JP5432451B2 - 鋼部材、その熱処理方法、及びその製造方法 - Google Patents

鋼部材、その熱処理方法、及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、高強度特性が要求される歯車等の鋼部材を熱処理する方法に関する。
例えば、歯車等の鋼部材は、靱性を維持しつつ表面硬度を高めるための処理として浸炭焼入れ処理が施されることが多い。浸炭焼入れ処理は、鋼部材をオーステナイト化温度以上に加熱した状態で表面の炭素濃度を増大させる浸炭処理を行った後に、焼入れ処理を行って芯部の靱性を確保すると共に、表面硬度を高める処理である。
従来の浸炭焼入れ処理としては、出側に油焼入れ槽を備えた大型の熱処理炉を用いて、長時間浸炭処理した直後に油焼入れする方法がとられていた。焼入れ時の冷却剤を油とする理由は、水の場合よりも比較的緩やかな冷却が行えることによる歪みの抑制を目的としたものである。しかしながら、油焼入れを行っても、上記従来の方法で浸炭焼入れ処理を行った鋼部材は、歪みの発生の問題を解消することが困難であり、高い寸法精度が必要な部材については、浸炭焼入れ後に切削、研削、研磨等の工程が必要となっていた。
また、従来の浸炭焼入れ処理は、上記のごとく大型の熱処理炉を用いた長時間の浸炭処理を必須とするために、処理時間が長く、消費エネルギーも多い。そのため、浸炭焼入れ処理に必要な処理時間の短縮および消費エネルギーの低減、さらには、浸炭焼入れ設備そのものの小型化が望まれていた。
このような背景のもと、浸炭処理後の焼入れ処理として、部品全体に焼入れ処理を行うのではなく局部的に焼入れを行う高周波焼入れ方法（特許文献１参照）を適用することが考えられる。しかしながら、単純に高周波焼入れ処理を適用しただけでは、歪み発生を十分に抑制することができない。
また、後述する特許文献２、３には、浸炭処理後、所定の温度領域を所定の値以下の冷却速度で徐冷することが示されている。しかしながら、このような単なる徐冷を取り入れただけでは、必ずしも十分な歪み抑制効果が得られない場合があった。
特開平１１−１３１１３３号公報 特開平５−１４８５３５号公報 特開平８−３１１６０７号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、従来よりも歪み発生を抑制することができ、かつ処理時間の短縮を図ることができる鋼部材の熱処理方法を提供しようとするものである。
本発明の第１の側面は、鋼部材を浸炭ガス中において浸炭処理する浸炭工程と、
該浸炭工程を終えた上記鋼部材を、オーステナイト化温度以上の温度から冷却ガス中において冷却するに当たり、該冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で徐冷する減圧徐冷工程と、
冷却された上記鋼部材における強度向上させたい部分のみを局部的に高密度エネルギーを利用してオーステナイト化温度以上に加熱した後に急冷して硬化層を形成し、該硬化層以外の部分にはマルテンサイト組織を形成させることなく該硬化層にマルテンサイト組織を形成する焼き入れ工程とを含むことを特徴とする鋼部材の熱処理方法にある。
上記熱処理方法は、浸炭処理工程として上記浸炭処理を採用すると共に、焼入れ処理工程として高密度エネルギーを利用して加熱した後に急冷する焼入れ工程を採用し、かつ、両工程の間に上記減圧冷却工程を積極的に取り入れた方法である。これによって、従来と同等以上の浸炭焼入れ処理を施すことができると共に、歪み発生を大幅に抑制することができ、さらに従来よりも処理時間を短くすることも可能となる。
なお、浸炭処理工程としては、鋼部材を減圧下の浸炭ガス中において浸炭処理する減圧浸炭工程を行うことができる。この減圧浸炭では、高温の浸炭炉の内部を減圧状態に維持しながら比較的少量の浸炭ガスによって浸炭処理を行うことができるので、従来よりも効率よく浸炭処理を行うことができる。
また、焼入れ処理工程としては、鋼部材の所望部分を高密度エネルギーを利用して加熱した後に急冷する焼き入れ工程を行う。この焼き入れ工程では、鋼部材全体を加熱するのではなく、高密度エネルギーの特性を活かして所望部分、つまり、焼入れにより強度向上させたい部分のみを急速に加熱し、その部分を急冷する。これにより、従来のように鋼部材全体を焼入れ処理する場合よりも、焼入れ処理時の歪みの発生を大幅に抑制することができ、本発明の焼き入れ工程前の形状を焼入れ後もほぼ維持することが可能となる。
また、この焼き入れ工程では、高密度エネルギーを利用することによって、焼入れによる強度向上効果を高めることが可能となる。また、この焼入れ能の向上が得られるので、上記浸炭工程における浸炭深さ等の浸炭処理の度合いを低下させたとしても、これを上記焼入れ能の向上によって補うことが可能となる。それ故、この高密度エネルギーを利用した焼き入れ工程と上記浸炭工程とを組み合わせることによって、上記浸炭工程における浸炭処理時間を短縮してより効率化することも可能となる。
上記高密度エネルギーとしては、例えば電子ビーム、レーザビーム等の高密度エネルギービーム、また、ビームではないが高周波加熱などの高密度エネルギーがある。
一方、たとえ歪み抑制効果の高い上記高密度エネルギーを利用した焼き入れ工程を採用しても、その工程の前の鋼部材そのものが歪んでいる場合には、高精度の鋼部材を得ることは困難となる。このような問題を解決するのが浸炭工程と焼き入れ工程の間に行う上記減圧冷却工程である。
即ち、上記減圧冷却工程では、浸炭工程を終えた高温状態の上記鋼部材を、冷却ガス中において冷却するに当たり、該冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する。これにより、冷却ガスを大気圧状態で冷却する場合に比べて、鋼部材の歪みの発生を抑制することができる。
すなわち、冷却時に冷却ガスを撹拌する場合には、冷却ガスを減圧状態とすることによって、大気圧状態の場合に比べ、循環する冷却ガスの風上と風下での冷却速度の差を低減させることができる。つまり、大気圧で徐冷する場合、大気圧中の冷却ガスに被冷却部材を接触させただけで熱交換が進み被冷却部材の冷却が開始する。この場合、積極的なガス攪拌または熱によるガス対流により風上と風下が生じ、冷却速度差が生じる。冷却速度差により被冷却部材の温度差が生じ、熱処理歪を発生する。これに対し、冷却ガスを減圧状態とすることによって、風上・風下のいずれであっても、そもそも熱交換速度が遅く、冷却速度差が生じ難い。それ故、冷却ガスを減圧状態とする減圧徐冷を採用した場合には、比較的均一に冷却が進む為、熱処理歪の発生が少ない。また、撹拌を全くしない場合であっても、減圧状態の場合には、大気圧の場合よりも、温度の異なる冷却ガスの滞留による冷却速度の差を低減させることができる。
このような冷却ガスの減圧による効果を利用することにより、上記減圧冷却工程を施した鋼部材は、歪み発生を抑制することができ、高精度の寸法精度を維持したまま上記焼き入れ工程に進めることができる。そして、これにより、上述した高密度エネルギーを利用した焼き入れ工程によるメリットを活かして、焼入れ後の鋼部材も歪みの少ない高精度のものとすることができる。
したがって、本発明の熱処理方法を用いれば、歪みの発生を従来よりも大幅に抑制し、効率的に浸炭焼入れの効果を得ることができる。
また、上記浸炭工程と上記減圧徐冷工程とを連続で行うことにより、実際の設備では、浸炭室と減圧徐冷室とを直接繋ぐことができ、両者の間に減圧度を調整するような予備室等を設ける必要がない。すなわち、上記浸炭工程と上記減圧徐冷工程とが両方とも減圧状態で行われるので、両者の間の圧力差を小さくすることができる。そのため、浸炭処理を終えた製品を常圧状態に晒すことなく減圧冷却処理することができ、歪み発生を抑制した効率のよい処理が可能である。
本発明の第２の側面は、上記第１の側面の鋼部材の熱処理方法による熱処理を施してなることを特徴とする鋼部材にある。
本発明の第３の側面は、鋼部材を所望形状に成形する成形工程を行った後、上記第１の側面の熱処理方法を実施することを特徴とする鋼部材の製造方法にある。上記成形工程としては、プレス加工等の公知の種々の成形方法を適用できる。
実施例１における、（ａ）本実施例方法のヒートパターンを示す説明図、（ｂ）比較方法のヒートパターンを示す説明図。 実施例１における、（ａ）本実施例方法を実施する熱処理設備、（ｂ）比較方法を実施する浸炭焼入れ設備を示す説明図。 実施例１にける、（ａ）鋼部材の平面図、（ｂ）鋼部材の断面図（（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図）。 実施例１における、浸炭焼入れ後の硬度分布を示す説明図。 実施例１における、歪み発生状況を示す説明図。 実施例１における、残留応力発生状況を示す説明図。 実施例２における、試験１の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 実施例２における、試験２の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 実施例２における、試験３の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 実施例２における、試験４の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 実施例２における、歪み発生状況を示す説明図。 実施例３における、（ａ）鋼部材の平面図、（ｂ）鋼部材の断面図（（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図）。 実施例３における、試料Ｅ１、Ｃ１の歪み発生状況を示す説明図。 実施例３における、試料Ｅ３、Ｃ１の歪み発生状況を示す説明図。 実施例４における、浸炭焼入れ後の硬度分布を示す説明図。 実施例５における、減圧徐冷パターンの具体例を示す説明図。 実施例６における、高密度エネルギービームの照射状態を示す、（Ａ）側面図、（Ｂ）平面図。 実施例６における、熱処理装置の説明図。 実施例６における、高密度エネルギービームの照射状態を示す説明図。 実施例６における、ロックアップクラッチピストンの縦断面からみた説明図。 実施例６における、ロックアップクラッチピストンの平面側からみた説明図。 実施例６における、ロックアップクラッチピストン用熱処理装置の説明図。 実施例６における、ロックアップクラッチピストンの表面処理部分を示す説明図。 実施例６における、高密度エネルギービームの照射状態を示す説明図。 実施例６における、電子ビームの照射部の軌跡を示す説明図。 実施例６における、電子ビームの偏向波形例を示す説明図。 実施例６における、電子ビームの照射部の軌跡の他の例を示す説明図。 実施例６における、電子ビームの偏向波形例を示す説明図。 実施例７における、（ａ）従来工程、（ｂ）参考工程、（ｃ）本実施例工程を示す説明図。 実施例７における、硬度測定結果を示す説明図。 実施例８における、硬度測定結果を示す説明図。 実施例９における、硬度測定結果を示す説明図。
上記浸炭工程は、上記鋼部材をオーステナイト化温度以上に加熱すると共に、０．００１〜０．１ｂａｒの減圧条件下において行うことが好ましい。浸炭時の減圧が０．００１ｂａｒ未満の場合には真空度維持のために高価な設備が必要となるという問題が生じる。一方、０．１ｂａｒを超える場合には浸炭中にススが発生し、浸炭濃度ムラが生じるという問題が生じるおそれがある。
また、上記浸炭ガスとしては、例えば、アセチレン、プロパン、ブタン、メタン、エチレン、エタン等を適用することができる。
また、上記浸炭工程においては、通常浸炭より表面濃度を上げ、表層に鉄と炭素の化合物を析出させる高濃度浸炭、あるいは浸炭処理と共に窒化処理も行う浸炭窒化処理を採用することも可能である。
また、上記焼き入れ工程は、上記鋼部材の所望部分を高密度エネルギーを利用してオーステナイト化温度以上に加熱し、その後急冷することにより行うことが好ましい。すなわち、高密度エネルギーを利用することによって、局部的な加熱を行うことが容易となり、全体を加熱する場合と比べて大幅に歪み抑制効果を高めることができる。
上記急冷の冷却速度は、２００℃／秒〜２０００℃／秒であることが好ましい。冷却速度が２００℃／秒よりも遅い場合には、焼入れ効果が十分に得られないおそれがあり、一方、２０００℃／秒を超える急冷を実現することは困難である。
また、上記高密度エネルギーを利用した加熱は、高周波加熱により行うことが好ましい。この場合には、非接触で誘導加熱により精度よく加熱することができ、また、高効率化を図ることができる。
また、上記高周波加熱としては、公知の方法を適用できる。
上記高周波加熱を利用した場合の上記急冷は、水焼入れにより行うことが好ましい。すなわち、上記高周波加熱を利用すれば、部品全体ではなく部分的な加熱を精度よくできるので、その後、非常に冷却効果の高い水を用いて水焼き入れしても、焼入れ歪みの発生を極力抑えることができる。そして、水焼き入れによる優れた急冷効果によって、焼入れ特性を高くすることができ、焼入れ部分のさらなる高強度化を図ることができる。また、この高強度化を利用して、浸炭処理の簡易化（処理時間の短縮）、つまり、浸炭層の薄肉化をしても要求強度を具備することができる場合があり、この場合には熱処理工程全体のさらなる時間短縮を図ることも可能である。
上記焼き入れ工程は、高密度エネルギービームを上記鋼部材の所望部分に照射することにより加熱した後、自己放冷により急冷することにより行うことが好ましい。すなわち、電子ビームやレーザビーム等に代表されるような高密度エネルギービームは、照射した極表面を非常に高速に加熱することができる。そして、加熱部分を極表面に限ることによって、高密度エネルギービームの照射の中止、あるいは移動等によってエネルギーの投入が終了すれば、自己放冷によって十分な急冷効果を得ることができる。
上記高密度エネルギービームは、電子ビームとすることが好ましい。電子ビームは、出力、照射ビーム径や照射領域の変更等が容易であり、加熱領域の精度が高い高精度の加熱を行うことができる。
そして、電子ビームを利用する場合には、照射部分を急速に溶融することもできるので、上記焼き入れ工程では、電子ビームを上記鋼部材の所望部分に照射して表層のみを融点以上に加熱して溶融部を形成し、次いで該溶融部をマルテンサイト変態領域まで急冷してマルテンサイト組織とすることにより硬化層を形成することが好ましい。
この場合の上記硬化層は０．２ｍｍ以下であることが好ましい。０．２ｍｍを超える場合には、溶融後の自己放冷効果が低減するおそれがある。一方、硬化層が薄すぎると耐久性に問題が出る場合があるので、より好ましくは、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲とするのがよい。
また、上記減圧冷却工程は、浸炭工程を終えた高温状態の鋼部材に対して行うが、必ずしも冷却完了まで続ける必要はない。少なくとも歪み発生にほとんど影響がない低温域に入ってからは、上記減圧冷却工程ではなく、減圧状態を解除した大気圧での冷却、あるいは積極的に大気圧以上に増圧した状態での冷却を行ってもよい。
また、上記減圧冷却工程中においても、減圧条件を途中で緩めたり、撹拌条件を変更したりすることも可能である。むしろ、歪み発生のおそれが減少する低温域においては、冷却効率を向上できる条件に変更することが工業的には好ましい。
上記減圧冷却工程の終了時期は、鋼部材の温度または冷却時間によって管理することが可能である。その最適な条件は、鋼部材の種類、一度に処理する量、冷却ガスの種類、冷却ガスの撹拌装置の能力等に応じて変化するので、実験によって管理値を求め、それに従うことが好ましい。
上記減圧冷却工程の終了時期を温度によって定める場合には、例えば、５００℃以下の所定の温度になった時期とすることができる。少なくとも５００℃まで歪み発生抑制可能な条件で徐冷すれば、上記の作用効果を十分に発揮することができる。
また、上記減圧冷却工程は、減圧状態の冷却ガスを撹拌しなくても、大気圧状態の場合と比較すると歪み抑制効果が高くなるが、より好ましくは、適度な撹拌を行って、冷却ガスの滞留を防止するのがよい。
すなわち、上記減圧冷却工程は、上記冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で、該冷却ガスを撹拌しながら行うことが好ましい。これにより、よりいっそう歪み抑制効果を高めることができる。
また、上記減圧冷却工程は、少なくとも、上記鋼部材の冷却による組織変態が始まる前からすべての組織変態が完了するまで行うことが好ましい。即ち、鋼部材をオーステナイト状態から常温まで冷却する場合には、必ず組織変態を伴うが、その組織変態中に歪みが生じやすい。特に、組織変態中の冷却条件が部位によってばらつけば、歪みが出やすくなる。そのため、上記減圧冷却工程の期間中に鋼部材の組織変態を完了させることが好ましい。
また、上記減圧冷却工程における上記冷却ガスの減圧状態は、０．１ｂａｒ〜０．６５ｂａｒの範囲とすることが好ましい。上記減圧状態を０．１ｂａｒ未満にするには減圧装置が非常に高価となりすぎるという問題がある。一方、０．６５ｂａｒを超える場合には、冷却ガスの減圧による上記作用効果が少なくなるという問題がある。
そのため、上記減圧冷却工程における上記冷却ガスの減圧状態は、０．１ｂａｒ〜０．３ｂａｒの範囲とすることがより好ましい。特に０．３ｂａｒ以下とすることによって、上記の減圧による効果を高めることができる。
また、上記減圧冷却工程では、上記鋼部材の温度がＡ１変態点以下となった後に上記冷却ガスの撹拌速度を高める条件で冷却を行うことができる。すなわち、上記減圧冷却工程は、減圧状態で行うので、大気圧以上の状態で行う場合よりも冷却効率が低下する。そのため、上記鋼部材の温度が歪み発生に影響しないＡ１変態点以下の温度領域に入ってからは、冷却ガスの撹拌速度を高めることにより冷却効率を少しでも向上させることができる。最も容易な方法としては、減圧冷却工程の初期においては撹拌速度を０または最低限の速度に落としておき、その後、上記鋼部材の温度がＡ１変態点以下となった後に撹拌速度を高める方法がある。これにより、上記鋼部材の温度がＡ１変態点以下となった後に冷却能力が向上し、全体の冷却時間を短縮させることができる。また、撹拌速度を高める方法としては、一気に高める方法でもよいが、徐々に高める方法の方がより好ましい。
また、上記減圧冷却工程では、上記鋼部材の温度がＡ１変態点以下となった後に上記冷却ガスの圧力を高める条件で冷却を行うこともできる。この場合には、上記鋼部材の温度が歪み発生に影響しないＡ１変態点以下の温度領域に入ってから、冷却ガスの圧力増大によって冷却速度を高めることができ、全体の冷却時間を短縮することができる。もちろん、上記の撹拌速度を高める方法と合わせて冷却ガスの圧力を高める方法をとることもできる。
また、この減圧冷却工程中の圧力増大は、あくまでも大気圧よりも低い範囲で行う。また、圧力増大は、一気に行ってもよいが、徐々に行う方がより好ましい。なお、上述したように、減圧冷却工程を完了させた後に、大気圧あるいはそれ以上に増圧することは妨げられない。
また、上記減圧冷却工程では、上記冷却ガスとして、上記浸炭工程における上記浸炭ガスと異なる様々な冷却ガスを用いることができる。特に、上記冷却ガスは窒素ガス（Ｎ2ガス）であることが好ましい。この場合には、鋼部材の酸化を抑制しつつ冷却することができる。
もちろん、上記冷却ガスとしては、鋼部材に求められる品質に応じて、公知の様々なガスを選択することができる。
また、上記鋼部材は、上記浸炭工程及び上記減圧冷却工程後にバナジウム炭窒化物の析出強化もしくはベイナイト組織の変態強化により、機械的強度もしくは硬度を得る非調質鋼であることが好ましい。上記のようないわゆる非調質鋼が、上記熱処理方法の適用による効果を有効に発揮させることができる。
また、上記鋼部材は、上記浸炭工程および上記減圧冷却工程後において、浸炭の及ばない部材内部の硬度が、ビッカース硬度Ｈｖの値において５０〜１５０上昇する非調質鋼であることが好ましい。即ち、上記浸炭工程および上記減圧冷却工程を行う前における上記鋼部材のビッカース硬度と、これらの工程を行った後の上記鋼部材のビッカース硬度との差が、５０〜１５０Ｈｖとなる非調質鋼を用いることが好ましい。これにより、従来の浸炭用の鋼を従来の方法で浸炭焼入れした場合と同等以上の強度特性を容易に得ることができる。
上記非調質鋼としては、具体的には次のような化学成分を有する鋼を適用できる。
すなわち、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼（以下、基本鋼という）を用いることができる。
Ｃ含有量は、上記のごとく０．１〜０．６％とすることが好ましい。Ｃ含有量が０．１％未満の場合には十分な炭窒化物が生成しないという問題があり、一方、０．６％を超える場合には、硬度が高くなり、切削加工性が低下するという問題がある。
また、Ｓｉ含有量は、０．１〜０．６％とすることが好ましい。Ｓｉは焼入層の焼戻軟化抵抗を向上させることにより、歯車のピッチング寿命を向上させる硬化がある。Ｓｉ含有量が０．１％未満の場合にはその硬化があまり得られない。一方、浸炭性を劣化させることを防止するためにはＳｉ添加量を抑制することが好ましく、その観点からＳｉ含有量を０．６％以下とすることが好ましい。
また、Ｍｎ含有量は、０．５〜３．０％とすることが好ましい。Ｍｎは焼入性を向上させるのに有効な元素である。その効果はＭｎ含有量を０．５％以上とすることで得ることができる。一方、Ｍｎ含有量が３．０％を超える場合には芯部組織にマルテンサイト組織が生じて歪みが大きくなるおそれがある。
また、Ｃｒ含有量は、０．１〜２．０％とすることが好ましい。Ｃｒ含有量を０．１％以上とすることによって焼入層の焼戻軟化抵抗を向上させることができる。一方、Ｃｒ含有量が２．０％を超える場合には、Ｃｒ系炭化物の生成による靱性劣化が生じるおそれがある。
また、Ｍｏ含有量は、０〜０．３％とすることが好ましい。Ｍｏは添加しなくてもよい。添加すれば焼入層を強靱化して曲げ疲労強度を向上する硬化がある。その硬化を得るには、０．０１％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ含有量が０．３％を超えて添加してもその効果が飽和するため、上限は０．３％とすることが好ましい。
また、上記Ｖ含有量は０〜０．３％とすることが好ましい。Ｖは添加しなくてもよいが、添加すれば端窒化物の析出効果もしくはベイナイト組織の変態強化効果が得られ鋼を強化する。この効果を発揮するには０．０１％の添加が必要である。一方、Ｖ含有量が０．３％を超えてもその効果が飽和して経済性を損ねるおそれがある。
また、上記Ｓ含有量は０〜０．０５％とすることが好ましい。Ｓは含有させなくてもよいが、被削性を向上させる場合には０．００５％以上含有させることが好ましい。しかし、０．０５％を超えると鍛造性を阻害するため、０．０５％以下とすることが好ましい。
さらに好ましい非調質鋼としては、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２２〜０．２６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：１．４０〜１．６０％、Ｃｒ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼がある。
また、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：２．１０〜２．３０％、Ｃｒ：０．９０〜１．１０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼も好適に適用できる。
さらに、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．２〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼を用いることもできる。
また、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．４〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．４〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．１％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼を用いることも好ましい。
また、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．４〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．４〜０．６％、Ｍｏ：０．３〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼を用いることも好ましい。
これらの非調質鋼は、上述した基本鋼の化学成分をさらに調整したものであり、各元素の添加による効果がより明確に発揮されるようにしたものである。
即ち、Ｃ含有量は、０．２２〜０．２６％、０．１１〜０．１５％、又は０．２〜０．３％の範囲にさらに限定することが好ましい。これらの範囲に限定することによって、芯部の強度の確保と靱性及び切削性の低下の抑制効果をより一層確実に得ることができる。
また、Ｓｉは、０．１５〜０．３５％、または０．２〜０．６％、さらには０．４〜０．６％の範囲に限定することがより好ましい。これらの範囲に限定することによって、焼入層の焼戻軟化抵抗の向上効果の確保と浸炭性低下の抑制効果をより一層確実に得ることができる。
また、Ｍｎは、１．４０〜１．６０％、２．１０〜２．３０％、又は１．４〜２．０％の範囲にさらに限定することが好ましい。これらの範囲に限定することによって、焼入性及び焼戻軟化抵抗の向上の確保とマルテンサイト組織生成の抑制効果をより一層確実に得ることができる。
また、Ｃｒは、０．４０〜０．６０％、０．９０〜１．００％、又は０．２〜〜０．６％、さらには０．４〜０．６％の範囲に限定することが好ましい。これらの範囲に限定することによって、焼入性及び焼戻軟化抵抗の向上の確保とＣｒ系炭化物の生成による靱性劣化の抑制効果をより一層確実に得ることができる。
また、Ｍｏ含有量は、０〜０．３％、さらに０〜０．１％、または０．３〜０．４％に限定することが好ましい。この範囲に限定することによって、経済性の低下をより一層抑制することができる。
また、Ｖ含有量は、０．０１〜０．３％、さらに０．０５〜０．２５％に限定することが好ましい。この範囲に限定することによって、組織の微細化効果をより一層確実に得ることができる。
なお、上述した非調質鋼に代えて、例えば機械構造用鋼として使用されるＳ１５Ｃ、Ｓ２０Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃ、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４４０、ＳＣｒ４１５、ＳＣｒ４２０、ＳＣｒ４４０、ＳＮＣＭ２２０等のＪＩＳ規格鋼を適用することができることは言うまでもない。
また、上記鋼部材が自動車の駆動系部品である場合には、特に上記熱処理方法が有効である。自動車の駆動系部品としては、例えば自動変速機における歯車、リング状部材、その他の部品があるが、これらは部分的な高強度特性と高い寸法精度の両方が求められる部品である。そのため、上述した優れた熱処理方法を適用することによって、製造工程の合理化、低コスト化を図ることができると共に、製品の高品質化を図ることができる。
上記鋼部材は、トルクコンバータにおけるロックアップクラッチ装置にスプリングと共に内蔵されるロックアップクラッチピストンであって、該ロックアップクラッチピストンは、円盤状の平板部と、該平板部から軸方向に立ち上がった立上がり部とを有しており、上記平板部と上記立上がり部には、上記スプリングとの摺動による摩耗を抑制するための硬化層を、上記焼き入れ工程の実施により設けることができる。
上記ロックアップクラッチピストンは、減圧下の浸炭ガス中において浸炭処理する減圧浸炭工程、減圧徐冷工程後、局部的に上記焼き入れ工程を実施することによって適所に硬化層を有するものとすることができる。すなわち、得られるロックアップクラッチピストンは、上記平板部と上記立上がり部とに上記硬化層を有するものとなる。そのため、上記ロックアップクラッチピストンは、摺動部分が優れた耐摩耗性を発揮し、非常に耐久性に優れたものとなる。さらに、上記硬化層以外の部分はマルテンサイト化されていないため、良好な加工性を示す。それ故、得られるロックアップクラッチピストンは、局部的に耐摩耗性部位を有し、かつ加工性に優れた部材となる。
さらに、上記ロックアップクラッチピストンに設けた上記硬化層は、非常に厚みが薄く、また、高密度エネルギーの影響が表面処理部分（硬化層）以外の部分に殆ど及ばないため、ロックアップクラッチピストンの外形形状は高い精度に維持された状態となる。それ故、上記ロックアップクラッチピストンは、特に歪み取り工程を施すことなくトルクコンバータに組み込むことができ、トルクコンバータの生産コストの低減を図ることもできる。
また、利用する高密度エネルギーとしては、上述した電子ビームを用いることが、熱処理範囲を精度よく制御できるので最も好ましい。
次に、鋼部材としては、上記本実施例の鋼部材の熱処理方法による熱処理を施してなり、最表面の残留応力が２００〜１５００ＭＰａの圧縮残留応力とすることができる。例えば、高周波加熱した後に水焼入れすることによって、通常の浸炭焼入れの場合よりも上記範囲の高い圧縮残留応力を得ることができる。そして、この２００〜１５００ＭＰａという高い圧縮残留応力により、曲げ疲労強度等が従来よりも優れたものとなる。
（実施例１）
本実施例に係る鋼部材の熱処理方法につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例では、自動変速機の部品として用いられるリング状の鋼部材８（リングギア）について、本実施例の熱処理方法（本実施例方法）および比較のための従来の浸炭焼入れ方法（比較方法）を実施して、歪み発生状況等を評価した。本例において処理する鋼部材８は、図３に示すごとく、筒状の本体部８０の内周面に歯面８１を備えたものであり、歯面の硬度が高く、また真円度が非常に重要な部品である。
まず、図１に示すごとく、本実施例方法におけるヒートパターンＡと、比較方法におけるヒートパターンＢとを比較する。同図は、横軸に時間を、縦軸に温度を取り、熱処理中における鋼部材の温度をヒートパターンＡ、Ｂとして示したものである。
本実施例方法は、同図のヒートパターンＡより知られるように、浸炭温度である９５０℃まで加熱した後、その温度で４９分間保持して減圧浸炭工程ａ１を行い、その後、４０分かけて１５０℃以下の温度まで減圧冷却する減圧冷却工程ａ２を行い、その後、再度焼入れ温度である９５０℃まで高周波加熱により急速加熱した後水焼入れする高周波焼き入れ工程ａ３を行うというものである。
一方、比較方法は、同図のヒートパターンＢより知られるように、浸炭温度である９５０℃まで加熱した後、その温度で２２０分間保持して通常の浸炭工程ｂ１を行い、その後焼入れ温度である８５０℃に保持した後、油焼入れする焼入れ工程ｂ２を行うというものである。また、比較方法では、油焼入れ時に付着した冷却剤（油）を洗い落とす後洗工程ｂ３と焼入硬化層の靱性確保も目的とした焼き戻し工程ｂ４を行うが、その際にも若干の昇温を行う。なお、後述する歪み評価、強度評価、および残留応力評価においては、この焼き戻し工程ｂ４を行った後の状態で行った。
次に、本実施例方法を実施するための熱処理設備５と、比較方法を実施するための浸炭焼入れ設備９について、簡単に説明する。
図２（ａ）に示すごとく、本実施例方法を実施するための熱処理設備５は、浸炭焼入れ処理前に鋼部材を洗浄するための前洗槽５１と、加熱室５２１、減圧浸炭室５２２、および減圧冷却室５２３を備えた減圧浸炭徐冷装置５２と、高周波焼き入れ機５３と、欠陥を検査するための磁気探傷装置５４とを備えたものである。
図２（ｂ）に示すごとく、比較方法を実施するための浸炭焼入れ設備９は、浸炭焼入れ処理前に鋼部材を洗浄するための前洗槽９１と、加熱・浸炭・拡散を行うための浸炭炉９２１および焼入れ油槽９２２とを備えた長大な浸炭炉９２と、浸炭焼入れ処理後に鋼部材を洗浄するための後洗槽９３と、焼き戻し処理を行うための焼き戻し炉９４とを備えたものである。
次に、上記各設備を用いて、それぞれ上記鋼部材８の浸炭焼入れ処理を行い、強度特性、歪み発生状況、および残留応力発生状況についての比較を行った。
本実施例方法では、図１のヒートパターンＡにも示すごとく、鋼部材を減圧下の浸炭ガス中において浸炭処理する減圧浸炭工程ａ１と、該減圧浸炭工程を終えた上記鋼部材を、冷却ガス中において冷却するに当たり、該冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却工程ａ２と、冷却された上記鋼部材の所望部分を高周波加熱した後に水焼入れする高周波焼き入れ工程ａ３とを行った。
上記減圧浸炭工程ａ１は、浸炭および拡散処理として９５０℃×４９分の処理を行ったが、その際の浸炭室の真空度は０．００１ｂａｒ、浸炭ガスの種類はアセチレンという条件とした。上記減圧冷却工程ａ２は、冷却ガスは窒素（Ｎ2）、減圧状態は０．２ｂａｒ、冷却ガスの撹拌は有り、減圧冷却工程の期間は浸炭処理直後のオーステナイト化温度以上の温度から１５０℃以下の温度となるまで、冷却速度は１０℃／分という条件とした。高周波焼き入れ工程ａ３は、高周波加熱によって鋼部材８の内周部である歯面８１を、９５０℃に加熱し、その後水を吹き付けて水焼入れするという条件で行った。この水焼入れによる冷却速度は２６８℃／秒であった。
比較方法では、図１のヒートパターンＢからも知られるように、浸炭温度である９５０℃まで加熱した後、その温度で２２０分間保持して通常の浸炭工程ｂ１を行い、その後焼入れ温度である８５０℃に保持した後、油焼入れする焼入れ工程ｂ２を行うというものである。なお、比較例では、焼入れ工程ｂ２後に後洗工程を実施し、更に、後洗工程ｂ３後に焼き戻し工程ｂ４を実施した。
また、上記比較方法では、浸炭に適したＳＣＭ４２０（ＪＩＳ）を素材として用いた。
上記本実施例方法では、上記の浸炭に適したＳＣＭ４２０（ＪＩＳ）に代えて、化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２２〜０．２６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：１．４０〜１．６０％、Ｃｒ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼、より具体的には、質量％において、Ｃ：０．２３％、Ｓｉ：０．２２％、Ｍｎ：１．４５％、Ｃｒ：０．４６％、Ｍｏ：０．１７％、Ｖ：０．０９％、Ｓ：０．０１６％、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼（試料Ｅ１）を素材として用いた。
浸炭焼入れ処理を終えた鋼部材に対して、歯車の歯底８１５（図３）部分の表面からの距離に対するビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定し、これを強度評価とした。測定結果を図４に示す。同図は横軸に表面からの距離（ｍｍ）を、縦軸にビッカース硬さ（Ｈｖ）をとったものである。そして、本実施例方法により処理した鋼部材の結果を符号Ｅ１、比較方法により処理した鋼部材の結果を符号Ｃ１として示した。
同図から知られるように、本実施例方法（Ｅ１）の場合は、内部に行くにつれて比較方法（Ｃ１）の場合よりも若干硬度が低くなるが、最表面ではむしろ比較方法よりも高い硬度が得られた。これらの結果から、本実施例方法を適用することにより、従来と同等以上の優れた熱処理を施すことができることがわかる。
また、本実施例方法（Ｅ１）の場合には、従来と同様の浸炭処理に適した材料を用いた場合には、浸炭時間を大幅に短くした分だけ浸炭深さが浅くなることによる強度低下が考えられる。しかし、本例のように、適用材料の変更と、水焼入れの採用によって、これらの強度的な問題を解消することができた。また、内部強度の従来品並までの向上は、素材の成分改良によって解決できる可能性がある。
次に、浸炭焼入れ処理を終えた鋼部材の寸法を測定することにより歪み発生量を比較した。
寸法の測定は、「ＢＢＤ」と「ＢＢＤだ円」の２種類を行った。「ＢＢＤ」は、図３に示すごとく、歯面８１の谷部分に接触するように所定の直径の鋼球８８を配置し、対向する硬球８８同士の内径寸法を測定して得られた寸法である。そして、この測定を軸方向３箇所（同図（ｂ）のａ位置、ｂ位置及びｃ位置）において、全周に対して行い、その測定値の平均値（Ａｖｅ）、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）を求めた。
次に、軸方向の各測定位置における上記「ＢＢＤ」の最大値と最小値の差を「ＢＢＤだ円（μｍ）」として求めた。そして、上記と同様に、その測定値の平均値（Ａｖｅ）、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）を求めた。
図５には、上記の「ＢＢＤ」と「ＢＢＤだ円」の測定結果を示す。同図左側の欄には、本実施例方法の結果として、減圧浸炭前、減圧浸炭＋減圧冷却後、高周波焼き入れ後の３つのタイミングにおける結果を示した。また、同図右側の欄には、比較方法の結果として、浸炭焼入れ前、浸炭焼入れ後２つのタイミングにおける結果を示した。また、各欄に示した表記は、左から図３（ｂ）におけるａ位置、ｂ位置、ｃ位置の３箇所についてそれぞれ最大値、最小値平均値をプロットして最大値と最小値を太線で縦に結んだものである。また、３箇所の位置の平均値は細線により結んだ。
同図より知られるごとく、本実施例方法を採用すれば、焼入れ後においても歪み発生が抑制されることがわかる。また、その歪み発生の抑制効果は減圧浸炭後の減圧徐冷によってすでに得られていることもわかる。
これに対し、比較例は、浸炭焼入れ処理によって大きな歪みが発生していることがわかる。
次に、浸炭焼入れ処理を終えた鋼部材の残留応力を測定し、比較した。測定結果を図６に示す。同図は、横軸に歯底８１５の表面からの距離をとり、縦軸に残留応力を、引張を＋、圧縮を−としてとった。
本実施例方法（Ｅ１）の場合には、少なくとも最表面から圧縮残留応力状態となっており、一方、比較方法（Ｃ１）の場合には、最表面が引張残留応力となっていることがわかる。最表面の残留応力が引張応力である場合には、様々な問題が生じるおそれがあるので、例えば熱処理あるいは表面改質処理を行って引張残留応力を緩和することが必要となる。したがって、本実施例の方法は、そのような残留応力を改善するための処理を特に設ける必要がないという効果も得られることがわかる。
（実施例２）
本例では、上記実施例１における減圧冷却工程について、さらに複数種類の方法（試験１〜３）を実施し、歪みの発生状況を把握した。
試験１：
試験１では、図７に示すごとく、上記鋼部材をオーステナイト化温度以上の９５０℃に昇温する浸炭処理を行った後に、鋼部材を１５０℃以下まで冷却する。
図７は、横軸に時間、縦軸に温度を取り、鋼部材の温度履歴を示したものである（後述する図８〜図１０も同様である）。上記熱処理は、同図Ａ点〜Ｂ点の期間が熱処理の期間であり、Ｂ点以降が冷却の期間である。そして、試験１では、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行った。
減圧冷却の条件は、冷却ガスとしてＮ2を用い、０．３ｂａｒ一定の減圧状態とし、冷却ガスの撹拌を行う条件とした。撹拌速度は、冷却に用いた装置における撹拌ファンを定格回転数の５５０ｒｐｍ一定で運転して得られる条件とした。
試験２：
試験２では、図８に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行ったが、詳細条件を試験１と変えた。すなわち、減圧冷却の条件として、冷却ガスとしてＮ2を用い、０．３ｂａｒ一定の減圧状態とした点は試験１と同様であるが、撹拌速度の条件を、最初は撹拌ファンの回転数を２５０ｒｐｍ一定に落として運転し、その後、１５分後（図８のＣ点）に５５０ｒｐｍ一定に変更するという条件とした。その他は試験１と同様である。
試験３：
試験３では、図９に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行ったが、詳細条件を試験１と変えた。すなわち、減圧冷却の条件として、冷却ガスとしてＮ2を用い、その減圧状態を０．６５ｂａｒ一定とした。その上で、最初は冷却ガスの撹拌を行わず、その後、１５分後（図９のＣ点）に５５０ｒｐｍ一定に変更するという条件とした。その他は試験１と同様である。
試験４（比較試験）：
試験４では、図１０に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧のままの状態で冷却した。すなわち、冷却条件は、冷却ガスの圧力は１．０ｂａｒ（大気圧）一定とし、撹拌条件は、撹拌ファンの回転数を定格より落とした２５０ｒｐｍ一定とした。冷却前の熱処理条件は試験１と同様である。
上記の試験１〜３と試験４の冷却方法によって複数の鋼部材８であるリングギアを処理し、その寸法を測定することにより歪み発生量を比較した。
本例で処理したリングギア８は、図３に示すごとく、実施例１と同様に、リング状の本体部８０の内周面に歯面８１を備えたものであり、その真円度が非常に重要である。そこで、軸方向３箇所（同図（ｂ）のａ位置、ｂ位置及びｃ位置）において、全周のＢＢＤ寸法を測定し、それぞれ最大値と最小値の差を「ＢＢＤだ円（μｍ）」として求めた。上記ＢＢＤ寸法は、図３に示すごとく、歯面８１の谷部分に接触するように所定の直径の鋼球８８を配置し、対向する硬球８８同士の内径寸法を測定して得られた寸法である。そして、このＢＢＤだ円の測定を処理したすべての鋼部材について行い、得られたＢＢＤだ円の平均値（Ａｖｅ）、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）を求め、図１１中に数値及びグラフを示した。なお、処理した鋼部材の数（ｎ）は、それぞれ、１０個〜２５個である。
図１１より知られるごとく、試験１〜３の場合には、いずれの場合もＢＢＤだ円の値が試験４（比較試験）よりも小さく、歪み抑制効果が非常に高いことがわかる。
（実施例３）
本例は、図１２に示すごとく、実施例１と同様の歪み評価を、リング状本体部７０の外周側に歯面７１を有するリング状の鋼部材７（デフリングギア）に対して行った。この鋼部材７も、自動車の自動変速機に用いられる部品である。
本例で行う本実施例方法および比較方法は、いずれも実施例１と同じ方法とした。素材の材質は、本実施例方法を実施するものとしては、上述した実施例１における試料Ｅ１と後述する実施例３に示す試料Ｅ３とを採用し、比較方法を行うものとしては実施例１における試料Ｃ１を採用した。
歪みの評価は、鋼部材７の軸方向３箇所（ａ位置、ｂ位置、ｃ位置）における「ＯＢＤ」を測定して評価した。「ＯＢＤ」は、各軸方向位置において、歯面７１の谷部分に接触するように所定の直径の鋼球を配置し、対向する硬球同士の外径寸法を測定して得られた寸法である。そして、この測定を周方向４箇所において行い、その平均値を評価値として用いた。得られたＯＢＤの平均値（Ａｖｅ）、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）を求め、図１３、図１４中に数値及びグラフを示した。
図１３には、本実施例方法を試料Ｅ１に適用した結果と、比較方法を試料Ｃ１に適用した結果とを示した。図１４には、本実施例方法を試料Ｅ３に適用した結果を示すと共に、図１３と同様に比較方法を試料Ｃ１に適用した結果をも示した。
また、本実施例方法においては、減圧浸炭前、減圧浸炭＋減圧冷却後、高周波焼入れ後の３つのタイミングにおいて評価した。比較方法においては、浸炭焼入れ前、浸炭焼入れ後の２つのタイミングにおいて評価した。なお、本実施例方法の焼入れ工程では、その冷却速度が１４２０℃／秒であった。
図１３、図１４から知られるように、本実施例方法を採用すれば、焼入れ後においても歪み発生が抑制されることがわかる。
これに対し、比較方法の場合には、浸炭焼入れ処理によって大きな歪みが発生していることがわかる。
（実施例４）
本例では、実施例１における素材（試料Ｅ１）に代えて、化学成分が異なる複数の素材（試料Ｅ２〜Ｅ４）を用いた歯車（図３）に対して本実施例方法を実施した。
試料Ｅ２は、化学成分が、質量％において、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：２．１０〜２．３０％、Ｃｒ：０．９０〜１．１０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼、より具体的には、質量％において、Ｃ：０．１３％、Ｓｉ：０．２４％、Ｍｎ：２．２０％、Ｃｒ：１．００％、Ｍｏ：０．１８％、Ｖ：０．０７％、Ｓ：０．０１８％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる非調質鋼である。
試料Ｅ３は、化学組成が質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．４〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．４〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．１％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物となるよう開発された開発鋼、より具体的には、質量％において、Ｃ：２４％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：１．８％、Ｃｒ：０．５％、Ｍｏ：０．０３％、Ｖ：０．１２％、Ｓ：０．０１６％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる開発鋼である。
試料Ｅ４は、化学成分が質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．４〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．４〜０．６％、Ｍｏ：０．３〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物となるよう開発された開発鋼、より具体的には、質量％において、Ｃ：０．２４％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：１．４％、Ｃｒ：０．５％、Ｍｏ：０．３７％、Ｖ：０．１２％、Ｓ：０．０１６％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる開発鋼である。
そして、実施例１と同様に、浸炭焼入れ処理を終えて得られた歯車（鋼部材）の歯底８１５部分の表面からの距離に対するビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定した。
その測定結果図１５に示す。同図は横軸に表面からの距離（ｍｍ）を、縦軸にビッカース硬さ（Ｈｖ）をとったものである。そして、試料Ｅ２よりなる歯車の結果を符号Ｅ２、試料Ｅ３よりなる歯車の結果を符号Ｅ３として示した。また、参考のために、実施例１における実施例Ｅ１と比較例Ｃ１も合わせて記載した。
同図から知られるように、本実施例方法を適用することによって、材質を上記の試料Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に変更しても、従来と同等以上の優れた熱処理を施すことができることがわかる。
（実施例５）
本例では、図１６に示すごとく、実施例１において示した減圧徐冷工程ａ２として採用可能な減圧徐冷パターンについての例を説明する。
図１６は、横軸に時間をとり、第１縦軸に冷却ファンの回転数（ａ）を、第２縦軸に被処理材の温度（ｂ）を、第３縦軸に冷却ガスの圧力（ｃ）をとったものである。
同図より知られるごとく、本例では、最初の第１冷却ステップＰ３１の間は、冷却ファンの回転数を低めに設定すると共に、冷却ガス圧を大気圧よりも十分に低い減圧状態として減圧徐冷を行った。
次に、第２冷却ステップＰ３２の間は、冷却ファンの回転数を定格よりは十分低いものの上記第１冷却ステップＰ３１の場合よりも若干高くし、さらに、冷却ガス圧も大気圧よりも低いものの上記第１冷却ステップＰ３１の場合よりも若干高い状態に設定し、第１冷却ステップＰ３１よりは若干冷却能力が高い減圧徐冷を行った。本例では、この第２冷却ステップＰ３２の間において、被処理材の温度がいわゆるＡ１変態点を迎えるようにした。
次に、第３冷却ステップＰ３３の間は、冷却ファンの回転数および冷却ガス圧を十分に高めた急冷条件とした。
以上のように、最初の被処理材が最も高温状態にある第１冷却ステップＰ３１では、冷却ガスの圧力および循環速度（冷却ファンの回転数）を低くする減圧徐冷を行うことによって、冷却歪みの発生を確実に抑えることができる。次に、ある程度被処理材の冷却が進んだ第２冷却ステップＰ３２では、冷却歪みの発生の可能性が低下しているので、若干冷却能力を高めるものの、鋼のＡ１変態点を超える際の組織変態に伴う歪み発生を抑制すべく、減圧徐冷条件は維持する。これにより、Ａ１変態点を超える際の歪み発生を極力抑えることができる。その後、第３冷却ステップＰ３３では、冷却ガスの圧力および循環速度を高めることによって冷却能力を最大とすることができる。
（実施例６）
本例では、トルクコンバータ用ロックアップクラッチピストン等の円盤状の鋼部材の熱処理方法につき、図１７〜図２８を用いて説明する。
本例の鋼部材の熱処理は、上述した図１（ａ）と基本的に同様のプロファイルを示すものであるが、厳密には焼入れ工程における加熱温度が異なっている。すなわち、本例では、鋼部材を浸炭温度である９５０℃まで加熱した後、その温度で４９分間保持して減圧浸炭工程を行い、その後、４０分かけて１５０℃以下の温度まで減圧冷却する減圧冷却工程を行う。ここまでは上述した実施例１と同様である。その後、高密度エネルギービームとしての電子ビームを所望部分に照射して表層のみを融点以上に加熱して溶融部を形成し、次いで該溶融部をマルテンサイト変態領域まで急冷してマルテンサイト組織とするという電子ビーム焼入れを行うことにより硬化層を形成する。
まず、上記の電子ビームを用いた焼入れ工程について説明する。
図１７に示すごとく、溶融部２１となる鋼部材２の表層を、７５００℃／秒以上という極めて速い昇温速度で加熱して、一気に融点Ｍｐ以上の溶融状態の溶融部２１を形成する。この場合の、高密度エネルギービーム照射開始から溶融部２１を形成するまでの時間は０．２秒という非常に短い時間である。そして、溶融部の深さは、鋼部材２の厚みの１／４以下になるように調整してある。その調整は、高密度エネルギービームの出力及び照射パターンにより行う。
次いで、溶融部２１形成直後に高温状態を維持することなく、６００℃／秒以上という極めて速い冷却速度で溶融部２１を冷却する。本例では、具体的には冷却速度が１６００℃／秒であった。
これにより、溶融部２１は直ちに凝固して、一旦均一オーステナイト組織になり、次いでさらに冷却が進むことによりマルテンサイト領域まで冷却されてマルテンサイト組織２２となる。
また、上記電子ビーム焼入れ工程は、図１７に示すごとく、鋼部材２の表面処理部分２０に対して、部分的に高密度エネルギービーム（電子ビーム）１１を照射することにより行う。つまり、高密度エネルギービーム発生源１より高密度エネルギービーム１０を発射し、これを偏向レンズ１１２により最適な照射パターンの高密度エネルギービーム１１を鋼部材２に照射する。
一方、鋼部材２は、図１７に示すごとく、同図の矢印方向へ一定の速度で移動させる。そして、表面処理部分２０は高密度エネルギービーム１１の照射によって急速に加熱されて溶融部２１となり、鋼部材２の移動によって高密度エネルギービーム１１の照射が完了した溶融部２１は自己放冷により急冷される。
これにより、鋼部材２には、マルテンサイト組織２２の高硬度の表層部が連続的に形成される。
このように、本例によれば、鋼部材２の表層のみを急速に溶融状態まで加熱し、その後直ちに急冷することができる。そのため、鋼部材２の表面処理部分２０以外の部分への熱伝導が少なく、熱歪みの発生を低減することができると共に確実に自己放冷効果が得られる。
特に本例においては、溶融部２１は、鋼部材２の厚みの１／４以下の深さの表層のみに形成するため、６００℃／秒以上という冷却速度で自己放冷される。そのため、マルテンサイト変態の臨界冷却速度を十分に超える上記の冷却速度が得られ、焼入れ不良の防止を確実に図ることができる。
また、本例によれば、上記のごとく処理時間を従来よりも格段に短くすることができ、生産効率の向上を図ることもできる。
さらに、上記の電子ビーム焼入れ工程の前には、減圧浸炭工程を実施しているので、その浸炭効果と相俟って、非常に高硬度の硬化層を得ることができる。
ここで、上記の電子ビームによる加熱の具体的な装置等を簡単に説明する。
図１８、図１９に示すごとく、上記熱処理における電子ビームによる加熱は、鋼部材２を回転させながら、該鋼部材２における例えば２箇所のリング状の表面処理部分２０（図１７、図１８）に対して、高密度エネルギービーム１１、１２を連続的に照射することにより行うことができる。
被処理材としての鋼部材２は、トルクコンバータ用部品のロックアップクラッチピストンのごとく皿状（円盤状）をなしている。そのため、その２箇所にリング状の表面処理部分２０を一操作により処理することができる。
上記熱処理装置は、図１８に示すごとく、鋼部材２を入れる加工室１９と、該加工室１９内に高密度エネルギービーム１１、１２を照射するビーム発生源１と、上記ビーム発生源１からの高密度エネルギービーム１０の照射パターン等を制御する集束レンズ１１１と偏向レンズ１１２とを有する。
また、加工室１９内を減圧する真空排気装置１６と、上記集束レンズ１１１、偏向レンズ１１２を制御する高速偏向制御装置１１０とを有する。上記集束レンズ１１１、偏向レンズ１１２を制御することにより、鋼部材２に照射する高密度エネルギービーム１１、１２の分配と、その出力及び照射パターンが調整される。
これらの装置は、総合制御装置１７によりコントロールされる。また、上記加工室１９の下部には、上記鋼部材２の載置台１５を回転させるための回転モータ１５０を有する。
そして、上記熱処理装置により、電子ビーム焼入れを行うに当たっては、まず上記回転モータ１５０を駆動させて、上記鋼部材２を図１９の矢印方向に回転させておく。また、真空排気装置１６により、加工室１９内を真空状態にする。
そして、図１８、図１９に示すごとく、鋼部材２に対して２つの高密度エネルギービーム１１、１２をそれぞれ同時に照射する。この高密度エネルギービーム１１、１２は鋼部材２の回転によって鋼部材２上を相対的に一定速度で移動していく。
これにより、図１９に示すごとく、高密度エネルギービーム１１、１２が照射された部分がそれぞれ溶融部２１となり、その直後マルテンサイト組織となって、２箇所のリング状の表面処理部分２０が硬化層となる。この硬化層は、上述したように事前に行う減圧浸炭工程の効果と相俟って非常に優れたものとなる。
次に、上述した高密度エネルギービームとしての電子ビームによる焼入れ工程をロックアップクラッチピストン４１に適用した例をより具体的に説明する。
トルクコンバータは、自動車等の動力伝達系を構成するものであって、図２０、図２１に示すごとく、ポンプインペラ１００、該ポンプインペラ１００と共にトーラスを構成するタービンランナ２００、ステータ３００、ロックアップクラッチ装置４００及びダンパ装置５００によって構成されている。
上記トルクコンバータにおいて、図示しないクランクシャフトを介して伝達されたエンジンの回転は、フロントカバー６００に伝達され、さらにこれに固定されたポンプインペラ１００に伝達される。ポンプインペラ１００が回転すると、トーラス内の油が軸の周囲を回転し、遠心力が加わってポンプインペラ１００とタービンランナ２００及びステータ３００間を循環させられる。
そして、ポンプインペラ１００とタービンランナ２００との間に配置されているステータ３００（内周側に一定方向にのみ回転を可能とするワンウェイクラッチ３１が取り付けられている）等の作用により、車両の発進時等のようにポンプインペラ１００が回転を開始したばかりでタービンランナ２００との回転速度差が大きい場合にはトルク変換機として動作してトルクを増幅させる。一方、タービンランナ２００の回転速度が高くなってタービンランナ２００とポンプインペラ１００との回転速度差が小さくなった場合には単なる流体継手として作動するようになっている。
このトルクコンバータには上記のごとくロックアップクラッチ装置４００が設けられているが、これは燃費改善等のために設けられたものである。即ち、車両が発進した後、予め設定された車速が得られると、ロックアップクラッチ装置４００のロックアップクラッチピストン４１が図示しないロックアップリレーバルブによる油の供給切り換えにより作動して軸方向に移動し、摩耗材４２を介してフロントカバー６００と係合する。このため、エンジンの回転がトルクコンバータを介することなく変速機構の入力軸に伝達されるので、燃費を良くすることができる。
また、トルクコンバータに取り付けられた前記ダンパ装置５００は、ロックアップクラッチピストン４１とフロントカバー６００との係脱時に発生する伝達トルクの変動を吸収するためのものであり、ダボかしめ４３によってロックアップクラッチピストン４１に固定されており、タービンランナ２００と一体に回転させられるドリブンプレート５１及びスプリング５２、５３等から成っている。
ここで、スプリング５２はロックアップクラッチピストン４１の円周方向における８箇所に配設された第１ステージ用のものであり、またスプリング５３はロックアップクラッチピストン４１の円周方向における４箇所に配設された第２ステージ用ものであって、このスプリング５３はスプリング５２内に一つ置きに配設される。なお、スプリング５３はスプリング５２より径が小さく、かつ短く設定され、スプリング５２の捩じれ角が設定値になって伝達トルクが屈曲点トルクに到達した後に撓み始める。
従って、フロントカバー６００から摩耗材４２を介して伝達された回転はダンパ装置５００を介してタービンハブ７００に伝達されるが、この際、スプリング５２、５３が収縮して回転伝達時における伝達トルクの変動を吸収する。また、エンジンの出力トルクの急激な変動が図示しない変速装置に伝達されることによって起きる振動、騒音等を防止する役目も担っている。
ところで、上述したようなトルクコンバータにおいては、ロックアップクラッチピストン４１の正駆動時（ロックアップクラッチ装置４００が係合状態に置かれてロックアップクラッチピストン４１が図２１における反時計回り方向に回転する時）及び逆駆動時（エンジンブレーキ時等でロックアップクラッチピストン４１が図２１における時計回り方向に回動する時）にはスプリング５２が圧縮されるので、このスプリング５２がロックアップクラッチピストン４１の平板部４１１と繰り返し摺動する。そのため、ロックアップクラッチピストン４１の平板部４１１にはスプリング５２との摺動による摩耗が生じる。
また、ロックアップクラッチピストン４１の回転に伴って、スプリング５２は遠心力を受け、ロックアップクラッチピストン４１の立上がり部４１２に押しつけられる。したがって、ロックアップクラッチピストン４１の正駆動時及び逆駆動時に、ロックアップクラッチピストン４１の立上がり部４１２もスプリング５２と繰り返し摺動することとなり、摩耗が生じる。
本例では、上記のような使用環境にあるロックアップクラッチピストン４１の、上記平板部４１１と立上がり部４１２とに電子ビーム焼入れを施す。
まず、ロックアップクラッチピストン４１の電子ビーム焼入れ工程に使用した装置を図２２に示す。同図により知られるように、本例の装置は、図１８に示す装置と基本構成を同じとし、載置台１５を４５°傾けて配設したものである。また、ビーム発生源１から発せられた高密度エネルギービーム１０は、２つの照射する高密度エネルギービーム１１、１２に分配される。その他は図１８に示す装置と同様である。
次に、この装置を用いて、図２３、図２４に示すごとく、ロックアップクラッチピストン４１の平板部４１１と立上がり部４１２の２箇所の表面処理部分４０１、４０２に同時に表面処理を施す。そして、厚み３ｍｍの平板部４１１及び立上がり部４１２に、それぞれ厚み０．１〜０．２ｍｍの硬化層を形成する。
具体的には、まず、図２２に示すごとく装置の載置台１５にセットしたロックアップクラッチピストン４１を、表面処理部分４０１、４０２の移動速度が約１６．７ｍ／分となる速度で回転させる。そして、図２２、図２４に示すごとく、２つの高密度エネルギービーム１１、１２として４．６ＫＷ出力の電子ビームを用い、これを表面処理部分４０１、４０２にそれぞれ照射する。
これにより、２つの表面処理部分４０１、４０２は、極めて短時間に表層のみが溶融して溶融部となり、次いで、極めて短時間に急冷されてマルテンサイト組織となる。つまり、電子ビーム照射によって常温組織（パーライト）が急速に加熱されて融体になり、次いで、続く自己放冷により凝固してオーステナイトになり、その直後、自己放冷による更なる急冷が成されてマルテンサイト組織に変態する。
このようにして得られたロックアップクラッチピストン４１における表面処理部分（硬化層）４０１は、最表面の約０．０３ｍｍ厚みの全溶融層２１１とその下の約０．１７ｍｍ厚みの不完全溶融層２１２とより構成されている（図示略）。
本例により得られたロックアップクラッチピストン４１は、その平板部４１１及び立上がり部４１２の摺動部分に、耐摩耗性に優れた表面処理部（硬化層）４０１、４０２をそれぞれ備えた状態となる。それ故、このロックアップクラッチピストン４１をトルクコンバータに組み込んだ場合には、非常に優れた耐久性を発揮する。
また、表面処理部分（硬化層）４０１、４０２以外の部分は、表面処理前と同じパーライト組織であるため、塑性かしめ等の各種塑性加工を容易に施すこともできる。
また、上記表面硬化層は非常に厚みが薄く、また、高密度エネルギービーム１１、１２の影響が表面処理部分以外の部分に殆ど及ばないため、ロックアップクラッチピストン４１の外径形状は高い精度に維持された状態となっている。それ故、本例のロックアップクラッチピストン４１は、特に歪み取り工程を施すことなくトルクコンバータに組み込むことができ、生産コストの低減を図ることもできる。
さらに、本例においては、２箇所の表面処理部分４０１、４０２を同時に処理することができる。それ故、従来よりも非常に高い生産性が得られる。また、２箇所の表面処理部分４０１、４０２は、上記のごとく、それぞれ極めて短時間に処理されるため、互いの熱影響を受けることもない。
次に、上記電子ビームの照射部軌跡の１例を図２５を用いて説明する。
この例の電子ビームは２つの円偏向軌跡Ｃ1、Ｃ2に従って照射される。この場合、各円偏向軌跡Ｃ1、Ｃ2によってそれぞれ被熱処理領域２５、２６、即ち前記の高密度エネルギービーム１１、１２の照射部分に相当する領域に電子ビームが照射され、その間中、被処理部材はその中心軸回りに回転させられる。従って、被熱処理領域２５、２６における電子ビームの軌跡は矢印Ｈ方向に移動する。
なお、各円偏向軌跡Ｃ1、Ｃ2は、ｘ軸方向及びｙ軸方向において正弦波の偏向波形を発生させ、その偏向の組合せによって形成される。また、各円偏向軌跡Ｃ1、Ｃ2を切り換え、被熱処理領域２５、２６において交互に電子ビームを照射するために、図２６に示すような偏向波形ｗ1が発生させられ、該偏向波形ｗ1と前記ｙ軸方向における偏向波形とが重ねられる。
従って、電圧ＶEが正の値を採る時間ｔ1の間に被熱処理領域２５に電子ビームが照射され、電圧ＶEが負の値を採る時間ｔ2の間に被熱処理領域２６に電子ビームが照射される。
また、前記偏向波形ｗ1の時間ｔ1を短く、時間ｔ2を長く設定することによって、被熱処理領域２５、２６への照射エネルギーを調整することができる。
例えば、上記ロックアップクラッチピストン４１の平板部４１１は、立上がり部４１２ほど高い耐摩耗性が要求されない。そこで、前記偏向波形ｗ1の時間ｔ1を短く、時間ｔ2を長く設定することによって、表面処理部分４０１を表面処理部分４０２よりも柔らかくすることができる。これによって、表面処理の消費エネルギーを小さくすることができるたけでなく、処理時間の更なる短縮を図ることができる。
次に、図２７に示すごとく、被熱処理領域２７、２８へ電子ビームを照射する場合の別例を示す。
この場合には、二つの面偏向軌跡Ｃ3、Ｃ4によって電子ビームが照射される。つまり、各面偏向軌跡Ｃ3、Ｃ4によってそれぞれ被熱処理領域２７、２８に電子ビームが照射され、その間中、被処理部材はその中心軸回りに回転させられる。従って、この場合も被熱処理領域２７、２８における電子ビームの軌跡は矢印Ｈ方向に移動する。
なお、各面偏向軌跡Ｃ3、Ｃ4はｘ軸方向及びｙ軸方向において三角波の偏向電圧を発生させることによって形成される。また、各面偏向軌跡Ｃ3、Ｃ4を切り換え、被熱処理領域２７、２８において電子ビームを照射するために、図２８に示すような偏向波形ｗ1と前記ｘ軸方向及びｙ軸方向における三角波とが重ねられる。
勿論、円偏向と面偏向とを組み合わせたり、線、楕円等の軌跡をたどるように電子ビームを偏向させることもできる。
ところで、本例ではトルクコンバータのロックアップクラッチピストンを処理する例を説明したが、その外、例えば多板摩擦係合装置におけるプレート摺動部、部材同士又はスナップリング等による結合部、オイルポンププレート、シールリング溝等、表層部を全部又は部分的に硬化させる必要がある鋼部材であれば、いずれのものであっても本実施例を適用することができる。
（実施例７）
本例では、実施例６において説明したロックアップクラッチピストンについて、図２９に示す３種類の製造方法（熱処理方法）を用いて製造し、得られた製品において熱処理前後の硬化層の硬度を測定した。
同図（ａ）に示すごとく、従来工程は、主にステップＳ１１からＳ１５の５つのステップを有するものである。ステップＳ１１は、素材として熱間圧延コイルを準備するステップであり、ステップＳ１２は、素材から所望形状のロックアップクラッチピストンをプレス成形により得るステップである。ステップＳ１３は、ロックアップクラッチピストンに従来の一般的に行われる浸炭窒化・焼入れ処理を行うステップである。ステップＳ１４は、浸炭窒化・焼入れ処理によって生じた歪みを矯正する歪取り処理を行うステップである。最後のステップＳ１５は、仕上げ加工である切削加工を施すステップである。
同図（ｂ）に示すごとく、参考工程は、主にステップＳ２１からＳ２４の４つのステップを有するものである。ステップＳ２１は、素材として熱間圧延コイルを準備するステップであり、ステップＳ２２は、素材から所望形状のロックアップクラッチピストンをプレス成形により得るステップである。ここまでは従来工程と同様である。ステップＳ２３は、浸炭処理あるいは浸炭窒化処理を行うことなく、ロックアップクラッチピストンの硬化層形成部分に対して電子ビーム焼入れ処理を行うステップである。最後にステップＳ２４は、歪み取り処理を行うことなく行う仕上げ加工としての切削加工のステップである。
同図（ｃ）に示すごとく、本実施例工程は、主にステップＳ３１からＳ３５の５つのステップを有するものであり、上記参考工程におけ電子ビーム焼入れステップＳ２３の前に、減圧浸炭工程と減圧徐冷工程とを追加したものである。すなわち、ステップＳ３１は、素材として熱間圧延コイルを準備するステップであり、ステップＳ３２は、素材から所望形状のロックアップクラッチピストンをプレス成形により得るステップである。ステップＳ３３は、上述した本実施例の減圧浸炭工程と減圧徐冷工程とを施すステップである。ステップＳ３４は、ロックアップクラッチピストンの硬化層形成部分に対して電子ビーム焼入れ処理を行うステップである。最後にステップＳ３５は、歪み取り処理を行うことなく行う仕上げ加工としての切削加工のステップである。
本例では、以上のような３種類の製造方法によってそれぞれロックアップクラッチピストンを作製し、その硬化層の断面の硬度を測定した。
上記従来工程により作製したロックアップクラッチピストンは、材質として熱間圧延鋼板ＪＩＳ Ｇ ３１１３ ＳＡＰＨ（以下、単に「ＳＡＰＨ」という）を用いたものである。この従来工程の場合には、製品全体の表面が硬化層となるが、前述した図２３の表面処理部分４０２に相当する位置の硬度を測定した。測定結果は符号Ｃ８１として図３０に示す。同図は、横軸に、表面からの距離、縦軸に硬度（Ｈｖ）をとったものである。
上記参考工程及び本実施例工程により作製したロックアップクラッチピストンは、材質として、化学成分部が、質量％において、Ｃ：０．２０〜０．２５％、Ｓｉ：０．１０〜０．２５％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０％、Ｃｒ：０．２０〜０．４０％、Ｂ：０．００３０％以上を含有するボロン鋼（以下、単に「ボロン鋼」という）を用いたものである。また、各工程の電子ビーム焼入れステップＳ２３、Ｓ３４は、いずれも電子ビーム照射による溶融部が、深さ１０μｍの範囲となるように行った。これらの工程の場合は、部分的に硬化層が形成されるので、前述した図２３の表面処理部分４０２に相当する位置の硬度を測定した。測定結果は参考工程で作製したものを符号Ｃ８２として、本実施例工程で作製したものを符号Ｅ８１として図３０に示す。さらに、比較のため、本実施例工程におけるステップＳ３２直後の熱処理を施してないロックアップクラッチピストンについても、上記表面処理部分４０２に相当する位置の硬度を測定し、符号Ｃ８３として図３０に示した。
いずれの場合も、硬度測定は、マイクロビッカース硬度計（５０ｇ）を用いた。
図３０から知られるように、いずれの工程の場合も熱処理を施していない場合のＣ８３よりも表面硬度の向上が得られたが、特に、本実施例工程を採用したＥ８１の場合には、従来工程を採用したＣ８１及び参考工程を採用したＣ８２よりも高い硬度が得られた。これにより、本実施例の減圧浸炭工程、と減圧徐冷工程、及び高密度エネルギーを利用した焼入れ工程を行うことによって、従来以上の表面改質効果が得られることがわかる。しかも、図２９に示す工程の比較から明らかなように、従来工程では歪み取り処理のステップＳ１４が必須となるが、本実施例工程では浸炭処理を行っているにもかかわらず、上記減圧徐冷工程と電子ビーム焼入れ工程（高密度エネルギーを利用した焼入れ工程）の採用によって、歪み取り処理を省略することができる。したがって、本実施例の熱処理方法は、高硬度だけでなく、大幅な工程合理化が可能である。
（実施例８）
本例では、実施例７における本実施例工程及び参考工程を用いて、さらに材質として冷間圧延鋼板 ＪＩＳ Ｇ ３１４１ ＳＰＣＥ（以下、単に「ＳＰＣＥ」という）を用いてロックアップクラッチピストンを作製し、その硬化層の硬度を測定した。いずれの工程も電子ビーム焼入れステップＳ２３、Ｓ３４は、電子ビーム照射による溶融部が、深さ１０μｍの範囲となるように行った。硬度測定部分は、前述した図２３の表面処理部分４０２に相当する位置である。本実施例工程を採用した場合の測定結果は符号Ｅ９１として、参考工程を採用した場合の測定結果は符号Ｃ９１として図３１に示す。さらに、比較のため、実施例７におけるＥ８１、Ｃ８２についても合わせて図３１に示した。
同図から知られるごとく、いずれの材質においても、電子ビーム焼入れ処理の前に、減圧浸炭工程と減圧徐冷工程とを施すこと（Ｅ８１、Ｅ９１）が、これを施さずに電子ビーム焼入れ工程を施す場合（Ｃ８２、Ｃ９１）よりも硬度向上効果が大きいことがわかる。特に、材質が上記ＳＰＣＥの場合には、減圧浸炭工程と減圧徐冷工程を省略して電子ビーム焼入れ工程を施しても、硬度向上効果がほとんど得られないことがわかった。
（実施例９）
本例は、実施例７における本実施例工程及び参考工程を用いて、電子ビーム焼入れ工程における溶融部の形成深さの影響を調べる試験を行った結果である。
材質としては、上記のＳＰＣＥと上記のボロン鋼とを用い、それぞれ本実施例工程及び参考工程における電子ビーム焼入れ工程の溶融部深さを１０μｍと５０μｍの２種類とした。
また、本例でも、比較のため、本実施例工程におけるステップＳ３２直後の熱処理を施してないロックアップクラッチピストンについても、上記表面処理部分４０２に相当する位置の硬度を測定した。
測定結果は、図３２に示す。同図は、横軸に種類を、縦軸に硬度（Ｈｖ）をとったものである。符号Ｃ１０１〜Ｃ１０４は、ステップＳ３２直後の熱処理を施してないもの、符号Ｃ１１１〜Ｃ１１４は参考工程によって作製したもの、符号Ｅ１０１〜Ｅ１０４は本実施例工程によって作製したものである。また、符号Ｃ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１１１、Ｃ１１２、Ｅ１０１、及びＥ１０２は、材質が上記ＳＰＣＥであり、それ以外は材質は上記のボロン鋼である。
図３２より知られるごとく、浸炭処理事前に行わない電子ビーム焼入れ工程のみの実施による硬度向上効果は材質によって差が生じるが、浸炭処理（減圧浸炭工程と減圧徐冷工程）を電子ビーム焼入れ工程の前に行うことによって、材質による差異をあまり生じさせることなく大幅な硬度向上効果が得られることがわかる。

Claims (27)

  1. 鋼部材を浸炭ガス中において浸炭処理する浸炭工程と、
    該浸炭工程を終えた上記鋼部材を、オーステナイト化温度以上の温度から冷却ガス中において冷却するに当たり、該冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で徐冷する減圧徐冷工程と、
    冷却された上記鋼部材における強度向上させたい部分のみを局部的に高密度エネルギーを利用してオーステナイト化温度以上に加熱した後に急冷して硬化層を形成し、該硬化層以外の部分にはマルテンサイト組織を形成させることなく該硬化層にマルテンサイト組織を形成する焼き入れ工程とを含むことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  2. 請求項１において、上記減圧徐冷工程は、上記冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で、該冷却ガスを撹拌しながら行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  3. 請求項１又は２において、上記減圧徐冷工程は、少なくとも、上記鋼部材の温度が５００℃以下になるまで行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記減圧徐冷工程は、少なくとも、上記鋼部材の冷却による組織変態が始まる前からすべての組織変態が完了するまで行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記減圧徐冷工程における上記冷却ガスの減圧状態は、０．１ｂａｒ〜０．６５ｂａｒの範囲とすることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  6. 請求項５において、上記減圧徐冷工程における上記冷却ガスの減圧状態は、０．１ｂａｒ〜０．３ｂａｒの範囲とすることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記減圧徐冷工程では、上記鋼部材の温度がＡ１変態点以下となった後に上記冷却ガスの撹拌速度を高める条件で冷却を行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項において、上記減圧徐冷工程では、上記鋼部材の温度がＡ１変態点以下となった後に上記冷却ガスの圧力を高める条件で冷却を行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項において、上記浸炭工程は、上記鋼部材をオーステナイト化温度以上に加熱すると共に、０．００１〜０．１ｂａｒの減圧条件下において行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項において、上記焼き入れ工程における上記急冷の冷却速度は、２００℃／秒〜２０００℃／秒であることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項において、上記高密度エネルギーを利用した加熱は、高周波加熱により行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項において、上記急冷は、水焼入れにより行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項において、上記焼き入れ工程は、高密度エネルギービームを上記鋼部材の所望部分に照射することにより加熱した後、自己放冷により急冷することにより行うことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  14. 請求項１３において、上記高密度エネルギービームは、電子ビームであることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  15. 請求項１４において、上記焼き入れ工程では、電子ビームを上記鋼部材の所望部分に照射して表層のみを融点以上に加熱して溶融部を形成し、次いで該溶融部をマルテンサイト変態領域まで急冷してマルテンサイト組織とすることにより硬化層を形成することを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  16. 請求項１〜１５のいずれか１項において、上記硬化層は０．２ｍｍ以下であることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  17. 請求項１〜１６のいずれか１項において、上記鋼部材は、上記浸炭工程及び上記減圧徐冷工程後にバナジウム炭窒化物の析出強化もしくはベイナイト組織の変態強化により、機械的強度もしくは硬度を得る非調質鋼であることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  18. 請求項１〜１７のいずれか１項において、上記鋼部材は、上記浸炭工程および上記減圧徐冷工程後において、浸炭の及ばない部材内部の硬度が、ビッカース硬度Ｈｖの値において５０〜１５０上昇する非調質鋼であることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  19. 請求項１〜１７のいずれか１項において、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  20. 請求項１〜１７のいずれか１項において、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２２〜０．２６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：１．４０〜１．６０％、Ｃｒ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  21. 請求項１〜１７のいずれか１項において、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：２．１０〜２．３０％、Ｃｒ：０．９０〜１．１０％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  22. 請求項１〜１７のいずれか１項において、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．２〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  23. 請求項１〜１７のいずれか１項において、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．４〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．４〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．１％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  24. 請求項１〜１７のいずれか１項において、上記鋼部材の化学成分が、質量％において、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．４〜０．６％、Ｍｎ：１．４〜２．０％、Ｃｒ：０．４〜０．６％、Ｍｏ：０．３〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、Ｓ：０〜０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  25. 請求項１〜２４のいずれか１項において、上記鋼部材は、自動車の駆動系部品であることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  26. 請求項１〜２５のいずれか１項において、上記鋼部材は、トルクコンバータにおけるロックアップクラッチ装置にスプリングと共に内蔵されるロックアップクラッチピストンであって、
    該ロックアップクラッチピストンは、円盤状の平板部と、該平板部から軸方向に立ち上がった立上がり部とを有しており、
    上記平板部と上記立上がり部には、上記スプリングとの摺動による摩耗を抑制するための硬化層を、上記焼き入れ工程の実施により設けることを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
  27. 鋼部材を所望形状に成形する成形工程を行った後、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の熱処理方法を実施することを特徴とする鋼部材の製造方法。
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