JP2000129341A - 低歪み焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 急冷およびマルテンサイト変態に伴う歪みを
抑制することのできる焼入れ方法を提供する。 【解決手段】 焼入れ炉の内部に配置した被焼入れ部材
を、Ａ_３ 変態点より高い温度から冷却用ガスによって
急冷して焼入れをおこなう低歪み焼入れ方法において、
冷却開始後でかつマルテンサイト変態点より高い温度の
時点に、前記冷却ガスの流量と前記焼入れ炉内の前記冷
却ガスの圧力との少なくとも一方を、一時的に低下させ
る。あるいは前述の冷却の際に被冷却部材の設置される
環境を一時的に加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、歪みの発生を抑
制することのできる焼入れ方法に関し、特にステンレス
鋼をガス冷却して焼入れをおこなう方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れ
は、マルテンサイト変態点（Ｍs 点）以上の高温から急
冷してマルテンサイト変態を生じさせることによりおこ
なうことは周知のとおりである。その場合、急冷による
熱応力歪が生じ、またマルテンサイト変態による膨張に
よっても歪が生じる。これらの熱応力歪および変態歪
は、被焼入れ材の全体に必ずしも均等には生じないの
で、製品の歪みの原因となる。

【０００３】高い寸法精度が要求される製品では、焼入
れ後に残る歪みを、後工程で切削もしくは研削すること
により除去しているが、後工程での工数が増大するため
に生産効率を向上させる際の障害になる不都合がある。
特に、マルテンサイト系ステンレス鋼の場合には、硬度
が高いために歪みの是正のための切削もしくは研削に多
く工程を要する。

【０００４】従来、焼入れに伴う歪みを除去する方法
が、特開平１０−２０２３３１号公報に記載されてい
る。この公報に記載された発明は、マルテンサイト変態
点Ｍs より高い高温から急冷して焼入れをおこなう際
に、Ｍs 点を挟んで＋２００℃から−１００℃の範囲に
ある時に冷却材中から引き上げて矯正する条件下で空冷
する方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の公報に記載され
た方法では、冷却材による冷却と空気による冷却とを併
用することになるので、冷却途中で冷却のための環境を
変更する必要があるうえに、空冷をおこなう場合には、
歪みの矯正のための条件を設定する必要があるから、焼
入れ作業が複雑化し、それに伴って製品コストが高くな
る可能性がある。また、複数個の製品を同時に一括して
焼入れをおこなう場合、それぞれの被焼入れ品の配置位
置に応じてその温度条件が若干相違しており、特に窒素
ガスなどの不活性ガスでの冷却の場合には、その冷却用
ガスの流動方向における被焼入れ品の位置に応じてその
冷却度合が相違することがあるので、上記の公報に記載
された方法では、冷却用ガスの流動方向における配置位
置が異なる被冷却材ごとに、矯正条件の設定や空冷の開
始タイミングの設定を異ならせる必要があり、複数の製
品を一括して焼き入れる場合には、その作業が特に困難
になる可能性がある。

【０００６】この発明は上記の事情を背景としてなされ
たものであり、歪みの発生を抑制し、しかも焼入れ操作
もしくは制御が容易な方法を提供することを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１の発明は、焼入れ炉の内
部に配置した被焼入れ部材を、マルテンサイト変態点よ
り高い温度から冷却用ガスによって急冷して焼入れをお
こなう低歪み焼入れ方法において、冷却開始後でかつマ
ルテンサイト変態点より高い温度の時点に、前記冷却ガ
スの流量と前記焼入れ炉内の前記冷却ガスの圧力との少
なくとも一方を、一時的に低下させることを特徴とする
方法である。

【０００８】また、請求項２の発明は、請求項１の構成
に加えて、前記冷却ガスの流量と前記焼入れ炉内の前記
冷却ガスの圧力との少なくとも一方を一時的に低下させ
る際に、前記被焼入れ部材の設置されている環境を加熱
することを特徴とする方法である。

【０００９】したがって、請求項１あるいは２の発明の
いずれにおいても、被焼入れ部材を急冷する過程で、そ
の温度の低下が抑制され、その際に被焼入れ部材ごとの
各部の温度のバラツキが是正される。また、焼入れ炉の
内部に複数の被焼入れ部材を配置してある場合には、そ
れらの焼入れ部材同士の間での温度の偏差すなわち冷却
の度合いの相違が是正される。その結果、マルテンサイ
ト変態が開始する時点では、被焼入れ部材の温度の均一
化が図られており、その状態でマルテンサイト変態が開
始するので、各被焼入れ部材に生じる歪みや被焼入れ部
材同士の間の寸法のバラツキが抑制される。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎにこの発明を図面を参照して
より具体的に説明する。先ず、焼入れ設備について説明
すると、図１はガスを冷却材とした焼入れ炉１の全体的
に構成を模式的に示す図であり、その炉体２の内部には
チャンバー３が形成されており、そのチャンバー３の内
部には、複数の被焼入れ部材４を搭載することのできる
トレー５が配置されている。そのチャンバー３の長手方
向の両端部には、通気孔６が形成され、またその外周に
は、チャンバー３の内部すなわち被焼入れ部材４の配置
されている環境を加熱するための加熱装置７が取り付け
られている。

【００１１】チャンバー３の長手方向の一端側には、チ
ャンバー３の内部から冷却ガスを吸引する冷却ファン８
が配置され、このファン８はモータ９によって駆動され
るように構成されている。これに対してチャンバー３の
他方の端部側には、冷水を流通させて冷却ガスを冷却す
るための冷却用熱交換器１０が配置されている。前記フ
ァン８を回転させることにより、炉体２の内部では図１
に矢印で示す方向にガスが流動し、その結果、チャンバ
ー３の内部にガスが流入する直前にそのガスを熱交換器
１０によって冷却し、温度の低下したガスを被焼入れ部
材４に対して図１における左側から右側に向けて流動さ
せるように構成されている。

【００１２】炉体２には、その内部に冷却ガスとしての
不活性ガスである窒素ガスＮ2 を供給するための吸気ポ
ート１１が形成されており、また、炉体２の内部のガス
圧を調整するためのポンプ１２が接続されている。

【００１３】そして、前記ファン８の回転数すなわち冷
却ガスの循環流量を制御するために、前記モータ９にイ
ンバータ１３が接続されている。また、前記ポンプ１２
を制御して炉体２の内部の圧力を調整するための圧力コ
ントローラ１４がポンプ１２に接続されている。

【００１４】図２は上記の焼入れ炉１によって焼入れ処
理される被焼入れ部材４の一例を示す図であり、ここに
示す被焼入れ部材４は金属製であって、円筒状のシリン
ダ部１５の一端側に、多角形状のブロック部１６が形成
され、そのブロック部１６に前記シリンダ部１５に連通
する貫通孔１７や薄肉の取付け座１８などが形成されて
いる。この被焼入れ部材４は、一例としてマルテンサイ
ト系ステンレス鋼によって構成されている。

【００１５】図１に示す焼入れ炉１によって上記の被焼
入れ部材４の焼入れをおこなう場合にこの発明の方法を
適用した例をつぎに説明する。被焼入れ部材４は、トレ
ー５上に配列し、その状態で加熱および冷却をおこな
う。加熱する場合、その目標温度は、Ａ_３ 変態点以上
の温度であり、一例として１０００℃程度である。その
加熱過程では、被焼入れ部材４の全体の温度が等しくな
るように、温度を一定に維持する均熱化工程を入れる。
さらに、加熱の過程では、炉１の内部を真空状態に維持
する。

【００１６】冷却は、炉１の内部に窒素ガスなどの冷却
のための不活性ガスを導入し、その内部圧力を百数十kP
a（キロパスカル）ないし数百kPa程度に維持し、その冷
却ガスをファン８によって循環させつつ熱交換器１０で
冷却しておこなう。その冷却速度は、要は、パーライト
の発生領域に突入しない程度の速度である。

【００１７】上記の急冷は、マルテンサイト変態点Ｍs
より高く、かつパーライト発生領域より速い冷却速度で
おこない、これに続く工程では、設定温度をマルテンサ
イト変態点Ｍs より高くするとともに、ファン８を停止
させて均熱化をおこなう。これは、トレー５上の全ての
被焼入れ部材４の温度を、マルテンサイト変態点Ｍs以
下に突入する以前に等しくするための処理である。この
均熱化のための処理は、更に、炉１の内部圧力を低下さ
せる処理を重畳させておこなうこともできる。あるいは
また、昇温をおこなって、設定温度を一定に維持すると
ともに、内部圧力を低下させ、かつガスの循環を止める
ことによって均熱化処理をおこなってもよい。

【００１８】ついで、設定温度を常温もしくは室温程度
に設定して急冷をおこなう。その場合、冷却ガスを導入
して炉１の内部圧力を数百kPaに昇圧し、かつファン８
を駆動として冷却ガスの循環流動を生じさせる。その
後、排気して大気圧まで減圧する。

【００１９】このような工程を経て加熱およびその後の
急冷をおこなうと、マルテンサイト変態点Ｍs 以下の温
度に突入する以前に、冷却ガスの流動方向での上流側と
下流側との被焼入れ部材４の温度がほぼ等しくなり、ま
た各被焼入れ部材４における温度の偏差が是正される。
また同時に、その温度までの急冷に伴う熱応力の偏在が
是正される。その結果、全体の温度がほぼ等しい状態で
マルテンサイト変態が開始することになり、そのために
熱応力やマルテンサイト変態に伴う膨張による歪みが抑
制される。以下、実施例を比較例と共に示す。

【００２０】

【実施例１】図３は、図２に示す被焼入れ部材４を焼入
れた際の加熱・冷却サイクルを示す図であり、その被焼
入れ部材４は、トレー５上にマトリックス状もしくはラ
ンダムに配置される。先ず、第１工程として、前記ポン
プ１２を駆動して炉１の内部を１０^−４Torrまで真空引
きする。その場合、設定温度は２０℃もしくは常温と
し、またファン８は停止しておく。その時間は約１５分
である。つぎに第２工程として、８５０℃まで加熱す
る。その昇温時間は約３０分である。第３工程では、均
熱化のために２０分間、８５０℃に維持する。この第３
工程までの炉１の内部圧力は１０^−４Torrであり、また
ファン８は停止したままである。

【００２１】その後、第４工程では、炉１の内部圧力を
３Torrに昇圧し、かつ１０５０℃まで加熱昇温する。そ
の場合も、ファン８は停止したままである。またその時
間は約２０分である。その後、均熱化のために、圧力お
よびファン８を従前のままとして、６０分間、１０５０
℃に維持する（第５工程）。

【００２２】ついで第６工程として、急冷をおこなう。
設定温度は３６０℃、炉１の内部圧力は３００kPa（キ
ロパスカル）とし、ファン８を６０Hzで回転させる。そ
の時間は約２分である。その後、ファン８を停止させて
冷却ガスの循環流動を止め、また設定温度を３８０℃に
設定し、その状態を１０分間維持する。この第７工程で
は加熱装置７による入熱がおこなわれ、これは、各被焼
入れ部材４の表面や内部などの各部位の温度差を解消
し、またトレー５上での位置の相違に起因する被焼入れ
部材４同士の温度の相違を是正するための均熱化処理で
ある。これに続けて第８工程として、炉１の内部圧力を
１２０kPaに低下させ、その状態を２０分間維持する。
したがってこの第８工程での均熱化処理は、冷却ガスの
被焼入れ部材４に対する流量の低減（流動の停止）と冷
却ガスの圧力の低減および被焼入れ部材４の設置環境の
昇温を併用した均熱化処理である。

【００２３】ついで設定温度を２０℃とし、かつ炉１の
内部圧力を２００kPaに設定し、さらにファン８を６０H
zで回転させて急冷をおこなう。この第９工程を１５分
間実行する。その後、炉１の内部圧力を大気圧にまで低
下させるとともに、ファン８を停止させて排気のための
第１０工程をおこなう。

【００２４】上記の加熱・冷却サイクルを実施した場合
の被焼入れ部材４の温度変化を、図４に示してある。こ
の図４には、トレー５上で冷却ガスの流動方向で上流側
の位置Ａに設置した被焼入れ部材４の表面温度と中心部
の温度との変化、およびトレー５上で冷却ガスの流動方
向で下流側の位置Ｂに設置した被焼入れ部材４の表面温
度と中心部の温度との変化を、加熱終了後の温度変化と
して示してある。ファン８を駆動して冷却ガスを循環さ
せる第６工程である急冷工程を開始すると、冷却ガスの
流動方向で上流側の位置Ａにおける被焼入れ部材４が、
下流側の位置Ｂの焼入れ部材４よりも早く冷却される。
これは、冷却ガスの温度が上流側ほど低いためである。
また、表面温度が中心部の温度より低くなる。これは、
経験的に知られるところと一致する。

【００２５】この発明に係る上記の方法では、急冷工程
に続けて均熱化処理がおこなわれるので、被焼入れ部材
４の温度が４００℃前後に達した時点で冷却が止まる。
その結果、中心部の温度は若干上昇する傾向を示す。ま
た下流側の位置Ｂにおける被焼焼入れ部材４の温度がわ
ずか上昇する傾向を示す。炉１の内部の設定温度が３８
０℃であって加熱装置７によって入熱され、かつ冷却ガ
スの循環が停止されているので、炉１の内部に滞留して
いる冷却ガスに熱を奪われて、被焼入れ部材４の温度が
その設定温度に向けてゆっくり低下する。その後、炉１
の内部圧力が１２０kPaに低下させられるので、被冷却
部材４から冷却ガスへの熱伝導率が低下し、最終的に
は、各被焼入れ部材４の温度およびそれぞれの表面温度
および中心部の温度が、設定温度３８０℃程度にまで低
下し、全体が均一温度になる。

【００２６】この状態は、図４に示すように、マルテン
サイト変態点Ｍs より高い温度であり、またパーライト
が析出する温度領域Ｐより速い冷却速度である。

【００２７】こうしてマルテンサイト変態点Ｍs より高
い温度で均熱化処理された後、再度急冷される。したが
って各焼入れ部材４における温度の偏りや焼入れ部材４
同士の温度差がない状態で、すなわちトレー５上の焼入
れ部材４の全体の温度が均一化された状態でマルテンサ
イト変態領域に突入するので、均熱化処理以前の急冷に
伴う熱応力の偏在による歪みおよびマルテンサイト変態
に伴う膨張による歪みが解消もしくは抑制される。

【００２８】

【実施例２】均熱化処理の内容を上記の実施例１とは異
ならせ、他の条件は実施例１と同様にして焼入れをおこ
なった。すなわち均熱化処理をおこなう第７工程および
第８工程では、加熱装置７による入熱をおこなわず、冷
却ガスの流動の停止（流量の低下）とそれに続く圧力の
低下とをおこなった。

【００２９】その場合の被焼入れ部材４の温度変化を図
５に示す。加熱装置７による入熱がないために放熱が進
行するが、マルテンサイト変態点Ｍs 程度まで温度が低
下した時点では、被焼入れ部材４の全体の温度が近似し
ており、均熱化が図られている。

【００３０】

【比較例】１０５０℃に加熱しかつ均熱化した後、その
温度から２０℃まで急冷した。その急冷の際には、ファ
ン８を駆動して冷却ガスを循環させ、また炉１の内部圧
力を３００kPaに維持した。したがってこの比較例は、
従来の一般的な真空焼入れである。

【００３１】その場合の焼入れ部材４の温度変化を図６
に示す。冷却過程で均熱化のための処理がないので、焼
入れ部材４の温度は、トレー５上の位置によって相違し
ており、また表面温度と中心部の温度とに差があり、そ
のままマルテンサイト変態に突入している。

【００３２】上記の実施例１および実施例２ならびに比
較例で得られた被焼入れ部材４について円筒度、真円
度、真直度を測定した。これら円筒度および真円度なら
びに真直度は、図２に示す被焼入れ部材４におけるシリ
ンダ部１５についての測定値に基づいて決定した。測定
結果を図７に示す。なお、図７には、各例について熱処
理前と熱処理後との値およびその変化量を、最大値（ｍ
ａｘ）、最小値（ｍｉｎ）、平均値（ａｖｇ）で示して
ある。

【００３３】先ず、円筒度について検討すると、加熱装
置７による入熱を伴う均熱化処理をおこなった実施例１
では、比較例によるものよりも、円筒度の悪化の程度が
小さく、また寸法のバラツキが僅かである。また加熱装
置７による入熱を伴わない均熱化処理をおこなう実施例
２では、実施例１によるよりも円筒度およびそのバラツ
キが悪化するが、比較例によるよりも円筒度が改善され
ている。

【００３４】つぎに真円度について検討すると、実施例
１で得られた被焼入れ部材４の真円度は、比較例による
よりもバラツキが大幅に改善されている。また実施例２
により得られた被焼入れ部材４の真円度は、実施例１に
よるものと同様に優れており、比較例のものと比べて大
幅に改善されている。

【００３５】さらに真直度について検討すると、実施例
１によれば、真直度の悪化が比較例によるよりもかなり
小さく、またそのバラツキも大幅に改善されている。ま
た、実施例２では、真直度が実施例１よりも幾分悪化す
るが、そのバラツキの幅が小さくなっている。これに対
して比較例では、真直度の悪化の程度が大きく、かつそ
のバラツキ幅が大きくなっている。

【００３６】総合して判定すると、この発明に係る実施
例１によれば、焼入れに伴う歪みを大幅に改善すること
ができた。また、この発明に係る実施例２では、従来の
方法に比較して焼入れに伴う歪みの改善効果が認めら
れ、実用に供し得る方法である。

【００３７】なお、上述した説明では、図２に示す被焼
入れ部材を対象としたが、この発明は各種の形状の金属
部品の焼入れに適用することができる。また、冷却ガス
は窒素ガスに限定されないのであって、冷却ガスは必要
に応じて採用すればよい。さらに、この発明の方法を実
施するための設備は、上記の図１に示す構造のものに限
定されないことは勿論である。そしてこの発明の方法
は、複数の被焼入れ部材を冷却ガスの流動方向に配列し
て焼入れをおこなう場合に適用することにより、上述し
た各種の効果を得ることができるが、この発明の方法
は、同時に多数の部材の焼入れをおこなう場合に限ら
ず、単一部品もしくは製品を焼き入れする場合にも採用
することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように請求項１あるいは請
求項２の発明によれば、被焼入れ部材を急冷する過程
で、その温度の低下が抑制され、その際に被焼入れ部材
ごとの各部の温度のバラツキが是正され、また、焼入れ
炉の内部に複数の被焼入れ部材を配置してある場合に
は、それらの焼入れ部材同士の間での温度の偏差すなわ
ち冷却の度合いの相違が是正される。その結果、マルテ
ンサイト変態が開始する時点では、被焼入れ部材の温度
の均一化が図られており、その状態でマルテンサイト変
態が開始するので、各被焼入れ部材に生じる歪みや被焼
入れ部材同士の間の寸法のバラツキを抑制することがで
き、ひいては後工程の歪み除去のための工数を削減して
生産効率の向上や製品コストの低廉化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の方法を実施する焼入れ設備の一例
を示す模式図である。

【図２】 （Ａ）および（Ｂ）は被焼入れ部材の一例を
示す斜視図である。

【図３】 実施例１での加熱・冷却サイクルを示す線図
である。

【図４】 実施例１での被焼入れ部材の温度変化を示す
線図である。

【図５】 実施例２での被焼入れ部材の温度変化を示す
線図である。

【図６】 比較例での被焼入れ部材の温度変化を示す線
図である。

【図７】 実施例１および実施例２ならびに比較例で得
られた被焼入れ部材の円筒度、真円度、真直度の測定結
果を示す図表である。

【符号の説明】

１…焼入れ炉、 ２…炉体、 ３…チャンバー、 ４…
被焼入れ部材、 ５…トレー、 ７…加熱装置、 ８…
冷却ファン、 １０…冷却用熱交換器、 １２…ポン
プ、 １４…圧力コントローラ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼入れ炉の内部に配置した被焼入れ部材
   を、Ａ_３ 変態点より高い温度から冷却用ガスによって
   急冷して焼入れをおこなう低歪み焼入れ方法において、 冷却開始後でかつマルテンサイト変態点より高い温度の
   時点に、前記冷却ガスの流量と前記焼入れ炉内の前記冷
   却ガスの圧力との少なくとも一方を、一時的に低下させ
   ることを特徴とする低歪み焼入れ方法。
2. 【請求項２】 前記冷却ガスの流量と前記焼入れ炉内の
   前記冷却ガスの圧力との少なくとも一方を一時的に低下
   させる際に、前記被焼入れ部材の設置されている環境を
   加熱することを特徴とする請求項１に記載の低歪み焼入
   れ方法。