ガス焼入れ方法
【課題】表面の硬度が高く、且つ、内部（芯部）の靭性に優れる焼入れ品を得ることができるガス焼入れ方法を提供する。
【解決手段】 焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１の冷却速度でガス冷却する第１の冷却工程と、その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御する。
【解決手段】 焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１の冷却速度でガス冷却する第１の冷却工程と、その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼の熱処理におけるガス焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の焼入れでは、例えば冷却能の異なる油を用途に応じて使い分けている。冷却能は、ホット油、セミホット油、コールド油の順で高くなる。
【０００３】
コールド油で焼入れをすると、焼入れ品の有効硬化層が深く得られ、内部硬度が高くなる。一方、ホット油で焼入れをすると、有効硬化層が浅くなり、内部硬度が低くなる。
【０００４】
また、油ではなくガスによる焼入れ方法として、特許文献１〜３に記載のものがある。
【０００５】
特許文献１には、不完全焼入れを生じさせることなく、寸法精度の高い焼入れ材を製造することが可能な、低ひずみ焼入れ材の製造方法が記載されている。すなわち、鋼材を８００〜１２００℃に加熱する加熱工程、加熱された前記鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持し、その後鋼材を室温まで冷却する低ひずみ焼入れ材の製造方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、塩や油などの冷媒を用いなくとも表面硬化処理による熱処理歪が少なく、寸法精度の高い肌焼き鋼について記載されている。所定の成分の鋼材であって、該鋼材を用いて成形された部品を焼入れ処理する際における該部品の芯部温度がＡｒ３変態点以下６００℃以上の範囲を非酸化性ガスを用いた冷却によって行うときのＰ及びＫ１値が所定の関係式を満たすように成分調整された肌やき鋼である。
【０００７】
特許文献３には、低い圧力において従来の装置では困難であった肌焼き鋼に対して焼入れを行うことができる、鋼部品のガス冷却方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１２１０６４号公報
【特許文献２】特開２００２−２９４３９６号公報
【特許文献３】特開２０００−８７１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、歯車などでは、表面を硬化させつつ内部には靭性が必要とされる。冷却能に優れるコールド油を用いて単純に有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）を向上させるだけでは、内部（芯部）硬度が高くなって靭性に乏しく、歯車等としては好ましくない。
【００１０】
また、塩や油を使用した焼入れ方法においては、塩や油の除去のために煩雑な作業が必要とされ、除去に伴う汚染物質の排出が避けられず、廃液処理の問題も生じるので、このような面で問題のないガスによる焼入れ方法が好ましい。
【００１１】
特許文献１には、１００〜５００℃の温度まで急冷し、３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ保持した後、室温まで冷却する、低ひずみ焼入れ材の製造方法が開示されており、特許文献２には、鋼材の成分を調整して熱処理歪の少ない肌焼用鋼が開示されており、また特許文献３には、ガス圧が従来装置と比べて小さく、ガス流速が比較的大きいガス冷却方法が開示されている。しかしこれらの焼入れ方法または冷却方法で有効比率を向上させつつ内部硬度を維持することはできず、それらを可能にする技術は、前記特許文献には開示も示唆もない。
【００１２】
本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたものであり、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の靭性に優れる焼入れ品を得ることができる、ガス焼入れ方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明に係るガス焼入れ方法は、鋼部材からなるワークを浸炭処理した後、ガスを用いて冷却する鋼部材のガス焼入れ方法であって、焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１の冷却速度でガス冷却する第１の冷却工程と、その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする（請求項１）。なお、本発明における芯部とは全浸炭深さ（カーボン濃度が母材と同じとなるワーク表面からの距離、全硬化層深さと同等）の境界位置とする。
【００１４】
好適な実施の一形態として、ワークの表面が連続冷却変態線図において、全てマルテンサイト変態するように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御する態様を例示する（請求項２）。
【００１５】
好適な実施の一形態として、前記ワークの有効硬化層深さとなるように前記第１の冷却速度を制御する態様を採用することもできる（請求項３）。
【００１６】
好適な実施の一形態として、前記第1の冷却工程と前記第2の冷却工程との間に、ワークの芯部の温度を前記第１の温度域で所定の保温時間保持する保温工程を備え、ワークの芯部の硬さが所定の硬さとなるように前記保温時間を制御する態様を例示する（請求項４）。
【００１７】
好適な実施の一形態として、前記ワークが減圧密閉容器内に配置され、該減圧密閉容器に冷却ガスを供給し、前記減圧密閉容器の上部中央に設けたファンにより、前記減圧密閉容器内で前記ワークの側面部に均一に冷却ガスを接触させて前記ワークをガス冷却する態様を例示する（請求項５）。
【００１８】
好適な実施の一形態として、前記第１の冷却速度および前記第２の冷却速度の制御が、前記ファンの回転数によるガス流速の制御によるものである態様を例示する（請求項６）。
【００１９】
好適な実施の一形態として、前記第２の冷却速度が、ホット油でワークを冷却するときのワークの冷却速度である態様を例示する（請求項７）。
【００２０】
好適な実施の一形態として、前記第１の冷却速度が、コールド油でワークを冷却するときのワークの冷却速度である態様を例示する（請求項８）。
【００２１】
本発明に係るガス焼入れ方法によれば、ワーク表面の有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）がコールド油で冷却したと同等の冷却速度であるため高い焼入れ品が得られ、ワークの内部（芯部）硬度がホット油で冷却したと同等の小さい、靭性に優れた焼入れ品が得られる。すなわち、全浸炭深さの同じワークであれば、有効硬化層深さ（ＥＣＤ）がより大きく、芯部の硬度が小さい、じん性に優れた焼入れ品を得ることができる。
【００２２】
前記ガス焼入れ方法によれば、冷却速度を制御することにより、塩や油を使用することなく要求される品質に合わせた焼入れが可能となる。
【００２３】
なお、「ホット油」及び「ホット油でワークを冷却するときのワークの冷却速度（ホット油本来の冷却速度）」とは、ＪＩＳ Ｋ ２２４２「熱処理油」における ＪＩＳ ２種 の油を使用し、該ＪＩＳに記載された条件で冷却することを指す。また、「コールド油」及び「コールド油でワークを冷却するときのワークの冷却速度（コールド油本来の冷却速度）」とは、ＪＩＳ Ｋ ２２４２ における ＪＩＳ １種 の油を使用し、該ＪＩＳに記載された条件で冷却することを指す。特に本発明において「ホット油（本来）の冷却速度」とは、流速が毎秒０．６ｍ以下のホット油でワークを冷却したときの冷却速度を意味する。
【００２４】
また、鋼材の焼入温度とは、一般に実施されているようにＡ３線およびＡ１線より３０〜５０℃程度高い温度である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の焼入れ方法で得られる硬度分布の模式図である。
【図２】ＳＣＭ４２０試験片０．８ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図（表面相当）である。
【図３】ＳＣＭ４２０試験片０．５ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図である。
【図４】ＳＣｒ４３５試験片０．３５ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図である。
【図５】ＳＣｒ４１５試験片０．２ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図（芯部相当）である。
【図６】本発明の方法を実施するのに好適なガス冷却装置（ガス焼入れ装置）の説明図である。
【図７】図６のガス冷却装置における減圧密閉容器の縦断正面図である。
【図８】図７の減圧密閉容器における内部ダクトの平面図である。
【図９】図８の内部ダクトの正面図である。
【図１０】図７の減圧密閉容器の一部の横断平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本願発明者は、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の靭性に優れる焼入れ品を得ることができる焼入れ方法について、鋭意検討と試験を繰り返し、本願発明を見いだした。
【００２７】
従来の油焼入れ方法では冷却能の異なる焼入れ油を用途に応じて使い分けている。焼入れ油としてはコールド油、セミホット油、ホット油があり、コールド油が最も冷却能が大きく、ホット油が最も冷却能が小さい。
【００２８】
コールド油とホット油での焼入れの違いは、同じ鋼部材、すなわち同形状・同材質・同じ深さ方向のカーボンプロファイル（カーボン濃度分布）の鋼部材においてコールド油では有効硬化層が深く得られるが内部硬度が高く、ホット油では有効硬化層が浅くなるが内部硬度は低い。
【００２９】
歯車などは表面を硬化させ内部に靭性が必要なため、単純に冷却能を上げて有効比率を上げるだけでは靭性に優れた製品を製造することはできない。ホット油で焼入れされた製品の内部硬度はそのままで、有効硬化層だけを深く得る焼入れができれば優れた表面硬度と靭性を併せ持つ製品となる。すなわち、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の硬度がホット油で冷却した程度である靭性に優れる焼入れ品について、発明者らは検討を重ねた。
【００３０】
まず、本発明の焼き入れ方法で目標とする鋼部材の硬度分布の例として、鋼部材ＳＣｒ４２０（浸炭品）の焼入れ品の深さ方向の硬度分布について、図１に模式図を示した。図１に示されるとおり、ＳＣｒ４２０をコールド油で焼入れした場合はＥＣＤ（有効硬化層深さ）が０．８ｍｍ（ビッカース硬度Ｈｖが５１３のときの深さ、ＪＩＳに準拠）であり、芯部の硬さがＨＲＣ３５である。また、ＳＣｒ４２０をホット油で焼入れした場合はＥＣＤが０．６５ｍｍ（ビッカース硬度Ｈｖが５１３のときの深さ、ＪＩＳに準拠）であり、芯部の硬さがＨＲＣ３０である。本発明の焼入れ方法においては、ＥＣＤをコールド油の焼入れと同様の０．８ｍｍ程度に保持したまま、芯部硬さをホット油と同様のＨＲＣ３０程度とするものを目標とする。
【００３１】
本発明者は上記特性が得られる方法として、まず、１回の焼入れにおいて、コールド油とホット油を使用し、冷却時間（冷却速度）をコントロールすることで、有効硬化層深さはコールド油焼入れ並み、芯部硬度はホット油焼入れ程度に制御することができるか試験を行った。
【００３２】
＜予備試験＞
（１）サンプル及び試験方法
鋼種ＳＣｒ４２０、直径１８ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を準備し、以下の５つの方法で焼入れ処理を実施した。なお、コールド油（日本グリース製：ハイスピードクエンチ １０７０）は６０℃、ホット油（日本グリース製：光輝マルテンパー油 Ｓ）は１３０℃に加熱したものを、それぞれステンレス製バケツに１０Ｌ準備した。また、試験片の中心部と外周部から１．５ｍｍの距離の部分に直径１ｍｍ、深さ２０ｍｍの穴を開け、熱電対を挿入して温度プロファイルを測定した。
【００３３】
予備試験１： 浸炭品である試験片を８５０℃まで加熱し、８５０℃で１５分保持した後、コールド油に浸漬して６００℃まで冷却（第１の冷却工程）した後にコールド油から取り出し、１秒保持（保温工程）後、該試験片をホット油に浸漬する（第２の冷却工程）手順で焼入れを実施した。
【００３４】
予備試験２： 浸炭品である試験片を８５０℃まで加熱し、８５０℃で１５分保持した後、コールド油に浸漬して６００℃まで冷却（第１の冷却工程）した後にコールド油から取り出し、３秒保持（保温工程）後、該試験片をホット油に浸漬する（第２の冷却工程）手順で焼入れを実施した。なお、予備試験１および予備試験２の焼入れ前に測定した試験片の深さ方向のカーボンプロファイルは図１と同じである。
【００３５】
（２）結果
予備試験１及び予備試験２：
コールド油冷却曲線からホット油冷却曲線に移行させることができた。芯部の温度をコールド油冷却曲線上の５００℃付近（Ｍｓ点を超える温度）でホット油冷却に切り替えれば、ホット油の冷却速度に変更でき、芯部はマルテンサイト変態の量を抑制することができる。
【００３６】
コールド油冷却から６００℃ですぐ（約１秒；予備試験１）ホット油冷却に切り替える（約５００℃）と、表面硬度および有効硬化層深さはコールド油と同等、芯部硬度はホット油と同等となった。
【００３７】
コールド油冷却から６００℃保持３秒（予備試験２）にてホット油冷却に切り替える（約５００℃）ことで、表面硬度および有効硬化層深さはコールド油と同等、芯部硬度はホット油と同等となった。
【００３８】
なお、本願の有効硬化層深さ（ＥＣＤ）はＪＩＳ Ｇ ０５５７「鋼の浸炭硬化層深さ測定法方」に準拠して測定し、限界硬さはビッカース硬さ５１３とした。
【００３９】
以上より、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の硬度がホット油で冷却した程度である靭性に優れる焼入れ品が得られることがわかった。
【００４０】
（３）考察
浸炭品（浸炭領域、予備試験１、予備試験２）であればＣＣＴ線図におけるノーズに引っかかることがないため、表面はコールド油と同等が得られると推定される。以下、ＣＣＴ線図と関連づけて考察する。
【００４１】
ａ．上記予備試験１、予備試験２においては浸炭拡散処理において、表面のカーボン濃度が０．８ｍａｓｓ％となっている。芯部温度を約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持した後ホット油で冷却した場合、表面は全てマルテンサイト変態となった。図２のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．８ｍａｓｓ％）に示すとおり、フェライト、ベイナイトノーズが右に寄っているため、マルテンサイト変態となったと考えられる（図２の鋼種はＳＣＭ４２０であるが、傾向は類似しているため説明のため代用した）。
【００４２】
ｂ．次にカーボン濃度が０．５ｍａｓｓ％の箇所（表面から約０．５２ｍｍの深さの部分）における冷却を検討してみる。約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持した後ホット油で冷却した場合、カーボン濃度が０．５ｍａｓｓ％の部分はマルテンサイト変態となった。図３のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．５ｍａｓｓ％）に示すとおり、フェライト、ベイナイトノーズが右に寄っているため、全てマルテンサイト変態となったと考えられる（図３の鋼種はＳＣＭ４２０であるが、傾向は類似しているので説明のため代用した）。
【００４３】
ｃ．次にカーボン濃度が０．３５ｍａｓｓ％の箇所（表面から約０．７１ｍｍの深さの部分）における冷却を検討してみる。約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持（保温工程）した後ホット油で冷却した場合、ベイナイトを含むマルテンサイトの組織となった。図４のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．３５ｍａｓｓ％）に示すとおり、ベイナイトノーズのかぶり量（ベイナイトの量）によって、大きなＥＣＤ（Ｈｖ５１３）が得られるか得られないかが決まると考えられる。コールド油の冷却曲線であればＨｖ５５０、ホット油の冷却曲線でＨｖ４３０となる。したがって、試験片内部（芯部）はＭｓ点直上でホット油の冷却曲線にのせ、且つカーボン濃度が０．３５ｍａｓｓ％付近の浸炭層をいかに早く冷却してベイナイトノーズのかぶりを少なくしてマルテンサイト変態させるかが本発明のポイントとなると考えられる（図４の鋼種はＳＣｒ４３５であるが、傾向は類似しているため説明のため代用した）。
【００４４】
ｄ．次に、カーボン濃度が約０．２ｍａｓｓ％の箇所（表面から約１．５ｍｍの深さの部分、芯部）における冷却を検討してみる。約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持した後ホット油で冷却した場合、フェライトとセメンタイトを含むマルテンサイトなどの組織となった。本試験片の場合、コールド油での焼入れ硬度（ロックウェル硬度）はＨＲＣ３５であり、ホット油の焼入れ硬度はＨＲＣ３０である。図５のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．２ｍａｓｓ％）に示すとおり、初期冷却速度はコールド油並みに速くしてもＭｓ変態線より高い温度で冷却速度をホット油程度に落とすことで内部硬度ＨＲＣ３０に近づけることが可能となると考えられる（図５の鋼種はＳＣｒ４１５であるが、傾向は類似しているため説明のため代用した）。
【００４５】
なお、コールド油からホット油への切り替え時間が長すぎると芯部の保有熱により表面温度が復温し、Ｍｓ点より低くなった箇所が再度Ｍｓ点以上に復温した場合、硬度低下が懸念される。
【００４６】
上述の通り、コールド油とホット油を使用することにより、図１に示される目標とした深さ方向の硬度プロファイル、すなわち有効硬化層深さはコールド油焼入れ並み、芯部硬度はホット油焼入れ程度が得られることがわかった。
【００４７】
以上の予備試験及び冷却に関する考察より、また、本発明はガス焼入れであることから、本発明に係るガス焼入れ方法として、次の方法が得られる。すなわち、鋼部材からなるワークを浸炭処理した後、冷却する鋼部材の焼入れ方法であって、焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１のガス冷却速度で冷却する第１の冷却工程と、その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする、焼入れ方法である。
【００４８】
さらに、前記第1の冷却工程と前記第2の冷却工程との間に、ワークの芯部の温度を前記第１の温度域で所定の保温時間保持する保温工程を備え、ワークの芯部の硬さが所定の硬さとなるように前記保温時間を制御しても良い。
【００４９】
前記第１の温度域とはワークの芯部がＭｓ点より高い温度であり、具体的にはＭｓ点温度＋２００℃の温度域であることが好ましい。
【００５０】
また、前述の、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度で冷却した場合と“同等”になるように、とは、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度で冷却した場合のワークの芯部の硬さに対し、本発明の焼入れ方法で作製したワークの芯部の硬度がロックウェル硬さ（ＨＲＣ）で概ね±２以内の範囲であれば“同等”といえる。
【００５１】
本発明においてワークの深さ方向のカーボン濃度の測定は、まずワークを硬化面に垂直に切断し、切断面を研磨仕上げして被検面とした。被検面について、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて表面に垂直な深さ方向のカーボン（Ｃ）濃度を測定した。図１のＣ濃度（カーボンプロファイル）はこのようにして測定した。また、カーボンプロファイルにおいて、浸炭前のワーク（母材）のＣ濃度と同じになる深さ（表面からの距離）を全浸炭深さとし、本発明においては、この位置（境界部）を芯部とした。
【００５２】
なお、本願における芯部のロックウェル硬さの測定は、前述のようにワークの切断し、断面研磨したサンプルにおける芯部の部分を、ＪＩＳ Ｚ ２２４５「ロックウェル硬さ試験−試験方法」のロックウェル硬さ、Ｃスケールに準拠して測定した。
【００５３】
また、本願におけるワーク表面のビッカース硬さの測定は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して試験力３００ｇ（２．９４２Ｎ）で測定した。
【００５４】
有効硬化層深さ（ＥＣＤ）は、ＪＩＳ Ｇ ０５５７「鋼の浸炭硬化層深さ測定方法」に準拠して、前述のようにワークの切断し、断面研磨したサンプルについてビッカース硬さを測定した。
【００５５】
前記保持時間はワークの大きさ、形状、目的とする硬さにもよるが、概ね２０秒以内、好ましくは１０秒以内、さらには５秒以内で良い。
【００５６】
以下、添付図面を参照して、前記ガス焼入れ方法を実施するための具体的な態様として、本発明の実施の一形態に係るガス焼入れ方法について説明する。
【００５７】
本発明の実施の一形態に係るガス焼入れ方法をするに際し、まずガス冷却装置について説明する。
【００５８】
図６に示すように、減圧密閉容器１と、真空ポンプ２と、この真空ポンプ２と上記容器１間を接続する排気路３と、この排気路３に介挿した排気バルブ４と、冷却ガスを貯蔵したリザーバタンク５と、このリザーバタンク５と上記容器１間を接続する冷却ガス導入路６と、この冷却ガス導入路６に介挿した導入バルブ７とにより、鋼部品（ワーク）のガス冷却装置を構成する。
【００５９】
前記減圧密閉容器１は、図７に示すように外筒８と内筒９とより成る二重筒構造とし、この二重筒間に冷却水通路１０を形成し、例えばリング状の被処理鋼部品１１を支持台１２によって前記内筒９の中心部１３で保持せしめると共に、前記内筒９と前記支持台１２間に中間筒状体１４を配置し、この中間筒状体１４と前記内筒９間、前記容器１の上蓋１５間及び底板１６間に夫々流体通路１７〜１９を形成し、前記中間筒状体１４の内周面には、上記中心部１３で最も狭くなり、これより上下方向に向って次第に広がる逆円錐台状及び円錐台状の断面形状の空間２０及び２１が形成されるようにした形状の環状壁２２を設ける。
【００６０】
また、前記中間筒状体１４内の上部中央には循環ファン２３を配置し、前記上蓋１５に載置したモータ２４によって回転せしめる。
【００６１】
また、前記循環ファン２３の下面と前記支持台１２間における前記空間２０内には、前記空間２０を流れる流体を整流するための内部ダクト２５を配置し、この内部ダクト２５は図８及び図９に示すように、前記空間２０の上部から前記中心部１３に向って延びる逆円錐台状断面のコア部２６と、このコア部２６の外周面に互に円周方向に離間して上下方向及び半径方向外方に延び、その上端が互に同一円周方向に弧状に湾曲する複数のガイド片２７とにより構成し、このガイド片２７の任意のものを前記中間筒状体１４の壁２２に固定せしめる。
【００６２】
更に前記内筒９の内周面には、図１０に示すように、半径方向内方にＶ字状に開いて上下方向に延びる鋼製の伝熱フィン２８を複数個取り付けると共に、前記容器１の底板１６上には、その中央部２９が円錐状に上方に盛り上がり、周辺部３０が弧状に上方に湾曲する下部整流板３１を配置し、前記上蓋１５の下面には、その中央部３２が逆円錐台状に下方に突出する上部整流板３３を配置し、この中央部を貫通して前記モータ２４の回転軸３４が前記循環ファン２３に向って延びるようにする。
【００６３】
なお、３５は、前記上蓋１５と前記モータ２４の回転軸３４間に形成した磁気シール、３６は、前記底板１６と、前記支持台１２の支持棒３７間に形成した真空シールである。
【００６４】
本発明の鋼部品からなるワークのガス焼入れ方法（ガス冷却方法）においては、減圧密閉容器１内を真空ポンプ２により排気バルブ３を介して内部圧力が１Ｐａ程度（ワークが焼き入れ温度で酸化されない圧力）になるまで真空排気し、図示しない隣接する減圧された容器（例えば減圧浸炭室）から浸炭済のワーク（被処理鋼部品１１）が搬送され、前記減圧密閉容器１内の所定の位置に被処理鋼部品１１を保持した後、排気バルブ４を閉じてから前記減圧密閉容器１内に外部に設置したリザーバタンク５に蓄えた冷却ガスを導入バルブ７を開いて所定の圧力例えば１ＭＰａ〜０．６ＭＰａになるまで導入する。導入バルブ７を閉じて容器１内に冷却ガスを封入した後、被処理鋼部品１１の上部に設けた循環ファン２３をモータ２４で駆動し、図７中に矢印で示すように、冷却ガスを空間２０，２１、流体通路１９，１７，１８を介して循環せしめる。
【００６５】
所定の時間、循環ファン２３を駆動させ被処理鋼部品１１を冷却し、その間、冷却ガスを水冷された伝熱フィン２８を有する内筒９を介して冷却する。
【００６６】
前記冷却ガスとしては、一種の不活性ガス、一種或いは二種以上の混合不活性ガス、または水素ガス単体或いは水素ガスと不活性ガスの混合ガスを用いる。
【００６７】
前記循環ファン２３としては軸流ファンを用い、駆動モータ２４の出力をインバータ等により調節し、その回転数を変えることにより被処理鋼部品に最適な熱履歴を与えるようにする。
【００６８】
＜実施例１＞
図６に示す本発明のガス冷却装置内に、被処理鋼部品１１として前工程で約８７０℃に加熱した外径１９０ｍｍ、内径１４０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、重さ２．４Ｋｇの角状断面のリング状鋼部品（浸炭品）を入れ焼入れを行う。鋼部品の材質は一般的な肌焼き鋼であるＳＣＭ４２０とし、冷却ガスは窒素単体、導入圧力は０．６ＭＰａとする。
【００６９】
循環ファン駆動モータ２４としては出力１８．５ｋｗの２極汎用モータを用い、運転周波数はインバータ変換により９０Ｈｚとし、循環ファン２３の回転数を５４００ｒｐｍとして１０秒間冷却した後、回転数を３６００ｒｐｍに落として冷却する。これにより、本発明の焼入れを実現でき、循環ファンの回転数が５４００ｒｐｍのときが前述のコールド油での冷却速度に相当し、回転数が３６００ｒｐｍのときが前述のホット油での冷却速度に相当する。
ファン起動時の被処理鋼部品の温度は搬送中に降温し約８５０℃であったが、ファン起動後は１０秒後で４５０℃、２０秒後で３００℃、３０秒後で２００℃、４０秒後で１４０℃、５０秒後で１００℃である。
焼き入れの結果、被処理鋼部品の芯部硬さはロックウェル硬さでＨＲＣ３２であった。また、ＥＣＤは１．０ｍｍである。
【００７０】
＜比較例１＞
循環ファン２３の回転数を冷却の初めから終了まで３６００ｒｐｍとした以外は実施例１と同様の方法で被処理品の焼入れを実施する。
【００７１】
ファン起動時の被処理鋼部品の温度は搬送中に降温し約８５０℃であったが、ファン起動後は１０秒後で７５０℃、２０秒後で６１０℃、３０秒後で５４０℃、４０秒後で４６０℃、５０秒後で３８０℃、１２０秒後で１００℃である。
【００７２】
焼き入れの結果、被処理鋼部品の芯部硬さはロックウェル硬さでＳＣＭ４２０材がＨＲＣ３２であった。また、ＥＣＤは０．８ｍｍである。
【符号の説明】
【００７３】
１ 減圧密閉容器
２３ ファン（循環ファン）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼の熱処理におけるガス焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の焼入れでは、例えば冷却能の異なる油を用途に応じて使い分けている。冷却能は、ホット油、セミホット油、コールド油の順で高くなる。
【０００３】
コールド油で焼入れをすると、焼入れ品の有効硬化層が深く得られ、内部硬度が高くなる。一方、ホット油で焼入れをすると、有効硬化層が浅くなり、内部硬度が低くなる。
【０００４】
また、油ではなくガスによる焼入れ方法として、特許文献１〜３に記載のものがある。
【０００５】
特許文献１には、不完全焼入れを生じさせることなく、寸法精度の高い焼入れ材を製造することが可能な、低ひずみ焼入れ材の製造方法が記載されている。すなわち、鋼材を８００〜１２００℃に加熱する加熱工程、加熱された前記鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持し、その後鋼材を室温まで冷却する低ひずみ焼入れ材の製造方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、塩や油などの冷媒を用いなくとも表面硬化処理による熱処理歪が少なく、寸法精度の高い肌焼き鋼について記載されている。所定の成分の鋼材であって、該鋼材を用いて成形された部品を焼入れ処理する際における該部品の芯部温度がＡｒ３変態点以下６００℃以上の範囲を非酸化性ガスを用いた冷却によって行うときのＰ及びＫ１値が所定の関係式を満たすように成分調整された肌やき鋼である。
【０００７】
特許文献３には、低い圧力において従来の装置では困難であった肌焼き鋼に対して焼入れを行うことができる、鋼部品のガス冷却方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１２１０６４号公報
【特許文献２】特開２００２−２９４３９６号公報
【特許文献３】特開２０００−８７１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、歯車などでは、表面を硬化させつつ内部には靭性が必要とされる。冷却能に優れるコールド油を用いて単純に有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）を向上させるだけでは、内部（芯部）硬度が高くなって靭性に乏しく、歯車等としては好ましくない。
【００１０】
また、塩や油を使用した焼入れ方法においては、塩や油の除去のために煩雑な作業が必要とされ、除去に伴う汚染物質の排出が避けられず、廃液処理の問題も生じるので、このような面で問題のないガスによる焼入れ方法が好ましい。
【００１１】
特許文献１には、１００〜５００℃の温度まで急冷し、３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ保持した後、室温まで冷却する、低ひずみ焼入れ材の製造方法が開示されており、特許文献２には、鋼材の成分を調整して熱処理歪の少ない肌焼用鋼が開示されており、また特許文献３には、ガス圧が従来装置と比べて小さく、ガス流速が比較的大きいガス冷却方法が開示されている。しかしこれらの焼入れ方法または冷却方法で有効比率を向上させつつ内部硬度を維持することはできず、それらを可能にする技術は、前記特許文献には開示も示唆もない。
【００１２】
本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたものであり、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の靭性に優れる焼入れ品を得ることができる、ガス焼入れ方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明に係るガス焼入れ方法は、鋼部材からなるワークを浸炭処理した後、ガスを用いて冷却する鋼部材のガス焼入れ方法であって、焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１の冷却速度でガス冷却する第１の冷却工程と、その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする（請求項１）。なお、本発明における芯部とは全浸炭深さ（カーボン濃度が母材と同じとなるワーク表面からの距離、全硬化層深さと同等）の境界位置とする。
【００１４】
好適な実施の一形態として、ワークの表面が連続冷却変態線図において、全てマルテンサイト変態するように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御する態様を例示する（請求項２）。
【００１５】
好適な実施の一形態として、前記ワークの有効硬化層深さとなるように前記第１の冷却速度を制御する態様を採用することもできる（請求項３）。
【００１６】
好適な実施の一形態として、前記第1の冷却工程と前記第2の冷却工程との間に、ワークの芯部の温度を前記第１の温度域で所定の保温時間保持する保温工程を備え、ワークの芯部の硬さが所定の硬さとなるように前記保温時間を制御する態様を例示する（請求項４）。
【００１７】
好適な実施の一形態として、前記ワークが減圧密閉容器内に配置され、該減圧密閉容器に冷却ガスを供給し、前記減圧密閉容器の上部中央に設けたファンにより、前記減圧密閉容器内で前記ワークの側面部に均一に冷却ガスを接触させて前記ワークをガス冷却する態様を例示する（請求項５）。
【００１８】
好適な実施の一形態として、前記第１の冷却速度および前記第２の冷却速度の制御が、前記ファンの回転数によるガス流速の制御によるものである態様を例示する（請求項６）。
【００１９】
好適な実施の一形態として、前記第２の冷却速度が、ホット油でワークを冷却するときのワークの冷却速度である態様を例示する（請求項７）。
【００２０】
好適な実施の一形態として、前記第１の冷却速度が、コールド油でワークを冷却するときのワークの冷却速度である態様を例示する（請求項８）。
【００２１】
本発明に係るガス焼入れ方法によれば、ワーク表面の有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）がコールド油で冷却したと同等の冷却速度であるため高い焼入れ品が得られ、ワークの内部（芯部）硬度がホット油で冷却したと同等の小さい、靭性に優れた焼入れ品が得られる。すなわち、全浸炭深さの同じワークであれば、有効硬化層深さ（ＥＣＤ）がより大きく、芯部の硬度が小さい、じん性に優れた焼入れ品を得ることができる。
【００２２】
前記ガス焼入れ方法によれば、冷却速度を制御することにより、塩や油を使用することなく要求される品質に合わせた焼入れが可能となる。
【００２３】
なお、「ホット油」及び「ホット油でワークを冷却するときのワークの冷却速度（ホット油本来の冷却速度）」とは、ＪＩＳ Ｋ ２２４２「熱処理油」における ＪＩＳ ２種 の油を使用し、該ＪＩＳに記載された条件で冷却することを指す。また、「コールド油」及び「コールド油でワークを冷却するときのワークの冷却速度（コールド油本来の冷却速度）」とは、ＪＩＳ Ｋ ２２４２ における ＪＩＳ １種 の油を使用し、該ＪＩＳに記載された条件で冷却することを指す。特に本発明において「ホット油（本来）の冷却速度」とは、流速が毎秒０．６ｍ以下のホット油でワークを冷却したときの冷却速度を意味する。
【００２４】
また、鋼材の焼入温度とは、一般に実施されているようにＡ３線およびＡ１線より３０〜５０℃程度高い温度である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の焼入れ方法で得られる硬度分布の模式図である。
【図２】ＳＣＭ４２０試験片０．８ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図（表面相当）である。
【図３】ＳＣＭ４２０試験片０．５ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図である。
【図４】ＳＣｒ４３５試験片０．３５ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図である。
【図５】ＳＣｒ４１５試験片０．２ｍａｓｓ％ＣのＣＣＴ線図（芯部相当）である。
【図６】本発明の方法を実施するのに好適なガス冷却装置（ガス焼入れ装置）の説明図である。
【図７】図６のガス冷却装置における減圧密閉容器の縦断正面図である。
【図８】図７の減圧密閉容器における内部ダクトの平面図である。
【図９】図８の内部ダクトの正面図である。
【図１０】図７の減圧密閉容器の一部の横断平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本願発明者は、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の靭性に優れる焼入れ品を得ることができる焼入れ方法について、鋭意検討と試験を繰り返し、本願発明を見いだした。
【００２７】
従来の油焼入れ方法では冷却能の異なる焼入れ油を用途に応じて使い分けている。焼入れ油としてはコールド油、セミホット油、ホット油があり、コールド油が最も冷却能が大きく、ホット油が最も冷却能が小さい。
【００２８】
コールド油とホット油での焼入れの違いは、同じ鋼部材、すなわち同形状・同材質・同じ深さ方向のカーボンプロファイル（カーボン濃度分布）の鋼部材においてコールド油では有効硬化層が深く得られるが内部硬度が高く、ホット油では有効硬化層が浅くなるが内部硬度は低い。
【００２９】
歯車などは表面を硬化させ内部に靭性が必要なため、単純に冷却能を上げて有効比率を上げるだけでは靭性に優れた製品を製造することはできない。ホット油で焼入れされた製品の内部硬度はそのままで、有効硬化層だけを深く得る焼入れができれば優れた表面硬度と靭性を併せ持つ製品となる。すなわち、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の硬度がホット油で冷却した程度である靭性に優れる焼入れ品について、発明者らは検討を重ねた。
【００３０】
まず、本発明の焼き入れ方法で目標とする鋼部材の硬度分布の例として、鋼部材ＳＣｒ４２０（浸炭品）の焼入れ品の深さ方向の硬度分布について、図１に模式図を示した。図１に示されるとおり、ＳＣｒ４２０をコールド油で焼入れした場合はＥＣＤ（有効硬化層深さ）が０．８ｍｍ（ビッカース硬度Ｈｖが５１３のときの深さ、ＪＩＳに準拠）であり、芯部の硬さがＨＲＣ３５である。また、ＳＣｒ４２０をホット油で焼入れした場合はＥＣＤが０．６５ｍｍ（ビッカース硬度Ｈｖが５１３のときの深さ、ＪＩＳに準拠）であり、芯部の硬さがＨＲＣ３０である。本発明の焼入れ方法においては、ＥＣＤをコールド油の焼入れと同様の０．８ｍｍ程度に保持したまま、芯部硬さをホット油と同様のＨＲＣ３０程度とするものを目標とする。
【００３１】
本発明者は上記特性が得られる方法として、まず、１回の焼入れにおいて、コールド油とホット油を使用し、冷却時間（冷却速度）をコントロールすることで、有効硬化層深さはコールド油焼入れ並み、芯部硬度はホット油焼入れ程度に制御することができるか試験を行った。
【００３２】
＜予備試験＞
（１）サンプル及び試験方法
鋼種ＳＣｒ４２０、直径１８ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を準備し、以下の５つの方法で焼入れ処理を実施した。なお、コールド油（日本グリース製：ハイスピードクエンチ １０７０）は６０℃、ホット油（日本グリース製：光輝マルテンパー油 Ｓ）は１３０℃に加熱したものを、それぞれステンレス製バケツに１０Ｌ準備した。また、試験片の中心部と外周部から１．５ｍｍの距離の部分に直径１ｍｍ、深さ２０ｍｍの穴を開け、熱電対を挿入して温度プロファイルを測定した。
【００３３】
予備試験１： 浸炭品である試験片を８５０℃まで加熱し、８５０℃で１５分保持した後、コールド油に浸漬して６００℃まで冷却（第１の冷却工程）した後にコールド油から取り出し、１秒保持（保温工程）後、該試験片をホット油に浸漬する（第２の冷却工程）手順で焼入れを実施した。
【００３４】
予備試験２： 浸炭品である試験片を８５０℃まで加熱し、８５０℃で１５分保持した後、コールド油に浸漬して６００℃まで冷却（第１の冷却工程）した後にコールド油から取り出し、３秒保持（保温工程）後、該試験片をホット油に浸漬する（第２の冷却工程）手順で焼入れを実施した。なお、予備試験１および予備試験２の焼入れ前に測定した試験片の深さ方向のカーボンプロファイルは図１と同じである。
【００３５】
（２）結果
予備試験１及び予備試験２：
コールド油冷却曲線からホット油冷却曲線に移行させることができた。芯部の温度をコールド油冷却曲線上の５００℃付近（Ｍｓ点を超える温度）でホット油冷却に切り替えれば、ホット油の冷却速度に変更でき、芯部はマルテンサイト変態の量を抑制することができる。
【００３６】
コールド油冷却から６００℃ですぐ（約１秒；予備試験１）ホット油冷却に切り替える（約５００℃）と、表面硬度および有効硬化層深さはコールド油と同等、芯部硬度はホット油と同等となった。
【００３７】
コールド油冷却から６００℃保持３秒（予備試験２）にてホット油冷却に切り替える（約５００℃）ことで、表面硬度および有効硬化層深さはコールド油と同等、芯部硬度はホット油と同等となった。
【００３８】
なお、本願の有効硬化層深さ（ＥＣＤ）はＪＩＳ Ｇ ０５５７「鋼の浸炭硬化層深さ測定法方」に準拠して測定し、限界硬さはビッカース硬さ５１３とした。
【００３９】
以上より、有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、且つ、内部（芯部）の硬度がホット油で冷却した程度である靭性に優れる焼入れ品が得られることがわかった。
【００４０】
（３）考察
浸炭品（浸炭領域、予備試験１、予備試験２）であればＣＣＴ線図におけるノーズに引っかかることがないため、表面はコールド油と同等が得られると推定される。以下、ＣＣＴ線図と関連づけて考察する。
【００４１】
ａ．上記予備試験１、予備試験２においては浸炭拡散処理において、表面のカーボン濃度が０．８ｍａｓｓ％となっている。芯部温度を約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持した後ホット油で冷却した場合、表面は全てマルテンサイト変態となった。図２のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．８ｍａｓｓ％）に示すとおり、フェライト、ベイナイトノーズが右に寄っているため、マルテンサイト変態となったと考えられる（図２の鋼種はＳＣＭ４２０であるが、傾向は類似しているため説明のため代用した）。
【００４２】
ｂ．次にカーボン濃度が０．５ｍａｓｓ％の箇所（表面から約０．５２ｍｍの深さの部分）における冷却を検討してみる。約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持した後ホット油で冷却した場合、カーボン濃度が０．５ｍａｓｓ％の部分はマルテンサイト変態となった。図３のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．５ｍａｓｓ％）に示すとおり、フェライト、ベイナイトノーズが右に寄っているため、全てマルテンサイト変態となったと考えられる（図３の鋼種はＳＣＭ４２０であるが、傾向は類似しているので説明のため代用した）。
【００４３】
ｃ．次にカーボン濃度が０．３５ｍａｓｓ％の箇所（表面から約０．７１ｍｍの深さの部分）における冷却を検討してみる。約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持（保温工程）した後ホット油で冷却した場合、ベイナイトを含むマルテンサイトの組織となった。図４のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．３５ｍａｓｓ％）に示すとおり、ベイナイトノーズのかぶり量（ベイナイトの量）によって、大きなＥＣＤ（Ｈｖ５１３）が得られるか得られないかが決まると考えられる。コールド油の冷却曲線であればＨｖ５５０、ホット油の冷却曲線でＨｖ４３０となる。したがって、試験片内部（芯部）はＭｓ点直上でホット油の冷却曲線にのせ、且つカーボン濃度が０．３５ｍａｓｓ％付近の浸炭層をいかに早く冷却してベイナイトノーズのかぶりを少なくしてマルテンサイト変態させるかが本発明のポイントとなると考えられる（図４の鋼種はＳＣｒ４３５であるが、傾向は類似しているため説明のため代用した）。
【００４４】
ｄ．次に、カーボン濃度が約０．２ｍａｓｓ％の箇所（表面から約１．５ｍｍの深さの部分、芯部）における冷却を検討してみる。約６００℃までコールド油で冷却し、１〜３秒保持した後ホット油で冷却した場合、フェライトとセメンタイトを含むマルテンサイトなどの組織となった。本試験片の場合、コールド油での焼入れ硬度（ロックウェル硬度）はＨＲＣ３５であり、ホット油の焼入れ硬度はＨＲＣ３０である。図５のＣＣＴ線図（カーボン濃度０．２ｍａｓｓ％）に示すとおり、初期冷却速度はコールド油並みに速くしてもＭｓ変態線より高い温度で冷却速度をホット油程度に落とすことで内部硬度ＨＲＣ３０に近づけることが可能となると考えられる（図５の鋼種はＳＣｒ４１５であるが、傾向は類似しているため説明のため代用した）。
【００４５】
なお、コールド油からホット油への切り替え時間が長すぎると芯部の保有熱により表面温度が復温し、Ｍｓ点より低くなった箇所が再度Ｍｓ点以上に復温した場合、硬度低下が懸念される。
【００４６】
上述の通り、コールド油とホット油を使用することにより、図１に示される目標とした深さ方向の硬度プロファイル、すなわち有効硬化層深さはコールド油焼入れ並み、芯部硬度はホット油焼入れ程度が得られることがわかった。
【００４７】
以上の予備試験及び冷却に関する考察より、また、本発明はガス焼入れであることから、本発明に係るガス焼入れ方法として、次の方法が得られる。すなわち、鋼部材からなるワークを浸炭処理した後、冷却する鋼部材の焼入れ方法であって、焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１のガス冷却速度で冷却する第１の冷却工程と、その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする、焼入れ方法である。
【００４８】
さらに、前記第1の冷却工程と前記第2の冷却工程との間に、ワークの芯部の温度を前記第１の温度域で所定の保温時間保持する保温工程を備え、ワークの芯部の硬さが所定の硬さとなるように前記保温時間を制御しても良い。
【００４９】
前記第１の温度域とはワークの芯部がＭｓ点より高い温度であり、具体的にはＭｓ点温度＋２００℃の温度域であることが好ましい。
【００５０】
また、前述の、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度で冷却した場合と“同等”になるように、とは、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度で冷却した場合のワークの芯部の硬さに対し、本発明の焼入れ方法で作製したワークの芯部の硬度がロックウェル硬さ（ＨＲＣ）で概ね±２以内の範囲であれば“同等”といえる。
【００５１】
本発明においてワークの深さ方向のカーボン濃度の測定は、まずワークを硬化面に垂直に切断し、切断面を研磨仕上げして被検面とした。被検面について、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて表面に垂直な深さ方向のカーボン（Ｃ）濃度を測定した。図１のＣ濃度（カーボンプロファイル）はこのようにして測定した。また、カーボンプロファイルにおいて、浸炭前のワーク（母材）のＣ濃度と同じになる深さ（表面からの距離）を全浸炭深さとし、本発明においては、この位置（境界部）を芯部とした。
【００５２】
なお、本願における芯部のロックウェル硬さの測定は、前述のようにワークの切断し、断面研磨したサンプルにおける芯部の部分を、ＪＩＳ Ｚ ２２４５「ロックウェル硬さ試験−試験方法」のロックウェル硬さ、Ｃスケールに準拠して測定した。
【００５３】
また、本願におけるワーク表面のビッカース硬さの測定は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して試験力３００ｇ（２．９４２Ｎ）で測定した。
【００５４】
有効硬化層深さ（ＥＣＤ）は、ＪＩＳ Ｇ ０５５７「鋼の浸炭硬化層深さ測定方法」に準拠して、前述のようにワークの切断し、断面研磨したサンプルについてビッカース硬さを測定した。
【００５５】
前記保持時間はワークの大きさ、形状、目的とする硬さにもよるが、概ね２０秒以内、好ましくは１０秒以内、さらには５秒以内で良い。
【００５６】
以下、添付図面を参照して、前記ガス焼入れ方法を実施するための具体的な態様として、本発明の実施の一形態に係るガス焼入れ方法について説明する。
【００５７】
本発明の実施の一形態に係るガス焼入れ方法をするに際し、まずガス冷却装置について説明する。
【００５８】
図６に示すように、減圧密閉容器１と、真空ポンプ２と、この真空ポンプ２と上記容器１間を接続する排気路３と、この排気路３に介挿した排気バルブ４と、冷却ガスを貯蔵したリザーバタンク５と、このリザーバタンク５と上記容器１間を接続する冷却ガス導入路６と、この冷却ガス導入路６に介挿した導入バルブ７とにより、鋼部品（ワーク）のガス冷却装置を構成する。
【００５９】
前記減圧密閉容器１は、図７に示すように外筒８と内筒９とより成る二重筒構造とし、この二重筒間に冷却水通路１０を形成し、例えばリング状の被処理鋼部品１１を支持台１２によって前記内筒９の中心部１３で保持せしめると共に、前記内筒９と前記支持台１２間に中間筒状体１４を配置し、この中間筒状体１４と前記内筒９間、前記容器１の上蓋１５間及び底板１６間に夫々流体通路１７〜１９を形成し、前記中間筒状体１４の内周面には、上記中心部１３で最も狭くなり、これより上下方向に向って次第に広がる逆円錐台状及び円錐台状の断面形状の空間２０及び２１が形成されるようにした形状の環状壁２２を設ける。
【００６０】
また、前記中間筒状体１４内の上部中央には循環ファン２３を配置し、前記上蓋１５に載置したモータ２４によって回転せしめる。
【００６１】
また、前記循環ファン２３の下面と前記支持台１２間における前記空間２０内には、前記空間２０を流れる流体を整流するための内部ダクト２５を配置し、この内部ダクト２５は図８及び図９に示すように、前記空間２０の上部から前記中心部１３に向って延びる逆円錐台状断面のコア部２６と、このコア部２６の外周面に互に円周方向に離間して上下方向及び半径方向外方に延び、その上端が互に同一円周方向に弧状に湾曲する複数のガイド片２７とにより構成し、このガイド片２７の任意のものを前記中間筒状体１４の壁２２に固定せしめる。
【００６２】
更に前記内筒９の内周面には、図１０に示すように、半径方向内方にＶ字状に開いて上下方向に延びる鋼製の伝熱フィン２８を複数個取り付けると共に、前記容器１の底板１６上には、その中央部２９が円錐状に上方に盛り上がり、周辺部３０が弧状に上方に湾曲する下部整流板３１を配置し、前記上蓋１５の下面には、その中央部３２が逆円錐台状に下方に突出する上部整流板３３を配置し、この中央部を貫通して前記モータ２４の回転軸３４が前記循環ファン２３に向って延びるようにする。
【００６３】
なお、３５は、前記上蓋１５と前記モータ２４の回転軸３４間に形成した磁気シール、３６は、前記底板１６と、前記支持台１２の支持棒３７間に形成した真空シールである。
【００６４】
本発明の鋼部品からなるワークのガス焼入れ方法（ガス冷却方法）においては、減圧密閉容器１内を真空ポンプ２により排気バルブ３を介して内部圧力が１Ｐａ程度（ワークが焼き入れ温度で酸化されない圧力）になるまで真空排気し、図示しない隣接する減圧された容器（例えば減圧浸炭室）から浸炭済のワーク（被処理鋼部品１１）が搬送され、前記減圧密閉容器１内の所定の位置に被処理鋼部品１１を保持した後、排気バルブ４を閉じてから前記減圧密閉容器１内に外部に設置したリザーバタンク５に蓄えた冷却ガスを導入バルブ７を開いて所定の圧力例えば１ＭＰａ〜０．６ＭＰａになるまで導入する。導入バルブ７を閉じて容器１内に冷却ガスを封入した後、被処理鋼部品１１の上部に設けた循環ファン２３をモータ２４で駆動し、図７中に矢印で示すように、冷却ガスを空間２０，２１、流体通路１９，１７，１８を介して循環せしめる。
【００６５】
所定の時間、循環ファン２３を駆動させ被処理鋼部品１１を冷却し、その間、冷却ガスを水冷された伝熱フィン２８を有する内筒９を介して冷却する。
【００６６】
前記冷却ガスとしては、一種の不活性ガス、一種或いは二種以上の混合不活性ガス、または水素ガス単体或いは水素ガスと不活性ガスの混合ガスを用いる。
【００６７】
前記循環ファン２３としては軸流ファンを用い、駆動モータ２４の出力をインバータ等により調節し、その回転数を変えることにより被処理鋼部品に最適な熱履歴を与えるようにする。
【００６８】
＜実施例１＞
図６に示す本発明のガス冷却装置内に、被処理鋼部品１１として前工程で約８７０℃に加熱した外径１９０ｍｍ、内径１４０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、重さ２．４Ｋｇの角状断面のリング状鋼部品（浸炭品）を入れ焼入れを行う。鋼部品の材質は一般的な肌焼き鋼であるＳＣＭ４２０とし、冷却ガスは窒素単体、導入圧力は０．６ＭＰａとする。
【００６９】
循環ファン駆動モータ２４としては出力１８．５ｋｗの２極汎用モータを用い、運転周波数はインバータ変換により９０Ｈｚとし、循環ファン２３の回転数を５４００ｒｐｍとして１０秒間冷却した後、回転数を３６００ｒｐｍに落として冷却する。これにより、本発明の焼入れを実現でき、循環ファンの回転数が５４００ｒｐｍのときが前述のコールド油での冷却速度に相当し、回転数が３６００ｒｐｍのときが前述のホット油での冷却速度に相当する。
ファン起動時の被処理鋼部品の温度は搬送中に降温し約８５０℃であったが、ファン起動後は１０秒後で４５０℃、２０秒後で３００℃、３０秒後で２００℃、４０秒後で１４０℃、５０秒後で１００℃である。
焼き入れの結果、被処理鋼部品の芯部硬さはロックウェル硬さでＨＲＣ３２であった。また、ＥＣＤは１．０ｍｍである。
【００７０】
＜比較例１＞
循環ファン２３の回転数を冷却の初めから終了まで３６００ｒｐｍとした以外は実施例１と同様の方法で被処理品の焼入れを実施する。
【００７１】
ファン起動時の被処理鋼部品の温度は搬送中に降温し約８５０℃であったが、ファン起動後は１０秒後で７５０℃、２０秒後で６１０℃、３０秒後で５４０℃、４０秒後で４６０℃、５０秒後で３８０℃、１２０秒後で１００℃である。
【００７２】
焼き入れの結果、被処理鋼部品の芯部硬さはロックウェル硬さでＳＣＭ４２０材がＨＲＣ３２であった。また、ＥＣＤは０．８ｍｍである。
【符号の説明】
【００７３】
１ 減圧密閉容器
２３ ファン（循環ファン）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼部材からなるワークを浸炭処理した後、ガスを用いて冷却する鋼部材のガス焼入れ方法であって、
焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１の冷却速度でガス冷却する第１の冷却工程と、
その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、
焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする、ガス焼入れ方法。
【請求項２】
ワークの表面が連続冷却変態線図において、全てマルテンサイト変態するように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする、請求項１に記載のガス焼入れ方法。
【請求項３】
前記ワークの有効硬化層深さとなるように前記第１の冷却速度を制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載のガス焼入れ方法。
【請求項４】
前記第1の冷却工程と前記第2の冷却工程との間に、ワークの芯部の温度を前記第１の温度域で所定の保温時間保持する保温工程を備え、ワークの芯部の硬さが所定の硬さとなるように前記保温時間を制御することを特徴とする、請求項１，２又は３に記載のガス焼入れ方法。
【請求項５】
前記ワークが減圧密閉容器内に配置され、該減圧密閉容器に冷却ガスを供給し、前記減圧密閉容器の上部中央に設けたファンにより、前記減圧密閉容器内で前記ワークの側面部に均一に冷却ガスを接触させて前記ワークをガス冷却することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス焼入れ方法。
【請求項６】
前記第１の冷却速度および前記第２の冷却速度の制御が、前記ファンの回転数によるガス流速の制御によるものであることを特徴とする、請求項５に記載のガス焼入れ方法。
【請求項７】
前記第２の冷却速度が、ホット油でワークを冷却するときのワークの冷却速度であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス焼入れ方法。
【請求項８】
前記第１の冷却速度が、コールド油でワークを冷却するときのワークの冷却速度であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス焼入れ方法。
【請求項１】
鋼部材からなるワークを浸炭処理した後、ガスを用いて冷却する鋼部材のガス焼入れ方法であって、
焼入れ温度からワークの芯部がワークの芯部のＭｓ点より高い第１の温度域まで第１の冷却速度でガス冷却する第１の冷却工程と、
その後、前記第１の温度域より低い温度域において第１の冷却速度より小さい第２の冷却速度でガス冷却する第２の冷却工程と、を備え、
焼入れ後にワークの表面がマルテンサイト組織となり、且つ、ワークの有効硬化層深さが、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合よりも大きく、ワークを焼入れ温度から室温まで第１の冷却速度でガス冷却した場合と同じか又は小さく、且つ、ワークの芯部の硬度が、ワークを焼入れ温度から室温まで第２の冷却速度でガス冷却した場合と同等になるように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする、ガス焼入れ方法。
【請求項２】
ワークの表面が連続冷却変態線図において、全てマルテンサイト変態するように、前記第１の冷却速度と前記第２の冷却速度とを制御することを特徴とする、請求項１に記載のガス焼入れ方法。
【請求項３】
前記ワークの有効硬化層深さとなるように前記第１の冷却速度を制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載のガス焼入れ方法。
【請求項４】
前記第1の冷却工程と前記第2の冷却工程との間に、ワークの芯部の温度を前記第１の温度域で所定の保温時間保持する保温工程を備え、ワークの芯部の硬さが所定の硬さとなるように前記保温時間を制御することを特徴とする、請求項１，２又は３に記載のガス焼入れ方法。
【請求項５】
前記ワークが減圧密閉容器内に配置され、該減圧密閉容器に冷却ガスを供給し、前記減圧密閉容器の上部中央に設けたファンにより、前記減圧密閉容器内で前記ワークの側面部に均一に冷却ガスを接触させて前記ワークをガス冷却することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス焼入れ方法。
【請求項６】
前記第１の冷却速度および前記第２の冷却速度の制御が、前記ファンの回転数によるガス流速の制御によるものであることを特徴とする、請求項５に記載のガス焼入れ方法。
【請求項７】
前記第２の冷却速度が、ホット油でワークを冷却するときのワークの冷却速度であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス焼入れ方法。
【請求項８】
前記第１の冷却速度が、コールド油でワークを冷却するときのワークの冷却速度であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス焼入れ方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２０７２４０（Ｐ２０１２−２０７２４０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１４２５（Ｐ２０１１−７１４２５）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
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