JP2017082252A - 鋼部材の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の熱処理方法では鋼部材の熱処理工程における生産性が低い問題があった。【解決手段】本発明の熱処理方法は、熱処理油を用いて焼入れ処理と焼戻し処理とを行う鋼部材の熱処理方法であって、浸炭処理後の鋼部材を第１の油槽に浸漬させて焼入れ処理を行うステップＳ２と、焼入れ処理後の鋼部材を、第１の油槽よりも高温の第２の油槽の上に第２の油槽に連通するように設けられた予備室に収容するステップと、予備室に鋼部材が収容された状態で前記予備室の雰囲気を不活性ガスに置換するステップと、予備室に不活性ガスが充填された状態で、第２の油槽内を撹拌すると共に、鋼部材を前記第２の油槽に浸漬させて焼き戻し処理を行うステップと、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は鋼部材の熱処理方法に関し、例えば、焼入れ処理及び焼戻し処理を含む鋼部材の熱処理方法に関する。

鋼部材の硬度を高める技術に焼入れ焼戻し処理がある。この焼入れ焼戻し処理の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の技術では、浸炭処理した鋼部材を油槽にて焼入れ処理した後、油槽上に設けられた前室において鋼部材を窒素ガスにてさらに冷却し、焼入れ処理を行った油槽と同じ油槽にて焼戻し処理を行う。

特開平４−３５０１１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、焼入れ処理と焼戻し処理とを同一の油槽で行うため、両処理の間で実施するガス冷却のための時間が必要になる。また、特許文献１に記載の技術では、焼入れ処理と焼戻し処理とを同一の油槽で行うため、両処理を並列して実施することができない。このようなことから、特許文献１に記載の技術では、焼入れ焼戻し処理工程に関する生産性に劣る問題がある。

ところで、一般的に、焼戻し温度を高温にすれば、焼戻し処理時間を短くし、生産性を向上させることができる。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、焼戻し温度を高温にした場合、焼入れ処理後のガス冷却の時間が長くなるため、熱処理全体として時間を短縮することが難しい。

他方、焼戻し温度を高温にした場合には、焼戻し処理時間が短いため、熱処理油を撹拌するなどして、鋼部材をより均一に昇温させる必要がある。ここで、高温の熱処理油を大気中で撹拌したり、高温の熱処理油に大気中から鋼部材を浸漬させると、熱処理油が大気中の酸素を巻き込み、熱処理油が酸化劣化し易いという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、熱処理工程における生産性を向上させると共に、熱処理油の酸化劣化を抑制することを目的とするものである。

本発明にかかる鋼部材の熱処理方法の一態様は、熱処理油を用いて焼入れ処理と焼戻し処理とを行う鋼部材の熱処理方法であって、浸炭処理後の鋼部材を第１の油槽に浸漬させて焼入れ処理を行うステップと、前記焼入れ処理後の前記鋼部材を、前記第１の油槽よりも高温の第２の油槽の上に前記第２の油槽に連通するように設けられた予備室に収容するステップと、前記予備室に前記鋼部材が収容された状態で前記予備室の雰囲気を不活性ガスに置換するステップと、前記予備室に前記不活性ガスが充填された状態で、前記第２の油槽内を撹拌すると共に、前記鋼部材を前記第２の油槽に浸漬させて焼戻し処理を行うステップと、を有する。

上記本発明の一態様によれば、焼入れ処理を行う第１の油槽と、焼戻し処理を行う第２の油槽とを設けたため、焼入れ処理と焼戻し処理とを並列して行うことができる。また、上記本発明の一態様によれば、焼入れ処理と焼戻し処理との間で行われる空冷処理も焼入れ処理と焼戻し処理と並列して行うことができる。そのためため、本発明の一態様によれば、鋼部材の熱処理工程における生産性を高めることができる。また、予備室に不活性ガスが充填された状態で、第２の油槽内を撹拌すると共に、鋼部材を第２の油槽に浸漬させるため、第２の油槽内の熱処理油の酸化劣化を抑制することができる。すなわち、熱処理処理工程における生産性を向上させると共に、熱処理油の酸化劣化を抑制することができる。

また、前記第２の油槽に蓄えられる熱処理油の温度は、１７０℃から２００℃の範囲であることが好ましい。焼戻し処理に要する時間を短縮することができる。

さらに、前記第２の油槽に蓄えられる熱処理油は、前記第１の油槽に蓄えられる熱処理油と同一種であることが好ましい。焼入れ処理後の油洗浄処理が不要になると共に、熱処理油の廃棄量を削減することができる。

本発明にかかる鋼部材の熱処理方法によれば、鋼部材の熱処理工程における生産性を向上させることができる。

実施の形態１にかかる熱処理工程で用いる油槽の概略図である。 実施の形態１にかかる熱処理工程におけるワークの流れを説明する図である。 実施の形態１にかかる熱処理工程を説明するタイミングチャートである。 実施の形態１にかかる熱処理工程を説明するフローチャートである。 比較例にかかる熱処理工程を説明するフローチャートである。 実施の形態１にかかる熱処理工程における焼戻し処理に要する時間を説明するグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、図１に実施の形態１にかかる熱処理工程で用いる油槽の概略図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる熱処理工程で用いる油槽は、熱処理油が蓄えられる油槽１１と予備室１０とが一体に形成される。予備室１０は、油槽１１上において油槽１１と連通するように設けられる。また、実施の形態１にかかる熱処理工程で用いる油槽は、撹拌機１２、昇降機１３、コンベア１４、吸気経路１５ａ、排気経路１６ａ、熱電対１７、ヒータ１８ａ〜１８ｃ、扉１９ａ、１９ｂを有する。

撹拌機１２は、油槽１１内の熱処理油を撹拌する。昇降機１３は、コンベア１４を予備室１０と油槽１１との間で昇降させる。コンベア１４は、ワーク２０を搬送する。このワーク２０は、複数の部品が１つの荷として運ばれる荷姿となっているものである。吸気経路１５ａは、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴンなど）を予備室１０に充填するための経路である。吸気経路１５ａにはバルブ１５ｂが設けられており、このバルブ１５ｂにより吸気経路１５ａの開閉が行われる。排気経路１６ａは、吸気経路１５ａから予備室１０に不活性ガスが充填されるときにそれまであった大気を予備室１０に排出するための経路である。排気経路１６ａには、バルブ１６ｂが設けられており、このバルブ１６ｂにより排気経路１６ａの開閉が行われる。

熱電対１７は、油槽１１の熱処理油の温度を計測する。ヒータ１８ａ〜１８ｃは、油槽１１の熱処理油を加熱する。扉１９ａ、１９ｂは、ワーク２０の搬入及び搬出の経路となる搬送口に対して設けられるものであり、予備室１０を密閉状態とする。

続いて、実施の形態１にかかる熱処理方法で用いられる熱処理装置の全体像と、熱処理工程におけるワーク２０の移動経路について説明する。そこで、図２に実施の形態１にかかる熱処理工程におけるワークの流れを説明する図を示す。図２では、矢印にてワークの移動経路を示した。

図２に示すように、実施の形態１にかかる熱処理装置は、浸炭室１、第１の油槽（例えば、焼入れ油槽２）、第２の油槽（例えば、焼戻し油槽３）を有する。図１に示した油槽は、焼入れ油槽２及び焼戻し油槽３として用いられる。浸炭室１は、鋼部材を金属組織がオーステナイト組織になるまで加熱する浸炭処理を行う加熱装置である。焼入れ油槽２は、浸炭室１と連通するように設けられる。そして、浸炭処理が完了したワーク２０は、浸炭室１から焼入れ油槽２へ搬送される。このワーク２０の搬送にはコンベア１４が用いられる。

続いて、焼入れ油槽２の予備室１０に搬送されたワーク２０を焼入れ油槽２の油槽１１に浸すことで、焼入れ処理が行われる。そして、焼入れ処理が完了したワーク２０は、コンベア１４及び駆動ローラー３０により焼戻し油槽３の予備室１０に搬送される。焼戻し油槽３の予備室１０に搬送されたワーク２０は、焼戻し油槽３の油槽１１に蓄えられた熱処理油に浸されることで焼戻し処理が施される。そして、焼戻し処理完了後にワーク２０は、後工程に移送される。

ここで、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼入れ油槽２の熱処理油と、焼戻し油槽３の熱処理油として、互いの油が混合されたとしても問題のない油種を用いる。理想的には、焼入れ油槽２と焼戻し油槽３とで同一の油種を用いることが好ましい。熱処理油は、油に添加される添加剤の濃度、種類等により異なる品番となることがあるが、以下の説明では、互いの油が混合されたとしても問題のない油種について同一油種と称する。

また、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼戻し油槽３の熱処理油を焼入れ油槽２の熱処理油よりも高い温度に設定する。この焼戻し油槽３の熱処理油の温度は、油の酸化が進みやすくなる１７０℃程度から油の発火を確実に回避できる２００℃程度の範囲で設定することが好ましい。

続いて、実施の形態１にかかる熱処理工程をタイミングチャートを用いてより詳細に説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる熱処理工程を説明するタイミングチャートを示す。図３では、縦軸にワーク２０の温度、横軸に時間をとった。

図３に示すように、実施の形態１にかかる熱処理工程では、まず、鋼の金属組織がオーステナイト組織となるオーステナイト領域の範囲内の温度で一定時間加熱する浸炭処理を期間ＴＭ１で行う。その後、ワーク２０を焼入れ油槽２の熱処理油に浸すことで、ワーク２０の温度を１３０℃程度まで冷却する焼入れ処理を期間ＴＭ２で行う。この焼入れ処理では、鋼部材の金属組織をマルテンサイト変態させる。その後、空冷処理を期間ＴＭ３で行うことで、マルテンサイト変態させる金属組織を増加させる。この空冷処理は、図２の説明では図示を省略した焼入れ油槽２と焼戻し油槽３との間に設けられる空冷室で行われる。

その後、ワーク２０を焼戻し油槽３の油槽１１に入れて鋼部材を焼戻す焼戻し処理を期間ＴＭ４において行う。この焼戻し処理では、ワークを焼戻し油槽３の予備室１０に収容した後に予備室１０に窒素パージを行い、予備室１０に窒素ガスが充填された状態とした後に、ワーク２０を焼戻し油槽３の油槽１１に浸す。そして、ワーク２０が焼戻し油槽３の熱処理油に浸されている状態で熱処理油を強めに撹拌する。また、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼戻し処理における熱処理油の温度を１８５℃程度とする。そして、焼戻し処理終了後は、期間ＴＭ５で焼戻し油の洗浄を行う。

ここで、焼戻し処理における撹拌強度について説明する。撹拌強度は、撹拌機１２の回転周波数に相当するものである。焼戻し処理において、撹拌強度が弱い場合、ワーク２０にヒータ１８ａ〜１８ｃで加熱された熱処理油が、ワーク２０を構成する部材の間に十分に行き渡らずにワーク２０の温度が想定された温度まで上昇しないことが実験により確認されている。これは、ワーク２０が複数の部品が１つの荷となった荷姿の状態であるため、部品間の狭い隙間に加熱された熱処理油が行き渡りにくいことに起因する。実施の形態１にかかる熱処理工程では、熱処理油の温度を油の酸化の影響が少ない１５０℃程度とした場合に比べて３倍程度の撹拌強度で熱処理油を撹拌しながら焼戻し処理を行うことが好ましい。

続いて、図４及び図５を用いて熱処理工程における油槽間での熱処理油の増減及び焼戻し時間について説明する。図４は、実施の形態１にかかる熱処理工程を説明するフローチャートである。図５は、比較例にかかる熱処理工程を説明するフローチャートである。この比較例は、第１の油槽と第２の油槽とで異なる油種の熱処理油を用い、かつ、焼戻し処理を熱処理油の酸化の影響が小さい１５０℃程度に設定したものである。

図４に示すように、実施の形態１にかかる熱処理工程では、まず、ワーク２０の温度を９５０℃程度にする浸炭処理を行う（ステップＳ１）。次いで、ワーク２０を浸炭室１から焼入れ油槽２に移送して、熱処理油の温度を１３０℃程度に設定してワーク２０に対する浸炭油焼入れ処理を行う（ステップＳ２）。次いで、ワーク２０を焼入れ油槽２から焼戻し油槽３に移送して、熱処理油の温度を１８５℃程度に設定してワーク２０に対する油浸漬焼戻し処理を行う（ステップＳ３）。このステップＳ２からステップＳ３の間のワーク２０の移送により、ワーク２０に付着して２００ｍｌ程度の熱処理油が焼入れ油槽２から焼戻し油槽３に移る。また、ステップＳ３の焼戻し処理は、熱処理油の昇温処理を除いた正味の加熱時間が５分程度となるように実施する。次いで、ワーク２０を焼戻し油槽３から引き上げて、焼戻し油を洗浄する（ステップＳ４）。このステップＳ４では、ワーク２０に付着した焼戻し油槽３の熱処理油が８５ｍｌ程度廃棄される。なお、焼戻し油槽３では、ワーク２０の投入及び引き上げの処理により油量が増加するが、増加した油は更液時になくなる。

図５に示すように、比較例にかかる熱処理工程では、まず、ワーク２０の温度を９５０℃程度にする浸炭処理を行う（ステップＳ１１）。次いで、ワーク２０を浸炭室１から焼入れ油槽２に移送し、熱処理油の温度を１３０℃程度に設定してワーク２０に対する浸炭油焼入れ処理を行う（ステップＳ１２）。次いで、比較例にかかる熱処理工程では、ワーク２０を焼入れ油槽２から引き上げて、焼入れ油を洗浄する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３では、ワーク２０に付着した焼入れ油槽２の熱処理油が２００ｍｌ程度廃棄される。次いで、ワーク２０を焼戻し油槽３に移送して油浸漬焼戻し処理を、熱処理油の温度を１５０℃程度に設定して行う（ステップＳ１４）。このステップＳ１４の焼戻し処理は、熱処理油の昇温処理を除いた正味の加熱時間が６０分程度となるように実施する。次いで、ワーク２０を焼戻し油槽３から引き上げて、焼戻し油を洗浄する（ステップＳ１５）。このステップＳ４では、ワーク２０に付着した焼戻し油槽３の熱処理油が１３０ｍｌ程度廃棄される。

図４及び図５の説明より、実施の形態１にかかる熱処理工程では、廃棄される熱処理油が８５ｍｌ程度であるのに対して、比較例にかかる熱処理工程では、廃棄される熱処理油が３３０ｍｌ程度である。この廃棄される油の量の差は２つの理由によって生じる。第１の理由は、比較例にかかる熱処理工程では、２つの油槽で異なる油種を利用しているため、油槽間で油の混合が生じると油の汚染が進むため、ワーク２０を油槽間で移送する場合には一度油を洗浄する必要があるためである。つまり、実施の形態１にかかる熱処理工程では、２つの油槽間で利用している油が同一油種であるため、油槽間で油が混ざり合っても問題ないため、比較例にかかる熱処理工程のステップＳ１３の洗浄処理が必要なく廃棄油が少なくなる。第２の理由は、焼戻し処理における熱処理油の温度が実施の形態１にかかる熱処理工程の方が高いため、実施の形態１にかかる熱処理工程では焼戻し処理時の熱処理油の粘度が低下することに起因するものである。つまり、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼戻し処理時の熱処理油の粘度が低いため、焼戻し処理後のワーク２０の引き上げで持ち出される油の量が比較例にかかる熱処理工程よりも少なくなる。

また、実施の形態１にかかる熱処理工程の焼戻し処理に要する時間は、比較例にかかる熱処理工程で焼戻し処理に要する時間よりも短い。この時間差を図６を用いて説明する。図６は、実施の形態１にかかる熱処理工程における焼戻し処理に要する時間を説明するグラフである。焼入れ処理は、鋼部材の表面硬度を高める処理であるが、この表面硬度は焼入れ処理の対象部品毎に規格値が決められている。図６に示す例では、焼戻し処理時の熱処理油の温度が１５０℃である場合に予め決定した規格値を満たす表面硬度を実現するためには６０分程度の時間を要する。一方、焼戻し処理時の熱処理油の温度が１８０℃である場合に予め決定した規格値を満たす表面硬度を実現するためには５分程度の時間を要する。図６に示すように、焼戻し処理の温度を高く設定すると鋼部材の表面硬度の低下が早く進む。

表面硬度、焼戻し温度及び焼戻し時間の関係は、（１）式によって求めることができる。
Ｍ＝（Ｔ＋２７３．１５）（（２１．３−５．８×Ｃ［％］）＋ｌｏｇ ｔ）・・・（１）
ここでＭは焼戻しパラメータ、Ｔは焼戻し温度、ｔは焼戻し保持時間、Ｃは材料の炭素濃度である。この（１）式に、焼戻し条件として、Ｔ＝１５０℃、ｔ＝３６００秒、Ｃ＝０．８％を代入するとＭは７００５．８となる。そして、Ｔ＝１７０℃とした場合にＭ＝７００５．８となるｔを算出すると１０．７分、Ｔ＝１８０℃とした場合にＭ＝７００５．８となるｔを算出すると４．８分となる。つまり、焼戻し処理で用いる熱処理油の温度を１８０℃とすることで、焼戻し時間を６０分から５分に短縮することができる。

上記説明より、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼入れ処理を行う焼入れ油槽２と、焼戻し処理を行う焼戻し油槽３とを個別に設けることで、焼入れ処理、焼戻し処理及び２つの処理間で必要になる空冷処理とを並列して実施することができる。これにより、実施の形態１にかかる熱処理工程では、工程の生産効率を高めることができる。

また、実施の形態１にかかる熱処理工程では、上述の通り、焼戻し温度が高く、焼戻し処理で用いる熱処理油が拡販やワーク２０の浸漬により酸化劣化し易い。そのため、焼戻し油槽３の予備室１０を不活性ガスで充填した後に、熱処理油を強撹拌すると共に、ワーク２０を浸漬させ、焼戻し処理を実施する。これにより、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼戻し処理で利用する熱処理油の温度を酸化の影響が大きくなる温度まで高めて焼戻し処理の時間を短縮しながら、熱処理油の酸化を防止することができる。つまり、熱処理油は酸化が進むと入れ替えが必要なり工程の効率を低下させるが、実施の形態１にかかる熱処理工程では熱処理油の酸化が極めてゆっくり進むため、工程の効率を高めることができる。

また、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼入れ油槽２と焼戻し油槽３に同一油種の熱処理油を採用する。これにより、ワーク２０を焼入れ油槽２から焼戻し油槽３に移送する際の油洗浄処理と油洗浄により発生する廃棄油の発生とを削減することができる。

また、実施の形態１にかかる熱処理工程では、焼戻し処理を温度の高い熱処理油によって行う。これにより、熱処理油の粘度が低下するため、焼戻し処理後の油洗浄工程を簡略化することができる。例えば、焼戻し処理を１５０℃程度の熱処理油を用いて実施した場合、洗浄工程では湯洗浄シャワー、ディッピングアルカリ洗浄及びシャワー、リンスシャワー、液きりブローの４つの工程を含む。しかし、実施の形態１にかかる熱処理工程では、洗浄工程は湯洗浄シャワー及び液きりブローを行うのみで良い。具体的な洗浄工程の時間で比較すると、比較例にかかる熱処理工程では４０分を要するところ、実施の形態１にかかる熱処理工程では１０分程度で洗浄が完了する。

上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１ 浸炭室
２ 焼入れ油槽
３ 焼戻し油槽
１０ 予備室
１１ 油槽
１２ 撹拌機
１３ 昇降機
１４ コンベア
１５ａ 吸気経路
１５ｂ バルブ
１６ａ 排気経路
１６ｂ バルブ
１７ 熱電対
１８ ヒータ
１９ 扉
２０ ワーク
３０ 駆動ローラー

Claims (3)

1. 熱処理油を用いて焼入れ処理と焼戻し処理とを行う鋼部材の熱処理方法であって、
   浸炭処理後の鋼部材を第１の油槽に浸漬させて焼入れ処理を行うステップと、
   前記焼入れ処理後の前記鋼部材を、前記第１の油槽よりも高温の第２の油槽の上に前記第２の油槽に連通するように設けられた予備室に収容するステップと、
   前記予備室に前記鋼部材が収容された状態で前記予備室の雰囲気を不活性ガスに置換するステップと、
   前記予備室に前記不活性ガスが充填された状態で、前記第２の油槽内を撹拌すると共に、前記鋼部材を前記第２の油槽に浸漬させて焼き戻し処理を行うステップと、
   を有する鋼部材の熱処理方法。
2. 前記第２の油槽に蓄えられる熱処理油の温度は、１７０℃から２００℃の範囲である請求項１に記載の鋼部材の熱処理方法。
3. 前記第２の油槽に蓄えられる熱処理油は、前記第１の油槽に蓄えられる熱処理油と同一種である請求項１又は２に記載の鋼部材の熱処理方法。

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