JP4708158B2

JP4708158B2 - 表面焼入れされた鋼および鋼の表面焼入方法

Info

Publication number: JP4708158B2
Application number: JP2005311842A
Authority: JP
Inventors: 佳孝三阪; 一博川嵜
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2007119825A

Description

本発明は高周波加熱により表面焼入れされた鋼に関し、またさらに高周波加熱により表面焼入れする方法に関するものである。

鋼の表面のみを加熱して焼入れを行なう方法は、内部は靱性と共にある程度の強度を確保しつつ表面はできるだけ硬度を高くして耐磨耗性などを付与できるので、軸や歯車など機械部品に対して広く行なわれている。特に表面加熱に高周波加熱を使用する方法は材料自体が発熱するため高能率であり、また温度制御が容易であるので広く採用されている。しかし一方、高周波加熱は加熱時間が短くて済むぶん焼入温度に加熱されても炭化物やフェライトが完全にはオーステナイト化せず、焼入れした後にも元の組織の痕が残ってゴーストパーライトや未溶解フェライトといった組織を呈することもある。このような形で組織が変化すると焼入れした部材の特性も変わってくる。このため高周波焼入れに先立って、パーライト組織やフェライト組織の微細化などの組織調整を目的として部材全体を熱処理し、焼入性を向上させたり内部の強度を向上させることも行なわれる。

また一方、上記のようなワーク全体の熱処理によらずに高周波加熱による焼入れ自体の工程を変えることにより、上記の短い加熱時間によって生ずる問題を解消し、焼入れされたワークの特性を向上させることも検討されている。たとえば特開平７−１１８７９１号公報には高面疲労強度機械構造用部品の製造方法として、高周波加熱して焼入れすることにより０．５ｍｍ以上の厚さの硬化層を得る１段目の焼入れの後、Ａｃ₃ 変態点以上で（Ａｃ₃ 変態点＋１５０Ｋ）以下の温度に高周波加熱して１段目より浅く焼入れする２段目の焼入れを行なうものが示されている。そしてこのような２回焼入れを行なうことにより表面γ粒度Ｎｏ．１０以上といった微細結晶粒にすると共に炭化物を微細に分散させ、また表面圧縮残留応力を高めて面疲労強度を改善できるとしている。

特開平７−１１８７９１号の実施例を見ると、１回だけ焼入れを行なう比較法では１２件の例において１．７ないし２．６ｍｍの硬化層深さになっている。そしてこのような焼入れを行なった後、１２０℃×９０ｍｉｎの焼戻しをしてから表面研削するとしている。これに対して特開平７−１１８７９１号発明の方法においては第１段目の焼入れは硬化層深さは１２件の例において１．８ないし２．６ｍｍで比較法と大体同じであり、また１２０℃×９０ｍｉｎの焼戻しをしてから表面研削することも同じである。その後行なう第２段目の焼入れは先に述べたように深さが０．５ないし０．７ｍｍと第１段目よりもずっと浅くなっている。つまり特開平７−１１８７９１号発明においては第１段目の焼入れ後の表面研磨までは比較法と同じであり、第２段目の焼入工程をさらにこれに付加することが特徴点となっている。
特開平７−１１８７９１号公報

上記のように特開平７−１１８７９１号の２段に焼入れする方法においては、第２段の焼入れがされた部分より深部のかなり広い範囲に第１段の焼入れのみがされた部分が存在する。特開平７−１１８７９１号公報においてはこのような部分における硬さ分布などの材質特性についての説明は無いが、第２段の焼入れがされた部分に隣接した個所においては、第１段の焼入れがされていたものが焼戻しされるなど影響を受ける。本発明者等は後に詳細に説明するように、この部分の材質特性が２段焼入れにより表面硬化された部材の特性に大きく影響し、場合によっては部材内部の引張応力が著しく高くなって破壊の危険性があることを見いだした。

本発明は前記課題を解決するものであって、焼入温度から常温まで急冷する表面焼入れが２回なされた鋼であって、表面から３．０ｍｍ以内の深さまでのマルテンサイト組織の焼入領域と、焼入領域に隣接しマルテンサイトとフェライトの混合組織の不完全焼入領域と、不完全焼入領域に隣接し焼入領域の深さの２．５倍以上７．０倍以下の深さまでの焼戻軟化領域とを有し、前記不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界における硬さの極小値に対する焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差がＨＶ１５０以内であることを特徴とする表面焼入れされた鋼である。

また本発明は、高周波誘導加熱による鋼の表面焼入方法において、表面から３．０ｍｍ以内の定められた深さの焼入領域を得るにあたり、表面がＡｃ_３変態点以上の温度でかつ前記焼入領域とすべき深さの２．５倍以上７．０倍以下の深さ位置においてＡｃ_１変態点以上の温度に高周波誘導加熱により加熱後、常温まで急冷して焼入れする第１回熱処理を行ない、次いで表面がＡｃ_１変態点を超えない温度に高周波誘導加熱し、第１回熱処理で焼入れされた部分を焼戻して軟化させるのに続けて、前記焼入領域とすべき深さまでＡｃ_３変態点以上の温度に高周波誘導加熱後、常温まで急冷して焼入れする第２回熱処理を行なうことを特徴とする鋼の表面焼入方法である。

また上記の鋼の表面焼入方法において、第２回熱処理は、表面が４００℃以上でＡｃ₁
変態点を超えない温度になるまで高周波誘導加熱し、加熱電力を停止した状態で１．０秒以上放冷する予備加熱に続けて、予備加熱より大きな電力で高周波誘導加熱して焼入領域とすべき深さまでＡｃ₃ 変態点以上の温度にする本加熱後、焼入れするものであること、または、第２回熱処理は、表面が４００℃以上でＡｃ₁ 変態点を超えない温度になるまで２．０秒以上の通電時間で高周波誘導加熱し、加熱電力を停止した状態で１．０秒以上放冷する予備加熱に続けて、予備加熱より大きな電力で高周波誘導加熱して焼入領域とすべき深さまでＡｃ₃ 変態点以上の温度にする本加熱後、焼入れするものであることも特徴とする。さらにまた、第２回熱処理の高周波誘導加熱の周波数が、予備加熱のときが本加熱のときよりも低いことも特徴とする。

本発明の鋼の表面焼入れは、第１回熱処理により表面焼入れされた部材を、さらに第２回熱処理により第１回熱処理より浅く焼入れするものである。このとき第１回熱処理で焼入れされたが第２回熱処理では焼入れされされなかった個所全体を焼戻して軟化させることにしたので、表面硬化領域全体に一様に高い圧縮応力が残存して高い疲労強度を得ることができるだけでなく、内部の引張応力を緩和して部材の破壊に対する信頼性を向上させることができる。

本発明者等は高周波誘導加熱による表面焼入れを２回繰り返し行なった場合の部材の材質特性の変化について詳細な調査を行なった。図１は２６ｍｍ径の円柱状の試験片の一部分の長さ２８ｍｍの表面を２回焼入れしたときの部材表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。１回目の焼入れ後と２回目の焼入れ後の硬さの両方を示しているが、焼入れ深さは１回目の焼入れでは２．０ｍｍ程度、２回目の焼入れでは０．６ｍｍ程度となっている。なお１回目の焼入れでは表面の最高加熱温度１０１０℃まで７．０秒で昇温し、直ちに水噴射により冷却した。また２回目の焼入れでは表面の最高加熱温度９３０℃まで０．３秒で昇温し、同様に急冷した。

図１のグラフを見ると１回目の焼入れでは、表面から約２ｍｍまでは表面と同じＨＶ７００〜８００程度に硬化されており、これより深くなるに従って硬さが徐々に低下している。この表面と同じ程度の硬さになっている範囲はＡｃ₃ 変態点以上に高周波加熱されて全部がオーステナイト変態した組織から焼入れされてマルテンサイト組織になっている部分である。一方これに隣接し、硬さが順次低下して素材硬度に至る範囲はＡｃ₁ 変態点以上でＡｃ₃ 変態点未満の範囲に高周波加熱され、オーステナイトとフェライトとが混合した組織から焼入れされた結果、マルテンサイトとフェライトの混合組織になっている部分である。この範囲においては加熱温度が低くなるに従ってオーステナイトの比率が減少するので、それに応じて焼入れ後のマルテンサイトの比率も低下し、硬さも順次低下する。

また図１のグラフにおいて第２回目の焼入れを行なった後の部材では、表面から０．７ｍｍ位の距離までは第１回目の焼入れのときと同じＨＶ７００〜８００程度の硬さに達しているが、これは２回目の焼入れにおいてＡｃ₃ 変態点以上に高周波加熱された完全焼入領域である。これに隣接するのが不完全焼入領域であり、２回目の焼入れにおいてＡｃ₁
変態点以上でＡｃ₃ 変態点未満の範囲に高周波加熱された部分である。第１回目の焼入れと異なり表面から距離の増加で急激に硬さが低下し、０．２ｍｍ位の間にＨＶ４００程度も低下しているが、これは第２回目の加熱の昇温速度を大きくしたため、Ａｃ₁ 変態点以上でＡｃ₃ 変態点未満の温度範囲になる区間が短いことによるものである。

そしてさらに部材表面からの距離が大きくなると硬さは増加に転ずる。このように不完全焼入領域とこれより内部の領域との境界で硬度が極小値１を示すのは、第１回目に焼入れされた部分の焼戻しによる軟化がＡｃ₁ 変態点直下に加熱されたこの位置で最大になるためである。そして部材表面からの距離がこれより大きくなると焼戻しの効果が減少して硬さは徐々に増加することになる。さらに距離が大きくなり、第２回目の加熱による焼戻し効果が及ばない位置に至って第１回目の焼入れのときの硬さと一致した値になる。したがって第１回目に焼入れされた領域と第２回目に焼入れされた領域との間に硬さ分布の山２ができることになる。

前記の硬さが極小値を示す位置は、焼入れ後に焼戻しされたが焼戻温度が最高であった個所になる。したがって２回目の焼入れの焼入れ深さが１回目の焼入れの焼入れ深さより浅い場合でも、その差が小さいと２回目の焼入れの加熱による焼戻温度の最高位置が１回目に焼入れされた範囲を外れてしまい、硬さの極小値を示さない場合がある。しかし本発明の場合は後に説明するように２回目の焼入れ深さを１回目の焼入れ深さより充分に小さくしているので、必ず硬さの極小値が現われる。なお先に述べた特開平７−１１８７９１号には表面からの位置による硬さ分布のデータは示されていないが、実施例における１段目の焼入れと２段目の焼入れの焼入れ深さから見て特開平７−１１８７９１号の発明の部材も図１のような硬さ分布になっていると考えられる。

図２は上記のような高周波加熱による表面焼入れの疲労特性に及ぼす効果を調べた回転曲げ疲労試験の結果を示すＳ−Ｎ線図である。試験片は素材のまま、１回焼入れをしたもの、上記のような２回焼入れをしたもの（図中「２回焼入れ予熱なし」と記載）、後に説明する本発明の方法を実施したもの（図中「２回焼入れ予熱あり」と記載）の４種類について示している。これによると応力繰返数無限大に対する疲労限界応力が素材が約１００ＭＰａであるのに対し１回焼入れでは約３２０ＭＰａと向上するが、２回焼入れにおいては約７２０ＭＰａと疲労強度が著しく向上することが判る。

材料の表面に圧縮応力が存在すると疲労強度が改善されることは良く知られており、２回焼入れの効果を調べるためにＸ線による格子面間距離の測定によって残留応力を測定した。残留応力の測定は単に材料の表面のみでなく、電解研磨により表面から順次材料を除去して繰返し測定し、差分的に内部の残留応力分布も算出した。図３は前記のような２回焼入れをした部材の残留応力分布を示すグラフであって、図１に硬度分布を示した部材に対応している。これを見ると表面において約６００ＭＰａの圧縮残留応力が存在し、これが２回焼入れを行なった部材で良好な疲労強度が得られる理由であることが判る。そして表面から０．７ｍｍ程度の深さまでは表面と同じ程度の圧縮残留応力が存在するが、さらに内部に入ると急激に引張残留応力に転じて最高で約８００ＭＰａに達している。

一方、材料の内部の残留応力の測定は手間がかかることもあって測定した例が少なく、内部に高い引張残留応力がある場合の影響についてはあまり知られていない。しかし上記のように最高で７００ＭＰａといった高い値となると、内部からの破壊が懸念される。すなわち非金属介在物などの微小な欠陥があると、これを起点として割れが進行するおそれがある。このため本発明者等は表面焼入れによる材料に表面から内部に至る残留応力の分布に着目し、焼入条件を種々変えて調査することによって本発明をなすに至ったものである。

図４は先の図１におけるものと同じ形状の試験片の表面を２回焼入れしたときの部材表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。図４の場合は２回目の焼入れにおける高周波誘導加熱において、焼入温度に昇温する途中で中間温度に予備加熱して内部が焼戻しされるようにしている。図１に示した２回目の焼入れ前に焼戻しをしない場合と比較すると、図４では第１回目の熱処理で焼入れされたが第２回目の熱処理では焼入れされなかった領域にあった硬さ分布の山は平準化されている。図４のグラフは焼戻しの最高加熱温度が部材表面において４９０℃の場合および６６０℃の場合を示しているが、６６０℃の方が硬さの低下がやや大きくなっている。

図５は図４に硬度分布を示した部材の残留応力分布を示すグラフである。図３に示した第２回目の熱処理のさいに予備加熱をしない場合と比較すると、予備加熱による焼戻しをすることによって表面の圧縮残留応力が増大している。すなわち焼戻しをしない場合には約６００ＭＰａなのに対し、焼戻しの最高加熱温度が部材表面において４９０℃の場合は１１００ＭＰａ程度、６６０℃の場合は１３００ＭＰａ程度まで増大している。さらに第２回目の熱処理のさいに焼戻しをすることによって引張残留応力が低下している。すなわち焼戻しをしない場合には引張残留応力が最高で約８００ＭＰａあったものが、焼戻しの最高加熱温度が部材表面において４９０℃の場合は最高で約６００ＭＰａ、６６０℃の場合は最高で約３００ＭＰａ程度まで減少している。

このように第１回目の熱処理で焼入れされたが第２回目の熱処理では焼入れされなかった領域にあった硬さ分布の山を小さくすることによって、表面近傍の圧縮残留応力が大きくなると共に内部の引張残留応力が小さくなる。しかしその理論的根拠は不明である。そして焼戻温度の残留応力に対する影響は図４に示した硬さに対する影響より顕著であって、特に図５に見るように焼戻温度が高い場合に部材内部の引張残留応力の低下が著しい。このように第２回目の熱処理のさいの焼戻しにより部材内部の引張残留応力を低下させることができ、微小な欠陥を起点として内部から破壊する危険性を防止できる。また焼戻しにより軟化した部分は靱性が良好であり、部材全体の強度を向上させる作用も有する。

図２の回転曲げ疲労試験の結果を示すＳ−Ｎ線図において、先に本発明の方法として説明したデータ（図中「２回焼入れ予熱あり」と記載）が、高周波誘導加熱により表面の２回焼入れを行なう方法において、２回目に焼入温度に昇温する途中で前記のように部材表面温度が６６０℃の焼戻しを行なったものである。これを見ると、疲労強度の向上自体は１回焼入れに対する２回焼入れの場合のようには大きくはないものの、焼戻し工程を入れない２回焼入れにおいては疲労強度が約７２０ＭＰａであるのに対し、焼戻し工程を入れることによって約８００ＭＰａに向上している。

以上説明したように本発明の表面焼入れされた鋼は、図４に示すように表面からある深さまでの完全に焼入れされた焼入領域Ａと、焼入領域に隣接する不完全焼入領域Ｂと、不完全焼入領域に隣接する焼戻軟化領域Ｃとを有するものである。上記焼入領域は２回目の焼入れにおいて完全なオーステナイト組織から冷却された領域に該当する。この焼入領域の深さは焼入れした部材に要求される仕様により定められるべきものであるが、表面から３．０ｍｍ以内の深さが適当であり、これより深くなるとさらに深く焼入れすべき１回目の焼入れが困難になる。下限は通常は０．３ｍｍ以上であって実際上これより狭い範囲の表面だけを焼入温度に加熱するのは困難である。たとえば図４の例では焼入領域の深さは０．６ｍｍとなっている。なお焼入領域における硬さ自体は材料成分など材料自体に依存するが、本発明の表面焼入れにおいては、その材料が焼入れで得られる可能性がある最高の硬度に達する。

また不完全焼入領域は２回目の焼入れにおいてオーステナイトとフェライトとが混合した組織から焼入れされた個所である。焼入れのさいの加熱速度が大きくなるにしたがって不完全焼入領域の幅は小さくはなるが、ある程度は必然的に生ずるものである。また焼戻軟化領域は、第１回目の熱処理により焼入れされ、第２回目の熱処理のさいに焼戻された領域である。したがって焼戻軟化領域の深さは第２回目の熱処理による焼戻軟化が認められる限界の位置となる。結果的には硬さが不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界の極小値と同じ値になる位置にほぼ一致する。

上記の焼戻軟化領域の深さは焼入領域の深さの２．５倍以上７．０倍以下の深さが適当である。２．５倍より小さいと焼戻軟化領域を充分に確保するのが困難になって、表面の圧縮残留応力を大きくできない。また７．０倍を超えると２回目の焼入れのさいに深部まで焼戻すのが困難になり、内部の引張残留応力を低くすることができなくなる。たとえば図４の例では焼戻軟化領域の深さは約２．８ｍｍであり、焼入領域の深さの４．７倍となる。

また焼戻軟化領域内における硬さの差は、不完全焼入領域と焼戻軟化領域との境界の硬さの極小値との差としてＨＶ１５０以内、好ましくは１２０以内にする必要がある。すなわち２回目の焼入れ時の焼戻により内部の引張残留応力が低下するのは１回目の熱処理によって焼入れされた領域の軟化が顕著なときである。このためには焼戻軟化領域内における硬さの差をなるべく小さくするのが良いが、少なくともＨＶ１５０以内にする必要がある。たとえば図４の例では硬さの差がＨＶ７０およびＨＶ９０となっている。また硬さの差の基準値として不完全焼入領域と焼戻軟化領域との境界の硬さの極小値を採用したのは、この場所が完全焼入れされた後に最も高温で焼戻しをされた場所であり、他の焼入条件に関係なく硬さが安定していて基準とするのに適当であるからである。

本発明の表面焼入れされた鋼の用途としては、歯車や機械の軸などの耐磨耗性が要求される部材である。焼入れの対象となる鋼種は特に限定するものではなく、機械構造用炭素鋼（ＳＣ材）やクロム鋼、クロム・モリブデン鋼などの機械構造用合金鋼などが一般的に使用される。本発明の表面焼入方法を実施した鋼はオーステナイト結晶粒度が例えば１１．０ないし１２．０と１回焼入れにおける７．５ないし８．０より細かくなり、それに伴って焼入れ後のマルテンサイト組織も緻密になっている。そのため炭素鋼など安価な素材を使用しても優れた材質の製品が得られる。

以上述べたような本発明の表面焼入れされた鋼を作成するための表面焼入れ方法としては、先にも述べたように焼入れのための熱処理を２回行なうものである。第１回熱処理は表面がＡｃ₃ 変態点以上の温度であって前記焼入領域とすべき深さの２．５倍以上７．０倍以下の深さ位置においてもＡｃ₁ 変態点以上の温度に高周波誘導加熱により加熱後、水噴射などにより焼入れする。なお上記の「焼入領域とすべき深さ」というのは、本発明の工程完了後の部材における表面硬化層は第２回熱処理による焼入領域が該当するので、これを焼入領域とすべき深さと表現して基準としたものである。

第１回熱処理において、表面から焼戻軟化領域とすべき範囲の中間の深さ位置ぐらいまでは完全に焼入れる必要があるので表面がＡｃ₃ 変態点以上の温度になるまで加熱する必要がある。さらにまた図４に見るように第１回熱処理における不完全硬化領域までの深さが焼戻軟化領域の最も深い位置にほぼ一致するので、本発明における焼戻軟化領域の範囲である焼入領域の深さの２．５倍以上７．０倍以下の深さまでを、第１回熱処理でＡｃ₁
変態点以上の温度に加熱するのである。なお部材内部の温度を直接測定するのは困難であるが、第１回熱処理後の試料の断面の硬さや組織を検査すれば不完全焼入領域の最も深い位置がわかり、これより表面側の部分がＡｃ₁ 変態点以上に加熱された個所と知ることができる。

次いで第２回熱処理を行なうが、表面がＡｃ₁ 変態点を超えない温度に高周波誘導加熱し、先に焼入れされた部分を焼戻して軟化させるのに続けて、焼入領域とすべき深さまでＡｃ₃ 変態点以上の温度に高周波誘導加熱後、水噴射などにより焼入れする。このように第２回熱処理では焼戻しのための加熱と焼入れのための加熱を１回の熱サイクルで行なうが、焼戻しのための加熱は焼戻しすべき個所がＡｃ₁ 変態点を超えないようにする必要がある。そしてこの焼戻しすべき個所は部材の深部に位置するので、高周波加熱による表面の熱が充分に内部に移行し、先に焼入れされた部分を焼戻して軟化させるような条件で行なう必要がある。

図６は先に図４および図５に基づいて説明した本発明の焼入方法における高周波加熱の熱サイクルの模式図であって、（ａ）図は第１回熱処理のもの、（ｂ）図および（ｃ）図は第２回熱処理のものである。第１回熱処理においては７秒間で表面温度が１０１０℃になるまで加熱したのち水冷している。第２回熱処理の（ｂ）図および（ｃ）図は図４や図５に示した焼戻温度が異なる場合に対応しており、焼戻温度が部材表面でそれぞれ４９０℃と６６０℃のものである。そしていずれも所定の焼戻温度に達したのち加熱電力を止めた状態で３秒間放冷しているが、ここまでが予備加熱であり、次いで本加熱をして焼入温度に昇温している。なお焼戻しされるべき個所は部材の内部であり、この個所は加熱時の表面温度より低いが、余裕をみて表面でもＡｃ₁ 変態点を超えないようにすればよい。また焼戻温度は表面温度で４００℃以上であることが好ましく、先に述べたように比較的高い方が内部の引張残留応力の低減効果が大きい。

また予備加熱においては上記の例のように所定の焼戻温度に達したのち加熱電力を止めた状態で一定時間放冷し、熱伝導で内部が昇温するようにする。内部まで昇温させるためには加熱電力を止める時間を１．０秒以上にする必要がある。なお加熱電力を止める時間の上限は規定しないが、加熱電力停止中に低下した表面温度が所定の焼戻温度から３００℃以上低くならないようにするのが好ましい。また予備加熱は比較的小さな電力で高周波誘導加熱して昇温に時間をかけることにより、部材内部で熱伝導が行なわれる時間が長くなって表面と内部との温度差を小さくできる。したがって予備加熱の通電時間は２．０秒以上であることが好ましい。

また図６の例においては本加熱の昇温時間が０．３秒と非常に短くなっているが、予備加熱より大きな電力で高周波誘導加熱することにより、短時間で焼入領域とすべき深さまでＡｃ₃ 変態点以上の温度にできる。これにより焼入領域の深さが比較的浅い場合でも不完全焼入領域の範囲が広がることなく表面硬化ができる。上記のことから第２回熱処理においては、予備加熱と本加熱とで高周波誘導加熱の電力を切り替え、本加熱の電力を予備加熱の電力より大きくする必要がある。

またさらに高周波誘導加熱の周波数を第１回熱処理、第２回熱処理の予備加熱、第２回熱処理の本加熱で相互に変化させることにより、加熱深さの調節をより自在に行なえる。すなわち部材の内部での渦電流の浸透深さδ［ｍ］は周波数をｆ［Ｈｚ｝、材料の比透磁率をμ_r 、比抵抗率をρ［Ω・ｍ］としたとき、下式で表されることが知られている。
δ＝０．５０３・１０³ （ρ／ｆμ_r ）^1/2

部材の内部での渦電流は表面で最も大きく、内部に行くに従って指数関数的に減少するが、上記の電流の浸透深さδは一様な電流密度とみなしたときの計算上の電流が流れる範囲を示しており、加熱深さを判断する目安になる。この式に見るように浸透深さδは部材の形状とは無関係であって、例えば炭素鋼の８００℃における浸透深さδは、周波数をｆが１０ｋＨｚのとき５．３ｍｍ、２００ｋＨｚのとき１．２ｍｍになる。したがって第２回熱処理の予備加熱の周波数を本加熱の周波数より低くして内部まで加熱されるようにするといったことができ、これと先に説明した加熱時間や加熱停止時間とを組み合わせることにより広範囲の調節ができる。

機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃの直径３０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの円柱状の試料の中央部の長さ３０ｍｍの部分に対して、本発明の表面焼入方法を実施した。表１に熱処理の各種条件を本発明例と比較例について示す。第１回目熱処理は表１に示す高周波加熱電流の周波数、加熱時間、表面温度の条件で昇温し、直ちに水冷した。また第２回目熱処理は表１に示すような予備加熱と本加熱の条件で行ない、直ちに水冷した。第２回目熱処理における予備加熱の周波数、加熱時間、表面温度、加熱停止時間、加熱停止後の表面温度、および本加熱の周波数、加熱時間、表面温度も表１に示す。

上記の表面焼入れを行なった試料について、断面の顕微鏡組織と硬さを測定し、また先に述べた方法で残留応力を測定した。焼入領域の表面からの深さ、焼戻軟化領域の深さ（表面から遠い側の端）、表面硬さ、不完全焼入領域と焼戻軟化領域との境界にある硬さの極小値、前記硬さの極小値と焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差、焼入領域内に見られる圧縮残留応力のうちの最大値、焼戻軟化領域内に見られる引張残留応力のうちの最大値の測定結果を表２にまとめて示す。

表１および表２中、試料番号１〜７が本発明例、試料番号８〜１４が比較例である。本発明例である試料番号１〜７は第１回熱処理、第２回熱処理における各条件が適切であるので、焼入工程完了後の焼戻軟化領域の深さが焼入領域の深さの２．５倍以上７．０倍以下になっており、また不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界における硬さの極小値に対する焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差がＨＶ１５０以内になっている。このためいずれの試料においても表面近傍の圧縮残留応力が１０２０ＭＰａ以上で高く、また内部の引張残留応力も５２０ＭＰａ以下で低く、満足な結果であった。したがって改めて測定をしなかったが、高い疲労強度が予想される。

比較例中試料番号８は第２回熱処理のさいに３．０ｍｍを超える範囲までＡｃ₃変態点以上に加熱したので、焼入工程完了後の焼戻軟化領域の深さが焼入領域の深さの２．５倍未満になった。このため充分な厚さの焼戻軟化領域を確保できず、表面近傍の圧縮残留応力が小さく、内部の引張残留応力も高くなった。

比較例中試料番号９は第１回の熱処理のさいにＡｃ₁変態点以上に加熱された領域の深さが、焼入領域の深さすなわち第２回熱処理のさいにＡｃ₃変態点以上に加熱された領域の深さの７．０倍を超えている。このため焼戻軟化領域における軟化自体が不均等になり、不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界における硬さの極小値に対する焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差がＨＶ１５０を超え、内部の引張残留応力が高くなった。

比較例中試料番号１０は第１回の熱処理のさいに内部までの加熱が不十分であったため、Ａｃ₁変態点以上に加熱された領域の深さが、焼入領域の深さすなわち第２回熱処理のさいにＡｃ₃変態点以上に加熱された領域の深さの２．５倍未満になった。このため充分な厚さの焼戻軟化領域を確保できず、内部の引張残留応力は低かったが、表面近傍の圧縮残留応力は小さくなった。

比較例中試料番号１１は第２回熱処理のさいの予備加熱の表面温度がＡｃ₃変態点を超えたので、焼入工程完了後の焼入領域の深さが大きくなって充分な厚さの焼戻軟化領域を確保できず、内部の引張残留応力は低かったが、表面近傍の圧縮残留応力は小さくなった。

比較例中試料番号１２は第２回熱処理のさいの予備加熱の表面温度が４００℃未満であったので焼戻しの効果が不十分となった。そのため不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界における硬さの極小値に対する焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差がＨＶ１５０を超え、内部の引張残留応力が高くなった。

比較例中試料番号１３は第２回熱処理のさいの予備加熱における加熱電力を停止する時間が１．０秒未満であったので焼戻しの効果が不十分となった。、そのため不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界における硬さの極小値に対する焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差がＨＶ１５０を超え、内部の引張残留応力が高くなった。

比較例中試料番号１４は第２回熱処理のさいの予備加熱における加熱電力が大きすぎて通電時間が２．０秒未満であったので焼戻しの効果が不十分となった。、そのため不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界における硬さの極小値に対する焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差がＨＶ１５０を超え、内部の引張残留応力が高くなった。

従来の高周波加熱方法により表面を２回焼入れしたときの部材表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示すグラフ高周波加熱による表面焼入れの疲労特性に及ぼす効果を調べた回転曲げ疲労試験の結果を示すＳ−Ｎ線図（本発明および従来技術）従来の高周波加熱方法により表面を２回焼入れした部材の残留応力分布を示すグラフ本発明の高周波加熱方法により表面を２回焼入れしたときの部材表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示すグラフ本発明の高周波加熱方法により表面を２回焼入れした部材の残留応力分布を示すグラフ本発明における高周波加熱の熱サイクルの模式図で、（ａ）図は第１回熱処理、（ｂ）図および（ｃ）図は第２回熱処理

符号の説明

１硬度の極小値
２硬さ分布の山
Ａ焼入領域
Ｂ不完全焼入領域
Ｃ焼戻軟化領域

Claims

焼入温度から常温まで急冷する表面焼入れが２回なされた鋼であって、表面から３．０ｍｍ以内の深さまでのマルテンサイト組織の焼入領域と、焼入領域に隣接しマルテンサイトとフェライトの混合組織の不完全焼入領域と、不完全焼入領域に隣接し焼入領域の深さの２．５倍以上７．０倍以下の深さまでの焼戻軟化領域とを有し、前記不完全焼入領域と焼戻軟化領域の境界における硬さの極小値に対する焼戻軟化領域内の硬さの最大値との差がＨＶ１５０以内であることを特徴とする表面焼入れされた鋼。
高周波誘導加熱による鋼の表面焼入方法において、表面から３．０ｍｍ以内の定められた深さの焼入領域を得るにあたり、表面がＡｃ_３変態点以上の温度でかつ前記焼入領域とすべき深さの２．５倍以上７．０倍以下の深さ位置においてＡｃ_１変態点以上の温度に高周波誘導加熱により加熱後、常温まで急冷して焼入れする第１回熱処理を行ない、次いで表面がＡｃ_１変態点を超えない温度に高周波誘導加熱し、第１回熱処理で焼入れされた部分を焼戻して軟化させるのに続けて、前記焼入領域とすべき深さまでＡｃ_３変態点以上の温度に高周波誘導加熱後、常温まで急冷して焼入れする第２回熱処理を行なうことを特徴とする鋼の表面焼入方法。
第２回熱処理は、表面が４００℃以上でＡｃ_１変態点を超えない温度になるまで高周波誘導加熱し、加熱電力を停止した状態で１．０秒以上放冷する予備加熱に続けて、予備加熱より大きな電力で高周波誘導加熱して焼入領域とすべき深さまでＡｃ_３変態点以上の温度にする本加熱後、焼入れするものであることを特徴とする請求項２記載の鋼の表面焼入方法。
第２回熱処理は、表面が４００℃以上でＡｃ_１変態点を超えない温度になるまで２．０秒以上の通電時間で高周波誘導加熱し、加熱電力を停止した状態で１．０秒以上放冷する予備加熱に続けて、予備加熱より大きな電力で高周波誘導加熱して焼入領域とすべき深さまでＡｃ_３変態点以上の温度にする本加熱後、焼入れするものであることを特徴とする請求項２記載の鋼の表面焼入方法。
第２回熱処理の高周波誘導加熱の周波数が、予備加熱のときが本加熱のときよりも低いことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の鋼の表面焼入方法。