JP2020050938A - 焼き入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亀裂の伝播を抑制できる可能性を高める技術を提供する。【解決手段】鋼に対して浸炭処理が行われる浸炭処理工程と、浸炭処理が行われた前記鋼の表面がパーライト変態を起こす冷却速度で徐冷される徐冷工程と、徐冷された前記鋼の表面に対して塑性加工が行われる塑性加工工程と、塑性加工が行われた前記鋼の表面でマルテンサイト変態を生じさせる焼き入れが行われる焼き入れ工程と、を含む焼き入れ方法で焼き入れを行う。【選択図】図４

Description

本発明は、焼き入れ方法に関する。

従来、焼き入れを利用した部品の製造方法が知られている。例えば、特許文献１においては、浸炭処理を行って油等で冷却し、焼き戻しを行った後に高周波焼き入れを行い、さらに焼き戻し工程等を経て部品が製造される技術が開示されている。また、特許文献１においては、部品表面の残留オーステナイトが部品の使用とともにマルテンサイト変態することで、部品の転動疲労寿命が向上すると開示されている。

特開２００７−１８２６０７号公報

従来の技術においては、部品表面に生じている亀裂の伝播を抑制することができなかった。すなわち、部品の表面に亀裂が形成されている場合、部品に作用する力により亀裂が伝播し、亀裂の長さがより長くなることがある。

本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、亀裂の伝播を抑制できる可能性を高めることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の焼き入れ方法は、鋼に対して浸炭処理が行われる浸炭処理工程と、浸炭処理が行われた鋼の表面がパーライト変態を起こす冷却速度で徐冷される徐冷工程と、徐冷された鋼の表面に対して塑性加工が行われる塑性加工工程と、塑性加工が行われた鋼の表面でマルテンサイト変態を生じさせる焼き入れが行われる焼き入れ工程と、を含む。

すなわち、浸炭処理後に比較的緩速で徐冷された鋼の少なくとも表面にはパーライトが形成されている。このようにして形成されたパーライトは、フェライト（α）とセメンタイト（θ）を備えている。当該セメンタイトには、浸炭処理の段階でオーステナイトであった結晶粒の粒界に現れるセメンタイトと、当該結晶粒の粒内で層状に現れるセメンタイトとが含まれる。そして、パーライトの断面を観察すると、粒界に現れるセメンタイトと、粒内で層状に現れるセメンタイトとのいずれもがある方向に長く、当該方向に垂直な方向には短い（薄い）形状になっている。当該長い方向を長手方向と呼ぶ。

鋼に生じた亀裂が伝播する際、セメンタイトの長手方向に沿って亀裂が延びる可能性が高い。そして、鋼の表面に対して塑性加工が行われると、塑性加工が行われる前と比較して、結晶粒が扁平な状態になり、塑性加工前よりも、セメンタイトの長手方向が特定の方向に向いている比率が高くなる。セメンタイトの長手方向が特定の方向に向いている比率が高くなっていると、当該特定の方向に向けて亀裂が伝播しやすくなるが、特定の方向と異なる方向には亀裂が伝播しにくくなる。従って、塑性加工が行われることによって、セメンタイトの長手方向が特定の方向に向けられると、当該特定の方向と異なる方向に向けた亀裂の伝播を抑制する可能性を高めることができる。

図１Ａはサンプルに発生させた亀裂の電子顕微鏡写真であり、図１Ｂはサンプルの形状を示す図である。 図２Ａは塑性加工後のサンプルを模式的に示す図であり、図２Ｂは塑性加工を行わなかったサンプルを模式的に示す図であり、図２Ｃおよび図２Ｄは結晶粒を模式的に示す図である。 熱処理工程のフローチャートである。 熱処理工程の実施例を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、シャルピー衝撃試験の結果を示す図である。 熱処理工程の実施例を示す図である。 熱処理工程の実施例を示す図である。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）亀裂伝播の抑制：
（２）熱処理工程：
（３）実施例：
（４）他の実施形態：

（１）亀裂伝播の抑制：
図１Ａは浸炭処理工程、徐冷工程、塑性加工工程、焼き入れ工程（各工程は後に詳述する）を経て製造されたサンプルに発生させた亀裂の電子顕微鏡写真であり、図１Ｂは図１Ａに示すサンプルを模式的に示す図である。これらの例においては、図１Ｂに示すシャルピー衝撃試験用のサンプルが予め作成され、シャルピー衝撃試験装置によって図１Ｂに示す下方から矢印方向に衝撃を与えることでサンプルに亀裂を生じさせた。図１Ｂにおいては太い実線の曲線が亀裂である。図１Ａは、当該サンプルにおける亀裂の幅方向Ｗにおける中央において幅方向Ｗに垂直な面でサンプルを切断した断面を電子顕微鏡で撮影した写真であり、図１Ｂに示す領域Ｚの写真である。

図１Ａにおいては、濃いグレーで撮像された領域Ｚｍがサンプルの組織であり、領域Ｚｍの右側の黒い部分がシャルピー衝撃試験装置によって形成された亀裂である。図１Ａにおいては、写真（ａ）に示されたサンプルの複数の箇所（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれを拡大して示している。これらの写真（ａ）〜（ｄ）が示す領域Ｚｍにおいて、グレーの部分はマルテンサイトであり、薄いグレーの部分はセメンタイトである。

本実施形態においては、サンプルを浸炭処理した段階でサンプルにオーステナイトの結晶粒が形成される。その後、サンプルが徐冷された段階においては、当該結晶粒の粒界にセメンタイトが析出した状態となる。当該粒界におけるセメンタイトは、徐冷工程〜焼き入れ工程を経ても残存する。写真（ａ）において黒い矢印で例示する薄いグレーの部分は、このようにして結晶粒の粒界に残存したセメンタイトを示している。これらのセメンタイトは、結晶粒の粒界を形成し、粒界が網目状であるため本明細書では当該セメンタイトを網目状セメンタイトと呼ぶ。

さらに、サンプルが徐冷された段階において、結晶粒の粒内にもセメンタイトが析出する。当該粒内におけるセメンタイトは、徐冷工程〜焼き入れ工程を経ても溶け残りとして残存する。写真（ｂ）〜写真（ｄ）においては、粒内において溶け残りとして残存したセメンタイトを黒い矢印によって示している。結晶粒の粒内に析出するセメンタイトは、焼き入れの前後で長さ等が変化し得るが、いずれにしてもこれらのセメンタイトは層状に析出するため、本明細書では当該セメンタイトを層状セメンタイトと呼ぶ。

網目状セメンタイトは、結晶粒の粒界に存在し、粒界の厚さは僅かであるため、結晶粒の粒界に沿って長く薄い状態となる。従って、網目状セメンタイトにおいては、結晶粒の粒界に沿う方向が、網目状セメンタイトの長手方向である。一方、層状セメンタイトは、写真（ｂ）〜（ｄ）に示すように、薄い層が並ぶように析出し、層の厚さ方向に短く、層に平行な方向に長い状態が典型的に観察される。そこで、これらのセメンタイトにおいて、層に平行な方向（層の厚さ方向に垂直な方向）を、層状セメンタイトの長手方向と呼ぶ。

図１Ａに示すサンプルにおいて、セメンタイトの周囲はマルテンサイトであり、サンプルに亀裂が生じる際には、マルテンサイト以外のセメンタイトが重要な役割を担っている。具体的には、亀裂が伝播する際には、網目状セメンタイトまたは層状セメンタイトをつなぐように伝播していく。すなわち、亀裂はセメンタイトの長手方向に沿って伝播するように発生する。従って、亀裂が伝播する方向と異なる方向にセメンタイトの長手方向を配向させれば、亀裂が発生しにくく、伝播しにくい材料を製造することができる。なお、網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向は、セメンタイトの組織が一方向に長い方向であるが、図１Ａのように、表面に対して垂直な方向の断面において一方向に長い方向であるとみることもできる。

本実施形態においては、浸炭処理後に徐冷されたサンプルに対して塑性加工を行うことによってセメンタイトの長手方向の配向を制御する。図２Ａは、塑性加工を行って製造された本実施形態にかかるサンプルを模式的に示す図であり、図２Ｂは、塑性加工を行わず、他の工程を本実施形態と同一にして製造されたサンプルを模式的に示す図である。これらの図においては表面Ｓの断面の組織を模式的に示しており、太い破線は網目状セメンタイトを示しており、細い破線は層状セメンタイトを示している。

浸炭処理および徐冷後のサンプル表面に塑性加工が行われると、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、塑性加工が行われない場合と比較して結晶粒が扁平になる。すなわち、結晶粒は表面Ｓに平行な方向に長く、表面Ｓに垂直な方向に短い傾向になる。この結果、網目状セメンタイトの長手方向は、塑性加工が行われない場合と比較して表面Ｓに平行に近い方向に配向している可能性が高くなる。

さらに、結晶粒が扁平になると、結晶粒内の層状セメンタイトにおいてもその長手方向が表面Ｓに平行な方向に近づく。図２Ｃおよび図２Ｄは、結晶粒を模式的に示す図であり、図２Ｃは、図２Ｄに示す結晶粒に塑性加工が行われた結果、扁平になった状態を示している。これらの図においても、太い破線は網目状セメンタイト、細い破線は層状セメンタイトを示している。

図２Ｃおよび図２Ｄを比較すると、図２Ｃの結晶粒においては、図２Ｄの結晶粒よりも扁平であることに伴って、図２Ｄに示す結晶粒よりも、層状セメンタイトの長手方向が表面Ｓに平行に近い方向に向けて変化している。従って、層状セメンタイトの長手方向は、塑性加工が行われない場合と比較して表面Ｓに平行に近い方向に配向している可能性が高くなる。

多くのサンプルにおいては、表面Ｓに対して垂直な方向への亀裂の伝播を防止すべきである。すなわち、サンプルの表面に垂直な方向に亀裂が伝播しやすいと、サンプルに割れが生じやすいことになり、部品としての性能が著しく低下する。図２Ａと図２Ｂを比較すると、図２Ａにおいては、網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向がともに、表面Ｓに平行な方向に近づいている。

従って、図２Ｂにおいては、図２Ａよりも網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向が表面Ｓに垂直な方向に近い。このため、図２Ａと図２Ｂとを比較すると、図２Ｂの方が表面Ｓに垂直な方向（垂直に近い方向を含む：以下同様）に亀裂が伝播しやすい。図２Ｂにおいては、表面Ｓから伝播する亀裂の典型的な伝播方向をグレーの矢印によって示している。このように、多くのセメンタイトの長手方向が表面Ｓの垂直方向を向いていると、サンプルに対して垂直な方向に亀裂が伝播しやすい。

一方、図２Ａにおいては、セメンタイトの長手方向が表面Ｓに平行な方向（平行に近い方向を含む：以下同様）を向いている可能性が高い。そして、セメンタイトの長手方向が表面Ｓに平行な方向を向いていると、亀裂が発生したとしても、当該方向に亀裂が伝播しやすく、表面Ｓの奥側に向けた亀裂の伝播は発生しにくい。

さらに、図２Ｂと比較して図２Ａは、狭い範囲に網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトが集中して存在するため、セメンタイトの長手方向が複雑な方向を向いており、亀裂が伝播する際に亀裂の伝播方向が複数の方向に枝分かれしやすい。図１Ａにおいては、亀裂の方向が枝分かれしている様子が撮影されており、写真（ａ）において矢印Ａｒ１，Ａｒ２として例示してある。亀裂が枝分かれすると、亀裂を生じさせるためのエネルギーを分散させることができる。図２Ａにおいては、表面Ｓから伝播する亀裂の典型的な伝播方向をグレーの矢印によって示している。本実施形態においては、当該矢印に示されるように、亀裂の伝播方向を分散させ、かつ、亀裂の表面Ｓの奥に向けた伝播を抑制することができるため、早期に亀裂の伝播を停止させることができる。

（２）熱処理工程：
次に、鋼に対する熱処理工程を説明する。図３は本実施形態にかかる熱処理工程を示すフローチャートである。熱処理工程においては、熱処理対象の鋼が浸炭処理装置にセットされる（ステップＳ１００）。次に、浸炭処理が行われる（ステップＳ１０５）。浸炭処理の条件は、鋼部品の利用目的等に基づいて決定される。例えば、熱処理対象の鋼がセットされた浸炭処理装置内に予め決められた炭素含有物（ガス等）が導入され、既定の昇温速度で目的温度まで加熱される。

そして、熱処理対象の鋼が目標温度に達したら、既定の期間だけ目的温度に維持される。なお、鋼は、浸炭処理により炭素が導入され、焼き入れによって硬化させることができる材料であれば良い。従って、各種の浸炭用鋼（例えばJISで定義される肌焼鋼）を利用可能である。浸炭処理によって導入される炭素の量は例えば、０．７質量％〜１．５質量％とすることができるが、網目状セメンタイトを利用して亀裂の伝播を抑制するという意味では過共析となる濃度が好ましい。

次に、浸炭処理後の鋼が徐冷される（ステップＳ１１０）。ここでは、ステップＳ１０５における浸炭処理後の鋼の少なくとも表面がパーライト変態を起こす冷却速度で徐冷されれば良く、この範囲において、各種の徐冷条件を利用可能である。徐冷が行われると、結晶粒の粒界と粒内にセメンタイトが形成された状態となる。

次に、徐冷後の鋼に対して塑性加工が行われる（ステップＳ１１５）。塑性加工は、表面Ｓの付近に存在する（表層に存在する）網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向を鋼の表面に対して平行な方向に近づける加工であればよい。ただし、熱処理対象の鋼は、何らかの部品として利用されるため、塑性加工は部品を成形するための加工であることが好ましい。すなわち、部品を成形するための塑性加工と、セメンタイトの長手方向の配向を制御する塑性加工とが一つの加工で実現されることが好ましい。

むろん、このような加工としては種々の加工があり得る。例えば、鋼のギアを製造する場合、ギアの形状を鍛造によって成形し、当該鍛造によって表面のセメンタイトの長手方向の配向を制御する例等が挙げられる。なお、塑性加工は、徐冷後の鋼に対して行われれば良く、オーステナイト変態が発生する温度（例えば、Ａe1温度）より低温で行われるが、この範囲であれば温間加工であっても良いし、冷間加工であっても良い。

次に、塑性加工後の鋼に対して焼き入れが行われる（ステップＳ１２０）。焼き入れは、塑性加工が行われた鋼の表面でマルテンサイト変態を生じさせる工程であれば良く、本実施形態においては高周波焼き入れである。このため、塑性加工後の鋼の周囲に高周波コイルを配置した状態で、既定の周波数で既定の電力を出力するように高周波コイルに交流電力が印加される。高周波焼き入れは、塑性加工後の鋼の少なくとも表面をマルテンサイト変態させることができればよい。従って、例えば、Ａc1変態温度以上、Ａcm変態温度以下となるように高周波焼き入れが行われる構成等を採用可能である。なお、高周波焼き入れの際の温度をＡc1変態温度に近づければ、セメンタイトの量を多くすることができる。加熱後には水等によって急冷が行われる。

以上の熱処理工程によれば、高周波焼き入れされた表面が硬化した部品を製造することができる。さらに、本実施形態においては、高周波焼き入れ前に塑性加工が行われるため、表面における網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向が表面に平行な方向に近づくように配向制御されている。

従って、塑性加工を行わずに高周波焼き入れが行われた場合（浸炭処理の前または高周波焼き入れ後に部品を成形するための塑性加工が行われた場合）と比較して、亀裂が発生しにくく、亀裂が伝播しにくい部品を製造することができる。なお、高周波焼き入れ後においては鋼が硬化しているため、高周波焼き入れ後に部品を成形するための加工を行うのは極めて困難である。従って、高周波焼き入れ前に部品を成形するための加工を行うことにより、部品を成形するためのコストを抑制することができる。

（３）実施例：
次に、上述の熱処理工程によって焼き入れが行われたサンプルの特性を述べる。図４は、図３に示す熱処理工程の一例を説明するための図である。図４においては、浸炭用鋼であるＳＣＭ４２０からギアを製造する工程が例示されている。図４においては、上段に部品の形状が示され、２段目に温度パターンが示され、３段目に部品表面の形状が示され、４段目に部品表面の組織が示されている。また、左側から右側に向けて熱処理工程が進むように各工程を示している。

本例においては、熱間圧延材を焼きならし処理することによってＳＣＭ４２０（Ｃ：０．１７％〜０．２３％、Ｓｉ：０．１５％〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５％〜０．９０％、Ｃｒ：０．８５％〜１．２５％、Ｍｏ：０．１５％〜０．３５％（％は質量％。以下同様））が用意される。そして、鋼が切削加工（ブランク加工）されることによって円筒状に成形される。この状態における鋼の表面は、パーライト組織にα相が初析として析出した状態である。

次に、ステップＳ１０５，Ｓ１１０が行われる。この例においては、表面炭素濃度１．３％を目標にして浸炭処理が行われる。この例では目標温度が９５０℃であり、浸炭時間が３０分、拡散時間が１０分である。拡散時間が経過すると、圧力が６５０ｈＰａとされ、冷却ガスＮ₂がファン回転数１００ｒｐｍで被処理物に送られることによって徐冷が行われる。徐冷は、鋼においてパーライト変態を起こるように実施されれば良い。図４においては、部品表面の組織が示されており、太い実線が網目状セメンタイトであり、細い線が層状セメンタイトである。

徐冷が行われると、ステップＳ１１５が行われる。図４においては、塑性加工が冷間鍛造である例が示されている。従って、ステップＳ１１０の徐冷では室温（２５℃）まで徐冷される。冷間鍛造は、鋼の表面のパーライトが再結晶する温度未満で行われればよく、本例では２５℃が冷間鍛造の加工温度である。また、本例では雰囲気が大気である状態においてプレス加圧力３００ｋＮ、歪み速度１０ｍｍ／秒で冷間鍛造が行われ、円筒状の部品の表面がギアの形状に成形される。以上の冷間鍛造により、部品の表面においては、網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向が表面に平行な方向に近づくように配向が制御される。

冷間鍛造によって塑性加工が行われると、ステップＳ１２０が行われる。この例においては、加熱温度が８００℃である。なお、雰囲気は大気であり、高周波コイルに印加される電力は周波数１０ｋＨｚである。また、本例では、焼き入れ出力電力を９０ｋｗとして６秒間の第１加熱が行われ、焼き入れ出力電力を２０ｋｗとして１４秒間の第２加熱が行われた。高周波の印加が終了すると、水を用いた急冷が行われる。

高周波焼き入れ後においては、網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの少なくとも一方において、焼き入れ前よりセメンタイトの長さが短くなるなどの変化はあるが、高周波焼き入れの溶け残りがセメンタイトとして析出する。図４においては、この様子が破線で示されており、太い破線が網目状セメンタイト、細い破線が層状セメンタイトである。このように、高周波焼き入れによってセメンタイトが変化するが、依然としてセメンタイトは一方向に長い形状を有している。すなわち、結晶粒の粒界に存在するセメンタイトは網目状であり、粒界に沿う方向が長手方向である。結晶粒内に存在するセメンタイトは層状であり、各層は層の厚さに垂直な方向に長い薄い層であるため、層の厚さに垂直な方向が長手方向である。

図５Ａ〜図５Ｃは、このようにして製造されたギアの亀裂発生特性を示す図である。図５Ａは、シャルピー衝撃試験の荷重−変位曲線であり、実線が本実施例のようにして製造されたシャルピー衝撃試験用のサンプルの試験結果である。また、破線が本実施例における浸炭徐冷後の塑性加工を省略して製造されたシャルピー衝撃試験用のサンプルの試験結果である。シャルピー衝撃試験では最大荷重が作用した状態でサンプルに亀裂が発生する。図５Ａの試験結果は、本実施例のようにして製造されたシャルピー衝撃試験用のサンプルの最大荷重が、塑性加工が行われていないサンプルの最大荷重よりも大きいことを示している。これらの結果から、塑性加工が行われた場合には塑性加工が行われていない場合より亀裂を発生させるために必要な荷重が大きくなっていることがわかる。従って、塑性加工によってセメンタイトの長手方向の配向を制御することにより、表面から奥に向けた亀裂を発生させるために必要な衝撃の大きさが大きくなるように調整することが可能である。

図５Ｂは、シャルピー衝撃試験の荷重−変位曲線の解析法を説明する図であり、荷重−変位曲線の積分値の意味を示している。すなわち、荷重−変位曲線の最大荷重Ｐmaxで亀裂が発生するため、荷重−変位曲線において最大荷重Ｐmax以下の範囲を積分した値Ｅiは亀裂発生エネルギーを示している。なお、亀裂発生エネルギーＥiが大きい程、亀裂が発生しにくいことを示している。一方、荷重−変位曲線において最大荷重Ｐmax以上の範囲を積分した値Ｅpは亀裂伝播エネルギーを示している。なお、亀裂伝播エネルギーＥpが大きい程、亀裂が伝播しにくいことを示している。

図５Ｃは、図５Ａに示すシャルピー衝撃試験の結果から、塑性加工あり、塑性加工なしの双方について算出した亀裂発生エネルギーＥiおよび亀裂伝播エネルギーＥpを示す図である。当該図５Ｃにおいては、亀裂発生エネルギーＥi、亀裂伝播エネルギーＥpの双方ともに塑性加工ありの方が塑性加工なしよりも大きく（約２倍）なっていることがわかる。従って、塑性加工が行われた場合には、行われない場合よりも、亀裂が発生しにくく、亀裂が伝播しにくくなることがわかる。

（４）他の実施形態：
以上の実施形態は本発明を実施するための一例であり、他にも種々の実施形態を採用可能である。例えば、処理対象となる部品はギアに限定されず、シャフトや建築用の部品など、種々の物品が処理対象とされて良い。

浸炭処理工程では、鋼に対して浸炭処理が行われればよい。すなわち、マルテンサイト変態を利用して鋼の少なくとも表面を硬化させることが可能な材料を提供できるように、鋼に対して予め浸炭処理が行われればよい。鋼は、Ｆｅを主成分とし、Ｃを含む合金、例えば、ＳＣＭ４２０等で構成されて良く、合金元素は、例えば、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏをそれぞれ、０．１７質量％以上かつ０．２３質量％以下，０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下，０．５５質量％以上かつ０．９０質量％以下，０．８５質量％以上かつ１．２５質量％以下，０．１５質量％以上かつ０．３５質量％以下だけ含んでもよい。すなわち、浸炭処理によってパーライトが形成され、焼き入れによってマルテンサイトが形成される材料であれば、各種の材料が塑性加工によって、特定の方向と異なる方向に向けた亀裂の伝播を抑制することができる。

浸炭処理は、鋼の少なくとも表面におけるＣの含有量を増加させる処理であれば良く、各種の態様の炉によって鋼を加熱し、鋼の周囲に存在する炭素を鋼に浸炭させることができればよい。むろん、炉の構成も限定されず、炉内で浸炭しながら鋼が搬送される構成等であってもよいし、炉内の固定位置に存在する鋼で浸炭が行われた後に取り出されてもよい。浸炭の態様も限定されず、ガス浸炭、液体浸炭、固体浸炭、真空浸炭（真空ガス浸炭）、プラズマ浸炭などの各種の態様で浸炭が行われてよい。

徐冷工程においては、浸炭処理が行われた鋼の表面がパーライト変態を起こす冷却速度で徐冷されればよい。すなわち、徐冷によって形成されたパーライトを構成するセメンタイトの配向性を塑性加工によって調整することで、亀裂の伝播を抑制できる可能性を高めることができればよい。従って、亀裂の伝播が抑制されるのであれば、徐冷工程によって形成されるパーライトの含有率は限定されない。

また、亀裂の伝播が抑制されるのであれば、徐冷工程における徐冷速度も限定されない。すなわち、塑性加工によるセメンタイトの配向性の調整が不可能になるほどマルテンサイトが形成されるような速い速度で急冷されない限り、種々の速度で徐冷が行われてよい。

塑性加工工程では、徐冷された鋼の表面に対して塑性加工が行われればよい。すなわち、少なくとも鋼の表面におけるセメンタイトに対して塑性加工による力を作用させることにより、セメンタイトの長手方向が、亀裂が延びる方向と異なる方向に向いている可能性を高めることができればよい。

塑性加工は、セメンタイトの長手方向を制御することができればよく、上述のような冷間鍛造に限定されない。例えば、引き抜き加工、高圧ねじり加工（ＨＰＴ加工）、高圧すべり加工（ＨＰＳ加工）、プレス加工、ハードターニング加工、ボールミルによる表面加工、落錘加工、ショットピーニング加工、ドリル加工等であってもよい。また、ショットピーニング加工は、エア式であってもよいし、超音波式であってもよい。

むろん、塑性加工の条件（力の大きさ、圧力、温度等）は、種々の条件であってよい。すなわち、パーライトに含まれるセメンタイトの配向性を調整し、セメンタイトの長手方向が、亀裂が延びる方向と異なる方向に向けて延びている可能性を高めることができればよい。

例えば、塑性加工は温間加工であっても良い。図６は、図３に示す熱処理工程の一例を説明するための図である。図６においては、温間鍛造によってギアが製造される工程を示している。この例において図４と異なる工程はステップＳ１１５であり、他の工程は図４に示す工程と同様である。ステップＳ１１５においては、徐冷後の鋼を６００℃に加熱し、その後５５０℃の加工温度で温間鍛造が行われる。加工温度は、鋼の表面のパーライトが再結晶する温度（例えば、５００℃）以上、かつ、Ａc1変態温度未満で行われればよい。

本例では雰囲気がＮ₂ガスであり、プレス加圧力３００ｋＮ、歪み速度１０ｍｍ／秒である。なお、雰囲気は他の不活性ガスであっても良いし、脱炭しない雰囲気であっても良いし、真空であっても良い。本実施例においては、以上の加工温度における温間鍛造が行われ、円筒状の部品の表面がギアの形状に成形される。以上の温間鍛造により、部品の表面においては、網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向が表面に平行な方向に近づくように配向が制御される。

なお、温度パターンは種々の態様であって良く、浸炭後の徐冷において室温等まで徐冷せず、パーライト変態が完了した場合に徐冷を停止させても良い。この場合、残熱を利用して再加熱することができるので、室温等まで徐冷する構成と比較して生産性を高めることができる。

温間鍛造が行われると、ステップＳ１２０によって焼き入れが行われる。この結果、ギアが製造されるが、このような温間鍛造による塑性加工が行われたとしても、図５Ａ，図５Ｃと同様の結果が得られる。すなわち、塑性加工によってセメンタイトの長手方向の配向を制御することにより、表面から奥に向けた亀裂を発生させるために必要な衝撃の大きさが大きくなるように調整することが可能である。さらに、塑性加工が行われた場合には、行われない場合よりも、亀裂が発生しにくく、亀裂が伝播しにくくなる。

さらに、塑性加工は鍛造に限定されない。図７は、図３に示す熱処理工程の一例を説明するための図である。図７においては、温間で引き抜き加工が行われることによってシャフトが製造される工程を示している。この例において図４と異なる工程はステップＳ１１５であり、他の工程は図４に示す工程と同様である。ただし、浸炭処理の対象となる鋼はＳＣＭ４２０のコイル材であり、φ４０ｍｍである。当該コイル材から浸炭処理対象の材料が切り出され、図４と同様にステップＳ１０５，Ｓ１１０で浸炭、徐冷が行われる。その後、ステップＳ１１５においては、５５０℃の加工温度で引き抜き加工が行われる。ここでも、加工温度は、鋼の表面のパーライトが再結晶する温度（例えば、５００℃）以上、かつ、Ａc1変態温度未満で行われればよい。

なお、引き抜き加工は種々の加工であって良いが、ここでは、ダイス角度が５°であり、伸線速度が１０ｍ／秒であり、引き抜き応力が４００ＭＰａである。本例では雰囲気がＮ₂ガスであるが、雰囲気は他の不活性ガスであっても良いし、脱炭しない雰囲気であっても良いし、真空であっても良い。本実施例においては、以上の加工温度における引き抜き加工が行われ、円筒状の部品が成形される。以上の引き抜き加工により、部品の表面においては、網目状セメンタイトおよび層状セメンタイトの長手方向が表面に平行な方向に近づくように配向が制御される。

なお、ここでも温度パターンは種々の態様であって良く、浸炭後の徐冷において室温等まで徐冷せず、パーライト変態が完了した場合に徐冷を停止させても良い。この場合、残熱を利用して再加熱することができるので、室温等まで徐冷する構成と比較して生産性を高めることができる。

引き抜き加工が行われると、ステップＳ１２０によって焼き入れが行われる。この結果、シャフトが製造されるが、このような引き抜き加工による塑性加工が行われたとしても、図５Ａ，図５Ｃと同様の結果が得られる。すなわち、塑性加工によってセメンタイトの長手方向の配向を制御することにより、表面から奥に向けた亀裂を発生させるために必要な衝撃の大きさが大きくなるように調整することが可能である。さらに、塑性加工が行われた場合には、行われない場合よりも、亀裂が発生しにくく、亀裂が伝播しにくくなる。

焼き入れ工程においては、塑性加工が行われた鋼の表面でマルテンサイト変態を生じさせる焼き入れが行われればよい。このような焼き入れは高周波焼き入れに限定されず、鋼の少なくとも表面を昇温し、冷却させることにより、パーライトが形成されている鋼の表面にマルテンサイトを形成し、鋼を硬化させることができればよい。従って、焼き入れが行われた後において、焼き入れが行われる前よりも表面におけるマルテンサイトの比率が増加し、当該マルテンサイトによって鋼の表面が硬くなっていればよい。むろん、焼き入れの条件（与えられるエネルギー、周波数、圧力、温度、雰囲気等）は、種々の条件であってよく、焼き入れの手法は高周波焼き入れに限定されない。例えば、高周波焼き入れ以外の他の高密度エネルギーによる焼き入れ（レーザー焼き入れ、ＥＢ（電子ビーム）焼き入れ等）であっても良い。また、塑性加工が行われた鋼を電気炉等によって加熱し、水や油等の冷媒によって冷却しても良い。すなわち、パーライトが形成されている鋼の表面にマルテンサイトが形成される限り、種々の条件、手法を採用可能である。

さらに、塑性加工は、鋼の表面の一部に対して行われ、他の部分に対しては行われないように構成されていても良い。この構成によれば、亀裂の発生および伝播を抑制すべき部分で亀裂の発生および伝播を抑制することができ、必要の内部分まで加工することを防止することができる。

Ｅi…亀裂発生エネルギー、Ｅp…亀裂伝播エネルギー、Ｐmax…最大荷重、Ｓ…表面、Ｚ…領域、Ｚｍ…領域

Claims (6)

1. 鋼に対して浸炭処理が行われる浸炭処理工程と、
   浸炭処理が行われた前記鋼の表面がパーライト変態を起こす冷却速度で徐冷される徐冷工程と、
   徐冷された前記鋼の表面に対して塑性加工が行われる塑性加工工程と、
   塑性加工が行われた前記鋼の表面でマルテンサイト変態を生じさせる焼き入れが行われる焼き入れ工程と、
   を含む焼き入れ方法。
2. 前記塑性加工は、
   前記鋼の表面に存在するセメンタイトの長手方向を前記鋼の表面で生じる亀裂の方向と異なる方向に向ける加工である、
   請求項１に記載の焼き入れ方法。
3. 前記塑性加工は、
   前記鋼の表面に存在するセメンタイトの長手方向を前記鋼の表面に対して平行な方向に近づける加工である、
   請求項１または請求項２に記載の焼き入れ方法。
4. 前記塑性加工は、
   前記鋼の表面のパーライトが再結晶する温度未満で行われる、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の焼き入れ方法。
5. 前記塑性加工は、
   前記鋼の表面のパーライトが再結晶する温度以上、かつ、Ａc1変態温度未満で行われる、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の焼き入れ方法。
6. 前記塑性加工は、
   前記鋼の表面の一部に対して行われ、他の部分に対しては行われない、
   請求項１〜請求項５のいずれかに記載の焼き入れ方法。