JP6801377B2 - 鋼材部品の熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材部品の熱処理方法に関するものである。

浸炭焼入れ等の熱処理を行う際にリングギヤ等の環状のワークを載置するための熱処理用治具として、上下を反転すると第１の載置片と第２の載置片とが入れ替わって同じ形状になるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の浸炭焼入れ処理では、熱処理用治具を交互に上下を反転させて使用してワークを第１、第２載置片に交互に載置することにより、第１及び第２載置片がワークの重量による荷重を受けてクリープ変形する頻度を減少させ、第１及び第２の載置片の垂れによるワークの平面度品質の低下を抑制している。

特開２００７−３０２９４３号公報

上記熱処理用治具を使用しての熱処理では、ワークの背面と第１又は第２載置片とが接触していることから、ワークの背面に焼入れできない箇所が生じるので、適用できる部品が限られるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、鋼材部品の所定部位の荷重を支持した状態で、当該所定部位に対して焼入れできる鋼材部品の熱処理方法を提供することである。

本発明は、鋼材部品の所定部位に面又は多点で接触して前記所定部位の荷重を支持する荷重支持部を有する熱処理治具を準備し、前記所定部位の荷重を前記所定部位に面又は多点で接触した前記荷重支持部で支持した状態で、前記鋼材部品に対して焼入れ処理を含む表面硬化処理を実施し、前記焼入れ処理において、前記荷重支持部を冷却して前記荷重支持部から前記所定部位への伝熱により前記所定部位を冷却する鋼材部品の熱処理方法であって、前記表面硬化処理は、浸炭処理を含み、前記熱処理治具が有する複数の孔を通して浸炭ガスを前記所定部位に供給することによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、鋼材部品の所定部位に面又は多点で接触した荷重支持部を冷却して当該荷重支持部から当該所定部位への伝熱により当該所定部位を冷却することにより、鋼材部品の所定部位の荷重を支持した状態で、当該所定部位に対して焼入れできる。

本発明の一実施形態の熱処理方法を用いて浸炭焼入れ処理する鋼材部品を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の鋼材部品の熱処理方法で使用する治具を示す斜視図である。 図２の治具の上に図１の鋼材部品を配置した状態を示す斜視図である。 １個の鋼材部品及びそれに対応する治具の一部を拡大して示す平面図である。 図４の５−５断面図である。 比較例に係る鋼材部品の浸炭処理を説明するための図である。 本発明の一実施形態の焼入れ処理を説明するための断面図（図４の５−５断面図に相当）である。 治具の厚みと浸炭焼入れの対象の鋼材の厚みとの設定条件を示すグラフである。 表１に示す実施例と比較例との冷却速度を示すグラフである。 本発明の他の実施形態の熱処理方法を用いて浸炭焼入れ処理するリンク形状の鋼材部品を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態の熱処理方法で使用する治具と、図１０の鋼材部品とを示す斜視図である。 図１１の治具と図１０の鋼材部品との概略の断面図である。 図１２の治具の変形例と図１０の鋼材部品との概略の断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の熱処理方法を用いて浸炭焼入れ処理する鋼材部品１を示す斜視図である。この図に示すように、鋼材部品１は、傘歯車であり、傘歯部１１と軸部１２とを備える。傘歯部１１は、歯が形成された円錐面である歯面１１１と、歯面１１１の裏面を構成する裏面１１２とを備える。軸部１２は、傘歯部１１の中心に設けられており、傘歯部１１の裏面１１２から歯面１１１の反対側に突出している。また、軸部１２の中心には、貫通孔１２１が形成されている。

図２は、本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法で使用する治具２を示す斜視図である。図３は、治具２の上に鋼材部品１を配置した状態を示す斜視図である。これらの図に示すように、治具２は、複数の凹部２１が縦横に並べて設けられた板材である。この治具２のそれぞれの凹部２１に鋼材部品１が配置される。

治具２は、多孔板であり、直径が１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の孔２３（図２においては省略、図５参照）が、直径の１．１〜２．０倍程度の間隔で縦横に形成されている。なお、本実施形態では、孔２３の直径は８ｍｍであり、孔２３の間隔（中心点間の距離）は９ｍｍである。ここで、凹部２１に多数の孔２３が形成されていることにより、この多数の孔２３を通して浸炭ガスを傘歯部１１の歯面１１１に当てることができる。

凹部２１の中心には円柱形状の凸部２２が形成されており、この凸部２２が、軸部１２の貫通孔１２１に嵌り込む。一方、凹部２１は、傘歯部１１の歯面１１１の凹凸形状及びテーパ形状に倣った形状に形成されており、傘歯部１１と凹部２１とが相互に噛み合った状態で嵌り合う。これにより、凹部２１の凹凸形状の表面と傘歯部１１の歯面１１１とが相互に面で接触した状態で、傘歯部１１の荷重が治具２に保持される。

図４は、１個の鋼材部品１及びそれに対応する治具２の一部を拡大して示す平面図であり、図５は、図４の５−５断面図である。図５に示すように、凹部２１の歯面１１１との接触面（以下、上面という）には、歯面１１１の凸凹に倣った凸凹が形成されているのに対して、凹部２１の上面の裏側の面（以下、下面という）には、凸凹が形成されていない。ここで、傘歯部１１の歯先１１１Ａには、凹部２１の上面の谷部２１Ａが対応し、傘歯部１１の歯底１１１Ｂには、凹部２１の上面の山部２１Ｂが対応する。このため、凹部２１の厚さは、歯底１１１Ｂに対応する部位において最大となり、歯底１１１Ｂから歯先１１１Ａに近づくほど小さくなり、歯先１１１Ａに対応する部位において最小となっている。

以上のような構成の治具２は、鋼材部品１と比較して熱容量が小さい材料により構成されている。具体的には、治具２は、熱容量が一般的な耐熱鋼（例えば、ＳＣＨ２４：熱容量＝4.67［J/(cm³・K)］）の１／２以下である材料により構成されている。このような材料としては、Ｃ／Ｃコンポジット（例えば、ＣＦＣデザイン社製のＦＳ２４０、熱容量＝1.275［J/(cm³・K)］）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）（例えば、ＳｉＣ３Ｎ、熱容量＝1.813［J/(cm³・K)］）等を例示できる。ここで、炭素鋼（０．５Ｃ以下）の熱容量は、3.6［J/(cm³・K)］）程度であるため、治具２を構成する材料の熱容量は、鋼材部品１の熱容量の２／３以下であることが好ましく、１／２以下であることがより好ましい。なお、Ｃ／Ｃコンポジットの熱容量は、炭素鋼の熱容量の１／３程度、シリコンカーバイトの熱容量は、炭素鋼の熱容量の１／２程度となる。

治具２を構成する材料の融点は、浸炭温度の２倍以上に設定されている。ここで、Ｃ／Ｃコンポジットやシリコンカーバイトは、融点が２５００℃以上であるため、浸炭温度（後述するように本実施形態では１２５０℃）の２倍以上という条件を満足する。

以下、本実施形態の浸炭焼入れ処理の方法について説明する。本実施形態では、図３に示すように、鋼材部品１を治具２の凹部２１に載置した状態で、鋼材部品１の浸炭処理及び焼入れ処理を実施する。

浸炭処理では、図３に示すように治具２上に載置された複数の鋼材部品１を、治具２と共に浸炭ガスの雰囲気中に投入して所定温度（本実施形態では１２５０℃）まで加熱し、所定時間だけ当該所定温度に保持した後に徐冷する。本実施形態では、浸炭処理の時間を１５分とした。

ここで、凹部２１に複数の孔２３が所定間隔で縦横に形成されていることにより、歯面１１１には、複数の孔２３を通して浸炭ガスが当たる位置が均等な間隔で点在することになる（図５参照）。このため、歯面１１１において、均等な間隔で点在する浸炭ガスの供給点の相互間で浸炭の拡散が生じることにより、一様に浸炭層が形成される。

図６は、比較例に係る鋼材部品１の浸炭処理を説明するための図である。この図に示すように、本比較例の浸炭処理では、歯面１１１が上向きになるように、平板である治具１０２の上に鋼材部品１を載置する。そのため、傘歯部１１の軸部１２から張り出した部位は、治具１０２から浮いた状態となり、荷重を支持されない。

ところで、鋼材の浸炭処理の処理速度を表す指標としての拡散定数Ｄは、下記（１）式で表される。また、鋼材の熱処理時のクリープ変形量Ｐは、下記（２）式で表される。

但し、Ｄ_０は振動数因子であり、Ｑは活性化エネルギであり、Ｒはボルツマン定数であり、Ｔは処理温度であり、Ｃは残量定数であり、ｔ_ｒは処理時間である。

上記（１）式によれば、拡散定数Ｄは、処理温度Ｔが高くなるほど大きくなるので、高温での浸炭処理が効率化に繋がる。しかしながら、上記（２）式によれば、高温での熱処理では鋼材のクリープ耐力が低下する。ここで、本比較例では、傘歯部１１の軸部１２から張り出した部位の荷重が、治具１０２により支持されていないので、高温での浸炭処理を実施した場合には、クリープ耐力の低下により、傘歯部１１の軸部１２から張り出した部位に自重による変形が生じ、浸炭処理後の傘歯部１１に重力方向への熱処理変形が生じる可能性がある。このため、本比較例の浸炭処理では、本実施形態の浸炭処理と比較して、処理温度Ｔを低くせざるを得ず、処理時間ｔ_ｒが長くなる。具体的には、下記表１に示すように、本実施形態の浸炭処理では処理温度Ｔを１２５０℃、処理時間ｔ_ｒを１５分にできるのに対して、比較例の浸炭処理では、処理温度Ｔを９３０℃までしか上げることができず、処理時間ｔ_ｒは２３７分と長くなる。さらに、本実施形態の浸炭処理では傘歯部１１の変形量（下垂量）を０．００２ｍｍまで抑えることができるのに対して、比較例の浸炭処理では、傘歯部１１の変形量（下垂量）が０．０１５ｍｍと相対的に大きくなる。

ここで、クリープ耐力は、材料の温度が高くなる程速く低下し、材料の融点の４〜５割程度で顕著に低下する。それに対して、本実施形態の浸炭処理では、治具２を構成する材料の融点が浸炭温度の２倍以上であることから、浸炭処理時に治具２にクリープ耐力が顕著に低下することを防止でき、治具２が鋼材部品１の荷重で変形することを効果的に抑制できる。従って、治具２の変形に起因する傘歯部１１の変形（下垂）を効果的に抑制できる。

浸炭処理後は、図３に示すように治具２上に載置された複数の鋼材部品１を、炉内に投入して所定温度（本実施形態では９００℃）まで加熱し、その後、ガス冷却による焼入れ処理を実施する。

図７は、本実施形態の焼入れ処理を説明するための断面図（図４の５−５断面図に相当）である。この図に示すように、焼入れ処理では、治具２の下側から治具２に冷却ガスＧを噴射して治具２及びその上の傘歯部１１を冷却する。冷却ガスＧとしては、加圧した窒素やヘリウム等を例示できる。

即ち、本実施形態の焼入れ処理では、治具２を冷却ガスＧにより冷却し、治具２からの伝熱により傘歯部１１を冷却する。ここで、上述したように、治具２の熱容量は、鋼材部品１より小さく、さらにＳＣＨ２４等の一般の耐熱鋼の熱容量の１／２以下（本実施形態では、１／４〜１／３）と小さいので、冷却ガスＧと傘歯部１１との間に治具２が介在することによる冷却速度の低下を抑制でき、臨界冷却速度以上の冷却速度を確保することが可能になる。なお、治具２の孔２３を通して冷却ガスＧが歯面１１１に当るところ、歯面１１１に直接当る冷却ガスＧも、傘歯部１１の冷却に寄与する。

図８は、治具２の厚みと浸炭焼入れの対象の鋼材の厚みとの設定条件を示すグラフである。治具２の厚みは、冷却ガスＧが当たる面（下面）から鋼材との接触面（上面）までの距離に相当し、板材である治具２の場合には板厚に相当する。一方、鋼材の厚みは、治具２の板面の法線方向についての鋼材の下端（治具２との接触点）から上端までの距離に相当する。

図８のグラフでは、治具２の厚みを横軸にとり、鋼材の厚みを縦軸にとり、十分な焼入れ効果を得るための治具２の厚みと鋼材の厚みとの設定条件を示している。このグラフに示すように、治具２の厚みと鋼材の厚みとの関係を表す１次関数（直線Ｌ）より下側の領域が、治具２の厚みと鋼材の厚みとの設定条件を満足する領域である。

直線Ｌは、下記表２に示すＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの５点を通る。

ここで、鋼材の厚みが鋼材の表面積に対して相対的に大きくなるほど鋼材の冷却速度が低くなり、鋼材の焼入れ性が低下する。それに加えて、治具２の下面から上面までの距離が長くなるほど（即ち、鋼材の厚みが大きくなるほど）、治具２の下面から上面までの熱伝導が遅くなり、鋼材の冷却速度が低くなる。そこで、本実施形態では、鋼材の厚みが大きくなるほど、治具２の厚みの上限値を小さく設定する。例えば、鋼材の厚みが６ｍｍの場合には、治具２の厚みの上限値を７ｍｍ以下にするのに対して、鋼材の厚みが１４ｍｍの場合には、治具２の厚みの上限値を３ｍｍ以下にする。

本実施形態の焼入れ処理では、治具２から傘歯部１１への熱伝達率を、加圧窒素ガスや焼入れ油等の冷媒で傘歯部１１を直接冷却する場合における冷媒から傘歯部１１への焼入れ時の熱伝達率と同程度に設定する。ここで、加圧窒素ガス及び焼入れ油による歯車の焼入れ時における加圧窒素ガス及び焼入れ油から歯車への熱伝達率は、２［kw/m²・k］程度であるため（例えば、特開２０１０−８３１２号公報、特開２０１０−１７４２８９号公報参照）、焼入れ時の治具２から傘歯部１１への熱伝達率を２［kw/m²・k］程度に設定する。なお、異種材料間の熱伝達率は、公知の方法（例えば、「「異材界面における接触熱抵抗の評価」，福岡俊道・野村昌孝・山田章博 著，日本機械学会論文集．Ａ編，７６（７６３）：３４４−３５０頁，発行日：２０１０年３月２５日」参照）により算出することができる。

治具２から傘歯部１１への熱伝達率と、冷媒で傘歯部１１を直接冷却する場合における冷媒から傘歯部１１への焼入れ時の熱伝達率とが同程度であることにより、焼入れ時に、傘歯部１１と治具２との間と、治具２と冷媒との間とで熱流束が同等になる。従って、本実施形態の焼入れ処理によれば、治具２を介さずに冷媒で傘歯部１１を直接冷却する場合と同等の冷却速度で焼入れを実施できる。

ここで、上記表１に示すように、比較例の焼入れ処理では、傘歯部１１の歯先１１１Ａの有効硬化層深さが１．０７ｍｍとなったのに対して、上記実施例の焼入れ処理では、傘歯部１１の歯先１１１Ａの有効硬化層深さが１．１ｍｍとなった。この結果から、本実施形態の焼入れ処理によれば、治具２を介さずに冷却ガスＧで傘歯部１１の歯面１１１を直接冷却する場合と同等の焼入れ効果を得られることが確認された。

ところで、歯車部品の歯先１１１Ａ、及び歯先１１１Ａと歯底１１１Ｂとの間（以下、歯先等という）については、高速で摺動することから高い表面硬度が要求される。そのため、歯車部品の歯先等については、高度の焼入れ強烈度が要求される。それに対して、歯車部品の歯底１１１Ｂについては、焼入れ強烈度が高度になるとマルテンサイト化による靱性低下が顕著になるため、相対的に低い焼入れ強烈度が要求される。

そこで、本実施形態の焼入れ処理では、治具２の凹部２１の厚みを、歯底１１１Ｂに対応する部位において最大となり、歯底１１１Ｂから歯先１１１Ａに近づくほど小さくなり、歯先１１１Ａに対応する部位において最小となるように設定することにより、歯底１１１Ｂの冷却速度を、歯先１１１Ａの冷却速度と比較して低くし、歯底１１１Ｂの焼入れ強烈度を、歯先１１１Ａの焼入れ強烈度と比較して低くしている。

ここで、上記表１に示すように、比較例の焼入れ処理では、傘歯部１１の歯先１１１Ａの有効硬化層深さが１．０７ｍｍであるに対して、歯底１１１Ｂの有効硬化層深さが１．０ｍｍであり、両者の差は小さい。それに対して、上記実施例の焼入れ処理では、傘歯部１１の歯先１１１Ａの有効硬化層深さが１．１ｍｍであるのに対して、歯底１１１Ｂの有効硬化層深さが０．６ｍｍであり、両者の差が相対的に大きい。この結果から、本実施形態の焼入れ処理によれば、傘歯部１１の歯面については相対的に高い表面硬度にすることができ、傘歯部１１の歯底部１１１Ｂについては相対的に高靱性にすることができることが確認された。

図９は、表１に示す実施例と比較例との冷却速度を示すグラフである。このグラフに示すように、比較例では、３０秒の冷却時間で鋼材が９００℃の焼入れ温度から２８０℃まで冷却されるのに対して、本実施例では、３０秒の冷却時間で鋼材が９００℃の焼入れ温度から１６０℃まで冷却されることが確認された。

以上説明したように、本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法では、鋼材部品１の傘歯部１１の歯面１１１に面で接触して傘歯部１１の荷重を支持する凹部２１を有する治具２を準備し、この治具２を用いて焼入れ処理を含む表面硬化処理を実施する。これにより、焼入れ処理又はその他の表面硬化処理の際に、加熱した傘歯部１１の荷重を、歯面１１１に面で接触した凹部２１で支持することができるので、傘歯部１１の軸部１２から張り出した部位に自重が加担したクリープ変形が生じることを抑制できる。

焼入れ処理では、傘歯部１１の荷重を歯面１１１に面で接触した凹部２１により支持した状態で、凹部２１を冷却して凹部２１から傘歯部１１への伝熱により傘歯部１１を冷却する。これにより、鋼材部品１を、歯面１１１を下向きにして治具２の凹部２１に載置した状態で焼入れ温度まで加熱した後、鋼材部品１の保持状態を変えることなく、歯面１１１を冷却できる。従って、本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法によれば、鋼材部品１の自重が加担したクリープ変形を抑制できると共に、焼入れできない箇所が生じない、適用できる部品が制限されない焼入れ処理を実現できる。

また、上述の特許文献１に記載の熱処理方法では、第１及び第２載置片がリングギヤの歯部の荷重を受けてクリープ変形することにより、歯部の平面度品質が低下することを抑制する必要がある。そのため、熱処理用の治具を所定回数使用する毎に上下反転させたり、治具に所定の歪み量が生じる毎に上下反転させたりする等の管理が必要となるので、工程が複雑化したり、工数が増加したりするという問題がある。それに対して、本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法では、傘歯部１１の歯面１１１の全体に凹部２１の上面を面で接触させた状態で、傘歯部１１を治具２で保持することにより、傘歯部１１の自重を受けて治具２がクリープ変形することを抑制している。従って、治具の管理を不要にできるので、工程の複雑化や工数の増加を招くことなく、鋼材部品１の自重が加担したクリープ変形を抑制できる。

また、本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法では、治具２を多孔板としたことにより、この治具２の孔２３を通して浸炭ガスを歯面１１１に供給することができ、傘歯部１１の歯面１１１を浸炭することができる。

また、本実施形態の鋼材部品１の熱処理方法では、治具２を構成する材料の融点を、浸炭処理での浸炭温度の２倍以上としていることにより、浸炭処理での治具２の顕著なクリープ耐力の低下を防止でき、治具２が傘歯部１１の荷重を受けてクリープ変形することを効果的に抑制できる。

また、本実施形態の焼入れ処理では、冷却ガスＧを治具２に噴射することにより治具２を冷却して傘歯部１１の歯面１１１を冷却する。特に、治具２の下面に対して鉛直に冷却ガスＧを衝突させる。即ち、インピンジメント冷却により、治具２の下面の温度境界層を破壊する。これにより、治具２の冷却速度を高めることができ、傘歯部１１の冷却速度を高めることができる。ここで、治具２を介さずに傘歯部１１を直接冷却する場合には、傘歯部１１の歯面１１１の全域に冷却ガスを垂直に衝突させることができないことからインピンジメント効果が十分に得られない。それに対して、本実施形態の焼入れ処理では、冷却ガスＧと傘歯部１１との間に板状の治具２を介在させ、治具２の平坦な下面に冷却ガスＧを衝突させることにより、インピンジメント効果を高めることができる。

また、本実施形態の焼入れ処理では、凹部２１の厚さを、傘歯部１１の歯底１１１Ｂに対応する部位において最大となり、傘歯部１１の歯先１１１Ａに近づくほど小さくなることにより、冷却ガスＧから歯底１１１Ｂまでの距離を、冷却ガスＧから歯先１１１Ａや歯の側面までの距離と比較して大きくしている。これにより、歯底１１１Ｂの冷却速度が、歯先１１１Ａや歯の側面の冷却速度と比較して低くなることによって、歯底１１１Ｂの焼入れ強烈度が、歯先１１１Ａや歯の側面の焼入れ強烈度と比較して低くなる。従って、傘歯部１１の歯先１１１Ａや歯の側面については相対的に高硬度とし、傘歯部１１の歯底部１１１Ｂについては相対的に高靱性とすることができる。

図１０は、他の実施形態の熱処理方法を用いて浸炭焼入れ処理するリンク形状の鋼材部品３を示す斜視図である。この図に示すリンク形状の鋼材部品３は、可変圧縮比エンジンのマルチリンクを構成する部品である。このマルチリンクは、一対の鋼材部品３が相互に対称に組み合わされてネジで結合された構成であり、クランクシャフトを回転軸として圧縮比を変更する分だけ回転する。

鋼材部品３は、半円形状の軸受部３１と、一対のピン圧入部３２と、ネジ部３３とを備える。一対のピン圧入部３２とネジ部３３との間に軸受部３１が設けられている。軸受部３１は、クランクシャフトの軸受を構成する。一対のピン圧入部３２は、アッパーリンク又はコントロールリンクを連結するためのピンを圧入する孔を有する。ネジ部３３は、ネジを螺合させるネジ孔３３Ａを有する。図示は省略するが、一対のピン圧入部３２の間にはネジが挿通されるネジ孔が形成されており、このネジ孔に挿通されたネジが、他方の鋼材部品３のネジ孔３３Ａに螺合する。

鋼材部品３では、軸受部３１の外周面の幅方向（周方向に対して直交する方向）の両端から一対の板部３４が張り出しており、それぞれの板部３４の先端にピン圧入部３２が設けられている。一対の板部３４は、スリット部３５を介して相互に平行に設けられている。また、一対の板部３４の内面３４Ａは、平面で構成されている。

図１１は、本実施形態の熱処理方法で使用する治具４と、上述の鋼材部品３とを示す斜視図である。また、図１２は、治具４と鋼材部品３との概略の断面図である。これらの図に示すように、治具４は、複数の鋼材部品３を保持する保持板４１と、鋼材部品３のスリット部３５に嵌め込まれる嵌込み部材４２とを備えている。保持板４１は、多孔板であり、直径が１〜数ｍｍ程度の孔がメッシュ状に形成されている。なお、本実施形態では、孔の直径は２ｍｍであり、孔の方向は無配向である。以上のような構成の保持板４１上に、鋼材部品３が一対の板部３４が上下に対向する状態で載置される。

一方、嵌込み部材４２は、保持板４１と同様の多孔質材料で構成されたブロック体であり、一対の板部３４の間に嵌合するように構成されている。ここで、嵌込み部材４２の上下面と板部３４の内面３４Ａとは同様の外形に形成されており、嵌込み部材４２の上面又は下面の全体と一方の板部３４の内面３４Ａの全体とが相互に面で接触する。これにより、保持板４１の上面と接触する一方の板部３４の荷重は保持板４１に支持され、他方の板部３４の荷重は嵌込み部材４２に支持される。

ここで、一方の板部３４の外面３４Ｂは保持板４１の上面と面で接触しているが、保持板４１が多孔質材料で構成されていることにより、浸炭ガスを一方の板部３４の外面３４Ｂに保持板４１の孔を通して当てることができる。また、上下の板部３４の内面３４Ａは、嵌込み部材４２の上面又は下面に面で接触し、軸受部３１の外周面、及び不図示のネジ部に接触又は近接しているが、嵌込み部材４２が多孔質材料で構成されていることにより、浸炭ガスを上下の板部３４の内面３４Ａ、軸受部３１の外周面、及び不図示のネジ部に嵌込み部材４２の孔を通して当てることができる。

以上のような構成の治具４は、上述の実施形態と同様に、鋼材部品３と比較して熱容量が小さく、且つ、熱容量が一般的な耐熱鋼（例えば、ＳＣＨ２４：熱容量＝4.67［J/(cm³・K)］）の１／２以下である材料により構成されている。このような材料としては、Ｃ／Ｃコンポジット（例えば、ＣＦＣデザイン社製のＦＳ２４０、熱容量＝1.275［J/(cm³・K)］）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）（例えば、ＳｉＣ３Ｎ、熱容量＝1.813［J/(cm³・K)］）等を例示できる。

治具４を構成する材料の融点は、浸炭温度の２倍以上に設定されている。ここで、Ｃ／Ｃコンポジットやシリコンカーバイトは、融点が２５００℃以上であるため、浸炭温度（後述するように本実施形態では１１８０℃）の２倍以上という条件を満足する。

以下、本実施形態の浸炭焼入れ処理の方法について説明する。本実施形態では、図１１に示すように、鋼材部品３を保持板４１の上に載置し、嵌込み部材４２を一対の板部３４の間に嵌合させた状態で、鋼材部品３の浸炭処理及び焼入れ処理を実施する。

浸炭処理では、図１１に示す状態の複数の鋼材部品３を、治具４と共に浸炭ガスの雰囲気中に投入して所定温度（本実施形態では１１８０℃）まで加熱し、所定時間だけ当該所定温度に保持した後に徐冷する。本実施形態では、浸炭処理の時間を７分とした。

比較例に係る鋼材部品３の浸炭処理を説明する。本比較例の浸炭処理では、一対の板部３４が相互に上下に対向するように鋼材部品１を不図示の治具で保持する。ここで、一対の板部３４の間に治具は配置しない。そのため、軸受部３１から張り出した板部３４の荷重が、治具により支持されない。これにより、高温での浸炭処理を実施した場合には、クリープ耐力の低下により、軸受部３１から張り出した板部３４に自重が加担したクリープ変形が生じ、浸炭処理後の板部３４に重力方向への熱処理変形が生じる可能性がある。このため、本比較例の浸炭処理では、本実施形態の浸炭処理と比較して、処理温度Ｔを低くせざるを得ず、処理時間ｔ_ｒが長くなる。具体的には、下記表３に示すように、本実施形態の浸炭処理では処理温度Ｔを１１８０℃、処理時間ｔ_ｒを７分にできるのに対して、比較例の浸炭処理では、処理温度Ｔを９３０℃までしか上げることができず、処理時間ｔ_ｒは１２７分と長くなる。さらに、本実施形態の浸炭処理では板部３４の変形量（下垂量）を０．００２ｍｍまで抑えることができるのに対して、比較例の浸炭処理では、板部３４の変形量（下垂量）が０．０１５ｍｍと相対的に大きくなった。

ここで、クリープ耐力は、材料の温度が高くなる程速く低下し、材料の融点の４〜５割程度で顕著に低下する。それに対して、本実施形態の浸炭処理では、治具４を構成する材料の融点が浸炭温度の２倍以上であることから、浸炭処理時に治具４にクリープ耐力が顕著に低下することを防止でき、治具４が鋼材部品３の荷重で変形することを効果的に抑制できる。従って、治具４の変形に起因する板部３４の変形（下垂）を効果的に抑制できる。

浸炭処理後は、保持板４１上に載置されると共にスリット部３５に嵌込み部材４２が嵌め込まれた複数の鋼材部品１を、炉内に投入して所定温度（本実施形態では９００℃）まで加熱し、その後、ガス冷却による焼入れ処理を実施する。

本実施形態の焼入れ処理では、保持板４１の下側から保持板４１に冷却ガスを噴射して保持板４１及びその上の板部３４や軸受部３１等を冷却する。また、嵌込み部材４２に冷却ガスを噴射して嵌込み部材４２及びその周囲の板部３４や軸受部３１やネジ部３３等を冷却する。冷却ガスとしては、加圧した窒素やヘリウム等を例示できる。

即ち、本実施形態の焼入れ処理では、治具４を冷却ガスＧにより冷却し、治具４からの伝熱により鋼材部品３の各部を冷却する。ここで、上述したように、治具４の熱容量は、鋼材部品３より小さく、さらにＳＣＨ２４等の一般の耐熱鋼の熱容量の１／２以下（本実施形態では、１／４〜１／３）と小さいので、冷却ガスと鋼材部品３の各部との間に治具４が介在することによる冷却速度の低下を抑制でき、臨界冷却速度以上の冷却速度を確保することが可能になる。なお、治具４の孔を通して冷却ガスが鋼材部品３の各部に当るところ、鋼材部品３の各部に直接当る冷却ガスも、鋼材部品３の各部の冷却に寄与する。

ここで、上記表３に示すように、比較例の焼入れ処理では、板部３４の内面３４Ａの有効硬化層深さが０．５２ｍｍとなったのに対して、上記実施例の焼入れ処理では、板部３４の内面３４Ａの有効硬化層深さが０．４ｍｍとなった。この結果から、本実施形態の焼入れ処理によれば、治具４を介さずに冷却ガスで直接鋼材部品３を直接冷却する場合と比較しても遜色のない焼入れ効果を得られることが確認された。

図１３は、上述の治具４の変形例に係る治具５及び鋼材部品３の概略の断面図である。この図に示すように、本実施例の治具５は、保持板５１と嵌込み部材５２とを備える。上述の保持板４１と嵌込み部材４２とは、表面が平滑であり、鋼材部品３に対して面で接触するのに対して、本実施例の保持板５１と嵌込み部材５２とは、表面に凸凹加工が施されており、鋼材部品３に対して多点で接触する。また、本実施例の保持板５１と嵌込み部材５２とは、多孔質材料ではなく孔の無い材料で構成されている。

即ち、保持板５１の上面と板部３４の外面３４Ｂとの間に隙間が生じた状態で、一方の板部３４は、保持板５１上に載置される。また、嵌込み部材５２の上下面と板部３４の内面３４Ａとの間に隙間が生じた状態で、嵌込み部材５２が上下の板部３４の間に嵌め込まれる。これにより、本実施例の治具５を用いた浸炭処理では、浸炭ガスが、保持板５１の上面と板部３４の外面３４Ｂとの隙間を通して、板部３４の外面３４Ｂに供給される。また、浸炭ガスが、嵌込み部材５２の上下面と板部３４の内面３４Ａとの隙間を通して、板部３４の内面３４Ａに供給される。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上述の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、上述の実施形態では、鋼材部品としてリンクギヤやマルチリンクを例に挙げたが、焼入れする部位に面又は多点で接触して保持した状態で焼入れ処理を実施する必要のある他の形状の鋼材部品にも本発明を適用できる。また、表面硬化処理として浸炭焼入れ処理を例に挙げたが、浸炭処理を実施することは必須ではなく、浸炭処理を省略したり、窒化焼入れを実施したりしてもよい。また、焼入れ処理の冷却方法としてガス冷却処理を例に挙げたが、冷却液に浸漬させたり、冷却液を噴射したりする等の他の冷却方法を用いてもよい。さらに、治具に孔や表面の凹凸を形成することは必須ではなく、孔や表面の凹凸の無い治具を焼入れする部位に接触させてもよい。

１ 鋼材部品
１１ 傘歯部
１１１Ａ 歯先
１１１Ｂ 歯底
２ 治具
２１ 凹部
２３ 孔
３ 鋼材部品
３１ 軸受部
３４ 板部
４ 治具
４１ 保持板
４２ 嵌込み部材

Claims (5)

1. 鋼材部品の所定部位に面又は多点で接触して前記所定部位の荷重を支持する荷重支持部を有する熱処理治具を準備する工程と、
   前記所定部位の荷重を前記所定部位に面又は多点で接触した前記荷重支持部で支持した状態で、前記鋼材部品に対して焼入れ処理を含む表面硬化処理を実施する工程と
   を備え、
   前記焼入れ処理において、前記荷重支持部を冷却して前記荷重支持部から前記所定部位への伝熱により前記所定部位を冷却する鋼材部品の熱処理方法であって、
   前記表面硬化処理は、浸炭処理を含み、
   前記熱処理治具は、複数の孔を有し、
   前記熱処理治具の孔を通して浸炭ガスを前記所定部位に供給することにより前記所定部位を浸炭する鋼材部品の熱処理方法。
2. 前記熱処理治具を構成する材料の融点は、前記浸炭処理での浸炭温度の２倍以上である請求項１に記載の鋼材部品の熱処理方法。
3. 前記焼入れ処理において、冷却ガスを前記熱処理治具に噴射することにより前記荷重支持部を冷却して前記所定部位を冷却する請求項１又は２に記載の鋼材部品の熱処理方法。
4. 前記鋼材部品は、前記所定部位としての傘歯部と、前記傘歯部の中心に位置する軸部とを備える傘歯車であり、
   前記熱処理治具は、前記傘歯部をその歯面に接触して支持する前記荷重支持部としての凹部が形成された板材であり、
   前記凹部の厚さは、前記傘歯部の歯底に対応する部位において最大となり、前記傘歯部の歯先に近づくほど小さくなる請求項３に記載の鋼材部品の熱処理方法。
5. 前記荷重支持部の厚みの上限値を、前記所定部位の厚みが大きくなるほど小さくなるように設定し、前記荷重支持部の厚みを前記上限値以下に設定する請求項１〜４の何れか１項に記載の鋼材部品の熱処理方法。

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