JP2011058086A - 熱処理条件設定方法および熱処理方法 - Google Patents

熱処理条件設定方法および熱処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】従来、シリンダブロックの寸法を安定化させるための熱処理条件を設定する際には、制約が多く条件設定作業が煩雑となっていた。
【解決手段】アルミニウム合金製のワーク2を所定の熱処理温度Hにまで加熱して熱処理を行う際の熱処理条件設定方法であって、前記ワーク2を熱処理開始温度である品質変化開始温度H0から前記熱処理温度Hにまで昇温させる昇温期間における、前記品質変化開始温度H0と前記熱処理温度Hとの温度差および前記昇温期間の時間t1、ならびに、前記熱処理温度Hにまで昇温させた前記ワーク2の温度を前記熱処理温度Hに保持する保温期間における、前記品質変化開始温度H0と前記熱処理温度Hとの温度差および前記保温期間の時間t2、を用いて前記熱処理条件を設定する。
【選択図】 図4

Description

本発明は、アルミ製のシリンダブロックを所定の熱処理温度にまで加熱して熱処理を行う際の熱処理条件設定方法および熱処理方法に関する。
近年、内燃機関のシリンダブロックには、アルミニウム合金の鋳造品が用いられるようになっているが、アルミニウム合金からなるシリンダブロックは、一般的に、鋳造後にアルミニウム合金中に過飽和に固溶したSiやMgやCuなどの金属が徐々に析出して伸びるため、経時的に寸法変動が発生する。特に、内燃機関のシリンダブロックは、燃焼熱に晒されることから寸法変動が生じ易くなっている
このようにシリンダブロックに寸法変動が生じるとボアの真円度が悪化して、潤滑油の消費量が増大するなどの問題が発生する。
そこで、従来から、シリンダブロックの寸法変動を事前に完了して寸法を安定化させるために、シリンダブロックの鋳造後に熱処理(時効処理)を行い、アルミニウム合金中に固溶した金属を人工的に析出させることが行われている。
この鋳造後のシリンダブロックに施す熱処理は、シリンダブロックを所定の温度に所定の時間だけ保持することで行われている。
つまり、熱処理の処理条件はシリンダブロックの保持温度と保持時間とで規定されており、例えば図6に示すように、シリンダブロックの加熱開始後、シリンダブロックの温度がT℃に達してからその温度を所定時間tだけ保持することにより熱処理が行われている。具体的には、例えば特許文献1に開示されているように、200〜250℃の保持温度にて2時間程度加熱保持することで、熱処理が行われていた。
特開2005−69099号公報
前述のように、鋳造後のシリンダブロックの寸法を安定させるための熱処理である時効処理が行われるが、時効処理を施したシリンダブロックの寸法安定性を示す指標として残留永久成長率が知られている。
この残留永久成長率は、時効処理を施したアルミニウム合金に残留している固溶金属量の度合いを示すものであり、例えば時効処理を施したアルミニウム合金のテストピースに対して所定の加熱処理を行い、加熱処理後のテストピース長さから加熱処理前のテストピース長さを減じた差分を、加熱処理前のテストピース長さによって除して得られる値により表わされる。
そして、時効処理を施したアルミニウム合金の残留永久成長率は、保持温度を高くすることおよび保持時間を長くすることにより小さくすることができるため、時効処理後の寸法変化を極力抑えるためには、保持温度を高くし、保持時間を長くすることが好ましい。
また、時効処理を施したシリンダブロックを構成するアルミニウム合金の残留永久成長率は、一定の規格値以下であることが求められており、この残留永久成長率が規格値以下となるように時効処理時の保持温度および保持時間が設定されている。
一方、シリンダブロックを構成するアルミニウム合金の硬度は、所定の規格値以上であることが求められているが、時効処理時の保持温度を高くし過ぎたり保持時間を長くし過ぎたりすると、アルミニウム合金の硬度が低下してしまうため、無制限に保持温度を高くしたり保持時間を長くしたりすることはできない。
従って、時効処理を行う際の保持温度および保持時間は、アルミニウム合金の硬度が規格値以上となるように設定されている。
図7には、アルミニウム合金にて構成されたシリンダブロックを時効処理する際の、保持温度および保持時間の良品条件を示している。図7によれば、残留永久成長率がNGとなる範囲(図7における左下の斜線部分)と、硬度がNGとなる範囲(図7における右上の斜線部分)とを除いた範囲が、時効処理したシリンダブロックを構成するアルミニウム合金が残留永久成長率および硬度の両方の規格値を満足する良品条件となる領域になっている。
従って、時効処理を行うときには、前述の良品条件の範囲内に入るように保持温度および保持時間を設定することで、残留永久成長率および硬度の両方についての規格値を満足することが可能となっている。
しかし、前述のように、時効処理の処理条件をシリンダブロックの保持温度と保持時間とで規定した場合、処理時間(すなわち保持時間)を短縮しようとすると、良品条件の範囲が非常に狭くなってしまう。
例えば、保持時間を短縮するために保持温度を高く設定すると、良品条件の範囲(図7に示す範囲A)が非常に小さくなり、処理時における保持温度や保持時間のばらつきなどを考慮すると、全てのシリンダブロックに対して残留永久成長率および硬度の両方の規格値を満足するような処理を行うことが困難であった。
また、設定可能な保持温度および保持時間の範囲が狭いために、熱処理条件を設定する際に制約が多く、条件設定作業が煩雑となっていた。
そこで、本発明においては、アルミニウム合金にて構成されたシリンダブロックを熱処理(時効処理)する際に、熱処理条件の設定が容易であるとともに熱処理時間を短縮することが可能な熱処理条件設定方法および熱処理方法を提供するものである。
上記課題を解決する熱処理条件設定方法および熱処理方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項1記載のごとく、アルミニウム合金製のワークを所定の熱処理温度にまで加熱して熱処理を行う際の熱処理条件設定方法であって、前記ワークを熱処理開始温度から前記熱処理温度にまで昇温させる昇温期間における、前記熱処理開始温度と前記熱処理温度との温度差および前記昇温期間の時間、ならびに、前記熱処理温度にまで昇温させた前記ワークの温度を前記熱処理温度に保持する保温期間における、前記熱処理開始温度と前記熱処理温度との温度差および前記保温期間の時間、を用いて前記熱処理条件を設定する。
また、請求項2記載のごとく、前記熱処理条件は、具体的には次式により設定される。
Figure 2011058086

(ただし、数4におけるQは熱処理時においてワークが受ける熱量を示す熱負荷、n1は昇温期間における係数、n2は保温期間における係数、Hは熱処理温度、Hoは熱処理開始温度、t1は昇温期間の時間、t2は保温期間の時間を表わす)
これにより、ワークの熱処理条件を設定する際には、熱処理開始温度、熱処理温度、昇温期間の時間、および保温期間の時間を、適宜組み合わせて熱処理条件を設定することができるので、熱処理条件設定の自由度が高く、熱処理条件の設定が容易となる。
また、前記保温期間の時間を0に設定することで、ワークに対する熱処理を、実質的に昇温期間のみで実施することが可能となるため、熱処理時間の短縮を図ることができる。
また、請求項3記載のごとく、前記数4における熱処理条件を表わす値Qが、熱処理を施したワークの残留永久成長率および硬度が品質規格を満足する範囲の値に設定される。
また、請求項4記載のごとく、前記数4における熱処理条件を表わす値Qが、具体的には68<Q<155の範囲内にある。
これにより、熱処理後に、容易かつ確実に良品品質のワークを得ることができる。
また、請求項5記載のごとく、前記ワークは、内燃機関のシリンダブロックである。
これにより、シリンダブロックに寸法変動が生じてボアの真円度が悪化し、潤滑油の消費量が増大するといった問題や、燃費が低下するといった問題などが発生することを防止できる。
また、請求項6記載のごとく、請求項1〜5の何れかに記載の熱処理条件設定方法により設定された熱処理条件にてワークを熱処理する。
これにより、ワークの寸法を安定させるため熱処理条件設定の自由度が高くなり、熱処理条件の設定が容易となる。また、熱処理時間の短縮を図ることができる。
本発明は、以下の効果を奏する。
つまり、ワークの寸法を安定させるため熱処理条件設定の自由度が高くなり、熱処理条件の設定が容易となる。また、熱処理時間の短縮を図ることができる。
熱処理装置を示す側面断面図である。 熱処理装置を示す平面断面図である。 ワークに対する熱処理の手順を示す図である。 ワークの熱処理時における温度プロファイルを示す図である。 熱処理を施したワークの残留永久成長率および硬度と熱処理によりワークが受けた熱負荷との関係を示す図である。 従来の熱処理時における温度プロファイルを示す図である。 従来の熱処理時における保持温度と保持時間との良品条件を示す図である。
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
まず、本熱処理条件設定方法により設定した加熱条件にてワークの熱処理を行う、熱処理装置の構成について説明する。
図1、図2に示す熱処理装置1は、導入側遮断炉10、加熱炉20、保温炉30、排出側遮断炉40、および冷却装置50を順に連結したトンネル式熱処理装置に構成されている。
前記導入側遮断炉10、加熱炉20、保温炉30、排出側遮断炉40、および冷却装置50には、それぞれワーク2を収容可能な導入側遮断室10a、加熱室20a、保温室30a、排出側遮断室40a、および冷却室50aが形成されている。
また、導入側遮断室10a内、加熱室20a内、保温室30a内、排出側遮断室40a内、および冷却室50a内には、それぞれワーク2を各炉10・20・30・40・50の連結方向(図1における左右方向)に搬送可能なローラコンベア71・71・・・が設けられている。各ローラコンベア71・71・・・は、それぞれモータ72により駆動可能に構成されている。
導入側遮断炉10と炉外との間には、導入側遮断室10aと炉外空間とを開閉可能に仕切る第一扉61が設けられ、導入側遮断炉10と加熱炉20との間には、導入側遮断室10aと加熱室20aとを開閉可能に仕切る第二扉62が設けられ、加熱炉20と保温炉30との間には、加熱室20aと保温室30aとを開閉可能に仕切る第三扉63が設けられ、保温炉30と排出側遮断炉40との間には、保温室30aと排出側遮断室40aとを仕切る第四扉64が設けられ、排出側遮断炉40と冷却装置50との間には、排出側遮断室40aと冷却室50aとを開閉可能に仕切る第五扉65が設けられている。
前記加熱室20a内には、加熱室20a内に収容されたワーク2を加熱するための加熱具21が設けられている。加熱具21は、例えば過熱水蒸気を加熱室20a内に噴出することによりワーク2の加熱を行うように構成されており、過熱水蒸気を導入する導入口21cを備えた加熱具本体21aと、加熱具本体21aから延出し、過熱水蒸気を噴出するための複数本のノズル21b・21b・・・を備えている。
また、加熱室20aには、加熱室20a内の雰囲気を炉外に排気する排気口22が設けられている。
前記保温室30a内には、加熱室20a内で加熱された後に保温室30a内に収容されたワーク2の温度を保持し保温するための保温具となるヒータ31、および保温室30a内の雰囲気を攪拌するためのファン32が設けられている。
前記冷却室50a内には、冷却室50a内に収容されたワーク2を冷却するための冷却器51が設けられている。冷却器51は、例えば水を冷却室50a内に噴出することによりワーク2の冷却を行うように構成されている。
なお、本例の場合、熱処理装置1により熱処理されるワーク2として、アルミニウム合金にて構成される内燃機関のシリンダブロックが適用されている。
このように構成される熱処理装置1により、ワーク2に対して行われる熱処理は、ワーク2を構成するアルミニウム合金に固溶しているSiやMgやCuなどの金属を人工的に析出させて、ワーク2の寸法変動を事前に完了して寸法を安定化させるための処理(時効処理)である。
次に、熱処理装置1により行われるワーク2に対する熱処理の手順について説明する。
熱処理の開始前には、熱処理装置1の各扉61・62・63・64・65は、全て閉じた状態となっている。
この状態から熱処理が開始されると、図3に示すように第一扉61が開き、ワーク2が導入側遮断室10a内のローラコンベア71により導入側遮断室10a内に搬入される(S01)。ワーク2が導入側遮断室10a内に搬入されると第一扉61が閉じる。
第一扉61が閉じると第二扉62が開き、導入側遮断室10a内のワーク2が、導入側遮断室10a内および加熱室20a内のローラコンベア71により、加熱室20a内に搬入される(S02)。ワーク2が加熱室20a内に搬入されると第二扉62が閉じる。
第二扉62が閉じると、加熱具21によりワーク2の加熱が開始される(S03)。ワーク2が加熱されて昇温していき、所定の温度(熱処理温度)に到達すると(S04)、第三扉63が開き、ワーク2が加熱室20a内および保温室30a内のローラコンベア71により保温室30a内に搬入される(S05)
ワーク2が保温室30a内に搬入されると第三扉63が閉じ、ワーク2の保温が開始される(S06)。保温室30a内では、ワーク2の温度がヒータ31により、加熱室20a内にて加熱された所定の温度(熱処理温度)に保持される。
なお、保温室30a内においては、ヒータ31により加熱された雰囲気の温度がファン32により攪拌されることで均一化され、ワーク2における各部の温度が均一な状態で、ワーク2を保温することが可能となっている。
ワーク2が保温室30a内で所定時間だけ保温されると、すなわち所定の保温時間が経過すると(S07)、第四扉64が開き、保温室30a内のワーク2が、保温室30a内および排出側遮断室40a内のローラコンベア71により排出側遮断室40a内に搬入される(S08)。
ワーク2が排出側遮断室40a内に搬入されると、第四扉64が閉じる。第四扉64が閉じると第五扉65が開いて、ワーク2が排出側遮断室40a内および冷却室50a内のローラコンベア71により冷却室50a内に搬入される(S09)。
ワーク2が冷却室50a内に搬入されると第五扉65が閉じ、ワーク2の冷却が開始される(S10)。ワーク2の冷却は、冷却器51からワーク2に向けて冷却水を噴出することにより行われる。
ワーク2の冷却が完了すると、ワーク2を冷却室50a内から排出してワーク2の熱処理が完了する(S11)。
このような手順にて行われるワーク2の熱処理においては、当該熱処理条件、すなわち加熱室20a内でのワーク2の加熱、および保温室30a内でのワーク2の保温の条件が以下のように決定される。
まず、図4に、熱処理が施されるワーク2の熱処理時における温度プロファイルを示す。
常温状態にある加熱室20a内のワーク2に対して加熱が開始されると、ワーク2は昇温していき、時刻taにおいて品質変化開始温度H0に達する。さらにワーク2が加熱されると、時刻tbにおいて熱処理温度Hに達する。
ワーク2の温度が熱処理温度Hに達すると、ワーク2は保温室30a内で一定の熱処理温度Hに保温される。ワーク2の保温は時刻t3まで行われ、その後ワーク2は冷却される。
前記品質変化開始温度H0は、アルミニウム合金に固溶しているSiやMgやCuなどの金属の析出が進行を開始する温度であり、ワーク2の温度が品質変化開始温度H0以上になると、アルミニウム合金からの効果的な金属の析出が期待できるものとなっている。
つまり、アルミニウム合金からの金属析出は、品質変化開始温度H0よりも低い温度でも生じないことはないが、ワーク2を品質変化開始温度H0以上の温度に加熱することで、アルミニウム合金からの金属析出を熱処理として人工的に行う際に、効果的な析出を生じさせることが可能となる。
このように、品質変化開始温度H0は、実質的にワーク2の熱処理が開始される温度、すなわち熱処理開始温度である。
従って、本熱処理条件設定方法では、ワーク2が加熱されて昇温する昇温領域(加熱開始時から時刻tbまでの領域)のうち、ワーク2が品質変化開始温度H0以上となる範囲(時刻taから時刻tbまでの時間t1)と、ワーク2が熱処理温度Hにて保温される保温領域(時刻tbから時刻tcまでの時間t2)とにおける、ワーク2の温度および熱処理時間を用いて熱処理条件を設定するようにしている。
具体的には、前記昇温領域におけるワーク2が品質変化開始温度H0以上となる範囲で、ワーク2が受ける熱量を「昇温時の熱負荷Q1」として、次式(数1)により定義する。
Figure 2011058086
また、前記保温領域でワーク2が受ける熱量を「保温時の熱負荷Q2」として、次式(数2)により定義する。
Figure 2011058086
そして、前記昇温時の熱負荷Q1と保温時の熱負荷Q2との和を、次式(数3)に示すように、熱処理時においてワーク2が受ける熱量、すなわち熱処理時におけるワーク2の熱負荷Qとして定義する。
Figure 2011058086

すなわち、ワーク2の熱負荷Qは、次式(数4)のように表すことができる。
Figure 2011058086
なお、前記各式(数1)〜(数4)におけるn1およびn2は、それぞれ昇温期間における係数n1および保温期間における係数n2である。
昇温時の熱負荷Q1を表わす式(数1)における係数n1は、ワーク2の昇温勾配に応じて設定され、例えば0.5に設定される。
また、保温時の熱負荷Q2を表わす式(数2)における係数n2は、例えば1に設定される。
さらに、前記各式(数1)〜(数4)における品質変化開始温度H0は、例えば215℃に設定される。
このように、熱処理が施されるワーク2が、品質変化開始温度H0以上の温度に加熱されている昇温時および保温時に受ける熱量を熱負荷Qとして定義し、その熱負荷Qが所定の値となるように、ワーク2の熱処理条件を設定する。
つまり、昇温時の熱負荷Q1を、品質変化開始温度H0と熱処理温度Hとの差分に、昇温領域のうちワーク2が品質変化開始温度H0以上となる時間t1を乗じ、さらに所定の係数n1を乗じることにより算出する(式(数1))。
また、保温時の熱負荷Q2を、品質変化開始温度H0と熱処理温度Hとの差分に、保温領域の時間t2を乗じ、さらに所定の係数n2を乗じることにより算出する(式(数2))。
そして、算出した昇温時の熱負荷Q1と保温時の熱負荷Q2とを加えることにより、ワーク2の熱負荷Qを算出する(式(数3))。
ここで、図5に示すように、熱処理を施したワーク2の残留永久成長率(熱処理を施したワーク2のテストピースに対して所定の加熱処理を行い、加熱処理後のテストピース長さから加熱処理前のテストピース長さを減じた差分を、加熱処理前のテストピース長さによって除して得られる値であり、熱処理を施したワーク2に残留している固溶金属量の度合いを示すもの)は、ワーク2の熱負荷Qが小さいほど大きな値を示し、前記熱負荷Qが大きくなるに従って小さな値となる。
そして、熱処理が施されたワーク2は、寸法変動が少なく寸法が安定していることが求められるため、残留永久成長率が所定の規格値Gより小さくなるように、熱負荷Qの値が設定される。前記残留永久成長率の規格値Gは、例えば0.05%である。
また、熱処理を施したワーク2の硬度は、ワーク2の熱負荷Qが小さいほど高い値を示し、前記熱負荷Qが大きくなるに従って低い値となる。
そして、熱処理が施されたワーク2は、所定の高さ以上の硬度を有していることが求められることかから、硬度が所定の規格値Hより高くなるように熱負荷Qの値が設定される。前記硬度の規格値Hは、例えば90以上である。
このように、熱負荷Qを、残留永久成長率が規格値G以下となる範囲、すなわちQaよりも大きく設定するとともに、硬度が規格値H以上となる範囲、すなわちQbよりも小さく設定することにより(熱負荷QをQa<Q<Qbとなるように設定することにより)、残留永久成長率および硬度の両方の規格値を満足するワーク2を熱処理後に得ることが可能となる。
つまり、本熱処理条件設定方法においては、前記熱負荷Qを、熱処理後のワーク2が良品となる範囲(品質良品域)であるQa<Q<Qbの範囲に設定する。
この品質良品域の熱負荷Qの値としては、例えばQa=68、Qb=155に設定される。
この場合、熱処理温度H、昇温領域における時間t1、および保温領域における時間t2は、前記熱負荷Qが68<Q<155の範囲内に収まるような値に適宜設定することができる(品質変化開始温度H0は215℃、n1は0.5、n2は1に固定)。
例えば、熱処理温度Hを280℃に、時間t1を1.0分に、時間t2を1.5分に設定すると、Q=135とすることができる。
また、熱処理温度Hを290℃に、時間t1を1.5分に、時間t2を0.5分に設定すると、Q=93.75とすることができる。
また、上記の例では、ワーク2を熱処理するに際して昇温領域と保温領域との両方の領域を設けているが、昇温領域のみを実行して(つまり、保温領域の実行時間t2を0に設定して)ワーク2に熱処理を施すことも可能である。
例えば、熱処理温度Hを320℃に、時間t1を1.5分に、時間t2を0分に設定すると、Q=78.75とすることができる。
以上のように、本熱処理条件設定方法においては、ワーク2を熱処理開始温度である品質変化開始温度H0から熱処理温度Hにまで昇温させる昇温期間における、前記品質変化開始温度H0と前記熱処理温度Hとの温度差(H−H0)および前記昇温期間の時間t1、ならびに、前記熱処理温度Hにまで昇温させた前記ワーク2の温度を前記熱処理温度Hに保持する保温期間における、前記品質変化開始温度H0と前記熱処理温度Hとの温度差(H−H0)および前記保温期間の時間t2、を用いて前記熱処理条件を設定している。具体的には、熱処理条件を表わす熱負荷Qを、前記式(数4)により設定している。
そして、このように設定した熱処理条件によりワーク2の熱処理を行っている。
このように構成することで、ワーク2の熱処理条件を設定する際には、品質変化開始温度H0、熱処理温度H、昇温期間の時間t1、および保温期間の時間t2を、適宜組み合わせて熱処理条件となる熱負荷Qを設定することができるので、熱処理条件設定の自由度が高く、熱処理条件の設定が容易となる。
また、前記保温期間の時間t2を0に設定することで、ワーク2に対する熱処理を、実質的に昇温期間のみで実施することが可能となるため、熱処理時間の短縮を図ることができる。
また、前記熱負荷Qの値は、熱処理を施したワーク2の残留永久成長率および硬度が品質規格を満足する範囲(具体的には、68<Q<155となる範囲)の値に設定されるので、熱処理後に、容易かつ確実に良品品質のワーク2を得ることができる。
さらに、ワーク2を内燃機関のシリンダブロックに適用することで、シリンダブロックに寸法変動が生じてボアの真円度が悪化し、潤滑油の消費量が増大するといった問題や、燃費が低下するといった問題などが発生することを防止できる。
1 熱処理装置
2 ワーク
10 導入側遮断炉
10a 導入側遮断室
20 加熱炉
20a 加熱室
21 加熱具
30 保温炉
30a 保温室
31 ヒータ
32 ファン
40 排出側遮断炉
40a 排出側遮断室
50 冷却装置
50a 冷却室
51 冷却器
61〜65 第一扉〜第五扉
71 ローラコンベア


Claims (6)

  1. アルミニウム合金製のワークを所定の熱処理温度にまで加熱して熱処理を行う際の熱処理条件設定方法であって、
    前記ワークを熱処理開始温度から前記熱処理温度にまで昇温させる昇温期間における、前記熱処理開始温度と前記熱処理温度との温度差および前記昇温期間の時間、ならびに、前記熱処理温度にまで昇温させた前記ワークの温度を前記熱処理温度に保持する保温期間における、前記熱処理開始温度と前記熱処理温度との温度差および前記保温期間の時間、を用いて前記熱処理条件を設定する、
    ことを特徴とする熱処理条件設定方法。
  2. 前記熱処理条件は、次式により設定されることを特徴とする請求項1に記載される熱処理条件設定方法。
    Figure 2011058086
    (ただし、数4におけるQは熱処理時においてワークが受ける熱量を示す熱負荷、n1は昇温期間における係数、n2は保温期間における係数、Hは熱処理温度、Hoは熱処理開始温度、t1は昇温期間の時間、t2は保温期間の時間を表わす)
  3. 前記数4における熱処理条件を表わす値Qが、熱処理を施したワークの残留永久成長率および硬度が品質規格を満足する範囲の値に設定される、
    ことを特徴とする請求項2に記載の熱処理条件設定方法。
  4. 前記数4における熱処理条件を表わす値Qが、68<Q<155の範囲内にある、
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の熱処理条件設定方法。
  5. 前記ワークは、内燃機関のシリンダブロックである、
    ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の熱処理条件設定方法。
  6. 請求項1〜5の何れかに記載の熱処理条件設定方法により設定された熱処理条件にてワークを熱処理する、
    ことを特徴とする熱処理方法。

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