JP2016079428A - 熱処理用支持具 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理に反復して使用しても歪みが生じにくい熱処理用支持具を提供すること。
【解決手段】加熱後に油冷される熱処理対象物を保持する熱処理用支持具が本発明の対象である。ここにおいて，支持具１を構成する部材（２，３，４）の少なくとも一つを，基材の表面に，アモルファスダイヤモンドライクカーボン膜等の撥油性物質によるコーティングが施された撥油性部材とする。これにより，冷却過程での熱歪みが抑制され，反復して熱処理に使用しても変形しにくい。
【選択図】図１

Description

本発明は，対象物を高温に加熱してその後に油に浸漬して冷却させることにより対象物の材質を調整する熱処理に際して，対象物を保持しつつ対象物とともに加熱されそして油に浸漬される熱処理用支持具に関する。

従来から，各種機械製品の部品を製造する過程で，材質調整のための熱処理が行われている。熱処理に際しては通常，対象物を何らかの支持具で支持した状態とされる。このため支持具も，対象物とほぼ同様の熱履歴を経ることとなる。このことから，支持具は，耐熱性のある部材で構成される必要がある。そこで，例えば特許文献１では，基材として炭素繊維強化炭素複合材料を使用するとともに，その表面上にセラミックスの中間層を介して耐熱性金属層を積層した部材を提案している。

特開平７−１９６３８６号公報 特開２０１１−１７９０６７号公報

しかしながら前記した特許文献１の耐熱性部材には，次のような問題点があった。熱処理にも種々の種類があるが，油焼き入れと称される熱処理（例えば特許文献２）の支持具には適さないのである。油焼き入れでは，加熱して高温にした対象物を油中に浸漬することで，比較的速い冷却速度での冷却を行う。このため支持具も高速冷却の履歴を経ることとなる。しかも，熱処理の対象物が当該熱処理を受けるのは１回だけであるのに対し，支持具は何回も同じ熱処理を経ることとなる。支持具は反復して使用されるからである。このため，支持具を構成する部材が，反復使用とともに歪んでくる傾向がある。高速冷却時の局所的な温度不均一による歪みが蓄積してくるからである。このためついには使用不可能となってしまう。支持具を構成する部材同士の組付けができなくなってしまうからである。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，必要な耐熱性を備えるとともに，熱処理に反復して使用しても歪みが生じにくい熱処理用支持具を提供することにある。

本発明の一態様における熱処理用支持具は，加熱後に油冷される熱処理対象物を保持する熱処理用支持具であって，支持具を構成する部材の少なくとも一部分が，基材の表面に撥油性物質によるコーティングが施された撥油性部材であるものである。この態様における熱処理用支持具では，油冷過程での撥油性部材と液相の油との接触が撥油性物質のコーティングにより抑制される。これにより，冷却速度が速い期間が限定され，熱歪みが少ない。このため，反復して熱処理に使用しても変形しにくい。

本構成によれば，熱処理に反復して使用しても歪みが生じにくい熱処理用支持具が提供されている。

実施の形態に係る熱処理用支持具で熱処理の対象物を支持している状態を示す正面図である。 実施の形態に係る熱処理用支持具にセットされる熱処理対象物の例を示す斜視図である。 撥油性被膜のない部材により構成された熱処理用支持具の反復使用後の状況を示す正面図である。 撥油性被膜のない部材の油焼き入れ時の温度履歴を示すグラフである。 撥油性被膜のある部材の油焼き入れ時の温度履歴を示すグラフである。 反復使用による変形の進行の程度の実測結果を示すグラフである。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態に係る熱処理用支持具１は，図１に示すように構成されている。図１の熱処理用支持具１は，基台２と，２本の支柱３と，竿４とを有している。基台２は，ある程度の厚みのある台である。２本の支柱３は，基台２に対して固定して取り付けられている。２本の支柱３は，図１中横方向から見ると上部が二股に分かれており，そこに竿４を掛け渡すことができるようになっている。竿４は，熱処理の対象物１０を吊すためのものである。竿４の１箇所には，留め具５が固定して取り付けられている。留め具５は，支柱３に掛け渡した状態での竿４が，支柱３に対して図１中で左右に摺動することを防止するものである。

ここで例示している対象物１０は，図２に示すように，リング状の形状のものである。対象物１０の中央の穴１１に竿４を通すことで，竿４に対象物１０が吊されるようになっている。なお，図２に示す対象物１０の形状は，一例であり，竿４に吊すことができる形状であればいかなる形状でもよい。対象物１０の材質は，特に限定はなく，熱処理により特性を調整できるものであれば何でもよい。例えば炭素鋼や特殊鋼等の鋼材一般は，対象物１０たりうる。

次に，熱処理用支持具１を構成する各部材の材質について述べる。熱処理用支持具１を構成する基台２，支柱３，および竿４はいずれも，耐熱鋼の素材の表面に撥油性被膜を形成してなるものである。耐熱鋼の素材としては，JIS G 5122規格の「SCH13」などが使用可能である。撥油性被膜は，ＣＶＤ法で形成したアモルファスダイヤモンドライクカーボン膜である。これにより各部材は，撥油性部材となっている。なお，これら各部材を構成する基材は，必要な耐熱性や高温強度を有するものであれば他の材質であってもよい。金属系の他にセラミックス等でもよい。同様に撥油性被膜も，必要な耐熱性や撥油性を有するものであれば，他の種類の被膜であってもよい。また，基台２および竿４については，撥油性被膜を有しないものであってもよい。つまり撥油性被膜は，少なくとも支柱３に形成されていればよい。なお，留め具５の材質については，必要な耐熱性や高温強度を有するものであれば何でもよい。

上記の熱処理用支持具１は，図１に示されるように対象物１０をセットされた状態で，対象物１０を熱処理に供する。ここでの熱処理とは，浸炭油焼き入れである。すなわち，対象物１０を，炭化水素系減圧雰囲気下で約８５０℃程度に加熱して，その後に油冷により急速冷却するのである。このため熱処理用支持具１は，対象物１０とともに，減圧加熱炉内で加熱を受け，その後に油浴（約１００℃）中に浸漬されることとなる。つまり，対象物１０もろとも熱処理の熱履歴を経験することとなる。なお，冷却油としては，油焼き入れに通常使用される種類のものを使用すればよい。

ここで，熱処理用支持具１を撥油性部材で構成していることの意義は，上記の熱処理のうち油冷による急速冷却過程にある。この油冷の過程において，撥油性被膜の撥油効果により，支柱３等の撥油性被膜を有する構成部材と，冷却油との接触が妨げられる。このため，冷却過程において構成部材の内部の温度不均一があまり生じない。したがって，構成部材に熱歪みがあまり生じない。これにより，熱処理用支持具１を反復使用しても，支柱３等の部材の変形が生じにくいのである。

もし，支柱３等として撥油性被膜のない部材を使用すると，その熱処理用支持具は，反復使用により構成部材の変形を起こしてしまう。変形が起こった状態の例を図３に示す。図３に示される熱処理用支持具２１は，支柱２３等として，撥油性被膜のない部材を使用して構成したものであって，反復使用後のものである。図３の熱処理用支持具２１では，支柱２３が本来の形状（二点鎖線）から変形した状態となっている。反復した熱履歴の歪みによる変形である。

このため図３の熱処理用支持具２１はもはや，使用が困難である。なぜなら，図３の熱処理用支持具２１では，支柱２３への竿２４の取り付けが困難だからである。熱処理用支持具２１を再使用するためには，熱処理後の対象物１０を熱処理用支持具２１から回収して，さらに，新たな対象物１０を取り付けなければならない。このため，熱処理用支持具２１から竿２４を一旦取り外して再度取り付ける必要がある。しかし支柱２３が変形しているため，竿２４を一旦取り外すと，再度の取付が困難を極めるのである。竿２４の留め具５が支柱２３に嵌らなかったり，あるいは，竿２４を２本の支柱２３の両方の二股部に掛けることができなかったりするからである。

一方，撥油性部材で構成された本形態の熱処理用支持具１は，反復使用後においてもほぼ図１に示したままの形状を維持している。このため，再使用に何ら支障がない。

撥油性被膜の有無により上記のような差異が生じる理由を説明する。油焼き入れによる急冷過程の一般的な温度履歴を図４のグラフに示す。油焼き入れでは一般的に，対象物の表面温度が，図４のグラフ中の期間(１)，期間(２)，期間(３)の３段階を経て低下していく。

期間(１)は，蒸気膜段階であり，油が部材の表面で激しく沸騰してしまうほどに部材の表面温度が高い期間である。この段階では部材の表面に油の蒸気が膜をなすので，部材と液相の油とはほとんど接触しない。よってこの期間での温度降下速度はそれほど速くない。

期間(２)は，沸騰段階であり，期間(１)に比べてやや部材の温度が下がった期間である。この期間では，液相の油がある程度部材の表面に接触してそこで油の沸騰が生じる。このため，部材の表面における液相の油の流速がかなり高い。このためこの期間での温度降下速度は非常に高い。

期間(３)は，対流段階である。期間(２)に比べて部材の温度がさらに下がることにより，油の沸騰が治まった段階である。この期間では，部材の表面における油の流速がそれほど速くないので，温度降下速度は再びゆっくりした速度となる。

上記の期間(１)→期間(２)→期間(３)の移行が，部材全体にて均一に起こるのであれば，部材は全体が均一に冷却されることになる。その場合には部材の歪みはあまり生じない。しかし実際には，部材の形状や周囲の存在物の影響などにより，一つの部材においてもその上記の期間の移行時期が部位により異なることとなる。つまり，期間(１)→期間(２)の移行期において，ある部位は既に期間(２)に入ったが別の部位は未だ期間(１)にある，というようなことが起こる。この結果，熱膨張の程度が部位によりばらつき，永久的な変形として現れるのである。なお，具体的にどのように変形するかは予測困難で，個体によるばらつきもある。撥油性被膜のない熱処理用支持具２１ではまさにこのようなことが起こり，図３では支柱２３の変形として現れているのである。

一方，撥油性被膜のある部材では，図４の温度履歴と異なり，図５の温度履歴となる。図５の温度履歴の，図４の温度履歴に対する最大の相違点は，期間(１)の蒸気膜段階が長いことである。これは，撥油性被膜の撥油性のため，部材の温度が油冷開始からある程度下がっても，なかなか部材の表面に液相の油が潤沢に接触する状況にならないからである。このため図５では，図４であればすでに期間(２)に入っているような温度まで低下しても，まだ温度降下速度が低い状況にある。結果として図５では，温度降下速度の速い期間，すなわち期間(２)の沸騰期間における温度降下幅Ｇが，図４の場合よりはるかに小さいのである。このため，形状が安定した，耐久性の高い熱処理用支持具１となっている。

図６に，支柱３，２３の，反復使用による変形の進行の程度の実測結果のグラフを示す。図６中に「コーティングあり」と記しているのが撥油性被膜のある支柱３であり，「コーティングなし」が撥油性被膜のない支柱２３である。Ｄ１，Ｄ２は，支柱の先端部及び根本部における変形量（図３参照）である。もう一本の支柱から遠ざかる向きの変形をプラス，接近する向きの変形をマイナスとしている。図６から明らかなように，「コーティングあり」では，Ｄ１，Ｄ２とも，「コーティングなし」に比べて変形量が著しく小さく（絶対値にて，以下同じ）なっている。処理回数１００回の時点では，「コーティングあり」の変形量が「コーティングなし」の場合の約５分の１程度にとどまっている。このことから熱処理用支持具１の寿命が長く，交換頻度が少なくて済むことが分かる。

なお，対象物１０自体は図４の熱履歴を受けるが，そのことは別段問題ではない。対象物１０自体が油焼き入れを施されるのは１回だけであることと，これによる熱歪みの発生は対象物１０の設計上考慮されているからである。

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば，構成部材として，撥油性被膜を表面に形成した部材を使用しているので，油焼き入れ過程での熱歪みによる変形が抑制されている。これにより，長寿命な熱処理用支持具１が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，本形態では，図１に示したように，対象物１０を吊して支持する支持具を示した。しかしこれに限らず，支持具による対象物の支持の態様はいかなるものであってもよい。また，支持具を構成する部材中，撥油性被膜が表面に形成されているものの個数は，最低１個あれば本発明の効果がある程度得られる。その１個は，本形態の場合のように対象物に直接には接しないものでもよいし，対象物に直接に接するものでもよい。さらに，その１個の部材の一部分のみの表面に撥油性被膜が形成されているものであってもよい。また，対象とする熱処理も，油浸漬による冷却過程を含む熱処理であればよく，浸炭油焼き入れには限定されない。

１ 熱処理用支持具
２ 基台
３ 支柱
４ 竿

Claims (1)

1. 加熱後に油冷される熱処理対象物を保持する熱処理用支持具において，
   支持具を構成する部材の少なくとも一部分が，基材の表面に撥油性物質によるコーティングが施された撥油性部材であることを特徴とする熱処理用支持具。

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