WO2017002531A1 - 機械部品の製造方法 - Google Patents

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a machine component, and more particularly to a method for manufacturing a machine component in which a hardened layer is formed on a surface layer.
  • ECAP Equal Channel Angular Processing
  • the ECAP method is attracting attention as a high strain processing method in which the material shape does not change much before and after processing.
  • the ECAP method the amount of strain in one processing is not so large. Therefore, in order to express desired fine crystal grains and plasticity, the ECAP method must be processed a plurality of times, and there is a problem in terms of processing efficiency. Further, in the ECAP method, it is difficult to control the processing conditions. Because of such problems, it is difficult to use the ECAP method as an industrial technology.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a steel mechanical part having high strength.
  • the method of manufacturing a machine part includes a step of preparing a steel process target material to be a machine part, and a surface portion of the process target material having an A3 transformation point temperature in a state where shear strain is applied to the surface part. And a step of performing a quenching process by cooling after heating to the above heating temperature.
  • the carbon content of the material to be treated is 0.2% by mass or more.
  • the heating temperature is 800 ° C. or higher
  • the cooling rate of the surface portion of the material to be processed in the quenching process is 35 ° C./second or higher in the temperature range from 850 ° C. to 300 ° C.
  • a preparation step (S10) is performed.
  • a steel processing target material 1 (see FIG. 2) to be a machine part and a processing apparatus as shown in FIG. 2 are prepared.
  • the processing target material 1 may be processed into a schematic shape as a machine part.
  • the content of carbon in the material to be processed 1 may be 0.2% by mass or more. Any conventionally known method can be used as a processing method of the processing object 1.
  • the material which comprises the process target material 1 is steel, the thing of arbitrary compositions can be employ
  • the carbon content rate in the said material is 0.2 mass% or more.
  • the arbitrary shape can be employ
  • the shape (for example, rod shape) which has the long axis extended in a predetermined direction as shown, for example in FIG. 2 may be sufficient.
  • vertical to the major axis in the process target material 1 can be made into arbitrary shapes, for example, a circular shape may be sufficient.
  • a heat treatment step (S20) is performed.
  • this step (S20) in a state where shear strain is applied to the surface portion of the material 1 to be treated, the surface portion is quenched after being heated to a heating temperature equal to or higher than the A3 transformation point temperature.
  • the said heating temperature is 800 degreeC or more.
  • the cooling rate of the surface portion of the material to be treated in the quenching treatment is 35 ° C./second or more in the temperature range from 850 ° C. to 300 ° C.
  • a post-processing step (S30) is performed.
  • a final mechanical component is obtained by performing grinding processing, cleaning processing, or the like on the processing target material 1 on which the above-described heat treatment step (S20) is performed.
  • any conventionally known processing method can be used.
  • the structure of the processing apparatus used in the heat processing process (S20) mentioned above is demonstrated.
  • the processing apparatus performs induction heating with a rotating unit 4 that holds one end of the processing target material 1, a fixing unit 5 that fixes the other end of the processing target material 1, and induction processing.
  • the heating coil 2, the cooling nozzle 3 for performing the quenching process, the aligning panel 6, the cooling water circulation device 7, the power source 8, and the cooling water circulation device 9 for the power source 8 are mainly provided.
  • the rotating unit 4 is configured to be able to rotate so as to twist one end of the processing target material 1 with respect to the fixed unit 5.
  • the rotating unit 4 includes a rotating unit side holding unit that holds one end of the processing target material 1.
  • the configuration of the rotating unit side holding unit only needs to be able to detachably hold one end of the processing target material 1, and any conventionally known configuration can be adopted.
  • the rotating unit 4 may include a motor and a speed reducer, for example.
  • a driving device such as the motor described above may be connected to the rotation unit side holding unit via a reduction gear.
  • the rotating part-side holding part of the rotating part 4 is configured to be rotatable by the driving device described above.
  • the fixing unit 5 includes a fixing unit side holding unit that holds the other end of the processing target material 1.
  • the structure of the holding part side holding part is only required to be able to detachably hold the other end of the processing target material 1, and any conventionally known structure can be adopted.
  • the heating coil 2 is disposed so as to surround the outer periphery of the processing target material 1 held between the rotating unit 4 and the fixed unit 5.
  • the cooling nozzle 3 is disposed adjacent to the heating coil 2.
  • the cooling nozzle 3 is configured to be able to spray a cooling medium onto the processing target material 1.
  • a cooling medium for example, a liquid such as water or oil can be used.
  • the heating coil 2 and the cooling nozzle 3 are movable along the extending direction of the processing target material 1 (for example, the direction from the fixed portion 5 toward the rotating portion 4).
  • any conventionally known mechanism such as a fluid cylinder or an electric motor can be used.
  • the matching panel 6 includes a capacitor and a transformer, for example, and controls the heating state of the processing target material 1 by controlling the electric power supplied to the heating coil 2.
  • the matching panel 6 is connected to the heating coil 2 and the power source 8.
  • the power source 8 is a power source for high frequency induction heating, for example, and includes an inverter. As the configuration of the power supply 8 and the matching panel 6, any conventionally known configuration can be adopted.
  • the cooling water circulation device 7 supplies water, which is a cooling medium for cooling the heating coil 2, to the heating coil 2. Further, the cooling water circulation device 7 may supply water, which is a cooling medium for cooling the alignment plate 6, to the alignment plate 6. Further, the cooling water circulation device 7 supplies the cooling water sprayed from the cooling nozzle 3 to the processing target material 1 to the cooling nozzle 3.
  • the cooling water circulation device 9 supplies water, which is a cooling medium for cooling the power supply 8, to the power supply 8.
  • the above-described heat treatment is performed using the processing apparatus illustrated in FIG. Specifically, the processing target material 1 is fixed by the rotating unit 4 and the fixing unit 5. In this state, stress is applied to the processing target material 1 by the rotating unit 4 so that the processing target material 1 is rotated (twisted) about the rotation axis extending in the extending direction of the processing target material 1. At this time, the other end portion of the processing target material 1 is fixed by the fixing portion 5, and as a result, the processing target material 1 is twisted to the outer peripheral surface (side surface around the rotation axis described above). Shear stress is applied.
  • the rotation speed when the rotation unit 4 is rotated relative to the fixed unit 5 may be 0.05 (rotation / second) or more. In this way, a sufficient shear strain can be generated on the surface of the material 1 to be processed.
  • the amount of shear strain applied to the surface of the processing target material 1 may be 7.1 or more.
  • the strain amount of the shear strain is defined as follows. That is, in the heat treatment step (S20) described above, the processing target material 1 is twisted (twisted) around the rotation axis (the long axis of the processing target material 1), and the processing target material is described later. When 1 is heated, a linear pattern extending along the circumferential direction is formed on the outer peripheral surface of the processing target material 1. An angle ⁇ between the extending direction of the linear pattern and the rotation axis is obtained by measurement. The amount of shear strain is defined as tan ⁇ .
  • the amount of shear strain can be adjusted, for example, by controlling the stress applied to the processing target material 1 from the rotating unit 4.
  • a conventionally well-known method of controlling the output of a driving device for example, a conductive motor for rotating the processing target material 1 in the rotating unit 4 can be used.
  • the surface of the processing target material 1 is induction-heated by the heating coil 2 disposed so as to surround the outer periphery of the processing target material 1.
  • the surface of the processing target material 1 is heated to a predetermined heating temperature not lower than the A3 transformation point.
  • the heating coil 2 and the cooling nozzle 3 move along the surface of the processing target material 1.
  • the moving direction of the heating coil 2 and the cooling nozzle 3 is the direction from the cooling nozzle 3 toward the heating coil 2 (the direction from the fixed portion 5 toward the rotating portion 4 in FIG. 2).
  • the cooling nozzle 3 is moved and arranged on the surface of the processing target material 1 heated by the heating coil 2.
  • a quenching process is performed on the surface of the processing target material 1 by spraying a cooling medium such as water from the cooling nozzle 3 onto the heated surface of the processing target material 1.
  • the moving speed of the heating coil 2 may be 0.5 mm / second or more.
  • the moving speed of the cooling nozzle 3 may be 0.5 mm / second or more.
  • the moving speed of the heating coil 2 and the moving speed of the cooling nozzle 3 may be the same.
  • the heating coil 2 and the cooling nozzle 3 may be integrated.
  • heating by the heating coil 2 and cooling (quenching process) by the cooling nozzle 3 are performed on the surface of the processing target material 1. , And can be sequentially performed from the fixed portion 5 side toward the rotating portion 4 side. Furthermore, the hardening process mentioned above is performed in the state which applied the force which twists the process target material 1 with the rotation part 4 to the said process target material 1, and added the shear strain to the surface of the process target material 1. For this reason, the prior austenite crystal grains in the quenched and hardened layer of the processing target material 1 after quenching can be refined.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in a direction perpendicular to the major axis of the mechanical component 10.
  • the mechanical component 10 includes a hardened and hardened layer 11 formed on the surface layer, and a core portion 12 positioned on the inner peripheral side of the hardened and hardened layer 11.
  • regulated to JIS specification G0551 is 11 or more.
  • the machine part 10 is a machine part made of steel having a carbon content of 0.2% by mass or more and 0.8% by mass or less.
  • the hardened and hardened layer 11 has a higher hardness than the core 12.
  • the Vickers hardness in the hardened and hardened layer 11 may be 500 HV or higher, or 400 HV or higher.
  • the thickness of the quench hardening layer 11 can be 4 mm or more (for example, if the quench hardening layer 11 is defined as a region having a Vickers hardness of 400 HV or more).
  • the thickness of the quench hardening layer 11 can be determined by the method of calculating
  • the method for manufacturing a machine part includes a step of preparing a steel processing target material 1 to be a mechanical part (preparation step (S10)) and a state in which shear strain is applied to the surface portion of the processing target material 1 And a step (heat treatment step (S20)) in which the surface portion is quenched after being heated to a heating temperature equal to or higher than the A3 transformation point temperature.
  • the carbon content of the material 1 to be processed is 0.2% by mass or more.
  • the heating temperature is 800 ° C. or higher
  • the cooling rate of the surface portion of the processing target material 1 in the quenching process is 35 ° C./second or higher in the temperature range from 850 ° C. to 300 ° C. It is.
  • the reason why the heating temperature is set to 800 ° C. or higher is that the temperature of the surface portion of the processing target material 1 is surely set to a temperature equal to or higher than the A3 transformation point, and the quenching process is reliably performed.
  • the heating temperature may be 850 ° C. or higher, or 900 ° C. or higher.
  • the upper limit of heating temperature is good also as 1000 degreeC.
  • the cooling rate in the temperature range from 850 ° C. to 300 ° C., the cooling rate is set to 35 ° C./second or more because the quenching is incomplete when the cooling rate falls below 35 ° C./second. This is because there is a possibility of occurrence. In the temperature range from 850 ° C. to 300 ° C., the cooling rate may be 38 ° C./second or more, or 40 ° C./second or more.
  • the two parts of the processing target material 1 are held by the first and second holding parts (the rotating part 4 and the fixed part 5), respectively.
  • the first holding part (rotating part 4) is made the second holding part (fixing part 5) around the rotation axis from the first holding part (rotating part 4) to the second holding part (fixing part 5).
  • the shearing strain may be applied to the surface portion of the processing target material 1 by rotating it relative to the surface.
  • the shearing strain can be applied to the processing target material 1 by a relatively simple process of holding the two parts of the processing target material 1 and rotating the holding unit (rotating unit 4). For this reason, it can suppress that the manufacturing method of a machine component becomes complicated.
  • the rotation speed (twisting speed) when the first holding part (rotating part 4) is rotated relative to the second holding part (fixing part 5) is 0.05. It may be greater than (rotation / second).
  • the crystal structure (old austenite crystal grains) in the surface portion can be reliably refined.
  • the reason why the rotation speed is 0.05 (rotation / second) or more is that when the rotation speed is less than 0.05 (rotation / second), sufficient shear strain is applied to the surface portion of the material 1 to be processed. This is because there is a possibility that it cannot be done.
  • the rotation speed may be 0.07 (rotation / second) or more, or 0.1 (rotation / second) or more.
  • a part of the surface part may be heated and the part heated in the surface part may move.
  • the moving speed of the heated part may be 0.5 mm / second or more.
  • the work efficiency of the quenching process in the manufacturing method of the machine part can be sufficiently increased.
  • the above moving speed is set to 0.5 mm / second or more. If the moving speed is less than 0.5 mm / second, the work efficiency of the quenching process becomes too low, which may cause a practical problem. This is because The moving speed may be 0.7 mm / second or more, or 1 mm / second or more.
  • the amount of shear strain may be 7.1 or more in the step of quenching (S20).
  • the strain amount of the shear strain is set to 7.1 or more, there is a possibility that the refinement of the prior austenite crystal grains of the quenched and hardened layer may be insufficient when the strain amount is less than 7.1. Because it comes out.
  • the strain amount may be 7.5 or more, or 8 or more.
  • the mechanical component 10 is a mechanical component made of steel having a carbon content of 0.2% by mass or more and 0.8% by mass or less, and includes a quench hardened layer 11 formed on a surface layer, In the quench hardened layer 11, the grain size number of the prior austenite crystal grains is 11 or more. In this case, the strength of the mechanical component 10 can be increased by refining the prior austenite crystal grains of the quenched and hardened layer 11.
  • the reason why the carbon content of the machine part is set to 0.2% by mass or more is to form a hardened and hardened layer by the quenching process. Moreover, the reason why the carbon content is set to 0.8% by mass or less is that it prevents burning cracks.
  • the lower limit of the carbon content may be 0.3% by mass or 0.35% by mass.
  • the upper limit of the carbon content may be 0.7% by mass or 0.6% by mass.
  • the prior austenite crystal grain may have a particle size number of 12 or more.
  • the thickness of the hardened hardening layer may be 4 mm or more (when a region having a Vickers hardness of 400 HV or more is used as the hardened hardening layer). In this case, since the hardened and hardened layer 11 having a sufficient thickness is formed on the surface layer of the mechanical component 10, the strength of the mechanical component can be reliably increased. In addition, the thickness of the said hardening hardening layer may be 4.5 mm or more, and may be 5 mm or more.
  • the Vickers hardness in the hardened and hardened layer 11 may be 500 HV or more. In this case, a mechanical component with high strength can be reliably obtained.
  • the Vickers hardness in the hardening hardening layer 11 may be 550HV or more, and may be 580HV or more.
  • the above-mentioned Vickers hardness of the hardened and hardened layer 11 means an average of measured values of Vickers hardness measured at a plurality of locations (for example, 5 points) in the depth direction of the hardened and hardened layer in the cross section of the mechanical component 10. To do.
  • sample As a sample, a shaft made of carbon steel with a small amount of boron was used. Three types of samples ID1 to ID3 were prepared. The carbon content in the sample was 0.38% by mass. The sample has a cylindrical shape. The sample has a length of 500 mm and a cross-sectional diameter of 20.1 mm.
  • Heat treatment was performed on the samples ID1 to ID3 using the processing apparatus shown in FIG. Specifically, the sample was heated by high frequency induction heating using the heating coil 2. The surface of each sample was moved and quenched by moving the heating coil 2 and the adjacent cooling nozzle 3 along the axial direction of each sample. The moving speed of the heating coil 2 and the cooling nozzle 3 was 0.5 mm / second.
  • the surface temperature of the sample was heated to a heating temperature (900 ° C.) that is a temperature equal to or higher than the A3 transformation point, and then quenched to perform a quenching treatment.
  • a heating temperature 900 ° C.
  • the cooling rate was 37 ° C./second.
  • the heat treatment was performed by changing the conditions of each sample. Specifically, the sample ID1 was heat-treated without performing a twisting operation. For sample ID2, heat treatment was performed with the relative rotational speed (twisting speed) of the rotating part 4 with respect to the fixed part 5 being 0.025 (rotation / second). Sample ID3 was heat-treated at a rotation speed of 0.05 (rotation / second).
  • sample ID3 the amount of shear strain was measured.
  • the following method was used. That is, on the outer peripheral surface of the sample after heat treatment, a linear pattern extending along the circumferential direction is formed as shown in FIG. An angle ⁇ between the extending direction of the linear pattern and the long axis (rotation axis) of the sample was obtained by measurement. Then, tan ⁇ was calculated as the shear strain amount.
  • Vickers hardness was measured for a region from the surface to a depth of 200 ⁇ m. Specifically, Vickers hardness measurement was performed at five locations in the depth direction every 40 ⁇ m for the region from the surface to a depth of 200 ⁇ m in the cross section of each sample.
  • FIG. 4 shows external photographs of sample ID1 (upper side) heat-treated without twisting and sample ID3 (lower side) heat-treated while twisting at a rotational speed of 0.05 (rotation / second).
  • the sample ID 3 has a linear pattern extending in the direction indicated by the white dotted line (the circumferential direction that is the direction along the twisting direction).
  • Shear strain amount Sample ID3 had a shear strain of about 7.1.
  • Vickers hardness measurement As a result of Vickers hardness measurement for Sample IDs 1 to 3, the average value of Vickers hardness was 600 HV or more in the region from the surface to a depth of 200 ⁇ m. That is, in any sample, the region from the surface to a depth of 200 ⁇ m was quenched and hardened.
  • FIGS. 5 to 7 show the microstructures observed using an optical microscope after AGS corrosion on the cross sections of sample IDs 1 to 3, respectively.
  • FIG. 5 is a microstructure photograph of the cross section of Sample ID1.
  • the grain size number (see JIS standard G0551) of the prior austenite crystal grains in the sample ID1 shown in FIG.
  • the present invention is particularly advantageously applied to mechanical parts having a hardened and hardened layer formed on the surface.
  • Cooling water circulation device for supply, 8 High frequency induction heating power source (inverter), 9 Cooling water circulation device for cooling high frequency induction heating power source, 10 machine parts, 11 hardened hardened layer, 12 core part.

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Abstract

高強度化された鋼製の機械部品を提供する。機械部品の製造方法は、機械部品となるべき鋼製の処理対象材（１）を準備する工程と、処理対象材（１）の表面部分に剪断ひずみを加えた状態で、表面部分をＡ３変態点温度以上の加熱温度に加熱後冷却することで焼入処理を行う工程とを備える。処理対象材（１）の炭素の含有率は０．２質量％以上である。焼入処理を行う工程では、加熱温度が８００℃以上であり、焼入処理における処理対象材（１）の表面部分の冷却速度が８５０℃から３００℃までの温度域において３５℃／秒以上である。

Description

機械部品の製造方法
　この発明は、機械部品の製造方法に関し、より特定的には表面層に硬化層が形成された機械部品の製造方法に関する。
　金属材料に強ひずみ加工を加える代表的な方法としてＥＣＡＰ（Ｅｑｕａｌ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ａｎｇｕｌａｒ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）法がある。ＥＣＡＰ法は素材形状が加工の前後であまり変わらない強ひずみ加工法として注目されている。しかし、ＥＣＡＰ法では、一回の加工におけるひずみ量があまり大きくない。そのため、所望の微細な結晶粒および塑性を発現させるには、ＥＣＡＰ法では複数回、加工を行わなければならず、加工効率という面で課題がある。また、ＥＣＡＰ法では、その加工条件の制御が難しい。このような課題が存在するため、ＥＣＡＰ法を工業技術として利用することは困難である。
　そこで量産性を向上させ、低コスト化を図る金属加工方法として、金属材料からなる処理対象材を加熱し形成した低変形抵抗領域を捻回することにより、当該領域を剪断変形させて金属組織を微細化する方法が提案されている（たとえば特開２００７－３０８８０６号公報参照）。
特開２００７－３０８８０６号公報
　しかし、上述した方法において、鋼製材料の焼入処理や当該焼入処理が可能な条件、および鋼製材料の結晶組織を微細化することが可能な条件については報告されていない。
　ここで、たとえば自動車業界においては、燃費の向上あるいは走行性能の向上を目的として車体等の軽量化が望まれている。その対応策の１つとして、結晶組織の微細化により高強度化した材料を利用した軽量化が考えられる。中でも、自動車の車体などの主な構成材料である鋼製材料について、結晶組織の微細化による高強度化を図ることは上述した車体等の軽量化に大きく寄与すると考えられる。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、高強度化された鋼製の機械部品を提供することである。
　本開示に係る機械部品の製造方法は、機械部品となるべき鋼製の処理対象材を準備する工程と、処理対象材の表面部分に剪断ひずみを加えた状態で、表面部分をＡ３変態点温度以上の加熱温度に加熱後冷却することで焼入処理を行う工程とを備える。処理対象材の炭素の含有率は０．２質量％以上である。焼入処理を行う工程では、加熱温度が８００℃以上であり、焼入処理における処理対象材の表面部分の冷却速度が８５０℃から３００℃までの温度域において３５℃／秒以上である。
　上記によれば、高強度化された鋼製の機械部品が得られる。
本実施形態に係る機械部品の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した熱処理工程において用いる処理装置の構成を示す模式図である。 本実施形態に係る機械部品の断面模式図である。 実験に用いた試料の外観写真である。 試料１の断面拡大写真である。 試料２の断面拡大写真である。 試料３の断面拡大写真である。
　以下、図面に基づいて本開示の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
　＜機械部品の製造方法＞
　図１を参照して、本実施形態に係る機械部品の製造方法を説明する。図１に示すように、本実施形態に係る機械部品の製造方法では、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、機械部品となるべき鋼製の処理対象材１（図２参照）および図２に示すような処理装置を準備する。処理対象材１は、機械部品としての概略形状に加工されていてもよい。処理対象材１の炭素の含有率は０．２質量％以上であってもよい。処理対象物１の加工方法は従来周知の任意の方法を用いることができる。処理対象材１を構成する材料は鋼であれば任意の組成のものを採用し得るが、たとえば当該材料における炭素の含有率は０．２質量％以上である。処理対象材１の形状は任意の形状を採用し得るが、たとえば図２に示すような所定の方向に延在する長軸を有する形状（たとえば棒状）であってもよい。また、処理対象材１における長軸に垂直な方向での断面形状は任意の形状とすることができるが、たとえば円形状であってもよい。
　次に、熱処理工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、処理対象材１の表面部分に剪断ひずみを加えた状態で、当該表面部分をＡ３変態点温度以上の加熱温度に加熱後冷却することで焼入処理を行う。焼入処理を行う工程としての当該工程（Ｓ２０）では、上記加熱温度が８００℃以上である。また、焼入処理における処理対象材の表面部分の冷却速度は８５０℃から３００℃までの温度域において３５℃／秒以上である。このように、剪断ひずみを加えた状態で焼入処理を実施することで、表面部分において結晶組織が微細化された焼入硬化層を備えた、高強度化された鋼製の機械部品を得ることができる。なお、この工程（Ｓ２０）で用いる処理装置の構成については後述する。
　次に、後処理工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、上述した熱処理工程（Ｓ２０）を実施した処理対象材１に対して、研削加工や洗浄加工などを行うことにより、最終的な機械部品を得る。なお、研削加工や洗浄加工などにおいては従来周知の任意の加工方法を用いることができる。
　＜処理装置の構成＞
　図２を参照して、上述した熱処理工程（Ｓ２０）において用いる処理装置の構成を説明する。図２に示すように、処理装置は、処理対象材１の一方の端部を保持する回転部４と、処理対象材１の他方の端部を固定する固定部５と、誘導加熱を行うための加熱用コイル２と、焼入処理を行うための冷却用ノズル３と、整合盤６と、冷却水循環装置７と、電源８と、電源８用の冷却水循環装置９とを主に備える。
　回転部４は、固定部５に対して処理対象材１の一方端部を捻るように回転させることが可能に構成されている。回転部４は処理対象材１の一方の端部を保持する回転部側保持部を含む。回転部側保持部の構成は、処理対象材１の一方の端部を着脱可能に保持できればよく、従来周知の任意の構成を採用できる。また、回転部４はたとえばモータと減速機とを含んでいてもよい。回転部４では、上述したモータなどの駆動装置が減速機を介して上記回転部側保持部に接続されていてもよい。回転部４の上記回転部側保持部は、上述した駆動装置によって回転可能に構成されている。
　固定部５は、処理対象材１の他方の端部を保持する固定部側保持部を含む。固定部側保持部の構成は、処理対象材１の他方の端部を着脱可能に保持できればよく、従来周知の任意の構成を採用できる。
　また、加熱用コイル２は、回転部４と固定部５とのに保持されている処理対象材１の外周を囲むように配置されている。冷却用ノズル３は、加熱用コイル２と隣接して配置されている。冷却用ノズル３は、処理対象材１に対して冷却用媒体を吹き付けることが可能に構成されている。冷却用媒体としては任意の媒体を用いることができるが、たとえば水や油などの液体を用いることができる。加熱用コイル２と冷却用ノズル３とは、処理対象材１の延在方向（たとえば固定部５から回転部４に向かう方向）に沿って移動可能になっている。加熱用コイル２と冷却用ノズル３とを移動させる機構としては、たとえば流体シリンダや電動モータなど従来周知の任意の機構を用いることができる。
　整合盤６は、たとえばコンデンサやトランスを含み、加熱用コイル２へ投入される電力を制御して処理対象材１の加熱状態を制御する。整合盤６は加熱用コイル２と電源８とに接続されている。電源８は、たとえば高周波誘導加熱用の電源であって、インバータを含む。電源８や整合盤６の構成としては従来周知の任意の構成を採用することができる。
　冷却水循環装置７は、加熱用コイル２を冷却するための冷却媒体である水を加熱用コイル２へ供給する。また、冷却水循環装置７は、整合盤６を冷却するための冷却媒体である水を整合盤６へ供給してもよい。また、冷却水循環装置７は、冷却用ノズル３から処理対象材１へ吹き付けられる冷却用の水を冷却用ノズル３へ供給する。
　冷却水循環装置９は、電源８を冷却するための冷却媒体である水を電源８へ供給する。
　＜処理装置の動作＞
　図１に示した熱処理工程（Ｓ２０）では、図２に示した処理装置を用いて、上述した熱処理を行う。具体的には、処理対象材１を回転部４と固定部５とにより固定する。この状態で、処理対象材１の延在方向に伸びる回転軸を中心として処理対象材１を回転させる（捻る）ように、回転部４により処理対象材１に対して応力を加える。このとき、処理対象材１の他方の端部は固定部５により固定されているので、結果的に処理対象材１の外周面（上述した回転軸周りの側面）には捻られることに起因する剪断応ひずみが加えられる。
　また、このとき、回転部４を固定部５に対して相対的に回転させるときの回転速度が０．０５（回転／秒）以上であってもよい。このようにすれば、処理対象材１の表面に十分剪断ひずみを発生させることができる。また、処理対象材１の表面に加えられる剪断ひずみのひずみ量は７．１以上であってもよい。なお、ここで剪断ひずみのひずみ量は、以下のように定義される。すなわち、上述した熱処理工程（Ｓ２０）において処理対象材１に対して上記回転軸（処理対象材１の長軸）を中心として捻る（捻回する）処理を行うとともに、後述するように処理対象材１を加熱すると、処理対象材１の外周面において周方向に沿って延びる線状模様が形成される。当該線状模様の延びる方向と上記回転軸とのなす角度θを測定により求める。そして、剪断ひずみのひずみ量をｔａｎθと定義する。
　また、剪断ひずみのひずみ量は、たとえば回転部４から処理対象材１に対して加えられる応力を制御することにより調整できる。当該応力の制御方法は、回転部４において処理対象材１を回転させるための駆動装置（たとえば電導モータなど）の出力を制御するといった従来周知の方法を用いることができる。
　このように処理対象材１に剪断ひずみが加えられた状態で、処理対象材１の外周を囲むように配置された加熱用コイル２によって処理対象材１の表面を誘導加熱する。この誘導加熱によって処理対象材１の表面をＡ３変態点以上の所定の加熱温度にまで加熱する。
　そして、加熱用コイル２と冷却用ノズル３とは、処理対象材１の表面に沿って移動する。加熱用コイル２と冷却用ノズル３との移動方向は、冷却用ノズル３から加熱用コイル２に向かう方向（図２において固定部５から回転部４に向かう方向）である。この結果、加熱用コイル２により加熱された処理対象材１の表面の上に冷却用ノズル３が移動して配置されることになる。そして、当該冷却用ノズル３から水などの冷却用媒体を処理対象材１の加熱された表面に吹き付けることにより、処理対象材１の表面に対して焼入処理を行う。なお、加熱用コイル２の移動速度は０．５ｍｍ／秒以上であってもよい。さらに、冷却用ノズル３の移動速度も０．５ｍｍ／秒以上であってもよい。また、加熱用コイル２の移動速度と冷却用ノズル３の移動速度とは同じであってもよい。さらに、加熱用コイル２と冷却用ノズル３とは一体となっていてもよい。
　また、上述のように加熱用コイル２と冷却用ノズル３とを移動させることにより、加熱用コイル２による加熱と冷却用ノズル３による冷却（焼入処理）を処理対象材１の表面に対して、固定部５側から回転部４側に向けて順次行うことができる。さらに、回転部４により処理対象材１を捻るような力を当該処理対象材１に加えることにより、処理対象材１の表面に剪断ひずみを加えた状態で、上述した焼入処理を行っているため、焼入後の処理対象材１の焼入硬化層における旧オーステナイト結晶粒を微細化できる。
　＜機械部品＞
　図１に示した機械部品の製造方法により得られた機械部品の構成を、図３を参照しながら説明する。図３は、機械部品１０の長軸に対して垂直な方向における断面模式図である。図３に示すように、機械部品１０は、表面層に形成された焼入硬化層１１と、焼入硬化層１１の内周側に位置する芯部１２とを備える。焼入硬化層１１では、ＪＩＳ規格Ｇ０５５１に規定する旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１１番以上である。また、機械部品１０は、炭素含有率が０．２質量％以上０．８質量％以下である鋼からなる機械部品である。焼入硬化層１１は芯部１２より硬度が高くなっている。たとえば、焼入硬化層１１におけるビッカース硬度は５００ＨＶ以上でもよく、４００ＨＶ以上であってもよい。また、焼入硬化層１１の厚みはたとえば、（焼入硬化層１１をビッカース硬度が４００ＨＶ以上の領域と規定すれば）４ｍｍ以上とすることができる。なお、ここで焼入硬化層１１の厚みは、ビッカース硬度測定により焼入硬化深さを求めるという方法により決定できる。
　上述した説明と一部重複する部分もあるが、本発明の実施形態の特徴的な構成を列挙する。
　本開示に係る機械部品の製造方法は、機械部品となるべき鋼製の処理対象材１を準備する工程（準備工程（Ｓ１０））と、処理対象材１の表面部分に剪断ひずみを加えた状態で、表面部分をＡ３変態点温度以上の加熱温度に加熱後冷却することで焼入処理を行う工程（熱処理工程（Ｓ２０））とを備える。処理対象材１の炭素の含有率は０．２質量％以上である。焼入処理を行う工程（Ｓ２０）では、加熱温度が８００℃以上であり、焼入処理における処理対象材１の表面部分の冷却速度が８５０℃から３００℃までの温度域において３５℃／秒以上である。
　このようにすれば、表面部分において結晶組織が微細化された焼入硬化層１１を備えた、高強度化された鋼製の機械部品１０を得ることができる。
　なお、加熱温度を８００℃以上としたのは、処理対象材１の表面部分の温度を確実にＡ３変態点以上の温度にし、焼入処理を確実に行うためである。加熱温度は８５０℃以上であってもよく、９００℃以上であってもよい。また、加熱温度の上限は１０００℃としてもよい。
　また、冷却速度について、８５０℃から３００℃までの温度域において、当該冷却速度を３５℃／秒以上としたのは、当該冷却速度が３５℃／秒を下回ると焼入が不完全となる部分が発生する可能性が出てくるためである。８５０℃から３００℃までの温度域において、当該冷却速度は３８℃／秒以上であってもよく、４０℃／秒以上であってもよい。
　上記機械部品の製造方法において、焼入処理を行う工程（Ｓ２０）では、処理対象材１の２カ所を第１および第２の保持部（回転部４および固定部５）によりそれぞれ保持するとともに、第１の保持部（回転部４）から第２の保持部（固定部５）に向かう回転軸を中心として、第１の保持部（回転部４）を第２の保持部（固定部５）に対して相対的に回転させることにより、処理対象材１の表面部分に剪断ひずみを加えてもよい。
　この場合、処理対象材１の２カ所を保持して当該保持部（回転部４）を回転させるという比較的簡単な処理により、処理対象材１に対して剪断ひずみを加えることができる。このため、機械部品の製造方法が複雑化することを抑制できる。
　上記機械部品の製造方法では、第１の保持部（回転部４）を第２の保持部（固定部５）に対して相対的に回転させるときの回転速度（捻回速度）が０．０５（回転／秒）以上であってもよい。
　この場合、処理対象材１の表面部分に十分な剪断ひずみを発生させることができるので、当該表面部分における結晶組織（旧オーステナイト結晶粒）を確実に微細化することができる。なお、上述した回転速度を０．０５（回転／秒）以上としたのは、回転速度を０．０５（回転／秒）未満とすると処理対象材１の表面部部分に十分な剪断ひずみを加えることができない可能性が出てくるためである。上記回転速度は０．０７（回転／秒）以上であってもよく、０．１（回転／秒）以上であってもよい。
　上記機械部品の製造方法において、焼入処理を行う工程（Ｓ２０）では、表面部分の一部を加熱するとともに、当該表面部分において加熱されている部分が移動してもよい。加熱されている部分の移動速度は０．５ｍｍ／秒以上であってもよい。この場合、機械部品の製造方法における焼入処理の作業効率を十分高くすることができる。なお、上記移動速度を０．５ｍｍ／秒以上としたのは、当該移動速度が０．５ｍｍ／秒を下回ると焼入処理の作業効率が低くなり過ぎ、実用上問題となる可能性が出てくるためである。上記移動速度は０．７ｍｍ／秒以上であってもよく、１ｍｍ／秒以上であってもよい。
　上記機械部品の製造方法において、焼入処理を行う工程（Ｓ２０）では、剪断ひずみのひずみ量が７．１以上であってもよい。この場合、表面部分に十分な剪断ひずみを加えることになるので、表面部分における結晶組織を確実に微細化することができる。ここで、剪断ひずみのひずみ量を７．１以上としたのは、当該ひずみ量を７．１未満とした場合に焼入硬化層の旧オーステナイト結晶粒の微細化が不十分となる可能性が出てくるためである。当該ひずみ量は７．５以上であってもよく、８以上であってもよい。
　本開示に係る機械部品１０は、炭素含有率が０．２質量％以上０．８質量％以下である鋼からなる機械部品であって、表面層に形成された焼入硬化層１１を備え、焼入硬化層１１では、旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１１番以上である。この場合、焼入硬化層１１の旧オーステナイト結晶粒が微細化されることにより、機械部品１０を高強度化することができる。
　ここで、機械部品の炭素含有率を０．２質量％以上としたのは、焼入処理により確実に焼入硬化層を形成するためである。また、当該炭素含有率を０．８質量％以下としたのは、焼き割れを防ぐという理由による。なお、炭素含有率の下限は０．３質量％としてもよく、０．３５質量％としてもよい。また、炭素含有率の上限は０．７質量％としてもよく、０．６質量％としてもよい。また、上記旧オーステナイト結晶粒の粒度番号は１２以上であってもよい。
　上記機械部品１０において、焼入硬化層の厚みは（ビッカース硬度が４００ＨＶ以上の領域を焼入硬化層とした場合）４ｍｍ以上であってもよい。この場合、機械部品１０の表面層に十分な厚みの焼入硬化層１１が形成されているので、機械部品の強度を確実に高めることができる。なお、上記焼入硬化層の厚みは４．５ｍｍ以上であってもよく、５ｍｍ以上であってもよい。
　上記機械部品１０では、焼入硬化層１１におけるビッカース硬度が５００ＨＶ以上であってもよい。この場合、確実に高強度な機械部品とすることができる。なお、焼入硬化層１１におけるビッカース硬度は５５０ＨＶ以上であってもよく、５８０ＨＶ以上であってもよい。また、上述した焼入硬化層１１のビッカース硬度とは、機械部品１０の断面において当該焼入硬化層の深さ方向において複数個所（たとえば５点）で測定したビッカース硬度の測定値の平均を意味する。
　＜実験例＞
　本実施形態の効果を確認するため、以下のような実験を行った。
　（試料）
　試料として、ボロン微量添加炭素鋼製軸材を用いた。試料はＩＤ１～ＩＤ３の３種類準備した。試料における炭素の含有率は０．３８質量％とした。試料の形状は円柱形状である。試料のサイズは、長さが５００ｍｍ、断面における直径が２０．１ｍｍである。
　（熱処理）
　図２に示した処理装置を用いて、ＩＤ１～ＩＤ３の試料に対して熱処理を実施した。具体的には、加熱用コイル２を用いて試料を高周波誘導加熱により加熱した。そして、加熱用コイル２および隣接した冷却用ノズル３を、各試料の軸方向に沿って移動させることにより、各試料の表面を移動焼入した。加熱用コイル２および冷却用ノズル３の移動速度は０．５ｍｍ／秒とした。
　また、熱処理の条件としては、試料の表面温度をＡ３変態点以上の温度である加熱温度（９００℃）まで加熱し、その後冷却することで焼入処理を行った。冷却時の条件としては、８５０℃から３００℃までの温度領域において冷却速度を３７℃／秒として冷却した。
　また、上述した熱処理時における各試料の捻回については、各試料の条件を変えて熱処理を行った。具体的には、試料ＩＤ１については捻回動作をせずに熱処理を行った。試料ＩＤ２については、固定部５に対する回転部４の相対的な回転速度（捻回速度）を０．０２５（回転／秒）として熱処理を行った。また、試料ＩＤ３については、回転速度を０．０５（回転／秒）として熱処理を行った。
　（測定項目）
　熱処理後の試料の外観を観察するとともに、各試料の断面において表面層（焼入硬化層）の断面写真を撮影し、当該断面でのミクロ組織を観察した。具体的には、熱処理後の試料の断面についてＡＧＳ腐食し、光学顕微鏡を用いてミクロ組織観察を行った。
　また、試料ＩＤ３については、剪断ひずみ量を測定した。剪断ひずみ量の測定方法としては、以下のような方法を用いた。すなわち、熱処理後の試料の外周面においては、後述する図４に示すように周方向に沿って延びる線状模様が形成される。当該線状模様の延びる方向と、試料の長軸（回転軸）とのなす角度θを測定により求めた。そして、剪断ひずみ量としてｔａｎθを算出した。
　また、当該断面において、表面から深さ２００μｍまでの領域について、ビッカース硬さの測定を行った。具体的には、各試料の断面において表面から深さ２００μｍまでの領域につき、４０μｍおきに深さ方向において５か所ビッカース硬さ測定を行った。
　（結果）
　外観観察結果：
　図４に、無捻回で熱処理した試料ＩＤ１（上側）、および回転速度０．０５（回転／秒）で捻回しながら熱処理した試料ＩＤ３（下側）の外観写真を示す。図４からわかるように、試料ＩＤ３には、白丸点線で示す方向（捻回方向に沿った方向である周方向）に延びる線状の模様が発生している。
　剪断ひずみ量：
　試料ＩＤ３の剪断ひずみ量は約７．１であった。
　ビッカース硬さ測定：
　試料ＩＤ１～３について、ビッカース硬さ測定を行った結果、表面から深さ２００μｍまでの領域について、ビッカース硬さの平均値はいずれも６００ＨＶ以上となっていた。つまり、いずれの試料においても、表面から深さ２００μｍまでの領域については焼入硬化されていた。
　断面ミクロ組織観察：
　図５～図７は、それぞれ試料ＩＤ１～３の断面についてＡＧＳ腐食した後光学顕微鏡を用いて観察したミクロ組織を示す。図５は試料ＩＤ１の断面のミクロ組織写真である。図５に示した試料ＩＤ１における旧オーステナイト結晶粒の粒度番号（ＪＩＳ規格Ｇ０５５１参照）は９番であった。また、図６に示した試料ＩＤ２における旧オーステナイト結晶粒の粒度番号は１０番であった。また、図７に示した試料ＩＤ３における旧オーステナイト結晶粒の粒度番号は１２番であった。
　これらから、捻回しながら（つまり剪断ひずみを加えながら）熱処理を行うことにより、結晶粒の微細化された焼入硬化層を形成できることが確認された。
　なお、上述した試料ＩＤ１～３については、材料としてボロン微量添加炭素鋼を用いたが、炭素濃度が０．２質量％以上の鋼であれば、焼入後に５００ＨＶ以上の硬度が得られるため、有効である。
　以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
　この発明は、表面に焼入硬化層を形成した機械部品に特に有利に適用される。
　１　処理対象材、２　加熱用コイル、３　冷却用ノズル、４　回転部（モータおよび減速機）、５　固定部、６　整合盤（コンデンサ、トランス）、７　整合盤・加熱用コイル冷却用および冷却ノズル供給用冷却水循環装置、８　高周波誘導加熱電源（インバータ）、９　高周波誘導加熱電源冷却用冷却水循環装置、１０　機械部品、１１　焼入硬化層、１２　芯部。

Claims (5)

  1. 　機械部品となるべき鋼製の処理対象材を準備する工程と、
    　前記処理対象材の表面部分に剪断ひずみを加えた状態で、前記表面部分をＡ３変態点温度以上の加熱温度に加熱後冷却することで焼入処理を行う工程とを備え、
    　前記処理対象材の炭素の含有率は０．２質量％以上であり、
    　前記焼入処理を行う工程では、前記加熱温度が８００℃以上であり、前記焼入処理における前記処理対象材の前記表面部分の冷却速度が８５０℃から３００℃までの温度域において３５℃／秒以上である、機械部品の製造方法。
  2. 　前記焼入処理を行う工程では、前記処理対象材の２カ所を第１および第２の保持部によりそれぞれ保持するとともに、前記第１の保持部から前記第２の保持部に向かう回転軸を中心として、前記第１の保持部を前記第２の保持部に対して相対的に回転させることにより、前記処理対象材の前記表面部分に剪断ひずみを加える、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
  3. 　前記第１の保持部を前記第２の保持部に対して相対的に回転させるときの回転速度が０．０５（回転／秒）以上である、請求項２に記載の機械部品の製造方法。
  4. 　前記焼入処理を行う工程では、前記表面部分の一部を加熱するとともに、前記表面部分において加熱されている部分が移動し、
    　前記加熱されている部分の移動速度が０．５ｍｍ／秒以上である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
  5. 　前記焼入処理を行う工程では、前記剪断ひずみのひずみ量が７．１以上である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
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