示す。 従来の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）を示す模式的平面図を示す。 従来の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）におけるトレイおよび当該トレイに載置されて搬送される複数の部品を示す模式的側面図を示す。

本発明の浸炭焼入れ装置は鋼鉄からなる複数の部品を処理するための量産性に優れた装置である。鋼鉄は炭素を含む鉄の合金であり、例えば、肌焼鋼のうち、炭素鋼（特に、低炭素鋼）、特殊鋼（ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、マンガン鋼）からなる群から選択される。好ましい鋼鉄は特殊鋼、特にクロム鋼である。

本発明の浸炭焼入れ装置で処理される部品は、強度、特に強度と寸法精度が要求される部品および製品であってよく、例えば、自動車用部品が挙げられる。自動車用部品は、より良好な強度とより精密な寸法精度が要求される観点から、動力伝達部品が好ましい。動力伝達部品として、例えば、ギヤ（歯車）、シャフト（歯車一体のものを含む）、スプロケット等が挙げられる。本発明においては、要求される強度が高い手動変速機の最終減速駆動用ギヤシャフトに対して、強度と寸法精度の両立化をより有効に得ることができる。

本発明の浸炭焼入れ装置では通常、浸炭処理を行う第１工程、冷却する第２工程、加熱する第３工程、および焼入れ処理を行う第４工程が実施される。本発明の浸炭焼入れ装置が後述するように浸炭処理手段としてガス浸炭手段を含む場合、当該浸炭焼入れ装置は連続ガス浸炭炉を含んでもよい。連続ガス浸炭炉は、浸炭を行うための炉であり、第１工程〜第３工程、好ましくは第１工程〜第４工程を連続的に実施することができる。

第１工程は浸炭工程であり、複数の部品をオーステナイト化温度以上に加熱して浸炭を行う工程である。浸炭は炭素を材料に固溶させる熱処理である。浸炭は強度の観点から、表面炭素濃度が共析点付近（０．７〜０．９％）に設定されるように行われることが好ましい。

浸炭処理手段としては、ガス浸炭、真空浸炭あるいはプラズマ浸炭等が適宜利用される。浸炭は、コストと量産性の観点から、ガス浸炭や真空浸炭が好ましい。特にガス浸炭の場合、加熱温度は浸炭反応が起こる限り特に限定されず、生産性の観点からは材料の融点を超えない限り高い温度で行うことが好ましい。一方、品質の観点からは高温に長時間さらされた鋼の結晶は粗大化し、機械的特性を損ねるため、得られる品質の観点からはより低温で浸炭を行うことが好ましい。例えば、動力伝達部品（特に手動変速機の最終減速駆動用ギヤシャフト）を得る場合、生産性と機械的特性（強度）の両立の観点から、加熱温度は、例えば、オーステナイト化温度をＴｏｓ（℃）としたとき、Ｔｏｓ＋１２０〜Ｔｏｓ＋１８０（℃）、特にＴｏｓ＋１４０〜Ｔｏｓ＋１６０（℃）であってもよい。加熱は炉内の温度（例えば、連続ガス浸炭炉内の浸炭処理ゾーンの温度）を調整することにより達成することができる。

第２工程は、オーステナイト化温度未満に冷却する工程である。本工程での冷却と後述の第３工程での加熱で再度オーステナイト化を行うことにより、浸炭中に高温下に長時間さらされたオーステナイト結晶粒を再度析出させることで、オーステナイト結晶粒の微粒化（オーステナイト結晶粒度が＃１０以上）が実現できる。これらの結果として、第２工程および第３工程を行わなかった場合と比較して、強度がより十分に向上する。

冷却温度は通常、浸炭後表面炭素濃度でのオーステナイト化温度をＴｏｓ１（℃）としたとき、Ｔｏｓ１−４００〜Ｔｏｓ１−６００（℃）、特にＴｏｓ１−５００〜Ｔｏｓ１−５８０（℃）である。このような冷却温度までの冷却に要する時間（降温時間）通常、３０〜１０分間であってもよい。ただしこの時、急冷を行うとマルテンサイト変態によるひずみが発生するため、急速冷却することはできない。冷却は冷却室を準備し窒素に代表される常温の不活性ガスを充填、撹拌することで達成することができる。上記冷却温度範囲において、Ｔｏｓ１は、本発明の浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法に供される部品の鋼鉄素材のオーステナイト化温度Ｔｏｓであってもよい。

第３工程は、オーステナイト化温度以上、特にオーステナイト化温度の直上に加熱する工程である。加熱温度は通常、非浸炭部の焼入れを前提とすると、素材炭素濃度でのオーステナイト化温度をＴｏｓ２（℃）としたとき、部品温度で、Ｔｏｓ２＋２０〜Ｔｏｓ２＋６０（℃）、特にＴｏｓ２＋３０〜Ｔｏｓ２＋５０（℃）とすることが好ましい。設備の設定温度としては、冷却された処理品の加熱を速やかに行うため、僅かにこの温度より高い設定を取っておくことが好ましく、具体的にはＴｏｓ２＋５０〜Ｔｏｓ２＋１００（℃）、特にＴｏｓ２＋６０〜Ｔｏｓ２＋８０（℃）である。特に浸炭を行う温度より下げて行う必要がある。このような加熱温度までの加熱に要する時間（昇温時間）はオーステナイト相への変態が十分に完了する時間であり、通常、処理品の実体温度が上記の狙いの温度に到達した後、１５分〜３０分間であってもよい。加熱は炉内の温度（例えば、連続ガス浸炭炉内の加熱ゾーンの温度）を調整することにより達成することができる。このような加熱により、オーステナイト結晶粒の微細化がより一層、十分に図られるため、十分な強度が確保される。上記加熱温度範囲および設定温度範囲において、Ｔｏｓ２は、本発明の浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法に供される部品の鋼鉄素材のオーステナイト化温度Ｔｏｓであってもよい。

本発明の浸炭焼入れ装置は、例えば図１Ａに示すように、本工程の加熱手段（加熱源）３を、後述するトレイ１による搬送方向Ｃの両側に有している。加熱手段として、電気ヒーター加熱炉、ガスバーナー加熱炉等の既存の加熱設備を用いることができる。本発明においては、このような既存の加熱設備を用いる場合であっても、より十分な強度を有する、寸法精度に優れた複数の部品を得ることができる。図１Ａは、本発明の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）の一例を示す模式的平面図を示す。

第３工程においては通常、２つ以上のトレイを連続的に進行させつつ、各トレイに載置された複数の部品２を処理する。例えば、連続的に進行する２つのトレイについて、搬送方向Ｃについて前方のトレイ１に載置された複数の部品の処理と、後方のトレイ１に載置された複数の部品の処理とは連続的処理に相当する。また例えば、同じ１つのトレイ１に載置されている複数の部品の処理は同時処理に相当する。

第３工程においては通常、図１Ａに示すように、複数のトレイ１を隣接させて進行させるが、所定の間隔を空けて進行させてもよい。本発明において、第３工程においては複数のトレイ１を隣接させて進行させることが好ましい。遮蔽板１０が、後述するように、平面視において搬送方向Ｃとは反対方向に開いた形状を有していても、２つの隣接するトレイ１について、搬送方向Ｃにおいて後方のトレイ１における正面側遮蔽板１０ｂが、前方のトレイ１の複数の部品への輻射熱も遮蔽するためである。「隣接」は、図１Ａに示すような互いに「接触状態」にある関係だけでなく、他の工程よりも狭い間隔（例えば、１００ｍｍ以下、特に１０〜５０ｍｍ）を空けた「離隔状態」にある関係も包含する。

第３工程において複数のトレイ１を隣接して進行させる場合、例えば、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、第３工程における最も前方のトレイ１'が第３工程を終えるとき、当該トレイ１'は進行速度を上げて第３工程部から出た後、進行速度を下げる（戻す）。これと同時に、新たなトレイ１''''は進行速度を上げて第３工程部に入った後、進行速度を下げて、これに先行するトレイ１'''と隣接して進行する。図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の浸炭焼入れ装置において既存の加熱設備を利用して量産化を行ったときの第３工程（再加熱工程）の経時的変化の一例を示す模式的平面図を示す。図１Ａ〜図１Ｃにおいて、搬送方向（進行方向）Ｃを示す矢印は、その長さで、速度の大きさも表している。

第４工程は、焼入れ処理を行う工程である。焼入れはオーステナイト相の急冷によってマルテンサイト相を得ることを目的に行うものである。マルテンサイト相に変態を起こす際には結晶中に格子欠陥が生まれるため、炭素を強制的に固溶させた状態で常温になる。これによって、炭素を多量に固溶した高硬度の鋼が得られ、処理品の強度を向上させることができる。

焼入れ処理（急冷却）は、オーステナイト相を急速に冷却することが肝要であり、速度が遅ければ、パーライトへ変態して狙いの強度を得られない。そのために、急冷は処理品を冷却剤に接触させることで行われる。例えば冷却剤は水、焼入れ用の油、ソルト、高圧の窒素などの不活性ガスを使用することができる。

冷却剤の供給方法は、部品表面と冷却剤とが接触する限り特に限定されず、例えば、冷却剤中に部品を浸漬する方法であってもよいし、または部品に対して冷却剤を投射する方法であってもよい。均一な処理による部品強度のさらなる向上の観点から、冷却剤を充填した漕の中に部品を浸漬する方法を採用することが好ましい。

本発明においては、第３工程で均熱した後で、第４工程で焼入れ処理を行うことが好ましい。均熱とは、処理品全体をむらなく均一に焼入れに適した温度に保持する事である。ここで焼入れに適した温度とは、処理品がオーステナイト相であるためには材料のオーステナイト化温度以上であることに加え、熱処理ひずみの原因になる熱応力の発生を抑えるため、極力低温であることが必要である。

本発明においては、第３工程で均熱により、焼入れ処理に適した温度（例えば、８３０℃）まで降温した後で、第４工程で焼入れ処理を行うことが好ましい。焼入れ処理に適した温度（８３０℃）まで降温することにより、必要以上に熱応力を発生させないことで、熱処理変形の低減を狙ったものである。焼入れ処理に適した温度は通常、非浸炭部の焼入れを前提とすると、素材炭素濃度でのオーステナイト化温度をＴｏｓ２（℃）としたとき、Ｔｏｓ２＋１０〜Ｔｏｓ２＋５０（℃）、特にＴｏｓ２＋２０〜Ｔｏｓ２＋３０（℃）である。このような温度までの冷却に要する時間（降温時間）通常、２０分間以上であってもよい。冷却は炉内の温度（例えば、連続ガス浸炭炉内の冷却ゾーンの温度）を調整することにより達成することができる。上記焼入れ処理に適した温度範囲において、Ｔｏｓ２は、本発明の浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法に供される部品の鋼鉄素材のオーステナイト化温度Ｔｏｓであってもよい。

本発明においては、第３工程で焼入れ処理に適した温度（例えば、８３０℃）で均熱することが好ましい。前述の降温工程直後は、部品（ワーク）の有する熱や、炉内に隣接する温度の違うトレイによって、温度のばらつきが生まれやすい状態である。これを十分な時間で均熱することで、焼入れ開始前の温度ばらつき、ここでは処理トレイに積載した部品間のばらつきと部品の内部で発生するばらつきの両方を低減させ、熱処理変形を左右する冷却速度のばらつきを低減させることが目的である。当該温度での均熱中は脱炭が起こらない様に表面炭素濃度が共析点付近（０．７〜０．９％）に設定されるように行われることが必要である。またアンモニア雰囲気下で行ってもよい。これによって浸炭窒化による表面異常層の抑制効果が得られ、表面からの破壊を抑制する効果をえることができる。

本発明の浸炭焼入れ装置は複数の部品を載置し、かつ搬送するためのトレイ１を含む。本発明において複数の部品は、浸炭焼入れ装置内の少なくとも第３工程、好ましくは第１工程〜第３工程、より好ましくは第１工程〜第４工程において、トレイ１に載置され、トレイ１を進行させることにより搬送されながら、所定の工程に供される。トレイ１の数は、トレイ１つあたり複数の部品が載置されて搬送される限り、特に限定されず、１つであってもよいし、または２つ以上であってもよい。量産化の観点から、２つ以上、特に３つ以上のトレイが使用されることが好ましい。

トレイ１は当該トレイに立設された遮蔽板１０を有する。遮蔽板は、少なくとも第３工程において、当該トレイに載置される複数の部品と、加熱源との間で、当該加熱源からの輻射熱を遮蔽する。これにより、少なくとも第３工程において、加熱源に近い部品と加熱源から遠い部品との間だけでなく、１つの部品における加熱源に近い面と加熱源から遠い面との間においても、均一な加熱処理が可能になる。このため、これらの間で、加熱速度の差および結晶粒の成長時間の差が低減され、結果として、得られる複数の部品間で、変形量がより十分に等しくなり、寸法精度が向上する。一方で、遮蔽板がトレイに形成されることなく、浸炭焼入れ装置本体に形成されて、加熱源から部品への輻射熱を遮蔽すると、遮蔽板自体が加熱源により加熱されて新たな加熱源となり、輻射熱を放射するようになるため、均一な加熱処理を行うことができない。

トレイ１は、図１Ａに示すように、当該トレイ１に載置される複数の部品２（特に複数の部品２の全て）が平面視において遮蔽板１０により取り囲まれるように、遮蔽板１０を有している。図１Ａに示すように、２つ以上のトレイ１を用いる場合、トレイ１のそれぞれは、当該トレイ１に載置される複数の部品２（特に複数の部品２の全て）が平面視において遮蔽板により取り囲まれるように、遮蔽板１０を有していることが好ましい。平面視とは、複数の物品を載置したトレイを水平面に載置してその高さ方向の真上から見たときの状態のことであり、平面図と同意である。遮蔽板１０は、トレイ１の側面を隙間なく取り囲んでいてもよい。

トレイ１に載置される複数の部品２（特に複数の部品２の全て）が平面視において遮蔽板により取り囲まれるとは、少なくとも側面視（２つの側面視）（例えば、図２参照）、好ましくは側面視（２つの側面視）および正面視において、当該全ての複数の部品の全部が遮蔽板に隠れているという意味である。側面視とは、複数の物品を載置したトレイを水平面に載置して、その高さ方向の真横方向であって、トレイの搬送方向（すなわち進行方向）Ｃに対する垂直方向Ｄ（図１Ａ参照）から見たときの状態（例えば、図２）のことであり、側面図と同意である。従って、側面視には、搬送方向（すなわち進行方向）Ｃの両側（Ｄ）からの２つの側面視が存在する。正面視とは、複数の物品を載置したトレイを水平面に載置して、本発明の搬送方向（すなわち進行方向）Ｃに対する反対方向で見たときの状態のことであり、正面図と同意である。載置は、トレイの外観を構成する最大面積の面（平面）を底面にした載置である。なお、トレイ１は必ずしも面からなる外観形状を有さなければならないわけではない。トレイ１は、複数の部品を載置可能な限り、加熱処理の均一性および第４工程で冷却剤による急冷却処理を行う場合における処理の容易性の観点から、例えば、後述のように、平面視において網形状を有していることが好ましい。

遮蔽板１０は、平面視において、トレイ１に載置される複数の部品２を取り囲む限り、その形状は特に限定されない。遮蔽板１０は、例えば、平面視において、閉じた形状を有していてもよいし、または搬送方向Ｃとは反対方向に開いた形状を有していてもよい。遮蔽板１０が、平面視において、閉じた形状を有するとは、遮蔽板１０が全体として筒形状を有するという意味である。筒形状は、円筒形状であってもよいし、または四角筒形状等の多角筒形状であってもよい。遮蔽板１０が、平面視において、搬送方向Ｃとは反対方向に開いた形状を有するとは、遮蔽板１０が有する全体としての筒形状において、例えば図１Ａ〜図１Ｃおよび図３Ａに示すように、搬送方向Ｃとは反対側の一部または全部が欠落した形状のことである。欠落前の筒形状は、円筒形状であってもよいし、または四角筒形状等の多角筒形状であってもよい。例えば、図１Ａ等に示す遮蔽板１０の平面視形状は、「搬送方向Ｃとは反対方向に開いた形状」の一例であり、遮蔽板１０が有する全体としての四角筒形状において、搬送方向Ｃとは反対側の全部が欠落した形状である。このような図１Ａに示す平面視形状を有する遮蔽板１０は、側面側遮蔽板１０ａ、１０ｃおよび正面側遮蔽板１０ｂを有している。図３Ａは、本発明の浸炭焼入れ装置における第３工程（再加熱工程）を示す模式的平面図の一例を示し、詳しくはトレイ上における遮蔽板および部品の載置状態を示す。

遮蔽板１０が、平面視において、搬送方向Ｃとは反対方向に開いた形状を有することは、上記したように、第３工程において、複数のトレイ１が隣接して進行する場合において特に有効である。例えば、２つのトレイ１が隣接して進行する場合、搬送方向Ｃにおいて後方のトレイ１における正面側遮蔽板１０ｂが、前方のトレイ１に載置された複数の部品への輻射熱も遮蔽するため、遮蔽板の材料の使用量を節約できる。

遮蔽板１０の高さＨ（図２参照）は、均一な加熱処理が達成される限り特に限定されず、例えば、部品２の積載高さ以上であってもよい。遮蔽板１０の高さは、より均一な加熱処理の観点から、部品２の積層高さをｈ（ｍｍ）としたとき、好ましくは１．０×ｈ〜１．２×ｈであり、より好ましくは１．０×ｈ〜１．１×ｈである。遮蔽板１０の高さが高すぎても、より均一な加熱処理は達成され難い。

遮蔽板１０の厚みは、均一な加熱処理（特に結晶粒の微細化）が達成される限り特に限定されない。遮蔽板１０の厚みは、より均一な加熱処理（特に結晶粒のさらなる微細化）の観点から、好ましくは２〜８ｍｍ、より好ましくは４〜６ｍｍである。遮蔽板１０をこのような厚みとすることにより、遮蔽板１０が適度な熱容量を有するようになり、加熱の長時間化が回避されるため、結晶粒のさらなる微細化の観点から好ましい。

遮蔽板１０を構成する材料は輻射熱を遮蔽できる限り特に限定されず、処理中の最高温度である浸炭温度に十分耐えることが必要不可欠である。遮蔽板１０を構成する材料として、例えば、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、及び析出硬化系の耐熱鋼またはステンレス材が挙げられる。中でも、遮蔽板１０はオーステナイト系耐熱鋼で構成されていることが好ましい。オーステナイト系鋼材は、温度による変態が発生せず、耐熱性が良いことに加え、透磁率が低く、輻射熱の遮断効果が高いため、熱処理変形抑制を効果的に行うことができる。

トレイ１を構成する材料は、第１工程〜第４工程にわたって、部品を保持できる限り特に限定されず、例えば、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、及び析出硬化系の耐熱鋼等が挙げられる。中でも、トレイ１はオーステナイト系耐熱鋼で構成されていることが好ましい。

トレイ１においては、トレイ１の天地、すなわちトレイ１において複数の部品２を載置したときの当該複数の部品２の上方部およびトレイ１の下方部に、何らの部材も配置されていないことが好ましい。第４工程において、冷却剤による急冷却処理を行う場合において、部品表面への冷却剤の供給を阻害したり、または浸漬中の冷却剤の流れを阻害したりすることなく、より均一な焼入れを行うことができ、部品強度がさらに向上するためである。トレイ運搬の駆動は、例えば、炉側で行われてよく、この場合、トレイ１の下方部には、トレイ１の搬送のための部材は何ら配置されていなくてもよいし、または搬送のためのガイド等が配置されていてもよい。

トレイ１は、加熱処理の均一性および第４工程で冷却剤による急速冷却を行う場合における処理の容易性の観点から、平面視において、網形状を有していることが好ましい。トレイ１が網形状を有するとは、例えば、図３Ａに示すように、平面視において、格子形状を有するという意味である。格子形状は、あらゆる格子形状であってもよく、例えば、図３Ａに示すよう矩形格子形状（正方格子形状を含む）（例えば、いわゆるグレーチングが有する形状）、斜方格子形状、六角格子形状（正三角格子形状）、平行体格子形状等が挙げられる。

トレイ１における複数の部品２の配置は、均一な加熱処理が達成される限り特に限定されず、通常は一様な配置である。複数の部品２は、例えばトレイ１が平面視において格子形状を有するものと仮定したときの格子点の位置に配置されてもよい。トレイ１が、図３Ａに示すように、実際に平面視において格子形状を有する場合においては、実際の格子点の位置に配置されることが好ましい。

トレイ１が平面視において格子形状を有する場合において、当該格子形状を構成する材料の平面視での厚みｔ１（図３Ａ参照）は、均一な加熱処理（特に結晶粒の微細化）が達成される限り特に限定されない。当該厚みは、より均一な加熱処理（特に結晶粒のさらなる微細化）の観点から、好ましくは２〜８ｍｍ、より好ましくは４〜６ｍｍである。格子形状を構成する材料をこのような平面視厚みとすることにより、トレイ１が適度な熱容量を有するようになり、加熱の長時間化が回避されるため、結晶粒のさらなる微細化の観点から好ましい。

トレイ１が平面視において格子形状を有する場合において、当該格子形状を構成する材料の側面視での厚みｔ２（図２参照）は、複数の部品２の載置（保持）と均一な加熱処理（特に結晶粒の微細化）が達成される限り特に限定されない。当該厚みは、より均一な加熱処理（特に結晶粒のさらなる微細化）の観点から、好ましくは５〜５０ｍｍ、より好ましくは１０〜３０ｍｍである。格子形状を構成する材料をこのような側面視厚みとすることにより、トレイ１が適度な熱容量を有するようになり、加熱の長時間化が回避されるため、結晶粒のさらなる微細化の観点から好ましい。

トレイ１への複数の部品２の載置は、補助具を用いてもよい。例えば、図２に示すように、部品２が筒形状（または柱形状）を有する場合、当該形状が有する外径よりも大きな内径を有する筒状の補助具１１を予めトレイ１に固定しておき、当該補助具１１に部品２を挿入することにより、載置を達成してもよい。

本発明の浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法において、第２工程において冷却した後、第３工程において再加熱を行った場合、得られる部品はより十分な強度を有している。

＜実施例１＞
以下の組成の肌焼き鋼（ＳＣＲ４２０相当材）からなる同一形状の複数のギヤシャフト（ギヤが一体的に設けられたシャフト；鍛造品）（以下、単に「部品」という）に浸炭焼入れを行った。この素材のオーステナイト化温度Ｔｏｓは８００℃であった。部品の積載高さｈは２８０ｍｍであった。
組成：
Ｃ：０．１３〜０．１８％，Ｓｉ：０．１５〜０．３５％，Ｍｎ：０．６〜０．８５％，Ｐ：０．０３％以下，Ｓ：０．０３％以下，Ｃｒ：０．９〜１．２％。

詳しくは、連続ガス浸炭炉を用いて、トレイ１に複数の部品２を図３Ａに示すように載置して搬送しながら、図３Ｂに示すヒートパターンに従って、浸炭処理を行う第１工程（Ｓ１）、オーステナイト化温度未満に冷却する第２工程（Ｓ２）、再度、オーステナイト化温度以上に加熱する第３工程（Ｓ３）、および焼入れ処理を行う第４工程（Ｓ４）を実施した。

より詳しくは、以下の通りであった。
トレイ１による複数の部品の搬送は、図３Ａに示すように、１つのトレイ１あたり２０個の部品２を載置した３つのトレイを連続的に進行させることにより行った。遮蔽板１０は、板厚５ｍｍのオーステナイト系ステンレス板を用いた。遮蔽板１０の高さＨは、トレイにおける部品の積載高さｈに対して１．１×ｈの高さであった。トレイ１は平面視において矩形格子形状を有しており、当該格子形状を構成する材料の平面視厚みｔ１は１５ｍｍ、側面視厚みｔ２は４０ｍｍであった。トレイ１の構成する材料はオーステナイト系耐熱鋼であった。
連続ガス浸炭炉は、第３工程に対応する部分（ゾーン）において、トレイの搬送方向の両側に加熱源を有していた。加熱源は、電気ヒーターであり、図３Ｄに示すように配置されていた。図３Ｄは、連続炉の輪切り断面であって、トレイ１の搬送方向Ｃの真正面から連続炉内部を見たときの模式的断面図であり、加熱源３、遮蔽板１０およびトレイ１との配置関係を示す。

第１工程（Ｓ１）：
部品の表面温度をオーステナイト化温度以上の温度（９５０℃）に加熱して浸炭を行った。
第２工程（Ｓ２）：
再オーステナイト化のため、部品温度を２５０℃程度まで冷却した。冷却は浸炭炉から抽出したトレイに窒素ガスを噴射することで実施し、その冷却時間は１５分間であった。
第３工程（Ｓ３）：
続いて冷却完了したトレイを別の連続浸炭炉へ再投入し、部品温度で８３０℃〜８５０℃を目標に加熱を行った。昇温時間は３０分間であった。この時、連続炉の設定炉温は部品温度の目標値よりも高い８７０℃を設定している。より短時間で加熱が完了することを目的とした連続炉の運転方法である。なお炉内温度と部品温度が平衡に達する前、つまり目標温度近傍で連続炉の温度設定を変更した次のゾーンに進行する。次のゾーンでは焼入れに適した８３０℃に炉温を設定し、急速に加熱したことによる部品の温度ばらつきを均一にするため３０分以上この設定炉温に保持した。
第４工程（Ｓ４）：
第３工程で十分に均熱された部品を、トレイと共に焼入れ漕に投入し、焼入れを行った。焼入れのための冷却剤は塩浴剤を用いて行い、その設定温度は２３０℃であった。そのため、塩浴漕浸漬後は空冷によって常温まで冷却し焼入れが完了した。

実施例で得られた部品の、後で詳述する評価結果を図３Ｃに示す。

＜比較例＞
図４Ａに示すように、トレイに遮蔽板を設けることなく、１つのトレイあたり２０個の部品を載置したこと以外、実施例と同様の方法により、複数の部品の浸炭焼入れを行った。
詳しくは、本発明の効果を明確に確認するために、同一材料および同一形状の部品を用いた。また、トレイへの遮蔽版を設けない一方で、積載位置と数は実施例からは変更せずに、図４Ａに示した載置方法で、実施例と同じ図３Ｂのヒートパターンにて浸炭焼入れを行った。比較例で得られた部品の、後で詳述する評価結果を図４Ｂに示す。

＜参考例＞
図４Ａに示すように、トレイに遮蔽板を設けることなく、１つのトレイあたり２０個の部品を載置したこと、および第１工程の後に第４工程を行う図５Ａに示すヒートパターンで浸炭焼入れを行ったこと以外、実施例と同様の方法により、複数の部品の浸炭焼入れを行った。
詳しくは、実施例と同一材料および同一形状の部品を用いた。また、トレイへの遮蔽版を設けない一方で、積載位置と数は実施例から変更せずに、図４Ａに示した載置方法で、第１工程の後に第４工程を行う図５Ａに示すヒートパターンで浸炭焼入れを行った。これは通常の浸炭焼入れである。参考例で得られた部品の、後で詳述する評価結果を図５Ｂに示す。

＜評価＞
評価は、本発明による積載治具（すなわち、遮蔽板）を使って、焼入れ前に冷却と再加熱を行う浸炭焼入れ（実施例）、積載治具を使わずに実施例と同条件で行う浸炭焼入れ（比較例）および通常の浸炭焼入れ（参考例）の３条件の熱処理変形の量を比較することで行った。
詳しくは、評価は、評価対象の寸法について部品の有するギヤ部の歯筋（形状）のばらつきに基づいて行った。「歯筋のばらつき」は、ギヤ噛合い歯当たりに影響するギヤ歯の歯筋方向の形状が１つのギヤ個体の中でどれほどばらついているかを示す値のことであり、値が大きいほど、トランスミッションノイズの官能評価に悪影響があることを意味する。ただし、全ての評価値は実施例の「歯筋ばらつき」の最大値を基準として、これを１００とした際の割合で表示している（図３Ｃ（実施例）、図４Ｂ（比較例）および図５Ｂ（参考例）参照）。
図３Ｃおよび図４Ｂより、遮蔽版を配置した効果によって熱処理変形による寸法精度は大きく改善することが確認できる。
図３Ｃおよび図５Ｂより、通常の浸炭焼入れ（参考例）と実施例は同様の寸法精度が得られるため、本発明が第２工程および第３工程に原因を持つ寸法精度の悪化を明確に抑制できていることを証明している。
実施例、比較例および参考例について「歯筋のばらつき」の平均値（Ａｖｅ）および最大値（Ｍａｘ）を算出し、結果を表１に示した。積載治具（すなわち、遮蔽板）なしに、焼入れ前に冷却と再加熱を行った浸炭焼入れ（比較例）では、通常の浸炭焼入れ（参考例）より、１トレイで処理される部品のなかで最も寸法精度の悪い個体（Ｍａｘ）で比較すると、６０％程度の悪化が起こった。本発明（実施例）では、このような悪化を防ぐことが可能であるだけでなく、最大値（Ｍａｘ）で１０％程度の改善も可能であること示している。
また実施例では、比較例と同様に、第２工程において冷却した後、第３工程において再加熱を行っているので、実施例で得られる部品は、比較例で得られる部品と同程度の十分な強度を有していることが明らかである。

本発明の浸炭焼入れ装置および浸炭焼入れ方法は、自動車用部品の製造分野、特に動力伝達部品（例えば、手動変速機の最終減速駆動用ギヤシャフト、セカンダリシャフト）の製造分野において有用である。
部品の形状変更および形質（材料）変更を行うことなく、部品の強度性能の向上の要望が生じた場合、本発明の浸炭焼入れ装置（方法）に基づいて、遮蔽板を備えたトレイの準備と、ヒートパターン設定の変更だけで、既存の浸炭焼入れ装置を利用して低コストで当該要望に応えることができる。

１：トレイ
２：部品
３：加熱源
１０：遮蔽板

Claims (14)

1. 鋼鉄からなる部品の浸炭焼入れ装置であって、
   前記浸炭焼入れ装置は複数の前記部品を載置および搬送するためのトレイを含み、
   前記トレイは、前記複数の部品と加熱源との間に、前記加熱源からの輻射熱を遮蔽する遮蔽板を有する、浸炭焼入れ装置。
2. 前記浸炭焼入れ装置は、前記複数の部品をオーステナイト化温度以上に加熱して浸炭処理を行う第１工程、オーステナイト化温度未満に冷却する第２工程、再度、オーステナイト化温度以上に加熱する第３工程、および焼入れ処理を行う第４工程を実施する装置であり、
   前記トレイは少なくとも前記第３工程において前記複数の部品を載置および搬送するためのトレイである、請求項１に記載の浸炭焼入れ装置。
3. 前記浸炭焼入れ装置は連続ガス浸炭炉を含み、
   少なくとも前記第１工程、前記第２工程および前記第３工程は前記連続ガス浸炭炉内で実施される、請求項２に記載の浸炭焼入れ装置。
4. 前記第３工程の加熱は電気ヒーター加熱炉による加熱である、請求項２または３に記載の浸炭焼入れ装置。
5. 前記トレイは、該トレイに載置される前記複数の部品が平面視において前記遮蔽板により取り囲まれるように、前記遮蔽板を有している、請求項１〜４のいずれかに記載の浸炭焼入れ装置。
6. 前記遮蔽板は、前記トレイに立設されており、かつ平面視において、閉じた形状または搬送方向とは反対方向に開いた形状を有している、請求項１〜５のいずれかに記載の浸炭焼入れ装置。
7. 前記浸炭焼入れ装置は前記トレイを２つ以上含み、
   前記浸炭焼入れ装置内において、前記２つ以上のトレイはそれぞれ、各トレイに載置された前記複数の部品を搬送する、請求項１〜６のいずれかに記載の浸炭焼入れ装置。
8. 前記遮蔽板はオーステナイト系ステンレス材で構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の浸炭焼入れ装置。
9. 前記鋼鉄は肌焼鋼である、請求項１〜８のいずれかに記載の浸炭焼入れ装置。
10. 前記部品は自動車用部品である、請求項１〜９のいずれかに記載の浸炭焼入れ装置。
11. 前記自動車用部品は動力伝達部品である、請求項１０に記載の浸炭焼入れ装置。
12. 前記動力伝達部品は手動変速機の最終減速駆動用ギヤシャフトである、請求項１１に記載の浸炭焼入れ装置。
13. 鋼鉄からなる部品の浸炭焼入れ方法であって、
    複数の前記部品を載置および搬送するためのトレイを用い、
    前記トレイは、前記複数の部品と加熱源との間に、前記加熱源からの輻射熱を遮蔽する遮蔽板を有する、浸炭焼入れ方法。
14. 前記浸炭焼入れ方法は、前記複数の部品をオーステナイト化温度以上に加熱して浸炭処理を行う第１工程、オーステナイト化温度未満に冷却する第２工程、再度、オーステナイト化温度以上に加熱する第３工程、および焼入れ処理を行う第４工程を含み、
    前記トレイは少なくとも前記第３工程において前記複数の部品を載置および搬送するためのトレイである、請求項１３に記載の浸炭焼入れ方法。

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