JP2005060760A - ガス冷却による焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低歪みの焼入れ方法を提供する。
【解決手段】 所定の焼入れ温度に保持された被処理物を、高圧の冷却ガスを循環させることによって、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度まで、冷却するための第１段階と、第１段階を経由した被処理物を、被処理物の冷却速度を低下させることによって、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度以上において保持するための第２段階と、第２段階を経由した被処理物を、マルテンサイト変態開始温度以下まで冷却するための第３段階とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガス冷却による焼入れ方法に関する。

従来のガス冷却による焼入れ方法においては、冷却開始後のマルテンサイト変態点より高い温度領域において、冷却ガスの流量および圧力の少なくとも一方を一時的に低下させている（例えば、特許文献１参照。）。

また、炉内雰囲気温度あるいは炉内金属材料温度と、設定冷却曲線との間の偏差に基づき、冷却ファンの回転数を制御しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００−１２９３４１号公報 特開２００２−２４９８１９号公報

しかし、特許文献１に記載の方法においては、冷却ガスとして低圧（１ＭＰａ未満）の窒素ガスを適用し、その流量や圧力を途中で低下させることで均熱化を図っているが、温度差の削減効果は十分ではない。したがって、低歪みを達成することは困難である。

また、特許文献２に記載の方法においては、冷却ファンの回転数によって冷却能を制御する場合、冷却過程において各部の温度差が拡大する。そして、冷却ファンの回転数をその後に低下させたとしても、温度差は減少しないため、低歪みを達成することは困難である。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、低歪みの焼入れ方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
所定の焼入れ温度に保持された被処理物を、高圧の冷却ガスを循環させることによって、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度まで、冷却するための第１段階と、
第１段階を経由した被処理物を、被処理物の冷却速度を低下させることによって、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度以上において保持するための第２段階と、
第２段階を経由した被処理物を、マルテンサイト変態開始温度以下まで冷却するための第３段階と
を有することを特徴とする焼入れ方法である。

上記のように構成した本発明によれば、第１段階における冷却ガスは高圧であり、ガス密度（伝熱係数）が大きく良好な冷却能を有するため、冷却ガスを低速で循環させる場合であっても、十分な冷却速度を達成することが可能である。そのため、冷却ガスを高速で循環させる必要がある従来の場合に比べて、冷却ガスの循環方向の上流側に配置される被処理物と下流側に配置される被処理物の温度差および冷却ガスが当たる部位と影となる部位の温度差が縮小し、均熱化が図られる。第２段階においては、冷却速度を低下させた状態で被処理物は保持されため、被処理物の温度分布が縮小される。そのため、上記温度差が、さらに縮小する。第３段階においては、第１段階および第２段階を経由することによって均熱化された被処理物が、マルテンサイト変態開始温度以下まで冷却されて焼入れが施される。したがって、焼入れ歪みを抑制することが可能である。つまり、低歪みの焼入れ方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る被処理物の断面図、図２は、本発明の実施の形態に係る別の被処理物の断面図、図３は、本発明の実施の形態に係る焼入れ方法を説明するためのグラフである。

本発明の実施の形態に係る焼入れ方法は、被処理物を少なくとも３種類の段階を経由させることによって、低歪みを達成している。被処理物は、焼入れ歪みの発生をきらう各種機械部品、例えば、自動車のパワートレン系歯車（図１に示される歯車１０や図２に示されるハイポイドピニオン２０）であり、クロム鋼やクロムモリブデン鋼などの肌焼鋼から形成される。

第１段階においては、所定の焼入れ温度、例えば、８７０℃に保持された被処理物を、高圧の冷却ガスを循環させることによって、第１温度まで、約６０秒を掛けて、冷却する。第１温度は、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度であり、第２段階における温度低下を考慮すると、マルテンサイト変態開始温度より約１０％大きい温度であることが好ましい。

自動車用歯車に適用されるクロム鋼やクロムモリブデン鋼などの肌焼鋼の浸炭処理物における表面炭素濃度は、０．８重量％であり、マルテンサイト変態開始温度は約２２０℃である。したがって、この場合、第１温度は、２４０〜２５０℃（マルテンサイト変態開始温度より２０〜３０℃高い温度）となる。

冷却ガスの圧力は、冷却能を考慮すると、１ＭＰａ以上が好ましく、また、効率を考慮すると、３ＭＰａ以下であることが好ましい。

冷却ガスは、窒素とヘリウムの混合ガスや窒素と水素の混合ガスである。ガスの混合比は、被処理物の焼入れ性に基づいて調整される。つまり、ガスの混合比は、ベイナイトが発生しない冷却速度であって、可能な限り低速となるように設定される。混合ガスは、冷却能およびコストに関し、好ましい。しかし、冷却ガスとして、ヘリウムガスや窒素ガスを適用することも可能であり、ヘリウムガスは、冷却能に関し、窒素ガスはコストに関し、好ましい。

以上のように第１段階における冷却ガスは高圧であり、ガス密度（伝熱係数）が大きく良好な冷却能を有するため、冷却ガスを低速で循環させる場合であっても、十分な冷却速度を達成することが可能である。例えば、冷却ガスの循環を、被処理物が配置されている焼入れ室内部における冷却ガスの温度分布を解消する程度とすることが可能である。

そのため、冷却ガスを高速で循環させる必要がある従来の場合に比べて、冷却ガスの循環方向の上流側に配置される被処理物と下流側に配置される被処理物の温度差および冷却ガスが当たる部位と影となる部位の温度差が縮小し、均熱化が図られる。つまり、被処理物の配置位置や被処理物の部位が異なっていても、温度条件は略一致しているため、被処理物同士の間での温度偏差や、同一被処理物における温度偏差が小さい。

なお、第１段階の所要時間は、特に限定されず、冷却ガスの冷却能や被処理物の焼入れ性などに基づいて適宜調整することが好ましい。また、冷却ガスを循環させる手段は、特に限定されず、例えば、焼入れ室内に循環ファンを配置したり、焼入れ室外に循環ブロワを配置することで、冷却ガスを循環させることが可能である。

第２段階においては、第１段階を経由した被処理物を、被処理物の冷却速度を低下させることによって、第２温度以上において、約９０秒保持する。したがって、冷却速度を低下させた状態で被処理物は保持されため、被処理物の温度分布が縮小される。なお、第２温度は、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度であり、制御性を考慮すると、マルテンサイト変態開始温度より約１０℃高い温度であることが好ましい。

したがって、マルテンサイト変態開始温度が約２２０℃である場合、第２温度は、約２３０℃となる。この場合、第１段階においては、８７０℃から２４０〜２５０℃までの経過時間は、約６０秒であるが、第２段階においては、２４０〜２５０℃から約２３０℃までの経過時間は、約９０秒となる。第２段階の経過（所要）時間は、タイムサイクル等を考慮して、適宜設定することが好ましい。

冷却速度は、冷却ガスの循環を停止させ、および／または、冷却ガスの圧力を第１段階における冷却ガスの圧力より小さくし、冷却を中断することで、低下させることが可能である。第２段階における冷却ガスの圧力は、例えば、１ＭＰａ未満であり、ガス密度（伝熱係数）が減少するため、冷却能を低下させることが可能である。

以上のように第２段階においては、冷却速度を低下させた状態で被処理物は保持されため、被処理物の温度分布が縮小される。そのため、冷却ガスの循環方向の上流側に配置される被処理物と下流側に配置される被処理物の温度差および冷却ガスが当たる部位と影となる部位の温度差が、さらに縮小する。なお、冷却ガスの冷却能や被処理物の焼入れ性などに応じ、冷却ガスの循環の停止および冷却ガスの圧力の削減を、適宜選択して適用することが好ましい。

第３段階においては、冷却を再開し、第２段階を経由した被処理物を、マルテンサイト変態開始温度以下まで冷却する。この際、被処理物は、第１段階および第２段階を経由することによって均熱化されているため、マルテンサイト変態開始温度に一斉に到達させることが可能であり、焼入れ歪みを抑制することができる。

冷却の再開は、冷却ガスの循環中止を解除し、および／または、冷却ガスの圧力を上昇させ、冷却速度を向上させることで、容易に実行することが可能である。冷却ガスの圧力は、冷却能を考慮すると、１ＭＰａ以上が好ましく、また、効率を考慮すると、３ＭＰａ以下であることが好ましい。なお、冷却ガスの冷却能や被処理物の焼入れ性などに応じ、冷却ガスの循環中止の解除および冷却ガスの圧力の上昇を、適宜選択して適用することが好ましい。

以上のように本実施の形態においては、低歪みの焼入れ方法を提供することができる。また、当該焼入れ方法によって得られた部品は、焼入れ後に残る歪みが少ない。したがって、高い寸法精度が要求される場合であっても、後工程において切削や研削することを要せず、生産効率を向上させることが可能である。

図４は、本発明の実施の形態に係る供試体１〜４および比較例に係る供試体５〜８における焼入れ条件を説明するための図表である。

供試体１〜８は、図１に示される歯車（被処理物）を適用し、９５０℃の温度で浸炭処理を施し、約１ｍｍの浸炭層を形成している。焼入れ条件は、内部硬さが２５ＨＲＣ（ロックウェルＣ硬さ）以上となるように選択している。内部硬さは、断面における中央部の硬さである。例えば、軸形状部材の場合は、外部硬化層から半径の２分の１の位置における硬さが内部硬さであり、管形状部材の場合は、外部硬化層と内部硬化層との間における中央部の硬さである。また、ギヤやボール溝の場合は、歯元硬さが内部硬さである。

供試体１，４に適用された冷却ガスは、窒素である。供試体２に適用された冷却ガスは、ヘリウムである。供試体３に適用された冷却ガスは、窒素と５％水素の混合ガスである。冷却ガスの圧力は、供試体１〜４に応じて、１．５ＭＰａから３．０ＭＰａまで増加させており、増分値は０．５ＭＰａである。また、第１段階においては、ファン回転数は低速としている。第２段階においては、冷却ガスの圧力は変更せずにファンのみ停止している。第３段階においては、冷却ガスの圧力は変更せずにファンの停止を解除し、ファン回転数を中速としている。つまり、実施の形態に係る供試体１〜４は、冷却ガスの種類および圧力に関する条件を除けば、第１段階〜第３段階における条件は、同一である。

比較例に係る供試体５〜８に適用された冷却ガスは、窒素である。第１段階〜第３段階における冷却ガスの圧力は、一定であり、供試体５〜７においては１．５ＭＰａであり、供試体８においては２ＭＰａである。また、第１段階においては、供試体５，６のファン回転数は中速とし、供試体７，８のファン回転数は低速としている。第２段階においては、供試体５のファン回転数は中速（変更せず）であり、供試体６のファン回転数は変更（ファンの停止）され、供試体７，８のファン回転数は低速（変更せず）である。第３段階においては、供試体５のファン回転数は中速（変更せず）であり、供試体６のファン回転数は変更（ファンの停止の解除）されて中速となり、供試体７のファン回転数は低速（変更せず）であり、供試体８のファン回転数は変更されて中速となっている。

図５は、本発明の実施の形態に係る供試体１の温度と経過時間との関係を示しているグラフ、図６は、比較例に係る供試体５の温度と経過時間との関係を示しているグラフ、図７は、比較例に係る供試体６の温度と経過時間との関係を示しているグラフ、図８は、比較例に係る供試体７の温度と経過時間との関係を示しているグラフである。

本発明の実施の形態に係る供試体１は、図５に示されるように、第１段階において生じる歯先と肉厚部との間の温度差は、小さく、第２段階において均熱化が図られている。

一方。図６に示されるように、第１段階〜第３段階においてファン回転数を中速に設定した比較例に係る供試体５は、冷却速度が良好であるが、歯先と肉厚部との間の温度差は大きい。一方、第１段階および第２段階においてファン回転数を低速に設定した比較例に係る供試体７は、図８に示されるように、供試体５に比べれば、冷却速度が低下しているが、歯先と肉厚部との間の温度差は小さい。つまり、ファン回転数が大きい場合、冷却能を確保可能であるが、各部の温度差を拡大させてしまう。また、ファン回転数を低く抑えることによって、歯先と肉厚部との間の温度差が縮小する。

図７に示されるように、第１段階においてファン回転数を中速に設定した比較例に係る供試体６は、図５に示される本発明の実施の形態に係る供試体１に比べ、第１段階において生じる歯先と肉厚部との間の温度差が大きく、第２段階において均熱化（温度差の縮小）を図ることができない。

図９は、本発明の実施の形態に係る供試体１〜４および比較例に係る供試体５〜８における歪み量を説明するためのグラフである。歪み量は、焼入れ後における、内周部における最大直径と最小直径の差である。図９においては、内周部の径が１２８ｍｍであり、一回の焼入れにおけるｎ数が２０である場合における平均値および±３σ値を示している。

図に示されるように、本発明の実施の形態に係る供試体１〜４は、比較例に係る供試体５〜８に比べて、焼入れ歪が明らかに抑制されている。つまり、本発明の実施の形態に係る焼入れ方法によって得られた部品は、焼入れ後に残る歪みが少ない。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、必要に応じて、被処理物を４種類以上の段階を経由させて、焼入れを施すことも可能である。

本発明の実施の形態に係る被処理物の断面図である。 本発明の実施の形態に係る別の被処理物の断面図である。 本発明の実施の形態に係る焼入れ方法を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態に係る供試体１〜４および比較例に係る供試体５〜８における焼入れ条件を説明するための図表である。 本発明の実施の形態に係る供試体１の温度と経過時間との関係を示しているグラフである。 比較例に係る供試体５の温度と経過時間との関係を示しているグラフである。 比較例に係る供試体６の温度と経過時間との関係を示しているグラフである。 比較例に係る供試体７の温度と経過時間との関係を示しているグラフである。 本発明の実施の形態に係る供試体１〜４および比較例に係る供試体５〜８における歪み量を説明するためのグラフである。

符号の説明

１０・・歯車（被処理物）、
２０・・ハイポイドピニオン（被処理物）。

Claims (13)

1. 所定の焼入れ温度に保持された被処理物を、高圧の冷却ガスを循環させることによって、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度まで、冷却するための第１段階と、
   第１段階を経由した被処理物を、被処理物の冷却速度を低下させることによって、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度以上において保持するための第２段階と、
   第２段階を経由した被処理物を、マルテンサイト変態開始温度以下まで冷却するための第３段階と
   を有することを特徴とする焼入れ方法。
2. 前記第１段階におけるマルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度は、マルテンサイト変態開始温度より約１０％大きい温度であることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ方法。
3. 前記第１段階におけるマルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度は、マルテンサイト変態開始温度より２０〜３０℃高い温度であることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ方法。
4. 前記第１段階における冷却ガスの圧力は、１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼入れ方法。
5. 前記第１段階における冷却ガスの圧力は、３ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項４に記載の焼入れ方法。
6. 前記第２段階におけるマルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度は、マルテンサイト変態開始温度より約１０℃高い温度であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の焼入れ方法。
7. 前記第２段階における冷却速度は、冷却ガスの循環を停止させ、および／または、冷却ガスの圧力を前記第１段階における冷却ガスの圧力より小さくすることによって、低下させられることを特徴とする請求項６に記載の焼入れ方法。
8. 前記第２段階における冷却ガスの圧力は、１ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項７に記載の焼入れ方法。
9. 前記第３段階における被処理物の冷却は、高圧の冷却ガスを循環させることに基づくことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の焼入れ方法。
10. 前記第３段階における冷却ガスの圧力は、１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項９に記載の焼入れ方法。
11. 前記第３段階における冷却ガスの圧力は、３ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の焼入れ方法。
12. 前記冷却ガスは、ヘリウムガスあるいは窒素ガスであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の焼入れ方法。
13. 前記冷却ガスは、窒素とヘリウムの混合ガスあるいは窒素と水素の混合ガスであり、被処理物の焼入れ性に基づいて、混合比が調整されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の焼入れ方法。

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