WO2007034911A1 - 鋼部材、その熱処理方法、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　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、減圧浸炭工程ａ１を終えた鋼部材を、冷却ガス中において冷却するに当たり、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、冷却された鋼部材の所望部分を高密度エネルギーを利用した焼き入れ工程ａ３とを含む。減圧冷却工程は、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で、冷却ガスを撹拌しながら行うことが好ましい。減圧冷却工程は、少なくとも、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。減圧冷却工程における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。

Description

明 細 書

鋼部材、その熱処理方法、及びその製造方法

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 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、研肖 I』、研磨 等の工程が必要となっていた。

[0004] 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、処理時間が長ぐ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。

[0005] 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。し力しながら、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 、。

[0006] 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 、場合があった。

[0007] 特許文献 1 :特開平 11 131133号公報

特許文献 2：特開平 5— 148535号公報

特許文献 3：特開平 8 - 311607号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 本発明は、力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 供しょうとするものである。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明の第 1の側面は、鋼部材を減圧下の浸炭ガス中にぉ 、て浸炭処理する減圧 浸炭工程と、

該減圧浸炭工程を終えた上記鋼部材を、冷却ガス中にお!/、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と、

冷却された上記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とを含むことを特徴とする鋼部材の熱処理方法にある。

[0010] 本発明の鋼部材の熱処理方法は、浸炭処理工程として上記減圧浸炭処理を採用 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。これによつて、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 することち可會となる。

[0011] 即ち、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。

[0012] 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ぐ高密度エネルギーの特性を活力して所望部分、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。

[0013] 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、上記減圧浸炭工程における浸炭深さ等の浸炭処理の度合！ヽを低下させたと 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減圧浸炭工程とを組み合わせること〖こ よって、上記減圧浸炭工程における浸炭処理時間を短縮してより効率ィ匕することも可 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ェ 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。

[0014] 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減圧浸炭工程と焼き入 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、減圧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 ヽ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。

[0015] 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'風下のいずれであつ ても、そもそも熱交換速度が遅ぐ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 とがでさる。

[0016] 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 一を利用した焼き入れ工程によるメリットを活力して、焼入れ後の鋼部材も歪みの少 な 、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。

[0017] また、上記減圧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、減圧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、上記減圧浸炭工程と上記減 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、減圧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!、処理が可能である。

[0018] 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。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]実施例 1における、（a)本発明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。 圆 2]実施例 1における、（a)本発明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。

圆 3]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)。

圆 4]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。

圆 5]実施例 1における、歪み発生状況を示す説明図。

圆 6]実施例 1における、残留応力発生状況を示す説明図。

圆 7]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。

[図 8]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。

[図 9]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。

[図 10]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。

圆 11]実施例 2における、歪み発生状況を示す説明図。

[図 12]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)。

[図 13]実施例 3における、試料 El、 C1の歪み発生状況を示す説明図。

[図 14]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。

圆 15]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。

[図 16]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。

[図 17]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。

[図 18]実施例 6における、熱処理装置の説明図。

圆 19]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。

[図 20]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。

[図 21]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。

[図 22]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。

[図 23]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 圆 24]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。 [図 25]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。

[図 26]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。

[図 27]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。

[図 28]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。

[図 29]実施例 7における、（a)従来工程、（b)参考工程、（c)本発明工程を示す説明 図。

[図 30]実施例 7における、硬度測定結果を示す説明図。

[図 31]実施例 8における、硬度測定結果を示す説明図。

[図 32]実施例 9における、硬度測定結果を示す説明図。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 本発明における上記減圧浸炭工程は、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. lbar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. OOlbar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. lbar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、ェチレ ン、エタン等を適用することができる。

[0021] また、上記減圧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。

[0022] 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 てオーステナイトィ匕温度以上に加熱し、その後急冷することにより行うことが好まし 、 。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。

[0023] 上記急冷の冷却速度は、 200°CZ秒〜 2000°CZ秒であることが好ましい。冷却速 度が 200°CZ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°CZ秒を超える急冷を実現することは困難である。

[0024] 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 効率ィ匕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。

[0025] 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。

[0026] 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つ 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。

[0027] 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、照射ビーム径ゃ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。

[0028] 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 、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。

[0029] 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. lmn！〜 0. 2mmの範囲と するのがよい。

[0030] また、上記減圧冷却工程は、減圧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 力 い低温域に入ってカゝらは、上記減圧冷却工程ではなぐ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。

[0031] 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°C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°C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。

[0032] 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 、。

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、よりいつそう歪み抑制効 果を高めることができる。

[0033] 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 る前力もすベての組織変態が完了するまで行うことが好ましい。即ち、鋼部材をォ一 ステナイト状態カゝ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。

[0034] 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. lbar〜0. 65b arの範囲とすることが好ましい。上記減圧状態を 0. lbar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. lbar〜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。

[0035] 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 力 SA1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。

[0036] 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 、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ちでさる。

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。

[0037] また、上記減圧冷却工程では、上記冷却ガスとして、上記減圧浸炭工程における 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 (N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

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冷去 P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。

[0038] また、上記鋼部材は、上記減圧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べ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力 本発 明の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。

[0039] また、上記鋼部材は、上記減圧浸炭工程および上記減圧冷却工程後にお 、て、浸 炭の及ばない部材内部の硬度力 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、上記減圧浸炭工程および上記減圧冷却ェ 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力 50〜150Ην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。

[0040] 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。

[0041] 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。

[0042] 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。

[0043] 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。

[0044] 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ィ匕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。

[0045] また、 Mo含有量は、 0〜0. 3%とすることが好ましい。 Moは添カ卩しなくてもよい。添 加すれば焼入層を強靱ィ匕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%を超えて添カロし 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。

[0046] また、上記 V含有量は 0〜0. 3%とすることが好ましい。 Vは添カ卩しなくてもよいが、 添加すれば端窒化物の析出効果もしくはべ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。

[0047] また、上記 S含有量は 0〜0. 05%とすること力好ましい。 Sは含有させなくてもよい 力 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。

[0048] 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: l. 40〜： L 60%、 Cr: 0. 40〜0. 6 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がある。

[0049] また、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C : 0. 11〜0. 15%、 Si: 0. 1 5〜0. 35%, Mn: 2. 10〜2. 30%、 Cr: 0. 90〜： L 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。

[0050] さらに、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.2〜0.3%、 Si:0.2〜 0.6%、 Mn:l.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 いることちでさる。

[0051] また、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.2〜0.3%、 Si:0.4〜0 .6%、 Mn:l.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 、ることも好まし 、。

[0052] また、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.2〜0.3%、 Si:0.4〜0 .6%、Mn:l.4〜2.0%、Cr:0.4〜0.6%、Mo:0.3〜0.4%、 V:0.05〜0.2 5%、 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 、ることも好まし 、。

[0053] 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限定したものであり、各 元素の添カ卩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。

[0054] 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 軟ィ匕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。

[0055] また、 Μηは、 1.40〜： L 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 軟ィ匕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。

[0056] また、 Crは、 0.40〜0.60%、 0.90〜： L 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 、焼入性及び焼戻軟ィ匕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。

[0057] 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 ることがでさる。

[0058] 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。

[0059] 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、 S Cr440、 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。

[0060] 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、低コストィ匕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。

[0061] 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。

[0062] 上記ロックアップクラッチピストンは、上述した減圧浸炭工程、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ビス 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イ匕されていないため、良好な力卩ェ性 を示す。それ故、本発明により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。

[0063] 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。

[0064] 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 、。

[0065] 次に、鋼部材としては、上記本発明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 t 、う高 、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

[0066] (実施例 1)

本発明の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、本発明の熱処理方法 (本発明方法)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に示すごとぐ筒状の本体部 80の内周面に歯面 81を備えたもので あり、歯面の硬度が高ぐまた真円度が非常に重要な部品である。

[0067] まず、図 1に示すごとぐ本発明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。 [0068] 本発明方法は、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°C 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 alを行い、その後、 40 分かけて 150°C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°C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。

[0069] 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 °C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 blを行い、その後 焼入れ温度である 850°Cに保持した後、油焼入れする焼入れ工程 b2を行うと 、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!、ては、この焼き戻し工程 b4を行った後の状態で行った。

[0070] 次に、本発明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)に示すごとぐ本発明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。

[0071] 図 2 (b)に示すごとぐ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。

[0072] 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 、、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。

本発明方法では、図 1のヒートパターン Aにも示すごとぐ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 al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。

[0073] 上記減圧浸炭工程 alは、浸炭および拡散処理として 950°C X 49分の処理を行つ た力 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 (N )、減圧状態は 0. 2bar、

2

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ィ匕温 度以上の温度から 150°C以下の温度となるまで、冷却速度は 10°CZ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°C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°CZ秒であった。

[0074] 比較方法では、図 1のヒートパターン B力 も知られるように、浸炭温度である 950°C 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 blを行い、その後焼 入れ温度である 850°Cに保持した後、油焼入れする焼入れ工程 b2を行うと 、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。

[0075] 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。

上記本発明方法では、上記の浸炭に適した SCM420 CFIS)に代えて、化学成分が 、質量⁰ /₀【こお ヽて、 C : 0. 22〜0. 26%, Si: 0. 15〜0. 35%, Mn: l. 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: l. 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 El)を素 材として用いた。

[0076] 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)をとつ たものである。そして、本発明方法により処理した鋼部材の結果を符号 El、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。 [0077] 同図から知られるように、本発明方法 (El)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、本発明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、本発明方法 (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。

[0078] 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、 ¾ 0」と¾ 0だ円」の 2種類を行った。「BBD」は、図 3に示すご とぐ歯面 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 ¾ 0」の最大値と最小値の差を「BBD だ円 m)」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。

[0079] 図 5には、上記の ¾ 0」と¾ 0だ円」の測定結果を示す。同図左側の欄には、本 発明方法の結果として、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ぐ本発明方法を採用すれば、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 、ることもわ力る。

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 ゎカゝる。

[0080] 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の表面力もの距離をとり、縦軸に残留応力を 、引張を +、圧縮を一としてとった。

本発明方法 (E1)の場合には、少なくとも最表面力 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、本発明の方法は、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 ヽと 、う効果も得られることがわかる。

[0081] (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。

[0082] 試験 1 :

試験 1では、図 7に示すごとぐ上記鋼部材をオーステナイトィ匕温度以上の 950°Cに 昇温する浸炭処理を行った後に、鋼部材を 150°C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 Nを用い、 0. 3bar—定の減圧状態とし、冷却

2

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—定で運転して得られる条件とした。

[0083] 試験 2 :

試験 2では、図 8に示すごとぐ鋼部材の冷却開始力 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 Nを用い、 0. 3bar—定

2

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—定に落として運転し、その後、 15分後（図 8の C点）に 550rp m—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。

[0084] 試験 3 :

試験 3では、図 9に示すごとぐ鋼部材の冷却開始力 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 Nを用い、その減圧状態

2

を 0. 65bar—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—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。

[0085] 試験 4 (比較試験）：

試験 4では、図 10に示すごとぐ鋼部材の冷却開始力も冷却完了まで、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. Oba r (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。

[0086] 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に示すごとぐ実施例 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 m)」として求めた。上記 BBD寸法は、図 3に示すごとぐ歯面 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。 [0087] 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)よりも小さぐ歪み抑制効果が非常に高いことがわかる。

[0088] (実施例 3)

本例は、図 12に示すごとぐ実施例 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。

本例で行う本発明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、本発明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 E 1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 C 1を採用した。

[0089] 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。

[0090] 図 13には、本発明方法を試料 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、本発明方法を試料 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 C 1に適用した結果をも示した。

また、本発明方法においては、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、本発明方法の焼入れ工程 では、その冷却速度が 1420°CZ秒であった。

[0091] 図 13、図 14力も知られるように、本発明方法を採用すれば、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 ていることがわ力る。

[0092] (実施例 4) 本例では、実施例 1における素材 (試料 El)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)に対して本発明方法を実施した。

試料 E2は、ィ匕学成分力 質量⁰ /₀において、 C:0.11〜0.15%、Si:0. 15〜0.3 5%, Mn:2. 10〜2.30%、Cr:0.90〜： L.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【こ ίま、質量⁰ /₀【こお ヽて、 C:0.13%, Si:0.24%, Mn:2.20%, Cr:l.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。

[0093] 試料 E3は、化学組成が質量⁰ /₀において、 C:0.2〜0.3%、 Si:0.4〜0.6%、 M n:l.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⁰ /₀において、 C:24%、 Si:0.5%、 Mn:l.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。

[0094] 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%、 M n:l.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:l.4%、 Cr:0.5% 、Mo:0.37%、V:0. 12%、S:0.016%を含有し、残部力 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。

[0095] その測定結果図 15に示す。同図は横軸に表面力もの距離 (mm)を、縦軸にピツカ ース硬さ（Hv)をとつたものである。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 ける本発明例 E1と比較例 C1も合わせて記載した。

[0096] 同図から知られるように、本発明方法を適用することによって、材質を上記の試料 E 2、 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 ゎカゝる。

[0097] (実施例 5)

本例では、図 16に示すごとぐ実施例 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)をとつたものである。

[0098] 同図より知られるごとぐ本例では、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。

[0099] 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。

[0100] 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。

[0101] 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!/ヽ 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 歪み発生を抑制すベぐ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

[0102] (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°C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°C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、高密度ェ 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!、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。

[0103] 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に示すごとぐ溶融部 21となる鋼部材 2の表層を、 7500°CZ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力も溶融部 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 1Z4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。

[0104] 次いで、溶融部 21形成直後に高温状態を維持することなぐ 600°CZ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 1 600°CZ秒であった。

これにより、溶融部 21は直ちに凝固して、ー且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。

[0105] また、上記電子ビーム焼入れ工程は、図 17に示すごとぐ鋼部材 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。

[0106] 一方、鋼部材 2は、図 17に示すごとぐ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。

[0107] 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ぐ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。

[0108] 特に本例においては、溶融部 21は、鋼部材 2の厚みの 1Z4以下の深さの表層の みに形成するため、 600°CZ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。

[0109] 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に示すごとぐ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。

[0110] 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に示すごとぐ鋼部材 2を入れる加工室 19と、該加工室 1 9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 1 11と偏向レンズ 112とを有する。

[0111] 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

[0112] 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に示すごとぐ鋼部材 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！/、く。

[0113] これにより、図 19に示すごとぐ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。

[0114] 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口 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 に示すごとぐポンプインペラ 100、該ポンプインペラ 100と共にトーラスを構成するタ 一ビンランナ 200、ステータ 300、ロックアップクラッチ装置 400及びダンバ装置 500 によって構成されている。

[0115] 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ェン 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べ 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 30 0間を循環させられる。

[0116] 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 3 00 (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 したば力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 «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つてタ 一ビンランナ 200とポンプインペラ 100との回転速度差が小さくなつた場合には単な る流体継手として作動するようになって!/、る。

[0117] 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 る力 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ノ レ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。

[0118] また、トルクコンバータに取り付けられた前記ダンバ装置 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等力ら成って!/ヽる。

[0119] 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ビス 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より径が小さぐかつ短く設定され、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橈み始める。

[0120] 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バ装置 5 00を介してタービンハブ 700に伝達される力 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。

[0121] 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 4 1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 (ェンジ 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。

[0122] 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。

[0123] 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。

[0124] 次に、この装置を用いて、図 23、図 24に示すごとぐ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。

[0125] 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 ツチピストン 41を、表面処理部分 401、 402の移動速度が約 16. 7mZ分となる速度 で回転させる。そして、図 22、図 24に示すごとぐ 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。

[0126] 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。

[0127] 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をトルクコンパ一 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。

[0128] また、上記表面硬化層は非常に厚みが薄ぐまた、高密度エネルギービーム 11、 1 2の影響が表面処理部分以外の部分に殆ど及ばな 、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。

[0129] 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、上記のごとぐ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。

[0130] 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 C、 Cに従って照射される。この場合、各

1 2

円偏向軌跡 C、 C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。

[0131] なお、各円偏向軌跡 C、 Cは、 X軸方向及び y軸方向において正弦波の偏向波形

1 2

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 C、 Cを切

1 2 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 wが発生させられ、該偏向波形 wと前記 y軸方向における偏

1 1

向波形とが重ねられる。

[0132] 従って、電圧 Vが正の値を採る時間 tの間に被熱処理領域 25に電子ビームが照

E 1

射され、電圧 Vが負の値を採る時間 tの間に被熱処理領域 26に電子ビームが照射

E 2

される。

[0133] また、前記偏向波形 wの時間 tを短ぐ時間 tを長く設定することによって、被熱処

1 1 2

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 wの時間 tを短ぐ時間 tを長

1 1 2 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よりも柔ら力べするこ とができる。これによつて、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 でなぐ処理時間の更なる短縮を図ることができる。

[0134] 次に、図 27に示すごとぐ被熱処理領域 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 C、 Cによって電子ビームが照射される。つまり

3 4

、各面偏向軌跡 C、 C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

3 4

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。

[0135] なお、各面偏向軌跡 C、 Cは X軸方向及び y軸方向において三角波の偏向電圧を

3 4

発生させることによって形成される。また、各面偏向軌跡 C、 Cを切り換え、被熱処理

3 4

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 w

1 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。

[0136] 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、 、ずれのものであって も本発明を適用することができる。

[0137] (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 1、て製造し、得られた製品にお!、て熱 処理前後の硬化層の硬度を測定した。

[0138] 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 S 11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 S 12は、素材力も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 S 14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 S 15は、仕上げカ卩ェである切削加工を施すステップである。

[0139] 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、素材力 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ぐ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 S 24は、 歪み取り処理を行うことなく行う仕上げカ卩ェとしての切削加工のステップである。

[0140] 同図（c)に示すごとく、本発明工程は、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、上述した本発明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。ステツ 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 上げカ卩ェとしての切削加ェのステップである。

[0141] 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 ¾JIS 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力 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、表面力ゝらの距離、縦軸に硬度 (Hv)をとつたものである。

[0142] 上記参考工程及び本発明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、化学成分部力、質量⁰ /₀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力 深さ 10 m 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、本発明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、本発明工程におけるステップ S32直後 の熱処理を施してな 、ロックアップクラッチピストンにつ 、ても、上記表面処理部分 4 02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。

[0143] 図 30から知られるように、 、ずれの工程の場合も熱処理を施して!/、な 、場合の C8 3よりも表面硬度の向上が得られた力 特に、本発明工程を採用した 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、本発明の減圧浸炭工程、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。し力も、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が必須となる力 本発明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、 本発明の熱処理方法は、高硬度だけでなぐ大幅な工程合理ィ匕が可能である。

[0144] (実施例 8)

本例では、実施例 7における本発明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）を用いてロックァ 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力 深さ 10 m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。本発明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。

[0145] 同図力 知られるごとぐ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力つた

[0146] (実施例 9)

本例は、実施例 7における本発明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、それぞれ本発明工程及び 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 10 μ mと 50 μ mの 2種類 とした。 また、本例でも、比較のため、本発明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)をとつたもの 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 C 111〜C114は参考工程によって作製したもの、符号 E101〜E104は本発明工程 によって作製したものである。また、符号 C101、 C102、 Cl l l、 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より知られるごとぐ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力る。

Claims

請求の範囲

[1] 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!/、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と、

冷却された上記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 ヽて、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力 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。

[4] 請求項 1〜3のいずれか 1項において、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. lbar〜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。

[5] 請求項 4において、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. 1 bar〜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。

[6] 請求項 1〜5の！、ずれか 1項にお 、て、上記減圧冷却工程では、上記鋼部材の温 度力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。

[7] 請求項 1〜6の！、ずれか 1項にお 、て、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 を特徴とする鋼部材の熱処理方法。

[8] 請求項 1〜7の!ヽずれか 1項にお ヽて、上記減圧浸炭工程は、上記鋼部材をォ一 ステナイトイ匕温度以上に加熱すると共に、 0. 001-0. lbar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。

[9] 請求項 1〜8のいずれか 1項において、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イ匕温度以上に加熱し、その後急 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。

[10] 請求項 9において、上記急冷の冷却速度は、 200°CZ秒〜 2000°CZ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 9または 10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 9〜： L 1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 9又は 10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 、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 15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、上記減圧浸炭工程及び 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べイナイト組織の変 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、上記減圧浸炭工程および 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 19において、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.22〜0.

26%、 Si:0.15〜0.35%、 Mn:l.40〜： L 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 19において、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.11〜0.

15%、Si:0.15〜0.35%, Mn:2. 10〜2.30%、Cr:0.90〜： L.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 19において、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.2〜0.3

%、 Si:0.2〜0.6%、 Mn:l.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、残部力 SFe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 22において、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.2〜0.3

%、 Si:0.4〜0.6%、 Mn:l.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、残部力 SFe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 22において、上記鋼部材の化学成分力 質量％において、 C:0.2〜0.3

%、 Si:0.4〜0.6%、 Mn:l.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] 請求項 1〜26のいずれか 1項に記載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。

[28] 請求項 27において、最表面の残留応力が 200〜1500MPaの圧縮残留応力とな つて 、ることを特徴とする鋼部材。

[29] 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。